（通信与信息系统专业论文）第三代移动通信系统中多用户检测技术的研究及其仿真.pdf

摘矍 摘要 第三代移动通信系统( 3 g ) 是能够满足国际电联提出的 m t - 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。1 9 9 8 年1 1 月，我国提出的t d s c d m a 成为了第三代无 线传输技术( r t t ) 的候选方案之一，从此我国也拥有了自主知识产权的三代方案。 因此在当前我国已经拥有第三代移动通信标准的有利条件下，我们研究与三代相关 的关键技术，提高我国在通信市场的竞争力是很有意义的。 虽然第三代移动通信系统的候选方案很多，但是对于在第三代中采用码分多址 f c d m a ) 技术已经达成了共识，而且其中的一些关键技术也基本一致。c d m a 通信 系统的关键技术包括有多用户检测( 解决抗多址干扰) 、天线分集和r a k e 接收( 解 决抗多径衰落) 、功率控制( 解决抗远近效应) 等，而它们之间又是相辅相成、互相补 充的，均为当前研究的热点。c d m a 中多用户检测具有抗多址干扰能力，它是充分 利用造成多址干扰的所有用户信号对单个用户的信号进行检测，从而具有优良的抗 干扰性能，提高了系统的性能。 本文首先对多用户检测的效率( 在基站接收机处通过多用户检测去除的小区内 干扰的百分比) 对系统容量的影响进行了研究，随后从理论上推导分析了解相关多用 户检测器和最小均方误差检测器的性能；接着用m a t l a b 软件仿真了多用户检测 效率在不同的信号速率、不同的比特信噪比下对系统容量的影响，结果表明采用多 用户检测技术可以明显提高系统的容量；对解相关多用户检测器和最小均方误差检 测器的仿真表明这两种方法都可以明显降低系统的误码率，比较得出最小均方误差 检测器比解相关检测性能更好一些，得到的仿真结果和理论分析结果相吻合的结 论。 关键词：多用户检测；c d m a ：扩频通信；多址于拢：仿真 a b s t r a c r a b s t r a c t t h et h i r dg e n e r a t i o nr 3 g ) c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sab r a n dn e w s y s t e mw h i c hc a n m e e tt h es t a n d a r do f1 m t2 0 0 0 f p l m t sp u tf o r w a r d e db yi t u i ti sr e q u i r e dt h a t3 g s y s t e mh a s ag o o dn e tc o m p a t i b l ea b i l i t ya n dc a nr e a l i z et h ew o r l d 谢d er o a l n i tc a l lo 肫r t h eu s e r sn o to n l yt h e1 0 w - r a t es e r v i c e sb u ta l s ot h ee x t e n s i v em u l t i m e d i as e r v i c e s n o v , l9 9 8 c h i n ap u tf o r w a r dt h es t a n d a r do ft d s c d m at h a tb e c a m eo n eo ft h es t a n d a r do f r t tf o r3 g f r o mt h e n ，o u rc o u n t r yb e g a nt oh a v eo u ro w i is t a n d a r df o r3 g s o ，w e d b e t t e rt a k et h ea d v a n t a g eo ft h i sa n dd e v o t et ot h er e s e a r c ho fk e yt e c h n o l o g i e so f3 g i t i sv e r ys i g n i f i c a n tt oi m p r o v eo l a fc o u n t r y ) sa b i l i t yo fc o m p e t i t i o ni nt h ec o m m u n i c a t i o n m a r k e t t h o u 出t h e r e r em a n y s t a n d a r d sl e f tf o rb e i n gc h o s e n ，i th a sa l r e a d yb e c o m et h e c o m m o nu n d e r s t a n d i n gt h a tt h et e c h n o l o g yo fc d m a w i l ld e f i n i t e l yb ea d o p t e di n3 g a n ds 0 1 t l ek e yt e c h n o l o g i e sa r ea l s ot h es a l t l e ，t h ek e yt e c h n o