《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種新的抗MAI方法——輔助矢量接收機(jī)

2008-04-01
作者:陳俊晟1,, 陳萬培1, 孫錦濤2

  摘 要: 研究了一種新的抗多址干擾方法—輔助矢量接收機(jī),,它可以表示成期望用戶的特征矢量與一系列加權(quán)的輔助矢量AV(Auxiliary Vector)之和的形式,,AV與權(quán)系數(shù)的最優(yōu)值分別根據(jù)最大互相關(guān)和最小輸出能量的標(biāo)準(zhǔn)來選取,。與多用戶檢測" title="多用戶檢測">多用戶檢測MUD(Multiuser Detection)相比,AV接收機(jī)具有無需增加MUD模塊,、無需矩陣求逆,、可以用于下行鏈路、便于盲實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),。仿真結(jié)果表明:輔助矢量接收機(jī)的抗MAI性能略優(yōu)于解相關(guān)檢測器" title="相關(guān)檢測器">相關(guān)檢測器和MMSE檢測器,。
  關(guān)鍵詞: DS-CDMA" title="DS-CDMA">DS-CDMA 多址干擾 輔助矢量接收機(jī)


  多址干擾MAI(Multiple-Access Interference)嚴(yán)重影響了DS-CDMA系統(tǒng)的性能和容量,因此各種抗MAI技術(shù)引起了人們廣泛的研究興趣,,成為CDMA領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一,。能從根本上去除MAI的方法是多用戶檢測MUD(MultiUser Detection)[1,2]。MUD的基本原理是在傳統(tǒng)相關(guān)接收機(jī)的后邊加入多用戶檢測模塊,,通過挖掘相關(guān)接收機(jī)輸出中隱含的多用戶信息來估計(jì)和消除MAI,。研究表明,,各種多用戶檢測方法都能較好地去除MAI,其中解相關(guān)檢測器和MMSE檢測器[3]因其相對簡單的結(jié)構(gòu)以及優(yōu)良的性能成為最常見的多用戶檢測器,。但MUD的缺點(diǎn)是算法較復(fù)雜,,大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度,有些還包含矩陣求逆運(yùn)算(如解相關(guān)檢測器和MMSE檢測器),,增加了系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)擔(dān),,且在使用長PN碼作為擴(kuò)頻" title="擴(kuò)頻">擴(kuò)頻碼時(shí),每個(gè)符號周期都要重新計(jì)算矩陣的逆,,更是難以實(shí)時(shí)完成,。針對MUD的這些缺點(diǎn),Pados D.A.和Batalama S.N.提出了輔助矢量接收機(jī)(Auxiliary Vector Receiver)的概念[4~6],。它仍然采用了相關(guān)的結(jié)構(gòu),,與傳統(tǒng)相關(guān)接收機(jī)不同的是,它采用由期望用戶的特征矢量加上一系列加權(quán)的輔助矢量構(gòu)成的輔助矢量濾波器代替期望用戶的特征矢量進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,。選取最優(yōu)的輔助矢量和權(quán)系數(shù),,能有效地去除MAI。
1 同步DS-CDMA信號模型
  本文采用同步DS-CDMA模型,。因該系統(tǒng)至少在下行鏈路是可實(shí)現(xiàn)的[1],,如準(zhǔn)同步衛(wèi)星[7]和微蜂窩[8]CDMA系統(tǒng),;而且理論已證明,,含有K個(gè)用戶的異步DS-CDMA系統(tǒng)可以等效為含有2K-1個(gè)用戶的同步DS-CDMA系統(tǒng)。為敘述簡明,,本文只考慮基帶信號,。
  假設(shè)同步DS-CDMA系統(tǒng)中有K個(gè)用戶,則接收信號可以表示為:
  
  其中,,Aj是第j個(gè)用戶接收信號的幅度,,bj∈{-1,1}是第j個(gè)用戶發(fā)送的信息比特,Sj(t)是第j個(gè)用戶的擴(kuò)頻波形,。假設(shè)各用戶的擴(kuò)頻波形是歸一化的,,即是AWGN。設(shè)擴(kuò)頻序列的長度是L,,對接收信號以碼片速率進(jìn)行采樣,,則在一個(gè)碼元周期內(nèi)可得L個(gè)樣本點(diǎn),它們構(gòu)成RL空間中的一個(gè)矢量,,于是接收信號可用矢量形式表示成:
  
