（信号与信息处理专业论文）tdcdma系统中联合检测技术的应用.pdf

重庆邮电学院硕士论文 摘要 第三代移动通信标准化伙伴项目组织( 3 g p p ) 提议的第三代移动通信系 统( 3 g ) 包括频分复用( f d d ) 和时分复用( t d d ) 2 种复用方式。其中， t d s c d m a 和t d c d m a 属于t d d 系统。对于c d m a 系统，由于用户的扩 频码很难实现完全正交，因此存在着严重的多址干扰，限制了系统的容量。 多用户检测( m u d ) 技术作为c d m a 系统的关键技术之一，在传统单用户 检测的基础上，充分利用造成多址干扰( m a i ) 的所有用户信号信息对用 户的信号进行检测，从而具有优良的抗多址干扰和抗远近效应性能。因此， 多用户检测的研究和应用成为一个热点。 在本文中首先简要介绍了国际移动通信2 0 0 0 ( i m t - 2 0 0 0 ) 提出的背景以 及相关的t d c d m a 系统的基本知识。其次，比较详细的介绍了多用户检测 的模型，性能指标，以及几种常用的多用户检测算法。接着，在详细推导同 步c d m a 离散时间传播模型及其矩阵矢量描述的基础上，根据t d c d m a 系 统对联合检测技术进行了深入的研究。匹配滤波器( w m f ) 、迫零块线性均 衡器( z f b l e ) 、最小均方误差块线性均衡器( m m s e b l e ) 3 种多用户检 测算法被应用在t d c d m a 上行链路。最后我们根据仿真，得到了t d - c d m a 系统上行链路接收端的性能曲线，并根据仿真结果对性能曲线进行了详细的 分析。 通过仿真，我们能搭建移动通信系统的信道模型，掌握t d c d m a 系统 的脉冲冲激信道的响应的估计方法。特别重要的是通过本论文的工作，能对 多用户检测的实时应用有较重要的价值。 关键词：3 gt d c d m a 多用户检测 匹配滤波器法( w m f ) 迫零块 线性均衡器法( z f b l e ) 最小均方误差块均衡器法( m m s e - b l e ) 重鏖墅里兰堕堡主堡苎 a b s t r a c t t h e3 g p p p r o p o s a lf o r3 r dg e n e r a t i o nm o b i l ep h o n es y s t e m sc o m p r i s e sn o t o n l yf r e q u e n c yd i “s i o nd u p l e x ( f d d ) b u ta l s ot i m ed i v i s i o nd u p l e x ( t d d ) a s d u p l e xm e t h o d t d c d m aa n dt d s c d m ab e l o n gt d dm o d e t h e r ee x i s t s s e r i o u sm u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c ei nc d m ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，b e c a u s ei t s v e r yd i f f i c u l tt ok e e po r t hb e t w e e ns p r e a dc o d e s ，w h i c hl i m i t e ds y s t e mc a p a c i t y a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e so fc d m a ，b e c a u s em u l t i u s e r ( m u d ) t e c h n i q u eh a sag o o dp e r f o r m a n c eo fr e s i s t i n gm a ia n dn e a r - f a re f f e c tt h r o u g ht h e u s eo fa d e q u a t ec r o s sc o r r e l a t i o n sa m o n gs p r e a d i n gc o d e so fu s e r st od e t e c tt h e s i g n a l s s ot h ea p p l i c a t i o na n d t h er e s e a r c ho f m u dh a sb e e nah o tp o i n t i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n do f m t - 2 0 0 0m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e ms t a n d a r d sa n dt h eb a s i ck n o w l e