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太原理j ：大学硕士研究生学位论文 基于空时编码的多用户检测算法研究 摘要 随着因特网和多媒体在下一代无线通信中的应用，宽带高速数据通 信服务的需要正在不断增长。由于可用无限频谱资源的有限性，高数据 速率只能通过高效的信号处理来实现。 信息论领域近期的研究表明，在无线信道中使用多输入多输出 ( m i m o ：m u t i p l e i n p u tm u t i p l e o u t p u t ) 系统可以显著提高通信容量。在 m i m o 信道中，空时编码是能够使系统容量接近理论容量的一种编码方 式，空时编码和相关的m i m o 信号处理技术已引起了广泛的关注。同时， 无论从技术角度，还是市场和经济的角度出发，作为3 g 核心技术的 c d m a 技术必将在未来几年内具有十分重要的地位，因此，如何利用先 进的空时编码和m i m o 技术、提高c d m a 系统的容量和性能成为近两年 来的研究热点。 本文从空时信道模型出发，讨论了空时信道的容量、空时编译码方 法，重点研究了两种空时编码方式在c d m a 系统中的应用，详细研究了 采用空时编码时的空时多用户检测算法，主要工作如下： 1 研究了目前分层空时多用户检测算法的局限性和缺点，提出一种 改进的分层空时分组多用户检测算法； 2 基于h 。鲁棒控制的思想，将h * 鲁棒滤波方法应用于多用户检测 领域，提出一种基于鲁棒k a l m a n 滤波算法的多用户检测算法，该算法在 i 太原理工大学硕士研究生学位论文 无法确定干扰统计特性的情况下，仍能快速收敛，克服了传统的盲自适 应k a l m a n 滤波多用户检测算法的局限性。 3 研究了目前空时编码多用户检测的方法和性能，基于降维、并行 处理的思想，提出一种低复杂度的空时多用户检测算法，并运用新提出 的鲁棒k a l m a n 滤波算法验证了这种并行处理的性能。 4 。研究了空时编码在频率选择性衰落信道下的性能问题，将传统的 分层空时多用户检测方法和空时编码多用户检测方法推广到多载波环境 下，研究了m c c d m a 环境下空时多用户检测的方法和性能。 关键词分层空时编码，空时分组编码，多用户检测，鲁棒k a t m a n 滤波 太原理工大学硕士研究生学位论文 s p a c e t i m ec o d em u i j i u s e rd e t e c t l 0 n a l g o r 【t h m sr e s e a r c h a b s t r a c t a sn e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi n t e g r a t e dw i t h i n t e r a c ta n dm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n ，t h ed e m a n df o rh i g hs p e e dr a t ed a t a t r a n s m i t t i n gs e r v i c e si si n c r e a s i n g t h i sl e a d st om u c hr e q u i r e m e n t so fb r o a d b a n d b e c a u s et h ew i r e l e s s f r e q u e n c y i s f i n i t e ，h i g hs p e e d r a t e c o m m u n i c a t i o n sc a n o n l y b er e a l i z e d b ye f f i c i e n ts i g n a lp r o c e s s i n g t e c h n o l o g i e s r e c e n t l yt h er e s e a r c h e so ni n f o r m a t i o nt h e o r ys h o wt h a tm u l d - i n p u t m u l t i - o u t p u t ( m i m o ) s y s t e mc a nd r a m a t i c a l l yi n c r e a s ew i r e l e s sc h a n n e l c a p a c i t y a n ds p a c e t i m ec o d ei so n eo fm e a n st h a tm a k e sc h a n n e lc a p a c i t y a p p r o a c ht h e o r e t i c a lv a l u e s p a c e t i m ec o d ea sw e l la so t h e rr e l a t i v es i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e sh a s a t t r a c t e da b r o a da t t e n t