（通信与信息系统专业论文）mccdma系统中基于遗传算法和蚁群算法的多用户检测.pdf

摘要 随着数字技术的不断发展，人们对移动通信系统的要求越来越高。作为一种 新颖的多址接入方式多载波c d m a ( m c c d m a ) 充分利用了o f d m 最优频率利用率 以及c d m a 的多址和频率分集，且系统容量和抗符号间干扰性能明显优于传统的单 载波c d m a 。这些特性使得多载波c d m a 成为未来的宽带无线通信系统最有希望的候 选。 由于c d m a 是干扰受限系统，m c - c d 姒也不例外。因此当通信用户数较多时， 多址干扰( 姒i ) 成为最主要干扰。m a i 不仅严重影响了系统的抗干扰性，也严重限 制了系统的容量提高。m c c 旧a 中的多用户检测技术是一种有效抵抗多址干扰，决 定系统能否正常工作并影响系统性能的关键技术之一。 本文首先介绍了移动通信系统的发展历史以及o f d m 和c d m a 技术结合的 m c _ c d m a 系统原理。接着详细介绍了m c _ c d m a 下行链路中使用的频域分集合并检测 技术，对其优缺点进行了详细的探讨并在误码率性能上进行了仿真比较和分析。 然后研究了m c c d m a 系统上行链路中的多用户检测方法，对各种方法的算法和特 点进行了详述。本文着重研究仿生智能算法多用户检测即遗传算法多用户检测和 蚁群算法多用户检测。在理解遗传算法和蚁群算法两种仿生智能算法原理的基础 上，结合m c c d m a 系统中的多用户检测问题建立遗传算法多用户检测和蚁群算法 多用户检测的模型，并进行仿真验证这两种算法的有效性。利用两种算法的启发 性和内在并行性，基本上实现了最优多用户检测的性能。仿真证明使用合适的判 决准则和配置合适的参数这两种算法可以得到接近于单用户系统检测的误码率性 能，并且其复杂度比最优多用户检测的复杂度大大减小。 关键词：多载波码分多址多用户检测遗传算法蚁群算法 a b s t r a c t w i t l lm e 伽i n l i l l u o u sd e v e l o p m e n to fd i 百t a lt e c h i l o l o g y ，p i e o p l ea 豫m o r e 觚dm o 陀 d e i r m n d i i 玛、) l ，i t l lt l l em o b i l ec o m m u l l i c a t i o ns y s t e m a san e wm u l t i a c c e s ss c h e m e ， m u l t i c 删c rc d m a ( m c c d m a ) 劬yu t i l i z e s 也e0 p t i i i l 吼呐u e n c yu t i l 豳d o no f o f d m 硒w e u 鹊龇m u l t i a c c e s sc a p a b i l 时锄d 骶q u e n c yd i v e r s 毋o fc d m a 1 c h 锄c t e r i s t i c sm a k em c c d m a 廿：屺 m o s t p m i i l i s i n g c a n d i d a ：t eo ff i i t l l r e c o m m u i l i c a t i o ns y s t 锄 s i i u 。ec d m ai s 觚i n t e r f e r 锄c e l 砌t e ds y s t c i m ，i sm c - c d m as ) ，s t e i n t h e r e f o r e ，m u l t i a c c e s s1 1 1 _ t e r f e r e n c e ( m a i ) b e c o m e st 1 1 ed o m i n a n ti n t e r f e r e n c ew h e n m a n yu s e r sa 陀i nc o m m u l l i c a t i o n m a j ：n o to i l l ys 嘶o u s l yc o 脚叩t ss i 粤l a l s ，b u ta l s 0 g r e a t l yl i i n i t s 也ec a p a c i 够o f 也es y s t e i n m 枷一u 蝌d e t e c t i o nt e c h i l i q u ei 1 1m c c d m a i so i 圮o f m ek e yt e c l l n o l o 西e s t 0 嬲s u r e 哥的dp c d 0 m 锄脯o f t l l es y s t 锄 t h el l i 咖巧o fm o b i l ec o m n l u i l i c a t i o ns y s t e m ，嬲w e l l 弱o f d m 锄dc d m a p r i n c i p l e s 缸e 触p r e s e n t e di