（通信与信息系统专业论文）空时编码cdma系统中的多用户检测研究.pdf

摘要多址干扰( m a d 是影响c d m a 移动通信系统容量的一个主要因素，多用户检测( m u d ) 则可以有效地消除多址干扰。s v e r d u 提出的最大似然序列多用户检测器( m l s d ) 抗误码性能最优，但其运算量随用户数的增加呈指数增长，因此并不实用。寻求性能接近最优而运算复杂度较低的次优多用户检测器已经成为现代通信信号处理的重要研究课题。空时编码( s t c ) 是实现宽带无线数据通信的一种极有潜力的技术。它使用多个发射天线，利用不同天线发射信息的冗余，可以获得空间和时间分集，提高系统性能。空时编码可以在不增加带宽的情况下，使得无线通信系统的容量随着发生天线食数呈线性增长，因而受到广泛的关注。本文研究了空时编码c d m a 系统中的多用户检测算法。在瑞利平坦衰落信道下，在解相关的基础上提出了基于空时分组码( s t b c ) 的空时编码概率数据互联( s t c p d a ) 算法，该方法克, n t 衰落信道下解相关算法性能不好的缺陷，其性能接近m l s d ，而复杂度要比后者小得多。由于s t c p d a 接在魍相关之后仍需对矩阵求逆，为了进一步在性能和复杂度之间取得更好的折衷，在常规的部分并行干扰消除基础上根据迭代处理思想提出了结台空时编码的改进的部分并行干扰消除( s t c i p p i c ) 算法；并结合多载波( m c ) 将两种算法应用到多径频率选择性信道中，提出了多载波空时编码概率数据互联( m c - s t b c p i ) a ) 和多载波空时编码i p p l c ( 骶一s t b c - t p p i c ) 多用户检测。仿真结果表明了算法的有效性。关键词：c d m a ，多用户检铡，空时编码，概率数据互联，部分并行干扰相消，多载波a b s t r a c tt h er e m a r k a b l ec h a r a c t e r i s t i co f d s c d m as y s t e mi sl a r g ec a p a c i t y ，w h i c hi si n f l u e n c e db ym u l t i - a c c e s si n t e r f e r e n c e ( m a d m u h i u s e rd e t e c t i o n ( m u d ) i st h ep r o m i n e n tt e c h n o l o g yt os o l v et i f f sp r o b l e m t h em a x i m u ml i k e l i h o o ds e q u e n c ed e t e c t o r ( m l s d ) p r o p o s e db ys ，v e r d uc a l lg e tt h em i n i m u mb i te r r o rr a t i o ( b e r ) ，b u tt h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yo ft h em l s di 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 eu s e r si n c r e a s e d t h e r e f o r ei m p l e m e n t a t i o no ft h em l s db e c o m e si m p r a c t i c a l s ot h em a i nw o r k so fc o m m u n i c a t i o ns i g n a lp r o c e s s i n gf o c u s e so ns u b o p t i m u mm u l t i u s e rd e t e c t o r s ，w h i c ha p p r o a c ht h ep e r f o r m a n c eo f t h em l s da n dr e q u i r el o w e rc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yt h a nt h em l s d b e c a u s eo ft h ef a d i n gc h a r a c t e r i s t i co fw i r e l e s sc h a n n e l s ，t h eb e ro fs y s t e mi sh i g he s p e c i a l l yu n d e rt h ed e e pf a d i n gc o n d i t i o n s t r a n s m i td i v e r s i t yt e d m o l o g yb a s e do ns p a c e t i m ec o d e ( s t c ) c a na c h i e v es p a c ea n dt i m ed i v e r s i t yg a i n sw i t hh i 曲s p e c