移動通信中的先進信號處理技術教材

CDMA多用戶處理技術課程設計《報告》目錄概述1多址技術12.1頻分多址22.2時分多址22.3碼分多址3多用戶檢測3聯(lián)合檢測10聯(lián)合發(fā)送15小結157.參考文獻17圖1可以看出，在30km/h車速RC4配置下當網絡負荷率為90%時，導頻信道的干擾刪除增益為0.68dB，準線性干擾刪除的增益為1.93dB。進一步仿真表明準線性干擾刪除可以將語音容量提升約30%，即將每扇區(qū)用戶數由平均35個提升至45個。圖SEQ圖\*ARABIC1低Ec/Ior場景下cdma2000的干擾刪除仿真目前cdma2000某些終端芯片使用了QLIC技術，某些基站用芯片使用了PIC技術，此兩種技術都由基帶處理器完成。QLIC在終端芯片完成，用于提升前向鏈路容量。其原理是消除前向鏈路來自非服務扇區(qū)的干擾信號，提高終端接收信噪比，同時也將相應降低基站的平均發(fā)射功率。PIC在基站完成，用于提升反向鏈路容量。PIC使基站解調某個用戶的反向鏈路數據時，將來自其他終端的對該用戶導頻的干擾信號抑制并刪除，從而提高基站對該終端信號的接收信噪比，同時相應降低該終端的發(fā)射功率。3.3.3多用戶檢測在TD-SCDMA演進中的應用TD-SCDMA系統(tǒng)中，多址干擾對系統(tǒng)性能影響很大，因此系統(tǒng)容量主要取決于對此種干擾的處理。由于多址干擾中包含許多先驗信息（如用戶信道碼），因此多址干擾可以被利用進行多用戶檢測以提高信號分離的準確性。根據對多址干擾處理的方法不同，多用戶檢測技術可分為干擾刪除和聯(lián)合檢測兩種，與WCDMA和cdma2000廣泛使用干擾刪除技術不同，TD-SCDMA系統(tǒng)主要采用了聯(lián)合檢測。一個有K個用戶的TD-SCDMA系統(tǒng)離散模型可表示為：（8）其中是接收端接收的信號失量；是信道矢量；是K個用戶的原始信號矢量；是噪聲矢量。聯(lián)合檢測的目標就是根據和，估計出數據矢量。由所有用戶的擴頻碼以及信道沖擊響應決定，所以聯(lián)合檢測的前提是得到擴頻碼和信道沖擊響應。TD-SCDMA系統(tǒng)幀結構設置了用于信道估計的訓練序列，使用訓練序列估計出信道的沖擊響應，通過導頻獲得擴頻碼，即可估計出原始發(fā)送矢量。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，忽略背景噪聲時，小區(qū)總干擾為：（9）其中，為小區(qū)內干擾，為其他小區(qū)干擾與小區(qū)內干擾之比。理想的多用戶檢測系統(tǒng)中，本小區(qū)的多址干擾將被完全消除，因此僅剩，對應采用多用戶檢測后的系統(tǒng)容量增益為。在蜂窩系統(tǒng)中，典型的=0.55，此時聯(lián)合檢測可使系統(tǒng)容量增大到2.8倍。聯(lián)合檢測的具體實現方法有多種，分為非線性、線性與判決反饋算法3大類。從實現復雜度考慮，目前TD-SCDMA較多采用迫零線性塊均衡算法（ZF-BLE，zeroforcing-blocklinearequalization），其具體實現可以用下式表示：（10） 上式中表示噪聲協(xié)方差矩陣的逆矩陣，在一般情況下，該矩陣可認為是單位矩陣，則上式進一步簡化為： （11）TD-SCDMA系統(tǒng)使用聯(lián)合檢測的主要優(yōu)點有：檢測效果優(yōu)于傳統(tǒng)RAKE接收機；提高系統(tǒng)容量，提升頻譜效率。主要不足有：對噪聲有擴散，抗高斯白噪聲能力差；數字信號處理復雜度高。在應用中容易遇到的問題有:信道估計的不準確性將影響聯(lián)合檢測準確性；隨著處理信道數增加，算法復雜度呈非線性增長，現階段實時算法難以達到理論上的最佳性能。由于以上原因，TD-SCDMA系統(tǒng)并不單獨使用聯(lián)合檢測，而是采用了聯(lián)合檢測與智能天線技術相結合的方法，充分發(fā)揮這兩種技術的綜合優(yōu)勢，使系統(tǒng)性能達到最優(yōu)。