（信号与信息处理专业论文）cdma系统中turbo多用户检测技术的研究.pdf

论文题目：c d m a 系统中t u r b o 多用户检测技术的研究 专业：信号与信息处理 硕士生：党丽莉 指导教师：李国民 摘要 ( 签名) 莹。幽翅 ( 签名) 码分多址( c d m a ) 技术是第三代移动通信系统的核心技术之一。由于多址干扰的存 在，不仅使系统性能受到严重影响，而且限制了系统容量提高。多用户检测是一种从接 收端设计入手的干扰抑制方法，不但可以抗多址干扰，还可以抗远近效应和多径干扰， 因此成为c d m a 系统的关键技术之一。 本文分别对多用户检测技术和t u r b o 编译码技术进行理论研究和仿真分析。在此基 础上重点研究基于t u r b o 译码思想的多用户检测理论和实现方法。针对t u r b o 多用户检 测技术中多次内外迭代所造成的系统延时问题，借鉴已有的简化算法，提出一种将滑动 窗技术和改进的对数最大后验概率( l o g m a p ) 算法( 门限法) 相结合的算法，称为滑动 窗门限一l o g m a p 算法。该算法在t u r b o 译码时，将数据分成二块分别按照门限法简化 l o g m a p 算法中涉及到的指数运算。同时，考虑到一个门限值带来的计算误差，提出 在滑动窗门限l o g m a p 译码算法中，通过对相关函数疋( ) 的取值设置两个门限，即 函数取值区间划分成三段，以进一步减小误差。 仿真结果表明，一个门限值的滑动窗门限l o g m a p 译码算法性能虽然不及标准 l o g m a p 算法，但系统延时约为后者的l 2 。两个门限值的滑动窗门限l o g m a p 译码 算法的性能优于只有一个门限值的滑动窗门限l o g m a p 译码算法，接近于标准 l o g m a p 译码算法。 关键词：多址干扰；多用户检测；t u r b o 多用户检测；滑动窗；对数最大后验概率 研究类型：理论研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho nt u r b om u l t i u s e rd e t e c t i o nt e c h n o l o g yf o rc d m a s y s t e m s p e c i a l t y ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g n a m e ：d a n glili(signature) i n s t r u c t o r ：l ig u o m i n a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) c d m ah a sb e c o m eo n eo ft h ek e yt e c h n i q u e so f3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m h o w e v e r , 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 ) a f f e c t sn o to n l yt h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，b u t a l s ot h ei n c r e a s i n go fi t sc a p a c i t y m u l t i - u s e rd e t e c t i o n ( m u d ) i st h ew a yt oc a n c e lm a if r o m r e c e i v e r i ti sa l s og o o df o re l i m i n a t i n gn e a r - f a re f f e c ta n dm u l t i p a t hi n t e r f e r e n c e i nt h i sp a p e r , s o m et e c h n i q u e so fm u da n dt u r b oc o d e d e c o d ea r es t u d i e d , a n ds o m e s i m u l a t i o n sw e r ed o n e t u r b om u d t h e o r ya n ds o m em e t h o d sb a s e do nt h ei d e ao ft u r b o d e c o d i n gw e r ee m p h a s i z e d t os o l v et h ep r o b l e mo fs y s t e md e l a yw h i c hc a u s e db yt h e i t e r a t i v ei nt u r b om u d ，an e wa l g o r i t h mn a m e ds w - t h r e s h o l d - l o g m a p , c o m b i n i n gt h e s l i d i n gw i n