приемник мобильной системы связи и способ приема в мобильной системе связи

Формула изобретения

1. Приемник мобильной системы связи, содержащий адаптивную антенную решетку, имеющую множество антенных элементов, каждый из которых имеет адаптивный линейный фильтр и адаптивный приемный процессор, работающий в реальном времени, для управления диаграммами направленности луча и направленностью антенных элементов в соответствии с углом приема полезного сигнала и для формирования луча в направлении полезного сигнала, чтобы подавить сигнал помехи, принятый под углом, отличным от угла приема полезного сигнала, компенсатор помехи, последовательно соединенный с адаптивной антенной решеткой и имеющий множество обнаружителей сигнала помехи, каждый из которых включает смеситель, интегратор и фильтр, для обнаружения сигнала взаимной помехи от множества пользователей в полезном сигнале, и компенсации указанного сигнала взаимной помехи.

2. Способ приема в мобильной системе связи, содержащей адаптивную антенную решетку, включающую множество антенных элементов, каждый из которых имеет адаптивный линейный фильтр и адаптивный приемный процессор, работающий в реальном времени, и компенсатор помех последовательно соединенный с адаптивной антенной решеткой и имеющий множество обнаружителей сигнала помехи, каждый из которых содержит смеситель, интегратор и фильтр, при этом способ включает следующие этапы: осуществляют управление диаграммой направленности луча и направленностью антенных элементов в соответствии с углом приема полезного сигнала, формирование луча в направлении приема полезного сигнала и подавление сигнала помехи, принятого под углом, отличным от угла приема полезного сигнала, обнаружение сигнала взаимной помехи от множества пользователей в полезном сигнале и исключения указанного сигнала взаимной помехи из полезного сигнала.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение относится к приемнику мобильной системы связи и, в частности, к устройству и способу, обеспечивающим исключение сигнала помехи за счет использования адаптивной антенной решетки и компенсатора помех, которые соединены последовательно.

Предшествующий уровень техники

В последнее время быстрыми темпами развиваются системы мобильной связи. В этой связи большое внимание уделяется развитию системы множественного доступа с кодовым разделением каналов (МДКР). Имеются, в основном, два типа систем МДКР: система с прямой модуляцией последовательностью, использующая технологию расширения спектра, и система со скачкообразной перестройкой частоты. В Корее была разработана и введена в действие цифровая система связи МДКР с прямой модуляцией последовательностью. Эта система была выбрана и для использования в системе персональной связи.

Основной причиной снижения эффективности системы МДКР с прямой модуляцией последовательностью является замирание, обусловленное многолучевым распространением радиоволн, и взаимные помехи в результате использования одного и того же канала множеством пользователей. Иными словами, эффективность системы может быть улучшена только путем ослабления эффектов замирания, обусловленного многолучевым распространением, и снижения взаимных помех.

Взаимные помехи, связанные с работой множества пользователей в одном и том же канале, могут быть ослаблены двумя способами: использованием адаптивных антенных решеток и компенсацией внутриканальной помехи с использованием корреляционной обработки. Адаптивная антенная решетка может эффективно удалять сигнал помехи путем соответствующего регулирования направленности этого сигнала, но она мало эффективна для удаления помехового сигнала, принимаемого с направления прихода полезного сигнала. С другой стороны, способ компенсации внутриканальной помехи гарантирует устранение взаимных помех и, таким образом, повышение эффективности системы. Однако подавление внутриканальной помехи требует использования псевдошумового (ПШ) кода с хорошими корреляционными характеристиками и компенсатора помех, что приводит к увеличению сложности аппаратуры при увеличении числа пользователей, одновременно получающих доступ к системе, так как помеховые сигналы расширенного спектра от всех пользователей должны демодулироваться, подвергаться повторному расширению спектра и выделяться из принятого сигнала для восстановления полезного сигнала при помощи цифрового фильтра.

