多用戶檢測技術(shù)研究畢業(yè)論文

1、<p>　　本科畢業(yè)論文（設(shè)計）</p><p>　　學院、系 電子信息工程學院 電子系</p><p>　　專業(yè)名稱 電子信息科學與技術(shù) </p><p>　　年 級 2008級 </p><p>　　學生姓名

2、 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　2012年5月31日</p><p><b>　　多用戶檢測技術(shù)研究</b></p><p>　　摘要：多用戶檢測是寬帶CDMA通信系統(tǒng)中抗干擾的關(guān)鍵技術(shù)。多用戶檢測是綜合考慮同時占用某個信道的所有用戶或某些用

3、戶，消除或減弱其它用戶對任一用戶的影響，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檢測方法。本文主要研究了CDMA移動通信系統(tǒng)的各種多用戶檢測算法的原理和優(yōu)缺點。首先介紹了多用戶檢測技術(shù)的基本分類，主要有線性多用戶檢測和非線性多用戶檢測兩類，前者包括解相關(guān)檢測、線性最小均方誤差檢測，后者則以干擾抵消多用戶檢測為主，又分為串行和并行干擾消除多用戶檢測。然后對各類多用戶檢測技術(shù)的特點進行了分析比較。文中通過仿真比較分析了傳統(tǒng)檢測器、

4、串行干擾抵消檢測器和解相關(guān)檢測器等經(jīng)典多用戶檢測器的誤碼率。隨著多用戶檢測技術(shù)的發(fā)展越來越成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大，多用戶檢測成為目前研究的一個熱點。</p><p>　　關(guān)鍵詞：多用戶檢測，串行干擾消除，并行干擾消除 </p><p>　　Research On Muti-User Detection Technique</p><p>　　Author: Hu

5、 Bo</p><p>　　Tutor: Sun Kai</p><p>　　Abstract: Multi-user detection is an anti-interference key technology in broadband CDMA system. Multi-user detection is a method for signal detection; it ove

6、rall evaluates all users or certain users who occupy some channels, other users to any user's influence will be eliminated or weakened. In the meantime, information of all users or certain users is detected. This art

7、icle focuses on the principle and algorithm of Multiuser Detection (MUD) and discusses the main techniques available for data d</p><p>　　Key words: Multi-user detection (MUD), SIC, PIC</p><p>&l

8、t;b>　　多用戶檢測技術(shù)研究</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 多用戶檢測技術(shù)產(chǎn)生背景</p><p>　　第三代移動通信系統(tǒng)是能夠滿足國際電聯(lián)提出的IMT-2000/FPLMTS系統(tǒng)標準的新一代移動通信系統(tǒng)，要求具有很好的網(wǎng)絡(luò)兼容性，能夠?qū)崿F(xiàn)全球范圍內(nèi)多個不同系統(tǒng)間的漫游，不

9、僅要為移動用戶提供話音及低速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而且要提供廣泛的多媒體業(yè)務(wù)。ITU已對IMT-2000的測試環(huán)境提出了具體標準，給出了表征IMT-2000系統(tǒng)的最低限度的參數(shù)，包括支持的數(shù)據(jù)速率范圍、誤碼率標準、單向的時延標準、激活因子和業(yè)務(wù)量模型。根據(jù)ITU的標準，世界各大電信公司聯(lián)盟均已提出了自己的第三代移動通信系統(tǒng)方案,主要有以日本DoCoMo公司為首提出的W-CDMA、美國Lucent和Motorola等公司提出的CDMA2000、歐洲

10、西門子和阿爾卡特等公司提出的TD-CDMA以及我國提出的擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA。總體來說，雖然這些方案不甚相同，但是全世界在第三代移動通信系統(tǒng)中采用寬帶碼分多址(CDMA)技術(shù)已經(jīng)達成共識。我國現(xiàn)在已經(jīng)具備了第二代移動通信系統(tǒng)的整體開發(fā)能力，但在第三代移動通信系統(tǒng)的研究開發(fā)方面還剛剛起步。當前最為迫切的任務(wù)是進行寬帶CDMA通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)的研究工作，要努力形成自己的專利技</p><p>　　1.

