（通信与信息系统专业论文）mccdma系统上行链路中的多用户检测技术.pdf

氅玺鎏三堡銮兰翟圭兰垡鲨苎 摘要 随着对通信业务范围和业务速率要求的不断提高，人们已经把目光越来 越多的投向三代以后( b e y o n d3 0 ) 移动通信系统中。多载波c d m a ( m c c d m a ) 综合o f d m 与c d m a 技术优点，具有频谱效率高、抗i s i 能力强等优点， 因而近年来作为后3 代的候选之一。另外，其调制解调部分可采用离散傅 立叶变换，通过数字信号处理( d s p ) 技术实现，符合向软件无线电发展的趋势， 是近几年研究的热点之。 对于m c c d m a 系统而言，不同用户的信息是通过不同的沃什码来识别 的。由于多普勒频移和多径衰减，导致各个子信道的衰落不一致会破坏扩频 序列的正交性，而且在上行链路中，不同用户之间同一子信道的衰落也不一 样。因此想要完全实现m c c d m a 技术所带来的性能提高，还需要进行相关 关键技术的研究，而多用户检测技术就是其中之一。 本文在详细分析了c d m a 系统中各种多用户检测器的基础上，并结合 m c c d m a 的特点，提出了两种新的并行干扰消除多用户检测方案：选择性 并行干扰消除( s p i c ) 和软并行干扰消除( s o f t - p i c ) 。这两种方案的主要优点是 根据前一级检测出来的各个用户信号的可靠性，通过离散或连续的量化方法， 来重构干扰信号以获得期望用户信号，从而更准确地消除多址干扰，提高系 统性能。仿真结果表明，s - p i c 在很大程度上减小了系统的运算复杂度，提 高了速度，并且使误码率性能进一步提高；s o f t p i c 相对误码率性能改善不 多，但理论分析证明它在消除多址干扰方面更有效，因此在实际应用中是值 得进一步深入研究的多用户检测方案。 关键词：多载波c d m a ；正交频分复用；多用户检测；并行干扰消除 堕玺鎏苫堡查主堡圭兰垡鲨塞 a b s t r a c t w i t ht h e i n c r e a s i n g d e m a n do fc o m m u n i c a t i o n ss e r v i c e r a n g e a n d c o m m u n i c a t i o n ss e r v i c ed a t ar a t e ，p e o p l eh a v ep a i dm o r ea t t e n t i o nt ob e y o n d3 g m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s s y s t e m m u l t i c a r r i e rc d m a ( m c c d m a ) ，w h i c h c o m b i n e st h ea d v a n t a g e so f o f d ma n dc d m a ，i sc h a r a c t e r i s t i co f s u c hm e r i t sa s h i g hs p e c t r a le f f i c i e n c ya n dg o o di n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) s u p p r e s s i o n t h e r e f o r ei th a sb e e nv i e w e da so n eo ft h ec a n d i d a t e sf o rb e y o n d3 gm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e mi nr e c e n ty e a r s b e s i d e s ，i t sm o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o n c a nb ei m p l e m 6 n t e db yt h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) i nv i r t u eo f d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ( d s p ) t e c h n o l o g y , w h i c ha c c o r d sw i t ht h ed e v e l o p m e n t a lt r e n do f s o f t w a r er a d i o t h u sm c c d m ah a sb e e no n eo ft h em o s tp o p u l a rr e s e a r c h t o p i c sr e c e n t l y , f o rt h em c c d m as y s t e m d i f f e r e n tu s e r sa r er e c o g n i z e db yd i f f e r e n t w a l s h - h a d a m a r d ( w h ) s e q u e n c