论文部分内容阅读
摘要：高速分组数据(HRPD)技术能够很好地支持移动通信网络中各种类型数据分组应用，采用干扰消除技术能够有效提高系统的容量和对各用户信号正确接收。基于基站协调器的协作式迭代并行小区间干扰消除算法利用基站协调器监视相邻小区的强干扰用户，并且通过信令传递强干扰用户的特征信息，利用基站协调器的协作来实现迭代式的并行小区间干扰消除。仿真结果表明，该算法可以有效的消除邻近小区对本小区的干扰，与不使用小区间干扰消除技术相比较，其性能有所提高。
关键词：HRPD系统；基站协调器；小区间干扰消除；迭代并行干扰消除
Abstract: All kinds of packet services can be supported by High Rate Packet Data (HRPD) technique very well in mobile telecommunications system, and the capacity of the system can be improved efficiently as each user receives its data correctly when the interference cancellation algorithm is used in target system. Iterative parallel inter-cell interference cancellation algorithm based on base station cooperation uses a coordinator to monitor the stronger interference user in adjacent cell and transmit its signature information through signal, i.e. it is implemented between base station and coordinator. The simulation is conducted and its result shows that the new inter-cell interference cancellation algorithm has a better performance in eliminating interference from vicinity.
Key words: High Rate Packet Data (HRPD) systems; base station coordinator; inter-cell interference cancellation; iterative parallel interference cancellation
高速分组数据(HRPD)空中接口标准是CDMA2000标准家族中的一员，该技术在高速数据传输方面进行了优化，能够很好地支持移动通信网络中各种类型的数据分组应用[1]。为了提高系统的容量和对各用户信号正确分离、检测接收，通常采用多用户检测技术。其中，干扰消除(IC)是该系统中常用的接收技术，其基本原理是利用已检测的信号重构期望用户的干扰信号，并从接收信号中删除[2]。迭代多用户接收机通过交换多用户检测器和信道译码器间的软信息，可以达到接近于单用户的性能[3-6]。
在采用Turbo编码的系统中，多采用迭代的干扰消除技术。事实上，多址干扰(MAI)可以分为两种：小区内干扰和小区间干扰。小区内干扰指的是同一小区内部其他用户信号造成的干扰，小区间干扰指的是其他同频小区用户信号造成的干扰。
图1是蜂窝网络的基本结构，每个小区有K 个用户，一般情况下，接收机只处理小区内的K 个用户，而将小区间的用户干扰看作噪声处理，这样，不能达到很好的性能指标，因此要考虑小区间的干扰消除方法。现有的多用户检测算法大多是针对小区内干扰提出的，而对于小区间的干扰消除算法多集中在盲检测算法上[7-9]，其算法复杂度较大；近期文献也有根据实际系统结构设计克服小区间干扰[10-11]，但并没有对结构设计做详细描述。
本文针对HRPD系统提出一种基于基站协调器的协作式迭代并行小区间干扰消除算法。该算法可以同时消除小区内干扰和小区间干扰，使系统性能得到改善，提高系统容量。
1 系统模型
为了有效消除相邻小区用户干扰，本文提出了一种基于基站协调器的协作式小区间干扰消除算法。该算法在原有基站的基础上，设计了一个新的基站设备，称作基站协调器，其网络拓扑结构如图2所示。该设备可以监测邻小区的用户，当其电平高于预先设置的门限(该门限值应低于系统设置的软切换门限值，在具体的网络规划中定义)时，即标识为对期望小区的强干扰用户。强干扰用户分为A、B两种类型，其中类型A的干扰用户所在的小区与期望小区属于同一基站控制设备控制，而类型B的干扰用户所在的小区与期望小区属于不同的基站控制设备。将所标识的强干扰用户的特征信息通过信令传递给该基站协调器，然后通过基站协调器与基站间的协作来消除小区间用户的干扰信息，以此实现小区间的干扰消除。