i lt l l i sp a p e r ，m c c m d ad 0 、 ，i d i l l ks y s t i 锄m o d e l i s p r e 渤l t e 也n l e i l 能q u e n c y - d o m a i l ld i v e r s 毋c o m b i l l i n gs c h e m e su s e di nd o w l d i i l l 【a r e d i s c i l s s e di nd e t a i l 勰w e n 嬲c o m p 绷e da n da n z l l y z e dm r o u 曲s i i n u l a t i o nr e s u l t s t h e n m u l t i u s c rd e t e c t i o nt e c h l l i q u e sa 他d i s c u s s e di nm c - c d m au p l i r l k $ s t e m s 蜘 d e s c d p t i o 璐o f 也eu p l i i l l 【s y s t 锄o fm c - c d m 八v e r a ls c h 锄e sa 代s h o w na n d c o m p a r e dh e r e t h em o s ti m p o r t a mc o n t e n to fm i sp i p e ri s l eg e n e t i ca l g o r i t l l mm u l t i u s e r d e t e c t i o n 锄d l ea n tc o l o n ya l l g 嘶t h mm u l t i - u s e rd e t i 蔽i o ni nm c - c d m as y s t e m 1 k c h a m c t e i i so fe i l l i 曲i t e m n e n t 锄d p a m l l e l i s ma 陀u s e dt 0 r e a l i z eb 撕c a l l yt 1 1 e p e 墒r m 锄c eo f n l em o s to p t 砌m u l t i 一嘲d e t e c t i o n t h eg e n e t i ca l g o r i t l l mm i l l 廿一u s c r d e t e c t i o n 觚dn l e 趾tc o l o n ya l g o r i t h mm u l t i l l s e rd e t e c t i o nm o d e i sa 陀e s 诎i l i s h e do n 廿l eb a o f 吼d e r s t a l l d i n gt i l et v 旧a l g o r i m m s p 血c i p l e s s i m u l a t i o nr c s u l t sp r 0 v en l e e m c i e n to f 廿l et w oa l g o r i 廿l m s n l r o u 曲m es i i l l u l a t i o i l m eb i t 锄rr a t ep e f f o n n 锄c e a r b ys i l l g l eu s e rs y s t e mc 觚b er e a c h e d 觚dn l ec o n l p l e x 时c o n l p a r e d 、) l ，i t i lt 1 1 em o s t o p t i i i 山m u l t i u s e rd e t e c t i o ni ss l l a r p l yd e c r e a s e d k 吩啊o r d s ：m c - c d m a i n m l ：i l l s e r 姒e c t i o n g e n e t i ca l g o r i l m s a n tc o l o n yo p t i i l l 汤t i o n 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：日期 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 日期 日期 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究工作的背景和意义 移动通信的概念最早出现在2 0 世纪4 0 年代，无线电台在第二次世界大战中 的广泛应用开创了移动通信的第一步。到7 0 年代，美国贝尔实验室最早提出蜂窝 的概念，解决了频率复用的问题，8 0 年代，美国为了满足用户增长的需求，提出 了建立在小区制的第一个蜂窝通信系统。第一代模拟系统主要建立在频分多址接 入和蜂窝频率复用的理论基础上，在商业上取得了巨大的成功。随着数字通信技 术的发展和用户对高质量无线通信的追求，从2 0 世纪8 0 年代末开始，无线通信 技术发展到了以数字通信为代表的第二代( 2 g ) 无线通信系统。