码分多址_CDMA_通信系统中的多用户检测技术

抗远近能力是用来描述检测器抵抗远近效应能
力的量 。定义为在所有相关用户能量范围内测量到
的最坏情况下的渐近有效性 ,即 :
ηk (σ)
=
lim
σ→0
ek (σ) Ek
= sup
lim
σ→0
Q
pk (σ)
r Ek σ
=0
=
2 Ek
lim
σ→0
σ2lg
1 pk (σ)
。
多用户检测技术的优点为抑制多径干扰 ;消除
多用户检测技术的实现是在匹配滤波器组的输
收稿日期 :2004210215
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出后加上多用户检测算法模块 ,它的一般结构如图 1 所示 。
图 1 多用户检测系统模型
3 多用户检测技术的性能测度和优缺 点
在多用户检测器的性能评价指标中 ,有三个最 主要的性能测度 。 3. 1 误码率( Bit Error Rate)
到 Pk , su (σ) 所需的能量 ,即有效能量 (在讨论误码率
时考虑了噪声和多址干扰对系统性能的影响) 。
3. 2 渐进性( Asymptotic Eff iciency)
衡量干扰用户对目标用户误码率影响的测度 。
定义为在高信噪比情况下达到相同误码性能时 , 单
用户 CDMA 系统所需的发射功率与多用户 CDMA
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码分多址( CDMA) 通信系统中的多用户检测技术
杨 华 王文华
(北京理工大学电子工程系 北京 100081)
摘 要 : CDMA 系统由于用户容量大 、频谱利用率高等特点而优于其它多址方式 ,近年来在 通信系统中得到越来越多的重视 ,如何克服多址干扰问题已成为提高 CDMA 系统容量的关键 。文 章介绍了多用户检测的由来 、概念 、一般结构 、优缺点及其性能测度 ,分析了几种常用多用户检测的 算法 ,指出了现有多用户检测技术存在的问题和局限性 ,并给出了研究的方向 。
该算法将接收信号矢量视为各用户信号矢量之 和 (不考虑噪声) ,通过相关矩阵的逆矩阵将接收信 号分解 ,试图求出对应各个函数矢量的系数取值 。 它的优点是具有最佳的抗远近能力 ;无需估计接收 信号的幅值或相位 ,误码率与干扰用户功率无关 ;与 ML SD 相比 ,计算复杂度大大降低 ;可以完全消除多 址干扰 。缺点是对噪声有放大作用 ;需要所有用户 扩频码的信息 ,这些信息往往由于传播信道而发生 畸变 ;当用户数经常变化 、多径传播或异步通信时 , 相关矩阵维数庞大且经常变化 ,求逆复杂度较高 ,难 以满足实时要求 。 4. 3 MMSE 检测算法
图 2 SIC 第一级原理图
该算法的优点只需在传统检测器的基础上附加 少量硬件 ,见图 2 。缺点是每一级都有延时 ;当信号 功率强度顺序发生变化时需要重新排序 ;如果初始 数据判决不可靠 ,将对下级产生较大的干扰 。 4. 6 并行干扰抵消( PIC) 多用户检测算法
4. 8 盲自适应多用户检测算法 该算法利用接收信号的固有特性 ,不借助其他
该算法将接收信号矢量视为各用户信号矢量和 噪声之和 (考虑噪声) ,利用相关矩阵和接收信号幅 度试图求出对应各个函数矢量的系数取值 。其优点 为用噪声项修正相关矩阵 ,在消除多址干扰和不加 剧噪声之间实现平衡 ;没有增强噪声 ;每个用户的均 方误差可以单独最小化 ,适于自适应方法实现 。缺 点是需要估计接收信号幅值 ;依据 MMSE 准则产生 有偏估计 ,所以会残留少量的多址干扰 ;面临与解相
AW GN 信道中具有能量 Ek 的单个用户误码率
定义为 : Pk , su (σ) = Q
EK
σ2
。其中 Pk , su (σ) ,为
噪声方差 。当存在多个用户时 , 由于多址干扰的存
在 ,误码率会增大 , 此时用户 k 的误码率定义为 :
pk (σ) = Q
ek (σ) σ2
。其中 , ek (σ) 定义为用 k 达
