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移功通信中信道跟踪、均衡以及多用户方案的研究摘要 摘 j l 无线移动通信是通信中的个重要领域，并有着广阔的市场前景。当前无线 通信中碰到的两个重要挑战体现在：如何在快衰落信道实现可靠的数据传输：以 及如何在有限带宽的无线信道上实现更高速率数据通信，并抑制多用户干扰。传 统的方法无法满足人们对通信品质和通信速率越来越高的需求，因此这两个方向 、 就成为业界和学术界不断致力于解决的问题。斗 对于第一个问题，本文研究了在快衰落信道中的m l s e 接收机，和3 g p p ( 3 “ g e n e r a t i o r lp a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 方案。并分别提出了m l s e 接收机的i c p ( i n t e r p o l a t i n g c h a n n e lp r o c e s s i n g ) 方案和快衰落信道中的f b p ( f r e q u e n c y d o m a i np r o c e s s i n g ) 方法。对于第二个问题，我们分析了用于多用户系统和多用 户检测的一些信处理方法，并提出了使用多天线的自相关匹配a m ( a u t o c o r r e l a t i o nm a t c h i n g ) 方案。在a m 算法的基础上，我们进一步提出基于 自相关域的多用户复用系统，a c d m a ( a u t o c o r r e l a t i o n d o m a i n b a s e d c d m a ) 。 a c d m a 使用了同w c d m a 相似的结构，并且应用了多天线技术来提高频带利 用率，实现高速率传输。 关键词：快衰落信道im l s e 接收机；3 g p p , 多用户系统i 多天线技术 够动通信中信道跟踪、均衡以及多用户方案的研究 a b s t t a c t a b s t r a c t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb e c o m ea l li m p o r t a n ta n dh o tf i e l di nc o m m u n i c a t i o n ， d u et oi t s s u p e r bp r o s p e c t i v em a r k e t h o w e v e r ，n o wt w oi m p o r t a n tt e c h n i c a l c h a l l e n g e si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne x i s t ：t or e a l i z er e l i a b l ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o n i nh i g h s p e e dm o b i l ec h a n n e l ，a n da c h i e v eh i g hd a t a - r a t em u l t i u s e rc o m m u n i c a t i o n o nb a n d 1 i m i t e dw i r e l e s sc h a n n e l a st h et r a d i t i o n a lm e t h o dc a n l o tm e e tt h e i n c r e a s i n gd e m a n do nt h eq u a l i t ya n ds p e e do fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h er e s e a r c h o nt h e s et w op r o b l e m sb e c o m ev e r ya t t r a c t i v ea n du r g e n t i n t h i sp a p e r , w ed oo u rr e s e a r c ho nt h ec h a l l e n g e s t ot h ef i r s tp r o b l e m w e i n v e s t i g a t e t h ew o r ko fm l s er e c e i v e ra n d3 g p p ( 3 “g e n e r a t i o np a r t n e r s h i p p r o j e cc ) i nf a s tf a d i n gc h a n n e l r e s p e c t i v e l yw ep r o p o s ei