CN1190031C - 基站中基于先验信息的多用户检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明基站中基于先验信息的多用户检测装置及其检测方法，包括RAKE接收机、硬判决器、信号再生器、多址干扰的估计与干扰对消装置、以及可靠性系数生成器；采用把前一级并行干扰对消中符号判决的可靠性系数作为先验信息用以与其它输入一起生成本级并行干扰对消的符号可靠性系数的方法，来实现并行干扰对消。该方法和装置使各级PIC的符号判决可靠性系数更准确。

Description

基站中基于先验信息的多用户检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及通信系统的基站中基于先验信息的多用户检测装置及其检测方法，尤其涉及WCDMA和CDMA2000蜂窝移动通信系统的基站中基于先验信息的多用户检测装置及其检测方法。

技术背景

多用户检测技术是克服多址干扰的影响，提高CDMA系统容量的一种增强型技术。它可以充分利用多个用户的信息，对多个用户信号进行联合检测，从而尽可能地减小多址干扰对接收机性能的影响，提高系统的容量。

Verdu于1986年提出最大似然序列检测器。这种检测器是最佳检测器，但是这种检测器复杂度高，而且需要对接收信号幅度和相位信息的估计。这使得最大似然序列检测器难以应用。

次最佳的多用户检测方法大致分为两类：线性检测方法和干扰对消方法。线性检测方法对单用户检测器的软输出进行线性变换，产生一组能够提高性能的新输出。线性检测方法性能较好，但是计算很复杂。干扰对消方法将期望用户的信号视为有用信号，将其他用户的信号视为干扰信号；先从接收信号中消除其他用户的干扰，得到期望用户的信号，然后对期望用户的信号进行检测，从而提高系统的性能。

干扰对消方法可以分为：串行干扰对消(Serial InterferenceCancellation)和并行干扰对消(Parallel Interference Cancellation)。串行干扰对消方法的性能优于单用户检测器；但是延时较大；需要进行功率排序，计算量较大；对初始信号估计敏感。并行干扰对消方法从接收信号中并行地为每个用户消除所有其他用户的信号干扰。该方法性能优于单用户检测器，具有延时小，计算复杂性小的优点，是目前最有可能实现的方法。

传统的并行干扰对消接收机的结构如附图1所示。图中第一级PIC结构1和最后一级PIC结构2的内部结构分别如附图2和附图3所示。第一级PIC结构1把接收信号的基带信号作为各用户的输入信号，进行处理，得到的各用户的输出信号是下一级PIC结构中各用户的输入信号；第二级PIC结构对各用户的输入信号进行处理，得到的各用户的输出信号是下一级PIC结构中各用户的输入信号；这样逐级处理，最后一级PIC结构2对各用户的输入信号进行处理，得到的各用户的输出信号是多级PIC结构的最终结果。

如图2所示，RAKE接收机3对输入信号进行多径解扩，由解扩结果进行信道估计，然后进行多径合并，并将RAKE合并结果送给硬判决器4，将信道估计结果送给信号再生器5。硬判决器4对RAKE合并结果进行硬判决，并将判决结果送给信号再生器5。信号再生器5由两个输入信号得到用户的再生信号，并将用户的再生信号送给多址干扰的估计与干扰对消装置6。多址干扰的估计与干扰对消装置6由输入的各用户的再生信号分别计算出各用户的多址干扰，从接收信号的基带信号中消除某个用户的多址干扰得到的信号作为本级PIC结构中该用户的输出信号，下一级PIC结构中该用户的RAKE接收机的输入信号。

图3为最后一级PIC结构的示意图(以用户1的处理过程为例)，用户的RAKE接收机对输入信号进行解扩、信道估计和多径合并，得到用户的软输出。用户的软输出就是多级PIC结构的最终结果。在接收机中，用户的软输出被送给用户的译码器进行译码。

