（信号与信息处理专业论文）基于变步长理论盲多用户检测的研究.pdf

太原理t 丈学硕士研究生学位论文 基于变步长理论盲多用户检测的研究 摘要 随着第三代移动通信系统的即将商用，其主要接入方式c d m a 技 术得到了空前的发展，但由于c d m a 固有的多址干扰和远近效应，使 得系统容量和系统性能受到了很大的限制，解决的主要措施是采用多 用户检测技术。 多用户检测技术是在传统单用户检测的基础上，充分利用造成多 址干扰的所有用户的信号信息对用户的信号进行检测，从而具有优良 的抗多址干扰和抗远近效应性能，然而频繁的发送训练序列严重制约 了多用户检测技术的实时性和实用性。于是近年来，只使用目标用户 的观测数据，不需要其它用户( 干扰用户) 的信息就可以抵消多址干 扰、进行检测的盲多用户检测技术成为了研究的热点。 本文所做的主要工作如下： ( 1 ) 简要回顾第三代移动通信技术的发展，对第三代移动通信的 几个关键技术进行了阐述，说明了运用多用户检测技术的必要性。 ( 2 ) 分别推导了扩频通信系统同步和异步c d m a 模型，在此基 础上分析了常规单用户接收机和几种典型的多用户检测接收机。 ( 3 ) 分析了现有文献中基于恒模准则的盲多用户检测算法，针对 i 太原理工大学硕士研究生学位论文 传统恒模算法的不足，提出了收敛性能更好的非标准约荣恒模算法和 适稻子时交信道的更新约束恒模算法，并迸一步将基于时交步长和基 予m s e 交换缒燮步长璎谂应耀予其窦逶痤迭代算法孛，提爨了秀秘薪 的改进恒模盲多用户检算法。仿真结果表明掰算法比传统算法具有更 优的性能。 ( 4 ) 在原有盼基予最小峰度准爱| j 的盲多用户检测器基础上，加入 约寒埂，掇遗了约寒最小峰度蠢多震声检测冀法，势将m s e 交换交步 长理论应用于约束最小峰度算法中，提出了一种新的改进型最小峰度 盲多用户检测算法。仿真结果表明该检测器具有较强的干扰抑制熊力。 关键词码分多址，盲多用户检测，c m a 育多用户检测，l m k 盲多 用户检测 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h er e s e a r c h0 fb l i n dm u 【j i u s e rd e t e c t l 0 n b a s e do n 、，ari a b l es t e p s i z et h e o r y a b s t r a c t w i t ht h ea p p l i c a t i o no f t h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l es y s t e m ，c d m aa s t h em a i na c c e s sm e t h o di sd e v e l o p i n gq u i c k l yt h e s ey e a r s h o w e v e r ， m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c ea n dn e a r - f a re f f e c tw h i c hc d m ap o s s e s s e s r e s t r i c ts y s t e mc a p a b i l i t y ，a n dm u l f i u s e rd e t e c t i o ni st h em a i nm e a s u r et o r e s o l v et h e s e a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e so fc d m a ，m u l t i u s e r d e t e c t i o n ( m u d ) t e c h n i q u e h a sag o o d p e r f o r m a n c eo f r e s i s t i n gm a i a n d n e a r - f a re f f e c tt h r o u g ht h eu s eo fa d e q u a t ec r o s sc o r r e l a t i o n sa m o n g s p r e a d i n gc o d e so fu s e r st od e t e c tt h es i g n a l s b u tf r e q u e n tt os e n dt h e t r a i n i n gs e q u e n c er e s t r i c t st h eu s eo fm u ds e r i o u s l y s or e c e n t l y ，b l i n d m u l t i u s e rd e t e c t i o nw i t h o u t r e q u i t i n gt r a i n i n gs e q u e n c e sa n di n f o r m a t i o no f i n t e r f e r e n c eu s e r sh a sa t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o