CN1180562C - 一种基于时间-频率分集的接收方法 - Google Patents

Abstract

一种基于时间-频率分集的接收方法，是一种在较低运算复杂度下接收机端的实现多径-多普勒分集的接收方法。在扩频通信系统中，当信号传输的信道处于快速衰落的情况下，传统的RAKE接收机性能会明显下降，本发明的方法是基于时间和频率分集的思想，最大程度地利用多径-多普勒联合处理，提出的一种具有较低复杂度的新的接收方法，并提供了基于该方法的两种多用户检测方案。该方法能够克服衰落信道尤其是快速衰落信道对信号接收造成的影响，显著改善在快速衰落信道下的接收机检测性能，从而显著提高多用户接收机的检测性能；并在进一步结合多用户检测增强技术的条件下，实现更好的接收效果。

Description

一种基于时间-频率分集的接收方法

所属领域

本发明涉及一种基于时间-频率分集的接收方法，确切地说，涉及一种扩频通信中的多用户检测技术，属于扩频通信技术领域。

背景技术

在码分多址扩频通信系统中，现有的大多数接收机通常都是采用瑞克(RAKE)接收技术，即多径分集的接收技术。该技术能够利用多径信号的互不相关特性，分集合并各径信息，从而达到抑止无线信道的多径衰落，最终提高接收机的检测性能的目的。但RAKE接收技术适合用于慢速衰落的信道环境，当系统处于快速衰落的信道环境下，由于信道估计误差的迅速增加，传统的RAKE接收机的性能会明显下降，其检测效果往往会显著恶化。

文献[1]《移动无线通讯中的多径-多普勒联合分集》(《Jointmultipath-Doppler diversity in mobile wireless communication》，IEEE Trans.Commun.，vol.47，pp.123-132，Jan.1999)和文献[2]《快速衰落多径环境中的多用户检测》(《Multiuser detection in fast-fading multipath environments》，IEEE J.Selected Areas in Commun.，vol.16，pp.1691-1701，Dec.1998)提出了多普勒分集的一种新思想，指出信道在时域的变化实际上提供了另一种分集的可能，即多普勒分集(Doppler diversity)。在多径-多普勒联合分集的时间选择性(time-selective)信号模型中，经过信道的信号分解成互相正交的多径-多普勒的不同分支信号，称这种模型为时间-频率模型或TF(Time-Frequency)模型。文献[1][2]还在此TF模型基础上进一步介绍了联合多径-多普勒处理的接收机。

记T为数据符号的周期，T_s为扩频波形的持续时间(spreading duration)，则根据文献[1][2]的说明，这种TF模型应包括两种情形：TF模型1：T＝T_s；和TF模型2：T＜T_s。尽管文献[1][2]讨论了在TF模型1下的TF RAKE接收机、解相关器和最小均方误差(MMSE)接收机，但是这种TF RAKE接收机是针对单用户信号接收的，并不适用于多用户接收；后面几种接收机虽然是针对多用户接收，但这些接收机的复杂度太高，难以实现。

在TF模型2下，文献[3]《通讯中多径衰落信道下的时间选择性信号的接收》(《Time-selective signaling and reception for communication over multipathfading channels》，IEEE Trans.Commun.，vol.48，pp.83-94，Jan.2000，)中只讨论了单用户的多径信号接收机，而没有提及到相应的多用户多径的接收机。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于时间-频率分集的接收方法，也就是提供一种在较低运算复杂度下接收机端的实现多径-多普勒分集的接收方法，该方法能够克服衰落信道尤其是快速衰落信道对信号接收造成的影响，从而显著提高多用户接收机的检测性能；并在进一步结合多用户检测增强技术的条件下，实现更好的接收效果。

本发明的基于时间-频率分集的接收方法是这样实现的：该接收方法包括有下列步骤：

(1)在信号的扩频调制中，将数据符号扩频波形持续时间T_s设置为等于数据符号的周期T，即T_s＝T；

(2)利用数据符号扩频波形的多径-多普勒分支信号，对接收信号做时间-频率的TF匹配滤波，并输出每个用户的每一径各个TF分支的匹配滤波结果；

(3)对每个用户的所有TF匹配滤波结果进行TF RAKE最大比合并，然后对合并操作结果进行符号硬判决；

(4)在TF RAKE接收的基础上，进一步采用并行干扰消除(PIC)的多用户检测增强技术，以便进一步改善检测性能。

所述的第(3)步骤进行的TF RAKE最大比合并操作，是利用各个TF分支信号匹配滤波的结果，以及对应分支的多径-多普勒信道参数，进行最大比合并的操作。

所述的第(4)步骤进行并行干扰消除(PIC)的多用户检测增强技术操作，其具体步骤如下：

(a)设置多级并行干扰消除的级数G，级数计数指标为g，g＝1，...，G，并设初始指标g＝1；

(b)在级数计数指标g＝1或g＞1时，分别利用TF RAKE接收得到的符号硬判决的值和信道参数，或上一级PIC的符号硬判决的值和信道参数，进行各个TF分支信号的再生操作，即干扰再生操作，得到各个TF分支的再生信号；

