（电路与系统专业论文）dscdma系统中多用户检测方法的研究.pdf

摘要 多用户检测技术是第三代移动通信系统关键技术之一。其主要思想是充分利用 所有用户的信息对接收信号做联合检测，抑制多址干扰，缓解“远一近”效应，从而 有效地提高系统容量。本文对多用户检测技术进行了初步的研究，并提出了几种新的 性能优良的多用户检测器，主要内容如下。 提出了一种用于c d m a 系统上行链路的自适应检测器，具有了实时性，无需训练 序列，且无需进行大型互相关矩阵的求逆运算，其检测效果与解相关检测器等价。该 检测器还可用来进行幅度估计。 构造了一种抗“远一近”效应的半盲自适应检测器，其检测性能比非盲的检测器 和纯盲的检测器都有所提高。并且提出了一种分组决策反馈半盲检测器，可以降低检 测时延。 另外，还提出了一种差分编码决策指导( d c d d ) 盲去相位模糊的方法，并构造了一 种新的多径衰落信道下的盲自适应检测器。该检测器无需训练序列，与同类型的基于 k a l m a n 滤波的去相关自适应r a k e 接收机相比，运算量小，检测精度高。 本文的工作得到了国家自然科学基金( n o 6 0 0 7 3 0 5 3 ，6 0 1 3 3 0 1 0 ) 的资助。 关键词：多用户检测自适应检测幅度估计半盲检测器盲去相位模糊 a b s t r a c t m u t i l u s e rd e t e c t i o ni so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e si nt h e3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s t h em a i ni d e ab e h i n di t i st om a k e j o i n td e t e c t i o no nt h er e c e i v e ds i g n a l sb y m a k i n gf u l lu s eo f t h ei n f o r m a t i o no fa l lt h eu s e r s s i g n a l s ，w h i c he l i m i n a t e st h em u l t i p l e a c c e s si n t e r f e r e n c e ( m a i ) a n dr e l a x e st h e n e a r - f a r e f f e c t ，a n dc o n s e q u e n t l yi n c r e a s e st h e c a p a c i t yo f t h es y s t e m t h em u l t i u s e rd e t e c t i o ni ss t u d i e di nt h i sp a p e r , a n ds e v e r a ln o v e l m u l t i u s e rd e t e c t o r sw i t he x c e l l e n tp e r f o r m a n c ea r eg i v e na sf o l l o w s an e wa d a p t i v ed e t e c t o rf o ru p l i n ki nt h ec d m a s y s t e mi sg i v e n ，w i t hn e i t h e rt h e t r a i n i n gs e q u e n c e sn o rt h ec o m p u t a t i o no ft h e i n v e r to f c o m p l e xb i gc o e l a t i o nm a t r i x n e e d e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo f i ti se q u a lt ot h a to f t h e d e c o r r e l a t i n gd e t e c t o r m o r e o v e r ，i t c a l lb eu s e dt oe s t i m a t et h ea m p l i t u d e so f t h es i g n a l s an o v e ln e a r - f a rr e s i s t a n ts e m i - b l i n da d a p t i v em u l f i u s e rd e t e c t o ri sp r e s e n t e da n dt h e d e t e c t i o np e r f o r m a n c eo fi ti si m p r o v e dc o m p a r i n gw i t ht h eb l i n da n dn o n b l i n dd e t e c t o r s m e