11、2 多用戶檢測技術(shù)簡介</p><p>　　多用戶檢測是寬帶CDMA通信系統(tǒng)中抗干擾的關(guān)鍵技術(shù)。在實際的CDMA通信系統(tǒng)中，各個用戶信號之間存在一定的相關(guān)性，這就是多址干擾(Multiple Access Interference ,MAI)存在的根源。由個別用戶產(chǎn)生的固然很小，可是隨著用戶數(shù)的增加或信號功率的增大，就成為寬帶CDMA通信系統(tǒng)的一個主要干擾。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

12、號分別進行擴頻碼匹配處理，因而抗干擾能力較差；多用戶檢測(Multi-User Detection, MUD)技術(shù)在傳統(tǒng)檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分利用造成干擾的所有用戶信號信息對單個用戶的信號進行檢測，從而具有優(yōu)良的抗干擾性能，解決了遠近效應(yīng)問題，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，顯著提高系統(tǒng)容量。目前尋求MUD技術(shù)與其它技術(shù)結(jié)合的方法,以實現(xiàn)聯(lián)合優(yōu)化?，F(xiàn)在研究較多的有MUD技術(shù)與空時二級信號處理、信道

13、編碼、功率控制等技術(shù)的結(jié)合；另外,還有用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多用戶檢測可以考慮系統(tǒng)的非線性、非平衡性和非高斯性,因此,基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多用戶檢測近來也受到人們的注意。還有將智能天線技術(shù)引入多用戶檢測</p><p><b>　　2 多用戶檢測技術(shù)</b></p><p>　　2.1 多用戶檢測技術(shù)概述及其作用</p><p>　　多用戶檢測是第三代移動通

14、信系統(tǒng)中寬帶CDMA通信系統(tǒng)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()能力較差；如圖2.1所示，多用戶檢測(Multi-User Detection, MUD)技術(shù)在傳統(tǒng)檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過取消小區(qū)間干擾來改進性能，增加系統(tǒng)容量。實際容量的增加取決于算法的有效性、無線環(huán)境和系統(tǒng)負載。充分利用造成多址干擾的所有用戶信號信息對多個用戶做聯(lián)合檢測或從接收信號中減掉相

15、互間干擾的方法，有效地消除的影響，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—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。</p><p>　　圖2.1 多用戶檢測技

16、術(shù)原理圖</p><p>　　多用戶檢測的作用就是去除多用戶之間的相互干擾。也就是根據(jù)多用戶檢測算法，在經(jīng)過非正交信道和非正交的擴頻碼字，重新定義用戶判決的分界線，在這種新的分界線上，可以達到更好的判決效果，去除用戶之間的相互干擾。</p><p>　　多用戶檢測的主要優(yōu)點：它是消除或減弱CDMA中多址干擾的有效手段，也是消除或減弱CDMA中多徑衰落干擾的有效手段，并且能夠消除或減弱CDM

17、A中的遠近效應(yīng)，簡化CDMA系統(tǒng)中的功率控制，降低功率控制的精度要求，彌補CDMA中由于正交擴頻互相關(guān)性不理想所帶來的一系列消極影響，改善CDMA系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)容量、擴大校區(qū)覆蓋范圍。多用戶檢測的主要缺點：大大增加CDMA系統(tǒng)的設(shè)備復雜度，增加CDMA系統(tǒng)的處理時延，特別是對于采用自適應(yīng)算法，以及對于擴頻碼較長的系統(tǒng)更是如此。多用戶檢測一般需要知道很多附加信息，如所有用戶的擴頻碼、衰落信道的主要統(tǒng)計參量：幅度、相位。延時等，這對于時

18、變信道，需要不停地對每個用戶信道進行實時估計才能實現(xiàn)，一般而言是非常困難的，而且參量估計的精度將直接影響多用戶檢測器的性能好壞。</p><p>　　2.2 多用戶檢測技術(shù)工作原理</p><p>　　如下圖2.2所示，假設(shè)有個用戶，每個用戶發(fā)送數(shù)據(jù)比特，通過擴頻碼字進行頻率擴展，經(jīng)過無線信道傳輸，加入了噪聲，接收端接收的用戶信號與同步的擴頻碼字相關(guān)，接收機相乘器由乘法器、積分和信息轉(zhuǎn)存功

19、能部分組成。解擴后的結(jié)果通過多用戶檢測算法去除用戶之間的干擾，得到用戶的信號估計值。多用戶檢測將不期望的多接入干擾從接入信號中分離。多用戶檢測輸出的是估測的數(shù)據(jù)比特。從原理圖上就可以看出：多用戶檢測的關(guān)鍵取決于相關(guān)器的同步擴頻碼字跟蹤、各個用戶信號的檢測性能、相對能量的大小信道估計的準確性等接收機的性能，也就是取決于捕捉到的能量、相位的影響和碼跟蹤差錯。在理想情況下，與沒有MUD的系統(tǒng)相比，MUD減少干擾2.8倍因子。實際情況下，MUD