t r u me f f i c i e n c yb ye m p l o y i n gp e c u l i a r l yd e v i s e dc h a n n e lc o d e sa tt h et r a n s m i te n d s t cc a l li n c r e a s et h ed a t ar a t ea n de n h a n c et h er e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw i t h o u tl o s so fb a n d w i d t h ，s oi tw i l lb ec o n c e r a e di nb o t ha c a d e m i aa n di n d u s t r i a lf i d d si n c r e a s i n g l y m u db a s e do ns p a c e - t i m ec o d ei sd i s c u s s e di n t h i sp a p e r t h ep r o b a b i l i s t i cd a t aa s s o c i a t i o n ( p d a ) c o m b i n e dw i t hs t c ( s t c p d a ) i sp r o p o s e di nt h er a y l e i g hf l a tf a d i n gc h a n n e l s ，t h es t c p d aa p p r o a c h e st h em l s di nt h ep e r f o r m a n c eb u tt h ef o r m e ri sm u c hl e s st h a nt h el a t t e ri nt h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y f o rt h es a k eo fb e t t e rt r a d e o f fb e t w e e nt h ep e r f o r m a n c ea n dt h ec o m p l e x i t y , a ni m p r o v e dp a r t i a lp a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l i n gc o m b i n e d 研t l ls t c ( s t c i p p i c ) i sp u tf o r w a r db a s e do nt u r b op r o c e s s i n g f u r t h e r m o r e ，t h ep a p e ru t i l i z e sm u l t i c a r r i e r ( m c ) a n dp r o p o s e sm c s t c p d aa n dm c s t c - i p p i cd e t e c t o r si nt h ef r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l s c o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ea v a i l a b i l i t yo f n e wd e t e c t o r s ，k e yw o r d s ：c d m 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 ec o d i n g ，p d a ，p p i c ，m ci i原创性声明y7 3 1 9 毒i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，均已明确注明出处。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，均己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：z 鳖2 丑盗日期：之! 堑：丝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：丝因短导师签名：7 趣叠) 日期：皇! 堑垒兰州大学硕士学位论文引言c d l k a 系统是个干扰受限系统而非资源受限系统，其容量受到用户间多址干扰( m u l t i 廊ea c c e s si n t e r f e r e n c e ) 的限制。多址干扰是影响d s c d m a 系统性能及限制系统容量的重要因素。如何抑制甚至消除多址干扰已成为无线通信领域的热门研究课题之一。自t 9 8 6 年s v e r d u 首次提出了多用户检测的概念以来，多用户检测算法的发展先后经历了最优多用户检测算法( 最大似然序列检测) 、线性多用户检测算法、非线性的多级型多用户检测算法和空时多用户检测等。空时多用户检测将空时信号处理技术应用到多用户检测中，较好的克服了多址干扰、多径传播及信道衰减，是未来多用户检测的主流。