【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 用戶時(shí),第K個(gè)用戶輸出的信干比為: (29)在同步DSCDMA系統(tǒng)中,第K個(gè)用戶的信干比為: (210) 傳統(tǒng)多用戶檢測(cè)技術(shù)主要以傳統(tǒng)檢測(cè)器來(lái)研究，傳統(tǒng)檢測(cè)器是將接收到的信息通過(guò)一個(gè)匹配濾波器組，然后對(duì)每個(gè)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22 傳統(tǒng)多用戶檢測(cè)器原理圖在信息傳遞過(guò)程中，第i個(gè)信息符號(hào)的間隔內(nèi)第k個(gè)匹配濾波器的輸出用公式表示為： (211)上式ρjk表示第j個(gè)通信用戶的特征波形和第k個(gè)用戶特征波形的互相關(guān)。 (212)nk是一個(gè)高斯隨機(jī)過(guò)程，其方差為σ均值為零。(213)式（）中，按從左到右順序，第一項(xiàng)是我們希望得到的期望信號(hào)，第二項(xiàng)就是多用戶通信中的多址干擾項(xiàng)，第三項(xiàng)是噪聲（加性高斯白噪聲）干擾項(xiàng)。由公式可以看出，多址干擾的程度與通信用戶擴(kuò)頻碼間的互相關(guān)有關(guān)系。為了更便于分析，我們引入矩陣向量來(lái)表示相關(guān)量。匹配濾波器組記作一個(gè)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(guān)系數(shù)矩陣進(jìn)行歸一化為R。那么A=diag[A1,A2,…Ak]T；Z=[n1,n2,…,nk]T；b=[b1,b2,…,bk]T；Y=[y1,y2,...,yk]T； (214)式（）用矩陣的形式表示為：Y=RAb+Z (215)采樣判決的輸出：b=sgn(Y)=sgn(RAb+Z) (216)sgn(x)是符號(hào)函數(shù)傳統(tǒng)檢測(cè)器還是單用戶檢測(cè)器的思想，沒(méi)有考慮到其他用戶對(duì)期望用戶的干擾，多址干擾嚴(yán)重影響了判決的輸出。若要沒(méi)有多址干擾，只有擴(kuò)頻碼完全正交才可以，但在實(shí)際的移動(dòng)通信過(guò)程中，這種情況幾乎不會(huì)出現(xiàn)，所以多址干擾一直存在，傳統(tǒng)檢測(cè)器的性能也就大打折扣。傳統(tǒng)檢測(cè)器用戶K的誤碼率： (217)β是K1維的列矢量，即其他通信用戶對(duì)用戶K1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(xiàng)中存在互相關(guān)系數(shù)這一類的接收機(jī)預(yù)先知道的信息，多用戶檢測(cè)技術(shù)的思想就是科學(xué)合理的利用這些信息的結(jié)構(gòu)特征，將其檢測(cè)性能進(jìn)行改善。根據(jù)上節(jié)中傳統(tǒng)多用戶檢測(cè)的原理及理論分析，對(duì)其進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，仿真結(jié)果如圖23所示： 圖23由圖23知，傳統(tǒng)檢測(cè)多用戶算法的誤碼率的波動(dòng)范圍小，但是誤碼率較大，隨著信噪比的增大，誤碼率趨于平緩。因?yàn)閭鹘y(tǒng)多用戶檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只是把多個(gè)單用檢測(cè)器聯(lián)合在了一起，實(shí)際上它是用單用檢測(cè)的思想來(lái)設(shè)計(jì)的多用戶檢測(cè)器。只有當(dāng)擴(kuò)頻碼完全正交，用戶功率相同時(shí)，才能消除多址干擾，達(dá)到比較滿意的性能。正如上文論述那樣，實(shí)際的通信系統(tǒng)中這種情況幾乎不可能存在，而且當(dāng)干擾用戶的功率大于期望的通信用戶時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)“遠(yuǎn)近”效應(yīng)，是傳統(tǒng)多用戶檢測(cè)的性能大大折扣。上節(jié)中，傳統(tǒng)多用戶檢測(cè)方法在通信中，由于存在其它用戶的干擾，使多址干擾嚴(yán)重影響了通信系統(tǒng)的效率。同時(shí)我們也提到，如果將其他通信用戶的信息結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行科學(xué)合理的開(kāi)發(fā)利用，那么就可以消除多址干擾，完善多用戶檢測(cè)方法。因此，即最大似然準(zhǔn)則多用戶檢測(cè)器[17]，該檢測(cè)器是從接收信號(hào)y(t)中找出發(fā)送信號(hào)b,使b的概率（聯(lián)合后驗(yàn)概率）趨于最大化。