CDMA网络多用户检测方法、装置和多用户检测滤波器

摘要

本发明公开一种CDMA网络多用户检测方法、CDMA网络多用户检测装置和多用户检测滤波器，涉及CDMA技术领域。该方法包括：据输入信号基于均衡恒模算法迭代计算多用户检测滤波器的加权矢量；根据加权矢量对输入信号进行多用户检测滤波处理获得各个用户的信号。本发明针对现有的SDCMA和LSCMA算法的不足提出的基于改进恒模算法实现CDMA网络多用户检测方法和系统，可以在强多址干扰下有效的收敛到目标信号，而在弱干扰下仍可以保持最小二乘恒模算法快速收敛的特性，可以有效改善CDMA网络下多用户检测的效果，提高CDMA网络的用户容量。

说明书

技术领域

本发明涉及CDMA(Code Division Multiple Access，码分多址)技 术领域，尤其涉及一种CDMA网络多用户检测方法、CDMA网络多用 户检测装置和多用户检测滤波器。

背景技术

多用户检测是抑制多址干扰、有效提升CDMA移动通信系统的一 条有效途径。其基本思想是利用多址干扰中包含的用户间互相关信息来 估计、降低或消除干扰的影响。目前主要的多用户检测方法有最佳多用 户检测，线性多用户检测等。虽然以上非盲检测具有一些优点，但当信 道响应突然发生变化或者出现新的同信道干扰时，训练序列需要重新发 送，这将造成信道带宽的浪费。因此研究不需要训练，也不须获知干扰 用户信息的盲自适应多用户检测器成为实际应用的需求。

盲自适应多用户检测器可以有多种方法实现，其中恒模算法 (CMA：Constant Modulus Algorithm)就是其一。CMA的基本思想 是利用发送信号的幅度统计特性来进行盲信号处理，在接收端通过使输 出信号的幅度保持恒定来调整滤波器的系数。考虑基带同步直接序列扩 频CDMA系统，假设具有K个用户，其接收信号为：

$r\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{A}_k{b}_k{s}_k\left(t\right)+\mathrm{\delta n}\left(t\right),t\in [0,T]---\left(1\right)$

其中，A_k，b_k，s_k(t)分别表示第k个用户的接收信号幅度，发送符号 和归一化特征波形。n(t)是加性高斯白噪声，方差为σ²。这里b_k为 BPSK调制信号，以等概率取值±1。s_k(t)在[0，T]中能量为1，

$s_k\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N-1}{\Sigma }}{c}_i^{k}p(t-{\mathrm{iT}}_c)---\left(2\right)$

这里N为扩频增益，为分配给第k个用户的取值为±1 的扩频码；p是码片周期(Tc)内归一化码片(chip)波形，NTc＝T。 在接收端，接收信号r(t)通过码片匹配滤波器后，以码片速率采样，其 输出在一符号周期内以向量表示为：

$r=\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{A}_k{b}_k{s}_k+\mathrm{\delta n}=\mathrm{SAb}+\mathrm{\delta n}---\left(3\right)$

其中，S＝[s₁，…，s_K]，s_k是第k个用户的归一化信号波形矢量，A＝diag (A₁，.A_K)，b＝[b₁，…，b_k]^T；r＝[r₀，…，r_N-1]^T；n＝[n₀，…，n_N-1]^T是白高斯噪声向 量，且E{n}＝0，E{nnT}＝I_N，δ²是高斯白噪声方差矩阵。为检测用户 k(1≤k≤K)的信号，则多用户检测滤波器的加权值为 w_k＝[w_k，0，…，w_k，N-1]^T，输出为y_k＝w_k^Tr。

恒模自适应算法的最早实现是基于最陡下降算法(SDCMA： steepest descent Constant Modulus Algorithm)，在恒模算法中假设发送 的信号具有恒定的包络，其代价函数定义为：

$J\left(w\left(k\right)\right)=E\left\{{|{\left|w^H\left(k\right)r\left(k\right)\right|}^p-{\left|\alpha \right|}^p|}^q\right\}---\left(4\right)$

式中α是阵列输出端期望的信号幅值。利用不同的p，q，可以产生 多种不同的最陡下降算法。由于恒模算法的代价函数是非线性的，故无 法直接求解，只能采用迭代方法进行逼近。当采用最速下降方向来进行 优化时，其迭代公式为：

$w(n+1)=w\left(n\right)-\mu {▿}_{w}J\left(w\left(n\right)\right)---\left(5\right)$

这里μ＞0，是步长因子，表示w的梯度算子，用顺时值取代期望 值，令p＝1，q＝2，，得到的最速下降恒模算法称为1-2型。若令α＝1， 则1-2型的最速下降恒模算法的迭代方程为：

w(n+1)＝w(n)-μr_ne_n^*    (6)

