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1、精品论文推荐基于多用户检测的并行干扰删除性能分析李霞 北京邮电大学通信与信息系统，北京 (100876) E-mail：lixia_bupt摘要：CDMA 系统是一个自干扰系统，多用户检测技术能从根本上消除多址干扰，提高 系统的性能。本文首先介绍了干扰删除多用户检测的分类，然后分别对 2、4、16 个用户的 情况用并行干扰删除技术进行性能仿真，并将其与传统的匹配滤波检测进行对比分析。结果 证明，经过非线性 PIC 检测的误码性能在大噪声环境下得到很大的改善，信号抗干扰能力 显著增强。特别是在用户数比较多的情况下，其优势更为明显。 关键词：多用户检测（MUD），并行干扰删除检测器( PIC)，匹
2、配滤波1引言码分多址(CDMA) 移动通信系统具有抗干扰、容量大、保密性好以及软越区切换等优 良性能，但由于扩频码一般不严格正交，其非零互相关系数会引起各用户之间的相互干扰， 称为多址干扰(MAI)。MAI的存在使得系统容量受到限制，并且带来“远近效应”，严重影响 系统性能。MAI 抑制理论和技术的基本思想是利用MAI中包含的用户互相关信息来估计、 降低或消除MAI的影响。1986年，S. Verdu设计和分析了高斯噪声信道中的最佳多用户检测 器，显示了CDMA 系统改善性能和提高容量的巨大潜力。次佳多用户检测方案可分为线性 和非线性检测器两大类。前者主要包括解相关检测器和最小均方误差(MMS
3、E) 检测器；后 者包括连续干扰抵消检测器、并行干扰抵消检测器及迫零判决反馈检测器等。它们在性能上 接近于最佳检测器，但实现复杂度却大大降低。本文首先介绍了干扰删除多用户检测的分类， 然后分别对1，2，4，16个用户的情况下用并行干扰删除技术（PIC）进行性能仿真分析。 最后讨论了它的改进方案。2多用户检测在第三代移动通信系统中普遍采用的码分多址(CDMA) 技术，由于多个用户同时随机 接入，用户信号在时间和频谱上重合而共享一个信道，却会因为码字的不完全正交而产生多 址干扰(MAI)。传统的匹配滤波器接收把其他的用户信号等效成高斯噪声，即认为不同的用 户信号之间互相关系数很小。但随着同时接入系
4、统用户数的增加，多址干扰的功率也将逐渐 增加，致使系统误码性能逐渐下降，而且距离基站近的功率大的发送信号完全有可能淹没距 离远的发送信号。实际上，不论是多径干扰还是多址干扰，其本质上并不是纯粹无用的白噪声，而是有强 烈结构性的伪随机序列信号，而且各用户间与各条路径间的相关函数都是已知的。因此从理 论上看，完全有可能利用这些伪随机序列的已知结构信息和统计信息，比如相关性，来进一 步消除这些干扰所带来的负面影响，以达到提高系统性能的目的。多用户检测(MUD)的概念实际上是为了有别于常规的匹配滤波器接收机而提出的。常规 接收机是把多址干扰与信道白噪声统统视为白噪声来处理；而多用户检测器认为多址干扰与
5、 白噪声具有互不相同的统计特性，多址干扰是可估计、可再生、可去除的。多用户检测的主要优点有1：1、它是消除或减弱 CDMA 中多址干扰的有效手段，也是 消除或减弱 CDMA 中多径干扰的有效手段。2、能够消除或减弱 CDMA 中远近效应，简化 CDMA 系统中的功率控制，降低功率控制的精度要求。3、弥补 CDMA 中由于正交扩频码-7-互相关性不理想所带来的一系列消极影响，改善 CDMA 系统性能，提高系统容量、扩大小区覆盖范围。3. 干扰删除检测器下面我们来着重讨论一类重要的多用户检测器：干扰删除检测器2。其基本原理是在接 收端分别估计和重建各个干扰信号，然后从接收信号中减去某些或全部的多址
6、干扰估计。为 了提高检测性能，这些检测器常采用多级级联的结构。在判决反馈均衡器中，前面判决的符 号反馈到接收端，以便消除后边符号中的码间干扰。因此大多数这一类检测器都可以称为判 决反馈多用户检测器。用于重建 MAI 的比特判决信息可以是硬判决信息，也可以是软判决 信息。软判决方法实际上就是比特信息和幅度信息的联合估计，很容易实现。硬判决方法反 馈的是非线性方法，为了准确重构多址干扰，需要可靠估计接收信号的幅度。如果信号幅度 估计准确，一般而言，硬判决干扰抵消检测器的性能要优于软判决检测器的性能。3.1 串行干扰删除检测器( Successive Interference Cancellatio
7、n, SIC)这种检测器采用串行的去干扰方式, 一般由多级组成。检测判决的每一级都再生一个用 户的信号, 同时在接收信号中抵消掉这个用户信号, 从而减轻下一级的 MAI。其第一级的结 构如图 1 所示。图 1 串行干扰删除器（SIC）第一级结构图Fig1 the first level of the SIC第一级前面有一个排序功能, 即根据接收信号的功率由大到小排序。第一级的功能包 括：(1) 用传统检测器检测出功率最强信号 y1 ；11(2) 对 y 作出硬判决, 从而得到用户 1 的信息 b ；1(3) 由接收信号再生出用户 1 的时域估计 g1 。需要用到的条件有：第 2 步中的判决 数
