CN101697622A - 消除td-scdma***小区内和小区间干扰的方法 - Google Patents

Abstract

一种有效消除TD-SCDMA***小区内和小区间干扰的方法。TD-SCDMA采用智能天线和多用户联合检测技术，是具有自主知识产权的移动通信标准。智能天线(Smart Antenna，SA)技术是以动态跟踪期望用户的赋形波束收发信号，极大降低***小区间干扰。3G的数据速率高，工作特性复杂，要求智能天线提供精确而灵活的干扰控制小区内干扰包括多址干扰和码间干扰，联合检测(JointDetection，JD)技术是一种良好的抗多址干扰及码间干扰的技术。两者的结合，可以降低干扰，从而提高***的容量，获得高频谱利用率，并使在基站和用户设备中的功率控制部分更加简单，同时还降低了网络成本。

Description

消除TD-SCDMA***小区内和小区间干扰的方法

【技术领域】：本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种使用智能天线(Smart Antenna)和联合检测(Joint Detection)技术消除TD-SCDMA***小区间和小区内干扰的方法。

【背景技术】：TD-SCDMA(时分同步的码分多址，Time Division-Synchronous Code DivisionMultiple Access)是我国首个拥有自主知识产权的第三代移动通信技术标准。它的提出对于我国通信产业的自主创新和产业发展具有极其重大的意义。

TD-SCDMA***采用时分双工(TDD)模式，接收和传送是在同一频率的不同时隙，用不同时隙来分离接收和传输信道，其基本原理如图2。

从某种意义上讲，TD-SCDMA是基于智能天线技术而设计的。智能天线以动态跟踪期望用户的赋形波束收发信号，极大降低***干扰。联合检测是指利用多个用户的码元、时间、信号幅度、相位等信息联合检测单个用户的信号，以达到较好的接收效果。智能天线能有效地抑制小区间干扰；联合检测则能有效地减少小区内的干扰。

小区间干扰是指在多个小区***中，各个小区基站和用户收发信号是相对独立的，彼此可能产生干扰。相邻小区间干扰主要是由同步偏差和上下行时隙分配比例不同造成的。此外，由于距离较远的各个小区的传播时延不同，基站之间也会存在时隙叠加造成的干扰。

小区内干扰的干扰主要包括码间干扰和多址干扰。码间干扰是针对单个用户信号而言的。由于无线传播环境的影响，同一用户信号的前后码或码片之间会叠加，使接收机无法顺利解析，这就产生了码间干扰(ISI)。多径传播造成的码间干扰在移动通信***中是不能彻底消除的。像其他CDMA***一样，TD-SCDMA***分配相互正交的地址码来调制不同的用户信号，但由于只使用一个相同的载频，用户信号之间就产生干扰，称为多址干扰(MAI)。

【发明内容】：本发明目的是克服现有技术存在的不足，提供一种消除TD-SCDMA***小区内和小区间干扰的方法。

本发明提供的消除TD-SCDMA***小区内和小区间干扰的方法，是在智能天线基础上结合联合检测技术实现的，具体步骤如下：

第1、基于智能天线技术消除TD-SCDMA***小区间干扰

第1.1、智能天线的组成：包括天线阵列、模数转换、数字波束形成网络和自适应信号处理器四部分，天线阵列部分采用8个阵元的均匀直线阵，2阵元间距λ/2；智能天线的各部分之间的连接关系示意图见图3所示，各部分的作用如下所述：

天线阵列是在空间分开设置的一系列天线阵元，根据阵元不同的排列方式可分为直线阵、圆阵、平面阵，而在实际应用中，还可以根据不同的需要组成三角阵、不规则阵和随机阵等，不同阵形的天线对信号的阵列响应不同。对各阵元接收到的信号作加权处理，通过改变阵列的权值，可使波束形状发生改变。天线阵列相当于在空域对空间信号做离散采样，通过信号处理，可使阵列在有效信号方向上产生的波束得到加强，而在干扰信号方向上产生“陷点”(Null)，从而提高***容量、降低***干扰、扩大***覆盖范围。

模数转换器在考虑基站端的智能天线的情况下，在上行链路时天线将接收到的模拟信号转换为数字信号；而在下行链路时将处理后的数字信号转换成模拟信号。

波束形成网络的主要功能体现为天线波束在一定范围内能根据用户的需要和天线传播环境的变换，通过数字信号处理器自适应地调整权值系数w₁、w₂、...、w_M，以调整到合适的波束形成网络。或者从预先设置好的权值系数列表中根据一定的准则挑选一组最佳值，以获得最佳主波束的方向。从智能天线出来的信号在通过波束形成网络后形成一定的波束，实现所说的空间滤波。经波束形成网络后的波束在期望信号方向具有高增益，而在不希望的干扰信号方向增益很低或为零，实现陷波的作用。