l o g i e sf o r3 gi n c l u d e m u l t i u s e rd e t e c t i o n ，a d a p t i v ea n t e n n a , r a k er e c e i v e ，p o w e rc o n t r o la n ds oo i l t h e s ek e yt e c h n o l o g i e sc o m p l e m e n te a c ho t h e ra n da l lo ft h e ma r et h ef o c u so fp r e s e n t r e s e a r c h t h ea d v a n t a g e s o ft h em u l t i u s e rd e t e c t i o ni n m i t i g a t i n gm u l t i p l e a c c e s s i n t e r f e r e n c e ( m a di nc d m as y s t e m sw e r ec o n c e m e d w i t h i nt h ew o r l d w i d ei nt h er e c e n t y e a r s t h et h e o r yo f m u l t i u s e rd e t e c t i o ni st od e t e c to n eu s e r si n f o r m a t i o nb ya l lt h e u s e f u lu s e r s i n f o r m a t o nf u l l y i th a sag o o da b i l 畸t or e d u c et h ei n t e r f e r e n c ei no r d e rt o i m p r o v e t h es y s t e mc a p a b i l i t y i nt h i sp a p e rw ef i r s ts i l l d yt h ei n f e e l i o no ft h er a t eo fm u l t i u s e rd e t e c t i o nt ot h e s y s t e mc a p a c i t y t h e n ，w el e a r l t h ed e e o r r e l a t i o n d e t e c t o ra n dm i n i m u m m e a n s q u a r e e r r o rd e t e c t o rf r o mt h et h e o r y t h e nw ee m u l a t et h et w om e t h o d sb ym a t l a b f r o m t h er e s u l to fe m l u a t o rw ek n o wt h a tm u l t i u s e rd e t e c t i o nc a l li m p r o v et h es y s t e mc a p a c i t y a n dt h et w om u l t i u s e rd e t e c t i o nc a nr e d u c et h eb i te l t o rr a t e b u tt h em m s ed e t e c t i o n h a sab e t t e rr e s u l tt h a nd e cd e t e c t i o n i nl 嬲t t h er e s u l to fe m l u a t o ri sc o n s i s t e n tw i t ht h e t h e o r yb ya n dl a r g e k e y w o r d s ：m u l t i u s e r d e t e c t i o n ；d e c o r r e l a t i o nd e t e c t o r ；m i n i m u m m e a n s q u a r ee r r o rd e t e c t o r ；s y s t e ms i m u l a t i o n ；m u l t i p i ea c c e s si n t e r f e r e n c e l i 原创性声明 本人卢明，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。尽我所知，除了论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，也不包含为获得兰州理工大学或其他单位的学位或证书 i 7 d 使用过的利料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的 说明。 1 1 ；者箍名l ：l 期：丝年么月上日 关于学位论文使用授权说明 本人了解兰州理： 大学有保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论 文，允许学位沦文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采 j h 耋乏印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或甘肃省有关部门规定送交 学位沦文。 