CN1463104A - 同步码分多址系统中基于可靠性的串行干扰抵消方法 - Google Patents

Abstract

同步码分多址系统中基于可靠性的串行干扰抵消方法属于降低干扰的技术领域，其特征在于：干扰抵消按串行方式进行，其顺序根据最大比合并的输出的似然比来决定。似然比绝对值最大的用户首先被检测，并通过信号产生器来生成该用户的干扰信号，该信号从匹配滤波器的输出中消除，再重新进行解扩和最大比合并的过程，重新计算似然比。它在小扩频比如N＝4和大扩频比如N＝128的码分多址系统中误码平台和误码率都很低。它可以支持的用户数也比扩频比大。

Description

同步码分多址系统中基于可靠性的串行干扰抵消方法

技术领域

本发明涉及同步多径信道下码分多址系统的串行干扰抵消方法。本发明特别涉及到在同步多径信道下的码分多址系统中降低由于多址引起的干扰以及提高性能与系统容量的干扰抵消方法。

背景技术

码分多址系统的性能主要受限于干扰，干扰由系统中其它用户的信号引起，原因是由于码分多址系统中用户扩频码的不正交或者是经信道传输后用户信号波形之间不正交。

扩频码的不正交的一个例子是码分多址系统中采用的沃尔什变换加扰码的的扩频方法，实际上相当于随机扩频，在这种码分多址方法中各个用户的扩频用的随机序列之间通常不正交，因此引入了多个用户之间的干扰。再有，经信道传输后用户信号波形之间也可能不正交。考虑两个用户的例子，他们的扩频码或扩频随机序列分别是1、-1、1、-1和1、1、-1、-1，两个码本身是正交的。如果两个用户的信号所经历的信道都没有相位偏移，那么在接收端用户波形也是正交的。但是，如果用户经历信道后等效的扩频码变成了1、-1、1、-1，而用户2的等效扩频码变成了1、1、-1、1。显然两个等效扩频码变得不正交了，因为两个等效扩频码的点积为-2。用户2对用户1的解扩会引起干扰，用户1对用户2的解扩也会引起干扰，这种干扰对应于两个等效扩频码的点积。

幸运的是，多个用户之间的干扰可以采用干扰抵消的方法消除，这属于多用户信号检测的方法。Patel在“Analysis of a simple successive interference cancellation scheme in a DS/CDMAsystem，IEEE Journal on Selected Areas in Communications，Vol.12，No 5，June 1994”一文中就采用了基于用户功率或相关值排序的串行干扰抵消的方法。其干扰抵消的基本原理是为了从包含所有用户信息的总接收信号中检测出所有用户，首先通过简单的解扩方法检测第一个用户，然后模拟出该用户的干扰信号，并将此信号从接收总信号中抵消，重复这种检测、模拟和抵消的过程，直到所有的用户都被检测到。在这种方法中，用户检测的顺序可以不同，可以根据用户功率或相关值的大小来选择检测的顺序。如果用用户功率排序，那么功率最大的用户会首先被检测；如果采用相关值排序，相关值最大的用户就会被首先检测。

但上述两种排序规则下的串行干扰抵消的性能并不是最佳的，因为排在第一位的用户的检测可靠性不一定最高，这是显然的，功率最大不能说明检测的时刻可靠性最大；而且相关值最大也可能是由于其它用户的干扰引起的。串行干扰抵消方法的性能还可以提高。为了提高干扰抵消方法的性能，在干扰抵消的过程中就希望每个用户的信号检测是最准确的，因为用户的检测越准确，该用户的信号模拟产生肯定也越准确，这样就能有效地从接收信号中去除这个用户的干扰。相反，如果用户的检测不正确，那么该用户的信号的重新产生也就不正确了，如果从接收信号中减去这个不正确的信号，还有可能会增强干扰，反而降低了其它用户检测的可靠性。在本发明中，通过采取按可靠性排序的规则来使得每次用户的信号检测都做到可靠性最高，来最大程度地保证干扰抵消的性能。可靠性排序的规则意味着可靠性最大的用户首先被检测，而不是象按用户功率排序方法那样，功率最大的用户首先得到检测，或是象按相关值排序方法那样，相关值最大的用户首先得到检测。