c pr i n t e r p o l a t i n gc h a n n e l p r o c e s s i n g ) s c h e m ei nm l s er e c e i v e ra n df b p 【f r e q u e n c yd o m a i np r o c e s s i n g ) m e t h o d t ot h es e c o n dp r o b l e m ，w ea n a l y z et h es i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d si n m u 埘一u s e s y s t e ma n dp r o p o s ea mf a u t o c o r r e l a t i o nm a t c h i n g jm e t h o d ，w h i c h e m p l o y st h em e a ( m u l t i e l e m e n ta r r a y s ) t e c h n o l o g y b a s e d0 na m ，w ep r o p o s ea m u l t i p l e xs c h e m e o na u t o c o r r e l a t i o nd o m a i nf o rm u l t i u s e rs y s t e m ，a - c d m a r a u t o c o r r e l a t i o nd o m a i nb a s e dc d m 队) w i n lm e at e c h n o l o g y , a c d m aa l s ou s e s as i m i l a ra r c h i t e c t u r ea sw c d m at oa c h i e v eh i g h - s p e e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n d h i g hb a n d w i d t he f f i c i e n c y k e y w o r d s ：f a s tf a d i n gc h a n n e l ，m l s er e c e i v e r , 3 g p p , m u l t i u s e rs y s t e m ，m e a 移动通信中信道跟踪、均衡以及多用户方案的研究第一蕈溉述 第一章概述 近年来，全球移动通信技术取得新的突破，第三代移动通信( 3 g ) 技术的应用 已经在世界范围内兴起。在我国，近年来移动通信市场每年均以两位数字映速增 长，东南沿海经济发达地区的一些城市几乎达到人手一机，其他地区市场潜力也 十分巨大。我国第三代移动通信技术的研究和开发方面已经取得可喜的进展，已 经掌握相关技术。与此同时，专家正在研究开发的第四代移动通信技术，预兆着 全球通信园地即将迎来百花盛开的春天。 回顾移动通信发展的历史，我们可以体会到通信产业脉动的心跳。 第代( i g ) 移动通信标准，例如a m p s 、t a c s 等，是基于模拟系统的。 第二代( 2 g ) 移动通信标准，例如 s 9 5 ，g s 6 f 【等，部曾经为全球通信业的高 速发展立下了汗马功劳，促进了全球通信事业向全球化、数字化、宽带化、网络 化和智能化的方向迈出了大步，从而使全球移动通信业呈现出一派空前繁荣的 喜人景象，也构成了现有移动通信世界的框架。 第三代( 3 g ) 移动通信标准的主要目标是： 一、实现全球多媒体化、智能化和宽带化的个人通信； 二、规范无绳、蜂窝、寻呼、低轨道卫星等多种通信标准，统“空中接口”。 由于3 g 技术支持的数据传输速率可达2 m b p s ，因此，能够用来提供诸如会议电 视等高品质的视像服务。 引人注目的是正当第三代移动通信还处于试验阶段的时候，第四代移动技术 已经悄然问世。第四代移动通信不仅仅是为了适应用户数的增加，更重要的是， 必须要适应多媒体传输的需求，当然还包括通信品质的要求。总结来说，首先必 须可以容纳市场庞大的用户数，改善现有通信品质的不良，以及达到高速数据传 输的要求。第四代移动通信可能达到t o m b p s 至2 0 m b p s 。 在另一个方面，关于无线局域网和蓝牙技术的研究也是当前的热点，其根本 原因在于无线通信相比于有线的方便灵活的巨大优势。在同一建筑物之内，无线 局域网使得计算、协作无论在线或者移动状态下都能进行。只要在笔记本或手持 哆动通信中信道跟踪、均衡以及多用户方案的研究鹄一章概述 式p c 上安装p cc a r d 适配器，用户就能够在办公室内自由移动而保持与网络的 联结。无线局域网还有抗干扰性强、网络保密性好等优点。 此外，在无线通信的理论研究方面，研究人员为如何在有限的无线通信带宽 内实现高速的数据传输而费尽心思。s h a n n o n 定理表明，通信中的传输速率受到 信道的带宽的制约。