（通信与信息系统专业论文）evdo迭代干扰抵消的研究和前向链路物理层实现.pdf

摘要 摘要 多码道技术广泛地应用于第三代移动通信系统，灵活地为用户提供高速分组数据业务。多码道 技术的基本思想是采用正交扩频码为用户分配多个码道。在单径环境下，接收的多码道信号之间保 持正交；但是在多径环境下，由于多径不同时延，用户内部多码道之间的信号不再保持正交，不同 延迟多径之问的互相关产生了多码道干扰( m c i ) 。多码道干扰严重地影响了系统性能。 本文首先介绍了多用户检测系统模型和非线性多用户检测算法；得到一般多码道通信的发射系 统和应用迭代干扰抵消的多码道接收系统模型；并推导了一般多码道通信系统的迭代干扰抵消算 法。针对e v - d o 前向链路多码道通信系统，本文首先分析了e v - d o 前向链路接收系统的符号级迭 代干扰抵消和c h i p 级迭代干扰抵消模型；在此基础上，详细地推导了应用于e v - d o 前向链路接收 系统的符号级迭代干扰抵消和c h i p 级迭代干扰抵消算法接下来本文研究了e v - d o 前向接收系统 的符号级和c h i p 级迭代干扰抵消的基本仿真性能。仿真结果表明：迭代干扰抵消较好地解决了多码 道通信系统在多径衰落信道中高速传输数据的问题。针对迭代干扰抵消算法的复杂度，本文研究了 多种降低算法复杂度的实现方法。并分析了迭代次数和数据存储位数对系统性能的影响。 论文第五章介绍了e v - d o 前向链路发射系统；然后详细地设计了前向基本性能接收系统中的 信道估计。最后，论文给出了下行链路基本性能接收系统的仿真曲线。 【关键词】c d m a ，e v - d o ，多码道干扰，软输入软输出，并行干扰抵消，迭代干扰抵消， m a x _ l o g _ m a r 算法 a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i - c o d et e c h n i q u ei sw i d e l yu s e di nt h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，a n d f l e x i b l yp r o v i d e sh i g h r a t ep a c k e td a t as e r v i c e sf o ru s e r st h eb a s i ci d e ao fm u l t i c o d et e c h n i q u ei st o a s s i g nm u h i p l ec o d e dc h a n n e l st oa n yg i v e nu s e rb yo r t h o g o n a lc o d e s t h er e c e i v e dm u l t i c o d es i g n a l s m a i n t a i no r t h o g o n a lt oe a c ho t h e ri ns i n g l e - p a t he n v i r o n m e n t s h o w e v e r , i nm u l t i - p a t he n v i r o n m e n t s ， t h e s ei n t r a - u s e rm u l t i c e d es i g n a l sf r o md i f f e r e n td e l a yp a t h sa r en ol o n g e ro n h o g o n a lt oe a c ho t h e r , t h e c r o s s - c o r r e l a t i o nb e n v e e nd i f f e r e n td e l a yp a t h sr e s u l t si nm u l t i c o d ei n t e r f e r e n c e ( m c i ) m c id e g r a d e s t h es y s t e mp e r f o r m a n c e a tt h ef i r s tp a r to ft h i st h e s i s ，as i g n a lm o d e lo fm u l t i u s e rd e t e c t i o n ( m u d ) a n dn o n - l i n e a r d e t e c t i o na l g o r i t h m sa r ed e s c r i b e d b a s eo nac o m l t l o nm u l t i c o d et r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dr e c e i v i n g s y s t e mw i t hl t c r a t i v el n l e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ( n