寬帶移動通信中多用戶檢測的研究畢業(yè)論文

1、 PAGE65 / NUMPAGES80本科畢業(yè)設計（論文）寬帶移動通信中多用戶檢測的研究郝義朋燕 山 大 學2014年 6月 本科畢業(yè)設計（論文）移動通信中多用戶檢測算法的研究學 院：里仁學院專業(yè)：通信工程學生：郝義朋學 號：4指導教師：凱答辯日期：2015年6月燕山大學畢業(yè)設計（論文）任務書學院： 系級教學單位： 學號4學生郝義朋專 業(yè)班 級通信工程11-2題目題目名稱寬帶移動通信中多用戶檢測算法的研究題目性質1.理工類：工程設計 （ ）；工程技術實驗研究型（ ）；理論研究型（ ）；計算機軟件型（ ）；綜合型（ ）2.文管理類（ ）；3.外語類（ ）；4.藝術類（ ）題目類型1.畢業(yè)設計（

2、 ） 2.論文（ ）題目來源科研課題（ ）生產(chǎn)實際（ ）自選題目（ ）主要容隨著移動通信用戶數(shù)量的增加，抑制通信用戶間的各種干擾成為當下通信過程中的一個難題。多用戶檢測技術的出現(xiàn)給予眾多研究人員一縷曙光，多用戶檢測技術不僅可以抑制多址干擾、增加系統(tǒng)通信容量，而且在抗遠近效應方面也有和好的效果。本文主要研究了傳統(tǒng)多用戶檢測、解相關檢測和MMSE檢測的算法，通過仿真證明了方法的有效性?；疽? 通過學習相應書籍和查閱資料，了解課題介紹的目的和意義，對課題目前的發(fā)展和較為常見的算法有所了解和掌握。2 通過對給定圖片的介紹，能夠將課題介紹的算法應用其中，達到課題介紹的目的。參考資料1 數(shù)字圖像處理與

3、MATLAB實現(xiàn) 余成波編著，大學 20032 應用MATLAB處理數(shù)字信號與數(shù)字圖像 桂明等編著，科學 20002 移動通信 建東 郭梯云 鄔國揚等編著，電子科技大學船板社 20112擴展頻譜通信與其多址技術 曾興雯 乃安 獻璞等編著，電子科技大學船板社 2011周次第1 3 周第 4 7 周第 8 11周第12 14 周第15 17周應完成的容收集資料，熟悉課題容，查找參考書，確定設計思路所需程序語言的學習與設計中原理和使用的算法的理解編寫處理程序，并上機進行軟件程序調(diào)試、修改和優(yōu)化，最后進行仿真對仿真結果整理與總結論文的書寫和課題總結，準備答辯指導教師：凱職稱： 年 月 日系級教學單位審

4、批： 年 月 日）摘要寬帶移動通信中碼分多址（CDMA）技術是第三代移動通信系統(tǒng)中主要應用的多址技術，但他是一個干擾受到限制的系統(tǒng)，該系統(tǒng)中存在遠近效應和多址干擾，這兩個因素限制了CDMA系統(tǒng)的容量。為了打破這一困境，多用戶檢測技術應運而生，多用戶檢測技術是第四代移動通信系統(tǒng)中一種重要的有效抗干擾的技術，它解決了遠近效應問題，減少了多址干擾，提高了通信系統(tǒng)容量。在現(xiàn)實應用中，多用戶檢測算法的性能要優(yōu)良、運算復雜度要低。但是，現(xiàn)在應用的多用戶檢測技術還不能在二者間取得令我們滿意的平衡，因此，我們要對多用戶檢測技術進行更加深入的研究。本文首先分析了幾種典型的多用戶檢測算法和它們的特點，推出了CDM

5、A系統(tǒng)容量計算公式，分析了多用戶檢測算法對通信系統(tǒng)容量的影響；其次，對多用戶檢測算法中解相關檢測算法、MMSE算法、傳統(tǒng)多用戶檢測算法進行了研究，并且對三個算法進行了系統(tǒng)仿真；最后，根據(jù)仿真圖形得出了三者的優(yōu)缺點：低信噪比下，解相關檢測算法的性能最差；大信噪比下，傳統(tǒng)多用戶檢測算的性能最差。關鍵詞:系統(tǒng)容量 多用戶檢測 解相關檢測 MMSE檢測 CDMAAbstractWideband Code Division Multiple Access mobile communication (CDMA) technology is the third generation mobile commu

6、nication system multiple access technology is mainly used, but he is a jamming system restricted, MAI proximity effect and the existence of the system, both factors limit the capacity of the CDMA system. In order to break this dilemma, multi-user detection technology emerges, multi-user detection te

7、chnology is the fourth generation mobile communication system is an important and effective anti-jamming technology, which solves the problem of distance effect, reducing MAI improve the communication system capacity. In real-world applications, the performance of multi-user detection algorithm to b

8、e excellent, lower computational complexity. However, the multi-user detection technology is now applied not get to our satisfaction balance between the two, so we want to multi-user detection techniques further researchThis paper analyzes several typical multi-user detection algorithms and their ch

9、aracteristics, the introduction of the CDMA system capacity is calculated, the influence of multi-user detection algorithm for communication system capacity; secondly, for multi-user detection algorithm decorrelating detection algorithm , MMSE algorithm, the traditional multi-user detection algorith

10、m is studied, and the three systems simulation algorithm; Finally, according to the simulation results of the advantages and disadvantages of the three graphics: low SNR performance detection algorithm Decorrelating most poor; large signal to noise ratio, the traditional multi-user detection algorit

11、hm performance is the worstKeywords ：System CapacityMulti-user detectionDecorrelating detectorThe minimum mean square error detection CDMA 目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc421803994摘要 PAGEREF _Toc421803994 h IHYPERLINK l _Toc421803995Abstract PAGEREF _Toc421803995 h IIHYPERLINK l _Toc421803996第1章

