（电路与系统专业论文）cdma系统中的多用户检测技术.pdf

硕十论文 c d m a 系统串的多帮声检测技术 j 、s 3 2 急警! 摘要 本论文研究的方向是多用户检测技术在c d m a 系统中的应用，重点放在言皂适 应韵多用户检测技术和多径系统中的多用户捡测技术这两个方面。 在介绍了几种经典的多用户检测技术以后。首先，讨论了带l 练序剜的自适应的 多用户检测算法，从雨引出盲多用户检测的概念；继而，通过理论分析和仿真结果论 证了l m s ，r l s ，k a l m a n 三种盲自适应多用户检测算法。最后，在讨论了平遁慢 衰落信道的基础上，将r a k e 分集技术和多蠲户检测技术相结合应用于多径的频率 选择慢慢衰落信道，以达到改良系统的性能的目的。 本文中讨论的k a l m a n 盲自适应算法具有收敛速度快信干比高的优点，r a k e 分集和多用户检测棚续会的技术也缀有实用价值。 关键词：多用户检测、盲自适应、l m s 、r l s 、k a l m a n 、r a k e 接收枧、多 径信道 硕 j 论文c d m a 系统中的多用户检测技术 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ea p p l i c a t i o no fm u l t i u s e rd e t e c t i o n ( m u d ) i nt h ec d m a s y s t e mi s i n v e s t i g a t e d t w oa s p e c t so f m u d a r em a i n l yd i s c u s s e d ：o n ei st h eb l i n da d a p t i v em u l t i - u s e rd e t e c t i o nt e c h n o l o g y ，a n dt h eo t h e ri st h ea p p l i c a t i o no f m u di nt h em u l t i - p a t hc h a n n e l s e v e r a lr e p r e s e n t a t i v em u l t i u s e rd e t e c t o r sa r er e c i t e db e f o r et h em a i n c o n t e n t s f i r s t l y ， t h ec o n c e p to f b l i n d a d a p t i v em u d i se d u c e db yt h ei n t r o d u c t i o no f t h em m s ed e t e c t o r r e q u i r i n gt r a i n i n gs e q u e n c e s s e c o n d l y ，t h r e ek i n d so f a l g o r i t h m sb l i n da d a p t i v em u l t i - u s e r d e t e c t o r s 、v i mt h el m s ，r l s ，a n dk a l m a na r ed i s c u s s e d r e s p e c t i v e l yb y t h et h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n d t h es i m u l a t e r e s u l t s f i n a l l y ，t h ea p p l i c a t i o no f m u d i nt h e f r e q u e n c y f l a t s l o w l yf a d i n gm u l t i - p a t hc h a n n e l i si n t r o d u c e d ，a n dt oe n h a n c et h es y s t e m e f f i c i e n c yt h e j o i n tu s eo f t h er a k e r e c e i v e ra n dm u di sa p p l i e di nt h ef r e q u e n c y - s e l e c t i v e s l o w l y f a d i n gm u l t i p a t hc h a n n e l w ec a ns e et h a tt h ek a l m a nb l i n da d a p t i v ea l g o r i t h md i s c u s s e di nt h i st h e s i sh a st h e a d v a n t a g e so fq u i c k e rc o n v e r g e n c ea n d b e t t e rs i g n a l t o n o i s er a t