专利名称：一种新的频域均衡联合部分并行干扰消除接收方法
技术领域：
本发明涉及码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)移动通信系统的频域均衡和干扰消除技术。
背景技术：
移动多媒体业务的不断发展要求未来移动通信系统可以提供更高的数据传输速率。然而，对于这种高速数据传输而言，无线信道将具有更强的频率选择性，这会导致CDMA系统内产生严重的码片间干扰(Inter-chip Interference，ICI)和多址干扰(Multiple Access Interference，MAI)。为了消除上述两种干扰，实际中通常采用的接收方案大致可以分为两类一类是Rake接收机联合干扰消除，另一类是均衡联合干扰消除。但是，当无线信道的频率选择性较强或者系统负载较大时，Rake接收机性能严重恶化，从而造成Rake接收机联合干扰消除这类接收算法出现误码率平台效应，这是因为干扰消除算法的性能与初始级符号估计的准确性密切相关，若初始级符号估计不准确，那么干扰消除算法就不能获得理想的效果，反而还会导致错误扩散。同Rake接收机相比，均衡被认为是抵抗多径信道频率选择性衰落的一种更有效方法，特别是在CDMA系统下行链路中，它可以恢复扩频码之间的正交性，从而可以在消除ICI的同时有效抑制MAI。如果利用快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)将时域均衡变换到频域实现，还可以在不改变均衡算法性能的同时大大降低其计算复杂度。可以说，在性能方面，频域均衡(Frequency Domain Equalization，FDE)要优于Rake接收机；在复杂度方面，频域均衡要比线性多用户检测技术简单得多。因此，针对CDMA系统下行链路的接收设计，频域均衡联合干扰消除算法被认为是一种更有效消除ICI和MAI的多用户接收方案。
需要指出的是，本文的频域均衡指的是迫零频域均衡(ZF-FDE)和最小均方误差频域均衡(MMSE-FDE)。通常，频域均衡算法有三种实现方法循环前缀(Cyclic Prefix，CP)法、补零(Zero-Padding，ZP)法和重叠剪切(Overlap-cut，OC)法。其中，只有重叠剪切法可以在不改变现有空中接口时隙结构的条件下应用。基于重叠剪切法的频域均衡算法原理如图1所示。
此外，根据采用的干扰消除方法不同，频域均衡联合干扰消除方案可以有多种组合方式。干扰消除(Interference Cancellation，IC)是一类非线性多用户检测技术，通常包括串行干扰删除(Successive Interference Cancellation，SIC)、并行干扰删除(Parallel Interference Cancellation，PIC)、部分并行干扰删除(PartialParallel Interference Cancellation，P-PIC)以及混合干扰删除(Hybrid InterferenceCancellation，HIC)。其中，SIC和PIC是最基本最常用的两种类型。但是，由Divsalar提出的P-PIC可以获得比SIC和PIC更好的性能和更快的收敛性，同时其计算复杂度与用户数呈线性关系。考虑到只有用更准确的暂判值重构MAI才能获得更好的接收性能，本文结合频域均衡对传统的P-PIC算法结构进行了改进。
发明内容
本文提出了一种新的频域均衡联合P-PIC接收方法。这种新的接收方法不仅用“频域均衡”代替“Rake接收机”对各个用户的数据信息进行初始估计，而且对传统的P-PIC算法进行了改进，即在干扰消除的每个迭代级首先根据前一个迭代级检测出的数据信息软判决值估计每个用户的能量，然后按照能量由大到小的顺序依次对用户进行部分干扰消除，直到检测出能量最弱用户的数据信息，才完成当前级对全部用户的部分干扰消除。不同于传统的P-PIC重构信号的方式，本文提出的这种新算法在每个迭代级重构较弱用户的MAI时，采用的是当前级已经检测出的较强用户数据信息的硬判决值和当前级还未检测出的更弱用户的数据信息在前一级的硬判决值。不难看出，由于采用了较强用户当前级更可靠的硬判决值来重构较弱用户的MAI，使得当前级中较弱用户数据信息的检测可靠性得到了提高，这样在干扰消除的下一个迭代级中重构较强用户的MAI也就更可靠，从而可以不断提高每个迭代级检测的可靠性。相比于传统的P-PIC，这种新的接收方法不但将SIC算法良好的收敛性引入P-PIC的每个迭代级中来提高整个检测算法的收敛性，而且还通过采用更可靠的暂时硬判决值来提高MAI重构的准确性，进而提高整个多用户接收方法的比特误码率性能。