8、据 b ；估计用户的定时和幅度；已知用户的扩频码序列。(4) 从总的接收信号 r (t ) 中减掉 g1, 产生部分清除干扰(用户 1 信号) 的信号 r1 (t ) 。如果第 3 步得到的估计值 g1 准确的话, 那么第一级的输出为：最强用户数据的判决值 和没有最强用户引起的 MAI 的接收信号。这个过程将以多级方式进行重复, 第 k 级的输入k是被前一级部分清除 MAI 的接收信号 rk 1 (t ) ，其输出为一个用户的判决数据 b，并由此得到进一步清除干扰的接收信号 rk (t) 。串行干扰删除法是消除多址干扰最简单最直观的方法之一，首先根据接收到的各用户信 号功率按强弱大小排队。每次
9、仅检测一个用户，首先解调出的是最强功率的用户，再从总的 接收信号中减去最强用户重构的最强用户干扰，然后再重建和抵消次强干扰，依次类推下去。 这种算法使得最强用户在 MAI 方面改善极小, 而最弱信号用户将获得极大改善。SIC 检测器结构简单, 运算复杂度与用户数呈线性关系。不足在于：其一是每一级干扰 消除都会引入一比特延迟; 其二是用户功率变化时需要重新排序; 其三是若初始信号比特估计不可靠, 则会对后级的检测产生极大影响。3.2 并行干扰删除检测器(Parallel Interference Cancellation, PIC)并行干扰消除 PIC 检测器与 SIC 检测器原理类似, 不同之
10、处在于 PIC 检测器对所有用 户造成的 MAI 进行并行处理, 对于每一个用户而言同时减去其余所有用户的干扰，输出得 到发射的扩频信号。PIC 检测器也可采用多级级联结构, 其第一级结构如图 2 所示。图 2 并行干扰删除器（PIC）第一级结构图Fig2 the first level of the PICi初始信号比特第一级估计b (1) (i = 1, 2, K )是匹配滤波器的输出, 图中未画, 初始一级引入一比特延时, 从而造成接收信号的幅度估计延时一个Tb 。第一级的功能包括：b (1)（1） i与估计的幅度相乘后再通过扩频码扩频，产生对每一个用户的延时接收信号估计 gi (t T
11、b ) (i = 1, 2, K ) ；（2）部分相加器把除了某一个输入信号的所有信号相加, 以产生对于某个用户的完全MAI 估计。如果能够较好地估计幅度和延时, 对于用户 k 减去估计的 MAI 后,再通过第二个匹配b (1)滤波器组，产生一组新的、更好的信号比特估计集合 2( i = 1 , 2 , , K) 。这个过程可以用多级来重复，后一级把前一级的数据估计作为它的输入，并产生新一组数据估计集合。用矩阵形式可以简洁地描述 PIC 检测器 K 个用户比特数据在第 m + 1 级的输出3。b(m + 1) = y QAb(m)QAb(m)= Ab + QAb b(m) + z（1）式中表示
12、对 MAI 的估计, 完美的数据估计将会完全消除 MAI。4并行干扰删除（PIC）性能仿真与分析首先我们来分析 DS-CDMA 系统下的信号模型。假设 k 个用户共用一个 DS-CDMA 信 道，并受到加性高斯白噪声的影响。按照以下步骤进行仿真： 每个用户产生随机比特，经过调制； 扩频，经过 AWGN 信道； 接收到的信号解扩； 对并行干扰删除多用户检测； 解调判决； 计算误码率。 接收端接收到的信号为：r = s + nK N= bk (i)ck + nk =1 i =1(2)式中 ck 表示第 k 个用户对应的扩频码。第 k 个用户的信息序列随机产生为bk (i),1 i N ， 每个信息
13、比特取值为 1 。N 为每个用户产生的随机比特数，可以随意设置。n 表示经过 AWGN 信道后加入的噪声。并行干扰删除 PIC 根据干扰再生的方式又可分为非线性 PIC 和线性 PIC。经过硬判决的 的干扰再生方式为非线性 PIC。本文仅对非线性 PIC 进行仿真，并且只做了一级 PIC 多用户 检测，多级 PIC 多用户检测的方法以此类推4。 非线性 PIC 具体算法如下： 用传统的监测器检测信号 sk ，k=1,，K。 对符号 sk ，k=1,，K 进行硬判决。 对 K 个用户的信号进行估计再生，这个要通过利用以下信息：a. 第 2 步硬判决的数据；b. 各用户的扩频序列；c. 各用户的时
14、延和幅度估计。 对于第 k 个用户，将接收信号减去所有其他用户的再生信号，即得到第 k 个用户经过 干扰删除后的信号，再对此信号进行解扩。为了突出显示 PIC 的性能，本文采用的方法是：在多用户中选择其中一个用户，对比 其用匹配滤波器相干解调和用并行删除干扰检测的 SNR-BER 曲线。仿真结果图如下：图 3 2 个用户情况下的性能比较Fig3 the different performances between PIC and Matched-Filter (2 users)图 4 4 个用户情况下的性能比较Fig4 the different performances between PI
