（信号与信息处理专业论文）cdma中盲多用户检测技术的应用研究.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 d s c d m a 通信系统由于具有容量大、软容量、软切换、频率利用 率高、抗多径衰落能力强等优点，己得到广泛应用。然而，d s c d m a 系统中存在两个主要的问题：多址干扰( m a i ) 和远近效应问题，影 响着这一技术的推广运用。 目前d s c d m a 通信系统主要采用功率控制技术来处理多址干扰 问题。该技术虽能缓解多址f 扰，但无法从根本上解决多址干扰。第 三代移动通信系统将多用户检测这项关键技术作为克服多址干扰的 种有效方法。 盲多用户检测器由于不需要发送期望用户的训练序列，且不需要干 扰用户的先验知识，具有开销小、效率高、实现复杂性比较低等一系 列优点，而引起了人们对它的广泛关注。 首先，本文较为系统地分析了传统检测器c d 、最优检测器o m u d 、 解相关检测器d d 及m m s e 盲多用户检测器( 基于子空间的盲算法及 基于c m o e 准则的盲算法) 的性能，通过仿真验证，得出一种能有效 解决多址干扰和远近问题的盲多用户检测器，并初步给出其实现方案。 其次，本文给出一种结合w c d m a 规范的解决多径衰落问题的方案。 最后，通过仿真对比发现，改进的盲多用户检测器当满足收敛快的条 件时，具有很好的抗多址干扰、抗远近效应和抗多径衰落的能力。 关键词多址干扰远近效应 盲多用户检测l s 准则 多径衰落 异步码分多址 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea d v a n t a g e s0 fd s c d m ac o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r ei n c r e a s e d c a p a c i t y 、s o f tc a p a c i t y 、s o f th a n d o v e r 、h i g h e rs p e c t r a le f f i c i e n c ya n d t h e a b i l i t yt or e s i s tt h ee f f e c t s0 fm u l t i p a t hf a d i n g ，a n ds oo n h 0 w e v e r ，t h e m a ia n dn e a r f a rp r o b l e m si nds c d m al i m i tt h ef u r t h e ra p p l i c a t i o no f t h et e c h n i q u e n o w d s c d m ac o m m u n i c a t i o ns y s t e mm o s t l ya d o p t sp o w e r - c o n t r o l t e c h n i q n et od e a lw i t hm a ip r o b l e m t h et e c h n i q h e0 n l ym i t i g a t em a i t h et h i r d g e n e r a t j o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m r e g a r d s m u l t i u s e r d e t e c t i o na sa ne f f e c t i v em e t h o dt oo v e r c o m em a i m o s to ft h er e s e a r c h e sf o c u so nt h eb l i n dm u l t i u s e rd e t e c t o r b e c a u s e i th a sn on e e d so ft r a i n i n g s e q u e n c e a n dt h e a p r i o r ik n o w l e d g e o f i n t e r f e r e n t i a lu s e r s ，a n di th a st h em e r i t so fh i g h e re f f i c i e n c y 、l o w e r c o m p l e x i t yo f t h ei m p l e m e n t a t i o n ，a n ds oo n f i r s t ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n v e n t i o n a ls i n g l e u s e rd e t e e t o r ( c d ) 、 t h eo p t i m a lm u l t i u s e rd e t e c t o r ( o m u d ) 、t h ed e c o r r e l a t i n gd e t e e t o r ( d d ) a n dm m s eb l i n dm u l t i u s e rd e t e c t o r sh a y eb e e na n a l y z e di nt h i sp a p e r ，v i a s i m u l a t i o nc o n f i r m a t i o n 。