20、的有效性不到100% ，也就是說取決于檢測方案、信道估計、時延估測和功率控制差錯。</p><p>　　圖2.2 多用戶檢測系統(tǒng)模型</p><p>　　2.3 多用戶檢測技術(shù)的分類</p><p>　　多用戶檢測技術(shù)分為線性多用戶檢測和非線性多用戶檢測。線性多用戶檢測主要有下面幾類: 解相關(guān)檢測,最小均方誤差檢測, 盲自適應(yīng)多用戶檢測和多項式擴展多用戶檢測，其中前

21、三類只能用于短碼系統(tǒng), 而多項式檢測可以在長碼系統(tǒng)中應(yīng)用。非線性多用戶檢測主要有串行干擾消除和并行干擾消除。本節(jié)主要介紹線性干擾消除，下章具體介紹非線性干擾消除。</p><p>　　2.3.1 解相關(guān)檢測</p><p>　　由Lupas和Verdu提議的解相關(guān)器(又稱為零驅(qū)動檢測器) 結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 解相關(guān)器示意圖</p

22、><p>　　這種檢測器是將多用戶通信環(huán)境的多址干擾等效為一個信道的傳輸響應(yīng)矩陣,即碼字之間的相關(guān)矩陣,該矩陣僅與各用戶的擴頻序列以及序列間的相對時延有關(guān)。得到信道傳輸?shù)哪婢仃?就可以將多用戶信號經(jīng)過個匹配濾波器的輸出,再通過此逆矩陣進行求逆運算,以等效地消除各用戶擴頻序列間的相關(guān)性,從而達到消除多址干擾的目的。實際上是一個非因果的無限沖擊響應(yīng)的矩陣傳遞函數(shù),是不可實現(xiàn)的。在實際情況中要將截斷為有限長，具體實現(xiàn)可以采

23、用橫向濾波器。這種檢測器具有以下特點: 必須知道所有用戶的擴頻碼及其特性；必須得到所有用戶的定時；必須計算互相關(guān)矩陣的逆矩陣；其性能獨立于干擾功率,不需估計功率的大?。徊恍鑼τ脩舴冗M行估計。它的缺點是:放大噪聲功率,擴大噪聲的影響,而且造成解調(diào)信號很大的時延,也就是說解相關(guān)檢測的性能是以提高背景噪聲為代價換取消除多址干擾的。</p><p>　　2.3.2 MMSE多用戶檢測</p><p&

24、gt;　　使用最小均方誤差準則，可以得到MMSE多用戶檢測。與解相關(guān)不同的是它不會增強噪聲。MMSE檢測器是在消除多址干擾和增大信道噪聲這兩者之間采取折中而達到某種平衡，從性能上來說，在信噪比低的情況下，MMSE檢測器優(yōu)于解相關(guān)檢測器，在信噪比高的情況下，解相關(guān)檢測器比MMSE性能更優(yōu)。</p><p>　　2.3.3 多項式擴展(PE)多用戶檢測</p><p>　　S.Moshavi提

25、出了一種稱為多項式擴展的多用戶檢測方法。這一算法的基本思想是應(yīng)用的矩陣多項式來逼近一個線性變換。多項式擴展多用戶檢測實質(zhì)上還是解相關(guān)檢測或者是最小均方誤差檢測，只不過提出了將線性變換陣展開的一種方法。但多項式擴展多用戶檢測有一個最重要的特點是在長碼系統(tǒng)和短碼系統(tǒng)中同樣容易實現(xiàn)。</p><p>　　2.3.4 盲自適應(yīng)多用戶檢測</p><p>　　對于快時變信道，由于需要頻繁發(fā)送訓練序列

26、，從而大大降低了系統(tǒng)的有效性和可靠性。因此，人們開始直接從業(yè)務(wù)信號本身提取信道狀態(tài)信息的自適應(yīng)檢測技術(shù)，成為盲自適應(yīng)檢測。但是，盲算法的最大問題是其收斂速度能否跟得上信道時變衰落的變化速度。由于盲自適應(yīng)多用戶檢測既不需要訓練序列，也不需要其他用戶的擴頻碼信息，所需要的信息幾乎與傳統(tǒng)的檢測器相同，因此，它本質(zhì)上是一種單用戶抗多徑自適應(yīng)檢測。盲算法的收斂速度慢是通病，特別是對于快速時變信道，這是一個致命的弱點。但對于慢時變的移動信道，它仍是