在理論上，這種方法的錯(cuò)誤概率最小，抗多址干擾能力強(qiáng)。圖24 多用戶檢測(cè)原理框圖同步DSCDMA系統(tǒng)： t∈[0,T] (218) (219) 最優(yōu)多用戶檢測(cè)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(cè)器的多用戶檢測(cè)算法是維特比算法，維特比算法的復(fù)雜程度很高，與用戶數(shù)量呈指數(shù)關(guān)系，即2k,從這個(gè)數(shù)量中找一個(gè)理想的組合，如果 k的數(shù)值特別小還可以實(shí)現(xiàn)，但在現(xiàn)實(shí)的通信中k是一個(gè)特別大的值，所以幾乎不能實(shí)現(xiàn)。 利用非線性多用戶檢測(cè)方法消除多址干擾也是當(dāng)今研究的一個(gè)課題。它主要是用非線性函數(shù)消除多址干擾，理論上對(duì)非線性多用戶檢測(cè)器的研究很困難，因?yàn)樗鼪](méi)有完備的數(shù)學(xué)描述和良好的分析工具。一般都是用工程數(shù)學(xué)進(jìn)行簡(jiǎn)單的研究分析，對(duì)于更深一步的研究，只能用計(jì)算機(jī)仿真來(lái)完成。非線性多用戶檢測(cè)的基本原理是，先恢復(fù)多址干擾信號(hào)，然后從所有的信號(hào)中消除干擾的信號(hào)，經(jīng)過(guò)多次的提取，只保留期望信號(hào)。 這種干擾抵消在一定程度上克服了“遠(yuǎn)近”效應(yīng)。串行干擾消除(SIC)檢測(cè)的原理：首先對(duì)匹配濾波器輸出的通信用戶信號(hào)按強(qiáng)弱程度進(jìn)行排序，對(duì)最強(qiáng)信號(hào)判決、再生，然后從總信號(hào)中消除這一信號(hào)，把它當(dāng)作下一級(jí)的輸入信號(hào)，整個(gè)過(guò)程依次循環(huán)知道判決出所有用戶信號(hào)。其原理圖如下所示：圖25 串行干擾消除第一級(jí)結(jié)構(gòu)a1=Ak(tTb)；a2=SK(tτTb)；a3=r(tTb)串行干擾消除檢測(cè)的過(guò)程可重復(fù)多次，檢測(cè)的關(guān)鍵是把k個(gè)用戶的功率按從大到小的順序排列，功率大的先被判決，因?yàn)楣β试酱笈袥Q的錯(cuò)誤概率就越小，同時(shí)大功率信號(hào)產(chǎn)生的多址干擾也較大，可以及時(shí)的消除，提高對(duì)信號(hào)錯(cuò)判概率，尤其對(duì)于較弱的信號(hào)。串行干擾消除只是對(duì)相對(duì)較弱用戶信號(hào)在消除多址干擾方面得到了改善，對(duì)于較強(qiáng)用戶信號(hào)幾乎沒(méi)有貢獻(xiàn)。SIC算法的優(yōu)點(diǎn)是復(fù)雜程度低、運(yùn)算量小[18]，易于實(shí)現(xiàn)。單也存在不少缺點(diǎn)，在實(shí)際通信系統(tǒng)中，功率控制要把握精準(zhǔn)，此時(shí)對(duì)于較強(qiáng)用戶信號(hào)的判決沒(méi)有特別明顯的優(yōu)勢(shì)；從原理框圖中可以看出，每一級(jí)都有時(shí)延，因此在相消的用戶數(shù)和時(shí)延的限度上做一個(gè)權(quán)衡；要想實(shí)現(xiàn)較精準(zhǔn)的干擾再生和對(duì)消，就必須對(duì)信號(hào)的延時(shí)、相位和幅度有精確的估計(jì)；對(duì)信號(hào)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(cuò)，對(duì)后級(jí)判決的干擾有嚴(yán)重影響。PIC第一級(jí)結(jié)構(gòu)框圖：hk=Ak(tTb)；lk=Sk(tTb)圖26并行干擾消除第一級(jí)結(jié)構(gòu)并行干擾消除(PIC)估計(jì)，同時(shí)對(duì)期望用戶消除其它用戶多址干擾，這個(gè)過(guò)程由多級(jí)完成。一般并行干擾消除檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)是多級(jí)的，零級(jí)是傳統(tǒng)檢測(cè)器，經(jīng)過(guò)匹配濾波器組，然后經(jīng)過(guò)判決得出用戶的初始估計(jì)bi(0)，i=1,2,…,k。bi(0)同估計(jì)幅度相乘，經(jīng)擴(kuò)頻后輸出單個(gè)用戶的一個(gè)單位延遲后的信號(hào)估計(jì)Ui(tTb)，部分相加器把所有估計(jì)信號(hào)相加，但是除某一單用戶信號(hào)外，這樣就得到了這個(gè)用戶信號(hào)無(wú)多址干擾的估計(jì)。