d o wm e t h o dw i t ht h r e s h o l d l o g - m a p , w a sp r o p o s e d f o l l o wt h e r u l eo ft h i s a l g o r i t h m ，t h er e c e i v e ds i g n a ls e q u e n c e sw a sd i v i d e di n t ot w ob l o c k sf o rr e d u c i n gt h es y s t e m d e l a y , t h et h r e s h o l dw a ss e tf o rs i m p l i f y i n gt h ec o m p l e x i t yo fe x p o n e n to p e r a t i o ni nd e c o d i n g a tt h es a m et i m e ，c o n s i d e r i n gt h a to n et h r e s h o l dm a yp r o d u c em o r ee r r o r s ，a n o t h e r s w - t h r e s h o l d - l o g - m a p 、析t 1 1t w ot h r e s h o l d sw a sp r e s e n t e d i nt h i sa l g o r i t h m , t h ev a l u e d o m a i no fc o r r e l a t i o nf u n c t i o nw a sd i v i d e di n t ot h r e er e g i o n s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eb i te l r o tr a t eo fs w - t h r e s h o l d l o g - m a p 、析n 1o n e t h r e s h o l di sh i g h e rt h a ns t a n d a r dl o g - m a p a l g o r i t h m ，b u tt h es y s t e md e l a yi sr e d u c e dt oh a l f o ft h es t a n d a r dl o g - m a pa l g o r i t h m t h ep e r f o r m a n c eo fs w - t h r e s h o l d - l o g - m a pw i t ht w o t h r e s h o l d si sb e t t e rt h a nt h eo n e 、) i ，i t ho n et h r e s h o l d ，a n di t sp e r f o r m a n c ei sm o r ea p p r o a c h e d t os t a n d a r dl o g m a pa l g o r i t h m k e y w o r d s ： 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 触) m u l t i u s e rd e t e c t i o n ( m u d ) t u r b o ( i t e r a t i v e ) m u ds l i d i n gw i n d o wl o g - m a p t h e s i s： b a s i cr e s e a r c h 毪 西要彳爷技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：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 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名曳m 初日期： 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。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电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本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和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：尧矶麴 指导教师签名： 。2 唧4 - 其f s e l 1 绪论 1 1 研究背景与意义 1 绪论 第三代( 3 r dg e n e r a t i o n ，3 g ) 移动通信不仅可以进行通话和低速数据通信，还能满足 图像、话音和数据相结合的多媒体业务和高速数据业务的需求。人们可以方便地进行上 网浏览、收发电子邮件、使用可视电话视频点播和进行电子商务等活动。3 g 移动通信 系统是宽带数字系统，数据速率可达2 m b p s 。 