CN1131615C - 码分多址系统导频干扰抵消方法和装置 - Google Patents

Abstract

码分多址系统导频干扰抵消方法和装置，是一种既可以合并接收多径信号，又可以抵消各径信号中由导频信道所引入的多址干扰，首先用信道参数估计器得到时变多径衰落信道参数的估计值，然后用导频干扰抵消算法计算出在最强路径上由导频信道所引入的多址干扰，并将其从接收信号中消除；该装置包括如下模块：信道参数估计器模块、有效到达径选择器模块、最大比合并模块依次顺序串联相接，其中信道参数估计器模块、有效到达径选择器模块、最大比合并模块、本地扩频序列发生器模块的输出端均接导频信道干扰抵消模块的输入端，基带采样信号输入端为该装置的输入端，并分别与信道参数估计器模块和最大比合并模块的输入端相接。

Description

码分多址系统导频干扰抵消方法和装置

一、技术领域：

本发明用于CDMA(码分多址)蜂窝通信系统中话音和数据的传输业务领域。

二、背景技术：

与FDMA(频分多址)和TDMA(时分多址)技术相比较，CDMA蜂窝通信技术具有独特的软容量、软切换、宏分集、同频覆盖以及灵活的变速率传输等特点，目前已经成为第三代移动通信无线传输技术的主流。

移动通信系统中存在多径衰落现象，会造成严重的多径干扰。在采用扩展频谱技术的CDMA蜂窝移动通信系统中，导频(Pilot)信道用于传送带有确知信息的导频序列，不仅可以用于系统定时、载波提取以及越区切换等，而且可以对多径信号的幅度和相位信息进行估计，从而使得多径分集和相干接收成为可能。针对多径衰落信号进行分集处理的相干扩频接收机称为RAKE接收机，它可对多个携有相同信息且衰落特性相互独立的单径信号进行相位校正并进行最大比合并处理，从而达到克服多径衰落，提高接收信号干扰比的目的。

在采用RAKE接收方案的CDMA蜂窝通信系统中，利用导频信道对于时变多径衰落信道的参数进行估计。为了保证信道参数估计的准确性，导频信道的发射功率通常高于用户业务信道，这样会对用户业务信道产生额外的多址干扰。

三、发明内容：

(1)发明目的

本发明的目的是提出一种既可以合并接收的多径信号，又可以抵消各径信号中由导频信道所引入的多址干扰，从而有效地克服传统RAKE接收机中信道估计准确性的提高与接收机性能下降之间的矛盾的码分多址系统导频干扰抵消方法和装置。

(2)技术方案

本发明是一种码分多址系统导频干扰抵消方法，首先用信道参数估计器得到时变多径衰落信道参数的估计值，然后用导频干扰抵消算法计算出在最强路径上由导频信道所引入的多址干扰，并将其从接收信号中消除；用导频进行计算和消除干扰，干扰抵消算法是用计算RAKE接收机输出中所包含的导频符号干扰的方法以及干扰消除方法确定导频符号干扰的数值，并从RAKE接收机的输出中加以抵消；该装置包括如下模块：导频信道干扰抵消模块(A100)、信道参数估计器模块(B100)、有效到达径选择器模块(B101)、RAKE解调与最大比合并模块(B102)以及本地扩频序列发生器模块(B103)，信道参数估计器模块(B100)、有效到达径选择器模块(B101)、最大比合并模块(B102)依次顺序串联相接，其中信道参数估计器模块(B100)、有效到达径选择器模块(B101)、最大比合并模块(B102)、本地扩频序列发生器模块(B103)的输出端均接导频信道干扰抵消模块(A100)的输入端，基带采样信号输入端(IN)为该装置的输入端，并分别与信道参数估计器模块(B100)和最大比合并模块(B102)的输入端相接，该装置的输出端为导频信道干扰抵消模块(A100)的输出端 v_i(m).