并行干擾消除只有對(duì)數(shù)據(jù)的相位和幅度估計(jì)精準(zhǔn)，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(jì)出錯(cuò)，那么在該比特上相消的結(jié)果是會(huì)使該比特對(duì)應(yīng)的多址干擾變?yōu)樵瓉?lái)幅度的2倍，而且這個(gè)差錯(cuò)依賴增加PIC的級(jí)數(shù)是沒(méi)有效果的。在實(shí)際通信中，并行干擾的性能不隨其級(jí)數(shù)的增加而加強(qiáng)，當(dāng)階數(shù)超過(guò)3時(shí)，性能不會(huì)出現(xiàn)明顯的改善，所以實(shí)際通信中并行干擾接收機(jī)的級(jí)數(shù)多數(shù)情況下取3。線性多用戶檢測(cè)器是當(dāng)今研究的主要方向之一，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)多用戶檢測(cè)器，線性多用戶檢測(cè)技術(shù)就是在傳統(tǒng)檢測(cè)器基礎(chǔ)上，在匹配濾波器組后加上一個(gè)矩陣進(jìn)行線性變換，以消除多址干擾對(duì)判決的影響。線性多用戶檢測(cè)器主要問(wèn)題就是如何得到一個(gè)次最優(yōu)的線性矩陣，對(duì)于次最優(yōu)沒(méi)有一個(gè)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(cè)器，如果矩陣變?yōu)閱挝痪仃?，那么這就是一個(gè)傳統(tǒng)多用戶檢測(cè)器。線性多用戶檢測(cè)最具代表性的兩個(gè)算法，一個(gè)是解相關(guān)多用戶關(guān)檢測(cè)算法，另一個(gè)是最小均方誤差多用戶檢測(cè)算法。解相關(guān)檢測(cè)算法思想是，先對(duì)擴(kuò)頻碼的互相關(guān)矩陣求逆，然后對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解相關(guān)計(jì)算，最后對(duì)解相關(guān)檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行判決輸出，這個(gè)過(guò)程中用到了用戶簽名序列的定時(shí)和波形。解相關(guān)檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是：不用對(duì)通信用戶的信號(hào)功率進(jìn)行估計(jì)，一般情況下比傳統(tǒng)多用戶檢測(cè)的性能要好，且不需估計(jì)用戶接收信號(hào)的幅度算法的性能與干擾功率的大小無(wú)關(guān)，比最大似然檢測(cè)器的運(yùn)算復(fù)雜度低。解相關(guān)檢測(cè)的缺點(diǎn)是：在數(shù)學(xué)上要對(duì)矩陣求逆，計(jì)算量特別大，而且在這個(gè)過(guò)程中增加了背景噪聲。針對(duì)這些缺點(diǎn)，人們也做了一些改進(jìn)，其性能有所改善。最小均方誤差檢測(cè)算法的思想是求解一種矩陣，然后計(jì)算經(jīng)線性變換后接收數(shù)據(jù)和檢測(cè)器判決輸出間的均方誤差盡量的小，這個(gè)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(cè)的優(yōu)點(diǎn)是：背景噪聲較大時(shí)，MMSE檢測(cè)器接近于傳統(tǒng)檢測(cè)器，多址干擾大噪聲小時(shí)，接近于解相關(guān)檢測(cè)器，整體來(lái)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(diǎn)是：也需要計(jì)算矩陣，運(yùn)算量比較大，而且要估計(jì)用戶信號(hào)的幅度，在抗“遠(yuǎn)近”效應(yīng)方面也不如解相關(guān)檢測(cè)器。對(duì)于以上的分析，研究人員又引入了自適應(yīng)多用戶檢測(cè)方法，在時(shí)變多徑信道下找出濾波器的參量，這樣可以使計(jì)算量降低，易于硬件的實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中也方便。 本章主要介紹了移動(dòng)通信系統(tǒng)中的多用戶檢測(cè)器，首先給出了CDMA信道的模型以及幾個(gè)參量，然后對(duì)多用戶檢測(cè)技術(shù)的原理、用途、分類和檢測(cè)思路做了介紹。然后對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)器、最優(yōu)多用戶檢測(cè)器、非線性多用戶檢測(cè)器和線性多用戶檢測(cè)器的原理及特點(diǎn)做了介紹分析。