（电气工程专业论文）基于量子遗传球形算法的mimo系统多用户检测技术研究.pdf

i一 s t u d yo nm u l t i - u s e rd e t e c t i o ni nm i m os y s t e mw i t h q u a n t u mg e n e t i cs p h e r ea l g o r i t h m b y c h e ns a i h u a b e ( h u n a ni n s t i t u t eo fe n g i n e e r i n g ) 2 0 0 9 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rt a n y a n g h o n g a n d s e n i o re n g i n e e ry uj i a n 3 肌53 哪圳709 川i舢y r 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果 由本人承担。 作者签名： 他槲 1 日期：2 07f 年r 月力旧 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 必f1 年妇刁日 年月日 基于量子遗传球形算法的m i m o 系统多用户检测技术研究 摘要 多用户检测是现代m i m o 高速无线数字通信技术中的重要技术之一，也是决 定m i m o 通信系统解码性能的关键技术，其检测效率直接影响到系统的数据吞吐 率。如何改进多用户检测技术，提高数据检测速度，降低误码率，实现检测的高 速度和高可靠性，是目前无线数字通信研究领域亟待解决的问题。因此，研究多 用户检测算法，提高多用户检测的效率，具有重要的现实意义。 本文首先对m i m o 系统的基本理论进行了概括，之后以1 6 - q a m 调制的c d m a 通信系统为例，深入讨论了m i m o 通信系统的数学模型，并利用传统的球形解码 算法作为多用户检测器实现了m i m o 系统的仿真。由于发送信号的随机性以及环 境噪声和各种干扰噪声的影响i 使得在m i m o 系统中的接收端准确同时检测出多 个发送端的原始信号存在较大的困难。 随后提出了一种基于二进制编码的遗传多用户检测器。二进制编码的遗传算 法多用户检测算法充分利用了信号星座图的离散特性，将每个星座点映射成固定 长度的二进制串，很好地利用了遗传算法和参数编码的隐含并行性。遗传算法检 测器以其分布式并行处理、自适应以及非线性等优点实现了对复杂的多变量组合 优化问题的全局搜索，提高了解码准确率。仿真表明，遗传算法解码器在误码率 性能方面比迫零检测有较大的提升。但是由于遗传算法求解过程依赖于算法的循 环步数与初始种群规模，所以其单次解码时间会随用户数的增长呈指数级增加。 在分析和总结遗传检测算法的不足之后，以球形算法为基础，结合量子算法， 提出了一种基于量子遗传算法的球形解码多用户检测器。该算法融合了量子计算 的并行性和遗传算法的全局性，使得每一层的搜索不需要多次反复尝试。并且由 于球形算法能够将复杂的多维搜索归纳为简单的一维搜索，还能确定每一个维度 的解区间，使得在搜索过程中避免了大量复杂的矩阵运算，提高了搜索效率。仿 真表明，量子遗传球形解码算法在解码速度、误码率以及计算复杂度上比原始球 形解码算法、遗传解码算法以及迫零检测都有较大的提高。 关键词：数字通信：多输入多输出：多用户检测：球形算法：遗传算法：量子遗传算法 i i a b s t r a c t m u l t i u s e rd e t e c t i o n ( m u d ) ， w h i c hd e c i d e st o d e c o d e rp e r f o r mo fm i m o c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，i so n eo ft h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si nm o d e m h l g h - s p e e d w i r e l e s sd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n ，a n d i t sd e t e c t i o ne f f i c i e n c yd i r e c t l y a f f e c t st h e s v s t e m sd a t at h r o u g h p u t h o wt oi m p r o v e t h 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 t o i m p r o v ed e