（通信与信息系统专业论文）码分多址通信系统中多用户检测技术的研究.pdf

硕士学位论文码分多址通信系统中多用户检测技术的研究 摘要 在码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 通信系统中，不同用 户的信息是靠扩频码来区分的。由于扩频码不可能理想正交，就会在同一信道中 产生各用户之间的干扰，这就是多址干扰( m u l t i p l e a c c e s si n t e r f e r e n c e ) ，当各用 户距离基站远近不同时还会带来远近效应问题( n e a r - f a rp r o p l e m ) 。传统的检测 技术完全按照直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理，因 而抗多址干扰和远近效应的能力较差。 多用户检测( m u l t i 。u s e rd e t e c t i o n ) 技术在传统检测技术的基础上，利用所 有用户信号信息对目标用户的信号进行检测，从而具有优良的抗多址干扰和抗远 近效应的性能，因此可以更加有效地利用频谱资源，显著提高系统容量。v e r d u 提出的最优多用户检测由匹配滤波器和通过v i t e r b i 算法实现的最大似然序列估 计检测器组成，它可以达到最小的误码率和最佳的抗远近能力，但是由于计算量 随用户数的增加而呈指数增长，而成为一个n p 难题。 近年来，一种新的智能算法粒子群算法( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ) 被用来解决n p 难题，新算法被证明比传统的遗传算法具有更低的计算复杂度和 更快的收敛速度，而且能达到同样、甚至更好的效果。本文在标准的离散粒子群 算法的基础上提出了两种次最优的多用户检测器一基于多样性维持机制的粒子 群算法的多用户检测器和基于克隆选择粒子群算法的多用户检测器。仿真实验证 明这两种检测器在误码率和收敛速度方面都比基于标准的离散粒子群算法的多 用户检测器有所改善。此外，本文提出了一种基于新的并行粒子群算法的多用户 检测器。仿真实验证明，新的并行粒子群算法的多用户检测器在误码率和收敛速 度方面比一般的并行粒子群算法的多用户检测器又有所改善。 关键词：码分多址；直接序列扩频；多用户检测；离散粒子群算法：多址干扰 顾士学位论文码分多址通信系统中多用户检测技术的研究 a b s t r a c t i nt h ec d m ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m d i f i e r e n tu s e r sa r ed i s t i n g u i s h e db y s p r e a d s p e c t r u mc o d e s i t sv e r yd i f f i c u l tt ok e e pc o m p l e t e l yo r t h o g o n a lb e t w e e n s p r e a d s p e c t r u mc o d e s w h i c hl c a d st oi n t e r f e r e n c eb e t w e e nd i f i e r e n tu s e r si nt h e s a m ec h a n n e l ；t h i si sc a l l e dm u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c er m a i ) w h e l lt h ed i s t a n c e f r o mu s e r st ot h eb a s es t a t i o ni sd i f i e r e n t n e a r - f a rp r o b l e mw i l lc o m e t r a d i t i o n a l l y , m a t c hf i l t e r sa r eu s e dt oe x t r a c tt h ei n f o i - m a t i o no fe a c hu s e ra c c o r d i n gt od i r e c t s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u mt h e o r y , b u tc a n n o ts o l v et h ep r o b l e mo f m a i a n dn e a r - f a r p r o b l e m m u l t i u s e rd e t e c t i o nt e c h n o l o g i e si sb a s e do i lt h et r a d i t i o n a ld e t e c t i o n t e c h n o l o g i e s i tu t i l i z e st h ei n f o r m a t i o no fa 1 1u s e r st oe x t r a c tt h eo b i e c tu s e rf r o m o t h e ru s e r s 。