c ) ，w ei n v e s t i g a t et h es i g n a lm o d e l so f s y m b o l l e v e li i c a n dc h i p l e v e ll l ci nf o r w a r dl i n kr e c e i v i n gs y s t e mo fe v - d o ，d e d u c i n gt h ea l g o r i t h m so fs y m b o ll e v e l l i ea n dc h i p - l e v e li i ct h e nw es t u d yt h eb a s i cp e r f o r m a n c e so fe v - d of o r w a r dl i n kr e c e i v i n gs y s t e m w i t hs y m b o l l e v e li i ca n dc h i p - l e v e ll l ct h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti l ci sc o m p a r a t i v e l yag o o d s o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo f h i g h - r a t ed a t at r a n s m i s s i o ni nf o r w a r dl i n ko f e v - d os y s t e m f o c u s i n go nt h e c o m p l e x i t yo fi i ca l g o r i t h m s ，w ep r o p o s ed i f f e r e n ti n e t h o d s t or e d u c et h e mt h ei t e r a t i v et i m ea n t i b i t - w i d t h si m p a c t so nt h ep e r f o r m a n c e so f e v - d os y s t e ma r ea l s oi n v e s t i g a t e d t h ef o r w a r dl i n kt r a n s m i s s i o ns y s t e mo fe v - d oi sd e s c r i b e di nc h a p t e rf i v e t h e nw ee x h i b i tt h e d e s i g no ft h ec h a n n e le s t i m a t i o no fb a s i cr e c e i v i n gs y s t e md e t a i l e d l y t h ep e r f o r m a n c e so fb a s i cf o r w a r d l i n kr e c e i v i n gs y s t e ma r ep r e s e n t e da tt h ee n do f c h a p t e rf i v e k e yw o r d s ：c d m a ，e v - d o ，m c i ，s i s o ，p i c ，l l c ，m a x l o g _ m a pa l g o r i t h m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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作了明确 的说明并表示了谢意。 期：趔李业州 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 签名：芝丝导师签名：二避a 日期： 7 、 l 第一章绪论 第一章绪论 移动通信是当今发展最为迅速的通信领域之一。在近2 0 年里，移动通信技术经历了从模拟调 制到数字调制技术的发展。第一代蜂窝移动通信系统采用频分多址( f d m a ) 的模拟调制方式，这 种系统的主要缺点是频谱利用率低、容量小及保密性能差。针对第一代移动通信系统存在的上述缺 点，第二代蜂窝移动通信系统( 2 g ) 采用时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 的数字调制方 式；提高了频谱利用率和系统容量，保密性能良好，使系统性能大为改善。第二代蜂窝移动系统的 典型代表有g s m ，t d m a 和i s ，9 5 。随着数据业务( 尤其是多媒体业务) 需求的不断增长，第二代 蜂窝移动通信系统在系统容量，频谱效率等方面的局限性也日益呈现。为了解决第二代蜂窝移动通 信系统所面临的主要问题，同时满足对分组数据传输及频谱利用率更高的要求，国际电联( i t u ) 提出了第三代蜂窝移动通信系统( 3 g ) 的标准。