（信号与信息处理专业论文）wcdma中的多用户检测的软件仿真.pdf

摘要 由于多径衰落和多普勒扩展的影响，移动无线信道是非平稳的，其时变特征 明显。衰落和扩展对任何一种调制技术的误码率都有很强的负面影响，会引起接 收端的信号畸变或明显衰落。因此，在通信工程中，信号的检测技术就显得格外 重要。基于这点，并结合w c d m a 空中接口方案，本文着重讨论了多用户检测技术， 并对其中的几种干扰消除算法进行了详尽的阐述和仿真。 首先介绍了本文的背景。 第二章介绍了第三代空中接1 3 的要求，重点阐述w c d m a 的特点和协议 第三章介绍各种多用户检测技术及其性能，重点介绍干扰消除算法及其实用 价值。 第四章基于w c d m a 协议，运用m a t l a b 实现上述算法并比较其性能。 关键词：w c d m 戈多用户检测jr a k e 接收机? 信道参数估计如h a n n e l e s t i m a t i o n y m u l t i p a t hf a d i n g r a k er e c e i v e r 、， v 4 a b s t r a c t i n f l u e n c e db ym u l t i p a t hf a d i n ga n dd o p p l e r s h i f t i n g ，am o b i l e r a d i oc h a n n e li s n o n s t a t i o n a r ya n dt h e r ea r ev e r ys t r o n gt i m e v a r i a n tc h a r a c t e r i s t i c sw i t hi t ag e n e r a lm o d u l a t i o nm e t h o d c a nn o t b eu s e df o rh i g hb i t e r r o rr a t i o ( b e r ) t h ei m p l e m e n t a t i o no fs i g n a l d e t e c t i o nm e t h o dm u s tb ed o n ei nam o b i l ec o m m u n i c a i t o ns y s t e m b a s e d o nt h i s ，m u l t i u s e rd e t e c t i o nt e c h n o l o g i e sa r ee m p h a t i c a l l y d i s c u s s e di nt h i sp a p e r s o m eo fc a n c e l l a t i o na l g o r i t h m i m d l e m e n t a t i o n sa r ed e s c r i b e di nd e t a i l sa n ds i m u l a t e dw i t hm a t l a b t o o l s t h e i rp e r f o r m a n c e sa r ec o m p a r e da tl a s t i n c h a p t e r1 ，t h eb a c k g r o u n di sd i s c u s s e d i n c h a p t e r2 ，t h et h i r da i ri n t e r f a c ei sd i s c u s s e d i n c h a p t e r3 ，s o m em u l t i - u s e rd e t e c t i o na l g o r i t h m i nc h a p t e r4 ，u s i n gm a t l a b ，r e a l i z ea l g o r i t h ma n da n a l y z e c o n c l u s i o n k e y w o r d ：w c d m ar a k er e c e i v e rc h a n n e le s t i m a t i o n m u l t i p a t hf a d i n g m u l t i 。u s e rd e t e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，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 获得电子科技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 说明并表示谢意。 签名： i 主 日期：瑚堙年5 月刀日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 直王导师签 日期： 电子科技大学硕士论文 第一章前言 1 1第三代移动通信系统无线接口的特点 随着无线通信用户数量的急剧增长，频率资源日益紧张。