移動(dòng)通信中的先進(jìn)信號(hào)處理技術(shù)教材

CDMA多用戶處理技術(shù)課程設(shè)計(jì)《報(bào)告》目錄概述1多址技術(shù)12.1頻分多址22.2時(shí)分多址22.3碼分多址3多用戶檢測(cè)3聯(lián)合檢測(cè)10聯(lián)合發(fā)送15小結(jié)157.參考文獻(xiàn)17圖1可以看出，在30km/h車速RC4配置下當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷率為90%時(shí)，導(dǎo)頻信道的干擾刪除增益為0.68dB，準(zhǔn)線性干擾刪除的增益為1.93dB。進(jìn)一步仿真表明準(zhǔn)線性干擾刪除可以將語(yǔ)音容量提升約30%，即將每扇區(qū)用戶數(shù)由平均35個(gè)提升至45個(gè)。圖SEQ圖\*ARABIC1低Ec/Ior場(chǎng)景下cdma2000的干擾刪除仿真目前cdma2000某些終端芯片使用了QLIC技術(shù)，某些基站用芯片使用了PIC技術(shù)，此兩種技術(shù)都由基帶處理器完成。QLIC在終端芯片完成，用于提升前向鏈路容量。其原理是消除前向鏈路來(lái)自非服務(wù)扇區(qū)的干擾信號(hào)，提高終端接收信噪比，同時(shí)也將相應(yīng)降低基站的平均發(fā)射功率。PIC在基站完成，用于提升反向鏈路容量。PIC使基站解調(diào)某個(gè)用戶的反向鏈路數(shù)據(jù)時(shí)，將來(lái)自其他終端的對(duì)該用戶導(dǎo)頻的干擾信號(hào)抑制并刪除，從而提高基站對(duì)該終端信號(hào)的接收信噪比，同時(shí)相應(yīng)降低該終端的發(fā)射功率。3.3.3多用戶檢測(cè)在TD-SCDMA演進(jìn)中的應(yīng)用TD-SCDMA系統(tǒng)中，多址干擾對(duì)系統(tǒng)性能影響很大，因此系統(tǒng)容量主要取決于對(duì)此種干擾的處理。由于多址干擾中包含許多先驗(yàn)信息（如用戶信道碼），因此多址干擾可以被利用進(jìn)行多用戶檢測(cè)以提高信號(hào)分離的準(zhǔn)確性。根據(jù)對(duì)多址干擾處理的方法不同，多用戶檢測(cè)技術(shù)可分為干擾刪除和聯(lián)合檢測(cè)兩種，與WCDMA和cdma2000廣泛使用干擾刪除技術(shù)不同，TD-SCDMA系統(tǒng)主要采用了聯(lián)合檢測(cè)。一個(gè)有K個(gè)用戶的TD-SCDMA系統(tǒng)離散模型可表示為：（8）其中是接收端接收的信號(hào)失量；是信道矢量；是K個(gè)用戶的原始信號(hào)矢量；是噪聲矢量。聯(lián)合檢測(cè)的目標(biāo)就是根據(jù)和，估計(jì)出數(shù)據(jù)矢量。由所有用戶的擴(kuò)頻碼以及信道沖擊響應(yīng)決定，所以聯(lián)合檢測(cè)的前提是得到擴(kuò)頻碼和信道沖擊響應(yīng)。TD-SCDMA系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)設(shè)置了用于信道估計(jì)的訓(xùn)練序列，使用訓(xùn)練序列估計(jì)出信道的沖擊響應(yīng)，通過(guò)導(dǎo)頻獲得擴(kuò)頻碼，即可估計(jì)出原始發(fā)送矢量。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，忽略背景噪聲時(shí)，小區(qū)總干擾為：（9）其中，為小區(qū)內(nèi)干擾，為其他小區(qū)干擾與小區(qū)內(nèi)干擾之比。理想的多用戶檢測(cè)系統(tǒng)中，本小區(qū)的多址干擾將被完全消除，因此僅剩，對(duì)應(yīng)采用多用戶檢測(cè)后的系統(tǒng)容量增益為。在蜂窩系統(tǒng)中，典型的=0.55，此時(shí)聯(lián)合檢測(cè)可使系統(tǒng)容量增大到2.8倍。聯(lián)合檢測(cè)的具體實(shí)現(xiàn)方法有多種，分為非線性、線性與判決反饋算法3大類。從實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度考慮，目前TD-SCDMA較多采用迫零線性塊均衡算法（ZF-BLE，zeroforcing-blocklinearequalization），其具體實(shí)現(xiàn)可以用下式表示：（10） 上式中表示噪聲協(xié)方差矩陣的逆矩陣，在一般情況下，該矩陣可認(rèn)為是單位矩陣，則上式進(jìn)一步簡(jiǎn)化為： （11）TD-SCDMA系統(tǒng)使用聯(lián)合檢測(cè)的主要優(yōu)點(diǎn)有：檢測(cè)效果優(yōu)于傳統(tǒng)RAKE接收機(jī)；提高系統(tǒng)容量，提升頻譜效率。