CN1106783C

CN1106783C - 移动通信系统中的接收机

Info

Publication number: CN1106783C
Application number: CN98117539A
Authority: CN
Inventors: 吴昌宪
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1997-07-15
Filing date: 1998-07-15
Publication date: 2003-04-23
Anticipated expiration: 2018-07-15
Also published as: KR19990010110A; CN1215967A; RU2177207C2; US6771986B1

Abstract

移动通信系统中的一种接收机，在此接收机中，自适应阵列天线具有用于在所需信号方向中形成波束的多个天线振子和用于控制在所需信号接收角度上天线振子的波束图与方向性的实时自适应接收处理器，每个天线振子具有自适应线性滤波器，从而消除在不同于所需信号的角度上接收的干扰信号。连到自适应阵列天线并且具有多个干扰信号检测器的干扰消除器从所需信号中检测多用户干扰信号并消除多用户干扰信号，其中每个干扰信号检测器包括混频器、积分器和滤波器。

Description

移动通信系统中的接收机

本发明涉及移动通信系统中的接收机，并且具体地涉及利用串联的自适应阵列天线和干扰消除器消除干扰信号的设备与方法。

由于近来移动通信的快速增长需求，已更多地关注CDMA(码分多址)，主要有两类CDMA系统，DS(直接序列)-CDMA，应用扩频技术；和FH(跳频)-CDMA。许多研究已积极地探索DS-CDMA的实施。在朝鲜，数字DS-CDMA通信系统已进行开发并投入服务，此国家也选择DS-CDMA用于PCS(个人通信服务)。

降低此DS-CDMA系统性能的主要原因是由多经传播导致的多径衰落和由于许多用户共同使用同一信道而引起的多用户干扰(MUI)，即，只有减轻多径衰落和MUI的影响，才能改善系统性能。

可利用两种技术减轻MUI：使用自适应阵列天线；和基于相关性的同频道干扰(CCI)消除。自适应阵列天线利用其方向性合适的控制能有效地除去干扰信号，但在消除以与所需信号相同的角度接收的不需要信号方面受到限制。另一方面，同频道干扰消除技术保证MUI的除去并因此保证系统性能的改善。然而，同频道干扰的减轻要求呈现极好相关特性的PN(伪噪声)码和干扰消除器，并且随着同时接入系统的用户数量的增加，硬件复杂性也增加，这是因为来自所有用户的不需要的扩频信号进行解调、再扩展并随后从所接收的信号中进行提取以便利用数字滤波器恢复所需信号。

为了解决上面技术的问题，需要具有串联的自适应阵列天线和干扰消除器的接收机。自适应天线和干扰消除器在现有技术中使用作为增加DS-CDMA系统容量的方法，但不是在自适应天线与干扰消除器串联的CDMA环境而是在一般的扩频通信环境中增加系统容量。在此上下文中，很难直接将常规设备应用于CDMA系统。

本发明的一个目的是提供无线电通信系统中的接收机和接收方法，能利用串联的自适应阵列天线和干扰消除器改进接收性能。

为了达到上面目的，提供移动通信系统中的一种接收机。在此接收机中，自适应阵列天线具有用于在所需信号方向中形成波束的多个天线振子和用于控制所需信号接收角度上天线振子的波束图与方向性的实时自适应接收处理器，每个天线振子具有自适应线性滤波器，从而消除在不同于所需信号的角度上接收的干扰信号。连到自适应阵列天线并具有多个干扰信号检测器的干扰消除器从所需信号中检测多用户干扰信号并消除多用户干扰信号，其中每个干扰信号检测器包括混频器、积分器和滤波器。

根据另一方面，提供移动通信系统中一种接收方法。此移动通信系统具有包括多个天线振子与实时自适应接收处理器的自适应阵列天线和连到自适应阵列天线并具有多个干扰信号检测器的干扰消除器，其中每个天线振子具有自适应线性滤波器，每个干扰信号检测器包括混频器、积分器和滤波器。在用于此移动通信系统的接收方法中，在不同于所需信号的角度上接收的干扰信号通过控制所需信号接收角度上天线振子的波束图和方向性并在所需信号方向上形成波束来消除。随后，多用户干扰信号从所需信号带宽中进行检测并从接收信号中进行消除。

