优秀毕业设计-CDMA系统中CMA盲多用户检测研究.doc

精品文档！论文题目：CDMA系统中CMA盲多用户检测研究专业：通信工程学生：高鑫 签名： 指导教师：康晓非 签名： 摘要码分多址(CDMA)技术是第三代移动通信系统的核心技术之一，但在CDMA系统中，由于存在多址干扰，使系统性能受到了严重影响。多用户检测是第三代移动通信的关键技术之一，它是一种从信号接收端的设计入手的干扰抑制方法。传统的检测方式是把多址干扰(MAI)当作噪声来处理的，不能充分利用多用户的信息，从而降低了系统容量和性能。而多用户检测是把多址干扰作为有效信息来处理，并能有效地克服远近效应，提高系统容量。因此，多用户检测技术成为通信领域的新热点。 由于最优化多用户检测算法复杂，且实现条件苛刻，因此只具有理论上的意义。CDMA多用户检测技术的研究集中在寻找复杂度较低、性能良好的次优检测器。然而这些多用户检测需要发送训练序列，频繁的发送训练序列严重制约了多用户检测技术的实时性和实用性；盲多用户检测只需利用期望用户的信息就可以进行检测，而不需要其他用户信息就可以抵消多址干扰。本文首先对DS-CDMA系统模型和多用户检测的理论进行了介绍，然后从传统的检测机到盲自适应检测机进行介绍。重点对CDMA系统中盲多用户检测的MOE算法和CMA算法进行了研究，分析了其性能并进行了仿真验证。【关键字】 CDMA；盲多用户检测；最小输出能量算法；恒模算法【论文类型】理论研究型Title: Research on Technologies of Blind Multiuser Detection for CDMA CommunicationMajor: Communication Engineering Name: Gao Xin Signature: Supervisor: Kang Xiaofei Signature: ABSTRACTCDMA has become one of the key techniques of 3G mobile communication systemBut multiple access interference gravely affects the CDMA system performanceMulti-user detection is one of the key techniques for 3G system, it is a method to suppress interference from signal receiver.Traditional detection methods is regard as multiple-access interference to noise，it can not make use of multi-user information，hence it reduce the system capacity and performance. While multi-user detection technology can effectively overcome the distance effect(Near-Far Effect)，and increase system capacity. Therefore，multi-user detection technology has became a new hotspot in the research of mobile communicationThe optimal multi-user detection exists only with its theoretical value, because it has a great computation complication and is very hard to be realized. Then people focus on the research on suboptimal multi-user detection with tolerable computation complication and good performance.However, sent train sequences has been seriously restricted the real time character and practicality multi-user detection technologyBlind multi-user detection technology can detect the expected user with only needing the spreading codes and without train sequences and without information of usersThis paper introduces the system model of DS-CDMA and multi-user detection theory, after that introduce the detector from the traditional to the blind adaptive detector. The paper focus on the MOE blind multi-user detection algorithm and the CMA algorithm, analysis of its performance and makes a simulation verification.