a ne f f e c t i v eb l i n dm u l t i u s e rd e t e c t o rt h a tc a n s 0 1 v em a ia n dn e a r f a r p r o b l e m i sa t t a i n e d i t s i m p l e m e n t a t i o n i s i n t r o d u c e d p r e p a r a t o r i l y i nt h i s p a p e r s e c o n d l y ，a m e t h o dc o m b i n i n g w c d m ac r i t e r i o nt h a ts o l v e m u l t i p a t hf a d i n gp r o b l e m i s p r o p o s e d l a s t l y ，c o m p u t e rs i m u l a t i o na n a l y s ea n dc o m p a r es h o w t h a tt h e m o d i f i e db l i n dm u l t i u s e rd e t e c t o rw i t hf a s t c o n v e r g e n c eh a s e x c e l l e n t c a p a b i l i t i e st o r e s i s tm a i 、n e a r f a re f f e c ta n dt h ee f f e c t so fm u l t i - p a t h f a d i n g k e yw o r d sm u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e n e a r - f a re f f e c t m u l t i - p a t hf a d i n g b l i n dm u l t i u s e rd e t e c t i o n l sc r i t e r i o n a s y n c h r o n o u sc d m a l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：窒查垒日期：谢呼年争月馏日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) e t 期：呼年妒月甜日 电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 随着人类社会无线频谱资源使用申请者的增加及电信部门移动用 户的爆炸性增长，无线频谱的效率问题变得越来越重要。有限频率资源 的重复利用是移动通信蜂窝结构的重要特征。也是提高频谱利用率的 有效手段。移动通信技术经历了从模拟调制到数字调制技术的发展。 第一代采用频分多址f f d m a ) 模拟调制方式，这种系统的主要缺点 是频谱利用率低，信令干扰话音业务。第二代蜂窝系统采用时分多址 ( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 的数字调制方式，提高了系统容量，并采 用独立信道传送信令，使系统性能大为改善。t d m a 方式的主要缺点 是：( 1 ) 系统容量仍不理想；( 2 1 和f d m a 方式一样，t d m a 方式的越区 切换性能仍不完善。为了克服f d m a 和t d m a 两种多址方式的缺点， 北美推出了i s 9 5 c d m a 数字移动通信系统。第三代数字蜂窝移动通信 系统的两大主要候选方案是北美的c d m a 2 0 0 0 系统及欧洲和日本的 w c d m a 系统，w c d m a 的协议是由3 g p p 标准化组织制定的，而 c d m a 2 0 0 0 的协议是由3 g p p 2 标准化组织制定的。由g s m 向3 g 过渡 是走w c d m a 技术路线，而由i s 一9 5 c d m a 向3 g 过渡是走c d m a 2 0 0 0 技术路线。虽然这些方案不相同，但是全世界在第三代移动通信系统 中采用宽带码分多址( c d m a ) 技术已经达成共识 1 】【”。 根据仙农信道容量定理的一个重要结论：如果增加频带宽度，就 可以在较低的信噪比情况下用相同的信息率以任意小的差错概率来传 输信息。则信道中的信号的频谱特性愈接近自噪声的频谱特性，信道可 传信息量愈大并且能够保证一定的误码性能，扩频通信正是利用了这 点，即用扩展频谱的方法换取信噪比的好处。就目前的技术面言， 只有d s c d m a 通信系统在信道中的信号的频谱特性较接近白噪声的 频谱特性，因而，从理论上蜕，d s c d m a 通信方式是频谱效率较高的 一种通信方式。 