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（北京衛(wèi)星導航中心，北京 100094）

多址干擾抑制技術在衛(wèi)星導航系統(tǒng)的應用研究

楚恒林，范建軍，張?zhí)鞓?/p>

（北京衛(wèi)星導航中心，北京 100094）

航天測控系統(tǒng)中需要滿足多路擴頻信號的穩(wěn)定傳輸，當瞬時傳遞的同頻點信息路數(shù)增大時多址干擾成為影響系統(tǒng)性能的主要因素。多址干擾抑制技術用于降低擴頻信號間偽碼互相關導致的系統(tǒng)自干擾，提高信道用戶容量和傳輸性能。針對衛(wèi)星導航系統(tǒng)地面測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈中多址干擾問題，分析了鏈路多址干擾影響模式，對聯(lián)合檢測和干擾消除的多用戶檢測技術進行了介紹和性能對比，并針對準同步傳輸體制研究了其在多址干擾抑制方面的能力。

多址干擾；衛(wèi)星導航；多用戶檢測；準同步傳輸；功率控制

0 引言

由于選用的大部分偽碼在信號相對延遲區(qū)域內不完全正交，擴頻系統(tǒng)的傳輸信道中存在系統(tǒng)自干擾，即信號間的多址干擾［1－4］。對于信號接收功率相似的系統(tǒng)，在良好相關特性的擴頻碼下，多址干擾的影響低，通常無需對其進行抑制和處理。當用戶容量增大、信息速率提高或接收功率差異大時，多址干擾會成為影響系統(tǒng)傳輸性能和可靠性的主要因素。為抑制多址干擾的影響，在系統(tǒng)設計中采用優(yōu)選的偽碼或零相關區(qū)偽碼、功率控制等，其中多用戶檢測技術［5－7］是接收機基于信號偽碼和對信號的跟蹤參數(shù)，通過矩陣法、自適應抵消或參數(shù)估計方法來提取期望的信號特征。本文針對衛(wèi)星導航應用中多址干擾影響問題，對幾種多用戶檢測技術性能進行了分析和論述，同時對抑制系統(tǒng)多址干擾所涉及的準同步傳輸體制進行了介紹和分析。

1 多址干擾建模

衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)傳輸鏈路中信號載波和偽碼之間的相位關系不成比例變化，因此其接收終端偽距測量只能采用偽碼測距的方式。接收機一般采用非相干延遲鎖定跟蹤環(huán)（NC－DLL）的方式實現(xiàn)偽碼測距，NC-DLL接收機的原理框圖如圖1所示。

圖1 NC-DLL接收機原理

若信道用戶數(shù)為K，則任意地面站接收的信號可表示為：

以用戶1為期望接收用戶，則接收信號經(jīng)過NC-DLL的簽相器輸出為：

式中，S（ε，Δ）為沒有噪聲和多址干擾時的簽相曲線；nT（t，ε）為由噪聲和多址干擾組成的等效噪聲項。

多址干擾引起的噪聲部分很復雜，要分析這些噪聲相對環(huán)路跟蹤誤差的影響，需要采用等效簡化的方法或仿真的手段進行分析。

多址干擾對偽碼測距誤差的影響可以分為隨機誤差和系統(tǒng)誤差兩部分。當多址干擾的數(shù)量較多、各路干擾信號功率均衡且干擾信號相位近似服從區(qū)間［0，2π）內的均勻分布時，多址干擾可以近似為高斯噪聲，此時多址干擾引起偽碼測距隨機誤差，誤差分析方法與高斯噪聲條件下的分析方法相同；多址干擾引起偽碼測距的系統(tǒng)誤差不像隨機誤差那樣可以通過減小偽碼跟蹤環(huán)路帶寬的方法獲得平滑，相對于隨機誤差而言會引起更惡劣的影響，現(xiàn)有文獻中較少涉及這部分內容。

2 多用戶檢測算法

常用的多址干擾抑制算法可以分為聯(lián)合檢測算法和干擾消除算法兩大類。

2.1 聯(lián)合檢測算法

聯(lián)合檢測算法也稱為線性多用戶檢測算法，其基本思想是利用變換矩陣來消除用戶間的多址干擾，實現(xiàn)對多用戶信號的聯(lián)合解調。該類算法包括最大似然算法（ML）、迫零算法（ZF）和最小均方誤差算法（MMSE）等算法。

最大似然序列估計檢測因其具有最優(yōu)性能也被稱為最佳多用戶檢測。該檢測方法原理為預先產(chǎn)生遍歷的發(fā)送序列集，由接收信號Y（t）找出發(fā)送序列，即

最大似然估計算法具有理論最用性能，但其運算復雜度隨用戶數(shù)呈指數(shù)增長，用戶較多情況下難以實現(xiàn)。

迫零檢測算法原理為：

根據(jù)本地產(chǎn)生的偽碼序列生成互相關矩陣R并對多用戶信號進行功率估計，由互相關矩陣R與功率估計的復合矩陣H求得變換矩陣G，對擴頻信號匹配濾波器輸出向量采用上述方法進行多用戶聯(lián)合檢測，而后進行判決估計得到發(fā)送序列。

