CN101277466B

CN101277466B - 自适应选择Grake抽头数的接收机及其接收信号检测方法

Info

Publication number: CN101277466B
Application number: CN2007100866165A
Authority: CN
Inventors: 王方刚; 吴欣丽; 肖琨; 王文博
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2027-03-26
Also published as: CN101277466A

Abstract

一种自适应选择Grake抽头数的接收机及其接收信号检测方法，该接收机包括依次相连的滤波模块、解扰解扩模块和Grake符号级检测模块，连接在滤波模块和Grake符号级检测模块之间的信道估计模块，以及连接在滤波模块和解扰解扩模块之间的自适应抽头选择模块。先在接收端建立信道环境、调制编码方案和信道质量参数区间的各种组合与应选择的接收机抽头数的关联关系；信号到达接收端时，接收端通过信道估计获得信道信息并识别出当前信道环境，结合当前传输数据选用的MCS和信道质量参数查找到应选择的接收机抽头数，然后利用获得的信道信息和确定的接收机抽头数，对接收数据进行检测。本发明在满足性能要求的前提下可降低检测的复杂度。

Description

自适应选择Grake抽头数的接收机及其接收信号检测方法

技术领域

本发明涉及通信系统的接收机技术领域，特别涉及在高速下行分组接入(HSDPA)系统的接收机及接收信号的检测方法。

背景技术

HSDPA是3GPP Release5提出的一种增强技术，其主要目标是获得更低的延迟，更高的系统吞吐容量和更有力的服务质量(QoS)保证。从技术角度来看，HSDPA主要是通过引入高速下行共享信道(HS-DSCH)增强空中接口，并在全球移动通信系统无线接入网(UTRAN)中增加相应的功能实体来完成。从底层来看，主要是引入自适应调制编码(AMC)和混合自动重传请求(HARQ)技术来增加数据吞吐量。从整体构架上来看，主要是增强基站(Node B)的处理功能，在NodeB的媒体访问控制(MAC)层中引入一个新的MAC-hs实体，专门完成高速下行共享信道(HS-DSCH)的相关参数和HARQ协议等相关处理，在高层和接口加入相关操作信令。

AMC的原理是在系统限制的范围内，根据信道质量情况的改变，调整调制与编码方式，信道质量状况由接收机的反馈而获得。在AMC系统中，基站给每个用户发送数据的调制和编码方式根据当前信道条件自适应改变。在误码率一定的条件下，高阶的调制编码方案(MCS)要求的信噪比也很高，一般处于基站附近的用户信道条件较好，会被赋予更高的调制方式和编码速率；随着用户离基站距离增加信道条件恶化，信噪比会逐渐降低，为达到相同的误码率或者QoS保证，调制方式和编码速率都应适当降低。

现有AMC实现流程如下：

1.发射端根据接收到的信道质量指示(CQI)反馈，基站存储MCS选择表，表中包含各种MCS的切换点信息，根据各种MCS的切换点和基站接收到的CQI反馈，在发射端进行MCS选择，确定当前传输所选择的MCS；

2.发射端根据当前选用的MCS进行编码调制，以及扩频，加扰和发送滤波；

3.信号到达接收端，首先通过信道估计获得信道信息，接收端通过控制信道获得当前传输数据选用的MCS和信号的接收信噪比；

4.利用3中信道估计获得的信道信息对接收数据进行检测，并根据当前的MCS进行解调和译码，从而得到发送信息；

5.利用接收信噪比和信道估计得到的信道信息计算接收端的后处理信噪比(post_SNR)，通过CQI形式反馈到发送端，选择将来传输时的MCS。

在多输入多输出(MIMO)理论中，多根发射和接收天线采用复用结构能够大幅度的提高系统的容量，3GPP Release7将MIMO技术加入到HSDPA系统，以进一步提升系统容量。对于复用结构的MIMO接收机检测通常采用最小均方误差(MMSE)准则，复杂度比较低。但是对于HSDPA系统，由于多径信道环境使得系统产生严重的码间干扰(ISI)，多码道复用又引入了严重的码间干扰(ICI)。现在常用的检测方法是对接收端滤波器输出的码片数据先进行解扩得到符号级数据，对解扩后的符号进行多天线检测。相对于传统的对码片级数据进行天线检测的做法，对符号级数据检测的复杂度要低很多，而且在复用码数不多的情况下有明显的分集增益优势。IEEEJournal on Selected Areas in Communications，VOL.18，NO.8，2000中名称为“A generalized RAKE receiver for interference suppression”的文章中公开的Grake接收机就是一种在符号级检测接收数据的接收机结构。