i o n f r o mn o t o n l y t e c h n o l o g y , b u ta l s om a r k e ta n de c o n o m y , c d m aw i l lp l a ym u c hi m p o r t a n t r o l e i nt h e f u t u r et e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya so n eo f3 gc o r e t e c h n o l o g i e s s oh o wt oi n c r e a s ec a p a c i t ya n dp e r f o r m a n c eo fc d m as y s t e mu s i n g a d v a n c e ds p a c e - t i m ec o d et e c h n o l o g ya n dm i m oo n e sr e c e n t l yh a v eb e e n r e s e a r c hh o t s p o t b e g i n n i n gf r o ms p a c e - t i m e c h a n n e lm o d e l ，t h i sr e s e a r c h s u b j e c t d i s c u s s e ss p a c e - t i m ec h a n n e lc a p a c i t ya sw e l la ss p a c e - t i m ee n c o d i n ga n d i i i 太原理工大学硕十研究生学位论文 d e c o d i n ga l g o r i t h m s i te m p h a s i z e so nt h ea p p l i c a t i o n r e s e a r c ho ft w o s p a c e - t i m ec o d e ，d e t a i l s t h e s p a c e t i m e m u l t i u s e rd e t e c t i o na l g o r i t h m s c o m b i n i n gw i t hs p a c e - t i m ec o d et e c h n i q u e t h i sr e s e a r c h sp r i m a r ys t u d i e s a r ef o l l o w i n g ： ( 1 ) a n a l y z i n gt h el i m i ta n dd i s a d v a n t a g eo fe x i s t i n gl a y e r e ds p a c e - t i m e m u l t i u s e rd e t e c t i o na l g o r i t h m s ；t h i ss t u d yp r o p o s e sa ni m p r o v e do n eb a s e d o ng r o u p i n g ( 2 ) i n s p i r e d f r o m 日”r o b u s tc o n t r o lt e c h n i q u e ，t h i sr e s e a r c ha p p l i e s f i l t e r i n gt om u d ，a n dp r o p o s e san e wm u da l g o r i t h mb a s e do nr o b u s t k a l m a nf i l t e r i n g b e c a u s ei tc a nr a p i d l yc o n v e r g ew h e nt h es t a t i s t i c a l p r o p e r t yo fi n t e r f e r e n c e so rn o i s e s a r eu n k n o w n ，t h i sa l g o r i t h mh a sb e t t e r p e r f o r m a n c et h a ne x i s t i n gb l i n da d a p t i n gm u d b a s e dk a l m a nf i l t e r i n g ( 3 ) d i s c u s st h em e t h o da n dp e r f o r m a n c eo fe x i s t i n gm u dc o m b i n i n g w i t hs p a c e t i m ec o d e ，a n db r i n gf o r w a r dal o w e rc o m p u t i n gc o m p l e x i t y s t - m u db a s e do ni d e ao fd e c r e a s i n go r d e ro fm a t r i xa n dp a r a l l e lp r o c e s s i