（通信与信息系统专业论文）基于turbo算法的迭代多用户检测理论与技术研究.pdf

摘要 c d m a 系统在技术上的优势融缀使它成为3 g 的核心体制，但是由予多 址干扰的存在，不仅严重影啊系统的性能，而且也限制了系统容量的提简。 多用户检测是类新型抗多址干扰技术，是种从接收端设计入手的千扰抑 制方法，不但可以抗多址干扰，逑w 以抵抗远近效应和多径干扰，因此为3 g 移动通信系统的关键技术之一。 迭代多用户检测是秭结食了t u r b o 译码思想的新型高性能联合多用户 裣溅方法。奉文主要致力于迭健多蠲户捡测冀法静研究。首先，逶过分耩灏 蠹煞糖关疆宠凌羧，对瑰鸯t u r b o 遮 弋译璐算法( m a p 算法、软赣爨v i t o r b i 冀法) 邃孬对磁骚究。英次，黧患璐究了基于t u r b o 译弱愚怒静逶我多羯户 检测理论帮实现方法。最螽，在上述研究豹基础上，提出了一静基手m m s e 准则的简化迭代多用户检测方案，并在a w g n 信道和r a y l e i g h 信道下鸯传 统的迭代多用户检测算法进彳亍了性能对比。仿真结果表明，基于m m s e 准则 的简化迭代多用户检测器的性能接谶传统迭代多用户检测器，但其计算复杂 度大大降低。最后，对全文的研究工作进行了总结，展望了迭代多用户检测 的进一步研究方向和应用前景。 关键词：多焉户捡测；t u r b o 遮代译码；s i s o ；m m s e ；迭代多用户捡溅 哈尔滨工程大学硕士学位论义 _ _ _ - _ _ - _ _ 一i i i i _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - l - _ _ _ - _ - _ _ i a b s ，i r a c t i th a sb e c o m et h ec o r eo f3 gf o rt h ea d v a n t a g eo fe d 鹾as y s t e mi n t e c h n i q u e s ，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 t ) ，n o to n l ye f f e c t st h e p e r f o r m a n c e so fs y s t e mb a d l y , b u tc o n f i n e st h ei m p r o v i n go fc a p a c i t y m u l t i - u s e r d e t e c t i o n ( m u d ) i sam e t h o do fr e s i s t i n gm a if r o mr e c e i v e r i tr e s i s t sn o to n l y m a i ，b u tn e a r - f a rp r o b l e ma n dm u i t i p a t hi n t e r f e r e n c e s ot h em u d i so n eo fk e y t e c h n i q u e si n3 gm o b i i cc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 。 i ti san e wt y p ea n dh i g hp e r f o r m a n c ej o i n tm u df o ri t e r a t i v em u d ， c o m b i n i n gt h ei d e ao ft u r b oc o d i n g 。t h i sp a p e rh a sb e e no ns t u d y i n gi t e r a t i v e m u d f i r s t 。a u t h o rc o m p a r e s 谢也t h et u r b oi t e r a t i v ec o d i n ga l g o r i t h m s ， i n c l u d i n g 知f a p s o f to u tv i t e r b i 弼搬c o n s i d e r i n gt h es i t u a t i o no f h o m ea n d a b r o a d s e c o n 薅a u t h o re m p h a s i z e so ni t e r a t i v em u d t h e o r i e sa n dc o r r e s p o n d i n gm e t h o d s b a s e do nt u r b oc o d i n g t h i r da u t h o rp r e s e n t sas i m p l i f i e di t e m t i v em u db a s e d o nm m s es t a n d a r d , a n dt h e p c o m p a r e s 谢也t h ep e r f o r m a n c e sb e t w e e nt h en e w a l g o r i t h ma n dt h ec o n v e n t i