盲源分離及其在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.pdf

1、近年來,隨著無線通信產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,無線電磁環(huán)境變得日益復(fù)雜,基于精確信道先驗(yàn)信息的傳統(tǒng)信號處理方法將面臨越來越大的挑戰(zhàn)。盲源分離可以在沒有或很少關(guān)于源信號和混合先驗(yàn)知識的前提下,從一組觀測信號中恢復(fù)出原始信號,目前已成為信號處理領(lǐng)域一個(gè)新的研究方向,同時(shí)也是一個(gè)引人關(guān)注的應(yīng)用熱點(diǎn)。結(jié)合無線通信的發(fā)展需求,本文工作包括通信信號盲源分離算法研究和盲源分離在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究兩大類,具體內(nèi)容如下:
　　 1.FastICA算法

2、因其較快的收斂速度和穩(wěn)定的收斂性能,是盲源分離技術(shù)應(yīng)用最廣泛的算法之一。為了確保每次分離出不同的源信號,算法采用的正交映射過程會一定程度上影響系統(tǒng)性能。針對該問題,提出一種多級快速獨(dú)立分量分析(MSFICA)算法。算法的第一級用來獲得一組分離向量的初始值,第二級利用該初始值和原始觀測信號,可以無需正交映射而分離出不同源信號。同時(shí),為了降低MSFICA的計(jì)算復(fù)雜度,提出一種維度不斷降低(Dimension Decrease)的DD-Fas

3、tICA算法作為第一級。理論和仿真分析表明所提MSFICA算法在增加少量計(jì)算復(fù)雜度的情況下,成功消除了串行FastICA算法的誤差累積,并且比已有的消除誤差累積的并行算法有更好的SINR性能和BER性能。
　　 2.在移動通信中,常采用分集接收、合并處理來獲得分集增益。借鑒于這一思想,在觀測信號個(gè)數(shù)大于獨(dú)立源個(gè)數(shù)的超定混合情況下,提出基于最大比合并(Maximum Ratio Combining)的超定盲源分離算法MRC-Fas

4、tICA。該算法首先利用多組FastICA算法來獲得同一信號的多個(gè)估計(jì),然后利用MRC對這些估計(jì)進(jìn)行合并以獲得最終的估計(jì)信號。在信道參數(shù)未知的情況下,通過分析廣義Rayleigh商問題最優(yōu)解和基于四階累積量代價(jià)函數(shù)收斂解之間的關(guān)系,提出一種盲MRC算法來進(jìn)行最大比合并。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明MRC-FastICA比已有算法有更好的SINR性能。
　　 3.在盲源分離技術(shù)中,固定點(diǎn)迭代是一種重要的優(yōu)化算法。然而,在復(fù)信號模型下,現(xiàn)

5、有基于固定點(diǎn)迭代的算法大都受限于循環(huán)源假設(shè),并且分離信號存在相位模糊性。為了解決這個(gè)問題,提出一個(gè)兩級結(jié)構(gòu)的固定點(diǎn)ICA算法(TS—FPICA)。算法的基本思想是利用包含在觀測信號協(xié)方差矩陣中的循環(huán)系數(shù)信息,將復(fù)值信號模型轉(zhuǎn)化為實(shí)信號模型,通過在新的信號模型下進(jìn)行處理,避免了循環(huán)源假設(shè)和復(fù)信號固有的相位模糊問題。最后,將新信號模型下的ICA問題刻畫為一個(gè)約束最優(yōu)化問題,并利用固定點(diǎn)算法進(jìn)行求解來恢復(fù)出原始復(fù)信號。仿真實(shí)驗(yàn)表明,所提算法能

6、夠適用于所有復(fù)信號,并且在不增加計(jì)算復(fù)雜度的情況下,消除了分離信號的任意相位模糊。
　　 4.NDMA協(xié)議綜合考慮網(wǎng)絡(luò)層傳輸和物理層信號處理技術(shù)來解決沖突分解問題,取得了非常不錯(cuò)的效果。基于ICA的盲沖突分解協(xié)議ICA—NDMA克服了傳統(tǒng)NDMA存在的一些缺點(diǎn),但仍存在慢衰落信道下性能惡化、高業(yè)務(wù)負(fù)載時(shí)能量效率不高的問題。本文通過在ICA-NDMA中引入?yún)f(xié)同傳輸,提出一種新的盲沖突分解協(xié)議ICA-CoopNDMA。當(dāng)沖突發(fā)生時(shí),

7、該協(xié)議在每個(gè)重傳時(shí)隙用單個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)碰撞分組來代替所有沖突節(jié)點(diǎn)重傳源分組,減少了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗；通過在不同重傳時(shí)隙使用不同的中繼節(jié)點(diǎn),可以獲得空間分集增益,從而抵抗信道慢衰落對協(xié)議性能的影響。為了探測沖突節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)而確定沖突分解周期,提出基于最小描述長度(MDL)的協(xié)同盲探測算法,可以在不影響探測精度的前提下節(jié)省一個(gè)探測時(shí)隙。理論分析和仿真結(jié)果表明,與ICA-NDMA協(xié)議相比,ICA-CoopNDMA在慢衰落信道下仍然有效,平均分組

8、時(shí)延性能和高業(yè)務(wù)負(fù)載時(shí)的能量效率更優(yōu)。
　　 5.在無線通信系統(tǒng)中,通?？梢詫Ψ峙涞念l譜資源進(jìn)行有效復(fù)用來提高系統(tǒng)容量,但頻譜復(fù)用會增加系統(tǒng)的共道干擾,因此容量就取決于系統(tǒng)的干擾抑制能力。本文考慮采用空間復(fù)用和盲源分離技術(shù)來進(jìn)行無線通信系統(tǒng)的共道干擾抑制(CCIS)。針對ICA的順序模糊性帶來期望信號無法識別的問題,提出兩種解決方法:一是基于相位預(yù)編碼(PP)的PP-ICA-CCIS算法,該算法在發(fā)射端對期望信號相位進(jìn)行預(yù)編碼,