27、很有吸引力的算法。</p><p>　　3 非線性多用戶檢測</p><p>　　干擾消除檢測器(又稱為非線性多用戶檢測)一般由多級組成, 其基本思想是在接收端估計對每個用戶的多址干擾, 然后從接收信號中部分或全部消除多址干擾。這種消除器與抗ISI的反饋均衡器類似, 所以又稱為判決反饋檢測器。用于估計多址干擾的判決可以是軟判決或硬判決, 硬判決要求對信號幅度進行可靠的估計, 不可靠的估計將

28、嚴 重降低檢測性能。干擾抵消多用戶檢測主要有串行干擾消除和并行干擾消除。</p><p><b>　　3.1 引言</b></p><p>　　首先我們將CDMA通信系統(tǒng)進行簡化，設(shè)有個用戶，采用直接序列擴頻信道為單路徑同步信道，則接收信號的基帶表示為：</p><p><b>　?。?.1）</b></p>

29、<p>　　CDMA通信系統(tǒng)中傳統(tǒng)的檢測器是由個相關(guān)器組成的，相關(guān)檢測器可以由匹配濾波器代替，所以又稱為匹配濾波檢測器。CDMA工作原理的核心在于偽隨機碼(Pseudo Noise Code ,PN碼)的相關(guān)性，用公式表示為：</p><p>　　，其中；如果；如果。所以第個用戶的相關(guān)器輸出是：</p><p><b>　?。?.2）</b></p&

30、gt;<p>　　3.2 串行干擾消除</p><p>　　3.2.1 串行干擾消除操作過程及注意事項</p><p>　　串行干擾消除(Successive Interference Cancellation, SIC)串行干擾消除器由多級組成，一級對一個用戶序列信號進行判決、再造、消除，以給下面的各級減輕，各用戶的操作順序是根據(jù)信號功率的下降順序來確定的。將檢測用戶信號的

31、功率按從大到小排列的原因是：</p><p>　　(1)強功率用戶用傳統(tǒng)檢測器時，其誤碼率比弱功率用戶低，容易得到正確的判。</p><p>　　(2)強功率用戶產(chǎn)生的較大，首先把它從接收用戶信號中刪除，從而大大有利于隨后其它用戶的檢測，能克服“遠近”效應(yīng)。</p><p>　　如圖4.1，接收機首先根據(jù)接收信號功率估值對用戶進行排序，然后按功率由高到低次序?qū)Ω饔脩?/p>

32、信號依次進行判決和估計。即先解調(diào)出最強功率信號用戶，根據(jù)判決結(jié)果，該信號擴頻碼、幅度估計值和相位信息得到該用戶對其他用戶所產(chǎn)生多址干擾，然后從總的接收信號中減去該多址干擾估計值，將結(jié)果作為一下級輸入信號，這樣就去掉了最強多址干擾分量。</p><p>　　圖4.1 串行干擾消除原理圖</p><p>　　然后再檢測次最強用戶信號，重復以下步驟，“判決—再造—消除”，直至所有用戶信號被檢測出

33、。接收端各用戶信號功率相差越大，越利于串行干擾抵消檢測算法的工作。串行干擾抵消算法之所以按信號功率強度由強到弱依次消除多址干擾是因為：對于功率最強用戶信號，最容易正確解調(diào)和恢復；去除功率最強用戶信號對剩下用戶來說受益最大。因此，串行干擾抵消檢測算法能大大提高弱用戶檢測準確率。</p><p>　　通過上述過程可以看出：</p><p>　　(1)串行干擾消除按信號功率從大到小依次相消，其性

34、能很大程度上取決于用戶接收信號的功率分布，用戶接收信號的功率分布差別越大，性能提高就越明顯。首先，信號最強的用戶解調(diào)得到的可靠性最高；其次，從總信號中將最強用戶信號先檢測出來，對其他用戶的收益最大，這是由CDMA系統(tǒng)的特性決定的。CDMA是自干擾系統(tǒng)，因此，把信號最強的用戶檢測出來的同時也減小了對其他用戶的干擾。這種算法的結(jié)構(gòu)導致最強用戶在抗多址干擾方面沒有得到任何改善，而對最弱的用戶來說，它在抗多址干擾方面獲得很大改善。同時這也導致S