(c)对每个用户的各TF分支信号，进行干扰对消操作；

(d)对每个较纯净的TF分支信号重新进行TF匹配，得到该分支的TF匹配滤波结果；该TF匹配滤波的操作与所述的步骤(2)相同；

(e)对每个用户的各TF分支信号的TF匹配滤波结果，进行TF RAKE合并，并进行本级PIC的符号硬判决；该TF RAKE合并的操作与所述的步骤(3)相同；

(f)将g的值增加1；

(g)利用上一级的符号硬判决结果，重复步骤(b)～(f)的操作，直到完成第g＝G级并行干扰消除的操作为止；最后还要将进行最后一级g＝G级并行干扰消除操作后得到的符号硬判决的值输出，作为最终的数据符号检测结果。

所述的第(b)步骤中各个TF分支信号的再生操作，是将每个用户的扩频波形信号的各个TF分支信号，乘以该用户的本级输入的符号硬判决的值，即在级数计数指标g＝1或g＞1时，将每个用户的扩频波形信号的各个TF分支信号分别乘以该用户的TF RAKE接收得到的符号硬判决的值或上一级PIC的符号硬判决的值；而每个用户的扩频波形的各个TF分支信号，则是利用TF信道估计得到的多径-多普勒信道参数和已知的该用户扩频波形得到的。

所述的利用TF信道估计得到的多径-多普勒信道参数，可以是每一级PIC相同的，即用同一个TF信道估计值，也可以逐级重新估计更新使用。

所述的第(c)步骤中的干扰对消操作是对于每个用户的各个TF分支信号，从基带接收信号中减去该分支的TF干扰信号，得到较纯净的该分支信号，该分支的TF干扰信号是指：除了该TF分支信号之外的所有TF分支信号的再生信号。

所述的第(4)步骤中，也可采用迭代SISO软干扰消除算法的多用户检测增强技术，以便进一步改善检测性能。

本发明的基于时间-频率分集的接收方法也可以是这样实现的：该接收方法至少包括有下列步骤：

(1)在信号的扩频调制中，将符号扩频波形持续时间T_s设置为大于数据符号的周期T，即T_s＞T，并设I＝T_s/T是正整数；

(2)利用数据符号扩频波形的多径-多普勒分支信号，对接收信号做时间-频率的TF匹配滤波，并输出每个用户的每一径各个TF分支的匹配滤波结果；此处的TF匹配滤波，可以设置符号检测窗口大小，以便后面的TF RAKE合并操作更有效地克服符号间干扰(ISI)；

(3)对每个用户的所有TF匹配滤波结果进行TF RAKE最大比合并，然后对合并操作结果进行符号硬判决；这里的每个用户的TF RAKE最大比合并操作，是先分别对该用户每一径的检测窗内所有符号进行去除符号间干扰的操作，然后利用TF信道估计得到的TF信道参数，对所有各径进行最大比合并操作，最后得到该用户检测窗内所有符号的最大比合并后的值；

所述的第(3)步骤中的去除每一径符号间干扰的操作，是指对该径的向量形式的TF匹配滤波结果乘以TF相关矩阵的逆矩阵，而该TF相关矩阵是通过单径的相关运算而得到的结果，该矩阵的维数大大降低，可显著减少运算量。

在第(3)步骤之后，可以选择性地增加下列操作：在TF RAKE接收的基础上，进一步采用并行干扰消除(PIC)或迭代SISO软干扰消除算法的多用户检测增强技术，以便进一步改善检测性能。

所述的并行干扰消除(PIC)的多用户检测增强技术操作，其具体步骤如下：

(a)设置多级并行干扰消除的级数G，级数计数指标为g，g＝1，...，G，并设初始指标g＝1；

(b)在级数计数指标g＝1或g＞1时，分别利用TF RAKE接收得到的符号硬判决的值和信道参数，或上一级PIC的符号硬判决的值和信道参数，进行各个TF分支信号的再生操作，即干扰再生操作，得到各个TF分支的再生信号，且该干扰再生操作是针对检测窗内的所有符号进行的；

(c)对每个用户的各TF分支信号，进行干扰对消操作；

(d)对每个较纯净的TF分支信号重新进行TF匹配，得到该分支的TF匹配滤波结果；该TF匹配滤波的操作与所述的步骤(2)相同；

(e)对每个用户的各TF分支信号的TF匹配滤波结果，进行TF RAKE合并，并进行本级PIC的符号硬判决；该TF RAKE合并的操作与所述的步骤(3)相同；

(f)将g的值增加1；

(g)利用上一级的符号硬判决结果，重复步骤(b)～(f)的操作，直到完成第g＝G级并行干扰消除的操作为止；最后还要将进行最后一级g＝G级并行干扰消除操作后得到的符号硬判决的值输出，作为最终的数据符号检测结果。

所述的第(b)步骤中的各个TF分支信号的再生操作，是将每个用户的扩频波形信号的各个TF分支信号乘以该用户的本级输入的符号硬判决的值，即在级数计数指标g＝1或g＞1时，将每个用户的扩频波形信号的各个TF分支信号分别乘以该用户的TF RAKE接收得到的符号硬判决的值或上一级PIC的符号硬判决的值，最后对检测窗内所有符号求和；而每个用户的扩频波形的各个TF分支信号，是利用TF信道估计得到的多径-多普勒信道参数和已知的该用户扩频波形得到的。

