（通信与信息系统专业论文）频选时变信道stbcmccdma系统恒模算法半盲多用户检测.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 s t b c m c c d m a 技术充分利用时域资源、频域资源、空间资源，增加系统容量和频 谱利用率，提高系统传输速率，增强抵抗各种衰落干扰能力，成为无线通信领域的研究热 点。 码分多址移动通信系统中的主要干扰为码问干扰和多址干扰( m a i ) ，当同时通信的用 户数目较多时，多址干扰就成为c d m a 系统最主要的干扰来源。多用户检测是种从接 收端的设计入手的多址干扰抑制方法。其中，只用观测数据，不需要训练序列的自适应多 用户检测称为盲多用户检测。恒模算法( c m a ) 作为一种重要的盲自适应算法，仅仅通过接 收信号的恒模统计特性来获得信道的状态信息，从而有效地恢复出发送信号，将其用于多 用户检测中，可以很好地节约系统的频谱资源。 本文首先分析了移动无线信道的衰落特性和s t b c m c c d m a 系统基本原理和性能， 构建出本文的仿真平台和系统数学模型。接下来研究了应用在s t b c m c c d m a 系统下行 链路中的基于m m s e 准则的最佳空时频接收机，并给出仿真和性能分析。然后介绍了盲多 用户检测技术及其常用的盲自适应算法一恒模算法。并推导出了在s t b c m c c d m a 系统 中最小二乘恒模算法( l s c m a ) 的盲多用户检测的应用形式，给出了迭代步骤，进行了相关 性能的仿真。 本文重点将最d x - - 乘恒模算法推广到系统信道为频选时变情形。对于不同程度时变情 况下的恒模算法检测的误码性能进行了仿真分析，并将其与同等仿真条件下的非盲的 m m s e 检测算法性能进行比较。分析显示恒模算法在信道变化较快时其应用有一定的局限 性，同时本文在理论上提出了改进的方向和建议。 主题词：m i m om c c d m a ，空时分组编码，l s c m a ，时变信道，盲多用户检测 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 a b s t r a c t m a k i n gf u l lu s eo ft h er e s o u r c e s 洫t i m ed o m a i n ，f r e q u e n c yd o m a i na n ds p a c ed o m a i n ， s t b c - - m c - - c d m at e c h n o l o g y , w h i c hc a ni n c r e a s e s y s t e mc a p a c i t y , s p e c t r u me f f i c i e n c y , t r a n s m i s s i o nr a t ea n dr e s i s t a n c eo ff a d i n ga n di n t e r f e r e n c e ，h a sb e e nb e c o m i n ga ni m p o r t a n t r e s e a r c hp r o j e c ti nt h ef i e l do f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h em a i ni n t e r f e r e n c e si nc d m am o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r ei n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c ea n dm 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 ) w h e nt h en u m b e ro fu s e r sc o m m u n i c a t i n g s i m u l t a n e o u s l yb e c o m e sl a r g e r , m a lw i l lb e t h em o s ti m p o r t a n ti n t e r f e r e n c e m u l t i - u s e r d e t e c t i o ni saw a yo fm a i s u p p r e s s i o nb a s e do nt h ed e s i g no fr e c e i v e r s a n db l i n dm u l t i - u s e r d e t e c t i o ni sak i n do fa d a p t i v em u l t i u s e rd e t e c t i o n sw h i c hu s eo b s e r v a t i o nd a t ao n l ya n dd o n t n e e dt r a i n i n gs e q u e n c e s