作者鹳獬锄硌逖日期丝年鱼吐日 第1 章绪论 第l 章绪论 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 通信系统几种 关键技术的比较研究，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；接着叙述了多用户检测技术的发展状况；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( 3 g ) ”7 是能够满足国际电联提出的 i m t - 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。1 1 u 己对i m t - 2 0 0 0 的测试 环境提出了具体标准。给出了表征 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已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 年t q 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 。这三种技术都采 用c d m a 制式，但是各自又有区别，区别如表1 1 所示。 表1 1三种宽带c d m a 技术的主要区别 w c d m ac d m a 2 0 0 0t d s c d m a 最小带5 m h z 12 5 m h z 的整数倍1 6 m h z 宽要求 扩频技单载波的宽带d s多载波和宽带d s时分同步c d m a 术类型 双工方 f d d t d df d dt d d 式 码片速 3 8 4 m c s1 2 2 8 8 m e s1 2 8 m e s 摹站间异步( 不需要g p s )同步( 需要g p s )同步( 主从同步) 同步 帧k1 0 m s2 0 m s1 0 m s 第1 章绪论 调制方 式( 正q p s k b p s k q p s k 1 3 p s kq p s k 8 p s k 向反 向) 扩频 4 5 1 2 ( 38 4 m c s 、4 2 5 6 ( 3 6 8 4 m c s )1 1 6 f 1 2 8 m e s ) 因子 反向信 导频t p c 、| j k 务信道n 令导频控制信道基本信道卒p 充导频t p c 业务信道 道结构 分组业务码时分复用信道码复用信令分绍业务码 时分复用 同步检 测与导频信令相干与导频信道相干与( 正向反向) ( 正向( 导频i q 复用)时隙相干 反向) 切换软切换软切换接力切换 功率控 1 5 0 0 h z8 0 0 h z1 4 0 0 h z 制速度 公共导频和专用导频( 采 正向信用导频符号，与其他数据公共导频信道( 与其他业务和导频和其他信道时 道导频和控制信息时分复用控制信道码分复用c d m )分复用 t d m ) 语音编自适应多速率语音编码可变速率i s 7 7 3 ，i s 一1 2 7 码器器( a m r ) 业务信卷积码，码率l ，2 ，或l 3 ，卷积码，码率1 4 。1 2 ，或1 3 ，卷积码，码率1 ，2 ， 道编码约束长度k = 9 ，t u r o b 码约束长度k = 9 ，t u r o b 码；反向，或l ，3 ，约束艮度 卷积码，码率1 2 。约束长度9 ， k = 9 ，t u r o b 码 高速用t a r o b 码 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“： ( i ) 全球无缝漫游第二代移动通信系统一般为区域或国家标准，而第= = 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 能根据需要，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，必须满足以下三种环境的要求“1 ，即表1 2 所示。 ( 3 ) 便于过渡、演迸由于第三代移动通信引入时，第二代网络已具有相当 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 m a 使用与g s m 相同的网络协议结构( 信令) ，通过对 g s m 系统增办 i w c d m a 系统无线接入并运行于两种系统中，这样将能够使用现 第i 章绪论 有的g s m 网络作为核心网络基础设施。因此，w c d m a 为g s m 运营公司提供了 在现有投资上建立第三代无线接入的机会。 表1 2 环境最高速率 快速移动 1 4 4k b i t s 室外或步行臻境3 8 4k b i t s 室内2 m b i t ，s ( 4 ) 高频谱效率、高服务质量、低成本、高保密性 但是在复杂的移动通信环境和有限的频率资源f ，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吲： 多址干扰( m a d ：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。 