（电路与系统专业论文）异步色散cdma信道ε盲多用户检测.pdf

南京邮电学院硕士学位论文 摘要 在异步高速d s c d m a 系统中，多径传播引起的符号间干扰( i s i ) 变得很 严重而且不能忽略。与此同时由于在非理想条件下各个用户之间会存在多址干 扰，这些都阻碍了系统总体性能的提高。因此，对色散c d m a 信道来说，必须 采用兼备的盲均衡和盲多用户检测。本文首先构造色散c d m a 信道的多输入多 输出( m i m o ) 信号模型，然后再考虑多径环境下的盲均衡和盲多用户检测。 近年来已出现了一些兼备盲均衡和盲多用户检测的算法，如子空间法、恒模 法以及线性预报法等。这些方法在某些情况下对色散信道的盲辩识是有效的，但 却都有明显的缺点。 为了克服这些算法的缺点，我们提出一种基于e 近似的盲均衡和盲多用户检 测的新算法。由于期望用户的扩频码是唯一的且在接收端已知，新算法利用期望 用户扩频码的唯一性和发射信号属于有限字符集的特征，把盲多用户检测问题构 造成为带二进制数约束的二次规划问题。这样，既不必进行信道估计，也不必进 行均衡器系数的调整，e 近似算法就可以直接恢复期望用户的发送信号。该算法 无需任何高阶统计量，也无需把噪声限定为高斯分布。更值得指出，该算法能够 以多项式级的计算复杂度保证收敛于全局最优解的e 邻域内。仿真结果优于其它 已有算法，也符合相应的理论分析。新算法不仅可以适用于同步信道也适用于异 步信道，而且仅需利用很少的数据量就可以获得令人满意的结果。 关键词 高速d s c d m a ，异步，色散信道，盲均衡，盲多用户检测，符号间干扰，e 近 似算法 南京邮电学院顶，l 学位论文 a b s t r a c t f o r h i 曲s p e e da s y n c t l r o n o u sd s c d m a ( d i r e c ts e q u e n c ec o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s )s y s t e m s ，i m e r s y m b o l i n t e r f c r e n c e ( i s d t h a ti sc a u s e d b ym u l t i p a n l p r o p a g a t i o nb e c o m e s s e v e r ea 1 1 dc a m l o tb e i g n o r e d t o g e t h e rw i t h 也em u l t i p l ea c c e s s i m e r f e r e n c e ( m a i ) d u et o n o n i d e a lc o n d i t i o n si n c d m a ，t h e y b e c o m em a j o r o b s t a c l e st oo v e r a l ls y s t e mp e r f o m l a n c e t h e r e f o r e ，j o i n tb l i n de q u a l i z a t i o na n db l i n d m u l t i u s c rd e t e c l j o na r ee s s e n t i a 】l os u c hd i s p e r s i v ec d m ac h 黝e l s 】nt h j sp 印e r ，w e f i r s tc a s t 也ed i s p e r s i v ec d m ac h a n n e li n t oam u l t i p i e i 印u tm u l t i p l e o u t ( m i m 0 ) s i g n a l m o d e lf r a m e w o r kt h e n ，t h e p r o b l e mo fb l i n d c h a n n e l e q u a l i z a t i o na n d m u l t i u s e rd e t e c t i o ni na m u h i p a t h e n v i r o n m e mi sc o n s i 如r e d r e c e n t l y s o m ea p p m a c h e ss u c ha ss u b s p a c e - b a s e dm e m o d s ，c o n s t a n tm o d u l u s a l g o f i 血m sa n d1 i n e a rp r e d i c t i o n 山a s e da p p r o a c h e s 、v e r ep r e s e n t e df o rj o i n tb l i n d e q u a l i z a t i o n a 1 1 db l i n dm u l t i u s e rd e t e c t i o n ，t h e s em e t h o d sa r ee 跪c t i v ef o rb l i n d