Способ итеративного приема и декодирования информационных последовательностей различных пользователей в системе многопользовательского доступа с кодовым расширением канала
Изобретение относится к технике приема и декодирования данных различных пользователей в системе связи многопользовательского доступа с кодовым расширением канала. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости приема сигнала в системе связи многопользовательского доступа с кодовым разделением каналов за счет итеративного совместного детектирования и декодирования данных различных пользователей. Использование авторегрессионного сглаживания мягких решений о достоверности приема кодовых символов многопользовательским детектором, их последующее декодирование с восстановлением всего кодового слова, авторегрессионного сглаживания восстановленных мягких решений с последующим мягким ограничением функцией тангенс гиперболический, а также оценки комплексной огибающей на каждой итерации позволяет повысить качество приема в системе связи многопользовательского доступа с кодовым расширением канала, т.е. повысить помехоустойчивость приемника, увеличить емкость системы связи, снизить стоимость базовой станции системы с кодовым расширением канала. 8 з.п. ф-лы, 6 ил.
Предлагаемое изобретение относится к технике приема и декодирования данных различных пользователей в системе связи многопользовательского доступа с кодовым расширением канала.
В системе связи с кодовым расширением каналов пользователи работают в одном частотном диапазоне и создают друг для друга помехи множественного доступа.
Проблема разделения и оптимального детектирования пользователей может быть разрешена путем применения алгоритма, который получил название "многопользовательское детектирование" (см. Verdu "Multiuser Detector", Cambridge Press, 1998) [1]. К сожалению, оптимальный многопользовательский детектор имеет экспоненциально возрастающую сложность реализации с ростом числа пользователей.
Практически реализуемым является итеративный многопользовательский детектор, например параллельный подавитель, который описан в докладе A.Johanasson and A.Svensson, Multistage Interference Cancellation Scheme in a DS-CDMA Systems, IEEE 5th International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communication Toronto Canada pp.965-969, September 1995 [2] и в патенте США №4470138, МПК H04J 6/00, 04.09.1984 [3]. Способ параллельного подавления многопользовательской помехи заключается в том, что для каждого пользователя групповой сигнал независимо детектируют, выполняя свертку с определенной для данного пользователя псевдослучайной последовательностью, на основе полученных оценок достоверности приема кодовых символов восстанавливают копию принятого сигнала; повторно детектируют групповой сигнал, предварительно вычитая из него копии сигналов остальных пользователей; повторяют итеративно вышеуказанные шаги заданное число раз.
К недостаткам параллельного подавителя следует отнести проблему точного восстановление копии сигнала, поскольку вычитание сигнала с правильным знаком, но с превышением амплитуды, приводит к возникновению новых ошибок.
Известны способ и устройство, описанные в заявке США №2003/0193966, Oct. 16, 2003 "Method and apparatus for Improved Turbo Multiuser Detector" [4]. В этом устройстве в качестве подавителя помех используется последовательная схема, в которой подавление помех осуществляется следующим образом. Строится «дерево», на вершине которого лежат наиболее достоверные оценки принимаемых бит. Помеха от сигналов этих бит подавляется подавителем и формируются новые оценки принимаемых бит, за исключением лежащих на верхнем уровне. Из оставшихся бит снова выбираются наиболее достоверные оценки и процесс продолжается.
Недостатком такого способа и устройства является то, что в асинхронном случае интервал перебора этих бит бесконечен, и схема вырождается в обычную параллельную схему.
Известны способ и устройство декодирования информационной последовательности с подавлением помехи, описанные в заявке США №2003/0223398, Dec. 4, 2003 "Method and apparatus for Blind Code Detection" [5], в котором осуществляется подавление помехи в многопользовательском детекторе с обратным кодированием и с использованием оценки комплексной огибающей сигнала.
Однако оценка комплексной огибающей осуществляется только на первой итерации и не уточняется на последующих итерациях, что приводит к потере помехоустойчивости системы связи.
Основной проблемой при реализации итеративных алгоритмов является скорость их сходимости. Как изложено в докладе L.К.Rasmussen, A.J.Grant, and P.D.Alexander, "Recursive Filters for Iterative Multiuser Detection," IEEE Int. Symp. Inform. Theory, Lausanne, Switzerland, p.445, June-July 2002 [6], применение рекурсивной байесовской фильтрации и/или фильтрации Кальмана улучшает сходимость алгоритма, повышая тем самым помехоустойчивость системы.
Также характеристики многопользовательского детектора могут быть существенно улучшены за счет совместного итеративного детектирования и декодирования (турбо-принцип), который заключается в следующем: для каждого пользователя формируют оценки кодовых символов, подавляя в принятом групповом сигнале многопользовательскую помеху, и игнорируя при этом структуру кодового слова данного пользователя, полученные мягкие решения о достоверности приема кодовых символов поступают в декодер с мягким входом - мягким выходом, который декодирует информационную последовательность каждого пользователя, восстанавливает наиболее вероятное кодовое слово, исправляет ошибки, в том числе и среди проверочных символов кодового слова, при этом он игнорирует многопользовательскую составляющую, содержащуюся в мягких решениях, рассматривая ее как белый шум. Полученные мягкие решения о достоверности восстановления кодовых символов используются в качестве априорной информации при повторном детектировании с подавлением многопользовательской помехи (см. доклады Wang, Poor "Iterative (Turbo) Soft Interference Cancellation and Decoding for Coded CDMA", IEEE Transaction on Communications, vol.46, pp.814-822 [7] и М.Moher "An Iterative Multiuser Decoder for Near Capacity Communication", IEEE Transaction on Communications, vol.46, pp.870-880 [8]).
