【正文】 第 1 章 緒論 1 第 1 章 緒論 課題背景 移動通信這一概念最早出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 40 年代，第二次世界大戰(zhàn)中無線電臺的廣泛應(yīng)用使移動通信邁出了第一步。隨著通信用戶數(shù)量的增加， 80 年代，為滿足用戶需要，美國提出了小區(qū)制模式的第一個蜂窩通信系統(tǒng)。 1980 年后，移動通信技術(shù)趨于成熟，相應(yīng)各種通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。 其中 TDSCAMA 標(biāo)準(zhǔn)由我國提出。 CDMA 的優(yōu)點(diǎn)：第一，設(shè)計(jì)容量比模擬 /數(shù)字系統(tǒng)大的多，在一定程度上滿足了用戶群體的需要；第二，有一套精準(zhǔn)的功率控制措施，可調(diào)節(jié)手機(jī)發(fā)射功率，降低功耗，延長電池壽命；第三， CDMA 采用了軟切換 降低了掉話概率，提高了通信的可靠性，同時增加了通信容量，大大改善了業(yè)務(wù)量。為了解決這一問題，多用戶檢測技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。 國內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀 多用戶檢測的這一思想是在 1979 年由白 Schenider 提出，而且還研究了迫零法； 于 1983 年發(fā)表了多用戶干擾消除器的研究，指出了一些研究方向； 1984 年 Verdus 提出了最優(yōu)多用戶檢測器和最大序列檢測器并對燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 其進(jìn)行了分析， 1986 年通過對最優(yōu)多用戶檢測算法的研究，在理論上證明了采用最大似然序列檢測可以逼近單用戶接收機(jī)性能，不僅在一定程度上可有 效地克服遠(yuǎn)近效應(yīng)，而且提高了系統(tǒng)容量；隨后盲多用戶檢測概念于1995 年被 Miehaex 和 Sergio Vverdu S 提出，使得多用戶檢測技術(shù)向?qū)嵱梅较蛴滞七M(jìn)了一步，同時自適應(yīng)濾波原理也廣泛應(yīng)用其中。之后， Xiaofei Zhang 和 Dazhuan Xu 在 SIMOCDMA 系統(tǒng)中提出了基于 PARAFAC 算法的多用戶檢測算法 [5]； Yonwoo Yoon 等于 20xx年提出了一種最大似然檢檢測算法 [6]。 課題研究的目的及意義 多用戶檢測技術(shù)的目的是獲得更大的通信系統(tǒng)容量 ，提高寬帶的利用效率，使覆蓋范圍更廣。遠(yuǎn)近效應(yīng)的主要因素是功率的控制，多用戶檢測算法可以降低甚至消除多址干擾，從而在一定程度上緩解了遠(yuǎn)近效應(yīng)這一問題 。同時，多用戶檢測技術(shù)降低了對移動臺發(fā)射功率的要求，這樣就可以把節(jié)省的功率用于擴(kuò)大通信面積上，增加小區(qū)通信系統(tǒng)的覆蓋面積。從國內(nèi)外對多用戶檢測算法的研究現(xiàn)狀來看，當(dāng)前對多用戶檢測技術(shù)的研究主要集中在算法的復(fù)雜度和誤第 1 章 緒論 3 碼率的大小上 ，對于誤碼率的研究上取得成就是可觀的，但隨著移動通信用戶的聚增，算法的復(fù)雜性仍然是一個困擾人們的問題。 課題研究的主要內(nèi)容 本文中所研究的多用戶檢測算法主要有傳統(tǒng)多用戶檢測算法、解相關(guān)檢測算法、最小均方誤差 (MMSE)檢測算法。我們可以看出，傳統(tǒng)多用戶檢測方法未對其他用戶的干擾作任何處理，沒有考慮到多址干擾對用戶通信判決的影響，從這一點(diǎn)來看，它采用的還是 單 用戶檢測思想。