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(lái)選取。與多用戶檢測(cè)" title="多用戶檢測(cè)">多用戶檢測(cè)MUD（Multiuser Detection）相比，AV接收機(jī)具有無(wú)需增加MUD模塊、無(wú)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(cè)器" title="相關(guān)檢測(cè)器">相關(guān)檢測(cè)器和MMSE檢測(cè)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(cè)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(cè)模塊，通過(guò)挖掘相關(guān)接收機(jī)輸出中隱含的多用戶信息來(lái)估計(jì)和消除MAI。研究表明，各種多用戶檢測(cè)方法都能較好地去除MAI，其中解相關(guān)檢測(cè)器和MMSE檢測(cè)器[3]因其相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)以及優(yōu)良的性能成為最常見(jiàn)的多用戶檢測(cè)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(cè)器和MMSE檢測(cè)器），增加了系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)擔(dān)，且在使用長(zhǎng)PN碼作為擴(kuò)頻" title="擴(kuò)頻">擴(kuò)頻碼時(shí)，每個(gè)符號(hào)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(duì)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(hào)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(jiǎn)明，本文只考慮基帶信號(hào)。
假設(shè)同步DS-CDMA系統(tǒng)中有K個(gè)用戶，則接收信號(hào)可以表示為：
其中，Aj是第j個(gè)用戶接收信號(hào)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(zhǎng)度是L，對(duì)接收信號(hào)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(hào)可用矢量形式表示成:
分別為接收信號(hào)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(hào)矢量r中把期望用戶的信息比特b1恢復(fù)出來(lái)。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(hào)矢量與期望用戶的擴(kuò)頻矢量進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，再對(duì)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
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(lái)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(lái)檢測(cè)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(lái)選取Gi和μi，并通過(guò)遞推來(lái)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(duì)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(jiàn)多用戶檢測(cè)器時(shí)的情況進(jìn)行了對(duì)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
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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(duì)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(duì)比。圖中標(biāo)注的弱MAI對(duì)應(yīng)于干擾用戶的SNR為5dB、6dB、7dB、8dB，強(qiáng)MAI對(duì)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(wú)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(shuō)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(duì)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
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圖5顯示了AV接收機(jī)與解相關(guān)檢測(cè)器以及MMSE檢測(cè)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(cè)器和MMSE檢測(cè)器基本相同，在高SNR區(qū)則略好于解相關(guān)檢測(cè)器和MMSE檢測(cè)器。
除了有略好于解相關(guān)檢測(cè)器和MMSE檢測(cè)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(shì)：
(1)采用與傳統(tǒng)相關(guān)接收機(jī)相近的結(jié)構(gòu)，無(wú)需在相關(guān)器后邊增加多用戶檢測(cè)模塊，因此復(fù)雜度低于多用戶檢測(cè)器。
(2)無(wú)需進(jìn)行解相關(guān)檢測(cè)器和MMSE檢測(cè)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(cè)器和MMSE檢測(cè)器必須知道干擾用戶的擴(kuò)頻波形和定時(shí)，以及MMSE檢測(cè)器必須估計(jì)干擾用戶信號(hào)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(lái)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(cè)器和MMSE檢測(cè)器的抗MAI性能,而且輔助矢量接收機(jī)還有無(wú)需在相關(guān)器后邊增加多用戶檢測(cè)模塊、無(wú)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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