专利名称：使用并行剩余补偿的自适应加权干扰消除的系统、装置和方法
技术领域：
本发明一般地涉及多址通信系统，更特别地，涉及用于加强多址干扰的抑制的系统、装置和方法。
背景技术：
通常来说，蜂窝通信系统同时向在给定服务区域(例如小区)内的多个用户提供通信信道。这种通信信道包括上行链路，即移动終端到基站的通信信道，和下行链路，即基站到移动终端的通信信道，用来促进与许多用户的双向多址通信。但是，不管采用哪个多址 通信方案，在给定小区中可服务的用户数据都由上限所限制。例如，在时分多址(TDMA)系统中可由各小区容纳的用户数量受时隙数量M限制，其在上行链路和下行链路频带内可获得。这些频带可表现为连续时间频率面，其中M个时隙可在时间频率面内获得。例如，能够与他们各自的基站同时通信的移动终端的数量等于M，由此，第M用户在使用低占空比的上行链路的第M时隙中传送信号能量。从基站到移动终端的接收在下行链路中也类似受限。另ー方面，在码分多址(CDMA)系统中，信号能量连续分布在整个时间频率面上，由此，通过采用宽带编码信令波形，每个用户共享整个时间频率面。这样，在CDMA系统中可同时容纳的用户数量不受时间频率面内可用的时隙数量的限制，但是它是通信信道内存在的用户数量和CDMA系统所采用的处理增益(PG)数量的函数。CDMA系统的PG定义为以赫兹(Hz)表示的扩展信号(spread signal)的带宽与以Hz表示的数据信号带宽的比率。在给定的CDMA信道内传送的用户数量，对所接收到的不理想信号功率的总量起作用，并由此是由CDMA信道内多址用户所引起的干扰信号功率的ー种度量。这样，根据在CDMA接收器处呈现的PG和干扰信号功率，可以计算出可由给定的CDMA信道所支持的用户数量的上限。例如，如果所传送的数据信号的信息带宽为9600Hz并且数据信号的传送带宽为I. 152 兆赫(Mhz)，那么，PG = 1152000/9600 = 120，或者 20. 8 分贝(dB)。此外，如果 CDMA通信系统的可接受的性能所需的比特能量-噪声谱密度比率(Eb/N0)等于6dB，那么，即使出现干扰信号功率超过I 4. SdB的情况，通信装置也能够完成它的目标。也就是说，接收器所允许的干扰容限计算为20. 8-6 = 14. SdB0这样，如果扩展频谱带宽中的每个用户不考虑位置通过理想的功率控制方案向基站天线提供相同量的信号功率，那么，可由该CDMA信道容纳102. 08 = 120位多址(MA)用户。因此，CDMA通信系统的思想是，通过尽可能容纳同信道通信装置的最大数量来消耗干扰容限。如上所述，这些同信道通信装置同时占用频率时间面，这就解释了在CDMA接收器处所见到的干扰或干扰功率。在理论上，如果他们各自的信号相互正交，则能够将CDMA信道内MA用户造成的多址干扰(MAI)減少到零。但是，实际上，同信道干扰，或者来自其他代码的交互相关仍然存在，因为，非同步到达的信号的延迟和衰减的复制品与它们的原始成分不是正交的。类似地，从相邻小区接收的信号对MAI起作用，因为，那些信号是不同步的，并由此与从本地小区接收的信号不正交。传统的CDMA接收器通过使用与用户的信号波形相匹配的滤波器库，将每个用户的信号解调成好像它是唯一呈现的信号。由于用户的信号也包含来自其他代码的交互相关，即干扰，所以随着用户数量的増加，或者随着干扰信号的相对功率变大，匹配的滤波器逐渐显现出不良的性能。这样，要求接收器能够确定在N条可能的消息中哪个是存在这ー干扰时所传送的消息。已知的，基于最大后验概率(MAP)接收器原理的最大似然(ML)序列检测器是优选的接收器，用于执行存在干扰时的这种判定。但是，ML序列检测器的复杂性成指数地相关于正在处理的代码数量，这产生对计算和存储实施的抑制性挑战。 尝试实现性能与复杂性之间良好平衡的现有技术已经产生了大量多用户检测(MUD)研究活动。