第四代移动通信系统在业务上、功能上、频带上都与第三代系统不同，第四代移动 通信的概念可称为宽带( b r o a d b a n d ) 接入和分布网络，具有非对称的超过2 m b p s 的数据 传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和互操作的广播 网络。第四代移动通信将在不同无线平台和跨越不同频带的网络中提供无线服务，可以 在任何地方宽带接入互联网，包含卫星通信，能提供信息通信之外的定位定时、数据采 集、远程控制等综合功能。这预示互联网连接速度与图像传输质量将发生质的改变。 伴随移动通信的发展，各种新技术层出不穷，其中码分多址( c d m a ) ，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 ) ，t u r b o 码，就是典型的几种技术。 c d m a 为每个用户分配了特定的地址码，对要发送的信息进行扩频调制，c d m a 系统的地址码相互具有准正交性，以区别不同的用户，而不同用户的信号在频域、时域 和空间上都可能重叠。接收机利用目标用户的地址码对接收的信号进行相关检测，而其 它使用不同码型的信号因为和期望用户的地址码的相关性很小而不能被解调。在移动通 信系统，直接序列码分多j 址( d s c d m a ) 直接用具有高码率的扩频码序列在发送端扩展信 号频谱，而在接收端用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始信 息。c d m a 系统具有如下优点： ( 1 ) 软容量。c d m a 系统中用户个数不存在绝对的限制，不像t d m a 的时隙数或 f d m a 中的子频带数，只要有足够多的扩频码，就可以增加c d m a 中的用户。通过采 用话音激活技术，即用户不说话时，以低速率传送信号，降低对其它用户的干扰，可以 在满足各个用户性能要求的前提下接入新的用户。这种信道资源的动态共享可以使 c d m a 系统更加有效地利用有限的频谱资源，达到比t d m a 和f d m a 大得多的实际容 量，这也是c d m a 系统最显著的优越性。 ( 2 ) 抗干扰能力强。在c d m a 系统中，信息码元被扩频码调制，展成了很宽的频谱， 如果在接收端用匹配滤波器提取信号，当接收机本地解扩码与用户扩频码一致时，就将 扩频信号恢复为原来的信息，而其它干扰，尤其是单频或窄带干扰等通过匹配滤波器时 其频谱被扩散，从而进入到信号通带内的干扰强度被大大地降低了。 西安科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 保密性好。由于扩频信号扩展到很宽的频带上，单位频带内的功率就很小，即信 号的功率谱密度就很低。所以，应用扩频码序列扩展频谱的直接序列扩频系统，可在信 道噪声背景下，在很低的信号功率谱密度水平上进行通信，从而具有很低的被截获概率。 ( 4 ) 抗衰落、抗多径干扰。码分多址系统具有潜在的抗频率选择性衰落的能力。这是 因为扩频通信系统所传送的信号频谱己扩展很宽，频谱密度很低，如果在传输中部分频 谱衰落时，不会使信号造成严重的畸变。此外，如果发送信号的带宽大于信道的相干带 宽，那么接收机就能够分离出多径分量。在码分多址蜂窝系统中，由于其很宽的信号频 带可以提取出更多的多径分量，通过一定的方式进行分集，能有效地克服多径效应。 c d m a 的许多优点在已开通的商用c d m a 移动通信系统中基本上得到了体现，但 应该看到，目前的系统也存在一些不足。在c d m a 系统中，由于多个用户的随机接入， 所使用的扩频码一般并非严格正交，非零互相关系数会引起用户间的相互干扰，即多址 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 ) 。在异步传输信道及多径传播环境中多址干扰将 更加严重。在c d m a 系统中随着同时接入系统的用户数的增加，多址干扰的功率也在 增加，导致误码性能下降，系统的容量将受到限制。 多址干扰可以通过选择互相关性好的扩频码，结合功率控制、纠错编码等进行抑制。 目前的c d m a 系统中，主要采用功率控制技术处理多址干扰问题，减小彼此间影响， 提高系统容量。但功率控制的方法并没有从接收信号中真正去除多址干扰，只能缓解这 种矛盾，不能从根本上解决问题。另一方面，由于信号在移动通信信道中呈现瑞利衰落， 功率控制系统无法补偿由快衰落引起的信号功率变化，特别是当终端速度很快时，功率 控制技术会失效。令人鼓舞的是，近年来研究的多址干扰抑制理论和技术又给出了更好 的解决办法，引起了人们的极大兴趣。1 9 8 6 年，s v e r d u 提出了最佳多用户检测器【l 】， 认为多址干扰是具有一定信息结构的有效信息。为了适应下一代通信系统中用户剧增及 数据量大的特点，采用多用户检测技术能有效解决系统性能及容量的问题。多用户检测 认为多址干扰与白噪声具有互不相同的统计特性，是可估计、可再生、可去除的。它通 过挖掘有关干扰用户的信息来消除多址干扰，进而提高信号检测的稳定性，不再像传统 检测器那样忽略系统中其它用户的存在。 多用户检测的主要用途是提高带宽效率，获得系统容量和覆盖的改进。