Из опубликованной заявки WO 03/049397 "Iterative Detection and Decoding for a MIMO-OFDM System, H04L 27/26 [9] известен аналогичный способ итеративного детектирования - декодирования для одного пользователя, последовательность кодовых символов которого разделяют на несколько потоков и передают различными антеннами в различных частотных диапазонах.
К недостаткам итеративной турбо-схемы является наличие пороговой остаточной вероятности ошибки декодирования. Явление пороговой остаточной ошибки заключается в том, что увеличение отношения сигнал/шум не приводит к снижению вероятности такой ошибки.
При многопользовательском детектировании наличие такого пользователя с неисправляемой ошибкой в свою очередь приведет к неправильному его вычитанию и к ошибкам среди других пользователей. Снизить влияние пользователя с ошибочно восстановленными отсчетами на остальных пользователей можно путем такого нелинейного преобразования как мягкое ограничение.
Наиболее близким к предлагаемому является способ, описанный в опубликованной заявке WO 02/23753 "Multi-user Detection in a CDMA Communication System", МПК H04В 1/707, 13.09.2000 [10]. В приемнике системы многопользовательского доступа с кодовым разделением, описанным в данной заявке, для каждого пользователя детектирование осуществляют при помощи ограничивающей функции от накопленного сигнала.
Этот способ заключается в следующем:
формируют из принятого группового сигнала отсчеты принятого сигнала с частотой дискретизации, равной частоте повторения элементарных символов в каждой из псевдослучайных последовательностей, используемых для кодового разделения пользователей,
запоминают отсчеты принятого сигнала,
для каждого из К пользователей периодически в N итераций детектируют последовательность отсчетов принятого сигнала с подавлением многопользовательской помехи в последовательности отсчетов принятого сигнала, для чего
формируют последовательность мягких решений о достоверности приема символов и оценку наиболее вероятной амплитуды и фазы сигнала данного пользователя, путем свертки принятого сигнала с одной из псевдослучайных последовательностей, используемых для разделения пользователей,
для каждого кодового символа и каждой итерации, начиная со второй, последовательность мягких решений о достоверности приема кодовых символов сглаживают,
начиная со второй итерации полученную последовательность мягких решений подвергают нелинейному преобразованию в соответствии с функцией арктангенс гиперболический,
начиная со второй итерации осуществляют накопление нелинейно преобразованных мягких решений об одном и том же символе,
полученную сумму подвергают нелинейному преобразованию в соответствии с функцией тангенс гиперболический, формируя последовательность мягких решений о достоверности приема символов,
формируют восстановленную последовательность отсчетов сигнала каждого пользователя отдельно, путем модуляции последовательности мягких решений псевдослучайной последовательностью, соответствующей данному пользователю,
формируют отсчеты принятого сигнала с подавлением многопользовательской помехи, для чего из отсчетов принятого сигнала вычитают, по крайней мере, восстановленные последовательности отсчетов сигналов остальных пользователей,
выделяют информацию каждого пользователя после шага последней итерации.
Задача, которую решает предлагаемое изобретение, состоит в повышении помехоустойчивости приема сигнала в системе связи многопользовательского доступа с кодовым разделением каналов за счет итеративного совместного детектирования и декодирования данных различных пользователей.
Для достижения такого технического результата в способ итеративного приема и декодирования информационных последовательностей различных пользователей в системе многопользовательского доступа с кодовым расширением канала, заключающийся в том, что принимают групповой сигнал, формируют из принятого группового сигнала отсчеты принятого сигнала с частотой дискретизации, равной частоте повторения элементарных символов в каждой из псевдослучайных последовательностей, используемых для кодового разделения пользователей, запоминают отсчеты принятого сигнала, для каждого из К пользователей периодически в N итераций детектируют последовательность отсчетов принятого сигнала с подавлением многопользовательской помехи, для чего формируют последовательность мягких решений о достоверности приема кодовых символов и оценку наиболее вероятной амплитуды и фазы сигнала данного пользователя, путем свертки каждой из псевдослучайных последовательностей, используемых для разделения пользователей, с последовательностью отсчетов принятого сигнала на первой итерации или с последовательностью отсчетов принятого сигнала с подавленной многопользовательской помехой на последующих итерациях, для каждого кодового символа и каждой итерации, начиная со второй, последовательность мягких решений о достоверности приема кодовых символов сглаживают, в полученной последовательности сглаженных мягких решений осуществляют мягкое ограничение мягких решений, формируя последовательность сглаженных и ограниченных мягких решений, формируют восстановленную последовательность отсчетов сигнала каждого пользователя отдельно, путем модуляции последовательности сглаженных и ограниченных мягких решений псевдослучайной последовательностью, соответствующей данному пользователю, формируют отсчеты принятого сигнала с подавлением многопользовательской помехи, для чего из отсчетов принятого сигнала вычитают, по крайней мере, восстановленные последовательности отсчетов сигналов К-1 пользователей,
согласно изобретению:
после сглаживания продетектированных мягких решений из последовательности продетектированных сглаженных мягких решений о достоверности приема кодовых символов формируют кодовое слово,
запоминают кодовое слово,
декодируют кодовое слово, состоящее из сглаженных мягких решений о достоверности приема кодового символа, при этом восстанавливают наиболее вероятное кодовое слово, формируя его путем вынесения мягких решений о достоверности восстановления кодовых символов,
осуществляют проверку контрольной суммы в полученной в результате декодирования информационной последовательности, если обнаружено совпадение с переданной контрольной суммой, то информационная последовательность данного пользователя объявляется декодированной достоверно,
если информационная последовательность декодирована недостоверно, то в восстановленном кодовом слове для каждой итерации, начиная со второй, осуществляют сглаживание восстановленных мягких решений,
из полученного кодового слова с восстановленными и сглаженными мягкими решениями получают последовательность сглаженных мягких решений о достоверности приема кодовых символов.
