（信息与通信工程专业论文）mimocdma系统中基于改进遗传算法的盲多用户检测.pdf

南京邮电大学硕上研究生学位论文摘要 摘要 随着移动通信技术和移动通信网络的飞速发展，无线通信已经成为通信行业新的焦 点。无线通信中有限的无线资源面临着通信数据大爆炸的困境，如何有效地解决无线通信 中极大的系统容量、高速的数据传输以及高效的频谱利用率等问题，这已经成为了无线通 信领域的研究热点。m i m o 技术以其在不增加带宽和发射功率的情况下就能够成倍提高无线 通信的质量和数据速率，成为了无线通信中关键技术之一。无线通信中的多址干扰不仅限 制了数据传输速率而且还会导致远近效应问题，由于传统的检测技术不能有效地抑制多址 干扰，因而基于智能算法的多用户检测技术很快地发展起来。 本文在介绍了m i m o - c d m a 通信系统和一些多用户检测算法后，着重研究了遗传算法及 其在多用户检测中的应用。因为基于简单遗传算法的多用户检测器的全局寻优能力依赖于 初始种群的大小以及遗传控制参数的设计，因此一方面，在分析遗传算法种群构成对算法 收敛速度和性能影响的基础上，本文提出了一种基于可变种群的改进的遗传算法，算法中 通过使用小种群规模结合贪婪算法的途径来克服早熟现象，并且还能更快地收敛到全局最 优解。另一方面，通过分析遗传算法的交叉概率和变异概率对遗传算法行为和性能的影响， 本文还提出了一种改进的自适应遗传算法，算法中主要是采用有效的自适应参数调整方法 结合逻辑交叉与逻辑变异算子来提高算法性能的。数值实验分析表明本文提出的两种新算 法都能够以较快的速度收敛到全局最优解；在m i m o - c d m a 系统仿真实验中，以多用户检测 器的三个性能测度为指标，完成了基于简单遗传算法和本文提出的两种新算法的多用户检 测器的实验，实验结果表明本文提出的两种新算法相对于传统遗传算法来说，在性能上都 有较大幅度的提高。 本文分为七章，第一章简要介绍了课题研究背景和论文结构。第二章概述了m i m o - c d m a 通信系统模型和多用户检测技术。第三章主要介绍了遗传算法的相关知识。第四章研究了 基于可变种群遗传算法的算法实现和数值仿真；第五章研究了基于改进的自适应遗传算法 的算法实现和数值仿真。第六章利用前面提出的新算法对m i m o - c d m a 系统进行仿真实验。 第七章是对全文工作的总结与展望。 关键词：多入多出，盲多用户检测，遗传算法 南京i 邮i u 人学坝l - o j d t 生学位论艾 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dn e t w o r k s ，t h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nh a sb e c o m eak e yf o c u si nc o m m u n i c a t i o ni n d u s t r y t h el i m i t e d w i r e l e s sr e s o u r c e sh a v eb e e na no b s t a c l et ot h er a p i di n c r e m e n to fd a t at r a f f i c i nt h ef u t u r eo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，s o m eh o tp r o b l e m sn e e dt ob es o l v e d ，s u c ha sg r e a t e rs y s t e mc a p a c i t y , f a s t e rd a t at r a n s m i s s i o nr a t e s ，h i g h e rs p e c t r u me f f i c i e n c y m i m oh a sb e e nak e yt e c h n o l o g yi n t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，d u et ot h ef a c tt h a ti tc o u l db eg e m i n a t e l yi n c r e a s i n gt h es y s t e m c a p a c i t yw i t h o u ti n c r e a s i n gb a n d w i d t ha n dt r a n s c e i v e rp o w e r m u l t i p l ea c c e s si n t e r f a c e ( m a i ) d o e sn o to n l yr e s t r i c tt h ed a t at r a n s m i s s i o nr a t e sb u ta l s or e s u l ti nn e a r - f a re f f e c t t h et r a d i t i o n a l d e t e c t o rc o u l dn o ts u p p r e s st h em a i ，s ot h eb l i n dm u l t i u s e rd e t e c t o rb a s e