徐 偉,許慶帥,國 強(qiáng),李高原
(哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)
碼分多址(CDMA)方式在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì),在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中采用CDMA技術(shù),具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、靈活、抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)容量潛力大和成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)[1-2]。在CDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,采用相同周期擴(kuò)頻碼調(diào)制的所有用戶在同一頻帶內(nèi)傳輸,不同用戶使用不同的地址碼來保證通信的獨(dú)立性,但是由于地址碼之間存在一定的相關(guān)性,導(dǎo)致用戶之間存在多址干擾。當(dāng)用戶數(shù)較多時(shí),多址干擾(Multiple Access Interference,MAI)是影響系統(tǒng)性能和系統(tǒng)容量的最主要因素,多用戶檢測(cè)作為抗多址干擾的關(guān)鍵技術(shù),具有重要的研究?jī)r(jià)值。
多用戶檢測(cè)的思想最早在1979年由K.S.Schneider[3]提出,他將多個(gè)用戶的碼字和定時(shí)信息等聯(lián)合起來檢測(cè)單個(gè)用戶信息,并研究了迫零算法。1986年,S.Verdu[4]證明了K.S.Schneider給出的DS-CDMA系統(tǒng)最優(yōu)多用戶檢測(cè)器由匹配濾波器組后接Viterbi譯碼器的結(jié)論,首先提出了在高斯白噪聲信道下CDMA信號(hào)的最優(yōu)檢測(cè)方法,即Viterbi算法。該算法可以逼近單用戶系統(tǒng)的接收性能并有效克服遠(yuǎn)近效應(yīng)。但該算法的計(jì)算復(fù)雜度較高,難以工程實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上,人們開始尋找計(jì)算復(fù)雜度低的各種次最優(yōu)多用戶檢測(cè)算法。
次最優(yōu)多用戶檢測(cè)算法主要包括線性多用戶檢測(cè)算法和干擾抵消多用戶檢測(cè)算法。線性檢測(cè)算法是指對(duì)匹配濾波器的輸出進(jìn)行線性變換,然后再判決。線性多用戶檢測(cè)算法大大降低了多用戶檢測(cè)算法復(fù)雜度,但是線性多用戶檢測(cè)算法存在對(duì)背景噪聲的放大,并且對(duì)矩陣求逆運(yùn)算較復(fù)雜的缺點(diǎn),削弱了其在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。
干擾抵消多用戶檢測(cè)算法主要包括串行干擾抵消檢測(cè)算法(Serial Interference Cancellation Algorithm,SIC)和并行干擾抵消算法(Parallel Interference Cancellation Algorithm,PIC)。SIC算法首先根據(jù)用戶功率由大到小進(jìn)行排序,首先檢測(cè)估計(jì)出功率最大的用戶,從總的接收信號(hào)中減去重構(gòu)的功率最大用戶的干擾,然后檢測(cè)估計(jì)出次大功率用戶,重建和抵消次大功率用戶的干擾,以此類推[5]。SIC算法能較好地消除遠(yuǎn)近效應(yīng),但是有誤差累積和時(shí)延較大的缺點(diǎn)。