（通信与信息系统专业论文）cdma系统的空时多用户检测.pdf

中文摘要摘要多址干扰是c d m a 系统中最主要的干扰，它的存在能够引起“远近效应”，限制系统的容量，因此，各种抗多址干扰技术的研究具有重要的意义。多用户检测技术是c d m a 系统中最有效的抗多址干扰技术，它是一种从接收端的设计入手的干扰抑制方法。空时处理是借助阵列天线技术利用信号的空间特征来抑制干扰。将两者结合起来组成空时联合的多用户检测器是近几年来研究的热点。本文的研究内容如下：( 1 ) 最优空时多用户检测由于其计算复杂度随用户数的增长呈指数增长的趋势，无法实时实现。因此文中研究了次优的空时多用户检测技术中的解相关空时多用户检测技术，在此基础上提出了一种去偏的解相关空时多用户检测器，其计算复杂度较小，仿真实验也证明其性能优于一般的解相关空时多用户检测器，它适合于基站接收的情况。( 2 ) 研究了适合于移动台接收的基于g s c 算法的盲空时多用户检测，重点讨论了自适应跟踪信号主特征值算法对该检测器接收性能的影响，通过对仿真实验结果的分析证明这种方法是有效的。关键词：码分多址、多用户检测、空时处理、解相关、g 算法英文摘要t h et e c h n i q u eo fs p a c e t i m em u l t i - u s e rd e t e c t i o nf o rc d m as y s t e ma b s t r a c tm a j ( m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ) i st h ep r i m a r yi n t e r f e r e n c eo fc d m as y s t e m ，w h i c hc a l ll e a dt o “n e a r - f a re f f e c t a n dl i m i tt h ec a p a c i t yo ft h es y s t e m ，s ot h es t u d yo fa n t i m a it e c h n i q u eh a sg r e a ts i g n i f i c a n c e m u l t i u s e rd e t e c t i o n ( m u d ) t e c h n i q u ei st h em o s te f f e c t i v ea n t i - m a it e c h n i q u ei nc d m as y s t e m i ti sam e t h o do fa n t i - i n t e r f e r e n c eb a s e do nt h er e c e i v e r sd e s i g n w h i l es p a c e - t i m ep r o c e s s i n gr e d u c e st h ei n t e r f e r e n c ei nv i r t u eo ft h es p e c i a lp r o p e r t yo ft h es i g n a lo b t a i n e df r o mt h ea n t e n n aa r r a y c o m b i n i n gt h et w ot e c h n i q u e si n t os p a c e - t i m em u d ( s t - m u d ) i sh e a t e d l yd i s c u s s e di nr e c e n ts t u d i e s s u b o p t i m u ms t - m u di sw i d e l ys t u d i e db e c a u s eo p t i m u ms t - m u d sc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yi n c r e a s e si ne x p o n e n t 、i n lt h ei n c r e a s eo fu s e r s n u m b e r i nt h i sp a p e rt h ed e c o r r e l a t i n gs t - m u dt e c h n i q u ei ss t u d i e d ，b a s e do nw h i c had e - b i a s i n gd e c o r r e l a t i n gs t m u di sp r o p o s e d t h ed e - b i a s i n gd e c o r r e l a t i n gs t - m u d sc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yi sr e l a t i v e l ys m a l l ，a n di t sp e r f o r m a n c e sa r es u p e r i o rt ot h eo r d i n a r yd e c o r r e l a t i n gs t - m u d i ti ss u i t a b l ef o rt h es i t u a t i o no fb a s es t a t i o nr e c e i v i n g i nt h i sp a p e rt h eb l i n ds t - m u db a s e do ng s ca l g o r i t h mi sa l s os t u d i e dw h i c hi ss u i t a b l ef o r t h es i t u a t i o no fm o b i l ep h o n e sr e c e i v i n g 。