CN102761673B - Lte中继系统多路回波抵消方法 - Google Patents

Abstract

本发明LTE中继系统多路回波抵消方法，涉及适用于无线通信网络的业务或设施，其步骤是：采用天线双发单收两路回波抵消模型，在LTE中继系统发射端预处理后的两路信号经过回波信道被接收天线所接收后，在接收端通过自适应滤波器估计出两路回波信号后，将接收的混合信号同估计信号做减法，继而达到回波抵消的效果。本发明方法用于无线通信中，解决了如何有效地在接收端对多路回波干扰进行有效的消除，进而保证整个中继系统正常工作，进而能够有效应用于下一代移动通信领域，根据LTE以及LTE-A的协议标准，为新一代移动通信做技术储备。

Description

LTE中继系统多路回波抵消方法

技术领域

本发明的技术方案涉及适用于无线通信网络的业务或设施，具体地说是LTE中继系统多路回波抵消方法。

背景技术

LTE中继系统中从发送天线发送出去的信号被接收天线接收再处理，这样循环的发送、接收、再处理使得信号的功率不断放大，形成自激干扰，同时严重损坏功率放大器，为了避免自激干扰，需要对从系统发送的信道进行接收滤除，也就是进行回波抵消。

根据文献检索得知，解决上述自激干扰，进行回波抵消的现有技术有：（1）高鹰等在《多路回拨消除研究现状综述》（参见《系统工程与电子技术》2005年4月）一文中介绍了为减弱多路输入信号之间的强相关性而采取的几种预处理方法，之后,对目前现有的多路回波消除自适应算法进行了详细地综述,并阐述了各种算法的特点，该文阐述仅适用语音话路的回声抵消，不具普适性；（2）郝禄国等在《一种移动电视直放站回波抵消的实现方法》（参见《数字电视》2009年第33卷）一文中报道其设计并验证了一种在数字直放站中有效进行回波抵消的方法，但此数字直放站中的回波抵消过程为单路处理，只适用于直放站天线单发单收的情况，不具普适性；（3）肖尚辉等在《一种简化的自适应回声抵消算法及其应用分析》（参见《通信技术》2009年第二期）一文中提出了一种基于自适应滤波技术的声学回声抵消简化频域FDAF-MDFTP算法，并对该算法特性以及对声学回声返回损失增加度的影响进行了分析。此方法是利用频域算法，对室内声学回声抵消具有很好效果，但这也有一定的局限性，不具普适性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供LTE中继系统多路回波抵消方法，在发射端预处理后的两路信号经过回波信道被接收天线所接收后，在接收端通过自适应滤波器估计出两路回波信号后，将接收的混合信号同估计信号做减法，继而达到回波抵消的效果。本发明方法能有效地进行多路回波干扰的抵消，克服了现有技术普遍存在的不具普适性的缺点。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：LTE中继系统多路回波抵消方法，步骤是：采用天线双发单收两路回波抵消模型，LTE数字中继系统发射端通过双天线发射经过半波整流函数处理的两路信号，这两路信号一方面经过回波信道又被接收端天线所接收，形成回波干扰，与LTE数字中继系统接收的基站源信号构成混合信号进入该LTE数字中继系统；另一方面，LTE数字中继系统发射端两路信号经过延时处理后同时进入两个已经设计好的作为估计回波信号的估计器的FIR滤波器和权系数更新模块，该权系数更新模块通过权系数更新的自适应算法来对回波信道进行实时跟踪估计，该算法中的误差向量即是在接收端接收信号与经过两个滤波器的信号做减法之后的信号，该算法进入收敛稳态后，这一路信号就是较纯净的基站源信号，在中继系统内经过基带数字信号处理，将一路信号转换成两路，经过半波整流函数处理后，再由发射端发射出去。

上述LTE中继系统多路回波抵消方法，所述的天线双发单收两路回波抵消模型是，设发射天线端两路信号为x₁与x₂，它们是经过半波整流函数处理过的两路信号，处理前信号为p₁和p₂。半波整流函数关系式为：

$x_1\left(n\right)=p_1\left(n\right)+\mathrm{\α}\frac{p_1\left(n\right)+\left|p_1\left(n\right)\right|}{2}$

$x_2\left(n\right)=p_2\left(n\right)+\mathrm{\α}\frac{p_2\left(n\right)-\left|p_2\left(n\right)\right|}{2}.$

