（通信与信息系统专业论文）cdma多用户通信处理模型及优化算法的研究.pdf

t h e r e s e a r c h o n mo d e l a n d o p t i m i z a t i o n a l g o r i t h ms f o r c dma mu l t i u s e r co mmu n i c a t i o n 肠 ab s t r a c t t h e r e s e a r c h o f t h i s d i s s e rt a t i o n a r e s u r r o u n d e d t h e n e w p r o c e s s m e t h o d s and h i 沙 p e r f o r m anc e s o ft w a r e o f mo b i l e c o m m u n i c a t i o n s p r o j e c t o f t h e n a t i o n a l 9 7 3 f u n d a m e n t a l r e s e a r c h p r o g r a m o n a p p l i e d t h e o ry an d h i g h p e r f o r m a n c e s o ft w a r e f o r i t t o f a c e t h e d e v e l o p m e n t o f m u l t i m e d i a m o b i l e c o m m u n i c a t i o n w i t h l a r g e n u m b e r o f u s e r s f o r wi d e b a n d c d m a c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s t h e h a r d n e s s o f m u l t i u s e r d e t e c t i o n p r o b l e m t h e m o d e l a n d o p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m s o f c d m a m u lt i u s e r c o m m u n i c a t i o n a r e e x p l o r e d f r o m t h e v i e w o f t h e th e o ry o f n p c o m p l e t e n e s s f o r c o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t y t h e o p t i m i z a t i o n and a p p r o x i m a t e a l g o r i t h m s o f t h e n p c l a s s p r o b l e m an d t h e f e a t u r e s o f t h e p r o b l e m o f m u l t i u s e r d e t e c t i o n a r e c o mb i n e d f i r s t f r o m t h e v i e w o f t h e t h e o ry o f n p c o m p l e t e n e s s f o r c o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t y t h e d i s s e r t a t i o n ana l y s e s a n d d e s c r i b e s t h e p r o b le m o f m u l t i u s e r d e t e c t i o n f o r c d ma c o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h e n p h a r d p r o b l e m o f c d m a m u l t i u s e r d e t e c t i o n i s p r o v e d a n d t h e r e h a s b e e n m u l t i u s e r d e t e c t o r s a r e ana l y z e d and c l a s s i f i e d t h e s t u d i e d m e t h o d s o f m u l t i u s e r d e t e c t i o n a t p r e s e n t a r e c l a s s i f i e d t o t w o t y p e s a p p r o x i m a t e s o l u t i o n s b y s i m p l i f y i n g t h e n p h a r d p r o b l e m t o p c l a s s p r o b l e m f r o m p h y s i c a l m e anin