第三代移动通信系统除了传输话音和数据外，还能 传输高达2 m b p s 的高质量活动图像，真正实现“任何人( w h o e v e r ) 、在任何地方( w h e r e v e r ) 、任 何时间( w h e n e v e r ) 、与任何人( w h o m e v e r ) 进行任何种类( w h a t e v e r ) ”的通信。 1 13 g 系统标准 国际电联( 1 t u ) 提出的第三代移动通信系统中，无线传输技术( r t t ) 是一个重要组成部分， 决定了这个系统承载业务的能力和性能。1 9 9 9 年1 1 月初，在芬兰赫尔辛基i t u 会议通过了i m t - 2 0 0 0 无线接口技术规划建议，明确规定了五个无线接口技术标准【l 】： n - 2 0 0 0 c d m a d s ：i 1 r a m c d m a 和c d m a 2 0 0 0 d s i m t - 2 0 0 0c d m am c ：c d m a 2 0 0 0m c 1 m t - 2 0 0 0c d m at d d ：t d - s c d m a 和u t d a t d d 1 m t - 2 0 0 0c d m as c ：u w c l 3 6 l m t 2 0 0 0c d m am c ：d e c t 在上述无线传输技术建议中，欧洲与日本提出的w c d m a 和北美提出的c d m a 2 0 0 0 最为注目； t d - s c d m a 由于得到中国政府和产业界的支持，加之中国巨大的市场潜力，因此也备受重视。 w c d m a 是欧洲e t s i 提出的宽带c d m a 技术，他与日本a r i b 提出的宽带c d m a 技术基本 上一致，两者融合后形成了第三代移动通信无线传输技术w c d m a 。w c d m a 系统是一种异步系 统，码片速率为3 8 4 m c h i p s 。采用了快速功率控制技术、支持多种切换方式、可以适应多种速率的 传输，灵活地提供多种业务。 c d m a 2 0 0 0 使用美国t i a 提出的宽带c d m a 技术，采用直接序列扩频或多载波方式，系统码 片速率可以是1 2 2 8 8 m c h i p s 的1 倍或3 倍( 最高可达9 倍或1 1 倍) ，分别对应于c d m a 2 0 0 0l x 或c d m a 2 0 0 03 x 系统。c d m a 2 0 0 0 采用g p s 授时同步，并在1 s - 9 5 系统软切换、功率控制及r a k e 接收分集技术的基础上，增a n t 快速寻呼、反向信道相干解调、前向快速功率控制，t u r b o 编码及 东南大学硕士学位论文 较高速率的分组数据传输等功能。 t d - s c d m a 是由中国c w t s 提出的宽带c d m a 技术，采用直接序列扩频，码片速率为 1 2 8 m c h i p s 。t d - s c d m a 系统基于t d d 方式，前反向信道工作在相同的频段上，在不同的时隙进 行传送。t d s c d m a 系统采用智能天线、联合检测等关键技术。 1 2c d m a 系列标准的演化 c d m a 系列标准演化如下图所示f 2 】： 匹巫亘工亘亟亟 回 歹匝画五五 五五 ， 下行2 a m b p s 下行3 1 m b p s ， 上行1 5 3 6 b p s上行1 8 m b p s 图1 1c d m a 系列标准的演化 c d m a 是在9 0 年代初由q u a l c o m m 公司提出的。i s 一9 5 是c d m a o n e 系列标准中最先发 布的一个标准，而真正在全球得到广泛应用的第一个c d m a 标准是1 s - 9 5 a 。i s - 9 5 a 商用几年后， 市场对数据业务的需求逐渐显现出来，因此美国电信工业协会( m ) 制定了i s - 9 5 b 标准。1 s - 9 5 b 并没有引入新的技术，依然属于第二代移动通信。 c d m a 2 0 0 0l x 完全后向兼容1 s - 9 5 。核心网部分增加了分组域以支持高速率的分组数据业务； 空中接口使用了前向快速功率控制、反向相干解调、快速寻呼、t u r b o 码等关键技术，并为数据业 务提供了更为灵活地媒体接入控制层( m a c ) 和多种数据速率控制。目的是改善无线传输质量，提 高频率效率及系统容量。c d m a 2 0 0 0l x 具有3 g 系统的部分功能，可以从i s - 9 5 进行平滑升级。 c d m a 2 0 0 0l x 系统分为r e l e a s e0 、r e l e a s ea 、r e l e a s eb 、r e l e a s ec 、r e l e a s ed ，共5 个版本。 r e l e a s e a 版本相对于r e l e a s e0 版本增加了一些公共信道，同时也将前向最大速率从1 5 3 6 k b p s 提高 到3 0 7 2 k b p s 。