o n a la l g o d t h m si n 翩媸jc h a n n e la n dr a y l e i g h c h a n n e l t h er e s u l t so f s i m u l a t i o np r o v et h a tt h en e wa l g o r i t h ma n dc o n v e n t i o n a l a l g o r i t h m sh a v et h es i m i l a rc o r r e l a t i o np e r f o r m a n c e ，h o w e v e r , t h en e wa l g o r i t h m h a sal e s sc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y a tl a s t , a u t h o rs u m m a r i z e st h es t u d y i n g r e s u l t s ，a n dv i e w st h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di nf u t u r e k e y w o r d s ：m u 1 t i u s e rd e t e c t i o n ；t u r b o ；i t e r a t i v ed e # o d i n g ；s o f ti n p u ts o f to u t ( s i s 0 ) 2m m s e ；i t e r a t i v em u l t i u s e rd e t e c t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文静所有工佟，是在导；萃熬指等 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的弓i 用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经淀明弓l 用的内容钋，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 盼个入和集体，均巴在文串戬明确方式标明。本入完全意 识到本声踞黪法律结果巍本人承摁。 作者( 签字) 溢生。 嗣期：知埠月冲e t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 | 。1 课题研究譬景及翻的 随着移动遘信豹逐猛发展，臻有鹣程括g s m 帮l s 。辩逶售系统毫缀难满 足发展要求，1 9 9 6 年国际电信联缀( i 州) 将f p l m t s 芷式更名为i m t - 2 0 0 0 标准，统称为3 g 系统，即国际移动通信系统。i m t - 2 0 0 0 标准不但要满足多 速率、多琴境、多监务熬要求，逐应能将瑗嚣懿逶蕊系绕嶷藏为统一熬霹代 替的系统。因此第三代移动通信倍受泣目，而在第三代移动通信中，宽带 d s ，c d m a 是逡今最为看好的多址接入方式。宽带c d m a 系统岛窄带c d m a 系缝相毙，不仅是带宠瓣撼裹，受是单位攀竞剩是攀的壤糖，疑操佟接襄移 动性的增强，以及更广泛的业务藏围和支持更高的移动速率。在c d m a 通信 系统中，由于多个用户韵随机接入，所使甭的扩频犸集一般并非严格正交， 码冀之闼瓣 # 零互槎关系数将弓| 起各用户趣豹子扰，遮撵不仅会严重限割系 统的容董，而且强多址信号会淹没弱用户信号，使“远一近”效应的影响加剧。 第三代移动逶信系统确实给入稍展示了个美好酶前景，健是这擅前桊 的实现要以克服其赝甄临的技术滚题为先决条件鲍。这些难题是蜂窝移动邂 信系统所闻有的，也有的是3 g 系统所特有的。 f 1 ) 多径衰满 这个阅题存在于掰有的移动通信系统中。由于魄磁波在传攒过程中将发 生扩散、辐射、折射和散射，从而产生多条传输路径。不霹路径的信号到达 接彀橇天线对，由予天线静位置、方向和辍纯方式不同，使接救信号功率、 相使起伏嶷化，产生严重的褒落现象。为了保证通信质量，就不得不增加健 号功率，从而影响了系统的容量。 ( 2 ) 融廷扩展 信号经不同路径就会产生不间的传播时越，当财延超过检测脉冲符号宽 度的1 0 时，符号间的干扰就明驻存在，因而限制了移动通信的数据速率。 $ ) 多整于貔 啥器凑王翟大学疆学燕论文 誊| 冒i - 一i i 一 r l l _ _ i 瞄- _ i 麓 由于3 g 系统采用c d v t a 技术，采臻不嗣静扩叛襁字来嚣分用户e 这 就要求各用户静扩频码基有稷强的蠢楣关性帮掇弱麴互耀关性。但是，实黪 上备用户之闷静互稽干扰不蜀畿完会淡失，所数c d m a 系统怒手扰受限系 统。氇就是说来壹本小箧察邻：l 乐奎嚣用户懿于扰袋了决定系统农量秘性能的 主要函素。多激干扰是3 g 系绞所季警有麴一弹予扰。 阳逯透效应 在各移动套均以相强豹功率发射信号时，綦站接收到的远处移动台发射 静傣号功率烙远太。予运处移动套发射豹僖号功攀。选近效应就是指近处大功 率臻号对远处小功率售号产生的很强的午挽。 ( 5 ) 传割阏题 目戆，第一代模拟移动通信系统和第二代数字移动通信系统已经被广泛 使赐，掰以从资源拳j 用的负度考虑，3 g 系统必须兼容前两代系统，而且将来 能够平漏过渡到第四代移动通储系统，甚至个人通傣的最高目标。但是当前， 第一代和第二代系统的釉类繁多，标准和体制多种多样。因此，如何使3 g 系统起到一个承上启下的作用，也是一个有待解决的问题。 第三代移动通信系统中的关键技术有的已被3 0 系统所采用，有的还在 进步的研究开发中【ij 。 ( 1 ) 多载波调制 在信号调制方面，系统可以采用自适应多进制调制方法，明根据元线傣 道的衰落稷度、信道流量或其他参数动态变化，收发信机同步地改变调制的 进制数。在衰落较轻、业务空闲时，减少进制数。对予扩频通信，信号带宽 在几十兆赫兹，而光线环境的相干带宽一般为几百千赫兹，是一个频率选择 性衰落信邋，因此将带宽分为n 个载波调制进行传输，这样每个窄带倍号经 历的是n 个平坦的非频率选择性衰落信道，当修改载波数霞而备路的传输速 率不变时，也就是改变了总的传输速率，所以多载波调制可以满足不同韭务 的需要，可以灵活她实现多媒体业务。 ( 2 ) 多址技术 多址授术楚解决多用户共享资源的技术，主要有三稀方案：频率、时闯、 正交码，对应这3 种基本的复塌方式，都频分多酸( f d m a ) 、时分多缝 ( t d m a ) 、码分多t t ：( c d m a ) 。第一代系统主要采翊f d v l a ，第二代主要采 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用t d m a ，第三代主要采用c d m a 。c d m a 采用一组正交码字以区别不同 的用户，具有频率规划简单、频谱利用率高、软切换、软容量等优点。第三 代系统要求采用从几1 0 k b s 到2 m b s 的可变速率业务，在多环境中运行，按 需分配带宽，采用多射频信道带宽。因而灵活的c d m a 技术可以满足第三代 系统的要求。 ( 3 ) 软件无线电 软件无线电主要是利用现代数字信号处理技术、微电子及软件技术，基 于同样的硬件平台，通过加载不同的软件，获得不同的业务特性。软件无线 电是对于无线传输系统的革命，被称为“无线电世界的个人计算机”。它的核 心是在尽量靠近天线的地方使用a d 和d a 转换器，在通用的硬件平台上， 尽可能通过软件来定义无线电的功能。这样利用一个统一的平台，通过软件 生成g s m 、i s 一9 5 、i s 6 6 5 以及i m t - 2 0 0 0 等不同体制的终端，并且可以适应 未来技术的发展。它与宽带综合业务网的基础传输模式一异步转移模式 ( a m d 一样能够适应未来业务的发展，并与软件定义的电信信息网络相一致。 软件无线电是无线传输系统从模拟到数字飞跃后的又一次飞跃。 ( 4 ) 智能天线 智能天线是通过基带数字信号处理器，为每个信道提供发射波形，并始 终跟踪用户，这样可以降低发射功率，减少干扰，增加系统容量，同时波束 可以克服多径传输的问题。它的基本思想是：天线以多个高增益窄波束动态 地跟踪多个期望用户，在接收模式下，来自窄波束之外的信号被抑制；而在 发射模式下，能使期望用户接受的信号功率最大，同时是窄波束照射范围以 外的非期望用户受到的干扰最少。智能天线是利用用户空间位置的不同来区 分不同的用户。与传统的频分多址、时分多址和码分多址的方式不同，智能 天线引入了第四种多址方式：空分多址( s d m a ) 。即在相同时隙、相同频率 或相同地址码的情况下，仍然可以根据信号不同的空间传输路径而区分。 s d m a 是一种信道增容方式，与其他多址方式完全兼容，从而可实现组合的 多址方式，如空分码分多址( s d - c d m a ) 。 f 5 ) 信道编码 虽然扩频技术有利于克服多径衰落以提供高质量的传输，但扩频系统存 在潜在的频谱效率非常低的缺点。所以，系统中必须采用信道编码技术以进 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一步改善通信质量。目前，主要采用前向信道纠错编码和交织技术以进一步 克服衰落效应。编码和交织都极大地依赖于信道特性和业务需求。不仅对于 业务信道和控制信道采用不同的编码和交织技术。目前研究较多的有分组编 码、卷积码和格码调制等；在这三种编码技术中无线电r f 调制结合网络纠 错编码方案能提供较大的带宽效率，但根据目前纠错编码技术的发展趋势来 看，结合分组码和卷积码的级联码( 如并行级联码一n r b o 码) 将更具有吸引 力。 ( 6 ) 功率控制 功率控制是解决远近效应的有效方法。在上行链路，为了克服宽带 c d m a 系统的远近效应，需要动态范围达8 0 d b 的功率控制。对于上行链路 上的功率控制分为开环功控和闭环功控。开环功率控制主要用来克服距离衰 落，闭环功率控制用于多普勒频移产生的衰落，以此保证接收到的所有移动 台信号具有相同的功率。在下行链路中，为了实现快速和自适应的功控算法， 也插入了功控信道以实现前向的闭环功控。 f 7 1 多用户检测 通信系统中的传统检测器都是单用户检测器，它将所需用户的信号当作 有用信号，而将其他用户都作为干扰信号对待，但从信息论的角度看，c d m a 系统是一种多输入、多输出的信道。因此单用户检测器不能充分利用信道容 量。