（通信与信息系统专业论文）第三代移动通信多用户检测技术的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本文的主要工作是在对几种典型的多用户检测中技术研究的基础上，着 重探讨基于信号子空间的多用户检测技术，并对其性能进行仿真分析。 全文 内 容主要分为以下几个部分: 1 简要回顾第三代移动通信技术的发展，在分析作为第三代移动通信核 心技术c d ma系统优缺点的基础上，阐明运用多用户检测的必要性。 2 .在分析移动通信信道特点的基础上，首先引出本文所采用的移动信道 模型， 并针对数字通信系统重点分析了 离散化的 系统模型及其矩阵表示形式。 同时， 分别推导了直接扩频通信系统同步和异步c d ma系统模型。 在此基础 上分析常规单用户检测接收机，匹配滤波器接收机和 r a k e接收机的工作原 理，指出常规的单用户检测接收机无法消除多址干扰。 3 在分析c d m a系统干扰的 基础上， 阐述了多用户检测的思路及系统模 型， 探讨了几种典型的线性多用户检侧器， 并深入的研究了线性解相关( d e c ) 多 用户检测和最小均方误差 ( m m s e ) 多 用户检测原理，给出了 线性多用户 检测的误比 特率和抗“ 远一近效应” 的性能分析。仿真结果表明多用户检测技 术可以 有效地抑制多址干扰，同时具有抗远近效应。 4 . 引出了子空间方法多用户检测的概念，并给出了线性解相关 ( d e c ) 多用户检测和最小均方误差 ( m ms e )多用户检测的子空间表示。并且对基 于子空间方法的d e c和m ms e 检测器在高信噪比 下的性能进行仿真研究， 试验结果表明两者在高信噪比下具有相同的渐进有效性和抗“ 远一 近， 能力， 即 最 佳抗 “ 远 一 近 ” 效应 能力。 同 时， 对 提出 子空间 方 法构架的x i a o d o n g w a n g 的 子空间 跟踪多用户检测算法进行了深入研究。 关键词:第三代移动通信;c d m a 系统;多用户检测;信号子空间 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ab s t r a c t t h e c h i e f w o r k o f t h e p a p e r i s t o d i s c u s s t h e s u b s p a c e a p p r o a c h f o r m u l t i - u s e r d e t e c t i o n t e c h n o l o g y b a s e d o n a n a l y z i n g c o n t a i n s f o u r p a rt s : ; d e e p l y , a n d t o c a r r y o n t h e s i m u l a t i o n a n a l y s i s t o i t s f u n c t i o n , s e v e r a l k i n d s o f r e p r e s e n t a t i v e l i n e a r m u l t i - u s e r d e t e c t i o n s . i t 1 .b r i e fl y l o o k s b a c k t h e d e v e l o p m e n t o f t h e t h i r d g e n e r a t i o n o f m o b i l e c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , a n d a n a l y s e s m e r i t a n d s h o r t c o m i n g o f c d ma s y s t e m w h i c h a s n u c l e a r t e c h n o lo g y o f 3 0 . o n t h e f o u n d a t i o n o f d i s c u s s i o n ,w e e x p la i n t h e n e c e s s a r y w h i c h b r i n g t o b e a r m u lt i - u s e r d e t e c t i o n . 