（通信与信息系统专业论文）cdma中几个关键技术的研究.pdf

摘要 第三代移动通信系统围绕码分多址( c d m a ) 技术，致力于发展宽带、高速、大 容量的移动通信系统。无线移动通信也己经从单纯的语音传输业务扩展到更广阔 的领域。这促使人们寻求新的技术，使移动通信更可靠、有效。 本文从消除干扰，增加系统容量出发，研究了移动通信中的几个主要技术。 在传统的c d m a 接收机中，由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正 交，因而造成多个用户之间的相互干扰，并限制系统容量的提高。解决此问题的 一个有效方法是使用多用户检测技术。本文对多用户检测技术进行研究，分析改 进了线形多用户检测中的恒模算法，并仿真了改进算法在高斯信道的性能。 空时编码可以在有限的带宽和尽量不增加发射功率的前提下实现移动通信 中数据高速的传输，但这些都是在假设信道是准平坦衰落信道下实现的。为了在 复杂的现实信道中提高系统性能，本文针对空时编码和o f d m 的优点，提出了两 个基于空时编码和o f d m 相结合的发射、接收系统( s t t c o f d m 和s t b c o f d m ) ， 详细分析了系统组成；在o f d m 调制中采用结构简单、高效的快速傅立叶变换， 更易于硬件实现。本文仿真比较了新系统和未编码系统在复杂信道下的误码率等 性能，比较了两个新系统在提高系统性能中的差异以及实现难度。 关键词：多用户检测恒模算法o f d m 空时编码结合 r e s e a r c ho ns e v e r a lk e y t e c h n o l o g i e so fc d m a b s t r a c t t h et h i r dg e n e r a t i o n ( 3 g ) c o m m u n i c a t i o ns y s t e mu s i n gc d m ai sab r a n dn e w s y m e m w i t hw i d e b a n d ，h i 曲s p e e da n db i g c a p a b i l i t y i ti sr e q u i r e dt h a t3 g c a r lo f f e r t h eu s e r sn o to n l yt h el o 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 i t p r o m p t sp e o p l e t os e e kn e w t e c h n o l o g i e s t om a k em o b i l es y s t e mm o r e c r e d i b i l i t ya n d e f f i c i e n c y m u l t i u s e r d e t e c t i o n ( m u d ) i s o n eo f k e yt e c h n o l o g i e s o fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n r e c e i v eo fu s e ri s i n d e p e n d e n ti nt r a d i t i o n a lc d m a r e c e i v e r s i n m u l t i p a t hf a d i n ge n v i r o n m e n t ，s p r e a ds p e c t r u mc o d e so fu s e r sa r ed i f f i c u l tt ob e o r t h o g o n a l t h i sb r i n g si n t e r f e r e n c eb e t w e e nu s e r sa n dl i m i t si m p r o v e m e n to fs y s t e m c a p a b i l i t y m u d i sa v a i l a b l ef o rt h i s ( c m a ) p r o b l e m t h i s p a p e r d i s c u s s e sm u d andconstantm o d u l u sa l g o r i t h m p l a c e se m p h a s i so nc m a i ng a u s sc h a n n e la n d r a y l e i g hc h a n n e l o f d m ( o t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) i sm a i nt e c h n o l o g yf o ri t s h i g hb a n d w i d t he f f i c i e n c y a n dr o b u s t n e s st o m u l t i p a t hf a d i n g i t c a nn o t o n l y i m