基于时码联合分析的多用户检测技术的研究.docx
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基于时码联合分析的多用户检测技术的研究.docx
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基于时码联合分析的多用户检测技术的研究
项目类别
申报学科代码1
科学部编号
C
F01
F
国家自然科学基金
申请书
项目 名 称:
基于
基于时码联合分析的多用户检测技术的研究
申请者:
所在单位:
西安交通大学
邮政 编 码:
710049
通 讯 地 址:
陕西省西安市咸宁西路28号
电话:
130-7293265
传真:
29-3237910
电子信箱(Email):
pyren@
申请日期:
2002年3月5日
国家自然科学基金委员会
1997年制
填报说明
一、填写申请书前,请先查阅国家自然科学基金有关项目申请办法及规定。
申请书各项内容,要实事求是,逐条认真填写。
表达要明确、严谨,字迹要清晰易辨。
外来语要同时用原文和中文表达。
第一次出现的缩写词,须注出全称。
二、申请书为十六开本,复印时用B5复印纸,于左侧装订成册。
第三页起各栏空格不够时,请自行加页。
一式六份(至少一份为原件),由所在单位审查签署意见后,按申报学科投送国家自然科学基金委员会对口科学部。
地区科学基金项目,申请书另报送省(自治区)科委一份原件。
三、封面右上角“科学部编号”由对口科学部填写,项目类别和申报学科代码1由申请者填写。
四、下列人员不得作为申请项目的负责人提出申请,但可作为项目组成员参加研究:
—在读(含在职)研究生
—已离退休的科研人员
—申请单位的兼职科研人员
五、申请者和项目组中具有高级专业技术职务的主要成员申请(含参加)的项目数,连同在研的国家自然科学基金项目数(不含重点项目、重大项目),不得超过两项。
六、同一项目组研究内容相近的项目,只允许报送一个学科。
七、申请者可因同类项目竞争等原因,提出不宜评议本项目的专家名单(姓名与单位,3人以内),密封于信封中,钉在申请书原件封面,或另专函相关学科,供科学部选择同行评议人时参考。
科学部将对此信息保密。
八、国家自然科学基金委员会地址:
北京市海淀区双清路83号,通讯地址:
北京8610信箱。
邮政编码:
100085
一、简表
研
究
项
目
名
称
中文
基
于
时
码
联
合
分
析
的
多
用
户
检
测
技
术
的
研
究
英文
Multiuserdetectionbasedontime-codeanalysis
类别
A.自由申请B.高技术探索C.青年D.地区
高技术探索
项目主题号
E.重大F.重点H.专项
C
申报学科
名称1
电子学与信息系统
名称2
检测与估计
A.基础研究
B.应用基础
代码1
F01
代码2
F010103
B
申请金额
2
5
.
0
0
万元
起止年月
2003年1月至2005年12月
所用实验室
A.国家重点B.部门开放
实验室编号
申
请
者
姓
名
中文
性
别
A.男
出生年月
1971.5
民
族
名称
汉
拼音
B.女
A
身份证号
430110*********
代码
01
专业技术职务
名称
讲师
学位
A.博士
B.硕士
C.学士A
博士学位授予国别或地区
国(地区)名
中国
A.院士
B.博士生导师
C.博士后
代码
013
代码
156
所在单位
名称
西安交通大学
系(所)
信通系
单位代码
71004901
性质
A.高等院校
B.科研机构
C.其它
邮政编码
710049
隶属
关系
名称
国家教育委员会
A
申请者电话
029-*******
代码
360
所在地
陕西省(自治区、直辖市)西安市(县)碑林区咸宁西街(路)28号
项
目
组
总人数
高级
中级
初级
博士后
博士生
硕士生
参加单位数
7
2
2
0
0
1
2
1
姓名
身份证号
专业技术职务
所在单位名称及代码
项目中
的分工
签字
主要成员(不含申请者)
-1-
研
究
内
容
和
意
义
摘
要
研
究
异
步,
码
分
多
址
系
统
中
,
基
于
时
码
联
合
分
析
的
最
佳
多
址
干
扰
抑
制
方
案
。
探
讨
应
用
多
用
户
检
测
技
术
的
码
分
多
址
系
