CN1159870A

CN1159870A - 干扰消除方法和接收机

Info

Publication number: CN1159870A
Application number: CN95195520.9A
Authority: CN
Inventors: 艾里·霍廷恩
Original assignee: Nokia Telecommunications Oy
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1994-10-07
Filing date: 1995-10-06
Publication date: 1997-09-17
Anticipated expiration: 2015-10-06
Also published as: US6904109B1; AU695984B2; NO971543D0; DE69531214T2; FI944739A; JP4205761B2; EP0784888A2; AU3654995A; NO971543L; FI944739A0; CN1084094C; DE69531214D1; WO1996011534A2; ATE244472T1; JPH11511915A; WO1996011534A3; EP0784888B1

Abstract

本发明涉及一种干扰消除方法和一种数据传输方法的接收机，所述接收机包括装置(14)，用于对接收信号进行多址干扰消除，以及装置(21)，用于对由接收信号获得的估算计算置信系数。为了进行可靠的干扰消除，本发明的接收机包括装置(14)，用于在多址干扰消除中利用对干扰信号的估算计算的置信系数。

Description

干扰消除方法和接收机

本发明涉及一种数据传输系统中的干扰消除方法，所述传输系统利用多址干扰消除方法，在该方法中从有用信号中减去估算的干扰信号，并对于由接收的信号所获得的估算计算置信系数。

在数据传输方法的设计和实现中，基本的问题是若干同时用户的信号的同时传输与接收，并使得这些信号引起的相互干扰尽可能小。由于这一事实和可利用的传输容量，已经提出了几种不同的传输协议和多址连接方法，其中尤其在移动通信中最普通的是FDMA和TDMA方法，还有后来提出的CMDA方法。

CMDA(Code Division Multiple Access)系统是一种根据扩展频谱技术的多址连接方法，并且和较早的FDMA(Frequency Division MaltipleAccess)以及TMDA(Time Division Multiple Access)技术一道，在蜂房通信系统中近来已开始应用，CDMA技术比较早的方法有若干优点，例如频率分配简单，频谱效率高。

在CDMA方法中，用户的窄带数据信号乘以带宽宽得多的扩展码，从而得到相当宽的业务信道频带。在已知的实验性的蜂房网络系统中，在业务信道上使用的带宽例如包括1.25Mhz，10Mhz 25MHz。在乘的过程中，数据信号扩展为所用的整个带宽。所有用户通过使用相同的频带同时传输。对于在基站和用户终端设备之间的每个连接，使用单独的扩展码，并且来自用户的信号可根据每个连接的扩展码在接收机中相互识别。进行选择扩展码，使得它们相互正交，即不互相相关的尝试。

在以常规方式实现的CDMA接收机中，使相关器或自适应滤波器和有用信号同步，所述有用信号根据扩展码识别。通过用和在发送时相同的扩展码乘数据信号，使数据信号在接收机中返回原始频带。被某个其它的扩展码乘过的信号在理想情况下，既不相关也不返回到窄带上。这样，从有用信号的观点看来，它们就作为噪声出现。因而需要在若干个干扰信号当中检测所需用户的信号。实际上，扩展码不是非相关的。并且其它用户的信号通过使接收信号失真使得有用信号的检测复杂化。这种由用户引起的相互干扰叫作多址干扰。

使用TDMA多址连接系统的数据传输方法具有几个利用频率，其中的每一个被分成时隙，在时隙中已经放入各个用户的信号。这样，每个用户便有其自己的时隙。因为对系统保留的频率范围通常是有限的，所以必须在位于一定距离的网孔中使用同一频率。如果希望高的频率利用效率，则这距离应该尽量小。这使得在相同频率上的不同的传输发生相互干扰，因而，除去有用信号之外，在某个时隙中在接收机中还听到干扰信号，该干扰信号发生在某个使用相同频率的其它的连接中。

