（信号与信息处理专业论文）快变信道wcdma系统中的多用户检测算法研究.pdf

摘要 w c d m a 是欧洲e t s i ( 欧洲3 g 标准化组织) 提出的建立在窄带c d m a 基础之上的 宽带c d m a 技术。c d m a 是干扰受限系统，故它的容量和性能都受到多址干扰的限制， 而多用户检测算法可以大幅度地降低多址干扰，从整体上来降低各个用户的误码性能， 因此在w c d m a 系统中采用多用户检测算法，可以有效的提高系统的性能。 针对w c d m a 系统中现有的m m s e 自适应多用户检测算法存在需要训练序列、不 能适应快衰落信道的特点，本文根据w c d m a 系统中特有的二级扩频体制的特点，提 出基于差分最小均方误差( d m m s e ) 准则的归一化最小均方( n l m s ) 自适应多用户 检测算法。该算法基于快衰落信道中相邻两个符号周期内信道变化很小的假设，根据相 邻接收符号幅度变化的比率变化自适应调整横向滤波器的权系数，在抑制多址干扰的同 时，可避免使用训练序列跟踪信道状态信息，同时无需知道其它用户的扩频码信息。仿 真实验表明，该算法在不增加系统复杂性的同时，比现有自适应m m s e 算法的性能略 有提高。 另外，本文搭建的仿真平台经过简单的修改同样也适用于w c d m a 系统的其它技 术的仿真，如w c d m a 下行链路的仿真、编码设计、功率控制、智能天线等对系统性 能改善的技术，故对后续的研究具有重要的参考价值。 关键词：宽带码分多址；多用户检测；差分最小均方误差；循环平稳；快变信道； a b s t r a c t b r o u g h t f o r w a r db y e u r o p ee t s i ( t h et h i r d g e n e r a t i o no fe u r o p e s t a n d a r d i z e s o r g a n i z a t i o n ) ，w c d m a i sa l s oa t e c h n o l o g yo fb r o a d b a n dc d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) w h i c h i sb a s i c a l l yb u i l ta b o v ec d m ao fn a r r o w b a n d s i n c ec d m ac o m m u n i c a t i o n s s y s t e m sa r ei n t e r f e r e n c el i m i t a t i o ns y s t e m s ，i t sc a p a c i t i e sa n dp e r f o r m a n c e sa r er e s t r i c t e db y m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ，w h i l em u l t i - u s e rd e t e c t i o na l g o r i t h mc a l lg r e a t l yr e d u c et h e m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ，w h i c hc a l lr e d u c ee a c hu s e r se r r o rp e r f o r m a n c ea saw h o l e t h e r e f o r e ，a d o p t i n gt h ea l g o r i t h mo fm u l t i - u s e rd e t e c t i o ni nw c d m as y s t e mc a ne f f e c t i v e l y i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m a se x i s t i n gb l i n da d a p t i v ea l g o r i t h m sn e e dt r a i n i n gb i t sa n da r eu n s u i t e dt of a s tf a d i n g c h a n n e li nw c d m a s y