这里为误差函数，这里y(n)是根据第n次迭代结果 w(n)计算出的用户信号。此外，当p＝1，q＝1时，当 p＝2，q＝1时，e(n)＝2y(n)sgn(|y(n)|²-1)；当p＝2，q＝2时， e(n)＝4y(n)sgn(|y(n)|²-1)。SDCMA算法的突出优点在于实现简单。由于在 极小点附近目标函数接近于二次函数，而最速下降法却是依据目标函数 的线性近似式得到的，因此这种方法收敛较慢。

最小二乘恒模算法(LSCMA：least-squares Constant Modulus  Algorithm)基本原理如下，最小二乘恒模算法最小化恒模代价函数：

J(w)＝E[|w^Hr|-1]²    (7)

根据扩展的高斯方法定义代价函数：

$F\left(w\right)=\underset{l=1}{\overset{m}{\Sigma }}{\theta }_l^2={\left|\right|\theta \left(w\right)\left|\right|}_2^2---\left(8\right)$

则代价函数具有部分Taylor级数展开的平方和形式 这里d是偏差向量，U(w)是θ(w)的Jacobian行 列式，其形式为F(w+d)对偏差向量d的梯 度为：

${▿}_d\left(F(w+d)\right)=2\frac{\partial F(w+d)}{\partial d^{*}}=2\frac{\partial \left\{{[\theta \left(w\right)+U^H\left(w\right)d]}^H\right[\theta \left(w\right)+U^H\left(w\right)d\left]\right\}}{\partial d^{*}}$

$=2[U\left(w\right)\theta \left(w\right)+u\left(w\right)U^H\left(w\right)d]---\left(9\right)$

令可得d＝-[U(w)U^H(w)]^-1u(w)θ(w)，因此 w(n+1)＝w(n)-[U(w(n))U^H(w(n))]^-1 U(w(n))θ(w(n))，这里n代表迭代步数。比 较代价函数J(w)＝E[|w^Hr|-1]²与可知，θ(w)＝|w^Tr|-1，利 用上述推导可知J(w)＝E[|w^Hr|-1]²的权向量更新公式为：

w(n+1)＝w(n)-(rr^T)^-1r[y(n)-φ(k)]^*＝(rr^T)^-1rφ^*(n)(10)

这里$\phi \left(n\right)={[\frac{y\left(1\right)}{\left|y\left(1\right)\right|},\frac{y\left(2\right)}{\left|y\left(2\right)\right|},...,\frac{y\left(m\right)}{\left|y\left(m\right)\right|}]}^T.$

由于LSCMA算法利用了非线性最小二乘即高斯法的推广来设计恒 模算法，有效地提高了算法的收敛速度，但是在实际使用过程中，由于 高斯法对初始点的选择具有一定的要求，如果初始点与目标函数的极小 点相距太远，往往导致算法的失败，此外，当接收数据的相关矩阵呈现 病态性时，LSCMA法也不能很好的应用。

发明内容

鉴于以上问题提出本发明。

本发明要解决的一个技术问题是提供一种CDMA网络多用户检测 方法，具有收敛性好且收敛速度快的优点。

根据本发明的一个方面，提供一种CDMA网络多用户检测方法， 包括：根据输入信号基于均衡恒模算法迭代计算多用户检测滤波器的加 权矢量；根据加权矢量对输入信号进行多用户检测滤波处理获得各个用 户的信号；其中，均衡恒模算法采用如下公式对多用户检测滤波器的加 权矢量进行迭代：

$w(n+1)=w\left(n\right)-(\frac{1}{1+\exp \left(\alpha \right|e\left(n\right)\left|\right)}{R}_{\mathrm{rr}}{\left(n\right)}^{-1}+\frac{1}{1+\exp (-\alpha |e\left(n\right)\left|\right)}\mathrm{\mu I})r_{n}e\left(n\right),\alpha >0,\mu >0,$

其中，n代表迭代步数，w_i(n)为第i个用户的加权矢量w_i在第n次 迭代后的取值，μ是步长因子，e(n)为第n次迭代运算时的误差函数，r_n为无线接收机接收到的用于第n次迭代使用的接收矢量信号，R_rr(n)为接 收信号r_n的协方差矩阵。

优选地，该方法还包括：通过码片匹配滤波器对接收信号进行码片 速率采样获得输入信号。

优选地，该方法还包括：对获得的各个用户的信号进行判决。

优选地，该方法在基于均衡恒模算法对输入信号进行迭代计算多用 户检测滤波器的加权矢量的过程中，如果

|w_i(n+1)-w_i(n)|≤δ

则判定加权矢量已经收敛；其中δ是预设阈值。

本发明要解决的一个技术问题是提供一种多用户检测滤波器，具有 收敛性好且收敛速度快的优点。

根据本发明的另一方面，提供一种多用户检测滤波器，包括：均衡 恒模算法模块，用于根据输入信号基于均衡恒模算法迭代计算多用户检 测滤波器的加权矢量；多用户信号获取模块，用于根据加权矢量对输入 信号进行多用户检测滤波处理获得各个用户的信号；其中，均衡恒模算 法模块采用如下公式对多用户检测滤波器的加权矢量进行迭代：