在这些活动之中，多级并行干扰消除(PIC)技术，由于它相对较低的计算复杂性和良好的性能，为实时实施提供了一种很有希望的算法。特别是，在文献中完全PIC(Complete-PIC)和部分 PIC(Partial-PIC)算法已引起了注意。完全PIC是ー种相减干扰消除方案，其假设来自前ー级的符号检测是正确的。然后，由前一级的检测作出MAI估计量(estimate)，该估计量随后从接收信号中完全减去。如果ー些符号检测是错的，例如，当系统负载较高或者前面的级中有迭代时，将获得错误的干扰估计量，当其从接收信号中减去时，可能会引入比以前存在的更多的干扰。这ー现象导致了传统完全PIC方案中所谓的“乒乓”效应。在这种情况下，消除整个所估计的干扰是不可取的。此时，可以通过在每级中引入权来执行MAI的部分消除，即部分PIC。以每个权的值采用0和I之间的值的约束，通过反复试验找到权。虽然，通过部分PIC实现了针对完全PIC算法的相当好的性能提高，但是已知的，每级中使用的权的选择极大地影响性能。因此，权的不正确选择根本不具有可接受的性能特征。尽管MAI減少技术持续发展，极少研究活动已经研究了这些技术的超大規模集成(VLSI)实施的可行性。虽然，完全PIC和部分PIC算法提供了良好的性能，并具有较低的计算复杂性，但是它们的实时硬件实施仍然极具挑战性。这些算法的商业化特别依赖于找到一种可行的VLSI体系结构，该体系结构能够有效地应用硬件资源，从而在它的设计中实现低功率和低成本。因此，在通信产业中需要ー种MAI減少算法，其超越现有技术，进ー步减少计算复杂性。此外，通过利用MAI減少算法固有的特性，減少了的计算复杂性将有助于其VLSI实施。本发明完成了这些和其他需要，并提供了超越现有技术MAI減少方法的其他优点。
发明内容
为了克服上述现有技术中的缺陷，并且为了克服通过阅读和理解本说明书而了解到的其他缺陷，本发明披露了ー种用于多级、并行剰余补偿(PRC)接收器的系统、装置和方法，用来加强MAI抑制。本发明通过使用由自适应归ー化最小均方(NLMS)算法计算出的用户特定权(user-specific weigh),使得MAI估计精确度得到了改善。在这种方法中,避免了直接干扰消除，并且通过利用多个用户中的共同特性和MAI抑制算法本身的特性，实现了算法复杂性的減少。根据本发明的一个实施例，基于多级、归ー化最小均方(NLMS)的、并行剩余补偿(PRC)接收器包括匹配过滤器级，其被耦合用来接收多用户信号，并适于为每个用户提供表示解调的比特流分组的数据符号。接收器进一歩包括信号重构器，其被耦合用来接收数据符号，并适于为每个用户的数据符号生成调制的表示，以产生多用户信号的复制品；NLMS模块，其被耦合用来接收多用户信号的复制品，并适于计算复制品的加权估计量；和并行剩余补偿(PRC)模块，其被耦合用来接收复制品的加权估计量和多用户信号，并适于从复制品的加权估计量和多用户信号生成公用剩余误差信号。公用剩余误差信号最終从每个用户的数据符号中减去，以消除与每个用户的数据符号相关联的干扰。根据本发明的另ー实施例，在多用户通信系统中估计从多个用户所传送的符号的方法包括计算多用户信号的加权估计量；通过从多用户信号中减去多用户信号的加权估计量，生成公用剰余信号；用功用剰余信号补偿每个用户的信号，从而为每个用户获得消除 干扰的信号；以及为每个用户过滤消除干扰的信号，以获得每个用户所传送符号的估计量。根据本发明的又ー实施例，关注了码分多址(CDMA)芯片组，其包含基于归ー化最小均方(NLMS)的并行剩余补偿(PRC)接收器。接收器包括信号重构电路，其被耦合用来接收多用户信号，并适于为每个用户提供表示解调的比特流分组的数据符号，并进ー步适于为每个用户的数据符号生成调制的表示，以产生多用户信号的复制品。