目前使用的第二代数 字移动通信系统可以提供话音及低速数据业务，基本能够满足人们信息交流的需 要。但是随着通信技术的飞速发展和用户需求的提高，特别是移动多媒体和高速 数据业务的迅速发展，迫切需要一种新的网络以提供更宽的工作频带、支持更加 灵活的多种类业务( 高速率数据、多媒体及对称或非对称业务等) ，并使移动终端能 够在不同的网络间进行漫游。由于市场的驱动促使第三代移动通信系统( 3 g ) 的概念 应运而生。在第三代标准的制定中，从第二代向第三代的平滑过渡是对第三代移 动通信的一个基本要求。将多载波调制( m c m ) 与c d m a 相结合实现宽带化，既容 易与第二代兼容，又具有单载波( s c ) c d m a 所不具有的优点。这样，多载波c d m a 就应运而生了。 由于c d m a 系统的统一频率复用和实际中采用的扩频码的不完全正交，导致 c d m a 系统存在严重的系统内干扰，因此限制了c d m a 系统的系统容量，除此之 外c d m a 系统内的干扰还导致了另外一个不可忽视的问题：远近效应。在基站接 收信号时，离基站较近的用户信号远大于处于小区边缘的用户的信号，严重的会 导致后者的信号完全淹没在前者的干扰中。传统c d m a 接收机采用匹配滤波器的 结构，但是这种结构的接收机并没有考虑到信道中多址干扰的存在，因此系统容 量始终无法提高。工程上可以采用功率控制技术来克服由于远近效应造成的多址 干扰，即实现对不同远近用户到达基站接收点的功率或信噪比平衡一致，显然功 控只能尽可能减少多址干扰的影响，但并不能从根本上消除多址干扰。要想真正 消除多址干扰，大幅度提高系统容量，必须通过多用户检测( m u d ，m u l t i u s 盱 d e t e c t i o n ) 技术。因此多用户检测技术成了最近十年以来移动通信领域的研究热点 之一。 2m c c d m a 系统中基于遗传算法和蚁群算法的多用户检测 1 2 论文内容安排 本文首先分析了m c c d m a 系统原理及系统中几种关键技术，然后对其中的 关键技术之一接收端检测技术进行研究。在检测技术研究方面，先是介绍了 现有的几种频域分集合并技术和多用户检测技术，包括解相关检测和最小均方误 差检测，并行干扰抵消和串行干扰抵消方法，在系统模型上进行性能仿真和分析 比较，然后重点研究了仿生算法多用户检测，包括遗传算法多用户检测和蚁群算 法多用户检测。在m c c d m a 系统模型上进行仿真和性能比较，并给出了相应的 理论分析。 本文主要内容安排如下： 第一章：绪论。主要介绍了移动通信的发展现状和未来的发展趋势及论文工 作安排。 第二章：m c c d m a 系统原理及关键技术。阐述了m c c d m a 系统中的两大 核心技术一一码分多址( c d m a ) 和正交频分复用( o f d m ) 技术的原理。对 m c c d m a 系统进行了详细的理论分析，并分析了系统中的几种关键技术如功率 控制，m i m o 等。 第三章：m c c d m a 中的频域分集合并技术及多用户检测技术。首先是针对 现有的几种频域分集合并技术进行理论上的分析，然后在m c c d m a 系统中进行 性能仿真和结果分析。对系统中的多用户检测主要分析了解相关检测和最小均方 误差检测，并行干扰抵消和串行干扰抵消方法，并给出了性能仿真和结果分析。 第四章：遗传算法多用户检测。本章首先分析了遗传算法的基本原理，然后 结合多用户检测的模型引入遗传算法，通过仿真和其他多用户检测技术的比较证 明了遗传算法多用户检测接近单用户性能的优势，并分析了遗传算法参数设置对 性能的影响。 第五章：蚁群算法多用户检测。本章首先分析了蚁群算法的基本原理，然后 结合多用户检测的模型引入蚁群算法，在基本蚁群算法的基础上结合多用户检测 的问题进行了改进。通过仿真和其他多用户检测技术的比较证明了蚁群算法多用 户检测接近单用户性能的优势。 第六章：总结。 第二章m c d m a 系统原理及关键技术 第二章m c c d m a 系统原理及关键技术 在第三代( 3 g ) 移动通信中，码分多址( c d m a ) 技术极大地提高了频谱利用率， 提供了清晰、高质量的话音服务和高q o s 的数据业务服务，拥有直接从2 g 陀5 g 快速平滑过渡到3 g 的特性，因此，c d m a 具有无可比拟的技术优势。但是c d m a 的容量受限于多址干扰和频率选择性衰落引入的干扰。而多载波技术对于频率选 择性衰落导致的多径干扰和符号间串扰有很强的抵抗力。将o f d m 和c d m a 结合 的多载波c d m a 作为下一代宽带无线网络候选充分利用了o f d m 最优频率利用率 以及c d m a 的多址以及频率分集的特性，且对于高速数据的无线传输，多载波 c d m a 抗符号间干扰能力明显优于传统的单载波c d m a 。这些特性使得多载波 c d m a 成为未来的宽带无线通信系统的候选，在此首先介绍构成m c c d m a 的 o f d m 和c d m a 原理。 