t e c t i n gr a t e ，l o w e re r r o rr a t ea n dc o n s t r u c th i g hs p e e da n dh i g hr e l i a b i l i t y m u l t i u s e fd e t e c t o ri so n ep r o b l e mt o b es o l v e di nt h e f i e l do fw i r e l e s sd i g i t a l c o m m u n i c a t i o n t h e r e f o r e ，s t u d y i n gm u l t i - u s e rd e t e c t i o na l g o r i t h mt oi m p r o v ei t s e f f i c i e n c yw i l lb eat h i n gw i t hg r e a ti m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e p r i n c i p l e o fm i m os y s t e m s h a sb e e ns u m m a r i z e d ，f o l l o w e db y i n - d e p t h d i s c u s s i o no ft h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fm i m oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw i t h t h e e x a m p l eo f16 q a mm o d u l a t i o nc d m a c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e nt h em u d o f m i m os v s t e m sh a sb e e nc o n s t r u c t e db ya d o p t i n g t h et r a d i t i o n a ls p h e r ed e c o d i n g ( s d ) s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h er a n d o m n e s so ft r a n s m i t t e ds i g n a l ，e n 4 i r o n m e n t a l n o i s ea n dv a r i o u sk i n d so fi n t e r f e r e n c en o i s em a k et h er e c e i v e ro fm i m os y s t e m d e t e c t i n gt h eo r i g i n a ls i g n a l s f r o mt r a n s m i t t e r sm o r ea c c u r a t e l ya tt h es a m et l m e d i f f i c u l t y s oab i n a r yc o d e dg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) f o rm u d o fm i m os y s t e mi sp r o p o s e d i nt h ep a p e r t h en e wb i n a r yc o d e dg a m u l t i u s e rd e t e c t o rm a p st h ec o n s t e i l a t l o n p o i n t si n t ob i n a r ys t r i n g sw i t hf i x e dl e n g t hb ya d o p t i n gt h ed i s c r e t ec h a r a c t e r i s t l c o f s i g n a lc o n s t e l l a t i o m s g e n e t i ca l g o r i t h m r e a l i z e si t ss t r o n ga b i l i t yo fg l o b a lp a r a l l e l s e a r c hf o rc o m p l e xm u l t i v a r i a b l eo p t i m i z a t i o np r o b l e m sd u et oi t sp a r a l l e lp r o c