15、C and Matched-Filter (4 users)图 5 16 个用户情况下的性能比较Fig5 the different performances between PIC and Matched-Filter (16 users)从仿真结果看来，经过非线性 PIC 检测的误码性能在大噪声环境下性能最大要提高 1.5-2 个 dB，信号抗干扰能力得到了很好的改善。特别是在用户数比较多的情况下，其优势更为 明显。可见 PIC 多用户检测可以很好的利用用户间的相干信息来抑制多址干扰 MAI，从而 提高了系统性能。5总结本文通过对 2、4、16 个用户的情况用并行干扰删除技术进行性能仿真，
16、并将其与传统 的匹配滤波器接收进行对比分析，从而验证了非线性 PIC 多用户检测能有效利用用户间的 相干信息，抑制多址干扰，使得通信系统的误码性能在大噪声环境下得到很大的改善，信号 抗干扰能力显著增强。为了提高多用户干扰抵消能力，往往需要进行多级检测，一般实际应用时只需取 m=23 即可。PIC 检测器有多种改进方案，更进一步提高它的性能5。比如：1、使用解相关检测 器作为 PIC 检测器的第一级。2、利用同级已检测出的比特提高其它比特的检测可靠性。3、 线性组合 PIC 不同级的软判决信息。4、每一级只抵消部分 MAI，增大下一级的多址干扰。总而言之，PIC 检测器优点在于：充分利用了 CD
17、MA 信号的结构特征，在对信道参数 估计精确的情况下具有良好的 BER 特性；与 SIC 相比，不需进行功率排序，同时不会引入 太多的时延；采用多级 PIC 结构可以使系统性能进一步提高。当然与 SIC 检测器相比， PIC 检测器运算量稍大。实际系统可考虑在时延和性能间折中，将 SIC 和 PIC 进行适当结合。参考文献1 吴伟陵, 牛凯移动通信原理，北京：电子工业出版社，20022 MOSHAV I S. Multi-User Detection for DS-CDMA communications J. IEEE Communications Magazine,1996: 124-136
18、.3 D.Guo, L.Rasmussen, S.Sun, and T.Lim. A matrix-algebraic approached to linear parallel interference cancellation J. IEEE J. Select. Areas Communication, Jan. 2000, 48(1): 152-161.4 吴琦,申敏多级并行干扰消除改进算法的仿真研究J系统仿真学报2004（Vol. 16 No. 7）5 D.Divsalar, M.K.Simon, and D.Raphaeli. Improved parallel interfere
19、nce cancellation for CDMAJ. IEEE Trans. Communication, Feb. 1998, 46(2): 258-268.the Research of Parallel Interference Cancellation Based onMulti-User DetectionLi XiaBeijing University of Posts and Telecommunications，Beijing(100876)AbstractCDMA is a self-interference system. Multi-User Detection can
20、 help to eliminate Multiple AccessInterference. This paper mainly analyzes Parallel Interference Cancellation based on Multiple-User Detection. Compare to the traditional Matched-Filter Detection, PIC provides better BER-SNR capability and improve the performance of the whole system.Keywords：Multi-User Detection (MUD)，Parallel Interference Cancellation (PIC)，Matched-Filter作者简介：李霞，女，1984 年生，硕士研究生，主要研究方向为 3G 和 4G 移动通信热点技 术与系统仿真实现。曾参与 CDMA 2000 1x-EVDO 前向链路仿真和系统级动态仿真、 TD-SCDMA 网络规划优化、3G 演进的关键技术的性能分析等研究项目。