2 . o n t h e f o u n d a t i o n o f a n a l y z in g m o b il e c o m m u n i c a t i o n c h a n n e l c h a r a c t e r i s t i c , w e i m p o r t c h a n n e l m o d e l t h a t t h i s a r t i c l e u s e s , a n d a n a l y z e d i s c r e t e s y s t e m m o d e l a n d r e a c h i t s m a t r i x f o r m a i m i n g a t t h e d i g i t a l c o m m u n i c a t i o n s y s t e m . a t t h e s a m e t i m e , w e i l l a t i o n t h e s y n c h r o n o u s a n d a s y n c h r o n o u s d s - c d m a s y s t e m m o d e l , a n a l y z e t h e p r i n c ip i u m o f c o n v e n t i o n a l o n e u s e r r e c e i v e r , m a t c h e d f i l t e r r e c e i v e r a n d r a k e s r e c e i v e r , a n d p o i n t o u t t h a t c o n v e n t i o n a l o n e u s e r r e c e i v e r c a n n o t e l i mi n a t e mu l t i - a d d r e s s i n t e r f e r e n c e . 3 . o n t h e f o u n d a t i o n o f a n a l y z i n g c d ma s y s t e m i n t e r f e r e n c e , w e e x p a t i a t e t h e p r i n c i p i u m a n d m o d e l o f m u l t i - u s e r d e t e c t i o n , p r o b e i n t o s e v e r a l k i n d s o f r e p r e s e n t a t i v e l i n e a r m u l t i - u s e r d e t e c t i o n s . a t t h e s a m e t im e , w e a l s o s t u d y d e c a n d mms e m u l t i - u s e r d e t e c t i o n t h o r o u g h , a n a l y z e t h e l i n e a r m u l t i - u s e r d e t e c t i o n s mi s t a k e b i t r a t e a n d f a r一n e a r e ff e c t . t h e s i mu l a t i o n r e s u l t i n d i c a t e s t h a t m u l t i - u s e r d e t e c t i o n c a n r e s t r a i n mu i , a n d r e s i s t f a r 一 n e a r e ff e c t . 4 . e d u c e t h e c o n c e p t o f s u b s p a c e a p p r o a c h f o r m u lt i - u s e r d e t e c t i o n , g i v e o u t t h e s u b s p a c e e x p r e s s i o n a b o u t d e c a n d mms e m u l t i - u s e r d e t e c t i o n . a t t h e s a m e t i m e w e s i m u l a t e t h e r c a p a b i l i t y o f d e c a n d m m s e m u lt i - u s e r d e t e c t i o n w i t h t h e h i g h s n r , t h e r e s u l t i n d i c a t e s t h a t t h e y h a v e t h e s a m e a b i l it y i n r e s t r a i n i n g mu i a n d r e s i s t i n g f a r 一 n e a r e ff e c t . we a l s o s t u d y t h e a r it h m e t i c o f s u b s p a c e a p p r o a c h f o r m u l t i - u s e r d e t e c t i o n t h a t w a s p u t f o r w a r d b y x i a o d o n g w a n g 哈尔滨工程大学硕士学位论文 k e y w o r d s : 3 g , c d ma s y s t e m, m u l t i - u s e r d e t e c t i o n , s i g n a l s u b s p a c e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者 ( 签字): 日 期 : “ 斗 年z 月l 日 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 . 