CN1102309C - 直接序列码分多址系统中多用户检测的装置与方法 - Google Patents

Abstract

DS-CDMA系统中多用户检测的装置和方法，在大大降低数据计算总量的同时降低由多路访问干扰(MAI)造成的噪声。DS-CDMA系统中多用户检测的方法包括接收由各用户分别发送的多个扩展码的频带扩展信号；用匹配滤波器去扩展接收信号，获取各多用户信息的多个采样输出；在多用户扩展码到多个采样输出之间施加互相关值的负值以获取多个采样输出中的MAI信号；从各采样输出中减去MAI信号以清除MAI信号；把各已清除MAI信号的采样输出与阈值相比较以产生二进制数据而恢复多用户信息。

Description

直接序列码分多址系统中多用户检测的装置与方法

本发明涉及DS-CDMA(直接序列码分多址)系统中多用户检测的装置和方法，尤其涉及DS-CDMA系统中去相关多用户检测的装置方法，这种装置和方法能实时清除存在于DS-CDMA系统的MAI(多用户访问干扰)。

DS-CDMA系统是这样一个系统，其发送器用逐一分配给各用户以在各用户间进行识别的伪噪声(PN)码或扩展信号(代码)产生直带扩展来调制并发送其信息；接收器通过接收发送器发送的信号，并用扩展编码对发送的信号去扩展来恢复原始发送的信息。由于DS-CDMA系统有诸多优点，例如强大的多通路衰减、音频功率周期良好利用性、可获得各基站间软摘机、强大的抗堵塞能力、重复使用一条频带使得DS-CDMA系统有比常规系统大得多的容量，故近来DS-CDMA系统已成为蜂窝式和个人通讯的聚焦点。尽管DS-CDMA系统有上述诸优点，由于其性能被大SNR(信噪比)或在多用户接收中产生的MAI信号所限制，不停地研究已集中到清除MAI上，因此目前已提出各种各样的多用户检测器。

作为一个典型的多用户检测器，有如图1所示的去相关多用户检测器，具备有多个乘法器(CO₁-CO_K)、多个积分器(I₁-I_K)及用于去扩展带有多用户扩展编码的接收信号r(t)的多个开关(SW₁-SW_K)的匹配滤波器单元10，以提供多用户每条信息的采样；一个R^-1滤波器11，用于滤波匹配滤波单元10中的诸采样以清除包含在各多用户信息采样中的MAI信号；和有多个确定器(DC₁-DC_K)的二进制数据确定部分12，用于把与R^-1滤波器的多用户相应的多个输出(Z₁-Z_K)与阈值电压相比较以确定二进制输出(b₁-b_k)。

以下描述去相关多用户检测器背景技术的工作情况。

输入到去相关多用户检测器的接收信号r(t)通过含有多个乘法器(CO₁-CO_K)、多个积分器(I₁-I_K)和多个开关(SW₁-SW_K)的匹配滤波单元10中的多个匹配滤波器被去扩展并恢复多用户的各原始信息。匹配滤波单元10的输出(Y₁-Y_K)可表示为如下矩阵。

Y＝RAb+n， $R=\left[\begin{array}{ccccc}1& P_{12}& P_{13}& \·\·\·& P_{1K}\\ P_{21}& 1& P_{23}& \·\·\·& P_{2K}\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ P_{K1}& P_{K2}& \·\·\·& \·\·\·& 1\end{array}\right]---\left(1\right)$ 其中，Y＝(Y1，Y2，…，Y_k)^T b＝(b1，b2，…，b_k)^T

其中，a_i为多用户中第i个用户的接收幅值，A是接收信号幅值矩阵，b是发送数据的比特矢量，n是高斯噪声矢量，R矩阵中的元素Pij代表第i个与第j个用户扩展码之间的互相关系数。

如果把表示为等式(1)的匹配滤波单元11的输出Y提供到R^-1滤波器11，则可获得表示为下列等式(2)的输出Z。

Z＝R^-1Y＝Ab+R^-1n        (2)