n g t h e nt h ep e r f o r m a n c eo ft h i sm e t h o di sv e r i f i e db yn e wr o b u s tk a l m a n f i l t e r i n g ( 4 ) i n v e s t i g a t e e f f e c to f f r e q u e n c y - s e l e c t i v e c h a n n e lo i l d e t e c t i n g p e r f o r m a n c e o fs p a c e t i m e c o d e ，a n dr e s e a r c h t h et r a d i t i o n a l l a y e r e d s p a c e t i m em u d a n ds t b cm u du n d e rm c - c d m ae n v i r o n m e n t d i s c u s s t h ea l g o r i t h m sa n dp e r f o r m a n c es t - m u di nt h em c c d m as y s t e m k e yw o r d sb e l ll a y e r e ds p a c e - t i m e ，s p a c e t i m eb l o c kc o d e ，m u l t i u s e r d e t e c t i o n ，r o b o s tk a l m a nf i l t e r i n g 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 南逮、室! e t i 鄯i ： 塑2 ：芷：2 查 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签 名：高：基壹：日期：地2 ：2 笸 导师签名： 太原理l ：人学硕七研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 在过去的十几年里，无线通信获得了迅猛的发展，从模拟通信到数字通信， 从单纯的话音传输业务到包括低速数据传输的综合业务，从单基站系统到多基站 系统，从单一覆盖模式到蜂窝和复蜂窝覆盖模式。无线通信技术的不断进步扩大 了无线通信的应用范围，使得新的应用领域层出不穷，例如移动电话数据多媒体、 移动计算、移动电子商务、蓝牙( 微型网络) 、无线局域网和无线i n t e r n e t 等等。 目前，第三代( 3 g ) 宽带无线通信系统已经在许多国家实现商用，很多研究机构 又开始了第四代( 4 g ) 无线多媒体通信技术的研究并取得了一定的进展。 无线通信的需求不断增长，也推动着技术向获得更高容量，更高性能的方向 发展。人们期望将来的无线通信系统即使是在非常复杂的传播环境下也能达到更 高的传输速率，容纳更多的用户。然而与有线通信系统相比，无线通信系统面临 着更多的挑战，如复杂的多径时变传播环境，有限的频谱资源，移动端有限的能 量存储能力，更高的传输速率，更好的通话质量等。因此，如何提高频谱效率， 增强无线系统性能成为国内外研究学者，工业部门广泛关注的热点问题。 、 研究表明，如果不采用智能天线技术、分集技术( 包括空时编码技术) ，未来 无线通信系统的性能需求将可能无法得到满足。而对于高性能的无线通信系统， 无论它是否采用空时处理技术，都要面临三个主要的障碍。第一个就是由多径衰 落引起的信号衰落。多个具有不同幅度、相位的多径信号相互干扰使得接收到的 信号随时间、位置的变化而变化，因此，对于某个给定的误比特率，这将需要增 加发射信号的功率。第二个障碍就是多用户干扰( 也称多址干扰) 。多址干扰( m a i ： m u l t i p l e a c c e s si n t e r f e r e n c e ) 主要是由于多个用户共享同一个信道，不同用户之间 产生的干扰，这个问题在码分多址( c d m a ：c o d ed i v i s i o nm u l t i l ：i l ea c c e s s ) 通信 太原理工大学硕士研究生学位论文 系统中可能更严重，因为同一小区的所有用户都共享同一频带。多用户干扰会限 制系统的容量。第三个障碍为由无线信道的频率选择性所导致的码间干扰( i s i ： i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ，码间干扰主要影响数据的最高传输速率。 本课题在讨论空时信道模型和空时编译码方法的基础上，研究空时编码在 c d m a 系统中的应用，着重研究空时编码( 包括分层空时编码、空时分组编码及 差分空时分组编码) 和c d m a 结合时的多用户检测方法；讨论无线信道的频率选 择性对空时性能的影响，进而研究m c c d m a 下的空时多用户检测方法。 以下各节对本文所涉及的c d m a 技术、多用户检测技术、空时处理及多载波 技术分别作一简单介绍，为后续章节讨论空时编码多用户检测奠定基础。 1 2c d m a 通信系统中的多用户检测 1 2 。