多用户检测 通过消除小区内干扰来提高上行链路的带宽效率，因此增加了系统容量。实际的容量增 加值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。除了提高带宽效率及改进容量，更重要的是多用户检测可以降低多址干扰， 缓解“远近效应”问题。多用户检测还可以缓解功控的负担，减少上行链路中多址干扰功 率，这意味着降低了对终端发射机的功率要求，节省出的发射功率可以用于增大小区覆 盖面积。 2 1 绪论 1 2 多用户检测研究现状和发展方向 多用户检测的主要优点是它能有效消除或减弱c d m a 系统中的多址干扰、多径衰 落干扰，减轻远近效应，简化c d m a 系统中的功率控制，弥补由于扩频码互相关性不 理想所带来的一系列消极影响，改善c d m a 系统性能，提高系统容量，扩大小区覆盖 范围。 在1 9 9 3 年之前，多用户检测的研究还仅仅只是对各种多用户检测器的提出，但是 近几年来的研究工作主要是如何在这些多用户检测结构下，使之走向实用化。由于第三 代移动通信系统i m t 0 2 0 0 0 的提出，各国一致希望在i m t - 2 0 0 0 的候补建议中采用m u d 。 日本主要研究多级干扰消除检测，美国主要研究自适应检测，欧洲标准协会( e s a ) 则在 卫星通信系统i m t - 2 0 0 0 的候补建议中，提出前向链路m m s e 检测。我国的3 g 标准 t d s c d m a 将多用户检测作为关键技术之一，并已在部分地区的测试网中证实了其可 行性。 从信息论角度来看，c d m a 系统是一个多端输入多端输出( m i m o ) 的系统，采用传 统的单端输入单端输出( s i s o ) 检测方式( 如匹配滤波器) ，不能充分利用用户间的信息， 由于将多址干扰认为是高斯白噪声，因此大大降低了系统容量。采用最大似然序列检测 ( m l s d ) 不仅可以逼近单用户接收性能，还可以有效克服远近效应，大大提高系统容量， 因此开始了对多用户检测的广泛研究。但是m l s d 结构是匹配滤波器组加上v i t e r b i 算 法，其复杂度为0 ( 2 ) ，k 为用户数，这在工程上基本无法实现u 刊，因此人们开始研 究各种次优多用户检测，要求在保证一定性能的条件下能够将复杂度降低到工程可以接 受的程度；另外，由于c d m a 系统中日益提高的带宽及数据速率的要求，此领域开始 关注于多径衰落信道中的多用户检测技术的研究。 多用户检测的基本思想是把所有的用户信号都看作有用信号，而不是当作干扰信 号。与传统检测器相比，m l s d 检测器具有高的性能和容量增益，但却是不实际的。主 要的次优检测有线性多用户检测和非线性的干扰消除多用户检测。线性多用户检测技术 主要有：解相关( d e c ) 检测器，最小均方误差( m m s e ) 检测器，多次式展开检测器，基于 训练序列的自适应多用户检测器和盲自适应多用户检测器等。干扰消除多用户检测器有 串行干扰消除( s e r i a li 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 ) 检测器，并行干扰消除( p a r a l l e l i 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 ) 检测器和解相关判决反馈( d e c o r r e l a t i n gd e i s i o n - f e e d b a c k ， d d f ) 检测器等。 近年来各种技术的结合问题引起了人们广泛的注意。与多用户检测相结合的技术主 要有以下几种： ( 1 ) 空时二维信号处理技术。由于信号在信道中传播时存在空域和时域的弥散，因此 在空时域联合进行信号处理可以提高系统性能，经典的结构是二维r a k e 接收机。目前 3 西安科技大学硕士学位论文 有关智能天线技术和多用户检测联合的结构和算法尚待进一步研究。 ( 2 ) 多用户检测和多载波调制结合技术。多载波调制能有效地克服衰落信道引起的符 号间串扰，将多用户检测技术引入到多载波c d m a 系统，研究其频域和码域二维信号 处理技术，可大大提高系统的抗干扰能力。 ( 3 ) 多用户检测和信道编译码结合技术。在c d m a 系统的接收端，多用户检测的后 边是译码单元，显然多用户检测采用硬判决方法将降低译码性能，因此人们提出了迭代 多用户检测的思想，将多用户检测和信道译码相结合，多用户检测采用软判决输出，送 给译码单元译码后将软判决信息再反馈给多用户检测器，进行多次迭代，最后作硬判决 输出结果。采用这种迭代多用户检测可以提高系统的性能，降低误码率。 ( 4 ) 多用户检测和功率控制结合技术。由于多用户检测和功率控制都可以克服远近效 应，因此有少数学者研究两者的结合问题，但是这两门技术都比较复杂，所以在这方面 的进展不大。 ( 5 ) 多用户检测的其它应用。由于多用户检测既可以估计信道参数，如延迟，同时还 抑制多址干扰，因此部分学者研究采用多用户检测进行捕获跟踪。另外，c d m a 是扩 频通信系统，因此还有一些文献研究采用多用户检测抑制窄带干扰，其性能比传统的非 线性滤波器更好。 