do ni n t e l l i g e n th a s b e e np r o p o s e da n d d e v e l o p e dr a p i d l y i nt h i st h e s i s ，a f t e rs t u d i e st h em i m o c d m as y s t e m sa n daf e wm u l t i u s e rd e t e c t i o n a l g o r i t h m s ，w em a i n l yf o c u so nt h em u l t i u s e rd e t e c t i o nb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m t h ea b i l i t y o ff i n d i n gt h eg l o b a lo p t i m i z e ds o l u t i o nu s i n gt h es i m p l eg e n e t i ca l g o r i t h m ( s g a ) i su pt ot h e s t r u c t u r eo ft h ei n i t i a lp o p u l a t i o n a f t e ra n a l y z i n gt h ee f f e c to ft h es t r u c t u r ef o r t h ep o p u l a t i o no f ag ao ni t sc o n v e r g e n c er a t ea n dp e r f o r m a n c e ，ac h a n g e a b l ep o p u l a t i o nb a s e dg a ( c p g a ) h a s b e e np r o p o s e d ，i tc o u l db eo v e r c o m et h ep r e m a t u r ec o n v e r g e n c e a d d i t i o n a l l y , a ni m p r o v e d a d a p t i v eg a ( i a g a ) h a sb e e np r o p o s e db ya n a l y z i n gt h ee f f e c to fp r o b a b i l i t yf o rc r o s sa n d m u t a t i o no ni t sp e r f o r m a n c e ，i ti m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo fg ab yu s i n ge f f e c t i v ea p p r o a c hf o r m o d i f i c a t i o no fp a r a m e t e r sa n dl o g i cc r o s sa n dl o g i cm u t a t i o na p p r o a c h t h en u m e r i c a l c a l c u l a t i o nr e s u l t so ft h et e s t i n gf u n c t i o n si n d i c a t et h a tt h et w oa l g o r i t h m sc o u l dc o n v e r g e st ot h e g l o b a lo p t i m i z e dr e s u l tq u i c k l y i nt h em i m o c d m as y s t e m ，u n d e r t h r e ep e r f o r m a n c e m e a s u r e m e n t s ，w es i m u l a t et h em u l t i - u s e rd e t e c t i o nu s i n gs g a ，c p g a a n di a g a ，r e s p e c t i v e l y t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o wt h a t ，c o m p a r i n gw i t hs g a ，t h ec p g aa n di a g ah a v eb e t t e r p e r f o r m a n c e t h eo r g a n i z a t i o no ft h i st h e s i si sa sf o l l o w s c h a p t e r1d e s c r i b e st h es i g n i f i c a n c eo ft h i st h e m e a n dm a i nw o r ko ft h i st h e s i s c h a p t e r2i n t r o d u c e st h em i m o c d m as y s t e ma n dt h et e c h n o l o g y o fm u l t i - u s e rd e t e c t i