12、緒論 PAGEREF _Toc421803996 h 1HYPERLINK l _Toc4218039971.1 課題背景 PAGEREF _Toc421803997 h 1HYPERLINK l _Toc4218039981.2國外發(fā)展與現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc421803998 h 1HYPERLINK l _Toc4218039991.3課題研究的目的與意義 PAGEREF _Toc421803999 h 2HYPERLINK l _Toc4218040001.4 課題研究的主要容 PAGEREF _Toc421804000 h 3HYPERLINK l _Toc421804001

13、1.5 課題研究的步驟和方法 PAGEREF _Toc421804001 h 4HYPERLINK l _Toc4218040021.5 本文主要容與章節(jié)安排 PAGEREF _Toc421804002 h 4HYPERLINK l _Toc421804003第2章多用戶檢測的概述 PAGEREF _Toc421804003 h 5HYPERLINK l _Toc4218040042.1 CDMA信號模型 PAGEREF _Toc421804004 h 5HYPERLINK l _Toc4218040052.2多用戶檢測技術的出現(xiàn) PAGEREF _Toc421804005 h 6HYPERL

14、INK l _Toc4218040062.2.1抗多址干擾的措施 PAGEREF _Toc421804006 h 6HYPERLINK l _Toc4218040072.2.2多用戶檢測的基本思路與用途 PAGEREF _Toc421804007 h 7HYPERLINK l _Toc4218040082.3 多用戶檢測的定義和分類 PAGEREF _Toc421804008 h 8HYPERLINK l _Toc4218040092.4 多用戶檢測的性能參數(shù) PAGEREF _Toc421804009 h 10HYPERLINK l _Toc4218040102.5傳統(tǒng)多用戶檢測原理與仿真

15、PAGEREF _Toc421804010 h 14HYPERLINK l _Toc4218040112.5.1傳統(tǒng)多用戶檢測器的原理 PAGEREF _Toc421804011 h 14HYPERLINK l _Toc4218040122.5.2傳統(tǒng)多用戶檢測的仿真分析 PAGEREF _Toc421804012 h 16HYPERLINK l _Toc4218040132.6最優(yōu)多用戶檢測器 PAGEREF _Toc421804013 h 17HYPERLINK l _Toc4218040142.7非線性多用戶檢測 PAGEREF _Toc421804014 h 18HYPERLINK l

16、 _Toc4218040152.7.1串行干擾消除檢測器 PAGEREF _Toc421804015 h 18HYPERLINK l _Toc4218040162.7.2并行干擾消除檢測器 PAGEREF _Toc421804016 h 19HYPERLINK l _Toc4218040172.8線性多用戶檢測技術 PAGEREF _Toc421804017 h 20HYPERLINK l _Toc4218040182.9本章小結 PAGEREF _Toc421804018 h 21HYPERLINK l _Toc421804019第3章多用戶檢測算法的仿真分析 PAGEREF _Toc421

17、804019 h 22HYPERLINK l _Toc4218040203.1解相關檢測的原理與仿真 PAGEREF _Toc421804020 h 22HYPERLINK l _Toc4218040213.1.1解相關檢測器 PAGEREF _Toc421804021 h 22HYPERLINK l _Toc4218040223.1.2解相關檢測算法的仿真 PAGEREF _Toc421804022 h 23HYPERLINK l _Toc4218040233.2最小均方誤差檢測的原理與仿真 PAGEREF _Toc421804023 h 24HYPERLINK l _Toc42180402

18、43.2.1最小均方誤差檢測器的原理 PAGEREF _Toc421804024 h 24HYPERLINK l _Toc4218040253.2.2最小均方誤差檢測的仿真 PAGEREF _Toc421804025 h 26HYPERLINK l _Toc4218040263.3 兩種多用戶檢測的仿真對比 PAGEREF _Toc421804026 h 27HYPERLINK l _Toc4218040273.4三種多用戶檢測的仿真分析 PAGEREF _Toc421804027 h 28HYPERLINK l _Toc4218040283.5本章小結 PAGEREF _Toc4218040

19、28 h 30HYPERLINK l _Toc421804029結論 PAGEREF _Toc421804029 h 31HYPERLINK l _Toc421804030參考文獻 PAGEREF _Toc421804030 h 32HYPERLINK l _Toc421804031致 PAGEREF _Toc421804031 h 34HYPERLINK l _Toc421804032附錄1 PAGEREF _Toc421804032 h 35HYPERLINK l _Toc421804033附錄2 PAGEREF _Toc421804033 h 40HYPERLINK l _Toc4218

20、04034附錄3 PAGEREF _Toc421804034 h 44HYPERLINK l _Toc421804035附錄4 PAGEREF _Toc421804035 h 49第1章 緒論1.1 課題背景移動通信這一概念最早出現(xiàn)在20世紀40年代，第二次世界大戰(zhàn)中無線電臺的廣泛應用使移動通信邁出了第一步。美國貝爾實驗室在70年代提出了蜂窩的概念1,2，解決了頻率復用問題。隨著通信用戶數(shù)量的增加，80年代，為滿足用戶需要，美國提出了小區(qū)制模式的第一個蜂窩通信系統(tǒng)。隨后歐洲各個國家和日本都開發(fā)了自己的移動通信系統(tǒng)。1980年后，移動通信技術趨于成熟，相應各種通信系統(tǒng)標準應運而生。20世紀90年

21、代中期，世界各國家開始了對第三代移動通信的研發(fā)，根據(jù)ITU的標準，第三代移動通信系統(tǒng)的方案主要有：WCDMA,CDMA2000和TD-SCDMA三種方案。其中TD-SCAMA標準由我國提出?？傮w上看，各國雖然采用的通信方案不甚一樣，但在第三代移動通信系統(tǒng)中，各國都采用了碼分多址(CDMA)技術。CDMA的優(yōu)點：第一，設計容量比模擬/數(shù)字系統(tǒng)大的多，在一定程度上滿足了用戶群體的需要；第二，有一套精準的功率控制措施，可調(diào)節(jié)手機發(fā)射功率，降低功耗，延長電池壽命；第三，CDMA 采用了軟切換降低了掉話概率，提高了通信的可靠性，同時增加了通信容量，大大改善了業(yè)務量。但在現(xiàn)實應用中，用戶的隨機接入和擴頻碼