Для решения проблем, связанных с вышеуказанными способами, имеется потребность в приемнике с адаптивной антенной решеткой и компенсатором помех, которые соединены последовательно. Адаптивная антенна и компенсатор помех использовались в технике для увеличения пропускной способности системы МДКР с прямой модуляцией последовательностью, но не в системе МДКР, где они должны быть соединены последовательно, а в обычной системе связи с расширенным спектром. В таких условиях затруднительно непосредственно использовать обычные устройства в системе МДКР.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является создание приемника и способа приема в системе радиосвязи, которые могут улучшить характеристики приема за счет использования адаптивной антенной решетки и компенсатора помех, соединенных последовательно друг с другом.

Указанный результат достигается в предлагаемом приемнике мобильной системы связи. В этом приемнике адаптивная антенная решетка имеет множество антенных элементов, каждый из которых имеет адаптивный линейный фильтр для формирования луча в направлении полезного сигнала и адаптивный приемный процессор, работающий в реальном времени, для управления диаграммами направленности и направлением излучения антенных элементов в соответствии с углом приема полезного сигнала, чтобы устранить сигнал помехи, принимаемый под углом, отличающимся от угла приема полезного сигнала. Компенсатор помех, соединенный с адаптивной антенной решеткой и имеющий множество обнаружителей сигнала помехи, каждый из которых содержит смеситель, интегратор и фильтр, обнаруживает сигнал от множества пользователей взаимной помехи в полезном сигнале и компенсирует этот сигнал взаимной помехи.

Согласно другому аспекту изобретения, предложен способ приема в мобильной системе связи. Мобильная система связи содержит адаптивную антенную решетку, содержащую множество антенных элементов, каждый из которых имеет адаптивный линейный фильтр и адаптивный приемный процессор, работающий в реальном времени, и компенсатор помех, соединенный с адаптивной антенной решеткой и имеющий множество обнаружителей сигнала помехи, каждый из которых содержит смеситель, интегратор и фильтр. В способе приема сигналов в мобильной системе связи, сигнал помехи, принимаемый под углом, отличным от угла приема полезного сигнала, исключается путем регулирования диаграммы направленности и направлений излучения антенных элементов в соответствии с углом приема полезного сигнала и формирования луча в направлении полезного сигнала. После этого сигнал взаимной помехи от множества пользователей обнаруживается в полосе частот полезного сигнала и исключается из принятого сигнала.

Краткое описание чертежей

Указанные выше задачи и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем подробном описании предпочтительного варианта изобретения со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее:

фиг. 1 - блок-схема передатчика и приемника, имеющего адаптивную антенную решетку и компенсатор помех, включенные последовательно, в системе радиосвязи согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

фиг. 2 - блок-схема адаптивной антенной решетки по фиг. 1, содержащей M элементов;

фиг. 3 - блок-схема компенсатора помех, показанного на фиг. 1;

фиг. 4 - график вероятности ошибки в сотовой системе МДКР с прямой модуляцией последовательностью, использующей дифференциальную фазовую манипуляцию (ДФМ) при использовании компенсатора помех в условиях гауссовского шума и взаимных помех от множества пользователей;

фиг. 5 - график вероятности ошибки в сотовой системе МДКР с прямой модуляцией последовательностью с использованием ДФМ при использовании адаптивной антенной решетки в условиях гауссовского шума и взаимных помех от множества пользователей;

фиг. 6 - график вероятности ошибки в сотовой системе МДКР с прямой модуляцией последовательностью с использованием ДФМ при использовании адаптивной антенной решетки и компенсатора помех в условиях гауссовского шума и взаимных помех от множества пользователей;

фиг. 7 - график вероятности ошибки в сотовой системе МДКР с прямой модуляцией последовательностью с ДФМ при использовании адаптивной антенной решетки и компенсатора помех при различном числе пользователей.