研究结论表明，多用户检测技术能够有效地改善c d m a 系统的性能，但其代价是 增加系统实现的复杂度，所以目前主要研究方向是如何在保证一定性能的前提下将复杂 度降低到工程可接受的程度。 事实上，m u d 并没有成为目前商用3 g 标准的主流技术，仅有t d s c d m a 将m u d 作为关键技术，而w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 仅将m u d 列为后续的增强型技术，这是由 于多方面原因造成的。推进m u d 的实用化进程以及进一步研究t d 系统中的联合检测 问题，使得m u d 有必要继续深入的研究。 1 3t u r b o 信道编码技术及其迭代思想 早在1 9 4 8 年，美国b e l l 实验室的c e s h a n n o n 在贝尔技术杂志上发表了题为通 信的数学理论的论文，这是一篇关于现代信息理论的奠基性论文。s h a n n o n 在该文中 指出，任何一个信道都有确定的信道容量c ，如果通信系统所要求的传输速率r 小于c ， 则存在一种编码方法，当码长n 充分大并应用最大似然译码( m a x i m u ml i k e l i h o o d d e c o d i n g ，m l d ) 时，信息的错误概率可以达到任意小。这就是著名的有噪信道编码定 理。 随着通信技术的飞速发展以及各种传输方式对可靠性要求的不断提高，信道编码技 术作为抗干扰技术的一种重要手段，在数字通信技术领域和数字传输系统中显示越来越 重要的作用。特别是近年来移动通信技术和产品的快速发展，抗干扰问题面临新的挑战， 4 1 绪论 也为信道编码技术提出了新的课题。经过多年的不懈努力，新的信道编码方案不断涌现， 性能离香农提出的最佳极限越来越近。 然而在t u r b o 码提出以前，随机编码理论一直只是作为分析与证明编码定理的主要 方法，并没有在如何构造长码上发挥作用。也就是说，在t u r b o 码提出以前，信道截止 速率一直被认为是差错控制码性能的实际极限，s h a n n o n 极限仅仅是理论上的极限， 是不可能达到的。 在1 9 9 3 年的国际通信会议( i c c 9 3 ) 上，两位任教于法国不列颠通信大学的教授 c b e r r o u ，a g l a v i e u x 和他们的缅甸籍博士生e t h i t i m a j s h i m a 提出了一种新型信道编码 方案n 曲o 码，由于它充分考虑了s h a n n o n 信道编码定理证明时所假设的条件，从而获 得了接近s h a n n o n 理论极限的性能【5 】。仿真结果也进一步表明，在采用长度为6 5 5 3 6 的 随机交织器并译码迭代1 8 次情况下，在信噪比e b n 0 _ 0 7 d b 并采用二进制相移键控 ( b p s k ) 调制时，码率为1 2 的t u r b o 码在加性高斯白噪声( a w g n ) 信道上的误比特率 ( b e r ) s 1 0 一，达到了与s h a n n o n 极限仅相差0 7 d b 的优异性能。t u r b o 码的出现为编码 理论和实践带来了一场革命，标志着长期将信道截止速率凡作为实际容量限的历史结 束，同时t u r b o 码还改变了人们设计信道码的传统观点，使信道编码理论与技术的研究 进入了一个新的阶段。 t u r b o 码是在综合过去几十年来级联码、卷积码、最大后验概率译码与迭代译码等 理论基础上的一种创新。t u r b o 码的基本原理是通过在编码器中引入随机交织器，使码 字具有近似随机的特性，通过对分量码的并行或串行级联实现利用短码构造长码，从而 使产生的t u r b o 码具有类似随机编码的特性。t u r b o 码的译码采用了类似涡轮机反复利 用的机理，通过对分量码之间软信息的迭代交换实现迭代译码，获得了卓越的纠错性能。 仿真表明，t u r b o 码不但在抵御加性高斯噪声方面性能优越，而且具有很强的抗衰 落、抗干扰能力，其纠错性能接近香农极限，这使得t u r b o 码在信道条件较差的移动通 信系统中有很大的应用潜力。实践中，t u r b o 码抗衰落、抗干扰，尤其适合于功率受限 系统，只要时延和复杂度允许，可在多种恶劣条件下提供接近极限的通信能力。 t u r b o 自提出之日起就成为信息论与编码理论界热切关注的焦点，人们对t u r b o 码 的研究相继取得了一系列成果。 目前，t u r b o 码在实际应用方面的研究已经有很多，其中第三代移动通信系统i m t 2 0 0 0 已经将t u r b o 码作为其传输高速数据的信道编码标准之一；在国际海事卫星组织的 1 n m a r s a tp h o n em 4 系统中，也是以t u r b o 码为核心技术来实现压缩频带的高速数据 传输的。 t u r b o 码的出现，不仅提供了一个性能优越的编码方法，同时迭代的思想也为众多 通信问题提供了解决方案。有关t u r b o 迭代思想在通信系统中应用的研究也在不断深入。 这主要包括以下几个方面： 5 西安科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 迭代信道估计和同步。最大后验概率( m a p ) 译码算法需要已知信道状态信息， 在接收端信道状态只能通过估计得到。