当符号的硬判决结果正确时，用户的再生信号比较准确；当硬判决结果错误时，用户的再生信号就不正确。对于期望用户，它的多址干扰由其他用户的再生信号估计得到。当其他用户的再生信号都比较准确时，期望用户的多址干扰也就估计得比较准确。从接收信号中消除期望用户受到的多址干扰，然后再进行下一级PIC检测可以提高期望用户的检测性能。但是，当其他用户的再生信号并不是都准确时，期望用户的多址干扰估计中就存在错误信息，在干扰对消过程中，不仅不能去掉相应的多址干扰项，反而增加了干扰，这必然使并行干扰对消方法下一级PIC的检测性能受到影响。

针对传统并行干扰对消方法的不足之处，美国专利US 5418814，“ThresholdCancellation Means for Use in Digital Mobile Radio Networks”(Anthony P.Hulbert，Shirley)，从贝叶斯准则出发提出两种并行干扰对消方法，其中：

一种是阈值对消方法，该方法用阈值衡量每个符号的多径合并结果的可靠性，当符号的多径合并结果的绝对值大于或等于阈值时，就认为多径合并结果可靠，按照多径合并结果的符号将该符号判决为+1或-1，使该符号完全地参与干扰对消；当多径合并结果的绝对值小于阈值时，就认为多径合并结果不可靠，将该符号判决为0，使该符号不参与干扰对消。这样就避免了错误的符号判决结果降低并行干扰对消方法性能的问题。阈值的计算公式由贝叶斯准则推导出来。在信噪比为0dB时，该方法的性能相对于传统并行干扰对消方法提高0.85dB。

另一种是软判决并行干扰对消方法。该方法从贝叶斯准则出发，由每个符号的多径合并结果计算符号硬判决的可靠性系数f，将符号判决为±f，(0≤f≤1)。使符号按照可靠性的大小以不同强度参加干扰对消。该方法多级结构同传统的PIC方法，如图1所示。该方法的内部结构如图4所示。(该方法的最后一级PIC结构同传统PIC方法，如图3所示。)图中RAKE接收机3对输入信号进行多径解扩，由解扩结果进行信道估计，然后进行多径合并，并将RAKE合并结果同时送给硬判决器4和可靠性系数生成器7，将信道估计结果同时送给可靠性系数生成器7和信号再生器5。硬判决器4对RAKE合并结果进行硬判决，并将判决结果送给信号再生器5。可靠性系数生成器7由两个输入信号计算硬判决器判决结果的可靠性系数，并将可靠性系数送给信号再生器5。信号再生器5由三个输入信号得到用户的再生信号，并将用户的再生信号送给多址干扰的估计与干扰对消装置6。多址干扰的估计与干扰对消装置6由输入的各用户的再生信号分别计算出各用户的多址干扰，从接收信号的基带信号中消除某个用户的多址干扰得到的信号作为下一级PIC结构中该用户的RAKE接收机的输入信号。该方法的性能在0dB时相对于阈值对消方法又提高1.35dB。设第k级PIC结构中用户i的Rake接收机的多径合并结果可以表示为：

$Y_i^{\left(m\right)\left(k\right)}={\mathrm{\μ}}_i{a}_i^{\left(m\right)}+n_i...\left(1\right)$

Y_i(m)(k)表示第k级PIC结构中用户i的第m个符号的多径合并结果，a_i ^(m)是用户i的第m个符号，值为+1或-1，μ_i是与信道衰落相关的实数。n_i为高斯白噪声，服从正态分布N(0，σ_i ²)。

由(1)式，可以得到：当 $a_i^{\left(m\right)}=1$ 时，Y_i ^(m)(k)服从正态分布N(μ_i，σ_i ²)；当 $a_i^{\left(m\right)}=-1$ 时，Y_i ^(m)(k)服从正态分布N(-μ_i，σ_i ²)。

设判决结果 ${\hat{a}}_i^{\left(m\right)\left(k\right)}=\mathrm{sgn}\left\{Y_i^{\left(m\right)\left(k\right)}\right\}$ 的可靠性系数为f_i ^(m)(k)。该专利从贝叶斯准则出发提出的软判决并行干扰对消方法按照下式计算判决结果

的可靠性系数：

$f_i^{\left(m\right)\left(k\right)}=\tanh \left\{\frac{{\mathrm{\μ}}_i\left|Y_i^{\left(m\right)\left(k\right)}\right|}{{\mathrm{\σ}}_i^2}\right\}...\left(2\right)$

