（电路与系统专业论文）移动通信中多天线技术以及多用户检测方案的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

移动通信中的多天线技术和多用户检测方案的研究ab s t r a c t ab s t r a c t mo d e r n s o c i e t y h a s b e e n b r a n d e d w i t h i n f o r ma t i o n. a m o n g a l l k i n d s o f i n fo r m a t i o n t e c h n i q u e s , i n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o n a c t s a s a s u p p o r t i v e r o l e . n o w a d a y s , w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n i s t h e m o s t s i g n i f i c a n t a r e a o f m o d e r n c o m m u n i c a t i o n , w h i c h h a s b e e n d e v e l o p e d r a p i d l y f r o m a n a l o g c o m m u n i c a t i o n t o d i g it a l m o b i l e c o m m u n i c a t i o n a n d f o r g e s a h e a d t o w a r d p e r s o n a l c o m m u n i c a t i o n a n d a b o v e . h o w t o a c h i e v e u l t r a - f a s t d a t a / i n f o r ma t i o n t r a n s mi s s i o n a n d mu l t i - u s e r c o mmu n i c a t i o n o n b a n d - l i m i t e d w i r e l e s s c h a n n e l i s th e m o s t c h a l l e n g in g t a s k f o r i n d u s t ry a n d a c a d e m e . i n t h i s p a p e r , w e p r e s e n t a n e w mi mo m u d s c h e m e f o r u p l i n k a n d d o w n l i n k t r a n s m i s s i o n i n t d - c d ma s y s t e m. t h i s s c h e m e c o m b i n e s mu d , m u l t i - a n t e n n a s a n d v - b l a s t . b e c a u s e o n l y o n e r e c e i v e a n t e n n a i s n e e d e d , t h e mo b i l e h a n d s e t i s e a s y t o d e s i g n a n d c o s t s l o w . mo r e o v e r , w e a p p l y t h e t e c h n i q u e t o a n a d h o c c d ma w i r e le s s n e t w o r k . s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t p e r f o r m a n c e i s g r e a t l y i mp r o v e d . k e y w o r d s : k e y w o r d s : d i v e r s i t y , v - b l a s t , t d - c d ma , mi mo , a d h o c 移动通信中的多天线技术和多用户检侧方案的研究第一章概述 第一章 概述 1 . 1 引言 近年来，随 着移动通信的 迅猛发展， 现有的包括g s m和i s - 9 5 通信系统己 很难满足发展要求，因此第三代移动通信 ( 3 g ) 倍受注目，己 经在世界范围内 兴起。 特别在我国，移动通信市场每年平均以二位数递增，2 0 0 1 年 7 月底，我 国 移动电 话用户数量已 经超过美国跃居世界第一( 3 0 。移动产品在东部沿海地区 己经得到普遍使用， 但其市场潜力尚未完全开发， 且随着政府开发大西北的政策 大力推广，内陆地区的移动通信市场将再次成为通信巨头们的必争之地。 移动通信诞生以来，其发展速度令人惊叹: 第一 代 ( 1 g)移动通信标准，例如a mp s、t a c s等，主要基于模拟系统。 主要采用的是模拟技术和频分多址 ( f d ma )技术。