a n w h i l e ，ag r o u pd e c i s i o nf e e d b a c ks e m i - b l i n da d a p t i v em u l t i u s e rd e t e c t o ri sg i v e n w h i c hr e d u c e st h ed e t e c t i o n d e l a y s m o r e o v e r ，an o v e lm e t h o dt oe l i m i n a t et h ep h a s ei l l e g i b i l i t y 、i 血d i f f e r e n t i a lc o d e d d e c i s i o nd i r e c t i o ni sp r o v i d e d ，a n dan e wb l i n da d a p t i v ed e t e c t o ro v e rf r e q u e n c y - s e l e c t i v e f a d i n g c h a n n e l si s g i v e n t h ed e t e c t o r c a nw o r kw i t h o u tt r a i n i n gs e q u e n c e s ，a n di t s c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yi s r e d u c e da n dt h ep r e c i s i o ni si m p r o v e dc o m p a r i n gw i t ht h e b l i n da d a p t i v ed e c o r r e l a t i n gr a k e r e c e i v e rb a s e do nt h ek a l m a nf i l t e r t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 6 0 0 7 3 0 5 3 ，6 0 1 3 3 0 1 0 ) k e y w o r d ：m u l t i u s e r d e t e c t i o n a d a p t i v e d e t e e f i o n a m p l i t u d e e s t i m a t i o n s e m i - b l i n dd e t e c t o r b 吐n d p h a s ei l l e g i b i l i t ye l i m i n a t i o n 创新性声明 y 5 8 3 7 4 8 本人声明所里交的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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期塾! 士：! ：垒 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文( 与学位论文相关) 工作成果时署名单位仍然为 西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人授权西安电子科技大学图书馆保存学位论文，本学位论文属于( 保密 级别) ，在年解密后适用本授权书，并同意将论文在互联网上发布。 本人签名：盔整兰圭日期垫盘：f ：生 导师签名： 孽删日期。竺篮正鞋 一 苎! 兰竺笙 ! 第1 章绪论 1 。1 个人通信与第三代移动通信 移动通信是指通信双方或至少其中一方在运动状态中进行信息传递的通信方 式【l 。近十多年来，在数字和射频电路制造技术方面的进步以及新的大规模集成 电路和其它小型化技术的推动下，移动通信获得了巨大的发展。数字交换技术又 推动着移动通信网络向着更大规模发展。 随着移动通信的发展，于二十世纪八十年代末期，人f f 】在移动通信的基础上 提出了个人通信的概念。个人通信网是实现个人通信的电信网络，在这个网里， 每个人都有一个个人识别号码( p i n ) ，跨越多个网络建立自己所需业务的通信连 接，把“服务到终端”推向“服务到个人”，在任何位置，网络和终端上均能发起 和接收呼叫，它只受网络和终端能力以及网络经营者的规定限制”1 1 。个人通信是 以人为对象，不论用户到何处，网络就会将用户的电信业务提供到离其最近的终 端上。它打破了在传统网络中用户、终端与网络接口一一对应的关系，从而实现 了无论何时何地使用任何一个固定或移动终端均能和任何人建立全时空的信息交 换。 第三代移动通信系统是指能够满足i m t - 2 0 0 0 系统要求的新一代移动通信系 统。i m t - 2 0 0 0 是为了满足无线个人通信近期目标而设计的，它是包括地面和卫星 移动通信系统在内的综合移动通信系统0 2 - 1 3 1 。