e s s i n g ， a d a p t i v e a n dn o n l i n e a rm a p p i n g ，t h u sr e s u l t i n g i nh i g ha c c u r a c y 1 nd e c o d l n g s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee r r o rr a t ep e r f o r m a n c eo b t a i n e df r o mg a d e t e c t o r h a sc o n s i d e r a b l yi m p r o v e dc o m p a r e dt oz e r of o r c i n g ( z f ) d e t e c t o r m e t h o d h o w e v e r ， d u et ot h es e a r c hp r o c e s so fg ad e p e n d so nt h ea l g o r i t h mc y c l es t e p s a n dt h es i z eo f i n i t i a lp o p u l a t i o n ，t h es i n g l ed e c o d i n gt i m ew i l li n c r e a s e w i t ht h en u m b e ro fu s e r i n c r e a s e se x p o n e n t i a l l y ， an o v e ls p h e r ed e c o d i n ga l g o r i t h mi sd e v e l o p e d i nt h ep a p e rc o m b i n i n gw l t n q u a n t u ma l g o r i t h ma n dg a i no r d e rt oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so ft h ep r o p o s e d b i n a r vc o d e dg ad e t e c t o r t h eq u a n t u mg e n e t i cs p h e r ed e c o d i n ga l g o r i t h m ( q g a s d ) c o m b i n e st h ep a r a l l e l i s mo fq u a n t u mc o m p u t i n ga n dg e n e t i ca l g o r i t h m s o v e r a l l , s o l i i t h a tt h es e a r c ho fe a c hl a y e rd on o tn e e dt ot r y s e v e r a lt i m e sr e p e a t e d l y a n db e c a u s e t h es p h e r ea l g o r i t h mc a nb es u m m a r i z e d a sac o m p l e xm u l t i - d i m e n s i o n a ls e a r c ht o ra s i m p l eo n e d i m e n s i o n a ls e a r c h ，a n dd e t e r m i n e t h es o l u t i o ni n t e r v a lo f 。e a c hd l m e n s l o n t h en e wq g a s dc a na v o i da l a r g en u m b e ro fc o m p l e xm a t r i xo p e r a t i o n s 1 ns e a r c h l n g p r o c e s s s oi t ss e a r c he f f i c i e n c ym a yb eg r e a t l yi m p r o v e d s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o w t h a tt h ep e r f o 彻a n t e so fq g a s ds u c h a st h ed e c o d i n gs p e e d ，e r r o r r a t ea n d c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya r eg r e a t l yi m p r o v e d i nc o m p a r i s o nw i t ht h et e c h n l q u e so t t h eo r i g i n a ls d ，g ad e t e c t o ra n dz f d e t e c t o r k e yw 。