2011082201阿苦伍支

信息与通信工程学院学士学位论文开题报告题目：基于并行干扰消除技术的多用户检测技术班级：20110822__学号：2011082201__姓名：阿苦伍支_______指导教师审查意见：指导教师签字：年月日哈尔滨工程大学本科生学士学位论文开题报告姓名阿苦伍支学号2011082201报告日期2014.12.15设计（论文）题目基于并行干扰消除技术的多用户检测技术研究指导教师项建弘1、背景说明随着信息技术和无线通信技术的突出成就和急剧发展，无线通信技术正在发生巨大的变革，其应用范围涉及国防系统、政府系统、商用系统和个人生活等诸多方面，集中表现在个人通信、多媒体信息业务、互联网络应用三个方面。把信息送给个人，使移动通信走向个人通信，既是人们的梦想，也是科学家追求的目标，而移动通信则是通向个人通信的必经阶段。移动通信是当前发展最快、应用最广和最前沿的通信领域之一。20世纪80年代出现的第一代商用移动通信中，不同的用户的模拟信号通过占用不同频段，实现了频分多址(FrequencyDivisionMultipleAccess，FDMA)。第一代蜂窝移动通信系统缺点包括：系统容量小、频率利用率低、移动设备复杂、费用较高、业务种类单一仅限于语音、系统保密性差等。90年代中期，第二代数字通信将信道按时隙划分，实现了时分多址(TimeDivisionMultipleAccess，TDMA)。它提供了更高的频谱利用率,更好的数据业务,以及比第一代系统更先进的漫游能力。然而第二代移动通信系统主要为支持话音和低速率的数据业务设计,随着人们对通信业务范围和业务速率要求的不断提高,已有的第二代移动通信网很难满足新的业务需求,不能实现全球覆盖无缝漫游。当前的第三代移动通信(3G)的主要制式WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA确定了码分多址技术在移动通信中的地位。随着用户数目的增多和多媒体通信的发展，以正交频分复用技术(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)为核心的第四代通信也已进入应用阶段。OFDM技术和码分多址接入方式结合使用，可使多用户在同一信道上进行信息传输。第三代移动通信系统虽然存在不同制式，但它们几乎都采用了码分多址(CodeDivisionMultipleAccess，CDMA)技术，由此可以看出，CDMA是未来移动通信发展的主流技术。CDMA系统的主要特性表现在以下几个方面：(1)系统容量大，采用CDMA多址方式使得CDMA系统的容量远远高于模拟FDMA和数字TDMA系统。(2)通信容量的软特性，CDMA系统中，新增用户只会使通信质量略有下降，不会发生硬阻塞。(3)业务质量好，CDMA系统特有的软切换采用“先通后断”的方式，减少了掉话率，保证了通信的质量；CDMA系统采用的扩频技术将发射信号隐蔽在噪声和干扰中，可以防止窃听，具有很好的保密性。(4)更适于在衰落信道中传输，CDMA系统中,当多径时延大于一个码片(chip)间隔时，多径信号间的互相关很小，从而对系统性能的影响很小。(5)经济性，频率复用方案简单经济，易于管理，采用多种特有的技术来提高系统性能，极大的降低了发射功率。(6)平滑升级，CDMA网络的升级是平滑过渡、向下兼容的，就是只要更换信道板、升级软件，并追加少量投资，就可以将第二代系统逐步升级到第三代系统。CDMA系统的这些优点使它成为新一代的移动通信系统以及未来个人通信系统中最具竞争力、最有前景的无线多址技术。但是，由于采用的是码分多址的方案，系统内各用户使用相同的频带发射信号，共享一个信道，在时域和频域上都是混叠的，因此也存在一定的问题。码分多址是一个自干扰系统，由于实际系统中各用户之间的码字不可能达到完全正交和完全同步，因此，多用户之间互相产生的干扰不可避免，这个干扰称为多址干扰MAI(MultipleAccessInterference)也称为多用户干扰。