CN1141814C - 自适应并行干扰对消接收方法及其接收机 - Google Patents
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Abstract
本发明自适应并行干扰对消方法及接收机，特征在于利用针对周期平稳随机过程的自适应滤波的方法并行地处理经匹配滤波和时延排序后的信号，对自适应滤波后的信号进行比特判决；本发明在快速功控的系统对多址干扰的消除可达到极好的性能，系统可实现满用户数；系统容量大大超过使用匹配滤波接收机的系统；而且运算复杂度与用户数成线性增长；并不需要接收机提供信道估计等其他信息；大大简化了接收机的设计。
Description
本发明属于码分多址(CDMA)移动通信技术领域，特别是涉及用于异步的CDMA系统中的接收方法和接收机。
码分多址(CDMA)扩频通信系统是近年来发展迅速的一种多址方式，并在第三代移动通信系统中占有重要地位。CDMA系统具有优良的抗衰落和多径的能力，系统容量大。在CDMA系统中，所有用户共同占用相同的频带，各用户之间用不同的码字进行区分，相互独立发送，因此不同用户的信号在接收端是异步的，由此带来各用户之间码字的不正交，互相关值不为零甚至相当大。当收到的各用户信号功率不相等时，强功率信号对弱功率信号的干扰非常严重，形成所谓的远近效应。
现有常规的接收机采用匹配滤波器加判决器的方法解调，这种方法在获得待解信号能量的同时，还获得了各多址干扰的能量。这种方法将多址干扰简单地视作高斯白噪声，而这两种干扰的性质截然不同，系统容量受到多址干扰的极大限制。
如《美国电子与电气工程师协会信息理论学报》(IEEE Trans.Inform.Theory，vol.IT-32)1986年第一期85到96页和《美国电子与电气工程师协会通信学报》(IEEE Trans.Commun.，vol.COM-38)1990年第四期496页到508页所述，现有多用户检测的方案，其缺陷在于运算量过大，无法实用，且要求接收机对各用户的幅度、相位和时延进行很精确的估计，导致接收机非常复杂和不稳定，尤其是用于异步的CDMA系统时。
如《美国电子与电气工程师协会通信领域杂志》(IEEE JOURNAL on Selected Areas inComm.Vol.12)1994年六月期796页到807页和《美国电子与电气工程师协会通信学报》(IEEE Trans.Comm.Vol.COM-38，)1990年第四期509页到519页所述，现有干扰对消的方案，其接收机要求对各用户的幅度相位和时延进行精确的估计，同时，这些方案的性能很大程度上依赖于初始判决的可靠性，而初始判决的性能在不同的信道条件下差别很大，这类接收机往往只能在某些特定的信道环境下才有较好的性能。
本发明的目的是提出一种在异步的CDMA系统中自适应并行多址干扰对消的方法以及基于该方法设计的一种自适应干扰对消接收机以克服现有技术的上述缺陷。
本发明自适应并行干扰对消方法，包括系统的同步捕捉与跟踪、匹配滤波、自适应滤波和比特判决，特征在于所述自适应滤波是周期平稳的随机过程的自适应滤波；利用该自适应滤波的方法并行地处理经匹配滤波和时延排序后的信号，对自适应滤波后的信号进行比特判决；所述自适应滤波的输入取自各匹配滤波的输出序列，而所有匹配滤波的输出是按照系统的同步捕捉与跟踪得到的时延顺序进行排序，各自适应滤波按照所要解调的用户的时延取定时间起点从该序列中获取输入，各自适应滤波器输入矢量的中心码元就是每个自适应滤波器要解调的码元；所述自适应滤波器的系数收敛和调整的准则是最小均方误差准则(MMSE)，所述自适应滤波器的系数的收敛是通过在用户信息比特之前发送的一个收发双方都知道的训练序列来获得，使系数收敛的训练序列的长度根据信道环境确定；在自适应滤波的系数收敛后，在用户信息比特的发送期间，该系数仍然按照调整算法进行实时的调整以适应时变的信道环境，调整的参考信号是判决后的比特。
所谓周期平稳的随机过程的自适应滤波，即，如果随机过程的平稳周期为K，则每输入K个数据，输出一个数据，自适应滤波器的系数进行一次调整。