g and o p t i m i z a t i o n s o l u t i o n s b y o p t i m i z i n g n p h a r d p r o b l e m o n t h e b a s e o f a b o v e t o o b t a i n m u l t i u s e r d e t e c t i o n m e t h o d w h i c h i s s u i t a b l e f o r p r a c t i c a l r e a l t i m e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m w i t h l o w e r c o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t y t h e d i s s e r t a t i o n f i r s t c o n s i d e r s t o s i m p l i f y t h e p r o b l e m o f o p t i m u m m u l t i u s e r d e t e c t o r t o an a p p r o x i m a t e p c l a s s p r o b l e m t h e d i s s e r t a t i o n m a k e s i m p r o v e m e n t o n t h e f o u n d a t i o n o f l i n e a r d e c o r r e l a t i n g m u l t i u s e r d e t e c t o r and p r e s e n t s a f as t s o ft w a r e p r o c e s s i n g m e t h o d o f d e c o r r e l a t i n g m u l t i u s e r d e t e c t o r w i t h m a t r i x v e c t o r r e p r e s e n t a t i o n and l i n e a r e q u a t i o n g r o u p s o l u t i o n f o r w c d ma c o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h e g a u s s s e i d e l i t e r a t i o n and mo d i f i e d s u c c e s s i v e o v e r r e l a x a t i o n i t e r a t i v e m e t h o d a r e u s e d t o s o l v e l i n e a r e q u a t i o n g r o u p t h e s o l u t i o n c an b e o b t a i n e d r a p i d ly b y s o ft w a r e c o m p u t i n g t h e p e r f o r m anc e o f p r o p o s e d m e t h o d i s k e p t and i m p r o v e d t h an t h a t o f c o n v e n t i o n a l d e c o r r e l a t i n g m e t h o d and t h e c o m p l e x i t y i s l o w e r t h an d e c o r r e l a t i n g r e c e i v e r i s n e x t a d e c o r r e l a t i n g r e c e i v e r e m p l o y in g f i n i t e p r e c i s i o n s e q u e n c e s f o r m u l t i u s e r c d ma c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s i s s t u d i e d t h e p r o b l e m o f f i n it e p r e c i s i o n m u lt i u s e r d e c o r r e l a t o r i s f o r m u l a t e d as l i n e a r b o u n d e d i n t e g e r o p t i m i z a t i o n p r o b l e m and t h e p r o b l e m i s s h o w n t o b e n p 一 h a r d p r o b l e m t h e b r anc h and b o u n d a lg o r i t h m i s u s e d t o f i n d i n g t h e b e s t f i n i t e