Мягкое ограничение мягких решений может быть осуществлено в соответствии с функцией тангенс гиперболический или кусочно-линейной аппроксимацией этой функции.
Сглаживание последовательности мягких решений о достоверности приема кодовых символов может быть осуществлено путем суммирования мягких решений с различных итераций с заданными весовыми коэффициентами или авторегрессионным методом, для этого мягкое решение о достоверности приема кодового символа суммируют с сглаженным мягким решением о достоверности приема этого же кодового символа, полученного на предыдущей итерации, и делят полученную сумму пополам.
Сглаживание мягких решений в восстановленном кодовом слове осуществляют путем суммирования восстановленных мягких решений с различных итераций с заданными весовыми коэффициентами или авторегрессионым методом, для этого мягкое решение о достоверности восстановления кодового символа суммируют с сглаженным мягким решением о достоверности восстановления это же кодового символа на предыдущей итерации и делят полученную сумму пополам, при этом формируют кодовое слово с восстановленными и сглаженными мягкими решениями.
Мягкие решения о достоверности восстановления кодовых символов выносят, рассматривая все возможные гипотезы о значении кодового символа, получая в процессе декодирования вероятность принятия кодовым символов каждого из возможных своих значений, для двоичных кодовых символов получают мягкие решения о достоверности восстановления двоичного кодового символа, вычисляя логарифм от отношения правдоподобия для данного кодового символа, представляющего собой отношение вероятности принятия кодовым символом значения 1 и вероятности принятия кодовым символом значения 0.
В процессе декодирования для каждого кодового символа получают значения логарифма вероятности принятия каждым кодовым символом каждого из возможных своих значений, для двоичных кодовых символов получают мягкие решения о достоверности восстановления двоичного кодового символа, вычисляя разность логарифма вероятности принятия кодовым символом значения 1 и логарифма вероятности принятия кодовым символом значения 0.
Восстановление кодового слова осуществляют итеративно, используя параллельный сверточный турбокод.
Сопоставительный анализ способа итеративного приема и декодирования информационных последовательностей различных пользователей в системе многопользовательского доступа с кодовым расширением канала с прототипом показывает, что предлагаемое изобретение существенно отличается от известного решения, так как позволяет повысить качество приема сигнала, увеличить емкость системы связи или снизить стоимость базовой станции системы с кодовым расширением канала.
Сопоставительный анализ заявляемого решения с другими техническими решениями в данной области техники не позволил выявить признаков, заявленных в отличительной части формулы изобретения. На основании этого представляется, что заявляемое решение отвечает критериям "новизна", "техническое решение задачи", "существенные отличия".
Изобретение поясняется следующими графическими материалами:
Фиг.1 - структурная схема устройства реализации предлагаемого способа.
Фиг.2 - вариант выполнения блока подавления многопользовательской помехи (на примере для 4-х пользователей).
Фиг.3 - вариант выполнения первого блока сглаживания (на примере 4-х пользователей).
Фиг.4 - вариант выполнения второго блока сглаживания (на примере 4-х пользователей).
Фиг.5 - зависимость ошибки передачи пакета данных от количества пользователей при использовании авторегрессионного сглаживания.
Фиг.6 - зависимость ошибки передачи пакета данных от количества пользователей при использовании различных алгоритмов оценки комплексной огибающей сигнала.
Предлагаемый способ состоит из следующих операций:
принимают групповой сигнал,
формируют из принятого группового сигнала отсчеты принятого сигнала с частотой дискретизации, равной частоте повторения элементарных символов в каждой из псевдослучайных последовательностей, используемых для кодового разделения пользователей,
запоминают отсчеты принятого сигнала, для каждого из К пользователей периодически в N итераций
детектируют последовательность отсчетов принятого сигнала с подавлением многопользовательской помехи в последовательности отсчетов принятого сигнала, для чего
формируют последовательность мягких решений о достоверности приема кодовых символов и оценку наиболее вероятной амплитуды и фазы сигнала данного пользователя, путем свертки каждой из псевдослучайных последовательностей, используемых для разделения пользователей, с последовательностью отсчетов принятого сигнала на первой итерации или с последовательностью отсчетов принятого сигнала с подавленной многопользовательской помехой на последующих итерациях,
для каждого кодового символа и каждой итерации, начиная со второй, последовательность мягких решений о достоверности приема кодовых символов сглаживают,
из последовательности сглаженных мягких решений о достоверности приема кодовых символов формируют кодовое слово,
запоминают кодовое слово,
декодируют кодовое слово, состоящее из сглаженных мягких решений о достоверности приема кодового символа, при этом восстанавливают наиболее вероятное кодовое слово, формируя его путем вынесения мягких решений о достоверности восстановления кодовых символов,
осуществляют проверку контрольной суммы в полученной в результате декодирования информационной последовательности, если обнаружено совпадение с переданной контрольной суммой, то информационная последовательность данного пользователя объявляется декодированной достоверно,
если информационная последовательность декодирована недостоверно, то в восстановленном кодовом слове для каждой итерации, начиная со второй, осуществляют сглаживание восстановленных мягких решений,
из полученного кодового слова с восстановленными и сглаженными мягкими решениями получают последовательность сглаженных мягких решений о достоверности приема кодовых символов,
в полученной последовательности сглаженных мягких решений осуществляют мягкое ограничение мягких решений, формируя последовательность сглаженных и ограниченных мягких решений,
формируют восстановленную последовательность отсчетов сигнала каждого пользователя отдельно, путем модуляции последовательности сглаженных и ограниченных мягких решений псевдослучайной последовательностью, соответствующей данному пользователю,
формируют отсчеты принятого сигнала с подавлением многопользовательской помехи, для чего из отсчетов принятого сигнала вычитают, по крайней мере, восстановленные последовательности отсчетов сигналов остальных пользователей,
Причем последовательность мягких решений о достоверности приема кодовых символов сглаживают путем суммирования мягких решений с различных итераций с заданными весовыми коэффициентами или авторегрессионным методом, для чего мягкое решение о достоверности приема кодового символа суммируют с сглаженным мягким решением о достоверности приема этого же кодового символа, полученного на предыдущей итерации, и делят полученную сумму пополам.