d i s p e r s i v ec h a n n e l i d e m i f i c a t i o n i ns o m e c a s e s ，b u tt h e ya l lh a v em a j o rd i s a d v a m a g e s ， t bo v e r c o m e s h o r t c o m i n g so f t h e s em e t h o d sw e p r o p o s ea n e wm e t h o db a s e do n 一每p p r o x i m a t i o na l g o r i t h m s f o rj o 缸b l i n d e q u a | i z a t i o n a n db l i n d m u i t i u s e f d e t e c t i o ni nd i s p e r s i v ec d m ac h a l l n e l s i np r a c t i c e ，t h es i g n a t u r ew a v e f b “no ft h e u s e ro fi m e r e s ti s u n i q u e a t l d a l w a y sa v a l l a b l e a tt h er e c e i v e l u s i n go n l y t h e s p r e a d i n gc o d e o f t h ed e s i r e du s e ra n dt h ep r o p e n yt h a tt h et r a n s m i n e d s i g n a l sb e l o n g t ot h ef i n i t ed i s c r e t e - a l p h a b e t ，w ef o m u l a t em eb l i n dm u l t i u s e rd e t e c t i o nd r o b l e mi n t o aq u a d r a t i c o p t i m i z a t i o nw i t hb i n a r yc o n s t a l l t s t h e n ，e f f i c i e m 一a p p r o x i m a t i o n a l g o r i t 梳sa r ea p p l i e dt o 最n dt h 。s i g n a l so f 也ed e s i r e du s e rd i r e c t l y 谢t h o u tc h a n n e l s e s t i m a t i o na n dd e s i g n i n gt h ec o e 伍c i e m so f e q u a l i z e lt h ep m p o s e dm e 廿l o dd o e sn o t r e q u i r ea n yh i g h o r d e rs t a t i s t i c s f u m l e m l o r e ，m en o i s ed o e sn o tn e e dt ob e c h a r a c t e r i z e ds t a t i s t i c a i 王ya sag a u s s i a nn o i s e p r o c e s s m o r e o v e r ，t h ea 培o r i t h m s c o n v e r g e t oa 1 1 n e i 曲b o r h o o d o ft h e g l o b “o p t i m u m w i t h p 0 1 ”o m i a l c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x 时s i m u l a t i o nr e s u l t sc o r n p a r ef a v o r a b l yt oo t h e re x i s t i n g m e t h o d sa n d s u p p o r t t h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s t _ l l ep r o p o s e d m e t h o da c h i e v e s 南京邮电学院硕：l 学位论文 s a t i s f a c t o r yp e r f o 咖a n c eu s i n g as h o r t 1 e n g t l l o fd a t an o to n j yi n s y n c h r o n o u s c h 锄e l sb u ta l s o 洫a s y l l c h r o n o u s d i s p e r s i v ec h a i l n e l s k e v w o r d s h i g h - s p e e dd s c d m a ，a s y n c h r o n o u