p r e c i s i o n d e c o r r e l a t i n g s e q u e n c e a n d t h e s o l u t i o n m e t h o d f o r t h e p r o b l e m and t h e b r anc h and b o u n d a l g o r i t h m i s m o d i f i e d t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e p e r f o r m an c e o f t h e f i n i t e p r e c is i o n d e c o r r e l a t in g r e c e iv e r s i s a p p r o a c h t o t h a t o f i n f i n it e p re c i s i o n d e c o r r e l a t i n g m u l t i u s e r d e t e c t o r t h e n f r o m t h e v i e w o f t h e t h e o ry o f m o d e r n o p t i m a l i ty c a l c u l a t i o n a s u b o p t i m a l m u l t i u s e r d e t e c t o r b a s e d o n g e n e t i c a n n e a l a l g o r i t h m d i r e c t t o w a r d s t h e h a r d p r o b l e m o f o p t i m u m m u l t i u s e r d e t e c t i o n i n c d m a c o m m u n i c a t i o n s y s t e m i s p r o p o s e d i t m a k e s u s e o f t h e g o o d c o m p a t i b i l i t y o f g e n e t i c a l g o r i t h m w h i c h s u i t s f o r s o l v i n g m u l t i v a r i a b l e v a l u e a n d g e t s i n i t i a l s o l u t i o n u s i n g o t h e r a l g o r i t h m s a n d g o o d a c c e l e r a t i o n q u a l i ty o f a n n e a l a l g o r i t h m a n d i m p r o v e d w i t h p r a c t i c a l c h a r a c t e r s o f c d m a c o m m u n i c a t i o n t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e p e r f o r m a n c e o f e r r o r b i t p r o b a b i l i ty o f p r o p o s e d m e t h o d i s a p p r o a c h t o t h a t o f o p t i m a l m u l t i u s e r d e t e c t o r a n d t h e c o m p l e x ity i s m u c h l o w e r t h a n t h a t o f i t t h e l a s t i n t e g r a t i n g a b o v e p r o p o s e d m e t h o d s a n d c o m b i n i n g a p p r o x i m a t e s o l u t i o n s b y s i m p l i f y i n g t h e n p h a r d p r o b l e m t o p c l a s s p r o b l e m fr o m p h y s i c a l m e a n i n g a n d o p t i m i z a t i o n s o l u t i o n s b y o p t i m i z i n g n p h a r d p r o b l e m f a c i n g t h e m u l t i m e d i a m o b i l e c o m m u n i c a t i o n w i t h l a r g e n u m b e r o f u s e r s a m e t h o d o f a c t i v e d y n a m i c m u l t i u s e r d e t e c t i o n f o r w c d ma c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s