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西北工业大学硕士学位论变 第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 摘要 第三代移动通信系统中，多址干扰是一个主要的干扰源，应用多用户检测 技术消除多址干扰日益成为关注的焦点，因此，在对智能天线理论和多用户检 测原理深入分析的基础上，本文提出了一种在码分多址移动通信系统中，将智 能天线应用于多用户检测的空时检测方案，本文的主要工作概括如下。 在单径情况下，基于最小均方误差原则和最大似然原则，提出了一种多用 户检测算法和一种空时二维多用户检测器的结构。仿真性能分析说明了比传统 的单用户检测有较大的性能改进。在此基础上，将单径情况推广到多径情况 提出了一种多径情况下的多用户检测器的结构。同时，由于第三代移动通信系 统具有有限字符特性，并且存在上行链路导频信息，本文基于这两点对s a g e 算 法进行了改进。 关键词： 智能天线多用户检测空时处理 联合检测算法单径多径 西北工业大学硕士学位论文第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 a b s t r a c t i nt h e3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e i st h em a i ns o u r c eo fi n t e r f e r e n c e ：s o ，m u l t i u s e rd e t e c t i o na saw a y t oe l i m i n a t em a ii sf o c u s e d b a s e do nt h et h o r o u g ha n a l y s i so ft h es m a r t a n t e n n at h e o r ya n dm u l t i u s e rd e t e c t i o n ，t h i sp a p e ri n c r o d u c e sas p a c e t i m ed e t e c t i o ns c h e m eo f e m b e d d i n g t h es m a r ta n t e n n aa r r a y i n t om u l t i u s e rd e t e c t i o ni nc d m am o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h em a i nw o r k so ft h ed i s s e r t i o na r ea sf o l l o w s o n s i n g l ep a t hc o n d i t i o n ，t h em u l t i - u s e rd e t e c t i o na l g o r i t h mi s d e r i v e do nt h eh a s i so f t h em i n i m a l s q u a r e r u l ea n dt h em lr u l e a s p a c e t i m em u l t i u s e rd e t e c t i o ns t r u c t u r ea n da na d a p t i v em e t h o do nc d m a s y s t e m a r e p r o p o s e d t h ep e r f o r m a n c eo ft h ea l g o r i t h m sp r o p o s e d i s m u c hb e t t e rt h a nt h a to ft r a d i t i o n a ls i n g l e u s e rd e t e c t i o n a l s ou s i n g t h e 姒s er u l ea n dt h em lr u l e w ed e r i v e sa na l g o r i t h mo nc o n d i t i o no f a s y n c h r o n o u sm u t t i p a t h ，a n d as p a c et i m em u l t i u s e rd e t e c t i o ni s p r o p o s e d i nt h em e a n t i m e ，a ni m p r o v e m e n ta b o u tt h es a g ea l g o r i t h mi s p r o c e e d e d o nt h eb a s i so f f i n i t e a l p h a b e t c h a r a c t e r i s t i ca n d p i l o t i n f o r m a t i o no ft h e3 gc o m m u n i c a t i o n s s y s t e m k e y w o r d s ：s m a r ta n t e n n a ，m u l t i u s e rd e t e c t i o n 。