（信号与信息处理专业论文）cdma通信系统中多用户检测技术的研究.pdf

the research of multi-user detection technologies for cdma communication systems a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by sujie zhou supervisor: associate prof. binglian zhu major: signal and information processing college of communication engineering of chongqing university, chongqing, china. april,2008 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 码分多址（cdma）系统是一个干扰受限系统，系统中存在多址干扰和远近 效应，这两种因素是限制 cdma 系统容量的主要因素。多用户检测技术是第三代 移动通信系统的关键技术之一，可以有效的抵抗多址干扰和远近效应，显著的提 高系统容量。 本文综述了现今多用户检测算法的发展动态，并对传统的基于恒模算法的盲 多用户检测算法做出了改进。前人的大部分研究都是假设信道噪声为高斯白噪声， 而在此条件下提出的各种多用户检测算法在脉冲噪声存在的情况下出现了明显的 质量下降。但是，实际的物理信道中的噪声又往往是非高斯分布的，而是伴随着 大量的脉冲噪声。 本文详细地论述了一种重要的非高斯分布模型， 即稳定分布模 型，并采用它来模拟实际物理信道中存在脉冲干扰的噪声，并提出了几种新的适 用于脉冲噪声中的多用户检测算法。论文的主要内容和贡献概括如下： 深入研究了基于恒模算法的盲多用户检测技术，针对恒模算法在迭代过程 中受迭代步长影响的特点，提出了一种优化步长的改进算法，仿真结果表明该算 法可以有效地提高系统收敛速度。 重点研究了脉冲噪声中的盲多用户检测技术。采用稳定分布来模拟实际 信道中存在的脉冲噪声，通过广义正态信号处理中的分数低阶矩理论，提出了几 种有效的方法，包括基于最小 p 范数准则、基于广义恒模算法以及基于最小二乘 广义恒模算法的盲多用户检测技术。计算机仿真结果表明所提出的这几种方法不 仅适用于高斯白噪声背景，而且在脉冲噪声中也能够有效的抑制脉冲噪声带来的 干扰和抑制多址干扰，具有很好的韧性。 关键词关键词：多址干扰，多用户检测，恒模算法，稳定分布， 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract code division multiple acess (cdma) is a self-interfered system, where multiple access interference (mai) and near-far effect existing as the main factors restricting cdma system capacity. multi-user detection is one of the key techniques in the 3g mobile communication systems, which eliminate the multiple access interference and relaxes the near-far effect, and consequently increase the capacity of the system. this thesis focuses on the recent multi-user detection algorithms, and an improved multi-user detection algorithm based on the conventional constant modulus algorithm is given. the conventional multi-user detection methods which are under the condition of awgn (additive white gaussian noise) channel assumption will incur significant performance degradation when there is impulsive noise in the channel. however, many physical channels, in the real situation, are not awgn but coexisted with the impulsive noise. an important non-gaussain distribution model called stable distribution