（通信与信息系统专业论文）迭代干扰抵消在hsdpa中的研究与应用.pdf

摘要 h s d p a 作为w c d m a 的增强标准，通过采用a m c 、h a r q 等关键技术，提供了高速 流媒体服务所需的数据速率，给3 g 的业务应用带来了更多样化的选择。h s d p a 使用了较 低扩频比的o v s f 码进行多码并行传输。在多径环境下由于严重的多址干扰，传统的r a k e 相关检测已经无法满足如此高速的数据业务。 本文首先介绍了常用的多用户检测方法，给出了h s d p a 多码传输系统的模型，分析了 r a k e 接收的干扰组成，并将干扰抵消方法运用到h s d p a 多码传输系统中，推导了c h i p 级径问干扰抵消算法。在此基础上研究了滤波器影响和各种判决函数的选择，并给出了仿真 结果。信道编解码增益能大幅提高重构信号的可靠性，本文给出了对解码器输出软信息的处 理( 软调制解调) ，由此推导了联合解码器的干扰抵消方法。仿真结果表明联合解码器的干 扰抵消性能比解码器前端干扰抵消性能要好2 d b 以上。随后本文结合h a r q 双天线发送 等h s d p a 新技术提出了新环境下的干扰抵消解决方案：迭代过程中的帧合并的h a r q 干扰 抵消以及双天线s t t d 发送模式下消除i a i ( i n n e r - a n t e n n ai n t c r f e e n c e ) 的干扰抵消，仿真 结果表明这两种方法是切实可行的且都有一定的性能提升。最后尝试了对未知扩频码的干扰 的分析与消除。 论文的最后一部分是仿真结果的分析和优化处理，针对外迭代及解码器内迭代次数，迭 代截止条件，选径门限等参数的配置做了简化方法的研究，并给出了仿真结果。 【关键词】h s d p a 多码传输干扰抵消软信息处理 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ee n h a n c e dr e l e a s eo f w c d m a ，h s d p au s e sk e yt e c h n o l o g i e ss u c ha sa m c 、h a r q e t ct os p e e du pd a t ar a t ef o r3 gm u l t i m e d i as e r v i c e h s d p au s e sm u l t i - c o d ec h a n n e lt ot r a n s f e rd a t a , w h i l et h eo v s fi ss m a l l s ot h es y s t e m c a p a c i t yi sb a d l yr e s t r i c t e db ym a i t r a d i t i o n a lr a k er e c e i v e r i sn o tu pt ot h i ss i t u a t i o n , a n dw e a p p l yt h ei d e ao fm u l t i - u s e rd e t e c t i o nt oh s d p a a st h el i n e a ri t e r a t i v es o l u t i o no fe q u a l i z a t i o n i n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o ni ss i m p l e ra n dc a i na c h i e v eb e t t e rp e r f o r m a n c e a t t a c h e dw i t ht u r b o d e c o d e ri n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nc a ng e tm o r ee n h a n c e m e n t s f i r s t l yw ci n t r o d u c et h em o d e lo f h s d p as y s t e m , a n a l y z et h ei n t e r f e r e n c ei nr a k e r e c e i v e r w eg i v eo u tt h ei d e ao fc h i pl e v e lm u l t i - p a t h si n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n , a n dd i s c u s st h ed e c i s i o n f u n c t i o n t h ec h a n n e lc o d eg a i nc a np r o v i d em o r er e l i a b i l i t yf o rt h er e g e n e r a t e ds i g n a l s ow e 锄 g e th u g ea d v a