22、集不能真正的實現(xiàn)正交，引發(fā)了多址干擾問題，同時，遠近效應也嚴重影響了系統(tǒng)的性能3。為了解決這一問題，多用戶檢測技術應運而生。多用戶檢測方法利用多址干擾的結構特征，在多址干擾的環(huán)境下，將多址信號看成有用成分考慮進來，聯(lián)合多個用戶的擴頻碼、定時、延遲、幅度等先驗信息一次性檢測出所有用戶信號，很好的解決了這一問題。1.2國外發(fā)展與現(xiàn)狀多用戶檢測的這一思想是在1979年由白Schenider提出，而且還研究了迫零法；R.Kohno于1983年發(fā)表了多用戶干擾消除器的研究，指出了一些研究方向；1984年Verdus提出了最優(yōu)多用戶檢測器和最大序列檢測器并對其進行了分析，1986年通過對最優(yōu)多用戶檢測算法

23、的研究，在理論上證明了采用最大似然序列檢測可以逼近單用戶接收機性能，不僅在一定程度上可有效地克服遠近效應，而且提高了系統(tǒng)容量；隨后盲多用戶檢測概念于1995年被Miehaex和Sergio Vverdu S提出，使得多用戶檢測技術向實用方向又推進了一步，同時自適應濾波原理也廣泛應用其中。此外，他們還提出了基于最小均方誤差的盲多用戶檢測算法LMS-CMOE；1997年，Poor等人在CMOE準則的基礎上提出了一種基于遞歸最小二乘的盲多用戶檢測算法RLS-CMOE，通過QR分解得到了實用的QR-RLS-CMOE算法；X.Wang于1998年提出了基于子空間跟蹤的盲多用戶檢測算法PASTd4。之后，

24、Xiaofei Zhang和Dazhuan Xu在SIMO-CDMA系統(tǒng)中提出了基于PARAFAC算法的多用戶檢測算法5；Yonwoo Yoon等于2005年提出了一種最大似然檢檢測算法6。國學者對盲多用戶檢測問題也做了大量的研究和實驗，提出了一些抑制多址干擾的算法，比如：基于高階累積量的盲自適應檢測算法7,8，基于Kalman濾波的盲多用戶檢測算法9，判決反饋變長盲自適應檢測算法10，基于神經(jīng)網(wǎng)絡的多用戶檢測算法11,12，基于子空間的約束最小二乘檢測算法13等等。1.3課題研究的目的與意義多用戶檢測技術的目的是獲得更大的通信系統(tǒng)容量，提高寬帶的利用效率，使覆蓋圍更廣。多用戶檢測通過消除小區(qū)

25、的干擾來提高帶寬效率，增加系統(tǒng)容量。遠近效應的主要因素是功率的控制，多用戶檢測算法可以降低甚至消除多址干擾，從而在一定程度上緩解了遠近效應這一問題。因此多用戶檢測技術減少了功率控制的負擔。同時，多用戶檢測技術降低了對移動臺發(fā)射功率的要求，這樣就可以把節(jié)省的功率用于擴大通信面積上，增加小區(qū)通信系統(tǒng)的覆蓋面積。針對多用戶檢測技術的種種優(yōu)點，隨著3G的發(fā)展，4G的逐步應用，對多用戶檢測技術進行更深入的研究至關重要。從國外對多用戶檢測算法的研究現(xiàn)狀來看，當前對多用戶檢測技術的研究主要集中在算法的復雜度和誤碼率的大小上，對于誤碼率的研究上取得成就是可觀的，但隨著移動通信用戶的聚增，算法的復雜性仍然是一個

26、困擾人們的問題。因此，對多用戶檢測算法的深入研究是當前的一個重要課題。1.4 課題研究的主要容 本文中所研究的多用戶檢測算法主要有傳統(tǒng)多用戶檢測算法、解相關檢測算法、最小均方誤差(MMSE)檢測算法。傳統(tǒng)多用戶檢測：將接收到的連續(xù)時間波形先通過匹配濾波器組，然后對其進行直接判決輸出。我們可以看出，傳統(tǒng)多用戶檢測方法未對其他用戶的干擾作任何處理，沒有考慮到多址干擾對用戶通信判決的影響，從這一點來看，它采用的還是單用戶檢測思想。對于單用戶檢測方法來說，只有擴頻序列集完全正交的時候才能消除其他用戶的干擾，但在實際的通信應用中，這樣的情況很難存在。因此，文中對傳統(tǒng)多用戶檢測算法進行了研究分析。解相關檢

27、測算法：解相關檢測算法是在傳統(tǒng)多用戶檢測算法的判決輸出前添加一個R-1矩陣，在匹配濾波器組輸出的信息與R-1矩陣相乘14,15，就可以消除多址干擾。解相關檢測算法不用去估計通信用戶的信號功率，因此它有良好的抗遠近效應這一優(yōu)點。但解相關檢測算法需要對矩陣進行逆運算，如果通信用戶數(shù)量較大，算法的運算復雜度就會很大，造成工程的實現(xiàn)很困難。這里需要提出一點，解相關檢測算法是以提高背景噪聲來換取多址干擾的消除，因此它的缺點是噪聲可能增強。在文中，對于它的性能通過仿真做了分析。最小均方誤差(MMSE)檢測算法：MMSE檢測算是將多址干擾和背景噪聲綜合考慮的一種多用戶檢測方法，它是將實際發(fā)送的信號與判決前輸

28、出信號之間均方誤差最小，從而提高通信質量。MMSE檢測方法實際上是結合了傳統(tǒng)多用戶檢測算法和解相關檢測算法的特性。它存在兩個極端，一個是噪聲分量極小，多址干擾極大時，MMSE檢測方法可以視為解相關檢測算法；當多址干擾較小，噪聲遠遠大于多址干擾時，MMSE檢測算法的矩陣相當于單位矩陣，即可將MMSE檢測視為傳統(tǒng)多用戶檢測。同時，MMSE檢測方法要考慮接收用戶的能量，也就是說它的性能與通信用戶的信號功率有關系16，即抗遠近效應要稍優(yōu)良。1.5 課題研究的步驟和方法解相關檢測算法和最小均方誤差檢測算法目的都是降低或消除多址干擾，而傳統(tǒng)多用戶檢測方法主要用來比較，當有噪聲時最小均方誤差檢測算法兼顧到了