s ，d i s p e r s i v ec h a 姗e l s ，b l i n de q u a l i z a t i o n ， b l i n dm u l t i u s e r d c t e c t i o n ，i m e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ，一a p p r o x i m a t i o na l g o r i t h m 南京邮电学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，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 含为获得南京邮电学院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己在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：导师签名 日期： 南京邮电学院硕士学位论文 第一章c d m a 系统和多用户检测技术 1 1c d m a 系统概述 1 1 1 多址通信技术 传统的无线通信是建立在点对点的通信基础之上，其固定分配频道或信道的 方式决定了其频道利用率的低下，根本满足不了众多移动用户之需要。现代通信 广泛采用共用信道的技术，即众多用户使用同一组信道，实行按需分配。 多址通信和通常所说的多路复用通信，都是建立在信号分割理论基础上的， 但多址通信是针对无线通信中移动用户和基站之间的射频信号而言的，系指在射 频信道上的复用：而多路复用是指多路基带信号的合路复用。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 nm u l t i p l e a c c e s s ) 和码分多址( c d m a ：c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 是无线通信系统中共 享一定带宽的三种最主要的多址技术。 ( 1 ) 频分多址 最早的多址技术是频率分割，也就是频分多址通信。它是目前通信系统广泛 应用的一种多址方式。在频分多址通信网络中，将可使用的频段按一定的频率间 隔分割成多个频点，所有用户共享整个频段，根据按需分配的原则，不同的用户 占用不同的频率。各个用户的信号在频谱上互不重叠，因而信号在频域上是互相 正交的。对于频域上正交的信号，可采用滤波器对信号进行提取。 ( 2 ) 时分多址 时分多址方式的基本原理是将时间划分成周期性的帧，也称作t d m a 帧， 每一帧再分成若干时隙。各用户使用频谱的时间按照时隙进行分配，在每个时隙， 只有一个用户允许发射或接收，这些时隙用一种循环的方式分配给每个用户。 ( 3 ) 码分多址“3 码分多址是利用码序列正交性或准正交性区分不同用户，它是在同频、同时 条件下，各个接收机根据信号码型之间的差异分离出需要的信号。 南京邮电学院硕一l 学位论文 1 1 2 移动通信技术的发展 移动通信的发展经历了从模拟系统到数字系统的发展阶段。第一代为模拟移 动通信系统，采用频分多址( f d m a ) 模拟调制方式。典型的模拟移动通信系统主 要有美国a t t 公司的a m p s ( a d v a i l c em o b i l ep h o n es y s t c m ) ，瑞典e r i c s s i o n 公 司的n m t ( n o r d i cm o b i l et e l e p h o n e ) ，英国的1 a c s ( t 0 t a la c c e s s c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 以及日本n t t 公司的h c a t s ( h i g h c a p a c i t y a u t o m a t i c t e l e p h o n es y s t e m ) 。这种系统的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音业务。 第二代为数字移动通信系统，采用时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 的 数字调制方式。采用t d m a 的典型系统有欧洲的g s m ( g l o b a ls y s t e m f o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ) 和美国的d a m p s ( d i g i t a la d v a n c e dm o b i l e p h o n es y s t e m ) 。 该系统提高了系统容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大为改善。但是 t d m a 方式还有两个主要缺点： ( 1 ) 系统容量仍不理想： ( 2 ) 与f d m a 方式一样，t d m a 方式的越区切换性能仍不完善。