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编码CDMA系统中的一种迭代多用户接收器.pdf

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上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《编码CDMA系统中的一种迭代多用户接收器pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含 第卷第期 年月上海交通大学学报JOURNALOFSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITYVolNo Jun 收稿日期:基金项目:教育部符等。

 第卷第期 年月上海交通大学学报JOURNALOFSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITYVolNo Jun 收稿日期:基金项目:教育部重点学科资助项目(A)作者简介:张爱萍(),女,山西孝义人,博士,主要从事CDMA系统中的多用户检测研究罗汉文(联系人),男,教授,电话(Tel):Email:luohanwenhotmailcom  文章编号:()编码CDMA系统中的一种迭代多用户接收器张爱萍, 罗汉文, 王豪行(上海交通大学电子工程系,上海)摘 要:编码CDMA系统中的迭代多用户接收器通过在采用软输入软输出算法的多用户检测和信道译码之间反复传递软信息而提高接收系统性能最优的软输入软输出多用户检测器具有指数的计算复杂度,文中提出了一种简化的软输入软输出多用户检测算法仿真结果表明,这种迭代多用户接收器的性能接近基于最优多用户检测的迭代多用户接收器关键词:码分多址多用户检测参数估计信道译码迭代中图分类号:TN   文献标识码:AAnIterativeMultiuserReceiverforCodedCDMASystemsZHANGAiping, LUOHanwen,WANGHaoxing(DeptofElectronicEng,ShanghaiJiaotongUniv,Shanghai,China)Abstract:TheiterativemultiuserreceiverforcodedCDMAsystems,inwhichbothmultiuserdetectorandchanneldecoderareimplementedwithsoftinsoftout(SISO)algorithm,improvesthereceiver’sperformancebypassingsoftinformationbetweenthemultiuserdetectorandthechanneldecoderThecomputationalcomplexityoftheoptimalSISOmultiuserdetectorincreasesexponentiallywiththenumberoftheusersInthispaper,areducedcomplexitySISOmultiuserdetectorwasproposedThesimulationresultsshowthatthebiterrorperformanceofthisiterativemultiuserreceiverapproachesthatoftheiterativemultiuserreceiverbasedonoptimalSISOmultiuserdetectorKeywords:codedivisionmultipleaccecs(CDMA)multiuserdetectionparameterestimationchanneldecoderiterative  CDMA系统中的多用户检测利用用户扩频波形之间的互相关特性对多个用户联合检测早先的多用户检测技术大都是硬判决输出对于采用信道编码的CDMA系统,多用户检测的后端是信道译码信道译码器采用软输入会带来一定的译码增益最近,一些学者开始研究多用户检测和信道译码的合并与相互作用,特别是基于迭代原理(Theturboprinciple)的迭代多用户接收技术~迭代多用户接收是指:多用户检测和信道译码都采用软输入软输出(SISO)算法,每一次迭代,多用户检测和信道译码都输出软信息作为下一次迭代的先验信息,经过反复迭代,提高整个接收系统的性能编码系统中迭代多用户接收器的关键是SISO多用户检测算法的实现,最优的SISO多用户检测器具有指数的计算复杂度本文基于PDA(ProbabilisticDataAssociation)算法,提出一种简化的SISO多用户检测器,并对其计算复杂度进行了分析仿真实验结果表明,本文提出的迭代多用户接收器的比特误码性能接近基于最优SISO多用户检测器的迭代多用户接收器 