1、1毕业设计开题报告通信工程CDMA扩频通信系统中多用户检测技术的研究一、选题的背景与意义近十几年移动通信的发展速度非常迅猛，移动通信的技术的发展速度和趋势达到了让人瞠目的境界。在信息化的时代公众对信息的需求越来越大,人们对通信业务和通信手段的要求趋向了更高层次。从20世纪80年代中期开始，数字移动通信系统进入发展和成熟期时期。由于模拟蜂窝网的容量己经不能满足移动用户庞大数量日益增长的需求，于是出现了第二代移动通信系统。此后，用户对通信业务范围和业务速率的要求也在一步步地不断提升，现有的第二代移动通信网（主要GSM）很难满足新的业务需求。第三代3G移动通信系统就随着市场应运而生了。CDMA（码分
2、多址）技术作为第三代移动通信最重要的技术，它的发展越来越受到人们的关注。CDMA系统是一种成熟的无线通信系统，具有抗干扰、频带利用率高、保密性好、可多址复用等优点。在CDMA系统中，通过给每个用户分配特定的扩频码来区分用户信号，实现多址接入。但是，多径衰落环境下的CDMA系统中，多个用户随机接入以及各个用户扩频码间的互相关性，使得各用户的扩频码不能完全正交，于是由此引起了系统中的多址干扰（MAI）。多址干扰的存在会严重影响CDMA系统的性能和容量，因此，怎么样去抑制多址干扰，增加系统容量，改善系统的性能，变得十分迫切。近年来国内外学者们对抑制多址干扰技术的研究发展迅速，其中主要包括智能天线、扩
3、频码的设计、功率控制与多用户检测等几种措施。这些技术都能在一定程度上能够增加CDMA系统容量，改善系统性能，有的己经应用于实际系统中，而大多数仍处于研究阶段。各种多用户检测算法的提出，就是为了达到系统的容量的上限即各用户实际上的信息传输速率总和受系统所用带宽的限制。为了能够使系统的容量更加逼近容量上限消除MAI，在近十年内许多学者提出了许多不同种类的多用户检测方案2与技术。多用户检测与单用户检测的主要不同是它可以利用扩频信号的特点抑制或消除MAI，目前总体来说多用户检测技术按性能可以分为最佳多用户检测，次最佳多用户检测；按结构分有线性和非线性；线性又可以分为相关检测和最小均方差检测。在这种背景
4、下，本课题针对CDMA扩频通信系统中的多址干扰去除的算法进行一定的研究，主要是对一些比较经典的算法进行仿真和进行一些算法改进和对用户检测器的研究并与传统单用户检测相比较，得出多用户检测技术的性能总结与评估。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题在传统的CDMA接收机中各个用户的接收是相互独立进行的。在多径衰落环境下。由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交。因而造成多个用户之间的相互干扰并限制系统容量的提高。这就需要使用多用户检测技术。多用户检测的基本思想就是把所有用户的信号都当作有用信号而不是干扰信号来处理。这样就可以充分利用各用户信号的用户码、幅度、定时和延迟等信息，从而大幅度地降低多径
5、多址干扰。如何把多用户干扰报销算法的复杂度降低到可接受的程度则是多用户检测技术能否实用的关键。传统单用户检测器（CSD）传统的单用户检测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理，其接收端用一个和发送地址码（波形）相匹配的匹配滤波器（相关器）来实现信号分离，在相关器后直接解调判决。如果匹配滤波采用的是结合了信道响应的相关波形，相当于是RAKE接收机，实现了利用多径响应的作用。这种方法只有在理想正交的情况下，才能完全消除多址干扰的影响，对于非理想正交的情况，必然会产生多址干扰，从而引起误码率的提高。线性多用户检测器（LMD）由LUPAS和VERDU提议的解相关器又称为
6、零驱动检测器这种检测器是将多用户通信环境的多址干扰等效为一个信道的传输响应矩阵，即码字之间的相关矩阵R，该矩阵仅与各用户的扩频序列以及序列间的相对时延有关。得到信道传输的逆矩阵T，就可以将多用户信号经过K个匹配滤波器的输出，再通过此逆矩阵进行求逆运算，以等效地消除各用户扩频序列间的相关性，从而达到消除多址干扰的目的。最佳多用户检测器（OMD）是一种最大似然序列检测器（MLSD）。MLSD需要计算2的NK次方个矢量的似然函数（N为数据长度，K为用户数），3采用维特比算法后，运算的复杂度按2的K次方增长。本课题主要研究CDMA扩频通信系统中多用户检测技术的最佳多用户检测（OMD），线性多用户检测（