多用户检测技术认为 MA I 与白噪声具有互不 相同的统计特性 , MA I 是可估计 、可再生 、可去除 的 。多用户检测技术在传统检测技术的基础上 ,充 分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对多用户 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 MA I 的影响 。在理想情况下 ,应用 多用户检测技术 ,通信系统的性能将接近单用户时 的性能 。这既消除了“远2近”效应的影响 ,还可以简 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 MA I 的消除 ,用户在较小的 SN R 下 达到可靠的性能 ,从而单用户 SN R 的降低直接转化 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 。
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关检测算法同样的矩阵求逆问题 。 4. 4 多项式展开检测算法
该算法为避免复杂的矩阵求逆 ,用多级多项式 展开检测近似模拟矩阵求逆 。多项式展开 ( PE) 检 测器可以在信息长度 N 有限时实现解相关检测 ,但 当 N 趋向无穷大时 ,需要无穷多级 。所幸的是可以 用较少的级数来很好逼近解相关检测器 。它的优点 为近似逼近解相关或 MMSE 检测算法 ,避免矩阵求 逆 ,计算复杂度较低 ;无需估计接收信号的幅值或相 位 。缺点是各级之间有时延 ;用 F IR 逼近 IIR 时会 存在边缘效应 。 4. 5 串行干扰抵消( SIC) 多用户检测算法
用户的信息 ,采用自适应迭代算法从观察值中提取 出一个或若干个信号 。优点是无需训练序列 ,开销 小 、效率高 、复杂度低等 ;但收敛速度慢 ,特别是在时 变多径信道 。
5 多用户检测技术的问Hale Waihona Puke Baidu及其局限性
多用户检测技术具有许多优点 ,但若真正投入 使用尚存一定的问题和困难 。其主要问题有 :检测 器的时间复杂度和结构复杂度 、灵敏性都与实际应 用存在差距 。尤其是当一些参数 (频率 、幅度 、相位 及同步) 估计不理想时 ,相关系数矩阵会发生变化 , 多用户检测器性能也会随之下降 。同时 ,对于系统 采用话音激活技术时 ,也存在如何有效使用多用户 检测技术的问题 。它的局限性主要表现在 : (1) 因为 相邻小区干扰用户的特征序列未知 ,多用户检测只 是消除了本小区内的干扰 ,小区间的干扰并没有消 除 。按照 Viterbi 推得的公式 ,如本区干扰因子定为 1 ,区外干扰因子为 f ,则理想情况下由多用户检测 带来的容量增益为 (1 + f) / f 。在移动蜂窝通信系统 中 f 的典型值为 0. 55 ,容量增益因子为 2. 8 。(2) 多 用户检测复杂性的限制 ,使之仅适用于上行信道 ,不 能直接用于下行链路的接收 ,然而 ,第三代移动通信 系统是非对称性系统 ,因此由多用户检测带来的上 行信道增益不一定能带来同等的系统总体增益 。
关键词 : 码分多址 多用户检测 多址干扰 远近效应
1 多用户检测技术的提出
移动通信系统中典型的多址方式有 FDMA 、 TDMA 和 CDMA 三种 。码分多址 ( CDMA) 是以扩 频通信为基础的多址技术 ,相对于 TDMA 、FDMA 等其它多址方式具有系统容量大 、频带利用率高 、抗 干扰能力强 、抗多径衰落能力强 、保密性能好等优越 性 ,成为移动通信中最具前景的多址方式 。
CDMA 系统中多用户共用宽频带 ,用不同的扩 频码区分不同用户 。由于扩频码序列很难完全正 交 ,有时甚至不可能达到正交 ,因而出现多址干扰 (MA I) 。随着用户数的增多 ,多址干扰增大 ,距离基 站较远的用户信号在到达基站时被其他用户的干扰 所淹没 ,出现远近效应 。CDMA 系统是干扰受限系 统 ,要提高系统性能和容量 ,就必须考虑对这些干扰 的抑制 。所谓抗多址干扰技术就是指在 CDMA 系 统中利用所有先验 、后验信息 ,抑制或消除多址干扰 对 CDMA 系统容量及系统误码性能的影响 。传统 检测器主要在以下几个方面研究以消除多址干扰 : 扩频码的设计要具有优良的相关性 、应用功率控制 机制使所有用户信号的到达功率相等 、应用前项纠 错编码 、自适应天线 。这几种多址干扰的抑制方法 均未考虑 MA I 的结构特征 ,可以减小却不能从根本 上消除 MA I。多用户检测 MUD ( Multi2user Detec2 tion) 技术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 ,改善系统 误码性能 ,显著提高系统容量 ,因此有必要对它做深
入的研究 。
2 多用户检测技术的概念及其模型
