CN100407845C - 用于估计cdma前向链路信号的最早到达的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

此处公开了一种用于在无线通信系统中估计早期信号到达的系统和方法。按照本发明的一个实施例，该系统包括发射多个导频信号的基站和配置成接收多个对应于一个发射的导频信号的信号的移动站。该移动站包括包含一搜索相关机制和至少一指相关机制的接收器。该移动站接收器检测接收的信号的到达时间和能级并构造表示对应于接收信号的采样的到达时间分布的一搜索直方图和一指直方图。该移动站接下来为每一个估计的早期到达信号生成一延迟索引并将其传输给基站或位置确定实体以选择对应于该早期信号到达的最小延迟索引。

Description

用于估计CDMA前向链路信号的最早到达的系统和方法
技术领域
本发明一般涉及无线通信系统，尤其涉及或在前向链路或在反向链路中准确估计CDMA无线电信号的最早到达的系统和方法。
背景技术
通过增加定位特定移动站(MS)的位置的能力，以努力来扩大无线通信系统。联邦通信委员会(FCC)公布了针对该能力的规则(摘要号94-102，于1999年9月15日采用的第三报告和规则，于1999年10月6日发布)。这项规则要求在2001年10月前，采用手持位置定位解决方案的无线运营商对于作出911紧急呼叫的移动站有67％的呼叫定位至50米范围内(以及有95％的呼叫定位至150米范围内)。
在满足该要求时，一种确定MS位置的方法可以是使用无线通信系统的基站(BS)和MS处可用的信息，该无线通信系统按照码分多址(CDMA)方案运行。CDMA是数字射频(RF)信道化技术，它在电信工业联盟/电子工业联盟临时标准-95(TIA/EIAIS-95)中被定义，该标准题为“MOBILE STATION-BASE STATION COMPATIBILITYSTANDARD FOR DUAL-MODE WIDEBAND SPREAD SPECTRUM CELLULAR SYSTEM”，于1993年7月公布并且通过引用被结合于此。采用这个技术的无线通信系统为每个不同的通信信号指定一唯一编码，并且用伪随机噪声(PN)调制在公共宽带扩频带宽上对这些通信信号进行扩展。只要CDMA系统内的接收装置具有正确的编码，它就能从在同一带宽上同时发出的其他信号中成功地检测并选择出所关心的信号。
图1(现有技术)说明了CDMA无线通信系统100的简化框图。系统100允许MS110，一般由移动终端设备(TE2设备102)和无线通信设备(MT2设备104)组成，与互通功能(1WF)108通信。IWF 108充当无线网络及其它网络间的网关，譬如公共交换电话网(PSTN)以及提供基于因特网或内联网接入的有线分组数据网络。MS 110通过反向链路传输路径上的无线接口Um与BS 106通信，后者与一地理上的小区或扇区相关联。BS 106配置成处理来自MS 110的通信信号。BS 106还可以包括位置处理能力(如位置判决实体(PDE)服务器机制)，或与之相关联。
在前向链路传输路径上，BS 106通过无线接口Um与MS 110通信。在前向链路传输期间，每个BS 106都能发送信息承载信号以及控制信号，譬如导频信号。导频信号具有多个用户，其中之一标识了最适用于进行反向链路传输的BS 106。这样，导频信号有助于确定要把反向链路传输“切换”到哪个BS，以便在MS 110跨越不同的小区或小区的不同扇区时无缝地维持通信。导频信号还提供了时间和相关相位基准，使MS 110能获得初始系统同步并且便于前向链路上的相关解调。所有的导频信号都经受相同的PN扩展编码，但是具有不同的编码相位偏移，使得MS110能分辨来自不同扇区或基站的不同的导频信号。每个BS 106都可以用6个不同的PN偏移来发送多达6个不同的导频信号。通过构造经过同一编码的所有导频信号编码相位的搜索，使用相同导频信号编码允许MS 110找到系统同步。
众所周知，经过空中接口Um的信号传输会经受多径传播。这样，MS 110会首先接收到与BS 106所发射的前向链路信号相对应的直接(即光线(LOS))信号，其后是由于多径而产生的同一信号经延时和衰减的型式。可能存在未接收到第一LOS信号而仅存在多径分量的情况。MS 110可以确定所有接收到的导频信号的到达时间(TOA)和能量，以标识最早可用的接收到的导频信号。
为了确定接收到的导频信号的TOA，MS 110可以对接收到信号时偏离基准的PN编码序列的码片(或其中的小部分)数目(即PN码片)进行计数并存储。然后，MS110可以通过检测在最小数目的所偏离PN码片后接收到哪个导频信号而标识最早接收到的导频信号。基准(或零到达时间)通常是任意标记：因此，在位置判决算法中不能直接使用隔离的TOA测量。为了克服这个任意性误差，至少需要与来自不同的地理地点的导频相对应的至少两个TOA测量。例如，通过把所述两个测量相减，得到一测量，该测量与移动站到两个始发点的径向距离之间的差异成正比：由零定时中的多义性所引起的常见误差在减法中消失。