k e yw o r d s ：c d m a 、m u l t i - u s e rd e t e c t i o n 、s p a c e - t i m ep r o c e s s i n g 、d e c o r r e l a t i o n 、g s ca l g o r i t h m大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕士学位论文：趔丕统的窒吐垒恿应捡测：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者獬：谣也年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办法 ，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于：论文作者签名：保密1 3不保密( 请在以上方框内打“4 )名：新瓤比日期：年月e tc d m a 系统的空时多用户检测1 1 论文背景及意义第1 章绪论移动通信，作为2 0 世纪9 0 年代通信行业最活跃、增长最快、商业前景最好的领域，得到突飞猛进的发展。实现了移动通信手机的重量从几公斤到几十克，移动网络从地区覆盖到全球覆盖的梦想。自从1 9 6 8 年贝尔实验室提出蜂窝移动通信系统的概念以来，移动通信己经经历了两代系统的演变，正在向第三代移动通信系统( 3 g ) 全面实用化迈进第一代移动通信系统是模拟蜂窝系统，采用f d m a ( 频分多址，f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术。典型系统包括北美的a m p s ( 先进移动电话系统，a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) 、英国的t a c s ( 全接入通信系统，t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 等。第一代系统在八十年代初实现了蜂窝网的商业化，是移动通信发展历史上重要的里程碑。模拟蜂窝系统的缺点是容量小，业务种类单一，传输质量不高，保密性差，制式不统一，且设备难以小型化。第一代系统已经逐渐被第二代系统所取代。第二代移动通信系统是窄带数字蜂窝系统，采用t d m a ( 时分多址，t i m ed i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 或c d m a ( 码分多址，c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 技术。典型系统包括欧洲的g s m ( 采用t d m a 技术，九十年代初商用) 系统、北美的i s - 9 5 ( 采用c d m a 技术，九十年代中商用) 系统等。第二代系统在容量和性能上都比第一代系统有了很大的提高，不仅可以提供话音业务，还可以提供低速数据业务。第二代系统使移动通信得到了广泛的应用和普及，取得了商业上的巨大成功。第二代系统的技术和性能还在不断的演进和提高，以提供更高速率的电路和分组数据业务服务。但是，由于第二代系统主要技术的固有局限，系统的容量和所能提供的通信业务难以满足个人通信应用高速增长的需求。进入2 1 世纪，移动通信市场正以前所未有的速度发展。随着移动通信用户数和i n t e r n e t 用户数的急剧增长，人们期望移动通信系统不仅具有更大的系统容量，绪论而且能支持话音、数据、图像、多媒体等多种业务的有效传输。于是，结合i n t e r n e t和高移动性的第三代移动通信系统应运而生。3 g 系统的应用和运营将成为整个2 l世纪通信发展的起点。随着移动通信与信息家电、消费性电子产品的结合成为未来的发展趋势，第三代移动通信系统将实现宽带和综合多种业务需求，不仅能提供高质量的语音业务，而且能提供高速率的数据传输业务。c d m a 因为具有系统容量大、抗干扰能力强、抗多径衰落能力强、频谱利用率高、发射功率低、保密性能好等优越性，使得c d m a 多址技术成为国际上i m t 一2 0 0 0 研究和开发的技术基础。对于峰窝移动通信，由于无线信号的传播是复杂的多径传播，引起传播信号的时间扩展、多普勒频率扩展及角度扩展，从而使基站接收信号时产生频率选择性衰落和时间选择性衰落，进而引起码间干扰( i s i ) ；同时，为节省频率资源，无线蜂窝网采用频率复用技术，这也会使基站接收希望用户信号的同时，产生同信道干扰( c c i ) 。