所述自适应滤波，其系数收敛和调整的算法可以选用在MMSE准则下的任何一种算法，常用的算法包括最小梯度法(LMS)和递归最小二乘法(RLS)。
本发明基于自适应并行干扰对消方法的接收机，包括匹配滤波器或相关器、系统的同步捕捉与跟踪模块和比特判决器，特征是在匹配滤波器或相关器与比特判决器之间，增加一组周期平稳的随机过程的自适应滤波器，每个自适应滤波器的输入与所有匹配滤波器的输出相连接，所有匹配滤波器的输出先按照系统的同步捕捉与跟踪模块得到的时延顺序排成一个序列，自适应滤波器按照所要解调的用户的时延选定时间起点从该序列中获取输入进行多址干扰的对消，各自适应滤波器输入矢量的中心码元就是每个自适应滤波器要解调的码元，自适应滤波器的系数的收敛和调整的准则是最小均方误差准则，对各自适应滤波器的输出进行比特判决输出；所述的自适应滤波器的系数的收敛是通过在用户信息比特之前发送的一个收发双方都知道的训练序列来获得。
所述匹配滤波器或相关器可以采用任何已有的或新的设计结构和器件实现。
所述自适应滤波器的结构可以选用任何一种已有的或新的自适应滤波器的结构，如抽头延迟线结构或梯形结构。
本发明所述的同步捕捉与跟踪，其原理与方法可以用任何已有的或新的原理和技术。
与现有技术相比较，本发明方法及接收机的优点在于：
本发明自适应并行干扰对消方法及接收机的运算复杂度是与用户数成线性增长的，虽比常规的接收机略为复杂，但是比已有的干扰对消接收机或多用户检测接收机在相同的性能下运算复杂度大大降低。
由于本发明自适应并行干扰对消方法及接收机的结构是分布式、全前馈的，整个系统稳定性好。
由于本发明自适应并行干扰对消方法及接收机的结构是模块化的，可以方便地与其他的接收技术如智能天线技术、RAKE接收技术同时使用，以使接收机获得更好的性能。
本发明自适应并行干扰对消方法及接收机可以适用于无线通信系统中频分双工(FDD)或时分双工(TDD)方式。
本发明自适应并行干扰对消方法及接收机在快速功控的系统可以获得极好的性能，通过仿真证实系统可以实现满用户数。
同现有多用户检测的方案和现有干扰对消的方案相比，本发明采用的自适应滤波器并不需要接收机提供信道估计等其它信息，从而大大简化了接收机的设计。
下面结合附图说明本发明的实施例。
实施例1：
附图1为基于本发明自适应并行干扰对消方法设计的自适应并行干扰对消接收机的示意图。图2为自适应滤波器的抽头延迟线结构的示意图。图3是利用本发明自适应并行干扰对消方法构造的接收机的系统仿真结果。
本实施例自适应并行干扰对消接收机，包括匹配滤波器(或相关器)1、系统的同步捕捉与跟踪模块8、比特判决器3构成，特征是在匹配滤波器1与比特判决器3之间，有一组周期平稳的随机过程的自适应滤波器2，每个自适应滤波器2的输入与匹配滤波器1的输出相连接，接收信号先输入到匹配滤波器1中，将各匹配滤波器1的输出按照从系统的同步捕捉与跟踪模块8中得到的时延顺序送入各自适应滤波器2进行多址干扰的对消，各自适应滤波器2的输出分别输入到比特判决器3中判决输出。
所述周期平稳的随机过程的自适应滤波，即：如果随机过程的平稳周期为K，则每输入K个数据，输出一个数据，自适应滤波器的系数进行一次调整。
所述自适应滤波的输入皆从各匹配滤波的输出序列中取得，所有匹配滤波的输出统一按照时延顺序进行排序，各自适应滤波器按照所要解调的用户的时延取定时间起点；
本实施例中的自适应滤波器采用的是抽头延迟线结构，包括单位时延器4、可变参数的乘法器5、累加器7、自适应系数调整器6，各部分按照抽头延迟线的结构连接。信号输入到单位延迟器4中，经过各级单位延迟器4延迟后的信号分别在可变参数乘法器5中乘以由自适应系数调整器6输出的系数，各可变参数乘法器5的输出送到累加器7累加输出。自适应系数调整器6的输入是误差信号和滤波器的输入，其中误差信号是如下得到的：在系统的初始化阶段为训练序列值与自适应滤波器的输出值的差值，在系统进入信息比特发送阶段为判决比特值与自适应滤波器的输出值的差值。