在无线信道中，信道的频率资源是有限的，但人们对高速高 品质通信的需求是无限的。b e l ll a b 提出的b l a s t 。”的i m o 系统表明在多输入 多输出的情况下，无线信道的容量和天线数成正比。这意味着，在理论上有限带 宽的无线信道上可以实现无限速率的数据传输。 无线通信网络技术的发展必然会大大改变现有的通信网络面貌，随着通信速 率的提高，因特网也将焕然一新。由通信技术的发展引导的，由各种相关技术， 如微波、材料、计算机等，所推动的，这场轰轰烈烈的信息革命必将极大的改变 人们的生活方式，提高生活品质，并对人类社会的发展有着至关重要的影响力。 1 2 无线衰落信道的基本特性，以及由此引发的两个重要问题 衰落信道“1 是无线通信中遇到的一类信道，衰落信道有两个基本特性：多径效 应( 1 l l u l t i p a c h ) 和衰落特性( f a d i n g ) 。多径效应是指电磁波在无线信道中传播时 由于建筑物大气层，或车辆的反射，会沿着不同的几条路径到达目标，每条路径 多对应着不同的增益和延迟时间。而衰落特性是指衰落信道的时变特性，其的产 生的原因是信道的不断变化：其一由于车辆或其他反射物体的移动所形成的反射 路径的变化；其二，也是更重要的是接受或发送信号的物体本身的运动，体现在 移动通信中就是通信用户的运动( 步行，汽车，火车等) 。显然，目标移动的越 快，信道本身变化的也越快，信道跟踪的难度也就越大，我们把这类信道称为快 衰落信道。 抗衰落技术根据衰落信道的特性有两个手段，第一是分集( d i v e r s i t y ) ，也就 是悦用不同一组天线来接收无线信号，由于每个信道所对应衰落是不同的，复用 的方法把不同天线接收到的信号综合起来就能避免由信道增益的随机性所造成 的对解调的影响。第二就是均衡，也就是把接收匹配滤波器的采样输出变化为信 息码流的过程，要做到这一点，首先要有一个对信道参数的估计过狸，而且还要 移动通信中信道跟踪、均衡以及多用户方案的研究第一章 既述 根据信道参数的估计值来克服由多径效应和匹配滤波器所引起码间串绕。 对衰落信遭进行建模，我们口】以得到 r ( f ) = a 。( 删( 卜o ( r ) ) ( 1 1 ) 其中s 【f ) 是发送信号，r ( f ) 是接收信号。将s ( f ) 写成其基带信号的形式有 s ( f ) = r e ( s ( f ) e 。2 4 c ) ( 1 2 ) 将( 1 2 ) 带入( 1 l ) 式有 r r r ，= r e 莓口。c ，e 一2 月。l f ) s ，c r r 。c ， e j2 _ 。 c 。， 从上式显见，( ，) 的等效基带信号为 _ ( r ) = 口。o ) 8 7 2 4 c “”s f ( r f 。p ) ) 1 ( 1 4 ) = r 。c ( f ，f ) j ( f r ) d r 其中 c ( r ，) = 口。( ，) p 私巾1 5 ( r lc t ) ( 1 j 为信道冲击响应在基带上的等效。在衰落信道中我们把信道冲击响应c ( f ，r ) 看成 是一个以r 和f 为变量的随机过程，那么它的自相关函数为 。( r 。，r ：；f ) = 妻e c + ( l ，f ) c ( f 2 ；f + f ) 】 ( 1 6 ) 在绝大多数无线信道中，对应于不同延迟的两条路径其信道增益是无关的，也即 上式可写成： 。( f l ，r 2 ；f ) = 妒。( f l ；a t ) 6 ( r 1 一f ：) ( 1 7 ) 其中令a t = 0 ，得到屯( f ) ，对其作富利叶变换屯( 厂) 得到相当于对应与每一时刻 信道增益的能量谱，其带宽蜕被称为c o h e r e n c eb a n d w i d t h ，其意义是只有当发 送信号的带宽小于甑时信道才不会引起明显的码间干扰。相应地若我们再对 ，( ；f ) 中的a t 作富利叶变换，并且令f = 0 得到信道的多普勒谱： s 。( 旯) = e 疵( 咖川4 1 础 ( 1 8 ) j 多动通信中信道跟踪、均衡以及多用户方案的研究 第一章硪述 其带宽既被称为多普勒带宽( d o p p l e rs p r e a d ) ，其倒数a t ，= ，称为 c o h e r e n c et i m e 。在r ，之内，我们可认为信道参数近似不变。 由数学表述中可以看到，无线衰落信道给无线通信带来了两个重要问题：第 一个是抗衰落技术和衰落信道的跟踪估计。我们做信道跟踪的目的就是通过对接 收信号的分析来得到信道参数的估计值，然后对其作次逆变换，从而得到实际 发送码元。估计信道参数的方法按其是否需要训练码可分为两大类，训练的方法 和盲均衡方法。第二个问题是如何消除有多径效应引起的i s i ( i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e ) ，可以看到当传输的码速越快时，多径效应造成的延迟对于码片 时间就越来也不可忽略，i s i 的效应也就越明显，这一点在w c d m a 系统中尤为突 出。