專利名稱：同步碼分多址系統(tǒng)中基于可靠性的串行干擾抵消方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及同步多徑信道下碼分多址系統(tǒng)的串行干擾抵消方法。本發(fā)明特別涉及到在同步多徑信道下的碼分多址系統(tǒng)中降低由于多址引起的干擾以及提高性能與系統(tǒng)容量的干擾抵消方法。
擴(kuò)頻碼的不正交的一個例子是碼分多址系統(tǒng)中采用的沃爾什變換加擾碼的的擴(kuò)頻方法，實際上相當(dāng)于隨機(jī)擴(kuò)頻，在這種碼分多址方法中各個用戶的擴(kuò)頻用的隨機(jī)序列之間通常不正交，因此引入了多個用戶之間的干擾。再有，經(jīng)信道傳輸后用戶信號波形之間也可能不正交。考慮兩個用戶的例子，他們的擴(kuò)頻碼或擴(kuò)頻隨機(jī)序列分別是1、-1、1、-1和1、1、-1、-1，兩個碼本身是正交的。如果兩個用戶的信號所經(jīng)歷的信道都沒有相位偏移，那么在接收端用戶波形也是正交的。但是，如果用戶經(jīng)歷信道后等效的擴(kuò)頻碼變成了1、-1、1、-1，而用戶2的等效擴(kuò)頻碼變成了1、1、-1、1。顯然兩個等效擴(kuò)頻碼變得不正交了，因為兩個等效擴(kuò)頻碼的點積為-2。用戶2對用戶1的解擴(kuò)會引起干擾，用戶1對用戶2的解擴(kuò)也會引起干擾，這種干擾對應(yīng)于兩個等效擴(kuò)頻碼的點積。
幸運的是，多個用戶之間的干擾可以采用干擾抵消的方法消除，這屬于多用戶信號檢測的方法。Patel在“Analysis of a simple successive interference cancellation scheme in a DS/CDMAsystem，IEEE Journal on Selected Areas in Communications，Vol.12，No 5，June 1994”一文中就采用了基于用戶功率或相關(guān)值排序的串行干擾抵消的方法。其干擾抵消的基本原理是為了從包含所有用戶信息的總接收信號中檢測出所有用戶，首先通過簡單的解擴(kuò)方法檢測第一個用戶，然后模擬出該用戶的干擾信號，并將此信號從接收總信號中抵消，重復(fù)這種檢測、模擬和抵消的過程，直到所有的用戶都被檢測到。在這種方法中，用戶檢測的順序可以不同，可以根據(jù)用戶功率或相關(guān)值的大小來選擇檢測的順序。如果用用戶功率排序，那么功率最大的用戶會首先被檢測；如果采用相關(guān)值排序，相關(guān)值最大的用戶就會被首先檢測。
但上述兩種排序規(guī)則下的串行干擾抵消的性能并不是最佳的，因為排在第一位的用戶的檢測可靠性不一定最高，這是顯然的，功率最大不能說明檢測的時刻可靠性最大；而且相關(guān)值最大也可能是由于其它用戶的干擾引起的。串行干擾抵消方法的性能還可以提高。為了提高干擾抵消方法的性能，在干擾抵消的過程中就希望每個用戶的信號檢測是最準(zhǔn)確的，因為用戶的檢測越準(zhǔn)確，該用戶的信號模擬產(chǎn)生肯定也越準(zhǔn)確，這樣就能有效地從接收信號中去除這個用戶的干擾。相反，如果用戶的檢測不正確，那么該用戶的信號的重新產(chǎn)生也就不正確了，如果從接收信號中減去這個不正確的信號，還有可能會增強(qiáng)干擾，反而降低了其它用戶檢測的可靠性。在本發(fā)明中，通過采取按可靠性排序的規(guī)則來使得每次用戶的信號檢測都做到可靠性最高，來最大程度地保證干擾抵消的性能?？煽啃耘判虻囊?guī)則意味著可靠性最大的用戶首先被檢測，而不是象按用戶功率排序方法那樣，功率最大的用戶首先得到檢測，或是象按相關(guān)值排序方法那樣，相關(guān)值最大的用戶首先得到檢測。