29、對噪聲的抑制，沒有背景噪聲時，解相關檢測可以完全消除多址干擾。首先對傳統(tǒng)多用戶檢測算法的原理進行研究分析，然后根據(jù)原理圖畫出流程圖進行程序的編寫，最后進行系統(tǒng)仿真。對最小均方誤差算法和解相關檢測算法也按照以上步驟實行，最終對每種檢測算法進行仿真分析，然后通過仿真得出它們各自的性能優(yōu)劣。具體步驟：查閱資料，了解多用戶檢測算法出現(xiàn)的背景與目的意義，然后對其原理進行研究分析。畫出整體設計框圖，并劃分模塊，對各模塊的原理框圖要清晰。畫出程序設計流程圖，完成各模塊的程序編寫，并進行調(diào)試。解決調(diào)試中出現(xiàn)的問題，排除故障，最終進行系統(tǒng)仿真，得出合理的仿真圖形和結論。1.5 本文主要容與章節(jié)安排第一章 簡述了

30、移動通信的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢，介紹了多用戶檢測技術的提出背景、國外研究現(xiàn)狀，研究多用戶檢測算法的目的意義。把傳統(tǒng)多用戶檢測、解相關檢測、最小均方誤差(MMSE)檢測三種算法作為主要研究對象。第二章 介紹了抗干擾的措施、多用戶檢測的基本思路與用途，簡述了多用戶檢測算法的定義、分類、特點以與性能參數(shù)，最后介紹了多用戶檢測技術的原理，主要是傳統(tǒng)多用戶檢測、解相關檢測和MMSE檢測。第三章 主要對三種多用戶檢測算法進行了仿真，根據(jù)仿真結果圖分析三種多用戶檢測算的性能。 第2章 多用戶檢測的概述2.1 CDMA信號模型一般典型多用戶的系統(tǒng)模型為圖2-1所示：圖2-1 典型多用戶系統(tǒng)模型K個同步CDMA系

31、統(tǒng)，在加性高斯白噪聲信道條件下，接收端基帶信號可用下面公式表示： (2-1) Ak是第k個通信用戶的信號幅度，Tb是信息符號的間隔，n(t)單位功率譜密度的高斯白噪聲，為噪聲的均方誤差，bk(i)-1,1是k個用戶中某一用戶發(fā)送的信息序列。將k個用戶的特征波形進行歸一化Sk(t): , 1tTbN擴頻增益，Tc碼片間隔，第k個通信用戶的擴頻碼序列，Ci(k)0,1,碼片波形為具有單位能量的矩形波。2.2多用戶檢測技術的出現(xiàn)2.2.1抗多址干擾的措施多址干擾，指同一CDMA系統(tǒng)中多個用戶的信號在時域和頻域上是混合疊加的。CDMA系統(tǒng)是對每個用戶分配不同的地址碼，以此來區(qū)分他們，但多個用戶的信號在

32、時域和頻域上是混疊的，因此在頻域會產(chǎn)生一定的同頻和鄰頻干擾，稱為多址干擾。CDMA系統(tǒng)的一個缺陷就是多址干擾，它源于系統(tǒng)中期望用戶的擴頻碼序列與系統(tǒng)中其他用戶擴頻碼序列互相關系數(shù)補位零。一般將系統(tǒng)受到的干擾分為三種：多徑干擾、加性白噪聲干擾和多址干擾。當通信系統(tǒng)信用戶數(shù)量較多，且同時通信時，多址干擾會成為系統(tǒng)的最主要干擾方式。多址干擾在嚴重影響系統(tǒng)性能的同時，也會嚴重降低系統(tǒng)的容量。因此，克服多址干擾是通信系統(tǒng)的一項重要任務，在CDMA系統(tǒng)中克服多址干擾的措施：功率控制技術。在通信系統(tǒng)中，用戶不是固定在一個地方，而是隨機移動的，因此在基站的接收端距離基站近的用戶要比遠的用戶通信信號的功率大，此

33、外，器件的非線性也會引發(fā)“遠-近”效應問題，這就使得多址干擾更加復雜化，為了解決這一難題，現(xiàn)實通信工程中采用功率控制技術，使通信中不同遠、近用戶到達接收點的功率或信噪比平衡一致。顯然功率控制只是減少了多址干擾的影響，而沒有從根本上消除?？臻g濾波技術?？臻g濾波技術的思路是將存在多址干擾的小區(qū)按區(qū)間區(qū)域把大區(qū)分割成多個小區(qū)，這樣多址干擾就可以分散到若干個小區(qū)的局部小區(qū)，使得每個子小區(qū)減少多址干擾的影響。在現(xiàn)實操作上可將用戶小區(qū)劃分為空間相互獨立的多個扇形區(qū)，也可以采用智能天線技術用更多更窄的動態(tài)波束來隔離用戶間信號的干擾。設計合理碼型，碼型的設計是克服多址干擾的優(yōu)良途徑。在CDMA系統(tǒng)中，我們可以

34、設計出一組完全正交的擴頻序列，如果在用戶接收端也采用互相關為零的正交擴頻序列，那么通信用戶間是不會產(chǎn)生多址干擾的。但在實際通信系統(tǒng)中，這種理想狀態(tài)是很難實現(xiàn)的，擴頻序列間能夠完全正交的可能性很小。理論證明，同時具有理想互相關特性和自相關特性的二進制擴頻序列是不存在的，即多址干擾一直存在。所以，只要互相關越小，多址干擾的影響就會越小。那么我們就可以采用互相關函數(shù)小的擴頻碼序列和擴頻碼組來減少多址干擾。多用戶檢測技術。多用戶檢測是引用信息論并且經(jīng)過嚴格的理論分析后提出的一種抗多址干擾的技術，它充分利用擴頻序列引入的結構信息來進行處理，以期能夠正確的檢測出期望用戶的信息。利用多用戶檢測技術，不僅可以