系统模型对于有K个用户的卷积编码同步DSöCDMA系统,若为高斯白噪声信道,接收信号为y(t)=Li=Kk=bikwksk(tiT)Ρn(t)()式中:bik为用户k扩频前的编码比特L为帧长wk为接收端用户k的能量(假设在一个接收帧内,用户能量保持不变)Ρn(t)为零均值高斯白噪声随机过程,其功率谱密度为Ρ{sk(t),tT}为第k个用户的归一化扩频波形,T为比特间隔,sk(t)=NNn=sknrect(tnTc)其中:{skn}为用户k的扩频序列rect(t)为矩形码片波形Tc为码片间隔,Tc=TNN为扩频增益在第i个比特间隔,对接收信号以码片速率采样得N维列向量yi=SWbini()式中: S=s s  sk  sK    sk=sk sk  skNT    W=diag(w,w,,wK)    bi=bi bi  biKTni为N维白色高斯噪声向量,其协方差矩阵为ΡI 迭代多用户接收器基于yi,传统多用户检测器经过一定的处理(线性或非线性)后输出硬判决,经过解交织作为信道译码器的输入,这种多用户检测和信道译码器之间的接口方式必然会造成一定的性能损失Hagenauer将Turbo码解码的工作机理称为迭代原理,并指出接收端不同模块之间可以通过迭代传递外信息来提高整个接收系统性能基于迭代原理的迭代多用户接收器的结构如图所示  它由SISO多用户检测器和一组SISO单用户信道译码器组成,SISO多用户检测利用上一次迭代过程中信道译码器的输出作为编码比特的先验信息,并结合CDMA信道结构产生合适的软判决输出,解交织后作为SISO信道译码器的输入,信道译码器根据编码器结构输出编码比特的新的后验概率在最后一次迭代,信道译码器输出信息比特的硬判决值,即迭代多用户接收器的输出图 迭代多用户接收器结构图Fig Structureofiterativemultiuserreceiver 最优SISO多用户检测  根据信道输出的采样值yi、信道结构和信道译码器的输出,SISO多用户检测计算yi对编码比特的边沿条件概率作为信道译码器的输入根据贝叶斯公式,有P(yiûbik=b)=P(yi,bik)P(bik=b)=bi,bik=bP(yiûbi)Kj=(jk)P(bij)()式中:P(yiûbi)=(ΡΠ)Nexp‖yiSWbi‖Ρ  第一次迭代时,先验概率P(bij)=在以后的迭代过程中,信道译码器的输出作为先验概率式()被称为最优的SISO多用户检测,可以看出,它的计算复杂度与系统中的用户数呈指数增长关系 次优SISO多用户检测  为了降低SISO多用户检测器的计算复杂度,采用概率数据关联(PDA)算法P(yiûbik=b)式()还可以表示为yi=skbikKj=(jk)sjbijni()对于用户k,式()中第项为有用信号,后面第、项分别为多址干扰和噪声,定义Nik=Kj=(jk)sjbijni()  PDA算法的基本思想是将Nik近似为一高斯噪声向量,其相应的均值和协方差分别为ENik=jksj(P(bij=))()covNik=jkP(bij=)(P(bij=))sjsTjΡI ()在式()、()的推导过程中,假设各用户的数据相互独立I为NN单位矩阵与最优的SISO多用户 第期张爱萍,等:编码CDMA系统中的一种迭代多用户接收器检测相同,第次迭代时,先验概率P(bij=)=在以后的迭代过程中,将信道译码器的输出作为先验概率因此,有P(yiûbik=b)=(Π)Nexp(yiskbENik)T(covNik)(yiskbENik)()  可以看出,这种SISO多用户检测器的计算复杂度与系统中的用户数呈线性关系每个比特间隔内每个用户都需要对矩阵取逆操作,通过分析其计算过程,还可以进一步简化定义D=jP(bij=)(P(bij=))sjsjTΡI=covNikP(bik=)(P(bik=))skskT()根据ShermanMorrisonWoodbury公式,有 covNik=D  P(bik=)(P(bik=))DsksTkDP(bik=)(P(bik=))sTkDsk()这样,在每个比特间隔只需要进行一次矩阵求逆运算,即D 单用户SISO信道译码对于用户k,信道译码器的输入为{P(yiûbik=b),b=,i=,,,L},经过解交织器后的输出记作{P(ymûbmk=b),b=,m=,,,L},m=(i),表示解交织器SISO信道译码器完成两个功能:()输出编码比特外信息,交织后作为下一次迭代中SISO多用户检测的先验信息()在最后一次迭代,输出信息比特的后验概率,得到多用户接收器的硬判决输出对传统的BCJR算法稍做修改就可以得到迭代多用户接收器中的单用户SISO信道译码器SISO信道译码是对各个用户单独进行的,下面介绍用户k的译码过程编码器格型结构中t时刻的状态变量为St,其状态数为v,编码速率为r定义前向和后向递推公式分别为Αt(s)=P(St=sû{P(ymûbmk)})=   htΑs′Αt(s′)Χt(s′,s)()Βt(s)=P(St=sû{P(ymûbmk)})=   htΒs′Βt(s′)Χt(s,s′)()式中,Χt(s′,s)=törm=(t)örP(ymûbmk=b)t时刻,由状态St=s′到状态St=s的概率为t(s′,s)=htΑt(s′)Χt(s′,s)Βt(s)()  