（信号与信息处理专业论文）移动通信系统中turbo多用户检测技术研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 直扩码分多址( d s c d m a ) 系统的系统容量和通信质量主要受限于多址干扰，尤其 在存在“远一近 效应时，系统性能会受到较大影响。多用户检测技术是一种抑制多址干 扰的有效手段。 迭代多用户检测利用t u r b o 迭代原理，克服了传统多用户检测方法没有考虑到信道编 码的缺陷，将多用户检测和信道编码进行综合考虑。在软输入软输出的多用户检测器和一 组信道译码器之间进行若干次“软信息”迭代，译码器最后作出硬判决，大大提高系统的 整体性能。 本文主要研究基于t u r b o 迭代原理的多用户检测技术。首先从多用户检测器的系统模型 入手，对几种常见的次优检测器进行比较，分析了目前多用户检测器的研究进展及存在的 问题，重点讨论了t u r b o 码的原理、译码器的结构和主要译码算法；其次阐述了t u r b o 多用 户接收机的原理，通过理论和实际仿真分析了软解相关干扰消除的多用户检测算法：最后 提出了一个改进算法，它能够在信道变化下满足特定性能需求时尽量减少迭代次数，并对 该算法进行仿真分析。 关键词：多址干扰、解相关、t u r b o 原理、迭代多用户检测、软干扰消除 南京邮电大学硕士研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r ac t i nd i r e c ts e q u e n c e c 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 ) s y s t e m s ，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 t ) i st h em a i nf a c t o rt h a tl i m i t st h ec a p a c i t yo ft h es y s t e ma n di m p a c t st h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mb e c a u s eo fn e a r f a rp r o b l e m m u l t i u s e rd e t e c t i o ni s a l le f f e c t i v e t e c h n i q u et om i t i g a t et h em a i i t e r a t i v em u l t i u s e rd e t e c t o rc a ni m p r o v eg r e a t l yt h ep e r f o r m a n c eo ft r a d i t i o n a ld e t e c t o r s w h i c ha r ei l l - c o n s i d e r e do nt h ec o d e dc h a n n e l s ，a n di tp e r f o r m sm u l t i u s e rd e t e c t i o nw i t hc h a n n e l c o d i n gb ya p p l y i n gt h et u r b op r i n c i p l eo fi t e r a t i o n t h er e c e i v e rm a k e sah a r d d e c i s i o na f t e r s e v e r a li t e r a t i o n so ft h es o f t - i n f o r m a t i o np r o v i d e db yas o f t - i n p u t s o f t - o u t p u t ( s i s o ) m u l t i u s e r d e t e c t o ra n dab a n ko fs i n g l e u s e rs i s oc h a n n e ld e c o d e r s t h er e c e i v i n gm e t h o dc a ni m p r o v e t h et o t a lp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mg r e a t l y t h i st h e s i ss t u d i e st h em u l t i u s e rd e t e c t i o nb a s e do nt h et u r b op r i n c i p l eo fi t e r a t i o n f i r s tw e c o m p a r et h ef a m i l i a rm u l t i u s e rd e t e c t o r sa n ds u m m a r i z et h ep r o b l e m so fm u l t i u s e rd e t e c t i o n t u r b oc o d e sp r i n c i