2 1o f d m 基本原理 任何实际的通信信道均存在各种非理想特性的干扰，这种非理想特性限制了 信道上的最大信息传输速率。在宽带无线数字通信系统中，影响信息高速率传输 的最重要的一类干扰是由信道的多径效应所引起的频率选择性衰落。频率选择性 衰落表现为某些频率成分的信号严重衰减，而对另外频率成分的信号则有较高增 益。频率选择性衰落引起的接收信号出现符号间干扰，造成通信性能的下降。克 服频率选择性衰落的传统方法是在接收端采用均衡器或者采用直接序列扩频加 黜妇接收的办法，这两种方法在2 g 和3 g 中都发挥了重要的作用，但是随着信息 传输速率的进一步提高，以上方法在实现复杂度和性能方面都面临许多障碍，当 前备受研究者关注的是以正交频分复用( o f d m ) 为代表的多载波传输技术【1 1 。 在传统的单载波系统中，发送信号依次顺序传输，每个数据占用频谱上全部 可用带宽，而多载波系统中，顺序的数据流可同时传输，因而在任意时刻都有许 多数据单元在信道上传送。多载波调制实际上就是把信道分割成一组独立的子信 道，数据通过彼此独立的各个子信道传输，理想情况下只要信道被分割的足够小， 每个子信道上的传递函数就是平坦的。整个信号频带被划分成n 个子频带，每一 个子频带用一个独立的信号来调制，这样n 个信道就实现了频分复用。o f d m 是 将高速串行数据分成成百上千路低速并行数据，分别在不同的载波上进行调制， 这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，从而提高了抗多径衰落的能力。 在实现中，各子载波的产生和接收都由数字信号处理算法完成，因此极大简化了 4m c c d m a 系统中基于遗传算法和蚁群算法的多用户检测 系统结构，同时为了提高频谱利用率，各载波上的频谱是互相重叠的，但这些载 波在整个符号周期内呈正交性，这样在接收端就可以保证无失真地恢复数据。发 射端和接收端都可以使用高效的f f t 技术使得d f t 的运算次数从2 下降到 l o g 多，运算量大为降低。图2 1 给出了基于f f t 的o f d m 系统收发机的模型。 图2 1 基于f f t 的o f d m 模型 为保证子信道正交，子载波须满足以下两个条件： 1 在给定的时间间隔t 内，每个子载波正好有整数个周期宽度。也就是每个 子载波频率是基本频率的整数倍，例如载波频带等于有用符号周期的倒数。 2 个符号时间段内两个相邻子载波的周期数严格地相差一个周期。此特性 保证了两个子载波间的正交性，允许每个子载波能被接收并独立地解调而不会受 其它子载波产生的干扰影响。 图2 2 和图2 3 给出了在一个o f d m 符号内三个子载波的时域和频域的波形。 为简化说明在图中假设所有的子载波具有相同的相位和幅度。 图2 1 频域观测o f d m 三个子载波 第二章m c _ c d m a 系统原理及关键技术5 图2 2 时域观测o f d m 三个子载波 2 2c d m a 原理 c d m a ( c o d ed i 、，i s i o nm m t i p l ea c c e s s ) 即码分多址，是将不同用户用不同的伪 随机码扩频，再调制到相同频带上传输，在接收端利用伪随机码的正交特性将不 同用户解调分离。所以，c d m a 既是一种多址方式，又是一种扩频技术。扩频技 术始于5 0 年代的军事部门，但真正的引起重视是在7 0 年代。1 9 7 7 年库帕和纳特 尔顿提出利用扩频技术实现c d m a ，使得蜂窝系统的频谱利用率提高了2 5 倍， 这一成果的发表立即引起了极大轰动。但限于当时的无线技术和陆地移动通信市 场需求均未成熟，所以没有进入实用。8 0 年代，随着数字技术发展以及t e r b i 的 推动，美国1 s - 9 5 问世，c d m a 技术开始进入实用化阶段，c d m a 技术由此成为 了无线通信领域最为热门的课题。 c d m a 通信系统具有以下特点： 1 ，消息的频谱被扩展到很宽的频带内，相对而言，其功率谱密度也随之降低， 甚至明显低于环境噪声和干扰电平，使得正常的检测手段无法进行，因此具有很 好的隐蔽性。 2 ，消息受特定的伪随机序列控制，接收者如不能按此伪随机序列的规律进行 解扩，则不能恢复信号中传输的信息，因而扩频信号具有保密性。 3 ，具有抗单频干扰、窄带干扰和多径干扰的能力。 4 ，用多个伪随机序列分别作为不同的用户的地址码，就可以共用一个频段来 实现码分多址通信。 6m c c d m a 系统中基于遗传算法和蚁群算法的多用户检测 同f d m a 、) m a 相比，c d m a 除具有很强的抗干扰能力外，还具有频率规 划简单、频谱效率高、软切换、宏分集、软容量等优势。 2 3 多载波和码分多址的结合 第三代移动通信系统中主要有三种标准：w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 和 t d s c d m a ，这三种标准均是基于c d m a 技术的。