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多用户检测技术研究
本科毕业论文(设计)
学院、系电子信息工程学院电子系
专业名称电子信息科学与技术
多用户检测技术研究
摘要:
多用户检测是宽带CDMA通信系统中抗干扰的关键技术。
多用户检测是综合考虑同时占用某个信道的所有用户或某些用户,消除或减弱其它用户对任一用户的影响,并同时检测出所有这些用户或某些用户的信息的一种信号检测方法。
本文主要研究了CDMA移动通信系统的各种多用户检测算法的原理和优缺点。
首先介绍了多用户检测技术的基本分类,主要有线性多用户检测和非线性多用户检测两类,前者包括解相关检测、线性最小均方误差检测,后者则以干扰抵消多用户检测为主,又分为串行和并行干扰消除多用户检测。
然后对各类多用户检测技术的特点进行了分析比较。
文中通过仿真比较分析了传统检测器、串行干扰抵消检测器和解相关检测器等经典多用户检测器的误码率。
随着多用户检测技术的发展越来越成熟,其应用领域也不断扩大,多用户检测成为目前研究的一个热点。
关键词:
多用户检测,串行干扰消除,并行干扰消除
ResearchOnMuti-UserDetectionTechnique
Author:
HuBo
Tutor:
SunKai
Abstract:
Multi-userdetectionisananti-interferencekeytechnologyinbroadbandCDMAsystem.Multi-userdetectionisamethodforsignaldetection;itoverallevaluatesallusersorcertainuserswhooccupysomechannels,otheruserstoanyuser'sinfluencewillbeeliminatedorweakened.Inthemeantime,informationofallusersorcertainusersisdetected.ThisarticlefocusesontheprincipleandalgorithmofMultiuserDetection(MUD)anddiscussesthemaintechniquesavailablefordatadetectioninwirelessCDMAsystems.MUDcanbeclassifiedintotwomainparts:
LinearMUDandNonlinearMUD.LinearMUDincludesDecorrelatingDetectionandMinimumMean-SquareError(MMSE)LinearMUD,whileNonlinearMUDincludesSuccessiveInterferenceCancellation(SIC)andParallelInterferenceCancellation(PIC).Inthispaper,theprosandconsofrecentandoldtechniquesavailableintheliteraturearediscussed.TheperformancesofBERofsometypicalconventionalmulti-userdetectors,successiveinterferencecancellationdetector(SIC)anddecorrelatingdetectorarecomparedandanalyzedthroughMATLABsimulation.Withthemulti-userdetectiontechniquebecomingincreasinglysophisticated,theirapplicationshavealsoexpandedcontinuously,researchofmulti-userdetectiononthesystembecomeahottopicatpresent.
Keywords:
Multi-userdetection(MUD),SIC,PIC
多用户检测技术研究
1绪论
1.1多用户检测技术产生背景
第三代移动通信系统是能够满足国际电联提出的IMT-2000/FPLMTS系统标准的新一代移动通信系统,要求具有很好的网络兼容性,能够实现全球范围内多个不同系统间的漫游,不仅要为移动用户提供话音及低速率数据业务,而且要提供广泛的多媒体业务。
ITU已对IMT-2000的测试环境提出了具体标准,给出了表征IMT-2000系统的最低限度的参数,包括支持的数据速率范围、误码率标准、单向的时延标准、激活因子和业务量模型。