na n ds i g n i f i c a n t r e s e a r c h e s t h em a j o rw o r k so f t h i sp a p e ra r es u m m a r i z e da sf o l l o w ： 1 b r i e f l yl o o k sb a c kt h ed e v e l o p m e n to ft h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l e i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h ek e yt e c h n o l o g i e so f3 g o nt h ef o u n d a t i o n o fd i s c u s s i o n ，w ee x p l a i nt h en e c e s s a r yt or e s e a r c ho ft h em u l t i u s e r d e t e c t i o n 2 w ed e d u c et h es y n c h r o n o u sa n da s y n c h r o n o u sc d m as y s t e m m o d e l ，a n a l y z et h ep r i n c i p l eo ft h et r a d i t i o n a ls i n g l eu s e rd e t e c t o ra n dt h e c l a s s i c a lm u l t i u s e rd e t e c t o r s 3 a n a l y z i n gt h eu s eo ft h ec o n s t a n tm o d u l ea l g o r i t h mi nb l i n d m u l t i u s e rd e t e c t i o na n dt h ei n s u f f i c i e n c yo ft h ec m a ，w e p r o p o s et w o k i n d so fn e wc m a ：l c m aw h i c hh a sq u i c k e rc o n v e r g e n c ea n dn c m a w h i c hc a nu s ei n t i m e v a r y i n gc h a n n e l o nt h ef o u n d a t i o no ft h en e w c o n s t a n tm o d u l ea l g o r i t h m ，w ea l s or i s et h ev a r i a b l es t e p s i z et h e o r yi n t h e m n es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ei m p r o v e da l g o r i t h mc a nr e a c ht h e s a l t l eo rt h eb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h et r a d i t i o n a la l g o r i t h m 4 o nt h eb a s i co f t h et y p i c a ll e a s t - m e a nk u r t o s i sa l g o r i t h m ，t h r o u g h c h a n g et h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n ， w ep r o p o s ean e wl e a s t m e a nk u r t o s i s a l g o r i t h ma n dw ea l s ou s et h ev a r i a b l es t e p - s i z et h e o r yi ni t n l es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h ed e t e c t o r sg i v e nh e r e p o s s e s ss t r o n g e rc a p a b i l i t yo f s u p p r e s s i n g i n t e r f e r e n c e k e yw o r d sc d m a ，b l i n dm u l t i u s e rd e t e c t i o n ，c m ab 1 i n dm u l t i u s e r d e t e c t i o n ，l m kb l i n dm u l t i u s e rd e t e c t i o n ， i v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明弓i 用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研或粜。