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CN1433176A - 码分多址移动通信系统中基站的多用户检测方法 - Google Patents

码分多址移动通信系统中基站的多用户检测方法 Download PDF

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CN1433176A
CN1433176A CN 02110546 CN02110546A CN1433176A CN 1433176 A CN1433176 A CN 1433176A CN 02110546 CN02110546 CN 02110546 CN 02110546 A CN02110546 A CN 02110546A CN 1433176 A CN1433176 A CN 1433176A
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Abstract

本发明码分多址移动通信系统中基站的多用户检测方法,采用分段硬判决的方法实现,包括以下步骤:瑞克(RAKE)接收机对输入信号进行多径解扩;由解扩结果进行信道估计,然后进行多径合并,将每个比特的合并结果同时送给硬判决器和阈值计算装置,将信道估计结果送给信号再生器;阈值计算装置由所有用户同一序号的比特的多径合并结果计算得到一个阈值,并将该阈值送给各用户的硬判决器;硬判决器按照该阈值对相应序号的比特的多径合并结果进行硬判决,并将判决结果送给信号再生器;信号再生器由判决结果和信道估计结果得到用户的再生信号,并将再生信号送给多址干扰的估计与干扰对消装置;多址干扰的估计与干扰对消装置由输入的各用户的再生信号计算出各用户的多址干扰;从接收信号的基带信号中消除某个用户的多址干扰得到的信号作为下一级并行干扰对消结构中该用户的瑞克接收机的输入信号;重复以上步骤,直到重复次数与设定的多级并行干扰对消的级数相等,就实现了多级干扰对消;其特征在于,所述的硬判决为分段硬判决。使多用户检测技术的性能提高。

Description

码分多址移动通信系统中基站的多用户检测方法
技术领域
本发明涉及通信系统,尤其涉及码分多址(WCDMA和CDMA2000)蜂窝移动通信系统中基站的多用户检测方法。
技术背景
多用户检测技术是克服多址干扰的影响,提高码分多址(CDMA)系统容量的一种增强型技术。它可以充分利用多个用户的信息,对多个用户信号进行联合检测,从而尽可能地减小多址干扰对接收机性能的影响,提高系统的容量。
1986年Verdu在美国〖IEEE Transactions on Information Theory〗期刊上发表关于最大似然序列检测器的文章。这种检测器是最佳多用户检测器,但是这种检测器复杂度高,而且需要对接收信号幅度和相位信息的估计,这使得最大似然序列检测器难以应用。
次最佳的多用户检测方法大致分为两类:线性检测方法和干扰对消方法。线性检测方法对单用户检测器的软输出进行线性变换,产生一组能够提高性能的新输出。线性检测方法性能较好,但是计算很复杂。干扰对消方法通过其他用户的再生信号估计期望用户的多址干扰,并从接收信号中消除期望用户受到的多址干扰,然后对消除了干扰的信号再进行检测,从而提高系统的性能。
目前干扰对消方法可以分为:串行干扰对消(Serial InterferenceCancellation)和并行干扰对消(Parallel Interference Cancellation)。串行干扰对消方法的性能优于单用户检测器。但是该方法延时较大;需要进行功率排序,计算量较大;对初始信号估计敏感。并行干扰对消方法的性能优于单用户检测器,且延时小,计算复杂性小,是目前最有希望实用的方法。
