码分多址无线通信系统中的下行链路多用户检测方法

摘要

本发明提出了一种码分多址无线通信系统中的下行链路多用户检测方法。考虑到码分多址无线通信系统中存在的符号间干扰、多址干扰和邻小区干扰，在码分多址无线通信系统的下行链路信号接收过程中，一个用户设备的接收机不仅对其自身，而且还对其驻留小区和其驻留小区的相邻小区中的强干扰用户的用户数据进行联合检测，从而在一定的信扰比水平下，改善其接收机的检测性能，同时提高其接收机抵抗符号间干扰、多址干扰和邻小区干扰的能力，进而增大码分多址无线通信系统的下行链路容量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术，尤其涉及一种无线信号的检测方法，更具体的说涉及一种码分多址无线通信系统中的下行链路多用户检测方法。

背景技术

随着商用无线移动通信系统的出现以及无线通信方式在个人通信领域中的普及应用，如何在有限的无线资源条件下提高无线移动通信系统的容量一直是无线通信技术发展过程中的重要课题之一。

在最早的商用无线移动通信系统中，即一般被作为第一代无线移动通信系统的模拟制式系统中，采用了频分多址(FDMA)的多址接入方式。在频分多址接入方式下，系统中一个小区内的不同用户由不同的频段加以区分，系统中的不同小区根据系统的频率规划和频率复用(Frequency reuse)方式被配置以不同的频段或复用相同的频段。在被称为全球移动通信系统(GSM)的第二代无线移动通信系统中，采用了时分多址(TDMA)的无线多址接入方式。在时分多址接入方式下，系统中一个小区内的不同用户由不同的时隙(Time slot)加以区分，系统中的不同小区根据系统的频率规划和频率复用方式被配置以不同的频段或复用相同的频段。由此，在所述采用频分多址和时分多址接入方式的第一代和第二代无线移动通信系统中，系统容量将受系统带宽与时间的乘积所限制。在被称为IS-95码分多址无线通信系统的第二代无线移动通信系统中，采用了码分多址(CDMA)的无线多址接入方式。在码分多址接入方式下，系统中一个小区内的不同用户由不同的地址码(Signature sequence)加以区分，系统中的不同小区由不同的扰码(Scrambling code)加以区分，在理想情况下，系统带宽内的频率资源可以在系统内的每一个小区中进行复用。由此，与所述采用频分多址和时分多址接入方式的第一代和第二代无线移动通信系统的显著区别之处在于，在所述采用码分多址接入方式的第二代无线移动通信系统中，系统容量并不存在一个由系统带宽与时间的乘积所限定的上限，而是仅由系统中的信扰比水平以及所要求的系统性能所决定，具有软容量的特点。由于在系统容量上具有的所述特点，码分多址接入方式是在目前的第三代无线移动通信系统中，如码分多址2000(CDMA2000)无线通信系统、宽带码分多址(WCDMA)无线通信系统和时分-同步码分多址(TD-SCDMA)无线通信系统中广泛采用的多址接入方式。

在一个码分多址无线通信系统中，干扰可被分为四大部分：系统内部噪声、符号间干扰(ISI)、多址干扰(MAI)和邻小区干扰(ACI)。系统内部噪声指系统内部的电子器件热噪声，对于它除了采用低噪声放大器外，没有其它方法；符号间干扰指一个用户信号中的不同符号之间的相互干扰，其由所述地址码和所述扰码的不理想的自相关特性所引起。多址干扰和邻小区干扰分别指一个小区中的不同用户信号之间的相互干扰和不同小区中的不同用户信号之间的相互干扰，其由所述地址码和所述扰码的不理想的互相关特性所引起。如上所述，码分多址无线通信系统的系统容量仅由系统中的信扰比水平以及所要求的系统性能所决定。因此，能否有效抑制系统内的符号间干扰、多址干扰和邻小区干扰，以及在一定的符号间干扰、多址干扰和邻小区干扰水平下提高无线信号接收机的检测性能将成为决定码分多址无线通信系统容量的关键因素。

