多址干扰抑制技术在卫星导航系统的应用研究

楚恒林，范建军，张天桥

（北京卫星导航中心，北京 100094）

多址干扰抑制技术在卫星导航系统的应用研究

楚恒林，范建军，张天桥

（北京卫星导航中心，北京 100094）

航天测控系统中需要满足多路扩频信号的稳定传输，当瞬时传递的同频点信息路数增大时多址干扰成为影响系统性能的主要因素。多址干扰抑制技术用于降低扩频信号间伪码互相关导致的系统自干扰，提高信道用户容量和传输性能。针对卫星导航系统地面测控系统数据链中多址干扰问题，分析了链路多址干扰影响模式，对联合检测和干扰消除的多用户检测技术进行了介绍和性能对比，并针对准同步传输体制研究了其在多址干扰抑制方面的能力。

多址干扰；卫星导航；多用户检测；准同步传输；功率控制

0 引言

由于选用的大部分伪码在信号相对延迟区域内不完全正交，扩频系统的传输信道中存在系统自干扰，即信号间的多址干扰［1－4］。对于信号接收功率相似的系统，在良好相关特性的扩频码下，多址干扰的影响低，通常无需对其进行抑制和处理。当用户容量增大、信息速率提高或接收功率差异大时，多址干扰会成为影响系统传输性能和可靠性的主要因素。为抑制多址干扰的影响，在系统设计中采用优选的伪码或零相关区伪码、功率控制等，其中多用户检测技术［5－7］是接收机基于信号伪码和对信号的跟踪参数，通过矩阵法、自适应抵消或参数估计方法来提取期望的信号特征。本文针对卫星导航应用中多址干扰影响问题，对几种多用户检测技术性能进行了分析和论述，同时对抑制系统多址干扰所涉及的准同步传输体制进行了介绍和分析。

1 多址干扰建模

卫星导航数据传输链路中信号载波和伪码之间的相位关系不成比例变化，因此其接收终端伪距测量只能采用伪码测距的方式。接收机一般采用非相干延迟锁定跟踪环（NC－DLL）的方式实现伪码测距，NC-DLL接收机的原理框图如图1所示。

图1 NC-DLL接收机原理

若信道用户数为K，则任意地面站接收的信号可表示为：

以用户1为期望接收用户，则接收信号经过NC-DLL的签相器输出为：

式中，S（ε，Δ）为没有噪声和多址干扰时的签相曲线；nT（t，ε）为由噪声和多址干扰组成的等效噪声项。

多址干扰引起的噪声部分很复杂，要分析这些噪声相对环路跟踪误差的影响，需要采用等效简化的方法或仿真的手段进行分析。

多址干扰对伪码测距误差的影响可以分为随机误差和系统误差两部分。当多址干扰的数量较多、各路干扰信号功率均衡且干扰信号相位近似服从区间［0，2π）内的均匀分布时，多址干扰可以近似为高斯噪声，此时多址干扰引起伪码测距随机误差，误差分析方法与高斯噪声条件下的分析方法相同；多址干扰引起伪码测距的系统误差不像随机误差那样可以通过减小伪码跟踪环路带宽的方法获得平滑，相对于随机误差而言会引起更恶劣的影响，现有文献中较少涉及这部分内容。

2 多用户检测算法

常用的多址干扰抑制算法可以分为联合检测算法和干扰消除算法两大类。

2.1 联合检测算法

联合检测算法也称为线性多用户检测算法，其基本思想是利用变换矩阵来消除用户间的多址干扰，实现对多用户信号的联合解调。该类算法包括最大似然算法（ML）、迫零算法（ZF）和最小均方误差算法（MMSE）等算法。

最大似然序列估计检测因其具有最优性能也被称为最佳多用户检测。该检测方法原理为预先产生遍历的发送序列集，由接收信号Y（t）找出发送序列，即

最大似然估计算法具有理论最用性能，但其运算复杂度随用户数呈指数增长，用户较多情况下难以实现。

迫零检测算法原理为：

根据本地产生的伪码序列生成互相关矩阵R并对多用户信号进行功率估计，由互相关矩阵R与功率估计的复合矩阵H求得变换矩阵G，对扩频信号匹配滤波器输出向量采用上述方法进行多用户联合检测，而后进行判决估计得到发送序列。

