（通信与信息系统专业论文）宽带码分多址系统的并行干扰抵消技术研究.pdf

中文摘要 中文摘要 由于固定权值的并行干扰抵消存在乒乓效应，加之移动通信信道的时变性和 系统负载的变化性，固定权值的并行干扰抵消无法满足实际系统的需要。因此研 究动态权值的并行干扰抵消对宽带c d m a 系统来说是必要的，但是从理论上对多 径衰落信道下的干扰抵消接收机进行性能分析的文献很少，一些现有的动态权值 干扰抵消的算法没有坚实的理论基础，所以迫切需要对多径衰落信道下的部分并 行干扰抵消进行深入的理论研究以便满足现实系统的需要。 针对上述问题，本文以w c d m a 系统的上行链路为研究对象，对多径衰落信 道下c d m a 系统的r a k e 接收机、部分并行干扰抵消器和智能天线进行了深入的 理论分析，推导了计算它们误码率的闭合表达式，并通过m a t h c a d 进行了数值 分析和使用c o s s a p 进行了仿真验证。主要内容如下： 第二章首先采用高斯近似法推导了复扩频c d m a 系统的多址干扰方差，为理 论上研究复扩频c d m a 系统的性能奠定了基础。还详细应用特征函数法推导了瑞 利衰落信道下复扩频相干w c d m a 系统r a k e 接收机误码率，建立了一个分析 w c d m a 接收机的误码率分析模型。此外，第二章还推导了硬判决情况下多级并 行干扰抵消后的残余干扰方差，进而给出计算部分并行干扰抵消接收机的误码率 闭合表达式。为分析研究多径信道下并行干扰抵消接收机奠定了理论基础。 第三章先研究了使用理想信道估计再造干扰的并行干扰抵消接收机的权值优 化方案和收敛性证明，给出了理想信道估计并行干扰抵消器的性能极限。为实际 信道估计条件下进行并行干扰抵消器的权值优化和改进设计提供了参照性标准。 在非理想信道估计情况下，文中首次提出了径级优化的概念并给出了径级优 化权值的表达式，还对比研究了径级和用户级两种优化干扰抵消权值方案和收敛 性。证明了径级并行干扰抵消具有收敛性，而用户级并行干扰抵消无法收敛，为 实际系统并行干扰抵消器的改进设计指明了途径。研究指出，径级优化的并行干 扰抵消收敛时性能极限主要取决于导频数据信道功率比、信道估计观察长度、用 户数和信噪比。为进一步提升径级优化权值的并行干扰抵消器的性能指明了可行 性方法。 第四章提出了一种利用信道估计信息对并行干扰抵消接收机进行径级优化权 值的方案，仿真实验验证了该方案的有效性。该方案优化的干扰抵消权值能够随 中文摘要 检测信号的信道环境和系统负载而动态更新，因此能够适合于实际c d m a 系统甚 至多速率c d m a 系统。 另外还将径级优化并行干扰抵消接收机与智能天线结合在一起，提出了一种 结构简单、便于实现、能够从时间和空间上抑制干扰的c d m a 接收机方案，并进 行了该接收机的性能分析，还研究了天线阵元数日和抵消级数对接收机性能的影 响，为降低接收机的制造成本提供了设计的理论依据。 关键字：多用户检测，并行干扰抵消，多径衰落信道，干扰抵消权值，智能 a b s t r a c t a b s t r a c t b e s i d e s p i n g - p o n g ”e f f e c t , c o r a n t w e i g h tp 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 ( c w - p c ) i su 1 1 r e a s o n a b i eb e c a m eo ft h et i m ev a r i a t i o no f w i r e l e s sc h a n n e l sa n dt h e r a n d o m i c i t yo fs y s t e ml o a d si n r e a l i s t i cs y s t e m s t h u s ，d y n a m i cw e i g h tp i ci s n e c e s s a r yf o rw i d e b a n dc d m a h o w e v e r , f e w e rt h e o r e t i c a lr e s u l t se x i s tf o rt h ew e i g h t s t u d yo f i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ( i c ) i nm u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l ，a n ds o m ee x i s t i n g d y n a m i cw e i g h t i n gs c h e m e s h a v el i t t l et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n ，t h e r e f o r e ，i ti ss t r i n g e n t t h a ti n d e p t hr e s e a r c ho np 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 ) o v e rm u l t i p a t hf a d i n g c h a n n e l ss h o u l db ei m p l e m e n t e d i nt h i st h e s i s ，t a k i n ge x a m p l ef o rw c d m au p l i n lw ei n v e s t i g a t er a k er e c e i v e r , p a r t i a lp a r a l