優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計-CDMA系統(tǒng)中CMA盲多用戶檢測研究.doc

精品文檔！論文題目：CDMA系統(tǒng)中CMA盲多用戶檢測研究專業(yè)：通信工程學(xué)生：高鑫 簽名： 指導(dǎo)教師：康曉非 簽名： 摘要碼分多址(CDMA)技術(shù)是第三代移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，但在CDMA系統(tǒng)中，由于存在多址干擾，使系統(tǒng)性能受到了嚴重影響。多用戶檢測是第三代移動通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，它是一種從信號接收端的設(shè)計入手的干擾抑制方法。傳統(tǒng)的檢測方式是把多址干擾(MAI)當作噪聲來處理的，不能充分利用多用戶的信息，從而降低了系統(tǒng)容量和性能。而多用戶檢測是把多址干擾作為有效信息來處理，并能有效地克服遠近效應(yīng)，提高系統(tǒng)容量。因此，多用戶檢測技術(shù)成為通信領(lǐng)域的新熱點。 由于最優(yōu)化多用戶檢測算法復(fù)雜，且實現(xiàn)條件苛刻，因此只具有理論上的意義。CDMA多用戶檢測技術(shù)的研究集中在尋找復(fù)雜度較低、性能良好的次優(yōu)檢測器。然而這些多用戶檢測需要發(fā)送訓(xùn)練序列，頻繁的發(fā)送訓(xùn)練序列嚴重制約了多用戶檢測技術(shù)的實時性和實用性；盲多用戶檢測只需利用期望用戶的信息就可以進行檢測，而不需要其他用戶信息就可以抵消多址干擾。本文首先對DS-CDMA系統(tǒng)模型和多用戶檢測的理論進行了介紹，然后從傳統(tǒng)的檢測機到盲自適應(yīng)檢測機進行介紹。重點對CDMA系統(tǒng)中盲多用戶檢測的MOE算法和CMA算法進行了研究，分析了其性能并進行了仿真驗證?！娟P(guān)鍵字】 CDMA；盲多用戶檢測；最小輸出能量算法；恒模算法【論文類型】理論研究型Title: Research on Technologies of Blind Multiuser Detection for CDMA CommunicationMajor: Communication Engineering Name: Gao Xin Signature: Supervisor: Kang Xiaofei Signature: ABSTRACTCDMA has become one of the key techniques of 3G mobile communication systemBut multiple access interference gravely affects the CDMA system performanceMulti-user detection is one of the key techniques for 3G system, it is a method to suppress interference from signal receiver.Traditional detection methods is regard as multiple-access interference to noise，it can not make use of multi-user information，hence it reduce the system capacity and performance. While multi-user detection technology can effectively overcome the distance effect(Near-Far Effect)，and increase system capacity. Therefore，multi-user detection technology has became a new hotspot in the research of mobile communicationThe optimal multi-user detection exists only with its theoretical value, because it has a great computation complication and is very hard to be realized. Then people focus on the research on suboptimal multi-user detection with tolerable computation complication and good performance.However, sent train sequences has been seriously restricted the real time character and practicality multi-user detection technologyBlind multi-user detection technology can detect the expected user with only needing the spreading codes and without train sequences and without information of usersThis paper introduces the system model of DS-CDMA and multi-user detection theory, after that introduce the detector from the traditional to the blind adaptive detector. The paper focus on the MOE blind multi-user detection algorithm and the CMA algorithm, analysis of its performance and makes a simulation verification.