因此，文中對傳統(tǒng)多用戶檢測算法進(jìn)行了研究分析。 解相關(guān)檢測算法不 用去估計(jì)通信用戶的信號功率，因此它有良好的抗遠(yuǎn)近效應(yīng)這一優(yōu)點(diǎn)。這里需要提出一點(diǎn)，解相關(guān)檢測算法 是以提高背景噪聲來換取多址干擾的消除，因此它的缺點(diǎn)是噪聲可能增強(qiáng)。 最小均方誤差 (MMSE)檢測算法： MMSE 檢測算是將多址干擾和背景噪聲綜合考慮的一種多用戶檢測方法，它是將實(shí)際發(fā)送的信號與判決前輸出信號之間均方誤差最小，從而提高通信質(zhì)量。它存在兩個極端，一個是噪聲分量極小，多址干擾極大時， MMSE檢測方法可以視為解相關(guān)檢測算法；當(dāng)多址干擾較小，噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于多址干擾時， MMSE 檢測算法的矩陣相當(dāng)于單位矩陣，即可將 MMSE 檢測視為傳統(tǒng)多用戶檢測。 課題研究的步驟和方法 解 相關(guān)檢測算法和最小均方誤差檢測算法目的都是降低 或消除多址干擾，而傳統(tǒng)多用戶檢測方法主要用來 比較，當(dāng)有 噪聲時最小均方誤差檢測算法兼顧到了對噪聲的抑制，沒有背景噪聲時，解相關(guān)檢測可以完全消除多址干擾。對最小均方誤差算法和解相關(guān)檢測算法也按照以上步驟實(shí)行，最終對每種檢測算法進(jìn)行仿真分析，然后通過仿真得出它們各自的性能優(yōu)劣。 2． 畫出整體設(shè)計(jì)框圖，并劃分模塊， 對各模塊的原理框圖要清晰。 4． 解決調(diào)試中出現(xiàn)的問題，排除故障，最終進(jìn)行系統(tǒng)仿真，得出合理的仿真圖形和結(jié)論。把傳統(tǒng)多用戶檢測、解相關(guān)檢測、最小均方誤差 (MMSE)檢測三種算法作為主要研究對象 。 第三章 主要 對三種多用戶檢測算法進(jìn)行了仿真，根據(jù)仿真結(jié)果圖分析三種多用戶檢測算的性能。 將 k 個用戶的特征波形進(jìn)行歸一化 Sk(t):調(diào)制 1信道 C k擴(kuò)頻 k信道 C 2擴(kuò)頻 2擴(kuò)頻 1b 1b kb 2信道 C 1調(diào)制 k調(diào)制 2+N ( t )匹配 2匹配 1匹配 k多用戶解調(diào)算法b 1b 2b k? ? )()()( 1 tnititr TSBA bkki kk k ???? ? ????? ? ])1(,[ TT bb iit ??燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 , 1≤ t≤ Tb N 擴(kuò)頻增益 ， Tc 碼片間隔， 第 k 個通信用戶的擴(kuò)頻碼序列， Ci(k)∈ {0,1},碼片波形為具有單位能量的矩形波。 CDMA 系統(tǒng) 是對每個用戶分配不同的地址碼，以此來區(qū)分他們 ，但多個用戶的信號在時域和頻域上是混疊的， 因此 在頻域會產(chǎn)生一定的同頻和鄰頻干擾， 稱 為多址干擾。一般將系統(tǒng)受到的干擾分為三種：多徑干擾、加性白噪聲干擾和多址干擾 。多址干擾在嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能的同時，也會嚴(yán)重降低系統(tǒng)的容量。在通信系統(tǒng)中，用戶不是固定在一個地方， 而 是隨機(jī)移動的 ，因此在基站的接收端距離基站近的用戶要比遠(yuǎn)的用戶通信信號的功率大，此外，器件的非線性也會引發(fā)“遠(yuǎn) 近”效應(yīng)問題，這就使得多址干擾更加復(fù)雜化，為了解決這一難題，現(xiàn)實(shí)通信工程中采用功率控制技術(shù)，使通信中不同遠(yuǎn)、近用戶到達(dá)接收點(diǎn)的功率或信噪比平衡一致。 空間濾波技術(shù)。