智能天线与多用户检测的联合抗干扰模型构建

邓小飞，孙　伟，史　劲

(吉首大学信息科学与工程学院，湖南 吉首 416000)



智能天线与多用户检测的联合抗干扰模型构建

邓小飞，孙伟，史劲

(吉首大学信息科学与工程学院，湖南 吉首 416000)

摘要：联合抗多址干扰技术是目前移动通信技术研究的热点.将智能天线与多用户检测技术相结合可抑制相干干扰，改善系统的误码率性能，提高移动通信系统的有效性与可靠性，优化无线资源的利用率.提出了采用智能天线接收后进行多用户检测的CDMA系统模型，并引入基于LMS算法的自适应滤波器来消除窄带干扰.Matlab软件仿真结果表明，联合抗干扰模型较好地提升了误码率性能.

关键词：CDMA系统；智能天线；多用户检测；LMS算法；自适应滤波器

CDMA系统中的多址干扰抑制技术一直是移动通信领域倍受关注的热点[1].该系统是一个自干扰系统，信道干扰和码间干扰成为影响系统稳定性的主要因素，其中多址干扰和远近效应是影响系统容量的主要因素.因此，如何有效地降低或消除诸类干扰而提高系统容量和性能是亟需解决的问题.虽然多用户检测技术能在抑制小区内的干扰及消除远近效应方面取得比较好的效果，但是对小区间的干扰消除无用武之力[2].智能天线的引入能最大限度地抑制小区间干扰，利用其定向接收和分集增益，可以改善信道环境，有效地降低检测算法的复杂性.因此，将智能天线与多用户检测技术联合应用到3G通信系统中，具有重要的现实意义[3].笔者从基站接收效果的角度出发，对智能天线和多级多用户检测相结合的原理、算法和性能进行了分析，提出CDMA系统模型，并引入基于LMS算法的自适应滤波器来消除窄带干扰.

1联合抗多址干扰模型的构建

在CDMA通信系统中，设有k个用户同时发射信号，第k个用户信息码为bk(t)，扩频码为Sk(t)，比特间隔为Tb，每个扩频码序列包含G个Chip，每个Chip的间隔为Tc，且Tc=Tb/G，扩频码与信息码均为±1电平，Pk为接收到的信号功率，ωc为所有发射信号的载波频率，其相位为δ，则接收到用户k 的信号可以表示为

(1)

为了解决多址干扰问题，引入自适应数字滤波器，将多用户检测技术与智能天线技术相结合，实现CDMA系统与现有模拟、数字窄带系统兼容.级联多用户检测器先估计其他用户多址干扰值，再将该干扰值从接收信号中逐级相减对消掉，剩下的则为有用信号.当接收方接收到的其他用户发射信号的功率远远大于有用信号功率时，有用信号将会被前面的几级多址干扰检测噪声淹没，从而大大降低检测性能.首先利用智能天线抑制多址干扰，提高多用户检测前输入信号的干扰比，然后通过自适应滤波器减少输出信号与期望信号的误差及传输失真，最后用多用户检测器检测出有用信号，从而有效地提高系统的检测性能.

图1　联合抗多址干扰模型

由于自适应滤波器建立在数字滤波器基础上，基于LMS算法的数字滤波器具有较好的滤波效果，且有利于加权向量更新，因此为了简化模型，将数字滤波器与前端智能天线共用一个LMS算法.一方面，LMS算法应用于信噪比较低的环境时，算法的收敛性容易受到影响，该模型中，信噪比可以利用前端智能天线提高，保证LMS算法的适用环境，提高LMS算法的收敛度，自适应滤波器的滤波效果也同时得到提升；另一方面，在无线CDMA通信中，用户和障碍物均分布在不同的地理位置，多址干扰、远近效应及多径效应都具有时空耦合的结构特征.虽然单一地采用时域或空域处理都能一定程度上抑制这些干扰，但是它们没有充分利用无线通信信道的时空耦合性，限制了各自的抗干扰能力.智能天线与多用户检测的联合抗多址干扰模型将接收到的信号先经过智能天线技术对信号进行空域处理，再用自适应滤波器进行时域处理，从而改善CDMA通信系统的性能，其模型如图1所示.

该模型采用的智能天线包括N个全向阵元，其阵元相距为L，载波波长为λ，用户入射方向与阵列法线间的夹角为θ，阵元n所接收到的经过解调的基带信号为xn(n = 1,2,…，N)，高斯白噪声为nw(m).根据(1)式，考虑噪声和干扰，设阵元n在时刻T(T=mTc)的采样基带信号为

(2)

阵列的输出信号为

令

(3)

LMS自适应算法不断调节阵元天线的权值向量wn，使智能天线产生的定向波束指向特定的移动用户，干扰用户从天线的副瓣进入，对准干扰方向进行调零，在尽可能提高阵列输出所需信号的强度的同时降低噪声分量Zw(m)的强度，故期望信号能较好地从混合信号中解调出来.同时，阵列输出的信干比也逐步得到提高.自适应滤波器能实时地对CDMA信道上的干扰进行自适应地滤除，较好地补偿信道干扰的影响.当所得的阵列信号通过基于LMS算法的数字滤波器时，可以估计出所需的统计特性，并通过LMS算法自调整滤波系数，使得滤波器的特性随信号噪声分量Zw(m)的变化而变化，可以较好地滤除噪声，减少传输失真，从而保证数字滤波器的输出信号与发送信号基本一致.