r d s ：d i g i t a lc o m m u n i c a t i o n ；m i m o ；m u d ；s d ；g a ；q g a i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 无线m i m o 通信系统1 1 2 多用户检测的研究意义与现状5 1 3 球形解码器的研究现状7 1 4 本文内容8 第2 章球形算法多用户检测9 2 1m i m o 多用户检测模型9 2 2 多用户检测的球形算法实现1 3 2 2 1 球形算法1 4 2 2 2 初始化半径选择1 6 2 2 3 终止条件17 2 2 4 算法流程l7 2 3 实验分析18 2 4 本章小结一2l 第3 章遗传算法多用户检测2 2 3 1 遗传算法2 2 3 2 遗传算法多用户检测2 5 3 2 1 参数编码2 6 3 2 2 适应值函数选取2 7 3 2 3 设计进化算子2 8 3 2 4 遗传算法多用户检测流程2 9 3 3 实验分析3 0 3 4 本章小结3 3 第4 章量子遗传球形算法多用户检测3 4 4 1 量子计算3 4 4 2 量子遗传球形算法多用户检测3 6 4 2 1 搜索模型3 7 4 2 2q g a 适应值函数3 8 v 基于量了遗传球形算法的m i m o 系统多用户检测技术研究 4 2 3q g a 进化算子设计3 9 4 2 4q g a s d 流程图4 0 4 3 实验与比较分析4 1 4 4 本章小结4 7 总结与展望4 8 参考文献5 0 致j 射5 4 附录攻读硕士学位期间所发表的论文5 5 v l 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 无线mim o 通信系统 1 8 7 3 年麦克斯韦尔建立了电磁场理论。1 8 8 7 年赫兹验证了电磁波的存在。1 8 9 5 年马克尼发明了无线电，开创了无线电波的实际应用价值。自此之后，无线通信 就走进了全世界人类的视野中，无线通信技术也在不断发生巨大的变化。通信方 式从以前的模拟通信发展到了现在的数字通信，通信系统从之前的单输入单输出 ( s i s o ) 系统也发展到了目前的多输入多输出( m i m o ) 系统。典型的m i m o 系统是 蜂窝通信系统。经过1 g ( 第一代) 和2 g ( 第二代) 的发展后，蜂窝通信系统现 在正在迈入3 g ( 第三代) 时代。3 g 是相对于前两代移动通信技术而言的，这 个概念早在1 9 8 5 年就由国际电信联盟( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ， i t u ) 提出来了，它与前两代的主要区别是在声音和数据传输速度上的提升。 目前，i t u 承认的三种3 g 标准分别是欧洲的w c d m a ( w i d e b a n d c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ，中国提出的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 s c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 以及北美提出的c d m a 2 0 0 0 。i t u 关于第三代移动 通信系统标准规定为乜1 ： ( 1 ) 能提供高质量的业务，包括语音、低速和高速数据( 几k b s 到2 m b s ) ， 并具有多媒体接口； ( 2 ) 能支持面向电路和面向分组的业务； ( 3 ) 具有更高的频谱效率，提供更大的通信容量； ( 4 ) 能与固定网络兼容。和现有移动通信网络互联互通并实现全球漫游； ( 5 ) 网络结构的多样化，以适应各种服务的需要； ( 6 ) 具有高级的移动管理，能保证大量用户数据的存储、更新、交换和实时处 理等等。 未来的3 g 通信要能够在全球范围内更好地实现无缝链接，并能够实时处理图 像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等 多种信息服务。为了提供这些服务或是达到这些目的，无线网络必须能够支持不 同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和运动的环境中能够分别支持至少 2 m b p s 、3 8 4 k b p s 以及1 4 4 k b p s 的传输速度。 