由于受到传输带宽的限制， 不能进行移动通信的长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。 第二 _ 代 ( 2 g ) 移动通信标准， 例如i s 9 5 . g s m等，主要采用的是数字的时 分多址 ( t d m a ) 技术和码分多址 c d m a ) 技术。 第二代移动通信系统与第一 代移动通信系统相比， 仅仅是移动通信性能增强了许多。 但2 g为全球通信事业 的蓬勃发展打下了扎实的基础， 加速了全球通信事业的全球化、 数字化、 宽带化、 网络化和智能化， 构成了当今移动通信世界的框架。目前， 它仍在以前所未有的 速度发展着，在世界各地均占 有一席之地。 与此同时， 第三代 ( 3 g ) 移动通信标准己 经摩拳擦掌，时刻准备着投入商业 使用了。它可以提供前两代产品不能提供的各种宽带信息业务， 例如高速数据、 慢速图 像与电视图像等，其本地传输速率高达2 m b i u s ，带宽可达5 mh z 以上。 一言以蔽之， 第三代移动通信系统一个突出特色就是， 要在未来移动通信系统中 实现个人终端用户能够在全球范围内的任何时h、 任何地点， 与任何人， 用任意 方式、高质量地完成任何信息之间的移动通信与传输。 第四 代移动通信系统 ( 4 g ) 2 9 的 研究工作 也正 在展开， 用户数量的 增加己 经 不再是其追求的单一目 标，4 g将更多地着眼于通信品质的提高，适应多媒体传 移动通信中的多天线技术和多用户检测方案的研究 第一章概述 输的需求。第四代移动通信系统主要有以下性能特点: ( 1 )传输速率在低速移动和固定情况下达2 0 m b p s ， 在高速移动情况下达 2 mb p s c ( 2 ) 容量达到3 g系统的5 - 1 0 倍，传输质量相当于或优于3 g系统; ( 3 ) 小区覆盖范围等于或大于3 g系统; ( 4 ) 在不同速率间能够自 动切换，以保证通信质量; ( 5 ) 网络的比 特成本低于3 g系统。 我国在第三代移动通信技术领域的研究也取得了令世界瞩目的成绩， 伴随芬 兰赫尔辛基国际电联 ( i t u)大会帷幕的徐徐落下，在由中国所制订的 t d - s c d ma 、美国所制订的c d ma 2 0 0 0和欧洲所制订的w c d ma所组成的最 后三个提案中， 几经周折后， 最终将确定一个提案或几个提案兼容来作为第三代 移动通信的正式国际标准 ( i mt - 2 0 0 0 ) 。其中，中国的 t d - s c d ma方案完全满 足国际电联对第三代移动通信的基本要求， 在所有提交的标准提案中， 是唯一采 用智能天线技术， 也是频谱利用率最高的提案， 可以缩短运营商从第二代移动通 信过渡到第三代系统的时间， 在技术上其有明显的优势。 更重要的是，中国的标 准一旦被采用 ，将会改变我国以往在移动通信技术方面受制于人的被动局面; 在经济方面可减少、 甚至取消昂贵的国外专利提成费， 为祖国带来巨大的经济利 益; 在市 场方面则会彻底改变过去只有运营市场没有产品市场的畸形布局， 从而 使我国获得与国际同步发展移动通信的平等地位。 另一方面， 无限局域网和蓝牙技术也是当前研究的热点。无线通信的灵活便 捷激发出无穷的市场需求。 在同一无线局域网 ( 例如，同一幢大楼)内， 只要在 笔记 本电脑或掌上电 脑安装p c c a r d 适配器， 用户就能够在办公室内自由移动而 保持与 网络的连接。无线局域网还具有抗千扰性强、网络保密性好等优点。 此外，在无线通信的理论研究方面，研究人员为如何在有限的无线通信带宽 内 实现高 速甚至超高 速的数据传输而苦苦探索。 s h a n n o n 定理2 1 , c 一 w 10 9 2 (1 益， b i t s / s ( 1 . 1 ) 表明， 通信中的传输速率受到信道带宽的约束。在无线信道中 资源是有限的，但人们对高速高品质通信的需求是无限的。b e l l ，信道的频率 实验室提出的 移动通信中的多天线技术和多用户检测方案的研究 第一章概述 b l a s t ( im i m o系 统表明 在多 输入多 输出 系 统中， 无线信道的 容 量和天线 数量 成 正比。 这就意味着、 在理论上有限带宽的无限信道上可以实现无限速率的数据传 输。 无线通信网络技术的发展必然会大大改变现有通信网络面貌，随着数据传输 速率的提高， 因特网应用也将焕发新的生命力。 信息革命在通信技术发展的引导 f 、 在各种相关技术 ( 如微电子、 材料、计算机等)的推动下，必将极大地改变 人们的生活方式、 提高生活品质， 因而对人类社会的发展有着至关重要的影响力。 1 . 2无线衰落信道的基本特征及其引发的问题 衰 落 信 道 2 t 是 无 线 信 道中 的 一 种， 它 有两 个 基 本 特征: 多 径 效 应( m u l t i p a t h ) 和 衰 落 特性( f a d i n g ) 。 多 径效应 指电 磁波 在无 线信 道中 传播时由 于 建筑物大气 层， 或车辆的反射， 会沿着几条不同的路径达到目 标， 每条路经对应着不同的增益和 延迟时间。 