主要不足有：對(duì)噪聲有擴(kuò)散，抗高斯白噪聲能力差；數(shù)字信號(hào)處理復(fù)雜度高。在應(yīng)用中容易遇到的問(wèn)題有:信道估計(jì)的不準(zhǔn)確性將影響聯(lián)合檢測(cè)準(zhǔn)確性；隨著處理信道數(shù)增加，算法復(fù)雜度呈非線性增長(zhǎng)，現(xiàn)階段實(shí)時(shí)算法難以達(dá)到理論上的最佳性能。由于以上原因，TD-SCDMA系統(tǒng)并不單獨(dú)使用聯(lián)合檢測(cè)，而是采用了聯(lián)合檢測(cè)與智能天線技術(shù)相結(jié)合的方法，充分發(fā)揮這兩種技術(shù)的綜合優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。圖SEQ圖\*ARABIC2步行環(huán)境2A和2B、16用戶，綜合使用聯(lián)合檢測(cè)和智能天線技術(shù)的仿真結(jié)果四、聯(lián)合檢測(cè)對(duì)CDMA系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于無(wú)線信道的時(shí)變性以及多徑效應(yīng)等，碼字不可能完全正交，因此系統(tǒng)中必然會(huì)存在多址干擾（MAI）和碼間干擾（ISI）。隨著用戶的增多或某些用戶信號(hào)功率的增強(qiáng)，MAI就會(huì)成為CDMA系統(tǒng)的主要干擾，成為影響系統(tǒng)和性能提高的重要原因，因此CDMA系統(tǒng)是一個(gè)干擾受限的系統(tǒng)。傳統(tǒng)接收機(jī)，即RAKE接收，完全把MAI當(dāng)做噪聲處理，抗干擾能力差；在傳統(tǒng)接收機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的多用戶監(jiān)測(cè)（MUD），充分利用MAI,中的有用信息來(lái)檢測(cè)單個(gè)用戶的信息，從而獲得較好的判決效果。1基本思想隨著TD-SCDMA的提出，1992年德國(guó)Kaiserlautern大學(xué)的A.Klein等人將消除MAI和ISI一并考慮，提出了同時(shí)消除這兩種干擾的聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)。其核心就是利用均衡技術(shù)，將來(lái)及其他用戶的ISI也當(dāng)做MAI而一并消滅之。聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)是在多用戶檢測(cè)的技術(shù)基礎(chǔ)之上提出的一種次優(yōu)多用戶檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)是減弱或消除多址干擾、多徑干擾的有效手段，能夠簡(jiǎn)化功率控制，降低功率控制精度，彌補(bǔ)正交擴(kuò)頻碼相關(guān)性不理想所帶來(lái)的消極影響，從而改善系統(tǒng)性能、提高系統(tǒng)容量、增大小區(qū)覆蓋范圍。聯(lián)合監(jiān)測(cè)的基本思想是利用所有與ISI和MAI相關(guān)的先驗(yàn)信息，在一步之內(nèi)就將所有用戶信號(hào)分離出來(lái)。從理論上來(lái)說(shuō)，使用聯(lián)合檢測(cè)和智能天線相結(jié)合技術(shù)，可以完全抵消ISI和MAI的影響，這將大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力和容量。TD-SCDMA中聯(lián)合檢測(cè)的高效率主要因?yàn)門D-SCDMA利用了TDMA和同步CDMA方案。TDMA的采用使每載波的大量用戶被盡量均勻地分布到每個(gè)幀的時(shí)隙中，使得每時(shí)隙中并行用戶數(shù)量較少，如TD-SCDMA在一個(gè)時(shí)隙中的并行碼道最多為16個(gè)，這樣不僅使每個(gè)時(shí)隙的干擾不致過(guò)高而且降低了聯(lián)合檢測(cè)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。