本发明的上述目的和优点通过结合附图详细描述其优选实施例将变得更加清楚，其中：

图1是根据本发明一个实施例在无线电通信系统中具有串联的自适应阵列天线和干扰消除器的发射机与接收机的方框图；

图2是图1所示的包括M个振子的自适应阵列天线的方框图；

图3是图1所示的干扰消除器的方框图；

图4是表示在高斯噪声和MUI情况下采用干扰消除器的DS-CDMA/DPSK(微分相移链控)蜂窝系统的误差概率的图表；

图5是表示在高斯噪声和MUI情况下根据天线的方向性采用自适应阵列天线的DS-CDMA/DPSK蜂窝系统的误差概率的图表；

图6是表示在高斯噪声和MUI情况下采用自适应阵列天线和干扰消除器的DS-CDMA/DPSK蜂窝系统的误差概率的图表；和

图7是表示根据用户数量同时采用自适应阵列天线和干扰消除器的DS-CDMA/DPSK蜂窝系统的误差概率的图表。

图1是根据本发明一个实施例无线电通信系统中RF(射频)发射机与接收机的示意方框图。在图1中，RF发射机10具有用于以发送信号形式调制发送数据TXD的调制器11和用于上变换从调制器11中接收的已调信号频率为用于发送的所需频率的混频器12。RF接收机20包括用于自适应接收RF信号的自适应阵列天线21、用于利用所接收的RF信号的相关性消除同频道干扰的干扰消除器22和用于将从干扰消除器22中接收的信号解调为原始数据并生成接收数据RXD的解调器23。这里，加法器30引入使所接收的RF信号恶化的MUI信号和AWGN(加性高斯白噪声)。图1的RF接收机20是理想的。

将描述根据本发明的接收机20操作的说明。串联到干扰消除器22的自适应阵列天线21消除在不同于所需信号的角度上接收的干扰信号，而干扰消除器22消除剩余的干扰信号和在与所需信号相同的角度上接收的干扰信号，从而更有效地除去MUI。那就是本发明实施例为什么建议具有串联的自适应阵列天线21和干扰消除器22的接收机结构。下面将描述利用自适应阵列天线21和干扰消除器22能改善DS-CDMA/DPSK(微分相移链控)蜂窝系统的多少性能。

在本发明的此实施例中，假定：在移动无线电通信系统中的反向链路上发送数据并且信道模型是遭受AWGA与MUI的无线电信道。如图1所示，接收机20具有串联的自适应阵列天线21和干扰消除器22以改进无线电通信系统的接收性能。

如果优选的在移动通信系统中的基站与移动站之间实施功率控制，则一个网孔中所有的移动站发送相同电平的信号给基粘。因此，干扰信号具有与基准信号相同的功率电平和路经损耗。假定来自不同用户的MUI是高斯随机参数，随后，干扰信号加到MUI是度(degree)可表示为：

M 1 = \frac{2}{3 N} E_{b} a^{2} . . . . . . (1)

其中N是PN码长度，而a是发送信号的瞬时幅度。能同时在一个网孔中被提供服务的用户数量由下式计算：

K_{c} = \frac{V_{m} K}{N_{\sec l}} - 1 . . . . . . (2)

其中N_secl是一个网孔中扇区数量，V_m是假定为3/8的话音有效因数，并且K是每个网孔的用户总数。

因此，得到如下的同一网孔中的干扰I₁：

I_{1} = K_{c} \frac{2}{3 N} E_{bn} \cdot a^{2} . . . . . . (3)

并且来自相邻网孔中的移动站的干扰I₂为：

I_{2} = (K_{c} + 1) Σ_{K = 1}^{C} \frac{2}{3 N} E_{b} \cdot {a_{k}}^{2} . . . . . . (4)

其中C是相邻干扰网孔的数量，而a_k是从第K移动站发送的信号的瞬时幅度。

假定：来自相邻网孔的MUI I₂比Rappaport干扰大2.2倍(参见1994年8月IEEE Transactions on Vehicular Technology第3卷第680-690页J.C.Liverti Jr和T.S.Rappaport的文章“Analytical Results for Capacity Improuevent inCOMA”)。因此，DS-CDMA系统中包括来自相邻网孔的MUI的信噪比(SNR)变为：

