（通信与信息系统专业论文）智能算法在mccdma系统多用户检测中应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 多用户检测( m ii d ) 问题可以看作个组合优化问题，因此可将智能计 算的优化机理应用于多用户检测的寻优过程中。本文主要致力于在多天线分 集接收多载波码分多址( m c c d m a ) 系统中应用智能计算方法解决多用户 检测问题。本文的主要工作可以概括如下： 1 、在分析m c - c d m a 原理的基础上建立了其在高斯和瑞利信道下的发射 和接收数学模型。 2 、详细介绍了几种常用的次优多用户检测器的实现方法，并给出它们的 性能仿真结果。 3 、针对频率选择性信道下使用多天线分集接l l 交m c - c d m a 系统上行链路 中的多用户检测问题，提出了一种基于遗传算法( g a ) 的多用户检测方案一 g a - m u d ，针对两种不同的代价函数和两种不同的个体选择机制对g a 多用 户检测的性能进行比较。仿真分析表明：在相同计算复杂度下，基于相位误 差平方和函数的方案要优于基于对数似然函数的方案；基- 于p a r e t o 优化准则机 制要优于基于线性合并准则的机制； 4 、针对m c - c d m a 系统上行链路的频率选择性信道中的多用户检测问 题，提出了一种使用多天线分集接收的基于改进人工鱼群算法( a f s a ) 的多用 户检测( m u d ) 方案_ a f s a - m u d ，对不同天线分支代价函数根据p a r e t o 优化准则进行个体选择，使改进后的鱼群算法具有同时独立利用不同天线分 支信号携带的有用信息的能力。仿真结果表明，在相近计算复杂度下，a f s a 枷7 d 优于g a 枷) d 。 5 、针对频率选择性信道下m c - c d m a 系统，提出了一种基于遗传算法 的单天线双代价函数多用户检测方案。与单天线单代价函数系统和双天线单 代价函数系统的分析和仿真比较表明，该方案的b e r 性能比单天线单代价函 数方案更优；在低于双天线单代价函数方法计算复杂度情况下，采用该方案 的b e r 性能接近双天线系统。 关键词：m c c d m a ：o f d m ：多用户检测；鱼群算法：p a r e t o c i 亡化准则 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t m u l t i u s e rd e t e c t i o n ( m u d ) p r o b l e mc a l lb ev i e w e da sac o m b i n a t i o n a l o p t n n i z a t i o np r o b l e m i n t e l l i g e n c ec o m p u t a t i o nh a ss h o w nm a n ya d v a n t a g e so v e r c o n v e n t i o n a lo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，n l i st h e s i si sd e d i c a t e dt ot h ea p p l i c a t i o no f i n t e l l i g e n c ec o m p u t a t i o nm u d t oa n t e n n a - d i v e r s i t ya s s i s t e dm c - c d m a s y s t e m s 皿1 em a i nw o r k so f t h i sp a p e rc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 a n a l y z e dp r i n c i p l eo fm c - c d m as y s t e m , e s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c m o d e lt r a n s m i s s i o na n dr e c e p t i o nf o rm c - c d m a s y s t e mu n d e rt h eg a u s sc h a n n e l a n dt h er a y l e i g hc h a n n e l 2 s e v e r a lc o m m o n l yu s e ds u b o p t i m a lm u l t i u s c rd e t e c t o r sa r 弓d e s c r i b e d 。 