1、本科毕业设计（20届）CDMA扩频通信系统中多用户检测技术的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I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
2、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；多用户检测。IIABSTRACT【ABSTRACT】CODEDIVISIONMULTIPLEACCESSTECHNOLOGYISTHEKEYTECHNOLOGYFORTHETHIRDGENERATIONOFCOMMUNICATIONSYSTEMSANDCANUSELIMITEDSPECTRUMTOIMPROVETHESYSTEMCAPACITYWITHTHEINCREASINGNUMBEROFUSERSANDTHEBADCOMMUNICATIONCHANNELS,THESPREADSPECTRUMCODEOFE
3、ACHUSERMAYNOTBEORTHOGONAL,CAUSINGMULTIACCESSINTERFERENCEMAI,THISAFFECTSTHEPERFORMANCEANDCAPACITYOFTHECDMASYSTEMTHEPURPOSEOFMULTIUSERDETECTIONTECHNOLOGYISTOCANCELMULTIACCESSINTERFERENCEANDINCREASESYSTEMCAPACITYANDPERFORMANCE,WHICHBECOMESONEOFTHEHOTTESTRESEARCHTOPICSINRECENTYEARSTHESPREADSPECTRUMTECHN
4、OLOGYOFCDMASYSTEMISFIRSTLYDISCUSSED,ANDTHENLINEARMULTIUSERDETECTIONANDINTERFERENCECANCELLATIONMETHODSAREANALYZED,ANDLASTTHEPERFORMANCEOFTHECONVENTIONALSIGNALDETECTORS,OPTIMALDETECTORS,DECORRELATINGDETECTORSANDMMSEMULTIUSERDETECTORSARECOMPAREDTHROUGHCOMPUTERSIMULATIONRESULTS【KEYWORDS】SPREADSPECTRUMMU
5、LTIPLEACCESSINTERFERENCEMULTIUSERDETECTIONIII目录摘要IABSTRACTII目录III1绪论111多址接入技术1111码分多址（CDMA）的特点2112多址干扰212多用户检测3121多用户检测技术研究意义3122多用户检测技术的研究现状313本文的主要工作42扩频通信技术原理521扩频通信系统模型及特点5211扩频通信系统模型5212扩频通信系统优点522直接序列扩频6221直接序列扩频调制原理6222直接序列扩频解调原理8223本章小结93多用户检测技术原理931多用户检测器的模型932传统单用户检测1133最优多用户检测1134线性多用户检测1
6、2341解相关多用户检测13342最小均方差多用户检测1335非线性多用户检测14351串行干扰消除检测14352并行干扰消除检测1536本章小结154多用户检测技术的仿真1641多用户检测器的性能仿真16411多用户检测系统仿真模型16412程序仿真1742仿真结果18421不同接入用户时系统的误码率19422不同信噪比时系统的误码率20423远近场景下的误码率2043本章小结215论文总结2151本文工作总结2252研究总结和建议22IV参考文献23致谢错误未定义书签。附录241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
7、越来越高。第一代模拟通信系统使用了频分复用（FDMA）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
8、统中会出现多址干扰（MAI）而多用户检测技术本身就是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
9、等1。（1）FDMA频分多址同一时隙中的不同用户，系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T
10、DMA系统需要严格的同步，同步的好坏直接影响系统性能。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2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
11、量大系统容量由信道特性决定的，但是信道很难达到理想情况，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
12、和干扰中，同时需要知道用户的扩频码才能解扩使其抗截获能力强。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