3 g 通信系统中的新技术也是解决m i m o 系统中主要问题的关键技术，包括多 用户检测，远近效应，功率控制，智能天线，高效接收机，新型编码技术以及软 件无线电。针对这些问题，全球的通信研究人员进行了大量研究，发展或是创新 了多项关键技术。 基于量子遗传球形算法的m i m o 系统多用户检测技术研究 ( 1 ) 多用户检测 在蜂窝移动c d m a 通信系统中，干扰有三种类型：加性白噪声干扰( a d d i t i v e w h i t en o i s e ，a w n ) 、多径效应( m u l t i p a t he f f e c t ，m e ) 与多用户间的多址干扰 ( 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 ) 。加性白噪声干扰主要是指加性高斯白噪 声( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ，a w g n ) 对信号传输造成的干扰。a w g n 是自 然存在的噪声，它与信号是相互独立的，应用中可采用专用滤波器加以抑制。多 径效应是电波传播信道中的多径传输现象所引起的干涉延时效应，工程中常用抗 多径天线解决该问题。在一个蜂窝小区内，同时通信的用户不是一个而是多个， 这些用户会占用同一时隙、同一频率进行通信，用户间的信号会相互干扰，就产 生了多址干扰。当同时通信的用户数目较多时，多址干扰就成为最主要的干扰口叫1 。 由于c d m a 系统是一个多输入多输出( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，m i m o ) 系统，采用传统的单输入单输出( s i n g l e i n p u ts i n g l e - o u t - p u t ，s i s o ) 检测方法， 如匹配滤波器法，没有充分利用用户间的信息，而将多址干扰认为是高斯白噪声， 这样的检测器性能还不如s i s o 系统。而且，传统的s i s o 系统对信道频率资源 的利用率比较低。所以多址干扰不仅严重影响系统的抗干扰性，而且也严格限制 了系统的容量提高，为了更好地利用用户的信息来实现解码，人们提出了多用户 检测技术( m u l t i u s e rd e t e c t i o n ，m u d ) 。 ( 2 ) 远近效应 由于移动用户位置的随机性，导致移动台与基站之间的距离变化也是随机的， 在同样的发射功率下，与基站距离不同的用户发射的信号到达基站时的信号强弱 也就会不同，离基站近的信号就强，反之则弱，这就是远近效应( n e a r f a re f f e c t ) 。 远近效应会导致通信系统的非线性特性加重，出现强者更强的现象，甚至会出现 强信号将弱信号完全淹没的极端情况。6 ，。 ( 3 ) 功率控制 为了解决远近效应问题，人们提出了功率控制( p o w e rc o n t r 0 1 ) 的思想，即通过 控制上下行链路的信号发射功率，以便基站接收到的各用户信号的强度更为均衡， 不至于出现某些用户的信号被“淹没”的情况。所谓功率控制是根据通信距离的 不同，实时地调整手机的发射功率。功率控制的原则是，当信道的传播条件突 然变好时，功率控制单元快速响应，以防止信号突然增强而对其他用户产生附加 干扰；相反当传播条件突然变坏时，功率调整的速度可以相对慢一些。也就是说， 宁愿单个用户的信号质量短时间恶化，也要防止对其他众多用户都产生较大的背 景干扰。 功率控制的方法有很多，根据功率控制信息的获取方式，可以分为开环功率控 制和闭环功率控制两种口刮：开环功率控制是指基站或移动台根据自身接收信号的 强度自主调整其发射信号的功率。闭环功率控制是指基站根据接收信号的强度向 2 硕士学位论文 移动台发送功率控制指令，令其调整发射功率。 ( 4 ) 智能天线 无线通信系统的天线性能往往直接决定了整个系统的性能。传统天线对信号的 各向接受与发射使空间中的电磁环境更加复杂，这也就增加了信号检测的代价或 是成本。为了解决这个问题，人们提出了智能天线( s m a r ta n t e n n a ) 技术。 智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，具有自适应天线的优点，通过一 组带有可编程电子相位关系的固定天线单元跟踪信号的变化，并可以同时获取基 站和移动台之间各个链路的方向特性，从而将无线电的信号导向具体的方向，产 生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向( d i r e c t i o no fa r r i n a l ， d o a ) ，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并 删除或抑制干扰信号的目的旧_ 0 1 。 