软判决方法有效提高了传统并行干扰对消方法的性能，但是提高幅度有限。

发明内容

本发明是针对上述软判决并行干扰对消算法进行了改进，而相应提出一种基于先验信息的软判决并行干扰对消算法。该方法是，在计算本级PIC的符号判决的可靠性系数时，把前一级PIC中相应的符号判决的可靠性信息作为先验信息，使本级PIC的符号判决的可靠性系数更准确，在算法复杂度增加不大的情况下，算法性能得到较大提高。

为了实现本发明的目的，本发明采取的技术方案是：基于先验信息的软判决并行干扰对消装置，包括RAKE接收机、硬判决器、信号再生器、多址干扰的估计与干扰对消装置、以及可靠性系数生成器；RAKE接收机对输入信号进行多径解扩，由解扩结果进行信道估计，然后进行多径合并，并将RAKE合并结果同时送给硬判决器和可靠性系数生成器，同时将信道估计结果送给可靠性系数生成器和信号再生器；硬判决器对RAKE合并结果进行硬判决，并将判决结果送给信号再生器；可靠性系数生成器接收两个输入信号计算硬判决器判决结果的可靠性系数，并将可靠性系数送给信号再生器；信号再生器接收三个输入信号得到用户的再生信号，并将用户的再生信号送给多址干扰的估计与干扰对消装置，多址干扰的估计与干扰对消装置由输入的各用户的再生信号分别计算出各用户的多址干扰，从接收信号的基带信号中消除某个用户的多址干扰得到的信号作为下一级PIC结构中该用户的RAKE接收机的输入信号；其特点是，所述的可靠性系数生成器还接收前一级PIC结构中相应用户的符号判决的可靠性系数，并把该系数作为先验信息，该先验信息与其它两个输入信号一起生成本级PIC的符号可靠性系数，然后再将该系数分别送给信号再生器和下一级PIC结构中相应用户的可靠性系数生成器。

采用上述装置进行基于先验信息的软判决并行干扰对消方法，其特点是，采用把前一级PIC中符号判决的可靠性系数作为先验信息用以与其它输入一起生成本级PIC的符号可靠性系数的方法，包括以下步骤：

a、在某级PIC结构中，用户的RAKE接收机对输入信号进行多径解扩、信道估计、多径合并，并用硬判决器对RAKE接收机的输出进行硬判决；

b、在该级PIC结构中，前一级PIC结构送来的某用户的先验信息直接送给本级PIC结构中该用户的可靠性系数生成器，生成每个符号判决结果的可靠性系数；

c、由用户的硬判决结果、判决的可靠性系数和信道估计结果得到用户的再生信号；

d、累加其他用户的再生信号就得到期望用户受到的多址干扰；

e、从接收信号的基带信号中减掉用户受到的多址干扰，得到该级PIC结构中该用户的输出信号，作为下一级PIC结构中该用户的RAKE接收机的输入信号；

f、重复步骤a-e，进行下一级PIC的处理；

g、对于最后一级PIC结构，只进行步骤a中多径解扩、多径合并，将多径合并得到的用户的软输出作为多级PIC结构中该用户的最终结果。

上述基于先验信息的软判决并行干扰对消方法，其中，步骤a中所述的RAKE接收机的输入信号是指：

第一级PIC结构中，RAKE接收机的输入信号为所接收信号的基带信号；

在后续各级PIC结构中，前一级PIC结构中相应用户的输出信号为RAKE接收机的输入信号。

由于本发明采用了以上的方案，在计算本级PIC的符号判决的可靠性系数时，把前一级PIC中相应的符号判决的可靠性信息作为先验信息，使本级PIC的符号判决可靠性系数计算得更准确。

