CN112702103A - 一种基于串行干扰消除的vdes上行接收信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于串行干扰消除的VDES上行接收信号检测方法，该方法包括以下步骤：系统初始化；按照信道估计值的二范数对船舶进行排序；根据排序结果，利用串行干扰消除检测算法，依次对各船舶的发送信号进行检测，得到上行接收信号检测结果。与现有的ZF、MMSE检测方法相比，本发明采用串行干扰消除在接收信号中逐级消去干扰信号带来的影响，并且在传统串行干扰消除的基础上进行了改进，在每一级信号检测时采用最小均方误差检测。因此本发明所公开的方法与现有的ZF、MMSE检测方法相比可以有效提高检测准确度、提高通信质量，而且硬件上易于实现。

Description

一种基于串行干扰消除的VDES上行接收信号检测方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于串行干扰消除的VDES 上行接收信号检测方法。

背景技术

VDES(VHF Data Exchange System，甚高频数据交换系统)是由国际航标 组织于2013年提出的用于海事卫星通信的系统，该系统分别从不同方面对已有 的AIS(AutomaticIdentification System，船舶自动识别系统)进行升级，以解决 现有系统存在的各方面问题，为海上通行的船舶提供高质量的海事服务。

在VDES系统中，近距离的船舶之间形成自组织小区，以自组织模式满足 数据交换的需求。自组织小区内的船舶使用无线信道时采用时分多址 (Time-division MultipleAccess，TDMA)的方式进行时隙接入，利用帧映像表 和时隙预约可以避免时隙使用时的冲突。但是，不同自组织小区的船舶之间没 有直接通信，难以协调上行发送的时隙冲突，而卫星是同时覆盖多个自组织小 区的，所以不可避免的会出现多个不同的自组织小区在同一个时隙都分配了船 舶的发送信号。这样在同样的时隙和频率上，卫星接收端就出现了多船舶的上 行接收信号的叠加，这种叠加使接收端无法区分各个船舶的信号，接收检测时 就存在多船舶信号之间的干扰。

针对上述问题，目前已有的建议书(例如《IALA G1139标准》)中推荐使 用现有的ZF(Zero forcing)和MMSE(Minimum mean square error successive) 接收信号检测方法，这些信号检测方法没有考虑到多船舶信号之间的相互干扰， 因此信号检测准确度有限，通信质量指标并不高，如误码率等较高。

串行干扰消除(Successive interference cancellation，SIC)是一种消除多用户信号之间的干扰、提高信号检测准确度的方法。该方法通过匹配滤波(Matchedfiltering，MF)检测算法先对接收信号中的单个发送信号进行判决，一旦检测出 一个发送信号，就从原始接收信号中减去该信号的干扰。通过多级检测的循环， 基本可以将信号之间的干扰消除掉。因为目前的海事卫星通信中没有考虑不同 自组织小区船舶上行接收信号之间的干扰，因此没有将串行干扰消除应用于 VDES系统。此外，串行干扰消除中的匹配滤波算法还存在检测准确度不高的问 题。

综上所述，VDES系统中，现有的上行接收信号检测方法，均没有考虑卫星 端接收的来自不同自组织小区船舶的上行信号之间的干扰。随着海洋运输业的 发展，海上船舶越来越多，如果不能消除卫星端接收的上行信号之间的干扰， 通信质量就会越来越差。

目前海事卫星通信对通信质量的要求在不断的提高，因此需要将串行干扰 消除引入到VDES系统并进行改进，研究能消除多船舶信号间干扰的检测准确 度高的接收信号检测方法来提高VDES通信质量，这是当前需要解决的重要问 题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于 串行干扰消除的VDES上行接收信号检测方法，该方法可以有效消除卫星端接 收的多船舶上行信号之间的干扰，提高通信质量。

本发明解决上述技术问题的方案是：

一种基于串行干扰消除的VDES上行接收信号检测方法，该方法包括以下 步骤：

步骤一：系统初始化：

假设属于不同自组织小区的N个船舶在同时同频发送信号给卫星，卫星接 收到的这N个船舶信号总和为y，设卫星天线有M个波束，则y为M阶的复列 向量，记为y∈C^M×1，由N个船舶发送的导频信号得到每个船舶到卫星的上行信 道估计值；