特别地，对于c d m a 系统，由于所有的c d m a 用户占用同一时间和同一频带，唯一区别的是每个用户都有自己独特的相互正交或低相关的扩频码，接收端只借助各自的扩频码进行解扩，又由于多径衰落和异步传输等原因，使各个用户信号之间存在一定的相关性，这就是多址干扰( m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ，m a i ) 存在的根源。由个别用户产生的m 触固然很小，可是随着用户数的增加或信号功率的增大，m 甜就成为宽带c d m a 通信系统的一个主要干扰。m a j 的存在使传统的基于匹配滤波器的单用户检测器在接收远区( 或功率小) 的用户信号时，受到近区( 或功率大) 的用户的干扰，即存在“远近效应”问题，因而限制了系统容量，影响了其优势的充分发挥。而且，无线频谱是一种珍贵的资源，频谱有限而且昂贵。随着移动用户数的急剧增加和无线业务种类的不断增加，人类必须充分利用频率资源。因此提高给定带宽下的系统容量( 系统所能支持的最大总传信率) 具有非常重要的意义。多用户检测( m u l t i u s e rd e t e c t i o n ，m u d ) 技术是一种从接收端的设计入手的干扰抑制方法，它在传统检测技术的基础上，充分利用干扰用户的信息( 扩频序列相关特性，信号幅度变化，信号同步特征等) 来消除或减轻多址干扰和“远近效应”c d m a 系统的空时多用户检测的影响，以达到可靠地提取有用信号，进而增加通信系统容量的目的，因此可以更加有效地利用上行链路频谱资源，显著提高系统容量。空时处理是借助阵列天线技术利用信号的空间特征来抑制干扰。其基本思想是在基站采用阵列天线自适应地形成多个波束，分别跟踪多个共享同一信道的用户，并在接收时通过空域波束滤波抑制同信道干扰并将其分离；在下行发射时通过多波束形成使期望用户接收的信号功率最大，而其他位置上的非期望用户受到的干扰最小。把这两种技术在无线移动通信中结合起来则是近年来研究的热点1 。基于空时联合的m u d 相对于单纯时域m u d 有明显的优势：多径效应使小区内等效干扰数加倍，从而恶化m u d 的性能。尽管c d m a 系统可以采用r a k e 接收技术利用多径分量来增强信号，但仍存在大量不可被识别的多径分量，这些多径分量带来的后果是增强干扰，如果m u d 的前端将这些多径分量进行合并，就可以增强有用信号，削弱干扰，提高信噪比，减轻后端处理的负担。相邻小区的m m由于其特征难以被本地基站掌握，所以只能忽略或采用m m s e 检测自适应的抑制。但如果我们能使移动台的信号发射指向对应的基站，则它对相邻小区的干扰将比全向发射时大大削弱，被其干扰的小区数也会相应减少。发射端的空间信号处理技术减小了相邻小区的m 越，给m u d 的实现带来的好处是显而易见的1 。1 2 本人主要工作文献【5 0 提出利用v i t e r b i 算法的最优空时多用户检测。但是，由于最优空时多用户检测技术的计算复杂度高，无法实时实现，所以人们都在积极地研究一些次优的空时多用户检测技术。次优的空时多用户检测技术分为两类，即线性空时多用户检测和干扰对消空时多用户检测两个大类。本文主要研究了：( 1 ) 线性空时多用户检测中的解相关空时多用户检测技术，提出了一种新的去偏的解相关空时多用户检测器，它适合于基站接收；并且通过计算机仿真证明了这种去偏的空时解相关多用户检测器的性能优于有偏的空时解相关多用户检测器，同时其计算复杂度也大大降低。( 2 ) 基于投影子空间的g s c 算法的盲空时多用户检测，重点绪论推导了此盲空时多用户检测器自适应实现，最后用计算机仿真证明了本文的结论。本文是这样组织的：第l 章是本文的绪论部分，简要介绍了论文研究的背景和意义以及本文的内容安排。第2 章简要介绍移动通信系统中的几种多址方式，分析了频分多址技术、时分多址技术和码分多址技术的正交实现和各自的特点；介绍了直接序列扩频码分多址系统( d s c d m a ) 的原理及其无线信道和多径传输的问题，分析了系统中存在的多址干扰的问题；最后简要研究了一些常用的抗多址干扰的技术。第3 章介绍了最有效的抗多址干扰技术多用户检测技术的基本思想、性能测度以及目前的发展情况和一些主要算法并做了简单的性能分析。第4 章简要的介绍了智能天线技术以及空时二维处理的一些方法，并且提出了有关空时多用户检测的概念。第5 章利用空时信号模型分析了最优空时多用户检测和空时解相关检测的原理之后，提出了一种针对基站接收的新的去偏的空时解相关多用户检测器。仿真实验的结果说明了此检测器的优越性。这是本文的研究重点之一。第6 章研究了一种适合于下行链路接收的基于g s c 算法的盲空时多用户接收机，其中涉及到了如何将一个约束最优问题转化为无约束最优问题，并给出了其组成结构图，最后用仿真实验说明采用自适应跟踪信号特征向量的g s c 算法的优点，这是本文的研究重点之二。第7 章是本文的结论部分，总结了本文所提出的两种空时多用户检测器的特点与局限性，并指出了需要进一步研究的几个问题。c d m a 系统的空时多用户检测第2 章多址通信和d s - c d m a 系统2 1 多址通信方式及其正交实现多址通信技术是现代无线通信的基础，它为多个信道共用一条链路提供了可能性。