o n c h a p t e r3m a i n l yd i s c u s s e st h ek n o w l e d g er e l a t e dt og a i nc h a p t e r4 a n d5 ，t w oa l g o r i t h m so fc p g aa n di a g ah a v eb e e np r o p o s e dr e s p e c t i v e l y , n u m e r i c a l i i 南京i | i l j i 包人学坝i f 口l 允生学位论义 a b s t r a c t c a l c u l a t i o n sa l s op r e s e n t e dt os h o wt h ep e r f o r m a n c eo ft h en e wa l g o r i t h m s c h a p t e r6g i v e st h e c o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o n so fm u l t i u s e rd e t e c t o r su n d e rs g a ，c p g aa n di a g ai n t h e m i m o c d m as y s t e m t h el a s tc h a p t e rp r e s e n t st h es u m m a r ya n dp r o s p e c to ft h i st h e s i s k e y w o r d s ：m i m o ，b l i n dm u l t i u s e rd e t e c t i o n ，g e n e t i ca l g o r i t h m 南京邮电火学硕士研究生学位论文 缩略语注释表 2 g 3 g 4 g a g a k n q 蚁 b e r b l a s t b d b p s k c d m a c p g a c s i 缩略语注释表 2 n dg e n e r a t i o n 3 州g e n e r a t i o n 4 mg e n e r a t i o n a d a p t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m a d d i t i v ef 场i t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m e b l i n dm u l t i u s e td e t e c t i o n b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c h a n g e a b l ep o p u l a t i o ng e n e t i ca l g o r i t h m c h a n n e ls t a t u si n f o r m a t i o n d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g d s c d m ad i r e c ts e q u e n c ec d m a g ag e n e t i ca l g o r i t h m h d fh a r dd e c i s i o nf e e d b a c k h n n h o p f i e l dn e u r a ln e t w o r k i a g a i m p r o v e da d a p t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m i s i i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e m a i 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 fm m c h e df i l t e r m i m o m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t m lm a x i m u ml i i c e l i h o o d m l p m u l t i p l el a y e rp e r c e p t i o n ， m m s em i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r m u dm u l t i u s e rd e t e c t i o n n n bb a s e do nn e u r a ln e t w o r k n p h a r d n o n - d e t e r m i n i s t i cp o l y n o m i a lt i m eh a r d v l 第二代移动通信系统 第三代移动通信系统 第四代移动通信系统 自适应遗传算法 加性白高斯噪声 误比特率 贝尔实验室分层空时 盲多用户检测 二进制相移键控 码分多址 可变种群遗传算法 信道状态信息 数字信号处理 直接序列码分多址 遗传算法 硬判定反馈 h o p f i e