用户误码率性能会变差。另一方面，移动用户位置的不断变化以及多径传播的影响，多址干扰将更为严重，这使得系统容量受到限制，同时还带来“远近效应”，即近处的强功率信号会抑制远处的弱功率信号，使得系统性能严重恶化，严重影响系统的性能。因此，多用户检测作为宽带CDMA通信系统中的抗干扰的关键技术受到广泛重视。多级迭代干扰消除方法能够有效的抑制用户间的多址干扰，将其基带的接受信号经过解扩之后通过一个多级迭代干扰消除系统进行干扰消除。在这个干扰消除系统中，后一迭代的输出用户估计比前一级的估计信号更精确，即更接近用户信号。从信息论的角度看，CDMA系统是一种多输入、多输出的信道，因此单用户检测器不能充分利用信道容量。多用户检测技术则是利用各个用户的扩频序列、时延、幅度和相位信息对各用户进行联合检测，来有效的抑制多址干扰。传统检测器将多址干扰与白噪声都视为白噪声来处理；而多用户检测则认为多址干扰与白噪声具有互不相同的统计特性，多址干扰是可以估计并通过信号设计和相关技术措施降低的。2、主要内容（1）多用户检测利用多址检测技术能够非常明显的减少用户间干扰，改善系统性能，并使之接近正交系统的性能，多用户检测技术技术能使非正交系统性能在一定程度上得到提高，但是不能超越正交系统性能。在不同的准则下，多用户检测具有不同的分类方法，如图2-1所示。图2-1多用户检测技术分类在多用户检测算法中，最优的算法是最大似然序列检测，但是其复杂度非常高，所以实际应用的很少。线性检测算法通过消除多用户之间的干扰，然后再判决，所以也能获得良好的性能。但是本课题涉及的CDMA系统采用无周期长码作为扩频码，其调制信号不具有周期稳定性，扩频码的相关矩阵在每个比特都是不同的，所以线性检测算法在每个比特时间内都需要计算相关矩阵和求逆，运算量很大，不适用于该长码环境。匹配滤波器检测算法由于其简单的结构，得到了广泛应用，但是其没有考虑多用户干扰的影响，只是一味的最大化信噪比，所以在多用户环境里性能很差。但是如果把匹配滤波器检测算法与非线性多用户检测相结合，则能在多用户环境里大幅度的提高性能。非线性多用户检测中的判决反馈通过纠错码和循环冗余校验码CRC(CyclicRedundancyCheck)能确保判决比特的正确性，所以把判决后的比特反馈回去做干扰消除则能大幅提高性能。多用户检测最优方法次优方法盲检测非线性检测并行干扰抵消线性方法判决反馈多级方法串行干扰抵消解相关MMSE多项式展开子空间斜投影检测但是本项目的比特速率比较低，帧结构很长，所以判决反馈会引入很长的处理时延，不能使用。而非线性多用户检测中的干扰抵消比较适用于本项目。考虑到不能完全确定判决比特的正确性，所以干扰抵消应采用多级结构，通过判决比特的可靠性，来逐步提高干扰抵消的力度。（2）并行干扰消除并行干扰抵消(ParallelInterferenceCancellation，PIC)是同时减去除自身外所有其他用户的干扰，并进行解调。由于是采用并行处理，其优势在于检测算法的时延较短，且不存在误差传递问题。已有实验表明单级的PIC检测已经能够很好的抑制多址干扰，其性能和单个用户环境下的检测性能接近。而为了进一步提高检测性能，还可以进行多级的PIC。多级型PIC的每级一般算法结构相似，因而多级型的每一级的最后(除最后一级)，还有一个各用户信号的再生、还原过程，这也是多级型方法的特点之一。当然，每一级各用户均可以采用解相关检测、MMSE等算法来进一步提高检测性能，但算法实现复杂度也更高一些。为了取得较快的收敛速度和尽量少的迭代次数，第一级的判决要尽量精确。而第一级的判决是在无干扰消除情况下的传统判决方式，需要较好的功率控制使得K个用户的信号功率相当。所以并行干扰消除不像串行干扰消除那样对远近效应不敏感。尤其是在只迭代两次的并行干扰消除中，第一级的精度直接影响第二级的干扰消除程度，也就直接决定了最终的判决结果，为了消除这种只迭代两次的并行干扰消除对功率控制的依赖，人们提出了很多改善的方法，包括多次迭代，在多次迭代之间进行加权处理和利用软判决信息等等.