对于c d m a 系统而言，无线信道到来的另一个问题就是m a ( m u l t i - a c c e s s i n t e r f e r e n c e ) 。c d m a 的m a i 是指多个用户通过码分多址的形式在无线信道中传 输时，单个用户对其他用户的干扰。由于并没有找到组完全正交的扩频码，多 用户干扰现象在c d m a 系统中始终存在，并且扩频增益越小，多用户干扰也就越 明显。 针对无线通信中的两个最重要的问题：衰落信道跟踪( f a d i n gc h a n n e l e s t i m a t i o n ) 和i s i 姒i 。本章的后面一部分将介绍些传统的解决方法，以及 它们的一些问题。 1 3 采用均衡器的自适应信道跟踪 对于第二代移动通信系统g s m 而言，其主要问题是在信道变化的情况下实 现对f i r 无线信道的均衡，抑制i s i ，一般的做法是用一个对信道自适应均衡器。 这种均衡器一般有d f e ( d e c i s i o nf e e db a c k ) 均衡器和m l s e ( m a x i m u m l i k e l i h o o ds e q u e n c ee s t i m a t i o n ) 。 1 3 1l m s 和r l s 算法 l m s 和r l s 跟踪算法川是两种常用于衰落f i r 信道的参数估计方法。令在 时刻n ，信道参数为c 。= k 。( o ) ，c 。( 1 ) ，c 。一1 ) r ，其中l 为记忆长度，也既育 移动通信中信道跟踪、均衡以及多用户方案的研究第一章概述 o = c 。( 岫。+ n 。 ( 1 9 ) 上式中口。是接收端匹配滤波器采样输出，而v 。是n 时刻的噪声。定义 c 。n ： c - o ( o ) ，( 1 ) ，( 一i ) 1 7 为n 时刻信道参数的估计值，则n 时刻的误差为 巳( ，c 。) = 一c 。- 口。 对于l m s 算法其递推式为 c 。+ 1 = c , i + j 肥。( a 。，c 。) a 。 ( 1 1 0 ) 其中“为步长，越大系统的收敛速度也越快，但其代价是系统的稳定性下降 此外模拟结果表明，l m s 算法的收敛速度已经不适应于发送接受端移动速度在 3 0 0 k m h 以上的快速衰落信道。为此我们迸一步简单介绍收敛速度比l m s 算法 快的多的r l s 算法。以下是r l s 算法的递推式： c 。+ i = c 。+ e 。( 口。，c 。) t 。 t 。= 彘，只= 专一一t 。a ：只一1 ) 卜1 2 其中w 称为遗忘因子。其取值在0 到l 之间，取值越小，遗忘的也就越快。 l m s 和r l s 算法都是基于最小均方误差准则推出的，两者的区别是r l s 算 法引入了遗忘因子的概念，也就是说当前时刻做出的信道参数的估计值不仅仅和 当前的输入输出有关，还和过去的输入输出有关，当然当前的比过去的重要，这 个重要性的衰减系数就是遗忘因子。r l s 算法比之l m s 算法极大地提高了收敛 速度，但它的要求是在它的计算长度内信道参数要近似不便，从这个意义上来说， 遗忘因子的选择对算法的性能有着极大的影响，选择过大，则会造成误差：选择 过小，就不能充分利用数据，从而影响收敛速度。 1 3 2 采用d f e 均衡器的自适应信道跟踪 采用个前向信道参数估计器r 7 0 1 和一个d f e 均衡器来构成信道跟踪的方案。 具体做法是在每传送一组码流前，都传送定长度的训练码，采用l m s r l s 方 案的信道参数估计器按照匹配滤波器采样输出信号和训练码作一次信道参数的 侈动通信中信道跟踪、均衡以及多用户方案的研究 第一章溉述 估计，称为“s n a ps h o t ”，当然训练码加上后面跟的信息码总长度时间应该小于f ， ( c o h e r e n c et i m e ) 才能保证估计的准确性。将连续几次s n a ps h o t 的结果作一次 插值，就能得到对应于每个码元的信道参数值。作插值的好处是增加了算法的准 确度而缺点是造成了解码上的延迟。然后我们把得到的一系列的信道参数的估 计渔用d f e 均衡器来得到解码值。值得注意的是我们这里提到的算法有别于传 统的“s y m b o lb ys y m b o l ”的自适应均衡算法。两者的不同之处在于，我们的方 法仅用训i 练码来进行信道跟踪，这就避免了有噪声引起的误判所造成的信道参数 的估计错误，有鉴于r l s 算法的收敛速度，当连续出现几个误码时，信道参数 的估计会很快收敛到与真实信道参数不同的点，从而造成连续的判决错误。举个 例子，如果连续出现与真实码元取负的错判，那么信道参数估计将很快收敛到真 实信道参数的负值。 下面我们举一个实例来说明d f e 均衡器的构造】。