专利名称：基于免疫动态调整的径向基函数网络多用户检测方法
技术领域：
本发明涉及一种无线通信信号处理技术领域的检测方法，具体是一种针对码 分多址(CDMA)系统的基于免疫动态调整的径向基函数网络多用户检测方法。
背景技术：
大用户量的多用户通信是未来宽带高速多媒体移动通信的基本通信形态，是 3G及更新一代移动通信的主要方式。码分多址(C画A)技术是其关键技术之一， 它能满足高容量、低成本、高效率的移动通信的需求。但是由于系统中存在多址 干扰和远近效应的问题，系统的容量和性能受到很大影响。多用户检测技术通过 对多个用户作联合检测或从接收信号中减去相互间的干扰，从而有效消除多址干 扰，改善系统性能，提高系统容量。但是在实际工程应用中，最优多用户检测器 的求解复杂度是用户数的指数函数，随着用户数的增加和信道环境的变化，求解 最佳多用户检测器将是一个非确定的多项式可解决(NP)问题。
径向基函数(RBF)神经网络具有分布式计算、局部逼近、局部调整的能力， 其核函数中的指数函数项所带来的强大的非线性拟合能力保证了网络的大规模 并行处理和最佳逼近的能力，可以用于逼近最佳多用户检测器。RBF多户检测器 利用RBF网络强大的分类能力对当前用户的信息进行区分和匹配，从而实现多用 户检测功能。目前针对CDMA系统的RBF多户检测器的静态训练方法研究得较为 普遍，在线动态训练方法通常采用聚类算法、高斯梯度下降法及其相关的改进方 法，其性能与最佳多用户检测器存在很大的差距。
经对现有技术文献的检索发现，Kyun Byoung Ko在2001年《IEEE Transactions on Neural Networks》(IEEE《神经网络》期刊)(2001 ， VOL. 12 ， NO. 6， pp: 1536-1539 ) 上发表的"RBF Multiuser Detector With Channel Estimation Capability in a Synchronous MC-C醒A System"(同步码分多址系统中具有信道估计能力的RBF 多用户检测器)提出采用有监督的聚类算法来动态训练RBF网络以完成对CDMA通信系统的多用户检测工作。但该方法本质上属于线性方法，在非线性程度较高的 CDMA多用户检测中，系统性能往往不佳。公茂果等在2005年Proceedings of the Genetic and Evolutionary Computation Conference》(国际遗传及进化算法会 议)(2005: 2105-2111)上发表的"An Artificial Immune System Algorithm for CDMA Multiuser Detection over Multi-Path Channels"(人工免疫系统算法 用于多径信道的CDMA多用户检测)提出使用免疫算法原理实现CDMA系统的多用户 检测，其核心操作主要是针对静态信道环境和用户数不发生变化的情况，因此不 能真正实现对于动态信道环境和用户数实时变化情况下的CDMA多用户检测工作。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于免疫动态调整的径向基函数网 络多用户检测方法。该方法采用免疫机制动态地确定RBF多用户检测器的非线性 参数，从而尽可能在较短的时间内有效的逼近最优多用户检测器，提高多用户检 测器的实时性和鲁棒性，解决动态环境下经典多用户检测器不易收敛到全局最优 点、不适合大用户量的多用户通信的问题。
本发明是通过如下技术方案实现的，包括以下具体步骤
步骤一，在发射部分发送信源数据包的间隙发送已知训练数据。在接收部分， 根据训练数据调整RBF多用户检测器的输出权值，判断CDMA系统的用户环境是 否发生改变，并确定是否继续进行RBF多用户检测器隐层参数的调整。