7、LMD），并与传统的单用户检测技术（CSD）对比，分析三者的渐进稳定性，建立模型，用MATLAB经行算法仿真，验证和分析其消除多址干扰的有效性并分析其性能上的优缺点，提出一定可行性改进方案。拟解决的主要问题是对基于扩频调制的CDMA系统中传统单用户和多用户检测技术的原理模型经行仿真研究，分析性能。1最关键的问题是传输信道和多用户检测的模型的算法实现，以及性能评估。实现模拟了一个小区内多个用户的码元发送，扩频，接收，解扩，判决的CDMA通信基本过程。分析比较了传统单用户检测、线性解相关多用户检测和最小均方误差多用检测之间的误码率性能，测试误码率随信噪比变化情况（考虑远近效应）。三、研究的方法与技
8、术路线一首先学习掌握CDMA扩频通信系统的基本构成与原理，了解系统中各参数意义；学习CDMA系统中多用户检测的主要算法，重点分析最优多用户检测法；二根据基于扩频调制的CDMA系统原理和CSD（传统单用户检测）LMD，OMD两种多用户检测的算法画出在CDMA扩频系统中多用户检测器的各模块模型图以及MATLAB中各算法代码的实现。三使用MATLAB编程，选定合适的参数仿真各个模块,并对系统性能做出评估，画出不同信噪比下的系统误码率，并作图比较。功率控制下的加性高斯白噪声信道的容量图以及在远近场景下的性能。四对仿真研究结果提出总结性意见，总结各算法的优缺点。如果能力允许对几种算法提出可行性改进建议。
9、四、研究的总体安排与进度201011201012资料收集,阅读理解，及时消化，完成开题报告,201012201101收集资料提交文献综述和文献翻译，设计相应模型。201102201103毕业实习,完成实习日记,实习报告，编写程序，调试程序，完成理论验证及实测数据验证。4201103201104编写界面，毕业论文撰写,修改,定稿之后毕业答辩。五、主要参考文献1朱近康，CDMA通信技术，北京人民邮电出版社,2001年8285页2王庆扬，张青，韦刚，CDMA移动通信系统的多用户检测技术，移动通信，2000（2）3樊昌信，徐炳祥，詹道庸，吴成柯。通信原理。北京国防工业出版社1992272275页4查光
10、明，熊贤祚，扩频通信，西安西安电子科技大学出版社，19992834页，3741页5常永宏。第三代移动通信技术。北京。人民邮电出版社，20026蒋志凯，数字滤波与卡尔曼滤波，北京中国科学技术出版社,19937RKOHNOETALCOMBINATIONOFANADAPTIVEARRAYANTENNAANDACANCELLEROFINTERFERENCEFORDIRECTSEQUENCESPREADSPECTRUMMULTIPLEACCESSSYSTEMIEEEJSELECTAREASCOMMUN1990（8）641649P8MKVARANASIANDBAAZHANGNEAROPTIMUMDETEC
11、TIONINSYNCHRONOUSCODEDIVISIONMULTIPLEACCESSSYSTEMSIEESTRANSCOMMUNCOM1991,39（5）725736P9吴伟陵编著移动通信中的关键技术北京邮电大学出版社，200010VERDUSMULTIUSERDETECTIONCADVANCESINSTATISTICALSIGNALPROCESSING，JAIPRESSINC，1993，236946911VERDUSMINIMUMPROBABILITYOFERRORFORASYNCHRONOUSGAUSSIANMULTIPLEACCESSCHANNELSJIEEETRANSACTIONSO
12、NINFORMATIONTHEORY，1986，IT32859612张贤达，保铮。通信信号处理，北京国防工业出版社，200013JOHNGPROAKIS，MASOUNDSALEHI,现代通信使用MATLAB，刘树棠，西安交通大学出版社，2001366页，377376页14JOHNGPROAKIS。数字通信。张力军，张宗橙，郑宝玉，第三版，北京电子工业出版社，2001484499页，508510页5毕业设计文献综述通信工程CDMA扩频通信系统多用户检测技术摘要多用户检测技术是CDMA扩频通信系统中抑制多址干扰的一项关键技术，成为通信领域的新热点。经过20余年的发展，对抑制多址干扰的多用户检测方法