同步CDMA技術(shù)使得多用戶信息在空中接口是同步的，占用同一時(shí)隙的多用戶同時(shí)到達(dá)接收機(jī)，這種同步有利于減弱擴(kuò)頻碼正交性破壞的影響，同時(shí)降低聯(lián)合檢測(cè)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。2基本原理在TD-SCDMA系統(tǒng)中，基站和終端都采用聯(lián)合檢測(cè)算法來(lái)消除MAI和ISI。該聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)是在傳統(tǒng)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，充分利用造成MAI干擾的所有用戶信號(hào)及其多徑的先驗(yàn)信息（如確知的的用戶信道碼和訓(xùn)練序列，各用戶的信道估計(jì)等），把用戶信號(hào)分離當(dāng)做一個(gè)統(tǒng)一的相互關(guān)聯(lián)的聯(lián)合檢測(cè)過(guò)程來(lái)完成，從而具有優(yōu)良的抗干擾能力，降低了系統(tǒng)對(duì)功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用上行鏈路頻譜資源，顯著地提高系統(tǒng)容量。聯(lián)合檢測(cè)基本原理如圖2.5所示。圖2.5聯(lián)合檢測(cè)基本原理設(shè)在每個(gè)突發(fā)時(shí)隙中用戶的數(shù)目為K，每個(gè)用戶發(fā)射N個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)，用戶k發(fā)射的數(shù)據(jù)符號(hào)向量表示為，每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)使用長(zhǎng)度為Q的擴(kuò)頻序列擴(kuò)頻。在碼片速率下，用戶k的信道響應(yīng)包含W個(gè)可分離徑，即為W維復(fù)數(shù)向量。用戶k每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)脈沖響應(yīng)（）可以表示為擴(kuò)頻序列和信道沖擊響應(yīng)的卷積，即（3-1）因此接收機(jī)突發(fā)時(shí)隙接收信號(hào)可以表示為（3-2）其中，e是(NQ+W-1)維接收信號(hào)向量；A是擴(kuò)頻碼c和信道脈沖響應(yīng)h構(gòu)成的矩陣稱為系統(tǒng)矩陣，它是一個(gè)(NQ+W-1)×KN維矩陣，代表K個(gè)用戶信號(hào)的系統(tǒng)響應(yīng)，它包含了ISI和MAI成分；n代表噪聲序列。系統(tǒng)矩陣A的形式如下: k=1，N列k=1，N列在接收端，利用接收信號(hào)中的中間碼進(jìn)行聯(lián)合信道估計(jì)，從而得到各個(gè)用戶的信道矩陣。根據(jù)估計(jì)出的各個(gè)用戶的信道信息和它們的擴(kuò)頻碼信息可以構(gòu)造出系統(tǒng)矩陣A，因此可以估計(jì)出各用戶的信息。3聯(lián)合檢測(cè)算法根據(jù)不同的劃分方法，聯(lián)合檢測(cè)算法分類也有很多。按照具體實(shí)現(xiàn)方法大致分為線性算法和非線性算法；按照優(yōu)化準(zhǔn)則，可以分為基于迫零（ZF）和最小誤差（MMSE）算法等。迫零-分塊線性均衡器（ZF-BLE）ZF-BLE算法是基于Gauss-Markov定理的最佳加權(quán)最小二乘估計(jì)，其思路是令輸出符號(hào)使代價(jià)函數(shù)式（3-3）最小（3-3）式中為噪聲n的協(xié)方差矩陣，對(duì)式（3-3）進(jìn)行矩陣求極值，可以得到（3-4）式中，d為所求符號(hào)。當(dāng)噪聲n為AWGN時(shí)，式（3-4）變?yōu)椋?-5）從式（3-4）可以看出，ZF-BLE算法完全消除了ISI和MAI，是一種對(duì)信號(hào)的無(wú)偏估計(jì)，而信道中的白色噪聲經(jīng)過(guò)這樣的檢測(cè)算法會(huì)變?yōu)橛猩肼?，而且可能引起噪聲的放大。最小均方誤差-分塊線性均衡器（MMSE-BLE）與ZF-BLE不同，MMSE-BLE遵循另一種準(zhǔn)則：最小化均方誤差代價(jià)函數(shù)，即最小化發(fā)送比特矢量和檢測(cè)輸出矢量之間的均方誤差。