s p a c e t i m e p r o c e s s i n g ，j o i n td e t e c t i o na l g o r i t h m s ，s i n g l ep a t h ， m u l t i p a t h i i 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 皋人完全了解学校有关保护知识产权的规定即；研究生在校攻读学位期知论 文工作的妇i 识产权单位属予西北工业大学学校有权保留并向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅学校可以将本学位论文 + 镒陲辩或部分内容二编入有关数据摩避行燃可磷漂用影印、缩印或扫描等复制手 需隐存和汇绽幸学位论文。同时本人像征。毕业后结合学位论文研究课悫再撰写的 j 文章弥注明作者单位为西北工业大擎+ 谋簿瓷文待解密后适用本声明 学位论文作者签名： 年月 指导教师整名； 开年月只 西北工业大学 学位论文原创性声明 ： 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，举人郑重声明：所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引 用的内容和致谢的地方外，本论文不包古任何其他个人或集体已经公开发表或撰写 过的研究成果。不包含本人或他人已申请学位或其它用途使用过的成果对本文的 研究做f 弧要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明 本人学位论文与资料若有不实愿意承担一切相关的法律责任 学位论文作者签名： 年月只 西北工业大学硕士学位论文 第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 第一章绪论 1 1 研究的背景与意义 目前全球的无线业务正以每年4 0 的速度增长，在信息产业中，我国移动通 信市场潜力居世界首位。根据信息产业部最新统计数据及“十五”的发展规划， 近年来移动通信市场增长达到1 0 0 0 万年左右。 无线蜂窝移动通信系统的发展经历了三个阶段( 三代) ，第一代为模拟话音 始于1 9 7 8 年，频段在4 5 0 m h z - - 9 0 0 m h z ；进入9 0 年代以后，移动通信发展极为 迅速，进入了第二代系统，主要特征是数字话音，采用了多址方式，有频分多 址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 等，实现全球漫游，典型的 产品有g s m ( 1 9 9 2 ) ，d - a m p s ( i s 5 4 1 3 6 ) 及i s 一9 5 。第三代移动通信是在第二代数 字移动通信市场的蓬勃发展中被引入日程的，它的主频段位于2 g h z 频段附近 国际电联将其命名为i m t 一2 0 0 0 。 第三代移动通信的最主要特征是具有本地2 m b s 的高数据流接入和在广域 网内采用3 8 4 k b s 的接入速率。目前，国际电联所承认的三种提案分别是由中 国提出的t d s c d m a 、美国所制定的c d m a 2 0 0 0 和欧洲所制定的w - c d m a 。 由于第三代系统要达到这么高的速率，它必须采用不同于以往系统的关键 、 技术。 初始同步与r a k e 多径分集接收技术 高效信道编译码技术 西北工业大学硕士学位论文 第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 智能天线技术 多用户检测技术 功率控制技术 ? 现在，对于这些关键技术的研究不但有重大的理论价值，也有相当的实用 价值一这关系着我国能不能在第三代系统的研究中占领制高点。 将自适应阵列天线引入多用户检测，从而用于民用的移动通信系统中，虽 然时间很短，但是发展迅猛，很快就成为关注焦点。一方面，阵列天线在雷达 中应用很广，有很好的研究基础：另一方面，通信信号具有很好的时域特性， 而三代c d m a 系统又天生适于采用阵列天线，有望取得更好的应用效果。由于商 业利益的驱动，全球众多的通信公司、联合高校、科研院所都开展了这方面的 研究，为了我国制胜于世界，我们必须要有自己的关键技术专利。 因此，本文研究第三代系统中的空时多用户检测，具有理论意义与实际价 值。 1 2 研究的发展与现状 在蜂窝移动码分多址通信中，干扰大致可分为三种类型：加性白噪声干扰、 多径干扰和多用户之间的多址干扰。在码分多址系统中，多个用户占有同一时 隙和相同的频段，通过扩频码来相互区分。如果多个用户的地址码的互相关函 数达到理想状态，即它们的地址码完全正交，则不存在多址干扰的问题。但在 实际上，这一点是不可能的。也就是说，当我们要接收一个特定的用户时，其 2 西北工业大学硕士学位论文第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 他和这个特定用户不完全正交的用户就会成为干扰源。 当同时通信的用户较多时，多址干扰就成为了最主要的干扰。它不但影响 了系统的抗干扰量，也严重限制了系统容量的提高。因此，抵抗和限制多址干 扰就成了c d m a 系统的一项主要任务。多用户检测是一种很好的干扰抑制方法， 它既可以抗多址干扰。又可以抵抗远近效应和多径干扰。 