13、已研究的十分宽泛和具体。在不同的准则下，多用户检测具有不同的分类方法。从结构上看，多用户检测又分为线性多用户检测及非线性多用户检测方法。按性能的不同，多用户检测可分为最优多用户检测法及准最优多用户检测法。介绍了各类技术的一般实现方法和典型算法；从原理上分析了各类算法的科学性。关键词CDMA；多址干扰；多用户检测；由于CDMA通信系统是一个典型的干扰受限系统1，多址干扰和码间干扰都影响着系统容量和系能，而多用户检测技术是CDMA扩频通信系统中抑制多址干扰的最根本的方法。传统多用户检测是使用匹配滤波器和相关接收机，它将除目标用户信号外其他用户信号当作干扰来对待，不能利用各用户的扩频码和定时信号，限
14、制了系统的性能和容量。多用户检测的思想是在多用户环境中综合利用干扰用户在内的多个信号的特点经行信号处理。目前文献中已经提出了很多种类的多用户检测技术，经过十几年的研究，学术界已经形成了几条比较清晰的思路。目前总体来说多用户检测技术按性能可以分为最优多用户检测，次最优多用户检测；按结构分有线性和非线性；多用户检测技术的分类如下图所示6图11多用户检测技术的分类一传统单用户检测技术传统的单用户检测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号进行扩频码和匹配处理，将多址干扰当作噪声来处理,其接收端用一个和发送地址码（波形）以及相匹配的滤波器（相关器）来达到信号分离的目的，并且在相关器后直接解调判
15、决。若匹配滤波采用的是结合了信道响应的相关波形，相当于是RAKE接收机2，一定意义上实现了利用多径响应的作用。这种方法具有易于实现的优点，在一般的扩频多址通信系统中获得广泛的应用，但是它存在缺点就是忽略了不同用户的扩频信号之间存在的互相关性以及多址干扰的存在，从而引起误码率的提高，除此之外伴随着系统内用户接入数目的增多，多址干扰强度的增大，导致误码率将呈指数形式增加，并很容易受到远近效应的影响，最终导致系统的多用户通信能力的降低。3传统单用户检测器如下图所示7图12传统单用户检测器（CSD）模型采样后的第K个用户的输出信号匹配滤波器上式子第三项错误未找到引用源。是第J个和第K个用户的互相关性，
16、结果有三部分，第一部分是有用信号。第二部分是由多址接入造成的多址干扰（MAI），最后一个是由于噪声造成的。单用户检测技术把MAI当作噪声二最优多用户检测技术在1979年，SCHNEIDER提出一种迫零算法3，原理是将多个用户的码元（扩频码的结构特点）和定时消息（振幅和相位信息）联合起来去检测每个用户的信息。1983年，KOHNO提出干扰消除接受机思想，设计出了异步多用户通信环境下使用维特比算法的最优接受机。最优多用户检测的思想出自于VERDU，1986年他提出根据最大似然序列检测法，利用维特比算法来实现了所有信号的联合检测。这种算法的复杂度与用户数呈指数增长关系，并且检测器还需要知道接受信号的
17、幅度和相位，这就是最优多用户检测技术45。同一个有K用户的CDMA系统信道中传输的信号可以表示为8K表示第K个用户。AT信号幅度BT信息比特STPN码波形NTAWGN双边功率谱密度N/2最优多用户检测法就是利用B错误未找到引用源。错误未找到引用源。数据序列使得下面这个式子最大；此公式最大。其中HARA。最优多用户检测法可以达到最大的渐近有效性，而此法对于每个用户而言它都有最小误码率，这是其他类型检测法的上限。但是最优多用户检测法存在缺点是它的复杂度太高，因为上式中B错误未找到引用源。，而一个比特里面的信号Y（T）需要对所有的B经行实验，找出使得的值最大。而B最多有2K种取值，其计算的复杂程度是
18、每比特所需的计算量为错误未找到引用源。（K2），可见最优检测器的计算复杂度是随着用户的增多表现出指数增长趋势。如果系统内的用户很少这种方法很容易接受，然后如果用户数量很大所带来的计算量和复杂度也是系统很难忍受的。由此可见用户的数量将很大程度上限制了最优多用户检测方法的实际应用。因此只有系统内用户数目很少并且数据传输效率很低的时候才能发挥出效力。此外多用户检测技术还有具有最优的抗远近的能力。正是由于最优多用户检测技术的限制6，许多学者在此之后一直在寻找在性能和运算复杂度之间平衡的新的多用户检测技术。次最优对用户检测技术应运而生，下面将介绍次最优技术中的线性多用户检测技术。三线性多用户检测技术线性