【Keywords】CDMA；Blind Multi-user Detection；CMA algorithm ；Minimum output energy algorithm【Type of Thesis】Theoretical research目錄第一章 緒論11.1第三代移動通信概述11.2課題研究的背景及意義11.3 多用戶檢測技術(shù)的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀21.4 論文各章節(jié)安排3第二章 CDMA技術(shù)42.1 CDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)42.2 CDMA的基本原理62.2.1 擴頻通信技術(shù)62.2.2 擴頻通信的理論基礎(chǔ)72.2.3 擴頻與解擴頻過程72.2.4 CDMA擴頻通信原理8第三章 多用戶檢測技術(shù)的基本理論113.1 CDMA通信系統(tǒng)模型123.2多用戶檢測的基本原理133.2.1多用戶檢測的基本思想133.2.2多用戶檢測器的基本結(jié)構(gòu)133.3 多用戶檢測器的分類173.4 最優(yōu)多用戶檢測器183.5 次優(yōu)多用戶檢測器193.5.1 非線性多用戶檢測203.5.2 線性多用戶檢測器223.6 多用戶檢測的性能測度26第四章 盲多用戶檢測294.1 盲多用戶檢測概述294.1.1 盲多用戶檢測的基本知識294.1.2 盲多用戶檢測的基本原理304.1.3 盲多用戶檢測的接收模型314.1.4 盲多用戶檢測器的典范表示324.2 MOE盲多用戶檢測算法及仿真分析334.2.1 MOE算法334.2.2 MOE算法的仿真354.3 恒模(CMA)盲多用戶檢測算法仿真及分析364.3.1 CMA算法364.3.2 CMA算法仿真分析374.4 LS-CMA盲多用戶檢測算法及仿真分析394.4.1 LS-CMA算法394.4.2 LS-CMA的仿真分析41第五章 總結(jié)與展望445.1 論文的工作總結(jié)445.2 未來的展望45致謝46附錄47參考文獻51精品文檔！第一章 緒論1.1第三代移動通信概述移動通信是當今最為活躍和發(fā)展最為迅速的通信領(lǐng)域之一，也是二十一世紀對人類生活和社會發(fā)展產(chǎn)生重大影響的領(lǐng)域之一。第一代移動通信系統(tǒng)采用模擬調(diào)制方式，主要提供語音業(yè)務(wù)，現(xiàn)在使用的第二代蜂窩系統(tǒng)，采用數(shù)字調(diào)制方式，第三代移動通信(3G)系統(tǒng)無論在應(yīng)用還是容量等方面都有了重大的提高。隨著無線通信用戶數(shù)量的急劇增長，頻率資源日益緊張，要求第三代移動通信系統(tǒng)能提供更大的系統(tǒng)容量，更高的通信質(zhì)量，并能提供2Mbit/s數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，以滿足人們對媒體通信的要求，對空中接口(無線接口)提出了更高的要求。其主要特點概括為：全球無縫漫游：具有支持多媒體業(yè)務(wù)的能力，特別是支持Internet業(yè)務(wù)；便于過渡、演進；高頻譜效率、高服務(wù)質(zhì)量、低成本、高保密性。 隨著通信技術(shù)的發(fā)展，第三代移動通信系統(tǒng)以其優(yōu)越的性能成為了眾人矚目的焦點。作為第三代移動通信系統(tǒng)中的核心-CDMA系統(tǒng)，成為了當前通信領(lǐng)域研究工作的熱點。1.2課題研究的背景及意義隨著科技的進步，通信技術(shù)成為推動社會進步的重要因素。人們對移動通信業(yè)務(wù)和質(zhì)量的要求也在不斷提高。未來的移動通信系統(tǒng)不僅要有大的系統(tǒng)容量，而且要能支持話音、數(shù)據(jù)、圖像、多媒體等多種業(yè)務(wù)的有效傳輸。為了滿足越來越多的對移動通信非話業(yè)務(wù)的需求。人們一方面對現(xiàn)有的第二代移動通信網(wǎng)絡(luò)如GSM、IS-95、CDMA等進行技術(shù)上的改造，同時以ITU、3GPP、3GPP2為首的許多國際組織和機構(gòu)致力于第三代移動通信系統(tǒng)的標準制定和研究開發(fā)。目前，國際電聯(lián)所承認的三種方案分別是由中國提出的TD-CDMA、美國所制定的CDMA2000和歐洲所制定的WCDMA。可以看出，碼分多址(CDMA)技術(shù)己經(jīng)成為第三代移動通信系統(tǒng)中的主流技術(shù)。在CDMA系統(tǒng)中是依靠不同擴頻碼來區(qū)分不同的用戶，如果不同的用戶之間的擴頻碼是完全正交的，則用戶系統(tǒng)中各個用戶之間將不存在干擾。然而，在CDMA系統(tǒng)中，由于各個用戶的隨機接入及各個用戶擴頻碼的互相關(guān)性。用戶地址碼之間不能保證完全的正交性，從而引起多址干擾。用戶數(shù)目越多這種干擾越嚴重，系統(tǒng)的性能也會越差。多址干擾的存在帶來兩個問題：1) 系統(tǒng)的容量受到限制。隨著同時接入系統(tǒng)用戶數(shù)的增加，誤碼性能隨之下降。因此，減小多址干擾將增加系統(tǒng)容量。2) “遠一近”效應(yīng)嚴重影響系統(tǒng)性能。由于移動用戶所在的位置處于動態(tài)的變化中，基站接收到的各用戶信號功率可能相差很大，強信號對弱信號有著明顯的抑制作用，會使弱信號的接收性能很差甚至無法通信。這種現(xiàn)象被稱為“遠一近效應(yīng)”。傳統(tǒng)的CDMA信號檢測技術(shù)將根據(jù)直接序列擴頻理論對基帶接收信號進行地址碼相關(guān)計算，獨立處理每個用戶的信號，因此稱為相關(guān)檢測或單用戶檢測。IS-95CDMA接收機采用Rake技術(shù)，它將其它用戶的信號作為干擾來對待，其使用空間分集技術(shù)抗多徑效應(yīng)，但不具備抗多址干擾和遠近效應(yīng)的能力。