而空时编码技术是一种最近发展起来的空时信号处理技术和信道编码技术，它使用多个发射天线和接收天线进行信息的发射与接收，可以大大改善无线通信系统的信息容量和信息率。空时编码在不同天线发射的信号之间引入时域和空域相关，使得在接收端可以进行分集接收。与不使用空时编码的编码系统相比，空时编码可以在不牺牲带宽的情况下获得更高的编码增益。在接收机结构相对简单的情况下，空时编码的空时结构可以有效提高无线系统的容量。本文主要研究了瑞利平坦衰落和频率选择性衰落两种信道l _ = 空时编码c d m a 系统多用户检测。在前一种信道下，提出了两种多用户检测方法：空时编码概率数据互联( s t c p d a ) 和基于空时编码的改进型部分并行干扰相消( s t c i p p i c ) ；在后一种信道下，结合多载波技术提出了多载波空时编码p d a ( m c s t b c p d a ) 和m c s t b c i p p i c多用户检测。仿真实验的结果证明新的算法具有一定的优越性。本文结构如下：第一章介绍了c d m a 通信系统的原理，第二章介绍多用户检测技术和空时编码技术，第三章研究了瑞利平坦衰落信道下的空嗣编码多用户检测，第四章研究了多径频率选择性衰落信道下的空时编码多用户检测技术，第五章是本人工作的总结和对多用户检测技术发展的展望。兰州大学硕士学位论文1 1c d m a 通信系统概述第一章c d m a 通信系统c d m a 是近年来被应用到蜂窝移动通信中，是一种先进的无线扩频通信技术。在c d i , l a 通信系统中，不同用户传输的信息所用的信号不是靠频率不同( f d m a ) 或时隙不同( t d m a ) 来区分的，而是给各个用户分配不同的特征码型，用特征码对信号进行扩频调制，从而靠不同的波形来区分信号。如果对限制。不过，随着用户数的增加，有用户的系统性能会得到逐步改善。从频域或时域来观察，多个c d m a 信号是相互重叠的如图1 1 。c d m a 通信系统特点包括以下几个方面1 1 】：c d m a 系统的许多用户共享相同的频率，它既可以使用时分双工，也可以使用频分双工。一与t d m a 或f d m a 不同，c d m a 存在一软容量限制。增加c d m a 系统的用户数目会以一种线性形式抬高噪声门限。因此，c d m a 中的用户个数不存在任何绝所有用户的系统性能都会逐渐降低；反之，所_由于信号在一很大的频谱范围内被扩频，所以多径衰落会大大减小。若扩频带宽比信道的相干带宽大，则c d m a 固有的频率分集将减轻小尺度衰落。一c d m a 系统的信道数据率非常高，因此码片间隔非常短，通常比信道时延扩展小得多。由于伪噪声序列具有很低的自相关，所以时延超过一个码片间隔的多径将以噪声的形式出现。通过收集所需信号的各种时延形式，r a k e 接收机可以用来改善接收性能。由于c d m a 使用同信道单元，所以它可以使用宏空间分集提供软件手动开关。软件开关由移动交换中心( m o b i l es w i t c h i n gc e m e r ) 执行，它可以对位于本交换中心控制区域内的移动用户进行通信控制和管理，并且选出最好的信号形式。白干扰是c d m a 系统中的一个问题。自干扰主要因以下事实产生：不同用户的扩频兰州大学硕士学位论文序列不完全正交，因此在某个特定伪噪声码的解扩中，系统中其它用户的发射就有可能对期望用户的接收机决策统计量产生非零的贡献。一若非期望用户比期望用户具有一个更高的检测功率，则c d m a 接收机会发生远近效应问题。1 2 扩频通信原理c d m a 是一个扩频系统，扩频通信的原理如图1 2 所示。在发送端输入的信息先经信息调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。展宽以后的信号调制到射频发送出去。在接收端接收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发送端相同的扩频码序列去解扩。最后经信息解调，恢复成原始信息输出1 2 1 。信息晤哥一i 调制i冈信息倒一例1 2 扩频通信腺理由此可见，一般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调，一次调制为信息调制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制，以及相应的信息解调、解扩和射频解调。与一般通信系统比较，扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频通信系统可分为：直接序列( d s ) 扩频、跳频( f h ) 、跳时( t h ) 、线性调频( c i u r p ) ，以及上述几种方式的组合。直接序列c d m a ( d s c d m a )属于直接扩频通信的一种，丘个用户被分配有不同的特征码，并且理论上每个用户的码与其它用户的码是近似正交的。兰州i 大学硕士学位论文1 21 扩频为了达到将数据比特扩频的目的，通常的做法是用一扩频序列与待发射的信息信号( 即数据比特) 相乘，并且扩频序列具有比数据比特窄得多的时宽，从而使扩频序列具有比数据序列高得多的频带。扩频序列由厶个矩形子脉冲 - 1 ，+ 1 组成。