s t e m s ，t h en l m sa d a p t i v em u l t i u s e ra l g o r i t h mb a s e do nd i f f e r e n t i a l m m s e ( d m m s e ) c r i t e r i o ni sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h et y p i c a lc h a r a c t e r i s t i c o ft w o - l a y e r e ds p r e a d i n gm o d u l a t i o ni nt h ew c d m as y s t e m s ，t h ep r o p o s e dd m m s e c r i t e r i o ns o l v e st h i sp r o b l e mb yt r a c k i n gt h er a t i oo fs u c c e s s i v es y m b o l s ，t h u sa v o i d i n gt h e t a s ko fo b t a i n i n go v s fo fo t h e ru s e r sa n dt r a c k i n gr a p i d l yv a r y i n gf a d i n gg a i n s ，w h i c hi s b a s e do nt h ea s s u m p t i o nt h a ts u c c e s s i v es y m b o l sa r ec h a n g i n gs m a l li nf a s tf a d i n g t h e s i m u l a t i o nr e s u l t si l l u s t r a t et h e d m m s e n l m sd e c r e a s e dt h e b i te r r o rr a t ew i t h o u t i n c r e a s i n gt h ec o m p l e x i t yo fs y s t e m t h es i m u l a t i n gp l a t f o r mt h ep a p e rd e s i g n e dc a nb ea l s oa p p l i e dt ot h eo t h e rs i m u l a t i o n s o fw c d m a s y s t e mb ys i n g l em o d i f i e s ，s u c ha st h ed o w n l i n kw c d m as i m u l a t i o n ，i n t e l l i g e n t a n t e n n a , c o d ed e s i g n ，p o w e rc o n t r o la n ds oo l l ，w h i c hi m p r o v es y s t e mf u n c t i o na n dh a v e i m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u et ol a t t e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：w c d m a ；m u l t i u s e rd e t e c t i o n ；d i f f e r e c em i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ； c y e l o s t a t i o n a r y ；f a s tf a d i n gc h a n n e l ； 长安大学硕+ 学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 1 1 1 研究背景 随着社会的发展，人们对通信业务种类和数量的需求急剧增加。于是，一种能够提 供全球漫游，支持多媒体业务且有足够容量的第三代移动通信系统应运而生。