（通信与信息系统专业论文）单天线干扰消除技术的研究.pdf

摘要 在g s m 系统中，降低频率复用因子可以提升频谱利用率，但系统中却引入了 同频干扰。由于移动终端只能采用一根接收天线的限制，因而同频干扰消除的挑 战主要来自于下行链路。 文章首先阐述了g s m 中的同频干扰问题，引出了单天线干扰消除技术应用的 必要性，并对单天线干扰消除技术的分类和发展作了介绍。根据多用户检测和盲 干扰消除的可实现性选择后者作为重点研究对象。文中对恒包络连续相位调制 g m s k 信号的l a u r e n t 分解和g m s k 线性传统接收机的原理和结构进行了分析。 在线性传统接收机的结构基础上，利用g m s k 信号线性近似处理后的一维特性， 设计了两种低复杂度的单天线干扰消除算法：一种是根据不同小区到接收端的空 间信道差异区分干扰和期望信号；另一种是利用基带信号实虚部携带相同的期望 信号信息，对其做分集合并处理来提升接收机性能。最后分别对两种算法性能进 行了仿真和评估。 关键词t 单天线干扰消除盲干扰消除同频干扰 a b s t r a c t i nt h eg s m s y s t e m , t h eu t i l i z a t i o no fl o w e rf r e q u e n c yr e u s ef a c t o rc a l li m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fs p e c t r u m , h o w e v e rc a u s i n gc o - c h a n n e li n t e r f e r e n c ei ns y s t e m t h e r ee x i s t s ar e s t r i c t i o nt h a tt h em o b i l et e r m i n a lc a l lo n l ya d o p to n er e c e i v i n ga n t e n n a , s ot h e c h a l l e n g eo fc o c h a n n e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o ni sm a i n l yf r o mt h ed o w n l i n k t h ea r t i c l eb e g i n s 、) l ，i t l la ni n t r o d u c t i o nt ot h ec o c h a n n e li n t e r f e r e n c ei ng s m w h i c hl e a d st ot h en e c e s s a r ya p p l i c a t i o no fas i n g l ea n t e n n ai n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n t e c h n o l o g ya n di t sc l a s s i f i c a t i o na n dd e v e l o p m e n ta l ea l s op r e s e n t e d a c c o r d i n gt ot h e c o m p a r i s o no ft h er e a l i z a t i o no fm u l t i - u s e rd e t e c t i o nw i t ht h a to fb l i n di n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o n , t h et h e s i sd e c i d e st od os o m er e s e a r c ho nt h el a t e r t h et h e s i sa n a l y z e st h e l a u r e n tc o m p o n e n to ft h ec o n s t a n t - e n v e l o p ec o n t i n u o u sp h a s em o d u l a t i o ng m s k s i g n a la n dt h ep r i n c i p l e so ft h ec o n v e n t i o n a lg m s kl i n e a rr e c e i v e r s b a s e do nt h e s t r u c t u r eo fc o n v e n t i o n a ll i n e a rr e c e i v e r sa n do n e d i m e n s i o n a lc h a r a c t e r i s t i co f a p p r o x i m a t i o n a f t e rt h el i n e a rc