基于kalman算法的盲多用户检测方法

摘要 ?????? 码分多址(CDMA)技术是第三代移动通信系统的核心技术之一。但是在CDMA系统中，由于多址干扰的存在，使系统性能受到严重影响。多用户检测(MUD)技术不但可以抗多址干扰，还可以抗远近效应和多径干扰，因此成为CDMA系统的关键技术之一。 ?????? 而盲多用户检测器由于具备不需要训练序列和干扰用户的先验知识等一系列优点，已经成为现在国内外的热门研究课题。本文在现有多用户检测技术研究成果的基础上，重点研究了多用户检测技术中的盲多用户检测算法。通过研究盲多用户检测的直接序列扩频码分多址(DS-CDMA)系统模型，分析和仿真了同步DS-CDMA系统、高斯白噪声(AWGN)信道下的基于最小输出能量(MOE)准则的最小均方(LMS)和递归最小二乘(RLS)两种盲多用户检测算法。 ?????? ?????? 另外分析和仿真了基于Kalman滤波的盲多用户检测算法，并且综合分析比较了LMS算法、RLS算法和Kalman滤波的盲多用户检测算法的性能以及算法的计算复杂度。 ?????? 关键词：盲多用户检测；最小均方算法；递归最小二乘算法；Kalman算法 研究背景??? ?????? 随着科技进步，通信技术成为推动社会进步的重要因素。人们对移动通信业务和质量的要求也在不断提高。未来的移动通信系统不仅要有大的系统容量，并且要能支持话音、数据、图像、多媒体等多种业务的有效传输。为了满足越来越多的对移动通信非话业务的需求。人们一方面对现有的第二代移动通信网络如GSM、IS-95、CDMA等进行技术上的革新和改造，同时以ITU、3GPP、3GPP2为首的许多国际组织和机构致力于第三代移动通信系统的标准制定和研究开发。目前，国际电联所承认的三种方案分别是由中国提出的TD．CDMA、美国所制定的CDMA2000和欧洲所制定的WCDMA。可以看出，码分多址(CDMA)技术己经成为第三代移动通信系统中的主流技术。 ?????? 在CDMA基础之上的第三代移动通信系统是建立在ITU，IMT-2000建议基础上的、工作在2GHz频段的宽带移动通信系统。与前两代系统相比，具有更大的容量、更好的通信质量、更高的频带利用率，这些特点使得它能为高速和低速移动用户提供话音、数据、会议电视及多媒体等多种业务。而且用户能在全球范围内无缝漫游。3G系统确实给人们展示了一个美好的通信前景但这些美好前景的实现要以克服3G系统所面临的技术难题为前提。这些难题有的是蜂窝移动通信所固有的，也有的是3G系统所特有的，只有理解了这些问题，才能深刻地理解为解决这些问题而开发出的各种关键技术的意义。 1.2研究的意义 ?????? 为了解决3G系统所必须面对的主要问题，各国学者进行了广泛而深入的研究，发展并创新了许多关键技术。这些技术有的已被3G系统采用有的还在进一步研究之中。第三代移动通信系统的关键技术包括： (1)高效信道编译码技术。扩频技术在克服多径衰落以提供高质量的传输信道具有很好作用，但却存在质量问题。现在用以克服衰落效应主要采用的技术是前向信道纠错编码和交织技术，编码和交织都极大地依赖于信道的特征和业务的需求。不仅对于业务信道和控制信道采用不同的编码和交织技术，而且对于同一信道的不同业务也采用不同的编码和交织技术。 (2)多址技术。3G系统中的多址技术包括CDMA系统中地址码和各种多址协议两方面的研究。由于3G系统采用码分多址技术对扩频码的选择也就变得很重要。IS-95系统中采用了64位Walsh函数作为扩频码，前向信道的性能可以得到保证但反向信道性能还不尽如人意。目前人们对正交变扩频因子码(OVSF)进行了广泛研究，希望彻底解决其生成方法、可用数目和复用等问题。同时，对CDMA／PRMA多址协议给予了极大关注被视作传统分组预约多址(PRMA)协议的扩展。 (3)功率控制技术。功率控制技术是解决远近效应的有效方法。在CDMA系统中， 由于用户共用相同的频带，且各用户的扩频码之间存在着非理想的相关特性，用户发射功率的大小将直接影响系统的总容量，从而使得功率控制技术成为CDMA系统中的最为重要的核心技术之一。在上行链路，为了克服宽带CDMA系统的远近效应，需要动态范围达80dB的功率控制。在下行链路中，为了实现快速和自适应的功控算法多采用插入功控子信道实现前向的闭环功控。 (4)智能天线技术。 智能天线也叫自适应阵列天线，它由天线阵、波束形成网络、 波束形成算法三部分组成。它通过满足某种准则的算法去调节各阵元信号的加权幅度和相位，从而调节天线阵列的方向图形状达到增强所需信号抑制干扰信号的目的。智能天线技术适宜于TDD方式的CDMA系统能够在较大程度上抑制多用户干扰提高系统容量。但是由于存在多径效应每个天线均需一个Rake接收机从而使基带处理单元复杂度明显提高。 1.3国内外研究状况及进展 ?????? 作为第三代及第三代以上移动通信中的关键技术，多用户检测(MUD)的提出主要是为了消除多址干扰。在通常的CDMA系统中，多个用户的信息共同使用同一传输信道，各用户信息间彼此成为干扰信号。在传统的接收方式中，这种其它用户的信号常被当作噪声处理，但实际上，这种多址干扰信号是有着很强规律性的伪随机序列信号，完全有可能利用这些伪随机序列的统计信息来消除它所造成的负面影响。这就涉及到我们要研究的问题一多用户检测。 ?????? 1979年，K．S．Schneider提出了多用户检测的思想，这是多用户检测的最早文献，但是当时并没有引起人们的广泛关注。美国学者Verdu在1986年提出了最优多用户检测器，最优多用户检测器是在AWGN信道下的最优多用户检测器。自从最优多用户检测算法被提出来以后，多用户检测理论迅速成为通信理论界研究的一个热点，第三代移动通信也看好这一技术，将它列为最有前途的增强型技术之一，并希望在第三代第二期中得以实际应用。最优多用户检测理论上可完全消除多址干扰，每个用户都能达到最小的误码率。但是最优多用户检测器有两个很重要的缺点，一是算法的复杂度太高，复杂度随用户数的增加成指数关系增加，二是需要知道接收信号的幅度和相位信息，因此研究人员一直致力于次优检测器以及最优检测器低复杂度算法的研究。 ?????? 基于以上问题，1995年，Honig等提出了基于最小输出能量准则的盲多用户检测算法。，它以检测器的输出能量作为目标函数，在仅知道期望用户扩频序列的情况下，就能进行多用户检测。1998年，Wang等提出了基于子空间的盲多用户检测算法，它主要利用输入信号的广义循环平稳特性，对输入数据自相关矩阵进行子空间分解，根据信号子空间与噪声子空间的相互正交性，将输入信号投影到信号子空间上，以获得多用户检测器，此方法不需要已知任何用户的扩频序列。2002年，Zhang和We又提出了基于Kalman滤波的盲多用户检测技术。 ?????? 根据接收机所需要的先验知识，可以将盲多用户检测分为两类：第一，半盲检测。就是干扰用户特征序列部分已知条件下的检测，适用于小区基站；第二，盲检测。是不知道所有干扰用户特征序列条件下的检测，适用于移动台。根据盲算法的代价函数不同，可以分为以下几种：基于最小输出能量(MOE)准则的盲多用户检测算法，基于恒模准则的盲多用户检测算法(CMA)，基于子空问的盲白适应多用户检测算法，Kalman盲自适应多用户检测算法等。 ?????? 盲多用户检测技术由于不需要采用训练序列，且能够提高系统的动态跟踪能力，因而近年来成为了多用户检测技术的研究热点。但是，目的这些盲自适应多用户检测算法多是停留在理论的探讨阶段，寻找复杂度与性能之间的合理折中且能满足实际高速信号处理需要的实用化盲多用户检测器仍是盲多用户检测研究的主要方向。