多址技术可以被认为是一个滤波问题，许多用户同时使用同一频谱，然后采用不同的滤波器和其它处理技术，使不同用户的信号互不干扰地分别被接收和解调。多址通信技术的成功使多用户无线通信成为可能。多址通信技术是解决多用户共享有限无线频谱资源，提高系统容量的关键技术。2 ，1 1 概述多址通信技术的理论基础是信号的正交特性，即利用信号某个参量的正交性来区分无线电信号的目的地址。信号可以表示为时间、频率、码型和空间的函数，即：假定有k 个用户，第i 个用户的归一化信号表示为墨( f ) = f ( t ) q ( t )( 2 1 1 )式中厂( f ) 是用户i 的信息信号，在数字通信中可以是数字序列；g ( f ) 是i 用户的载波，其参量称为复接参量。为了置个用户的信号互成正交，必须满足条件享 s i ( t ) s j ( t ) d t = 乩2 ，k汜m ，式中，t 是信号互相正交的周期，称为正交周期，对于数字信号是数据符号宽度。将式( 2 1 1 ) 代入，得p 乃( t ) q ( t ) c j ( t ) d t = 慧；对于数字信号，信息符号在持续时间t 内的归一化值是1 ，由上式可得正交条件为多用户检测技术及其性能分析! g o ) 勺o ) 出= 三：三二l _ ，= 1 ，2 k( 2 1 3 )式( 2 1 3 ) 表示，为了多址接入，要求载波在其复接参量空间是正交的。所以，多址问题是载波及其复接参量的选择和设计问题。基本的载波有余弦波和脉冲序列，复接参量有频率、时间、标记、空间等。如果以传输信号的载波频率的不同来建立多址方式，称为频分多址( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，f i ) m a ) ，即它把通信系统的总频带划分为若干个等间隔的频段，每个用户占有其中一个频段进行通信：以传输信号的存在时间的不同建立多址方式，称为时分多址( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) ，即一个帧周期被划分为若干个时隙，移动台只在指定的时隙内发送和接收信息；以传输信号特征码型的不同来建立多址方式时，称为码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) ，即不同的用户靠不同的编码序列即扩频码来区分；以传输信号在空间的导向波束建立的多址方式称为空分多址( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，s d m a ) 。频分多址是基础，其他多址方式都可与其结合，如构成频分时分多址和频分码分多址等。多种多址方式结合也是可以的，例如频分、码分、时分三结合。目前，在移动通信系统中所采用的主要有三种：频分多址、时分多址和码分多址【l 】【3 】。多址方式的特点是通信资源的复用。频分多址是频率资源的复用，它是频率受限和干扰受限的；时分多址系统是时隙资源的复用，它是时隙受限和干扰受限的；而码分多址系统是码型资源的复用，在频带和时隙的分配上都不受限制。2 1 2 时分多址( t d m a ) 方式式中在式( 2 1 3 ) 中，假定第f 个用户的复接参量是矩形序列：q ( f ) - - z h ( t - i t , - n t )( 2 1 4 )c d m a 系统的空时多用户检测j l ( f ) = u r ( t )啪，= 三。巍丁式( 2 1 4 ) 表示单位矩形序列，其矩形的宽度是r ，周期是r ，第f 个用户的起始时刻是i i 。此序列称为时间复接序列，t 称为时隙，丁称为重复周期或正交周期。由此可知，矩形脉冲表示用户信号的导通时间，称为时隙( t i m es l o t ) 。一个正交周期丁的时间构成一帧。每帧给每个用户分配一个时隙，因此，每个信道可以看作是每一帧都出现的确定性时隙。t d m a 具有以下特点：1 ) 在t d m a 系统中，用户的数据发送是不连续的突发形式。在不使用时，发射机自动关掉，所有用户的电池消耗较少。但是由于是突发发射，t d m a 系统需要较高的同步和过度保护开销。2 ) 因为t d m a 使用不同的时隙进行发射和接收，所以不需要双工器。即使使用频分双工技术，用户装置中只需要一个转换开关就可以完成接收机和发射机之间的切换。3 ) t d m a 信道通常频带较宽，需要自适应均衡器，以消除字符间的干扰。4 ) t d m a 的一个重要优点是它可以分配一帧中不同数目的时隙给不同的用户。因此，可以根据用户的要求，按照优先权自动分配时隙，以提供不同的带宽。2 1 3 频分多址( f d m a ) 方式在式( 2 1 1 ) 中令则式( 2 1 3 ) 变为c ( t ) = c o s ( 2 r f t )( 2 1 5 )多用户检测技术及其性能分析，q ( t ) c j ( t ) d t =rt 十s i n ( 4 n _ f f t 一) f - j f28 x f。缸2 坐2 x ( f ，铲+ 业2 n - ( f ，掣卜q l6 j一)+ 乃)j。如果z 和z 一兀足够大，式( 2 1 6 ) 可近似为正交：弘啪，d t = 臻二汜 ，由此可见，频分多址是把通信系统的总带宽划分为若干等间隔的频道( 或称信道) ，分配给不同用户使用的一种多址技术。