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(duì)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(cè)方法的基本原理，通過(guò)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(duì)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(cè);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(hào)對(duì)弱信號(hào)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(duì)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(wú)法完全同步并采用完全正交的擴(kuò)頻碼。各用戶信號(hào)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(cè)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(cè)技術(shù)的一種，其基本思想就是在接收端先對(duì)信號(hào)做初步判決，再利用這一初步值估計(jì)出每個(gè)用戶對(duì)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(hào)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(cè)。

這類檢測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)中頻信號(hào)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(cè)手段很多，性能較好的有最小均方誤差檢測(cè)、最大似然檢測(cè)等。然而由于在本多通道解調(diào)器中，實(shí)現(xiàn)多用戶檢測(cè)是在FPGA內(nèi)部采用軟件無(wú)線電的形式完成的，所以在本方案中采用了算法相對(duì)簡(jiǎn)單的并行干擾消除的多用戶檢測(cè)方法。該檢測(cè)方法其最大優(yōu)點(diǎn)在于算法簡(jiǎn)單，且復(fù)雜度隨用戶數(shù)據(jù)量增加而呈線性增長(zhǎng)。

并行干擾消除檢測(cè)器。PIC (Parallel Inteference Cancellation)的基本思想是采用多級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)“判決-再造-消除”的循環(huán)，來(lái)提高對(duì)用戶信息的估計(jì)精度。在PIC檢測(cè)器在每級(jí)中，根據(jù)上一級(jí)的輸出在每個(gè)用戶的接收信號(hào)中去掉由所有其他用戶對(duì)它產(chǎn)生的多址干擾，并用修改過(guò)的接收信號(hào)對(duì)每個(gè)用戶進(jìn)行下一級(jí)的重新檢測(cè)。每級(jí)并行干擾相消檢測(cè)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(hào)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(hào)，在 r(m)中減去其余用戶的信號(hào)，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(hào)解調(diào)處理后，通過(guò)跟蹤環(huán)路可以得到用戶的擴(kuò)頻偽碼 Ci(m)，通過(guò)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(hào)幅度的估計(jì)會(huì)受到多用戶干擾的影響，帶有互相關(guān)信息，不能簡(jiǎn)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(lái)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(guò)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(hào)與期望信號(hào)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(hào)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(hào)為：

對(duì)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(duì)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(lái)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(duì)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(mén)限值，實(shí)際工程中實(shí)現(xiàn)時(shí)，η的選值通過(guò)測(cè)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(zhǎng)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(hào)合成過(guò)程中，如圖4示首先對(duì)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(hào)間的幅度差值最大為5 dB，對(duì)幅度調(diào)節(jié)后的信號(hào)做累加合成，加調(diào)載波，繼而輸出。在接收端，圖5示，首先對(duì)解調(diào)后的接收信號(hào)做匹配解擴(kuò)，對(duì)接收信號(hào)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(duì)其他用戶的多址干擾，對(duì)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(duì)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(duì)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(lái)，然后通過(guò)再調(diào)制恢復(fù)成輸入信號(hào)，通過(guò)LMS算法，估計(jì)出每個(gè)用戶信號(hào)的幅度，在輸入AD數(shù)據(jù)中減去其余11路用戶信號(hào)，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(guò)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(duì)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(duì)不同信號(hào)幅度的用戶合路做處理，最大差距為5 dB;通過(guò)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。