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 参 布和r i c e 分布，更般 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。 1 2 几种关键技术比较 选择扩频码”1 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。 另夕b 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”1 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。在进杼空域滤波前，一般需要估计有效信号的波达方向，而用户数往往大 第1 章绪论 f 阵元数，凼此当前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( 0 f d m ) 驯，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， 其中各予载波保持相互一交。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o “”3 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、对域分集、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 ，m u d ) 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，对上行 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 j 能力较差；多用户检测技 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。 1 3 姗d 的基本思路及意义 在c d m a 系统中，小区干扰分以下三种：接收机收到的热噪声、用户信号 的码问干扰( 1 s i ) 和多址干扰( m 舢) 。这三种干扰各有不同的消除方法。在 实际系统中，热噪声的影响远远小于m a i 干扰的影响。在通常使用的无线通信 系统中，均通过限制接收机噪声系数的方法来确定接收机的灵敏度。i s i 的形成 原因有两种：( 1 ) 信号传输时未满足n y q u i s t 第一准则，在抽样时刻存在失真， 可采用升余弦滤波器等方法来避免；( 2 ) 由无线信道的多径等特性造成，这种 干扰是无法避免的，可通过均衡等办法消除。 在用户接收机完全同步并采用理想正交扩频地址码的条件下，各用户之间 不会产生多用户干扰。但在多径衰落信道中，理想的完全同步难以实现，因此 扩频码也难以保持完全的正交性。理论上己证明，同时具有理想自相关和理想 n ：相关特性的二进制扩频码是不存在的，这就是著名的w e l c h 界。在实际c d m a 通信系统中，各用户信号之间存在一定的相关性，这就是m a i 存在的根源。山 4 第1g - 绪论 个别用广t 产生的m a i 同然很小，但随着用户数增加或信号功率增大，m a i 就成 为宽带c d m a 通信系统的一个丰要干扰，限制系统的容量和性能。m a l 分小区 间于扰和小区内干扰两部分。小区间干扰是指其它同频小区信号造成的干扰， 可通过合理的小区配置来减小其影响。即使在最恶劣的情况下，小区间干扰功 率也不超过内部干扰功率的6 0 ，因此系统容量主要取决于对小区内干扰的处 理。 多用户检测是引用信息论基本原理并通过严格的理论分析后提出的一种 新型抗多址干扰技术，它充分利用扩频序列的结构信息和统计信息来克服多 址干扰，其基本思路是： f 1 ) 从信息论的角度来看，c d m a 系统是一个多输入多输出的系统，基于 信息论中的最佳信号检测理论，来寻求蜂窝码分多址通信系统中多用户的最 优联合检测理论。 ( 2 ) 充分利用扩频序列的已知结构信息，在通常的码分多址通信系统接收 机中都将多径干扰和多址干扰看作等效白噪声的无用信息来处理。实际上， 不论多址干扰还是多径干扰，本质上并不是纯粹无用的白噪声，而是有着强 烈结构性的伪随机序列信号，而且用户间与各条路径间的相关函数都是己知 的，因此从理论上看，完全有可能利用这些伪随机序列的己知结构信息和统 计信息来进步消除它所带来的负面影响，以达到提高系统性能的目的。 ( 3 ) 多径干扰与多址干扰其实质是一样的，都来源于伪随机序列，若能充 分利用扩频序列的己知结构信息和统计信息，两者是可以同时消除的，同时 消除和削弱了多址干扰和多径干扰，也必然消除和削弱了远近效应，因此一 箭三雕的方案是可行的。 ( 4 ) 最优的联合检测方案同时也是可能的。基于上述充分利用扩频序列的 己知结构和统计信息在信息论最佳信号检测理论指导一下，在对多个用户的 匹配滤波接收的基础上，迸行多用户联合检测，并充分利用己知伪随机序列 的结构信息与统计信息，设法消除其它所有用户对有用用户干扰的方案，理 论上是完全可行的。 