p l e ，t h ef r a m e w o r ko fc o d e r e n c o d e ra n dt h em a i na l g o r i t h mo fc o d e ra r e p r e s e n t e da n dd i s c u s s e d t h e nw e a l s oa n a l y s et h ep r i n c i p l eo ft u r b om u l t i u s e rd e t e c t o ra n ds o f t d e c o r r e l a t i o ni n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nm u l t i u s e rd e t e c t o r st h e o r i t i c a l l y ，a n dg i v es o m e s i m u l a t i o n s f i n a l l y ，i no r d e rt or e d u c et h en u m b e ro fi t e r a t i o n so ft h e m u l t i u s e e rd e t e c t o r ，w e p r o p o s ea ni m p r o v e dm u l t i u s e rd e t e c t i o na l g o r i t h mw h i c hc a na d a p tt ot h ev a r i a t i o no fc h a n n e l w i t ht h eg i v e np e r f o r m a n c e s o m es i m u l a t i o n sd e m o n s t r a t ei t se f f e c t i v e n e s s k e yw o r d s ：m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ，d e c o r r e l a t i o n ，t u r b op r i n c i p l e ，i t e r a t i v e m u l t i u s e r d e t e c t i o n ，s o f ti n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n i i 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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的 地方外，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 含为获得南京邮电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作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：丁正 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名： 王正导师签名：燮釜 日期：丝司：幺f ， 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着科学技术的发展，现代社会己经进入信息时代，信息已成为最重要的资源，传递信 息是社会和经济发展的生命线，现代人类己建成了覆盖世界上所有国家的信息网，这是人 类最伟大的成就之一。通信可以理解为信息的传递与交换，移动通信是现代通信技术中十 分重要的部分。 本章简要介绍移动通信系统发展概况，特别是移动通信中使用的扩频码分多址技术和 多用户检测技术。 1 1 移动通信发展概况 1 1 1 移动通信发展史 移动通信是通信中双方至少有一方在运动中进行信息交换的通信方式，是现代通信技 术中十分重要的组成部分。现代移动通信技术是- - i 1 复杂的高新技术，尤其是蜂窝移动通 信，不但集中了无线通信和有线通信的最新技术成就，而且集中了网络和计算机技术的最 新成果。目前，蜂窝移动通信已从模拟通信发展到了数字通信，第三代移动通信已进入商 用，第四代移动通信也正在研发中。未来移动通信的目标是：任何人( w h o e v e r ) 能够在世界 上任何地点( w h e r e v e r ) 、任何时间( w h e n e v e r ) 与任何人( w h o m e v e r ) 进行任何方式( w h a t e v e r ) 的通信。 移动通信的历史可以追溯至l j 2 0 世纪初。随后的半个多世纪，先后经历了发展、改进、 完善、成熟等阶段。模拟移动通信系统在2 0 世纪7 0 年代产生，很多工业化国家相继开发出 了蜂窝移动通信系统，其中以美国研制的先进移动电话服务a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n e s e r v i c e ) 和英国开发的全接入通信系统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 ) 为主要代 表。