发明内容

本发明是一种同步多径信道下码分多址系统基于可靠性的串行干扰抵消多用户检测方法。可靠性通过用户检测的似然比(或对数似然比)来衡量，在本文中，可靠性、似然比、对数比具有相同的含义。在本发明的方法中，首先计算每个用户的匹配滤波器采样输出的信号检测的似然比，然后从所有用户中选出一个似然比的绝对值最大的用户，并进行解扩频和最大比合并的过程。之后，根据检测到的信息、扩频码和信道信息产生该用户的信号，并将此信号从匹配滤波器的采样输出中去除。此为一轮干扰抵消。一轮干扰抵消后，要重新计算其它用户的检测似然比，并重复上面的过程，直到所有用户都被检测完毕。一轮干扰抵消只检测到一个用户的比特或符号。

本发明的特征在于：

1.它是通过采取按可靠性排序的规则即每个用户的多径合并信号的似然比排序的规则选择具有最大似然比绝对值的用户序号来使得每次用户的信号检测都做到可靠性最高来最大程度地保证干扰抵消性能的。

2.它依次含有如下步骤：(1)对接收信号进行码片匹配滤波采样；(2)对每个信号进行码片比特同步；估计每个用户的信号的可辨析径数；(3)估计多径各径参数，包括幅度和相位；估计噪声方差；(4)计算各个用户的信号可靠性，即对数似然比；(5)按照对数似然比的绝对值的大小对用户排序；(6)对排在第一位的用户进行信号检测，它依次含有以下三个步骤：

(6.1)补偿各径的相位；

(6.2)解扩处理；

(6.3)各径信号加权求和，即最大比合并的瑞克(RAKE)接收；

(6.4)根据RAKE的结果估计传输比特；(7)重建已经检测的用户的干扰信号，并执行干扰抵消；(8)如果没有检测的用户数目多于一个，重复第(4)步到第(7)步，直到没有检测的用户数目为0。

3.在所述的步骤(4)中，当只有一个用户时，直接转入步骤(6)。

4.所述的似然比L_m用下式表示： $L_m=\frac{2{w_m}^T{D}_m{H}_m{c}_m}{\underset{k=1,k\≠m}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left({w_m}^T{D}_m{H}_k{c}_k\right)}^2+\frac{1}{2}{N}_{0}N{w_m}^T{w}_m}{y}_m$

其中，m＝1，2，...，K，K表示用户数；

扩频码为长为N的矢量c_m，N为扩频比；矩阵H_k表示L-1阶多径信道；

h_k(l)(l＝0，1，...，L-1)表示用户k经历的信道的单位冲激响应的以码片速率的采样。w_m是L维的最大比合并时的权重矢量，w_m＝[α₁α₂…α_L]^T， ${\mathrm{\α}}_l=\frac{Z_l^2}{\underset{n=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_n^2,}$ Z₀，Z₁，...，Z_L-1是L个相关器(即解扩器)的输出。D_m是(L)×(N+L-1)维的解扩矩阵，可以表示成

其中，0_l表示l个0组成的列矢量，θ_m,l，l＝0，1，...，L-1表示各径的信道相位偏移。N₀/2：噪声双边功率谱密度，即方差；y_m为用户m解扩并RAKE接收的输出。

本发明描述的基于可靠性排序的串行干扰抵消多用户检测方法很好地解决了码分多址系统中多用户干扰限制系统性能的问题。

附图说明

图1是一个用户的信号发送过程。

图2是在接收机端基于可靠性的干扰抵消的原理框图。

图3是本发明的算法程序流程图。

具体实施方式

图1显示了一个用户的基带信号发送过程。比特(或称为符号)流经过扩频后送往成形滤波器，再送往信道。每个用户的扩频码都不同，而且不相互正交。假设码分多址系统保证用户之间的比特是同步的，即所有用户经历的是同步信道(即使在上行链路中，用户也可以保证在一定的同步范围内，因此同步的假设是合理的)。而在移动的环境下，信道通常表现以多径的形式。本发明涉及的对象是同步多径信道下的多用户干扰抵消信号检测方法。

在干扰抵消方法中，用户的信号检测或干扰抵消的顺序是很重要的。如果错误地选择首先检测可靠性低的用户，不但抵消不了干扰，还可能为其它用户引入更严重的干扰。本发明提出了一种适合同步多径信道下的码分多址系统的干扰抵消方法，它采用了可靠性排序准则。信号检测的可靠性用似然比(或对数似然比)来定义。也就是干扰抵消是根据信号的对数似然比来排序的。