多用户检测技术的主要用途有：i 减小误码率由于多用户检测器利用 了多址干扰的信息减小多址干扰对检测器性能的影响，所以相同环境下，多 用户检测器可以比传统匹配滤波检测器具有更低的误码率；2 提高带宽效率， 以获得系统容量和覆盖的改进多用户检测器比传统检测器有更低的误码率 意味着当误码率要求不变时，可以在保证服务质量的前提下加入更多的用户， 从而提高系统容量。实际容量的增加取决于算法的有效性、无线环境和系统 负载。如果上行链路的容量超过了下行链路，可以降低上行链路的处理增益， 将节约出的带宽用于下行链路，从而提高整个系统的频带利用率。 多用户检测器的性能取决于捕捉到的能量、相位的影响和码跟踪差错。 所捕捉能量的分子是码片( c h i p ) 持续时间乘以r a k e 分支数，再除以时延扩 展。由于来自一个小区( 即小区内于扰) 的典型干扰被取消，小区闻的干扰限制 了可以获得的能量。因而，多用户检测只是消除了小区内的干扰，小区间的 干扰并没有消除。 除了提高误码率、带宽效率以及容量的改进，多用户检测缓解了 d s c d m a 系统中典型的“远一近”效应问题。我们知道，功率控制是针对“远 近”效应问题而提出的一项关键技术。多用户检测算法可以降低多址干扰， 第l 章绪论 自然缓解了“远一近”效应，而且有些检测算法是专门消除“远一近”效应的， 因此多用户检测技术可减轻功率控制的负担。 一般主要在上行链路研究多用户检测技术。除了复杂性的考虑，通常认 为在上行链路上采用多用户检测的主要驱动力，是d s c d m a 系统的容量受 上行链路的限制。这来自对l s 一9 5 的研究。i s 一9 5 有分集的非相干上行链路， 通常比有正交码的相干下行链路性能要差。 即使是r s 一9 5 的下行链路有时也是有限的容量。所有第三代宽带c o m a 系统在上行链路也使用相干检测，因此加上天线分集，上行链路比下行链路 的性能要好。改进下行链路性能的一种方法是能够取消其它小区的最坏干扰。 因为移动台只记录自己的扩频码，并不知道其它移动台的扩频码，否则就无 安全性可言。 多用户检测技术减少了上行链路的多址干扰功率，这意味着降低了对移 动台发射功率的要求，节省出的发射功率可用于增大小区的覆盖面积。凼此 多用户检测可以改进覆盖情况，并且不依赖于系统的负载。因为多用户检测 的有效性在不同无线环境中是不同的，因此改进情况并不固定。多用户检测 对覆盖的影响引入了网络规划过程的新变化，因为多用户检测的有效性需要 在覆盖设计时考虑。另一方面覆盖因子对于覆盖区域的设计不再有决定性， 因为小区的大小在增加负载时不再像卷积检测器时收缩得那样快。然而由于 正交编码，上行链路和下行链路的影响可能不同，尤其当多用户检测器仅用 于上行链路对。这是因为在低时延扩展的无线环境下，下行链路的覆盖不太 依赖于负载。 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，而对m a i 不作处理，仅通过扩频码波形的设计、功率控 制、f e c 编码、扇形自适应天线的方法来降低其影响，因此抗m 趟干扰能力较 差。m u d 技术是在传统检测技术的基础上，充分利用造成m a i 干抚的所有用户， 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。从信息论的观点来看，传统接收机把m a i 等效为高斯噪声，同 时也把有用的信息作为噪声丢弃了，导致误码率增高。而m u d 技术则充分利用 系统传输的相关有用信息( 如用户舶码元、定对、信号幅度和相位等) ，联合 检测单个用户信息，从而获得最佳判决效果。应用m u d 技术可降低系统对远近 效应的敏感度，简化功率控制系统盼设计，更有效利用上行链路频谱资源，从 而提高系统的用户容量和性能。在理想的m u d 系统中，小区的m a j 将会完全消 除，检测后对应的最大系统容量增益的典型值为2 8 倍。正因为它可以提高频谱 的利用率，提高系统的容量，所以多用户检测成为第三代移动通信技术中的一 项关键技术，成为研究的热点。 1 4 多用户检测理论的研究概况 由于多址干扰不同于白噪声，即多址干扰不是完全随机的，而是具有一定 的结构特性，多用户检则技术的基本思想就是利用各个用户的扩频码、时延、 振幅和相位信息，从整体来降低各个用户的误码性能。 c d m a 系统是干扰受限系统，它的容量和性能要受到多址干扰的限制。接 收机的设计是一个重要的问题，适当地抑制多用户干扰，可以显著提高系统的 第1 章绪论 r 眭能和容量。当然也可以将多用户干扰作为加性噪声处理，采用单用户接收中 的传统匹配滤波器。传统的捡测器将一组匹配滤波器的输出直接送到判决没蛋 中得到各用户的检测信号。如果各个用户扩频码之问是完全i f 交的，传统检测 器也是最佳检测器。这也是在下行链路中同小区的用户同步，且采用正交扩频 码的原因，然而异步或时延都将影响扩频码之间的j f 交性，因此要对匹配滤波 器的输出进行进一步的处理。多用户接收方案所带来的性能的增益，吸引了通 信、信号处理以及信息理论领域的巨大研究热情。例如，在欧洲的u m t s 宽帝 c d m a 方案中，计划用户数仅为5 0 个，对于扩频增益为2 5 6 的系统而言，5 0 个 用户仅占可容纳用户数的2 0 。在采用精确功率控制的情况下，这样一个系统 能达到的信干比为7 d b ，系统可以正常运行。