这些子脉冲称为码片( c h i p ) ，习惯用 “ = = 1 来表示。通常假定扩频序列t 。) 具有周期l c ，即矗c 肘札= tv j z( 1 2 1 )式中z 代表整数域。理论上，扩频序列必须具备两个关键性质，第一个是：扩频序列应该具有近似为零的均值，即已。0( 1 22 )第二个性质是：扩频序列的时间自相关函数应该为周期函数( 称之为离散时间周期自相关函数) ，并且满足去黔帆= ：；，徘厶m z - s ，这两个性质是理想的，但在实际应用中可近似实现。例如，最大长度序列( 简称m 序列)就是近似具有以上两个性质的伪噪声序列，m 序列有一个特性：在一个周期内，+ 1 和一1的个数相差1 。因此，我们可以直接有q = 1 ，即m 序列的均值为+ i l 。此外，m序列的离散时间周期自相关函数为j 1 - 11 , 1 厶，i 0 l f | = 0 0 ，则判决发射的比特为+ 0 i ? 亍。由于p ( o 是一个只取+ 1 或者一1 的二进制序列，所以p z ( f ) = 1 ，从而得r ( t ) p ( t ) = b ( t ) p 2o ) + j ( ) p ( r ) = 6 0 ) + j ( f ) p ( f )( 1 27 )兰州大学硕士学位论文这说明，将接收信号r ( f ) 与码片序列p ( ) 相乘有着双重的作用：( 1 ) 将扩频信号6 ( ，) p ( f )n n n n g - 6 ( f ) ，这就是所谓的解扩；( 2 ) 将接收端的原干扰，( r ) 扩频为j ( r ) p ( f ) ，起到压制干扰的目的。考查被迅速变化的随机序列调制的一无穷数据序列的功率谱。具有速率r ：1 t 的随机数据序列的功率谱由g c f ) 州等) 2( 1 2 1 8 )给出，而扩频序列b ( t ) p ( t ) 的功率谱为气( 少去可s i n ( 矽t ) ) 2( 1 - 2 9 )如图1 4 所示。图1 4 数据与扩频信号的功翠诸显然，若接收机将接收信号b ( t ) p ( t ) + ，( f ) 与p ( f ) 相乘，则得到6 ( r ) + j ( t ) p ( t ) ，第一项6 ( f ) 可以利用带宽为1d ：e f ( 胁) 的滤波器抽取，而第二项，( f ) p ( f ) 则至少扩频到频率范围【_ 正，厶】。因此，通过滤波器的干扰功率约为方。换句话说，数据信号6 ( ) 与干扰的功率比约为丘r ，这就是扩频比或处理增益的物理意义。从恢复信息比特6 0 ) 的角度讲，相关接收也称匹配滤波，即接收机的输出与信息比特相匹配；而从干扰信号被扩频的角度看，扩频信号的相关接收起到抑制干扰的作用。6兰蜘大学硕士学位论文总结以上的讨论，我们可以看出扩频信号应具有以下两个特性( 1 ) 扩频信号是不可预测的、伪随机的宽带信号；( 2 ) 扩频信号的带宽远大于欲传输数据( 信息) 的带宽。此外，接收机中必须有与宽带载波同步的扩频信号副本。1 2 3 伪曝声序列使扩频信号是不可预测的、伪随机的宽带信号的最常用方法是采用伪噪声序列作扩频信号。伪噪声( p n ：p s e u d o n o i s e ) 序列也称伪随机序列，是用确定性方法产生的序列，但它却近似具有随机产生序列所希望的某些关键随机特性，特别地，由0 和1 组成的二进制随机序列应该具备以下三个关键随机特性川：r i ：0 和1 的出现频率各为1 2 。r 2 ：令二进制随机序列的长度为，则出现0 0 或1 1 的次数应各为l ，2 ，出现0 0 0或1 1 1 的次数应各等于1 “，连续出现n 个0 或n 个l 的次数应各为2 n 一1 。r 3 ：若将给定的二进制随机序列位移任意”0 个元素，则所得序列应和原序列有一半元素相同，一半元素不同。在实际应用中，通常要求所产生的伪噪声序列满足以下性质：( 1 ) 容易产生；( 2 ) 既具有很高的自相关函数，又具有很低的互相关函数；( 3 ) 具有很长的周期；( 4 ) 很难由一段短的序列重构。伪噪声序列的应用非常广泛，包括信号同步、扩频通信、多址通信系统中的信号辨识等。下面介绍几种常用的伪噪声序列。1 m 序列简单地说，m 序列就是具有最大周期的二进制移位寄存器序y 1 j ( m 是m a x i m u m 的第一个英文字母) 。业已证明，对任何一个，1 ，m 序列都存在。一个周期为 的二进制 o ，1 序列砖( f ) 的周期性自相关函数只( f ) 定义为月一lo a r ) = ( 一1 ) 。( f + r ) 一一( z ) ，0 r ”一l( 1 2 1 0 )兰姒大学硕士学位论文一个长度为2 ，一1 的研序列具有以下待性：( 1 ) 平衡性：在m 序列的每个周期都存在2 一个1 和2 “一1 个o ；( 2 ) 每个连续非零的二进制s 元组( s ，) 都发生2 5 次，而连续全零的s 元组发生2 一一1 次；f 3 1 二值性：自相关函数只取两个值，即o a r ) = = ，l 震( 1 ：1 1 )因此，m 序列近似满足随机特性r 1 r 3 。2 g o l d 序列m 序列具有优良的自相关特性。但是，使用m 序列作为码分多址通信的地址码时，其主要问题是由m 序列组成的互相关特性好的互为优选的序列集很小。例如，9 级移位寄存器产生的i t i 序列有4 8 个，取出一序列可以找到1 2 个m 序列与其相关最大值为3 3 f 优选对) 。