35、抗多址干擾和抗“遠-近”效應，還可以解決多徑干擾這一問題。因此，多用戶檢測技術不僅是第三代移動通信的關鍵技術，也是現(xiàn)在各國第四代移動通信的重要技術，發(fā)展前景廣闊。2.2.2多用戶檢測的基本思路與用途多用戶檢測技術利用多址干擾的結構特征，在多址干擾的環(huán)境下，將多址信號看成有用成分考慮進來，聯(lián)合多個用戶的擴頻碼、定時、延遲、幅度等先驗信息一次性檢測出所有用戶信號。它是一種新型抗多址干擾技術，基本思路為：從信息論上來說，碼分多址通信系統(tǒng)是一個多入多出的系統(tǒng)，利用信息論中的最優(yōu)信號檢測方法，尋找蜂窩CDMA移動通信系統(tǒng)中多用戶的最優(yōu)聯(lián)合檢測理論17。最大化的利用擴頻序列的結構信息。一般情況下，將CDM

36、A通信系統(tǒng)接收機中的多徑干擾和多址干擾看作白噪聲，當作沒有用的信息來處理。研究表明，多徑干擾和多址干擾并不是毫無用處的白噪聲，它們是有著強烈結構性的偽隨機序列，并且通信用戶與傳輸路徑之間的相關函數(shù)都是已知的，因此通過理論研究可知，我們可以充分利用這些偽隨機序列的統(tǒng)計信息和已知結構信息，來減小甚至消除它的負面影響，以此提高通信系統(tǒng)的性能。最優(yōu)聯(lián)合檢測方法也是可行的。根據(jù)信息論中最佳信號檢測理論，充分利用擴頻序列的已知結構特征和統(tǒng)計信息，通過匹配濾波器組來進行多用戶檢測，消除其他通信用戶對期望用戶的干擾，在理論上是可以實現(xiàn)的。多用戶檢測技術的主要用途是提高通信系統(tǒng)中寬帶的效率，擴大系統(tǒng)容量，增大通

37、信覆蓋圍，消除小區(qū)用戶間的干擾。多用戶檢測技術的性能是由跟蹤信息碼的差錯、捕捉到的能量和相位的影響決定的。因為小區(qū)的干擾被消除，而消除小區(qū)間的干擾所獲得的能量受到了影響，所以多用戶檢測方法并未消除小區(qū)間的干擾。多用戶檢測技術降低了對功率的要求，它在一定程度上緩解了“遠-近”效應問題。對多用戶檢測技術的研究一般在上行鏈路（信號從移動臺到基站的物理通道）。對IS-95的研究表明，IS-95有天線分集的不相干上行鏈路，一般情況下，它比有正交碼相干的下行鏈路（從基站到移動臺的物理通道）的性能要差，也就是說這一通信系統(tǒng)的容量受到了上行鏈路的限制，第三代碼分多址通信系統(tǒng)在上行鏈路上采用相干檢測，再考慮到天

38、線分集，下行鏈路比上行鏈路的性能要差。多用戶檢測技術把減少的在上行鏈路上的干擾功率用于擴大小區(qū)的通信圍上，改進了小區(qū)的覆蓋情況，但它并不依賴于系統(tǒng)負載。在不同的環(huán)境中，多用戶檢測的有效性能是不一樣的，還有其他因素限制，因此改進的效果并不固定，需要根據(jù)實際情況來決定。2.3多用戶檢測的定義和分類多用戶檢測：聯(lián)合考慮同時占用某個信道的所有用戶或某些用戶，消除或減弱其他用戶對任意用戶的影響，并同時檢測出所有這些用戶或某些用戶的信息的一種信號的檢測方法。多用戶檢測技術不僅僅在3G上廣泛應用，在現(xiàn)在的4G上也至關重要，它畢竟能夠有效地消除小區(qū)用戶間的干擾，提高了移動通信的效率。多用戶檢測器一般分為次(準

39、)最優(yōu)多用戶檢測器和最優(yōu)多用戶檢測器，由于最優(yōu)多用戶檢測器只能在理論上實現(xiàn)，而不能在現(xiàn)實的通信系統(tǒng)中實現(xiàn)，所以人們主要以次(準)最優(yōu)多用戶檢測器作為研究對象。對于次(最)優(yōu)多用戶檢測器的分類，我們僅從非線性和線性兩方面來考慮。具體如下圖所示：圖2-1圖2-1 a)圖2-1 b)2.4多用戶檢測的性能參數(shù)對多用戶檢測技術的研究，能夠具體表現(xiàn)出來的就是它的幾個性能參數(shù)。 1、誤碼率，通信系統(tǒng)中傳輸錯誤碼的個數(shù)與傳輸總碼數(shù)的比值。在多用戶檢測技術中，最重要的一個指標就是誤碼率，該性能指標是多用戶檢測器在較大信噪比環(huán)境下的誤碼率，一般情況下，通信系統(tǒng)都是減小誤碼率，提高通信系統(tǒng)性能。假設通信系統(tǒng)只存在

40、一個用戶q時，在加性高斯白噪聲信道的能量為Eq，噪聲方差為2，則該用戶的誤碼率為：(2-2)式中：是Q函數(shù)。當用戶數(shù)量增多時，就會出現(xiàn)干擾用戶，此時誤碼率就會增大。因此，我們要用期望用戶q的等效能量eq()來替代實際中的能量Eq。此時，多用戶系統(tǒng)中所期望的用戶誤碼率為：(2-3)式中，eq()為第q個用戶到Pq()傳輸信息時所需要的能量。2、漸近多用戶有效性。在移動通信系統(tǒng)中，我們對檢測器的性能考量主要是因多址干擾造成檢測器的性能損失，該性能的損失用多用戶漸近多用戶有效性來衡量，它是1986年由Verdu引入的。 漸近有效性：在通信系統(tǒng)中，干擾用戶對期望用戶的誤碼率影響的程度。多用戶有效性：在