为了补偿多径传播效应，像系统100这样的CDMA系统采用瑞克(rake)接收机，瑞克(rake)接收机处理并组合前向链路导频信号的直接和多径型式，以产生一较好的接收信号。图2(现有技术)描述了MS 110接收机200的高层次功能性框图，包括瑞克(rake)接收机解调器225，用于对MS 110所接收到的前向链路信号进行相关解调。如图2所述，射频/数字转换器模数205对来自天线/产生的数字采样的接收信号进行下变频和数字化。数字采样被提供给瑞克(rake)接收机解调器225，后者包括一搜索器215。
搜索器215用于在一个或半个PN码片增量步长中，通过扫过可能包含多径信号峰值的采样，而搜索信号。然后，搜索器215为较强的多径信号指定指相关器210A-C。每个指相关器210A-C都锁定到它们所指定的多径信号上，相关地解调该信号，并且继续跟踪该信号，直到信号逐渐衰落或者搜索器215重新指定了指相关器210A-C为止。然后，组合器220组合指相关器210A-C的已解调结果以形成较强的接收信号。
假定有检测前向链路信号的TOA的能力，CDMA系统至少在理论上可以利用这些能力来提取MS 110位置信息。如上所述，MS 110能够确定接收到的多径分量的TOA。
如上所述，所公布的FCC规则要求对于MS的定位达到位于呼叫50米范围内达到67％。当前CDMA系统的限制是它们不能以必要的分辨率来估计TOA，以符合位置要求。例如，在PN码片的容差内计算所偏离的PN序列以确定最早接收到的导频信号，不会建立与最接近BS的通信链路。然而，假定一个PN码片对应于约800ns，这转化成240米的径向距离，这种容差显然不能符合位置要求。
而且，由于LOS信号也许不是到达接收机处的最强信号，分开第一个到达的信号不会是一项平常的任务。需要注意使用测距信息(ranging information)的多径延迟的信号会具有由于额外延迟而产生的固有误差。
当前CDMA系统的另一限制是瑞克(rake)接收机的指相关器上的时间偏移抖动效应。如上所述，MS瑞克(rake)接收机内的搜索器检测最强的前向链路接收信号，并且指定一指相关器对所检测到的信号之一进行跟踪和相关解调。然而，由于硬件的分辨率，指相关器在试图跟踪它们所指定的信号时会经受抖动。指相关器的分辨率一般是一个PN码片的1/8，这转化成约24米的抖动跳转。渐渐地，这种效应会损害测距信息的准确度。
因此，需要一种能准确地估计CDMA前向和反向链路信号的最早到达的系统和方法。
发明内容
本发明通过提供一种能准确估计前向和反向链路CDMA信号的最早到达的新颖的系统和方法而解决了上述需求。
虽然将在前向链路情况下完成本描述，其中接收机是移动站，发射机是基站，然而本发明的方法和装置也可以应用于反向链路情况下，其中基站充当接收机，移动站为发射机。
与这里所包含并广泛描述的发明原理相一致的系统和方法包括：一个基站，或一组基站，用于发出多个导频信号；以及移动站，用于接收与所发射的导频信号之一相对应的多个信号。移动站包括一接收机，接收机包含搜索器相关机制和至少一个指相关机制。对于每个不同的导频信号而言，移动站接收机检测与所述导频对应的多径信号的到达时间和能级，并且构造表示采样的到达时间分布的搜索器直方图和指直方图。移动站接收机处理搜索器直方图和指直方图内所包含的采样，从而为每个时隙的第一个接收到的多径分量产生TOA估计。这样，移动站可以选择把所有结果(每个导频一个结果)汇报给另一实体(基站、PDE...)，或者如果它获悉从哪些基站发出哪些PN导频序列，则进一步处理测量，仅汇报每个基站一个测量，这对应于属于该基站的导频的最小TOA。
附图说明
图1(先前技术)是说明常规的CDMA无线通信系统的框图。
图2(先前技术)是描述常规的CDMA瑞克(rake)接收机解调器的框图。
图3A是说明用于估计CDMA信号的最早到达的处理的流程图，它是按照本发明一实施例构造并运行的。
图3B、3C描述了根据本发明一实施例产生的直方图。
具体实施例
下面的详细描述参照了附图，说明了本发明的实施例。其他实施例也是可行的，可以对这些实施例作出修改而不背离本发明的精神和范围。因此，下面的详细描述不是为了限制本发明。而是通过所附权利要求定义了本发明的范围。
对于本领域普通技术人员显而易见的是，在图中所述的实体中，下述实施例可以在软件、固件和硬件的许多不同实施例中实现。用于实现本发明的实际软件代码或专用控制硬件不会限制本发明。因此，将不特别参考实际软件代码或专用硬件组件来描述实施例的操作和行为。缺少这些参考是可行的，因为可以清楚理解，普通技术人员能够根据这里的描述设计软件和控制硬件来实现本发明的实施例。