但找不到多于3 个序列的组，其中任意两序列之间的互相关最大值等于3 3 。若地址数要多，只有降低互相关要求。当互相关值不超过6 5 时，可以从4 8 个序列挑选出几组6 个跏序列的集。当级数再增加，如”= 1 2 时，也只能有6 个m 序列的集合，相互为优选对。因此，对于多址应用来说其地址数实在太少了。g o l d 序列具有良好的自、互相关特性，且地址数远远大于m 序列地址数，结构简单，易于实现，在工程上得到较为广泛的应用。g o l d 码是m 序列的复合码，是由r g o l c l 在t 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 和构成。每改变两个m 序列相对位移就可得到个新的g o l d 序列。当相对位移2 ，一1 比特时，就可得到一族2 ，一1 个g o l d 序列，再加上两个坍序列、共有2 ，+ 1 个g o l d 序列。g o l d 码具有三值互相关特性，当n 为奇数时，码族中约有5 0 码序列有很低的互相关函数值( 一1 j v ) ；而n 为偶数时( 0 。n 不是4 的整倍数) ，有7 5 的码序列有很低的互相关函数值( 一l ) 。由于g o l d 码这一特性，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 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。所以g o l d 序列在多址技术中得到了广泛的应用。在本文的扩频通信系统模型中，扩频兰州大学硕士学位论文码采用的就是g o l d 序列。由于伪噪声序列的取值范围是 1 , 0 ) ，而我们采用的扩频码取值范围为 _ 1 ，1 ) 。通常，我们通过脉冲成形函数将伪噪声序列转换为扩频调制所需要的用户的特征码。1 3c d m a 系统中的信道特性1 31 慢衰落和快衰落慢衰落表示接收信号的长期变化，所以又称长期衰落，是由建筑物或自然界特征的阻塞效应引起的，它实际上是信号电平的包络，表征的是快衰落信号的局部中值随时间变化的情况。对于室外无线通信而言，由于移动用户处在不断的运动中，因而电波传播路径上的地形和地物是不断变化的，这使得局部中值随时间、地点以及移动车辆的速度而变化。大量统计测试数据表明，信号局部中值的变化比较缓慢，其衰落以秒级计，这就是慢衰落的涵义。漫衰落近似服从对数正态分布，即它是一种以分贝表示的信号电平分布。快衰落或短期衰落对应于接收信号在空间的迅速移动，它是由正在运动中的移动用户附近的障碍物对信号的散射引起的。本文中考虑的信号包络服从著名的瑞利( r a y l e i g h ) 衰落分布，其表达式可参考文献 3 】。13 2 选择性衰落以上所述的衰落是接收信号的包络特性，而接收信号的相位特性由衰落过程的频域特性、时域特性和空域特性刻画，这些特性分别与多径信号的多普勒扩展、时延扩展和角度扩展有关。根据信号参数( 如带宽、码元间隔等) 和信道参数之间的关系，不同的发射信号会发生不同类型的衰落，这些衰落分别具有时间选择性、频率选择性和空间选择性，统称选择性衰落，常简称为扩展。一多普勒扩展( 时间选择性衰落)由于移动用户与基站的相对运动，每个多径都会有一个明显的频率移动。由运动引起的接收信号频率的移动称为多普勒频移，它与移动用户的运动速度成正比。多普勒扩展f d o p p l e rs p r e a d ) 是种由多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散( f r e q u e n c y兰州大学硕士学位论文d i s p e r s i o n ) ，又称时间选择性衰落( t i m es e l e c t i v ef a d i n g ) 。多普勒普扩展的大小取决于多普勒频移，它是移动台相对运动速度、移动台运动方向与散射波到达方向之间的夹角二者的函数。多普勒扩展可以用信道的相干时i n ( c o h e r e n c et i m e ) 表征。相干时间就是两个瞬时时间的信道冲激响应处于强相关情况下的最大时间间隔。在移动通信中，相干时间t 曲由下式给出嘲：乙= 兰= _ 1( 1 3 1 )啊m式中，c 为光速；v 为移动用户的速度；f 为载频；厶= v 九为最大多普勒频移。相干时间与多普勒扩展成反比，它是信道随时间变化快慢的一个测度一相干时间越大，信道变化越慢；反之，相干时间越小，信道变化越快。由于多普勒扩展与相干时间有关，所以从衰落的角度看，多普勒扩展引起的衰落与时间有关，故称之为时间选择性衰落。既然是时间选择性衰落，根据时间变化的快慢，它又有快衰落和慢衰落之分。若基带信号带宽比多普勒扩展大得多，则多普勒扩展的作用在接收端就可忽略不计，这意味着无线信道是一种慢衰落信道。否则，就应该考虑多普勒扩展的作用，这是快衰落的情况。一时延扩展( 频率选择性衰落)多径效应不仅在频域上将信号的带宽展宽了，还会在时域上造成波形的展宽。由于信号波形的展宽是由信道的时延引起的，所以称之为时延扩展( d e l a ys p r e a d ) 。如上面所述，多普勒扩展引起时间选择性衰落，并且可以用相干时间描述。