统
的
极
限
容
量
,
扩
频
码
的
设
计
准
则
,
达
到
或
接
近
该
极
限
容
量
的
最
佳
多
用
户
检
测
算
法
。
拟
利
用
时
频
分
析
及
小
波
分
析
的
方
法
建
立
码
域
的
基
本
理
论
,
导
出
系
统
中
多
址
干
扰
得
以
抑
制
的
充
要
条
件
。
结
果
对
于
码
分
多
址
统
的
设
计
、
业
务
质
量
系
统
容
量
等
都
有
重
要
的
作
用
。
主题词
1.主题词数量不多于三个;2.主题词之间空一格(英文用/分隔)。
中文
多
址
干
扰
移
动
通
信
多
用
户
检
测
英文
Multipleaccessinterference(MAI)/Mobilecommunications/Multiuserdetection
简表填写要求
一、简表内容将输入计算机,必须逐项认真填写,采用国家公布的标准简化汉字。
简表中所有代码以最新发布的《国家自然科学基金申请项目分类目录及代码》为准填写。
高技术探索课题主题号按《高技术新概念新构思探索课题项目指南》中主题号填写,申请其重点项目时项目类别也填写B,并在申请书封面右上角加注“高技术探索课题重点项目”。
二、凡选择性栏目,将相应提示符A、B等之一填入该栏的右下角。
三、部分栏目填写要求:
项目名称——应确切反映研究内容和范围,最多不超过25个汉字(包括标点符号)。
基础研究——指以认识自然现象、探索自然规律为目的,不直接考虑应用目标的研究活动。
应用基础研究——指有广泛应用前景,但以获取新原理、新技术、新方法为主要目的的研究。
申报学科——申请项目所属的最基础学科。
如涉及多学科可填写两个,先填为主学科。
申请金额——以万元为单位,用阿拉伯数字表示,注意小数点。
起止年月——起始时间从申请的次年1月算起。
终止时间为完成年度的12月。
所用实验室——系指研究项目将利用的实验室,仅填写国家计委批准的国家重点实验室或部门批准的开放实验室。
所在单位名称及代码——按单位公章填写全称。
例如“中国科学院西安光学精密机械研究所”不得填“中科院西安光机所”或“西安光机所”。
全称中的数字,一律写中文,例如:
中国航天工业总公司第七○一所。
首次申请国家自然科学基金的单位,尚未编入单位代码,其代码暂不填写。
参加单位数——指研究项目组主要成员所在单位数,包括主持单位和合作单位(合作者所在单位),以阿拉伯数字表示。
项目组主要成员——指在项目组内对学术思想、技术路线的制订与理论分析及对项目的完成起重要作用的人员,本人应在申请书上亲自签名。
本栏双线右侧内容不输入计算机。
研究内容和意义——摘要与主题词均录入软盘。
-2-
二、立论依据
(包括项目的研究意义、国内外研究现状分析,并附主要参考文献及出处)
对基础研究,着重结合国际科学发展趋势,论述项目的科学意义;
对应用基础研究,着重结合学科前沿、围绕国民经济和社会发展中的重要科技问题,论述其应用情景。
研究意义:
当前我们正处于一个信息时代,无处不在的信息革命影响了社会的各个方面。
由于社会需求的巨大动力,通信获得了过去从来没有的深邃意义,不仅在技术上而且在观念上都产生了深刻的变革。
人类通信的最高目标——个人通信就是在这种前提下产生的结果。
经过多年的探索和争论,人们已逐渐达成共识,相对频分多址及时分多址而具有较高频谱利用率的码分多址(CDMA)将是今后最为优选的目标,并于1999年被ITU-T选定作为第三代移动通信系统的主要空中接口方式。
但是,传统CDMA系统中存在着严重的多址干扰,并且由于多址干扰的存在大大地降低了CDMA系统的性能和减小了系统的容量,因此多址干扰的抑制和消除对改善系统性能和增大系统容量具有重大意义。
利用时频分析及小波分析理论,探索码分多址系统中多址干扰的本质,建立时码联合分析的基本理论,设计基于时码联合分析的多用户检测器,不仅有助于对码分多址系统的正确认识和科学评估,同时可以改进码分多址系统的设计并增大码分多址系统的容量。
因此开展本项目研究,对于争取我国在第三代甚至第四代移动通信的研究方面居世界领先地位,开发出具有中国知识产权的技术和系统等,有重要的社会意义和经济意义。
研究现状:
多用户检测技术一直是CDMA中的一个热点问题,国内外对此已有较多研究,至今已在重要期刊及会议上发表了六百多篇文章,并有约七十余项专利。