35、IC檢測有一個顯著的缺陷，就是它的性能在很大程度上取決于初始數(shù)據(jù)估計的可靠性。也就是說如果用戶1和用戶2功率差別不大，或者對用戶1的估計值與真實值差別比較大，則會使系統(tǒng)誤差較大。此外，每一級的檢測錯誤將會在以下各級中累加，它會嚴重影響整個系統(tǒng)的檢測性能。</p><p>　　(2)在串行干擾消除檢測器中，由于每解調(diào)一個用戶便會引入一定的處理時延，當用戶較多時，時延將累積到系統(tǒng)難以忍受的地步。因此，在SIC方案中，

36、每個分組的用戶不宜取太多，一般取4個用戶即可。SIC可用于同步CDMA，也可用于異步CDMA中。</p><p>　　(3)串行干擾消除需要對用戶的功率進行排序。在無線衰落信道中，用戶信號功率是變化的，此時需要重新排序。因此，必須在信號功率排序的速度和能夠接收的運算復雜度之間進行權(quán)衡。</p><p>　　(4)串行干擾消除需要估計用戶信號的延時、幅度和相位。</p><

37、;p>　　(5)串行干擾消除結(jié)構(gòu)簡單，運算復雜度與用戶數(shù)呈線性關(guān)系。多用戶檢測中的干擾消除算法充分利用了多個用戶的信息，并且工程實現(xiàn)相對簡單。存在的問題是：對干擾的估計要求相當準確，否則干擾刪除的效果會大大削弱甚至使系統(tǒng)惡化。</p><p>　　3.2.2 串行干擾消除檢測算法</p><p>　　圖4.2是兩個用戶時串行干擾抵消檢測算法結(jié)構(gòu)圖，假定用戶2功率比用戶1功率大。<

38、;/p><p>　　圖4.2 兩個用戶的串行干擾消除檢測算法框圖</p><p>　　對于一個同步DS-CDMA系統(tǒng),假定小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)為，則接收信號可以表示為： </p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　式中為第個用戶的幅度；為第個用戶的信息比特；為擴頻波形；為具有單位功率譜密度的高斯白

39、噪聲。</p><p>　　經(jīng)過匹配濾波器后，第個匹配濾波器的輸出可表示為：</p><p><b>　　（4.4）</b></p><p>　　其中，式（4.4）的向量形式可表示為： （4.5）</p><p>　　其中：，。各種CDMA多用戶檢測算法的區(qū)別主要是對匹配濾波

40、器的輸出處理方式不同，即CDMA多用戶檢測器所要解決的問題主要是如何利用匹配濾波器的輸出，準確快速地估計出用戶發(fā)送的信息序列。</p><p>　　對于有個用戶的串行干擾消除檢測器，接收信號一次去掉一個干擾波形，當對第個用戶進行判決時,則假定對個用戶的判決是正確的，并忽略個用戶的存在,那么同步信道下第個用戶的判決輸出是：</p><p><b>　?。?.6）</b>

41、</p><p>　　3.2.3 串行干擾消除檢測算法的優(yōu)缺點</p><p>　　串行干擾消除檢測算法具有以下特點：</p><p>　　(1)結(jié)構(gòu)簡單，只需在傳統(tǒng)檢測算法基礎(chǔ)上附加少量硬件即可實現(xiàn)；</p><p>　　(2)能相對于傳統(tǒng)檢測算法有較大提高；</p><p>　　(3)不改善最強功率用戶抗多址干擾性

42、能，明顯改善弱功率用戶抗多址干擾性能，總體性能得到改善；</p><p>　　(4)計算復雜度與用戶數(shù)成線性關(guān)系。</p><p>　　串行干擾消除檢測算法具有以下缺點：</p><p>　　(1)SIC檢測算法檢測每個用戶都會相應(yīng)增加一個時延，當系統(tǒng)負荷較大時，時延大，不能滿足實時要求；</p><p>　　(2)SIC檢測算法需要對用戶按

43、功率進行排序，因此當用戶信號功率強度發(fā)生變化時需要重新排序；</p><p>　　(3)SIC檢測算法要求初級檢測必須準確，否則不但不能消除多址干擾，還會引入虛擬用戶，引起誤差傳播。</p><p>　　但是，由于串行干擾消除檢測算法概念和硬件實現(xiàn)都比較簡單，是目前實際系統(tǒng)中最有可能廣泛應(yīng)用的多用戶檢測算法之一。</p><p>　　3.3 并行干擾消除</p

44、><p>　　3.3.1 并行干擾消除操作過程及注意事項</p><p>　　并行干擾消除(Parallel Interference Cancellation, PIC)為了解決SIC在時延以及重排上的缺陷問題，產(chǎn)生了并行干擾消除檢測，它不需要對用戶的信號強度進行排序。并行干擾消除存在多級檢測，在每級檢測的干擾消除中，每個用戶減去其他用戶的信號強度, 并進行解調(diào)。重復多次這樣的干擾消除，就可