为了克 服f d m a 和t d m a 两种多址方式的缺点，北美推出了i s 一9 5 c d m a 数字移动通信系统( 即窄带c d m a 系统) ，i s 一9 5 ，c d m a 系统以其频 率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质 量好以及软容量等特点显示出巨大的发展潜力，立即在全世界范围内 掀起一股研究c d m a 技术的热潮。 第三代为宽带数字移动通信系统，采用码分多址( c d m a ) 数字调制。随着社 会进步及用户数量的急剧增长，频率资源日益紧张，要求第三代移动通信系统 i m t 一2 0 0 0 能提供更大的系统容量，更高的通信质量，并能提供2 m b i t ，s 数据业 务，以满足人们对多媒体通信的要求并适应通信个人化的发展方向。第三代数字 蜂窝移动通信系统的两大主要候选方案是北美的c d m a 2 0 0 0 系统和欧洲的 w c d m a 系统，两者都是建立在c d m a 技术基础上。另外，由我国提出的拥有 自主知识产权的t d s c d m a 也具有举足轻重的地位。c d m a 已被广泛接受为 第三代移动通信系统的重要技术。 在f d m a 和t d m a 中，相邻信道的干扰分别可以通过加保护时间和保护频 带的方法来避免，其原理是使相邻信道的两个信号正交。使用j 下交性不仅可能避 免相邻信道信号之间的干扰，同样也能避免同信道信号之间的干扰。c d m a 技 南京邮电学院硕士学位论文 术是建立在正交编码、相关接收的理论基础上，运用扩频通信技术解决无线通信 的选址问题的技术。在c d m a 通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是 靠频率或时隙不同来区别，而是用各自不同的编码序列来区分，或者说，靠信号 的不同波形来区分。如果从频域或时域来观察，多个c d m a 信号是相互重叠的。 c d m a 通信系统使用自相关性大而互相关性小的码序列作为地址码，在倍 道中许多用户的宽带信号相互叠加在一起同时进行宽带传输，同时还叠加有噪 声。系统利用本地产生的地址码对接收到的信号及噪声进行解调，凡是与本地产 生的地址码完全相关的宽带信号可还原成窄带信号( 相关解调) ，而其他与本地地 址码不相关的宽带信号与噪声仍保持其带宽。解扩信号经窄带滤波后，信噪比得 到极大提高，所需的信号也因此而分离出来。 1 1 3 c d m a 技术特点 码分多址的发展基于扩频技术。码分多址采用扩频技术将信号带宽扩展，而 为宽带传输，同时系统容许所有用户在相同时间内占用同一宽带信道。每个小区 和小区内的各扇区采用相同的信道，因此避免了频率的分配和管理。码分多址系 统利用扩频码进行扩频和解扩，实现信号带宽和信号功率谱密度的转换，频带扩 展越宽，信号功率谱密度越低。由于是依据扩频码的相关特性完成相关解扩，所 以扩频码的选择显得尤为重要。码分多址系统属于干扰受限系统，具有软容量特 性，其容量取决于信噪比等性能指标。 从上述特点不难发现，相比于频分复用和时分复用技术而言，码分多址技术 具有这些优势： 较强的抗多径衰落、抗阴影效应和抗多普勒效应的能力： 保密性好、手机耗电省、电磁波对人体的危害减小； 更强的防截获、抗干扰能力；软容量特性： 可以采用软切换技术，无需对频带进行分配和管理等。 1 1 4c d m a 移动通信系统的关键技术乜1 ( 1 )功率控制技术 功率控制技术是c d m a 系统的核心技术。c d m a 系统是一个自扰系统，所有移 动用户都占用相同带宽和频率，“远近效应”问题特别突出。c d m a 功率控制的 目的就是克服“远近效应”，使系统既能维护高质量通信，又不对其他用户产生 干扰。功率控制分为前向功率控制和反向功率控制，反向功率控制又可分为仅由 南京邮电学院硕： ：学位论文 移动台参与的开环功率控制和移动台、基站同时参与的闭环功率控制。 ( 2 )p n 码技术 p n 码的选择直接影响到c d m a 系统的容量、抗干扰能力、接入和切换速度等 性能。c d m a 信道的区分是靠p n 码来进行的，因而要求p n 码自相关性要好，互 相关性要弱，实现和编码方案简单等。目前的c d m a 系统就是采用一种基本的p n 序列一m 序列作为地址码，利用它的不同相位来区分不同用户。 ( 3 )r a k e 接收技术。” 移动通信信道是一种多径衰落信道，r a k e 接收技术就是分别接收每一路的 信号进行解调，然后叠加输出达到增强接收效果的目的，这里多径信号不仅不是 一个不利因素，而且在c d m a 系统变成一个可供利用的有利因素。 ( 4 )软切换技术 移动台如果与两个基站同时连接时进行的切换称为软切换。在c d m a 系统中 软切换可以减少对于其它小区的干扰，并通过宏分集还可以改善性能。更软切换 则指的是一个小区内不同扇区问的软切换。软切换的原理如下：移动台在上行链 路中发射的信号被两个基站所接收，经解调后转发到基站控制器( b s c ) ，下行链 路的信号也同时经过两个基站再传送到移动台。移动台可以将收到的两路信号合 并，起到宏分集的作用。因为处理过程是先通后断，故称为软切换，而一般的硬 切换则是先断后通。 ( 5 )多用户信号检测 目前的c d m a 接收机都是基于r a k e 接收机原理，它将其他用户的信号作为干 扰来对待。在理想接收机中，如将所有用户信号都检测出来，则可把其他用户信 号从总信号中减掉，保存有用信号。在d s c d m a 系统采用r a k e 接收机时其容量 是干扰受限的系统。多用户信号检测，或称为联合检测与干扰消除技术则提供了 一种有效地减少多址干扰的方法，从而增加了系统的容量。同时，它也能改善远 近效应，通过首先扣除近距离大信号干扰而达到。由于最优多用户检测十分复杂， 而在实际上很难实现。目前研究得最多的还是次最优多用户信号检测器。 1 2 c d m a 系统中的多用户检测 码分多址( c d m a ：c o d ed i v i s i o nm u l t i p i ea c c e s s ) 通信技术近年来逐渐成为 学者们的研究热点，并得到了高度的重视和发展。它采用扩频技术将信号带宽扩 展，成为宽带传输，同时系统允许所有用户在相同时间内占用同一宽带信道；每 个小区和小区内的各扇区采用相同的频率，因此避免了频率的分配和管理：码分 4 南京邮电学院硕士学位论文 多址系统利用扩频码进行扩频和相应的解扩，实现信号带宽和信号功率谱密度的 转换，频带扩展越宽，信号功率谱密度越低：因此码分多址通信系统具有其它通 信系统所不及的一些优点，如抗干扰能力强，保密性能强以及系统容量高等。 码分多址通信系统的基本原理框图如图1 一l 所示，框图省略了射频调制和解 调部分。与通常的无线通信系统相比，扩频数字通信系统增加了扩频调制( 扩频) 和扩频解调( 解扩) 部分以及两个扩频码生成器。 图1 1 码分多址系统的基本框图 一般采用伪噪声序列( p n ，p s e u d o - n o i s e ) 作为扩频码。为了使接收端能够准确 地解调出用户信号，接收端产生的p n 序列必须与接收信号所包含的p n 序列同 步。为此，在传输信息以前，发送专门的p n 码型来达到收、发两端同步。此 码型要求在遭受干扰时仍有较高的识别概率。 c d m a 系统具有上述优点的同时，还存在一些问题，其中各种干扰成为制 约系统性能和容量的主要因素。主要干扰有： ( 1 )加性白噪声 加性白噪声是所有通信系统中都存在的一类可加性噪声，一般可以分为人为 噪声、自然噪声和内部噪声，在通信系统理论研究中一般认为它服从高斯正态分 布且功率谱是平坦的。 ( 2 )多址干扰( m a i ：m u l t i p l e a c c e s si n t e m r e n c e ) 在c d m a 蜂窝移动通信中，由于在同一个小区内，同时通信的用户不是一 个而是多个，在码分多址中多个用户均占用同一时隙、同一频段，所不同的是选 取的扩频码不一样。 多址干扰几乎是码分多址系统与生俱来的特点。引起多址干扰的因素主要有 两个：( 1 ) 完全正交的扩频码有可能避免多址干扰，但实际使用的伪随机扩频码 是不完全正交的。( 2 ) 完全正交的扩频码也只有在“零时延”情况下，才能避免 多址干扰。然而，由于无线信道的多径衰落，各用户到达接收机的信息必然有相 对时延差和多径时延差。所以，无论同步还是异步码分多址系统中，多址干扰总 南京邮电学院硕士学位论文 是存在。 多址干扰的另一种表现形式是远近效应，所谓远近效应是指，因为发射功率 按距离的四次方关系变化，所以如果系统中的所有用户均以相同的功率发射，距 离基站较近用户信号到达基站的功率较大，而远处的用户信号到达时功率则较 弱，发生的强信号淹没弱信号的情况。 ( 3 )多径干扰 在无线通信系统中，发射信号往往经由多条不同路径，以不同的时间到达接 收端。这些到达波称为多径波，由于它们的强度、传播时间以及发射信号的带宽 等的不同，而使合成后的接收信号的幅值和相位，甚至波形有可能变化很大，这 种现象称为信道畸变。由于信道畸变而使每个信号脉冲在接收端会发生扩散和重 叠，从而产生多径干扰或称为符号间干扰( 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 ) 。信道畸 变包括幅度畸变和时延畸变，符号间干扰是由其中的时延畸变引起的。假设由时 延畸变造成的多径时延扩展为d ，信号周期为7 1 ，如果p d 时，多径时延扩展 对接收脉冲的影响就可以忽略不计，即符号间干扰可以忽略不计，称这种信道为 理想信道。相反，当z 引时，符号间干扰增加，己经不能忽略不计，称这种信 道为色散信道。 由上面的讨论可以看出，在c d m a 通信系统中，各种干扰不可避免，如何 有效地抑制这些干扰，有效地恢复用户信号是近年来研究的热点，不少关键技术 被提出，如r a k e 接收技术、智能天线技术h 以及多用户检测技术阶等等。 其中多用户检测技术得到了广泛而深入的研究。本文将主要讨论各种多用户检测 技术在抑制干扰，恢复用户信号方面的应用。多用户检测技术的主要思想是将所 有用户的信号视为有用信号，利用各用户信号的扩频码、幅度、延时等信息，从 而有效地降低各种干扰。除此，多用户检测还能克服远近效应，减低严格功率控 制的要求。 多用户检测按信道的类型可以分为： 理想信道多用户检测【6 l 【7 1 。