1第三代移动通信 ( 3 g )的发展 随着公众移动通信的迅猛发展，现有的第二代移动通信系统的几种体制 包括g s m 和i s - 9 5 已 很难满足发展要求，主要表现在:系统容量不够， 频率 资源日 显紧张; 速率过低( 9 . 6 k b i t / s 或5 7 k b i t / s ) ， 与目 前的i p 技术、 多媒 体业务要求距离甚远，不能实现全球覆盖无缝链接。 因此人们把目 光转向 第 三 代 移 动 通 信 系 统( t h i r d g e n e r a t i o n， 3 g ) ， 。 第三代移动通信系统的理论研究、 技术开发和标准制定工作早在2 0 世纪 8 0 年代就开始进行了。国际电信联盟 ( 工 t o 从1 9 8 5 年开始研究，最初成该 系统为未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) ., 后来改称为国际移动通信2 0 0 0 ( i m t 2 0 0 0 )。 第三代移动通信与第一代和第二代移动通信系统相比，其性能有了很大 提高，它的 基本特点为2 1 今 全球普及和全球无缝漫游的系统:第一、二代移动通信系统一般为区 域或国家标准，而第三代移动通信系统是一个在全球范围内 覆盖和使用的系 统，它将使用相同的频段，支持全球漫游，其标准也在不断的融合。 .具有支持多媒体业务能力:第一、二代移动通信系统以提供话音业务 为主，随着技术发展一般也仅能提供 l 0 0 k b i t / s - 2 0 0 k b i t / s 的数据业务， g s m 演进到最高阶段的速率能力为3 8 k b i t / s 。 而第三代移动通信系统的数据和多 媒体业务能力将有很大提高，它将提供话音分组数据和多媒体业务所需的更 宽 的 带宽。 国 际电 信 联盟 规定 的 第 三 代 移动 通 信 无 线 传输 技 术的 基 本 要求中 ， 数据的最高速率可达 1 4 4 k b i t / s( 快速移动环境)，3 8 4 k b i t / s( 步行环境) 和2 m b i t / s( 室内环境)。 .其它基本特点: 首先它便于过渡、 演进。由于第三代移动通信的引入 时，第二代网络己具有相当规模，所以第三代网络在第二代网络的基础上逐 哈尔滨工程大学硕士学位论文 渐灵活演进而成。同时它还具有高频谱效率、高服务质量、低成本、高保密 1性等特点。 第 三 代 移 动 通 信 系 统 采 用 了 多 种 新 技 术 ， 其 关 键 技 术 主 要 有 d l一= .初始同步技术: c d m a 系统接收机的初始同步包括p n 码同步、帧同步、 码元同步和扰码同步。 c d m a 2 0 0 0 采用与i s - 9 5 系统相类似的初始同步技术， 而w c d m a 系统的初始同步分三步进行。 .多径分集接收技术: c d m a 通信系统采用宽带信号进行无线传输， 接收 端 可以 分 离出 多 径 信 号， 因 而 可以 采用多 径 分集 接收 技 术， 即r a k e 接收 机来 完成接收过程，在很大程度上降低多径衰落信道所造成的不利影响。 令高效信道编译码技术:信道编译码技术是第三代移动通信的核心技术 之一。在3 g 的主要提案中，除采用与i s -9 5 相类似的卷积编码与交织技术之 外， 还建议采用t u r b o 编码技术及“ r s 一卷积” 级联码技术。由 于第三代移动 通信系统中， 对移动通信业务的追求已 从单纯的语音业务扩展到多媒体业务， 因此，达到尽可能高的频谱利用率就成为一个十分重要的课题。近年来提出 的空时码就是能够有效提高无线频谱利用率的最重要的方案之一，并可以得 到更高的通信质量， 以最终实现系统容量的扩大。在空时码的研究中， 主要 有分层空时码 ( l s t ) 和基于发射分集空时码两方面。 分层空时码将信源数 据分为几个子数据流， 独立的 进行编码、 调制; 发射分集空时 码是在发射延 迟分集的基础上提出的.。由于发射分集被认为是今后提高无线链路性能的一 项重要技术，因此，发射分集空时码的研究正在更深入的进行中。 .智能天线技术:所谓智能天线技术就是雷达系统自 适应天线阵列技术 在通信系统中的新应用。智能天线技术包括两个重要组成部分，一是对来自 移动台发射的电波方向进行到达角 ( d o a ) 估计， 并进行空间滤波; 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。 .多用户检测技术: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， 用矩阵求逆方法或迭代方法消除多用户之间的相互干扰。 