l a s t l y , t h es i m u l a t i o nr e s u l t so f t h e s es u b o p t i m a ld e t e c t o r sa r eg i v 饥 3 ag e n e t i c - s i m u l a t e d - a n n e a l i n g a l g o r i t h m ( g 舢a s s i s t e dm u l t i u s e r d e t e c t i o n ( m u d ) i sp r o p o s e d f o rt h e a n t e n n a - d i v e r s i t y - a i d e d m u l t i c a r r i e r c o d e - d i v i s i o nm u l t i p l e - a c c e s s ( m c - c d m a ) s y s m mi nf r e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n g c h a n n e l t w ok i n d so fg a - b a s e di n d i v i d u a l - s e l e c t i o ns t r a t e g i e sa r ei n v e s t i g a t e d w i t ht w od i f f e r e n tc o s tf u n c t i o n s ，w h i c ha r el o g - l i k e l i h o o df u n c t i o n ( l l f ) a n d s q u a r ep h a s ee r r o r 9r e s p e c t i v e l y s i m u l a t i o na n a l y s i ss h o w st h a t ：w i t ht h es a m e i n d i v i d u a l - s e l e c t i o ns l r a t e g y , t h eb i te l t o rr a t e ( b e r ) p i 既f b ：m 蝴o ft h ep h a s e e r r o rc o s tf u n c t i o ni sb e t t e rt h a nl o g - l i k e l i h o o df u n c t i o n w i t ht h es a m ec o s t f u n c t i o n , t h ei n d i v i d u a l - s e l e c t i o ns l r a t e g yb a s e d0 1 1p a r e t oo p t i m a l i t yc r i t e r i o nh a s b e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h el i n e a rc o m b i n gc r i t e r i o m 4 ai m p r o v e da r t i f i c i a lf i s h8 w a n l la l g o r i t h m ( a f s a ) a s s i s t e dm u l t i - u s e r d e t e c t i o n ( m u d ) i sp r o p o s e df o rt h en ，c 咖a n t e n n ad i v e r s i t ya i d e dm u l t i - c a r r i e r c o d e - d i v i s i o nm u l t i p l e - a c c e s s ( m c - c d m a ) s y s t e m si nf r e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n g c h a n n e l 1 1 l ei n d i v i d u a l sa s s o c i a t e dw i t ht h e 鹏aa r es e l e c t e db a s e do nt h e c o n c e p to fp a r e t oo p t i m a l i t y , w h i c hu s e s t h ei n f o r m a t i o nf r o mt h ea n t e n n a s i n d e p e n d e n t l y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a t ：、析1 1 1t h es i m i l a rc o s tf u n c t i o n , t h e s t r a t e g yo f a f s a m 【j dh a sm u c h b e t t e rb i te l t o rr a t e ( b e r ) p e r f o r m a n c et h a nt h e g a 小仉j d 5 ag e n e t i c - s i m u l a t e d - a n n e a l i n ga l g o r i t h m ( g 舢a s s i s t e dm u l t i u s e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 d