（通信与信息系统专业论文）idma系统信道估计算法研究.pdf

摘要 摘要 交织多址( i d m a ) 是一种新兴的多址接入方式，它利用随机产生的交织器 作为区分不同用户的唯一标识，对不同的用户使用不同的交织图案。作为码分多 址( c d m a ) 的一种特例，i d m a 系统继承了c d m a 系统的许多优势，并且其接 收端低复杂度的t u r b o 型多用户检测( d ) 算法可适用于接入用户较多的情况， 而这对高速多址接入通信系统而言是至关重要的。 由于在频谱利用率，编码增益，接收机复杂度等方面，i d m a 相比较c m d a 系统而言具有较大的优势，因此i d m a 系统已经得到广泛的研究，比如交织器的 设计，优化多用户检测算法，多载波i d m a 系统和i d m a 系统的功率分配等。而 这些研究都是建立在接收端已经获取理想的信道状态信息的基础之上，因此对 i d m a 系统信道估计算法的研究是十分重要的。本论文则将研究重点放在i d m a 系统关键技术信道估计算法的研究上。主要研究工作包括如下： ( 1 ) 针对复数信道条件下的i d m a 系统，提出一种基于期望最大化( e m ) 算法的信道估计算法。这种t u r b o 型的混合迭代信道估计算法，能够同时对复数 信道系数的幅度和相位信息进行估计。在第一次的迭代过程中，我们使用导频序 列来对信道系数进行初始估计，在之后的迭代过程中，同时利用从i d m a 接收端 获取的外信息和导频序列对信道系数进行更新。 ( 2 ) 针对基于时间反转( t r ) 技术的d m a 系统( t d r i d m a ) 进行信道 估计器的设计，t d r - i d m a 系统相比较传统的i d m a 系统，能够加快多用户检测 的收敛速度。在t d r i d m a 系统中，接收端需要利用信道冲击响应的时间反转 ( n 0 c 取) 来对接收信号进行预处理来增大信干比( s n r ) 。因此，我们需要从 接收端的信道估计器获取信道状态信息( c s i ) ，这里的信道估计器是基于e m 混 合迭代信道估计算法。 ( 3 ) 针对i d m a 系统，提出一种基于演化博弈论( e g a ) 算法的信道估计算 法。作为一种基于非合作博弈论的随机最优化算法，e g a 分别建立了从信道状 态信息( c s d 和对数似然函数到非合作博弈论中的策略集合和效用函数之间的 映射，这样就可以把信道估计过程映射到对目标函数寻找n a s h 均衡点的过程中。 摘要 关键词：交织多址，多用户检测，信道估计，期望最大，时间反转，演化博弈论。 a b s t ra c t a b s t r a c t i n t e r l e a v e - d i v i s i o nm u l t i p l e - a c c e s s ( i d m a ) i sar e c e n t l yp r o p o s e dm u l t i p l ea c c e s s s c h e m e ，w h i c he m p l o y sr a n d o mi n t e r l e a v e r sa st h eo n l ym e t h o df o ru s e rs e p a r a t i o n ， d i f f e r e n tu s e r sh a v ed i f f e r e n ti n t e r l e a v e r s a sap a r t i c u l a rc a s eo fc d m a ，i ta l l o w sa l o w c o s tt u r b o - l i k em u l t i u s e rd e t e c t i o n ( m u d ) a l g o r i t h ma p p l i c a b l et os y s t e mw i t ha l a r g en u m b e ro f u s e r s ，w h i c hi sc r u c i a lf o rh i g l a - r a t em u l t i p l ea c c e s sc o m m u n i c a t i o n i d m as i g n i f i c a n t l y o u t p e r f o r m sc o n v e n t i o n a lc d m ai n t e r m so fs p e c t r a l e f f i c i e n c y , m a x i m i z e dc o d i n gg a i na n ds i m p l i f i c a t i o no fr e c e i v e ra r c h i t e c t u r e t h u s ， i d m ah a sb e e ne x t e n s i v e l ys t u d i e d f o ri n s t a n c e ，e f f i c i e n tg e n e r a t i o nm e t h o do f i n t e r l e a v e r sf o ri d m a ，a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no fi d m ap e r f o r m a n c e ，m u l t i c a r r i e r i d m as y s t e m s ，p o w e ra l l o c a t i o na n ds oo n t h e s ed i s c u s s i o n sa r ea l lb a s e do nt h e a s s u m p t i o nt h a tt h er e c e i v e rh a si d e a lc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) t h u s ，i ti sv e r y i m p o r t a n tt os t u d yo nt h ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m sf o ri d m as y s t e m s t h i st h e s i s c o n c e n t r a t e so no n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fi d m as y s t e m ，c h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h m t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h i st h e s i sr e s e a r c ha r el i s t e da sf o l l o w i n g ( 1 ) an e wc o m p l e xc h a n n e le s t i m a t i o na p p r o a c hb a s e do nt h ee x p e c t a t i o n m a x i m i z a t i o n ( e m ) a l g o r i t h mi sp r o p o s e df o rt h ei d m a i nt h i st h e s i sf i r s t l y t h e t u r b o - l i k ec o m b i n a t i o nc h a n n e le s t i m a t i o ni su s e di nt h ep r o p o s e da l g o r i t h m ，w h i c h c a ng e tb o t ha m p l i t u d ea n dp h a s ei n f o r m a t i o no ft h ec o m p l e xc h a n n e l a tt h ef i r s t i t e r a t i o nw eu s et h ep i l o ts e q u e n c e st oe s t i m a t et h ei n i t i a lc h a n n e li n f o r m a t i o n a n dt h e s o f ti n f o r m a t i o nf r o mt h ei d m as i g n a ld e t e c t i o ni sc o m b i n e dw i mt h e p i l o t i n f o r m a t i o nt or e f i n et h ec h a n n e lc o e f f i c i e n t si nt h ef o l l o w i n ge s t i m a t i o ni t e r a t i o n s ( 2 ) w ep r o p o s eac h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mf o rt h ei d m as y s t e m sb a s e do n t i m e - r e v e r s e ( 删t e c h n i q u e ，t d r - i d m a ，w h i c hc a na c c e l e r a t et h ec o n v e r g es p e e do f m u l t i u s e rd e t e c t i o n ( m u d ) a l g o r i t h mf o ri d m a s y s t e m s i nt h et d r i d m as y s t e m s ， t h et i m e - r e v