通信工程毕业论文-CDMA通信系统多用户检测研究.doc

1、本科毕业论文（20 届）CDMA 通信系统多用户检测研究所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要在现代移动通信的快速发展过程中，码分多址（CDMA）技术因拥有出众的优点而被确定为第三代移动通信系统的主要接入方式，它是以扩频信号为基础，利用不同的码型实现多用户的信息传输，被传输的信号在空域跟时域上是叠加的，所以它可以支持高速率和高容量高速率数据业务。第三代移动通信系统能够改善和克服第二代通信系统（GSM）速率过慢，容量不足与目前 IP 技术多媒体业务要求距离甚远，不能完全实现全球的无缝连接等缺点和不足。多用户检测技术不同于传统的检测方法，而是考虑到其

2、他用户之间的相关特性等信息，充分利用 CDMA 通信系统用户特征码的内在结构等信息来改进接收系统的性能。应用多用户检测技术可以提升系统容量，并能克服远近效应带来的影响。它是引用信息论并经过了严格的理论分析后提出的一种先进的多址干扰抑制技术。目前理论上已趋于成熟，是第三代移动通信系统关键技术之一。本文首先介绍了 CDMA（Code Division Multiple Access）通信系统的基本原理及优缺点，由此提出多用户检测的基本原理和系统模型，并研究了多种多用户检测算法，重点研究讨论了其中的解相关线性（DEC）多用户检测法和最小均方误差（MMSE）检测法，这两种算法各有优势，是多用户检测算法

3、中比较具有代表性的。最后通过matlab 仿真环境进行了仿真，绘制误码率随着信噪比变化的曲线，将这两种算法与传统单用户检测算法进行比较，验证了理论的正确性。关键词: 码分多址；多址干扰 ；多用户检测 ；解相关线性多用户检测；最小均方误差检测AbstractWith the rapid development of the mobile telecommunication, Code Division Multiple Access (CDMA) technology is identified as main access method of the third generation mobi

4、le telecommunication system (3G) because of its outstanding advantages. CDMA, based on the spread-spectrum signal, uses different patterns to realize multi-user information transmission, the signals transmitted of which are overlaid in the time domain and the airspace domain, so it can support high

5、capacity and high speed data services. The third generation mobile telecommunication system can overcome and improve the shortage of the second generation telecommunication system (GSM), such as low capacity and low speed which is far away from the required demand of multimedia services of the recen

6、t IP technologies and cant realize global seamless connection Multi-user detection, in consideration of other users information, fully uses the inner structural information of feature codes of CDMA users to improve the performance of reception system. Multi-user detection can improve system capacity

7、 and overcome the effects of near-far problem. At present, it has been already mature theoretically, but due to the complexity of realizing it, it is still needed to be put into engineering use. But it has become one of the key technologies of the third generation mobile telecommunication.First, thi

8、s paper introduces the basic principles and advantages and disadvantages of CDMA (Code Division Multiple Access) communication system, whereby the proposed basic principles and system model of multi-user detection among which it puts emphasis on the research of a linear multi-user detection algorith

9、m- Minimum Mean Squared Error (MMSE) and Decorrelation linear (DEC) multiuser detection method.The design intent of multi-user detection is to make the mean square error between the transmission signal of the. K users and its estimate value smallest. Both algorithms have their own advantages, it is

10、a multi-user detection algorithm representative. Finally matlab simulation environment simulation, drawing BER change with SNR curve, these two algorithms with the traditional single-user detection algorithms were compared to verify the correctness of the theory.Key words: Multi-access Interference

11、, Multi-user Detection, MMSEUMD, CDMA 目录第 1 章 绪论.1第 2 章 CDMA 通信系统介绍 .22.1 CDMA 通信系统的产生及发展 .22.2 CDMA 通信系统的关键技术 .5第 3 章 多用户检测技术的理论基础.73.1 多用户检测技术的发展和分类方案.73.2 多用户检测技术的应用.103.3 多用户检测器的主要优势.103.4 多用户检测器的主要缺陷.10第 4 章 各种多用户检测技术方案的研究.114.1 系统模型.114.2 传统信号检测器(CMUD) .144.3 最佳多用户检测器(Optimal Detector) .164.4

12、线性多用户检测器.174.4.1 解相关多用户检测器(DECMUD) .174.4.2 最小均方误差检测器(MMSEMUD) .194.5 非线性多用户检测器(Non-linear MUD) .224.5.1 基于判决反馈的多址干扰抵 消检测( DFMUD) .22第 5 章 计算机仿真验证及分析.265.1 MATLAB 软件介绍 .265.2 建立 MATLAB 仿真模型 .265.3 典型多用户检测方法仿真及分析.27结论.32参考文献.33致 谢.34CDMA 通信系统多用户检测研究1第 1 章 绪论第三代移动通信网是综合的全球个人通信网，它是 2000 年以后的移动通信网络，是能够满