即尋找使代價(jià)函數(shù)（3-6）最小的檢測(cè)輸出信號(hào)在該準(zhǔn)則下，得到檢測(cè)輸出信號(hào)向量（3-7）其中，（3-8）為d的自相關(guān)器，表示數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣。（3-9）表示W(wǎng)iener估計(jì)器。由式（3-7）可知，MMSE-BLE可以用一個(gè)ZF-BLE數(shù)據(jù)檢測(cè)器，再級(jí)聯(lián)一個(gè)Wiener濾波器實(shí)現(xiàn)。MMSE-BLE結(jié)構(gòu)如圖2.6所示。圖2.6MMSE-BLE結(jié)構(gòu)框圖MMSE-BLE從性能上比ZF-BLE優(yōu)越，因?yàn)閃iener濾波器在發(fā)送符號(hào)估計(jì)的同時(shí)，降低了背景噪聲。但是MMSE-BLE復(fù)雜程度相對(duì)較高，因?yàn)樗枰烙?jì)出噪聲信號(hào)協(xié)方差矩陣和用戶信號(hào)自相關(guān)函數(shù)矩陣。五、聯(lián)合發(fā)送5.1聯(lián)合發(fā)送的基本原理聯(lián)合發(fā)送（JT）技術(shù)是時(shí)分雙工（ＴＤＤ）系統(tǒng)中的一種下行鏈路傳輸方式。它利用在時(shí)分雙工系統(tǒng)中，當(dāng)上、下行傳輸時(shí)隙之間的時(shí)間間隔小于信道相關(guān)時(shí)間時(shí)，上行信道的沖激響應(yīng)因與下行信道具有較大相關(guān)性這一特點(diǎn)，利用上行鏈路聯(lián)合信道估計(jì)得到的信道沖激響應(yīng)與用戶擴(kuò)頻序列信息在基站側(cè)預(yù)處理發(fā)送信號(hào)，使得在移動(dòng)臺(tái)接收端不必進(jìn)行信道估計(jì)，只需與用戶的擴(kuò)頻序列匹配濾波即可恢復(fù)傳輸信號(hào)。這樣，有效地降低了移動(dòng)臺(tái)接收機(jī)的復(fù)雜度，并且在下行傳輸時(shí)，理論上可以不用發(fā)送訓(xùn)練序列，使系統(tǒng)下行容量大大提高。由于它的算法與聯(lián)合檢測(cè)的基本原理是對(duì)偶關(guān)系，所以謂之聯(lián)合發(fā)送。六、小結(jié)通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)了解了通信技術(shù)的發(fā)展和未來(lái)趨勢(shì)，目前這些技術(shù)都是3G系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，雖然表現(xiàn)形式各不相同，但是其共同特點(diǎn)都是以多用戶檢測(cè)為基礎(chǔ)，從夠消除多址干擾，對(duì)抗傳播路徑損耗、陰影效應(yīng)和快衰落的角度考慮，以提高接收機(jī)性能，減弱對(duì)功率控制的要求。但是這些技術(shù)還存在一些共同問(wèn)題，在未來(lái)的技術(shù)發(fā)展中需要解決：（1）信道估計(jì)對(duì)多用戶檢測(cè)技術(shù)的影響。大多數(shù)多用戶檢測(cè)都要求準(zhǔn)確的信道參數(shù)估計(jì)，以及由的一些方法對(duì)信道估計(jì)誤差比較敏感，這些都是限制了多用戶檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。尋找新的快速有效的信道參數(shù)估計(jì)方法是發(fā)展多用戶檢測(cè)技術(shù)需要深入考慮的問(wèn)題之一。（2）實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。最優(yōu)多用戶檢測(cè)技術(shù)過(guò)于復(fù)雜，當(dāng)前的水平難以實(shí)現(xiàn)。許多文獻(xiàn)提出了一些次優(yōu)的多用戶檢測(cè)器及其實(shí)現(xiàn)方法，復(fù)雜度有一定的降低，但是總的來(lái)說(shuō)具體實(shí)現(xiàn)還是比較復(fù)雜，特別是對(duì)于多徑分集合并系統(tǒng)更是如此，因此進(jìn)一步減少實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度是多址干擾技術(shù)需要解決的主要問(wèn)題之一。（3）多小區(qū)的多址干擾抑制。目前多址干擾抑