  分別為接收信號矢量,、第j個(gè)用戶的擴(kuò)頻序列矢量和高斯噪聲矢量 。
  不失一般性,,假設(shè)期望用戶是用戶1,,則上式可以表示為:
  
  此式清楚地表明,,DS-CDMA系統(tǒng)中信息接收的關(guān)鍵就是要在RL矢量空間中,在多址干擾和信道噪聲同時(shí)存在的情況下,,如何從接收信號矢量r中把期望用戶的信息比特b1恢復(fù)出來,。而可知的只有期望用戶的擴(kuò)頻矢量S1
2 傳統(tǒng)相關(guān)接收機(jī)
  傳統(tǒng)相關(guān)接收機(jī)是將接收信號矢量與期望用戶的擴(kuò)頻矢量進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,,再對得到的結(jié)果進(jìn)行判決,。因此恢復(fù)出的信息比特為:
  
  若Sj(j≠1)與S1是正交的,則=0,,這時(shí)不會產(chǎn)生MAI,,接收機(jī)達(dá)到了單用戶系統(tǒng)的性能。但由于移動信道的多徑傳播,,以及擴(kuò)頻碼存在Welch界,,使不同用戶的擴(kuò)頻矢量之間不可能完全正交,因此在采用傳統(tǒng)相關(guān)接收機(jī)時(shí),,MAI是不可避免的,。這就是傳統(tǒng)相關(guān)接收機(jī)忽視了多址干擾的結(jié)構(gòu)特征,而只是簡單地把它看成高斯噪聲來對待的結(jié)果,。當(dāng)干擾用戶的信號較強(qiáng)時(shí),,接收機(jī)的性能急劇下降。
3 輔助矢量接收機(jī)的基本原理
  輔助矢量接收機(jī)仍然采用了相關(guān)的結(jié)構(gòu),,卻用S1加上一系列加權(quán)的輔助矢量AV(Auxiliary Vector)μiGi構(gòu)成的輔助矢量濾波器代替S1來進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,,若AV的個(gè)數(shù)為N,則輔助矢量濾波器可以表示為:
  
  選取最優(yōu)的Gi和μi,,則wAV能夠有效地去除MAI,。
  當(dāng)用輔助矢量接收機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)相關(guān)接收機(jī)來檢測信息比特b1時(shí),恢復(fù)的信息比特為:
  
  輔助矢量接收機(jī)的原理如圖1所示,。


  圖中B是G1,G2,…,GN構(gòu)成的矩陣,,Gi構(gòu)成B的第i列,即BL×N=[G1,G2,…,GN],, μ=[μ1,,μ2,…,,μN]T是權(quán)系數(shù)構(gòu)成的矢量,。
  為了達(dá)到最佳的誤比特性能,需要選取最優(yōu)的Gi和μi,。文獻(xiàn)[5]中提出一種分別采用最大互相關(guān)(Maximum Cross Correlation)和最小輸出能量(Minimum Output Energy)準(zhǔn)則來選取Gi和μi,,并通過遞推來求解Gi和μi(i>1)的方法。
    
  依次遞推下去,,即可得到所有的輔助矢量和權(quán)系數(shù)的最優(yōu)值,,再根據(jù)(8)式,,就可以得到輔助矢量濾波器wAV
4 輔助矢量接收機(jī)的抗MAI性能仿真與結(jié)果分析
  對接收端" title="接收端">接收端采用輔助矢量接收機(jī)的CDMA系統(tǒng)的誤比特性能進(jìn)行了仿真,,并與接收端采用的傳統(tǒng)相關(guān)接收機(jī)和常見多用戶檢測器時(shí)的情況進(jìn)行了對比,。仿真使用同步DS-CDMA系統(tǒng),原理如圖2所示,。各用戶發(fā)送的信息比特bj∈{-1,1},,且P{1}=P{-1}=0.5,采用31位Gold序列作為擴(kuò)頻碼,。信道噪聲是功率譜密度為1的加性高斯白噪聲,。AV接收機(jī)中AV的個(gè)數(shù)設(shè)定為5。每次仿真試驗(yàn)傳送50 000個(gè)信息比特,,求出誤比特率,。每個(gè)仿真結(jié)果是100次仿真試驗(yàn)的平均值。

圖2

?


