多址干擾抑制技術(shù)在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用研究

楚恒林，范建軍，張?zhí)鞓?/p>

（北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094）

多址干擾抑制技術(shù)在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用研究

楚恒林，范建軍，張?zhí)鞓?/p>

（北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094）

航天測(cè)控系統(tǒng)中需要滿足多路擴(kuò)頻信號(hào)的穩(wěn)定傳輸，當(dāng)瞬時(shí)傳遞的同頻點(diǎn)信息路數(shù)增大時(shí)多址干擾成為影響系統(tǒng)性能的主要因素。多址干擾抑制技術(shù)用于降低擴(kuò)頻信號(hào)間偽碼互相關(guān)導(dǎo)致的系統(tǒng)自干擾，提高信道用戶容量和傳輸性能。針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地面測(cè)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈中多址干擾問題，分析了鏈路多址干擾影響模式，對(duì)聯(lián)合檢測(cè)和干擾消除的多用戶檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了介紹和性能對(duì)比，并針對(duì)準(zhǔn)同步傳輸體制研究了其在多址干擾抑制方面的能力。

多址干擾；衛(wèi)星導(dǎo)航；多用戶檢測(cè)；準(zhǔn)同步傳輸；功率控制

0 引言

由于選用的大部分偽碼在信號(hào)相對(duì)延遲區(qū)域內(nèi)不完全正交，擴(kuò)頻系統(tǒng)的傳輸信道中存在系統(tǒng)自干擾，即信號(hào)間的多址干擾［1－4］。對(duì)于信號(hào)接收功率相似的系統(tǒng)，在良好相關(guān)特性的擴(kuò)頻碼下，多址干擾的影響低，通常無需對(duì)其進(jìn)行抑制和處理。當(dāng)用戶容量增大、信息速率提高或接收功率差異大時(shí)，多址干擾會(huì)成為影響系統(tǒng)傳輸性能和可靠性的主要因素。為抑制多址干擾的影響，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用優(yōu)選的偽碼或零相關(guān)區(qū)偽碼、功率控制等，其中多用戶檢測(cè)技術(shù)［5－7］是接收機(jī)基于信號(hào)偽碼和對(duì)信號(hào)的跟蹤參數(shù)，通過矩陣法、自適應(yīng)抵消或參數(shù)估計(jì)方法來提取期望的信號(hào)特征。本文針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用中多址干擾影響問題，對(duì)幾種多用戶檢測(cè)技術(shù)性能進(jìn)行了分析和論述，同時(shí)對(duì)抑制系統(tǒng)多址干擾所涉及的準(zhǔn)同步傳輸體制進(jìn)行了介紹和分析。

1 多址干擾建模

衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)傳輸鏈路中信號(hào)載波和偽碼之間的相位關(guān)系不成比例變化，因此其接收終端偽距測(cè)量只能采用偽碼測(cè)距的方式。接收機(jī)一般采用非相干延遲鎖定跟蹤環(huán)（NC－DLL）的方式實(shí)現(xiàn)偽碼測(cè)距，NC-DLL接收機(jī)的原理框圖如圖1所示。

圖1 NC-DLL接收機(jī)原理

若信道用戶數(shù)為K，則任意地面站接收的信號(hào)可表示為：

以用戶1為期望接收用戶，則接收信號(hào)經(jīng)過NC-DLL的簽相器輸出為：

式中，S（ε，Δ）為沒有噪聲和多址干擾時(shí)的簽相曲線；nT（t，ε）為由噪聲和多址干擾組成的等效噪聲項(xiàng)。

多址干擾引起的噪聲部分很復(fù)雜，要分析這些噪聲相對(duì)環(huán)路跟蹤誤差的影響，需要采用等效簡化的方法或仿真的手段進(jìn)行分析。

多址干擾對(duì)偽碼測(cè)距誤差的影響可以分為隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差兩部分。當(dāng)多址干擾的數(shù)量較多、各路干擾信號(hào)功率均衡且干擾信號(hào)相位近似服從區(qū)間［0，2π）內(nèi)的均勻分布時(shí)，多址干擾可以近似為高斯噪聲，此時(shí)多址干擾引起偽碼測(cè)距隨機(jī)誤差，誤差分析方法與高斯噪聲條件下的分析方法相同；多址干擾引起偽碼測(cè)距的系統(tǒng)誤差不像隨機(jī)誤差那樣可以通過減小偽碼跟蹤環(huán)路帶寬的方法獲得平滑，相對(duì)于隨機(jī)誤差而言會(huì)引起更惡劣的影響，現(xiàn)有文獻(xiàn)中較少涉及這部分內(nèi)容。

