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摘 要：针对蜂窝网络的小区间同频干扰问题，对去耦合同频干扰滤波器进行研究.该滤波器主要是对采样数据中的干扰和噪声进行白化，期望信号部分通过非线性均衡器解出符号序列.同时，根据期望信号的调制类别以及被干扰覆盖情况，研究对应的最佳接收机.仿真结果表明：所设计接收机能够在复杂度和最佳性能之间进行很好的折衷.
关键词：蜂窝网络； 同频干扰； 滤波器； 接收机
中图分类号： TN 929.5 文献标志码： A 文章编号： 1000-5137（2015）05-0523-05
0 引 言
传统移动通信系统多采用蜂窝结构进行网络分布.当系统频率复用系数为1的时候，小区使用相同的频率资源.小区边缘的同频干扰加剧，严重影响着语音通话质量和数据传输速率.研究表明，同频干扰消除技术可以为系统容量提升70%至80%，其基本包括两大类：一是在小区之间进行的干扰协调技术，包括功率控制技术、非连续发送、跳频技术等；二是在终端上进行干扰抑制技术，包括单天线干扰消除技术、多天线干扰消除技术等.本文作者重点研究单天线干扰消除技术，其大致可分为基于滤波方法的干扰消除和基于多用户检测的技术.
根据文献[1-3]所述，基于滤波的干扰消除技术分为3种：第一种是基于线性均衡，同时消除码间串扰和同频干扰；第二种是线性滤波/非线性均衡，首先将干扰进行消除，然后再消除码间串扰；第三种是基于自回归模型的预测CCI消除，但适用场景最广效果最好的是线性滤波/非线性均衡.
本文作者对基于线性滤波/非线性均衡的接收结构进行研究，在对接收数据进行2倍过采样的基础上，对两路数据相关求解两路滤波器系数，然后将滤波后的数据进行非线性均衡解出期望符号.根据不同调制期望信号以及不同干扰分布进行对应接收，以取得最佳性能与复杂度的折衷.
1 系统模型
如图1所示，去耦和滤波器终端系统对接收信号考虑2倍过采样，将多个干扰信号与期望信号合并为统一的形式，则解旋后的样本数据可以用式（1）表达：
其中，y（i）[k]是k（0≤k≤K-1）时刻第i（i=1或2）个采样样本，K是一个burst中的符号个数，L为离散时间信道模型中的有效记忆长度，h（i）l，j[k]是第i个采样样本第j个用户的第l个信道抽头，aj[k]是第j个用户的第k个发送符号，满足E{aj[k]}=0，E{aj[k]2}=1，n（i）[k]是高斯白噪声，满足E{n（i）[k]}=0，E{n（i）[k]2}=N0/Es.N0为噪声的单边功率谱密度，Es为平均符号能量.所有随机过程被认为是相互独立的.信道系数h（i）j[k]=[h（i）0，j[k]，…，h（i）L，j[k]]T（E{h（i）0[k]2}=1，∑Jj=1E{h（i）j[k]2}=1/（C/I），其中C/I为信干比），包括了发射端的冲击、物理信道、模拟和数字接收滤波器、采样等影响.等效的离散时间信道模型适用于同步以及非同步的TDMA网络.
2 基于线性滤波/非线性均衡接收机的设计
2.1 滤波器的研究
根据文献[2]所述，利用过采样技术，使两路样本数据分别通过一组有限长度滤波器，滤波器抽头数为Lw，两组滤波器系数分别为w～（1），w～（2），两路样本数据y（1），y（2），滤波后的两路样本数据分别为w～（1）Hy（1），w～（2）Hy（2），其中濾波器系数w～（i）=[w～（i）0，w～（i）1，…，w～（i）Lw]T，两路样本数据y（i）=[y（i）[k]，y（i）[k-1]，…，y（i）[k-Lw]]T.
为了使滤波后的数据最优化，可使滤波后的输出信噪比最大，即：
2.2 接收机的设计
由上节可知，求解滤波器系数的变量为两路样本数据，其期望用户信道估计为h（1）l，0，h（2）l，0及发送的调制符号a.其中样本数据是固定的，不可以改变；两路样本数据的期望用户信道估计h（1）l，0，h（2）l，0以及发送的调制符号a越精确，则滤波器系数越有效，最终的滤波效果也越佳.因此可以从两方向进行努力：（1）对信道估计进行精确；（2）对发送的调制符号a进行精确.