多用户检测的概念，是v e r d u 在1 9 8 6 年提出的，它在信息论最佳信号检测 理论指导下，充分利用扩频码的己知结构信息和统计信息，设法把其他用户的 信息转化为可利用因素，从而更好的进行用户检测和识别。现在，它的主要研 究方向从理论上的最佳结构逐步向工程上的次最优结构发展，目的是找到一个 性能和复杂度的契合点，找到一个工程中有实际价值的方案。另外，多用户检 测和其他技术相结合，也是近年的研究热点。 智能天线技术应用到多用户检测，进行空时多用户检测，利用信号的空域 特征进行多用户空时检测，尤是热中之热。欧洲通信委员会早在1 9 9 5 年就构建 了智能天线试验平台；德国大学奥斯丁s d m a 小组对s l _ i a ( s p a c e d i v i s i o n m u l t i p l e a d d r e s s ) 的研究可谓开风气之先；s t a n f o r d 大学信息系统研究是对 t d m a 系统进行空时二维处理算法的研究，对c d m a 系统也有很好的借鉴意义。国 内的一些大学也对智能天线作了一些研究。其中，西安电子科技大学雷达信号 重点实验室对智能天线上行空时二维处理的研究相当深入，并正在建立c d m a 系 统的智能天线平台。 西北工业大学硕士学位论文第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 在这种基础上，把智能天线应用于多用户检测，就是一件水到渠成的事了。 事实上，把用户的接收端和检测端当成一个系统而不是两个孤立的事件来看问 题，这正是当前的一种趋势。 1 3 论文的主要工作和内容安排 本文研究了第三代移动通信系统中的一种空时二维处理技术。提出了智能 天线技术应用于多用户检测的处理算法和实现结构：主要是多用户接收和检测 的系统处理方法。 t 本文主要包含一下各个章节： 第一章介绍了研究的背景、意义和它的研究现状。 第二章描述了智能天线基本理论，多用户检测基本理论，以及无线通信信 道的基本模型。同时，给出了d s c d m a 系统的基本模型。也就是说，本文对三 代系统的讨论主要是在直接序列扩频方式下进行的，相应的，本文所有仿真都 在采用直扩的w - c d m a 协议下进行。 第三章提出了一种单径情况下空时c d m a 多用户检测接收机结构以及一种空 时多用户检测算法。 第四章把单径的情况推广到异步多径情况，对基于迭代s a g e 算法的多用户 检测技术提出了改进方法。 最后的总结与概要简单概括了本文的主要结论，并对后续的研究工作及可 望达到的目标提出了个人的看法。 4 西北工业大学硕士学位论文第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 第二章智能天线技术和多用户检测技术 2 i 智能天线基本理论 智能天线的基本思想是在基站采用阵列天线自适应的形成多个波束，分别 跟踪多个共享同一信道的用户，并在接收时通过空域权矢量抑制同信道干扰并 将其分离，从而使期望用户接收的信号功率最大，其他用户的干扰最小。这里 的信道既可以是f d m a 中的频道，也可以是t d 姒中的时隙，还可以是c d m a 中的 码道。实际上，智能天线技术开发出了一种新的信道资源，即空分多址 ( s d m a ，s p a c e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 。从严格意义上讲，空分多址并不 可能在空间上将用户严格分开，因此，它并不同于一般意义上信道复用的概念。 但是，它可以和其他信道复用方式完全兼容，实现多种组合的多址方式，如 s d l a c d 姒。 一个m 阵元的天线阵，通常由一个中央处理器控制工作。天线的几何流形可 以有很大的不同，但最常用的天线阵是有阵元按圆形排列的圆阵和按线形排列 的多方向线阵。在第三代移动通信系统中，天线阵的目的是改善系统的误码性 能，从而改善信噪比( s i n r ) 。对白噪声而言，m 阵元天线阵可以提供m 倍的性 能改善，但对其他用户的干扰抑制性能，则取决于接收数据的处理形式。 在第三代移动通信系统中，用户的信息通常是可以得到些先验信息的。因 此，一个好的方法时是通过先验信息估计接收信号形势并确定匹配滤波解。显 然，基站天线阵如果能对用户提供重大的信噪比改善，那么误码率( b e r ) 也会 西北工业大学硕士学位论文第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 减少。采用智能天线技术可以达到以下目的。 _ 在给定误码率门限的情况下增加用户数量 在一个给定用户数的蜂窝内改善误码率性能 _ 在满足一定误码率条件下降低每一阵元发射功率 - 增加基站接收机的覆盖范围及蜂窝大小 虽然智能天线技术具有很多优点，但这些是以增加复杂度为代价的。在这里 我们也必须看到以下方面： 一对每一个用户需要天线阵上解调器的软硬件实现 - m 个接收机在时间上必须同步 _ 阵列信号处理复杂度也很大 一天线阵受基站现有大小制约，通常阵元间距从半个波长到十个波长 之间 实际天线阵会受阵元模型误差和噪声影响 智能天线系统通过两种方式把波束形成和数字空域处理相结合，一种是固定 波束形成网络( b f n ，f i x e db e a m f o r m i n gn e t w o r k ) ，另种是自适应阵列处理 器a 下面简要介绍切换波束系统及自适应天线系统和宽带智能天线三种智能天 线技术。 