这种新的接收方法实现简单，可以在不改变现有空中接口时隙结构的情况下，使CDMA系统的性能得到明显改善。
图1基于重叠剪切法的频域均衡原理图 图2新的频域均衡联合部分并行干扰消除接收方法初始级结构图 图3新的频域均衡联合部分并行干扰消除接收方法第j级结构图 图4等功率且满载情况下新的频域均衡联合部分并行干扰消除接收方法误码率性能曲线 图5等功率且满载情况下新的频域均衡联合部分并行干扰消除接收方法不同迭代级误码率性能 图6SNR＝10dB时新的频域均衡联合部分并行干扰消除接收方法误码率性能随用户数变化曲线
具体实施例方式 为了便于对本文提出的接收方法进行描述，首先需要进行系统建模。本文考虑具有K个用户的同步DS-CDMA系统下行链路。在发送端，每个用户的原始信息比特首先经过BPSK调制，然后在时域进行扩频，最后将扩频后的码片序列相叠加，形成下行链路的发射信号为 这里，sk代表第k个用户的发射信号；Ak为第k个用户的信号幅度；dk＝[dk(0)，dk(1)，…，dk(M-1)]T是第k个用户的数据符号且dk(m)∈{-1，+1}，M是每个用户的符号总数；ck代表第k个用户的扩频码矩阵，其定义如下
这里，gk＝[gk(0)，gk(1)，…，gk(N-1)]T是对应于第k个用户的正交沃尔什(Walsh)扩频码，N是扩频增益。
假定发送信号通过的多径信道的时域模型可以用下面的向量表示，即 h＝[h(0)，h(1)，…，h(L-1)]T∈□L×1 (3) 其中，L是多径信道的长度，h(l)代表多径信道第l径的复数衰减因子。如果对时域多径信道模型做Nc点的快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)，可以得到多径信道的频域表示形式为
其中H(w)可由下式得到 那么，DS-CDMA系统下行链路的多径接收信号就可以表示为r＝conv(s，h)+v∈□(MN+L-1)×1 (5) 其中，v＝[v(0)，v(1)，…，v(MN+L-2)]T∈□(MN+L-1)×1代表均值为零且方差为σv2的加性复高斯白噪声(AWGN)；conv是Matlab符号，代表线性卷积。
本文提出的新的频域均衡联合P-PIC接收方法由两部分组成，第一部分是“多用户频域均衡(初始级)”，用来消除多径效应并对各用户的数据符号进行初始估计；第二部分是“改进的多级P-PIC联合单用户频域均衡”，主要用于消除残余的MAI。下面依次对这两部分进行详细说明。
1)首先，根据图2，采用频域均衡算法消除多径效应，检测出各个用户数据符号的初始估计值。具体步骤如下 (a)根据图1将总的接收信号r重叠剪切成NB个数据块，设每个数据块的长度为Nc(Nc＝2n，n为正整数)，前缀和后缀的长度均为Ng(这里要求Ng≥L-1)。那么，第nb(nb＝1，2，…，NB)个重叠剪切数据块在时域可以表示为 (b)通过Nc点的FFT依次将每个时域重叠剪切数据块rnb(nb＝1，2，…，NB)变换到频域，即 其中，FFT是Matlab符号，代表Nc点的快速傅立叶变换。
(c)在频域对每个重叠剪切数据块分别进行均衡，这里的频域均衡可以基于ZF准则或MMSE准则，基于这两种准则的频域均衡系数可依据如下两式计算，即 ·ZF准则 ·MMSE准则 其中，σv2是加性复高斯白噪声的方差，σs2是发送数据符号的方差。
则频域均衡后的输出信号为
其中，
是频域均衡系数矩阵。
(d)采用Nc点的IFFT依次将均衡后的重叠剪切数据块由频域重新变换到时域，得到均衡后的时域重叠剪切数据块为
