巢喜劍，陳盛云

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，昆明650000)

1 引言

目前發(fā)達(dá)國(guó)家3G通信技術(shù)已經(jīng)普及，甚至有些國(guó)家還采用了4G通信標(biāo)準(zhǔn)。在我國(guó)，3G通信技術(shù)正在普及和應(yīng)用，然而TD-SCDMA是我國(guó)自主研發(fā)的，也難免存在很多問(wèn)題，其中系統(tǒng)的干擾因素最常見，所以提出一種新的聯(lián)合檢測(cè)方案，以此來(lái)優(yōu)化和完善TD-SCDMA技術(shù)，提高系統(tǒng)容量，從而解決3G系統(tǒng)中出現(xiàn)的抗干擾問(wèn)題［1］。

TD-SCDMA系統(tǒng)是一種易受到干擾而迫使系統(tǒng)的整體性能下降的系統(tǒng)，其中受到的干擾主要有多徑干擾、細(xì)小空間的多用戶干擾和噪聲干擾等，在這里主要分析TD-SCDMA系統(tǒng)的多徑干擾問(wèn)題，多徑是指信號(hào)從發(fā)送端經(jīng)過(guò)多種途徑發(fā)送到接收端，而多徑所產(chǎn)生的干擾使信號(hào)減弱和頻移，導(dǎo)致3G系統(tǒng)不穩(wěn)定。

現(xiàn)在消除多徑干擾的技術(shù)方法有傳統(tǒng)的濾波器窄相關(guān)技術(shù)，多徑信道延遲技術(shù)和智能天線技術(shù)等，這三種技術(shù)只能在干擾不嚴(yán)重時(shí)才能產(chǎn)生較好的抗干擾效果，其最大優(yōu)點(diǎn)就是運(yùn)算簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)干擾強(qiáng)度嚴(yán)重時(shí)，特別是信噪比過(guò)高、系統(tǒng)性能惡化時(shí)，在TD-SCDMA系統(tǒng)中提出一種基于智能技術(shù)與聯(lián)合檢測(cè)的新技術(shù)來(lái)消除干擾和優(yōu)化3G系統(tǒng)，顯得格外重要。

根據(jù)現(xiàn)有的硬件設(shè)備和系統(tǒng)軟件的更新及優(yōu)化，提出一種新的抗干擾聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)來(lái)消除或減弱多徑干擾，文中對(duì)自適應(yīng)算法的LMS和RLS進(jìn)行了比較和分析，最后根據(jù)TD-SCDMA 系統(tǒng)在信號(hào)傳輸、手機(jī)終端和物聯(lián)網(wǎng)傳感等領(lǐng)域中硬件和軟件的配置需求，選用適合的自適應(yīng)算法來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。

2 新的抗干擾聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)的提出及其算法特性分析

2.1 傳統(tǒng)方法存在的困難及新解決方法的提出

智能天線技術(shù)是指由陣列天線通過(guò)改變每個(gè)陣列信號(hào)的幅度、相位、頻率來(lái)改變陣列的天線方位圖，從而消除或減弱干擾，提高信噪比和系統(tǒng)容量。智能天線技術(shù)通常大致可以分為多波束技術(shù)與自適應(yīng)技術(shù)。在TD-SCDMA系統(tǒng)中由于無(wú)需互相匹配頻率，其工作類型大多運(yùn)用TDD(時(shí)分雙工)來(lái)完成各信道中心對(duì)稱和解決天線內(nèi)各波束形狀及抗干擾問(wèn)題等［2］。但當(dāng)傳送信號(hào)延遲通過(guò)主波束范圍時(shí)，多徑干擾將會(huì)很強(qiáng)，從而增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和對(duì)設(shè)備要求過(guò)高，導(dǎo)致智能天線技術(shù)存在缺陷。

聯(lián)合檢測(cè)是指用于消除或減弱各種干擾來(lái)提高系統(tǒng)性能和容量的多用戶檢測(cè)方法。因此在其基礎(chǔ)上提出一種基于自適應(yīng)算法相結(jié)合的新技術(shù)——抗干擾聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)，這對(duì)消除多徑干擾，幫助優(yōu)化和升級(jí)TD-SCDMA系統(tǒng)起著重要的作用［3］。

2.2 新的抗干擾聯(lián)合檢測(cè)模型

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)方法和新提出方法的比較和分析，結(jié)合自適應(yīng)算法和單用戶聯(lián)合檢測(cè)模型，提出了多用戶同時(shí)輸入時(shí)新的抗干擾聯(lián)合檢測(cè)模型，如圖1所示。