a sa ni m p o r t a n tb l i n da d a p t i v ea l g o r i t h m ，c o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h m ( c m a ) o b t a i n sc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o no n l yb yt h ec o n s t a n tm o d u l u sp r o p e r t yo fr e c e i v e d s i g n a l sa n d c a l lr e c o v e rt r a n s m i t t e ds i g n a l se f f e c t i v e l y i tc a nb eu s e di nm u l t i u s e rd e t e c t i o nw i t h t h ea d v a n t a g eo fs a v i n gi ns p e c t r u mr e s o u r c e t h i st h e s i sa n a l y s e sf a d i n gp r o p e r t yo fw i r e l e s sm o b i l ec h a n n e l s ，t h ep r i n c i p l ea n d p e r f o r m a n c e o fs t b c - m c c d m as y s t e m s ，a n de s t a b l i s h e ss i m u l a t i o n p l a t f o r m a n d m a t h e m a t i c a lm o d e lf i r s t l y a n dt h e na no p t i m a ls p a c e - t i m e - f r e q u e n c yr e c e i v e rb a s e do nm m s e c r i t e r i o na n du s e di nt h ed o w n l i n ko ft h es y s t e m sh a sb e e ni n v e s t i g a t e d ，a n dt h es i m u l a t i o n r e s u l t sh a v eb e e ng i v e n b e s i d e s ，m u l t i - u s e rd e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n db l i n da d a p t i v ec m a a l g o r i t h m sa r ep r e s e n t e d t h e nw ep r o p o s et h ea p p l i c a t i o nf o r m sa n dt h ei t e r a t i v es t e p so fl e a s t s q u a r ec m a ( l s c m a ) u s e d i ns t b c - m c c d m a s y s t e m s t h et h e s i sp a r t i c u l a r l yd e s c r i b e st h ea p p l i c a t i o no fl s c m ai nf r e q u e n c y s e l e c t i v ea n d t i m e - v a r y i n gc h a n n e l si nt h es y s t e m s t h es i m u l a t i o ni sb a s e do nd i f f e r e n te x t e n to ft i m e - v a r y i n g e n v i r o n m e n t ，a n dt h eb e rp e r f o r m a n c eo fl s c m ad e t e c t i o ni sc o m p a r e dw i t ht h a to fn o n b l i n d m m s ed e t e c t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc m ah a sa p p l i c a t i o nl i m i t a t i o n si nt h e c h a n n e l st h a tc h a n g er a p i d l y , a n dt h et h e s i sa l s op r o p o s e ss o m ei m p r o v e m e n td i r e c t i o n sa n d s u g g e s t i o ni nt h e o r y k e y w o r d s ：m i m om c - c d m a ，s p a c et i m eb l o c kc o d e ，l s c m a ，t i m e v a r y i n gc h a n n e l s ，b l i n d m u l t i u s e rd e t e c t i o n i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略词注释表 3 g p p 3 g p p 2 a m p s b 3 g b e r b p s k c d m a c m a c p d s c d m a e t s i e g c f d m a f f t f i r g s m h s d p a i c i i f f t i s 9 5 i s i l m s l s c m a m 队i m c c d m a m i m 0 m i s o m l m r c m m s e m m s e c 町d 缩略词注释表 t h e 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t t h e 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t2 a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m b e y o n d3 r dg e n e r a t i o n b i te r r o rr a t e b i n a r yp h a s es l l i rk e y i n g c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h m c y c l i cp r e f i x d i r e c ts e q u e n c e c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s e u r o p et e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t e e q u a lg a i nc o m b i n i n g 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 f a s tf o u r i e rt r a n s f c i t i n f i n i t e - d u r a t i o ni m p u l s er e s p o n s e g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i n t e r i ms t a n d a r d 一9 5 i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e l e a s tm e a ns q u a r e l e a s ts q u a r e sc o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h m 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 u l t i c a r r i e rc d m a m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t m a x i m u ml i k e l y h o o d m a x i m a lr a t i oc o m b i n i n g m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o rc o m b i n i n g m u l t i i j s e rd e t e c t i o n i i i 第三代合作伙伴项目 第三代合作伙伴项目2 先进移动电话系统 超三代移动通信系统 误比特率 二进制相移键控 码分多址 恒模算法 循环前缀 直接序列扩频码分多址 欧洲电信标准协会 等增益合并 频分多址 快速傅立叶变换 有限长冲激响应 全球移动通信系统 高速下行分组接入 信道间干扰 快速傅立叶反变换 暂时标准9 5 符号间干扰 最小均方 最小二乘常模算法 多址干扰 多载波码分多址 多输入多输出 多输入单输出 最大似然 最大比合并 最小均方误差 最小均方误差合并 多用户检测 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略词注释表 o f d m o r c p a s t p a s t d p i c q a m r m s r l s s d c m a s i m o s i s 0 s n r s t b c s t t c t a c s t d m a t d s c d m a u m t s u t r a v 二b l a s t w c d m a w s s w s s u s 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 