Подробное описание предпочтительного варианта

На фиг. 1 представлена блок-схема радиочастотного передатчика и приемника системы радиосвязи, соответствующей возможному варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 1, радиочастотный (РЧ) передатчик 10 содержит модулятор 11 для модулирования передаваемых данных ТХД в форме передаваемого сигнала и смеситель 12 для преобразования с повышением частоты модулированного сигнала, получаемого от модулятора 11, на частоту, требуемую для передачи. РЧ приемник 20 содержит адаптивную антенную решетку 21 для адаптивного приема РЧ сигнала, компенсатор 22 помех для компенсации внутриканальной помехи с использованием корреляционной обработки принимаемого РЧ сигнала и демодулятор 23 для демодулирования сигнала, полученного от компенсатора помех 22, для его преобразования к исходным данным и формирования принятых данных RXD. Здесь сумматор 30 вносит сигнал взаимной помехи от множества пользователей, ухудшающий качество принимаемого РЧ сигнала, а также аддитивный белый гауссов шум (АБГШ). РЧ приемник 20, представленный на фиг. 1, рассматривается как идеальный.

Ниже дается описание работы приемника 20 в соответствии с настоящим изобретением. Адаптивная антенная решетка 21, соединенная последовательно с компенсатором помех 22, исключает сигнал помехи, принимаемый под углом, отличным от угла приема полезного сигнала, а компенсатор помех 22 исключает остаточный сигнал помехи и сигнал помехи, принимаемый под тем же самым углом, что и угол приема полезного сигнала, обеспечивая, таким образом, более эффективное подавление взаимной помехи от множества пользователей. Именно поэтому настоящее изобретение предусматривает включение в структуру приемника последовательно соединенных адаптивной антенной решетки 21 и компенсатора помех 22. Ниже будет описано, насколько может быть повышена эффективность сотовой системы МДКР с прямой модуляцией последовательностью на основе ДФМ с использованием адаптивной решетки 21 и компенсатора помех 22.

В данном варианте настоящего изобретения предполагается, что данные передаются по обратной линии связи в мобильной системе радиосвязи и что данная модель канала представляет собой радиоканал, на который воздействуют АБГШ и взаимные помехи от множества пользователей. Как показано на фиг. 1, приемник 20 имеет адаптивную антенную решетку 21 и компенсатор помех 22, которые соединены последовательно, чтобы увеличить эффективность приема в системе радиосвязи.

При использовании надлежащего регулирования мощности между базовой станцией и мобильными станциями в мобильной системе связи, все мобильные станции в ячейке передают в базовую станцию сигналы одного и того же уровня. Таким образом, сигнал помехи имеет тот же уровень мощности и те же потери на трассе распространения, что и полезный сигнал. Предположим, что взаимные помехи от различных пользователей характеризуются произвольным гауссовым параметром. Тогда степень, в которой сигнал помехи добавляется к взаимной помехе от множества пользователей, может быть выражена как



где N представляет собой длину кода PN, а - мгновенная амплитуда передаваемого сигнала. Число пользователей, которые могут одновременно обслуживаться в ячейке, рассчитывается по формуле



где N_sec1 - число секторов в ячейке, V_m - коэффициент речевой активности, принятый как 3/8, и K - общее количество пользователей в одной ячейке.

Таким образом, помеха I₁ в одной и той же ячейке имеет вид



а помеха I₂ от мобильной станции в смежной ячейке имеет вид

, (4)

где C - число смежных ячеек, создающих помехи, и a_k - мгновенная амплитуда сигнала, передаваемого от k-й мобильной станции.

Предположим, что взаимная помеха I₂ из смежной ячейки в 2,2 раза больше, чем помеха Раппопорта (см. "Analytical Results for Capacity Improvements in CDMA", J.C.Liverti Jr., T.S. Rappaport, IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 3, август 1994 г., стр. 680-690). Тогда отношение сигнал-шум (SNR), учитывающее взаимные помехи из смежной ячейки в системе МДКР с прямой модуляцией последовательностью, может быть выражено следующим образом:





где N₀/2 - спектральная плотность АБГШ.

Взаимная помеха от множества пользователей может быть смоделирована вышеописанным способом. Ниже будет рассмотрена обработка в адаптивной антенной решетке.