a l c u l a t i o no fg m s ks i g n a l ，t w ok i n d so f l o w - c o m p l e x i t ys i n g l ea n t e n n ai n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o na l g o r i t h ma r ed e s i g n e d o n ei s b a s e do nd i f f e r e n ts p a c ew h i c hi sf r o md i s t r i c t st or e c e i v e r st od i s t i n g u i s hi n t e r f e r e n c e a n dt h ed e s i r e ds i g n a l s ，a n dt h eo t h e ri st od ot h ep r o c e s so fd i v e r s i t y - c o m b i n i n go n b a s e b a n ds i g n a lf o ri th a st h es a m ei n f o r m a t i o ni nr e a la n df a l s ep a r t s f i n a l l y , t w ok i n d s o fa l g o r i t h mp e r f o r m a n c ea l es i m u l a t e da n de v a l u a t e dr e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：s a i c b i cc c i 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：主玺逍竺 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：迎也。i ：f5 日期：丝鱼! ：笙 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了g s m 的发展历史以及在现在和未来的重要地位，接着引出解 决g s m 下行同频干扰问题的技术单天线同频干扰消除，然后对该技术的发展 情况、原理及特点等做了介绍，最后对本论文各章研究工作的主要内容及成果分 别加以简要说明。 1 1 背景 2 0 世纪9 0 年代后，随着数字技术的发展，通信、信息领域中的很多方面都面 临着向数字化、综合化、宽带化方向发展的问题。第二代移动通信系统以数字传 输、时分多址或码分多址为主体技术，目前国际上已进入商用数字蜂窝系统的有 欧洲的g s m ，美国的d a m p s 、i s 5 4 、i s 9 5 ，日本的j d c 等系统。早期建设的网 络传输速率都比较低，如g s m 于1 9 9 0 年制定出规范，并于1 9 9 2 年正式投入商用， 最初的最大传输速率为1 4 4 k b p s ，经过改进后的速率可达5 7 6 k b p s ，而i s 9 5 是最 早的商用c d m a 网络，1 9 9 3 年制定标准，1 9 9 5 年投入商用，最初的第一个版本 i s 9 5 a 提供速率为1 4 k b p s ，1 9 9 7 年改进后的版本i s 9 5 b 的数据传输速率可达 6 4 k b p s 。 目前g s m 已经成为世界上拥有用户最多的移动通信系统，而且用户数量仍在 持续增长。如今随着以g s m 为代表的第二代( 2 g ) 窄带移动通信系统用户的增多， g s m e d g e 已主导全球移动通信系统的绝大多数通信市场。移动业务的迅猛发展， 随之而来的系统容量不足问题逐渐暴露出来。为了满足用户不断增长的多媒体业 务和高速数据业务的需求，以g s m 为代表的2 g 窄带移动通信正在向第三代移动 通信技术过渡。在过渡过程中，作为g s m 的升级版本2 5 g 移动通信系统g p r s 在原有的g s m 系统中引入分组交换技术，平均业务速率可以达到 2 0 k b i t s - - 4 0 k b i t s 。后续g s m 中又引进了增强型数据速率g s m 演进技术的e d g e 技术，该技术加入了8 p s k 调制方式，主要在于能够使用宽带服务，能够让使用 8 0 0 、9 0 0 、1 8 0 0 、1 9 0 4 m h z 频段的网络提供第三代移动通信网络的部分功能，并 且能大大改进目前g s m 和t d m a 1 3 6 提供的标准化服务。该技术可以提供3 8 4 k b p s 的广域数据通信服务和大约2 m b p s 的局域数据通信服务，这样可以在一定程度上 满足未来无线多媒体应用的带宽需求。