41、移動通信系統(tǒng)中，多用戶系統(tǒng)達到單用戶系統(tǒng)一樣的誤碼率所需要的能量與單用戶所需要能量的比值，該表達式為：(2-4) 當噪聲方差趨近于零時，q（）的極限就是第q個通信用戶的漸近有效性，記作q。漸近多用戶有效性在低信噪比條件下多用戶的有效性q（）的極限為： (2-5)上式中sup表示上確界。漸近有效性的取值圍為0,1,該取值圍的含義：由公式(2-5)知，背景噪聲趨近于零而Pq()不趨近于零時，漸進有效是為零的，也就是說，在沒有背景噪聲的環(huán)境下，單用戶匹配濾波檢測器仍然存在一定的誤碼率。此外，正的漸近有效性表示誤碼率小而且僅隨0而趨近于零，此時的衰減速率為1/2。如果q=1表示通信系統(tǒng)中期望用戶沒有受

42、到其他任何用戶的干擾。同步DS-CDMA系統(tǒng)使用一般接收機時，其漸近有效性為：(2-6)Pjq是用戶q和j的擴頻波形的互相關。低噪聲下的誤碼率和漸進有效性是兩個等價的性能衡量標準。 3、抗“遠-近 ”能力。由于通信用戶距離基站的距離是不一樣的，所以基站對用戶的接收功率不一樣，故引起了遠近效應，接收功率強的用戶把接收功率弱的用戶信號給淹沒，影響通信質量；為了解決這一問題，R.Lupas等人提出了抗“遠-近”能力這一理論。解決抗“遠-近”效應問題，要求多用戶檢測器具備這種能力，對多用戶檢測器抗“遠-近”效應能力的程度進行統(tǒng)一的量化，這種量化一般用抗“遠-近”效應來表達。 抗“遠-近”效應能力是在全

43、部有關通信用戶能量圍所測得的最差情況下的漸進有效性，表示為： (2-7)見式(2-7)，inf表示下確界，抗“遠-近”能力由各通信用戶的擴頻波形和解調(diào)器來決定。“遠-近”效應在移動通信系統(tǒng)中最為常見，因為移動用戶不是固定不動的，所以基站對他們的信號接收能量也不是固定的。一般對非同步的CDMA信道抗“遠-近”能力表達式為：(2-8)公式(2-8)表示移動通信用戶q第i個比特的抗“遠-近”效應的能力，Eji表示第j個通信用戶的第i個比特的接收能量。4、信干比（SIR）。大多數(shù)情況下用于多用戶檢測器的評估，它表示期望用戶的功率比上某一通信用戶的匹配濾波器輸出的其它干擾成分。當不存在干擾通信用戶時,第

44、K個用戶輸出的信干比為: (2-9)在同步DS-CDMA系統(tǒng)中,第K個用戶的信干比為: (2-10)2.5傳統(tǒng)多用戶檢測原理與仿真2.5.1傳統(tǒng)多用戶檢測器的原理 傳統(tǒng)多用戶檢測技術主要以傳統(tǒng)檢測器來研究，傳統(tǒng)檢測器是將接收到的信息通過一個匹配濾波器組，然后對每個匹配濾波器輸出的信息直接采樣判決，原理框圖如下所示：圖2-2 傳統(tǒng)多用戶檢測器原理圖在信息傳遞過程中，第i個信息符號的間隔第k個匹配濾波器的輸出用公式表示為：(2-11)上式jk表示第j個通信用戶的特征波形和第k個用戶特征波形的互相關。 (2-12)nk是一個高斯隨機過程，其方差為2、均值為零。(2-13)式（2.12）中，按從左到右

45、順序，第一項是我們希望得到的期望信號，第二項就是多用戶通信中的多址干擾項，第三項是噪聲（加性高斯白噪聲）干擾項。由公式可以看出，多址干擾的程度與通信用戶擴頻碼間的互相關有關系。為了更便于分析，我們引入矩陣向量來表示相關量。匹配濾波器組記作一個矢量Y，用戶發(fā)射的信息比特記作矢量b，通信用戶間的特征波形的互相關系數(shù)矩陣進行歸一化為R。那么A=diagA1,A2,AkT；Z=n1,n2,nkT；b=b1,b2,bkT；Y=y1,y2,.,ykT；(2-14)式（2.12）用矩陣的形式表示為：Y=RAb+Z (2-15)采樣判決的輸出：b=sgn(Y)=sgn(RAb+Z) (2-16)sgn(x)是

46、符號函數(shù)傳統(tǒng)檢測器還是單用戶檢測器的思想，沒有考慮到其他用戶對期望用戶的干擾，多址干擾嚴重影響了判決的輸出。若要沒有多址干擾，只有擴頻碼完全正交才可以，但在實際的移動通信過程中，這種情況幾乎不會出現(xiàn)，所以多址干擾一直存在，傳統(tǒng)檢測器的性能也就大打折扣。傳統(tǒng)檢測器用戶K的誤碼率： (2-17)是K-1維的列矢量，即其他通信用戶對用戶K-1的形成的干擾。匹配濾波器輸出的公式中可以看出，多址干擾項中存在互相關系數(shù)這一類的接收機預先知道的信息，多用戶檢測技術的思想就是科學合理的利用這些信息的結構特征，將其檢測性能進行改善。2.5.2傳統(tǒng)多用戶檢測的仿真分析根據(jù)上節(jié)中傳統(tǒng)多用戶檢測的原理與理論分析，對其

47、進行了計算機仿真，仿真結果如圖2-3所示：圖2-3由圖2-3知，傳統(tǒng)檢測多用戶算法的誤碼率的波動圍小，但是誤碼率較大，隨著信噪比的增大，誤碼率趨于平緩。因為傳統(tǒng)多用戶檢測器的結構簡單，只是把多個單用檢測器聯(lián)合在了一起，實際上它是用單用檢測的思想來設計的多用戶檢測器。只有當擴頻碼完全正交，用戶功率一樣時，才能消除多址干擾，達到比較滿意的性能。正如上文論述那樣，實際的通信系統(tǒng)中這種情況幾乎不可能存在，而且當干擾用戶的功率大于期望的通信用戶時，就會出現(xiàn)“遠-近”效應，是傳統(tǒng)多用戶檢測的性能大大折扣。2.6最優(yōu)多用戶檢測器上節(jié)中，傳統(tǒng)多用戶檢測方法在通信中，由于存在其它用戶的干擾，使多址干擾嚴重影響了