这些系统的交换设备采用程控交换机，只能传播话音，采用频率调制的模拟信号和频 分址f d m a ( f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 技术，这被称为第一代模拟蜂窝移 动通信系统( 1 g ) 。 由于模拟移动通信系统存在制式复杂、频谱利用率不高、安全性和保密性差、不能提 供综合数字网业务和设备价格高等致命弱点，到2 0 世纪9 0 年代中期便逐渐被数字移动通信 系统所代替。2 0 世纪9 0 年代，世界上出现了以数字调制为基础的第二代移动通信系统( 2 g ) ， 其中以采用时分多址技术t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 的欧洲g s m ( g l o b a ls y s t e m 一1 一 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 f o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 系统、美国d a m p s 系统和日本j d c 系统，以及采用码分多址技 术c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 的c d m a 系统为代表。较之模拟移动通信系统，数 字移动通信系统有频谱利用率高、容量大、安全性能好、开放接口和多种补充业务等优点， 因此得到了飞速的发展。 当今世界科学技术尤其是信息技术的发展，对移动通信提出了更高的要求，第三代移 动通信技术应运而生。 i i 2 第三代移动通信系统 第三代移动通信系统是国际电信联盟i t u 在1 9 8 5 年提出的未来公用陆地移动通信系 统f p l m t s ( f u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 。 19 9 6 年更名为 i m t 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s 2 0 0 0 ) ，工作在2 0 0 0 m h z 频段，在2 0 0 0 年 之后投入商用的全球移动通信系统。该系统具有以下特点： 提供全球无缝覆盖和自动漫游； 提供步行时3 8 4 k b p s 、车载移动时1 4 4 m b p s 以及室内环境下高于2 m b p s 的数据传输 速度； 适应多种业务环境； 具有世界范围内设计的高度统一性； 高频谱利用率、高保密性和大容量； 能与第二代移动通信系统很好的兼容。 无线传输技术是3 g 系统的重要组成部分，主要包括多址技术、调制技术、信道编码与 交织、双工方式、物理信道结构、复用、帧结构、射频信道参数等。现在第三代移动通信 系统的标准已经形成，主要有三种：w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 。这三种标准都 采用码分多址技术。 w c d m a 基于g s m 网络结构，g s m 系统可以通过引入g p r s 最终平滑过渡到 w c d m a 。其关键技术为：智能天线、多用户检测技术、高效信道编码和软件无线电等。 c d m a 2 0 0 0 基于窄带c d m a ( i s 9 5 ，n c d m a ) ，窄带c d m a 系统可以经过c d m a l x 过渡到c d m a 2 0 0 0 3 x 。 t d s c d m a 是我国向国际电信联盟( i t u ) 提出的第三代移动通信系统，并被采纳为 第三代移动通信系统的国际标准。采用时分双t ( t d d ) 、时分多址码分多址( t d m a c d m a ) 工作方式，基于g s m 系统并可由该系统实现平滑过渡。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 但3 g 也存在以下几方面的局限性： 不能支持较高的通信速率。3 g 虽然标称能达到2 m b i t s 的速率，但平均速率只能达 到3 8 4k b i t s 。尽管目前3 g 增强型技术不断发展，但其传输速率还有差距。 不能提供动态范围多速率业务。由于3 g 空中接1 3 主流的三种体制w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 所支持的核心网不具有统一的标准，难以提供具有多种q o s 及 性能的多速率业务。 不能真正实现不同频段的不同业务环境间的无缝漫游。由于采用不同频段的不同 业务环境，移动终端需要配置有相应不同的软、硬件模块，而3 g 移动终端目前尚不能实现 多业务环境下的不同配置。 由于3 g 系统具有以上的局限性，很多公司已经开始着手4 g 概念移动通信系统的研究。 1 1 3 移动通信系统的发展趋势 目前，业界专业人士对4 g 概念移动通信系统的共识主要有以下几点： 用户可以在任何地点、任何时间以任何方式不受限制地接入网络中来； 移动终端可以是任何类型的； 用户可以自由地选择业务、应用和网络； 可以实现非常先进的移动电子商务； 新的技术可以非常容易地被引入到系统和业务中来。 