CN100592723C - 具有利用返回环路的迭代信道评估的接收机(涡轮评估) - Google Patents

Abstract

具有数据传输信道的turbo评估的接收机，该接收机包括至少信道评估器(10)、符号检测器(20)以及到所述信道评估器(10)的反馈环路(50)，所述反馈环用于返回由所述符号检测器(20)在先前的迭代所评估的传输数据，所述接收机的特征在于，所述信道评估器(10)和所述符号检测器(20)被用来执行一系列的操作，每个操作导致提供了对至少一个不同的传输数据的评估，所述信道评估器(10)被用来排除一组接收数据中的一部分，该部分相关于将被评估的传输数据，并基于所述消除了相关性的接收数据，提供对消除了相关性的传播信道的确定，所述符号检测器(20)通过基于所述传播信道评估所述传输数据，继续所述操作。

Description

具有利用返回环路的迭代信道评估的接收机(涡轮评估)

技术领域

本发明涉及基于通过数据分组(比特分组)进行数字传输的通信，所述数据预先被信道编码器(错误纠正编码器)编码。

背景技术

由于传播现象，被传输的信号出现大量的失真。为了恢复所述被传输的数据(信息比特)，必须补偿传播所造成的影响。为此，必须评估传播条件，并且更确切地必须评估所谓的“传播信道”，其表征了无线条件的特性。

所述传播信道模型是线性滤波器，其脉冲响应表征了其特性。对所述传播信道所评估的质量将严重影响所述接收机恢复其接收数据的质量。应当注意到，由于所述接收机的噪声，根本不可能对所述信道进行完美地建模。然而，为了获得尽可能好的服务质量，或者为了优化链路预算，在尝试评估所述传播信道中进行“最佳努力(best effort)”是基本的。

发明内容

这就是本发明的目的，并且通过利用具有所述数据传输信道的turbo(涡轮)评估的接收机，达到了所述目的。所述接收机包括至少信道估计器、符号检测器以及到所述信道估计器的反馈环路，该反馈环路被用来返回所述符号检测器在先前的迭代所评估的传输数据，所述接收机的特征在于，所述信道评估器和符号检测器被用来执行一系列的操作，每个操作将导致提供了对至少一个不同的传输数据的评估。所述信道评估器被用来消除一组所接收的数据中的一部分，该部分相关于将被评估的传输数据，并基于消除了相关性的所述接收数据，提供对消除了相关性的传播信道本身的评估，所述符号检测器通过基于所述传播信道来评估所述传输数据，继续所述操作。

本发明也提供了处理接收数据的方法，该方法是数据传输信道turbo评估类型的，在该方法中使用至少一个信道评估器和符号检测器，以及到所述信道评估器的反馈环路，该反馈环路被用来返回所述符号检测器在先前的迭代所评估的传输数据。所述方法的特征在于，执行了一系列操作，每个操作将导致提供了对至少一个不同的传输数据的评估，在所述操作中，消除一组接收数据中的一部分，该部分相关于将被评估的传输数据，并且基于所述消除了相关性的接收数据，在所述信道评估器级提供对消除了相关性的传播信道本身的确定。所述符号检测器通过基于所述传播信道来评估所述传输数据，继续所述操作。

附图说明

通过阅读下面参考附图的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将变得显而易见，其中，

-图1示出了具有硬或软输出的传统接收机的结构；

-图2示出了硬输出情况下的具有turbo评估器的接收机的结构；

-图3示出了根据本发明第一变形的、对应于软输出情况的具有turbo评估器的接收机；

-图4示出了根据本发明的另一变形、硬输出情况下的接收机的结构；

-图5示出了如图3所示的根据本发明的相同变形，还示出了使用下文所采用的标记的数据；和

-图6和7是通过实现本发明所获得的实验曲线，其根据信噪比示出了分组错误率。

具体实施方式

所建议的发明应用于利用信道评估的任何数字传输系统，并尤其地应用于移动无线系统和无线局域网(WLAN)。

尤其地，无论所述系统是多传输多接收(MTMR，multiple transmitmultiple receive)天线配置还是多输入多输出(MIMO，multiple inputsmultiple outputs)配置，所建议的一般思想以非限制性方式应用于时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)、时间双工CDMA(TD-CDMA，timeduplex CDMA)、宽带CDMA(W-CDMA)、正交频分复用(OFDM)和多载波CDMA(MC-CDMA)系统。