主要研究结果有:
1)最优检测器[1];2)准最优检测器[2~4];3)非线性检测器[5]。
这些研究的主要局限是:
1)这些多用户检测算法都是时域中的滤波算法,未能从码域的角度设计满足相互双正交的时码多用户检测算法;2)仅讨论了收敛条件下,多用户检测算法的行为,多址干扰得以完全抑制收敛条件;3)未说明多用户检测与扩频码设计的关系[1,3]。
关于时码分析的多用户检测方法国内外正处于起步阶段,至今仅有个别有关文章发表[6],且未建立起时码分析的理论。
申请者于1999-2001攻读博士学位期间,初步研究了码域的基本理论,并在此基础上提出了基于克莱姆—施密特正交化准则的多用户检测算法[7]。
这一工作证明了具有在时—码二维空间中的方形能量块的多用户检测算法对于IMT-2000的WCDMA系统,在无需对用户幅度进行估计的前提下,能够完全抑制多址干扰。
本人论文的工作还讨论了多用户检测技术与系统容量,及多业务对码域滤波器设计的影响。
这一结果对于WCDMA系统的设计及系统极限容量的实现有一定的指导意义,但它没有建立完备的码域理论,未能从滤波的角度讨论多用户检测算法的设计,与实际应用中的复杂情况尚有距离。
本项目拟继续这一问题的研究,如能全面、完整地解决这一问题,将对WCDMA的研究、发展与实现提供重要的理论依据和实现方法。
(参考文献见5页)
-3-
三、研究方案
1.研究目标、研究内容和拟解决的关键问题
研究目标:
1)建立时码分析的基本理论。
利用时频分析及小波理论,在时域及码域资源均有限的条件下,设计双正交的扩频码,并探讨时码联合滤波器设计的基本准则。
2)研究基于时码分析的最优多用户检测算法,在保证系统稳定的前提下,达到或接近系统的极限容量。
研究内容:
[8]的主要局限是只讨论了在WCDMA系统中如何完全抑制多址干扰的方法,并没有建立完整时码分析理论,及从时码联合分析的角度探讨多用户检测方法的物理意义。
本项目拟从时码联合分析的角度研究多用户检测算法的物理意义及多用户检测算法设计,具体内容包括:
1)时码分析基本理论的研究:
从本质上讲,时码分析是时频分析理论的推广及应用。
分析并建立相对完整码域理论;导出在时码二维空间中双正交且具有一定实用价值的扩频码序列集合;对典型参数的CDMA系统进行时码联合分析;求出系统极限容量与扩频序列及多用户检测的关系[7];研究收敛条件所对应的各参数的物理意义;由各参数的物理意义分析其对多用户检测的制约和影响;求出典型参数条件下的最佳码域滤波器或时码联合分析多用户检测算法设计的准则。
2)多用户检测算法:
基于时码分析,设计以完全抑制多址干扰准则下,最优多用户检测器的设计[8];分析信道条件、用户传输速率、QoS需求等对多用户检测算法的限制和影响;设计典型条件(如Rayleigh信道、高斯信道)下的最优多用户检测算法;从多用户检测的角度探讨对扩频码的设计要求;算法的收敛速度、实时性、精度和可靠性;算法的实现。
拟解决的关键问题:
在CDMA系统中,多址干扰存在的根本原因就是在异步的情况下未能设计出在码域中相互完全正交的扩频码[8]。
因此一整时码联合分析理论的建立不仅有助于理解扩频的机理,同时也有助于我们对多用户检测算法进行合理的设计与研究。
这一观点已在申请者的先期工作中,就简化的系统条件得到了证明。
此项研究的难点时码分析理论体系的建立及以此为基础对现有系统进行时码联合分析。
解决这一问题的关键在于利用多次扩频、信道合成结构、层间偶合等系统特点,构建简化并具有代表性的系统模型,并借助于时频分析及小波变换等数学工具在时码二维的空间中对系统性能的分析,设计二维的多用户检测算法。
-4-
参考文献:
1.S.Verdu,“Minimumprobabilityoferrorforasynchronousgaussianmultipleaccesschannels,”IEEETrans.IT.,vol32,no.1,Jan.1986,pp.85-96,
2.R.LupasandS.Verdu,“Linearmultiuserdetectorsforsynchronouscode-divisionmultiple-accesschannels,”IEEETrans.Info.Theory,vol.35,no.1,Jan.1989,pp.123-136.