13、用的扩频码不完全正交，使得系统中存在干扰。实际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。3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
14、的扩频序列，通过功率控制技术来确保所有接入用户的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
15、的数据一起检测，把所有用户的信号都当作有用信号，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
16、统中“远近效应”的影响，大大地提高了CDMA系统的容量。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4优多用户检测技术
17、，线性多用户检测运算的复杂度只是随着接入用户的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
18、实际的干扰互相抵消。串行干扰消除的原理是检测器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
19、领域，为了更加有效地抑制多址干扰，提高系统的容量和性能，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
20、比较了它们性能的优缺点和适用环境。第四章对传统单用户检测器，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）。52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
21、端同步PN序列的作用是相干解调，解调出原始信号。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（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
22、别其他用户，做到互不干扰，达到了时间和频率上的复用。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。6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
23、部分，对系统整体影响不大的话，我，该技术就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
24、行相关性处理，这个过程称为解扩。221直接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CNNTTPCTC（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。77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
25、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ACTBTBBTC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VFCFVFCFB1/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较简单的矩形频谱表示基带信号和PN序列信号。由上图可见基带信号的频谱宽度远远
26、窄于PN信号频谱宽度。第三幅图是前两者信号频谱卷积后的结果，即是扩频调制后信号的频谱，基带信号的频谱被扩展了。8该乘积信号用来对正弦载波做幅度调制，产生的DSBSC信号为2COSTFATCTVTUCC（23）上式中VTCT可能取值为1或者1；所以UT也可以表示成2COSTTFATUCC（24）上式中，当VTCT1时，UTAC；当VTCT1时，UT0因此，这时的传输信号是一个二进制PSK信号，它的相位的变化速率为1/TC。在上面叙述中矩形脉冲PT因为叫做码片，她的周期称为码片间隔，倒数1/TC称为码元速率也可近似地等于传输信号的带宽W。在实际的扩频系统中，比特区间TB对码片间隔TC的比通常都选定
27、为某一常数（一般为整数）。比值为CBCTTL（25）我们将这个比值称作扩频增益，也就是每个信息比特中PN码序列中的码片数目，它也反映了在传输信号中信号180度相移的数目。而LC也被称为扩频因子简称SF，由上面叙述可知符号速率扩频因子码片速率，展开来讲扩频因子可以认为就是将一个信道的时隙容量分成规定的码道的数量，比如SF8，也就是一个时隙分成8个码道，能给更多的用户分到更多的码道SF越大时隙利用率即信道利用率越高，但是系统的硬件和运算复杂度也大大提升。222直接序列扩频解调原理直接序列扩频解调原理图如下PN序列发生器正弦调制滤波器采样器时钟信号接受到的信号RT错误未找到引用源。图24DS扩频信号