第三代移 动通信系统( 3 g ) 系统也叫“未来公共陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，后由国际电 信联盟( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ，i t u ) 正式命名为i m t - 2 0 0 0 ，即第三代移 动通信系统是工作在2 0 0 0 m h z 频段，并于2 0 0 0 年左右投入商用的。第三代移动通信系 统以全球通用、系统综合作为基本出发点，试图完成全球范围内多个不同系统之间的漫 游，从而实现人类能够在任何地方、任何时间、与任何人进行个人通信的美好理想。 w c d m a 、t ds c d m a 与c d m a 2 0 0 0 是目前已被国际电联接受的三种3 g 标准。3 g 系 统以c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 作为其技术基础，主要源于c d m a 系统 具有系统容量大、频率规划简单、抗多径能力强、频率复用系数高、软容量、软切换、 通信质量好等优势。 3 g 系统为人们展示了相当美好的通信前景，但政府和研究人员对于多个国家迟迟 未发牌照以及当前的初步运营状况所表现出来的业务不完善、技术不成熟等诸多问题产 生了忧虑，故为了改善现在3 g 系统存在的缺陷，采用新技术取代落后技术这一必然结 论无需动摇，人们仍然对先进的3 g 的新技术以及展示出的新业务充满了迫切的期待n 1 。 反思3 g 系统的尴尬状态，在技术上表现为对关键技术的解决和研究仍然需要改进。对 于3 g 系统所面临的主要问题，各国专家学者进行了广泛而深入的研究和探索，发展并 创新了许多关键技术，有些技术已经被3 g 系统采用，有的技术还在进一步的研究之中。 w c d m a 系统关键技术包括有多址技术、智能天线技术、功率控制技术、高效信道编译 码技术、切换技术及多用户检澳：j ( m u l t i p l eu s e rd e t e c t i o n ，m u d ) 技术，用于提高系统的 容量和性能瞳3 。其中高效信道编译码技术、多址技术及多用户检测技术与本文研究内容 密切相关，其它技术此处不再赘述。 ( 1 ) 高效信道编译码技术 通过采用扩频技术不仅可以克服多径衰落，更能提供高质壤的传输信道，但却存在 频谱效率低的缺点，因此为了进一步改善通信的质量，3 g 系统必须采用信道编码技术。 第一章绪论 目前主要采用前向信道纠错编码和交织技术来克服衰落效应。编码和交织都极大地依赖 于信道的特征和业务的需求，不同的编码和交织技术不仅可以应用于业务信道和控制信 道，而且对于同一信道的不同业务也可以采用。 ( 2 ) 多址技术 由于3 g 系统采用的是码分多址技术，因此对扩频码的选择也就显得非常重要。在 i s 9 5 系统中选择采用6 4 位w a l s h 扩频码，它使得前向信道的性能得到保证，但相反信 道的性能还不尽如人意。目前，各国学者对正交扩频因子码( o v s f ) 进行了广泛深入的研 究，旨在彻底解决其生成方法、可用数目和复用等问题： ( 3 ) 多用户检测技术 在传统的c d m a 系统中，各个用户的接收机是相互独立进行的。在多径衰落环境 下，由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交，因而造成多个用户之间的相互 干扰，限制了系统容量的提高，解决此问题的一个有效方法是使用多用户检测技术。通 过测量各个用户扩频码之间的非正交性，用矩阵求逆方法或迭代方法消除多用户之间的 相互干扰。在3 g 系统中的多址技术的研究包括c d m a 系统中的地址码和各种多址协议。 c d m a 是白干扰系统，用户数增多会造成噪声功率的上升，故多址干扰( m u l t i p l ea c c e s s i n t e r f e r e n c e ，m a i ) 限制了它的容量和性能。接收机的设计能够有效的抑制多用户干扰， 就可以显著的提高系统的容量和性能。各个用户所用的扩频码在多径衰落环境下通常难 以保持正交，因而造成多个用户间的相互干扰并限制系统容量的提高。传统的c d m a 接收机将多用户干扰作为加性噪声处理，将匹配滤波器的输出直接送到判决设备中得到 各用户的检测信号，这是一种消极的处理方法。由于多址干扰不同于白噪声，即多址干 扰不是随机的，而是具有一定的结构特性，完全有可能利用这些伪随机序列的已知结构 信息和统计信息，如相关性，来进一步消除这些干扰所带来的负面影响，以达到提高系 统性能的目的。