智能天線與多用戶檢測的聯(lián)合抗干擾模型構(gòu)建

鄧小飛，孫　偉，史　勁

(吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 吉首 416000)

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智能天線與多用戶檢測的聯(lián)合抗干擾模型構(gòu)建

鄧小飛，孫偉，史勁

(吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 吉首 416000)

摘要：聯(lián)合抗多址干擾技術(shù)是目前移動通信技術(shù)研究的熱點.將智能天線與多用戶檢測技術(shù)相結(jié)合可抑制相干干擾，改善系統(tǒng)的誤碼率性能，提高移動通信系統(tǒng)的有效性與可靠性，優(yōu)化無線資源的利用率.提出了采用智能天線接收后進(jìn)行多用戶檢測的CDMA系統(tǒng)模型，并引入基于LMS算法的自適應(yīng)濾波器來消除窄帶干擾.Matlab軟件仿真結(jié)果表明，聯(lián)合抗干擾模型較好地提升了誤碼率性能.

關(guān)鍵詞：CDMA系統(tǒng)；智能天線；多用戶檢測；LMS算法；自適應(yīng)濾波器

CDMA系統(tǒng)中的多址干擾抑制技術(shù)一直是移動通信領(lǐng)域倍受關(guān)注的熱點[1].該系統(tǒng)是一個自干擾系統(tǒng)，信道干擾和碼間干擾成為影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素，其中多址干擾和遠(yuǎn)近效應(yīng)是影響系統(tǒng)容量的主要因素.因此，如何有效地降低或消除諸類干擾而提高系統(tǒng)容量和性能是亟需解決的問題.雖然多用戶檢測技術(shù)能在抑制小區(qū)內(nèi)的干擾及消除遠(yuǎn)近效應(yīng)方面取得比較好的效果，但是對小區(qū)間的干擾消除無用武之力[2].智能天線的引入能最大限度地抑制小區(qū)間干擾，利用其定向接收和分集增益，可以改善信道環(huán)境，有效地降低檢測算法的復(fù)雜性.因此，將智能天線與多用戶檢測技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用到3G通信系統(tǒng)中，具有重要的現(xiàn)實意義[3].筆者從基站接收效果的角度出發(fā)，對智能天線和多級多用戶檢測相結(jié)合的原理、算法和性能進(jìn)行了分析，提出CDMA系統(tǒng)模型，并引入基于LMS算法的自適應(yīng)濾波器來消除窄帶干擾.

1聯(lián)合抗多址干擾模型的構(gòu)建

在CDMA通信系統(tǒng)中，設(shè)有k個用戶同時發(fā)射信號，第k個用戶信息碼為bk(t)，擴(kuò)頻碼為Sk(t)，比特間隔為Tb，每個擴(kuò)頻碼序列包含G個Chip，每個Chip的間隔為Tc，且Tc=Tb/G，擴(kuò)頻碼與信息碼均為±1電平，Pk為接收到的信號功率，ωc為所有發(fā)射信號的載波頻率，其相位為δ，則接收到用戶k 的信號可以表示為

(1)

為了解決多址干擾問題，引入自適應(yīng)數(shù)字濾波器，將多用戶檢測技術(shù)與智能天線技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)CDMA系統(tǒng)與現(xiàn)有模擬、數(shù)字窄帶系統(tǒng)兼容.級聯(lián)多用戶檢測器先估計其他用戶多址干擾值，再將該干擾值從接收信號中逐級相減對消掉，剩下的則為有用信號.當(dāng)接收方接收到的其他用戶發(fā)射信號的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有用信號功率時，有用信號將會被前面的幾級多址干擾檢測噪聲淹沒，從而大大降低檢測性能.首先利用智能天線抑制多址干擾，提高多用戶檢測前輸入信號的干擾比，然后通過自適應(yīng)濾波器減少輸出信號與期望信號的誤差及傳輸失真，最后用多用戶檢測器檢測出有用信號，從而有效地提高系統(tǒng)的檢測性能.