即通信系统所经历的信道为理想信道，符号 间干扰可以忽略不计。 色散信道多用户检测【8 l 【9 】【1 0 1 【l2 1 。即通信系统所经历的信道为色散信道， 在信号的恢复过程中必须考虑符号间干扰的影响。 6 南京邮电学院硕士学位论文 多用户检测按接收端所知发送信号和信道的先验知识可以分为： 非盲多用户检测。在c d m a 通信系统中，无线信道是不断变化的。因此 要获得较为理想的性能，就必须获得信道的先验知识。传统的方法是借 助于发送训练序列来实现的，然而这一做法一方面增加了系统的开销， 另一方面难以应付信道的时变性，给实际操作增加了难度。不断的发送 训练序列还大大地降低了系统容量。相比之下，无需训练序列的盲多用 户检测方法具有更大的可行性。为此人们一直致力于无训i 练序列的盲多 用户检测技术的研究，并取得了丰富的成果。 盲多用户检测。在接收端只知道期望用户的扩频码以及发送信号的相关 属性，而不用通过发送训练序列来获得发送信号和信道的先验知识，因 此它可以避免发送训练序列给系统容量带来的损失。尽管在盲多用户检 测处理过程中，具体发送的信号对接收端来说是未知的，但是通信信号 通常还是具有一定的规律可循，而且这些规律还是能够为通信双方所共 识。这些特性为信道盲均衡与信号盲恢复提供了便利，不确切知道所发 送的信号时，发送信号的这些特性对于信号恢复可起到事半功倍的效果。 c d m a 移动通信系统经过这些年的发展，其性能和市场与以前相比有了很 大的提高，但人们对它的要求也随之提高，如对传输速率和系统容量的要求越来 越高。现行的慢速c d m a 系统有被未来的高速c d m a 系统( 扩频增益很小，一 般低于1 0 【1 4 1 5 】) 取代的趋势。在未来的高速c d m a 系统中，传输信号周期r 将 远小于时延畸变造成的多径时延扩展矾由多径引起的符号间干扰( i s i ) 将不可忽 略。对系统容量的要求的提高，也使现行的各种非盲多用户检测技术的缺陷暴露 得越加明显，因为在非盲多用户检测技术中训练序列占用了大量系统资源。严重 地限制了系统容量。因此，基于理想信道的各种多用户检测算法【6 】在此将不再适 用，而基于色散信道的各种盲多用户检测技术被相继提出，并成为学者们的研究 热点。本文将以此为背景，研究高速c d m a 系统中的各种盲多用户检测技术。 在高速c d m a 移动通信系统的接收端，先对接收信号进行匹配滤波，然后 再以码片速率进行抽样，则c d m a 系统可以等效为一个以k 个不同用户的信号 ( 符号周期) 为输入，以个符号周期内的码片速率( ，即扩频增益) 抽样数据为输 出的多输入多输出( 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 ) 系统模型。在此系统模 南京邮电学院硕士学位论文 型的基础上，要有效地恢复指定用户的信号，必须要解决两个问题，一是信道均 衡问题，它主要解决多径引起的符号间干扰：二是多用户信号检测问题，即指定 用户信号的检测，它主要解决多址干扰。而已知的信息是指定用户的扩频码、发 送信号的字符集和它的统计特性。 1 3 色散信道多用户检测算法概述 1 3 1 典型算法 为了解决上节提出的m i m o 系统模型中存在的两个问题，人们提出了各种 盲信道均衡和盲多用户信号检测方法，这些方法都是尽量挖掘各种信号特性，图 1 2 揭示了被盲均衡技术所广泛利用的各种信号特性及其相互间的关系。 图1 2 信号特性与盲信号估计的关系 基于高阶统计量的方法中种比较成熟的是恒模算法( c m a ：c o n s t a n t m o d u l u s a l g o r i t h m ) 【9 1 【1 0 1 【i6 】【1 7 1 ，其理论推导详见第四章。尽管恒模算法在盲信道 均衡和盲多用户信号检测方面很有效，但它是基于高阶统计量的，所以它存在两 个主要的缺点：一是算法的局部收敛性，绝大多数基于高阶统计量的自适应盲均 衡算法都存在这个问题，这是在算法中利用了多模目标代价函数的结果；二是收 敛速度慢，所需数据量大。高阶统计量在实际中是通过时间平均来代替统计平均 的，为了准确的计算高阶统计量。必须利用大量的输出数据来计算其时间平均。 恒模算法的实现过程需要很大的数据量，而且迭代过程中容易收敛到局部最 小值，这就使迭代初始值的设罱成为很关键也很困难的问题。正是由于这些原因， 南京邮电学院硕士学位论文 使恒模算法很难应用到时变信道。 为了克服利用高阶统计量带来的不足，基于二阶统计量的各种算法得到了重 视和运用，其中具有代表性的就是子空间方法( s s ：s u b s p a c e ) 1 8 【1 8 】。根据文献1 1 9 1 ， 如果在接收端以符号的波特率对信号进行抽样，对于这样的多输入单输出 ( m i s o ：m 1 1 l t i p l ei n p u ts i n g l e0 u t p u t ) 系统，二阶统计量只包含信号的幅度信息， 丢失了相位信息，因而不能对信道进行很好地辩识和均衡。以符号速率采样所得 的接收信号通常是广义平稳的，但是在过采样( 时间或空间上) 接收所形成的 m i m o 系统中，所得的输出信号却具有了循环平稳( c y c l o s t a t i o n a r ys “s t i c s ) 特性。 