w h i c hc a nd e c r e a s em a ia n dh a sb e t t e rn e a r - f a rr e s i s t a n c e s ot h e r e s o u r c eo ff r e q u e n c ys p e c t r u mi sf u l l yu t i l i z e d a n dt h ec a p a c i t yo ft h es y s t e mi s e n l a r g e d t h eo p t i m u mm u l t i u s e rd e t e c t o rp r o p o s e db vv j r d ui sc o m p o s e do fm a t c h f i l t e r sa n dm a x i m u ml i k e l i h o o ds e i t u e n t i a le s t i m a t i o nd e t e c t o rt h a ti sb a s e do nt h ev i t e r b i a l g o r i t h ma n dh a st h e1 0 w e s tb i t e r r o r r a t e e r ) a n db e s tn e a r f a rr e s i s t a n c e ，b u t t h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yi si n c r e a s e de x p o n e n t i a l l yw h e nt h en u m b e ro ft h e u s e r si si n c r e a s e d w h i c hb e c o m e sn p h a r d i nr e c e n ty e a r s ，an e wi n t e l l i g e n ta l g o r i t h mc a l l e dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ( p s o ) i su s e dt o s o l v et h en p h a r d a n di ti st e s t i f i e dt h a tp s oh a sm o r es i m p l e c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n df a s t e rc o n v e r g e n c et h a ng e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) ，b u t h a st h es a m eo rb e t t e re f ! f c t i nt h i sp a d e r , t w ok i n d so fs u b o p t i m u r nd e t e c t o rb a s e d o dt h es t a n d a r db i n a r yp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o ni sp r o p o s e d t h em u l t i ：u s e r d e t e c t o rb a s e do np a r t i c l es w a l mo p t i m i z a t i o nw i t hm a i n t e n a n c eo fd i v e r s i t y ；t h e m u l t i u s e rd e t e c t o rb a s e do nc l o n es e l e c t i o np a r t i c l es w a r l no p t i m i z a t i o n c o m p u t e r s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h et w ok i n d so fd e t e c t o r sa r es u p e r i o rt ot h e d e t e c t o rb a s e do nt h es t a n d a r db i n a r yp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o ni nb e ra n d c o n v e r g e n c e i na d d i t i o n am u l t i u s e rd e t e c t o rb a s e do nn e wp a r a l l e lp a r t i c l es w a r f f l o p t i m i z a t i o ni sp r o p o s e di nt h i sp a d e r c