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迭代多用户检测技术的研究 中文摘要 迭代多用户检测技术的研究 中文摘要 d s c d m a 系统中，由于多用户共用宽频带，各用户信号间的非严格正交带来的 多址干扰是影响系统容量和接收质量的一个主要因素。多用户检测充分利用各个用户 的扩频序列、时延、幅度和相位信息对各用户进行联合检测，是有效抑制多址干扰的 关键技术。实际上大多数d s c d m a 系统采用信道编码和交织技术，近年来对多用户 检测的研究均放在编码的系统上。受t u r b o 码译码思想的启发，可以将多用户检测与 信道编解码联合处理，产生了一种高效的多用户检测方法一一迭代多用户检测 ( m i u d ) 。本文就是以迭代多用户检测技术为研究内容展开研究，主要工作及所取 得的成果如下： 1 通过参阅大量有关多用户检测和迭代多用户检测技术研究的相关中英文资料 的基础上，本文综述了多用户检测技术的发展状况和迭代多用户检测技术的研究现 状，并对迭代检测的思想作了说明。 2 对迭代多用户检测的迭代处理思想根源_ t u r b o 码的编译码原理进行了研 究，并分析了迭代处理中用到的软输入软输出信道译码算法一最大后验概率算法； 对s y s t e m v i e w 及s y s t e m v i e w 与m a t l a b 这两款通信系统仿真软件的联合使用进行了 学习，最后用s y s t c m v i e w 联合m a t l a b 直观的仿真了基于最大后验概率译码算法的 t u 曲0 码的编译码过程。 3 对d s c d m a 系统下多用户信号的两种接收模型同步加性高斯白噪声信 道( a w g n ) 和异步多径衰落信道进行了研究；分析了现有未编码系统下几种线性和 非线性的次优传统多用户检测技术的实现方法及它们各自的优缺点。并对这几种检测 技术在同步a w g n 和异步多径衰落信道下分别进行了对比仿真。 4 。在对现有的两种基于前面所讨论的传统多用户检测的低复杂度迭代多用户检 测算法的探讨研究及对并行干扰消除( p i c ) 和部分并行干扰消除( p p i c ) 的对比研 究基础之上，本文将传统检测算法中的p p i c 算法用于迭代检测中，提出了一种基于 p p i c 的迭代检测算法，并对基于并行干扰消除类迭代检测器的迭代结构进行了改进。 通过仿真，对m m s ei m u d 、p i ci m u d 、p p i ci m u d 及m m s ei m u d 、改进结构下 迭代多用户检测技术的研究 中文摘要 的p i ci m u d 、p p i ci m u d 分别在同步a w g n 和多径衰落信道下进行了性能对比。 通过在多径信道下的对比仿真，发现迭代p p i c 、p i c 、m m s e 算法性能相差不大， 改进结构下的p p i c 、p i c 也比原来结构下的性能提高不多。于是从抗远近效应方面 进行了仿真分析。最后通过计算复杂度、误码率性能、存在的优缺点三个方面的分析 对这三种算法进行了综合比较分析。 关键词：直扩码分多址；多址干扰；t u r b o ：软输入软输出；并行干扰消除；迭代多 用户检测 作者：徐斌 指导老师：朱灿焰 迭代多用户检测技术的研究英文摘要 r e s e a r c ho ni t e r a t i v em u l t i u s e rd e t e c t i o nt e c h n o l o g y a b s t r a c t b e c a u s em u l t i p l eu s e r ss h a r et h ew i d e 矗e q u e n c yb a n d w i d t h ，m a i ( m u l t i p l ea c c e s s i n t e r f e r e n c e ) w h i c hi s c a u s e db yt h en o n o r t h o g o n a l i t yo fs i g n a l sa m o n ge a c hu s e r c o n s t i t u t e sam a j o ri m p e d i m e n tt ot h ec a p a c i t ya n dr e c e i v i n gq u a l i t yo ft h ed s - c d m a s y s t e m s m u d ( m u l t i u s e rd e t e c t i o n ) i sa ne f f i c i e n ta n dk e yt e c h n i q u et om i t i g a t et h e e f f e c to fm a ib ym a k i n gt h em o s ti n f o r m a t i o no fs p r e a ds e r i a l s ，d e l a yt i m e ，a m p l i t u d ea n d p h a s ea b o u te a c hu s e r a c t u a l l y , i ta d o p t sc h a n n e lc o d i n ga n di n t e r l e a v i n gt e c h n i q u ei n m o s td s c d m as y s t e m s 1 1 1 er e s e a r c h e so fm u da r ea l li nt h ec o d e ds y s t e m si nr e c e n t y e a r s 。