is introduced. here, the stable distribution is adopted to imitate the impulsive noise occurring in many physical channels, and several new blind multi-user detection methods for impulsive noise assumption are been proposed. the main research work and contributions of the thesis are summarized as follows: the blind multi-user detection method based on constant modulus algorithm (cma) is further researched. the convergency performance of cma is affected by the iterative step. to solve this problem, a modified method called optimal interative step method is proposed. the simulation results indicate that the modified method offers a faster convergency speed. the main research focus on the blind multi-user detection algorithm in impulsive noise. the stable distribution is adopted to imitate the impulsive noise channel. based on the theory of generalized normal-distribution signal, several new blind multi-user detection methods for impulsive noise channel assumption are proposed. these methods are based on least p-norm, generalized cma and least squares generalized cma. simulation results indicate these methods are robust and can resist mai in both awgn channel and impulsive noise channel. keywords: multiple access interference, multi-user detection, constant modulus algorithm, stable distribution 重庆大学硕士学位论文 目 录 iii 目 录 中文摘要中文摘要 i 英文摘要英文摘要 ii 1 绪论绪论 1 1.1 现代移动通信系统发展状况现代移动通信系统发展状况 1 1.2 cdmacdma 技术的主要特点技术的主要特点 2 1.3 多用户检测的历史和发展现状多用户检测的历史和发展现状 4 1.4 论文内容和章节安排论文内容和章节安排 6 2 cdma 通信系统中的多用户检测技术通信系统中的多用户检测技术 7 2.1 cdmacdma 信号模型信号模型 7 2.2 传统检测器传统检测器 8 2.3 多用户检测技术的基本原理多用户检测技术的基本原理 9 2.4 多用户检测技术的分类多用户检测技术的分类 12 2.5 几种典型的多用户检测技术几种典型的多用户检测技术 14 2.5.1 解相关检测器 14 2.5.2 线性 mmse 检测器 16 2.5.3 最小输出能量盲检测器 16 2.5.4 基于子空间盲检测器 17 2.6 本章小结本章小结 18 3 基于恒模算法的盲基于恒模算法的盲多用户检测多用户检测 19 3.1 加性高斯白噪声信道模型加性高斯白噪声信道模型 19 3.2 基于标准恒模算法的多用户检测基于标准恒模算法的多用户检测 20 3.2.1 标准恒模算法 20 3.2.2 基于标准恒模算法的多用户检测 20 3.2.3 仿真结果与分析 21 3.3 基于标准线性约束恒模算法的多用户检测基于标准线性约束恒模算法的多用户检测 22 3.3.1 标准线性约束恒模算法准则 22 3.3.2 算法的抗多址干扰能力分析 22 3.3.3 基于标准线性约束恒模算法的多用户检测 24 3.3.4 仿真结果与分析 24 3.4 基于优化步长标准线性约束恒模算法的多用户检测基于优化步长标准线性约束恒模算法的多用户检测 26 3.4.1 优化步长标准线性约束恒模算法 26 重庆大学硕士学位论文 目 录 iv 3.4.2 