所述的第(c)步骤中的干扰对消操作是对于每个用户的各个TF分支信号，从基带接收信号中减去该分支的TF干扰信号，得到较纯净的该分支信号，该操作以整个检测窗为操作区间；该分支的TF干扰信号是指：除了该TF分支信号之外的所有TF分支信号的再生信号。

本发明的特点是基于时间和频率分集的思想，最大程度地利用信道的分集特性，采用多径-多普勒联合分集的处理过程而提出的一种简化的低复杂度的TF接收方法；并提出了基于该方法的两种多用户检测方案。该接收方法能够显著改善在快速衰落信道下的接收机检测性能。本发明的基础是多径-多普勒联合分集，通过符号扩频波形持续时间大于或等于数据符号周期来实现无线传播信道的时间选择特性(time-selective)。对于单用户接收而言，可以采用本发明中的低复杂度TF RAKE接收方法，对于多用户而言，则在低复杂度的TFRAKE接收的基础上，进一步采用了多用户检测技术，可以在同时接收多个用户信号(即检测用户)时联合处理各用户信息，达到更准确地检测多用户信号的目的；而且所有的接收处理过程都是基于多径-多普勒联合分集进行的。

附图说明

图1是在TF1模型下的多用户检测性能的示意图(用户数＝10)。

图2是在TF1模型下的多用户检测结果的示意图(SNR＝5dB)。

图3是在TF2模型下的多用户检测结果的示意图(用户数＝4)。

图4是在TF2模型下的多用户检测结果的示意图(SNR＝5dB)。

具体实施方式

本发明可以分为两种情况分别进行讨论，其中之一是在TF模型1下，即扩频调制过程满足T_s＝T的条件时，其具体实施方案的操作步骤描述如下：

(1)在信号的扩频调制中，将数据符号扩频波形持续时间T_s设置为等于数据符号的周期T，即T_s＝T；

先以二进制相移键控(BPSK)相干调制的信号为例。无线传播信道仍采用文献[1]中提出的宽稳定意义下的不相关散射WSSUS无线信道模型，即假定同一发送信号的多径分支是互不相关的。设在接收端，连续时间变量的基带信号模型为：

$r\left(t\right)=\sqrt{E_s}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{k=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k\left(i\right){x^i}_k(t-{\mathrm{\τ}}_k)+n\left(t\right)----\left(1\right)$

其中b_k(i)∈{-1，1}是第k个用户的第i个比特(或称为数据符号)，x_k ⁱ(t)是第k个用户的第i个比特的基带接收信号，τ_k是第k个用户信号的发送延迟时间，Es是每个符号的能量，n(t)是功率谱密度为N的加性高斯噪声，Tc是扩频码的码片周期。根据文献[1]中给出的无线传播信道的多径-多普勒正则(multipath-Doppler canonical representation)表示，上述(1)式中第k个用户的第i个比特的基带接收信号x_k ⁱ可以表示为：

${x^i}_k\left(t\right)=\frac{T_c}{T}\underset{l=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{H}_k^{m,l}\left(i\right)s_k(t-\mathrm{iT}-l{T}_c)e^{j2\mathrm{\πmt}/T},----\left(2\right)$

其中H_k ^m，l(i)是对应于第k个用户的第i个符号的信道系数(通过与传统信道估计类似的时间-频率信道估计得到)，共有(L+1)(2M+1)个，而s_k(t)是第k个用户的扩频波形，满足 $s_k\left(t\right)=0\mathrm{ift}\∉[0,T].$ 另外，为了表述方便，引入下面表示式：

$u_k^{m,l}\left(t\right)=s_k(t-l{T}_c)e^{j2\mathrm{\πmt}/T},----\left(3\right)$

表示第k个用户的扩频波形s_k(t)经过多径-多普勒信道后的第l径第m个多普勒分支，或简称为(m，l)-TF分支， $j=\sqrt{-1}$

(2)做时间-频率的TF匹配滤波，并输出每个用户的每一径各个TF分支的匹配滤波结果；时间-频率的TF匹配滤波操作，是利用数据符号扩频波形的多径-多普勒分支信号，对接收信号进行匹配滤波。对于第k个用户的第i个符号，其对应于(m，l)-TF分支信号的TF匹配滤波输出为：

$z_k^{m,l}\left(i\right)={\∫}_{{\mathrm{\τ}}_k}^{T+{\mathrm{\τ}}_k}r\left(t\right)s_k^{*}(t-\mathrm{iT}-l{T}_c)e^{-j2\mathrm{\πm}(t-\mathrm{iT})/T}\mathrm{dt}.----\left(4\right)$

(3)对每个用户的所有TF匹配滤波结果进行TF RAKE最大比合并，然后对合并操作结果进行符号硬判决；TF RAKE最大比合并操作，是利用各个TF分支信号匹配滤波的结果，以及对应分支的多径-多普勒信道参数，进行最大比合并的操作。具体而言，是利用TF匹配滤波输出结果，得到第k个用户的第i个符号的TF RAKE最大比合并和符号硬判决结果为：