13、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 。该系统拥有很好的网络兼容性能，并能实现在全球范围内多个不同系统间漫游.它不但能为移动用户提供话音及高速率数据传输业务，而且也能提供复杂的多媒体业务 1。国际上各主要通信运行商一致认为第三代移动通信系统主要应该是 CDMA 系统，相比于传统的 FDMA，TDMA 系统，CDMA 系统拥有保密性好、宏分集、频谱效率高、易于无缝切换和软容量等优点。其最终目标是实现“任何人(whoever)在任何地方(wherever)任何时间(whenever)可以同任何对方(who mever)进行任何式 (what + ever)

14、”的通信 2。CDMA 工作原理的关键在于伪随机码(PN 码， Pseudo Noise Code)的相关性，在已经开通商用 CDMA 移动通信系统(基于 IS-95 标准)中，CDMA 技术的上述特点，已经基本上得到体现，但能看到，现在的系统同时也存在着一些缺陷。在 CDMA 系统中，由于多个用户的随机接入，所使用的扩频码集通常并非完全正交，非零互相关系数就会导致各用户的相互干扰称做多址干扰(Multiple Access Interference，MAI)，在异步传输信道和多径传播环境中多址干扰将变得更加严重.多址干扰会导致一下两个主要问题 ：（1）系统容量受限。由于同时接入系统的用户数的

15、增加，多址干扰功率也将会增加，导致误码性能下降，所以 DS-CDMA 的系统容量 尽管大于 TDMA 系统，但仍然在很大程度上被多址干扰限制，多址干扰的减少意味着容量的进一步增加。（2）“远-近 ”效应对系统性能产生严重影响。由于移动用户的位置是在动态变化中的，基站接收到的多用户信号功率也就会有较大差异，即便各用户到基站距离相等，深衰落也会使到达基站信号各不相同，强信号会对弱信号产生明显的抑制作用，会导致弱信号的接收性能变得很差以至于无法通信。这种现象被称为“远-近” 效应(Near-Far Effects)。为了缓解多址干扰，克服“远- 近 ”效应，我们提出了多用户检测(Multi-User

16、 Detection， MUD)技术 3。多用户检测(MUD)是宽带 CDMA 通信系统中抗多址干扰的关键技术，传统检测技术是遵循经典直接序列扩频理论对所有用户的信号分别进行匹配处理，因而抗 MAI 干扰能力较差。多用户检测(MUD)技术是在传统检测技术的基础上，利用造成 多址干扰的所有用户信息，对单用户的信号进行检测，其基本思想是把所有用户的信号都当作CDMA 通信系统多用户检测研究2有用信号，而不当作干扰信号处理。MUD 目前主要用于基站 移动用户受到复杂度的限制(如尺寸、重量等) 4。多用户检测技术的主要 作用是增大带宽的效率，从而增大系统容量，其性能取决于捕捉到的能量、相位的影响和码跟

17、踪误差.接下来我们将会对多用户检测进行详细的讨论和研究 5。CDMA 通信系统多用户检测研究3第 2 章 CDMA 通信系统介绍2.1 CDMA 通信系统的产生及发展 CDMA(Code Division Multiple Access)是由 Qualcomm, Inc.公司开发的一种技术，译为码分多址，是在扩频通信的基础上发展起来的。它使用相互正交(或者尽可能正交)的不同编码分配给不同用户调制信号，从而实现多个用户同时使用同一频率接入系统和网络。它将扩展原信号频谱带宽，即所谓的扩频。CDMA 通信系统使用直接序列扩频，用一个码序列(高速) 来调制原始数据信息(低速)，调制后的信息就能够以高速

18、进行传输。中国 CDMA 的发展并不迟，也有长期军用研究的技术积累。早在 1993 年我国就已开展对 CDMA 蜂窝技术的研究。1994 年 Qualcomm 在天津建立了试验网。1998 年长城 CDMA 商用试验网在北京、上海、广州、西安建成。同时联通也在广东、北京、天津、上海等地建 CDMA 商用试验网。经过多年的发展，各地的 CDMA 网已经初具规模，并以飞快的速度发展。扩频通信系统使用伪随机序列进行扩频，在实际的通信系统中一般使用不同的伪随机序列当做不同用户的地址码，来实现码分多址通信。常用的 PN 序列有 m 序列、Walsh 序列及 GOLD 序列。码分多址系统通过码序列的正交性