i n g o r t h o g o n a l i t yr e s t o r i n gc o m b i n g p r o j e c t i o na p p r o x i m a t i o ns u b s p a c et r a c k i n g p a s tw i t hd e f t a t i o n p a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n r o o tm e a ns q u a r e r e c u r s i v el e a s ts q u a r e s s t e e p e s td e s c e n tc o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h m s i n g l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t s i g n a l - t o n o i s er a t i o s p a c et i m eb l o c kc o d e s p a c et i m et r e l l i sc o d e t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t i m ed i v i s i o n - s y n c h r o n o u sc d m a u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m u n i v e r s a lt e l e c o m m u n i c a t i o n sr a d i oa c c e s s v e r t i c a lb e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e - t i m e w i d e b a n dc d m a w i d e s e n s es t a t i o n a r y w i d e - s e n s es t a t i o n a r yu n c o r r e l a t e ds c a t t e r i n g i v 正交频分复用 恢复正交性合并 投影逼近子空间跟踪 基于压缩映射的p a s t 并行干扰抵消 正交幅度调制 均方根 递归最小二乘 最陡下降恒模算法 单输入多输出 单输入单输出 信噪比 空时分组码 空时格玛 全入网通信系统 时分多址 时分同步码分多址 全球移动通信系统 全球通信无线接入 垂直分层空时码 宽带码分多址 广义平稳 广义平稳非相关散射 南京邮电大学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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 堇奎蟹日期：坦8 ：生：! 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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 南京邮电大学研究生部办理o 始监名：霉吼一 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 移动通信是现代通信系统中的重要组成部分。目前，移动通信已从模拟通信发展到了 数字通信阶段，并且正朝着个人通信这一更高级阶段发展。未来移动通信将以能在任何时 间任何地点向任何人提供快速可靠的通信服务为目标，是一个支持多速率、多业务、宽频 带的系统，能够满足移动性、高比特率及可变业务等需求。多载波( o f d m ，m c c d m a 等) 技术、m i m o 技术、近香农界信道编码技术、多用户联合检测技术等作为未来移动通信发 展中物理层的几种关键技术，成为后三代( b 3 g ) 移动通信系统研究的重点。 1 1 论文的研究背景 1 1 1 移动通信的发展 移动通信技术从最初的模拟移动通信系统发展到数字移动通信系统，再到目前正在商 用化的第三代( 3 g ) 宽带数字移动通信系统，移动通信已成为人们生活中不可或缺的重要部 分。目前，后三代( b 3 g ) 通信系统的宽带接入和分布网络在理论研究中得到验证，实现了 5 g b i t s 的下载速率。移动通信技术将呈现前所未有的蓬勃的发展前景。 上世纪7 0 年代，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统( a m p s ) ，建成了蜂窝状 模拟移动通信网。蜂窝移动通信网很快成为实用系统，并得益于微电子技术、大规模集成 电路等技术成熟，在世界各地迅猛发展。这一阶段诞生的移动通信系统称为第一代移动通 信系统( 1 g ) 。它以美国的a m p s 和欧洲的t a c s 为代表，采用频分多址( f d m a ) 和模拟调 制，业务局限于语音业务，通信质量差、用户容量小、价格高、业务单一，难以适应社会 的需求。 