（信息与通信工程专业论文）多用户检测技术在协同网络中的应用.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 在无线环境中，当传输信号经过多个路径到达接收端，就会产生多径衰落。而协同分 集技术是对抗衰落的有效方式之一。协同分集可通过小区内用户间的协同有效地提高协同 网络性能，降低系统的误码率，获得更高的系统容量。 论文将协同分集技术与多用户检测技术相结合，深入研究了两种固定中继策略下的多 用户检测技术，分析了基于多用户检测技术的协同网络的性能。 论文首先对协同分集和多用户检测技术的基本原理进行了介绍，然后将m m s e 多用 户检测技术引入到协同网络，在d a f 和a a f 协同中继策略下研究基于m m s e 多用户检测技 术的协同网络性能，并通过理想协同网络信道模型进行了仿真分析，验证了m m s e 多用户 检测器对协同网络系统性能的改善。 论文还研究了盲多用户检测算法在非理想协同网络中的应用，分析了d m i 和p a s t d 算法对协同网络的影响，并在非理想协同网络信道模型下，从信干比、收敛速度和抗干扰 性能等各个角度对以上不同盲算法在非理想协同网络中的抗干扰性和收敛特性进行了理 论分析和仿真比较。 论文最后对协同网络中的盲多用户检测算法进行了改进，通过对子空间模型的修改和 子空间跟踪算法的改进，解决了盲多用户检测算法中快速矩阵分解的问题。论文从算法收 敛速度，抗干扰性以及算法复杂度等方面进行了理论研究和仿真分析，结果表明该算法在 收敛速度和稳定性方面均有很好改善，而且还降低了协同网络接收机的复杂度，提高了协 同网络的系统性能。 南京邮电大学硕士研究生学位论文a b s t r a c ! a bs t r a c t i nw i r e l e s se n v i r o n m e n t ，w h e nt h et r a n s m i s s i o ns i g n a l sr e a c ht h er e c e i v e r sf r o mm u l t i p l e p a t h s ，i tm a ys u f f e rf r o mf a d i n gi n d u c e db ym u l t i p a t hp r o p a g a t i o n b u tc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y t e c h n o l o g yi st h ee f f e c t i v em e t h o dw h i c hr e s i s t st h ef a d i n g i tc a l lr e d u c et h es y s t e me r r o rr a t e ， o b t a i nt h e h i g h e rs y s t e mc a p a c i t y a n de n h a n c en e t w o r k p e r f o r m a n c ee f f e c t i v e l yb y u s e r - c o o p e r a t i o ni nt h es a m ep l o t t h et h e s i su n i f i e sc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yt e c h n o l o g yw i t hm u d t e c h n o l o g y , s t u d i e sm u d i n t w of i x e dr e l a y i n gs t r a t e g i e st h o r o u g h l y , a n da n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo fc o o p e r a t i o nn e t w o r k b a s e do nm u d f i r s t ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ya n dm u d t h e ni t i n t r o d u c e st h em m s em u di nt h ec o o p e r a t i o nn e t w o r k ，s t u d i e st h ep e r f o r m a n c eo fc o o p e r a t i o n n e t w o r kw i t hm m s em u di nt h ed a fa n da a f c o o p e r a t i v er e l a y i n gs t r a t e g y a n dw i t ht h e s i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ei d e a lc o o p e r a t i o ns y s t e mc h a n n e lm o d e l ，i tc o n f m u st h a tm m s em u d c