19、多用户检测技术的结构图如下9图13线性多用户检测器模型线性多用户检测技术大体上是在匹配滤波器输出的信号后续处理中增加一个线性变换，总得来说就是用一个代价函数最小化选择线性变换矩阵T。结构如上图所示ZTY，表示信号经过匹配滤波器输出Y在通过线性矩阵变换的输出。而线性多用户检测技术可以分为解相关，MMSE和多项式扩展等三种方法。31解相关多用户检测技术该法首先由SCHNEIDER提出的7,KOHNO在1983年也提出来了类似的理论解相关的优势在于它是一种自然的方法，在最小均方，抗远近能力和最大似然三个标准中都是最优的。对于同步信道K个匹配滤波器输出向量YRABN，其中，N是零均值，协方差为2R的高
20、斯随机向量。但是考虑到传统的检测法在无噪声的环境中也存在误码解相关的唯一的干扰来源就是背景噪声。解相关的原理框图如下图所示图14解相关检测法的模型10学者研究表明解相关多用户检测法有两个优点1不需要知道接受幅度，易于分散计算，每个用户的解调可以独立实施2具有最佳的抗远近性能；误码率与用户功率无关，并且当系统中各个用户的发射功率未知时，解相关多用户检测法仍然能对用户信号做出最大似然估计，付出的代价则是使系统中的噪声有较大的增加，可以完全消除MAI。另外一方面它还存在一定的缺点此法对噪声有了一定的放大作用，并需要知道所有扩频码，而这些信息在信号传播的过程中由于传输信号而发生变化，当用户数目很多，多
21、径传输的时候，求逆复杂度较高，难以满足实时检测的要求。32MMSE检测法MMSE检测法最早有XIE提出8,POOR在文献9中对它的误码率经行详尽的分析。MMSE检测法的基本思想是将线性多用户检测问题转变为一个线性估计问题，使第K个用户的比特于第K个线性变化的输出之间的均方差（MSE）最小。图15同步MMSE检测器的框图MMSE多用户检测法也存在一定的误码率。理论分析可知MMSE检测器用噪声项修正相关矩阵，在消除MAI和不增加背景噪声的之间做了很好的平衡。当背景噪声趋于0时，MMSE算法就趋向于相关检测算法；而当背景噪声远大于MAI的时候，此法趋向传统检测算法。MMSE算法缺点在于首先必须对信号
22、的幅度进行估计，另外它的性能和干扰用户的功率有很大的关系，所以在远近效应方面就不如解相关检测法。四多项式展开多用户检测技术解相关和MMSE的检测复杂度都随着用户数目的增加而线性增加，均需要对互相关矩阵求11逆，当用户数目很多的，上述两种方法的计算复杂度还是很高的。为此MOSHAVI等人提出了多项式扩展检测法，即矩阵求逆多项式分解法，取多项式前几项代替整个矩阵，从而简化运算的复杂度。通过理论研究多项式扩展检测法具有以下几个优点1不必计算R1,运算的复杂度大大降低2可以近似解相关和MMSE检测法3检测器结构相对简单4对长短码均适用五结束语针对现在对基于扩频通信的CDMA系统的多用户检测技术研究的逐
23、渐升温，新的技术层出不穷，本文旨在介绍几种经典的，常用的多用户检测技术的原理，结构，以及优缺点。为进一步研究上述几种算法的性能并对其经行MATLAB仿真打下了一定的基础。六参考文献钱小聪，郑宝玉CDMA系统中的多用户检测技术J，南京邮电学院学报（自然科学版）,20009，20（3）3741。康晓非，韦惠民CDMA系统中的多用户检测算法的研究J,西安科技大学学报，20066，26（2）273275。施晓妍多用户检测技术的发展和现状J,山东通信技术，20059，25（3），69。张颖CDMA通信系统中多用户检测技术的研究D,硕士论文，电信系，湖南大学，20064。徐琦多用户检测在CDMA中的应用D
24、，硕士论文，电信系，西北工业大学，20063。文学CDMA系统中多用户检测技术的研究D，硕士论文，电信系，中山大学，20055。樊昌信，徐炳详，张甫翎等通信原理M，第五版，北京国防工业出版社，20015，322347。约翰G普罗克斯，马苏德萨勒赫，刘树棠（译）现代通信系统使用MATLABM西安交通大学出版社，200111，362390。美DHANSELMAN,BLITTLEFIELD著，张航，黄攀译精通MATLAB6M，北京清华大学出版社，2002180186。杨大成现代移动通信中的先进技术M，北京机械工业出版社，20057，293299。薛波MCCDMA系统多用户检测技术研究D，硕士论文，电
25、信系，扬州大学，20065。赵洁多载波CDMA关键技术的研究D,硕士论文，电信系，哈尔滨工业大学，200412。VISHALPATELCAPACITYIMPROVEMENTWITHBASESTATIONANTENNAARRAYSINCELLULARCDMAEB/OLWWWHPUFLEDU/VPATEL12ANDERSHALLSTEN,DENISJACQUET,ROBERTSIEKKINEN,ETALMULTIUSERCDMACOMMUNICATIONSYSTEMD,PHDDISSERTATION,KUNGLTEKNISKAHSKOLAN,MAY27,200213本科毕业设计（20届）CDMA扩