e t e c t i o n ( m u d ) i sp r o p o s e df o rt h es i n g l ea n t e n n aw i t ht w od i f f e r e n tc o s t f u n c t i o n sa i d e dm u l t i c a r r i e rc o d e - d i v i s i o nm u l t i p l e 一孔硪翳( m c c d m a ) s y s t e m s i nf r e q u e n c y - s e l e c t i v e f a d i n gc h a n n e l 西et w od i f f e r e n tc o s t f u n c t i o n sa r e l o g - l i k e l i h o o df u n c t i o n ( l l f ) a n ds q u a r ep h a s ee r r o r ) r e s p e c t i v e l y s i m u l a t i o n a n a l y s i ss h o w st h a t ：t h es t r a t e g yo f g a 小仉j db a s o do nt h es i n g l ea n t e n n aw i t ht w o d i f f e r e n tc o s tf u n c t i o n sh a sm u c hb e t t e rb i te r r o rr a t e ( b e r ) p e r f o r m a n c et h a nt h e g a 小仉j db a s e do i lt h es i n g l ea n t e n n aw i t hs i n g l ec o s tf u n c t i o n s s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o w e dt h a t ：w i t ht h el o wc o m p u t a t i o nc o m p l e x i t y , t h eb i te r r o rr a t e ( b e r ) p e r f o r m a n c eo ft h es t r a t e g yo fg a 瓜仉】db a s e d0 1 1t h es i n g l ea n t e n n aw i t ht w o d i f f e r e n tc o s tf u n c t i o n sc l o s et ot h es t r a t e g yo fg a mj db a s e do nt h ed o u b l e a n t e n n aw i t ht h es i n g l ec o s tf u n c t i o n s k e yw o r d s ：m c - c d m a ；o m m ：m u l t i u s e rd e t e c t i o n ；a r t i f i c i a l 丘s hs w a n l l a l g o r i t h m ：p a r e t oo p t i m a l i t y 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密回，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：童苍圣 日期： 口3 ，、工2 凇一猝穹芳 日期：以s ，9 - - j - - 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 针对频率选择性信道下使用多天线分集接收的多载波码分多址 ( m c m a ) 系统上行链路中的多用户检测问题，提出了一种基于遗传算 法( g a ) 的多用户检测方案g a 硼) d ，并且给出了性能仿真结果。 提出了在频率选择性信道下使用多天线分集接收的多载波码分多址 ( m c - c d m a ) 系统中基于改进人工鱼群算法( a f s a ) 的多用户检测方案， 并且给出了性能仿真结果。 提出了一种在频率选择性信道下使用单天线双代价函数的m c - c d m a 系统中基于遗传算法的多用户检测方案，并且给出了性能仿真结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 2 1 世纪的今天，全球正处于个崭新的信息时代，信息的产生和传递非 常迅速，影响了社会的各个方面。通信系统是信息时代的生命线，经济增长、 社会发展和人们物质生活及精神生活水平的提高都对通信提出了更新、更高 的要求。 1 1 移动通信发展概述 第一代移动通信系统( 1 g ) 出现在8 0 年代，它是一种以f d m a 为主要 技术的模拟蜂窝系统，如美国的a m p s 、英国的t a c s 等。它的缺点是频谱 利用率低、容量小、保密性差，不能充分满足市场的需要，因此在9 0 年代左 右便被第二代移动通信系统所取代。 