p r o v es y s t e mc a p a b i l i t y ，b u ta l s os a t i s f y 、i mt h ed e m a n d 、o fm u l t i m e d i as e r v i c e s s p a c e t i m ec o d i n g ( s t c ) c a nr e a l i z eh i g h - s p e e d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nw i m l i m i t e db a n d w i d t ha n dn o e n h a n c i n g t h et r a n s m i a i n g p o w e r t h i sp a p e rc l a r i f yt h e o r y b a s eo f s p a c e t i m ec o d i n ga n do f d mi n t e g r a t i o n , f u r t h e rp r e s e n tas i m u l a t i o nm o d e l o fw h i c h a tt h es a l d et i m e ，t h i sp a p e r a n a l y s e si t sp e r f o r m a n c ei nd i f f e r e n tc h a n n e l s b y s i m u l a t i o n k e y w o r d s ：m u l t i - u s e rd e t e c t i o nc m ao f d ms t c j o i n t 独创性【或创新性) 声明 本人声明所呈交的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，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 彩铲 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定， 即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。 学校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，允许学 位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允 许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 地= 一选 日期： 笪：包墅 导师签名：毒习t 与钐0 缸日期：堪罩三乒一 北京邮i 屯大学倾i 论文 c d m a 中几个关键技术的研究 第一章绪论 通信技术得到了迅速发展，呈现出空前的繁荣景象。特别是移动通信、无线 通信、多媒体信息服务和因特网技术的发展，为实现人类理想的通信形式个 人通信，即采用各种可能的技术实现任何人在任何时间、任何地点能够进行任何 种类的信息交换，展现了美好的前景。 本章简要叙述了移动通信的发展情况及其关键技术，介绍了本论文的主要工 作、论文组织结构。 1 1 移动通信发展简述 迄今为止，移动通信已经经历了两代升级并向第三代发展。i m t 一2 0 0 0 移动 通信系统是由国际电联1 9 8 5 年提出的第三代移动通信系统，以前称为f p l m t s ( 未 来公共陆地移动通信系统) ，同时采用2 0 0 0 h z 频段，于1 9 9 6 年又改名为 i m t 一2 0 0 0 。 i m t 一2 0 0 0 移动通信系统由包括连接至地面和卫星网络的各种终端以及相应 的网络基础设施构成，其主要特征是世界范围内设计的共同性、与固定网络兼容、 有极高的业务质量、只要有全球漫游功能的袖珍终端既可接人地面固定网络，也 可按入卫星网络。i m t 一2 0 0 0 系统可适应各种无线运营环境，如住宅区室内室外 环境、市区车载步行环境、市郊户外环境、固定户外环境以及固定高速数据环 境。i t u 一2 0 0 0 移动通信系统可在公众网( p s t n j s d n ) 的支持下提供广泛的通信 业务，并且它所支持的业务数据速率可以是固定的也可以是改变的。其中室内的 数据传输速率最高可达2 m b i t s ：而对于室内和室外的慢速移动场合最高可达 3 8 4 k b i t s ：室外车载环境下的数据传输速率可高达1 4 4 k b i t s 以及在卫星环境 下可高达9 6 k b i t s ”。 i m t 一2 0 0 0 移动通信系统的宗旨是建立全球的综合性个人通信网，包括寻呼、 无线电话、蜂窝系统和移动卫星通信系统等功能，提供全球范围内的个人通信。 i m t - 2 0 0 0 最终要实现的目标可概括为： 提供全球范围的覆盖，即要求实现陆地、海洋、空中的三维无缝覆盖，支持 全球漫游； 提供综合性业务，提供电话与非话业务以及宽带多媒体业务； 提供高服务质量和安全保密性能。 第三代移动通信系统围绕码分多址( c d m a ) 技术，致力于发展宽带、高速、大 容量的移动通信系统。