a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f c o o p e r a t i o nn e t w o r k s e c o n d ，t h et h e s i sa l s os t u d i e sb l i n dm u da l g o r i t h mi nt h en o n - i d e a lc o o p e r a t i o nn e t w o r k , a n dt h ei n f l u e n c ew i t hd m ia n dt h ep a s t da l g o r i t h m t h r o u g ht h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n d s i m u l a t i o nc o m p a r i s o n , s i rc o n v e r g e n c er a t ea n da n t i i n t e r f e r e n c eh a v eb e e nr e s e a r c h e di nt h e c o o p e r a t i o nn e t w o r kw h i c hu s e sd i f f e r e n tb l i n dm u da l g o r i t h m i n t h ee n d ，t h et h e s i si m p r o v e sb l i n dm u da l g o r i t h mi nt h ec o o p e r a t i o nn e t w o r k b y i m p r o v i n gt h es u b s p a c em o d e la n ds u b s p a c et r a c k i n ga l g o r i t h m ，i tr e s o l v e st h ep r o b l e mo ff a s t m a t r i x d e c o m p o s i t i o ni nt h eb l i n dm u da l g o r i t h m t h et h e s i sa n a l y z e sc o n v e r g e n c er a t e ， a n t i i n t e r f e r e n c ea n da l g o r i t h mc o m p l e x i t y , a n ds oo n i td r a w st h ec o n c l u s i o n ：t h ea l g o r i t h mc a l l i m p r o v et h ec o n v e r g e n c er a t e ，r e d u c et h ec o m p l e x i t yo fr e c e i v e r s ，a n de n h a n c et h ep e r f o r m a n c e o fc o o p e r a t i o nn e t w o r ke f f e c t i v e l y i i 南京邮电大学学位论文原创性声明 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和致谢的地方外，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或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：j 雠日期： 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 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文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：孑堕叠径 导师签名研究生签名：才u 砗伲导师签名一j 弋俐i i v v日期：趁錾坐 南京邮电大学硕l 研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 在过去二十年间，无线通信技术取得了长足的发展，然而现代社会对各种无线通信业 务的要求增长迅猛。2 0 0 0 年到来之后，实用的第三代移动通信系统( 3 g ) 离我们越来越近。 多用户检测技术作为t d s c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 的增强性技术之一，愈来愈受 到学术界、产业界的重视。 1 1 多用户检测技术和协同分集技术的背景 1 9 7 9 年k s c h n e i d e r 提出多用户检测( m u l t i p l eu s e rd e t e c t i o n ，m u d ) 的概念以来，经过 2 0 余年的发展，特别是1 9 8 6 年v e r d u 提出最佳多用户检测算法以后，多用户检测技术成 为无线通信领域最重要的学术研究热点之一。