o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l t sh a v es h o w nt h a t t h ed e t e c t o rb a s e do nn e wp a r a l l e lp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o ni ss u p e r i o rt ot h e d e t e c t o rb a s e do np a r a l l e lp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o ni nb e ra n dc o n v e r g e n c e k e y w o r d s ：c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ；d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ； m u l t i u s e rd e t e c f i o n ；b i n a r yp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ；m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数 据、观点等，均己明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：噍叠鱼鸯日期：枷6 占2 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同 意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许 论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学 位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：伍幻堡导师签名：日期：加矿乙 硕士学位论文 码分多址通信系统中多用户检测技术的研究 1 1 引言 第一章绪论 - 在短短的十几年时间里，无线通信技术经历了从第一代到第三代的重大变 革。第三代移动通信系统的显著特点是宽带、大容量和高速度。 第三代移动通信系统是一个码分多址f i 】通信系统，不同用户传输信息所用的 信号不是靠频率不同或时隙不同来区分的，而是用各不相同的编码序列来区分 的。如果从频域或时域来观察，多个c d m a 信号是重叠的。接收机用相关器可 以在多个c d m a 信号中选出使用特定码型的信号，而其他使用不同码型的信号 不能被解调。但是当特征码不完全正交时，就会存在来自其他用户的干扰，它们 的存在类似于在信道中引入了干扰，这就是多址干扰【2 j 。由个别用户产生的多址 干扰虽然很小，但随着用户数的增多或信号功率的增大，多址干扰就成了影响宽 带c d m a 系统通信质量的一个主要问题，它对系统容量起着制约的作用。此外， c d m a 通信系统还存在着远近效应问题【2 】：当用户距离基站的距离不同，信号到 达基站的功率会有所不同，这样小信号可能会被大信号湮没。传统的检测技术完 全按照直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理，因而抗多 址干扰和远近效应的能力较差。 目前解决这一问题的方法主要是采用严格的功率控制技术【3 】。这种技术虽然 在一定程度上可以缓解多址干扰，但是无法从根本上来消除多址干扰，并且也很 、 难完全做到严格的功率控制，因此对系统容量的提高有限。 多用户检测【2 】( m u r i u s e rd e t e c t i o n ，m u d ) 的目的就是从根本上消除多址 干扰，它不像传统的匹配滤波器只是将其它用户的信号看作是干扰，而是在传统 检测技术的基础上利用造成多址干扰的所有用户信号信息对单个用户的信号进 行检测，从而具有优良的抗干扰性能，解决了远近效应问题，降低了系统对功率 控制精度的要求，这样可以更加有效地利用上行链路频谱资源，显著提高系统容 量。因此有必要对多用户检测技术做深入的研究。 最优多用户检测【4 在理论上可以获得最小的误码率和最佳的抗远近能力，但 是由于其计算复杂度和用户数成指数关系，计算量太大以至于无法实时实现。近 硕士学位论文码分多址通信系统中多用户检测技术的研究 年来人们开始将遗传算法5 1 ，免疫算法【6 】和粒子群算法【7 1 等一些智能优化算法用 于最优多用户检测代价函数的求解，大大降低了计算的复杂度，为多用户检测的 研究又开辟了一条新的道路。 1 2 本论文所做的工作和内容安排 v e r d u 提出的最优多用户检测实质上是一个优化组合问题，粒子群算法具有 收敛速度快，计算复杂度低，全局搜索能力强等优点，通过仿真证明其比遗传算法 在解决这类优化组合问题上更加有效。本文在标准的离散粒子算法的基础上，根 据其存在的一些缺点，提出了两种改进的离散粒子群算法带有多样性维持机 制的粒子群算法和克隆选择粒子群算法以及一种新的并行粒子群算法，并将它们 应用到多用户检测中。