c d m a 的容量受限于多址干 扰和频率选择性衰落引入的干扰，而多载波技术对于频率选择性衰落导致的多径 干扰和符号间串扰有很强的抵抗力，因此可以将o f d m 和c d m a 结合起来，兼有 两者的优点，对应引起的符号间干扰有很强的抵抗力，同时继承了c d m a 高用户 容量的优点。 o f d m 本身是一种调制技术，它可以很容易的与多种接入技术相结合，为多 个用户同时提供服务。常用的多址接入方式有三种，分别是时分多址( t d m a ) ，频 分多址( f d m a ) 与码分多址( c d m a ) ，o f d m 都可以与它们结合，分别构成 o f d m t d m a ，o f d m f d m a 和o f d m c d m a 技术。 多载波调制与扩频技术的结合的方法可以分为两类：频域扩频和时域扩频。 频域扩频通常称为m c c d m a 或者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 a 而e rd s c d m a ( 简称m c d s c d m a ) 和m u l t i t o n ec d m a ( 简 称m t c d m a ) 。m c c d m a 系统采用o f d m a 调制技术和码分技术相结合，使用 地址码将信号调制到频域，形成正交多载波扩频信号。m c d s c d m a 也采用了 o f d m 技术和码分技术，但地址码将信源符号在时间上进行扩展，最后实际形成 的是正交多载波时间扩展信号。m t c d m a 采用非正交多载波调制，在每一个子 载波上进行直接序列扩频，最后形成时间频域扩展信号。 m c c d m a 是最早提出的多载波c d m a 方案，m c c d m a 最早是在日本 y o k o l l a i i l a 举行的p i m r c 9 3 ( 9 月) 会议上，分别由b e r k e l e y 的j p l i n i 脚t z ，n y e e ， g f e 仕、e i s 和德国的k f a z e l ，l p a p k e 独立提出的，后者提出的方案采用的是最大 似然检测接收技术，而前者则采用了相对简单的相关接收技术和可变增益合并。 在p m r c 9 4 会议上，l i n l 捌忆和y 又提出了基于最小均方误差均衡( m m s e ) 准 则的最佳增益合并。f 咖e i s 指出：在理论上，采用子载波增益合并和相位纠正技 术的m c c d m a 系统等效于采用r a k e 接收机及干扰抵消的d s c d m a 系统；但 实际上，在用户数等于扩频因子的情况下，m c c d m a 便能达到满意的误码性能， 而d s c d m a 却很难达到理论上的最大容量。采用k f a z e l 和l p a p k e 的最大似然 检测实际上是起到了多用户检测的作用，但是我们知道：最大似然检测的复杂性 是随着扩频码的长度而呈指数上升的。未来降低复杂性，系统需要使用较短的扩 频码，而为了不减少系统容量的用户数，又需要将子载波分成若干组使用，这实 第二章m c d m a 系统原理及关键技术 7 际上便采用了频分和码分相结合的方法。其基本过程是：每个信息符号先与扩频 序列各位相乘，相乘后的每路信号调制到每个子载波上。若扩频码长为r ，则调 制到坼个子载波上。也就是说一个原始数据符号通过扩频后成为许多码片，每个 码片在一个子载波上传输。这样一个符号的信息就在许多个子载波上并行的传输， 显然当扩频系统为1 时，m c c d m a 就成为o f d m 。图中给出的是子载波数和扩 频增益相同的时候，即坼= 瓯的时候，在实际系统中，子载波数可以为扩频增 益的整数倍。为了提高频率分集效果，可以将瓯个子载波等间隔的分配在子载波 集上，使得任意两个传送相同数据符号的子载波间隔最大。最后将所有的 r = u 瓯。个子载波通过i f f t 进行基带调制，并进行串并变换然后进行发射。 在接收端由于包含一个数据符号信息的瓯个码片在坼个子载波上进行传输，形 成频率分集，因此在接收端需要将这以个子载波上的基带信号进行合并。 图2 4m c c d m a 系统发送接收原理图 实际上，m c c d m a 可以看作d s c d m a 的频域表示，m c c d m a 的频率分 集等效于d s c d m a 的路径分集。但是m c c d m a 只需要采用f f t 和i f f t 算法 并结合传统的接收技术就可以完全实现频率分集的效果，而d s c d m a 则受到可 实现触e 接收机的复杂度所限，往往只能考虑获得大部分的路径分集效果。因此 在接收机复杂度相同的情况下，m c c d m a 的性能要明显优于d s c d m a d s p 技术的发展，为m c - c d m a 技术的实际应用创造了良好的条件，完全可 以预见：在未来的高速，大容量数字移动通信系统中，m c c d m a 技术必将占有 重要的一席之地。 