自适应信号处理是智能天线智能体现的一个重要方面，它以自适应算法为核心，动态地调整最优加权系数，其处理过程如下：

第1.2、由自适应信号处理器通过自适应算法和优化准则来调节各个阵元的加权幅度和相位，动态地产生空间的定向波束，具体步骤是：

第1.2.1、首先根据阵列信号及当前权重算出波束赋形器的输出值，并且求出赋形器的输出与期望信号的差值；假设阵列天线所接收到的信号可以表示为：

x(n)＝[x₁(n)，x₂(n)，...，x_M(n)]^H

对接收加权系数为：

w＝[w₁，w₂，...w_M]^H

波束赋形器的输出可以写为：

y(n)＝w^H(n)x(n)

赋形器的误差，即输出信号与期望信号的差值为：

e(n)＝s(n)-y(n)；

第1.2.2、则根据求出的差值自动调整波束赋形器的加权权重

w(n+1)＝w(n)+2μe(n)x(n)

其中，μ是步长因子，μe(n)x(n)的值影响着LMS算法的性能，μe(n)x(n)值过小算法收敛速度慢，值过大则会导致算法不稳定，甚至发散；

第2、基于联合检测技术消除TD-SCDMA***小区内干扰

第2.1、首先我们假设在同一个频率及同一个时隙内，有K个用户传输有限长度的数据：其中第k个用户发送的经过QPSK调制后的数据可用矢量d^(k)表示，

d(k)＝(d₁ ^(k)d₂ ^(k)，...d_N ^(k))^T，k＝1，2，...K

向量h^(k)表示多径瑞利衰落信道下用户k的信道冲激响应，可通过burst中的midamble来准确地估计，

h(k)＝(h₁ ^(k)h₂ ^(k)，...，h_W ^(k))^T，k＝1，2，...K

矢量c^(k)为用户的扩频码序列，表示为：

c^(k)＝(c₁ ^(k)c₂ ^(k)，...，c_Q ^(k))^T,k＝1，2，...K

其中，T代表转置，W为冲激响应的采样周期T_c(即扩频码的Chip周期)的有效样值长度，Q为扩频因子，最大为16，由扩频序列c^(k)和h^(k)向量的乘积可以得到用户k的合并信道冲激响应b^(k)，

b^(k)＝c^(k)*h^(k)

有了以上一些矩阵和向量，那么接收机接收到的总信号可表示如下：

$e=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{\left(k\right)}+n=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}A\left(k\right)d\left(k\right)+n=\mathrm{Ad}+n$

其中，

e＝(e₁，e₂，...，e_NQ+W-1)^T，A＝(A⁽¹⁾，A⁽²⁾，...，A^(K))

e为K个用户接收到的总信号，A是由K个用户的合并信道冲击响应b^(k)所组成的矩阵，对上式进行量化处理可得：

${\hat{d}}_{c,\mathrm{lin}}=\mathrm{Me}$

$=\mathrm{MAd}+\mathrm{Mn}$

$=\mathrm{diag}\left(\mathrm{MA}\right)d+\stackrel{\‾}{\mathrm{diag}}\left(\mathrm{MA}\right)d+\mathrm{Mn}$

上式中diag(X)表示矩阵X的对角线矩阵，即只保留对角线元素的矩阵；而diag(X)则表示保留非对角线元素的矩阵，即除了对角线元素为零，其余元素保留；这样，上式右端diag(MA)d+diag(MA)d+Mn中第1项diag(MA)d为有用信号；第2项diag(MA)d为ISI和MAL；第三项Mn为噪声；上式清晰地指明了线性联合检测算法的研究方向，即根据MMSE-BLE(最小均方误差线性块均衡器)准则选取M矩阵，使得上式中后2项，即MAI+ISI和噪声对估计值的影响最小。

本发明的优点和积极效果：

本发明提供的消除TD-SCDMA***小区内和小区间干扰的方法是在TD-SCDMA***中的智能天线基础上结合联合检测技术，因此本发明具有如下优点：

(1)智能天线消除小区间干扰，联合检测消除小区内干扰，两者需配合使用；

(2)智能天线缓解了联合检测过程中信道估计的不准确对***性能恶化的影响；

(3)当用户增多时，联合检测的计算量非常大，智能天线的使用减少了用户数量；

(4)智能天线的阵元数有限，对于M个阵元的智能天线只能抑制M-1个干扰源，而且所形成的副瓣对其它用户而言仍然是干扰，只能结合联合检测来减少这些干扰；

(5)在用户高速移动下，TDD模式上下行采用同样空间参数使得波束成型有偏差；用户在同一方向时，智能天线不能起到作用；还有对时延超过一个码片的多径造成的码间干扰都需要联合检测来弥补。

