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1、华中科技大学 博士学位论文 宽带无线通信系统中的多用户检测 姓名：孔政敏 申请学位级别：博士 专业：信息与通信工程 指导教师：朱光喜 2011-01-20 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 宽带无线通信是当今通信业中最具有生机与活力的领域之一；而多输入多输出 结合正交频分复用（Multiple-Input Multiple-Output combining Orthogonal Frequency Division Multiplexing，MIMO-OFDM）技术和超宽带（Ultra-Wideband，UWB）技术
2、 各因其优势，势必会成为未来宽带无线通信系统中的关键技术。在多用户环境下的 MIMO-OFDM 和 UWB 系统中，多个用户同时通信虽然能够提高系统资源利用率， 然而由于无线信道的衰落势必会导致用户之间相互干扰。解决此类问题可采用多用 户接收机，即多用户检测技术。因此，本论文主要研究了上述两类未来宽带无线通 信系统中的多用户检测技术。其主要内容概括如下： 1. 在具有 MIMO-OFDM 技术的长距离无线通信系统中， 利用判决反馈检测的方法， 提出一类基于判决反馈均衡器（Decision Feedback Equalizer，DFE）的非线性多 用户检测算法。描述了所提出算法具有的多重反馈结构
3、，并通过计算比较了所提 出的具有多重反馈结构的 DFE 与传统的 DFE 的最小均方误差（MMSE）性能， 并用理论证明具有多重反馈结构的 DFE 的 MMSE 性能优于传统的 DFE。最后， 根据前级的已知匹配滤波器系数提出一种均衡器的系数优化算法。 本论文提出的 此类多用户检测算法在 BER 性能、系统容量方面均获得较好的效果。 2. 测量室内短距离通信的 UWB 信道，获得其多径衰落的模型。建立出具有对数正 态衰落的多用户 UWB 系统模型。首次在对数正态的小尺度衰落 UWB 信道下， 提出基于互补误差函数变异的遗传算法（CEFM-GA）的多用户检测技术。讨论 了 CEFM-GA 具体检
4、测流程，并利用互补误差函数来计算变异概率。仿真实验表 明在 IEEE 802.15.3a 的 CM1CM4 信道下，CEFM-GA 获得较优的 BER 性能。 3. 建立出具有 Nakagami 衰落的多用户 UWB 系统模型，并权衡了遗传算法和蚁群 优化算法的优缺点， 提出一种优势互补的混合多用户检测算法蚁群优化结合 基于 Q 函数变异的遗传算法 （ACO QFM-GA） 的多用户检测算法。 ACO QFM-GA 将遗传算法的结果转化为蚁群优化算法的信息素的初始分布； 然后利用蚁群优化 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 II 算法
5、的正反馈性进行最终最优解的计算。我们将 ACO QFM-GA 算法流程分为遗 传算法和蚁群优化算法两个部分进行研究。首先针对前级的基于 Q 函数变异的 遗传算法具体讨论了其变异运算。然后以详细分析了后级的蚁群优化算法。仿真 实验表明在 Nakagami 衰落的视距 UWB 信道下， ACO QFM-GA 得益于遗传算法 和蚁群优化算法各自的优势，以相对较低的计算复杂度获得较优的 BER 性能。 4. 根据所提出的多用户检测算法具有循环迭代计算的特点， 提出一种能够降低计算 复杂度的差分算法（或差分多用户检测算法）。在多用户的 MIMO-OFDM 系统 中，提出适用于基于此前 DFE 的差分多用
6、户检测算法。首先，诠释了差分算法 的基本思想，并描绘了具有差分结构的 MIMO MIC DFE-EFF DA 和 MIMO MIC DFE-EFF（COA）DA。然后，通过演算得到适用于各种调制系统的差分算法。 最后，计算得到各种多用户检测算法的计算复杂度的表达式。仿真实验表明了 MIMO MIC DFE-EFF DA 和 MIMO MIC DFE-EFF （COA） DA 分别较此前 MIMO MIC DFE-EFF 和 MIMO MIC DFE-EFF（COA）均节省了绝大部分的计算资源。 而且， 由于差分算法是线性变换，几乎不会影响系统的 BER 性能。 5. 分析得出遗传算法虽具有较快
7、的搜索初期收敛性， 但其计算复杂度制约了基于遗 传算法的一类多用户检测技术。 并以 CEFM-GA 为例， 在多用户的 UWB 系统中， 提出了一种基于遗传算法的差分多用户检测算法CEFM-GA DA。首先，描 绘了 CEFM-GA DA 的具体结构。然后，深入分析了它的原理。最后，计算得到 各种多用户检测算法的计算复杂度的表达式。仿真实验表明 CEFM-GA DA 不但 具有较低的计算复杂度，而且它还能通过差分算法间接获取 BER 性能的提升。 除研究多用户检测技术之外，本论文所提出的基于 DFE 的检测算法对普适 DFE 研究也具有一定积极意义；而且差分算法在解决具有循环迭代计算的系统的复
8、杂度 问题上也具有普遍的理论适用性。 关键词：关键词：MIMO-OFDM，UWB，多用户检测，判决反馈均衡器，多重反馈，系数优 化算法，蚁群优化结合遗传算法，差分算法 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 III Abstract Wideband wireless communications is one of the most vibrant areas in the communication field today. Because of the merits of MIMO-OFDM and UWB techniques,
9、they have been comprehensively considered as the major candidates of the future wideband wireless communication system. It is effective that the multiuser MIMO-OFDM and UWB systems allow one single base station communicating with many users simultaneously. However, the fading in wireless channel lea
10、ds to interference between users. To deal with this problem, multiuser receiver could be employed, namely multiuser detection technique. Thus, this dissertation investigates multiuser detection technique in the two kinds of future wideband wireless communication system above. The main contents of th
11、is dissertation are outlined as follows. 1. This dissertation exploits the decision feedback detection, and proposes a kind of non-linear multiuser detection algorithm based on decision feedback equalizer (DFE) for MIMO-OFDM system. First, the dissertation analyzed the multiple feedback structure of
12、 the proposed DFE-based algorithm. Then, it compares the minimize mean square error (MMSE) performance of the proposed DFE-based algorithm with the traditional DFE. Calculation results proof that our proposed DFE-based algorithm is better than the traditional DFE in the sense of MMSE performance. Fi
13、nally, according to the known coefficients of previous matched filter, the dissertation puts forward a new coefficient optimization algorithm (COA) for the equalizer. Simulation results show the DFE-based algorithm has the better bit error rate (BER) performance and larger system capacity than the t
14、raditional multiuser detection algorithms. 2. Indoor UWB channel for short-range wireless communication system has been measured, and its multipath fading-model can be obtained. In this dissertation, the lognormal fading multiuser UWB system model has been established, and a novel 华 中 科 技 大 学 博 士 学
15、位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 IV genetic algorithm based on complementary error function mutation (CEFM-GA) has been proposed for multiuser detection in the lognormal fading UWB channel. The dissertation discusses the procedure of the CEFM-GA, and analyzes the mutation operation, namely using comple
16、mentary error function mutation to calculate the mutation probability for 1-dimensional (1-D) scenario. Simulation results show the CEFM-GA can obtain better BER performance under the IEEE 802.15.3a channel. 3. This dissertation also establishes the Nakagami fading multiuser UWB system model. Weighting the advantages and disadvantages between the genetic algorithm (GA) and the ant colony optimization algorithm, the dissertation p