无线移动通信也已经从单纯的语音传输业务扩展到更广阔 北京邮屯大学硕d ：论立c d m a 中几个关键技术的研究 的领域，包括传真、i n t e r n e t 、多媒体等各种数据服务。随着对这些服务需求的 快速增 毛，无线剁频频谱资源短缺的问题变得越柬越突出，这促使人们寻求新的 技术来改善频谱的利用效率，这些新技术包括：改善无线信道的通信质量和频谱 利用效率自0 新技术，如阵列天线用于基站系统：能够共享频谱资源容纳不同无线 服务的更好技术；实现蜂窝系统各种功能的新的信号处理技术。 1 2 码分多址简介 扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信 息必需的最小带宽。待传输信息被某个特定的扩频函数扩展成为宽频信号后，i 送入信道中传输。在接收端，利用相应手段进行相关解调来解扩及恢复信息数据。 用来展宽信号频谱的扩频函数与被传输信息并无关联，所以不会影响信息传输的 透明性。 码分多址方式( c o d ed i v is i o l 3m u t j p l ea c c e s s ，c d m a ) 是一种先进的有广 阔发展前景的多址接入方式，目前已成为世界许多国家研究开发的热点。多址方 式是许多用户( 地址) 共同使用同一媒体相互通信的一种方式。通常这些用户多 位于不同的地方，并可能处于运动状态。例如多个卫星通信地球站使用同一卫星 转发器相互通信或许多移动用户台( 站) 通过基站相互通信等均属于多址通信方 斌。由于使用共同的传输媒体，各用户间可能会产生相互干扰，称为多址干扰。 为了消除或减少多址干扰，不同用户的信号必须具有某种特征，以便接收机能够 将不同用户信号区分_ 丁l ：。这一过程称作信号分割。主要的信号分割方式有频分方 式、时分方式、码分方式以及相位分割方式和空间分割方式等。频分方式不同用 户使用不同频带实现信号分割。时分方式不同用户使用不同时隙实现信号分割。 码分方式所有用户使用同一频带在同一时间传送信号，其信号分割是利用不同用 户信号地址码波形之间的正交性或准正交性来实现的，这种方式即称为码分多址 方式。码分多址系统采用扩频调制信号，其频带宽度比信息信号的c d m a 频带宽 度大得多( 几十倍几百倍甚至上千倍以上) 。扩频信号的功率谱密度极低，具有 很好的隐蔽性和很强的抗多种干扰的能力( 例如抗瞄准式干扰、多径干扰等) 。 早在六十年代扩频技术就已应用于军事保密和抗干扰通信。八十年代以柬随着集 成电路和计算机技术的迅速发展，码分多址扩频技术越来越多地被闫于民用通信 系统，其中有代表性的就是九十年代由美国q u a l c o m m 公司研制的码分多址数字 移动通信系统。早期的移动通信系统是信息模拟调频频分多址方式( f m - f d m a ) ， 这种系统沿用至今。九十年代初幽欧洲开发研制的数字调制时分多址( g m s k t d m a ) 移动通信系统g s m 被看作是新一代移动通信的代表。而q u a l c o m m 公司的c d m a 数字移动通信系统被认为是第三代移动通信的代表。目前c d m a 技术除已应用于 2 北京邮i 乜人学硕j ：论文 c d m a 中几个关键技术的研究 移动通信外，在数据传输卫星通信以及遥控遥测空间通信等许多领域也得到越来 越广泛的应用，显示出许多优点，主要有： 出于采用了扩频信号系统具有很强的抗多种干扰的能力，特别是具有 抗多径干扰的能力； ，扩频信号的功率谱密度很低，即在单位带宽中的功率很小，对于一般非 扩频通信系统几乎不构成干扰，因此可以与其共用同一频段，从而提高 频带利用率，由于所有用户使用同一载波频率不存在交调干扰可充分地 利用频率资： 由于所有用户使用同载波频率不存在交调干扰可充分地利用频率资 源； 可以采用分离多径技术提高抗多径干扰的能力： 利用现代计算机与数字电路技术可以较容易地实现多种地址码的产生 变换。 1 2 1 码分多址原理框图 扩频通信系统的基本框图如图卜1 所示，框图省略了射频调制和解调部分。 一般的扩频通信是一个三次调制系统，三次调制分别为信息调制( 即信息编码) 、 扩频调制和射频调制。与通常的无线通信系统相比，扩频数字通信系统增加了扩 频调制( 扩频) 和扩频解调( 解扩) 部分以及两个扩频码生成器。 图1 1 扩频通信系统的基本框图”1 一般采用伪噪声序列( p s e u d o n o is e ，p n ) 作为扩频码。为了使接收端能够准 确的解调出用户信号，接收端产生的刚序列必须与接收信号所包含的雕序列同 步。 为此，在传输信息以前，发送一专门的p n 码型来达到收、发两端同步。此 码型要求在遭受干扰时仍有较高的识别概率。当p n 发生器的同步建立后，开始 发送信号。在发端输入的二进制信号序列经信道编码后，再经扩频调制将扩频序 列刻记在编码信号上。携带信息的扩频信号通过射频调制发向信道。接收端通过 相关解调技术在频域上扩散噪声能量，然后用滤波器滤出原基带信号并相应的抑 制噪声能量，最终用解码器恢复原先的二进制信息。 北京批电大学硕_ ：论文 c d m a 中几个关键技术的研究 1 2 2 码分多址分类 扩频通信系统按照其工作方式可以划分为以下几种： 序列扩频( d s s s ) ：采用编码序列( 常用伪随机序列，即雕序列) 对数 据源进行调制。