c d m a 系统中多用户检测的定义：联合考虑 同时占用某个信道的所有用户或某些用户，消除或减弱其它用户对任一用户的影响，并同 时检测出所有这些用户或某些用户的信息的一种信号检测方法。多用户检测有时又称联合 检测( j o i n td e t e c t i o n ) 。含多用户检测技术的c d m a 接收机称为先进接收机( a d v a n c e d r e c e i v e r ) 【1 】阴。 而协同分集技术最早源于中继信道的研究。c o v e r 和e 1g a m a l 在1 9 7 9 年首先提出了基 于中继信道的理论。这个理论分析了一个由源节点、中继节点和目的节点组成的三节点系 统的性能，并把它看作一个多发多收的系统。协同分集中的许多理论都是从中继信道中演 化而来的。但是，在协同分集系统中，源节点和中继节点并没有明确的区分。某一个节点 在发送自己信号的时候可以被看作是源节点，但同时该节点又在为其它的节点起着中继的 作用。 1 2 多用户检测的特点及应用 在目前可实现性的前提下，对比f d m a 、t d m a 及c d m a 三种多址技术，c d m a 具 有很多的优点。由于c d m a 通信系统的容量受其本身的多地址干扰( 简称多址干扰) 的 大小和多少决定，c d m a 优越的结论一般是针对采用功率控制方法抑制多址干扰的c d m a 系统。功率控制法抑制多址干扰是一种原始的、简单的抗多址干扰方法，如果采用多用户 l 南京邮电大学硕 ：研究生学位论文第一章绪论 检测技术抗多址干扰，c d m a 系统的性能将进一步提高。c d m a 系统中采用多用户检测 技术的优缺点主要表现在以下几个方面： 优点缺点 1 抑制多径干扰；1 大大增加了设备的复杂度： 2 消除或减轻远近效应；2 增加了系统时延，特别是采用自适应算 3 降低了对功控精度的要求，可以简化功法时更为严重； 控；3 多用户检测一般需要知道用户的一些 4 弥补扩频码互不相关性不理想造成的信息，需要通过不断的信道估计来实现， 影响；而且估计的精度会直接影响检测器的性 5 改善系统性能，提高系统容量，增大小能。 区覆盖范围。 表1 1 多用户检测器的优缺点 经过2 0 余年的发展，对抑制多址干扰的多用户检测方法已研究的十分广泛和具体。根 据上面多用户检测的定义，在不同的准则下，多用户检测具有不同的分类方法。按性能的 不同，多用户检测可分为最优多用户检测法及准最优多用户检测法。从结构上看，多用户 检测又分为线性多用户检测及非线性多用户检测技术。 多用户检测技术的应用又主要分为基站中的多用户检测技术和用户设备中的多用户检 测技术。 1 基站中的多用户检测方法 基站( b a s es t a t i o n 或n o d eb ) 中多用户检测方法。由于基站知道所有用户的特征码 ( s i g n a t u r es e q u e n c e ) ，考虑到算法复杂度之后，基站中的多址干扰抑制方法一般选择针对多 用户的多用户检测方法。下面分别介绍基站中的典型多用户检测技术【1 】。 ( 1 ) 最优多用户检测法 最优多用户检测法，即最大似然序列估计( m l s e ) 方法，1 9 8 6 年由v e r d u 提出。该算 法的复杂度随着用户数成指数增加，从目前器件经济的可实现性来看，当用户数大于9 时， 是不可行的。最优多用户检测法为我们提供了性能改善的极限值。 ( 2 ) 线性准最优多用户检测法 由于最优多用户检测法的复杂度太高，1 9 8 9 年以后的研究均侧重于准最优多用户检测 法。准最优多用户检测可分为线性及非线性两大类。所谓线性或非线性，即是判断算法的 输出是否是输入的线性变换。线性多用户检测算法主要包括去相关法( d e c o r r e l a t o r ) 和最 小均方估计法( m m s e ) 。去相关法及m m s e 法的复杂度均随用户数线性增长，其中去相 关法不需估计各用户的幅度，具有较好的抗远近效应能力，而m m s e 法需估计各用户的幅 度，抗远近效应能力不如去相关法，但去相关法对信道噪声有放大作用，m m s e 法则没有。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 当信噪比较大时，使用去相关法较好；当信噪比较小进，易于使用m m s e 法。 从本质上看，去相关性及m m s e 法均需对互相关矩阵求逆，当用户数很多时，使用去 相关法及m m s e 法的复杂度还是太大。为此m o s h a v i 等人提出了矩阵求逆的多项式分解法， 只取多项式的前几项代替整个逆阵，从而化简求逆的复杂度。 ( 3 ) 非线性准最优多用户检测法 由于线性多用户检测法复杂度高，收敛慢，从可实现性角度考虑的研究方向主要集中 于非线性多用户检测方法。非线性多用户检测方法主要有多级型、判决反馈型、神经网络 等几种方法。 2 用户设备中的多用户检测技术 对于用户设备( 又称移动终端) 来说，从安全及复杂度上考虑，它只知道自己使用的 特征序列。这时的多用户检测技术与基站中的的多址干扰抑制方法有很大的差别。在用户 设备中多用户检测的各种技术中，我们把传统c d m a 检测器作为固定式多用户检测技术 也归纳进来了。所谓传统c d m a 检测器，即采用了相关器或匹配滤波器检测方法。传统 c d m a 检测器为了抑制多址干扰的影响，在系统级中采用了功率控制的方法，它要求到达 某一接收机输入端的各个用户的功率相等。