对i m t - 2 0 0 0 系统无线接口的基本 要求是： 1 1 全球范围高度的兼容性，无线接口尽可能地少且具有高度的共同性； 2 1 支持高质量的多种业务，与固定网业务兼容； 3 ) 手机具有全球漫游功能，可接入地面网和卫星移动网： 4 ) 全球统一的使用频谱为：1 8 8 5 m 2 0 2 5 m h z2 1 1 0 m h z - - 2 2 0 0 m h z ( 共 2 3 0 m h z ) 。其中1 9 8 0 m h z _ 2 0 1 0 m h z2 1 7 0 m h z _ 2 2 0 0 m h z ( 限于卫 星移动通信系统使用) 。 根据这个基本要求，世界各个国家和地区向i t u 提交了1 0 种地面第三代移 动通信无线传输技术提案。这1 0 种提案可以主要归结为三种技术标准，即 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和豇) 一s c d m a , r m a 强弧。它们就是2 0 0 0 年5 月举行 的i t u - - r 2 0 0 0 年全会上最终批准通过的i m t 2 0 0 0 无线接口技术规范。 d s - c d m a 系统中多用户检测方法的研究 1 2 多址接入技术与c d m a 扩频通信系统 在移动通信系统中，存在着多个用户同时通信，加之用户的随机移动性与用 户数量变化的随机性，如何来区分与识别各个用户? 这就涉及到多址技术。多址 技术是指在移动通信系统中各个用户通过在射频波段上的复用，从而建立各自信 道以实现双边通信的联结。它是移动通信的范畴，关系到系统的容量、小区构成、 频谱和信道利用效率以及系统复杂性【1 3 】f 1 4 】。按照信号的正交划分设计原理，可以 分为几个基本的多址接入技术，即频分多址( f d m a ：f r e q u e n c y d i v i s i o nm u i t i p i e a c c e s s ) 、时分多址( t d m a ：t i m ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 、码分多址( c d m a ： c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 与空分多址( s d m a ：s p a c ed i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 。 图1 1码分多址示意图 从第三代移动通信系统的无线接口技术规范中，我们可以看到，码分多址 ( c d m a ) 是一个主流技术，随着通信的发展，这种优势将越来越体现在第三代 以及以后的移动通信系统中，这是由码分多址通信技术的独特优势决定的。因此， 要在这里对码分多址及其构成的直接序列扩频通信系统略作介绍。 码分多址( c d m a ) 是指每个用户在通信期间占有所有的频率和所有时间， 但不同用户具有不同的地址码，利用地址码的相关性来区分不同用户的信息，避 免相互干扰的通信接入方式。图1 1 给出了码分多址示意图【i “。在这种系统的设 计中，由于是通过各用户的地址码来区分各用户，因丽要求地址码具有好的相关 性且码的数量要足够多以满足多用户同时通信的需要。事实上，在移动通信中， 实现码分多址必须具备以下三个条件i l o j ： 1 ) 要有数量足够多、相关性能足够好的地址码，使系统能够通过不同的地址 第1 章绪论3 码建立足够多的信道。好的相关性是指有强的自相关性和弱的互相关性【1 0 】。它是 实现码分多址通信的关键技术之一，直接影响到系统的容量。而c d m a 地址码的 设计，不仅与码片( c h i p ) 序列有关，而且与码片本身的结构有关。序列主要采 用伪随机序列，这其中有1 1 1 序列( 即最大长度序列) 、l 序列( 即l e g e n d r e 序列) 、 g o l d 码序列”7 j ；而码片则可能采用矩形脉冲码片、升余弦滚降脉冲码片、子波码 片( 当采用子波码片时就构成子波c d m a 通信系统) 【捕】等。 2 ) 必须用地址码对发射信号进行扩频调制，并使发送的已调波频谱极大地展 宽，功率谱密度很低，前者是为了完成多址联接，后者是提高了信号抗干扰能力。 3 ) 在码分多址系统的各接收端，必须具有与发送端完全一致的本地地址码， 用来对接收的全部信号进行相关检测。 要实现码分多址必然采用扩展频谱技术。该技术是利用与欲传输数据( 信息) 无关的码，对被传输的信号进行扩展频谱，使之占有远远超过被传送信息所必需 的带宽【1 0 】1 1 ”。 实现扩频主要有直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 、跳频扩频 ( f h s s ) 和跳时( t h ) 系统三种方法1 1 4 l 【 】，其中直接序列扩频是指一个载波经 过一个数字编码调制，该编码比特率比信息信号比特率高很多，这类系统也称作 伪噪声( p n ) 系统，是民用通信系统特别是第三代移动通信所采取的主要扩频技 术。