e s h o w e v e r , t h eo r t h o g o n a l i t y o ft h e s p r e a d s p e c t r u ms e q u e n c e sw o u l db ec o r r u p t e db yd i f f e r e n ta t t e n u a t i o n so v e r e a c hs u b c a r r i e rd u et o d o p p l e rf r e q u e n c y s h i f ta n d m u l t i ：p a t hf a d i n g f u r t h e r m o r e ，t h ea t t e n u a t i o n so v e rt h es a m es u b c a r r i e r sa m o n gd i f f e r e n tu s e r sa r e a l s od i f f e r e n ti nt h eu p l i n ks y s t e m t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h er e l e v a n t k e yt e c h n o l o g i e si no r d e rt oa c h i e v et h eg r e a tp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n tb r o u g h t b ym c c d m at e c h n o l o g y m u l t i u s e rd e t e c t i o n ( m u d ) t e c h n o l o g yi so n eo f t h e m b a s e do nt h ea n a l y s i so fa l lk i n d so fm u l t i u s e rd e t e c t o r si nc d m as y s t e m a n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h em c c d m at e c h n o l o g y , t w on o v e lp 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 s ( p i c ) m u da p p r o a c h e sa r ep r o p o s e di n t h i st h e s i s ：s e l e c t i v e p i c ( s p i c ) a n ds o f t p i c t h ed i s t i n c ta d v a n t a g eo ft h e s et w oa p p r o a c h e si st h a t t h er e c o n s t r u c t i o no fe a c hi n t e r f e r e n c es i g n a li sb a s e do nt h er e l i a b i l i t yo fe a c h u s e r s i g n a ld e t e c t e di nt h ef o r m e rs t a g eb yq u a n t i f y i n gt h e md i s c r e t e l y o r 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c o n t i n u o u s l y 1 1 1 ed e s i r e du s e rs i g n a li so b t a i n e db ys u b t r a c t i n ga l lt h e o t h e r i n t e r f e r e n c es i g n a l s n i sa l g o r i t h mc a l lc a n c e lm a ii nam o r ea c c u r a t ew a ya n d t h u si m p r o v i n gt h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ts - p i c c a nd e c r e a s es y s t e mc o m p l e x i t ya n di n c r e a s et h ed e t e c t i o ns p e e da sw e l la s a c h i e v i n gt h eb e rp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t ；s o f l - p i cc a nn o ta c h i e v eq u i t e h i 曲i m p r o v e m e n tt h o u g h ，i ti sm o r ee f f i c i e n ti nt e r m so fm a is u p p r e