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明确方式标明。本声瞻的 法镶责任由本人承撵。 论文作者签名：日期：丝堑丝丝 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名： 导师签名： 聋! ：望： 日期：z 丛兰! 堕 丝至墼日期：型：丝丝 太蘸理王大学硕士研究生学佼论文 1 1 第三代移动通信系统 第一章绪论 l 。i 。l 第三代移动逸售系统麓发鼹 在过去鹣十几年中，通信技术得蓟了迅速发展，黧现出空前静繁荣紧蒙，尤 其在无线通信领域，更是发生了黛大的变革。从模拟通信到数字通信，从单纯的 话音传输业务剿包括低速数据传输的综合业务，从单旗站系统到多基站系统，从 单一覆盖模式到蜂窝和复蜂窝覆蘸模式。无线通信技零瓣不断进步扩大y 光线通 信懿应矮藏纛，傻褥薪静应焉领域层窭不穷，爨懿移渤遣话、数霪、多媒体、移 动电子商务、菔牙、无线局域网镰等。目前，第三代宽带无线通信系统难在进行 研制和开发，并且向第四代无线多媒体通信飞速发展。 第三代移动通信系统是能够满足国际电联( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n u n i o n ，弼) 掇窭瓣l m t2 0 0 0 f p l m t s 系统蠡准豹掰一鼗移凄逶薅系绞，簧求其 有很好的网络兼容性，能够实现念球范围内多个不同系统闯的漫游，不彼簧为移 动用户提供话酱及低速率数据业务，而且要提供广泛的多媒体业务。i t u 融对i m t 2 0 0 0 的测试环境提出了具体标准，给出了表征i m t2 0 0 0 系统的最低限度的参数， 包括支持豹数爨速率范垂、误璐率标准、单淘的拜寸鬣搽准、激活因子霸渡务量摸 型等。区羽予瓒有戆第一我帮第二健移动透信系统，第三代移动逶售系绕豹主要 特点为【1 1 ： ( 1 ) 众球无缝漫游 第二代移动通信系统一般为聪域或国家标准，丽第兰代移动通信系统将是一 令在全璩落黧瘛覆盏窥使爱瓣系绕。宅凌镬矮共同豹菝莰，全蘩统一标壤。 ( 2 ) 凝裔支持多媒体业务的能力，特别是支持i n t e m e t 业务 现有的穆动通信系统主要以掇供话音业务为主，对于数据业务仅能提供不到 】 太原理工火学硕士研究生学位论文 1 0 0 2 0 0 k b i t s 的窄带业务，g s m 演遴到最高阶段的速率能力为3 8 4 k b i t s ，而第三代 移动通信系统的业务能力将比第二代有明显的改进。它能支持从话音分组数据到 多媒体效务，躯根据鬟求提供会逶豹繁宽。i t u 娥定酶繁三代移麓逶售无线传辕技 术的最低簧求是必须满足：快速移动1 4 4 k b i f f s ，窳外或步行环境3 8 4 k b i 魄，窳内 2 m b i t s 。 3 ) 便予过渡、浚遴 由予第三代移动邋信引入时，第二代网络已舆有相当规模，所以第三代的网 络一定簧能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进而成，应与固定网和现有移动网 兼容。 根据i t u 的标准和第三代移动通信系统的特点，世界各大墩信公司联盟均已提 出了自己的第三代移动通信系统方案，主要有以网本d o c o m o 公司为首提出的 w c d 知饮、荚莺l u c e n t 翔m o t o r o l a 等公霹提窭静e d 糙a 2 0 0 0 以及我莺提出懿掇舂鑫 主知识产权的t d s c d m a 。在这三种解决方案中 w c d m a 继承了第二代移动通 信体审i j g s m 标准化程度高和开放性好的特点，标准化进展顺利，运营商可以通过 在g s m 爨终圭弓| 入g p r s 耀终设鍪秽凝犍务，墙旁数据篷务溪爨群 搴，逐步逶渡裂 3 g ；c d m a 2 0 0 0 是从i s ，9 5 窄带c d m a 演进而来盼第三代移动通信技术，其稀准是 一个体系结构，称为c d i v l a 2 0 0 0f a m i l y ，包含了一系列的子标准，c d m a 2 0 0 0 继承 了i s 9 5 零繁c d m a 系统瓣蔹寒特熹，运营囊露榉褥戮在搴带c 鞫圆耋a 网终中凳羧或 增加部分随络设备逐步过渡到3 g ：t d s c d m a 较前两种技术标准略显稚嫩，目前 尚没有大规模商用化，佩已经在国内的某些城市开通了试验局，由于这是我阑自 主提出翳3 g 际建，穆s e 跳缮刭? 嫠患产监部懿大力支持，诲多海内强瓣疑名 通信设备商也已经加入并形成了新的产业联盟。 可以蒋出，尽管第三代移动通信系统的标准不一，但无一例外的采用了c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 鬃式，然嚣在复杂豹移囊逶售环浚羁有 限的频率资源下，要达到高容量、离质量、高速率的实时通信，c d m a 技术需要 克服三个因素的影响【2 】； ( 1 ) 多篷手撬( m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ，m a d ：区裂予f d m a 帮t d m a ， 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 在c d m a 系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区 分的，而是用各不相同的扩频码序列束区分。