我们设接收端配滤波器 输出以速率采样，那么所有偶数次的采样就对应于传输码流 ， ) ) 。系统以l 阶分集，w ( ) 对应于以以为采样率的l 个前同滤波器，其长度为五十l ，左就 是判决延迟。它们的结果加在一起取偶数点，变采样率为t 后在经过个以t 为采样率，长度为。反馈滤波器( 七) 经过量化判决后得到判决值。用方程表示 如下： 毗) = x i p ，忙) + ，；w ，犯) ( 1 1 3 ) 式中 l ( 七) = ，( t z 一五 ，一，( t z j 五 7 x ，( t ) = x ，( t x x ，( t 一l 一，x ，( k a ) x ，( 七) ：l 工，( 七x x ，( 七一1 1 一，x f | 一 如果我们定义( 七) = w i ( 七l ，w ： 1 w j ( ) r ，s 忙) = k i 忙l 一，x ： 1 0 ( ) 】7 ，那 z 。( 11 3 ) 式可以写成 ) = s r 忙少忙) 。这其实就是一个维纳滤波问题，其维纳霍 夫解是 e 时”e pc 山 f 1 1 4 ) 6 够动通信中倍道跟踪、均衡以及多用户方案的研究 第一蕈溉述 定义x = k i x ：j 2 ，r 。= e 扛- x 7 ，r 。= e 扛，f ，w ，= 卜j w ：j 。， c ：e 。厂( 一小，从( 1 1 4 ) 式可以得到； lj n ( 埘” 嚣je 跏盼 嘲 注意到c 是一个含有待测码元的量，上述方程还是不能用来求解，注意到 x 1 ( ) = h ，( 女) ，( ) + n ，( ) ，c t ，= i ( k ) , l ( k - 2 ) - l ( k - 2 ( 五十。一， 7 ，”，t t ，= ”，c t ，一( t 一五) c - - s ， h ，( 七) = f g * o 幢)g 。啦) 0 毋( 七一1 ) g 。如一1 ) 0 自。0 2 ) g l - ( 七一2 ) ， 、 、 0 g l 一一i | 0 g 。 一i 0 占 以一1 ) g ( k 一2 ) ，f 一2 g j 一i i g 1k 一1 g 就是我们用s n a ps h o t 方法估计出的信道参数。由( 1 1 6 ) 有 c ，= ehr l + n i ) ，( 一孟) l = 。 e 仁，x ? _ e 陋，m 炳，7 q 广 = h j h ：+ o - a ( i j 、咖 e k j i ；= e 妯l j + n j ) - - h , 4 i i ；= h “。 0 o ， 0 g k 一一1 1 ，v 。一【l g k a ，n j 一2l ( 1 1 7 、 ( 1 1 8 ) ( 1 ，1 9 ) 其中c t ，s ，中痧是 ( 五+ z ) ( 五十) 的噪声相关矩阵。将c ，从s 从t t ，式代入 亿1 5 ) 式就能得到求解均衡器系数的方程。当然直接通过求逆阵的方法来做在实 际上不太现实，后面的工作就是怎样通过变通的方法来求出( 1 i 5 ) 式的解。 1 3 3 采用皿s e 接收算法的自适应信道跟踪 移动通信中信道跟踪、均衡以及多用户方案的研究第一章概述 在对存在码间干扰( i s i ) 和加性高斯白噪声( a w g n ) 的信道进行均衡和信 号解调时，基于欧基里德距离的m l s e 接收器是最优的，其工作原理相当于将 接收到信号与所有可能发送序列比较，把其中欧基里德距离最小的那条路径作为 ：8 翠调序列：在搜寻过程中，需要使用信道模型参数，也就是说在接收端需要有 个信道参数的估计器，般有l m s 和r l s 算法。但是，但是对于无线衰落信道， 直接使用m l s e 接收器存在着一个重要问题：由于信号判决固有的延时性，无 法及时调整信道参数以配合m l s e 的v i t e r b i 搜索的进行，从而导致v i t e r b i 搜索 不能获得最优的结果。关于这个问题，研究人员提出了全残存路径估计方法 。p s p ) ( 3 1 和改进的最小残存路径估计方案( m s p ) n 我们将在第二章中做详细的 讨论，并提出我们自己的方案。 1 4 基于r a k er e c e i v e r 的多用户检测 相比于g s m ，第三代移动通信c d m a 系统中的m a i 现象显得更为突出。 在多径衰落信道下，经典的c d m a 接收器称为r a k er e c e i v e r 2 i 。r a k e 接收机 的简单结构如图1 l 示。 从图1 1 ，我们得到 u 。，= r e 喜c 。r r ( t k ( t - i w - k w ，出) ，m 2 ，。 c ，：。， 尺( r ) = c 4 ，s 。( f - 1 w n w ) + c 啦a ：，s 2 0 - i w - n w ) ( 1 2 1 ) 如果假设s l ( t ) 和s 2 ( t ) 是正交的，也即： s l ( ，) s ：( 卜r ) d t = 0 ( 1 2 2 ) i s i “) s i u r ) d t = 0 ，f 0 ( 1 2 3 ) j s 2 ( f ) s 2 ( r r ) d t = 0 ，r o ( 1 2 4 ) 移动通信中信道足5 l 踪、均衡以及多用户方案的研究 第一蕈概述 s “t ) 一l 佴_ r i 胛卜r 【，- - - - - 一】 ，卫、。