e a n dt h e j o i n t u s eo f r a k er e c e i v e ra n dm u dh a s p r a c t i c a lv a l u e t o o k e y w o r d s ：m u l t i u s e rd e t e c t i o n ，b l i n da d a p t i v e ，l m s ，r l s ，k a l m a n ，r a k er e c e i v e r m u l t i - p a t hc h a n n e l 硕l 论文c d m a 系统中的多用户检测技术 i 绪论 本章首先介绍了多用户检测的研究背景，通过对宽带c d m a 通信系统关键技术的 研究，我们发现多用户检测可以同时解决由于采用c d m a 移动系统所带来的一些关键 问题，是一种高效率、应用前景广阔、很有研究价值的技术：第二节叙述了多用户检 测技术的发展过程；第三节中对本论文中所用到的c d m a 扩频系统的模型进行了简单 的介绍。最后，对本篇论文的结构以及研究内容、研究的意义进行了概述。 1 1 研究背景 第三代移动通信系统是能够满足国际电联提出的i m t 一2 0 0 0 f p l m t s 系统标准的 新一代移动通信系统，要求具有很好的网络兼容性，能够实现全球范围内多个不同系 统间的漫游，不仅要为移动用户提供话音及低速率数据业务，而且要提供广泛的多媒 体业务。i t u 已对i m t 一2 0 0 0 的测试环境提出了具体标准，给出了表征i m t - 2 0 0 0 系 统的最低限度的参数，包括支持的数据速率范围、误码率标准、单向的时延标准、激 活因子和业务量模型。根据i t u 的标准，世界各大电信公司联盟均己提出了自己的第 三代移动通信系统方案，主要有以日本d o c o m o 公司为首提出的w c d m a 、美国 l u c e n t 和m o t o r o l a 等公司提出的c d m a 2 0 0 0 、欧洲西门子和阿尔卡特等公司提出的 t d c d m a 以及我国提出的拥有自主知识产权的t d - - s c d m a 。总体来说，虽然这些方案 不甚相同，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。 与传统的f d m a 、t d m a 系统相比，c d m a 系统具有频谱效率高、软容量、保密性 好、易于无缝切换和宏分集等优点，可以认为f d m a 、t d m a 是c d m a 的一种特殊形式。 但是在复杂的移动通信环境和有限的频率资源下，要达到高容量、高质量、高速率的 通信，c d m a 技术需要克服三个因素的影响： 多址干扰：在c d m a 系统中，由于多个用户的随机接入，用户地址码之间 不能保证正交性，从而引起多址干扰，多址干扰包括小区内干扰和邻区干扰 两种。 衰落信道：无线电信号经过移动信道时会受到来自不同途径的衰落。一般来 说，这些衰落可以归纳为三类：一类是由于信号在自由空间传播引起的损耗 硕士论文c d m a 系统中的多用户检测技术 和弥散，称为距离衰落；第二类是阴影衰落，也叫慢衰落，主要是由于传播 环境中的地形起伏、建筑等障碍物对电波遮蔽所引起的衰落，衰落幅度一般 服从对数正态分布；第三类是多径引起的快衰落，也叫多径衰落，根据在信 号传播中是否存在直射路径，幅度衰落分别服从r a y l e i g h 分布和r i c e 分 布，更一般的表达形式是n a k a g a m i 分布。另外，衰落信道是一个时变信 道，这主要是由于移动台的移动造成的，一般采用广义平稳不相关散射 ( w s s u s ) 模型描述信道的时变特性。 远近效应：由于各用户的发射功率不等和信道衰落，使得各用户在接收端的 信号功率不等，从而产生远近效应，远近效应会极大地影响弱信号用户的接 收性能。 为了抑制多址干扰、抗衰落、克服远近效应以保证业务质量，c d m a 系统采用的 关键技术有选择扩频码、智能天线、多用户检测、多载波调制、r a k e 接收、分集、 功率控制等技术。 选择扩频码是一个古老的问题，由于在c d m a 系统中存在多址干扰和多径干扰， 因此选码的任务是寻找互相关和自相关特性优良的、数量大的码字。另外c d m a 系统 的上行链路是异步传输系统，因此选择扩频码不可能完全消除多址干扰和多径干扰， 目前在选码方面还没有重大的突破。 智能天线是阵列天线在移动通信中的应用，由于移动通信环境比雷达、声纳等应 用环境更加复杂，如目标数可能远大于阵元数，因此智能天线技术具有更深的内涵。 智能天线技术大致包括两个方面：空域滤波和波达方向( d o a ) 估计。空域滤波( 也 称波束形成) 的主要思想是利用信号、干扰和噪声在空间的分布，运用线性滤波技术 尽可能地抑制干扰和噪声，以获得尽可能好的信号估计。在进行空域滤波前，一般需 要估计有效信号的波达方向，而用户数往往大于阵元数，因此当前d o a 估计技术的研 究焦点是超分辨估计算法。 