26、频通信系统中多用户检测技术的研究14摘要【摘要】码分多址技术（CDMA）是第三代通信技术的核心技术，它能利用有限的频谱，提升系统容量。但是随着移动用户数的日益增长以及扩频码无法完全正交以及信道不理想等因素，CDMA系统中出现了多址干扰（MAI），它严重影响了CDMA系统的性能和容量。多用户检测技术的目的是抑制多址干扰，增加系统容量和性能，它成为近些年来的通信技术研究热点。本文首先研究和分析了CDMA系统中的扩频技术原理，然后分析了线性和干扰消除等多用户检测技术并对传统检测法、最小均方差检测法、解相关检测法以及最优检测器的性能进行了仿真、分析、比较并得出结论。【关键词】扩频通信；多址干扰；多用户
27、检测。15ABSTRACT【ABSTRACT】CODEDIVISIONMULTIPLEACCESSTECHNOLOGYISTHEKEYTECHNOLOGYFORTHETHIRDGENERATIONOFCOMMUNICATIONSYSTEMSANDCANUSELIMITEDSPECTRUMTOIMPROVETHESYSTEMCAPACITYWITHTHEINCREASINGNUMBEROFUSERSANDTHEBADCOMMUNICATIONCHANNELS,THESPREADSPECTRUMCODEOFEACHUSERMAYNOTBEORTHOGONAL,CAUSINGMULTIACCESSI
28、NTERFERENCEMAI,THISAFFECTSTHEPERFORMANCEANDCAPACITYOFTHECDMASYSTEMTHEPURPOSEOFMULTIUSERDETECTIONTECHNOLOGYISTOCANCELMULTIACCESSINTERFERENCEANDINCREASESYSTEMCAPACITYANDPERFORMANCE,WHICHBECOMESONEOFTHEHOTTESTRESEARCHTOPICSINRECENTYEARSTHESPREADSPECTRUMTECHNOLOGYOFCDMASYSTEMISFIRSTLYDISCUSSED,ANDTHENLI
29、NEARMULTIUSERDETECTIONANDINTERFERENCECANCELLATIONMETHODSAREANALYZED,ANDLASTTHEPERFORMANCEOFTHECONVENTIONALSIGNALDETECTORS,OPTIMALDETECTORS,DECORRELATINGDETECTORSANDMMSEMULTIUSERDETECTORSARECOMPAREDTHROUGHCOMPUTERSIMULATIONRESULTS【KEYWORDS】SPREADSPECTRUMMULTIPLEACCESSINTERFERENCEMULTIUSERDETECTION16目
30、录摘要14ABSTRACT15目录161绪论1811多址接入技术18111码分多址（CDMA）的特点19112多址干扰1912多用户检测20121多用户检测技术研究意义20122多用户检测技术的研究现状2013本文的主要工作212扩频通信技术原理2221扩频通信系统模型及特点22211扩频通信系统模型22212扩频通信系统优点2222直接序列扩频23221直接序列扩频调制原理23222直接序列扩频解调原理26223本章小结263多用户检测技术原理2731多用户检测器的模型2732传统单用户检测2833最优多用户检测2934线性多用户检测30341解相关多用户检测30342最小均方差多用户检测3
31、135非线性多用户检测32351串行干扰消除检测32352并行干扰消除检测3336本章小结334多用户检测技术的仿真3441多用户检测器的性能仿真34411多用户检测系统仿真模型34412程序仿真3542仿真结果3617421不同接入用户时系统的误码率37422不同信噪比时系统的误码率38423远近场景下的误码率3943本章小结395论文总结4051本文工作总结4052研究总结和建议40参考文献42致谢错误未定义书签。附录43181绪论随着信息技术的日新月异，以及越来越多的用户使用移动通信服务，人们对通信技术的效率，保密性，通信质量好坏的要求越来越高。第一代模拟通信系统使用了频分复用（FDMA