i s p r o p o s e d i t c a n r e c o n f i g u r e t h e d e t e c t o r d y n a m i c a l l y a c c o r d i n g t o d i ff e r e n t s e rvi c e r e q u i r e m e n t s a n d i n t e g r a t e d d y n a m i c q o s o f m u l t i a c c e s s w i r e l e s s c h a n n e l s t h e a c t i v e d y n a m i c r e c o n f i g u r a t i o n o f m u l t i u s e r d e t e c t o r c a n s a t i s f y t h e r e q u i r e m e n t s o f v a r i o u s r a n g e s o f b i t e r r o r r a t e a n d r o b u s t n e s s t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e p e r f o r m a n c e o f t h e o p t i m i z a t i o n s o l u t i o n s b y o p t i m i z i n g n p h a r d p r o b l e m d e t e c t i o n s o l u t i o n s i s b e tt e r t h a n t h a t o f t h e a p p r o x i m a t e s o l u t i o n s b y s i m p l i f y i n g t h e n p h a r d p r o b l e m t o p c l a s s p r o b l e m t h e y a r e s u i t a b l e f o r d i ff e r e n t s e rv i c e s w i t h d i ff e r e n t r e q u i r e m e n t s o f r e a l t i m e q u a l i t y k e y w o r d s c d m a m u lt i u s e r d e t e c t i o n n p h a r d c o mb i n a t o r i a l o p t i mi z a t i o n a l g o r i t h m c o mp l e x i t y 中国科学技术大学博士论文 第一章 前言 第一章 前言 1 1研究的 背景及意义 通信和运输 能源一 起 成为 现代社会的三大基础结构 即 运输 转移人和物 能源 传递能量 通信 传递信息 通信作为人类社会的 神经系统 不论是对物质 文明还是对精神文明的建设 都具有深远的影响 当代社会基础结构真正重大的变革不在 运输与能源 而发生在通信 通信使人类文明迈入知识经济的信息社会 可以说移动通信 是 2 0世纪运输与通信二者高度发展相互结合的产物 科学技术经历 2 0世纪的巨大发展 迈向了以信息技术为火车头的新时代和新千年 从2 0 世纪九十年代 信息技术和通信技术 的发展及应用尤其迅猛 其中 移动通信 多媒体信息服务及因特网 i n t e rn e t 特别引人注 目 称得上是2 0 世纪9 0 年代信息 通信领域急剧发展的三大突出 成就 这为追求人类理想 形态 个人通信 即任何人 在任何时候 任何地方都可以 进行任何信息交换的通信 展现了实现的可能及和美好的前景 移动通信市场以 每年 3 0 5 0 的 速度增长 成为当 今通信发展的主流和最大市场 这也使得对移动通信系统的 用户容量要求大大增加 由于 社会信息化进程越来越快 人们 对信息交流的需要也越来越高 仅仅通话己 不能满足人们对信息交流的需要 除话音外的 各种多媒体信息将成为必不可少的通信业务 研究和开发新一代宽带高速多媒体移动通信 系统成为必然 而大用户量 多信道通信是宽带高速多 媒体移动通信的基本通信形态 是 面向2 1 世纪的 第三代移动通信的主要通信方式 面对频率资 源的 越来 越紧张 通过技术和 概念的创新 提高整个通信系统的容量 扩大覆盖范围和增加网络的灵活性等成为围绕下 一 代移动通信研究的主题内容 第三代移动通信系统应该是把信息送给个人 提供多媒体 信息业务和服务 可接入不同全球网络的 智能化通信系统 因此 研究新型的多用户移动 通信的处理方法是必需的 研究新型的 大多 用户量下移动通信信号 处理的优化处理方法不 仅是社会的需求 也是技术发展的必然 市场和技术决定了未来移动通信必定是大用户量 的通信 移动通信系统必须要能处理大用户量的 信息 尤其是在移动通信的 基站系统中 首先要解决大用户量的 信息处理问 题 同时 随 着移动通信到个人通信的飞速发展和普及 各种新型处理技术如微蜂窝或微微蜂窝技术 多波束智能天线技术 动态资源管理技术及 宽带无线接入技术等的 不断出 现和应用 为未来大容量的移动通信系统提供了技术可能 