所述判断CDMA系统的用户环境是否发生改变，是指根据训练数据调整输 出权值之后，计算RBF多用户检测器对训练数据的误差，当误差超过预先设定的 阈值时，说明信道环境或者用户接入情况发生了较大变化，RBF多用户检测器的 隐层参数需要进一步调整，进入步骤二；否则RBF多用户检测器的参数不需要调 整，回到正常的数据接收状态。
步骤二，若步骤一判断RBF多用户检测器的隐层参数需要调整，针对训练数 据中误差大的样本点，对RBF多用户检测器的隐层进行初步调整，实现对于CDMA 最佳多用户检测器的粗逼近。
所述对RBF多用户检测器的隐层进行初步调整，具体为从当前训练样本中 寻找误差较大的样本点，这些样本点反映了当前信道特征的变化情况或者用户变化情况。针对这些样本点形成新的隐层节点，更新RBF多用户检测器的隐层。 步骤三，采用免疫优化机制调整RBF多用户检测器的隐层参数，实现对于
CDMA最佳多用户检测器的细节逼近。
所述免疫优化机制，是指采用结合免疫疫苗注射机制的进化算法，对RBF
多用户检测器的隐层节点参数进行进一步优化和调整的操作。其中，进化算法具
体为以RBF多用户检测器的隐层参数为个体，包括复制、交叉和变异、适应度
计算和种群更新操作。
所述免疫优化机制，其免疫疫苗注射的操作对象为隐层节点，其作用在于通 过人工干预和记忆机制，加快RBF多用户检测器在动态环境中的收敛速度，提高 系统效率。具体为从当前RBF多用户检测器中提取隐层节点，对疫苗库进行更 新。在进化计算过程中，将疫苗库中的节点替换并加入RBF多用户检测器的隐层， 以改善系统的性能。
步骤四，选择性能最好的RBF多用户检测器作为本次免疫动态调整的结果， 返回步骤一，回到正常的数据接收状态。
本发明考虑到C画A通信系统的特点，即信道环境或者用户接入情况发生变 化时，信道特征通常只发生部分改变，对应的RBF多用户检测器的隐层节点只需 要局部调整即可满足系统要求;采用免疫优化机制动态调整RBF多用户检测器的 隐层非线性参数，可以有效提高多用户检测器在动态环境中的精度和效率。
与现有技术相比，本发明充分考虑到CDMA系统的动态信道特征和用户接入 变化的特点，并结合RBF多用户检测器的结构特征，具有如下有益效果-
(1) RBF多用户检测器的输出层线性参数的调整在隐层参数调整之前进行， 即对不同类型的参数采用不同方法做不同频率的调整，避免过多地进行计算量较 大的隐层非线性参数调整，可以有效提高系统的实时性和效率。
(2) RBF多用户检测器的隐层参数调整采用免疫优化机制，主要针对系统 环境变化的部分进行。免疫优化机制具有非线性的全局寻优能力，能够逼近CDMA 最佳多用户检测器，保证了 RBF多用户检测器在精度性能上的优越性；免疫优化 机制中的免疫疫苗注射机制既加速了训练收敛速度，也提高了对CDMA系统动态 环境的适应能力。因此该方法有效平衡了实际多用户检测问题中系统精度和运算复杂度之间的矛盾。
(3)实验结果表明，在信噪比为10dB时，本发明设计的RBF多用户检测器 的误码率性能在0. 1%以下，低于采用高斯梯度法的RBF多用户检测器的误码率 (通常在0.5%以上)。同时，在CDMA系统出现用户接入变化或者传输信道参数 发生变化时，本发明设计的RBF多用户检测器能够在实现动态调整的同时保证系
图1是本发明所基于的CDMA系统的发射和接收部分的工作流程图； 图2是本发明方法的工作流程图3是本发明设计的多用户检测器的误码率随信噪比变化的曲线图； 图4是在用户接入情况不断改变的情况下，本发明设计的多用户检测器的自 适应函数变化曲线图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作详细说明本实施例在以本发 明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本 发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例方法基于CDMA系统，如图1所示。CDMA系统在发射部分中，在信 源数据包的固定间隙中插入训练数据，经过不同的扩频码扩频后，合路发射到无 线信道；而在接收端，对接收信号经过解扩和匹配滤波后，送入RBF多用户检测 器，进行多用户信息联合判决，从而得到多用户检测后的接收信源数据。为了简 化起见，本实施例主要考虑用户1的接收情况。