${\hat{b}}_k\left(i\right)=\mathrm{sgn}\left\{\mathrm{Re}\right(\underset{l=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{H}_k^{m,l*}\left(i\right)z_k^{m,l}\left(i\right)\left)\right\},----\left(5\right)$

(4)在TF RAKE接收的基础上，进一步采用并行干扰消除(PIC)的多用户检测增强技术，进一步改善检测性能；其具体操作步骤如下：

(a)设置多级并行干扰消除的级数G，级数计数指标为g，g＝1，...，G，并设初始指标g＝1；

(b)利用TF RAKE接收得到的符号硬判决和信道参数，进行各个TF分支信号的再生操作，即干扰再生操作，得到各个TF分支的再生信号；这里所述的一个TF信号分支的再生操作，是将每个用户的扩频波形信号的各个TF分支信号，乘以该用户的本级符号硬判决的值得到的。在每一级PIC中得到的TF干扰信号一般都是不相同的。

对应于第k个用户的第i个符号b_k(i)，其(m，l)-TF多普勒信号分支的再生信号是：

${\hat{s}}_k^{m,l}\left(t\right)=\sqrt{E_s}{u}_k^{m,l}(t-\mathrm{iT})H_k^{m,l}\left(i\right){\hat{b}}_k\left(i\right),t\∈[\mathrm{iT}+l{T}_c,(i+1)T+{\mathrm{lT}}_c],----\left(6\right)$

其中，u_k ^m，l(t)如式(3)所示，而_k(i)由步骤(3)的式(5)得到的。

每个用户的扩频波形的各个TF分支信号，是利用TF信道估计得到的多径-多普勒信道参数和已知的该用户扩频波形得到的。该多径-多普勒信道参数，可以是每一级PIC相同，即用同一个TF信道估计值，也可以逐级重新估计更新使用。

(c)对每个用户的各TF分支信号，进行干扰对消操作；即对于每个用户的各个TF分支信号，从基带接收信号中减去该分支的TF干扰信号，得到较纯净的该分支信号；该分支的TF干扰信号是指：除了该TF分支信号之外的所有TF分支信号的再生信号。

对第k个用户的(m，l)-TF分支而言，干扰消除操作是：

${\hat{r}}_k^{m,l}\left(t\right)=r\left(t\right)-\underset{(\stackrel{\‾}{k},\stackrel{\‾}{m},\stackrel{\‾}{l})\≠(k,m,l)}{\mathrm{\Σ}}{\hat{s}}_{\stackrel{\‾}{k}}^{\stackrel{\‾}{m},\stackrel{\‾}{l}}(t-{\mathrm{\τ}}_{\stackrel{\‾}{k}}),----\left(7\right)$

注意：此处的干扰取消操作在实现上，可以先减去所有TF分支信号的再生信号的和，再加上自己的那个TF分支的再生信号 ${\hat{s}}_k^{m,l}(t-{\mathrm{\τ}}_k);$ 这样，就会大大减少运算量；

(d)对每个较纯净的TF分支信号重新进行TF匹配，得到该分支的TF匹配滤波结果；TF匹配滤波操作同步骤(2)；

对经过干扰消除后的较纯净的TF分支信号重新进行TF匹配滤波，得到第k个用户第i个符号的对应于(m，l)TF分支的TF匹配滤波输出为：

$z_k^{m,l}\left(i\right)={\∫}_{\mathrm{iT}+{\mathrm{\τ}}_{k,l}}^{(i+1)T+{\mathrm{\τ}}_{k,l}}{\hat{r}}_k^{m,l}\left(t\right)u_k^{m,l*}(t-\mathrm{iT}-l{T}_c)\mathrm{dt},----\left(8\right)$

其中τ_k，l＝τ_k+lT_c是第k个用户的第1径的时延；

(e)对每个用户的各TF分支信号的TF匹配滤波结果，进行TF RAKE合并，并进行本级PIC的符号硬判决；TF RAKE合并的操作同步骤(3)；

上述合并操作采用简单的TF RAKE最大比合并，第k个用户的第i个符号的TF RAKE合并和符号硬判决是：

${\hat{b}}_k\left(i\right)=\mathrm{sgn}\left\{\mathrm{Re}\right(\underset{l=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{H}_k^{m,l*}\left(i\right)z_k^{m,l}\left(i\right)\left)\right\},----\left(9\right)$

注意，式(9)中z_k ^ml(i)和_k(i)(如果不同级的信道系数不同，则还有H_k ^m，l(i))，实际上在每一级PIC一般都是不相同的；

(f)将g的值增加1，

(g)利用上一级的符号硬判决结果，重复步骤(b)～(f)的操作，直到完成第g＝G级并行干扰消除的操作为止；最后还要将最后一级g＝G级PIC后得到的符号硬判决的值输出，作为最终的数据符号检测结果。