l e li n t e r f e r e n c ee a n c e l l a t o ra n ds m a r ta n t e n n af o rc d m a o v e rm u l t i p a t h f a d i n gc h a n n e l sa n dd e r i v et h e i rc l o s e d - f o r me x p r e s s i o n so fb i t e l l o rr a t e ( b e r ) n u m e r i c a la n a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o ni sa c c o m p l i s h e dt ov a l i d a t eo u ra n a l y s i s t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t t h ev a i l a l i c eo f m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c ef o rc o m p l e xc d m ai sd e r i v a d b yg a u s s i a na p p r o x i m a t i o nm e t h o di nc h a p t e r2 t h i sw o r ki s f u n d a m e n t a lt o p e r f o r m a n c ea n a l y s i sf o rw c d m a c h a r a c t e r i s t i cf u n c t i o nm e t h o di sa d o p t e dt o d e r i v et h eb e re x p r e s s i o nf o rc o h e r e n tc d m ao v e rf a d i n gc h a n n e l si nd e t a i l t h i s m o d e l 啪b ee m p l o y e dt oc o m p u t e rb e rf o rm a n yw c d m ar e c e i v e r s t h ev a r i a n c e o fr e s i d u a li n t e r f e r e n c ef o ro l l ep a t ho fau s e ri sa l s oe d u c e da n dae l o s e - f o r mb e r e x p r e s s i o nf o rp p i ci so b t a i n e d t h i sw o r ki sf u n d a m e n t a l t op e r f o r m a n c ea n a l y s i so f p i ci nm u l t i p a t hc h a n n e l s i nc h a p t e r3 ，w ei n v e s t i g a t eo p t i m i z i n gw e i g h tf o rp p i cw i t hp e r f e c te h a r m e l e s t i m a t i o n , a n da r g u ei t sc o n v e r g e n c ea n dp e r f o r m a n c el i m i t t 1 1 i si st h ep e r f o r m a n c e c r i t e r i o no f p i cs t u d ya n dd e s i g ni nt h ec a s eo f i m p e r f e c tc h a n n e le s t i m a t i o n b 也ec a s eo fi m p e r f e c tc h a n n e le s t i m a t i o n , w ef i r s tb r i n gf o r w a r dt h ei d e ao f p a t h l e v e lo p t i m i z i n ga n dd e r i v et h ee x p r e s s i o nd e t e r m i n i n gt h eo p t i m a li n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o nw e i g h t ( o i c w ) a tp a t hl e v e lf o rp p i c t h e nw ec o n t r a s tp a t h - l e v e l o p t i m i z i n gs c h e m e 谢t hu s e r - l e v e lo p t i m i z i n go n e t h eo s c i l l a t o r y b e h a v i o ro f m a b s t r c t u s e r - l e v e l o p t i m i z e dp i c ( u l o p i c ) a n d t h e c o n v e r g e n c eo fp e r f e c tc h a n n e l e s t i m a t i o np i c ( p c e - p i c ) a n dp a t h - l e v e l o p t i m i z e dp i c ( p l o p i c ) a r ep r o