n c e m e n ti np e r f o r m n c e h a r q , s t r di sn e w l yp e r f o r m e di nh s d p ad i f f e rf r o mw c d m a s ow eg i v eo u tt h e s o l u t i o nf o rt h e s es i t u a t i o n s a tl a s tw eg i v eo u tt h er e s u l to f s i m u l a t i o na n dt h eo p t i m i z e dd e s i g n 【关键词】h s d p a ，m u l t i c o d e t r a n s f e r , i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n , p r o c e s s o f s o i i n f o r m a t i o n n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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了谢意。 签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 第三代移动通信系统依靠其更高数据传输和更大容量将逐渐取代现有的2 g ，2 5 g 通信 系统。码分多址( c d m a ) 正是实现这两大优势的关键技术。通过高速数据传输，图像视频 传输，移动会议，手机直播，手机网络游戏将不再是童话。c d m a 技术也有其显著缺点，反 向链路多用户问扩频码字的不正交以及前向链路多径环境下的多码传输都会产生严重的多 址干扰( m a d ，这是制约c d m a 技术的主要技术瓶颈。多用户检测技术的应运而生极好的 抑制了码间干扰，极大的提高了系统容量和性能，真正实现了“任何人( w h o e v e r ) ，在任 何地方( w h e r e v e r ) ，任何时间( w h e n e v e r ) ，与任何人( w h o m e v e r ) 进行任何种类( w h a t e v e r ) ” 的通信。 1 1 第三代移动通信关键技术 随着社会的发展，技术的进步，国际间的交流合作日益频繁，人们希望移动通信系统能 和固定网一样提供将话音、图像、数据等综合在一起的交互式多媒体业务，这是目前正在营 运的第二代系统所不能满足的。采用码分多址的空中接口标准的第三代移动通信系统已开始 逐步走向前台，并即将在全球范围内大面积营运。主要包括欧洲提出的基于g s m 的 w c d m a 、北美提出的基于1 s 9 5 的e d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d - s c d m a = 种制式 第三代移动通信系统相较第二代移动通信系统使用了若干先进的关键技术： r a k e 多径分集接收技术：在c o 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分别进行加权相位调 整，对信号进行最大比合并，从而可在较大程度上降低多径衰落信道所造成的负面 影响。这种技术称为r a k e 多径分集接收技术。当移动台处于越区切换状态时，参 与越区切换的基站向该移动台发送相同的信息，移动台把来自不同基站的多径信号 进行分集合并，从而改善移动台处于越区切换时的接收信号质量，并保持越区切换 时的数据不丢失，这种技术称为宏分集和越区软切换。w c d m a 系统和c d m a 2 0 0 0 系统均支持宏分集和越区软切换功能。这同样是凡k e 接收的重要体现。 高效的信道编解码技术：第三代移动通信系统主要提案中( 包括w c d m a 和 c d m a 2 0 0 0 等) ，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技术之外， 还建议采用t u r b o 编码技术及r s - 积级联码技术。 智能天线技术：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，并进行空间滤波，抑制其它移动台的干扰。二是 对基站发送信号进行波束形成，使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发 送回移动台，从而降低发射功率，减少对其它移动台的干扰。智能天线技术用于 东南大学硕士学位论文 t d d 方式的c d m a 系统是比较合适的，能够起到在较大程度上抑制多用户干扰， 从而提高系统容量的作用。其困难在于由于存在多径效应，每个天线均需个 r a k e 接收机，从而使基带处理单元复杂度明显提高。由于其体积及计算复杂性的 限制，目前仅适应于在基站系统中的应用。 