这是一种最简单、原始的多址干扰抑制方法， 已成功应用于军、民用c d m a 移动通信网。 为了更有效的对抗多址干扰，用户设备一般采用自适应技术来抑制多址干扰。所谓自 适应多址干扰抑制算法，即接收机的多址干扰抑制部分采用了自适应滤波器的结构，滤波 器的系数是自适应变化的，标准是满足某种标准下的最优化。自适应式多用户检测方法也 可划分为两大类：线性及非线性。类似于基站中的多用户检测方法，用户设备中的自适应 非线性多用户检测方法包含有判决反馈、神经网络方法。下面主要介绍用户设备中的自适 应线性多用户检测方法。 ( 1 ) 线性高复杂度白适应多用户检测算法 线性高复杂度自适应多用户检测算法，根据自适应算法抽头间距( 也可以表述为自适 应算法对输入信号的采样间隔) 的大小，可以划分为码元空间、分数空间两种。如果抽头 间距等于接收机扩频码的一个码元宽度，这就是码元空间法。分数空间法则定义为自适应 算法抽头间距只是码元宽度的一部分。分数空间法自适应多用户检测算法则包含最优线性 同轭线性算法及复时间相关自适应滤波算法。复时间相关自适应滤波算法还可以进一步划 分，滤波算法是基于波形估计滤波式的，还是基于符号估计滤波式。 ( 2 ) 线性低复杂度自适应多用户检测算法 3 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第一章绪论 线性低复杂度自适应多用户检测算法，依据对高复杂度自适应多用户检测算法简化的 方法的不同，可分为两类：最优简化法、次优简化法。其中次优简化法包含循环位滤波器 组法及符号过采样法。 最近又有一些学者把多用户检测技术应用到协同网络中 8 9 。由于协同网络系统依 然采用的c d m a 通信系统，而在现有的非正交的c d m a 系统中，多址干扰的影响是不得不 考虑到的，因此学者在协同网络中引入多用户检测技术，通过对不同多用户检测器的研究 和分析，认为多用户检测器可以给协同网络可以带来额外的分集增益，降低误码率，有效 的抵制多址干扰。因此，协同网络中的多用户检测技术正逐渐成为研究的热点。 1 3 论文的系统方案和结构 本文研究协同网络中的多用户检测技术，把重点放在d s c d m a 系统中，由于远近效 应和多址干扰，单相关器的性能有所降低，也导致整个系统性能的下降。因此，本文在用 户协同网络的接收端加入多用户检测器，来合并各个独立衰落路径的信号，降低多址干扰 所带来的负面影响。在参考同行研究成果的基础上，采用了一种适合于协同网络中的多用 户子空间算法，达到降低多址干扰和算法复杂度的效果。现给出论文中采用的仿真系统方 案。 1 ) 研究系统：d s c d m a 系统 2 ) 调制方式：d s 系统采用b p s k 调制方式 3 ) 多址方式：多用户系统 4 ) 信道模型：a 理想协同信道( a w g n 信道) b 实际协同信道( 瑞利衰落信道) 。 5 ) 干扰源：系统中的主要干扰为多址干扰和高斯白噪声 6 ) 接收机： 匹配滤波器和多用户检测器。 具体模型将在后面的章节进行分析。 全文结构共分为七章： 第一章绪论，简单介绍本课题的研究背景。 第二章介绍协同分集的基本概念和主要中继策略。 第三章介绍m m s e 多用户检测器的基本原理 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第四章研究协同网络中的m m s e 多用户检测器，分析多址干扰对理想协同网络系统性能的 影响。 第五章介绍盲多用户检测器的基本原理，讨论不同的基于子空间的盲算法。 第六章研究协同网络中的盲多用户检测器，根据基于子空间算法的盲多用户检测器，分 析多址干扰对实际协同网络各方面性能的影响。并且研究分析一种改进的适合于 协同网络的子空间算法。 第七章对全文工作的总结以及展望。 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章协同分集的基本原理 第二章协同分集的基本原理 2 1 协同分集的概念 在无线环境中，当传输信号经过多个路径到达接收端，就会产生多径衰落，而分集是 对抗衰落的有效技术。时间分集、频率分集和空间分集被广泛应用于蜂窝移动通信系统。 最近，研究学者提出了协同分集的概念，这种分集增益可以通过一个小区内用户的协同来 获得，也就是说，在每个小区内，每个用户都有一个伙伴。两个具有伙伴关系的用户除了 传输自己的信息外，都有责任传输另一同伴的信息。这样，可通过使用同伴的天线来获得 空间分集。【2 3 1 1 4 】 协同分集作为一种虚拟多天线技术，基本概念如图2 1 所示。图中，用户l 和用户2 为某 两个单天线用户，他们通过协同，共享彼此的天线，形成一个虚拟的两天线发射系统。接 收基站通过合并接收，可以获得一定的增益。 y 用户l 白 、 用户2 图2 1 协同分集的简单模型 协同分集技术最早源于中继信道的研究，但是又不同于中继：中继用户只是为源用户 转发数据，而协同用户既是转发者又是数据源。中继信道的理论最早是在1 9 7 9 年提出的。 这个理论分析了一个由源节点、中继节点和目的节点组成的三节点系统的性能。如图2 2 所示，将基站视为源节点，有高速率要求的终端视为目的节点，其它终端作为中继节点， 这样整个系统从有高速率需求的终端来看就是一个多址信道，参加通信的中继节点就可以 视为高速率终端的收发天线。