Grake接收机应用于HSDPA-MIMO系统中时系统结构如图1所示，在发射端首先根据反馈的CQI选择当前的MCS，进行编码调制，接下来进行扩频、加扰并经过发送滤波器发出多根天线信号。接收机是Grake符号级检测接收机的MMSE检测模型。检测的过程为接收滤波之后，进行信道估计，估计出来的信道用于后面进行检测处理，同时通过控制信道获得接收信噪比(Rx_SNR)，之后对接收数据解扰、解扩，Grake接收机的MMSE检测，通过估计的信道信息和接收信噪比计算后处理信噪比，通过量化的CQI反馈到基站端，来选择将来发送数据的MCS，最后通过解调，译码，得到输出数据。

和传统的Rake接收机比较而言，Grake接收机考虑到系统中存在的各种干扰，通过增加抽头个数和有效的设计各个抽头的加权系数，从而在检测过程中可以有效的抑制干扰。但从复杂度角度而言，Grake接收机通常会选取多于传统Rake接收机的抽头数量，从而导致了需要检测的数据量的增多，相对传统的Rake接收机增加了检测的复杂度。因此，需要在性能和复杂度之间做一个很好的平衡。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在高速下行分组接入系统中，提供一种自适应选择Grake抽头数的接收机及其接收方法，在满足性能要求的前提下可降低检测的复杂度。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高速下行分组接入系统中的接收信号检测方法，应用于Grake接收机系统，包括以下步骤：

(a)在接收端建立信道环境、调制编码方案和信道质量参数区间的各种组合与应选择的接收机抽头数的关联关系；

(b)信号到达接收端时，接收端通过信道估计获得信道信息并识别出当前的信道环境，结合从控制信道获得的当前传输数据选用的调制编码方案和信道质量参数，查找到应选择的接收机抽头数；

(c)接收端利用获得的信道信息和所确定的接收机抽头数，对接收数据进行检测。

进一步地，上述接收信号检测方法还可具有以下特点：步骤(a)进一步分为以下步骤：

(a1)将信道环境划分为几种，确定每一信道环境下Grake接收机系统的仿真参数；

(a2)在每一种信道环境，对任一可选的调制编码方案，按上述参数仿真出该调制编码方案和不同接收机抽头数组合下与信道质量参数相关的服务质量曲线，将用户规定的服务质量QoS记为q，记录服务质量为q时各个服务质量曲线对应的信道质量参数，即为信道质量切换点；

(a3)在每一种信道环境，对任一可选的调制编码方案，按以下方式确定信道质量参数区间与接收机抽头数的对应关系：劣于所有信道质量切换点处信道质量的信道质量参数区间对应于最大的接收机抽头数，优于所有信道质量切换点处信道质量的信道质量参数区间对应于最小的接收机抽头数，两个信道质量切换点之间的信道质量参数区间对应于信道质量较差的切换点对应的接收机抽头数；

(a4)按以上方式建立包含信道环境、调制编码方案和信道质量参数区间的各种组合与接收机抽头数关联关系的查找表并保存在接收端。

进一步地，上述接收信号检测方法还可具有以下特点：

所述信道质量参数为接收信噪比，所述服务质量是用误帧率或误码率来表示的。

进一步地，上述接收信号检测方法还可具有以下特点：步骤(a1)中，是将信道环境划分为：车载、步行、室内或室外。

进一步地，上述接收信号检测方法还可具有以下特点：

步骤(a2)中，仿真出该调制编码方案和不同接收机抽头数组合下的服务质量曲线是指仿真出该调制编码方案与所有可能的接收机抽头数的组合下的服务质量曲线；或者，是指仿真出该调制编码方案与部分可能的接收机抽头数的组合下的服务质量曲线。

进一步地，上述接收信号检测方法还可具有以下特点：

所述当前传输数据选用的调制编码方案是由以下方式确定的：接收端利用接收信噪比和信道估计得到的信道信息计算接收端的后处理信噪比，通过信道质量指示形式反馈到发射端；发射端根据接收到的信道质量指示反馈，以及基站存储的调制编码方案选择表中的各种调制编码方案的切换点信息，在发射端进行调制编码方案选择，确定当前传输所选择的调制编码方案。

进一步地，上述接收信号检测方法还可具有以下特点：所述高速下行分组接入系统是多输入多输出的高速下行分组接入系统。

本发明提供的一种高速下行分组接入系统的Grake接收机，包括依次相连的滤波模块、解扰解扩模块和Grake符号级检测模块，以及连接在所述滤波模块和Grake符号级检测模块之间的信道估计模块，其特点是：