r e l e a s eb 仅在a 版本的基础上作了很小的改进，r e l e a s ec 和r e l e a s ed 版本是指 e v - d v 。其中，r e l e a s ec 增加前向高速分组传输功能；r e l e a s ed 增加反向高速分组传输功能。 l x e v - d o ，最初的名字为高速数据速率( h d r ：h i g h d a t a r a t e ) ，是一种专为高速分组数据传 输而优化设计的c d m a 2 0 0 0 空中接口技术。e v - d o 协议也分为r e l e a s e 0 和r e l e a s e a 版本。其中， r e l e a s e0 版本前向峰值速率为2 a m b p s ，反向速率和c d m a 2 0 0 0i x 相同，可以支持非实时、非对 2 第一章绪论 称的高速分组数据业务。r e l e a s ea 为r e l e a s e0 的增强版，前向峰值速率为3 1 m b p s ，反向峰值速 率提高到1 8 m b p s ；并增加了q o s 设计，可以支持实时、对称的高速分组数据业务传输。 1 3 多码道c d m a 系统干扰抵消的必要性 在c d m a 标准系列演化中，一直到c d m a 2 0 0 0 l x r e l e a s e b 版本，单载波( 带宽为1 2 5 m h z ) 的峰值速率为3 0 7 2 k b p s l 3 1 。随着高速数据业务发展的需要，蜂窝移动通信系统除了需要支持现有的 话音和低数据速率业务外，还需要支持包括高分辨率图像，高速数据在内的更为广泛地综合业务。 多业务和多速率是对未来个人移动通信系统提出的基本要求；这就使得选择合适的多速率方案成为 未来个人移动通信系统中的一个关键问题。多码道( m u l t i - c o d e ) c d m a 方案是一种被广泛采用的 方法【4 l 。采用多码道来实现高速无线数据传输在第三代移动通信系统的增强版中得到了广泛地应用。 l x e v - d o 和e v - d v 采用多码道技术，将前向峰值速率从l x r e l e a s e b 的3 0 7 2 k b p s 提高到3 m b p s 以上。w c d m a 系统的h s d p a 采用多码道技术，使得h s d p a 在5 m h z 带宽可以传输高达1 4 m b p s 的数据。多码道技术大大提升了系统容量。 多码道c d m a 是一种并行传输技术，系统先设定一个基本速率和恒定的c h i p 速率，各基本速 率的数据传输采用一个正交码来承载。通过动态地给用户分配多个码道来实现数据的高速传输。 在e v - d o 系统中，系统给每个用户时分地分配1 6 个码道。每个码道采用不同的正交码区分。 这种同时分配多个码道方案的主要缺点是：多径环境下，由于不同路径之间的相对延时，破坏了用 户各个码道之间前后正交码的正交性，产生了码道之间的自干扰，即多码道干扰( m c hm u l t i - c o d e i n t e r f e r e n c e ) 这种由于多径情况下产生的多码道干扰( m c l ) ，严重地影响了系统性能。尤其是在 采用高阶调制方式、传输高速数据时，多径产生的m a 使得系统性能急剧下降1 4 l 。本文就是研究如 何抑制这种m c i ，以达到改善系统性能为目的。 1 4 本文主要内容 本文的主要内容是e v - d o 系统中前向链路接收系统迭代干扰抵消的研究和物理层的实现，全 文共分为四章，内容安排如下： 第二章首先概述了c d m a 系统中的多用户检测技术发展历史及其技术分类。然后研究了一般 多用户通信系统模型；分析了多用户检测的非线性检测算法，并分析他们的优缺点，以及各种非线 性检测算法适用环境。 第三章首先分析了一般多码道发射系统和应用迭代干扰抵消的多码道接收系统模型，并推导了 基本的迭代干扰抵消算法。在此基础上，结合e v - d o 系统前向链路的特点，我们研究了e v - d o 前 向链路接收系统的符号级迭代干扰抵消和c h i p 级迭代干扰抵消模型；并推导了符号级迭代干扰抵消 和c h i p 级迭代干扰抵消算法，研究了迭代干扰抵消中应用的软输入输出算法。 第四章首先介绍e v - d o 系统的仿真平台和仿真环境；分析应用符号级迭代干扰抵消和c h i p 级 迭代干扰抵消的e v - d o 前向链路接收系统的基本性能。针对迭代干扰抵消算法的复杂度，本文研 究了多种优化算法的实现方法，并仿真、比较应用各种优化算法的系统性能。对迭代干扰抵消的硬 3 东南大学硕士学位论文 件实现提出算法上的建议。 第五章首先介绍e v - d o 系统移动台接收系统的建立和仿真，重点研究了移动台接收系统中信 道估计的实现；最后分析了移动台基本接收系统的仿真性能曲线。 4 第二章干扰抵消算法介绍 第二章干扰抵消算法介绍 c d m a 系统是干扰受限系统，任何降低干扰和噪声的技术都能提高系统的容量和通信质量。这 些技术包括抗干扰技术、抗多径衰落技术和抗“远一近效应”技术等。