多用戶檢測(Multi-User Detection，MUD)是第三代移動通信系統(tǒng)中寬帶CDMA通信系統(tǒng)中抗干擾的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的檢測技術(shù)完全按照經(jīng)典直接序列擴頻理論對每個用戶的信號分別進行擴頻碼匹配處理，因而抗多址干擾(MAI)能力較差；多用戶檢測技術(shù)在傳統(tǒng)檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分利用造成多址干擾的所有用戶信號信息對多個用戶進行聯(lián)合檢測或從接收信號中減掉相互間干擾的方法，有效地消除MAI的影響，從而具有優(yōu)良的抗干擾性能。在理想情況下，應(yīng)用多用戶檢測技術(shù)，系統(tǒng)的性能將接近單用戶時的性能。這顯然消除了“遠一近效應(yīng)的影響，可以簡化用戶的功率控制，降低系統(tǒng)對功率控制精度的要求。并且由于MAI的消除，用戶在較小的信噪比下就可達到可靠的性能，單用戶信噪比要求的降低可以直接轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)容量的增加，因此可以更加有效地利用鏈路頻譜資源，顯著提高系統(tǒng)容量。盲多用戶檢測通過自身信號參數(shù)的提取實現(xiàn)了不依靠訓(xùn)練序列完成對信號序列的估計，已經(jīng)成為多用戶檢測研究的熱點。1.3 多用戶檢測技術(shù)的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀多用戶檢測的想法最早在1979年由K.S.Schneider提出。1983年RKohno發(fā)表了對多用戶干擾抵消器的研究，利用其他用戶的已知信息消除MAI，實現(xiàn)無MAI的多用戶檢測，并指出了研究方向，這是多用戶檢測最早的文獻。1986年Verdu將多用戶檢測的理論向前推動了一大步，認為多址干擾是具有一定結(jié)構(gòu)的有效信息，理論上證明了采用最大似然序列檢測(MLSD)可以逼近單用戶接收性能。并有效地克服了“遠一近”效應(yīng)，大大提高了系統(tǒng)容量，從而開始了對多用戶檢測的廣泛研究。但是研究發(fā)現(xiàn)MLSD結(jié)構(gòu)是匹配濾波器組加上Viterbi譯碼，復(fù)雜度為，其中K為用戶數(shù)，這在工程上基本無法實現(xiàn)，因此人們開始研究各種次優(yōu)多用戶檢測器。次優(yōu)檢測在處理方法上，大致可分為線性和非線性。線性檢測技術(shù)有兩類典型算法：1989年RLupas等人提出的解相關(guān)多用戶檢測器(DD)和UMadhow提出的最小均方誤差檢測算法(MMSE)。非線性檢測器主要包括：判決反饋檢測器、并行、串行干擾抵消算法。上述檢測器需要已知各用戶的擴頻碼、時延、用戶功率以及信道參數(shù)等系統(tǒng)參量的準確估計，對于異步系統(tǒng)存在多徑或信號功率不斷變化的情況下，獲取這些信息有時是很困難的，并且通信系統(tǒng)本身是一個實時性極強的系統(tǒng)，所以出現(xiàn)了大量自適應(yīng)實現(xiàn)的多用戶檢測器。這些自適應(yīng)多用戶檢測雖然很好地解決了實時性的要求且性能較好，但這些檢測器工作時需要不斷發(fā)送訓(xùn)練序列，這就造成了頻譜的很大浪費，另一方面，由于信道是時變的，當變化很大時，發(fā)送的訓(xùn)練序列就將毫無用處，甚至使得檢測器的性能變得很差。在此基礎(chǔ)上發(fā)展了不需要訓(xùn)練序列的盲自適應(yīng)多用戶檢測，Honig等人于1995年首先提出了盲多用戶檢測，給出了一種盲多用戶檢測的典范形式；Wang等人提出了盲多用戶檢測的子空間方法例；張賢達等人提出了基于Kalman濾波的盲多用戶檢測。盲多用戶檢測技術(shù)由于不需要采用訓(xùn)練序列，且能夠提高系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤能力，因而近年來成為了多用戶檢測技術(shù)的研究熱點。根據(jù)盲算法的代價函數(shù)不同，可以分為以下幾種：基于最小輸出能量(MOE)準則的盲多用戶檢測算法，基于恒模準則的盲多用戶檢測算法(CMA)，基于子空間的盲自適應(yīng)多用戶檢測算法，Kalman盲自適應(yīng)多用戶檢測算法等。雖然盲多用戶檢測算法已經(jīng)被提及，但是，這些盲自適應(yīng)多用戶檢測算法多是停留在理論的探討階段。要想進一步被應(yīng)用與實際中，還得需要一些時間。本文在閱讀了大量研究多用戶檢測算法文章的基礎(chǔ)上，把研究重點放在CMA盲多用戶檢測算法的研究上。提出了適合在多徑信道下的盲多用戶檢測算法，并進行了性能分析和數(shù)據(jù)仿真，仿真結(jié)果表明算法能在少量增加計算復(fù)雜度的情況下，提高在較惡劣的傳輸環(huán)境下的系統(tǒng)性能。1.4 論文各章節(jié)安排第一章敘述了課題研究的背景及意義，回顧并總結(jié)了多用戶檢測技術(shù)的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀。第二章主要介紹了CDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及CDMA系統(tǒng)的基本原理。第三章首先介紹了CDMA系統(tǒng)的通信模型，接著介紹了多用戶檢測技術(shù)的產(chǎn)生，提出了多用戶檢測的基本思想、多用戶檢測器的結(jié)構(gòu)和多用戶檢測基本原理以及多用戶檢測的分類，重點介紹了幾種典型的多用戶檢測技術(shù)，分析了傳統(tǒng)的匹配濾波接收機、最佳多用戶檢測器以及幾種典型的線性和非線性多用戶檢測算法，比較了其優(yōu)缺點。