按照上述网络结构，将HRPD系统考虑成一个同步扩频系统，用户通过加性白高斯噪声(AWGN)信道。其中小区内用户为Kn，相邻小区的干扰用户为Ku。这样接收信号可以表示为式(1)。
其中，sk和sk分别是本小区和相邻小区用户的特征码，ak和ak是传输比特，Ak和Ak是信号幅度，n为高斯噪声。其中小区内的信息是已知的，而相邻小区用户的特征信息是未知的。在HRPD系统中，位于小区边缘的用户往往容易受到其他小区发送信号的影响，这严重限制了系统容量，因此，需要寻找既可以消除本小区内用户的干扰，又可以消除邻近小区干扰的算法。因此，我们设计了基站协调器，以此来监测相邻小区用户干扰，并利用传递的特征信息实现小区间的干扰消除。
2 迭代并行小区间干扰消除算法
该部分首先简单介绍迭代并行干扰消除的基本算法，然后给出提出的小区间迭代干扰消除算法。
2.1 传统的迭代并行干扰消除算法
在接收端，接收机为一组匹配滤波器，设第k 个匹配滤波器的输出为式(2)。
其中，ρjk为用户j和用户k的相关系数，公式(2)的第二部分即表示多址干扰。
迭代干扰消除包括基于多用户检测的干扰消除器和N 单用户Turbo解码器。每一个连续的模块都迭代的为其他模块提供软信息，其方法原理如图3所示。在第一级迭代过程中，比特的先验信息是不知道的，也就是说Lap(ak(i ))=0,k =1,2……N,i =0,1……M -1。干扰消除器的软输出ak(i )作为Turbo的解码输入。在固定的Turbo解码迭代后，解码输出比特的外信息反馈给干扰消除器作为下一次迭代的先验信息。
在并行迭代干扰消除算法中，在每一级干扰消除过程中，相对于每一个用户的所有多址干扰同时被消除。因此，在第m 级接收迭代过程中，并行干扰消除的软输出，也就是Turbo解码的输入可以表示为式(3)。
第m 级迭代过程中的估计，可以表示为信息比特的期望值，如式(4)。
为了更好的利用解码输出，
采用ak在第m级迭代过程的先验对数似然比，定义为式(5)。
这样，在第一次迭代接收中，没有先验信息，因此初始条件可以设为=0,k =1,2……N。在接续的迭代过程中，解码器的外信息被利用，即=。
2.2 小区间并行干扰消除算法
在传统迭代干扰消除算法基础上，设计小区间干扰消除方法，其算法流程如图4所示。实现方式如下：
(1)初始化系统，利用GPS使得基站协调器与基站进行必要的同步。
(2)基站协调器实时监测相邻小区的用户电平，并且与预先设定的电平阈值进行对比，该阈值可以由用户切换电平确定，可以在网络规划与优化的过程中设定。
(3)判断，若存在邻小区用户电平高于阈值，则进行下一步，否则转到第6步。
(4)标识电平高于阈值的用户，并且通过信令告知该用户所在基站将其特征信息传递给基站协调器。其特征信息包括信道化码，扰码，导频信息以及编码调制方式等。
类型A的干扰用户所在的小区与期望小区属于同一个基站控制设备控制，这样，用户的特征信息可以通过基站控制设备传递给期望小区内的基站协调器。
类型B的干扰用户所在的小区与期望小区属于不同的基站控制设备控制，这样，用户的特征信息可以通过核心网传递给基站协调器。
由此，在期望小区的基站协调器中建立强干扰用户的导频集与扰码集，进而实现小区间干扰解调与恢复。
(5)利用基站与基站协调器联合完成小区内与小区间的干扰消除。由于HRPD系统采用Turbo编码，所以，在这里使用基于Turbo解码的迭代干扰消除算法。在基站协调器中检测邻小区的干扰用户，利用导频集中一一对应的导频信号做信道估计，而用相应的扰码集信息和编码调制方式对用户进行匹配滤波，解调。若信道为多径信道，则基带接收信号可以表示为式(6)。
其中L 为径数，αk,l (t )和τk,l分别为第k个用户信号第l 径的幅度和时延。则第l 径的码片级匹配滤波输出为式(7)。
其中Tc是码片间隔，h为码字中码片的位置。处理增益为G =Tb / Tc。
如果接收机采用最大比合并(MRC)的RAKE接收机，那么，其判决输出为式(8)。
那么在第m 级迭代PIC接收中，消除MAI后的第k个用户的接收信号表示为式(9)。
(6)最后对输出的软信息进行硬判决得到输出数据，如式(10)。
其中m为采用的最大迭代次数。
3 仿真结果
为了验证上述算法的有效性，对不使用小区间干扰消除和使用文中的算法进行对比，通过计算机仿真来评估算法的性能。假设所有用户的信道编码器采用码率为1/3的Turbo编码，数据帧的长度为2 048。小区内用户个数为10，小区间强干扰用户数为5，每个用户具有相同的接收能量。
图5给出未编码系统在不同的信道状态下采用小区间干扰消除的性能比较。从图5(a)可以看出，在AWGN信道下，采用小区间干扰消除方法的接收机性能优于未采用该算法的接收性能。同样，由图5(b)可以看出，在衰落信道下也能得到相同的结论。
图6为编码系统在不同信道状态下的性能比较。由于在AWGN信道下，Turbo编码性能基本达到容量极限，所以小区间干扰消除方法增益不明显。在衰落信道下采用小区间干扰消除方法的接收机性则能优于未采用该算法的接收性能。