迫零检测算法能够消除各用户信号之间的干扰，且运算复杂度较低，运算复杂度随用户数线性增加，具有一定的可实现性，但会使噪声功率有所提高。

MMSE检测算法基本思想是使多用户发送信号与估计值之间的均方误差值最小。其与ZF算法的不同点在于对变换矩阵G的求解中考虑了噪声的影响，如下式所示求得变换矩阵G，而后采用与迫零检测算法相同的方法进行多用户检测与比特判决。

MMSE检测算法相比于迫零检测，其在削弱多址干扰的同时也抑制了背景噪声影响，在一些场景下可以提高检测性能，但其在抗远近效应方面性能不如ZF检测。

2.2 干扰消除算法

干扰消除算法也称为非线性多址干扰抑制算法，其基本原理是在接收端构造其他用户对期望用户信号的干扰，然后进行多址干扰的消除。其主要包括串行干扰消除（SIC）和并行干扰消除（PIC）两大类。

串行干扰消除算法按信号功率强弱将接收信号排序，首先检测出功率最强的信号，对其进行判决得到该信号的估计值，然后从接收到的信号中减去该估计值，作为下一级匹配滤波的输入信号。根据此方式逐级进行干扰消除和判决，最后得到检测结果。其缺点是功率最强的用户信号估计的可靠性会起决定性作用，而其估计的准确性又难以保证。

并行干扰消除算法是同时并行地对每个用户的接收信号进行估计时减去其他用户对其产生的多址干扰，然后再对消除干扰后的各个信号进行判决。并行干扰消除往往需要采用多级结构，以提高干扰消除准确性，通过对不同级的消除添加权值也衍生出了部分干扰消除（PPIC）等改进方法。

除此之外，也有基于2类算法相结合衍生出的算法，如ZF-SIC算法，将信号按照功率强弱排序分为多组，组内采用ZF算法解相关，组与组之间采用串行干扰消除，相比于单纯的SIC或者ZF算法在算法复杂度和检测性能上具有一定优势。

3 准同步传输体制

为了优化系统性能、减少多址干扰，也可以考虑采取准同步的时间同步传输体制。即要求各个站根据与卫星的距离计算信号发射时刻，使得不同站发射信号到达接收站的时间偏差小于某个特定值，满足准同步条件。各个地面站均同步于GNSS导航信号，从而将卫星时间和各个地面站同步于一个共同的时间基准，目前采用单向授时可以容易实现50 ns的精度。地面站根据导航电文解算星地距离进行反向距离补偿。

在准同步CDMA系统中，常用的扩频码主要有Walsh序列、LAS码和移位m序列等。

2.2 两组患者手术后情况比较 观察组手术后下床活动时间、手术后肛门排气时间及患者手术后12 h疼痛评分明显优于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05），两组患者住院费用及手术后住院时间相比，差异无统计学意义（P＞0.05）。见表3。

3.1 Walsh序列

Walsh序列的正交性只有在同步条件下才能实现，当用户间扩频序列偏移较大时，由于扩频码互相关性不好，会引入较大的多用户干扰，使得系统性能急剧下降。

3.2 LAS码

LAS码是具有零相关窗的一类码字。只要码片偏移落在零相关窗之内，就可以消除多址干扰对系统性能造成的影响。

LAS码由LA码和LS级联而成。LA码可以按如下步骤进行构造：

①选择一个B×R的正交矩阵，一般情况下，R＝B，矩阵的每一行作为一个正交序列；

②在正交序列元素之间按如下规则插入不同长度的零串；在插入的所有零串中仅有一个零串长度未奇数，每一个零串长度只能出现一次，任意一个零串的长度不能是其他任意零串长度之和。

LAS码是将LS码插入LA的零间隔中组合成的级联码。

3.3 移位m序列

利用m序列良好的自相关特性，可以构造出移位m序列。设m序列的长度为N，零相关窗要求宽度为M个码片，移位m序列的构造方法如下：产生一个长度为N的m序列；对m序列进行循环移位，移位步径为M＋1，循环移位后的序列即为移位m序列。

按照以上方法，基于长度为N的m序列可以构造出N／（M＋1）个移位m序列，而且不同移位m序列的互相关值均为－1，接近于0。将移位m序列应用于准同步CDMA系统中，产生的多址干扰相对较小。