类似地，时延扩展引起频率选择性衰落( 矗e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n g ，意即衰落与频率有关) ，并且可以用相干带宽( c o h e r e n c eb a n d w i d t h ) 描述。相干带宽表示信道在两个频移处的频率响应保持强相关情况下的最大频率差。相干带宽是信道频率选择性的测度一相干带宽与信号带宽之比越小，信道的频率选择性越强；反之，相干带宽与信号带宽之比越大，信道的频率选择性就越弱。若移动无线信道在比发射信号的带宽大得多的一带宽内具有不变的增益和线性相位响应，则接收信号将发生平坦衰落。在平坦衰落里，信道的多径结构可以使发射信号的谱特性在接收端得到保持。不过，由于多径引起的信道增益的扰动，接收信号的强度却是随时间变化的。- 角度扩展兰州大学硕士学位论文接收端的角度扩展( a n g l es p r e a d ) 指的是多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽。同样，发射端的角度扩展指的是由多径的反射和散射引起的发射角扩展。角度扩展给出接收信号主要能量的角度范围，产生空间选择性衰落( s p a c e s e l e c t i v ef a d i n g ) ，意即信号幅值与天线的空间位置有关。空间选择性衰落用相干距离( c o h e r e n c ed i s t a n c e ) 描述。相干距离定义为两根天线上的信道响应保持强相关的最大空间距离。相干距离越短，角度扩展越大；反之，相干距离越长，则角度扩展越小。1 4 小结本章概述了c d m a 通信系统的特点，重点介绍了扩频通信的一般原理和两种扩频序列，并对c d m a 的信道特性作了简要阐述，本论文涉及的信道为瑞利平坦衰落和频率选择性衰落两种信道，不考虑时间选择性衰落和空间选择性衰落。下一章将介绍c d m a 系统中的多用户检测和空时编码技术。兰州i 大学硕士学位论文第二章多用户检测和空时编码技术2 1 多用户检测技术c d m a 是一种独特的多址方式。传统的f d m a 中，通过在频域划分不交叠的频带形成用户传送信号的信道；t d m a 中则是在时域中划分出互不交叠的时隙。c d m a 中的不同用户信号经过唯一的扩频序列扩频后在相同的频带和同一时问发送，接收机通过将接收的信号与某一用户的扩频序列进行相关运算以提取该用户的信息码元。c d m a 由于其软切换、抗干扰性、保密性和较高的系统资源利用率被选作第三代移动通信系统中的多址方式。然而c d m a 由于不同用户的信号的扩频波形不正交，造成了其他用户对目标用户信号的干扰。多址干扰的存在严重限制了系统的性能和容量。当干扰用户增多时，多址干扰也会增大，另外大功率用户的存在会使小功率用户的多址干扰增大，系统性能急剧下降。如果所有用户的信号以各自不同的功率到达接收机，则多址干扰对整个系统性能的影响就会更加明显：到达接收机时小功率用户的信号可能被大功率用户信号完全淹没。这是因为发射者处在不同几何位置时，离接收机近的用户信号遭受到的幅度衰减比离接收机远的用户信号遭受到的幅度衰减小。也就是说传统的检测器不能“抗远近效应”。由于以上原因，我们需要使用能够有效抑制多址干扰的接收机，它们被称为多用户检测器。多用户检测是一种从接收机端的设计入手的干扰抑制，它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。通过测量各个用户扩频码间的非正交性，用矩阵求逆方法或替代方法消除多用户间的相互干扰。多用户检测的基本思想就是把所有用户的信号都当作有用信号，而不是干扰信号来处理，这样就可以充分利用各用户信号的用户码、幅度、定时和延时等信息，从而大幅度地降低多径多址干扰。良好的多用户检测算法可以实现以下目标州：( 1 1 抗远近效应当多用户检测器具有抗远近效应能力时，无论干扰用户的功率如何，接收机始终不低于某一最小的误码性能工作，从而可以可靠地检测出目标用户的数据。f 2 ) 提高抗误码性能【8 】：由于多用户检测利用了多址干扰的信息减少多址干扰对检1 2兰州i 大学硕士学位论文测性能的影响，所以相同环境下多用户检测器可以比传统匹配滤波器检测有更低的误码率。( 3 ) 提高系统容量：多用户检测器比传统匹配滤波器检测有更低的误码率意味着当误码率要求不变时，可以在保证服务质量的前提下加入更多的用户，从而提高了可同时接入的用户数，即系统容量。2 1 1 多用户检测的系统模型多用户检测器一般都有一前端装置，它的作用是从接收到的连续时间波形r ( f ) 得到离散时间信号的过程。将接收到的连续时间波形变成离散时间过程的常用方法是让接收信号先通过一组匹配滤波器，然后对各路匹配滤波器输出再采样。如图2 1 所示：图2 1 多用户检测的模型每个滤波器与一个不同用户的特征波形匹配。2 1 2 同步d s - c d m a 系统中多用户检测在同步情况下【3 1 ，匹配滤波器组的输出为：y l ( t ) = f r ( “) s 。