Сглаживание мягких решений в восстановленном кодовом слове осуществляют путем суммирования восстановленных мягких решений с различных итераций с заданными весовыми коэффициентами или авторегрессионым методом, для чего мягкое решение о достоверности восстановления кодового символа суммируют с сглаженным мягким решением о достоверности восстановления это же кодового символа на предыдущей итерации и делят полученную сумму пополам, при этом формируют кодовое слово с восстановленными и сглаженными мягкими решениями.
Мягкие решения о достоверности восстановления кодовых символов выносят, рассматривая все возможные гипотезы о значении кодового символа, получая в процессе декодирования вероятность принятия кодовых символов каждого из возможных своих значений, для двоичных кодовых символов получают мягкие решения о достоверности восстановления двоичного кодового символа, вычисляя логарифм от отношения правдоподобия для данного кодового символа, представляющего собой отношение вероятности принятия кодовым символом значения 1 и вероятности принятия кодовым символом значения 0.
В процессе декодирования для каждого кодового символа получают значения логарифма вероятности принятия каждым кодовым символом каждого из возможных своих значений, для двоичных кодовых символов получают мягкие решения о достоверности восстановления двоичного кодового символа, вычисляя разность логарифма вероятности принятия кодовым символом значения 1 и логарифма вероятности принятия кодовым символом значения 0.
Восстановление кодового слова осуществляют итеративно, используя параллельный сверточный турбокод.
Для реализации предложенного способа используется устройство, структурная схема которого представлена на фиг.1.
Устройство содержит последовательно соединенные приемник 3 и блок памяти 5, последовательно соединенные первый блок генераторов ПСП 1, который соединен с первым входом блока модуляторов 2, блок подавления многопользовательской помехи 4, второй вход которого соединен с выходом блока памяти 5, блок детекторов 7, второй вход которого соединен с выходом второго блока генераторов ПСП 8, первый блок сглаживания 10, блок формирования кодового слова 9, блок декодеров 11, блок принятия решения 12, блок определения циклической контрольной суммы 14, второй блок сглаживания 13, блок формирования восстановленной последовательности переданных символов 15, блок нелинейного преобразования 16, выход которого соединен со вторым входом блока модуляторов 2. Второй выход блока декодеров 11 соединен со вторым входом второго блока сглаживания 13. Кроме того, второй выход блока детекторов 7 соединен со входом блока оценки амплитуды и фазы сигнала 6, первый выход которого соединен с третьим входом блока модуляторов 2, а второй выход блока оценки амплитуды и фазы сигнала 6 соединен с третьим входом блока детекторов 7. Кроме того, выход блока принятия решения 12 является выходом информационной последовательности для каждого пользователя.
В устройстве, реализующем предлагаемый способ, вопросы синхронизации не рассматриваются в предположении, что синхронизация уже установлена и поддерживается.
Работает устройство следующим образом.
В приемнике 3 из группового сигнала, т.е. сигнала от К пользователей, формируют отсчеты принятого сигнала с частотой дискретизации, равной частоте повторения элементарных символов в каждой из псевдослучайных последовательностей, используемых для кодового разделения пользователей каналов. В блоке памяти 5 отсчеты принятого сигнала запоминают, и эти отсчеты поступают в блок подавления многопользовательской помехи 4, где осуществляют подавление многопользовательской помехи, путем вычитания восстановленных на предыдущей итерации отсчетов сигналов К-1 пользователей. Подавление многопользовательской помехи осуществляют итеративно на основе априорных данных. В качестве априорных данных используют мягкие решения о достоверности приема кодовых символов, полученные на предыдущих итерациях, на основе которых восстанавливают отсчеты сигналов каждого из пользователей отдельно.
На первой итерации все априорные данные принимают равными нулю и соответственно вычитание сигналов от К-1 пользователей не производят.