第四章在CDMA系統(tǒng)中為盲多用戶檢測進行了數(shù)學(xué)建模，深入研究了盲多用戶檢測的3種經(jīng)典算法MOE算法、CMA算法和改進的LS-CMA算法，最后通過仿真對盲多用戶檢測技術(shù)進行分析并比較其性能。第五章對本文的研究工作進行了總結(jié)，概述了本論文所作的工作，指出研究的不足，指明了盲多用戶檢測技術(shù)未來研究的方向，對未來的研究工作進行了展望。第二章 CDMA技術(shù)CDMA是一種擴頻通信技術(shù), 擴頻就是將數(shù)字信號擴展到一個比自身帶寬寬很多的頻帶上去傳送信號。因為它的保密性能好,抗干擾能力強而被廣泛應(yīng)用于軍事通訊領(lǐng)域。它不像FDMA、TDMA那樣把用戶的信息從頻率和時間上進行分離，它是在一個信道上同時傳輸多個用戶的信息，也就是說允許用戶之間的相互干擾。其核心是信息在傳輸以前要進行特殊的編碼，編碼后的信息混合后不會丟失原來的信息。有多少個互相正交的碼序列，就可以有多少個用戶同時在一個載波上通信。每個發(fā)射機都有自己唯一的偽隨機碼，同時接收機也知道要接收的代碼，用這個代碼作為信號的濾波器，接收機就能從具有其他信號的背景中恢復(fù)出原來的信息碼。2.1 CDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)CDMA系統(tǒng)采用碼分多址的技術(shù)及擴頻通信的原理，使得可以在系統(tǒng)中使用多種先進的信號處理技術(shù)，為系統(tǒng)帶來許多優(yōu)點。以下介紹了CDMA無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)：1)多址技術(shù)多址技術(shù)是指把處與不同地點的多個用戶接入一個公共傳輸媒質(zhì)，實現(xiàn)各個用戶之間進行通信的技術(shù)。為了使信號多路化而實現(xiàn)多址的方法有三種，它們分別采用頻率、時間或碼元分隔的多址連接方式，即人們通常所稱的頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）三種接入方式。根據(jù)理論計算及試驗表明，CDMA系統(tǒng)的信道容量是模擬系統(tǒng)的10-20倍，是TDMA系統(tǒng)的4倍。CDMA系統(tǒng)的高容量很大一部分因素是因為它的頻率復(fù)用系數(shù)遠遠超過其它制式的蜂窩系統(tǒng)，同時CDMA系統(tǒng)使用了扇區(qū)化和話音激活，快速功率控制等。2)軟容量在FDMA、TDMA系統(tǒng)中，當小區(qū)服務(wù)的用戶數(shù)達到最大信道數(shù)，已達到滿載的系統(tǒng)就無法再增添一個信號了，若此時有新的呼叫，該用戶只能聽到忙音。而在CDMA系統(tǒng)中，用戶數(shù)目和服務(wù)質(zhì)量之間可以互相折中，非常靈活。3)軟切換所謂軟切換是指當移動臺需要切換時，先與新的基站連通以后再與原基站切斷聯(lián)系，而不是先切斷與原基站的聯(lián)系再與新的基站連通。軟切換只能在同一頻率的信道間進行，所以FDMA系統(tǒng)、TDMA系統(tǒng)都不具有這種功能。軟切換能夠有效地提高切換的可靠性，大大減少切換造成的掉話。同時，軟切換還提供了分集，在軟切換中，由于各個小區(qū)采用同一頻帶，因而移動臺可同時與小區(qū)m和鄰近小區(qū)n同時進行通信，在軟切換中，由于采用空間分集技術(shù)，很大程度上提高了移動臺在小區(qū)邊緣的通信質(zhì)量，增加了系統(tǒng)的容量。 4)采用多種分集技術(shù)分集接收是克服多徑衰落的一個很有效方法，采用這種方法，接收機可以對多個攜有相同信息且衰落特性相互獨立的接收信號在合并處理之后進行判決。由于衰落具有頻率、時間和空間的選擇性，因此分集技術(shù)分為頻率分集、時間分集和空間分集。CDMA系統(tǒng)能夠綜合利用頻率分集、空間分集和時間分集抵抗衰落對信號的影響，以此獲得高質(zhì)量的通信性能。5)多用戶檢測 基于RAKE接收機原理的CDMA接收機將其它用戶的信號均視為干擾信號，但是經(jīng)過優(yōu)化后的接收機可以檢測所有信號或從指定的信號中減去其它信號的干擾。當新的用戶或干擾用戶進入網(wǎng)絡(luò)時，其它用戶的服務(wù)質(zhì)量將會下降，網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力越強，可以服務(wù)的用戶數(shù)就越多。影響一個基站或移動臺的多路接入干擾是小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間干擾的總和。 多用戶檢測（MUD）也叫做聯(lián)合檢測，它降低了多路接入干擾的影響，因而增加了系統(tǒng)的容量。同時MUD顯著的降低了CDMA系統(tǒng)的遠近效應(yīng)。6)RAKE接收RAKE接收機也稱為多徑接收機，是指移動臺中有多個RAKE接收機，因為無線信號傳播中存在多徑效應(yīng)，所以基站發(fā)出的信號會經(jīng)過不同的路徑到達移動臺，經(jīng)過不同路徑到達移動臺處的信號的時間是不同的，如果兩個信號到達移動臺處的時間差超過了一個信號碼元的寬度，RAKE接收機就可將它們分別成功解調(diào)，移動臺將各個RAKE接收機接收到的信號進行矢量相加，每個接收機可單獨接收一路多徑信號，這樣移動臺就可以處理多個多徑分量，從而達到抗多徑衰落的目的，提高移動臺的接收性能?；緦γ總€移動臺信號的接收也采用多個RAKE接收機。另外，在移動臺進行軟切換時，正是由于使用不同的RAKE接收機接收不同基站的信號才得以實現(xiàn)。 7)功率控制技術(shù)由于CDMA系統(tǒng)不同用戶同一時間采用相同的頻率，因此上CDMA系統(tǒng)是自干擾系統(tǒng)，如果系統(tǒng)采用的擴頻碼不是完全正交的，將會造成相互之間的干擾。在一個CDMA系統(tǒng)中，每一個碼分信道都會受到來自其它信道的干擾，這種干擾是一種固有的干擾。