d s c d m a 通信系统由于具有容量大、软容量、软切换、频率利用 率高、抗多径衰落能力强等优点，使得已开通的c d m a 移动通信系统 ( 基于高通公司的i s 一9 5c d m a 标准) 得到广泛应用。但应该看到， 电子科技大学硕士学位论文 目前的系统也存在一些困难和不足，由于多个用户的随机接入，要使 扩频波形在所有可能的相对时延上正交是不可能的，非零互相关系数 会引起各个用户之间的相互干扰一常称之为多址干扰( m a i ) 。在异步 传输信道以及多径传播环境中，由于码间不同步以及传播路径的增加， 使得多址干扰将更加严重。d s c d m a 的系统容量虽然大于t d m a ，但 由于受到多址干扰的影响，致使系统的误码性能差，因此任何使得多 址干扰减少的措施都将直接转化为系统容量的进一步增加。由于移动 用户所在的位置始终处于动态的变化中，基站接收到的各个用户信号 功率可能相差很大，用户离基站越远自然基站接收到的功率越低，即 使各个用户到基站的距离相等，深衰落的存在也会使到达基站的信号 各不相同，强信号对弱信号有着明显的抑制作用，这就会使弱信号的 接收性能很差甚至根本无法通信，这种现象被称为远近效应。 d s c d m a 系统中的这两个主要问题：多址干扰( m a i ) 和远近效应问 题，影响着这一技术的推广运用。因此，有必要研究和利用接收信号 的统计特性，通过对接收信号的处理来提高期望用户信号的接收信噪 比，以达到改善系统性能的效果。 在蜂窝移动宽带码分多址通信中，d s c d m a 系统的反向链路是 弱链路，用户接收基站信号所受到的干扰比较小，而基站接收用户的 信号所受到的干扰则比较大。在同个小区内，基站的接收信号受到 的干扰可以大致分为三种类型i 加性白噪声干扰、多径干扰、与多用 户间的多址干扰。当同时通信用户数较多时，多址干扰成为最主要的 干扰。鉴于码分多址系统是一种干扰受限系统，多址干扰不仅严重影 响系统的抗干扰性，而且也严重限制了系统容量的提高。因此抵抗与 限制多址干扰成为码分多址蜂窝移动通信系统的一项主要任务。 目前商用的d s c d m a 通信系统主要采用功率控制技术来处理多 址干扰和远近效应问题。该技术虽能缓解多址干扰，但无法从根本上 解决多址干扰。多用户检测作为d s c d m a 移动通信系统信号处理的 一项关键技术，在消除多址干扰、增加系统容量和解决“远近效应” 等问题上具有非常重要的作月! j 。 在蜂窝移动通信中，多月| 户检测一般用在从移动台到基站的上行 链路中。因为基站的数目很少，位置固定且体积、重量相对受限较小， 所以在基站实现多用户检测的代价是合理的。在第三代移动通信系统 i m t 一2 0 0 0 的候选方案中，各国一致希望在i m t 一2 0 0 0 的候补建议中采用 多用户检测技术。目前，日本主要在研究多级干扰抵消检测，美国主 电子科技大学硕士学位论文 要研究自适应线性多用户检测，而且这两类多用户检测技术已经有了 d s p 的实现，欧洲标准协会在卫星通信系统i m t 一2 0 0 0 的候补建议中， 提出前向链路采用m m s e 检测方法。可以预见，随着数字信号处理技 术和微电子技术的发展，性能更好和降低复杂度的多用户检测方法必 将在未来更先进移动通信系统中得到广泛应用。 十几年来，越来越多的学者致力于该领域的研究，提出了线性检 测方法、干扰消除检测方法、神经网络检测方法、自适应检测方法以 及盲自适应多用户检测方法等大量有效的算法。盲自适应多用户检测 算法在只知道期望用户的特征信息的条件下实现对多址干扰的有效抑 制【3 】。盲自适应多用户检测器由于不需要发送期望用户的训练序列， 且不需要干扰用户的先验知识，且盲自适应多用户检测器的复杂度与 单用户接收机相同1 4 ，已成为目前多用户检测技术的研究热点。 1 2 研究历史和现状 多用户检测的想法最早在1 9 7 9 年由s c h n e i d e r 提出，1 9 8 3 年 r k o h n o 发表了对多用户干扰消除器( i c ) 的研究，利用其他用户的 已知信息消除m a i ，实现无m a i 的多用户检测，并指出了一些研究方 向，这是多用户检测最早的文献。1 9 8 4 年v e r d u 提出和分析了最优多 用户检测器和最大序列检测器，1 9 8 6 年他又将最优多用户检测的理论 向前推动了一大步，认为多址干扰是具有一定结构的有效信息，理论 上证明采用最大似然序列检测可以逼近单用户接收性能，并有效地克 服了远近效应，大大地提高了系统容量，从而开始了对多用户检测的 广泛研究f 5 】1 6 】【7 1 。 最大似然序列检测的结构是匹配滤波器组加上v i t e r b i 算法，即最 佳多用户检测( o m u d ) 6 】，几乎可达到单用户检测的效果，但其复 杂度为o ( 2 k ) ，k 为用户数，计算复杂度随着用户数量增加呈指数增长， 这在工程上基本无法实现，为了使多用户检测器能够实用化，人们将 研究重点集中在了其性能接近于最佳多用户检测器而计算复杂度较低 的次最佳多用户检测器。 