1c d m a 技术 在无线通信系统中，可能存在着多个用户同时通信、用户数量随机变化、用 户位置随机移动的情况，区分与识别这些用户就要涉及到多址技术。频分多址 ( f d m a ：f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ，时分多址( t d m a ：t i m ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) ，码分多址是无线通信系统中共享同一频带的三种主要的多址方 式。f d m a 为每个用户分配唯一的信道，一旦该信道被分配，其他用户则不能再 共享这一信道。t d m a 系统则在一个给定的无线频道上，将连续时间分成若干时 隙，每个用户在一个周期内占用所分配频率的某一时隙，在规定的时间内收发信 号。而在c d m a 系统中，所有用户共用同一频段及时隙，不同用户分配给一个唯 一的地址码，利用地址码的相关性来区分不同用户的信息。图1 1 给出了一个 d s - c d m a 系统的原理框图【1 】。 在d s c d m a 系统中，码片速率比信息速率要高得多，所有用户使用同一载 频，且可以同时进行通信。目前，常规的d s c d m a 接收机都是基于r a k e 接收 机原理完成相关运算以检测期望用户信号。在相关器输出端，接收机把所有其他 用户的信号看作加性噪声，并没有利用于扰用户的特定结构信息，因此它无法有 2 太原理t 大学硕士研究生学位论文 效抑制多址干扰，从而使d s c d m a 系统的性能受到很大的限制。 图1 - 1d s c d m a 系统框图 f i g 1 - 1d s - c d m as y s t e mb l o c kd i a g r a m c d m a 系统可以接受一定程度的多址干扰，然而系统中每增加一个活动用户， 都会使总的干扰电平相应增加。每个用户引起的干扰电平取决于其功率电平、相 对于系统中其它用户信号的定时同步以及它与其他用户信号的互相关情况。随着 干扰用户的不断增加，等效的噪声将导致系统性能迅速恶化。即便是系统中的用 户数不太多，但若干扰用户比期望用户距离基站近得多，干扰信号在基站的接收 功率也可能比期望用户信号的接收功率大很多，期望用户的扩频序列与干扰用户 信号之间的互相关就有可能比期望用户扩频序列与期望用户信号之间的自相关 大，因此常规的相关接收机的输出中多址干扰的成分就有可能很严重，期望用户 信号甚至有可能淹没在干扰信号中，这就是所谓的“远近”效应问题。 为了克服“远近”问题，在大多数c d m a 系统中均采用功率控制技术。功率 控制在基站实现，保证该基站范围内的每个移动用户都能给基站接收机提供大致 相同的信号电平。尽管在系统中采用了功率控制技术，但是d s c d m a 系统的性 能与信道容量仍受到多址干扰的限制。 1 2 2 多用户检测技术 解决多址干扰，抵抗信道衰落的有效方法是充分利用各用户间的时域和空域 相关性，来抑制多址干扰和多径频率选择性衰落信道的影响，如采用智能天线技 术、多用户检测技术和发射分集技术等。多用户检测器利用了多址干扰的特定结 构，因此与常规的相关接收机相比，多用户检测技术可以大大提高系统容量。 最优多用户检测裂2 】最先由v c r d u 于1 9 8 6 年提出，它由一组相关器或匹配滤 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 波器紧接个采用维特比( v i te ! r b i 算法的最大序列检测器组成。最优多用户检测 器的计算复杂度和用户个数成指数关系，在用户个数较多时，v e r d u 提出的最优多 用户检测器计算量非常大。而且该检测器需要己知期望用户和干扰用户的几乎所 有信息( 特征波形、信道响应) ，因此这种检测器根本无法在实际当中应用。所以 后来的研究都是寻求性能和复杂度的折中的次优多用户检测，掀起了多用户检测 技术的研究热潮。 次最优多用户检测器主要分为线性检测器和非线性检测器。其中线性检测器 主要有解相关检测器( d c ：d e c o r r e l a t i o n ) 和最小均方误差检测器( m m s e ：m i n i m u m m e a ns q u a r ee r r o r ) 。非线性检测器主要分为多级检测器，判决反馈检测器，干扰 抵消器，并行干扰抵消器，基于神经网络的多用户检测等。 在实际的通信系统中，多用户信号检测应该是实时处理的，因此人们开始寻 找一种自适应的多用户检测算法。1 9 9 2 1 9 9 4 年问u m a d h o w 、m h o n i g 和s v e r d u 等人先后提出了基于m m s e 的自适应多用户检测器【3 】【4 】，这种检测器不需要知道 干扰用户的特征波形、定时信息以及干扰用户的相对幅度就可以对期望用户的信 号进行检测。但是它需要使用训练序列，根据训练序列来锁定滤波系数，因此在 非平稳的情况下，需要每隔一段时间来重新发送训练序列，造成频谱资源的浪费。 1 9 9 5 年m h o n i g 等基于最小输出能量准则( m o e ：m i n i m u mo u t p u te n e r g y ) 首先提出了盲多用户检测的概念【4 j ，并给出一种盲多用户检测的典范形式。