v e d i t s h o w su st h em e t h o do f d e s i g ng o o dp i cf o rr e a l i s t i cs y s t e m s a n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h el o w e rb e r l i m i to f m u l t i s t a g ep p i cd e p e n d so np o w e r r a t i o ，o b s e r v a t i o nl e n g t ho f c h a n n e le s t i m a t i o n , s i g n a l n o i s e - r a t i oa n dn u m b e ro fa c t i v e u s a 8 t 1 1 i ss h o w su ss o m ef e a s i b l et e c h n i q u e sf o ri m p r o v i n gp l o - p i c i nc h a p t e r4 ，p l o p i ci sa d a p t e dt ol o wc o m p l e x i t yb yu s i n gc h a n n e le s t i m a t i o n ， a c c o m p a n i e dw i t hs i m u l a t i o n t h ew e i g h tf r o mt h i so p t i m i z i n gs c h e m ec a n b eu p d a t e d w i t hc h a n n e lc o n d i t i o no f t h ei n t e r e s t i n gs i g n a la n ds y s t e ml o a d i n g , a n dt h es c h e m ei s a p p l i c a b l et or e a l i s t i cs y s t e m s ，a n de v e nm u l t i r a t ec d m as y s t e m s ar e c e i v e rs t r u c t u r ei n c l u d i n gs m a r ta n t e n a e , r a k ea n dp l o p i ci sp r e s e n t e da n d i t sb e r e x p r e s s i o ni sg i v e n t h er e c e i v e rh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l i c i t y , p r a c t i c a l i t ya n da n t i - i n t e r f e r e n c eb ys p a c ea n dt i m e t h ei m p a c to f a n t e n an u m b e ra n d c a n c e l l a t i o ns t a g eo nb e rp e r f o r m a n c ei si n v e s t i g a t e dt ol a yt h ef o u n d a t i o no f d e s i g n i n gar e c e i v e ro f l o wc o s t k e yw o r d s ：m u l t i n s e rd e t e c t i o n ，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 ) ，m u l f i p a t hf a d i n g c h a n n e l s ，i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nw e i g h t ，s m a r ta n t e n n a i v 图示目录 图示 图2 1w c d m a 系统多条d p d c h 的扩频模型1 5 图2 2w c d m a 发射机扩频和加扰过程1 7 图2 3r a k e 接收机的基本结构示意图1 8 图2 4r a k e 接收机一径的解扩过程1 9 图2 5 一个用户的再造干扰单元结构1 9 图2 - 6 一个用户一径的再造干扰信号处理流程2 0 图2 7 并行干扰抵消接收机理论分析结果3 7 图2 8 不同信噪比下的干扰抵消权值对接收机性能的影响3 8 图2 - 9 部分干扰抵消接收机的理论和仿真对比3 9 图3 - 1 不同接收机在不同接收乓o 情况下的误码率5 0 图3 - 2 不同激活用户数下接收机性能比较5 1 图3 3 扩频因子对不同接收机理论b e r 的影响5 2 图3 - 4 不同观察长度下的接收机性能5 3 图3 5 导频数据功率比对接收机性能的影响5 4 图3 - 6 移动台运动速度对接收机性能的影响5 5 图3 7 不同接收机的仿真和理论性能比较5 6 图3 - 8 干扰抵消权值对一级p i c 后期望用户的各径残余功率5 8 图3 - 9 不同用户数情况下不同p i c 接收机的每用户残余干扰功率比较5 9 图3 1 0 二级干扰抵消后不同接收机的每用户残余干扰功率6 1 图3 - 1 l 扩频因子和d p c c h d p d c h 功率比对接收机误码率的影响6 2 图3 - 1 2 用户数和d p c c h d p d c h 功率比对接收机误码率的影响6 3 图3 - 1 3 两观察长度下负载因子和导频数据功率比对p