基于CDMA芯片组的接收器进一歩包括NLMS电路，其被耦合用来接收多用户信号的复制品，并适于累计(accumulate)由于多用户信号与多用户信号的加权复制品之间的差而生成的第一和第二加权信号，其中多用户信号的复制品包括第一扩频码(spreading code)比特流，以及第一和第二数据流。基于CDMA芯片组的接收器进一歩包括并行剩余补偿(PRC)电路，其被耦合用来接收多用户信号的加权复制品，并适于从多用户信号的加权复制品生成第一和第二误差信号。第一和第二误差信号从每个用户的数据符号中减去，以消除与每个用户的数据符号相关联的干扰。根据本发明的再ー实施例，关注了用于实现基于归ー化最小均方(NLMS)的并行剰余补偿(PRC)接收器的ー种方法，用于为多用户信号的每个用户减少多址干扰。该方法包括建立两条并行处理路径来对两组用户进行操作，其中每条处理路径以组合逻辑实现，用于连续地对每组用户进行操作。每条处理路径中的连续操作包括为ー组用户中的每个用户估计符号，为ー组用户中的每个用户计算加权的符号，为该组用户中的每个用户计算加权的总和芯片信号，从加权的总和芯片信号中为每个用户生成检测的比特矢量，生成检测的比特矢量的每个比特与每个用户的符号估计量之间的差，将差加入到每个用户的加权符号中，并且一旦检测的比特矢量的所有比特都处理完之后，为每个符号生成消除干扰的信号。描绘出表征本发明的这些和各种其他的优点以及新颖的特性，在其所附的权利要求中详细指出，并形成了其的一部分。但是，为了更好地理解本发明、它的优点以及使用它所获得的目标，将參考形成其一部分的附图及描述，其中图示并描述了根据本发明有代表性的系统、装置和方法的例子。
联系下面图示的实施例描述本发明。图I示出了多用户通信系统的示范性系统图；图2示出了根据本发明的示范 性片上系统(SoC)体系结构；图3示出了根据本发明用于调制器的示范性区域约束体系结构；图4示出了根据本发明用于多级、归ー化最小均方(NLMS)接收器的示范性系统级体系结构；图5示出了根据本发明的示范性多用户匹配过滤器模块；图6示出了根据本发明用于每个符号的基于芯片(chip-basis)更新的示范性循环结构；图7示出了根据本发明的基础Sumsub-MUX-Uni t (SMU)设计模块的示范性模块图；图8示出了图7的基础SMU设计模块的并行方向的示范性模块图；图9示出了根据本发明的示范性SMU加权符号(SMUw)模决图；以及图10示出了根据本发明用于加权总和匹配过滤器(WSMF)和剰余补偿(RC)的示范性模块图。
具体实施例方式本专利文件披露的一部分包括受版权保护的材料。该版权的所有者不反对通过本专利文件或者本专利公开中任何ー个复制再现，因为它显示在专利和商标局的专利文档或记录中，然而在别的方面却无论如何保留所有版权权利。在下面各个示范性实施例的描述中，參考形成其一部分的附图，其中以图示方式显示的各个实施例可实现本发明。应当理解，可采用其他实施例，如可进行结构和操作的改变，而不脱离本发明的范围。一般地，本发明提供了ー种新的、多级并行剰余补偿(PRC)接收器体系结构，用于加强码分多址(CDMA)系统中的多址干扰(MAI)的抑制。使用由自适应归ー化最小均方(NLMS)算法计算出的ー组权，改善了干扰估计的精确度。该算法获得了超越假设完全或者部分干扰消除的传统并行干扰消除(PIC)算法的显著的性能増益。为了减少复杂性，提取多码处理的共同特性，并将其用于导出PRC的结构，从而避免了直接干扰消除。导出的PRC结构将干扰消除从与用户数量的平方成比例的复杂性減少到相对于用户数量呈线性相关的复杂性。此外，本发明关注于使用简单Sumsub-MUX-Unit (SMU)组合逻辑的可升级的片上系统(SoC)VLSI体系结构。所提出的体系结构避免了专用乘法器的使用，这对于在硬件资源配置中实现至少十倍的改善是有效的。应用有效的基于精度C的高级综合(HLS)设计方法，来在FPGA系统中实现这些体系结构。