（信号与信息处理专业论文）cdma多用户检测器线性统一模型与非线性改进算法研究.pdf

摘要i 摘要 传统的码分多址( c d m a ) 系统因多址干扰问题，遭受远近效应的影响和系统容 量的限制。长期以来，多址干扰的抑制和消除是改善系统性能和增大系统容量的关键 技术，其中，多用户检测技术是消除多址干扰的核心技术而倍受关注。 本文提出了c d m a 线性多用户检测器的统一模型，研究了线性统一模型的性能及 其应用。对非线性干扰消除多用户检测算法进行了理论分析，提出了改进算法。本文 的主要内容和创新性成果如下： l 基于对角加载方法，提出了一种含参量线性多用户检测器，建立了线性多用 户检测器的统一模型。对线性统一模型的检测性能进行了分析，研究了匹配滤波检测 器、解相关检测器和最小均方误差检测器在线性统一模型下的相互转换关系。基于线 性统一模型，给出了多径衰落信道下最小均方误差( m m s e ) 检测器实现的新方法， 提出了一种双模检测器。理论分析和数值结果均表明，m m s e 检测新方法实现简单， 比传统m m s e 检测方法具有更低的计算复杂度；双模检测器可根据信道的变化动态地 在解相关检测和匹配滤波检测模型之间转换，抑制了独立检测存在的缺陷。 2 串行干扰消除( s i c ) 检测器的幅度失配不可避免，而检测性能依赖于信号 重建估计的准确性，直接使用误码率公式对幅度失配引起的性能损失进行分析和计 算是困难的。本文利用g a u s s i a n 近似法推导出幅度失配的s i c 检测器误码率近似解析 式，基于l a g r a n g e q b 值定理建立了幅度失配率、信噪比以及性能损失度之间的计算公 式，定量地研究和分析了幅度失配对系统性能的影响。 3 基于分组技术提出了对角加载检测分组s i c 算法。该算法利用对角加载检测 算子替换s i c 检测器每级中匹配滤波( ) 检测算子，实现了分组m m s e 检测，减小 了解调延迟，改善了s i c 检测器和m m s e 检测器独立检测的性能。扩频序列直接用于 解扩会由于其不完全正交导致多址干扰的产生，从而降低系统性能。基于克莱姆- 施 密特正交化方法，从扩频序列出发构造s i c 检测器每级的解扩序列，提出了正交化解 扩的s i c 算法( o s i c 算法) 。性能分析和仿真结果表明，o s i c 算法在完全抑制检测器每 级多址干扰的同时，也抑制了信道噪声的增强，优于s i c 算法。针对多径衰落信道情 形提出了一种基于r a k e 接收的串行多径干扰抵消检测算法，给出了算法实现的嵌套 式r a k e 接收机。性能分析和仿真实验表明，嵌套式r a k e 接收机能够很好的抑制多 址干扰和多径干扰，改善了传统r a k e 接收机性能。 4 并行干扰消除( p i c ) 检测器结构简单且具有较好的抗远近效应能力，但是其 鼍。m m 量m n n 一 u u n 舅舅詈鼍皇邑鼍兽鼍曼量曼量皇皇曼皇曼曼曼曼曼 雷达信号处理国家 点实验室 i i摘要 性能受限于对初始数据比特和各用户信号功率的估计。本文比较分析了非线性p i c ( 肿i c ) 检测器和线性p i c ( l p i c ) 检测器的干扰估计性能。对l p i c 检测器和匹配 滤波检测器的性能进行了比较，定量地给出了这两种检测器的信噪比应用条件。针对 l p i c 检测器在衰落信道下多址干扰估计误差较大的缺陷，提出了加权抵消的l p i c 检 测器，加权系数是基于最小均方误差准则获取。理论分析和仿真实验表明，无论在功 率控制还是远近效应下，加权抵消l p i c 检测器的性能都远远好于l p i c 检测器。 5 从理论上分析了判决排序对前馈线性变换的判决反馈多用户检测器性能影 响，给出了一种基于信号幅度迭代估计的判决排序方法。通过在前馈线性变换的判决 反馈检测器中引入一个判决转换策略，提出了转换判决反馈检测算法( s d f d ) 。s d f d 算法能够根据信噪比环境变化情况在干扰抵消解相关检测和匹配滤波检测之间择优 判决。理论分析和仿真实验结果均表明，s d f d 算法能够适用于低信噪比环境，具有 比解相关判决反馈检测( d d f d ) 算法以及前馈正交变换判决反馈检测( o d f d ) 算 法更好的性能。 关键词：码分多址，多用户检测，多址干扰，线性统一模型，串行干扰消除，幅度失 配，定量分析，对角加载，并行干扰消除，干扰估计，判决排序，判决反馈 检测，误码性能。 雷这信号处理国家t 点实验室 a b s t f 之a c t i i i a b s t r a c t m c a p a c i t ya n dp e r f o r m a n c eo fac o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( c d m a ) s y s t e mi s e s s e n t i a l l yd o m i n a t e db ym 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 d f o ral o n gt i m e ，t h e s u p p r e s s i o na n