要求第三代移 动通信系统i w r - 2 0 0 0 能提供更大的系统容量，更高的通信质量，并能提供 2 m b it s 数据业务，以满足人们对多媒体通信的要求并适应通信个人化的发 展方向。对无线接口( 无线接口也称为空中接口，一般指用户设备和网络之 间的接口) 提出了更高的要求。 第三代移动通信区别于现有的第一代和第二代移动通信系统，其主要特 点概括为： ( 1 ) 全球无缝漫游。第二代移动通信系统一般为区域或图家标准，而 第三代移动通信系统将是一个在全球范围内覆盖和使用的系统它将使用共 同的频段，全球统一标准。 ( 2 ) 具有支持多媒体业务的能力，特别是支持i n t e r n e t 业务。现有的 移动通信系统主要以提供话音业务为主，随着发展一般也仅能提供 1 0 0 - 2 0 0 k b i t s 的数据业务，g s m 演进到最高阶段的速率能力为3 8 4 k b i t s 。 第三代移动通信的业务能力将比第二代有明显的改进它应能支持从话音分 组数据到多媒体业务；应能根据需簧，提供合适的带宽。i t u ( 国际电联) 规 定的第三代移动通信无线传输技术的最低要求中，必须满足以下兰种环境的 要求。即： 快速移动环境，最高速率达1 4 4 k b i t s 室内环境，最高速率达2 m b i t s 室外到室内或步行环境，最高速率达3 8 4 k b i t s ( 3 ) 便于过渡、演进由于第三代移动遁信引入时，第二代阿络已具 有相当规模，所以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐灵活演 进而成，并应与固定网兼容。w c d i 舱使用与g s m 相同的网络协议结构( 信令) 。 通过对g s m 系统增加k d 姒系统无线接入并运行于两种系统中，这样将能够 使用现有的g s t 网络作为桉心网络基础设麓因此，- 姒为g s m 运警公司 提供了在现有投资上建立第三代无线接入的机会 ( 4 ) 高频谱效率、高服务质量、低成本、高保密性 目前i m t 一2 0 0 0 无线传输技术( r t t ) 提案有1 6 个之多，其中地面系统 电子科技大学硕士论文 r t t 提案有1 0 个，移动卫星系统的r t t 提案有6 个。从市场基础及总体系统 特征看，地面系统以欧洲u t r a ( w c d m a t d c d m a ) 及美国c d m a 2 0 0 0 这两个 提案最具竞争力，我国的r t t 提案是t d s c d m a 。 1 2 w c d m a 的主要特点 信息社会的到来对通信手段提出了越来越高的要求，w c d m a 是应运而生 的全新的第三代移动通信系统方案，与前两代系统相比有较多的优点，主要 概括为以下几方面： ( 1 ) 比第二代移动通信系统有更好的性能。包括更大的系统容量和更 大的覆盖区域，且可以从第二代系统逐步演进。w c d m a 由于自身的带宽较宽， 因而由多径效应引起的信号衰落较小，上下行链路发射导频信号，从而实现 相干解调，能大幅度提高链路容量。w c d m a 中采用快速功率控制技术，使发 射机的发射功率总是处于最小的水平，从而减少了多址干扰这些技术都提 高了系统容量，对一般话音服务，系统容量至少提高两倍。 ( 2 ) 提供更加灵活的服务。包括：支持更宽范围的服务，最高可支持 2 m b it s 的高速数据业务；支持一条连线上传输多条并行业务；支持高速率 的分组接入。w c d m a 最重要的一个特点是功率对用户来说是共享资源。在下 行链路上，基站中码分复用的用户分享总的功率，上行链路中，基站有一个 最大干扰容限，这个功率在小区中产生干扰的移动台之间分配共享功率使 w c d m a 能灵活地处理各个不同速率的业务当数据速率变化时，无须对码字、 时隙等重新分配，也即无须重新分配物理信道，只要调整功率分配即可保证 业务传输质量不受影响。髓晰a 中使用正交变扩频增益扩频码( o v s f ) ，这种 码字保证了不同用户信道或同一用户不同业务信道的正交性，对于不同的数 据速率，这种正交性仍然存在这一措施也保证了代o 姒适应多种业务的要 求。w c d m a 方案中采用了对不同么s ( 业务质i t ) 要求的业务进行不同的信 道编码的策略标准业务仅采用卷积编码，高质量业务在眷积编码的基础上 增加r s 编码或采用t u r b oc o d e 的填码方法，而对特定业务则在第一层不采 用纠错编码而完全由高层来采取差错控制 ( 3 ) 采用更加灵活的系统操作包括：支持基站间的异步操作：支持自 适应天线阵技术与多用户检测的技术；支持非平街频带下采用时分双工的模 式，采用单信元频率复用等 4 电子科技大学硕士论文 1 3本文的组织结构 我国现在使用最广泛的是g s m 系统，而w c d m a 系统可以使用现有的g s m 网络作为核心网络基础设施，因而我国对w c d m a 技术和第三代移动通信体制 标准也极为重视，现在正在大力研究。 在多径传播环境下，会产生多径衰落，解决多径衰落最有效的方法就是 采用r a k e 接收技术来减轻或消除多径干扰。