通信信號處理第四章2013課件

第四章多用戶檢測技術基本的多址方式有FDMA、TDMA和CDMA三種，其中CDMA是一種以擴頻通信為基礎，基于時頻共享方式的多址技術。主要優(yōu)點：系統(tǒng)容量大、抗干擾性強、保密性好、發(fā)射功率低、電磁干擾小等，是3G移動通信系統(tǒng)主要的多址接入手段。在CDMA中，DS-CDMA方式應用最為廣泛。信號模型：第四章多用戶檢測技術在接收端，利用匹配濾波器組，通過相關處理執(zhí)行各路信號檢測第k路信號輸出接收信號與第k個用戶相關運算恢復數(shù)據(jù)，與其它用戶相關運算生成多址干擾，與噪聲相關還是噪聲。多址干擾（MAI）與用戶數(shù)、信號幅度以及互相關系數(shù)有關判決器輸出第四章多用戶檢測技術上述分析過程假定發(fā)射端所有用戶是同步的，但在實際系統(tǒng)中，各用戶發(fā)射信號往往是異步的接收信號模型為系統(tǒng)輸出矩陣如圖所示的2用戶6bit檢測可等效為6用戶1bit檢測，時間寬度多址干擾多址干擾產(chǎn)生的原因：多個CDMA用戶共用同一信道，不同用戶的擴頻碼互相關系數(shù)不等于零（偽隨機碼之間無法實現(xiàn)嚴格正交），隨著用戶數(shù)增加，干擾累積，累積到與期望信號強度相當時（干擾底限），判決器將無法識別期望信號和干擾信號，導致判決錯誤。克服MAI的途徑尋找好碼（理想擴頻碼的自相關為1、互相關為0）：很難功率控制：能減弱MAI的影響，但無法從根本上消除空間濾波：多扇區(qū)化、智能天線，可減少波束覆蓋的用戶數(shù)多用戶檢測：從根本上消除MAI遠近效應遠近效應產(chǎn)生的原因：如果干擾用戶比期望用戶距離接收端近很多，那么干擾信號接收功率將比期望信號接收功率大得多，傳統(tǒng)檢測方法執(zhí)行相關運算之后形成的多址干擾分量可能與期望信號相當，甚至淹沒期望信號，導致判決錯誤。遠近效應使多址干擾的影響更加復雜、嚴重克服遠近效應的途徑功率控制：降低干擾用戶發(fā)射功率，但無法從根本上消除多用戶檢測：從根本上消除MAIMUD的基本思想

(Multi-usersDetection)把同時占用某個信道的所有用戶信號都作為有用信號，將多個用戶的碼元、時間、信號幅度、相位等信息聯(lián)合起來，檢測某一個用戶信號

多用戶檢測算法分類最優(yōu)檢測是理論上的最佳結構，但由于不可實現(xiàn)的復雜度，只是用于評價次優(yōu)檢測性能的上界，目前可實用的檢測算法都是次優(yōu)的MUD的性能測度漸進多用戶有效性：衡量干擾用戶對期望用戶誤碼率的影響程度多用戶有效性：多用戶系統(tǒng)達到單用戶系統(tǒng)相同誤碼率所需能量與單用戶系統(tǒng)所需能量之比漸進多用戶有效性：高信噪比條件下多用戶有效性的極限漸進有效性取值范圍[0,1]，其含義為：當噪聲趨于0而誤碼率不趨于0時，漸進有效性取值為0，即在無噪環(huán)境中，單用戶檢測也存在誤碼；漸進有效性取值越大，表明誤碼率隨噪聲減小下降越快；當漸進有效性為1時，表明用戶不受其他用戶干擾影響。MUD的性能測度抗遠近效應能力：所有相關用戶能量范圍內(nèi)測得的最差漸進有效性，用于評價多用戶檢測算法抵御遠近效應的魯棒性抗遠近效應能力與擴頻碼碼型和解調(diào)方式有關線性多用戶檢測算法線性多用戶檢測算法：判決前對匹配濾波器組輸出進行線性變換（變換矩陣為T），再對變化輸出序列執(zhí)行判決，即x=Ty，b=sgn(x)。其運算復雜度與用戶數(shù)成線性增長關系算法分類：解相關檢測器、最小均方誤差檢測器、子空間斜投影檢測器、多項式展開檢測器、自適應檢測器等信號模型接收信號相關運算輸出信號互相關系數(shù)匹配濾波組輸出向量相關矩陣算法設計線性變換判決輸出匹配濾波器+線性變換器組合輸出