通过调查多级并行性和流水线来实现硬件效率，这产生了超越传统设计的实质性改善。在根据本发明原理的一个实施例中，在专用集成电路(ASIC)内实施增强的MAI抑制算法，该专用集成电路进一歩集成在各CDMA芯片组的物理层(HPY)处理引擎内。实施包括用于NLMS权更新的流水线体系结构、PRC和匹配过滤器元件。此外，本发明关注逻辑元件的优化，以用SMU组合逻辑代替专用乘法器。在替换实施例中，只要对于时间临界模块(time critical block)所需的实时处理可以实现并行性和流水线的适当级别，就可以使用数字信号处理器(DSP)。对于基站和移动终端内利用扩展频谱技术的任何蜂窝通信算法，均可关注本发明的应用。这种通信系统包括CDMA系统，遵照例如CDMA2000、宽带CDMA (WCDMA)、用于WCDMA的高速下行链路分组接入(HSDPA)系统，和其他大容量、多址通信协议。图I显示了多用户通信系统100的示范性系统图,其中用户I至用户K表示至相应基站(未示出)的CDMA上行链路物理层的K个用户。尽管强调图I的CDMA上行链路，本领域普通技术人员应当理解，也存在相应的下行链路，只是没有示出。用户I-K共享公共的单通路信道116，其噪声估计为加性高斯白噪声(AWGN) 114，因此区别一个用户与下ー个用户涉及正交或几乎正交的代码的使用，以调制所传送的比持。扩频模块108-112的正交代码，或所谓的扩频序列，执行必需的调制。
信道编码器102-106向多用户通信系统100提供误差校正功能，由此离散时间输入序列映射到展示冗余的离散时间输出序列。这种冗余对于提供噪声平均特性是有效的，它使得信道解码器128由于噪声、失真、衰减和类似情况而较少地受损于沟道效应。CDMA通信系统100可采用任意数量的调制方案，不过为了图示的原因，讨论扩频模块108-112内的四相相移键控(QPSK)调制方案。使用这种调制方案，用一组ニ进制比
特时0):(n)丨e{0，l},将发送器处第k用户的第n数据符号映射到星座点(constellation
points)。在调制器(未示出)处的符号输出以相等的概率表示为= {- 2bl (n) +1]+ [- 2b\ (n) + l]/}/V2(I)在AWGN信道中，第n符号的第i芯片在接收器130处所接收的复基带信号表示为パ )=IAn)^4n\ck[i+ (n -1)4 + 外)(2)其中ぜ〗和/是第k用户的复信道幅度和传送功率。ck[i+(n-l)N]是第k用户第n符号的第i芯片扩频码，并且值为{+/-I}。N是扩频因子，Ke [1，N]是活动用户的数量，z(i)是带有双面频谱密度N/2的复加性高斯噪声的样本。通过收集ー个符号持续时间内的N个芯片样本到矢量中，所接收矢量的表达式可表示为r =[r(0)r(l)...r(iV-l)](3)可使用匹配过滤器118-122解扩频所接收的信号，并生成多用户的符号的软估计量，如下
Smfq^tCh IN = A*(4)其中5R= C"]/iV是扩频码的交互相关矩阵，上标H表示厄米共轭。当交互相关矩阵沢不为恒等式时，出现MAI。的元素，即，第k用户的符号估计量，由下式给出
权利要求
1.ー种装置，包括 匹配过滤器级，其被耦合用来接收多用户信号，并被配置用来为每个用户提供表示解调的比特流分组的数据符号； 信号重构器，其被耦合用来接收数据符号，并被配置用来为每个用户的数据符号生成调制的表示，以产生多用户信号的复制品； 归ー化最小均方NLMS模块，其被耦合用来接收所述多用户信号的复制品，并被配置用来计算复制品的加权估计量，其中所述NLMS模块被配置为 将多用户信号的复制品与扩频码矢量相乘，从而为复制品的每个码片提取硬判定比特矢量，其中每数据符号存在至少ー个码片； 将所述硬判定比特矢量与累计的符号权值相乘，以产生用于复制品的每个码片的加权估计量； 从用于复制品的每个码片的加权估计量中减去多用户信号，以产生剰余信号； 将累计的符号权值与剰余信号和硬判定比特矢量的乘积相加；以及一旦数据符号每个码片的权累加，就提供最終的符号权值，从而形成复制品的加权估计量；和 并行剩余补偿PRC模块，其被耦合用来接收复制品的加权估计量和多用户信号，并被配置用来从复制品的加权估计量和多用户信号生成公共剩余误差信号，其中从每个用户的数据符号中减去所述公共剩余误差信号，以消除与每个用户的数据符号相关联的干扰。