由于c d ma 系统是一个多输入多输出 ( mi mo )系统，传统的检测方式如匹配滤波器采 用单入单出检测方式，不能充分的利用用户的边信息，而将多址干扰看作是 高斯白噪声，因此大大降低了系统容量。多用户检测技术利用各用户之间码 哈尔滨工程大学硕士学位论文 = = = 二 = = =二 留 = 二 = . . 二 二= = . = 字的 非 正 交 性来消 除 多用户 之间 的 相互 千 扰， 将 造 成多 址 干 扰的 所有 用 户信 号 信息 均 看作 是 有用 信号 信息， 利用 其 对单个 期 望 信号 解调， 来降 低多 址 干 扰 和 远 近 效 应的 影响， 也 降 低了 系统 对 控制 精 度的 要 求， 进而 提高了 通信 系 统的 容量。 成为第三代移动通信系统提高性能的关键技术之一。 令 功 率 控制 技术: 在c d m a 系统中 ， 由 于 各 用 户使 用相同 的 频带， 且 各 用户 的 扩 频 码之间 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， 功率控制的目 的 就是使系统既能 维护高 质量通信， 又不对 其 他 用 户 产生 干 扰。 功 率 控 制技 术 将成 为c d m a 系 统中 最为 重 要的 核 心 技 术 之一 。 常 用的c d m a 功率 控制技术可 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。 在w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系 统中 ， 上 行 信道 采用了 开 环、 闭 坏和 外环功 率控制 技术， 下 行信道则 采用了闭 环和外环功率技 术。 以 上几种关键技术应用在第三代移动通信系统中的 物理层以 提高系统性 能， 将 各项技术有效的 结合 起来进行 应用研究， 则 更有利于系 统性能和 服务 质量的提高，这也是十分重要的 研究课题， 在这样面仍需做大量的工作。 1 . 2多用户检测技术在3 g 中的应用 c d m a 系统作为新一代的无线移动通信模式，在第三代移动通信系统中被 采用。但是我们也应看到，由于采用的是码分多址的多址方案，系统内各用 户使用相同的频带发射信号，共享一个信道。在时域和频域上都是混叠的。 码分多址是一个自 干扰系统，由于实际系统中各用户之间的码字不可能达到 完全正交和完全同步，因此，多用户之间互相产生的干扰不可避免，这个干 扰称为多址干扰 ( m a o ，也称为多用户干扰。多址干扰一般分为同信道干 扰和邻信道干扰，其中同信道干扰占主要部分。由于多址干扰的存在，使得 接收机在接收远区用户信号的同时，必然受到近区用户强信号的干扰，从而 导致了 远近效应。鉴于码分多址是一种千扰受限系统，多址千扰不仅严重影 响系统的抗干扰性，还严重限制了 系统容量的提高。 山于c d m a 系统是一个自 干扰系统， 它的 容量和性能主要受到多址干扰的 限 制。 接收机的设计是一个很重要的问 题，若能适当的 抑制多用户干扰，就 可以显著地提高系统的性能或容量。传统接收机的缺点是在对一个用户解调 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 时没有利用己 知的其它用户的信息，而是将多址干扰当作高斯白噪声，因此 大大降低了系统容量。传统的匹配滤波接收机或相关接收机存在的主要问题 体现在f .干扰底限:由于干扰信号与期望信号不完全正交，所以期望用户的匹 配滤波器输出中 含有多址干扰。因此，即使 接收机热噪声电 平趋于零， 但由 于多址干扰的存在，匹配滤波接收机的错误概率也会表现出非零的下界。使 得相关接收机很难达到低误码率。 .远近问题:由于多址干扰的存在，如果干扰用户比期望用户距基站更 近，千扰用户在基站的接收功率就会比期望用户大的多，扩频序列与干扰之 间的相关就可能比与期望用户信号之间的相关大，于是传统的相关接收机的 输出中多址干扰分量就可能很严重，期望用户信号甚至可能淹没在干扰信号 中。 可以看出，更好的接收算法应该是对多个用户的联合检测。多用户检测 接收机将造成多址干扰的所有用户信号信息均看作是有用信号信息，利用其 对单个期望信号解调，来降低多址干扰和远近效应的影响，也降低了系统对 控制精度的要求， 进而提高了 通信系统的容量， 其检测模型如图1 . 1 所示。 多 用户检测技术的应用，使得c d ma 系统的优越性更加明显。 图1 . 1多用户检测模型 多用户检测作为抑制多址干扰的一种主要手段，它可以 在上行链路的基 站采用，也可以在下行链路中移动台使用。但由于基站接收的各用户信号是 异步的， 而且基站一般己 知所有本小区内用户扩频序列时延及信道参数。而 移动台一般仅知道自己的扩频码等参数，且同小区内 其它用户的干扰与其自 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 身信号是同步的，另外移动台受体积，功耗等因素的限 制，处理能力有限， 因此，多用户检测技术主要在基站采用。 1 . 