第二代移动通信系统( 2 g ) 是以应用t d m a 或c d m a 技术为标志的数 字蜂窝系统，如欧洲的g s m 9 0 0 , d c s l 8 0 0 和北美的i s 5 4 和i s 9 5 。它们在 容量和功能上比第一代都有很大的提高，但它主要是为支持话音和低速率的 数据业务而设计的，因此随着人们对新的通信业务和高速率数据传输的要求， 第二代移动通信系统也不再能够满足人们的需要。而且可以预见，在未来的 信息社会，图像、话音、数据相结合的业务量将超过传统的业务，所以对于 第三代移动通信系统的研究便提到了日程上来。 第三代移动通信系统最早在1 9 8 5 年由国际电信联盟( u ) 提出，当时 称为未来公众陆地移动通信系统( f p i m t s ) ，1 9 9 6 年更名为国际移动通信 系统( m f r2 0 0 0 ) 其含义为该系统预期在2 0 0 0 年左右投入使用，工作于 2 0 0 0 m h z 频段，最高传输数据速率为2 0 0 0 k b p s 。3 g 的初衷是希望建立一个 全球统一标准的系统，实现全球无缝漫游，但是因为各个商家的利益之争最 终划分为如今三大标准阵营，包括美国的c d m a 2 0 0 0 ，欧洲的w c d m a 和 中国的t d s c d m a ，因此全球漫游问题仍然没有得到解决，同时3 g 不能支 持高数据速率( 大于2 0 m b i t s ) 、提供大范围服务( 8 k b i t s - 2 0 m b i t s ) 以及满 足各种q o s ( 服务质量) 的要求。3 g 的这些缺点促进了可以容纳庞大的用 户数、改善现有通信品质不良以及达到高速数据传输要求的第四代移动通信 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 系统的研辩m l 。 为提供丰富的多媒体业务及高速数据业务，移动通信系统需要更高的无 线容量。增加无线系统容量的最直接的方法通常有两种，要么增加无线宽带， 要么增加发射功率。然而，这两种方法在现代无线网络中都是严格受限的。 因此，人们致力于研究新的信号发送技术和先进的接收机信号处理方案来提 高无线容量即7 1 ，多用户检测技术就是其中的个主要的研究方向。 1 2 计算智能方法概述 计算智能是指采用计算的手段来实现智能的方法，一般来说，包括神经 网络( n e u r a l n e t w o r k ，n n ) ，模糊逻辑( f u z z y l o g i c ，f l ) ，遗传算法( c h l e r i c a l g o r i t h m , g a ) ，禁忌搜索( t a b us e a r c h , t s ) ，模拟退火( s i m u l a t e da n n e a l i n g ， s a ) ，混沌( c h a o s ) 优化，分形( f r a c t a l ) 科学，蚁群算法( a c s ) 和人工 鱼群算法( a r t i f i c i a lf i s hs w a r ma l g o r i t h m , a f s a ) 等。由于本文主要介绍计 算智能方法在c d m a 多用户检测中的应用，所以对本文所涉及到的遗传算 法和人工鱼群算法作一简要介绍。 1 2 1 遗传算法 遗传算法f 纠2 】是一种建立在生物遗传理论自然选择基础上的自适应概率 性迭代搜索算法，由美国m i c h i g 硪大学的h o l l a n d 教授提出。作为一种全 局优化搜索算法，遗传算法以其简单通用、鲁棒性强、适于并行处理等显著 特点，被广泛用于组合优化、机器学习、自适应控制、规划设计和人工生命 等领域，尤其适用于处理传统搜索方法难以解决的复杂和非线性问题。遗传 算法是21 世纪有关智能计算中的关键技术之一。 遗传算法是一种群体型操作，该操作以群体中的所有个体为对象。它是 从改变基因的配置来实现问题的整体优化的，因而属于自下而上的优化方法。 类似于生物的进化过程，遗传算法处理的是变量集合的编码而非变量本身， 它只需一个适应度函数，而不需要该函数满足某些特定的数学性质( 如连续、 可微等) ，在用概率规则来搜索解空间时可以在若干起始点并行地进行。 遗传算法是人们对自然进化过程的机器模拟，它分别使用选择 ( s e l e c t i o n ) 、交叉( c r o s s o v e r ) 和变异( m u t a t i o n ) 等遗传操作( g e n e r i c 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 o p e r a t i o n ) 来模拟自然进化过程中的自然选择、交配和基因突变以达到求解 组合搜索和优化等问题的目的。 遗传算法来源于自然进化，与自然进化有密不可分的关系，当然也就具 有自然进化过程所固有的优胜劣汰的特性。 1 2 2 人工鱼群算法 人工鱼群优化算法【1 3 1 4 】是由李晓磊等近年提出的新的群体智能算法。在 一片水域中，鱼存在的数目最多的地方一般就是本水域中富含营养物质最多 的地方，依据这特点来模仿鱼群的觅食、聚群和追尾行为，从构造单条人 工鱼的底层行为做起，通过鱼群中各个体的局部寻优，从而实现全局寻优， 这就是鱼群算法的基本思想。 