d g ea b o u tt d c d m aa t ei n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h es t r u c t u r ea n dt h ep e r f o r m a n c em e a s u r ea n ds e v e r a lc o m m o n u s e d m u l t i u s e rd e t e c t i o n st e c h n o l o g ya r ci n t r o d u c e di nd e t a i l t h i r d l y , t h ej o i n t d e t e c t i o n ( j d ) t e c h n o l o g yi sd e e p l yr e s e a r c h e d ，b a s e do nt h em a t r i x v e c t o rn o t i o n o ft h ed i s c r e t e - t i m et r a n s m i s s i o nm o d e lo fs y n c h r o n o u sc d m aa n dt d - c d m a s y s t e m t h r e ea l g o r i t h m so ft h ew h i t e n i n gm a t c h e df i l t e r ( w m f ) ，t h ez e r o f o r c i n g b l o c kl i n e a re q u a l i z e r ( z f b l e ) a n dt h em i n i m u mm e a n - s q u a r e e l t o rb l o c kl i n e a r e q u a l i z e r ( m m s e b l e ) a r es i m u l a t e di nt h eu p l i n ko ft d c d m as y s t e m l a s t l y , t h ep e r f o r m a n c eo fu p l i n ko f t h et d c d m as y s t e mi sa n a l y z e di nd e t a i la c c o r d i n g t os i m u l a t i o nr e s u l t s b yt h es i m u l a t i o n , w ec a ns e tu pc h a n n e lm o d e l ，m a s t e ri m p a c to fc h a n n e l e s t i m a t i o no nt h et d c d m a t h em o s ti m p o r t a n ti st h a tt h ew o r kh a sa n i m p o r t a n tv a l u ei nt h er e a la p p l i c a t i o no fm u d k e y w o r d s ：3 gt d c d m am u l t i n s e rd e t e c t i o n ( m u d ) w m fz f - b l e m m s e b l e 重庆邮电学院硕上论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得重庆邮电堂院或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：汪华签字日期：2 0 0 4 年5 月1 8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庭邮电堂瞳有关保 留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庞 邮电堂瞳可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：汪华 翩繇移眯 签字日期：2 0 0 4 年5 月1 8h签字日期：加斗年j 月即日 重庆邮电学院硕士论文 第一章概述 九十年代后期，移动通信用户和移动通信业务获得飞速发展。但随着移动通信市 场的发展，目前使用的第二代移动通信系统的缺陷也逐渐显露，如全球漫游问题、容 量问题、频谱问题、支持宽带业务问题等。为解决以上问题，国际电联( i t u ) 提出 了以宽带多媒体通信为目标的第三代移动通信的概念。 1 1 第三代移动通信系统标准 国际电信联盟( i t u ) 早在1 9 8 5 年就提出了第三代移动通信系统的概念，当时 称为未来公共陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，并成立了专门负责标准化工作的任务 组t g s 1 。