总之，将智能天线和联合检测技术相结合，对***性能的提高极其有益。联合检测可以解决当用户处于同一方向时，智能天线所不能克服的干扰；智能天线可以降低联合检测在多码道处理的复杂度，并完全消除联合检测所不能消除的多址干扰。因此两者的结合，可以降低干扰，从而提高***的容量，获得高频谱利用率，并使在基站和用户设备中的功率控制部分更加简单，同时还降低了网络成本。

【附图说明】：

图1为智能天线及联合检测对TD-SCDMA***干扰影响仿真流程图。

图2为本发明所涉TD-SCDMA***时分双工(TDD)模式原理示意图。

图3为本发明所涉智能天线原理结构示意图。

图4为本发明所涉仿真结果智能天线方向图。

图5为本发明所涉仿真过程中迭代次数与误差之间的关系图。

图6为本发明所涉联合检测技术在TD-SCDMA***中的应用结构示意图。

图7为本发明所涉联合检测技术对TD-SCDMA***小区内干扰影响示意图。

【具体实施方式】：

实施例1：

本发明提供的消除TD-SCDMA***小区内和小区间干扰的方法，是在智能天线基础上结合联合检测技术实现的，仿真流程图如图1所示。在仿真中不考虑用户终端的移动、切换等情况，即认为用户终端的位置是恒定不变的。整个仿真过程主要分以下3个步骤：

(1)初始数据准备和设置，即产生地理、传播模型、业务模型、基站和天线等数据；

(2)仿真计算，包含多个随机过程和多个叠代的功率控制循环；

(3)统计平均值和进行数据分析。

具体步骤如下：

1、基于智能天线技术消除TD-SCDMA***小区间干扰的方法：

(1)、智能天线的基本思想是通过改变各阵元信号的加权幅度和相位来改变整个阵列的方向图形状，具有测向和调零的功能，即能够把主波束对准期望用户的入射信号并自适应实时的跟踪信号，同时将零线或旁瓣对准干扰信号，从而抑制干扰信号，提高信号的信噪比，改善整个通信***的性能，还能够及时识别不同入射方向的直射波和反射波。

智能天线主要由天线阵列、模数转换、数字波束形成网络和自适应信号处理器四部分组成。智能天线原理结构如图2所示。自适应信号处理是智能天线智能体现的一个重要方面，它以自适应算法为核心，动态地调整最优加权系数。

(2)、小区间干扰

在多个小区***中，各个小区基站和用户收发信号是相对独立的，彼此可能产生干扰。相邻小区间干扰主要是由同步偏差和上下行时隙分配比例不同造成的。此外，由于距离较远的各个小区的传播时延不同，基站之间也会存在时隙叠加造成的干扰。

(3)、干扰消除的仿真

自适应信号处理器是智能天线的核心，该单元的功能是根据一定的算法和优化准则来调节各个阵元的加权幅度和相位，动态地产生空间的定向波束。空域自适应滤波(智能天线)算法，包括最小均方(LMS)算法、最小二乘(RLS)算法、采样矩阵求逆(SMI)等算法。

下面基于最小均方(LMS)算法来仿真智能天线对消除小区间干扰的作用。

①、第一步首先根据阵列信号及当前权重算出波束赋形器的输出值，并且求出赋形器的输出与期望信号的差值。假设阵列天线所接收到的信号可以表示为：

x(n)＝[x₁(n)，x₂(n)，...，x_M(n)]^H

对接收加权系数为：

w＝[w₁，w₂，...w_M]^H

波束赋形器的输出可以写为：

y(n)＝w^H(n)x(n)

赋形器的误差，即输出信号与期望信号的差值为：

e(n)＝s(n)-y(n)

②、第二步则根据求出的差值自动调整波束赋形器的加权权重。

w(n+1)＝w(n)+2μe(n)x(n)

其中，μ是步长因子。μe(n)x(n)的值影响着LMS算法的性能，值过小算法收敛速度慢，值过大则会导致算法不稳定，甚至发散。

仿真过程：

天线阵采用8个阵元的均匀直线阵，其中2阵元间距为λ/2，运用基于LMS进行自适应波束赋形消除小区间干扰仿真结果如图3和图4所示。

由图3是天线阵的辐射方向图，可见基于自适应波束形成LMS算法的智能天线，天线阵在期望信号的入射方向-20度形成最大增益，在干扰信号方向-40度、0度上的增益几乎为0，而且在主瓣方向上的幅度响应比其他方向至少大10dB