根据ITU的标准,世界各大电信公司联盟均已提出了自己的第三代移动通信系统方案,主要有以日本DoCoMo公司为首提出的W-CDMA、美国Lucent和Motorola等公司提出的CDMA2000、欧洲西门子和阿尔卡特等公司提出的TD-CDMA以及我国提出的拥有自主知识产权的TD-SCDMA。
总体来说,虽然这些方案不甚相同,但是全世界在第三代移动通信系统中采用宽带码分多址(CDMA)技术已经达成共识。
我国现在已经具备了第二代移动通信系统的整体开发能力,但在第三代移动通信系统的研究开发方面还刚刚起步。
当前最为迫切的任务是进行宽带CDMA通信系统的关键技术的研究工作,要努力形成自己的专利技术,提高中国电信业的独立性和与外国电信厂商竞争的能力。
宽带CDMA通信系统的关键技术包括抗干扰(多用户检测)、抗多径衰落(天线分集和RAKE接收)、抗远近效应(功率控制)等,而它们之间又是相辅相成、互相补充的,均为当前研究的热点。
近年来移动通信一直是全球电信业的热点,其发展状况备受瞩目。
目前全球的移动电话用户数量已超过23亿,移动通信将在未来的通信方式中占据越来越重要的位置。
移动通信系统在经历第一代和第二代后,第三代移动通信系统(3G)在2003年进入准备启动阶段,到2006年5月底,全球共颁发了156张3G许可证。
与前两代系统相比,第三代移动通信系统的主要特征是可提供丰富多彩的移动多媒体业务,而且有更大的系统容量、更好的通信质量,能在全球范围内更好地实现无缝漫游及为用户提供包括话音、数据及多媒体等在内的多种业务。
目前国际电联接受的3G标准主要有以下三种:
WCDMA、CDMA2000与TD-SCDMA。
因此,码分多址接入(CodeDivisionMultipleAccess,CDMA)技术已经成为第三代移动通信系统中的主流技术。
与传统的FDMA、TDMA系统相比,CDMA系统具有频率规划简单、软容量、保密性好、易于无缝切换和宏分集等优点,但CDMA系统的主要缺陷就是由多址干扰带来的容量限制。
在蜂窝移动码分多址通信中,干扰大概分为三种类型:
加性白噪声干扰、多径干扰与多用户间的多址干扰。
由于在同一个小区间同时通信的用户不是一个而是多个,在码分多址中多个用户占用同一时隙、同一频率,当同时通信用户数较多时,多址干扰成为最主要的干扰。
CDMA系统是一个多入多出(MIMO)系统,采用传统的单入单出(SISO)检测方法,如匹配滤波器,不能充分利用用户间的信息,而将多址干扰认为是高斯白噪声。
所以多址干扰不仅严重影响系统的抗干扰性,而且也严格限制了系统的容量提高。
在多径衰落环境下,由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交,因而造成多个用户之间的相互干扰,并限制系统容量的提高。
解决以上问题的一个有效方法是使用多用户检测技术(MultipleUserDetection,MUD)。
1.2多用户检测技术简介
多用户检测是宽带CDMA通信系统中抗干扰的关键技术。
在实际的CDMA通信系统中,各个用户信号之间存在一定的相关性,这就是多址干扰(MultipleAccessInterference,MAI)存在的根源。
由个别用户产生的
固然很小,可是随着用户数的增加或信号功率的增大,
就成为宽带CDMA通信系统的一个主要干扰。
传统的检测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理,因而抗
干扰能力较差;多用户检测(Multi-UserDetection,MUD)技术在传统检测技术的基础上,充分利用造成
干扰的所有用户信号信息对单个用户的信号进行检测,从而具有优良的抗干扰性能,解决了远近效应问题,降低了系统对功率控制精度的要求,因此可以更加有效地利用上行链路频谱资源,显著提高系统容量。
目前寻求MUD技术与其它技术结合的方法,以实现联合优化。
现在研究较多的有MUD技术与空时二级信号处理、信道编码、功率控制等技术的结合;另外,还有用神经网络实现多用户检测可以考虑系统的非线性、非平衡性和非高斯性,因此,基于神经网络的多用户检测近来也受到人们的注意。
还有将智能天线技术引入多用户检测,实现码分和空分的有力结合。
相信,随着第三代通信系统逐步步入商用阶段,由于用户数急剧膨胀,系统中的多址干扰会日益严重,因此对多用户检测技术的需求会更加迫切,多用户检测技术联合其他优化技术必将发挥它重要的作用,它的发展将会进一步完善第三代移动通信系统。
2多用户检测技术
2.1多用户检测技术概述及其作用