从整体看，整个网络就等效于一个m i m o 系统。这样使用移 动中继来增加特定用户容量的技术，被称为协同通信，由于类似于m i m o ，也被称为虚拟 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章协同分集的基本原理 多天线或者虚拟m i m o 。协同分集中的许多理论都是从三节点系统中演化而来的。 源节点 信道l o o 厂、目的节点 u 中继节点 图2 2 三节点系统 但是，在实际的协同分集系统中，源节点和中继节点并没有明确的区分。某一个节点 在发送自己信号的时候可以被看作是源节点，但同时该节点又在为其它的节点起着中继的 作用，所以图2 2 中单一地把某一节点定义为源节点或者是中继节点是不够合理的。 通过对误码率( b i te r r o rp r o b a b i l i t y ) 、中断概率( o u t a g ep r o b a b i l i t y ) 等的分析，可以研究协同 分集系统的性能，并可以给出在低速和高速c d 燃输系统下的实现方案和该系统可以达 到的传输速率范围和信道容量。图2 3 为协同分集的基本方案。 图2 3 协同分集的基本方案 上图是协同分集的系统模型。每一个移动台都会接收到含有噪声的“伙伴”的信号，随后 通过和自己信号的合并处理形成自己的发送信号。而基站将会接收到含有噪声的两个移动 台各自的发送信号。协同分集系统的数学表达式为： t o ( t ) = 墨。五o ) + 岛。五( r ) + z o ( ，) ( 2 1 ) 巧( f ) = k 。五o ) + z l ( f )( 2 2 ) 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章协同分集的基本原理 艺( f ) = 墨2 五( f ) + z 2 ( f ) ( 2 3 ) 其中y o ( t ) ，k ( r ) 和y 2 ( t ) 是在一个符号周期内接收信号的基带模型。墨( f ) 是用户f 的发 射信号。z f ( ，) 是信道中的加性噪声。瓦是信道的衰落因子，而且在至少一个符号周期内 保持不变。 系统模型中，假设置( f ) 对k o ) 并没有影响，即使它们都是从用户2 终端产生的信号。 置( f ) 在到达用户2 的天线之前并不经历衰落的过程，所以它对信号e ( f ) 的接收是有害的。 但是由于我们知道相关天线的增益，所以在计算y 2 ( t ) 的时候可以把鼍( f ) 产生的影响消除 掉。在实际的应用中，我们需要通过两个独立的信道和两个位置独立的天线。比如在c d m a 通信系统中，我们就可以使用两个独立的扩频码来区分不同的信道。 另外，我们还需要对协同分集的系统作一些假设：传输信号五( f ) 具有平均功率，其 q a i = l ，2 ；噪声项z ：( ，) 是频谱幅度为，2 ，i = o ，1 ，2 ；的零均值复高斯随机过程；衰落因子巧 是均值为零，方差为；! ，的高斯随机变量。 相比非协同方案，用户协同是有益的，其增益可以带来两个好处：增加数据速率以及 减小对信道变化的敏感程度。协同增加的数据速率可以转化为降低用户的发送功率，也就 是说，与不采用协同的系统相比，协同网络中的用户在以相同数据速率传输数据时需要的 总功率降低了，因此，它还可以延长移动终端电池的寿命。 2 2c d m a 系统中的协同网络 通信系统典型的多址方式有f d m a 、t d m a 和c d m a _ 三种。而c d m a 以其容量大、抗干 扰性强等诸多优点成为移动通信中最具前景的多址方式。考虑到c d m a 系统中每个用户都 有自己的扩频码，扩频码之间保持正交，信道的相干时间为l 个符号周期，即信道在l 个符 号周期内保持不变。本文采用2 个用户且l - - 3 的例子来描述这种协同分集方案 1 0 。 首先说明一下传统非协同网络的发送方案。在3 个符号周期内，将用户1 和用户2 的发送 信号五( f ) 和五( r ) 分别表示为： 五( r ) = q 2 j f q ( f ) ，q 砰c l o ) ， 口1 日c l o ) ( 2 4 ) 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章协同分集的基本原理 t ( f ) = 呸砬c ：( ，) ，a 2 b ；c 2 ( t ) ，嘭噬c 2 ( f ) ( 2 5 ) 其中a 。表示第i 个用户的功率，彰表示第i 个用户在第j 个符号周期内发送的信息符号，c j ( f ) 为第i 个用户的扩频码。在以上描述中，i = 1 ，2 表示用户下标，j 表示符号周期。上述方案是 一个简单的c d m a 发送方案，两个用户之间没有协同发生。 接着，说明一个简单的协同分集的例子。在3 个符号周期内，用户l 和用户2 的发送信号 五l j f ) 和五( f ) 分别表示为： 五( ，) = q 。舛q ( ，) ，q ：砰q ( ，) ，q ，砰q p ) + q 。窑乞( ，) ( 2 6 ) 砭( f ) = 口2 1 6 三c 2 0 ) ，口2 2 磅c 2 ( f ) ，a 2 3 砰c l ( f ) + a 2 4 霹c 2 ( ，) ( 2 7 ) 其中髟表示同伴译码得到的第i 个用户的莉个符号。