在現(xiàn)實(shí)操作上可將用戶小區(qū)劃分為空間相互獨(dú)立的 多個扇形區(qū)，也可以采用智能天線技術(shù)用更多更窄的動態(tài)波束來隔離用戶間信號的干擾。 在 CDMA 系統(tǒng)中，我們可以設(shè)計(jì)出一組完全正交的擴(kuò)頻序列，如果在用戶接收端也采用互相關(guān)為零的正交擴(kuò)頻序列，那么通信用戶間是不會產(chǎn)生多址干擾的。理論證明，同時具有理 想互相關(guān)特性和自相關(guān)特性的二進(jìn)制擴(kuò)頻序列是不存在的，即多址干擾一直 存在。那么我們就可以采用互相關(guān)函數(shù)小的擴(kuò)頻碼序列和擴(kuò)頻碼組來減少多址干擾。 多用戶檢測是引用信息論并且經(jīng)過嚴(yán)格的理論分析后提出的一種抗多址干擾的技術(shù) ，它充分利用擴(kuò)頻序列引入的結(jié)構(gòu)信息來進(jìn)行處理，以期能夠正確的檢測出期望用戶的信息。 因此，多用戶檢測技術(shù)不僅是第三代移動通信的關(guān)鍵技術(shù)，也是現(xiàn)在各國第四代移動通信的重要技術(shù)，發(fā)展前景廣闊。它是一種新型抗多址干擾技術(shù)，基本思路為： 從信息論上來說，碼分多址通信系統(tǒng)是一個多入多出的系統(tǒng)，利用信息論中的最優(yōu)信號檢測方法，尋找蜂窩 CDMA 移動通信系統(tǒng)中多用戶的最優(yōu)聯(lián)合檢測理論 [17]。一般情況下，將 CDMA 通信系統(tǒng)接收機(jī)中的多徑干擾和多址干擾看作白噪聲，當(dāng)作沒有用的信息來處理。 最優(yōu)聯(lián)合檢測方法也是可行的。 多用戶檢測技術(shù)的主要用途是提高通信系統(tǒng)中寬帶的 效率，擴(kuò)大系統(tǒng)容量，增大通信覆蓋范圍，消除小區(qū)內(nèi)用戶間的干擾。因?yàn)樾^(qū)內(nèi)的干擾被消除，而消除小區(qū)間的干擾所獲得的能量受到了影響，所以多用戶檢測方法并未消除小區(qū)間的干擾。 對多用戶檢測技術(shù)的研究一般在上行鏈路（ 信號從移動臺到基站的物理通道）。 多用戶檢測技術(shù)把減少的在上行鏈路上的干擾功率用于擴(kuò)大小區(qū)的通信范圍上， 改進(jìn)了小區(qū)的覆蓋情況，但它并不依賴于系統(tǒng)負(fù)載。 多用戶檢測的定義和分類 多用戶檢測：聯(lián)合考慮 同時占用某個信道的所有用戶或某些用戶，消除或減弱其他用戶對任意 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的檢測方法。 第 2 章 多用戶檢測的概述 9 多用戶檢測器一般分為次 (準(zhǔn) )最優(yōu)多用戶檢測器和最優(yōu)多用戶檢測器，由于最優(yōu)多用戶檢測器只 能在理論上實(shí)現(xiàn)，而不能在現(xiàn)實(shí)的通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，所以人們主要以次 (準(zhǔn) )最優(yōu)多用戶檢測器作為研究對象。具體如 下 圖 所示： 圖 21 圖 21 a) 多用戶檢測器最優(yōu)多用戶檢測器 次最優(yōu)多用戶檢測器非線性多用戶檢測器線性多用戶檢測器序列檢測分組檢測干擾抵消型基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多用戶檢測混合型干擾抵消串接干擾抵消SIC并接干擾抵消PIC非線性多用戶檢測器燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 圖 21 b) 多用戶檢測的性能參數(shù) 對 多用戶檢測技術(shù) 的研究，能夠具體表現(xiàn)出來的就是它的幾個性能參數(shù)。 