其具体方法如下：

首先，在导频符号序列的辅助下，利用已有的信道参数估计方法，对时变多径衰落信道进行比较准确的估计，得到各径的幅度、相位和时延等参数；并从各接收路径中选出若干有效径。

其次，利用接收机中生成的本地扩频序列和估计出的各有效径的位置及相应的信道参数，计算得到由导频信道所产生的多址干扰，并将其从接收信号中消除。

最后，利用估计出的信道参数对各有效径上的接收信号进行相干解调和最大比合并，实现RAKE接收，得到接收的符号序列。

(3)技术效果

本发明提出的基于上述原理的接收机装置简单易行，计算量较传统的RAKE接收机增加不多，非常适合于第三代移动通信系统中话音和数据业务的传输。

本发明所提出的带有导频干扰抵消算法的RAKE接收机结构，利用发射功率较高的导频信道完成准确的信道估计，采用RAKE接收技术来合并多径信号，实现接收分集；同时利用干扰抵消算法来消除由导频信道所引入的多址干扰，从而达到提高接收性能的目的。本发明的主要优点在于计算简单易行，可在传统的RAKE接收机中增加一个独立的模块来完成，而且可用于任何具有连续导频的CDMA移动通信系统，包括3GPP WCDMA和3GPP2 cdma2000系统。本发明不仅能够应用于单个蜂窝小区，有效地克服传统RAKE接收机中信道参数估计的准确性提高与接收机性能下降之间的矛盾；而且可以很方便地推广到多个蜂窝小区的情形，消除相邻小区中基站发送的导频信号对于本小区中用户产生的多址干扰，更好地满足话音和数据业务的传输要求。

四、附图说明：

图1是单个蜂窝小区中带有导频干扰抵消算法的RAKE接收方法的装置框图。

图2给出了本发明移动台处于越区软切换和宏分集状态时，多小区导频干扰抵消实现装置结构示意图。

图3和图4给出了传统RAKE接收机与带有导频干扰抵消算法RAKE接收机的性能比较。

五、具体实施方式

本发明由导频干扰抵消和RAKE接收两部分组成。第一部分为本发明所特有的附加部分，主要包括导频干扰抵消模块(A100)等。第二部分为普通意义上的RAKE接收机，包括信道参数估计器模块(B100)、有效到达径选择器模块(B101)、RAKE解调与最大比合并模块(B102)和本地扩频序列发生器模块(B103)等。两部分相结合完成本发明所需的导频干扰抵消功能和扩频接收功能，能够有效地克服传统RAKE接收机中由于导频信道引入额外的多址干扰所造成的系统性能的下降。

下面结合图1对本发明的各个组成部分做进一步的详细说明。1、信道参数估计器(B100)

在蜂窝CDMA系统中，通过接收带有确知信息的导频信号，可以实现系统定时、载波提取、信道估计以及越区切换等。若系统同时发射如下式所示的若干个码道的信号， $u\left(t\right)\≡\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{u}_i\left(t\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\sqrt{P_i}\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i\left(n\right)w_i(t-{\mathrm{nT}}_s)\mathrm{pn}\left(t\right)$ [公式1a]其中，u_i(t)对应于第i个码分信道的等效基带信号；d_i(n)为第i个码道所发送的信息符号序列；w_i(t)为第i个码道所指定的编号为i的正交Walsh序列，其值仅在0＜t≤T_s区间内取非零值；T_s为所发送信息符号的时间间隔；P_i为第i个码道的发射功率；pn(t)为伪随机扩频序列。i＝0的分项u₀(t)对应于导频信道。不失一般性，可假设导频序列所发送的信息符号恒等于1，即d₀(n)＝1，且w₀(t)＝1，0＜t≤T_s。在实际系统中，导频信道的发射功率要比用户业务信道提高A₀倍，定义A₀＝P₀/P₁，称为导频信道功率提高因子。

经过多径衰落信道后，接收端的等效基带接收信号可表示为： $r\left(t\right)=\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{c}_l\·u(t-{\mathrm{lT}}_c)+z\left(t\right)$ [公式1b]其中，T_c为码片间隔；z(t)为零均值的复数白色高斯噪声；c_l为时变多径信道第l径的衰落因子；信道参数估计器的作用在于根据接收信号r(t)和确知的导频序列u₀(t)估计出时变信道的衰落因子c_l。假设移动信道为频率选择性慢衰落信道模型，则可以认为在一个信道估计区间内c_l近似为常数。由此可得出c_l的估计值如下： ${\stackrel{\‾}{c}}_l=\frac{1}{{\mathrm{NE}}_c}{\∫}_0^{{\mathrm{NT}}_c}r(t+{\mathrm{lT}}_c)\·u_0^{*}\left(t\right)\mathrm{dt}=c_l+N_a+N_c+N_z$ [公式2]其中，N_a、N_c和N_z分别为扩频序列的相关特性不够理想造成的多径干扰、多址干扰以及白色高斯噪声通过相关器后产生的输出；T_c为一个码片的时间宽度，NT_c为信道估计的积分区间；E_c是导频信道在一个码片之内的发送能量。2、有效到达径选择器(B101)