SNR = \frac{E_{b} \cdot a^{2}}{N_{1} + N_{o} / 2} = \frac{E_{b} \cdot a^{2}}{I_{1} + I_{2} + N_{o} / 2}

= \frac{E_{b} \cdot a^{2}}{\frac{{2 K}_{c}}{3 N} E_{b} \cdot a^{2} + \frac{2 (K_{c} + 1)}{3 N} E_{b} \cdot a^{2} \cdot 2.2 + N_{o} / 2} . . . . . . (5)

其中N_o/2是AWGN的功率谱密度。

能以上述方式制作MUI模型。现在，下面将看看自适应阵列天线技术。

与以固定状态接收信号的常规天线相比较，自适应阵列天线方案定义为通过根据接收信号的可变方向灵活改变波束的方向来检测信号的方向。这个技术允许所需信号更有效的接收和从不同所需信号的方向中接收的干扰信号的除去，从而显著地改善系统性能。自适应阵列天线21由天线阵振子和用于实时处理信号的自适应接收处理器组成。自适应处理器利用预定算法自动控制优化SNR的加权值，以致天线阵振子不在所需信号的方向中形成波束并利用零点可控将从不同于所需信号的方向中接收的干扰信号的接收增益减少约-60dB以便除去干扰信号。然而，自适应阵列天线技术所具有的问题是不能消除在与所需信号相同的角度上接收的干扰信号。

图2是图1所示的具有M个天线阵振子的自适应阵列天线21的示例方框图。每个移动站使用全向天线并且基站为网孔中每个用户形成定向波束。假定在所需用户方向中提供波束图，形成的这个定向波束利用图2所示的M个阵列振子实施。假定一个网孔中有K个用户，每个阵列振子具有K个自适应线性滤波器(ALF)。因此，给自适应阵列天线21提供MXK个ALF。如果数字地实施ALF，每个用户可使用不同的ALF参数。因此，给每个用户提供不同的波束图。在本发明的实施例中，用户均匀地分布在网孔中并且优选地在基站与移动站之间执行功率控制。另外，将波束图不是垂直而是水平地指向360°以便在所需用户的方向中提供波束图。这里，天线的规则的波束图G(θ)是：

G (θ) [dB] = 10 \log_{10} \frac{{| A (θ) |}^{2}}{M^{2}} . . . . . . (6)

其中A(θ)是波束图和M是阵列振子数量，并且天线的方向性D是：

D = \frac{2 π}{{&Integral;}_{0}^{2 π} G (θ) dθ} . . . . . . (7)

在本发明的实施例中，考虑从Rappaport结果中得到的D＝2.67和3.0的情况。

自适应阵列天线21有效地接收所需信号并消除从不同于所需信号的方向中接收的干扰信号。然而，它不能消除从与所需信号相同的方向中接收的干扰信号。为了克服自适应阵列天线21的这个限制，采用干扰消除器22。

图3是图1所示的干扰消除器22的方框图。如果在干扰消除器22的输入端上基带信号幅度是F1，则输入信号S_r的信噪比SNR_DSI是：

SNR_DSI＝1/[K_c·2/3N)+(N_o/E_b)].....(8)

如果在包括在信号S_r(r＝2、3、...和k)中的信号S₂、S₃、...、S_k中没有生成误码，则完全消除MUI。另一方面，如果在相关性检测期间仅在包括在信号S_r中的来自第i个用户(i＝2、3、...、k)的信号中发现误差，不同于信号S_i的利用第i用户PN_i的PN码恢复的信号再次利用PN_i进行扩展并加到延迟T的信号S_r。这里，由于包括误差的信号S_i作为MUI加到输入信号S_r，所以信号S具有两倍于信号S_r的MUI电压的电压(四倍的功率。结果，信号S_c与S_i之间的信噪比SNR_DS2由下式计算：

SNR_DS2＝1/[A_v·2/3N)+(N_o/2E_b)]SNR_DS2

＝1/[(4K_o·peb_DSI·2/3N_o·2Eb)]......(9)

