CN100518001C - 路径搜索器窗定位方法和装置 - Google Patents

Abstract

使用瞬时位置估计、先前确定的平均位置估计、先前确定的平均信号功率以及瞬时信号功率来确定平均位置估计。使用先前确定的平均信号功率和瞬时信号功率来确定平均信号功率。

Description

路径搜索器窗定位方法和装置

技术领域

本发明涉及其中要估计时变衰落信道的各多径分量的延迟的数字无线通信系统。该数字无线通信系统例如可以包括使用码分多址(CDMA)RAKE接收器的系统，更具体地，可以包括使用在衰落环境下进行操作并且具有有限处理资源的接收器(如宽带CDMA(WCDMA)接收器)的系统。

背景技术

在无线通信中，通过无线电链路在发送器与接收器之间形成物理信道。在大多数情况下，发送器的天线并不严格地对准接收器。除了可能的直接路径以外，在发送器与接收器之间往往还存在许多其他传播路径。这些其他传播路径通常源自于从发送器或接收器附近的物体的反射。具有类似传播距离的射线根据瞬时相位关系在接收器处合成，并形成相异的多径分量。多条射线的合成的效果取决于载波波长的瞬时相位关系，并且还取决于这些射线间的距离差。在相消干涉的情况下，多条射线的合成会导致路径增益量级的显著降低(即，衰落)。

如果利用由许多多径分量携带的信号能量，则会改进CDMA接收器的性能。可以通过RAKE接收器来实现对CDMA接收器性能的希望改进。在RAKE接收器中，对多个多径分量中的每一个都分配一解扩器(即，RAKE指(finger))。所述多个解扩器中的每一个都分配有一扩频码基准副本。这些扩频码基准副本中的每一个都在时间上延迟等于对应多径分量的路径延迟的量。然后通过RAKE合成器将各解扩器的输出相干地合成起来，以产生码元估计。

RAKE接收器优选地利用针对所有检测到的路径的多径延迟和信道脉冲值的知识。为了在RAKE合成器的输出处实现最佳可能信噪比，应当收集来自尽可能多的物理路径的信号能量。此外，对尽可能多的不同物理路径进行跟踪(即，最大利用多样性)会显著改进信号接收鲁棒性(robustness)，这是因为降低了所有路径的同时强衰落的概率。所有路径的同时强衰落是通常导致严重的误块率(BLER)劣化的现象。

传播信道结构(即，各多径分量的绝对延迟和相对延迟)通常不会随时间保持恒定。由于发送器、接收器以及附近物体的相对运动，现有路径的延迟可能会变化，旧的路径可能会消失，而新的路径可能会出现。此外，在发送器与接收器的相应电路之间的频率偏移会产生时钟漂移。时钟漂移本身通常表现为整个延迟分布(delay profile)的渐进时间轴移动。为了确保RAKE接收器的恰当操作，应当跟踪所有已知多径分量的正在变化的延迟，并且在新路径出现之后应当迅速发现该新路径。

由于该物理信道结构，在大多数情况下附近物体的相对位置会改变。因此，新路径的路径长度通常不会与现有路径的路径长度相差太大。信道的宏观结构(例如，导致信号反射的山或建筑群)相对来说很少变化。因此，通常，新路径的延迟相对来说类似于现有的已知路径的延迟。因此，通过在现有路径的已知延迟附近进行搜索，可以检测到新路径的延迟。

图1是典型的RAKE接收器的框图。RAKE接收器100包括延迟估计器模块102、信道估计器模块104以及RAKE解扩器/合成器模块106。将接收到的数据馈送给延迟估计器模块102。延迟估计器模块102在信道的可能延迟的范围上对该信道的脉冲响应进行评估。然后可以使所得延迟分布(其可以是复数延迟分布或功率延迟分布)经受峰值检测，并将检测到的峰值位置报告给RAKE解扩器/合成器模块106，作为对多径分量的延迟估计。信道估计器模块104还使用该延迟估计，通过对导频序列进行解扩并且可能地随时间对结果进行滤波以减小噪声和干扰的效应，来估计对应的复数信道系数。在延迟估计器模块102(其确定RAKE解扩器/合成器模块106的解扩器部分的时间对准)与信道估计器模块104(其对要由RAKE解扩器/合成器模块106的合成器部分使用的复数系数进行估计)之间的协作下估计信道参数。还进行了噪声干扰功率估计。