32、）方式，由于频带利用率不高导致系统容量小，无法满足高速发展的移动通信业务的需求。在90年代初，诞生了以GSM为代表的第二代通信技术，相比第一代移动通信系统它所提供的容量和系统性能都有了显著提高，GSM主要应用低速数据和话音业务。随后第三代通信技术以其快速的传输速度，能够处理多种媒体形式以及提供多种类型的信息服务逐渐地推入商业化运作。码分多址（CDMA）是利用了扩频技术，提高自身系统容量，抗干扰能力以及频谱利用率，它是第三代移动通信的核心技术。WCDMA,CDMA2000和TDSCDMA这三大标准中都无一例外的采用了CDMA技术。CDMA通信系统中会出现多址干扰（MAI）而多用户检测技术本身就是
33、致力与消除或者减小MAI,所以用户检测技术成为近几年研究的热点。11多址接入技术在传统蜂窝移动通信系统中，每个用户只能占有唯一属于自己的信道经行通信，而基站却有多个通道。多址接入技术就是为了实现多用户在同一个基站下同时通话，从而扩充系统容量。它采用技术来标识不同用户，所以总的来说多址接入技术是指不同用户之间通过某种形式对信道经行复用，来提升信道和频谱的利用率、系统容量。另一方面多址技术直接关系到小区构成和系统复杂性。移动通信中目前应用的多址方式主要有下列3种FDMA（频分多址）、TDMA（时分多址）、CDMA（码分多址）以及它们的混合应用方式等1。（1）FDMA频分多址同一时隙中的不同用户，系
34、统为其分配特定的载波频率来区别其他用户，在通话过程中其他用户不能共享这个载频信道，这样不通用户之间信号没有了干扰。该技术最大的优点是信道复用率高，复用路数高。但是存在的缺点是信号速率低，基站数目多且复杂度大，越区切换困难。（2）TDMA（时分多址）时分多址技术（TDMA）就是在一个宽带无线载波上把时间分割成周期的帧，然后每个帧被分割成若干时隙分配给指定用户。其中每个时隙就是一个通信信道，无论帧或者时隙都是无法重复的。时分多址具有传输速率高、抗干扰能力强、越区切换简单及基站复杂性小等优点。相比FDMA,TDMA的频率利用高，系统容量大。缺点是TDMA系统需要严格的同步，同步的好坏直接影响系统性能
35、。另一方面随着信号速率的不断增加，接收端的码间串扰较大需要19需求另外的技术来抑制干扰。（3）CDMA（码分多址）码分多址的原理是指系统为每个用户分配特定的扩频码，各个用户的扩频码具有正交性或者低相关性来区别其他用户这样系统就可以提取出需要的用户信号，减少其他用户的干扰增加系统容量。CDMA系统各个用户在时域和频域里面都可以重叠的，在实际应用中比较容易实现。由于扩频码的带宽大于信号带宽，扩展了信号的频谱，称为扩频调制。在接收机处，对应需要知道该用户的扩频码才能实现信号解码，恢复出原始信号，简称为解扩。111码分多址（CDMA）的特点（1）系统容量大系统容量由信道特性决定的，但是信道很难达到理想
36、情况，所以不同的多址接入技术有着不同的信道容量。CDMA系统是个干扰受限系统，一定程度上减少用户间的干扰，增加了系统容量。相比TDMA系统接入的用户数目是固定的，CDMA系统会牺牲一定的通信质量来换取接入更多的用户数目，使得系统容量增加2。（2）抗多径衰落CDMA采用扩频技术，将信号扩展在一个较宽频谱上，减小了多径衰落，而成为多路分集的有用信息，具有良好的抗多径衰落的能力。（3）保密性好，抗干扰强CDMA具有扩频通信技术的优点，抗窄带干扰强，采用宽带传输从而大大降低了有用信号的功率谱密度使得有用信号比干扰信号的功率低很多，这样有用信号隐秘在噪声和干扰中，同时需要知道用户的扩频码才能解扩使其抗截
37、获能力强。它一定程度上可以与其他系统共用频谱资源，使得有限的频谱资源得到充分的利用。（4）软切换由于CDMA系统相邻小区之间共用同一频率，这样终端过境时可以采用软切换，即在切换过程中同时保持与原小区和新小区的联系，等到与新小区的保持正常接通才结束与原小区的联系，这样可以保证通话的不间断。这种软切换技术，大大降低了切换掉话的可能性，由此提高了用户处于小区边界时的通信质量。112多址干扰CDMA中常用的就是直接序列扩频系统（DS）,在接收端用与之相同的直序列对扩频信号20经行相关处理可以解调出原来的信号。但是由于CDMA使用同一个频率复用以及实际中所采用的扩频码不完全正交，使得系统中存在干扰。实际