l d 神经网络 改进的自适应遗传算法 码间干扰 多址干扰 匹配滤波器 多输入多输出 最大似然 多层感知器 最小均方误差 多用户检测 基于神经网络 非确定性多项式时间 南京邮电人学硕上研究生学位论文缩略语注释表 o f d m p i c q o s s a i a s a d s d m a s d r s d f s g a s i c s i s 0 s n r s t c t d m a u m t s v 二b l a s t w l a n o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g p a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l e r q u a l i t yo fs e r v i c e s m a r ta n t e n n a s i m u l a t e da n n e a l i n gd e t e c t o r s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o s o f td e c i s i o nf e e d b a c k s i m p l eg e n e t i ca l g o r i t h m s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n s i n g l e i n p u ts i n g l e - o u t p u t s i g n a ln o i s er a t i o s p a c e - t i m e c o d i n g t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m v e r t i c a l b l a s t w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k v i i 正交频分复用 并行干扰抵消 服务质量 智能天线 模拟退火检测器 空分多址 软件无线电 软判定反馈 简单遗传算法 连续干扰抵消 单输入单输出 信噪比 空时编码 时分多址 通用移动通信系统 垂直一贝尔实验室分层空时 无线局域网 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学和其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一起工作的同志及对本课题研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 研究生签名：罅日期：皇型蝉 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交的学位论 文复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部内容或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大 学研究生部办理。 、 研究生签名：坶导师签名：您竺匹2 日期丝耍咀 南京邮电大学硕十研究生学位论文 第一章绪论 1 1 本文研究背景和意义 第一章绪论 3 g 是“3 r dg e n e r a t i o n ( 第三代通信系统) 的缩写，即第三代移动通信系统i m t 一2 0 0 0 ， 它是高速移动数据网络通信领域的行业术语。3 g 技术的设计基础【6 8 】是支持全系列的移动 多媒体系统，对多种数据速率提供灵活的支持，不仅可以传送语音数据，还可以根据需要 传送视频数据。3 g 的各种标准和规范已达成协议，3 g 牌照在中国己于2 0 0 9 年0 1 月0 7 日 发放，这将能够部分地满足用户进行手机电话、视频电话、快速浏览网页的要求。然而， 随着人们对移动通信系统的各种需求与日俱增，目前广泛商用的2 g 、2 5 g 系统和逐步投 入商用的3 g 系统已经不能满足现代移动通信系统日益增长的高速多媒体数据业务需求， 而系统容量逐渐趋于饱和，也没有更多的频谱资源，尽管3 g 标准比当前主流的移动通信 技术更强大，然而3 g 也还有着诸多不足之处。3 g 的局限性【冽主要体现在：( 1 ) 缺乏全球统 一标准：( 2 ) 3 g 所运用的语音交换架构仍承袭了2 g 的电路交换，而不是完全i p 形式；( 3 ) 由于采用c d m a 技术，难以达到很高的通信速率，无法满足用户对高速多媒体业务的需求； ( 4 ) 由于3 g 空中接口标准对核心网有所限制，因此3 g 难以提供具有多种o o s 及性能的各 种速率的业务；( 5 ) 由于3 g 采用不同频段的不同业务环境，需要移动终端配置有相应不同 的软、硬件模块，而3 g 移动终端目前尚不能够实现多业务环境的不同配置，也就无法实 现不同频段的不同业务环境间的无缝漫游。这使得全世界的通信业专家都将目光投向了第 四代通信系统( 4 t hg e n e r a t i o n ，简称为4 g ) 的研究，以期通过第四代移动通信系统来解决3 g 无法解决的问题，最终实现商业无线网络、局域网、蓝牙、广播、电视卫星通信的无缝衔 接并相互兼容，真正实现“任何人在任何地点以任何方式接入网络。 