28、的解调因为在接收端信号RT乘以CT的效果就是将在发送端的扩频运算解扩大。而接收到的信号RT乘以和CT一样的本地PN序列并且本地PN序列要和发送端的PN序列保持严格的同步状态，这就是解扩的原理。假设接收端收到的信号为92COSTITFTCTVATRCC（26）其中IT表示干扰。接收端对信号解扩处理的信号可以表示为2COSTCTITFTVATCTRCC27将干扰IT与CT相乘的效果就是IT的带宽扩频到WHZ。假设IT干扰的平均噪声功率为PJ，扩频处理后就会产生功率谱密度为JOPJ/W的宽带干扰。因为所期望最后输出的信号是是用带宽为R的匹配滤波器解调的，所以在解调器输出端干扰信号的功率就降低LCW/
29、R倍。而上面说过LC称为扩频系统的处理增益或者扩频因子。由此可以扩频增益越大，经过解扩处理后消除噪声的水平就越高。干扰功率的降低是在有干扰的信道中采用扩频信号传输数字信号的根本原因8。223本章小结本章主要分析和研究了扩频通信系统的模型以及直接序列扩频通信技术的基本理论和原理。CDMA技术是一种基于扩频通信的多址通信技术9。在扩频系统中，用户信号以不同的扩频码区别其他用户，扩频调制效果是用户信号的频谱被扩展成很宽的频谱，所以赋予了扩频信号很强的抗窄带干扰能力。直接序列扩频技术凭借抗截获能力强，抗干扰能力和多径干扰能力强，易于同频工作和实现多址通信的特点在通信领域使用越来越广泛10。3多用户检测
30、技术原理31多用户检测器的模型为了研究多用户检测技术的性能，首先我们得研究DSCDMA系统中的多用户接收机模型。我们首先假设整个通信系统是同步的，但是值得注意的是在实际中，系统一般是不可能都是同步的，信号被随机地延迟到导致相位发生了偏移。信号调制采用BPSK调制且默认信道是理想信道。但是在实际中，信号可能存在有频率选择性衰落和多径传播。DSCDMA通信系统模型如下图所示10信道匹配滤波器1匹配滤波器K信道扩频1扩频K调制调制噪声N（T）噪声N（T）用户信号1用户信号K维特比检测器图31同步DSCDMA系统典型多用户系统模型其中假设共有K个用户共用此信道，那么接收到的信号可以表示为1TNTDTS
31、TATRKKKKK（31）其中AKT表示第K个用户的信号幅度；SKT表示第K个用户信号的扩频码；DKT表示信号的数字调制信号1，1；NT表示加性高斯白噪声（AWGN），它具有双边功率谱密度为N/2（W/HZ）。经过匹配滤波器后，第K个匹配滤波器的输出可表示为KKKKKJKJKKJJJKKTKKNMAIBANBABADTTSTRTYB,10（32）其中第J个和第K个用户扩频码间的互相关系数如下DTTSTSSSKTJKJJKB,0（33）当JK时，互相关系数为1；当JK时，01JKP。我们可以从公式（32）中可以看出来，第一项为接收信号与第K个用户信号经过BPSK调制的后的信号，第二项是第K个用户
32、与其他用户互相关造成的多址干扰（MAI），第三项为第K个匹配滤波器输出的噪声。在这里为了减小多地干扰所以用户扩频码的自相关系数要远远大于互相关性，其他用户信号对第K个用户的影响就会大大减少11。我们可以将匹配滤波器的输出结果以矩阵形式来表示YRABN；,HHSFRSCSCNSCN34其中R是归一化互相关矩阵，它对角线上面的元素都是1，其他第I行，第J列（JI）的元素是JKP，I用户和J用户之间的互相关系数。其中12,TKYYYY；ADIAG12,KAAA；12,TKBBBBN是一组均值为零的高斯随机向量，协方差矩阵为2R。1132传统单用户检测传统单用户检测器的原理框图如下图所示信道匹配滤波器
33、1匹配滤波器K信道扩频1扩频K调制调制噪声N（T）噪声N（T）用户信号1用户信号K图32传统检测器结构RT是接受端接收到的多用户信号。传统单用户检测的原理的是RT进过K个相关器也被称作匹配滤波器。该信号输出形式在上一节已经提及过了。这里就不再叙述。根据原理图我们可以看到，每个匹配滤波器只是检测出单个用户的信号，其他用户信号被当作了噪声处理，这样的单用户检测策略虽然一定程度上可以避免干扰。但是弊端在于，检测器未能充分地利用其他用户的信号或者对信号的联合处理来提高系统容量。它将公式（32）中的第二项和第三项一起滤波除去。为了改进传统单用户检测的弊端，我们寻求通过利用多用户检测法来改进DSCDMA系
34、统检测方式。在多用户检测技术中，我们可以利用不同用户的扩频码以及时间（或是幅度和相位）等信息的联合使用以便能准确地效率更高地检测出需求用户的信号。从而具有较好的抗多址干扰能力。接下来我们将主要分析几种主要的典型的多用户检测技术。33最优多用户检测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，缩写为MLSD。也叫最优多用户联合检测法。该算法的思想本质是在接收端匹配滤波器配合维特比（VITERBI）算法一起来实现的。该技术在一定程度上可以接近传统多用户检测法的性能，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系统的容量。但是，由于该技术的运算量和复杂性
35、随着用户数目有着指数增长趋势。另外一方面最大似然序列检测法需要得知接受到用户信号的幅度信息或者相位信息，而这些信息很难预先知道的。所以目前在实际应用中最优多用户检测目前还不能成熟运用。12信道匹配滤波器1匹配滤波器K信道扩频1扩频K调制调制噪声N（T）噪声N（T）用户信号1用户信号K维特比检测器图33最优检测器结构上图是最优多用户检测器的模型图。最优多用户检测法算法实质是就是利用12,TKBBBB数据序列使得下面这个式子最大22101EXP2TKKKKYTABSTDT35也等价于（B）2TTBHBBHB此公式最大。其中HARA。因为上式中1,1B，而一个比特里面的信号Y（T）需要对所有的B经行