但在c d m a 通信系统中，用户不 仅受到其自身信号多径传播所造成的多径干扰，而且受到来自其它用户的多 址干扰。将多用户检测技术和r a k e 接收技术相结合可以大大改善系统的性 能，提高系统容量。 本文结合w c d 雌协议，重点阐述了接收端的多用户检测技术。因为多用 户检测技术实现的成本和计算量比较大，适合在基站使用，因而本文只研究 了这种技术在基站的使用，也就是把多用户检测技术用于上行链路( 移动台 到基站接收机的无线链路) 的数据的检测而且为了抗多径干扰，在多用户 检测算法中使用了r a k e 接收机。 前言简单阐述本文的背景。 第二章详细阐述了关于w c d m a 上行物理信道的协议其中包括帧结构、 信道正交扩频码的生成、扰码的生成、调制和扩频方式 第三章重点描述各种多用户检测算法首先阐述多址干扰形成的原因， 接着分析传统接收机的缺点，再简单提及不易于实现的最优多用户检测算法， 最后对比较易于实现的次优多用户检测技术进行了详细的阐述，其中包括线 性检测算法和干扰消除算法，并比较了它们的性能 第四章主要阐述几种干扰消除算法的仿真模型以及仿真对用的参数，并 分析了结果。 电子科技大学硕士论文 第二章w c d m a 移动通信系统的上行物理信道 2 1协议结构 无线接口由层i ，2 和3 组成。层i 基于w c d m a 技术。 层3 圳 层z 蓁 辍 层1 逻辑信道 传送信道 图2 - i ：有关物理层的无线接口协议结构 图2 一l 显示了u t r a ( 通用地面无线接入) 无线接口与物理层有关的协 议结构。物理层与层2 的m a c 子层和层3 的r r c 予层相连图中不同层 子层间的圆圈部分为业务接入点( s a p s ) 。物理层为m a c 层提供不同的传送 信道。传送信道定义了信息是如何在无线接口上进行传送的。m a c 层为层 2 的无线链路控制( r l c ) 子层提供了不同的逻辑信道逻辑信道定义了所传 送信息的类型物理信道在物理层进行定义有两种双工模式：频分双工 ( f d d ) 和时分双工( t d d ) 在f d d 模式下，物理信遒由码、频率和上行链路 的相关相位( i q ) 来确定。物理层由r r c 控制。 2 2 多址接入 w c d m a 的接入方案为直接序列码分多址技术( d s - c d m a ) ，信息将在约 5 m h z 的带宽上进行扩频 u t r a 有两种模式，f d d 和t d d ，分别运行在对称的频带和非对称的频 带上采用f d d 或t d d 模式中的一种，可以保证在不同的地区更有效地利 用可用的频段f d d 模式的定义如下： 上行链路和下行链路采用两个独立频率工作的双工方式每个上行链 路和下行链路使用不同的频段。使用此系统，应该分配一对有一定间隔的 频带。 对w c d m a 来讲，一个1 0 m s 的无线帧被分成1 5 个时隙( 在码片速率 3 8 4 m c p s 时为2 5 6 0 c h i p s l o t ) 。信道的信息速率将根据符号率变化。符 电子科技大学硕士论文 号率将根据3 8 4 m c p s 码片速率和不同的扩频因子而得到。f d d 上行链路的 扩频因子的范围为2 5 6 到4 ，下行链路的扩频因子范围为5 1 2 到4 ，t d d 的上下行的扩频因子范围为1 6 到1 。因此对f d d 的上( 下) 行链路来讲， 相应的调制符号率其变化范围为9 6 0 ks y m b o l s s 到1 5 ks y m b o l s s ( 7 5k s y m b o ls s ) 。 2 3信道编码和交织 u t r a 支持三种信道编码方式： 卷积编码 t u r b o 编码 不编码 信道编码的选择是由上层信息来指示的。为减少随机化传输差错，之 后将进一步采用交织技术。 2 4 调制和扩频 u t r a 的调制方案为q p s k 。 c d m a 的本质是扩频( 和扰码) 过程与调制过程紧密关联。在u t r a 中， 用不同家族的扩频码对信号作扩展。 对来自同一信源的不同信道，使用来自码树结构的信道化码来区分。 对不同的小区，使用下面的方法来区分： f d d 模式：周期为l o m s 的g o l d 码( 3 8 4 0 0 c h i p s ，速率为3 8 4 m c p s ) ， 实际码长为2 ”一1 码片( 每l o m s 进行一次截断) 。 对不同的用户，采用下面的码族进行区分： f d d 模式：周期为l o m s 的g o l d 码，或者采用2 5 6 码片周期的s ( 2 ) 码。 2 5 上行专用物理信道的帧结构 用一个特定的载频，扰码，信道化码( 可选的) ，开始和结束的时间 ( 有段持续时间) 来定义一个物理信道其中在上行链路中有一个相对 的相位( 0 或n 2 ) 持续时间由开始和结束时刻定义，用c h i p 的整数倍来 测量。在协议中使用的码片倍数有： 无线帧：是一个包括1 5 个时隙的处理单元一个无线帧的长度是 3 8 4 0 0 c h i p s 。 时隙：是由包含一定比特的字段组成的一个单元。