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1、一种新的抗MAI方法辅助矢量接收机陈俊晟1， 陈万培1， 孙锦涛2 时间:2008年04月01日 字 体: 大 中 小关键词:扩频DS-CDMA相关检测器接收端多用户检测摘要： 研究了一种新的抗多址干扰方法辅助矢量接收机，它可以表示成期望用户的特征矢量与一系列加权的辅助矢量AV（Auxiliary Vector）之和的形式，AV与权系数的最优值分别根据最大互相关和最小输出能量的标准来选取。与多用户检测MUD（Multiuser Detection）相比，AV接收机具有无需增加MUD模块、无需矩阵求逆、可以用于下行链路、便于盲实现等优点。仿真结果表明：辅助矢量接收机的抗MAI性能略优于解相关检测
2、器和MMSE检测器。关键词： DS-CDMA 多址干扰 辅助矢量接收机多址干扰MAI(Multiple-Access Interference)严重影响了DS-CDMA系统的性能和容量，因此各种抗MAI技术引起了人们广泛的研究兴趣，成为CDMA领域的研究热点之一。能从根本上去除MAI的方法是多用户检测MUD（MultiUser Detection）1,2。MUD的基本原理是在传统相关接收机的后边加入多用户检测模块，通过挖掘相关接收机输出中隐含的多用户信息来估计和消除MAI。研究表明，各种多用户检测方法都能较好地去除MAI，其中解相关检测器和MMSE检测器3因其相对简单的结构以及优良的性能成为最
3、常见的多用户检测器。但MUD的缺点是算法较复杂，大大增加了系统的复杂度，有些还包含矩阵求逆运算（如解相关检测器和MMSE检测器），增加了系统的计算负担，且在使用长PN码作为扩频码时，每个符号周期都要重新计算矩阵的逆，更是难以实时完成。针对MUD的这些缺点，Pados D.A.和Batalama S.N.提出了辅助矢量接收机（Auxiliary Vector Receiver）的概念46。它仍然采用了相关的结构，与传统相关接收机不同的是，它采用由期望用户的特征矢量加上一系列加权的辅助矢量构成的辅助矢量滤波器代替期望用户的特征矢量进行相关运算。选取最优的辅助矢量和权系数，能有效地去除MAI。1 同
4、步DS-CDMA信号模型本文采用同步DS-CDMA模型。因该系统至少在下行链路是可实现的1，如准同步卫星7和微蜂窝8CDMA系统；而且理论已证明，含有K个用户的异步DS-CDMA系统可以等效为含有2K-1个用户的同步DS-CDMA系统。为叙述简明，本文只考虑基带信号。假设同步DS-CDMA系统中有K个用户，则接收信号可以表示为： 其中，Aj是第j个用户接收信号的幅度，bj-1,1是第j个用户发送的信息比特，Sj(t)是第j个用户的扩频波形。假设各用户的扩频波形是归一化的，即是AWGN。设扩频序列的长度是L，对接收信号以码片速率进行采样，则在一个码元周期内可得L个样本点，它们构成RL空间中的一个
5、矢量，于是接收信号可用矢量形式表示成:分别为接收信号矢量、第j个用户的扩频序列矢量和高斯噪声矢量 。不失一般性，假设期望用户是用户1，则上式可以表示为:此式清楚地表明，DS-CDMA系统中信息接收的关键就是要在RL矢量空间中，在多址干扰和信道噪声同时存在的情况下，如何从接收信号矢量r中把期望用户的信息比特b1恢复出来。而可知的只有期望用户的扩频矢量S1。2 传统相关接收机传统相关接收机是将接收信号矢量与期望用户的扩频矢量进行相关运算，再对得到的结果进行判决。因此恢复出的信息比特为:若Sj(j1)与S1是正交的，则=0，这时不会产生MAI，接收机达到了单用户系统的性能。但由于移动信道的多径传播，
6、以及扩频码存在Welch界，使不同用户的扩频矢量之间不可能完全正交，因此在采用传统相关接收机时，MAI是不可避免的。这就是传统相关接收机忽视了多址干扰的结构特征，而只是简单地把它看成高斯噪声来对待的结果。当干扰用户的信号较强时，接收机的性能急剧下降。3 辅助矢量接收机的基本原理辅助矢量接收机仍然采用了相关的结构，却用S1加上一系列加权的辅助矢量AV（Auxiliary Vector）iGi构成的辅助矢量滤波器代替S1来进行相关运算，若AV的个数为N，则辅助矢量滤波器可以表示为:选取最优的Gi和i，则wAV能够有效地去除MAI。当用辅助矢量接收机代替传统相关接收机来检测信息比特b1时，恢复的信息
7、比特为:辅助矢量接收机的原理如图1所示。图中B是G1,G2,GN构成的矩阵，Gi构成B的第i列，即BLN=G1,G2,GN， =1，2，NT是权系数构成的矢量。为了达到最佳的误比特性能，需要选取最优的Gi和i。文献5中提出一种分别采用最大互相关（Maximum Cross Correlation）和最小输出能量（Minimum Output Energy）准则来选取Gi和i，并通过递推来求解Gi和i(i1)的方法。依次递推下去，即可得到所有的辅助矢量和权系数的最优值，再根据（8）式，就可以得到辅助矢量滤波器wAV。4 辅助矢量接收机的抗MAI性能仿真与结果分析对接收端采用辅助矢量接收机的CDM