1 9 9 6 年应同本等国的建议，更名为国际移动电信系统i m t - 2 0 0 0 ( i n t e m m i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n - 2 0 0 0 ) 。i m t - 2 0 0 0 标准要求新一代移动通 信系统具有良好的网络兼容性，能够在全球范围内多个不同系统间实现真正漫游。 它不仅要能为用户提供话音和低速数据服务，还要求能提供广泛的多媒体业务。i t u 已经为i m t - 2 0 0 0 测试环境制定了具体的标准( m 1 2 2 5 号建议) ，并给出了表征 i m t - 2 0 0 0 最低限度的参数，主要包括所支持的数据速率范围、误码率标准、单向时 延标准、激活因子和业务模型等。 i m t - 2 0 0 0 标准的无线传输技术( r t t ) 的最低要求为： 支持室内、手持机和高速移动环境； 传输业务数据速率： 室内：2 m b p s 手持机：3 8 4 k b p s 高速移动：f d d 方式6 4 1 4 4 k b p s ，移动速度可以达到5 0 0 k m h t d d 方式6 4 1 4 4 k b p s ，移动速度可以达到1 2 0 k m h 业务质量：数据业务的误码率不超过1 0 弓或1 0 击 全球无缝覆盖、全球漫游 此外，i t u 在对各种r t t 提案进行评估时，除了满足上面的要求外还要考虑以 下几个方面的问题： 1 、无线频谱的利用率，即在有限的频谱资源的情况下能为尽可能多的用户提 供服务； 2 ) 技术的复杂性，它决定了设备的可靠性和制造成本； 3 1 兼容性强，即要为现有的网络提供发展途径； 重庆邮电学院硕士论文 由于c d m a 技术容量大、覆盖性能好、可以灵活提供不同速率的多种业务、 电磁干扰特性好等特点，因此c d m a 技术成为了3 g 移动通信的主要技术。 1 9 9 9 年1 1 月i t u 确定了三类共五种技术作为第三代移动通信的基础，它们分别是： 1 ) 两种t d m a 技术：u m c l 3 6 ( f d d ) 和e d e c t ( t d d ) 这两种技术是在现有的t d m a 网络上提供部分第三代业务，因为其未能达 i m t - 2 0 0 0 的最低要求，只是为了照顾欧、美的市场利益才通过。因此这种t d m a 技术不可能成为主流标准。 2 ) 两种c d m a f d d 技术：d s c d m a 和m c c d m a f d d 方式是将上行、下行的不同数据分配在不同的频段传输。d s c d m a 是由 欧洲和日本提出的w c d m a 方案。m c c d m a 技术即c d m a - 2 0 0 0 技术是基于 i s 9 5 提出的3 g 标准 3 ) 一种c d m a t d d 技术 它包括t d s c d m a ( 中国) 和u t r a t d d ( 西门子和阿尔卡特) ，两种t d d 技术方案的相同部分技术特点如下： 码片率3 8 4 1 2 8 m c p s ( u t r a t d d t d s c d m a ) 信号带宽5 1 6 m h z ( u t r a t d d 厂r d s c d m a ) 滚降系数0 2 2 扩频系数1 1 6 可变 功率控制采用开环和快速闭环控制 采用接力切换和异频切换 采用联合检测技术抗多径衰落 1 2 关键技术简介 1 ) 初始同步与r a k e 多径分集接收技术 移动通信是在复杂的电波环境下进行的，如何克服电波所造成的多径衰落现象 是移动通信的一个基本问题。在c d m a 移动通信系统中，由于信号带宽较宽，因 而在时间上可以分辨出比较细微的多径信号。对分辨出的多径信号进行加权调整， 使合成之后的信号得以加强，从而可以在较大程度上降低多径衰落信道所造成的负 面影响。这种技术就是r a k e 多径分集接收技术。 2 1 高效信道编码技术 第三代移动通信的另外一项核一t l , 技术是信道编译码技术。在第三代移动通信系 统主要提案中，除采用与i s 9 5c d m a 系统相类似的卷积编码技术和交织编码技术 外，还建议采用t u r b o 编码技术。 3 ) 智能天线技术 重庆邮电学院硕士论文 智能天线包括两个重要组成部分，一是对来自移动台发射的多径电波方向进行 到达角( d o a ) 估计，并迸行空间滤波，抑制其它移动台的干扰。二是对基站发送 信号进行进行波束形成，使基站发送信号能够沿着移动台电波的方向发送回移动 台，从而降低发射功率，减少对其它移动台的干扰。智能天线用于t d d 系统是比 较合适的，能够在较大程度上抑制多用户干扰，从而提高系统容量。其困难在于由 于多径效应，每个天线均需要一个r a k e 接收机，使基站处理单元复杂程度明显提 高。 4 ) 多用户检测技术 在传统的c d m a 接收机中，各个用户的接收是相互独立进行的。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证正交，因而造成多个用户之 间的相互干扰，并限制系统容量的提高。