傳統(tǒng)檢測(cè)器不能解決多址干擾問(wèn)題；串行干擾消除多用戶檢測(cè)器只對(duì)檢測(cè)弱信號(hào)有效，而且增加了延時(shí)；并行干擾消除多用戶檢測(cè)器的初始信息如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，多址干擾將會(huì)加倍；解相關(guān)檢測(cè)器是以提高背景噪聲來(lái)消除多址干擾的；MMSE檢測(cè)器的綜合性能比解相關(guān)檢測(cè)器強(qiáng)，但是受“遠(yuǎn)近”效應(yīng)的影響比較大?？偠灾?，多用戶檢測(cè)技術(shù)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。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第3章 多用戶檢測(cè)算法的仿真分析 對(duì)于多用戶檢測(cè)算法，在本章節(jié)中主要對(duì)傳統(tǒng)多用戶檢測(cè)算法、解相關(guān)檢測(cè)多用戶檢測(cè)算法和最小均方誤差檢測(cè)算法做了仿真分析，尤其是對(duì)后面兩種算法。 若要消除多址干擾的影響，也就是消除公式(215)中的R，所以將匹配濾波器組輸出的信息同擴(kuò)頻碼互相關(guān)矩陣的逆矩陣相乘即可，然后判決輸出的就是無(wú)多址干擾信息。解相關(guān)檢測(cè)器的原理框圖：圖31 解相關(guān)多用戶檢測(cè)原理圖線性變換，公式(215)兩邊同時(shí)乘以R1得到R1Y=Ab+ZR1,判決輸出b=sgn(R1Y),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(guān)檢測(cè)第k個(gè)用戶的誤碼率： (31)式中：(R1Z)k是通信用戶k的噪聲分量，Rkk1是線性變換矩陣R1的第k行k列個(gè)元素，(R1y)k是采樣判決輸出的用戶k的信息比特。噪聲項(xiàng)的自相關(guān)矩陣為σ2R1，對(duì)于通信用戶k來(lái)說(shuō)，噪聲功率變換后總是大于線性變換前的噪聲功率σ2，解相關(guān)檢測(cè)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(kuò)頻碼間互相關(guān)系數(shù)增大時(shí)，解相關(guān)檢測(cè)器的性能就會(huì)大大降低。 由公式(214)分析知，只需一個(gè)R1矩陣相成，就相當(dāng)于擴(kuò)頻碼正交，便可完全消除多址干擾。解相關(guān)檢測(cè)算法的計(jì)算機(jī)仿真圖32：圖32如圖32所示，從解相關(guān)檢測(cè)算法仿真圖可知，噪聲功率較大時(shí)，系統(tǒng)的性能差，即誤碼率較大；噪聲功率較小時(shí)(信噪比較大)信號(hào)功率較大時(shí)，其誤碼率會(huì)減小，檢測(cè)器性能提高。解相關(guān)檢測(cè)雖然消除了多址干擾，但卻增加了背景噪聲，所以說(shuō)，只有在適當(dāng)?shù)臈l件下其才可以發(fā)揮良好的作用。解相關(guān)檢測(cè)算法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不用考慮通信用戶的信號(hào)功率，它也就具備了抗“遠(yuǎn)近”效應(yīng)的特性，但對(duì)延時(shí)引起的誤差要敏感，對(duì)定時(shí)信息和擴(kuò)頻碼也要清晰。解相關(guān)檢測(cè)器的缺點(diǎn)就是，隨著移動(dòng)通信用戶數(shù)量的增多，對(duì)矩陣求逆運(yùn)算的運(yùn)算量特別大，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)硬件的要求很高，甚至不能實(shí)現(xiàn)。 最小均方誤差檢測(cè)器在減少背景噪聲和消除多址干擾這兩個(gè)方面，都有良好的特性。MMSE檢測(cè)器在傳統(tǒng)多用戶檢測(cè)器的基礎(chǔ)上，在判決輸出前加了一個(gè)最佳矩陣M，使判決輸之前的出信號(hào)與實(shí)際發(fā)送信號(hào)間的均方誤差最小。MMSE檢測(cè)器的原理框圖：圖33 MMSE檢測(cè)器原理框圖令b=[b1,b2,…,bk]T；M=[m1,m2,…,mk]T是kk階的矩陣，表示k個(gè)用戶的線性檢測(cè)器，即在MMSE的準(zhǔn)則下得到一個(gè)最佳的矩陣M，使 (32)最小化。經(jīng)過(guò)推導(dǎo)得：(33)經(jīng)過(guò)線性變換后： MY=MRAb+MZ=x (34)判決輸出為： (35)經(jīng)過(guò)判決用戶k的誤碼率為： (36)從推導(dǎo)式中可以看出，MMSE檢測(cè)器是傳統(tǒng)檢測(cè)器與解相關(guān)檢測(cè)器兩種檢測(cè)器特性的結(jié)合。當(dāng)噪聲分量小到幾乎可以忽略，而多址干擾相對(duì)較大時(shí)，矩陣M就可以