根据以上描述，未来的4 g 系统应具备以下的基本条件t 具有很高的数据传输速率。对于大范围高速移动用户( 2 5 0 k i n h ) ，数据速率为2 m b i t s ； 对于中速移动用户( 6 0 k m h ) ，数据速率为2 0 m b b i t s ；对于低速移动用户( 室内或步行者) ，数 据速率为1 0 0 m b i 讹。 实现真正的无缝漫游。4 g 移动通信系统实现全球统一的标准，能在各类媒体、通 信主机及网络之间进行“无缝连接”，真正实现一部手机在全球的任何地点都能进行通信。 高度智能化的网络。采用智能技术的4 g 通信系统将是一个高度自治、自适应的网 络。采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境进行结合的正常发送与接收， 有很强的智能性、适应性和灵活性。 良好的覆盖性能。4 g 通信系统应具有良好的覆盖并能提供高速可变速率传输。 基于i p 的网络。4 g 通信系统将会采用i p v 6 ，i p v 6 将能在i p 网络上实现话音和多媒体 业务。 南京邮电大学硕士研冤生学位论文 第一章绪论 实现不i n q o s 的业务。4 g 通信系统通过动态带宽分配和调节发射功率来提供不同 质量的业务。 4 g 概念移动通信关键技术主要有： 正交频分复用( o f d m ) 技术 第四代移动通信系统主要是以o f d m 为核心技术。o f d m 技术实际上是多载波调制的 一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子 数据流，调制在每个子信道上进行传输。 智能天线技术 智能天线采用了空时多址( s d m a ) 的技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频 率或同时隙、同码道的信号进行区分，动态改变信号的覆盖区域，将主波束对准用户方向， 旁瓣或零陷对准干扰信号方向，并能够自动跟踪用户和监测环境变化，为每个用户提供优 质的上行链路和下行链路信号从而达到抑制干扰、准确提取有效信号的目的。 无线链路增强技术 可以提高容量和覆盖的无线链路增强技术主要有：分集技术、多天线技术。 软件无线电( s d r ) 技术 主要思想是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将工作频段、 调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等各种功能用软件来完成，并使宽带a d 和 d a 转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。 多用户检测技术 多用户检测技术的基本思想是：把同时占用某个信道的所有用户或部分用户的信号都 当作有用信号，而不是作为噪声处理，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。 i p v 6 技术 4 g 通信系统选择了采用基于i p 的全分组方式传送数据流，因此i p v 6 技术将成为下一代 网络的核心协议。 第四代移动通信技术正在研制中，随着新技术和新需求的不断出现，将会有进一步的 发展和变化。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 2 多址技术 为了提高频谱的利用率，无线接入有多种复用技术频分多址( f d m a ) 、时分多址 ( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 。c d m a 允许多个用户共享有限的时间和频率资源，通过为每 个信号分配一个伪随机码实现多址接入。 1 2 1 码分多址原理 c d m a 的特征是代表各信源信息的发射信号在结构上各不相同，并且其地址码互相具 有正交性以区别不同的地址，而在频率、时间和空间上都可能重叠。移动通信中，实现码 分多址必须具备以下三个条件： 要有数量足够多、相关性能足够好的地址码，使系统能通过不同的地址码建立足 够多的信道。所谓好的相关性，就是有强的自相关性和弱的互相关性。一般地说，要选 择自相关性强的地址码集并不困难，但要找到数量足够多、互相关函数值足够小的地址码 集则相当困难； 必须用地址码对发信号进行扩频调制，并使发送的已调波频谱极大地展宽，功率 谱密度很低。前者是为了完成多址联接，后者提供了信号抗干扰能力； 在码分多址系统的各接收端，必须具有与发送端完全一致的本地地址码，用来对 接收的全部信号进行相关检测，将地址码之间不同的相关性转化为检测器输出信号频谱 宽窄的差异，然后用窄带滤波器选出所需的信号。 1 2 2 扩频码分多址原理 扩频通信是c d m a 的基础。设发射扩频信号带宽( 扩频带宽) 为瓦，调制信号带宽( 信号 速率) 为忍，通常认为巩e 1 0 0 为扩频通信，当也8 , 1 0 0 h 寸，只能属于宽带或窄带传输 范畴。 在c d m a 数字移动通信中采用扩频通信的原因主要有：( 1 ) 扩频通信具有抗干扰能力强， 能与窄带系统重叠或部分重叠覆盖的特性；( 2 ) 从提高频谱效率和扩大容量来看，必须有大 量的码分信道，需有高速地址码，发送信号带宽必须被展宽：( 3 ) 由于系统所有用户使用同 一频道，接收机在接收有用信号时，也同时接收到许多无用信号，其输入端的信号干扰比 会远小于1 。