在下面的描述中，尤其需要注意例如turbo接收机的任何迭代接收机的信道评估器部分。所描述的部署适于任何接收机，在该接收机中以迭代的方式执行信道评估、符号检测和解码。

下面简要回忆了传统接收机(以数字传输)操作的一般原理，并且描述了turbo接收机的原理。

为了清楚地理解传统接收机的操作，考虑通过所述传播信道被传输的单个比特分组。所述分组被传输，然后在传播中经历了滤波和噪声，之后到达所述接收机。

传统的接收机如下(图1)操作。

所述接收机从所接收的分组提取所述数据的某个部分(通常是很小的部分)，该部分被称为“训练(training)”序列，其包括所述接收机通过构造预先知道的数据，并且该部分特别用来评估所述信道。基于所述训练部分，所述信道评估器10级利用已知指定的算法评估无线条件。

基于所述被评估的信道，在数据检测级，符号检测器20(其可以是各种结构：执行线性均衡，检测最大可能性，就后验最大值化意义而言执行检测，执行串行或并行干扰补偿等)基于对应于所述数据分组的未知部分的观测，来评估被编码和被传送的比特/符号，所述未知部分也就是位于所述训练序列之外的部分。应当注意到，所述检测操作通常后随去交织操作(去交织器(deinterlacer)30)，其用来反转交织，所述交织通常在传输中被引入以在所述解码器的操作上降低接收信号功率衰落的影响。

最后，在解码级，信道解码器40通过利用所述接收机已知的传输信号的结构，评估某些检测错误。

某种类型的符号解码器和信道解码器也可以具有关于其自身输出的可靠性的信息，在这种情况下所述输出通常称为软输出，而不是硬输出，所述硬输出是所述传输比特的评估而没有其可靠性。

当可用时，所述可靠性信息能够改进所述接收机的性能，但是额外的成本是复杂性，需要根据环境评估该复杂性。图1示出了所述接收机级之间的大小互换。

根据所述turbo接收机的原理，发现通过从所述接收机的输出引入反馈环路50，相当地改进了图1的接收机的性能。

图2和3分别示出了按照所述方法修改的硬输出和软输出的接收机的结构。所述已知接收机结构通常被称为“turbo接收机”，并且其部分来自布雷斯特(Brest)的ENST所执行的关于turbo检测和turbo均衡的一致称赞的工作。

添加所述反馈环路引起了所述符号检测器、信道解码器和信道评估器中的迭代操作。下面的描述主要涉及迭代信道评估器。

Turbo接收机如下操作。

最初，执行与图1的传统接收机相同的步骤：首先基于所述训练序列评估所述传播信道，检测所接收的符号(或者比特)，并解码所述信息比特。

其后，通过重新编码(信道重新编码器52)来重新使用所述解码器的输出，并向所述符号检测器20和信道评估器10提供所述被重新编码的数据。下面的描述只涉及包括所述信道评估器10的部分。

应当注意到，在所述重新编码器52和所述信道评估器10之间插入了交织器(interlacer)54以执行与由所述去交织器30所执行的操作相反的操作。

因此，所述信道评估器10除了具有所述训练序列外，还具有其它信息源。来自于所述信道52的重新编码器的被评估的比特被用作附加的训练比特，应当理解所述比特包括(少量的)错误或者噪声。

在所述级上不太复杂的附加操作显著地改进了所述接收机的性能，由此提高了服务质量，或者降低了所述发射机或接收机(基站或者移动台)所消耗的功率，因此改进了所述系统的链路预算。

在回忆了通常被用于turbo接收机的符号之后，下面描述所述附加操作。

为了描述本发明，采用了图4和5所示的标记，也就是y(n)表示所述接收信号，I₁表示对应于所述训练序列的比特的比特分组中的间隔，I₂表示I₁的补充的间隔，也就是包括未知比特的接收分组的部分。另外，假设所述序列对于属于所述间隔I₁的“n”完全已知并通过所述间隔I₂被评估，所述序列d(n)对应于被传输的数据，d(n)对应于其被评估的版本。最后将所述信道的脉冲响应的评估版本写为