在一般的c d m a 系统中，干 扰大致可以分为三类1 6 1 ：接收机收到的热噪声、用户信号的码间干扰( i s hi n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 和各用户之间的多址干扰( m a i ：m u l t i p l e a c c e s si n t e r f e r e n c e ) 为了进一步提高分组数据传输速率， 第三代移动通信系统( 如：e v - d o 、h s d p a 、e v - d v ) 都采用了多码道传输方式。在多径倍道环境 下，这种多码道技术带来一种新的干扰：多码道干扰( m c i ：m u l t i - c o d ei n t e r f e r e n c e ) 。 自从s c h n e i d e r 提出了多用户检测思想后，随着s v e r d u 用m l s d 算法确立了a w g n 下最佳多 用户检测的方法门从此以后，关于多用户检测的各种算法层出不穷这些算法从不同的出发点来 诠释、解决多用户检测问题，并把降低运算量作为主要目标。为了对干扰抵消技术有一个初步地了 解，本章首先介绍多用户检铡技术的分类。 2 1 多用户检测算法分类 1 9 7 9 年s c h n e i d e r 首先提出多用户检测思想1 8 l ；1 9 8 4 年s v e r d u 提出并分析了最佳多用户检测 器，1 9 8 6 年给出了高斯白噪声下的最优多用户检测算法和最大似然序列估计器推导。早期的研究首 先寻求在a w g n 信道下的次最优检测器；接着研究多径快衰落信道下的多用户检测。先在慢衰落 信道中研究，然后在相对快的衰落信道中进行研究。在这个过程中平坦衰落信道和多径衰落信道都 被考虑。在此期间发展出了多种多用户检测算法，下面图2 - 1 是我们对这些算法的分类【9 1 。 图2 - 1多用户检测分类 多用户检测可以分为最优多用户检测和次最优多用户检测。最优多用户检测也就是最大似然准 则多用户检测。但是最优多用户检测的复杂度与用户数呈指数关系。当用户比较多时，这种检测的 代价太大。因此，在降低算法复杂度的基础上，出现不同的次最优多用户检测。次最优多用户检测 5 东南大学硕士学位论文 又分为线性多用户检测和非线性多用户检测。一些多用户检测可以做成这两者的组合，也有一些多 用户检测不符合这些分类，如网格搜索和神经网络。 从图2 - 1 的分类可以看到，我们将要介绍的干扰抵消算法属于多用户检测的次优非线性检测算 法。下面首先介绍多用户检测系统模型。 2 2 多用户检测系统模型 首先介绍典型的多用户检测系统的模型1 1o j ： 毫毒n 圆一 l 码1i f 码1 弭户吃忍一厂= = = 1v k， 、 多用户 丫i 检测， l 干扰 抵消 旦幅吾胡一 图2 - 2多用户通信系统模型 上图表述了个多用户检测系统模型。每个用户发送的数据比特流，通过多用户信道后进行传 输。接收信号时进行相关解扩。多用户检测对来自相关器的信号进行处理，并消除所需信号中的多 址干扰成份，所得输出信号即为数据比特流的估计僮。 首先来分析一下传统的检测器检测过程。为简化算法，设定载波同步；采用b p s k 调制；单径 信道环境；总的用户个数为x 。并且多用户之间同步。则接收的等效基带信号可以表示为： x ，( f ) = a k b k ( t ) c t ( t ) + r l ( t ) ( 2 1 ) 其中，a k 为第k 个用户的幅度，玩 - 1 ，1 ) 为第k 个用户的信息比特， 扩频序列，叩( f ) 为所有用户的加性白高斯噪声，噪声方差为b = 盯2 。 定义：用户f 和用户k 之间的相关系数一j 为： = 事f c j ( f ) o ) a t 6 q ( f ) 为第k 个用户的 ( 2 2 ) 假设相关系数已经进行了归一化。当f = k 时，岛j = 1 为自相关系数；f k 时，0 只j l 为 互相关系数。 对于某一特定比特，传统的检测器判决量如下： 6 第二章干扰抵消算法介绍 以= 告r r o ) t ( f 弦 1 b 2 4 坟+ 砉4 包+ 吉f 祀，z c f 弦c z = a k 以+ m a i k + 其中，第一项( 4 反) 代表期望接收的数据，第二项( m a l l ) 代表其他用户对本用户的多址 干扰，第三项( p ) 为加性自高斯噪声。 式( 2 - 3 ) 用矩阵表示为： y = u a b 十v ( 2 4 ) 向量y 、b ，z 分别代表匹配滤波器输出、数据和噪声。其中，y = h ，y 2 ，坛】7 ， i ，= ，r ，b = 【6 l ，6 2 ，k 】7 。矩阵a 是所有用户信号幅度为元素的对角矩阵， a = d j a g 4 ，4 ，以) ，u 为k x k 相关阵，代表了每两个用户之间的相关系数： 1岛j 反1 1 u ：l 擘 ! ：一擘，：i ( ：5 ) i ： ： ：l 【岛j 岛 1 j 如果将u 矩阵分成两个矩阵：u = l + q ，其中，i 为单位阵，代表自相关函数；q 包含u 除 了对角线元素以外的所有元素，代表互相关函数。