e d g e 是一个从g p r s 到第三代移动通信系 统的过渡性方案，它使网络运营商可以最大限度地利用现有的无线网络资源，因 为它除了采用现有的g s m 频率外，同时还利用了大部分现有的g s m 设备，只需 2单天线干扰消除技术的研究 对网络软件及硬件做一些较小的改动，就能够使运营商向移动用户提供诸如互联 网浏览、视频电话会议和高速电子邮件传输等无线多媒体服务。由于在3 g 技术目 前网络的发展并不完善，在应用初期并没有出现对g s m 替代的效应。 在全球发展u m t s 等3 g 技术，并向l t e 4 g 时代演进的同时，g s m 技术本 身也在发展。3 g p pr 7 引入了e d g e 演进技术( e v o l v e de d g e ) ，且引进了1 6 q a m 、 3 2 q a m 等高阶调制方式，以及编码、链路质量控制等技术，极大地提高了g s m 空中接口数据传输速率，最高可达1 2 m b i t s ，并远远超过u m t sr 9 9 数据速率 ( 3 8 4 k b i t s ) ，且能够与h s p a 初级阶段的下行速率相比拟。另外，e e d g e 的通信 设备能够提供降低带宽要求的服务和低时延业务应用，如v o l p 等服务。g s m 升级 到e e d g e 仅需要在现有g s m 网络上进行软硬件升级，利用了大部分现有的g s m 设备，e e d g e 可以帮助运营商在l t e 正式商用之前提供大多数3 g 服务，是g s m 向l t e 演进的桥梁。再者，2 g 技术有着非常成熟的通信网络解决方案，最廉价的 语音业务传输成本，再加上3 g ，4 g 仍处于起步状态，还有许多不成熟的领域需 要通过2 g 来弥补。综上基于网络建设成本、运维成本与业务收益之间的平衡思路， 故而越来越多的运营商在未来将会同时运营2 g 、3 g 、4 g 网络，将考虑综合应用 多种网络为各类用户提供合适的移动宽带业务体验。已经实现了良好普遍覆盖的 g s m 网络未来将承担广大农村和城镇等非发达区域的移动宽带承载网络业务。因 此g s m 不会被3 g 等技术直接替换，其将会在以后相当长一段时期内，与3 g 及 其长期演进( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 共存。 根据目前用户的增长速度和高速数据业务应用的增加，许多地方因为用户密 度很高，则对通信系统容量的需求也在不断的提升，而实际中分配给无线通信的 频谱资源是有限和确定的，加之扩展新的频带资源所需代价非常昂贵，为了在目 前有限的频率资源上提高系统的容量，因此便提出了降低小区复用因子，从而使 频率资源复用次数增加，通过提高频率资源的复用率来提高系统可承载容量。蜂 窝系统的中实际可用的双向信道的个数是有限的，系统容量直接与簇在某一固定 范围内复制的次数成比例，这样降低复用因子提高资源利用率的同时，相应的同 频小区之间的距离就会相对减小，而g s m 蜂窝系统要满足为用户提供足够好的通 信业务质量，基站的发射功率必须满足小区用户接收到的信号保持在一定的信噪 比之上，尤其是对于小区边缘用户接收的信号。因此，同频小区距离减小将会增 加来自相邻同频道小区( 使用相同的载波频率) 的干扰。这种干扰称为同频干扰 ( c c hc o - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 。复用系数= 1 时，即相邻小区都使用相同的频率资 源，这时在小区边缘的干扰很严重。同频干扰极大影响了语音通话质量和数据传 输速率，甚至会导致大的呼叫丢失率。所以采用小区降低复用因子引起同频干扰 是不可避免的。 现有的t d m a 网络g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s g e n e r a l 第一章绪论 p a c k e tr a d i os e r v i c e e n h a n c e dd a t ar a t e sf o rg s me v o l u t i o n ( g s m g p r s e d g e ) 在 很多场合由于受同频干扰的影响大于噪声的影响，因此已由噪声受限场景变为干 扰受限场景，特别是在城市环境和热点地区如火车站、机场等。即使系统采用提 高小区复用率的方法进行扩容，若不能解决同频干扰的影响，依旧无法满足对系 统容量增长需求。为了进一步提高现有系统中的容量，已经不能仅靠保持同频小 区之间的物理距离来避免同频干扰的影响。因此提高小区复用率必须同时使用其 它处理技术降低同频干扰对期望信号的影响。对于热噪声系统可以通过增大信噪 比( s n r ) 来克服其对期望信号接收检测的影响，而对于同频干扰的影响就不能通过 简单的增加基站发射机的发射功率来克服。因为增大发射功率会增大对相邻其他 同频小区的干扰，这样反而会降低系统总的容量。 目前已有多种解决干扰问题的技术，总的分为干扰协调和干扰抑制两类： 1 干扰协调技术，这种方法是在小区之间进行协调，以避免或降低同频干 扰，如非连续发送，动态功率控制，跳频技术，动态信道分配，自适应 多速率语音编码等技术； 2 干扰抑制技术，如多天线干扰消除，单天线干扰消除s a i c ( s i n g l ea n t e n n a i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ) ，双天线干扰消除d a i c ，空时干扰消除s t i r c 勺堂 写予。 