c d m a 码分多 址 c o d e d iv is io n m u lt ip le a c c e s s 通信系统以 其频谱利用率高 系 统容量大 频率管理容易 便于实现软切换 移动台发射功率低 信道的传输速率高 抗 多径衰落能力强等等特点而优于其他多址方式 代表了 新一代移动通信 近年来在移动通 信系统中越来越得到重视和应用 宽带c d m a通信系统及其关键技术是目 前国内外移动通 信研究的热点 在全球第三代移动通信系统 3 g系统 的国际标准中已确定来用 c d ma 技术 未来的无线通信系统中 c d m a系统必将扮演极为重要的角色 1 3 但是 由于 在实际c d m a系统中 多径衰落的 影响 扩频码很难做到完全正交和保持正交 以致于在 用户量比较大时 存在不可避免的严重的多址干扰 从而极大地限制了多址用户数或者同 样用户数下的通信质量 要想真正消除干扰 大幅度提高系统容量 必须通过多用户检测c 4 8 1 多用户检测技术虽然从理论上能够极大程度改善系统容量 可真正有效地去除多址 干扰 但已 取得的多用户检测的研究成果大多都由于算法复杂度较高等原因的限制还没有 中国 科学技术大学博士论文 第一章 前言 能够很好地应用于实际系统中 有的算法性能较好 但是运算量大 难于实现 有的算法 运算量可以 接受 但是性能不够好 有的算法只能局限于 特定的应用范围 在实际应用时 不得不在性能和复杂度之间进行折衷 在大用户量时甚至难以实现 尤其是对基站而言 由于多 径效应 基站接收端的 等效干扰用户数将多 达数百个 这样即使采用与干扰用户数 成线性关系的多用户抵消算法仍使其硬件实现显得过于复杂 因此 如何解决多用户检测 方法中的高算法复杂性问题 把多用户干扰抵消算法的复杂度降 低到可接收的程度是多用 户检测技术能否付诸于实际系统的关键 未来随着业务要求的不断扩大 用户数的不断 增加 多用户检测必然会成为未来c d m a 通信系统中的一项不可缺少的 技术 多用户检测方法之所以 具有高的算法复杂度 是因为 真正消除多址干扰的多用户检测问 题本质上实际是一个n p n o n d e t e r m i n i s t i c p o l y n o m i a l 一 h a r d 难解 问 题 因 此 多用户检测方法的 研究中 如 何解决大用户量下信号处理的高算法 复杂 度问 题 从而获得新型的 优化近似模型和算法等 是非常值得研究的 也是所必须的 正因为如此 本论文结合国家9 7 3 重点基础研究发展项目 信息技术中的 应用理论与 高 性能软件 之 移动通信中的新型处理方法和高性能 软件实现 课 题 围绕发展未来移 动通信的新方法和新技术 针对未来大用户量的多 媒体移动通信的宽带c d m a系统 从计 算算法复杂性的n p 完全理论的 角度出发 就c d m a通信中的多用户信号检测的n p h a r d 问 题及其解决方法进行研究 将 n p类问 题的最优和近似算法和多用户检测的通信信号处 理的 特点 相结合 研究探索新型c d m a多 用户信号检测的优化近似模型及处理算法 从而 便于多用户多信道通信的快速软件处理及实现 为研究大用户量 高速宽带的多媒体移动 通信的新理论方法和有效的软件处理实现技术作有意义的探索 1 2 国内 外研究状况分析 c d m a通信系统及其关键技术是目 前国内外移动通信研究的热点 国内外学者在不断 探索充分发挥 c d m a通信优越性的关键技术 c d m a通信中的多 用户检测技术正是近年 来国内外学 者研究c d m a系 统的一个关键点 多用户检测技术的 发展经历了一条典型的 与通信领域其他技术相类似的道路 现有的多用户检测接收机按其性能可以分为最佳接收 机和次最佳接收机 按其实现结构又可以 分为线性多用户接收机和非线性 或干扰对消 多用户接收机两类 另外还包括基于神经网络的多用户检测方法 5 8 6 8 和部分的结构寻 找算法 6 4 6 6 1 如图1 l 所示 图1 1 多用户检测器分类 中国 科学技术大学博士论文 第一章 前言 1 2 1最佳检测器 o p t i m a l d e t e c t o r 多用户检测的 想法最早在 1 9 7 9 年由s c h n e i d e r 提出 1 1 e 1 9 8 3 年k o h n o 等发表了对 接入干扰对消接收机的研究 1 2 3 1 9 8 6年 s v e r d u在美国伊利诺斯大学完成并发表的博 士论文 最佳多 用户信号 检测 提议和分析了 最佳多用户检测器和最大序列检测器 提出 了共享信道中的信号检测的思想 他通过对匹配滤波器组的输出 采用维特比 v it e r b i 算法实现最优检测 1 3 1 4 3 即由k个匹 配滤波器加上其后的维特比算法组成最佳检测器 如图 1 2 所示 用信号参数 得到维特比 路径量度 仿照维特比 译码方法得 到信息判决 图1 2 非同步通信系统中的最佳多用户检测器 v it e r b i 算法是 将所有 用户的 所有要检测的 码 符号 s y m b o l 按时 延的先后排列成一个 序列 按照最大似然准则对这个序列进行检测 v i t e r b i 算法检测相当于进行约束长度为k 的前向 无反 馈因果 检测 因 为 要求因 果性 每 次检测消除 相关 值只 对要检测 s y m