本發(fā)明的特征在于1.它是通過采取按可靠性排序的規(guī)則即每個用戶的多徑合并信號的似然比排序的規(guī)則選擇具有最大似然比絕對值的用戶序號來使得每次用戶的信號檢測都做到可靠性最高來最大程度地保證干擾抵消性能的。
2.它依次含有如下步驟(1)對接收信號進(jìn)行碼片匹配濾波采樣；(2)對每個信號進(jìn)行碼片比特同步；估計每個用戶的信號的可辨析徑數(shù)；(3)估計多徑各徑參數(shù)，包括幅度和相位；估計噪聲方差；(4)計算各個用戶的信號可靠性，即對數(shù)似然比；(5)按照對數(shù)似然比的絕對值的大小對用戶排序；(6)對排在第一位的用戶進(jìn)行信號檢測，它依次含有以下三個步驟
(6.1)補(bǔ)償各徑的相位；(6.2)解擴(kuò)處理；(6.3)各徑信號加權(quán)求和，即最大比合并的瑞克(RAKE)接收；(6.4)根據(jù)RAKE的結(jié)果估計傳輸比特；(7)重建已經(jīng)檢測的用戶的干擾信號，并執(zhí)行干擾抵消；(8)如果沒有檢測的用戶數(shù)目多于一個，重復(fù)第(4)步到第(7)步，直到?jīng)]有檢測的用戶數(shù)目為0。
3.在所述的步驟(4)中，當(dāng)只有一個用戶時，直接轉(zhuǎn)入步驟(6)。
4.所述的似然比Lm用下式表示Lm=2wmTDmHmcmΣk=1,k≠mK(wmTDmHkck)2+12N0NwmTwmym]]>其中，m＝1，2，...，K，K表示用戶數(shù)；擴(kuò)頻碼為長為N的矢量cm，N為擴(kuò)頻比；矩陣Hk表示L-1階多徑信道； hk(l)(l＝0，1，...，L-1)表示用戶k經(jīng)歷的信道的單位沖激響應(yīng)的以碼片速率的采樣。wm是L維的最大比合并時的權(quán)重矢量，wm＝[α1α2…αL]T，αl=Zl2Σn=0L-1Zn2,]]>Z0，Z1，...，ZL-1是L個相關(guān)器(即解擴(kuò)器)的輸出。Dm是(L)×(N+L-1)維的解擴(kuò)矩陣，可以表示成 其中，0l表示l個0組成的列矢量，θm,l，l＝0，1，...，L-1表示各徑的信道相位偏移。N0/2噪聲雙邊功率譜密度，即方差；ym為用戶m解擴(kuò)并RAKE接收的輸出。
本發(fā)明描述的基于可靠性排序的串行干擾抵消多用戶檢測方法很好地解決了碼分多址系統(tǒng)中多用戶干擾限制系統(tǒng)性能的問題。
圖2是在接收機(jī)端基于可靠性的干擾抵消的原理框圖。
圖3是本發(fā)明的算法程序流程圖。
在干擾抵消方法中，用戶的信號檢測或干擾抵消的順序是很重要的。如果錯誤地選擇首先檢測可靠性低的用戶，不但抵消不了干擾，還可能為其它用戶引入更嚴(yán)重的干擾。本發(fā)明提出了一種適合同步多徑信道下的碼分多址系統(tǒng)的干擾抵消方法，它采用了可靠性排序準(zhǔn)則。信號檢測的可靠性用似然比(或?qū)?shù)似然比)來定義。也就是干擾抵消是根據(jù)信號的對數(shù)似然比來排序的。