dc a n c e l l a t i o no fm a i i sak e yt e c h n o l o g yo np e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t s a n d c a p a c i t ya u g m e n t , t h e r e i n t ot h em u l t i u s e rd e t e c t i o n ( m u d ) h a sc a u g h ta t t e n t i o na sa c o r et e c h n o l o g y t h i s p a p e rp r e s e n t st h eu n i f i e d m o d e lo ft h el i n e a rm u da n dd e a l s 、丽n li t s p e r f o r m a n c ea n da p p l i c a t i o n n 圮n o n l i n e a ri n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o na l g o r i t h mi sa n a l y z e d a n ds o m en e wm e t h o d sa r ep r e s e n t e d t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa n dr e s u l t sa r el i s t e da s f o l l o w s b a s e do nt h ed i a g o n a ll o a d i n gm e t h o d ，al i n e a rm u l t i u s e rd e t e c t o r 晰t hp a r a m e t e r si s p r e s e n t e d ，w h i c hi st h eu n i f i e dm o d e lo ft h el i n e a rm u d t h ep e r f o r m a n c eo ft h e l i n e a ru n i f i e dm o d e li sd i s c u s s e da n dt h et r a n s f o r m a t i o nb e t w e e nt h em a t c h e df i l t e r ( m f ) ，t h ed e c o r r e l a t o r , a n dt h em i n i m u l nm e a ns q u a r ee r r o r ( m m s e ) d e t e c t o ri s s t u d i e dt h r o u g ht h el i n e a ru n i f i e dm o d e l b a s e do nt h e l i n e a ru n i f i e dm o d e l ，趾 a p p r o a c ht oi m p l e m e n tt h em m s er e c e i v e r si nm u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l s i s p r e s e n t e da n dal i n e a rm u d 、析t l lt h ed u a l m o d e i s p r o p o s e d a n a l y s i sa n d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en e wm e t h o di se q u i v a l e n tt ot h ec o n v e n t i o n a l m m s ed e t e c t i o nm e t h o db u te a s i e rt oi m p l e m e n tt h a nt h el a t t e ro nf a d i n gc h a n n e l ，n 圮d u a l - m o d ed e t e c t o rc a ni m p l e m e n tt h ed e t e c t i o no ft h ed e c o r r e l a t o ra n dt h e m a t c h e d - f i l t e rs i m u l t a n e o u s l ya n di n h i b i tt h ed e f e c tc a u s e db yt h ei n d e p e n d e n t d e t e c t i o n 1 1 1 e a m p l i t u d em i s m a t c h i si n e v i t a b l ei nt h es u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l e r ( s i