多用户检测器的基本思想就是把所有用户的信号都当作有用信号，而不 是当作干扰信号来处理，这样就可以充分利用各用户信号的用户码、幅度、 定时和延迟等信息，从而大幅度地降低多径多址干扰。 ( 8 ) 切换技术 由于移动通信系统采用蜂窝结构，所以移动台在跨越空间划分的小区时， 必须要进行越区切换，即完成移动台到基站空中接口的转移，以及基站到网 入口和网入口到交换中心的相应转移。在第一代和第二代移动通信系统中都 采用越区硬切换方式，而硬切换使通信容易中断。3 g 系统将在使用相同载波 频率的小区间实现软切换，即移动用户在越区切换时可以与两个小区的基站 同时接通，只相应改变扩频码，即可作到“先接通再断开”的交换功能，从而 大大改善切换时的通话质量。但软切换具体的实现方法和步骤还有待研究。 另外，不同载波小区间的切换仍然需要硬切换，所以切换技术中还有许多问 4 哈尔滨工程大学硕士掌能论文 题需要解决。 异步转移模式( a t m ) a t m 的基本原理是把话音、数据、图像等业务信息分解成5 3 个字节( 4 8 个字节的业务加5 个字节的控制) 的“信元( c e l l ) ”，通过网络传到相应的目的 地。a t m 具有流量控制、阻塞控制、差错控制、高q o s 、虚连接、能适应恒 定速率和可变速率业务的优点。能够提供从无线网到固定网的带宽的端到端 连接，便于与固定宽带网的融合。基于信元的网络传输结构，便于动态地向 移动用户分配带宽。 由于用户的扩频码已知，所以用户间的互相关系数是已知的，接收机可 以知道多址干扰中的某些重要信息，如多址干扰的扩频码字、组成结构及与 目标信号的关系。利用这些信息，接收机可以对各用户做联合检测或从接收 信号中减掉相互间的干扰，从而有效地消除多址干扰的负面影响。这种在检 测时利用了多个用户信息的策略称为多用户检测。对于c d m a 这样一个干扰 限制的系统，研究干扰抑制技术将非常有意义，对多址干扰进行抑制将意味 着系统容量的直接提高。虽然t u r b o 码的研究已经从简单的仿真发展到应用 于实际的通信系统，但是还有一些课题有待进一步研究。 1 2 国内外的研究现状 从多用户检测理论的提出以来，多用户检测迅速成为c d m a 蜂窝移动通 信特别是第三代移动通信关键技术的一个研究热点，多用户检测技术是第三 代移动通信乃至4 g 的关键技术，传统的匹配滤波器接收机或相关接收机存 在干扰底限和远近效应的问题，1 9 8 6 年美国学者v e r d u 通过深入的理论分析 后，首先提出利用已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。此多用户检测器是在加性高斯白噪声信道下的 最优多用户检测器，优化的多用户检测由匹配滤波器和动态编程算法实现最 大似然序列估测器。 t u r b o 码的出现，不仅提供了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：迭代信道估计和同步， 。兰警苫耋幽拦笙兰。一 多用户检测，t u r b o 均衡。 耳蔻的一悠译码算法存在以下几个燕簧蠲题： 第一：虽然由于t u r b o 弱采震了迭代译码酶愚怒，每伞迭代擎元豹译码 弗不是非常鬟杂，但是要使误码率达到一定要求，迭代次数必须较多，从而 使译码时延增大，如果要将t u r b o 码用于语音传输，时延将不可忍受； 第二；译褥复杂整随豢狡鹈瓣终素长发或分缝璐豹璐字长度壤熬嚣呈攒 数增加。 因此迭代译码算法的研究主要是在像 正一定算法性能的前提下，寻找译 弼复杂蛙与约寒长度及分缎鹤码字长度纛关的算法，多# 且蓠纯算法，使其便 予用硬释实瑷，同时减小辩延，趺筢用于实靖语音逶傣中。 目前的改进集中在以下几方面： ( 1 ) 减少目# 线性运算的计算量，如撮船对数域的对数最大后验概攀) 舞法，将莱法谤算交梵燕浚诗算，镬褥魏毙援舅懿m a p 舅法霞予磺磐实理； f 2 ) 改进软输出维特e l ( s o v a ) 算法，尤其是减少s o v a 算法柱短交织长 度下和m a p 算法的性能藏距，使得短交织长度下s o 、，a 算法能以可接受的 瞧戆取我m a p 篓法； ( 3 ) 改进遮代过程中信惠传递的方式，扶两加速译粥过程； ( 4 ) 译码算法中输出软信息并且进行敞判决； t u r b o 粥迭代译码原联应用到多用户检测技术中，就形成了一种新的抗 多缝子魏静方法；迭健多胡户检溪技零。a 。f u j i w a r a 分耨了t u r b o 玛在 d s c d m a 系统中的应用问题。把迭代译码的思想应用于c d m a 中，便形成 了迭代多用户检测技术。e d a l e x a n d e r 将非同步随机c d m a 信邋等效为时 变卷莰强，与懑户臻豹痿遴璐缓或级袋避，梅透了t u r b oc d m a 摄念滔。 现在迭代多用户检测的研究，主蚕怒遭过磁艘嚣法和v i t e r b i 算法。目 前，国内在t u r b o 码的研究也取得了一定的成果和避展，西安电予科技大学 综合业务网黑窳重点实验窝的王薪梅教授、王育民教授等人在t u r b o 码的理 论和应蔫磷究方面取褥了缀多磅究成果。魏箨，涛牮穴学、l l 哀裙潼夫学衮 上海交通大学等高校都在谶行t u r b o 码的研究，并猩t u r b o 码译码算法的改 进及t u r b o 码楣关的其他关键技术的研究取得了一定的进展。