利用t u r b o 码的迭代译码特性，可以实现联合一 道估计和译码。 ( 2 ) 迭代多用户检测。迭代译码思想应用于c d m a 中形成了迭代多用户检测技术。 ( 3 ) t u r b o 均衡。通常在通信系统中采用均衡技术来消除信号传输过程中产生的i s i ， 传统的均衡方法中均衡与译码都是独立进行的，但利用t u r b o 迭代的思想来实现系统均 衡模块与译码模块之间信息的交换，几乎可以完全消除i s i 的影响。 1 4 本文内容安排 本文主要对同步d s c d m a 系统中a w g n 信道下的t u r b o 多用户检测及其相关技 术进行研究，各章主要内容安排如下： 第一章简述本课题的研究背景、在c d m a 系统中引入多用户检测技术的必要性， 以及多用户检测技术和t u r b o 编码及其迭代译码技术。 第二章研究多用户检测技术的基本原理及最优多用户检测器，分析常用的次优多用 户检测器：d e c 检测器、m m s e 检测器、s i c 干扰消除检测器和p i c 干扰消除检测器， 比较这四种算法与单用户检测、传统匹配滤波器直接判决法的性能差别，对强用户、弱 用户和等功率用户情况下m m s e 算法的性能进行分析比较，对用户数目改变时m m s e 检测器和p i c 干扰消除检测器性能进行仿真比较。 第三章研究t u r b o 码的基本知识，分析t u r b o 码的编码和译码原理，重点分析m a p 译码算法。由于m a p 算法的计算复杂度较高，本文对其简化算法对数最大后验概率 ( l o g m a p ) 算法进行仿真，并与卷积码的性能进行仿真比较。对不同码率、不同迭代次 数的译码性能进行仿真比较。主要研究把t u r b o 迭代译码的基本思想应用于多用户检测 技术中形成的t u r b o 多用户检测，分析各个组成部分的具体实现方法。 第四章简述t u r b o 多用户检测的研究现状，研究a w g n 信道下简化的基于m m s e 准则的t u r b o 多用户检测。分别对相同内外迭代次数时t u r b o 码和卷积码的t u r b o 多用 户检测性能、不同内外迭代次数下采用t u r b o 码的t u r b o 多用户检测性能、用户非等接 收功率时采用t u r b o 码和卷积码的t u r b o 多用户检测性能进行仿真分析。针对t u r b o 多 用户检测技术中多次内外迭代所造成的系统延时问题，提出一种滑动窗门限l o g m a p 译码算法，该算法结合了门限法降低译码复杂度和滑动窗法降低译码延时的优势，不仅 可以简化译码过程而且有利于t u r b o 多用户检测技术在硬件中的实现。经过仿真验证， 该算法性能虽然不及标准m a p 算法，但其对系统的延时却仅为后者的l 2 。同时还提出 采用对相关函数疋( x ) 在值在o 到3 之间划分成三个区间，即有两个门限值的方法， 仿真结果表明，该方法性能优于只有一个门限值的滑动窗- 门限l o g m a p 译码算法。 第五章总结展望全文的研究工作。 6 2 多用户检测技术分析 2 多用户检测技术分析 在蜂窝移动码分多址通信中，干扰大致可以分为三种类型：加性白噪声干扰、多径 干扰和多用户间的多址干扰。多址干扰是由于在码分多址通信系统中，多个用户都占用 同一时隙、同一频隙，但是所选取的地址码不同，而实际选用的地址码间的互相关函数 又不可能全部达到为零的理想状态，多个用户同时通信时，必然要产生多址干扰。当同 时通信的用户数较多时，多址干扰就成为最主要的干扰。同时，由于码分多址是一种干 扰受限系统，所以多址干扰不仅严重影响系统的抗干扰性，而且也严重限制了系统容量 的提高。因此抵抗和限制多址干扰就成为码分多址蜂窝移动通信系统的一项主要任务。 传统的c d m a 系统检测观点认为，大量叠在一起的干扰用户信号可以看作多个独 立随机变量的累积，因此只要用户数目充分多，那么根据中心极限定理，多址干扰基本 服从高斯分布。因此，经典算法将多径衰落干扰和多址干扰的伪随机码信号看作等效白 噪声的无用信号来处理，这是一种消极的处理方法。实际上，无论多径干扰还是多址干 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已知的，因此从理论上看，完全有可能利用这些伪随 机序列的已知结构信息和统计信息来进一步消除它所带来的负面影响，达到提高系统性 能的目的。多径干扰和多址干扰其实质是一样的，都来源于伪随机序列，两者是可以同 时消除的，同时消除和削弱了多址和多径干扰，也必然消除和削弱远近效应。多用户检 测是一种从接收机端的设计入手的干扰抑制方法，它可以抗多址干扰，又可以抗远近效 应和多径干扰。 多用户检测器的高复杂度是限制其应用的主要因素，尤其是那些采用自适应算法且 扩频码较长的系统，更增加了系统的延时。而且多用户检测一般需要知道用户扩频码的 特征参量，这对于实际的多径时变信道并非易事，它需要通过不停的信道估值来实现， 而且信道估值的精度会直接影响到多用户检测器的性能。现在对多用户检测的研究工作 主要集中在如何寻找一种次优的多用户检测器，可以以较少的计算量获得较好的性能。 目前，已经有很多种次优检测器被相继提出，主要以线性和非线性两大类为主。 