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，用矩阵求逆方法或者迭代方 法消除多用户之间的相互干扰。其应用的关键是如何使运算复杂度降低到可以接受 的程度。 5 1 功率控制技术 在c d m a 系统中，由于用户共用相同的频带，且各个用户的扩频码之问存在 着非理想的相关特性，用户发射功率的大小将直接影响系统的总容量，从而使得功 率控制技术成为c d m a 系统中最为重要的核心技术之一。常见的c d m a 功率控制 技术可以分为开环功率控制、闭环功率控制、和外环功率控制三种类型。 1 3 课题提出背景 若不同用户的特征波形是正交的，那么将接收信号与特定用户的扩频序列求相 关的接收机是最佳接收机。由于c d m a 系统所用到的扩频序列很难做到完全正交， 又移动通信信道的多径传播会引起时延扩展，以及具有多谱勒频移，因此扩频序列 在所有可能的相对时延范围内根本不可能完全正交，即用户的扩频信号之间必然具 有相关性，这样就导致了接收端用户信号问的干扰，这种干扰我们称之为多址干扰 ( m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ，简称m a i ) 。虽然由个别用户产生的m a i 非常小， 但是随着用户数的增多和某些信号功率的加强，m a i 就会成为c d m a 系统中的主 要干扰，而c d m a 系统是个干扰受限的系统，这样m a i 就成为了影响容量和提 高性能的主要因素。 传统的c d m a 接收机用r a k e 接收机抗多径衰落，它简单的将匹配滤波器的 输出判决作为该用户检测到的码元信息，而把多址干扰当白噪声处理的单用户检测 技术，它忽略了m a i 所包含的信息，因而无法提高系统容量。虽然可以采用功率 控制的方法来使所有达到接收机的信号的功率相等或者大致相等来使m a i 极小化， 重庆邮电学院硕士论文 但是功率控制有许多不足：系统复杂、需要占用信道传递功率控制信息、收敛速度 问题等。 多用户检测技术是在传统检测的基础上充分利用了m a i 的信息，主要是用户 地址码间的相关信息。因为每个用户的特征序列是己知的，所以各个用户以及各条 路径之间的互相关系数都是可以知道的，利用这些信息进行多用户检测就可以消除 其带来的负面影响。多用户检测具有优良的抗干扰性能：降低了系统对功率控制精 度的要求，可以更加有效的利用频谱资源，提高系统容量。 1 4 论文安排 本文的重点研究是多用户检测在t d - c d m a 系统中的应用实现。第一章；概述。 介绍了第三代移动通信系统标准、实现第三代移动通信的关键技术以及课题提出背 景。第二章：介绍了t d c d m a 系统。主要介绍t d c d m a 系统的基本概念主要包括 物理信道、扩频与调制、训练序列等内容。第三章：介绍多用户检测技术。主要介绍 多用户检测的系统模型、发展和分类。第四章：t d c d m a 系统中的多用户检测应用。 主要包括：使用联合检测的数据估计算法的分析模型、t d c d m a 联合检测算法、低 代价信道估计。第五章：仿真及结果分析。包括仿真模型的建立，仿真结果及分析。 第六章：结束语。 4 重庆邮电学院硕士论文 2 1 物理信道 2 1 1 帧结构与时隙结构 第二章t d - c d m a 如图2 1 所示，t d c d m a 的帧长为1 0 m s ，以6 2 5 陋为时隙单位共包括1 6 个时隙 ( t s ) 。其中，每个时隙对应亍：2 5 6 0 个c h p ( 码片) 。各时隙的物理内容是对应于各 个长度的突发。每帧1 6 个时隙中的任何一个时隙都可以分配给上行链路或者下行链 路。 1 0 m s 阻丑匦如噩圈如匾盈蟊圈弘如l 皇【! j ! l 皇i ! i 皇i ! i 皇l 皇【皇5 皇j 皇l 皇i 皇l ! 删土 2 1 2 切换点布局 图2 1t d c d m a 的帧结构 图2 - 2 给出了一种可行的切换点示例。在此，考虑了单切换点或多切换点的布局 以及对称或非对称的上行链路下行链路分配。对于任何一种布局，至少有一个时隙 必须分配给上行链路，同样，也至少有一个时隙必须分配给下行链路。 h 一三! 婴一一一一一 - i 多切换点结构，对称d l u l 分配 j _ ! ! 竺! - f 单切换点结构，对称d l u l 分配 l 一! 坚一一一一一一i 多切换点结构，非对称d l f o l 分配 重庆邮电学院硕士论文 k 一堡生一一 制 皿圆亚皿赃翻 单切换点结构，非对称d l ，u l 分配 图2 2切换点布局示例 2 1 3 多帧结构 迫切需要多帧结构的原因在于要实现低成本的f d d 佃d 双模方式终端和实现 u t r a 建议中的与g s m 之间的兼容性。t d c d m a 每个多帧包含2 4 个长度为1 0 m s 的普 通的帧，因此长度为2 4 0 m s ，相当于g s mt c h f 多帧长度的2 倍。三个t d d 多帧正 好适合一个f d d 多帧，从而能够确保两种结构的兼容性。 2 1 4 突发类型 1 1 业务突发 各种突发类型由不同的扩频选择和扩展因数来确定。