在基站端可以采用多天线技术，利用天线阵列来消除同频干扰，通过干扰抑 制合并( i n t e r f e r e n c er e j e c t i o nc o m b i n i n g ，i r c ) 来提升接收端性能。这种方法不依 赖任何额外的发射端配置，只是利用从两个相邻小区到接收端的空间信道差异区 分服务小区和干扰小区的信号。而解决同频干扰问题的主要挑战是来自于下行链 路，因为在移动终端常由于造价、体积、功耗和设计等问题，导致在移动终端接 收机只能应用一根接收天线，这样使得多天线干扰消除算法等无法应用于下行链 路，因此单天线干扰消除技术的研究对于解决下行同频干扰消除就显得必不可少。 所以对于如何基于单天线条件下解决同频干扰的问题业界提出了一系列称为单天 线干扰消除技术f 称为s a i c ：s i n g l ea n t e n n ai n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ) 的解决方案。 本文研究的就是在g s m 系统下行单天线的条件下如何解决同频干扰问题。 1 2 单天线干扰消除技术的发展 2 0 0 4 年3 g p pt s gg e r a n 会议对s a i c 在g s m 网络做了可行性研究分析1 4 。 目的是解决降低g s m g p r s e d g 陇e d g e 网络中的复用因子而产生的同频干扰 问题。美国网络运营商提出提高系统负载达到7 0 ( 同一时间7 0 的时隙被复用) 的情况，在这种情况下，邻频干扰和同频干扰将会非常严重，因此这种环境下采 4单天线干扰消除技术的研究 用s a i c 技术就显得非常必要。由于g s m 系统在实际中的重要性，近年来单天线 干扰消除技术已经成为多家终端设备制造公司的研究课题。 由于传统接收机是基于高斯白噪声背景下使接收机性能达到最优，而在己知 同频干扰类型的条件下可以利用其它( 如调制类型和训练序列特性) 特性来抑制这 种干扰从而达到干扰下的最优接收性能。 目前基于单天线接收的干扰信号消除技术都统称为s a i c ( s i n g l ea n t e n n a i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ) 。尽管s a i c 技术既可以用于同频干扰( c c i ：c o c h a n n e l i n t e r f e r e n c e ) ，也可以用于消除邻频干扰( a c i ：a d j a c e n tc h a n n e li n t e r f e r e n c e ) ，但在 实际中，邻频干扰可以通过滤波器等手段进行抑制，所谓的s a i c 技术主要还是用 于解决消除同频干扰问题。 由于目前g s m 系统的各方面技术已经成熟，而且应用规模也比较庞大，因此 对s m c 必然有一些要求： 1 要兼容现有系统。现有的g s m 已经发展多年，技术等各方面已经非常成 熟，应用也非常广泛，因此新的技术必须兼容原有系统，保证系统使用 的平滑过渡： 2 在结构和造价上不能对原有系统改变过大。通信技术的快速发展和更新， 3 g 和4 g 等技术演进快速推广，考虑到运营成本，要在原有g s m 系统中 投入过大资金已经不可能。 这些条件限制了s a i c 技术只能在现有的通信条件资源基础上做较小的改变， 加大了在实际中实现的难度。 目前所有的单天线同频干扰消除大致可以分为盲干扰消除技术和多用户检 测技术两大类。 a 联合多用户检测( j n ：j o i n td e t e c t i o n d e m o d u l a t i o n ) ：假设接收端同时已 知干扰和期望信号的训练序列信息条件下，对期望信号和干扰信号进行联 合检测，也简称联合检测。 夺全状态格型均衡检测【2 7 】 夺减状态格型均衡检测2 1 1 1 2 5 】【2 6 】 基于干扰重构减去的干扰消除 b 盲干扰消除( b i c ：b l i n di n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ) ：不需要知道干扰信号 的训练序列等信息的干扰消除技术。 恒包络检测方法 滤波干扰消除法 采用单天线干扰消除技术的优点主要有： 1 基于现有的发射系统，最大程度利用已有的系统设备，其中的盲干扰 消除中的滤波干扰消除算法，仅需在现有的接收端做软件升级就可以 第一章绪论 实现，应用成本比较低，易于实现； 2 单天线干扰消除技术可以通过提高接收机性能从而实现降低对发射端 的功率需求，这样也间接降低了对其它相邻同频小区的干扰，即降低 了系统中的相互干扰； 3 单天线干扰消除技术是一种信号处理技术，也可以用于其它方面。