Z＝(Z1，Z2，…，Z_k)

表示为等式(2)的R^-1滤波器11的输出Z送到具有二进制数据确定器DC₁-DC_K的二进制数据确定部分12，在这里多用户的二进制数据被复原。

使用R^-1滤波器，背景技术的去相关多用户检测器能完全清除由多用户的扩展编码和包含于匹配滤波器10中的输出Y之间的互相关值(非0)引起的MAI信号，因此能够改善接收信号的质量。无论怎样，需要用R^-1矩阵以计算等式(3)表示的R的逆矩阵，随着用户数量增加矩阵的维数变得较大使该计算变得更复杂。 $R^{-1}=\frac{1}{\det \left(R\right)}\left[\begin{array}{ccc}{b}_{11}& b_{12}& \·\·\·b_{1K}\\ b_{21}& b_{22}& \·\·\·b_{2K}\\ b_{K1}& b_{K2}& \·\·\·b_{\mathrm{KK}}\end{array}\right]----\left(3\right)$

在等式(3)中，对角元素b₁₁可表示为互相关系数+O(P³)的二次项1-(k-1)(k-2)/2；对角元素b₂₂可表示为互相关系数+O(P³)的二次项1-(k-1)(k-2)/2；其它的对角元素以同样方式表示。非对角元素b₁₂可表示为互相关系数+O(P³)的二次项-P₁₂+(k-2)，非对角元素b₁₃可表示为互相关系数+O(P³)的二次项-P₁₃+(k-2)。其它非对用元素bij以相同的方式表示。O(P³)指的是含有三次项或多项的互相关系数多项式。因此，R^-1滤波器电路因其计算量过大而不能实现。

因此，本发明涉及DS-CDMA系统中的多用户检测的装置和方法，该系统充分避免了由于相关技术的缺点和限制造成的一个或多个问题。

本发明的目的之一是为DS-CDMA系统中的多用户检测提供装置和方法，此DS-CDMA系统在降低MAI的同时大量降低数据的计算量，因此有利于该系统的实际应用。

本发明另外的特征和优点将在下面说明中描述，在下面的描述中，或是从发明的实施例中可以明显地看到这些优点和性能中的一部分，本发明的目的和其它优点将由文字说明和权利要求以及附图特别指出的装置结构中实现。