b o l 的前 k一 1 个s y m b o l 后k一 1 个s y m b o l 的 影 响由 对后 续s y m b o l 的 检测消 除 因 此 需 要保 留 2 k 个 状 态 每 个 状 态 由 k 一 1 位 的 二 进 制 比 特 唯 一 标 识 在检测过程中 需要进行状态的 合井 状态合并的依据是判决函数 即对数似然值 的 大小 在初始检测直到到达2 个 状态 对2 k 状态中的每一个状态都保留 从开始到现 在的判决函 数值的和 对每个状态 到下一步都有两个分支 一个是0 分支 一个是 1 分 支 同时计算这两个分支的判决函数值 与此状态的原有值相加作为本分支的伴随值 而 这两个分支分别指向下一步的两个状态 对下一步的每个状态 都必然有上一步的两个分 支到达 这时 比较这两个分支的伴随值 留下其中大的分支 放弃其中小的一支 其依 据是 对这一步到达同一状态的两个分支 可以证明小的一支必然不是所需要的路径 依 此对每个状态都进行上述操作 直到对所有s y m b o l 的 操作全部结束 此时 所有的分支都 归于一条路径 这条路径就是所要的检测 序列 可见 若有k个用户 每个用户有m 个 s y m b o l 则 需 要 进 行 k 恤 1 步 方 可 达 到 检 测 终 点 其研究结果表明 最佳多 用户检测可以 使 c d m a系统的容量有大幅度的增加 同时 也表明虽然最佳多用户检测可获得近似于无多址千扰的单用户接收机的性能 但其算法复 杂度为非多项式时间函数的指数时间算法 计算复杂度随着用户数的增加以爆炸性的速率 迅速增长 1 5 0 在此 最佳检测器 的基础上 又提出了一些改进的算法 如宽度优先的树形搜索算 法 1 6 3 改 进前端和初判的算法 1 7 3 序贯检测法 1 9 3 等 对多用户检测问 题进行了某些 局部优化 宽度优先的树形搜索算法使用了和最佳检测器相同的判决函数 只是它并不进行状态 中国科学技术大学博士论文 第一章 前言 的合并 而是硬性地保留事先预定的状态数 将其它的状态抛弃 保留状态的准则是判决 函数的大小 其基本过程是 设保留的状态数为 l 经过一段初始化过程后 在所有保留 的路 径中 选出其中 最大的l个状态保留下来 再由 这l个状态生成2 1 个状态 即 对每一 个状态分 别计算下一个分支为 和为 1 的 状态 同时计算2 l个判决函数值 与前一 状态 的 值相加 再从中 选出 l个值最大的 状态保留下来 依次进行 直到结束 这种方法的计 算复杂度比最佳检测器大大下降了 同时其性能与最佳检测的性能十分接近 因为在最佳 检测中 所保留的i 7 k 个状态中 大部分实际上并没有很大的 价值 在保留 状态前的初始 化过程中 初始判决的可靠性越大 这种方法的性能越好 保留的状态数越多 其性能也 越好 但这种方法不是最优的 因为每一次并不保留所有状态 可能将正确的路径部分丢 掉 从而造成性能的下降 因 此 它仍然存在性能和算法复杂度之间的矛盾 改进前端和初判的算法是利用匹配滤波器的输出 进行初始判决 因为在一定的信噪比 下 传统的判决方法误码率 可以 达到0 0 1 左右 因 此 可以 利用初始判决的部分可信度 将搜索空间 缩小 只需要在这个缩小的搜索空间中 进行遍历即可 这种方法是利用了一种 类似于同步c d m a的 搜索空间 遍历的方法去求 似然值最大的解 对于 异步的c d m a系统 这种方法是很不完善的 它实际 上割断了前后s y m b o l 的影响 序贯检测法是利用vi t e r b i 算法与解卷积码的 相似性 类比 解卷积码的简化算法而进行 序贯检测 在这种算法中 提出了一个新的判决函数 基本上和 vi t e r b i 算法中的判决函数 相同 但增加了 利用匹配滤波器的输出作为预判决来消除后k一 1 个后继 s y m b o l 的相关影 响 它采用堆栈算法 其基本过程为 设立一个堆栈 用来存放在各个路径的节点处得到 的判决函数值 且按照大小排序 侮次只取堆栈项端的节点进行路径扩展 再将新扩展的 两个节点压入堆栈 并重新排序 依次进行至结束 在用户饱和度比较小的情况下 这种 序贯检测的性能与最佳检测的性能很接近 在用户饱和度比较大时 序贯检测的性能下降 很快 由于这种方法每一步只计算一个节点的两个判决函数 其计算量大大的下降了 但 是 在相当多的时候 需要回过头去计算前级的路径判决函数值 因此 其计算量是实际 上不确定的 随机的 而且这种方法是抛弃了堆栈中排在后面的相当多的节点 而使计算 量下降 所以 其性能也会下降 从实现的角度看 这种方法需要大量的内存 而且需要 对数据进行排序 因此实现比较困 难 虽然这些改进的 算法对多用户检测问 题进行了 某些局部优化 但随着用户量增加 存 在着重复运算 运算不收敛 迷失全局最优等一系列问题 1 2 2次 最佳多 用户 检测 器 s u b o p t i m a l d e t e c t o r 由 于上述原因 在c d m a中 采用最佳检测器是不现实的 上面的 最佳多用户检测器提 出后 开展的大量研究便集中于寻找易于实现的次最佳 次优 检测器 因此 在9 0 年代 人们研究了一些次优的多用户接收机 2 1 4 0 3 主要有线性多用户检测器 2 2 3 0 7 和非线 性多用户检测器 干扰对消检测器 仁 3 1 3 8 3 两大类 