（通信与信息系统专业论文）空时多用户检测相关技术研究.pdf

堕叠鎏三堡奎堂堡主堂堡丝塞 摘要 智能天线技术是将自适应天线阵列和空时二维处理相结合，形成同时 具有空时处理能力的天线。其基本思想是利用各个移动用户间信号空间特 征的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接受和发送多个用户信号而不 发生相互干扰，实际上它使通信资源不再局限于时间域( t d m a ) 、频率域 ( f d m a ) 或码域( c d m a ) 而拓展到了空间域，属于空分多址( s d m a ) 体制。 在无线通信系统中采用智能天线技术，可以提高系统数据链路的质量，提 高基站天线的覆盖范围，并抑制同信道干扰和媒介干扰，可以有效的提高 通信系统的性能和容量。空时二维处理不仅是智能天线技术的核心，而且 也是第三代无线通信系统信号处理的关键部分。目前该技术己成为国内外 非常热门的研究领域。 本文介绍了空时最小均方误差算法，为了降低其算法复杂度，提出了一 种低复杂度的空时最小均方误差多用户检测算法，该算法利用最陡下降算 法求解空时多用户检测的最优权因子，显著降低了计算复杂度，仿真结果 表明该算法具有良好的检测性能和稳定的收敛特性。 ) 同时本文还致力予现代优化算法在多用户检测中的应用研究。研究了 禁忌搜索( t s ) 算法，提出一种基于禁总搜索算法的空时多用户检测技术， 该算法具有较低的复杂度，有良好的误码率性能，易于工程实现。并给出 了相应的计算机仿真结果。 因此，研究能够有效抑制多址干扰( m a t ) 、具有低误码率( b e r ) 和合 理的计算复杂度的次优检测方法是本文的主要内容。 关键词：码分多址；智能天线；空时处理；多用户检测；禁忌搜索 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es m a r ta n t e n n at e c h n i q u ei st h ec o m b i n a t i o no fa d a p t i v ea n t e n n a a r r a yw i t hs p a c e t i m ep r o c e s s i n g w h i c hc a nd e a lw i t hs i g n a li ns p a c ea r e a a n dt i m ea r e a i t sb a s i ct h o u g h ti st h a tw ec a nr e c e i v ea n dt r a n s m ral o to f d i f f e r e n tb s e r s s i g n a jo nt h es a m ew a yw i t h o u ti n t e r f e r e n c eb yt h ed i f f e r e n t s p a c ec h a r a c t e r i s t i co ft h ee v e r ym o b i l eu s e r i nr e a l i t yi tm a k ec o r r e s p o n db y l e t t e rt h er e s o u r c e st on ol o n g e rl i m i ta tt i m ea r e a ( t d m a ) ，f r e q u e n c y a r e a ( f d m a ) o rc o d ea r e a ( c d m a ) b u te x p a n d e dt ot h es p a c ea r e a , b e l o n g s t o s p a c ed i v i s i o n ( s d m a ) s y s t e m w ec a nn o to n l yi m p r o v et h eb a s ea n t e n n a c o v e r a g e ，s y s t e mc a p a c i t ya n ds e r v i c eq u a l i t y ，b u ta l s or e d u c et h ei n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e ，m u l t i - a c c e s si n t e r f e r ea n dt r a n s m i t t i n gp o w e rb yt h eu s eo f t h es m a r t a n t e n n at e c h n i q u ei nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s p a c e - t i m ep r o c e s s i n gi sn o t o n l yt h ec o r eo ft h es m a r ta n t e n n at e c h n i q u e ，b u ta l s ot h ek e yo fs i g n a l p r o c e s s i n gi nt h et h i r dg e n e r a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i th a s b