下面列出本發(fā)明中同步多徑信道下碼分多址系統(tǒng)的干擾抵消的方法步驟。步驟4)和5)是本發(fā)明的新內(nèi)容，其它的步驟與文獻(xiàn)中的一般干擾抵消方法相同，但為了完整，這里仍然列出所有的步驟。
1)對接收信號進(jìn)行碼片匹配濾波采樣；2)對每個用戶進(jìn)行碼片比特同步；估計每個用戶的信道的可辨析徑數(shù)；
3)估計多徑各徑參數(shù)，包括幅度和相位；估計噪聲方差；4)計算各個用戶的信號可靠性，即對數(shù)似然比；(如果只有一個用戶，就不需要計算似然比了，直接跳到第6)步；5)按照對數(shù)似然比的絕對值的大小對用戶排序；6)對排在第一位的用戶進(jìn)行信號檢測；a)補(bǔ)償每徑的相位b)解擴(kuò)處理c)各徑信號加權(quán)求和，即最大比合并的瑞克(RAKE)接收d)根據(jù)RAKE的結(jié)果估計傳輸比特7)重建已經(jīng)檢測的用戶的干擾信號，并執(zhí)行干擾抵消；8)如果沒有檢測的用戶數(shù)目多于1個，重復(fù)第4)步到第7)步，直到?jīng)]有檢測的用戶數(shù)目為0；下面對上述的步驟進(jìn)行詳細(xì)闡述。
首先對接收的信號進(jìn)行匹配濾波。然后對濾波后的信號進(jìn)行采樣，采樣率可以采用碼片速率的16倍。碼片比特同步單元找出碼片比特的同步位置，以決定用戶的比特的起始位置。在同步多徑信道下，所有用戶的比特起始位置都是對齊的。碼片的同步與多徑辨析是同時進(jìn)行的。由于多徑可能剛好不是位于碼片的邊界上，所以之前的采樣率要提高到16倍以上。這個倍數(shù)可以根據(jù)接收機(jī)對多徑間隔的分辨精度作出調(diào)整。假設(shè)分辨出的多徑條數(shù)達(dá)到L。L一般在2到6之間，或更大。
由于多徑本身的特性，分辨出的各徑的信道畸變因子都不同，并且它們都是隨機(jī)變化的。第3)步，就是要估計這些信道因子的幅度和相位。相位用來進(jìn)行信號的相干檢測，并和幅度一起用于最大比合并以及計算信號似然比。信道參數(shù)的估計方法有導(dǎo)頻輔助和盲估計方法兩種。前者依靠訓(xùn)練序列，后者根據(jù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性進(jìn)行信道參數(shù)的估計。無論哪一種方法都不可能做到百分之百的準(zhǔn)確，但并不影響本發(fā)明的使用。根據(jù)這些估計出的信道參數(shù)，同樣可以進(jìn)行似然比的計算和用戶排序。另外，估計的噪聲方差要用于比特檢測可靠性的計算。
在得到信道參數(shù)后，就可以計算每個用戶信號的似然比了。似然比給出了用戶信號檢測的可靠性。具體的似然比計算方法將在后面給出。在得到用戶信號的可靠性后，就可以對用戶排序，并首先檢測排在第一位的用戶，然后根據(jù)該用戶的信道參數(shù)、擴(kuò)頻碼和檢測的信息比特重新生成該用戶的信號，然后從接收的總信號中扣除。重建信號實際上就是重復(fù)

圖1所示的信號發(fā)送的過程，但不進(jìn)行成形濾波。在同步多徑信道中，一輪干擾抵消要進(jìn)行所有用戶的一個比特的檢測。下一輪干擾抵消才進(jìn)行所有用戶的下一個比特的檢測。