举例来说，我们来考虑图2 3 和图2 4 所描述的对应于固定扩展的多码传输业务突发。这两种突发都包括两类数据 符号、一个训练序列和一个保护周期。突发l 和突发2 的训练长度分别为5 1 2 码片和2 5 6 码片。 图2 g 业务突发l 的结构 匿竺竺竺剑鲨翌匿! 竺! 竺刊里鐾f 6 2 5us 图2 - 4 业务突发2 的结构 突发1 中w = 5 7 的较长的训练序列适合于上行链路，最多能估计长度w f c = 1 3 9 m s 的8 个不同的信道脉冲响应。其中t c 表示码片长度，阡袭示码片中信道脉冲响应的最 大长度。突发2 允许肛6 4 点对于信道脉冲响应的估算，适合于上行链路，并且在一个 时隙内的突发所分配的用户数目少于4 的情况下也适合于下行链路。这种情况下晟多 可以估算出长度w t c = 1 5 6 m s 的三个不同信道脉冲响应。突发l 的数据区包括6 1 个符 号，展开为9 7 6 个码片，而业务突发2 的数据区包括6 9 个符号，对应于1 1 0 4 个码片。业 6 重庆邮电学院硕士论文 务突发1 和2 的保护周期相当于9 6 个码片周期的长度。业务突发空间的内容描述如表 2 1 和表2 2 所示。 表2 - 1 业务突发1 类型的内容 域长度域长度 域长度 c h i p 号 域内容 ( 以c h i p s 为单位) ( 以符号为单位) ( 以us 为单位) 伊9 7 59 7 66 12 3 83 数据符号 9 7 6 1 4 8 75 1 2 j 2 5 o训练序列 1 4 8 8 2 4 6 39 7 66 12 3 8 3 数据符号 2 4 6 4 2 5 5 99 62 34 保护周期 表2 - 2 业务突发2 类型的内 域长度域长度域长度域内容 c h i p 号 ( 以c h i 口s 为单位)( 以符号为单位)( 以us 为单位) o 1 1 0 31 1 0 46 92 6 95 5 数据符号 11 0 4 一1 3 5 92 5 66 2 5训练序列 1 3 6 仔2 4 6 3 1 1 0 46 92 6 9 5 5 数据符号 2 4 6 4 2 5 5 99 6 2 3 4 保护周期 2 2 扩频与调制 2 2 1 数据调制 每个用户突发具有2 个承载部分d = ( 西，d ，d ) t ，i = 1 ，2 ；k = l ，k 的数 据称为数据块。数据块d ( 在训练序列之前传输，而数据块d ，2 则在训练序列之后 传输。个数据符号碰，i = 1 ，2 ；c = - i ，2 k ；n = 1 ，2 - 中的每一个都是q p s k 调制的。每个数据符号d 1 都来自于交织编码的数据比特 其中 6 盘 o ，1 ) l = 1 ，2 ；m 2 1 ，2 ，i = 1 ，2 ；肛1 ，2 k 7 重庆邮电学院顾士论文 r e 渺 - 击( 2 6 f 妒1 ) 吖上 h = 击愀 - 1 ) 2 2 2 扩频选择 = 1 , 2 - i = l ，2 ；k = - i ，2 k ”= 1 ，2 i = l ，2 ；k = l ，2 k u t r a - t d d 系统有两种扩频选择：一种是固定扩频或扩频因子g - = 1 6 的多码传输， 另一种是扩频因子可变g t l ，2 ，4 ，8 ，16 的单码传输。 2 2 3 扩频编码 每个数据符号以都用长度为耍b 1 ，2 ，4 ，8 ，1 6 的c d m a 码c ( “，k = l ，2 k 来进行扩频。其中元素c ，q = l ，2 - - q ；k = l ，2 k ，全部来自于复数数组 比= 1 ，j ，- 1 ，- j )j 表示虚数单位 复数的c d m a 码由二进$ i c d m a 码c 。由二进$ 0 c d m a 码口通过如下关系式产生。 口柏元素为口，1 ，q = l ，2 q ，k = l ，2 k c = c ，y 西“，4 1 ，一1 ) q = l ，2 g ；七= 】，2 k 由此可见，c d m a 码c 耻的元素c ，交替为实数或虚数。 2 2 4 脉冲整形滤波 整形滤波应用于发射机的每个码片，在本文中码片代表c d m a 码c “。k = l ，2 k 的一个元素c ，q = l ，2 q ，k = - i ，2 - k 。码片脉冲滤波器的脉冲响应是升余弦的， 其相应的表达式为： ，n s i n ( p * ) c 。p ) 2 _ r p p i 。c o s ( a + p 尹ti i 。：o h 其中滚降系数是a = o 2 2 ，码片宽度是t c = l c h i pr a t e = o 2 4 4 4 1 4 1 1s 8 重庆邮电学院硕士论文 2 2 5 扩频数据符号及数据块信号 有了升余弦的码片脉冲，随机数据信号d 的扩频信号可以表示为 碟，( f 一咒) ：秽兰。，+ 岛( f 一( 9 1 ) 乙) 口= i = 泔口c 。”( g 一1 ) l 9 5 i = 1 ，2 ；k = - 1 ，2 恐n = l ，2 n 磊表示一个随机时移。