迫零檢測算法能夠消除各用戶信號之間的干擾，且運算復雜度較低，運算復雜度隨用戶數(shù)線性增加，具有一定的可實現(xiàn)性，但會使噪聲功率有所提高。

MMSE檢測算法基本思想是使多用戶發(fā)送信號與估計值之間的均方誤差值最小。其與ZF算法的不同點在于對變換矩陣G的求解中考慮了噪聲的影響，如下式所示求得變換矩陣G，而后采用與迫零檢測算法相同的方法進行多用戶檢測與比特判決。

MMSE檢測算法相比于迫零檢測，其在削弱多址干擾的同時也抑制了背景噪聲影響，在一些場景下可以提高檢測性能，但其在抗遠近效應方面性能不如ZF檢測。

2.2 干擾消除算法

干擾消除算法也稱為非線性多址干擾抑制算法，其基本原理是在接收端構造其他用戶對期望用戶信號的干擾，然后進行多址干擾的消除。其主要包括串行干擾消除（SIC）和并行干擾消除（PIC）兩大類。

串行干擾消除算法按信號功率強弱將接收信號排序，首先檢測出功率最強的信號，對其進行判決得到該信號的估計值，然后從接收到的信號中減去該估計值，作為下一級匹配濾波的輸入信號。根據(jù)此方式逐級進行干擾消除和判決，最后得到檢測結果。其缺點是功率最強的用戶信號估計的可靠性會起決定性作用，而其估計的準確性又難以保證。

并行干擾消除算法是同時并行地對每個用戶的接收信號進行估計時減去其他用戶對其產(chǎn)生的多址干擾，然后再對消除干擾后的各個信號進行判決。并行干擾消除往往需要采用多級結構，以提高干擾消除準確性，通過對不同級的消除添加權值也衍生出了部分干擾消除（PPIC）等改進方法。

除此之外，也有基于2類算法相結合衍生出的算法，如ZF-SIC算法，將信號按照功率強弱排序分為多組，組內采用ZF算法解相關，組與組之間采用串行干擾消除，相比于單純的SIC或者ZF算法在算法復雜度和檢測性能上具有一定優(yōu)勢。

3 準同步傳輸體制

為了優(yōu)化系統(tǒng)性能、減少多址干擾，也可以考慮采取準同步的時間同步傳輸體制。即要求各個站根據(jù)與衛(wèi)星的距離計算信號發(fā)射時刻，使得不同站發(fā)射信號到達接收站的時間偏差小于某個特定值，滿足準同步條件。各個地面站均同步于GNSS導航信號，從而將衛(wèi)星時間和各個地面站同步于一個共同的時間基準，目前采用單向授時可以容易實現(xiàn)50 ns的精度。地面站根據(jù)導航電文解算星地距離進行反向距離補償。

在準同步CDMA系統(tǒng)中，常用的擴頻碼主要有Walsh序列、LAS碼和移位m序列等。

2.2 兩組患者手術后情況比較 觀察組手術后下床活動時間、手術后肛門排氣時間及患者手術后12 h疼痛評分明顯優(yōu)于對照組，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），兩組患者住院費用及手術后住院時間相比，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。見表3。

3.1 Walsh序列

Walsh序列的正交性只有在同步條件下才能實現(xiàn)，當用戶間擴頻序列偏移較大時，由于擴頻碼互相關性不好，會引入較大的多用戶干擾，使得系統(tǒng)性能急劇下降。

3.2 LAS碼

LAS碼是具有零相關窗的一類碼字。只要碼片偏移落在零相關窗之內，就可以消除多址干擾對系統(tǒng)性能造成的影響。

LAS碼由LA碼和LS級聯(lián)而成。LA碼可以按如下步驟進行構造：

①選擇一個B×R的正交矩陣，一般情況下，R＝B，矩陣的每一行作為一個正交序列；

②在正交序列元素之間按如下規(guī)則插入不同長度的零串；在插入的所有零串中僅有一個零串長度未奇數(shù)，每一個零串長度只能出現(xiàn)一次，任意一個零串的長度不能是其他任意零串長度之和。

LAS碼是將LS碼插入LA的零間隔中組合成的級聯(lián)碼。

3.3 移位m序列

利用m序列良好的自相關特性，可以構造出移位m序列。設m序列的長度為N，零相關窗要求寬度為M個碼片，移位m序列的構造方法如下：產(chǎn)生一個長度為N的m序列；對m序列進行循環(huán)移位，移位步徑為M＋1，循環(huán)移位后的序列即為移位m序列。

按照以上方法，基于長度為N的m序列可以構造出N／（M＋1）個移位m序列，而且不同移位m序列的互相關值均為－1，接近于0。將移位m序列應用于準同步CDMA系統(tǒng)中，產(chǎn)生的多址干擾相對較小。