多用户检测技术是在多用户系统中 ,把所有用 户的信号都当作有用信号 ,而不是作为干扰信号处 理 。利用多个用户的码元 、时间 、信号幅度以及相位 等信息联合检测单个用户的信号 ,即综合利用各种 信息及信号处理手段 ,对接收信号进行处理 ,从而达 到对多用户信号的最佳联合检测 。多用户检测技术 不仅是一个信号处理的问题 ,更应该属于多用户信 息论的范畴 ,它要解决多用户环境 (尤其是异步) 中 信息的可靠传输 ,及一个包含综合业务的系统在给 定信道中所能达到的容量 。
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Windows 是多任务处理系统 ,线程的应用大大 减少了程序运行的开销 ,线程间存在一定逻辑关系 或要访问相同资源就需要实现线程间的通信与同 步 ,如果两个以上线程同时访问同一缓冲区 ,就可能 产生读写数据错误问题 ,所以必须通过一定的机制 来达到线程处理中的读写同步 。Windows 提供了灵 活的线程通信与同步方案 ,包括利用全局变量 、用户 自定义消息 、事件对象 、临界区和信号量等 。为了提 高系统运行效率 ,使得各个功能模块之间能够并行 工作 ,本系统在软件设计中采用了多线程编程方式 , 其中服务器端软件主要包含主线程 、数据采集 、压 缩 、传输 、报警及云台控制 6 个线程 ;客户端软件主 要包括主线程 、接收 、解压缩以及控制命令发送 4 个 线程 。同时系统利用 MFC 中 Event 对象和一些全 局变量来实现线程间的通信 ,利用 MFC 中的信号 量 ( Semap hore) 来保证线程间的同步 ,并且根据各个 线程占用 CPU 的时间来设置线程优先级 ,这样就较 好地解决了线程间通信与同步及程序效率问题 。
4 多用户检测技术的算法
4. 1 最优检测算法 该算法考虑用户的信息码元取不同值的所有情
况中求出在某一取值组合时生成的信号矢量和与接 收信号矢量的距离最短 (不考虑噪声) 。最优检测器 (optimal multiuser etector) 的特点 :具有多用户检测 器的最佳结构 ;必须知道所有用户的信号幅度和相 位 ;具有指数复杂度 ;可以达到最高的渐近有效性 , 也就是说它对每个用户都能达到最小的误码率 。最 优检测器实际上是最大似然序列检测器 ( ML SD) 。 对于同步系统而言 ,要找出似然函数最大的可能输 出序列 ,从 2 K 种用户信息中找出一种最佳组合 ;对 于异步系统可用一组匹配滤波器加 Viterbi 算法实 现。 4. 2 解相关检测算法
系统所需发射功率之比 。即 : ηk (σ)
=
ek (σ) Ek
(在讨
论渐进有效性时没有考虑噪声 , 用户功率的一部分
用来抵消多址干扰的影响 ,另一部分为有效功率 ,渐
进有效性是指有效功率占总功率的比重 , 而该比重
和所有相关用户功率以及相关矩阵有关) 。
3. 3 抗远近能力( Near2Far Resistance)
自从 1979 年 Schneider 第一次提出多用户检测 的思想以来 ,多用户检测技术已经得到大量研究 ,但 迄今为止还没有真正广泛应用于实际中 ,主要是因 为可接受的复杂度与性能无法达到合理的折中 。研 究并开发出更加实用的多用户检测方案仍然是未来 码分多址无线传输技术研究的一个重点 。
在多用户检测的进一步应用研究中 ,必须考虑 检测器算法的复杂性和信息处理时延两大障碍 ,同 时还要兼顾坚韧性 。从复杂性考虑 ,最佳检测器的 指数复杂性是不能接受的 ,准最佳检测的线性复杂 度随技术的发展可能会得到广泛应用 ;从信息的处
6 多用户检测技术的展望
图 3 PIC 第一级原理图
该算法具有处理延时短 、无需按功率排序 、实现 复杂度低 ;缺点是如果初始数据判决不可靠 ,将对下 级产生较大的干扰 。 4. 7 判决反馈多用户检测算法
该算法将多级型方法采用循环的方式一级来完 成 ,通过对一级的多次循环 ,完成多级型相同的功能。 多址干扰的消除更彻底 ,但需要功率排序、对相关矩 阵的 Cholesky 分解和计算噪声白滤波器的逆矩阵。
或减轻远近效应 ;降低了对功控精度的要求 ,可简化
功控 ;弥补扩频码互相关性不理想造成的影响 ;改善 系统性能 ,提高系统容量 ,增大小区覆盖范围 。缺点 是大大增加了设备的复杂度 ;增加了系统时延 ,特别 是采用自适应算法时更为严重 ;多用户检测一般需 要知道用户的一些信息 ,需要通过不断地信道估计 来实现 ,估计的精度会直接影响检测器的性能 。