4 g 是多功能集成的宽带移动通信系统，在业务上、功能上、频带上都与第三代系统不 同，将在不同的固定和无线平台及跨越不同频带的网络运行中提供无线服务，比第三代移 动通信更接近于个人通信。按照国际电信联盟在i m t - 2 0 0 0 框架中颁布的指导原则【4 副：3 g 设备在室内应具有2 m b s 的传输速率，4 g 标准则希望支持2 0 m b s 的传输速率。高速业务 和用户数的激增使得对频谱的需求量急剧增加，而频谱资源却是有限的，因此追求尽可能 高的频谱利用率成为无线通信倍受关注的课题。4 g 系统对接收机提出了特别高的要求，按 照香农定理，对于3 g 系统，如果信道带宽为5 m h z ，而数据速率为2 m b s ，则所需的s n r 为1 2 d b ；而对于4 g 系统，要在5 m h z 的带宽上传输2 0 m b s 的数据，则所需要的s n r 为 l 塑窒塑皇盔兰竺! ：婴壅竺兰垡丝塞蔓二雯笙笙 1 2 d b 。可见，对于4 g 系统，由于速率很高，因此对接收机的性能要求也要高得多。多输 入多输出( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，简称为m i m 0 ) 技术利用多发射、多接收天线进行 空间分集，这种采用分立式多天线的技术，能够有效的将通信链路分解为许多并行的子信 道，从而大大提高信道容量，使得高速数据传输成为可能【6 j 。由信息论的知识可知，当不 同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，m i m 0 系统就能够很好地提高系统的抗 衰落和抗噪声性能，从而获得巨大的容量。然而在m i m 0 系统中，同时工作的多个信道用 户间存在一定程度的多址干扰( m u l t i a c c e s si n t e r f e r e ，简称为姒i ) ，多址干扰是第三代以 及新一代移动通信系统最主要的干扰来源。一种较好的抑制多址干扰的方法就是多用户检 测【4 7 l ，它充分利用造成多址干扰的各个用户信号及多径先验信息( 如确知的用户信道码以 及各用户的信道估计等) ，把用户信号的分离当作一个统一的相互关联的联合检测过程来 完成，从而具有优良的抗干扰性能，降低了系统对功率控制精度的要求，因此，可以更加 有效地利用上行链路频谱资源，显著地提高系统容量，并削弱了“远近效应 的影响团j 。 多用户检测器可以提高系统的容量，它将会在4 g 系统的基站和终端中得到应用，成为4 g 系统中关键技术之一。随着多用户检测器研究的不断深入，各种具有较高性能同时复杂度 又相对较低的多用户检测器算法不断被提出来，因此在实际系统中采用多用户检测技术将 是切实可行的。 1 24 g 中的关键技术 同3 g 等已有的数字移动通信系统比，4 g 系统应具有更高的数据率、更好的服务质量、 更高的频谱利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的传输质量、更高的灵活性，能 支持非对称性业务，并能支持多种业务，能体现移动与无线接入网和i p 网络不断融合的 发展趋势，因此4 g 系统应当是一个全i p 的网络【15 1 。它的速率瞄】应该能达到：对于大范围 高速移动用户( 2 5 0 k m h ) ，数据速率为2 m b s ；对于中速移动用户( 6 0 k i n h ) ，数据速率为 2 0 m b s ；对于低速移动用户( 室内或步行者) ，数据速率为1 0 0 m b s ；其容量至少应是3 g 系 统容量的1 0 倍以上。4 g 中的关键技术【5 7 1 主要有：正交频分复用( o r t h o g o n a jf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，简称为0 f d m ) 、智能天线( s m a r ta n t e n n a ，简称为s a i a ) 、多输入 多输出( m i m 0 ) 、软件无线电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ，简称为s d r ) 、交互干扰抑制和多用 户识别( m u l t i u s e rd e t e c t i o n ，简称为刖d ) 。 ( 1 ) 正交频分复用( 0 f d m ) 技术 第四代移动通信系统主要是以0 f d m 为核心技术，0 f d m 是一种无线环境下的高速传输 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 技术，其主要思想【5 8 1 就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用 一个子载波进行调制，各子载波并行传输。尽管总信道是非平坦的，即具有频率选择性， 但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的 相应带宽，由于各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减 小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。 ( 2 ) 智能天线( s a i a ) 技术 智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，被认为是未来 移动通信的关键技术。智能天线的基本原理【4 5 1 是在无线基站端使用天线阵和相干无线收发 信机来实现射频信号的接收和发射，通过基带数字信号处理器，对各个天线链路上接收到 的信号按一定算法进行合并，实现波束赋形。同时，智能天线采用了空分多址( s p a c e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，简称为s d m a ) 的技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率 或同时隙、同码道的信号进行区分，动态改变信号的覆盖区域，使天线主波束对准用户信 号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分利用移动用户信号并消除或抑 制干扰信号的目的。这种技术既能改善信号质量、增加传输容量又能扩大覆盖区域、降低 系统建设成本，因此将会在4 g 系统中得到应用。 ( 3 ) 多输入多输出( m i m 0 ) 技术 m i m 0 技术【5 8 】是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术，它采用的是分立式 多天线，能够有效的将通信链路分解成为许多并行的子信道，从而大大提高容量。m i m o 技 术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益，空间复用技术可以大大提高信道容 量，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。通常，多径要引起衰落，因 而被视为有害因素，然而对于m i m 0 来说，多径可以作为1 个有利因素加以利用，它能够 将传统通信系统中存在的多径衰落影响因素变成对用户通信性能有利的增强因素，有效地 利用随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率，因此它能够在不增加所 占用的信号带宽的前提下使无线通信的性能改善几个数量级。信息论亦已证明，当不同的 接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，m i m 0 系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪 声性能，从而获得巨大的容量。例如：当接收天线和发送天线数目都为8 根，且平均信噪 比为2 0 d b 时，链路容量可以高达4 2 b p s h z ，这是单天线系统所能达到容量的4 0 多倍。因 此，在功率带宽受限的无线信道中，m i m 0 技术是实现高数据速率、提高系统容量、提高传 输质量的空间分集技术。在无线频谱资源相对匮乏的今天，m i m o 系统因其优越性将会在 4 g 移动通信系统中继续应用。 ( 4 ) 软件无线电( s d r ) 技术 3 塑室堕皇盔堂堡主竺壅竺兰篁笙壅墨二兰堕笙 软件无线电1 6 酬是指标准化、模块化的硬件功能单元通过一个通用硬件平台，利用软件 加载方式，可以在各种无线通信系统中运行的一种开放式结构的新技术，旨在建立一个无 线电通信平台，在平台上运行各种软件系统，以实现多通路、多层次和多模式的无线通信， 因而软件无线电是一种基于宽带a d 、d a 器件、高速d s p 芯片、以软件为核心的崭新体 系结构。软件无线电技术【1 5 】将宽带模数和数模转换器靠近天线，尽可能地通过可编程的d s p 器件，用软件来实现电台的各种功能，其基本思想就是将硬件作为其通用的基本平台，把 尽可能多的无线及个人通信的功能用软件来实现，从而将无线通信新系统、新产品的开发 逐步转移到软件上来，从而使通信系统摆脱硬件布线结构的束缚，在系统结构相对通用和 稳定的情况下，通过软件来实现各种功能，使得系统的改进和升级都非常方便、代价小， 同时不同系统间很容易互连与兼容，使得系统具有灵活性和适应性，能够适应不同的网络 和空中接口。 ( 5 ) 多用户检测( 删d ) 技术 多用户检测是宽带c d m a 通信系统中抗干扰的关键技术【2 3 1 。在实际的c d m a 通信系统 中，各个地址码之间存在一定的相关性，这就是多址干扰存在的根源。由个别用户产生的 多址干扰固然很小，可是随着用户数的增加或信号功率的增大，多址干扰就成为宽带c d m a 通信系统的一个主要干扰。由于多址干扰的存在，接收机近端用户信号可能比远端用户信 号强得多，其产生的多址干扰相对较大时可将远端信号完全湮没，此现象称为“远近效应。 随着用户数量的增加和干扰信号功率的增大，多址干扰和远近效应也迅速增大，这将使接 收信噪比恶化，严重影响目标用户的信号接收，限制系统容量的提高。传统的检测技术完 全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理，因而抗多址干 扰能力较差；多用户检测技术在传统检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰的所有用 户信号信息对单个用户的信号进行检测，从而具有优良的抗干扰性能，解决了远近效应问 题，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用链路频谱资源，显著提 高系统容量。