为了去除干扰并检出有用信号，必须借助扩频通信系统的扩频增益，达到分 两京邮电大学硕士研究生学位论文 第章绪论 离信号并从接收混合信号中提取有用信号的目的。 图1 1 画出扩频通信系统的原理框图。欲传输的数字信号吼( r ) 经信号调制( 一般为 p s k 调制) 获得窄带己调信号瓯( f ) 。它通过速率很高的伪随机序列( p n t i 冯) q ( ，) 进行调制， 输出信号瓯( r ) 的占有带宽被展宽，这个过程称为扩频。扩展频谱信号被上变频( u c ) 变换 为射频信号发射出去。 在接收端，射频信号经过下变频( d c ) 后输出中频信号s ( t ) ，一般说s ( t ) 是 l v c k = l ，2 ，n ) 个发射信号和干扰及噪声的混合信号，它与发端q ( r ) p n i 马序列相同的本 地q ( f ) 进行扩频解调，使宽带s ( ，) 变为窄带k ( ，) 信号。窄带( f ) 通过信息解调器进行解 调，恢复原始数字信号a m ( ，) 。必须指出，口卅( ，) 是在发端由巴( ，) 调制的且于s ( ，) 中用巴( ，) 提取获得的。 大 图1 1 扩频通信系统构成 扩展频谱的特性取决于所采用的编码序列的码型和速率。为了获得具有近似噪声的频 谱，均采用伪随机序列作为扩频系统的编码序列。在接收端，将同样的编码序列与所接收 的信号进行相关接收，完成解扩过程。扩频系统一个重要的设计和性能衡量参数是扩频增 益，定义为扩频信号带宽与信息码率的比值g = w r 。扩频解扩之所以能提高抗干扰能力， 各信号经扩频，功率谱密度下降g 倍，作相关解扩处理，有用数字信号恢复成原来的窄带 一6 一 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 谱基带信号，宽带无用信息和窄带干扰仍是宽带谱，用一个窄带滤波器排除带外的干扰电 平后，输出的信号和干扰的功率谱之比改善了g 倍。 目前，最基本的展宽频谱的方法有两种：( 1 ) 直接序列调制，简称直接扩频( d s ) 。这是用 比特速率非常高的数字编码的随机序列去调制载波，使信号带宽远大于原始信号带宽。本 论文研究使用的系统模型都是这种d s c d m a 。( 2 ) 频率跳变调制，简称跳频( f h ) 。这是用 较低速率的编码序列去控制载波的中心频率，离散地在一个给定频带内跳变，形成一个宽 带的离散频率谱。 直接序列扩频系统是直接用高速率伪随机码在发端去扩展信息数据的频谱。假设传输 信道是线性的，则n 路码分信号的线性迭加为： r ， s ( f ) = 瓯( f ) = 玩( f ) q ( ，) ( 1 1 ) k = lk = l 如果要使第m 个接收机能从s ( t ) 中分离出第m 路数字信息b m ( t ) ，处理过程为 nn q ( r ) ) = 巳o ) 以( ，) q ( ，) = 吒u ) + 瓯( ，) q o e ( 1 2 ) k = i k - i 。k c m 只有当n 个p n 码集完全正交，如( 1 3 ) 式，接收时其它( n 一1 ) 路码分信号的干扰才被完全地去 除，死( ，) 经信息解调后输i l 第m 个数字信息( ，) 。 i1k = 肌 巳( ) g ( ) 2 o 七历 1 2 3c d m a 系统容量 ( 1 3 ) 因为地址码的相关性不可能理想正交，所以码分多址的容量基本上决定于多址干扰。 当用户数量大时，按大数定律可以认为多址干扰等于用户数乘以接收到的全部用户功率平 均值。令c 是基站接收到的手机发出的平均功率，它等于蝇，r 是传输码率，岛是每比 特的能量；i 是干扰，它等于喊，其中w 是系统的传输频带宽度，o 是干扰功谱密度。 于是载波干扰比为： ：堕 ( 1 4 ) i w n o 、。 由于，= ( n 一1 ) c ，n 是小区的总用户数，所以 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 n 一1 = 堡lf 1 5 、 re h | n a 、 。 表示在理想功率控制下的小区容量。 c d m a 系统的高容量很大一部分因素在于它的频率复用系数远远超过其它制式的蜂 窝系统。频率复用系数表示相同频率是如何被复用的数目，因为处于同一载波的c d m a 用 户共用同一频率，所以它的频率复用系数可看作是l ，但由于受邻近小区中用户干扰的影 响，c d m a 实际的频率复用系数应为2 3 ，而f d m a 、t d m a 的频率复用系数都为1 7 。另 一方面，c d m a 系统依据通话过程中讲话的不连续性( 通话约6 5 1 拘i 时间处于等待状态) ， 使用话音激活技术，即采用可变速率编码，降低通话不占用周期的码率，从而减少复用的 多址干扰功率，容量就可以进一步提高，据估计，话音激活技术可提高容量一倍。总之， 如对相同条件的小区容量进行比较，c d m a 系统容量为f d m a 容量的2 0 - 3 0 倍。 1 3 多用户检测思想的引入 c d m a 是基于扩频通信的一种无线多址接入方式，所有用户通过特定的扩频码进行 复用，同时传输且共享整个可用的传输频带。因此多址干扰不可避免，使系统的容量和性 能受到限制。