i 切换波束系统 在固定波束形成网络中，可以用一个开关选择相对最好的波束来接收特定 西北工业大学硕士学位论文 第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 的信号。切换波束系统相对简单，只有一个波束形成网络，一个射频开关以及 选择波束的逻辑控制器。通过逻辑控制器控制开关，从而选择波束。如图2 一l 所示。 ， 波 烈用户。接收机f 束 形 成 7 。 j 开羊l 网 ：奎l 7 络 靳用户q 接收机 7 l 耳革l 图2 1切换波束系统结构 需要指出的是，对于不同的多址方式，选择的复杂度是不同的。 切换波束系统在实现复杂度上有优势，但是它也存在一些约束。首先，系统对 有用的多径信息不能有效的利用；其次，对其他用户信息也不能提供保护。和 自适应天线系统相比，它和基站之间只需要适度的相互。由于采用的是相对较 低的技术方法，切换波束系统的工程实现代价更低，相应的，也更容易实现。 但在另一方面，它的效果相对于自适应天线系统来说较差。 。2 自适应天线系统 自适应阵列天线技术是利用基带数字信号处理技术，产生空间定向波束 使天线主波束即最大增益点对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号 到达方向，从而给有用信号带来最大增益，有效的减少多径效应所带来的影响。 西北工业大学硕士学位论文 第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 同时达到对干扰信号删除和抑制的目的。 自适应天线系统原理如图2 2 所示，权矢量w ( k ，i ) 可以自适应的调整使解 调器在时刻j 对信号k 的质量优化。 1k 歹芒 j 逻竹 _ _ 1 j l 逻y j 翌r _ 图2 2 自适应天线阵结构 在最优波束形成技术中，权矢量由最小化一个代价函数确定。两个最常用 的代价函数是最小均方误差( m m s e ) 和最小二乘准则( l s ) 。这两种方法都是最 小化阵列输出和参考信号之差的平方来得到最小的权矢量w ( k ，i ) 。对于最小均 方误差( 删s e ) 准则，其代价函数为 其中，z ( t ) 是阵列输出信号；d ( t ) 是参考信号。 对于最小二乘准则( l s ) 来说，不是集合平均，而是最小化阵列输出和参考 信号之差的有限次采样，设对数据进行p 次采样，其代价函数为 西北工业大学硕士学位论文第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 j w ( k ，i ) = i z ( k ，m ) 一d ( k ，m ) 2 其中，m 从0 到p 一1 。 l s 和m m s e 的主要问题是要已知或估计参考信号d ( t ) 。常用的方法是采用 收发信机已知的训练信号，训练信号可以通过通信间隙周期的发射；另外一种 方法是直接判决法，即通过天线阵和解调器的重构来估计参考信号。但是，当 解调器产生误码对，期望信号的重构估计变得很差，从而导致错误的自适应权 矢量产生，造成了恶性循环。一个看起来不错的办法是合并训练信号和直接判 决方法，自适应初始化过程用训练序列，而用直接判决方法跟踪时变信道。 3 宽带智能天线 宽带系统可以将时域和空域滤波结合，形成自适应天线系统，如图2 3 所示， 每一个阵元都有抽头延迟线。 9 西北工业大学硕士学位论文第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 图2 3 宽带自适应天线阵 抽头延迟线允许每_ 个阵元有一个随频率改变的相位响应，可以补偿低频 信号部分一定传播距离引起的小的相移，以及高频部分的大的相移。这种结构 可以看成一种均衡器，用以补偿不同频率的阵列响应。 由于无线信道时延扩展，会造成码间干扰，引起信号质量下降。如果多径 分量角度可以分离而时延几乎相同，那么，一维空域处理可以有效的消除或合 并多径分量。但如果多径分量角度相近，则时域均衡器可以抑制时延多径分量。 而二维结构不但可以利用不同的角度，还可以利用不同的时延来捕获不同的多 径分量，采用空域处理器和时域处理器合并处理，得到更好的结果。而且，二 维结构可以通过抽头延迟线作为自适应干扰滤波，在频域抑制干扰信号，这对 于不同带宽和不同载频的蜂窝环境里是很有价值的。 2 2 多用户检测技术 在通常的码分多址系统中，都将多径干扰和多址干扰看作等效白噪声的无 用信息，这是一种消极的办法。实际上无论是多径干扰还是多址干扰，都不是 无用的白噪声信号，而是有很强结构性的伪随机序列信号，从理论上看，完全 可以利用这些信息。 基于充分利用已知结构信息和统计信息在信息论的最佳信号检测理论指导 下，对多个用户的匹配滤波接收的基础上，充分利用已知伪码的结构信息，设 法消除其他用户的干扰，这就是多用户检测。 西北工业大学硕士学位论文 第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 传统的单用户检测机的结构如图2 4 所示 图2 4 传统的单用户接收机 i 解扩匹配滤波器1r 叶 联 检 | 测 ! 算 法 i 解扩匹配滤波器kr _ 图2 5 多用户检测接收机 与单用户接收机相比，多用户接收机有更好的性能，但我们从系统模型上可以 看出，多用户接收机更复杂，这主要是联合检测算法决定的。也就是说，联合 检测算法决定了多用户检测器的形式。 2 2 1 最佳多用户检测器 s e r i g ov e r d u 等人研究高斯信道下c d m a 多用户检测的问题。