CN1146170C - 一种多用户扩频通信系统联合检测的改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户扩频通信系统联合检测的改进方法，该方法是对系统的噪声量加以修改使得联合检测性能得以提高，即对联合检测方法中引用的噪声量根据信道信噪比加上一个适当的数值，降低了由于传输矩阵A存在噪声引发的错误的干扰消除带来新的误差，因此，使用本发明可以改进通信系统性能，尤其是改进信道信噪比较低时的系统性能，使通信系统性能受信道估计误差或信道信噪比较低时的信道环境影响较小。

Description

一种多用户扩频通信系统联合检测的改进方法

本发明涉及多用户扩频通信系统中的信号解调技术。

一般来说，由于通信业务量的增大和通信频带的带宽相对有限，对一个通信系统而言，其容量或者其频谱利用效率变得越来越重要。目前，现有的第三代移动通信系统，如WCDMA(宽带码分多址)系统、TD-SCDMA(时分同步码分多址)系统，通常采用联合检测等方法提高系统的容量和频谱效率。这些系统大多采用扩频技术，扩频技术是一种用不同的特征码序列，即扩频码来区分不同用户的数据的技术。由于存在扩频码之间的互相关性能不是特别好，信道存在时延扩展，导致码间串扰(ISI)，进一步导致多址干扰(MAI)。对于一般的多用户扩频系统而言，多址干扰是总的干扰中很关键的一种，通常是影响系统容量的关键因素之一。因此，在信号解调技术中，为了减弱多址干扰的影响，通常采用多用户联合检测的方法，以抑制多址干扰，且进一步增加系统容量。然而，在信道估计存在误差时，传统的多用户联合检测方法对系统性能的改进能力有所下降，尤其是在信道信噪比较低时，对系统性能的改进受到影响。

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种多用户扩频通信系统联合检测的改进方法，使用该方法可以改进通信系统性能，使通信系统性能受信道估计误差或信道信噪比较低时的信道环境影响较小。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种多用户扩频通信系统联合检测的改进方法，首先根据通常的联合检测方法得到的对发送数据的信道估计，求出矩阵T，对矩阵T做修正，以降低错误的干扰消除带来的误差，然后再按照通常的联合检测方法进行多址干扰消除，最后得到解调数据的输出。

根据上述的改进方法，具体包括以下步骤：

(1)根据经过天线接收及射频处理之后得到的多个用户的基带信号，对各个用户做信道估计；

(2)由上述步骤(1)得到的信道估计的结果和各用户的扩频码得到复合的传输矩阵A；

(3)由上述步骤(2)得到的传输矩阵A，对接收信号进行匹配滤波得到初步的数据信号

(4)由上述步骤(2)得到的传输矩阵A得到矩阵T；

(5)对由上述步骤(4)得到的矩阵T进行修正；

(6)按照通常的联合检测的方法进行多址干扰消除，得到解调数据的输出。

上面所述对矩阵T进行修正，是增强矩阵T的对角分量，即使得：T＝T+aI，其中，参数a为大于零的实数，I为单位矩阵。参数a的取值与信道信噪比有关，其值大小通过仿真确定。所述参数a的取值与信道信噪比有关，是指当信道信噪比较低时，a取值略大，当信道信噪比较高时，a取值略小。

上面所述按照通常的联合检测的方法进行多址干扰消除处理，是按照下述方法进行计算： $\hat{d}={\left(T\right)}^{-1}{\hat{d}}_{c,\mathrm{WMF}}.$

实际中，由于在信道有噪声的情况下传输矩阵A也存在误差，使得联合检测的结果受到影响，本发明采用的技术方案是对系统的噪声量加以修改使得联合检测性能得以提高，即对联合检测方法中引用的噪声量根据信道信噪比加上一个适当的数值，降低了由于传输矩阵A存在噪声引发的错误的干扰消除带来新的误差，因此，使用本发明可以改进通信系统性能，尤其是改进信道信噪比较低时的系统性能，使通信系统性能受信道估计误差或信道信噪比较低时的信道环境影响较小。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