进行延迟估计的简单方法包括在信道的可能延迟的整个范围(即，最大假定延迟扩展)上对该信道的脉冲响应进行评估。然后可以使所得的复数延迟分布或功率延迟分布经受峰值检测，并由延迟估计器模块102将检测到的峰值位置报告给信道估计器模块104和RAKE解扩器/合成器模块106，作为延迟估计。然而，频繁执行全路径搜索例程的处理和功耗开销通常是高昂的。因此，典型的实现可以使用具有比全搜索区(即，最大假定延迟扩展)短的观测窗的路径搜索器。此外，可以降低路径搜索器的分辨率，并使用解扩器的附加密集采样窗(其产生功率延迟分布的特定区的较高分辨率估计)。在任何情况下，对于任何实用的延迟估计，出于检测新路径的目的，定期地执行路径搜索，以对延迟范围进行再扫描。

一旦由路径搜索器发现了多个路径位置，延迟估计算法就提取这些路径位置并按足够的精度查找路径延迟。路径搜索器窗被定位成将新路径包括在该路径搜索器窗内。由于以足够高的概率获知新路径将出现在当前已知路径的附近(就路径的相应延迟而言)，所以通常将路径搜索器窗设置成覆盖当前已知路径。

在时间n处，窗定位算法可以提供与当前已知路径的位置和功率有关的某些信息(例如，被跟踪路径列表和/或路径的量级、来自路径搜索器的最新功率延迟分布估计，等等)，并且可以产生时间n处的瞬时窗位置估计(被表示为τ⁽ⁿ⁾)。由于实际瞬时窗位置可能取决于信道的瞬间衰落状态和残余噪声干扰实现(residual noise-plus-interference realization)，所以通常不建议直接使用瞬时位置估计。相反，通常使用某种滤波形式对当前瞬时位置估计值与以往瞬时位置估计值进行合成。对当前瞬时位置估计值与以往瞬时位置估计值的合成会显著降低噪声效应，并避免可能由于衰落模式而产生的瞬时位置估计的不可接受的波动，对于实际路径搜索器激活调度，该衰落模式从一个路径搜索器激活到下一个路径搜索器激活可能是完全无关的。

典型的滤波处理使用指数平滑作为平均化方案。如下得出平均位置估计τ⁽ⁿ⁾：

τ⁽ⁿ⁾＝ατ^(n-1)+(1-α)τ⁽ⁿ⁾(1)

其中，遗忘因子α由滤波处理的希望时间常数来确定。

在具有小衰落或没有衰落的环境下，公式(1)的平均化方案是可接受的，并以低计算和存储需求实现了对噪声诱导波动的抑制。然而，当存在衰落时，已经观察到延迟估计的精度受到影响。因此，需要一种克服了这些和其他缺点的用于进行路径搜索器窗定位的方法和系统。

发明内容

本发明的实施例提供了一种用于路径搜索器窗定位的方法和装置。在本发明的一个实施例中，提供了一种用于确定平均位置估计的方法，该方法包括以下步骤：利用公式P⁽ⁿ⁾＝αP^(n-1)+(1-α)P⁽ⁿ⁾确定路径搜索器窗的平均信号功率P⁽ⁿ⁾；和利用公式 ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}}^{\left(n\right)}=\frac{\mathrm{\α}{\stackrel{\‾}{P}}^{(n-1)}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}}^{(n-1)}+(1-\mathrm{\α})P^{\left(n\right)}{\mathrm{\τ}}^{\left(n\right)}}{\mathrm{\α}{\stackrel{\‾}{P}}^{(n-1)}+(1-\mathrm{\α})P^{\left(n\right)}}$ 确定所述平均位置估计τ⁽ⁿ⁾；其中，α为遗忘因子；P^(n-1)为先前确定的平均信号功率；P⁽ⁿ⁾为当前瞬时信号功率；τ⁽ⁿ⁾为当前瞬时位置估计；并且τ^(n-1)为先前确定的平均位置估计。