文献[4]利用自适应算法对信道估计进行精确，仿真结果证明了该观点.同样地，如果发送调制符号a越精确，那么理论上的滤波结果也应当更好.因此考虑对发送符号a进行迭代，发送符号的误比特率会越来越低，且无限趋近于某一水平.但是另一方面，复杂度也不容忽略.下面针对不同信号调制方式进行讨论.
当发送的期望信号为EPSK调制时，经过上述滤波后接收机采用延迟判决反馈序列估计（DFSE）进行接收.但是对于EPSK调制信号而言，DFSE均衡器是基于符号最佳解调的而并非基于比特序列最佳解调的，如果想再次基于整个突发序列进行滤波的话，要出现连续3 bit正确的情况才能使得符号序列能保证滤波的有效性，故对于期望信号为EPSK时，仅利用训练序列段做滤波.
当发送的期望信号为BPSK调制时，经过滤波器后接收机采用最大似然序列估计（MLSE）进行接收.对于BPSK调制信号，1个比特对应于1个符号，因此如果将每次更新后的符号重新进行滤波，则滤波后的性能也会越来越好.如果对滤波过程进行循环迭代，那么理论上均衡的结果应该无限趋近于最佳性能.为了在复杂度和性能直接折衷，仅仅在首次利用训练序列段进行滤波的基础上进行一次基于整个突发序列的迭代.
3 仿真结果与分析
考虑到同步干扰情况下，整个突发都是经历相同的信道环境，针对训练序列段求解的滤波器系数基本上已经反映出了无线信道和干扰的作用，因此仿真环境选择在异步干扰场景下.仿真环境在典型城市信道TU50环境下进行，信噪比SNR=25 dB.仿真链路加入了交织环节，主要参考指标为误码率（BER，Bits Error Rate），并与常规的传统接收机进行比较，对仿真结果进行分析.仿真的曲线有传统接收机、基于训练序列段CCI滤波器的接收机及基于整个突发序列CCI滤波器的接收机3条性能曲线（分别用Conv MLSE/DFSE、TS CCI filter、TS+Burst CCI filter表示；其中MLSE/DFSE均衡器分别对应期望用户为BPSK/EPSK调制信号）. 3.1 期望信号为EPSK调制信号时接收机性能研究
仿真条件：异步干扰下，发送EPSK调制信号，单EPSK同步干扰.
从图2的仿真结果可以看出，在发送EPSK调制信号，单EPSK干扰信号没有覆盖期望信号训练序列段，即干扰只存在于期望信号数据段上，基于训练序列的CCI滤波器的性能优于DFSE均衡，由于必须连续3 bit都正确才能保证调制的正确性，从而保证CCI滤波器的有效性，对于EPSK调制信号而言迭代的意义不大.
结论：对于期望信号为EPSK调制信号而言，直接利用训练序列段完成滤波即可.
3.2 期望信号为BPSK调制信号时接收机性能研究
3.2.1 同调制信号的干扰
仿真条件：异步干扰下，发送BPSK调制信号，BPSK单干扰，训练序列没有被干扰覆盖.
从图3的仿真结果可以看出，发送BPSK调制信号，单BPSK干扰信号没有覆盖期望信号训练序列段，可以看出CCI滤波器性能要好于传统MLSE均衡器，尤其是基于整个突发序列进行的CCI滤波器性能增益明显，CCI滤波器可以消除不同调制信号的干扰.实际上由于训练序列段并没有遭受同频干扰，相当于此时并没有抑制CCI，是对干扰外的噪声的抑制.与EPSK调制不同，BPSK调制符号直接由每个二进制序列即可正确还原.因此在训练序列段没有被干扰的情况下，基于整个突发序列进行的CCI滤波器性能增益大大优于基于训练序列的滤波器.
3.2.2 不同调制信号的干扰
仿真条件：异步干扰下，发送BPSK调制信号，EPSK单干扰，训练序列没有被干扰覆盖，性能曲线如图4.
发送BPSK调制信号，单EPSK干扰信号没有覆盖期望信号训练序列段，可以看出CCI滤波器性能要好于传统MLSE均衡器，由于整个算法运算是基于复数进行的，因此结论分析可参考图4.从结果可以看出，期望信号为BPSK调制信号时，滤波器对干扰为EPSK调制信号效果要好于干扰为BPSK调制信号.
结论：对于期望信号为BPSK调制信号而言，可以在利用训练序列段滤波的基础上再次进行以整个突发序列的滤波，提高在干扰没有覆盖期望信号训练序列段的增益.
