CN113965248A - 一种阵元级多用户干扰消除系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阵元级多用户干扰消除系统，属于卫星通信技术领域，包括干扰波束合成模块、干扰波束处理模块、延迟模块、阵元级干扰对消模块、信号波束合成模块、信号波束处理模块；所述干扰波束合成模块，用于根据大功率干扰信号出现的方位，对输入的多通道阵列信号加权处理，进行数字波束合成。本发明能够在波束合成前实现阵元级干扰消除，隔离了用户在不同波束之间分布不均匀性的影响，从而能很好地适用于相控阵多波束场景，值得被推广使用。

Description

一种阵元级多用户干扰消除系统
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种阵元级多用户干扰消除系统。
背景技术
相控阵由于其采用电扫描的技术特点，具有波束快速捷变指向的优势，比传统的机械式反射面天线波束调整时间要快得多。因此相控阵技术在卫星通信网络中的应用越来越受欢迎。由于卫星网络的用户分布于全球各地，为了能提升系统容量，一般采用多波束覆盖不同的区域。而在具体的通信体制里，扩频通信由于信号淹没在噪声中，具有隐蔽的特点，成为一种主流的通信体制。在扩频通信系统中，采用码分多址来区分不同用户的信号。码分多址的一大特点是自干扰系统，即不同用户之间的信号存在多址干扰，且大功率的码分信号对小功率的信号具有较强的压制作用，由于干扰的存在，从而导致小功率信号的接收性能恶化，甚至不能通信。为了降低扩频系统中不同用户之间的多址干扰，可采用多用户干扰消除方法，原理是首先在接收端恢复出大功率的干扰信号，然后再利用对消技术消除掉大功率干扰信号，然后再去解调剩下的小功率用户信号，从而达到较好的性能。
目前传统大多数的多用户干扰消除只是纯粹从信号层面去考虑如何对消掉用户之间的干扰，并没有考虑用户分布在不同波束的情况，即在波束合成后采用干扰对消技术，也即没有考虑用户在空间分布的不均匀性，默认了大功率干扰用户和小功率信号用户处于同一个波束范围内。
然而，在目前大多数实际的通信卫星中，采用了相控阵多波束的技术体制，大功率干扰用户和小功率信号用户存在处于不同波束的情况，甚至还可能彼此之间处于相对运动，目前传统的多用户干扰消除未考虑不同用户的分布情况，显然不能有效地处理在相控阵多波束系统中用户分布于不同波束的情况。为此，提出一种阵元级多用户干扰消除系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何解决用户分布于不同波束中的干扰消除问题，提供了一种阵元级多用户干扰消除系统，本系统考虑了一般性的通用场景，即干扰用户与小功率信号用户处于不同波束覆盖的场景，同时每个波束下存在多个干扰用户或通信用户。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括干扰波束合成模块、干扰波束处理模块、延迟模块、阵元级干扰对消模块、信号波束合成模块、信号波束处理模块；
所述干扰波束合成模块，用于根据大功率干扰信号出现的方位，对输入的多通道阵列信号加权处理，进行数字波束合成；
所述干扰波束处理模块，用于对合成后的干扰波束进行解调，然后对大功率干扰信号进行重构再生，根据再生的大功率干扰信号、干扰信号所在波束的波束形成系数，重构出大功率阵元级干扰信号；
所述延迟模块，将原始的基带阵列信号进行延迟，以保证延迟后的信号与再生干扰信号时延一致；
所述阵元级干扰对消模块，用于根据干扰波束处理模块得出再生后的大功率阵元级干扰信号，将再生后的大功率阵元级干扰信号从原阵元基带信号中扣除；
所述信号波束合成模块，用于根据小功率信号出现的方位，对输入的多通道阵列信号加权处理，进行数字波束合成；
所述信号波束处理模块，用于将大功率干扰信号消除后，对小功率信号进行捕获、解扩、解调，并将解调后的信息进行译码，得到原始的用户比特序列。
更进一步地，所述干扰波束处理模块包括捕获子模块、干扰解调子模块、干扰再生子模块、干扰阵元信号重构子模块，其中，所述捕获子模块在接收端需要对扩频码进行捕获，使得接收信号扩频码与本地扩频码相位对齐，从而才能出现信号相关峰，进而对信号进行解扩操作，所述干扰解调子模块对合成后的干扰波束进行解调，所述干扰再生子模块根据所述干扰解调子模块输出的信号对大功率干扰信号进行重构再生，所述干扰阵元信号重构子模块根据干扰再生子模块输出的大功率干扰信号，再根据干扰波束形成系数，重构出大功率阵元级干扰信号。