b es u b j e c t e dt ot h ei d e ao ft u r b od e c o d i n g ，m u dc a l lb ep r o c e s s e dc o m b i n i n gw i t h c h a n n e lc o d i n ga n dd e c o d i n g s oak i n do fe f f i c i e n tm u di sd e v e l o p e dw h i c hi sc a l l e d i m u d ( i t e r a t i v em u l t i u s e rd e t e c t i o n ) i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c hi sc o n c e n t r a t e do ni m u d a n dt h em a i nw o r k sa n dc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 b ys y s t e m a t i c a l l ys t u d y i n g l o t so fr e f e r e n c e sa b o u tm u da n di m u d ，t h e d e v e l o p m e n to fm u dt e c h n i q u ea n dt h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so fi m u da r es u m m a r i z e d i nt h i sp a p e r a n dt h ei d e ao fi m u di se x p l a i n e da l s o 2 t h ei d e ao fi t e r a t i v ep r o c e s si ni m u dc o m e so ft u r b oc o d e s ot h ep r i n c i p l eo f t u r b oc o d i n ga n dd e c o d i n gi sr e s e a r c h e d s i s o ( s o f ti n p u ts o f to u t p u t ) c h a n n e ld e c o d i n g a l g o r i t h m m a p ( m a x i m u ma p o s t e r i o rp r o b a b i l i t y ) a l g o r i t h mu s e di ni t e r a t i v ep r o c e s s i sr e s e a r c h e ds p e c i a l l y t h eu s a g eo ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ms i m u l a t i o ns o f t w a r e s y s t e m v i e wc o m b i n i n g 、 ，i t l lm a t l a bi ss t u d i e d t h e n , t h et u r b oc o d i n ga n dd e c o d i n g p r o c e s sb a s e do nm a pa l g o r i t h mi ss i m u l a t e db ys y s t e m v i e wu n i t e dm a t l a bi n t u i t i v e l y 3 t w ot y p i c a lr e c e i v e dm o d e l so fm u l t i u s e rs i g n a l si nd s c d m as y s t e m se a u e d s y n c h r o n o u sa w g n ( a d d i t i v ew 1 1 i t eg a u s s i a nn o i s e ) c h a n n e la n da s y n c h r o n o u sm u l t i p l e a c c e s sr e d u c i n gc h a n n e la r er e s e a r c h e d s e v e r a ll i n e a ra n dn o n l