在实际应用中，并不是所有信号的到达径均是有效的。为此应设定合适的门限值，对搜索窗口内每一径信号的能量进行判决。若位于同一径位置上的信道估计强度值连续两次大于门限值，则为有效到达信号径；否则为纯干扰径(IOP)。为避免性能恶化，所有的纯干扰径均不应参加运算。判决门限值的选取应略大于导频信号(PN码)部分互相关(Partial Correlation)值的旁瓣值。3、RAKE解调与最大比合并(B102)

在得到各径的信道参数估计值之后，即可对承载话音和数据业务的其它码道进行相干解调，为此只需对其它码道的各有效到达径分别进行解扩；并利用[公式2]得到的信道参数估计值 c_l，对各有效到达径的解扩结果进行相位校正和幅度加权，使之能够同相合成。该过程称作为最大比合并，具体可由以下公式描述： $v_i\left(m\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\stackrel{\‾}{c}}_l^{*}{\∫}_{{\mathrm{mT}}_s}^{(m+1)T_s}r(t+{\mathrm{lT}}_c)\·w_i(t-{\mathrm{mT}}_s){\mathrm{pn}}^{*}\left(t\right)\mathrm{dt}$ [公式3]其中，v_i(m)为第i路用户业务码道所传输的第m个符号的估计值；T_s为该数据的持续时间间隔； c_l ^*为 c_l的共轭运算。在实际应用中，并不是RAKE接收机所能分辨的每一径上均有有效信号分量，因此需要对 c_l进行门限判决，并只需对有效到达径选择模块(B101)中所选择出的高于门限值的多径分量进行合并。4、本地扩频序列发生器(B103)

为了实现扩频接收机的相干接收，需要在本地恢复出与接收信号同步的扩频序列，为此需要利用本地产生的导频序列实现扩频序列的初始同步。在实现了本地导频序列的粗同步之后，再利用迟早门跟踪环路或基于多径能量窗重心的跟踪环路实现本地导频序列的细同步。其它码道的本地扩频序列的发生一般可通过正交Walsh序列与本地导频序列的复合(异或)运算而得到。5、导频信道干扰抵消(A100)在使用直接序列扩频(DSSS)调制的蜂窝CDMA系统中，RAKE接收机可以分辨出接收时延大于一个码片间隔的多径到达信号，与其中任何一个可分辨的多径分量同步，并且根据此径所含的信息进行相干解调。当扩频增益较大时，其它的与此径有大于一个码片间隔相对时延的多径分量并不被解扩，多径信道所带来的符号间干扰(ISI)可以忽略不计。由[公式1]至[公式3]可推导出RAKE输出的下列表达式： $v_i\left(m\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\stackrel{\‾}{c}}_l^{*}\sqrt{P_i}{T}_s{c}_{l}d\left(m\right)+v_i^p\left(m\right)+v_i^q\left(m\right)+z^{\′}\left(m\right)$ [公式4]其中，等式左边第二项v_i ^p(m)为导频信道所带来的码道间干扰；第三项v_i ^q(m)为其它码道对当前所接收码道的互干扰；最后一项z′(m)为RAKE输出中的噪声分量。进一步推导，可以得到： $v_i^p\left(m\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{\stackrel{\‾}{c}}_k^{*}{c}_l{\∫}_{{\mathrm{mT}}_s}^{{(m+1)T}_s}\sqrt{P_0}\mathrm{pn}(t-{\mathrm{lT}}_c+{\mathrm{kT}}_c)w_i(t-{\mathrm{mT}}_s){\mathrm{pn}}^{*}\left(t\right)\mathrm{dt}$ [公式5a] $v_i^q\left(m\right)=\underset{j\≠i,j\≠0}{\mathrm{\Σ}}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{\stackrel{\‾}{c}}_k^{*}{c}_l{\∫}_{{\mathrm{mT}}_s}^{{(m+1)T}_s}\sqrt{P_j}{d}_j\left(m\right)w_j(t-{\mathrm{nT}}_s+-{\mathrm{lT}}_c+{\mathrm{kT}}_c)\mathrm{pn}(t-{\mathrm{lT}}_c+{\mathrm{kT}}_c)$ $\·w_t(t-{\mathrm{mT}}_s)p{n}^{*}\left(t\right)\mathrm{dt}$ [公式5b]