因而，我们主要介绍直接序列扩频码分多址( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a d d r e s s ( d s c d m a ) ) 通信系统。 对于d s ，c d m a 通信系统，可以从c e s h a n n o n 信道容量公式来理解。c e s h a n n o n 给出的任意通信信道的理论【2 1 1 为： c = b 。l 0 9 2 ( 1 + s ) 其中c 为信道容量( b p s ) ，b 。为信道带宽( h z ) ，s 为信号功率，为噪声功率。 s h a n n o n 公式表明一个信道无误码地传输信息的理论能力同存在于这个信道中的 信噪比以及该信道带宽之间的关系。对于同样的理论容量c ，可以通过增加频带 宽b 。来降低对信噪比的要求，这正是扩频通信的精髓，即用频带换取信噪比。而 在具有复杂信道环境的移动通信中，信噪比s n 是最主要的矛盾，直接整个系统 的质量。对可以通过增加频带宽曰。来降低对信噪比门限值的措旌而言，是一件求 之不得的事，它无疑带来了通信体制的革新，直接序列扩频码分多址通信 ( d s c d m a ) 系统就是这种革新的产物【坫l 。对于d s c d m a 系统它是用地址 码来实现扩频，利用码的相关性来实现对用户的区分。图1 2 给出了一个 d s c d m a 系统原理框图。 三一一里! 墨旦! 竺墨篓查旦皇丝型查鲨塑旦塞 同其他多址方式相比，d s - c d m a 技术具有以下的明显优势： 1 ) 信道容量大a 理论分析表明，相同条件下，采用d s - c d m a 方式的小区容 量是采用数字t d m a 或f d m a 方式容量的4 巧倍，是采用模拟f m f d m a 方式 容量的2 0 倍p 2 1 。 2 ) 通信容量的软特性。在t d m a 系统中，系统中可同时使用的用户数是固定 的，易发生容量硬阻塞；而d s c d m a 系统中，新增用户只会使通信质量略有下 降，不会发生硬阻塞。 图1 2 d sc d m a 系统原理框图 3 ) 更适于在衰落信道中传输。信道中的快衰落主要由多径传输引起，同一信 号经不同路径到达接收端，由于各路信号的相位、时延及强度的随机变化，严重 地影响了传输的可靠性。d s c d m a 系统中，当多径时延大于一个码片( c h i p ) 间隔时，多径信号间的互相关很小，从而对系统性能的影响很小。 4 ) 低信号功率谱密度。d s c d m a 系统中，信号功率被扩展到比自身频带宽 度大很多的频带范围内，因而其功率谱密度大为降低。 5 ) 有较强的抗干扰性能。d s c d m a 中采用了快速功率控制技术，使发射机 的发射功率总是处于最小的水平，从而减少了多址干扰。另外，在下行链路发送 用户专用导频信号而不是公共导频信号，能使下行链路使用自适应天线成为可能， 从而减少小区的多用户干扰，这些技术都保证了d s c d m a 有较强的抗干扰性能。 6 ) 平滑的越区切换和有效的宏分集。d s c d m a 系统中所有小区使用相同的 频率，这不仅简化了频率规划，也使越区切换得以平滑完成。当移动台处于小区 边缘时，同时有两个或两个以上的基站向该移动台发送相同的信号，移动台的分 集接收机能同时接收、合并这些信号，此时处于宏分集状态：当某一基站的信号 强予当前基站信号且稳定后，移动台才切换到该基站的控制上去，这种切换可以 平滑完成，称为软切换。 7 ) 能从g s m 系统进行平滑过渡。为了保证运营商的投资，为未来通信运营 提供良好的技术基础，d s c d m a 能够实现从现存的通信系统到下一代移动通信 系统的平滑过渡。支持现存的覆盖结构，信令协议可以后向兼容，网络不再需要 第1 章绪论 引入新的呼q 模式，从而减少不少重复投资。 d s c d m a 系统的这些优点使d s c d m a 成为新一代通信系统以及未来个人 通信系统中最具竞争力、最有前景的无线多址技术【卦。 d s c d m a 系统中存在的问题： 由于d s c d m a 系统使用的扩频码集一般并非完全正交。非零互相关系数会 引起各用户相互干扰，即多址干扰。在异步传输信道以及多径传播环境中，多址 干扰将更加严重i “。多址干扰的存在带来两个问题： 系统容量受到限制。随着同时接入系统用户数的增加，误码性能随之下降。因 此，减小多址干扰将增加系统容量。 “远近”效应严重影响系统性能。由于移动用户的位置不断变化以及深衰落 的存在，基站接收到的各用户信号功率可能相差很大，强信号对弱信号有明显抑 制，弱信号的接收性能很差甚至无法通信。 因此，增加系统容量，缓解多址干扰的影响成为一个引人注目的课题。抑制 多址干扰的方法主要包括采用多用户检测技术、设计具有互相关系数尽可能小的 扩频码集、功率控制以及采用纠错编码或扇形天线。其中，多用户检测技术的基 本思想是利用各用户的扩频码、时延、振幅或相位信息，对接收信号进行联合检 测，从总体上来提高检测性能。 1 3 多用户检测技术的发展及研究概况 c d m a 系统是干扰受艰系统，它的容量和性能主要受到多址于扰的跟制。 