传统的c d m a 系统将多址干扰作为加性噪声处理，靠扩频码之间的准正交性 分离各用户信息，可以采用单用户接收中的匹配滤波器实现。如果扩频码之间完全正交， 则可以实现无多址干扰的最优解调。实际上，无线系统中信号很难同步到达接收机。即使 扩频序列完全正交，由于受信道多径衰落特性、定时精度以及系统、信道的一些其它随机 特性的影响，保持接收信号间的正交性几乎是不可能的。随着用户数的增加，这种干扰越 来越严重，导致系统性能的急剧恶化，而且这种恶化问题无法用提高信噪比的方法解决。 此外，在c d m a 系统中还存在着众所周知的远近效应问题，即由于各用户到基站的距离或 衰落深度不同，强信号将抑制弱信号，使得相对较弱的用户信号得不到正常的检测。 目前，c d m a 系统中缓解多址干扰问题的一种方法是采用严格的功率控制技术。但这 种技术只能在一定程度上控制远近效应，对系统容量的提高是有限的。多用户检测是可以 有效抑制多址干扰的另一种重要手段，又称为联合检测或干扰抑制方法。它通过对各用 户做联合检测或从接收信号中减掉相互间的干扰，有效地消除了多址干扰和码间串扰，大 大缓解了远近效应问题，降低了系统对功率控制精度的要求，更加有效地利用上行链路频 谱资源，显著提高系统容量。 多用户检测技术也有一些弊端。它大大增加了设备的复杂度，增加了系统的时延， 一8 一 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 需要不断地估计信道的性能，而且估计的精度影响到检测器的性能。因为移动终端对价格、 尺寸和重量的要求是相对严格的，多用户检测技术主要是在基站实现。 1 4 多用户检测技术的发展历程 多用户检测的想法最早由s c h n e i d e r 于1 9 7 9 年提出。1 9 8 3 年，k o h n o 等人提出对多址接 入干扰消除接收机的设计研究。1 9 8 4 年，v e r d u 在他的博士论文里提出并分析了最佳多用 户检测器和最大似然序列检测器。19 8 6 年他发表了著名的论文，提出的匹配滤波器加维特 比算法实现最大似然序列的检测的最优多用户检测器，掀起了多用户检测技术研究的热 潮。由于其复杂度随用户指数函数增加，这在当时看来很不切合实际。此后，研究人员提 出了一系列的次优多用户检测，以更合理的可实现复杂度来接近最优检测器，在性能和复 杂度之间作良好的折衷。研究首先集中在a w g n 信道。开始是慢衰落信道，然后是快衰落 信道。无论是平坦信道还是多径信道都有涉及。由于多用户检测的参数如振幅、相位、用 户间的相关性经常改变，因此自适应多用户检测的论文也频繁出现。从理论上说，信道解 码与多用户检测可以分开也可以综合。由于在第三代移动通信系统中可以有多个速率，出 于现实的考虑，变速率的多用户检测器也有提及。 经过十多年来的探索、实验，各种线性多用户检测方法的性能、复杂度都已逐渐明朗， 各种方法的仿真与实地测试都已进行过。线性检测技术存在的理论问题，如有限记忆长度， 矩阵逆求解等己获得解决。 九十年代初期，随着非线性科学的发展，非线性检测的思想逐步受到业界的关注，比 如基于神经网络的多用户检测算法。目前，以神经网络为基础的多用户检测接收机主要包 括两大类：前馈型的多层感知器神经网络( m l p ) 接收机和反馈型的h o p f i e l d 神经网络( 接收机，而后又出现基于模拟退火算法( s a ) 、遗传算法( g a ) 、支撑矢量机( l v m ) 的多用户 接收机。 1 9 9 5 年，h o n i g 和m a d h o w 提出了盲检测的思想，开发出无需所有用户的扩频信息也无 需发送训练序列的盲多用户检测算法，已成为目前研究的热点之一。其中，利用盲方法自 适应实现线性检侧的算法最为常见，包括最小输出能量( m o e ) 盲检测算法、基于信号统计 分布特性的最大似然( m l ) 盲检测算法、基于子空间的盲检测算法，恒定模值( c m ) 盲检测算 法、基于高阶累积量的盲检测算法、约束条件最优检测算法等。盲检测算法的出现为在下 行信道的移动台一侧实现多用户检测提供了良好的发展前景。 多用户检测的先驱v e r d u 于1 9 9 8 年出版了一本专著。近几年来，基本的理论研究己经 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 达到了很完善的程度，但鉴于算法离现实应用仍有一段距离，信道检测方法还在涌现。如 利用t u r b o 码的随机特性，多种检测方法的结合等。 南京邮电大学硕 ：研究生学位论文第二章多用户检测技术 第二章多用户检测技术 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息。本章从介绍多用户检 测器的系统模型入手，对最优多用户检测器及几种常见的次优检测器( 包括几种线性检测 器和非线性检测器) 加以比较，分析了目前多用户检测器的发展及存在的问题。 2 1 系统模型 2 1 1 离散时间同步模型 多用户检测器一般都有一前端装置，它的作用是从接收到的连续时间波形，( ，) 得到离 散时间信号y 的过程。 将接收到的连续时间波形变成离散时间过程的常见方法是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，如图2 1 所示。 