在传统并行干扰对消方法中,错误的硬判决结果会使并行干扰对消方法的性能降低。针对传统并行干扰对消方法的不足之处,零域硬判决并行干扰对消方法用阈值衡量RAKE接收机多径合并结果的可靠性,根据衡量结果确定相应比特是否参与干扰对消。当RAKE合并结果的绝对值大于或等于阈值时,就认为RAKE合并结果可靠,将相应比特判决为+1或-1,使该比特参与干扰对消;当RAKE合并结果的绝对值小于阈值时,就认为RAKE合并结果不可靠,将相应比特判决为0,使该比特不参与干扰对消。这样就避免了错误的判决结果降低并行干扰对消方法性能的问题。下面,详细介绍零域硬判决并行干扰对消方法。
零域硬判决并行干扰对消方法的多级结构如附图1所示。第一级并行干扰对消(PIC)装置结构11把接收信号的基带信号作为各用户的输入信号,进行处理,得到的各用户的输出信号是下一级PIC结构中各用户的输入信号;第二级PIC结构对各用户的输入信号进行处理,得到的各用户的输出信号是下一级PIC结构中各用户的输入信号;这样逐级处理,最后一级PIC结构12对各用户的输入信号进行处理,得到的各用户的输出信号是多级PIC结构的最终结果。
图2是图1的一个并行干扰对消(PIC)装置结构图。图中各标号表示:用户信号1,2…K、RAKE接收机13、硬判决器14、信号再生器15、多址干扰的估计与干扰对消装置16、阈值计算装置17。从本级输出的各用户信号1,2…K进入下一级PIC结构。
图3是图1的最后一个并行干扰对消装置结构图。从上一级PIC结构输出的用户信号分别输入到各用户RAKE接收机13,本级输出是各用户1,2…K的软输出。
在衰落信道环境下,接收信号的基带信号可以表示为: r ( t ) = Σ i = 1 K Σ l = 1 L a il S i ( t - τ il ) + Z ( t ) . . . . . . . . . . ( 1 ) = Σ i = 1 K Σ l = 1 L a il P i b i ( t - τ il ) c i ( t - τ il ) + Z ( t )
其中,r(t)表示接收信号的基带信号;ail表示第i个用户第l径的信道衰落值,L为径数;τil表示第i个用户第l径的时延;Si(t)表示用户i的发送信号,K表示用户总数;Pi表示用户i的功率;bi(t)表示用户i的比特流, b i ( t ) = Σ m = - ∞ ∞ a i ( m ) p ( t - m T b ) ,
Figure A0211054600052
表示第i个用户的第m个比特,p(t)表示周期为Tb的信号脉冲,在不妨碍方法推导结论的情况下,设p(t)是矩形脉冲(当t∈[0,Tb]时,p(t)=1;当t
Figure A0211054600053
[0,Tb]时,p(t)=0);ci(t)表示用户i的扩频码;Z(t)表示信道噪声。
在第k级PIC结构中,用户i的RAKE接收机的输入信号为
Figure A0211054600054
当k=1时, r i ( 1 ) ( t ) = r ( t ) 。RAKE接收机对
Figure A0211054600056
进行多径解扩,并由解扩结果进行信道估计,然后进行多径合并。用户i的RAKE接收机对第l径的解扩结果为: y i ( m ) ( k ) ( l ) = 1 T b ∫ ( m - 1 ) T b + τ il m T b + τ il r i ( k ) ( t ) c i * ( t - τ il ) dt . . . ( 2 )
其中,l=1,......L。
采用最大比合并,得到RAKE接收机的多径合并结果为: Y i ( m ) ( k ) = Re { y i ( m ) ( k ) } . . . . . . . . ( 3 )
其中, y i ( m ) ( k ) = Σ l = 1 L A il * y i ( m ) ( k ) ( l ) . . . . . . . ( 4 )