在发送信号先 验等概的条件下，最佳多用户检测器就是最大似然准则多用户检测器。它有k 个匹配滤波器和其后的维特比算法组成。从本质上说，最优检测是一个序列检 测问题，即采用最大似然序列准则，对接收信号的整体进行处理。也就是说， l l 西北工业大学硕士学位论文第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 观察接收信号的一个整体序列( 而不仅仅是当前比特) ，找出一个接收信号序列， 使得给定的输出序列的似然函数取最大值。 设检测器将产生的最大似然序列为b ，依据接收信号r ( t ) 找出发送的序列 b ，使得b = b + 的概率最大化。这里的概率指的是联合后验概率一p ( b ir ( t ) ) 。 我们按最大后验概率准则进行序列检验。有 b = a r g m a ) ( p ( 6 ，r ( ，) ) 通过推导可得 b = a r g m a x 2 y 7 p b b 7 p r p b b 有上式可以看出，最优检测器即是根据匹配滤波器生成的充分统计量 y = 【y 。，y ：，y 。】7 、功率估计单元的估计值和相关矩阵r 通过解优化式求解得 到检测序列b + 。 对于d s c d 淞系统来说，最优检测器可以由匹配滤波器后面加上一个 v i t e r b i 算法完成。然而，其复杂度是0 ( 2 。) ，即与用户成指数关系。这在工程 上是无法实现的。它的另一个缺点是需要已知接收信号的幅度和相位，而这些 值并不是已知的，需要估计。 最优接收机虽然由于运算复杂度太大而无法实用，却为多用户检测开辟了 新的方向，此后，人们提出了多种方案。我们把这些方案统称为次最优多用户 检测器。次最优多用户检测器可以分为线性和非线性两种。 2 2 2 线形多用户检测器 线性多用户信号检测器是在判决以前对相关器的输出矩阵进行线性变换， 西北工业大学硕士学位论文第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 先行变换矩阵为l ，各用户的检测复杂度只是用户数的线性函数( 3xk ) 而 性能接近最佳多用户检测器。传统多用户检测器可以看成线形变换矩阵为kx k 单位阵的情况。 1 ) 解相关多用户检测器 解相关多用户检测器的结构如图2 6 所示 一饿岖嬲b 线一 雠怏j- 形 变 ； 换 ! ，1 群扩匹自曲g 坡器r 7 叫 鳓峡l - 叫舰酗嫩器卜 - 叫e 磷秽怏i - 图2 - 6 解相关检测器 这种多用户检测器是将多用户通信环境中的多址干扰等效为一个信道的传 输响应矩阵，即码字之间的相关矩阵r ，该传输矩阵仅与各用户的扩频序列以及 序列间的相对延迟有关。如果我们可以得到信道传输矩阵的逆矩阵丁：r - t ，就可 以将多用户信号经过解扩匹配滤波器的输出，通过此求逆矩阵进行求逆运算， 以等效的消除各用户扩频序列的相关性，从而达到消除多址干扰的目的。 这种接收机的特点是比较形象直观，其性能与系统当前用户功率的取值无 关，具有抗远近效应的功能，其性能通常优于传统的单用户检测器，复杂度又 远远低于最优多用户检测器，因此，具有一定的实用价值。但是，我们也应该 1 3 西北工业大学硕士学位论文第三代移动通信系统中空对多用户检测技术研究 看到矩阵求逆运算对原矩阵r 的微小数据扰动非常敏感。r 中微小的数据误差 会对逆矩阵造成很大的影响，因此计算要求很高的精度，真正实现起来并不容 易。 2 ) 最小均方误差检测器 在上一小节的讨论中，我们可以发现，解相关检测器在消除多址干扰的同 时，增加了信道噪声。最小均方误差检测器就是在消除干扰和增加噪声两者之 间采用折衷的方式而达到一种平衡。 为： 它的结构和解相关检测器非常相近。只不过将解相关检测器中的丁= 尺。变 r = 卜等2 厂 其中，n o 为背景噪声功率，w 为多址干扰功率。当n o 接近于零时，最小均 方误差检测器的性能逐渐接近于解相关接收机：而当n 。逐渐增大时，最小均方 误差检测器的性能逐渐接近于单用户接收机。从这一点我们也可以看到，在信 噪比高的时候，最小均方误差检测器性能不如解相关检测器；在信噪比低的时 候，最小均方误差检测器性能更优。 现在，我们看一下以上两种接收机，它们都是在常规接收机的输出端加上 一种线形变换，我们可以把它们叫做线形检测器。和这些线形检测器相对应， 还有一些非线性的多用户检测器。 1 4 西北工业大学硕士学位论文第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 2 2 3 非线性多用户检测器 非线性多用户检测器的基本原理是认为要想从存在多址干扰的信号中提取 所需用户的信号，就必须首先恢复干扰信号，然后，从整个接收信号集中减去 这些多址信号，就能够获得所需用户的信号。由于多址信号和有用信号是同时 出现的，所以多址干扰的恢复和抵消以及信号的恢复是一步一步进行的，一般 要经过多次才能完成。 1 ) 连续干扰抵消器 连续干扰抵消器采用串行的去干扰方式。接收机根据各用户功率估值对用 户进行排序，然后按功率从高到底的顺序对各用户依次进行对消和估计，即先 解出最强信号功率的信号，从总的接收信号中减去这个信号，就消去了最强的 多址干扰，这样依次对消直到最弱的多址干扰。它的原理如图2 7 所示 图2 7 连续干扰抵消器第一级结构 需要注意的是，第一级前面有一个排序功能，即按接收信号功率大小排序， 图中未画。