s s i o nw h i c h i sp r o v e dt h e o r e t i c a l l y t h e r e f o r es o f t - p i cm u d s c h e m ei sw o r t hf u r t h e rr e s e a r c h i nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：m c c d m a ，o f d m ，m u d ，p i c 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，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的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担： 作者( 签字) ：差坐鳖 日期：2 何年f 月，日 堕玺鎏三堡盔主霉圭兰售鲨塞 第1 章绪论 1 1 移动通信的发展状况 现代移动通信技术的发展始于2 0 世纪2 0 年代，但是一直到7 0 年代中期 才迎来了移动通信的蓬勃发展时期。第一代蜂窝移动通信系统出现于8 0 年代 早期，采用频分多址和模拟技术，包括模拟蜂窝和无绳电话。舆型的系统有 美国的a m p s 、英国的t a c s 、前西德的c 4 5 0 蒋。由于模拟技术具有频谱 利用率低、抗干扰性差、系统保密性差等缺点，囡雨不适合多媒体通信业务 的需求。8 0 年代中期，数字移动通信系统进入发展和成熟期，第二代移动通 信系统也随之出现。典型的系统有欧洲的全球移动通信系统( a s m ) 、美国 q u a l c o m m 公司推出的窄带码分多址( c d m a ) 蜂窝移动通信系统。 第二代移动通信系统主要是为支持话音和低速率的数据业务而设计的。 但是随着人们对通信业务范围和业务速率要求的不断提高，已有的第二代移 动通信网将很难满足新的业务需求。为了适应新的市场需求，人们正在制定 第三代f 3 g ) 移动通信系统，它是从现有的第二代移动通信演进和发展而来， 并不是完全重新建设一个移动通信网，所以有理由认为第三代系统仅仅是从 窄带向未来移动通信系统过渡的阶段。 目前，人们已经把目光越来越多的投向三代以后( 超过3 g ) 的移动通信系 统中，使其可以容纳庞大的用户数、改善现有通信品质不良，以及达到高速 数据传输的要求。若从物理层技术层面上来看，3 g 移动通信系统主要是以 c d m a 为核心的技术，3 g 以后的移动通信系统有三种备选方案【l 】：正交频 分复用( 直角的频率分开多工法) ，空时技术( 时空建筑) 和超宽带( 过激的多种 频率的) ，其中以正交频分复用( o f d m ) 最受瞩目。 正交频分复用( o f d m ) 技术是一种高效的并行多载波传输技术，它将所 传送的高速串行数据分解并调制到多个荠行的正交子信道中，从而使得每个 子信道的码元宽度大于信道时延扩展，通过加入循环扩展，有效保证了系统 不受多径干扰引起的码间干扰( i s l ) 的影响。对传统c d m a 这类串行系统来说 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 无线信道是频率选择性衰落信道，而对o f d m 中的每个并行正交子信道来说 已经变成了非频率选择性衰落信道。因此它能够非常有效地对抗多径衰落， 同时使受到干扰的信号能够可靠地接收。 由于c d m a 技术在系统容量、抗干扰、软切换等方面具有诸多的优势， 己成为i t u 制定的第三代陆地移动通信系统的主流空中接口技术。但是 c d m a 的码元周期大大缩短，因而在高速( 宽带) 数据传输时必然受到码问 干扰( i s i ) 的影响，尤其在多径衰落比较严重的无线信道中传输时，码间干扰 ( i s i ) 更为严重。由于多径衰落和现有频率带宽的限制，c d m a 系统的数据传 输速率只能达到2m b p s 。随着多媒体技术的快速发展，移动用户对业务种类 的需求己从单纯的话音迈向高质量的音频和活动图像，这时c d m a 系统已不 再适用，而多载波技术具有很强的抗多径干扰的能力。因此，人们开始寻找 将多载波应用于c d m a 的技术途径，而综合o f d m 与c d m a 技术优点的多 载波c d m a ( m c - c d m a ，m u h i c a r r i e r c d m a ) 已成为各国学者研究的热点。 1 2 多载波传输技术简介 多载波传输的概念出现于2 0 世纪6 0 年代，它将高速率的信息数据流经 串并变换，分割为若干路低速数据流，然后每路低速数据采用一个独立的载 波调制并迭加在一起构成发送信号。在接收端用同样数量的载波对发送信号 进行相干接收，获得低速率的信息数据后，在经过并串变换得到原来的高速 信号。由于信道中多径时延功率谱的扩散区间是由信道客观特性所决定的， 然而决定系统传输性能的不是扩散区间的绝对值，而是扩散区间在被传送信 息码元中所占的相对百分比。 r a k e 接收是在不改变发送信息码元周期即不降低信息码元速率并在较 严重的多径扩散的条件下，采用扩频码将传播的多径信号能量分离、校正， 并加以收集利用，化害为利，从而设法消除多径干扰的影响。