第二代蜂窝移动通信系统( 2 g ) 开始于二十世纪九十年代，采用时分多址( t d m a ) 码分 多址( c d m a ) 5 i 数字技术。其代表性的系统包括g s m 和i s 9 5 等。第二代移动通信系统的 主要业务包括话音和低速率数据业务，提供了更高的频谱利用率，更好的数据业务，以及 比第一代系统更先进的漫游能力。因此在世界范围内得以广泛应用。但是，2 g 系统在很多 方面仍然存在不足，比如传输速率低、频谱效率不高等，这些需求是高速率移动通信系统 发展的动力。 第三代移动通信系统( 3 g ) 三种主流体制，即欧洲提出的w c d m a 、美国提出的 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 c d m a 2 0 0 0 和我国提出的t d s c d m a 。第三代移动通信系统以全球范围的个人通信和多 媒体通信为目标，它是一个支持多速率、多业务、宽频带的系统，能够满足移动性、高比 特率、可变业务等需求。与第二代移动通信系统相比，第三代移动通信系统具有高服务质 量、低成本、高保密性等许多优点。该系统能够为移动用户提供全球漫游、无缝覆盖的业 务，能为移动用户提供与固定网络相当的话音、非话音以及多媒体等多种速率的业务，实 现1 4 4 k b p s 的车载通信速率、3 8 4 k b p s 的步行通信速率和2 m b p s 的室内通信速率，并且满 足上、下行链路业务量不对称需求。 但是，3 g 系统距离人类“不论何时不论何地都能与任何人交流任何信息 的个人通信 愿望仍有较大距离。因此，世界各国在推动3 g 产业化的同时，目前已经把研究重点转入下 一代移动通信系统的研究，目的是在概念和技术上寻求创新和突破，使无线移动通信系统 的容量和速率有数十倍甚至数百倍的提高【1 1 。下一代移动通信系统称为后3 代( b 3 g ) 移动通 信或第四代通信( 4 g ) ，其关键技术由2 g 和3 g 的关键技术演进而来，主要包括：智能天线技 术、软件无线电技术、多入多出技术( m i m o ) 技术、正交频分复用( o f d m ) 技术、多载波码 分多址( m c c d m a ) 技术、混合自动重传技术、自适应调制与编码技术、高速下行分组接 入( h s d p a ) 技术、多用户检钡j j ( m u d ) 技术等。具有如下特点：以移动数据为主；最高传输 速率比现在高一到二个数量级以上；具有更高的频谱利用率；支持更丰富的移动业务，包 括高清晰度图像业务、会议电视、虚拟现实业务等。 1 1 2m i m o 和m c c d m a 技术 传统的无线通信系统是采用一个发射天线和一个接收天线的通信系统，即所谓的单输 入单输$ ( s i s o ) 天线系统。s i s o 天线系统在信道容量上具有一个通信上不可突破的瓶颈 一s h a n n o n 容量限制。为进一步提高无线通信系统容量，人们尝试了很多办法，如拓宽带宽、 加大系统的发射功率，但都有一定的局限性。于是人们尝试使用分集技术来提高发射接 收信噪比，以增大系统容量。主要是通过在接收端使用多元阵列天线来获得接收分集，其 发射天线仍采用一个阵元，这就是s i m o 系统。为减小接收端特别是移动终端的处理复杂 度和体积，可以考虑把接收分集处理技术平移到发射端，发射天线采用阵列结构而接收天 线采用单天线结构，这就是等价的m i s o 系统。s i m o 和m i s o 技术进一步发展就自然产 生了收发两端同时采用阵列天线的系统m i m o 系统。 多输入多输出技术( 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 ) 在发射端和接收端采用多元 阵列天线，在无线链路两端间形成矩阵信道，在不增加带宽和发射功率的情况下成倍地提 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 高通信系统的容量和频谱利用率【甜，是三代后的公众移动通信关键技术之一。在理想的信 道条件下，m i m o 信道的容量与发射天线数和接收天线数中最小的成正比，这样m i m o 信 道在理论上可以突破s h a n n o n 容量的极限口3 。m i m o 信道不仅提供分集增益还能带来频率 复用增益。m i m o 无线传输目前有发射分集( t r a n s m i td i v e r s i t y ) 和空间复用( s p a t i a l m u l t i p l e x i n g ) 两类。发射分集m i m o 以空时分组码( s t b c ) 和空时格玛( s t t c ) 为典型应用， 能达到最大的分集增益；空间复用m i m o 以b l a s t 技术为典型应用，能实现最大的频率 复用增益。复用增益与分集增益最佳折衷的m i m o 传输还有待研究，其它相关的研究领域 有m i m o 信道建模、m i m o 信道测量、m i m o 信道估计与均衡以及自适应m i m o 算法。 