38、DSCDMA系统中由于多用户的随机接入，扩频码不完全正交以及信道不理想会造成多址干扰MULTIPLEACCESSINTERFERENCE，简称MAI。而随着接入用户数和功率的不断增加，多址干扰将会变得越来越显著，系统误码率也不断增加，CDMA系统性能越来越坏。同时“远近效应”即由于用户所在的位置不断的变化，基站接收到的各用户信号功率是不一致的,功率强的信号对功率弱的信号将会有明显的抑制，导致接受弱信号的性能变差，有的时候弱信号甚至完全沉浸在强信号中。多址干扰是限制系统容量的一个主要因素。为了抑制多址干扰，学者研究了很多方法。例如设计具有低互相关性的扩频序列，通过功率控制技术来确保所有接入用户的
39、信号具有相同的功率（快速功控），以及通过利用自适应天线来抑制空间多用户干扰3。但是，目前这些技术都不是能很好地解决系统中实际存在的多址干扰和“远近效应”4。12多用户检测121多用户检测技术研究意义多用户检测技术是良好的多址干扰解决方法之一，是近十多年来移动通信领域的研究热门5。CDMA系统中存在典型蜂窝系统中的AWGN干扰和多径干扰，以及存在不能忽视的多址干扰，但是传统的CDMA系统不考虑MAI,只针对AWGN干扰和多径干扰采用匹配滤波器和RAKE接受机来实现单用户的检测，即把多址干扰当作噪声来处理。多用户检测技术的思想就是将目标用户和其他用户的数据一起检测，把所有用户的信号都当作有用信号，
40、利用各个用户之间的关联来将每个用户的信号都检测出来。这样一方面抑制多址干扰，另一方面也提高了系统容量。所以，研究多用户检测技术将会非常有前景。122多用户检测技术的研究现状多用户检测法按照处理多址干扰不同的方法可以分为联合检测和干扰消除。联合检测法可以分为最优多用户检测和次最优多用户检测法。VERDU在1986年提出多用户检测技术，也就是最大似然序列检测法，缩写MLSD，也叫最优多用户联合检测法。该算法的思想是以匹配滤波器在接收端配以维特比（VITERBI）算法一起来实现的。它在一定程度上可以接近单用户检测器误码率的性能，并有效地克服了CDMA系统中“远近效应”的影响，大大地提高了CDMA系统
41、的容量。但是，由于该技术的运算量和复杂性随着用户数目有着指数增长趋势，实际应用中最优多用户检测目前还不能运用。因此人们转向研究次最21优多用户检测技术，其目的是尽力在性能和运算复杂度两者之间寻求折中的解决方法。次最优多用户检测大致可以分为线性和非线性检测。线性多用户检测主要分为解相关检测算法和最小均方误差检测算法（MMSE）。LUPAS和VERDU在1989年提出的解相关检测技术是对输出信号经行判断，看是否是输入信号的线性变化而来，这样就可以消除由于各个用户扩频序列间的非正交性而引起的多址干扰，避免了由它引起的远近效应的影响。相比最优多用户检测技术，线性多用户检测运算的复杂度只是随着接入用户的
42、数目增加呈线性增长。最小均方误差检测算法原理是通过运算使被检测用户的发送信号与其估计值之间的误差的均方值要达到最小，前提是系统需要估算接入用户信号的幅度。而解相关法在一定程度上放大了背景噪声，MMSE则没有。所以，我们可以知道当信道信噪比较小的时候使用MMSE法较好，反之使用解相关法较好。最小均方误差检测法在抗远近效应能力方面不如解相关检测法。干扰消除多用户检测法可以分为以下三种方式并行（PIC）,串行（SIC）以及混合（HYBRIDIC）等干扰消除方式6。干扰消除的基本思想是在接收端对每个用户的多址干扰经行估计，并利用该估计值去构造出多址干扰来与实际的干扰互相抵消。串行干扰消除的原理是检测器
43、在接收的信号中对多个用户的信号进行逐一的判决，判决出一个就再估计同时消去该用户信号造成的多址干扰，以用户功率排序逐级地减去功率最大用户的干扰。并行干扰消除的原理是每一级以并列的形式采用匹配滤波器或者相关检测。混合方式就是综合地利用串行和并行方式对用户信号进行处理。此外，多用户检测技术还有判决反馈法及神经网络法。判决反馈本质上和干扰消除法相似，区别在与它是多次对同一级经行循环处理，判决反馈，性能方面和多级型差不多。相比多级型，判决反馈法在实现上需要更多的存储空间。神经网络法则是相当于与综合前面所述的方法上，加以组合优化，实现多用户检测的目的。目前通信领域，为了更加有效地抑制多址干扰，提高系统的容
44、量和性能，将多用户检测技术与多载波调制，空时二维信号处理和功率控制技术结合起来，以及移动终端自身采用的自适应技术成为通信技术领域的研究热点7。13本文的主要工作本文主要系统地研究了基于直接序列扩频技术码分多址DSCDMA系统中典型的几种多用户检测技术，并通过MATLAB对它们在不同场景下性能进行仿真比较。对比仿真的结果并做出理论分析。文章的结构和内容安排如下22第一章介绍多用户检测技术的背景、意义、分类及发展趋势。第二章介绍和研究直接序列扩频通信系统（DSCDMA）工作原理和抗干扰性能。第三章系统全面地研究和分析几种典型的多用户检测技术的工作原理并分析比较了它们性能的优缺点和适用环境。第四章对