2 多用戶檢測(cè)算法

常用的多址干擾抑制算法可以分為聯(lián)合檢測(cè)算法和干擾消除算法兩大類。

2.1 聯(lián)合檢測(cè)算法

聯(lián)合檢測(cè)算法也稱為線性多用戶檢測(cè)算法，其基本思想是利用變換矩陣來消除用戶間的多址干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)多用戶信號(hào)的聯(lián)合解調(diào)。該類算法包括最大似然算法（ML）、迫零算法（ZF）和最小均方誤差算法（MMSE）等算法。

最大似然序列估計(jì)檢測(cè)因其具有最優(yōu)性能也被稱為最佳多用戶檢測(cè)。該檢測(cè)方法原理為預(yù)先產(chǎn)生遍歷的發(fā)送序列集，由接收信號(hào)Y（t）找出發(fā)送序列，即

最大似然估計(jì)算法具有理論最用性能，但其運(yùn)算復(fù)雜度隨用戶數(shù)呈指數(shù)增長，用戶較多情況下難以實(shí)現(xiàn)。

迫零檢測(cè)算法原理為：

根據(jù)本地產(chǎn)生的偽碼序列生成互相關(guān)矩陣R并對(duì)多用戶信號(hào)進(jìn)行功率估計(jì)，由互相關(guān)矩陣R與功率估計(jì)的復(fù)合矩陣H求得變換矩陣G，對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)匹配濾波器輸出向量采用上述方法進(jìn)行多用戶聯(lián)合檢測(cè)，而后進(jìn)行判決估計(jì)得到發(fā)送序列。

迫零檢測(cè)算法能夠消除各用戶信號(hào)之間的干擾，且運(yùn)算復(fù)雜度較低，運(yùn)算復(fù)雜度隨用戶數(shù)線性增加，具有一定的可實(shí)現(xiàn)性，但會(huì)使噪聲功率有所提高。

MMSE檢測(cè)算法基本思想是使多用戶發(fā)送信號(hào)與估計(jì)值之間的均方誤差值最小。其與ZF算法的不同點(diǎn)在于對(duì)變換矩陣G的求解中考慮了噪聲的影響，如下式所示求得變換矩陣G，而后采用與迫零檢測(cè)算法相同的方法進(jìn)行多用戶檢測(cè)與比特判決。

MMSE檢測(cè)算法相比于迫零檢測(cè)，其在削弱多址干擾的同時(shí)也抑制了背景噪聲影響，在一些場景下可以提高檢測(cè)性能，但其在抗遠(yuǎn)近效應(yīng)方面性能不如ZF檢測(cè)。

2.2 干擾消除算法

干擾消除算法也稱為非線性多址干擾抑制算法，其基本原理是在接收端構(gòu)造其他用戶對(duì)期望用戶信號(hào)的干擾，然后進(jìn)行多址干擾的消除。其主要包括串行干擾消除（SIC）和并行干擾消除（PIC）兩大類。

串行干擾消除算法按信號(hào)功率強(qiáng)弱將接收信號(hào)排序，首先檢測(cè)出功率最強(qiáng)的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行判決得到該信號(hào)的估計(jì)值，然后從接收到的信號(hào)中減去該估計(jì)值，作為下一級(jí)匹配濾波的輸入信號(hào)。根據(jù)此方式逐級(jí)進(jìn)行干擾消除和判決，最后得到檢測(cè)結(jié)果。其缺點(diǎn)是功率最強(qiáng)的用戶信號(hào)估計(jì)的可靠性會(huì)起決定性作用，而其估計(jì)的準(zhǔn)確性又難以保證。

并行干擾消除算法是同時(shí)并行地對(duì)每個(gè)用戶的接收信號(hào)進(jìn)行估計(jì)時(shí)減去其他用戶對(duì)其產(chǎn)生的多址干擾，然后再對(duì)消除干擾后的各個(gè)信號(hào)進(jìn)行判決。并行干擾消除往往需要采用多級(jí)結(jié)構(gòu)，以提高干擾消除準(zhǔn)確性，通過對(duì)不同級(jí)的消除添加權(quán)值也衍生出了部分干擾消除（PPIC）等改進(jìn)方法。

除此之外，也有基于2類算法相結(jié)合衍生出的算法，如ZF-SIC算法，將信號(hào)按照功率強(qiáng)弱排序分為多組，組內(nèi)采用ZF算法解相關(guān)，組與組之間采用串行干擾消除，相比于單純的SIC或者ZF算法在算法復(fù)雜度和檢測(cè)性能上具有一定優(yōu)勢(shì)。