为了更好的支持在2 0 m b p s 以上高速数据传输，并要在合理的信噪比条件下保证业务 质量，多载波并行传输技术以其抗衰落能力强、对窄带干扰窄带噪声不敏感，带宽扩展灵 活和支持可变用户速率等一系列优点成为b 3 g 移动通信技术研究的热点。从国内外研究的 动向看，主要有正交频分复用( o f d m ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 方案和 多载波c d m a 方案两种方案。o f d m 技术在6 0 年代中期由r w c h a n g 提出【4 】，它利用 许多并行的，频率正交的，低传输速率的数据子载波来实现高数据速率的通信，子信道之 间的频谱相互正交并可以重叠以便可以很有效利用频谱资源。由于每个码元相对持续时间 较长，o f d m 符号加上了循环前缀，符号间的干扰可以有效的消除。o f d m 技术以其频 谱效率高、抗多径能力强、均衡简单、频率资源分配灵活等优点而在过去的十几年间受到 了广泛的研究与应用。作为第三代移动通信系统标准中采用的多址接入方式，码分多址 ( c d m a ) 可以提高系统频谱效率和系统容量，对抗窄带干扰和多径干扰。为有效利用其技 术优势，人们将o f d m 技术和c d m a 技术结合，形成了多载波c d m a 方案。多载波c d m a 方案可以具有克服由处于深衰落的某些子载波而产生的高误比特率，满足多用户共享频率 资源，同时减少码间干扰等特点，在频谱利用率和抗多径衰落的性能上有很大改善。系统 采用子载波正交和用户扩频码正交两个层次的正交性，比单纯的o f d m 和c d m a 更优越 的性能。 其中，m c c d m a ( m u l t i c a r r i e rc d m a ) 方案在几种多载波c d m a 方案最受瞩目。这种 在频域上扩频的方案，不但能够充分聚集信号的能量，接收端的合并解扩技术也相对比较 简单，同时还能获得频率分集的增益，具有良好的抗衰落特性。同时进一步可以通过调整 扩频因子的长度，不但能够适应多种无线链路状况，也使得在时频域内的资源分配方便， 灵活实现各种速率的业务【5 j 。 因此，在未来的移动通信系统中，把能有效对抗衰落或能有效提高系统容量的m i m o 技术和能有效对抗频率选择性衰落的m c c d m a 技术结合起来，就成为必然的趋势。m i m o 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 m c c d m a 可以充分利用时间、频率和空间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多 径的容量大大增加。目前该技术已成为最有前途的宽带无线接入方案之一，具有广阔的研 究和发展前景。 1 1 3 均衡检测技术 b 3 g 移动通信系统必然支持的是高速的数据传输系统，而如何在b 3 g 系统中保证宽 带无线传输和提高无线频谱资源的利用率，成为研究的热点。随着通信技术的日益发展和 高速率传输要求，对b 3 g 移动通信系统中的信道估计与均衡算法、载波同步与频偏估计、 信号检测与估计算法、多用户检测等提出了新的挑战。 如何提高无线链路的传输效率将是影响未来移动通信发展的关键。在传统的无线通信 系统中，接收端为了获取信道参数信息而要发送大量独立的训练序列或者导频信息，这样 势必浪费了大量的信号带宽和宝贵的频谱资源，降低了频谱利用率。在移动通信系统中， 我们希望尽可能的减少或者不用训练序列及导频信号，而在接收端仅依靠接收信号本身的 统计特性，例如概率密度函数、统计量等，来实现信道估计与均衡，从而实现信号的恢复。 为此，一种不需要特殊训练序列的均衡方式正在受到通信界的广泛关注和重视，这种均衡 技术被称为“盲均衡技术。所谓盲均衡技术就是在信道畸变比较严重的情况下，均衡器 能够不借助于训练序列，仅仅利用接收到的信息序列即可自适应调节参数，进行自适应均 衡，正确恢复发送信息源。在盲均衡算法中，一种利用发送信号恒模特性的恒模算法受到 了越来越多的关注，很快发展成为一类重要的盲算法，因为这种算法相对其它盲算法来说 收敛速度较快、计算复杂度低且易于实现。但是，恒模算法本身在实际应用中有一定的局 限性，其误差性能表面存在局部最小点。而且一般的盲均衡算法存在收敛时间长和性能到 一定程度不随s n r 的提高而相应改善等缺点，因此，在实际的通信系统中，往往更受欢迎 的是半盲的自适应均衡方法。所谓“半盲均衡”，就是基于训练序列和全盲方法的结合， 只需要先发送少量的训练序列得到一定程度的收敛，而后采用盲的自适应均衡技术跟踪信 道的变化，自动调整均衡器系数，恢复发送信号。因此，研究半盲的自适应均衡技术更有 广泛和实际的意义。 m i m o 信道均衡一直是近年来主要的研究领域，原因是宽带m i m o 无线传输面临严峻 的码间干扰，同时还有来自多天线间的信道干扰。从广义上理解，多用户信道也是一个 m i m o 信道，多用户检测以及多址干扰抑制均可归结为m i m o 信道均衡问题。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 2 论文内容和章节安排 本文的课题来源于国家自然科学基金资助项目。