2 4m c c d m a 系统中的关键技术 l 、功率控制技术 由于地址码之间的准正交性，因而m c c d m a 和c d m a 系统一样是一个自干 8m c c d m a 系统中基于遗传算法和蚁群算法的多用户检测 扰系统。如果基站小区中的所有用户均以相同的功率发射，则靠近基站的移动台 到达基站的信号强，远离基站的移动台到达基站的信号弱，导致强信号掩盖弱信 号，这种现象叫做远近效应。c d m a 系统内所有用户共享一个频率，这种问题更 加突出，因此c d m a 系统采用功率控制克服这个问题。 c d m a 系统的功率控制分为前向功率控制和反向功率控制两种。前向功率控 制即移动台在接收信号时不断向基站报告测量结果，基站根据移动台报来的测量 结果，调整对每个移动台的发射功率，对路径衰耗小的移动台分配小的前向链路 功率，对路径衰耗大和接收误码率高的移动台分配大的前向链路功率。反向链路 功率控制是对移动台进行的功率控制，主要用来克服远近效应。移动台根据接收 信号估计路径损耗来调整发射功率，或根据基站发送的功率控制命令调整发射功 率，使本小区内的移动台在保证通信质量的前提下具有最小的发射功率，从而降 低自身损耗和对其它用户的干扰，提高系统容量。 2 、m i m o 技术 在信号的无线传输中，不可避免的无线信道的多径时变特性对信号造成的衰 落失真。克服多径衰落最理想化的方法就是功率控制。但理想的功率控制由于在 功放的功率限制和功放的成本问题和发送端如何准确获得信道信息两个方面的问 题无法解决，所以还停留在理论阶段。 对抗多径衰落的手段最基本有效的方法就是信道编码和分集。分集分为收分 集和发分集，收分集运算简单，其分集增益是通过不同接收天线信道的独立性来 实现，但在下行链路中，由于移动台的发展趋势是体积更小很难安排很多互相独 立的天线，为了实现更大的分集增益，从而提出了发分集和收分集相结合的多发 多收的m i m o ( m u l t i i n p u t m u h i o u t ) 系统。 m i m o 系统，即在发送终端和接收终端都配置多个发送天线和接收天线，通 过空时编码和信号处理技术，在不额外增加带宽和发送功率的前提下提高系统的 误码率性能或者数据发送速率。和智能天线技术相比，m i m o 系统最大的优势在 于它发送数据是以矩阵的形式在信道中发送，所以提供了更多的机会来增加空间 分集和阵列安排的增益。在m 蹦o 系统中发送方案从根本上分为两大类：第一类 是追求分集增益的最大化，其主要目标是使b e r 性能在不增加带宽和功率的前提 下最好。通常的做法是数据流在各个天线之间联合编码以抵抗信道衰落而造成的 信号失真，这个联合编码的系列方案称为s t c s ( s p a c e t i i i l e - c o d es y s t e m ) 空时编码 系列。第二类是追求发送速率的最大化，强调的是空间复用的效果。v - b a l s t 分 层码就是这件一个实际应用，其将独立的数据在不同的天线上发送，使得m i m o 系统的平均速率最大化。 在复用的情况下，不同的天线发送独立的信号，但没有分集效果，但通过块 状编码可使符号获得额外的编码和分集增益，为获得更好的性能可以牺牲数据传 第二章m c c d m a 系统原理及关键技术 9 输的速率。因此就存在一个复用和分集之间的折衷问题，复用和分集可以结合在 一起形成发送方案，既在保证一定的分集增益的情况下使得发送速率最大化。随 着天线数目的增加，分集效果可能会出现回落的现象，但速率则会线性增长，所 以在天线很多的方案中，注意力主要放在复用上，小部分放在空时编码上。 研究表明，在系统负载比较轻的时候，m 蹦o 与m c c d m a 的结合在提高系 统性能，增加频谱效率方面其增益是显著的，但在系统负载比较重的时候，其增 益要会随着用户数的增加而下降，甚至会出现地板效应。 3 、多用户检测技术 多用户检测技术0 唧d ，m u l t i u s e rd e 慨t i o n ) 是近十几年以来移动通信领域的研 究热点之一，这与c d m a 蜂窝移动通信系统的应用有直接的关系。由于c d m a 系统的统一频率复用和实际中采用的扩频码的不完全正交，导致c d m a 系统存在 严重的系统内干扰，因此限制了c d m a 系统的系统容量，除此之外c d m a 系统 内的干扰还导致了另外一个不可忽视的问题：远近效应。在基站接收信号时，离 基站较近的用户信号远大于处于小区边缘的用户的信号。严重的会导致后者的信 号完全淹没在前者的干扰中。常规c d 凇接收机采用匹配滤波器的结构，但是这 种结构的接收机并没有考虑到信道中多址干扰的存在，因此系统容量始终无法提 高。工程上可以采用功率控制技术来克服由于远近效应造成的多址干扰，即实现 对不同远、近用户到达基站接收点的功率或信噪比平衡一致，显然功控只能尽可 能减少多址干扰的影响，但并不能从根本上消除多址干扰。要想真正消除多址干 扰，大幅度提高系统容量，必须通过多用户检测( m i d ，m u l t i u rd e t e c t i o n ) 技术。 而且在接收机端使用多用户检测技术，要获取当前所有活跃用户的信息，只有基 站才能做到这点，因此非常适用于上行链路。 