嘞表示第i 个用户分配给第j 个符号 的功率，假设每个用户在l 个符号内发送的功率为c ( 与非协同方案相同) ，即用来调节 分配给自己信息符号和同伴信息符号的功率之比。上述例子中的第一个符号周期内，用户 仅将自己的信息发送到基站。在第二个符号周期，用户不仅将数据发送到基站，同时还发 送给自己的同伴。当数据被每个用户的同伴进行解码后，进入第三个协同符号周期。在这 个周期中，每个用户用他们两个的扩频码分别调制自己第二个符号和译码得到的同伴的第 二个符号。 在c d m a 的协同方案中，对每个用户来说，3 个符号周期发送了2 个符号，而非协同方 案中却发送了3 个符号，也就是说，协同方案损失了数据速率。但是，这样做是有好处的， 很显然，接收到一个高信噪比的比特比接收到l o 个很低信噪比的比特要好。 2 3 协同网络中的中继策略 随着协同分集技术的相关研究愈来愈深入，人们把协同分集分为固定中继，选择中继和 增量中继三种不同的协同策略。 1 ) 固定中继： 传输过程中使用的中继节点相对固定，不随着信道状态的改变而改变。中继根据接收 到信号的能量大小决定采取放大或是解码重编码的方法处理信号，随后重传处理过后的信 号。固定中继包括放大前传( a m p l i f ya n df o r w a r d ，a f 从f ) 和译码前传( d e c o d ea n d f o r w a r d ，d f d a f ) 两种方式。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章协同分集的基本原理 2 ) 选择中继： 源节点根据中继节点的反馈合理地选择与之协同的中继节点。衰落因子对于中继端是 己知的，则趋，和墨，：能被协同伙伴精确地计算，从而中继能够根据计算得到的衰落因子 调整它的传输方式。假设k ，：= 局l ，如果| 墨，：1 2 的值低于某个门限值，源节点仅仅向目的节 点重复传送码字；如果i 墨，：1 2 的值大于某个门限值，则可以采用固定中继前传中的两种方 法来获得增益。 3 ) 增量中继： 源节点根据中继节点的反馈决定是否采用中继进行传送。首先源节点向目的节点发送 一个消息，目的节点将向源节点和中继节点反馈一个“成功”或者“失败”的广播信息。我们 假设至少中继节点能收到这个信号。如果源节点到目的节点的s n r 足够大，反馈信号就是 “成功”，那就与中继节点无关。如果目的节点反馈的信号是“失败”，那么反馈会要求中继 节点对源信号进行放大前传。由于只是在信道衰落严重的情况下才采取重发的策略，所以 这种方法能更有效地利用信道。 本文重点研究两种最基本的固定中继策略译码前传和放大前传方案。这两种方案传输 过程中所使用的中继节点相对固定，不随着信道状态的改变而改变，也给协同网络带来非 常好的性能增益。 2 3 1 放大前传 传统的从f 策略中，每个用户收到伙伴的带有噪声的信号。在给定的协同时间间隔内， 每个用户仅简单地将伙伴的模拟信号放入缓存，然后在紧接着的协同时间里，将这个信号 放大并重新传输到基站。基站将从用户发来的信号与从同伴发送过来放大后的信号进行合 并，得到发送信息比特。尽管同伴在放大信号的同时也放大了噪声，但是由于基站接收到 了经过两个独立衰落路径发送来的信号，因此还是能获得更好的判决。 本文中的从f 策略不同于传统的从f 策略，本文对中继端的接收信号先进行了匹配解 扩和多用户检测，在此基础上再对信号进行放大前传，一定程度上抑制了多址干扰和高斯 白噪声，提高了系统的性能，但可能在现实应用中增加了一定的设备复杂度。 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章协同分集的基本原理 用户1 屋f 1 2 - 4 传统放大前传( a a f ) 策略 2 3 2 译码前传 d a f 策略中，在第一和第二个符号周期内，各个用户都是在传送自己的信号。随后，用 户估计“伙伴”在第二个符号周期的信号。在第三个符号周期内，每个用户发送自己第二符 号周期内的信号和伙伴第二个符号周期间隔内的信号的线性组合，各个信号都用合适的扩 频码扩频。一般来说，d a f 的性能要优于传统m f 的性能。 2 4 本章小结 图2 5 译码前传( d a f ) 方案 本章详细介绍了协同分集的概念，并在此基础上引入c d m a 系统中的协同网络，根据 协同分集技术的发展过程分别对三种不同的中继策略进行了定性的分析，重点对固定中继 策略中的d a f 和儿师策略进行了具体的描述。 l l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章线性多用户检测器的基本原理 第三章线性多用户检测器的基本原理 3 1 线性多用户检测器的原理 基本思想：在判决之前对相关器的输出矩阵进行线性变换( 变换矩阵为l ) ，然后再对输 出序列进行判决，该类检测器的复杂度与用户数成线性关系，线性检测器主要包括解相关 检测器、最小均方误差m m s e 检测器、子空间斜投影检测器、多项式展开检测器和自适应 检测器等。 