多用户检测技术：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，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相关性， 用矩阵求逆方法或迭代方法消除多用户之间的相互干扰。从理论上讲，使用多用户 检测技术能够在极大程度上改善系统容量。但一个较为困难的问题是对于基站接收 端的等效干扰用户等于正在通话的移动用户数乘以基站端可观测到的多径数。这意 味着在实际系统中等效干扰用户数将多达数百个，这样即使采用与干扰用户数成线 性关系的干扰抵消算法仍使得其硬件实现过于复杂。如何把多用户干扰抵消算法的 复杂度降低到可接受的程度是多用户检测技术能否实用的关键。 1 2h s d p a 系统特点 2 0 0 2 年3 月，3 g p p 的r 5 版本首次发布，引入了支持下行速率为1 0 m b p s 的h s d p a ( h i g h s p e e d d o w n l i n k p a c k e t a c c e s s ) 技术。通过使用由n o d e b 控制的快速物理层( l 1 ) 重传合并 技术( h a r q ) 以及快速链路自适应技术( a m c ) ，h s d p a 能提高下行链路分组数据的吞吐 量。h s d p a 的链路自适应和a m c 使靠近n o d e b 的用户( 或在短期意义上具有良好信道条件 的用户) 可以得到e c l o r 较高的编码调制组合，一个用户最多可同时使用1 5 个多码信道，选 择更高的编码速率和更高阶的调制方式( 1 6 q a m ) 。h a r q 相关技术包括i 型( 简单重传) ， i i 型( c h a s ec o m b i n e ，递增冗余i r ) ，h i 型( i r 的改进采用互补删除方式) 。 下面简要介绍和后面多码传输密切相关的h s - - d s c h 信道： 与r e l e a s e 9 9 已有的信道相比，h s - - d s c h ：e 许多方面有其独特之处。传输时间间隔( t t i ) 或交织周期定义为2 m s ( 3s l o t s ) ，使得在重传过程中终端和n o d e b 之间可以有较短的往返 时延，这样的设计像i a r q 反应更快速。另外引入1 6 0 a m 这样的更高阶调制方案以及降低编码 冗余增加了瞬时的峰值数据速率。从码域来看s f 固定为1 6 ：而且多码传输和不同用户间的码 复用都是可能出现的。可以分配的最大码字数目取决于终端的能力。最大值为1 5 ( 还有一个 0 v s f 码是为了给其他如公共信道，h s - - s c c h 分配以及相关的d c h 预留可用的信道码) 。终端 可以分配的最大码字数分为5 、1 0 、1 5 三种能力集。下图是h s - - s c c 啼l t s - - d s o t 的结构图。 2 第一章绪论 i - b s c c h i - i s d s c h ：1s l o t ： 二 二二 y c o d e s t or e c i e v e 用户通过监听h s - - s c c h 信道，由h s - - s c c h 信道第一个s l o t 解码得到的信息获取h s - - d s c h 必要的码道数，码号，解码参数等信息。所以h s - - d s c h 比h s - - s c c h 时序上要晚2 个s l o t 。1 2 1 1 3 多用户检测技术的发展 c d m a 是第三代移动通信的标志，但一般用户的扩频码集并不正交，即使正交，在异步 和多径环境下也会因为非零相关系数产生码间多址干扰( m a d ，第三代移动通信的一个重 大任务就是对抗这些码间干扰，因为码间干扰会带来如下两大弊端：一是系统容量受限，同 时接入系统用户数的增加，m a i 将增大，误码性能随之下降；二是用户问的m a i 将造成严重 的远近效应，距离基站较远的弱信号将完全淹没在距离较近的强信号的m a i 中 传统的匹配接收机将m a i 当成高斯白噪声处理，虽然根据中心极限定理，大量叠加在一 起的干扰用户信号可以看作基本服从高斯分布，但却忽略了用户间干扰可以估计和再生这两 大优点。实际上，多址干扰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 问的相关函数都是已知的。完全的将多址干扰等同于自噪声相当于将相当大部分的有用信息 抛弃了，如果能将这部分有用信息估计出来再采用一定的信号处理手段去降低接收信号中的 多址干扰，将获得巨大的性能提升。 多用户检测的主要优点是：它能消除或减弱c d m a 中多址干扰的有效手段，也是消除或 减弱c d m a 中多径衰落干扰的有效手段，并且能够消除或减弱远近效应。从而降低功率控制 的精度，简化功率控制，改善c d m a 系统性能，提高系统容量、扩大小区覆盖范围。 多用户检测的主要缺点是：设备复杂度提高，怎增加了接收机处理时延；多用户检测一 般需要获取大量的附加信息，如所有用户的扩频码，衰落信道的主要统计参量：幅度、相位、 延迟等，而且对这些附加信息的依赖性非常大，相当敏感。另外多用户检测对m a l 的约束也 非常重要，处理过当甚至会扩大噪声。 