虽然人工鱼群算法是新近提出的算法，但是其计算快速性和算法本身的 易实现性，以及良好的收敛性等优点，引起了相关领域众多学者的关注和研 究。文献 1 3 1 中t 分析了鱼群算法较遗传算法和粒子群算法等的在性能上的 优势；文献 1 4 将人工鱼群算法应用于组合优化中；文献 1 5 1 将人工鱼群算法 应用于多用户检测中，并将其进行改进，得到了很好的效果。本文将在原有 的鱼群算法上进行改进，提出更好的基于人工鱼群算法的多用户检测算法。 1 3 多用户检测 多用户检测是一种从接收机端的设计入手的干扰抑制方法，它要解决的 主要问题是：如何从相互干扰的数字信息序列中可靠地解调出特定用户的信 息。 多用户检测的思想最初是由s c h n e i d e r 在1 9 7 9 年提出的0 6 。、研d u 在1 9 8 6 年提出和分析了最优多用户检测器和最大似然序列检测黯 】，其复杂性随用 户数目的增多而呈指数增长，硬件实现非常困难。但是，v c r d u 的研究激励 了许多研究者寻找次优的多用户检测器，用准最佳的较低复杂度的算法实现 多用户检测。现在，次优多用户检测器是个研究热点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 1 多用户检测的意义 如果c d m a 系统中分配给各用户的扩频码没有严格正交，则会引起用 户之间的相互干扰，即多址干扰m a i 。随着用户数的增多，m a i 的增大，用 户的误码性能会变差。另一方面，移动用户的位置不断变化及深度衰落的存 在，强功率用户的信号会抑制弱功率用户的信号，系统性能严重恶化，即所 谓的“远近效应 。随着c d m a 系统商用步伐的加快，抑制m a i 和远近效 应以提高系统的性能，增加容量，是十分迫切的要求。解决的办法有利用智 能天线进行空间滤波、功率控制、前向纠错f e c 以及本文主要研究的多用户 检测技术。 多用户检测技术可以充分利用各个用户的扩频序列、时延、幅度和相位 信息对各用户进行联合检测，从总体上提高各个用户的性能。它解决了远近 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上 行链路频谱资源，显著增加系统容量。 国际上，多用户检测技术已被公认为c d m a 系统的关键技术之一。 t d s c d m a 已决定采用多用户检测( 联合检测) 方案，而在w - c d m a 和 e 洫n a 2 0 0 0 等r t t 方案中，虽然目前没有采用多用户检测技术，但均表示将 适应技术的发展，在以后支持该项技术。 1 3 2 多用户检测的商用前景 制约多用户检测技术商用的主要因素是复杂度高。多用户检测技术花费 在硬件上的代价可能大于采用多用户检测技术获取的系统性能和容量上的收 益，这使得目前的c d m a 系统( 如i s - 9 5 ) 情愿依靠其它技术( 如功率控制) 来减小远近效应和提高系统性能。通常认为，多用户检测技术步入商用要在 复杂性和性能之间做个折衷，即牺牲一部分性能来换取实际可接受的硬件复 杂度。何况配合功率控制、f e e 等其它c d m a 关键技术，系统性能的牺牲 不会太大。但是随着器件水平的飞速发展，多用户检测技术商用的日子可以 提前到来。 当然，多用户检测技术的预计应用还只是在基站，用于移动台的时机还 不成熟。但我们有理由相信，随着多用户检测技术和其它c d m a 关键技术 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 的不断发展，未来的通信世界将变得更加美好。 1 4 分集接收技术 无线通信系统的性能主要受移动无线信道的制约，电磁波在移动无线信 道中传播会产生严重的畸变和失真，这使在接收端正确地恢复出发射端的信 号变成一件非常困难的事情。因此在移动通信中通常采用分集技术来克服这 些不利因素，改善链路的传输性能。 1 4 1 分集技术 分集技术哆1 9 1 ( d i v e r s i t yt e c h n i q u e s ) 就是利用多条传输相同信息且具有 近似相等的平均信号强度和相互独立衰落特性的信号路径，在接收端对这些 信号进行适当的合并，大大改善传输的可靠性。为了在接收端得到相互独立 的路径。可以通过空域、时域和频域等方法来实现。 1 4 2 接收技术 在接收端取得几条相互独立的支路信号以后，可以通过合并技术来得到 分集增益。根据在接收端使用合并技术的位置不同，可以分为检测前 ( p r e - d e t e e t i o n ) 合并技术和检测后( p o s t - d e t e c t i o n ) 合并技术。这两种技术 都得到了广泛的应用【1 9 k 对于具体的合并技术来说，通常有四类，即选择式分集合并( s e l e c t i o n d i v e r s i t y ) 、最大比分集合并( m a x i m u md i v e r s i t y ) 、等增益合并( e q 砌g a i n d i v e r s i t y ) 和开关式分集合并( s w i t c h i n gd i v e r s i t y ) 。 本文将采用空间分集技术，发端采用一副发射天线，接收端采用多副天 线接收。