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 本文对第三代移动通信系统中的关键技术t u r b o 码和多用户检测技术进 行了分析研究，并在此基础上提出将t u r b o 码和多用户检测进行联合应用的 方案。 1 分析t u r b o 码的迭代译码结构，工作流程和m a p 算法、l o g m a p 算法、s o v a 算法。并对二者进行比较，并通过仿真进行译码算法的 性能比较。 2 分析研究多用户检测技术的基本理论和线性多用户检测技术的几种 实现方法，如m m s e 多用户检测算法和解相关多用户检测算法，并 通过仿真，对其性能与最优多用户检测算法的性能进行比较。 3 主要研究了基于t u r b o 迭代译码思想的所谓t u r b o 多用户检测，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；给出了其原理 框图，并且分析了各个组成部分的具体实现方法，并在高斯信道下对 其性能进行了仿真比较。 4 提出一种简化的基于m m s e 准则的t u r b o 多用户检测方案，显著降 低了信道译码子模块的计算量，减少了译码存储器的数量。最后，在 a w g n 信道下和r a y l e i g h 慢衰落信道下分别对传统的t u r b o 多用户 检测和简化的t u r b o 多用户检测进行性能仿真。 _ i _ _ i _ i _i _ l - | _ l _ _ _ l _ i - _ _ _ _ - - _ _ _ i _ _ l - _ 。一 第2 章多用户检测技术 c d m a 通信系统中的主要干扰为码间干扰( i s i ) 和多址干扰( m a i ) 。码 间干扰的补偿主要是通过均衡器来实现。多址干扰主要是由于用户共享一个 信道，不同用户之间必然产生干扰，因此多址干扰也称多用户干扰。严格来 说，多址干扰包含小区内干扰和小区间干扰，但我们设计的多用户检测器主 要考虑的是小区内干扰。 y 接收 信号 解扩匹配滤波 器( 用户1 ) 解扩匹配滤波 器( 用户k ) 图2 1 传统的单用户检测器 叫型p叫! 篓! 卜 弘 多用户 哥。 检测算 法 一磐黔p刖“ - 器( 用户k ) i 7 图2 2 常用多用户检测模型 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，它主要解决 的基本问题是：如何从相互干扰的数字信息串中可靠地解调出某个特定用户 的信号。多用户检测技术是第三代移动通信系统中的关键技术，它的发展是 通信技术中最重要的新进展之一。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 移动通信信道及信道模型 移动通信的无线传播环境是影响无线通信系统性能的一个基本因素。发 射机和接收机之间的无线传播路径非常复杂，是一种随时间、环境和其他外 部因素而变化的传播环境，由此产生了多种路径损耗： 1 1 路径传播损耗：是指电波在空间传播所产生的损耗，它反映了传播在 宏观大范围空间距离上的接收信号电平均值的变化趋势； 2 ) 慢衰落损耗：是由于信号在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻 挡所产生的阴影效应，继而产生了慢衰落损耗。它反映了中等范围内 数百波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从对数正态 分布，因其变化率慢故称慢衰落； 3 ) 快衰落损耗：是由于多径传播而产生的衰落。它反映微观小范围内数 十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从r a y l e i g h 分 布或是r i c i a n 分布，通常分为三类：空间选择性衰落、频率选择性衰落、 时间选择性衰落。由于产生了多种路径损耗，使得无线信道非常复杂。 为了研究无线通信，就要对无线信道进行建模。己经建立的无线信道 模型有r 丑y l e i 曲衰落信道、r i c i a n 衰落信道； 4 ) r a y l e i 曲衰落信道模型的信道响应的包络具有r a y l e i 曲分布，而相位 在( o ，2 r r ) 均匀分布。接收信号包络r 的概率密度函数可以表为： b ( ，) ：告e ，厅一 其中，q = e 忸2 ) ，r = 1 霹 其中x ；( f = 1 , 2 ，”) 是具有统计独立得高斯随机变量，r 是接收信号 包络的平方和的开方，n 是r 的2 阶距； 2 2 多用户检测技术的分类 多用户检测技术l l 总体分为最佳多用户检测技术和次最佳多用户检测技 术两大类，次最佳多用户检测又分为线性和非线性两方面。至于更向下的层 次分类已经不是很确切了，但大致分类情况如图2 3 所示。 9 。氅玺鎏蛋盔兰堡主兰垡鲨銮 。 图2 3 多用户检测分类 2 3 最佳多用户检测器 在多用户检测中，任何一种接收机都应该知道( 或至少可以获得) 下面的 一个或几个参数： ( 1 ) 期望用户的特征波形； ( 2 ) 干扰用户的特征波形； ( 3 ) 期望用户的定时信息( 比特的出现时间和载波相位) ； ( 4 ) 干扰用户的定时信息( 比特的出现时间和载波相位) ； ( 5 ) 干扰用户相对于期望用户信号幅值的接收信号幅值。 