l o p i c 接收机性能的 影响( = 3 2 ) 6 4 v i 图示目录 图3 1 4 两观察长度下负载因子和导频数据功率比对p l o p i c 接收机性能的 影响( = 1 2 8 ) 6 5 图4 1 优化权值的并行干扰抵消简化实施方案7 0 图4 - 2 含智能天线的并行干扰抵消接收机7 3 图4 3 单速率条件下u l o p i c 与简化p l o p i c 的性能比较7 5 图4 - 4 多速率条件下u l o p i c 和简化p l o p i c 的性能7 6 图4 5 前置智能天线( 使用理想接收矢量) 的并行干扰抵消接收机性能7 7 图4 - 6 天线阵元数对并行干扰抵消接收机性能的影响7 8 图年7 不同信噪比下阵元数目对径级优化权值并行干扰抵消性能的影响7 9 i x 缩略词表 k 讯毽r c d m a c o v p i c c w p i c d b f d o a d p c c h d p d c h d s c d m a f b i f d d f d m a g s i c g s p i c g w p i c h i c i c w i g a j d m a i m c 缩略词表 a d d i t i v ew 1 1 i t eg a u s s i a nn o i s e c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o n v e n t i o n a lp a r a l l e li m e r f c r e n c e c a n c e l l a t i o n c o n s t a n t w e i g h t p a r a l l e li n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o n d i g i t 8 lb e a m f o r m i n g d i r c c f i o n o f a r r i v a l d e d i c a t e dp h y s i c a lc o n t r o lc h a n n e l d e d i c a t e dp h y s i c a ld a t ac h a n n e l d i r e c t - s c q u c ec o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c c s s f e e d b a c ki n f o r m a t i o n f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f r e q u c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s g r o u p - w i s e s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o n g r o u p - w i s e s u c c e s s i v e& 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 g r o u p - w i s e w e i g h t e d 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 h y b r i di n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nw e i g h t i m p r o v e d g a u s s i a na p p r o x i m a t i o n j o i n td c t e c t i o n 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 u l t i c o d e ) ( 加性高斯白噪声 码分多址 传统并行干扰抵消( 抵消权 值为1 ) 常数权值并行干扰抵消 数字波束形成 来波方向 专用物理控制信道 专用物理数据信道 直扩码分多址 反馈信息 频分双工 频分多址 分组串行干扰抵消技术 分组串并行干扰抵消技术 分组加权并行干扰抵消技 米 混合干扰抵消检测技术 干扰抵消权值 改进的高斯近似法 联合检测 多址干扰 多码 缩略词表 m i p m l s d m m s e m w g h i c m w g s p i c o v s f p c e p c e p i c p e d p i c p l o - p i c p s i c r a c h p r a c h s g a s i s i c s i g a s 巧t r s s d t t d m a t f c i t p c u l o p i c m u l t i p a t hi n t e r s i t yp r o f i l e 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 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 o r m u r i r a t ew e i g h t e dg r o u p w i s eh y b r i d i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o l l m u l t i r a t e w e i 曲t c dg r o u p - w i s e s u c c e s s i v e & p a r