e e nt h ep r e s e n tf o c u s e si ns i g n a lp r o c e s s i n ga n dc o m m u n i c a t i o nf i e l d i n t r o d u i n gs p a c e t i m em m s ea l g o r i t h m ，i no r d e rt or e d u c ea l g o r i t h m c o m p l e x i t y , p r o p o s i n gas p a c e t i m em m s em u l t i - u s e rd e t e c t i o na l g o r i t h mo f l o wc o m p l e x i t y , t h eo p t i m a lf a c t o ri sa c h i e v e db yu s i n gas t e e p e s td e s c e n t a l g o r i t h m ，t h en e wa l g o r i t h mr e d u c e st h ec o m p l e x i t yr e m a r k a b l yc o m p a r e d w i t ht h ec o n v e n t i o n a l s p a c e - t i m e m m s ea l g o r i t h m ，s i m u l a t i o mr e s u l t s i l l u s t r a t et h a tt h en e wa l g o r i t h mc a no f f e rs t a b l ec o n v e r g e n c ea n dg o o d d e t e c t i o np c f f o r m a n c c t h i st h e s i si sd e d i c a t e dt ot h e a p p l i c a t i o n o fm o d e r n i s t i c o p t i m u m a l g o r i t h m st os o l v et h ed i f f i c u l ti s s u eo fm u dd e s i g n r e s e a r c h i n gt a b us e a r c h a l g o r i t h m ，p r o p o s i n gas p a c e - t i m em u l t i - u s e rd e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nt a b u s e a r c ha l g o r i t h m t h i sn e wa l g o r i t h r ah a sl o w e rc o m p l e x i t ya n dl o w e rb e i l a n di sp r o n et op r o j e c ti m p l e m e n t t h e r e f o r e ，t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri st h a tr e s e a r c h i n gt h em e t h o d 哈尔滨工程大学硕士学位论文 o fr e s t r a i n i n gt h es o - c a l l e dm u l t i p l ea c c e s si n t e u f e r e n c e ( m a dt or e a c hl o wb i t e l t o rr a t e ( b e r l 、i t ha c c e p t a b l ec o m p u t a t i o nc o m p l e x i t y o u ra t t e n t i o ni s f o c u s i n go n t h es u b - o p t i m a lm u d a l g o r i t h m k e yw o r d s ：c d m a ；s m a r ta n t e n n a ；s p a c e - t i m ep r o c e s s i n g ；m u l t i - u s e r d e t e c t i o n ；t a b us e a r c h 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指 导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据 和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除 文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经公开发表的作品成果。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 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 誊毛丈 日期：) 7 年f 月f f 日 堕笙堡三堡查兰堡主兰堡笙塞 第1 章绪论 1 1 研究的背景及意义 目前全球的无线业务正以每年4 0 的速度增长，在信息产业中，我国 移动通信市场潜力居世界首位。