CN100391205C - 估算信道上传送的信号的信道脉冲响应的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明包括方法和设备，用于在通信系统中估算信道脉冲响应和在一个信道上传送的信号中的数据。先估算信道脉冲响应，然后，使用估算的信道脉冲响应，估算信号中的数据。然后把输出反馈给信道脉冲响应估算器，并重复信道脉冲估算。数据估算和信道脉冲响应估算可以叠代若干次。信道脉冲响应估算步骤使用了相关信道探测。

Description

估算信道上传送的信号的信道脉冲响应的方法和设备

技术领域

本发明涉及移动无线电通信中信道和数据的估算方法和设备，特别涉及一种均衡器，它逐块地把数据与信道估算的程序进行叠代运算，以补偿信道失真。

背景技术

在数字移动无线电通信中，由于频率选择性衰落，传输信道蒙受严重失真。此外，由于固定电台和移动电台的相对移动，信道特性通常是时变的。因此，为了实现可靠的传输，接收机必须能在逐块的基础上估算并补偿信道失真。一些文献提出了各种信道估算和信道均衡方法，且常常被实际系统采用，例如，移动蜂窝通信系统采用欧洲无线数字蜂窝标准″GSM ″。大多数情形下，接收机根据对信道脉冲响应(CIR)的了解，用最大似然(ML)或最大后验(MAP)概率的数据估算法，对接收信号进行信道均衡。大多数实际系统在均衡器启动之前，先用训练序列以便估算CIR。在接收信号的时间内，快速时变并衰落的信道，要求接收机跟踪变化的信道响应，并且作动态调整。CIR的跟踪可以用判定引导算法实现，而从均衡器来的试验性判定被用于更新初始的CIR估算。进行信道估算和信道均衡的接收机系统的例子，可以在下述论文中找到：“用于窄带TDMA数字移动无线电系统的自适应维特比均衡器的位同步与定时灵敏度”，A.Baier，G.Heinrich and U.Wellens，Proc.IEEE Vehicular TechnologyConference，June 1988，pp377-384[参考文献1]；“用于TDMA移动无线电的自适应维特比均衡器的相关和叠代信道估算”，ITG-Fachbericht  No.107，VDE Verlag，April 1989，pp 363-368[参考文献2 ]；“用于GSM TDMA数字移动无线电系统的维特比均衡器的模拟和硬件实现”，A.Baier，G.Heinrich，P.Shoeffel and W.Stahl，Proc.3^rd Nordic Seminar on Digital Land Mobile RadioCommunications，September 1988 pp 13.7.1.-13.7.5.，[参考文献3]。

信道估算策略的功效，从而总的均衡化性能，极大地依赖于初始CIR估算的可靠性。因此要求改进估算策略，使之在有训练序列或没有训练序列情况下都能起作用。

发明内容

根据本发明，提供了一种在通信系统中估算信道上传送的信号的初始信道脉冲响应的方法，所述方法包括：a)估算信道脉冲响应，所述估算步骤包括：i)使用相关信道探测，使信号与训练序列相关；b)使用估算的信道脉冲响应来估算信号中的数据；c)输出估算的数据；d)基于训练序列和输出的估算数据，产生伪随机训练序列；e)估算改进的信道脉冲响应，所述估算步骤包括：i)使用相关信道探测，使信号与伪随机训练序列相关；f)使用估算的且改进的信道脉冲响应，估算信号中的数据；以及g)输出估算的数据；其中，步骤d)到g)至少重复一次。

