题目：短脉冲超宽带通信系统中的低复杂度检测算法研究

超宽带技术起源于上世纪中叶的时域电磁学研究，2002年FCC开放商用频段后引起全世界的关注和研究热潮。超宽带系统使用相对带宽超过20\%或绝对带宽超过500MHz的信号传输信息，因此具有大容量、低衰落、高时空分辨率等特性。使用超宽带技术可以实现短距离的高速传输，或长距离的保密通信，它比传统窄带或宽带系统具有更低的功率损耗，以及更精确的定位和成像能力，因此在无线个域网、传感网、雷达和医疗等领域有着广泛的应用前景。超宽带信道具有大量可分辨多径，这使得接收机需要大量的抽头才能搜集起接收到的能量。当接收信号中存在码间干扰或多用户干扰时，信号检测也变得更加复杂。因此，本文的重点在于研究降低信号检测复杂度同时保持较好检测性能的各种算法，主要包括不需要信道估计的非相干多码元检测，通过迭代干扰删除实现低复杂度均衡，以及降低多用户检测时信号采样率的方法。短脉冲超宽带通信系统的主要特点是发射信号具有低占空比的性质，而我们研究的各种低复杂度算法都是基于这一性质而提出的。非相干检测不需要信道估计，因此很适合在具有大量多径的超宽带系统中使用。但是，一般的非相干检测算法容易受到有噪模板的影响，性能往往不好。为了提高非相干检测的性能，本文研究了非相干多码元检测算法，它使用多个码元的信号联合检测，性能可以接近理想的相干检测。多码元检测算法的复杂度取决于联合检测的码元个数，当使用适当的码元数和实现结构时，它一样可以保持低复杂度的优势。对于各种编码和调制格式的超宽带信号，我们提出用一种统一的方法推导出非相干多码元检测算法并分析了它的性能。我们推导和比较了相干和非相干多码元检测算法的成对错误概率，揭示了两种算法之间的内在联系，得到了其性能和复杂度之间的折衷关系，并提出了接收机使用非相干多码元检测时最优发射信号的设计准则。最后，通过仿真验证了分析结果，并详细评估了算法在真实场景下的性能。当超宽带系统的数据率逐渐提高时，信道中的多径时延会超过信号的码元周期，从而带来码间干扰。因为超宽带信道具有大量的多径，各种均衡算法的实现都比较复杂。本文提出一种迭代干扰删除算法，它把每个发射码元的多径接收信号分成若干段，每次消除多径干扰在一个码元内的分量，并合并这一个码元内干扰消除以后的接收信号分量。干扰消除基于前面码元得到的临时判决值，而当前码元新合并的信号分量又可以改善这些临时判决值。最终的判决统计量避免了码间干扰的影响，并且搜集到了所有接收到的多径信号的能量。算法的推导基于因子图与和—积算法，这样可以清晰地看出迭代干扰删除算法和最大后验概率检测之间的近似关系。因为不需要计算均衡器系数，并且经过了一系列的简化，所得到算法的复杂度与最大比合并Rake接收机相当。仿真表明，其性能可以达到全抽头Rake-MMSE接收机的性能，超过选择性抽头MMSE-Rake接收机的性能。这种算法还可以方便地推广到各种直序或跳时扩频的系统中。使用短脉冲进行通信，超宽带系统可以达到很高的扩频增益，利用丰富的多径信息，可以实现很高的分集增益。但是在有多址干扰的情况下，这种超宽的带宽和大量的多径分量却不利于干扰抑制算法的应用，因为接收机需要很高的采样率和很多的滤波器抽头。从多径接收信号中有选择地在适当位置进行下采样可以得到降低阶数的多用户检测器，它可以有效地搜集期望用户的能量，同时抑制其它用户产生的干扰，这样可以大大降低系统的采样率和解调时的计算量。本文推导了选择下采样时刻的最优准则，提出了一种低复杂度的一维搜索算法，它使用逐渐增加阶次的方法使多用户检测器达到最小的均方误差。为了适应多数据率多用户系统，下采样后的信号直接在帧级别上进行检测，即根据每个用户信道响应的差别来抑制多用户干扰。仿真结果证实了这种降阶多用户检测器的良好性能。