接收端天线之间的距离应足够大，以保证接收天线输出信号的衰落 特性是相互独立的。同时接收技术将和遗传算法、鱼群算法相结合，提出更 新的分集接收方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 5 本论文的主要工作和内容安排 本文结构安排如下： 第一章主要介绍了论文的选题背景，简要地介绍了本研究中涉及到的 一些基本知识。 第二章介绍了m c c i ) m a 系统模型，给出了m c 删a 系统具体的结 构框图。然后论述了在m c c e 帆系统中引入多用户检测技术的必要性，着 重介绍多用户检测技术的基本原理，详细介绍了几种常用多用户检测器的实 现方法，并指出它们各自的优缺点。最后，给出几种常用的多用户检测器的 性能仿真结果。 第三章简要介绍了遗传算法，针对频率选择性信道下使用多天线分集接 收的多载波码分多址( m c d l m a ) 系统上行链路中的多用户检测问题，利 用遗传算法的全局搜索功能，提出了一种基于遗传算法( g a ) 的多用户检测 方案g a m u d ，并且给出了性能仿真结果。 第四章介绍了人工鱼群算法相关理论和概念。提出了在频率选择性信道 下使用多天线分集接收的多载波码分多址( m c c d m a ) 系统中基于改进人 工鱼群算法( a f s a ) 的多用户检测方案，并且给出了性能仿真结果。 第五章提出了一种在频率选择性信道下使用单天线双代价函数的 m c - c d m a 系统中基于遗传算法的多用户检测方案，并且给出了性能仿真结 果。 第六章为总结与展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章m c c d m a 系统和多用户检测 本章内容将介绍m c - c d m a 系统发射和接收的基本模型。然后在此基础 上讲解了多用户检测的原理，并且介绍了几种常用多用户检测器，最后对这 几种多用户检测器进行了仿真，对其仿真结果进行分析比较。 2 1m c c d m a 系统 2 1 1c d m a 技术 码分多址( 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 ) 技术1 2 0 j ，是3 g 中的 主流技术。与时分多址( t d m a ) 和频分多址( f d m a ) 不同，在c d m a 系 统中，所有用户占用相同的时间和相同的频段，唯一的区别就是各个用户有 一个自己的扩频码，用它对用户发送信号进行扩频，即把用户的窄带信号扩 展到很宽的频带上，在用户接收端，再使用自己的扩频码进行解扩操作，恢 复出原来的信号。因为各个用户的扩频码具有良好的自相关特性和互相关特 性，所以接收端可以可靠地提取出期望用户的值。 如果采用高速码率的扩频序列与信息信号直接相乘，从而扩展信号的频 谱，而在接收端，用相同的扩频序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成 原始的信息，此种方法被称作直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m , d s c d m a ) ，d s - c d m a 的原理图如图2 - 1 。由图2 1 可以看出，扩频后的 数据符号周期是原来符号周期的1 n , 其中为扩频码长度，由于通信所需 求的传输速率越来越大，使得数据符号的持续时间越来越短，扩频后的符号 周期更是越来越短，以至于小于多径信道的最大延时，此时将导致较大的符 号间干扰i s i ，导致误码性能严重恶化。以往都是使用自适应均衡器来消除符 号间干扰。但在高速数字通信系统中，均衡器的抽头数常要求很多，这就大 大增加了接收端的复杂度和成本。要防止i s i ，可以想办法降低符号速率，这 就引入了多载波调制的概念。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 2 多载波调制和o f d m 多载波【2 1 】的基本思想是将所要传输的串行数据流通过串并转换成为多 个并行子数据流，每个子数据流具有低得多的传输比特速率，并且用这些数 据流去并行调制多个载波。显然，在多载波调制的子信道中，数据传输速率 得到了降低，这就增强了系统对时延扩展的抵抗力，减小了符号间干扰的影 响。 正交频分多路复用1 2 2 - 2 4 1 ( 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 ， o f d m ) 作为多载波调制的个特例，在欧洲己经被用于数字音频广播及数 字地面电视广播。无线局域网标准i e e e 80 2 1 l a 及h i p e r l a n 2 也选用 o f d m 作为物理层标准。在o f i ) m 系统中，利用逆离散傅立叶变换将并行 子数据流调制到子载波上。o f d m 子载波间隔为符号持续时间的倒数。因此， 虽然各子载波的频谱互相重叠，但却是彼此正交的。子载波的紧密排列使得 0 f d m 可以有效地提高频谱利用率。o f d m 系统发送、接收原理框图如图 2 - 2 所示。 