c ) w h i l et h ep e r f o r m a n c eo fs i cd e p e n d so nt h ee s t i m a t ea c c u r a c yo ft h es i g n a l r e c o n s t r u c t i o n i ti sv e r yd i f f i c u l tt oa n a l y z ea n dc o m p u t et h ep e r f o r m a n c el o s s c a u s e db yt h ea m p l i t u d em i s m a t c hd i r e c t l yf r o mt h eb i te r r o rr a t i o ( b e r ) f o r m u l a 1 1 1 ea p p r o x i m a t eb e rf o r m u l ao fs i cw i t l la m p l i t u d em i s m a t c hi sp r o p o s e db y g a u s s i a na p p r o x i m a t ea n a l y s i sm e t h o da n dt h ef o r m u l ao ft h eq u a n t i f i a b l ea n a l y s i s o nt h e p e r c e n t a g ea m p l i t u d em i s m a t c h , s i g n a l t o - n o i s er a t i o ( s n r ) a n d p e r f o r m a n c el o s si sd e r i v e db yt h el a g r a n g em e a nv a l u et h e o r e m ，w h i c hd e s c r i b e s q u a n t i f i c a t i o n a l l yt h ee f f e c to ft h ea m p l i t u d em i s m a t c ho nt h ep e r f o r m a n c eo f l i l l i =i：= 1,i - - _ i - - - -一一- - - - - - - - 薯 n a t i o n a ll a bo fr a d a rs i g n a lp r o c e s s i n g i va b s t f 之a c t 量舅舅量置曼量皇曼i i i i , 量詈量量曼曼曼置 s y s t e m s a g r o u p i n gs i cw i t hd i a g o n a ll o a d i n gd e t e c t i o ni sp r o p o s e dt h r o u g ht h ei n t e r v a l g r o u p i n gm e t h o d ，e a c hs t a g eo fw h i c hc a r li m p l e m e n tm m s ed e t e c t i o no ft h e g r o u p e du s e r ss ot h a tt h ed e m o d u l a t i o nd e l a y si sr e d u c e da n dt h ep e r f o r m a n c eo f s y s t e m si si m p r o v e d 1 1 圮s p r e a d i n gs e q u e n c ei sg e n e r a lu s e dd i r e c t l y 雒t h e d i s p r e a d i n gs e q u e n c ef o rd e t e c t i o n , h o w e v e ri ti sn o tc o m p l e t e l yo r t h o g o n a l ，w h i c h r e s u l t si nm a i b a s e do ng r a m - s c h m i d ta l g o r i t h m ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa n o r t h o g o n a ld i s p r e a d i n gs i c ( o s l c ) t h r o u g hc o n s t r u c t i n ge a c hs t a g ed i s p r e a d i n g s e q u e n c ef r o mt h es p r e a d i n gs e q u e n c e a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ns h o w t h a to s i cc a l l i n h i b i tm a ic o m p l e t e l ya n dt h ee n h a n c e