3国内外的发展现状 多用户检测 ( m u d ) 理论研究源于八十年代初。 早在1 9 7 9 年， s c h n e i d e r 就提出了 将多个用户的码元和定时( 还可能包括振幅和相位) 信息联合起来， 用于检测每个用户信息的 m u d思想，并研究了迫零算法。随后，k a s h i h a r a 和k o h n o 又提出了多址干扰消除接收机， s c h n e i d e r 和k o h n 。 还给了异步多 用户通信中 使用维持比( v i t e r b i ) 算法的最优接收机。(0 m u 。 技术真正引起广大研究者的关注则得益于v e r d u 的工作。1 9 8 6 年， 他提出以匹配滤波器加维特比算法来实现最大似然序列检测 ( m l s d )，适用 于受i s i 影响的 信道。 这种算法的复杂度仍是用户数的指数幂级 ( g k ) ， 而且 m l s检测器需要知道接收信号的幅度和相位，过于复杂。 但这为进一步研究 奠定了 理论基础， 促使人们去寻找比 传统检测器优越的各种次优多用户检测 器， 所以提出了次优多用户检测，以便合理的可实现复杂度来接近最优检测 器。次优多用检测分为两大类:线性多用户检测和非线性的干扰对消多户检 测。前者是对传统检测器的输出进行解相关或其它的线性变换以利于判决; 后者利用抑制信号对干扰进行估计，然后在原信号的中减去以利于接收判 决. 次优化多用户检测器首先是针对高斯白 噪声( a w g n ) 信道的次优化检测器， 后来又集中研究衰落多径信道适用的检测器. 由于无线传输信道的时变和不 可 靠性，使得多用户检测器的参数如振幅， 相位以 及用户间的互相关性要不 断改变更新所以，人们又开始研究自 适应的多用户检测器，使得参数能根 据接收信号不断的自 动调整， 对接收信号的进行学习，从而抑制干扰. 最近 几年，盲多用户检测和空时多用户检测又成为多用户检测的研究热点. 另一方面， 单纯的多用户检测技术的研究应用，已经不能更好的提高系 统的性能，将多用户检测技术与其它技术相结合，成为目前更为广泛的研究 方向。 川 .与智能天线的结合。 结合智能天线得到的空域信息，将多用户检测技术推广到空时领域。由 s 哈尔滨 _ 程大学硕士学位论文 于空间信息的引入，大大增加了检测器的输入信噪比，并且使得多用户检测 可 以 应 用 到 过 载 系 练 ， . 即 小 区 实 际 用 户 数 可 一以 多 于 用 于 区 分 用 户 的 扩 频 码 序 列数。这样进一步提高了系统容量。 .与多载波技术的结合。 多载波技术能够有效的克服衰落信道引起的符号间串扰，因此将多用户 检测引入到多载波c d ma 系统，研究频域与码域二维信号处理技术，能够大 大提高系统的抗千扰能力。 今与编译码相结合。 由 于多 用户检测输出 信号将进入译码单元，因此如果将译码与多用户检 测结合考虑，相互作用，则会大大改善检测性能， 提高系统容量。 将多用户检测与更多的处理技术相结合，都将进一步提高系统容量，改 善系统性能。但其代价是增加了系统实现的复杂度。同时虽然各种先进技术 的结合可以 更有效的提高系统容量， 但提高效率也是有限的。 飞 . 4本论文主要研究内容 多用户检测技术作为第三代移动通信中的关键技术，已经成为目 前研究 的热点之一。c d m a 多址方式己 经成为第三代移动通信采取的主流多址方式， 它有大容量、 高保密性、 软切换、 低功耗等等诸多优点。 但是由于c d m a 系统 是自 干扰系统，用户间的符号干扰造成的接收受扰将不可避免。多用户检测 技术抑制多址干扰， 抗 “ 远一 近”效应， 都为系统容量的提高和性能的稳定提 供了可靠的保障。近年来， 各种多用户检测方法不断涌现，而算法复杂度能 否降低以及能否进行盲获得是目 前高性能多用户检测算法能否应用到实际中 的主要考虑因素。 本文的主要工作是在对几种典型的多用户检测中技术研究的基础上，着 重探讨基于信号子空间的多用户检测技术，并对其性能进行仿真分析。全文 内容主要分为以下几个部分: 1 . 简要回顾第三代移动通信技术的发展，在分析作为第三代移动通信核 心技术 c d m a 系统优缺点的基础上，阐明运用多用户检测的必要性。 2 . 在分析移动通信信道特点的基础上，首先引出本文所采用的移动信道 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 模型， 并针对数字通信系统重点分析了 离散化的 系统模型及其矩阵表示形式。 同时， 分别推导了直接扩频通信系统同步和异步c d m a 系统模型。 在此基础上 分析常规单用户检测接收机、 匹配滤波器接收机和r a k e 接收机， 指出常规的 单用户检测接收机无法消除多址千扰。 3 . 在分析 c d m a系统干扰的基础上，阐述了多用户检测的思路及系统模 型，探讨了几种典型的线性多用户检测器， 并深入的研究了解相关多用户检 测和最小均方差多用户检测原理， 给出了 线性多用户检测的误比 特率和抗“ 远 一近效应” 的性能分析。 仿真结果表明多用户检测技术可以有效地抑制多址干 扰，同时具有抗远近效应。 4 . 