为了获得这些性能和其它优点且实现本发明的目的，作为实施且概括地描述，DS-CDMA系统中的多用户检测方法包括的步骤有：

—接收由多个用户中的每个用户分别发送的有多个扩展编码的频带扩展信号；

—用匹配滤波器去扩展所接收的信号得到来自多用户信息中每个信号的多个采样输出；

—在多用户的扩展编码之间施加互相关值的负值到多个采样输出来获得含在多个采样输出中的MAI信号；

—从采样输出中减掉MAI信号来清除掉MAI信号；

—将要去掉其中MAI信号的采样输出与阈值比较以产生二进制数据，以恢复多用户的信息。

另一方面，根据本发明的DS-CDMA系统中的多用户检测装置包括：

—匹配滤波器，使用多用户扩展编码去扩展来自发送部分的接收信号以产生每个多用户信息的采样输出；

—线性组合器，将多用户的扩展编码之间负的互相关系数施加到多用户的采样输出，以清除含于多个用户中每个用户的采样输出中的MAI信号；

—二进制数据确定器，用阈值与线性组合器的每一输出比较以确定二进制数据。

当然，上述的一般描述及下面的详述是典型的说明性的，且意图是作为本发明权利要求的进一步解释。

所包括的附图提供对本发明的进一步了解并构成此说明书的一部分，附图说明了本发明的实施例，其与本文文字描述一起说明本发明的原理。在这些附图中

图1是说明根据背景技术的DS-CDMA系统中多用户检测装置的框图；

图2是说明根据本发明的DS-CDMA系统中多用户检测装置的框图；

图3a和图3b是说明根据背景技术和本发明的多用户检测装置特性的曲线图。

现在将参考附图中的构成介绍本发明的优选实施例，在附图中说明它的例子。

如图2所示，根据本发明的DS-CDMA系统中多用户检测装置包括：

--匹配滤波器20，用多用户的扩展编码去扩展来自使输出部分的多用户接收信号r(t)来产生多用户信息中每个信息的采样输出Y₁-Y_K；

--线性组合器21，把多用户扩展编码间互相关系数值施加给采样输出Y₁-Y_K，以消除含在采样输出Y₁-Y_K中的MAI信号；

--二进制数据确定器22，把来自线性组合器的每个输出Z₁-Z_K与阈值比较以确定二进制数据。

因为匹配滤波器20和二进制数据确定器22同图1中的与背景技术相应的匹配滤波器10和二进制数据确定器12相同，所以将省略其说明，以下仅说明线性组合器21。

线性组合器21包含K个子线性组合器LC₁-LC_K，LC₁-LC_K清除含在K个采样输出Y₁-Y_K中的MAI信号而产生输出Z₁-Z_K，各线性组合器包含K-1个乘法器CO₁₂-COK₂和加法器AD₁-AD_K。

线性组合器，例如清除第二用户采样输出Y₂中的MAI信号以产生输出Z₂的子线性组合器LC₂，与各采样输出Y₁-Y_K相连接，用第二用户扩展码和其余K-1个用户扩展码间互相关系数的负值分别与除第二采样输出Y₂之外的剩余K-1个采样输出Y₁及Y₃-Y_K相乘。

更详细地说在第二采样输出中的MAI信号被清除的情况下，第一采样输出Y₁与第二用户扩展码和第一用户扩展码之间的互相关系数的负值-P₂₁相乘，第K个采样输出Y_K与第二用户扩展码和第K用户扩展码之间的互相关系数的负值-P_2K相乘，用同样的方式，第i个采样输出Yi与第i个用户扩展码和产生已清除了MAI信号的采样输出的用户扩展码之间的互相关系数的负值-P_2K相乘。

以下描述根据本发明的DS-CDMA系统中多用户检测装置的运行。

如果把由K个用户从发送部分提供的接收信号r(t)输入到多用户检测器，则匹配矩阵20按前面提到的方法去扩展接收信号(t)以产生K个采样输出Y₁-Y_k。用等式(1)表示K个采样输出Y₁-Y_K。

若把采样输出Y₁-Y_K提供到线性组合器21，则产生如等式(5)表示的采样输出Z₁-Z_k。

Z₁＝  Y₁       -Y₂P₁₂  …-Y₁P_1K

Z₂＝  -Y₁P₂₁  +Y₂      …-Y_KP

：       ：       ：        … ：

Z_K＝  -Y₁P_K1  -Y₂PK₂  …+Y_K    (5)等式(5)可表示成等式(6)的矩阵形式。或                        Z＝PY

比较等式(2)和等式(6)可注意到P相当于R^-1。从等式(3)能够意识到，如果不考虑多用户的扩展码之间互相关系数的矩阵中去相关系数大于逆矩阵R^-1的二次项，则可注意到逆矩阵R^-1和矩阵P相等。

因高于二次项的互相关系数Pij比1要小得多，则P_ij＞＞P_ij ²，因此可以忽略高于二次项的互相关系数。

二进制数据确定器22确定线性组合器21的各输出Z₁-Z_K为二进制数据0或1，因此各多用户信息能够被恢复。

在本发明实施例中，尽管只使用了一个线性组合器21，但使用预定数目的串联线性组合器能更有效地清除MAI信号。

下面将描述根据本发明的DS-CDMA系统中多用户检测的方法。

首先接收由K个用户发送的频带扩展信号，然后用匹配矩阵去扩展接收信号从而产生这些信息的采样输出。

除已清除MAI信号的采样输出外，其余各K-1个采样输出与在产生各采样输出的扩展码和产生已清除MAI信号的各采样输出扩展码间的各互相关值相乘，其乘积从已清除MAI信号的采样输出相减，以便清除该采样输出中的MAI信号。在这个方法中，清除每一个与剩余的K-1个采样输出相对应的MAI信号并产生没有MAI信号的采样输出Z₁-Z_K。