待传输的信息经数字化后变为二元数字序列，然后与雕 序列进行模二相加运算，得到高速率数据再调制载波； 调频扩频( f h s s ) ：数字信息与伪随机序列模- - 丰目j j n 后，离散地控制射 频载波震荡器输出频率，使发射信号的频率随伪随机序列的变化而跳 变： 跳时扩频( t h s s ) ：信号的发送时刻和持续时间由伪随机序列决定。跳 时一般会和跳频结合使用，构成一种“时频跳变”系统； 混合式：结合上述若干技术，组成一些混合的扩频体制，获得多种系统 的优点。 1 3 第三代移动通信的关键技术 131 初始同步与r a k e 多径分集接收技术 c d m a 通信系统接收机的初始同步包括刚码同步，符号同步、帧同步和扰码 同步等。c d m a 2 0 0 0 系统采用与i s 一9 5 系统相类似的初始同步技术，即通过对导 频信道的捕获建立p n 码同步和符号同步，通过同步( s y n c ) 信道的接收建立帧同 步和扰码同步。w c d 姒系统的初始同步受l j 需要通过“三步捕获法”进行，即通过 对基本同步信道的捕获建立刚码同步和符号同步，通过对辅助同步信道的不同 扩频码的非相干接收，确定扰码组号等，最后通过对可能的扰码进行穷举搜索， 建立扰码同步。 移动通信是在复杂的电波环境下进行的，如何克服电波传播所造成的多径衰 落现象是移动通信的另一基本问题。在c d m a 移动通信系统中，由于信号带宽较 宽，因而在时间上可以分辨出比较细微的多径信号。对分辨出的多径信号分别进 行加权调整，使合成之后的信号得以增强，从而可在较大程度上降低多径衰落信 道所造成的负面影响。这种技术称为r a k e 多径分集接收技术“。 为实现相干形式的r a k e 接收，需发送未经调制的导频( p i 】o t ) 信号，以使接 收端能在确知已发数据的条件下估计出多径信号的相位，并在此基础上实现相干 方式的最大信噪比合并。w c d m a 系统采用用户专用的导频信号，而c d m a 2 0 0 0 下 行链路采用公用导频信号，用户专用的导频信号仅作为备选方案用于使用智能天 线的系统，上行信道则采用用户专用的导频信道。 r a k e 多径分集技术的另外一种极为重要的体现形式是宏分集及越区软切换 技术。当移动台处于越区切换状态时，参与越区切换的基站向该移动台发送相同 4 北京邮电大学形i - i ：论文 c d m a 中几个关键技术的研究 的信息，移动台把来自不同基站的多径信号进行分集合并，从而改善移动台处于 越区切换时的接收信号质量，并保持越区切换时的数据不丢失，这神技术称为宏 分集和越区软切换。w c d m a 系统和c d m a 2 0 0 0 系统均支持宏分集和越区软切换功 能。 1 3 ，2 高效信道编译码技术 第三代移动通信的另外一项核心技术是信道编译码技术。在第三代移动通信 系统主要提案中( 包括w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 等) ，除采用与i s 一9 5c d m a 系统相类 似的卷积编码技术和交织技术之外，还建议采用t u r b o 编码技术及r s 一卷积级联 码技术嘲。 t u r b o 编码器采用两个并行相连的系统递归卷积编码器，并辅之以个交织 器。两个卷积编码器的输出经并串转换以及凿孔( p u n c t u r e ) 操作后输出。相应地， t u r b o 解码器由首尾相接、中间由交织器和解交织器隔离的两个以迭代方式工作 的软判输出卷积解码器构成。虽然目前尚未得到严格的t u r b o 编码理论性能分析 结果，但从计算机仿真结果看，在交织器长度大于1 0 0 0 、软判输出卷积解码采 用标准的最大后验概率算法的条件下，其性能比约束长度为9 的卷积码提高1 至2 5 d b 。目前t u r b o 码用于第三代移动通信系统的主要困难体现在以下几个方 面： 由于交织长度的限制，无法用于速率较低、时延要求较高的数据( 包括语音) 传输； 基于m a p 的软输出解码算法所需计算量和存储量较大，而基于软输出 v i z e r b i 的算法所需迭代次数往往难以保证； t u r b o 编码在衰落信道下的性能还有待于进一步研究。 r s 编码是一种多进制编码技术，适合于存在突发错误的通信系统。r s 解码 技术相对比较成熟，但由r s 码和卷积码构成的级联码在性能上与传统的卷积码 相比较提高不多，故在未来第三代移动通信系统采用的可能性不大。 1 3 3 智能天线技术 从本质上来说，智能天线技术是雷达系统自适应天线阵在通信系统中的新应 用。由于其体积及计算复杂性的限制，目前仅适应于在基站系统中的应用。智能 天线包括两个重要组成部分，一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角 估计，并进行空间滤波，抑制其它移动台的干扰。二是对基站发送信号进行波束 形成，使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送回移动台，从而降低 发射功率，减少对其它移动台的干扰。