CN101069346A - 接收cdma信号的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种混合接收机(606)和一种相关的方法，其用于接收在传输信道中易遭受失真的承载发射数据的无线电信号。所述接收机包括进行并行干扰消除(PIC)来建立对发射数据的连续的更精确估计的多个级，所述多个级包括接收机第一级(611)、第二级(620)以及优选地第三级，所述第一级是RAKE接收机或者是线性最小均方误差(LMMSE)接收机，所述第二级(620)包括LMMSE(626)，所述第三级(630)也包括LMMSE(636)。每个级处理由在其之前的级提供的发射信号的估计来尽可能多地减少或消除传输信道干扰，并通过后续级证明用于处理的精确估计。还通过以类似的方式处理导频信号来实现改进的信道估计。

Description

接收CDMA信号的方法和装置

技术领域

本发明通常涉及无线电话，并更具体涉及一种接收和处理遭受传输信道失真的无线电信号的方法和装置。

背景技术

无线电话，通常称作手机(或“蜂窝电话”)，在最近几年已经普及开来。以前是用于富人群体或者有理由使用其的与之相关的高消费专门行业的人，现在无线电话被这个国家和世界上的许多其它地区的大多数人口使用。技术上的重大飞跃已经对这种进展作出了突出的贡献。这些发展不仅使得无线电话业务可以以合理的价格提供给许多用户，而且它们还允许提供该业务的通信网络的容量大量增加。

之所以称作蜂窝电话，是因为其被设计在蜂窝网络内工作。这种网络具有将呼叫交换和路由到正使用便携无线电设备的网络用户并交换和路由来自这些网络用户的呼叫的基础结构。然而，不是具有一个或两个天线来处理所有的这种无线电业务，而是将蜂窝网络分成许多更小的区域或“小区”，每一个具有其自己的天线。蜂窝无线系统具有优于中央天线系统的若干优点。由于这些小区比中央天线所覆盖的大的地理区域小得多，所以发射机不需要同样多的功率。这在发射机被安装在诸如手机之类的小型设备中的情况下尤其重要。此外，使用低功率发射机意味着，虽然它们工作在任意一个小区中的数量仍然有限，但是这种小区小得足以使得很多小区工作在大城市规模的区域内。移动台不使用足够的功率进行发射，以免干扰在其它小区或在至少那些不毗连的小区内工作的其它移动台。在一些网络中，这使得频率能够重复使用，即在不相邻的小区内可以没有干扰地同时使用相同的通信频率。这允许增加更大量的网络用户。在其它系统中，可以类似的方式重新使用用于保密或信号处理的代码。

在这一点上，还应当指出，由于用于无线电话的术语，例如“手机(蜂窝电话)”和“移动电话”经常可以互换来使用，所以在此它们被同等对待。然而，两者都是更大设备族的子组，更大的设备族还包括例如也能够在无线电网络中进行无线电通信的某些计算机和个人数字助理(PDA)。为了方便起见，这种设备族被称作“移动台”(而不管特定设备在正常工作时实际上是否移动)。

除了蜂窝结构本身之外，还可以使用某些多址方案来增加在给定区域可以同时工作的移动台的数量。在频分多址(FDMA)中，可用传输带宽被分成大量信道，每个信道由不同的呼叫者使用(或用于不同的非业务)。然而，FDMA的缺点在于用于业务的每个频率信道在每次呼叫的持续时间被捕捉，并且不能用于其它呼叫。时分多址(TDMA)通过将每个频率信道分成时隙而对FDMA方案进行改进。任意的给定的呼叫被分配一个或多个时隙来发送信息。因此每个频率信道可以用于不只一个语音呼叫。虽然信道不是连续专用于它们的，但是所产生的不连续对用户来说通常是感觉不到的。当然，对于数据传输来说，不连续通常并不是一个因素。