45、传统单用户检测器，多用户检测器中的解相关检测器，最小均方差检测器和最优检测器用MATLAB进行模拟仿真。分析和比较在不同接入用户，不同信噪比以及远近场景等三种情况下的性能（误码率）。2扩频通信技术原理21扩频通信系统模型及特点211扩频通信系统模型扩频通信是种新兴的信息传输方式，他的原理是在发送端对信号进行扩频调制，使得基带信号的频谱得以扩展。整个扩频通信系统模型图如下所示信道编码器解调器信道PN序列信道解码器PN序列调制器数据输出信息序列图21扩频数字通信系统模型由图所示在发送端和接收都用基带信号成乘上相同的PN序列即扩频码发送段用来扩频调制。接收端同步PN序列的作用是相干解调，解调出原始信
46、号。这个过程中扩频码仅仅是扩展信号频谱的作用，丝毫不影响传递的信息。需注意的是在解调器出PN序列需要与之前的序列信号保持严格同步状态。扩频通信具有两种基本形式。一种是直接序列（DS），另外一种是跳频（FH）。而现在成熟的CDMA通信系统中常用的是DS方式，所以本文重点研究直接序列扩频通信技术，研究它的工作方式，原理及优缺点。212扩频通信系统优点23（1）多址通信扩频通信实质上也属于多址通信范畴。因为由于系统通过将不完全正交或者低相关性的扩频码分配给不同的用户，这样用户信号经过扩频调制后被扩展频谱，每个用户的扩频码之间不相同或者具有低互相关性，这样可以区别其他用户，做到互不干扰，达到了时间和频
47、率上的复用。保证了其高的频谱利用率。（2）抗干扰能力扩频通信具有很强的抗干扰能力，原因在扩频通信技术在发送端利用扩频技术将信号扩展到较宽的频带上，并在接受端经行相关解调。而干扰信号与有用信号不相关此外还被扩展频谱到一个较宽频带上，这样进入有用信号频带内的干扰信号的功率就会大大得减小。噪声功率减小了，这样无疑就能够提升自身的抗干扰的能力。而系统的扩频增益，也称为处理增益直接反映系统抗干扰能力的强弱。（3）抗多径和抗衰落由于用户信号的频带被扩展的很宽，当信号遇到衰落的时候，此时如果能做到频率选择性的衰落，这样可以避免有用信号衰落，并且只是选择衰落信号中的小部分，对系统整体影响不大的话，我，该技术就
48、可以具有一定抗衰落的性能。另外，除了扩频技术自身对多径干扰有一定的抵抗作用之外，系统还可以利用多径能量来提高自身的容量和性能。22直接序列扩频直接序列扩频系统（DS）又可以被称作伪噪声序列扩频通信系统（PN），是目前在通信领域运用的比较广泛的一种扩频通信系统。直接序列系统扩频系统原理就是在信号发送端使用伪随机序列与用户信号相乘，相当于频域上两个信号的频谱相卷积，并且不同用户之间伪随机序列不正交或者低相关性。这一过程成为扩频调制。在上诉情况下基带信号被扩展到一个很宽的频谱上，后续在接收端需要使用和发送端一样的PN序列（需要保持严格同步）来实现对用户信号经行相关性处理，这个过程称为解扩。221直接
49、序列扩频调制原理下图中图（A），C（T）信号是PN序列信号，PN信号数学公式可以表示为24CNNTTPCTC（21）其中CN是PN序列的值是1二进制的码序列，PT是周期为TC的矩形脉冲。而基带信号可以由图（B）表示基带信号，其数学公式表示为BTNNNTTGATV（22）G（T）表示的是周期为TB的矩形脉冲。发送端的扩频调制过程可以看作CT和VT相乘的过程。具体实现过程如下我们利用二进制BPSK调制进行信息传输。其中信息速率RB/S,比特区间（周期）是速率的倒数，即TB1/R。7在扩频调制器里，PN序列发生器按每秒W次的速率发出的信号（伪随机序列），伪随机地将载波相位移相，并将有用信号的带宽扩展到BCHZ,信号带宽BC远远大于R。这个过程便是将基带信号扩展成直序列扩频信号DS，将载有信息的信号带宽（大约为RHZ）扩展到由PN序列发生器发出的信号CT所占有的更宽的带宽（这个带宽大约为1/TC）上去CT与VT相乘结果如下图（C）所示ACTBBBTC图22DS扩频信号的产生APN信号B数据信号C乘积信号频谱扩展结果25VFCFVFCFB1/TC1/TC1/TC1/1/BTT（）C1/1/BTT（）（A）（B）（C）图23频谱的扩展A数据信号BPN码信号C频谱卷积上图中前两图用比