在f d m a 通信系统中，用户不能共享同一频段，并且频道不能相互交叠，所以通常要在频道之间设置保护频带。因为频道和移动用户是一一对应的，只要知道频道号就可以实现选址通信。f d m a 的特点如下：1 )f d m a 信道不容易进行自适应调度。虽然信道处于空闲状态，也不能被其他用户利用以共享系统容量，从而造成资源浪费。2 )与t d m a 系统相比，f d m a 系统要简单得多。3 )f d m a 工作在连续发送方式，所以与t d m a 系统相比，可以用较少的比特开销来进行同步和组帧等系统操作。4 )由于发送机和接收机工作在同一时间，所以f d m a 移动设备必须使用双工器，从而增加了f d m a 用户单元和基站的成本。2 1 4 码分多址( c d m a ) 方式时分多址和频分多址方式是将频率和时间资源进行分割，并分配给不同的用户。频分多址是以频道的不同来划分地址，具有独占频带，但共享时间资源的特点。时分多址是以时隙的不同来区分地址，独占时隙，而共享频率资源。然而码分多址系统是基于码型分割信道，每个用户分配唯一的一个地址码，共享频率和时间资源。c d m a 系统的空时多用户检测码分多址是分配不同的签名序列( s i g n a t u r es e q u e n c e ) ( 或称为扩频序列，特征序列) 给不同的用户，该标记序列对携带信息的信号进行调制或扩频。在接收端，通过求接收信号与签名序列的互相关，来分离出各用户的信号。假定q ( t ) 是签名序列：c f ( f ) = p f ( ，1 ) ( f 一皿) i = 1 2 k( 2 1 8 )式中，见( ，1 ) = + - 1 是n 时刻的脉冲的随机系数； ( f ) 是宽度为乏的脉冲波形，称为码片( c h i p ) ；瓦是码片持续时间( c h i pd u r a t i o n ) ，也称为码宽。信号的正交条件决定于c i ( t ) c j ( t ) d t = 臻乩2 k。亿)式中，r 是信号五( f ) 的正交间隔，或称为正交周期。对于数据信号，这就是符号宽度或比特宽度。签名序列的要求就是其正交性和有足够的数量可供使用。有必要指出，特征波形的正交性对c d m a 并不是必不可少的条件。实际中，常用特征波形之间的相互干扰足够小这一要求取代特征波形正交的要求。这就需要仔细选取特征波形，使得它们的互相关相对于特征波形的能量j ：算( f ) 出足够小。去掉正交特征波形这一条件约束即准正交，可以使c d m a 成为多用户系统一种颇具吸引力的多址技术，因为它会带来以下几点主要好处删：1 ) 用户可以是非同步的，即它们的定时不需要一致，而且通过适当设计扩频特征波形，还可保留“拟正交性 。2 ) 同时使用的用户数不再要求是特征波形时宽一带宽乘积的2 倍。3 ) 信道资源的共享本质上是动态的：可靠性取决于实际用户的个数，而不是c d m a 系统的潜在用户的个数( 它通常比实际用户数大得多) 。因此，和正交多址技术不同，非正交多址技术能够兼顾接收质量与系统容量之间的矛盾。c d m a 具有以下方面的特点：多用户检测技术及其性能分析1 ) t d m a 和f d m a 的复用是预先计划好的，不能随便更改，是一种固定的复用形式。c d m a 与之不同，是干扰受限的复用，其容量是软的。增加c d m a系统中的用户数只是增加干扰背景，不致引起用户的无法接入。因此c d m a中的用户数不存在绝对限制，但随着用户数的增加，所有用户的通信质量会逐渐下降，当用户数减少时，质量又会提高。这是一种统计复用的形式。2 ) 扩频有频率分集的作用。由于信息数据扩频后，其频谱在一个很大的频带范围内，所以有能力将多径分离，而后加权相加。这是r a k e 接收机的分合机制，可以有效地减少多径衰落的影响。3 ) 由于c d m a 使用同载波，所以可以使用空间宏分集来进行软切换。软切换由移动交换中心( m o b i l es w i t c h i n gc e n t e r ，m s c ) 执行，可以管理和控制其所辖的移动用户，以在任意时刻选择最好的链路，而不用切换频率。4 ) 白干扰是c d m a 系统中的一个问题。不同用户的扩频序列不完全正交是产生白干扰的原因。如果其他用户比所需要用户具有更高的比特能量，接收机就会出现远近效应。精确的功率控制是必要的。2 2d s - c d m a 系统概述c d m a 多址技术基于扩频技术，将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原始数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端由使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。2 2 1 扩频技术扩展频谱( 简称扩频) 通信技术是一种信息传输方式：被发射的调制信号在发射到信道之前，其频带被扩大若干倍( 简称扩频) ；而在接收端，接收信号的频带则被缩小相同倍数( 简称解扩) 。由于系统中的干扰是在发射信号被扩频之后才加入的，所以接收端的解扩操作在将期望信号缩回到原来的带宽的同时，还会将非期望信号( 即干扰) 的带宽扩频到同一倍数，从而使窄带干扰变成了宽带c d m 慷系统的空时多用户检测干扰，减小了其功率谱密度。