假设原始串行信源序列 以 ，速率为1 乃o f d m 系统有个子载波， 通过串并转换后，每个子载波上的符号速率降低为1 n t , 符号周期变为 t b = n t , o f d m 符号周期内传输的信号为( d 1 d 2 , 1 ) ，相叠加的o f d m 信号为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 - 1 x 1 3 f ) = r e c l k e j 2 嘶) ，t 【o ，乃】 ( 2 - 1 ) k = o 其中五或+ 友厂为系统的发射载频，厂为子载波间的最小间隔。为实现 最大频谱效率，取z v = i t o = i n t 上厶 札 文孓讲 富 x ( f ) 并 并叫西 由 变变 换 器卜卜匦 换 。 、t 如 螂( 2 。r f k n c 2 万f k t ) 6 图2 - 2o f d m 系统的基本原理框图 2 1 3o f d m 系统的保护间隔和循环前缀 循环前缀是o f d m 技术中很有特色的部分，它的主要优点就是几乎消除 了使用均衡器的必要c z 3 】。信号在多条路径上传播而先后到达接收端，这种现 象会引起符号间干扰( 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 ) 。o f d m 在每个符号 前部留出一段保护带( g u a r dt i m e ) ，又叫做前缀( p r e f i x ) ，其时间宽度大于 信道的最大时延扩展( d e l a ys p r e a d ) 。这样前个符号的多个时延信号完全被 前缀吸收，不会影响后一个符号。一般的，前缀使用的是符号最后一段时域 信号的拷贝，这种使符号具有循环结构的前缀叫做循环前缀( c p ：c y c l i c p r e f i x ) 。引入循环前缀叫做保护带，可以保持子载波之间的正交性，并且可 以消除符号之间和符号内部的i s i 。如果接收机的符号定时存在误差，但仍能 保证d f t 窗口在这个符号以内，那么定时误差只会使解调结果中带有附加相 移，并不会破坏子载波之间的正交性。 o f d m 符号需要在其保护间隔内填入循环前缀信号，即将每个o f d m 符 号的后死时间中的数据复制到o f d m 符号的前面，形成前缀，假设为 b 个数据，因此一个实际的o f d m 符号周期为死+ 。加入循环前缀的o f d m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 符号为： 其中批知m - 吒：酬向r ：n - i 以p j 2 专m ：芝矿5 寺” ( 2 - 2 ) 厂一 复制、 l 循环嵌缀 ；一 l 1，7 ；1 r n g n g 1 r n 一 l n c + n 图2 3 带循环嵌缀的o f d m 符号 图2 4 加入保护间隔且基于i f f f r 的o f d m 系统框图 图2 3 是个加入循环嵌缀的o f d m 符号的示意图，从图中可以看出循 环嵌缀的数据就是将原始数据后n o 复制到o f d m 符号的前面，只要保证其 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 长度大于信道的最大时延扩展，这样可以很好的消除多址干扰，同时也保证 了o f d m 信号的正交性。图2 4 是一个加入保护间隔且基于i f f t f f t 的 o 】m m 系统框图。 2 1 4m c - c d m a 通信系统 m c - c d m a 是正交频分多路复用o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 技术和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 ) 技术的结合， 是第四代移动通信系统技术的备选方案。 将多载波调制同d s - c d m a 相结合，可形成多载波d s c d m a ( m c d s - c d m a ) t 2 5 和多音c d m a ( m u l t i - t o n ec d m a ，m tc d m a ) 吲。 将o f d m 同d s - c d m a 相结合，形成m c c d m a t 2 7 1 。 本文主要讨论m c - c d m a 。在m c - c d m a 系统中，不同用户的原始数 据被并行地乘上预先分配的各自的扩频码，然后同o f d m 一样，将所有的多 路复用码片调制到不同的子载波上，并同时发送。这一过程可以看作是频域 的直接序列扩频。m c - c d m a 信号的频率利用同o f d m 信号类似，每个子 载波的带宽都很窄，确保每个子载波都经历频率非选择性衰落。因此，在 m c - c d m a 中不需要信道均衡。并且，通过在频域对接收信号解扩， m c - c d m a 接收机可以充分利用信道分集。而在d s c d m a 系统中，r a k e 接收机在时域利用分集的能力受限于r a k e 接收机的抽头数。以上主要特征 使得m c - c d m a 成为未来宽带无线通信中非常有前途的个方案。 从1 9 9 3 年开始，陆续出现了一些将多载波和c d m a 技术相结合方法的 研究，这些方法可以分为两大类：频域扩频与时域扩频团捌。 