l 、 丫y 7 s u m m e ra n di n t e g r a t o y 4 t j 一 c l ：( t ) 、c ：( t ) hj j 丫y s 2 l 【) 一l 二j1 朋一 图iir a k e 接收机框图f 2 用户情况) 在这种条件下，可以得到 u 。= c 。2 靠- 其中 孝。= f s ( 0 d t o k 2 ( t ) 一 ，l w 一 可以注意到利用延迟线，r a k e 接收机将信号增益提高了c 乙一2 ，从而也使 ，l 判决端信噪比得到提高。通过利用了m u l t i p a t hd i v e r s i t y ，系统性能的以较 大的提高。 注意到经典的r a k e 接收器利用了正交性条件( 1 2 2 ) 、( 1 2 3 ) 、( 1 2 4 ) ，而 实际上人们并没有找到完全满足上述条件的较好的一组扩频序列。其后果就是带 来了c d m a 系统中的i s i 和h i ，为了解决这一问题，研究人员提出了各种多用 户检测的算法，我们将在第四章中详述。 羔一 曲 拍 2l 哆动通信中信道跟踪、均衡以及多用户方案的研究 第一誊概述 1 5 本文的主要工作及内容安排 本文的主要工作集中于前文提到的无线通信中的两个重要问题：电即如何在 决衰落信道中实现信道跟踪估计；如何在多用户系统中抑制 s i 和m a i 的影响， 实现高速率数据通信。文中提出的算法的应用背景集中于第三代无线通信系统， 并和传统的算法进行了性能和复杂度的比较。文章的其余部分结构安排如下： 第二章讨论在衰落信道下的m l s e 接收机，提出i c p ( i n t e r p o l a t i n zc h a r m e i p r o c e s si n g ) ，并同已有的算法进行了比较。 第三章讨论在快衰落信道下的3 g 系统实现，在分析了w c d m a 的工作方式后， 提出在快衰落信道中的信道参数跟踪估计方案f b p ( f r e q u e n c yd o m a i nb a s e d p r o c e s s i n g ) ，并同以有的基于小波分析的方法w b p ( w a v e l e td o m a i nb a s e d p r o c e s s i n g ) 做了比较。 第四章分折了多用户检测方案产生的原因，并进一步分析盲信号处理在多用 户检测中的应用，介绍了一种基于二阶矩的方法：子空间分解法( s u b s p a c e m e t h o d ) 。之后，我们提出我们的方法，自相关匹配算法( a u t o c o r r e l a t i o n a t c h i n gp r i n c i d l e ) 。 第五章提出基于自相关域的多用户复用系统a - c d m a ( a u t o c o r r e l a c i o n d i v e r s i t yb a s e dc d 姒) ，并同流行的3 g 方案w c d m a 做了比较。 最后，第六章我们给出全文总结。 咎动通信中信道跟踪、均衡以及多用户方案的研究 第二章衰落信道中的m l s e 接收帆 第二章衰落信道中的m l s e 接收机 2 1引言 在有i s i 和加性白噪声的信道均衡和信号解调中，采用欧基里德距离作为判 决的m l s e 算法 2 5 1 从理论上来说是一种最优的算法，它相当于拿接收到的信号 和所有可能发送的信号去做比较，而把其中欧基里德距离最小的那条路径作为解 调序列。但要从可能发送的序列，得到接收的信号，需要使用有关信道参数的知 识。传统的信道跟踪方法有l m s ，r l s l l i 。r l s 算法的收敛速度要比l m s 快得 多，在快速衰落信道中有着更为广泛的运用。 采用l m s 和r l s 算法作信道跟踪时，必须提供有关发送序列的知识，通常 ：留判决得到的序列作为发送序列( 假定判决无错) 送到l m s r l s 进行信道跟踪。 但在基于m l s e 的v a 方法中，由于信号判决固有的延时性，无法及时调整信道 参数。z , 献f 3 1 中的p s p ( p e r s u r v i v o rp r o c e s s i n g ) 方法正是为了解决这一个矛盾所 提出的。为了解决p s p 算法复杂度过高的缺点， 4 1 提出了m s p ( m i n i m u ms u r v i v o r p r o c e s s i n g ) 的方案，在较大地减小算法复杂度的情况下得到和p s p 几乎一样的 ( 误码率信噪比) 曲线。但在信噪比较低时，m s p 和p s p 算法的误码率都会受 到较大影响。