图1是本发明实施例的程序流程意图；

图2是本发明方法与传统的最小均方误差方法性能比较示意图。

首先结合联合检测方法中的ZF(迫零)方法和MMSE(最小均方误差)方法对本发明所依据的原理进行阐述。

设系统为同步扩频系统，共有K个用户，以时隙为单位进行解调，每个时隙包含N个符号，系统采取线性调制。每个用户发送的数据序列为：

$d^{\left(k\right)}={(d_1^{\left(k\right)},d_2^{\left(k\right)},...,d_N^{\left(k\right)})}^T,k=1....K$

设每个用户的扩频序列的长度为Q，则有：

$c^{\left(k\right)}={(c_1^{\left(k\right)},c_2^{\left(k\right)},...,c_Q^{\left(k\right)})}^T,k=1...K$

由于在系统中每个用户信号经过的信道都不一样，即每个信道的冲击响应均不一样，假设每个用户的信道冲击响应已知，且冲击响应的最大长度为W个码片，则每个用户的冲击响应可以这样表示：

$h^{\left(k\right)}={(h_1^{\left(k\right)},h_2^{\left(k\right)},...,h_W^{\left(k\right)})}^T,k=1...K$

当W大于1时，产生码间串扰ISI，多址干扰MAI也因ISI和其他信道畸变或扩频码c^(k)的非完全正交或两者共同产生。

对扩频和信道响应作卷积，可以得到一个复合的信道响应：

$b^{\left(k\right)}={(b_1^{\left(k\right)},b_2^{\left(k\right)},...,b_{Q+W-1}^{\left(k\right)})}^T=c^{\left(k\right)}*h^{\left(k\right)}---k=1...K$

设接收的信号序列为e，每个序列包括N个符号，则序列的长度应为N*Q+W-1，假设各个用户取得完全的同步，接收信号中的加性平稳噪声序列为：

n＝(n₁，n₂，...，n_N*Q+W-1)^T

其均值为0，并具有协方差矩阵R_n＝E(n·n^H)。

下面来构造系统方程。

令所有用户的数据表示为：

$d={(d^{{\left(1\right)}^T},d^{2^T},...,d^{{\left(K\right)}^T})}^T={(d_1,d_2,...,d_{N-K})}^T$

相当于：

$d_j=d_n^{\left(k\right)};j=n+N(k-1)$

定义传输矩阵A：

A＝(A_ij)；f＝1...N·Q+W-1，j＝1...K·N

其中：

则系统的方程就可以写成：

e＝Ad+n

下面讨论上式的解法。

对于迫零方法，要求下式的值最小：

${(e-A{\hat{d}}_{c,\mathrm{ZF}})}^H{R}_n^{-1}(e-A{\hat{d}}_{c,\mathrm{ZF}})$

这样得到对发送数据的无偏估计，具体为：

${\hat{d}}_{c,\mathrm{ZF}}={\left(A^H{R}_n^{-1}A\right)}^{-1}{A}^H{R}_n^{-1}e$ (式1)

对于最小均方误差方法，要求下式的值最小：

$E({({\hat{d}}_{c,\mathrm{MMSE}}-d)}^H\·({\hat{d}}_{c,\mathrm{MMSE}}-d))$

得到对发送数据的估计：

${\hat{d}}_{c,\mathrm{MMSE}}={(A^H{R}_n^{-1}A+R_d^{-1})}^{-1}{A}^H{R}_n^{-1}e$ (式2)

在典型情况下，假定n为高斯噪声，并且前后数据不相关时即：

当取R_n＝σ²·I和R_d＝I时，(式1)和(式2)分别变为：

${\hat{d}}_{c,\mathrm{ZF}}={(A^H\·A)}^{-1}{A}^H\·e$ (式3)