$w(n+1)=w\left(n\right)-(\frac{1}{1+\exp \left(\alpha \right|e\left(n\right)\left|\right)}{R}_{\mathrm{rr}}{\left(n\right)}^{-1}+\frac{1}{1+\exp (-\alpha |e\left(n\right)\left|\right)}\mathrm{\mu I})r_{n}e\left(n\right),\alpha >0,\mu >0,$

其中，n代表迭代步数，w_i(n)为第i个用户的加权矢量w_i在第n次 迭代后的取值，μ是预先设定的步长因子，但要满足μ＞0的条件，e(n) 为第n次迭代运算时的误差函数，r_n为无线接收机接收到的用于第n次 迭代使用的接收矢量信号，R_rr(n)为接收信号r_n的协方差矩阵。

优选地，均衡恒模算法模块当确定|w _i(n+1)-w_i(n)|≤δ时判定加权矢 量已经收敛；其中δ是预设阈值。

本发明要解决的一个技术问题是提供一种CDMA网络多用户检测 装置，具有收敛性好且收敛速度快的优点。

根据本发明的又一方面，提供一种CDMA网络多用户检测装置， 包括上述的多用户检测滤波器。

优选地，该装置还包括：码片匹配滤波器，用于对接收信号进行码 片速率采样获得输入信号。

优选地，该装置还包括：判断模块，用于对获得的各个用户的信号 进行判决。

本发明提供的CDMA多用户检测方法、装置和多用户检测滤波 器，可以在强多址干扰下有效的收敛到目标信号，而在弱干扰下仍可以 保持最小二乘恒模算法快速收敛的特性，具有收敛性好且收敛速度快的 优点。

附图说明

图1示出根据本发明的CDMA网络多用户检测方法的一个实施例 的流程图；

图2示出根据本发明的CDMA网络多用户检测方法的另一个实施 例的流程图；

图3示出根据本发明的CDMA网络多用户检测装置的一个实施例 的结构图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例 性实施例。

本发明人注意到，LSCMA和SDCMA两种多用检测的方法的主要 区别在于迭代加权值w(n)的计算方式不同，为了充分利用两种算法的优 点，可以对两种算法的迭代权重进行加权，两种算法的迭代加权值由误 差函数e(n)控制。基于上述思想，特提出本发明的多用户检测方法。

图1示出根据本发明的CDMA网络多用户检测方法的一个实施例 的流程图。

如图1所示，在步骤102，根据输入信号基于均衡恒模算法迭代计 算多用户检测滤波器的加权矢量。可以为迭代预先设定迭代次数，或者 设置迭代阈值，或者结合两者。

均衡恒模算法采用如下公式对多用户检测滤波器的加权矢量进行迭 代：

$w(n+1)=w\left(n\right)-(\frac{1}{1+\exp \left(\alpha \right|e\left(n\right)\left|\right)}{R}_{\mathrm{rr}}{\left(n\right)}^{-1}+\frac{1}{1+\exp (-\alpha |e\left(n\right)\left|\right)}\mathrm{\mu I})r_{n}e\left(n\right),\alpha >0,\mu >0,$

其中，n代表迭代步数，w_i(n)为第i个用户的加权矢量w_i在第n次 迭代后的取值，μ是预先设定的步长因子，但要满足μ＞0的条件，e(n) 为第n次迭代运算时的误差函数，r_n为无线接收机接收到的用于第n次 迭代使用的接收矢量信号，R_rr(n)为接收信号r_n的协方差矩阵。

在步骤104，根据加权矢量对输入信号进行多用户检测滤波处理获 得各个用户的信号。

上述实施例中，在迭代的初始阶段误差较大，这时主要采用 SDCMA的迭代步长进行迭代，随着误差函数的减小，接收数据的相关 矩阵的权重逐渐变大LSCMA算法成为主导。这样算法既可以利用 SDCMA算法抑制较强的干扰，又可以在算法收敛的过程中迅速收敛到 目标信号。此外，本发明提出的方法与LSCMA算法的复杂度都为 O(N³)，并没有提升实际应用的复杂度，因此具有实际的应用价值。