本发明的另一种情况是在TF模型2下，即扩频调制过程满足T_s＞T的条件时，此时，由于符号扩频波形周期T_s大于数据符号周期T，因此会带来符号间干扰ISI(Inter-Symbol Interference)，为了去除ISI会带来一定的计算量增加，但是T_s适当增大能够最大限度地利用信道的多普勒分集，克服快速衰落对检测性能造成的影响。为了去除ISI，接收处理时必须设置一个检测窗，该检测窗的大小可以设为一个扩频波形所复盖范围的两倍。另外，为了对检测窗边缘符号作更精确的估计，每次检测窗的平滑幅度可以小于一个检测窗口宽度，而且还可以对相邻检测窗的检测结果综合处理，得到更为准确的符号估计。在下面的描述中，为了简单起见，假定检测窗平滑为一个检测窗口大小，而且，直接输出每个检测窗的检测结果。

总之，当扩频调制过程满足T_s＞T条件时，其具体实施的操作步骤如下：

(1)在信号的扩频调制中，将数据符号扩频波形持续时间T_s设置为大于数据符号的周期T，即T_s＞T并设I＝T_s/T是正整数。

下面仍以相干BPSK调制为例，这里考虑的检测窗口内对应的符号为第i＝-I，...，I个符号，而且第i＝0个符号是检测窗的中心：

$r\left(t\right)=\sqrt{E_s}\underset{i=-I}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{b}_k\left(i\right)x_k^i(t-{\mathrm{\τ}}_k)+n\left(t\right),----{\left(1\right)}^{\′}$

上述(1)′式中第k个用户的第i个比特的基带接收信号x^l _k(t)可以表示为：

$x_k^i\left(t\right)=\frac{T_c}{T_s}\underset{l=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{H}_k^{-m,l}\left(i\right)s_k(t-\mathrm{iT}-l{T}_c)e^{j2\mathrm{\πmt}/T_S},---{\left(2\right)}^{\′}$

其余各记号的意义与(1)式和(2)式的说明相同。另外，为了表述方便，引入下式：

$u_k^{m,l}\left(t\right)=s_k(t-l{T}_c)e^{j2\mathrm{\πmt}/T_S},----{\left(3\right)}^{\′}$

表示第k个用户的扩频波形s_k(t)经过多径-多普勒信道后的第l径第m个多普勒分支，或(m，l)-TF分支。

(2)做时间-频率的TF匹配滤波，并输出各用户每一径的各个TF分支的匹配滤波结果；此处的TF匹配滤波，可以设置符号检测窗口大小，以便后面的TF RAKE合并操作更有效地克服符号间干扰(ISI)，但运算量会有所增加。时间-频率的TF匹配滤波操作，是利用数据符号扩频波形的多径-多普勒分支信号，对接收信号进行匹配滤波。

设置检测窗口大小为2I+1个符号(平滑窗的大小也可取为不大于2I+1个符号)，首先平滑检测窗口，使检测窗对应符号指标集合{-I，...，I}。

对于第k个用户的第i∈{-I，...，+I}个共2I+1个符号，其对应于(m，l)分支信号的TF匹配滤波输出为：

$z_k^{m,l}\left(i\right)={\∫}_{-\mathrm{IT}}^{\mathrm{iT}+T_s}r\left(t\right)s_k^{*}(t-\mathrm{iT}-l{T}_c)e^{-j2\mathrm{\πm}(t-\mathrm{iT})/T_s}\mathrm{dt},----{\left(4\right)}^{\′}$

(3)对每个用户的所有TF匹配滤波结果进行TF RAKE最大比合并，然后对合并操作结果进行符号硬判决；一个用户的TF RAKE最大比合并操作，是先分别对该用户每一径的检测窗内所有符号进行去除符号间干扰操作(注意：本发明对每一径是分别进行去除符号间干扰的操作，与文献[1][2]中各径一起进行相比，大大降低了计算复杂度)，然后利用TF信道估计得到的TF信道参数，对所有径进行最大比合并，最后得到该用户检测窗内所有符号的TF RAKE合并后的值。其中，每一径去除符号间干扰的操作，是指对该径的向量形式的TF匹配滤波结果乘以TF相关矩阵的逆矩阵。由于各径之间并不相关，该TF相关矩阵的得到，只是单径的相关运算的结果，因此矩阵的维数可大大降低，运算量也大大减少。

第k＝1，...，K个用户的第i＝-I，-I+1，...，I个符号的TF RAKE最大比合并和硬判操作为：

${\hat{b}}_k=\mathrm{sgn}\left\{\mathrm{Re}\right(\underset{l=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{k,l}^H{F}_{k,l}{z}_{k,l}\left)\right\}----{\left(5\right)}^{\′}$

其中的z_k，l是TF匹配滤波器的用矩阵形式表示的输出结果，F_k，l是去符号间干扰ISI的矩阵，h_k，l是多径-多普勒信道系数，它们的具体定义分别如下：

     z_k，l＝[z_k，l(-I)，...，z_k，l(I)]^T

是(2I+1)(2M+1)维列向量，其中 $z_{k,l}\left(i\right)=[z_k^{-M,l}\left(i\right),...,z_k^{M,l}\left(i\right),...,z_k^{-M,L}\left(i\right),...,z_k^{M,L}\left(i\right){]}^T,$ 而

i＝-I，...，I； $F_{k,l}=R_{k,l}^{-1}$ 是第k个用户第l径的(2I+1)(2M+1)维TF相关矩阵R_k的逆矩阵，起到去符号间干扰ISI的作用，其中：