19、来分别不同的用户，在同频、同时的条件下，每个接收机根据不同信号码型之间的差别分离出所需要的信号。因为使用地址码来区分用户，用户的信号对频率、空间和时间没有限制，在这些方面它们会重叠。系统接收端需要有完全相同的地址码，来对接收信号进行相关检测。使用其他不同码型的信号由于跟接收机本地产生的码型不一样而不能被解调。这就像是在信道中引入了噪声或干扰，通常叫做多址干扰。CDMA 技术的标准化经历了以下几个阶段(如图 2-1 所示)：CDMA 通信系统多用户检测研究4IS-95AIS-99，IS-657IS-95BIS-95HDR，IS-95CCDMA2000 1X RTTCDMA2000 3X RTTC

20、DMA2000IS-95图 2-1CDMA 技术标准化发展阶段CDMA(码分多址)通信系统与 FDMA(频分多址)和 TDMA(时分多址)系统相比，具有以下突出优点： 1抗干扰性能好。因为 CDMA 经过了扩频处理，故抗干扰性能好，可以和同频带的窄带共同存在，但不影响其正常工作。2抗多径衰落能力强。多径衰落是影响移动通信质量的一个主要问题，一般采取自适应均衡、空间分集等方法进行克服，不过还是会有较大衰落余量。CDMA 系统可以使用多径信号来提供路径的分集，这样不但可以缓和瑞利衰落，而且还能缓和由物理遮挡造成的慢衰落，这样便有效提高了通信质量。 3系统容量增大。对于 FDMA 与 TDMA，若小

21、区的时隙或频点已经分配完，那么小区就不会接收到新的信号，容量是有硬性限制的。而 CDMA 是干扰受限系统，在一定的干扰下，即便用户数达到了限定数目，也还能增加个别用户，但会造成话音质量下降。这样我们需要容量与话音质量之间进行取舍平衡。CDMA 功率控制和软切换技术很好地降低了干扰信号的强度和信噪比的要求，而且会使用如话音激活或可变速率话音编码、功率控制、分集接收等技术。据介绍，CDMA 信噪比是DAMPS、TDMA 的 3.7 倍，是 TACS 的 11.2 倍，是 AMPS 的 13.6 倍，是 FM/FDMA方式的 20 倍。 4通信质量好。CDMA 系统使用直接序列扩频技术，采用了空间分

22、集、频率CDMA 通信系统多用户检测研究5分集、时间分集、路径分集等多种分集方法来削弱多径效应，提高抗干扰能力，加上它在越区切换时采用软切换技术，有力的保证了 CDMA 的通话质量，尤其在越区切换时没有乒乓效应。 5频率利用率高。在 CDMA 系统一个频率，可以放在所有的小区内重复使用，他的频率复用率达到 2/3(FDMA 和 TDMA 的频率复用率仅为 1/7)，不需要像FDMA 和 TDMA 那样进行频率配置，有效的简化了小区的分裂和微蜂窝的引入。 6多址能力强。CDMA 系统扩频编码间的多址干扰大小由系统多址能力决定，这跟使用的扩频编码方案有很大关系，跟扩频编码的相关特性有关，跟允许的接

23、收质量有关( 输出信噪比) ，所以同时工作用户间的多址干扰越低，允许范围内的接收质量越低，那么 CDMA 系统的多址能力就越强。 7高度可靠的保密安全性。CDMA 系统是一个保密的通信系统，如果再加一定的加密算法，便能有效提高通信保密性能，这个是 FDMA、TDMA 系统都无法相比的。分析其使用的扩频技术，要想窃听别人的通信内容不太可能的，只要内部的锂电池有电，它就会以 512KHz 的时钟频率来改变其序列的即时状态，在连续工作下它的扩频地址序列周期也会长达 7 年。它也可以轻松的在 CDMA 系统设置和改变主密钥和标准加密算法等，加强通信保密的可靠性。8手机功耗小。CDMA 采用功率控制技术

24、后，只在衰落期间增大发射功率电平，从而使平均发射功率变小，FDMA 的最小功率为 5mW、平均发射功率为794mW、峰值功率为 3W，而 CDMA 的最小功率为 2.3mW、平均发射功率为 5mW、峰值功率为 100mW。如此可见 CDMA 的平均发射功率和最大发射功率都比 FDMA 低，从而增加了系统容量，减少了小区数量和设备成本。2.2 CDMA 通信系统关键技术1功率控制功率控制技术是 CDMA 系统的核心技术。CDMA 系统是一个自扰系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，“远近效应”问题尤其突出。CDMA 功率控制的目的就是减弱“远近效应”，使系统在不对其他用户产生干扰的前提下保持高质量通信。功率控制可以分为前向跟反向功率控制，反向功率控制又可以分为开环功率控制和闭环功率控制。