3.Z.Xieetal.,“Afamilyofsuboptimmdetectorsforcoherentmulti-usercommunications,”IEEEJSAC,vol.8,no.4,May1990,pp.683-690.
4.U.Madhowetal.,“MMSEintereferencesuppressionfordirectsequencespread-spectrumCDMA,”IEEETrans.Commun.Vol.42,no.12,Dec.1994,pp.3178-3188.
5.M.K.Varanasietal.,“Multistagedetectioninasynchronouscode-divisionmultiple-accesscommunications,”IEEETrans.Commun.,vol.38,no.4,Apr.1990,pp.509-519.
6.任品毅,朱世华,“基于克莱姆-施密特正交化法则的多用户检测器”,西安交通大学学报.35卷6期,2001年6月,pp.586-590
7.PinyiRen,ShihuaZhuandJianxuanDu,“InterferenceFreeMultiuserDetectorUsingtheGram-SchmidtAlgorithm”,submittedtoIEEETrans.OnVehicul.Technol.(SCI刊物)
8.任品毅,“直扩码分多址系统中多用户检测技术的研究”,西安交通大学,2001.5(博士论文)
-5-
2.拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析
研究将按照理论建模、数学分析、数值计算、实验或仿真验证的步骤进行。
由于CDMA系统的复杂性,时码滤波理论的完整描述是困难的,所建立的模型也必将难以分析。
系统的某些条件可以简化或忽略:
1)考虑基站的特殊性,我们认为各用户的扩频序列为已知,并且可以知道其精确的相位信息(实际系统中可以达到1/8个码片周期的精度);2)由于WCDMA的第二层扩频采用Gold或Kasami序列,为互相关性较小的伪随机序列,同时由于各通信用户之间的相互独立性,我们可以认为在某一时间段上各用户的等效扩频序列是相互独立的,从而放宽了码域正交滤波器存在的基本条件;3)考虑扩频码波形的特殊性,可以认为码域的建立实际上就是一个从连续函数到离散序列的映射的建立,对于在映射过程中泄露的能量(因为将连续的波形映射为一个n维的序列意味着自由度的减少或信息量的损失),由于我们观测空间自由度受采样周期的影响,可以忽略不计。
时码联合多用户检测器存在的充分必要条件是在观测的时间段各用户的等效扩频序列相互独立。
充要条件涉及矩阵的秩计算。
同时码域滤波器的设计也涉及矩阵的变换,由于矩阵变换的繁复性,这一问题不易解决。
可能用于简化分析的途径有:
1)考察速率、QoS等效一致条件下,逐个取消对各参数的限制,观察滤波器的求解;2)设置虚假参数,求解相应的极限收敛范围,分析各参数对收敛边界的影响,调整虚设参数,使收敛范围收缩,再比较虚设参数与实际参数的差异,获得收敛条件及稳定性;3)将稳定性与系统容量统一处理,等等。
此外还需进一步查询、利用现有和新近的矩阵理论成果,必要时需借助于计算机数值计算,并辅以简单的局部系统电路实验。
申请者已就简化的应用条件在建模、时码滤波理论、收敛条件等方面做了一些工作,结果证明上述路线是可行的。
此外,以上研究方法,如分析、计算、局部电路实验和计算机仿真等,已在以往大量的科研工作中证明是行之有效的。
3.本项目的创新之处
1)由时码分析理论演化出多用户检测器设计的原理。
在现有多用户检测算法中,往往只从时域的角度探求对多址干扰进行分析,因而未能从根本上对多址干扰进行消除。
申请者认为,在异步的WCDMA系统中,多址干扰存在的根本原因就是未能设计时码二维空间中双正交的扩频码及二维的时码联合多用户检测器[8]。
。
这一观点已在申请者的先期工作中,就简化的系统条件得到了证明[7]。
2)利用时码分析理论对CDMA系统进行性能分析。
在以往的多用户算法中,扩频序列被作为既定的常量,未考虑到它对多用户检测的影响。