接着把采样输出Z₁-Z_K与阈值相比较，如果采样输出Z₁-Z_K比阈值大则把其定为二进制数据1。如果采样输出Z₁-Z_K比阈值小则把其定为二进制数据0。结果，各用户的二进制数据同时产生使得K个用户发送的原始信息得到恢复。

在根据本发明的实施例中，尽管MAI信号从各采样输出中被清除一次，根据要求最好能够多次清除MAI信号。

图3a和图3b表明DS-CDMA系统中多用户检测的装置性能，其中扩展码的长度是2^13-1，处理增益是31，多用户数量K是10。图3a和图3b显示在理想功率控制和Raily衰减情况下Eb/NO(dB)的比特错误率(BER)平均值的仿真结果，其中A是图1中有滤波单元10的常规多用户检测器，B是根据本发明的多用户检测器(含有一个线性组合器)，C是有理想逆矩阵R^-1滤波器的虚拟的但不可能实现的多用户检测器。尽管根据本发明的多用户检测的装置相对于虚拟的多用户检测不是更优的方法，但它有比常规多用户检测装置好得多的性能。

如上所述，根据本发明的DS-CDMA系统中多用户检测的装置和方法有以下优点：

把各多用户扩展码间的互相关系数负值施加到用各用户的扩展码去扩展接收信息而产生的各多用户信息采样输出，从而清除各采样输出中的MAI信号。因此，包含在各采样输出中的MAI信号几乎能被完全清除，致使BER能大大降低。这样当本发明用于常规DS-CDMA系统中并简单地清除MAI信号时，用户容量就增加了。

在不违反本发明精神和目的的情况下，根据本发明的DS-CDMA系统中多用户检测的装置和方法可产生各种改进和变化，这对那些在此技术中有经验的人来说是显然的。因此，只要改进和变化与权利要求等值或在其范围内，这些改进和变化都是本发明的意图所包括的。

Claims (6)

1.一种DS-CDMA系统中多用户检测的方法，其特征在于包括：

接收由各用户用多个扩展码分别发送的频带扩展信号；

用匹配滤波器去扩展接收信号以从各多用户信息中获取多个采样输出；

施加多用户扩展码间互相关值的负值到多个采样输出以获取多个采样输出中的多路访问干扰信号；

把多路访问干扰信号从采样输出中减去以清除采样输出中的多路访问干扰信号；

把清除了多路访问干扰信号的采样输出与阈值相比较生成二进制数据以恢复多用户信息。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于清除多路访问干扰信号的步骤包括步骤有，用多用户扩展码中之一与其余多用户码之间各互相关值的负值与每个用户的采样输出分别相乘并将各个乘积相加，然后用包含在各用户采样输出中的互相关值获取多路访问干扰信号。

3.如权利要求1的方法，其特征在于按预定次数重复清除多路访问干扰信号。

4.DS-CDMA系统中多用户检测的装置，其特征在于：

一匹配滤波器，用多用户扩展码从发送部分去扩展接收信号以产生各用户采样输出；

一线性组合器，将多用户的扩展码之间的互相关系数的负值施加到多用户采样输出上以清除包含在各用户采样输出中的多路访问干扰信号；

一二进制数据确定器，把线性组合器中的各输出与阈值比较以确定二进制数据。

5.如权利要求4的装置，其特征在于线性组合器提供在匹配滤波器的各多个输出中的多路访问干扰信号滤波装置，各滤波装置包括多个乘法器，用于将相应的互相关系数乘以除多路访问干扰信号已去除的采样输出以外的采样输出，以及一个加法器，把所有采样输出中的一个采样输出和多个乘法器的各输出相加。

6.如权利要求4的装置，其特征在于还包括两个或更多的相互串联的线性组合器。

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