本文主要研究了频选时变信道 s t b c m c c d m a 系统恒模算法半盲多用户检测，对于研究问题均给出了仿真结果。 论文具体内容安排如下： 第一章介绍本文的研究背景和主要工作。 第二章介绍无线信道的衰落特性和抽头延迟线多径信道模型，并结合e t s iu t r a c h a n n e la 信道模型参数，对无线移动信道进行仿真。 第三章介绍s t b c m c c d m a 系统，并详细阐述了空时分组码( s t b c ) 编译码方案和性 能、m c c d m a 系统原理和模型及s t b c m c c d m a 系统的线性基于m m s e 准则最佳空时 频检测算法。对基于m m s e 准则检测算法的性能进行仿真，并作为后文盲算法仿真性能比 较的参照。 第四章介绍了盲多用户检测技术和恒模算法的原理。重点介绍最陡下降恒模算法 ( s d c m a ) 和最小二乘恒模算法( l s c m a ) 这两类最基本的恒模算法的原理和性能。并将 l s c m a 推广应用至i j s t b c m c c d m a 系统中。 第五章重点研究了最小二乘恒模算法在s t b c m c c d m a 系统时变信道多用户检测中 的应用。对于移动台不同的运动速度即不同的多普勒频移，以及一帧数据时间内信道不同 变化快慢程度的情形下的算法检测的误码性能进行了仿真分析，并和相同仿真条件下的非 盲m m s e 检测算法进行比较。结果显示恒模算法在时变信道尤其是信道变化较快时的应用 有一定的局限性。 第六章总结全文并提出了下一步工作的展望。 5 南京邮电大学硕十研究生学位论文 第二章无线信道模型分析 第二章无线信道模型分析 信道是发射端和接收端之间信号的传输媒介的总称。按传输媒介的不同，可分为有线 信道和无线信道两类。信道是决定通信系统性能的基本制约因素，是通信系统理论分析和 系统设计的基础。本章讨论无线信道的特性、影响、模型仿真。 2 1 移动无线信道的衰落特性 由于无线信道的复杂性，发射信号往往会沿着不同路径以不同的时问到达接收端，这 一现象称为信号的多径传输，这些到达波称为多径波。电磁波传播的形式很复杂，但一般 可归为反射、绕射和散射三种基本传播方式。 移动通信中的信道是一种时变信道，无线电信号通过移动信道时会受到各个方面的衰 减损失，主要包括自由空间的路径损失、阴影衰落和多径衰落三类影响。自由空间的路径 损失是移动台和基站之间距离的函数，描述的是大尺度区间内接收信号强度随发射一接收 距离而变化的特性。阴影衰落常称慢衰落，描述的是中等尺度区间内信号电平中值的慢变 化特性。多径衰落常称快衰落，描述的是小尺度区间内接收信号场强的瞬时值的快速变化 特性。由于路径损失和衰落的影响，接收到的信号比发射的信号弱得多。对于快速移动的 用户而言，信号的变化主要表现为衰落，因为平均路径损失变化非常慢。 通常把信道衰落的分成两大类：大尺度衰落( l a r g e s c a l ee f f e c t s ) 和小尺度衰落 ( s m a l l s c a l ee f f e c t s ) 。对应地，无线信道的传播模型可分为大尺度传播模型和小尺度传播 模型两种。 大尺度传播描述了长距离( 几百米甚至更长) 内接收信号的强度的缓慢变化，这些变 化是由发射天线和接收天线之间传播路径上的传播损耗和阴影衰落引起。一般来说，大尺 度衰落与发送天线和接收天线之间的距离成反比，且在不同的地区有不同的衰减因子。大 尺度衰落可以由天线分集和功率控制得到补偿，因此了解大尺度衰落对于移动通信中的传 输技术和接收设备的选择，预测收发设备长距离平均场强的变化并估计无线覆盖范围有重 大意义。 小尺度传播描述了短距离( 几个波长) 或短时间( 秒级) 内接收信号强度快速变化。 移动无线信道的主要特征是多径传播，传播过程中会遇到很多建筑物、树木以及起伏的地 形，会引起能量的吸收和穿透以及电波的反射、散射、绕射等，这样，移动信道是充满了 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线信道模型分析 发射波的传播环境。到达接收端天线的信号不是单一路径来的，而是很多路径来的众多反 射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各路径来的发射波到达时间不同， 相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时同相叠加而加强，有时反相叠加 而减弱。从而导致接收信号的幅度急剧变化，即产生了多径衰落。讨论小尺度衰落对传输 技术的选择和数字接收机的设计至关重要。因而，在无线通信基带系统设计中主要考虑小 尺度衰落。 移动无线信道下的特性参数具体表现为时间色散参数( 频率选择性) 、频率色散参数 ( 时间选择性) 和角度色散参数( 空间选择性) 。信号由于移动信道的多径、移动台的运 动、不同的散射环境，经过信道后分别形成了频率选择性衰落、时间选择性衰落和空间选 择性衰落1 6 】，也分别产生了时延扩展、多普勒扩展和角度扩展。这三种扩展分别对应3 组 相关参数相干带宽、相干时间和相干距离。这三组扩展特性和相关特性同时存在，且 互不排斥。 