基本分类： 帕滕相关 线_ 多用户检测器 自适二型 ：三 基本结构图3 1 ： f 单用户m m s e 型 多用户m m s e 旧适应解相关 f 和均衡器结合 综合型 和r a k e 接收机结合 i 和阵列天线结合 八、 f j i d e t i n 匝 t i 基本变换矩阵表3 1 图3 1 线性多用户检测器的基本结构 检测器线性变换矩阵选择 普通接收机 t = i 解相关t - r 一1 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章线性多用户检测器的基本原理 m m s e t - ( r + 盯2 彳一2 ) 一 3 2 解相关多用户检测器 表3 - 1 线性变换矩阵选择 解相关检测器是一种性能优良的线性检测器，它首先对匹配滤波器组的输出进行线性 变换，t = r - 1 ，然后再对其结果进行判决。数学模型如下： y = r a b + n z = 足一y = a d + r 一1 r t 其中y 为接收信号，r 为相关矩阵，d 为要检测的数据，n 为噪声。 解相关多用户检测器如图3 2 所示： 一篙p 卜 一m 絮罗卜啬 一弋学叶_ r - l - t c u h e df i 胁卜 图3 2 同步信道的解相关线性检测器 3 3m m s e 多用户检测器 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 最小均方误差( m m s e ) 线性多用户检测技术的设计目标是使第足个用户发送信号以与 其估计值之间的误差的均方值达到最小，既是说，选择长度为t 的波形c l 满足： c l = a r g m 礓i n e ( 瓯一 ) 2 1 3 ( 3 3 ) 南尿邮电大学帧士研究生学位论文第三章线性多用户检测器的基本原理 其中，输出的决策统计量为 钆= s 鲷( ( q ，y ) )( 3 4 ) 若令6 = 【6 i ，k 】r ，并令k + k 矩阵m = 【研l - ，】表示k 个用户的线性检测器，则m m s e 线性检测器的问题也等价为：在m m s e 准则下球最佳矩阵m ，使均方误差定义的代价函数： j ( m ) = e h b - m y0 2 ) ( 3 5 ) 推导可知 ，厶槛= ( r + 仃2 a 。2 ) 。1 ( 3 6 ) 将估计值龟= s 印( 磁y ) 作为第k 个用户发送字符的估计值，y 为接收信号向量定义： y = g d b + 刀( 3 7 ) 将代入反= s 鲷( 硭y ) ，即可正确得出m 凇e 检测器的输出： 爰= s 口( 膨乙力 ( 3 8 ) 结构图如下图3 3 一c 嘶h e df - 牖除 一c 哳h e d f 2 i 腑卜_ 一c 妇h e d f 3 i 腧怆 l r + 口2 a 。2 1 1 叫撇c 嘶h e d f k i 腑卜 3 4 本章小结 图3 3 同步信道的m m s e 线性检测器 本章主要介绍了线性多用户检测器的基本原理，并且对解相关多用户检测器和m m s e 多用户检测器的数学模型和结构图进行了简要的介绍。 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章协同网络中的m m s e 多用户检测器及性能分析 第四章协同网络中的m m s e 多用户检测器及性能分析 本章针对d s c d m a 系统，分别研究了两种协同中继策略d a f ( d e c o d ea n df o r w a r d ) 和 a a f ( a m p l i f ya n df o r w a r d ) - f 的m m s e 多用户检测器【9 】。 4 1 基于m m s e 多用户检测技术的理想协同网络模型 本文假定有k 个用户( k k ) 的同步d s c d m a 系统，使用的非正交扩频码，扩频增 益n = 3 1 。k = 0 为目标节点，k = l 代表发送节点，k = 2 代表协同节点( 本论文中只设定1 个 协同用户) ，其余为干扰节点。信道的相干时间为l = 3 ( i l ) 个符号周期且所有信道在 2 l 个连续符号间隔内保持恒定。初始信号为 b k ( i ) ，i = l 工) ，采用b p s k 调制，经扩频调制 后经过高斯白噪声信道，第一个符号周期到达中继节点和第二个符号周期到达目标节点的 信号可分别表示为【9 】： r l ( 2 i - 1 ) = x 、( 2 - , o k ) s , ：钆( f ) + 瓯。：( 2 i - 1 ) + n ，( 2 i - 1 ) ( 4 1 ) r o ( 2 i ) = 厮。色( f ) + 窆墨。( 2 f ) + n o ( 2 0 ( 4 2 ) 其中 ：= k 。：q ，& 为符号能量，为扩频码，。：为信道的互相关衰落系数；b “k ( f ) 表示 中继端对初始信号的预估值；壹瓯，：协一1 ) 和艺& ，。黾( 2 f ) 表示多址干扰；力何表示高斯白噪 声。 4 1 1d a f 中继策略下的系统模型 因为k = - 2 代表协同节点，可以估计出在第一个符号周期到达中继端的接收信号6 2 ( f ) ， 相应的匹配滤波器的权向量是，2 = 墨2 ，而m m s e 多用户检测器的权向量可以表示为： 其中： 嘲，：= g 1 屯 ( 4 3 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章协同网络中的m m s e 多用户检测器及性能分析 c ：叫er 2 2 i 一1 ) r 2 ( 2 i 1 ) 1 = & 斗s h ，2 + 2 如 g 2 ( e 1 7 r 2 2 i 一1 ) 1 2 ) 则检测后的信号判决可以表示为： 色( 2 f 一1 ) = s g n m ：z ，( 2 卜1 ) ( 4 4 ) ( 4 5 ) 4 1 2m f 中继策略下的系统模型 之前多用户检测和判决过程同于4 1 1 节中的d a f 策略的过程，下面主要说明中继端 信号放大的过程。 