m e n t o fn o i s ei ne a c hs t a g ea n dh a sb e t t e r b e rp e r f o r m a n c et h a ns i c am u l t i p a t hs u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n a l g o r i t h mb a s e do nr a k et e c h n i q u ei sp r o p o s e df o rt h em u l t i p a t hf a d i n gs c e n a r i o an e s t e dr a k er e c e i v e ri sp r e s e n t e db yt h i sn e wa l g o r i t h m t h e o r e t i c a la n a l y s i s a n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en e wr a k er e c e i v e r 、 ，i ms i m p l es t r u c t u r ea n d e a s yi m p l e m e n t a t i o n sc a ns u p p r e s st h em u l t i p a t hi n t e r f e r e n c ea n di m p r o v e st h e b e r p e r f o r m a n c e a l t h o u g ht h e 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 e r ( p i c ) i ss i m p l ei ns t r u c t u r ea n dh a s g o o da b i l i t yt om i t i g a t et h en e a r f a re f f e c t , i t sp e r f o r m a n c ei s a f f e c t e db yt h e e s t i m a t ea c c u r a c yo ft h ei n i t i a ld a t aa n ds i g n a lp o w e r 1 1 他i n t e r f e r e n c ee s t i m a t e p e r f o r m a n c eb e t w e e nt h eh a r dp i c ( h p i c ) a n dt h el i n e a rp i c ( l p i c ) i sa n a l y z e d a n dt h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nb e t w e e nl p i ca n dm fi ss t u d i e d ,a n dt h e a p p l i c a t i o nc o n d i t i o no fs n ri sp r o p o s e dq u a n t i f i c a t i o n a l l yf o rl p i ca n dm f i n o r d e rt oi m p r o v et h ei n t e r f e r e n c ee s t i m a t eo fl p i ci nm u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l s ，a w e i g h t - c a n c e l l e dp i c ( w p i c ) i sp r e s e n t e d ，t h ew e i g h t e df a c t o rf o rd i f f e r e n ts t a g e s o fw h i c hi so b t a i n e db ym m s ec r i t e r i o n t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tw p l i ch a sr o b u s t n e s st on e a r - f a re f f e c ta n do u t p e r f o r m sl p i c s i g n i f i c a n t l y t h ee f f e c to ft h ed e c i s i o ns o r to nt h ed e c i s i o n - f e e d b a c km u l t i n s e rd e t e c t o rw i t hf e e d f o r w a r dt r a n s f o r mi sa n a l y z e dt h e o r e t i c a la n dan e wm e t h o do fd e c i s i o ns o r ti s p r e s e n t e d