【Keywords】CDMA；Blind Multi-user Detection；CMA algorithm ；Minimum output energy algorithm【Type of Thesis】Theoretical research目录第一章 绪论11.1第三代移动通信概述11.2课题研究的背景及意义11.3 多用户检测技术的发展历史和研究现状21.4 论文各章节安排3第二章 CDMA技术42.1 CDMA系统的关键技术42.2 CDMA的基本原理62.2.1 扩频通信技术62.2.2 扩频通信的理论基础72.2.3 扩频与解扩频过程72.2.4 CDMA扩频通信原理8第三章 多用户检测技术的基本理论113.1 CDMA通信系统模型123.2多用户检测的基本原理133.2.1多用户检测的基本思想133.2.2多用户检测器的基本结构133.3 多用户检测器的分类173.4 最优多用户检测器183.5 次优多用户检测器193.5.1 非线性多用户检测203.5.2 线性多用户检测器223.6 多用户检测的性能测度26第四章 盲多用户检测294.1 盲多用户检测概述294.1.1 盲多用户检测的基本知识294.1.2 盲多用户检测的基本原理304.1.3 盲多用户检测的接收模型314.1.4 盲多用户检测器的典范表示324.2 MOE盲多用户检测算法及仿真分析334.2.1 MOE算法334.2.2 MOE算法的仿真354.3 恒模(CMA)盲多用户检测算法仿真及分析364.3.1 CMA算法364.3.2 CMA算法仿真分析374.4 LS-CMA盲多用户检测算法及仿真分析394.4.1 LS-CMA算法394.4.2 LS-CMA的仿真分析41第五章 总结与展望445.1 论文的工作总结445.2 未来的展望45致谢46附录47参考文献51精品文档！第一章 绪论1.1第三代移动通信概述移动通信是当今最为活跃和发展最为迅速的通信领域之一，也是二十一世纪对人类生活和社会发展产生重大影响的领域之一。第一代移动通信系统采用模拟调制方式，主要提供语音业务，现在使用的第二代蜂窝系统，采用数字调制方式，第三代移动通信(3G)系统无论在应用还是容量等方面都有了重大的提高。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能提供更大的系统容量，更高的通信质量，并能提供2Mbit/s数据业务，以满足人们对媒体通信的要求，对空中接口(无线接口)提出了更高的要求。其主要特点概括为：全球无缝漫游：具有支持多媒体业务的能力，特别是支持Internet业务；便于过渡、演进；高频谱效率、高服务质量、低成本、高保密性。 随着通信技术的发展，第三代移动通信系统以其优越的性能成为了众人瞩目的焦点。作为第三代移动通信系统中的核心-CDMA系统，成为了当前通信领域研究工作的热点。1.2课题研究的背景及意义随着科技的进步，通信技术成为推动社会进步的重要因素。人们对移动通信业务和质量的要求也在不断提高。未来的移动通信系统不仅要有大的系统容量，而且要能支持话音、数据、图像、多媒体等多种业务的有效传输。为了满足越来越多的对移动通信非话业务的需求。人们一方面对现有的第二代移动通信网络如GSM、IS-95、CDMA等进行技术上的改造，同时以ITU、3GPP、3GPP2为首的许多国际组织和机构致力于第三代移动通信系统的标准制定和研究开发。目前，国际电联所承认的三种方案分别是由中国提出的TD-CDMA、美国所制定的CDMA2000和欧洲所制定的WCDMA。可以看出，码分多址(CDMA)技术己经成为第三代移动通信系统中的主流技术。在CDMA系统中是依靠不同扩频码来区分不同的用户，如果不同的用户之间的扩频码是完全正交的，则用户系统中各个用户之间将不存在干扰。然而，在CDMA系统中，由于各个用户的随机接入及各个用户扩频码的互相关性。用户地址码之间不能保证完全的正交性，从而引起多址干扰。用户数目越多这种干扰越严重，系统的性能也会越差。多址干扰的存在带来两个问题：1) 系统的容量受到限制。随着同时接入系统用户数的增加，误码性能随之下降。因此，减小多址干扰将增加系统容量。2) “远一近”效应严重影响系统性能。