TD_SCDMA系统中联合检测的原理和实现

文章编号: 10045694(2001)02000504 TD-SCDMA系统中联合检测的原理和实现 黄华生,蒋泽 (重庆邮电学院,重庆400065) 摘 要:联合检测技术是TD2SCDMA系统的关键技术之一,在介绍CDMA系统模型的基础上,详细分析 了基于迫零线性均衡的联合检测技术及其FPGA和DSP实现方法,它是TD2SCDMA系统中所用的一种 抗多址及多径干扰技术,可以消除通信系统中的大部分干扰,从而降低了整个系统的误码率,使通信系统 的容量和通信质量得以显著提高。 关键词: TD2SCDMA;多址干扰;多径干扰;联合检测;迫零线性均衡 中图分类号: TN 929. 5 文献标识码 :A The Theory and Its I mplementation of JointDetection in TD-SCDMA System Huang Hua2sheng, Jiang ze (Chongqing U niversity of Posts and T elecomm unications,Chongqing400065,China) Abstract: A bstract: The Joint Detection technology is one part of the key technologies in the TD2 SCDMA system.In this paper, CDMA system model is introduced, then the Joint Detection and its i mplementation w ith field programmable gate array(FPGA)and digital signalprocessor(DSP)based on zero forcing block linear equalizer(ZF2BL E)are analyzed, w ith which the multiple access inter2 ference(MA I)and intersymbol interference(ISI)are m itigated, thus reducing the whole systems bit error rate(BER), enhancing the communication quality and capacity prom inently. Key words: TD2SCDMA; MA I; ISI; joint detection; ZF2BL E 0 引 言 第三代移动通信系统将采用宽带码分多址 (CDMA)技术,它具有抗干扰、 容量大、 保密性好以 及软越区切换等性能,但由于扩频码一般不严格正 交,其非零互相关系数会引起各用户之间的相互干 扰,称为多址干扰(MA I) 1。MA I 的存在使得系统 容量受到限制,并且带来 “远近效应”,严重影响系统 性能。MA I抑制理论和技术的基本思想是利用 MA I中包含的用户相互信息来估计、 降低或消除 MA I的影响。1986年V erdu在文献2中以匹配滤 波器加维特比算法来实现最大似然序列检测(M ax2 i mum2L ikelihood Sequence Detection,ML S检测 ), 适用于受ISI影响的信道。不过维特比算法的复杂 度仍然是用户数的指数幂级,即2k,而且ML S检测 器需要知道接收信号的幅度和相位,这要通过估计 来得到。ML S检测器过于复杂,不实用,大家都在寻 找易于实现的次优多用户检测器。 根据对MA I处理 方法的不同,次优多用户检测技术可以分为干扰抵 消和联合检测两种。干扰抵消技术的基本思想是判 5 第13卷,第2期重 庆 邮 电 学 院 学 报2001年6月 Vol . 13 No. 2 Journal of Chongqing U niversity of Posts and Telecommunications Jun. 2001 收稿日期: 20000329 作者简介:黄华生(19762 ), 男,硕士研究生,主要研究方向为智能天线算法实现技术;蒋泽(19642 ), 男,副教授,主要研 究方向为智能天线理论与技术。 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 决反馈,首先从总的接收信号中判决出其中部分的 数据,根据这部分数据和用户扩频码重构出这部分 数据对应的信号,再从总接收信号中减去重构的信 号,如此循环到一定的次数。从方式上来分,干扰抵 消又可以分为串行干扰抵消(SIC: Successive Inter2 ference Cancellation)和并行干扰抵消(P IC: Parallel Interference Cancellation)。联合检测技术的思想是 利用所有和MA I相关的先验信息,在一步之内就将 所有用户的信号分离出来。 从理论上来说,使用联合 检测和智能天线相结合技术,可以完全抵消MA I的 影响,这将大大提高系统的抗干扰能力和容量2。 在 TD2SCDMA系统中,采用的就是联合检测和智能 天线相结合的技术3。 在本文中,将详细分析在TD2 SCDMA系统中基于迫零线性均衡的联合检测技 术,以及基于FPGA和DSP协同工作的算法实现。 1 系统模型 一个有K个用户的典型多址接入系统的连续 时间传递模型可以由图1表示。 对用户k而言,接收机收到的总信号e(t)可以 表示如下: e(t ) = 6 K k= 1 e (k) (t ) + n(t)(1) 式(1)中,n(t)表示加性噪声,用户k发送的信号经 过空中信道后到达接收机时可用式(2)表示: e (k) (t ) = max 0 s (k) (t-)h (k) (,t )d (2) 式(2)中,s (k) (t)表示用户k发出的信号;max表示由 多径传播造成的最大时延,冲激响应h (k) (,t)表示 空间信道特性。