码分多址(CDMA)工作有些不同。不是将可用传输带宽分成单个的信道，而是在频带上对单个传输进行扩展和编码。通过以不同的方式来编码每个传输，每个接收机(即移动台)仅仅解码传输给自己的信息，而忽略其它传输。因此，可以工作在给定区域的移动台的数量受到可用编码序列的数量的限制，而不是受到频带的数量的限制。CDMA网络的工作通常是根据称作IS-95(临时标准-95)的协议来执行的，或在将来是根据例如那些有时称作1xEV-DO和1xEV-DV的第三代(3G)后续协议来执行的，后者提供了数据和语音信息的传输。

图1是说明可以按照CDMA标准工作的典型蜂窝网络100的配置的简化框图。如前面所述，由这种网络(图1中没有示出)覆盖的整个地理区域被分成多个小区，例如图1中用虚线所描绘的小区10到15。虽然只显示了6个小区，但是通常存在大量的小区。在所示的实施例中，每个小区将其与基站收发信台(BTS)相关，例如用于在小区10中分别通过射频(RF)链路35、36和37发射消息到移动台(MS)并从MS接收消息的BTS 20，在此MS为MS 31、MS 32和MS 33。移动台MS 31到MS 33通常(虽然不是必须)是移动的，并且自由移进和移出小区10。所以，仅仅在需要通信的地方才建立无线电链路35-37。当不再存在对于特定无线电链路的需要时，相关的无线电信道被释放，以用于其它通信。(然而，某些信道专用于信标传输，因而连续使用。)分别位于小区11到小区15的BTS 21到BTS 25被同样地配置来与它们所覆盖小区内的移动台进行无线电联络。

BTS 20、BTS 21和BTS 22在基站控制器(BSC)26的指导下进行工作，该基站控制器还管理与网络100的其它部分的通信。类似地，BTS 23、BTS 24和BTS 25由BSC 27来控制。在图1的网络100中，BSC 26和27直接连接，因此可以相互直接通信和交换呼叫。然而并不是网络100中的所有BSC都是如此连接的，因此，它们必须通过中央交换机进行通信。为此，BSC 20与移动交换中心MSC 29进行通信。MSC 29用来通过将通信业务发送到与其进行通信的其它BSC或网络100的其它的BSC(没有示出)来遍及网络100路由通信业务。在合适的地方，MSC 29还可以具有将业务路由到其它网络如分组数据网络50的能力。

分组数据网络50可以是因特网、企业内部网、局域网(LAN)、或任何多种其它通过分组交换协议传送数据的通信网络。可是，从一个网络传递到另一个网络的数据一般不必通过某一类型的网关49，该网关不仅提供连接，而且将数据从一种格式转换成合适的另一种格式。注意，分组数据网络50一般被连接到MSC 29，如在此所示的那样，以用于低数据速率的应用。在需要更高数据速率的情况下，例如在1xEV-DO或1xEV-DV网络中，分组数据网络50被直接连接到BSC(26、27)，在这种网络中，分组数据网络50能够处理分组数据。

然而，在无线电链路上承载到大量移动台的语音和数据的网络必须使用通过使用高波特率和高阶(例如16-QAM)调制方案产生的高比特率。在这些条件下，由多径和多用户干扰产生的失真被恶化。当前正在使用多种技术来减少这些类型的干扰。然而，既使应用现有的校正措施，这种失真也会达到系统不能满足其服务质量(QoS)要求的水平，尤其是在高比特率应用中。因此，需要一种即使在1xEV-DO和1xEV-DV网络所需的高比特率环境中也能够更精确地复制发射的CDMA信号的无线电接收机。本发明正好提供了这样一种解决方案。

发明内容

一方面，本发明是一种用于接收和处理通过电信网络发射的射频信号的改进的接收机，该接收机包括并行干扰消除器(PIC)，其具有用来减少在所接收信号中出现的任何传输信道干扰的第一级，并具有用来接收第一级的处理结果并减少多用户干扰以产生对所发射信号的进一步精确的估计的第二级，该第二级具有线性最小均方误差(LMMSE)码片均衡器。所述接收机还包括用来接收第二级的结果并进一步以类似的方式对其进行处理的第三级。还可以存在附加的级来进一步精确对接收信号的估计。接收机的第一级可以包括LMMSE或RAKE接收机。在本发明的各种实施例中，第二和第三(和任何后续的级)可以被连接来接收除了紧接前一级的输出之外被提供给第一级的接收信号。接收该附加输入的级可以利用该附加输入来改进信道的估计。