此外，与所给出实施例相关的处理可以被存储在任何存储设备中，例如，非易失性存储器、光盘、磁带或磁盘。而且，该处理可以在制造系统时被编程，或者在稍后日子里通过计算机可读媒介被编程。这种媒介可以包括上述关于存储设备的任何形式，还可以包括已调或受控的载波，以传递可以被计算机读取、解调/解码并执行的指令。
图3A是说明处理300的高级流程图，处理300按照本发明的实施例构造并运行。如方框B360所示，处理300首先在MS瑞克(rake)接收机200的搜索器215处，为要被处理的最小导频能量(Emin)产生阈值能级，要被处理的最小导频信号能量即为出现在搜索器直方图(下面将描述)的任何分段(Tmin)内的最小采样数。使用阈值级别Emin和Tmin来分辨导频信号、发射的多径信号、噪声等等，并且以确保处理有效导频信号的方式来选择Emin和Tmin。
在方框B362内，MS接收机200为特定的BS(表示为BSJ)检测相对的TOA1，并且为MS瑞克(rake)接收机200的搜索器215所接收到的每个信号P1检测能级E1。如上所述，每个BSJ可以发送多达6个不同的导频信号，对于对应于特定导频信号的给定PN偏移量而言，搜索器215扫过对应于接收信号的采样以检测信号峰值。对于给定的PN偏移量而言，搜索器215可以检测包括相应的LOS导频信号、导频信号的反射型式以及噪声的信号峰值。在检测到信号峰值后，搜索器215测量这些峰值并且产生两个值，一个值指示信号何时到达(TOA)，而另一个值指示该信号的能量(E)。如上所述，可以通过对接收到每个信号时偏离的PN码片数进行计数并存储而实现TOA的计算。
在方框B364内，MS接收机200放弃对包含的能级E低于阈值能级Emin的信号的任何进一步处理。通过删除能级E低于Emin的信号，处理300确保TOA估计来自有效的导频信号。
对于每个PN偏移量而言，在方框B366中，MS接收机200根据未被删除的信号Pm-Pn的相应TOAm-TOAn为这些信号构造搜索器直方图390A。众所周知，直方图描述了在预定义的间隔上值的集合的分布。在这种情况下，通过在对应于特定PN偏移的搜索时段上采集信号强度高于阈值能级Emin的信号采样，来构造搜索器直方图390A。对于发送3个导频信号的BSJ而言，MS接收机200可以构造3个分开的搜索器直方图390A-390C。
图3B中说明了特定PN偏移的示例性搜索器直方图390A。横轴表示分段内(从最早的-38到最晚的15.7)测得的未被删除的信号Pm的相对TOAm，纵轴表示发生在相对TOAm处的采样数。一般而言，信号越强，分段内的出现次数越高：弱信号将根据Emin阈值被更经常地删除。每个分段都用于表示PN码片的一小部分，这取决于硬件的分辨率。在示例性实现中，一个分段等于一个PN码片的1/8。如图3B所示，搜索器直方图390A包含三个信号峰值A、B、C，这可以由三个分段来证明，这三个分段具有在相对TOA为-28、-16和-4处的最高出现次数。
如上所述，对于每个PN偏移而言，搜索器215向信号指定一个指相关器210A，以跟踪并处理相应的采样，以便对信号进行解调。在已经由搜索器215为最强的信号峰值(如峰值A、B、C)指定了指相关器210A-210C之后，在方框B368中，MS接收机200为所有所指定的信号Pm-Pn构造指直方图395A。非常类似于搜索器直方图390，对于发送三个导频信号的BSJ而言，处理300可以构造三个分开的指直方图395A-395C。
图3C中示出示例性的指直方图395A。尽管指直方图395A与搜索器直方图390A被类似地构造，然而要注意到，指直方图395A描述了所指定信号Pm-Pn的分布，其分辨率高于搜索器直方图390A。这样，指直方图395比搜索器直方图390A更准确，并且可以在指相关器210A-210C跟踪导频信号Pm-Pn时指示信号峰值的组。这些群组信号峰值是上述抖动效应的症状。如图3C所述，指直方图395A包含第一有效峰值组A’，大致分部在相对TOA-28处，第二有效峰值组B’，大致分部在相对TOA-17.5处，和第三有效峰值组C’，大致分部在相对TOA-2.9处。
在方框B370中，MS接收机200在出现次数大于或等于Tmin的每一个搜索器直方图390A-390C内定位第一分段。通过用有效采样数来定位第一分段，处理300最大化为每个PN偏移标识出最早到达的导频信号Pk的机会。
在方框B372中，MS接收机200在每一个搜索器直方图390A-390C内的第一分段周围构造了一个窄窗口，并且在与搜索器直方图390A-390C的第一分段相对应的每一个指直方图395A-395C内的采样周围构造了一个窄窗口。搜索器直方图390A-390C和指直方图395A-395C窗口补偿了搜索器215和指相关器210A-210C之间分辨率的差异，这会造成信号的时间不对齐。这种不对齐在图3B和3C中指出，其中搜索器直方图390A分别在-28、-16和-4的TOA处表示峰值A、B、C，而指直方图395A表示分别以-28、-17.5和-2.9的TOA为中心的信号群组峰值A’、B’、C’。