1 9 8 6 年，v e r d u 开创性的提出了结合匹配滤波和v i t e r b i 算法的最大似然估计( m l s d ) 【1 1 从理论上证明它的性能逼近单用户检测，并有效地克服了远近效应，大大提高了系统容量。 但这种算法复杂度随用户数目星指数上升。在最近的2 0 年研究中，众多学者对可实现的次最 东南大学硕士学位论文 优检测算法做了广泛的研究。大致可以分为线性多用户检测和非线性多用户检测( 干扰抵消) 两类。线性多用户检测对匹配滤波器组的输出进行线性变换，产生新的输出矢量进行判决， 可以获得更好的性能。解相关检测通过对各用户扩频码相关矩阵求逆，具有良好的抗远近效 应功能，但它在消除用户间干扰的同时放大了背景噪声，在低信噪比环境下性能会严重劣化。 m m s f _ 捡$ u 在消除用户间干扰和背景噪声之间通过一个加权系数做了很好的折中，能获得比 解相关更好的性能。干扰抵消检测器通过对干扰信号进行估计和重建，然后从接收信号中消 除干扰的影响从而提高检测性能。有关这方面的研究主要集中在多级算法。主要有并行干扰 抵消( p i c ) ，串行干扰抵消( s i c ) ，部分并行干扰抵消( p p i c ) ，以及混合干扰抵消。 干扰抵消多用户检测器在性能上接近最佳检测器，但实现复杂度却大大降低，因而得到了广 泛的应用。自从t u r b o 解码的s i s o 迭代思想提出以来，掀起了一股迭代狂潮，串行级联译码， 编码调制，t u r b o 均衡，迭代信道估计等都运用了t u r b o j 医代思想。多用户检测自然也不甘落 后，基于最大后验概率准则( m a p ) 的迭代多用户检测算法通过s l s o 多用户检测器和s i s o 译码器间不断迭代交互外附信息来消除用户间干扰。m a p 多用户检测的复杂度较高，同样 与用户数呈指数增长。结合非线性检测与迭代思想的次优迭代干扰抵消器在复杂度上大幅下 降，性能却能逼近m a p 检测器，并得到了实际广泛应用。 1 4 本文主要内容 本文的主要内容是迭代干扰抵消在h s d p a 中的研究与实现，全文主要分三部分： 第二章首先概述了和接收机设计密切相关的信道情况及相应的抗衰落技术，接着介绍了 常用的r a k e 接收机，并观察了多码传输下的r a k e 接收机的性能劣化，从而引出抗干扰技术 的重要性，接着就具体分析了常用的多用户检测技术以及它们的优缺点和适用环境。 第三章首先分析在多码传输系统下的迭代干扰抵消算法，然后以h s d p a 多码传输系统为 例分析适用的迭代干扰抵消并给出了实现模型，并针对软信息的处理做了研究：接着针对 h s d p a 的一些特殊技术，诸如队r q ，s t t d 双天线发送分集技术等提出了在这些环境下迭代 干扰抵消的模型。最后分析了未知扩频码的信道的干扰消除方法 第四章是仿真结果的分析，首先介绍了仿真平台特别是信道环境和参数设置。接着分析 了仿真结果，最后针对仿真结果提出了一些较为实际的优化处理方法。 1 5 参考文献 【l 】s v e r d u m i n i m u mp r o b a b o i t yo f e r r o rf o ra s y n c h r o n o u sg a u s s i a nm u l t i p l e - a c c e s sc h a n e l s 【j 1 i e e e t r a n s i n f o r m t h e o r y ，v 0 1 3 2 ，n o 1 ，1 9 8 6 - 1 ，8 5 - 9 6 【2 】于澄、詹菲等编著w c d m a 系统物理层设计人民邮电出版社 4 第二章多址干扰抑制技术 第二章多址干扰抑制技术 码分多址蜂窝移动通信系统的主要干扰类型包括：加性高斯自噪声、多径衰落干扰和多 址干扰。在小区，扇区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。对于c d m a 这样的干扰受限 系统，多址干扰将是限制系统容量的最大因素。当然在前向多码传输系统中，即使使用正交 扩频码来隔离码道，但是由于多径环境的存在，造成码字的自相关和互相关不再等于零，于 是就产生了所谓的m c i ( m u l t i - c o d ei n t e r f e r e n c e ) 。将多用户检测思想应用到多码传输中来 消除m c i 即是本文的主要内容。 本章将从多址干扰的形成因素着手，逐渐引入多用户检测的具体算法和应用环境及各种 多用户检测算法之间的比较。 2 1 信道模型 2 1 1多径衰落信道 陆地移动信道的主要特征是多径传播。这是由于电波传播路径上的建筑物、树木。地形 等障碍物的反射、散射及绕射造成的。不同延时、不同相位的多个信号在接收端迭加，导致 接收信号的幅度急剧变化，这种由于多径效应引起的现象称为多径衰落。其中，电波经互相 邻近的散射体散射后形成的大量不可分辨径互相叠加，形成了某一个可辨识径上的衰落现 象，而距离较远的建筑物、山区等的反射，则形成了可分辨的多径现象。 