时隙的长度是 2 5 6 0 c h i p s 。 电子科技大学硕士论文 有两种上行专用物理信道，数据信道( 上行d p d c h ) 和物理控制信道( 上 行d p c c h ) 。d p d c h 和d p c c h 在每个无线帧内是z q 码复用的。上行d p d c h 用于传输用户数据。在每个无线链路中可以有0 个、1 个或几个上行d p d c h 。 上行d p c c h 用于传输层l 产生的控制信息。层1 的控制信息包括支持信道 估计以进行相干检测的已知导频比特，发射功率控制指令( t p c ) ，反馈信 息( f b i ) ，以及一个可选的传输格式组合指示( t f c i ) 。t f c i 将复用在上行 d p d c h 上的不同传输信道的瞬时参数通知给接收机，并与同一帧中要发射 的数据相对应起来。在每个层l 连接中有且仅有个上行d p c c h 。 图2 2 显示上行专用物理信道的帧结构。每个帧长为i o m s ，分成1 5 个时隙，每个时隙的长度为t + 。= 2 5 6 0c h i p s ，对应于一个功率控制周期。 呻d c h l坠坠i t _ d 2 5 6 0c h i p s ，n “- 1 0 2 b i t s ( k - o 。6 ) l p i l o tt f c i l f b it p c jn _ l _ b i t sn t k ib i t si n m i b i t sn t r cb i t s 2 5 6 。c “9 l j ：7 s i o t # ol s l o t # 1ls i o t 鲋s l o t 群1 4 iii 图2 - 2 ：上行d p d c h d p c c h 的帧结构 图2 2 中的参数k 决定了每个上行d p d c h d p c c h 时骧的比特数。它与 物理信道的扩频因子s f 有关，s f = 2 5 6 2 d p d c h 的扩频因子的变化范围 为2 5 6 到4 。上行d p c c h 的扩频因子一直等于2 5 6 ，即每个上行d p c c h 时 隙有1 0 个比特。 表2 一i 和表2 2 给出了上行d p d c h 确切的比特数和上行d p c c h 各个 字段( n 。，n 一，n 。，和n , p c ) 的比特数使用哪一种时隙格式是由高层 配置的，并且可以由高层重新配置 表2 1 和袭2 2 中给出的信道比特和符号速率是扩频前的速率。导 频模式在表2 3 和表2 4 中给出，t p c 比特模式在衰2 5 中给出 9 电子科技大学硕士论文 时隙格式信道比特率 信道符号率 s f比特比特n d 。t 。 # i ( k b p s )( k s p s ) 帧时隙 o1 51 52 5 61 5 0 1 01 0 l3 03 01 2 83 0 02 02 0 26 06 06 46 0 04 04 0 31 2 01 2 03 21 2 0 08 08 0 42 4 02 4 01 62 4 0 01 6 01 6 0 54 8 04 8 084 8 0 03 2 03 2 0 69 6 09 6 049 6 0 06 4 06 4 0 表2 一l ：d p d c h 字段 在# i信道比信道符s f比特比特n i i 。tn t n t p c ln 阿j每个 内时特率号率帧时隙无线 隙形( k b p s )( k s p s )帧发 式射的 时隙 01 51 52 5 61 5 01 062201 5 o a1 51 52 5 61 5 01 05230l o 1 4 o b1 51 52 5 61 5 01 042408 - 9 11 51 52 5 61 5 01 08 2o08 - 1 5 21 51 52 5 61 5 01 0522l1 5 2 a1 51 52 5 61 5 01 0423l1 0 - 1 4 2 b1 51 52 5 61 5 01 032418 - 9 31 51 5 2 5 61 5 01 0 72018 - 1 5 41 51 52 5 61 5 01 062o 28 一1 5 51 51 52 5 61 5 01 05l2 21 5 5 a1 51 52 5 61 5 01 04l321 0 - 1 4 5 b1 51 52 5 61 5 01 03 l428 - 9 表2 2 ：d p c c h 字段 导频比特模式见表2 3 和表2 4 。表中阴影部分被定义为f s w 和 1 0 电子科技大学硕士论文 f s s ，可用于帧同步的确认。( 除帧同步码字外的导频比特可取值为“1 ”) 。 n d i lo t = 3n 1 l 。= 4n 。i i 。