设到达智能天线前端的第k个用户的有用信号与其他用户的多址干扰信号的增益为gk，令Pk1=gkPk,采用联合抗多址干扰模型进行多级多用户检测，则通过前端的阵列输出信号为

通过p级多用户检测器后，其误码率为

(4)

由(4)式可知，多用户检测器的误码率与智能天线对有用信号和其他用户多址干扰功率的抑制大小、检测级数p有关，可以通过调节这些参数来提高信噪比并降低误码率.

2仿真结果及分析

图2　CDMA系统用户数与误码率的关系曲线

在多用户检测的CDMA通信系统中，使用独有的序列来扩展信号，采用高斯白噪声信道，调制的位信息是通过一个31位的Gold序列来展宽的，信噪比为6 dB，其用户数与误码率的关系如图2所示.

由图2可知，在采用多用户检测技术的CDMA系统中，信噪比相同但用户数不同的条件下，用户数增加将导致误码率增大.这是由于Gold序列之间的互相关性不为0，以至于产生不同用户之间的干扰，即 CDMA系统中的多址干扰和多径效应.从而在使用同一类扩频信号的条件下，信道中的用户数越多则误码率越大，多址干扰的功率越大，通信质量越差，系统的容量将受到限制.

设发射信号的扩频码为长度为31位的伪随机Gold序列，分别模拟2级与3级多用户检测，分析LMS算法的自适应天线对CDMA系统性能的影响.设波达方向为(θ,φ)=(π/3,π/2)，其中φ为信号入射到阵列上的方位角，θ为仰角，步长因子为0.000 1，Matlab软件仿真结果如图3所示.

由图3可知，通过智能天线接收信息后，系统的误码率性能有了明显的改善.但当多用户检测级数增大时，系统的误码率有所降低，在实际应用中会增大检测的复杂度.因此，采用智能天线接收信息，在一定程度上能降低多用户检测级数，改善系统性能，提高检测效率，在运算复杂性和系统性能之间取得良好的折中.

3结语

在信噪比和系统噪声一定的条件下，当接收方的多用户检测级数相同时，采用基于LMS算法的自适应天线接收信息，系统的误码率性能远远优于未采用智能天线的性能.Mablab软件仿真实验结果表明，智能天线与多用户检测的联合抗干扰模型能有效降低多级多用户检测的误码率，较大程度地提升系统容量.

参考文献：

[1] PENG Mugen，WANG Wenbo,ZHANG Jie.Investigation of Capacity and Call Admission Control Schemes in TD-SCDMA Uplink Systems Employing Smart Antenna Techniques[J].Wireless Communications and Mobile Computing,2010,10(2):241-256.

[2] BOTSINIS PANAGIOTIS,NG SOON XIN,HANZO LAJOS.Fixed-Complexity Quantum-Assisted Multi-User Detection for CDMA and SDMA[J].IEEE Transactions on Communications,2014,62(3):990-1 000.

[3] ALI REZA ENAYATI,PAEIZ AZMI,YAGHOOB TAGHINIA,et al.A Novel Bandwidth Efficient SOC-Based Turbo Coding Scheme Mid Reduced Complexity MUD for SA-Based MC-CDMA Systems[J].Telecommunication Systems,2012,50(2):71-88.

(责任编辑陈炳权)

Combined Anti-Interference Technology Based on

Smart Antenna and Multi-User Detection

DENG Xiaofei，SUN Wei,SHI Jing

(College of Information Science and Engineering,Jishou University,Jishou 416000,Hunan China)

Abstract:The combined technology against multiple access interference is a new research field.This article combines smart antenna with the multi-user detection to suppress coherent interference and to improve the bit error rate of the system.In addition,it adopts these key technologies for wireless resource utilization.The paper puts forward a CDMA system model of using multi-user detection after smart antenna,and meanwhile introduces the adaptive filter based on LMS algorithm to eliminate the narrow band interference.At last,it analyzes the nature through Matlab simulation.The results show that the joint anti-interference has better bit error rate performance.

Key words：CDMA system;smart antenna;multi-user detection;LMS algorithm;adaptive filter

作者简介：邓小飞(1982—)，女，湖南邵阳人，吉首大学信息科学与工程学院讲师，中南大学博士生，主要从事大系统控制理论、无线传感器网络和无线通信技术研究.

基金项目：吉首大学校级科研资助项目(13JDX007)；吉首大学大学生研究性学习与创新性实验计划资助项目(JSU-CX-2013-10)

收稿日期：2014-05-20

中图分类号：TN821.91

文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-2985.2015.02.011

文章编号：1007-2985(2015)02-0052-03