按信号功率的强弱排序的原因是显而易见的。第一，最容易得到最 强信号的解调。第二，取出最强信号对其余信号来说，获益最大。这种算法对于 西北工业大学硕士学位论文第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 越弱的信号，去处多址干扰得到的改善越大。 这种检测器存在以下问题。第一，每次抵消到会带来延迟。第二，当信号 功率变化时，要从新排序。另外，当起始数据估计不可靠时，这种检测器会产 生严重问题。从图中我们可以看出，如果起始数据估计错了的话，那么，这个 错误不但会放大：而且，会一直往下一级累计。 2 ) 平行干扰抵消器 和连续干扰抵消器不同的是，平行干扰抵消接收机是建立在前级接收机的 基础上，它假设所有用户的信息数据可以用前级接收的信息比特估值来代替。 其原理如图2 8 所示： 图2 8 平行干扰抵消器中第一级示意图 图2 - 8 中，阢( 0 ) 表示前一级的判决结果。一般来说，接收信号经过一级平 行干扰对消以后，判决结果会得到一定的改善。如果将经过此级平行干扰对 1 6 西北工业大学硕士学位论文第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 消的信号送入新的一级乃至多级，可以预见，随这级数的增多，判决会越来越 精确。但必须注意的一点是：当级数增加时，系统延迟时间会变长。从实际仿 真结果来看，当接收的各用户信号功率相差较大时，多级接收机对弱信号用户 的检测性能有很大的改善；但当各用户信号功率较接近时，多用户检测相对于 单用户检测，对系统性能改善不大。因此，实际应用取多少级接收，应具体问 题，具体分析。在当前的工程应用中，多级平行干扰抵消接收机，一般取2 到3 级。 在平行干扰抵消检测器的基础上作一些改进可以改善性能。 - 用解相关检测器作第一级 - 利用当前级的已经检测到的比特来提高同级的其他比特的检测 _ 将平行干扰抵消检测器的不同级的输出线形的结合起来 - 在每一级作部分的消除多址干扰，消除的量每级递增 2 3 无线多径信道模型 对于第三代移动通信系统中关键技术的考察和分析，建立合适的无线多径 信道模型是非常关键的。发射信号到达接收机通常包含多个传播路径，而且每 条多径有不同的时延和不同的到达角度( d o a ) 。通常多径是由于自然环境、人 造建筑物和运动的物体使得电磁波发生反射、折射、绕射以及散射引起的。下 面描述无线传输信道的一般信道特征，并且提供统计信道模型，并引入c d m a 系 统阵列响应矢量。 耍! ! 三些盔堂堡圭堂垡堡苎 兰三! ! 堡垫塑笪墨竺皇堕童旦生竺型垫查堑塞 2 - 3 1 路径损耗和阴影效应 基于理论和测试的传播模型指出，无论室内或室外，平均接收信号的功率 随距离的对数衰减。这种模型已被广泛的使用。平均大尺度路径损耗表示为： p l ( d ) o c ( d d 。y 其中。n 为路径损耗指数，表示路径损耗随距离增长的速率：d 。为近地参考距离， 由测试决定；d 为传播距离。表2 1 列出了不同无线环境下，路径损耗指数。 表2 1 不同环境下的路径损耗指数 环境 - n 自由空间 2 市区蜂窝2 6 3 5 市区蜂窝阴影 3 5 建筑物内视距传播1 6 1 8 被建筑物遮挡4 6 被工厂遮挡2 3 当然，在传播距离相同的情况下，不同位置的周围环境差别影响非常大 这种差别，路径损耗指数并不足以说明。也就是说，对于任意确定的d 值，范 围内损耗的大小并不处处相同，事实上，它服从随机正态对数分布。这种现象 叫做阴影效应，也称为长期衰落或慢衰落。 我们可以表示为： s = 1 0 f 西北工业大学硕士学位论文第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 其中，掌是高斯时分布随机变最，0 均值，方差为0 ，0 的值依赖阴影程度而变 化。 2 3 2 小尺度衰落 小尺度衰落是指无线信号经过短时间或短距传播后其幅度快速衰落。这种 衰落是由于多径效应引起的。同一个传输信号沿两个或多个路径传播，以微小 的时间差达到接收机，从而相互干涉。这些波就是多径波。接收机天线将它们 合成一个幅度和相位都急剧变化的信号，其变化的强度取决于多径波的强度、 相对传播时延，以及传播信号的带宽。有多径信号引起的小尺度衰落，存在三 个主要效应： 一 经过短距或短时后信号急剧变化 在不同多径信号上，存在时变的多普勒频移( d o p p l e r s h i f t s ) 有时延引起的扩展 虽然，我们可以说小尺度衰落是有多径效应引起的，但是，我们还必须想 到以下的物理因素： 一移动台的运动速度一基站和移动台之间的相对运动会 引起多普勒频移。 环境物体的运动速度一如果环境物体的运动速度比移 动台运动速度大，那么这种运动将是引起多普勒频移的 主要因素。 1 q 西北工业大学硕士学位论文第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 - 信号的传输带宽一如果信号的带宽比多径信道的带宽 大的多，接收信号可能会失真，但本地接收机强度不会 下降很多，反之，信号幅度会迅速改变，但在时间上不 会失真 从上面的讨论可以看出，对衰落的讨论离不开多普勒频移，我们在下面简 要介绍一下多普勒频移。 夺多普勒频移 当移动台和远端源之间的相对位移并非恒定而是以速率v 变化时，那么， 从远端源发射的无线电波的频率会和移动台接收的频率不同，这就是多普勒频 移的基本定义。