多载波技术与 r a k e 接收的思想不同，它是将待发送的信息码元通过串并变换，降低速率， 增大信息码元周期，减少多径时延扩散在接收到的信息码元中所占相对的百 分比值，以削弱多径干扰对传输系统性能的影响。 多载波传输技术有多种提法，如正交频分复用( o f d m ) 、离散多音调制 一堕奎鎏三辇盔兰鎏圭主警笙銮 ( d m t ) 和多载波调带r j ( m c m ) 。这三种提法在一般情况下等同，只是在o f d m 中各子载波保持相互正交，而在m c m 中这一条件并不总成立。 子载波间存在三种不同的设置方案：第一种是传统的频分复用，将整个 频带划分成n 个不重叠的子带，在接收端用滤波器组进行分离，这种方法简 单、直接，但是频谱的利用率低，子信道之间要留有保护频带，而且多个滤 波器的实现也有不少困难；第二种采用偏置q a m ( s q a m ) 技术，在3 d b 处载 波频谱重叠，其复合谱是平坦的，子带的正交性通过交错同相或正交子带的 数据得到( 即将数据偏移半个周期) ；第三种方案即o f d m ，各子载波有1 2 的重叠，但保持相互讵交，在接收端通过相关解调技术分离出来，避免使用 滤波器组，同时使频谱效率提高近1 倍1 2 1 。 1 3 引入多用户检n ( m u d ) 的必要性 在蜂窝移动c d m a 系统中，干扰可以大致分为三种类型：加性白噪声干 扰、多径干扰和多用户间的多址干扰( m a i ) 。由于在同一个小区间，同时通 信的用户不是_ 个而是多个，在c d m a 中多个用户均占用同一时隙、同一频 率，所不同的是选取的地址码不一样，而实际选用的地址码间的互相关函数 又不可能全部达到理想状态的全为零，因而造成了多个用户同时通信时，必 然产生多址干扰( m a i ，m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e f e n c e ) 。当小区中同时通信的用 户数较多时，m a i 成为最主要的干扰，极大地限制了系统用户容量的提升。 常规的c d m a 接收机采用匹配滤波器的结构，但是这种结构的接收机并 没有考虑到信道中m a i 的存在，因此系统容量始终无法提高。工程上可以采 用功率控制技术来克服由于远近效应造成的m a i ，即实现对不同远、近用户 到达基站接收点的功率或信噪比平衡一致，显然功控只能尽可能减少m a i 的影响，但并不能从根本上消除m a i 。要想真正消除m a i ，大幅度提高系统 容量，必须通过多用户检测( m u d ，m u l t i u s e r d e t e c t i o n ) 技术。而且在接收机 端使用多用户检测技术，要获取当前所有活动用户的信息，只有基站才能做 到这点，因此非常适用于上行链路。 多用户检测的提出是基于最佳信号检测理论，寻求蜂窝式c d m a 的多用 户的最优联合检测理论。多用户检测接收机充分利用有用伪码多址的已知结 一 堕玺鎏苫堡盔兰堡圭兰g 笙耋 构信息与统计信息联合检测，可以同时消除和削弱多址和多径干扰( 多径干 扰与多址干扰实质是一样的，都来源于伪随机码) ，还可以抵抗远近效应。 1 4 本课题的背景和主要工作 m c c d m a 综合o f d m 与c d m a 技术优点，具有很好的性能，因而近 年来作为后3 代的候选之一，被中外学者广泛研究。而在m c c d m a 接收机 中使用多用户检测技术也是近年来研究的重点之一。 图1 1m c c d m a 上行链路系统模型 本课题研究的主要内容是m c c d m a 系统上行链路中的多用户检测技 术。上行链路的系统模型如图1 1 所示。每一个用户都是使用不同扩频码的 m c c d m a 发射机。由于每个用户的位置不同，他们与基站之间传输的信道 也就不相同。用户发送的信息通过各自的信道后，相互叠加，被基站接收。 可以看出在上行链路中，由于每个用户经过的信道不同，而每个信道的传输 函数不相同，所以每个用户的衰减就不同，这就导致了用户之间扩频序列的 正交性被严重破坏。如果采用传统的匹配滤波器来检测，因为很大的多址干 扰( m a o ，所以接收机的误码率性能不是很好。在这种情况下就需要采取多 用户检测技术来消除多址干扰，使接收机在兼顾系统复杂度的情况下性能达 到最优。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本课题研究工作主要有以下几个方面： 分析m c c d m a 发射机，接收机原理与结构，并构造m c c d m a 上行 链路的仿真系统模型。 通过公式推导和仿真结果比较几种常用的m c c d m a 单用户检测技术， 并介绍了一些改进的算法。 多用户检测技术( 迭代检测) 在m c c d m a 的应用。 提出改进的多用户检测算法：选择性并行干扰消除( s p i c ) 和软并行干扰 消除( s o f t - n c ) ，并通过蒙特卡罗仿真分析m c c d m a 上行链路的误码率 性能。 本论文的结构安排如下： 第二章，c d m a 中的多用户检测技术 第三章，介绍o f d m 、m c c d m a 的原理及应用 第四章，m c 。