这种检 测器，不需要训练序列就可以正确解调期望用户的信号，成为近几年的研究热点。 目前盲多用户检测的研究方法主要有：基于最小输出能量准则的多用户检测， 基于恒模( c m ：c o n s t a n tm o d u l u s ) 准则的多用户检测【5 焖，基于子空间分解的多 用户检测川。此外，还有基于卡尔曼滤波算法的多用户检测【8 】【9 1o 】【1 1 】和基于隐马尔 可夫模型的多用户检测旧等等。 基于m c c d m a 研究多用户检测技术则是近几年的热点，研究方法大多是对 d s c d m a 系统中的检测方法进行推广。 4 太原理r 。人学硕士研究生学位论文 1 3 空时处理技术 对于无线c d m a 通信，用户和障碍物都分布在不同的地理位置，从而多址干 扰和多径衰落具有空时耦合的结构特征。只采用时域信号处理或者空域信号处理， 能够抑制多址干扰和多径引起的符号间串扰。但是，由于二者都没有充分利用无 线通信信道的空时耦合的结构特征，所以限制了各自的干扰抑制能力，从而不可 能最大限度地提高无线通信系统的性能。联合进行时域和空域信号处理的空时处 理技术，能够充分利用无线信道的空时结构特征，进一步提高无线通信系统的用 户容量、覆盖范围和传输速率1 1 3 1 4 】【1 5 】 1 6 】【1 7 】。 空时处理的研究首先是在雷达领域开展的，九十年代应用于无线通信领域。 根据无线链接的不同结构，空时处理可以分为接收空时处理( 单天线发射，多天 线接收) 、发射空时处理( 多天线发射，单天线接收) 及m i m o 技术( 多天线发射， 多天线接收) 。 i 3 1 接收分集 同一信号在不同的接收天线上被接收，只要天线间隔与载波波长相比足够大， 则通过各个衰落信道后，各接收天线接收的信号出现的衰落将是彼此独立的。分 集接收时，接收端得到的多个不同的独立信号可以通过不同形式的合并技术获得 分集增益。从接收看，合并可以在中频和射频上进行，也可以在基带上进行。通 常的分集合并技术主要有选择性合并( s c ：s e l e c tc o m b i n i n g ) ，最大比合并( m r c ： m a x i m a lr a t i oc o m b i n i n g ) 及等增益合并( e g c ：e q u a lg a i nc o m b i n i n g ) 三种。选 择合并概念上最简单：在多个支路接收信号中，选取信噪比最高的支路信号作为 输出信号。由于选择合并只需要测量每个支路的接收功率，因此很容易实现。最 大比合并对每一支路的接收进行加权处理，加权的权重依各支路的信噪比来分配， 信噪比大的支路权重大，信噪比小的支路权重小。从信噪比最大的角度来看，最 大比合并是最优的，但它需要估计信道衰落系数。在最大比合并中，若取各个支 路的权都为1 即为等增益合并。等增益合并性能仅次于最大比合并，当支路数较 多时，其性能与最大比合并相差不多。 5 太原理_ t 大学硕士研究生学位论文 1 3 2 发射分集 由于体积和成本的限制，在移动端使用多个天线可能比较困难，因此更经济 可行的办法是在基站而不是在移动端使用多个天线，所以下行链路采用发射分集 技术在实际系统中是非常可取的。发射分集根据发端是否需要信道状态信息可以 分为两大类：闭环发射分集和开环发射分集。闭环发射分集方案显式或隐含地使 用接收机到发射机的反馈信息来配置发射机。开环发射分集方案则不需要反馈信 息，仅在发射时利用线性处理将要发送的信息分布到各个天线上。在收端，利用 线性处理或最大似然译码技术来恢复发送的信息。 最近，基于多天线系统的信道编码方法引起了国内外研究学者的极大兴趣。 v t a r o k h 首先提出空时码( s t c ：s p a c e - t i m e c o d e ) 的概念【1 9 】【2 0 】，并用格形编码调 制构造了一些空时码，即空时格形码( s t t c ：s p a c e t i m et r e l l i sc o d e ) 。空时格形 码集多天线发射分集和编码于一体，具有较好的频率有效性和功率有效性。但当 发射天线个数固定时，s t t c 的译码复杂度随发射速率的增加呈指数增加。在解决 译码复杂度问题时，s m a 1 a m o u t i 发现了一种简单的发射分集方案【2 1 1 ，文献 2 2 】 2 3 将其归纳为空时分组码( s t b c ：s p a c e - t m e b l o c k c o d e ) 。 1 3 3m i m o 技术 m i m o ( 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 ) 技术最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出 的，它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的s i s o ( s i n g l e i n p u ts i n g l e - o u t p u t ) 系统，m i m o 还可以包括s i m o ( s i n g l e - i n p u t m u l t i - p i e o u t p u t ) 系统和m i s o ( m u l t i p l e - i n p u ts i n g l e - o u t p u t ) 系统。 