多用户检测是一种从接收机端的设计入手的干扰抑制方法，他要解决的 基本问题是：如何从相互干扰的数字信息串中可靠地解调出某个特定用户的信号b 1 。基 本思想是把所有用户的信号都当做有用信号，这样就可以充分利用各用户信号的用户 码、延迟、幅度和定时等信息，从而大幅度地降低多址多径干扰，从整体上降低各个用 户的误码性能h 1 1 1 2 研究意义 c d m a 系统是一个多输入多输出( m i m o ) 的系统，传统的单入单出( s i s o ) 检测方式 2 长安大学硕： 学位论文 认为，大量叠加在一起的干扰用户信号可以看做多个独立随机变量的累积，因此只要用 户数目充分多，根据中心极限定理，多址干扰基本服从高斯分布。因此，经典检测算法 将多径衰落干扰与多址干扰的伪随机码信号看做等效白噪声的无用信号来处理，这是一 种消极的处理方法。实际上，不论是多径衰落干扰还是多址干扰，其本质上并不是纯粹 无用的白噪声，而是具有强烈结构性的伪随机序列信号，而且各用户间与各条路径间的 相关函数都是已知的。因此从理论上看，完全有可能利用这些伪随机序列的已知结构信 息和统计信息，如相关性，来进一步消除这些干扰所带来的负面影响，以达到提高系统 性能的目的。 多用户检测是一种从接收机端的设计入手的干扰抑制方法，他要解决的基本问题 是：如何从相互干扰的数字信息串中可靠的解调出某个特定用户的信号。基本思想是把 所有用户的信号都当做有用信号，这样就可以充分利用各用户信号的用户码、幅度、定 时和延迟等信息，从而大幅度地降低多径多址干扰。近年来各种多用户检测算法不断涌 现，而多用户检测技术能否应用到实际中主要取决于算法的复杂度及所使用的器件。 誊 采用多用户检测技术可以有效的解决远近效应问题、降低系统对功率控制的要求， 因此可以有效的利用频谱资源，显著增加系统容量陆1 。w c d m a 系统中采用多用户检测 技术的优点主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 提高系统的容量，增加用户数。用户数的增加意味着更高的频谱效率。 ( 2 ) 降低用户设备( u e ) 的发射功率，提高u e 的待机及通话时间，另外一方面，降低了密 射频部分的成本及故障率。 ( 3 ) 减小射频辐射对用户心理和生理的影响。 ( 4 ) 增加通信距离，增大基站的覆盖面积，降低了基站的综合成本哺1 。 1 2 多用户检测研究现状 码分多址蜂窝移动通信系统的主要干扰类型包括：加性高斯白噪声、多径衰落干扰 和多址干扰。当小区扇区中同时通信的用户数较多时，在以上3 类干扰中，多址干扰 是最主要的干扰，其次是多径衰落干扰，而加性高斯白噪声干扰影响最小。 多用户检测的概念是在1 9 7 9 年被k s c h n e i d e r 首次提出。经过2 0 多年的发展，特 别是在1 9 8 6 年由v e r d u 提出的最佳多用户检测算法口3 使得多用户检测技术成为无线通信 领域最重要的学术研究热点之一，第三代移动通信系统也看好这一技术，将它列为最有 前景的增强型技术之一，并希望在第三代第二期中得以实际应用。多用户检测的定义： 3 第一章绪论 r _ 单用户m m s e 检测器 厂盲自适应检测 l u 多用户m m s e 检测器 厂自适应型 4 ，最大可能相 差8 0 d b ) 。在同步c d m a 系统中，只要接收机的工作时线性的，这种接收功率的不同 不会造成任何影响，因为不同用户的扩频波形之间是严格正交的，这使得期望用户七的 信号同扩频波形的相关为a k b k s ；( t ) = 4 瓯，而它与干扰用户信号的相关a k b l s , ( t ) s k ( t ) = o ， 第三章w c d m a 二级扩频机制的统计特性分析 i k 。 然而，在非同步c d m a 系统中，上述接收功率的不同有可能产生严重的影响。这 是因为不同用户的非同步扩频波形不再是严格正交的，从而使得期望用户信号与其不同 步的扩频波形之间的相关输出a k b t s k ( t ) s k ( t - r 。) 有可能比干扰用户与s k ( t - r k ) 之间的相 关输出4 b , s , ( t ) s k ( t - r 。) 小得多。要是有多个不感兴趣的用户离基站都很近，这些用户的 接收信号就会对期望用户k 构成较严重的多址干扰显而易见，多址干扰会妨碍其它上行 信号在基站的正确接收。 3 1 2 循环平稳性 统计特性随时间变化的随机过程统称为非平稳过程。非平稳过程中有一个重要的子 类：它们的非平稳性表现为周期平稳性。