所以智能天线能在期望信号方向形成主瓣，在干扰方向形成很深的零陷。对小区间干扰起到了抑制作用，大大提高了***的抗干扰能力。

图4是迭代次数与误差的关系，可见在进行了200次迭代运算后，LMS算法达到收敛，参考信号的误差控制在了比较小的范围内；

2、基于联合检测技术消除TD-SCDMA***小区内干扰的方法：

(1)、联合检测技术的基本思想是利用和多址干扰相关的先验信息，结合信道估计的结果，同时把所有用户的信号检测出来。从理论上来说，联合检测可以完全抵消多址干扰和码间干扰的影响，克服“远近效应”，大大提高***的抗干扰能力。但是，在实际***中，考虑可实现性尤其是实际的信道估计的影响，不能完全消除多址干扰的影响。

联合检测(JD，joint detection)是CDMA移动通信***抗干扰的关键技术。在CDMA***中，各个用户信号之间存在一定的相关性，它是多址干扰存在的根源。由个别用户产生的MAI虽然很小，可是随着用户数或信号功率的增大，MAI成了宽带CDMA的主要干扰。传统的检测技术是对每个用户信号分别进行扩频码匹配处理，因而抗MAI干扰能力较差；联合检测是在传统检测技术的基础上，将多个用户的信号放在一起解调输出，充分利用MAI中的有用信息(各用户的扩频码序列、用户间及各多径间的相关性等)，对各用户进行联合检测或从接收信号中抵消相互干扰，从而有效地消除多址干扰和码间串扰。

(2)、小区内干扰

一个单载波小区中的干扰主要包括码间干扰和多址干扰。码间干扰是针对单个用户信号而言的。由于无线传播环境的影响，同一用户信号的前后码或码片之间会叠加，使接收机无法顺利解析，这就产生了码间干扰(ISI)。多径传播造成的码间干扰在移动通信***中是不能彻底消除的。

像其他CDMA***一样，TD-SCCMA***分配相互正交的地址码来调制不同的用户信号，但由于只使用一个相同的载频，用户信号之间就产生干扰，称为多址干扰(MAI)。

(3)、首先我们假设在同一个频率及同一个时隙内，有K个用户传输有限长度的数据：其中第k个用户发送的经过QPSK调制后的数据可用矢量d^(k)表示。

d(k)＝(d₁ ^(k)d₂ ^(k)，...d_N ^(k))^T，k＝1，2，...K

向量h^(k)表示多径瑞利衰落信道下用户k的信道冲激响应，可通过burst中的midamble来准确地估计。

h(k)＝(h₁ ^(k)h₂ ^(k)，...，h_W ^(k))^T，k＝1，2，...K

矢量c^(k)为用户的扩频码序列，表示为：

c^(k)＝(c₁ ^(k)c₂ ^(k)，...，c_Q ^(k))^T，k＝1，2，...K

其中，W为冲激响应的采样周期T_c(即扩频码的Chip周期)的有效样值长度，Q为扩频因子，最大为16。由扩频序列c^(k)和h^(k)向量的乘积可以得到用户k的合并信道冲激响应b^(k)。

b^(k)＝c^(k)*h^(k)

有了以上一些矩阵和向量，那么接收机接收到的总信号可表示如下：

$e=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{\left(k\right)}+n=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}A\left(k\right)d\left(k\right)+n=\mathrm{Ad}+n$

其中，

e＝(e₁，e₂，...，e_NQ+W-1)^T，A＝(A⁽¹⁾，A⁽²⁾，...，A^(K))

e为K个用户接收到的总信号，A是由K个用户的合并信道冲击响应b^(k)所组成的矩阵。对上式进行量化处理可得：

$\begin{array}{c}{\hat{d}}_{c,\mathrm{lin}}=\mathrm{Me}\\ =\mathrm{MAd}+\mathrm{Mn}\\ =\mathrm{diag}\left(\mathrm{MA}\right)d+\stackrel{\‾}{\mathrm{diag}}\left(\mathrm{MA}\right)d+\mathrm{Mn}\end{array}$

上式中diag(X)表示矩阵X的对角线矩阵，即只保留对角线元素的矩；而diag(X)则表示保留非对角线元素的矩阵，即出了对角线元素为零，其余元素保留。这样，上式右端第1项为有用信号；第2项为ISI和MAL；第三项为噪声。上式清晰地指明了线性联合检测算法的研究方向，即根据根据MMSE-BLE(最小均方误差线性块均衡器)准则选取M矩阵，使得上式中后2项，即MAI+ISI和噪声对估计值的影响最小。