式()~()中的htΑ、htΒ、ht都为归一化系数记Ubt,m={(s′,s)ûbmk=b}mtr,tr,,tr则P(bmk=b,{P(yjûbjk)})=Ubt,mt(s′,s)()  所谓编码比特外信息,是由其他编码比特的先验信息和编码结构得到的此编码比特的信息,即Pext(bmk=b,{P(yjûbjk)})=Ubt,mt(s′,s)P(ymûbmk=b) ()对式()归一化,得Pext(bmk=b,{P(yjûbjk)})=  Pext(bmk=b,Pext(bmk=,{P(yjûbjk)}){P(yjûbjk)})Pext(bmk=,{P(yjûbjk)})()  由式()得到的编码比特的外信息交织后作为下一次迭代SISO多用户检测的先验信息,即P(bmk=b)=Pext(bmk=b,{P(yjûbjk)})()  在最后一次迭代,信道译码器还输出信息比特的硬判决d^tk且d^tk=, Vtt(s′,s)>Vtt(s′,s)d^tk=, Vtt(s′,s)<Vtt(s′,s)()式中:Vdt={(s′,s)ûdtk=d},d{,} 计算复杂度分析及仿真实验 计算复杂度分析迭代多用户接收器的计算量主要取决于多用户检测算法对于最优的SISO多用户检测,P(yiûbi)只需在第一次迭代时计算,后面迭代过程中仅执行查找表操作忽略P(yiûbi)的计算量,每一次迭代的每个比特间隔内的每个用户的计算量近似为KK,它包括式()中K个求和运算,每个和式中的K个相乘操作,以及每个用户编码比特的两个可能取值bik=对于本文采用的次优多用户检测算法,式()、()的计算量与用户数呈线性关系,计算量主要来自式()考虑covNik的对称性,每一次迭代的每个比特间隔内的每个用户的计算量近似为(NNNK)    上 海 交 通 大 学 学 报第卷 图所示为系统扩频增益与用户数相等时的近似计算量的比较图中横坐标n为系统用户数,纵坐标m为运算次数图 计算复杂度的比较Fig Comparisonofcomputationalcomplexity 仿真实验  本文的仿真对象是个用户的卷积编码同步DSöCDMA系统,卷积编码器的生成函数都为G=,各用户采用不同的随机交织器,每帧的信息比特数都为扩频序列采用长度为的Gold序列假设在严格的功率控制下,接收端各用户的能量相等图比较了基于最优SISO多用户检测的迭代多用户接收器和本文提出的次优迭代多用户接收器的比特误码率(BER)性能图中的结果是在 次蒙特卡洛仿真的基础上得到的由图可见,在第次迭代时,前者的性能略优于后者到第次迭代,两者的比特误码性能基本上相同而且,经过有限几次迭代后,迭代多用户接收器的性能接近编码系统的单用户限图 比特误码性能比较Fig Comparisonofbiterrorperformance 结 语多用户检测和信道编解码技术是实现未来移动通信大容量、高质量要求的关键技术,多用户检测和信道译码是未来移动通信系统中接收端的两个主要模块,它们之间的接口直接影响接收器的性能迭代多用户接收技术通过在这两个模块之间迭代传递软信息而提高接收系统,最优的迭代多用户接收技术具有指数的计算复杂度本文基于PDA思想提出了一种线性复杂度的简化算法,同时,它的性能接近最优的迭代多用户接收器参考文献: HagenauerJTheturboprinciple:tutorialintroductionandstateofartAProcIntSymponTurboCodesandRelatedTopicsCBrest,France:ENSTBretagne, WangX,PoorHVIterative(Turbo)softinterferencecancellationanddecodingforcodedCDMAJIEEETransactionsonCommunications,,(): MoherMAniterativemultiuserdecoderfornearcapacitycommunicationsJIEEETransactionsonCommunications,,(): 张爱萍,罗汉文,王豪行基于并行干扰对消检测的迭代多用户解码J上海交通大学学报,,():ZHANGAiping,LUOHanwen,WANGHaoxingIterativemultiuserdecodingbasedonparallelpartialinterferencecancellationdetectionJJournalofShanghaiJiaotongUniversity,,(): BarShalomY,LiXREstimationandtracking:principles,techniquesandsoftwareMDedham,MA:ArtechHouse, BahlLR,CockeJ,JelinekF,etalOptimaldecodingoflinearcodesforminimizingsymbolerrorrateJIEEETransactionsonInformationTheory,,(): 第期张爱萍,等:编码CDMA系统中的一种迭代多用户接收器

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