智能天线技术用于t d d 方式的c d m a 系统 是比较合适的，能够起至0 在较大程度上抑制多用产干扰，从而提高系统容量的作 北京邮l 乜夫学硕l + 论文c d m a 中几个关键技术的研究 用。其困难在于由于存在多径效应，每个天线均需一个r a k e 接收机，从而使基 带处理单元复杂度明显提高。 134 多用户检测技术 在传统的c d 、_ i a 接收机中，各个用户的接收是相互独立进行的。在多径衰落 环境下，出于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交，因而造成多个用户 之间的相互干扰，并限制系统容遗的提高。解决此问题的一个有效方法是使用多 用户检测技术，通过测量各个用户扩频码之间的非正交性，用矩阵求逆方法或迭 代方法消除多用户之间的相互干扰。 从理论上讲，使用多用户检测技术能够在极大程度上改善系统容量。但一个 较为困难的问题是对于基站接收端的等效干扰用户等于正在通话的移动用户数 乘以基站端可观测到的多径数。这意味着在实际系统中等效干扰用户数将多达数 百个，这样即使采用与干扰用户数成线性关系的多用户抵销算法仍使得其硬件实 现显得过于复杂。如何把多用户干扰抵销算法的复杂度降低到可接受的程度是多 用户检测技术能否实用的关键“。 1 3 5 功率控制技术 在c d 9 , 系统中，由于用户共用相同的频带，且各用户的扩频码之间存在着 非理想的相关特性，用户发射功率的大小将直接影响系统的总容量，从而使得功 率控制技术成为c o m a 系统中的最为重要的核心技术之一。 常见的c d m a 功率控制技术可分为开环功率控制、闭环功率控制和外环功率 控制三种类型。开环功率控制的基本原理是根据用户接收功率与发射功率之积为 常数的原则，先行测量接收功率的大小，并由此确定发射功率的大小。开环功率 控制用于确定用户的初始发射功率，或用户接收功率发生突变时的发射功率调 节。开环功率控制未考虑到上、下行信道电波功率的不对称性，因而其精确性难 以得到保证。闭环功率控制可以较好地解决此问题，通过对接收功率的测量值及 与信干比门限值的对比，确定功率控制比特信息，然后通过信道把功率控制比特 信息传送到发射端，并据此调节发射功率的大小。外环功率控制技术则是通过对 接收误帧率的计算，确定闭环功率控制所需的信干比门限。外环功率控制通常需 要采用变步长方法，以加快上述信干比门限的调节速度。在w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系统中，上行信道采用了开环、闭环和外环功率控制技术，下行信道则采用了闭 环和外环功率技术。但两者的闭环功率控制速度有所不同，前者为每秒1 6 0 0 次， 后者为每秒8 0 0 次“。 6 北京邮电大学砚 二论文c d m a 中几个关键技术的研究 1 4 本文主要工作 针对第三代移动通信的关键技术，本文在两个方面做了研究： 其一对多用户检测技术进行分析，着重分析了高斯信道中恒模算法的性能及 奠改进冀法，对瑞利信道下的恒模算法也作了分析。 其二对编译码技术进行研究，针对空时编码和o f d m 的各自优点，构造一个 空时编码和o f d m 相结合的通信系统分析并仿真其在不同信道下的系统性能。 1 5 论文组织结构 第一章为本文的绪论部分，简要介绍了本文的研究背景。 第二章介绍了多用户检测技术的发展情况及其分类。 第三章分析了恒模算法在高斯信道、瑞利信道中的性能，并对其进行了改进、 仿真其性能。 第四章介绍了空时编码的背景和研究进展。 第五章详细介绍了o f d m 调制的原理和优缺点及应用。 第六章针对空时编码和o f d m 的优点，构造了一个空时编码和o f d m 相结合的 通信系统，最后仿真分析了其在不同信道下的系统性能。 北京邮电大学硕士论义c d m a 中几个关键技术的研究 第二章多用户检测技术 c d m a 系统的性能和容量主要受到多址干扰( m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ， m a i ) 的限制。如果在接收时适当抑制多用户干扰，可以显著地提高系统的性能。 传统的检测把多用户干扰看作加性臼噪声，采用单用户接收中的匹配滤波器。但 是多址干扰不同于自噪声，而是具有一定的结构特征，多用户检测技术的基本思 想就是利用各个用户的扩频序列，时延、幅度和相位信息，从总体上降低各个用 户的误码性能。 本章简要介绍了多用户检测技术的发展情况，详细介绍了几种主要的多用户 检测技术。 2 1 多用户检测技术概述 1 9 8 6 年，s v e r d u 首先提出了多用户检测的思想，认为m a i 是具有一定结构 的有效信息，理论上证明采用最大似然( m a x i m u ml j k e l i h o o d ，m l ) 检测可以逼近 单用户接收性能，可以有效地克服远近效应，并大大提高系统容量。但由于m l 检测的复杂度与用户数呈指数关系，基本无法实现，因此人们开始研究各种次优 的多用户检测，目标是寻找个在实现中性能和复杂度都可以接受的检测技术。 主要的次优检测可以分为线性检测和非线性检测两大类。 在线性多用户检测器中，匹配滤波器的输出经过一个线性变换矩阵再判决。 