在本发明的另一实施例中，提供了一种用于确定平均位置估计的装置，该装置包括：信道估计器；解扩器；以及延迟估计器，可相互操作地连接到所述信道估计器和所述解扩器，所述延迟估计器用于执行以下步骤：利用公式P⁽ⁿ⁾＝αP^(n-1)+(1-α)P⁽ⁿ⁾确定路径搜索器窗的平均信号功率P⁽ⁿ⁾；和利用公式 ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}}^{\left(n\right)}=\frac{\mathrm{\α}{\stackrel{\‾}{P}}^{(n-1)}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}}^{(n-1)}+(1-\mathrm{\α})P^{\left(n\right)}{\mathrm{\τ}}^{\left(n\right)}}{\mathrm{\α}{\stackrel{\‾}{P}}^{(n-1)}+(1-\mathrm{\α})P^{\left(n\right)}}$ 确定所述平均位置估计τ⁽ⁿ⁾；其中，α为遗忘因子；P^(n-1)为先前确定的平均信号功率；P⁽ⁿ⁾为当前瞬时信号功率；τ⁽ⁿ⁾为当前瞬时位置估计；并且τ^(n-1)为先前确定的平均位置估计。

附图说明

结合附图时阅读以下对本发明的示例性实施例的详细描述，可以更完全地理解本发明的示例性实施例，其中：

图1是如前所述的典型RAKE接收器的框图；和

图2是例示根据本发明原理的路径搜索器窗定位的流程图。

具体实施方式

在非衰落环境下，或者对于接近于1的α值，公式(1)的平均化方案是可接受的，并以低计算和存储器存储需求实现了对噪声诱导波动的抑制。然而，在存在衰落时，在任何给定时间n处可用于位置估计的信号能量随衰落而变化，而预期的噪声能量保持相对恒定。由此，判定条件随时间不是恒定的。实际上，有些判定甚至可能受噪声支配。瞬时衰落模式确定了信号能量在对应观测区中的分布；然而，公式(1)将所有位置估计τ⁽ⁿ⁾处理成相等的，并对具有相等重要性的所有位置估计进行合成，这会导致在平均化处理中包括过多的噪声和波动。

本发明的实施例通过对多个瞬时窗位置估计进行合适的合成以可靠定位新搜索的路径搜索器窗，而改进了对无线电传播信道中的新多径分量进行检测的鲁棒性。根据本发明的原理，对路径搜索器窗位置进行时间滤波，以跟踪现有路径并检测现有路径附近的新路径，并使路径结构中的残余噪声干扰和衰落诱导变化的效应最小化。

在计算瞬时窗位置的同时，记录窗区内的瞬时信号功率。例如，使用指数平滑对信号功率进行时间滤波，以得到平均信号功率。使用瞬时信号功率和平均信号功率作为相应的合成权重，将瞬时位置加入平均位置。结果，按相对低的权重累加了仅反映部分路径结构或受噪声支配的情况的信道实现，而具有高信噪比的完全实现对平均的贡献最大。此外，记录平均功率和窗位置使得可以通过功率加权求和对各种不相交窗位置估计的位置进行方便的合成。

再参照图2，图2是例示根据本发明原理的路径搜索器窗定位的流程图。流程200始于步骤202，在步骤202处，在时间n处进行瞬时窗位置估计τ⁽ⁿ⁾。在步骤204处，优选地，通过对用于确定瞬时窗位置估计的多个功率延迟分布分量进行求和并减去任何预期噪声分量，来计算在时间n处由窗覆盖的信号功率P⁽ⁿ⁾。在本发明的某些实施例中，可以通过观测功率延迟分布估计的噪声基底(noise floor)来估计所述预期噪声分量。在步骤206处，计算针对路径搜索器窗的平均信号功率P⁽ⁿ⁾。可以如下计算P⁽ⁿ⁾：