45、以消除其他用戶的多址干擾。并行干擾消除器的基本原理是利用接收信號的初始值或前級判決值構(gòu)造所有用戶的干擾信號，然后同時并行從接收信號中抵消所有用戶的干擾。在每一級中，根據(jù)上一級的輸出在每個用戶的接收信號中去掉其它用戶對它產(chǎn)生的多址干擾，并用修改過的接收信號對所有用戶的信號進行重新估計。</p><p>　　PIC的設(shè)計思想基本上和SIC的設(shè)計思想是一致的，只是由于PIC是并行處理，克服了SIC時延大的缺點，并且在信

46、號發(fā)生變化時重新排序，因此具有較高的實用價值。在每級干擾消除檢測中，并不是完全刪除其他用戶的信號強度，而是乘以一個相對小的系數(shù)，避免了傳統(tǒng)匹配濾波接收檢測中的誤碼率被不斷放大。PIC的好處在于實現(xiàn)了多用戶的干擾消除，而時延又小于SIC，但與此同時也增加了算法的計算量。</p><p>　　具體的操作如下：如圖4.3，并行干擾消除檢測器的每一級將前一級的硬判決輸出與幅度估計相乘，再通過擴頻碼擴頻，就得到了延時一個比

47、特的每個用戶接收信號的估計值。然后對每個用戶，從總的接收信號中減去其它用戶的估計值，就得到了單一用戶接收信號的值。對該值用傳統(tǒng)檢測方法進行檢測，就得到了該級的各用戶信號的檢測結(jié)果。在多級結(jié)構(gòu)中，第一級的輸出送入第二級，再進行相同的檢測步驟。并行干擾消除器最大優(yōu)勢在于計算復雜度與用戶數(shù)成線性關(guān)系，所以大大降低了運算復雜度，有利于高速實時應(yīng)用，但是由于進行了判決反饋所以相對于傳統(tǒng)檢測器的改進依賴于第一級判決的正確度。當信噪比較低而第一級判決

48、的誤碼率過高時，由于錯誤的判決而導致對每個干擾用戶產(chǎn)生的多址干擾的相反極性的估計，使得減去多址干擾的估計值的結(jié)果是多址干擾反而加大了，最終造成誤碼的擴散，誤碼性能反而不如傳統(tǒng)檢器。</p><p>　　圖4.3 并行干擾消除原理圖</p><p>　　與SIC相比，PIC檢測器的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)復雜，并且當某一級檢測器對一個用戶的判決有誤時，下一級會使該用戶對其它用戶的干擾加倍，即出現(xiàn)誤差傳播的現(xiàn)

49、象。并且如果多級檢測器的級數(shù)過多，對性能的改善并不明顯，有可能出現(xiàn)下一級誤碼率高于前一級誤碼率的現(xiàn)象，一般PIC的級數(shù)應(yīng)限制在3級以內(nèi)。</p><p>　　3.3.2 并行干擾消除檢測算法</p><p>　　不失一般性，以用戶為例來推導并行干擾消除的過程。圖中和分別代表用戶的第級和第級判決輸出，用戶的信息數(shù)據(jù)經(jīng)過完全干擾消除后得到如下結(jié)果：</p><p>&l

50、t;b>　?。?.7）</b></p><p>　　所得結(jié)果通過匹配濾波器組進行碼片匹配濾波，最后通過判決器判決輸出。 </p><p>　　圖4.4 并行干擾消除檢測算法框圖</p><p>　　由圖4.4，對于一個同步DS-CDMA系統(tǒng),假定小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)為，則接收信號可以表示為： （4.8）&

51、lt;/p><p>　　式中為第個用戶的幅度；為第個用戶的信息比特；為擴頻波形；為具有單位功率譜密度的高斯白噪聲。</p><p>　　經(jīng)過匹配濾波器后，第個匹配濾波器的輸出可表示為：</p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　其中，，式(4.9)的向量形式可以表示為：

52、 （4.10）</p><p>　　其中，，。各種CDMA多用戶檢測算法的區(qū)別主要是對匹配濾波器的輸出處理方式不同，即CDMA多用戶檢測器所要解決的問題主要是如何利用匹配濾波器的輸出，準確快速地估計出用戶發(fā)送的信息序列。</p><p>　　并行干擾抵消檢測器是對每一用戶的匹配濾波器輸出做初始判決，用它去估計多址接入干擾，并從初始的輸出中減去而