下面列出本发明中同步多径信道下码分多址系统的干扰抵消的方法步骤。步骤4)和5)是本发明的新内容，其它的步骤与文献中的一般干扰抵消方法相同，但为了完整，这里仍然列出所有的步骤。

1)对接收信号进行码片匹配滤波采样；

2)对每个用户进行码片比特同步；估计每个用户的信道的可辨析径数；

3)估计多径各径参数，包括幅度和相位；估计噪声方差；

4)计算各个用户的信号可靠性，即对数似然比；(如果只有一个用户，就不需要计算似然比了，直接跳到第6)步；

5)按照对数似然比的绝对值的大小对用户排序；

6)对排在第一位的用户进行信号检测；

a)补偿每径的相位

b)解扩处理

c)各径信号加权求和，即最大比合并的瑞克(RAKE)接收

d)根据RAKE的结果估计传输比特

7)重建已经检测的用户的干扰信号，并执行干扰抵消；

8)如果没有检测的用户数目多于1个，重复第4)步到第7)步，直到没有检测的用户数目为0；

下面对上述的步骤进行详细阐述。

首先对接收的信号进行匹配滤波。然后对滤波后的信号进行采样，采样率可以采用码片速率的16倍。码片比特同步单元找出码片比特的同步位置，以决定用户的比特的起始位置。在同步多径信道下，所有用户的比特起始位置都是对齐的。码片的同步与多径辨析是同时进行的。由于多径可能刚好不是位于码片的边界上，所以之前的采样率要提高到16倍以上。这个倍数可以根据接收机对多径间隔的分辨精度作出调整。假设分辨出的多径条数达到L。L一般在2到6之间，或更大。

由于多径本身的特性，分辨出的各径的信道畸变因子都不同，并且它们都是随机变化的。第3)步，就是要估计这些信道因子的幅度和相位。相位用来进行信号的相干检测，并和幅度一起用于最大比合并以及计算信号似然比。信道参数的估计方法有导频辅助和盲估计方法两种。前者依靠训练序列，后者根据数据的统计特性进行信道参数的估计。无论哪一种方法都不可能做到百分之百的准确，但并不影响本发明的使用。根据这些估计出的信道参数，同样可以进行似然比的计算和用户排序。另外，估计的噪声方差要用于比特检测可靠性的计算。

在得到信道参数后，就可以计算每个用户信号的似然比了。似然比给出了用户信号检测的可靠性。具体的似然比计算方法将在后面给出。在得到用户信号的可靠性后，就可以对用户排序，并首先检测排在第一位的用户，然后根据该用户的信道参数、扩频码和检测的信息比特重新生成该用户的信号，然后从接收的总信号中扣除。重建信号实际上就是重复图1所示的信号发送的过程，但不进行成形滤波。在同步多径信道中，一轮干扰抵消要进行所有用户的一个比特的检测。下一轮干扰抵消才进行所有用户的下一个比特的检测。

干扰抵消中很重要的一步就是对排在第一位的用户的信号检测。似然比绝对值最大的用户首先被检测，检测的方法就是传统的RAKE接收方法。如果一条无线传播路径中的信号经历了深度衰落，而另一条相对独立的路径中可能仍包含着较强的信号。因此可以在多径信号中选择两个或两个以上的信号，这样作的好处是它对于接收端的瞬时信噪比和平均信噪比都有提高。RAKE接收机就是利用这个原理通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比，即对各路解扩后的信号进行加权求和。假设L个相关器(即解扩器)的输出分别是Z₀，Z₁，...，Z_L-1，其权重分别为α₀，α₁，...，α_L-1权重的大小是由各支路的输出功率或信噪比决定的。如果支路的输出功率或信噪比小，那么相应的权重就小，总的输出信号Z′为 $Z^{\′}=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_l{Z}_l$

权重α_l可用相关器的输出信号总功率归一化，其总和为1，即： ${\mathrm{\α}}_l=\frac{Z_l^2}{\underset{n=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_n^2}$