e r s e dv e r s i o no fc h a n n e li m p u l s er e s p o n s e s ( t r - c m ) i su s e dt op e r f u m e t h ep r e p r o c e s s i n gf o rt h er e c e i v e ds i g n a lt oe n h a n c et h es i g n a lt oi n t e r f e r e n c ea n d n o i s er a t i o ( s i n r ) t h e r e f o r e ，w en e e dt h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s of r o m c h a n n e le s t i m a t o ra tt h er e c e i v e r t h ec o m p l e xm u l t i p a t hc h a n n e le s t i m a t i o nb a s e do n t h ee x p e c t a t i o nm a x i m i z a t i o n ( e m ) a l g o r i t h mi sp r o p o s e df o rt h et d r i d m a s y s t e m ( 3 ) an o v e lc h a n n e le s t i m a t i o na p p r o a c hb a s e do nt h ee v o l u t i o n a r yg a m e a l g o r i t h m ( e g a ) i sp r o p o s e df o rt h ei d m as y s t e m s a sas t o c h a s t i co p t i m i z a t i o n a l g o r i t h mb a s e do nt h en o n - c o o p e r a t i v eg a m e s ，e g a m a p st h es e a r c hs p a c eo fc h a n n e l s t a t ei n f o r m a t i o n ( c s oa n do b j e c t i v ef u n c t i o no f l o g - l i k e l i h o o df u n c t i o nt ot h es t r a t e g y p r o f i l es p a c ea n du t i l i t yf u n c t i o no fn o n - c o o p e r a t i v eg a m er e s p e c t i v e l y , a n da c h i e v e s t h eo p t i m i z a t i o no b j e c t i v eb ye x p l o r i n gt h ee q u i l i b r i u mp o i n t so ft h ec o r r e s p o n d i n g g a m e s k e y w o r d s ：i d m a ，m u i t i - u s e rd e t e c t i o n ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，e x p e c t i o nm a x i m i z a t i o n , t i m e r e v e r s e ，e v o l u t i o n a r yg a m ea l g o r i t h m i v 图目录 图目录 图2 1i d m a 系统的发射和迭代接受收结构8 图3 1 参量模型2 2 图3 2i d m a 系统在进行信道估计时的系统结构2 4 图3 3 加入导频后的数据结构2 7 图3 4e m 混合迭代算法和理想信道估计条件下i d m a 系统的性能比较2 9 图3 5 复数多径信道系数幅度的估计均方误差2 9 图3 6 复数多径信道系数相位的估计均方误差3 0 图3 7i d m a 在单径信道条件下随着信道估计误差方差的不同所得到的误码 率性能曲线3 3 图3 8i d m a 在多径信道条件下随着信道估计误差方差的不同所得到的误码 率性能曲线一3 4 图4 1 基于t r 的m i s o 结构3 5 图4 2 基于t r 的i d m a 上行链路系统3 8 图4 3m e s e 结构图3 8 图4 4 基于e m 信道估计的t d r - i d m a 系统结构图4 2 图4 5 不同迭代次数条件下加入e m 信道估计的t d r i d m a 系统和4 6 图4 6 加入e m 信道估计的t d r i d m a 系统和已知信道状态信息的4 7 图5 1e g a 算法伪代码5 2 图5 2i d m a 系统中基于e g a 的信道估计结构图5 4 图5 3 不同迭代次数情况下e g a 信道估计性能和理想信道估计5 6 图5 4 不同用户情况下的e g a 信道估计算法和e m 信道估计5 7 图5 5 不同迭代次数下的e g a 信道估计算法和e m 信道估计5 8 v t t 图目录 图6 1e m 信道估计器结构图5 9 图6 2 双口r a m 时序图。