i n e a rt r a d i t i o n a lm u d a l g o r i t h m si nu n c o d e ds y s t e m sa n dt h e i re a c ha d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ea n a l y z e d a n dt h e n ，t h e s e a l g o r i t h m s a r es i m u l a t e di n s y n c h r o n o u s a w g nc h a n n e la n d i i i 迭代多用户检测技术的研究英文摘要 a s y n c h r o n o u sm u l t i p l ea c c e s sr e d u c i n gc h a n n e l 4 t h et w oe x i s t i n gi m u da l g o r i t h m so fl o wc o m p l e x i t yb a s e do nt h et r a d i t i o n a l m u dd i s c u s s e de a r l i e ra r er e s e a r c h e da n ds i m u l a t e d t h e n ，a ni m u da l g o r i t h mb a s e do n p p i c ( p a r t i a lp a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ) s t r u c t u r ei sp r o p o s e da n dt h ei t e r a t i v e s t r u c t u r eo ft h i si m u di si m p r o v e da l s o b ys i m u l a t i o n ，m m s e ( m i n i m u mm e a ns q u a r e e r r o r ) ，p i c ( 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 a t i o n ) ，p p i ci m u da l g o r i t h m sa n dm m s e ，p i c w i mi m p r o v e ds t r u c t u r e ，p p i cw i n li m p r o v e ds t r u c t u r ei m u da l g o r i t h m sa r ec o m p a r e do n b e r ( b i te r r o rr a t e ) p e r f o r m a n c er e s p e c t i v e l yi nt h et w oc h a n n e lm o d e l s i nt h e a s y n c h r o n o u sm u l t i p l ea c c e s sr e d u c i n gc h a n n e l ，m m s e ，p i c ，p p i ci m u da l g o r i t h m s n e a r l yg e tt h es a m ep e r f o r m a n c ea n dp i c ，p p i ci m u da l g o r i t h m s 诵t l li m p r o v e ds t r u c t u r e g e tt h el i t t l eb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nw i t l lf o r m e rs t r u c t u r e a n dt h i sr e s u l ti sa n a l y z e d f r o mt h ea s p e c to fr e s i s t i n gn e a r - f a re f f e c t f i n a l l y , b ya n a l y z i n gt h ec o m p u t i n gc o m p l e x i t y , b e rp e r f o r m a n c ea n de x i s t i n ga d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，t h et h r e ei m u da l g o r i t h m s a r ec o m p a r e ds y n t h e t i c a l l y k e y w o r d ：d s c d m a ；m a i ；t u r b o ；s i s o ；p i c ；i m u d i v w r i t t e n b y ：x ub i n s u p e r v i s e db y ：z h uc a n y a n 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：j 雌日 期：型堕卫 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心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、缩印或其他复制手段保存论文。