而衰落特性是指衰落信道的时变特性， 其产生原因是信道的不断变化; 其一是山于车辆或其他反射物体的移动所形成的反射路径的变化; 其二， 也是更 重要的是接收或发送信号的物体本身的运动， 体现在移动通信中就是通信用户的 运动 ( 步行、 汽车、 火车等) 。显然，目 标移动地越快， 信道相对变化地也越快， 信道跟踪的难度也越大，这类信道称为快衰落信道。 对衰落信道建模，得到: ，( ， ) 一 艺u ( t s ( t - r ( t ) ) ( 1 .2 ) 其中， s ( t) 是发送信号， r ( t) 是接收信号 将s ( t ) 写 成基带信号的 形式: s ( t ) = r e ( s , ( t ) e z ,f , )( 1 . 3 ) 将( 1 .3 ) 代入( 1 .2 ) 得到 ( 1 . 4 ) 、1! j月 磷 己 声 召 r(t) 一 万 一 (t)一 (/一 (t)j 山 ( 1 .4 ) 式可 见， r ( t ) 的等效基带信号为 ，: ( ， ) = 艺a n ( i ) e - 2 f , ,(1) s , ( t - r n ( t ) ) ( 1 . 5 ) 一 丘 c ( r ,t )s ( 一 r ) d r 移动通信中的多天线技术和多用户检测方案的研究 第一章概述 其中 c ( r , t ) = 艺a n ( t ) e - is n r= r g ( r - r ( t ) )( 1 . 6 ) 为 信道冲击响应在基带上的等效。 在衰落信道中 我们把信道冲击响应c ( r , t ) 看成 是一个以r 和t 为变量的随机过程，那么它的自 相关函数为 ， 。 (一; ) 一 告 e c (一 )c ( ; t + ，) ( 1 . 7 ) 在绝大多数无线信道中， 对应于不同延迟的两条路径其信道增益是无关的， 也即 上式可写成: 典( : , r z ; a t ) = 典( z ; a 2 ) b ( :一 : z ) ( 1 . 8 ) 其中 令a t = 0 ， 得到0 , ( r ) ， 对 其作富 利叶 变换0 1 ( f ) 得到相当 于对 应与每一时刻 信 道增益的能 量谱， 其带宽从 被 称为c o h e r e n c e b a n d w i d t h ， 其意义是自 山 当 发 送 信号的 带宽小 于a f , 时， 信道为 平坦衰 落 信道， 不会引 起明 显的 码间 干扰， 反 之 则为 频率选择性信道。 相应地若我们再对0 = ( f ; a t ) 中的 t 作傅利叶 变换， 并 且 令厂 = 0 得到信道的多普勒谱: s , ( .1 ) 一 f 0 = (a t)e - i2 11 d a t ( 1 . 9 ) 其 带 宽 b , 被 称 为 多 普 勒 带 宽( d op p le r sp re a d ) ， 其 倒 数 t= _ 肠 沙 称 为 c o h e r e n c e t im e。 在 t 之内， 我 们可 认 为 信 道 参 数 近 似不 变 由数学表述中可以石到， 无线衰落信道给无线通信带来了几个重要问题: 第 一个是抗衰落技术。第二个问题是如何消除多径效应引起的 工 s 工 ( i n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e 门 c e ) ，可以看到当传输的码速越快时，多径效应造成的延迟对于码片 时间就越来也不可忽略，i s i 的效应也就越明显，这一点在w c d m a 系统中尤为突 出。 对于 c d m a系统而言，无线信道带来的另一个问题就是 m a i ( m u l t i - a c c e s s i n t e r f e r e n c e ) . c d m a 的m a i 是指多个用户通过码分多址的形式在无线信道中 传 输时， 单个用户对其他用户的干扰。由于并没有找到一组完全正交的扩频码， 多 用户十扰现象在c d m a系统中始终存在，并且扩频增益越小，多用户干扰也就越 移动通信中的多天线技术和多用户检测方案的研究第一章概述 明 显。 此外， 远 近效应a il 也 属于一 种多 址 干扰， 远 近效 应指的 是: 在各移动台 均 以相同功率发射信号时， 基站接收到的近处移动台发射的信号功率将远大于远处 移动台发射的信号功率。 远近效应就是指近处大功率信号对远处小功率信号产生 的很强的干扰，在3 g 系统中这种效应带来的干扰表现的尤为突出。 对抗衰落和提高信道容量 ( 即提高数据传输率)而言，目前实际采用的主要 技术有分集、扩频 调频、均衡、交织和纠错编码等，而研究领域中的两大方法: 首 先是多天线技术， 即用一组不同的天线来接收无线信号， 由于每个信道所对应 的衰落不同， 因而复用的方法就把不同天线接收到的信号综合起来检测， 从而达 到避免信道增益的随机性对解调的影响， 此外， 即使一个或若干个信道上的信号 丢失， 通过其他信道上的接收信息也能检测出信号。 其次是多用户检测技术。 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、 定时和延迟等信息， 从而大幅度地降低多径多 址干扰。 1 .3本文的主要工作及论文安排 本文的主要工作集中于前文提到的无线通信中的一 个重要问题:即如何在多 径衰落信道中用单个移动台天线实现 n i m o分集以及如何在多用户系统中抑制 丁 5 工 和m a i 的影响， 实现高 速率数据通信。 