如 对多天线的每一路天线信号做单天线干扰处理后再做多天线之间的合 并，可以进一步提升性能。还有g s m 系统中利用g m s k 一维特性的 同频干扰消除技术也可以用于其它具有相同信号特性的系统，如解决 一维调制的b p s k 调制信号的同频干扰问题。 实际中，接收端可能会同时收到来自好几个不同基站端的同频干扰信号。而 在干扰的个数和干扰之间的功率比值不同的条件下，s a i c 接收机的干扰消除能力 也是有差别的。 s a i c 接收机的容量受干扰的影响可以用主干扰和剩余干扰之比( 简称d i r ： d o m i n a n tt or e s to f i n t e r f e r e n c er a d i o ) 这个参数进行描述。一般s a i c 只考虑同频干 扰的影响。因此 ， d i r = = 二丛坚一 ( 1 1 ) ：。l k + 其中，剃表示功率最大的一路干扰信号的功率，m 是总的同频干扰个数， 表示高斯白噪声。 这里先来对两类算法做说明，并简单介绍其相应的特点。 1 2 1 联合检测 1 全状态最优联合检测 联合检测的算法原理是将单个用户接收检测算法直接扩展到多用户。联合检 测首先需要对接收信号进行联合信道估计和联合检测【2 8 1 ，计算出期望信号和干扰 信号的信道响应。接着对其做联合检测，最优的联合检测是从m l s e 均衡直接扩 展到多用户的j m l s e ，检测期望信号和干扰信号的组合状态从而获得期望信号和 干扰的检测信息。联合检测对g m s k 和8 - p s k 以及其他更高阶调制信号都适用， 其复杂度是和用户数量有关。j m l s e 格型均衡每一判决时刻有m ( j + i x l + i ) 种可能的 估计值，因此算法的复杂度除了和调制状态数m 有关，还和离散信道记忆长度以 及干扰用户数量j 成指数增长关系。在g s m g p r s 系统中g m s k 调制方式基本的 状态数m = 2 ，e d g e 系统中引入的8 p s k 的状态数m = 8 ，还有e e d g e 引入 3 2 q a m 和6 4 q a m 的基本状态数分别是m = 3 2 和m = 6 4 。一般当检测的用户数 6单天线干扰消除技术的研究 量超过两个时接收机复杂度就已经很高了，目前这在工程应用上还很难实现，因 此在一些算法研究中一般选取干扰信号中的最强干扰作为消除的目标，这样相比 全用户检测会损失一定性能，从而达到最佳的复杂度和性能的折中。 2 联合减状态检测 联合减状态干扰消除和联合检测的思想相同，也是从单用户的减状态算法直 接扩展到多用户，其复杂度同样随着检测用户数量的增加而成指数增长。 3 基于干扰重构减去的干扰消除检测 基于干扰重构减去的干扰消除检测技术是通过将干扰信号解调解码后， 对该干扰信号进行重构( r e c o n s t r u c t i o n ) ，然后从接收信号中减去。如果能将干扰信 号分量准确减去，剩下的就是有用信号和噪声。这无疑是一种更为有效的干扰消 除技术，当然由于需要完全解调甚至解码干扰信号，因此也对系统的设计如资源 块分配、信道估计、同步、信令等提出了更高要求或带来了更多限制。例如并行 干扰消除算法通过对期望用户和干扰用户的信号同时解调，然后通过对期望信号 和干扰的软信息重构交叉发送到对方的检测端进行相消，通过迭代来逼近干扰和 期望用户解调重构的精确度。这种接收机必须通过多次迭代处理才能具有理想的 接收性能，因此具有很高的复杂度。 虽然联合检测具有最好的检测性能，但是实际实现时却存在以下问题： a ) 接收端干扰的训练序列无法获得。因为一般现有的系统在实际应用中干扰 信号对接收端来说是随机且未知的，接收端无法获得干扰用户的训练序 列，进而无法实现对其检测。目前的联合检测研究也是在理论上假定一些 已知干扰的特定场景而做的； b ) 系统中干扰用户的个数无法确定。实际中接收端可能会同时收到来自好几 个不同基站端的干扰信号，干扰的个数会影响s a i c 接收机的干扰消除能 力。来自相邻同频小区的同频干扰是随机的，而接收机的结构和复杂度与 干扰用户的个数是有很大关系的。目前研究的许多联合检测算法基于复杂 度考虑都是选择一个最强干扰作为消除的对象，而实际中这个最强干扰在 多个干扰中可能是变化的，故而如何确定最强干扰也是一个难以解决的问 题； c ) 实现复杂度过高。联合检测在结构上相比传统接收机改动比较大，结构复 杂，因此应用造价也比较高，特别是当用户数高于两个以上时，往往在实 际中会因为复杂度过高而无法实现； d ) 联合信道估计对干扰信号和期望信号之间是否同步比较敏感。在联合检测 接收机的应用中，5 个符号的时延就会有比较大的性能损失，这就意味着 联合检测接收机获得好的性能增益需要进行网络同步，缩小期望信号和主 干扰之间的时延差，这样才能取得好的性能增益。【2 2 】 第一章绪论 由于以上几点原因，g s m 中的联合检测技术在现有的通信系统中还没有应用 实例。 1 2 2 盲干扰消除技术 除了联合检测干扰消除技术外，还有一类单天线干扰消除技术称为盲干扰消 除技术。