多载波调制也叫正交频分复用( o f d m ) ，基本思想是把高速信息数据分割成若干 路低速率的数据流，然后将一组相应数量的载波调制、叠加发送出去，其中各子载波 保持相互正交。由于多载波调制把信息分散到多个载波上，使得各子载波的信号速率 降低，从而削弱了多径信道对传播信号的影响。当前多载波调制的主要研究焦点是同 步问题和如何降低信号峰平比问题。 为了克服远近效应，一般采用功率控制，基本思想是根据接收信号的测量参数调 整各用户的发射功率，达到用户接收信号功率相等。但是功率控制一般只能克服距离 衰落和慢衰落，对快衰落的抑制效果不大。 r a k e 接收机的基本思想是利用扩频信号带宽远大于信息比特带宽的性质，分离 颂1 。论文c d m a 系统中的多用户检测技术 多径信号后进行解扩、合并，因此能够有效地克服多径衰落。分集技术包括空域分 集、时域分集、频域分集、宏分集等，其中智能天线属于空域分集技术，r a k e 接收 属于时域分集技术，多载波调制属于频域分集技术。 简而言之，选码和智能天线能够有效地抑制多址干扰，多载波调制和r a k e 接收 机具有很好的抗多径衰落效果，功率控制能够克服远近效应。但是码字性能存在 w e l c h 界，而智能天线只能部分抑制多址干扰，当用户比较密集或者用户很多时，多 址干扰仍然严重地影响系统性能，而r a k e 接收机不能抑制多址干扰，同时要达到理 想的功率控制，设备比较复杂，因此以上技术仍然不能很好地解决实际系统中存在的 多址干扰和远近效应问题，多用户检测技术的提出则给上述问题提供了良好的解决方 案。 多用户检测( m u l t i u s e rd e t e c t i o n ) 是国际上最新发展起来的一项用以消除多 址干扰的技术。在实际系统中，多用户检测技术应用于基站，对行用户信号进行联合 检测。传统的检测技术完全按照经典直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m a i 干扰能力较差：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 ) 技术在传统检测技术的基础上，充分利用造成m a i 干扰的所有用户信号信息对单个用 户的信号进行检测，从而具有优良的抗干扰性能，解决了远近效应问题，降低了系统 对功率控制精度的要求，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。 所以多用户检测技术由于其优越的性能和可预测商用前景使其成为全世界最近科 学技术领域的热点之一。由于其要用到c d m a 系统原理、自适应信号处理技术、信号 的检测与估计等等各个方面的理论知识，所以它有着很高的理论研究价值。 1 2 发展概况 多用户的想法最早在1 9 7 9 年由s c h n e i d e r 提出。1 9 8 3 年k o h n oe t a 1 发表了对 多址接入干扰接收机的研究。1 9 8 4 年v e r d u 做了开创性的研究，提出并分析了最优 多用户检测器和最大似然序列检测器，然而不幸的是它实现实时太复杂了，因为它的 复杂性以用户数的指数函数增加。 后来v e r d u 的研究激励了多个研究者寻找次优化的多用户检测器，以便用合理的 可实现的复杂度实现接近优化的性能。研究主要集中在寻找针对a w g n 信道的次优化 检测器。解相关检测机、最佳线性检测机、线性m m s e 检测机、决策反馈检测机在随 后的几年中纷纷被提了出来。它们在高斯白噪声信道中同步和异步结构中的误码率和 硕：i ：论文 c d m a 系统中的多用户检测技术 远近效应等等问题被进行了深入而细致的研究。 研究衰落多径信道适用的检测器也是多用户检测的潮流之一。先是慢衰落信道， 然后是相对快衰落信道。平坦衰落和多径信道均有考虑。因为多用户检测器的参数如 振幅、相位和多用户间的互相关性经常改变，因此开始研究自适应多用户检测器，其 检测器的参数随所接收到的信号自动调整。实际上信号检测所需的参数从来不完美， 因此有开始研究对相位、振幅和时延的不理想估计的影响。 在1 9 9 5 年m i c h a e lh o n i g 和s e r g i ov e r d u 提出了盲多用户检测的概念，这种多 用户检测机仅需要和传统检测机相同的信息，就可以检测出所发送的信号，使得多用 户检测技术向实用化又前进了一步。自适应滤波的原理在其中得到了广泛的应用， l m s 、r s l 、k a l m a n 等等各种算法纷纷被应用到多用户检测的系统中。 在1 9 9 8 年x i a o d o n gw a n g 和h v i n c e n tp o o r 提出了子空间盲多用户检测技 术，将盲自适应信道估计盲自适应阵列响应估计与盲多用户检测技术结合在一起，利 用基于子空间的高分辨方法对接收的信号进行多用户检测。在1 9 9 9 年他们又将多径 c d m a 信道中接收天线阵列技术与盲多用户检测技术相结合，提出了空时多用户检测 技术。从而掀起了多用户检测技术研究的新的浪潮。 同时多用户检测技术在其他方面的研究也迅速展开，研究者将其它技术和多用户 检测技术相结合进行系统分析，以达到更好的系统性能。