更进一步地，所述干扰解调子模块包括载波及码动态抵消单元、解扩积分单元、同步环路单元；其中，载波及码动态抵消单元对输入基带数据进行载波及扩频码多普勒补偿，抵消掉基带信号中的载波频率及扩频码速率的动态；解扩积分单元负责剥离接收数据中的扩频码，并按信道译码前符号周期为间隔对解扩后数据进行积分操作；同步环路单元包含了载波同步环、扩频码同步环及符号同步环等同步跟踪环路，同步环路单元输出的同步信息一方面反馈到载波及码动态抵消单元中，形成闭环环路，另一方面实时传递至干扰再生子模块用于再生大功率干扰信号。
更进一步地，所述干扰阵元信号重构子模块中重构出大功率阵元级干扰信号的过程具体如下：
S1：一个干扰波束中包含多个干扰信号，分别为1，2，…,n，假设干扰1映射到多通道阵列信号级别上，表示为X1,X1为一维列向量，表示为(x1,x2,…,xM)T，其中M为阵元的数量；干扰波束的波束形成系数表示为H,H为一维行向量，表示为(h1,h2,…,hM)，再生后的干扰为Y1，Y1表示如下：
Y1＝X1H＝x1h1+x2h2+…+xMhM (1)
其中，xi，hi为复数，i＝1,2…,M；波束形成系数H、再生后的干扰Y1为已知参数，阵列级干扰信号X1为待求解参数；
S2：根据相控阵原理，在波束合成前进行标校，将各阵元之间的信号幅度、相位、时延标齐，得的得到下式：
x1h1＝x2h2＝…＝xMhM (2)
S3：根据式(1)、(2)可得：
xi＝Y1/(Mhi) (3)
再根据式(3)计算出重构的阵元级干扰信号X1。
更进一步地，所述信号波束处理模块包括信号解调模块与译码输出模块，其中，所述信号解调模块将大功率干扰信号消除后，对小功率信号进行捕获、解扩、解调，输出解调后信息；所述译码输出模块将解调后的信息进行译码，得到原始的用户比特序列。
本发明相比现有技术具有以下优点：该阵元级多用户干扰消除系统，能够在波束合成前实现阵元级干扰消除，隔离了用户在不同波束之间分布不均匀性的影响，从而能很好地适用于相控阵多波束场景，值得被推广使用。
附图说明
图1是本发明实施例一、二中阵元级多用户干扰消除应用场景示意图；
图2是本发明实施例一、二中的阵元级干扰对消实施流程示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
本实施例提供一种技术方案：一种阵元级多用户干扰消除系统，包括以下各模块：
干扰波束合成模块：根据干扰信号出现的方位，对输入的多通道阵列信号加权处理，进行数字波束合成；
干扰波束处理模块，对合成后的干扰波束进行解调，然后对大功率干扰信号进行重构再生，根据再生的大功率干扰信号、干扰信号所在波束的波束形成系数，重构出大功率阵元级干扰信号；
所述干扰波束处理模块包括捕获子模块、干扰解调子模块、干扰再生子模块、干扰阵元信号重构子模块；
其中捕获子模块，在接收端需要对扩频码进行捕获，使得接收信号扩频码与本地扩频码相位对齐，从而才能出现信号相关峰，进而对信号进行解扩操作；
干扰解调子模块：包括载波及码动态抵消单元、解扩积分单元、同步环路单元三个部分；载波及码动态抵消单元对输入基带数据进行载波及扩频码多普勒补偿(首先对输入基带数据的信号进行载波和码多普勒动态的估计，根据估计的值抵消掉基带信号中的载波频率及扩频码速率的动态，得到抵消后的信号)；解扩积分单元负责剥离接收数据中的扩频码，并按信道译码前符号周期为间隔对解扩后数据进行积分操作(解扩积分单元对输入的数据进行积分，将扩频数据进行解扩操作，得到原始的数据信息)；同步环路单元包含了载波同步环、扩频码同步环及符号同步环等同步跟踪环路，同步环路单元输出的同步信息一方面反馈到载波及码动态抵消单元中，形成闭环环路，另一方面需要实时传递至干扰再生子模块用于再生大功率干扰信号；
干扰再生子模块：根据干扰解调子模块输出的信号对大功率干扰信号进行重构再生(即得到与原始干扰信号同频、同相的数据信号)；
干扰阵元信号重构子模块：根据干扰再生子模块输出的干扰信号，再根据干扰波束形成系数，重构出阵元级干扰信号；
如图2所示，干扰波束A1包含多个干扰信号，分别为1，2，…,n。假设干扰1映射到多通道阵列信号级别上，表示为X1,X1为一维列向量，表示为(x1,x2,…,xM)T，其中M为阵元的数量。干扰波束A1的波束形成系数表示为H,H为一维行向量，表示为(h1,h2,…,hM)，再生后的干扰为Y1。理论上，Y1可表示为：