不同于联合检测，盲干扰消除技术在消除干扰时不需要知道干扰信号的 训练序列等信息。相应的盲干扰消除算法性能会比联合检测的差，但是其结构简 单且复杂度低，利于实现。其思想是利用调制信号的特殊性来提取期望信号，如 g m s k 信号的恒包络特性，以及g m s k 信号近似后可近似为一维信号的特性等。 1 恒包络检测 恒包络检测算法原理为用接收的信号分别减去所有可能的预测期望信号，由 于g m s k 信号具有恒包络特性，如果预测信号和实际期望信号匹配则想减剩下的 就是干扰信号，相反不匹配时实际期望信号和所减的预测期望信号的差值一般不 具有恒包络特性，因此对差信号进行恒包络检测，通过判断其是否具有恒包络特 性来判断预测期望信号的真假。 1 5 1 1 6 1 1 2 3 】 4 0 l 恒包络检测提出的比较早，但是由于恒包络检测效果不是很明显，且和现有 的传统接收机结构相差比较大，已经很少被研究和应用。 2 滤波方法实现干扰消除 目前研究的比较多是通过滤波方法实现干扰消除的技术。实际中根据各种不 同结构的接收机，在其基础上添加合适的干扰消除滤波器，这样可以很好的利用 现有硬件资源。 盲干扰消除接收机对于时延不是很敏感，一般的盲干扰消除算法可以在2 0 个 符号时延内保持很小的性能增益变化。由于盲干扰消除算法不需要知道干扰的训 练序列信息，以及对现有接收机的改变不大，故而容易通过对原有软硬件升级实 现，这样可以最大的降低产品成本，因此盲干扰消除成为目前的一个重要研究方 向。目前多种滤波盲干扰消除算法虽然相对复杂度低，但是与原有的传统接收机 结构差异比较大3 6 】【3 7 1 ，存在升级成本相对比较昂贵的问题。 1 3 论文主要工作和安排 本文根据单天线干扰消除技术的特点，考虑到实际可应用性，重点以盲干扰 消除算法在g s m 接收机中的应用作为主要研究方向。 文中的主要工作以现有的一种经典的g m s k 线性接收机作为研究对象，在保 持原有接收机结构的基础上，通过在其现有基础上通过加载干扰消除模块，就可 8 单天线干扰消除技术的研究 实现通过滤波解决同频干扰的两种接收机。文中介绍的第一种主要针对仅存在一 个同频干扰场景下的单天线干扰消除接收机，第二种是利用g m s k 一维等效后实 部和虚部两路信号进行分集合并来提升接收性能。 论文的主要安排如下： 第一章介绍g s m 的发展，引出单天线干扰技术的重要性，并对该技术的发展、 分类、及其特点等做了综合介绍，最后介绍本文的结构安排； 第二章介绍g s m 协议系统中规定的链路的g m s k 调制各种参数以及传输过 程，以及g m s k 的线性近似原理和传统线性接收的解调结构和原理； 第三章利用g m s k 解旋后可以看做一维信号的原理，在存在单一g m s k 同频 干扰下，利用干扰和期望信号在空间存在角度差的原理，将其分离从而提取期望 信号实现干扰消除，并对其性能进行仿真评估； 第四章同样利用g m s k 解旋后信号实部和虚部携带同样信息的原理，通过对 其做实虚部分集合并来做干扰消除，并对其性能进行仿真评估； 第五章对全文的工作进行总结，并给出进一步的研究方向。 第二章g s m 中的g m s k 调制传输技术 9 第二章g s m 中的g m s k 调制传输技术 在介绍g s m 系统中的g m s k 调制下的同频干扰消除问题之前，本章先来介 绍g m s k 信号的链路知识和信号的基本特性。 m s k 调制是一种恒包络调制，这是因为m s k 属于二进制连续相位移频键控 ( c p f s k ) 的一种特殊情况，它不存在相位跃变点，因此在限带系统中，能保持恒包 络特性。恒包络调制有极低的旁瓣能量，可使用高效率的c 类高功率放大器，容 易恢复用于相干解调的载波等优点。已调信号峰均比低的m s k 是c p f s k 信号满 足移频系数h = 0 5 时的特例。 在数字移动通信中，当采用较高传输速率时，要寻求更为紧凑的功率谱、更 高的频潜利用效率，因此要求对m s k 进一步优化，g m s k 属于m s k 简单的优化 方案，它只需在m s k 调制前附加一个高斯型前置低通滤波器，就可以进一步抑制 高频分。 2 1 连续相位信号( c p m ) 的l a u r e n t 分解原理 连续相位调制( c p m ) 是一类有记忆的非线性调制方式，具有高带宽效率和高功 率效率的优点，在移动通信和无线通信中具有良好的应用前景。虽然c p m 信号具 有这样的优良特性，但是，由于c p m 本身是一种有记忆的非线性调制方式，所以 c p m 信号的应用仍然受到解调器复杂度和同步问题的困扰。c p m 信号较之一般的 线性调制和非线性调制方式在数学表达式上要复杂得多，这种复杂性给工程上设 计发射机和接收机带来了相当大的难度。因此，人们开始研究c p m 信号的各种简 便的分解方法。【1 刀【1 8 】 任何二进制相位调制都可由相位位移函数9 ( f ) 和调制指数h ( 0 h 1 ) 定义。对 于如下因果系统，相位函数在t 0 为0 ，对于f l t ，缈( ，) 为常数值，即 f 0t o 缈( ，) = 妒( f ) 0 三丁 其中( r ) 是0 f 丁上的连续函数，其左极限值为0 ，右极限值为办万。 