上述的结合CDMA说明的单个用户检测方法不是最佳的，因为在检测时它不考虑在其它用户的信号中包含的信息。此外，常规的检测方法不能校正由非正交的扩展码以及无线电路径上的信号失真而部分地产生的错误。一种最佳的接收机考虑在所有用户的信号中包含的信息，这样，可以通过使用例如维特比算法以最佳的方式检测信号。例如，在CDMA系统中，这种检测方法的优点在于，只要接收机和该方法有关，情况就类似于一个不存在多址连接问题的单用户CDMA系统。例如，不会发生在CDMA系统中一般存在的近远问题。术语近远问题指的是靠近接收机的发送机发送时覆盖高接收机较远的发送机的发送。维特比算法的最严重的弱点是，它要求的计算能力随用户数量的增加而指数地增加。例如，以QPSK调制位速率为100 Kbit/S的10用户系统将需要每秒105兆次算术运算用于计算维特比算法。实际上这构成了实现最佳接收机的障碍。

然而，通过使用各种方法可以近似地实现最佳接收机。现有技术已有用于多用户检测(MUD)的几种不同的方法。最好的已有方法包括线性多用户检测，解相关检测器和多级检测器。这些方法在以下文献中详细说明了。这些文献是：varanasi，Aazhang：异步码分多路信道的多级检测，IEEE通信处理，第38卷，第509至519，1990年4月；Lupas，Verdu：同步码分多路信道的线性多用户探测器，IEEE信息理论的处理，第5卷第1本第123-136页，1989年1月；以及Lupas，Verdu：异步信道中多用户探测器的远近电阻，IEEE通信处理，第38卷，1990年4月。然而，这些方法也涉及需要大量计算能力的运算，例如矩阵逆变换运算。

用来解决由多址干扰引起的问题的第二种方法是使用干扰消除(IC)方法。在IC型方法中，其目的是通常按幅值的顺序逐个地检测用户，使得在检测下一个用户之前从收到的信号中除去已经检测的用户的信号的影响。作为这种方法的一个例子，可以参考欧洲专利公开491668，其中在CDMA蜂房移动通信系统中应用了上述的方法。干扰消除方法比MUD型算法的计算效率更高，但是其性能较差，尤其是在较差的接收条件期间，例如通常具有低信号电平的衰减的多路径信道的情况下。

多址干扰消除方法类似于上述的方法，也可以应用于TDMA系统。然而，在干扰信号的估算不好的情况下，它们确实具有使性能劣化的缺陷。在最坏的情况下，多址干扰消除甚至可能增加干扰，如果干扰信号根据错误的估算被减去的话。

本发明的目的在于实现一种可以避免上述问题的干扰消除方法，该方法不会使接收机复杂化，并可以应用于TDMA和CDMA两种多用户方法。

这一目的由在前言中提出的方法实现，其特征在于，在多址干扰消除方法中利用为估算干扰信号而计算的置信系数。

此外，本发明涉及一种数据传输方法的接收机，该接收机包括对接收信号进行多址干扰消除的装置，和用于对从接收的信号所获得的估算计算置信系数的装置。本发明的接收机的特征在于，它包括用于在多址干扰消除中，利用对于干扰信号的估算而计算的置信系数的装置。

因而，本发明的基本思路是，在进行干扰消除之前，考虑干扰信号的估算的置信系数。每个被估算的符号可用置信系数加权，所述置信系数是被单独计算的，并取在0-1范围内的值。不可靠的干扰估算可以不予考虑，这是因为如果从信号中减去它们甚至可以增加干扰。因而，当和实际干扰相当的这些干扰估算被消除时，所述干扰消除方法便达到较好的结果。而且，具有低置信系数的信号可以在进一步处理时，例如从多级接收机的较后面的级中被忽略，因而使结构简单，并且可以提高计算效率。

以前在接收机的其它部分中已经利用过置信系数，例如在使用维持比译码器时，置信系数可以结合检测被计算，以及，例如在信源译码中便利用在信道译码中计算的系数。关于置信系数的较早的应用，可以参考专利文献US 5181209，J，Hagenauer，P.Hober：有软判定输出的viterbi算法，Proc.of IEEE Globecom 1989年Dallars，Texas，以及P.Hoher：频率选择衰落信道的TCM：软输出概率均衡器的比较，Proe.of IEEEGlobecom 1990年。术语软输出在某些应用中和在本申请中的含义不同。本申请使用所述术语指组群方式(grouping)置信系数，而例如在文献D.Bradv，J.Catipovic：水下声道的适应性软判定多用户接收机，第26卷Asilomar信号学会，系统计算机，1992年，用该术语指探试定标(heuristic sealing)。