36、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每比特所需的计算量为121KK，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，但是另外一个方面接入用户数量很大所带来的计算量和复杂度也是系统难忍受的。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12。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，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13。次最优对用户检测技术应运而生，下面
37、将介绍次最优技术中的线性多用户检测技术。34线性多用户检测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，解相关多用户检测和最小均方差多用户检测。在本节中，我们将详细分析解相关多用户检测和最小方均误差多用户检13测。341解相关多用户检测解相关多用检测器原理框图RT匹配滤波器1匹配滤波器KR的逆矩阵输出图34解相关多用户检测器模型YRABN，其中N是零均值为零，协方差为2R的高斯随机向量。但是考虑到传统的
38、检测法在无噪声的环境中也存在误码。解相关多用户检测应用相关矩阵R的逆矩阵1RLDEC（37）上式（37）乘以传统检测器的输出来解出所需的信号。解相关检测器软判决为NRADYRDDEC11（38）从式（38）中我们能看出解相关检测器能完全消除MAI。此时的干扰只剩下背景噪声。我们可以总结到解相关多用户检测技术有如下特性1不需要知道接收信号的幅度或者相位信息，易于系统分散计算，每个用户的解调可以独立地经行实施14。2可以完全消除MAI，具有最佳的抗远近性能；能够做到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旧能对多用户信号做出最大似然估计，付出的代价则是使系统
39、中的背景噪声有较大的增加。另外一方面它还存在一定的缺点此法对背景噪声有了一定的放大作用，且需要知道所有用户的扩频码信息，而这些信息在信号传播的过程中由于传输信道的不理想而发生变化，也随着当接入用户数目很多或多径传输的时候，表现出求逆复杂度较高，难以满足实时检测的要求，有了一定的延迟。342最小均方差多用户检测14最小均方差多用户检测器MMSE考虑了背景噪声，目标是使得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，所以需要估算接入用户信号的幅度。最小均方误差检测的基本思想通过运算并通过线性变换矩阵得到矩阵L，而L的作用是就是实现下式E|DLY|2使实际数据和传统检测器的软输出之间的
40、均方误差最小。满足条件的变换的矩阵L为1202/ANRLMMSE（39）为此,MMSE检测器软估计输出为YLDMMSEMMSE（310）MMSE多用户检测法也存在一定的误码率。理论分析可知MMSE多用户检测是用噪声项来修正相关矩阵，因此实现了在消除MAI和不增加背景噪声的之间做了很好的平衡。有些学者提出当背景噪声的大小趋于0时，MMSE算法就趋向于解相关多用户检测算法；而当背景噪声远大于多址干扰的时候，此法趋向传统多用户检测算法。和解相关多用户检测器一样，MMSE检测器所以面临的问题就是如何实现求逆矩阵。而相比解相关多用户检测法，MMSE算法缺点在于首先必须对接入用户信号的幅度进行估算，另外它
41、的性能和干扰用户的功率有着很大的联系，表现出噪声干扰的功率越高，越是难以求逆矩阵。所以在抗远近效应方面的性能就不如解相关多用户检测检测器。35非线性多用户检测非线性多用户检测技术的基本思想就是干扰消除。就是去利用检测到的用户信号模拟成期望用户的多址干扰，并将这估计值从接收信号中减去，相当于从用户信号中滤去了多址干扰，并以此作为后一级检测器的输出，一级级地循环下去，不断地提高判决精度。硬件实现方面，由于这种检测器一般采用了多级结构且各级的结构大致相同的级联形式，如此一来硬件实现变得比较容易实现了。与上节中的线性多用户检测器相比，非线性多用户检测器不需要去计算相关矩阵的逆矩阵，计算复杂度降低了，系
42、统延迟性也得到了提升。下面就分析下几种常见的非线性多用户检测技术的原理和特点。351串行干扰消除检测串行干扰消除用户检测法（SIC）最初是有VITERBI提出的，后续被其他学者加以研究。基带信号接收器匹配滤波器组选择最大强度信号当前信号再生R（T）（）图35SIC原理示意图15根据原理我们可以看到串行干扰消除多用户检测法是由以上图中几个模块构成，实现了对信号的循环处理，我们可以看出最强用户信号具有较高的优先级，优先被处理。根据判决检验再生当前信号反馈给基带信号，从当前基带信号中减去这个再生信号的值，每个循环中只有一个用户被检测出来，如此循环下去，直到所有用户都被检测出来，循环才结束。特点是硬件