基于改进的离散粒子群算法的多用户检测器在收敛速度和 误码率方面都比基于标准的离散粒子群算法的多用户检测器有所改善。新的并行 粒子群算法的多用户检测器在误码率和收敛速度方面比一般的并行粒子群算法 的多用户检测器也有所改善。 本文的内容安排是：第一章是全文的绪论部分；第二章介绍了扩频通信的基 本原理和d s c d m a 通信系统的组成；第三章介绍了多用户检测的同步系统模型 和性能指标以及最优多用户检测和解相关多用户检测的原理；第四章介绍了标准 的离散粒子群算法和本文提出的三种新的粒子群算法以及它们在多用户检测中 的应用；第五章对本文提出的算法进行了仿真分析；第六章对全文进行了总结并 对离散粒子群算法和多用户检测未来的发展进行了展望。 2 顿士学位论文 码分多址通信系统中多用户检测技术的研究 第二章码分多址通信系统 2 1c d m a 通信系统概述 2 1 1c d m a 通信技术的产生与发展 2 0 世纪8 0 年代末，全球范围从模拟向数字蜂窝技术的突然转变，使欧洲的 g s m 数字技术得以迅速推广，占据了无可争议的市场领先地位。几乎与g s m 技 术同时诞生的还有c d m a 技术。与原来模拟通信系统所采用的f d m a 技术和 g s m 系统所采用的t d m a 技术相对应，c d m a 是码分多址技术的英文缩写， 它是在数字技术的分支扩频通信技术的基础上发展起来的一种崭新而成熟 的无线通信技术。诈是由于它是以扩频通信技术为基础的，能够更加充分的利用 频谱资源，更加有效的解决频谱短缺问题，因此被视为是实现第三代移动通信 ( 3 g ) 的首选。 c d m a 技术的发展，推进了3 g 的实现进程。i s 9 5 是c d m ao n e 系列标准 中最先发布的标准，真正在全球得到广泛应用的第一个c d m a 标准是i s 一9 5 a ， 这一标准支持8 k 编码话音服务。其后又分别发布了1 3 k 话音编码器的t s b 7 4 标准，支持1 9 g h z 的c d m a p c s 系统的s t d 0 0 8 标准，其中1 3 k 编码话音服 务质量已非常接近有线电话的话音质量。随着移动通信对数据业务需求的增长， 1 9 9 8 年，i s 一9 5 b 标准应用于c d m a 基础平台。i s 一9 5 b 可提高c d m a 系统性 能，并增加用户移动通信设备的数据流量，提供对6 4k b s 数据业务的支持。其 后，c d m a2 0 0 0 成为窄带c d m a 系统向第三代系统过渡的标准。c d m a2 0 0 0 在标准研究的前期，提出了1 x 和3 x 的发展策略，但随后的研究表明，l x 和 i x 增强型技术代表了未来发展方向。 2 1 2c d m a 技术的特点 c d m a 技术的优点在于： ( 1 ) 通话质量高。这是因为c d m a 采用的宽带传输，将有用信号频谱能量都加 以扩散，在接收端利用p n 序列的相关特性进行相关处理，对有用信号频谱能量 硕士学位论文码分多址通信系统中多用户检测技术的研究 压缩集中，干扰和噪声因与p n 序列不匹配而被抑制，因此大大提高了信噪比， 具有很强的抗干扰能力。此外c d m a 的频带很宽，由某种原因引起的小部分频 谱的衰落不会使整个信号产生畸变，而且由于c d m a 可提供多种形式的分集接 收，大大降低了多径衰落。这些可以使c d m a 具有很高的话音质量。 ( 2 ) 软切换技术。当用户在不同的蜂窝站点之间移动时，t d m a 采用一种硬切 换的方式，用户可以明显地感觉到通话的间断，在用户密集、基站密集的城市中， 这种间断就尤为明显，因为在这样的地区每分钟会发生2 至4 次切换的情形。 c d m a 使用了一种被称为软切换的技术彻底解决了基站在移交用户时通话间断 的问题。软切换可以使通话者从相邻的3 到5 个蜂窝站点接收到信号，在将收到 的信号合并后不仅可以消除移交时通话间断的情况，还可以全面提高信号的质量 ( 通过始终从收到的3 - 5 个信号中选择最好的信号) 。 ( 3 ) 保密性好。通过宽带频谱传输的信号是很难被侦测到的，就象在一个嘈杂 的房间里人们很难听到某人轻微的叹息一样，而使用其它技术，信号的能量都被 集中在一个狭窄的波段里，这使在其中传输的信号很容易被他人侦测到。保密性 好是c d m a 技术固有的特点。偶然的偷听者很难窃听到c d m a 的通话内容，因 为和模拟系统不同，一个简单的无线电接收器无法从某个频段全部的射频信号中 分离出某路数字通话。 ( 4 ) 发射功耗小。c d m a 采用功率控制后，仅在衰落期间调高发射功率电平， 从而使平均发射功率减小，f d m a 的最小功率为5 m w ，平均发射功率为7 9 4 m w , 峰值功率为3 w ，而c d m a 的最小功率为2 3 m w ，平均发射功率为5 m w ，峰值 功率为1 0 0 m w 。由此可见c d m a 的平均发射功率和最大发射功率比f d m a 低， 从而使系统容量增加，减少了小区数并且能够降低设备成本。 ( 5 ) 频谱利用率高。c d m a 系统的同一频率，可以在所有小区内重复使用，其 频率复用率为2 3 ( f d m a 和t d m a 的频率复用率为1 7 ) ，不需要f d m a 和 t d m a 那样进行频率配置，大大简化了小区分裂和微蜂窝引入。 ( 6 ) 系统容量大。理论上，c d m a 网络比模拟网络的容量大2 0 倍，比g s m 网 络的容量大4 - 5 倍。c d m a 系统的容量之所以大，并非由于其技术本身，而是 由于在c d m a 系统中可以更有效地采用许多新技术来增加系统容量。如纠错编 码，分集接收，多用户检测，功率控制，高效频率复用，语音激活或可变速率语 4 硕士学位论文码分多址通信系统中多用户检测技术的研究 音编码等技术。 ( 7 ) 覆盖面积大。c d m a 的无线链路预算比g s m 多3 6 倍。正常情况下，c d m a 的小区半径可达6 0 公里，在采用了特殊技术手段后，半径可达2 0 0 多公里。而 g s m 系统基站半径最大不得超过3 5 公里。覆盖范围的扩大所带来的直接优点是 基站数量减少，基站选址容易。更为重要的是，基站数量的减少将大大降低网络 配套电信设施的投入，加快建设速度。 c d m a 技术实施中出现的问题： ( 1 ) c d m a 虽具有柔性容量，但同时工作的用户越多，所形成的干扰噪声就越大， 当用户数超过网络设计容量时，系统的信噪比会恶化，从而导致通信质量的下 降。 ( 2 ) c d m a 技术采用r a k e 接收机，有利于克服码间干扰，但当扩频处理增益不 够大时，克服的程度会受到限制，即仍会残存码间干扰。 ( 3 ) c d m a 为克服远近效应而采用功率控制技术，从而增加了系统的复杂性。 ( 4 ) c d m a 的不同用户是以p n ( 伪随机码) 码来区分的，要求各p n 码之间的互相 关联系数尽可能小，但很难找到数目较多的这种p n 码。另外用户越多，p n 码 的长度就会越长，则在接收端的同步时间也长，难以满足高速移动中通信快速同 步的要求。 ( 5 ) c d m a 系统各地址码间的互相关性越大，则多址干扰就越大，而在t d m a 和 f d m a 中不存在多址干扰问题。 ( 6 ) c d m a 蜂窝网的各蜂窝可能使用同一频带同一码组，那么相邻蜂窝的同一码 组之间会产生干扰。 ( 7 ) c d m a 体制是一种噪声受限系统，同时通信的用户数越多，通信质量恶化的 程度就越严重，最终导致c d m a 系统的用户容量远低于理论计算值。 2 2 扩频通信系统 2 2 1 扩频通信的基本原理 扩频通信8 1 是近年发展非常迅速的一种技术，它与光纤通信、2 1 1 n i b i n - - i n 被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。所谓扩频通信，即扩展频谱通 硕士学位论文 码分多址通信系统中多用户检测技术的研究 信( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) ，是一种信息传输技术，其信号所占有的频 带宽度远大于所传信息所须的最小带宽。频带的扩展是通过比所传信息数据的传 输速率高许多倍的伪随机码序列的调制米完成的；在接收端，则用同样的码进行 相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。扩频通信与c d m a 并不是同一概念， 可以说：c d m a 只能由扩频技术来实现，而扩频通信并不意味着c d m a 。 由上述定义可知，扩频技术必须满足以下两条准则： ( 1 ) 传输带宽远远大于被传送的原始信息的带宽： ( 2 ) 传输带宽主要由扩频函数决定，扩频函数常用伪随机编码信号。 旦圈w 坤擎 国豳豳国 扩频通信的一般工作原理如图2 - 1 所示。在发送端，信源信号先经过信源编 码和信道编码( 即信息调制) 形成数字信号，然后用扩频码序列对数字信号进行扩 频，展宽信号的频谱。展宽后的信号再经过射频调制，调制到较高频率上再发送 在接收端收到的宽带射频信号经过射频解调，恢复到中频，然后由本地产生 的与发端相同的扩频码序列进行相关解扩。再经信息解码( 信息解调) ，就可以恢 复出信源的原始信息。 与一般通信系统比较，扩频通信多了扩频和解扩两个部分。图2 2 描述了信 号在解扩前后的带宽和信噪比的变化情况。 信号 | i 躐凌鬻潮戮燃q 信号干扰 图2 2 信号解扩前后的带宽和信噪比的变化情况 硕士学位论文码分多址通信系统中多用户检测技术的研究 长期以来，人们总是想方设法使信号所占频谱尽量窄，以充分提高十分宝贵 的频率资源的利用率。为什么要用宽带信号来传输窄带信息昵? 简单的回答就是 主要为了通信的安全可靠。这一点可以用信息论和抗干扰理论的基本观点加以说 明。顺便指出，扩频通信技术可用来实现码分多址方式，并为数字化通信增添一 种新的多址方式。 一 山农在其信息论中得出带宽与信噪比互换的关系式，即山农公式为 ，( ，+ 爿( 2 - ， 式中，c 为信道容量，单位为b s ；b 为信号频带宽度，单位为应；s 为信号平 均功率，单位为；为噪声平均功率，单位为矽。 山农公式的含义是，在给定信号功率和白噪声功率的情况下，只要采用某种 编码系统，就能以任意小的信息传输差错概率，以接近于c 的传输速率来传送信 息。这个公式还暗示：在保持信息传输速率c 不变的条件下，可以用不同频带宽 度b 和信噪功率比来传输信息。