c d m a 中的检测合并技术( 单用户检测技术) 第五章，m c c d m a 中的多用户检测技术 1 5 本章小结 本章主要包括了四个方面的内容，即：概述了移动通信的发展状况，指 出m c c d m a 是未来宽带移动通信的发展趋势；简要介绍了多载波传输技术 的原理；解释了多址干扰产生的原因和引入多用户检测的必要性；最后，介 绍了本课题的背景、所作的主要工作与论文的体系结构。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章多用户检测 c d m a 系统中的主要干扰是码间干扰和多址干扰( m a i ) 。多址干扰主要 是由于多个用户共享一个信道，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。若不同用户的特征波形( 扩频波形) 是正交的，那么将接 收信号与特定用户的扩频序列求相关的接收机是最佳接收机，多址干扰根本 就不存在。然而，由于用户之间的不同步以及不同用户的信号是以不同的时 间延时到达接收机的，所以不可能使特征波形在所有可能的相对延时范围内 正交。由于多址干扰的存在，传统的匹配滤波接收机或相关接收机存在以下 两个问题； i 干扰低限( i n t e r f e r e n c ef l o o o ：由于干扰信号与期望信号不正交，所以 期望用户的一般匹配滤波器的输出会含有来自多址干扰的贡献。因 此，即使接收机热噪声电平趋于零，匹配滤波器接收机的错误概率由 于多址干扰的存在也会表现非零的下界( 称为干扰低限) 。这就使得 相关接收机很难达到低误码率。 i i 远近问题：在扩频序列不正交的情况下，如果干扰用户比期望用户距 离基站近得多，干扰信号在基站的接收功率便会比期望信号的接收功 率大得多，扩频序列与干扰用户之间的相关性就可能比扩频序列与期 望用户之间的相关性大，于是传统的相关接收机的输出中多址干扰的 分量就有可能很严重，期望用户有可能被淹没在干扰信号中【3 1 。 由于上述原因，需要使用多用户检测来有效的抑制多址干扰。多用户检 测技术是一种从接收机端的设计入手的干扰抑制技术，它要解决的基本问题 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 用户检测主要分线性和非线性检测：线性检测主要有最大似然检测，解相关 检测，最小均方误差检测等；非线性检测主要就是串行干扰消除( s i c ， 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 ) 和并行干扰消除口i c ，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 e r ) 。在后面会一一介绍。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 陛能测度 在具体介绍各种多用户检测之前，有必要先介绍多用户检测器的性能评 价指标。在多用户检测器的性能评价指标中，误码率、渐近多用户有效性和 抗远近能力是三个最重要的性能测度。 1 误码率 在多用户检测中，最关心的性能指标是检测器在高信号一背景噪声比范 围内的误码率( b e r ：b i te r r o rr a t e ) 。大多数通信系统的基本目标都是减小误 码率。 假定在加性高斯白噪声信道中只有个具有能量匝的单独用户女，而噪 声方差为盯2 。该单个用户的误码率定义为 ( 力竺o ( 挣1 ( 2 - 1 )b ，m ( 力2 【1 紊 式中，下标肋表示单用户系统，而q ) 2 了杀f 。1 1 2 d u 为q 函数。 当存在干扰用户时，误码率便会增大。此时，在定义式( 2 1 ) 中，需要用 期望用户k 的有效能量( e f f e c t i v ee n e r g y ) e k ( 代替其实际能量丘，即在多用 户系统中期望用户的误码率定义为 荆詈q ( 伊) 最( = q | 1 篓子l ( 2 - 2 ) 式中，吼( 盯) 定义为第k 个用户达到最。( 盯) ( 在同一高斯白噪声信道中无干 扰用户时的误码率) 所需要的能量，故称为第k 个用户的有效能量。 2 渐近多用户有效性 即使背景噪声不能忽略，检测器的性能还是主要由多址干扰引起的检测 器性能损失。这一性能损失常用渐近多用户有效性( a s y m p t o t i cm u l t i u s e r e f f i c i e n c y ) 来衡量。渐近多用户有效性是v e r d u 于1 9 8 6 年引入的，它是衡量 干扰用户对于期望用户误码率影响的测度，常简称渐近有效性。 多用户有效性定义为多用户系统达到单用户系统相同误码率( b e r ) 所需 能量与单用户系统所需能量之比，即 7 堕：鎏三堡盔兰鎏圭主售笙銮 姒永警 ( 2 3 ) 当噪声方差趋于零即a o 时，有效性的极限称作第j 个用户的渐 近有效性，计作玑。即是说，渐近多用户有效性定义为在高信噪比范围内多 用户有效性仇的极限，写作 2 s u p 嘶乱嬲煮。0 口_ + 0 fk p q l 卫i = 云嬲卜g 志ib ”o l9 只( 口) j ( 2 4 ) 上式中，s u p 表示上确界。渐近有效性玑的取值介于0 和l 之间。 3 抗远近能力 接收功率的不相等会引起远近效应：接收功率弱的用户会被接收功率强 的用户淹没。因此，要求多用户检测器具有抵抗远近效应的性能。