引出了子空间方法多用户检测的概念， 并给出了线性解相关 ( d e c ) 多 用户检测和最小均方误差 ( m m s e )多用户检测的子空间表示。并且对基于子 空间方法的d e c 和m m s e 检测器在高 信噪比下的 性能进行仿真研究， 试验结果 表明 两者在高信噪比 下具有相同的 渐进有效性和抗 “ 远一 近”能力， 即 最佳抗 “ 远 一 近” 效 应能 力。 同 时， 对提出 子空 间 方 法 构 架的x i a o d o n g w a n g 的 子空 间跟踪多用户检测算法进行了深入研究。 哈尔滨上程大学硕士学位论文 第2 章 移动通信信道及其对传统接收机的影响 2 . 1 移动通信信道模型 移动通信与固定通信的不同之处在于通信时电台所处的环境是移动的， 因此，移动信道是影响无线通信系统性能的一个基本因素。移动通信中的各 种新技术都是针对移动通信的信道特点，以解决移动通信中的有效性、可靠 性和安全性为目 标而设计的。分析移动信道的 特性是解决移动通信关键技术 的前提，是移动通信中各类新技术的源泉。 因此我们首先分析移动信道的数 学 模型并进行定性分析洁 2 . 1 . 1移动通信信道特点 移动通信信道作为一种无线信道，它不同于有线信道，具有如下一些特 点: ( 1 ) 传播的开发性; ( 2 ) 受地理环境的复杂性和多样性; k， 而澎 k ,ku ) ( t ) 是b (k ,ka ) ( t ) 的 延时 在本 码元间 隔的 截取。 为了 简化信号的表示， 我们可以 把信号的幅度、 相位、时延都包含在组 合 信道冲 激响 应b ( k .k a ) ( t ) 中。 这样，( 2 - 7 ) 、( 2 - 8 ) 和( 2 - 9 ) 式分 别 变为: e (ka ) ( t ) 二 艺s (k .ka ) ( t) + n (ka ) ( t ) s (k ,ku ) (t ) 一 艺 d (k) ( n ) b (k ka ) ( 一 n t ) e (ka ) (t ) = 艺d (k p p (k l,ka ) ( t) + n (ka ) (t ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 这个模型具有普遍意义，它可以 表示采用不同的通信体制和系统结构、 具有不同的信道类型的各种系统。由系统模型我们也可以看到，接收信号中 存在着各种类型的 干扰: 热噪声的干扰， 多址干扰 ( m a i ) 和码间 干扰 ( 工 s i ) 等。 如果是单天线接收系统， 接收信号可以 用下式表示:n 3 ) e ( t) = 叉s (k ) ( t ) + n ( l ) ( 2 - 1 3 ) 哈尔滨工 程大学硕士学位论文 n- i s (k ) ( t ) = 艺 d (k ) ( n ) b (k ) 一 ” t ) ( 2 - 1 4 ) e ( t ) 一 艺d (k l) p (k ) ( t ) + n ( t ) ( 2 - 1 5 ) 对于 发 送端是多天线的 情况， 体现 在各用户的 ( 组合) 信道冲激响 应不 同，由发送端的波束成型决定。 2 . 1 . 3离散化的系统模型及其矩阵表示 在数字化接收机中，我们通常通过采用 ( 或更一 相关运算) 把收到的连续信号转换成为时间离散信号。 般地，通过一个确定的 我们记采样间隔为t s , ( 2 - 1 1 )式的采样信号为: s (k .k ) ( i 几 ) d (k ) ( n ) b (k k 0 ) ( i 兀一 n t ) ( 2 - 1 6 ) n-l艺间 - 设 系统 响 应b (k .ko ) ( t ) 时 间 受限 且 是因 果的 ， 其时 延 扩 展为t + 耳。 我 们记 m= t i t , , w= 凡/ 几。 则 信 号b (k k 0 ) ( , ) 存 在 的 区 间 为 0 , t + 几 ， 对 应 离 散 信 号。 i - m+ w- 1 ; 信 号; (k k . ) ( t ) 存 在 的 区 间 为 0 , n t + t , , ， 对 应 离 散 信 号0 _ i 2 ,. .,6 n “ 用 户 的 归 一 化 扩 ” 码 向 量， n为 扩 频 增 益，, t ” 表 示 矩阵 的 转 置; 叨 广 ， 对， ， 风了 为 第k 个 用 户 值为士 1 的扩频信号序列。 不 失 一 般 性， 设k 个 用 户 的 扩 频 码 波 形坑 , a , s k 线 性 独 立， 并 引 入 矩 阵 表示: s = y , , a , s k l , a = d ia g ( a , ， 二 ， a k ) , a z = d ia g ( a ,z , , a x ) ( 2 - 4 3 ) 则接收信号厂 的矩阵表示可写为: 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r=s ab + a n( 2 - 4 4 ) 接收信号尸 的自 相关矩阵r 可表示为: * 纭分 二 s a zs + c i ,r ( 2 - 4 5 ) 2 . 2 . 