利用本发明自适应并行干扰对消方法构造的接收机的系统仿真结果如图3所示。图中横坐标为用户数，纵坐标为从自适应滤波器输出的信噪比。仿真的条件是高斯白噪声信道、直扩异步CDMA系统、快速功控、扩频码长为16、二相移键控调制。在仿真中，本实施例自适应滤波器的系数收敛和调整算法选用的是递归最小二乘算法。图中的两条曲线，“+”为自适应并行干扰对消接收机的性能曲线，“o”为常规的匹配滤波器接收机的性能曲线。从两条曲线可以看出，在满用户数的情况下，本发明自适应并行干扰对消接收机的输出信噪比可以达到8dB，大大好于匹配滤波器接收机。
假设一共有K个用户，输入信号r(t)经过每一个匹配滤波器的输出中除了待测信号的部分外，还包括了前K-1个码元(symbol)和后K-1个码元的部分相关值的能量，所以，匹配滤波器的输出实际上为2K-1个信息比特在一定权值下的线性叠加，后面的自适应接收机就是要通过另一个线性变换将信息比特中的干扰分量对消掉，从而使待解的信息比特以更高的信噪比恢复出来。
对于异步的系统，每一个匹配滤波器，组成其输出值的2K-1个码元是各不相同的。因此，系统并不是象已有的多用户检测接收机如去相关接收机那样，对匹配滤波器的输出做固定的线性变换，而是将各个匹配滤波器的各个输出按照时延的先后顺序排成一个长的序列，每个自适应滤波器的输入都是从这个序列中获取，只是每个自适应滤波器的输入在这个序列中的起点不同，各自适应滤波器输入矢量的中心码元就是每个自适应滤波器要解调的码元，相当于对匹配滤波器的输出做相应的线性变换。这样，使系统完全适应于异步CDMA系统。
通过对匹配滤波器输出信号相关矩阵的推导得到，每个自适应滤波器2K-1阶的输入矢量都是周期平稳的随机过程，其周期是K。因此，自适应滤波器每输入K个数据，输出一个数据，将这个输出数据与训练序列相应的数据的差值作为误差信号(Err)信号反馈送入自适应滤波器，可以使自适应滤波器的系数逐步达到收敛。在传送信息比特时，将比特判决的结果与自适应滤波器输出的差值反馈输入到自适应滤波器中构成Err信号，使得系数的自适应调整连续不断地进行。
Claims (2)
1、一种自适应并行干扰对消接收方法，包括系统的同步捕捉与跟踪，匹配滤波，自适应滤波和比特判决，特征在于所述自适应滤波是周期平稳的随机过程的自适应滤波；利用该自适应滤波的方法并行的处理经匹配滤波和时延排序后的信号，对自适应滤波后的信号进行比特判决；所述自适应滤波的输入取自各匹配滤波的输出序列，而所有匹配滤波的输出是按照系统的同步捕捉与跟踪得到的时延顺序进行排序，各自适应滤波按照所要解调的用户的时延取定时间起点从该序列中获取输入，各自适应滤波器输入矢量的中心码元就是每个自适应滤波器要解调的码元；所述自适应滤波器的系数收敛和调整的准则是最小均方误差准则；所述自适应滤波器的系数的收敛是通过在用户信息比特之前发送的一个收发双方都知道的训练序列来获得，使系数收敛的训练序列的长度是根据信道环境确定的；在自适应滤波的系数收敛后，在用户信息比特的发送期间，该系数仍然按照调整算法进行实时的调整以适应时变的信道环境，调整的参考信号是判决后的比特。
2、一种基于自适应并行干扰对消方法的接收机，包括匹配滤波器或相关器，系统的同步捕捉与跟踪模块和比特判决器，特征是在匹配滤波器或相关器与比特判决器之间，增加一组周期平稳的随机过程的自适应滤波器，每个自适应滤波器的输入与所有匹配滤波器的输出相连接，所有匹配滤波器的输出先按照系统的同步捕捉与跟踪模块得到的时延顺序排成一个序列，各自适应滤波器按照所要解调的用户的时延选定时间起点从该序列中获取输入进行多址干扰的对消，各自适应滤波器输入矢量的中心码元就是每个自适应滤波器要解调的码元，自适应滤波器的系数的收敛和调整的准则是最小均方误差准则，对各自适应滤波器的输出进行比特判决输出；所述的自适应滤波器的系数的收敛是通过在用户信息比特之前发送的一个收发双方都知道的训练序列来获得。
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