根据信息产业部最新统计数据及“十五” 的发展规划，近年来移动通信市场增长达到1 0 0 0 万年左右。移动通信技 术可以给人们的工作生活带来了极大的方便，因而移动通信技术能得到了 迅速的发展，并在现代通信中占据着越来越重要的地位。目前移动通信技 术正朝着能“在任何时间，任何地点，向任何人提供快速可靠的通信服务” 这一目标发展“”。 在过去的十几年中，无线通信领域发生了重大变革。从模拟通信发展 到数字通信，从单纯的话音传输业务发展到包括低速数据传输的综合业务， 从单基站系统发展到多基站系统，从单一覆盖模式发展到蜂窝和复蜂窝覆 盖模式。无线通信技术的不断进步扩大了无线通信的应用范围，使得新的 应用领域层出不穷，例如移动电话数据多媒体、移动计算、移动电子商 务、蓝牙( 微型网络) 、无线局域网和无线i n t e r a c t 等等。目前，第三代( 3 0 ) 宽带无线通信系统正在进行研制和开发，并且向第四代( 4 g ) 无线多媒体通 信飞速发展。 在移动通信系统中，第一代模拟服务系统采用的是频分多址( f d m a ) 系统，在这种系统中信道被分割为大量的子信道，每个子信道占有唯一的 频道。但是这种典型的通信系统受到了通信系统容量的限制。为了克服模 拟系统的局限性，2 0 世纪9 0 年代中期诞生了使用数字调制的第二代通信 系统，数字通信系统具有很多明显优点：能抑制噪声和多径扩散的影响， 使断续发射成为可能，这就使得数字通信系统具有比模拟通信系统更优越 的性能。为了充分利用数字调制的优点，改进f d m a 系统，频带共享成为 了日益突出的问题。而码分多址( c d m a ) 则是在每个信道使用不同的码 哈尔滨工程大学硕士学位论文 序列，并且使用相互正交的码序列来实现信道的正交，这样由不同的码序 列来区分不同的用户的方法将很好的解决频带共享的问题。然而，通信信 号的传输是极为复杂的，这主要是因为移动通信大多在城市里进行，并且 很多用户同时在发射和接收，市区高层建筑物、路灯杆等各种散射体多， 移动用户又处在不断的运动之中。由于无线信号的传播路径是复杂的多径 传播。，引起传播信号的延时扩展、多普勒频率扩展及角度扩展，从而 使基站接收信号时产生频率选择性衰落和时间选择性衰落，进而引起码间 干扰( i s l ) ，同时，为节省频率资源采用蜂窝式的小区结构和频率复用技术， 也会使基站接收希望用户的同时，产生同道干扰( c c i ) ，特别对于c d m a 系统，所有的c d m a 用户可能占用同一时间和同一频带，唯一的区别是每 个用户拥有自己独特的相互正交的扩频码，接收端只需借助各自的扩频码 进行解扩，由于大量多址干扰( m a i ) 存在使得c d m a 移动通信系统接收成 为干扰限制。为了有效的抑制c c i 和消除i s l ，改善系统的性能，人们做 了很多的工作，研究了很多有效的方法。开始。人们采用分集处理技术， 如空间分集，即每个天线接收的信号是相互独立的，其波束图互不重叠， 在峰值时刻对多个峰值进行采样，并以适当的方式进行合并，后来，采用自 适应阵列处理技术和时域自适应均衡技术，而近来人们主要研究将空域与 时域相结合的空时二维自适应处理技术。 在移动通信系统基站采用阵列天线，实现w c d m a f d d 方式下最优 收发天线波束形成和自适应信号处理，可以为系统提供高质量的数据链路， 提高基站天线的覆盖范围以及系统容量和业务质量，降低移动用户的码间 干扰和多址干扰，还可以降低移动用户的发射功率。利用阵列天线，能更 好地抑制来自邻近或同小区的同信道用户干扰，抵抗远近效应，提高通 信系统的容量和业务质量。因此，研究c d m a 移动通信系统空时二维 r a k e 接收机处理算法及实现方案、相关的多径d o a 与延时参数估计， 收发天线自适应波束形成以及空时多用户检测技术成为近来热门的研究方 向。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 将自适应阵列天线引入多用户检测，从而用于民用的移动通信系统中， 虽然时间很短，但是发展迅猛，很快就成为关注焦点。一方面，阵列天线 在雷达中应用很广，有很好的研究基础：另一方面，通信信号具有很好的时 域特性，而三代c d m a 系统又天生适于采用阵列天线，有望取得更好的应 用效果。由于商业利益的驱动，全球众多的通信公司、联合高校、科研院 所都开展了这方面的研究，为了我国制胜于世界，我们必须要有自己的关 键技术专利。因此，本文研究第三代系统中的空时多用户检测，具有理论 意义与实际价值。 1 2 研究的发展与现状 在蜂窝移动码分多址通信中，干扰大致可分为三种类型：加性白噪声 干扰、多径干扰和多用户之间的多址干扰。在码分多址系统中，多个用户 占有同一时隙和相同的频段，通过扩频码来相互区分。如果多个用户的地 址码的互相关函数达到理想状态，即它们的地址码完全正交，则不存在多 址于扰的问题。但在实际上，这一点是不可能的。也就是说，当我们要接 收一个特定的用户时，其他和这个特定用户不完全正交的用户就会成为干 扰源。当同时通信的用户较多时，多址干扰就成为了最主要的干扰。它不 但影响了系统的抗干扰量，也严重限制了系统容量的提高。因此，抵抗和 限制多址干扰就成了c d m a 系统的一项主要任务。