随着多用户检测技术的不断发展，各种高性能又不是特别复杂的多用户检测 器算法不断提出，在4 g 实际系统中采用多用户检测技术将是切实可行的。 i 3 遗传算法的发展及其应用 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，简称为g a ) 是由英国m i c h i g a n 大学的j h o l a n d 于1 9 7 5 年受生物进化论的启发而提出的。g a 是基于“适者生存”自然法则的一种高度并行、随机 和自适应的优化算法，它将问题的求解表示成“染色体 的适者生存过程，通过“染色体 4 塑室坚皇奎兰堡圭堕壅竺兰垡笙塞 蔓二兰堡堡 群的一代代不断进化，包括复制、交叉和变异等操作，最终收敛到“最适应环境”的个体， 从而求得问题的最优解或满意解。遗传算法是通过借鉴生物界自然选择和自然遗传机制而 提出的一种全局优化计算方法，与其他的优化算法类似，遗传算法也是一种迭代算法， 其迭代过程是从一组初始解( 群体) 出发，采用类似于自然选择和有性繁殖的方法， 在 继承原有优良基因的基础上生成具有更好性能的下一代解的群体。由于遗传算法在计算机 上模拟生物的进化过程和基因的操作，并不需要对象的特定知识，也不需要对象的搜索空 间是连续可微等条件，并且具有全局寻优的能力，因此它从提出之日起在很多领域得到了 广泛的应用。 遗传算法具有以下几方面的特点【删： ( 1 ) 遗传算法从问题解的解集合开始嫂索，而不是从单个解开始。这是遗传算法与传 统优化算法的最大区别。传统优化算法是从单个初始值迭代求最优解的，容易误入局部最 优解。遗传算法从集合开始搜索，覆盖面大，有利于全局寻优。 ( 2 ) 遗传算法基本上不用搜索空间的知识或其它辅助信息，而仅用适应度函数值来评 估个体，在此基础上进行遗传操作。适应度函数不仅不受连续可微的约束，而且其定义域 可以任意设定。这一特点使得遗传算法的应用范围大大扩展。 ( 3 ) 遗传算法不是采用确定性规则，而是采用概率的变迁规则来指导它的搜索方向。 ( 4 ) 具有自组织、自适应和自学习性。遗传算法利用进化过程获得的信息自行组织搜 索时，适应度高的个体具有较高的生存概率，并获得更适应环境的基因结构。 前面描述是简单的遗传算法模型，可以在这一基本型上加以改进，使其在科学和工程 领域得到广泛应用。下面列举了遗传算法的一些应用领域： ( 1 ) 优化：遗传算法可用于各种优化问题。既包括数量优化问题，也包括组合优化问 题。 ( 2 ) 机器学习：遗传算法可用于许多机器学习的应用，包括分类问题和预测问题等。 ( 3 ) 免疫系统：应用遗传算法可以对自然界中免疫系统的多个方面建立模型，研究个 体的生命过程中的突变现象以及发掘进化过程中的基因资源。 ( 4 ) 进化现象和学习现象：遗传算法可以用来研究个体是如何学习生存技巧的，一个 物种的进化对其他物种会产生何种影响等等。 ( 5 ) 社会经济问题：遗传算法可以用来研究社会系统中的各种演化现象，例如在一个 多主体系统中，协作与交流是如何演化出来的。 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 1 4 本文结构安排 第一章绪论 本文首先介绍了4 g 中的几大关键技术：o f d m ( 正交频分复用) 、s a i a ( 智能天线，原 名为自适应天线阵列a a a ) 、m i m o ( 多入多出) 、s d r ( 软件无线电) 、交互干扰抑制和多用 户识别( m u d ) 。从而得出本文的研究任务，即在i d i m o - c d m a 通信系统中如何有效进行多用 户识别。通过对遗传算法的研究和分析，本文提出了两种改进的遗传算法：可变种群遗传 算法( c h a n g e a b l ep o p u l a t i o ng e n e t i ca l g o r i t h m ，简称为c p g a ) ，改进的自适应遗传算法 ( i m p r o v e da d a p tg e n e t i ca l g o r i t h m ，简称为i a g a ) 。相对于普通遗传算法，c p g a 和i a g a 能够更快地收敛到全局最优解。本文结构安排如下： 第二章介绍了m i m o 通信系统的模型，以及m i m o 技术的优点；首先对多用户检测技术 进行了介绍，包括多用户检测问题的提出，多用户检测系统的原理、具体分类和发展状况。 接下来分析了c d m a 扩频通信原理，进而引入m i m o - c d m a 通信系统模型和m i m o - - c d m a 系统 多用户检测器。 第三章主要讨论遗传算法及其在多用户检测中的应用，首先简要介绍了遗传算法的生 物学基础和基本操作；然后对遗传算法的运行原理进行分析，从模式理论和遗传算法的马 氏链模型两方面分析了遗传算法的数学基础；最后对遗传算法及其改进的遗传算法在多用 户检测中的应用简单说明。 第四章讨论了本文提出的第一种改进遗传算法，即可变种群遗传算法( c p g a ) 。在简要 介绍了简单遗传算法( s i m p l eg e n e t i ca l g o r i t h m ，简称为s g a ) 在多用户检测中的应用之后； 在分析了s g a 的局限性的基础上，通过对遗传算法种群结构的分析，提出了c p g a 算法， 并利用数值实验对新提出的算法进行仿真验证。 