通信信号常用待传输信号对周期性信号的某个 参数进行调制，例如对正弦载波进行调幅、调幅和调相，以及对周期性脉冲进行脉冲、 脉宽和脉位的调制，都会产生具有周期平稳性的信号；信号的编码也具有周期平稳性质。 此外，对接收的通信波形进行过采样( 也称分数采样) ，也会在接收信号中产生周期平 稳性。因此周期平稳性是通信信号的一个十分重要的特征。统计特性呈周期或多周期( 各 周期不能相约) 平稳变化的过程通常称为循环平稳或周期平稳( c s ：c y c l o s t a t i o n a r y ) 过程。 周期平稳性是指信号的统计特性随时间周期性的变化，也称为循环平稳性，是一种 特殊的时变信号。在通信、声纳、遥测和雷达系统中，存在大量的人工信号由于信号产 生机理的特点而表现为循环平稳性。如雷达天线作周期性的扫描使回波信号呈现出循环 平稳性。除了人工信号外，由于地球自转和公转的周期性，一些具有昼夜或季节性规律 变化的自然界信号( 如水文数据、气象数据、海洋信号和天文信号等) 都是典型的循环 平稳信号。心电图等人体信号也具有循环平稳性。 通信系统中的干扰信号的循环频率往往与期望信号不同，而噪声的统计特性通常是 非时变的。研究循坏平稳信号的目的就在于利用上述特征提出具体的模型将期望信号从 噪声和干扰中较好的分离出来，最大程度地抑制噪声。 对于c d m a 信号来说，信息数据经过扩频序列后形成的发射信号也是周期平稳信 号。扩频序列正好对信息数据作周期性调制。这种调制是信息数据为+ 1 ，扩频编码极性 不变；信息数据为1 ，扩频编码倒相。我们会发现信息数据在不断的变化，然而不论信 息数据为+ l 或是1 ，所有信息数据对应的扩频序列不变。也就是说经过扩频处理的 2 2 长安大学硕上学位论文 c d m a 信号循环平稳周期为扩频序列的扩频因子。正是由于c d m a 信号的循环平稳特 性，使得相邻符号的相关性最强。多用户检测器利用相关性最强的信号来抑制多址干扰 会取得更好的效果。 工工工工工皿 iiililllii 109r7654321 r - q 一级扩频码 图3 1c o m a 系统循环平稳周期示意图 如图3 1 所示，口表示c d m a 系统的扩频码，假设其扩频因子为6 ，相邻的比特之间 对应的扩频码是相同的，则多址干扰的循环平稳周期刚好等于扩频因子6 ，尽管不同用 户的扩频码不同且存在时延，但由于不同用户的扩频码周期相同，这样同一用户相邻两 符号受到的多址干扰呈现循环平稳特性。 3 2 二级扩频机制的循环平稳性 3 2 1w c d m a 系统的二级扩频机制 c l ( t )b i 图3 2w c i ) m a 上行链路扩频调制示意图 w c d m a 上行链路专用物理信道( u p l i n kd p c h s ) 有两种类型：专用物理数据信道 第三章w c d m a 二级扩频机制的统计特性分析 ( d p d c h ) 和专用物理控制信道( d p c c h ) 。上行链路d p d c h 用来传送来自高层的用 户信息。在给定的时刻，一条无线链路可能没有上行链路d p d c h ，或者可能有一条或 者多条d p d c h ，扩频因子在4 2 5 6 范围内选择，由于采用不同的扩频因子，每条链路 具有不同的比特速率。例如，一条d p d c h 的数据速率可能为1 5 、3 0 、6 0 、1 2 0 、2 4 0 、 4 8 0 或者9 6 0 k b i t s ，对应的扩频因子为2 5 6 、1 2 8 、6 4 、3 2 、1 6 、8 和4 。 物理信道组帧后要进行扩频和加扰两步操作。扩频是用c ，( ，) 和c o ( t ) 分别对数据信 道和控制信道进行信道化编码陋钔，扩频码选用o v s f 码以保证同一用户不同物理信道之 间的正交性，o v s f 码的扩频因子在4 到2 5 6 之间选择。加扰操作是用一个伪随机序列 与扩频后的序列相乘，用以区别上行链路中不同的用户，还对信号起到加密的作用。第 一级扩频后的信号分别乘以权重因子j e l ，和如后组成复信号序列喀( f ) ，然后乘以复扰 码墨 ) 。为了在接收端采用基于码片速率的多用户检测技术，扰码选用周期为2 5 6 的 s ( 2 ) 短扰码瞳5 l 。 假设信道为快衰落锐利信道，共有k 个用户，则基站端的接收信号为： r ” ，( ，) = d k ( t - r 。) 文。