用数学公式可以表述如下i j 川： = 羹乃慨击耖一枞砷呻啬一啪训( 2 1 ) 其中，n 为可分辨的非直达径数量，m 为每一径上的不可分辨径数量，l 为多径时延， 伊二为某一径上的各不可分辨径相位，通常假设其服从均匀分布n b 为最大多普勒频移，k 为莱斯比，定义为l o s 径( 直达径) 能量与所有反射径能量和的比值，它反映了衰落的严 重程度。 其中，相干时间和相干带宽是多径衰落的两个重要参数。下面对其介绍： ( 1 ) 多普勒频移和相干时间 当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应，所引起的附加 5 东南大学硕士学位论文 频移称为多普勒频移，表示为 厶= c o s 口 ( 2 2 ) 其中a 是入射电波与移动台运动方向的夹角，y 是运动速度，五是波长。厶= v 2 是f d 的最大值，称为最大多普勒频移。将最大多普勒频移厶的倒数定义为相干时间，即 ( ，x ：_ 1 ，。 ( 2 3 ) 相干时间表征的是时变信道对信号的衰落节拍，而这种衰落是由于多普勒效应引起的。 根据相干时间及信号的传输速率可将信道分为慢衰落信道和快衰落信道。当信道上的信号间 隔t t c ) ，时，信道的衰落和相移至少在一个信号间隔的持续时间内保持不变，这样的信 道为慢衰落信道；反之当t 阻k 时的信道称为快衰落信道 ( 2 ) 时延扩展和相干带宽 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展。当发射端发送一个极窄的脉冲信号 j ( f ) = 占( f ) 至移动台时，由于存在着多条不同的传播路径，路径长度不一样，则发射信号沿 各个路径到达天线的时间就不一样，因而移动台所接收到的信号r ( t ) 由许多不同时延的脉 冲组成，可表示为 r = q j ( f f f ) ( 2 4 ) - 0 这里l 为脉冲个数。为第i 条路径的时延，q 为反射系数。由于移动台运动，l 、 c 都是时变的。最后一个可分辨的延时信号与第一个延时信号到达时间的差值被称作时延扩 展，记为t 。在数字传输中，由于时延扩展，接收信号中个码元的波形会扩展到其它码 元周期中。引起码间串扰( i s i ) 。 与时延扩展有关的一个重要概念是相干带宽，通常用最大时延的倒数来规定相干带宽， 即 ( ) 。= i 乙 ( 2 5 ) 信号通过移动信道时，会引起多径衰落，对于信号中不同频率分量，所遭受的衰落可能 一致，也可能不一致。根据衰落与频率的关系。可将衰落分为两种：频率选择性衰落与非频 6 第二章多址干扰抑制技术 率选择性衰落( 亦称平坦衰落) 。对于移动信道来说，存在一个相干带宽( a 仇，当信号带宽 小于相干带宽时，发生非频率选择性衰落，即信号经过传输后，各频率分量所遭受的衰落具 有一致性( 相干性) ，因而衰落信号的波形不失真。当信号带宽大于相干带宽时，发生频率 选择性衰落，即传输信道对信号中不同频率成分有不同的随机响应，所以衰落信号的波形将 会失真。 2 1 1 频率选择性信道的数学模型 频率选择性信道可以用一个抽头间隔为i w ，抽头加权系数为k ( f ) ) 的抽头延迟线模 拟，乜( f ) 对不同的n 值是不相关( 独立) 的复高斯过程。实际应用中，抽头延迟线模型的 抽头数可截短为工= l r w j + l ，其中乙为多径扩散时延。信道模型可用下图来表示，其中n i t ) 为信道中等效的加性噪声。 2 2r a k e 模型 图2 2 1 频率选择性衰落信道模型 ( r ) 发射信号经过多径信道，每径所经历的衰落互相独立，r a k e 接收机通过把各径能量收 集起来达到时间上分集的效果。最早由p r i c e 和g r e e n 于1 9 5 8 年提出。作为抗多径衰落的 有效方法已经成为了各种通信系统最常用的接收机模型。 r a k e 接收机的分辨率为1 v ( - 为信号带宽) ，如果信道多径扩展为已s ，则有w 个可 分辨的信号分量，即可以使用这么多抽头。 7 东南大学硕士学位论文 r a l ( e 模型： d e l a y l k l e 图2 - 2 2r a k e 接收机模型 r a k e 接收机的模型推导可以参见i ”i ，首先信号将接收信- 号r ( o 通过延迟线缓存，然后 根据信道估计得到的径的相对时延，从延迟线抽头上抽取相应的延迟信号，( f + q ) ，再将每 个抽头上的信号，( f + f ，) 乘以s c r ( t ) 进行解扰，乘以q 进行解旋转，最后把所有径上的信号 相加后统进行解扩，解调操作。 r a k e 接收后第k 码道的符号表达如下， 败【习：壹啦r ( t + t i ) j 盯( t ) o v s 5 + ( ，一f 毛) 毋 ( 2 6 ) 文献h 蛤出了在信道估计准确的情况下，采用l 径最大比合并的r a l ( e 接收机误码率名的 切诺夫域。假设l 个路径都是相等平均强度的瑞利分布，方差同为矿。置为符号能量， 巨= ，巨。i o 是解调器每个码片受到的干扰能量，它是多址干扰、多径干扰和a 删之和 发送的符号为二进制反极性信号，则有： 最c 南h 南丁 位， 为了保持总能量不变，假设多径成分增加时，对应每一径的能量降低。