具有代表性的是1 9 8 9 年r l u p a s 提出的解相关检测器和1 9 9 4 年u i a d h o w 提出 的最小均方误差( 删s e ，m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ) 检测器。m m s e 检测器采用 横向f i r ( f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) 结构，提供训练序列时，可以自适应实现。 非线性多用户检测器使用干扰抵消技术，且一般里多级结构。具有代表性的 是1 9 9 0 年m k v a r a n s i 提出的并行干扰抵消器( p i c ) ，1 9 9 4 年p p a t e l 提出的 串行干扰抵消器( s i c ) ，以及a d u e t h a l l e n 提出的迫零判决反馈( z f - d f ) 检测 器。 但是，上面所述的多用户检测技术有其局限性。首先，上述检测方案不能够 消除其它小区的m a i 干扰对本小区的影响，详见下节分析。其次，上述检测方案 需要知道本小区各个用户的扩频序列，以及对时延、功率、信道参数等系统参量 的准确估计，实现复杂度高，一般只在基站使用，即只适用于上行链路的检测。 针对上述多用户检测技术的局限性，近年来出现了盲多用户检测技术和半盲 多用户检测技术。所谓自检测就是不知道所有干扰用户扩频序列条件下的检测， 北京邮电大学硕十论文c d i v i a 中几个关键技术的研究 适用于移动台。最为典型的盲榆测思想是通过于空间跟踪技术获得信号子空间并 利用它来消除未知用户造成的干扰，信号空间跟踪结果的准确性直接影响检测器 的性能，直接对混杂了干扰用户的接收信号进行自适应滤波，提取出期望用户的 信号足另一类重要的盲检测思想，其性能取决于适应算法的收敛速度和稳态误 差。所诮半旨检测就是干扰用户的扩频序列部分已知部分未知条件下的检测，适 用于小区基站( 本小区内干扰用户的扩序列为已知，其它小区干扰用户的扩频序 列为未知) ，其不少思想和盲检测相类似。 2 2 多用户检测器的主要优缺点 ( 1 ) 多用户检测器的主要优点 是消除或减弱多址干扰、多径干扰、远近效应的有效手段； 简化功率控制，降低功率控制精度：由于m a i 以及远近效应所产生的影响大 大减小，这样功率控制的负担得以减轻； 弥补正交扩频码互相关性不理想所带来的消极影响； 改善系统性能、提高系统容量，增大小区覆盖范围：尽管相邻小区引发的m m 使得容量的扩张受到限制，但这种扩张还是相当可观的。而且这种限制可以 通过把来自相邻小区的信号也纳入多用户检测算法而加以改善。此外，在其 它一些领域，如卫星通信，溢出率( 来自其它小区的m a i 与本小区m a i 的比 率) 远远小于蜂窝通信系统； 更高效的上行频谱利用率：对上行信道的改善将使移动台以较低的处理增益 运作； 更高效的使用功率：上行信道干扰的减弱一定程度上减少了移动用户所需传 送的功率。换句话说，相同的传输功率可以用来扩充覆盖地区的大小。 ( 2 ) 多用户检测器的主要缺点 大大增加系统设备的复杂度： 增加系统时延，特别是当采用自适应算法并对于扩频码较长的系统更是如 此： 多用户检测一般需要知道用户扩频码的主要特征参量，这对于实际的多径时 变信道则不是一件容易的事，它需要通过不停的信道估计来实现，而且估值 的精度将直接影响多用户检测器的性能： 在下行信道执行多用户检测有难度：由于受到费用、体积、重量等诸多因素 的影响，目前很难将多用户检测用于移动台，主要还只能用于基站方面； 来自其他小区的m a i 依然存在：由于上行和下行信道在各小区间要实行复用， 所以一个小区发射的信号势必会对其相邻小区造成干扰。如果检测算法中没 有考虑这种情况，那么性能自然会有所下降。存在着一种容量扩张的上限， 9 北京邮电人学硕： 论史c d m a 中几个关键技术的研究 它可以通过比较在使用多用户检测和不用两种情况下系统的总体干扰来得 到。如果忽略背景噪声，不使用多用户检测时系统的总体干扰为： i 。= i m a ，+ ，e1 。是同小区用户引发的m a i ，f 是来自其它小区的m a i 与 本小区m a l 的比塞( 又称作溢出率) 。使用多用户检测时考虑一种理想情况， 所有的同小区干扰都被消除了，那么只剩邻区干扰，即总体干扰为，= ? 。，。 所以最大容量增益因子将为，l o = ( 1 + f ) f f 的一个典型值为0 5 5 ，相 应的容量增益因子为2 8 。3 。 2 3 多用户检测算法的分类 图2 - 1 显示了多用户检测算法的大致分类并列举了几种典型的算法。 厂 l 多用，1 检测算法i ；与 埽优次优 多用f ，算法l多用户算法 线性多用尸检测 【 5 非线性多甩j ! 检测 单甩1i 多甩 户】i j 。 m ml m m 序列11 干扰抵11 分组1l 神经咧络 检测1消型i 检测li 多用，1 算法 盲型! 菜籍主蓑； 串行千扰j | 混合型f 抵消算法lj 扰抵消 剐m o e 豁 也型l 图2 - i 多用户检测算法分类 2 4 传统的单用户检测技术 传统的单用户检测器的原理框图如图2 2 所示。传统的单用户检测器是由k 个相关器构成的相关器组构成的。检测器将接收信号与各个用户的扩频码作相关 运算，然后再对相关器的输出作判别，从而恢复数据信息。