4 总 结
本文作者对基于去耦滤波器/非线性均衡的接收机进行了研究，接收机的最大优点是以较低的复杂度获得较佳的性能.当发送EPSK调制信号时，利用训练序列段进行干扰消除即可；当发送BPSK调制信号时，可以利用迭代的思想趋近于最佳性能.当然考虑到复杂度，本文作者在利用训练序列段滤波的基础上仅仅进行了一次更新突发的运算，可以看到性能有了较大的提升.事实上，当干扰信号覆盖在期望信号的训练序列段上时，整个突发都是经历相同的信道环境，针对训练序列段求解的滤波器系数基本上已经反映出了无线信道和干扰的作用；只有在干扰没有覆盖训练序列的时候，基于突发序列进行的迭代效果才明显.
参考文献：
[1] HOEHER P A，BADRI-HOEHER S，XU W，et al.Single-antenna co-channel interference cancellation for TDMA cellular radio systems[J].IEEE Transaction Wireless Communications，2005，12（2）：30-37.
[2] BADRI-HOEHER S，HOEHER P A，XU W.Single antenna interference cancellation （SAIC） for cellular TDMA networks by means of decoupled linear filtering/nonlinear detection[C].IEEE 17th International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications，Helsinki：IEEE，2006.
[3] HOEHER P A，BADRI-HOEHER S，DENG S Y，et al.Single antenna interference cancellation （SAIC） for cellular TDMA networks by means of joint delayed-decision feedback sequence estimation[J].IEEE Transaction on wireless communications，2006，5（6）：1234-1237.
[4] MENG X L，LIU Z，JIANG W L.A single antenna interference cancellation algorithm based on fictitious channels filtering[C].In Signal Processing（ICSP） on IEEE 11th International Conference，Beijing：Institute of Electronical and Electronics Engineers Inc，2012.
Study on decoupled filter based co-channel interference cancellation receiver
ZHOU Xiaolin， WANG Zipeng， ZHAO Xin
（School of Information Science and Technology，Fudan University，Shanghai 200433，China）
Abstract：For the inter-cell co-channel interference problems in cellular networks，the paper studies the decoupled filter aiming at the cancellation of co-channel interference.The filter is imposed on whitening the interference and the noise，with the remained desire signal giving off the original symbols based on a non-linear equalization.Based on the discussion on the improvement of the filter，mainly according to the modulation of desire signal and the coverage of interference signal，different receivers are designed.Performance simulation enables a conclusion that the designed filter can be quite good trade-off in complexity and best performance.
Key words：cellular network； co-channel interference； linear filter； receiver
（責任编辑：包震宇）
关键词：蜂窝网络； 同频干扰； 滤波器； 接收机
中图分类号： TN 929.5 文献标志码： A 文章编号： 1000-5137（2015）05-0523-05
0 引 言
传统移动通信系统多采用蜂窝结构进行网络分布.当系统频率复用系数为1的时候，小区使用相同的频率资源.小区边缘的同频干扰加剧，严重影响着语音通话质量和数据传输速率.研究表明，同频干扰消除技术可以为系统容量提升70%至80%，其基本包括两大类：一是在小区之间进行的干扰协调技术，包括功率控制技术、非连续发送、跳频技术等；二是在终端上进行干扰抑制技术，包括单天线干扰消除技术、多天线干扰消除技术等.本文作者重点研究单天线干扰消除技术，其大致可分为基于滤波方法的干扰消除和基于多用户检测的技术.
根据文献[1-3]所述，基于滤波的干扰消除技术分为3种：第一种是基于线性均衡，同时消除码间串扰和同频干扰；第二种是线性滤波/非线性均衡，首先将干扰进行消除，然后再消除码间串扰；第三种是基于自回归模型的预测CCI消除，但适用场景最广效果最好的是线性滤波/非线性均衡.
本文作者对基于线性滤波/非线性均衡的接收结构进行研究，在对接收数据进行2倍过采样的基础上，对两路数据相关求解两路滤波器系数，然后将滤波后的数据进行非线性均衡解出期望符号.根据不同调制期望信号以及不同干扰分布进行对应接收，以取得最佳性能与复杂度的折衷.