调制比特流用与每一比特相关的相位变化的标示集合知，) 表示。第n 个比特符 1 0单天线干扰消除技术的研究 号为在仁n t 时出现，在l t 时长间隔内引起上相位+ 伊( ，) 或一缈( f ) 的变化，每一 时刻的相位变化量由当前时刻符号和前l 1 个符号共同决定，函数在相位上保持 连续变化。因此，c m p 信号有以下的形式： 厂 s o ) = e x p j l0 0 + 口打伊。一n t ) i ( 2 - 2 ) 式中岛是初始相位，常可以被忽略掉，其中k l = l 。为了简便起见，文中采用如下 的简化表达： r = 丁+ r0 f t 西= h r r c = c o s s = s i n oj =expjo(2-3) m ：2 - 1 考虑式c p ( t ) 和s ( f ) 式在时间段f = 胛+ f 时，由第n + i ，n + 2 ，l 比特引起的相位变 化是0 ，相位信息只是由前比特决定，则可以把信号表示为下面的复指数的乘积 的形式： 一 ，一 l - 1 s ( f ) = j z * m 兀e x p j a - ，呼o ( t - ( n - i ) t ) ( 2 - 4 ) 接下来( 也是最重要的一步) 就是把和第n 比特相关的复指数替换成两项和，其中表 示式中的第二项仅仅依赖于该比特的取值。 e x p j a 糟缈0 一力丁) 】=s i n o - c , ( t - n t ) + ，s i n 妒( t - n t ) ss ( 2 5 ) 然后再引入一个由相位转移函数缈o ) 得出的相位脉冲函数y ( ，) 。杪o ) 仅在时 间范围0 ，2 l t 才有非0 值，定义如下： ( f ) 2 缈( ) o f 三丁( 2 - 6 ) 沙o ) = 一缈o l t ) l t f 2 l t 利用( ，) 函数s 。( f ) 可定义为 第二章g s m 中的g m s k 调制传输技术 s 一( f ) = 掣= s 。o + 刀r ) ( 2 7 ) 将上式代入式( 2 5 ) 所表示的形式，则原式可以表示为如下形式： e x p j a 玎缈o 一刀丁) 】= s l - n o ) + ，s 一一( f ) ( 2 8 ) 将其代入式( 2 4 ) q b 可得到c p m 信号的一个新表达式： f n - ll - 1r s ) = j 己月= m 锄兀b 件一o ) + 口 r s ，一 r o ) 】 ( 2 9 ) 等式右边是2 个不同项的和，仔细分析会发现，这个和实际上是由2 ( 工- 1 个不同时 间段上的函数值，即信号分量组成的。 例如，当= o ，l = 4 m ，s ( f ) 是1 6 个不同积的和。记鼠( f ) 为s n ，可以看出在 这些积& s ，s 2 s s ，s 4 s 。瓯s 3 和瓯s ，s 2 s ，之中，这些项可以看作三个关 于f ( f ) = s o s ，最s 的非零连续时间变化的形式，即f ( r ) ，f ( f + r ) ，f ( t + 2 t ) 。 那么对于时间的k 阶函数 分量c 。( ，) ，k 的二进制形式可以方便地表示为： il - ! 卜矿1 懈r ，( 0 鲥鲋_ 1 ) ( 2 - 1 0 ) if = 1 、厶一1 v ， 【 口置j = o o r l 其中，m 为总的k 的个数。 k 的这种表示使得对于有限持续时间是非零信号k 阶分量的表示大大简化， 这是w ( t ) 和s j ( t ) 定义的直接结果。 c x ( t ) = s o ( t ) 兀s ，+ l a x a ( f ) ( o k m 1 ) i = 1 o t t r a i n 瑚 2 ，一工一l k ( 2 一口髟) 一f 】= 丁k ( 2 1 1 ) c ( t ) = 0 其它 很容易得到，m 个分量对应的区间如下： 1 2单天线干扰消除技术的研究 co ( f ) 。一( 工+ 1 ) t c 1 ( f ) 一( 三一1 ) t c 2 ( f ) ，c3 ( t ) 。( l 一2 ) t c 4 ( f ) ，c5 ( t ) ，c6 ( t ) ，c7 ( t ) ( 一3 ) r c 材，2 ( f ) ，c 吖一l ( t ) r ( 2 - 1 2 ) 此外，上面k 阶二进制表示用来定义在时间丁时和髟阶分量相关的复相位 系数的值： e x pj pk 。n = ( e x pj o ) 乜n = j 也，n nl l 么r ，= 口。一口一，口量， ( 2 - 1 3 ) 一= j = l l - 1 a 置，= 4 0 ，- e 口一f 口i ，f 最后，c p m 信号可以用下面的一般的方式被表示为振幅调制脉冲的和，它是 标准的幅度调制脉冲( a m p ) 公式： m l s ( f ) = ，一c 量( t - n t ) ( 2 - 1 4 ) = k = o 相位脉冲持续时长和调制指数h 变化时，式( 2 1 4 ) 都适用，因此对其推广可 得到任何二进制c p m 被认为是由简单的a m 波形叠加而成，用上面简单分解式来 替换c p m 的复杂经典表示式，实现时仅仅需要处理振幅调制脉冲，故而在实际中 很容易应用。 