48、通信系統(tǒng)的效率。同時我們也提到，如果將其他通信用戶的信息結構特征進行科學合理的開發(fā)利用，那么就可以消除多址干擾，完善多用戶檢測方法。因此，S.Verdu等人提出了最優(yōu)多用戶檢測器，即最大似然準則多用戶檢測器17，該檢測器是從接收信號y(t)中找出發(fā)送信號b,使b的概率（聯(lián)合后驗概率）趨于最大化。在理論上，這種方法的錯誤概率最小，抗多址干擾能力強。圖2-4 多用戶檢測原理框圖同步DS-CDMA系統(tǒng)：t0,T (2-18) (2-19) 最優(yōu)多用戶檢測雖然具有最佳的抗多址干擾的能力，但是最優(yōu)多用戶檢測器的多用戶檢測算法是維特比算法，維特比算法的復雜程度很高，與用戶數(shù)量呈指數(shù)關系，即2k,從這個數(shù)量

49、中找一個理想的組合，如果 k的數(shù)值特別小還可以實現(xiàn)，但在現(xiàn)實的通信中k是一個特別大的值，所以幾乎不能實現(xiàn)。 2.7非線性多用戶檢測利用非線性多用戶檢測方法消除多址干擾也是當今研究的一個課題。它主要是用非線性函數(shù)消除多址干擾，理論上對非線性多用戶檢測器的研究很困難，因為它沒有完備的數(shù)學描述和良好的分析工具。一般都是用工程數(shù)學進行簡單的研究分析，對于更深一步的研究，只能用計算機仿真來完成。非線性多用戶檢測的基本原理是，先恢復多址干擾信號，然后從所有的信號中消除干擾的信號，經(jīng)過多次的提取，只保留期望信號。 這種干擾抵消在一定程度上克服了“遠-近”效應。2.7.1串行干擾消除檢測器串行干擾消除(SIC

50、)檢測的原理：首先對匹配濾波器輸出的通信用戶信號按強弱程度進行排序，對最強信號判決、再生，然后從總信號中消除這一信號，把它當作下一級的輸入信號，整個過程依次循環(huán)知道判決出所有用戶信號。其原理圖如下所示：圖2-5 串行干擾消除第一級結構a1=Ak(t-Tb)；a2=SK(t-Tb)；a3=r(t-Tb)串行干擾消除檢測的過程可重復多次，檢測的關鍵是把k個用戶的功率按從大到小的順序排列，功率大的先被判決，因為功率越大判決的錯誤概率就越小，同時大功率信號產(chǎn)生的多址干擾也較大，可以與時的消除，提高對信號錯判概率，尤其對于較弱的信號。串行干擾消除只是對相對較弱用戶信號在消除多址干擾方面得到了改善，對于較

51、強用戶信號幾乎沒有貢獻。SIC算法的優(yōu)點是復雜程度低、運算量小18，易于實現(xiàn)。單也存在不少缺點，在實際通信系統(tǒng)中，功率控制要把握精準，此時對于較強用戶信號的判決沒有特別明顯的優(yōu)勢；從原理框圖中可以看出，每一級都有時延，因此在相消的用戶數(shù)和時延的限度上做一個權衡；要想實現(xiàn)較精準的干擾再生和對消，就必須對信號的延時、相位和幅度有精確的估計；對信號的功率排序算法要求特別高；最后，初始數(shù)據(jù)比特判決出現(xiàn)差錯，對后級判決的干擾有嚴重影響。2.7.2并行干擾消除檢測器PIC第一級結構框圖：hk=Ak(t-Tb)；lk=Sk(t-Tb)圖2-6并行干擾消除第一級結構并行干擾消除(PIC)估計，同時對期望用戶消

52、除其它用戶多址干擾，這個過程由多級完成。一般并行干擾消除檢測器的結構是多級的，零級是傳統(tǒng)檢測器，經(jīng)過匹配濾波器組，然后經(jīng)過判決得出用戶的初始估計bi(0)，i=1,2,k。bi(0)同估計幅度相乘，經(jīng)擴頻后輸出單個用戶的一個單位延遲后的信號估計Ui(t-Tb)，部分相加器把所有估計信號相加，但是除某一單用戶信號外，這樣就得到了這個用戶信號無多址干擾的估計。并行干擾消除只有對數(shù)據(jù)的相位和幅度估計精準，才可以消除多址干擾。并行干擾的起始數(shù)據(jù)信息比特估計出錯，那么在該比特上相消的結果是會使該比特對應的多址干擾變?yōu)樵瓉矸鹊?倍，而且這個差錯依賴增加PIC的級數(shù)是沒有效果的。在實際通信中，并行干擾的性

53、能不隨其級數(shù)的增加而加強，當階數(shù)超過3時，性能不會出現(xiàn)明顯的改善，所以實際通信中并行干擾接收機的級數(shù)多數(shù)情況下取3。2.8線性多用戶檢測技術線性多用戶檢測器是當今研究的主要方向之一，其性能遠遠超過傳統(tǒng)多用戶檢測器，線性多用戶檢測技術就是在傳統(tǒng)檢測器基礎上，在匹配濾波器組后加上一個矩陣進行線性變換，以消除多址干擾對判決的影響。線性多用戶檢測器主要問題就是如何得到一個次最優(yōu)的線性矩陣，對于次最優(yōu)沒有一個精確的定義，因此不同的矩陣可以產(chǎn)生不同的次最優(yōu)的多用戶檢測器，如果矩陣變?yōu)閱挝痪仃?，那么這就是一個傳統(tǒng)多用戶檢測器。線性多用戶檢測最具代表性的兩個算法，一個是解相關多用戶關檢測算法，另一個是最小均方