3 準(zhǔn)同步傳輸體制

為了優(yōu)化系統(tǒng)性能、減少多址干擾，也可以考慮采取準(zhǔn)同步的時(shí)間同步傳輸體制。即要求各個(gè)站根據(jù)與衛(wèi)星的距離計(jì)算信號(hào)發(fā)射時(shí)刻，使得不同站發(fā)射信號(hào)到達(dá)接收站的時(shí)間偏差小于某個(gè)特定值，滿足準(zhǔn)同步條件。各個(gè)地面站均同步于GNSS導(dǎo)航信號(hào)，從而將衛(wèi)星時(shí)間和各個(gè)地面站同步于一個(gè)共同的時(shí)間基準(zhǔn)，目前采用單向授時(shí)可以容易實(shí)現(xiàn)50 ns的精度。地面站根據(jù)導(dǎo)航電文解算星地距離進(jìn)行反向距離補(bǔ)償。

在準(zhǔn)同步CDMA系統(tǒng)中，常用的擴(kuò)頻碼主要有Walsh序列、LAS碼和移位m序列等。

2.2 兩組患者手術(shù)后情況比較 觀察組手術(shù)后下床活動(dòng)時(shí)間、手術(shù)后肛門排氣時(shí)間及患者手術(shù)后12 h疼痛評(píng)分明顯優(yōu)于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），兩組患者住院費(fèi)用及手術(shù)后住院時(shí)間相比，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。見表3。

3.1 Walsh序列

Walsh序列的正交性只有在同步條件下才能實(shí)現(xiàn)，當(dāng)用戶間擴(kuò)頻序列偏移較大時(shí)，由于擴(kuò)頻碼互相關(guān)性不好，會(huì)引入較大的多用戶干擾，使得系統(tǒng)性能急劇下降。

3.2 LAS碼

LAS碼是具有零相關(guān)窗的一類碼字。只要碼片偏移落在零相關(guān)窗之內(nèi)，就可以消除多址干擾對(duì)系統(tǒng)性能造成的影響。

LAS碼由LA碼和LS級(jí)聯(lián)而成。LA碼可以按如下步驟進(jìn)行構(gòu)造：

①選擇一個(gè)B×R的正交矩陣，一般情況下，R＝B，矩陣的每一行作為一個(gè)正交序列；

②在正交序列元素之間按如下規(guī)則插入不同長度的零串；在插入的所有零串中僅有一個(gè)零串長度未奇數(shù)，每一個(gè)零串長度只能出現(xiàn)一次，任意一個(gè)零串的長度不能是其他任意零串長度之和。

LAS碼是將LS碼插入LA的零間隔中組合成的級(jí)聯(lián)碼。

3.3 移位m序列

利用m序列良好的自相關(guān)特性，可以構(gòu)造出移位m序列。設(shè)m序列的長度為N，零相關(guān)窗要求寬度為M個(gè)碼片，移位m序列的構(gòu)造方法如下：產(chǎn)生一個(gè)長度為N的m序列；對(duì)m序列進(jìn)行循環(huán)移位，移位步徑為M＋1，循環(huán)移位后的序列即為移位m序列。

按照以上方法，基于長度為N的m序列可以構(gòu)造出N／（M＋1）個(gè)移位m序列，而且不同移位m序列的互相關(guān)值均為－1，接近于0。將移位m序列應(yīng)用于準(zhǔn)同步CDMA系統(tǒng)中，產(chǎn)生的多址干擾相對(duì)較小。

準(zhǔn)同步信號(hào)經(jīng)過距離補(bǔ)償和擴(kuò)頻后為：

經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間延遲，地面接收到的信號(hào)為：

式中，cp（t）為第k個(gè)用戶的長碼；ck（t）為第k個(gè)用戶的短碼用以擴(kuò)頻區(qū)分用戶；dk（t）為第k個(gè)用戶的調(diào)制數(shù)據(jù)；cos（ωt）表示調(diào)制方式采用BPSK；τk為第k個(gè)用戶相對(duì)于總站的星地距離延遲時(shí)間。接收站接收到的所有用戶信號(hào)由于距離補(bǔ)償，各站點(diǎn)信號(hào)效果等同于準(zhǔn)同步接入。

4 多址干擾抑制算法仿真

本文對(duì)2類多址干擾抑制算法分別在不同場景條件下進(jìn)行了仿真，對(duì)其干擾消除性能進(jìn)行了分析論證。

不同信噪比情況下，匹配濾波法、ZF、MMSE和ML等算法的誤碼率如圖2所示。系統(tǒng)采用12路不等功率擴(kuò)頻測(cè)控信號(hào)，采用BPSK調(diào)制，功率變化為正負(fù)10 dB，采用C／A碼調(diào)制，擴(kuò)頻比為50，信噪比范圍為－25～15 dB，仿真點(diǎn)數(shù)為3×105。