多用户检测是一种很好 的干扰抑制方法，它既可以抗多址干扰，又可以抵抗远近效应和多径干扰。 多用户检测的概念，是v e r d u 在1 9 8 6 年提出的，它在信息论最佳信号 检测理论指导下，充分利用扩频码的己知结构信息和统计信息，设法把其 他用户的信息转化为可利用因素，从而更好的进行用户检测和识别。现在， 它的主要研究方向从理论上的最佳结构逐步向工程上的次最优结构发展， 目的是找到一个性能和复杂度的契合点，找到一个工程中有实际价值的方 案。另外，多用户检测和其他技术相结合，也是近年的研究热点。 智能天线技术应用到多用户检测，进行空时多用户检测。利用信号的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 空域特征进行多用户空时检测，尤是热中之热。欧洲通信委员会早在1 9 9 4 年就构建了智能天线试验平台，德国大学奥斯丁s d m a 小组对 s d m a ( s p a c e d i v i s i o nm u l t i p l e a d d r e s s ) f l q 研究可谓开风气之先，s t a n f o r d 大学信息系统研究是对t d m a 系统进行空时二维处理算法的研究，对 c d m a 系统也有很好的借鉴意义。国内的一些大学也对智能天线作了一些 研究。其中，西安电子科技大学雷达信号重点实验室对智能天线上行空时 二维处理的研究相当深入，并正在建立c d m a 系统的智能天线平台。 在这种基础上，把智能天线应用于多用户检测，就是一件水到渠成的 事了。事实上，把用户的接收端和检测端当成一个系统而不是两个孤立的 事件来看问题，这正是当前的一种趋势。 1 3 智能天线基本理论 智能天线的基本思想是在基站采用阵列天线自适应的形成多个波束， 分别跟踪多个共享同一信道的用户，并在接收时通过空域权矢量抑制同信 道干扰并将其分离，从而使期望用户接收的信号功率最大，其他用户的干 扰最小。这里的信道既可以是f d m a 中的频道，也可以是t d m a 中的时 隙，还可以是c d m a 中的码道。实际上，智能天线技术开发出了一种新的 信道资源，即空分多址( s d m a 。s p a c e d i v i s i o n - m u l t i p l e a c c e s s ) 。从严格意 义上讲，空分多址并不可能在空间上将用户严格分开，因此，它并不同于 一般意义上信道复用的概念。但是，它可以和其他信道复用方式完全兼容， 实现多种组合的多址方式，如s d m a c d m a 。 一个m 阵元的天线阵，通常由一个中央处理器控制工作。天线的几何 流形可以有很人的不同，但最常用的天线阵是有阵元按圆形排列的圆阵和 按线形排列的多方向线阵。在第三代移动通信系统中，天线阵的目的是改 善系统的误码性能，从而改善信噪比( s n r ) 。对自噪声而言，m 阵元天线 阵可以提供m 倍的性能改善，但对其他用户的干扰抑制性能，则取决于接 收数据的处理形式。在第三代移动通信系统中，用户的信息通常是可以得 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 到一些先验信息的。因此，一个好的方法时是通过先验信息估计接收信号 形势并确定匹配滤波解。显然，基站天线阵如果能对用户提供重大的信噪 比改善，那么误码率( b e r ) 也会减少。采用智能天线技术可以达到以下目 的： 1 在给定误码率门限的情况下增加用户数量 2 在一个给定用户数的蜂窝内改善误码率性能 3 在满足一定误码率条件下降低每一阵元发射功率 4 增加基站接收机的覆盖范围及蜂窝大小 虽然智能天线技术具有很多优点，但这些是以增加复杂度为代价的。 在这里，我们也必须看到以下方面： 1 对每一个用户需要天线阵上解调器的软硬件实现 2 m 个接收机在时间上必须同步 3 阵列信号处理复杂度也很大 4 天线阵受基站现有大小制约，通常阵元间距从半个波长到十个波长 之间 5 实际天线阵会受阵元模型误差和噪声影响 智能天线系统通过两种方式把波束形成和数字空域处理相结合，一种 是固定波束形成网络( b f n ，f i x e db e a m f o r m i n gn e t w o r k ) ，另一种是自适应 阵列处理器。下面简要介绍切换波束系统及自适应天线系统和宽带智能天 线三种智能天线技术。 ( 1 ) 切换波束系统 在固定波束形成网络中，可以用一个开关选择相对最好的波束来接收 特定的信号。切换波束系统相对简单，只有一个波束形成网络，一个射频 开关以及选择波束的逻辑控制器。通过逻辑控制器控制开关，从而选择波 束。如图1 1 所示。 需要指出的是，对于不同的多址方式，选择的复杂度是不同的切换波 束系统在实现复杂度上有优势，但是它也存在一些约束。首先，系统对有 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用的多径信息不能有效的利用，其次，对其他用户信息也 l 、r _ 4 用户l 的接收机 f i m m l j 丽丽硼 波束形成 网络t k 厂一 用户k 的接收机 厂 - - 4 切换控制l 图1 1 切换波束系统 不能提供保护。和自适应天线系统相比，它和基站之间只需要适度的相互。 由于采用的是相对较低的技术方法，切换波束系统的工程实现代价更低， 相应的，也更容易实现。但在另一方面，它的效果相对于自适应天线系统 来说较差。 ( 2 ) 自适应天线系统 自适应阵列天线技术是利用基带数字信号处理技术，产生空间定向波 束，使天线主波束即最大增益点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，从而给有用信号带来最大增益，有效的减少多径效应 所带来的影响同时达到对干扰信号删除和抑制的目的。为了获得更佳的性 能，采用如图1 2 所示的自适应系统。自适应阵列中，权向地，经调整，使 f 时刻送入关于信号k 的解调器的信号质量最佳。 在最优波束成形算法中，要确定使代价函数最小的权向量。通常，代 价函数与阵列输出端的信号质量成反比，因此当代价函数最小时，阵列输 出端的信号质量最优。通信系统中最常用的两种方案是最小均方误差 ( m m s e ) 和最小二乘( l s ) 准则。在这两个方法中，通过选择适当的权向量 m ，使阵列输出z ( t ) = w f a t ) 与本地产生的对第j i 个用户的期望信号的估 计d k ( f ) 之差的平方最小。 堕查堡三堡盔堂堡主兰壁笙奎 图1 2 自适应天线阵结构 ( 3 ) 宽带智能天线 宽带系统可以将时域和空域滤波结合，形成自适应天线系统，如图1 3 所示，每一个阵元都有抽头延迟线。抽头延迟线允许每一个阵元有一个随 频率改变的相位响应，可以补偿低频信号部分一定传播距离引起的小的相 移，以及高频部分的大的相移。这种结构可以看成一种均衡器，用以补偿 不同频率的阵列响应。由于无线信道时延扩展，会造成码间干扰，引起信 号质量下降。如果多径分量角度可以分离而时延几乎相同，那么，一维空 域处理可以有效的消除或合并多径分量。但如果多径分量角度相近，则时 域均衡器可以抑制时延多径分量。 而二维结构不但可以利用不同的角度。还可以利用不同的时延来捕获 不同的多径分量，采用空域处理器和时域处理器合并处理，得到更好的结 果。而且，维结构可以通过抽头延迟线作为自适应干扰滤波，在频域抑制 干扰信号，这对于不同带宽和不同载频的蜂窝环境里是很有价值的。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 3 宽带自适应天线阵 1 4 现代优化计算方法 现代优化算法包括模拟退火( s i m u l a t e da n n e a l i n g ，简称s a ) 、遗传算 法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ，简称g a ) 、神经网络( n e u r a ln e t w o r k ，简称n n ) 和禁忌搜索( t a b us e a r c h ，简称t s ) 。这些算法涉及生物进化、人工智能、 数学和物理科学、神经系统和统计力学等概念，都是以一定的直观基础构 造的算法。当人们不满足常规算法求解复杂问题时，现代优化算法开始体 现其作用。现代优化算法自2 0 世纪8 0 年代初兴起，至今发展迅猛。 模拟退火( s a ) 的思想最早是由m e t r o p o l i s 等人于1 9 5 3 年提出的，1 9 8 3 年k i r k p a t r i c k 等将其用于组合优化。s a 算法是基于m e n t ec a r l o 迭代求解 策略的一种随机寻优算法，其出发点是基于物理学中固体物质的退火过程 与一般组合优化问题之间的相似性。s a 算法在某一初温下，伴随温度参 数的不断下降，结合概率突跳特性在解空间中随机寻找目标函数的全局最 优解，即在局部优解能概率性地跳出并最终趋于全局最优。s a 是一种通 用的优化算法，目前已在工程中得到了广泛应用，诸如v l s i 、生产调度、 控制过程、机器学习、神经网络、图象处理等领域。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 遗传算法( g a ) 是j h o l 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” 群的一代代小断进化，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。g a 也是一种通用的 优化算法，其编码技术和遗传操作比较简单，优化不受限制性条件的约束， 而其两个最显著特点则是隐含并行性和全局解空间搜索。目前随着计算机 技术的发展，g a 愈来愈得到人们的重视，井在机器学习、模式识别、图 象处理、神经网络、优化控制、组合优化、v l s i 设计、遗传学等领域得到 了成功应用。 神经网络( n n ) 是近年来得到迅速发展的一个前沿课题。神经网络由于 其大规模并行处理、容错性、自组织和自适应能力和联想功能强等特点， 已成为解决很多问题的有力工具，对突破现有科学技术的瓶颈，更深入探 索非线性等复杂现象起到了重大作用，已广泛应用在许多工程领域。人工 神经元是生物神经元特性及功能的数学抽象，神经网络通常指由大量简单 神经元互连而构成的一种计算结构，它在某种程度上可以模拟生物神经系 统的工作过程，从而具各解决实际问题的能力。神经网络优化算法就是利 用神经网络中神经元的协同并行计算能力来构造的优化算法，它将实际问 题的优化解与神经网络的稳定状态相对应，把对实际问题的优化过程映射 为神经网络系统的演化过程。 禁忌搜索( t s ) 的思想最早由g l o v e r 于1 9 8 6 年提出，它是对局部邻域 搜索的一种扩展，是一种全局逐步寻优算法，是对人类智力过程的一种模 拟。