2 1 多用户检测的基本原理 2 1 1 传统多用户检测 对于同步d s c d m a 系统，假设在同步单径b p s k 实信道中有k 个用户，那么接收 到的等效基带信号可以表示为： 7 西安科技大学硕士学位论文 r ( t ) = 4 ( t ) b k ( t ) g k ( t ) + n ( t ) ( 2 1 ) k = l 式( 2 1 ) 中，4 表示第k 个用户信号的幅度；g k 表示第k 个用户信号的扩频波形，取值 为士1 ，由持续时间为乃( 码片周期) 的矩形脉冲组成；玩表示第k 个用户的信息数据， 取值为士1 ，由持续时间为瓦( 码元周期) 的矩形脉冲组成。刀( f ) 为加性高斯白噪声，其双 边功率谱密度为：n o 2 ( w h z ) 。 本文主要研究同步d s c d m a 系统中的多用户检测技术。同步d s c d m a 通信系统 中传统单用户检测器结构如图2 1 所示： 果 果 图2 1 传统检测器 传统检测器( c o n v e n t i o n a ld e t e c t o r ，c d ) 实际上是一种单用户检测方案。接收信号 m ) 通过一组与各用户的扩频码相匹配的滤波器，则第k 个匹配滤波器的输出为： 坛= 軎f 6 ，o 域( f ) 珥 = 4 瓯+ 窆m 4 岛+ 鲁r 砸蛾( ，) 珥 ( 2 2 ) l = i ，j 鼻- b = 4 瓯+ m a t + 体 式( 2 2 ) 中，易j 为扩频波形的相关系数，定义如下： 尼乒= j 1j c i bg k ( f ) g f o ) 4 ( 2 3 ) 由式( 2 2 ) 可以看出，第一项为用户本身希望接收到的数据项，第二项则是由其它用 户产生的多址干扰，第三项是由噪声造成的干扰。可见，在d s c d m a 系统中，多址干 扰的存在使得多用户通信系统的误码性能不仅仅取决于用户的信噪比( 在单用户系统中 误码性能仅与用户的信噪比有关) ，而是更多地取决于系统中各用户之间的多址干扰大 小。随用户数的增多，m a i 将会越大。传统检测器将多径干扰与多址干扰看作是无用信 息并等效为白噪声来处理，显然这并非最佳的处理方法。因为实际上，无论是多径干扰 还是多址干扰，本质上并不是纯粹无用的噪声。 8 2 多用户检测技术分析 2 1 2 多用户检测算法 对c d m a 信号多用户接收的研究最早是由s c h n e i d e r 开展的，1 9 7 9 年他在“o p t i m u m d e t e c t i o nf o rc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x e ds i g n a l s ”一文中指出【6 】：为了在同步条件下达到最佳 检测性能，必须知道所有用户对信息比特的估计值。他还进一步断言，为了实现异步条 件下的最佳检测，必须知道各用户整个发送系列的相关知识。真正意义上的多用户检测 是一种充分利用扩频码的已知信息，寻求c d m a 系统中多用户最优联合检测的理论。 其实就是利用多个用户的信息去实现检测接收。 v e r d u 在1 9 8 6 年提出了更为严密的最优多用户检测裂，他通过深入的理论分析， 首先提出了利用己知扩频码的结构信息与统计信息来克服多个用户之间干扰的多用户 检测理论与方案。v e r d u 提出的多用户检测器是a w g n 信道下的最优多用户检测器 ( o p t i m a lm u l t i u s e rd e t e c t o r ，o m d ) 。接收机的最优结构是在匹配滤波器之后再加上 v i t e r b i 检测算法，即最大似然序列检测算法。因此，最优多用户检测器可归结为选择使 下式最小化的比特序列： 人( 6 ) = f 巧一靠 ，( f ) 一s o ，6 ) 】2 呸 ( 2 4 ) 经文献推导得，最优检测结果为2 1 ： 6 d 坳= a r g m a x1 6 1 胁) )( 2 5 ) 一l ，+ 硝l , ( 2 ybbe 仿真结果表明，最优多用户检测能实现与单个用户接收时完全一样的性能，然而最 优多用户检测器的缺点是计算量随着用户数目呈指数增长，即复杂度为0 ( 2 ) t 7 1 。此外， 最优多用户检测器还必需知道所有用户的扩频码、信号幅度、相位和多径时延。因此， 最优多用户检测器在实际应用中是难以实现的。 2 1 3 多用户检测器的性能度量标准 ( 1 ) 误码率( b e r ) 在多用户检测中，我们最关心的性能指标是检测器在高信号背景噪声比范围内的误 码率。大多数通信系统的基本目标都是减小误码率【2 】，假定在加性高斯白噪声信道中只 有一个具有能量毛的单独用户k ，而噪声方差为仃2 。该单个用户的误码率定义为： 丑，蹦( 矿) = q ( 最o 2 ) ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 中下标s u 表示单用户系统，qf f l 数q ( 功= 去 - , 2 d u 。 当存在干扰用户时，误码率便会增大。此时要用期望用户k 的有效能量( 仃) 代替其实 9 西安科技大学硕士学位论文 际能量e ，即多用户系统中期望用户的误码率定义为： 最( 仃) = 9 ( 哝( 矿) 仃2 ) ( 2 7 ) 其中，e a o ) 定义为第k 个用户达到最瑚( 盯) 所需要的能量，称之为第k 个用户有效 能量。