针对这一问题，本章提出了插值信道估计i c p 算法，并给出了两种 实现形式，在算法复杂度和m s p 相当的情况下，较好地解决了低信噪比下误码 率过高的问题，模拟也显示了i c p 算法的优良性能。 v i t e r b i 算法本身的复杂度是影响其运用的一个障碍。我们知道，v i t e r b i 算法 的复杂度和路径搜索时的状态数紧密相联，每搜索个码元的计算复杂度可表述 为 c ，“，；= q n ，- c 6( 2 1 ) 其中，c 。表示计算一条路径支路与接收信号欧基里德距离的计算复杂度，。 为系统状态的数目，可以表示为n ，= q “，q 为字符集大小。 用来降低计算复杂度的方法一股有三类： 够动通信中信道跟踪、均衡以及多用户方案的研究第- - g t 衰落信道中的m l s e 接收机 l 将整个字符集分为几个子集，将属于相同子集的状态就可以合并，整 个算法中的状态数就得到了减小。这种方法也就是对。中的基数q 进行约减 1 4 , 1 5 1 2 对。中的l 进行约减，也就是对前l ，( l ， 兄。事实上这 一点是可以得到满足的，因为即使是对于3 0 0 k m h 的信道而言，其多普勒 带宽约为6 0 0 h z ，而g 3 中规定的c h i p 速率为3 8 4 m 。 2 通过变采样率的方法( 般可用插零在低通滤波，升倍，l 是单个 j 码元的时间长度) ，可以得到( 胛，( + 1 ) 7 ) 上对应于各个码元的信道参数 值，并用于该帧的v i t e r b i 解码。 3 利用解码结果和下一帧头上的训练码，通过l m s r l s 算法，可以得到 ( + 1 矿时刻信道参数的值。 4 重复2 3 过程，就可以完成信号的解码。 第二种方案是非连续跟踪方案，称为i c p 2 。其做法大至与i c p 1 相同，区 别是第三步中得到( + 1 沙时刻信道参数的值仅使用下一帧的训练码而不使用 当前帧的解码结果。这样做的优点是信道估计不会受判决中错码的影响，在高噪 声的情况下有着比前三种方法( p s p ，m s p ，i c p 1 ) 好得多的性能。而其缺点也 是比较明显的，它对训练码长度的要求比较高，并且在相同长度的训练码和低噪 声的情况下，由于做信道跟踪的码元的长度比前三种方法都要少，误码率也比前 三砷方法都要高。 可以看到，i c p 方案利用了衰落信道的多普勒频率特性，受由噪声引起的判 决错误影响最小。对i c p - 2 方案而言是完全不受影响，因为i c p 2 完全不用到判 决结果，特别在高噪声的场合有突出的表现；i c p 、l 方案可适用于各种信噪比场 合，而且对训练码长度的要求也与p s p ，m s p 类似。模拟表明，在无噪声或信 移动通信中信道跟踪、均衡以及多用户方案的研究第二蕈衰落信道中的m l s e 接收机 噪比非常高的情况下，p s p ，m s p ，i c p l 都能在无训练码的条件下实现零误码 搴传输，而i c p 2 却不行。这些结论我们将在本章的模拟中进行验证。 下面我们进一步分析这几种方法的计算复杂度。 。n 。j l m s2 l 2 2 l r l s 2 三+ 2 2 2 + 3 上 2 + 4 表2 1l m s r l s 算法复杂度对照( 4 表2 1 中l 为信道记忆长度，。，叱，n 。分别代表次l m s r l s 迭代需 要的加法计算次数，乘法计算次数和存储空间。我们设c 。表示做帧的v i t e r b i 解码本身的计算复杂度，c 。，c ，c 。分别为加法，乘法，和存储空问消耗的代价 k 、，置分别为一帧中信息码和训练码的长度，而q 代表字符集大小。那么对于 p s p 而言，一帧解码的计算复杂度为 c p s p = ( 。c 。+ 。c 。+ n 。c 。) ( q 卜k ，+ k ) + c 。m ( 2 3 ) 对于m s p 有 c 脚= ( v 。c 。+ n 。c 。+ 。c 。) ( k ，+ k ，) + ( c l + 。2 ) ，k 。+ c 。枷 ( 2 4 ) 其中f i 和m s p 中寻找最小路径的计算量有关c i = ( 2 “一1 ) c 。+ c 。，c ：是一个和最 小生存路径的延迟d 有关的量，它用来表示沿最小路径回溯d 长度所需的计算 复杂度。对于i c p 1 和i c p 2 有 c ，c p i = ( 。c 。+ n 。c ，+ n 。c 。) ( k ，+ k ，) + c ，+ k ，c 。+ c 。“d ( 2 5 ) c i c p 一2 = ( n 。c 口+ n 。c 。+ n c c c ) k f + c 。+ k ，c 。+ c 。m ( 2 6 ) 上两式中k ，c 。为存放变采样率得到的信道参数需要的空间。而c ，为做一次变采 佯率所对应的计算复杂度。比较( 2 3 1 2 6 ) 式可以发现，i c p l ， c p - 2 和m s p 都 1 5 哆动通信审信道跟踪、均衡以及多用户方案的研究 第二翥衰落信道中的m l s e 接收机 育着比p s p 低得多的算法复杂度。