43、结构简单，运算复杂度低。之所以每次判决检测的对象是最大功率的用户信号，是因为从基带信号中检测出最大用户信号来，其信号此时的性噪比最大，检测出来的误码率最小。然后多用户的干扰是在最后阶段才被消除的，所以这样一来每个阶段检测出来的用户的干扰也不尽相同，远近效应对串行多用户检测的影响就不大了。信号功率最弱用户的多址干扰较多地被消除了。但是SIC也存在一定的缺点，由上面的叙述我们可以知道循环次数和接入用户的数目成正比，所以随着用户数目的增多，所需要的循环数目增多，这样系统运算次数也随之增多，整个数据处理的延迟性也增加了。此法运用的话，如果解决延迟性的话需要提升硬件能力。352并行干扰消除检测并行干扰消
44、除检测相比与串行干扰消除检测而言，在原理和结构上了有着很大的不同。并行干扰消除检测是将所有用户的多址干扰同时消除。并行干扰消除检测也采取的是多级结构，它的工作过程是在当前级别的判决中对所用的用户同时对立地的经行判决，这样就有和用户数目相同的判决器，并对应地生成每个用户干扰的估计值。在后一级的判决前，利用再生的估计值从用户信号的独立的输入端，分别消除需求用户之外的干扰信号。前一级的判决对下一级的判决有着很重要的意义。如果当前判决级的判断够准确，在理想情况下，并行干扰消除检测可以获得优于串行干扰消除检测的性能表现，最后所有用户的多址干扰都得到了消除。但是，并行干扰消除检测抗远近效应方面不如串行干扰
45、消除检测，需要较好的功率控制。该法采用并行处理干扰方式，同时对所有用户一起处理的，所以系统的时延较小。接入用户之间功率差别越大，越适合用此法去消除多址干扰。36本章小结本章主要分析了几种典型的多用户检测技术，分析了主要技术原理以及它们的优缺点和适用场景。最优多用户检测器计算复杂度太高，在实际情况下无法成熟运用。次最优多用户检测器可以分为线性多用户检测器和非线性（干扰消除）多用户检测器。线性多用户检测器主要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，完全或者部分消除用户信号的多址干扰。16干扰消除检测技术的基本思想是利用己检测到的信号重构期望用户的多址干扰，并从接收到的用户信号中减
46、去这些多址干扰，并以此作为后一级判决检测器的输出，如此循环经行“检测再造消除”，直到系统的误码率达到部分最优化，以此来提高检测结果的精度。4多用户检测技术的仿真41多用户检测器的性能仿真我们在第三章中系统地分析了多用户检测技术分类和几种典型方法的原理，下面一节的工作就是通过MATLAB工具仿真来分析传统检测器（CSD），最优检测器（OMD），解相关检测器（LMD）以及最小均方差检测器（MMSE）的性能。通信系统中衡量多用户检测器性能最重要的指标有误码率、渐近有效性和抗远近效应能力。其中误码率是最能反映通信系统性能的指标，由于它直接关系着通信质量的好坏。本文主要关注多用户检测器的误码率（BITE
47、RRORRATE，BER）。假定在加性高斯白噪声信道（AWGN）中只有一个用户K。该单用户的误码率定义为2KKEPQ（41）其中Q函数为以下形式201EXP22QXDU（42）由上式可以看出，当同一个信道存在干扰用户信号的时候，整个系统的误码率就会增大。多用户系统中期望用户的误码率为,2KKMUEPQ（43）其中，下标MU表示多用户通信系统，KE错误未找到引用源。为第K个用户的有效能量，它表示第K个用户达到单用户系统误码率时所需的能量。411多用户检测系统仿真模型DSCDMA通信系统中，K个用户占用同一个带宽经行通信的信道框图即图311，在第三章中我们已经研究过。这里一系列参数将不再加以论述。
48、传统检测器是将多址干扰当作噪声来处理，没有充分利用多用户的结构信息。接受信号经过匹17配滤波器后直接判决。我们设计传统单用户检测器的仿真图如下图所示SCH判决器CSDBYR（T）图41传统单用户检测模型判决门限是由错误未找到引用源。决定，即输出信号是错误未找到引用源。SIGNY。最优多用户检测器只考虑同步情况下仿真结构图如下SCHOMD判决器R（T）输出图42最优多用户检测模型最优检测器是将接收信号经过匹配滤波器后，经过VITERBI译码器OMD后再判决。输出信号2ARGMAX|OMDBYRB。线性多用户检测器中的解相关模型框图如下输出SCHR1判决器R（T）图43解相关多用户检测模型解相关多
49、用户检测器将接收信号经过匹配滤波器的软输出做线性变换，然后再进行判决。解相关多用户检测的判决输出为NRADYRDDEC11（44）线性多用户检测器中的最小均方误差多用户检测的模型框图SCHL判决器R（T）输出图44最小均方误差多用户检测矩阵L有着下面的形式1202/ANRLMMSE（45）判决输出为YLDMMSEMMSE（46）412程序仿真为了利用程序仿真，我们对仿真的条件做了限定181系统是严格的同步系统，信道为理想加性高斯白噪声信道（AWGN）。2信号的调制方式选择BPSK调制。为了更好了了解各种多用户检测技术的性能和优缺点，故本文设置了如下几个场景并以误码率作为参数标准来仿真和研究它们的性能。仿真不同接入用户数时，不同信噪比下，远近场景等三种场景下几种检测技术的性能。前两中场景下系统都设置了严格功控制，各个用户的功率都是相同的。第三个场景是远近情况设置一个用户在远近不断地变化。之前我们研究过用户信号输入形式YRABN其中各个参数都是以向量组的形式表示的。12,