Ail
Figure A02110546000510
的估计值。信道估计的具体方法不是本文阐述的内容。
请见图2,RAKE接收机的多径合并结果同时送给硬判决器14和阈值计算装置17,阈值计算装置由所有用户同一序号比特的多径合并结果计算阈值,并将阈值同时送给所有用户的硬判决器。
阈值的计算方法是零域硬判决方法的关键。阈值的计算公式为: TH ( m ) ( k ) = 1 K Σ i = 1 K { | Y i ( m ) ( k ) | - t ( k ) ξ ( m ) ( k ) } . . . . . ( 5 )
其中, ξ ( m ) ( k ) = 1 K Σ i = 1 K { | Y i ( m ) ( k ) | - 1 K Σ j = 1 K | Y j ( m ) ( k ) | } 2 . . . . . . . ( 6 )
t(1)<t(2)<...<t(S),S表示PIC的级数。
上式存在如下问题:
按照公式(5)计算得到的阈值可能出现负值情况,公式中没有对阈值的非负性进行判断;计算公式不简练。
本文对阈值计算公式进行修正,按照如下顺序计算阈值: μ ( m ) ( k ) = 1 K Σ i = 1 K | Y i ( m ) ( k ) | . . . . . . . ( 7 ) σ ( m ) ( k ) = 1 K Σ i = 1 K { | Y i ( m ) ( k ) | - μ ( m ) ( k ) } 2 . . . . . . . . . . ( 8 ) TEMP _ T H ( m ) ( k ) = 1 K Σ i = 1 K | Y i ( m ) ( k ) | - t ( k ) σ ( m ) ( k ) . . . . ( 9 )
         =μ(m)(k)-t(k)σ(m)(k)
当TEMP_TH(m)(k)>0时,TH(m)(k)=TEMP_TH(m)(k)当TEMP_TH(m)(k)≤0时,TH(m)(k)=0              (10)
该阈值计算公式有一个参数:t(k)。当t(k)增大时,计算得到的阈值较小,即用来衡量RAKE合并结果可靠性的门限较低,这样就有较多的用户的第m个比特参加干扰对消;当t(k)减小时,计算得到的阈值较大,即用来衡量RAKE合并结果可靠性的门限较高,这样只有较少用户的第m个比特参加干扰对消。选择合适的t(k)值,可以使所有可靠的用户的第m比特参加干扰对消,而不可靠的用户不参加干扰对消。
具体地讲:当信噪比较大时,RAKE合并结果可靠性较大,硬判决的误码率较低,可以令t(k)较大,使较多的用户参加干扰对消;当信噪比较小时,RAKE合并结果可靠性降低,硬判决的误码率较高,可以令t(k)较小,抬高可靠性门限,只使那些RAKE合并结果较大的用户参加干扰对消。
随着级数的增加,RAKE合并结果的可靠性增大,硬判决的误码率降低,因此,当级数增大时,可以令t(k)值增大。
用户的硬判决器根据阈值对RAKE合并结果进行硬判决,就得到第k级PIC方法的判决结果。对第i个用户第k个比特的判决结果为: a ^ i ( m ) ( k ) = nsgn { Y i ( m ) ( k ) } . . . . . . ( 11 ) 其中,
Figure A0211054600072
x为自变量,TH(m)(k)>0为阈值。
从公式(11、12)可以看到,零域硬判决方法用阈值衡量RAKE合并结果的可靠性。当RAKE合并结果的绝对值大于或等于阈值时,RAKE合并结果可靠,将该比特判决为+1或-1,参与干扰对消;当RAKE合并结果的绝对值小于阈值时,RAKE合并结果不可靠,将该比特判决为0,该比特不参与干扰对消。这样就避免了错误的判决结果降低PIC方法性能的问题。