迭代信道评估的传统策略[2，3]在于利用所有被评估的数据序列 $\{\hat{d}\left(n\right),n\∈I_1\∪I_2\},$ 来评估所述信道h。在数学关系中，能够用矢量标记将所述系统的观测等式写为：Y＝Dh+b。

利用图4的标记，Y表示这样的矢量：包括对应于所述整个比特分组(Y＝[y(0)...y(M-1)]^T，M是每分组的符号数)的接收信号的所有采样(所述观测)，D表示所述信道上传输的数据矩阵，h是所述信道的真实脉冲响应，并且b是噪声矢量。

因此，对指定的迭代，所述传统信道评估策略在于利用所述数据矩阵

和所述整个观测矢量Y的最新评估，来获得所述信道的评估

被广泛使用的上述(所谓“传统的”)参考方法的性能在不可超越的水平饱和，即使对于无限数量的操作也是如此。

然而，在本发明的情况下，如果按照所述信道评估器使用被评估的数据的方法，采取某些预防措施，则能够超越所述“障碍”。

这样，不使用所述接收信号的所有观测，也就是排除所述矢量Y的某些采样以执行信道评估。

为了找到被排除的部分，必须考虑所述符号检测器的输出和用于以单独方式评估的每个符号。

因此，为了检测参考号符号“n”，必须基于与所述参考号符号“n”无关的所有观测，事先评估所述信道。

相关性观测，也就是排除在所述观测矢量之外的观测，能够直接从观测等式的一维版本获得：

$\∀m\∈{[0,M-1]}_N,y\left(m\right)=\underset{i=0}{\overset{i=l-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(i\right)d(m-i)+b\left(m\right)$

这意味着对指定的“n”，所述符号“d(n)”关联于所述观测“y(n)，y(n+1)，...，y(n+l-1)”，其中的l是所述信道的脉冲响应的长度。

因此，建议从所述观测矢量中排除所述观测，该观测矢量用于之前刚被执行的信道评估。

应当注意到，去除相对于符号的信道评估的相关性是这样的步骤：其应用于任何类型的信道评估器(包括基于期望最大值化(EM)算法[6，7]的评估器)，并且尤其地应用于伪逆(pseudo-inverse)所述数据矩阵

的最普遍的评估器(下面在本发明的优选实现的情况下描述了该评估器)。

尤其地，在于去除所述相关性的所述操作，在某些情况下(最常见的情况)可以由下面的置换来数学地说明：

$Y\→Y-\left[\begin{array}{c}\underset{\‾}{0}\\ y\left(n\right)\\ .\\ .\\ .\\ y(n+l-1)\\ \underset{\‾}{0}\end{array}\right]$

以所述方式，在将被检测的符号和被用来执行所述检测的信道评估之间创建独立性的结果阻止了信道评估的错误部分的传播，所述创建独立性的结果在上述特殊情况中通过置换操作被实现，所述错误部分使得所述信道评估器下游的符号检测器的收敛过程“饱和”。

改进所述迭代turbo接收过程的收敛的一个解决方案特别在于执行上面建议的置换。

通过执行所建议的操作，在本说明书的实验部分(见下文)中说明，可以显著地改进所述turbo接收机的性能。然而，在创建独立性涉及上述置换的特殊情况中，执行所述操作的方式也是很重要的，因为这决定了该操作所造成的额外复杂性的程度。

下面的描述建议了良好的配置，其能使复杂性方面的额外成本十分合理。

能够用各种方式实现上述发明。为了描述本发明的特别有利的物理结构，下面描述了实际实现所述方法的特殊方式，建议所述物理结构的目的是在所述接收机的信道估计级获得较小的额外复杂性。