2 2g s m 系统中的g m s k 发送链路 g s m 系统中的语音信号采用的是g m s k 调制方式，图2 1 是发送链路框图： 图2 1g s m 中语音信号发送模块框图 第二章g s m 中的g m s k 调制传输技术 信源编码和交织后的数据先将其组成突发( b u r s t ) 序列，再对其进行差分编 码，并将信号序列映射变为+ l 或1 的数据流，然后进行g m s k 调制。这就完成了 整个信号的调制过程。1 5 1 2 2 1 在一个突发上的映射 g s m 系统在无线路径上传输涉及的基本概念最主要的是突发脉冲序列 ( b u r s t ) ，简称突发序列。t d m a 帧结构分为8 个时隙，也就是一个t d m a 帧时长 要传输8 个来自不同用户的b u r s t 数据。 o1234567 么铊5 比= t 1 2 6 训练序列 s 7 信息比特 tg p b 5 7 信息比特 b8 2 5 ；3 图2 2g s m 中数据帧中的突发数据结构 t b ：尾比特 从图2 2 中可以看出一个常规的数据突发序列是由1 5 6 2 5 b i t 数据组成，3 g p p t s4 5 0 0 2 中定义g m s k 调制的突发序列首先是3 个0 的尾比特，下来是5 7 b i t 的 数据比特，然后加上一个加密比特，中间是2 6 比特的训练序列，用于接收端的同 步和信道估计。紧跟着和前面的结构对称，最后再加上8 2 5 个保护比特，其中训 练序列定义共有8 组供选择。最初定义的8 组训练序列具有良好的自相关性，但 是并没有保证在训练序列的互相关性最小。因此同频干扰时会对训练序列做信道 估计的精确度造成影响。 2 2 2 差分编码 调制数据进行差分预编码是为了解调时可以进行线性近似等效，从而将 g m s k 调制信号化简成线性信号进行解调，具体原理将在后面介绍。 就像3 g p pt s4 5 0 0 2 定义的那样，当b u r s t 的第一个比特到达调制器前，调制 器有个内部的状态。当在一个时隙中最后一个比特输入后，调制器呈现一个内部 状态。这些比特定义为“d u m m yb i t s ，用来定义开始和结束的行为，b u r s t 的有用 部分所处的位置在图2 3 中列出。 1 4 单天线干扰消除技术的研究 为： i d u m m yb i t s3t a i lb i t s 3t a i lb i t s d u m m yb i t s 图2 3b u r s t 加保护比特结构图 对每个数据值d ，= 【o ，1 】进行差分编码。按照协议中规定差分编码器可得输出 d f = d f0d “( d f 0 ，1 ) )( 2 1 5 ) 其中符号。表示模二加。 差分编码后的数据还是0 1 序列，必须将其进行映射变为+ ，- l 的双极性码，这 样才便于进行下一步的g m s k 调制。调制器的序列输入值口，是 口f = l 一2 d f ( 口f 一1 ，- i - 1 ) )( 2 - 1 6 ) 从公式中可以看出符号0 被映射成1 ，而1 被映射成1 。 2 2 3g m s k 调制 映射出来的双极性数据序列对其进行g m s k 调制处理。双极性调制数据值 用d i r a c 脉冲经过一个线性滤波器来表示，定义为： 其中函数r e c t ( x ) 表示为： 酏m ( f ) c ( 2 - 1 7 ) 第二章g s m 中的g m s k 调制传输技术 表示卷积，h ( t ) 定义为： 刚 三 o t h e r w i s e m 、e 坤( 赤) 以力2 嵩 ( 2 1 9 ) 其中万：巫2 r c b t ， b t = 0 3 , b 是脉冲响应h ( t ) 的3 d b 带宽，调制信号的相位是 t - i t 驴( ) = 口，r c hb ( “) d u ( 2 - 2 0 ) f o g s m 中规定的符号周期t = 6 1 6 2 5 = 3 6 9 1 a s 。这样可以得到 酏，= 4 箍”叫一q l 丽2 n b ”叫 p2 ， 舯烈力2 持吖2 坨如心躲脯励( 2 n + 1 ) t 耥悯鲥熟籽 b t = 0 3 3 ，当n = 2 时， f 二g ( t ) d t 0 5 ，因此用5 t 来截短g ( r ) 可以获得足够的 ，当n = 2 时，上0 2 5 t ，因此用 来截短g ( r ) 可以获得足够的 精确度。g ( f ) 及其积分g o ) 见图2 4 和图2 5 。 通过高斯滤波器后，调制信号的相位可以表示为： 舛) = 口l v h ，f - 。k t 咖) d u = 2 砌l 口忽f k t ) d f ( 2 - 2 2 ) 一丁 0 = = l、j f r f r 厂=-一厂=一 陀 彤 1 6单天线干扰消除技术的研究 t ( s a m p l