从频域或时域来看，多个c d m a 信 号是重叠的，若要从接收机准确区分各个用户，需要保证系统分配到各用户的地 址码严格正交。然而实际系统中，受异步及多径衰落的影响，扩频波形之间的正 交性将受到破坏。另外严格的正交码码字的个数是有限的，同时会限制系统的容 量。这样由于扩频码的非正交而引起各用户之间的相互干扰，称为多址干扰。并 且随着用户数的不断增多，m a i 会随之增大。 ( 2 ) 衰落信道：无线电信号经过移动信道时会受到来自不同途径的衰落。一 般来说，这些衰落可以归纳为三类：第一类是由于信号在自由空间传播引起的损 耗和弥散，称为距离衰落；第二类是阴影衰落，也叫慢衰落，主要是由于传播环 境中的地形起伏、建筑等障碍物对电波遮蔽所引起的衰落，衰落幅度一般服从对 数正态分布；第三类是由于多径引起的快衰落，也叫多径衰落。 ( 3 ) 远近效应：移动用户的位置不断变化以及深度衰落的存在，强功率用户 的信号会抑制弱功率用户的信号，离接收机近的用户信号淹没了离接收机远的用 户信号，使得系统性能严重恶化，产生所谓的“远近效应”。远近效应会极大地影响 弱信号用户的接收性能。 1 1 2 第三代移动通信系统的关键技术 随着c d m a 系统的商用化，抑制m a i 和远近效应以提高系统的性能、增加 容量有着十分迫切的要求。为了抑制多址干扰、抗衰落、克服远近效应以保证业 务质量，c d m a 系统采用的关键技术有多载波调制、智能天线、功率控制、分集 及多用户检测技术等 3 1 。 ( 1 ) 多载波调制技术 其基本原理是将所要传输的数据流分解成若干个子数据流，每个子数据流具 有低得多的数据传输比特速率，并且用这些数据流去并行调制若干个载波，然后 合成输出。其主要优点是可以有效抑制在单载波系统接收机中由于线性均衡所引 起的噪声及干扰，其较长的信元周期对噪声和快衰落也有更大的抵抗性。因为时 间弥散是无线信道传输速率受限的一个主要原因，而在多载波调制的子信道中， 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 数据传输率相对较低，码元周期长，只要对延扩展与码元周期之圪小于一定的值 就不会产生码间干扰。 ( 2 ) 餐驻天线 智能无线由多个必线单元组成，每一个天线盾接一个加投器( e p 乘以菜一个 系数，这个系数通常怒复数，既调节幅度又调节相位) ，最后用相加器进行合并。 尾智能天线对接收信号遴行空域韪联哥减夸多缝节挽黠信号的影睡，采用爨莠一 定方囱饿的扇形天线掰以消除菜一角度内的其它干扰，提高系统性能。基站智能 天线包括两个重要组成部分：一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角 绩诗，势送行空闯滤波，从嚣 辔制移动台豹于扰；二是对基懿发送信号遴弦波束 形成，使旗站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送潮移动台，从衙降低 发射功率，减小对其他移动台的干扰。智能天线技术能够在较丈程度上抑制多用 户二f 扰，扶恧提高系统容量。当然餐戆天线搜零魄存在一些岗隈佳，翔圭存在 多径效成，每个天线均需一个r a k e 按收机，扶而使基带处理单冗复杂度明显提高。 ( 3 ) 功率控制 功率接裂是逶过羧铡发射极豹发射功率，在保涯接彀豹壤凝下尽量减夸发射 功率，使不同远近用户副达接收点的功率或信噪比有大致相同的强度，从丽达到 减轻远近效应的影响。功率控制技术在相当程度上趋于成熟，融广泛应用予军队 熬无线移动逶售，势醴在上泰酶c d m a 移动逶露没备孛使震。 ( 4 ) 分集接收技术 在c d m a 移动通信系统中，由于信号带宽较宽，因而在时间上可以分辨出比 较缨微黪多经落号。鼹分辨老熬多经痿号分裂送符秀羹莰调整，经会或之蓐懿落号 得以增强，从而可在较大程度上降低多径衰落信邋所造成的影响。 ( 5 ) 多用户检测技术 多攥户捡溅技本楚蒸予痿惠论，劳逶遥严爨豹理论分辑黪撵基夔一静赣蓬撬 多址干扰技术。相比以上几种抗多址干扰技术其饿能更优越，躐可以抗多址干扰， 又可以抗邋近效应和多径干扰，所以多用户检测融成为近年来移动通信研究的热 熹潆逶之一。 4 太厣理丁大学硕士研究生学位论文 在蜂窝移动通信中，多用，、伶测一般用在从移动台到荩站的上行链路中。因 为基站的数目很少，位营 _ l 定爿体积、重量相对较小，所以在基站实现多用户检 测的代价是合理的。在笫三代移动通信系统i m t - 2 0 0 0 的候选方案中，各国一致希 望在i m t - 2 0 0 0 的候补建议中采用多用户检测技术。目前，日本主要在研究多级干 扰抵消检测，美国主要研究自适应线性多用户检测，而且这两类多用户检测技术 己经有了d s p 的实现。欧洲标准协会在i m t - 2 0 0 0 的候补建议中，提出前向链路采 用基于线性最小均方误差( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ，m m s e ) 准则的自适应检 测方法。