其中Reb_DSI是利用SNR_DSI的误差概率方程式，和A_v是4K_cxPeb_DSI。

将描述在自适应阵列天线21和干扰消除器22应用于DS-CDMA/DPSK蜂窝系统时的系统性能。

(1)AWGN和MUI情况下的误差概率

在考虑MUI模型、话音有效因数和相邻网孔的分段时，在AWGN和MUI环境下DS-CDMA/DPSK系统的误差概率方程式利用下式给出：

P_{cl} = \frac{1}{2} \exp (- r_{1})

和

r_{1} = \frac{E_{b} \cdot a^{2}}{\frac{2 K_{c}}{3 N} E_{b} \cdot a^{2} + \frac{2 (K_{c} + 1)}{3 N} E_{b} {\cdot a}^{2} \cdot 2.2 + N_{o} / 2} . . . . . . (10)

其中K_c是引起MUI的用户数量。

(2)利用自适应阵列天线的系统性能改善

自适应阵列天线21通过检测干扰信号的方向消除从不同于所需信号的方向中接收的干扰信号并提供零(null)给干扰信号，从而改进接收信号的性能。具有自适应阵列天线的DS-CDMA/DPSK系统利用天线方向性的误差概率方程式是：

P_{A} = \frac{1}{2} \exp (- r_{A})

和

r_{A} = \frac{E_{b} \cdot a^{2}}{\frac{{2 K}_{c}}{3 ND} E_{b} \cdot a^{2} + \frac{2 (K_{c} + 1)}{3 N} E_{b} \cdot a^{2} \cdot 2.2 + N_{o} / 2} . . . . . . (11)

在基站与移动站之间完美地执行功率控制并且基站中天线的波束图不垂直指向时，式(11)是有效的。

(3)利用干扰消除器的系统性能改善

在AWGN和MUI情况下采用干扰消除器22的DS-CDMA/DPSK系统的误差概率方程式由下式计算：

P_{C} = \frac{1}{2} \exp (- r_{C})

和

r_{C} = \frac{E_{b} \cdot a^{2}}{{4 P}_{el} \cdot [\frac{{2 K}_{c}}{3 N} E_{b} \cdot a^{2} + \frac{2 (K_{c} + 1)}{3 N} E_{b} \cdot a^{2} \cdot 2.2] + N_{o} / 2} . . . . . . (12)

(4)利用串联和自适应阵列天线和干扰消除器的系统性能改善

串联到干扰消除器22的自适应阵列天线21根据使所需信号接收增益最大的加权值在所需信号方向上形成波束并在自适应接收处理器中进行计算，而且提供零给从不同于所需信号的方向中接收的MUI信号以使MUI信号的接收增益最小。因而，消除MUI信号。这里，天线21的剩余MUI信号和在与所需信号角度相同的角度上接收的MUI分量利用干扰消除器22根据接收信号的相关性进行消除。利用串联的自适应阵列天线21和干扰消除器22的DS-CDMA/DPSK系统在AGWN和MUI情况下的误差概率方程式是：

P_{AC} = \frac{1}{2} \exp (- r_{AC})

和

r_{AC} = \frac{E_{b} \cdot a^{2}}{{4 P}_{el} \cdot [\frac{{2 K}_{c}}{3 ND} E_{b} \cdot a^{2} + \frac{2 (K_{c} + 1)}{3 ND} E_{b} \cdot a^{2} \cdot 2.2] + N_{o} / 2} . . . . . . (13)

在假定串联的自适应阵列天线21和干扰消除器22的硬件理想地实施的情况中式(13)是理论上的。

在本发明的实施例中，分别分析在单独的和串联的在自适应阵列天线21和干扰消除器22的情况中DS-CDMA/DPSK蜂窝系统性能中的改善。图4-7表示作为每网孔用户数量K、PN码长度N、自适应阵列天线21的方向性D和比特能量噪声功率谱密度比E_b/N_o的函数的误差概率方程式的数字结果。在图中，话音活动因数是3/8，此网孔分成三个扇区，并且N是127。