由于智能天线能够对无线电信号的接收方向进行精确控制，并且能在噪声与干 扰环境下通过自身的反馈控制改变天线的参数提高接收机输入输出端的信噪比， 所以它可以以较低的代价换得天线覆盖范围，能够增加系统容量，提高系统频谱 效率和业务质量、增强抗阻塞和抗掉话的性能砷3 。 ( 5 ) 新型接收技术 现代信息理论研究表明，在具有丰富散射体的传输环境中，在收发两端采用多 根天线，会大幅提升系统容量。m i m o 信道正是具有以上特征的通信信道，所以 它具有分集增益和空间复用增益两个显著特征。分集的基本思想是：在无线信道 中，通过独立衰落的链路或分支传播的同一个信号的多个副本同时处于深衰落的 概率非常小，为了提高无线链路的可靠性，可以在接收端将这些信号的副本按一 定的规则合并起来。而空间复用的基本思想则是：信号在丰富的散射环境中传播 时，相当于在同一个空间中同时通过多个独立的并行数据通道，这样不但提高了 可靠性，还提高了传输速率，从而导致系统容量的显著增长。 c 图1 1 典型的r a k e 接收机原理 目前在c d m a 通信系统中被广泛采用的接收技术是r a k e 接收技术n 卜1 2 1 ，也叫 分集接收技术，该技术正是利用了上面所说的m i m o 信道的两个特征，所以它能 够在利用多径信号的基础上降低基站和移动台的发射功率，克服多径效应，提高 基于量子遗传球形算法的m i m o 系统多用户检测技术研究 无线链路的可靠性以及信道容量n 。图1 1 是一个c d m a 系统专用的r a k e 分集 接收器原理图，该接收机利用多个相关器分别检测多径信号中最强的m 个支路信 号，然后对每个相关器的输出进行加权，以提供优于单路相关器的信号检测，最 后在此基础上进行解调和判决。 ( 6 ) 编码技术 在无线信道中发送未经编码的原始信号时，将不可避免地受到干扰，这样接收 端收到的信号就不是发送端发送的信号了，通信将会出错。基于以上原因，编码 技术得到了发展。编码技术分为信源编码和信道编码。 信源编码是指为了减少信源输出符号序列中的剩余度、提高符号的平均信息 量，对信源输出的符号序列所施行的变换，其基本目的是提高码字序列中码元的 平均信息量n 1 。具体说，就是针对信源输出符号序列的统计特性来寻找某种方法， 把信源输出符号序列变换为最短的码字序列，使后者的各码元所搭载的平均信息 量最大，同时又能保证无失真地恢复原来的符号序列。一切旨在减少剩余度而对 信源输出符号序列所施行的变换或处理，都可以归入信源编码的范畴，例如过滤、 预测、域变换和数据压缩等。 信道编码是通过在被传输的数据中引入冗余来避免数字数据在传输过程中出 现差错，信道编码有检错编码和纠错编码之分，检错编码只能检测出接收信号中 的差错，而纠错编码既能检测差错又能纠正所检测出来的差错n 1 。检错码和纠错 码有三种基本类型：分组码、卷积码和t u r b o 码。分组码是一种前向纠错码( f e c ) ， 校验位被加到信息位之后形成新的码字，所以不需要重复发送就可以检测出并纠 正有限个错误n 1 。卷积码不像分组码将信息序列分组后再进行单独编码，而是由 连续输入的信息序列得到连续输出已编码的序列，这种映射关系似的其解码方 法与分组码的解码方法有着很大的区别。已经证明在同样的复杂度下，卷积码可 以比分组码获得更大的编码增益。刚刚应用到3 g 无线标准中的t u r b o 码是一种 全新的编码技术，它融入了卷积码的信道估算理论，通过合适的实现，可以获得 远远优于之前所有纠错码的编码增益，并能够使无线链路非常接近香农( s h a n n o n ) 信道容量的极限。 ( 7 ) 软件无线电 通信技术发展到第三代，各种层出不穷的移动通信标准和体制虽各有优点，但 它们都满足不了不同地区不同人群的通信需求，这必然会造成通信系统的重复建 设和硬件设备的互不兼容。在这种背景下，软件无线电技术( s o f t w a r er a d i o ) 应 运而生。 软件无线电就是用软件的方法实现无线电的功能n 3 3 。在硬件组成上，就是让 d a 或a d 转换器尽可能地靠近天线，而更多的环节则在可编程的总线硬件平台 上通过编程实现。其软件构成相当灵活，例如在一套硬件平台上同时安装多套技 4 硕士学位论文 术标准的软件包备用，可以随时启用所需要的通信标准或体制。这样就减少了系 统中的硬件配置，节约了成本。 1 2 多用户检测的研究意义与现状 随着人们对通信的需求越来越高，天空中可用的频率资源也日益有限，所以最 终必须要能够让多个用户共享相同的信道资源。在研究如何利用有限的频率资源 来满足人们对高质量通信需求的难题中，人们引入了多址技术。码分多址( c d m a ) 是一种基于扩频的复用技术，它就是人们在1 9 9 5 年提出的多址技术。采用蜂窝 式布局的c d m a 通信网络具有系统容量大且配置灵活，通话质量佳，频率规划简 单，组网成本低，网络绿色环保，功率谱密度低等突出优点。