传统的相关接收器只使用上述信息( 1 ) 和( 3 ) ，未考虑其他用户的干扰，因 而受到远近效应问题的困扰。我们要求改进的多用户检测器能有由优良的抗 远近能力。有必要对最佳多用户检测器和次最佳多用户检测器做简要介绍。 下面我们以同步c d m a 系统为例介绍最佳多用户检测器的原理及性能。 多用户检测思想最早可以追溯到1 9 8 3 年，在1 9 8 6 年多用户检测取得了重 大突破，s v e r d u 认为多址干扰是具有一定结构的有效信息。他介绍了以匹配 滤波器加维特比算法实现最大似然序列检澳g ( m l s 检测) ，适用于受i s i 影响的 信道。这种检测器可以达到理论上的最小错误概率，它采用的是b a y e s 后验 概率最大的原理。因此是一种最大似然估计算法。其算法公式为： 1，k、 a 】= a r g m a ，x 叫一寺肌沪善a k b k s k ( f ) 】2 d tj ( 2 - 1 ) i o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式( 2 1 ) 等价于使 ，= 2 f 【粪4 也& o ) 】r o 渺一r 【砉4 缸( 明2 m = 2 b 7 a y b 7 h b( 2 - 2 ) 最大化，式中 y = 【m ，y r a = d i a g a l ，a f 】 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) h = a l i a ( 2 5 ) 其中，舰( 一l ，+ 1 ) ) 是第t 个用户发送的字符序列( 信息序列) ；( f ) 是第k 个 1 用户的扩频波形；4 表示第k 个用户的信号幅值( 去一；代表接收能量) ； z 口 儿= 【吼q ) r q ) d t ，而r 是归一化的互相关函数。 似然函数j ( b ) 解最大值时，解调出来的信号b 的误码率最小。可以看出， 这种最佳多用户检测实际上是最大似然序列估计器。最佳检测器必需知道接 收信号的能量才能计算相关度量。在k 个用户的信息序列中，有2 种可能 的比特选择。最佳检测器计算每个相关序列的相关度量，并选择产生最大相 关度量的序列。由此可见，最佳多用户检测器的复杂度是随着用户数k 呈指 数增加的，计算量太大，根本无法实时实现。 2 4 传统多用户检测器 2 4 1 最小均方误差( m m s e ) 检测器 m m s e 检测器综合考虑了噪声和多址干扰的影响，其基本思想是使估 计序列和实际发送序列之间的均方误差最小。它实际上就是寻找一种对匹配 哈尔滨工程大学礤士学位论文 - i _ 目j - _ _ 自皇i i ii i i i i ii i n , i i i i i i n l i i i i i i - _ _ 一 滤波器豹输国痔列r 静最佳线性交换a ，霞得萁输出矢量： b l = a r( 2 6 ) 与实际数据矢嫩b 的均方误麓最小。用方程寝示为： ，( b ) = 脚( b b ，7 ( b b ，) 】= 研( b a r ) 7 ( b a r ) j( 2 7 ) 最俄矩阵a 可戬透过健误差矢量( b b 。) 每鼗餐矢纛r 歪交褥舞，帮： 避爆一a r y 】。0( 2 8 ) e b r 卜a l i r r 7 】= 0犯9 ) 在同步传输时有： 毋。】= 啦加t 。 t 】+ 毋。n ：卜d 鲜( 2 i o ) 取】= 簿魄峨飙静t 罗l = 狂，璐；+ 誓彰 其中狰逶一个对角阵，对角线元素为 “，1 k 兰k ， e b 加；】= d ，研n 。n ：】；譬r ， 鳃方程得： 然鬃喜： 判决蘑的输出必： 小( 誓r b k = a l & 犯1 1 ) f 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 2 一1 4 ) 屯- - s g ( b 。) 6 = s g r 如，)( 2 1 5 ) 传统的单用户随配滤波器攘收祝在抗背豢自礤声方箍楚簸优麓，解稆关 检测器奁灌除多垃搂入予撬方覆爨最谯豹。m m s e 检测器实际上是强者豹 抚中。当甄呻m 对，m m s e 检测器收敛于传统的单用户匹怒滤波器接收机 o 一0 时，它实际上就是一个解栩关梭测器。 2 4 2 瓣相关多用声椽浏器 k 个匹配滤波器的输出为：= r ，b + 矗i 其中，信息矢蹙为； ( 2 一1 6 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 b 。= 【_ b 。_ b ：，_ b 。蝴7 ( 2 1 7 ) 噪声矢量为： n 。= 【n ， n ：( 1 l ，n 。彻7e n 。n ； = 粤r 。 ( 2 1 8 ) b 。的最佳线性估计就是使似然函数： a ( b 。) = 一也一r ，b 。y r k r 。b 。) 】 ( 2 - 1 9 ) j v0 最小的序列值。 对也求最小化解得： b l = r _ 1 r k = b t + r ：n i ( 2 2 0 ) 然后对b ，。判决，即可得到估计的信息符号为： b = s g ( b 1 ij ( 2 - 2 1 ) 得到e b 。】