文中提出的算法的应用背景集中于第 代无线通信系统中的t d - c d m a 系统，和传统的接收分集方法进行了性能比较。 文章的其余部分结构安排如下: 第二章介绍现有的m i m o 技术和多用户检测技术。 第砚 章讨论在多经衰落信道 的t d - c d m a 系统实现， 在分析了t d - c d m a 的工 作力 一 式后，提出在多经衰落信道中移动台单天线实现 m 工 m o分集方法，采用 z h v - b l a s t多用厂 联合检测方案，并同已有的基于接收分集的 m 工 m o方案进行了比 较。 第四章讨论了现在无线通信领域中的另一个热点研究方向: a d h o c 无线自 组 网络，进一步分析基于m i m o 的多用户检测方案在c d m a 无线a d h o c自 组网中的 应用。 移动通信中的多天线技术和多用户检测方案的研究第一章概述 第五章给出全文总结。 移动通信中的多天线技术和多用户检测方案的研究 第二章多天线技术和多用户检测技术 第二章 多天线技术和多用户检侧技术 2 . 1多天线技术/ 多输入多输出 技术 1 f a ilin gc h xn n d 图2 - i 多输入名输出系统i ii : t , i! 新 代移动通信 b e y o n d 3 g / 4 g ) 将可以 提供的数据传输速率高达1 0 0 m b i t / s , 甚至更高， 支持的业务从语音到多媒体业务， 包括实时的流媒体业务。 数据传输 速率可以根据这些业务所需的速率不同动态调整。 新一代移动通信的另一个特点 是低成本。 这样在有限的频谱资源上实现高速率和大容量， 需要频谱效率极高的 技术。 m i m o技术充分开发空间资 源， 利用多 个天线实 现多发多收， 在不需要增 加频iii 资源和天线发送功率的情况下，可以成倍地提高信道容量。 简而台 之， 多 输入多 输出( m i m o ) ( 1 2 1系统 就是 利用多 天线来抑制 信 道衰 落。 通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于 mt m o系统来说多径可以作为一个有利因素加以利用。mi mo系统在发射端 和接收端均采用多天线( 或阵列天线) 和多通道， m i m o的多输入多 输出 是针对多 径无线信道来说的。 图2 . 1 所示为m i m o系统的 原理图。 传输信息流s ( k ) 经过空 时 编码形成n个信息子流s ;( k ) , i = 1 ,， ， m。 这m个子流由m个天线发射 出去，经空间信道后由n个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码 处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。特别是，这m个子 流同时发送到信道， 各发射信号占用同一频带， 因而并未增加带宽。 若各发射接 移动通信中的多天线技术和多用户检测方案的研究 第二章多天线技术和多用户检测技术 收天线间的通道响应独立， 则多输入多输出系统可以创造多个并行空间信道。 通 过这些并行空间信道独立地传输信息， 数据率必然可以提高。 mi mo将多径无线 信道与发射、 接收视为一个整体进行优化， 从而实现高的 通信容量和频谱利用率。 这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。 系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。 对十发射天线数为m ，接收天线数为n 的多输入多输出 ( m i m o )系统，假定信道 为独立的瑞利衰落信道，并设m 、n 很大，则信道容量c 近似为: c= m i n ( m, n) b 1 0 9 2 ( p 1 2 ) ( 2 . 1 ) 其中b为 信号带宽，p 为 接收端平均信噪比， m i n ( m ,n ) 为m, n的 较小者。 上式表明， 功率和带宽固定时， 多输入多输出系统的最大容量或容量上限随最小 人线数的增加而线性增加。 而在同样条件下 ， 在接收端或发射端采用多天线或天 线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而一言， 多输入多输出对于提高无线通信系统的容量其有极大的潜力。 可以石出，此时的信道容量随看天线数量的增大而线性增大。也就是说可以 利用mi mo信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情 况 卜 ，频谱利用率可以成倍地提高。利用 mi mo技术可以提高信道的容量，同 时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用 mi mo信道提供的空间 复用增益，后者是利用 mi mo信道提供的空间分集增益。实现空间复用增益的 算法主要有贝 尔实验室的b l a s t 算法、 z f 算法、 m m s e 算法、 m l 算法。 