多用户检测是第三代移动通信系统中宽带CDMA通信系统抗干扰的关键技术。
传统的检测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理,因而抗多址干扰(
)能力较差;如图2.1所示,多用户检测(Multi-UserDetection,MUD)技术在传统检测技术的基础上,通过取消小区间干扰来改进性能,增加系统容量。
实际容量的增加取决于算法的有效性、无线环境和系统负载。
充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对多个用户做联合检测或从接收信号中减掉相互间干扰的方法,有效地消除
的影响,从而具有优良的抗干扰性能。
在理想情况下,应用多用户检测技术,系统的性能将接近单用户时的性能。
这显然消除了“远—近”效应的影响,可以简化用户的功率控制,降低系统对功率控制精度的要求。
并且由于
的消除,用户在较小的信噪比下就可达到可靠的性能,单用户信噪比的降低可以直接转化为系统容量的增加,因此可以更加有效地利用链路频谱资源,显著提高系统容量。
图2.1多用户检测技术原理图
多用户检测的作用就是去除多用户之间的相互干扰。
也就是根据多用户检测算法,在经过非正交信道和非正交的扩频码字,重新定义用户判决的分界线,在这种新的分界线上,可以达到更好的判决效果,去除用户之间的相互干扰。
多用户检测的主要优点:
它是消除或减弱CDMA中多址干扰的有效手段,也是消除或减弱CDMA中多径衰落干扰的有效手段,并且能够消除或减弱CDMA中的远近效应,简化CDMA系统中的功率控制,降低功率控制的精度要求,弥补CDMA中由于正交扩频互相关性不理想所带来的一系列消极影响,改善CDMA系统性能,提高系统容量、扩大校区覆盖范围。
多用户检测的主要缺点:
大大增加CDMA系统的设备复杂度,增加CDMA系统的处理时延,特别是对于采用自适应算法,以及对于扩频码较长的系统更是如此。
多用户检测一般需要知道很多附加信息,如所有用户的扩频码、衰落信道的主要统计参量:
幅度、相位。
延时等,这对于时变信道,需要不停地对每个用户信道进行实时估计才能实现,一般而言是非常困难的,而且参量估计的精度将直接影响多用户检测器的性能好坏。
2.2多用户检测技术工作原理
如下图2.2所示,假设有
个用户,每个用户发送数据比特
,通过扩频码字进行频率扩展,经过无线信道传输,加入了噪声,接收端接收的用户信号与同步的扩频码字相关,接收机相乘器由乘法器、积分和信息转存功能部分组成。
解扩后的结果通过多用户检测算法去除用户之间的干扰,得到用户的信号估计值
。
多用户检测将不期望的多接入干扰从接入信号中分离。
多用户检测输出的是估测的数据比特。
从原理图上就可以看出:
多用户检测的关键取决于相关器的同步扩频码字跟踪、各个用户信号的检测性能、相对能量的大小信道估计的准确性等接收机的性能,也就是取决于捕捉到的能量、相位的影响和码跟踪差错。
在理想情况下,与没有MUD的系统相比,MUD减少干扰2.8倍因子。
实际情况下,MUD的有效性不到100%,也就是说取决于检测方案、信道估计、时延估测和功率控制差错。
图2.2多用户检测系统模型
2.3多用户检测技术的分类
多用户检测技术分为线性多用户检测和非线性多用户检测。
线性多用户检测主要有下面几类:
解相关检测,最小均方误差检测,盲自适应多用户检测和多项式扩展多用户检测,其中前三类只能用于短码系统,而多项式检测可以在长码系统中应用。
非线性多用户检测主要有串行干扰消除和并行干扰消除。
本节主要介绍线性干扰消除,下章具体介绍非线性干扰消除。
2.3.1解相关检测
由Lupas和Verdu提议的解相关器(又称为零驱动检测器)结构如图3.1所示。
图3.1解相关器示意图
这种检测器是将多用户通信环境的多址干扰等效为一个信道的传输响应矩阵,即码字之间的相关矩阵
该矩阵仅与各用户的扩频序列以及序列间的相对时延有关。
得到信道传输的逆矩阵
就可以将多用户信号经过
个匹配滤波器的输出,再通过此逆矩阵进行求逆运算,以等效地消除各用户扩频序列间的相关性,从而达到消除多址干扰的目的。
实际上
是一个非因果的无限冲击响应的矩阵传递函数,是不可实现的。
在实际情况中要将
截断为有限长,具体实现可以采用横向滤波器。
这种检测器具有以下特点:
必须知道所有用户的扩频码及其特性;必须得到所有用户的定时;必须计算互相关矩阵
的逆矩阵;其性能独立于干扰功率,不需估计功率的大小;不需对用户幅度进行估计。
它的缺点是:
放大噪声功率,扩大噪声的影响,而且造成解调信号很大的时延,也就是说解相关检测的性能是以提高背景噪声为代价换取消除多址干扰的。
2.3.2MMSE多用户检测