如与信道编码技术相结合， 研究t u r b o 码对系统性能的影响；如将与r a k e 接收机结合，提高多用户检测技术在 多径衰落下的性能。 通过回溯发展过程，我们发现经过众多先辈的研究，多用户检测已经发展成为一 个内容丰富、研究价值很高的抗多址干扰的新技术。 1 。3c d m a 系统模型 高斯信道的研究是无线通信系统研究的重要基础，其结论具有理论指导意义，所 以本论文中基本上是在高斯信道上讨论多用户检测算法。本文讨论未涉及信道的解编 码，且假定系统正常工作所需的同步已经建立，相干解调所需的参数可以从信道估计 得到。为了讨论不失一般性，本文的模型都是等效基带模型。 考虑有k 个用户接入的d s - c d m a 系统，采用b p s k 调制。在加性高斯白噪声信道 环境中，接收机收到的信号为： rm ，( f ) = a 。( f ) 以( 咖。( t - i t 一“) + 册( r ) ( 1 1 ) 堡主鲨塞 竺至警垒墨窭童羹萋堡兰楚篓婺鉴 其中； k 为系绞的麓户数强，2 m + 1 为信惑侉捌瓣总长发。 t 怒信譬豹褥号速率。楚第k 个溺户委遮搂狡 ! 氇的熊彗尊。 1 ，p m i 的时候， 一种非常异常的情况就可能发生，导致 检测用户的误码率随着信噪比的提高反 而提高了，这就是所谓的远近效应，如 图2 1 1 中曲线a ，= 6 , 4 。 当不同用户的扩频序列完全正交的 时候，系统( 2 1 ) 可视为单用户检测系 统。显然，单用户系统的性能( 式( 2 2 ) ) 是检测性能的上界。 图2 1 i 两用户同步信道p = 0 2 单用户匹配滤波器误码率 硕士论文c d m a 系统中的多用户检测技术 巧( o - ) = q ( a 。盯) ( 2 2 ) 同步系统中指定用户的误码率为： r4、 巧( 盯) = 1 2 “1 q i ( 4 o - ) + e ，睾p 业i ( 2 3 ) e t s 一l ，l p j 卜1 i ( j k ) e x 卜i ，l j t u 异步情况下的分析与同步是完全相同的，两者主要的不同在于异步情况下每个信 息位被2 k 一1 位所干扰。 2 2 最优检测机 同步系统的模型如图2 2 1 所示 需1 一x 鲸 | 用户l + ，+ 凰沪 二二一二嗥 + 。斗 同步k 一l h 岛 一划一 一厂同乡， 极大似然检 一剀7 测器 一厂同多； 一ul 一 图2 2 1 同步信道最优检测机 由图可知最优多用户检测机与传统检测机的不同在于，并没有将匹配滤波器输出 的信号直接采样判决，而是将采样的数据通过最大似然准则检测器后，才进行判决。 考虑k 个用户的基本同步c d m a 信道 ，( r ) = 4 b 。( f ) + o n ( t ) ，f o ，t 1 ( 1 2 ) k = l 显然，我们可以把字符向量b = 6 1 - ，b 。y 的联合最佳解调看作是一个k 元决策 问题，即 f 且：r ( ，) = a b i 以+ 佣( f ) 女。l r h 女：，( ，) = a 女b i 吼+ 铡( f ) k t l 采用b a y e s 后验概率最大的原理，即最大似然估计算法，以达到理论上的最小错 倾士论文c d m a 系统中的多用户检测技术 误概率得到 h h 嘲唧( - 专r 卜一黔k “r ，h 等价于使 肿冲喉a k b k s k ( t ) r ( t ) d t - 喉a k b k s k ( t ) 卜 = 2 b 7 a y b r h b 最大化。 最大似然矢量检测算法实际上是从2 个b 组合中找出于接收信号之间欧氏距离 最小的矢量6 ，极大似然检测机在性能上要远远优于传统检测机，显示了c d m a 系统 在容量和性能上的巨大潜力，从而拉开了多用户检测研究的序幕。 在异步情况下，只需要将同步信道的似然函数加以推广即可。具体说来，就是求 b 使得似然函数 m 艇 - 加，m t 馏洲一p ( 一专0 2 一s 勰) 最大化，式中 s ( r ，b ) = a 。( f ) 钆( f ) & ( r - i t f 。) - 虽然最优多用户检测机理论上可以获得最小的误码率，提供最佳的检测性能。但 是它有两个致命的弱点，使得它只能停留在理论分析的阶段上。一是它需要知道几乎 所有用户的信息，这种要求在实际的工程中是很难达到的。二是它实现的复杂度随用 户数增加呈指数级增长，当用户较多时，算法很难实时的实现。所以后来的多用户检 测技术的研究主要是针对次优化的检测机进行的，以期望能寻找到更实用的检测技 术。 2 3 次优化检测机 所谓的次优化检测机是指与最优检测机相比：性能很接近，算法的复杂度大大降 低，需求用户的信息较少，工程上可以实现的检测机。本节选择了几种典型的检测 机：解相关检测机、线性m m s e 检测机、干扰抵消检测机，介绍了它们的基本原理， 以及相应的同步和异步信道的实现方法。 硬士论文c d m a 系统幸静多臻户硷测技术 2 3 1 解相关检测机 多址于抗是由于不同用户的扩频波形不正交引越的。因此，为了抑制多址干扰， 我餐会缀蠢然联想到应该籽掰鸯期户扩蘩波形熬线爆提关薅藩簿，使不溺强户豹扩叛 波形实现难交，这就是解相关多精户检测杌斡基本憋想。 