由于各個用戶距離基站的距離不同，使得基站接收到各個用戶的信號強弱不同，由于信號間存在干擾，尤其是強信號會對弱信號造成很大的干擾，因此必須采用某種方式來控制各用戶的發(fā)射功率，使各用戶到達基站的信號強度基本相同。 CDMA系統(tǒng)的容量主要受限于系統(tǒng)內(nèi)部移動臺的相互干擾，所以每個移動臺的信號達到基站時都將達到所需的最小信噪比，系統(tǒng)容量將會達到最大。綜上對CDMA技術(shù)的了解，我們知道CDMA移動通信網(wǎng)是由擴頻、多址接入、蜂窩組網(wǎng)和頻率再用等幾種技術(shù)結(jié)合而成，在頻域、時域和碼域進行協(xié)作處理的，因此它具有抗干擾性好，抗多徑衰落，保密安全性高等，同頻率可以在多個小區(qū)內(nèi)重復(fù)使用，容量和質(zhì)量之間可進行權(quán)衡取舍，所以對于CDMA系統(tǒng)的研究也是近年來的熱點。2.2 CDMA的基本原理CDMA技術(shù)，其基礎(chǔ)是擴頻通信技術(shù)。擴頻系統(tǒng)有以下特點：1) 抗干擾能力 由于利用了擴展頻譜技術(shù)，將信號擴展到很寬的頻帶上，在接收端對擴頻信號進行相關(guān)處理，使其恢復(fù)成窄帶信號。對于干擾信號而言，由于與擴頻信號不相關(guān)，則被擴展到一個很寬的頻帶上，使之進入信號通頻帶內(nèi)的干擾功率大大降低了，相應(yīng)地增加了相關(guān)器輸出端的信干比，因而具有較強的抗干擾能力。擴頻系統(tǒng)的抗干擾能力主要取決于系統(tǒng)的擴頻增益，也就是處理增益。對大多數(shù)人為干擾來說，擴頻系統(tǒng)具有很強的對抗能力。2) 可進行多址通信擴頻通信本身就是一種多址通信，即擴頻多址，用不同的擴頻碼構(gòu)成了不同的網(wǎng)絡(luò)，類似于碼分多址。雖然擴頻系統(tǒng)占據(jù)了很寬的頻帶去完成信息傳輸，但其很強的多址能力保證了它的高的頻譜利用率。3) 安全保密 擴頻通信也是保密通信。擴頻系統(tǒng)發(fā)射的信號的譜密度低，近似于噪聲，有的系統(tǒng)可在-20 -15dB信噪比條件下進行工作，對方很難測出信號參數(shù)，從而達到安全保密通信的目的。擴頻信號還可以進行信息加密，如果要截獲和竊聽擴頻信號，則必須知道擴頻系統(tǒng)所用的偽隨機碼，并且與系統(tǒng)完全同步，這樣是很難做到的，從而起到了保護信息的作用。4) 數(shù)模兼容擴頻系統(tǒng)既能傳輸數(shù)字信號，也能傳輸模擬信號。5) 抗衰落 由于擴頻信號的頻帶很寬，當遇到衰落時，如頻率選擇性衰落，它只影響到擴頻信號的一小部分，因而對整個信號的頻譜影響不大。6) 抗多徑多徑問題是通信中特別是移動通信中必須面對卻難以解決的問題，而擴頻技術(shù)本身具有很強的抗多徑能力，只要滿足一定的條件，就可以達到抗干擾甚至可以利用多徑能量來提高系統(tǒng)性能的目的。2.2.1 擴頻通信技術(shù)擴頻通信技術(shù)，即擴展頻譜通信（Spread Spectrum Communication），它與光纖通信、衛(wèi)星通信，一同被稱為進入信息時代的三大高技術(shù)通信傳輸方式。2.2.2 擴頻通信的理論基礎(chǔ)擴頻通信的基本思想和理論依據(jù)是香農(nóng)（Shannon）公式。香農(nóng)在信息論的研究中得出了信道容量的公式： 式中：C：信道容量，單位bit/s；B：信號頻帶寬度，單位Hz；S：信號平均功率，單位W；N：噪聲平均功率，單位W。這個公式指出：如果信道容量C不變，則信號帶寬B和信噪比S/N是可以互換的。只要增加信號帶寬，就可以在較低的信噪比的情況下，以相同的信息速率來可靠地傳輸信息。甚至在信號被噪聲淹沒的情況下，只要相應(yīng)地增加信號帶寬，仍然能保持可靠的通信。也就是說，可以用擴頻方法以寬帶傳輸信息來換取信噪比上的好處。2.2.3 擴頻與解擴頻過程擴頻通信技術(shù)是一種信息的傳輸方式，在發(fā)送端采用擴頻碼調(diào)制，使信號所占的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的帶寬。在接收端采用相同的擴頻碼進行相干解調(diào)來恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù),下圖表明了整個擴頻與解擴頻過程。1)信息數(shù)據(jù)經(jīng)過常規(guī)的數(shù)據(jù)調(diào)制，變成窄帶信號（假定帶寬為B1）。2)窄帶信號經(jīng)擴頻編碼發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機碼擴頻調(diào)制，形成功率譜密度極低的寬帶擴頻信號（假定帶寬為B2，B2遠大于B1）。窄帶信號以PN碼所規(guī)定的規(guī)律分散到寬帶上后，被發(fā)射出去。3)在信號傳輸過程中會產(chǎn)生一些干擾噪聲（窄帶噪聲、寬帶噪聲）。4)在接收端，寬帶信號經(jīng)過與發(fā)射時相同的偽隨機編碼擴頻解調(diào)，恢復(fù)成常規(guī)的窄帶信號。即依照PN碼的規(guī)律從寬帶中提取與發(fā)射對應(yīng)的成份積分起來，形成普通的窄帶信號。再用常規(guī)的通信處理方式將窄帶信號解調(diào)成信息數(shù)據(jù)。干擾噪聲則被解擴成跟信號不相關(guān)的寬帶信號。圖2.1 擴頻與解擴過程2.2.4 CDMA擴頻通信原理碼分多址使用一組正交（或準正交）的偽隨機碼（PN）序列，通過相關(guān)處理來實現(xiàn)多個用戶共享空間傳輸?shù)念l率資源和同時入網(wǎng)接續(xù)的功能。CDMA采用直接序列擴頻通信技術(shù)。所謂直接序列擴頻就是直接用具有高速率的擴頻碼序列在發(fā)送端去擴展信號的頻譜，而接收端，用相同的擴頻碼序列進行解擴，把展寬的擴頻信號還原成原始信息。直擴通信原理如下圖所示：擴頻通信在發(fā)送端輸入信息經(jīng)信息調(diào)制形成數(shù)字信號，然后由擴頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號以展寬信號頻譜。