第5章多用户检测技术2014要点

多用户检测：从根本上消除MAI
远近效应
• 远近效应产生的原因：如果干扰用户比期望用户距离接收端近很多，那 么干扰信号接收功率将比期望信号接收功率大得多，传统检测方法执行 相关运算之后形成的多址干扰分量可能与期望信号相当，甚至淹没期望 信号，导致判决错误
• 远近效应使多址干扰的影响更加复杂、严重
• 克服远近效应的途径
功率控制：降低干扰用户发射功率，但无法从根本上消除
多用户检测：从根本上消除MAI
MUD的基本思想
(Multi-users Detection)
• 多用户检测技术是一种从接收端设计入手的干扰抑制技术，解决的 基本问题是：如何从相互干扰的信息流中正确解调出某个特定用户 信号(同信道干扰抑制、多用户解调、干扰对消) • 如前所述，如果不同用户的特征波形 (扩频波形)是正交的，接收信 号与特定用户的扩频码做相关处理后无多址干扰成分，此时为最佳 接收，但由于用户之间不同步，不同用户信号到达接收机的传播时 延不同，无法做到所有特征波形在相对时延范围内正交，加之不同
信号模型
• 接收信号 • 相关运算输出信号 • 互相关系数
• 相关矩阵
• 匹配滤波组输出向量
R1,2 1 R 1 2,1 R RK ,1 RK ,2
R1, K R2, K 1
算法设计
• • • • •
线性变换 判决输出 匹配滤波器+线性变换器组合输出 判决输出标量形式 算法分类：线性最小均方误差检测、解相关检测、子空间斜投影 检测、多项式展开检测、自适应检测等
• 由此获得极大似然准则下的检测结果 • 最优多用户检测能达到最小误码率，提供最佳检测性能，但需要已知期 望用户和干扰用户的特征波形和定时信息(实际无法实现)，且计算复杂
度为
，不切实际
线性多用户检测
• 基本思想：判决前对匹配滤波器组输出进行线性变换(变换矩阵为T)， 再对变换后的输出序列执行判决，即x=Ty，b=sgn(x)，其运算复杂度与 用户数成线性增长关系
b1(t) s1(t) b2(t) s2(t)
bK(t) sK(t)
第五章 多用户检测技术
• 在接收端，利用匹配滤波器组，通过相关处理执行各路信号检测 • 第k路信号输出
s1(t)
s2(t)
sK(t)
• 接收信号与第k个用户相关运算恢复数据，与其它用户相关运算生成
多址干扰，与噪声相关还是噪声。多址干扰（MAI）与用户数、信号
多址干扰
• 多址干扰产生的原因：多个CDMA用户共用同一信道，不同用户的扩 频码互相关系数不等于零(伪随机码之间无法实现严格正交)，随着用 户数增加，干扰累积，累积到与期望信号强度相当时(干扰低限)，判 决器将无法识别期望信号和干扰信号，导致判决错误 • 克服MAI的途径 寻找好码(理想扩频码的自相关为1、互相关为0)：很难 功率控制：能减弱MAI的影响，但无法从根本上消除 空间滤波：多扇区化、智能天线，可减少波束覆盖的用户数
第五章 多用户检测技术
• 基本的多址方式有FDMA、TDMA和CDMA三种，其中CDMA是一种以扩
频通信为基础，基于时频共享方式的多址技术
• 主要优点：系统容量大、抗干扰性பைடு நூலகம்、保密性好、发射功率低、电磁 干扰小等，是3G移动通信系统主要的多址接入手段。在CDMA中，DSCDMA方式应用最为广泛 • 信号模型：
渐进有效性取值范围[0,1]，其含义：当噪声趋于0而误码率不趋于0时， 渐进有效性取值为0，即在无噪环境中，单用户检测也存在误码；渐进 有效性取值越大，表明误码率随噪声减小下降越快；当渐进有效性为1 时，表明用户不受其他用户干扰影响
MUD的性能测度
• 抗远近效应能力：所有相关用户能量范围内测得的最差 渐进有效性，用于评价多用户检测算法抵御远近效应的 鲁棒性
用户扩频码之间的互相关系数不为零，MAI必定存在
MUD的基本思想
(Multi-users Detection)
• 多用户检测把同时占用某个信道的所有用户信号都作为有用信号，将期 望信号和干扰信号的特征波形、定时信息 (传输时延、载波相位) 等联合 起来，检测某一个用户信号，从数学角度可归结为一个K元决策问题：
在多用户系统中，由于存在多址干扰，误码率会增大，此时用户k的误
码率为

为用户k达到误码率Pk,su时所需要的实际能量(有效能量)，
MUD的性能测度
• 渐进多用户有效性：衡量干扰用户对期望用户误码率的影响程度 多用户有效性：多用户系统达到单用户系统相同误码率所需能量与单用
户系统所需能量之比
渐进多用户有效性：高信噪比条件下多用户有效性的极限
幅度以及互相关系数有关 • 判决器输出
第五章 多用户检测技术
• 上述分析过程假定发射端所有用户是同步的，但在实际系统中，各用 户发射信号往往是异步的 • 接收信号模型为
• 系统输出矩阵 • 如图所示的2用户6bit检测可等效为 6用户1bit检测，时间宽度
第五章 多用户检测技术
• 传统检测的特点 利用匹配滤波器执行相关运算，然后判决检测，简单、易于实现； 采用单用户检测策略，各用户分开处理，不对其他用户产生的干扰 做特别处理 多址干扰会对判决性能产生影响 远近效应可能导致干扰信号淹没期望信号
多用户检测算法分类
• 最优检测：基于极大似然准则，是理论上的最佳结构，但由于不可实现 的复杂度，主要用于评价次优检测性能
• 次优检测：可实用的检测算法
MUD的性能测度
• 评价多用户检测算法的性能测度：误码率、渐进多用户有效性和抗远近 效应能力 误码率：AWGN信道下不存在多址干扰时，具有能量Ek的单用户系统的 误码率为 ， 为噪声方差
• 抗远近效应能力与扩频码特征波形和解调方式有关
最优多用户检测
• 假定发送信号的先验概率相等，从接收信号 r(t) 中提取发送序列，使其联 合后验概率最大，即依据最大后验概率准则执行序列检验 • 后验概率用似然函数表示
• Bayes后验概率最大原理或极大似然估计
最优多用户检测
• 如果已知信号幅度和扩频特征波形，使似然函数最大，意味着使均方误 差 达到最小，即使得下式最小