判決輸出標量形式解相關檢測算法解相關算法線性變換新的統(tǒng)計量中只有數(shù)據(jù)項和噪聲項，完全消除了MAI項，對其進行判決第k個用戶的誤碼率解相關算法特點：能提高系統(tǒng)容量；無需估計信號幅度，且性能與干擾用戶無關；算法復雜度大幅降低；誤碼率與信號能量無關，但此法會放大噪聲，且相關矩陣求逆運算量大自適應檢測算法自適應多用戶檢測利用自適應濾波原理，能抵御信道時變對判決性能產(chǎn)生的影響單用戶MMSE型：每個用戶新增一個橫向濾波器，濾波器抽頭系數(shù)以比特為單位更新，要求抽頭數(shù)大于擴頻碼長度無需已知其他用戶的擴頻碼，無需本用戶序列嚴格同步，但需要訓練序列，如果信道時變，需要不斷發(fā)送訓練序列自適應檢測算法多用戶MMSE型：此法收斂快，但需要訓練序列，同時還需要已知其他用戶的擴頻碼盲自適應檢測算法盲自適應多用戶檢測算法：無需其他用戶信息和訓練序列，僅需要待測用戶的觀測數(shù)據(jù)即可完成多用戶檢測。根據(jù)盲算法的代價函數(shù)不同分為：最小輸出能量算法恒模盲檢測算法基于子空間的盲自適應算法迫零解相關算法盲檢測無需訓練序列，開銷小、效率高、復雜度低，但收斂速度慢，很難適應時變信道環(huán)境非線性多用戶檢測算法非線性多用戶檢測算法：利用已檢測的信號重構多址效應引起的干擾信號，然后從接收信號中抵消。（無法提供系統(tǒng)的數(shù)學描述和分析）分類：串行干擾抵消檢測、并行干擾抵消檢測、串并混合型干擾抵消檢測、迫零檢測、序列檢測、分組檢測、基于神經(jīng)網(wǎng)絡的干擾檢測等

串行干擾抵消并行干擾抵消串行干擾抵消法基本思想：按照接收信號功率降序排列，先對用戶l進行匹配濾波并判決，然后重構用戶l的發(fā)送信號；從總的接收信號中減去重構信號，得到已消除用戶l影響的比較“干凈”的接收信號，將其作為下一級用戶2檢測的總接收信號，重復以上步驟。并行干擾抵消法基本思想：利用接收信號的初始值（前級）構造所用用戶的干擾信號，然后同時從接收信號中抵消所有用戶的干擾并行處理：處理時延短、無需重排，但實現(xiàn)復雜度高迫零判決反饋檢測器需要進行兩步操作：首先進行部分解相關線性處理，然后進行串行干擾抵消處理。對相關矩陣R應用Cholesky分解，得到R=FTF，其中F是下三角矩陣，將矩陣(FT)-1左乘匹配濾波器組輸出，得到白化信號模型由于矩陣F是下三角陣，上式中的比特信息是部分解相關的，即第一個用戶沒有MAI，第二個用戶只有第一個用戶的MAI，以此類推，第k個用戶還有1,2,…,k-1個用戶的MAI。空時聯(lián)合多用戶檢測算法基本思想：利用信號的空間特征和時間特征來提高檢測性能。基于最大似然序列的S-TMUD、基于最小均方誤差的S-TMUD、最大信噪比準則