这就需要 对多用户检测器抵抗远近效应的鲁棒程度进行量化，这一量化通常用“抗远 近( 效应) 能力”( n e a r - f a rr e s i s t a n c e ) 来描述。 抗远近能力定义为在所有有关用户能量范围内测量到的最坏情况下的渐 近有效性，即 玩= i n f 。 叩 】 ( 2 5 ) j “ r 盟乓 p 一 胁 = 哆 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上式中，i n f 表示下确界。抗远近能力取决于特征波形和解调器 3 1 。 2 2 系统模型 多用户检测器一般都有一前端装置，即让接收信号先通过一组匹配滤波 器，然后对各路匹配滤波器输出再采样。这样，从接收到的连续时间波形r ( f ) 得到离散时间信号y ( f ) ，如图2 1 所示扪。 图2 1 匹配滤波器组 简化的接收信号模型为 ，o ) = 乏：4 嚷& ( r ) + 盯”( f ) t o ，t 】 ( 2 6 ) k l l 上式中，丁是字符间隔( 即码元间隔) ；b t 是第女个用户发送的字符序列( 信 息序列) ；a 。表示第七个用户的信号幅值( 髯2 代表接收能量) ；如( 0 是第 k 个用户的扩频波形；n ( o 是单位功率谱密度的高斯自噪声。 第个匹配滤波器的离散时间输出y 。( i ) 可以用基带形式表示成 x y a i ) = 4 以( f ) + a j b j ( i ) & , + 1 1 k ( 2 _ 7 ) j = l ，j 式中，p 。是第，个用户与第k 个用户特征波形的互相关，定义为 野= fj ，( f ) ( ，) 防。而怫= 仃f ”( f ) ( r ) 出是均值为零、方差等于盯2 的高斯 堕玺鋈三堡盔兰坚圭兰簦鲨銮 随机过程。 若令s = 卜1 ，j 2 ，s 盯 7 ，a = d i a g a ，爿：，厶】，并记归一化的互相 关矩阵r = e s 7 ) = k 1 ；：。，其对角线元素p 。= 1 ，则式( 2 7 ) 可以用向量表 示为 y = r a b + n( 2 - 8 ) 并且有斗f _ 孑r 。其中，y ：y l , y 2 , - , y , v r ，b ： 6 。，6 ：，k r 。 2 3 最优多用户检濑0 器 s v e r d u 在1 9 8 6 年提出了最优多用户检测器。它以匹配滤波器加维特 比算法来实现最大似然序列检钡u ( m a x i m u ml 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 l s d ) ，如图2 - 2 所示。 叫兰墅箜兰二卜 维特比 l j 同步2 算法 ，陌甄，x 丝1 2 - 1 用由f 广 图2 2 最优多用户检测器 最优检测本质上是一个序列检测问题，即对接收信号序列的整体进行处 理，采用最大似然序列准则找出一个接收信号序列，使得给定输出序列的似 然函数最大。式( 2 ，9 ) 给出了判决矢量b 的表达式 哈尔滨工程大学硕士学位论文 涵g 躐e x p ( 专 一否k 愚吼r ) h p ， 理论上采用最大似然序列检测器可以逼近无多址干扰的单用户接收机性 能，并有效地克服了远近效应。但在同步c d m a 系统中，维特比算法要在有 k 个用户的共2 。个可能的组合中找出一组最优组合b = 【6 ，6 ：，b 。j ，它的运 算量随着k 的增加而呈指数增加。而且m l s d 检测器需要知道接收信号的幅 度和相位信息，这要通过估计来得到。由于最优多用户检测的运算复杂度太 高而无法实现，在以后的十几年里，出现了许多次最优多用户检测方案，包 括线性和非线性多用户检测器【1 5 。 2 4 线性多用户检；9 1 4 器 基于最优检测器原理建立的c d m a 次最优线性多用户检测器主要有解 相关检测器和最小均方误差检测器两种。它们是通过将匹配滤波器组的输出 经过线性变换，来消除多址干扰。如图2 3 所示。 一此瞿霉鼍葡l - 户2 二+ h 旦生! r 赢一 线性变换 l 一 同步2 r f ，陌甄x 丛型 1 田白fr 图2 3 线性多用户检测器 2 4 1 解相关检测器 多址干扰是由于不同用户的扩频波形不正交( 即存在线性相关) 引起的。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 因此，为了抑制多址干扰，将所有用户扩频波形之间的线性相关解除掉，使 不同用户的扩频波形实现正交，这就是解相关多用户检测器的基本思想。 k 个匹配滤波器输出的向量形式为式 y = r a b + n 上式中n 为高斯随机向量，其均值为零、协方差矩阵为o - 2 r 。为了消除各用 户扩频序列的互相关性，也就是消除上式中的r ，将y 经过线性变换矩阵 t = r 。即 r _ 1 y = r _ 1 r a b + r - 1 u = a b + r - 1 n( 2 1 0 ) 由于式( 2 1 0 ) 没有来自其它用户的干扰，故检测器判决输出反= s g n 【( r y k 】 与所有以，i _ j 独立，唯的干扰源为背景噪声。 解相关检测器可以消除各用户扩频序列间的互相关性，完全消除了 m a i 。而且噪声不依赖于干扰功率，最佳地抑制了“远近效应”嘲。因为不 需要估计接收信号幅度，计算复杂度远小于最优检测器。