Начиная со второй итерации, с блока подавления многопользовательской помехи 4 полученные на данной итерации отсчеты поступают в блок детекторов 7, где последовательность отсчетов принятого сигнала с подавлением многопользовательской помехи детектируют путем свертки отсчетов принятого сигнала с одной из псевдослучайных последовательностей, вырабатываемой генератором ПСП 8 и соответствующей данному пользователю и формируют последовательность мягких решений о достоверности приема кодовых символов. Продетектированная последовательность отсчетов принятого сигнала поступает на блок оценки амплитуды и фазы сигнала 6, где уточняют оценку наиболее вероятной амплитуды и фазы сигнала данного пользователя (комплексную огибающую сигнала). Оценку наиболее вероятной амплитуды и фазы сигнала осуществляют любым известным методом, например методом регрессии или методом стохастической интерполяции или прогноза. Уточненная оценка наиболее вероятной амплитуды и фазы сигнала данного пользователя с первого выхода блока 6 поступает на третий вход модулятора 2 и третий вход блока детекторов 7. Мягкие решения о достоверности приема кодовых символов с выхода блока детекторов 7 поступают на вход первого блока сглаживания 10. Сглаживание последовательности мягких решений о достоверности приема кодовых символов может быть осуществлено путем суммирования мягких решений с различных итераций с заданными весовыми коэффициентами или авторегрессионным методом, для этого мягкое решение о достоверности приема кодового символа суммируют с сглаженным мягким решением о достоверности приема этого же кодового символа, полученного на предыдущей итерации, и делят полученную сумму пополам. Сглаженные последовательности мягких решений о достоверности приема кодовых символов с выхода первого блока сглаживания 10 поступают на вход формирования кодового слова 9, где из последовательности сглаженных мягких решений о достоверности приема кодовых символов формируют кодовое слово и запоминают его. Сформированное кодовое слово поступает на блок декодеров 11, где декодируют кодовое слово, состоящее из сглаженных мягких решений о достоверности приема кодового символа, при этом восстанавливают наиболее вероятное кодовое слово, формируя его путем вынесения мягких решений о достоверности восстановления кодовых символов. Мягкие решения о достоверности восстановления кодовых символов выносят, рассматривая все возможные гипотезы о значении кодового символа, получая в процессе декодирования вероятность принятия кодовым символов каждого из возможных своих значений. Для двоичных кодовых символов мягкие решения о достоверности восстановления двоичного кодового символа получают, вычисляя логарифм от отношения правдоподобия для данного кодового символа, представляющего собой отношение вероятности принятия кодовым символом значения 1 и вероятности принятия кодовым символом значения 0.
В процессе декодирования для каждого кодового символа получают значения логарифма вероятности принятия каждым кодовым символом каждого из возможных своих значений, для двоичных кодовых символов получают мягкие решения о достоверности восстановления двоичного кодового символа, вычисляя разность логарифма вероятности принятия кодовым символом значения 1 и логарифма вероятности принятия кодовым символом значения 0.
Наиболее вероятное кодовое слово с выхода блока декодеров 11 поступает на блок принятия решения 12, где формируют принятую и декодированную информационную последовательность для каждого пользователя. Блок принятия решения 12 представляет собой жесткий ограничитель. Принятая и декодированная информационная последовательность для каждого пользователя с блока принятия решения 12 поступает в блок определения циклической контрольной суммы 14, где осуществляют проверку циклической контрольной суммы (CRC).
Если обнаружено совпадение с переданной контрольной суммой в блоке определения циклической контрольной суммы 14, то информационная последовательность данного пользователя объявляется декодированной достоверно.
Если информационная последовательность декодирована недостоверно, то с блока декодеров 11 на второй блок сглаживания 13 поступает восстановленное кодовое слово. На каждой итерации, начиная со второй, во втором блоке сглаживания 13 осуществляют сглаживание восстановленных мягких решений. Сглаживание мягких решений в восстановленном кодовом слове можно осуществить путем суммирования восстановленных мягких решений с различных итераций с заданными весовыми коэффициентами или авторегрессионым методом, для чего мягкое решение о достоверности восстановления кодового символа суммируют с сглаженным мягким решением о достоверности восстановления это же кодового символа на предыдущей итерации и делят полученную сумму пополам, при этом формируют кодовое слово с восстановленными и сглаженными мягкими решениями.
Сформированное кодовое слово с восстановленными и сглаженными мягкими решениями со второго блока сглаживания 13 поступает на блок формирования восстановленной последовательности переданных символов 15, где из полученного кодового слова с восстановленными и сглаженными мягкими решениями получают последовательность сглаженных мягких решений о достоверности приема кодовых символов. Последовательность сглаженных мягких решений о достоверности приема кодовых символов с блока формирования восстановленной последовательности переданных символов 15 подают на блок нелинейного преобразования 16, где осуществляют мягкое ограничение мягких решений, например, в соответствии с функцией тангенс гиперболический или кусочно-линейной аппроксимацией этой функции, формируя последовательность сглаженных и ограниченных мягких решений. С блока нелинейного преобразования 16 последовательность сглаженных и ограниченных мягких решений подают на второй вход блока модуляторов 2, где формируют восстановленную последовательность отсчетов сигнала каждого пользователя отдельно, путем модуляции последовательности сглаженных и ограниченных мягких решений псевдослучайной последовательностью, соответствующей данному пользователю, учитывая оценку амплитуды и фазы сигнала, которую подают на третий вход блока демодуляторов 2.
Восстановленную последовательность отсчетов сигнала К пользователей с выхода блока модуляторов 2 подают на вход блока подавления многопользовательской помехи 4, где суммируют отсчеты сигналов К-1 разных пользователей. Из полученных в результате суммирования К последовательностей отсчетов вычитают каждую последовательность из поступивших на вход по отдельности, получая в результате вычитания К последовательностей отсчетов сигнала с подавлением многопользовательской помехи по одной для каждого из К пользователей. Полученные К последовательностей подают на вход блока детекторов 7, итеративно улучшая качество детектирования в блоке детекторов 7. Процесс итеративного детектирования и декодирования продолжают либо до тех пор, пока информационные последовательности всех пользователей не будут приняты достоверно, либо N итераций.