图3B和3C还描述了为单个搜索器直方图390A和指直方图395A集合构造的窗口。窗口可以以特定的分段为中心，其分段偏移等于正负一小部分的PN码片(如±1/2PN码片)。例如，如果搜索器直方图390A-390C和指直方图395A-395C的分段表示一个PN码片的1/8，则对于±1/2PN码片的窗口分辨率而言，窗口会在相应分段的任一侧跨越4个分段。
在方框B374中，MS接收机200对搜索器直方图390A-390C和指直方图395A-395C窗口的每一个集合内包含的采样信息进行处理，从而为每一个最早到达的导频信号Pk提供定时估计。特别是，对于搜索器直方图390A-390C和指直方图395A-395C的每一个集合而言，处理300对相应窗口内包含的所有采样进行组合和平均，从而为每一个最早的导频信号Pk获得一个平均TOA值(TOA_meank)。如果指直方图395A-395C不包含与搜索器直方图390A-390C的第一分段相对应的采样，MS接收机200就对搜索器直方图390A-390C内包含的采样进行组合和平均，以产生TOA_meank。
在方框B376中，MS接收机200为BSJ发送的每一个所估计的最早到达的导频信号Pk产生一个延迟索引Dk。对于每一个最早到达的导频信号Pk而言，延迟索引Dk提供了一个度量，该度量准确地量化了每个信号所引起的延迟。延迟索引Dk通过从方框B374内计算的每一个TOA_meank值中减去相应成比例的标准差数量而产生。众所周知，所述标准差是测量采样集合的分布(即扩散)的数量。从TOA_meank中减去标准差使得从反射、噪声或干扰中产生的误差最小，从而为每一个最早到达的导频信号Pk提供了更准确的定时估计。然后，MS接收机200可以把延迟索引Dk信息转发到BSJ，以确定来自所有最早到达的导频信号Pk的第一个导频信号(PΓ)。注意到前面的描述假定移动站得知哪些导频来自哪个基站：如果移动站缺乏这些认知，它就会报告所有的Dk值，并且把进一步的处理留给另一实体。
在方框B378中，处理300通过选择为每一个最早到达的导频信号Pk而产生的最小被转发延迟索引Dk，从而确定P1。根据定义，Dk，min对应于由相应于给定基站BSJ的任何最早到达导频信号Pk所引起的最小延迟。因此，通过选择Dk，min，处理300从所有最早到达导频信号Pk中标识第一导频信号P1。
由于MS 110不会具有哪个BSJ正在发送哪个PN偏移的先验知识，因此具有该知识的BSJ或相关的PDE服务器(上述)就可以执行Dk，in的选择，
最后在方框B380中，处理300使计数器递增并且返回方框B362以指向新的BSJ+1，以便确定从中始发的最早到达的导频信号。如果移动站不知道哪些导频信号对应于哪些基站，则从B362开始的处理会经过所有导频信号(而不是经过所有基站)而循环，并且需要在某些其他地方执行最后步骤B378。
提供了上述较佳实施例的描述，以使本领域的任何技术人员能制造或使用本发明。对于这些实施例的各种修改是可行的，这里所给出的基本原理也可以应用于其他实施例。例如，本发明可以部分或全部地用以下来实现：硬线电路、制造在专用集成电路内的电路结构、或者被加载到非易失性存储器中的固件程序、或者被加载自或加载到数据存储媒介作为机器可读代码的软件程序，这些代码可以被像微处理器或其他数字信号处理单元这样的逻辑元件阵列来执行。
因此，本发明不应该限于上述实施例，而应该符合以这里任何方式公开的原理和新颖性特征的最宽泛的范围。

Claims (20)

1.一种在包括基站和移动站的无线通信系统中，用于估计最早的信号到达的方法，所述移动站包括一接收机，所述接收机包含一搜索器相关机制和至少一个指相关机制，所述方法包括：
在所述移动站接收机内检测由所述移动站接收到的多个信号的到达时间和能级，所述多个接收信号对应于由所述基站发出的多个导频信号中的一个；
根据对应于满足预定的阈值能级的所述接收信号的采样，构造与所述导频信号的每一个相关联的搜索器直方图和指直方图，所述搜索器直方图和指直方图中的每一个都表示所述信号的到达时间分布；
处理包含在所述搜索器直方图和所述指直方图中的每一个采样，以产生多个所估计的早期信号到达，所述所估计的早期信号到达的每一个都对应于所述导频信号之一；以及
根据最早的所述所估计的早期信号到达确定每个基站的最早信号到达。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：在包含比预定阈值大的采样数的每一个所述搜索器直方图内标识第一分段。