2.根据权利要求I所述的装置，其中所述NLMS模块包括存储器模块，其被耦合用来存储用于复制品的每个码片的硬判定比特矢量。
3.ー种方法，包括 解调多用户信号，以形成与所述多用户信号的每个用户相关联的比特流； 从与所述多用户信号的每个用户相关联的比特流产生多用户信号的复制品； 解调所述多用户信号的复制品，以获得调制符号，其中一个或多个码片与每ー调制符号相关联； 累加多用户信号的复制品的每个码片的加权值； 从多用户信号中减去复制品的每个码片的加权值，以产生剰余信号； 将调制符号与剰余信号相乘； 将相乘后的调制符号与每个码片的累计加权值相加，以形成多用户信号的加权估计量; 通过从多用户信号中减去多用户信号的加权估计量，生成公用剰余信号； 用所述公用剰余信号补偿每个用户的信号，从而为每个用户获得消除了干扰的信号；以及 为每个用户过滤消除了干扰的信号，以获得每个用户的传送符号的估计量。
4.根据权利要求3的方法，进ー步包括存储用于多用户信号的复制品的每个码片的调制符号。
5.ー种装置，包括 信号重构电路，其被耦合用来接收多用户信号，并被配置用来为每个用户提供表示解调的比特流分组的数据符号，并被配置用来为每个用户的数据符号生成调制的表示，以产生多用户信号的复制品； 归ー化最小均方NLMS电路，其被耦合用来接收所述多用户信号的复制品，并被配置用来累加由于在多用户信号与多用户信号的加权复制品之间的差而生成的第一和第二加权信号，多用户信号的复制品包括第一扩频码比特流以及第一和第二数据流；其中所述NLMS电路包括 a)第一选择解码器，其被耦合用来接收第一扩频码比特流以及 第一和第二数据流，并被配置用来响应于第一扩频码比特流以及第一和第二数据流各自的比特值，生成第一和第二选择信号； b)第一多路复用器电路，其被耦合用户接收第一和第二选择信号以及第一和第二加权信号，并被配置用来提供第一和第二加权信号总和的累积，其中由第一和第二选择信号确定第一和第二加权信号的正负号；和 c)第二多路复用器电路其被耦合用户接收第一和第二选择信号，以及第一和第二误差信号，并被配置用来提供第一和第二误差信号的总和，其中由第一和第二选择信号确定第一和第二误差信号的正负号；以及 并行剩余补偿PRC模块，其被耦合用来接收多用户信号的加权复制品，并被配置用来从多用户信号的加权复制品生成第一和第二误差信号，其中从每个用户的数据符号中减去所述第一和第二误差信号，以消除与每个用户的数据符号相关联的干扰。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述第一选择解码器包括组合逻辑门，以生成第一和第二选择信号。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述组合逻辑门包括 第一异或门，其中对第一扩频码比特流与第一数据流执行异或操作生成第一选择信号；以及 第二异或门，其中对第一扩频码比特流与第二数据流执行异或操作生成第二选择信号。