圖1 抗干擾聯(lián)合檢測(cè)模型

在圖1中，s(k)(n)代表多用戶k的傳送信號(hào)，n指代信噪比，3G通信是非線性多變化的，例如對(duì)于多用戶k，階躍響應(yīng)h(k)(τ，n)可以表示成信道正交性，所以當(dāng)多用戶k通過(guò)信道傳送信號(hào)信道至接收端時(shí)，則接收端信號(hào)表示為:

在上述式子當(dāng)中，1≤i≤k，而 h(k)(τ，n)則是多個(gè)傳輸信道階躍響應(yīng)的累加。另外，接收端收到的多用戶k的總信號(hào)x(n)寫成:x(n)=v(n)+n

經(jīng)過(guò)濾波器后的輸出信號(hào):y(n)=x(n)wH(n)

系統(tǒng)估計(jì)誤差:e(n)=d(n)-y(n)

在上述式子中，x(n)為接收端接收的總信號(hào)，n是指加性噪聲，e(n)為系統(tǒng)估計(jì)誤差，y(n)為實(shí)際輸出信號(hào)，d(n)為期望輸出信號(hào)，w(n)為自適應(yīng)調(diào)整權(quán)矢量。

從提出的新的抗干擾聯(lián)合檢測(cè)模型中可以看出，通過(guò)自適應(yīng)濾波器和對(duì)自適應(yīng)算法的應(yīng)用來(lái)消除或者減弱多徑干擾，通過(guò)估計(jì)誤差公式證明一旦e(n)極限于零，表示消除多徑干擾效果越好，同時(shí)證明提出的新模型方案是有效、可行的。該模型之所以結(jié)合自適應(yīng)算法，目的是使估計(jì)誤差e(n)趨近于零。

2.3 算法特性分析

自適應(yīng)過(guò)程是一個(gè)不斷逼近目標(biāo)的過(guò)程，它所遵循的途徑以數(shù)學(xué)模型表示，稱為自適應(yīng)算法。自適應(yīng)算法可以用硬件(處理電路)或軟件(程序控制)兩種辦法實(shí)現(xiàn)。前者依據(jù)算法的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)電路，后者則將算法的數(shù)學(xué)模型編制成程序并用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)［4］。文中主要采用自適應(yīng)算法中計(jì)算比較簡(jiǎn)單的LMS(最小均方)算法和性能較好的RLS(遞歸最小二乘)算法。

2.3.1 LMS算法分析

LMS自適應(yīng)算法可表示為以下三部分:

濾波器信號(hào)輸出:y(n)=x(n)*wH(n);

系統(tǒng)估計(jì)誤差:e(n)=d(n)-y(n);

權(quán)自適應(yīng)更新矢量:w(n+1)=w(n)+μx(n)*e(n);

在上述表示式中:x(n)表示為輸入信號(hào)，w(n)為自適應(yīng)調(diào)整權(quán)矢量，e(n)為系統(tǒng)估計(jì)誤差，d(n)為期望輸出信號(hào)，y(n)為實(shí)際輸出信號(hào)，μ是迭代步長(zhǎng)參數(shù)。

經(jīng)過(guò)上述每次迭代，在理想狀況下LMS算法需要2n+1次復(fù)數(shù)乘法和2n次復(fù)數(shù)加法，故LMS算法具有簡(jiǎn)易運(yùn)算的優(yōu)點(diǎn)。

由上面表達(dá)式可以得知LMS算法的計(jì)算復(fù)雜度為:O(n)

2.3.2 RLS算法分析

RLS算法是基于最大平方方法，和LMS算法系列相比主要的不同便是固有的統(tǒng)計(jì)學(xué)觀念。平均時(shí)間的計(jì)算需要基于更多的指令并因此帶來(lái)全面的RLS算法計(jì)算，這比LMS方法要復(fù)雜。

RLS算法:

當(dāng)前系統(tǒng)估計(jì)誤差:e(n)=d(n)-wH(n)*x(n)

權(quán)系數(shù)更新矢量:w(n)=w(n-1)+k(n)*e(n)

當(dāng)前輸出信號(hào)量:y(n)=wH(n)*x(n)

x(n)為輸入信號(hào)，w(n)為自適應(yīng)調(diào)整權(quán)矢量，e(n)為系統(tǒng)估計(jì)誤差，d(n)為期望輸出信號(hào)，y(n)為實(shí)際輸出信號(hào)，k(n)為RLS增益矢量。

由上面表達(dá)式可以得知RLS算法的計(jì)算復(fù)雜度為:O(n2)

因?yàn)镽LS算法考慮更為全面，所以它的效果將會(huì)比LMS算法更好(具體比較將在下面的部分展示)。

3 仿真圖及其對(duì)比

3.1 環(huán)境介紹

(1)筆記本電腦配置:Genuine Intel(R)CPU 1G 0.99GB的內(nèi)存

(2)仿真軟件:Matlab 6.5

3.2 LMS算法仿真結(jié)果

LMS算法仿真結(jié)果分析如圖2和圖3所示。

圖2 LMS收斂

圖3 LMS收斂后誤調(diào)