根据本发明，提供了一种用于在通信系统中估算信道上传送的信号的初始信道脉冲响应的设备，包括：信道脉冲响应估算器，用于估算信道脉冲响应，所述信道脉冲响应估算器包括使用相关信道探测使信号与训练序列相关的装置，并且具有一个接收所述传送信号的输入端和一个输出端；数据估算器，用于使用估算的信道脉冲响应，给出被传送信号中的数据估算，所述数据估算器具有一个接收所述估算的信道脉冲响应的输入端，一个接收所述传送信号的输入端，和一个输出端；产生装置，用于基于训练序列和数据估算器的输出产生伪随机训练序列，并具有一个接收所述训练序列的输入端，一个接收所述数据估算器的所述输出的输入端和一个输出伪随机训练序列的输出端；其中，所述信道脉冲响应估算器还包括一个接收来自产生装置输出端的所述伪随机训练序列的输入端，所述信道脉训响应估算器适于使用伪随机训练序列估算改进的信道脉冲响应；所述数据估算器还包括一个接收改进的信道脉冲响应的输入端，所述数据估算器适于使用改进的信道脉冲响应提供传送信号中的数据的估算。

按照本发明的第一方面，是给出一种方法，用于在通信系统中估算信道脉冲响应和在一个信道上传送的信号中的数据，这一方法包括：估算信道脉冲响应；使用估算的信道脉冲响应，估算信号中的数据；给出一个输出；利用前面的输出，重复信道脉冲响应估算步骤，起码重复一次，并给出一个改进的信道脉冲估算，用于重复的数据估算步骤；以及其特征为，信道脉冲响应的估算步骤采用了相关信道探测法。

按照本发明的第二方面，是给出一种设备，用于在通信中的估算信道脉冲响应和在一个信道上传送的信号的数据，它包括：一个信道脉冲响应估算器，以给出一个初始信道脉冲响应估算，它有一个输入端以接收所述传输信号，还有一个输出端；信道脉冲响应估算器有一个第二输入端以接收此设备输出的一个反馈信号，且其特征是，信道估算器采用了相关信道探测。

本发明给出一个降噪的CIR估算，在多径传播的环境下，它对接收信号的均衡是必须的，从而给出改进了的接收机性能。

数据和信道估算程序通过逐块地叠代，还可以大大地改进均衡器的性能。特别是，经过第一轮叠代之后，即用已知训练序列位得到了初始信道估算之后，还可以使用前一次叠代得到的，由均衡器输出的数据符号判定，连同原来的训练序列，进行一次或多次叠代，以获得一个新的CIR估算。

对信息位在调制前已被编码(还可能交织)的系统，采用更为可靠的判定，上述策略还能进一步改进，更为可靠的判定的获得可从a)对信道解码器输出再编码(还可以再交织)，或者b)简单地取(还可以再交织)由一个软输入/软输出信道解码器(例如见G.Bauch，H.Khorram，and J.Hagenauer：“移动通信系统中的叠代均衡与解码”，Proc.EPMCC′97，ITG-Fachbericht No.145，VDE Verlag，October 1997，pp.307-312)[参考文献4]提供的编码位后验值的最有效位。对GSM TCH/FS传输方案这一特殊例子，其计算机模拟结果表明，与通常的信道估算方法(即用训练序列的相关信道探测)比较，本发明即使只进行一次叠代，也给出显著的性能改善。

本发明还可以用于那些没有训练序列可供使用，以及用一个任意信道估算开始作数据估算的情形。

附图说明

下面，通过实际例子，并参照附图，详细描述一种实用的数字无线电接收机，附图中：

图1画出一种典型GSM数字无线电接收机的示意图；

图2画出GSM“正常”短脉冲串格式；

图3是按照本发明的在从均衡器输出反馈的情况下的数字无线电接收机；和

图4表示按照本发明的在从解码器输出反馈的情况下的数字无线接收机。

具体实施方式

一种数字无线电接收机的典型实现画于图1。接收的离散时间信号可以写成

$r\left(k\right)=\underset{l}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}b(k-1)h\left(l\right)+n\left(k\right)---\left(1\right)$

其中b(k)∈{-1，1}是传输的数据符号，或者是(已知的)训练序列符号，h(l)，l＝0，1，...，L-1代表信道脉冲响应(CIR)的抽样，而n(k)表示均值为零且方差为σ²的高斯白噪声。