Схема адаптивной антенной решетки определяет направление сигнала, гибко изменяя направление луча в зависимости от изменяющегося направления принимаемого сигнала; по сравнению с обычной антенной, которая принимает сигнал в фиксированном положении. Адаптивная антенная решетка обеспечивает более эффективный прием полезного сигнала и исключение сигналов помех, принимаемых с направлений, отличных от направления приема полезного сигнала, что значительно повышает эффективность системы. Адаптивная антенная решетка 21 состоит из элементов антенной решетки и адаптивного процессора для обработки сигнала в реальном времени. Адаптивный процессор автоматически регулирует весовое значение, которое оптимизирует отношение сигнал-шум, используя предварительно определенный алгоритм так, чтобы элементы решетки обеспечивали формирование луча в направлении приема полезного сигнала и уменьшали усиление при приеме сигнала помехи с направления, отличного от направления приема полезного сигнала приблизительно на -60 дБ путем регулировки нуля для ослабления сигнала помехи. Однако недостаток адаптивной антенной решетки заключается в невозможности подавления сигнала помехи, принимаемого под тем же самым углом, что и угол приема полезного сигнала.

На фиг. 2 показана блок-схема адаптивной антенной решетки 21, имеющей M элементов решетки, показанной на фиг. 1. Каждая мобильная станция использует всенаправленную антенну, а базовая станция формирует направленный луч для каждого пользователя в ячейке. Предполагается, что диаграмма луча обеспечивается в направлении желательного пользователя. Это направленное формирование луча осуществляется с помощью M элементов решетки, показанных на фиг. 2. При наличии К пользователей в ячейке, каждый из элементов решетки имеет K адаптивных линейных фильтров (АЛФ). Следовательно, адаптивная антенная решетка 21 имеет M х K адаптивных линейных фильтров. Если адаптивные линейные фильтры выполнены в цифровой форме, для каждого пользователя может быть использован различный параметр АЛФ. Следовательно, для каждого пользователя обеспечивается различная диаграмма направленности луча. В рассматриваемом варианте осуществления настоящего изобретения пользователи распределены в ячейке равномерно, и регулирование мощности между базовой станцией и мобильными станциями осуществляется наиболее совершенным образом. Кроме того, диаграмма луча направлена не вертикально, а горизонтально под углом 360^o, обеспечиваемым в направлении нужного пользователя. При этом регулируемая диаграмма направленности G( ) антенны описывается выражением



где A()- характеристика направленности луча и M - число элементов решетки, а направленность антенны описывается выражением



В варианте настоящего изобретения рассматриваются случаи от D = 2,67 и 3,0, как они получены из результатов Раппопорта.

Адаптивная антенная решетка 21 эффективно принимает полезный сигнал и устраняет сигнал помехи, принятый с направления, отличного от направления приема полезного сигнала. Тем не менее, это не может устранить сигнал помехи, принятый с того же самого направления, что и полезный сигнал. Для преодоления этого ограничения адаптивной антенной решетки 21 используется компенсатор помех 22.

На фиг. 3 представлена блок-схема компенсатора помех 22, показанного на фиг. 1. Если амплитуда модулирующего сигнала во входном выводе компенсатора помех 22 составляет 1, отношение сигнал-шум SNR_DS1 для входного сигнала S_r составляет

SNR_DS1 - 1/(K_c2/3N) + (N₀/E_b)/... (8)

Если в сигналах S₂, S₃, ..., S_k, включенных в сигнал S_r (r = 2, 3, ..., и k), отсутствует ошибка в битах, взаимная помеха полностью исключена. С другой стороны, если обнаружена ошибка в сигнале от i-го пользователя (i = 2, 3, ..., k), включенная в сигнал S_r при корреляционном обнаружении, сигнал, восстановленный с использованием псевдошумового кода для i-го пользователя, который отличается от сигнала S_r, расширяется по спектру снова с использованием псевдошумового кода и добавляется к сигналу S, задержанному на время T. Теперь, поскольку сигнал S_i, включающий ошибку, добавлен к входному сигналу S_i в виде взаимной помехи от множества пользователей, сигнал S₀ имеет двойное напряжение взаимной помехи (или в четыре раза большую мощность) сигнала S_r. В результате, отношение сигнал-шум SNR_DS2 между сигналами S₀ и S_i можно рассчитать по формуле

SNR_DS2 = 1/[A_y2/3N) + (N₀/2E_b)] SNR_DS3... = 1/[(4K_cPeb_DS12/3N) + (N₀2E_b)] ..., (9)

Peb_DS1 - уравнение вероятности ошибки, используя SNR_DS1 и A_v - 4K_c Peb_DS1.