由于移动用户所在的位置处于动态的变化中，基站接收到的各用户信号功率可能相差很大，强信号对弱信号有着明显的抑制作用，会使弱信号的接收性能很差甚至无法通信。这种现象被称为“远一近效应”。传统的CDMA信号检测技术将根据直接序列扩频理论对基带接收信号进行地址码相关计算，独立处理每个用户的信号，因此称为相关检测或单用户检测。IS-95CDMA接收机采用Rake技术，它将其它用户的信号作为干扰来对待，其使用空间分集技术抗多径效应，但不具备抗多址干扰和远近效应的能力。多用户检测(Multi-User Detection，MUD)是第三代移动通信系统中宽带CDMA通信系统中抗干扰的关键技术。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，因而抗多址干扰(MAI)能力较差；多用户检测技术在传统检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对多个用户进行联合检测或从接收信号中减掉相互间干扰的方法，有效地消除MAI的影响，从而具有优良的抗干扰性能。在理想情况下，应用多用户检测技术，系统的性能将接近单用户时的性能。这显然消除了“远一近效应的影响，可以简化用户的功率控制，降低系统对功率控制精度的要求。并且由于MAI的消除，用户在较小的信噪比下就可达到可靠的性能，单用户信噪比要求的降低可以直接转化为系统容量的增加，因此可以更加有效地利用链路频谱资源，显著提高系统容量。盲多用户检测通过自身信号参数的提取实现了不依靠训练序列完成对信号序列的估计，已经成为多用户检测研究的热点。1.3 多用户检测技术的发展历史和研究现状多用户检测的想法最早在1979年由K.S.Schneider提出。1983年RKohno发表了对多用户干扰抵消器的研究，利用其他用户的已知信息消除MAI，实现无MAI的多用户检测，并指出了研究方向，这是多用户检测最早的文献。1986年Verdu将多用户检测的理论向前推动了一大步，认为多址干扰是具有一定结构的有效信息，理论上证明了采用最大似然序列检测(MLSD)可以逼近单用户接收性能。并有效地克服了“远一近”效应，大大提高了系统容量，从而开始了对多用户检测的广泛研究。但是研究发现MLSD结构是匹配滤波器组加上Viterbi译码，复杂度为，其中K为用户数，这在工程上基本无法实现，因此人们开始研究各种次优多用户检测器。次优检测在处理方法上，大致可分为线性和非线性。线性检测技术有两类典型算法：1989年RLupas等人提出的解相关多用户检测器(DD)和UMadhow提出的最小均方误差检测算法(MMSE)。非线性检测器主要包括：判决反馈检测器、并行、串行干扰抵消算法。上述检测器需要已知各用户的扩频码、时延、用户功率以及信道参数等系统参量的准确估计，对于异步系统存在多径或信号功率不断变化的情况下，获取这些信息有时是很困难的，并且通信系统本身是一个实时性极强的系统，所以出现了大量自适应实现的多用户检测器。这些自适应多用户检测虽然很好地解决了实时性的要求且性能较好，但这些检测器工作时需要不断发送训练序列，这就造成了频谱的很大浪费，另一方面，由于信道是时变的，当变化很大时，发送的训练序列就将毫无用处，甚至使得检测器的性能变得很差。在此基础上发展了不需要训练序列的盲自适应多用户检测，Honig等人于1995年首先提出了盲多用户检测，给出了一种盲多用户检测的典范形式；Wang等人提出了盲多用户检测的子空间方法例；张贤达等人提出了基于Kalman滤波的盲多用户检测。盲多用户检测技术由于不需要采用训练序列，且能够提高系统的动态跟踪能力，因而近年来成为了多用户检测技术的研究热点。根据盲算法的代价函数不同，可以分为以下几种：基于最小输出能量(MOE)准则的盲多用户检测算法，基于恒模准则的盲多用户检测算法(CMA)，基于子空间的盲自适应多用户检测算法，Kalman盲自适应多用户检测算法等。虽然盲多用户检测算法已经被提及，但是，这些盲自适应多用户检测算法多是停留在理论的探讨阶段。要想进一步被应用与实际中，还得需要一些时间。本文在阅读了大量研究多用户检测算法文章的基础上，把研究重点放在CMA盲多用户检测算法的研究上。提出了适合在多径信道下的盲多用户检测算法，并进行了性能分析和数据仿真，仿真结果表明算法能在少量增加计算复杂度的情况下，提高在较恶劣的传输环境下的系统性能。1.4 论文各章节安排第一章叙述了课题研究的背景及意义，回顾并总结了多用户检测技术的发展历史和研究现状。第二章主要介绍了CDMA系统的关键技术及CDMA系统的基本原理。第三章首先介绍了CDMA系统的通信模型，接着介绍了多用户检测技术的产生，提出了多用户检测的基本思想、多用户检测器的结构和多用户检测基本原理以及多用户检测的分类，重点介绍了几种典型的多用户检测技术，分析了传统的匹配滤波接收机、最佳多用户检测器以及几种典型的线性和非线性多用户检测算法，比较了其优缺点。第四章在CDMA系统中为盲多用户检测进行了数学建模，深入研究了盲多用户检测的3种经典算法MOE算法、CMA算法和改进的LS-CMA算法，最后通过仿真对盲多用户检测技术进行分析并比较其性能。