6 0 图6 3 全选主元过程仿真6 2 图6 4 倒数运算6 2 图6 5 行列恢复与- _ 1 ；运算时序图6 3 v 缩略词表 缩略词表 英文缩写英文全称中文释义 1 gf i r s tg e n e r a t i o n第一代移动通信系统 2 gs e c o n dg e n e r a t i o n第二代移动通信系统 3 gt l l 】i r dg e n e r a t i o n第三代移动通信系统 4 g f o u r t hg e n e r a t i o n第四代移动通信系统 a p pap o s t e r i o r ip r o b a b i l i t y后验概率 a w g na d d i t i v e 恤t eg a u s s i a nn o i s e加性高斯白噪声 b e rb i te r r o rr a t e误比特率 b p s k b i n a r yp h a s es h i rk e y i n g 二进制相移键控 c b c c h i p b y - c h i p 逐码片 c d m ac o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s码分多址 c s ic h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n信道状态信息 d e cd e c o d e r译码器 e m e x p e c t a t i o n m a x i m i z a t i o n最大期望 e g a e v o l u t i o n a r yg a m ea l g o r i t h m演化博弈论 e s e e l e m e n t a r ys i g n a le s t i m a t o r基本信号估计器 f d e f r e q u e n c yd o m a me q u a l i z a t i o n频域均衡 f e cf o r w a r de r r o rc o d e前向纠错编码 f d m a 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 频分多址 g s m g l o b a ls y s t e mo fm o b i l e全球移动通信系统 i d m a i n t e r l e a v e - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s交织分多址 i x 缩略词表 i s 9 5i n t e r i ms t a n d a r d9 5暂时标准9 5 i s i i i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e符号间干扰 l d p cl o w d e n s i t yp a r i t yc h e c k 低密度校验( 码) l l r l o g - l i k e l i h o o dr a t i o 对数似然比 l l r cl l r c o m b i n g对数似然比合并 l m m s el i n e a rm i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r线性最小均方误差 m a im u l t i a c c e s si n t e r f e r e n c e多址干扰 m a pm a x i m u map o s t e r i o r ip r o b a b i l i t y最大后验概率 m e s em o d i f i e de l e m e n t a r ys i g n a le s t i m a t o r修正基本信号估计器 m i m o m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 多输入多输出 叠一 m i s o m u l t i p l ei n p u t s i n g l eo u t p u t多输入单输出 m m s em i n i m u mm e a n s q u a r e de r r o r 最小均方误差 m s em e a ns q u a r ee r r o r 均方误差 dm u l t i u s e rd e t e c t i o n 多用户检测 m u im u l