则( 2 - 4 ) 式可以进一步表示为： y=uab+v=ab+qab+w(2-6) 其中，第一项a b 表示期望接收的数据，第二项q a b 表示多址干扰( m a d ，第三项1 i ，表示加 性高斯自噪声。 当小区用户数量不多时，用户的干扰主要是噪声干扰；当小区中用户数量较多时，多址干扰 ( m a d 会上升为主要干扰，而且很严重。 2 3 非线性多用户检测器 非线性多用户检测是消除多址干扰的有效方法。它基于以下原理：既然要从存在多址干扰的信 号中提取所需用户的信号，就必须首先恢复干扰信号，即：其它用户的信号。然后从整个接收信号 集中减去这些多址干扰信号，就能获得所需要的用户信号。非线性检测可以分为：并行干扰抵消检 测器，串行干扰抵消检测器、混合干扰抵消检测器和判决反馈干扰抵消检铡器。针对上面介绍的一 般多用户通信模型，下面分别介绍4 种非线性多用户检测器。 7 东南大学硕士学位论文 2 3 1 并行干扰抵消检测器 并行干扰抵消( p i c ：p a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ) 检测器是以上次所有用户的判决结果， 来重构用户的发射信号。利用重构的信号，从用户接收信号中减去其他用户干扰的过程。并行干扰 抵消( p i c ) 可以具有分级结构，进行多次干扰抵消。下面是并行干扰抵消( p i c ) 的一级干扰抵消 结构图l l l l ： ：n - i7 6 l g l ( f y ；， 一彬 ，1 u 芽1 季：( f 一瓦： i 。 信号 i 2w 匹配 滤波 ： 重构 ：器组 舌：- 1 敬o 一乃： 一 圈2 3一级p i c 干扰抵消 用户f 匹配滤波器输出的多级干扰表达式如下： ，1 卯叫包+ 只。4 ( 屯一曰。1 ) + ( 2 7 ) i = 0 。刊 在上式中，舌，代表第，个用户在第刀一l 抵消后的判决结果。在干扰抵消过程中，如果用户j 的第疗一1 迭代后的判断结果正确，则该用户的m a i 完全抵消；如果用户_ ，判决错误，将会引入 2 p , ，a j b , 干扰，它是原始干扰的两倍，增强了原始干扰为了减小这种由于判决错误引起干扰加 强的影响，一般引入多级部分并行干扰抵消( p - p i c ：p a r t i a lp i c ) ，即前面多次抵消时，每次抵消 的干扰部分乘以抵消系数五，第r l 1 次抵消系数为五”1 ，则： i _ | 硝包+ 凡4 ( 屯- 2 ”1 曰。) + 亿 ( 2 8 ) j = o , j * m 即前面多次并行干扰抵消( p i c ) 只抵消干扰的一部分，让判决的结果逐渐地向着正确的方向 发展，最后一次才将干扰完全抵消。 从并行干扰抵消( p i c ) 思想的初衷可知：如果其余用户的判决准确性越高，则发生错误抵消 的概率就越低，总体抵消效果就越好。这隐含着对其余用户的判决错误概率基本相同的要求。为了 满足这种条件，就要使得各个用户的接收信干比基本相等。所以并行干扰抵消( p i c ) 适合于功率 控制比较理想的通信系统。并行干扰抵消检测器计算量比较大，p i c 结构随用户数k 线性增加，限 制了在一些场合的应用。但是并行干扰抵消( p i c ) 总体延时比较小。 8 第二章干扰抵消算法介绍 2 3 2 串行干扰抵消检测器 在实际系统中，用户到达功率的差异比较大，这样就会产生明显地“远近效应”。采用上面的 并行干扰抵消( p i c ) 方法，到达功率比较低的用户符号错误判决的概率很大。个别用户的判决错 误概率太大，对其他用户的干扰误抵消就会比较多，不利于系统整体性能的改善。 针对这种功率分配不均的情况，采用串行干扰抵消( s i c ：s e r i a l i n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o n ) 的方 法可以有效地解决“远近效应”。一级串行干扰抵消的结构图如下： 瓦) 图2 - 4 一级s i c 干扰抵消 s i c 首先将用户按接收信号功率由大到小排序，然后完成以下几个步骤： 1 用传统检铡器检测到最强的信号m ； 2 对儿作硬判决； 3 由接收信号产生对用户l 的估计蚕； 4 从总的接收信 r ( t ) 中减去磊，产生消除部分多址干扰的信号( f ) 5 由( f ) 再次按上述方法检测次强用户的信号；直至检测出最弱用户的信号。 为了能再生接收到的用户信号，精确地估计参数是必须的否则，在进行处理时，噪声将会增 加，而干扰却没有消除。 串行干扰抵消( s i c ) 有效地克服了“远一近效应”对干扰抵消的性能影响，对于弱信号来说获 得了很大的增益。但是串行干扰抵消( s i c ) 每次只能判断出一个用户，最后一个用户需要经过n 一1 次干扰抵消后才能得到，处理延时随着用户数x 而线性增加。另外，在串行干扰抵消( s i c ) 中， 如果中间某一级用户的符号判断错误，这种错误将会扩散到后面所有用户的判断中，严重地影响后 面用户的判断。 2 3 3 混合干扰抵消检测器 虽然并行干扰抵消速度快，但是结构比较大，并且不能克服“远逝效应”。