${\hat{d}}_{c,\mathrm{MMSE}}{|}_{\underset{R_d=I}{R_n={\mathrm{\σ}}^2\·I}}={(A^{H}A+{\mathrm{\σ}}^2\·I)}^{-1}\·A^H\·e$ (式4)

一般的ZF或MMSE方法按式3或式4，即可得到联合解调的数据。

本发明的改进方法是把式3或式4改为下式：

${\hat{d}}_{c,\mathrm{new}}{|}_{\underset{R_d=I}{R_n={\mathrm{\σ}}^2\·I}}={(A^{H}A+{a\left({\mathrm{\σ}}^2\right)\·\mathrm{\σ}}^2\·I)}^{-1}\·A^H\·e$ (式5)

其中a(σ²)为一个大于1的实数，其值随σ²或信噪比的大小而变化。

尤其在信噪比比较低的情况下，a(σ²)可以取得比较大一些，这样得到的联合检测的性能在低信噪比的情况下得到更大改进。

本发明的改进方法也可如下述描述：

对于上述式3，令T＝A^H·A；对于上述式4，令T＝A^HA+σ²·I，则式3和式4均可描述为： ${\hat{d}}_{c,\mathrm{MMSE}}{|}_{\underset{R_d=I}{R_n={\mathrm{\σ}}^2\·I}}={\left(T\right)}^{-1}\·A^H\·e.$

对于上述T作如下修正，T＝T+aI    a＞0为实数，I为单位矩阵。

当取R_n＝σ²·I和R_d＝I的假设不成立时，本改进的另一种描述形式为：令 $T=\left(A^H{R}_n^{-1}A\right),$ 则：

式1变成 ${\hat{d}}_{c,\mathrm{ZF}}{=\left(T\right)}^{-1}\·A^H\·R_n^{-1}e,$ (式6)

同样，令 $T=A^H{R}_n^{-1}A+R_d^{-1},$ 则：

式2变成 ${\hat{d}}_{c,\mathrm{MMSE}}={\left(T\right)}^{-1}{A}^H{R}_n^{-1}e$ (式7)

则本发明的另一种形式是在解方程式6、式7时，先求出T之后，适当增强主对角线的值，作修正：

T＝T+aI    a＞0为实数，I为单位矩阵，

在上述对于T按照T＝T+aI进行修正时，a的取值与信噪比有关，信噪比较低时a值可以稍微取大一些。信噪比较高时，a取值稍微取小一些。

经此改进之后，联合检测的性能得到改进，尤其在低信噪比的情况下性能改进更大。

改进的原因在于：在有噪声的情况下传输矩阵A是存在误差的，式6和式7都是针对A不存在噪声的情况下，在某种判决准则下的最优解。对于存在噪声的情况下，效果不一定最佳。A存在噪声，有可能使得错误的干扰消除带来新的误差，本发明的改进相当于把噪声分量值加大，因此降低了这种误差，减少了由于传输矩阵A存在误差带来的损失。

下面以本发明应用于TD-SCDMA(时分同步码分多址)系统为例对本发明做进一步说明。

TD-SCDMA系统为一种以时隙为单位的同步CDMA系统，里面既有TDMA也CDMA的成份。在本例的TD-SCDMA系统中，采用720ms的超帧，每个超帧由72个时长为10ms的帧组成，每个10ms的帧又分为两个5ms的子帧，5ms的子帧分成7个时长为0.675ms的标准时隙和三个特殊时隙：DwPTS(下行导频)、G(收发转换保护时隙)、UpPTS(上行导频)。系统的标准时隙结构或突发结构为：每个突发包括两个数据符号域，一个Midamble(中间导频码)域和长度为16个码片的保护时间，其中midamble码的长度是144个码片，每个突发中数据长度为704个码片。