t = 5 n p i l o t = 6 b i t # i 120l 2301234012345 s 1 0 t # 0ll1lllllllo l1 ll1o 1 1 0l l00l00l10 100llo i 11l0 110i101 10ii0i 3 0ll0 0l00l00l 00100 4oil10ll0l0l 1l0l01 1li1 1ll1ll01l l110 bll1i llll1ooll lloo 701 1101l0lo0ll 0loo 8 i 1110 1101l10lo l1lo 0 111i l11lllllll1l1 l o i il10 i10ilo1101i0i l l0l 110ll0ll11l 01ll 1 201l1 0110l0o11o1o o 1 3 1 0ll 00100ll11o 01ll 1 4 i o110 ol00lll loolll 表2 3 ：用于上行d p c c h 的导频比特模式，其中n 。= 3 ，4 ，5 和6 电子科技大学硕士论文 n 。i l 。= 7n 。i l 。= 8 b i t #0l23456ol234567 s 1 0 1 ：# 0l111l0111l1ll10 i1 00i10iio 10ii10 21 01l01ll0 11l0l1 31 o0100110 1ol010 41 lo101l11 lol011 al11ll oll1 l1l110 611l100l1l l11ol0 ，llo100lll 101olo 81 011lol101l1l10 91 ll111l1lllllll 1 01 o11olll01l10l1 1 11l0l1l11l 10111l 1 2l 10l0011l1o10l0 1 31 o0111l10lo1l1l 1 410ol11l l010l111 表2 4 ：用于上行d p c c h 的导频比特模式，其中n “。= 7 和8 t p c 比特模式和发射机功率控制指令的关系如衰2 5 所示。 t p c 比特模式发射机功率控 n t p c = 1n t p c = 2 制命令 11 l1 00 00 表2 5 ：t p c 比特模式 上行专用物理信道可以进行多码操作当使用多码传输时，几个并行 的d p d c h 使用不同的信道化码进行发射。值得注意的是，每个连接只有一 个d p c c h 。 电子科技大学硕士论文 2 6 上行专用物理信道( d p d c h 和d p c c h ) 的扩频和调制 2 6 1概述 扩频应用在物理信道上包括两个操作。第一个是信道化操作，将每一 个数据符号转换为若干码片，因此增加了信号的带宽。每一个数据符号转 换的码片数称为扩频因子。第二个是扰码操作，将扰码加在扩频后的信号 上。在信道化操作时，i 路和q 路的数据符号分别和o v s f 码相乘，保证一 个用户所使用的多个物理信道之间的正交性。在扰码操作时，i 路和q 路 的信号再乘以复数值的扰码，用来区分用户i 和q 分别代表实部和虚部。 2 6 2上行链路专用物理信道( 上行d p d c h d p c c h ) 在上行链路中，系统规定，每个无线连接最多允许一个d p c c h 信道和 六个d p d c h 信道问时传输。图2 - 3 描述上行链路专用物理信道在满负荷时 d p c c h 和d p d c h 的扩频原理。用于扩频的二进制d p c c h 和d p d c h 信道用实 数序列表示，也就是说二进制的”0 ”映射为实数+ 1 ，二进制的”l ”映射 为实数- i 。d p c c h 信道通过信遂码c 。扩频到指定的码片速率，第n 个d p d c h 信道d p d c h 通过信道码c 。扩频到指定的码片速率，可以同时发射，即1 n 6 电子科技大学硕士论文 c d 阢 图2 - 3 ：上行链路专用物理信道d p c c h 和d p d c h 扩频 信道化之后，对实数值的扩频信号进行加权处理，对d p c c h 信道用增 益因子反进行加权处理，对d p d c h 信道用增益因子几进行加权处理。在任 意时刻，几和儿的幅度值至少有一个为1 0 。，值用4 - b i t 量化，表2 6 给出了量化步骤。 见和几的比特值声。和几的量化幅度比 1 5 1 o 1 4o 9 3 3 3 1 3 o 8 6 6 6 1 20 8 0 0 0 1 1o 7 3 3 3 1 0o 6 6 6 7 90 6 0 0 0 电子科技大学硕士论文 80 5 3 3 3 70 4 6 6 7 60 4 0 0 0 50 3 3 3 3 40 2 6 6 7 30 2 0 0 0 20 1 3 3 3 l0 0 6 6 7 os w i t c ho f f 表2 - 6 ：增益参数的量化 对信号加权处理后，i 路和q 路的实数值码流相加，成为复数值的码 流，再通过复数值的s 。码进行扰码，扰码和无线帧对应，也就是说扰 码的第一个码片对应无线帧的开始。 2 6 3o v s f 码的产生 图2 - 3 中的信道化码是o v s f 码，用于保证用户不同物理信道之间的正 交性。o v s f 码可以用图2 - 4 的码树来定义。 s f - ls f - 2s f - 4 图2 - 4 用于产生正交o v s f 码的码树 图中，信道化码被唯一的定义为c 。- m 。这里，s f 是码的扩频因子，k 是码的序号，0skss f - i 。