圖SEQ圖\*ARABIC2步行環(huán)境2A和2B、16用戶，綜合使用聯(lián)合檢測和智能天線技術的仿真結果四、聯(lián)合檢測對CDMA系統(tǒng)來說，由于無線信道的時變性以及多徑效應等，碼字不可能完全正交，因此系統(tǒng)中必然會存在多址干擾（MAI）和碼間干擾（ISI）。隨著用戶的增多或某些用戶信號功率的增強，MAI就會成為CDMA系統(tǒng)的主要干擾，成為影響系統(tǒng)和性能提高的重要原因，因此CDMA系統(tǒng)是一個干擾受限的系統(tǒng)。傳統(tǒng)接收機，即RAKE接收，完全把MAI當做噪聲處理，抗干擾能力差；在傳統(tǒng)接收機基礎上發(fā)展起來的多用戶監(jiān)測（MUD），充分利用MAI,中的有用信息來檢測單個用戶的信息，從而獲得較好的判決效果。1基本思想隨著TD-SCDMA的提出，1992年德國Kaiserlautern大學的A.Klein等人將消除MAI和ISI一并考慮，提出了同時消除這兩種干擾的聯(lián)合檢測技術。其核心就是利用均衡技術，將來及其他用戶的ISI也當做MAI而一并消滅之。聯(lián)合檢測技術是在多用戶檢測的技術基礎之上提出的一種次優(yōu)多用戶檢測技術。該技術是減弱或消除多址干擾、多徑干擾的有效手段，能夠簡化功率控制，降低功率控制精度，彌補正交擴頻碼相關性不理想所帶來的消極影響，從而改善系統(tǒng)性能、提高系統(tǒng)容量、增大小區(qū)覆蓋范圍。聯(lián)合監(jiān)測的基本思想是利用所有與ISI和MAI相關的先驗信息，在一步之內就將所有用戶信號分離出來。從理論上來說，使用聯(lián)合檢測和智能天線相結合技術，可以完全抵消ISI和MAI的影響，這將大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力和容量。TD-SCDMA中聯(lián)合檢測的高效率主要因為TD-SCDMA利用了TDMA和同步CDMA方案。TDMA的采用使每載波的大量用戶被盡量均勻地分布到每個幀的時隙中，使得每時隙中并行用戶數量較少，如TD-SCDMA在一個時隙中的并行碼道最多為16個，這樣不僅使每個時隙的干擾不致過高而且降低了聯(lián)合檢測實現的復雜度。同步CDMA技術使得多用戶信息在空中接口是同步的，占用同一時隙的多用戶同時到達接收機，這種同步有利于減弱擴頻碼正交性破壞的影響，同時降低聯(lián)合檢測實現的復雜度。2基本原理在TD-SCDMA系統(tǒng)中，基站和終端都采用聯(lián)合檢測算法來消除MAI和ISI。該聯(lián)合檢測技術是在傳統(tǒng)檢測的基礎上，充分利用造成MAI干擾的所有用戶信號及其多徑的先驗信息（如確知的的用戶信道碼和訓練序列，各用戶的信道估計等），把用戶信號分離當做一個統(tǒng)一的相互關聯(lián)的聯(lián)合檢測過程來完成，從而具有優(yōu)良的抗干擾能力，降低了系統(tǒng)對功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用上行鏈路頻譜資源，顯著地提高系統(tǒng)容量。聯(lián)合檢測基本原理如圖2.5所示。圖2.5聯(lián)合檢測基本原理設在每個突發(fā)時隙中用戶的數目為K，每個用戶發(fā)射N個數據符號，用戶k發(fā)射的數據符號向量表示為，每個數據符號使用長度為Q的擴頻序列擴頻。在碼片速率下，用戶k的信道響應包含W個可分離徑，即為W維復數向量。用戶k每個數據符號脈沖響應（）可以表示為擴頻序列和信道沖擊響應的卷積，即（3-1）因此接收機突發(fā)時隙接收信號可以表示為（3-2）其中，e是(NQ+W-1)維接收信號向量；A是擴頻碼c和信道脈沖響應h構成的矩陣稱為系統(tǒng)矩陣，它是一個(NQ+W-1)×KN維矩陣，代表K個用戶信號的系統(tǒng)響應，它包含了ISI和MAI成分；n代表噪聲序列。