53、得到更接近真實發(fā)送信號的輸出，接著再進行判決、估計，如此循環(huán)往復，直到得到期望的性能指標。同步信道下，第一級采用傳統(tǒng)檢測的兩級并行干擾消除檢測器的第個用戶的判決輸出可以表示為：</p><p><b>　　（4.11）</b></p><p>　　3.3.3 并行干擾抵消算法的特點</p><p>　　(1)PIC算法的時延與用戶數(shù)沒有關(guān)系，僅

54、和級數(shù)有關(guān)，可以保證實時處理的要求；</p><p>　　(2)運算復雜度與用戶數(shù)成線性關(guān)系；</p><p>　　(3)在有嚴格功率控制時，PIC算法的性能優(yōu)于SIC算法；但當沒有功率控制時，PIC算法的性能不如SIC算法。但是相對于SIC算法，PIC算法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)復雜，并且當某一級算法對一個用戶判決有誤時，下一級不但不能消除誤差，反而會使該用戶對其它用戶干擾加倍，即出現(xiàn)誤差傳播現(xiàn)象。如果

55、級數(shù)過多，對性能改善并不明顯，有可能出現(xiàn)下一級誤碼率高于上一級誤碼率現(xiàn)象，這時并行干擾抵消算法反而帶來誤碼率的惡化。因此，PIC檢測算法結(jié)構(gòu)選擇十分重要。一般而言，從系統(tǒng)處理時延和復雜度考慮，級數(shù)應(yīng)限制在三級以內(nèi)。</p><p>　　4 MATLAB仿真與分析</p><p>　　4.1 傳統(tǒng)檢測和解相關(guān)檢測的比較</p><p>　　解相關(guān)法復雜度隨用戶數(shù)線性增

56、長，解相關(guān)檢測法不需估計各用戶的幅度，具有較好的抗遠近效應(yīng)能力。但解相關(guān)法對信道噪聲有放大作用。由圖4.1我們可以看到，在相同條件下，解相關(guān)檢測的誤比特率小于傳統(tǒng)檢測的誤比特率，其抗干擾性能優(yōu)于傳統(tǒng)檢測器的抗干擾性能。</p><p>　　圖4.1 傳統(tǒng)檢測和解相關(guān)檢測的性能比較</p><p>　　4.2 傳統(tǒng)檢測和干擾消除接收機的比較</p><p>　　干擾消

57、除多用戶檢測技術(shù)包括串行干擾消除和并行干擾消除。這節(jié)主要進行串行干擾消除和傳統(tǒng)檢測性能的比較。串行干擾消除多用戶檢測器在接收信號中對多個用戶逐個進行數(shù)據(jù)判決，判出一個就從總的接收信號中減去該信號，從而消除該用戶信號造成的多址干擾。操作順序是根據(jù)信號功率大小決定的，功率較大的信號先進行操作，因此，功率弱的信號受益最大。如圖4.2，在相同情況下，串行干擾消除檢測器性能比傳統(tǒng)檢測器有較大提高，誤比特率明顯小于傳統(tǒng)檢測的誤比特率。但當信號功率強

58、度發(fā)生變化時需要重新排序，最不利的情況是若初始數(shù)據(jù)判斷不可靠將對下級產(chǎn)生較大影響。</p><p>　　圖4.2 傳統(tǒng)檢測和串行干擾消除檢測的比較</p><p>　　4.3 線性干擾消除和非線性干擾消除的性能比較</p><p>　　由圖4.3可知，隨著干擾用戶功率的增加，相同情況下，解相關(guān)檢測器的性能下降的要比串行干擾消除檢測器的快，即串行干擾消除檢測的誤比特率

59、小于解相關(guān)檢測的誤比特率。</p><p>　　圖4.3 串行干擾消除和解相關(guān)檢測的性能比較</p><p>　　串行干擾消除(SIC)技術(shù)可以有效抑制多址干擾(MAI),顯著提高CDMA系統(tǒng)容量。在任何條件下,相對于傳統(tǒng)的單用戶接收機系統(tǒng),采用線性SIC技術(shù)能顯著提高系統(tǒng)容量。另外,隨著系統(tǒng)中用戶數(shù)目的增多,理想SIC和非線性SIC的接收功率之間的差異越來越大。因此,對實際的多速率SIC