本实施例中的RBF多用户检测器采用单隐层的径向基函数网络的结构。假设
系统的用户个数为历，RBF多用户检测器的输入矢量为x^;d,X2,…，^)，其输出
计算公式为
〃j
式中W二[^，…，M^f为输出的权值矢量；g二[g,，…,&f'为隐层的高斯核函数；z,e5^为隐层中心；q为隐层核函数宽度；历为输出的用户个数。
本实施例设小区中默认用户数/^ = 8，用户1的信号能量4=4,其它用户能 量4 =16 (, = 2,3,...,8) 。 CDMA系统采用长度为31的Gold扩频序列，无线通信信道
为瑞利多径衰落信道。
如图2所示，本实施例包括以下步骤
步骤一，在发射部分发送信源数据包的间隙发送已知训练数据。在接收部分， 根据训练数据调整RBF多用户检测器的输出权值，判断CDMA系统的用户环境是 否发生改变，并确定是否继续进行RBF多用户检测器隐层参数的调整。
所述判断CDMA系统的用户环境是否发生改变，具体为计算RBF多用户检 测器的实际输出和训练数据之间的均方误差(MSE)，当误差超过预先设定的阈值 《f0.02时，说明信道环境或者用户接入情况发生了较大变化，RBF多用户检测 器的隐层参数需要进一步调整，进入步骤二；否则RBF多用户检测器的参数不需 要调整，回到正常的数据接收状态。
步骤二，若步骤一判断RBF多用户检测器的隐层参数需要调整，针对训练数 据中误差大的样本点，对RBF多用户检测器的隐层进行初步调整，实现对于CDMA 最佳多用户检测器的粗逼近。具体为
计算多用户检测器对每个训练样本的误差。如果误差超过预设阈值f2=l，
说明该训练样本需要进一步逼近。针对这些样本点形成新的隐层节点中心，替代 当前多用户检测器中与之欧氏距离最近的隐层节点中心，更新RBF多用户检测器 的隐层。
步骤三，采用免疫优化机制调整RBF多用户检测器的隐层参数，实现对于 CDMA最佳多用户检测器的细节逼近。
所述免疫进化机制，是指采用结合免疫疫苗注射机制的进化算法，对RBF 多用户检测器的隐层节点参数进行进一步优化和调整的操作。其中进化算法具 体为以RBF多用户检测器的隐层参数为个体，种群数量为《=40，包括个体复 制、个体的交叉和变异、适应度计算和种群更新操作。其中个体交叉概率为 P。二0.5，个体变异概率为P^0.3，适应度定义为多用户检测器判决结果的均方误差的倒数。
免疫疫苗注射的操作对象为隐层节点，具体为从当前种群中适应度最高的 个体(多用户检测器的隐层)中提取隐层节点，替换疫苗库^ (容量为30)中 与之相似度最高的隐层节点，进行更新。在进化计算过程中，从疫苗库中选取 A = 2个隐层节点疫苗，替换RBF多用户检测器的隐层中与之相似度最高的隐层 节点。隐层节点或疫苗(设为K和K)相似度的衡量标准为
<formula>formula see original document page 9</formula>
步骤四，选择性能最好的RBF多用户检测器作为本次免疫动态调整的结果， 返回步骤一，回到正常的数据接收状态。性能最好的RBF多用户检测器定义为对 当前训练数据的均方误差最小。免疫动态调整的终止条件为对训练样本的均方误 差满足预设要求或达到预设的运算时间。
仿真实验结果如图3和图4所示。仿真将本文提出的基于免疫动态调整的 RBF多用户检测器与自适应变步长盲CDMA多用户检测器和采用高斯梯度法的RBF 多用户检测器进行了比较。
图3比较了在无线时变衰落信道下，用户数为8时，各种多用户检测器在不 同信噪比情况下的误码率变化曲线。图3的仿真采用了 100次的蒙特卡罗(Monte Carlo)仿真。从图3可以看出，基于免疫动态调整的RBF多用户检测器的性能 超过其他多用户检测器。