可以预见，随着数字信号处理技术和微电子技术的发展，性能更好和降 低复杂度的多用户检测方法必将在未来移动通信系统中得到广泛应用。 十几年来，越来越多的学者致力于该领域的研究，提出了大量有效的多用户 检测算法以及盲自适应多用户检测算法。盲自适应多用户检测算法是在只知道期 望用户的特征波形和其定时信息的情况下，实现对多址干扰的有效抑制，检测出 任意给定用户。由于不需要发送期望用户的训练序列，不需要干扰用户的先验知 识，所以在实际应用中有着十分广阔的前景，现已成为目前多用户检测技术的研 究热点。 1 2 第三代移动通信系统中的多用户检测技术 1 2 1 多用户检测技术概述 传统单用户检测器只是简单地将匹配滤波器的输出判决作为该用户所检测的 码元信息，忽略了系统中其它用户多址干扰所包含的信息，因而随着用户数增加， 这种检测方法的多址干扰更加严重。它将接收信号通过足个匹配滤波器分别进行 解扩，然后直接对匹配滤波器的输出进行比特判决。对于用户k ，其匹配滤波器的 输出有三项，第一项是待解调用户的信号输出，也就是我们解调时所需要的数据 信息。第二项是由于信道噪声引起的干扰，而第三项就是系统中其它用户产生的 多址干扰。这种传统的接收机对单个用户的信号使用相应的匹配滤波器解调，将 其它用户的信号作为干扰加以抑制。相当于忽略了不同用户间的互相关特性。该 方法有两个缺点：首先，对于给定数目的用户，为了获得尽可能低的互相关特性， 5 太原理工大举硕士研究生学位论文 在找不到健能更优盼避謦歹| j 的前提下，必须使用受长的扩频码膨列，这样就降低 了频带利用率，增加了设备复杂度。其次，由于谈码率随干扰信号的增强丽指数 上舞，传绕方法对远遥效应 # 卷敏感，在没有功攀控制的情瑰下尼乎无法使耀。 从香农信患论的观点泉蒋，传统的接收系统将多城干扰等效为离斯噪声是把肖用 信息丢掉了，因而判决尉误差较大。 多震声检溅的想法娥旱在1 9 7 9 帮走s c h n e i d e r l 4 1 提出，1 9 8 4 年v e r d u 5 掇枣_ 程 分析了最优多用户检测嚣和最大序捌检测器，1 9 8 6 年他又将最优多用户检测的理 论向前推动了一大步，认为多址干扰是具有一定结构的有效信息，理论上证明采 震最大戗然痔剜捡溅( m a x i m u ml i k e l i h o o ds e q u e n c e sd e t e c t i o n ，m l s d ) 弼甄遥 近单用户接收性能，并商效她克服远近效应，大大提高了系统容燕。在v e r d u 最优 多用户检测理论的基础上，近年来圈内外学者提出了很多改进的多用户检测算法。 1 2 。2 多焉声捡溅技术熬分类 多用户检测技术的分类如图l l 所示。 图1 - 1 多用户检测技术分粪 f i g 。1 - 1t h ec l a s s i f i c a t i o no f m u l t i u s c td e t e c t i o n 6 太原瑾王大学硕十研究生学髂论文 ( 1 ) 最优多用户检测器 v e r d u 提滋的多弼户检测器是在加洼高斯自噪声信遭下的最优多用户检测。接 渡撬最霞缝稳为莲配滤波器热上维特昆( v i t e r b i ) 裣溺算法，甏最大酝然痒捌检测。 仿真结果表明，该算法能实现岛单个用户接收时几警完全一样的性能。但实现上 述算法的运算量随着用户数的增加成指数增长，且实现m l s d 算法需嚣知道所有 用户的扩频码、信号幅度、相位和多径时延。因此，最优的m l s d 算法的多用户 捡溺器在实鼯孛是难班实现鹃，京仅其奏理论意义麓实舔实瑷露熬理论拣准。掰 以研究人员为了寻求实际应用价缀的方案，提出了缀多次最优多用户检测算法。 目的是在牺徽定性能的条件下，寻求尽可能简化麓杂度的方案。 ( 2 ) 次耀优多用户检测器 次最傀多耀户捡测器主要分为线性检测器和j # 线馒捡测器。线性多用户检测 器豹毪l 运遴饶子传统戆裣测嚣。其基本结梅是在菠酝滤波器蜃燕主一个线毪交 换矩阵，使其在性能下降允许的范围内，最大可能地简化实现复杂度，此时问题 可归结为如何寻求次最优的线性变换矩阵。线性检测器主要有解相关检测器【7 1 、 最小均方误麓检测器1 8 l 和自适应多用户检测器跏。j # 线性检测器主要分为审行干扰 抵港多瑁户羧测嚣、蒡嚣于羧羝溪多矮户捡测器弹辩】移遥零粪凌爱馕多掰户捡溺 器f 1 2 t 等。 解相关捻测器是对传统检测嚣的判决输出使用求逆以解调出数据，解相关检 测器可在提搿噪声功率为代价的前提下完全抑制m a i ，可以不需要符母的集中检 溅，每个用户攀独送行捡溺，嚣簧黥售塞少，不嚣娶知道曩户豹癌号蟋发，实现 静复杂发低，毽求逆是影嗨工纛蜜蜣的瓶颈所奁，鬃浓扩频码为短褥。 最小均方误差检测器的基本原理是通过调整权假使系统输出与输入的均方误 差达到最小。可在抑制m a i 和提黼噪声功率之间取得个折中，可以实现自适应， 对时交信道柬游最重要。自适应不仅能自动跟踪信邀变化，面且还可以降低每次 蠢錾谤算羹。 自适应线性多用户检测器类似予自适应均衡，糟线性最小均方误麓准则， 只要求已知期魍用户的训练数据，通过应用各种标准的自适应算法( 如i m s 和 7 太原理工夫学硕士研究生学位论文 r l s ) 调整权值，自适应地将接收机参数调藏到理想的工作状态。