t i u s e ri n t e r f e r e n c e多用户干扰 o f d m o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x正交频分复用 q p s kq u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g 四进制相移键控 n n sr o o tm e a ns q u a r e均方根值 s 姗己 s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o信干噪比 s n r s i g n a lt on o i s er a t i o 信噪比 t d m at i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 时分多址 豫7 砌er e v e r s a l 时间反转 i mu l t r aw i d e b a n d超宽带 x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 盗查 日期：2 。o 年多月2 矽日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名憋 导师签名：圭套耸睦 日期：到归年岁月2 客e l 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 自从进入2 0 世纪以来，科学技术的全面繁荣为无线通信的发展提供了更新的 技术和产品。特别是在过去的2 0 年中，无线通信的优质服务使得人类社会人与人 之间的通信变得更为便捷，我们可以在任何时间，任何地点和任何条件下与世界 上的每一个角落的人们实现通信。 由于本论文涉及无线移动系统的关键技术，所以我们先了解一下无线蜂窝移 动系统的发展历程。 第一代移动通信系统( 1 g ) ：第一代移动通信系统( 1 g ) 主要以模拟蜂窝为 主要特性的模拟蜂窝移动通信系统。2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代，随着集成电路技 术、微型计算机和微处理器的发展，以及由美国贝尔实验室推出的蜂窝系统的概 念和理论的应用，美国和日本等国家都纷纷研制出陆地移动电话系统，具有代表 性的有美国的a m p s 系统。英国的t a c s 系统、北欧的n m t 系统、德国的c 系 统以及日本的h c m t s 系统等。1 g 的主要技术特征是模拟调频( f m ) 和频分多 址( f d m a ) 。 1 g 系统的主要缺点是频谱利用率低，系统容量有限，抗干扰能力差，业务质 量比有线电话差，跨国漫游难，不能发送数字信息等，所以到目前为止1 g 已经 淡出我们的视线。 第二代无线通信系统( 2 g ) - 第二代移动通信系统( 2 g ) 是以数字化为特征 的数字蜂窝移动通信系统。2 0 世纪8 0 年代至9 0 年代，随着数字技术的发展，通 信、信息领域的很多方面都面临着向数字化、综合化、宽带化方向发展的问题。 2 g 以数字传输( 低比特率语音编码，采用g m s k q p s k 数字调制技术以及自适 应均衡技术) 、时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 作为主体技术，主要业 务包括了电话和低速数据业务，可以与窄带综合业务数字网( n i s d n ) 相互兼容。 基于t d m a 的标准主要有三种：欧洲的全球移动通信系统( g s m ) 、美国的数模 兼容系统( d a s ，也称a d c ) 和日本的p d c ( 或称j d c ) 。基于c d m a 的标 电子科技大学硕士学术论文 准主要是美国的c d m a 标准i s 9 5 。 2 g 的主要缺点是系统带宽有限，限制了数据业务的发展，也无法实现移动多 媒体业务，并且各国的标准众多不利于跨国漫游。 第三代无线通信系统( 3 g ) ：3 g 系统以多媒体业务为主要的特征。2 0 世纪 9 0 年代中期，随着社会经济的发展以及信息的个人化、业务的多样化和综合化， 移动通信的第三代系统也进入了科研阶段。国际电联( i t u ) 提出第三代移动通 信系统i m t - 2 0 0 0 的目的是为了克服2 g 系统中因技术局限而无法提供宽带移动通 信业务的缺陷。i m t - 2 0 0 0 的目标是全球统一频段，统一标准，全球无缝覆盖；实 现高服务质量、高保密性能、高频谱利用率；提供从低速的语音业务到高达2m b p s 的多媒体业务。主要的3 g 标准包括：欧洲和日本的w i d e b a n d c d m a ( w c d m a ) ， 美国的c d m a 2 0 0 0 和中国的t i m e d i v i s i o ns y n c h r o n o u sc d m a ( t d s c d m a ) ， 这三种标准都基于c d m a 技术。