步骤二：按照信道估计值的二范数对N个船舶进行排序：

计算每个船舶上行信道估计值的二范数，根据这些二范数值由大到小对N 个船舶进行排序并编排序号，即二范数值最大的船舶序号为1，其对应的上行信 道估计值记为

船舶序号为i的上行信道估计值记为

二范数值最小的船舶 序号为N，对应的上行信道估计值记为

其中i∈{1,2,…,N}，则卫星接收信号 总和

其中x_i∈C^1×1为第i个船舶的发送信号，h_i∈C^M×1是第i个船 舶到卫星的上行信道真实值，所有船舶的上行发送功率均为p，n∈C^M×1表示等效 加性高斯白噪声，其列向量中的每个元素相互独立，每个元素的方差均为σ²；

步骤三：根据排序结果，利用串行干扰消除检测算法依次对各船舶的发送 信号进行检测，得到上行接收信号检测结果，算法过程如下：

1)初始化：i＝1，

y⁽ⁱ⁾＝y；

2)采用最小均方误差检测法对第i个船舶的发送信号x_i进行检测，得到x_i的 检测结果

最小均方误差的滤波矩阵为

I_N为N×N单位矩 阵，W⁽ⁱ⁾的第i行为

则第i个船舶发送信号x_i的检测结果为

其中

代表硬判决；

3)消除信号x_i对待检测信号的影响：

用第i个船舶的上行信道估计与信号x_i的检测结果相乘，在接收信号y⁽ⁱ⁾中 减去相乘结果，得到剩余信号，即

4)信道估计矩阵

的第i列置0得到

5)判断i是否等于N：

如果i≠N，令i＝i+1，返回分步骤2)继续对下一个船舶发送信号进行检测；

如果i＝N，说明所有船舶发送信号均已经完成检测，算法结束。

由于现有的海事卫星通信中没有考虑不同自组织小区船舶的上行信号之间 的干扰，导致通信质量不高。因此，本申请公开了一种基于串行干扰消除的VDES 上行接收信号检测方法，将串行干扰消除引入到VDES系统。与VDES现有的 ZF、MMSE检测方法相比，该方法不仅利用串行干扰消除来消除多船舶上行信 号之间的干扰，并且在传统的串行干扰消除的基础上进行了改进，即在串行干 扰消除的循环迭代的单次循环中，采用最小均方误差对每一级信号进行检测， 而不是利用传统的匹配滤波算法进行检测。由实际使用可知，最小均方误差的 检测性能优于匹配滤波，因此，利用本申请公开的方法，可以提供更优的海事卫星通信质量。

此外，本发明公开的基于串行干扰消除的VDES上行接收信号检测方法与 现有的ZF、MMSE检测方法相比，在硬件上改动不大、易于实施。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明公开了一种基于串行干扰消除的VDES上行接收信号检测方法。该 方法与现有的ZF、MMSE检测方法相比可以有效提高检测准确度，提高海事卫 星通信质量，并且在硬件上易于实现，有利于低成本推广实施。

附图说明

图1为本发明所公开的一种基于串行干扰消除的VDES上行接收信号检测 方法的总体流程框图；

图2为本发明所公开的一种基于串行干扰消除的VDES上行接收信号检测 方法中的上行数据传输示意图；

图3为本发明所公开的一种基于串行干扰消除的VDES上行接收信号检测 方法中的串行干扰消除检测算法流程框图；

图4为本发明所公开的一种基于串行干扰消除的VDES上行接收信号检测 方法中，接收信号平均误码率的仿真结果图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步解说。

实施例1

如图1所示，一种基于串行干扰消除的VDES上行接收信号检测方法，该 方法包括以下步骤：

步骤一：系统初始化：

假设属于不同自组织小区的N个船舶在同时同频发送信号给卫星，如图2 所示，卫星接收到的这N个船舶信号总和为y，设卫星天线有M个波束，则y为 M阶的复列向量，记为y∈C^M×1，由N个船舶发送的导频信号得到每个船舶到卫 星的上行信道估计值；

步骤二：按照信道估计值的二范数对N个船舶进行排序：

计算每个船舶上行信道估计值的二范数，根据这些二范数值由大到小对N 个船舶进行排序并编排序号，即二范数值最大的船舶序号为1，其对应的上行信 道估计值记为

船舶序号为i的上行信道估计值记为

二范数值最小的船舶 序号为N，对应的上行信道估计值记为

其中i∈{1,2,…,N}，则卫星接收信号 总和

其中x_i∈C^1×1为第i个船舶的发送信号，h_i∈C^M×1是第i个船 舶到卫星的上行信道真实值，所有船舶的上行发送功率均为p，n∈C^M×1表示等效 加性高斯白噪声，其列向量中的每个元素相互独立，每个元素的方差均为σ²；