m i m o 无线通信技术是天线分集与空时处理技术相结合的产物，它源于天线 分集与智能天线技术，具有二者的优越性，属于广义的智能天线的范畴。该技术 结合了天线发射分集、接收分集与空时编码技术，在多径传播环境中，通过增大 阵元间距与角度扩展以及结合空时处理来捕获、分离与合并多径。m i m o 系统在 发端与收端均采用多天线单元，运用先进的无线传输与信号处理技术，以及无线 信道的多径传播，因势利导，开发空间资源，建立空间并行传输通道。在不增加 6 太原理r ：大学硕士研究生学付论文 带宽与发射功率的情况下，成倍提高无线通信的质晕与数据速率，堪称现代通信 领域的重要技术突破。 m i m o 技术利用了无线信道多径传播的固有特性：在无线通信中，如果在发 送端与接收端同时采用多天线系统，只要各天线单元间距足够大，无线信道散射 传播的多径分量足够丰富，各对发一收天线单元间的多径衰落就趋于独立，即各 对等效的发一收天线间的无线传输信道趋于独立，这些同频率、同时间、同信道 特征码的子信道趋于相互正交。发射数据流b 被分离为脚路子数据流，在调制与射 频前端处理后以相同的频率分别经* 副天线同时发射出去。经无线信道的散射传 播，这些并行子流从不同路径到达接收机，由一。副天线接收，接收机采用先进的 信号处理技术对各接收信号联合处理，可恢复出原始数据流。 虽然理论分析结果表明m i m o 无线技术能够极大地提高系统容量与可靠性， 但仅有分析是不够的，更为重要的是开发误码性能与复杂度折衷的传输方案以获 取m i m o 系统的实际性能增益。大量m i m o 算法企图同时充分获取分集与复用增 益，因此可将m i m o 算法方案分为两大类。 第一类是分集最大化方案，即空时编码方案。天线分集可以对抗信道衰落， 提高无线链路的可靠性，并且联合应用多维天线分集与时间分集，可以获得更好 的分集效果，即通过空时编码而增加传输的空时冗余信息，从而提高无线传输的 稳健性。在延时发射分集的基础上，t a r o k h 等提出了空时格形码，它具有卷积码 的特征，并将格形编码、调制与发射分集结合在一起，在不增加带宽的情况下， 可以同时获得满分集与高编码增益。它利用某种格形图，将同一信息从多副天线 发射出去，在接收端采用基于欧氏距离的v i t e r b i 译码，其复杂度很高，且随传输 速率呈指数增加，但其性能较好，抗衰落能力强。随后，各种空时编码得到快速 发展，如t u r b o 空时格形码与级联空时码等。然而，空时编码的盛行实际是从空时 分组码的发现开始的，因为s t b c 的构造比较容易。由于发射信号两两正交，收 端可采用线性最大似然检测，其译码简单。s t b c 的性能只与分集阶有关，它可以 获得满分集增益，但是没有编码增益，其抗衰落性能较差，尤其是抗快衰落性能 很差，因此，更适于微小区或微微小区环境。 7 太原理工大学硕十研究生学位论文 第二类为数据率最大化方案，即复用方案，因为m i m o 系统的多天线也可实 现空间复用。无线信道的多径传播增加了m i m o 系统可用的自由度，若各对收发 天线路径的衰落独立，则空间矩阵信道创建了多个并行的空间传输通道，利用并 行通道传输独立的信息流，从而提高系统的数据率。著名的b l a s t ( b e l ll a y e r e d s p a c e t i m e ) 结构【“1 ，就是将待发射的信息流分解为多路并行子流，对各路独立地 进行编码、调制与映射到其对应的发射天线上，在收端采用迫零或迫零结合干扰 消除等技术将多路子数据流分离。其实质是将单路高信噪比信道分解为多路相互 重叠的低信噪比信道并行传输，达到空间复用的目的，从而提高频谱利用率。复 用方案也可归结为分层空时编码结构，包括v - b l a s t ( v e r t i c a l b l a s t ) 、 d b l a s t ( d i a g o n a l b l a s n 等。 然而，纯粹的天线分集与纯粹的复用方案并非最优方案，因为m i m o 系统本 身的自由度在给定天线配置下是有限的，它们各自都只解决了问题的一个方面， 即获取更高的分集增益是以牺牲复用增益为代价的，反之亦然。于是，在m i m o 算法开发中如何对二者进行折衷以同时获得分集与复用增益达到最佳的系统性 能，成为人们追求的目标。 1 3 4 空时多用户检测 在蜂窝c d m a 通信系统中，c c i ( 同信道干扰) 和i s i ( 码间干扰) 同时存 在，单独的时域处理或空域处理不能同时对消这两种干扰。将空间和时间处理有 效结合，同时利用信号的时间和空间特征，这种联合的空时信号处理技术不仅 可以对消c c i 和i s i ，还可以提供阵列增益和分集增益，并因此提高网络的容量 和覆盖范围。 文献 1 3 最先将空时处理与多用户检测相结合，研究了加性白噪声条件下的空 时解相关检测，h u a n g 进一步在小时延多径信道条件下，深入研究了各种结构的空 时解相关检测和空时m m s e 检测口5 】渊，w a n g 利用期望最大( e m ：e x p e c t m a x i m u m ) 算法研究了多径信道条件下空时解相关检测的迭代实现f 2 7 】。