3.如权利要求2所述的方法，还包括：
在每一个所述搜索器直方图的第一分段内的所述采样周围构造一搜索器窗口，以及
在与所述搜索器直方图的第一分段内包含的所述采样相对应的每一个所述指直方图的采样周围构造一指窗口。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述搜索器窗口和所述指直方图窗口以一个分段为中心，该分段具有一偏移量，等于PN码片的正负一小部分。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述处理采样包括：
把每一个所述搜索器窗口和所述指窗口内的所包含的所述采样组合起来。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述处理采样还包括：
平均所述所组合的采样以产生与所述导频信号之一相对应的所述所估计的早期信号到达的所述每一个。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：为每一个所述所估计的早期信号到达产生一个延迟索引。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，每一个所述延迟索引都是通过从所述所估计早期信号到达的每一个中减去相应成比例的标准差而产生。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述确定每个基站的最早信号到达包括确定与最早信号到达对应的所述延迟索引的最小值。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述移动站把所述延迟索引转发至所述基站和位置判决实体，以选择与最早信号到达相对应的所述最小延迟索引。
11.一种在无线通信系统中用于估计最早的信号到达的系统，包括：
基站，用于发送多个导频信号；以及
移动站，配置成接收与所述导频信号之一相对应的多个信号，所述移动站包括一接收机，所述接收机包括搜索器相关机制和至少一个指相关机制，
其中所述移动站接收机检测所述接收信号的到达时间和能级；构造搜索器直方图和指直方图，表示与满足预定阈值能级的所述接收信号相对应的采样的到达时间分布；处理每一个所述搜索器直方图和所述指直方图内所包含的所述采样，以产生多个所估计的早期信号到达，以及
其中所述最早的信号到达是根据所述所估计的早期信号到达中最早的一个所确定的。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述移动站接收机在每一个包含大于预定阈值的采样数的所述搜索器直方图内标识第一分段。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述移动站接收机在每一个所述搜索器直方图的第一分段内的所述采样周围构造一个搜索器窗口，并且在与所述搜索器直方图第一分段内包含的所述采样相对应的每一个所述指直方图的采样周围构造一个指窗口。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述搜索器窗口和所述指直方图窗口以一个分段为中心，该分段具有一偏移量，等于PN码片的正负一小部分。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述移动站接收机通过组合每一个所述搜索器窗口和所述指窗口内所包含的所述采样而处理所述采样。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述移动站接收机通过平均所述所组合的采样以产生与所述导频信号之一相对应的所述所估计的早期信号到达的所述每一个而进一步处理所述采样。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述移动站接收机为每一个所述所估计的早期信号到达产生一个延迟索引。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，每一个所述延迟索引都是通过从所述所估计早期信号到达的每一个中减去相应成比例的标准差而产生。
19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述确定最早信号到达包括确定与最早信号到达相对应的所述延迟索引的最小值。
20.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述移动站把所述延迟索引转发至所述基站和位置判决实体，以选择与最早信号到达相对应的所述最小延迟索引。
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