圖1　聯(lián)合抗多址干擾模型

由于自適應(yīng)濾波器建立在數(shù)字濾波器基礎(chǔ)上，基于LMS算法的數(shù)字濾波器具有較好的濾波效果，且有利于加權(quán)向量更新，因此為了簡化模型，將數(shù)字濾波器與前端智能天線共用一個LMS算法.一方面，LMS算法應(yīng)用于信噪比較低的環(huán)境時，算法的收斂性容易受到影響，該模型中，信噪比可以利用前端智能天線提高，保證LMS算法的適用環(huán)境，提高LMS算法的收斂度，自適應(yīng)濾波器的濾波效果也同時得到提升；另一方面，在無線CDMA通信中，用戶和障礙物均分布在不同的地理位置，多址干擾、遠(yuǎn)近效應(yīng)及多徑效應(yīng)都具有時空耦合的結(jié)構(gòu)特征.雖然單一地采用時域或空域處理都能一定程度上抑制這些干擾，但是它們沒有充分利用無線通信信道的時空耦合性，限制了各自的抗干擾能力.智能天線與多用戶檢測的聯(lián)合抗多址干擾模型將接收到的信號先經(jīng)過智能天線技術(shù)對信號進(jìn)行空域處理，再用自適應(yīng)濾波器進(jìn)行時域處理，從而改善CDMA通信系統(tǒng)的性能，其模型如圖1所示.

該模型采用的智能天線包括N個全向陣元，其陣元相距為L，載波波長為λ，用戶入射方向與陣列法線間的夾角為θ，陣元n所接收到的經(jīng)過解調(diào)的基帶信號為xn(n = 1,2,…，N)，高斯白噪聲為nw(m).根據(jù)(1)式，考慮噪聲和干擾，設(shè)陣元n在時刻T(T=mTc)的采樣基帶信號為

(2)

陣列的輸出信號為

令

(3)

LMS自適應(yīng)算法不斷調(diào)節(jié)陣元天線的權(quán)值向量wn，使智能天線產(chǎn)生的定向波束指向特定的移動用戶，干擾用戶從天線的副瓣進(jìn)入，對準(zhǔn)干擾方向進(jìn)行調(diào)零，在盡可能提高陣列輸出所需信號的強(qiáng)度的同時降低噪聲分量Zw(m)的強(qiáng)度，故期望信號能較好地從混合信號中解調(diào)出來.同時，陣列輸出的信干比也逐步得到提高.自適應(yīng)濾波器能實時地對CDMA信道上的干擾進(jìn)行自適應(yīng)地濾除，較好地補(bǔ)償信道干擾的影響.當(dāng)所得的陣列信號通過基于LMS算法的數(shù)字濾波器時，可以估計出所需的統(tǒng)計特性，并通過LMS算法自調(diào)整濾波系數(shù)，使得濾波器的特性隨信號噪聲分量Zw(m)的變化而變化，可以較好地濾除噪聲，減少傳輸失真，從而保證數(shù)字濾波器的輸出信號與發(fā)送信號基本一致.

設(shè)到達(dá)智能天線前端的第k個用戶的有用信號與其他用戶的多址干擾信號的增益為gk，令Pk1=gkPk,采用聯(lián)合抗多址干擾模型進(jìn)行多級多用戶檢測，則通過前端的陣列輸出信號為

通過p級多用戶檢測器后，其誤碼率為

(4)

由(4)式可知，多用戶檢測器的誤碼率與智能天線對有用信號和其他用戶多址干擾功率的抑制大小、檢測級數(shù)p有關(guān)，可以通過調(diào)節(jié)這些參數(shù)來提高信噪比并降低誤碼率.

2仿真結(jié)果及分析

圖2　CDMA系統(tǒng)用戶數(shù)與誤碼率的關(guān)系曲線

在多用戶檢測的CDMA通信系統(tǒng)中，使用獨有的序列來擴(kuò)展信號，采用高斯白噪聲信道，調(diào)制的位信息是通過一個31位的Gold序列來展寬的，信噪比為6 dB，其用戶數(shù)與誤碼率的關(guān)系如圖2所示.