在多次迭代之间进行加权处理的基本思想是：在最初迭代中判决的结果不够精确，为了减少判决错误向后续判决的扩散，在干扰消除处理中，在后面的判决更大的权重，为最初的判决分配较小的权重。大量研究表明，这种对不同级别判决进行加权处理的方法可以很好得消除远近效应的影响，减弱对功控的依赖。（3）扩频通信基本原理扩频通信是扩展频谱通信的简称。频谱是电信号的频域描述。承载各种信息（如语音、图象、数据等）的信号一般都是以时域来表示的，即信息信号可表示为一个时间的函数tf。信号的时域表示式tf可以用傅立叶变换得到其频域表示式tF。扩展频谱通信系统是指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数（与待传输的信息信号tf无关）扩展后成为宽频带信号，然后送入信道中传输；在接收端再利用相应的技术或手段将其扩展了的频谱压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而到达传输信息目的的通信系统。也就是说在传输同样信息信号时所需要的射频带宽，远远超过被传输信息信号所必需的最小的带宽。扩展频谱后射频信号的带宽至少是信息信号带宽的几百倍、几千倍甚至几万倍。扩频通信系统的关键问题是在发信机部分如何产生宽带的扩频信号，在收信机部分如何解调扩频信号。根据通信系统产生扩频信号的方式，着重介绍一下两种。1）直接序列扩展频谱系统直接序列扩展频谱系统(DirectSequenceSpreadSpectrumCommunicationSystems，DS-SS)，通常简称为直接序列系统或直扩系统，是用待传输的信息信号与高速率的伪随机码波形相乘后，去直接控制射频信号的某个参量，来扩展传输信号的带宽。用于频谱扩展的伪随机序列称为扩频码序列。2）跳频通信系统跳频扩频通信系统是频率跳变扩展频谱通信系统(FrequencyHoppingSpreadSpectrumCommunicationSystems，FH-SS)的简称，或更简单地称为跳频通信系统，确切地说应叫做“多频、选码和频移键控通信系统”。它是用二进制伪随机码序列去离散地控制射频载波振荡器的输出频率，使发射信号的频率随伪随机码的变化而跳变。跳频系统可供随机选取的频率数通常是几千到202个离散频率，在如此多的离散频率中，每次输出哪一个是由伪随机码决定的。3、方案及进度安排综合考虑性能与复杂度，二级的PIC已经可以满足本项目的要求。故本项目采用二级并行干扰抵消多址检测算法实现CDMA卫星通信中的多址干扰的消除。典型多用户的系统模型为：b1b2bk在高斯白噪声信道环境下，一个包含K个用户的基带调制的CDMA卫星系统，接收机收到的基带信号可写为：)()()()(1tnititrkbkkikkkTcbp（1-1）其中，bT为比特时间，(){1,1}kbi为用户k的第i个比特数据，()kct为用户k的扩频波形，由无周期长码获得，具有单位能量，即1)(tck，kp为用户k的信号的接收功率，k为用户k的信号与接收机相关器间的延迟。()nt为均值为0方差为2的高斯白噪声。由PIC基本原理可知，基于PIC的接收机的结构采用并行处理和级联的方式，其实现的基本方框图如图3-1所示，软件仿真流程如图3-2所示。()rt匹配滤波器组...(1)1ˆb(1)2ˆb(1)ˆKb干扰信号重构干扰信号重构干扰信号重构111,,pc222,,pc,,KKKpc针对各待检测信号合并干扰信号(1)1ˆ()kkrt(1)2ˆ()kkrt(1)ˆ()kkKrt...匹配滤波器组...(2)1ˆb(2)2ˆb(2)ˆKb.........()1ˆLb()2ˆLb()ˆLKb判决器判决器判决器多级PIC...1ˆb2ˆbˆKb(1)1(1)2(1)K图3-1基于并行干扰消除技术的多用户检测原理框图调制1调制2调制K扩频1扩频2扩频K信道1信道2信道K匹配1匹配2匹配K多用户解调算法n(t)……在第一级中，接收到的基带信号分别通过K个用户的匹配