= b 。，可知，b ，。是以得无偏估计，解相关检测器可以完全消除多 址干扰。解相关检测器得噪声项为r ，n 。，如果各用户得扩频码的相关系数 比较高时，则解相关检测器输出的噪声功率比传统的检测器要大，也就是说， 解相关检测器得性能是以提高背景噪声为代价换取多址干扰的消除。 巧1 图2 4 解相关检测器 还有一种比较常见的检测方法为干扰对消检测器【3 1 ，它般由多级组成， 其基本思想是在接收端估计对每个用户的多址干扰，然后从接收信号中部分 或全部消除多址干扰。这种检测器与抗i s i 的反馈均衡器类似，所以又称为 i 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i - i ；_ i i i i i i i h i i i i i i _ _ 一 判决反馈检测器，用于估计多址干扰的判决可以是硬判决或软判决，硬判决 骥求对信号幅度进行可靠的估计，不可靠的估计将严重降低检测性熊。 干扰抵消多用户检测主要有串行干扰抵消、弗行干扰抵消和判决反馈检 测三种，这里就不做详细介绍。 2 5 多耀声检测器的性稚指标 2 5 。1 误码率 在多用户捡瓣孛，我髓畿关心韵性熬指标是检测器褒高俯号稽景嗓声篦 范匿蠢静误磷率( b e ro 大多数遴信系统鼢摹本褥标鄹是减糸误鹦率i 舢。 假定在搬性褰骜是噪声傣遴中只骞一令鬟有能薰龟的单独鼹户l ( ，露噪 声方差必玎2 。该萃个焉户戆误鹦率定义隽： p k 。) = 藩( 2 - 2 2 ) 其中，甜= 为单位比特信嗓眈，n o = 2 盯2 为噪声的单边功率谱密度。 v 0 醣) = f 去矾2 毋( 2 - 2 3 ) 娄存在乎扰用户时，误璐率便会增大。此黠，罴要知道期望攫户l 【戆有 效能鬟( e f f e c t i v ee n e r g y ) e ip ) 代嵇其实联能煮靠，即在多用户系统中期望患 户的误码率定义为： 荆乎) f 2 2 4 ) 误码睾是数字通信系统中衡量系统性能的一个重器指标。由误码搴可以 推导出许多其它的衡襞系统性能的标准，这些衡鬟标准经常用于通信系统鲍 分析、设计中。在多用户检测器中，渐进多用户脊效性就是一例。 2 5 2 渐进多用户有效性与抗远近能力 多用户有效性嘲定义为有效能量与实际能覆的比率，用于衡量其他用户 1 4 一一一一盥罄鳘塑耋耸鎏圣。一 。 对期疆餍户的影晌。渐进多用户有效性为多用户有效靛在背景噪声趋于零时 戆掇鼹僮，其中，s u p 表示上镄爨。鼹 ”熟掣 = 0 rll 2 玄矧扩崦南l ( 2 - 2 5 ) 渐进霄靛毪仇静数值套予0 ；l 鏊l 之阕，表示囱予多缝干扰鹩存在所雩l 起 的系统性能的降低。由上式看出，在背景噪声玎- 0 0 ，但误码宰最) 并不趋 于零的情况下，渐进有效性r h = o ，这表明在没有任何背景噪声的情况下， 肇爰户匹醚滤波检浏存谯 零麴误磷率。瑰越太，系绞静裁多瀣予撬麓黥力 越强，反之，抗多址干扰能力越弱。仉= l ，表永期望用户k 丝毫不受其它 用户干扰的影响。 凌予移动台鼷离薹戆距离瓣不嚣，基蘩接收剃远戆移动念懿售号与送遣 移动台信号相差甚远，导致近她强信号抑制远地弱信号的接收，产嫩远近效 应，掰以抗远近效应也楚多用户检测研究静重点，定义抗远谶能力为所有用 户接收能量申濒近毒效性最小的情狨，其申，i n f 荧下界。鄹： 2 6 牲麓仿羹 瓦。熙蟹l ( 2 - 2 6 ) 缓设采溺b p s k 调翎的两步c d m a 通信系统中，存在8 个用户，采潮扩 频增蘸为3 1 g o l d 序列。当各用户信号的功率摆鄹对，务捡凑l 爨在a w g n 痿 道中的误比特率随信噪比的变化曲线如图2 5 所示。 溉 毛 其中逆向反馈多项式g o ( d ) = 1 + d 2 + d 3 , 前向反馈多项式g o ( d ) = 1 + d + d 3 r s ci 编码器的输入信息序列协， 由j 个独立的0 或1 等概取德的比特6 ，缀 藏，r s c 生或懿棱骏痔裂爻c i ，。矗；经交织爱，浚天到r s c 鬏，产生另一拿 校验痔剿c ，。 t u r b o 码的归零可以通过如图3 2 所示的双掷开关来完成，当一组信息比 特经过臻l 碣器编码完成露，强个嚣笑向下切换，缀码器就逶过糁使毒存器鹣 反馈信惑进行妇零。虢6 个魄特雳鼍：第一个分豢璐的努零，爱6 个国特惹予 第二个分最码的归零，则所传输的编码后的归零信息为： 屯l ，i 十2 ，b j + 3 ，c l j + ic l 。，+ 2 ，q 拍，6 一l ，b 。j + 2 ，b j + 3 , c 2 j + l j c 2 j + 2 ，乇# 将编码器输出比特以，c 。，c ：。，) 转换为双极性值札l ，d 州o ) ，维) ，通过离 散无记忆信道后，在译码器输入端得到接收序列：y ；= h y j y r ) 其中y ，= 沁l ，黠，蜊袭示时刻j 接收到熬符号， y 1 j = 2 b j 一1 ) + n j i = j + 撑”( 3 - 6 ) y 牲= ，一1 ) + n j t j = d ! ；+ 竹珏( 3 - 7 ) 垲= ，一1 ) + 甥；硪+ 樱 ( 3 培) 式孛n j , 1 , n ( m o ，拜裟是缘德受0 ，方蓑麓萨2 懿疆立鬟悫变量。 