b a s e do nt h ei t e r a t i o ne s t i m a t eo ft h e s i g n a la m p l i t u d eas w i t c h d e c i s i o n f e e d b a c km u l t i n s e rd e t e c t o r ( s d f d ) i sp r o p o s e d ，w h i c hc a ns e l e c tt h e d e t e c t i o nm o d e lb e t w e e nt h em a t c h e df i l t e ra n dt h ed e c o r r e l a t o ra c c o r d i n gt ot h e c h a n n e lc h a n g et h r o u g had e c i s i o ns w i t c hs t r a t e g y t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ts d f dc a l lb es u i t a b l ef o rl o ws i g n a ln o i s er a t i o n a u o n a ll a bo fr a d a rs i g n a lp r o c e s s i n g a b s t r a c t v 皇量曼曼曼曼曼曼曼曼笪量曼鼍曼量量舅量量i i_ii i 量 s c e n a r i oa n dh a sb 撕b e r p e r f o r m a n c et h a nt h ed e c o r r e l a i n gd e c i s i o n - f e e d b a c k m u l t i u s e rd e t e c t o ra n dt h ed e c i s i o n - f e e d b a c km u l t i u s e rd e t e c t o r 、j r i t l lt h eo r t h o g o n a l f e e df o r w a r d k e y w o r d s ： c o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ，m u l t i u s e rd e t e c t i o n , m u l t i p l e a c c e s s i n t e r f e r e n c e ，l i n e a ru n i f i e dm o d e l ，s i c ，a m p l i t u d em i s m a t c h , q u a n t i f i a b l e a n a l y s i s ，d i a g o n a ll o a d i n g ，p i c ，i n t e r f e r e n c ee s t i m a t e ，d e c i s i o ns o r t , d e c i s i o n - f e e d b a c kd e t e c t i o n , b e rp e r f o r m a n c e n a t i o n a ll a bo fr a d a rs i g n a lp r o c e s s i n g 张东红：西安电子科技大学博士学位论文12 9 本论文专用术语( 符号、变量、缩略词等) 的注释表 m m s e ： 匝： s i c ： o s i c ： p i c ： m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ，最小均方误差 m a t c h e df i l t e r ，匹配滤波器 s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l e r ，串行干扰消除检测器 o r t h o g o n a ld i s p r e a d i n gs u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l e r ，正交解扩串行 干扰消除检测器 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 e r ，并行干扰消除检测器 h p i c ：h a r d 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 e r ，非线性并行干扰消除检测器 l p i c ：l i n e a 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 e r ，线性并行干扰消除检测器 w l p i c ：w e i g h t - c a n c e l l e dl i n e a rp a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l e r ，加权线性并行干扰 消除检测器 d d