使用最小均方误差准则,可以得到MMSE多用户检测。
与解相关不同的是它不会增强噪声。
MMSE检测器是在消除多址干扰和增大信道噪声这两者之间采取折中而达到某种平衡,从性能上来说,在信噪比低的情况下,MMSE检测器优于解相关检测器,在信噪比高的情况下,解相关检测器比MMSE性能更优。
2.3.3多项式扩展(PE)多用户检测
S.Moshavi提出了一种称为多项式扩展的多用户检测方法。
这一算法的基本思想是应用的矩阵多项式来逼近一个线性变换。
多项式扩展多用户检测实质上还是解相关检测或者是最小均方误差检测,只不过提出了将线性变换阵展开的一种方法。
但多项式扩展多用户检测有一个最重要的特点是在长码系统和短码系统中同样容易实现。
2.3.4盲自适应多用户检测
对于快时变信道,由于需要频繁发送训练序列,从而大大降低了系统的有效性和可靠性。
因此,人们开始直接从业务信号本身提取信道状态信息的自适应检测技术,成为盲自适应检测。
但是,盲算法的最大问题是其收敛速度能否跟得上信道时变衰落的变化速度。
由于盲自适应多用户检测既不需要训练序列,也不需要其他用户的扩频码信息,所需要的信息几乎与传统的检测器相同,因此,它本质上是一种单用户抗多径自适应检测。
盲算法的收敛速度慢是通病,特别是对于快速时变信道,这是一个致命的弱点。
但对于慢时变的移动信道,它仍是很有吸引力的算法。
3非线性多用户检测
干扰消除检测器(又称为非线性多用户检测)一般由多级组成,其基本思想是在接收端估计对每个用户的多址干扰,然后从接收信号中部分或全部消除多址干扰。
这种消除器与抗ISI的反馈均衡器类似,所以又称为判决反馈检测器。
用于估计多址干扰的判决可以是软判决或硬判决,硬判决要求对信号幅度进行可靠的估计,不可靠的估计将严重降低检测性能。
干扰抵消多用户检测主要有串行干扰消除和并行干扰消除。
3.1引言
首先我们将CDMA通信系统进行简化,设有
个用户,采用直接序列扩频信道为单路径同步信道,则接收信号的基带表示为:
(4.1)
CDMA通信系统中传统的检测器是由
个相关器组成的,相关检测器可以由匹配滤波器代替,所以又称为匹配滤波检测器。
CDMA工作原理的核心在于伪随机码(PseudoNoiseCode,PN码)的相关性,用公式表示为:
,其中
;如果
;如果
。
所以第
个用户的相关器输出是:
(4.2)
3.2串行干扰消除
3.2.1串行干扰消除操作过程及注意事项
串行干扰消除(SuccessiveInterferenceCancellation,SIC)串行干扰消除器由多级组成,一级对一个用户序列信号进行判决、再造、消除,以给下面的各级减轻
,各用户的操作顺序是根据信号功率的下降顺序来确定的。
将检测用户信号的功率按从大到小排列的原因是:
(1)强功率用户用传统检测器时,其误码率比弱功率用户低,容易得到正确的判。
(2)强功率用户产生的
较大,首先把它从接收用户信号中删除,从而大大有利于随后其它用户的检测,能克服“远近”效应。
如图4.1,接收机首先根据接收信号功率估值对用户进行排序,然后按功率由高到低次序对各用户信号依次进行判决和估计。
即先解调出最强功率信号用户,根据判决结果,该信号扩频码、幅度估计值和相位信息得到该用户对其他用户所产生多址干扰,然后从总的接收信号中减去该多址干扰估计值,将结果作为一下级输入信号,这样就去掉了最强多址干扰分量。
图4.1串行干扰消除原理图
然后再检测次最强用户信号,重复以下步骤,“判决—再造—消除”,直至所有用户信号被检测出。
接收端各用户信号功率相差越大,越利于串行干扰抵消检测算法的工作。
串行干扰抵消算法之所以按信号功率强度由强到弱依次消除多址干扰是因为:
对于功率最强用户信号,最容易正确解调和恢复;去除功率最强用户信号对剩下用户来说受益最大。
因此,串行干扰抵消检测算法能大大提高弱用户检测准确率。
通过上述过程可以看出:
(1)串行干扰消除按信号功率从大到小依次相消,其性能很大程度上取决于用户接收信号的功率分布,用户接收信号的功率分布差别越大,性能提高就越明显。
首先,信号最强的用户解调得到的可靠性最高;其次,从总信号中将最强用户信号先检测出来,对其他用户的收益最大,这是由CDMA系统的特性决定的。
CDMA是自干扰系统,因此,把信号最强的用户检测出来的同时也减小了对其他用户的干扰。
这种算法的结构导致最强用户在抗多址干扰方面没有得到任何改善,而对最弱的用户来说,它在抗多址干扰方面获得很大改善。
同时这也导致SIC检测有一个显著的缺陷,就是它的性能在很大程度上取决于初始数据估计的可靠性。
也就是说如果用户1和用户2功率差别不大,或者对用户1的估计值与真实值差别比较大,则会使系统误差较大。