换言之，频带b 和信噪比是可以互换的。也就是 说，如果增加信号频带宽度，就可以在较低的信噪比的条件下以任意小的差错概 率来传输信息。甚至在信号被噪声湮没的情况下( 即s n 1 ) ，只要相应地增 加信号宽度，也能进行可靠的通信。上式表明，采用扩频信号进行通信的优越性 在于用扩展频谱的方法可以换取信噪比上的好处。 柯捷尔尼可夫在其潜在抗干扰性理论中得到如下关于信息传输差错概率的 公式： “，( 兰) ( 2 2 ) n o 上面公式指出，差错概率只是信号能量e 与噪声功率谱密度之比的函数。设 信息持续时间为t ，或数字信息的码元宽度为丁，则信息带宽b 。为 b。：=1(2-3) 信号功率s 为 s = 鲁 ( 2 4 ) 已调( 或已扩频) 信号的带宽为b ，则噪声功率为 n = n o b ( 2 5 ) 由式( 2 - 3 ) 式( 2 5 ) ，式( 2 - 2 ) 可写成 怠* 厂( 等功= 厂焉，寺) ( 2 - 6 ) 上面公式指出，差错概率只是输入信号与噪声功率之比s n 和信号带宽与信息 带宽之比b b 。二者乘积的函数，信噪比与带宽是可以互换的。它同样指出了用 增加带宽的方法可以换取信噪比上的好处这一客观规律。 硕士学位论文 码分多址通信系统中多用户检测技术的研究 综上所述，将信息带宽扩展1 0 0 倍，甚至1 0 0 0 倍以上的宽带信号来传输信 息，就是为了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全的通信。 这就是扩频通信的基本思想和理论依据。 2 2 2 扩频通信的性能指标 扩频通信系统有两个重要的性能指标：处理增益8 】和抗干扰容限【8 1 。 ( 1 ) 处理增益 通常在衡量扩频系统抗干扰能力的优劣时，引入“处理增益”这个概念，一 般也称为扩频增益，定义为接收机相关器输出信噪比和接收机相关器输入信噪比 之比，即 g - 而s o n o (27)s 。n ? 、 。 式中，疋和母分别是接收机相关器的输出和输入信号功率，d 和m 分别是相关 器的输出和输入干扰功率。在各种干扰情况下系统的扩频增益不同，本文仅对高 斯白噪声干扰情况下的扩频增益做简要的推导，并且以直接序列扩频系统下的情 况为例来说明。 假定系统有k 个通信用户，分别用不同的p n 码来调制信息数据。假设严格 功率控制的情况，设p 是接收的每一个用户的信号功率，系统的扩频带宽为w ， 噪声的功率谱密度用m 表示，则接收端接收到的有用信号功率谱为p t w ，接收 到的其他干扰用户的干扰功率谱为( k 1 ) p i w ，那么该通信用户的输入信噪比为： s , n , ： ! ! ! ：! ( 足一1 ) 尸，+ 虬( 岸一1 ) p + ： 佗- s ) 经接收机扩频解调后，该通信用户的信号被全部接收但信号带宽己变换到基带 内，设基带信号的信息速率为r ，此时有用信号的功率谱为p & ，其他用户或 干扰噪声信号与用户信号的地址码不相关，不能得到解调，因此它们的功率谱密 度保持不变。则输出信噪比为： & 吣雨篇而= 万f 南万妥 ( 2 _ 9 ) 由式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 容易得到扩频解调前后的扩频增益，即输出信噪比与输入信噪 比之比为： 8 硕士学位论文 码分多址通信系统中多用户检测技术的研究 g ：s o n o ：里( 2 一1 0 ) s 。l n 。 对于直接序列扩频系统来说，w 为伪随机码的信息速率。式( 2 1 0 ) 给出了 扩频通信中扩频解调处理对信噪比的改善情况，它决定了系统抗干扰能力的强 弱，是扩频系统的一个重要性能指标。 ( 2 ) 干扰容限 为了描述扩频系统在干扰环境下的工作性能，引入干扰容限的概念，干扰容 限可以定义为： m ，= g 一心+ ( 配) ( 2 1 1 ) 其中，配d 为输出信噪比，t 为系统损耗，g 为扩频增益。干扰容限可以解 释为：当干扰功率超过信号功率吖，( d b ) 时，系统就不能正常工作。 2 2 3 直接序列扩频 按照频谱扩展的方式不同，c d m a 扩频通信系统可以分为基本c d m a 和复 合c d m a 两种。其中，基本c d m a 主要包括直接序列扩频( d s ) 、跳频扩频( f h ) 和跳时扩频( t h ) z 种方式。复合c d m a 包括d s f h 、d s t h 、f h t h 等。 由于本文的主要工作都是在直接序列扩频【8 】( d i r e c ts e q u e n c es p r e a d s p e c t r u m ) t 完成的，因此主要介绍一下直接序列扩频。 所谓直接序列扩频，就是在发端直接用具有高码率的扩频码序列对信息比特 流进行调制，从而扩展信号的频谱，在收端，用与发端相同的扩频码序列进行相 关解扩，把展宽的扩频信号恢复成原始信息。 直接序列扩频系统的组成如图2 3 所示： 图2 - 3 直扩系统的原理框图 9 硕士学位论文 码分多址通信系统中多用户检测技术的研究 图中，m ( f ) 是原始信号，“( f ) 为经载波c o s ( o ) 。