硬判决器14的函数形式如图4所示。对判决结果进行进一步的处理,包括信号再生器15的信号再生、多址干扰的估计与干扰对消装置16的多址干扰的估计与干扰对消,就得到第k级PIC结构中用户i的输出信号。该信号就是(k+1)级PIC结构中用户i的RAKE接收机的输入信号。第k级PIC结构中,用户i的再生信号可以表示为: g i ( k ) ( t ) = Σ l = 1 L A il Σ n = - ∞ ∞ a ^ i ( m ) ( k ) p ( t - n T b - τ il ) c i ( t - τ il ) . . . . . . ( 13 )
由其他(K-1)个用户的再生信号,可以得到用户i的多址干扰(MAI)的估计: I i ( k ) = Σ j = 1 j ≠ i K g j ( k ) ( t ) . . . . . . . . ( 14 ) = Σ j = 1 j ≠ i K Σ l = 1 L A il Σ n = ∞ ∞ a ^ j ( n ) ( k ) p ( tn T b τ il ) c j ( tτ il ) 对第i个用户,按照下式从接收信号中消除其他用户产生的MAI: r i ( k + 1 ) ( t ) = r ( t ) - I ^ i ( k ) . . . . . . . ( 15 )
Figure A0211054600084
是第k级PIC结构中用户i的输出信号。该信号是第(k+1)级PIC结构中用户i的RAKE接收机的输入信号。
在S级PIC方法的最后一级PIC结构(见附图3)中,用户i的RAKE接收机对输入信号 进行多径解扩、信道估计、多径合并,多径合并得到的用户i的软输出就是S级PIC方法中用户i的最终结果。该结果被送给用户i的译码器进行译码。最后一级PIC结构不包括信号再生和多址干扰的估计与干扰对消装置。
零域硬判决方法根据阈值将RAKE合并结果分为两类:可靠和不可靠。当RAKE合并结果可靠时,相应的比特参加干扰对消;当RAKE合并的结果不可靠时,相应比特不参加干扰对消。在不同级的PIC结构中,零域硬判决方法对RAKE合并结果的处理方式是一样的。
事实上,不同级的PIC结构中RAKE合并结果的可靠性并不一样。在第一级PIC结构中,RAKE合并结果的可靠性最差;在第二级PIC结构中,由于第一级PIC结构中干扰对消的作用,使第二级PIC结构中RAKE合并结果的可靠性增强;同样,第二级PIC结构中的干扰对消,使第三级PIC结构中RAKE合并结果的可靠性进一步增强。因此,随着级数的增加,RAKE合并结果的可靠性增强。所以,在不同级的PIC结构中,零域硬判决方法对RAKE合并结果采用完全一样的处理方式并不合理:在各级PIC结构中,判决为可靠的用户完全地参与干扰对消,判决为不可靠的用户不参加干扰对消。
虽然,零域硬判决方法有效地提高了传统并行干扰对消方法在较低信噪比下的性能,但是提高的幅度有限。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有多用户检测技术中零域硬判决方法的不足,而提供的一种分段硬判决并行干扰对消方法,使多用户检测技术的性能得到提高。
为了实现本发明的目的,本发明采取的技术方案是:码分多址移动通信系统中基站的多用户检测方法,其特征在于,采用分段硬判决的方法实现,包括以下步骤:
a、瑞克接收机对输入信号进行多径解扩;
b、由解扩结果进行信道估计,然后进行多径合并,并将多径合并结果同时送给硬判决器和阈值计算装置,将信道估计结果送给信号再生器;
c、阈值计算装置由所有用户同一序号的比特的多径合并结果计算得到一个阈值,并将该阈值送给各用户的硬判决器;
d、用户的硬判决器按照该阈值对相应序号的比特的多径合并结果进行硬判决,并将判决结果送给信号再生器;
e、信号再生器由判决结果和信道估计结果得到用户的再生信号,并将再生信号送给多址干扰的估计与干扰对消装置;