4 结束语
本文针对HRPD系统提出了一种基站协调式的迭代并行小区间干扰消除算法，根据具体协议特性实现并行干扰消除，在小区间利用基站协调器的协作实现小区间干扰消除。仿真结果表明，在不同的信道情况下，其误码率性能有所提高，即可以有效的达到消除邻近小区干扰的影响。
5 参考文献
[1] 3GPP2 C.S0024-A, v1.0. Cdma2000 High Rate Packet Data Air Interface Specification: Revision A [S]. 2004.
[2] HOU J, SMEE J E, PFISTER S, et al. Implementing interference cancellation to increase the EV-DO Rev A reverse link capacity [J]. IEEE Communications Magazine, 2006, 44(2): 58-64.
[3] 刘传清,胡修林,张蕴玉.一种多级迭代干扰消除多用户检测算法[J].华中科技大学学报:自然科学版, 2006, 34(5): 15-18.
[4] 梅中辉,吴乐南.一种基于检测信息可靠度的部分软干扰消除迭代多用户检测算法[J]. 电子与信息学报, 2006, 28(9): 1693-1696.
[5] MOROSI S, DEL RE E, FANTACCI R, et al. Improved iterative parallel interference cancellation receiver for DS-CDMA 3G systems[C]// Proceedings of International Conference on Wireless Communications and Networking: Vol 2, Mar 16-20, 2003, New Orleans, LA, USA. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2003: 877-882 .
[6] WU KUOMING, WANG CHINLIANG. An iterative multiuser receiver using partial parallel interference cancellation for Turbo-coded DS-CDMA systems[C]// Proceedings of IEEE Global Communications Conference: Vol 1, Nov 25-29, 2001, San Antonio, TX, USA. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2001: 244-248.
[7] TALAKOUB S, SHAHRRAVA B. A novel rank estimator for inter-cell interference cancellation in CDMA systems[C]//Proceedings of International Conference on Communications: Vol 7, Jun 11-15, 2006, Istanbul, Turkey. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2006: 3151-3156.
[8] LIU SHENGMEI, FENG GUANGZENG, ZHAO CHUNMING, et al. A novel semi-blind multiuser detector for CDMA reverse link[C]// Proceedings of 11th IEEE Symposium on Computers and Communications, Jun 26-29, 2006, Pula-Cagliari, Sardinia, Italy. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2006: 827-831.
[9] HOST MADSEN A, CHO K S. MMSE/PIC multiuser detection for DS/CDMA systems with inter- and intra- cell interference [J]. IEEE Transactions on Communications, 1999, 47(2): 291-299.
[10] 沈嘉. OFDM系统的小区间干扰抑制技术研究[J]. 电信科学, 2006?, 22?(7): 10-13.
[11] 常萌,申敏. TD-CDMA系统中的小区间干扰消除技术[J]. 重庆邮电学院学报: 自然科学版, 2006, 18(3): 27-29.