传统的c d m a 系统将多址干扰作为加性噪声处理。它们靠扩频码之间的准正交性 分离各用户信息，这可以采用单用户接收中的匹配滤波器实现。如果扩频码之间 完全正交，则可以实现无多址干扰的最优解调。但是在实际情况中，由于多径衰 落以及异步传输的影响，c d m a 扩频码问的相关特性会受限制，不可避免的带来 用户间的相互干扰。随着用户数的增加，这种干扰将越来越严重，导致系统性能 的急剧恶化。此外，“远近”效应也严重影响系统性能。 多用户检测是抑制多址干扰的一种主要手段。自2 0 世纪8 0 年代初期，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、盲多用户检测算法及半盲的多用户检测算法等。 1 9 8 6 年，s v c r d u 利用对数似然函数的可分解性，证明了d s c d m a 系统中 的最佳多用户检测器可由匹配滤波器组后接v i t e r b i 译码器构成【2 ”，但其运算复杂 度与用户数呈指数增加。为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上 d s c d m a 系统中多用户检测方法的研究 3 4 1 。次最佳多用户检测器可分为线性检测器和非线性检测器两大类，其中己出现 的线性检测器主要包括解相关检测器、最小均方误差检测嚣( m m s e ) 、最优线性 检测器等 2 3 , t a , 2 s , 2 6 1 ；非线性检测器主要包括判决反馈检测器、并行( 或串行) 干 扰抵消算法以及各种神经网络多用户检测器等2 7 2 8 2 9 1 。 上述检测器需要已知各用户的扩频码、时延、用户功率以及信道参数等系统 参量的准确估计，对于异步系统、存在多径或信号功率不断变化的情况下。获取 这些信息有时是缀困难的，并且通信系统本身是一个实时性极强的系统，为此， 出现了大量自适应实现的多用户检测器 3 0 , 3 1 】。这些自适应多用户检测虽然很好地 解决了实时性的要求且性能较好，但这些检测器工作时需要不断发送训练序列， 这就造成了频谱的很大浪费，另一方面，由于信道是时变的，当变化很大时，发 送的训练序列就将毫无用处，甚至使得检测器的性能变得很差。基于以上的问题， h o n i g 等人于1 9 9 5 年首先提出了盲多用户检测，一种不需要训练序列且无需知道 期望用户之外的用户信息的自适应多用户检测方法，给出了一种盲多用户检测的 典范形式【3 7 】：w a n g 等人提出了盲多用户检测的子空间方法【3 3 l ；张贤达等人提出 了基于k a l m a n 滤波的盲多用户检测l ，1 。 1 4 论文简介和内容安排 本论文对多用户检测技术进行了初步的研究，并提出了几种新的性能优良的 多用户检测器。各章的具体内容如下： 第一章简要介绍了第三代移动通信的发展状况，详细介绍了多址接入技术和 c d m a 扩频通信系统，随后又简略介绍了多用户检测技术的发展及研究状况，最 后说明了本论文的主要工作和内容安排。 第二章引入多用户检测，研究和比较了各种已有检测器的原理和性能，并提 出了一种可用于幅度估计的自适应解相关多用户检测器。 第三章利用第二章提出的幅度估计方法和一种盲多用户检测算法构造了一种 半盲的自适应多用户检测器。并针对不同的检测要求，提出了两种关于检测器结 构的方案。 第四章提出了一种盲去相位模糊的方法，并与基于k a l m a n 滤波的盲多用户检 测方法结合，构造了一种频率选择性衰落信道下不需估计有效特征波形的盲去相 位模糊的自适应去相关r a k e 接收机。 第五章对本文的工作进行了总结，列出了已有的成果、尚存在的不足及有待 进一步研究的工作。接下来介绍了目前多用户检测技术的发展动向。 第2 章一种可用于幅度估计的自适应解相关多用户检测器 第2 章一种可用于幅度估计的自适应解相关多用户检测器 2 1 引言 在直接扩频码分多址( d s c d m a ) 通信系统中，由于各用户间扩频信号的 不完全正交，因此存在多址干扰，传统的相关接收机性能在各用户的功率相差较 大时显著下降，即产生所谓的“远一近”效应问题。多用户检测技术是抑制多址干 扰、对抗“远一近”效应的主要方法之一。解相关多用户检测器具有最佳的抗“远 近”效应性能，但当用户数较多时( 实际情况往往如此) ，则需面牺对大型矩阵 求逆的问题且解相关多用户检测器在去除多址干扰的同时，也增强了背景噪声； m m s e 检测器选择合适的滤波器系数使得均方误差为最小，对抑制多址干扰和增 强背景噪声进行了折中；白适应m m s e 检测器是对m m s e 检测器的自适应实现， 滤波器系数能够自适应更新，具有了实时性，但实现时要不断发送训练序列，需 要占用一部分信道资源。本章提出了一种用于c d m a 系统上行链路的自适应检测 器，与线性解相关检测器性能等价。该检测器与非自适应的解相关检测器相比， 无需进行大型矩阵的求逆运算，大大降低了运算复杂度，并且具有了实时性；与 自适应m m s e 检测器相比，无需训练序列。