由圖2可知，在采用多用戶檢測技術(shù)的CDMA系統(tǒng)中，信噪比相同但用戶數(shù)不同的條件下，用戶數(shù)增加將導(dǎo)致誤碼率增大.這是由于Gold序列之間的互相關(guān)性不為0，以至于產(chǎn)生不同用戶之間的干擾，即 CDMA系統(tǒng)中的多址干擾和多徑效應(yīng).從而在使用同一類擴(kuò)頻信號的條件下，信道中的用戶數(shù)越多則誤碼率越大，多址干擾的功率越大，通信質(zhì)量越差，系統(tǒng)的容量將受到限制.

設(shè)發(fā)射信號的擴(kuò)頻碼為長度為31位的偽隨機(jī)Gold序列，分別模擬2級與3級多用戶檢測，分析LMS算法的自適應(yīng)天線對CDMA系統(tǒng)性能的影響.設(shè)波達(dá)方向為(θ,φ)=(π/3,π/2)，其中φ為信號入射到陣列上的方位角，θ為仰角，步長因子為0.000 1，Matlab軟件仿真結(jié)果如圖3所示.

由圖3可知，通過智能天線接收信息后，系統(tǒng)的誤碼率性能有了明顯的改善.但當(dāng)多用戶檢測級數(shù)增大時，系統(tǒng)的誤碼率有所降低，在實際應(yīng)用中會增大檢測的復(fù)雜度.因此，采用智能天線接收信息，在一定程度上能降低多用戶檢測級數(shù)，改善系統(tǒng)性能，提高檢測效率，在運(yùn)算復(fù)雜性和系統(tǒng)性能之間取得良好的折中.

3結(jié)語

在信噪比和系統(tǒng)噪聲一定的條件下，當(dāng)接收方的多用戶檢測級數(shù)相同時，采用基于LMS算法的自適應(yīng)天線接收信息，系統(tǒng)的誤碼率性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于未采用智能天線的性能.Mablab軟件仿真實驗結(jié)果表明，智能天線與多用戶檢測的聯(lián)合抗干擾模型能有效降低多級多用戶檢測的誤碼率，較大程度地提升系統(tǒng)容量.

參考文獻(xiàn)：

[1] PENG Mugen，WANG Wenbo,ZHANG Jie.Investigation of Capacity and Call Admission Control Schemes in TD-SCDMA Uplink Systems Employing Smart Antenna Techniques[J].Wireless Communications and Mobile Computing,2010,10(2):241-256.

[2] BOTSINIS PANAGIOTIS,NG SOON XIN,HANZO LAJOS.Fixed-Complexity Quantum-Assisted Multi-User Detection for CDMA and SDMA[J].IEEE Transactions on Communications,2014,62(3):990-1 000.

[3] ALI REZA ENAYATI,PAEIZ AZMI,YAGHOOB TAGHINIA,et al.A Novel Bandwidth Efficient SOC-Based Turbo Coding Scheme Mid Reduced Complexity MUD for SA-Based MC-CDMA Systems[J].Telecommunication Systems,2012,50(2):71-88.

(責(zé)任編輯陳炳權(quán))

Combined Anti-Interference Technology Based on

Smart Antenna and Multi-User Detection

DENG Xiaofei，SUN Wei,SHI Jing

(College of Information Science and Engineering,Jishou University,Jishou 416000,Hunan China)

Abstract:The combined technology against multiple access interference is a new research field.This article combines smart antenna with the multi-user detection to suppress coherent interference and to improve the bit error rate of the system.In addition,it adopts these key technologies for wireless resource utilization.The paper puts forward a CDMA system model of using multi-user detection after smart antenna,and meanwhile introduces the adaptive filter based on LMS algorithm to eliminate the narrow band interference.At last,it analyzes the nature through Matlab simulation.The results show that the joint anti-interference has better bit error rate performance.

Key words：CDMA system;smart antenna;multi-user detection;LMS algorithm;adaptive filter

作者簡介：鄧小飛(1982—)，女，湖南邵陽人，吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院講師，中南大學(xué)博士生，主要從事大系統(tǒng)控制理論、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線通信技術(shù)研究.

基金項目：吉首大學(xué)校級科研資助項目(13JDX007)；吉首大學(xué)大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)與創(chuàng)新性實驗計劃資助項目(JSU-CX-2013-10)

收稿日期：2014-05-20

中圖分類號：TN821.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-2985.2015.02.011

文章編號：1007-2985(2015)02-0052-03