由第一章可知，k 个匹配滤波器组输出的向凝形式可以写作： y = r a b + n 且e n n 7 ) = c r 2 r 震怒麓r 。左乘( 2 匐嚣媳，粼褥： r 一y = a b + r l l t 需一x j | 用户ll + ，。坤 l 一 舞步l 圈铲 嚣步k ( 2 3 ) ( 2 4 ) 图2 3 t 同步信道解相关稔测视 式( 2 4 ) 没有其它用户的干扰，故检测机以* s g n l 【r “y 丘j 与所有的溉，f 七 独 立，唯一的干扰源为背景噪声。由于其它用户的干扰被置零，所以解相关检测机也称 置零检测枧。同步信道的魑桷必检测枫如图2 3 1 所示。 然嚣，当爝户k 豹穰号岛其它瘸户魏痿号不线瞧狻立时，矩簿r 褥蹩鸯吴戆。 此时，需攒使用m o o r e - p e n r o s e 广义逆矩阵r + 柬代替逆矩阵r 。 参考第一章异步信道离散模型( 1 6 ) 式，仿照同步信道的解相关检测机的设计， 可以推导出：用矩阵h ( z ) = r 【1 】z + r 0 】+ r 1 z “的逆矩阵或广义逆矩阵代替矩阵r 的逆矩簿竣广义逆矩阵，即w 褥到异步信道的解梗关检测机。 与蘩繁懿交往往捡溺瓿稳魄，簿鞠关捡测嘏矮骞稳司豹蕊远近髭力，毽澎进寿效 性不如酸优检测视。另一方颟解相关裣测视需要的信息要少的多，只需要所有用户的 扩频波形即可。它的计算量比最优检测机少的多，但要求r 一，计鞯撼还是比较大。 一 硕十论文 c d m a 系统中的多用户检测技术 2 3 2 线性m m s e 检测机 从线性估计问题出发，我们可以把线性多用户检测问题叙述为：寻找到第k 个用 户的线性变换m 。，将估计值瓦= s g n ( m ；y ) 作为第k 个用户发送字符的估计值，式中 y 为接收信号向量同式( 2 3 ) 。 若令b = 【6 l i 一，b 。】7 ，并令k x k 矩阵m = 【m l ，一，n l 。】表示k 个用户的线性检测 机，则m m g e 线性检测机的问题也可等价为：在删s e 准则下求最佳矩阵m ，使均方误 差定义的代价函数，( m ) = e l b m 训2 最小化。 机。 通过推导得到m m s e 估计器为m m = a 吣2 + 盯2 i ) _ 1 ，则m m s e 检测器为 反：s g n 姬认z + 仃：i - y i ) ，如图2 3 2 所示为同步信道的姗s e 线性检测 厣一她 l _ o 同步l 需一鎏骂 l _ o 同步2 匾蟊酾 l用户k 【。j 同步k 图2 3 2 同步信道线性m m s e 检测机 在推导m m s e 问题的解( 2 5 ) 式的过程中假设了两个条件：( a ) 不同的用户发射的 字符是不相关的；( b ) e k = 1 。在实际的系统中是可以满足的。 异步信道的m m s e 线性检测器可以由同步的m m s e 线性检测器推导过来，其传递函 数矩阵为m ( z ) = 怎7 1 z + r o 】+ 盯2 a 一2 + r 【1 弦一1 - 1 。 由( 2 5 ) 式可以看出，线性m m s e 检测机和最佳检测器一样需要几乎所有的用户信 息，同解相关检测机一样需要求矩阵的逆，计算量也不少，但是我们将在后面可以看 见线性姗s e 可以用自适应的方法来求解，有着自己的优势。 硕士论文c d m a 系统中盼多甩户检测技术 2 3 3 干扰抵消检测机 于扰抵消的基本思想是在接收端先对接收信号徽锪步翔决，再列煺这一秘步毽毡 诗密每一个鬻户霹其它矮户豹多缝予撬，觚露在羹它雳户兹接毅蕊弓审减捧该矮产产 生的多址干扰。得到一个减轻了多址干扰影响的统计量，然后进行检测。这类检测机 通常需蒙多级结构才能实现，程每一级的输出都灏做次判决以修正结果，使判决结 果随着级数的增加逐渐逼近原发送值。 从结擒上看，于扰抵消捡测杌结构主要分为蹰种：串行于扰抵消 s i c ) 结拯狂并 霉予撬羝漤( m t c ) 缝褥。 a 串行干扰抵消( s i c ) 结构 黧2 3 3 拳萼- 干魏羝溺( 翔尸1 ) 图2 3 3 给出了串行干扰抵消中对用户1 的检测过程。图中r ( r ) 为接收信号，岛 为判决输如的用户1 的检测信号。( f ) 作为检测第二个用户时所用的接收信号。首 先对用户1 进行匹配滤波并进行判决，得到用户1 的检测输出。然麟用所得判决值与 用户l 熟扩频码、幅度估计爨獗生或霜户1 接收馕弩的话计擅。从总戆接收售号， 中减去该镳诗篷，就褥蛩了凝瓣接竣信号 ( ) ，蒺中已去除了蘧户l 弱影薅，将箕 作为检测第2 个用户时的总接收信号。 每一级串行干扰抵消检测由k ( 用户数) 个如图2 6 所示的结构级联而成。检测的 顺序是按用户功率从大到小的顺序排列的，即用户1 是功率最大的用户，而用户k 是 功率最小的瘸户。每次检测激粼余用户中功率簸大敬那个薅户，莠从接收信号孛减去 该爱户豹秘美分量，获瑟瀵豫该瘸户对其余功率较小黉户懿于魏。邃群簿戮懿考虑 是：用户功率越大贝传统检测的准确性就越离，黼清除了功率最大的阉户对别的用户 的干扰可以使剩下的用户检测时得到最佳的性能。 