首先，当在信道评估期间进行消除时，针对“第P次”检测对符号“d(n)”进行检测，所述信号评估执行与符号“d(n)”相关的观测“y(.)”。

按照最通常但完全一般的方式，通过数据矩阵

的伪逆(pseudo-inversion)获得所述信道评估，所述数据矩阵

包括所述训练序列的符号和所评估的信息符号。这可如下写为：

$\underset{\‾}{\hat{h}}{\hat{D}}^{\#}\underset{\‾}{Y}={\left({\hat{D}}^H\hat{D}\right)}^{-1}{\hat{D}}^H\underset{\‾}{Y}$

指数H表示换位(transposition)和共轭(conj ugation)操作。所述指数#表示伪逆操作。为了检测所述符号“d(n)”，必须针对在当前不同的步骤中所考虑的每个“n”，从“Y”扣除相关于“d(n)”的部分。

应当注意到，所述评估被选符号d(n)的不同步骤能够在turbo评估环路的不同迭代被实现(例如连续符号d(n)能够在连续的迭代被评估)。

也应当注意到，对于每个不同的符号d(n)利用传播信道的不同评估，不同的符号d(n)的更新评估能够在所述turbo评估环路的相同迭代中被实现。

每分组(或每时隙或每帧)将被检测的符号的数量记为“N”，其中N也是上面介绍的符号中的间隔I2的大小，可以看到，必须执行“N”个

的伪逆从而获得尽量多的用于检测符号的信道评估

相当地降低所涉及的计算成本的思想在于按照下面的形式重写所述评估：

因此，为了获得所述信道评估，如下识别实际需要被计算的可变部分：

$\mathrm{\δ}\underset{\‾}{h_n}={\hat{D}}^H\left[\begin{array}{c}\underset{\‾}{0}\\ y\left(n\right)\\ .\\ .\\ .\\ y(n+l-1)\\ \underset{\‾}{0}\end{array}\right]$

可以观察到，不必要执行所述矩阵

的“N”个伪逆，并且对于每个符号“d(n)”，在用于解码所述符号的信道评估中更新矢量“δh”就足够了。概括地，对指定的迭代，所建议的算法能够以如下写出的方式来实现：

$\∀n\∈I_2,{\underset{\‾}{\overset{^}{h}}}_n^{\left(\mathrm{new}\right)}=\underset{\‾}{\overset{^}{h}}-{\left({\hat{D}}^H\hat{D}\right)}^{-1}\mathrm{\δ}{\underset{\‾}{h}}_n$

其中

是初始的信道评估，其与

都仅需要被计算一次，并且最后“δh _n”是针对每个符号“d(n)”需要被计算的可变部分。

在所述变形中，在所述turbo评估环路的相同迭代中，针对不同的参考号n计算了许多评估以便多次使用相同的矩阵

其中

是在前面的迭代被估计的数据d(n)的矩阵。

所述符号检测器20也在相同的环路迭代中执行许多计算，在于利用其各自的评估

计算不同的d(n)。

因此，所述符号检测器20在所述矩阵

中更新了d(n)的许多不同的值，由此更新所述矩阵

在接下来的迭代中多次重新使用所述矩阵，以在所述接下来的迭代中计算许多不同的

上面描述的发明可以结合不同的数据检测器(或者符号检测器)来使用。本发明的特殊有利的使用在于，将所建议的信道评估器关联到干扰补偿符号检测器，并且特别关联到目前已知的符号检测器。

上述两个部署(消除相关性和计算“δh _n”)涉及改善所述turbo评估器。所述部署能够被应用到任何迭代接收机，优选地具有相关性消除(dependency-eliminating)符号检测器。

应当注意到，可以与干扰补偿器(canceler)的使用无关地采用“δh _n”的计算(以低成本被实现)。

类似地，可以与上面建议的“δh _n”的计算无关地在消除相关性的情况下采用干扰补偿器。

然而，当关联地使用所有上面建议的部署时，将获得针对最小复杂性成本的最佳性能。

因此，建议针对符号检测使用干扰补偿检测器。

因此，建议将选择所建议的turbo评估技术关联于符号检测器，其目的是部分地或全部地补偿所述干扰，该干扰由多径信道引起或者(或包括)由出现其它用户所造成干扰而引起，所述多径信道造成的干扰也就是码片(chip)或者符号之间的干扰(码片间干扰(ICI，inter-chip interference)或者符号间干扰(ISI))，所述出现其它用户造成的干扰也就是多址干扰(MAI，multiple access interference)或者多用户干扰(MUI，multiuserinterference)。