收稿日期：2008-04-03
张宇眉，博士毕业于北京邮电大学，目前工作于中国网通研究院。主要研究方向为固定移动融合技术，已经在国内外期刊上发表了论文10余篇。
辛雨，博士，目前工作于中兴通讯股份有限公司，主要研究方向为移动通信。
张欣，北京邮电大学电信工程学院副教授，长期从事教学与研究工作。主要研究方向为CDMA移动通信关键技术，已在国内外期刊上发表论文30余篇。
关键词：HRPD系统；基站协调器；小区间干扰消除；迭代并行干扰消除
Abstract: All kinds of packet services can be supported by High Rate Packet Data (HRPD) technique very well in mobile telecommunications system, and the capacity of the system can be improved efficiently as each user receives its data correctly when the interference cancellation algorithm is used in target system. Iterative parallel inter-cell interference cancellation algorithm based on base station cooperation uses a coordinator to monitor the stronger interference user in adjacent cell and transmit its signature information through signal, i.e. it is implemented between base station and coordinator. The simulation is conducted and its result shows that the new inter-cell interference cancellation algorithm has a better performance in eliminating interference from vicinity.
Key words: High Rate Packet Data (HRPD) systems; base station coordinator; inter-cell interference cancellation; iterative parallel interference cancellation
高速分组数据(HRPD)空中接口标准是CDMA2000标准家族中的一员，该技术在高速数据传输方面进行了优化，能够很好地支持移动通信网络中各种类型的数据分组应用[1]。为了提高系统的容量和对各用户信号正确分离、检测接收，通常采用多用户检测技术。其中，干扰消除(IC)是该系统中常用的接收技术，其基本原理是利用已检测的信号重构期望用户的干扰信号，并从接收信号中删除[2]。迭代多用户接收机通过交换多用户检测器和信道译码器间的软信息，可以达到接近于单用户的性能[3-6]。
在采用Turbo编码的系统中，多采用迭代的干扰消除技术。事实上，多址干扰(MAI)可以分为两种：小区内干扰和小区间干扰。小区内干扰指的是同一小区内部其他用户信号造成的干扰，小区间干扰指的是其他同频小区用户信号造成的干扰。
图1是蜂窝网络的基本结构，每个小区有K 个用户，一般情况下，接收机只处理小区内的K 个用户，而将小区间的用户干扰看作噪声处理，这样，不能达到很好的性能指标，因此要考虑小区间的干扰消除方法。现有的多用户检测算法大多是针对小区内干扰提出的，而对于小区间的干扰消除算法多集中在盲检测算法上[7-9]，其算法复杂度较大；近期文献也有根据实际系统结构设计克服小区间干扰[10-11]，但并没有对结构设计做详细描述。
本文针对HRPD系统提出一种基于基站协调器的协作式迭代并行小区间干扰消除算法。该算法可以同时消除小区内干扰和小区间干扰，使系统性能得到改善，提高系统容量。
1 系统模型
为了有效消除相邻小区用户干扰，本文提出了一种基于基站协调器的协作式小区间干扰消除算法。该算法在原有基站的基础上，设计了一个新的基站设备，称作基站协调器，其网络拓扑结构如图2所示。该设备可以监测邻小区的用户，当其电平高于预先设置的门限(该门限值应低于系统设置的软切换门限值，在具体的网络规划中定义)时，即标识为对期望小区的强干扰用户。强干扰用户分为A、B两种类型，其中类型A的干扰用户所在的小区与期望小区属于同一基站控制设备控制，而类型B的干扰用户所在的小区与期望小区属于不同的基站控制设备。将所标识的强干扰用户的特征信息通过信令传递给该基站协调器，然后通过基站协调器与基站间的协作来消除小区间用户的干扰信息，以此实现小区间的干扰消除。
按照上述网络结构，将HRPD系统考虑成一个同步扩频系统，用户通过加性白高斯噪声(AWGN)信道。其中小区内用户为Kn，相邻小区的干扰用户为Ku。这样接收信号可以表示为式(1)。