  圖3是在CDMA系統(tǒng)中有4個(gè)干擾用戶的情況下得到的期望用戶的BER-SNR曲線,,對接收端分別采用傳統(tǒng)相關(guān)接收機(jī)和AV接收機(jī)時(shí)系統(tǒng)的誤比特性能進(jìn)行了對比,。圖中標(biāo)注的弱MAI對應(yīng)于干擾用戶的SNR為5dB、6dB,、7dB,、8dB,強(qiáng)MAI對應(yīng)于干擾用戶的SNR為18dB,、19dB,、20dB、21dB,。圖中還列出了單用戶系統(tǒng)的情況作為參考,??梢郧宄乜闯?,采用AV接收機(jī)時(shí)系統(tǒng)的誤比特率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于采用傳統(tǒng)相關(guān)接收機(jī)時(shí)的情況。在強(qiáng)MAI的情況下,,采用傳統(tǒng)相關(guān)接收機(jī)時(shí),,系統(tǒng)的BER始終在0.1之上,根本無法進(jìn)行有效的通信,;而采用AV接收機(jī), BER=10-5時(shí)只比單用戶系統(tǒng)有約2dB的性能損失,。還可以看出,隨著干擾用戶SNR的增強(qiáng),,接收端采用傳統(tǒng)相關(guān)接收機(jī)時(shí),,誤比特性能急劇變差,而當(dāng)接收端采用AV接收機(jī)時(shí),,誤比特性能變化很小,,這更進(jìn)一步說明了AV接收機(jī)有很好的去除MAI的能力,。
  圖4顯示了CDMA系統(tǒng)在干擾用戶個(gè)數(shù)變化時(shí)期望用戶的誤比特情況,與接收端分別采用傳統(tǒng)相關(guān)接收機(jī)和AV接收機(jī)時(shí)的情況進(jìn)行了對比,。仿真中設(shè)定所有用戶的接收功率相同,。仍可以看出采用AV接收機(jī)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于采用傳統(tǒng)相關(guān)接收機(jī)。

圖4

?


  圖5顯示了AV接收機(jī)與解相關(guān)檢測器以及MMSE檢測器的性能比較,。系統(tǒng)包含K=16同步,、等功率用戶。仿真結(jié)果顯示采用傳統(tǒng)相關(guān)接收機(jī)時(shí)BER始終在10-1以上,,表明此時(shí)系統(tǒng)受MAI的影響非常嚴(yán)重,。AV接收機(jī)的性能在低SNR區(qū)與解相關(guān)檢測器和MMSE檢測器基本相同,在高SNR區(qū)則略好于解相關(guān)檢測器和MMSE檢測器,。
  除了有略好于解相關(guān)檢測器和MMSE檢測器的抗MAI性能外,,與后兩者相比輔助矢量接收機(jī)還具有如下優(yōu)勢:
  (1)采用與傳統(tǒng)相關(guān)接收機(jī)相近的結(jié)構(gòu),無需在相關(guān)器后邊增加多用戶檢測模塊,,因此復(fù)雜度低于多用戶檢測器,。
  (2)無需進(jìn)行解相關(guān)檢測器和MMSE檢測器所必需的矩陣求逆運(yùn)算。
  (3)只需知道期望用戶的擴(kuò)頻波形和定時(shí),,所需條件與傳統(tǒng)相關(guān)接收機(jī)相同,。這就克服了解相關(guān)檢測器和MMSE檢測器必須知道干擾用戶的擴(kuò)頻波形和定時(shí),以及MMSE檢測器必須估計(jì)干擾用戶信號功率的缺點(diǎn),。為在下行鏈路中去除MAI提供了很好的解決方案,,也便于盲實(shí)現(xiàn)。
  輔助矢量接收機(jī)是一種新穎的抗MAI技術(shù),,它在保留相關(guān)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,,采用期望用戶的特征矢量加上一系列加權(quán)的AV構(gòu)成的輔助矢量濾波器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)相關(guān)接收機(jī)。選取最優(yōu)的AV和權(quán)系數(shù),,能夠有效地去除MAI,。本文的仿真結(jié)果表明,輔助矢量接收機(jī)具有略優(yōu)于解相關(guān)檢測器和MMSE檢測器的抗MAI性能,而且輔助矢量接收機(jī)還有無需在相關(guān)器后邊增加多用戶檢測模塊,、無需進(jìn)行矩陣求逆運(yùn)算,、可以應(yīng)用于下行鏈路、便于盲實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),。因此它不但是一種很有前途的抗MAI方法,,而且是在DS-CDMA系統(tǒng)中替代傳統(tǒng)單用戶接收機(jī)的理想方案。
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