因此，扩频可以用来减小干扰对接收性能的影响，实现了抑制窄带干扰的目的，并且扩频越宽，窄带干扰的抑制能力就越强。将数据扩频的做法是用扩频( 码) 序列与待发射的信息信号( 即数据比特)相乘，扩频序列应具有以下的特性：1 ) 扩频序列是不可预测的、伪随机的宽带信号；2 ) 扩频序列的带宽远大于欲传输数据( 信息) 的带宽。此外，接收机中必须有与带宽载波同步的扩频序列副本。采用伪噪声序列可以使扩频序列是不可预测的、伪随机的带宽信号。伪噪声( p n ：p s e u d o n o i s e ) 序列也称为伪随机序列，是用确定方法产生的序列，但它却近似具有随机产生的序列所希望的某些关键随机特性。几种常用的伪噪声序列有：1 1 1 序列，g o l d 序列、k a s a m i 序列，w a l s h h a d a m a r d 序列。在c d m a 系统中，每个用户都分配一个特定的伪随机序列( 称为特征序列) ，为了抑制多个用户共用同一频道( 信道) 引起的同信道干扰( c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) ，为不同用户设计的特征序列应该彼此正交，这意味着它们的互相关函数理论上应该等于零。然而，实际使用的伪噪声序列总是具有非零的互相关函数，因此要求各个伪随机序列之间的互相关函数应该尽可能小。扩频的应用有两种方法：直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a d i n g ，d s ) 或简称为直扩和跳频( f r e q u e n c yh o p p i n g ，f h ) 扩频。跳频扩频方式在军事上被广泛采用，然而由于这种方式对频带的利用率低，在商用蜂窝系统中很少采用。在移动通信及个人通信网络中一般采用直扩码分多址方式。2 2 2 扩频通信的理论基础扩频通信的理论基础来源于信息论和抗干扰理论。仙农( s h a n n o n ) 在其信息论中得到如下有关信道容量的有名公式：c = w l 0 9 2 ( 1 + 剐n )c ：信道容量w ：信道宽度s ：信噪比这个公式可以得到一个重要的结论：对于给定的信道容量c 可以用不同的带宽w 和信噪比s 的组合来传输。若减小带宽则必须发送较大的信号功率( 即较多用户检测技术及其性能分析大的信噪比s n ) ，若有较大的传输带宽，则同样的信道容量能够用较小的信号功率( 较小的信噪比s ) 来传送，这表明宽带系统表现出较好的干扰性。因此，当信噪比太小，不能保证通信质量时，常采用宽带系统，也就是用增加带宽( 展宽频谱) 来提高信道容量，以改善通信质量，这就是通常所谓用带宽换功率的措施。扩频通信就是将信息信号的频谱扩展1 0 0 倍以上，然后再进行传输，因而提高了通信的抗干扰能力，使之在强干扰情况下( 甚至在信号被噪声淹没的情况下)仍然可以保持可靠的通信。2 2 3d s - c d m a 的系统原理直接序列扩频多址( d s c d m a ) 习惯上称为码分多址( c d m a ) ，其关键技术实质上是p s k 技术。c d m a 系统的基本框图如图2 1 所示。图中，信息数据f ( t ) 是数据流，其矩形脉冲宽度为t ；签名序列c ( f ) 是p n 序列或者正交序列，码片宽度为c ；码片的时钟频率为正= 1 乙，且有关系t = g i ，g 是扩频增益或者说是处理增益；r 是信息符号速率，r = 1 瓦= c t = g r ；z ( f ) 是噪声和干扰，包括其他用户的信号。图2 1 c d m a 基本框图f i g 2 1c d m ab a s i cf i g u r ec d m a 系统的空时多用户检测收发的签名序列和积分的选通脉冲分别与收发码片时钟同步。选通脉冲用于取出积分结果，并使积分器复原。收发时钟通过同步信道取得同步。图中没有画出r f 部分，仅画出了所谓的基带部分，便于说明c d m a 的工作原理。由图可得w ( f ) = ，( f ) c ( f ) + z ( f )( 2 2 1 )令输入数据流为，( f ) = g ( 卜红)( 2 2 2 )式中，奢( f ) 是持续时间为互的单位矩形脉冲，且有i = g l ；而吼是随机变量，取值服从下述关系：i1概率为p以2 1 1概率为( 卜p )通常p = 1 2 。将式( 2 2 2 ) 带入( 2 2 1 ) ，得w ( r ) = 吼g ( t - k t , ) c ( t ) + z ( t )( 2 2 3 )判决输入为r) ，( f ) = ，w ( f ) c ( t ) d t0将式( 2 2 3 ) 代入( 2 2 4 ) ，考虑到积分周期i 有：) ，( f ) = ，口tg ( f 一七互) c ( f ) c ( f ) d t + z ( f ) c ( t ) d ti 。t( 2 2 4 )：羔7 删卜皿肌) 砸) 出+ k ) c ( 撇( 2 2 5 )= 弛) + z ( f ) = 五( f ) + z ( f t = 考虑到，( f ) 有很多项，其中，k = o 的项有 ：o ( f ) = a o g ( t ) c 2 ( t ) d t = a o c 2 ( t ) d t = a o g多用户检测技术及其性能分析依此类推，可得f ( t ) 。