干擾抵消中很重要的一步就是對排在第一位的用戶的信號檢測。似然比絕對值最大的用戶首先被檢測，檢測的方法就是傳統(tǒng)的RAKE接收方法。如果一條無線傳播路徑中的信號經(jīng)歷了深度衰落，而另一條相對獨立的路徑中可能仍包含著較強(qiáng)的信號。因此可以在多徑信號中選擇兩個或兩個以上的信號，這樣作的好處是它對于接收端的瞬時信噪比和平均信噪比都有提高。RAKE接收機(jī)就是利用這個原理通過合并多徑信號來改善接收信號的信噪比，即對各路解擴(kuò)后的信號進(jìn)行加權(quán)求和。假設(shè)L個相關(guān)器(即解擴(kuò)器)的輸出分別是Z0，Z1，...，ZL-1，其權(quán)重分別為α0，α1，...，αL-1權(quán)重的大小是由各支路的輸出功率或信噪比決定的。如果支路的輸出功率或信噪比小，那么相應(yīng)的權(quán)重就小，總的輸出信號Z′為Z′=Σl=0L-1αlZl]]>權(quán)重αl可用相關(guān)器的輸出信號總功率歸一化，其總和為1，即αl=Zl2Σn=0L-1Zn2]]>上面列出的步驟總結(jié)于圖2，圖中的開關(guān)當(dāng)一輪檢測與干擾抵消完畢后就扳向虛線一側(cè)，它顯示了同步多徑信道下碼分多址系統(tǒng)本發(fā)明的接收機(jī)的原理。匹配濾波器輸出之后的采樣經(jīng)過解擴(kuò)和RAKE接收后，可以用來進(jìn)行傳輸比特的檢測。檢測是根據(jù)信號檢測的似然比的順序來進(jìn)行的。似然比最大的用戶首先得到檢測，然后用檢測的比特重新產(chǎn)生該用戶的信號，通過減法運算從接收信號中去除產(chǎn)生的信號，也就是從多用戶信號中去除了該用戶的干擾。接著，剩下的用戶的似然比要重新計算，并重新選出一個最大似然比的用戶，重復(fù)上面的過程，直到所有的用戶都檢測完畢。這輪干擾抵消就完成了所有用戶的一個比特的檢測，下一輪干擾抵消將完成所有用戶的下一個比特的檢測。
從上面的描述中可以看出，串行干擾抵消的關(guān)鍵是用戶檢測和干擾抵消的順序。要根據(jù)用戶信號似然比進(jìn)行排序，關(guān)鍵要計算出用戶信號的似然比。
這部分內(nèi)容給出同步多徑信道下用戶信號似然比(或?qū)?shù)似然比)的計算公式。假設(shè)進(jìn)行若干個干擾用戶的抵消后，系統(tǒng)內(nèi)還剩余K個用戶，并且假設(shè)抵消掉的用戶的信號檢測是準(zhǔn)確的，因此剩余信號中不含有已經(jīng)檢測的用戶的干擾。用戶k(k＝1，2，...，K)發(fā)送的比特用xk表示，取值于{±1}；擴(kuò)頻碼用長為N(N為擴(kuò)頻比)的列矢量ck表示，L-1階多徑信道用矩陣Hk表示。它們分別可以寫成ck＝[ck(1)…ck(N)]T，其中ck(i)表示擴(kuò)頻碼ck的第i個元素。 其中hk(l)(l＝0，1，...，L-1)表示用戶k經(jīng)歷的信道的單位沖激響應(yīng)的以碼片速率的采樣。
那么在接收端K個用戶的信號總和的矢量表示是r=Σk=1KHkckxk+n]]>其中n表示雙邊功率譜密度為N0/2的高斯白噪聲。用戶m，m＝1，...，K的解擴(kuò)和RAKE接收的輸出可以寫成ym=wmTDmr]]>=wmTDmHmcmxm+wmTDmΣk=1,k≠mKHkckxk+wmTDmn]]>其中wm是L維的最大比合并時的權(quán)重矢量，可以寫成wm＝[α1α2…αL]TDm表示(L)×(N+L-1)維的解擴(kuò)矩陣，可以寫成 其中，0l表示l個0組成的列矢量，θm,l，l＝0，1，...，L-1表示各徑的信道相位偏移。
