3G培训教材2-多用户检测

多用户检测多用户检测刘林南刘林南 博士博士多用户检测技术多用户检测技术v多用户通信系统多用户通信系统v多用户检测的概念多用户检测的概念5/4/20242多用户通信系统多用户通信系统v多址系统：系统中大量用户共用通信信道以多址系统：系统中大量用户共用通信信道以传送信息到接收机。传送信息到接收机。发射机发射机1发射机发射机2发射机发射机n信道信道接收机接收机 5/4/20243多用户通信系统多用户通信系统v广播网：一部发射机发送信息到多个接收机。广播网：一部发射机发送信息到多个接收机。卫星卫星5/4/20244多用户通信系统多用户通信系统v存贮转发网络：每个成员都具有存储和转发存贮转发网络：每个成员都具有存储和转发功能功能卫星卫星卫星卫星卫星卫星5/4/20245多用户通信系统多用户通信系统v对于多址系统，又分为频分多址（对于多址系统，又分为频分多址（FDMA），），时分多址（时分多址（TDMA）和码分多址（和码分多址（CDMA）v本节将主要研究本节将主要研究CDMA信号的检测问题。信号的检测问题。5/4/20246多用户检测的概念多用户检测的概念v由于信道的非正交性和不同用户的扩频码由于信道的非正交性和不同用户的扩频码字的非正交性，导致用户间存在相互干扰。字的非正交性，导致用户间存在相互干扰。多用户检测（多用户检测（MUD）的作用，就是去除多）的作用，就是去除多用户之间的干扰，来改进系统性能，增加用户之间的干扰，来改进系统性能，增加系统容量；系统容量；v上行上行MUD：去除小区内各用户之间的干扰；：去除小区内各用户之间的干扰；v下行下行MUD：去除公共信道（如导频、广播：去除公共信道（如导频、广播信道等）的干扰；信道等）的干扰；5/4/20247CDMA系统中传统的检测技术系统中传统的检测技术vK个用户，直接序列扩频，单径同步信道，则接个用户，直接序列扩频，单径同步信道，则接收信号的基带表示为：收信号的基带表示为：vCDMA随机码的相关性为：随机码的相关性为：其中其中 ；5/4/20248CDMA系统中传统的检测技术系统中传统的检测技术v则第则第k个用户的相关器输出为：个用户的相关器输出为：其中，其中，为其它用户引入的干扰为其它用户引入的干扰5/4/20249多用户检测的系统模型：多用户检测的系统模型：5/4/202410多用户检测算法的分类：多用户检测算法的分类：多用户检测算法最理想多用户检测次理想多用户检测线性多用户检测非线性多用户检测非线性多用户检测干扰消除干扰消除解相关MMSE判决反馈判决反馈MUD多级多级MUD连续干扰消除连续干扰消除MUD基于神经网络的基于神经网络的MUD基于系统辨识的基于系统辨识的MUDSICPIC5/4/202411最佳接收最佳接收vK个用户分享信道，标记每个用户的波形为：个用户分享信道，标记每个用户的波形为：不失一般性，假设不失一般性，假设 成立；成立；则第则第k个用户相应的等效低通发送波形为：个用户相应的等效低通发送波形为：其中，其中，为比特信号能量，为比特信号能量，为用户数据长度，为用户数据长度，为符号间隔，为符号间隔，为码片间隔。为码片间隔。5/4/202412最佳接收最佳接收vK个用户合成的发送信号为：个用户合成的发送信号为：对于接收，可以表示为：对于接收，可以表示为：而最佳接收就是以匹配滤波器加维特比算法来实现最大而最佳接收就是以匹配滤波器加维特比算法来实现最大似然序列检测。似然序列检测。5/4/202413最佳接收最佳接收v首先计算对数似然函数：首先计算对数似然函数：选择使选择使 最小的信息序列最小的信息序列 ；首先将上式积分展开：；首先将上式积分展开：5/4/202414最佳接收最佳接收 其中其中 表示接收信号与表示接收信号与K个标记序列中个标记序列中的每一个互相关。可以用匹配滤波器代替互相关器；的每一个互相关。