PIC算法同時(shí)對(duì)所有的用戶進(jìn)行檢測(cè)估計(jì)、重構(gòu)干擾并消除[6],實(shí)時(shí)性較好。但是也存在誤差累積的問題。D.Divsalar等[7]人提出了部分并行干擾抵消檢算法(Partial Parallel Interference Cancellation Algorithm,PPIC),即前級(jí)的判決是不準(zhǔn)確的,因此只是部分地減去干擾重構(gòu)量,隨著消除級(jí)數(shù)的增加,干擾消除量增加,有效地解決了誤差累積問題。
在干擾重構(gòu)時(shí),比特幅度估計(jì)準(zhǔn)確性是影響干擾重構(gòu)準(zhǔn)確性的重要因素。傳統(tǒng)的比特幅度估計(jì)方法是利用匹配濾波輸出值進(jìn)行估計(jì),由于匹配濾波不能很好地抑制MAI,因此估計(jì)是不準(zhǔn)確的。本文考慮MAI的特點(diǎn),根據(jù)限帶濾波器原理提出了一種改進(jìn)的比特幅度估計(jì)方法,實(shí)驗(yàn)仿真誤碼率性能良好。采用部分并行干擾抵消算法,雖然比干擾量完全抵消時(shí)誤碼率性能有較大的提高,但是當(dāng)用戶數(shù)量較多時(shí),誤碼率仍然較高。
低密度奇偶校驗(yàn)碼(Low Density Parity Check Code,LDPC)具有良好的糾錯(cuò)能力和接近香農(nóng)限的編碼性能,以及較低的譯碼復(fù)雜度[8],被廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)信道編碼中用以提高系統(tǒng)通信質(zhì)量[9]?;诘嘤脩魴z測(cè)理論,本文提出了LDPC譯碼迭代PPIC算法(LDPC Decoding Iterative PPIC Algorithm,DPIC),實(shí)驗(yàn)仿真誤碼率性能明顯優(yōu)于PPIC算法,且在用戶數(shù)較多時(shí)仍能保持較低的誤碼率。
考慮一個(gè)有K個(gè)用戶的衛(wèi)星通信系統(tǒng),發(fā)射信號(hào)碼元采用雙相移相鍵控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)調(diào)制,信道為加性白高斯噪聲(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道,K個(gè)用戶采用異步發(fā)送方式,移動(dòng)臺(tái)或衛(wèi)星中繼接收到的信號(hào)模型為:
(1)
式中,n(t)為均值為0、雙邊帶功率譜密度為σ2的遍歷復(fù)加性白高斯噪聲;每個(gè)用戶每一幀發(fā)送的數(shù)據(jù)碼元數(shù)為Nb,{bk(t)=±1,i=1,…,Nb}為用戶的數(shù)據(jù)碼元經(jīng)過BPSK調(diào)制后的數(shù)據(jù)流;Tb為碼元間隔;Ak為第k個(gè)用戶的接收信號(hào)幅度;{sk(t),0≤t≤Tb}為第k個(gè)用戶的歸一化的傳輸信號(hào)波形為:
(2)
為了簡(jiǎn)化,考慮短擴(kuò)頻同步系統(tǒng)并且各用戶延時(shí)為0,在接收端對(duì)第k個(gè)用戶匹配濾波,輸出yk為:
(3)
R={ρjk}(j,k=1,…,K),
B=[b1,...,bK]Τ,
A為對(duì)角矩陣,對(duì)角線元素為Ak(k=1,...,K),則接收到的信號(hào)經(jīng)過匹配濾波輸出為:
Y=RAB+n,
(4)
式中,R為歸一化的互相關(guān)系數(shù)矩陣,對(duì)角線元素ρkk=1;A為信號(hào)幅度矩陣;B為K個(gè)用戶的發(fā)送碼元矩陣;n為匹配濾波輸出噪聲向量。