上述LTE中继系统多路回波抵消方法，所述已经设计好的作为估计回波信号的估计器的FIR滤波器，是令两路发射信号x₁和x₂作为该估计器的输入，假设这两个滤波器的权系数分别为w₁和w₂，则输出发射信号的回波估计值为y(n)＝y₁(n)+y₂(n)=x₁w₁+x₂w₂，从而得到接收信号与回波估计信号的差值e(n)＝Data(n)-y(n)。

上述LTE中继系统多路回波抵消方法，所述权系数更新的自适应算法是NLMS算法。

上述LTE中继系统多路回波抵消方法，所述权系数更新的自适应算法的单路流程如下：

上述流程中，P_x(n)代表信号n时刻的能量估计值，β是一常数，通常取值2^-7，γ为步长参数，也称为固定环路增益，取值依具体情况而定。

上述LTE中继系统多路回波抵消方法，所述γ为步长参数的取值依具体情况而定，是如下确定的：在本算法中，

步长因子 $\mathrm{\γ}\left(n\right)=P_x\left(n\right)=\frac{1}{x^T\left(n\right)x\left(n\right)},$

输入信号的自相关矩阵为R＝E[x(n)x^T(n)]，

首先考虑到下列关系：

E[x^T(n)x(n)]＝tr[R]

$E\left[\frac{e\left(n\right)x\left(n\right)}{x^T\left(n\right)x\left(n\right)}\right]\≈\frac{E\left[e\left(n\right)x\left(n\right)\right]}{E\left[x^T\left(n\right)x\left(n\right)\right]},$

然后对步长参数的平均值应用更新LMS的方向e(n)x(n)是最后将NLMS算法的更新公式与经典LMS算法更新公式比较，可以得到步长参数的上界不等式条件如下：

$0<\mathrm{\&gamma;}\left(n\right)=\frac{\mathrm{\&gamma;}}{2\mathrm{tr}\left[R\right]}<\frac{1}{\mathrm{tr}\left[R\right]}$

或

0＜γ＜2。

本发明的有益效果是：

本发明LTE中继系统多路回波抵消方法的突出的实质性特点是，

（1）本发明中的权系数更新的自适应算法是NLMS算法，即归一化的LMS算法，运用到干扰抵消器中，都可以很好地滤除干扰，提取有用信号，其实现复杂程度又较低。也就是说，本发明中选取了合适的自适应算法。

（2）本发明中的发射端两路信号经过延时处理后进入两个已经设计好的FIR滤波器，其作用是对回波信号进行估计以达到在接收端抵消回波的作用。

与现有技术相比，本发明LTE中继系统多路回波抵消方法的显著进步是，

（1）本发明方法能有效地进行多路回波干扰的抵消，最大化地减少系统资源的占用，并且整个抵消过程都具有实时性，能根据外部信道的变化而自适应跟踪，已达到最佳的回波抵消效果。

（2）本发明方法的回波抵消方法能够有效应用于下一代移动通信领域，根据LTE以及LTE-A的协议标准，为新一代移动通信做技术储备。

（3）本发明方法用于无线通信中，解决了如何有效地在接收端对多路回波干扰进行有效的消除，进而保证整个中继系统正常工作。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明LTE数字中继多路回波抵消方法采用的天线双发单收两路回波抵消模型结构示意图。