还包括一自适应抽头选择模块，连接在所述滤波模块和解扰解扩模块之间，用于接收从所述信道估计模块输入的信道信息，识别出当前的信道环境，并从控制信道获得当前传输数据选用的调制编码方案和信道质量参数，根据预先保存的信道环境、调制编码方案和信道质量参数区间的各种组合与应选择的接收机抽头数的关联关系，查找到应选择的接收机抽头数，并输出到Grake符号级检测模块用于对接收数据的检测。

进一步地，上述Grake接收机还可具有以下特点：

所述Grake接收机使用的信道质量参数为接收信噪比，使用的表示服务质量的参数为误帧率或误码率。

进一步地，上述Grake接收机还可具有以下特点：所述高速下行分组接入系统是多输入多输出的高速下行分组接入系统。

因此，Grake接收机抽头数的增加可以提升系统性能，而不同的接收机抽头数会直接影响接收机的检测复杂度，本发明通过增加自适应模块，根据信道环境自适应选择抽头数，可以在性能损失不大的前提下，有效的降低检测复杂度。较佳用在多输入多输出的HSDPA系统中，也可以用在单天线HSDPA中。

附图说明

图1是现有HSDPA-MIMO使用Grake接收机的系统框图；

图2是本发明HSDPA-MIMO使用自适应抽头选择Grake接收机的系统框图；

图3是本发明实施例MCS切换门限选择曲线图；

图4A、图4B和图4C是本发明实施例PA信道抽头数门限选择的三个曲线图。

具体实施方式

由于Grake相对于原始的Rake接收机要增加抽头个数，这就意味着接收机复杂度的增加。本发明提出了一种自适应的接收机结构，可以根据当前Rx_SNR的变换来自适应调整接收机的抽头个数，以部分地降低接收机的复杂度。下面在采用了AMC技术的HSDPA-MIMO系统中加以说明这种接收机的具体做法。

图2所示是本发明实施例使用自适应抽头选择GRAKE接收机的HSDPA-MIMO系统框图，也包括依次相连的滤波模块、解扰解扩模块和Grake符号级检测模块，以及连接在所述滤波模块和Grake符号级检测模块之间的信道估计模块等。但相对于现有使用GRAKE接收机的系统，增加了自适应抽头选择模块(即图中的自适应模块2)，该模块连接在所述滤波模块和解扰解扩模块之间，用于接收从所述信道估计模块输入的信道信息，识别出当前的信道环境，并从控制信道获得当前传输数据选用的调制编码方案和信道质量参数，根据预先保存的信道环境、调制编码方案和信道质量参数区间的各种组合与应选择的接收机抽头数的关联关系，查找到应选择的接收机抽头数，并输出到Grake符号级检测模块用于对接收数据的检测。

下面介绍一下系统中两个自适应模块进行选择所需要查找的表。

查找表I(MCS选择表)：如图3所示，查找表I包含的信息即传统的AMC中需要的选择MCS的信噪比切换点。初始化的办法是，在加性白高斯噪声(AWGN)环境中仿真所有备选MCS的误帧率(PER)曲线，规定用户的QoS要求为p(例如10^-2)，误帧率为p的直线与所有PER曲线交点位置的信噪比即为表中的信噪比切换点。表I的用途是在AMC中根据后处理信噪比选择将来发送数据选择的MCS。

查找表II(抽头数选择表)：如图4A～4C所示，查找表II的初始办法是根据某种仿真信道环境，仿真所有MCS和不同接收机抽头数的所有组合的条件下系统的PER曲线。规定用户的QoS要求为q(例如10^-2)，误帧率为q的直线与每种MCS的所有抽头数对应的PER曲线交点位置的信噪比为信噪比切换点，分别初始化每种MCS的抽头数选择表，包括SNR区间及其对应的抽头数信息，该表的生成在下文中还将详细介绍。

假设信道径数为L，抽头数通常在L～2L-1之间选取。抽头数选择的方法是：

1)如果接收信噪比处于某一抽头数对应的SNR区间时，接收机选择该抽头数进行检测；

2)如果一张MCS抽头数选择表中切换点密集时，考虑到具体实现中切换点过于密集会导致频繁切换抽头数，不利于系统实现，可适当去掉某些过于密集的切换点，可以选择密集的切换点中对应的最少抽头数。如4、5、6、7抽头数对应的切换点密集时，可以只保留4抽头和7抽头的切换点。