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) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 日期：丝堡： e 1 期：趔：堑! 三： 迭代多用户检测技术的研究第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 第一章绪论帚一早殆了匕 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 ) 是以扩频通信为基础的多址 技术，相对于时分多址( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，t d m a ) ，频分多址( f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，f d m a ) 等其它多址方式而言，它具有系统容量大、频带利 用率高、抗干扰能力强、抗多径衰落能力强、保密性能好等优越性。直接序列扩频码 分多址( d n c ts e q u e n c ec o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，d s c d m a ) 是目前应用最广 泛的码分多址技术，可以应用于多种蜂窝通信业务，如：个人通信、移动通信和室内 无线网等，也是第三代移动通信系统的主流空中接口【。 c d m a 系统【2 】是干扰受限系统，其容量优势只有在很好地解决了干扰问题后才 能得到体现。c d m a 系统中，因多用户共用宽频带，各用户信号问的非严格正交带 来的多址干扰( 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 a i ) 是影响接收可靠性的一个主要因素。 m a d 的抑制可以通过选择互相关性能好的扩频码，结合功率控制、纠错编码等 来进行。目前商用的c d m a 通信系统中主要采用功率控制技术来处理多址干扰问题， 通过减小多址信号彼此间的影响来提高系统容量，但是功率控制的方法并没有从接收 信号中真正去除m a i ，只能暂时缓解这种矛盾，不能从根本上解决问题；另一方面， 由于信号在移动通信信道中呈现瑞利衰落，功率控制系统无法补偿由快衰落引起的信 号功率的变化，特别是当移动台速度很快时，功率控制技术会失效 3 1 。 多用户检测 4 1 认为m a i 与白噪声具有互不相同的统计特性，m a d 是可估计、可 再生、可去除的，它可以充分利用各个用户的扩频序列、对延、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，多用户检测技术己被公认为c d m a 系统的关键技术之一。t d s c d m a ( t i m ed i v i s i o n - s y n c h r o n o u sc d m a ) 己采用多用户检测( 联合检测) 方案，而在 w - c d m a 和c d m a 2 0 0 0 等i m 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【3 】。 迭代多用户检测技术的研究第一章绪论 1 2 多用户检测技术的发展状况 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【5 1 。v e r 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器【6 j ，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 e r d u 的研究激励了许多研究者寻找低复杂 度的次优多用户检测器，用准最佳的较低复杂度的算法实现多用户检测，在性能和复 杂度之间作一良好的折衷。 进入八十年代中后期以后，人们逐渐转向具有可实现性的准最优检测器的研究。 1 9 8 9 年，r l u p a s 首先提出了同步c d m a 系统中的线性多用户检测方案【7 】【羽，即将一 线性算子作用于解扩后的信号以实现检测。迄今为止，对线性多用户检测算法的研究 己经历了十多年的时间，新算法层出不穷：从最初的解相关检测算法【9 j 到最小均方误 差检测算法【1 0 1 ，再到利用自适应算法【1 1 1 实现检测，直至盲检测算法【1 2 l ，发展势头强 劲。但由于线性检测对噪声的放大以及相关矩阵求逆的困难使得它在实际中的应用受 到一定的限制。 9 0 年代初期，随着非线性科学的发展，非线性检测的思想逐步受到业界的关注， 非线性检测器的主要思想是在接收方重建出全部或部分干扰用户的信号然后从总的 信号中减去估计出的干扰用户信号以得到待解调的信号，即干扰消除技术。