这里，IFFT是Matlab符号，代表Nc点的快速反傅立叶变换。
(e)依次去掉每个均衡后的时域重叠剪切数据块的前缀/后缀，合并得到均衡后的总信号为
对其进行解扩，得到初始级每个用户数据符号的软判决值为
其中，
是第k个用户信号的幅度估计，Re(·)表示取复数的实部。
对
进行符号判决，就可以得到每个用户的数据符号在初始级的硬判决值为
这里，sgn(·)是正负号函数，用于硬判决。
2)将初始级估计出的各个用户的数据符号的软判决值和硬判决值送入改进的多级P-PIC中进行MAI的重构和消除。由于这种改进的P-PIC算法的每个迭代级具有相同的结构，不失一般性，下面仅以第j(j＝1，2，…，J)个迭代级为例介绍其MAI的重构和消除方式，即首先根据前一级的暂时软判决值计算各用户的能量，然后按能量从大到小的顺序依次对每个用户的数据符号进行当前级的估计，如图3所示。为了便于描述，假定用户1表示能量最强用户，用户2表示能量次强用户，依此类推，用户K表示能量最弱用户。具体步骤如下 (a)在第j个迭代级，首先根据第(j-1)级检测出的每个用户数据信息的暂时软判决值
计算各用户的能量，能量计算依据如下 其中，
表示第k个用户在第j级的能量估计。
(b)按能量从大到小的顺序依次对用户进行部分干扰消除，即先检测用户1的数据信息，再检测用户2的数据信息，直到逐一检测出全部K个用户的数据信息，本级迭代才结束。若检测当前级用户1(能量最强用户)的数据信息，需要用其它(K-1)个用户的数据信息在前一级的硬判决值来重构用户1在当前级的MAI；若检测当前级用户2(能量次强用户)的数据信息，需要用用户1的数据信息在当前级的硬判决值和其它(K-2)个用户的数据信息在前一级的硬判决值来重构用户2在当前级的MAI；依此类推，若检测当前级用户K(能量最弱用户)的数据信息，需要用其它(K-1)个用户的数据信息在当前级的硬判决值来重构用户K的MAI。那么，用户k在第j级的MAI可以表示为
其中，
表示多径信道状态信息的估计值。
(c)从总的多径接收信号r中删除重构的第k个用户的
得到当前级第k个用户的“干净”信号为
(d)采用基于重叠剪切法的频域均衡对当前级第k个用户的“干净”信号去多径。首先，对
进行重叠剪切，然后通过FFT将每个重叠剪切数据块分别变换到频域进行频域均衡，之后再通过IFFT将均衡后的频域重叠剪切数据块重新变换到时域。那么，第k个用户的“干净”信号的笫nb个重叠剪切数据块在第j级均衡后的时域表示为
其中，代表在第j级第k个用户的“干净”信号的第nb个重叠剪切数据块。
(e)去掉每个均衡后的时域重叠剪切数据块
的前缀/后缀，合并得到第k个用户在第j级均衡后的信号
对其进行解扩，再结合第k个用户在第(j-1)级的暂时软判决值
可以得到第k个用户的数据符号在第j级的暂时软判决值为
其中，pj(0＜pj≤1)是第j级的部分干扰消除权重因子，pj的值随着迭代级数的增加而增大，这说明随着迭代级数的增加，检测的可靠性越来越高。
(f)对
进行符号判决，可以得到第k个用户的数据符号在第j级的暂时硬判决值为 仿真结果 (1)仿真条件 为了评估新的频域均衡联合P-PIC接收方法的误码率性能，本文以DS-CDMA系统的下行链路为例进行仿真。具体仿真参数如下无编码系统，调制方式为BPSK，采用16阶Walsh码扩频，码片速率为3.84Mchip/s；信道模型采用TU信道模型，移动速度为50km/h；假设接收端信道估计和幅度估计理想，所有用户等功率接收，重叠剪切数据块的长度Nc＝256，前缀/后缀长度Ng＝64；新的接收方法采用MMSE频域均衡联合4级改进的P-PIC(简记为“MMSE-4NPPIC”)，其中每个迭代级部分干扰消除权重因子的值分别取为p1＝0.6，p2＝0.7，p3＝0.85，p4＝0.95；仿真中传统P-PIC算法每个迭代级中部分干扰消除权重因子的值分别取为p1＝0.6，p2＝0.7，p3＝0.8，p4＝0.9。