第五章对本文的研究工作进行了总结，概述了本论文所作的工作，指出研究的不足，指明了盲多用户检测技术未来研究的方向，对未来的研究工作进行了展望。第二章 CDMA技术CDMA是一种扩频通信技术, 扩频就是将数字信号扩展到一个比自身带宽宽很多的频带上去传送信号。因为它的保密性能好,抗干扰能力强而被广泛应用于军事通讯领域。它不像FDMA、TDMA那样把用户的信息从频率和时间上进行分离，它是在一个信道上同时传输多个用户的信息，也就是说允许用户之间的相互干扰。其核心是信息在传输以前要进行特殊的编码，编码后的信息混合后不会丢失原来的信息。有多少个互相正交的码序列，就可以有多少个用户同时在一个载波上通信。每个发射机都有自己唯一的伪随机码，同时接收机也知道要接收的代码，用这个代码作为信号的滤波器，接收机就能从具有其他信号的背景中恢复出原来的信息码。2.1 CDMA系统的关键技术CDMA系统采用码分多址的技术及扩频通信的原理，使得可以在系统中使用多种先进的信号处理技术，为系统带来许多优点。以下介绍了CDMA无线通信系统的关键技术：1)多址技术多址技术是指把处与不同地点的多个用户接入一个公共传输媒质，实现各个用户之间进行通信的技术。为了使信号多路化而实现多址的方法有三种，它们分别采用频率、时间或码元分隔的多址连接方式，即人们通常所称的频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）三种接入方式。根据理论计算及试验表明，CDMA系统的信道容量是模拟系统的10-20倍，是TDMA系统的4倍。CDMA系统的高容量很大一部分因素是因为它的频率复用系数远远超过其它制式的蜂窝系统，同时CDMA系统使用了扇区化和话音激活，快速功率控制等。2)软容量在FDMA、TDMA系统中，当小区服务的用户数达到最大信道数，已达到满载的系统就无法再增添一个信号了，若此时有新的呼叫，该用户只能听到忙音。而在CDMA系统中，用户数目和服务质量之间可以互相折中，非常灵活。3)软切换所谓软切换是指当移动台需要切换时，先与新的基站连通以后再与原基站切断联系，而不是先切断与原基站的联系再与新的基站连通。软切换只能在同一频率的信道间进行，所以FDMA系统、TDMA系统都不具有这种功能。软切换能够有效地提高切换的可靠性，大大减少切换造成的掉话。同时，软切换还提供了分集，在软切换中，由于各个小区采用同一频带，因而移动台可同时与小区m和邻近小区n同时进行通信，在软切换中，由于采用空间分集技术，很大程度上提高了移动台在小区边缘的通信质量，增加了系统的容量。 4)采用多种分集技术分集接收是克服多径衰落的一个很有效方法，采用这种方法，接收机可以对多个携有相同信息且衰落特性相互独立的接收信号在合并处理之后进行判决。由于衰落具有频率、时间和空间的选择性，因此分集技术分为频率分集、时间分集和空间分集。CDMA系统能够综合利用频率分集、空间分集和时间分集抵抗衰落对信号的影响，以此获得高质量的通信性能。5)多用户检测 基于RAKE接收机原理的CDMA接收机将其它用户的信号均视为干扰信号，但是经过优化后的接收机可以检测所有信号或从指定的信号中减去其它信号的干扰。当新的用户或干扰用户进入网络时，其它用户的服务质量将会下降，网络抗干扰能力越强，可以服务的用户数就越多。影响一个基站或移动台的多路接入干扰是小区内和小区间干扰的总和。 多用户检测（MUD）也叫做联合检测，它降低了多路接入干扰的影响，因而增加了系统的容量。同时MUD显著的降低了CDMA系统的远近效应。6)RAKE接收RAKE接收机也称为多径接收机，是指移动台中有多个RAKE接收机，因为无线信号传播中存在多径效应，所以基站发出的信号会经过不同的路径到达移动台，经过不同路径到达移动台处的信号的时间是不同的，如果两个信号到达移动台处的时间差超过了一个信号码元的宽度，RAKE接收机就可将它们分别成功解调，移动台将各个RAKE接收机接收到的信号进行矢量相加，每个接收机可单独接收一路多径信号，这样移动台就可以处理多个多径分量，从而达到抗多径衰落的目的，提高移动台的接收性能。基站对每个移动台信号的接收也采用多个RAKE接收机。另外，在移动台进行软切换时，正是由于使用不同的RAKE接收机接收不同基站的信号才得以实现。 7)功率控制技术由于CDMA系统不同用户同一时间采用相同的频率，因此上CDMA系统是自干扰系统，如果系统采用的扩频码不是完全正交的，将会造成相互之间的干扰。在一个CDMA系统中，每一个码分信道都会受到来自其它信道的干扰，这种干扰是一种固有的干扰。由于各个用户距离基站的距离不同，使得基站接收到各个用户的信号强弱不同，由于信号间存在干扰，尤其是强信号会对弱信号造成很大的干扰，因此必须采用某种方式来控制各用户的发射功率，使各用户到达基站的信号强度基本相同。 CDMA系统的容量主要受限于系统内部移动台的相互干扰，所以每个移动台的信号达到基站时都将达到所需的最小信噪比，系统容量将会达到最大。