按照本发明的方法，由于更有效地消除了干扰，便能够例如在TDMA系统中实现较窄的频率再用间隔，这又能导致系统容易的增加。

下面参照附图详细说明本发明，其中：

图1是按照本发明的接收机的结构方框图：

图2用方框图详细说明按照本发明的干扰消除方法的实现，

图3用方框图表示按照本发明的接收机的另一种结构，以及

图4说明多级接收机的结构。

本发明中的置信系数和被检测的符号有关，它依赖于接收信号的分布，在其它诸因素当中，所述分布又依赖于在接收机内的符号字母的传输路径和信号处理方法。接收信号的分布尤其依赖于多径传播信号的强度、信道状态以及接收符号之间的相关性。在CDMA系统中，干扰消除方法主要根据考虑各个用户的符号之间的相关性的最佳或次最佳的判定规则。

置信系数例如可以通过最大后验(MAP)或MUSE准则产生。一般地，通过估算错误判定的概率来评价检测可信度：

P_{ERR} = Prob {\hat{S} &NotEqual; S_{k} | r}

其中，Sk代表传输的符号，

是估算的符号，r是加于检测器的信号。符号自然通过对应用而言是合适的方式进行规定。不过，一般包括在发送机中通常使用的符号字母。它也可以描述一个多维的符号矢量，其第k个坐标被包括在第k个用户的符号字母中。这时，一般地说，置信系数是检测符号的分布的函数或是分布的参数的函数。

接收的低通滤波信号一般可用下式表示

r_{m, n} (t) = S_{n} Σ_{k = - \infty}^{\infty} X_{n, k} q_{m, n} (t - kT) + n_{m, n} {(t)}^{'}

其中T是信号的周期，X_n，k是在时刻k第n个用户的源符号，并且

q_{m, n} (t) = c_{T} (t - t_{n}) &CircleTimes; h_{m, n} (t) &CircleTimes; c_{R} (t)

是脉冲响应的卷积或是从第n个源的第m个分集支路上的发送机滤波器、多径信道和接收滤波器的各自的卷积。那么，由第m个分集支路接收的总信号是

r_{m} (t) = Σ_{n = 0}^{N} r_{m, n} (t) + n_{m} {(t)}^{'}

其中n_m(t)代表噪声。在最简单的情况下m＝1。

在不影响通用性的前提下，假定所需用户的指数为零，n＝0。该方法可以相应地用于其它用户。干扰信号分量被分成两部分，即主要部分Nd和噪声部分Nn，因为N＝Nd+Nn。在接收机中，进行消除主要的噪声分量影响的尝试。噪声分量包括强度弱的干扰信号分量，通过把其认为是类似噪声的干扰，可以忽略其对干扰消除的影响。以上式说明的总信号可以用下述形式表示：

r_{m} (t) = r_{m, o} (t) + Σ_{n = 1}^{Nd} r_{m, n} (t) + Σ_{n = Nd + 1}^{N} r_{m, n} (t) + n_{m} (t)

＝r_m，o(t)+I_Nd+I_Nn+n_m(t)，其中I_Nd包括主要干扰信号分量的和信号I_Nn包括被归为噪声分量的干扰分量的和信号。在接收机中，需要检测接收信号中的传输符号X_n，k，这已在上面说明。如果干扰分量I_Nd和I_Nn小，则可以按常规的单用户接收方法进行接收，例如象在GSM系统中那样。随着频率再用距离的减少，会使其信道干扰增加，这便需要更加有效的方法。

在按照本发明的方法的最佳实施例中，通过从有用信号中减去主要干扰信号的估算进行干扰消除，所述估算用该估算的置信系数加权。对主要干扰信号的估算的计算可以表示为

{\hat{I}}_{Nd} = {\hat{S}}_{n} Σ {\hat{x}}_{n, k} {\hat{q}}_{m, n} (t - kT) g_{n, k}