m l z f 算法简t容易实现，但是对信道的信噪比要求较高。性能和复杂度最优的就是 b l a s t算法该算法实际上是使用 z f算法加 卜 干扰删除技术得出的。目前 m工 mo技术领域另个研究热点就是空时编码。 常见的空时码有空时块码、 空时 格码。 空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间 分集， 从而降低信道误码率。 在mi mo系统理论及性能研究方面己有一批文献， 这些文献涉及相当广泛的内容。 但是由于无线移动通信mf n40信道是一个时变、 卜 i;_ 稳多输入多输出系统， 尚有大量问题需要研究。比如说， 各文献大多假定信 道为分段一 恒定衰落信道。 这对于宽带信号的4 g系统及室外快速移动系统来说是 不够的， 因此必须采用复杂的模型进行研究。 已有不少文献在进行这方面的工作， 移动通信中的多人线技术和多用户检测方案的研究 第二章多天线技术和多用户检测技术 即对信道为频率选择性衰落和移动台快速移动情况进行研究。 再有， 在基本文献 中， 均假定接收机精确已知多径信道参数， 为此， 必须发送训练序列对接收机进 行训练。 但是若移动台移动速度过快， 就使得训练时间太短， 这样快速信道估计 或盲处理就成为重要的研究内容。 另外实验系统是mi mo技术研究的重要一步。 实际系统研究的一个重要问题 是在移动终端实现多天线和多路接收。 天线之间的间隔d 足够大才能保证各天线 输出 / 输入信号的衰落特性是相互独立的，在理想情况下，间隔距离 d为a / 2 即 可保证各支路收/ 发信号是不相关的。但由于移动终端设备要求体积小、重量轻、 耗电小，因而在移动终端实现多天线结构具有极大困难，成本巨大。 目 前解决mi mo系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术， 还有 一种是利用o f d m 10 0 。 大多数研究人员认为o f d m技术是4 g的核心技术， 4 g 需要极高频谱利用率的技术，而o f d m提高频谱利用率的作用毕竟是有限的， 在o f d m的基础上合理j 发空间资源， 也就是m i m o + o f d m4 1 1 ， 可以 提供更高 的数据传输速率。另外 o d f m 由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的 抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰 这就允许单频网络 ( s f i; )可以用于宽带 o f d m 系统，依靠多天线来实现，即 采用山大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。 2 . 2多用户检测技术 2 .2 . 1 传统c d ma接收机存在的 缺陷 在码分多川 ( c d m a ) 系统中，由于多个用户的随机接入， 而所使用的扩频 码集一般又可 、 能严格正交， 非零ti _ 相关系数将引起各用户间的相互千扰， 这种现 象称为多址干扰 ( mu l t i - a c c e s s i n t e r f e r e n c e , ma i ) 。同时由于移动用户所在的位 青处于动态的变化中， 基站接收到的各用户信号功率可能相差很大， 而即使各用 ) 1 到基站u . 离相等， 深衰落的存在也会使到达基站信号各不相同， 强信号对弱信 号 有着明显的抑制作用， 会使弱信号的接收性能很差甚至无法通信， 这种现象称 为“ 远一近” 效应。 现有的c d ma系统， 在接收端都是在匹配滤波器后直接解调， 移动通枯中的多天线技术和多用户检测方案的研究第_章多天线技术和多用户检测技术 匹配接收机是假定多址千扰具有高斯白噪声的统计特性， 并没有考虑信道中的多 址干扰， 而且基于匹配滤波的单用户接收机对“ 远一近” 效应极其敏感， 因而始终 尤法提高系统容量。 尽管可以采用一些方法平衡和抑制多址千扰， 减少彼此间的 liy 响， 但并不能从接收信号中真正消除多址千扰， 从根本上解决问 题。 从而当系 统中其他用户信号对特定用户信号造成的干扰超过信道白噪声对该用户信号造 成的干扰时， 这种多址干扰 ( ma i ) 就成为限制系统容量增长的重要因素。正是 山于这种多址干扰的存在，在c d ma移动通信系统中，同一信道中可同时传输 的最大用户数存在一个极限 ( 在满足各个用户特定业务性能指标的前提下) 。而 且在现有的c d ma系统中，主要采用功率控制技术来克服“ 远一近” 效应，但是 严格的功率控制不但实现复杂， 同时由于传输时延及移动台的限制使其具有极大 的局限性。 传统接收机消除多址干扰 ( ma i ) ， 主要在以下几个方面进行了研究。 ( 日 设计具有优良相关性质的扩频码; ( 2 ) 应用有效的功率控制机制; ( 3 ) 应用前向 纠错码( f o r w a r d e r r o r c o r re c t i o n , f e c ) ; ( 4 )采用自适应大线。 这些研究对于提高系统的抗多址干扰能力有一定的作用， 但是还不能够理想 地解决问题，于是人们利用空间传输中造成千扰的用户的各种信息进行抗干扰， 提出了多用户检测理论。 