Ниже приведено описание эффективности системы при использовании адаптивной антенной решетки 21 и компенсатора помех 22 в сотовой системе МДКР с прямой модуляцией последовательностью с использованием ДФМ.

(1) Вероятность ошибки при действии АБГШ и взаимной помехи от множества пользователей

С учетом модели взаимной помехи речевого коэффициента и секторизации смежной ячейки, уравнение вероятности ошибки для указанной системы МДКР в условиях АБГШ и взаимных помех определяется следующим образом:



и



где K_c - количество пользователей, обусловивших взаимную помеху.

(2) Улучшение эффективности системы с адаптивной антенной решеткой

Адаптивная антенная решетка 21 устраняет сигнал помехи, принятый с направления, отличного от направления приема полезного сигнала, путем обнаружения направления сигнала помехи и наведения нуля диаграммы направленности на помеху, улучшая, таким образом, характеристики принимаемого сигнала. Уравнение вероятности ошибки для указанной системы МДКР, имеющей адаптивную антенную решетку, с использованием направленности антенны, имеет вид:



и



Уравнение (11) действительно при наличии эффективной регулировки мощности между базовой станцией и мобильными станциями, если луч антенны базовой станции не направлен вертикально вверх.

(3) Повышение эффективности системы с компенсатором помех

Уравнение вероятности ошибки для системы МДКР с прямой модуляцией последовательностью с использованием ДМФ, использующей компенсатор помех 22 для устранения АБГШ и взаимных помех, вычисляется по формуле:



и



(4) Повышение эффективности системы с последовательно соединенными адаптивной антенной решеткой и компенсатором помех

Адаптивная 21 антенная решетка, последовательно соединенная с компенсатором помех 22, формирует луч в направлении желательного сигнала на основе весового значения, рассчитанного в адаптивном приемном процессоре, которое максимизирует усиление при приеме полезного сигнала и обеспечивает нулевой сигнал взаимной помехи, принимаемый с направления, отличного от направления приема полезного сигнала, для минимизации усиления сигнала взаимной помехи на приемной стороне. Таким образом, исключается сигнал взаимной помехи. Остаточный сигнал взаимной помехи в антенне 21 и составляющая взаимной помехи, принимаемая под тем же самым углом, что и угол приема сигнала, компенсируются на основе корреляционной обработки сигнала, принятого компенсатором помех 22. Уравнение вероятности ошибки для системы МДКР с прямой модуляцией последовательностью на основе ДФМ, использующей последовательно соединенные адаптивную антенную решетку 21 и компенсатор помех 22, при воздействии АБГШ и взаимной помехи от множества пользователей имеет вид:



и



Уравнение (13) соответствует теоретическому случаю для последовательно соединенных адаптивной антенной решетки 21 и компенсатора помех 22 в предположении идеально выполненных аппаратных средств.

В одном из вариантов настоящего изобретения повышение эффективности сотовой системы МДКР с прямой модуляцией последовательностью на основе ДФМ при применении адаптивной антенной решетки 21 и компенсатора помех 22 анализировалось при использовании отдельно каждого из указанных средств и при их совместном последовательном соединении. Фиг. 4-7 иллюстрируют численные результаты для уравнения вероятности ошибки, как функции числа пользователей ячейки K, когда PN длиной N, направленности D адаптивной антенной решетки 21 и отношения энергии бита к спектральной плотности шума E_b/N₀. На чертежах коэффициент речевой активности принят равным 3/8, ячейка разбита на три сектора и N = 127.

На фиг. 4 показана вероятность ошибки для сотовой системы МДКР с прямой модуляцией последовательностью на основе ДФМ, имеющей компенсатор помех 22 для подавления сигналов АБГШ и взаимных помех. Как видно из фиг. 4, вероятность ошибки значительно снижена благодаря использованию компенсатора помех 22. При E_b/N₀ порядка 10 дБ и K = 200, вероятность ошибки снижается от 5,8510^-2 до 5,4010^-4. Если E_b/N₀ порядка 10 дБ и K = 100, вероятность ошибки снижается от 9,6810^-3 до 1,6610^-8.