f、多址干扰的估计与干扰对消装置由输入的各用户的再生信号计算出各用户的多址干扰;从接收信号的基带信号中消除某个用户的多址干扰得到的信号作为下一级并行干扰对消结构中该用户的瑞克接收机的输入信号;
g、重复步骤a~f,直到重复次数与设定的多级并行干扰对消的级数相等,就实现了多级干扰对消;
其特征在于,所述的d步骤中的硬判决为分段硬判决,由判决器按照阈值对相应序号的比特的多径合并结果分段进行判决,当比特的瑞克合并结果等于0时,就将相应比特硬判决为0;当比特的瑞克合并结果的绝对值大于等于阈值,且瑞克合并结果大于0时,就将相应比特硬判决为γk;当瑞克合并结果的绝对值大于等于阈值,且瑞克合并结果小于0时,就将相应比特硬判决为-γk;当瑞克合并结果的绝对值小于阈值,且瑞克合并结果大于0时,就将相应比特硬判决为βk;当瑞克合并结果的绝对值小于阈值,且瑞克合并结果小于0时,就将相应比特硬判决为-βk
上述码分多址移动通信系统中基站的多用户检测方法,其中,分段硬判决中,γk和βk的取值范围是:0≤βk≤γk≤1,且随着级数k的增大,γk和βk的值增大。
由于本发明采用了以上的技术方案,分段硬判决方法的判决公式中融入了新的信息:不同级的PIC结构中,RAKE合并结果的可靠性并不一样;随着级数的增加,根据RAKE合并结果判决为可靠的比特参与干扰对消的力度更强;根据RAKE合并结果判决为不可靠的比特参与干扰对消的强度也增大。
附图说明
本发明的具体性能特点由以下的实施例进一步说明。
图1是已有技术零域硬判决并行干扰对消接收机的多级结构示意图。
图2是图1的PIC结构示意图。
图3是图1的最后一级PIC结构示意图。
图4是已有技术零域硬判决并行干扰对消方法的硬判决器函数形式示意图。
图5是本发明分段硬判决并行干扰对消方法的硬判决器函数形式示意图。
具体实施方式
本发明码分多址移动通信系统中基站的多用户检测方法,请配合参阅图1,接收信号的基带信号r(t)以并行方式进入图中的第一级PIC结构。请配合参阅图2,并行进入PIC结构的输入信号分别进入各用户的RAKE接收机13。RAKE接收机先对输入信号进行解扩,然后由解扩结果进行信道估计,最后进行多径合并,并将多径合并结果同时送给硬判决器和阈值计算装置17,将信道估计结果送给信号再生器15。阈值计算装置由所有用户同一序号的比特的多径合并结果计算得到一个阈值,并将该阈值送给各用户的硬判决器。用户的硬判决器根据该阈值对相应序号的比特的多径合并结果进行硬判决,并将判决结果送给信号再生器。多径解扩公式为(2),多径合并公式为(3、4)。判决器的具体判决公式为(16、17),阈值的计算公式可以沿用公式(7-10)。信号再生器由判决结果和信道估计结果得到用户的再生信号,并将再生信号送给多址干扰的估计与干扰对消装置16。信号再生公式为(13)。从图中可以看到:接收信号的基带信号r(t)也进入多址干扰的估计与干扰对消装置16。该装置由并行输入的各用户的再生信号估计各用户受到的多址干扰,从接收信号的基带信号r(t)中消除某个用户受到的多址干扰得到的信号作为本级PIC结构中该用户的输出信号,下一级PIC结构中该用户的输入信号。多址干扰的估计与干扰对消的公式为(14、15)。下一级PIC结构对并行输入的信号进行同样的处理。这样逐级处理,当处理到最后一级PIC结构时,并行输入的信号分别进入各用户的RAKE接收机13。用户的RAKE接收机对输入信号进行解扩、信道估计和多径合并,得到用户的软输出。用户的软输出就是多级PIC结构的最终结果。在接收机中,用户的软输出被送给用户的译码器进行译码。