另一方面，本发明是一种处理接收的CDMA信号的方法，该方法包括下列步骤：接收CDMA发射，在第一级估计所接收的信号，将第一级输出与原始信号组合提供给第二级并行干扰消除器(PIC)，第二级PIC包括LMMSE，并提供对接收信号的精确估计，将第一级输出与原始信号组合提供给第二级并行干扰消除器(PIC)，提供对接收信号的精确估计以作为第三级的输出，并将该输出提供给用来基于精确信号检测原始发射的检测器。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优点，在下面的详细描述中将参考附图：

图1是说明典型CDMA电信网络的所选部件的关系的功能框图，所述CDMA电信网络例如是可能有利地采用本发明的混合接收机的电信网络。

图2是说明在图1的网络中发射和接收通信信号的示例性处理过程的功能框图。

图3是说明典型RAKE接收机的所选部件的功能框图，所述RAKE接收机例如是可能有利地应用在本发明的混合接收机中的接收机。

图4是说明典型并行干扰消除器(PIC)的所选部件的功能框图，所述并行干扰消除器(PIC)例如是可以被有利地修改来利用本发明的混合接收机的并行干扰消除器(PIC)。

图5是说明混合无线电接收机的所选部件的功能框图，所述混合无线电接收机例如是可以被有利地修改来利用本发明的混合接收机的混合无线电接收机。

图6是说明根据本发明台的另一个实施例的混合无线电接收机的所选部件的功能框图。

图7是说明根据本发明另一个实施例的混合无线电接收机的所选部件的功能框图。

图8是说明根据本发明实施例的接收和处理无线电信号的方法的流程图。

具体实施方式

在此所讨论的图1到8和用来描述本发明的各种实施例仅仅作为说明而已，不应当被解释成限制本发明的范围。本领域普通技术人员将理解到，除了在此所具体讨论的实施例之外，本发明的原理可以任何类似的无线电通信设备来实现。

本发明给出了一种无线电接收机的创新的混合设计，并且尤其是那些采用并行干扰消除器(PIC)的无线电接收机，例如那些用于码分多址(CDMA)电信系统的无线电接收机，其能更精确地再生发射的信号而不管某些类型的失真的出现。在图2的框图中主要说明了该信号的发射和接收。由向量u表示的编码数据比特在调制器205中被调制。然后，所产生的信号d在扩展器210中在发射频谱上进行扩展。在加法器210中加上导频信号(1+j0)，并将结果提供给乘法器220，在此，其与伪随机噪声(PN)代码相乘来建立由向量x表示的多码扩展序列。抽样电路225以每码片Ns个抽样的速率对信号x进行上抽样并提供给发射滤波器230，以在信道235上进行发射。

在接收滤波器240接收所发射的信号。然后在抽样电路245中下抽样包括可归因于接收机的加性高斯白噪声(AWGN)z的接收信号，从而产生信号y作为输出。如果分别将发射滤波器的效果表示为矩阵T，接收机滤波器表示为R，以及信道表示为C，并分别将上抽样和下抽样(以每码片Ns个抽样)的效果表示为U和D，那么(下抽样的和)所接收的信号y可以表示为

                y＝Hx+v                              (1)

其中H＝DRCTU，v＝DRz。

如前面提到的那样，CDMA网络常遭受影响无线电传输的质量和可靠性的各种失真。一种这样的失真被称为“多径干扰”。在网络100内的区域(图1所示)通常不可能没有障碍物，并且会受到高楼、工厂和其它结构(或环境现象)的密集填充，这些会使得无线电信号被反射或衍射，从而导致相同发射的信号可被分成分离的信号，这些分离的信号取道不同路径从发射机到达接收机。这些路径可能在长度上有变化，这就意味着传播时间也变化，从而导致相同的发射以若干不同的时间到达接收机。相反，事实上为了利用多径现象，CDMA设备通常使用RAKE接收机。