t s 算法通过引入一个灵活的存储结构和相应的禁忌准则来避免迂回搜 索，并通过特赦准则来赦免一些被禁忌的优良状态，进而保证多样化的有 效探索以最终实现全局优化。相对于模拟退火和遗传算法，t s 是又一种搜 索特点不同的m e t a - h e u r i s t i c 算法。迄今为止，t s 算法在组合优化、生产 调度、机器学习、电路设计和神经网络等领域取得了很大的成功，近年来 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 又在函数全局优化方而获得了较多的研究，并大有发展的趋势。 模拟退火、遗传算法、神经网络、禁忌搜索和混合优化算法等优化算 法均已有效地解决了一些属于n i 完备问题的组合优化问题。v e r d u 己揭示 了最佳多用户检测问题是一个n p 完各问题，因此，将这些优化算法应用 于多用户检测是可行和有效的。 1 5 论文研究的主要内容 本文研究了第三代移动通信系统中的一种空时二维处理技术。提出了 智能天线技术应用于多用户检测的处理算法和实现结构；主要是多用户接 收和检测的系统处理方法，并将现代优化算法用于空时多用户检测中。根 据本课题研究的需要，下文综述了上行链路中c d m a 通信系统的接收空时 处理的研究现状，即用户采用单天线系统发射信号，基站采用多天线系统 接收信号。 本论文研究的主要内容如下： 第1 章绪论，简单的介绍本课题的研究背景与意义，对智能天线的优 点、发展和研究现状进行了介绍，并介绍了现代优化计算方法，最后介绍 了本文所作的工作。 第2 章首先描述了无线通信信道的基本模型，主要考虑了路径损耗和 阴影效应以及小尺度衰落，并介绍了阵列响应矢量以及蜂窝系统信道模型。 最后，提出了d s c d m a 系统的空时信号模型。 第3 章介绍了最有效的抗多址干扰技术多用户检测技术的基木思 想、性能测度以及目前的发展情况和一些主要算法。 第4 章利用空时信号模型，研究了空时最小均方误差算法，提出了一 种改进的空时最小均方误差算法，并对该算法的复杂度进行了分析，通过 仿真验证算法的性能。 第5 章介绍了禁忌搜索算法，包括其基本原理、关键参数。然后提出 了一种基于禁忌搜索算法的空时多用户检测，并仿真验证该算法的性能。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章无线信道模型与c d m a 信号模型 2 1 无线信道 信道是发射端和接收端之间传播媒介的总称。它是任何一个通信系统 不可或缺的组成部分。按传输媒介的不同，物理信道分为有线信道和无线 信道两大类。有线信道是平稳的和可预测的，而有些无线信道则是极其随 机的，并且不易分析。无线信道有中、长波的地表面波传播，短波的电离 层反射传播，超短波和微波的直射传播以及各种散射传播等。 在无线通信系统中，由基站发射机到移动台的无线连接称为前向连接 或下行连接：而由移动台到基站接收机的无线连接则称反向连接或者上行 连接。典型地，前向连接和反向连接被分成不同类型的信道，无线电信号 无论是在前向连接，还是在反向连接的传播，都会以多种方式受到物理信 道的影响。 由于无线信道的复杂性，一个通过无线信道传播的信号往往会沿着一 些不同的路径到达接收端，这一现象称为信号的多径传输。虽然电磁波传 播的形式很复杂，但一般可归结为反射、绕射和散射三种基本传播方式。 2 1 1 移动无线电波传播 移动通信中的信道是一种时变信道。无线电信号通过移动信道时会受 到各个方面的衰减损失，由于路径损失和衰落的影响，接收到的信号要比 发射的信号弱的多。接收信号功率可表示为： p ( d ) 刊drs ( d ) r ( d )( 2 一1 ) 式( 2 1 ) 中：d 表示距离向量，其绝对值l d l 表示移动用户与基站的距离， 其中疗的典型值为3 到5 ，它反映了公里量级的空间距离内，接收电平均值 的变化趋势。上式表示信道对无线电信号的影响可归纳为三类： 1 自由空间的路径损失( 也称传输损失) i d i ”； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 阴影衰落s ( d ) ：由于传输环境中的地形起伏、建筑物和其它障碍物 对电波的阻塞或遮蔽而引起的衰落； 3 多径衰落r ( 们：由于移动传播环境中的多径传输而引起的衰落。多 径衰落是移动信道特性中最有特色的部分。 事实上，以上三种效应描述的是在三种不同的区间范围内信道对信号 的作用： 1 自由空间的路径损失是移动台与基站之间距离的函数，描述的是大 尺度区间( 数百或数千米) 内接收信号强度随发射一接收距离而变化的特 性。路径损失主要由平方律扩展、水气和叶群的吸收、地表反射等引起， 它与距离有关。 2 阴影衰落描述的是中等尺度区间( 数百波长) 内信号电平中值的慢变 化特性。其衰落特性符合对数正态分布，这种衰落速率较慢，又称慢衰落， 也称长期衰落，主要来自建筑物和其他障碍物的阻塞效应。 3 多径衰落描述的是小尺度区间( 数个或数十个波长) 内接收信号场强 的瞬时值的快速变化特性。其衰落特性符合瑞利分布，这种衰落由于衰落 速率较快，又可称快衰落或短期衰落，由移动用户附近的多径散射产生。 事实上，衰落决定了移动通信无线信道的特征。无线传播信道中的许 多物理因素都会影响衰落，主要有： 1 多径传播 。 信道中反射物体和散射体的存在会产生一个不断变化的环境，使得信 号能量在幅值、相位和时间延迟方面产生弥散。