準同步信號經(jīng)過距離補償和擴頻后為：

經(jīng)過衛(wèi)星轉發(fā)時間延遲，地面接收到的信號為：

式中，cp（t）為第k個用戶的長碼；ck（t）為第k個用戶的短碼用以擴頻區(qū)分用戶；dk（t）為第k個用戶的調制數(shù)據(jù)；cos（ωt）表示調制方式采用BPSK；τk為第k個用戶相對于總站的星地距離延遲時間。接收站接收到的所有用戶信號由于距離補償，各站點信號效果等同于準同步接入。

4 多址干擾抑制算法仿真

本文對2類多址干擾抑制算法分別在不同場景條件下進行了仿真，對其干擾消除性能進行了分析論證。

不同信噪比情況下，匹配濾波法、ZF、MMSE和ML等算法的誤碼率如圖2所示。系統(tǒng)采用12路不等功率擴頻測控信號，采用BPSK調制，功率變化為正負10 dB，采用C／A碼調制，擴頻比為50，信噪比范圍為－25～15 dB，仿真點數(shù)為3×105。

圖2 12路正負10 dB不等功率信號情況下誤碼率曲線

如圖2所示，在強遠近效應以及低擴頻增益情況下，多址干擾極其嚴重，其對于系統(tǒng)檢測性能的影響已經(jīng)遠大于背景噪聲影響。傳統(tǒng)的匹配濾波判決算法誤碼率始終保持在10－1左右，不隨信噪比變化，可見其誤碼來源均主要來自于多址干擾。文中討論的多址干擾抑制算法均可以較為有效的消除多址干擾，ZF算法與MMSE算法性能相近，在－10 dB信噪比下可實現(xiàn)優(yōu)于10－3的誤碼率，同時也可以看到ML具有最優(yōu)的干擾消除和檢測性能。

相同仿真條件下，12路正負13 dB不等功率信號的誤碼率曲線如圖3所示。多址干擾的影響隨遠近效應加重而增強，各算法誤碼率性能均有所降低。

圖3 12路正負13 dB不等功率信號情況下誤碼率曲線

不同路數(shù)等功率信號情況下誤碼率曲線如圖4所示。信號路數(shù)由4路變化到12路，信號采用等功率情況，信噪比為－25 dB。在測控信號等功率即無遠近效應情況下，多址干擾影響隨信號路數(shù)增加逐漸增強，相應的各算法檢測誤碼率也逐漸變高。

圖4 不同路數(shù)等功率信號情況下誤碼率曲線

對并行干擾消除算法進行的研究仿真如圖5所示。系統(tǒng)采用20路不等功率擴頻測控信號，采用BPSK調制，功率變化為正負3 dB，采用CA碼調制，擴頻比為50，信噪比范圍為－15～5 dB，仿真點數(shù)為3×105。圖中二級PIC采用了PPIC方法，第一級干擾消除權值取為0．5。從圖5可以看出，PIC方法具有較好的干擾消除效果，而二級PIC相比于一級PIC也具有較大的性能改進。

圖5 20路正負3 dB不等功率信號情況下PIC誤碼率曲線

5 結束語

隨著衛(wèi)星導航在城市和室內定位等應用增長，同時當站間用戶數(shù)增多時站間時間同步的多址干擾的影響必須引起重視。利用已知擴頻碼的結構信息與統(tǒng)計信息來克服多個用戶之間干擾的多用戶檢測技術是克服多址干擾的理論基礎，基于目標函數(shù)的并行干擾對消與線性檢測方法和非線性檢測方式相比是目前較為適合工程實現(xiàn)的算法。在系統(tǒng)設計上采用準同步的正交傳輸體制和相應功率控制技術也是抑制多址干擾的有效手段。

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Multi-access Interference Suppression in Satellite Navigation System

CHU Heng-lin，F(xiàn)AN Jian-jun，ZHANG Tian-qiao
（Beijing Satellite Navigation Center，Beijing 100094，China）

Steady transmission of multi-channel spread spectrum signals is required in Space TT＆C system．As the number of in-stantaneous information transmissions at same frequency increases，MAI becomes a key factor that influences system capability．MAI sup-pression is used to depress system self-interference due to PNs cross-correlation，which improves user capability and transmission per-formance．Aimed at MAI on data link of ground TT＆C system for satellite navigation，the link MAI influence mode is analyzed．Multi-user detection technology and its performance analysis are introduced．MAI suppression capability of quasi-synchronous transmission system and power control technology are studied．

MAI；satellite navigation；multi-user detection；quasi-synchronous transmission；power control

TP391．4

A

1003－3106（2015）07－0050－04

10．3969／j．issn．1003－3106．2015．07．14

楚恒林，范建軍，張?zhí)鞓颍嘀犯蓴_抑制技術在衛(wèi)星導航系統(tǒng)的應用研究［J］．無線電工程，2015，45（7）：50－53．

楚恒林男，（1973—），高級工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導航總體論證。

2015-04-08

范建軍男，（1978—），副研究員。主要研究方向：衛(wèi)星導航總體論證。