$R_{k,l}=\left[\begin{array}{ccc}{R}_{k,l}^T(-I,-I)& \·\·\·& R_{k,l}^T(-I,I)\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ R_{k,l}^T(I,-I)& \·\·\·& R_{k,l}^T(I,I)\end{array}\right],$

式中的上标T表示矩阵的转置，且对-I≤i，j≤I有 $R_{k,l}(i,j)={\∫}_{-\mathrm{IT}}^{\mathrm{IT}+T_s}{u}_k^{l^{*}}(t-\mathrm{iT})u_k^{l^T}(t-\mathrm{jT})\mathrm{dt},$

又其中 $u_k^l\left(t\right)=[u_k^{-M,l}\left(t\right),...,u_k^{M,l}\left(t\right){]}^T$ 是第k个用户扩频波形的第l径的2M+1维多普勒

向量，u_k ^m，l(t)定义请参见式(3)′；

$h_{k,l}=[H_k^{-M,l}(-I),...,H_k^{M,l}(-I),...,H_k^{-M,l}\left(I\right),...,H_k^{M,l}\left(I\right){]}^T$

是TF信道估计向量。

本发明可以采用(5)′式中的数据符号硬判决结果作为接收机的最后输出，也可以在以上TF RAKE接收的基础上，再采用并行干扰消除(PIC)的多用户检测增强技术，能够进一步改善检测性能；当然，该步骤是属于可选择的操作内容。其具体操作步骤如下：

(a)设置多级并行干扰消除的级数G，级数计数指标为g，g＝1，...，G，并设g＝1；

(b)利用TF RAKE接收得到的符号硬判决值和信道参数，进行各个TF分支信号的再生操作，即干扰再生操作，得到各个TF分支的再生信号；干扰再生操作针对检测窗内所有符号进行。一个IF信号分支的再生操作，是将每个用户的扩频波形信号的各个TF分支信号，乘以该用户的本级符号硬判决的值得到的。在每一级PIC中得到的TF干扰信号一般都是不相同的。

对应于第k个用户的第i＝-I，...，I共2I+1个检测窗内的符号，其(m，l)-TF分支信号的再生信号是：

${\hat{s}}_k^{m,l}\left(t\right)=\underset{i=-I}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{E_b}{u}_k^{m,l}(t-\mathrm{iT})H_k^{m,l}\left(i\right){\hat{b}}_k\left(i\right),t\∈[-\mathrm{IT},\mathrm{IT}+T_s]----{\left(6\right)}^{\′}$

其中，u_k ^ml(t)如式(3)′所示，而_k(i)由步骤(3)的式子(5)′得到。注意，在不同级g的干扰消除处理过程中，TF信道参数H_k ^ml(t)、符号判决值_k(i)等一般是不相同的。

每个用户的扩频波形的各个TF分支信号，是利用TF信道估计得到的多径-多普勒信道参数和已知的该用户扩频波形得到的。该多径-多普勒信道参数可以每一级相同，即用同一个TF信道估计值，也可以逐级重新估计更新使用。

(c)对于每个用户的各个TF分支信号，进行干扰对消操作。即对于每个用户的各个TF分支信号，从基带接收信号中减去该分支的TF干扰信号，即进行干扰对消，得到较纯净的该分支信号；该分支的TF干扰信号是指，除了该TF分支信号之外的所有TF分支信号的再生信号。

对第k个用户的(m，l)-TF分支而言，干扰消除操作是：

${\hat{r}}_k^{m,l}\left(t\right)=r\left(t\right)-\underset{(\stackrel{\‾}{k},\stackrel{\‾}{m},\stackrel{\‾}{l})\≠(k,m,l)}{\mathrm{\Σ}}{\hat{s}}_{\stackrel{\‾}{k}}^{\stackrel{\‾}{m},\stackrel{\‾}{l}}(t-{\mathrm{\τ}}_{\stackrel{\‾}{k}}),----{\left(7\right)}^{\′}$

其中H_k ^m，l(i)是TF信道估计得到的，可以每一级相同，也可以在每一级分别估计。

注意：此处的干扰消除操作在实际系统的实现中可以先减去所有再生信号的和，再加上自己的那个TF分支再生信号 ${\hat{s}}_k^{m,l}(t-{\mathrm{\τ}}_k),$ 这样就会大大减少运算量。

(d)对每个较纯净的TF分支信号重新进行TF匹配滤波，得到该分支的TF匹配滤波结果；TF匹配滤波的操作同步骤(2)；

对经过干扰消除后的较纯净的信号重新进行TF匹配，得到第k个用户第i＝-I，...，I共2I+1个符号的对应于(m，l)-TF分支的TF匹配滤波输出为：

$z_k^{m,l}\left(i\right)={\∫}_{\mathrm{iT}+{\mathrm{\τ}}_{k,l}}^{(i+1)T+{\mathrm{\τ}}_{k,l}}{\hat{r}}_k^{m,l}\left(t\right)u_k^{m,l*}(t-\mathrm{iT}-l{T}_c)\mathrm{dt},----{\left(8\right)}^{\′}$