На фиг.2 представлен вариант выполнения блока подавления многопользовательской помехи 4 на примере 4-х пользователей. На вход блока подавления многопользовательской помехи 4 подают восстановленные последовательности отсчетов сигналов каждого из 4-х пользователей параллельно. На первый вход блока подавления многопользовательской помехи 4, т.е. на первый вход сумматора 17 и первый вход сумматора 20 подают сигнал первого пользователя. На второй вход блока подавления многопользовательской помехи 4, т.е. на второй вход сумматора 17 и первый вход сумматора 19 подают сигнал второго пользователя. На третий вход блока подавления многопользовательской помехи 4, т.е. на первый вход сумматора 18 и второй вход сумматора 22, подают сигнал третьего пользователя. На четвертый вход блока подавления многопользовательской помехи 4, т.е. на второй вход сумматора 19 и второй вход сумматора 21, подают сигнал четвертого пользователя. Первым, вторым, третьим и четвертым выходами блока подавления многопользовательской помехи 4 являются соответственно выходы вычитателей 23, 24, 25, 26.
С помощью сумматора 17 суммируют последовательности отсчетов сигналов первого и второго пользователей. Результат суммирования с выхода сумматора 17 суммируют с последовательностью отсчетов сигнала третьего пользователя в сумматоре 22, формируя тем самым последовательность отсчетов на выходе сумматора 22, которую затем вычитают вычитателем 26 из отсчетов принятого сигнала с блока памяти 5, формируя последовательность отсчетов с подавлением многопользовательской помехи на четвертом выходе блока подавления многопользовательской помехи 4.
Результат суммирования с выхода сумматора 17 также суммируют с последовательностью отсчетов четвертого пользователя на сумматоре 21, формируя последовательность отсчетов сигнала на выходе сумматора 21. С помощью вычитателя 25 вычитают из отсчетов принятого сигнала с блока памяти 5 последовательность отсчетов, полученную с сумматора 21, формируя последовательность отсчетов с подавлением многопользовательской помехи на третьем выходе блока подавления многопользовательской помехи 4.
С помощью сумматора 18 суммируют последовательности отсчетов сигналов третьего и четвертого пользователей. Результат суммирования с выхода сумматора 18 суммируют с последовательностью отсчетов сигнала второго пользователя в сумматоре 20, формируя тем самым последовательность отсчетов на выходе сумматора 20. С помощью вычитателя 24 вычитают из отсчетов принятого сигнала с блока памяти 5 последовательность отсчетов, полученную с выхода сумматора 20, формируя последовательность отсчетов с подавлением многопользовательской помехи на втором выходе блока подавления многопользовательской помехи 4.
Результат суммирования с выхода сумматора 18 также суммируют с последовательностью отсчетов первого пользователя в сумматоре 19, формируя последовательность отсчетов на его выходе. С помощью вычитателя 23 вычитают из отсчетов принятого сигнала с блока памяти 5 последовательность отсчетов, полученную с выхода сумматора 19, формируя последовательность отсчетов с подавлением многопользовательской помехи на первом выходе блока подавления многопользовательской помехи 4.
На фиг.3 представлен вариант выполнения первого блока сглаживания 10 на примере 4-х пользователей.
Первый блок сглаживания 10 содержит четыре параллельные ветви, каждая из которых содержит последовательно соединенные сумматор, умножитель и узел памяти. Первый вход каждого из сумматоров 28-31 является соответственно первым, вторым, третьим и четвертым входами блока сглаживания 10. Первый выход каждого из узлов памяти 36-39 являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым выходами блока сглаживания 10. Второй выход каждого из узлов памяти соединен со вторым входом сумматора соответствующей ветви. Вторые входы всех умножителей 32-35 объединены и соединены с узлом хранения весовых коэффициентов 27.
Работает блок сглаживания 10 следующим образом. В каждой ветви последовательность мягких решений соответствующего пользователя поступает на вход сумматора, где каждое мягкое решение этой последовательности суммируют со сглаженным мягким решением, полученным на предыдущей итерации и сохраненным в узле памяти данной ветви. Полученную сумму умножают в умножителе на весовой коэффициент, полученный из узла хранения весовых коэффициентов 27. Результирующую последовательность сглаженных мягких решений сохраняют в соответствующем узле памяти.
Весовой коэффициент, который хранится в узле хранения весовых коэффициентов 27, на первой итерации равен 1, на последующих итерациях 1/2.
На фиг.5 представлен вариант выполнения второго блока сглаживания 13 на примере 4-х пользователей.
Второй блок сглаживания 13 содержит четыре параллельные ветви, каждая из которых содержит последовательно соединенные сумматор, умножитель, коммутатор и узел памяти. Первый вход каждого из сумматоров 41-44 является соответственно первым, вторым, третьим и четвертым входами блока сглаживания 13 и соединен со вторым входом коммутатора соответствующей ветви. Первый выход каждого из узлов памяти 53-56 является соответственно первым, вторым, третьим и четвертым выходами блока сглаживания 13. Второй выход каждого из узлов памяти соединен со вторым входом сумматора соответствующей ветви. Вторые входы всех умножителей 45-48 объединены и соединены с узлом хранения весовых коэффициентов 40. Третьи входы всех коммутаторов 49-52 объединены между собой, являются управляющими и соединены с выходом блока определения циклической контрольной суммы 14.