该检测器还可用来进行幅度估计。仿 真结果表明，其估计效果颇佳。 本章的工作按如下安排，第二节引入了d s c d m a 系统的信道模型；第三节 介绍了匹配滤波器：第四节概述了多用户检测的性能参数；第五、六节分别介绍 了传统检测器、最佳检测器及其性能：第七节、第八节分别讲述了解相关检测器、 m m s e 检测器及自适应m m s e 检测器：第九节、第十节分别介绍了新的自适应 解相关多用户检测器及其仿真和性能分析：最后为本章小结。 2 2c d m a 系统的信道模型 考虑一个用户数为k 的二进制d s c d m a 基带通信系统，假设信道引入的噪 声为加性高斯白噪声( a w g n ) ，则接收端接收到的信号可以表示为： ，( ，) ：圭兰4 圾【f k ( r f r 一气) + 册o ) ( 2 - 1 ) i - i ，一一m 其中，t ：用户的码元周期：a 。：第k 个用户信号到达基站时的幅度，一；称为第 k 个用户信号的能量；以【f 】 l ，一1 ) ：第七个用户传输的信息序列：n ( r ) ：零均值 ! 一一一一 一 旦! 兰! 坠坠丕笙室童旦皇笙型查鲨盟堑壅 加性盎i 斯自噪声，其双边功率谱密度为：玎2 = o 2 ；o f o ，7 1 ) ：第k 个用户信 号的时延：( 2 a 舟1 ) 为发送的信息序列长度；以( f ) ：分配给第k 个用户的归一化特 征波形，在【0 ，刀区间外为零，满足 f 0 ，芒 o ，卅； ( f ) = 艺q ( m ) 尸( f - m l ) ，o ，l ( 2 _ 2 ) l m t 0 m 1 2 = 卜( ，= l 其中，是处理增益，尸( ，) 是区间为= t n 的扩频脉冲，码序列 q ( 州) - 1 ，1 。 当系统同步时，只需要考虑一个比特周期内的信号检测，因此不妨略去i ， 并假设1 = 一靠一一k = 0 ，得到同步的情况为： r o ) = 4 玩以( f ) + 册( f ) f f 0 ，t 】 ( 2 3 ) 在接收端按码片速率采样，可得到n x l 的输出样本矩阵( 其中三为接收到的 符号数) ： r = s a b + 缅 ( 2 - 4 ) 其中，s = 墨。s ：s 。】，a = 勰( 4 ，4 ，4 ) ，b = 【b i 一，b 。r ，n 是高斯噪声的 采样矩阵，具有零均值和相关矩阵i ，i 为单位阵。 实际上，我们也可以将( 2 1 ) 式中的每个数据阪【吐k = 1 ，k ，i = 一m ，m ) 看 成是在码元区间【一m t ，m t + 2 t 】内，来自于同步信道中的不同的“用户”。这样， 对于一个用户数为k 的异步系统，在( 2 l 什1 ) 个比特信息周期内，可以看作是一个 等效用户数为( 2 i l 舟1 ) k 的同步系统。因此，式( 2 1 ) 中表示的异步系统同样可 以写成式( 2 3 ) 的同步形式。因此，同步系统下的结果可容易地推广到异步系统。 在本章中系统信道为高斯信道，同时，也没有考虑多径信道的情况。 第2 搴= 朔用于幅度估计的自适应解相关多用户检测器9 2 3 匹配滤波 对接收信号作相关接收，同步系统中，定义用户k 和用户，特征波形的相关 函数为： p = 几= p 。= i s k , s 1 ) = 卜( ，扣，o ( 2 _ 5 ) 则第k 个用户匹配滤波器的输出为 = r y ( f ) 雌( o d t = 以巩+ 一，6 j 野饥， ( 2 - 6 ) 其中 仇。盯jn ( t ) s k ( t ) d t 是均值为0 、方差为盯2 的高斯随机变量，写成向量形式： v = r a b + n 。( 2 7 ) 其中r = 切。 是特征波形的标准化互相关矩阵， y = 【m ，蜥】 b = 【6 i ，b 】7 ，a = d i a g ( , 4 l ，4 ，a x ) 是正定对角矩阵。如果第k 个用户的特征波 形与其它特征波形正交，那么p j k = o ，七，并且匹配滤波器的输出变为单用户 问题，即y = a b + 1 1 。然而在实际通信中，即使是同步系统，由于各用户的特征 波形不完全正交，因而在匹配滤波后，多址干扰项a j b j p 业依然存在，成为正 确检测出期望用户信息的主要障碍之一。 2 4 多用户检测的性能参数 在分析多用户检测器的性能时，最重要的参数是系统的误码率2 1 只 ) = p 仅以) ( 2 + 8 ) 在单用户情况下，接收信号经过匹配滤波器解扩之后，得到的是一个均值为 a 。、方差为盯2 的条件高斯随机变量。因而，单用户系统的误码率为： 只 ) = o ( a d ) ( 2 9 ) l o d s - c d m a 系统中多用户检测方法的研究 其中，q g ) = 去r e - , h 廖。 但在多用户情况下，通常很难推导出误码率的解析表达式，一般需要采用计 算机仿真的方法得到误码率曲线。为了便于分析，v e r d u 引入了一个新的参数 一渐进有效性( a s y m p t o t i ce f f i c i e n c y ) ： 一u - pn l i m 咖) q 降 ：0 弦 濒进有效性反映了有效信噪比与实际信噪比之间的关系。