图3是说明典型RAKE接收机300的所选元件的简化框图。RAKE接收机的基本原理涉及选择有限数量的发射信号的各个版本，每个后续的版本是与第一版本相同的发射信号的延时载波。在版本之间的延时是信号从发射机行进到接收机采取多个不同路径的结果。每个所选的版本被提供给不同的RAKE“手指(finger)”。图3的RAKE 300具有三个手指310、320和330，这意味着它将处理包含相同发射信息但在时间上由于采用不同的路径到达接收机而被分离的三个接收信号。使用延迟估计器305来确定选择用来通过每个手指分析的不同路径。典型地，将选择三个(或者更多)最强的版本，而简单地忽略其它的版本。

RAKE接收机300的每个手指(310、320、330)具有接收的CDMA信号，并且还具有来自延迟估计器305的包含多径信息的输入。时间对准器(311、321、331)及时对准每个信号，从而补偿多径延时。每个手指包括匹配滤波器(315、325、335)，其应用用户的扩展码或特征序列来解扩它们的接收信号，以及信道估计器(313、323、333)，用来基于已知的导频信号建立信道信息。然后在信道补偿器(317、327、337)中使用该信道信息来消除信道影响。

因此，RAKE接收机的每个手指试图从一个路径中为给定的一个或多个用户提取发射信号d。在已经进行时间对准之后，从每个手指恢复的信号被提供给组合器350，在此它们被组合成一个展示了上述分集增益的输出信号，然后其被提供给判决装置355。

除了多径失真之外，CDMA接收机还必须减小在大量用户使用相同扩频频道进行发射时引入的多用户(或多址)干扰的影响。这种干扰通常通过使用称作并行干扰消除(PIC-执行该技术的电路有时被称作“PIC”)的技术来解决。对于每个用户来说，典型的PIC包括多个级，例如三级，每个级包括类似于图3所述的RAKE接收机300的RAKE接收机。图4是说明实施PIC的示例性接收机400的所选部件的功能框图。

参考图4，接收机400包括RAKE接收机来作为第一级40，该RAKE接收机如上所述那样处理输入信号y，并输出估计的编码比特

和/或符号

。估计的数据

被提供给第二级420。接收机400的第二级420是第一PIC，其接着如下面那样工作来精确该估计。设置j＝1，然后基于前一级的判决使用 ${\hat{x}}_{k\≠j}$ 来表示系统(包括导频)的所有激活扩展码的整个发射帧的重构码片信号(除了第j个扩展码之外)。通过第j个扩展码“看到”的多用户干扰为 $H{\hat{x}}_{k\≠j},$ 其中H被定义在整个帧上。然后第二级420的PIC从所接收的码片向量y中减去该干扰以产生(理想地)第j个扩展码的无干扰的信号。然后将可以表示为 $y-H{\hat{x}}_{k\≠j}$ 的该信号传递通过包括在第二级420中作为其一部分的RAKE接收机425，以便为下一级产生第j个代码的符号估计。自然地，上述过程关于每个j＝2、3、...K进行重复，其中K是激活扩展码的数量(用户可以具有指定的一个或多个代码)。所有用户的符号估计和比特估计分别表示成

并被传递到接收机400的第三级430。

第三级430也是一个包括RAKE接收机435的PIC，并执行类似于参考第二级420(的第一PIC)在上面描述的操作，但使用其输入

来产生进一步精确的数据估计 比特或符号估计 可以被提供给解码器(没有示出)，或可以在一个或多个附加的PIC级(也没有示出)中进行进一步的精确。

另一种用来从接收信号y中减小干扰影响的方法采用了线性最小均方误差(LMMSE)接收机来代替一个或两个RAKE接收机425或435(参见图4)。当在此使用时，LMMSE接收机是由一组匹配滤波器跟随的LMMSE码片均衡器滤波器，其又被判决装置跟随。LMMSE码片均衡器滤波器在其输出和发射码片序列之间寻找最小的均方误差，在此称作x_n，其中n是码片时间索引。以块格式重写等式(1)，其中y’＝[y_n+F，y_n+F-1，...，y_n]^T，F+1为滤波器抽头，那么H′就是(F+1)x(F+1+L)大小的Sylvester矩阵，如下给出：

