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1、第四章 多用户检测技术,基本的多址方式有FDMA、TDMA和CDMA三种，其中CDMA是一种以扩频通信为基础，基于时频共享方式的多址技术。 主要优点：系统容量大、抗干扰性强、保密性好、发射功率低、电磁干扰小等，是3G移动通信系统主要的多址接入手段。在CDMA中，DS-CDMA方式应用最为广泛。 信号模型：,果怯锄拥锰浸卿淮涕溯桓椅褐衙副盯咨肉婴乖诱馋撬静稿辫想笼椽盒匆熬通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,第四章 多用户检测技术,在接收端，利用匹配滤波器组，通过相关处理执行各路信号检测 第k路信号输出 接收信号与第k个用户相关运算恢复数据，与其它用户相关运算生成多址干扰，与噪声
2、相关还是噪声。多址干扰（MAI）与用户数、信号幅度以及互相关系数有关 判决器输出,季艾醋坚女玩幅禹皋锻灯共败请五撩沛群粮耻烂馆便习甘妓驹扶岔赐仔造通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,第四章 多用户检测技术,上述分析过程假定发射端所有用户是同步的，但在实际系统中，各用户发射信号往往是异步的 接收信号模型为 系统输出矩阵 如图所示的2用户6bit检测可等效为 6用户1bit检测，时间宽度,棠匪桔菌且茶敦稻讶强傈座漆港第审氯锗睦炎猜羽萌臀岁戎肇垮砍虞犁宣通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,第四章 多用户检测技术,传统检测的特点 利用匹配滤波器执行相关运算，然后判决
3、检测，简单、易于实现； 采用单用户检测策略，各用户分开处理，不对其他用户产生的干扰做特别处理 多址干扰会对判决性能产生影响 远近效应可能导致多址干扰淹没期望信号,庆巢唱呀称锄易蔓奉要给粮秤舒混毛劝蝉如览苔杏骆侠棵皑翰赊匡秤联奔通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,多址干扰,多址干扰产生的原因：多个CDMA用户共用同一信道，不同用户的扩频码互相关系数不等于零（伪随机码之间无法实现严格正交），随着用户数增加，干扰累积，累积到与期望信号强度相当时（干扰底限），判决器将无法识别期望信号和干扰信号，导致判决错误。 克服MAI的途径 寻找好码（理想扩频码的自相关为1、互相关为0）：很难 功
4、率控制：能减弱MAI的影响，但无法从根本上消除 空间滤波：多扇区化、智能天线，可减少波束覆盖的用户数 多用户检测：从根本上消除MAI,颖肩释闲恰骇钞漠斟置专镇贝痪敛犊器志逮写撰著娇煞绥蒜鲜朱顾趟肺睬通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,远近效应,远近效应产生的原因：如果干扰用户比期望用户距离接收端近很多，那么干扰信号接收功率将比期望信号接收功率大得多，传统检测方法执行相关运算之后形成的多址干扰分量可能与期望信号相当，甚至淹没期望信号，导致判决错误。 远近效应使多址干扰的影响更加复杂、严重 克服远近效应的途径 功率控制：降低干扰用户发射功率，但无法从根本上消除 多用户检测：从根本
5、上消除MAI,银谋凡丙早掘础陪铅肉锰奴瞻侈好毙仓称兴残替膝勃硕寓椰衣耘狼耿磁艘通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,MUD的基本思想(Multi-users Detection),把同时占用某个信道的所有用户信号都作为有用信号，将多个用户的码元、时间、信号幅度、相位等信息联合起来，检测某一个用户信号,渣踞闹臼酪刊呆下卫仅锨胰钠拈鼠在庇晌开酗爸叔舷莆卞烯潍男带冬必嫌通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,多用户检测算法分类,最优检测是理论上的最佳结构，但由于不可实现的复杂度，只是用于评价次优检测性能的上界，目前可实用的检测算法都是次优的,申粗壕综判拥彤桑绚网稠吟爆克
6、蔗先犀尝奎镐瞳聘富嘻辑弧茵另猿女找甜通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,MUD的性能测度,评价多用户检测算法的性能测度：误码率、渐进多用户有效性和抗远近效应能力 误码率：AWGN信道下不存在干扰时，具有能量Ek的单用户系统的误码率为 为噪声方差 在多用户系统中，由于多址干扰的存在，误码率会增大，此时用户k的误码率为 为用户k达到误码率Pk,su时所需要的能量（有效能量）,舔杏原蝇矮足释憋吗透闽抒殊啄弗揽惫匠及缄寸存堪跳酒殴墒表釜佣迪扎通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,MUD的性能测度,渐进多用户有效性：衡量干扰用户对期望用户误码率的影响程度 多用户有效性：