在采用线性码片调制方案的CDMA 系统中,e (k) i可表示为 3: e (k) i= 6 N n= 1 d (k) n 6 Q q= 1 c (k) qh (k) i-(n - 1) Q-q+ 1= 6 N n= 1 d (k) n 6 W w= 1 c (k) i-(n - 1) Q-w+ 1h (k) w(3) 式(3)中,d (k) n表示用户发送的数据符号,N是用户 发送的符号数目;c (k) q表示码片值,Q是扩谱系数。 (3)式总可表示成矩阵A和向量d相乘的形式: e=Ad+n(4) 这就是TD2SCDMA系统多址接入的矩阵和向量表 达方式,联合检测的目的就是根据式(4)中的A和e 估计出用户发送的d。由于A由K个用户的扩谱码 及信道冲激响应决定,因此联合检测算法的前提是 能得到所有用户的扩谱码和信道冲激响应。 为了给联合检测算法提供信道估计,在TD2 SCDMA系统的burst结构中专门定义了训练序列 m idamble,如图2所示。 工作在同一时隙的所有用户使用同一个长度 为128 bit的m idamble码m-data,只不过各自选取 不同的相位,其具体构成办法见文献5,根据接收 的m idamble部分和已知的m idamble码,就可以估 计出信道冲激响应。 2 联合检测算法的研究 通过信道估计等步骤,可以生成式(4)中的矩阵 A。联合检测算法的实现就是通过A和e来估计d。 联合检测算法可以分为3类:非线性算法、 线性 算法、 判决反馈算法。 非线性算法主要有最大似然序 列估计(ML SE ), 该算法具有极高的复杂度,在要求 实时性的移动通信系统中难以应用。判决反馈算法 是在线性算法基础上经过一定的扩展得到,有迫零 判决反馈均衡器算法(ZF2BDFE)和最小均方误差 判决反馈均衡器算法(MM SE2BDFE ), 它们的计算 复杂度较大,实际应用中,常采用线性算法,其结构 如图3。 首先用线性块均衡器M对接收信号进行检测, 得到K个用户发送符号的连续值估计。然后用K 个量化器对这些连续值估计进行量化,得到对用户 6 2001年第2期 重庆邮电学院学报 CU PT 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 发送符号的离散值估计。上述过程表示如下: d c, lin=M e (5) d lin=Qd c, lin (6) 其中,Q. 表示量化过程。将(4)代入(5)可以得到: d c, lin=MAd+M n (7) 令F=MA(8) 可以得到: d c, lin= diag(F)d+ diag (F)d+M n (9) (9)式右端中,第1项为期望信号;第2项为MA I+ ISI;第3项为噪声。(9)式清晰地指示了线性联合检 测算法的方向,即根据一定的准则选取M矩阵,使 得MA I+ ISI和噪声对估计值的影响尽可能小。根 据准则的不同,线性联合检测算法大致可以分为解 相关匹配滤波器(DM F)法,迫零线性均衡(ZF2 BL E)法和最小均方误差线性块均衡(MM SE2BL E) 法三种。在我们的设计中,使用的是ZF2BL E法。 ZF2BL E的核心思想是迫零滤波,它能够解决 ISI和MA I造成干扰的问题。ZF2BL E法 6可以表 示为: d c, ZF- BLE= (A 3TR- 1 nA) - 1A3TR- 1 ne= H - 1 ZF(H 3T ZF) - 1 diag (A 3TR- 1 nA) (diag (A 3TR- 1 nA) - 1 (10) 式(10)中,H - 1 ZF为ISI,MA I消除器;H 3T ZF为白化滤波 器; diag(A 3TR- 1 nA)为归一化; diag(A 3TR- 1 nA)为匹 配滤波器。 矩阵HZF是矩阵A 3TR- 1 nA的Cholesky分 解。显然式(10)可以写成: d c, ZF- BLE=d+ (A 3TR- 1 nA) - 1A3TR- 1 nn(11) 式(11)中,d为期望信号;A 3TR- 1 nA为噪声。 因此, ZF2BL E法所得估计值不含ISI和MA I。 消除ISI和MA I意味着消除了大部分的干扰。在某 些特殊场合,假如噪声n可以看成是高斯白噪声,即 协方差矩阵满足下式: RN=2I(12) 那么此时ZF2BL E法所得估计值可简单地表示为: d c, ZF- BLE= (A 3TA)- 1A3Te (13) 由于矩阵A 3TA 是一个稀疏矩阵,同时又是一个 Herm itian矩阵,因此可用简化方法来对它求逆,使 得ZF2BL E法可在TD2SCDMA系统中实时实现。 3 算法性能比较 仿真是在上行链路的情况下,分集天线的数目 为8个,在静止或步行的环境下,以MA TLAB作为 仿真的工具。 这里我们评价算法性能的是算法的平均误码率 pb。图4中给出了随着用户比特的信噪比 (10log 10 (Eb ? 2) dB)变化的每个算法平均误码率。可看出白 化匹配滤波器(WM F)根本不能消除多用户干扰。 而其它4种检测算法都不同程度地消除了多用户干 扰,改善了系统的性能。ZF2BL E算法与MM SE2 BL E算法性能相近,但后者要好一些。主要原因就 在于MM SE2BL E考虑了噪声的影响,加入噪声的 图4 室内到室外的几种联合检测算法性能比较 方差估计,这样增加了其运算复杂度。 而判决反馈算 法的性能有明显的提高,在同样的10- 3误码率的情 况下,其信噪比的要求比线性算法要低11. 5 dB。 但其反馈算法机制非常复杂,用在实际应用中,计算 复杂度太高。