主要包括 串行干扰对消( s i c ) 检测器【1 ”，并行干扰对消( p i c ) 检测器【1 4 1 和基于神经网络的 多用户检测算法【1 5 】等，它们在性能上接近于最佳检测器，但实现复杂度却大大降低， 因而得到了广泛的应用。 1 3 迭代多用户检测思想的引入 在过去的十几年中，人们一直致力于码分多址通信系统中用于干扰抑制的低复杂 度次最优多用户检测技术的研究，其工作集中于多用户信号的解调上。实际的c d m a 系统常常包括信道编译码和交织解交织等过程，但在很长时间内，多用户检测器的 设计只是将信道编码视为附加的增益，而不是作为多用户检测的一部分。越来越多的 专家学者们不再认为信道编码仅是一种附加的性能增益，每一用户的信道码具有其固 有的结构，当这些信息被所有用户共享并且利用时，可以产生很大的性能改善。在文 2 迭代多用户检测技术的研究第一章绪论 献【1 6 】中，作者指出，所有编码c d m a 系统的多用户检测问题都可以分为两大类： 分割法( p a r t i t i o n e da p p r o a c h ) 和集成法( i n t e g r a t e da p p r o a c h ) 。分割法就是将多用户 检测部分和信道译码部分分开来考虑，采用多用户检测的硬判决结果作为信道译码器 的输入，等于舍去了一些有用的信息，会影响译码性能。而集成法则可以通过交换多 用户检测和信道译码器之间的外信息，使系统的性能有明显的改善。因而，研究如何 将信道译码同多用户检测融合在一起具有重要的实际意义。 在文献【1 6 】 17 】中，g i a l l o r e n z i 和w i l s o n 分别给出了联合卷积编码的c d m a 系统 的最优解码和次最优方案，它结合多用户检测器和卷积码的网格结构，最优解码的计 算复杂度高达0 ( 2 r a ) ，其中x 表示信道用户数，足是卷积编码约束长度。两旦这些系 统都不支持交织器，但是交织器在对抗移动信道的时间选择性衰落上是十分有效的。 1 9 9 3 年，b e r r o u 等人提出了一种接近香农理论极限性能的信道编码方案 t u r b o 码【1 8 】【1 9 1 ，受t u r b o 码译码思想的启发，可以将多用户检测与信道编解码联合处 理，于是产生了一种高效的多用户检测方法迭代多用户检测( 1 t e r a t i v em u l t i u s e r d e t e c t i o n ，i m u d ) 技术。这种多用户检测技术应用于存在纠错编码的信道中，考虑兼 顾信道编码的扩频调制，利用软输入软输出和迭代的原理，即在软输入软输出( s o f t 蛔u ts o f to u t p u t ，s i s o ) 的多用户的检测器和信道译码器之间，通过交织解交织传递 反映比特位可信度的“软信息 ，经过若干次的反复迭代，最后做出硬判决。这种迭 代多用户检测技术正是t u r b o 译码算法中的精髓“迭代思想的一个应用，所以也称 作t u r b o 多用户检测。 1 4 迭代多用户检测技术的研究现状 在文献 2 0 】中，m o h e r 基于交互熵最小化迭代技术提出了在同步卷积编码信道中 的最优迭代多用户接收机。这种接收机每次交织每个比特的时间复杂度是 0 卜0 ( 2 r ) ，与用户数呈指数关系增长，因此对具有中型和大型用户数的信道来说 不可行。于是降低复杂度的次最优迭代检测器也随之开始研究，现在已经提出几种具 有良好的性能和适当的复杂度的迭代次最优多用户检测器。在【2 1 】中，a l e x a n d e r 、g r a n t 和r e e d 基于期望值最大算法( e m 算法) 提出了一种新的迭代多用户接收机。在 2 2 】 中，r e e d 和其它作者基于m 算法提出了一种在t u r b o 编码的同步c d m a 信道下的低 迭代多用户检测技术的研究 第一章绪论 复杂度的迭代多用户接收机，该迭代接收机采用最大后验概率( m a xa - p o s t e r i o r p r o b a b i l i t y , m a p ) 算法进行译码。文献 2 3 1 针对采用卷积码编码的d s c d m a 系统提 出一种迭代检测译码方案，采用m a p 译码及迭代干扰消除技术来降低计算复杂度。 该方案的性能接近单用户限。文献 2 4 卜 2 8 1 提出了一类基于贪婪算法的迭代多用户检 测器。在【2 9 】中，w a n g 和p o o r 为异步卷积编码多用户d s c d m a 系统提出了一种迭 代译码和检测方案。首先对匹配滤波器的输出向量进行完全软消除，再通过最小均方 误差( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r , m m s e ) 滤波器来进一步消除多址干扰。该接收 机基于s i s o 多用户检测器和一系列单用户s i s o 信道译码器。单用户译码器采用 b c j r 译码器，它最初是由b a h l 等人提出，后r e e d 和w a n g 对其做了相应的修改。 