根据用户速率的不同，可以申请占用多个码道或者时隙，或者兼而有之。

系统的扩频方法为：采用OVSF(正交可变扩频因子)码加长度为16的扰码的方式。系统在接收和发送采用4-16阵元的智能天线技术。

本发明的具体实施过程如下，参见图1。

首先根据通常的联合检测方法得到的对发送数据的信道估计，求出矩阵T，对矩阵T做修正，以降低错误的干扰消除带来的误差，然后再按照通常的联合检测方法进行多址干扰消除，最后得到解调数据的输出。

上面所述方法通过以下步骤实现：

(1)根据经过天线接收及射频处理之后得到的多个用户的基带信号，对各个用户做信道估计；

(2)由上述步骤(1)得到的信道估计的结果和各用户的扩频码得到复合的传输矩阵A；

(3)由上述步骤(2)得到的传输矩阵A，对接收信号进行匹配滤波得到初步的数据信号

(4)由上述步骤(2)得到的传输矩阵A得到矩阵T，即： $T=\left(A^H{R}_n^{-1}A\right)$ 或 $T=A^H{R}_n^{-1}A+R_d^{-1};$

(5)对由上述步骤(4)得到的矩阵T进行修正；

(6)按照通常的联合检测的方法进行多址干扰消除，即： $\hat{d}={\left(T\right)}^{-1}{\hat{d}}_{c,\mathrm{WMF}},$ 上述干扰消除可以采取LU(下三角上三角分解方法)分解等方法，进而得到解调数据的输出。

上述对矩阵T进行修正，是按照下述方法进行的：T＝T+aI，其中，参数a为大于零的实数，I为单位矩阵，所述参数a的取值与信道信噪比有关，其值大小可以通过仿真确定，a的取值同时还要考虑信道信噪，当信道信噪比较低时，a取值略大，当信道信噪比较高时，a取值略小。

采用本发明的方法和采用传统的MMSE方法的性能比较验证结果参考图2，验证条件为：系统采用两个天线分集接收，16个用户，扩频码长16，采用OVSF码。信道采用ITU-R(国际电信联盟无线通信部)M.1225中的Vehicular(车速)环境中的Channel A的信道模型。从图2中可以看出采用本发明的方法联合检测的性能得到了提高。

Claims (5)

1、一种多用户扩频通信系统联合检测的改进方法，其特征在于：该方法首先根据通常的解调方法得到的对发送数据的信道估计，求出矩阵T，对矩阵T做修正，以降低错误的干扰消除带来的误差，然后再按照通常的联合检测方法进行多址干扰消除，最后得到解调数据的输出；

所述对矩阵T进行修正，按照下述方法进行的：T＝T+aI，其中，参数a为大于零的实数，I为单位矩阵。

2、根据权利要求1所述的多用户扩频通信系统联合检测的改进方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)根据经过天线接收及射频处理之后得到的多个用户的基带信号，对各个用户做信道估计；

(2)由上述步骤(1)得到的信道估计的结果和各用户的扩频码得到复合的传输矩阵A；

(3)由上述步骤(2)得到的传输矩阵A，对接收信号进行匹配滤波得到初步的数据信号

(4)由上述步骤(2)得到的传输矩阵A得到矩阵T；

(5)对由上述步骤(4)得到的矩阵T进行修正；

(6)按照通常的联合检测的方法进行多址干扰消除，得到解调数据的输出。

4、根据权利要求1或2所述的多用户扩频通信系统联合检测的改进方法，其特征在于，所述按照通常的联合检测的方法进行多址干扰消除处理，是按照下述方法进行的： $\hat{d}={{\left(T\right)}^{-1}}_{{\hat{d}}_{c,\mathrm{WMF}}}.$

5、根据权利要求1所述的多用户扩频通信系统联合检测的改进方法，其特征在于：所述参数a的取值与信道信噪比有关，其值大小通过仿真确定。

6、根据权利要求1所述的多用户扩频通信系统联合检测的改进方法，其特征在于：所述参数的取值与信道信噪比有关，是指当信道信噪比较低时，取值略大，当信道信噪比较高时，取值略小。

Images