圖2 12路正負(fù)10 dB不等功率信號(hào)情況下誤碼率曲線

如圖2所示，在強(qiáng)遠(yuǎn)近效應(yīng)以及低擴(kuò)頻增益情況下，多址干擾極其嚴(yán)重，其對(duì)于系統(tǒng)檢測(cè)性能的影響已經(jīng)遠(yuǎn)大于背景噪聲影響。傳統(tǒng)的匹配濾波判決算法誤碼率始終保持在10－1左右，不隨信噪比變化，可見其誤碼來源均主要來自于多址干擾。文中討論的多址干擾抑制算法均可以較為有效的消除多址干擾，ZF算法與MMSE算法性能相近，在－10 dB信噪比下可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于10－3的誤碼率，同時(shí)也可以看到ML具有最優(yōu)的干擾消除和檢測(cè)性能。

相同仿真條件下，12路正負(fù)13 dB不等功率信號(hào)的誤碼率曲線如圖3所示。多址干擾的影響隨遠(yuǎn)近效應(yīng)加重而增強(qiáng)，各算法誤碼率性能均有所降低。

圖3 12路正負(fù)13 dB不等功率信號(hào)情況下誤碼率曲線

不同路數(shù)等功率信號(hào)情況下誤碼率曲線如圖4所示。信號(hào)路數(shù)由4路變化到12路，信號(hào)采用等功率情況，信噪比為－25 dB。在測(cè)控信號(hào)等功率即無遠(yuǎn)近效應(yīng)情況下，多址干擾影響隨信號(hào)路數(shù)增加逐漸增強(qiáng)，相應(yīng)的各算法檢測(cè)誤碼率也逐漸變高。

圖4 不同路數(shù)等功率信號(hào)情況下誤碼率曲線

對(duì)并行干擾消除算法進(jìn)行的研究仿真如圖5所示。系統(tǒng)采用20路不等功率擴(kuò)頻測(cè)控信號(hào)，采用BPSK調(diào)制，功率變化為正負(fù)3 dB，采用CA碼調(diào)制，擴(kuò)頻比為50，信噪比范圍為－15～5 dB，仿真點(diǎn)數(shù)為3×105。圖中二級(jí)PIC采用了PPIC方法，第一級(jí)干擾消除權(quán)值取為0．5。從圖5可以看出，PIC方法具有較好的干擾消除效果，而二級(jí)PIC相比于一級(jí)PIC也具有較大的性能改進(jìn)。

圖5 20路正負(fù)3 dB不等功率信號(hào)情況下PIC誤碼率曲線

5 結(jié)束語

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航在城市和室內(nèi)定位等應(yīng)用增長，同時(shí)當(dāng)站間用戶數(shù)增多時(shí)站間時(shí)間同步的多址干擾的影響必須引起重視。利用已知擴(kuò)頻碼的結(jié)構(gòu)信息與統(tǒng)計(jì)信息來克服多個(gè)用戶之間干擾的多用戶檢測(cè)技術(shù)是克服多址干擾的理論基礎(chǔ)，基于目標(biāo)函數(shù)的并行干擾對(duì)消與線性檢測(cè)方法和非線性檢測(cè)方式相比是目前較為適合工程實(shí)現(xiàn)的算法。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采用準(zhǔn)同步的正交傳輸體制和相應(yīng)功率控制技術(shù)也是抑制多址干擾的有效手段。

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Multi-access Interference Suppression in Satellite Navigation System

CHU Heng-lin，F(xiàn)AN Jian-jun，ZHANG Tian-qiao
（Beijing Satellite Navigation Center，Beijing 100094，China）

Steady transmission of multi-channel spread spectrum signals is required in Space TT＆C system．As the number of in-stantaneous information transmissions at same frequency increases，MAI becomes a key factor that influences system capability．MAI sup-pression is used to depress system self-interference due to PNs cross-correlation，which improves user capability and transmission per-formance．Aimed at MAI on data link of ground TT＆C system for satellite navigation，the link MAI influence mode is analyzed．Multi-user detection technology and its performance analysis are introduced．MAI suppression capability of quasi-synchronous transmission system and power control technology are studied．

MAI；satellite navigation；multi-user detection；quasi-synchronous transmission；power control

TP391．4

A

1003－3106（2015）07－0050－04

10．3969／j．issn．1003－3106．2015．07．14

楚恒林，范建軍，張?zhí)鞓颍嘀犯蓴_抑制技術(shù)在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用研究［J］．無線電工程，2015，45（7）：50－53．

楚恒林男，（1973—），高級(jí)工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航總體論證。

2015-04-08

范建軍男，（1978—），副研究員。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航總體論證。