从图7上下行干扰趋势曲线可以发现，当不采用上下行联合检测时，小区内干扰(特别是上行干扰)明显加大，小区间干扰变化趋势不大明显。可见，联合检测技术对消除小区内干扰作用比较显著，对小区间干扰的抑制则使用智能天线时效果更好。

Claims (1)

1.一种消除TD-SCDMA***小区内和小区间干扰的方法，其特征在于该方法是在智能天线基础上结合联合检测技术实现的，具体步骤如下：

第1、基于智能天线技术消除TD-SCDMA***小区间干扰

第1.1、智能天线的组成：包括天线阵列、模数转换、数字波束形成网络和自适应信号处理器四部分，天线阵列部分采用8个阵元的均匀直线阵，2阵元间距为λ/2；

第1.2、由自适应信号处理器通过自适应算法和优化准则来调节各个阵元的加权幅度和相位，动态地产生空间的定向波束，具体步骤是：

第1.2.1、首先根据阵列信号及当前权重算出波束赋形器的输出值，并且求出赋形器的输出与期望信号的差值；假设阵列天线所接收到的信号可以表示为：

x(n)＝[x₁(n)，x₂(n)，...，x_M(n)]^H

对接收加权系数为：

w＝[w₁，w₂，...w_M]^H

波束赋形器的输出可以写为：

y(n)＝w^H(n)x(n)

赋形器的误差，即输出信号与期望信号的差值为：

e(n)＝s(n)-y(n)；

其中：H代表共轭转置，M代表天线阵元数；

第1.2.2、则根据求出的差值自动调整波束赋形器的加权权重

w(n+1)＝w(n)+2μe(n)x(n)

其中，μ是步长因子，μe(n)x(n)的值影响着LMS算法的性能，μe(n)x(n)值过小算法收敛速度慢，值过大则会导致算法不稳定，甚至发散；

第2、基于联合检测技术消除TD-SCDMA***小区内干扰

第2.1、首先我们假设在同一个频率及同一个时隙内，有K个用户传输有限长度的数据：其中第k个用户发送的经过QPSK调制后的数据可用矢量d^(k)表示，

d(k)＝(d₁ ^(k)d₂ ^(k)，...d_N ^(k))^T，k＝1，2，...K

向量h^(k)表示多径瑞利衰落信道下用户k信道冲激响应，可通过burst中的midamble来准确地估计，

h(k)＝(h₁ ^(k)h₂ ^(k)，...，h_W ^(k))^T，k＝1，2，...K

矢量c^(k)为用户的扩频码序列，表示为：

c^(k)＝(c₁ ^(k)c₂ ^(k)，...，c_Q ^(k))^T，k＝1，2，...K

其中，T代表转置，W为冲激响应的采样周期T_c即扩频码的Chip周期的有效样值长度，Q为扩频因子，最大为16，由扩频序列c^(k)和h^(k)向量的乘积可以得到用户k的合并信道冲激响应b^(k)，

b^(k)＝c^(k)*h^(k)

有了以上一些矩阵和向量，那么接收机接收到的总信号可表示如下：

$e=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{\left(k\right)}+n=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}A\left(k\right)d\left(k\right)+n=\mathrm{Ad}+n$

其中，

e＝(e₁，e₂，...，e_NQ+W-1)^T，A＝(A⁽¹⁾，A⁽²⁾，...，A^(K))

e为K个用户接收到的总信号，A是由K个用户的合并信道冲击响应b^(k)所组成的矩阵，对上式进行量化处理可得：

${\hat{d}}_{c,\mathrm{lin}}=\mathrm{Me}$

$=\mathrm{MAd}+\mathrm{Mn}$

$=\mathrm{diag}\left(\mathrm{MA}\right)d+\stackrel{\‾}{\mathrm{diag}}\left(\mathrm{MA}\right)d+\mathrm{Mn}$

上式中diag(X)表示矩阵X的对角线矩阵，即只保留对角线元素的矩阵；而diag(X)则表示保留非对角线元素的矩阵，即除了对角线元素为零，其余元素保留；这样，上式右端diag(MA)d+diag(MA)d+Mn中第1项diag(MA)d为有用信号；第2项diag(MA)d为ISI和MAL；第三项Mn为噪声；上式清晰地指明了线性联合检测算法的研究方向，即MMSE-BLE即最小均方误差线性块均衡器准则选取M矩阵，使得上式中后2项，即MAI+ISI和噪声对估计值的影响尽可能小。

Images