码树的每一级定义了长度为s f 的僖道化码， 对应于图2 - 4 的扩频因予s f 信道化码的产生方法定义为： 电子科技大学硕士论文 c c h i ，0 = c 1 一卜 o l c c h , 2 ，lj l c 州月 ： “i o ：l l ：l ： 2 ( 吣 巳2 1 2 l 。 2 ：阳h c 州，o r 11 一c 删j 5 l i l j 挪。 q 却一办 q 挪q 力 q 巾一。 吒一籼 吒矿山 q 只山 一q 矿山 图2 - 5 ：o v s f 码的产生方法 每一个信道化码字的最左边的值对应于最早发射的码片。 2 6 4 码的分配 d p c c h 和d p d c h 的码分配遵照以下原则： d p c c h 信道总是用码c 。= c 。o 扩频，即扩频码为长为2 5 6 的全l 序列。 当只发送一个d p d c h 信道时，d p d c h 用码c ”- ，扩频，这里s f 是 d p d c h 信道的扩频因子，k = s f 4 当发送多个d p d c h 信道时，所有 d p d c h 信道的扩频因子等于4 ( l = 4 ) 。d p d c h 用码c = c 。扩频这里， k = l ，如果n l ，2 ) ，k = 3 ，如果r le 3 ，4 ，k = 2 ，如果ne 5 ，6 2 6 5 扰码 所有上行物理信道都用复数值的扰码进行扰码处理。d p c c h d p d c h 信 道既可以用长码又可以用短码扰码 短扰码序列c - o r “，。( i ) 和c m u ( i ) 由周期性的s ( 2 ) 扩展码定义的： 设n nn 2 2 “n 。代表2 4 比特第n 个码，第n 个四进制s ( 2 ) 序列z ( i ) ，os ns 1 6 7 7 7 2 1 5 ，由三个序列的模四加得到。一个四进制序列a ( i ) 和两个二 进制序列b ( i ) 及d ( i ) ，初始载入的三个序列由码数n 决定的。长度为2 5 5 1 6 皇王型垫盔兰堡主堡苎 的z 。( i ) 序列由下式产生的： z 。( i ) = a ( i ) + 2 b ( i ) + 2 d ( i ) 模4 ，i = o ，1 ，2 5 4 ， 四进制序列a ( i ) 由多项式g 。( x ) = x 8 + x 5 + 3 x 3 + x 2 + 2 x + l 产生： a ( 0 ) = 2 n 。+ l 模4 ， a ( i ) ：2 n 。模4 ，i = l ，2 ，7 ， a ( i ) = 3 a ( i - 3 ) + a ( i - 5 ) + 3 a ( i - 6 ) + 2 a ( i 一7 ) + 3 a ( i 一8 ) 模4 ，i = 8 9 ，2 5 4 ， 二进制序列b ( i ) 由多项式g ，( x ) ：x 8 + x 7 + x 5 + x + 1 产生 b ( i ) = n 。+ 。模2 ，i = 0 ，l ，7 ， b ( i ) = b ( i 1 ) + b ( i - 3 ) + b ( i - 7 ) + b ( 卜8 ) 模2 ，i = 8 ，9 ，2 5 4 二进制序列c ( i ) 由多项式9 2 ( x ) = x 。+ x 7 + x 5 + x + 1 产生的 d ( i ) = n ，。模2 ，i = 0 ，1 ，7 ， d ( i ) = d ( i 一1 ) + d ( i - 3 ) + d ( i - 4 ) + d ( 卜8 ) 模2 ，i = 8 ，9 ，2 5 4 序列z ( i ) 通过置z ( 2 5 5 ) = z 。( 0 ) 将长度扩展到2 5 6 码片 序列z 。( i ) 和实数值的二进制序列c m 。( i ) 与c ，- 。“( i ) ( i = 0 ，1 ， 2 5 5 ) 的对应关系见表2 - 2 。 晶( j )c 。( j )c m 。 ( f ) o+ 1+ l ll + 1 2一l 一1 3+ 1- l 表2 - 2z ( i ) 和c 。( i ) a n dc “。( i ) ( i = 0 ，1 ，2 5 5 ) 的 对应关系 最后，复数值的短扰码序列c 。定义为： c m 。( f ) = c m j o m o d 2 5 6 ) 【l + 小l y c “2 ，吼( f 啪d 2 5 6 ) ，2 埘 这里f = 0 ，1 ，2 ，l j 表示下取整 2 5 5 码片序列短码产生器的一种实现见图2 - 6 1 7 电子科技大学硕士论文 佰、模。加 、一 相乘 2 6 6 调制 图2 - 6 上行2 5 5 码片序列短码产生器 在上行链路，通过扩频产生的复数值码片序列用q p s k 方式进行调制， 见图2 7 。调制码片速率是3 8 4m c p s 。 娴 图2 7 ：上行链路调制 本章小结 本章主要阐述u t r a 通信系统中基于w c d m 技术的物理层的上行链路 的相关协议。包括上下行链路的帧结构、信道正交码和扰码的生成、调制 和扩频方式。 3 1概述 第三章多用户检测技术 多用户检测是宽带c d m a 通信系统中抗多址干扰的关键技术。理论上， 若不同用户的特征波形( 即扩频码) 是正交的，那么将接收信号与期望用 户的扩频码求相关的接收机是最佳接收机，多址干扰根本就不存在。