f d ：d e e o r r e l a i n gd e c i s i o n - f e e d b a c kd e t e c t o r ，解相关判决反馈检测器 o d f d ：o r t h o g o n a ld e c i s i o n f e e d b a c kd e t e c t o r ，正交判决反馈检测器 s d f d ：s l l i nd e c i s i o nf e e d b a c kd e t e c t o r ，转换判决反馈检测器 r ( t ) ：接收到的多用户信号 么，：第，个用户的接收幅值，标量 仇( f ) ：第七个用户在时间r 【i t ，o + 1 ) 川内的传送符号，标量 & o ) ：分配给第k 个用户的特征序列，是归一化的伪随机码 z ：符号( 比特) 间隔 f 。：第七个用户时延 ：扩频增益 i ：单位矩阵 b ：接收数据向量 y ：匹配滤波器输出的数据向量 a ：用户信号幅值组成的对角阵 r ： 扩频码相关矩阵，p 庸为其第( ，k ) 个元素 s ：扩频矩阵 d ：对角矩阵，对角加载量九为其第k 个非零元素 n ：高斯白噪声向量 r ，+ l ：删除矩阵r ，的第一行和第一列的矩阵，其中r 。- - = r ：用户k 的最佳参量( 最佳对角加载量) k ：系统用户总数 雷达信号处理国家 点实验室 13 0y 长2 f , f f f ：西安电子科技大掌博士掌位论文 m ：干扰抵消数 l | i i ： 表示取范数 e ( ) ：表示取均值( 或期望) p o 】：表示取概率 ： 表示取内积 p ( r ) ：矩阵r 的谱半径 雷达信号炎，里国家 点实验室 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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；也不包含为获得西安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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布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论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名： 导师签名： 似聋、钇 日期垄竺：! ：! j 日期2 11 ：竺! 丫 第一章绪论 1 第一章绪论 本章主要介绍无线通信系统中多用户检测技术的应用背景、技术现状和尚待解决 的关键问题，最后归纳了本文研究工作的主要内容和成果。 1 1 研究背景与意义 随着信息技术和无线通信技术【l 】的突出成就和急剧发展，无线通信技术正在发生 巨大的变革，其应用范围涉及国防系统，政府系统，商用系统和个人生活等诸多方面， 集中表现在个人通信【2 1 ，多媒体信息业务，互联网络应用三个方面。把信息送给个人， 使移动通信【3 】走向个人通信，既是人们的梦想，也是科学家追求的目标，而移动通信 则是通向个人通信的必经阶段。移动通信是当前发展最快、应用最广和最前沿的通信 领域之一。随着经济增长、社会发展和人们物质生活及精神生活水平的提高，对通信 提出了更新、更高的要求。人们期望移动通信系统即使是在非常复杂的传播环境下也 能达到更高的传输速率，容纳更多的用户。未来的移动通信系统将能够实现人们在任 何时间、任何地点、和任何人以任何方式进行通信的愿望。移动通信系统综合利用了 有线和无线的传输方式，解决了人们在活动中与固定终端或其他移动载体上的对象进 行通信联系的要求。公众移动通信是在2 0 世纪8 0 年代才开始发展起来的，但其发展速 度远远超过了固定电话通信。在短短的2 0 多年间，全球移动通信得到了很大的发展， 蜂窝移动通信系统经过了模拟到数字、纯话音到话音和低速数据的综合业务，单基站 系统到多基站系统，单一覆盖模式到蜂窝和复蜂窝覆盖模式，覆盖某个城市、国家到 覆盖全球的部分区域，也就是人们常说的第一代模拟移动通信和第二代窄带数字移动 通信的发展历程。第一代和第二代主要解决语音通话问题。 第一代模拟移动通信采用频分多址( f d m a ) 接入技术，典型的系统如：美国的 a m p s ，北欧的n m t ，英国的t a c s 等；它的发展激发了全球范围内的蜂窝系统的研 发。欧洲和日本也在8 0 年代中期建立了自己的第一代移动通信系统。主要的标准有： 欧洲的t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 、英国的e t a c s ( e x t e n d e dt a c s ) 系统、法国的4 5 0 系统、北欧的n m t - 4 5 0 ( n o r d i cm o b i l et e l e p h o n e4 5 0 ) 和n m t - 9 0 0 系统以及日本的n t t ( n i p p o nt e l e g r a p ha n dt e l e p h o n e ) 系统等等。