PPIC多用戶檢測(cè)器的原理如圖1所示。其基本思想為在干擾抵消的每一級(jí)中,根據(jù)上一級(jí)的比特符號(hào)估計(jì)值重構(gòu)MAI,然后在每個(gè)用戶的接收信號(hào)中減去所有其他用戶對(duì)它所產(chǎn)生的MAI,并用干擾消除后用戶的比特信息對(duì)比特符號(hào)重新估計(jì)。
圖1 部分并行干擾抵消多用戶檢測(cè)器的原理
PPIC檢測(cè)器是對(duì)所有K個(gè)用戶同時(shí)進(jìn)行干擾信號(hào)重構(gòu)并消除,由于一級(jí)干擾消除不能完全消除MAI,故通常采用多級(jí)干擾消除,由于前級(jí)某些比特判決不準(zhǔn)確,導(dǎo)致錯(cuò)誤重構(gòu)某些干擾信號(hào),如果完全消除重構(gòu)的干擾量,會(huì)使檢測(cè)性能下降,所以對(duì)每一級(jí)進(jìn)行部分干擾抵消,即在每一級(jí)消除干擾時(shí)都乘上一個(gè)干擾消除系數(shù)(干擾消除系數(shù)的取值在0和1之間),一般來說,后級(jí)干擾重構(gòu)的準(zhǔn)確性要優(yōu)于前級(jí),所以干擾消除系數(shù)[10-11]隨著消除級(jí)數(shù)的增加而增大。
(5)
則第m+1級(jí)第k用戶的比特符號(hào)為:
(6)
式中,zk(m)為第k用戶的m級(jí)干擾消除后的結(jié)果,
(7)
(8)
(9)
式中,hjk為互相關(guān)矩陣H的元素。第m+1級(jí)所有用戶比特符號(hào)估計(jì)值為:
(10)
Z(m)=[z1(m),z2(m),…,zK(m)]Τ,
(11)
diag{E}={E1,E2,…,EK},
(12)
式中,EK表示第K用戶的信號(hào)能量。
在實(shí)際DS-CDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,用戶通過遠(yuǎn)距離傳輸后,在接收端很難滿足同步條件,在異步情況下,相關(guān)矩陣H在同一比特周期不再是固定值。因此,研究良好的異步系統(tǒng)MAI估計(jì)方法,準(zhǔn)確地估計(jì)出異步系統(tǒng)用戶的MAI并消除,使其在性能上接近同步系統(tǒng)是異步系統(tǒng)的研究重點(diǎn)。
8用戶異步CDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)比特互干擾示意圖如圖2所示。設(shè)用戶1為參考用戶,延時(shí)為0,用戶1受到滯后用戶的前一比特和當(dāng)前比特的干擾,超前用戶的當(dāng)前比特和后一比特的干擾。非增強(qiáng)的PPIC算法只對(duì)與用戶1第i比特重疊的圖中黑色陰影部分消除,丟失了干擾用戶的部分信息。增強(qiáng)的PPIC算法,用戶1第i個(gè)比特受到的MAI1,i為:
(13)
圖2 異步系統(tǒng)用戶比特互干擾示意
采用PPIC多用戶檢測(cè)算法,直接影響算法性能的另一個(gè)重要因素是比特幅度估計(jì)的準(zhǔn)確度,傳統(tǒng)的比特幅度估計(jì)方法直接采用匹配濾波輸出值進(jìn)行估計(jì),公式如下:
(14)
式中,softbiti(t)為用戶匹配濾波輸出值;SF為用戶擴(kuò)頻比。對(duì)于傳統(tǒng)的比特幅度估計(jì)方法,由于多用戶干擾的存在,所以直接對(duì)匹配濾波器的輸出進(jìn)行比特幅度估計(jì)是不準(zhǔn)確的。但是考慮到用戶的擴(kuò)頻碼是無周期長(zhǎng)碼,所以每個(gè)比特受到的MAI是近似不相關(guān)的,即頻譜是白的,所以用一個(gè)限帶濾波器就能很好地抑制MAI。綜合考慮計(jì)算復(fù)雜度和性能需求,本文對(duì)用戶比特幅度估計(jì)方法做出修改:
bitampi(t)=bitampi(t-1)×ρ+
(15)
式中,1-ρ為更新速率,通常ρ會(huì)取接近1的值,實(shí)際中根據(jù)具體的用戶功率變化頻率和用戶數(shù)目選擇上有所不同;bitampi(t-1)為前一時(shí)刻比特幅度估計(jì)值;bitampi(t)為當(dāng)前時(shí)刻比特幅度估計(jì)值。
考慮有K個(gè)用戶的采用LDPC編碼的DS-CDMA系統(tǒng),系統(tǒng)發(fā)射端調(diào)制采用歸一化調(diào)制波形s1,s2,…,sK,假設(shè)衛(wèi)星通信信道為加性高斯白噪聲信道。系統(tǒng)發(fā)射端框圖如圖3所示。考慮用戶k,其二進(jìn)制信息符號(hào)為{dk(i)},用碼率為R的LDPC碼編碼,編碼后的比特符號(hào){ck(i)}用BPSK調(diào)制,得到持續(xù)時(shí)間為Tb的數(shù)據(jù)符號(hào)。然后利用擴(kuò)頻碼波形sk(t)對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻,然后所有用戶信號(hào)疊加在同一信道中傳輸。
圖3 編碼的DS-CDMA系統(tǒng)發(fā)送端框圖
傳統(tǒng)編碼的衛(wèi)星通信系統(tǒng)接收機(jī)中,信道譯碼模塊和多用戶檢測(cè)模塊是分開的,即多用戶檢測(cè)器對(duì)用戶接收信號(hào)進(jìn)行多級(jí)消除干擾后進(jìn)行判決,然后把得到的比特估計(jì)信息(0或1)送入信道譯碼器,譯碼輸出結(jié)果即是用戶發(fā)送比特的估計(jì)值,這樣信道譯碼器和多用戶檢測(cè)器之間并沒有充分利用碼比特判決概率信息,導(dǎo)致接收機(jī)性能下降。根據(jù)信道編碼的SISO譯碼思想[12-14],一種降低性能惡化的方法是在多用戶檢測(cè)和譯碼之間傳遞用戶比特外信息。基于此思想,本文改進(jìn)的接收機(jī)DPIC檢測(cè)模塊主要包括PPIC和LDPC譯碼2個(gè)子系統(tǒng),PPIC模塊輸出用戶比特外信息給LDPC譯碼模塊,LDPC譯碼模塊輸出判決之后的用戶比特估計(jì)值輸入到PPIC模塊,作為下一次迭代時(shí)用戶比特輸入信息。本文所用的LDPC碼的校驗(yàn)矩陣采用隨機(jī)構(gòu)造的方式生成,因此對(duì)于采用這種LDPC碼的迭代接收系統(tǒng),檢測(cè)器輸出的編碼比特具有自交織性,即編碼比特是相互統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的[15-18]。傳統(tǒng)的和改進(jìn)的LDPC編碼的DS-CDMA系統(tǒng)接收機(jī)檢測(cè)模塊框圖分別如圖4(a)和圖4(b)所示。
圖4 LDPC編碼的DS-CDMA系統(tǒng)接收機(jī)檢測(cè)模塊
假設(shè)對(duì)用戶接收信號(hào)進(jìn)行N級(jí)干擾消除,傳統(tǒng)的檢測(cè)模塊首先采用PPIC算法對(duì)期望用戶進(jìn)行N級(jí)干擾消除并判決,然后把判決結(jié)果輸入LDPC譯碼模塊,譯碼輸出值為用戶比特估計(jì)值;改進(jìn)的檢測(cè)模塊在每次迭代時(shí)PPIC模塊和譯碼模塊都利用了彼此的輸出信息。
采用改進(jìn)的檢測(cè)模塊,在第m次迭代時(shí),PPIC多用戶檢測(cè)器根據(jù)輸入的每一個(gè)用戶的接收信號(hào),用戶碼元的先驗(yàn)概率,并結(jié)合信道特性來計(jì)算用戶比特的后驗(yàn)概率(APP)。對(duì)于第k個(gè)用戶的第i個(gè)比特{bk(i)}的后驗(yàn)概率為:
p(m)(bk(i)=1|r(t))=
(16)
(17)