考虑到v_i ^p(m)为导频信道所带来的确知的干扰项，因此可从RAKE输出中消除；而v_i ^q(m)为其它码道对当前所接收码道的互干扰，涉及到复杂的多用户联合检测问题，暂时加以忽略；由此得到修正后的RAKE输出如下： ${\stackrel{\‾}{v}}_i\left(m\right)=v_i\left(m\right)-v_i^p\left(m\right)$ [公式6]

本发明可以很方便地应用于多个蜂窝小区的情形，消除相邻小区中基站发送的导频信号对于本小区中用户产生的多址干扰。

由于多小区所造成的导频干扰问题大多出现在越区软切换和宏分集状态，故本发明着重考虑移动台处于越区软切换和宏分集状态时的导频干扰抵消方法。但本发明可容易地推广到移动台处于非越区软切换和宏分集状态时的临近小区导频干扰抵消情形。

假定移动台同时接收来自R个基站所发送的信息，而每个基站所发送的信息又包括各自的导频信号及其它调制信号，则通过与以上相类似的推导可得本小区的导频抵消结果如下： ${\stackrel{\‾}{v}}_i\left(m\right)=v_i\left(m\right)-\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i^{p,r}\left(m\right)$ [公式7]式中v_i ^p,r(m)为第r个基站的导频信号对当前接收码道的干扰。若移动台需要进行宏分集，则需要对多个基站重复进行[公式7]所示的运算，并把结果在时间上对齐后进行二次合并即可。

本发明所提出的导频干扰抵消方法可以应用于任何导频符号序列辅助的CDMA蜂窝移动通信系统，包括3GPP WCDMA系统和3GPP2 cdma2000系统。

图1给出了本发明应用于3GPP2 cdma2000系统单个小区时的装置详细结构示意图。信道参数估计器模块(B100)接收基带采样信号并进行相关运算，完成如[公式2]所示的信道参数估计运算。有效到达径选择器(B101)根据信道参数估计器输出的幅度大小，选择有效信号到达径。RAKE解调与最大比合并模块(B102)接收基带采样信号，并根据有效到达径所在的位置进行相关运算，完成如[公式3]所示的RAKE解调与合并运算。本地扩频序列发生器(B103)用来生成与接收信号同步的扩频序列。导频干扰抵消模块(A100)接收信道参数估计器、有效到达径选择器、本地扩频序列发生器等三个模块的输出，将导频信道所产生的多址干扰从RAKE解调与最大比合并模块的输出序列中除去，从而得到如[公式6]所示的修正RAKE解调输出。

具体的信号处理过程共分为5个部分，分别详细描述如下：

1、到达接收机的基带模拟信号经过采样和A/D转换之后，成为数字信号，进入信道参数估计器模块(B100)。该模块接收数字基带采样信号，与本地产生的扩频序列进行相关运算，根据[公式2]得到各径信道参数的估计值 c_l(n)(l＝0，1，A，L-1)和相应的时延，其结果同时提供给有效到达径选择器(B101)和导频干扰抵消单元(A100)等两个模块。

2、有效到达径选择器(B101)接收信道参数估计器估计出的各径信道参数c_l(n)(l＝0，1，Λ，L-1)和相应的时延，选出信道估计强度值连续两次大于判决门限值的径，得到这些有效到达径的时延和信道参数估计值 c_l(n)，输出给RAKE解调与最大比合并单元(B102)和导频干扰抵消单元(A100)等两个模块。

3、RAKE解调与最大比合并模块(B102)接收数字基带采样信号，与本地产生的扩频序列进行相关运算，并按照[公式3]进行最大比合并，得到RAKE接收机的输出符号序列v_i(m)。

4、为了实现相干接收，需要在本地恢复出与接收信号同步的扩频序列。本地扩频序列发生器(B103)用来产生与接收信号同步的扩频序列。本地导频序列pn(t)由事先约定的生成多项式产生，并经过同步后直接得到。其它码道的本地扩频序列可以由本地导频序列pn(t)与正交Walsh序列w_i(t)通过异或运算得到。

5、导频干扰抵消模块(A100)接收来自本地扩频序列发生器(B103)的本地导频序列pn(t)和其它码道的本地扩频序列w_i(t)pn(t)、信道参数估计器模块(B100)所提供的各径信道参数估计值 c_i(n)及相应的时延、有效到达径选择器(B101)所提供的有效到达径的信道参数估计值 c_l(n)与相应的时延等，利用[公式5a]计算得到由导频信道所引入的码道间干扰，再利用[公式6]将其从RAKE解调与最大比合并模块(B102)的输出序列v_i(m)中减去。