1 系统模型
如图1所示，去耦和滤波器终端系统对接收信号考虑2倍过采样，将多个干扰信号与期望信号合并为统一的形式，则解旋后的样本数据可以用式（1）表达：
其中，y（i）[k]是k（0≤k≤K-1）时刻第i（i=1或2）个采样样本，K是一个burst中的符号个数，L为离散时间信道模型中的有效记忆长度，h（i）l，j[k]是第i个采样样本第j个用户的第l个信道抽头，aj[k]是第j个用户的第k个发送符号，满足E{aj[k]}=0，E{aj[k]2}=1，n（i）[k]是高斯白噪声，满足E{n（i）[k]}=0，E{n（i）[k]2}=N0/Es.N0为噪声的单边功率谱密度，Es为平均符号能量.所有随机过程被认为是相互独立的.信道系数h（i）j[k]=[h（i）0，j[k]，…，h（i）L，j[k]]T（E{h（i）0[k]2}=1，∑Jj=1E{h（i）j[k]2}=1/（C/I），其中C/I为信干比），包括了发射端的冲击、物理信道、模拟和数字接收滤波器、采样等影响.等效的离散时间信道模型适用于同步以及非同步的TDMA网络.
2 基于线性滤波/非线性均衡接收机的设计
2.1 滤波器的研究
根据文献[2]所述，利用过采样技术，使两路样本数据分别通过一组有限长度滤波器，滤波器抽头数为Lw，两组滤波器系数分别为w～（1），w～（2），两路样本数据y（1），y（2），滤波后的两路样本数据分别为w～（1）Hy（1），w～（2）Hy（2），其中濾波器系数w～（i）=[w～（i）0，w～（i）1，…，w～（i）Lw]T，两路样本数据y（i）=[y（i）[k]，y（i）[k-1]，…，y（i）[k-Lw]]T.
为了使滤波后的数据最优化，可使滤波后的输出信噪比最大，即：
2.2 接收机的设计
由上节可知，求解滤波器系数的变量为两路样本数据，其期望用户信道估计为h（1）l，0，h（2）l，0及发送的调制符号a.其中样本数据是固定的，不可以改变；两路样本数据的期望用户信道估计h（1）l，0，h（2）l，0以及发送的调制符号a越精确，则滤波器系数越有效，最终的滤波效果也越佳.因此可以从两方向进行努力：（1）对信道估计进行精确；（2）对发送的调制符号a进行精确.
文献[4]利用自适应算法对信道估计进行精确，仿真结果证明了该观点.同样地，如果发送调制符号a越精确，那么理论上的滤波结果也应当更好.因此考虑对发送符号a进行迭代，发送符号的误比特率会越来越低，且无限趋近于某一水平.但是另一方面，复杂度也不容忽略.下面针对不同信号调制方式进行讨论.
当发送的期望信号为EPSK调制时，经过上述滤波后接收机采用延迟判决反馈序列估计（DFSE）进行接收.但是对于EPSK调制信号而言，DFSE均衡器是基于符号最佳解调的而并非基于比特序列最佳解调的，如果想再次基于整个突发序列进行滤波的话，要出现连续3 bit正确的情况才能使得符号序列能保证滤波的有效性，故对于期望信号为EPSK时，仅利用训练序列段做滤波.
当发送的期望信号为BPSK调制时，经过滤波器后接收机采用最大似然序列估计（MLSE）进行接收.对于BPSK调制信号，1个比特对应于1个符号，因此如果将每次更新后的符号重新进行滤波，则滤波后的性能也会越来越好.如果对滤波过程进行循环迭代，那么理论上均衡的结果应该无限趋近于最佳性能.为了在复杂度和性能直接折衷，仅仅在首次利用训练序列段进行滤波的基础上进行一次基于整个突发序列的迭代.
3 仿真结果与分析
考虑到同步干扰情况下，整个突发都是经历相同的信道环境，针对训练序列段求解的滤波器系数基本上已经反映出了无线信道和干扰的作用，因此仿真环境选择在异步干扰场景下.仿真环境在典型城市信道TU50环境下进行，信噪比SNR=25 dB.仿真链路加入了交织环节，主要参考指标为误码率（BER，Bits Error Rate），并与常规的传统接收机进行比较，对仿真结果进行分析.仿真的曲线有传统接收机、基于训练序列段CCI滤波器的接收机及基于整个突发序列CCI滤波器的接收机3条性能曲线（分别用Conv MLSE/DFSE、TS CCI filter、TS+Burst CCI filter表示；其中MLSE/DFSE均衡器分别对应期望用户为BPSK/EPSK调制信号）. 3.1 期望信号为EPSK调制信号时接收机性能研究
仿真条件：异步干扰下，发送EPSK调制信号，单EPSK同步干扰.
从图2的仿真结果可以看出，在发送EPSK调制信号，单EPSK干扰信号没有覆盖期望信号训练序列段，即干扰只存在于期望信号数据段上，基于训练序列的CCI滤波器的性能优于DFSE均衡，由于必须连续3 bit都正确才能保证调制的正确性，从而保证CCI滤波器的有效性，对于EPSK调制信号而言迭代的意义不大.