文献 3 0 】中提出的部分软干扰消除算法，通过选定一个可靠度闽值，在基于m a p 准 则的最优i m u d 算法的性能和复杂度之间进行了折中。 目前各种线性的和非线性的i m u d 算法也广泛展开1 3 1 卜【4 。线性的或非线性的 i m u d 算法就是把传统的线性或非线性多用户检测算法研究成s i s o 算法，用于迭代 检测中。文献 3 1 1 3 7 1 是一类基于并行干扰抵消( p a r e l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n , p i c ) 的非线性迭代多用户检测器，文献【3 l 】中，s i s o 多用户检测中的软干扰消除由 匹配滤波器后的p i c 执行。文献 3 2 1 对文献 3 u 作了改进，文献【3 l 】中s i s op i c 检测 中前级传递给后级的是基于传统p i c 检测思想的硬判决信息，而文献 3 2 1 取代为软判 决，并证明出了这样的改进在复杂信道中取得的性能有着很大程度改善。文献 3 3 1 3 5 】 是联合信道估计的p i ci m u d 算法，将信道估计、多用户检测、信道译码三者联合起 来进行迭代处理，虽然性能大幅度提高，但复杂度很高，而且系统延迟很大。文献 【3 7 卜【3 9 】是一类基于m m s e 的迭代多用户检测器，在s i s o 多用户检测器的后端采用 m m s e 滤波来进一步提高性能。文献 3 7 1 联合了p i c 和m m s e 两种检测方法，其思 想类似于文献【2 9 】，在m m s e 前端的软干扰消除由p i c 来执行，取代了文献 2 9 】中由 匹配滤波器的执行。虽然该方法能取得较好的性能，但复杂度是p i c 和m m s e 方法 之和。文献 4 0 1 1 4 1 是基于s i c 的i m u d 算法，其思想和p i ci m u d 类似，只是在s i s o 多用户检测中的软干扰消除由s i c 执行。 为了迸一步提高系统性能，迭代多用户检测可以联合性能较好的信道差错控制编 解码技术来进行研究，文献 3 2 1 1 3 7 1 1 3 8 1 1 4 1 是一类采用t u r b o 码作为信道码的i m u d 4 迭代多用户检测技术的研究第章绪论 技术，文献【4 2 】【4 3 】中对联合低密度奇偶校验码( l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c kc o d e ， l d p c ) ，信道译码进行了研究。虽然这些i m u d 方法在性能上优于采用一般的信道 码，比如卷积码的i m u d 技术2 9 1 1 3 0 1 1 3 1 1 ，但计算量也相应提高了，因为像t u r b o 码或 l d p c 码本身的编译码过程比卷积码复杂。 另外i m u d 技术的研究也在判决反馈、自适应、盲或半盲及在复杂信道、超宽 带( u l t r aw i d e b a n d ，u w b ) 、多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 等这些领域展开1 4 4 1 1 5 1 1 。 1 5 本文研究内容和结构安排 迭代多用户检测技术的研究就是降低复杂度的次最优迭代多用户检测算法的研 究。最近几年将传统的线形和非线性多用户检测器同迭代信道译码相结合，形成迭代 多用户检测，己成为新的研究热点【3 1 卜【4 1 1 。适合迭代多用户检测器的多用户检测器和 信道译码器这两个模块都必须是s i s o 系统。因此将传统的线性或非线性多用户检测 器用于迭代处理，就需使其成为s i s o 多用户检测器。本文首先对迭代处理思想的源 由- t 1 l r b 0 码进行了研究和仿真，其s i s om a p 信道译码算法也是本文用到的仿真 算法。其次研究和分析了几种传统的线性和非线性多用户检测算法以及基于这几种算 法的迭代多用户检测器，在此基础上，本文提出了一种基于非线性的i m u d 算法， 并对迭代结构进行了改进。通过计算机仿真，和现有的几种低复杂度i m u d 算法进 行了比较和分析，并在抗远近效应和计算复杂度、误码率性能、存在的优缺点几个方 面和现有的几种算法进行了对比分析和综合比较。 全文内容安排如下： 第一章：概述了多用户检测的研究背景、意义和发展状况以及i m u d 的思想和 研究现状，并阐述了本文所做的具体研究工作。 第二章：i m u d 运用了t u r b o 码的译码思想，因此对t u r b o 码的编译码原理作了 简单分析。研究了s i s o 信道译码m a p 译码算法，并在s y s t e m v i e w 环境下，对 基于m a p 译码算法的t u r b o 码的编译码过程进行了仿真，仿真的同时也熟悉和验证 了m a p 算法。 第三章：对本文的两种仿真环境同步a w g n 信道和异步多径衰落信道进行 5 迭代多用户检测技术的研究 第一章绪论 了研究；分析了现有未编码系统下几种线性和非线性的次优传统多用户检测技术的实 现方法及它们各自的优缺点。