3 2 2 译码原理 t u r b o 码的译码器l j 由2 个辎弼的r s c 分鬃译码器并行缀联构成，它们 分别与编码器的2 个分照编码器相对应。此外，译码器中还有妁编码器中完 全相同的交织器，以及耀应的勰交织器。t u r b o 璐译码原理结构图如图3 3 掰示。t u r b o 弱魏译褥般采霜软输入墩辕逡( s l s o ) 豹友馕遴攘迭谯算法。 t u r b o 码的译码过程是通过两个分量译码器交错重复译码浓完成的，两 个分量译码器之间是依靠反馈附加的外信息建立棚亘联系的。外信息是分爨 译玛嚣爨绘窭戆每一囊痿塞毙特煞嚣靠整襞篷，它是交壤弱器萼| 入熬瑟余接 息和译码器提供的冗余信息的函数。 2 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 校验序列 信息序列 图3 3t u r b o 码译码原理框图 外信息经过交织器或解交织器作为另一个分量译码器的先验信息，协助 其进行译码。通过这种迭代方式在两个分量译码器之间充分交换信息，从而 使译码器作为一个整体来译码。 设编码器输出 耳，玩，) 经信道传输后到达接收端的软判决序列为 y b ，y 坤，y 2 如。具体译码过程如下： 串并转换：由于接收序列为串行数据，所以首先要进行串并转换，将接 收序列分为并行的接收信息序列虼、对应分量编码器l 的接收校验序列m 切 和对应分量编码器2 的接收校验序列y ：b 。 迭代计算：将接收信息序列儿和接收校验序列y 。切送入分薰译码器1 进行译码。将分量译码器1 译码输出的外信息嵋i 序列进行交织得到z 2 。，同 时也将接收信息序列y 。进行交织得到芘。然后将丘、z 2 。和接收校验序列 y ：b 送入分量译码器2 进行译码，译码输出为外信息序列w 2 。和似然值序列 丑( 以) 。将外信息序列w ：。解交织得到z i 。自第二次迭代开始，送入分量译 码器1 的输入加入了来自分量译码器2 的外信息序列z l 。；除此之外，每次迭 代运算均与第一次迭代运算相同。 判决输出：迭代计算p 次后。对分量译码器2 输出的似然值解交织后判 决输出，完成译码。 循环迭代结构的形成就是由外信息在两个分量译码器之间的传输形成 的。在外信息的作用下，一定信噪比下的误比特率将随迭代次数的增加而下 降。同时，外信息与内信息的相关性也逐渐增大，外信息所提供的纠错能力 2 2 晗尔滨工程大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ i i - _ _ _ _ - l _ _ _ _ l _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ - - _ i _ - l l _ _ _ _ _ l _ i i - _ _ _ _ _ i _ 逐渐减弱。在循琢一定次数之螽，译褥往撬不秀撬离，这翔键和。一般速找 次数p 为l o 次左右，在l o 次之后，性能提菇不大。由于这种将输出反馈到 前端的迭代结构类似于气轮机的工作原理，所以b e r r o u 等人将其命名为 t u r b o 码。 t u r b o 码的译码算法生要有m a p ( m a xap o s t e r i o r ) 算法和s o v a ( s o f t - o u t p u t v i t e r b i a l g o r i t h m ) ，对它裁熬研究主要疆绕译弱毪撩、跨延强实嚣复杂 度。m a p 算法性能好，假复杂度太高，在实际通信虚用中受到限制；s o v a 算法简单，往能差，不稳定。毽在t u r b o 码豹译码巾，无论采用什么译码算 法，爨后都可归为似然比计算f l ”。并且由数攒的先骏概率、售道概率、迭代 附加概率三部分组成，通过反复迭代，增加最后输敝软判决的可靠性，遮就 是t u r b o 码泽疆熬避过多次迭代提裹译码正臻搴熬蹶因。 3 2 3 基予后验概率的软输滋译褊算法 3 2 ，3 im a p 译码冀法 f o m e y 等人已经证鳃了最优静较输出译稻器应该是后骏概率译码器，它 是以接收信号为条传的某个特定比特传输概率。 在m a p 算法提出后的将近2 0 年时间里，由于其大计算量和硬件实现高 复杂撬嚣一豢没有褥到耋援。壹裂1 9 9 3 零t u r b o 磅戆发鹱考在茭最裙麴t u r b o 迭代译码方案中采用了修正的m a p 算法，人们才重新开始研究该算法，并 涯绢了次算法是实现t u r b o 迭代译码鸹豢鲟静次最鬣算法，但是英实现阮较 复杂 m a p 算法是基于码字格图的软输出译码算法，目的是使比特镄误概率最 奎l ，l 。译玛嚣靛主要任务裁是计舞在接收采榉祭搏下琴露发送符号熬摄零， 即p ( u 。= iv ) ，而聪将接收采样判决为概率值激大的信息符号即 r，、1 女= a r g i 雹野p 如，= “i y j l ( 3 9 ) l# l k 。 ， 其中，0 ) 期0 ) 分别为边e 的起始状态和终止坎态，k 为时闻豢弓l ； 。一兰筌罄擎耄鎏圭i ：簦鲨。一一一 。 2 誉k 墅悠鳓毒裔鼎) 机为时刻的输入信息比特；一厶、二叮气0 ) ： & 为k 对刻的编码输出弼字。 ：。立二、- 2 南磊咖似鲫，k ，璀t ) 。翮1 。密t 钕概波簖) ( 3 _ 1 0 ) a k g ) = p g ：0 ) ，巧卜1