本发明分段硬判决方法的硬判决过程如公式(16、17)所示。在分段硬判决方法中,阈值的计算方法可以沿用零域硬判决中阈值的计算方法,例如:我们可以用公式(7-10)计算阈值,然后按照公式(16、17)进行分段硬判决。本发明分段判决是这样的:硬判决器按照阈值对比特的多径合并结果分段进行硬判决:当比特的瑞克合并结果等于0时,就将相应比特硬判决为0;当比特的RAKE合并结果的绝对值大于等于阈值,且RAKE合并结果大于0时,就将相应比特硬判决为γk;当RAKE合并结果的绝对值大于等于阈值,且RAKE合并结果小于0时,就将相应比特硬判决为-γk;当RAKE合并结果的绝对值小于阈值,且RAKE合并结果大于0时,就将相应比特硬判决为βk;当RAKE合并结果的绝对值小于阈值,且RAKE合并结果小于0时,就将相应比特硬判决为-βk
分段硬判决中,γk和βk取值范围是:0≤βk≤γk≤1,且随着级数k的增大,γk和βk的值增大。
下面以公式来说明。在第k级PIC结构中,分段硬判决方法的判决公式如下: a ^ i ( m ) ( k ) = ssgn { Y i ( m ) ( k ) } . . . . . . . ( 16 ) 其中,
x为自变量,TH(m)(k)>0为阈值,0≤βx≤γx≤1。
从分段硬判决方法的判决公式可以看到:当比特的瑞克合并结果等于0时,就将相应比特硬判决为0;当RAKE合并结果的绝对值大于等于阈值时,该结果比较可靠,可以硬判决为±γk,使该比特以较大力度参与干扰对消;当RAKE合并结果的绝对值小于阈值时,该结果并不可靠,可以将该比特硬判决为±βk,使该比特部分地参与干扰对消。随着级数k的增大,RAKE合并结果的可靠性增强。所以,随着级数的增大,可以令βk、γk值增大。分段硬判决PIC的硬判决器函数形式见附图5。
由于本发明分段硬判决方法的判决公式中融入了新的信息:不同级的PIC结构中,RAKE合并结果的可靠性并不一样;随着级数的增加,RAKE合并结果的可靠性增强。新信息的融入使分段硬判决方法的判决公式更加合理,也使分段硬判决方法具有更好的性能。

Claims (2)

1、码分多址移动通信系统中基站的多用户检测方法,采用分段硬判决的方法实现,包括以下步骤:
a、瑞克接收机对输入信号进行多径解扩;
b、由解扩结果进行信道估计,然后进行多径合并,并将多径合并结果同时送给硬判决器和阈值计算装置,将信道估计结果送给信号再生器;
c、阈值计算装置由所有用户同一序号的比特的多径合并结果计算得到一个阈值,并将该阈值送给各用户的硬判决器;
d、用户的硬判决器按照该阈值对相应序号的比特的多径合并结果进行硬判决,并将判决结果送给信号再生器;
e、信号再生器由判决结果和信道估计结果得到用户的再生信号,并将再生信号送给多址干扰的估计与干扰对消装置;
f、多址干扰的估计与干扰对消装置由输入的各用户的再生信号计算出各用户的多址干扰;从接收信号的基带信号中消除某个用户的多址干扰得到的信号作为下一级并行干扰对消结构中该用户的瑞克接收机的输入信号;
g、重复步骤a~f,直到重复次数与设定的多级并行干扰对消的级数相等,就实现了多级干扰对消;
其特征在于,所述的d步骤中的硬判决为分段硬判决,由判决器按照阈值对相应序号的比特的多径合并结果分段进行判决:当比特的瑞克合并结果等于0时,就将相应比特硬判决为0;当比特的瑞克合并结果的绝对值大于等于阈值,且瑞克合并结果大于0时,就将相应比特硬判决为γk;当瑞克合并结果的绝对值大于等于阈值,且瑞克合并结果小于0时,就将相应比特硬判决为-γk;当瑞克合并结果的绝对值小于阈值,且瑞克合并结果大于0时,就将相应比特硬判决为βk;当瑞克合并结果的绝对值小于阈值,且瑞克合并结果小于0时,就将相应比特硬判决为-βk
2、权利要求1所述的码分多址移动通信系统中基站的多用户检测方法,其特征在于,分段硬判决中,γk和βk取值范围是:0≤βk≤γk≤1,且随着级数k的增大,γk和βk的值增大。
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