i c p 一2 的复杂度比i c p 一1 略低，而i c p 和m s p 有着相似可比的算法复杂度。 2 4用于减少b l l s e 复杂度的算法：a t a 我们这里介绍的方案是一种自适应地减小算法中的存活路径的方法 t a “。”“。这种方案的实现相当简单，在算法中设定一个门值万( t h r e s h o l d ) ， 在每做一个码元的搜索之后凡是累计误差比最小生存路径大万以上的都被舍去。 也就是说对于第i 条路径，令其与接收码元的欧氏距离为c m ，若 c m ， c w 。+ 占，那么该条路径将被舍去，其中c m m m = m i n c m ， 。 影响上述方法性能的一个重要参数是i 、 值占，通过选择合适的占就能找到算 法复杂度和误码率之间的平衡点。一般通过模拟测试的方法能得到合适的艿， 1 2 j 从数学的角度分析并提出了寻找d 的表达式。 捌二c 再缸赢邴剖p = o ”劫缸刊吼o 其中z x i 。c k ) = l 。( 七) 一i ，( 女) 为起始于同一点两条路径i 和j 的码元之差。其中i 路径是正确码元，c 是用来确定路径判定错误概率的参数有 p 。= p ( c m ， c m ，+ 占( k ) ) = 妻p r f c ( c ) ( 2 8 ) p 。是在k 时刻丢弃正确路径i 的概率。 下面我们进一步讨论使用a t a 算法对p s p ，m s p 和i c p 算法的影响。降低占， 就增加了丢弃正确路径的概率p 。，其直接效果就是增加了v it e r b i 算法解码的 误码率。因此降低d 的值对p s p ，t s p 和i c p 算法的性能影响也同第四节中讨论 的增加信道噪声功率对三种算法的影响一样，因为影响这三种算法性能的因素是 v i t e r b i 算法解码的误码率而非信道噪声本身。也就是说，降低a t a 算法中的j ， 对我们提出的 c p 算法，特别是i c p 一2 算法的影响最小。下节中，我们将通过 眵动通信中信道跟踪、均衡以及多用户方案的研究第二章衰落信道中的m l s e 接收机 模拟来验证这一点。 2 5 模拟与结果 以上讨论的几种m l s e 接收器的性能我们通过软件模拟进行了一次验证，漠 拟中的一些细节参照了3 g 协议。为了同时测试对相位和幅度的跟踪能力，调制 使用的方法是1 6 q a m ，我们在c h i p r a t e = 3 8 4 m h z 的情况下，传送了1 0 0 0 0 个信 息的c h i p ，每1 0 0 个c h i p 前) j n _ k5 0 个c h i p 的训练码，通过统计接收端判定的错 误比特数来计算比特误码率。信道使用的是无线通信中目标移动速率为3 0 0 k m h 时的快速衰落信道，信道的阶数为四，噪声为加性高斯自噪声。模拟中采用的信 噪比一为2 0 d b ，1 5 d b ，1 0 d b ，8 d b 四种情况。模拟采用i l l s 算法。 o 2 5 1 三种算法误码率的比较 本；欠模拟的目的在于比较三种算法在相同信噪比下的误码率，所有算法都采 用了m l s d 的a 1 a 结构，根据a 噙算法中d 的不同( 分别取2 和1 5 ) 时，得 到图一所示曲线： 1 21 im _ m ( a ) 占= 2 堡动i 旦堕中堕道跟踪、均衡以及多用户方案的研究第二章衰落信道中的m l s e 接收机 口l 6l b ( b ) 占= 1 5 图2 1 误码率比较 图中还加上了一条r e f e r e n c e 曲线，它是在假设接收端完全已知信道特性及其变 化的情况下采用了m l s e 的a t a 结构均衡器得到的。我们可以把r e f 曲线看成 其它算法的一个性能上界。由上图可见在高噪声的情况下，误码率从低到高是： r e f i c p 2 i c p l p s p m s p ( 2 9 、 而在低噪声的情况下为： r e f p 卵 i c p i - t i s p ，c p 2 ( 2 1 0 、 这一结果和我们在第四节的分析是一致的。 2 5 2 艿对算法误码率的影响 本次模拟中我们比较了万取1 5 , 2 和3 三点时i c p 1 ，i c p 2 和m s p 的( 误码 率信噪比) 曲线，如图2 。5 的减小对算法性能的影响从下图中可以看出对i c p 2 算法的影响最小，而对1 c p 1 的影响略小于m s p ，这与我们在第五节中的分折 移动通信中信道跟踪、均衡以及多用户方案的研究 第二牵衰落信道中的m l s e 接收机 也是一致的。这样我们可以在i c p 方案上实现更低的算法复杂度，而得到和 p s p f m s p 相当的( 误码率信噪比) 曲线。 f a ) ，c p 、 、 ( b ) j c p - 2 9 堡塑望堕皇堡堕里墅：望塑坠些兰望昱互墨竺堕塞 塑三兰壅堡笪堕! 堕翌望! 堡堕