2 . 2 . 2多用户检测的概念 多用户检测是第三代移动通信系统中宽带c d ma通信系统抗干扰的关键技 术 传统的检测技术完全按照经典ft接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行 扩频码匹配 处理 ，因而抗 多址干扰 ( ma 工 )能力较差;多用户检测 ( m u l t i - u s e r d e t e c t i o n , m u d ) 技术在传统检测技术的 基础上， 充分利用造成多址干 扰的所有用户信号信息对多个用户做联合检测或从接收信号中减掉相互间干扰 的方法， 有效地消除ma i 的影响， 从而具有优良的抗干扰性能。 在理想情况下， 应用多用户检测技术，系统的性能将接近单用户时的性能。这显然消除了“ 远一 近， 效应的影响，可以简化用户的功率控制，降低系统对功率控制精度的要求。 移动通信中的多天线技术和多用户检测方案的研究 第二章多天线技术和多用户检测技术 并且由于m a i 的消除，用户在较小的信噪比下就可达到可靠的性能，单用户信 噪比的降低可以直接转化为系统容量的增加， 因此可以更加有效地利用链路频谱 资源，显著提高系统容量。 2 .2 .3 各种多用户检9 9 方案分析 针对传统c d ma接收机的弱点，1 9 8 6 年s . v e r d u 提出匹配滤波器加v i t e r b i 译码的异步c d m a最佳检测方法3 4 1 ， 它实质上是序列检测问 题，即 对接收信号 序列的整体进行处理， 采用最大似然序列准则找出一个接收信号序列， 使得给定 输出序列的似然函数最大。 最佳多用户检测山匹配滤波和v i t e r b i 译码算法组成， 具有优异的性能，但由于其运算复杂度随用户数指数增长 ( 2 k) ，实际上是无法 实时实现的。 为简化多用户检测器的结构， 而性能又接近于最佳多用户检测， 次 最佳多用户检测成为一种理想选择， 并己成为近年来的一个研究热点。 次最佳多 用户检测技术分为线性多用户检测和干扰消除多用户检测两类， 前者对传统检测 器的输出进行解相关或其他的线性变换以利于接收判决， 后者利用可靠己知信息 对干扰进行估计，然后在原信号中减去估计千扰以利于接收判决。 2 . 2 .3 . 1 线性多用户检测3 7 1 1 . 解 萝 板关 线趁 多沼户橙测 ( d e c o r r e l a t i n g l i n e a r mu d ) 解相关线性多用户检测3 5 . 3 6 1 实际上是建立于最大最小准则基础上，它是在 用户千扰功率未知的情况下， 保证接收机在最坏情况下的最佳性能而提出的。 线 性 算子l = r - i , 所以 判决矢量为z = r - y = wb + r - n 0 解相关线性多用户检测完全 消除了m a i ， 但z 中噪声分量的 协方差矩阵为 n o / 2 ) r - ， 第k个用户的误码 率为i e k ) - q ) 0 因为在此式中 ( r - ) k k 为r “ 的 第k 行k 列元素， 它大于i ， 所以， 解相关 线性多用户检测方法多址干扰的消除是以噪声的增强为代价的。 此外， 解相关线性多用户检测的判决变量是无偏的 ( u n b i a s e d ) 。 正因如此噪 移动通信中的多天线技术和多用户检测方案的研究第二章多天线技术和多用户检侧技术 声不依赖于干扰功率，最佳地抑制了“ 远一 近” 效应。其性能独立于干扰功率，不 需要估计功率的大小， 唯一的要求是己知码字和定时， 实现也相对简单， 因此非 常适合于“ 远一近， ， 效应的环境。 2 . 浸小 均方误 差多月户扮翻( min i m u m m e a n 助u a r e e r r o r mu d , m m s e mu d ) m ms e多用户检测是一种高斯自噪声中的线性最佳检测，以最小化 e ( b -) t ( b - ) 为 准则， 它的k x k 线性 算子l = ( r + n o / 2 .1 ) , k 维判决矢量为z = l y = ( r + n o / 2 . 1 ) 一 ， r wb + ( r + n o / 2 - i ) 一 ， n ， 噪声矢量的k x k协方差矩阵为( r + n o / 2 .1 ) 一 ，r ( r + n o / 2 j ) 一 ， 。 m m s e 多 用户 检 测 是 一 种 有 偏 估 计， 系 统 性能 受 千 扰 功 率的 影响。 当m a i 占 统治地位， 噪声分量不存在时， k x k线性算子l 变为r , m m s e 多用户检测变为解相关线性多用户检测;在另一种极端情况下，如果n o ;w ; , j = 1 ,2 ， 二， k ，即噪声远强于m a i , k x k线性算子l退化为单位矩阵， m m s e 多用户检测就退化为传统的单用户检测器。 我们知道， 当千扰完全为高斯白 噪声 时，传统的单用户检测器本身就是最佳的。 mms e多用户检测的误码率公式很复杂，但需要强调的一点是mms e多用 户检测和解相关线性多用户检测都是线性结构，一定程度上限制了它们的性能。 了 . 