属于数据块d 的传输序列之前传输的信号为： d ( ( f ) ：兰d - ) 兰c ：k ，c o ( t 一( g 一1 ) t n t ) k = - i ，2 k * = l口= l 在传输序列之后传输的数据块d 伸1 2 为： o d c k , z ) ( f ) = 辨2 1 c + c o ( t 一( g 1 ) t 一 疋一l m t c ) 月= i口= i 其中三m 为训练序列所占的码片数。 2 3 训练序列 工作于同个时隙里的不同用户的训练序列是同一个基本码的不同时移。不同的 小区使用不同的周期性基本码( 也就是不同的训练序列组) 。在个时隙内对所有工 作用户的信道脉冲相应的联合信道估算能够通过一个循环相关器来实现，由相关器的 输出可以依次得到不同用户特定的信道脉冲相应的估计值。 上行链路的训练序列长度为1 2 5 1 j s ，循环时移为1 5 6 2 5 p s ，能够同时进行8 个不同 信道的估算。因此，一个训练序列组包括8 个不同的训练序列。 t d c d m a 帧的每个业务突发包括l m 个训练码片，也称为训练序列元素。骱不 同用户的训练码棚倒，k = - i ，2 k 的l m 个元素m ，i = 1 ，2 l m ，k = - i ，2 矗玟自于下面 的复数组 砌f l j ，- 1 ，j 复数训练码坍( 的元素m ，满足下面的关系式： 9 重庆邮电学院硕士论文 川p = 4 m 1 ，肌j ” l - 1 ) ，i - - i ，2 l m ，k = - i ，2 k 因此， ，爪用户的复数训练码m 的元素聊攀为实数或虚数。有了w ，移动无线信道 脉冲响应的点数、k 个用户的复数训练码聊( “，k = - i ，2 罔拘l m 个二进制元素棚j “， f - l ，2 l m ；k = - i ，2 墨能够根据文献而由一个周期性的基本码产生。具体产生方法见第 四章中低代价信道估计中的介绍。 2 3 1 训练码组的示例 在突发类型l 的情况下，训练序列的长度l 。- - 5 1 2 ，对应于k = 8 ，w = 5 7 ， = 4 5 6 见表( 2 4 ) 表2 _ 4 突发类型1 时所示的周期m 。示例 性能降低值 周期m p 的睦度为p = 4 5 6 ( 以d b 为单位) c 4 8 2 4 6 2 c a 7 8 4 6 2 6 6 0 6 0 d 2 1 6 8 8 b a o o b 7 2 e 1 e c 8 4 a 3 d 5 8 7 1 9 4 c 8 d a 3 9 e 2 l a 3 c e l 2 b f 5 1 2 c 8 a a b 6 a 7 0 7 9 f 7 3 c o d 3 e 4 f 4 0 a c 5 5 50 6 4 9 4 7 l a 4 b c c 4 5 3 f 1 d f e 3 f 6 c 8 2 5 6 f 3 a c e o a 6 5 8 9 6 f c 3 2 6 a 3 0 8 9 1 6 6 5 b d 4 3 8 0 9 0 7 c 2 8 0 8 d e c 9 8 c 1 6 a o b 0 3 3 9 a e a 8 5 5 c 3 d 8 b d d 0 1 6 e 4 c 3 e o f 3 d a 5 d f 5 c 0 8 9 l c 8 5 0 6 9 5 3 2 0 lb a 3 0 a 6 c1 9 a b e 6 c 3 e d 4 在突发类型2 的情况下，训练序列的长度。- - 2 5 6 ，对应于k = 3 ，w = 6 4 ，p = 1 9 2 见表( 2 5 ) 表2 - 5 突发类型2 时所示的周期m p 示例 性能降低值 周期们p 的长度为p = 1 9 2 ( 以d b 为单位) d 4 a 1 2 4 f e 4 d 1 1 b c l 4 c 2 5 8 5 4 6 a 1 8 c 5 d e o e 3 a a 3 f 0 6 1 7 2 4 5 d b f e 0 6 1 5 5 6 6 4 8 d 7 6 a 6 8 7 e 2 1 d 2 2 3 2 1 c 5 2 0 1 9 7 7 f 6 2 0 d 7 a 4 c b 5 9 4 5 f 5 6 9 3 a l c o 6 3 8 4 0 4 2 3 2 训练序列的性能 在上行链路训练序列码组长度为8 单位情况下，一个时隙和一个小区内的用户 数目也相应的限制为8 个。u t r at d d 方式和f d d 方式之间的差别使得对于系统 特性的评估交的复杂。8 个训练序列的约束并没有限制t d dt d c d m a 系统的资源。 在有用的情况下，训练序列的概念是作为一种参考来与f d d 相比较的。 l o 重庆邮电学院硕士论文 训练序列的特点之就是训练序列与扩频码是完全独立的。因此，8 个训练序 列的约柬只能够限制一个时隙和一个小区的用户数目为8 个。而不能够限制它们所 使用的扩频码的数目。也就是说，移动站可以在使用相同训练序列的同时应用不同 的扩颓码。即使8 个用户在一个时隙和一个小区内有效的情况下，也可以使用多于 8 个的扩频码( 例如在对于一种业务的多码扩频的情况下) 。 f d d 方式的导引序列概念具有潜在的大量的扩频因子，允许使用许多不同的扩 频码，由于处理增益的原因它们能够被识别。