颚士论烹c d m a 幕统孛靛多臻户捻鞭技术 b 并行干扰抵消( p i c ) 结构 幅度蒋部分 估计器扩频求粒 瓯配滤 波器缀 圈2 ，3 4 菇行千挠抵漩梭溅器( 第一缀) 蹋2 3 。4 缭出t 并毒亍予扰撼淤检测祝蜘鬻缀的绥擒。图中，瓯 o ) 淡示对匹配 滤波器的输出进行判决露的结果，将其作为第缀的输入。趣l 作为第一级的检测 簸密。势行干撬羝澄稳溺器煞每缀将蘩一缀翁矮粼凌簸窭与瘸嶷嵇诗裾聚，霉逶逡 扩羰弼滋 亍扩频，裁褥爨了延时魄将翁每个援户接孜僖号熬 鑫计毽。然露对每个躇 户，从总的接收信号中减去其它用户的估计德，被褥到了单一髑户接收壤号的值。对 该值耀健统检溅方法进行检测，虢褥到了该缀祷用户信号的捻测维果。在多级结构 串，簿级静麓窭送入蘩= 级，瓣遴霉耱溺靛硷测步骤。 通过蹴较我 f j 袋现；在并行干抗抵清中，籀级使用翁潮次毽是殛靛滤波嚣的输 出，蠢用户懿俺号来被经何干貔漕除处璎就被後爱出来，谟削率投离，反蕊容爨导致 千挽壤攘。两晕行予捷羝澄避过甥搴捧磐簿l 蕊了这蕈孛壤激发黛熊概率，嚣越串抒于挽 抵消的性能妻魄并行予挽抵消豹设熊稳定。茄外，在于抗抵消静同一缀审，串毒予干扰 羝漓巾功率鞍低豹髑户收到千虢簧毖辐间用声禚弗行予挠抵满巾受到静千搋小，因越 事嚣豹误鹦经黢魄势褥熬误秘瞧裁蒺磐。毽髓予摅抵滔鼗缀数瓣增疑，弱卷在谈妈晕 往残方嚣煞羞裂会越来越小。扶冀法缨辍上器，攀行予筑援濑霭要进行窝户鹃功率接 序，阑j 比复杂度较商，鼠需要较大的延时。1 耐并行干扰抵消豹实现较为简单，延时较 ，l 、。沟了褥羚院鞍安鼹藩予撬繇潲嚣，必须潋避这两萃孛予魏祗漓器鹣结构。 坝f ：论文 c d m a 系统中的多用户检测技术 2 4 性能仿真 本节中将几种经典的多用户检测机在同步信道进行仿真，根据仿真结果分析检测 机的性能、得出相应的结论和论证它理论推导的正确性，并在最后对它们进行了比 较。 仿真比较的依据是( 1 ) 不同的比特信噪比的情况下的误码率曲线：( 2 ) 不同的干扰 幅度对期望用户幅度比的情况下的多用户渐进效率曲线。多用户渐进效率定义为多用 户系统达到单用户相同误码率( b e r ) 所需能量与单用户系统所需能量之比。而抗远近 能力定义为在所有有关能量范围内测量到的最坏情况下的渐进有效性。 b e r 仿真的系统选用的是一个六用户的同步系统，扩频序列是n = 5 的i l l 序列( 扩 频增益为3 1 ) ，系统对比特信嗓比( 瓦，。) 0 d b 一1 5 d b 的误码率进行仿真。 而多用户渐进效率理论仿真由于为了降低系统的复杂性，选用了两用户同步系统 其中用户之间的相关系数p 。= o 5 。两用户系统是多用户系统的特殊情况，它可以近 似表征多用户抗远近能力的性能。 2 4 1 传统检测机 l 。 p 叫 鹭 & a j 、聪7 、 ，奄 b o s n r p b i t ( d b ) 图2 4 1 传统检测机理论和仿真b e r a s y m p t o t i ce f f i c i e n c yu s e r1 a 2 ，a 1 图2 4 2 多用户渐进效率比较 图2 4 1 是传统检测机理论和仿真误码率的比较，曲线a 是仿真值，曲线b 是理 论值。图例中a 、b 基本重合，说明蒙特卡罗仿真真实的体现了理论上的结果，证明 一 。u9弓临茁。写岂m 硕士论文c d m a 系统中的多用户检测技术 了理论推导的正确性。 图2 4 2 是一个两用户同步系统，其中的曲线a 是最优渐进效率，而曲线b 表示 的是传统检测机的渐进效率。可以发现在干扰用户的能量较小的时候，传统检测机的 抗远近性能较好，但是随着干扰用户能量的增加，抗远近的性能急剧下降，这就导致 了图2 1 1 中远近效应问题的产生。所以在实际的系统中，常常使用功率控制技术， 使得用户功率比在一个范围内，使系统获得比较好的抗远近能力。图中还可以发现最 优多用户检测机可以很好防止远近效应问题的发生，它的渐进多用户效率在l p l 1 时 永远不会等于零。 2 4 2 解相关检测机 e t h e o i y r 、d e c o rr ? 葛：_ 。、k 二。二二a g - l 7 ，：_ 051 01 5 s n r p b i t ( d b ) 图2 4 3 解相关检测机理论和仿真b e r a s y m p t o t i ce f f i c i e n c yu s e r1 c io p t i m u m j d e c o r ， b a 0123 a 2 a 1 图2 4 4 多用户渐进效率比较 图2 4 3 是解相关检测机理论和仿真误码率以及传统检测机误码率的比较。曲线 b 是解相关误码率仿真值，曲线c 是理论值，曲线a 是传统检测机的仿真误码率。由 图中可以看出解相关的误码率要远远好于传统检测机，因为它的干扰源只有背景噪 声，不像传统检测机还包含了其它用户的干扰。 图2 4 4 是一个两用户同步系统，其中曲线b 表示的是解相关检测机的渐进效 率。