码分多址_CDMA_通信系统中的多用户检测技术

1、48数据通信2004年第6期技术交流码分多址(CDMA)通信系统中的多用户检测技术杨华王文华(北京理工大学电子工程系北京100081)摘要:CDMA系统由于用户容量大、频谱利用率高等特点而优于其它多址方式,近年来在通信系统中得到越来越多的重视,如何克服多址干扰问题已成为提高CDMA系统容量的关键。文章介绍了多用户检测的由来、概念、一般结构、优缺点及其性能测度,分析了几种常用多用户检测的算法,指出了现有多用户检测技术存在的问题和局限性,并给出了研究的方向。关键词:码分多址多用户检测多址干扰远近效应入的研究。1多用户检测技术的提出移动通信系统中典型的多址方式有FDMA、TDMA和CDMA三种。码分

2、多址(CDMA)是以扩频通信为基础的多址技术,相对于TDMA、等其它多址方式具有系统容量大、干扰能力强、性,。CDMA,用不同的扩频码区分不同用户。由于扩频码序列很难完全正交,有时甚至不可能达到正交,因而出现多址干扰(MAI)。随着用户数的增多,多址干扰增大,距离基站较远的用户信号在到达基站时被其他用户的干扰所淹没,出现远近效应。CDMA系统是干扰受限系统,要提高系统性能和容量,就必须考虑对这些干扰的抑制。所谓抗多址干扰技术就是指在CDMA系统中利用所有先验、后验信息,抑制或消除多址干扰对CDMA系统容量及系统误码性能的影响。传统检测器主要在以下几个方面研究以消除多址干扰:扩频码的设计要具有优

3、良的相关性、应用功率控制机制使所有用户信号的到达功率相等、应用前项纠错编码、自适应天线。这几种多址干扰的抑制方法均未考虑MAI的结构特征,可以减小却不能从根本上消除MAI。多用户检测MUD(Multi2userDetec2tion)技术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,改善系统误码性能,显著提高系统容量,因此有必要对它做深收稿日期:20042102152,把所有用,而不是作为干扰信号处利用多个用户的码元、时间、信号幅度以及相位等信息联合检测单个用户的信号,即综合利用各种信息及信号处理手段,对接收信号进行处理,从而达到对多用户信号的最佳联合检测。多用户检测

4、技术不仅是一个信号处理的问题,更应该属于多用户信息论的范畴,它要解决多用户环境(尤其是异步)中信息的可靠传输,及一个包含综合业务的系统在给定信道中所能达到的容量。多用户检测技术认为MAI与白噪声具有互不相同的统计特性,MAI是可估计、可再生、可去除的。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用户做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。在理想情况下,应用多用户检测技术,通信系统的性能将接近单用户时的性能。这既消除了“远2近”效应的影响,还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S

5、NR下达到可靠的性能,从而单用户SNR的降低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。多用户检测技术的实现是在匹配滤波器组的输技术交流数据通信2004年第6期49出后加上多用户检测算法模块,它的一般结构如图1所示。功控;弥补扩频码互相关性不理想造成的影响;改善系统性能,提高系统容量,增大小区覆盖范围。缺点是大大增加了设备的复杂度;增加了系统时延,特别是采用自适应算法时更为严重;多用户检测一般需要知道用户的一些信息,需要通过不断地信道估计来实现,估计的精度会直接影响检测器的性能。图1多用户检测系统模型4多用户检测技术的算法3多用户检测技术的性能测度和优缺4.

6、1最优检测算法点在多用户检测器的性能评价指标中,有三个最主要的性能测度。3.1误码率(BitErrorRate)AWGNEk的单个用户误码率)=Q定义为:Pk,su(),为。其中Pk,su(2噪声方差。当存在多个用户时,由于多址干扰的存在,误码率会增大,此时用户kk。其中,e2)(到Pk,su()。)=Qpk()(该算法考虑用户的信息码元取不同值的所有情况中求出在某一取值组合时生成的信号矢量和与接收信号矢量的距离最短(不考虑噪声)。最优检测器(optimalmultiuseretector)的特点:具有多用户检测器的最佳结构;必须知道所有用户的信号幅度和相位;具有指数复杂度;,。最(MLSD)