第五章讨论了本文提出的第二种改进遗传算法，即改进的自适应遗传算法( i a g a ) 。首 先对并行遗传算法进行了简单概述；然后通过对自适应遗传算法的自适应参数调整方法的 研究，提出了一种改进的自适应参数调整方法，同时引入一种改进的遗传算子，即逻辑交 叉和逻辑变异算子，从而得出算法的实现步骤，最后用第四章的经典测试函数对该新提出 的算法进行仿真实验。 第六章用本文提出的c p g a 和i a g a 分别对m i m o - c d m a 通信系统进行仿真实验。首先介 绍了多用户检测器的性能测度，即误码率、渐进有效性、抗远近效应能力。然后给出了系 统仿真条件，最后通过四组实验对基于c p g a 和i a g a 的多用户检测器进行了仿真。 第七章对全文的主要工作进行了总结，并指明了可以进一步深入研究的方向。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第_ 二章m i m o c d m a 通信系统及多用户检测技术 第二章m i m o c d m a 通信系统及多用户检测技术 2 1m i m o 通信系统概述 早在1 9 8 5 年，s a l z 就讨论了加性噪声m i m o 信道中存在耦合的优化问题，而在无线通 信领域，对m i m 0 的研究源于对多个天线阵元空间分集的性能研究【2 l l 。w i m e m 讨论了在干 扰受限的无线系统中，利用多天线空间分集和最优合并所能带来的容量增益，并明确指出 了增加分集天线数目可以增加系统容量【1 9 】。1 9 9 5 年，t e l a t a r 分析了高斯平坦衰落信道中收 发两端同时使用多天线阵元的容量；1 9 9 6 年，f o s e h i n i 提出了收发两端同时使用多阵元阵 列结构的贝尔实验室分层空时( b e l ll a y e r e ds p a c e - t i m e ，简称为b l a s t ) 编码结构】；1 9 9 8 年w o l n i a n n s k y 等人采用垂直一贝尔实验室垂直分层空时( v e r t i c a l b l a s t ，简称为v b l a s t ) 进行的试验结果，利用v - b l a s t 的实验平台达到了2 0 b i t ( s h z ) 以上的频谱利用率，这 种收发两端同时使用多天线的结构，能够在不占用额外的频谱宽的条件下，显著的提高系 统容量【5 引。所有这些理论和实践上的研究掀起了m i m o 无线通信研究的热潮。 2 1 1 m 0 系统模型 m i m 0 技术是指在收发两端分别设置多副发射天线和接收天线，其出发点是将多发送天 线与多接收天线相结合以改善每个用户的通信质量或提高通信效率，m i m o 技术实质上是为 系统提供空间复用增益和空间分集增益，空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分 集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率f 2 5 】。m i m o 系统利用无线信道的多径传播，开 发空间资源，利用空时联合处理算法来提高信道的容量。以移动台和基站作为发射端和接 收端来分析，其系统原理图如图2 - 1 所示：移动台的天线数为，基站的天线数为n r ， 在移动台的天线阵列上的信号表示为：x ( t ) = 【一( f ) ，x 2 ( t ) ，h ，( f ) 】7 ，其中五( t ) 表示移动台 的第f 根天线端口的信号。在基站天线阵列上的信号可以表示为： y ( t ) = 【乃( ，) ，y 2 ( t ) ，肌。( r ) 】r ，其中y i ( t ) 表示基站的第j 根天线端口的信号。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o c d m a 通信系统及多用户检测技术 空时解 信 s 码器 宿 xhy 图2 1m i m o 系统原理图 在发射天线和接收天线之间形成一个坼的信道矩阵h ，某一时刻f ，信道矩阵为： h n t x n r = 。向： 红， 坞： k t z 局坼 坞坼 h n r n t 其中日的元素是任意对收发天线之间的增益。则系统模型为：y = 月x + y ，其中y 为 噪声。 2 1 2mim 0 信道容量分析 在数字通信系统里，主要的性能指标有两个，即传输速率和差错率。信道在一定信噪 比条件下所能达到的最大传输速率，即是信道容量，是衡量信道的重要指标之一。根据仙 农定理： c = b l 0 9 2 ( 1 + s i ) ( 2 1 ) 式中c 是信道容量，单位为比特每秒( 呐) ，它是在理论上可接受的误码率b e r 下所允许的 最大数据速率；b 是要求的信道带宽，单位是h z ；s n 是信噪比。c 表示通信信道所允 许的信息量，也表示了所希望得到的性能；带宽b 则是付出的代价，因为频率是一种有限 的资源。s n 表示周围的环境或者物理的特性，用于恶劣环境噪声和干扰导致极低的信噪 比时，从式( 2 1 ) 可以看出需要提高信号带宽曰来维持或提高通信的性能。但是，有限的 频谱资源，限制了频谱效率的提高。对于m i m o 系统而言，在发射端和接收两端均采用多 天线( 或阵列天线) 和多通道，只要各天线