P⁽ⁿ⁾＝αP^(n-1)+(1-α)P⁽ⁿ⁾(2)

根据瞬时功率延迟分布计算出的位置估计会固有地随路径分布衰落变化而波动。即使不存在任何残余噪声或干扰，瞬时位置估计也会显著不同于平均位置估计，平均位置估计是实际关注量。对于实际遗忘因子α，如在公式(1)中那样对所有顺序瞬时位置估计值进行等权重平滑是次最优的，这是因为对平均值的贡献与在瞬时功率延迟分布中实际存在的信号分量无关，对根据强衰落、只有噪声的功率延迟分布实现的本质上随机的位置估计赋予与基于完全、很好地定义的路径分布的位置估计相等的重要性。因此，在步骤208处，使用瞬时位置估计、瞬时信号功率、先前(例如，在时间n-1处)计算出的平均信号功率以及先前(例如，在时间n-1处)计算出的平均位置估计来计算平均位置估计。在步骤208处进行的计算如下地通过引入功率加权而改进了平均位置估计的质量：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}}^{\left(n\right)}=\frac{\mathrm{\α}{\stackrel{\‾}{P}}^{(n-1)}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}}^{(n-1)}+(1-\mathrm{\α})P^{\left(n\right)}{\mathrm{\τ}}^{\left(n\right)}}{\mathrm{\α}{\stackrel{\‾}{P}}^{(n-1)}+(1-\mathrm{\α})P^{\left(n\right)}}---\left(3\right)$

从步骤208得到的平滑化位置估计主要基于根据强信道实现的位置估计，而只有噪声的分布和部分分布受到抑制。本发明的实施例使用恰当修正了噪声(即，只含有平均噪声能量等于零的信号能量)的功率估计P⁽ⁿ⁾。任何残余噪声分量都会降低功率加权的有效性，但是，即使仍然存在残余噪声分量，本发明的实施例也将具有超越现有技术方法的显著好处。

本发明的实施例提供了稳定的窗位置平均化，其改进了对噪声的抑制，并降低了由于路径分布中的衰落相关变化而导致的波动。根据本发明的原理，在衰落过程中的随机的、噪声诱导的位置估计对平均位置值的影响最小。由此，在衰落过程中路径搜索器窗不会波动，而显著地降低了丢失现有活动区的风险。

与现有技术方法相比，本发明的实施例还导致少量的计算增量。增加了平均功率计算和用于位置滤波累积的稍微复杂的权重计算。由于不频繁计算路径搜索器窗位置，所以计算代价可被视为微不足道的。

本发明的上述实施例是许多不同的可能实施例中的一个。例如，可以使用复数延迟分布来代替功率延迟分布，在此情况下，通过将复数系数乘以其复数共轭数来得到各延迟分布单元的功率。本发明的原理还适用于不同类型的瞬时位置估计，举例来说如重心和功率捕获型位置判定。源数据例如可以是连续功率延迟分布估计、其峰值的子集、或被跟踪路径的列表(带有它们的量级)。尽管可以使用不同的信号功率测度，但是优选地它们是无偏移的。根据本发明原理的可靠位置估计和对应的平均功率估计还适用于需要对数个不相交观测区的位置估计进行合成的情况(例如，当在当前跟踪的区域以外执行扩展路径搜索以检测新的路径活动簇时)。可以通过使用平均功率作为合成权重对不相交区的平均位置估计进行合成。然后可以将所得位置用于对路径搜索器窗进行定位。

尽管在附图中例示了并在以上详细说明书中描述了本发明的实施例，但是应当明白，本发明并不限于所公开的实施例，而是能够在不脱离由所附权利要求限定的本发明的情况下进行众多重排、修改以及替换。

Claims (12)