7、。,要找出似然函数最大的可能输,从2K种用户信息中找出一种最佳组合;对于异步系统可用一组匹配滤波器加Viterbi算法实现。4.2解相关检测算法该算法将接收信号矢量视为各用户信号矢量之和(不考虑噪声),通过相关矩阵的逆矩阵将接收信号分解,试图求出对应各个函数矢量的系数取值。它的优点是具有最佳的抗远近能力;无需估计接收信号的幅值或相位,误码率与干扰用户功率无关;与MLSD相比,计算复杂度大大降低;可以完全消除多址干扰。缺点是对噪声有放大作用;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;当用户数经常变化、多径传播或异步通信时,相关矩阵维数庞大且经常变化,求逆复杂度较高,难以满足实

8、时要求。4.3MMSE检测算法该算法将接收信号矢量视为各用户信号矢量和噪声之和(考虑噪声),利用相关矩阵和接收信号幅度试图求出对应各个函数矢量的系数取值。其优点为用噪声项修正相关矩阵,在消除多址干扰和不加剧噪声之间实现平衡;没有增强噪声;每个用户的均方误差可以单独最小化,适于自适应方法实现。缺点是需要估计接收信号幅值;依据MMSE准则产生有偏估计,所以会残留少量的多址干扰;面临与解相3.2渐进性(AsymptoticEfficiency)衡量干扰用户对目标用户误码率影响的测度。定义为在高信噪比情况下达到相同误码性能时,单用户CDMA系统所需的发射功率与多用户CDMA)=系统所需发射功率之比。即

9、:k(在讨Ek论渐进有效性时没有考虑噪声,用户功率的一部分用来抵消多址干扰的影响,另一部分为有效功率,渐进有效性是指有效功率占总功率的比重,而该比重和所有相关用户功率以及相关矩阵有关)。3.3抗远近能力(Near2FarResistance)抗远近能力是用来描述检测器抵抗远近效应能力的量。定义为在所有相关用户能量范围内测量到的最坏情况下的渐近有效性,即:)(lim)=lim=sup0k(0EkQ=)(rE=0Ek0limlg)pk(。多用户检测技术的优点为抑制多径干扰;消除或减轻远近效应;降低了对功控精度的要求,可简化50数据通信2004年第6期4.8盲自适应多用户检测算法技术交流关检测算法同

10、样的矩阵求逆问题。4.4多项式展开检测算法该算法为避免复杂的矩阵求逆,用多级多项式展开检测近似模拟矩阵求逆。多项式展开(PE)检测器可以在信息长度N有限时实现解相关检测,但当N趋向无穷大时,需要无穷多级。所幸的是可以用较少的级数来很好逼近解相关检测器。它的优点为近似逼近解相关或MMSE检测算法,避免矩阵求逆,计算复杂度较低;无需估计接收信号的幅值或相位。缺点是各级之间有时延;用FIR逼近IIR时会存在边缘效应。4.5串行干扰抵消(SIC)多用户检测算法该算法利用接收信号的固有特性,不借助其他用户的信息,采用自适应迭代算法从观察值中提取出一个或若干个信号。优点是无需训练序列,开销小、效率高、复杂

11、度低等;但收敛速度慢,特别是在时变多径信道。5多用户检测技术的问题及其局限性多用户检测技术具有许多优点,但若真正投入使用尚存一定的问题和困难。其主要问题有:检测器的时间复杂度和结构复杂度、灵敏性都与实际应用存在差距。尤其是当一些参数(频率、幅度、相位及同步)估计不理想时,相关系数矩阵会发生变化,多用户检测器性能也会随之下降。同时,对于系统采用话音激活技术时,:(1)因为,多用户检测只,小区间的干扰并没有消Viterbi推得的公式,如本区干扰因子定为1,区外干扰因子为f,则理想情况下由多用户检测带来的容量增益为(1+f)/f。在移动蜂窝通信系统中f的典型值为0.55,容量增益因子为2.8。(2)

12、多用户检测复杂性的限制,使之仅适用于上行信道,不能直接用于下行链路的接收,然而,第三代移动通信系统是非对称性系统,因此由多用户检测带来的上行信道增益不一定能带来同等的系统总体增益。图2SIC第一级原理图少量硬件,见图2。如果初始数据判决不可靠,。4.6并行干扰抵消(PIC)多用户检测算法6多用户检测技术的展望自从1979年Schneider第一次提出多用户检测的思想以来,多用户检测技术已经得到大量研究,但迄今为止还没有真正广泛应用于实际中,主要是因为可接受的复杂度与性能无法达到合理的折中。研究并开发出更加实用的多用户检测方案仍然是未来码分多址无线传输技术研究的一个重点。在多用户检测的进一步应用