在现有技术中，针对码分多址无线通信系统中的符号间干扰和多址干扰，提出了在无线信号的接收机中使用多用户检测(Multiuser Detection)的方法对一个小区中的不同用户的发送数据进行联合检测(Joint Detection)，相比于传统的基于瑞克(Rake)接收机结构的单用户检测方法，可以在相同的信扰比条件下显著改善无线信号接收机的检测性能，提高无线信号接收机抵抗符号间干扰和多址干扰的能力，从而增大码分多址无线通信系统的容量。然而，由于在现有的多用户检测方法中，只考虑了码分多址无线通信系统中的符号间干扰和多址干扰，即只对一个小区中的不同用户的发送数据进行联合检测，而将来自于其它小区的邻小区干扰同样作为系统内部噪声来处理，因而，当不同小区中的不同用户信号之间存在较强的相互干扰时，现有的多用户检测方法的检测性能将显著降低，依然不能够有效抵抗码分多址无线通信系统中的邻小区干扰。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述问题，提出一种码分多址无线通信系统中的下行链路多用户检测方法，可以在一个码分多址无线通信系统的下行链路中，同时提高用户设备接收机抵抗符号间干扰、多址干扰和邻小区干扰的能力，在一定的信扰比水平下改善用户设备接收机的检测性能，从而进一步增大码分多址无线通信系统的下行链路容量。

上述的发明目的通过以下的技术方案加以实现：码分多址无线通信系统中的下行链路多用户检测方法，包括步骤如下：

(1)一个被考察用户在其驻留小区内的其它活动用户和其驻留小区的至少一个相邻小区内的活动用户中选取至少一个用户作为干扰用户；

(2)所述被考察用户获取针对其和所述干扰用户的下行链路信道估计值；

(3)所述被考察用户根据其下行链路接收信号及其获得的所述信道估计值，对其和所述干扰用户的用户数据进行联合检测。

根据本发明的方法，所述步骤(1)包括：

(1a)所述被考察用户针对所述的活动用户进行信道估计；

(1b)所述被考察用户在所述活动用户中选取至少一个具有最强信道冲激响应功率的用户作为所述的干扰用户。

根据本发明的方法，所述步骤(1)包括：

(1a)所述被考察用户针对所述的活动用户进行信道估计；

(1b)所述被考察用户在所述活动用户中选取至少一个具有大于一个预设阈值的信道冲激响应功率的用户作为所述的干扰用户。

根据本发明的方法，所述步骤(1)每隔一个预设的时间T重复进行。

根据本发明的方法，在所述步骤(2)中，所述被考察用户基于其和所述干扰用户的下行链路训练序列码，针对其和所述干扰用户进行联合信道估计。

根据本发明的方法，所述步骤(2)包括：

(2a)所述被考察用户构造其和所述干扰用户的下行链路训练序列码矩阵G，其中，所述矩阵G的行数为L，代表用于信道估计的所述训练序列码接收信号的长度；所述矩阵G的列数为W·K，代表信道冲激响应长度与所述被考察用户和所述干扰用户的总数的乘积；

(2b)所述被考察用户根据所述训练序列码的接收信号e＝Gh+n，对信道冲激响应h进行联合估计，其中，所述信道冲激响应h由K个无线信道的信道冲激响应组成，n为附加于所述信号e之上的加性白高斯噪声信号。

根据本发明的方法，在所述步骤(2b)中使用迫零算法对信道冲激响应h进行联合估计，估计值 $>ver>>h>^>>=>>>(>>G>H>>G>)>>>->1>>>>G>H>>e>.>>>$

根据本发明的方法，在所述步骤(2b)中使用最小均方误差算法对信道冲激响应h进行联合估计，估计值 $>ver>>h>^>>=>>>(>>G>H>>G>+>>\sigma >2>>I>)>>>->1>>>>G>H>>e>,>>>其中，\sigma 2为加性白高斯噪声信号n的功率，I为W·K阶的单位矩阵。$

根据本发明的方法，所述步骤(3)包括：

(3a)所述被考察用户分别计算其和所述干扰用户的地址码与相应的各所述信道估计值的卷积值 $>>>b>>(>k>)>>>=>>>[>>b>1>>(>k>)>sup>>,>.>.>.>,>>b>>Q>+>W>->1>>>(>k>)>sup>>]>>T>>=>>c>>(>k>)>>>*>>h>>(>k>)>>>,>>>k＝1，2，...，K，Q代表所述地址码的长度，W代表信道冲激响应的长度，K代表所述被考察用户和所述干扰用户的总数；$

(3b)所述被考察用户构造转移矩阵A＝(A_ij)，i＝1，...，N·Q+W-1，j＝1，2，...，K·N，其中 $>>>A>>Q>·>>(>n>->1>)>>+>l>,>n>+>N>·>>(>k>->1>)>>>>=>>b>l>>(>k>)>sup>>,>>>k＝1，2，...，K，n＝1，...，N，l＝1，...，Q+W-1，所述矩阵A中的其余元素为0，N代表所述的用户数据中符号序列的长度；$