一- g 尸且一f 。) + 刀( f ) ( 3 4 ) d k ( t ) = f k ( i ) f l ，b l ，t ( ，) q ，。o 一，乃) + 邝9 ，。( f ) c o jo f ) 】 ( 3 5 ) 其中：喀( f ) 为用户k 一级扩频后输出的信号波形。e ( f ) 为用户k 第f 个符号的信道 复增益，服从高斯分布；6 ，。( f ) 、吃。( f ) 分别为用户七数据信道( 1 支路) 和控制信道( q 支路) 的第i 个符号；q 。( f ) 、c q 。( f ) 分别为用户k 的数据信道和控制信道扩频波形， 宽度分别为乃和t ，乃的周期对应g 个码片，g 为扩频因子；s 。( f ) 为用户k 的扰码， 扰码周期为互，对应p = 2 5 6 个码片；b j 表示下取整运算，i k 是用户k 相对于用户1 的异步时延；”( f ) 为加性高斯白噪声。 3 2 2 二级扩频机制的循环平稳性 在w c d m a 系统中对信息除了进行扩频外，发射机的另外一个任务就是进行扰码。 扰码的目的是用来区分终端或基站。扰码在信息被传送之前进行，因此它不会改变信号 2 4 长安大学硕士学位论文 的带宽，它只是使得来自不同信源的信号能被区分开。进行扰码后，如果实际扩频中几 个发射机用相同的码是没有关系的。图3 3 给出了信道中的扩频的码片速率和扰码码片速 率的关系。由于传输中的码片速率通过信道编码己达到，因此符号速率是不受扰码影响 的。扰码器将输入数据序列映射到另一个不同的序列，在输入为周期性的情况下，通常 使得输出的周期是输入周期的整数倍。 信 一级扩频码二级扩频码 图3 3 扩频与扰码关系 在不采用扰码的情况下，不同用户之间的多址干扰的循环平稳周期刚好等于扩频因 子，横向滤波器中的移位寄存器个数等于扩频因子，这样每次输入到横向滤波器的g 个 码片正好对应一个符号，这就保证同一用户相邻两符号对应的扩频序列是相同的，尽管 不同用户的扩频码不同且存在时延，但由于不同用户的扩频码周期相同，这样同一用户 相邻两符号受到的多址干扰呈现循环平稳特性。 然而由于w c d m a 系统中扰码的介入，更为重要的是，扰码周期不等于扩频因子， 使得多址干扰的循环平稳周期变为扩频因子和扰码周期的最小公倍数，通常扰码周期总 是大于扩频因子且是扩频因子的整数倍。定义综合扩频序列为o v s f 码和s ( 2 ) 短扰码按位 相乘后的序列，每次输入一符号信息( 对应g 个码片) ，同一用户相邻两符号对应的综合 扩频序列是不同的，多址干扰就不能保证循环平稳。 匿至圣图受覆夏三虱瓜受雹显覆至茎圆 口 丁丁工工工工工 口口 皿 liiililiiliiiilliliiiili 1 31 71 61 51 41 31 2l l1 098765432l 口一级扩频码 二级扩频码 图3 4w c d m a 系统的循环平稳周期示意图 第三章w c d i , t a 二级扩频机制的统计特性分析 例如在图3 4 中，口表示o v s f 码，扩频因子为3 2 ，对应一个比特。 匪薹薹互匝瑟吻表示扰码，周期为2 5 6 码片，对应8 个比特。可以看出比特l 和 比特9 对应的o v s f 码和扰码的前3 2 位均相同，这样比特1 和比特9 所对应的o v s f 码和扰码是一样的，比特1 与比特9 的相关性最强，则图3 3 所示的综合扩频序列的周 期为2 5 6 个码片，多址干扰的循环平稳周期也为2 5 6 个码片。 推广到一般情况，若w c d m a 系统的一级扩频因子为g ，二级扩频码的周期为户， 通常扰码周期p 总是大于扩频因子g 且是扩频因子的整数倍。扩频因子g 和扰码周期 尸的最小公倍数为尸，则w c d m a 系统由于扰码的介入使得多址干扰的循环平稳周期变 为p o 对于w c d m a 系统独特的二级扩频机制，采用传统的多用户检测算法，会破坏其 循环平稳周期，造成接收性能的下降。故在w c d m a 系统中采用多用户检测算法时， 首先应该考虑多址干扰的循环平稳周期，依照该周期对传统的多用户检测算法做出改 进，避免因破坏循环平稳周期而造成性能下降。 3 3 本章小结 本章中主要针对w c d m a 系统的二级扩频机制进行了循环平稳性分析。文中简介 了典型的一级扩频机制的c d m a 系统，并对一级扩频机制的系统做出循环平稳性分析。 在此基础上，重点分析特殊的二级扩频机制的w c d m a 系统，并针对二级扩频机制的 特殊原理做出循环平稳性分析，对比两者的不同，提出观点：传统的多用户检测算法破 坏了w c d m a 系统的循环平稳周期，在w c d m a 系统中应用多用户检测技术应根据循 环平稳周期做出改进。 