13、研究中,必须考虑检测器算法的复杂性和信息处理时延两大障碍,同时还要兼顾坚韧性。从复杂性考虑,最佳检测器的指数复杂性是不能接受的,准最佳检测的线性复杂度随技术的发展可能会得到广泛应用;从信息的处(下转第53页)图3PIC第一级原理图该算法具有处理延时短、无需按功率排序、实现复杂度低;缺点是如果初始数据判决不可靠,将对下级产生较大的干扰。4.7判决反馈多用户检测算法该算法将多级型方法采用循环的方式一级来完成,通过对一级的多次循环,完成多级型相同的功能。多址干扰的消除更彻底,但需要功率排序、对相关矩阵的Cholesky分解和计算噪声白滤波器的逆矩阵。技术交流数据通信2004年第6期53Windows

14、是多任务处理系统,线程的应用大大减少了程序运行的开销,线程间存在一定逻辑关系或要访问相同资源就需要实现线程间的通信与同步,如果两个以上线程同时访问同一缓冲区,就可能产生读写数据错误问题,所以必须通过一定的机制来达到线程处理中的读写同步。Windows提供了灵活的线程通信与同步方案,包括利用全局变量、用户自定义消息、事件对象、临界区和信号量等。为了提高系统运行效率,使得各个功能模块之间能够并行工作,本系统在软件设计中采用了多线程编程方式,其中服务器端软件主要包含主线程、数据采集、压缩、传输、报警及云台控制6个线程;客户端软件主要包括主线程、接收、解压缩以及控制命令发送4个线程。同时系统利用MFC

15、中Event对象和一些全局变量来实现线程间的通信,利用MFC中的信号量(Semaphore)来保证线程间的同步,并且根据各个线程占用CPU的时间来设置线程优先级,这样就较好地解决了线程间通信与同步及程序效率问题。3结束语本文给出了远程网络监控系统的总体结构,对系统中用到的主要技术进行了说明,并对系统中视频采集、编码、压缩、传输等主要模块进行了讨论,较好地完成了远程网络监控系统的设计与开发,实现了一套完整的远程监控系统。参考文献1AndresSTanenbaum.计算机网络.熊桂喜译.北京:清华大学出版社,2002.72官章全.VisualC+.net类库大全.北京:电子工业出版社,2002.1

16、3陆其明.DirectShow开发指南.北京:清华大学出版社,2003.124蔡安妮.多媒体通信技术基础.北京:电子工业出版社,2001.115周长发.VisualC+.net多媒体编程.北京:电子工业出版社,2002.6:,研究方向为多媒,研究方向为光纤通信。(上接第50页)理时延上考虑,几十毫秒的处理时延对语音信号处理是不可接受的;在坚韧性方面,既然任何频率、幅度、相位和定时上的误差都将产生不精确的多址消除,带来系统性能的恶化,那么多用户检测就必须研究对不理想条件的坚韧性方案。随着多用户检测理论的不断成熟,工业技术的不断进步,尤其是半导体技术及DSP器件的飞速发展,多用户检测技术一定能在移

17、动通信系统中得到充分利用。虽然多用户检测技术有着很大的使用前景,但与其它一些抗多址、抗衰落技术的结合则需要进一步透彻研究。这包括多用户检测技术与信道编码的结合、多用户检测与天线阵相结合、在多速率情况下的多用户检测等等。参考文献2SVerdu.MultiuserDetection.CambridgeUK:CambridgeUnivPress,19983UMadhow,MLHonig.MMSEinterferencesuppressionfordirect2sequencespread2spectrumCDMA.IEEETransCommun,Dec1994,42:317831884SMoshavi.Multi2userDetectionforDS2CDMAcommunications.IEEECommun.Mag,Oct1996,1241365XWang,HVPoor.Blindequalizationandmultiuserdetectionindis2persiveCDMAchannels.IEEETransCommun,Jan1998,46:911036李秀华,付永庆,张文浩.CDMA多用户检测技术研究动态J.应用科技,2000,(12