h o s u r 最 早在加性白噪声条件下研究了最小方差盲空时多用户检测【2 8 1 。 随着人们对空时编码研究的开展和深入【2 1 1 1 2 9 1 ，对空时多用户检测的研究开始 8 太原理工大学硕十研究生学位论文 转向基于宅时编码与多用户检测的结合。 例如，基于文献【2 4 提出的结构，s f a r 等人提出了适用于上行链路的分层空时 多用户检测算法【3 0 】，采用该方法，基站配备n 个天线( n ，1 ) ，移动台配备一个天 线，将小区中的所有移动台分成g 组，每组肘个用户，组内用户使用相同的扩频 码，这样每个组就可以看作是配备了膨个发送天线的一个用户，从而构成了一个 ( 材，) 系统，而且由于组内多个用户使用相同的扩频码，所以使用较小的扩频因子 就可以获得较大的容量。与文 2 4 】一样，发端无需专门的编码，接收端采用两级结 构，第一级为空一码组合匹配滤波器，先将不同的组区分开来；第二级为分层空时 检测器，用来抑制组内的多用户干扰。文献 2 1 1 提出一种简单的发射分集技术，该 技术通过在发端采用空时分组编码，接收端进行简单的最大似然译码就可以达到 与接收分集相同的分集增益。文献 3 1 采用文献 2 1 1 提出的分组编码方法，讨论和 比较了四发两收的系统下，采用线性多用户检测方法与串行干扰抵消方法的空时 检测性能，结论是空时线性检测方法的性能优于串行干扰抵消方法，但计算复杂 度要高。 1 4 多载波技术 1 4 1 多载波调制原理 多载波调制( m c m ：m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ) 的就是将高速的数据流通过串 并变换分解成若干低速的比特流，并且用这些数据流去并行调制若干个子载波， 再叠加在一起进行发送。在接收端用同样的子载波对信号进行相干接收，获得各 子信道的低速率数据后，再通过并串变换得到原来的高速信号。多载波调制的主 要优点就是具有抗多径信道时间扩散的特性。 在多载波调制的子信道中，由于数据速率低，码元周期长，而决定频选性能 的因素在于扩散区间在被传送信息码元中所占的相对百分比，因此只要时延扩展 与码元周期之比小于一定的值，就不会影响到判决。多载波系统的原理框图如图 1 2 所示。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 - 2 多载波调制系统框图 f i g 1 - 2m u l t i - c a r r i e rm o d u l a t i o ns y s t e md i a g r a m 根据子载波的特性，在多载波调制中由三种常见的子载波形式： ( 1 ) 传统的频分复用，它将整个频带划分为个互不重叠的子信道，在接收 端用滤波器组进行分离； ( 2 ) 采用偏置q a m ( s q a m ) 技术，在3 d b 处载波频谱重叠，其复合谱是 平坦的，子带的正交性通过交错同相或正交子带的数据得到( 即将数据偏移半个 周期) ； ( 3 ) 正交频分复用，各子载波有1 2 重叠，但保持相互正交。这是目前应用 和研究最广泛的一种方式。 1 4 2 正交频分复用 正交频分复用( o f d m ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 是一种高 效多载波调制技术，它使用相互正交的一组子载波构成子信道来传输各个子数据 流，各子载波有1 2 重叠，提高了频谱效率，且能够有效地对抗多径传播，使受到 干扰的信号能够可靠地接收。由于各子载波相互正交，在接收端可通过相关解调 技术来分离各子信道，避免使用复杂的滤波器组。 o f d m 的具有以下主要优缺点 1 、优点： ( 1 ) 经串并变换，大大降低了符号速率，同时插入了保护间隔，几乎全部消 除了符号间串扰； 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 在带宽受限系统中的低符号速率传送，l 需采用简单的均衡就可以达到 很好的性能，而传统单载波则高要采用复杂的接收技术。 2 、缺点： ( 1 ) 由于保护间隔的插入将带来功率与信息速率的损失； ( 2 ) 多载波系统对频率和定时同步的要求极为严格，同步误差会导致系统性 能的迅速恶化； ( 3 ) 因o f d m 符号是许多独立信号的叠加，其包络服从高斯分布，因此其峰 值功率与平均功率的比值较大，对系统前端放大器的线性范围要求增大； ( 4 ) 由于不同的子载波对应不同的信息符号，为防止某个子载波受深度衰落 而出错，必须在o f d m 符号的一帧内采用纠错保护，因此必须提供冗余的子载波。 1 4 3m c c d m a 基本原理 m c c d m a 最早是由l i n n a r t z 等人1 3 钔提出来的，它是将o f d m 技术应用于码分 多址，从而使c d m a 系统能更好的克服码元的符号间串扰( i s i ) 的影响。