但这种方法有明 显的弊病，实时性缀差，姿信道喻应突然变伍或者惩户数耀变化的时候，裁要重 新发送训练序列，丽频繁发送训练序列就会对宝贵的频谱资源造成极大的浪费。 于撬羝瀵捡溺器戆主要愚鏊藏楚裂耀藏瑟豹捡溅缍栗在接收镑号孛减去部分 多址干扰，分为串杼干扰抵消和并行干扰抵消。串行是按照用户功率大小相继检 溅磁信号；褥并行怒指各羯户之麓豹楚理麓藏多进行静，猩处理土没有优先校豹 区别。串行干扰抵消的缺点是每一级都有延时，当信号功搴强度顺序发生变化时 需簧重新雄穿，优点是只需在传统检测器的基础上附加少嫠硬件就可实现。并行 干扰抵消的优点是处理延时短，无器按功率排序，实现复杂度低。缺点是如果初 始数据判决不可靠，将对下级产生较大的干扰。 刿决反馈检测器可爱纷奉行子扰抵瀵捻测嚣懿改进，凝功率捺序墨增攘噪声 白化滤波器，使相关矩阵变为下三角矩阵，这样对多址干扰的消除慝为彻底。但 该算法需要逐行功搴蘩亭、耍霹撂美矩痒骰c h o l e s k y 分辩秘计算臻声鑫纯滤波器 的逆矩阵，复杂度较高。 线往多躅户检灏器能眈较完整豹迸行定爨静数举分析和描述。讴麸工稷上看， 往往不如非线性检测器。然而，由予非线性检测器没有系统的数学描述与分析工 其，理论上研究较为困难，只能利用一些工程数学方法进彳亍粗略的分析描述和仿 真。从现有一些次优化检测嚣来看，睫着照产量增加会带来一些重复运算，运算 不收敛，迷必全局最优点等一系列问题。它们的存在，使得检测的运算次数和误 鹨零瓒大。 在实际的通信系统中，多用户信号检测应该是寅时处理的，可以利用自适应 滤波算法对备稀捡溺算法豹滤波器袈数葭蠹避行更新，逶过发送已知酶调绦序列， 自适应地将接收机参数调整到理想的工作状态。尽静自适应多用户检测器具备一 些优点，但这种方法有明显的弊病，当信道响应突然变化绒出现新的i 胃信邋用户 时，霈要重发训练序列，蔼训练序列的频繁发送会造成频落资源的匿大浪费。医 此，为了解决自适应滤波的弊端，人们致力予盲多用户检测技术的研究。自h o n i g 窝m a d h o w i 3 】子1 9 9 5 年提筑富捡溅戆愚恕跌寒，嚣发苓嚣簧凄套用户豹扩频序碟 8 太原理童犬学硕士研究生学信淦文 信息、也不需爱发送训练序列的宵多用户柃侧算法就一跃成为了移动通信领域的 研究热点。 1 3 盲多用户检测技术 1 3 1 盲多用户捡测技术概述 抗多蛙予挠接收豹蟊静就是农接收过程中，尽鬣绳敬期望耀户绩惑，辩粒捧 制其它多歉予扰。叠蓠已经疆滋7 多耱撬多蛙于貔鹣多焉户检溺器，方鬃实现所 要求的信号参数虽不相同，但怒大多数不是要求知道午扰用户的扩频粥知识，就 是需要发送训练序列，唯有盲多用户检测器例外。w o o d w a r d 1 4 】于1 9 9 8 华比较总 结了几种常照多用户接收机所鬻的先验信息，见袭1 - i 。 表1 - 1 多弼户检测竞验馆患缘较 t a b 。1 1p r i o ri n f o r m a t i o nc o m p a r i s o no f m u l t i u s e rd e t e c t i o n 先验信息期望用户平扰用户期望用户 干扰用户相对训练 检测式 特征波形特征波形定时信息定时信息幅值序列 纂掰户 00 最霞多用户 00 解相关 1 ，0v 、， s i c & 雾级 、 v 、f、， v 自适威m m s e 00 富m m s e 由上表可以看出，最优多用户检测和解相关多用户检测都需要知道干扰用户 的特征波形朔定时信息。然而，谯某些应用场合干扰用户的扩频序列并不为接收 枧所知，最典型的应用环境如c d m a 蜂窝系统前向链鼹中，由于移动螽的复杂度 隈割察安全秀嚣豹覆困，移动终漩逶常不鲡遂其它建声戆扩簇彦麓。森爱定链鼹， 基站接收机遇常不知道其它小区用户的扩频序列。对于需要干扰用户兔骏信息的 接收机而亩，最多只能消除来自本小区的干扰，对予来自其它小区的多址干扰无 9 太嚣瑗王大学硕士婿究生掌像论文 黢为力。一般囊适皮多薅户检涎方寨不懿耍知道予砉l i 用产懿强嚣知识，毽要求谢 练序列。其工作过程中的准则怒使输出值与理想数据之间的均方误差最小，即服 从m m s e 准则。自邀应多用户检测虽具鹰一些优点，但当僖道螭应突然发生变化 域出现新的同信道用户时，训练序列便需囊重新发送，这势必造成信邋带宽的浪 赞；另一方面，对予c d m a 的前向链路，移动用户很难获知千扰用户扩频波形的 准确售惠。函魏研究不需韬| 练序列也不畿获知干挽糟户信意筋盲自适应多用户稔 测器就成为目前研究的一个热点。 1 3 2 盲多弼户检测技零鼢研究露获 目前，国内外的肖多用户梭测算法火致可以分为以下几种：基于最小输出能 爨难受| j 豹算法l 璜、鏊予恒模准粼鹣算法【嘲、基予予空瘸分解瀚算法盼辐1 ，基予离 阶累积量的算法【1 9 1 、基于卡尔曼滤波的算法【2 0 1 以及凝于神经网络的算法1 2 1 , 捌等等。 ( 1 ) 蒸予m o e 灌弱懿鸯多嗣户检测算法 m h o n i g 等【1 3 】子1 9 9 5 年酋次提出的商多用户梭测算法，即为基于最小输出能 羹( m i n i m u mo u t p u te n e r g y ，m o e ) 准则黪毫多髑户捡测算法。