自 ， f 应mms e多) 搅班恻 1 9 9 5 年m i l l e r s l提出了自 适应mms e多用户检测，如图2 所示。其基本 原理是: 通过一个数据比 特周期内的接收信号取样序列， 来获得一个数据比特的 估计 值。 也就是说， 对b i 0 的 t ip! 计只能依赖于t e 0 , t b 之间的n个接收信号 取 样 值 称之为 接收矢 u 0 ) 。 其中: n是处理增益; t b 是数据比 特周期; t = t b / n 是 扩频码周期; b x i e 1 , l ) 是用户k的第: 个数据比 特。 n抽头的时延线m m s e 自 适应多用户检测接收机在扩频增益较大， 而接收信号码元能量比较小时，自 适 应滤波器系数难以迅速收敛到最小均方误差值， 无法跟踪信道参数的变化， 造成 性能下降，而且由于训练序列的存在，必将加大系统实现的复杂度。 移动通信中的多天线技术和多用户检测方案的研究 第二章多天线技术和多用户检测技术 2 . 2 .3 .2 干扰消除多用户检测 1 . 矽厅子扮mp多刀户90器 ( s u c c e s s i v e i n t e rf e r e n c e c a n c e l l a t i o n m u d ， s i c mud) s i c检测器在接收信号中对多个用户逐个进行数据判决， 判出一个就再造并 减去该 用户信号造成的m a i 干扰， 操作顺序是根据信号功率的大小来定的，功 率较大的信号先进行操作，因此， 功率最弱的信号受益最大。s i c在性能上比传 统检测器有较大提高， 而且在硬件上改动不大， 易于实现。 但是s i c每一级都需 要有 一 个字符的时延， 另外当信号功率强度顺序发生变化时需要重新排序， 最不 利的一点是如果初始数据判决不可靠将对下级产生较大的干扰。 2 . 产万子封消p多刀户橙o器 ( p a r a l l e l i n t e rf e r e n c e c a n c e l l a t i o n mu d， p i c mu刀夕 p i c检测器具有多级结构， 其每一级并行估计和去除各个用户造成的 ma i 干扰，然后进行数据判决。 p i c的设计思想和s i c基本相同，但由于p i c是并行 处理， 克服了s i c时延长的缺点， 而月 _ 无需在情况发生变化时进行重新排序。 但 是 采用p i c时，对硬件复杂度要求会相应提高， 不过，随着微电子技术的不断 发展， 芯片集成度的不断提高， 很容易满足系统对硬件规模的要求。 从这种意义 上米讲，p i c更适合于应用于移动通信系统中，在各种mu d中具有较高的实用 价值。 3 . a * 反货多n橙刻f e e d b a c k d e t e c t o r mu d , d f mu d) d f检测器首先对接收信号进行线性处理，然后进行s i c检测。线性处理进 行部分解相关， 避免了噪声的加强， s i c再根据信号强度递减顺序进行串行干扰 消 除。 d f 检测 器的 难点 在于要进 行c h o t e s k y 分 解和白 化矩阵 求逆， 而且 需要估 计接收信号的幅度。 移动通信中的多天线技术和多用户检测方案的研究第二章多天线技术和多用户检测技术 2 .2 .4 多用户检测技术存在的问 题及其局限性 多用户检测的研究， 必须考虑复杂性和处理时延两大障碍。 从处理时延考虑， 数t o m s 的处理时延对语音信号数据是不可接受的:从复杂性考虑，最佳检测器 的指数复杂性是不现实的， 次最佳检测的线性复杂度随技术的发展可能会得到广 泛应用。 多用户检测研究的另一个重要的方面是坚韧性。 既然任何频率、 幅度、 相位 和定时上的误差都将产生不精确的多址消除， 带来系统性能的恶化， 多用户检测 就必须研究方案对不理想条件的坚韧性。 有文献指出， 解相关多用户检测的性能， 在不等功率的情况下， 对定时误差是很敏感的。 当然， 这只是对目前一些研究状 况的总结，对于这些实际方面的研究仍是多用户检测发展的一个重要方面。 多用户检测技术的局限性主要有， 首先多用户检测只是消除了木小区内的干 扰， 小区间的干扰并没有消除。 按照v i t e r b i 推得的公式， 如本区干扰因子定为 t , 区外干扰因子为f ， 则理想情况下由多用户检测带来的容量增益为 ( 卜 f ) / f a 在蜂窝系统中f 的典型值为0 .5 5 ，容量增益因子为2 .8 。其次多用户检测的复杂 性的限制， 使之仅适用于_匕 行信道， 不能直接用于下行链路的接收， 因此由多用 ) 、 ， 检测带来的上行信道增益不一定能带来同等的系统总体增益。 针对以 上多 用户检测技术的局限性， 人们提出了 半盲和盲检测技术13 8 ,3 9 1所 谓半盲检测就是干扰用户特征序列部分已知部分未知条件下的检测， 适用于小区 基站。 所谓盲检测就是不知道所有千扰用户特征序列条件下的检测， 适用于移动 台。 两者的主要思想都是通过子空m跟踪技术获得信号子空间， 并利用它来消除 米知用户造成的干扰。 半盲检测器的代表有混合型半盲检测器， 它采用了解相关 和最小均分误差相结合的方法。言检测器有基于信号子空间的mms e盲检测器 和基于正交投影的盲检测器。 不过， 信号子空间跟踪结果的准确性直接影响了盲 和半a检测器的性能。 