二者的积为常数 8 第二章多址干扰抑制技术 喝= t 。则 觊尼c 恕 、蛙 1f ；i = 一 1 + 兰f 厶j i ( 2 8 ) 上式正好是无衰落a w g n 信道中误码率的切诺夫域。这意味着随着独立的瑞利衰落径的 增加，r a k e 接收机的性能逐渐趋向于无衰落传播。这种极限情况说明了l 【a l 【e 分集接收的抗 衰落能力。 2 3 多用户检测技术 多用户检测思想最早由k s s c h n e i d e r 在1 9 7 9 年提出【l l ，1 9 8 6 年s v e r d u 提出了m l s d 多用 户检测算法，从而将多用户检铡发扬光大，但其算法复杂度相对较高。往后层出不穷的研究 大多集中在降低算法复杂度，提高可行性方面。相应的出现了各种次优多用户检测，主要分 为线性和非线性两大类。其中线性算法主要有解相关| 2 1 、最小均方误差( m v i s e ) 1 3 1 和各种 自适应及盲检测算法1 4 - 9 。非线性检测器主要包括并行干扰抵消( p l c ) i o i 和串行干扰抵消 ( s i c ) i h 等算法 2 3 1 多用户检测模型 图2 - 3 1多用户检测模型 9 岛 峥 丘；：生 东南大学硕士学位论文 图2 - 3 1 是一个同步多用户检测的系统模型。为简化推导假设采用b p s k 调制；单径信 道；各用户到达基站的时刻相同，没有时延；接收信号时进行相关解扩。多用户检测对来自 相关器的信号进行处理，并消除所需信号中的多址干扰成份，所得输出信号即为数据比特流 的估计值。 因为假设的是同步模型，所以我们仅考虑一个符号周期的情况。接收到的等效低通信号 为： f r ( t ) = z 4 k b k c k ( t ) + ( t ) ，f 【o ，刀 ( 2 9 ) t ，1 式中：4 为第k 用户的信号幅度，e - l l 为第k 用户的某个信息比特，q ( f ) 为第k 用户的扩频码序列。砸) 为信道高斯自噪声，r = 一。 用户i 和用户k 的扩频序列相关系数定义为： & 。= = r c ( f ) g 。( o a t ( 2 1 0 ) 假设相关系数已经进行了归一化。当i = k 时，辟j = l 为自相关系数；f t 时，0 - p , l 为互相关系数。 对第k 个用户的相关检测得到： 咒= 加) 咖) 衍= r 嘻4 4 蚴瑚) 群 = 4 乓+ 萎以。t 的+ r 押( t ) c k ( ， ( 2 1 1 ) = 4 6 i + ( m a i ) 。+ r 九( f ) q ( o a t 其中第一项4 代表期望接收的信号，第二项( 刎d i 表示其他所有用户对第k 个用户 的多址干扰，最后一项r n ( t ) c t ( f ) 西为白噪声。 用矩阵表示如下： y = r a b + 矗 ( 2 1 2 ) 上式中y = 【弗，咒，) k r 表示滤波器输出，b = b ，6 2 ，k 】7 表示发送信号比特，矗 为相关后噪声向量，其中第i 个分量为噪声与第i 个用户码扩颇码相关结果 1 0 第二章多址干扰抑制技术 也= f 珂( f ) c 七( t ) d t 。矩阵a 是所有用户信号幅度为元素的对角矩阵， a = d i a g a i ，4 ，以) ，r 为k x k 相关阵，代表了每两个用户之间的相关系数： r = 1 岛，1 戌1 岛。2 1 戌，2 一。r 岛， 1 ( 2 1 3 ) 如果将r 矩阵分成两个矩阵：r = i + q ，其中，l 为单位阵，代表自相关函数；q 包 含r 除了对角线元素以外的所有元素，代表互相关函数。则( 2 1 2 ) 式可以进一步表示为： y = r a b + 矗= a b + q a b + 矗 ( 2 1 4 ) 其中，第一项a b 表示期望接收的数据，第二项q a b 表示多址干扰( m a i ) ，第三项五 表示加性高斯白噪声。i v i a i 的具有可估计和可再生性，是有用信息。通过对互相关信息的 提取可以增加接收数据的可靠性。 2 3 2 最优多用户检测器 1 9 8 6 年，s v e r d u 提出了a w g n 信道下的最佳多用户检测算法， 判决向量，其实即是最大似然检测： 云= a r g 峄矿a b b 7 r a r b 由下式可得最优 ( 2 1 5 ) s v e r d u 的研究结果表明，最优多用户检测器可以便d s - c d m a 系统容量大幅度增加，使 多用户检测可获得近似单用户的接收性能但是我们从式( 2 8 ) 可以看出，该算法的计算 复杂度是0 ( 2 ) ，即复杂度随用户数增加里指数增长。 2 3 3 线性多用户检测器 线性多用户检测器指先对y 做线性变换，然后再对l y 做判决。其中l 为线性变换。根 据采用的线性变换的不同，线性多用户检测主要有解相关检测和最小均方误差检测 ( m m s e ) 。 2 3 3 1 解相关检测器 对于多用户c d m a 接收信号模型 1 1 东南大学硕士学位论文 y = l t a b + n 令变换矩阵三= 胄一，左乘上式两端。得 ( 2 1 6 ) 屯= 月。