但是c d m a 技术存 在多址干扰，远近问题以及软切换等问题。 m u d 是最新发展起来的一项用以消除c d m a 系统中多址干扰的技术n ，引。它 是一种采用联合检测或干扰抑制的检测方法，利用了各用户之间由扩频码建立的 联系来实施联合检测，如图1 2 所示是一种典型的多用户检测接收机。 一卜 多 用 户 检 测 算 法 一篇卜 判决值 ( 用户1 ) 判决值 ( 用户k ) 图1 2 典型多用户接收机 采用了多用户检测的蜂窝c d m a 通信系统有很多的优点： ( 1 ) 频率分集：因为信号的传输是在更大的带宽上进行的，所以像突发噪声和 选择性衰落等取决于频率的传输损伤对信号所造成的不利影响将会大大降低。 ( 2 ) 故障弱化：和f d m a 与t d m a 不同的是，当更多的用户同时访问系统时， 噪声级别和由此产生的误码率虽然会上升，但系统可以将差错率逐步降低到不可 接受的误码率水平之下。 ( 3 ) 保密：由于扩频是通过类似噪声的信号实现的，而且信号被扩频后，用户 的信息将会分散在很宽的频带上，并且每个用户的扩频码唯一，所以系统的保密 性能非常好。 ( 4 ) 抗多径干扰：使用新型的r a k e 接收技术后，系统不但不用去消除多径干 扰，而且还能将多径信号有效地利用，提高了通信链路的可靠性。 ( 5 ) 抗多址干扰：在c d m a 系统中，用户间的扩频码是正交或是准正交的，所 以不同用户信号间的相关度为零或是很低。由于采用了多用户检测技术，单个用 基于量子遗传球形算法的m i m o 系统多用户检测技术研究 户的信号很容易从混合信号中分离出来。 ( 6 ) 系统容量增加：在能够有有效地抵抗多径干扰和多址干扰的情况下，单个 基站的系统容量会增大，如果再考虑到蜂窝系统中其他小区的信号时，整个系统 的容量将有显著增加。 ( 7 ) 功率控制相对容易：系统通过不同的扩频码来区分不同的用户，这样无论 信号多强或多弱，只要扩频码不同，通过相关接收后对有用信号的干扰都会下降 很多，所以对功率的控制就不要求相当严格了。 ( 8 ) 频谱利用率高：c d m a 采用了扩频技术，而扩频所用的扩频码是相互正交 或准正交的，所以系统允许多个用户共享同一个频带。这样，一个频带内的每种 频率的信号都能够同时传输多路信号或数据，提高了频谱的利用率。 ( 9 ) 功率利用率提高：多用户检测技术所带来的显著优势是系统可以处理较低 功率的信号，这样带来的好处是移动台所要发射的功率可以降低。很明显这将能 够节约移动台的电源，同时也能够增大天线的覆盖范围。 正是由于m u d 技术具有诸多的优点，它已经成为了未来m i m o 通信系统的 关键技术之一，也愈来愈受到学术界、产业界的重视，得到人们的广泛关注。目 前研究得较多的m u d 技术主要有两大类，即线性m u d 和干扰相消m u d 。 线性多用户检测主要包括解相关检测、最小均方误差检测、子空间投影检测和 多项式扩展检测。解相关检测器( d e c o r r e l a t i n gd e t e c t o r ) 最早由k s s c h n e i d e r 与r k o h n o 等人提出3 ，其基本思想先将各个用户信号间的基于扩展码的互相关 矩阵求逆，然后对接收信号进行解相关，最后才对解相关信号进行判决。这种方 法虽然不用估计信号的幅度，但是求取互相关矩阵逆的计算量很大，而且解相关 操作能加强a w g n 的干扰作用。最小均方误差检测( m i n i m u mm e a n s q u a r e de r r o r d e t e c t o r ，m m s e d ) 由z x i e 在文献n 副中最早提出，其主要思路是计算传统检测 器软判决输出与经过线性变换韵接收数据之间的均方差，取使均方差最小的矩阵 作为输出。m m s e d 不但利用了接收信号的功率进行相关计算，还考虑了背景噪 声的影响，从而在消除m a i 干扰和较小背景干扰之间达到了较好的平衡，但是， 由于必须对信号幅度进行估计，所以在抗远近效应方面不太理想。子空间斜投影 检测器( o b l i q u ep r o j e c t i o ns u b s p a c ed e t e c t o r ) 的主要思想是将接收信号投影到 某个低阶子空间上，加强属于该子空间的信号并且减弱不属于该子空间的信号， 从而将m a i 完全消除n 刮。但是子空间斜投影必须对信道矩阵进行频繁的操作，带 来了计算复杂度的上升。多项式扩展检测器( p o l y n o m i a le x p a n s i o nd e t e c t o r ，p e d ) 的基本思想是利用相关矩阵的多项式扩展对匹配滤波器( m a t c h e df i l t e r ，m f ) 的 输出进行运算，然后再判决n 。