觀察RAKE接收機(jī)的輸出的表達(dá)式，如果K-1足夠大，那么ym可以用一個高斯隨機(jī)變量來近似，其數(shù)學(xué)期望為E{ym}＝wmDmHmcmxm，方差為Var{ym}=Σk=1,k≠mK(wmTDmHkck)2+12N0NwmTwm.]]>用戶m的檢測對數(shù)似然比記為Lm，定義為Lm=logp[xm=+1|ym]p[xm=-1|ym],]]>其中p表示概率密度函數(shù)。由貝葉斯準(zhǔn)則，對數(shù)似然比可以寫成Lm=logp[ym|xm=+1]p[ym|xm=-1]+logp[xm=+1]p[xm=-1],]]>可以假設(shè)xm等概分布，那么有p[xm=+1]=p[xm=-1]=12.]]>上式可以寫成Lm=logp[ym|xm=+1]p[ym|xm=-1].]]>又由于ym|xm＝+1和ym|xm＝-1都服從高斯分布，因此有Lm=2E{ym|xm=+1}ymVar{ym}]]>將前面必要的公式帶入上式有Lm=2wmTDmHmcmΣk=1,k≠mK(wmTDmHkck)2+12N0NwmTwmym]]>由上式可見，對數(shù)似然比需要估計信道參數(shù)，噪聲方差。它們由圖2中的信道估計和噪聲方差估計模塊完成。
下面，以一個簡單的例子來說明如何在碼分多址系統(tǒng)中應(yīng)用基于可靠性的串行干擾抵消多用戶檢測方法。
在這個例子中，系統(tǒng)內(nèi)一共有4個用戶，他們的擴(kuò)頻碼分別是c1，c2，c3和c4。一般情況下，這4個擴(kuò)頻碼之間并不相互正交，因此會引入多用戶干擾。多用戶干擾對整個系統(tǒng)的性能造成了有害的影響，為了減弱這種影響，可以采用本發(fā)明中描述的基于可靠性的串行干擾抵消多用戶檢測方法?？梢园凑涨懊鏀⑹龅牡?)到8)個步驟進(jìn)行。
通過1)到3)步，得到或估計得到矩陣Hm，Dm和wm，以及噪聲功率譜密度N0/2。對每個用戶，計算對數(shù)似然比Lm，m＝1，2，3，4。假設(shè)L1的絕對值最大，那么首先使用y1檢測用戶1，并模擬生成用戶1的干擾信號，即H1c1x1，從接收總信號中減去該信號，得到剩余信號r-H1c1x1。
得到去除用戶1的剩余信號后要重新計算剩余用戶的對數(shù)似然比Lm，m＝2，3，4。如果假設(shè)這次L4的絕對值最大，那么這一輪的干擾抵消就將檢測用戶4，并得到新的沒有用戶4干擾的剩余信號。再根據(jù)新的剩余信號計算L2和L3。又假設(shè)L2的絕對值比L3的大，那么在這一輪干擾抵消中，用戶2得到檢測，又得到?jīng)]有用戶2干擾的剩余信號。由于現(xiàn)在只剩下用戶3沒有檢測了，不需要計算似然比了，可直接檢測。
這樣，經(jīng)過三輪干擾抵消，4個用戶全部被檢測出來。
權(quán)利要求
1.同步碼分多址系統(tǒng)中基于可靠性的串行干擾抵消方法，它首先通過簡單的解擴(kuò)方法檢測第一個用戶，然后模擬出該用戶的干擾信號，并將此信號從接收總信號中抵消，重復(fù)這種檢測、模擬和抵消的過程，直到所有的用戶都被檢測到，其特征在于它是通過采取按可靠性排序的規(guī)則即每個用戶的多徑合并信號的似然比排序的規(guī)則選擇具有最大似然比絕對值的用戶序號來使得每次用戶的信號檢測都做到可靠性最高來最大程度地保證干擾抵消性能的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步碼分多址系統(tǒng)中基于可靠性的串行干擾抵消方法，其特征在于，它依次含有如下步驟