研究首先集中在a w g n 信道下的次优多用户检测器，之后是研究 多径衰落信道下的多用户检测器。 在线性多用户检测器中，匹配滤波器的输出经过一个线性变换矩 电子科技大学硕士学位论文 阵再判决。具有代表性的是1 9 8 9 年r 。l u p a s 提出的解相关多用户检测 器( d d ) 悼j 和1 9 9 4 年u m a d h o w 提出的最小均方误差( m m s e ) 检测 器j 。由l u p a s 和v e r d u 提出的解相关检测器是一种线性接收机，其抗 远近能力与最佳多用户检测器的抗远近能力相等。在低噪声条件下， 解相关检测器与m m s e 接收机性能相同【8 ” 。m m s e 检测器采用横向 f i r 结构，提出训练序列时，可以自适应实现。m m s e 检测器实际上 是对解相关检测器的一种修正，其修正量与噪声方差成正比，从而克 服了噪声增强问题；但也正是由于该修正量的存在，m m s e 检测不能 完全消除m a i ，仍可能遭受远近效应。从总体上衡量，它们的计算复 杂度相同，但m m s e 检测器的性能要优于解相关检测器】。当噪声趋 于零时，这两种检测器性能趋于一致。m m s e 检测器需要估计用户的 功率，这是它的一个缺点。类似于解相关检测器，m m s e 检钡0 器也存 在矩阵求逆的问题。 在实际的c d m a 通信系统中，收端不可能知道所有发端用户信息， 而且多用户检测的参数如：振幅、相位和用户间的互相关系数经常改 变，因此开始研究自适应多用户检测算法。 自适应多用户检测的提出是基于对自适应均衡技术【l2 】的理解，许 多自适应滤波算法 i3 】既可以用于自适应均衡也可以用于多用户检测。 自适应m m s e 多用户接收机【9 ，1 4 17 1 通过最小化用户真实传递数据与检 测数据之间均方差( m s e ) 的标准，直接将接收信号采样并处理，不 需要知道用户扩频序列，自适应地调整滤波器系数，使其收敛至权值。 决定自适应m m s e 接收机滤波器抽头数的是扩频增益而不是用户数 量。通过最小化m s e ，可以同时抑制m a i 、i s i ( 码间干扰) 、a w g n 的 影响，在抽头数量足够的情况下，自适应m m s e 接收机还能够象r a k e 接收机一样抑制多径干扰【1 8 ，1 q 】。自适应m m s e 接收机需要知道一组训 练序列，在数据正式开始传递之前，用于训练滤波器系数。象自适应 均衡一样，多用户检测的m m s e 滤波器也有许多自适应算法实现 【12 ，13 2 0 1 。 自适应m m s e 接收机在训练完成以后才开始传递真实数据。当信 道特性动态变化或者有新的用户加入或离开时，需要采用判决指导 ( d e c i s i o n d i r e c t e d ) 的方式自适应地对滤波器参数进行调整，以跟踪信 道变化，但是若信道变化太剧烈，判决指导方式将是不可靠的，这时 就要将数据发送暂时停下来，再次采用新的训练数据进行训练。如此 反复训练必然会造成频谱资源的很大浪费。m m s e 接收机既可以通过 电子科技大学硕士学位论文 使用训练序列来调整滤波器系数，也可以采取盲的方式加以调整 2 ”。 盲自适应技术不需要采用训练序列，且提高了系统的动态跟踪能力【4 1 。 盲自适应多用户检测技术近年来也成为一个研究热点。 h o n i g 等人于1 9 9 5 年首先提出盲自适应多用户检测t 3 】，是在约束 最小输出能量( c m o e ) 的基础上提出的一种基于最小均方( l m s ) 误 差的盲多用户检测算法一l m s - c m o e 。l9 9 7 年，p o o r 等人又在c m o e 准则的基础上提出一种基于递归最小二乘( r l s ) 的盲多用户检测算 法一r l s c m o e 。在r l s c m o e 基础上进行q r 分解得到的 q r r l s c m o e ，可使r l s c m o e 进一步实用化忙“。已经证明c m o e 线性检测器能够收敛至m m s e 线性检测器【3 那】。w a n g 于1 9 9 8 年提出 了基于子空间跟踪的盲线性多用户检测算法一p a s t d ，即从空间角 度来研究线性盲多用户检测，该算法核心采用了b i ny a n g 于1 9 9 5 年提 出的p a s t d 子空间跟踪算法【2 “。对于子空间跟踪多用户检测技术，如 果合理选取子空间跟踪算法和适当的秩估计法，就可以相应提高多用 户检测技术的性能。另一方面，如果对不需要秩估计的子空间跟踪方 法加以改进，以应用于多用户检测中，则可以大大简化跟踪的难度， 提高盲多用户检测算法的适应性，这两方面思路都将是对研究多用户 检测的新的探索1 2 5 】。这些盲多用户检测算法基本上都是在a w g n 信道 下的同步d s c d m a 系统模型中进行讨论的，在该系统模型下，这些 盲算法拥有比较好的性能。而实际应用中的d s c d m a 系统多为在多 径衰落信道下的异步d s c d m a 系统，将这些盲算法应用到实际的 d s c d m a 系统模型中，则性能下降。 