目前在世界上很多国家和地区都已经有3 g 网络 陆续投入商用。从2 0 0 8 年开始，我国在电信改革重组完成之后发放了三张3 g 牌 照：分别是中国移动的t d s c d m a ，中国联通的w c d m a 和中国电信的 c d m a 2 0 0 0 。目前3 g 在中国已进入商业运营阶段，并开始了长期演进计划( l e t ) 的相关工作。 3 g 的局限性主要体现在i m t - 2 0 0 0 中最关键的无线传输技术( 础r t ) 以及核 心网制式都没有实现统一，所以无法实现i m t - 2 0 0 0 全球通用的要求。此外，3 g 系统带宽对于进行宽带多媒体业务的而言，仍然无法满足需求，因此世界各国都 纷纷开展对后3 g ( 4 g ) 的研究。 第四代无线通信系统( 4 g ) ：早在3 g 网络没有完全商用之前，有关4 g 的技 术研发就已经展开。其基本特征包括： 4 g 需要在高速移动环境下支持最高1 0 0 m b p s 的数据传输速率，在低速移动 环境下支持最高1 g b p s 的数据传输速率； 4 g 使用基于分组的结构，可以增强系统的安全性和可靠性，以及系统间的机 动性和互动性； 4 g 需要满足未来通用无线网络的各种需求，为其提供与有些中枢网络之间的 可靠接口。 针对这些特性，一些有很好发展前景的新技术也相继提出，如：精密的前向 2 第一章绪论 纠错码，正交频分复用( o f d m ) ，自适应资源管理，改良的c d m a 多用户检测 算法等。而本论文所讨论的i d m a 算法就是对c d m a 的一种改进。 目前，三种主要的3 g 标准t d s c d m a 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 都是基于 c d m a 技术，所以c d m a 一直都是研究的热点。但是由于c d m a 系统的性能往 往受限于多址干扰( m a d 和符号间干扰( i s i ) 。随着t u r b o 码 1 】的逐渐兴起， 为了减小m a i 和i s i 的影响，使用t u r b o 型迭代进行多用户检测( m i d ) 的研究 已经变得越来越多 2 卜 1 0 1 ，并且取得了显著的成果。传统的c d m a 系统需要在编 码的过程中同时考虑区别不同的用户和扩频两个方面，而理论分析显示当整个带 宽都用于编码的时候，就可以获取最佳的多址接入信道容量 1 1 1 1 1 2 】。2 0 0 2 年香 港城市大学的l i p i n g 教授提出了交织多址( i d m a ) 的概念 1 3 - 1 7 。相比较传 统的c d m a 系统，i d m a 的主要优势主要体现在以下几点： ( 1 ) i d m a 是码片级交织，内含了与比特交织编码调制( b i c m ) 相同的机 制，所以具有与b i c m 相同的优点，即有更高的分级阶数； ( 2 ) i d m a 更适合与迭代检测技术结合，通过迭代交织多址能够发挥出分集 阶数高、编码增益大的优点，能够取得比d s c d m a 更好的性能； ( 3 ) i d m a 系统接收端的多用户检测结构的计算复杂度随着用户数量呈线性 的增长，相比较c d m a 的指数增长，更容易实现； ( 4 ) i d m a 系统中使用不同的交织器来区分不同的用户，所以不受信道编码 资源有限的限制； ( 5 ) i d m a 具有最高的频谱效率、更高的数据传输效率和较低的功耗等优点。 作为一种新兴的多址接入方式，i d m a 已经引起国内外研究人员的广泛关注， 其中文献 1 8 1 2 1 1 对多载波交织多址系统( m c i d m a ) 进行研究；文献 2 2 1 对 i d m a 系统接收端的t u r b o 接收机进行优化，使得接收端收敛更为迅速；在文献 【2 3 中对i d m a 系统的功率分配方式进行分析；文献 2 4 2 5 对i d m a 系统中的信 道估计进行了讨论和研究；文献 2 6 】对i d m a 系统中的交织器的设计进行了研究。 本课题组对于i d m a 系统也进行了相应的研究，其中文献 2 7 1 2 8 分别对i d m a 系统的信道估计和采样同步进行了研究，文献 2 9 则对基于时分双工及时间反转 的i d m a 系统进行了研究。 如上所述，当前对i d m a 系统的研究主要集中在交织器的设计、功率分配、 3 电子科技大学硕士学术论文 接收端优化和时钟同步方面，我们注意到，所有的这些研究都是建立在接收端已 经拥有理想的信道估计信息( c s i ) 这种假设的基础之上。所以对于i d m a 系统 而言，信道估计算法的研究是十分重要的。本论文则主要对i d m a 系统中的信道 估计进行研究。 根据利用信道估计的资源不同，我们通常可以将其分为三类： 第一类是基于导频( p i l o t ) 符号辅助的插值技术信道估计( p i l o ts y m b o l a s s i s t e dm o d u l a t i o n ，p s a m ) ，这一类信道估计算法利用在数据流中插入一定的时 域或者频域导频信号，这样就可以在接收端通过对接收到的导频序列进行分析而 获取到信道信息。