附图说明

本发明的具体特征、性能由以下的实施例及其附图进一步描述。

图1是已有技术并行干扰对消接收机的多级结构示意图。

图2是图1中一个PIC结构示意图。

图3是图1中最后一级PIC结构示意图。

图4是已有技术软判决并行干扰对消算法的PIC结构示意图。

图5是本发明基于先验信息的软判决并行干扰对消接收机的多级结构示意图。

图6是本发明基于先验信息的软判决并行干扰对消算法的PIC结构示意图。

具体实施方式

本发明基于先验信息的软判决并行干扰对消方法的多级结构如附图5所示。该方法的PIC结构如附图6所示，可靠性系数的计算按照公式(4)进行。该方法的最后一级PIC结构同传统PIC方法，如附图3所示。图5、图6和图3构成了基于先验信息的软判决并行干扰对消方法的装置。

请参阅图5。接收信号的基带信号和各用户的初始先验信息进入第一级PIC结构1。

如附图6所示，接收信号的基带信号进入用户的RAKE接收机3。用户的初始先验信息则直接进入用户的可靠性系数生成器7。RAKE接收机3先对输入信号进行解扩，然后由解扩结果进行信道估计，最后进行多径合并，并将多径合并结果同时送给硬判决器4和可靠性系数生成器7，将信道估计结果同时送给可靠性系数生成器7和信号再生器5。硬判决器对输入信号进行硬判决，并将硬判决结果送给信号再生器5。可靠性系数生成器7由输入的先验信息和本级PIC的两个输入信号计算硬判决器判决结果的可靠性系数，并将可靠性系数一方面送给信号再生器5，一方面作为先验信息送给下一级PIC结构中相应用户的可靠性系数生成器7。对于第1级PIC结构，先验信息由公式(5)给出。信号再生器由输入的三个信号得到用户的再生信号，并将再生信号送入多址干扰的估计与干扰对消装置6。从图中可以看到：接收信号的基带信号也进入多址干扰的估计与干扰对消装置6。该装置由并行输入的各用户的再生信号估计各用户受到的多址干扰，从接收信号的基带信号中消除某个用户受到的多址干扰得到的信号作为本级PIC结构中该用户的输出信号，下一级PIC结构中该用户的RAKE接收机的输入信号。下一级PIC结构对并行输入的信号进行同样的处理。这样逐级处理，当处理到最后一级PIC结构时，并行输入的信号分别进入各用户的RAKE接收机3。用户的RAKE接收机对输入信号进行解扩、信道估计和多径合并，得到用户的软输出。用户的软输出就是多级PIC结构的最终结果。在接收机中，用户的软输出被送给用户的译码器进行译码。在最后一级PIC结构中，各用户的先验信息无用。

在第k级PIC结构中，我们可以将前一级的符号判决可靠性信息f_i ^(m)(k-1)作为先验信息，作出如下假设：

当 $Y_i^{\left(m\right)(k-1)}\≥0$ 时，

$P\{a_i^{\left(m\right)}=1\}=f_i^{\left(m\right)(k-1)}=P_i^{\left(m\right)(k-1)}...\left(3a\right)$

$P\{a_i^{\left(m\right)}=-1\}=1-f_i^{\left(m\right)(k-1)}=Q_i^{\left(m\right)(k-1)}...\left(3b\right)$

当 $Y_i^{\left(m\right)(k-1)}<0$ 时，

$P\{a_i^{\left(m\right)}=-1\}=f_i^{\left(m\right)(k-1)}=Q_i^{\left(m\right)(k-1)}...\left(3c\right)$

$P\{a_i^{\left(m\right)}=1\}=1-f_i^{\left(m\right)(k-1)}=P_i^{\left(m\right)(k-1)}...\left(3d\right)$

其中，P{·}表示概率。

在以上假设下，应用贝叶斯准则得到f_i ^(m)(k)的新计算公式如下：

当 $Y_i^{\left(m\right)\left(k\right)}\&GreaterEqual;0$ 时，

$f_i^{\left(m\right)\left(k\right)}=\tanh \left\{\frac{{\mathrm{\&mu;}}_i}{{\mathrm{\&sigma;}}_i^2}(Y_i^{\left(m\right)\left(k\right)}-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_i^2}{2{\mathrm{\&mu;}}_i}\ln \left(\frac{Q_i^{\left(m\right)(k-1)}}{P_i^{\left(m\right)(k-1)}}\right))\right\}...\left(4a\right)$