Y1＝X1H＝x1h1+x2h2+…+xMhM (1)
上式中，xi，hi(i＝1,2…,M)为复数，已知参数为波束形成系数H、再生后的干扰Y1(系统的干扰为合作干扰，即系统内的干扰，因此干扰的波束形成系数是已知的，Y1为根据干扰解调子模块输出的信号，因此也是已知的)，需要求解的未知参数为需要重构的阵列级干扰信号X1；
根据相控阵原理，在波束合成前需要进行标校，将各阵元之间的信号幅度、相位、时延标齐，因此，得到下式：
x1h1＝x2h2＝…＝xMhM (2)
由式(1)、(2)可得：
xi＝Y1/(Mhi) (3)
因此，根据式(3)可计算出重构的阵元级干扰信号X1；
延迟模块：将原始的基带阵列信号(多通道阵列信号)进行延迟，以保证延迟后的信号与再生干扰信号时延一致，信号的延迟量为干扰解调模块处理时延加上信号再生、重构的时延；
阵元级干扰对消模块：根据式(3)得出再生后的大功率阵元级干扰信号，将再生后的大功率阵元级干扰信号从原阵元基带信号中扣除；根据分析，小功率用户对大功率用户多址干扰带来的误码率损失是可以忽略不计的，仅考虑抵消大功率信号对小功率信号的干扰；
信号波束合成模块：根据小功率信号出现的方位，对输入的多通道阵列信号加权处理，进行数字波束合成；
信号波束处理模块：将大功率干扰信号消除后，对小功率信号进行捕获、解扩、解调，并将解调后的信息进行译码，得到原始的用户比特序列；
所述信号波束处理模块包括信号解调模块与译码输出模块；
其中，信号解调模块：将大功率干扰信号消除后，对小功率信号进行捕获、解扩、解调，输出解调后信息；译码输出模块：将解调后的信息进行译码，得到原始的用户比特序列。
实施例二
图2为阵元级干扰对消实施框图，假设相控阵阵元数量为30，则阵元级干扰消除包括以下步骤：
(1)干扰波束合成：根据干扰信号出现的方位，对输入的多通道阵列信号加权处理，进行数字波束合成。
(2)捕获：在接收端需要对扩频码进行捕获，使得接收信号扩频码与本地扩频码相位对齐，从而才能出现信号相关峰，进而对信号进行解扩操作；
(3)干扰解调：由载波及码动态抵消模块、解扩积分模块、同步环路模块三个功能部分组成。载波及码动态抵消模块对输入基带数据进行载波及扩频码多普勒补偿，抵消掉基带信号中的载波频率及扩频码速率的动态；解扩积分模块负责剥离接收数据中的扩频码，并按信道译码前符号周期为间隔对解扩后数据进行积分操作；同步环路模块包含了载波同步环、扩频码同步环及符号同步环等同步跟踪环路，同步环路模块输出的同步信息一方面反馈到载波及码动态抵消模块中，形成闭环环路，另一方面需要实时传递至干扰再生模块用于再生大功率干扰信号；
(4)干扰再生：根据解调器输出的信号对大功率干扰信号进行重构再生；
(5)干扰阵元信号重构：根据步骤(4)输出的干扰信号，再根据干扰波束形成系数，重构出阵元级干扰信号。
如图2所示，干扰波束A1包含多个干扰信号，分别为1，2，…,n。假设干扰1映射到多通道阵列信号级别上，表示为X1,X1为一维列向量，表示为(x1,x2,…,x30)T，其中M为阵元的数量。干扰波束A1的波束形成系数表示为H,H为一维行向量，表示为(h1,h2,…,h30)。再生后的干扰为Y1。理论上，Y1可表示为
Y1＝X1H＝x1h1+x2h2+…+x30h30 (1)
上式中，xi，hi(i＝1,2…,30)为复数，已知参数为波束形成系数H、再生后的干扰Y1，需要求解的未知参数为需要重构的阵列级干扰信号X1。
根据相控阵原理，在波束合成前需要进行标校，将各阵元之间的信号幅度、相位、时延标齐，因此，得到下式：
x1h1＝x2h2＝…＝x30h30 (2)
由式(1)、(2)可得：
xi＝Y1/(Mhi) (3)
因此，根据式(3)可计算出重构的阵元级干扰信号。
(6)延迟：将原始的基带阵列信号进行延迟，以保证延迟后的信号与再生干扰信号时延一致，信号的延迟量为解调器处理时延加上信号再生、重构的时延。
(7)阵元级干扰对消：根据式(3)得出再生后的大功率阵元级干扰信号，将再生后的大功率阵元级干扰信号从原阵元基带信号中扣除。根据分析，小功率用户对大功率用户多址干扰带来的误码率损失是可以忽略不计的，仅考虑抵消大功率信号对小功率信号的干扰。