下面描述了实际应用的不同的例子。

已经将所建议的思想应用到通用移动电信系统(UMTS)的时分双工(TDD)模式，其是TD-CDMA系统。所测试的服务的特征以及所考虑的系统如下：

-每秒12.2千比特(kbit/s)的服务；

-上行链路(移动台到基站)；

-每分组(或者时隙)符号数：2*122＝244正交相移键控(QPSK)符号，给定每时隙总共488比特；

-CDMA代码扩展因子：Q＝8；

-训练序列长度：512码片；

-信道编码：1/3比率的传统编码；

-每10毫秒(ms)帧一个分组；

-传播环境：国际电信联合会(ITU)“车载A”信道；和

-假设信道长度：57个码片；

所使用的符号检测器是[3]中描述的线性块均衡器，并且称为“迫零块线性联合检测器(Zero-forcing block linear joint detector)”(图中的ZF)和“最小均方错误块线性联合检测器(minimum mean square error blocklinear joint detector)”(图中的MMSE)；所述检测器是TDD标准所推荐的检测器。

参考图6，针对一个激活的用户每时隙执行相应的仿真，也就是12.5％的网络负荷(扩展因子8限制了激活用户的最大数目是8)。

图中的六条曲线说明了根据信噪比(Eb/No)的分组错误率(BLER：块错误率)。所述曲线主要示出了(从上到下)：

-无迭代的匹配滤波器(MF)的性能(连续线)；

-无迭代的MMSE块均衡器的性能(三个圆圈表示三个测量点)；

-利用所述传统信道评估策略的、具有四个迭代(标为“conventiaonal”的连续线)的匹配滤波器MF的性能；

-具有四个迭代的MMSE块均衡器的性能(三个圆圈表示三个测量点)；

-利用所建议的信道评估策略、具有四个迭代(标记为“invention：real”的连续线)的匹配滤波器MF的性能；和

-具有四个迭代的匹配滤波器MF的性能(标记为“invention：ideal”的虚线)，其在理想情况时可能向所述信道评估器提供正确的数据(无错误)。

在图6中，能够看到，与传统的turbo评估器(“conventional”)相比，本发明在信噪比中提供了0.5dB到0.6dB的增益。

考虑到更通常的环境，其中的网络具有50％的负荷，也就是每时隙4个激活用户，所述增益提高了大约2dB(图7)，并且这构成了相当大的增益。

接下来是关于所述条件的另一些细节，在所述条件下执行相应于图7的仿真。给定网络负荷，由于在所述环境下多址干扰相当大，因此不再假设所述滤波器是匹配的。例如仅考虑迫零(ZF)和MMSE检测器。在所述图中所观察的重要比较是从顶部起第三条曲线(传统信道评估策略)和从顶部起第五条曲线(建议的策略)之间的比较。这里示出了上面提及的2dB增益。

[1]M.Sandell et al.，“Iterative  channel estimation using soft decisionfeedback”，Proc.Blobecom’98，pp.3728-3733，December 1998.

[2]P.Strauch et al.，“Iterative channel estimation for EGPRS”，Proc.IEEEVTC’2000 Fall，pp.2271-2277，September 2000.

[3]A.Klein，G.Kalen，P.Baierm，“Zero forcing and minimummean-square-error equalization for mnltiuser detection in CDMAchannels”，IEEETransactions on Vehicular Technology，May 1996。

Claims (10)

1.具有数据传输信道的turbo评估的接收机，该接收机包括至少信道评估器(10)、符号检测器(20)以及到所述信道评估器(10)的反馈环路(50)，所述反馈环路用于返回所述符号检测器(20)在前面的迭代所评估的传输数据，所述接收机的特征在于，所述信道评估器(10)和所述符号检测器(20)被用来执行一系列的操作，每个操作导致提供了对至少一个传输数据的评估，所述信道评估器(10)被用来消除一组接收数据中的与将被评估的传输数据相关的部分，并基于消除了所述与将被评估的传输数据相关的部分的接收数据并且根据在turbo评估的在先迭代所评估的传输数据，提供对消除了相关性的传播信道本身的确定，所述符号检测器(20)通过基于所述传播信道评估所述传输数据，继续所述操作。