(1)收斂性分析:作為比較算法優(yōu)劣的一個(gè)最重要參數(shù)，收斂速度越快，意味著算法的效果越好。從圖2可以看出LMS算法的收斂很慢。

(2)計(jì)算復(fù)雜度:O(n)可以看出LMS算法計(jì)算比較簡(jiǎn)單。

(3)穩(wěn)定性分析:作為比較算法優(yōu)劣的另一個(gè)最重要的參數(shù)，穩(wěn)定性越好，算法就越健壯。如圖3所示，收斂完成后，出現(xiàn)了一個(gè)很大的誤差，即誤調(diào)，這是難以預(yù)測(cè)的，這樣就會(huì)導(dǎo)致程序算法的不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響到應(yīng)用。

3.3 RLS算法仿真結(jié)果

RLS算法仿真結(jié)果分析如下圖4所示。

圖4 RLS收斂

(1)收斂性分析:作為比較算法優(yōu)劣的一個(gè)最重要的參數(shù)，收斂速度越快，意味著算法的效果越好。從圖4可以看出RLS算法的收斂很快。

(2)計(jì)算復(fù)雜度:O(n2)可以看出RLS算法計(jì)算比LMS復(fù)雜的多。

(3)穩(wěn)定性分析:作為比較算法優(yōu)劣的另一個(gè)最重要的參數(shù)，穩(wěn)定性越好，算法就越健壯。通過(guò)圖3和圖4可以看出RLS算法比LMS算法的穩(wěn)定性較好。

從上面的圖可以很清晰的看出，LMS算法的收斂速度與RLS算法的收斂速度是幾乎不能比的:LMS算法要經(jīng)過(guò)200多次運(yùn)算才會(huì)收斂，而RLS算法只需要幾十次甚至是幾次運(yùn)算就已經(jīng)收斂了。但是這并不能說(shuō)明RLS算法比LMS算法在任何情況下收斂性都優(yōu)越，在硬件設(shè)備稍弱時(shí)，由于LMS算法對(duì)系統(tǒng)資源的消耗并不高，因此便于采用LMS算法。所以這要取決于硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)等因素來(lái)選擇算法，而這并不能證明新模型的可行性，下一節(jié)就消除干擾可行性進(jìn)行分析。

4 新聯(lián)合檢測(cè)干擾消除的可行性分析

前面提出的新模型在理論上是可以消除多徑干擾的，在新的抗干擾聯(lián)合檢測(cè)中，選擇合適的自適應(yīng)算法進(jìn)行MATLAB仿真，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析表明了新抗干擾檢測(cè)模型的正確性和可行性。

當(dāng)傳輸信號(hào)獨(dú)立分布時(shí)，信號(hào)的輸入波形如圖5所示。

圖5 信號(hào)的輸入波形

經(jīng)過(guò)各種干擾后的混合信號(hào)波形如圖6所示。

圖6 受干擾混合信號(hào)波形

經(jīng)過(guò)新的抗干擾檢測(cè)模型之后信號(hào)的輸出波形如圖7所示。

圖7 信號(hào)的輸出波形

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果及信號(hào)的輸出波形可以看到，新的聯(lián)合檢測(cè)模型在消除干擾方面是可行的。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)理論和仿真分析可知，首先在TD-SCDMA系統(tǒng)中采用新的抗干擾聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)有助于消除多徑干擾，其次根據(jù)現(xiàn)有的硬件設(shè)備和系統(tǒng)軟件配置條件，采用合適的自適應(yīng)算法，有助于低成本高便捷運(yùn)作，來(lái)達(dá)到3G系統(tǒng)的優(yōu)化和升級(jí)。甚至在以后這一技術(shù)還能在信號(hào)傳輸、手機(jī)終端和物聯(lián)網(wǎng)傳感等方面取得很廣泛的應(yīng)用［5］。

［1］ Vollmer M，Haardt M，Gotze J.Comparative Study of Joint Detection techniques for TD-SCDMA based Mobile Radio Systems［J］.IEEE Journal on selected Aress in Comm.2001(4):16-37.

［2］ 康澤明.TD-SCDMA中智能天線技術(shù)研究［D］.北京:北方工業(yè)大學(xué)，2010.

［3］ 黃華生，蔣譯.TD-SCDMA系統(tǒng)中聯(lián)合檢測(cè)的原理和實(shí)現(xiàn)［J］.重慶:重慶郵電學(xué)報(bào)，2001(6):32-52.

［4］ 張旭東.離散隨機(jī)信號(hào)處理［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

［5］ 謝顯中.TD-SCDMA第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)與實(shí)現(xiàn)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.