p e d 通过用合适的多项式系数优化其性能，不需 要进行信号幅度估计，具有较简单的结构，从而实现了较低的计算复杂度。 干扰消除多用户检测技术包括串行干扰消除多用户检测( s u c c e s s i v e 6 硕士学位论文 i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nd e t e c t o r ，s i c d ) 、并行干扰消除多用户检测( p a r a l l e l i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nd e t e c t o r ，p i c d )和判决反馈多用户检测 ( d e c i s i o n f e e d b a c kd e t e c t o r ，d f d ) 。s i c d 是在接收信号中对多个用户逐个进行 数据判决，判决一个就在混合信号中减去该用户信号造成的m a i 干扰，其操作顺 序是根据信号的功率大小定的，功率较大的信号先操作n 引。s i c d 在性能上比传 统检测器有较大提高，而且在硬件上的变化不大，易于工程上的实现，但s i c d 在操作的过程中，每一级都需要有一个字符的延迟，另外当功率强度顺序发生变 化时还需要重新排序，最不利的一点是如果初始数据判决不准确将会对下级产生 较大的干扰；p i c d 具有多级去干扰装置，其每一级并行估计和去除相应用户造 成的m a i 干扰，然后进行数据判决引。与s i c d 相比，p i c d 采用的并行处理方 式，不会产生大的时延，并且不需要在情况发生改变时多接收信号进行重新排序。 d f d 首先对接收信号进行线性处理，然后执行s i c d 检测，最后根据信号强度递 减顺序进行串行干扰消除处理心0 1 ，其中的线性处理有解相关操作，避免了强化噪 声，但d f d 的难点在于需要计算c h o l e s k y 分解和白化矩阵求逆，并且还必须估 计接收信号的幅度，带来了计算复杂度的上升。 由于以上的m u d 技术都存在不足，人们后来又提出了盲多用户检测( b l i n d m u t i l u s e rd e t e c t i o n ) 技术和半盲多用户检测( s e m i b l i n dm u t i l u s e rd e t e c t i o n ) 技 术乜刳，两者的主要思想都是通过子空间跟踪技术获得信号子空间并利用它来消除 未知用户造成的干扰。半盲检测技术适用于小区基站，在检测过程中，干扰用户 的特征序列部分已知部分未知；而盲多用户检测比较适合于移动台，这种检测器 在检测过程中所有干扰用户的特征序列均未知。 1 3 球形解码器的研究现状 虽说早在1 9 7 9 年k s s c h n e i d e 就提出了多用户检测的思想晗驯，但从上一节所 总结的目前的多用户检测技术看来，这些技术虽然在不同的方面有非常不错的性 能表现，但大都存在计算复杂度较高的不足。针对计算复杂度高的问题，人们提 出了球形解码( s p h e r ed e c o d e r ，s d ) 算法。 球形算法最早由f i n c k e 和p o h s t 在文献口4 1 中提出。他们当时用该算法从纯 数学的角度研究整数最小二乘问题，对变量的范围并未做限定。s d 算法的基本 思想比较简单：预先在多维空间中确定一个初始矢量，然后再以这个矢量为中心 搜索规定半径内的合适点，通过限制或减少搜索半径减小需要搜索的范围，从而 减少搜索时间，提高搜索效率。 v i t e r b 和b i g l i e r i 最先将球形算法应用到通信领域的多维星座的最大似然检测 中心5 1 ，产生了s d 算法解码。s d 的最大优势是其计算复杂度在较大的信噪比范围 内仅仅与天线数目呈多项式关系，但也存在不足，明显的是初始化半径的选择、 7 基于量子遗传球形算法的m i m o 系统多用户检测技术研究 更新半径的选择以及迭代次数的确定。 近来，a g r e l l 等人利用s c h n o r r e u c h n e r 方法心8 1 对之前p o h s t 提出的搜索策略作 了优化。优化后的算法比之前的算法都更加有效，特别是在信噪比较大时，其搜 索效果比较理想。但是，由于其平方化的搜索半径取值范围是无限的，所以该算 法在找到m l 解之前就必然会搜索很多点，从而在一定程度上降低了搜索效率。 国内关于球形解码算法的研究起步较晚。华中科技大学的杨宗凯老师，刘超博 士等人在这方面的研究最为深入，先后在i e e e 、c h i n e s ej o u r n a lo f e l e c t i o n i c s 以 及电子与信息学报上发表了多篇有关s p h e r ed e t e c t o r 的学术论文乜7 。2 们。 1