На фиг. 5 показана вероятность ошибки для сотовой системы МДКР с прямой модуляцией последовательностью на основе ДФМ, имеющей антенную решетку 21 для подавления сигналов АБГШ и взаимных помех по отношению к D. При E_b/N₀ порядка 10 дБ, K = 200 и D = 2,67 вероятность ошибки снижается от 5,8510^-2 до 3,8310^-3. При E_b/N₀ порядка 10 дБ, K = 200 и D = 3 вероятность ошибки снижается от 5,8510^-2 до 2,8510^-3. Иными словами, эффективность системы повышается при использовании направленного усиления. Сравнение варианта с адаптивной антенной решеткой с вариантом использования компенсатора свидетельствует о том, что первый вариант увеличивает эффективность системы в меньшей степени, чем второй в обоих случаях для D = 2,57 и 3,0.

На фиг. 6 представлен график, показывающий вероятность ошибки для сотовой системы МДКР с прямой модуляцией последовательностью на основе ДФМ, имеющей последовательно соединенные адаптивную антенную решетку 21 и компенсатор помех 22 при K = 200 и при воздействии АБГШ и взаимных помех от множества пользователей. Как показано на фиг. 6, компенсатор помех 22 превосходит адаптивную антенную решетку 21 по улучшению эффективности системы, когда K = 200 и D = 2,67. Напротив, адаптивная антенная решетка 21 имеет преимущество над компенсатором помех 21 в смысле эффективности системы при увеличении K (K>270), как показано на фиг. 7, потому что ошибки демодуляции увеличиваются с увеличением К. Вероятность ошибки с последовательно соединенными адаптивной антенной решеткой 21, имеющей D = 2,67, и компенсатором помех 22, приблизительно равна такой ошибке при действии АБГШ и меньше, чем эта ошибка, когда эти устройства используются независимо друг от друга.

Фиг. 7 - график, показывающий вероятность ошибки для сотовой системы МДКР с прямой модуляцией последовательностью на основе ДФМ, имеющей последовательно соединенные адаптивную антенную решетку 21 и компенсатор помех, относительно K, когда E_b/N₀ = 10 дБ при тех же условиях, что и на фиг. 6. При K = 200, вероятность ошибки с адаптивной антенной решеткой 21 и компенсатором помех 22, соединенных последовательно, ниже, чем при действии только компенсатора помех 22 примерно на 4,7410^-6 и только адаптивной антенной решетки 21 - на 6,6810^-8. В заключение отметим, что использование адаптивной антенной решетки 21 и компенсатора помех 22, соединенных последовательно, очень эффективно при подавлении взаимных помех от множества пользователей.

Как описано выше, имеются существенные различия в показателях эффективности системы в зависимости от того, соединены ли последовательно адаптивная антенная решетка 21 и компенсатор помех 22 или используются независимо. Иными словами, для случая, где К - очень большая величина (т.е. K > 270), компенсатор помех 22 более эффективен, чем адаптивная антенная решетка 21, в смысле повышения эффективности системы, и вероятность ошибки при последовательном соединении адаптивной антенной решетки 21 и компенсатора помех 22 приблизительно равна ошибке при воздействии аддитивного белого гауссова шума.

Поскольку эффективность мобильной системы связи ограничена взаимной помехой, формируемой при общем использовании одного и того же канала несколькими пользователями, компенсация взаимных помех является главной задачей повышения эффективности системы. Таким образом, приемник в мобильной системе использует адаптивную антенную решетку для эффективного приема полезного сигнала и исключения сигнала помехи, принятого с направления, отличного от направления приема полезного сигнала, и для исключения сигнала помехи, принятого с того же направления, что и направление приема полезного сигнала, тем самым значительно увеличивая эффективность системы. Обеспечивая преимущество в уменьшении ошибки в двоичном разряде, приемник согласно данному варианту настоящего изобретения может использоваться как для персональных систем связи, так и для систем с множественным доступом для увеличения эффективности мобильной системы связи.