上面列出的步骤总结于图2，图中的开关当一轮检测与干扰抵消完毕后就扳向虚线一侧，它显示了同步多径信道下码分多址系统本发明的接收机的原理。匹配滤波器输出之后的采样经过解扩和RAKE接收后，可以用来进行传输比特的检测。检测是根据信号检测的似然比的顺序来进行的。似然比最大的用户首先得到检测，然后用检测的比特重新产生该用户的信号，通过减法运算从接收信号中去除产生的信号，也就是从多用户信号中去除了该用户的干扰。接着，剩下的用户的似然比要重新计算，并重新选出一个最大似然比的用户，重复上面的过程，直到所有的用户都检测完毕。这轮干扰抵消就完成了所有用户的一个比特的检测，下一轮干扰抵消将完成所有用户的下一个比特的检测。

从上面的描述中可以看出，串行干扰抵消的关键是用户检测和干扰抵消的顺序。要根据用户信号似然比进行排序，关键要计算出用户信号的似然比。

这部分内容给出同步多径信道下用户信号似然比(或对数似然比)的计算公式。假设进行若干个干扰用户的抵消后，系统内还剩余K个用户，并且假设抵消掉的用户的信号检测是准确的，因此剩余信号中不含有已经检测的用户的干扰。用户k(k＝1，2，...，K)发送的比特用x_k表示，取值于{±1}；扩频码用长为N(N为扩频比)的列矢量c_k表示，L-1阶多径信道用矩阵H_k表示。它们分别可以写成：

c_k＝[c_k(1)…c_k(N)]^T，

其中c_k(i)表示扩频码c_k的第i个元素。

其中h_k(l)(l＝0，1，...，L-1)表示用户k经历的信道的单位冲激响应的以码片速率的采样。

那么在接收端K个用户的信号总和的矢量表示是 $r=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{H}_k{c}_k{x}_k+n$

其中n表示双边功率谱密度为N₀/2的高斯白噪声。用户m，m＝1，...，K的解扩和RAKE接收的输出可以写成 $y_m={w_m}^T{D}_{m}r$ $={w_m}^T{D}_m{H}_m{c}_m{x}_m+{w_m}^T{D}_m\underset{k=1,k\≠m}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{H}_k{c}_k{x}_k+{w_m}^T{D}_{m}n$ 其中w_m是L维的最大比合并时的权重矢量，可以写成

                          w_m＝[α₁α₂…α_L]^TD_m表示(L)×(N+L-1)维的解扩矩阵，可以写成

其中，0_l表示l个0组成的列矢量，θ_m,l，l＝0，1，...，L-1表示各径的信道相位偏移。

观察RAKE接收机的输出的表达式，如果K-1足够大，那么y_m可以用一个高斯随机变量来近似，其数学期望为E{y_m}＝w_mD_mH_mc_mx_m，方差为 $\mathrm{Var}\left\{y_m\right\}=\underset{k=1,k\≠m}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left({w_m}^T{D}_m{H}_k{c}_k\right)}^2+\frac{1}{2}{N}_{0}N{w_m}^T{w}_m.$

用户m的检测对数似然比记为L_m，定义为 $L_m=\log \frac{p[x_m=+1|y_m]}{p[x_m=-1|y_m]},$

其中p表示概率密度函数。由贝叶斯准则，对数似然比可以写成 $L_m=\log \frac{p\left[y_m\right|x_m=+1]}{p[{y_m|x}_m=-1]}+\log \frac{p[x_m=+1]}{p[x_m=-1]},$

可以假设x_m等概分布，那么有 $p[x_m=+1]=p[x_m=-1]=\frac{1}{2}.$ 上式可以写成 $L_m=\log \frac{p\left[y_m\right|x_m=+1]}{p[{y_m|x}_m=-1]}.$

又由于y_m|x_m＝+1和y_m|x_m＝-1都服从高斯分布，因此有 $L_m=\frac{2E\left\{y_m\right|x_m=+1\}{y}_m}{\mathrm{Var}\left\{y_m\right\}}$

将前面必要的公式带入上式有 $L_m=\frac{2{w_m}^T{D}_m{H}_m{c}_m}{\underset{k=1,k\≠m}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left({w_m}^T{D}_m{H}_k{c}_k\right)}^2+\frac{1}{2}{N}_{0}N{w_m}^T{w}_m}{y}_m$

由上式可见，对数似然比需要估计信道参数，噪声方差。它们由图2中的信道估计和噪声方差估计模块完成。

下面，以一个简单的例子来说明如何在码分多址系统中应用基于可靠性的串行干扰抵消多用户检测方法。

在这个例子中，系统内一共有4个用户，他们的扩频码分别是c₁，c₂，c₃和c₄。一般情况下，这4个扩频码之间并不相互正交，因此会引入多用户干扰。多用户干扰对整个系统的性能造成了有害的影响，为了减弱这种影响，可以采用本发明中描述的基于可靠性的串行干扰抵消多用户检测方法。可以按照前面叙述的第1)到8)个步骤进行。