1 线性多用户检测器 线性多用户检测是多用户检测的 研究中典型而有效的一大类 这类方法的结构都是在 常规的匹配滤波器之后加一个适当的线性变换t 对匹配输出后的值线性变换后对所有的 用户比 特进行判决 b s g n 介 从而同 时获 得多 用户的 信息 其中y 为匹配滤波器输 出矢量 如图1 3 所示 中国科学技术大学博士论文 第一章 前言 图1 3 线性多 用户检测器的示意图 常用的线性多用 户检测器 有解相关 检测器 d e c o r r e l a t in g d e t e c t o r 与最小均方误检 测器 m ms e d e t e c t o r 两种 解相关检测器的出 发点是将多用户检测中的多址干扰产生原因等效为信道的 传输响应 矩阵r 该传输矩阵仅与各用户的扩频序列以及和序列间的相对延迟有关 于是可以 将接 收信号经过 k个匹配滤波器的输出 地消除各用户扩频序列间的相关性 再 通 过 一 个 信 道 传 输 矩 阵 的 逆 矩 阵 t r 以 等 效 从而达到干扰对消的目的 无限冲激响应的矩阵传递函数 是不可实 现的 在实际情况中 体实现可以采用横向滤波器 t r a n s v e r s e f i l t e r 显然 t是一个非因果的 要将t截断为有限长 具 这种接收机的特点是思想比 较简单直观 它具有较好的抗远近效应的能力困e a r f a r r e s is t a n t 它的 性能 通常优于 传统检测器 而计算复 杂度远小于 最佳多 用户检测器 但它 在干扰对消的同时会放大噪声功率 而且对时延估值的准确度要求很高 以上精确解相关 d c 方法在求解中 存在矩阵求逆的运算 异步及大用户量时算法复杂度较高 带反馈的 解相关方法 近似解相关 a d 方法等就是对其中的矩阵求逆的运算进行了近似实现而 得 最小均方误差 m m s e检测器则是在解相关检测器与传统的匹配滤波器接收机之间 采 取折衷而达到的某个平衡 它运用最小均方误差准则选取线性变换t 此时 t r 十 n 2 w 一 显 然 当 信 道 噪 声 逐 渐 趋 于 零 时 m m s e 检 测 器 的 性 能 接 近于 解相关检测器 m m s e检测器的缺点在于它需要估计用户的信号能量 并且它的抗远 近效应的能力较弱 同 样m ms e 检测器也要面临矩阵求逆的问题 为提高该方法的稳健性 减小时延估计误差蔓延等而采用的分布式线性多用户检测方 法 如多发射滑动窗口法 s l w a 3 9 1 硬决策方法 4 0 1 改进的单决策检测方法 4 1 1 自 适应滤波器检测法 4 2 4 7 1 自 适应盲检测法和盲检测法 4 8 5 3 1 卡尔曼滤波法 5 引 多址干扰统计处理方法 5 5 1 联合检测 5 6 5 7 1 等 但它们实质上是集中式算法的等价变 换 因此 其性能和集中式线性多用户检测完全一致 2 非线性检测器 非 线性检测器 是在接收 端对用户所受到的多址干扰进行估计并重建出干扰信号 然 后从接收信号中除去 最后进行信息判决 通常 我们把这一类的检测器称为千扰对消 第一章 前言 中国科学技术大学博士论文 i n t e r f e r e n c e c a n c e ll a t io n 接收机 非 线性 检测器的 共同 点是 它们需要对接收信号功率 作出 比较精确的估计 常见的非 线性检测算法主要有以下三 种 多 级并 行千 扰对消检测器 m p i c m u lt i s t a g e p a r a l le l i n t e r f e r e n c e c a n c e l le r 判决 反 馈 检测器d f d d e c is io n f e e d b a c k d e t e c t o r 和逐次干 扰对消 检 测 器s ic s u c c e s s iv e i n t e rf e r e n c e c a n c e l l e r 这些 检测器一 般也 称为减性千扰对消 检测器 它们都是利用反馈方法来消除多址干扰 这一类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 应该指出的是 这三种算法并非截然分开的 在一个具体的实现中 可能利用 儿种算法的组合 前两种算法都利用其它用户先前的判决结果消除目 标用户信号中的干扰 这两类算法需要估计信道参数和进行相关检测 第三类算法使用软判决消除多址干扰 用 非相关实现 多级并行干扰对消检测器 m p i c对所有用户进行同样的操作 首先 用各匹配滤波器 的 输出作为各个用户的首次估值信号 在此基础上重构出接收信号 对某个用户 k 从总 的 接收信号中减去千扰用户的千扰信号 就得到对此用户信号新的估值 对所有用户进行这 种分阶段的迭代运算 便可 得到对消了多址干扰的输出信息序列 m p i c具有较好的抗远 近效应能力 尤其是当接收的各用户信号功率相差较大时 它对弱信号用户的检测性能有 更大的改善 但是 m p i c的性能受限于对初始数据比 特和各用户信号功率的估计 这实 现起来很困 难 而且 当 接收的各用户信号功率较接近时 系统容量的 提高也有限 而当检 测器的级数增加时 系统延迟时间变长 所以一般实际应用时只取2 到3 级 如图 1 4 图 1 5 所示 常规的m p i c的第一级一 