y = a 6 + 露= a b + z ( 2 1 7 ) l u p a s 和v e r d u | ”h “】广泛研究了解相关检测算法，总结了如下重要性质： ( 1 )在大多数情况下，与传统单用户检测器相比，解相关检测器可以获得检测性能， 系统容量极大提高。 ( 2 )解相关检测不需要进行接收信号的幅度估计，它等价于接收机未知所有用户的 信号能量情况下的最大似然检测，换言之，它给出了发送比特矢量和接收信号 幅度矩阵的联合最大似然估计。因此相对需要进行幅度估计的检测器解相关检 测对于幅度估计误差不是那么敏感。 ( 3 ) 与最大似然检测相比，解相关的计算复杂度降到了o ( k ) 。 ( 4 ) l u p a s 证明，解相关检测器具有渐近最优的抗远近效应能力。同样从第( 3 ) 条 可知解相关检测的误比特率与接收信号能量无关，不但简化了理论分析，更能 看出解相关检测具有非常好的抗远近效应能力。 ( 5 ) 判决延迟非常小，只要将矩阵曰。得第k 行与滤波器组得输出矢量相乘，就可 以得到第k 个用户的比特判决信息。 除了以上的优点，解相关检测也有它致命的缺点： 首先我们来观察线性变换后的噪声矢量z 的相关矩阵为 e ( z z 7 1 = k - i e ( 5 5 r ) r - i ( 2 1 8 ) 如果输入噪声不为0 ，且届为病态矩阵，则盎将加大原始噪声，使得矗遭到比原来 更严重的噪声干扰，可以想象当噪声大到一定程度时，它所消除的m a i 干扰将完全被放大 的噪声所遮盖，性能反而劣化。 另外解相关检测中的矩阵求逆复杂度非常高，对于同步c d m a 系统，相关矩阵的维数 为k x k 。矩阵求逆还比较简单，但对于异步c d m a 系统，相关矩阵的维数为k ( 2 m + i ) x k ( 2 m + i ) ，当数据帧长m 较大时，进行矩阵求逆非常困难。如果采用一些次优方法，如截 断窗解相关检测，或将高维矩阵分解为多个低维矩阵进行求逆处理，对于实用化更有效 2 3 - t 2m i s e 检测器 最小均方误差( m m s e ) 检测器是考虑背景噪声和接收信号功率的线性检测器。这种检 1 2 第二章多址干扰抑制技术 测器的目标是最小化均方误差代价函数，即最小化发送比特矢量和匹配滤波器组输出矢量 之间的均方误差； l = a r g l i ； n e ( b 一云) 2 = a r g n p e ( b l y ) 2 ( z - 。) 将( 2 1 ) 代入上式，求梯度可得至0 线性交换矩阵为 l m = a 一1 ( r + t r 2 a 。2 1 - i ( 2 2 0 ) 由此可得m m s e 判决矢量为 6 一= s i g n a 。1r + t r 2 a 。2 ) 。y ( 2 2 1 ) 对比( 2 1 7 ) 和( 2 2 1 ) 可知tm m s e 实际上是解相关检测器的修正。m m s e 检测器的基本 思路是在抑制干扰和提高噪声功率之间取得折中平衡，从而大大改善解相关器所带来的增大 高斯噪声功率的负作用。其目标是让输出的均方误差最小化，因此当噪声比较大时可以通过 增大一定的残余多址干扰的代价来降低噪声。由于考虑了白噪声的影响，与解相关检测器比 较，m m s e 检测器一般可以获得更好的误比特性能。当背景噪声趋于0 时，m m s e 检测器 收敛于解相关检测器。 m m s e 检测器的缺陷在于它需要估计接收信号的幅度，对估计误差比较敏感。另外它 的性能依赖于干扰用户的功率，所以抗远近效应方面不如解相关。 计算复杂度方面：求逆的复杂度为d ( k 3 ) ，工程上常采用迭代法求解。 2 3 4 非线性多用户检测器( 干扰抵消检测器) 除了上述使用线性变换来简化多用户检测的方法外，还有一类通过迭代干扰抵消来逼近 最优解。基本原理是在接收端分别估计和重建干扰信号，然后分别从接收信号中减去某些或 全部的多址干扰估计。另外对多用户检测后的信号判决函数的形式，可以分将干扰抵消器分 为线性和非线性两种方式。 干扰抵消的基本思想如下图分析： 图2 - 3 - 2 干扰抵消原理图 东南大学硕士学位论文 假设信道矩阵和扩频码的联合矩阵为f ，同步信道f 就为扩频矩阵 接收向量： r = f a b + n 对上式进行匹配滤波： y - - f h ( f a b + n ) = f f a b + f h n 将f “f 分解为对角阵，和上三角阵f 上和下三角阵斥即： 则第i + 1 次干扰抵消后： f h f f f i i + 丘+ 艮 ( 2 2 2 ) ( 2 2 a ) ( 2 ，2 4 ) 4 五+ ，= y 一口 上+ 耳j 4 丘 ( 2 2 5 ) 假设采用线性判决，且系数为1 ，u pa 占, = 霉，将其和( 2 2 4 玳入( 2 2 5 ) 镬4 ： a 画+ j 一缈= - f 砭手斥夕a 毛- 一f 8 f n ( 2 2 6 ) 如果忽略噪声，其实完全可以看出这个是求解_ 唇= r ，8 d - 1 y 的j a c o b i 迭代。如果令 4 丘= y 。则： 4 丘 = “6 + i f 疋1 l 斥一) 】( 】r a b ) ( 2 2 7 ) 于是当也饵夕的所有特征值的绝对值小于1 就能保证干扰抵消的解收敛。