其中τ_k，l＝τ_k+lT_c是第k个用户的第l径的时延。

(e)对每个用户的各TF分支信号的TF匹配滤波结果，进行TF RAKE合并，并进行本级PIC的符号硬判决；其中TF RAKE合并的操作与步骤(3)相同，即为低复杂度的TF RAKE合并操作。

在TF模型2下，需要去除ISI，因此采用低复杂度的TF模型2的TF RAKE接收方法，具体步骤与上述的步骤(3)相同，于是得到本级的符号硬判决：

${\hat{b}}_k=\mathrm{sgn}\left\{\mathrm{Re}\right(\underset{l=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{k,l}^H{F}_{k,l}{z}_{k,l}\left)\right\},----{\left(9\right)}^{\′}$

注意，其中的匹配滤波输出向量z_k，l和符号暂态硬判决值_k(如果不同级的TF信道参数不同，则还包括有变量h_k，l)实际上在每一级PIC一般都不相同。另外，注意这里的判决结果_k只是暂时性的中间结果，用于下面的干扰再生和消除，而不是最终检测结果。

(f)将g的值增加1；

(g)利用上一级的符号硬判结果，重复步骤(b)-(f)的操作，直到完成第g＝G级并行干扰消除的操作为止。最后还要将最后一级g＝G级PIC后得到的数据符号硬判值输出，作为最终的符号检测结果。

本发明在两种TF模型即TF模型1和TF模型2下都进行了多用户检测器的仿真实施试验，在所有的仿真试验中，移动台速度均设定为120km/h。

参见图1和图2，其是基于TF模型1给出的结合PIC多用户检测和无PIC的两种误码率BER结果示意图。从图中看出，有PIC的TF多用户检测器性能优于无PIC的TF检测器性能，尽管无PIC的TF多用户接收性能也已经很好了。

参见图3和图4，该两图给出了在TF模型2下的仿真结果。可以看到：PIC仍然有较好的性能改善。

另外，请注意：在多用户检测条件下，TF模型2下的检测结果不如TF模型1，这个结果是与单用户的TF接收方法所不同的。在单用户TF接收情形，两种TF模型下的检测性能几乎是一样的。

Claims (13)

1、一种基于时间-频率分集的接收方法，其特征在于：该接收方法包括有下列步骤：

(1)在信号的扩频调制中，将数据符号扩频波形持续时间T_s设置为等于数据符号的周期T，即T_s＝T；

(2)利用数据符号扩频波形的多径-多普勒分支信号，对接收信号做时间-频率的TF匹配滤波，并输出每个用户的每一径各个TF分支的匹配滤波结果；

(3)对每个用户的所有TF匹配滤波结果进行TF RAKE最大比合并，然后对合并操作结果进行符号硬判决；

(4)在TF RAKE接收的基础上，进一步采用并行干扰消除PIC的多用户检测增强技术，以便进一步改善检测性能。

2、根据权利要求1所述的基于时间-频率分集的接收方法，其特征在于：所述的第(3)步骤进行的TF RAKE最大比合并操作，是利用各个TF分支信号匹配滤波的结果，以及对应分支的多径-多普勒信道参数，进行最大比合并的操作。

3、根据权利要求1所述的基于时间-频率分集的接收方法，其特征在于：所述的第(4)步骤进行并行干扰消除PIC的多用户检测增强技术操作，其具体步骤如下：

(a)设置多级并行干扰消除的级数G，级数计数指标为g，g＝1，...，G，并设初始指标g＝1；

(b)在级数计数指标g＝1或g＞1时，分别利用TF RAKE接收得到的符号硬判决的值和信道参数，或上一级PIC的符号硬判决的值和信道参数，进行各个TF分支信号的再生操作，即干扰再生操作，得到各个TF分支的再生信号；

(c)对每个用户的各TF分支信号，进行干扰对消操作；

(d)对每个较纯净的TF分支信号重新进行TF匹配，得到该分支的TF匹配滤波结果；该TF匹配滤波的操作与所述的步骤(2)相同；

(e)对每个用户的各TF分支信号的TF匹配滤波结果，进行TF RAKE合并，并进行本级PIC的符号硬判决；该TF RAKE合并的操作与所述的步骤(3)相同；

(f)将g的值增加1；

(g)利用上一级的符号硬判决结果，重复步骤(b)～(f)的操作，直到完成第g＝G级并行干扰消除的操作为止，最后还要将进行最后一级g＝G级并行干扰消除操作后得到的符号硬判决的值输出，作为最终的数据符号检测结果。

4、根据权利要求3所述的基于时间-频率分集的接收方法，其特征在于：所述的第(b)步骤中各个TF分支信号的再生操作，是将每个用户的扩频波形信号的各个TF分支信号乘以该用户的本级输入的符号硬判决的值，即在级数计数指标g＝1或g＞1时，将每个用户的扩频波形信号的各个TF分支信号分别乘以该用户的TF RAKE接收得到的符号硬判决的值或上一级PIC的符号硬判决的值；而每个用户的扩频波形的各个TF分支信号，则是利用TF信道估计得到的多径-多普勒信道参数和已知的该用户扩频波形得到的。