f + 声) 调制( 相乘) 后得到的中频信号 p 是伪随机序列信号，s ( f ) 是p ( f ) 对“( f ) 进行扩频调制后产生的宽带调制信号， 为了适应信道的传输特性，s ( f ) 还要与主振荡器产生的载波c o s ( o # ，+ ) 相乘，得 到射频调制信号r ( ，) ，r ( f ) 经过信道的噪声叠加后，到达接收端。在接收端首先 进行混频放犬，得到中频信号g ( f ) ，q ( f ) 再经伪随机序列p ( f ) 的解扩，得到信号 p ( r ) ，p ( f ) 通过中频滤波滤除了干扰信号，得到信号y ( f ) ，y ( ，) 再与载波c o s 。r 相 乘实现解调，最终恢复出原始信号m 0 ) 。 如上所述，直扩系统的接收除了前端的放大变频之外，还要进行解扩和解调。 最好是先解扩再解调，因为无线信号在空问传播会有很大的信号衰减。未解扩前 的信噪比很低，甚至信号被淹没在噪音中。一般解调器难于在很低的信噪比条件 下正常解调，会导致高误码率。换句话说，先解扩，可以通过解扩获得扩频增益， 提高接收信号信噪比。然后再进行解调，就能保证通信的质量和可靠性了。 驻啦泰罐 ( c )( d )忙) 4 套托 (g)( i ) 图2 4 直扩系统传输信号频谱变化图 图2 4 是直扩系统传输信号频谱变化图，设原始信号r e ( t ) 为图( 所示的低通 信号，经过载波调制后，中心频率变为 且带宽加倍( 如图( b ) 所示) ，再经过扩频 后产生宽带信号s ( f ) ( 如图( c ) 所示) ，s ( f ) 的带宽取决于扩频序列信号的币- m - 宽，最后 经射频调制，中心频率被搬移到，( 如图( d ) 所示) 后发送出去。经信道叠加一个 l o 硕士学位论文 码分多址通信系统中多用户检测技术的研究 干扰信号，在接收端获得信号i ( ，) ( 如图( c ) 所示) ，f ( f ) 经过变频放大，中心频率 恢复到五，再经过解扩后，有用信号变为窄带信号的同时干扰信号变成宽带信 号( 如图所示) ，再通过中频滤波器滤除掉多余的干扰信号，得到信号y ( 0 ，y ( 0 中的信噪比已经大大提高( 如图( 曲所示) ，最后经过解调，还原出原始信号r a ( t ) 。 由以上分析可知，在接收端的解扩过程中，由于有用信号与扩频序列码的相 关性，从而使其由宽带解扩为窄带信号，而由于干扰信号与扩频序列码的非相 关性，使其由窄带信号扩展成了宽带信号，从而使信噪比大大提高，获得了扩频 增益。 扩频系统中的多址问题的解决也是基于此道理。由于每个用户都有惟一的一 个码序列，只有当接收到的信号所包含的码序列与自身的相同时，经过解扩才可 能出现峰值，从而恢复出原始信号。相反地，如果接收到信号的码序列与自身的 不相同，经过解扩之后其频谱会变得更宽，就会把该信号作为干扰信号来对待， 更不会恢复出其原始信号形式。 2 2 4 扩频序列 在c d m a = 数字蜂窝移动通信系统中，扩频码嘲的选择至关重要。它关系到 系统的抗多径干扰、 抗多址干扰的能力，关系到信息数据的保密和隐蔽，关系 到捕获和同步系统的实现。经研究表明，理想的扩频码应具有如下特性： ( 1 ) 有足够多的码组； ( 2 ) 有尖锐的自相关特性； ( 3 ) 有处处为零的互相关特性： ( 4 ) 不同码元数平衡相等； ( 5 ) 尽可能大的复杂度。 在数学上，信号的自相关性是用自相关函数来表征的，而自相关函数所解决 的是信号与它自身相移以后的相似性问题，其定义如下： ( r ) ：昙一，2 ，厂( f ) 厂( f f ) a t (212)at 1 2 ) ( r ) 2 亭i 。厂( f ) 厂( f ( 2 一 式中，f ( t ) 为信号的时间函数，r 是码元间隔，r 为时间延迟，f ( t f ) 为，( f ) 经 硕士学位论文码分多址通信系统中多用户检测技术的研究 时问f 的延时后得到的信号。当f ( t ) 与f ( t f ) 完全重叠，即f = 0 时，自相关函 数值( o ) 为一常数( 通常为1 ) ；当两信号不完全重叠，即f 0 时，自相关函数 值( r ) 很小( 通常为一负值) 。 其重要意义是：对通信系统的接收端而言，只有包含伪随机序列与接收机本 地产生的伪随机序列相同且同步的信号才能被检测出来，其他不同步( 有延时r ) 的信号，即使包含的伪随机序列完全相同，也会作为背景噪声( 多址干扰) 来对待。 p n 码序列除自相关性外，与其他同类码序列的相似性和相关性也很重要。 例如有许多用户共用一个信道，要区分不同用户的信号，就得靠相互之间的区别 或不相似性来区分。换句话说，就是要选用互相关性小的信号来表示不同的用户。 对于两个不同的信号a t ) 与颤f ) ，它们之间的互相关函数定义为 吼( f ) = 孑1 f 2 2 。，、r ) g ( 卜f 冲 ( 2 一1 3 ) 如果两个信号都是完全随机的，在任意延迟时问r 都不相同，则上式的结果 为0 ，同时称这两个信号是正交的。如果二者有一定的相似性，则结果不完全为 0 。通常希望两个信号的互相关函数值越小越好，这样它们就越容易被区分，且 相互之间的干扰也就越小。 基本的p n 码序列互相关性都不够好，因此，实际的c d m a 系统中常选用 自相关性好的p n 码作为扩频码。 下面介绍几种常用的扩频码： f 1 ) i n 序列嘲 m 序列是一种重要的伪随机序列，有时称为伪噪声( p n ) 序列。