串行干扰抵消结构 简单，能够有效的克服“远近效应”，但是速度很慢。两者都有优缺点。 结合并行干扰抵消和串行干扰抵消的优点，则很容易得到混合干扰抵消检测器方案。混合干扰 9 东南大学硕士学位论文 抵消检测器是将用户按功率从大到小分成几组，组与组之间采用串行干扰抵消，在组内采用并行干 扰抵消。这种方法的好处是既加快了处理速度又能克服“远一近效应”1 1 2 l 。 2 3 4 判决反馈干扰抵消检测器 在多径环境下，多用户检测也可以使用判决反馈( d f ：d e c i s i o nf e e d b a c k ) 检测器来实现。与 通常用于单用户l s l 消除的均衡器类似，d f 检测器是非线性的。判决反馈检测器的工作原理是：为 了消除干扰，先对用户数据进行试探性的初始估计，然后再进行更加精确地判决。通常将两种基本 的滤波器( 前馈滤波器和反馈滤波器) 与信道估计和后续判决相结合，以消除干扰。某一特定用户 的检测器要利用前一时刻的判决和当前时刻已经被检测的那些用户的判决。为了得到可以接受的系 统性能，初始估计按信号的强弱来进行试探性的估计。如果初始判决不正确，则干扰消除得不完全， 将导致系统性能降低唧。 由于干扰抵消的方法简单易行，并且不对噪声进行任何变换，所以该类算法不会发生线性算法 中的噪声放大问题；它是当前使用最多的多用户检测技术。同时应当看到这种基于判决反馈的方法 有着判决错误扩散的危险。而且这种方法依赖于用户发射功率的估计准确性，在衰落信道中该参数 是不容易估计准确的。所以，一般抵消时都留有余地，采用部分干扰抵消来尽量减小前面的错误判 断给后面判断带来的损失。 2 4 本章小结 本章介绍了一般多用户通信系统模型和多用户检测的分类；分析了多用户检测的几种非线性检 测器。并分析了他们的优缺点，以及适用环境。 下一章我们首先研究一般的多码道通信系统，推导干扰抵消算法在一般多码道接收系统的应 用。然后针对e v o d o 系统，分别推导符号级干扰抵消和c h i p 级干扰抵消在e v - d o 前向链路接收系 统中的应用；并研冗和迭代干扰抵消相关的软输入输出算法。 1 0 第三章迭代干扰抵消算法及其在e v o d o 系统的应用 第三章迭代干扰抵消算法及其在e v - d o 系统的应用 从上一章的分析可以知道，干扰抵消技术可以应用在e v - d o 前向链路的接收系统来消除多码 道干扰( m c i ) 。在推导应用于e v - d o 系统的迭代干扰抵消算法之前，我们首先研究迭代干扰抵消 在一般多码道扩频通信系统中的应用。 3 i 迭代干扰抵消基本算法 我们讨论的迭代干扰抵消( 1 l c ：i t e r a t i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ) ，适用于多码道扩频系统， 如e v - d o 、e v - d v 和h s d p a 。他们都是采用多码道技术，系统时分的给特定用户分配一个或多个 码道，每个码道用正交码来区分。如果前向链路同时有多个用户接收数据，对于每个用户来说，不 知道其他用户使用的码道数以及扩频的正交码；干扰抵消技术无法抵消前向链路其他用户的干扰。 但是特定用户使用的码道数和正交码，对用户自身来说都是已知的。因此，应用迭代干扰抵消技术 来消除由于多径引起地用户自身的多码道干扰( m c i ) ，是完全可以实现的。 3 1 1 一般多码道扩频通信系统的介绍 首先介绍一般的多码道扩频通信系统。如图3 - i 所示。假设发射系统时分的把x 个码道分配给 一个用户，前向发射系统发送的数据6 【肌】经过信道编码、交织，串，并转换后调制、扩频，再进行 c h i p 级累加后发射出去1 4 1 ： 图3 1 一般多码道扩频通信系统中的发射系统 图3 - 2一般多码道扩频通信系统中的基本接收系统 东南大学硕士学位论文 在接收系统中，接收到的数据首先解扩，然后经过r a k e 接收机，将分布到多径上的能量c h i p 级累加；再将数据解调、并，串转换、解交织，最后进行解码，判断接收数据是否正确。如果解码正 确，接收数据成功；如果解码错误，接收数据失败。然后将解码结果送给上层处理。如果没有迭代 干扰抵消，接收系统完成数据处理流程。图3 - 2 为一般多码道扩频通信系统中的基本接收系统。 在应用了迭代干扰抵消技术的接收系统中，解码后的数据不是立即送去判断正误。而是把解码 后的比特本位信息和校验位信息，再经过交织、调制、串，并转换，一并反馈到r a k e 接收机前。 抵消其他符号在本符号上的干扰，得到比较“干净”的符号；然后再进行一次解调到解码的全过程。 和r a k e 接收机相比，这样抵消了其他符号干扰后再进行解码，解码的正确性必然会提高。图3 - 3 是应用了迭代干扰抵消技术的多码道扩频通信接收系统。 农【f 】 图3 - 3应用迭代干扰抵消的多码道扩频通信接收系统 当然，解码器不可能一次将数据解码成功；否则就不需要将数据反馈后进行干扰抵消。解码器 的迭代译码加强了数据的正确信息。数据反馈后进行干扰抵消、然后再解码、再反馈进行干扰抵 消如此循环就形成了多次干扰抵消，即：迭代干扰抵消( c ) 。