此外，国内学者在盲多用户检测问题上也做了大量的研究并提出 一些抑制多址干扰的有效算法，如基于k a l m a n 滤波的盲多用户检测算 法2 ”，基于高阶累积量的盲自适应检测算法 2 6 , 2 7 】，判决反馈变步长盲 自适应检测算法 2 8 , 2 9 1 ，基于最小平均峰度( l m k ) 准则的盲自适应检测 算法f 3 0 】，基于一阶扰动自适应特征值分解的盲检测算法1 及基于正交 滤波器组的盲自适应检测算法【3 2 等。这些盲多用户检测算法多是停留 在理论的探讨阶段，寻找复杂度与性能之间的合理折中且能满足实际 高速信号处理需要的实用化多用户检测器仍是目前多用户检测研究的 主要方向。 关于目前已提出许多有效的多用户检测算法的分类，从来没有一 个确定的标准，在不同的文献中有不同的分类方法。为了叙述方便， 我们根据接收机假定的先验知识可将盲多用户检测器划分为三大类： 电子科技大学硕士学位论文 接收机需知期望用户的定时汞】扩频波形；接收机只需期望用户的扩频 波形；接收机不需要期望用户的任何信息，但要求期望信号是以特定 的符号率进行数字调制。第一类盲多用户检测器一般是基于受限平均 输出能量( c m o e ) 准则的线性m m s e 自适应接收机。通过扩展c m o e 或采用子空问方法可进行定时估计来实现第二类盲多用户检测器。第 三类与用于单用户系统的盲均衡、用于多用户系统的盲信号源分离同 属一类，这类盲多用户检测器一般用于窄带系统和阵列处理。一般多 是集中在第一类、第二类盲多用户检测器的讨论。 1 3 论文的主要研究工作 本论文将结合w c d m a 第三代移动通信协议规范( 3 g p p ) ，在国 内外现有工作基础上，重点研究盲自适应多用户检测算法，进行计算 机仿真实验，分析比较其性能，并对某些算法进行改进，以满足3 g p p 的性能要求。本论文的主要研究工作是： 对存在多址干扰( m a i ) 、远近效应和多径衰落问题的接收信 号进行建模。 讨论并确定解决多址干扰、远近效应和多径衰落问题的有效方 案。 针对实际应用中的d s c d m a 系统多为多径衰落信道下的异 步d s c d m a 系统这一情况，通过对用于a w g n 信道下的同 步d s c d m a 系统中的几种多用户检测算法的研究和改进， 使得这类算法在多径衰落信道下的异步d s c d m a 系统中仍 具有很好的性能。 通过对算法的性能的仿真、分析和比较，得出一种比较有效 的盲多用户检测算法，并初步给出其实现方案。 1 4 论文的内容安排 本论文的内容安排如下： 第一章为绪论，简要介绍了d s c d m a 移动通信系统的发展缘由、 存在的问题及目前的状况；接着简要讨论了多用户检测技术的发展过 程及盲多用户检测技术提出的原因，并通过分类对现有盲多用户检测 电子科技大学硕士学位论文 技术进行了概述；最后介绍r 本文的主要研究工作。 第二章为信号建模和对多用户检测的介绍，首先分别介绍了 d s c d m a 多用户系统接收信号的同步和异步数学模型；接着具体介绍 了多用户检测技术的基本原理、发展与分类：最后对传统的匹配滤波 接收机( c d ) 、最佳多用户检测器( o m u d ) 、解相关多用户检测器( d d ) 作了介绍。 第三章为同步d s c d m a 系统中的盲多用户检测的介绍，首先介绍 了盲多用户检测算法的概念；接着讨论了基于子空间的盲多用户检测 算法一一p a s t d 及基于c m o e 准则的盲多用户检测算法一一l m s 算 法、r l s 算法、q r r l s 算法，并与几种基本多用户检测器作了仿真对 比分析，得出一种比较有效的盲多用户检测算法，并初步给出其实现 方案。 第四章为异步d s c d m a 系统中的盲多用户检测的介绍，对算法作 了分析及仿真。由于第四章的内容是建立在前两章的基础上，因此， 没有进行理论上的详细论述，侧重于介绍一种解决多径衰落的方案。 第五章为总结全文，本章归纳了作者一年以来在多用户检测研究 方向上所作的工作，并对可进一步开展研究的方向讲述了个人的看法。 电子科技大学硕士学位论文 第二章d s c d m a 通信系统模型及多用户检测 码分多址( c d m a ) 的基本通信方式是直接序列扩频通信方式： d s c d m a ，即一个用户使用一个扩频码( 即一个码道) 。如何在存在 多址干扰和远近效应问题的d s c d m a 系统中最可靠地检测出各用户 发送的信码是d s c d m a 移动通信系统中目前存在的主要问题，多用 户检测技术是一种有效的解决办法，因为多用户检测算法正是利用扩 频信号之间的互相关性来减少或消除多址干扰，从而达到增加系统容 量、提高接收机的性能、缓解远近效应的目的。这对于d s c d m a 通 信系统来说是一个关键而且极有意义的研究工作。 2 1d s c d m a 通信系统模型 码分多址( c d m a ) 是建立在正交编码、相关接收的理论基础之 上，利用扩频码通信技术解决无线通信的选址问题。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，而是用各自不同的 编码序列来区分。如果从频域或时域来观察，多个c d m a 信号是互相 重叠的。接收机用相关器可以在多个c d m a 信号中选出其中使用预定 码型的信号。