多用戶數(shù)據(jù)傳輸干擾消除方法

摘要：文中提出一種針對多用戶數(shù)據(jù)傳輸的干擾消除方法，主要用于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)地面多用戶數(shù)據(jù)鏈路傳輸中的用戶間干擾消除。本文介紹基于并行干擾消除的多用戶檢測方法的基本原理，通過LMS算法推倒用戶幅度信息，給出具體實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型。利用Xilinx Vertix4系列FPGA芯片在系統(tǒng)時(shí)鐘為110 MHz時(shí)對文章提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，該方法使誤碼率得到有效降低，增加系統(tǒng)容量。本方法已應(yīng)用于實(shí)際工程中，性能指標(biāo)良好。

關(guān)鍵詞：多用戶檢測;干擾消除;數(shù)據(jù)傳輸;誤碼率

由于CDMA系統(tǒng)是碼分多址的多址方案，在實(shí)際系統(tǒng)中，碼間干擾(ISO)、多址干擾(MAI)以及系統(tǒng)中強(qiáng)信號對弱信號的抑制(遠(yuǎn)近效應(yīng))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。對ISO的抑制可以采用均衡或分集技術(shù)。MAI的產(chǎn)生是由于用戶接收機(jī)無法完全同步并采用完全正交的擴(kuò)頻碼。各用戶信號間存在一定的相關(guān)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(shù)，降低了系統(tǒng)的誤碼率，提高了帶寬利用率，緩解了“遠(yuǎn)近效應(yīng)”，干擾消除法是多用戶檢測技術(shù)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(jì)出每個(gè)用戶對其他用戶的多址干擾，產(chǎn)品每個(gè)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(gè)減輕了多址干擾影響的統(tǒng)計(jì)量，然后進(jìn)行檢測。

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(jì)算復(fù)雜度和較小的處理延時(shí)獲得較大的性能改善，其實(shí)用性最強(qiáng)。本方法克服現(xiàn)有技術(shù)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(guān)鍵的技術(shù)，適合于CDMA、OFDM、MC—CDMA等通信體制以及多進(jìn)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(shí)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(kuò)預(yù)判決得到初值，則可完成MAI再生，做干擾抵消。

目前技術(shù)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。然而由于在本多通道解調(diào)器中，實(shí)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(diǎn)在于算法簡單，且復(fù)雜度隨用戶數(shù)據(jù)量增加而呈線性增長。

并行干擾消除檢測器。PIC (Parallel Inteference Cancellation)的基本思想是采用多級結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)“判決-再造-消除”的循環(huán)，來提高對用戶信息的估計(jì)精度。在PIC檢測器在每級中，根據(jù)上一級的輸出在每個(gè)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(gè)用戶進(jìn)行下一級的重新檢測。每級并行干擾相消檢測器相消結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1中，為用戶數(shù)據(jù)，Ci(m)為用戶的擴(kuò)頻偽碼，Ai(m)為每個(gè)用戶的幅度，只要從輸入信號r(m)中估計(jì)出上述3個(gè)參數(shù)，就可以恢復(fù)出每個(gè)用戶的信號，在 r(m)中減去其余用戶的信號，在理論上就可以實(shí)現(xiàn)多用戶干擾的消除。按照傳統(tǒng)方法，在接收端完成信號解調(diào)處理后，通過跟蹤環(huán)路可以得到用戶的擴(kuò)頻偽碼 Ci(m)，通過位同步環(huán)路可以得到用戶擴(kuò)頻數(shù)據(jù)的估計(jì)。由于用戶信號幅度的估計(jì)會受到多用戶干擾的影響，帶有互相關(guān)信息，不能簡單的恢復(fù)，因此需要采用基于盲估計(jì)的自適應(yīng)算法消除互相關(guān)信息的影響來得到每個(gè)用戶的幅度信息Ai(m)，加權(quán)系數(shù)λi(m)就是通過LMS(least mean square，最小均方差)算法得到的用戶幅度信息。

LMS算法是基于恢復(fù)信號與期望信號均方差最小的原理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自適應(yīng)的收斂。在本系統(tǒng)中，其實(shí)現(xiàn)的原理如圖2示，設(shè)接收信號為r(m)，向量S(m)= [s1(m)，s2(m)，…，s12(m)]，幅度估值為λ(m)=[λ1(m)，λ2(m)，…，λ12(m)]T，初值為零向量，則恢復(fù)出的信號為：

對λ(m)的求解需要精確知道，Rrr的先驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，并且還需要進(jìn)行矩陣的求逆運(yùn)算，這對系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)造成很大的困難。因此，工程實(shí)現(xiàn)中采用基于最速下降法推導(dǎo)出來的Widrow-Hoff LMS近似算法，其λ(m)的遞推公式為：

λ(m+1)=λ(m)+2με(m)S(m) (4)

式中μ是一個(gè)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：

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(jìn)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(shí)際工程中實(shí)現(xiàn)時(shí)，η的選值通過測試得到。該算法的復(fù)雜度與用戶數(shù)成正比關(guān)系，避免了逆矩陣的計(jì)算和，Rrr的先驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，極大降低了FPGA處理實(shí)現(xiàn)的難度。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本方法應(yīng)用于12路用戶的系統(tǒng)中，每路用戶的擴(kuò)頻偽碼速率可選，3.069 Mcps，5.115 Mcps，9.6 Mcps，10.23 Mcps，擴(kuò)頻碼長1023和2047可選，偽碼初相任意可配置，每路用戶相互獨(dú)立，更改其中一路參數(shù)不影響其他用戶正常工作。

在多路信號合成過程中，如圖4示首先對數(shù)據(jù)與擴(kuò)頻碼進(jìn)行模二乘，進(jìn)行幅度調(diào)節(jié)，可設(shè)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(kuò)，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(jì)出每個(gè)用戶對其他用戶的多址干擾，對除目標(biāo)用戶外所有用戶的干擾進(jìn)行求和，在目標(biāo)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(jì)量，然后對于擾消除得到的統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行解擴(kuò)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(shí)現(xiàn)對每用戶數(shù)據(jù)的恢復(fù)，需要把每個(gè)用戶的數(shù)據(jù)解擴(kuò)判決出來，然后通過再調(diào)制恢復(fù)成輸入信號，通過LMS算法，估計(jì)出每個(gè)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(jìn)行數(shù)據(jù)解擴(kuò)判決。

3 結(jié)論

文中與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)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(yīng)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(shè)計(jì)，在需要時(shí)可以進(jìn)一步增加并行度提高性能。本方法已經(jīng)成功應(yīng)用于實(shí)際工程中，目前運(yùn)行良好。