a l l e li n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o n o r t h o g o n a lv a r i a b l es p r e l d m gf a c t o r p e r f e c tc h a r m e le s t i m a t i o n p e r f e c t - c h a n n e l e s t i m a t i o n 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 o l y n o m i a le x p a n s i o n d e t e c t o r 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 a t h l e v e l o p t i m i z i n g 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 a r t i a l s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o n r a n d o ma c c e s sc h a n n e l p h y s i c a lr a n d o m a c c e s sc h a n n e l s t a n d a r dg a u s s i a na p p r o x i m a t i o n s e l f - i n t e r f e r e n c e s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c c l l a t i o n s i m p l i f i e di m p r o v e d g a u s s i a n a p p r o x i m a t i o n s i g n a l t o i n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o s i t es e l e c t i o nd i v e r s i t yt r a n s m i s s i o n t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t r a n s p o r tf o r m a tc o m b i n a t i o ni n d i c a t o r t r a n s m i tp o w e rc o n t r o l u s e r - l e v e l o p t i m i z i n g p a r a l l e l x i 多径强度分布 最大似然序列检测器 最小均方误差检测器 加权多速率分组混合干扰 抵消 加权多速率分组串并行干 扰抵消 正交可变扩频因子 理想信道估计 理想信道估计再造干扰的 并行干扰抵消 多项式扩展检测器 并行干扰抵消 径级权值优化部分并行干 扰抵消 部分串行干扰抵消 随机接入信道 物理随机接入信道 标准高斯近似法 自干扰 串行干扰抵消技术 简化的改进高斯近似法 信干噪比 位置选择分集发射 时分多址 传输格式组合指示 发射功率控制 用户级权值优化部分并行 缩略词表 u t r a n v s f w c d m a w p i c w s i c w s s u s i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n 干扰抵消 u n i v 。r s a lt c 盯。8 t r i a lr a d i 。 a c c 髓8 全球地面无线接入网 n e t w o r k v a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o r可变扩频增益 w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s 宽带码分多址 w e i g h t e d p a r a l l d i n t 。衔渊加权并行干扰抵消 c a n c e l l a t i o n w e i g h t e d s u 。c e 8 s i v 。 1 1 1 酬f b 姗c c 加权串行干扰抵消 c a n c e l l a t i o n w i d 争8 c n 8 。s 协。n a r y u n c o r r c l 8 e d 宽平稳不相关散射 主要数学符号 ：( f ) 双边功率谱密度是勺彳的加性高斯白噪声( a w g n ) 五 ) 第j 级用户后的估计幅度 p ) 第j 级用户“干扰信号的加权 j 0 o l ) 第s 级再造的用户“干扰信号 p p ) 第g 组用户k 的接收相位。 r t , j i t l ，) ，扈，( f f ，) 互相关函数 气，毫。 用户七第，径信号衰落及其估计值( 复数) 口川a “ 用户_ j 第2 径信号衰落强度及其估计值 m信道估计积分所用的导频符号个数 u 。( d 、b )含有信道衰落补偿的判决统计 腼，等( f ) 含有信道衰落补偿的多址干扰 西黝( f )含有信道衰落补偿的自干扰 玩( f ) 含有信道衰落补偿的a w g n 干扰 庇矾，( 6 ) 含有衰落补偿的多址干扰 喇：l ( 6 ) 含有衰落补偿的多址干扰估计值 丘办等( 6 )残余多址干扰 主要数学符号 主要数学符号 a k ( f ) 用户k 扩频码 6 t o ) ，6 l ，( f ) 用户k 的二进制数据信号 p ( 嚷) 础 局。 