中继端的接收再放大信号为： 巨( f ) ：竺型 , _ ( _ 2 i - 一0 ：、王，：6 l ( f ) + 羔甲。：瓯( f ) + 0 2 ( 2 f 一1 ) ( 4 6 ) u 2 k = 3 其中，甲。，：瓯( f ) 代表多址干扰，d 2 ( 2 i 1 ) 代表高斯噪声，可以分别表示为： 略等 屹( 2 i - 1 ) 全警u r ( 2 i - 1 ) ( 4 7 ) ( 4 8 ) 式( 4 8 ) 中的g 2 为放大系数，表示为： g 2 垒( e 1 嘭眨( 2 f 一1 ) 1 2 驴 ，r、； ( 4 9 ) = i i 碟& 21 2 2 慨：i i l 七l l 乒2 从式( 4 6 ) 中可以看出中继端的信号中依然存在着高斯白噪声和多址干扰。由于采用匹配 滤波器的传统接收机仅仅用于消除噪声，却并不能很好的解决m a i 的问题，在协同网络中 引入多用户检测器就可以抑制多址干扰，提高系统性能。 4 2 基于m m s e 多用户检测技术的理想协同网络的性能分析 1 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章协同网络中的m m s e 多用户检测器及性能分析 4 2 1d a f 中继策略下的性能分析 为了便于性能分析，本文做了如下的定义： 心喇矧 噍镪 刀( f ) 垒 ( 4 1 0 ) 式( 4 1 0 ) 中的0 表示一个n 维的零向量，( 1 ) 和( 2 ) 分别表示第一个符号周期和第二个符号 周期。合并接收信号可以表示为 9 】： r r ( i ) = z h k b k ( i ) + h , x k ( 2 i ) + n ( i ) i = l k f f i 3 ( 4 1 1 ) 式( 4 1 1 ) 中垒 雏) ，磋2 】表示符号能量、扩频码和信道衰落系数对传输信号的影响， 瓯( f ) 全【以( f ) ，瓦( 啪7 ，反( f ) 为中继端的估计信号，圭黾( 2 f ) 表示多址干扰，刀( f ) 为高斯 1 1 3 白噪声。 m m s e 多用户检测器的权向量表示为： = e ，( ，) 卜 ，( z ) 检测后的接收信号表示为： 筑( i ) = s g n m h ，( f ) ) 4 2 2a a f 中继策略下的性能分析 在a a f 中继策略下，有必要重新定义一下第二个符号周期时段的接收信号： 式( 4 1 4 ) 中： 瓦o = 8 2 , 0 甲l 。2 瓦( 2 f ) = 屯。v a ( 2 i - 1 ) + n o ( 2 i ) 七罩l 这时再次合并式( 4 1 ) 和式( 4 1 4 ) ，可以得到新的接收信号公式： 1 7 ( 4 1 2 ) ( 4 1 3 ) ( 4 1 4 ) ( 4 1 5 ) ( 4 1 6 ) d 垒一 2、， 雄 川d 卜2 2 (1j(气纠心 、i ， 复 ，j _ 一 一 + v 2 ，j 一，kp r 描 + 哆 一z 2 ，一， o一& r 硒 + 、- ，、= v 钆o一 树 = a ：、 2 ，一一 ，( f ) = 瓦玩( f ) + 艺瓦吒( 2 f 1 ) + 羔磋z ) x k ( 2 f ) + 刀( f ) 瓦全萋：万，：rl瓦,o&+osk，,o宁jno(2i-1 2 瓦+ 噬舶 。8 ， 弛产 i 其中瓦表示符号能量、扩频码和信道衰落系数对传输信号的影响，圭瓦( 2 f ) 表示多址 = e ，( 矿卜 ( 4 1 9 ) 吐，( 少( 矿 = k - i 瓦矽+ 耋瓦衫+ 焉 ( 4 2 0 ) 岛全吐万( 归( f ) 1 = 驴( ) 掣w 2 。 检测后的接收信号表示为： 筑( i ) - - - s g n i n k ，( f ) 4 3 性能仿真 ( 4 2 2 ) 本次仿真分析了a w g n 信道下，采用不同中继策略的协同网络的误码率以及不同用户 数对协同网络的影响。同时也比较了不同合并技术对协同网络性能的影响。实验中使用的 数据如表4 i 。 1 8 南京邮电大学硕l 研究生学位论文第四章协同网络中的m m s e 多用户检测器及性能分析 干扰用户数 4 每个用户的发送比特数 1 0 0 0 扩频码g o l d 3 1 序列 调制方式 b p s k 表4 1 实验仿真所采用的数据 图4 1 协同网络中d a f 和a a f 策略误码率的比较 图4 1 中先给出了非协同网络的曲线图，可以看出，采用协同分集技术的系统性能得到 明显的改善，误码率也有了大幅度的降低。由于匹配滤波器n 伊夕并不能很好的去除多址 干扰，所以把采用m f 和d a f 中继策略的协同网络中的匹配滤波器，依次用线性m m s e 多用户检测器取代，终端依然采用m m s e 多用户检测器时，仿真结果表明，m m s e 多用户 检测器