但噪声功率可能会 放大，且r 的获取需要所有用户序列的先验信息，矩阵求逆运算量大且对时 延估计值的准确度要求高。 2 4 。2 最小均方误差检测器 最小均方误差( m m s e ) 线性多用户检测器的设计目标就是第女个用户的 发送信号b 。与其估计值之间的均方误差达到最小。m m s e 检测器的问题也等 价为：在m m s e 准则下求最佳矩阵t ，使均方误差定义的代价函数 l ，( t ) = e i i b - t y l l 2 ( 2 1 1 ) 最小化。 推导后，得出最佳矩阵t t 嬲g = ( r + 盯2 a 一2 ) 一1 ( 2 - 1 2 ) m m s e 检测器在解调有用信号和不增强背景噪声之间作了平衡。在考虑 噪声的影响和利用信号功率的同时，准则是使判决输出和传统检测器的软判 决输出之间的均方误差最小。由于线性变换时考虑了背景噪声，因此误码率 性能优于解相关检测器。但是由于其性能取决于干扰用户的功率，因此抗“远 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 近效应”能力不如解相关检测器。它要求对接收信号的幅度进行估计1 2 2 1 ，并 且也需要进行矩阵求逆运算。当背景噪声趋于零时，即o - _ 0 时，m m s e 检 测器收敛为解相关检测器；当背景噪声趋于无穷时，即o - 一o o 时，m m s e 检 测器退化为传统匹配滤波器。 2 5 非线性多用户检测器 非线性多用户检测器是基于判决反馈的干扰消除( i c ，i n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o n ) 检测技术的多用户检钡4 器。其基本思想是先解出各用户的数据 比特，再根据信道估计将该数据比特重构，即重构出期望用户的干扰信号， 再从原接收的信号中减去这一重构的干扰信号，以达到干扰消除的目的。主 要包括串行干扰消除检测器、并行干扰消除检测器和判决反馈多用户检测器。 2 5 1 串行干扰消除检测器( s i c ) i 一一一一一一一一一一一。一一一。一1 一一1 图2 4 串行干扰消除检测器( 第m 级) 串行干扰消除( 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 a t i o n ，s i c ) 检测器如图2 4 所示，它给出了s i c 第埘级的结构框图。检测器首先根据各用户信号功率估 值对用户进行排序，按功率从高到低的顺序对各用户信号依次进行对消和估 喧玺鎏三堡丕兰堡圭兰垡鲨奎 计，即先解调出最强信号功率的用户，从总的接收信号中减去最强功率信号， 这样就去掉了最强的m a l 分量，然后去除次强的m a l 分量，依次对消直至 最弱的用户。以第一级为例，它的输出是信号功率最强的用户的数据判决和 除去该用户造成的m a i 以后的接收信号。这样，与p i c 相比，其结构简单、 计算复杂度有很大下降。但是每一级对消会带来1 比特时延，这样在比特时 延与对消的用户数目上必须要折衷；其次，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排，这样又必须在处理器的复杂度与可接受 的功率精度上折衷。另外，s i c 的性能很大程度上取决于用户功率的分布， 如果接收端各用户的信号功率大致相等，其性能要比p i c 的性能差很多。 2 5 2 并行干扰消除检测器( p i c ) 图2 5 并行干扰对消检测器( 第，级) 并行干扰消除( 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 ) 检测器对所有用户 进行同样的操作。首先，用各匹配滤波器的输出作为各个用户的首次估值信 号，在此基础上重构出接收信号。对某个用户k ，从总的接收信号中减去其 他所有干扰用户的信号，就得到对此用户信号新的估值。对所有用户进行这 种分阶段的迭代运算，便可得到对消了m a i 的输出信息序列。如图2 5 所示 为p i c 第，级结构框图。p i c 检测包含多级处理，每级的判决输出都馈送到 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 下一级，而且它不需要按用户信号强弱排序，各用户可同时得到判决输出。 当接收的各用户信号功率较接近时，采用p i c 代替s i c ，判决变量内消除了 其他所有用户的多址干扰，因此获得更好的性能；当接收的各用户信号功率 相差较大时，s i c 具有其独特的优势。由于p i c 存在一个极限性能，开始几 级对误码率改善显著，但以后的性能提高不大。所以从处理延时和复杂性考 虑，一般实际应用时只取2 到3 级弘“。 2 5 3 判决反馈多用户检测器( d f d ) 匹 按 部 配 功 分 滤 率 解 波 排 相 s i c 器 序 关 组 ( f 7 ) _ 1 6 l 6 2 图2 6 判决反馈多用户检测器 判决反馈检测器( d e c i s i o nf e e d b a c kd e t e c t o r , d f d ) 两部分组成，线性预 处理以及一个类似于s i c 的部分，图2 6 给出了判决反馈多用户检测器的原 理框图。先将匹配滤波器组的输出根据功率，从大到小对用户进行排序，不 妨设用户1 到用户k 按功率降序排列。