接收机在开始数据估算之前，必须首先估算CIR的h(l)。在一些情形中，例如在GSM标准接收机中，初始CIR的估算通常都是用相关信道探测法进行，例如见上述参考文献1和参考文献3。CIR估算抽样是用接收到的信号r(k)与训练序列26位中的N＝16位的b(k)相关而得到的，见图2。相关的结果为：

$\hat{h}\left(l\right)=(1/N)\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}b\left(i\right)r(l+i)---\left(2\right)$

这里

l＝0，1，...，L-1表示估算的CIR抽样。

在l上ML信道估算的情形下，可得：

$\hat{h}=[\hat{h}\left(0\right),\hat{h}\left(1\right),...,\hat{h}(L-1){]}^T={\left(B^{T}B\right)}^{-1}{B}^{T}r---\left(3\right)$

这里

r＝[r(0)，r(1)，...，r(N-1)]^T

B＝[b(0)，b(1)，...，b(N-1)]^T

b(i)＝[b(i)，b(i-1)，...，b(i-L+1)]^T

由此可见，因为GSM训练序列( $B^{T}B\≅\mathrm{NI}$ )的良好自相关性质，方程式2仅是更为普遍的ML信道估算技术(方程式3)的特殊情形。在信道估算可供使用之后，即进行数据符号序列的估算。如果在一个短脉冲串内，信道不能近似认为不变的，那么在短脉冲串这段时间内，可以在均衡器的输出，用试验性判定来更新初始的信道估算，见参考文献1。

在信息数据已被编码(和交织)的情形，均衡器的输出序列最后被(去交织和)解码，如图1所示。

在K.H.Chang and C.N.Georghiades的“对快速时变符号间干扰的叠代连接序列和信道估算”，Proc.IEEECC′95，Seattle，W.A.1995，pp 357-361[参考文献5]论文中，提出了一种在逐个短脉冲串上进行的叠代连接数据和信道估算程序。在该论文中，通过第一轮叠代，即借助已知训练序列位获得初始信道估算之后，可以进行一次或多次叠代，即用前次叠代在均衡器输出的数据符号判定，通过ML方法(3)来获得一个新的初始CIR估算。但是，上述ML方法要求矩阵逆运算，它需要颇为复杂的设备。另一方面，从均衡器输出反馈回来的符号判定，一般不具有较经济的信道探测方法(2)所要求的自相关性质。此外，与用已知训练序列位相反，符号判定反馈可能包含若干差错。因此，没有建议采用相关信道探测法作不依赖于已知训练序列位的信道估算器。本发明的优点在于，相对于参考文献5建议的方案，其设备的复杂性大大降低。还有，这些缺点超过了加长探测序列长度，使估算噪声极大降低而得到的补偿，尽管判定反馈序列一般不具有信道探测方法所要求的自相关性质，尽管判定反馈序列可能包含相当多的差错。与参考文献5相反，本发明使用来自解码器输出的判定反馈。

按照本发明的接收机的一种实现，如图3和4所示。本发明包括信道估算，数据估算，以及编码过程的叠代，这些都用图1的普通接收机完成。

叠代过程可归纳如下：

1)对接收的每一短脉冲串，第一轮叠代是用现有技术的通用方法获得信道和数据估算。作为一个例子，在GSM的情况下，初始信道估算能用相关信道探测法估算(2)，并且能在短脉冲串内用判定引导算法更新。在图3，开关1选择输入信号2。初始信道估算由复合信号3表示。

2)然后进行一次或多次叠代，其中或者用均衡器输出，如图3所示，或者用解码器输出，如图4所示，的判定反馈，给出一个加长的探测数据序列，这里加长是与初始信道估算所用序列比较而言的。作为一个例子，在GSM TCH/FS短脉冲串的情形(ETSI  GSM05.02：“数字蜂窝电信系统(相位2+)；无线电传播路径的多路复用和多址联接”，版本5.2.0，11月1996)，对114个数据位的判定反馈，给出N＝142位的伪训练序列。用此序列，可以按方程式2进行新的信道估算，就像进行第一轮叠代那样。在图3，对第一轮叠代后的每一次叠代，开关1选择伪训练序列(信号4)。此序列是在实际短脉冲串结构中，把数据位/限幅器16的输出和原来的训练序列位(信号2)格式化而得到的。在判定反馈来自均衡器输出的情形下，如图3所示，限幅器16选择在块11输出处的输入信号并且提供线路5上的输出信号。