“伪”的意 思是说这种码是周期性的序列，易于产生和复制，但其随机性接近于噪声或随机 序列。m 序列是最长线性反馈移位寄存器序列的简称。它是由多级移位寄存器或 其延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。在二进制移位寄存器中，若n 为 移位寄存器的级数，h 级移位寄存器共有2 ”个状态，除去全0 状态外还剩下2 ”一1 种状态，因此它能产生的最大长度的码序列为2 ”一1 位。图2 - 5 是一个3 级m 序 列发生器的原理图。 1 2 硕士学位论文码分多址通信系统中多用户检测技术的研究 一删。图2 53 级m 序列发生器 m 序列的最大长度取决于移位寄存器的级数，而码的结构取决于反馈抽头的 位置和数量。不同的抽头组合可以产生不同长度和不同结构的码序列。有的抽头 组合并不能产生最长周期的序列。下面给出m 序列的一些基本性质： ( 1 ) m 序列的周期p 取决于移位寄存器的级数n ，p = 2 “一1 ； ( 2 ) 在m 序列码中，码元为“1 ”的数目和码元为0 的数日只相差1 个。 ( 3 ) 在一个序列中连续出现的相同码称为一个游程，连码的个数称为游程的长 度。一般m 序列中，游程总数为2 ”1 个，n 是移位寄存器级数。游程长度为膨的 游程出现的比例为2 = 1 2 ”，而l k n 一2 ，此外还有一个长度为 的“1 ” 游程和一个长度为( n 一1 ) 的“0 ”游程。 。 ( 4 ) m 序列和其移位后的序列逐位模2 相加，所得的序列还是m 序列，只是起始 位不同而已( 有时称为相移或相位不同而已) 。 ( 5 ) m 序列与其循环移位序列逐位比较，相同码的位数与不相同码位数相差1 位。 ( 6 ) m 序列发生器中移位寄存器的各种状态除全0 状态外，其他状态只在m 序列 中出现一次。如7 位的m 序列1 1 1 0 1 0 0 中，顺序出现的状态为1 1 1 ，1 1 0 ，1 0 1 ， 0 1 0 ，1 0 0 ，然后尾首接续为0 0 1 和0 1 1 ，最后又回到初始状态11 1 。 ( 7 ) m 序列发生器中，并不是任何抽头组合都能产生i l l 序列。理论分析指出，产 生的m 序列数( n u m b e r ) 由下式决定： n u m b e r = o ( 2 ”一1 1 n ( 2 - 1 4 ) 其中，口的为欧拉数( 即包括1 在内的小于并与它互质的正整数的个数) 。例如， 5 级移位寄存器产生的3 l 位m 序列只有( 3 1 ) 5 = 6 个。 m 序列的优点是容易产生、规律性强、自相关特性好，因而在直扩系统中得 硕士学位论文 码分多址通信系统中多用户检测技术的研究 到了广泛的应用。但是它可提供的跳频图案少、互相关性不理想，又加之是线性 反馈逻辑，容易被敌人破译，即保密性、抗截获性差，因此，在跳频系统中并不 采用。 ( 2 ) 2g o l d 码【8 1 在介绍g o l d 码序列之前，先给出优选对的概念。 如果有两个m 序列，它们的互相关函数的绝对值有界，且满足以下条件： f 型 i r i ：k + 1 川为奇数 ( 2 _ 1 5 ) 1 22 + 1 ， 为偶数( 不是4 的倍数) 则我们称这一对m 序列为优选对。如果把两个m 序列发生器产生的优选对序列 作模2 加运算，生成的新的码序列即为g o l d 序列。 g o l d 码是m 序列的复合码，是由r g o l d 在1 9 6 7 年提出的，它是由两个码 长相等，码时钟速率相同的m 序列优选对模2 加组成，如图2 - 6 所示。图( a ) 是 g o l d 码发生器的原理结构图，码l 和码2 为1 2 1 序列优选对。每改变两个i n 序 列相对位移就可得到一个新的g o l d 序列。因为总共有2 “一1 个不同的相对位移， 加上原来的两个m 序列本身，所以两个n 级移位寄存器可以产生2 ”+ 1 个g o l d 序列。因此，g o l d 序列数比m 序列多得多。更重要的是它们之间的互相关特性 都满足式( 2 1 5 ) 。由于g o l d 序列这一特性，使得码族中任一码序列都可作为地址 码。这样，采用g o l d 序列码族作地址码，其地址数大大超过了用m 序列作地址 码的数量。图( b ) 是两个5 级m 序列优选对构成的g o l d 码发生器。 图2 - 6g o l d 码发生器 1 4 硕士学位论文码分多址通信系统中多用户检测技术的研究 g o l d 码序列的性质主要有以下三点： ( 1 ) g o l d 码序列具有三值自相关特性，其旁瓣的极大值满足式( 2 一1 5 ) 所表示的优 选对的条件。 ( 2 ) 两个i l l 序列优选对不同移位相加产生的新序列都是g o l d 序列。因为总共有 2 ”一1 个不同的相对位移，加上原来的两个m 序列本身，所以，两个n 级移位寄 存器可以产生2 ”+ 1 个g o l d 序列。因此，g o l d 序列的序列数比m 序列数多得多。 ( 3 ) g o l d 序列的互相关峰值和主瓣与旁瓣之比都比m 序列小得多。这一特性在实 现码分多址时非常有用。 2 3c d m a 通信系统 2 3 1 码分多址( c d m a ) 的基本原理 模拟系统是靠频率的不同来区别