时间色散参数( 频率选择性) ： 时间色散和频率选择性是由于不同时延的多径信号叠加所产生的结果。两种效应同 时出现，只是表现形式不同，时间色散体现在时域，频率选择性体现在频域。时间色散是 把发送端的一个信号沿时间轴展开，使接收信号的持续时间比这个信号发送时的持续时间 增长，即多径效应在时域上造成信号波形展宽；而频率选择性是指对发送的信号进行滤波， 对信号中不同频率的分量衰落幅度不样。时延扩展盯，是描述信道时间色散特性的参数， 一般指最后一个可分辨的时延信号和第一个时延信号到达时间之差。仃，越大，时间扩散越 严重。时延扩展引起频率选择性衰落，并且可以用相干带宽毋来描述。相干带宽表示信道 在两个频移处的频率响应保持强相关情况下的最大频率差。一般地，b 。i 0 ，。它是信道 频率选择性的测度。相干带宽与信号带宽之比越小，信道的频率选择性越强；反之，则弱。 频率色散参数( 时间选择性) 频率色散和时间选择性是由于移动台和基站之间相对运动或是有信道路径中物体的 运动引起的。多径效应在频域上将信号的带宽展宽了，时域上传输信道的特征发生变化， 造成信号失真。由运动引起的接收信号频率的移动称为多普勒频移厶，它与移动台的相对 移动速度v 、移动台的运动方向与散射波入射方向之间的夹角9 有关，即f o = v c o s o 2 , ， 其中彳为波长。多普勒扩展b 门是谱展宽的一个测量值，它是信道时间变化率的一种度量， 依赖于多普勒频移和多普勒功率谱。当发送频率为正的正弦信号时，接收信号谱在正一厶 至丘+ 厶之间变化，其中厶是最大多普勒频移，即发生多普勒扩展。相干时间乃是两个瞬 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线信道模型分析 时时间的信道冲激响应处于强相关情况下的最大时间间隔，也是信道随时间变化快慢的测 度。一般地，瓦= c 怃= v f ，其中，c 为光速，v 为移动用户的速度，z 为载频，厶为 最大多普勒频移。相干时间越大，信道变化越慢；反之则变化越快。 角度色散参数( 空间选择性) 角度色散和空间选择性是由于散射环境不同，使得多天线系统中不同位置的天线经历的 衰落不同。多径信号发射或是到达的角度被展宽了。角度扩展和相干距离是描述空间选择 性衰落的两个主要参数。角度扩展给出接收信号主要能量的角度范围，产生空间选择性衰 落，即信号幅值与天线的空间位置有关。相干距离定义为两根天线上的信道响应保持强相 关是的最大空间距离。相干时间越短，角度扩展越大。 表2 1 对信道特征的三组参数做了总结。 表2 1信道特征 信道选择性信道扩展相关度量参数 频率选择性时延扩展相干带宽 时间选择性多普勒扩展相干时间 空间选择性角度扩展相干距离 由上可见，时延扩展、多普勒扩展和角度扩展都是移动多径信道的参数。根据信号参 数( 如带宽、码元间隔等) 和信道参数之间的关系，不同的发射信号会发生不同类型的衰 落。因此对应地，小尺度衰落信道可以进行如下分类： ( 1 ) 根据信道的频率选择性，可以把信道分为平坦衰落信道和频率选择性衰落信道。 设曰，为信号带宽，噩为相干带宽，z 为信号周期( 信号带宽的倒数) ，仃，为信道的时延 扩展。当b 。 仃，时，信道为平坦衰落信道。即从频域上看，不同的频率分量经 历了相同的衰落：从时域上看，接收信号只经历了一个可分辨径的衰落，码间干扰( i s i ) 可以忽略不计，这时接收信号的波动可以表示为发送信号和信道冲激响应的乘积。当 b 。 b 。，z c ，b ， b o ，信道为慢衰落信道。即从频域上看，信道参数在一个或 多个信号码元周期内是稳定的；从时域上看，信道的冲激响应变化要比传送信号码元周期 低很多。 ( 3 ) 根据信道的空间选择性，可以把信道分为标量信道和矢量信道。 设为角度扩展。在角度扩展不为零的情况下，随着多天线系统的引入，使得不同位置的 天线经历了不同的衰落，从而产生角度色散，即空间选择性衰落。这样，信道信息从原来 的二维时间、频率，扩充到包含时间、频率、空间的三维信息。当= 0 时，信道只包 含时间、频率二维信息，此时信道称为标量信道，即如果仅仅采用单天线系统，其受到的 衰落仅仅是某一固定空间点受到的衰落；当a 0 时，信道包含时间、频率、空间三维信 息，此时信道称为矢量信道，即如果采用多天线系统，信道受到空时衰落，则不同位置上 的天线经历的衰落各不相同，这样各天线间就实现了空间分集。标量信道和矢量信道的关 键区别在于信道信息中是否包括角度矢量。 本文的研究基于信道的频选和时选特性。因而下面简要总结一下多径参数和接收信号 频率和时间选择性衰落类型之间的关系。 正占， i 口e 厘 1 r 留 i p 担 裂 z 发送信号码元间隔 ( 毫) 衰落与码元间隔的关系 2 2 抽头延迟线模型 憾 轻 口| p 篓也 辩# 毅 捉 发送基带信号带宽 c b ) 衰落与基带信号带宽的关系 图2 1 信号衰落与信道参数的关系 移动通信中的信道是时变的，这种时间变化是由接收机在空间的相对运动引起的。时 变信道可以用具有时变冲激响应的线性滤波器描述。如图2 2 ，多径时变信道可以使用抽 头延迟线滤波器实现。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第