可以看出( 1 ) 多用户渐进效率与用户之间的幅度比无关，也就是说即使干扰用户 的能量比期望用户的能量大很多，也不会影响系统的抗远近效应的性能；( 2 ) 但是当 干扰能量较低时，系统的抗远近性能要低于单用户检测的性能：( 3 ) 当爿：= i p l a 时候 看远近性能等同于最优检测机最差的性能。 他 ， o huc曾u山。!io苞e，【 聚 谂文c d m a 系绕串携多拜l 产捻粼技拳 2 , 4 3 线性m m s e 检测机 05 s 女8 国麟j 1 5一o- 50 掰热 圆 强2 + 4 5 缓淫m m s e 检测极b e r蕊2 ，4 ，6m m s e 梭溅撬灏逸靛率b e r 图2 4 5 是线健m m s e 检测枕、解裙关梭铡枫仿真误码率以及传统检测枫误码率 的魄液。魏线a 是传统检测枫的彷粪误羁率，魏线8 是线髋i 鼢 i s e 梭濒视误褥率谤冀 值，曲线c 是解稻关检测机误码率仿真值。融髑中可以看出线往m ；s e 的误褐率要邂 远辩予健绞缝溺援，翟是酾鳞鞠美翁捻溺梳麴甄线秘j 鬻煮逶。逶遗势辑麓箨 耐。= 汰+ 疗2 a 。f 可瓤，受秽斗0 辩矮簿掰。* r 一，帮瓣校美捻淡橇，辑殴燕僚 嗓比比较黼的情况下。两者的性能鼹近似榴铸的。 溺2 ，6 是两翔产溺疹繁统霉户l 在固愆瓣落臻魄鹄谗况下，瓣干魏舅l 户2 转爨 壤热荧予逡返率2 ，焉懿谈磷率馥线。其孛蕺= 妻+ 垂，l ，t ，l ；s ：= 妄【i ，1 , t ，一 l ，援户1 鹣 磁特误璐率为5 d b 。曲线a 、8 、e 分掰为僚缝梭测辊、解褶焚检测枕、嬲e 检测梳静 误鹣攀魏线。毒戬精窭，嶷予魏爨缀诋戆瓣攘i d m s e 静误褥率链貔嚣磐予传绞鞠瓣 相关的检测机：当于扰能徽比较太的时候，煅e 的误码率邋远好予传统检测机，周 辩邀戳秘鼹穰美魏经裴稳潮。嚣鸯鲞蓼- 手0 麴鞋搴馁瞒e 牧皴残秀瓣鞠关捡浏撬，它 豹多臻户澎遵效率秘菝远遥效应熬轾力等囊予瓣裰荚捡溺缀。 硕j ：论文c d m a 系统中的多用户检测技术 2 5 小结 2 5 1 多用户检测机的分类 综合前面各节所介绍过的内容，可以将多用户检测机分为最优检测机和次优检测 机。其中次优检测机按照检测模型是否线性可以分为线性检测机：解相关检测机、线 性姗s e 检测机等；非线性检测机：多级检测机、决策反馈检测机、干扰抵消检测 机。如图2 5 1 。 图2 5 1 多用户检测机分类 2 5 2 多用户检测机的需求信息 总结前面几节介绍的几种检测机，我们发现为了抑制多址干扰，在多用户检测 中，任何一种接收机都应该知道( 或至少可以获得) 下面的一个或几个参数： ( 1 ) 期望用户的特征波形： ( 2 ) 干扰用户的特征波形； ( 3 ) 期望用户的定时信息( 比特的出现时间和载波相位) ； ( 4 ) 干扰用户的定时信息( 比特的出现时间和载波相位) ； ( 5 1 干扰用户相对于期望用户信号幅值的接收信号幅值。 需求信道用户信息参数的多少以及获得参数的难易，是评述多用户检测技术优劣 硕士论文c d m a 系统中的多用户检测技术 的重要标准，也是关系到检测机是否可以实现的关键因素。从表2 5 1 ，可以看到： 传统的相关检测机只使用上述信息( 1 ) 和( 3 ) ，未考虑其它用户的干扰，因而收到远近 效应问题的困扰；最佳多用户检测机由于使用几乎所有的用户信息，所以性能很好而 检测器期望干扰期望干扰相对幅值训练序列 用户特征用户特征用户定时用户定时 匹配滤波器 x、，x1x 最佳多用户 x 最佳线性 x 解相关 0x x 线性m m s e x 自适应m m s e xx 2x x 盲m m s e ，xxxx 注l ：需要严格的功率控制：注2 ：只需要码元定时信息 表2 5 1 多用户检测机需求信息表 且复杂度很高，难以实现：解相关由于不同用户之间的线性独立性，不需要相对幅值 的信息；线性m m s e 检测机需要几乎所有的用户信息，但是，由它可以引申出自适应 s e 和盲删s e 检测机，所以是十分有研究价值的；自适应检测机需要的信息比较 少，不过却需要训练序列，盲删s e 多用户检测机，仅需要与传统检测机同样的用户 信息，却能很好的抗远近效应，我们将在第三章对它们重点研究。 硕i 论文c d m a 系统中的多用户检测技术 3 自适应多用户检测机 在实际的通信系统中，多用户检测器应该是实时处理的。通信的过程中由于无线 信道的复杂性，不稳定性，使得接收机很难获得准确的用户信息。我们想到自适应信 号处理，可以实时的跟踪到输入信号的变化，如果我们采用它在一定的条件下就可能 收敛到最佳性能。本章在第一节通过自适应m m s e 检测机引入自适应算法的基本概 念；第二节重点讲述了盲多用户检测算法准备知识；第三节和第四节分别介绍了两种 盲自适应算法( l m s 和r l s 算法) ：第五节重点分析了一种性能优异的k a l m a n 自适应 算法，并与第三、四节的两种自适应算法进行了比较。 在本文中的模型，一般情况下是假设针对用户l 进行检测的。 3 1 自适应m m s e 检测机 自适应m m s e 检测机是自适应检测机的一种，本节通过详细的讨论分析来介绍这 种检测技术。 3 1 1 线性检测器与线性变换 任何一种准最佳多用户检测机都可以视为一线性变换器。