其它使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型 不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声或干扰， 通常称之为多址干扰( m a i ) 。d s c d m a 移动通信系统的基本原理框 图、系统基本模型及发射信号由于受到多址干扰的影响而造成期望用 户信号的幅度失真见图2 1 、图2 2 及图2 3 。 图2 1d s c d m a 移动通信系统的基本原理框图 本文省略了实际d s c d m a 移动通信系统的编码、解码设备，侧 重于接收端的信号处理过程。在接收端，基站会接收到来自不同用户 电子科技大学硕士学位论文 的数据，必须知道该小区内每个用户所使用的扩频伪随机码，并且为 每个用户都建立一套单独的解扩设备。基站从天线上接收到的数据同 时送入每一个用户所对应的解扩设备进行处理，再利用某种判决准则 选择其中的一路作为有效信号输出，其余信号以多址干扰的形式存在。 解扩后可以采用多用户检测作为解决多址干扰的方案，以较高的接收 信噪比解调出期望用户的信号。 扩频码n 圈2 2d s c d m a 的多用户系统基本模型 多用尸蒹掘1 叶用户) 曲扩囊幢耳雌 蛐置信比特实t ， 估计值 估计值 估计值 图2 - 3多址干扰的影响 2 1 1同步d s c d m a 信道模型 考虑一个用户数为k 的同步二进制d s c d m a 基带通信系统，经 过a w g n 信道后的第k ( 1 k ) 个用户的接收信号模型为 电子科技大学硕士学位论文 岸 r ( f ) = 4 钆( r ) ( f ) + ( f ) t o ，瓦 ( 2 - 1 ) k = l 其中4 、b a t ) 和s i ( f ) 分别代表第k 个用户接收信号的幅度、信息比 特和具有单位能量的扩频波形。一般来说，在对系统进行设计或仿真 分析时，需要将各个用户的扩频信号进行归一化处理，即 恢( f ) 旷= ( 6s k ( ) s f ( t ) d t = 1 。这里假定扩频波形在区间 o ，l 夕i - 为0 ，因而 不存在码间干扰。不特殊说明的情况下，码片调制波形为方波。扩频 码采用短码，即在一个数据符号内，刚好有一个满周期的伪随机码序 列，码周期长度等于扩频增益n = 瓦c ，瓦和e 分别为符号间隔( 即 数据速率的倒数) 和码片间隔( 即1 矿，其中形代表扩频信号的带宽) 。 各个用户的信息字符b k ( f ) 1 ，+ 1 ) 的独立同分布的随机信号。”( f ) 是均 值为零、方差为a 2 的加性高斯白噪声，它模拟了与发送信号无关的热 噪声及其它噪声源( 如散弹噪声和宇宙噪声等) 。 线性检测器采用分布式结构如图2 - 4 所示，前端是一个码片匹配 滤波器加一个按码片速率采样的采样器，离散信号r ( n ) 被送入有级 延迟线的f i r 滤波器，滤波器的输出按比特速率采样、判决。 r ( ，) 图2 - 4 线性检测器分布式结构 在接收端，采用码片匹配滤波器和码片速率采样，得到一个符号 期间的维向量信号 r = s a b + 弹( 2 2 ) 其中，= 【r ( n 一1 ) ，r ( o ) r ( ，r ”) 是检测器中的离散接收信号矢量， s = 【置，s k ，a = d i a g ( a 1 ，a r ) ，b = 【6 1 ，b x 7 ，n = 【摊( 一1 ) ，肛( o ) 】7 ， 如 电子科技大学硕士学位论文 s 。为用户后的扩频序列，假设在自适应中保持不变。 2 1 2 异步d s c d m a 信道模型 在理论上，d s c d m a 系统建模选择的对象常为同步a w g n 信道 模型，因为这是最基本也是壤简单的信道模型。在上面的同步模型中， 信息比特数据的定时在接收端是同步的，这就要求所有发射机使用一 共同时钟。在蜂窝系统里，如果用户之间不要求同步，则反向链路( 移 动用户到基站) 的设计可以大大简化，且实际应用中的d s c d m a 系统 多为在多径衰落信道下的异步d s c d m a 系统。 在异步情况下，每个用户有不同的时间延迟，为分析简单起见且 不失一般性，我们可以假定k 个用户的时延情况为 0 s r 1 r 2 - k 瓦 图2 5 是具有不同时间延迟的d s c d m a 系统的异步传递示意图， 由图可见，所有用户的扩频信号迭加后，不同用户前后码元之间将会 产生相互干扰。 l 用户1 b j 【- 1 】 b l o 6 1 】 ；+ + 一 + + 一 ：，! 用户2 b 。 一1 6 2 o b 2 1 】 ； i 里宝! 卜一叫斗虹生斗j 趔l 斗_ 一 、- 1 圈2 - 5 异步信号传递不意图 不失一般性，假定每个用户发射的数据包的长度等于2 m + 1 ，将 f 2 - 1 ) 式推广到非同步情况，得到异步d s c d m a 系统的基本数学模型 如下 km r ( f ) = a k b k i s k ( t - i t b o ) + ”( f ) ( 2 - 3 ) k = l i = - m 另外在实际环境中，一。