其基本 思想简述如下： ( 1 ) 首先使用正交的扩频码( 扩频增益= n ) 对用户信息进行扩频调制，则 第m 个用户扩频后的信号表示为： s = 4 c ( 叱h 精( r a 7 其中：a 表示扩频前的码元，c 表示扩频码； ( 2 ) 扩频后的信号再经过o f d m 调制，将信号的每个码片( c h i p ) 调制到不 同的子载波上，使矢量s 的个分量0 州并行地在个子载波上传送。每个分量 0 卅的时间周期与o f d m 的符号周期相等，加上保护间隔后的时间周期为 z = z + l = 幄+ t ，其中，z 为信息符号周期，互为码片周期，t 为保护间隔； ( 3 ) m c c d m a 是频域扩频，每个码片占用一个予载波； ( 4 ) 系统中调制解调由i f f t 、f f t 来完成。多个用户的输入数据并行地加在 太原理r 1 = 大学硕士研究生学位论文 系统的输入端，利用扩频码，将每个用户的数据扩展到所有的子信道上，并与其 它用户的信号叠加，叠加后的信号通过i f f t 变换到时域，完成串并变换，同时加 入保护间隔。再通过数模变换和低通滤波形成模拟基带信号，用上变频搬移至射 频信道。接收机的解调部分完成发射机调制部分的逆过程。 1 4 4m i m o 与o f d m 的结合 m i m o 系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说m i m o 可以抗 多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，m i m o 系统依然是无能为力。目前解决 m 1 m o 系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有一种是利用 o f d m 。大多数研究人员认为o f d m 技术是4 ( 3 的核心技术，4 g 需要极高频谱利 用率的技术，而o f d m 提高频谱利用率的作用毕竟是有限的，在o f d m 的基础上 合理开发空间资源，也就是m i m o + o f d m ，可以提供更高的数据传输速率。另外 o f d m 由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多 径时延小于保护间隔，所以系统不受码问干扰的困扰。 1 5 本文的主要工作和结构安排 这一章，我们简要综述了c d m a 技术、多用户检测技术、空时处理及多载波 技术，并对目前空时领域的多用户检测技术的发展和研究方向做了较为详细的说 明，在后续的章节还将就这一核心内容作进一步的分析和探讨。 第二章首先介绍了无线电波传播的基本原理及传播特性，并描述了无线信道 多径传播的数学模型。其次，讨论了空时信道模型，并对m i m o 无线信道的信道 容量及掉线容量等问题进行了详细论述。 第三章分析了既有分层空时多用户检测算法的缺点，提出了一种改进的分层 空时分组多用户检测方法；针对传统盲自适应k a l m m l 滤波多用户检测算法的局限 性，将鲁棒k a l m a n 滤波( h 。滤波) 理论引入到多用户检测中，并应用于分层空 时多用户检测算法。 第四章通过将鲁棒k a l m a n 滤波算法应用于空时分组编码多用户检测算法，基 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 于降秩、并行处珲的思想，提出一种低复杂度的空时多用户检测算法。 第土l 章将分眨空时多用户检测和空时分组编码多用户检测推广到m c c d m a 环境下，通过仿真分析了各种算法的性能。 最后对本课题所作的工作做了总结，并提出下一步主要研究的方向。 1 3 太原理工大学硕七研究生学位论文 第二章空时信道模型 本课题研究的多用户检测技术属无线通信领域的接收技术，更狭义的讲主要 是侧重于移动通信方面。由通信系统模型我们知道，信源、信道、信宿是构成通 信系统的三个要素，信源是已知的，而要研究信宿的接收技术，则依赖于对信道 的了解，只有更深入的了解信道的特性，才能更好的研究通信收、发技术，提高 通信质量。 移动信道属于无线信道，它既不同于传统的有线信道，也与一般的固定接入 无线道有所区别。有线信道是恒定参量的、人为制造的信道，无线信道客观存在 的变参量信道，移动信道是无线信道的一个子类，它既具有无线信道的特点，又 具有终端用户随机移动的特点。 2 1 移动无线信道传播特性 在有线通信系统中主要考虑加性高斯白噪声对系统性能的影响，而在无线通 信环境中，则必须考虑收发天线间的距离，建筑物等的遮挡引起的信号衰减以及 信号的多径分量、多普勒频移等相互干扰引起的衰落闯题。 无线信道对传输信号的影响可以分为三类【1 8 】【3 5 】： ( 1 ) 自由空间的路径损失( 也称传输损耗) ：它是指电波在空间传播时产生 的损耗，它反映了传播在宏观大范围( 公里量级) 的空间距离上的接收新号电平 均值的变化趋势； ( 2 ) 阴影衰落( 慢) ：由传输环境中的地形起伏，建筑物或其它障碍物对电 波的阻塞、遮蔽而引起的衰落；它反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均 值变化而产生的损耗，一般遵从对数正态分布，其变化率较慢故又称为慢衰落； ( 3 ) 多径衰落( 快) ：由无线传播环境中的多径传输而引起的衰落。它反映 微观小范围内数十波长量级接收电平的均值变化而产