其中q_n，k是干扰信号的估算的置信系数，并且，

{\hat{q}}_{m, n} = c_{t} (t - {\hat{t}}_{m}) &CircleTimes; {\hat{h}}_{m, n} (t) &CircleTimes; c_{T} (t)

是上述的卷积，其中

和

是信道估算。

该方法可以以简单的方式应用，例如，通过检测所有主要干扰信号的符号，并对于所作的估算按照所得估算被认为的精确程度来计算其置信系数。接着，干扰信号被再生，被乘以置信系数，并被从接收的传输中减去。置信系数可以取[0，1]范围中的值，从而使得如果认为估算是不可靠的，系数的值便接近于零，如果被认为是可靠的，则系数的值接近于1。如果所有的干扰估算都有高的置信系数，则可以几乎全部地消除干扰，但是，如果它们都具有低的置信系数，则实际上根本不会消除干扰。这种方法可以避免这样的情况，即从信号中减去根据错误的估算计算的干扰，从而事实导致干扰增加。在按照本发明的方法中，接收机的操作根据在任何给定时刻获得的置信系数，自动地在单用户接收机和干扰消除接收机的操作之间转换。

置信系数例如可以和信道译码器相结合，进行计算。如果接收机使用维特比译码器，则置信系数不用任何附加的程序便能获得，这是因为为增强信源译码器的操作，必然要计算并利用置信系数。

按照本发明的方法也可以用于多级接收机结构中，在其中的第一级或较后的级利用按照本发明的使用置信系数的干扰消除方法。在多级检测的每个周期，许多干扰项被单独地估算，例如，按照下式从接收信号中减去所述的干扰项，下式再次假定n＝0：

{\hat{I}}_{Nd}^{(i)} = {\hat{S}}_{n}^{(i)} Σ {\hat{x}}_{n, k}^{(i)} {\hat{q}}_{m, n}^{(i)} (t - kT) g_{n, k}^{(i)}

r_{m} {(t)}^{(i)} = r_{m, o} (t) + I_{Nd} + {\hat{I}}_{Nd}^{(i)} + n_{m} (t)

其中符号

定义信道参数，并且置信系数从信号

中通过所需的方法已被估算出。一般地说，对于用于检测符号的信道参数，

首先估算初值。在初级，这些变量由受到干扰而使其可靠性变坏的信号中估算。

在估算中，可以使用训练序列，例如在接收信号中已知的符号序列，从而改进信道估算的性能。因为符号是已知的，因而便可以事先把置信系数的值设为1。

只要计算出

便可以通过对选择的符号字母使用选择判定规则检测符号。所述符号字母例如可以是BPSK，QPSK或某些其它多维的有序符号。例如，在CDMA系统中，

可以是调制的扩展序列。

图1是说明按照本发明的接收机的结构的方框图。图中说明的本发明的接收机包括天线10，通过天线10把接收的信号送到射频部分11，在其中把射频信号转换成中频。信号从射频部分被送到模数转换器12，在其中把模拟信号转换成数字形式。转换的信号再被送到检测装置13，在其中对于接收符号检测接收信号的估算。在按照本发明的接收机中，对于检测符号的置信系数也在装置13中计算。所述估算和计算的置信系数被进一步送到干扰消除装置14中，按照本发明的最佳实施例，在干扰消除装置14中，干扰估算乘以置信系数，并被从有用信号中减去。所得信号进而被送到接收机的其它部分。本发明的接收机可以用于蜂房移动通信系统中的基站和用户端终端。当然，本发明的接收机还包括除上述之外的其它元件，例如滤波器和放大器。

按照本发明的干扰消除可以在图2的检测-干扰消除块逐级地顺利进行。已被转换成数字形式的接收信号28被送到检测装置20，在其中对接收信号计算初始估计。在装置21中，对所述估算计算置信系数，该置信系数的值说明所述估算接近传输符号的程度。在装置22中，检测信号被再现，然后，在乘装置23中用相应的置信系数乘再现的信号。接着，被再现并被用系数加权的干扰信号作为负输入被送到求和装置24，其第二个即正输入是由延迟装置25延迟的原始接收信号，因而在所述求和装置24中，从原始传输中减去加权的干扰信号。这样，得到的信号26再被送到第二检测装置27，在其中有用信号再被估算。