其中，sk和sk分别是本小区和相邻小区用户的特征码，ak和ak是传输比特，Ak和Ak是信号幅度，n为高斯噪声。其中小区内的信息是已知的，而相邻小区用户的特征信息是未知的。在HRPD系统中，位于小区边缘的用户往往容易受到其他小区发送信号的影响，这严重限制了系统容量，因此，需要寻找既可以消除本小区内用户的干扰，又可以消除邻近小区干扰的算法。因此，我们设计了基站协调器，以此来监测相邻小区用户干扰，并利用传递的特征信息实现小区间的干扰消除。
2 迭代并行小区间干扰消除算法
该部分首先简单介绍迭代并行干扰消除的基本算法，然后给出提出的小区间迭代干扰消除算法。
2.1 传统的迭代并行干扰消除算法
在接收端，接收机为一组匹配滤波器，设第k 个匹配滤波器的输出为式(2)。
其中，ρjk为用户j和用户k的相关系数，公式(2)的第二部分即表示多址干扰。
迭代干扰消除包括基于多用户检测的干扰消除器和N 单用户Turbo解码器。每一个连续的模块都迭代的为其他模块提供软信息，其方法原理如图3所示。在第一级迭代过程中，比特的先验信息是不知道的，也就是说Lap(ak(i ))=0,k =1,2……N,i =0,1……M -1。干扰消除器的软输出ak(i )作为Turbo的解码输入。在固定的Turbo解码迭代后，解码输出比特的外信息反馈给干扰消除器作为下一次迭代的先验信息。
在并行迭代干扰消除算法中，在每一级干扰消除过程中，相对于每一个用户的所有多址干扰同时被消除。因此，在第m 级接收迭代过程中，并行干扰消除的软输出，也就是Turbo解码的输入可以表示为式(3)。
第m 级迭代过程中的估计，可以表示为信息比特的期望值，如式(4)。
为了更好的利用解码输出，
采用ak在第m级迭代过程的先验对数似然比，定义为式(5)。
这样，在第一次迭代接收中，没有先验信息，因此初始条件可以设为=0,k =1,2……N。在接续的迭代过程中，解码器的外信息被利用，即=。
2.2 小区间并行干扰消除算法
在传统迭代干扰消除算法基础上，设计小区间干扰消除方法，其算法流程如图4所示。实现方式如下：
(1)初始化系统，利用GPS使得基站协调器与基站进行必要的同步。
(2)基站协调器实时监测相邻小区的用户电平，并且与预先设定的电平阈值进行对比，该阈值可以由用户切换电平确定，可以在网络规划与优化的过程中设定。
(3)判断，若存在邻小区用户电平高于阈值，则进行下一步，否则转到第6步。
(4)标识电平高于阈值的用户，并且通过信令告知该用户所在基站将其特征信息传递给基站协调器。其特征信息包括信道化码，扰码，导频信息以及编码调制方式等。
类型A的干扰用户所在的小区与期望小区属于同一个基站控制设备控制，这样，用户的特征信息可以通过基站控制设备传递给期望小区内的基站协调器。
类型B的干扰用户所在的小区与期望小区属于不同的基站控制设备控制，这样，用户的特征信息可以通过核心网传递给基站协调器。
由此，在期望小区的基站协调器中建立强干扰用户的导频集与扰码集，进而实现小区间干扰解调与恢复。
(5)利用基站与基站协调器联合完成小区内与小区间的干扰消除。由于HRPD系统采用Turbo编码，所以，在这里使用基于Turbo解码的迭代干扰消除算法。在基站协调器中检测邻小区的干扰用户，利用导频集中一一对应的导频信号做信道估计，而用相应的扰码集信息和编码调制方式对用户进行匹配滤波，解调。若信道为多径信道，则基带接收信号可以表示为式(6)。
其中L 为径数，αk,l (t )和τk,l分别为第k个用户信号第l 径的幅度和时延。则第l 径的码片级匹配滤波输出为式(7)。
其中Tc是码片间隔，h为码字中码片的位置。处理增益为G =Tb / Tc。
如果接收机采用最大比合并(MRC)的RAKE接收机，那么，其判决输出为式(8)。
那么在第m 级迭代PIC接收中，消除MAI后的第k个用户的接收信号表示为式(9)。
(6)最后对输出的软信息进行硬判决得到输出数据，如式(10)。
其中m为采用的最大迭代次数。
3 仿真结果
为了验证上述算法的有效性，对不使用小区间干扰消除和使用文中的算法进行对比，通过计算机仿真来评估算法的性能。假设所有用户的信道编码器采用码率为1/3的Turbo编码，数据帧的长度为2 048。小区内用户个数为10，小区间强干扰用户数为5，每个用户具有相同的接收能量。
图5给出未编码系统在不同的信道状态下采用小区间干扰消除的性能比较。从图5(a)可以看出，在AWGN信道下，采用小区间干扰消除方法的接收机性能优于未采用该算法的接收性能。同样，由图5(b)可以看出，在衰落信道下也能得到相同的结论。
图6为编码系统在不同信道状态下的性能比较。由于在AWGN信道下，Turbo编码性能基本达到容量极限，所以小区间干扰消除方法增益不明显。在衰落信道下采用小区间干扰消除方法的接收机性则能优于未采用该算法的接收性能。
4 结束语
本文针对HRPD系统提出了一种基站协调式的迭代并行小区间干扰消除算法，根据具体协议特性实现并行干扰消除，在小区间利用基站协调器的协作实现小区间干扰消除。仿真结果表明，在不同的信道情况下，其误码率性能有所提高，即可以有效的达到消除邻近小区干扰的影响。