虽然第一代移动通 信系统取得了巨大成功，但是也存在着许多缺点：( 1 ) 用户接入方式采用了频分多址， 当一个呼叫建立以后，该呼叫在结束之前一直占用该频段。业务种类比较单一，主要 是话音业务；( 2 ) 调制方式为模拟调频，存在着同频干扰和互调干扰；( 3 ) 模拟系统保 皇皇鲁皇曼曼量量量曼i m e a - _ _ 一一一- - 一- - i ei i i 皇曼皇曼曼皇曼曼曼曼量舅 雷达信号爿灌国家 点实骝 室 z张东红：西安电子科技大掌博士掌位论文 密性差；( 4 ) 频谱效率较低，有限的频谱资源和无限的用户容量之间的矛盾十分突出； ( 5 ) 由于采用了不同的频带、不同的基站和移动台协议，限制了移动通信的长途漫游。 因此，第一代移动通信系统属于一种区域性的移动通讯系统。随着移动用户的增加， 这些缺点所造成的问题也越来越突出，因此，模拟系统经历了8 0 年代的辉煌后，很快 被以高容量、低功耗和具有切换功能的第二代移动通信系统所代替。 2 0 世纪9 0 年代初期，工业和运营部门推出了第二代数字移动通信系统，这标志着 无线信息网络的到来，完全的无线信息网络将使所有用户在所希望的两地能够很经济 地传送任何形式的信息。社会的发展和无线通信技术的不断进步扩大了无线通信的应 用范围，使得新的应用领域层出不穷。例如移动电话、数据、多媒体、移动计算、移 动电子商务、无线局域网和无线i n t e r a c t 等。由于数字化处理技术比模拟技术更具有 优势，因此，第二代移动通信系统中采用了时分多址和码分多址技术，同时也采用了 数字化技术和新的调制方式。其中主要标准有：美国的d a m p s 系统，欧洲的商用 g s m ，日本的p d c 和美国的i s - 9 5 ，h p n c d m a 系统等。其中的g s m 通信系统，由于 拥有更大的通信容量和良好的服务质量，使得其迅速向全世界扩展，夺取了大部分的 蜂窝网络的市场。欧洲的爱立信、诺基亚等凭借g s m 的优异表现而成为移动通信巨 人。可以说g s m 是当时最好的网络之一。与第一代移动通信系统相比，第二代数字 移动通信系统主要有这几方面的优点：( 1 ) 频谱利用率高，有利于提高系统容量；( 2 ) 提供多种业务服务，提高了系统的通用性；( 3 ) 抗噪声、抗干扰和抗多径衰落的能力 强，提高网络管理和控制的有效性和灵活性；( 4 ) 便于实现通信的安全保密，可降低 设备成本和减少用户手机的体积和重量等。第二代移动通信系统的成功大大推动了移 动通信的发展，移动用户的数量激增。但是第二代移动通信系统只能提供话音服务和 低速数据业务服务，而在信息时代，图像、话音和数据相结合的多媒体业务和高速率 数据业务的业务量将大大增加，因此，第二代移动通信系统己不能满足人们多样化的 业务需求。而且，随着用户数的剧增，当前的系统也远远不能满足用户容量的发展需 要。所以新一代的移动通信系统的研究和发展成为移动通讯领域的研究热点，人们期 望用更先进的技术，支持多种业务和全球的覆盖范围。 随着无线通信宽带化技术的突破，移动通信正在向以c d m a 技术为基础，以宽带 化通信为特征的第三代( 3 坩g e n e r a t i o n ，简称3 g ) 技术发展。第三代技术的发展动力 主要来自三个方面：一是原有第二代系统使用的频率资源较少，不到l o o z ，且其 频谱利用率相对较低，加上新的数据业务的不断推出，使得目前在一些国家和城市的 中心地带出现通信容量严重不足的现象；由于第三代移动通信系统的频谱资源在 2 3 0 m h z 以上，且频谱利用率较高，覆盖范围更广，性能更好，从而能够很好地解决 上述问题。二是随着社会信息化进程的加快，人民对移动数据业务的需求量越来越大， 要求越来越高，尽管目前的第二代系统也可以开展某些数据业务，但由于受到带宽的 雷达信号处理国家重点实验室 第一章绪论 3 限制，无法适应诸如i n t e r n e t 、电子商务、高速数据、活动视像和v o d 等数据多媒体 业务的应用；而第三代系统能够针对不同的业务应用，提供从9 6 k b i t s 直到2 m b i 体的 接入速率，从而很好地满足这些需求。三是全球一体化的进程迫切需要全球统一的移 动通信设备，以实现全球漫游，而第二代移动通信系统多制式的空中接口和网络设备 难以达到这个要求，而第三代移动通信系统能够做到。所以说，第三代移动通信系统 是一代有能力彻底解决第一、二代移动通信系统主要弊端的最先进的移动通信系统。 随着市场对无线移动中的数字服务的需求和推动，人们也提出了提供高速率数据业务 的网络结构的设想，并将该系统称为后三代移动通信系统( b 3 g ) 或第四代移动通信 系统( 4 g ) 。 第三代移动通信系统的关键技术包括调制和扩频技术、分集接收技术、信道均衡 技术、编码译码技术、功率控制技术、软切换技术、同步技术、多用户检测技术、智 能天线技术、软件无线电技术和无线网络技术等。其突出特点是要在未来移动通信系 统中实现个人终端用户能够在全球范围内实现“个人通信”。与第一代和第二代移动 通信系统相比，第三代移动通信系统具有以下特点：( 1 ) 全球覆盖和全球无缝漫游。第 二代移动通信系统一般为区域标准或国家标准，而第三代移动通信系统将是一个在全 球范围内覆盖和使用的系统。它将使用共同的频段，全球使用统一标准；( 2 ) 具有支 持多媒体业务的能力，并且可以支持i n t e n r e t 业务。