频域扩频通常叫做多载波码分多址( m u l t i c a r r i e rc d m a ) 。时域扩频有 两种不同的构成方法：m u l t i c 趾 r i e rd s - c d m a 和m u l t i t o n ec d m a 。 1 9 9 3 年，加州b e r k e l y 大学的l i n n a r t z ，f e t t w e i s 和德国的f a z e l ，p a p k e 独立的提出了将o f d m 和c d m a 相结合的技术方案即m u l t i c a r f i e rc d m a 。 它结合了o f d m 和c d m a 的优点，在高速数据传输时，其抗干扰的性能明 显优于传统c d m a 。在发送端和接收端利用快速傅立叶变换( f 兀i ) 及其反 变换( i f f t ) 可以很容易的恢复和产生这样的多载波信号。研究表明， m c - c d m a 信号能够用结构相当简单的接收机来检测，这种接收机采用f f t 技术和可变增益分集合并，其每一支路的增益仅由该子载波的信道衰落所控 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 制。并且由于各个子载波频谱相互交叠，多载波c d m a 具有很高的频谱利 用率 3 0 , - , 3 2 。m c 4 2 d m a 系统的发射机接收机模型分别如图2 1 5 和图2 石所示。 本文只考虑同步上行m c - c d m a 系统。图2 5 中是上行m c - c d m a 系 统的发射机框图。 d l 大 ；l； 叫护 珏 ： ： s 伊 串保 并 ； 求 护 ： 7 间 1 ：m 搿_ 变 和 隔 换 律 d m ： i ： ：一一一， 一，1r 、正t 图2 - 5m c c d m a 系统的发射视卉匡图 假设用户七有m 个数据符号，写为向量表达式为 孑耻= ( 盔n ，d 2 ( n ，o o o d m ( ”) ，七= 1 ，2 ，k ，k 是总的用户数。在串并转换 ( s p ) 以后，每一个符号都被正交扩频码c = ( q ，c 2 ，c ) 扩频， 是扩频码长。扩频后所有用户的符号相加在起，再做一次串并转换，就把 这个并行数据送入研( i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 调制模块，删盯点数 为m x n , 假设子载波数为o 矾硐盯模块输出端出来的基带m c - c d m a 信号表 达式为： 1mnx s ( f ) = 寺露带2 删。州撼1 m 爆 ( 2 - 3 ) v vm = ln = lk = l o f 珏，其中菇是m c c d m m 言号的符号周期。 m c - c d m a 系统接收机框图见图2 5 。由于不同的检测技术就决定了不 同的接收机类型，所以图2 - 5 给出了一个大致的框图，后面的章节将对其进 行详细的分析，并提出性能更好的方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 ：”： ii lc 。s ( - 2 石。够，肿i i 矗一习i 。 h x y l 凹f ii 7 - - l c o s ( 2 7 r f c t ) ： ： 去 ： !检 沣 即。m 保 ：； 测 争 7 y y 7护 ： 间 ： ；技 变 ： 隔 国f = 习；。 术奂 i 气厶广1l p fi ：7 ；下 l i c o s ( - 2 r r ( n 1 ) 够) i ： 图2 - 6m c - c d m a 系统的接收机框图 2 2 多用户检测 本节首先简要分析了在m c - c d m a 系统中引入多址干扰消除技术即多 用户检测技术的必要性。然后详细介绍了基于m c - c d m a 系统多用户检测技 术的基本原理。按照多用户检测器的分类，较为详细地介绍了若干种线性、 非线性多用户检测器。最后，给出几种常用的多用户检测器的性能仿真结果。 2 2 i 多用户检测思想的提出 多用户检测【l 6 l 7 j ( m u l t i p l eu s 镪d e t e c t i o n ，m u d ) 就是用来克服多址干 扰的一种信号检测技术。它联合考虑了同时占用某个信道的所有用户或某些 用户，通过设计一定的算法，消除或减弱其它用户对期望用户的m a i 影响， 并同时检测出期望用户的有用信息。多用户检测与传统的单用户检测的区别 就是：多用户检测充分利用了其他干扰用户的信息，而单用户检测则将这些 有用信息当作噪声滤出掉了。 1 9 8 6 年s v e r d u r 善3 3 3 4 提出了匹配滤波器加v i t e r b i 译码的异步c d m a 最佳检测算法，它实质上是序列检测问题，采用最大似然序列准则找出一个 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 接收信号序列，使得给定输出序列的似然函数最大。理论上证明了采用最大 似然( m l ) 检测可以逼近单用户接收性能，有效地克服了远近效应，大大 提高了系统的容量，从而开始了对多用户检测的广泛研究。但由于其运算复 杂度o ( 2 ) 随用户数k