(3c)所述被考察用户根据所述的下行链路接收信号以及所述的信道估计值，使用迫零算法对其和所述干扰用户的用户数据进行联合检测，检测信号 $>ver>>d>^>>=>>>(>>A>H>>A>)>>>->1>>>>A>H>>r>,>>>r代表所述的下行链路接收信号。$

根据本发明的方法，所述步骤(3)包括：

(3a)所述被考察用户分别计算其和所述干扰用户的地址码与相应的各所述信道估计值的卷积值 $>>>b>>(>k>)>>>=>>>[>>b>1>>(>k>)>sup>>,>.>.>.>,>>b>>Q>+>W>->1>>>(>k>)>sup>>]>>T>>=>>c>>(>k>)>>>*>>h>>(>k>)>>>,>>>k＝1，2，...，K，Q代表所述地址码的长度，W代表信道冲激响应的长度，K代表所述被考察活动用户和所述干扰用户的总数；$

(3b)所述被考察用户构造转移矩阵A＝(A_ij)，i＝1，...，N·Q+W-1，j＝1，2，...，K·N，其中 $>>>A>>Q>·>>(>n>->1>)>>+>l>,>n>+>N>·>>(>k>->1>)>>>>=>>b>l>>(>k>)>sup>>,>>>k＝1，2，...，K，n＝1，...，N，l＝1，...，Q+W-1，所述矩阵A中的其余元素为0，N代表所述的用户数据中符号序列的长度；$

(3c)所述被考察用户根据所述的下行链路接收信号以及所述的信道估计值，使用最小均方误差算法对其和所述干扰用户的用户数据进行联合检测，检测信号 $>ver>>d>^>>=>>>(>>A>H>>A>)>>>->1>>>>A>H>>r>,>>>r代表所述的下行链路接收信号，\sigma 2代表附加于所述下行链路接收信号之上的加性白高斯噪声信号的功率，I代表K·N阶的单位矩阵。$

附图说明

以下将通过具体实施例结合附图对本发明的目的及特性进行详细描述，这些具体实施例是说明性的，不具有限制性。

图1为根据本发明方法的具体实施方式的流程图。

具体实施方式

本发明的核心思想在于：考虑到码分多址无线通信系统中存在的的符号间干扰、多址干扰和邻小区干扰，在码分多址无线通信系统的下行链路信号接收过程中，一个用户设备的接收机不仅对其自身，而且还对其驻留小区和其驻留小区的相邻小区中的强干扰用户的用户数据进行联合检测，从而在一定的信扰比水平下，改善其接收机的检测性能，同时提高其接收机抵抗符号间干扰、多址干扰和邻小区干扰的能力，进而增大码分多址无线通信系统的下行链路容量。

在下述图1中所示的根据本发明的一个具体实施例中，将以时分-同步码分多址无线通信系统中的下行链路为例，描述根据本发明的下行链路多用户检测方法的实施方式。

以一个活动用户作为被考察用户，所述的活动用户指与基站正在进行通信的用户，例如，进行语音通信或数据通信的用户。则根据本发明的方法，在图1所述的步骤100中，所述被考察用户首先需要在下行链路中，在其驻留小区内的其它活动用户和其驻留小区的至少一个相邻小区内的活动用户中选取至少一个用户作为干扰用户。在这一步骤中，所述被考察用户设备的接收机可以根据其计算能力，在所述小区中选取一个或一个上的干扰用户，这些干扰用户可以来自于其驻留小区，也可来自于所述的相邻小区，或同时来自于其驻留小区和所述的相邻小区。例如，当所述被考察用户和其驻留小区基站之间的下行信道中存在直射传播路径(LOS)或存在一条较强的传播路径时，来自于其驻留小区的相邻小区基站的邻小区干扰将起主导作用，此时，所述被考察用户可只在其驻留小区的一个或多个相邻小区内的活动用户中选取至少一个用户作为干扰用户；如果所述被考察用户和其驻留小区基站相距较近，且其间的下行信道中存在大量的传播路径，则来自于其驻留小区内的其它活动用户的多址干扰将起主导作用，此时，所述被考察用户可只在其驻留小区内的其它活动用户中选取至少一个用户作为干扰用户；又如，当所述被考察用户测量到其接近于其驻留小区的边界时，来自于其驻留小区的相邻小区基站的邻小区干扰和来自于其驻留小区内的其它活动用户的多址干扰同时起主导作用，则所述被考察用户可在其驻留小区内的其它活动用户和其驻留小区的至少一个相邻小区内的活动用户中同时选取至少一个用户作为干扰用户。