系統(tǒng)矩陣A的形式如下: k=1，N列k=1，N列在接收端，利用接收信號中的中間碼進行聯(lián)合信道估計，從而得到各個用戶的信道矩陣。根據估計出的各個用戶的信道信息和它們的擴頻碼信息可以構造出系統(tǒng)矩陣A，因此可以估計出各用戶的信息。3聯(lián)合檢測算法根據不同的劃分方法，聯(lián)合檢測算法分類也有很多。按照具體實現方法大致分為線性算法和非線性算法；按照優(yōu)化準則，可以分為基于迫零（ZF）和最小誤差（MMSE）算法等。迫零-分塊線性均衡器（ZF-BLE）ZF-BLE算法是基于Gauss-Markov定理的最佳加權最小二乘估計，其思路是令輸出符號使代價函數式（3-3）最?。?-3）式中為噪聲n的協(xié)方差矩陣，對式（3-3）進行矩陣求極值，可以得到（3-4）式中，d為所求符號。當噪聲n為AWGN時，式（3-4）變?yōu)椋?-5）從式（3-4）可以看出，ZF-BLE算法完全消除了ISI和MAI，是一種對信號的無偏估計，而信道中的白色噪聲經過這樣的檢測算法會變?yōu)橛猩肼暎铱赡芤鹪肼暤姆糯?。最小均方誤差-分塊線性均衡器（MMSE-BLE）與ZF-BLE不同，MMSE-BLE遵循另一種準則：最小化均方誤差代價函數，即最小化發(fā)送比特矢量和檢測輸出矢量之間的均方誤差。即尋找使代價函數（3-6）最小的檢測輸出信號在該準則下，得到檢測輸出信號向量（3-7）其中，（3-8）為d的自相關器，表示數據的協(xié)方差矩陣。（3-9）表示Wiener估計器。由式（3-7）可知，MMSE-BLE可以用一個ZF-BLE數據檢測器，再級聯(lián)一個Wiener濾波器實現。MMSE-BLE結構如圖2.6所示。圖2.6MMSE-BLE結構框圖MMSE-BLE從性能上比ZF-BLE優(yōu)越，因為Wiener濾波器在發(fā)送符號估計的同時，降低了背景噪聲。但是MMSE-BLE復雜程度相對較高，因為它需要估計出噪聲信號協(xié)方差矩陣和用戶信號自相關函數矩陣。五、聯(lián)合發(fā)送5.1聯(lián)合發(fā)送的基本原理聯(lián)合發(fā)送（JT）技術是時分雙工（ＴＤＤ）系統(tǒng)中的一種下行鏈路傳輸方式。它利用在時分雙工系統(tǒng)中，當上、下行傳輸時隙之間的時間間隔小于信道相關時間時，上行信道的沖激響應因與下行信道具有較大相關性這一特點，利用上行鏈路聯(lián)合信道估計得到的信道沖激響應與用戶擴頻序列信息在基站側預處理發(fā)送信號，使得在移動臺接收端不必進行信道估計，只需與用戶的擴頻序列匹配濾波即可恢復傳輸信號。這樣，有效地降低了移動臺接收機的復雜度，并且在下行傳輸時，理論上可以不用發(fā)送訓練序列，使系統(tǒng)下行容量大大提高。由于它的算法與聯(lián)合檢測的基本原理是對偶關系，所以謂之聯(lián)合發(fā)送。六、小結通過這次的課程設計了解了通信技術的發(fā)展和未來趨勢，目前這些技術都是3G系統(tǒng)中的關鍵技術，雖然表現形式各不相同，但是其共同特點都是以多用戶檢測為基礎，從夠消除多址干擾，對抗傳播路徑損耗、陰影效應和快衰落的角度考慮，以提高接收機性能，減弱對功率控制的要求。但是這些技術還存在一些共同問題，在未來的技術發(fā)展中需要解決：（1）信道估計對多用戶檢測技術的影響。大多數多用戶檢測都要求準確的信道參數估計，以及由的一些方法對信道估計誤差比較敏感，這些都是限制了多用戶檢測技術的發(fā)展。尋找新的快速有效的信道參數估計方法是發(fā)展多用戶檢測技術需要深入考慮的問題之一。（2）實現的復雜性。最優(yōu)多用戶檢測技術過于復雜，當前的水平難以實現。許多文獻提出了一些次優(yōu)的多用戶檢測器及其實現方法，復雜度有一定的降低，但是總的來說具體實現還是比較復雜，特別是對于多徑分集合并系統(tǒng)更是如此，因此進一步減少實現的復雜度是多址干擾技術需要解決的主要問題之一。（3）多小區(qū)的多址干擾抑制。目前多址干擾抑