根據(jù)式(16)和式(17)得到后驗(yàn)概率的對(duì)數(shù)似然比為:
(18)
由式(18)可知,LLR為2個(gè)不同量的和,第2項(xiàng)包含bk(i)的先驗(yàn)概率,對(duì)于本接收機(jī)系統(tǒng)改進(jìn)的檢測(cè)模塊來說,由于LDPC譯碼模塊反饋給并行干擾消除模塊的是前一次迭代的譯碼判決信息,所以在每一次迭代中第2項(xiàng)的值都和第1次迭代時(shí)的相同,假設(shè)用戶碼比特等概率發(fā)送,即
則第2項(xiàng)的值為0。第1項(xiàng)是由接收機(jī)的并行干擾消除檢測(cè)器所產(chǎn)生的外信息,它根據(jù)接收信號(hào)、所有其他用戶比特的先驗(yàn)信息,和第k個(gè)用戶除第i個(gè)比特外所有其他比特的先驗(yàn)信息得到。
基于迭代原理的DPIC算法原理框圖如圖5所示,DPIC的第1級(jí)即為匹配濾波判決輸出過程,考慮第k個(gè)用戶匹配濾波器的判決輸出值為:
圖5 DPIC算法的原理
(19)
PPIC第m(m≥2)級(jí)第k個(gè)用戶的輸出為:
(20)
(21)
(22)
式中,R為用戶歸一化互相關(guān)矩陣;E為單位矩陣。
(23)
DPIC算法的具體步驟如下:
① 第1次迭代即為匹配濾波和判決過程,用戶比特估計(jì)值如式(19);
② 第m級(jí)迭代中PPIC模塊根據(jù)式(20)、式(21)和式(23)計(jì)算得碼比特后驗(yàn)概率LLR;
對(duì)16路異步系統(tǒng)分別用傳統(tǒng)的和改進(jìn)的比特幅度估計(jì)方法,用異步增強(qiáng)的PPIC算法,擴(kuò)頻比為44,用戶1的發(fā)送信號(hào)延遲為0,其他用戶延遲在0~43個(gè)碼片周期內(nèi)隨機(jī)分布,用戶載波相位在[0,2π]范圍內(nèi)隨機(jī)分布,碼相位一致,載噪比為52~68 dBHz,2級(jí)干擾消除,干擾消除系數(shù)分別為0.5和1,仿真結(jié)果如圖6所示。
圖6 16路系統(tǒng)采用不同比特能量估計(jì)方法的比較
從圖6可以看出,對(duì)于異步16路系統(tǒng),采用改進(jìn)的比特幅度估計(jì)方法誤碼率明顯低于傳統(tǒng)的方法,這是因?yàn)楦倪M(jìn)的比特幅度估計(jì)方法能更有效地抑制MAI,使比特幅度估計(jì)更接近真實(shí)值。
對(duì)24路異步系統(tǒng)分別采用傳統(tǒng)檢測(cè)器(MF),增強(qiáng)的PPIC(2級(jí)干擾消除)算法,增強(qiáng)的PPIC(2級(jí)干擾消除)+LDPC,DPIC算法 (2級(jí)干擾消除),擴(kuò)頻比為44,LDPC編碼碼率為0.5,編碼擴(kuò)頻后碼速率5.115 Mbps,用戶1的發(fā)送信號(hào)延遲為0,其他用戶延遲在0~43個(gè)碼片周期內(nèi)隨機(jī)分布,用戶載波相位、碼相位一致,載噪比為52~68 dBHz,仿真結(jié)果如圖7所示。
圖7 相同載噪比下不同檢測(cè)算法性能比較
圖7中,仿真點(diǎn)數(shù)為5×106個(gè)點(diǎn),表1給出了相同載噪比下采用不同的算法得到的誤碼率結(jié)果。從表1可以看出,相同條件下,采用PPIC+LDPC算法和DPIC算法52~68 dBHz下誤碼率性能明顯優(yōu)于PPIC算法。其中,在56 dBHz下采用PPIC+LDPC算法比PPIC性能大約提升了10 dB,而DPIC算法比PPIC+LDPC算法大約提升了8 dB;在58 dBHz下采用PPIC+LDPC算法比PPIC性能大約提升了30 dB,而DPIC算法比PPIC+LDPC算法大約提升了17 dB;在62~68 dBHz下,采用PPIC+LDPC算法和DPIC算法比PPIC算法大約有60 dB的提升,結(jié)果表明,PPIC+LDPC算法和DPIC算法具有較好的抗MAI性能。