8.根据权利要求5所述的接收器，其中第一多路复用器电路包括 加法器，其被耦合用来接收第一和第二加权信号，并被配置用于提供第一加权信号与第二加权信号的总和作为第一输出，第一加权信号与第二加权信号的反向总和作为第二输出；和 減法器，其被耦合用来接收第一和第二加权信号，并被配置用于提供第一加权信号与第二加权信号之间的差作为第一输出，第一加权信号与第二加权信号之间的反向差作为第ニ输出。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述第一多路复用器电路进一歩包括第一多路复用器，其被耦合用来接收加法器和減法器的第一和第二输出，并被配置用于响应于第一选择信号选择加法器的第一和第二输出和减法器的第一和第二输出之一。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述第一多路复用器电路进一歩包括第二多路复用器，其被耦合用来接收加法器和減法器的第一和第二输出，并被配置用于响应于第二选择信号选择加法器的第一和第二输出和减法器的第一和第二输出之一。
11.根据权利要求9所述的装置，其中所述第一多路复用器电路进一歩包括连接网络，其被耦合用来根据预定路由方案，将加法器和減法器的第一和第二输出路由给第一和第二多路复用器。
12.根据权利要求5所述的装置，其中所述第二多路复用器电路包括 加法器，其被耦合用来接收第一和第二误差信号，并被配置用于提供第一误差信号与第二误差信号的总和作为第一输出，第一误差信号与第二误差信号的反向总和作为第二输出；以及 減法器，其被耦合用来接收第一和第二误差信号，并被配置用于提供第一误差信号与第二误差信号之间的差作为第一输出，第一误差信号与第二误差信号之间的反向差作为第ニ输出。
13.根据利要求12所述的装置，其中所述第二多路复用器电路进一歩包括第一多路复用器，其被耦合用来接收加法器和減法器的第一和第二输出，并被配置用于响应于第一选择信号选择加法器的第一和第二输出和减法器的第一和第二输出之一。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述第二多路复用器电路进一歩包括第二多路复用器，其被耦合用来接收加法器和減法器的第一和第二输出，并适于响应于第二选择信号选择加法器的第一和第二输出和减法器的第一和第二输出之一。
15.根据权利要求14所述的装置，其中所述第二多路复用器电路进一歩包括连接网络，其被耦合用来根据预定路由方案，将加法器和減法器的第一和第二输出路由给第一和第二多路复用器。
16.—种方法,包括 建立两条平行处理路径，以操作两组用户，其中用组合逻辑实现每条处理路径，以串行操作姆组用户，该串行操作包括， 为ー组用户中的每ー用户估计符号； 通过使用为ー组用户中的每ー用户估计的符号生成权选择信号，来计算ー组用户中每个用户的加权符号； 通过使用权选择信号从多个加权符合组合中选择加权符合，来计算该组用户中每个用户的加权总和码片信号； 从每个用户的加权总和码片信号生成检得比特矢量； 生成在检得比特矢量的每个比特与每个用户的符号估计量之间的差； 将该差与每个用户的加权符合相加；以及 一旦处理了检得比特矢量的所有比特，就生成每个符号的消除了烦扰的信号。
17.根据权利要求16所述的方法，进ー步包括 生成消除了干扰的信号的匹配过滤器输出。
全文摘要
一种用于多级并行剩余补偿(PRC)接收器的系统、装置和方法，用于加强码分多址(CDMA)系统中多址干扰(MAI)的抑制。用由自适应归一化最小均方(NLMS)算法计算出的一组权，改善干扰估计的准确度。为了降低复杂性，提取多码处理的共同特性，并将其用于导出PRC的结构，从而避免直接干扰消除。所导出的PRC结构将干扰消除体系结构从与用户数量平方成比例的复杂性减少到与用户数量呈线性相关的复杂性。通过用简单的组合逻辑代替专用的乘法器电路，进一步降低了复杂性。
文档编号H04B1/7107GK102780509SQ20121012094
公开日2012年11月14日 申请日期2006年2月20日 优先权日2005年2月25日
发明者D·麦凯恩, J·R·卡瓦尔拉罗, 郭远斌 申请人:核心无线许可有限公司