综上对CDMA技术的了解，我们知道CDMA移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成，在频域、时域和码域进行协作处理的，因此它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高等，同频率可以在多个小区内重复使用，容量和质量之间可进行权衡取舍，所以对于CDMA系统的研究也是近年来的热点。2.2 CDMA的基本原理CDMA技术，其基础是扩频通信技术。扩频系统有以下特点：1) 抗干扰能力 由于利用了扩展频谱技术，将信号扩展到很宽的频带上，在接收端对扩频信号进行相关处理，使其恢复成窄带信号。对于干扰信号而言，由于与扩频信号不相关，则被扩展到一个很宽的频带上，使之进入信号通频带内的干扰功率大大降低了，相应地增加了相关器输出端的信干比，因而具有较强的抗干扰能力。扩频系统的抗干扰能力主要取决于系统的扩频增益，也就是处理增益。对大多数人为干扰来说，扩频系统具有很强的对抗能力。2) 可进行多址通信扩频通信本身就是一种多址通信，即扩频多址，用不同的扩频码构成了不同的网络，类似于码分多址。虽然扩频系统占据了很宽的频带去完成信息传输，但其很强的多址能力保证了它的高的频谱利用率。3) 安全保密 扩频通信也是保密通信。扩频系统发射的信号的谱密度低，近似于噪声，有的系统可在-20 -15dB信噪比条件下进行工作，对方很难测出信号参数，从而达到安全保密通信的目的。扩频信号还可以进行信息加密，如果要截获和窃听扩频信号，则必须知道扩频系统所用的伪随机码，并且与系统完全同步，这样是很难做到的，从而起到了保护信息的作用。4) 数模兼容扩频系统既能传输数字信号，也能传输模拟信号。5) 抗衰落 由于扩频信号的频带很宽，当遇到衰落时，如频率选择性衰落，它只影响到扩频信号的一小部分，因而对整个信号的频谱影响不大。6) 抗多径多径问题是通信中特别是移动通信中必须面对却难以解决的问题，而扩频技术本身具有很强的抗多径能力，只要满足一定的条件，就可以达到抗干扰甚至可以利用多径能量来提高系统性能的目的。2.2.1 扩频通信技术扩频通信技术，即扩展频谱通信（Spread Spectrum Communication），它与光纤通信、卫星通信，一同被称为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。2.2.2 扩频通信的理论基础扩频通信的基本思想和理论依据是香农（Shannon）公式。香农在信息论的研究中得出了信道容量的公式： 式中：C：信道容量，单位bit/s；B：信号频带宽度，单位Hz；S：信号平均功率，单位W；N：噪声平均功率，单位W。这个公式指出：如果信道容量C不变，则信号带宽B和信噪比S/N是可以互换的。只要增加信号带宽，就可以在较低的信噪比的情况下，以相同的信息速率来可靠地传输信息。甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应地增加信号带宽，仍然能保持可靠的通信。也就是说，可以用扩频方法以宽带传输信息来换取信噪比上的好处。2.2.3 扩频与解扩频过程扩频通信技术是一种信息的传输方式，在发送端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必需的带宽。在接收端采用相同的扩频码进行相干解调来恢复所传信息数据,下图表明了整个扩频与解扩频过程。1)信息数据经过常规的数据调制，变成窄带信号（假定带宽为B1）。2)窄带信号经扩频编码发生器产生的伪随机码扩频调制，形成功率谱密度极低的宽带扩频信号（假定带宽为B2，B2远大于B1）。窄带信号以PN码所规定的规律分散到宽带上后，被发射出去。3)在信号传输过程中会产生一些干扰噪声（窄带噪声、宽带噪声）。4)在接收端，宽带信号经过与发射时相同的伪随机编码扩频解调，恢复成常规的窄带信号。即依照PN码的规律从宽带中提取与发射对应的成份积分起来，形成普通的窄带信号。再用常规的通信处理方式将窄带信号解调成信息数据。干扰噪声则被解扩成跟信号不相关的宽带信号。图2.1 扩频与解扩过程2.2.4 CDMA扩频通信原理码分多址使用一组正交（或准正交）的伪随机码（PN）序列，通过相关处理来实现多个用户共享空间传输的频率资源和同时入网接续的功能。CDMA采用直接序列扩频通信技术。所谓直接序列扩频就是直接用具有高速率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱，而接收端，用相同的扩频码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始信息。直扩通信原理如下图所示：扩频通信在发送端输入信息经信息调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号频谱。