(1)對接收信號進(jìn)行碼片匹配濾波采樣；(2)對每個信號進(jìn)行碼片比特同步；估計每個用戶的信號的可辨析徑數(shù)；(3)估計多徑各徑參數(shù)，包括幅度和相位；估計噪聲方差；(4)計算各個用戶的信號可靠性，即對數(shù)似然比；(5)按照對數(shù)似然比的絕對值的大小對用戶排序；(6)對排在第一位的用戶進(jìn)行信號檢測，它依次含有以下三個步驟(6.1)補(bǔ)償各徑的相位；(6.2)解擴(kuò)處理；(6.3)各徑信號加權(quán)求和，即最大比合并的瑞克(RAKE)接收；(6.4)根據(jù)RAKE的結(jié)果估計傳輸比特；(7)重建已經(jīng)檢測的用戶的干擾信號，并執(zhí)行干擾抵消；(8)如果沒有檢測的用戶數(shù)目多于一個，重復(fù)第(4)步到第(.7)步，直到?jīng)]有檢測的用戶數(shù)目為0。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的同步碼分多址系統(tǒng)中基于可靠性的串行干擾抵消方法，其特征在于在所述的步驟(4)中，當(dāng)只有一個用戶時，直接轉(zhuǎn)入步驟(6)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的同步碼分多址系統(tǒng)中基于可靠性的串行干擾抵消方法，其特征在于，所述的似然比Lm用下式表示Lm=2wmTDmHmcmΣk=1,k≠mK(wmTDmHkck)2+12N0NwmTwmym]]>其中，m＝1，2，...，K，K表示用戶數(shù)；擴(kuò)頻碼為長為N的矢量cm，N為擴(kuò)頻比；矩陣Hk表示L-1階多徑信道； hk(l)(l＝0，1，...，L-1)表示用戶k經(jīng)歷的信道的單位沖激響應(yīng)的以碼片速率的采樣。wm是L維的最大比合并時的權(quán)重矢量，wm＝[α1α2…αL]T，αl=Zl2Σn=0L-1Zn2,]]>Z0，Z1，...，ZL-1是L個相關(guān)器(即解擴(kuò)器)的輸出。Dm是(L)×(N+L-1)維的解擴(kuò)矩陣，可以表示成 其中，0l表示l個0組成的列矢量，θm,l，l＝0，1，...，L-1表示各徑的信道相位偏移。N0/2噪聲雙邊功率譜密度，即方差；ym為用戶m解擴(kuò)并RAKE接收的輸出。
全文摘要
同步碼分多址系統(tǒng)中基于可靠性的串行干擾抵消方法屬于降低干擾的技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于干擾抵消按串行方式進(jìn)行，其順序根據(jù)最大比合并的輸出的似然比來決定。似然比絕對值最大的用戶首先被檢測，并通過信號產(chǎn)生器來生成該用戶的干擾信號，該信號從匹配濾波器的輸出中消除，再重新進(jìn)行解擴(kuò)和最大比合并的過程，重新計算似然比。它在小擴(kuò)頻比如N＝4和大擴(kuò)頻比如N＝128的碼分多址系統(tǒng)中誤碼平臺和誤碼率都很低。它可以支持的用戶數(shù)也比擴(kuò)頻比大。
文檔編號H04J13/02GK1463104SQ0313755
公開日2003年12月24日 申請日期2003年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月18日
發(fā)明者周世東, 任曉東, 趙明 申請人:清華大學(xué)