在选取干扰用户时，所述被考察用户可以依据不同的准则进行选取。例如，一种可以采用的准则为最强信道冲激响应(Channel impulse response)功率准则：所述被考察用户首先获得针对所述活动用户的信道冲激响应估计值；然后，在所述活动用户中选取至少一个具有最强信道冲激响应功率的用户作为所述的干扰用户。另一种可以采用的准则为信道冲激响应功率阈值准则：所述被考察用户首先获得针对所述活动用户的信道冲激响应估计值；然后，在所述活动用户中选取至少一个具有大于一个预设阈值P的信道冲激响应功率的用户作为所述的干扰用户。

由于TD-SCDMA系统采用时分双工的方式，因而可认为所述活动用户和相应的基站之间的上、下行信道具有对称性，这样所述被考察用户便可从相应的基站处获取针对所述活动用户的上行信道估计值，并基于所述的上行信道估计值对所述的干扰用户进行选取。所述被考察用户也可以使用任何现有的信道估计方法，针对一个所述小区中的活动用户进行多用户信道估计，或者针对一个所述小区中的各个活动用户分别进行信道估计。例如，使用基于傅立叶变换的快速信道估计方法针对一个所述小区中的活动用户进行多用户信道估计：由于在TD-SCDMA系统中，一个小区内的不同用户的训练序列码分别为一个基本训练序列码(Basicmidambles)的不同循环移位(Cyclic shift)；同时，基于时域中的卷积运算与频域中的乘积运算之间的对应关系，因此，可以通过以下表达式1快速获得针对一个小区中各活动用户的信道冲激响应估计值，

$>ver>>h>^>>=>IDFT>>(>>\Lambda >>->1>>>·>DFT>>(>e>)>>)>>>>表达式1$

其中，为了矩阵计算上的简便， $>ver>>h>^>>=>>>[>>>(>ver>>h>^>>>(>1>)>>>)>>T>>,>>>(>ver>>h>^>>>(>2>)>>>)>>T>>,>·>·>·>,>>>(>ver>>h>^>>>(>>K>m>>)>>>)>>T>>]>>T>>,>>>K$_m表示TD-SCDMA系统中一个时隙内最大可能的用户数；Λ表示一个对角矩阵，其对角线元素分别为基本训练序列码M_P经傅立叶变换后的各位，即λ^(z)＝(DFT(M_P))^(z)， $>>>>M>‾>>P>>=>>(>>>M>‾>>P>>(>1>)>sup>>,>>>M>‾>>P>>(>2>)>sup>>,>.>.>.>,>>>M>‾>>P>>(>Z>)>sup>>)>>;>>>e表示用户设备收到的用于信道估计的训练序列码信号向量；然后，为了抑制噪声对信道估计值的不良影响，可以对进行门限滤波，即将中的各元素分别与一个预设的门限值进行比较，低于所述预设门限值的元素被将被作为噪声，其值被设置为0；高于所述预设门限值的元素不发生变化，被作为所述活动用户的信道冲激响应估计值。$

为了减少所述用户设备的信号处理负荷，对所述干扰用户的选取可以根据系统中的通信业务统计特征或用户移动的统计规律等条件，每隔一个预设的时间T进行一次，在每个预设的时间T内，可以认为所述的干扰用户不发生变化。

确定了所述的干扰用户之后，根据本发明的方法，接下来，所述被考察用户需要获取针对其和所述干扰用户的下行信道估计值。优选的，在图1所述的步骤101中，考虑到所述系统中存在的多址干扰和邻小区干扰，所述被考察用户还可以针对其和所述的干扰用户进行联合信道估计：以K表示所述被考察用户和所述干扰用户的总数，基于所述被考察用户和所述干扰用户的训练序列码 $>>\{>>m>>(>k>)>>>=>>>(>>m>1>>(>k>)>sup>>,>>m>2>>(>k>)>sup>>·>·>·>>m>F>>(>k>)>sup>>)>>T>>,>k>=>1>,>.>.>.>,>K>\}>,>>>所述被考察用户首先可以构造训练序列码矩阵G，G＝[G(1)，G(2)，...，G(K)]；对于每个所述的用户，G(k)可具有以下表达式2的形式，$