其主爨愚想是选 掸多用户检溯器的输出能量为代价函数，在满足一个或多个约束条件下求使得遮 个代价函数最小时对廒的最傀投矢量，然后采用自遁应算法邋近最优投矢量。农 缀熊m o e 商自适应多用户检测器中，曾榴华等吲将m o e 与s a t o 算法相结合，提 出一种判决反馈变步长m o e 茵检测器，既保持了m o e 检测器的全局收敛性，又 疑有较高静输毒信噪阮。隗炜簿湖、宋荣方髑将京时技术舄m o e 猿黉| j 褶结合， 设计了一种新颖的盲空时多用户检测器，由于空间信息的引入，使得多用户检测 筲浚痤矮劐楚载系统，系统容豢褥受| 遘一步撵毫。 文献 1 3 】首次提出的基于m o e 的盲多用户检测算法是基于高斯信道的，计算 豢夺，吴鸯全羼牧敛瞧，堡露藤号失醚嚣零敏感，当售遂存簌多径影镌藩，髭笺 法不能达到满意的性能。为了克服这一缺点，m k t s a t s a n i l 2 6 刎研究了多径信道中 的多约束m o e 富多鼹声检测算法，z t i a n l 2 s ! 递一步提出了鲁耱鲍多约寒m o e 蛮 多用户检测算法，它通过增加一个二次不等式约柬提高系统的鲁棒性，减少由乎 冀他形式的校准错误和信道扰动引起的系统失配。刘婷例将m o e 盲多耀户检测器 1 0 太原珲工大学硕士研究生学位论文 分为单约束和多约束m o e 百多用户稔溯器两大类，并对多约束m o e 盲多粥户检 删器进行嬲为细致的划分，并且针对现自文献中关于可变约束m o e 盲多用户检侧 器雏r l s 舞法不足，掇滋了一秘改遴鍪m o e 藿多惩户检测繁演，避免了艇簿求 逆和大量的特征值分解运算，仿真缩果表明新算法与直接利用特征值分解的r l s 算法有相：i 璇甚至更优的性能，但程序运行时间却大大缩小了。 ( 2 ) 基予子空阕豹蠹多爱户捡测算珐 x d w a n g 等 3 0 入于1 9 9 8 年提出了基于予空阈的盲多胄i 产检铡算法，篡主要 思想是通过予空间跟踪技术获得信号予空间，并利用它来消除来知用户造成的干 扰。宅逶避慰最蓊戆 鑫入采样自稳荚短阵终特髹蘧分簿，然瑟纛迭我黪方法获褥 以后输入数据的特征值，每个码元刷新一次。目前，最有代袭饿的三种子掇间跟 踪技术是p a s l d 【3 1 1 、b i s v d t 3 2 j 和p r o t e u s | 3 3 1 ，识它们存在一个共同的问题就是 在每次迭靛遗程孛霈簧辩热垂交瞧约袭条磐器爨诞子空阕豹燕交经。既转述存在 子空间秩的跟踪，这样就增加了实现的复杂度，另外跟踪能力受子空间的溅交性 误差的影响。台湾学者j y h - h o m gw e n 3 4 1 在2 0 0 1 年6 月提出了一个解决的办法， 瑟蔫手撬警空麓我替嫠弩子空麓，凌每次迭钱步骤孛藏捡霹臻弩子空舞戆豢交性 约束，同时在整个跟踪算法过程中对干扰自相关缀阵进行跟踪，这样在降低实现 复杂度的同时又能保持跟踪前后各特征向量之间的正交性不变。子空间算法的优 势在手充势穰弱了数字穰号懿子空瓣特往，牧敛遽发莰，其袋貉在予谤雾篾杂疫 高，低信噪比情况下谈码性能较差。 ( 3 ) 基于恒模准则的盲多用户梭测算法 蓬禳舞法( c o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h m ，c m a ) 獒基零嚣愆是嚣震发送信号 的幅度统计特性来调整权系数，使得输出信号的幅度保持恒寇。恒模算法最早是 1 9 8 3 年由j r t r e i e h l e r i j s l 提出来的，随后在九十够代得到了广泛深入地研究，但主 要集中瓷缛撵器戆瘦麓巾。1 9 9 5 年，m 。l h o u l g l 3 弼将毽换算法寂惩戮多震产稔测孛。 由于恒模算法引入了高阶统计特性，分析比较复杂，而且往往得不到简单崴观的 解，严重隰碍了它在其它方面的应用。目前关于恒模算法在雷多用户检测中应用 懿磅究并举是攘多。w l e e 等朗分辑了藿模算法程畜多孺产梭溺孛熬应震，指出 太原理工大学硕士研究生学位论文 恒模算法鼹有收敛速度侠、性能较好的特点，值存在局部收敛点，面且收敛点与 算法初始化、用户扩频码间的相关矩阵和用户接收功率有关，遮实质上说明了算 法受多蛙带扰和远近效殿的严重影响。改进酶方法蠢嚣秘，秘是修改代馀灏数， 一种是增加约束条件。文献【3 s 】和f 3 潮分析了高斯倍道中恒模算法的收敛特健，指 出在满足一定条件下，线性约束恒模辣法具有全局收敛性。王艺锋【舯】在总结m o e 、 s a t o 纛传统c m a 算法黪基疆上提出一j 黪差分毽模冀法多用户捡测器，将传绞瞧模 算法进行了改进。孙守字等脚j 提出了种修正的憾模算法( m c m a ) ，并将典应用 于盲均衡技术中。该算法能使被修芷的误差函数最小化，并且囱适应学习率可由 接收亭列鼯辩调整。弼旋交振幅调制信号对嚣弹雾法进行了黢戆院较，模拟续栗 显示提出瀚修正恒模算法比普通恒梭算法的收敛遮度快，均衡输出符号闻干扰小。 薛强等 4 2 1 将基于恒模的肖多用户检测簿法推广到了多径衰落信邀中，并证明这种 算法懿收敛速度魄子空阉骞多焉户梭溅冀法鞘差，毽稳态性能强予子空闻算淡， 算法复杂魔不高，有利于工程实现，缺点是必须对多径信道的储道参数进行储计。 ( 4 ) 熬于高阶累积爨的盲多用户检测算法 裹黔绕毒 量算法由予收敛性不荔保涯，诗算鬃铰丈，使簿荚应臻受餮了缀大 的限制。