表1相同載噪比下不同檢測(cè)算法誤碼率性能比較
檢測(cè)算法/dBMF2PPIC2PPIC+LDPC2DPIC560.320 20.158 10.016 30.003 9580.300 20.099 16.886e-52.002e-6620.206 00.043 600640.179 00.026 700660.013 90.019 000680.126 00.016 000
在載噪比為52~68 dBHz條件下,對(duì)于24路異步系統(tǒng),采用DPIC算法(2級(jí)干擾消除),用戶載波相位在[0,2π]范圍內(nèi)隨機(jī)分布,其他條件與實(shí)驗(yàn)一相同,仿真結(jié)果與用戶載波相位一致情況下仿真結(jié)果對(duì)比如圖8所示。
圖8 用戶載波相位對(duì)誤碼率性能的
圖8中,仿真點(diǎn)數(shù)為5×106個(gè)點(diǎn),用戶載波相位隨機(jī)情況下的誤碼率性能明顯好于載波相位一致的情況,這是因?yàn)楫?dāng)用戶載波相位一致時(shí)用戶之間的MAI較大,系統(tǒng)的誤碼率性能比載波相位隨機(jī)時(shí)的差。
在載噪比為57 dBHz條件下,用戶載波相位一致,分別采用傳統(tǒng)檢測(cè)算法、增強(qiáng)的PPIC算法(2級(jí)干擾消除)、PPIC(2級(jí)干擾消除)+LDPC算法、DPIC算法(2級(jí)干擾消除),其他條件和實(shí)驗(yàn)一相同,比較用戶數(shù)對(duì)用戶誤碼率性能的影響如圖9所示。
圖9 不同路異步系統(tǒng)誤碼率性能
圖9中,仿真點(diǎn)數(shù)為225 000,在載噪比為57 dBHz條件下,當(dāng)用增強(qiáng)的PPIC算法消除干擾時(shí)對(duì)系統(tǒng)容量提高有限,當(dāng)系統(tǒng)中用戶數(shù)多于30路時(shí),用戶誤碼率接近于傳統(tǒng)檢測(cè)算法;采用PPIC+LDPC算法和DPIC算法,系統(tǒng)容量較采用增強(qiáng)的PPIC算法有較大提升,采用PPIC+LDPC算法時(shí),當(dāng)系統(tǒng)用戶數(shù)低于28路時(shí),用戶誤碼率為0,系統(tǒng)用戶數(shù)低于38路時(shí)誤碼率性能都比傳統(tǒng)的檢測(cè)算法有明顯提升;采用DPIC算法時(shí),當(dāng)系統(tǒng)用戶數(shù)低于36路時(shí),用戶誤碼率為0,當(dāng)用戶數(shù)為36路時(shí)誤碼率性能比傳統(tǒng)檢測(cè)算法有18 dB的提升,仿真結(jié)果表明,DPIC算法具有較好的抗干擾性能,大大提升了系統(tǒng)容限。
基于判決反饋思想的增強(qiáng)PPIC算法能夠充分利用干擾用戶的信息來重構(gòu)MAI,利用帶限濾波器能夠較好地抑制MAI,在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)的比特幅度估計(jì)方法降低了估計(jì)誤差,針對(duì)增強(qiáng)的PPIC算法和改進(jìn)的比特幅度估計(jì)方法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),仿真證明判決反饋補(bǔ)償策略和改進(jìn)的比特幅度估計(jì)方法均能夠降低MAI的估計(jì)誤差。在信道編碼的DS-CDMA系統(tǒng)中,將優(yōu)化的PPIC算法與LDPC算法聯(lián)合進(jìn)行迭代檢測(cè),提出了DPIC算法,DPIC算法中的PPIC模塊和LDPC模塊充分利用了彼此的估計(jì)信息,仿真證明誤碼率性能比傳統(tǒng)的PPIC+LDPC算法有明顯提升。