因为相关器可班等效 为匹配滤波器来实现，因此传统的检测器也称为匹配滤波检测器。对于第k 个用 户，它在，= 瓦时刻的信号为： 儿= ( 6 r ( t ) s ( t ) d t 0 k l吲型哦-e倒 北京邮电大学颀k 论文 c d m a 中几个关键技术的研究 = 妒诹u ) 十艺萌( ，) 野( o ) 十p ”( f ) 疋( f ) 础 ；：i 式( 2 一1 ) = v + m a i + ” 式中，p 。为扩频码的相关系数，”是第k 个用户的信号，m a l 是其他k - 1 个通信用户的信号对第k 个用户构成的干扰，称为多址干扰( 姒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 ) 。可是高斯噪声作用的结果。s 的定义见式卜5 。 需匹毫打矗 盟一l 一+ q io 1 l s ! ( ，) ： 压土去哥龟 嚣一锯i 冀厨一瓦 图2 - 2 传统的单用尸检测器原理框图 为了后面的讨论方便，写出式2 1 的矩阵形式为： y x2 r 。4 9 , b + 1 1 k 式( 2 2 ) 其中，y 。= 【m ，y 。n 】，足= 野( o ) ，( j = l ，2 ，k ；k = l ，2 ，k ) ，为k 个 用户的系数互相关矩阵。 对匹配滤波器的输出用硬判决方法进行判决可得： ?， 、 以2s g m y k ) 式( 2 3 ) 传统的单用户检测器的局限在于：它把多址干扰作为噪声信号而去除掉，可 以说它是把有用的信号去掉了。如果我们能把多址干扰作为有用信号而加以充分 利用从而彻底消除它，那么我们就可以改进系统性能，提高系统容量，多用户检 测技术正是利用多址干扰很强的结构性来对所有用户信号进行联合检测，从而消 除多址干扰的影响。 在实际的c d m a 移动通信系统中，每个移动用户与一个基站进行通信，移动 用户只需接收自己所需韵信号，而基站则必须检测出所有与它通信的移动用户信 北京邮电大学硕士论文c d m a 中几个关键技术的研究 号。因此，移动用户只有自己的扩频码，而基站则必须知道所有用户的扩频码。 另外，考虑手机的体积、功率和复杂度限制，目前多用户检测技术主要用于基站。 2 5 最佳多用户检测 最佳多用户检测器具有很好的检测性能，但是在异步信道中，当用户数量较 大时，它无法实时实现。般作为评价其他次多用户检测器性能的一个上限。 251 最佳多用户检测器的数学推导 首先定义联合后验概率为 p 臼忡l f ( 0 ，。) ) 最优检测算法在匹配滤波器后用v i t e r b i 算法实现最大似然序列检测。检测 原理是：在所有时间点上的接收信号r ( t ) 已知的情况下，选择后验概率最大 组发射数据序列d 作为检测输出。 多用户检测器的接收信号为： r ( ，) = 2 厄b k ( t ) s k ( t ) + h ( ，) 式( 2 - 4 ) 接收信号r ( f ) 和所有可能的发送信号矢量b k 之间的似然函数a ( 也) 为：。 ，= 廿，一喜忍s k ( t ，卜一， 其中，b k = 【6 i ( f ) ，b a t ) ，h a 0 7 展开式2 - 5 得： a ( b a = 腑r 砂一2 喜愚( f ) 肌蹦懒 + 壹羔巧飘( r ) i ( r ) f 瓯( f ) q ( f ) 出 式( 2 6 ) 从式2 - 6 我们可以看出，第一项中，r 2 ( ，) 对于所有可能的信息序列 b a t ) 都 是相同的，对于判决没有影响，因而可以省去。第二项中，儿= f 6 ，( f ) 瓯( r ) 出反 映了接收信号和第k 个用户扩频码的相关性。最后一项中，p j a o ) = f 5 s 。( f ) s ，( o a t 反应了第j 用户和第k 用户之间的互相关性。根据似然函数人( 缸) 和相关函数 c ( y k ，b k ) 之间的关系，式2 6 可写为函数c ( 坛，靠) 的形式： 1 2 北京邮电大学硕士论文 c d m a 中几个关键技术的研究 c ( y x , b x 卜) 一m ，砷 ：2 k 以溉o ) y k 一兰艺瓣。哆( r ) 啄( o ) 式( 2 - 7 ) = 1r = 1 ；1 把式2 7 写成矩阵形式为： c ( y x ，艮) = 2 ( 忍) y x 一( 愚) 足( 忍) 式( 2 _ 8 ) 式中，y 。= 【m ，y ：，儿 ，瓦是以 耳，虿，虿 为对角元素的幅度矩 阵，足= 靠( o ) ，( = 1 ，2 ，k ；k = 1 ，2 ，k ) ，为k 个用户的系数互相关矩阵。 2 52 最佳多用户检测的基本原理 最佳多用户检测器的原理框图如图2 - 3 所示。它是在传统的单用户检测器的 相关组后面接入一个最大似然函数算法检测器而构成。最大似然函数检测器由信 息码发生器和判决器组成。 最 大 使 然 函 数 算 法 图2 - 3最佳多用尸检测框图 在通信过程中，任一时刻每个用户发送的信息可能是1 或一1 ，则k 个用户就 可能发出2 。个信息矢量。这样，信息码发生器就必须产生同样多的信息矢量b ，。 然后再利用相关器组产生的信号y 。= 【m ，y 2 ，n 】2 来计算每个信息矢量所对应 的相关函数c ( 欺，b x ) 。