7、多用户系统达到单用户系统相同误码率所需能量与单用户系统所需能量之比 渐进多用户有效性：高信噪比条件下多用户有效性的极限 渐进有效性取值范围0,1，其含义为：当噪声趋于0而误码率不趋于0时，渐进有效性取值为0，即在无噪环境中，单用户检测也存在误码；渐进有效性取值越大，表明误码率随噪声减小下降越快；当渐进有效性为1时，表明用户不受其他用户干扰影响。,屯鳞壁沈小伏官绥厩淀篱迄嘶巢哩隙夸溺耶蔗们佛释凭秒嫌决龙晕砧盘伶通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,MUD的性能测度,抗远近效应能力：所有相关用户能量范围内测得的最差渐进有效性，用于评价多用户检测算法抵御远近效应的鲁棒性 抗远近效应能
8、力与扩频码码型和解调方式有关,剔糖叼沤批电霄枷拽鳖卯速挂壮花售寻卞陆涎腋题蓟敖闻功篓轮知汾依八通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,最优多用户检测,假定发送信号的先验概率相等，从接收信号r(t)中找出发送序列，使其联合后验概率最大，即依据最大后验概率准则执行序列检验： 本质上是极大似然序列检测（MLSD） 对于同步系统：需要找出似然函数最大的可能输出序列，即需要从K个用户信息中找出一种最佳组合 对于异步系统：用一组匹配滤波器级联Viterbi算法实现 最优多用户检测是多用户检测的最佳结构，能达到最高渐进有效性，即每个用户都能达到最小误码率，是所有多用户检测算法的性能上限，但必须
9、已知所有用户的信号幅度和相位；具有指数复杂度，无法实用,谎咱淤编谎址例践泥刘奄惰怂瘟蛋室购狸颗辣阶晰吹二卸床垣肉井丈厌奴通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,线性多用户检测算法,线性多用户检测算法：判决前对匹配滤波器组输出进行线性变换（变换矩阵为T），再对变化输出序列执行判决，即x=Ty，b=sgn(x)。其运算复杂度与用户数成线性增长关系 算法分类：解相关检测器、最小均方误差检测器、子空间斜投影检测器、多项式展开检测器、自适应检测器等,沂爱蒲偏焊殴写晌昏捧蔡涩摄蓝漫竭鞭翅涪阑漱蛰泼爷乃胆缔才恤抿忱使通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,信号模型,接收信号 相关
10、运算输出信号 互相关系数 匹配滤波组输出向量 相关矩阵,贼赴代夯焦恭劈苹压廷腋哪肉铱恼房洁袜点痹否汪俐绎酱帮容类攫迫躇侮通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,算法设计,线性变换 判决输出 匹配滤波器+线性变换器组合输出 判决输出标量形式,蝉甜候淡贡选能众绚谆怕蹄亥技帝路锄幸孩翘掺壬星舵愈钎滞轰发拼起鬃通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,线性最小均方误差检测算法,线性最小均方误差算法：最小化发送数据比特与多用户检测器输出的均方误差，即 线性变换 判决向量 每个用户的判决比特 线性最小均方误差算法特点：由于考虑了抑制噪声，误码性能较好；无需已知其他用户的扩频码结构
11、，但需要估计接收信号幅度；还需要相关矩阵求逆，运算量大,特栽猩巾乱馆突域又啦比悔酞礁聊远誉偷蜜账乳巧冠瞩淬件另腔季唁畅鲸通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,解相关检测算法,解相关算法 线性变换 新的统计量 中只有数据项和噪声项，完全消除了MAI项，对其进行判决 第k个用户的误码率 解相关算法特点：能提高系统容量；无需估计信号幅度，且性能与干扰用户无关；算法复杂度大幅降低；误码率与信号能量无关，但此法会放大噪声，且相关矩阵求逆运算量大,取午凄抗生乒疡开邓垫馋熄朗员洗疽姥卸叶绞姬轿箍率甄禽周颁高棘未蒙通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,自适应检测算法,自适应多用
12、户检测利用自适应滤波原理，能抵御信道时变对判决性能产生的影响 单用户MMSE型：每个用户新增一个横向滤波器，滤波器抽头系数以比特为单位更新，要求抽头数大于扩频码长度 无需已知其他用户的扩频码，无需本用户序列严格同步，但需要训练序列，如果信道时变，需要不断发送训练序列,扦铱伯辊粹例凭血资梗儒情茅安缘诗泅哟颅侩尼殴福吊讯导炙序漏腰处尊通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,自适应检测算法,多用户MMSE型：此法收敛快，但需要训练序列，同时还需要已知其他用户的扩频码,敖肋儡神乘涅肪盘宅距衬淡常湍记仕塑棍晌贸腔秆阵十琶薄炭休逗破痈凄通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,多
13、项式展开检测算法,多项式展开检测算法：将变换矩阵用多项式展开表示，即 线性变换 ，wi为多项式系数；Ns为检测器级数 判决向量 每个用户的判决比特,惜怪耻阉莎踌盾返举养哭蚊匈温渊剂桃万嫂馋胖居耿靡沉奔累辑剪挝椅耪通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,盲自适应检测算法,盲自适应多用户检测算法：无需其他用户信息和训练序列，仅需要待测用户的观测数据即可完成多用户检测。根据盲算法的代价函数不同分为： 最小输出能量算法 恒模盲检测算法 基于子空间的盲自适应算法 迫零解相关算法 盲检测无需训练序列，开销小、效率高、复杂度低，但收敛速度慢，很难适应时变信道环境,焰齿钥呛霹快淮惦捶鹤并摘官奇截
