一种LTE分布式中继系统中具有自适应噪声门限的上行噪声抑制方法与流程

本发明涉及一种基于滤波器组的上行噪声抑制方法中噪声门限设置的优化，应用于LTE分布式数字中继通信系统中，属于无线通信领域。

背景技术：

由于无线信号的传输特性以及各种不同地形的限制，在信号传输过程中信号持续衰弱，导致信号无法到达一些特定地域，将这些特定区域称为“盲区”，如高楼、地下室、隧道、地铁、城市边缘和郊区等区域，在盲区内人们的移动设备均无法实现有效通信。针对盲区的问题，目前在3GPP(The 3^rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划)协议LTE(Long Term Evolution，长期演进)中引入了中继Relay技术，来延伸无线信号的覆盖。

在现有技术中，LTE分布式数字中继是延伸基站覆盖范围，消除信号覆盖盲区的良好选择。它的作用是对基站或移动台发出的射频信号进行接收并放大后再转发出去，起到一个信号中继放大的作用，是无线通信系统中的一种同频放大设备。LTE数字中继系统通常由一个近端单元和多个分布式的远端单元构成。

其工作的基本原理是：近端单元是面向基站端的，近端单元的施主天线一般安装在施主基站信号较好的位置，这使得中继器可以接收到较为稳定的信号源，从而更好地发挥中继的性能。远端单元是面向用户端的，其硬件电路和功能与近端单元基本类似，二者之间通过光纤或电缆进行连接。在上行链路中，远端单元的射频收发模块通过双工器由一体化天线接收来自用户端的上行射频信号，经一体化射频收发器将射频信号经AD转换为数字信号后传递给数字基带处理模块；在数字基带处理模块中对数字信号进行同步、自动增益控制、数字滤波等处理后，按一定帧格式打包成串行数据，发送给数字接口模块；数字接口模块中根据采用的传输介质的不同，如光纤、电缆，将相应的数字信号转化为光信号或以太网信号发送给近端单元。近端单元的数字接口模块将从远端单元接收到的光信号或以太网信号解帧后转换为相应的数字接收信号；然后数字基带处理模块将多路数字信号进行数字合并后，再经过数字信号处理后，经过射频收发模块的一体化射频收发器将数字信号DA转换为射频信号，最后通过双工器由一体化天线发送给基站。下行链路工作流程是上行链路工作流程的逆过程。

分布式数字中继虽然有扩大了基站的覆盖范围、远距离传输衰落小、组网方式灵活等优点，但是，由于LTE数字光纤直放站其仍然存在基站底噪被抬升的缺点，并严重影响基站的上行接收灵敏度，从而降低了基站的利用率。针对其底噪声抬升的缺点，人们提出了在中继端增加底噪声抑制模块来抑制底噪声的影响，主要是原理是将接收到的LTE数字基带信号通过一个分析滤波器组，得到各资源块子频带数字信号；接着计算出各资源块数字信号的能量，并将当前计算出的能量与设置的噪声门限进行比较，当输入信号能量谱小于噪声门限，则该资源块子频带信号输出为0，若输入信号能量大于噪声门限，才将该资源块子频带输入信号无失真输出。本发明主要针对其中的噪声门限的设置做了进一步的优化。

技术实现要素：

发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于滤波器组的上行噪声抑制方法，适用于LTE通信系统中，用于解决现有技术中LTE数字中继系统存在的基站底噪抬升的问题。

技术方案：一种LTE分布式中继系统中具有自适应噪声门限的上行噪声抑制方法，包括如下步骤：

在远端单元的该底噪声抑制模块中，首先将接收到的LTE上行数字基带信号通过一个分析滤波器组，得到各资源块子频带数字信号；接着将其均通过独立的功率计算单元，计算出各资源块数字信号功率及当前底噪声功率；由自适应噪声门限模块根据计算而得的当前底噪声功率更新当前噪声门限值，得到噪声开启门限和噪声关闭门限；接着在判别单元中将当前计算出各资源块数字信号功率与噪声门限进行比较，当输入信号检测功率值小于噪声关闭门限时，则该资源块子频带信号输出为0，若输入信号检测功率值逐渐增大并大于噪声开启门限时，才将该资源块子频带输入信号无失真输出；各资源块子频带信号通过所述功率计算及所述判别单元后，再通过与分析滤波器组相对应的综合滤波器组，从而得到重构后的LTE数字基带信号。