通过1)到3)步，得到或估计得到矩阵H_m，D_m和w_m，以及噪声功率谱密度N₀/2。对每个用户，计算对数似然比L_m，m＝1，2，3，4。假设L₁的绝对值最大，那么首先使用y₁检测用户1，并模拟生成用户1的干扰信号，即H₁c₁x₁，从接收总信号中减去该信号，得到剩余信号r-H₁c₁x₁。

得到去除用户1的剩余信号后要重新计算剩余用户的对数似然比L_m，m＝2，3，4。如果假设这次L₄的绝对值最大，那么这一轮的干扰抵消就将检测用户4，并得到新的没有用户4干扰的剩余信号。再根据新的剩余信号计算L₂和L₃。又假设L₂的绝对值比L₃的大，那么在这一轮干扰抵消中，用户2得到检测，又得到没有用户2干扰的剩余信号。由于现在只剩下用户3没有检测了，不需要计算似然比了，可直接检测。

这样，经过三轮干扰抵消，4个用户全部被检测出来。

Claims (4)

1.同步码分多址系统中基于可靠性的串行干扰抵消方法，它首先通过简单的解扩方法检测第一个用户，然后模拟出该用户的干扰信号，并将此信号从接收总信号中抵消，重复这种检测、模拟和抵消的过程，直到所有的用户都被检测到，其特征在于：它是通过采取按可靠性排序的规则即每个用户的多径合并信号的似然比排序的规则选择具有最大似然比绝对值的用户序号来使得每次用户的信号检测都做到可靠性最高来最大程度地保证干扰抵消性能的。

2.根据权利要求1所述的同步码分多址系统中基于可靠性的串行干扰抵消方法，其特征在于，它依次含有如下步骤：(1)对接收信号进行码片匹配滤波采样；(2)对每个信号进行码片比特同步；估计每个用户的信号的可辨析径数；(3)估计多径各径参数，包括幅度和相位；估计噪声方差；(4)计算各个用户的信号可靠性，即对数似然比；(5)按照对数似然比的绝对值的大小对用户排序；(6)对排在第一位的用户进行信号检测，它依次含有以下三个步骤：

(6.1)补偿各径的相位；

(6.2)解扩处理；

(6.3)各径信号加权求和，即最大比合并的瑞克(RAKE)接收；

(6.4)根据RAKE的结果估计传输比特；(7)重建已经检测的用户的干扰信号，并执行干扰抵消；(8)如果没有检测的用户数目多于一个，重复第(4)步到第(.7)步，直到没有检测的用户数目为0。

3.根据权利要求2所述的同步码分多址系统中基于可靠性的串行干扰抵消方法，其特征在于：在所述的步骤(4)中，当只有一个用户时，直接转入步骤(6)。

4.根据权利要求1或2所述的同步码分多址系统中基于可靠性的串行干扰抵消方法，其特征在于，所述的似然比L_m用下式表示： $L_m=\frac{2{w_m}^T{D}_m{H}_m{c}_m}{\underset{k=1,k\≠m}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left({w_m}^T{D}_m{H}_k{c}_k\right)}^2+\frac{1}{2}{N}_{0}N{w_m}^T{w}_m}{y}_m$

其中，m＝1，2，...，K，K表示用户数；

扩频码为长为N的矢量c_m，N为扩频比；

矩阵H_k表示L-1阶多径信道；

h_k(l)(l＝0，1，...，L-1)表示用户k经历的信道的单位冲激响应的以码片速率的采样。

w_m是L维的最大比合并时的权重矢量，

w_m＝[α₁α₂…α_L]^T， ${\mathrm{\α}}_l=\frac{Z_l^2}{\underset{n=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_n^2,}$ Z₀，Z₁，...，Z_L-1是L个相关器(即解扩器)的输出。

 D_m是(L)×(N+L-1)维的解扩矩阵，可以表示成

其中，0_l表示l个0组成的列矢量，θ_m,l，l＝0，1，...，L-1表示各径的信道相位偏移。

N₀/2：噪声双边功率谱密度，即方差；

y_m为用户m解扩并RAKE接收的输出。

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