2 6 长安人学硕士学位论文 第四章d m m s e 多用户检测算法在w c d m a 系统中的应用 在本章中，主要的工作分为以下三点： 算法a算法b 基于d m m s e 准则的 多用户检测算法 问题：破坏循 环平稳周期 解决方法： 依据w c d m a 二级 扩频机制做出改进 基于循环平稳周期的 d m m s e 算法 问题：相邻接收符号的 算法c 信道衰落增益变化剧犁l 基于交织技术的快变 解决方法： 采用交织技术 信道多用户检测算法 图4 1 算法示意图 算法a ：本文将基于d m m s e 准则的自适应算法应用于w c d m a 系统，通过相邻 接收符号幅度变化的比率差值自适应调整横向滤波器的权系数，解决了现有的自适应 m m s e 多用户检测器需要使用训练序列、无法跟踪快衰落的问题。 算法b ：针对w c d m a 特有的二级扩频机制，本文对d m m s e 准则提出改进，并推 导出基于循环平稳周期的d m m s e 准则的自适应算法。 算法c ：在快衰落信道中，依据基于循环平稳周期的d m m s e 准则的自适应算法更 新符号的权系数时，存在信道变化差异较大的问题，本文提出对数据进行交织处理来解 决这一存在的问题。 4 1 基于d m m s e 准则的多用户检测算法( 算法a ) 4 1 1 解扰码 设检测目标为用户1 的数据信道，为此，对用户l 解扰后的输出为： ( f ) = r p ，( f ) g ( f _ k i g e 丘, 一f 1 ) 】 ( 4 1 ) 其中( ) + 表示对向量或矩阵取共轭，r d 】表示对复数取实部计算。 如图4 2 所示，解扰后的甜( f ) 以码片速率采样，得到离散序列砸刁后输入到由g 个 移位寄存器组成的横向滤波器中，并和滤波器的权系数向量w i 】做内积，得到滤波器的 输出y ( d 第四章d 删s e 多用户检测算法在w c d m a 系统中的心用 t c y 图4 2 横向滤波器的结构框图 公式表示为： 少g ) = w 币u 刁 ( 4 2 ) 其中 w 【刀= 【w 1 】w 2 】w 【g 盯 ( 4 3 ) u 弘咖川吼，“g 期r 4 1 2 基于d m m s e 准则的多用户检测算法 在基于m m s e 准则的自适应算法中，无论是l m s 还是r l s 算法，都难以适应快衰 落信道的要求。一方面，这些算法经过长时间的比特训练后，得到横向滤波器的权系数， 在之后的一段时间里根据当前符号的接收误差对权系数进行调整，显然不能适应快衰落 信道中下一符号增益的变化。另一方面，迭代算法的步长选择非常困难，若采用固定步 长，收敛速度较慢，若采用可变步长，计算复杂度增加，且鲁棒性难以保证。而差分 m m s e 准则可以有效地解决以上问题，尤其适应于快衰落信道。 即使在快衰落信道，相邻两个符号周期内( 在w c d m a 系统中，若传输速率为最 低的1 5 k 符号秒，两符号间隔时间为6 6 微秒) 的信道变化也不会很大，若出现接收幅 度的剧烈变化，其主要原因是由于多用户之间的多址干扰存在，而d m m s e 准则正是利 用这一特性，根据相邻接收符号幅度变化的比率变化差分自适应调整横向滤波器的权系 数，在抑制多址干扰的同时，避免使用训练序列跟踪信道，同时也不需要知道其它用户 的扩频码信息矧。 经过横向滤波器迭代检测后，输出的第f 个和第扣1 个符号检测量分别为心5 1 ( w 【f 】，u 【f 】) = wh 【j 】u 【j 】a 峨i i l b , i ( 4 5 ) ( w f - q ，u 【f 一1 】) = w 【f 一1 u i 一1 】啷【f 一1 b 。 i - 1 ( 4 6 ) 长安大学硕士学位论文 假设相邻两符号的观察间隔内的信道增益基本保持不变，即f j i 互【f l 】。由于在 d m m s e 中没有跟踪信道，所以在接收端的检测不可能完全消除信道的影响，从而存在 一个任意值的复系数a ，也就是说，若进行信道跟踪，在接收端就可以知道信道增益 e 【小这样就可以调整接收增益，使其口= l f 。 i ，完全消除信道增益对接收信号模值 的影响，不过，在d m m s e 中，这个不确定因素口并不影响检测性能。