展寬以后的信號再對載頻進行調(diào)制。通過射頻功率放大送到天線發(fā)射出去。在接收端從接收天線收到的寬帶射頻信號，首先經(jīng)過輸入電路、高頻放大器，被送入變頻器，下變頻至中頻；然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)端完全相同的擴頻碼序列去解擴；最后經(jīng)信號解調(diào)，恢復(fù)成原始信息輸出。+=+=信號1.2288Mbps1.2288Mbps擴頻載波調(diào)制載波調(diào)制解擴頻圖2.2 CDMA擴頻通信原理圖信號通過擴頻后信號的波形變化如下圖所示。 圖 2.3 擴頻與解擴后波形變化擴頻處理采用模2加運算，等價于二進制異或邏輯運算。擴頻后的碼元稱為碼片（chip），其速率稱為碼速，單位是chip/s。擴頻增益等于碼速率與輸入信號的比值。奈奎斯特定理表明，脈沖信號的頻譜帶寬與其脈沖寬度成反比。上圖中信號的脈沖寬帶很寬，擴頻后脈沖寬度很窄，因此擴頻前信號的頻譜一定很窄，而擴頻后信號的頻譜一定很寬，這是擴頻名稱的由來。通常CDMA可以采用連續(xù)多個擴頻序列進行擴頻，然后以相反的順序進行頻譜壓縮，恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。本章小結(jié) 本章首先介紹了CDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，接著重點對CDMA系統(tǒng)的基本原理進行介紹，提出CDMA系統(tǒng)的基礎(chǔ)是擴頻技術(shù)，并對擴頻的過程與原理進行介紹。第三章 多用戶檢測技術(shù)的基本理論CDMA通信系統(tǒng)中主要干擾為碼間干擾和多址干擾（MAI），當同時通信的用戶數(shù)較多時，MAI成為最主要的干擾。MAI不僅嚴重影響系統(tǒng)的抗干擾性能，而且也限制了系統(tǒng)容量的提高。碼分多址的基本通信方式是直接序列擴頻通信方式：DS-CDMA，即一個用戶使用一個擴頻碼(即一個碼道)。如何在存在多址干擾和遠近效應(yīng)問題的DS-CDMA系統(tǒng)最可靠地檢測出各用戶發(fā)送的信碼是DS-CDMA移動通信系統(tǒng)中目前存在的主要問題。克服多址干擾的主要措施：在DS-CDMA通信系統(tǒng)中，克服多址干擾，成為增加系統(tǒng)容量，擴大系統(tǒng)覆蓋范圍，改善系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)?？朔嘀犯蓴_有以下主要措施：1) 碼形設(shè)計例如采用完全同步的碼分多址方式設(shè)計一組完全正交的互相關(guān)為零的擴頻地址碼，如Walsh函數(shù)碼。用戶在完全同步并采用理想正交擴頻碼的條件下，各用戶之間是不會產(chǎn)生多址干擾的。但在實際情況下，多用戶干擾總是存在的。在多徑衰落信道中，理想的完全同步是難以實現(xiàn)的，因此擴頻碼也難以保證完全的正交性。同時具有理想自相關(guān)和理想互相關(guān)特性的二進制擴頻碼是不存在的，這就是著名的Walsh界。多址干擾是由于擴頻碼的互相關(guān)函數(shù)不為零引起的，顯然互相關(guān)性越小，多址干擾的影響就越小。工程實用化的碼形設(shè)計中，如果是同步碼分體制，可采用理想互相關(guān)特性的碼形，比如Walsh碼，在異步碼分體制中，要選用互相關(guān)函數(shù)較小的擴頻序列與碼組。2) 功率控制技術(shù)由于蜂窩移動通信中，用戶是在隨機移動的，因此基站接收到來自距離基站近的用戶信號的功率比接收到來自距離基站較遠的用戶信號的功率大，同時由于器件的非線性特性將會導(dǎo)致強者越強、弱者越弱的現(xiàn)象。遠近效應(yīng)將會使多址干擾的影響更加嚴重，為了克服這一現(xiàn)象，工程上采用功率控制技術(shù)，實現(xiàn)對不同遠近用戶到達基站接收點的功率或信噪比平衡一致。顯然功率控制只能盡可能減少多址干擾的影響，而并不能從根本上消除多址干擾的影響。3) 空間濾波技術(shù)基本思路是將小區(qū)內(nèi)的多址干擾按區(qū)域?qū)⒋髤^(qū)劃分為小區(qū)，將多用戶的干擾從整個小區(qū)劃分到局限于若干個小區(qū)的局部小區(qū)，以達到在每個子小區(qū)內(nèi)減少多用戶干擾影響的目的，在具體實現(xiàn)上可采用多扇區(qū)化和智能天線技術(shù)。多扇區(qū)化，即將一個小區(qū)劃分為空間相互獨立的若干個扇區(qū)，比如三扇區(qū)、六扇區(qū)等，用扇區(qū)設(shè)計來達到隔離扇區(qū)間的多用戶干擾。智能天線技術(shù)，即采用更多更窄的動態(tài)波束來隔離空間多用戶干擾，若能達到一個動態(tài)波束跟蹤一個用戶，則基本上從空間上隔離和消除了多址干擾。4) 多用戶檢測技術(shù)多用戶檢測技術(shù)是引用信息論并通過嚴格的理論分析后提出的一種新型抗多址干擾技術(shù)。通過多用戶檢測不僅可以抵抗多址干擾，又可以抵抗遠近效應(yīng)和多徑效應(yīng)。多用戶檢測技術(shù)是一種有效的解決辦法，因為多用戶檢測算法正是利用擴頻信號之間的互相關(guān)性來減少或消除多址干擾，從而達到增加系統(tǒng)容量、提高接收機的性能、緩解遠近效應(yīng)的目的。多用戶檢測技術(shù)對于DS-CDMA通信系統(tǒng)來說是一個極有意義的研究工作。3.1 CDMA通信系統(tǒng)模型碼分多址(CDMA)是建立在正交編碼、相關(guān)接收的理論基礎(chǔ)之上，利用擴頻碼通信技術(shù)解決無線通信的選址問題。不同用戶傳輸信息所用的信號不是靠頻率不同或時隙不同來區(qū)分，而是用各自不同的編碼序列來區(qū)分。如果從頻域或時域來觀察，多個CDMA信號是互相重疊的。接收機用相關(guān)器可以在多個CDMA信號中選出其中使用預(yù)定碼型的信號，其它使用不同碼型的信號因為和接收機本地產(chǎn)生的碼型不同而不能被解調(diào)。