结论：对于期望信号为EPSK调制信号而言，直接利用训练序列段完成滤波即可.
3.2 期望信号为BPSK调制信号时接收机性能研究
3.2.1 同调制信号的干扰
仿真条件：异步干扰下，发送BPSK调制信号，BPSK单干扰，训练序列没有被干扰覆盖.
从图3的仿真结果可以看出，发送BPSK调制信号，单BPSK干扰信号没有覆盖期望信号训练序列段，可以看出CCI滤波器性能要好于传统MLSE均衡器，尤其是基于整个突发序列进行的CCI滤波器性能增益明显，CCI滤波器可以消除不同调制信号的干扰.实际上由于训练序列段并没有遭受同频干扰，相当于此时并没有抑制CCI，是对干扰外的噪声的抑制.与EPSK调制不同，BPSK调制符号直接由每个二进制序列即可正确还原.因此在训练序列段没有被干扰的情况下，基于整个突发序列进行的CCI滤波器性能增益大大优于基于训练序列的滤波器.
3.2.2 不同调制信号的干扰
仿真条件：异步干扰下，发送BPSK调制信号，EPSK单干扰，训练序列没有被干扰覆盖，性能曲线如图4.
发送BPSK调制信号，单EPSK干扰信号没有覆盖期望信号训练序列段，可以看出CCI滤波器性能要好于传统MLSE均衡器，由于整个算法运算是基于复数进行的，因此结论分析可参考图4.从结果可以看出，期望信号为BPSK调制信号时，滤波器对干扰为EPSK调制信号效果要好于干扰为BPSK调制信号.
结论：对于期望信号为BPSK调制信号而言，可以在利用训练序列段滤波的基础上再次进行以整个突发序列的滤波，提高在干扰没有覆盖期望信号训练序列段的增益.
4 总 结
本文作者对基于去耦滤波器/非线性均衡的接收机进行了研究，接收机的最大优点是以较低的复杂度获得较佳的性能.当发送EPSK调制信号时，利用训练序列段进行干扰消除即可；当发送BPSK调制信号时，可以利用迭代的思想趋近于最佳性能.当然考虑到复杂度，本文作者在利用训练序列段滤波的基础上仅仅进行了一次更新突发的运算，可以看到性能有了较大的提升.事实上，当干扰信号覆盖在期望信号的训练序列段上时，整个突发都是经历相同的信道环境，针对训练序列段求解的滤波器系数基本上已经反映出了无线信道和干扰的作用；只有在干扰没有覆盖训练序列的时候，基于突发序列进行的迭代效果才明显.
参考文献：
[1] HOEHER P A，BADRI-HOEHER S，XU W，et al.Single-antenna co-channel interference cancellation for TDMA cellular radio systems[J].IEEE Transaction Wireless Communications，2005，12（2）：30-37.
[2] BADRI-HOEHER S，HOEHER P A，XU W.Single antenna interference cancellation （SAIC） for cellular TDMA networks by means of decoupled linear filtering/nonlinear detection[C].IEEE 17th International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications，Helsinki：IEEE，2006.
[3] HOEHER P A，BADRI-HOEHER S，DENG S Y，et al.Single antenna interference cancellation （SAIC） for cellular TDMA networks by means of joint delayed-decision feedback sequence estimation[J].IEEE Transaction on wireless communications，2006，5（6）：1234-1237.
[4] MENG X L，LIU Z，JIANG W L.A single antenna interference cancellation algorithm based on fictitious channels filtering[C].In Signal Processing（ICSP） on IEEE 11th International Conference，Beijing：Institute of Electronical and Electronics Engineers Inc，2012.
Study on decoupled filter based co-channel interference cancellation receiver
ZHOU Xiaolin， WANG Zipeng， ZHAO Xin
（School of Information Science and Technology，Fudan University，Shanghai 200433，China）
Abstract：For the inter-cell co-channel interference problems in cellular networks，the paper studies the decoupled filter aiming at the cancellation of co-channel interference.The filter is imposed on whitening the interference and the noise，with the remained desire signal giving off the original symbols based on a non-linear equalization.Based on the discussion on the improvement of the filter，mainly according to the modulation of desire signal and the coverage of interference signal，different receivers are designed.Performance simulation enables a conclusion that the designed filter can be quite good trade-off in complexity and best performance.
Key words：cellular network； co-channel interference； linear filter； receiver
（責任编辑：包震宇）