展宽以后的信号再对载频进行调制。通过射频功率放大送到天线发射出去。在接收端从接收天线收到的宽带射频信号，首先经过输入电路、高频放大器，被送入变频器，下变频至中频；然后由本地产生的与发端完全相同的扩频码序列去解扩；最后经信号解调，恢复成原始信息输出。+=+=信号1.2288Mbps1.2288Mbps扩频载波调制载波调制解扩频图2.2 CDMA扩频通信原理图信号通过扩频后信号的波形变化如下图所示。 图 2.3 扩频与解扩后波形变化扩频处理采用模2加运算，等价于二进制异或逻辑运算。扩频后的码元称为码片（chip），其速率称为码速，单位是chip/s。扩频增益等于码速率与输入信号的比值。奈奎斯特定理表明，脉冲信号的频谱带宽与其脉冲宽度成反比。上图中信号的脉冲宽带很宽，扩频后脉冲宽度很窄，因此扩频前信号的频谱一定很窄，而扩频后信号的频谱一定很宽，这是扩频名称的由来。通常CDMA可以采用连续多个扩频序列进行扩频，然后以相反的顺序进行频谱压缩，恢复出原始数据。本章小结 本章首先介绍了CDMA系统的关键技术，接着重点对CDMA系统的基本原理进行介绍，提出CDMA系统的基础是扩频技术，并对扩频的过程与原理进行介绍。第三章 多用户检测技术的基本理论CDMA通信系统中主要干扰为码间干扰和多址干扰（MAI），当同时通信的用户数较多时，MAI成为最主要的干扰。MAI不仅严重影响系统的抗干扰性能，而且也限制了系统容量的提高。码分多址的基本通信方式是直接序列扩频通信方式：DS-CDMA，即一个用户使用一个扩频码(即一个码道)。如何在存在多址干扰和远近效应问题的DS-CDMA系统最可靠地检测出各用户发送的信码是DS-CDMA移动通信系统中目前存在的主要问题。克服多址干扰的主要措施：在DS-CDMA通信系统中，克服多址干扰，成为增加系统容量，扩大系统覆盖范围，改善系统性能的关键技术。克服多址干扰有以下主要措施：1) 码形设计例如采用完全同步的码分多址方式设计一组完全正交的互相关为零的扩频地址码，如Walsh函数码。用户在完全同步并采用理想正交扩频码的条件下，各用户之间是不会产生多址干扰的。但在实际情况下，多用户干扰总是存在的。在多径衰落信道中，理想的完全同步是难以实现的，因此扩频码也难以保证完全的正交性。同时具有理想自相关和理想互相关特性的二进制扩频码是不存在的，这就是著名的Walsh界。多址干扰是由于扩频码的互相关函数不为零引起的，显然互相关性越小，多址干扰的影响就越小。工程实用化的码形设计中，如果是同步码分体制，可采用理想互相关特性的码形，比如Walsh码，在异步码分体制中，要选用互相关函数较小的扩频序列与码组。2) 功率控制技术由于蜂窝移动通信中，用户是在随机移动的，因此基站接收到来自距离基站近的用户信号的功率比接收到来自距离基站较远的用户信号的功率大，同时由于器件的非线性特性将会导致强者越强、弱者越弱的现象。远近效应将会使多址干扰的影响更加严重，为了克服这一现象，工程上采用功率控制技术，实现对不同远近用户到达基站接收点的功率或信噪比平衡一致。显然功率控制只能尽可能减少多址干扰的影响，而并不能从根本上消除多址干扰的影响。3) 空间滤波技术基本思路是将小区内的多址干扰按区域将大区划分为小区，将多用户的干扰从整个小区划分到局限于若干个小区的局部小区，以达到在每个子小区内减少多用户干扰影响的目的，在具体实现上可采用多扇区化和智能天线技术。多扇区化，即将一个小区划分为空间相互独立的若干个扇区，比如三扇区、六扇区等，用扇区设计来达到隔离扇区间的多用户干扰。智能天线技术，即采用更多更窄的动态波束来隔离空间多用户干扰，若能达到一个动态波束跟踪一个用户，则基本上从空间上隔离和消除了多址干扰。4) 多用户检测技术多用户检测技术是引用信息论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。通过多用户检测不仅可以抵抗多址干扰，又可以抵抗远近效应和多径效应。多用户检测技术是一种有效的解决办法，因为多用户检测算法正是利用扩频信号之间的互相关性来减少或消除多址干扰，从而达到增加系统容量、提高接收机的性能、缓解远近效应的目的。多用户检测技术对于DS-CDMA通信系统来说是一个极有意义的研究工作。3.1 CDMA通信系统模型码分多址(CDMA)是建立在正交编码、相关接收的理论基础之上，利用扩频码通信技术解决无线通信的选址问题。不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号，其它使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声或干扰，通常称之为多址干扰。DS-CDMA移动通信系统的基本原理框图。如图2.1：信源扩频调 制编码发送调 制信道多址干扰高斯白噪声伪码生 成信宿译码接扩统计判 决解调伪 码 生 成图3.1 DS-CDMA系统的原理方框图3.2多用户检测的基本原理3.2.1多用户检测的基本思想在传统的CDMA接收机中都将MAI看作为等效白噪声的无用信息来处理，这是一种消极的处理方法。