(2)仿真结果 图4给出了系统满载情况下本文提出的MMSE-4NPPIC接收方法的平均比特误码率，并与传统的Rake接收机、Rake-4PIC接收方法、Rake-4PPIC接收方法、MMSE-FDE、MMSE-4PIC接收方法、MMSE-4PPIC接收方法进行了误码率比较。仿真结果表明MMSE-4NPPIC接收方法的性能比MMSE-4PPIC检测算法有明显改善，这是因为在MMSE-4NPPIC的每个迭代级重构MAI时采用了当前级更可靠的数据估计值。
图5给出了系统满载情况下4级MMSE-NPPIC检测算法在不同迭代级时的平均比特误码率性能。由图可以看出随着干扰消除迭代级数的增加，MMSE-NPPIC检测算法的误码率性能不断改善，特别是在第一个迭代级和第二个迭代级之间系统性能改善最明显。
图6给出了SNR＝10dB时本文提出的MMSE-4NPPIC接收方法的平均比特误码率随系统用户数变化的情况。由图可以看出随着系统用户数的增加，Rake接收机性能急剧恶化，而本文提出的MMSE-4NPPIC检测算法性能最好，变化趋势最缓慢，特别是当系统接近满载的情况下，MMSE-4NPPIC算法的性能较MMSE-4PIC算法以及MMSE-4PPIC算法的性能改善越明显。
权利要求
1.用于码分多址(CDMA)移动通信系统的一种新的频域均衡联合部分并行干扰消除接收方法，该方法主要包括两部分
第一部分是多用户频域均衡，用于消除多径效应，并对所有用户的数据信息进行初始估计；
第二部分是多级改进的部分并行干扰消除(P-PIC)联合单用户频域均衡，用于消除残余的多址干扰(MAI)。其特征在于在干扰消除的每个迭代级，首先根据前一个迭代级检测出的数据信息软判决值估计每个用户的能量，然后按照能量由大到小的顺序依次对用户进行部分干扰消除，直到检测出能量最弱用户的数据信息，才完成当前级对全部用户的部分干扰消除。不同于传统的P-PIC重构信号的方式，这种改进的P-PIC在每个迭代级重构较弱用户的MAI时，采用的是当前级已经检测出的较强用户数据信息的硬判决值和当前级还未检测出的更弱用户的数据信息在前一级的硬判决值。由于采用了较强用户当前级更可靠的硬判决值来重构较弱用户的MAI，使得当前级中较弱用户数据信息的检测可靠性得到了提高，这样在干扰消除的下一个迭代级中重构较强用户的MAI也就更可靠，从而可以不断提高每个迭代级检测的可靠性。
2.如权力要求1中所述的新的频域均衡联合部分并行干扰消除接收方法，可用于所有的码分多址通信系统。
3.如权力要求1中所述的新的频域均衡联合部分并行干扰消除接收方法中，采用频域均衡消除多径效应并得到各个用户数据信息的初始估计值，其中涉及到的频域均衡的实现方法是灵活的。
4.如权力要求1中所述的新的频域均衡联合部分并行干扰消除接收方法中，采用频域均衡消除多径效应并且得到各个用户数据信息的初始估计值，其中涉及到的频域均衡算法的准则可以是迫零(ZF)准则或最小均方误差(MMSE)准则。
5.如权力要求1中所述的新的频域均衡联合部分并行干扰消除接收方法，在干扰消除的每个迭代级，按照能量由大到小的顺序依次对用户进行部分干扰消除。
6.如权力要求1中所述的新的频域均衡联合部分并行干扰消除接收方法，在干扰消除的每个迭代级，重构能量较弱用户的MAI时，采用的是当前级已经检测出的能量较强用户数据信息的硬判决值和当前级还未检测出的能量更弱用户的数据信息在前一级的硬判决值。
全文摘要
码分多址(CDMA)移动通信系统中一种新的频域均衡联合部分并行干扰消除接收方法。该接收方法首先采用基于重叠剪切法的频域均衡代替Rake接收机对各用户的数据信息进行初始估计，然后在干扰消除的每个迭代级根据用户能量由强到弱的顺序依次对用户进行部分干扰消除；为了提高每个迭代级检测的可靠性，本发明将当前级已经检测出的能量较强用户的数据硬判决值用于重构当前级能量较弱用户的多址干扰(MAI)，使得当前级中较弱用户数据信息的检测可靠性得到了提高，这样在干扰消除的下一个迭代级中重构较强用户的MAI也就更可靠，从而可以不断提高每个迭代级检测的可靠性。
文档编号H04L25/03GK101222460SQ20071030395
公开日2008年7月16日 申请日期2007年12月24日 优先权日2007年12月24日
发明者蕾 曹, 欣 张, 杨大成 申请人:北京邮电大学