有效信噪比表示在 单用户条件下为达到每个误码率所需的信噪比，实际信噪比表示在多用户条件下 达到同样的误码率所需的信噪比。因此，渐进有效性反映了多址干扰对检测器性 能的影响程度。一般情况下，渐进有效性比误码率容易得到解析表达式，采用渐 进有效性衡量多用户检测器的性能，可以定量地反映多址干扰对检测器性能的影 响，或者说是反映不同检测器抗多址干扰能力的大小。 正如我们在绪论中指出的，远近问题是c d m a 系统采用传统单用户检测方法 时存在的主要问题。为了定量地表达各种检测器抵抗远近效应的能力，l u p a s 等 人提出抗远近度这一概念【2 4 】： 哌= 燃r h ( 2 1 1 ) 乞“ 抗远近度表示检测器在其他用户的能量变化时所能够达到的最小渐进有效 性。由于接收信号的幅度是不断改变的，为了考虑这一因素，l u p a s 等又提出更 严格的抗远近度定义，去除了接收信号幅度固定不变的假设2 4 1 ： 哌3 ( 1 i n m f 仇 西) 叫o j ) 2 5 传统检测器及性能 ( 2 1 2 ) 传统检测器对相关匹配滤波器的输出直接进行门限判决，得到检测结果； 6 = s 弘o ) ( 2 - 1 3 ) 检测器原理图如图2 1 所示。 矗【f 】 毛 f 】 占。d 】 传统检测器的误码率为【3 6 】： 巧“取) = p 皖( o ) 钆( o ”= p 饥( o ) o | 钆( o ) ：一1 ) 。尹1。磊ll一。荟，l】。蚤mq鲁+萎勺a-盯-lp*1i i j c z ， 气e _ l i l勺 一，)叶e 一，l o“ o 渐进有效性为： 矿x 2 o 卜薹鲁i 艮i 协 当干扰用户的能量远大于用户七的能量时，有丢鲁l 靠i 1 ，此时传统检测 器的远近抗度为 玩= 0( 2 1 6 ) 此时用户k 将被“淹没”在干扰用户的信号中，导致误码率大大增加。 传统检测器具有结构简单、运算复杂度小的优点。当系统中不存在多址干扰， 只有背景高斯白噪声时，传统检测器就是最佳检测器。如果各用户功率相同，用 户问的互相关系数很小时，它也可以达到较满意的性能。然而，当接收信号中用 户间的互相关系数不为零，而干扰用户的功率又远大于检测用户的功率时，多址 干扰将使检测器产生所谓的“远近”效应。这是因为传统单用户检测器未考虑其 他用户产生的多址干扰( 实际上是将其看成是噪声) ，对各个用户进行独立检测， 故其性能受到多址干扰的严重影响。实际上，只有对极少数的同步正交特征波形 的情况，传统单用户检测器才不受多址干扰的影响。 1 2d s - c d m a 系统中多用户检测方法的研究 2 6 最佳多用户检测器 从上一节对传统检测器的分析可以看出，由于传统检测器将其他用户的多址 干扰看作噪声，这样就丢掉了干扰用户中可以利用的有用信息。而在接收端，我 们有时可以得到诸如互相关系数、用户功率等信息。如果能够充分利用这些信息， 对所有的用户信号进行联合检测，估计其他用户产生的多址干扰，就可以消去多 址干扰，使检测器的性能得到改善，这就是多用户检测的基本思想，其结构如图 2 2 所示。 一嗡嚣1 卜 i( 用户) l 7 多用 一嘿然 户检 ( 用户2 ) 厂一一 测算 ； 一瞩鬻k 卜 法 i( 用户) l 图2 2 多用户检测算法 葳【f 】 龟【f 】 & 【】 考虑式( 2 4 ) 中的| 一j 步c d m a 信遁模型： y o ) = k4 以靠( f ) + 彻( f ) ，e 【o ，7 】 令b ：【6 l ，k r ，6 ：e ，瓦r ，则根据最大似然准则，检测后得到的最佳的6 应 当使得下式最大化： e 印( 一专r 一和州2 叫 池t ， 或可以等价于使下式最大化： q c b ，= z r 砉4 & c d y ( t ) d t - r 粪4 瓯& c ， 2 田 其中，h = a r a 。 = 2 b 7 a y b 7 h b ( 2 1 8 ) 第2 章一种可用于幅度估计的自适应解相关多用户检测器 这样，多用户检测问题就变成了一个线性规划问题。根据s v e r d u 等人对高 斯信道下c d m a 多用户检测问题的研究，当发射信号先验等概率时，根据最大似 然准则得到的多用户检测器就是最佳的多用户检测器口2 1 。对于同步c d m a 系统， 就是要找出使似然函数最大可能的输入序列。若用户数为k ，则需要从2 种用户 信息中寻找一种最佳组合。对于异步c d m a 系统，可以用一组匹配滤波器加 v i t e r b i 算法构成。 研究结果表明，最佳多用户检测器的性能大大优于传统检测器，其性能十分 接近系统中只有单个用户时的单用户检测器的性能。但是它的优越性能是以系统 的复杂度为代价的。总的来说，最佳多用户检测器具有以下特点： 1 ) 最佳多用户检测器必须知道所有用户信号的波形和接收幅度，还必须得到 所有用户信号的定时，这就增加了系统实现的难度； 2 ) 最佳多用户检测算法是一个典型的完全n p 问题，其计算复杂度随用户数 的增加呈指数问题增长。