图2为本发明LTE数字中继多路回波抵消方法中的权系数更新的自适应算法的单路流程的流程图。

图3为本发明LTE数字中继多路回波抵消方法在进行仿真试验时的自适应算法误差矢量收敛图。

图4为本发明LTE数字中继多路回波抵消方法在进行仿真试验时的第一路估计权系数与实际信道冲击响应比较图。

图5为本发明LTE数字中继多路回波抵消方法在进行仿真试验时的第二路估计权系数与实际信道冲击响应比较图。

图6为本发明LTE数字中继多路回波抵消方法在做完回波抵消减法后的信号功率谱与原信号功率谱进行对比的信号功率谱密度比较图。

图7为本发明LTE数字中继多路回波抵消方法的原信号与抵消后信号误差曲线图。

具体实施方式

图1所示实施例中，经过基带数字信号处理后的信号为p₁(n)和p₂(n)，它们经过半波整流函数处理后的两路信号分别是x₁(n)和x₂(n)，LTE数字中继系统发射端通过双天线发射x₁(n)和x₂(n)，这两路信号x₁(n)和x₂(n)一方面经过回波信道H(n)又被接收端天线所接收，形成两路回波干扰X(n)*H(n)，与LTE数字中继系统接收的基站源信号s(n)构成混合信号Data(n)进入该LTE数字中继系统；另一方面，LTE数字中继系统发射端两路信号x₁(n)和x₂(n)经过延时处理后分别进入两个已经设计好的作为估计回波信号的估计器的FIR₁滤波器和FIR₂滤波器，又分别进入两个权系数更新模块用作信道估计的权系数更新，两个权系数更新模块分别将更新得到的权系数w₁(n)和w₂(n)送至FIR₁滤波器和FIR₂滤波器，此时两个回波信号估计器产生的回波估计信号分别为y₁(n)和y₂(n)，这样接收端接收到的混合信号Data(n)与回波估计器产生的回波估计信号y₁(n)+y₂(n)一起进入减法器做减法，从而得到接收信号与回波估计信号的差值e(n)，e(n)一方面用于权系数更新分别进入两个权系数更新模块，另一方面作为回波抵消后的纯净信号进行基带数字信号处理。

上述半波整流函数关系式如下：

$x_1\left(n\right)=p_1\left(n\right)+\mathrm{\&alpha;}\frac{p_1\left(n\right)+\left|p_1\left(n\right)\right|}{2}$

$x_2\left(n\right)=p_2\left(n\right)+\mathrm{\&alpha;}\frac{p_2\left(n\right)-\left|p_2\left(n\right)\right|}{2},$

上述两路回波干扰 $\mathrm{XH}=[x_1,x_2]\left[\begin{array}{c}{h}_1\\ h_2\end{array}\right]=x_1{h}_1+x_2{h}_2,$

上述回波估计信号为y₁(n)+y₂(n)=y(n)=x₁w₁+x₂w₂，

上述接收信号与回波估计信号的差值e(n)＝Data(n)-y(n)。

图2所示实施例表明，本发明LTE数字中继多路回波抵消方法中的权系数更新的自适应算法的单路流程是：

实施例

用本发明LTE数字中继多路回波抵消方法进行仿真试验，采用如上述图1所述的天线双发单收两路回波抵消模型。LTE数字中继系统发射端通过双天线发射经过半波整流函数处理的两路信号x₁(n)和x₂(n)，这两路信号x₁(n)和x₂(n)一方面经过回波信道H(n)又被接收端天线所接收，形成两路回波干扰X(n)*H(n)，与LTE数字中继系统接收的基站源信号s(n)构成混合信号Data(n)进入该LTE数字中继系统；另一方面，LTE数字中继系统发射端两路信号x₁(n)和x₂(n)经过延时处理后进入两个已经设计好的作为估计回波信号的估计器的FIR₁和FIR₂滤波器，又分别进入两个权系数更新模块用作信道估计的权系数更新，该权系数更新模块通过权系数更新的自适应算法来对回波信道进行实时跟踪估计，具体步骤是，两个权系数更新模块分别将更新得到的权系数w₁(n)和w₂(n)送至FIR₁滤波器和FIR₂滤波器，此时两个回波信号估计器产生的回波估计信号分别为y₁(n)和y₂(n)，这样接收端接收到的混合信号Data(n)与回波估计器产生的回波估计信号y₁(n)+y₂(n)一起进入减法器做减法，从而得到接收信号与回波估计信号的差值e(n)即该算法中的误差向量，算法进入收敛稳态后，e(n)一方面用于权系数更新分别进入两个权系数更新模块，另一方面作为回波抵消后的纯净信号进行基带数字信号处理，在中继系统内经过基带数字信号处理，将一路信号转换成两路，经过半波整流函数处理后，再由发射端发射出去。

在信号转发之前要做上述变换是由于转发信号的相关性，会导致算法收敛慢，而且不能较好地跟踪信道权系数的变化。因此必须对转发信号进行预处理。目前，预处理方法中效果最好的方法是对输入的信号进行非线性变换，即通过对每一路信号增加少量的非线性失真来降低输入信号之间的相关性，而本发明方法采用的半波整流函数方法是最简单而且性能较好较实用的非线性变换，无论软件硬件实现都很简单，经验证，当α∈[0.3,0.5]时，这种算法可降低输入信号间的相关性而且添加的失真对信号的质量影响非常小，基本可以忽略不计。