如果采用了精确的多用户检测， 负载量可以达到1 0 0 ，这种容量的提高是裙当可观的。 多用户检测的想法最早在1 9 7 9 年由s c h n e i d e r 提出。1 9 8 3 年k o l m oe t + a i 发表 了埘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在是太复 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远近效应等等问题被进行了深入而细致豹研究。 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，其检测器的参数随历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 l h o n i g 和s e r g i o v 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 得多用户检浏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，“ 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，多用户检测己经发展 成为一个内容丰富、研究价值很高的抗多址予扰的新技术。 第1 荦绪论 l 。5 本文的主要工作 本文对d s c d m a 系统的多用户技术的理论与技术进行系统的分析与研 究，并且进行了仿真。 各章的主要内容安排如下： 第l 章：本论文的研究背景、发展概况、论文所做的工作以及各章内容的 安排。 第2 章；系统的介绍 c d m a 多用户检测技术的基本概念、系统模型；从理 论上分析推导了系统容量跟多用户检测效率的关系，并且进行了仿真说明。 第3 章：分析了几种典型的多用户检测算法，分析了各自的性能并且比较 了其优缺点。 第4 章：对仿真进行了介绍 第5 章：主要对两种多用户检测进行了仿真，验证了与理论推导的一致性。 最后概述了本论文所做的工作，指明了多用户检测技术未来研究的方向，提出 了尚待解决的问题。 第2 幸多用户检测的模型与容量覆盖 第2 章多用户检测的模型与容量覆盖 2 1c d m a 通信系统的基本原理 c d m a 是基于扩频通信的一种无线多址接入技术，也称扩频多址。因此，讨论 c d m a 系统原理之前，有必要介绍一下扩频通信的基本原理。 2 1 1 扩频通信的原理 扩频”的含义就是假定一基带数据流的速率为r 。b i t s ，由发信系统将此数据 变换为b ，频宽的传输信号，若且比r 大得多( 通常2 3 个数量级以上) 且扩展信号编 码序列与原始信号不相关，则认为信号获得了频谱扩展。 在扩频通信系统中，在发端，有用信号经扩展处理后，频谱被扩展成宽带谱； 在收端，利用伪碍的褶关性作解扩，有用信号被恢复成窄带谱。宽带无用信号与本 地伪码不相关，因此不能解扩，仍为宽带谱；窄带无用信号则被本地伪码扩展成宽 带谱。由于无用的干扰信号为宽带谱而有用信号为窄带谱，我们可以用一个窄带滤 波器排除带外干扰电平，于是窄带内的信噪比就大大提高。 扩频技术的基本参数是扩频增益0 ，其定义为频谱杏。展君的信号带宽e 与频谱 扩展前的带宽e 之比。它在数值上等于扩频解调后与扩频解调前的信噪比之比。1 。 也等，丁每信息比特内所包含的p n 序列码元数n 。扩频增益g 是扩频通信中扩频解调 处理对信噪比改善度的度量。因此也称扩频处理增益。为了提高抗干扰性，希望增 加处理增益。但是随着扩频增益的加大，系统的复杂性也增加。 2 1 2 c d m a 通信系统的一般原理 f 面主要讨论直接序列扩频系统的工作原理。 直接序列扩频系统给每个用户分配一个扩频码，各个用户扩频码之间相互】_ 卜 交，每一用户的信号利用其扩频码来实现频谱的扩展。其：亡作原理如图2 1 所示。 径商接序列扩颁系统中，比特率为恐的输入数据b a t ) ，被速率很高的伪随机序列 ( p n 码) t ( ，) 进行调制后，输出信号占有的带宽被扩展，这个过程即为扩频。然后 再对额潜扩展后的序列进行射频调制，成为展宽频谱的射频信号( ，j ，经天线发射 第2 章多用户检测的模型与容量覆盖 h 去。图中的信息数据是宽为瓦的+ l 或一1 的矩形波信号，扩频码是码长为n 个码元 ( 宽度为r ) 的+ l 或一1 的矩形波信号。若瓦= 疋，信息数据正好对扩频序列作周期 调制，信息数据为+ 1 时，扩频码极性不变；信息数据为一1 时，扩频码倒相。每一个 数据玩p ) 产生个对应的扩频信号s a t ) ，发射机输出的信号是所有这些扩频信号 的和。 s ( r ) = b , ( t ) g ( t ) c o s ( 2 n f o + 吼) ( 2 _ 1 ) = o 在接端，射频信号经混频后变为中频信号后，它与发端g ( t ) p n 硒- q 序列相同的 本地q ( f ) 进行扩频解调，使宽带s ( r ) 变为窄带以( f ) 信号。窄带以0 ) 通过信息解调 器进行解码，恢复原始数字信号。c d m a 通信系统中所有用户共用一个信道，各用 户占用同一频域，时域和空域。彼此用不同的特征码加以区别。 图2 1c d m a 通信系统的上作原理图 2 i 3 直接序列码分多址( d s c d m a ) 的优势 1 通信容量大 根据山农理论，一个信道的信道容量完全由信道特性决定。