准同步信号经过距离补偿和扩频后为：

经过卫星转发时间延迟，地面接收到的信号为：

式中，cp（t）为第k个用户的长码；ck（t）为第k个用户的短码用以扩频区分用户；dk（t）为第k个用户的调制数据；cos（ωt）表示调制方式采用BPSK；τk为第k个用户相对于总站的星地距离延迟时间。接收站接收到的所有用户信号由于距离补偿，各站点信号效果等同于准同步接入。

4 多址干扰抑制算法仿真

本文对2类多址干扰抑制算法分别在不同场景条件下进行了仿真，对其干扰消除性能进行了分析论证。

不同信噪比情况下，匹配滤波法、ZF、MMSE和ML等算法的误码率如图2所示。系统采用12路不等功率扩频测控信号，采用BPSK调制，功率变化为正负10 dB，采用C／A码调制，扩频比为50，信噪比范围为－25～15 dB，仿真点数为3×105。

图2 12路正负10 dB不等功率信号情况下误码率曲线

如图2所示，在强远近效应以及低扩频增益情况下，多址干扰极其严重，其对于系统检测性能的影响已经远大于背景噪声影响。传统的匹配滤波判决算法误码率始终保持在10－1左右，不随信噪比变化，可见其误码来源均主要来自于多址干扰。文中讨论的多址干扰抑制算法均可以较为有效的消除多址干扰，ZF算法与MMSE算法性能相近，在－10 dB信噪比下可实现优于10－3的误码率，同时也可以看到ML具有最优的干扰消除和检测性能。

相同仿真条件下，12路正负13 dB不等功率信号的误码率曲线如图3所示。多址干扰的影响随远近效应加重而增强，各算法误码率性能均有所降低。

图3 12路正负13 dB不等功率信号情况下误码率曲线

不同路数等功率信号情况下误码率曲线如图4所示。信号路数由4路变化到12路，信号采用等功率情况，信噪比为－25 dB。在测控信号等功率即无远近效应情况下，多址干扰影响随信号路数增加逐渐增强，相应的各算法检测误码率也逐渐变高。

图4 不同路数等功率信号情况下误码率曲线

对并行干扰消除算法进行的研究仿真如图5所示。系统采用20路不等功率扩频测控信号，采用BPSK调制，功率变化为正负3 dB，采用CA码调制，扩频比为50，信噪比范围为－15～5 dB，仿真点数为3×105。图中二级PIC采用了PPIC方法，第一级干扰消除权值取为0．5。从图5可以看出，PIC方法具有较好的干扰消除效果，而二级PIC相比于一级PIC也具有较大的性能改进。

图5 20路正负3 dB不等功率信号情况下PIC误码率曲线

5 结束语

随着卫星导航在城市和室内定位等应用增长，同时当站间用户数增多时站间时间同步的多址干扰的影响必须引起重视。利用已知扩频码的结构信息与统计信息来克服多个用户之间干扰的多用户检测技术是克服多址干扰的理论基础，基于目标函数的并行干扰对消与线性检测方法和非线性检测方式相比是目前较为适合工程实现的算法。在系统设计上采用准同步的正交传输体制和相应功率控制技术也是抑制多址干扰的有效手段。

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Multi-access Interference Suppression in Satellite Navigation System

CHU Heng-lin，FAN Jian-jun，ZHANG Tian-qiao
（Beijing Satellite Navigation Center，Beijing 100094，China）

Steady transmission of multi-channel spread spectrum signals is required in Space TT＆C system．As the number of in-stantaneous information transmissions at same frequency increases，MAI becomes a key factor that influences system capability．MAI sup-pression is used to depress system self-interference due to PNs cross-correlation，which improves user capability and transmission per-formance．Aimed at MAI on data link of ground TT＆C system for satellite navigation，the link MAI influence mode is analyzed．Multi-user detection technology and its performance analysis are introduced．MAI suppression capability of quasi-synchronous transmission system and power control technology are studied．

MAI；satellite navigation；multi-user detection；quasi-synchronous transmission；power control

TP391．4

A

1003－3106（2015）07－0050－04

10．3969／j．issn．1003－3106．2015．07．14

楚恒林，范建军，张天桥．多址干扰抑制技术在卫星导航系统的应用研究［J］．无线电工程，2015，45（7）：50－53．

楚恒林男，（1973—），高级工程师。主要研究方向：卫星导航总体论证。

2015-04-08

范建军男，（1978—），副研究员。主要研究方向：卫星导航总体论证。