当 $Y_i^{\left(m\right)\left(k\right)}<0$ 时，

$f_i^{\left(m\right)\left(k\right)}=\tanh \{-\frac{{\mathrm{\&mu;}}_i}{{\mathrm{\&sigma;}}_i^2}(Y_i^{\left(m\right)\left(k\right)}-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_i^2}{2{\mathrm{\&mu;}}_i}\ln \left(\frac{Q_i^{\left(m\right)(k-1)}}{P_i^{\left(m\right)(k-1)}}\right))\}...\left(4b\right)$

在第1级PIC结构中，可以令f_i ^(m)(0)满足下式：

$f_i^{\left(m\right)\left(0\right)}=P_i^{\left(m\right)\left(0\right)}=Q_i^{\left(m\right)\left(0\right)}=\frac{1}{2}...\left(5\right)$

在第k＞1级PIC中，采用(3)式先计算P_i ^(m)(k-1)、Q_i ^(m)(k-1)，然后由公式(4)计算f_i ^(m)(k)。

基于先验信息的软判决并行干扰对消方法实现步骤如下：

步骤1：在第k级PIC结构中，用户的RAKE接收机对输入信号进行多径解扩、信道估计、多径合并，并用硬判决器对RAKE接收机的输出进行硬判决。当k＝1时，RAKE接收机的输入信号就是接收信号的基带信号。在后续各级PIC结构中，RAKE接收机的输入信号是前一级PIC结构中相应用户的输出信号。

步骤2：计算每个符号判决结果的可靠性。

第k级PIC结构中，用户i的第m个符号的判决结果为

在第k级PIC结构中，前一级PIC结构送来的用户i的先验信息直接送给本级PIC结构中用户i的可靠性系数生成器。

当k＝1时，按照(5)式计算P_i ^(m)(0)、Q_i ^(m)(0)：

$f_i^{\left(m\right)\left(0\right)}=P_i^{\left(m\right)\left(0\right)}=Q_i^{\left(m\right)\left(0\right)}=\frac{1}{2}...\left(5\right)$

当k＞1时，按照(3)式计算P_i ^(m)(k-1)、Q_i ^(m)(k-1)：

当 $Y_i^{\left(m\right)(k-1)}\&GreaterEqual;0$ 时，

$P\{a_i^{\left(m\right)}=1\}=f_i^{\left(m\right)(k-1)}=P_i^{\left(m\right)(k-1)}...\left(3a\right)$

$P\{a_i^{\left(m\right)}=-1\}=1-f_i^{\left(m\right)(k-1)}=Q_i^{\left(m\right)(k-1)}...\left(3b\right)$

当 $Y_i^{\left(m\right)(k-1)}<0$ 时，

$P$ $\{a_i^{\left(m\right)}=-1\}{=f}_i^{\left(m\right)(k-1)}=Q_i^{\left(m\right)(k-1)}...\left(3c\right)$

$P\{a_i^{\left(m\right)}=1\}=1-f_i^{\left(m\right)(k-1)}=P_i^{\left(m\right)(k-1)}...\left(3d\right)$

在得到P_i ^(m)(k-1)、Q_i ^(m)(k-1)以后，按照(4)式计算 的可靠性系数：

当 $Y_i^{\left(m\right)\left(k\right)}\&GreaterEqual;0$ 时，

$f_i^{\left(m\right)\left(k\right)}=\tanh \left\{\frac{{\mathrm{\&mu;}}_i}{{\mathrm{\&sigma;}}_i^2}(Y_i^{\left(m\right)\left(k\right)}-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_i^2}{2{\mathrm{\&mu;}}_i}ln\left(\frac{Q_i^{\left(m\right)(k-1)}}{P_i^{\left(m\right)(k-1)}}\right))\right\}...\left(4a\right)$

当 $Y_i^{\left(m\right)\left(k\right)}<0$ 时，

$f_i^{\left(m\right)\left(k\right)}=\tanh \{-\frac{{\mathrm{\&mu;}}_i}{{\mathrm{\&sigma;}}_i^2}(Y_i^{\left(m\right)\left(k\right)}-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_i^2}{2{\mathrm{\&mu;}}_i}\ln \left(\frac{Q_i^{\left(m\right)(k-1)}}{P_i^{\left(m\right)(k-1)}}\right))\}...\left(4b\right)$

