移动通信中的先进信号处理技术

CDMA多用户 处理技术课程设计报告目录1 .概述12 .多址技术12.1 频分多址22.2 时分多址22.3 码分多址33 .多用户检测34 .联合检测105 .联合发送156 .小结157 .参考文献17一、概述与传统的频分多址（FDMA : Frequency-Division Multiple Access）、时分多址（TDMA : time-Division Multiple Access）系统相比，码分多址（CDMA： Code-division Multiple Access） 系统具有频谱效率高、软容量、保密性好、易于无缝切换和宏分集等优点，但同时也要克 服多址干扰（MAI ）和远近效应这两个严重影响系统容量的问题。在CDMA系统中，依靠不同的地址码来区分不同用户，如果不同的地址码之间是完 全正交的，则各个用户之间将没有干扰存在。但不幸的是，在 CDMA系统中，由于多个 用户的随机接入以及无线信道时变特性对用户地址码之间互相关性的破坏，用户地址码之 间不能保证完全正交，从而引起多址干扰。随着用户数的增加，这种干扰将越来越严重。 同时，无线电信号经过移动信道时会受到来自不同途径的衰落，由于用户距离基站的距离 不同，因而衰减也不同。如果发射台以相同的功率发射，将会导致基站接近移动台的信号 比接收远站点移动台信号强得多，使得相对较弱的用户信号得不到正常的检测，这就是远 近效应问题。现有系统都是靠严格的功率控制来解决这一问题的，但精确的功率控制非常 复杂，费用较高。传统的 CDMA信号检测技术根据直接序列扩频理论对基带接收信号进 行地址码相关计算，独立处理每个用户的信号，因此称为相关检测，它不具备抗多址干扰 和远近效应的能力。多用户检测是近几十年来在相关检测基础上发展起来的一种有效的抗干扰措施，是 CDMA通信系统中抗干扰的关键技术。它利用多址干扰的各种可知信息对目标用户的信号 进行联合检测，从而具有较好的抗多址干扰能力，可以更加有效地利用频谱资源，显著提 高系统容量，降低系统对功率控制的要求。多用户检测的额思想最早可以追溯到1983年,1986年，S.Verdo提出多址干扰是具有一定结构的有效信息。他以匹配滤波器加维特比算 法实现了最大似然序列检测，从理论上证明了采用最大四然效应检测可以逼近单用户接收 性能，并能有效克服远近效应，大大提高系统容量，至此开始了对多用户检测技术的复杂 太高无法实现。因此在以后的十几年里，出现许多次优的用户检测方案，主要分为线性多 用户检测和干扰删除多用户检测两方面。目前，这两种方式已成为多用户检测技术研究的 主要方向。二、多址技术多址技术分为频分多址（FDMA）、时分多址 （TDMA）、码分多址 （CDMA）。 频分多址是以不同的频率信道实现通信。时分多址是以不同的时隙实现通信。码分多址是以不同的代码序列来实现通信的01.频分多址（FDMAFDMA将整个可利用的无线频带划分成互不交叠的子频带，每一个子频带分配给一个特定的用户，该用户在通信过程中长期占用该子频带直到通信结束。因此， FDMA方式下无 线行信道的共享通过为不同用户分配不同频带来完成。FDMA是第一代模拟蜂窝移动通信系统广泛采用的方式，如TACS系统频道间隔为25KHz等。采用FDMA方式主要有如下 特点：（1）每个频道只传输一路业务信息，因此实质上是单路单载波传输；（2）信号连续传输，各多址信道在时间和空间重叠，频率分割；（3）多频道信号互调干扰严重；（4）频分多址就只是分裂信道以提高容 量，因此频率利用率低，系统容量小；（5 ）系统可扩展性以及对新技术的适用 性差，需要改变和增加射频硬件和频率重用设 计，产生一系列复杂问题。利用FDMA技术的模拟移动通信系统由于 系统容量、抗干扰性和保密性无法满足日益增长 的移动业务需要已经被淘汰。2.时分多址（TDMA时分多址是把时间分割成周期性的帧（Frame）每一个帧再分割成若干个时隙向基站发 送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号 而不混扰。同时，基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在予定的时隙中传输，各移 动终端只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。时分多址（TDMA的N个时隙（信道）在时间轴上互不重叠，应该满足时间正交性： 式中，ATi为时隙长度；Xi和Xj分别表示第i个利第j个时隙（信道）发送的突发信号 接收端的TDM侬时单元根据系统定时信号实时控制时间闸门，选择出所需信道（时隙） 所传送的突发信号。时分多址只能用于数字通信系统。模拟话音必须先进行模数变换（数 字语音编码）及成帧处理，然后以突发信号的形式发射出去。3 .码分多址(CDMA码分多址(CDMA , Code DivisionMultiple Access )通信系统中，不同用户传输信 息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分码分 多址，或者说，靠信号的不同波形来区分。 如果从频域或时域来观察，多个 CDMA信号是 互相重叠的。接收机用相关器可以在多个 CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号。 其 它使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似 于在信道中引入了噪声和干扰，通常称之为多址干扰。在CDMA蜂窝通信系统中，用户之间的信息传输是由基站进行转发和控制的。