5 参考文献
[1] 3GPP2 C.S0024-A, v1.0. Cdma2000 High Rate Packet Data Air Interface Specification: Revision A [S]. 2004.
[2] HOU J, SMEE J E, PFISTER S, et al. Implementing interference cancellation to increase the EV-DO Rev A reverse link capacity [J]. IEEE Communications Magazine, 2006, 44(2): 58-64.
[3] 刘传清,胡修林,张蕴玉.一种多级迭代干扰消除多用户检测算法[J].华中科技大学学报:自然科学版, 2006, 34(5): 15-18.
[4] 梅中辉,吴乐南.一种基于检测信息可靠度的部分软干扰消除迭代多用户检测算法[J]. 电子与信息学报, 2006, 28(9): 1693-1696.
[5] MOROSI S, DEL RE E, FANTACCI R, et al. Improved iterative parallel interference cancellation receiver for DS-CDMA 3G systems[C]// Proceedings of International Conference on Wireless Communications and Networking: Vol 2, Mar 16-20, 2003, New Orleans, LA, USA. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2003: 877-882 .
[6] WU KUOMING, WANG CHINLIANG. An iterative multiuser receiver using partial parallel interference cancellation for Turbo-coded DS-CDMA systems[C]// Proceedings of IEEE Global Communications Conference: Vol 1, Nov 25-29, 2001, San Antonio, TX, USA. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2001: 244-248.
[7] TALAKOUB S, SHAHRRAVA B. A novel rank estimator for inter-cell interference cancellation in CDMA systems[C]//Proceedings of International Conference on Communications: Vol 7, Jun 11-15, 2006, Istanbul, Turkey. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2006: 3151-3156.
[8] LIU SHENGMEI, FENG GUANGZENG, ZHAO CHUNMING, et al. A novel semi-blind multiuser detector for CDMA reverse link[C]// Proceedings of 11th IEEE Symposium on Computers and Communications, Jun 26-29, 2006, Pula-Cagliari, Sardinia, Italy. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2006: 827-831.
[9] HOST MADSEN A, CHO K S. MMSE/PIC multiuser detection for DS/CDMA systems with inter- and intra- cell interference [J]. IEEE Transactions on Communications, 1999, 47(2): 291-299.
[10] 沈嘉. OFDM系统的小区间干扰抑制技术研究[J]. 电信科学, 2006?, 22?(7): 10-13.
[11] 常萌,申敏. TD-CDMA系统中的小区间干扰消除技术[J]. 重庆邮电学院学报: 自然科学版, 2006, 18(3): 27-29.
收稿日期：2008-04-03
张宇眉，博士毕业于北京邮电大学，目前工作于中国网通研究院。主要研究方向为固定移动融合技术，已经在国内外期刊上发表了论文10余篇。
辛雨，博士，目前工作于中兴通讯股份有限公司，主要研究方向为移动通信。
张欣，北京邮电大学电信工程学院副教授，长期从事教学与研究工作。主要研究方向为CDMA移动通信关键技术，已在国内外期刊上发表论文30余篇。