在多用戶檢測技術(shù)中，最重要的一個指標(biāo)就是誤碼率，該性能指標(biāo)是多用戶檢測器在較大信噪比環(huán)境下的誤碼率，一般情況下，通信系統(tǒng)都是減小誤碼率，提高通信系統(tǒng)性能。 當(dāng)用戶數(shù)量增多時，就會出現(xiàn)干擾用戶，此時誤碼率就會增大。此時，多用戶系統(tǒng)中所期望的用戶誤碼率 為： (23) 式中， eq(σ )為第 q 個用戶到 Pq(σ )傳輸信息時所需要的能量。在移動通信系統(tǒng)中，我們對檢測器的性能考量主要是因多址干擾造成檢測器的性能損失，該性能的損失用多用戶漸近多用戶有效性來衡量，它是 1986 年由 Verdu 引入的。多用戶有效性：在移動通信系統(tǒng)中，多用戶系統(tǒng)達(dá)到單用戶系統(tǒng)相同的誤碼率所需要的能量與單用戶所需要能量的比值，該表達(dá)式為： (24) 當(dāng)噪聲方 差 σ 趨近于零時， ηq（ σ）的極限就是第 q 個通信用戶的漸近有效性，記作 ηq。漸近有效性的取值范圍為 [0,1],該取值 范圍的 含義 ：由 公式 (25)知，背景噪聲趨近于零而 Pq(σ)不趨近于零時，漸進(jìn)有效是為零的，也就是說，在沒有背景噪聲的環(huán)境下，單用戶匹配濾波檢測器仍然存在一定的誤碼率。如果 ηq=1 表示通信系統(tǒng)中期望用戶沒有受到其他任何用戶的干擾。低噪聲下的誤碼率和漸進(jìn)有效性是兩個等價的性能衡量標(biāo)準(zhǔn)。由于通信用戶距離基站的距離是不相同的，所以基站對用戶的接收功率不相同，故引起了遠(yuǎn)近效應(yīng)，接收功率強(qiáng)的用戶把接收功率弱的用戶信號給淹沒，影響通信質(zhì)量；為了解決這一問 題， 等人提出了抗 “遠(yuǎn) 近 ”能力這一理論。 ? ? ? ?0?！斑h(yuǎn) 近”效應(yīng)在移動通信系統(tǒng)中最為常見，因?yàn)橐苿佑脩舨皇枪潭ú粍拥?，所以基站對他們的信號接收能量也不是固定的? 信干比（ SIR） 。當(dāng)不存在干擾通信用戶時 ,第 K 個用戶 輸出的信干比為 : (29) 在同步 DSCDMA 系統(tǒng)中 ,第 K 個用戶的信干比為 : (210) ?? qq Ejqjinf0???? ? ? ?? ? ?? qiq iE jqjiin f 0,0, ???? 22ASIR k?????kj jkjkPAAS I R2222?燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 14 傳統(tǒng)多用戶檢測原理及仿真 傳統(tǒng)多用戶檢測技術(shù)主要以傳統(tǒng)檢測器來研究 ，傳統(tǒng)檢測器是將接收到的信息通過一個匹配濾波器組 ，然后對每個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)多用戶檢測器原理圖 在信息傳遞過程中，第 i 個信息符號的間隔內(nèi)第 k 個匹配濾波器的輸出用公式表示 為： (211) 上式 ρ jk 表示第 j 個通信用戶的特征波形和第 k 個用戶特征波形的互相關(guān)。 (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，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）匹配濾波器 1匹配濾波器 k匹配濾波器 2r ( t )同步同步同步Y(jié) 1 ( t )Y k ( t )Y 2 ( t ) 判決b kb 1b 2? ? ? ? ? ? nbAbAy kjkjjkkk iii ??? ? ?? ? ? ?dSS tkjjk ttT b?? 0?? ? ? ?dSn tkk ttnT b?? 0?第 2 章 多用戶檢測的概述 15 干擾項(xiàng)。 為了更 便于分析，我們引入矩陣向量來表示相關(guān)量。那么 A=diag[A1,A2,… Ak]T； Z=[n1,n2,… ,nk]T；b=[b1,b2,… ,b