然而，f d d 的引导序列分配在一个整 帧中，t d d 的训练序列却仅仅分配在一个对隙中。虽然一个对隙内的训练序列的数 目被限制为8 个，但是一个帧的训练序列的数目为1 6 x8 = 1 2 8 个。因此，如果它们 用1 2 8 扩频，也就是话音业务情况下的扩频因子为1 2 8 ，那么t d d 方式可能的训练 序列数目为1 2 8 ，等于一个f d d 帧的引导序列的数日。 训练序列的概念简化了接收机处的联合信道估算，得到了在实际的时隙中每个 有效用户的信道脉冲响应的估计值。每个时隙和小区的训练序列的数目为8 个，相 当于每个小区的可能的用户数为1 2 8 个，这1 2 8 个用户可以分配多个扩频码。实践 证明，这些资源数目远远超过需求的数目。 重庆邮电学院硕士论文 第三章多用户检测技术 3 1多户检测提出的基本思路 1 ) 基于信息论中的最优信号检测理论，寻求蜂窝式码分多址的多用户的最优联合 检测理论。 充分利用扩频码的已知结构信息，各用户间与各条路径间的相关函数是已知的。 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 来进一步消除它所带来的负面影响，以达到满足系统性能的要求。 3 ) 多径干扰和多址干扰其实质是一样的，都来源于伪随机序列，可以利用扩频码 的已知结构信息与统计信息，消除多径干扰和多址干扰，同时也就消除和削弱 了远近效应。 4 ) 最优的联合检测方案是可行的。在对多个用户的匹配滤波器接收的基础上，进 行多用户联合检测，并充分利用已知伪码结构与统计信息，设法消除其它所有 用户的干扰，理论上是完全可行的。 3 2 多用户检测的性能指标 在设计多用户检测器或者多个检测器种选择其中之一的时候，如何评价一个多 用户检测器的性能呢? 在多用户检测器的性能评价中，误码率，渐进多用户有效性 和抗远近力是三个最重要的性能测度。 1 ) 误码率( b e r ) 在多用户检测中，我们最关心的性能指标是检测器在高信号一背景噪声比范围 内的误码率( b e r ：b i tc i t o rr a t e ) 。大多数通信系统的基本目标都是减少误码率。 假定在a w g n 信道中只有一个具有能量毋的单独用户k ，而噪声方差是o2 。 该单用户的误码率定义为： 厍 = q ( 、拳) 当存在干扰用户的时候，误码率便会增大。此时需要用期望用户k 的有效能量 e 。( 盯) 来代替实际其实际能量e 。，即在多用户系统中期望用户的误码率定义为： 重庆邮电学院硕士论文 p a 咖q ( j 竺笋) 2 1 渐进多用户有效性 渐进多用户有效性是用来度量多址干扰引起的检测器性能损失的，是v e r d u 于 1 9 8 6 年引入的，它是衡量干扰用户对期望用户误码率影响的测度，常简称为渐进有 效性。多用户有效性定义为多用户系统到达单用户系统相同误码率( b e r ) 所需能 量与单用户系统所需能量之比，即 巩( 盯) 竺l j m 丛堕 纵刨m 二等 当噪声方差趋于0 即时，有效性仉p ) 的极限称作第k 个用户的渐进有效性， 记作巩。即就是说，渐进多用户有效性壤定义为在高信噪比范围内多用户有效性 仉( 盯) 的极限 玻a ：e f l i m 型“ 一。巨 2 s u p 晒轧嬲拦枷q ( 上o ) 2 i 2 。l i m i 纠。g 志i最一o l“只p 2 ) j 式中s u p 表示上界。仉的取值介于0 与l 之间。 3 ) 远近能力 抗远近能力定义为在所有有关用户能量范围内测量到的最坏情况下的渐进有 效性即： 式中i n f 表示下界。抗远近能力取决于特征波形和解调器。 吁 m 譬 l i 叩 重庆邮电学院硕士论文 3 3 多用户检测技术的系统模型 典型的多用户检测系统模型如图3 - 1 im “她# ，ly j ( 尘 h 匹日c 弛敢荔jr 多 - 用 户 r ( o 一匹配滤波器l 一y t ( 2 检 测 ， 算 法 i盯亡鄱三油昱呈，l 、y r ( 盐 2 叫此日b 蕊敬i 酞r 一 图3 - 1 多用户检测的系统模型 r 是接收机收到的信号。，( f ) = a 。钆( ，) + 册( f ) t 【o ，r 】 k = 1 其中4 ( ，) 第k 个用户的信号幅度 b 。( r ) 第t 个用户信息比特值，b k ( ，) 1 ，一1 乩( f ) 第k 个用户的扩频波形 r 信息比特的时间宽度 n ( r ) 加性高斯白噪声 如果假如我们考虑的是同步c d m a 信道的连续时间模型，则匹配滤波器的输 出y 。( i ) 为 儿( f ) = a k b k ( i ) + 4 屯( f ) 野+ n k j = 【，j 其中p m ；u e 第j 个用户与第七个用户特征波形的互相关，定义为野= f _ ( ，) & ( f ) 西而 = ，f ”( r ) & ( t ) d t 为高斯随机过程，其均值为o ，方差等于仃2 。 如果令s = i s 。，s 2 ，i ta = d i a g a a ，月2 ，a 】，r = e s s 7 ) = 日 】基：l 并且记归一 化的相关矩阵r = e s s 7 ) = 【日。】