进一步的，针对经过一个M通道分析滤波器组滤波后各个资源块子频带的数字信号，所述功率计算单元实时计算其信号功率的方法为：通过大小为N的窗口来观察计算窗口内数字符号的平均功率，待计算信号y_k(n)符号依次移位通过窗口即可，检测的功率E_k(n)表示为：

其中数字信号为y_k(n),k＝0,1,...,M-1，为LTE数字基带信号经过M通道分析滤波器组后，得到的第k个资源块子频带的信号；N为功率计算单元窗口大小；y_k(n-i)表示i个采样点前y_k(n)值；

所述功率计算单元计算当前底噪声功率的方法为：分析滤波器滤波后的非LTE上行资源块子频带的信号即为当前底噪声，计算当前底噪声的功率即得到当前环境噪声的功率P_n(i)。

进一步的，所述自适应噪声门限模块中，所述噪声开启门限P_th1(i)，由下式得出：

P_th1(i)＝P_th0+β(i)

其中，P_th0为预先设置的噪声开启门限初始值，β(i)为噪声门限变化量，P_n(i-1)为上一时刻的环境噪声功率，C_p和α是两个控制门限变化的参数，α用于改变门限整体波动趋势快慢，C_p用于改变门限瞬间抖动的范围；

所述噪声关闭门限P_th2(i)由下式得到：

P_th2(i)＝P_th1(i)-Dif(dB)

其中，Dif为噪声开启门限和噪声关闭门限之间的差值，Dif取3～5dB。

有益效果：(1)本发明应用在LTE分布式中继系统的远端单元中，上行传输方向增加底噪声抑制模块，对上行基带数字信号进行滤波器组滤波可以有效去除信号带外噪声的干扰，对滤波后各资源块子频带基带信号的功率检测和门限判别，通过与噪声开启门限和噪声关闭门限的比较，对底噪声进行了抑制。使得该LTE分布式中继系统只对上行有用信号进行放大，从而有效地避免了基站底噪被抬升的缺陷，极大的改善了基站的上行接收灵敏度。

(2)本发明中设置两个噪声门限，即噪声开启门限和噪声关闭门限，而不是传统的一个噪声门限，这样的好处在于避免了判决器开关会频繁切换，造成对有用信号的错误判断带来的截断非线性误差。

(3)本发明中采用自适应噪声门限设置模块对噪声门限进行实时更新，可以使噪声门限值随着环境噪声的变化而变化，使底噪声的抑制更加准确，避免了底噪声变化时噪声判决门限的不合理设置。

附图说明

图1是本发明适用的LTE分布式数字中继系统结构框图。

图2是本发明中上行底噪声抑制模块原理框图。

图3是本发明中自适应噪声门限工作示意图。

图4是本发明中自适应门限方法的噪声开启门限随噪声能量更新情况仿真图。

图5是采用本发明中噪声抑制模块与传统方法的系统误比特率仿真对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

图1是本发明适用的LTE分布式数字中继系统结构框图。如图1，LTE分布式数字中继系统通常由一个近端单元和多个分布式的远端单元构成。近端单元是面向基站端的，近端单元的施主天线一般安装在施主基站信号较好的位置，这使得中继器可以接收到较为稳定的信号源，从而更好地发挥中继的性能。远端单元是面向用户端的，其硬件电路和功能与近端单元基本类似，二者之间通过光纤或电缆进行连接。各远端单元和近端单元之间可以有灵活的组网方式，以满足通信系统的要求。