仿真结果与分析 27 3.5 本章小结本章小结 29 4 稳定分布与广义正态信号处理理稳定分布与广义正态信号处理理论论 30 4.1 稳定分布及性质稳定分布及性质 30 4.1.1 稳定分布的概念 30 4.1.2 稳定分布的性质 33 4.2 分数低阶统计量分数低阶统计量 34 4.2.1 分数低阶矩 34 4.2.2 负阶矩 35 4.2.3 零阶矩 36 4.3 共变及其应用共变及其应用 36 4.3.1 共变的概念 36 4.3.2 共变的主要性质 37 4.4 广义正态信号处理理论基本理论广义正态信号处理理论基本理论 38 4.4.1 稳定分布随机变量的线性空间 38 4.4.2 稳定分布过程的线性理论 38 4.4.3 最小平均 p 范数的时域自适应滤波 39 4.4.4 递推最小平均 p 范数的时域自适应滤波 40 4.5 本章小结本章小结 40 5 脉冲噪声中的盲多用户检测技术脉冲噪声中的盲多用户检测技术 41 5.1 基于最小基于最小p p范数的盲多用户检测技术范数的盲多用户检测技术 41 5.1.1 信号模型 41 5.1.2 最小 p 范数盲多用户检测算法 42 5.1.3 仿真结果与分析 44 5.2 基于广义恒模算法的盲多用户检测技术基于广义恒模算法的盲多用户检测技术 46 5.2.1 广义恒模算法 46 5.2.2 仿真结果与分析 47 5.3 基于最小二乘广义恒模算法的盲多用户检测技术基于最小二乘广义恒模算法的盲多用户检测技术 50 5.3.1 最小二乘广义恒模算法 50 5.3.2 实验仿真结果与分析 52 5.4 本章小结本章小结 55 6 总结与展望总结与展望 56 6.1 全文工作总结全文工作总结 56 6.2 后续研究工作展望后续研究工作展望 56 重庆大学硕士学位论文 目 录 v 致致 谢谢 58 参考文献参考文献 59 附附 录录 62 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 绪论 1.1 现代移动通信系统发展状况 进入二十一世纪，移动通信作为通信行业最活跃、增长最快、商业前景最好 的领域，正在突飞猛进的发展。自从 70 年代美国贝尔实验室提出蜂窝通信移动通 信系统的概念以来1，移动通信已经历两代系统的演变，正迈进第三代移动通信系 统 （3g，third generation） 。 第一代移动通信系统 （1g，first generation） 于 20 世纪 70 年代末、80 年 代初，发展起来并大规模投入商用。1g 最主要的技术特征是采用模拟技术2，即 功能模块用模拟电路单元实现，采用频分多址 （fdma，frequency division multiple access） ，模拟调制方式和蜂窝结构等技术。其代表系统有美国的 amps （advance mobile phone system ） ，英国和欧洲的 tacs（total access communication system） 。1g 系统的主要缺点是频谱利用率低，系统容量有限，抗 干扰能力差，业务质量比有线电话差，并且由于当时国际标准化落后于应用而有 多种系统标准，跨国漫游很难，不能发送数字信息，不能与综合业务数字网兼容， 已不能满足日益增长的移动用户的要求，因此第二代移动通信系统应运而生。 第二代移动通信系统 （2g，second generation） 发展于 80 年代中期，是随 着超大规模集成电路和计算机技术的飞速发展，以及数字信号处理技术的日益成 熟而发展起来的数字移动通信技术3。2g 系统采用数字调制技术、时分多址 （tdma， time division multiple access） 技术和码分多址 （cdma， code division multiple access） 技术。2g 系统的代表包括欧洲的 gsm （global system for mobile communication）系统和美国的 is-95（interim standard-95）系统。2g 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 低速率数据业务。第二代系统使移动通信在全球范围内得到广泛应用和普及，取 得了商业上的巨大成功。目前无论是 gsm 或 is-95 都已经提供令人基本满意的话 音质量和通信稳定性，但其数据传输速率低，数据业务有限。随着人们对通信业 务范围和业务速率要求地不断提高，已有的第二代移动通信系统网将很难满足新 的业务需求。为了适应市场的需要，人们提出了第三代移动通信即 3g。第三代移 动通信系统的目标是提供多种类型的高速多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具 有全球漫游能力，与固定网络兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何地点 进行任何种类的通信4。 