图3说明实现本发明的接收机的第二种可能的方法。该接收机包括装置30，用于把接收信号分为若干组，每组包括至少两个信号。该接收机还包括检测装置31，35，39，用来在每组中通过任何已知的多用户检测方法对来自接收的传输中的信号进行同时检测。接收机还包括计算装置31，35，39，在其中计算检测信号的置信系数。所述计算装置可和所述检测装置结合构成，或与它们分开。接收机还包括装置32，36，用于再次再现检测信号，并用相应的置信系数乘以所述信号。组检测装置31，35，39已被这样分组，使得每组被连续地检测，从而在接收机的求和装置34，38中，能够在检测随后的组之前从接收的传输中减去由已被检测过的组的置信系数加权的信号。上述的利用组检测的接收机的结构在芬兰的专利申请943196中详细说明了，在此列为参考。

图4用方块图说明多级接收机的结构。其中包括通常串联的几个检测级40，41，42。在这种情况下，较后的检测级利用在较前的检测级已经进行过的检测，特别是当进行干扰消除时。在本发明的多级接收机中，较前的检测级40，41，42中的至少一个包括上述的装置14，以便在多址干扰消除中利用对于干扰信号的估算所计算的置信系数。

虽然对本发明参照附图给出的例子作了如上的说明，但是显然本发明并不限于这些例子，在本发明所附权利要求的构思内可以作出各种改变。

例如，在CDMA系统中再现的信号如果被从窄带信号中减去则成为窄带宽的。一般地说，再现和相减应该和在利用按照本发明的置信系数进行干扰消除之前用于处理接收机中接收信号的方法相匹配。

Claims

1.一种在数据传输系统中的干扰消除方法，所述系统利用多址干扰消除方法，其中干扰信号的估算被从有用信号中减去，并且在所述方法中对于由接收信号获得的估算计算置信系数，其特征在于，对于干扰信号的估算所计算的置信系数被在所述多址干扰消除方法中利用。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，干扰信号的估算在从有用信号中减去之前利用对每个信号计算的置信系数加权。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于所述估算计算的置信系数具有在范围[0，1]之间的值，使得当估算的可靠性高时，系数的值接近于1，如果估算的可靠性低，则系数的值接近于0。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在接收机中接收的信号被分成几组，每组至少包括两个信号，并且在每组中对于来自接收的传输的信号进行同时检测，而且每组被连续地检测，在检测下一组之前，已经检测过的组的信号被再现，并被从接收的传输中减去，在减去之前检测的信号利用对每个信号计算的置信系数加权。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号估算利用多级检测。

6.一种数据传输方法的接收机，所述接收机包括装置(14)，用于对接收信号进行多址干扰消除，以及装置(21)，用于对由接收信号获得的估算计算置信系数，其特征在于，所述接收机包括装置(14)，用于在多址干扰消除中利用对干扰信号的估算所计算的置信系数。

7.如权利要求6所述的接收机，其特征在于，所述接收机包括

装置(23)，用对于每个估算计算的置信系数加权，干扰信号的估算，以及

装置(24)，用于从有用信号中减去干扰信号的估算。

8.如权利要求6所述的接收机，其特征在于，所述接收机包括装置(30)，用来把接收信号号分成几组，每组至少包括两个信号，以及

装置(31，35，39)，用于对来自接收传输中的信号在每组中进行同时估算和检测，以及

装置(31，35，39)，用于对每组进行连续地检测，以及

装置(32，36)，用于再现已经检测过的组的信号，以及

装置(32，36)，用于用对每个信号计算的置信系数加权已经检测过的信号，以及

装置(34，38)，用于在检测下一组之前从接收的传输中减去已经检测过的组的信号。

9.如权利要求6所述的接收机，其特征在于所述接收机包括几个检测级(40-42)。