在发射端两路信号x₁与x₂通过双天线发射出去，一方面信号经过无线信道传输到UE端，完成数字中继的转发任务，另一方面，信号又会经过多径回波信道被中继接收天线所接收。为了在中继内抵消这种回波的干扰，假设回波信道为 $H=\left[\begin{array}{c}{h}_1\\ h_2\end{array}\right],$ 两路信号X＝[x₁,x₂]经过此信道后得到回波干扰信号 $d\left(n\right)=\mathrm{XH}=[x_1,x_2]\left[\begin{array}{c}{h}_1\\ h_2\end{array}\right]=x_1{h}_1+x_2{h}_2,$ 那么在接收端接收的信号就包括基站有用信号s(n)和多径回波信道进来的回波噪声d(n),即Data(n)=s(n)+d(n)，因此只有有效的估计出d(n)的值才能够进行回波抵消。设计好的两个FIR滤波器作为估计回波信号的估计器，令两路发射信号x₁和x₂作为估计器的输入，假设两个滤波器的权系数为分别为w₁和w₂，则输出发射信号的回波估计值为y(n)＝y₁(n)+y₂(n)=x₁w₁+x₂w₂，从而得到接收信号与回波估计信号的差值e(n)＝Data(n)-y(n),当信道估计器权系数收敛至信道参数时，e(n)也收敛至Data(n)，即完成了回波抵消，此时得到的e(n)，一方面在数字中继系统内经过一系列基带数字信号处理调制编码成为两路发射信号，另一方面，e(n)用于信道估计器权系数更新，通过不断的跟踪变化，得到实时更新的权系数，能有效的对回波信道进行估计，采用于权系数更新的自适应算法是NLMS算法，其单路流程如下：

上述流程中，P_x(n)代表信号n时刻的能量估计值，β是一常数，通常取值2^-7，γ为步长参数，也称为固定环路增益，取值依具体情况如下确定：

在本算法中，

步长因子 $\mathrm{\&gamma;}\left(n\right)=P_x\left(n\right)=\frac{1}{x^T\left(n\right)x\left(n\right)},$

输入信号的自相关矩阵为R＝E[x(n)x^T(n)]。

首先考虑到下列关系：

E[x^T(n)x(n)]＝tr[R]

$E\left[\frac{e\left(n\right)x\left(n\right)}{x^T\left(n\right)x\left(n\right)}\right]\&ap;\frac{E\left[e\left(n\right)x\left(n\right)\right]}{E\left[x^T\left(n\right)x\left(n\right)\right]},$

然后对步长参数的平均值应用更新LMS的方向e(n)x(n)是最后将NLMS算法的更新公式与经典LMS算法更新公式比较，可以得到步长参数的上界不等式条件为：

$0<\mathrm{\&gamma;}\left(n\right)=\frac{\mathrm{\&gamma;}}{2\mathrm{tr}\left[R\right]}<\frac{1}{\mathrm{tr}\left[R\right]}$

针对本发明实施例，根据NLMS算法原理，推得两路权系数更新方程：

$\left[\begin{array}{c}{w}_1(n+1)\\ w_2(n+1)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{w}_1\left(n\right)\\ w_2\left(n\right)\end{array}\right]+\frac{\mathrm{\&gamma;}}{P_{x1}\left(n\right)+P_{x2}\left(n\right)}e\left(n\right)\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(n\right)\\ x_2\left(n\right)\end{array}\right]$

在仿真验证中，发射端两路信号与基站源信号设置为随机信号，搭建仿真平台进行仿真验证。对此算法进行仿真验证的结果如下：

（1）得到自适应算法误差矢量收敛图，即误差收敛曲线，如图3所示，此图中横坐标为样本采样点数，纵坐标为自适应算法NLMS算法误差矢量值，运用此算法也正是通过循环运算使得此均方误差值达到最小，收敛至稳态，从图3可以清楚地看到，算法在采样点数较小的前期收敛效果不好，误差矢量值有较大波动，但随着采样点数的增加，达到500点时，误差矢量值开始明显的收敛于零值，采样点数继续增加，收敛效果就越发明显，达到1500点时，误差矢量值基本收敛于零值，从而达到了选用算法的预期效果。

（2）图4和图5分别为本发明方法在进行仿真试验时的第一路和第二路估计权系数与实际信道冲击响应比较图，描述了回波信道系数矢量值与信道估计器的权系数，由仿真结果可以看出，在做完1500点采样后，此时算法收敛至稳态，滤波器权值基本吻合于实际回波信道系数，因此也就有效地估计出了实际回波信道，此时得到了信道估计权系数，就可以得到回波估计值，在接受端利用接受的总信号与其做减法运算，从而就可以得到回波抵消后的信号。