( f 一“) 幽坛( f ) = r ，( “) s k ( t 一“) 幽( 2 1 1 )式中& ( f ) 是第k 个用户的扩频波形，而r ( r ) 是接收机接收到的信号：薯隧毖t 一坐兰州大学硕士学位论文f，( f ) = 4 玩( j ) s k ( 卜，丁) + 盯h ( r ) ，r e j t ，j t + t 】( 2 1 2 )式中，7 1 是字符间隔( 即码元间隔) ； 魄( ，) s 一1 ，+ 1 ) ) 是第j i 个用户发送的字符序列( 信息序列) ；4 表示第七个用户的信号幅值( 圭彳代麦接收能量) ；行( r ) 是单位功率谱密度的高斯白噪声，假定所有可能的信息序列都是等概率的，则可以在式( 2 1 2 ) 中取j = 0 ，得到简化的接收信号模型r ( f ) = 4 瓯( t ) + c r n ( t ) ，f 0 , t 1( 2 1 3 )又k 个用户的同步c d m a 高斯白噪声信道的基本数学模型由y ( t ) = 以弧( r ) + 盯 ( r ) ，f 【o ，t 】( 2 1 4 )易知第k 个匹配滤波器的离散时间输出y ；( 1 ) 可用基带形式表示成而f儿( f ) = 4 以( f ) + 彳，t ( f ) 鲰+ ( 2 1 ，5 )，= 1 ，女式中岛。是第j 个用户与第女个用户特征波形的互相关，定义为野= ( f ) 颤( r ) 也仇= 盯r n ( f ) ( r ) 西为高斯随机过程，其均值为零，方差为盯2 。( 2 1 6 )( 2 1 7 )令，： s i ，s k r ，其中上标 7 表示矩阵或向量的转置，下同；4 = d i a g a t ， 】，其中以曙【v 】表示由向量v 的元素构成的对角矩阵，下同；且记归一化的互相关矩阵胄= e s s 7 ) _ p 0 2 2 ：知其对角线元素p i ，= 1 ，则式( 2 i 5 ) 可用向量表示为1 4( 2 18 )兰州大学硕士学位论文且e n n 7 l = a 2 ry = 删6 + ”( 2 19 )由于一个具有丘个用户的异步系统等价于用户容量为2 k 一1 的同步系统，本文讨论的问题集中在同步c d m a 系统中。2 1 3 同步d s c d m a 系统中最佳多用户检测为了抑制多址干扰，在多用户检测中，任何一种接收机都应该知道c 或至少可以获得) 下面的一个或几个参数【9 1 ：1 ) 期望用户的特征波形：2 ) 干扰用户的特征波形；3 ) 期望用户的定时信息( 比特的出现时间和载波相位) ；4 ) 干扰用户的定时信息( 比特的出现时间和载波相位) ；5 ) 干扰用户相对于期望用户信号的幅值的接受信号幅值。传统接收机只使用上述信息的1 ) 和3 ) ，未考虑其它用户的干扰，因而受到远近效应的困扰。s v e r d u 于1 9 8 6 年提出了最佳多用户检测的方法嘲，是综合考虑了以上五条信息所得出的。现在，考虑k 个用户的基本同步c d m a 信道【5 lr ( f ) = 芝4 钆( f ) + 彻( ，) ，【o ，t ( 2 l 一1 0 )t = 1我们可以把字符向量6 = 吼，b 2 ，k r 的联合最佳解调看作是一个k 元决策问题，即日：，( f ) ：笠4 钆如+ 册( f )t = 1羔4 屯+ 册( )由b a y e s 后验概率最大的原理，字符向量的最佳联合解调可由下式给出：( 2 1 1 1 )兰州大学硕士学位论文西= 【6 i ，6 2 ， 7a r g 钳m a 。k xe x p f上2 0 - 2 咖，一洳叫2 引这种检测器可以达到理论上的最小错误概率，因它采用b a y e s 后验概率最大的原理因此是一种最大似然估计算法。上式等价于使j ( 6 ) = 2 f 4 艮o ) r o ) 破一r 4 ( f ) 2 擅最大化，且= 2 b 7 4 v 一矿h by = y a ，y 。ra = d i a g a i i 一，盘】h = a r a其中儿= fs 。( t ) r ( t ) d t ，而r 是归一化的互相关函数，定义如下e s s r = 岛l 。2 1 4 多用户检测的性能测度( 2 1 1 3 )在多用户检测器的性能评价中，误码率、渐近多用户有效性和抗远近能力是三个最重要的性能测度8 1 1 9 。l 误码率我们在多用户检测中最关心的是检测器在高信噪比范围内的误码率( b e r ：b i te r r o rr a t i o ) 大多数通信系统的基本目标都是减小误码率。假设在加性高斯白噪声信道中只有一个具有能量臃的单独用户k ，而噪声方差为o - 2 ，该单个用户的误码率定义为竺q 旧6( 2 1 1 4 )兰卅大学硕士学位论文式中，下标s u 表示单个用户，而q ( x ) 2 了杀f e 一了幽为q 函数a1“。当存在干扰用户时，误码率就会增大，此时，需要用期望用户k 的有效能量咋( 盯) 代替实际能量，即在多用户系统中期望用户的误码率定义为獭( 乎( 2 1 1 5 )式中，气( ( 7 - ) 定义为用户k 达到最，。( 盯) 所需要的能量。2 渐近多用户有效性渐近多用户有效性是用来度量由多址干扰引起的检测器性能损失的，这是s v e r d u于1 9 8 6 年引入的即，它是衡量干扰用户对期望用户误码率影响的测度，简称渐近有效性。多用户有效性定义为多用户系统达到单用户系统相同误码率所需能量与单用户系统所需能量之比，即啦) 竺掣汜s )当仃斗0 时，有效性的极限称作第k 个用户的渐近有效性，记作仉。即是说，渐近多用户有效性定义为在高信噪比范围多用户有效性的极限【9 】，写作仇竺嬲掣= 云独 幽。