可以用匹配滤波器代替互相关器；记记 则上式可以用相关度量的形式表示为：则上式可以用相关度量的形式表示为：表示成向量内积的形式为：表示成向量内积的形式为：其中其中5/4/202415最佳接收最佳接收 计算度量并选择对应于最大度量的信号输出比特在tnT时抽样5/4/202416最佳接收的说明v需要知道接收信号的能量;v复杂度随用户数K呈指数增加5/4/202417解相关检测器解相关检测器符号同步时，符号同步时，K个匹配滤波器输出的接收信号向量为：个匹配滤波器输出的接收信号向量为：则噪声的协方差为：则噪声的协方差为：因噪声是高斯的，故因噪声是高斯的，故 满足均值为满足均值为 ，协方差为，协方差为 的的K维维高斯分步高斯分步5/4/202418解相关检测器解相关检测器于是于是 的最佳线性估计值是使似然函数：的最佳线性估计值是使似然函数：最小化的最小化的 值。该最小化结果是：值。该最小化结果是：取取 中每个元素的符号即可获得检测符号，即中每个元素的符号即可获得检测符号，即5/4/202419解相关接收机解相关接收机 线性变换和检测器输出比特在tnT时抽样5/4/202420解相关检测器解相关检测器研究研究K2个用户的情况，在这种情况下：个用户的情况，在这种情况下：其中：其中：接收信号为：接收信号为：与与 和和 作相关运算，可得：作相关运算，可得：5/4/202421解相关检测器解相关检测器因此得到：因此得到：可以看到，通过变换，消除了两个用户之间的干扰可以看到，通过变换，消除了两个用户之间的干扰5/4/202422最小均方误差（最小均方误差（MMSE）检测器）检测器准则：挑选合适的线性变换准则：挑选合适的线性变换 ，确定其中的矩阵，确定其中的矩阵A，使得最小化均方误差使得最小化均方误差如何获得最佳矩阵如何获得最佳矩阵A：迫使误差：迫使误差 和数据向量和数据向量 正交：正交：同步传输时有：同步传输时有：和和5/4/202423最小均方误差（最小均方误差（MMSE）检测器）检测器求解求解A，得：，得：于是：于是：5/4/202424解相关和解相关和MMSE检测器的一些说明检测器的一些说明v均呈现出理想的抗远近效应的特性；均呈现出理想的抗远近效应的特性；v均涉及对来自均涉及对来自K个相关器或匹配滤波器的个相关器或匹配滤波器的数据进行线性变换；数据进行线性变换；v解相关检测器类似于迫零线性均衡器；解相关检测器类似于迫零线性均衡器；vMMSE检测器类似于线性检测器类似于线性MMSE均衡器；均衡器；v复杂度均和用户数成线性关系；复杂度均和用户数成线性关系；5/4/202425干扰消除器干扰消除器v干扰消除：估计不同用户和多径引入的干扰，干扰消除：估计不同用户和多径引入的干扰，然后从接收信号中减去干扰的估计；然后从接收信号中减去干扰的估计；v干扰消除包括：干扰消除包括：串行干扰消除（串行干扰消除（SIC）：逐步减去最大用户的干）：逐步减去最大用户的干扰，即在检测到干扰信号波形时，一次一个的将扰，即在检测到干扰信号波形时，一次一个的将它们从接收信号中除去；它们从接收信号中除去；并行干扰消除（并行干扰消除（PIC）：同时减去除自身以外的）：同时减去除自身以外的所有其他用户的干扰，即构造出所有用户的干扰所有其他用户的干扰，即构造出所有用户的干扰信号，再从接收信号中抵消掉干扰信号。信号，再从接收信号中抵消掉干扰信号。5/4/202426串行干扰消除器串行干扰消除器v按照接收功率递减的顺序解调用户；按照接收功率递减的顺序解调用户；v步骤：步骤：首先解调最强接收信号的用户；首先解调最强接收信号的用户；在前一个信号被解调和检测之后，恢复出对第在前一个信号被解调和检测之后，恢复出对第二个信号的干扰信号；二个信号的干扰信号；将第二个用户的信号减去第一个用户的干扰后，将第二个用户的信号减去第一个用户的干扰后，进行判决，得到第二个用户的信号；进行判决，得到第二个用户的信号；如此反复进行；如此反复进行；5/4/202427串行干扰消除器串行干扰消除器对第对第k个用户的发送信息作判决时，我们假设对个用户的发送信息作判决时，我们假设对k+1，K个用户的判决是正确的，而忽略了个用户的判决是正确的，而忽略了1，k-1个用户的存个用户的存在。