能是近年来许多学者在高阶统计量理论的旗础上提出了许多改进的算法。 t a n f i k u l u0 1 4 3 1 等提出了一种具有较低计算量的最小平均峰度( 姒- m e f l l lk u r t o s i s ， l m k ) 准捌黥系统鼋 鬃舞法，唐握强等畔嚼该算法应矮手骞多惩户捡溅算法孛， 分析证明了这种检测算法的收敛性和可以实现多用户信号的盲髂相关，并对潺于 该准则的线性盲自适应检测器和基于最小均方准则的检测器的收敛性能进行了仿 真魄较。蒋笑藩等郦矬一步将基于l 溯敝熬骞多躅户检溅算法攫广劐多径系统审。 然而现有的盲检测器也有其一定局限性，因为只知道用户的部分信息，其他 的信息需要估计，有的冀法只能达到局部最小，不能达到全局最小，有的算法又 是复杂度遗褒，复杂度奎戆算法经黥又达不鬓最钱。酝夔在实瓣应悉孛，嚣簧在 性能和复杂魔之间进行折衷考虑。 1 2 太原理1 = 大学硕十研究生学位论文 1 4 本文的内容安排 第一章为绪论。简要介绍了第三代移动通信系统的产生、发展以及其主要特 点和关键技术，讨论了多用户检测和盲多用户检测技术的研究意义和研究现状。 第二章为盲多用户检测技术的基本理论。首先在扩频通信理论基础上分别给 出了c d m a 多用户系统接收信号的同步和异步数学模型：介绍了几种常用的多用 户检测技术，分析了他们的优缺点；推导了一种典型盲多用户检测器的l m s 和 r l s 算法。 第三章在基于传统恒模准则的盲多用户检测算法基础上，给出了两种改进算 法；非标准约束恒模算法和更新约束恒模算法。并把变步长理论应用于新算法中， 最后进行了计算机仿真。 第四章提出了一种无约束项的最小峰度盲多用户检测算法，并采用变步长理 论对算法进行了改进，最后给出了具体的计算机仿真。 第五章为全文总结，归纳了作者在多用户检测研究方向上所作的工作，并对 进一步开展研究的方向讲述了个人的看法。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章言多用户检测技术戆基本理论 2 。1 扩频透信麓基本原理 2 。l 。1 扩频通信懿基本凝念 c d m a 给每一用户分配一个难一豹码岸列( 扩频码) ，并用它对承载信息的信 号进行编码( 扩频) ，知道该用户码序剜的接收帆慰收别的信号进行解码，并恢复 出原始数据。由于码序列的带宽远大于所承载信息的傣母的带宽，编码过程扩展 了信号的频谱，所以也称为扩频调制，其所产生的倍母t 6 l 称为扩频信号h 6 “7 1 。 扩频通信的理论基础来源于信息论和抗干扰理论。辫农信息论娜中提到；对 于连续信道，若信道带宽为w ，受到加性高斯自噪声干扰，篡信道容量的理论公 式为 c = w l 0 9 2 ( 1 + ) ( 2 式中，c 为信道容量，为信号频带宽度，s 为倍母功率，n 为自噪声功率。 由式( 2 - 1 ) 可知，一定的信道容量c 可用不同的傣譬频带宽度矿和信嗓磁 的组合来传输。若用较大的传输带宽w ，则间样的傣邋察纛勰够由较小的信号功 率( 较，j 、的信噪比) 来传送。这样宽带系统袭域嫩较好瓣靛千貔性。西此，当 霉名太夸，不莪僳涯遂信囊量跨，鬻采震竟鬻鬈缓，糟“繁宠羧凌率”。扩颓透售裁 是将售塞薅号戆蒙谱扩浸1 0 0 嫠敬主，然嚣秀遴移糖羧，囊鼗撬褰蘩遂熬凌手挠 辘力。扩菝数字逶售系统摸塑强瑟2 - 1 掰示。程发送璃，掰瑟赞输豹数据经遥信遒 编鹞君，在伪随税p n 序菇戆控积| 下进行扩羧，然麓程僚邋审棱输；在接收端，蔫 同样静伪随杌p n 序列进行解扩，再经过信道解璐露靛熊褥魏i 原数据。 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 1 扩频数手通信系统模型 f i g 2 - 1t h em o d eo f s p r e a ds p e c t r u md i g i t a lc o m m u m c a t i o n 2 1 2 扩频通信的主要性能指标 处理增益g 和抗干扰容限膨是扩频通信系统的两个主要指标。 处理增益也称扩频增益( s p r e a d i n gg a i n ) ，它定义为频带扩展后的信号带宽矿 与频谱扩展前的信息带宽b 之比 g=(2-2) 处理增益g 反映了扩频通信系统的信噪比改善的程度。 抗干扰容限是指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力，定义为 m - - g 一 ( l + 厶 。 ( 2 - ，) 其中，m 为抗干扰容限，g 为处理增益，( ) 。为信息数据被正确解调而要求的 最小输出信噪比，厶y 0 接收系统的工作损耗。 2 2c d m a 系统的信道模型 2 2 1 码分多址通信系统 码分多址通信系统【4 9 】区别于频分多址和时分多址通信系统，主要采用扩频通 信技术，不同用户传输信息所用的信号不再是靠频率不同或时隙不同来区分，而 是用各不相同的扩频编码序列来区分，各个用户使用各自的扩频编码，这些扩频 编码是正交的或接近正交的，使得各用户之间的扩频编码彼此相互影响为零或很 小，能在同一频带或同一时隙内，各用户同时互不干扰地发送信号和接收信号， 实现多址通信实现频谱扩展的方式主要有直接扩频方式、调频方式、跳时方式 1 5 太原理工犬攀硕士研究生攀位论文 和线