54、誤差多用戶檢測算法。解相關檢測算法思想是，先對擴頻碼的互相關矩陣求逆，然后對接收到的信號進行解相關計算，最后對解相關檢測的信號進行判決輸出，這個過程中用到了用戶簽名序列的定時和波形。解相關檢測的優(yōu)點是：不用對通信用戶的信號功率進行估計，一般情況下比傳統(tǒng)多用戶檢測的性能要好，且不需估計用戶接收信號的幅度算法的性能與干擾功率的大小無關，比最大似然檢測器的運算復雜度低。解相關檢測的缺點是：在數(shù)學上要對矩陣求逆，計算量特別大，而且在這個過程中增加了背景噪聲。針對這些缺點，人們也做了一些改進，其性能有所改善。最小均方誤差檢測算法的思想是求解一種矩陣，然后計算經(jīng)線性變換后接收數(shù)據(jù)和檢測器判決輸出間的均方誤

55、差盡量的小，這個均方誤差最小的矩陣就是所求的最佳矩陣。最小均方誤差檢測的優(yōu)點是：背景噪聲較大時，MMSE檢測器接近于傳統(tǒng)檢測器，多址干擾大噪聲小時，接近于解相關檢測器，整體來看，它不僅可以克服多址干擾，而且還可以降低噪聲。它的缺點是：也需要計算矩陣，運算量比較大，而且要估計用戶信號的幅度，在抗“遠-近”效應方面也不如解相關檢測器。對于以上的分析，研究人員又引入了自適應多用戶檢測方法，在時變多徑信道下找出濾波器的參量，這樣可以使計算量降低，易于硬件的實現(xiàn)，在實際應用中也方便。2.9本章小結本章主要介紹了移動通信系統(tǒng)中的多用戶檢測器，首先給出了CDMA信道的模型以與幾個參量，然后對多用戶檢測技術的

56、原理、用途、分類和檢測思路做了介紹。然后對傳統(tǒng)檢測器、最優(yōu)多用戶檢測器、非線性多用戶檢測器和線性多用戶檢測器的原理與特點做了介紹分析。傳統(tǒng)檢測器不能解決多址干擾問題；串行干擾消除多用戶檢測器只對檢測弱信號有效，而且增加了延時；并行干擾消除多用戶檢測器的初始信息如果出現(xiàn)錯誤，多址干擾將會加倍；解相關檢測器是以提高背景噪聲來消除多址干擾的；MMSE檢測器的綜合性能比解相關檢測器強，但是受“遠-近”效應的影響比較大。總而言之，多用戶檢測技術提高了系統(tǒng)的容量，在消除多址干擾方面效果也非常明顯。第3章 多用戶檢測算法的仿真分析對于多用戶檢測算法，在本章節(jié)中主要對傳統(tǒng)多用戶檢測算法、解相關檢測多用戶檢測算

57、法和最小均方誤差檢測算法做了仿真分析，尤其是對后面兩種算法。 3.1解相關檢測的原理與仿真3.1.1解相關檢測器若要消除多址干擾的影響，也就是消除公式(2-15)中的R，所以將匹配濾波器組輸出的信息同擴頻碼互相關矩陣的逆矩陣相乘即可，然后判決輸出的就是無多址干擾信息。解相關檢測器的原理框圖：圖3-1 解相關多用戶檢測原理圖線性變換，公式(2-15)兩邊同時乘以R-1得到R-1Y=Ab+ZR-1,判決輸出b=sgn(R-1Y),這樣就完全消除了多址干擾，只存在背景噪聲的干擾。解相關檢測第k個用戶的誤碼率： (3-1)式中：(R-1Z)k是通信用戶k的噪聲分量，Rkk-1是線性變換矩陣R-1的第k

58、行k列個元素，(R-1y)k是采樣判決輸出的用戶k的信息比特。噪聲項的自相關矩陣為2R-1，對于通信用戶k來說，噪聲功率變換后總是大于線性變換前的噪聲功率2，解相關檢測盡管消除了多址干擾，但是它在一定程度上增大了背景噪聲，如果擴頻碼間互相關系數(shù)增大時，解相關檢測器的性能就會大大降低。3.1.2解相關檢測算法的仿真由公式(2-14)分析知，只需一個R-1矩陣相成，就相當于擴頻碼正交，便可完全消除多址干擾。解相關檢測算法的計算機仿真圖3-2：圖3-2如圖3-2所示，從解相關檢測算法仿真圖可知，噪聲功率較大時，系統(tǒng)的性能差，即誤碼率較大；噪聲功率較小時(信噪比較大)信號功率較大時，其誤碼率會減小，檢

59、測器性能提高。解相關檢測雖然消除了多址干擾，但卻增加了背景噪聲，所以說，只有在適當?shù)臈l件下其才可以發(fā)揮良好的作用。解相關檢測算法的一個優(yōu)點是不用考慮通信用戶的信號功率，它也就具備了抗“遠-近”效應的特性，但對延時引起的誤差要敏感，對定時信息和擴頻碼也要清晰。解相關檢測器的缺點就是，隨著移動通信用戶數(shù)量的增多，對矩陣求逆運算的運算量特別大，在實際應用中對硬件的要求很高，甚至不能實現(xiàn)。3.2最小均方誤差檢測的原理與仿真3.2.1最小均方誤差檢測器的原理最小均方誤差檢測器在減少背景噪聲和消除多址干擾這兩個方面，都有良好的特性。MMSE檢測器在傳統(tǒng)多用戶檢測器的基礎上，在判決輸出前加了一個最佳矩陣M，

60、使判決輸之前的出信號與實際發(fā)送信號間的均方誤差最小。MMSE檢測器的原理框圖：圖3-3 MMSE檢測器原理框圖令b=b1,b2,bkT；M=m1,m2,mkT是kk階的矩陣，表示k個用戶的線性檢測器，即在MMSE的準則下得到一個最佳的矩陣M，使(3-2)最小化。經(jīng)過推導得：(3-3)經(jīng)過線性變換后： MY=MRAb+MZ=x (3-4)判決輸出為：(3-5)經(jīng)過判決用戶k的誤碼率為： (3-6)從推導式中可以看出，MMSE檢測器是傳統(tǒng)檢測器與解相關檢測器兩種檢測器特性的結合。當噪聲分量小到幾乎可以忽略，而多址干擾相對較大時，矩陣M就可以準換為R-1，MMSE檢測器就相當于解相關檢測器；另外一種