多用户检测在种类上可以分为线性多用户和非线性多用户检测。线性检测就 是用一个线性算子作用于匹配滤波器的输出，从而得到对目标用户信号的一组更 好的估计。线性算子不同，算法就不同。常见的线性检测包括解相关检测和最小 均方误差检测。非线性多用户检测主要包括串行干扰抵消和并行干扰抵消以及最 近发展起来的仿生算法多用户检测等。 第三章m c c d m a 系统中的数据检测 第三章m c c d m a 系统中的数据检测 由于在m c - c d m a 系统接收端需要合并不同载波上的信号，而在实际信道中 不同载波在信道中受到了不同的衰落，这就破坏了用户码字之间的正交性，必须 采用适当的检测方法进行处理。本章主要分析m c c d m a 的下行链路的频域分集 技术以及用于m c c d m a 系统上行链路常见的多用户检测技术。 3 1m c c d m a 的发送和接收 m c c d m a 的系统框图在上一章图2 4 已经给出。在系统中有m 个用户时， 经过映射之后的数据表示为： d = 【盔，吐，以，九】 ( 3 1 ) 其中喀是第k 个用户经过映射之后的数据，采用b p s k 调制时吹= ( + l ，1 ) 。 m 个用户的扩频码形成了一个m 的矩阵c ，n 为码片数，其中气表示第m 个 用户的扩频码，表示第m 个用户扩频码的第n 个码片。 用户的扩频码矩阵可以表示为： c = ( c 1 ，乞，) = ( 3 2 ) 考虑m c c d m a 系统的同步下行链路。下行链路是从基站到移动台的链路， 各个用户多路复用的信号通过同一信道到达用户。下行链路的同步是由基站同时 向所有活跃用户发送信息而实现的，m 个用户数据扩频之后经过串并变换调制到 n 个正交的载波上，这里假设载波数和每个用户的扩频倍数相同，并且所有的用 户以相同的功率发送。发送的用户数据经过扩频码的扩频之后再经过o f d m 调制 到正交的载波上，这样在每个载波上都有所有用户经过扩频之后的码片信息。因 为每个载波在信道中经历独立的衰落，假设第n 个载波上经历的衰落为丸= 见p 盹， n - l ， n ，假设没有子载波间干扰( i c i ) ，信道矩阵就可以表示为对角阵： 1 2m c c d m a 系统中基于遗传算法和蚁群算法的多用户检测 h = ( 3 3 ) 接收端经过f f t 之后的信号可以表示为： r = h c d + n ( 3 - 4 ) 向量n 则表示n 个子载波上的a w g n ，刀= ( 啊，他一h ) 1 。 在上行链路中，移动台向基站发送信息，由于所有的用户分布在不同的地方， 且发送信息不同时，所以上行链路上每个用户分别进行i f f t ，假设用户k 的扩频 码为q = k ，q ：，饥】r 。 则用于i f f t 的数据为 = q 4 ( 3 5 ) 其中& 是1 的向量，其中的元素是第k 个用户在每个载波上发送的数据。 在频率选择性衰落信道中，第k 个用户经历的衰落可以表示为： 吃= 【成l p 觑1 ，成2 p 胁2 ，卢h p 肌”】 ( 3 6 ) 第k 个用户在接收端信号表示为： 吃= 魂o & + 体 = 噍0 气畋+ ( 3 7 ) = i 反+ 仇 其中j = 魄固q ，0 表示元素相乘，是1 的加性高斯白噪声( a 、 向量。 假设基站接收信号同步，所有m 个用户的数据经过f f t 之后可以表示为： m ，= 咯= d + 刀 ( 3 - 8 ) 七= l 接收到的信号首先去除保护间隔然后经过串并转换后分成n 路通过n 个匹配 滤波器，即每个载波处的接收信号首先乘以口一脚经匹配滤波并在码片速率处采样， 每个匹配滤波器的输出结果为判决变量的一个分量。每个匹配滤波器包括一个振 荡器以及一个积分器，振荡器的频率对应特定已调子载波的频率，在每个符号间 隔处的解调器采样输出用于抽取在每个子载波上发送的信息，接着在符号周期t s 上积分，对于线性接收机则解调器输出的每个子载波乘以相应的加权系数，即输 出乘以加权矩阵。然后按不同的合并方案以确定期望用户发送的数据，从而从接 收信号中恢复发送的每个用户。第k 个数据信息在m c c d m a 中接收到的信号是 第三章m c - c d m a 系统中的数据检测 1 3 在频域内合并的，因此接收机总能充分利用散布在频域内的所有接收到的信号能 量，这是m c c d m a 优于其它方案的主要特征。 以下示出一般的基带线性检测器模型 赢 阿 y yj m j 7 m c c m a 系统中一般基带检测器模型 3 用户检测 的任务是从接收到信号中恢复发送的每个用户第k 个数据信息。考 虑到到的信号中有其它用户干扰即多址干扰(m触)，最佳的检测是综合考虑了 所有信息的多用户检测，一般适合在基站实现。在下行链路上，考虑到移动 台的大小和成本，简单且易实现的频域分集合并方案在实际下行链路中能获 得更果。频域分集合并方案只考虑要检测的第m个用户的信号而不考虑其它 用户其余信号m触全部当作噪声处理。通过一组单抽头频域分集合并(又可称 为频衡)用以抵消移动信道对子载波上的信号产生的相位和幅度失真，这里单 抽头器可以通过在每个子载波上乘以复值系数来实现，即第n个子载波乘以 加权。