具体地说，当移动台朝向入射波方向运动，接收频率上升，即 多普勒频移为正；如移动台背向入射波方向移动，接收频率下降，多普勒频移 为负o 2 3 1 3 阵列响应矢量 下面讨论阵列响应矢量的数学表达式。发射信号到达基站天线阵有几条特 定的路径，每条路经有不同的来波方向( d o a ) 和不同的时延。当用单个阵元的 天线处理信号时，对d o a 不能有效的识别，因此，有必要用多个阵元构成天线 阵来识别d o a ，从而进一步抑制多址干扰，改善系统性能。 蜂窝移动通信系统中，来波到达基站天线阵有角度扩展。我们首先简化假 设条件：第一，假设移动台和基站是在同一平面里，并且入射到天线阵的来波 为平面波；第二，假设对一特定路径的角度扩展可以忽略不计并且接收信号满 2 0 西北工业大学硕士学位论文第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 足窄带条件，即信号包络在天线阵传播时间内变化不大。这时，阵列响应矢量 由角频率和给定阵列流形相对时延决定。以第一阵元为参考点，设角频率为珂， 来自方向口的入射波在参考阵元与第m 个阵元的传播时延为f 。，则m 各阵元的 阵列响应矢量为： 口p ) = i , e - - j , f r 2 ( , ”，e 一“叩 对于阵元间距为d 的均匀线阵，阵列响应矢量为： 口p ) ：k 1 “归， l 、p m t 彤c o s ( 如果只引入快衰落，那么，归一化信道响应矢量可表示为： g ( ，) = 芝口 h ( ，一f f ) 如果两条路径的时延差大于c d m a 系统的码片周期，则为可分辨的多径信号提供 了一种分集合并的方式，从而r a k e 接收机可以用来改善系统性能。 2 3 4 蜂窝系统信道模型 在蜂窝系统中，其覆盖区被划分为个个小区，在每个小区里给一个用户 分配一个特定信道( 如一个频道、时隙、码道) ，为了有效的对蜂窝系统进行空 时处理并准确进行计算机仿真，对小区类型的信号传播建模也是必要的。通过 已有文献，我们可以了解各种蜂窝系统信道传播测量研究结果。 1 宏小区( t h em a c r o c e l le n v i r o n m e n t ) 宏小区中基站天线通常架设在高层建筑物或铁塔之上，覆盖半径数公里， 传播环境主要有近地不规则物体澳定，传播距离长达几公里。宏小区分为三种 2 1 西北工业大学硕士学位论文第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 信道类型：城市、郊区、农村。 在城市，传播环境有高度密集的不规则建筑物构成，每个散射体比波长大 的多。由于高度密集，存在阴影现象，因此多径时延不会很大，时延扩展大约 为1 1 5 微秒且无直线路径，因而快衰落表现为瑞利衰落，而多径数目依赖于 信号带宽，对于窄带信号可能只有一个峰点，而对宽带信号来说，可能有多个 峰点出现。 在郊区，由于传播环境相对开阔，强反射物相对小一些，测量结果表明 直达路径存在的概率较大，而阴影现象较少，其时延超过1 一1 5 微秒的情况并 不多见a 但有些强多径分量时延甚至高达1 0 0 微秒。这时，假定快衰落服从参 数m = 1 到m = 1 5 之间的n a k a g a m i 衰落模型比较合适。 对于农村情况，很少有高层建筑物，阴影现象极少，时延扩展相应的也极 少，一般在0 1 微秒到0 3 微秒之间，快衰落可以用参数m 1 0 0 的k a g a m i 衰 落模型表示。 2 微小区( t h em i c r o c e l le n v i r o n m e r i t ) 微小区一般覆盖半径为几百米，基站天线通常低于屋顶，主要有两种传播 路径：视线路径和非视线路径。 在视线方向上，测量的信道脉冲响应由直达路径强信号分量和反射的弱信 号分量构成，其传播时延小于1 5 微秒；在非视线方向上，信号来自反射和多 次折射，测量的信道脉冲响应有很多路径构成，其时延扩展小于0 5 微秒，这 西北工业大学硕士学位论文第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 种情况需要实地测量。 3 ，室内小区 室内小区用于覆盖区内，其反射过程是三维空间，测量结果其信道脉冲晌 应类似于微小区。无论视线方向路径存在还是非视线方向路径存在，传播时延 都很小。 2 4c d m a 信号模型 在本节中，分析d s c d m a 系统中扩频信号的信号模型，并引入基站天线阵 接收的连续信号模型。 2 4 1 单径c d m a 信号模型 设c d m a 系统内共有q 个用户，第q 个用户发送第i 个符号可表示为 o s ，( ，) = a q b q ( f k 。( f 一以) q = l 其中，a 。为第q 个用户信号的幅度；b q ( f ) “1 , - 1 为第q 个用户发送的第i 个 信息比特，c q o ) 为第q 个用户的扩频波形： 一l c q ( ，) = c q k p ( f 一饵) 式中， + 1 ，一l 酝= o ，k 一1 ) 为第q 个用户的扩频码；p ( t ) 是码片的脉冲波 形；毛、疋分别是比特符号周期和扩频码片周期，则扩频增益为k ：墨。 ，t 假定q 个用户扩频码互相独立且其能量满足f k ( ，1 2 d t = 1 ，且基站用m 个 阵元的天线阵接收，则对于单径条件下的第q 个用户到天线阵的信道响应矢量 西北工业大学硕士学位论文第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 为 g q ( f ) = ( f b 蛾o 归( f ) 其中，( f ) 口o ) ) 是第q 个用户的信道衰减及对应的d o a 为眈的m 维阵列响 应矢量。那么，我们可以把基站接收的信号写成矢量形式写为： 0o x ( ，) = 窆x q o ) = 艺s q o ) g 。( f ) + 行( f ) n ( t ) 为均值是0 ，方差为j 2 i m 的加性白噪声。假定口。、o q 在n 个符号周期内不 变，则 ( ，) 。g 。( f ) ：爿。口，d 魄蓬6 ，( f - 。o f 瓦) 为分析方便起见，把第q 个用户的信道阵列响应矢量表示为： 则在基站天线阵第m 个阵元接收的信号为 x m ( f ) = 石6 。( f 。o 一吸) + ”( r ) q = l i = 1 其中，7 、1 - m o ) 分别为矢量的第m 个元素。 基站接收的总的信号矢量可以表示如下 z ( ，) ：q nf q b q ( i 弘。o f 瓦) + 珂o ) q = ii = 1 2 4 2 异步多径信号模型 在d s c d m a 系统中假定第q 个用户的异步多径数为三。，则第q 个用户的发 硬北工业大学硕士学位论文第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 射机到基站天线阵的信道响应阵列矢量表示为： g q ( f ) =量( ，k ( f ) m 一) 其中，口，( f ) 、口( f ) ) 为第q 个用户第l 条多径信号的信道衰减及对应d o a 为臼。， 的m 维阵列响应矢量，r 。一【0 ，瓦) ，那么基站接收的信号写成矢量形式为 oo x ( ，) = o ) = ( f ) o 岛( f ) + 聍( f ) 式中，n ( t ) 为均值是0 方差为占2 i m 的加性白噪声。假定口扩嚷，在n 个符号周 期内不变，则： ( ，) 圆蜀( f ) ：以兰量口蛾，b 。( f - 。( f f 瓦 为分析方便起见，把第q 个用户第l 条多径信号的信道响应阵列矢量表示为 ，q i = a q aq ? 如q 1 1 a ( o 。1 ) = k 1 魄小，口”圳 其中，正，的第m 个元素为： 石= 4 口”) 则在基站天线阵第m 个阵元接收的信号为 gnl 4 x ”( f ) = 筇6 。( f - ，( f 一以一z q 1 ) + 玎”o ) q = li = 1 = 1 基站接收的总的信号矢量可以表示如下： x ( f ) = 识一r 。，) + n ( ，) ，ho 3 己m o 州 西北工业大学硕士学位论文第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 2 5 本章小节 本章首先描述了智能天线基本理论，讨论了切换波束系统、自适应天线系 统及宽带智能天线三种智能天线的基本理论。然后，讨论了多用户检测技术的 基本理论，对最优多用户检测器和次最优多用户检测器的原理进行了考察。同 时，也讨论了无线信道的基本模型，主要描述了大尺度衰落和小尺度衰落。最 后，提出了d s - c d m a 系统的信道模型和信号模型，包括单径和多径两种情况 作为后续章节内容的基础。 西北工业大学硕士学位论文第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 第三章单径情况下的空时c d m a 多用户检测 3 1 引言 传统的单用户检测把其他干扰用户作为噪声处理，丢掉了干扰用户的特定 信息，而多用户检测利用了多用户扩频码之间的相关性联合检测所有的用户信 号，减小多径干扰与多址干扰，使多用户检测对不相等的用户功率不敏感，克 服远近效应。近年来，3 g 中多用户检测技术受到了广泛关注，特别是利用信号 的空域特征进行空时c d m a 多用户信号检测，可以更好的改善系统性能、提高系 统容量，更是研究的热点。 目前，在c d m a 移动通信系统中采用的大量空时处理技术主要针对单用户检 测情况，如空时r a k e 接收机等；本文利用最小均方误差准则( m m s e ) 和最大似 然准则( m l ) ，推导了空时c d m a 多用户检测算法，分析了空时多用户检测和单 用户检测的关系，并提出了一种空时c d m a 多用户检测接收机的结构。计算机仿 真结果表明本章提出的空时c d m a 多用户检测算法，与单用户检测方法比其误码 性能有相当的改进。 3 2 空时多用户检测 首先考虑c d m a 系统中，信号为单径接收情况下的空时多用户检测。由上一 章对单径情况下的信号模型的讨论可知，基站接收的总的信号矢量可以表示如 下： 口 茗( f ) = o _ 。( f f 不) + n 0 ) ( 3 一i ) 2 7 西北工业大学硕士学位论文第三代移动通信系统中空时多用户检测技术研究 基站天线阵的每个阵元首先对接收的信号进行码片波形的匹配滤波，然后再以 码片速率进行离散取样。则第m 个阵元滤波后对第i 个符号比特符号的第k 个码 片周期取样，得到的离散信号为： x ”( f ，七) = ”x ”。e 净= 善芹b d i ) k + 4 g 潮( 3 - 2 ) 其中，术表示复共轭。令第q 个用户的扩频码矢量为： 铲* 讲 式中，t 表示矩阵转置，则第m 个阵元滤波后的输出矢量为 a x m ( f