以下对本发明需要增加的计算量加以估算。若存在L个有效径，则由[公式5a]可以方便地得到导频干扰估计所需的计算量为L²-2次长度为T_s的相关运算，L(L+1)/2+L²次乘法运算和L²次加法运算。在cdma2000系统中，通常有效径数取3，则导频抵消所需的计算量为7次长度为T_s的相关运算，15次乘法运算和9次加法运算，所需的计算量并不大。

图2给出了本发明移动台处于越区软切换和宏分集状态时，多小区导频干扰抵消实现装置结构示意图。假定移动台需要同时接收来自R个基站所发送的信息，为此需要实现与来自R个基站的导频信号分别进行同步。一个常见的方法是使用小区搜索装置对确知的R个基站导频信号进行搜索，实现与R个基站的粗同步，再由多个导频跟踪装置分别实现对R个基站导频信号的精细同步。利用R个精细同步的导频信号，即可实现[公式7]所示的导频干扰抵消。把R个基站的接收结果在时间上对齐后，进行二次合并，最终完成多个基站的宏分集接收。

参照第三代移动通信标准中的相关规定，对于用户业务速率为9.6K比特/秒的情况，本发明采用了ITU推荐的M.1225车载环境下的信道模型。表1给出了该信道模型的各种参数，移动台的速度为100公里/小时，多普勒谱的类型为典型谱(Classic)。

具体的仿真条件如下：单个小区，6个用户，码片速率为1.2288Mc/s，扩频增益为64，前向信道为QPSK调制方式，编码速率为1/4，约束长度为9，使用大小为768的块交织，信道估计区间为16个符号，RAKE接收机中采用三径最大比合并。

       表1   M.1225车载环境信道模型

支路号	相对时延(ns)	相对平均功率(dB)	多普勒谱类型
				1	0	0.0	Classic
2	310	-1.0	Classic
				3	710	-9.0	Classic
4	1090	-10.0	Classic
				5	1730	-15.0	Classic
6	2510	-20.0	Classic

图3和图4给出了传统RAKE接收机与带有导频干扰抵消算法RAKE接收机的性能比较。在不带导频干扰抵消算法的传统RAKE接收机中，不适当地提高导频信道的功率，虽然可以提高信道参数估计的精度，但是接收机所接收的多址干扰也随之增加，使系统性能恶化。利用本发明所提出的导频干扰抵消算法，可以有效地抵消由导频信道所引入的多址干扰，导频信道功率的增加不仅提高了信道估计的精度，而且使系统的性能得到进一步的改善。

Claims (3)

1、一种码分多址系统导频干扰抵消方法，其特征在于首先，在导频符号序列的辅助下，利用已有的信道参数估计方法，对时变多径衰落信道进行比较准确的估计，得到各径的幅度、相位和时延等参数；并从各接收路径中选出若干有效径；其次，利用接收机中生成的本地扩频序列和估计出的各有效径的位置及相应的信道参数，计算得到由导频信道所产生的多址干扰，并将其从接收信号中消除；最后，利用估计出的信道参数对各有效径上的接收信号进行相干解调和最大比合并，实现RAKE接收，得到接收的符号序列。

2、根据权利要求1所述的一种码分多址系统导频干扰抵消方法，其特征在于用导频进行计算和消除干扰，干扰抵消算法是用计算RAKE接收机输出中所包含的导频符号干扰的方法以及干扰消除方法确定导频符号干扰的数值并从RAKE接收机的输出中加以抵消。

3、一种码分多址系统导频干扰抵消装置，该装置包括如下模块：导频信道干扰抵消模块(A100)、信道参数估计器模块(B100)、有效到达径选择器模块(B101)、RAKE解调与最大比合并模块(B102)以及本地扩频序列发生器模块(B103)，其特征在于信道参数估计器模块(B100)、有效到达径选择器模块(B101)、最大比合并模块(B102)依次顺序串联相接，其中信道参数估计器模块(B100)、有效到达径选择器模块(B101)、最大比合并模块(B102)、本地扩频序列发生器模块(B103)的输出端均接导频信道干扰抵消模块(A100)的输入端，基带采样信号输入端(IN)为该装置的输入端，并分别与信道参数估计器模块(B100)和最大比合并模块(B102)的输入端相接，该装置的输出端为导频信道干扰抵消模块(A100)的输出端 v_i(m)。

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