散布在频域内的接收到的信号的能量乘以加权是为了合并散布在频域 的接的信号，判决变量是加权后的基带分量之和，即其判决基于所有子载波 的线并。其中频域分集合并矩阵w是(33)中所述的对角矩阵h，其对 角元示了相应子载波上的加权均衡复值系数。 3 1 频域分集合并技术 合并矩阵不同，相同数据比特码片的合并方法也不同，在此介绍几 种频集合并技术即1 正交性恢复合并( o r t l l o g o r 瑚蚵r e s t 0 血gc o m “n g ： o r ；2 受限均衡( c o i l t r o l l e de q l a l i z a t i o n ) ；3 等增益合并( e 小i a l c 试nc o m i i l i n g ： 1 4m c c d m a 系统中基于遗传算法和蚁群算法的多用户检测 e g c ) ；4 最大比合并( m a x i n l 啪肋i oc o m b i n i n g ：m r c ) ；5 最小均方差合并 ( m i n i n l 啪m e 锄s q 嘴e 肿rc o m b i i l i n g ：m m s e c ) 1 正交性恢复合并( o r c ) 正交性恢复合并用于补偿信道损耗从而恢复各用户间正交性，又称为倒置滤 波器，能恢复w 甜s h h a d 锄莉码的正交性，此时w 的每个对角线元素可表示 为 = ( 3 - 9 ) 体 吃是第n 个子载波上的信道增益。因为其均衡系数为信道增益的倒数，该方 法完全消除了m m 。但这个方法缺点在于当信道传递系数幅度很小时它将极大地 扩大噪声的影响，即噪声分量在弱子载波处得到放大，从而降低了系统b e r 性能。 2 受限均衡( c e ) 受限均衡从o i 配发展而来，为克服o r c 的缺点作了一些改进。 ：j 去， 却 ( 3 - 1 0 ) 【c o n s t ，l 吃i p 上式中低于阀值情况下则取常数。受限均衡方法克服了正交性恢复均衡引起 的额外放大噪声的弊端，它只对吃大于设定的阀值p 的那些子载波进行o r c 均衡， 即c e 设置了一个门限，只有大于该门限的基带信号才能进行幅度和相位联合均 衡，即判决基于其幅度大于判决阀值的基带子载波分量之和，否则只采用等增益 均衡，对于其它子载波由于它衰落过大则其上的信息主要是噪声，可以将其均衡 系数设定为一个定值以避免过度放大噪声。 3 等增益合并( e g c ) 等增益均衡方法也称为相位均衡，它只纠正了由信道引起的相位偏移，主要 基于补偿相移但不能有效地抑制信道衰落。 肾南 ( 3 1 1 ) 4 最大比合并( m r c ) 脉c 均衡方法用信道衰减系数来纠正信号的相位偏移和幅度衰落。 = 巧 ( 3 1 2 ) 可以看到有多个用户时信道的传输使得用户码间的正交性失去，而腻的权 第三章m c c d m a 系统中的数据检测 值使得该正交性进一步恶化，所以它加强了m a j ，其性能将下降。但是在上行链 路中各用户的信道不能完全同步，所以本来就无正交性可言，在这种情况下脉c 是较好的，例如基于干扰抵消的多用户检测器由于在第一步就消除了绝大部分的 m a i ，所以在第二步以及以后各步均可采用m i 进行均衡。 5 最小均方差合并m n 订s e c ) 基于m m s e 准则，误差与接收到的子载波的所有基带分量正交，通过分开设 计每个以最小化每个子载波上的m s e = 壤q 吃1 2 + 1 a 2 ) ( 3 - 1 3 ) 显然，当信道幅频响应i i 较大时，增益系数就正比于群l 吃卜这种方法就近 似为正交恢复合并，而当l 吃i 较小时，增益系数也会随之变小，从而避免过分的噪 声增大。 3 2 2 性能比较及分析 仿真模型使用长度为3 2 的正交w m s h 码作为扩频码，系统活跃用户数等于码 片数为3 2 。假设每个子载波的幅度和相位响应均能被准确地估计并应用到分集合 并中。经过多次仿真，对胀c ，c e ，e g c 和o i 以及每载波m m s e c 误码率性 能比较如下： 图3 23 2 个用户时几种频域分集合并技术误码率比较 1 6m c c d m a 系统中基于遗传算法和蚁群算法的多用户检测 m r c 的性能最差。首先传输导致失去了扩频码正交性，在接收端的分集合并 增益又继续恶化了性能。c e 由于对m r c 放大噪声进行了纠正，性能好于m r c 。 e g c 方案中由于干扰没有在分集合并过程中放大，所以性能优于m i 配。o i 地由 于完全消除了m 越所以性能优于e g c ，但当信道传递系数幅度较小时它将扩大噪 声的影响。m m s e c 是四种合并方案中最佳的，但其需要所有活跃用户信息噪声功 率以及信道状况，但m m s e c 能有效合并散布在频域内的所有接收到的信号能量， 在信噪比较高时m m s e c 能避免过度扩大噪声且能恢复扩频码之间的正交性，所 以是m c c d m a 下行链路中性能最佳的频域分集合并检测方案。 3 3 常用的多用户检测技术 在m c c d