图4表示在AWGN和MUI的情况下具有干扰消除器22的DS-CDMA/DPSK蜂窝系统的误差概率。从图4可看出，利用干扰消除器22显著地改善误差概率。利用10dB的E_b/N_b和200的K，误差概率从5.85×10^-2降至5.40×10^-4，利用10dB的E_b/N_o和100的K，误差概率从9.86×10^-3降至1.66×10^-8。

图5表示在AWGN和MUI情况下相对D的具有自适应阵列天线21的DS-CDMA/DPSK蜂窝系统的误差概率。利用10dB的E_b/N_o、200的K和2.67的D，误差概率从5.85×10^-2降至3.83×10^-3。利用10dB的E_b/N_o、200的K和3.0的D，误差概率从5.85×10^-2降至2.46×10^-3。即，系统性能随方向性增益改进。自适应天线技术与干扰消除之间的比较表示：在D＝2.57和3.0的情况下，前者的系统性能增加都小于后者。

图6是表示在AWGN和MUI情况下K＝200时具有串联的自适应阵列天线21和干扰消除器22的DS-CDMA/DPSK蜂窝系统的误差概率图表。如图6所示，在K＝200和D＝2.67时，干扰消除器22在改善系统性能方面超过自适应阵列天线21。相反地，如果K增加(K＞270)，自适应阵列天线21在系统性能方面获益优于干扰消除器21，如图7所示，这是因为解调误差随K增加。利用串联的具有D＝2.67的自适应阵列天线21和干扰消除器22的误差概率近似于AWGN情况下的误差概率并低于单独使用自适应阵列天线21和干扰消除器22时的误差概率。

图7是表示在与图6相同的条件下E_b/N_o＝10dB时相对于K的具有串联的自适应阵列天线21和干扰消除器的DS-CDMA/APSK蜂窝系统的误差概率。K＝200时，具有串联的自适应阵列天线21和干扰消除器22的误差概率低于仅具有干扰消除器22的误差概率约4.74×10^-6并且比仅具有自适应阵列天线21的误差概率低6.68×10^-8。总之，串联的自适应阵列天线21和干扰消除器21在消除MUI方面非常有效。

如上所述，根据自适应阵列天线21和干扰消除器22是串联还是单独使用，系统性能之间有大的差异。即，除了K非常大(即K＞270)的情况之外，干扰消除器22在改善系统性能方面比自适应阵列天线21更有效，并且利用串联的自适应阵列天线21和干扰消除器21的误差概率近似于AWGN情况下的误差概率。

因为移动通信系统的性能受到由用户共同使用同一信道而产生的MUI的限制，所以MUI的消除是改进系统性能方面的主要问题。因此，移动通信系统中的接收机采用自适应阵列天线，用于有效地接收所需信号并消除从不同于所需信号的方向中接收的干扰信号和除去与所需信号相同方向中接收的干扰信号，从而显著地改进系统性能。由于其甚至减少误码的能力的优点，根据本发明的实施例的接收机可应用于PCS以及DS-CDMA以改进移动通信系统的性能。

Claims

1、在移动通信系统中的一种接收机，包括：

自适应阵列天线，具有用于在所需信号方向中形成波束的多个天线振子和用于控制在所需信号接收角度上天线振子的波束图与方向性的实时自适应接收处理器，其中每个天线振子具有自适应线性滤波器，从而消除在不同于所需信号的角度上接收的干扰信号；和

干扰消除器，串连到自适应阵列天线并具有多个干扰信号检测器，每个干扰信号检测器包括混频器、积分器和滤波器，用于从所需信号中检测多用户干扰信号并消除多用户干扰信号。

2、在移动通信系统中的一种接收方法，此通信系统具有自适应阵列天线和连到自适应阵列天线并且有多个干扰信号检测器的干扰消除器，其中自适应阵列天线包括多个天线振子和实时自适应接收处理器，每个天线振子具有自适应线性滤波器，每个干扰信号检测器包括混频器、积分器和滤波器，此方法包括步骤：

通过控制在所需信号接收角度上天线振子的波束图与方向性并在所需信号方向中形成波束来消除在不同于所需信号的方向上接收的干扰信号；和

从所需信号带宽中检测多用户干扰信号并从接收信号中消除所检测的多用户干扰信号。