实际上MAI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。在用户间的相关函数都是已知的情况下，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来进一步消除它所带来的负面影响，以达到提高系统性能的目的。多用户检测是引用信息论并通过严格的理论分析后提出的一种新型抗多址干扰的技术，它是从改变接收机结构方面着手的。采用多用户检测的接收机改变了CDMA系统干扰受限的本质，充分利用了扩频码的己知结构信息。多用户检测提出的基本思想:1)基于信息论中的最优信号检测理论，寻求蜂窝式码分多址的多用户最优联合检测理论。2)充分利用扩频码的己知结构信息，实际上不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，因而从理论上看，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，以达到提高系统性能的目的。3)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，可以利用扩频码的己知结构信息与统计信息，消除多径干扰和多址干扰，同时也就消除和减弱了远近效应。4) 最优的联合检测方案是可行的。在对多个用户的匹配滤波器接收的基础上，进行多用户联合检测，并充分利用己知伪码结构与统计信息，设法消除其它用户的干扰，理论上是完全可行的。3.2.2多用户检测器的基本结构传统的单用户检测接收机是将多址干扰、多径干扰当作等效加性高斯白噪声来处理，这是一种消极处理方式。它采用扩频码匹配滤波器结构，利用扩频码之间的准正交性来分离各用户的信号。如图2.1所示，接收端用一个和发送地址码(扩频波形)相匹配的相关器(匹配滤波器)来实现信号分离，在相关器后直接判决。如图3.2所示：匹配滤波器（用户1）匹配滤波器（用户K）用户准则（用户1）用户准则（用户K）输入接收信号输出判决结果输出判决结果.图3.2传统检测器的一般结构图每一个滤波器与一个不同用户的特征波形匹配。在同步情况下，匹配滤波器组的输出为：. 在有K个用户的同步基带DS-CDMA系统中，考虑高斯白噪声信道，在接收端，基带接收信号可以描述成：= (3.1)其中，T是字符间隔(每个码元的持续时间)，表示第k个用户的信号幅度，(j)-1,1是第k个用户发送的比特数据（信息序列），n(t)是具有单位功率谱密度的加性高斯白噪声。假定所有的信息序列都是等概的，则可以在上中取j=0，得到简化的信号模型：= (3.2)是分配给第k个用户的特征波形，可表示为: (3.3)在上式中，是一个持续时间为的方波，是扩频信号码片的持续时间，-1,+1是第k个用户的扩频序列的第k个用户的扩频序列的第个比特值。通常我们将扩频信号的长度设定为一个码元长度，因此是扩频序列的码片数量。 一般来说，在对系统进行设计或仿真分析时，我们需要将各个用户的扩频信号进行归一化处理，使其具有单位能量，即： = (3.4) 将接收到的连续时间波形，式(3.2)先通过匹配滤波器组，然后对各路匹配滤波器输出进行采样，其中每一个滤波器与一个用户的特征波形匹配。同步情况下，匹配滤波器的输出为：= (3.5)将(3.2)代入(3.5)中，我们可以得到第k个匹配滤波器的离散时间输出可表示为：= = =+ =+ (3.6)式中是第个和第个用户特征波形的互相关，定义为：= (3.7)而为高斯随机噪声过程，它的均值为0，方差为，定义为：。 (3.8)式(3.6)可以用向量形式表示为： (3.9)上式中，, 并记归一化的互相关矩阵=，其对角元素=1。为相关阵，每一对码字的部分相关值，其中等于用户数，每个用户的比特数，是零均值的高斯随机向量，其协方差矩阵为。传统的检测方法只是对y作了简单的判决=(),把多址干扰当作高斯白噪声处理，没有能够利用其他的有用信息，造成了信息的浪费，并且抗干扰能力差。而多用户检测技术，以传统的检测技术为基础，很好的利用了造成多址干扰的其他有用信息，对单个用户的信号进行检测，有很好的抗干扰性能，充分的利用了频谱资源。下来我们对多用户检测技术进行研究。多用户检测接收机则充分利用有用的已知结构信息与统计信息联合检测，如图3.3所示：多用户检测匹配滤波器（用户1）输入判决结果输入判决结果.输入接收 信号接收信号图3.3多用户检测器的一般结构图匹配滤波器（用户K）3.3 多用户检测器的分类自从1986年Verdu提出多用户检测理论以来，多用户检测的研究迅速成为了CDMA蜂窝移动通信，特别是第三代移动通信的关键技术之一。目前已提出的多种多用户检测(MUD)方法可从不同角度进行分类：按处理方法可分为线性和非线性两大类；按检测器处理信息时需要知道期望用户信息量的多少，又可分为盲和非盲多用户检测器。线性多用户检测器包括解相关检测、最小均方误差检测；非线性检测主要包括串行干扰抵消算法、并行干扰抵消算法、解相关判决反馈等。