此外,每一级的检测错误将会在以下各级中累加,它会严重影响整个系统的检测性能。
(2)在串行干扰消除检测器中,由于每解调一个用户便会引入一定的处理时延,当用户较多时,时延将累积到系统难以忍受的地步。
因此,在SIC方案中,每个分组的用户不宜取太多,一般取4个用户即可。
SIC可用于同步CDMA,也可用于异步CDMA中。
(3)串行干扰消除需要对用户的功率进行排序。
在无线衰落信道中,用户信号功率是变化的,此时需要重新排序。
因此,必须在信号功率排序的速度和能够接收的运算复杂度之间进行权衡。
(4)串行干扰消除需要估计用户信号的延时、幅度和相位。
(5)串行干扰消除结构简单,运算复杂度与用户数呈线性关系。
多用户检测中的干扰消除算法充分利用了多个用户的信息,并且工程实现相对简单。
存在的问题是:
对干扰的估计要求相当准确,否则干扰删除的效果会大大削弱甚至使系统恶化。
3.2.2串行干扰消除检测算法
图4.2是两个用户时串行干扰抵消检测算法结构图,假定用户2功率比用户1功率大。
图4.2两个用户的串行干扰消除检测算法框图
对于一个同步DS-CDMA系统,假定小区内用户数为
,则接收信号可以表示为:
(4.3)
式中
为第
个用户的幅度;
为第
个用户的信息比特;
为扩频波形;
为具有单位功率谱密度的高斯白噪声。
经过匹配滤波器后,第
个匹配滤波器的输出
可表示为:
(4.4)
其中
,式(4.4)的向量形式可表示为:
(4.5)
其中:
,
。
各种CDMA多用户检测算法的区别主要是对匹配滤波器的输出处理方式不同,即CDMA多用户检测器所要解决的问题主要是如何利用匹配滤波器的输出
,准确快速地估计出用户发送的信息序列
。
对于有
个用户的串行干扰消除检测器,接收信号一次去掉一个干扰波形,当对第
个用户进行判决时,则假定对
个用户的判决是正确的,并忽略
个用户的存在,那么同步信道下第
个用户的判决输出是:
(4.6)
3.2.3串行干扰消除检测算法的优缺点
串行干扰消除检测算法具有以下特点:
(1)结构简单,只需在传统检测算法基础上附加少量硬件即可实现;
(2)能相对于传统检测算法有较大提高;
(3)不改善最强功率用户抗多址干扰性能,明显改善弱功率用户抗多址干扰性能,总体性能得到改善;
(4)计算复杂度与用户数成线性关系。
串行干扰消除检测算法具有以下缺点:
(1)SIC检测算法检测每个用户都会相应增加一个时延,当系统负荷较大时,时延大,不能满足实时要求;
(2)SIC检测算法需要对用户按功率进行排序,因此当用户信号功率强度发生变化时需要重新排序;
(3)SIC检测算法要求初级检测必须准确,否则不但不能消除多址干扰,还会引入虚拟用户,引起误差传播。
但是,由于串行干扰消除检测算法概念和硬件实现都比较简单,是目前实际系统中最有可能广泛应用的多用户检测算法之一。
3.3并行干扰消除
3.3.1并行干扰消除操作过程及注意事项
并行干扰消除(ParallelInterferenceCancellation,PIC)为了解决SIC在时延以及重排上的缺陷问题,产生了并行干扰消除检测,它不需要对用户的信号强度进行排序。
并行干扰消除存在多级检测,在每级检测的干扰消除中,每个用户减去其他用户的信号强度,并进行解调。
重复多次这样的干扰消除,就可以消除其他用户的多址干扰。
并行干扰消除器的基本原理是利用接收信号的初始值或前级判决值构造所有用户的干扰信号,然后同时并行从接收信号中抵消所有用户的干扰。
在每一级中,根据上一级的输出在每个用户的接收信号中去掉其它用户对它产生的多址干扰,并用修改过的接收信号对所有用户的信号进行重新估计。
PIC的设计思想基本上和SIC的设计思想是一致的,只是由于PIC是并行处理,克服了SIC时延大的缺点,并且在信号发生变化时重新排序,因此具有较高的实用价值。
在每级干扰消除检测中,并不是完全删除其他用户的信号强度,而是乘以一个相对小的系数,避免了传统匹配滤波接收检测中的误码率被不断放大。
PIC的好处在于实现了多用户的干扰消除,而时延又小于SIC,但与此同时也增加了算法的计算量。
具体的操作如下:
如图4.3,并行干扰消除检测器的每一级将前一级的硬判决输出与幅度估计相乘,再通过扩频码扩频,就得到了延时一个比特的每个用户接收信号的估计值。
然后对每个用户,从总的接收信号中减去其它用户的估计值,就得到了单一用户接收信号的值。
对该值用传统检测方法进行检测,就得到了该级的各用户信号的检测结果。
在多级结构中,第一级的输出送入第二级,再进行相同的检测步骤。
并行
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