具有循环平稳特性的m i m o 输出信号携带着信道相位信息，据此可用以辩识非 最小相位信道：而按符号速率采样所得的平稳信号只能用于最小相位信道的辩 识。对广义平稳信号而言，其二阶统计量( 自相关函数和功率谱) 只能辩识最小相 位信道，不能用于辩识非最小相位信道。高阶统计量( 通常是三阶和四阶统计量) 虽然可辩识非最小相位信道，但辩识过程要求使用较长的观测数据。与高阶统计 量相比，循环二阶统计量( c s ) 既可以辩识非最小相位信道，又不需要较长的观 测数据，因而具有较好的实际可操作性。 要利用二阶统计量解决前面提出的两个问题，必须要对接收信号进行过采 样。在c d m a 系统的接收端，以码片速率对信号进行滤波和抽样，即过采样， 这实质上就相当于一个多输入多输出( 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 ) 系 统，基于二阶统计量的子空间算法应用于m i m o 系统时，可以很好地解决前面 所述的两个问题( 详细推导见第三章) 。子空间方法的实质就是对接收信号的自相 关函数进行分解，分离出信号空间和噪声空间，进而对信道进行估计并均衡。子 空间方法在对信道进行估计时，需要利用到信道的阶数，并对信道冲激响应进行 显式估计。然而信道阶数在接收端通常是未知的，这就给信道估计和均衡带来了 困难，影响了系统性能。为了达到多用户检测的目的，还必须能估计出任意期望 用户的信道，这要借助于每个用户扩频码的唯一性来实现。 还有一类研究较多的算法一一线性预报法( l p a ：l i n e a rp r e d i c t i o n a l g o r i t h m ) ，也是基于二阶统计量的。线性预报法起始用于单输入单输出( s i s 0 ： s i n 9 1 ei n p u ts i n g l eo u t p u t ) 通信系统的盲信道均衡，进而被推广应用到m i m o 通 信系统的盲信道均衡和多用户检测，并由h ，h o w a r df a n 第一次将它应用于 南京邮电学院硕士学位论文 c d m a 通信系统【l l 】，他充分利用期望用户的扩频码来进行信道均衡和期望用 户的信号检测。它的中心思想是利用指定用户的扩频码矩阵的零空间来估计信 道，并设计均衡器。它不用直接估计信道的冲激响应，相对于子空间方法，可以 避免直接估计信道误差带来的性能降低，对信道阶数估计误差具有一定的鲁棒 性；但它在估计信道时完全依赖于多径信道冲激响应的前几个系数，当这几个前 导信道系数很小时，其误差可能很大，这将会严重影响其性能。根据文献【1 1 】的叙 述，线性预报法的应用目前还只限于慢速c d m a 通信系统，即其扩频增益较大， 由多径引起的干扰只是码片级的，不长于一个符号。因此在本文所讨论的高速 c d m a 通信系统里将不对线性预报法作详细讨论。 1 3 2 基于e 近似算法s i s o 非理想信道盲均衡方法 由上面的叙述可知，无论是恒模算法还是子空间方法以及线性预报法，都只 利用了接收数据的统计量信息和扩频码信息，而一个好的盲均衡和盲多用户信号 检测算法应该充分利用各种已知信息来均衡信道和检测信号。在实际的c d m a 系统接收端已知的发送信号信息中，包括了发送信号所属字符集。根据文献【1 9 】 2 0 】 可知，发送信号所属的有限字符集所包含的信息量，比高阶统计量要丰富的多， 而且还包含了重要的信道信息。 一些约束优化算法 2 0 1 试图利用这个特性来直接恢复用户的信号。这些算 法的实质都是利用了枚举法，希望从信号空间里找到一个信号矢量使代价函数最 小，并把这个信号矢量作为待恢复用户信号的估计，其算法复杂度随着用户数和 所处理的数据量呈指数级增长，计算量大成了这类算法在实际中加以应用的最大 障碍。 最近，数学领域里在带约束半正定二次规划问题的寻优方面取得了重大突 破，文献【22 】指出：求此优化问题的最优解，其计算复杂度是指数级的，但如果 要求最优解的一个e 近似解( 其详细解释见第五章) ，其计算复杂度是多项式级 的，并提出了解决此优化问题的e 近似算法，其实质是一种组合优化算法。文献 正是借用了文献【2 2 j 的近似算法，成功解决了s i s 0 系统的盲信道均衡和信号 恢复问题。它先把此问题转化为一个带约束的二次规划问题，进而利用e 近似算 法来解决此二次规划问题恢复出用户信号。这种方法只利用发送信号所属字符 集的信息。它除了要求输入数据是“独立同分布”、“零均值”和“属于有限字符 l o 南京邮电学院硕士学位论文 集”外，既没有对接收端噪声做更多的统计假设，也没有利用输出数据的任何其 它统计信息，没有对输出数据进行过采样。 1 3 3m m o 非理想信道近似盲均衡算法 由上节可知近似算法在s i s o 系统的盲均衡和信号恢复问题上的应用取得 了成功，由此开辟了一种全新的盲信道均衡算法e 近似算法。文献1 2 4 】很自 然的把这种算法推广应用到了m i m o 系统盲信道均衡和盲源分离上，同应用于 s i s o 系统一样，它只要求输入数据是“独立同分布”、“零均值”和“属于有限 字符集”，并没有对接收端噪声做更多的统计假设，也没有利用输出数据的高阶 统计信息或对输出数据进行过采样。