并对这几种检测技术在同步a w g n 和异步多径衰落信 道下分别进行了仿真。 第四章：首先研究和仿真了两种基于第三章所讨论的传统多用户检测器的i m u d 算法，其次提出了一种新的低复杂度非线性i m u d 算法，及基于此类非线性i m u d 算法的迭代结构，并和前面所讨论的现有的两种i m u d 算法，分别在同步a w g n 信 道和异步多径衰落信道下进行了对比仿真。最后通过抗远近效应和误码率、计算复杂 度、存在的优缺点方面的综合讨论，和现有的i m u d 算法进行了对比分析。 第五章：对全文作了总结，提出本课题的后续研究方向，并对该领域进行展望。 6 迭代多用户检测技术的研究第二章t u r b o 码原理 第二章t u r b o 码原理 本章对迭代多用户检测中的迭代处理思想根源t m o 码的编译码原理进行了 简单分析，并研究t s i s o 信道译码算法的m a p 算法，这也是本文后续章节仿真中用 到的信道译码算法。 2 1t u r b o 码的提出和意义 t u r b o 码【1 8 】【1 9 1 ，又称并行级连卷积码( p a r a l l e lc o n c a t e n a t e dc o n v o l u t i o n a lc o d e ， p c c c ) ，是由c b e r r o u 等提出的。它巧妙地将卷积码和随机交织器结合在一起，实 现了随机编码的思想：同时，采用软输出迭代译码来逼近最大似然译码。结果显示 t u r b o 码在a w g n 信道上的误比特率达到了近化a s h a n n o n p l 的性能。因此，这一超乎寻 常的优异性能，立即引起了信息与编码理论界的轰动。t u r b o 码的提出，更新了编码 理论研究中的一些概念和方法，由早期的基于代数的构造与译码方法转变为现在的基 于概率的软判决译码方法，而且人们对编码方案的比较方法也发生了变化，从以前的 相互比较过渡到现在的均与s h a n n o n 限进行比较。t u r b o 码的出现为最终达至l j s h a r m o n 信道容量开辟了一条新的途径，其原理及思想在相关研究领域中具有广阔的应用前 景。目前，t u r b o 码被看作为1 9 8 2 年t c m ( t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ) 技术问世以来， 信道编码理论与技术研究上所取得的最伟大的技术成就，具有里程碑的意义。 2 2t u r b o 码的编码和译码 1 t u r b o 码的编码 f l j b e r r o u 等人提出的t u r b o 码，是由两个二元卷积码并行级联而成的。图2 1 给出 了t u r b o 码的编码结构。t u r b o 码编码器是由两个分量码编码器通过一个随机交织器并 行连接而成的，编码后的校验位经过删余矩阵，从而产生不同码率的码字。它的基本 思想是利用短码构造等效长度意义上的长码。 它由两个( 或多个) 子编码器c l 和c 2 通过交织器的作用并行级联组成。子编码器 的结构可以不同，但般情况下取相同的结构，以达到简化译码的目的。子码可以是 7 迭代多用户检测技术的研究第二章t u r b o 码原理 卷积码也可以是分组码。 输入信 数据d 【 一 k - , 1 x 1 ， 编码器l l 复 删 x p 用 1，c 2 余 l 单 单 _ 交织器 l- l 编码器2 x ”， - 兀 兀 输 图2 1t u r b o 码的编码结构图 当子码为卷积码时，通常采用递归的系统卷积码( r e c u r s i v es y s t e m i cc o d e s ， r s c ) 。输入编码器的信息序列为( d = 磊，d 2 ，畋) ，它一方面直接输入到c l 进行编 码，生成校验序列x 1 p ；另一方面，d 经过交织器后，输入到c 2 中进行编码，产生另 一个校验序列x 2 p 。为了提高码率，再将这两个序列通过一个删余器，采用删余技术 从这两个校验序列中周期性地去除一些校验位，形成校验位序列彳，最后x p 与未 编码的序列x 5 经复用单元复用后完成编码，得到发送序列l 复用单元的作用是调整 编码速率，并将并行数据变换为串行数据流。通常系统信息序列全部传送，校验序列 按照删余矩阵收缩。图2 1 所示t u r b 。码可以采用删余矩阵p = ( 三： 将编码速率调到 1 2 。p 矩阵的每行对应一个子编码器，第- - n 和第二列分别对应子编码器输出的第偶 数个码元和第奇数个码元，1 表示该码元需要传送，0 表示该码元不需要传送。 2 。t u r b o 码的译码 t u r b o 码译码器的最主要特点就是采用了软判决迭代译码的方法。t u r b o 码的译码 结构如图2 2 所示，它是由两个软输入软输出子译码器通过交织和解交织组成的，从 而进行反馈迭代译码。译码器d e c l 对分量码r s c l 进行最佳译码，产生关于信息序列 d 中每一比特的似然比信息，并将其中的“外信息 经过交织送给d e c 2 。