式( 4 5 ) 和式( 4 6 ) 相除，得到： 揣而aflilb,ilwi耥1 ( 4 7 ) (一1 】，u 【f 一1 】) 倪巧【，一1 】6 l f l 】岛【f 一】 、7 b i l ( w i - 1 ，u f 一1 】) 一岛 f l 】( w 【f 】，u 【f 】) o ( 4 8 ) 式( 4 7 ) 表示接收到的第卜1 个符号和第f 个符号幅度变化的比率，在一般采用调频 和调相的调制制式的通信系统中，即使在自适应调制情况下，相邻符号采用不同的调制 制式，但其调制后的符号模值是相同的，也就是说| 6 l 刚= i b m i - 1 】l ，若不考虑干扰和噪声 的情况下，式( 4 8 ) 应该始终为零。然而由于多址干扰的存在，式( 4 8 ) 不可能为零，但可 以利用多址干扰具有的循环平稳特性，自适应调整权系数w ，使得式( 4 8 ) 趋近于零。这 就是d m m s e 的优化准则的核心思想。 d m m s e 的优化准则的代价函数和约束条件为： a r g m i n 刊b k i 一1 ( w i l ，l l 【f 】) 一b k i 】( w i 一1 】，u i 一1 1 ) 2 ) 颦( 4 9 ) s t e 4 ( w 【f 】，u 吲2 】= w h r w = l ( 4 1 0 ) 其中( w 阮u f 】) = w 1 f 】u 刁，r = e u i u h 【f 】。由于式( 4 9 ) 中包含了两个相邻抽样符 号幅度变化的比率差值运算，所以称为差分最小均方误差准则。在没有约束条件下的式 ( 4 9 ) 的解析解为全零解，为了避免这种情况，增加了约束条件式( 4 1 0 ) 。 4 2 基于循环平稳周期的d m m s e 算法( 算法b ) 4 2 1 w c d m a 系统的循环平稳性分析 在3 2 2 节中分析了w c d m a - - 级扩频机制的循环平稳性，假设认为干扰信号的平稳 性周期为2 5 6 码片，则基于循环平稳周期的d m m s e 算法根据比特1 所对应的权系数迭代 计算比特9 所对应的权系数，将式( 4 9 ) 改为： 第四章d m m s e 多用户枪测算法在w c d m a 系统中的应用 a r g m i n e 0 b k i - 8 ( w i ，u i ) - - b k i l ( w i - - 8 ，u i - 8 ) i ( 4 1 1 ) w 实际上，传统d m m s e 算法和改进型d m m s e 算法中代价函数是一样的，但权系 数更新公式不同，传统算法采用式( 4 9 ) ，而基于循环平稳周期的算法采用式( 4 1 1 ) 。 究其原因，是因为扰码的引入破坏了原有的多址干扰平稳性周期等于扩频因子的特性。 基于循环平稳周期的d m m s e 算法可看作是由p g 个并行的传统d m m s e 算法组成， 首先将输入信号进行串并转换，分为p g 个并行的子数据流。如图4 3 所示，改进型的 算法可看作对接收到的数据分别进行降速率采样，这样符号1 、9 、1 7 等组成第一个子 数据流，符号2 、1 0 、1 8 等组成第二个子数据流，依此类推，每个子数据流都满足周 期平稳性等于扩频因子的特性，分别经过传统d m m s e 算法后再进行并串转换输出。 圈互兰丑蕊翌汪匠强匿歪丑压叉翻 亡亡 口一 1 61 5 41 31 2i l1 098765432l 图4 3 基于循环平稳周期的d m m s e 多用户检测算法示意图 4 2 2 基于循环平稳周期的d m m s e 多用户检测算法 假设扩频因子g ，扰码周期为p ，将式( 4 1 1 ) 推广到一般情况，那么本文提出的基于 3 0 一一| ； 一一 一一 一一 长安大学硕+ 学位论文 循环平稳周期的d m m s e 算法中权系数的更新公式为： a r g m i n e b k i 一尸6 k w 【司，u 锄一b k i 聊i p g , u i p 侧2 ( 4 1 2 ) 最优化问题( 4 1 2 ) 可以转化为具有最大特征值的广义特征向量问题： b w = a r w ( 4 1 3 ) 其中b = 研包【f 】耳 ，一p g u i 一尸g 】( u 司) h + 吼f 】6 i 【f p g u i ( u i p g ) 】，a 为相关矩阵 r ( f ) 的特征值。a 的取值为允= w b w 。引入遗忘因子0 psl ，r ( f ) 、b ( f ) 中的期望 问题转化为下列递归表达式： r ( f ) = 卢r o 一1 ) + ( 1 一p ) u 【f 】( u 【司) ( 4 1