再送到线性预处理部分，线性预处理 部分的作用类似于解相关器，实际上相当于一个信道白化滤波器。信道响应 矩阵r 定义为扩频信号的互相关矩阵。由矩阵理论可知，对r 进行c h o l e s k y 分解得到r = f7 f ，其中f 是一个下三角阵。将匹配滤波器的输出乘以 【f 7 j1 ，可以使输出的噪声白化，得到 歹= ( f 1 ) y = f a b + 百( 2 - 1 3 ) k 一- j 死= 4 b k + a j b j + 瓦 ( 2 - 1 4 ) ，= l 式( 2 1 4 ) 6 0 ，第一项是期望用户的信号，第二项是多址干扰，第三项是噪声。 可以看出，这里噪声已经白化。第一个用户不受多址干扰的影响，而对于第 哈尔滨工程大学硕士学位论文 k 个用户，多址干扰只来源于用户1 到用户缸1 ，也就是能量比他大的用户。 这种特性很适合用s i c 的结构来消除多址干扰。 如图2 6 所示，白化后的信号f 输入到s i c ，干扰被消除后，得到每个 用户的数据l 占。，占：，6 。f 。如果前面的判决都是正确的，通过信道估计就可 以精确地恢复各发射信号，从而完全消除多址干扰。判决反馈检测器可使最 强信号的检测性能等同于解相关检测器，而最弱用户的检测性能则接近于单 用户界2 m 。但是它同时具有解相关检测器和s i c 检测器的缺点，仅在理论上 具有很好的性能，实际工程上不采用。 2 6 自适应和盲自适应多用户检测器 2 6 1 自适应多用户检测器 自适应多用户检测利用了自适应滤波的原理，在多用户检测中采用自适 应方法的主要原因是由于在时变多径信道下，那些原本已知的干扰用户扩频 码结构信息参量是时变的未知量，而采用白适应方法可以直接找到这些滤波 器参量，另外一个原因是为了避免繁杂的计算和为了实现的方便。 自适应多用户检测器主要是用于应用短码扩频的c d m a 系统。由于这时 信号是周期性平稳的，通过码片匹配滤波器的输出是平稳的随机矢量，这样 才能应用自适应算法来进行学习、训练、跟踪。 自适应检测器，按照最终收敛的实现可以分为：自适应解相关检测器和 自适应m m s e 检测器【4 j 。 2 6 2 盲自适应多用户检测器 自适应多用户检测需要发送训练序列，这不仅占用一定的时隙资源，而 且还要占用功率资源，提高发送训练序列的信号功率，以保证判决的可靠性。 特别是在时变多径衰落信道中，为了适应时变信道，必须较频繁的发送训练 序列，从而大大降低了系统的性能。因此人们开始考虑并研究无需训练序列 的自适应多用户检测。只使用观测数据，不需要训练序列的自适应多用户检 测称为盲自适应多用户检测，简称盲多用户检测。它是h o i f i g 等人于1 9 9 5 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 年首先提出来的。但盲自适应检、钡十算法的最大问题是其收敛速度是否能跟上 时变衰落特性。 由于盲自适应多用户检测器不需要发送训练序列，也不需要其他用户的 扩频序列信息，它所需的信息几乎与传统的检测器相同，因此它本质上是一 种单用户抗多径自适应检测器。自适应滤波型的盲多用户检测器与空域滤波 器、横向均衡器一般都属于线性滤波器，因此它可以在空域滤波器和横向均 衡器中找到类似的对应算法。 2 7 本章小结 本章讨论了多用户检测的基本原理和分类。首先介绍了多用户检测器的 性能测度和系统模型，接着介绍了最优多用户检测器。由于最优多用户检测 要求已知的信息太多、计算复杂度与用户数成指数增加，几乎不可能实现， 所以本章着重介绍了次最优多用户检测器，包括线性多用户检测器和非线性 多用户检测器。最后介绍了自适应和盲自适应多用户检测器。 对于次最优多用户检测器，其复杂度虽然与用户数不再是指数关系，但 仍然具有相当的复杂度。寻找复杂度与性能之间的合理折衷是实用化多用户 检测器研究的主要方向。比较而言，干扰消除检测器在性能与复杂度的折衷 上优于现有的线性多用户检测器，在实际应用中更加有应用的前景。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章多载波c d m a f l j f j 基本原理 3 1 正交频分复用( o f d m ) 技术 3 1 1o f d m 的历史与现状 正交频分复用( o f d m ) 是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作一 种调制技术，也可以被当作一种复用技术。o f d m 最早起源于2 0 世纪5 0 年 代中期，在6 0 年代就已经形成了使用并行数据传输和频分复用的概念。 6 0 年代o f d m 技术已经被应用到多种高频军事系统中，1 9 7 0 年1 月首 次公开发表了有关o f d m 的专利。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 把离散傅里 叶变换( d f t ) 应用到并行传输系统中，作为调制和解调过程的一部分，从而 大大简化了系统实现的复杂度。 8 0 年代中期，o f d m 已经在数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 、 基于i e e e 8 0 2 ，1 1 标准的无线本地局域网( w l a n ) 以及有线电话网上基于现有 铜双绞线的非对