判决器对2 + c ( y x ，) 值进行比较，并把其中最大的值 所对应的信息矢量作为对发送信息矢量的最优估计。数学表达式： 6 脚= a r g m a x c ( 躲，k ) ) 式( 2 。9 ) s u b j e c tt o k l ，一l r 式( 2 1 0 ) 北京邮电大学碗士论文c d m a 中几个关键技术的研究 式中，就是使c ( y k ，b x ) 取得最大值时的信息矢量。从式2 - 9 可以看出， 最佳多用户检测器实际上就是一个求有约束的优化问题。 最优多用户检测的抗远近效应能力是所有多用户检测器可能达到的抗远近 效应能力的上确界，因而是衡量任何准最优检测器相对性能的一个标准。最优多 用户检测器的抗远近效应能力也称为最优抗远近效应能力。 尽管最优多用户检测器有着最好的误码性能和最优的抗远近效应能力，但是 该算法并不适用于工程中的实际应用，这是因为以下两点： 最优多用户检测器需要知道过多的信息，如所有用户准确的扩频波形、相位、 幅度，在实际系统中很多情况下这些要求难以满足； 最优检测算法的计算复杂度随着用户数的增加里指数级增长，计算量过大， 在现有的技术水平下难以实时实现。 许多学者对这个优化问题进行了不懈的研究。其中比较经典的实现方法是文 献中的用匹配滤波器加维特比算法来实现最大似然序列检测 ( m a x i m u m - l i k e l i h o o d s e q u e n c e d e t e c t i o n ，m l s 检测) 。这种方法适用于受符号问 干扰( i s l ，i n t e r s i g n a l i n t e r f e r e n c e ) 影响的信道，但是维特比算法的复杂度仍然是 用户数的指数幂级，即2 ，而且m l s 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。m l s 检测器过于复杂不实用，因此大家把主要精力集中 在研究最佳多用户检测的间接的或近似的实现方法，使得该方法既可克服多址干 扰问题又具有合理的计算复杂度，易于实时实现，这就是下面介绍的次佳多用户 检测器。 2 6 次佳多用户检测器 目前，次佳多用户检测器主要有两大类，即线性多用户检测器和非线性多用 户检测器。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：而后者则利用可靠的已知息对干扰进行估计，然后在原信号中减去估计干扰 以利于接收判决，因而叉称为干扰消除多用户检测器。 2 6 1 线性多用户检测 线性检测器的基本结构是在匹配滤波器后加上一个线性变换矩阵w ，使其 在性能下降允许范围内，最大可能的简化实现复杂度，所以这时问题可归结为如 何寻求次最优的线性变换矩阵w ，由于次最优并无确切定义，不同的线性交换 矩阵w 可以产生不同形式的次最优多用户检测接收机。当w 为单位矩阵时，即 为传统检测器线性多用户检测器。 理想的线性多用户检测器应当是无限冲激脉冲滤波- 器( i i r ) ，但在实际系统 中，我们只能设计有限冲激脉冲滤波器( h r ) ，所以有限长度的滤波器阶数将导 北京邮l 乜夫学预士论文 c d m a 中几个关键技术的研究 致截断或加窗效应，一般情况下将导致系统的误码性能下降。在抑制多址干扰的 同时有可能对信道噪声有放大作用，滤波器阶数越多，对多址干扰的抑制作用越 强；同时列噪声的放大作用也越大。因此合理的滤波器阶数应当是考虑噪声增强 因素和干扰抑制效果后的折衷。 2 6 ，1 ，1 解相关检测器 解相关检测器( d e c o n l a t i n gd e t e c t o r ) 的出发点是将多用户检测中的多址干 扰等效为信道的产生响应矩阵置，该矩阵只与各用户的扩频码以及扩频码之间 的相对时延有关。解相关检测器对接收机匹配滤波器的输出用上。= r ，。与之相 乘进行解相关，去除扩频码之间的相关性，从而达到消除多址干扰的目的”1 。解 相关检测器的输出结果为： b k “= s g n ( l ：y k 、 = s g n ( r - i ，欺) = s g n p ，( r 厕+ ) 式( 2 - 1 1 ) = s g n ( 最6 ，+ 出) 其中，。= r - i s 为解相关器的输出噪音。 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，与最 大似然序列检测器相比计算复杂度大大降低。 解相关检测器的优点主要有： 不需要估计接收幅度，而需要幅度估计的检测器通常对于估计错误十分 敏感； 计算复杂度远远低于最大似然检测器。每比特检测的复杂度用户数的线 性函数，除去计算求逆的代价； 由于完全消除了多址干扰，因而在对抗远近效应方面得到最优值。 但是该检测器也有下面的缺点： 引起了噪声的增加，在输出端噪声。的每比特功率总是大于或等于传 统检测器的输出噪声n 。的功率； 需要所有用户扩频码的信息，这些信息往往由于传播信道而发生畸变； 北京雌f u 火学硕士论文c d m a 中几个关键技术的研究 计算矩阵置的逆很难实时实观，在同步系统中实现k k 矩阵的求逆还 是可以的。然而对于异步系统来说，足的规模是n k n k ，对于一个典 型信息长度n 计算量太大了，因而难以用于实时通信系统。 解