现有的移动通信系统主要以提供话 音业务为主，也能提供少量低速数据业务，而第三代移动通信系统能提供话音业务、 数据业务及多媒体业务且能根据需要提供带宽；( 3 ) 高频谱效率；( 4 ) 高服务质量；( 5 ) 低成本；( 6 ) 高保密性。 尽量大的系统容量和尽量高的频谱利用率，尽量轻小的通信终端，尽量方便的适 应各种应用环境的入网能力，能够根据用户请求灵活地组织多媒体信息业务服务，按 照信息业务的不同要求使用不同的数据通信速率，分配不同的信道开销，提供不同信 号质量的通信服务，这就要求有更好的多址通信技术。c d m a ( c c i d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 多址技术在频谱利用率和多址能力上，在抗信道衰落能力上，在信号稳态特 性上，在用户接入和信道变更灵活上，越区软切换不间断通信上以及能量低消耗和通 信大距离上，有着其它多址通信技术无可比拟的优异特性和优势。在f d m a ，t d m a 和c d m a 技术中，c d m a 技术对第三代移动通信系统要求是最有效的，因此成为了第 三代移动通信系统和无线通信系统的主流技术。目前，最具有代表性的主流技术有三 种：欧洲的w c d m a 、北美的c d m a 2 0 0 0 和我国的t d s c d m a 技术。c d m a 2 0 0 0 是 由美国的t i a 提出的，基于窄带i s - 9 5 c d m a 技术的宽带c d m a 技术，兼容了i s 9 5 c d m a ，既可以采用直扩也可以采用多载波方式，使得系统容量达到原有i s 9 5c d m a 的两倍，提供6 4 k b i t s 至l j l 4 4 k b i t s 的移动多媒体和i n t e m e t 业务。w c d m a 是欧洲e t s i 提出的宽带c d m a 技术，与日本提出的宽带c d m a 技术基本相同。t d - - s c d m a 标准 皇詈鼍詈曼量皇鼍皇鼍皇暑鼍i i _i i 一_ i 一 毫曼暑鲁詈皇皇罾量量皇篁皇量| 量皇曼鼍舅暑鼍 雷遗信号处理国家t 点实验空 4张东红：西安电子科技大掌博士掌位论文 是我国科技部、国家发改委和原信息产业部联合启动“中国第三代移动通信系统研究 开发重大专项的成果，该成果于2 0 0 0 年被国际电联正式接纳为第三代移动通信系统 国际标准，并于2 0 0 8 年1 2 月经国务院批准正式商用。这是我国在世界通信百年历史上 第一个拥有自主知识产权的、系统的国际通信标准，也是我国自主创新的重要里程碑。 t d - - s c d m a 采用了智能天线、接力切换、同步c d m a 、联合检测、软件无线电以及 自适应功率调整等多项技术，使得系统容量更大频谱利用率更高。在三种技术中，t d - - s c d m a 技术采用了时分双工模式，而其他两种都采用的是频分双工模式。 第三代移动通信系统与第一代、第二代移动通信系统最大的区别就是码分多址技 术，通过不同的码来区分用户，是个多用户系统。实现码分多址必须采用扩频技术。 扩频技术用于通信系统具有抗干扰、抗多径、隐蔽、保密和多址能力，其中直接序列 码分多址( d i r e c ts e q u e n c ec o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，d s c d m a ) 己成为提供高速 宽带数据业务的w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 以及t d - - s c d m a 系统中最主要的无线多址技 术【4 】。在c d m a 通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或者时隙 不同来区分的，而是用各个不同的编码系列来区分。用户之间的信息传输也是由基站 进行转发和控制的。码分多址技术能够让多个用户同时使用同频段资源，提高了通信 系统的频率资源利用率，但同时也产生了新的问题，如果从频域或时域来观察，多个 c d m a 信号是重叠的，接收机利用相关技术在多个c d m a 信号中选出使用特定码型的 信号，而其它使用不同码型的信号不能被解调，由于使用的扩频码集一般并非严格正 交，非零互相关系数会引起各用户间的相互干扰，即多址干扰( m u l t i p l ea c c e s s i n t e r f e r e n c e ，m a i ) ，在异步传输信道以及多径传播环境中多址干扰将更加严重。个 别用户产生的多址干扰虽然很小，但随着用户数的增多或信号功率的增大，多址干扰 就成了c d m a 系统中的一个主要干扰。多址干扰的存在会带来两个问题，其一是系统 容量的限制，随着同时接入系统用户数的增加，多址干扰功率也在增强，导致系统误 码性能的下降，因此，任何多址干扰的减小都会带来容量进一步的增加；其二是远近 效应影响系统性能，由于移动用户所处位置的动态变化，基站接收到的信号功率可能 相差较大，即使各个用户距离基站相等，深衰落也会造成到达基站的信号各不相同， 强信号对弱信号有