Работает каждая ветвь блока сглаживания 13 следующим образом. Если с блока определения циклической контрольной суммы 14 на первый (управляющий) вход коммутатора поступает сигнал о том, что последовательность декодирована достоверно, то последовательность восстановленных мягких решений соответствующего пользователя поступает на второй вход коммутатора и эту последовательность мягких решений сохраняют в узле памяти. Если с блока определения циклической контрольной суммы 14 на первый (управляющий) вход коммутатора получен сигнал о том, что последовательность декодирована недостоверно, то последовательность мягких решений первого пользователя поступает на вход сумматора, где каждое мягкое решение этой последовательности суммируют со сглаженным мягким решением, полученным на предыдущей итерации и сохраненным в узле памяти. Результат суммирования умножают в умножителе на весовой коэффициент из узла хранения весовых коэффициентов 41. Результирующую последовательность сглаженных мягких решений сохраняют в узле памяти.
При этом весовой коэффициент на первой итерации равен 1, на последующих итерациях 1/2.
Блок формирования восстановленной последовательности переданных символов 17 и блок формирования кодового слова 11 могут быть выполнены в соответствии со стандартом 3GPP2 (см. 3GPP2 C.S0002-C, Version 1.0, May 28, 2002 "Physical Layer Standard for CDMA2000 Spread Spectrum Systems" [11]). Эти блоки выполняют операции перемежения и согласование скоростей кодирования и передачи.
Блок декодеров 11 может быть выполнен как декодер информационной последовательности с широко распространенным параллельным турбокодом (см. патент США №5446747 Aug., 1995 [12]), где декодирование выполняют в несколько итераций за счет разделения кодовых символов на два слабо коррелированных потока.
В нем используются в качестве компонентных декодеры, работающие по алгоритму АРР /BCJR (см. R.Bahl, J.Соске, F.Jelinek, J.Raviv. "Optimal Decoding of Linear Codes for Minimizing Symbol Error Rate", IEEE Transactions on Information Theory, 3/1974 [13]) и его модификаций LOG-MAP и MAX-LOG-MAP, которые позволяют выносить мягкие решения о достоверности восстановления каждого из кодовых символов.
Мягкие решения о достоверности восстановления кодовых символов выносят, рассматривая все возможные гипотезы о значении кодового символа, получая в процессе декодирования вероятность принятия кодовым символов каждого из возможных своих значений, для двоичных кодовых символов получают мягкие решения о достоверности восстановления двоичного кодового символа, вычисляя логарифм от отношения правдоподобия для данного кодового символа, представляющего собой отношение вероятности принятия кодовым символом значения 1 и вероятности принятия кодовым символом значения 0.
LOG-MAP модификация состоит в том, что в процессе декодирования для каждого кодового символа получают значения логарифма вероятности принятия каждым кодовым символом каждого из возможных своих значений, для двоичных кодовых символов получают мягкие решения о достоверности восстановления двоичного кодового символа, вычисляя разность логарифма вероятности принятия кодовым символом значения 1 и логарифма вероятности принятия кодовым символом значения 0.
Блок определения циклической контрольной суммы 14 служит для определения циклической контрольной суммы.
Циклическая контрольная сумма (cyclic redundancy check) это последовательность бит, доставляемая в передаваемый пакет данных на передающем конце линии связи и предназначенная для проверки качества принятых данных на приемном конце. Данную последовательность получают на основе всех передаваемых информационных бит пакета. На приемном конце связи также выполняется вычисление данной последовательности, но на основе принятых информационных бит. Несовпадение переданной контрольной суммы и вновь вычисленной на приемном конце линии связи говорит о том, что либо информационные биты, либо контрольная сумма принята ошибочно (см. например, TIA/EIA IS-95 "Mobile Station-Base Station Compatibility Standard for Dual-Mode Wideband Spread-Spectrum Cellular Systems", Telecommunications Industry Association, July 1993 [14]).
Блок 2 модуляторов и блок 7 детекторов выполнены так же, как в прототипе.
Алгоритм работы каждого из блоков, входящего в состав устройства реализации предлагаемого способа, может быть запрограммирован на любом микропроцессоре, которые используются в цифровой технике связи, и блоки могут быть реализованы на современных микропроцессорах цифровой обработки сигналов DSP, DSPD и интегральных схемах ASIC PLD, FPGA.
Достижение заявляемого технического результата подтверждается данными моделирования.
На Фиг.5 приведены результаты моделирования для стандарта 3GPP2, где показана зависимость ошибки FER передачи пакета данных от количества пользователей в системе. Длина информационного блока каждого пользователя 4582 бита. Скорость кодирования R=1/4. Используется параллельный сверточный турбодекодер. На графиках приведены алгоритмы детектирования без многопользовательского детектора - conventional demodulator, с многопользовательским детектором и последующим декодированием - MUD и многопользовательское детектирование совместное с турбодекодированием. - Turbo MUD. Использование авторегрессионого сглаживания позволяет снизить количество итераций турбодекодирования с 12 до 6 без ухудшения характеристик помехоустойчивости.
На Фиг.6 показана зависимость ошибки передачи пакета данных от количества пользователей при использовании различных алгоритмов оценки комплексной огибающей (оценки амплитуды и фазы сигнала). Результаты моделирования приведены для стандарта 3GPP2, обратный канал, скорость передачи - 9.6 kbps, 1 луч, фединг 240 Гц. На графике представлены характеристики следующих алгоритмов: для обычного демодулятора (Conventional Demodulator), для многопользовательского детектора совместно с декодированием (Turbo MUD) с оценкой комплексной огибающей только на первой итерации, для многопользовательского детектора совместно с декодированием с оценкой комплексной огибающей на каждой итерации (Turbo MUD CE).