图2给出了本发明中上行底噪声抑制模块原理框图。如图2，本发明LTE分布式中继系统中底噪声抑制方法以如下步骤进行：

1)依据LTE系统中资源块数目设需要分析滤波器组通道数为M，设该M通道滤波器组的分析滤波器组为H₀(z),H₁(z),...,H_M-1(z)，相应的综合滤波器组为G₀(z),G₁(z),...,G_M-1(z)。将LTE数字基带信号通过该M通道分析滤波器组后，得到各资源块子频带数字信号y₀(n),y₁(n),...,y_M-1(n)。

2)为了实时计算数字信号y_k(n)的功率，通过大小为N的窗口来观察计算窗口内数字符号的平均功率，信号y_k(n)符号依次移位通过窗口即可。检测的功率E_k(n)可表示为：

其中，N为功率计算单元窗口大小；y_k(n-i)表示i个采样点前y_k(n)值。

3)分析滤波器滤波后的非LTE上行资源块子频带的信号即为当前底噪声，计算当前底噪声的功率即得到当前环境噪声的功率P_n(i)。

4)设置自适应噪声门限模块中的噪声开启门限初始值P_th0，控制门限变化的参数C_p和α，P_th0可以降低非白高斯噪声，如带内的谐波、单谱干扰等情况下造成的干扰；由下式得出当前噪声开启门限值P_th1(i)。

P_th1(i)＝P_th0+β(i)

并由得到的噪声开启门限值P_th1(i)按下式计算得到当前噪声关闭门限值P_th2(i)。

P_th2(i)＝P_th1(i)-Dif(dB)

其中，β(i)为噪声门限变化量，P_n(i-1)为上一时刻的环境噪声功率，Dif为噪声开启门限和噪声关闭门限之间的差值，Dif一般取3～5dB。α取得较大时，门限P_th随噪声变化的速度较慢，反之则较快。而C_p可以控制门限跳动幅度直接受输入噪声影响的大小。所以，α主要影响整体波动趋势快慢，C_p主要影响其瞬间抖动的范围。α和C_p的取值应综合考虑决定，和系统功率检测窗口大小、LTE系统的时隙符号数目有很大关系，C_p通常取值0.5～3.0，α可取值100～1000。

5)根据2)中计算的功率值与噪声门限进行比较，若当前系统为噪声抑制状态时，只有计算的能量值E_k(n)大于噪声开启门限P_th1(i)，才让该资源块子频带数字信号无失真通过，系统进入信号通过状态，否则置为0；若当前系统为信号通过状态时，只有计算的能量值E_k(n)小于噪声关闭门限P_th2(i)，才将该资源块子频带数字信号置0，系统进入噪声抑制状态，否则无失真通过。

6)将上述得到的经过噪声抑制的各资源块子频带信号经过步骤1)中的综合滤波器组G₀(z),G₁(z),...,G_M-1(z)，得到重构的数字基带信号x′(n)。x′(n)即为经过底噪声抑制模块后的数字基带信号。

图3为中自适应噪声门限工作示意图。如图3所示，y₀(n),y₁(n),...,y_M-1(n)是从分析滤波器组输出的各个子带的数字信号，通过计算其平方和得到各个子带内的功率及当前环境噪声的功率P_n(i)；自适应门限模块根据当前环境噪声的功率P_n(i)实时更新当前噪声门限值；判决器对各个子带内能量与判决门限进行比较，得到判决结果。

图4给出了本发明中自适应门限方法的噪声开启门限随噪声能量更新情况仿真图。如图4所示，仿真中，控制门限变化的参数α取值为800，C_p取值为2，可以发现，当环境噪声变化时，门限值可以随着环境噪声的变化而自适应地调整。

图5给出了采用本发明中噪声抑制模块与传统方法的系统误比特率仿真对比图。如图4所示，仿真中，n＝2，表示中继系统中有2个远端单元，从仿真曲线可以看出，采用设置本发明方法的噪声抑制模块能够使信号信噪比进一步提升，从而使系统的误比特率得到更好的改善。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。