因此，对于同步传输，第在。因此，对于同步传输，第k个用户信息比特的判决为：个用户信息比特的判决为：其中，其中，为对应于第为对应于第k个用户的相关器或匹配滤波器的输出。个用户的相关器或匹配滤波器的输出。5/4/202428串行干扰消除器的说明串行干扰消除器的说明vSIC要求估计所接收到的用户信号功率；要求估计所接收到的用户信号功率；v对于比检测到的用户信号更弱的那些用户信对于比检测到的用户信号更弱的那些用户信号，可将其看出附加干扰；号，可将其看出附加干扰；v计算复杂度与用户数成线性关系；计算复杂度与用户数成线性关系；vSIC检测器是次最佳检测器。检测器是次最佳检测器。5/4/202429多级干扰消除器（多级干扰消除器（MIC）v即在检测用户比特和抵消干扰时采用多次迭即在检测用户比特和抵消干扰时采用多次迭代的技术。代的技术。例：两用户，采用解相关检测器例：两用户，采用解相关检测器 第一级：第一级：第二级：第二级：第三级：第三级：5/4/202430多级干扰消除器的说明多级干扰消除器的说明v当两次连续迭代之间判决没有变化时，可以当两次连续迭代之间判决没有变化时，可以中止迭代；中止迭代；vMIC是一种次最佳检测器，依靠这样的迭代是一种次最佳检测器，依靠这样的迭代过程不能收敛于最佳多用户检测器。过程不能收敛于最佳多用户检测器。5/4/202431并行干扰消除器并行干扰消除器vPIC是在每级干扰消除中，对每个用户减去是在每级干扰消除中，对每个用户减去其他用户的信号能量，并进行解调。其他用户的信号能量，并进行解调。v注意：在每一级干扰消除中，并不是完全消注意：在每一级干扰消除中，并不是完全消除其他用户的所有信号能量，而是乘以一个除其他用户的所有信号能量，而是乘以一个相对小的系数，这样可以避免接收检测中的相对小的系数，这样可以避免接收检测中的误差不被放大。误差不被放大。5/4/202432并行干扰消除器并行干扰消除器 匹配滤波S1匹配滤波S2匹配滤波S3匹配滤波SK匹配滤波S1匹配滤波S2匹配滤波Sk 基带信号基带信号5/4/202433SIC与与PIC比较比较vPIC处理延迟小，但计算量大；处理延迟小，但计算量大；SIC处理延迟处理延迟大，但计算量小；大，但计算量小；v当功率控制不理想时，当功率控制不理想时，PIC性能劣于性能劣于SIC；反；反之，之，PIC优于优于SIC；vSIC对弱用户信号检测的性能更好，但是以降对弱用户信号检测的性能更好，但是以降低强用户检测性能为代价；低强用户检测性能为代价；v多级检测时级数取三级比较合适；多级检测时级数取三级比较合适；v多级检测中的初级检测往往采用传统的匹配多级检测中的初级检测往往采用传统的匹配滤波器检测或解相关检测滤波器检测或解相关检测5/4/202434SIC与与PIC比较比较v为了增加系统的鲁棒性，往往采用部分为了增加系统的鲁棒性，往往采用部分判决反馈；判决反馈；v按功率大小对接收用户信号排序；按功率大小对接收用户信号排序；v软判决维特比译码；软判决维特比译码；5/4/202435多用户检测的研究方向多用户检测的研究方向v智能天线与多用户检测的结合：空时二维智能天线与多用户检测的结合：空时二维处理；处理；v多用户检测和多载波调制（多用户检测和多载波调制（OFDM）的结）的结合；合；v多用户检测和信道译码的结合：软判决多用户检测和信道译码的结合：软判决维特比译码；维特比译码；v多用户检测和功率控制的结合；多用户检测和功率控制的结合；5/4/202436