2高斯白 噪声信道、异步c d m a 系统 在有k个用户的异步基带数字直接扩频c d ma 系统中，那么经过高斯白 噪声信道的基带接收信号为: r (t ) 一 艺a k b k ( t - z k ) + n ( t ) ( 2 - 4 6 ) 则 第k ( 1 _ k - k ) 个用户的 接收 信号 为: r (k ) ( t ) = 艺 b k ,n a k s k ( 一 n t 一 r k ) ( 2 - 4 7 ) 其 中 t 是 符 号 区 间 气 。 e ( - l ,i ) 为 第k 个 用 户 的 第。 个 符 号， ， 、 为 第k 个 用 户 关于接 收机 的相应 时延 ，s k ( t ) 为扩谱特 征波 形 ，这里 ， s k ( t) 一 艺 a k lj vf ( t - j t ) 为 第 k 个 用 户 的 扩 谱 序 列 的 第 i 个 元 素 ， w ( t ) 为 码 片 j = 0 波 形 ，t为 码片 区 间，n= t i t 为 处 理 增 益。 则 总 的 接收 信号为 : r ( t ) = 艺 r (k ) ( t ) + n (t ) ( 2 - 4 8 ) 2 . 2 . 3多径衰落信道、同步c d m a 系统 考虑有k 个用户的同步直接扩频c d m a 系 统， 所有用户经过一个慢多径 衰落信道，信道冲击响应为: h (t ) 二 艺a ,s ( 一 t r ) ( 2 - 4 9 ) 其中 。 l 是可 分 辨多 径 数; a , . : ， 是 第 1 条多 径 的 复 衰 落 和延 迟， 其衰 落 的 幅 度 服从瑞 利 ( r a y l e i g h ) 分 布， 相位服从f o , z 7r ) 上的 均匀分布。 则经 过衰 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 落信道的接收信号模型可表示如下: (犷卜 kk=1、 一 m 、(， l bk(i)=-m 1=1一 (卜 it 一 _1- 1w ， 一 (犷， ( 2 - 5 0 ) 其中，t 是符号间隔:w是扩频信号带宽;l 是可分辨多径数;n ( t ) 是 具有单位功率谱密度的零均值复高斯白 噪声过程;6 z 是背景信道噪声功率; ( 2 m + 1 ) 是 每个用户 每帧的 数据符号数; c 。 是第k 个用 户第 1 条多 径的 信道 衰 落 增 益 : a , , 么、lb k ( i ) t = 0 ,1 a , . . . ，士 m 分 别 表 示 第k 个 用 户 的 接 收 信 号 幅 度 、 载 波 相 位 、 符 号 值 ; b k ( i ) 在 0 ,t 内 是 独 立 等 概 的 二 进 制( 1 1 ) 随 机 变 量 ; s, ( t ) ,0 - t _ t为 第k 个 用 户 在 0 , t 内 的 标 准 化 信 号 波 形。 假定 模 型 ( 2 - 5 0 ) 所示信道服从慢衰落，即信道衰落增益在一个完整的信号帧内不变。 在该接收信号模型中， 第k 个用户的频率 选择性衰落信道被建成一抽头延 迟 线 ， 抽 头 间 隔 为w ， 抽 头 系 数 为 l c ,) 抽 头 间 隔 可 以 取 为 片 = tw 或 这 里 取 _1w = : 。 可分辨的多径数l = t w ( 不超过tw的最大整 数)， 其中t是信道多径扩展。 对于 码元间 隔比 信道多 径时延大的多即 t ;孔二 三的 情 况 ， 由 信 道 引 起 的 码 间 干 扰 可 以 忽 略 不 记 cia- 191 。 在 接 收 端 ， w 接收信号先通过码片匹配滤波器，然后用码片速率采样，则在第i 个码元间 隔即当i t _ t ( i 十 1 ) t 期间， 码片匹配滤波器的 输入可以 写成向 量形式: k ! . y 一 叉 a k b k 艺 h krs kr 十 o n ( 2 - 5 1 ) k = 1 1 =1 式 中 ， h kr 瞥 。 。 。 ， 几 表 示 第 k 个 用 户 第 l 条 路 径 的 特 征 向 量 ， 、 是 均 值 为 零 ， 协方差矩阵为nx n单位矩阵1 、 的复高斯噪声向 量。 2 . 2 . 4多径衰落信道、异步c d m a 系统 考虑如下的带有k个用户的异步直接扩频c d m a 系统， 假设第k 个用户通 过的信道的低通冲击响应为: 1 9 哈尔滨1程大学硕士学位论文 h k (t , r ) = 艺 a k ，, ( t) ,5 (t - i t , ) ( 2 - 5 2 ) 进 一 步 假 设 此 信 道 为 瑞 利 衰 落 信 道， 则 时 变 抽 头 系 数a k ,i ( t ) 可 表 示 为 零 均 值 的 复 高 斯 随 机 过 程， a k ,i ( t ) 的 幅 度 满 足 瑞 利 分 布 ， 相 位 满 足 均 匀 分 布。 l 为 多 径数， t为 码片 周期。 假设信道缓慢变化，信道参数在若干个符号周期内保持不变，我们可精 确估计冲击响应。