它們的存在類似于在信道中引入了噪聲或干擾，通常稱之為多址干擾。DS-CDMA移動通信系統(tǒng)的基本原理框圖。如圖2.1：信源擴頻調(diào) 制編碼發(fā)送調(diào) 制信道多址干擾高斯白噪聲偽碼生 成信宿譯碼接擴統(tǒng)計判 決解調(diào)偽 碼 生 成圖3.1 DS-CDMA系統(tǒng)的原理方框圖3.2多用戶檢測的基本原理3.2.1多用戶檢測的基本思想在傳統(tǒng)的CDMA接收機中都將MAI看作為等效白噪聲的無用信息來處理，這是一種消極的處理方法。實際上MAI本質(zhì)上并不是純粹無用的白噪聲，而是有著強烈結(jié)構(gòu)性的偽隨機序列信號。在用戶間的相關(guān)函數(shù)都是已知的情況下，從理論上看，完全有可能利用這些偽隨機序列的己知結(jié)構(gòu)信息來進一步消除它所帶來的負面影響，以達到提高系統(tǒng)性能的目的。多用戶檢測是引用信息論并通過嚴格的理論分析后提出的一種新型抗多址干擾的技術(shù)，它是從改變接收機結(jié)構(gòu)方面著手的。采用多用戶檢測的接收機改變了CDMA系統(tǒng)干擾受限的本質(zhì)，充分利用了擴頻碼的己知結(jié)構(gòu)信息。多用戶檢測提出的基本思想:1)基于信息論中的最優(yōu)信號檢測理論，尋求蜂窩式碼分多址的多用戶最優(yōu)聯(lián)合檢測理論。2)充分利用擴頻碼的己知結(jié)構(gòu)信息，實際上不論多徑干擾還是多址干擾，本質(zhì)上并不是純粹無用的白噪聲，而是有著強烈結(jié)構(gòu)性的偽隨機序列信號，而且用戶間與各條路徑間的相關(guān)函數(shù)都是已知的，因而從理論上看，完全有可能利用這些偽隨機序列的已知結(jié)構(gòu)信息和統(tǒng)計信息來進一步消除它所帶來的負面影響，以達到提高系統(tǒng)性能的目的。3)多徑干擾和多址干擾其實質(zhì)是一樣的，都來源于偽隨機序列，可以利用擴頻碼的己知結(jié)構(gòu)信息與統(tǒng)計信息，消除多徑干擾和多址干擾，同時也就消除和減弱了遠近效應(yīng)。4) 最優(yōu)的聯(lián)合檢測方案是可行的。在對多個用戶的匹配濾波器接收的基礎(chǔ)上，進行多用戶聯(lián)合檢測，并充分利用己知偽碼結(jié)構(gòu)與統(tǒng)計信息，設(shè)法消除其它用戶的干擾，理論上是完全可行的。3.2.2多用戶檢測器的基本結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的單用戶檢測接收機是將多址干擾、多徑干擾當作等效加性高斯白噪聲來處理，這是一種消極處理方式。它采用擴頻碼匹配濾波器結(jié)構(gòu)，利用擴頻碼之間的準正交性來分離各用戶的信號。如圖2.1所示，接收端用一個和發(fā)送地址碼(擴頻波形)相匹配的相關(guān)器(匹配濾波器)來實現(xiàn)信號分離，在相關(guān)器后直接判決。如圖3.2所示：匹配濾波器（用戶1）匹配濾波器（用戶K）用戶準則（用戶1）用戶準則（用戶K）輸入接收信號輸出判決結(jié)果輸出判決結(jié)果.圖3.2傳統(tǒng)檢測器的一般結(jié)構(gòu)圖每一個濾波器與一個不同用戶的特征波形匹配。在同步情況下，匹配濾波器組的輸出為：. 在有K個用戶的同步基帶DS-CDMA系統(tǒng)中，考慮高斯白噪聲信道，在接收端，基帶接收信號可以描述成：= (3.1)其中，T是字符間隔(每個碼元的持續(xù)時間)，表示第k個用戶的信號幅度，(j)-1,1是第k個用戶發(fā)送的比特數(shù)據(jù)（信息序列），n(t)是具有單位功率譜密度的加性高斯白噪聲。假定所有的信息序列都是等概的，則可以在上中取j=0，得到簡化的信號模型：= (3.2)是分配給第k個用戶的特征波形，可表示為: (3.3)在上式中，是一個持續(xù)時間為的方波，是擴頻信號碼片的持續(xù)時間，-1,+1是第k個用戶的擴頻序列的第k個用戶的擴頻序列的第個比特值。通常我們將擴頻信號的長度設(shè)定為一個碼元長度，因此是擴頻序列的碼片數(shù)量。 一般來說，在對系統(tǒng)進行設(shè)計或仿真分析時，我們需要將各個用戶的擴頻信號進行歸一化處理，使其具有單位能量，即： = (3.4) 將接收到的連續(xù)時間波形，式(3.2)先通過匹配濾波器組，然后對各路匹配濾波器輸出進行采樣，其中每一個濾波器與一個用戶的特征波形匹配。同步情況下，匹配濾波器的輸出為：= (3.5)將(3.2)代入(3.5)中，我們可以得到第k個匹配濾波器的離散時間輸出可表示為：= = =+ =+ (3.6)式中是第個和第個用戶特征波形的互相關(guān)，定義為：= (3.7)而為高斯隨機噪聲過程，它的均值為0，方差為，定義為：。 (3.8)式(3.6)可以用向量形式表示為： (3.9)上式中，, 并記歸一化的互相關(guān)矩陣=，其對角元素=1。為相關(guān)陣，每一對碼字的部分相關(guān)值，其中等于用戶數(shù)，每個用戶的比特數(shù)，是零均值的高斯隨機向量，其協(xié)方差矩陣為。傳統(tǒng)的檢測方法只是對y作了簡單的判決=(),把多址干擾當作高斯白噪聲處理，沒有能夠利用其他的有用信息，造成了信息的浪費，并且抗干擾能力差。而多用戶檢測技術(shù)，以傳統(tǒng)的檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，很好的利用了造成多址干擾的其他有用信息，對單個用戶的信號進行檢測，有很好的抗干擾性能，充分的利用了頻譜資源。下來我們對多用戶檢測技術(shù)進行研究。多用戶檢測接收機則充分利用有用的已知結(jié)構(gòu)信息與統(tǒng)計信息聯(lián)合檢測，如圖3.3所示：多用戶檢測匹配濾波器（用戶1）輸入判決結(jié)果輸入判決結(jié)果.