2.根据权利要求1的接收机，其特征在于，基于消除了所述与将被评估的传输数据相关的部分的接收数据，并基于在turbo评估的在先迭代所评估的并且通过所述反馈环路被供给所述信道评估器(10)的所述传输数据，所述信道评估器(10)被用来确定消除了相关性的传播信道(10)。

3.根据权利要求2的接收机，其特征在于，为了建立所述传播信道

的不同的评估，所述信道评估器(10)使用相同的矢量并从所述相同的矢量扣除每次特定的矢量

其中，

是在turbo评估的在先迭代所评估的传输数据的矩阵的转置，

是在在先迭代被估计的数据d(n)的矩阵，“δh _n”是针对每个符号d(n)需要计算的可变部分，

所述每次特定的矢量主要由相关于将被评估的数据的接收数据构成，所述传播信道每个特别对应于不同的传输数据的评估。

4.根据权利要求3的接收机，其特征在于，所述信道评估器(10)被用来以在常数矩阵

和由于相关于d(n)而被排除的数据矢量δh _n之间的乘积的形式，计算在所述传播信道计算中将被扣除的每个特定矢量，其中，

是在turbo评估的在先迭代所评估的传输数据的矩阵的转置，

是在在先迭代被估计的数据d(n)的矩阵，“δh _n”是针对每个符号d(n)需要计算的可变部分。

5.根据前面权利要求的任何一个的接收机，其特征在于，所述信道评估器(10)针对将被评估的不同的传输符号d(n)，来使用以下形式的消除了相关性的信道评估

的计算：

${\underset{\‾}{\overset{^}{h}}}_n=\underset{\‾}{\overset{^}{h}}-A\·\mathrm{\δ}{\underset{\‾}{h}}_n$

其中，

是将被评估的符号d(n)的每一个的同样的矢量，A是用于将被评估的不同符号d(n)的同样的矩阵，并且δh _n是主要由数据构成的矢量，所述数据由所述接收机接收并相关于将被评估的传输符号d(n)。

6.根据权利要求5的接收机，其特征在于：

$\mathrm{\δ}\underset{\‾}{h_n}={\hat{D}}^H\left[\begin{array}{c}\underset{\‾}{0}\\ y\left(n\right)\\ .\\ .\\ .\\ y(n+l-1)\\ \underset{\‾}{0}\end{array}\right]$

其中，y是由所述接收机接收的数据，y(n)是接收信号，

是在turbo评估的在先迭代所评估的传输数据的矩阵

的转置，并且认为所述传播信道是线性变换的，“l”是所述线性变换的长度并且还对应于所述传播信道的长度。

7.根据权利要求1的接收机，其特征在于，所述符号检测器(20)是干扰补偿检测器。

8.根据权利要求7的接收机，其特征在于，所述干扰补偿符号检测器(20)被用来降低由多径信道所造成的干扰。

9.根据权利要求7或8的接收机，其特征在于，所述干扰补偿符号检测器(20)被用来降低由其它用户所造成的干扰。

10.一种处理接收数据的方法，该方法是数据传输信道turbo评估类型的，在该方法中，至少使用了信道评估器(10)、符号检测器(20)以及到所述信道评估器(10)的反馈环路(50)，所述反馈环路用于返回由所述符号检测器(20)在先前的迭代所评估的传输数据，所述方法的特征在于，实现了一系列的操作，每个操作导致提供了对至少一个传输数据的评估，在所述操作中，消除一组接收数据中与将被评估的传输数据相关的部分，并基于消除了所述与将被评估的传输数据相关的部分的接收数据并且根据在turbo评估的在先迭代所评估的传输数据，在所述信道评估器(10)提供对消除了相关性的传播信道本身的确定，然后所述符号检测器(20)通过基于所述传播信道评估所述传输数据，继续所述操作。

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