（3）图6则是在做完回波抵消减法后的信号功率谱与原信号功率谱进行对比，由于本次仿真实验用到的仿真信号源为随机信号，做完回波抵消后，原信号与抵消后信号要进行直观性的对比，但是选用随机信号的波形却是无规律，不具直观性，因此通过对信号功率谱的仿真便可直观看到抵消前后信号的差别，其中，上图是原信号功率谱仿真图，下图是做完回波抵消减法后的信号功率谱仿真图，通过图6做完回波抵消减法后的信号功率谱与原信号功率谱的对比，可以直观看出本发明LTE数字中继多路回波抵消方法基本恢复出了原信号。

（4）图7为原信号与抵消后信号误差曲线图，对原信号与抵消后信号做了误差运算，说明从算法开始到结束原信号的恢复情况，由于算法一开始，采样点数较小时，自适应算法并未收敛，因此原信号与抵消后信号误差较大，但随着采样点数的增加，达到500点时，误差值已经开始明显的收敛于零值，也即说明抵消后信号已开始逼近于原信号，采样点数继续增加，收敛效果就越发明显，达到1500点时，误差值基本收敛于零值，两路回波抵消方法有效地进行的回波抵消，基本恢复出了原信号，也即证实了本发明LTE数字中继多路回波抵消方法的有效性。

本实施例中，所述的天线双发单收两路回波抵消模型是，设发射天线端两路信号x₁与x₂，它们是经过半波整流函数处理过的两路信号，处理前信号为p₁和p₂。半波整流函数关系式：

$x_1\left(n\right)=p_1\left(n\right)+\mathrm{\&alpha;}\frac{p_1\left(n\right)+\left|p_1\left(n\right)\right|}{2}$

$x_2\left(n\right)=p_2\left(n\right)+\mathrm{\&alpha;}\frac{p_2\left(n\right)-\left|p_2\left(n\right)\right|}{2}.$

本实施例中，所述两个已经设计好的作为估计回波信号的估计器的FIR₁和FIR₂滤波器，是令两路发射信号x₁和x₂作为该估计器的输入，假设这两个滤波器的权系数为w₁和w₂，则输出发射信号的回波估计值为y(n)＝y₁(n)+y₂(n)

实施例2

除得到步长参数的上界不等式条件为：0＜γ＜2之外，其他均同实施例1。

Claims (3)

1.LTE中继系统多路回波抵消方法，其特征在于步骤是：采用天线双发单收两路回波抵消模型，LTE数字中继系统发射端通过双天线发射经过半波整流函数处理的两路信号，这两路信号一方面经过回波信道又被接收端天线所接收，形成回波干扰，与LTE数字中继系统接收的基站源信号构成混合信号进入该LTE数字中继系统；另一方面，LTE数字中继系统发射端两路信号经过延时处理后同时进入两个已经设计好的作为估计回波信号的估计器的FIR滤波器和权系数更新模块，该权系数更新模块通过权系数更新的自适应算法来对回波信道进行实时跟踪估计，该算法中的误差向量即是在接收端接收信号与经过两个滤波器的信号做减法之后的信号，该算法进入收敛稳态后，这一路信号就是较纯净的基站源信号，在中继系统内经过基带数字信号处理，将一路信号转换成两路，经过半波整流函数处理后，再由发射端发射出去，上述的天线双发单收两路回波抵消模型是，设发射天线端两路信号为x₁与x₂，它们是经过半波整流函数处理过的两路信号，处理前信号为p₁和p₂，半波整流函数关系式为：

$x_1\left(n\right)=p_1\left(n\right)+\mathrm{\&alpha;}\frac{p_1\left(n\right)+\left|p_1\left(n\right)\right|}{2}$

$x_2\left(n\right)=p_2\left(n\right)+\mathrm{\&alpha;}\frac{p_2\left(n\right)+\left|p_2\left(n\right)\right|}{2}$

上述公式中，α∈[0.3,0.5]；

2.按照权利要求1所述LTE中继系统多路回波抵消方法，其特征在于：所述已经设计好的作为估计回波信号的估计器的FIR滤波器，是令两路发射信号x₁和x₂作为该估计器的输入，假设这两个滤波器的权系数分别为w₁和w₂，则输出发射信号的回波估计值为y(n)＝y₁(n)+y₂(n)=x₁w₁+x₂w₂，从而得到接收信号与回波估计信号的差值e(n)＝Data(n)-y(n)，其中Data(n)的含义是：两路回波干扰X(n)*H(n)，与LTE数字中继系统接收的基站源信号s(n)构成混合信号。

3.按照权利要求1所述LTE中继系统多路回波抵消方法，其特征在于：所述权系数更新的自适应算法是NLMS算法。