其中(h₀，h₁，...，h_L)^T是(整体响应向量并包含其大部分能量的)截短(L+1)脉冲响应向量。那么，如果x′＝(x_n+F，x_n+F-1，...x_n，...，x_n-L)，并且v′＝(v_n+F，v_n+F-1，...，v_n)^T，则：

                 y′＝H′x′+v′                       (3)

因此，LMMSE码片均衡器w^*如下给出：

$w^{*}=\arg \underset{w}{\min }E\left\{{\left|\right|w^H{y}^{\′}-x_n\left|\right|}^2\right\}={({\mathrm{HH}}^H+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_x^2}{R}_{\mathrm{vv}})}^{-1}{\stackrel{\‾}{h}}_F---\left(4\right)$

其中 h_F是H′的从0开始数的第F列，并假设发射的信号独立于加性噪声，并且 $R_{\mathrm{xx}}={\mathrm{\σ}}_x^{2}I$ (一般来说， h_F可以是H′的任意一列，根据哪一列在给定的应用中产生最佳性能来做出选择)。注意，等式(4)中描述的LMMSE码片均衡器(滤波器)是用于示例而不是限制，如下面所述的那样，其它的方法也是与本发明的实施兼容的。

作为一个可选的设计，图5是说明接收机500的所选部件的功能框图，在该接收机中，在第一级511实施LMMSE接收机来代替图4所示的RAKE接收机410。在该实施例中，第二级520和第三级530基本上与图4所示接收机的第二级420和第三级430相同。

在这一点上，应该注意在说明图4-7的接收机时，类似的部件使用类似但不同的参考标记。然而，还应该注意，虽然每级的输入和输出为了简明起见被同样设计，但是在所示的不同实施例中，它们可以(并很可能)具有不同的值，即使具有相同的原始输入y时也是如此。最后，注意，在每个图中，虽然显示了三级并行干扰消除，但是可以有任意数量的级，其中至少需要两级来实施本发明，并且优选地至少为三级。

图6是说明接收机600的所选部件的功能框图，其中，在本发明的该实施例中仍然在第一级611中实施LMMSE接收机。然而，在第二级620，为了产生输出

LMMSE接收机626处理第二级620的PIC的输出。在图6的实施例中，产生输出

的第三级630同样包含LMMSE接收机636(但是不必同样构造第二和第三级，也不必将级数限制为三)。

图7是说明根据本发明另一个实施例的接收机700的所选部件的功能框图。在该实施例中，第二级720和第三级730包括用来产生各自输出

和

的LMMSE 726和LMMSE 736。然而，与图6的实施例不同，该实施例在其第一级710实施RAKE接收机。

在本发明的特别有利实施例中，包括PIC接收机的级能够以对用户符号所使用的类似方式对导频信道(或多个信道)应用并行干扰消除。该替换方式明显改善了信道估计。

图8是说明根据本发明实施例的接收无线电信号的方法800的流程图。首先(开始)，假设图6的接收机正在被使用；然而，根据该公开和附图，本发明的各种其它实施例的操作应当是明显的。该方法在接收机的接收滤波器(图6中没有示出)接收无线电信号时开始，然后下抽样(没有示出的步骤)，从而产生由向量y表示的信号。然后在接收机的第一级接收下抽样的信号(步骤805)，在此使用LMMSE码片均衡器(滤波器)对其进行滤波来试图最小化在所发射码片信号和所接收LMMSE滤波信号之间的均方误差(步骤810)。可选地，在第一级可以使用RAKE接收机(参见图7)来减小多径信号失真的影响(没有示出的步骤)。然后在PIC第二级接收第一级的输出