译码器d e c 2 将此信息作为先验信息，对分量码r s c 2 进行最佳译码，产生关于交织后的信息序列 8 迭代多用户检测技术的研究 第二章t h r b o 码原理 中每一比特的似然比信息，然后将其中的“外信息”经过解交织送给d e c l ，进行下 一次译码。这样，经过多次迭代，d e c l 或d e c 2 1 彤f 信息趋于稳定，似然比渐进值逼 近于对整个码的最大似然译码，然后对此似然比进行硬判决，即可得到信息序列d 的 每一比特的最佳估值序列c i 。 图2 2t u r b o 码的谭码结构图 假定t u r b o 码译码器的接收序列为y = ( 少，y p ) ，冗余信息y p 经解复用以后，分别 送给d e c l 和d e c 2 。于是，两个软输出译码器的输入序列分别为： d e c l ：咒= ( y 5 ，y l p ) d e c 2 ：儿= ( y 。，y 2 ，)，7 在t u r b o 码的译码方案中，巧妙地采用了一种次优译码规则，将y l 和儿分开考虑， 由两个分量码译码器分别计算后验概率p ( 喀ly t ，毛) 和p ( d kl 儿，a ) ，然后通过d e c l 和d e c 2 之间的多次迭代，使它们收敛，从而达到接近s h 锄o n 限的性能。其中，五和 为附加信息，五由d e c 2 提供，在d e c l 中作为先验信息；五f 1 d e c i 提供，在d e c 2 中作为先验信息。 2 3 卷积码的最大后验概率( m a p ) 译码算法 t u r b o 码的译码方法主要有分量码的m a p 算法，软输出维特比( s o v a ) 算法以及 9 迭代多用户检测技术的研究第二章t u r b o 码原理 一些改进算法f 5 2 1 。它们都利用了软输出和迭代的方法使算法性能达到非常大的改进， 达到接近于最大似然译码的性能。下面对卷积码的m a p 译码算法进行分析，它是对 著名的b c j r 算法【1 8 】【1 9 1 ( b a h lc o o k ej e l i n e kr a v i v 提出) 的修改。 m a p 信道译码的输入输出关系如图2 3 所示。m a p 译码器以码比特的后验概率形 成的对数似然比( l o gl i k e l i h o o dr a t i o ，l l r ) ( 或概率分布) 作为输入。根据码约束， 它产生码比特的l l r 的更新和信息比特l l r 作为输出。 l ，“ 、， p ( 玩( f ) ) m a p 译码器 p ( 讲 验概率 后验概率 图2 3m a p 译码器的输入稍出关系 考虑一个双极性、速率为k o n 。、约束长度为v 的卷积译码器，在时刻f ，译码 器的输入是一个信息比特的块： 吐= ( 研，毋) 相应的输出是一刀。个码比特的块： 魂= ( 舛，妒) 在时刻f ，格栅的状态可用k 0 ( v - 1 ) 个元素的字块表示为 墨= ( 霉，铲”d ) = ( 盔一。，盔一。) 卷积码的动力学特性完全由其格栅表示来确定，格栅表示描述了时刻，和时刻什1 的状态之间的转移情况。在格栅图中从t = a 到t = b a 的路径段由每个时间a ，b 遍 历的状态来确定，且可记为 全( 墨，s o 巾，最) 将状态由s 一。= s 变为s = j 的输入信息比特记为d ( s ，s ) ，相应的输出记为 垒( 5 ，s ) ，假定使用的是系统码，状态对o ：垒) 唯一地确定了状态转移( s ，s ) 。下面考 虑根据码比特 p ) ) 的先验概率和码的格栅结构所强加的约束来计算 l n 迭代多用户检测技术的研究第二章t u r b o 码原理 p ( s t 一。= 墨：s = j ) 的概率，假设编码从氐= 鱼开始，信息比特流 d 。一t 。是编码器的输入， 其后是连续v 个块的全零输入，确保编码器终止于状态墨= 旦，这里f = 丁+ 1 ，。设垒表 示时刻，信道编码的输出。引入符号： p 【垒0 。，j ) 】垒p 也= 垒0 ，s ) 】 则 ( 2 1 ) p ( s l = j ：s = j ) = p 饼) = p t j p 叭j ! ，圳风氧f + 1 ) 菇：s - 1 = j ，s = j靠：墨1 = j 不l ：s t = s = 【p ( 爵) 】p 喳( s ：j ) 】【p ( 鼻。) 】 ( 2 2 ) ，l d = q 一。( s 3 9 ( s ) 兀p 【巧( 5 ，j ) 】 这里呸( s ) 表示始于格栅( 该格栅在时刻，终止于状态j ) 起点的所有路径段的概 率之和，而屈( s ) 表示终止于格栅( 该格栅在时刻t 源于状态s ) 终点的所有路径段的 概率之和。在式( 2 2 ) 中，我们假定交织是理想的，因此，参数垒的联合分布分解为其 边缘分布的乘积： ，l o p 【垒( s ：s ) 】= 兀硝巧( s ，s ) 】 式( 2 2 ) 中的q ( j ) 和屈o ) 可分别由前向递归公式和后向递归公式计算出来： 口f ( s ) = q 一o ) p 【垒( s 。，s ) 】， 属( s ) = 屈+ 。( s | ) p 泡+ l ( s ，s m t = r - 1 ，r - 2 ，0 ( 2 3 ) ( 2 4 )