匹配滤 图2 1 匹配滤波器组 每个滤波器与一个特定的用户的特征波形匹配，在同步的情况下，匹配滤波器组的输 一l l 南京邮电大学硕上研究生学位论文第二章多用户检测技术 出为 式中& ( f ) 是第七个用户的扩频波形，而，( r ) 是接收机收到的信号： ( 2 1 ) r ，( f ) = a k b k s , ( t ) + c r n ( t ) ， ，【o ，刀 ( 2 2 ) 式中，丁是字符间隔( 即码元间隔) ； 瓯 - 1 ，+ 1 ) ) 是第七个用户发送的字符序列( 信息 序列) ；4 表示第七个用户的信号幅值( 丢4 2 代表接受能量) ；以( ，) 是单位功率谱密度的 高斯噪声。第后个匹配滤波器的离散时间输出几( d 可用基带形式表示成 儿( f ) = 4 ( f ) + 4 0 ( f ) 办+ 仇 这里鲰是第j f 个用户与第七个用户特征波形的互相关，定义为 而 p 忸= 安s j q ) s k q 、) d f 仇= 仃r ，l ( f ) 黾( f ) 田 为高斯过程，其均值为零、方差等于仃2 。 若令- - i s i ，r ，a = 幽昭【4 ，4 】 并记归一化的互相关矩阵 叁= e s s7 ) = 【鲰峻。 其对角元素岛= 1 ，则式( 2 3 ) 可以用向量表示为 并且 y = r a b + n e 丝r ) = 仃2 星 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 砌 胁 咖 叫 1 一 心 “ ，山 r m 虼 塑塞塑皇奎兰堡圭婴窒生兰焦笙奎二生兰墨兰塑芝重墅坐墅生 2 1 2 离散时间非同步模型 不失一般性，假设非同步信道的偏移l 吒靠，可以得到匹配滤波器组的输出 的表达式 y a i = 4 6 k 【f 】+ z a i b j i + 1 p 茸( r j r k ) + 4 b j i l p j k ( r k r j ) + 4 钆【f 】凡( o q ) + 4 屯p 一1 p j a r t 一乃) + 仇【f 】 ( 2 9 ) 式中 仇【f 】= 仃k f r t + t t + t n ( f ) ( f f r q ) d t ( 2 1 0 ) 或写成矩阵向量形式 h f 】：星r 【l 】4 垒【f + 1 】+ 星【o 】4 盟j 】+ 星【1 】4 鱼【f l 】+ 巫i 】 ( 2 1 1 ) 式中零均值的高斯过程m j 】具有自相关矩阵 e f 】，【】) = 盯2 星7 1 1 ， o r 2g a o l ， 仃2 星【l 】， g 而矩阵星【0 】和r p 的第u ，七) 元素分别定义如下： f 1 ，j = k 鲰【o 】_ 鲰( 气一乃) ，j 七 【岛( 乃一 ) ，p k f0 ，k 乳【l 卜t 一( 乃刊，- 七 考虑( 2 1 1 ) 式右前三项的z 变换，得 星7 【1 】4 豇z ) z + 星【o 】4 垒( z ) + 星【1 】4 垒( z ) z 川 = ( 星7 【l 】z + 星【0 】+ 星 1 】z - 1 ) 4 垒( z ) = 旦( z ) 查( z ) 式中 笪( z ) = 星7 p l z + r _ 0 1 + r 1 z 。1 因此，式( 2 11 ) 可以用z 变换画成图2 2 + ， 一岁u件引卜沱= 弘= 其 ， 分 $ 旧 r l 1 1 亿 g 亿 g 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章多用户检测技术 6 【f 】 h 么 2 2 最佳多用户检测器 图2 2 非同步c d m a 信道 y i 】 最佳多用户检测器由匹配滤波器外加类似于v i t e r b i 算法的最大似然序列检测器组成。 用于a w g n 信道的最佳检测器即最大似然序列估计器( m l s e ) 1 4 - 1 v e r d u 提出。该检测器依据 接收信号，( ，) 找到发送的序y l j b 使得b 的联合后验概率最大化，产生最大似然序列b 。 最佳多用户检测器的复杂性随用户数呈指数上升。尽管它的性能会有极大的提高， 但到目前为止，都没有实现的可能性，除非是硬件的发展确实能够提供足够的处理速度。 最优检测器的另外一个缺点是需要已知接收信号的幅度和相位，而这些值并不是先验的， 需要估计。 下面我们寻求一些较容易实现的次优的多用户检测器。 2 3 线性多用户检测器 - q 匹配滤波器t 卜r 但刊于l ，( ，l 。一匹配滤凇卜_ 盟 线 骂i 于i 性 变 换 t 一、一燃卜_ 也刊于| 6 l 【刁 6 2 【f 】 k 【妇 图2 3 线性多用户检测系统结构 线性多用户检测相当于在匹配滤波器之后加上一个线性算子，然后对输出序列加以判 决，如图2 3 所示，其信号检测的复杂度和用户数呈线性关系。目前主要的两种线性检测算 法是解相关多用户检测和最小均方误差( m m s e ) 多用户检测。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章多用户检测技术 2 3 1 解相关多用户检测器 多址干扰是由于不同用户的扩频波形不正交( 即存在线性关系) 引起的。