1、一种用于确定平均位置估计的方法，该方法包括以下步骤：利用公式P⁽ⁿ⁾＝αP^(n-1)+(1-α)P⁽ⁿ⁾确定路径搜索器窗的平均信号功率P⁽ⁿ⁾；和

利用公式 ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}}^{\left(n\right)}=\frac{\mathrm{\α}{\stackrel{\‾}{P}}^{(n-1)}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}}^{(n-1)}+(1-\mathrm{\α})P^{\left(n\right)}{\mathrm{\τ}}^{\left(n\right)}}{\mathrm{\α}{\stackrel{\‾}{P}}^{(n-1)}+(1-\mathrm{\α})P^{\left(n\right)}}$ 确定所述平均位置估计τ⁽ⁿ⁾；

其中，α为遗忘因子；

P^(n-1)为先前确定的平均信号功率；

P⁽ⁿ⁾为当前瞬时信号功率；

τ⁽ⁿ⁾为当前瞬时位置估计；并且

τ^(n-1)为先前确定的平均位置估计。

2、根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定平均位置估计的步骤包括以下步骤：

利用与所述先前确定的平均信号功率相关联的因子对所述先前确定的平均位置估计进行加权；和

利用由与所述当前瞬时信号功率相关联的因子加权的当前瞬时位置估计，对所述先前确定的平均位置估计进行调节。

3、根据权利要求1所述的方法，其中，与当前瞬时信号功率的较小值相比，当前瞬时信号功率的较大值会导致所述平均位置估计与所述先前确定的位置估计之间的更大的差异。

4、根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

确定所述当前瞬时信号功率；和

确定所述当前瞬时位置估计。

5、根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述平均位置估计的步骤包括利用指数平滑对所述瞬时信号功率进行滤波，以得到平均信号功率。

6、根据权利要求1所述的方法，其中，当前瞬时信号功率经受了噪声修正。

7、一种用于确定平均位置估计的装置，该装置包括：

信道估计器；

解扩器；以及

延迟估计器，可相互操作地连接到所述信道估计器和所述解扩器，所述延迟估计器用于执行以下步骤：

利用公式P⁽ⁿ⁾＝αP^(n-1)+(1-α)P⁽ⁿ⁾确定路径搜索器窗的平均信号功率P⁽ⁿ⁾；和

利用公式 ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}}^{\left(n\right)}=\frac{\mathrm{\α}{\stackrel{\‾}{P}}^{(n-1)}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}}^{(n-1)}+(1-\mathrm{\α})P^{\left(n\right)}{\mathrm{\τ}}^{\left(n\right)}}{\mathrm{\α}{\stackrel{\‾}{P}}^{(n-1)}+(1-\mathrm{\α})P^{\left(n\right)}}$ 确定所述平均位置估计τ⁽ⁿ⁾；

其中，α为遗忘因子；

P^(n-1)为先前确定的平均信号功率；

P⁽ⁿ⁾为当前瞬时信号功率；

τ⁽ⁿ⁾为当前瞬时位置估计；并且

τ^(n-1)为先前确定的平均位置估计。

8、根据权利要求7所述的装置，其中，所述确定平均位置估计的步骤包括以下步骤：

利用与所述先前确定的平均信号功率相关联的因子对所述先前确定的平均位置估计进行加权；和

利用由与所述当前瞬时信号功率相关联的因子加权的当前瞬时位置估计，对所述先前确定的平均位置估计进行调节。

9、根据权利要求7所述的装置，其中，与当前瞬时信号功率的较小值相比，当前瞬时信号功率的较大值会导致所述平均位置估计与所述先前确定的位置估计之间的更大的差异。

10、根据权利要求7所述的装置，其中，所述延迟估计器还用于执行以下步骤：

确定所述当前瞬时信号功率；和

确定所述当前瞬时位置估计。

11、根据权利要求7所述的装置，其中，确定所述平均位置估计的步骤包括利用指数平滑对所述瞬时信号功率进行滤波，以得到平均信号功率。

12、根据权利要求7所述的装置，其中，当前瞬时信号功率经受了噪声修正。

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