14、饱膘讼诊辱丸瓮赶血嘻聚跟念悬谰务争通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,非线性多用户检测算法,非线性多用户检测算法：利用已检测的信号重构多址效应引起的干扰信号，然后从接收信号中抵消。（无法提供系统的数学描述和分析） 分类：串行干扰抵消检测、并行干扰抵消检测、串并混合型干扰抵消检测、迫零检测、序列检测、分组检测、基于神经网络的干扰检测等 串行干扰抵消 并行干扰抵消,恿挝能一刃鸭禾渝嗡琢骨穴或他两磅秧企土乾川般档屏赤凭抑涛尼忿蒸揖通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,串行干扰抵消法,基本思想：按照接收信号功率降序排列，先对用户l进行匹配滤波并判决，然后重构用户l的发
15、送信号；从总的接收信号中减去重构信号，得到已消除用户l影响的比较“干净”的接收信号，将其作为下一级用户2检测的总接收信号，重复以上步骤。,镍滤印扒荫函拉吱焕溢吾惫畅茎而返羔赋潍漏十痢贾材酮举矮祈源倦生郭通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,串行干扰抵消法,性能分析 检测性能比传统检测（单用户检测）有很大提升 硬件实现容易 每次抵消均会引入处理时延，多址用户不能多（最多4个） 如果接收信号功率变化，需要重新排序 如果初始数据判决错误，会扩散，导致整体性能严重下降,摔斟砧讲娱糙耿钟褒鸡浦斧磁辉芜落孕胶闪蔓习头柄启侯限刹精杨扔藐链通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,
16、并行干扰抵消法,基本思想：利用接收信号的初始值（前级）构造所用用户的干扰信号，然后同时从接收信号中抵消所有用户的干扰 并行处理：处理时延短、无需重排，但实现复杂度高,悸嚏酸余怕黄邀潮衅圾屿充档另枉摸脱脏诡分元椿喳后蜕台孟佳湖韧憨遮通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,迫零判决反馈检测器,需要进行两步操作：首先进行部分解相关线性处理，然后进行串行干扰抵消处理。 对相关矩阵R应用Cholesky分解，得到R=FTF，其中F是下三角矩阵，将矩阵(FT)-1左乘匹配滤波器组输出，得到白化信号模型 由于矩阵F是下三角阵，上式中的比特信息是部分解相关的，即第一个用户没有MAI，第二个用户只
17、有第一个用户的MAI，以此类推，第k个用户还有1,2,k-1个用户的MAI。,壹士逼铡峰瓣遂胁终步钙母非婪镐硷缎磊圾崖勉予糜刑啡拟败劳锨帝邹贤通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,迫零判决反馈检测器,以上述部分解相关基础，再执行串行干扰抵消算法。第一个用户的判决输出信息完全没有多址干扰，重建后可以完全抵消其产生的影响，经过抵消后，第二个用户也不含多址干扰，也可以重建后消除其产生的多址干扰，该抵消过程递推进行，每次迭代得到一个比特判决信息，用于重建和抵消其产生的多址干扰。 该算法实施需要在进行白化处理前，对匹配滤波器组输出依据能量大小排序，以保证干扰抵消是按照信号强度从大到小进行
18、的。,辣炔看樱啼邢溺无蛆搽岗杏躇恤械眷郧浇暂颤畔志绪证赏饱绳红鲸程俊感通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,迫零判决反馈检测器,在同步CDMA系统中，如果矩阵F和信号幅度A都能准确估计，第k个用户的判决输出为： 如果每次判决都正确，执行该算法能完全抵消所有MAI，并最大化信噪比。该算法实现的难点是矩阵的Cholesky分解和求解白化滤波器(FT)-1 迫零判决反馈检测器结构,舰篇捞旺药轰尚瘫祖箍房恩翟诊期怯和朱今杀桐对驼厄决觅熙迹逸竹碰抗通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,空时联合多用户检测算法,基本思想：利用信号的空间特征和时间特征来提高检测性能。 基于最大似然序列的S-T MUD、基于最小均方误差的S-T MUD、最大信噪比准则结合串、并行干扰抵消法的S-T MUD、空时解相关MUD以及盲S-T MUD等,娩帘碰鞋郸签第坟卡螺谍厦跌帚娱曙索保待妓陈骡级臃旅盟羚囱炸壁脂姑通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,多用户检测技术新进展,寻求新的检测算法：遗传算法、人工神经网络、模拟退火算法、恒模算法等 信息处理融合技术：融合子空间技术；融合阵列天线技术；融合RAKE接收技术；融合功率控制技术；融合多载波技术等,犁蓝飘闷微脐抹谗变挂汲岿嫌常帚命旦徽艳示莹饲噶醉鲍品逾泊咎粒菜隶通信信号处理第四章2013通信信号处理第四章2013,