从这里 可以看出上述干扰抵消其实是解相关检测的迭代解。使用超松弛迭代可以保证迭代收敛性 1 1 6 1 。此外，这种线性干扰抵消还会产生乒乓效应。 非线性干扰抵消主要分为串行干扰抵消和并行干扰抵消两大类： 2 3 4 1 并行干扰抵消( p i c ) 并行干扰抵消( p i c ：p a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ) 检测器是以上次所有用户的判决 结果，来重构用户的发射信号。利用重构的信号，从用户接收信号中减去其他用户干扰的过 程。并行干扰抵消( p i c ) 可以具有分级结构，进行多次干扰抵消。下面是并行干扰抵消( p i c ) 的级干扰抵消结构图： 1 4 第二章多址干扰抑制技术 w + l r a t ) k- = 丌y n 一 一l ， 7 丫 锗 一n 一 乏8 ) k。隶 一丫 扩 - 一w 匹配 频 魁 滤波 ； 燕 器组 兀 二一 露( f ) k ：。 7 丫 笔k u 7 图2 - 3 _ 4 并行干扰抵消m 级结构 如图2 3 4 所示，第m 级经过匹配滤波器得到的比特估计矢量首先根据相应的幅度估计 加权，然后各用户分别用自己的扩频码进行扩频，生成各用户的重构信号五o ) ，而后将其 袍用户的所有重构信号褶加即得到了所有用户的m a i 信号估计，再在观察信号将得到豹 m a i 估计减去，就得到相对纯净的某个用户信号，最后再进行匹配滤波和判决得到新的检 测信号备下一级重构信号用。 第k 用户去除m a l 后的信号为 ( c h i p 级) y ( ，) 一妻力一i ( f ) ：4 c ：( f ) + 羔( 岛一a m 骞) 4 c ：( f ) + ，彤) ( 2 2 8 ) j l ，= l t kt t k ( 符号级) 刀“雄+ 反，4 ( 蘸一五”印) + 撑 ( 2 z g ) 其中名”为第m 级的干扰抵消系数，0 名” l ，引入干扰抵消系数是源于下面的分析 在干扰抵消过程中，如果第m 级第j 用户的符号判决正确，接收信号中第k 用户受到第j 用户的m a i 都能被正确重构并去除干净；但如果判决错误，将带来2 t 4 e ( f ) 或2 级。4 岛的 错误传播，为了减小这种错误判决带来的增强原始干扰的影响，所以引入了干扰抵消系数， 一般在开始的几级信号干扰较重，判决正确性差就使用较小的系数。后面信号判决越来越准 确的时候可以使用比较的干扰抵消系数。这就是部分并行干扰抵消( p p i c ；p a r t i a lp i c ) 思 想的由来。 1 5 东南大学硕士学位论文 p i c 运算复杂度与用户数成线性关系，而其性能优于传统检测器和解相关检测器。p i c 检测器克服了s i c 检测器大延时的缺点，而且无需在功率发生变化时重新排序。当用户的 接收功率相近时，p i c 检测器的性能会优于s i c 检测器的性能，而当接收信号功率差异比较 明显时，s i c 检测器的性能将优于p l c 检测器的性能。所以p i c 多用户检测器适合功率控制 比较理想的情况i l l 】。 2 3 4 2 串行干扰抵消( s i c ) 图2 - 3 5 串行干扰抵消结构 如图2 3 5 ， 为未经抵消的判决结果，如为经过一次抵消后的判决结果。串行干扰抵 消法的基本做法是首先根据接收到的各用户信号功率按强弱大小排队。每次仅检测一个用 户，且首先解调出的是最强功率的用户。串行干扰抵消器的性能很大程度取决于用户接收信 号的功率分布，如果用户接收信号的功率分布差别比较大，则性能提高就比较大，因为它大 大减小了因为远近效应带来的弱信号判决错误传播。而在这种情形下如果使用并行干扰抵消 ( p i c ) 方法，到达功率比较低的用户符号错误判决的概率很大。个别用户的判决错误概率 太大，对其他用户的干扰误抵消就会比较多，不利于系统整体性能的改善。s i c 的致命缺点 是它的处理时延随用户数k 线性增长。在用户数较多时。时延将累积到系统难以忍受的地 步。 1 6 第二章多址干扰抑制技术 2 4 本章小结 本章由信道模型谈起，讨论了传统r a k e 接收机的结构以及r a k e 接收机所不能解决 的多址干扰问题，并由此引出了多用户检测技术，接着探讨了各种常用多用户检测技术的适 用环境，优缺点，技术发展水平和研究方向。 下章将着重从r a k e 接收机的干扰组成分析开始，运用这一章介绍的干扰抵消技术， 探讨在h s d p a 多码传输系统中多用户检测思想的应用。 2 5 参考文献 【1 】kss c h n e i d e r , o 州m 哪d e t e c t i o no fc o d e - d i v i s i o nm u l t i p l e x e ds i g n a l s 们1 e e et r a n s a e r o s p e l e c t r o n s y s t ，v 0 1 a e s 1 5 ，1 9 7 9 - 1 ，1 8 1 1 8 5 2 1 l u p a s sv e r & ul i n e a rm u l f i u s e rd e t d a i o u