步骤三：根据排序结果，利用串行干扰消除检测算法依次对各船舶的发送 信号进行检测，得到上行接收信号检测结果，如图3所示，算法过程如下：

1)初始化：i＝1，

y⁽ⁱ⁾＝y；

2)采用最小均方误差检测法对第i个船舶的发送信号x_i进行检测，得到x_i的 检测结果

最小均方误差的滤波矩阵为

I_N为N×N单位矩 阵，W⁽ⁱ⁾的第i行为

则第i个船舶发送信号x_i的检测结果为

其中

代表硬判决；

3)消除信号x_i对待检测信号的影响：

用第i个船舶的上行信道估计与信号x_i的检测结果相乘，在接收信号y⁽ⁱ⁾中 减去相乘结果，得到剩余信号，即

4)信道估计矩阵

的第i列置0得到

5)判断i是否等于N：

如果i≠N，令i＝i+1，返回分步骤2)继续对下一个船舶发送信号进行检测；

如果i＝N，说明所有船舶发送信号均已经完成检测，算法结束。

实施例2(实验例)

以下是根据本发明所公开的一种基于串行干扰消除的VDES上行接收信号 检测方法，进行的MATLAB软件的仿真实验，以说明本发明方法的可行性和有 效性。

仿真参数设置为卫星天线波束数M＝10，船舶个数N＝5，信道h_i∈C^M×1中的每 个元素独立均服从均值为0方差为1的圆对称复高斯分布，且不同信道之间均 相互独立，加性高斯白噪声n∈C^M×1中的每个元素独立服从均值为0，方差为σ²的 圆对称复高斯分布。

仿真实验结果如图4所示，横坐标为信噪比，信噪比＝p/σ²，纵坐标为接收 信号平均误码率，是指N个船舶的接收信号的平均误码率，仿真结果为蒙特卡 洛(Monte Carlo)方式的统计平均。图中“ZF”、“MMSE”分别指传统的迫零、 最小均方误差检测方法，“SIC”是本发明所公开的串行干扰消除检测方法。

图4反映了接收信号平均误码率与信噪比的关系，从图中可以看出本发明 提出的串行干扰消除检测方法，由于增加了串行干扰消除的逐级干扰消除，并 且在每一级信号检测时使用最小均方误差检测，所以误码率低于ZF和MMSE 检测方法，误码率低则相应的通信质量高。而且随着信噪比的增加，优势越来 越明显。

综上所述，本发明公开了一种基于串行干扰消除的VDES上行接收信号检 测方法。该方法与现有的ZF、MMSE检测方法相比可以有效降低检测误码率、 提高通信质量，并且硬件上易于实现。

Claims (1)

1.一种基于串行干扰消除的VDES上行接收信号检测方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：系统初始化：

假设属于不同自组织小区的N个船舶在同时同频发送信号给卫星，卫星接收到的这N个船舶信号总和为y，设卫星天线有M个波束，则y为M阶的复列向量，记为y∈C^M×1，由N个船舶发送的导频信号得到每个船舶到卫星的上行信道估计值；

步骤二：按照信道估计值的二范数对N个船舶进行排序：

计算每个船舶上行信道估计值的二范数，根据这些二范数值由大到小对N个船舶进行排序并编排序号，即二范数值最大的船舶序号为1，其对应的上行信道估计值记为

船舶序号为i的上行信道估计值记为

二范数值最小的船舶序号为N，对应的上行信道估计值记为

其中i∈{1,2,…,N}，则卫星接收信号总和

其中x_i∈C^1×1为第i个船舶的发送信号，h_i∈C^M×1是第i个船舶到卫星的上行信道真实值，所有船舶的上行发送功率均为p，n∈C^M×1表示等效加性高斯白噪声，其列向量中的每个元素相互独立，每个元素的方差均为σ²；

步骤三：根据排序结果，利用串行干扰消除检测算法依次对各船舶的发送信号进行检测，得到上行接收信号检测结果，算法过程如下：

1)初始化：i＝1，

y⁽ⁱ⁾＝y；

2)采用最小均方误差检测法对第i个船舶的发送信号x_i进行检测，得到x_i的检测结果

最小均方误差的滤波矩阵为

I_N为N×N单位矩阵，W⁽ⁱ⁾的第i行为

则第i个船舶发送信号x_i的检测结果为

其中

代表硬判决；

3)消除信号x_i对待检测信号的影响：

用第i个船舶的上行信道估计与信号x_i的检测结果相乘，在接收信号y⁽ⁱ⁾中减去相乘结果，得到剩余信号，即

4)信道估计矩阵

的第i列置0得到

5)判断i是否等于N：

如果i≠N，令i＝i+1，返回分步骤2)继续对下一个船舶发送信号进行检测；

如果i＝N，说明所有船舶发送信号均已经完成检测，算法结束。

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