第三代移动通信系统能够满足国际电联提出的imt-2000/fplmts系统标准的 新一代移动通信系统，具有很好的网络兼容性，能够实现全球范围内多个不同系 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 2 统间的漫游，不仅要为移动用户提供话音以及低速率数据业务，而且要提供广泛 的媒体业务。第三代移动和个人通信系统的最终目标就是将世界上所有的蜂窝网 络系统、无绳系统、无绳本地环路、无绳局域网终点、专用移动广播和寻呼结合 在一起，形成一个功能强大的网络，实现任何人在任何地点、任何时间与任何人 都能够便利地通信。第三代移动通信系统标准主要采用码分多址技术，这是因为 cdma 系统有着很多的优点：固有的抗多径衰落能力，可以运用话音激活技术增 加系统的容量，减少传输功率，具有软切换和软容量，系统容量大，保密性能好 且组网简单等。根据国际电信联盟提出的标准，世界各大电信公司均已提出了自 己的第三代移动通信系统方案，其中国际电信联盟接纳的标准有以下三种1： 1宽带 cdma（或称 wcdma）由日本无线工业及商贸联合会（arib）在 日本建立的 cdma 方案与欧洲电信标准化协会（etsi）的 cdma 方案融合而成。 代表厂商有爱立信、诺基亚和 ntt 等。 2cdma2000 由美国为响应 itu 无线传输技术方案征集活动而专门成立的 无线传输技术评估组 tlatr45.5 提出。代表厂商为高通、摩托罗拉、北方电讯、 朗讯和三星电子等。 3td-scdma 由我国电信科学技术研究院（catt）提出，是 catt 的 td-scdma 和西门子的 td-cdma 先进技术的合并。 代表厂商为 catt 和西门子。 1.2 cdma 技术的主要特点 我们可以看到，第三代移动通信系统广泛地采用了 cdma 多址接入技术，这 是因为与传统移动通信系统采用的频分多址和时分多址相比，cdma 移动通信系 统采用的码分多址技术具有许多突出的优点。 1. 可利用先进的信号处理技术 码分复用信号具有许多便于进行信号处理的特点，尤其在短码方案中，经短 码调制的扩频信号具有周期稳定性。基站可以利用各种线性多用户检测技术进行 干扰抑制，而移动终端可利用自适应抗干扰技术或者盲检测技术进行干扰抑制， 相关研究内容非常丰富，因此码分多址技术具有巨大的发展潜力。 2. 大容量 理论计算和现场实验表明，cdma 蜂窝系统的信道容量是模拟蜂窝系统的 1020 倍，是 tdma 蜂窝系统的 4 倍。cdma 蜂窝系统容量较大的主要原因是其 频率复用系数远远超过其它模式的蜂窝系统，此外 cdma 多址方式便于话音激活 技术和扇区技术的应用也是原因之一5。 3. 软容量 在 fdma、tdma 蜂窝系统中，小区能够提供的服务信道数量是固定的，满 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 3 载时再也无法建立新的呼叫， 而 cdma 蜂窝系统的容量和服务质量可作动态调整， 可根据实际情况进行灵活安排。例如系统运营公司可在话务质量高峰期将误帧率 稍微提高，从而增加系统容量。同时，因为 cdma 蜂窝小区也受到相邻小区信号 的多址干扰（mai，multiple access interference ）5，所以如果相邻小区负载较轻 时本小区的容量就可以适当增加。另外，小区呼吸功能也体现了 cdma 蜂窝系统 的软容量特点。所谓小区呼吸功能是指各个小区的覆盖范围是动态的，当相邻两 个小区的负载一轻一重时，负载较重的小区可以通过减少导频信号的功率，使得 处于本小区边缘的用户因导频信号强度较弱而切换到相邻小区，这实际上是一种 动态的容量再分配5。 4. 抗多径衰落能力强 通常陆地移动通信环境的多径延迟为 1100s，只要扩频信号的切普时长不 超过 1s就可以分离出多径信号并进行合并处理，从而达到抑制多径衰落，提高 接收性能的目的，所以 cdma 扩频信号的切普速率一般不低于 1mhz。国际运营 者融合组织（ohg，operators harmonization group）将 3g fdd 模式 ds-cdma 方案的切普速率统一为 3.84mc/s，tdd 模式中 td-scdma 采用的切普速率为 1.3542mc/s，均为较高的切普速率。 5. 软切换 fdma 或 tdma 蜂窝系统中移动终端在小区之间的切换是硬切换，越区终端 在切断与原小区的连接后由新小区分配新的信道，如果该小区已经满载就会发生 掉话。据统计，fdma 和 tdma 蜂窝系统无线信道的掉话 90%发生在切换中6。 而在 cdma 蜂窝系统中，小区基站和移动终端的识别是通过地址码来进行的，所 有基站都工作在相同的频率上，移动终端在进入小区后无需进行信道分配，所以 切换初期可由原小区与新小区同时为该终端提供服务，直到该终端与新基站建立 起可靠的通信连接。与硬切换相对应，这种切换成为软切换。软切换提高了切换 的可靠性，大大减少了切换造成的掉话。 6. 便于频率规划 fdma 和 tdma 蜂窝系统需要进行频率规划以减小小区之间的干扰