就目前广泛研究的多用户检测技术，按其研究方向可以大致分类如图2.4。解相关检测最小均方误差检测最小输入能量算法恒模（CMA）算法Kalman滤波检测基于子空间的算法图3.4 多用户检测技术的分类图盲检测解相关判决反馈非盲检测串行干扰检测并行干扰检测最优多用户检测非线性检测次优多用户检测线性检测多用户检测3.4 最优多用户检测器1986年，Verdu等人提出了最早的高斯信道下的多用户检测器：最优多用户检测器。在各用户发射信号先验等概的情况下，最佳多用户检测器就是一个最大似然准则的多用户检测器，它采用Bayes后验概率最大的原理，其目标是寻找使似然函数最大的序列，这样的序列与发射信号集序列差错最小。 具体说来，就是求b使似然函数： (3.10)最大化，其中式中 (3.11)定义那么式(3.10)的最大化等价于选择b使 = (3.12)最大化。似然函数取最大值时，解调出来的b的误码率最小。遍历所有2k个可能解的组合，从中找出使函数值最大的一个作为检测结果。该方法具有与用户数量成指数关系的计算复杂度，即。 最优多用户检测器的抗远近能力是重要的，因为它是任何一种多用户检测器所能达到的抗远近能力的最小上界，而且也是任何一种次最优检测器相对性能的一个测度。鉴于此，最优多用户检测器的抗远近能力常简称为最优抗远近能力。虽然最优多用户检测器在理论上可以获得最小的误码率，提供最佳的检测性能。但是，这种检测器并不适合实际应用，主要是因为这种算法的计算复杂度为，和用户个数成指数关系，计算量太大，需要知道接收信号过多的信息。例如所有用户准确的扩频波形、幅度、相位等，这些需要通过估计来得到，在实际系统中一般难以满足。所以它仅具有理论上的意义，根本无法实时实现。因此，寻找计算比较简单，同时又能够近似实现最优检测的误码性能，对远近问题不敏感的次优检测方法成了此领域内主要的研究方向。3.5 次优多用户检测器 次优多用户检测方案基本上可以分为两大类：非线性检测和线性检测。3.5.1 非线性多用户检测 非线性多用户检测中最主要的方法是干扰抵消多用户检测。干扰抵消检测器主要是利用反馈来减少多址干扰。它的基本原理是：从存在多址干扰的信号中提取期望用户信号，首先必须恢复干扰信号，即其它用户信号，然后从整个接收信号中减去这些多址干扰信号，最终获得期望用户信号。非线性多用户检测技术包含若干算法，目前研究最多的是基于判决反馈的多址干扰抵消检测技术，干扰抵消检测器一般由多级组成，其基本思想是在接收端对每个用户的多址干扰进行估计，然后从接收信号中部分或全部消除多址干扰。主要包括串行干扰抵消检测、并行干扰抵消检测和判决反馈检测。1) 串行干扰抵消检测器串行干扰抵消检测器是一个简单而又自然的想法：如果已经做出了某个干扰用户的比特判决，那么这个干扰信号就可以在接收端再生并从接收信号中减去。只有当比特判决正确时，这个干扰信号才可以被真正的抵消掉，否则将会引起误差传播。串行干扰抵消检测器，它有多级组成，每一级只检测一个用户信号。多级结构将上一级的输出信号作为下一级的输入信号，即当前级的检测器利用前一级的检测结果对多址干扰进行估计，并将它从接收信号中消去用此来提高当前级检测的精度。接收机首先使用传统的方法对用户信号功率进行估计，对估计结果进行排序，然后按功率从高到低的顺序依次对用户信号进行估计和消除。按信号强度由强到弱依次抵消多址干扰的原因是在于：最容易得到最强用户的信号解调(正确判决的概率最大)。对于最弱的信号用户来说，这种算法在减少多址干扰方面获得了改善。但是，如果起始数据估计不可靠，串行干扰检测器将对下级产生较大的干扰，这样便会出现严重失真。所以，最强用户估计的是至关重要的。每一级对消将会带来一定的时延，这样在比特时延与对消的用户数目上必须折中。一旦信号的功率值发生变化，就要对各用户根据信号功率进行重新排序，这样又必须在处理器的复杂度与可接受的功率精度上进行折中。另外，逐级干扰对消检测器的性能很大程度上取决于用户功率的分布，如果接收端的各用户的信号功率大致相等，其性能要比多级多用户检测器的性能差得多。串行干扰抵消检测器所需要的假定知识包括：期望用户的定时信息，干扰用户的定时信息，期望用户和干扰用户的特征波形以及它们的接收信号幅值。同步信道下其计算复杂度与用户数是成线性关系，即复杂度为。但是不足之处是：每一级都有延时，当信号功率强度顺序发生变化时需要重新排序，如果初始数据判决不可靠。2) 并行干扰抵消检测器在串行干扰抵消检测器中，用户抵消的顺序会很大程度上影响到单个用户性能，而并行干扰抵消检测器(PIC)则很好的缓解了这个技术缺陷。并行干扰抵消检测器的思路是对每一个用户的匹配滤波器输出做出初始判决，用它去估计多址接入干扰，并从初始的输出中减去而得到更接近真实发送信号的输出，接着再做判决、估计，如此循环往复，直到得到期望的性能指标。 并行干扰抵消器的设计思想和串行干扰抵消器基本相同，但是由于并行干扰抵消检测器是并行处理的，克服了串行干扰抵消检测器大的延