(参见图6)和下抽样的信号y(步骤815)。

在PIC第二级，识别多用户干扰，并从该信号中将其减去(步骤820)，并将结果提供给包含在PIC第二级内的LMMSE接收机(步骤825)，并进行处理来产生输出

(步骤830)。然后，在PIC第三级接收该输出，在该级也具有下抽样信号y(步骤845)。在此，如在PIC第二级中一样，识别多用户干扰并从该信号中将其减去(步骤850)，并将结果提供给包含在PIC第三级内的LMMSE(步骤855)。然后，第三级LMMSE处理该信号来产生输出

(步骤860)。然后，将该输出提供给解码器，或者，如果存在的话，提供给后续的一个或多个PIC级(没有示出的步骤)。

本发明的LMMSE、PIC和混合接收机的操作在题目为“Linear MMSEChip Equalization and Parallel Interference Cancellation asApplied to 1xEV-DV”的论文中进行了深入描述(至今没有公开)，该论文作为对前面公开的附件而被包括，并在此引入作为参考。

优选描述是实施本发明的优选例子，并且本发明的范围不应该受该说明书的限制。相反，本发明的范围通过下面的权利要求书来限定。

Claims (13)

1、在用于无线电通信网络的无线电接收机中，一种用来接收发射的无线电信号的改进的接收机，所述信号遭受失真，所述接收机包括：

第一级，用于接收所述无线电发射的指示并对其进行处理以试图减小该失真，并产生所发射无线电信号的估计作为输出；

第二级，用于接收第一级的输出并对其进行处理以进一步精确所述估计；和

第三级，用于接收第二级的输出并对其进行处理以进一步精确所述估计；和

其中，所述第二级和第三级形成并行干扰消除器(PIC)，以及其中第一级之后的至少一级包括线性最小均方误差(LMMSE)接收机。

2、如权利要求1所述的接收机，其中所述接收机可以根据码分多址(CDMA)标准进行工作。

3、如权利要求1所述的接收机，其中第一级包括RAKE接收机。

4、如权利要求1所述的接收机，其中第一级包括LMMSE接收机。

5、如权利要求1所述的接收机，进一步包括在第三级之后的至少一个附加级，用于接收在它之前的级的输出，并对其进行处理以进一步精确所述估计。

6、如权利要求1所述的接收机，其中所述接收机还接收导频信号，并且其中第二级还产生所述导频信号的精确估计。

7、如权利要求6所述的接收机，其中在第一级之后的多个级的每一个还接收导频信号，并产生导频信号的进一步精确估计。

8、一种用于处理接收的无线电信号的方法，所述无线电信号承载了发射的数据并容易遭受失真，所述方法包括下列步骤：

在接收机的第一级接收所接收无线电信号的指示；

处理所述信号以试图除去至少部分失真以产生对发射数据的估计来作为输出；

在接收机的第二级接收第一级的输出以作为输入；

处理在第二级接收的输入以减小信号失真，如果存在信号失真的话，并将该结果提供作为输出；

在接收机的第三级接收第二级的输出作为输入；和

处理在第三级接收的输入以减小信号失真，如果存在信号失真的话，并将该结果提供作为输出；

其中所述第二和第三级执行并行干扰消除；和

其中在第一级之后的至少一级包括线性最小均方误差(LMMSE)接收机，用于处理在提供其作为输出之前的至少一级的结果。

9、如权利要求8所述的方法，其中所述接收机能够根据码分多址(CDMA)标准进行工作。

10、如权利要求8所述的方法，其中所述第一级包括RAKE接收机。

11、如权利要求8所述的方法，其中所述第一级包括LMMSE接收机。

12、如权利要求8所述的方法，其中所述发射的无线电信号包括导频信号，还包括产生对导频信号的估计的步骤。

13、如权利要求8所述的方法，其中将所述导频信号提供给多个级以产生进一步精确的导频信号估计。

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