g 醒( f ) 用户k 理想的天线阵列接收矢量 用户k 第i 比特判决比特数据 用户k d p d c h 的码片能量 用户k d p c c h 与d p d c h 的功率比 用户k 的数据信号，d p d c h 中数据信号 d p d c h 的扩频因子 c d ( f ) 和巳( f ) d p d c h 和d p c c h 的信道化码 s ：( f ) 和s ( f ) 用户七扰码的实部和虚部 吐 载波频率 p r o ) 幅度为1 持续时间r 的矩阵脉冲 q 。 第，径相对主径的时延 r 符号比特周期 疋 码片宽度 最 用户k 的信号功率 丸 用户k 的发射相位 z 篁 第j 级用户k 的判决统计量 x n l 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：麴垡举 日期：矽彳年俗月日 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： 导师签名蛾 日期：刎年v 月，7 日 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 码分多址移动通信 第一章绪论 2 0 世纪8 0 年代中期，商用化的移动通信系统诞生，即是第一代移动通信系 统，其中不同用户独占不同的频段进行发送或接收信息( 同一小区内) ，在整个呼 叫过程中，其他用户无权共享这一频段，这就是频分多址( f i ) m a ) 。f d m a 系 统存在信号的时域扩展、交调和临道干扰等。 随着数字信号处理技术和大规模集成电路的发展，9 0 年代中期，数字移动通 信系统问世，把同一频段( 信道) 按时隙进行划分，不同用户使用不同的时隙传 输信息，这就是时分多址( t d m a ) 。t d m a 系统需要设计保护时隙，增加了系 统开销。 当前提供高速多媒体业务的第三代移动通信( 3 g ) 正得到日益广泛的应用， 码分多址是3 g 系统三大主流标准( w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a ) 最主 要的无线多址技术【1 1 。c d m a 系统中，拟发送的窄带信号被乘以一个伪随机序列 ( 称为扩频码或扩频信号) 后变成宽带信号，这个扩频码的数据速率是发送信号 速率的数倍。通过这种方式，所有用户可以同时占用同频段，因每个用户使用 各自的伪随机序列，接收端通过伪随机序列来区分用户，检测信号时其他用户发 射的信号被当成噪声或干扰。这种干扰就是多址干扰( m a d 。 在f d m a 和t d m a 系统中，信道分配是固定的，在特定的频率分配方式下 每个小区的容量是固定不变的，信道占满时系统不再接纳新的呼叫。c d m a 中许 多用户可同时占用同一频段，提高了系统容量【2 】。这个容量是干扰受限的，即是 说容量取决于本小区和相邻小区对业务质量的要求。正是这一点，我们可以利用 多用户检测、智能天线和语音激活等技术来提高系统容型”。 c d m a 系统能够支持多种不同业务，同时变化的传输速率并可满足高速多媒 体业务的传输要求。变化的传输速率可以通过可变扩频因子( v s f ) 实现，高速 的多媒体业务可通过多码( m c ) 实现【4 】。可变扩频因子是通过传输中采用不同的 扩频因子来实现的；多码c d m a 中，同一用户可以同时使用扩频因子相同且相互 电子科技大学博士学位论文 正交的多个扩频码发送信号。例如w c d m a 系统中，空中接口利用5 m h z 的带宽 和每秒3 8 4 m c h i p s 的高速码片速率可获得4 2 5 6 的处理增益和接收机的多径分 辨率( 能够实现r a k e 分集接收) ，并可提供峰值速率为3 8 4 k b s 的无线i n t e r n e t 接入和数据速率达2 m b s 的视频传输等宽带业务。 c d m a 扩展频谱后提高了接收机的分辨率，可进行多径分集接收，从而可充 分利用无线信道的多径效应。c d m a 系统的移动交换中心( m s c ) 可在不切换频 率的情况下为用户同时监视来自两个或多个基站的信号，从而选择任意时刻中最 好的一个信号，从而可实时软切捌2 1 。 无线c d m a 系统的最终目标是在一定带宽和发射功率约束条件下支持尽可 能多的用户数以及尽可能高的数据速率。采用多载波调制方案可以大大提高数据 速率。鉴于d s c d m a 系统中许多先进信号处理技术可以直接或间接应用于多载 波调制c d m a ( o f d m c d m a ) 、多速率c d m a 、空时编码的c d m a ( s t c c d m a ) 、 多入多出c d m a ( m i m o ，c d m a ) 系统中( 5 l 【6 】( 7 】【s 】因此本文重点以d s ，c d m a 为 研究对象。 1 1 2 多用户检测在c d m a 系统中的重要意义 通信中许多用户共同分享有限的通信资源称为多址方式。无线通信系统中频 谱带宽是不可再生的最宝贵资源，因此寻求频谱效率高的多址方式或研究改善频 谱效率的技术始终是无线通信工作者的主要任务。多址方式的选择涉及通信系统 的体制变更问题。对于现有通信的标准和规范，我们更应该把精力集中到改善频 谱效率的技术研究上。 c d m a 蜂窝移动通信系统中，所有用户占用相同频段和相同时段的无线信道 进行通信，不同用户采用彼此“正交”的扩频码进行区分。从理论上讲，如果采 用彼此相关值为零的正交扩频码，就可以避免多址干扰，但在实际的系统中，码 字本身的不完全正交性、无线信道的时变性和多径效应，扩频码之间正交性是难 以实现的。因此，c d m a 系统通信存在着严重的多址干扰，且是一种典型的多用 户自干扰系统。 当作为区分用户的扩频码不完全正交或存在多径时延扩展时，就会出现同道 干扰。