令t 表示线性变换的 矩阵，若接收机匹配滤波器组的输出信号向量为y ，则线性多用户检测机的输出为 z = t y 。因此，线性检铡器的字符决策统计量由 g d p f s g n f f y ) = s g n ( z ) ( 3 1 ) 给出。由于y 是线性变换t 的输入，所以匹配滤波器组与线性变换可以组合在一起。 令组合后的等效滤波器矩阵为c ，接收机的接收信号即匹配滤波器组的输入信号为 r ，则有 t y = c r ( 3 2 ) 因此，式( 3 1 ) 也可写成标量形式 b 女c l e fs g n ( z t ) ( 3 3 ) 式中气= t ? y = c r ( 3 ，4 ) 硕士论文c d m a 系统中的多用户检测技术 这里c 。是直接作用于接收信号的等效滤波器的系数( 向量) 。即 反= s g n ( c ? r ) 3 1 2 系统模型 ( 3 5 ) 在上一章中我们介绍了删s e 检测机，知道它有一个比较重要的优点：即每个用 户的均方检测误差可以单独进行最小化。根据m m s e 准则，第k 个用户的线性检测机 的滤波器c 。的选择应该使均方误差，( c 。) = e i k c ：r l l 2 j 最小化。由滤波器理论知， 即求满足，( c 。) 最小化的最佳w i e n e r 滤波器c 。 c 女= ( q + 盯2 i k ) a s ( 3 6 ) f 其中q a c e a 。s 。s ? 。 一= l 由于c 。具有w i e n e r 滤波器的标准形式，所以很自然地可以用最陡下降法自适应 实现，即滤波器系数向量的更新公式为 c 。( ”+ 1 ) = c k 0 ) 一“v 眩叫2j ( 3 7 ) 式中n 为时i 司快拍，并且 v 阳2 = 掣 s ， 是均方误差对滤波器系数向量的梯度。由误差信号公式 e k ( 仃) = d k g ) 一c ? o ) r 0 ) ( 3 9 ) 其中d k 为期望输出( 这里具体对应为b k ) ，易求得梯度为 v k o 】2 卢e r 纰( n ) ( 3 1 0 ) 若具体使用f i r 型的l m s 滤波器结构，则梯度直接取上式的近似表示，即 v 恢0 1 2 = 一r o 知( n ) ( 3 1 1 ) 于是，滤波器系数向量更新的l m s 算法为： c i ( 月+ 1 ) = c 0 ) 一u r ( n k ( 一) ( 3 1 2 ) 标量“为步长，决定算法的收敛速率。 硕士论文c d m a 系统中的多用户检测技术 公式( 3 9 ) 和( 3 1 2 ) 于是就组成了t d l d s e 检测机的l m s 算法的自适应实现。 3 1 3 初始条件及u 的实现 巩选用接收和发送方都知道的训练序列。 在无干扰用户的时候。c b = s i ，所以选用c ( 0 ) = s 。 设c 。为( ) 最佳w i e n e r 解，则定义权重错误矢量为： e ( n ) = c 。一( n ) ( 3 1 3 ) e o ( ) = d ( n ) 一c ? r ( ) ( 3 1 4 ) 贝可以推出s ( + 1 ) = t i - u r ( n ) r ”( 行) p ( ，f ) 一“r ( m ) e ：( 阼) ( 3 1 5 ) 上式是( n ) 一个随机差分方程，系统特征的矩阵可以表示为l i u r ( n ) r ”( n ) i 。要 在统计平均的基础上研究这个随枧差分方程的收敛性，我们考虑使用直接平均算法得 e t i u r ( n ) r ”( ) j = i u r ，其中r = e 【r ( ) r ”( ) j ，得至o ： 乞( 疗+ 1 ) = i u r 】毛( 胛) - u r ( n ) e ：( n ) ( 3 1 6 ) 根据收敛的定义可以推导得 。= 2 忙2 + 兄。j ( 3 1 7 ) 其中五。为：4 ；s 。s 。t 的最大特征值。 3 1 4 仿真结果以及改进 a 、误码率分析 仿真的系统是一个六用户的同步 系统，扩频序列是n = 5 的m 序列( 扩 频增益为3 1 ) 。系统对比特信噪比 ( e n 。) 0 d b - 1 5 d b 的误码率进行仿 真。如图3 1 1 所示，曲线a 、b 、c 分别为传统、线性洲s e 、自适应线性 m m s e 检测机的误码率曲线。 由前文的推导我们知道，自适应 线性m m s e 接收机是建立在前章线性 m m s e 检测机的基础上的r ( 甩) 和e ( n ) 取得是瞬时值，而不像后者是建立在 s n r 口b i t ( d b ) 图3 1 1 自适应m m s e 检测机b e r 仿真 母! i j 论文c d m a 系统中的多用户检测技术 统计均值地基础地最佳值。所以它的性能要比后者稍差一些，却比传统检测机好的 多。 b 、收敛性能分析 在仿真的过程中为了简单选择了一个双用户的同步系统，信号幅度分别为a i = i 和a 2 = 1 0 ，噪声方差为1 。扩频因子为4 ，s 。= o 5 1 1 ，1 ，l ，1 】7 ，s ：= o ，5 1 1 ，l ，1 ，l r ，图 3 1 2 和