般为常规的匹配滤波器 如果考虑将第一级用性能较好 的一 种干扰对消检测器取代 这样第一级的 输出 也即是下一级的 初值 将会更加精确 而整个mp i c检测器的性能也会得到进一步改进 r t 一 一 一 毛 t n b 0 工 t 召井 b 1 mo 一r t 护b z 1 b 0 pkwy yi t 必b e 1 图1 4并行干扰对消接收机中某一级的示意图 中国科学技术大学博士论文 第一章 前言 不 映弟二级 叶弟一级 叫叫豁 图1 5多级干扰对消接收机示意图 逐次干扰对消检测器s i c如图 1 6 所示 首先根据接收到的各用户信号功率进行排序 然后按功率 从高 到低的次 序对各用 户信 号依次 在 p i c中 是同 时 进行 对消 和估 计 即先解 调出最强信号功率的用户 然后从总的接收信号中减去最强功率信号 这样就去掉了最强 的多址干扰分量 然后去除次强的多 址干扰分量 这样依次对消直至最弱的用户 这种做 法 每次解调出 来的信号都是相对来说最准确的 同时也去除了干扰最大的一个信号 这 样 与m p i c相比 其结构简单 计算复杂度有很大下降 但是每一级 对消会带来 i 比特 时延 这样在比 特时延与对消的 用户数目 上必须要折衷 其次 一旦信号的功率值发生变 化 就要对各用户根据信号功率进行重排 这样又必须在处理器复杂度与可接受的功率精 度上折衷 另外 s i c的性能很大程度上取决于 用户功率的分布 如果接收端各用户的信 号功率大致相等 则 采用此种方法的接收机性能改善 较小 其性能 要比 m p i c的性能差得 多 s i c接收机的每一次对消为系统带来 i 比 特时延 这样系统中如果有k个用户 就会 带来k比特的时延 图1 6串行干扰对消接收机的某一个用户对消的示意图 判决反馈检测器 d f d 如图 1 7所示 它是建立在信道响应矩阵的谱分解理论基础 上的 与解相关接收机一样 信道响应矩阵r定义为扩频码的相关矩阵 判决反馈检测器 d f d由两部分组成 线性预处理部分以及一个类似于s i c的部分 线性预处理部分的作用 类似于解相关器 相当于一个信道白 化滤波器 主要负责解除用户之间的相关性 信道响 应矩阵r定 义为 扩频 码的互相 关 矩阵 根 据矩阵 理论可知 对r进行c h o l e s k y分解得到 r 一 f t f 这 里 f 是 一 个 下 三 角 阵 将 伪 t 乘 以 匹 配 滤 波 器 的 输 出 可 使 输 出 的 噪 声 白 化 中国科学技 术大学博士论文 第一章 前言 沪y 即 为 白 化 滤 波 器 的 矩 阵 表 示 考 虑 到 是 一 个 下 三 角 矩 阵 这 样 可 以 认 为 第 个 用 户的第 i 比 特没有多址干扰的影响 而第2 个用户的第 i 比特只有来自 第 1 个用户的多址 干 扰 同 样 第k 个 用户的 第i 比 特只与k 1 k 2 k用户的 第i 比 特以 及 从第i l 比特开始的所有用户比 特有关 判决反馈检测器的不足之处在于必须知道接收信号幅度的 估值 必须进行矩阵分解运算以及矩阵求逆运算 而且矩阵分解与求逆的运算量都很大 图1 7 d f d的结构框图 以 上各种形式的次优接收机尽管能提供较好的抗多址干扰和远近效应的能力 但计算 复杂度仍偏高 实时实现困 难 相对而言 多级检测器的实现比 较简单 但误差传播特性 大大影响了检测性能 3 基于 神经网 络的多 用户检测方法 文献 5 8 6 3 提出了几种采用神经网络进行多用户信号检测的方法 基于神经网络的多 用户检测方法是基于最大似然法则 利用神经网络进行最大 似 然函数的 求解 以 神经网 络为基础的c d m a接收机主要包括两大类 反馈型h o p f i e l d 网络c d m a接 收机 和不带反 馈的 多 层感知器 神经网 络 接收机 h o p f i e ld 网 络c d m a接收 机的 主要缺陷在 于其运行过程有可能不收敛或收敛于局部 极小点 因此 限制了 其实时应用 它在理论上 可实现对 c d m a信号的近似最优检测 以多层感知器为基础的前向网络 c d m a接收机用 b p 后向 传播 网 络接收c d m a信号 b p 网 络码分多址接收机具有近似最佳的检测性能 其抗多 址千扰和远近效应的能力远远超过了 传统的匹配滤波器码分多 址接收机 b p 网络的 缺点主要在于其训练过程比较漫长 且容易不收敛或收敛于局部极小点 多层感知器神经 网络由一层输入节点 一层或多层隐藏节点 中间节点 以及一层输出节点组成 每一层 的每个节点与上一层中所有节点相连 神经网络中使用的 b p算法是一种训练算法 它通 过迭代梯度减方法来最小化经验误差函数 神经网络接收机的特点是大部分的计算量分布 在数据传输前的训练期 而且依靠在每一层进行的并行运算 因此信息比特的解调的时间 复杂度为常数 这是与最佳检测器不同的地方 用神经网 络来实现多 用户检测 其计算复 杂度与用户数是呈线性关系的 如果能够实现 它的速度将极大的超过前面提到的多用户 检测器 中国科学技术大学博士论文 第一章 前言 综上所述 研究的多用户检测方法大多都由于算法复杂度较高等原因的限制还没有能 够很好地应用于实际系统中 或在实际 应用时不得不在性能 和复杂度之间 进行折衷 因此 近两年来 研究注意力逐渐主要集中两个方面 一是在实际可能应用