但在实际系统中很 雌到达到理论的情况。不同的多址方式将有不同的通信容量。理论分析表明，在同 样的条件下，采用d s c d m a 方式的小区容量是采用数字t d m a 或f d m a 方式的容 鼙的卜6 倍，是采用模拟f m 但d m a 方式的容量的2 0 倍。 2 可以视距微波通信共享一个频段 为解决频段拥挤的矛盾，一方面要积极开发更高的频段，另一方面要充利用现 有的频段，使之发挥更大的效益。在d s c d m a 系统中，信号扩频处理后，单位频 带内的功率很小。同时考虑到微波视距传播的特点：波束方向好、收发台远高于地 平面，所以两个系统可以共用一个频段，丽不致于造成明显的相互干扰。 o 第2 幸每用户椅测的模型与容量覆盖 3 能充分利用话音的统计特性 d s c d m a 系统的容量是受干扰限制的，任何消除或减小干扰的方法都能直接 转化为系统容量的提高，大量的统计表明人们在打电话时，约有5 8 的时间处于听的 状态，只有3 8 的时间在讲话，如果采用间断传输技术，则系统中的多址干扰可以减 少一半以上，从耐提高了系统容量。 4 更适合于在衰落信道中传输 信道中的快衰落主要由多径传输引起，同一个信号经过不同的路径到达接受 端，由于多路信号的相位、时延及强度的随机变化，使得接收信号的强度，相位随 机变化，严重地影响传输的可靠性。在d s c d m a 系统中，当多径时延大于一个c h i p 间隔时，多径信号间的互相关很小，从而对系统性能影响很小。 5 平滑的越区切换和有效的宏分集 d s c d m a 系统中所有小区使用相同的频率，这不仅简化了频率规划，也使越 区切换得以平滑完成。每当移动台处于小区边缘时，同时有两个或两个以上的基站 向该移动台送相同的信号，移动台的分集接收机能够同时接收、合并这些号，此时 处于宏分集状态。当某基站的信号强于当前基站信号并且稳定后，移动台才切换到 该基站的控制上去，这种切换可以在通信的过程中平滑完成，称为软叨抉。 6 通信容量的软特性 在t d m a 系统中，系统可同时使用的用户是固定的，要多加一个用户是不可能 的，此特性称为容量的硬阻塞。在d s c d m a 系统中，多增加一个用广i ，只会使通 信质量硌有下降，不会出现硬阻塞现象。 7 低的信号功率谱密度 在d s c d m a 系统中，信号功率被扩展到比自身频带带宽大百倍以上的频带范 围，因而其功率谱密度大为降低。由此可得到两方面的好处，其一，具有较强的抗 窄带干扰的能力。其二，对窄带系统的干扰很小，有可能与其他系统共用频段。 除了以上几点优势外，d s c d m a 系统还有不需要时间保护间隔、不需要复杂 的频率管理、便于从模拟方式向数字方式过渡等优点，这些优点使d s c d m a 成为 新- i t 以及未来移动通信中最具有竞争力、最有前景的无线多址技术。 2 2 多用户检测的系统模型 到目前为止国内外学者在多用户检测领域已经做了大量的工作，取得了定 的成果，各种不同要求、不同性能的检测机相继被提出来。上面首先介绍了c d m a 通信的原理。下丽对系统的模型进行了分析。在了解传统检测机的基础上，介绍了 多用户检测算法性能测度的参数，随后又介绍几种典型的多用户检测技术，它们是 研究最新的多用户检测技术的基础。 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己经建立，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： 第2 帝多用户榆测的模型与容量覆孟 fv ，( ，) = 4 ( z 圾【f ) & p - i t t ) + 酾( r ) ：1 ；一m 其中： 髟为系统的用户数目，2 m 十j 为信息序列的总长度 t 是信号的符号速率，吒是第k 个用户到达接收机的延时 以( f ) ( 1 ，- 1 为第k 个用户的第f 个信息比特值 以( f ) 为第七个用户的第，个信息比特幅度 s 。为第个用户的归一化扩频信号，r s ：o ) 出= 1 h ( f ) 是功率谱密度为l 的教性高斯自噪声 ( 2 2 ) 应该注意到的是当所有的用户q 都相等时，该异步c d m a 连续域模型可简化成同步 模型： k r ( f ) = a i b k 靠o ) + 册( ，) ，t o ，7 1 ( 2 3 ) t ；i 接收机一般是匹配滤波接收机或者是相关接收机，匹配接收的过程可以如图2 。2 所示。将接受到的连续时间波形先通过一组匹配滤波器组，然后对各路匹配滤波嚣 输出进行采样，其中每一个滤波器与一个用户的特征波形匹配。 图2 2 匹配滤波器组 同步k y i ( t ) y 2 ( t ) y k ( t ) 争 一 第2 章多用户榆测的模型与释量覆盖 同步情况下，匹配滤波器的输出为： ， 儿( f ) = r ( f ) + 矗( f ) 础，k ，足 ( 2 - 4 ) 0 将同步c d m a 模型( 2 3 ) 式带入( 2 4 ) 式，易知第个匹配滤波器的离散时间输出 儿( f ) 可用基带形式表示成： y 。( f ) = 4 巩( f ) + a ，b ，( i ) p i k + ( 2 5 ) j = l ，j 7 式中