图4比较了在无线时变衰落信道下，信噪比为10dB时，用户接入情况不断 改变的情况下，不同RBF多用户检测器的自适应函数变化曲线。其中每隔50次 迭代接入用户情况发生一次改变。从图4可以看出，基于免疫动态调整的RBF 多用户检测器能够在较快的时间内实现对环境变化的调整，并达到很高的精度。
从本实施例可以看出，本发明提出的基于免疫动态调整的RBF多用户检测器 对于CDMA系统中的信道变化和用户接入等系统环境的动态变化具有很强的适应 性，达到很好的检测性能和实时性。
权利要求
1、一种基于免疫动态调整的径向基函数网络多用户检测方法，其特征在于，包括如下步骤步骤一，在发射部分发送信源数据包的间隙发送已知训练数据，在接收部分，根据训练数据调整RBF多用户检测器的输出权值，判断CDMA系统的用户环境是否发生改变，并确定是否继续进行RBF多用户检测器隐层参数的调整；步骤二，若步骤一判断RBF多用户检测器的隐层参数需要调整，针对训练数据中误差大的样本点，对RBF多用户检测器的隐层进行初步调整，实现对于CDMA最佳多用户检测器的粗逼近；步骤三，采用免疫优化机制调整RBF多用户检测器的隐层参数，实现对于CDMA最佳多用户检测器的细节逼近；步骤四，选择性能最好的RBF多用户检测器作为本次免疫动态调整的结果，返回步骤一，回到正常的数据接收状态。
2、 根据权利要求1所述的基于免疫动态调整的径向基函数网络多用户检测方 法，其特征是，所述判断CD^l系统的用户环境是否发生改变，是指根据训练数 据调整输出权值之后，计算RBF多用户检测器对训练数据的误差，当误差超过预 先设定的阈值时，说明信道环境或者用户接入情况发生了变化，RBF多用户检测器 的隐层参数需要进一步调整，进入步骤二；否则RBF多用户检测器的参数不需要 调整，回到正常的数据接收状态。
3、 根据权利要求1所述的基于免疫动态调整的径向基函数网络多用户检测方 法，其特征是，所述对RBF多用户检测器的隐层进行初步调整，是指从当前训 练样本中寻找误差较大的样本点，这些样本点反映了当前信道特征的变化情况或 者用户变化情况，针对这些样本点形成新的隐层节点，更新RBF多用户检测器的 隐层。
4、 根据权利要求1所述的基于免疫动态调整的径向基函数网络多用户检测方 法，其特征是，所述免疫优化机制，是指采用结合免疫疫苗注射机制的进化算法， 对RBF多用户检测器的隐层节点参数进行进一步优化和调整的操作。
5、 根据权利要求4所述的基于免疫动态调整的径向基函数网络多用户检测方 法，其特征是，所述进化算法具体为以RBF多用户检测器的隐层参数为个体，包括复制、交叉和变异、适应度计算和种群更新操作。
6、 根据权利要求4所述的基于免疫动态调整的径向基函数网络多用户检测方 法，其特征是，所述免疫优化机制，其免疫疫苗注射的操作对象为隐层节点，具 体为从当前RBF多用户检测器中提取隐层节点，对疫苗库进行更新，在进化计 算过程中，将疫苗库中的节点替换并加入RBF多用户检测器的隐层，以改善系统 的性能。
全文摘要
一种无线通信信号处理技术领域的基于免疫动态调整的径向基函数网络多用户检测方法，具体为在发射部分发送信源数据包的间隙发送已知训练数据，在接收部分，根据训练数据调整RBF多用户检测器的输出权值，判断CDMA系统的用户环境是否发生改变，并确定是否继续进行RBF多用户检测器隐层参数的调整；针对训练数据中误差大的样本点，对RBF多用户检测器的隐层进行初步调整；采用免疫优化机制调整RBF多用户检测器的隐层参数；选择性能最好的RBF多用户检测器作为本次免疫动态调整的结果。本发明对于CDMA系统中的信道变化和用户接入等系统环境的动态变化具有很强的适应性，达到很好的检测性能和实时性。
文档编号H04L1/00GK101316117SQ200810040448
公开日2008年12月3日 申请日期2008年7月10日 优先权日2008年7月10日
发明者凌小峰, 宫新保, 成 常, 臧小刚 申请人:上海交通大学