因此，为了 抑制多址干扰，会很自然联想到应该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，如图2 4 所示。这就是解相关多用户检测器的基本思想。 一 _ 一 于 ，( f ) p _ 一 融 岛( f ) _ o _ 鸟 i ，n 图2 4 解相关检测器结构 如式( 2 7 ) 所示，尺个匹配滤波器组输出的向量形式可以写作 z = r a 一b + 一n 式中丝为高斯随机向量，其均值为零，协方差矩阵为仃2 星。 假定互相关矩阵星可逆( 这等价于假定各用户的特征波形线性独立) ，则在无噪声( 即 矿= 0 ) 的情况下，有 星一j ，= r 一- 1 r a 一b = a 一一b ( 2 17 ) 检测器由式 反= s g n 【( 尽一1 少) 。】( 2 1 8 ) 得 反= s g n ( r 。少) 。】= s g n 【( 4 垒) 。】= 吃 可见，若各用户的特征波形线性独立，则式( 2 1 8 ) 的检测器可以对每个用户实现完全解 调。 一l s 南京邮电大学硕上研究生学位论文第二章多用户检测技术 在存在噪声! ! 的情况下，用墨一乘式( 2 7 ) 两边，则得 星y = a 一一b + 星一r t ( 2 1 9 ) 由于式( 2 1 9 ) 仍然没有来自其它用户的干扰，故检测器反= s g n e ( r 1 y ) i 】与所有 龟，k ) 独立，唯一的干扰源为背景噪声。由于其它用户的干扰被置零，所以解相关检测 器也称为置零检测器。 线性解相关检测器具有以下的特点： 它的计算复杂度远小于最大似然多用户检测。 它需要所有用户的波形和定时，但不需要估计各用户信号的幅度。 接收机的误码率和信号幅度无关，具有最佳的抗远近效应的性能。 解相关检测器不需要知道接收信号的幅度和相位信息，这就避免了估计误差对检 测器的影响，复杂性也比最优检测器低得多。 但是，虽然解相关检测器消除了多址干扰，它同时也增强了背景噪声。当多址干扰信 号的功率趋于零时，传统检测器的误码率趋于单用户情况下的误码率。而解相关检测器在 完全去除了多址干扰的同时增强了噪声，因此当多址干扰信号的功率小于某个门限时，解 相关检测器的性能反而不如传统检测器的性能。 此外，尽管解相关检测器的计算复杂度小于最佳多用户检测器，但它需要实时地求解 矩阵r 的逆阵。在多变的移动通信环境中，求解矩阵犬的逆阵并不是一个容易解决的问题。 尤其是在c d m a 系统中，为了更好地减少干扰，一般都采用了语音激活和变速率编码技术， 这使得用户信号之间的相关随时间不断改变，因而r 的矩阵也随时间不断改变，这也使实 时地求解r 的逆阵变得非常困难。并且，计算一个矩阵的逆阵，其乘法的运算量通常是k 3 阶，当用户数k 较多时面临着大型矩阵求逆运算的问题，计算复杂度是难以接受的。 2 3 2 最小均方误差多用户检测器 对于解相关多用户检测器，若在多址干扰较弱、背景噪声相对较强时，其检测性能可 能低于传统检测器。针对这一现象，最小均方误差0 v t m s e ) 检测器能较好的解决这个问题。 它以最小化研( 垒一墨) 7 ( 查一墨) ) 为准则。对比线性解相关检测器和m m s e 线性检测器我们可 以看出，m m s e 线性检测器就是将解相关检测器的矩阵壑1 替换为【r + c r 2 4 2 】，如图2 5 所示。所检测的比特从下式获得 一1 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章多用户检测技术 墨( f ) = s g n 【( 星+ 仃2 4 - 2 ) 一1 y 】 一h 圭潜 ，( f ) 一 一h 圭胁 ( r + 仃2 a 五) - 气一圭肛 ( 2 2 0 ) 图2 5 最小均方误差检测器结构 我们知道，单用户匹配滤波接收机适合于抑制背景噪声，而解相关检测器在消除多址 干扰的同时却没有考虑背景噪声，而m m s e 线性检测器可以被看成是考虑到每个干扰用户 和背景噪声的相对重要性的折衷解。实际上，传统单用户检测器和解相关检测器都是m m s e 线性检测器的极限情况。若令所有用户的幅度固定而仃专0 ，即噪声分量相对于多址干扰 可以忽略不计时，【8 + a 2 2 】- i 趋于星，m m s e 检测器变为解相关检测器。另一方面，若 仃寸，即噪声分量远大于多址干扰时，【尺+ 2 彳- 2 】1 退化为对角阵，m m s e 检测器退化 为传统的单用户检测器。正如我们所知道的，当干扰信号为高斯自噪声时，传统的单用户 检测器本身就是最佳检测器。 可以看到，最小均方误差检测器不会增强噪声，所以在考虑背景噪声的情况下，最小 均方误差检测器要强于解相关检测器，但是最小均方误差检测器需要估计接收信号的幅 度，估计偏差会影响检测器的性能。同时最小均方误差检测器的性能也依赖于干扰用户的 功率，所以相比解相关检测器，最小均方误差检测器抗远近效应的能力要差一些。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章多用户检测技术 2 4 非线性多用户检测器 非线性多用户检测器方法引入了非线性函数来消除多址干扰。干扰消除多用户检测器 是种重要的非线性多用户检测器，它的基本思想是先估计出每个用户造成的多址干扰， 然后在接收端减去估计出的多址干扰。 2 4 1 串行干扰抵消检测器( s i c ) s