但在 实际的c d m a 通信系统中，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 j t e r e n c e ，m a i ) 存在的根源。引起多址 干扰的原因可能是以下三个： ( 1 )在用户数多的时候。完全正交扩频码的个数可能满足不了用 户数目的需要，因而系统可能采用的是准正交码。 ( 2 )用户之间的不同步。 ( 3 )由于信道存在多径衰落，不同用户的信号是以不同的时延到 达接收机的。 由个别用户产生的m a i 固然很小，可是随着用户数的增加或信号功率 的增大，m a i 就成为宽带c d m a 通信系统的一个主要干扰。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相关 处理，因而抗m a i 干扰能力较差，存在以下问题： ( 1 ) 干扰低限：由于干扰信号与期望信号不正交，所以期望用户的一 般匹配滤波器的输出会含有来自多址干扰的贡献。因此，即使接收机热噪 声电平趋于零，匹配滤波器的错误概率由于多址干扰的存在也会表现出非 零的下界( 称为干扰低限) 这就使得相关接收机很难达到低误码率。 ( 2 ) 远近问题：如果干扰用户比期望用户距离基蛄近得多。干扰信号 在基站的接收功率就会比期望信号的接收功搴大很多，扩频码与干扰信号 之间的相关就有可能比扩频码与期望用户信号之间的相关大，期望用户信 号甚至有可能淹没在干扰信号中，以至于不可能作可靠的判决，除非使用 严格的功率控制。 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的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，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。 1 9 电子科技大学硕士论文 3 2 c d m a 通信系统中传统的检测技术【7 】 首先将同步c d m a 通信系统进行简化，设有k 个用户，采用直接序列扩 频，则接收信号的基带表示，r 为： 片 ，( r ) = a 。( f ) g 。( f ) 以( r ) + n ( f ) ( 3 - 1 ) k - i 其中，4 ( f ) 为第k 个用户在t 时刻的幅度： g k ( t ) 为第k 个用户在t 时刻的p n 码的值，为1 或一1 ： 以( f ) 为第k 个用户在t 时刻的数据，为l 或一1 ： ”( ，) 为噪声： c d m a 通信系统中传统的检测器由k 个相关器组成。c d 舭工作原理的 核心在于伪随机码( p s e u d o n o i s ec o d e ，p n 码) 的相关性，用公式表示为： ，耳 只 = 軎f g ，( o g i ( t ) d t ( 3 2 ) c0 其中g j ( t ) ；士l ；如果i = k ，p k k = l ；如果i c k ，o s p i , k s l 。所以第k 个用户的 相关器输出是： 儿= f l 沁蛾( f 砷 6 = 4 巩。x 耻，+ i 1r p , + z p a f t1 ( r ) g t ( f ) 毋= 4 巩耻 ，+ 7 p ( r ) g t ( f ) 毋 扣i cn t dk + m a j t + z t( 3 - 3 ) 其中，4 以为用户的数据； m a l , 为其他用户对第k 个用户的干扰。 z i 为噪声j ( 3 - 3 ) 式用矩阵表示为： 萝= 翩+ 2( 3 4 ) 其中晨为p n 码的相关矩阵，可将晨分为自相关和互相关两个矩阵7 和 亘，夏= ，+ 亘，为单位矩阵，即有： 夕= j 孑+ 岔i 孑+ 2( 3 - 5 ) 其中函孑项即为m a i 干扰项。 电子科技大学硕士论文 传统检测器没有考虑m a i 。的影响，它把m a i - 等效成高斯噪声，即认为 不同的用户信号之间互相关系数很小。但在实际中，当干扰用户数量增加 时m a i 。也增加，尤其是当存在远近效应时，目标用户较弱的信号( 表示为 a k d 。) 可能会被其他用户较强的信号( m a i 。) 淹没。 传统接收机如何消除m a i 干扰呢? 主要可以在以下几个方面进行研 究： ( 1 ) 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： ( 4 ) 分扇自适应天线。 这些研究对于提高系统的抗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干扰的用户的各种信息进行 抗干扰，提出了多用户检测理论。 3 3 多用户检测【3 】【4 】【5 】【6 】 多用户检测主要是指利用多个用户的码元、时间、信号幅度以及相位 等信息联合检测单个用户的信号，以达到较好的接收效果，前提是要求预 先知道造成干扰的用户相关信息。 