于是有) ，( f ) = g a k + z ( f )( 2 2 6 )t = 4式( 2 2 6 ) 显示，由于扩频，接收的信号增大为原来的g 倍，所以g 称为扩频增益( 或称为处理增益) 。由于其他用户的签名序列不是c ( f ) ，它们与c ( f ) 的互相关性等于0 或很小。这部分称为多址干扰。噪声经过与c ( f ) 的积分处理，犹如通过低通滤波器，能量减少，因此z ( f ) 的影响力下降，经过判决，如果s n r 达到要求，其输出为，( f ) = g ea k g ( t 一七i ) = 厂( f )( 2 2 7 )k = - - - -2 2 4d s - c d m a 系统的无线信道和多径传播信道是发射机和接收机之间传输媒介的总称，是任何一个通信系统不可缺少的组成部分。根据传输媒介的不同，物理信道可以分为有线信道和无线信道。无线通信系统的性能要受到移动无线信道的制约。由于无线信道的复杂性，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称为多径传输。电磁波的传播形式主要有反射、绕射和散射三种基本传播方式。移动通信中的信道是一种时变信道。接收信号的功率可以表示为p ( d ) = l a l s ( d ) 尺( d )式中d 表示距离向量，其绝对值例表示移动用户与基站的距离。上式表示信道对无线电信号的影响可归纳为三类：1 ) 自由空间的路径损失( 也称传输损失) ：i d l 一；2 ) 阴影衰落s ( d ) ：由传输环境中的地形起伏、建筑物和其它障碍物对电波的阻塞或遮蔽而引起的衰落；3 ) 多径衰落r ( d ) ：由移动传播环境中的多径传输而引起的衰落。c d m a 系统的空时多用户检测事实上衰落决定了移动通信无线信道的特征。衰落是由阴影和多径效应造成的信号电平的扰动。在此后的章节中，我们主要考虑由多径效应引起的衰落。多径效应是在信号传播过程中，由于反射和绕射而产生的接收路径的异化现象。多径效应使基站向空间各方向发出的电波反射或折射成多个信号来到接收点。由于各传播路径长短不同，同一发射信号通过它们到达接收点的诸子信号有不同的相位和幅度。这些子信号以矢量形式相加，其总信号的幅度将随信号发射点或接收点的相对移动而变化。多径效应带来的这种多径衰落变化快，幅度大，也称快衰落或多径干扰。多径效应不但导致衰落，还产生信号的时延扩展，研究和分析表明：如果已调制信号的持续时间比传播路径延迟的展宽大的多，信道对信号的影响很小，甚至不带来线性失真。此时信道是平衰落( f l a t ) 的或频率非选择性( f r e q u e n c y n o n s e l e c t i v e ) 衰落信道；反之，如果调制信号的持续时间比传播路径延迟的展宽小，则信道对信号造成线性失真，此时，信道属于频率选择性( f r e q u e n c y s e l e c t i v e ) 衰落信道。频率选择性衰落带来信号的频率失真，特别是相位失真会造成脉冲展宽，从而构成码间干扰。在直接序列一码分多址( d s c d m a ) 通信系统中，多径既有正面作用，也有负面影响。一方面，独立衰落的各个路径可能是分集的一个有用的资源，这是多径的正面作用。另外一方面，多径又会产生与时分多址( 1 d m a ) 中的码间干扰类似的( 路) 径间干扰；在使用正交扩频码的情况下，它还会引发多址干扰，这些是多径的负面影响【1 】【2 】。2 2 5d s - c d m a 系统中存在的多址干扰问题d s c d m a 系统具有以下优点：1 )通信容量大，通信容量软特性，在d s c d m a 系统中，多增加一个用户，只会使通信质量略有下降，不会出现硬阻塞现象。2 )可以与视距微波通信共享一个频段，这可以充分利用现有的频段，使之发挥更大的效益。3 )能充分利用话音的统计特性，采用间断传输技术，研究证明可以使系统中多用户检测技术及其性能分析的多址干扰减少一半以上。4 )由于扩频而带来的低的信号功率谱密度使得d s c d m a 具有较强的抗窄带干扰能力，和对窄带系统的干扰较小的特点。除了以上的几点优点外，它还有不需要时间保护时隙、不需要复杂的频率管理等优点，这使得d s c d m a 成为新一代以及未来个人通信中最具有竞争力、最有前景的无线多址技术。但是d s c d m a 也存在不少的缺点。由于d s c d m a 系统使用的扩频码集一般非严格正交，又由于多径和异步等原因使得各用户间的信号存在一定的相关性，引起用户间的相互干扰称为多址干扰。它是d s c d m a 系统中的一个主要干扰，多址干扰的存在带来两个问题：a ) 系统容量受到限制。随着同时接入系统用户数的增加，检测性能随之下降。因此减小多址干扰将增加系统的容量。b ) “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，使得基站接收到的各用户信号功率可能相差很大，强信号对弱信号产生明显的抑制，使弱信号的接收性能很差甚至无法通信。因此，缓解多址干扰的影响成为一个引人注目的课题。