为了实现双工通信，正向传输和反向传输各使用一个频率，即通常所谓的频分双工。无论正向传输或 反向传输，除去传输业务信息外，还必须传送相应的控制信息。为了传送不同的信息，需 要设置相应的信道。但是，CDMA通信系统既不分频道又不分时隙，无论传送何种信息的 信道都靠采用不同的码型来区分。类似的信道属于逻辑信道，这些逻辑信道无论从频域或 者时域来看都是相互重叠的，或者说它们均占用相同的频段和时间。1. CDMA是扩频通信的一种，他具有扩频通信的以下特点：抗干扰能力强。这是扩频通信的基本特点，是所有通信方式无法比拟的。宽带传输，抗衰落能力强。由于采用宽带传输，在信道中传输的有用信号的功率比干扰信号的功率低得多，因 此信号好像隐蔽在噪声中；即功率话密度比较低，有利于信号隐蔽。利用扩频码的相关性来获取用户的信息，抗截获的能力强。三.多用户检测在移动通信的发展过程中，无线环境中的信号衰落与相互干扰一直是影响移动通信质 量的重要因素之一。为对抗衰落与干扰，几十年来人们研究并应用了多种技术，如GSM勺自适应均衡、IS-95 CDMA勺RAK登收机等。多用户检测技术(Multiuser Detection, MUD 是根据经典信息论的最佳联合检测理论提出的一种有效对抗多址干扰的先进技术。从1979年K.Schneider提出联合检测的概念，特别是 1986年S.Verdu提出最优多用户检测算法 以来，经过20多年的理论研究，并结合码分多址移动通信系统的实践与发展，多用户检 测逐渐成熟。目前，3G移动通信标准中的WCDMAcdma2000和TD-SCDM均将多用户检测纳入其技术演进路线，并已进入实际应用阶段。3.1 、多用户检测原理3G移动通信的主要制式多以码分多址(CDMA技术为基础，CDMA(统的最大特点是 自身为干扰受限系统。CDMAS统中的干扰从干扰源类型角度可分为加性高斯白噪声(AWGN、多径衰落干扰(Multipath Interference )与多址衰落干扰(Multi-Access Interference )等。从干扰源位置角度可划分为小区内干扰与小区间干扰。仅考虑小区内 干扰时，在小区内用户较多时，可认为多址干扰是最主要的干扰，其次是多径干扰，最后 是AWGW扰。CDMAJ用多用户间正交性以及扩频与解扩的相关技术可以对抗AWGN扰，利用RAKE接收机可以对抗多径干扰。研究表明，多用户检测可以对抗多址干扰。传统CDMA佥测将所有多址干扰的伪随机码信号全部等效为无用白噪声，通过相干算 法将其删除，仅通过扩频码设计、功率控制、调整天线等方法来降低干扰。在多用户检测 理论中，通过充分利用多址干扰中的先验信息， 将所有用户信号的分离看作一个统一过程， 可以进一步消除干扰的影响，提高系统性能。3.2 多用户检测分类与算法研究CDM原统中多个用户信号在时域和频域上混叠，接收端需用一定的信号分离方法分离 各个用户信号，其方式有单用户检测和多用户检测两种。现代数字信号处理表明：CDMA!统中，多用户检测的效果要优于单用户检测。多用户检测的基本原理是通过发送已知序列 对信道进行估计，并测量各个用户扩频码问的非正交性，用矩阵求逆或迭代法消除用户之 间的干扰，进而正确恢复所有用户数据。3.2.1 最优多用户检测5. Verdu最早提出了最优多用户检测，可分为同步最优多用户检测与异步最优多用户 检测。2.1.1同步最优多用户检测具有K个用户的同步CDMAS,当不考虑多径干扰时，接收信号可表示为Ky(t尸 AA1(t) n(t),t 0,Tk=i(i)2式中T为符号周期；为第k个用户的扩频码，且具有归一化能量|sk | = 1 ； Ak 为第k个用户的接收信号幅度；bk为第k个用户的发送比特信息；n为均值为0,方差为W的 AWGN机过程。多用户检测器包括k个匹配滤波器，每个匹配滤波器的采样输出信号为T0 y(t)sJt)dt, k= 0,1,K(2)-# -定义两扩频码问的周期互相关系数为P .T0 Si(t)Sj (t)dt(3)nk(4)代入(2)式，得yk = Ak。+ £ Abikpik +i 二kT式中nk = I n(t)Sk(t)dt是高斯随机变量。同步CDM解统的接收信号可表示为y = RAb n一A0III010A2III0da+dE*式中R是归一化互相关系数矩阵；I1F+'.00 III A<Jy = (yi,y2,Yk)tb= (Db,bK)Tn = (ni，n2，.,nK)是高斯噪声矢量，其均值为0,T2E(nn )=二 Rp(y|b,A)最大。协万差矩阵为多用户检测的目的是联合解调发送比特矢量力，使联合似然概率此时要求满足以下联合最优检测准则：:arg maxexp(-2y(t)-£bkAkS.(t) dt)理论分析表明，上述准则的运算量为O(2K /K)，是指数复杂度算法。2.1.2异步最优多用户检测在目前商用化的CDMA(统中，IS-95、cdma2000 1X和WCDMA上行链路都是典型的 异步CDMA(统。假设每个用户发送2M+1比特的信息，则异步CDMA(统的接收信号可表示为K My(t)/ ' AA(i)&(t TT - k) n(t),t 0,T kV i =JM7 7)当相对时延 限=0,k = 0,1,.,K时，即为同步CDMA(统。理论研究表明，通过简化并使用 Viterbi算法优化后，异步最优多用户检测单个比特 K的算法复杂度为O(2 ),也是指数复杂度算法。3.2.2次优多用户检测最优多用户检测算法复杂度均为指数级，对于实现过于复杂。因此近年来研究重点转 次优多用户检测。目前可实现的次优多用户检测主要为两类一一线性多用户检测和干扰 删除。线性多用户检测通过对匹配滤波器组输出进行线性变换，产生新的输出矢量进行判 决以提高