3 3 1 最优多用户检测 最优多用户检测是用匹配滤波器加维特比算法来实现量大似然序列 检测( m a x i n u m l i k e l i h o o ds e q u e n c ed e t e c t i o n ，m l s d 检测) 。不过维特 比算法的复杂度是用户数的指教幂级，即2 。，而且m l s d 检测器需要知道 接收信号的幅度和相位，这要通过估计来得到当用户数多时，m l s d 检 测器过于复杂，不实用，大家都在寻找易予实现的次优多用户检测器 3 3 2 次优多用户检测 次优多用户检测技术分为两类。即线性多用户检测和干扰消除多用户 检测。前者对传统检测器的输出进行解相关或其它的线性变换以利于接收 判决，后者利用可靠的已知信息对干扰进行估计，然后在原信号中减去估 计到的干扰以利于接收判决。 电子科技大学硕士论文 3 3 2 1线性检测 线性多用户检测通过对传统检测未经判决的软输出，进行某种线性变 换l ，以消除或部分消除m a i ，然后再判决： 孑= s g n ( l y 、 ( 3 - 6 ) 线性多用户检测技术主要有：解相关检测、最小均方误差检测、多项 式扩展检测。 ( 1 ) 解相关检测( d e c o r r e l a t i n gd e t e c t o r ) 设三：| i ，将三与传统检测器的输出j 相乘进行解相关，即可得用户的 信息比特： 孑：五一t ：j 孑+ 豆。2( 3 - 7 ) 解相关检测器在大多数情况下比传统检测器具有性能容量上的提 高，而且不需要估计接收信号的幅度，与最大似然序列检测器相比计算复 杂度大大降低。 ( 2 ) 最小均方误差检测( m i n i m u mm e a n s q u a r e de r r o rd e t e c t i o n ，m m s e 检测) m m s e 检测考虑了背景噪声并利用了接收信号的功率值，其基本思想是 使实际数据和传统检测器的软输出之间的均方差最小，即其线性变换矩阵 的选取，基于均方误差最小化准则。 三一= a r g m i n e 和一纠2 厶鼬 。 1 = 【夏+ ( o ，2 ) j 4 r 1 ( 3 8 ) m m s e 软判决就简化为： 丸瞬= 三脚咿 ( 3 9 ) m - i s e 检测在消除m a i 和不增强背景嗓声之间进行了折衷考虑和解相 关检测之间的差别可以看出，删s e 对相关矩阵进行的悬部份或修正取逆， 修正的大小与背景噪声的大小成反比。嗓声越大。相关矩阵的不完全取逆 越重，从而避免了加强噪声m m s e 的缺点是必须对信号的幅度进行估计， 电子科技大学硕士论文 另外它的性能依赖于干扰用户的功率，从而抗远近效应方面的性能就不如 解相关检测器。 ( 3 ) 多项式扩展检测( p o l y n o m i a le x p a n s i o nd e t e c t i o n ，p e 检测) p e 检测器应用厦的多项式扩展对匹配滤波器( m f ) 的输出进行计算。 首先有： n c 三p e = w ，j i ( 3 1 0 ) i = o 而对孑的软判决为： d e e = l p e 歹 ( 3 一1 1 ) p e 检测器通过选择合适的彬来优化其性能。m 表示p e 检测器的级数， 每一级通过再造扩展、无噪信道、解扩来实现，即，= | i j 0 的再造多级级 联即可产生j i 的高阶多项式。 3 3 2 2 干扰消除检测( s u b t r a c t i r ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ) 干扰消除检测器一般由多级组成，其基本思想是再造每个用户造成的 m a i ，然后在接收时减去这些再造的m a l ( 1 ) 串行干扰消除( s u c c e s s 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 ，s i c ) 串行干扰消除由多级组成，一级对一个用户序列信号进行判决、再造、 消除，以便下面的各级减轻m a i 。各用户的操作顺序是根据信号功率的下 降顺序来确定。以第一级为例，它的输出悬信号最强用户的数据判决和去 除该用户造成的h a i 以后的接收信号箍后的各级同理而为之。最后的结 果是信号越弱得益越多其原理如图3 - - 1 所示： 电子科技大学硕士论文 图3 - i 串行干扰消除原理图 但对用户1 ，即最强用户，相当于没有进行干扰消除。 ( 2 ) 并行干扰消除( 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 ，p i c ) a 基本的并行干扰消除算法 p i c 并行估计和去除各个用户产生的m a i ，也可以是多级结构。 j 叫鼍i j 触 。黛。 s 国厂撒i 弼订 皿 ：黑绷 译t 蜘 | 7 w7 l ：鞋i 与 1艄 i ，嵇玟r 1 明狞i i j 叫翌皿 枷。 7 v 7 i 越i 图3 - 2一级并行干扰消除原理图 对用户k ，去除姒i 以后的结果是： 五( f ) = ，( f ) 一乏x ( f ) 船七 ：4 ( f ) g ( f ) 或( ，) + n