个通过无线信道传播的信号往往会沿一些 不同的路径到达接收端，这一现象称为多径传输。用户女的信道等效 低通冲激响应为 电子科技大学硕士学位论文 l h k ( f ) = h “即一( t - 1 ) t o ) 1 = 1 ( 2 。4 ) 上式表明，当符号间隔远大于多径信道的最大时延时，第k 个用 户的频率选择性信道可以等效成抽头延迟线模型，各抽头间的时间间 隔为t ，抽头系数为h 。，此时多径信号可以以的分辨率被分离出来。 如果信道的最大时延为l ，实际的信道模型抽头数可以截取为 l = 【乙t 】个，【 表示向下取整，对于瑞利衰落信道，抽头系数吼，可以 表示成零均值的复高斯随机过程，h 。，的幅度满足瑞利分布，相位满足 均匀分布。假设信道缓慢变化，信道参数在若干符号周期内保持不变， 我们可以精确估计信道的冲激响应。因此，经过多径瑞利衰落信道后 的异步d s c d m a 系统的第k 个用户的接收信号的基本数学模型1 2 i l 如 下 rml r ( f ) = 4 良【f 魂，f 雌。一i 瓦一( 1 - 1 ) i ) + ( f ) t 【o ，瓦】( 2 - 5 ) k = li = - ml f l 其中为每个用户可分离的多径数，魄，是第k 个用户在第f 条路 径上的信道衰落增益，由于符号间隔远大于多径信道的最大时延，由 信道弥散引起的码间干扰可以忽略不计【33 1 。则式( 2 - 5 ) 可以简化为 其t 扣s = s k ( t i ( ，一1 ) ) 。 基带信号经过码片匹配滤波并以码片速率采样的信号为 r = s a b + r l ( 2 6 ) 其中蓉= i ，瓦 是合成扩频码矩阵。定义瓦= s k h , ，其中 = 【p ，吼。，】，致= 【壤j ，。r ，且0 酢1 | = 1 3 3 埘3 5 1 ( 如果l h k l l l ，可以 将峨0 合并到幅度以中去) ， 信道互相关系数 砰斗 ：。，= ； ：。，。( 1 ) 。信道矩阵日= d i a g ( 1 ，坟) 1 。 2 2d s c d m a 通信系统的多用户检测技术 鉴于码分多址是一种干扰受限系统，所以多址干扰不仅严重影响 系统的抗干扰性，而且也严重限制了系统容量的提高。因此抵抗与限 制多址干扰成为码分多址蜂窝移动通信系统的一项主要任务。 o呱 + 惋 。h 钆4 。m | i dh 电子科技大学硕士学位论文 2 2 1 c d m a 通信系统中多用户检测技术的基本原理 1 码分多址蜂窝通信系统中的主要干扰类型 ( 1 ) 加性白噪声：它是所有通信系统中都存在的一类可加性噪声、 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，故称为加性白噪声。 ( 2 ) 多径干扰：它主要是由于电波传播中的多径反射引起的，在 数据传输中，一般称为符号间干扰或码间干扰。 ( 3 ) 多址干扰：在蜂窝移动通信中，由于在同一个小区间，同时 通信的用户不是一个而是多个，在码分多址中多个用户均占用同一时 隙、同一频隙，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，因而造成多 个用户同时通信时，必然要产生多址干扰。 以上三种干扰，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。而多用户检测技术则可以很好的解决多址干扰的问题。 2 克服多址干扰的主要措施 在d s c d m a 通信系统中，如何克服多址干扰，成为增加系统容 量，扩大系统覆盖范围，改善系统性能的关键。克服多址干扰有以下 主要措施1 3 6 ： ( 1 ) 码形设计是克服多址干扰较理想的措施。比如：采用完全同 步的码分多址方式：设计一组完全正交的互相关为零的扩频地址码， 如w a l s h 函数码。用户在完全同步并采用理想正交扩频码的条件下， 各用户之间是不会产生多址干扰的。但在实际情况下，多用户干扰总 是存在的。在多径衰落信道中，理想的完全同步是难以实现的，因此 扩频码也难以保持完全的打：交性。同时具有理想自相关和理想互相关 特性的二进制( 归零) 扩频码是不存在的，这就是著名的w a l s h 界。 多址干扰是由于扩频码的互相关函数不为零引起的，显然互相关性越 小，多址干扰的影响就越小。工程实用化的码形设计中，如果是同步 码分体制，可采用理想互相关特性的码形，比如w a l s h 码，同时尽可 能提高时变多径信道下的同步精度，以减少由于微小不同步而引入互 相关性能下降和多址干扰影响的上升；在异步码分体制中，要选用互 相关函数小的扩频序列与码组。 电子科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 功率控制技术 由于蜂窝移动通信中，用户是在随机移动的，因此基站接收到来 自距离基站近的用户信号的功率比接收到来自距离基站远的用户信号 的功率大：同时由于器件的非线性特性将会导致强者越强、弱者越弱 的以强压弱现象。远近效应将会使多址干扰的影响更加复杂和严重， 为了克服这一现象，工程上采用功率控制技术，实现对不同远近用户 到达基站接收点的功率或信噪比平衡一致。显然功率控制只能尽可能 减少多址干扰的影响，而并不能从根本上消除多址干扰的影响。 ( 3 ) 空间滤波技术 基本思路是将小区内的多址干扰按区间区域将大区划为小区，将 多用户的干扰从整个小区划分为局限于若干个小区的局部小区，以达 到在每个子小区内减少多用户干扰影响的目的，在具体实现上可采用 多扇区化和智能天线技术。多扇区化，即将一个小区划分为空间相互 独立的若干个扇区，比如三扇区、六扇区等，用扇区设计来达到隔离 扇区间的多用户干扰。智能天线技术，即采用更多更窄的动态波束来 隔离空间多用户干扰，若能达到一个动态波束跟踪一个用户，则基本 上从空间上隔离和消除了多址干扰。 ( 4 ) 多用户检测技术 多用户检测技术是引用信息论并通过严格的理论分析后提出的一 种新型抗多址干扰技术。通过多用户检测既可阻抗多址干扰，又可以 抵抗远近效应和多径干扰。 3 多用户检测提出的基本思路 ( 1 )基于信息论中的最佳信号检测理论，寻求蜂窝式码分多址 的多用户的最优联合检测理论。 ( 2 )充分利用扩频码的已知结构信息，在传统的码分多址 c d m a 中，都将多径干扰与多址干扰看作等效白噪声的无用信息来处 理，这是一种消极的处理方法，然而实际上不论多径干扰还是多址干 扰，本质上并不是纯粹无用的白噪声，而是有着强烈结构性的伪随机 序列信号，而且用户间与各条路径间的相关函数都是已知的，因而从 理论上看，完全有可能利用这些伪随机序列的己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，以达到提高系统性能的目的。 ( 3 )多径干扰与多址干扰其实质是一样的，都来源于伪随机序 列，若能充分利用扩频码的已知结构信息与统计信息，两者是可以同 l4 电子科技大学硕士学位论文 时消除的，同时消除和削弱了多址和多径干扰，也必然消除和削弱了 远近效应。因此一箭三雕的疗案是可行的。 ( 4 )最优的联合检测方案是可能的。基于上述充分利用扩频码 的已知结构和统计信息在信息论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，进行多用户联合检测，并充分利用己知 伪码结构与统计信息，设法消除其他所有用户的多用户干扰的方案， 理论上是完全可行的。 4 多用户检测的提出 ( 1 )1 9 8 6 年，美国学昔v e r d u 通过深入的理论分析后，首先提 出利用已知扩频码的结构信息与统计信息来克服多个用户之间干扰的 多用户检测理论与方案。 ( 2 )v e r d u 提出的多用户检测器是在加性高斯白噪声信道 ( a w g n ) 下的最优多用户检测器。接收机最佳结构为匹配滤波器加 上维特比( v i t e r b i ) 检测算法，即最大似然序列检测m l s d 算法。仿 真结果表明，该算法能实现与单个用户接收时几乎完全一样的性能。 ( 3 )实现m l s d 算法，即上述匹配滤波器加维特比算法的运算量 随着用户数目k 成指数增长，即复杂度为0 ( 2 ) ，且实现m l s d 算法 需要知道所有用户的扩频码、信号幅度、相位和多径时延。鉴于以上 原因，最优的m l s d 算法的多用户检测器在实际中是难以实现的。所 以它仅具有理论意义和实际实现时参照的理论标准。 ( 4 )多用户检测接收机：充分利用有用伪码多址的已知结构信息 与统计信息联合检测的多用户接收机。 5 多用户检测器的主要优点 是消除或减弱多址干扰的有效手段； 是消除或减弱多径干扰的有效手段； 是消除或减弱远近效应的有效手段； 简化功率控制，降低功率控制精度； 弥补正交扩频码互相关性不理想所带来的消极影响； 改善系统性能、提高系统容量、增大小区覆盖范围。 6 多用户检测器的主要缺点 大大增加系统设备的复杂度； 电子科技大学硕士学位论文 增加系统时延，特别是当采用自适应算法并对于扩频码较长的 系统更是如此； 多用户检测一般需要知道用户扩频码的主要特征参量，这对于 实际的多径时变信道则不是一件容易的事，它需要通过不停的 信道估计来实现，而且估值的精度将直接影响多用户检测器的 性能。 多用户检测器的发展与分类 自从1 9 8 6 年v e r d u 提出多用户检测理论以来，多用户检测的研究 迅速成为c d m a 蜂窝移动通信特别是第三代移动通信关键技术的一个 研究热点。近几年来多用户检测方面讨论最多的是次最佳多用户检测 技术。关于次最佳多用户检测方法的分类，可以从各种角度，五花八 门明目繁多，我们仅从线性与非线性两方面加以讨论，图2 6 所示的分 类仅供参考u 。 多用户检测 强优检测器l一次优检测器 线性多用户检测器 非自适应型il 自适应型 解相关ll 最小均方ir _ l 多用户li 误差多用l 非 检测器 ll 户检测器ll 盲 一l m m s e li 型 单用户 m m s e 榆测器 多用户 m m s e 检测器 官 型 非线性多用户检测器 蚕裟i 掣刨邕 网络的多i | 消型i i 检测i i 检测 用户检测i _ 一一 串接 干扰 抵消 s i c 最小输li g r i f f i t h s il 子空间型 出能量ll 盲自适应li 盲自适应 m o e 1 i 捡测器ll 检测器 检测器llll 并接 干扰 抵消 p i c 混合 型干 扰抵 消 图2 - 6 多