移动通信中的多天线技术和多用户检测方案的 研究 第三章 t d - c d ma系统中一种基于mi m o的多用户检侧方案 第三章 t d - c d ma系统中一种基于mi mo的多用户检测 方案 3 . 1引言 在当 今的无线通信领域， 超高 速( u l t r a - f a s t) 数据传输已 经成为世人瞩目 的 焦点。 c d ma就是一种旨在提高信息传输率的方法，c d ma系统在传输速率不变的情 况下可传送更多信息，在蜂窝通信系统中，其信道容量为 f d ma的 2 0倍，是 t d m a的4 倍3 1 然而， 在数据传输速率达到超高速以后， 信道就不再是平坦衰落了，由此产生 了 码间串 扰问 题( i s i ) 。 此外， 多 径效应( m a i ) 也仍然存在。 c d m a系统通常利用 扩频码的正 交性来抵消多 径效应 ( m a i ) 。 但是，当 码间串 扰存在时，其正交性会 受到很大程度的破坏。 其结果就是: 在多径衰落情况下， 如果使用典型的调制编 码方案，信噪比每提高 i o d b ，误码率刁 能降低一个数量级。近年来，先后有许 多学者为解决多径效应和码间串 扰问 题提出多 种检测方案4 -9 1 。 其研究的重点围 绕多 用 户检测方案 ， i l j极大 似然检 测、 迫零 或最小均方误差算法、 解相关检 测和抗干扰( 1 c ) 方法等 1 z . 1 3 1 多 天 线 阵 列 技 术 ( m e a s ) 14 1 ( m u lt i - e le m e n t a r r a y s ) 利用 一 个多 输 入多 输出 的 方 案来增加信道的带宽利用率。 首先， 它可以解决通信中有色噪声的问题。 通过一 个多 天线系统， 输出的噪声可以 维持为白 噪声， 同时系统中f i r 信道得到均衡! ” 。 第_ _ ，研究表明，系统的容量会随发送/ 接收天线的数目增加而线性增长。这个 结论意味着在无线通信的有限带宽的信道中在理论上 能实现无限速率的数据传 输。实验结果显示，传统方法的传输率只能达到 3 b i t s / s e c / h z ，而使用多天线阵 列技术后则可 达到2 4 b i t s / s e c / h z 。 为了充分利用mi mo的信道空间， 人们提出了 不同的空时处i t _ 方案， 其中 最引 人注目 的就是b l a s t ( b e l l l a b o r a t o ri e s l a y e r e d s p a c e - t i m e ) 。 采用b l a s t 技术 可以 利 用在传统 传输中 不可 避免的 有害的多 径提 供的空n j 并行性来极大地提高比 特率。 在采用b l a s t的系统中， 多径越多越好， 这 是 与 传 统 思 想 显 著 不 同 的 一 点 。 f o s c h i n i 1 6 1 等 学 者 在 移动通信中的多天线技术和多用户检侧方案的研究 第三章 t d - c d m人系统中一种基于mi mo的多用户检测方案 d - b l a s t ( d i a g o n a l- b l a s t ) i 的 基 础 上 进 一 步 改 进 后 提 出 v - b l a s t ( v e r t i c a l - b l a s t ) 算法，目 前是m w。技术中最为著名的算法。 在系统设计规划中一个重要的因素就是移动用户所使用的移动设备越轻便越 好。 然而， m i mo l i 天线会造成移动台 和基站的复 杂度增加。 研究表明， 配有4 付天线的移动台的复杂度是单天线的2 倍。 而为了保证相同扩频码的各个子数据 流能够有效分离，各个天线之间必须保持较大的距离，以防止信号的相关干扰。 因此，一种较为可行的方案可采用基站多天线而移动台单天线的结构。s f a r , m u r c h 等在d s / c d ma系统的上行链路中尝试将v - b l a s t 方法用于多用户检测 ” ! ，可 这种方案不适用于接受天线数少于发 射天线数的下行链路系统。目 前为 止，在单个接收天线的下行链路系统中， mi mo技术仍无用武之地。 本文提出了一套完整的基于m i mo技术的t d - c d m a系统方案。 在系统的上 行链路中，对 s f a r等提出的方法进行了进一步的研究，在下行链路中，我们提 出了一种全新的发射分集方案， 在该方案中， 仅需使用2 m个基站发射天线和一 个移动台接收天线就可以实现2 m阶分集。 该方案可以巧妙而有效地利用多径分 集和v - b l a s t 方法， 系统性能在扩频因子很小的情况下也能获得显著提高。此 外， 接收端无须提供发射端任何反馈， 也不会增加额外的计算复杂度。 冗余度存 在于多天线间， 而非时间域或者频率域， 所以本方案也不会增加带宽开销。 使用 v - b l a s t算法后，系统性能得到进一步改善。 本章结构如下， 第一部分介绍系统结构和定义描述， 第二部分介绍上行链路方 案， 第三部分介绍下行链路方案， 第四部分在标准移动无线电通信中的仿真和模 拟结果。第五部分是小结。 文 中 ， 向 量 和 矩 阵 用 黑 体 表 示， ( 了 () ” 和目 分 别 表 示 转 置 共 w