所以在TD2SCDMA系统中采用ZF2 BL E算法。 4 ZF-BLE的实现 A是由信道冲激相应和扩频码产生的系统矩 阵。矩阵A的大小为 (16 22+ 15, 1622),有相应 的复数矩阵A_bi构成,矩阵A表示如下: 7 黄华生,蒋泽: TD2SCDMA系统中联合检测的原理和实现 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. A 3T = A_bi3 T 0 A_bi3 T 0A_bi3 T (14) 其中的每一小块A_bi是3116的复数矩阵,相邻 两块A_bi交叠的行数为15,总共22个重复的A_bi 构成整A矩阵。因此矩阵A的维数是 (16 22+ 15, 1622),即367352的矩阵。 根据系统矩阵A的特点,我们可以将A 3TA 求 逆的计算分解成简单形式。则: (A 3TA)- 1 =(R +R 3T)- 1 = (R - 1)3T +- 1 R - 1 (15) 复数矩阵(R - 1)3T具有如下形式: (R- 1)3 T = T10000 T2T3000 0T5T600 00T5T60 000T5T60 0000T5T60 ? 000T5T6 其中,T5,T6各重复20次。而矩阵 +- 1则是实数对 角阵。其中对角元素的排列与矩阵(R - 1)3T类似: (+- 1 ) = S - 1 10000 0S - 1 2000 00S - 1 300 ? 00S - 1 3 上式中,S - 1 i是(16, 16)的子阵(i= 1, 2, 3),其中 S - 1 3重复20次。 复数向量e是一个列向量,在一个时隙中分为 上下两段,每一段的大小为(352+ 15)1.这样,估 算公式简化为: d = (R - 1)3T+- 1R- 1A3Te (16) 根据各阶段数据流结构的特点及硬件的性能, 整个联合检测算法实现由一片X I L I NX公司生产 的V irtex2E FPGA和 两 片T I公 司 生 产 的 TM S320VC5510 DSP共同完成,他们分工见图5。 图5中,第1步计算在DSP中完成,第2、3两 步在FPGA中完成。具体的流程如下: FPGA将一帧的I Q数据发送给DSP; DSP完成信道估计,由信道估计、 扩谱码和 扰码生成系统矩阵A; DSP从这一帧的数据部分取出信号向量e; DSP计算Ae=A 3Te; DSP将(A 3TA)- 1分解成 (R - 1)3T+- 1 (R - 1) 的形式; DSP将矩阵R - 1和 Ae的数据发送给FP2 GA; FPGA计算B=R - 1Ae, 同时DSP计算R = ( R - 1)3T+- 1; DSP将矩阵R 的数据发送给FPGA; FPGA计算d=R B,d为JD运算的最终 结果; FPGA将JD运算的最终结果d传给第二块 DSP。 数据流向如图6。 整个JD运算由DSP与FPGA 共同完成,其中FPGA中的JD模块分时复用,以完 成3个时隙的计算。这就要求DSP访问FPGA的 JD模块的时间要严格地错开,且FPGA内的JD运 算过程与数据传输过程的时间严格小于0. 675 m s (一个时隙数据的传输时间)。 图6 FPGA和DSP的数据流向图 (下转17页) 8 2001年第2期 重庆邮电学院学报 CU PT 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 道,但所有的信道有相同的信噪比SNR(i 2 ? )。 从图3和图4中我们看出迭代判决法具有很好 的性能,其结果非常接近Cramer2Rao界,子空间法 和导引信道估计法却由于受到干扰的限制,性能较 差,与Cramer2Rao界偏离很远。但导引信道估计法 得到的结果却非常接近它的理论值,子空间法的仿 真值大约比它的理论值恶化23 dB。 从上面的仿真结果我们可以得出结论:迭代判 决法性能最好,无论用户数多少其结果都非常接近 Cramer2Rao界;子空间法和导引信道估计法在用户 数较少时性能还可以,但用户数较多时受干扰的限 制,性能较差,但迭代判决法比子空间法和导引信道 估计法需要更大的计算量。尽管迭代判决法有较大 的运算量,但其性能在信道估计中却有明显的优越 性,所以在处理时分信道参数时仍非常有用。 参 考 文 献 1 P ICKHOL TZ R L ,M I L STE I N , SCH I LL I N2 G D L. Spread spectrum formobli communi2 cationJ . IEEE T rans veh technol, 1991, 40 (2): 3132332. 2 W E ISS J A nthony, FR IEDLANDER Ben2 jam in. Channel esti mation for DS_CDMA dow nlink w ithaperiodicspreadingcodes J .IEEE T rans Commun, 1999, 47(10). 3 KAN G Insung , F ITZ PM ichael, GEL FAND SAUL B.Blind esti mation of multipath channel parameters a model analysis ap2 proch J .IEEE trans Commun, 1999, 47 (8). 4 SHEPHERD J Si mon, BARKON K Stephen. Opti mal sequences for channel esti mation using discrete fourier transform techniques J . 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