系统中不同用户( 包含同一小区的用户和不同小区的用户) 的信号之间和 同用户信号的不同多径之间存在着相互间的干扰，分别称为多址干扰( 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 。m a d 和符号间干扰( i m e r s y m b o li m e r f e r e n c e ：i s l ) 或称为多用 2 第一章绪论 户干扰( m u l t i 。u s e ri n t e r f e r e n c e ：m u i ) 和白干扰( s e l f i n t e r f e r e n c e ：s 1 ) p j 。 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，不但影响系统服务质量， 而且制约着系统容量 1 “。 传统的检测技术【1o 】是用相应的匹配滤波器分别对接收信号进行解扩，然后直 接对输出进行信息比特判决。因此传统接收机并没有考虑其它用户造成的多址干 扰，没有进行联合信号处理，也就没有利用其他用户的传输信息。 为了抑制多址干扰、抗衰落和克服远近效应以保证业务质量，c d m a 系统可 以采用选择扩频码、智能天线、多用户检测、多载波调制、r a k e 接收、天线分 集和功率控制等技术【3 】【1 1 】。 选码能够有效地抑制多址干扰，但是码字性能存在w e l c h 界；当干扰用户和 期望接收用户的来波方向( d o a ) 差别较大时，采用智能天线能很好的抑制干扰， 但是当干扰用户的d o a 与期望用户的d o a 很靠近时，仅采用智能天线很难在空 域进一步降低多址干扰和多径干扰【1 2 1 。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，但不能抑制多址干扰。功率控制能够克服远近效应，但要达到理 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。 与传统检测技术相比，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 ) 技术则充分利 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，提高了系统的 抗干扰能力，降低了系统对功率控制精度的要求，解决了远近效应问题，能有效 地利用上行链路频谱资源，并且可以显著提高系统容量【i o l 。 3 g 和后三代( b 3 g ) 欲达到最大容量以及最优的服务质量，在很大程度上依 赖于物理层的比特误码率，而b e r 性能直接与接收机恢复发射符号的能力有关。 移动通信中的符号恢复能力主要受两种障碍限制：m a i 以及由频率选择性衰落引 起的i s i 。因此3 g 的性能改善增强以及b 3 g 系统的实现离不开多用户检测技术。 1 2c d m a 系统干扰抵消技术研究概况 1 2 1 多用户检测技术研究概述 多用户检测是抑制多址干扰、对付远近效应的一种强有力的手段，它与其他 的抗衰落技术尤其是r a k e 接收和智能天线相结合可以大大改善系统的性能，可 3 电子科技大学博士学位论文 在上下行链路实现。但是移动台因受体积和功耗的制约，处理能力有限。因此一 般移动台只采用复杂度较低的盲多用户检测技术【”j ，基站能够选用的多用户检测 技术比较多，也能充分与其他技术结合在一起使用且能充分体现该技术带来的性 能增益。 在c d m a 系统的m u d 技术中，1 9 8 6 年s ，v e r d u 首先提出最优多用户检测方 法【”】【1 5 】，认为多址干扰是具有一定结构的信息，理论上证明采用最大似然序列检 测( m a x i n u m i k d i h o o ds e q u e n c ed e t e c t i o n , m l s d ) 可以逼近单用户接收性能， 并有效地克服了“远近”效应，大大提高了系统容量，但是m l s d 结构是匹配滤 波器组加上v i t c r b i 算法，对予具有k 个用户的同步c d m a 系统，需要对2 种可 能的输入数据序列进行穷举搜索，其复杂度随用户数呈指数增加，在实际应用中 很难实现。于是有人提出利用神经网络【1 6 】固有的并行计算优势来实现最优多用户 检测，其中前馈神经网络多用户检测技术，其权重系数需要通过训练获得，在实 际应用中，需要专门为其发送训练序列，并且它的硬件复杂度( 神经元数目和训 练时间) 仍随用户数呈指数增长。但是s v e r d u 的工作为后续的研究奠定了理论 基础，启发了人们对多用户检测的广泛研究，促使人们寻找复杂度较低且性能较 好的次优多用户检测算法。 目前，各国的研究人员已经广泛地展开了对多用户检测技术的研究，并且取 得了许多可喜的成绩。已经提出的基本次优检测有线性多用户检测【1 0 】【1 7 】巾引、多 级干扰抵消检测【1 0 】【2 l 】- 【3 4 】和非线性类概率检测【2 1 】【3 5 】删】。其中线性检测器主要包含 m m s e 检测【2 1 】 2 3 1 、解相关检测13 1 、多项式扩展检测和子空间检测2 4 】；干扰抵消 检测包含串行干扰抵消( 2 5 1 【掬、并行干扰抵消口7 1 【2 8 】和混合干扰抵消t 2 9 - 1 3 3 】；非线性 类概率检测包含序列检测( 1 3 l 【蜘、分组检测【3 6 1 、神经网络检测【3 7 】【3 s 】、向量机检测【3 9 l 和进化算法检测【柏】。 解相关检测器需要对互相关矩阵r 作求逆运算t 1 3 】。对于拥有足个用户的同步 c d m a 系统，r 为足阶矩阵；而对异步c d m a 系统，r 为2 k 阶矩阵。因此， 解相关检测器至少具有k3 阶( 同步系统) 的