对信息位在调制前已编码(还可能交织)的系统，利用从解码器输出得到的更为可靠的判定反馈，图3接收机的性能还可以进一步改进，如图4所示。在实现了叠代均衡和解码方案的接收机中，用一个软输入/软输出信道解码器(例如见参考文献4)提供的编码位，取其后验值，便能得到符号判定。

在反馈来自解码器输出的情形，限幅器16在块13的输出处选择信号。块14接收输入信号6，这表示a)信道解码器硬输出的再编码(和再交织)的型式，或b)软输入/软输出解码器给出的编码位中，对数似然比(或L-值)的(再交织)最有效位，它一般地用在叠代均衡和解码方案中(例如见参考文献4)。除了这些差别外，信道估算器按上述步骤(1)和步骤(2)的策略发挥作用。

模拟结果证明，对GSM系统，本发明仅用一次叠代后，在接收机灵敏度方面改进约0.8-1.2dB。使用均衡器给出的数据估算，改进约0.8dB，使用信道解码器输出作反馈，改进约1.2dB。这一改进加上不算复杂的设备，如果专门与使用ML信道估算器比较，那么本发明特别适合用作数字移动无线电接收机。

用信道解码器输出的判定反馈作叠代的策略，还可以用在无训练序列可用的情形，以及用在以任意信道估算开始作数据估算的情形。

Claims (6)

1.一种在通信系统中估算信道上传送的信号的初始信道脉冲响应的方法，所述方法包括：

a)估算信道脉冲响应，所述估算步骤包括：

i)使用相关信道探测，使信号与训练序列相关；

b)使用估算的信道脉冲响应来估算信号中的数据；

c)输出估算的数据；

d)基于训练序列和输出的估算数据，产生伪随机训练序列；

e)估算改进的信道脉冲响应，所述估算步骤包括：

i)使用相关信道探测，使信号与伪随机训练序列相关；

f)使用估算的且改进的信道脉冲响应，估算信号中的数据；以及

g)输出估算的数据；

其中，步骤d)到g)至少重复一次。

2.按照权利要求1的方法，其特征是，信号是以块传输的。

3.按照权利要求2的方法，其特征是，信道脉冲响应是对每一块进行估算的。

4.按照权利要求2或3的方法，其特征是，步骤e)到g)是在逐块的基础上进行的。

5.按照权利要求1的方法，其特征是，所提供的输出代表估算的数据。

6.一种用于在通信系统中估算信道上传送的信号的初始信道脉冲响应的设备，包括：

信道脉冲响应估算器，用于估算信道脉冲响应，所述信道脉冲响应估算器包括使用相关信道探测使信号与训练序列相关的装置，并且具有一个接收所述传送信号的输入端和一个输出端；

数据估算器，用于使用估算的信道脉冲响应，给出被传送信号中的数据估算，所述数据估算器具有一个接收所述估算的信道脉冲响应的输入端，一个接收所述传送信号的输入端，和一个输出端；

产生装置，用于基于训练序列和数据估算器的输出产生伪随机训练序列，并具有一个接收所述训练序列的输入端，一个接收所述数据估算器的所述输出的输入端和一个输出伪随机训练序列的输出端；

其中，

所述信道脉冲响应估算器还包括一个接收来自产生装置输出端的所述伪随机训练序列的输入端，所述信道脉训响应估算器适于使用伪随机训练序列估算改进的信道脉冲响应；

所述数据估算器还包括一个接收改进的信道脉冲响应的输入端，所述数据估算器适于使用改进的信道脉冲响应提供传送信号中的数据的估算。

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