虽然基于训练序列的信道估计的实现复杂度较低，并且性能比 较好，但是它占用了信道资源，降低了信道容量。 第二类是盲信道估计和半盲信道估计，它完全利用了信道和信号的结构特征 来进行信道估计，由于盲信道估计完全不需要导频，可以节约信道资源的开销， 增大信道容量，但是其计算复杂度毕竟高并且不容易收敛，也影响了其推广。所 以在实际的工程中往往对信道容量和计算复杂度进行折中处理，即采用半盲信道 估计，使用一定数量的导频并且使用盲估计算法，这样就可以在比较快的收敛速 度下保证了比较好的信道估计性能。 第三类是基于判决反馈信道估计( d e c i s i o n d i r e c t e dc h a n n e l e s t i m a t i o n ，d d c e ) ，在利用导频的同时利用接收机的判决，在假设判决正确的情 况下能够获得比p s a c e 更好的性能。 目前，对于i d m a 系统的信道估计的研究还不是很多，在文献 2 4 中发射端 发射的信号是将导频和有效信号叠加发射的方式，虽然信号带宽不会被展宽，但 是需要将发射功率分配给导频，之后在接收端采用最小均方误差( m m s e ) 算法 对信道进行估计，蒙特卡洛仿真结果显示这种信道估计算法可以很好的解决快衰 落频率选择性信道的信道估计问题，但是这种算法必须预先知道信道的统计信息。 文献 3 9 中提出一种在考虑信道估计误差的情况下对i d m a 系统的e s e 模块进行 一种改进，在这个算法中使用一种新的概率密度函数来反应信道估计误差，并用 它来对整个多用户迭代检测过程进行改进，而仿真结果显示，相比较传统的i d m a 结构，这种考虑了信道估计误差的新型算法拥有更低的比特误码率( b e r ) 。文献 【4 0 中提出了种逐段( s e g m e n t - b y - s e g m e n t ) 的频域均衡( f d e ) 来进行信道估 计。 4 第一章绪论 本文在国防基金项目“x x x x 通信技术研究”和国家自然科学基金项目 “t d r i d m a 传输方法研究”的支持之下对i d m a 系统的信道估计算法进行研 究。 1 2 论文贡献 目前i d m a 系统的信道估计研究仍然处于初始阶段，本文对于复数多径信道 情况下的i d m a 系统，使用基于导频的e m 混合迭代信道估计算法对信道进行估 计。虽然i d m a 系统相比较c d m a 系统，其多用户检测算法比较简单，但是信 号收敛速度非常缓慢，而这也就成为了i d m a 系统发展的瓶颈。文献 2 9 提出的 基于时分双工及时间反转的i d m a 系统( t d r i d m a ) 则保证了接收端的收敛速 度大大加快，而t d r i d m a 系统对信道估计精度要求严格，本论文对此系统的信 道估计方法进行了研究。 作为一种传统的参数估计算法，e m 算法已经被广泛研究并应用于各个领域 3 0 3 8 】。虽然使用e m 算法进行信道估计简单而且易于实现，但是这种信道估 计算法的估计精度并不理想，而本论文则提出了一种基于演化博弈论的信道估计 算法。实验数据显示，使用演化博弈论进行信道估计的估计性能远好于基于e m 算法的信道估计。 1 3 论文安排 具体的论文结构如下所示： 第一章：绪论。本章首先阐述了论文工作的研究背景，对于i d m a 系统及其 信道估计算法的研究现状进行阐述，并对本论文的工作进行简单的说明 第二章：i d m a 系统及其算法介绍。对i d m a 系统的系统机构、接收端的多 用户迭代检测算法和i d m a 系统的性能分析进行讨论。 第三章：i d m a 系统中e m 混合迭代信道估计。复数多径信道条件下i d m a 系统中使用e m 混合迭代信道估计进行信道估计。在实际过程中，最大似然估计 是一种最常见和最有效的参数估计方法，而e m 算法则是一种有效的解决最大似 然估计的算法，本章首先对无线信道进行描述，之后对e m 算法进行介绍，最后 5 电子科技大学硕士学术论文 对i d m a 系统使用e m 混合迭代信道估计算法的研究，仿真结果显示，运用信道 估计的i d m a 系统的比特误码率性能与理想信道估计条件下的性能接近。 第四章：t d r i d m a 系统中t d r i d m a 系统中使用e m 混合迭代信道估计 算法进行信道估计，t d r i d m a 相比较i d m a 系统，在e s e 模块之前对接收信 号厂( ，) 进行预处理，其传递函数是信道冲击响应的时间反转并取共轭，并对e s e 进行重新设计，我们称之为修正基本信号估计器( m e s e ) 。所以在这种预处理的 过程需要对c s i 有充分的了解，所以对信道估计的准确度要求比较高；在本章中 我们论证所提出算法的有效性。 第五章：i d m a 系统中基于演化博弈论的信道估计算法研究。