60、系統(tǒng)進行功率分配時,不能簡單地用理想SIC模型來替代實際的線性SIC系統(tǒng),以免系統(tǒng)性能嚴重惡化。</p><p>　　通過仿真比較分析了傳統(tǒng)檢測器、解相關(guān)檢測器、串行干擾抵消檢測器等幾種經(jīng)典多用戶檢測器的誤碼率，文章中對這些檢測器所需的假定知識和計算復雜度進行了歸納。從而為分析、選擇不同多用戶檢測器提供了一些依據(jù),也為進一步研究多用戶檢測算法提供了一定的參考。</p><p><b&

61、gt;　　結(jié)論</b></p><p>　　第三代移動通信系統(tǒng)容量主要受限于用戶間的多址干擾，如何降低或消除這種多址干擾，進一步提高系統(tǒng)容量和性能，一直受到廣泛關(guān)注。多用戶檢測技術(shù)作為抑制多址干擾的主要手段，20世紀80年代中期以來成為國際研究的熱點。文中詳細闡述多用戶檢測技術(shù)原理，分析了串行干擾抵消檢測算法(Successive Interference Cancellation, SIC)及并行干

62、擾抵消檢測算法 (Parallel Interference Cancellation, PIC)的原理、性能和優(yōu)缺點，通過以上檢測算法進行計算機仿真比較，SIC和PIC的實現(xiàn)復雜度低、易于硬件實現(xiàn)，可通過進一步改進改善兩者抗干擾性能。</p><p>　　在背景噪聲不大、多址干擾占主導的情況下，解相關(guān)矩陣檢測器的優(yōu)勢比較明顯，而在背景噪聲較大的情況下，解相關(guān)矩陣檢測器的性能可能低于傳統(tǒng)檢測器。在相同條件下，最小

63、均方誤差檢測器的誤比特率均小于傳統(tǒng)檢測器和解相關(guān)矩陣檢測器，互相關(guān)系數(shù)越大，性能改善越大。在抗“遠一近”效應(yīng)方面，由于解相關(guān)矩陣用戶檢測器是全解相關(guān)，因而不受“遠一近”效應(yīng)的影響，故它的抗“遠一近”效應(yīng)最強，而最小均方誤差檢測器是部分解相關(guān)，它的抗“遠一近”效應(yīng)性能劣于解相關(guān)矩陣檢測器，但優(yōu)于傳統(tǒng)檢測器。并行干擾消除器最大優(yōu)勢在于計算復雜度與用戶數(shù)成線性關(guān)系，所以大大降低了運算復雜度，但是第一級判決誤碼率過高時，性能不佳。碼分多址通信系

64、統(tǒng)中，由于多用戶檢測技術(shù)的存在，有效削弱了小區(qū)內(nèi)多址干擾的影響，使得系統(tǒng)容量顯著提高；其次，上行鏈路性能的改進允許移動臺使用較小的處理增益工作，這意味著同樣的帶寬可以支持更高的數(shù)據(jù)速率，或?qū)⒍嘤嗟膸捰糜诟纳葡滦墟溌返娜萘?；再次，由于多址干擾和遠近效應(yīng)的減弱，降低了所有用戶以同樣功率達到接收端的要求，所以多用戶檢測器的使用對移動臺功率控制的精度要求有所降低。如何通過多用戶檢測技術(shù)提高系統(tǒng)效率以及如何</p><p&g

65、t;<b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 王華奎，李艷萍.移動通信原理與技術(shù)[M].北京：清華大學出版社.2009.1.</p><p>　　[2] 何先剛，溫平川.第三代移動通信系統(tǒng)中的多用戶檢測[J].重慶郵電學院學報，2002，14(4)</p><p>　　[3] 康曉非.基于支持向量機的多用戶檢測算法研究[J].西

66、安科技學院學報,2004 ,24(增):267-269.</p><p>　　[4] 張賢達,保錚.通信信號處理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002:424-461.</p><p>　　[5] 吳邊，許宗澤.改進的部分并行干擾抵消多用戶檢測[J]，南京航空航天大學學報，2004,36(3):392-397.</p><p>　　[6] 孫世國.CDMA移動通信系

67、統(tǒng)中多用戶檢測算法的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2003.</p><p>　　[7] 樊昌信，曹麗娜，通信原理[M].國防工業(yè)出版社，2009.1</p><p>　　[8] 王維芳.DS-CDMA通信系統(tǒng)中多用戶檢測技術(shù)的研究[D]．西安：西安科技大學，2004.</p><p>　　[9] 劉向東，顧學邁.第三代移動通信系統(tǒng)中非線性多用戶檢測技術(shù).華北