2 3 抗多址干扰技术概述上一节提到了多址干扰是c d m a 系统中最主要的干扰，影响了c d m a 系统的优势的充分发挥，这一章我们重点介绍一些常用的抗多址干扰技术。2 3 1 减小互相关由于系统中各用户信号的互相关不为零才会产生多址干扰，因此减小互相关是抗多址干扰的方法之一。减小互相关可以通过设计正交性优良的签名序列使各用户的互相关为零，由于正交序列数量有限，如n 阶正交w a l s h h a d a m a r d 序列的总个数只有n 。m 序列的问题是，用长度m 的线性反馈移为寄存器能产生的序列数太少，同时只有少量的序列对有好的互相关性能。故常采用g o l d 序列作为签名序列，它们是由一对优选的m 序列循环位移结果相加而得到的，g o l d 序列具有低c d m a 系统的空时多用户检测互相关峰值并且数量也较大。文献 9 中介绍一种l o g i s t i c 混沌扩频序列，以它作为扩频地址码也具有良好的类随机性和确定性。2 3 2 减轻远近效应在d s c d m a 系统的反向链路中，如果各用户发射的信号功率相同，基站接收到近距离用户的功率就会比远距离用户信号的功率大的多，因此近距离用户对远距离用户产生的多址干扰十分严重，这种情况称为“远近效应”。使用功率控制的系统利用基站对接收信号功率的估计来控制用户的发射功率，补偿由于路径损耗而造成的接收信号功率的起伏，均衡基站的接收功率。如果接收功率变化不太快，功率控制可以使所有的接收功率维持在某一个合适的水平。如果能够准确地估计接收功率，则称为完美的功率控制。但是在实际应用中，因为受功率估计的精度、功率控制算法的响应速度等因素限制，完美的功率控制几乎是不可能的，而不完美的功率控制相对于完美的功率控制而言，会导致明显的系统容量损失。2 3 3r a k e 接收机r a k e 接收机是用来解决移动通信信道的多径问题，由l h i c e 与g r e e n 9 1 于1 9 5 8年首先提出来。r a k e 接收机的原理就是使用相关的接收机组，对每个路径使用一个相关接收机，各相关接收机与同一期望( 被接收的) 信号的一个延迟形式( 即期望信号的多径分量之一) 相关，然后这些相关接收机的输出( 称为耙齿状输出)根据它们的相对强度进行加权，并把加权后的各路输出相加，合成一个输出。加权系数的选择原则是使输出信噪比为最大。利用r a k e 接收机实现时间分集也可带来额外的信噪比，相当于削弱了m a j 的影响。2 3 4 增加用户的可辨性一使用自适应天线阵列传统的单用户检测器仅利用扩频码之间的互相关特性来区分各用户信号，如果能够增加用户的可辨性、进一步区分各用户的信号，就可以减小各用户之间的干扰。各用户的信号在空间上有一定的分布，因此不同的空间特性也可以用来区分用户。在基站使用自适应天线阵列，既可以通过每个天线单元上接收信号的幅度和载波相位来区分用户，从而减小来自本小区甚至邻近小区的其它用户干扰；多用户检测技术及其性能分析又可以通过定向发送减小各小区基站发向其他用户的信号对期望用户的干扰。基站使用天线阵列定向接收与发送的优点是显而易见的，用户方也无需付出额外的代价o 基站使用天线阵列来接收有两种不同的方法：一种方法是采用较多的天线单元，各指向性天线仅接收一个窄角度内的信号，若每个天线单元都指向一个特定的用户，则该用户的信号被天线增益加强，此方向的其它多址干扰被削弱，从而实现抗多址干扰，这种方法显然硬件代价较高；另一种方法是采用较少的天线单元，每个天线单元均接收所有用户的信号，再针对各个用户将各天线单元的接收信号按所需加权值进行最佳组合。为了抗多址干扰，己经提出了多种空间一时间处理方法和最佳组合方案，这些方法己经成为扩展系统容量的有效途径。2 3 5 多用户检测技术总的来说，以上各种抗干扰技术都具有一定的抗多址干扰能力。其中，减轻远近效应、减小互相失、增加用户可辨性等技术都是直接降低干扰强度的方法，而最佳接收机则是从多址干扰的特性出发设计的能够抑制多址干扰的接收机。但是，它们存在如下的缺点：利用功率控制来减轻远近效应、设计特殊码型来减小互相关以及各种增加用户可辨性的方法虽然实现起来比较简单、硬件代价较低，但是性能改善有限；最佳接收机的自适应检测器需要极少的先验知识、性能优越、结构也比较简单，但多数都需要训练序列，而且自适应算法都很复杂，难以实现。并且，以上提出的几种方法均未考虑m a i 的结构特征，因此这些方法可以削弱却不能从根本上消除m 址。有别于上述方法的是将多址干扰视作信息的一部分，综合考虑各个用户的各种信息对所有用户的信号进行联合检测，这就是多用户检测。它是从接收机的设计入手的干扰抑制方法，也称为多用户解调或联合检测，具有优良的抗干扰性能，降低了系统对功率控制精度的要求，能显著提高系统容量。但是检测每一个用户的信息都需要综合考虑所有用户的信息，必然使得接收机的结构十分复杂，需要大量的运算。有关多用户检测的具体内容将在下一章具体介绍。c d m a 系统的空时多用户检测2 4 本章小结本章简要介绍了三种多址通信方式，频分多址、时分多址、码分多址的特点及其正交实现，直接扩频序列码分多址( d s c d m a ) 通信系统的原理及其无线信道特性和多径传输的问题，并提出了此系统中存在的多址干扰问题，最后简单研究了一些常用的抗多址干扰问题，最后简单介绍了一些常用的抗多址干扰的技术及其优缺点