误码率是数字通信系统中衡2 量系统性能的一个重要指标。由误码率可以推导出 许多其它的衡量系统性能的标准。 ( 2 ) 渐近多用户有效性( a m e ) 渐近多用户有效性1 2 定义为有效能量与实际能量的比率，用于衡量其它用户对期望 用户的影响。通常将多用户有效性定义为：多用户系统达到与单用户系统相同的误码率 所需能量与单用户系统所需能量之比，即仇( 盯) = e k ( 0 9 晟 第k 个用户的渐近多用户有效性是多用户有效性在背景噪声趋于零时的极限值，即 仇= l i r a e a o ) l 最= 1 1 恐 o - 2l o g ( 1 p k ( o ) ) 】 ( 2 8 ) k 。1 渐近多用户有效性玑的取值介于0 和1 之间，表示由于多址干扰的存在所引起的系 统性能的降低。由上式看出，在背景噪声盯一0 ，但误码率仇p ) 并不趋于零的情况下， 渐进有效性仇= 0 ，这表明在没有任何背景噪声的情况下，单用户匹配滤波检测存在非 零的误码率。仇越大，系统抑制多址干扰的能力越强，反之，抗多址干扰能力越弱。仇= 1 ， 表示期望用户k 丝毫不受其它用户干扰的影响。 ( 3 ) 抗远近效应的能力 多用户系统中，由于各用户的接收功率不相等会引起远近效应，功率弱的用户会被 功率强的用户淹没。因此多用户检测器要有抗远近效应的能力1 2 】。抗远近能力定义为所 有有关用户能量范围内测量到的最坏情况下的渐近多用户有效性，即： 玩2 璐巩 j 甜 ( 2 9 ) 2 2 线性多用户检测器 由于最优多用户检测器的复杂度随用户数呈指数增长，并且要估计接收信号的幅度 和相位，复杂度较高，于是人们努力寻求易于实现的次优多用户检测器。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两大类。 线性多用户检测器是将匹配滤波器组的输出作某种线性变换再做判决，主要有解相 关检测器，最小均方误差检测器和多项式展开检测器等。解相关检测器的基本思想是首 先对基于扩频码的互相关矩阵求逆，然后对接收信号进行解相关计算，最后再对解相关 信号进行判决。最小均方误差检测器的基本思想是计算经线性变换的接收数据和传统检 测器的软判决输出之间的均方差，使之最小。这两种线性检测器能够取得较好的效果， 1 0 2 多甩户捡淤技朱分析 但需要对输入信号的自相关矩阵求逆，计算量巨大。d e c 检测器和m m s e 检测器是非 自适应型，比较适合恒参信道。 2 2 1 解相关检测器 s c h n e i d e r 最早提出了解相关检测裂6 】，k o h n o 在1 9 8 3 年也提出了类似的理论f 8 】。 l u p a s 和v e r d u 对其进行了深入研究【9 1 。这种检测器是将多用户通信环境中的多址干扰 等效为一个信道传输的相应矩阵，即码字之间的相关矩阵r ，该传输矩阵仅与各用户的 扩频序列以及序列间的相对时延有关。如果我们可以得到信道传输矩阵的逆矩阵t r 1 ， 就可以将多用户信号经过k 个匹配滤波器的输出，再通过此逆矩阵求逆运算，以等效地 消除各用户扩频序列间的相关性，从而达到消除多址干扰的目的。d e c 检测器的示意图 如图2 2 所示。 l 匹配滤波器l l - 叫比特判决l 线形 r ( t )lt 丌= 静浦拙翼一i 一 ，r i比特q “i 变换 ； ； 一 ，匹配滤波器k l 一比特判决l b 1 b 2 b k 图2 2 d e c 多用尸检测器 由式( 2 2 ) 可知： y=r46+疗(210) 由于这种检测器对匹配滤波器的相关输出进行了解相关的处理，去掉了各用户信号 之间的相关性，所以被称为解相关器。解相关检测器的软输出为： r y = a b + r q r l( 2 1 1 ) 判决器的输出为： b k = s i g n ( a b + r _ 刀) t 】 ( 2 1 2 ) v e r d u 己证明，由式( 2 1 1 ) d e c 检测器输出的噪声项聆= r 。1 ，2 的功率始终大于等于式( 2 1 0 ) 中传统检测器输出的噪声n 的功率【9 】。可见，d e c 检测器完全抑制多址干扰是以噪声增 强为代价的。噪声项胛的自相关矩阵为e n n r ) = 盯2 r 一。 d e c 检测器具有很多优剧1 0 】：它的错误概率与信号能量无关，可简化错误概率分 析；计算复杂度远低于最佳检测器，且在大多数情况下，其性能明显优于传统检测器( 只 有在多址干扰很少，而背景噪声很强时，传统检测器的性能才有可能优于解相关检测 器) ；不需要估计接收信号的幅度，实现复杂度低；用矩阵的形式表示这种接收机的特 点是比较形象直观的，其性能与系统当前用户的功率取值无关，即具有抗远近效应的能 力，它的性能通常优于传统检测器，而计算复杂度远小于最佳多用户检测器。 西安科技大学硕士学位论文 d e c 检测器的缺憾在于：它会放大噪声功率。同时矩阵求逆运算对原矩阵r 中的 微小数据扰动非常敏感，r 中极小的误差在它的逆矩阵中会带来极大的影响，所以这种 方法对时延估值的准确度要求很高，而且矩阵求逆的运算量大，真正实现起来并不容易。 特别是当扩频序列的周期大于扩频增益时，比如在i s