图2示出根据本发明的CDMA网络多用户检测方法的另一个实施 例的流程图。

如图2所示，步骤201，通过码片匹配滤波器对接收信号进行码片 速率采用获得输入信号。接收信号包含K 个用户信号，接收信号r(t)通过码片匹配滤波器后，以码片速率采 样，其输出信号在一符号周期内以向量表示为其中S＝[s₁…，s_K]，s_k是第k个用户的归一化信号波形矢量，A＝diag (A₁，.A_k)，b＝[b₁，…，b_k]^T；r＝[r₀，…，r_N-1]^T；n＝[n₀，…，n_N-1]^T是白高斯噪声向 量，且E{n}＝0，E{nn^T}＝I_N，δ²是高斯白噪声方差矩阵。码片匹配滤 波器的输出信号作为后续的输入信号。

步骤202，采用均衡恒模算法对输入信号进行迭代计算多用户检测 滤波器的加权矢量。设采用均衡恒模算法的多用户检测滤波器的加权矢 量为w＝[w₀，…，w_N-1]^T，现假设对用户i(1≤i≤K)的检测，则相应均衡恒模 算法多用户检测滤波器的加权矢量为w_i＝[w_i，0，…，w_i，N-1]^T，采用均衡恒模算 法对输入信号进行迭代实现加权值w_i的计算，这里令w_i(n)表示w_i在第 n次迭代计算后的取值，w_i的迭代采用均衡恒模算法：

$w(n+1)=w\left(n\right)-(\frac{1}{1+\exp \left(\alpha \right|e\left(n\right)\left|\right)}{R}_{\mathrm{rr}}{\left(n\right)}^{-1}+\frac{1}{1+\exp (-\alpha |e\left(n\right)\left|\right)}\mathrm{\mu I})r_{n}e\left(n\right),\alpha >0.$

步骤203，判断|w_i(n+1)-w_i(n)|≤δ？如果迭代过程中 |w_i(n+1)-w_i(n)|≤δ，则判定加权矢量值w_i已经收敛，继续步骤204，否 则返回步骤202继续进行迭代运算。δ是预设阈值，可以根据实际情况 设置。

步骤204，根据多用户检测滤波器的加权矢量对输入信号进行多用 户检测滤波处理获得各个用户的信号。根据各个用户的满足 |w_i(n+1)-w_i(n)|≤δ的多用户检测滤波器的加权矢量w_i(n)对接收信号矢量 r进行滤波处理，得到针对用户i的信号y_i＝w_i^Tr。

步骤205，对滤波后的各个用户的信号进行判决。例如，采用现有 的判决技术进行各个用户的信号的判决。

图3示出根据本发明的CDMA网络多用户检测装置的一个实施例 的结构图。如图3所示，该实施例中CDMA网络多用户检测装置包括 码片匹配滤波器31、多用户检测滤波器32和判断模块33。多用户检测 滤波器32包括均衡恒模算法模块321和多用户信号获取模块322。码片 匹配滤波器31对接收信号r(t)进行码片速率采样获得输入信号。多用户 检测滤波器32基于均衡恒模算法对输入信号进行多用户检测滤波处理 获得各个用户的信号。判决模块33对获得的各个用户的信号进行判 决。均衡恒模算法模块321根据输入信号基于均衡恒模算法迭代计算多 用户检测滤波器的加权矢量；多用户信号获取模块322根据加权矢量对 输入信号进行多用户检测滤波处理获得各个用户的信号；其中，均衡恒 模算法模块321采用如下公式对多用户检测滤波器的加权矢量进行迭 代：

$w(n+1)=w\left(n\right)-(\frac{1}{1+\exp \left(\alpha \right|e\left(n\right)\left|\right)}{R}_{\mathrm{rr}}{\left(n\right)}^{-1}+\frac{1}{1+\exp (-\alpha |e\left(n\right)\left|\right)}\mathrm{\mu I})r_{n}e\left(n\right),\alpha >0,\mu >0,$

其中，n代表迭代步数，w_i(n)为第i个用户的加权矢量w_i在第n次 迭代后的取值，μ是预先设定的步长因子，但要满足μ＞0的条件，e(n) 为第n次迭代运算时的误差函数，r_n为无线接收机接收到的用于第n次 迭代使用的接收矢量信号，R_rr(n)为接收信号r_n的协方差矩阵。

在一个实施例中，均衡恒模算法模块当确定|w_i(n+1)-w_i(n)|≤δ时判 定加权矢量已经收敛；其中δ是预设阈值。

本发明针对现有的SDCMA和LSCMA算法的不足提出基于改进 恒模算法实现CDMA网络多用户检测方法和系统，可以在强多址干扰 下有效的收敛到目标信号，而在弱干扰下仍可以保持最小二乘恒模算法 快速收敛的特性，可以有效改善CDMA网络下多用户检测的效果，提 高CDMA网络的用户容量。

本发明的基于恒模算法实现CDMA网络多用户检测方法和系统， 将LSCMA算法和SDCMA算法相结合，可以有效获得两种多用户检 测方法的优点而避免各自的不足，因此具有很强的有效性。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的 或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技 术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理 和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适 于特定用途的带有各种修改的各种实施例。