如果符号周期远远大于多径时延扩展，则可以不考虑由于 信道色散带来的符号间 千扰 ( 工 s i )，因 此， 第k ( 1 _ k 其 中i , , ， 为 本小区中 用户的 干 扰， 即 多 址 干 扰;f 为 其 它小区 的 干 扰与 本小 区m a 工 之比( 也 称 外 溢比 ) ; 瑞。 。 为 接 收 机 收 到 的 热 噪 声; i 。 为 用 户 信 号 的 码间千扰。 对上 述四种干扰，有不同的消除方法。2 4 热噪声是所有通信系统中都存在的一类加性噪声，主要由通信设备的有 源、 无源器件所产生，它一般遵从正态 ( 高斯) 分布且功率谱是平坦的，故 称加性白噪声。实际系统中，热噪声的影响远小于前两种干扰的影响。在通 常 使用的无线通信系统中， 均通过限制接收机噪声系数的方法来确定接收机 的 灵敏度。 工 s l 的形成有两种原因， 一是信号传输时未满足奈规斯特第一准 则，在抽样时刻存在失真，对于这种原因引 起的工 s i 可以 使用升余弦滤波器 等方法来避免; 另一种造成工 s 工 的原因是由 无线信道的多径等特性造成的， 这种干扰是实际系统无法避免的，但可以通过均衡等办法进行消除。 由其它同频用户造成的干扰分为两部分， 小区间的干扰和小区内的干扰。 在蜂窝移动通信中，由于在同一个小区内，同时通信的用户不是一个而是多 个，在码分多址通信中各个用户均占 用同一时隙、同一频率，所不同的是选 取的地址码不一样，而实际选用的地址码间的互相关函数又不可能全部达到 理想状态的全为零，因而在多个用户同时通信时， 必然要产生多址干扰。小 区 间 的 干 扰 是 指 其 它同 频小 区 信号 造 成的 干 扰， 这 部 分 干 扰可以 通 过合 理的 小区配置来减小其影响。有资料显示，即使在最恶劣的情况下，小区间干扰 功率也不超过内部干扰功率的 6 0 % 。因此，当小区中同时使用的用户数较多 时， 多址干扰是最主要的干扰。25 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 . 1 . 2 多用户检测提出的基本思路 多用户检测提出的基本思想:2 - 2 7 ( ) 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 厕 理论。 ( 2 ) 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 数是己知的。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 利用扩频码的己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。 多用户检测是宽带 c d m a通信系统中抗干扰的关键技术。在前面的分析 中， 我们知道， 在实际的c d m a 通信系统中各个用户信号之间存在一定的相关 ,睦，这就是多址干扰存在的根源。 从理论上讲，如果能消除用户受到的多址千扰，就可以提高容量。多用 户检测的基本思想是 想把所有用户的信号都当作有用信号， 而不是干扰信号。 在小区通信中， 每个移动用户与一个基站通信， 移动用户只需接收所需信号， 而基站必须检测所有的用户信号，因此移动用户只有自己的扩频信号，而基 站需要知道所有用户的扩频码。由于移动用户受到复杂度的限制 ( 如尺寸、 重量等)，多用户检测目 前主要用于基站。 从信息论的角度看， c d m a 系统是一个多入多出的系统， 采用传统的单入 单出 检测方式，不能充分利用用户间的信息，由于将多址干扰认为是高斯白 噪声，因此大大降低了系统容量。而v e r d u 提出的多用户检测的思想，认为 多址干扰是具有一定结构的有效信息。由于理论上证明采用最大似然序列检 测 ( m l s d )可以 逼近单用户接受性能，并有效克服远近效应，大大提高系统 哈尔滨工程大学硕十学位论文 容量，因而开始对多用户检测的 广泛研究。 3 . 1 . 3多用户检测技术的分类 目 前已提出的多种m u d 方法可从不同角度进行分类:按处理方法可分为 线性和非线性两大类; 按检测器处理信息时需要知道期望用户信息量的多少， 又可分为盲和非盲多用户检测器。线性多用户检测器包括解相关检测、最小 均方误差检测等:非线性检测主要包括并行 ( 或串行) 干扰抵消算法、多级 检测和非线性类概率检测等。 多用户检测技术的大体分类如图3 . 1 所示。 2 9 - 2 9 、一 一 1 tfi3 npl_一 一 :一- - 一干 扰 抵 消 型 用一线 瓮 二 一ta 9 非线性类概率检测 es 一 赢异 砂 一均 一最 线性检测 次优多用户检测 方误差多用户检测 ( m r s e ) 决 熏 夔 一 hflnse#14 ufse19 l - 一 一 小输出能量检测 适应决策反馈检测 图3 . 1多用户检测方法的分类 哈尔滨工程大学硕士学位论文 次优多用户检测方案基本上可以 分成两大类:线性多用户检测和非线性 检测。线性多用户检测，是指先对匹配滤波器的输出矩阵进行线性变换， 然 后再判决。 具有代表性的是解相关( d e c ) 多用户检测和最小均方误差( m m s e ) 多用户检测;非线性检测中最主要的方法是干扰抵消多用