但是错误比特位的信息可能还 是错误的，如果每次迭代干扰抵消都全部抵消符号的干扰，解码错误的符号必然会加强符号的干扰。 因此，一般都不采用全部迭代干扰抵消( t i c ：t o t a ll l c ) 。而是将迭代反馈数据的幅度乘以一个系 数，进行部分迭代干扰抵消( p - i i c ：p a r t i a li i c ) ；使符号逐步向着正确方向发展。最后一次迭代才 完全抵消干扰。 3 1 2 迭代干扰抵消基本算法推导 在发射端，假设k 个码道时分地分配给一个用户，要发送的数据流m 研】经过编码、交织、串， 并转换、调制和扩频后，第k 条码道上传输的波形为： ( 3 - 1 ) 其中，d a i 】和c k ，( f ) 分别表示第k 条码道上第f 个调制符号和扩频波形am 为每个码道分配 的数据长度，兀为扩频的符号周期。 由于多码道干扰( m c l ) 是由多径时延不同引起的，因此设定的信道为多径信道： 1 2 ) 一 一 o jq if 破 m = )( & 第三章迭代干扰抵消算法及其在e v - d o 系统的应用 h c t ) = 乏：届( ，) 占( ，0 )r ，s o ，1 s j 茎l ( 3 2 ) = 1 届( ，) = f l , i 】f 巧f ( f + 1 ) r ( 3 - 3 ) 其中，l 是信道的多径数目，f l , ( t ) 和f f 分别为第f 径的复包络和相对时延。一般情况下可以 认为：在个符号周期内届( ，) 保持不变。o 是由多径时延造成相互影响的符号数目。 每个码道上扩频的数据经过c h i p 级累加后发射出去。发射的数据通过多径信道，再经过加性白 高斯噪声干扰，在接收端接收到的数据为： r ，( f ) = ( f ) 嘲( f ) + 玎( f ) 一(3-4) km - il = 引刁届【f h ，( t - i t 一r ，) + ，7 ( f ) k = 1 1 = 0i = 1 收剑的信号口j 以碉多丰中合并万式：远掸性合并，等增益合并丰口最大比合并。在这里我们采用最 大比合并。采样的信号通过r a k e 接收机多径合并为： 蚶以= 窆屏【f 】r ( ，) ，( ，一妇- 一f ，) 西 rm - 1 一 = 屏【f 】喀【_ ，】届，【刀q 。o 一_ ，巧一f ，) 吒o f 乃一巧) 班 ( 3 - 5 ) ，。l 1 1 = 0 r = i + 窆屏【f 】叩( f ) ，。( f 一，一f f ) 葫 从上面式子可以看到：接收到的信号n 【司和信道系数、扩频波形、发送的数据以及噪声相关。 为方便理解，下面定义两个变量。 定义：第k 条码道第，。径上第_ ，个符号在第k 条码道第，径上第i 个符号的相关函数为： 唧州i ”【诳刀圭气。( t - j t - r , ) ，( t - i t n f j ) 由，i i - y l 吐, ( 3 - 6 ) 仅当七= k ，= ，i = _ ，时，q i ，舡”【讲刀= 1 ，为自相关函数；其他情况时， 0 只i ，舡v ，f f 】【门 lt 为互相关函数 定义：高斯白噪声通过扩频波形后采样输出为： 九，【力圭叩( f ) ，( f f 一r ) 硪 ( 3 7 ) 则通过扩频波形后的噪声自相关函数为： e 以，【f 】簖，【_ ，】) = e 叩( f ) ，( t - i t , , - r , ) a t - r l + ( ，) q ：，( ，l _ ，一) 础 = e e 玎( f ) 矿( f ) q ：，( 卜，巧一f ，) ，( f f 矗一f ，) 加曲 ( 3 - 8 ) = 盯2 q ：，o - j r , , 一f ，) ，( ，一f 巧一，) 加 = 0 2 靠，x t ，棚【月 1 3 东南大学硕士学位论文 其中，噪声叩( ，) 的方差为b = 仃2 。 则r a k e 接收机接收的信号可以写成： r，ml n 【f 】= 屏 力d k 【，】屏 j p ( k j x k , z ) 【f 】【门+ 群【】以， i l ( 3 - 9 ) 1 = 1 ；1j = l m，；1 i = 1 【注：在本文中，表达式的定义统一采用( 皇) 符号】 3 1 3 算法的矩阵表示 为便于理解，我们将基本算法用矩陴形式表示出采。首先定义如下向量和矩阵。 定义：多径信道系数矩阵为： h f i l 圭d i a g h i l l h i l l 其中，n l i l 为k l x k 矩阵，h l i l 为l 列向量，定义为： b l i l 吖届【f 】p d i t 定义：多码道之间的相关系数矩阵： f i i i d i - - - * i f ，j i i l i j r r l l i l l j l r r q l i l l j l r r 轧l i l l j l 7 ， 其中，r l i l l j l 为k l x k l 矩阵，r 。l i l l j l 为r l i l l j l 矩阵的每一行，定义为： r u l i l d ! - p f j x l , 1