本研究从时码联合分析的角度提出了对扩频码设计的一些要求,并在此基础上导出的具有最佳容量的CDMA系统。
时码分析理论的建立不仅有助于理解扩频的机理,同时也有助于对系统容量和性能分析。
-6-
4.年度研究计划及预测进展
2003年1月~3月:
文献检索、理论准备、搜集有关资料、添置计算设备。
2003年4月~2003年10月:
建立码域理论的基本框架;从码域理论的角度,提出相应的扩频序列集合设计的基本要求和条件;求出系统极限容量与扩频序列及多用户检测技术应用的关系;并对典型参数条件下的CDMA系统进行时码联合分析。
2003年11月~2004年8月:
设计时码联合分析的多用户检测算法;典型应用条件的下时码联合多用户检测算法;最优码域多用户检测算法存在的条件及应用范围;算法的收敛速度、实时性、精度及可靠性;算法的实现。
2004年9月~2004年12月:
总结研究成果,汇同前期本基金资助项目的研究成果,组织理论成果鉴定,申报科技成果奖。
向有关通信产业部门宣传成果,提供技术支持。
5.预期研究成果
●建立一套相对完整的码域分析理论,提出快速、高精度的最佳多址干扰抑制算法。
●获得IMT-2000潜在的最佳性能和容量,从而达到对目前广泛推崇的WCDMA体制的科学认识和评估。
●基于上述结果,在国内外重要学术刊物和会议上发表文章15篇。
举办公开讲座3~4次。
●对我国通信产业的有关项目提供技术咨询和技术支持。
配合有关部门,早日形成具有中国自主产权的第三代移动通信系统的软、硬件设备,使我国在此领域占据国际先进地位。
●汇同以往国家自然科学基金资助项目的研究成果,申报1项科学或科技成果奖。
培养博士生2名,硕士生6名。
-7-
四、研究基础
1.与本项目有关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩
课题负责人在攻读博士学位论文的研究工作就是直扩码分多址系统中多用户检测技术的研究,参加了导师申请的国家自然科学基金“优化移动通信无线信道容量的时码联合多址”,移动通信国家重点实验室基金“CDMA系统多址干扰消除算法的研究”,深圳华为公司委托的“宽带CDMA系统多用户检测”,及毕业后又参与了“基于短扰码的多用户检测算法仿真”,国家“863”项目“时空联合多用户传输技术研究”,并已发表论文多篇(见个人简历)
项目组主要成员长期讲授信号与系统等课程,并举办过近百期相关学术讲座,有坚实的理论基础。
从事十余项科研课题,内容涉及移动通信、宽带通信网、交换、数字传输和编码等许多方面,有丰富的科研经验和良好的相关工作基础。
2.已具备的实验条件,尚缺少的实验条件和拟解决的途径(包括利用国家重点实验室和部门开放实验室的计划与落实情况)
在国家“211工程”建设、国家自然科学基金、“863”等项目的资助下,本学科建立了“高层次人才培养实验基地”、“智能天线实验室”,计有Sun工作站和586PC机等百余台,有HP4396(1.8G)网络/频谱分析仪、HP54845(1.5G)数字示波器、HP1663C逻辑分析仪等多种必要的先进科研设备和实验仪器、及数字信号处理等方面的硬件设备。
,同时还拥有SPW大型通信系统仿真软件,实验室条件初步达到了国际先进水平。
本校图书馆藏书丰富、文献资料基本齐备,购买了IEEE全文电子数据库。
本项目组自行订有IEEETransactionsonCommunications等7种通信类国际刊物和电子学报、通信学报等50余种国内重要学术期刊和科技资料。
所有Sun工作站和PC机均已通过校园网和中国科教网(CERNET)与国内外联网,具备了先进的信息交流和文献检索手段。
-8-
2.申请者和项目组主要成员的学历和研究工作简历,近期已发表与本项目有关的主要论著目录*和获得学术奖励情况及在本项目中承担的任务;青年科学基金申请者还应注明学位论文名称及导师姓名与工作单位
学历:
1994.7,毕业于西安交通大学信息与控制工程系无线电技术专业,获工学学士学位;
1997.5,毕业于西安交通大学信息与通信工程系,获工学硕士学位。
2001.5,毕业于西安交通大学信息与通信工程系,获工学博士学位。
研究领域及工作经验:
在硕士研究生期间主要从事自适应均衡
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