如果把此算法直接应用于高速c d m a 系统， 用它来实现期望用户的信号恢复是不现实的，因为它只能实现盲信道均衡和盲源 分离，即只能恢复出某一个用户的信号，而不能恢复期望用户的信号，也即它只 解决了信道的盲均衡问题。 要用e 近似算法来解决前面提出的第二个问题，即多用户信号检测问题，还 必须另寻它径。通过对各种应用于高速c d m a 系统的盲均衡和盲多用户检测算 法的研究，发现它们都有一个共同的特点，即要解决多用户信号检测问题，必须 借助期望用户的扩频码信息。本文的主要工作就在于，如何把期望用户的扩频码 信息转化为用e 近似算法求解的二次规划问题的附加约束，来解决多用户的信号 检测问题，从而把e 近似算法应用于高速c d m a 系统的盲均衡和盲多用户检测。 c d m a 系统的反向链路( 从移动台到基站) 是一异步系统，前向链路( 从基站到移 动台) 是同步系统，同步系统相当于异步系统的一种特殊情况。在前向链路中， 各个用户经历同一信道，且有相同的传输延时，所以同步系统较为简单，研究价 值相对于异步系统也较小。本文直接从异步系统入手，将e 近似算法首次应用 于异步高速c d m a 系统中，同时完成了盲均衡和盲多用户检测，因此该方法也 可以很好的适用于同步高速c d m a 系统。 本文提出的基于e 近似算法的盲均衡和盲多用户检测方法，所用到的先验知 识包括：期望用户的扩频码，发送信号所属字符集和输出数据的二阶统计量。它 和前面介绍的三种用于c d m a 系统的盲均衡和盲多用户检测算法相比，具有以 下特点： ( 1 )既无需信道估计，也无需均衡器系数的直接计算； 南京邮电学院硕上学位论文 既不依赖输入信号的高阶统计量， 制： 可保证收敛在总体最优解的e 附近 极小处； 也不对接受端噪声分布作正态限 而不会陷落在远离最优解的局部 ( 4 )最不利计算复杂度是多项式量级的，而其它解二次规划的已有算法是 指数复杂度的。 ( 5 )不仅适用于同步信道检测，在异步信道中也表现出良好的性能。 1 。4 论文结构 首先，本文简单的介绍了有关移动通信和码分多址系统的一些基本概念，分 析了码分多址系统的优点和存在的问题，以及各种抑制干扰并进行信号检测的色 散信道多用户检测技术，特别是盲多用户检测技术的概况及其发展历程。接下来 的各章的论述均以高速d s c d m a 系统为对象，以盲多用户检测技术作为抑制 干扰的主要方法来展开。第二章，在d s c d m a 移动通信系统中，首先建立起 色散信道的m i m o 信号传输模型，并在此基础上详细推导各种盲信道均衡和多 用户检测方法。第三章，在色散信道m i m o 信号传输模型基础上详细推导基于 子空间方法的盲信道均衡和多用户检测方法。第四章讨论普通恒模算法和加了附 加约束的恒模算法在盲信道均衡和多用户检测中的应用。第五章首先把高速 c d m a 系统中某一用户的盲信号恢复问题转化为一个二次规划问题，这一问题 可以利用s 近似算法解决。在此基础上，将用户的扩频码信息转化成约束条件， 构成一带约束的二次规划问题，并运用二次规划最新研究成果【2 2 1 ，以多项式复 杂度，有效地求取该约束二次规划问题的e 近似全局最优解，同时解决了高速 c d m a 系统中任意期望用户的盲均衡和盲多用户检测问题。第六章，对上述三 种盲多用户检测算法的性能做了仿真，并结合仿真结果进行了分析和比较，通过 仿真实例进一步展示了基于g 近似算法所具有的优点。 南京邮电学院硕士学位论文 第二章色散信道m i m o 模型 本章阐述d s c d m a 移动通信系统中色散信道的多输入多输出信号传输模 型，以后章节在此模型基础上详细推导各种盲信道均衡和盲多用户检测方法，并 分析它们的性能以及优缺点。 2 1色散c d m a 信道模型 考虑具有k 个用户的基带d s c d m a 系统，假设发射的信号为b p s k 调制， ，5 2 ，为各用户的标准调制波形，发送信号通过各自的色散信道，第，个用 户的发送信号可以表示为 x ，( f ) = 爿，6 ，( f ) 0 ( ，一玎一d ，) ( 2 1 ) 其中：6 ) - 1 ，+ 1 为用户，发送的第f 个符号，且它们是以相等的概率1 2 取1 的独立随机变量；爿，为信号幅度，丁为符号间隔，嘭是第j 个用户的传输延迟时 间。用户j 的调制波形一可表示为 0 0 ) = c j ( g ) i ；f ，( f g i ) o f r ( 2 2 ) 口= 0 其中：t 为码片间隔时间，为扩频增益，符号间隔丁= t ，( f ) 为扩频码码 片波形( 仿真中l ；c ，( f ) 为长度为i 的矩形波) ， c ，( g ) ) ：为用户，的扩频码序列。 在高速c d m a 系统中，k ，o d 。 接收信号可以表示为 y j ( f ) = x ，( f ) + g 心) ：4 宝蚴芝。加) ( f t ) + g 一f r g 疋) 2 3 i = o g ，( f ) 为第，个用户传输过程中的信道冲击响应，假设毋( ，) 在【o ， 的范围内不 为零，+ 代表卷积。 南京邮电学院硕士学位论文 定义