5、根据权利要求4所述的基于时间-频率分集的接收方法，其特征在于：所述的利用TF信道估计得到的多径-多普勒信道参数，可以是每一级PIC相同的，即用同一个TF信道估计值，也可以逐级重新估计更新使用。

6、根据权利要求3所述的基于时间-频率分集的接收方法，其特征在于：所述的第(c)步骤中的干扰对消操作是对于每个用户的各个TF分支信号，从基带接收信号中减去该分支的TF干扰信号，得到较纯净的该分支信号，该分支的TF干扰信号是指：除了该TF分支信号之外的所有TF分支信号的再生信号。

7、根据权利要求1所述的基于时间-频率分集的接收方法，其特征在于：所述的第(4)步骤中，也可以采用迭代SISO软干扰消除算法的多用户检测增强技术，以便进一步改善检测性能。

8、一种基于时间-频率分集的接收方法，其特征在于：该接收方法至少包括有下列步骤：

(1)在信号的扩频调制中，将数据符号扩频波形持续时间T_s设置为大于数据符号的周期T，即T_s＞T，并设I＝T_s/T是正整数；

(2)利用数据符号扩频波形的多径-多普勒分支信号，对接收信号做时间-频率的TF匹配滤波，并输出每个用户的每一径各个TF分支的匹配滤波结果；此处的TF匹配滤波，可以设置符号检测窗口大小，以便后面的TF RAKE合并操作更有效地克服符号间干扰ISI；

(3)对每个用户的所有TF匹配滤波结果进行TF RAKE最大比合并，然后对合并操作结果进行符号硬判决；这里的每个用户的TF RAKE最大比合并操作，是先分别对该用户每一径的检测窗内所有符号进行去除符号间干扰的操作，然后利用TF信道估计得到的TF信道参数，对所有各径进行最大比合并操作，最后得到该用户检测窗内所有符号的最大比合并后的值。

9、根据权利要求8所述的基于时间-频率分集的接收方法，其特征在于：所述的第(3)步骤中的去除每一径符号间干扰的操作，是指对该径的向量形式的TF匹配滤波结果乘以TF相关矩阵的逆矩阵，而该TF相关矩阵是通过单径的相关运算而得到的结果，该矩阵的维数大大降低，可显著减少运算量。

10、根据权利要求8所述的基于时间-频率分集的接收方法，其特征在于：在第(3)步骤之后，可以选择性地增加下列操作：在TF RAKE接收的基础上，进一步采用并行干扰消除PIC或迭代SISO软干扰消除算法的多用户检测增强技术，以便进一步改善检测性能。

11、根据权利要求10所述的基于时间-频率分集的接收方法，其特征在于：所述的并行干扰消除PIC的多用户检测增强技术操作，其具体步骤如下：

(a)设置多级并行干扰消除的级数G，级数计数指标为g，g＝1，...，G，并设初始指标g＝1；

(b)在级数计数指标g＝1或g＞1时，分别利用TF RAKE接收得到的符号硬判决的值和信道参数，或上一级PIC的符号硬判决的值和信道参数，进行各个TF分支信号的再生操作，即干扰再生操作，得到各个TF分支的再生信号，且该干扰再生操作是针对检测窗内的所有符号进行的；

(c)对每个用户的各TF分支信号，进行干扰对消操作；

(d)对每个较纯净的TF分支信号重新进行TF匹配，得到该分支的TF匹配滤波结果；该TF匹配滤波的操作与所述的步骤(2)相同；

(e)对每个用户的各TF分支信号的TF匹配滤波结果，进行TF RAKE合并，并进行本级PIC的符号硬判决；该TF RAKE合并的操作与所述的步骤(3)相同；

(f)将g的值增加1；

(g)利用上一级的符号硬判决结果，重复步骤(b)～(f)的操作，直到完成第g＝G级并行干扰消除的操作为止；最后还要将进行最后一级g＝G级并行干扰消除操作后得到的符号硬判决的值输出，作为最终的数据符号检测结果。

12、根据权利要求11所述的基于时间-频率分集的接收方法，其特征在于：所述的第(b)步骤中的各个TF分支信号的再生操作，是将每个用户的扩频波形信号的各个TF分支信号乘以该用户的本级输入的符号硬判决的值，即在级数计数指标g＝1或g＞1时，将每个用户的扩频波形信号的各个TF分支信号分别乘以该用户的TF RAKE接收得到的符号硬判决的值或上一级PIC的符号硬判决的值，最后对检测窗内所有符号求和；而每个用户的扩频波形的各个TF分支信号，是利用TF信道估计得到的多径-多普勒信道参数和已知的该用户扩频波形得到的。

13、根据权利要求11所述的基于时间-频率分集的接收方法，其特征在于：所述的第(c)步骤中的干扰对消操作是对于每个用户的各个TF分支信号，从基带接收信号中减去该分支的TF干扰信号，得到较纯净的该分支信号，该操作以整个检测窗为操作区间；该分支信号的TF干扰信号是指：除了该TF分支信号之外的所有TF分支信号的再生信号。

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