针对e m 算法 容易陷入局部最优解的问题，本文提出了使用演化博弈论( e g a ) 进行i d m a 系 统中的信道估计算法，并对这两种算法的性能进行了比较分析。 第六章：基于f p g a 的i d m a 系统信道估计器设计。对于e m 算法的信道估 计算法进行硬件语言仿真，整个仿真基于m o d e l s i m 和f p g a 。 第七章：最后对整个论文进行总结，并对下一步研究提出了规划。 6 第二章i d m a 系统传输技术简介 第二章i d m a 系统传输技术简介 2 1i d m a 系统结构 2 1 1i d m a 系统发射结构 i d m a 系统的发射结构如图2 1 上面部分所示所示，假设在i d m a 系统中有 k 个用户，用户k 的输入数据序列巩经过一个低码率的编码器c 得到编码序列 q 暑 c 七( 1 ) ，o k ( j ) ，q ( ，) r ，其中为帧长。之后将编码序列q 送入交织器兀。生 成发射数据序列垓= 以( 1 ) ，吒( ，) 9 * - 9 x a j ) r 。根据c d m a 的惯例，我们定义诈的 一个元素x k ( j ) 为一个码片( c h i p s ) 。 i d m a 系统的关键是不同的用户应该使用不同的交织器( 1 - i 。) ，接收端利用 交织器来区分不同的用户信息，这也就是交织多址的名字由来。我们假定交织器 是独立和随机的产生，经过交织器之后编码序列以被随机打乱顺序，保证了交织 器输出序列讫的相邻码片之间实现近似无关，这一特性使得接收端的逐码片 ( c h i p - b y - c h i p ) 级的多用户迭代检测得以实现。 2 1 2i d m a 系统接收结构 在图2 1 的下面部分显示的是i d m a 系统的接收部分。在接收端我们采用一 种次最优接收端，主要由两个部分组成：基本信号估计器( e s e ) 和k 个单用户 后验概率( a p p ) 译码器( d e c s ) 。由于在发射端每个用户都独立的使用了码片 级交织器，使得交织器输出序列的相邻码片之间能够保证近似无关，所以在接收 端低复杂度的逐码片多用户检测算法能够得以实现，也就避免了传统的m a p 运 算和矩阵运算，这一特性也就是i d m a 系统相比较c d m a 系统而言的优势所在 ( c d m a 系统中拥有比较复杂多用户检测结构，其中包括了m a p 检测器、m m s e 检测器、p d a 检测器等) 。 7 电子科技大学硕士学术论文 d c l 五 编码器1 l 。 交织器1 - 一 - r 多址 接入 用户终端l 信道 d j 。么 x k 一 ( m a c ) 编码器k 交织器k 用户终端k 毪e s e v 、t j d t 解交织器l u ， 亟 基 译码器1 ( 鼍( 碰：本 e v e c ( c t ( j ) 礁 奋幺目哭1 认饼 ，l 凡；，怫霄1 信 d 七 必e l c 量t j ) ) j丘w 六nh l 竖蕊r u ，j 号 1 解父驭器k 估 译码器k 。计 和。，( c ，( ，江； 交织器k ( 呔( 必 7 器 基站接收端 图2 1i d m a 系统的发射和迭代接收结构 多址接入约束和编码约束分别在e s e 和d e c 中进行考虑，在迭代检测的过 程中e s e 和d e c 模块之间通过t u r b o 方式来传递对数似然比外信息( l l r s ： e x t r i n s i cl o g 1 i k e l i h o o dr a t i o s ) 。下面我们对e s e 和d e c 模块产生对数似然比外信 息的过程进行分析。 e s e 和d e c 输出的关于以( ) 的外信息l l r s 如下式所定义： 电) _ l o g ( 甜鬈蓦) ，v ” 眩d 由e s e 和d e c 模块产生的l l r s 分别是( ( ) ) 和( 诈( 歹) ) ，当计算 ( 五( _ ，) ) 时将( 2 1 ) 式中的y 替换为从信道接收的，( 力，而计算缸( 吒( 朋时 则将y 替换为e s e 输出的外信息经过交织器产生的信号 e e s e ( c k ( j ) ) ) 。 8 第二章i d m a 系统传输技术简介 2 2 多用户迭代检测算法 2 2 1 实单径信道情况下的算法描述 k 个用户的发射序列经过信道之后得到的接收信号表示为： 玉 r ( j ) = h k x k ( j ) + n ( j ) ，j = 1 ，2 ，j ( 2 2 ) 其中h k 为用户k 的信道系数，我们假设在接收端经过信道估计可以预先知道 。伽( ) ) 为方差为0 2 的高斯白噪声过程的采样值。x k ( j ) 是b p s k 信号由于 使用随机交织器，所以在e s e 模块中可以使用逐码片的数据检测，也就是每个时 刻只使用一个r ( j ) 的样点。变换形式重写( 2 2 ) 式： r ( j ) = h k x k ( j ) + 氕( ) ，j = 1 ，2 ，j ( 2 3 ) 其中 ( k ( j ) = r