根据文献1 2 4 l 的研究，对一个1 0 个用户的系统，数据率 1 0 0 k b i t s ，采用q p s k 信号调制，计算其似然函数需要每秒l o ”次以上的计算量。 因此，它虽然具有最佳的抗多址干扰的能力，但是很难在实际系统中应用， 很多学者提出了各种次最佳的多用户检测算法，希望在系统的性能和复杂度之间 寻求折衷，即在大大减少系统复杂度的前提下，其性能能够尽可能地接近最佳多 用户检测器。在研究中，一般把最佳多用户检测器作为性能的上界，而把传统的 单用户检测器作为性能的下界。 2 7 线性解相关检测器 考虑式( 2 7 ) 中的匹配滤波器的输出： y = r a b + l l t 式中是均值为零、协方差矩阵为d 2 r 的高斯随机向量。由于多址干扰的存在， 传统的单用户检测器即使在没有噪声( 盯= 0 ) 时也会产生误差，即可能会出现 = s g n ( ( r a b x ) 壤 ( 2 1 9 ) 假设互相关矩阵r 是可逆的，如果在判决之前，预先将匹配滤波器的输出向 量乘以r ，则当盯= 0 时， d s c d m a 系统中多用户检测方法的研究 r y = r r a b = a b ( 2 2 0 ) 因此，仅对上式的结果进行判决就可以完全恢复用户的传输数据： 反= s 弘( ( r 一1 y x ) ( 2 2 1 ) = s 趴( ( a b ) 。) ( 2 - 2 2 ) = b ( 2 2 3 ) 其中，s g n ( ) 是符号函数。由此可以得出结论：如果用户的特征波形线性无关( 即 矩阵r 可逆) ，在盯= 0 ( 无背景噪声) 时，式( 2 2 1 ) 表示的检测器可以无误差 地解调出所有用户的传输信息。 若盯0 ，用r 一处理式( 2 7 ) 中匹配滤波器的输出信号，则 r 一1 y = a b + r 一1 n ( 2 2 4 ) 式( 2 2 4 ) 中，每个用户信号分量仍然不受其他用户，即多址干扰的影响。所以 该多用户检测器可以完全消除多址干扰，唯一的干扰源是背景噪声。而实现( 2 2 1 ) 式的检测器称为解相关检测器【”1 ，如图2 , 3 所示。 一喘黼 8 卜 ( 用户1 ) 广 一嘱鬻。卜 r 一1 ( 用户z ) 广一7 h i 匹( 配用滤p 波k ) 硎i 兰! - -。_ 。_ 圈2 3 线性解相关检测器 解相关检测器第七个用户的误码率为： 哪( 反【f 】 良【f 】 文 f 】 ( 2 2 5 ) ， 第2 章一种可用于幅度估计的自适应解相关多用户检测器1 5 l 2 f 百 q ( 辨。 ( 2 2 6 ) 线性解相关检测器具有以下的特点： 1 )它的计算复杂度远小于最大似然多用户检测。 2 )它需要所有用户的波形和定时，但不需要估计各用户信号的幅度。 3 )接收机的误码率和信号幅度无关，具有最佳的抗远近效应的性能。 4 )可以以分布式的方式实现，每个用户的解调可以完全独立的进行。 尽管解相关检测器的计算复杂度小于最佳多用户检测器，但它需要实时 地求解矩阵r 的逆阵。在多变的移动通信环境中，求解矩阵r 的逆阵并不是一个 容易解决的问题。尤其是在c d m a 系统中，为了更好地减少干扰，一般都采用了 语音激活和变速率编码技术，这使得用户信号之间的相关随时间不断改变，因而 r 的逆阵也随时间不断改变，这也使实时地求解r 的逆阵变得非常困难。并且， 计算一个矩阵的逆阵，其乘法的运算量通常是k 阶，当用户数k 较多时面临着 大型矩阵求逆运算的问题，它的计算复杂度是也难以接受的。 2 8m m s e 检测器及自适应m m s e 检测器 最小均方误差( m m s e ) 线性多用户检测器的设计目标就是使用户发送的信 号与其估计值之间的误差的均方值达到最小卯。如( 2 7 ) 式所示，经过滤波器的 接受向量为： y = r a b + n 若令b = 【b 】，一，b 。】7 ，并令k x k 矩阵m = 【m 1 ，m 。】表示k 个用户的线性检 测器，则m m s e 检测器的问题可等价为： m 。= a r g m i n j ( m ) = a r g r a i n e i ib m y 1 1 2 ) ( 2 - 2 7 ) 其最优解为： 南 一盯 q ：星 一 r 一 o ，j、【 叩 = ： 仇 为性效有进浙 1 6d s - c d m a 系统中多用户检测方法的研究 m 删= a r ( r a 2 r + 万2 r ) 一 若矩阵r 非奇异，则式( 2 2 8 ) - 7 简化为： 则m m s e 检测器为； m 。= a ( r a 2 + 艿2 i ) 。 6 i = s g n ( m 叫y ) 】 = s g n a i “r a 2 r + 巧2 i ) - i y ) i 】 ( 2 - 2 8 ) f 2 2 9 ) = s g n ( ( r a 2 r + j2 i ) 。y ) 。】( 2 - 3 0 ) 图2 4 给出了m m s e 线性检测器的方框图。 一赠嚣1 卜 ( 用户) 广 一瞩鬻卜 ( r a 2 + 6 2 i ) 。1 ( 用户2 ) 广1 ； 一嘴糟卜