这些效应会使得发射信号 经过不同路径到达接收天线时的形式各异，显示出不同的时间和空间方位。 不同的多径分量的随机幅值和相位引起信号强度的扰动，从而产生小尺度 衰落、信号畸变或二者兼有。多径传播通常会使信号到达接收端所需要的 时间加长，它可能引起码间干扰，从而导致信号污损。 2 移动台的速度 基站与移动台之间的相对运动会使每个多径分量产生不同的多普勒频 哈尔滨工程大学硕士学位论文 移，从而引起接收信号的随机频率调制。多普勒频移有可能为正，也可能 为负，取决于移动接收机与基站之间的传播路径是缩短还是加长。 3 周围物体的速度 如果信道中的物体处于运动中，它们就会对多径分量产生时间变化的 多普勒频移。若周围物体以明显快于移动台的速度运动，这种效应就会压 倒小尺度衰落。否则，周围物体的运动就可以忽略，只需要考虑移动台的 速度。 4 信号的发射带宽 如果发射的无线电信号带宽大于多径信道的“带宽”，即信号的自相关 时问小于多径信号的延时差，则接收信号会发生畸变，而小尺度衰落则不 明显。信道的带宽可以用刻画信道特殊多径结构的相干带宽进行量化。相 干带宽是信号在幅值上仍然保持强相关时的最大频率差的测度。若发射信 号相对于信道有一个窄的带宽，则信号的幅值将快速变化，但信号在时间 上将没有畸变。因此小尺度信号强度的统计特征和小尺度距离范围内信号 畸变的可能性在很大程度上与多径信道的幅值特性、时延以及发射信号的 带宽有关。因为多径传播导致信号在不同维( 时间、频率、空间) 的扩展， 它们对通信信号有明显的影响，因此是重点关注的对象。 最重要的多径衰落效应有： ( 1 ) 信号强度在一段很小的传播距离或时间间隔内快速变化； ( 2 ) 不同路径信号的多普勒频移的变化引起的随机频率调制； ( 3 ) 多径传播时延引起的扩展。 2 1 2 反射、绕射和散射 反射、绕射与散射是无线通信系统中的三种最基本的传播方式。 1 当传播的电磁波入射到一个其尺寸比波长大的多的物体时，电磁波 会发生反射。反射主要来自地表面、建筑物和墙壁。 2 若发射端和接收端之间地无线电波被一个具有明显不规则( 边缘) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 地表面阻塞，则会发生绕射。有阻塞表面引起地二次波存在与整个 空间。甚至障碍物后面也有存在，使得电磁波能够绕过障碍物传播。 3 当电磁波在传播中遇到一些尺寸小于波长的目标物或者每单位体积 的障碍物数目很多时，电磁波便会产生散射。散射的波形由粗糙表 面、小目标物或信道中的其他不规则物产生。在实际中，树叶、街 道路标和路灯杆等都会引起散射。 ( 1 ) 反射 当在一种媒介中传播的无线电波入射到另一媒介表面时，无线电波的 部分能量会被反射到第一种媒介，而另一部分能量则被折射到第二种媒介。 反射波和折射波的电场强度通过反射系数r 与原媒介中的入射波联系在一 起。反射波的大小由波的极化方式、入射角和传播波的频率决定。反射系 数定义为反射波场强与入射波场强的比值。若反射系数r = - 1 ，则反射为镜 面反射。一般情况下，反射系数r 为复数，即 r 爿r i e 一 ( 2 - 2 ) 式( 2 2 ) 中：i 五i 为反射点上反射波场强与入射波场强的振幅比；矿为 反射波相对于入射波的相移。 ( 2 ) 绕射 绕射会使无线电波绕过地球弯曲的表面或障碍物传播。虽然接收机移 动到被障碍物的区域( 阴影区) 越深，接收到的场强衰减就越快，但是由于 绕射场依然存在，所以常常还是有足够的电场强度产生有用的信号。绕射 现象可以用h u y g e n 原理解释。h u y g e n 原理指出：波前的所有点都可以看 作是产生二次波的点源，并且这些子波组合在一起，在传播方向上产生一 个新的波前。绕射是由二次子波传播到阴影区引起的。绕射波在阴影区的 场强为障碍物周围空间的所有二次子波电场分量的向量和。 ( 3 ) 散射 无线通信环境中的实际接收信号通常总比只用反射和绕射模型预测的 接收信号强，这主要是因为当一无线电波入射到粗糙表面时，由于散射的 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 作用，被反射的能量被扩散( 弥散) 到所有方向，从而在接收端形成了另外 的无线电能量。在城市中，街灯杆和树等都会将入射的能量散射到所有方 向。 2 1 3 信道的特征参数 接收信号的相位特性由衰落过程的频域特性、时域特性和空域特性刻 画，这些特性分别与多径信号的多普勒扩展、时延扩展和角度扩展有关。 多普勒扩展、时延扩展和角度扩展都是移动信道的参数。根据信号参数和 信道参数之间的关系，不同的发射信号会发生不同类型的衰落，这些衰落 分别具有时间选择性、频率选择性和空间选择性，统称选择性衰落，常简 称为扩展。 l 多普勒扩展( 时间选择性衰落) 由于移动用户与基站的相对运动，每个多径波都会有一个明显的频率 移动。由运动引起的接收信号频率的移动称为多普勒频移，它与移动用户 的运动速度成正比。 设发射频率为正，对于到达移动台的单个路程，若入射角为口，则多 普勒频移为f o = 厶c o s 口，这里厶= 为最大多普勒频移。 l 相干时间用表示：乙= = 哆cj _ 相干时间表征的是时变信道对信号的衰落节拍，这种衰落是由于多普 勒效应引起的，并且发生在传输波形的特定时间段上，换句话说，就是信 道在时域具有选择性。因而这种衰落又称为时间选择性衰落，其速率就是 1 7 。