(8)信号波束合成：根据小功率信号出现的方位，对输入的多通道阵列信号加权处理，进行数字波束合成。
(9)信号解调：将大功率干扰信号消除后，对小功率信号进行捕获、解扩、解调，输出解调后信息。
(10)译码输出：将解调后的信息进行译码，得到原始的用户比特序列。
综上所述，上述实施例的阵元级多用户干扰消除系统，能够在波束合成前实现阵元级干扰消除，隔离了用户在不同波束之间分布不均匀性的影响，从而能很好地适用于相控阵多波束场景，值得被推广使用。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种阵元级多用户干扰消除系统，其特征在于，包括干扰波束合成模块、干扰波束处理模块、延迟模块、阵元级干扰对消模块、信号波束合成模块、信号波束处理模块；
所述干扰波束合成模块，用于根据干扰信号出现的方位，对输入的多通道阵列信号加权处理，进行数字波束合成；
所述干扰波束处理模块，用于对合成后的干扰波束进行解调，然后对干扰信号进行重构再生，根据再生的干扰信号、干扰信号所在波束的波束形成系数，重构出阵元级干扰信号；
所述延迟模块，将原始的基带阵列信号进行延迟，以保证延迟后的信号与再生干扰信号时延一致；
所述阵元级干扰对消模块，用于根据干扰波束处理模块得出再生后的阵元级干扰信号，将再生后的阵元级干扰信号从原阵元基带信号中扣除；
所述信号波束合成模块，用于根据用户信号出现的方位，对输入的多通道阵列信号加权处理，进行数字波束合成；
所述信号波束处理模块，用于将干扰信号消除后，对用户信号进行捕获、解扩、解调，并将解调后的信息进行译码，得到原始的用户比特序列。
2.根据权利要求1所述的一种阵元级多用户干扰消除系统，其特征在于：所述干扰波束处理模块包括捕获子模块、干扰解调子模块、干扰再生子模块、干扰阵元信号重构子模块，其中，所述捕获子模块在接收端需要对扩频码进行捕获，使得接收信号扩频码与本地扩频码相位对齐，从而才能出现信号相关峰，进而对信号进行解扩操作，所述干扰解调子模块对合成后的干扰波束进行解调，所述干扰再生子模块根据所述干扰解调子模块输出的信号对干扰信号进行重构再生，所述干扰阵元信号重构子模块根据干扰再生子模块输出的干扰信号，再根据干扰波束形成系数，重构出阵元级干扰信号。
3.根据权利要求2所述的一种阵元级多用户干扰消除系统，其特征在于：所述干扰解调子模块包括载波及码动态抵消单元、解扩积分单元、同步环路单元；其中，载波及码动态抵消单元对输入基带数据进行载波及扩频码多普勒补偿，抵消掉基带信号中的载波频率及扩频码速率的动态；解扩积分单元负责剥离接收数据中的扩频码，并按信道译码前符号周期为间隔对解扩后数据进行积分操作；同步环路单元包含了载波同步环、扩频码同步环及符号同步环等同步跟踪环路，同步环路单元输出的同步信息一方面反馈到载波及码动态抵消单元中，形成闭环环路，另一方面实时传递至干扰再生子模块用于再生干扰信号。
4.根据权利要求2所述的一种阵元级多用户干扰消除系统，其特征在于：所述干扰阵元信号重构子模块中重构出阵元级干扰信号的过程具体如下：
S1：一个干扰波束中包含多个干扰信号，分别为1，2，…,n，假设干扰1映射到多通道阵列信号级别上，表示为X1,X1为一维列向量，表示为(x1,x2,…,xM)T，其中M为阵元的数量；干扰波束的波束形成系数表示为H,H为一维行向量，表示为(h1,h2,…,hM)，再生后的干扰为Y1，Y1表示如下：
Y1＝X1H＝x1h1+x2h2+…+xMhM (1)
其中，xi，hi为复数，i＝1,2…,M；波束形成系数H、再生后的干扰Y1为已知参数，阵列级干扰信号X1为待求解参数；
S2：根据相控阵原理，在波束合成前进行标校，将各阵元之间的信号幅度、相位、时延标齐，得到下式：
x1h1＝x2h2＝…＝xMhM (2)
S3：根据式(1)、(2)可得：
xi＝Y1/(Mhi) (3)
再根据式(3)计算出重构的阵元级干扰信号X1。
5.根据权利要求2～4任一所述的一种阵元级多用户干扰消除系统，其特征在于：所述信号波束处理模块包括信号解调模块与译码输出模块，其中，所述信号解调模块将干扰信号消除后，对用户信号进行捕获、解扩、解调，输出解调后信息；所述译码输出模块将解调后的信息进行译码，得到原始的用户比特序列。
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