i 。，其对角线元素n 。= 1 ，则 y = r a b + 7 1 1 4 重庆邮电学院硕士论文 并且e n n 7 ) = 盯2 r ，多用户检测技术就是通过多用户检测算法来达到某种代价函数 最小化的意义下来解调出；。 3 4 多用户检测技术的分类 目前国内外提出多用户检测算法很多，出发点都是如何在发挥多用户检测优点 的同时克服其缺点。但由于多用户检测的复杂性以及其与扩频码的选择以及功率控 制等其它因素相关，因此还没有在实际中应用。 厂_ 最优检测器 图3 - 2 多用户检攫| | 的分类 多用户检测算法的分类如图3 2 所示。一般，多用户检测算法可以按最优和次 最优方法分为两类。第一类是最优( o p t i m u m ) 多用户检测，它是通过将所有用户 的信号联合起来解一个最优化问题来确定所要接收的码元信息，这虽然从根本上改 善了系统的性能，但由于其运算规模随用户数的增加成指数上升，因而当系统容量 较大时，根本无法实现。 第二类是次最优( s u b o p t i m u m ) 多用户检测，它在尽量保持最优化性能的前提 下，降低运算复杂度，以增加其适用性。主要分为线性检器、非线性检测器二大类。 各国学者已经相继提出了许多次最优方案，但是有些次最优检测器随用户数的增 一 器一 一 一 籼一一 = | | 黧 一 一 一 一 网 型 器 螋，【i别引l橼黼煳捌叫叶=竺 重庆邮电学院硕士论文 加，会带来重复运算或者不收敛、迷失全局等一系列问题，使得检测器的运算次数 和误码率大增。可见，在实际应用中，应该根据实际系统的需要在性能和复杂度之 间折衷考虑。 3 4 1 传统检测器 传统单用户检测接收机将多址干扰、多径干扰当作等效加性高斯白噪声来处 理，它在匹配滤波器之后直接判决，如图3 3 所示。这是一种消极的处理方式。传 统的单用户检测方法利用扩频码之间正交性来分离各用户的信号。接收端用个和 发送地址码( 波形) 相匹配的相关器( 匹配滤波器) 来实现信号分离，在相关器后 直接判决。在系统达到完全同步且用于扩频的特征序列完全正交的时候，单用户匹 配滤波器达到最佳状态。但干扰用户数增加，且存在远近效应的时候，较弱的目标 用户可能被较强的干扰用户淹没导致检测器无法正常工作。传统检测器优点是能有 效的克服a w g n 的影响。 图3 - 3 传统多用户检测器模型 3 4 2 最优多用户检测技术 1 9 8 6 年，美国学者v e r d u 首先提出利用已知扩频码的结构信息来克服多个用 户之间干扰的多用户检钡f 理论与方案。v e r d u 提出的多用户检测器是在加性高斯白 噪声信道( a w g n ) 下的最优多用户检测。接收机最优结构为匹配滤波器加上维特 比( v i t e r b i ) 检测算法，它是根据最大似然序列检测( m a x i m u ml i k e h o o ds e q u e n c e s d e t e c t i o n ，m l s d ) 理论而形成的接收机。一些参考文献的仿真结果表明，该算法能 实现与单个用户接收时几乎完全一样的性能。但实现算法的运算量随着用户数量成 指数增长，且实现m l s d 算法要知道所有用户的扩频码、信号幅度、相位和多径 时延。因此，最优的m l s d 算法的多用户检测器在实际中是难以实现的，它仅具 有理论意义和实际实现时的理论标准。所以研究人员为了寻求实际应用价值的方 1 6 重庆邮电学院硕士论文 案，提出了很多次最优多用户检测算法。目的是为了在牺牲一定性能的可接受的条 件下，寻求尽可能简化复杂度的方案。 。i 。由。；哺浦。，i ) 红 - 叫用尸凸日 描殴赭i 。 ， 维 ( t ) 。“。 。”1 _ 。一 特 一fm 自r r r b 比 勉 算 一 法 - 田白吒静舟 油舆fl 夕 k 叫用尸此日e 镕 3 4 3 次最优多用户检测 图3 - 4 最优多用户检测模型 次最优多用户检测主要分为线性多用户检测和非线性多用户检测。 3 4 3 1 线性多用户检测 线性多用户检测器结构框图如图3 - 5 ，是通过对传统检测器未经判决的软输出y 进行某种线性变换l ，以消除或部分消除m a i ，然后再判决。可表示为 b = s g n ( l y ) 传统检测器未经判决的输出就是匹配滤波器的输出y = r a b + n ，其中b 是信息矢量， r 是签名序列组的互相关矩阵。 当对y 用某种线性变换后输出x = l y = l ( r a b + n ) ，不同的线性变换定义了不同的 算法，当三为见，胆+ a a t 7 就构成了最有名的解相关算法和最小均方误差算法 1 ) 解相关算法 其原理是通过对匹配滤波器的输出乘以一个相关矩阵的逆矩阵来消除相关性， 其模型见图3 - 5 。因为线性变换工= f 2 ，所以输出为舻暖o ( r a b + n ) 气舳十f 1 1 1 。这 样b = s g n ( x ) 。解相关检测器能够在缺乏幅度信息的时候取得对所传信息序列的最 优的估计。其优点是不需要各个用户信号功率的估计，算法性能与干扰功率无关， 在大多数情况下比传统检测器性能的到提高，不用估计接收信号的幅