Как видно из Фиг.6, использование алгоритма оценки комплексной огибающей на каждой итерации позволяет повысить помехоустойчивость приемника на 0,8 дБ.
Таким образом, использование авторегрессионого сглаживания мягких решений о достоверности приема кодовых символов многопользовательским детектором, их последующее декодирование с восстановлением всего кодового слова, авторегрессионого сглаживания восстановленных мягких решений с последующим мягким ограничением функцией тангенс гиперболический, а также оценки комплексной огибающей на каждой итерации позволяет повысить качество приема в системе связи многопользовательского доступа с кодовым расширением канала, т.е. повысить помехоустойчивость приемника, увеличить емкость системы связи, снизить стоимость базовой станции системы с кодовым расширением канала.
1. Способ итеративного приема и декодирования информационных последовательностей различных пользователей в системе многопользовательского доступа с кодовым расширением канала, заключающийся в том, что принимают групповой сигнал, формируют из принятого группового сигнала отсчеты принятого сигнала с частотой дискретизации, равной частоте повторения элементарных символов в каждой из псевдослучайных последовательностей, используемых для кодового разделения пользователей, запоминают отсчеты принятого сигнала, для каждого из К пользователей периодически в N итераций детектируют последовательность отсчетов принятого сигнала с подавлением многопользовательской помехи, для чего формируют последовательность мягких решений о достоверности приема кодовых символов и оценку наиболее вероятной амплитуды и фазы сигнала данного пользователя, путем свертки каждой из псевдослучайных последовательностей, используемых для разделения пользователей, с последовательностью отсчетов принятого сигнала на первой итерации или с последовательностью отсчетов принятого сигнала с подавленной многопользовательской помехой на последующих итерациях, для каждого кодового символа и каждой итерации, начиная со второй, последовательность мягких решений о достоверности приема кодовых символов сглаживают, в полученной последовательности сглаженных мягких решений осуществляют мягкое ограничение мягких решений, формируя последовательность сглаженных и ограниченных мягких решений, формируют восстановленную последовательность отсчетов сигнала каждого пользователя отдельно, путем модуляции последовательности сглаженных и ограниченных мягких решений псевдослучайной последовательностью, соответствующей данному пользователю, формируют отсчеты принятого сигнала с подавлением многопользовательской помехи, для чего из отсчетов принятого сигнала вычитают, по крайней мере, восстановленные последовательности отсчетов сигналов К-1 пользователей, отличающийся тем, что после сглаживания продетектированных мягких решений из последовательности продетектированных сглаженных мягких решений о достоверности приема кодовых символов формируют кодовое слово, запоминают его, декодируют кодовое слово, состоящее из сглаженных мягких решений о достоверности приема кодового символа, при этом восстанавливают наиболее вероятное кодовое слово, формируя его путем вынесения мягких решений о достоверности восстановления кодовых символов, осуществляют проверку контрольной суммы в полученной в результате декодирования информационной последовательности, если обнаруживают совпадение с переданной контрольной суммой, то информационную последовательность данного пользователя объявляют декодированной достоверно, если информационная последовательность декодирована недостоверно, то в восстановленном кодовом слове для каждой итерации, начиная со второй, осуществляют сглаживание восстановленных мягких решений, из полученного кодового слова с восстановленными и сглаженными мягкими решениями получают последовательность сглаженных мягких решений о достоверности приема кодовых символов.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что мягкое ограничение мягких решений осуществляют в соответствии с функцией тангенс гиперболический или кусочно-линейной аппроксимацией этой функции.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сглаживание последовательности мягких решений о достоверности приема кодовых символов осуществляют путем суммирования мягких решений с различных итераций с заданными весовыми коэффициентами.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что сглаживание последовательности мягких решений о достоверности приема кодовых символов осуществляют авторегрессионным методом, для этого мягкое решение о достоверности приема кодового символа суммируют со сглаженным мягким решением о достоверности приема этого же кодового символа, полученного на предыдущей итерации, и делят полученную сумму пополам.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что сглаживание мягких решений в восстановленном кодовом слове осуществляют путем суммирования восстановленных мягких решений с различных итераций с заданными весовыми коэффициентами.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что сглаживание мягких решений в восстановленном кодовом слове осуществляют авторегрессионным методом, для этого мягкое решение о достоверности восстановления кодового символа суммируют со сглаженным мягким решением о достоверности восстановления это же кодового символа на предыдущей итерации и делят полученную сумму пополам, при этом формируют кодовое слово с восстановленными и сглаженными мягкими решениями.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что мягкие решения о достоверности восстановления кодовых символов выносят, рассматривая все возможные гипотезы о значении кодового символа, получая в процессе декодирования вероятность принятия кодовым символом каждого из возможных своих значений, для двоичных кодовых символов получают мягкие решения о достоверности восстановления двоичного кодового символа, вычисляя логарифм от отношения правдоподобия для данного кодового символа, представляющего собой отношение вероятности принятия кодовым символом значения 1 и вероятности принятия кодовым символом значения 0.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе декодирования для каждого кодового символа получают значения логарифма вероятности принятия каждым кодовым символом каждого из возможных своих значений, для двоичных кодовых символов получают мягкие решения о достоверности восстановления двоичного кодового символа, вычисляя разность логарифма вероятности принятия кодовым символом значения 1 и логарифма вероятности принятия кодовым символом значения 0.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что восстановление кодового слова осуществляют итеративно, используя параллельный сверточный турбо код.
