多用戶數(shù)據(jù)傳輸干擾消除方法

陳茹梅，李申陽，陳 昕，王賡浡

（航天恒星科技有限公司 北京100086）

由于CDMA 系統(tǒng)是碼分多址的多址方案， 在實際系統(tǒng)中，碼間干擾（ISO）、多址干擾（MAI）以及系統(tǒng)中強信號對弱信號的抑制（遠近效應）成為CDMA 系統(tǒng)必然存在的幾類主要干擾。MAI 制約著系統(tǒng)的容量，ISO 制約著通信的速率[1]。對ISO 的抑制可以采用均衡或分集技術。 MAI 的產(chǎn)生是由于用戶接收機無法完全同步并采用完全正交的擴頻碼。 各用戶信號間存在一定的相關性，從而產(chǎn)生多址干擾，而抑制MAI 需采用多用戶檢測MUD (Multiuser Detection )技術，降低了系統(tǒng)的誤碼率，提高了帶寬利用率，緩解了“遠近效應”，干擾消除法是多用戶檢測技術的一種，其基本思想就是在接收端先對信號做初步判決，再利用這一初步值估計出每個用戶對其他用戶的多址干擾，產(chǎn)品每個人在其他用戶的接收信號中減掉該用戶產(chǎn)生的多址干擾，得到一個減輕了多址干擾影響的統(tǒng)計量，然后進行檢測[2-3]。

這類檢測方法中一種有效地方法是并行干擾消除算法，能以較低的計算復雜度和較小的處理延時獲得較大的性能改善，其實用性最強。 本方法克服現(xiàn)有技術的不足，提供了一種針對多用戶數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)母蓴_消除方法，以提升現(xiàn)有干擾消除方法的誤碼特性。

1 基本原理

多址干擾消除模塊是同頻多路通信系統(tǒng)中非常關鍵的技術， 適合于CDMA、OFDM、MC-CDMA 等通信體制以及多進制調(diào)制系統(tǒng)。 其主要作用就是增加系統(tǒng)的通信容量，實現(xiàn)有限衛(wèi)星帶寬的有效利用，本文針對多用戶鏈路數(shù)據(jù)傳輸提出了解決限制系統(tǒng)容量的一種消除干擾的方法， 接收端置，對中頻信號解調(diào)后，解擴預判決得到初值，則可完成MAI 再生，做干擾抵消。

目前技術上成熟的多用戶檢測手段很多，性能較好的有最小均方誤差檢測、最大似然檢測等[4]。 然而由于在本多通道解調(diào)器中，實現(xiàn)多用戶檢測是在FPGA 內(nèi)部采用軟件無線電的形式完成的，所以在本方案中采用了算法相對簡單的并行干擾消除的多用戶檢測方法。 該檢測方法其最大優(yōu)點在于算法簡單，且復雜度隨用戶數(shù)據(jù)量增加而呈線性增長[5]。

并行干擾消除檢測器 PIC (Parallel Inteference Cancellation)的基本思想是采用多級結構來實現(xiàn)“判決一再造一消除”的循環(huán)，來提高對用戶信息的估計精度[6]。 在PIC 檢測器在每級中，根據(jù)上一級的輸出在每個用戶的接收信號中去掉由所有其他用戶對它產(chǎn)生的多址干擾，并用修改過的接收信號對每個用戶進行下一級的重新檢測。 每級并行干擾相 消檢測器相消結構原理如圖1 所示。

圖1 原理框圖Fig. 1 Functional block diagram

LMS 算法是基于恢復信號與期望信號均方差最小的原理，實現(xiàn)系統(tǒng)自適應的收斂。 在本系統(tǒng)中，其實現(xiàn)的原理如圖2 示，設接收信號為r(m)，向量，幅度估值為，初值為零向量，則恢復出的信號為：

得到誤差信號為：

則均方誤差可表示為：

式中μ 是一個控制收斂速度與穩(wěn)定性的常數(shù)， 稱為收斂因子，其取值范圍為:

圖2 估值算法原理框圖Fig. 2 Valuation algorithm functional block diagram

其中，λmax是矩陣Rrr的最大特征值。

根據(jù)上述收斂因子的取值范圍，并根據(jù)圖3 示的LMS 算法的系數(shù)更新，對收斂因子的取值進行修正，函數(shù)如下

式中α2≈0.000 1，β2∈(0,1)

α1，β1，α2，β2為函數(shù)系數(shù)，η 為門限值， 實際工程中實現(xiàn)時，η 的選值通過測試得到。該算法的復雜度與用戶數(shù)成正比關系，避免了逆矩陣的計算和，Rrr的先驗統(tǒng)計，極大降低了FPGA 處理實現(xiàn)的難度。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

本方法應用于12 路用戶的系統(tǒng)中， 每路用戶的擴頻偽碼 速 率 可 選，3.069 Mcps，5.115 Mcps，9.6 Mcps，10.23 Mcps，擴頻碼長1023 和2047 可選，偽碼初相任意可配置，每路用戶相互獨立，更改其中一路參數(shù)不影響其他用戶正常工作。

圖3 系數(shù)調(diào)整圖Fig. 3 Coefficient adjustment diagram

在多路信號合成過程中，如圖4 示首先對數(shù)據(jù)與擴頻碼進行模二乘，進行幅度調(diào)節(jié)，可設置各路信號間的幅度差值最大為5 dB，對幅度調(diào)節(jié)后的信號做累加合成，加調(diào)載波，繼而輸出。 在接收端，圖5 示，首先對解調(diào)后的接收信號做匹配解擴，對接收信號的初步判決；干擾消除部分，利用匹配濾波的初步值估計出每個用戶對其他用戶的多址干擾，對除目標用戶外所有用戶的干擾進行求和，在目標用戶接收端減掉該干擾和，得到減輕了多址干擾影響的統(tǒng)計量，然后對干擾消除得到的統(tǒng)計量進行解擴判決， 得到干擾消除后的數(shù)據(jù)，做后端數(shù)據(jù)處理。

在該12 路用戶系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)對每用戶數(shù)據(jù)的恢復，需要把每個用戶的數(shù)據(jù)解擴判決出來，然后通過再調(diào)制恢復成輸入信號，通過LMS 算法，估計出每個用戶信號的幅度，在輸入AD 數(shù)據(jù)中減去其余11 路用戶信號，最終得到干擾消除后的數(shù)據(jù)重新進行數(shù)據(jù)解擴判決。

圖4 多用戶合路信號合成圖Fig. 4 Multi-channel signal synthesis diagram

圖5 多用戶干擾消除系統(tǒng)框圖Fig. 5 Multi-channel interference elimination system block diagram

3 結論

文中與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：通過多址干擾消除及優(yōu)化算法，誤碼率得到有效降低，增加了系統(tǒng)容量；可以針對不同的調(diào)制方式及數(shù)據(jù)速率，靈活適應數(shù)據(jù)、圖像的傳輸要求；對不同信號幅度的用戶合路做處理，最大差距為5 dB；通過采用模塊化設計，在需要時可以進一步增加并行度提高性能。 本方法已經(jīng)成功應用于實際工程中，目前運行良好。

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