步骤3：用户信号的加权再生。

由用户的硬判决结果、判决的可靠性系数和信道估计结果计算用户的再生信号。

步骤4：多址干扰的计算。

分别计算各用户受到的多址干扰。计算方法：其他用户再生信号之和就是期望用户受到的多址干扰。

步骤5：干扰对消。

从接收信号的基带信号中减掉用户受到的多址干扰，就得到第k级PIC结构中该用户的输出信号。该信号就是下一级PIC结构中该用户的RAKE接收机的输入信号，重复步骤1-5，进行下一级PIC的计算。

对于最后一级PIC结构，只进行步骤1中多径解扩、多径合并的计算。将多径合并得到的用户的软输出作为多级PIC结构中该用户的最终结果。在接收机中，该结果被送给该用户的译码器进行译码。

Claims (3)

1、基站中基于先验信息的多用户检测装置，包括RAKE接收机、硬判决器、信号再生器、多址干扰的估计与干扰对消装置、以及可靠性系数生成器；RAKE接收机对输入信号进行多径解扩，由解扩结果进行信道估计，然后进行多径合并，并将RAKE合并结果同时送给硬判决器和可靠性系数生成器，同时将信道估计结果送给可靠性系数生成器和信号再生器；硬判决器对RAKE合并结果进行硬判决，并将判决结果送给信号再生器；可靠性系数生成器接收两个输入信号计算硬判决器判决结果的可靠性系数，并将可靠性系数送给信号再生器；信号再生器接收三个输入信号得到用户的再生信号，并将用户的再生信号送给多址干扰的估计与干扰对消装置，多址干扰的估计与干扰对消装置由输入的各用户的再生信号分别计算出各用户的多址干扰，从接收信号的基带信号中消除某个用户的多址干扰得到的信号作为下一级并行干扰对消结构中该用户的RAKE接收机的输入信号；其特征在于，所述的可靠性系数生成器还接收前一级并行干扰对消结构中相应用户的符号判决的可靠性系数，并把该系数作为先验信息，该先验信息与其它两个输入信号一起生成本级并行干扰对消的符号可靠性系数，然后再将该系数分别送给信号再生器和下一级并行干扰对消结构中相应用户的可靠性系数生成器。

2、一种在多用户检测装置中基于先验信息的多用户检测方法，其特征在于，采用把前一级并行干扰对消中符号判决的可靠性系数作为先验信息用以与其它输入一起生成本级并行干扰对消的符号可靠性系数的方法，包括以下步骤：

a、某级并行干扰对消结构中，用户的RAKE接收机对输入信号进行多径解扩、信道估计、多径合并，并用硬判决器对RAKE接收机的输出进行硬判决；

b、该级并行干扰对消结构中，前一级并行干扰对消结构送来的某用户的先验信息直接送给本级并行干扰对消结构中该用户的可靠性系数生成器，生成每个符号判决结果的可靠性系数；

c、由用户的硬判决结果、判决的可靠性系数和信道估计结果得到用户的再生信号；

d、累加其他用户的再生信号就得到期望用户受到的多址干扰；

e、从接收信号的基带信号中减掉用户受到的多址干扰，得到该级并行干扰对消结构中该用户的输出信号，作为下一级并行干扰对消结构中该用户的RAKE接收机的输入信号；

f、重复步骤a-e，进行下一级并行干扰对消的处理；

g、对于最后一级并行干扰对消结构，只进行步骤a中多径解扩、多径合并，将多径合并得到的用户的软输出作为多级并行干扰对消结构中该用户的最终结果。

3、根据权利要求2所述的一种在多用户检测装置中基于先验信息的多用户检测方法，其特征在于，步骤a中所述的RAKE接收机的输入信号是指：

第一级并行干扰对消结构中，RAKE接收机的输入信号为所接收信号的基带信号；

在后续各级并行干扰对消结构中，前一级并行干扰对消结构中相应用户的输出信号为RAKE接收机的输入信号。

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