8、A系统的误比特性能进行了仿真，并与接收端采用的传统相关接收机和常见多用户检测器时的情况进行了对比。仿真使用同步DS-CDMA系统，原理如图2所示。各用户发送的信息比特bj-1,1，且P1=P-1=0.5，采用31位Gold序列作为扩频码。信道噪声是功率谱密度为1的加性高斯白噪声。AV接收机中AV的个数设定为5。每次仿真试验传送50 000个信息比特，求出误比特率。每个仿真结果是100次仿真试验的平均值。图2?图3是在CDMA系统中有4个干扰用户的情况下得到的期望用户的BER-SNR曲线，对接收端分别采用传统相关接收机和AV接收机时系统的误比特性能进行了对比。图中标注的弱MAI对应于干扰用户的S
9、NR为5dB、6dB、7dB、8dB，强MAI对应于干扰用户的SNR为18dB、19dB、20dB、21dB。图中还列出了单用户系统的情况作为参考。可以清楚地看出，采用AV接收机时系统的误比特率远远低于采用传统相关接收机时的情况。在强MAI的情况下，采用传统相关接收机时，系统的BER始终在0.1之上，根本无法进行有效的通信；而采用AV接收机, BER=10-5时只比单用户系统有约2dB的性能损失。还可以看出，随着干扰用户SNR的增强，接收端采用传统相关接收机时，误比特性能急剧变差，而当接收端采用AV接收机时，误比特性能变化很小，这更进一步说明了AV接收机有很好的去除MAI的能力。图4显示了CD
10、MA系统在干扰用户个数变化时期望用户的误比特情况，与接收端分别采用传统相关接收机和AV接收机时的情况进行了对比。仿真中设定所有用户的接收功率相同。仍可以看出采用AV接收机要远远优于采用传统相关接收机。图4?图5显示了AV接收机与解相关检测器以及MMSE检测器的性能比较。系统包含K=16同步、等功率用户。仿真结果显示采用传统相关接收机时BER始终在10-1以上，表明此时系统受MAI的影响非常严重。AV接收机的性能在低SNR区与解相关检测器和MMSE检测器基本相同，在高SNR区则略好于解相关检测器和MMSE检测器。除了有略好于解相关检测器和MMSE检测器的抗MAI性能外，与后两者相比辅助矢量接收机
11、还具有如下优势：(1)采用与传统相关接收机相近的结构，无需在相关器后边增加多用户检测模块，因此复杂度低于多用户检测器。(2)无需进行解相关检测器和MMSE检测器所必需的矩阵求逆运算。(3)只需知道期望用户的扩频波形和定时，所需条件与传统相关接收机相同。这就克服了解相关检测器和MMSE检测器必须知道干扰用户的扩频波形和定时，以及MMSE检测器必须估计干扰用户信号功率的缺点。为在下行链路中去除MAI提供了很好的解决方案，也便于盲实现。辅助矢量接收机是一种新颖的抗MAI技术，它在保留相关结构的基础上，采用期望用户的特征矢量加上一系列加权的AV构成的辅助矢量滤波器来代替传统相关接收机。选取最优的AV和
12、权系数，能够有效地去除MAI。本文的仿真结果表明，辅助矢量接收机具有略优于解相关检测器和MMSE检测器的抗MAI性能,而且辅助矢量接收机还有无需在相关器后边增加多用户检测模块、无需进行矩阵求逆运算、可以应用于下行链路、便于盲实现等优点。因此它不但是一种很有前途的抗MAI方法，而且是在DS-CDMA系统中替代传统单用户接收机的理想方案。参考文献1 Duel-Hallen A, Hotlzman J, Zvonar Z. Multiuser detection for CDMA systems. IEEE Personal Commun. Mag.,1995;2(4):46582 Moshavi
13、S. Multiuser detection for DS-CDMA communications. IEEE Commun. Mag.,1996;34(10):1241363 Honig M, Madhow U, Verdu S. Blind adaptive multiuser detection. IEEE Trans. Inform. Theory, 1995;41(4):9449604 Pados D A, Lombardo F J ，Batalama S N.Auxiliary-vector filters and adaptive steering for DS/CDMA single-user detection. IEEE Trans. Vehic. Tech.,1999;48(6):183118395 Pados D A, Batalama S N. Joint space-time auxiliary-vector flitering for