时问选择性衰落对数字信号的误码性能有明显影响，为了减少其影 响，要求码元速率远大于衰落节拍的速率。 2 时延扩展( 频率选择性衰落) 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展，或称时延散布。当发 哈尔滨工程大学硕士学位论文 射端发送一个极窄的脉冲信号至移动台时，由于存在着多条不同的传播路 径，路径长度不一样，则发射信号沿各个路径到达接收天线的时间就不一 样，而且传播路径又随着移动台的运动而变化。对于不同的传输信道，接 收信号中的各个时延脉冲可能是离散的，也可能联成一片。e ( t ) 的一阶距 表示平均多径时延，五o ) 的均方根代表多径时延散布，常称为时延扩展。 换言之，平均多径时延z ，和时延扩展可分别表示为： 吃 ， o = i 垣( t ) d t ( 2 - 3 ) = 庐磊 ( 2 - 4 ) 根据定义，表示时延扩展的散布程度：值越小，时延扩展就越轻 微。反之，值越大，时延谱扩展就越严重。 3 角度扩展( 空间选择性衰落) 接收端的角度扩展指的是多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽。 同样，发射端的角度扩展指的是由多径的反射和散射引起的发射角展宽。 在某些情况下，一路径的到达角( 或发射角) 与路径时延是统计相关的。 角度扩展给出接收信号主要能量的角度范围，产生空间选择性衰落，即信 号幅值与天线的空间位置有关。 空间选择性衰落用相干距离描述。相干距离定义为两根天线上的信道 响应保持强相关时的最大空间距离。相干距离越短，角度扩展越大反之， 相干距离越长，则角度扩展越小。 2 2 无线多径信道模型 2 2 1 路径损耗和阴影效应 基于理论和测试的传播模型指出，无论室内或室外，平均接收信号的 功率随距离的对数衰减。这种模型己被广泛的使用。平均大尺度路径损耗 表示为； 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p l ( d ) 。c ( d ，以) 4 ( 2 5 ) 其中，n 为路径损耗指数，表示路径损耗随距离增长的速率，碗为近 地参考距离，由测试决定，d 为传播距离。表2 1 列出了不同无线环境下， 路径损耗指数。 表2 1 不同环境下的路径损耗指数 环境 疗 自由空间 2 市区蜂窝 2 6 3 5 市区蜂窝阴影 3 5 建筑物内视距传播 1 6 1 8 被建筑物遮挡 4 6 被工厂遮挡 2 3 当然，在传播距离相同的情况下，不同位置的周围环境差别影响非常 大，这种差别，路径损耗指数并不足以说明。也就是说，对于任意确定的d 值，范围内损耗的大小并不处处相同，事实上，它服从随机正态对数分布。 这种现象叫做阴影效应，也称为长期衰落或慢衰落。我们可以表示为： s = l m ( 2 6 ) 其中，善是高斯时分布随机变量，0 均值，方差为仃，盯的值依赖阴 影程度而变化。 2 2 2 小尺度衰落 小尺度衰落是指无线信号经过短时间或短距传播后其幅度快速衰落。 这种衰落是由于多径效应引起的。同一个传输信号沿两个或多个路径传播， 以微小的时间差达到接收机，从而相互干涉。这些波就是多径波。接收机 天线将它们合成一个幅度和相位都急剧变化的信号，其变化的强度取决于 多径波的强度、相对传播时延，以及传播信号的带宽。有多径信号引起的 小尺度衰落，存在三个主要效应： 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 经过短距或短时后信号急剧变化 2 在不同多径信号上，存在时变的多普勒频移( d o p p l e rs h i f t s ) 3 。有时延引起的扩展 虽然，我们可以说小尺度衰落是有多径效应引起的，但是，我们还必 须想到以下的物理因素： 1 移动台的运动速度一基站和移动台之间的相对运动会引起多普勒频 移 2 环境物体的运动速度一如果环境物体的运动速度比移动台运动速度 大，那么这种运动将是引起多酱勒频移的主要因素 3 信号的传输带宽一如果信号的带宽比多径信道的带宽大的多，接收 信号可能会失真，但本地接收机强度不会下降很多，反之，信号幅度会迅 速改变，但在时间上不会失真从上面的讨论可以看出，对衰落的讨论离不 开多普勒频移，我们在下面简要介绍一下多普勒频移。 多普勒频移是指：当移动台和远端源之间的相对位移并非恒定而是以 速率v 变化时，那么，从远端源发射的无线电波的频率会和移动台接收的 频率不同，这就是多普勒频移的基本定义。具体地说，当移动台朝向入射 波方向运动，接收频率上升，即多普勒频移为正；如移动台背向入射波方向 移动，接收频率下降，多普勒频移为负。 2 2 3 阵列响应矢量 下面讨论阵列响应矢量的数学表达式。发射信号到达基站天线阵有l 条特定的路径，每条路经有不同的来波方向( d o a ) 和不同的时延。当用单 个阵元的天线处理信号时，对d o a 不能有效的识别，因此，有必要用多 个阵元构成天线阵来识别d o a ，从而进一步抑制多址干扰，改善系统性能。 蜂窝移动通信系统中，来波到达基站天线阵有角度扩展。我们首先简 化假设条件：第一，假设移动台和基站是在同一平面里，并且入射到天线 阵的来波为平面波；第二，假设对一特定路径的角度扩展可以忽略不计并 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 且接收信号满足窄带条件，即信号包络在天线阵传播时间内变化不大。这 时，阵列响应矢量由角