輸入接收 信號接收信號圖3.3多用戶檢測器的一般結(jié)構(gòu)圖匹配濾波器（用戶K）3.3 多用戶檢測器的分類自從1986年Verdu提出多用戶檢測理論以來，多用戶檢測的研究迅速成為了CDMA蜂窩移動通信，特別是第三代移動通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前已提出的多種多用戶檢測(MUD)方法可從不同角度進行分類：按處理方法可分為線性和非線性兩大類；按檢測器處理信息時需要知道期望用戶信息量的多少，又可分為盲和非盲多用戶檢測器。線性多用戶檢測器包括解相關(guān)檢測、最小均方誤差檢測；非線性檢測主要包括串行干擾抵消算法、并行干擾抵消算法、解相關(guān)判決反饋等。就目前廣泛研究的多用戶檢測技術(shù)，按其研究方向可以大致分類如圖2.4。解相關(guān)檢測最小均方誤差檢測最小輸入能量算法恒模（CMA）算法Kalman濾波檢測基于子空間的算法圖3.4 多用戶檢測技術(shù)的分類圖盲檢測解相關(guān)判決反饋非盲檢測串行干擾檢測并行干擾檢測最優(yōu)多用戶檢測非線性檢測次優(yōu)多用戶檢測線性檢測多用戶檢測3.4 最優(yōu)多用戶檢測器1986年，Verdu等人提出了最早的高斯信道下的多用戶檢測器：最優(yōu)多用戶檢測器。在各用戶發(fā)射信號先驗等概的情況下，最佳多用戶檢測器就是一個最大似然準則的多用戶檢測器，它采用Bayes后驗概率最大的原理，其目標是尋找使似然函數(shù)最大的序列，這樣的序列與發(fā)射信號集序列差錯最小。 具體說來，就是求b使似然函數(shù)： (3.10)最大化，其中式中 (3.11)定義那么式(3.10)的最大化等價于選擇b使 = (3.12)最大化。似然函數(shù)取最大值時，解調(diào)出來的b的誤碼率最小。遍歷所有2k個可能解的組合，從中找出使函數(shù)值最大的一個作為檢測結(jié)果。該方法具有與用戶數(shù)量成指數(shù)關(guān)系的計算復(fù)雜度，即。 最優(yōu)多用戶檢測器的抗遠近能力是重要的，因為它是任何一種多用戶檢測器所能達到的抗遠近能力的最小上界，而且也是任何一種次最優(yōu)檢測器相對性能的一個測度。鑒于此，最優(yōu)多用戶檢測器的抗遠近能力常簡稱為最優(yōu)抗遠近能力。雖然最優(yōu)多用戶檢測器在理論上可以獲得最小的誤碼率，提供最佳的檢測性能。但是，這種檢測器并不適合實際應(yīng)用，主要是因為這種算法的計算復(fù)雜度為，和用戶個數(shù)成指數(shù)關(guān)系，計算量太大，需要知道接收信號過多的信息。例如所有用戶準確的擴頻波形、幅度、相位等，這些需要通過估計來得到，在實際系統(tǒng)中一般難以滿足。所以它僅具有理論上的意義，根本無法實時實現(xiàn)。因此，尋找計算比較簡單，同時又能夠近似實現(xiàn)最優(yōu)檢測的誤碼性能，對遠近問題不敏感的次優(yōu)檢測方法成了此領(lǐng)域內(nèi)主要的研究方向。3.5 次優(yōu)多用戶檢測器 次優(yōu)多用戶檢測方案基本上可以分為兩大類：非線性檢測和線性檢測。3.5.1 非線性多用戶檢測 非線性多用戶檢測中最主要的方法是干擾抵消多用戶檢測。干擾抵消檢測器主要是利用反饋來減少多址干擾。它的基本原理是：從存在多址干擾的信號中提取期望用戶信號，首先必須恢復(fù)干擾信號，即其它用戶信號，然后從整個接收信號中減去這些多址干擾信號，最終獲得期望用戶信號。非線性多用戶檢測技術(shù)包含若干算法，目前研究最多的是基于判決反饋的多址干擾抵消檢測技術(shù)，干擾抵消檢測器一般由多級組成，其基本思想是在接收端對每個用戶的多址干擾進行估計，然后從接收信號中部分或全部消除多址干擾。主要包括串行干擾抵消檢測、并行干擾抵消檢測和判決反饋檢測。1) 串行干擾抵消檢測器串行干擾抵消檢測器是一個簡單而又自然的想法：如果已經(jīng)做出了某個干擾用戶的比特判決，那么這個干擾信號就可以在接收端再生并從接收信號中減去。只有當比特判決正確時，這個干擾信號才可以被真正的抵消掉，否則將會引起誤差傳播。串行干擾抵消檢測器，它有多級組成，每一級只檢測一個用戶信號。多級結(jié)構(gòu)將上一級的輸出信號作為下一級的輸入信號，即當前級的檢測器利用前一級的檢測結(jié)果對多址干擾進行估計，并將它從接收信號中消去用此來提高當前級檢測的精度。接收機首先使用傳統(tǒng)的方法對用戶信號功率進行估計，對估計結(jié)果進行排序，然后按功率從高到低的順序依次對用戶信號進行估計和消除。按信號強度由強到弱依次抵消多址干擾的原因是在于：最容易得到最強用戶的信號解調(diào)(正確判決的概率最大)。對于最弱的信號用戶來說，這種算法在減少多址干擾方面獲得了改善。但是，如果起始數(shù)據(jù)估計不可靠，串行干擾檢測器將對下級產(chǎn)生較大的干擾，這樣便會出現(xiàn)嚴重失真。所以，最強用戶估計的是至關(guān)重要的。每一級對消將會帶來一定的時延，這樣在比特時延與對消的用戶數(shù)目上必須折中。一旦信號的功率值發(fā)生變化，就要對各用戶根據(jù)信號功率進行重新排序，這樣又必須在處理器的復(fù)雜度與可接受的功率精度上進行折中。另外，逐級干擾對消檢測器的性能很大程度上取決于用戶功率的分布，如果接收端的各用戶的信號功率大致相等，其性能要比多級多用戶檢測器的性能差得多。串行干擾抵消檢測器所需要的假定知識包括：期望用戶的定時信息，干擾用戶的定時信息，期望用戶和干擾用戶的特征波形以及它們的接收信號幅值。同步信道下其計算復(fù)雜度與用戶數(shù)是成線性關(guān)系，即復(fù)雜度為。但是不足之處是：每一級都有延時，當信號功率強度順序發(fā)生變化時需要重新排序，如果初始數(shù)據(jù)判決不可靠。2) 并行干擾抵消檢測器在串行干擾抵消檢測器中，用戶抵消的順序會很大程度上影響到單個用戶性能，而并行干擾抵消檢測器(PIC)則很好的緩解了這個技術(shù)缺陷。并行干擾抵消檢測器的思路是對每一個用戶的匹配濾波器輸出做出初始判決，用它去估計多址接入干擾，并從初始的輸出中減去而得到更接近真實發(fā)送信號的輸出，接著再做判決、估計，如此循環(huán)往復(fù)，直到得到期望的性能指標。 并行干擾抵消器的設(shè)計思想和串行干擾抵消器基本相同，但是由于并行干擾抵消檢測器是并行處理的，克服了串行干擾抵消檢測器大的延