通信信号处理第四章2013课件

第四章多用户检测技术基本的多址方式有FDMA、TDMA和CDMA三种，其中CDMA是一种以扩频通信为基础，基于时频共享方式的多址技术。主要优点：系统容量大、抗干扰性强、保密性好、发射功率低、电磁干扰小等，是3G移动通信系统主要的多址接入手段。在CDMA中，DS-CDMA方式应用最为广泛。信号模型：第四章多用户检测技术在接收端，利用匹配滤波器组，通过相关处理执行各路信号检测第k路信号输出接收信号与第k个用户相关运算恢复数据，与其它用户相关运算生成多址干扰，与噪声相关还是噪声。多址干扰（MAI）与用户数、信号幅度以及互相关系数有关判决器输出第四章多用户检测技术上述分析过程假定发射端所有用户是同步的，但在实际系统中，各用户发射信号往往是异步的接收信号模型为系统输出矩阵如图所示的2用户6bit检测可等效为6用户1bit检测，时间宽度多址干扰多址干扰产生的原因：多个CDMA用户共用同一信道，不同用户的扩频码互相关系数不等于零（伪随机码之间无法实现严格正交），随着用户数增加，干扰累积，累积到与期望信号强度相当时（干扰底限），判决器将无法识别期望信号和干扰信号，导致判决错误。克服MAI的途径寻找好码（理想扩频码的自相关为1、互相关为0）：很难功率控制：能减弱MAI的影响，但无法从根本上消除空间滤波：多扇区化、智能天线，可减少波束覆盖的用户数多用户检测：从根本上消除MAI远近效应远近效应产生的原因：如果干扰用户比期望用户距离接收端近很多，那么干扰信号接收功率将比期望信号接收功率大得多，传统检测方法执行相关运算之后形成的多址干扰分量可能与期望信号相当，甚至淹没期望信号，导致判决错误。远近效应使多址干扰的影响更加复杂、严重克服远近效应的途径功率控制：降低干扰用户发射功率，但无法从根本上消除多用户检测：从根本上消除MAIMUD的基本思想

(Multi-usersDetection)把同时占用某个信道的所有用户信号都作为有用信号，将多个用户的码元、时间、信号幅度、相位等信息联合起来，检测某一个用户信号

多用户检测算法分类最优检测是理论上的最佳结构，但由于不可实现的复杂度，只是用于评价次优检测性能的上界，目前可实用的检测算法都是次优的MUD的性能测度渐进多用户有效性：衡量干扰用户对期望用户误码率的影响程度多用户有效性：多用户系统达到单用户系统相同误码率所需能量与单用户系统所需能量之比渐进多用户有效性：高信噪比条件下多用户有效性的极限渐进有效性取值范围[0,1]，其含义为：当噪声趋于0而误码率不趋于0时，渐进有效性取值为0，即在无噪环境中，单用户检测也存在误码；渐进有效性取值越大，表明误码率随噪声减小下降越快；当渐进有效性为1时，表明用户不受其他用户干扰影响。MUD的性能测度抗远近效应能力：所有相关用户能量范围内测得的最差渐进有效性，用于评价多用户检测算法抵御远近效应的鲁棒性抗远近效应能力与扩频码码型和解调方式有关线性多用户检测算法线性多用户检测算法：判决前对匹配滤波器组输出进行线性变换（变换矩阵为T），再对变化输出序列执行判决，即x=Ty，b=sgn(x)。其运算复杂度与用户数成线性增长关系算法分类：解相关检测器、最小均方误差检测器、子空间斜投影检测器、多项式展开检测器、自适应检测器等信号模型接收信号相关运算输出信号互相关系数匹配滤波组输出向量相关矩阵算法设计线性变换判决输出匹配滤波器+线性变换器组合输出

判决输出标量形式解相关检测算法解相关算法线性变换新的统计量中只有数据项和噪声项，完全消除了MAI项，对其进行判决第k个用户的误码率解相关算法特点：能提高系统容量；无需估计信号幅度，且性能与干扰用户无关；算法复杂度大幅降低；误码率与信号能量无关，但此法会放大噪声，且相关矩阵求逆运算量大自适应检测算法自适应多用户检测利用自适应滤波原理，能抵御信道时变对判决性能产生的影响单用户MMSE型：每个用户新增一个横向滤波器，滤波器抽头系数以比特为单位更新，要求抽头数大于扩频码长度无需已知其他用户的扩频码，无需本用户序列严格同步，但需要训练序列，如果信道时变，需要不断发送训练序列自适应检测算法多用户MMSE型：此法收敛快，但需要训练序列，同时还需要已知其他用户的扩频码盲自适应检测算法盲自适应多用户检测算法：无需其他用户信息和训练序列，仅需要待测用户的观测数据即可完成多用户检测。根据盲算法的代价函数不同分为：最小输出能量算法恒模盲检测算法基于子空间的盲自适应算法迫零解相关算法盲检测无需训练序列，开销小、效率高、复杂度低，但收敛速度慢，很难适应时变信道环境非线性多用户检测算法非线性多用户检测算法：利用已检测的信号重构多址效应引起的干扰信号，然后从接收信号中抵消。（无法提供系统的数学描述和分析）分类：串行干扰抵消检测、并行干扰抵消检测、串并混合型干扰抵消检测、迫零检测、序列检测、分组检测、基于神经网络的干扰检测等

串行干扰抵消并行干扰抵消串行干扰抵消法基本思想：按照接收信号功率降序排列，先对用户l进行匹配滤波并判决，然后重构用户l的发送信号；从总的接收信号中减去重构信号，得到已消除用户l影响的比较“干净”的接收信号，将其作为下一级用户2检测的总接收信号，重复以上步骤。并行干扰抵消法基本思想：利用接收信号的初始值（前级）构造所用用户的干扰信号，然后同时从接收信号中抵消所有用户的干扰并行处理：处理时延短、无需重排，但实现复杂度高迫零判决反馈检测器需要进行两步操作：首先进行部分解相关线性处理，然后进行串行干扰抵消处理。对相关矩阵R应用Cholesky分解，得到R=FTF，其中F是下三角矩阵，将矩阵(FT)-1左乘匹配滤波器组输出，得到白化信号模型由于矩阵F是下三角阵，上式中的比特信息是部分解相关的，即第一个用户没有MAI，第二个用户只有第一个用户的MAI，以此类推，第k个用户还有1,2,…,k-1个用户的MAI。空时联合多用户检测算法基本思想：利用信号的空间特征和时间特征来提高检测性能。基于最大似然序列的S-TMUD、基于最小均方误差的S-TMUD、最大信噪比准则