表达式2

其中，Z表示用于信道估计的训练序列码接收信号的长度，Z≤ F，W表示信道冲激响应长度；然后，所述用于信道估计的训练序列码接收信号则可以表示为以下表达式3的形式，

                               e＝Gh+n                 表达式3

其中，h＝[(h⁽¹⁾)^T，(h⁽²⁾)^T，...，(h^(K))^T]^T表示针对所述K个用户的下行信道冲激响应， $>>>h>>(>k>)>>>=>>>(>>h>1>>(>k>)>sup>>,>>h>2>>(>k>)>sup>>·>·>·>>h>W>>(>k>)>sup>>)>>T>>,>>>k＝1，\dots ，K；n表示附加在接收信号向量e之上的长度为Z的加性白高斯噪声信号向量；最后，所述被考察用户根据接收信号向量e对信道冲激响应h进行联合估计。此时，迫零(Zero forcing)或最小均方误差(Minimum mean square error)等算法均可被用来对h进行联合估计。例如，当使用迫零算法时，估计值$ >ver>>h>^>>=>>>(>>G>H>>G>)>>>->1>>>>G>H>>e>,>>>为对h的一种无偏估计；当使用最小均方误差算法时，估计值$ >ver>>h>^>>=>>>(>>G>H>>G>+>>\sigma >2>>I>)>>>->1>>>>G>H>>e>,>>>其中，\sigma 2为加性白高斯噪声信号n的功率，I为W\times K阶的单位矩阵，为对h的最小均方误差估计。$$$

在获得了所述的信道估计值之后，根据本发明的方法，最后，在图1所述的步骤102中，所述被考察用户将根据其下行链路接收信号及其获得的所述信道估计值，对其和所述干扰用户的用户数据进行联合检测。在这一步骤中，所述被考察用户可使用迫零或最小均方误差等算法对其和所述干扰用户的用户数据进行联合检测。例如，当使用迫零算法时，所述被考察用户可首先根据如下的表达式4计算其和所述干扰用户的地址码与相应的各所述信道估计值的卷积值，这里的地址码指所述用户的信道化码(Channelisation code)与相应的所述小区扰码的乘积，

$>>>b>>(>k>)>>>=>>>[>>b>1>>(>k>)>sup>>,>.>.>.>,>>b>>Q>+>W>->1>>>(>k>)>sup>>]>>T>>=>>c>>(>k>)>>>*>>h>>(>k>)>>>>>表达式4$

其中，k＝1，2，...，K，Q代表所述地址码的长度；然后，所述被考察用户可构造转移矩阵A＝(A_ij)，i＝1，...，N·Q+W-1，j＝1，2，...，K·N，其中，N代表一个所述用户的用户数据中存在符号间干扰的符号序列的长度， $>>>A>>Q>·>>(>n>->1>)>>+>l>,>n>+>N>·>>(>k>->1>)>>>>=>>b>l>>(>k>)>sup>>,>>>k＝1，2，...，K，n＝1，...，N，l＝1，...，Q+W-1，所述矩阵A中的其余元素为0；则所述的下行链路接收信号可表示为下述表达式5的形式，$

                      r＝Ad+n                 表达式5

其中，d＝[(d⁽¹⁾)^T，(d⁽²⁾)^T，...，(d^(K))^T]^T， $>>>d>>(>k>)>>>=>>>[>>d>1>>(>k>)>sup>>,>.>.>.>,>>d>N>>(>k>)>sup>>]>>T>>,>>>k＝1，2，...，K，n表示附加在接收信号r之上的长度为K·N的加性白高斯噪声信号向量；此处假定在所述符号序列的长度内信道的冲激响应值未发生变化，但也可根据信道冲激响应的时变特性，在所述符号序列的长度内使用相应的信道冲激响应估计值来进行有关的计算；最后，所述被考察用户根据所述的下行链路接收信号r以及所述的信道估计值，使用迫零算法对其和所述干扰用户的用户数据进行联合检测，检测信号$ >ver>>d>^>>=>>>(>>A>H>>A>)>>>->1>>>>A>H>>r>.>>>当使用最小均方误差算法时，类似的，所述检测信号则为$ >ver>>d>^>>=>>>(>>A>H>>A>+>>\sigma >2>>I>)>>>->1>>>>A>H>>r>,>>>\sigma 2代表附加于所述下行链路接收信号r之上的加性白高斯噪声信号n的功率，I代表K·N阶的单位矩阵。至此，所述被考察用户设备的接收机便完成了对其和所述干扰用户的用户数据的检测。$$$

在根据本发明的方法中，进行信道估计和多用户检测所需的所述相邻小区以及所述干扰用户的相关信息可以通过基站控制器获得。并且，本领域的技术人员应该不难看出，根据本发明的下行链路多用户检测方法在使用多天线技术或多载波技术的码分多址无线通信系统中同样适用。