s 南c ：川，同步d s c d m a 系统若使用一般的接收机，则其渐近有效性为仇= 耐 0 卜蚤舞2 k l c z s ，ij i 仇l其中，m a x 2 表示m a ) ( ) 的平方，而野是用户f 和用户- ，特征波形的归一化互相关a3 抗远近能力抗远近能力是对多用户检测器抵抗远近效应的鲁棒程度的一种量化。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近有效性，即仇2 i n f u r ( 2 11 9 )兰州大学硕士学位论文式中i n f 表示下确界。抗远近能力取决于特征波形和解调器。2 1 5 多用户检测技术的发展及研究现状m u d 的思想最早在1 9 7 9 年由s c h n e i d e r kse 1 0 1 提出，1 9 8 3 年k o h n o r 等f 1 1 】发表了对多址接入干扰消除接收机的研究论文，特别值得一提的是1 9 8 4 年v e r d us t 也1 提出并分析了最优多用户检测器即最大似然序列检测器( m l s d ) 。从误码角度而言，最优多用户检测器是高斯白噪声环境中的最佳检测方案，具有最佳的抗远近效应的能力。然而不幸的是它在实现时太复杂，其复杂度随通信用户数和传送的信息符号数成指数增长；在引入v i t e r b i 码思想后，算法的复杂度降为只随用户数成指数增长。尽管最优多用户检测器在现阶段硬件水平上实现不太现实，但v e r d us 开创性的研究工作极大地激励着人们去寻找次优的多用户检测算法，以便以合理的复杂度去接近最优的性能。多用户检测在处理方法上，大致可分为线性与非线性两大类：线性多用户检测包括解相关检测、最小均方误差检测和最优线性检测等；非线性检测主要包括并行和串行干扰抵消算法、判决反馈干扰算法以及各种神经网络多用户检测算法等。线性多用户检测是经过一个线性变换将匹配滤波器的输出送入判决设备。1 9 8 9 年，l u p a s r 等【拇1 首先提出解相关检测器，它采取用户扩频码相关矩阵的逆阵作为变换矩阵。该检测器具有最佳抗远近性能，不受干扰用户信号功率的影响，但在完全消除多址干扰的同时，也放大了背景噪声，在低信噪比时，误码率性能可能会劣于传统的检测器。为了弥补此缺陷，m a d h o w 等【14 提出了最小均方误差( m m s e ) 检测器，这种检测器在消除多址干扰与噪声放大之间取得了一个较好的折衷。而且，当用户的扩频码线性相关时，解相关检测器失效，而m m s e 检测器仍然可以正常工作。非线性多用户检测技术又称为干扰抵消技术，有关这方面的研究主要集中在多级算法上。1 9 9 0 年，v a r a n a s i 【1 5 1 提出并分析了并行干扰抵消( p i c ) 技术( 也称非线性多级检测) ，它主要的想法是将最大似然多用户检测技术应用到每一级中。之后，p a t e l 【l6 j 提出了串行干扰抵消( s i c ) 算法，它的出发点是在传统单用户检测的基础上经最简单的扩充得到多用户检测。它的缺点是要求上一级得到的判决信号比较准确，而且级数越多，时延越大a以上多用户检测算法都必须假设检测器已知各用户的扩频码、时延、用户功率、信道参数等，而在实际系统中，由于异步、多径衰落等因素的影响，要想得到这些信息是非常困难的。为解决这一问题人们进行了大量研究，h o n i g 等 17 】提出了基于最小输出能兰州大学硕士学位论文量准则的盲多用户检测算法，它以检测器的输出能量作为目标函数，在仅知道期望用户扩频序列的情况下，就能进行多用户检测。同时，还可以将各种自适应算法应用到此检测嚣中。w a n g 等【l8 j 提出了基于予空间的盲多用户检测算法，它主要利用输入信号的广义循环平稳特性，对输入数据自相关矩阵进行子空间分解，根据信号子空间与噪声子空间的相互正交性，将输入信号投影到信号子空间上，以获得多用户检测器，此方法不需要己知任何用户的扩频序列。在蜂窝c d m a 通信系统中，多址干扰( m a d 和码问干扰( i s i ) 同时存在，单独的时域处理或空域处理不能同时对消这两种干扰 3 】。将空间和时间处理有效结合同时利用信号的时间和空间特征，即空时处理 伸j ，可以很好的解决上述问题。而空时编码1 2 0 1 是一种有效的空时处理技术，将空时编码和多用户检测结合起来则是近年来多用户检测研究的一个热点。2 2 空时编码空时编码( s p a c e - t i m ec o d i n g ，s t c ) 2 0 l 是无线通信的一种新的编码和信号处理技术，它使用多个发射天线和接收天线进行信息的发射与接收，可以大大改善无线通信系统的信息容量和信息率。空时编码在不同天线发射的信号之间引入时域和空域相关，使得在接收端可以进行分集接收。与不使用空时编码的编码系统相比，空时编码可以在不牺牲带宽的情况下获得更高的编码增益。在接收机结构相对简单的情况下，空时编码的空时结构可以有效提高无线系统的容量【”。2 2 1 空时编码问题的描述c 1 ( 七)知( 砷图2 2 空时编码系统_ ( k )飞兰州大学硕士学位论文考查上图所示的通信系统，它使用个发射天线和m 个接收天线进行空时编码。图中，离散时刻k 的信息码元6 ( ) 用空时编码器编码成个码元c i ( | j ) ，c ( j ) 。每个码元从不同的天线同时发射出去，编码