查找表II的建立除了使用误帧率曲线外，也可以选择误码率曲线或者其它反映服务质量的性能参数。另外，表II是根据每种MCS确定的可靠性曲线，切换点必须对应各种MCS，所以MCS是必要的。而接收信噪比是反应当时信道条件的参数，如果接收端可以方便获得其他关于信道质量的参数，也可以用来选择具体抽头数。

注意，表I是利用后处理信噪比选择MCS，表I存储于基站端，表I初始化是在AWGN下仿真得到。

表II是利用接收信噪比选择接收机抽头数，表II存储于移动台端。表II是根据不同信道环境(例如，步行、车载、室内、室外等)确定若干信道类型，对于每种信道类型按照表II初始化办法制作针对每种信道类型的各种备选MCS抽头数选择表，存储于移动台端，移动台在接收基站发送数据时，先进行信道估计，根据信道估计得到参数(例如最大多径时延)区分各种信道环境，从而选择对应的抽头数选择表，根据当前的MCS和接收信噪比，从对应的表中选择当前应选择的抽头数，进行下一步检测。

本发明实施例使用自适应选择抽头数Grake接收机系统处理流程如下：

3.信号到达接收端，接收端首先通过信道估计获得信道信息，根据信道估计得到的信道信息选择该信道环境对应的抽头数选择表，然后通过控制信道获得当前传输数据选用的MCS和信号的接收信噪比，从对应的抽头数选择表中选择当前应选择的抽头数；

4.利用步骤3中信道估计获得的信道信息和所确定的接收机抽头数，对接收数据进行检测，并根据当前的MCS进行解调和译码，从而得到发送信息；

下面结合附图说明本发明的一个应用实例。该实例的系统如图2所示，为使用自适应抽头选择的GRAK接收机的HSDPA-MIMO系统，系统具体仿真参数如下表所示：

系统仿真参数表

参数项目	仿真参数
		系统带宽	5MHz
无线帧长度	10ms
		TTI长度	2ms
载波频率	2GHz
		占用时隙数	1
每时隙码片数	2560
		码片速率	3.84Mcp/s
扩频因子	16
		过采样率	4
信道估计	理想

同步	理想
		多天线信道	独立MIMO996信道
移动台速度	3km/h
		天线配置	2根发天线2根收天线

1)查找表I(MCS选择表)的生成：

首先我们要初始化表I内容，在AWGN信道环境下仿真各种MCS的PER曲线，我们定义备选MCS如下表所示：

查找表1MCS方式

MCS编号	调制方式	码率
			1	QPSK	1/2
2	QPSK	3/4
			3	16QAM	1/2

根据上述仿真参数，在AWGN信道下仿真了3种MCS的PER曲线，如图3所示。当规定PER不能高于10^-2时，得到备选MCS的选择门限。图3中，M表示调制时每个符号映射的比特数，M＝2即为QPSK，M＝4为16QAM。

在图中平行横轴的位置画出PER为10^-2的一条直线作为QoS门限值，这条直线与各种MCS的PER曲线相交，为了保证在当前的后处理信噪比条件下使用的MCS满足PER低于10^-2的条件，使用某种MCS的前提是当前后处理信噪比高于该MCS的PER曲线交点对应的信噪比，即当前的后处理信噪比位于交点的右侧，这样可以将横轴分成若干区间，所有交点对应的信噪比就是各种MCS之间的切换点，如表3所示，即自适应中需要的表IMCS选择表，如果备选MCS更多，可以进一步细分信噪比区间以提升系统容量。

表2MCS选择门限

SNR区间(dB)	选择的MCS
		(-∞，4.87)	1

[4.87，6.84)	2
		[6.84，∞)	3

2)查找表II(抽头数选择表)的生成：

下面以PA信道为例说明查找表II的生成方法。对于其他信道类型，方法完全相同。如果考虑具体应用，可能需要根据具体需求对信道分类，这里的步行、车载、室内、室外这些划分只是提供一个示例。

接下来对于PA信道仿真系统在各种MCS下，对于不同的接收机抽头数的误帧率曲线初始化表II，PA信道是一个4径信道，抽头数范围定义在4～7之间，这里我们简化仅选择抽头数为4和7的情况。即表II包含所有MCS的两种抽头数切换点。使用系统仿真参数表中的系统仿真参数在PA信道下仿真系统的PER曲线，当规定PER不能高于10^-2时，在图中平行横轴的位置画出PER为10^-2的一条直线作为QoS门限值，这条直线于各种MCS的两种抽头数PER曲线相交，由于接收端可以通过控制信道获得当前的MCS，为了保证在当前的MCS和接收信噪比条件下满足PER低于10^-2的条件，对于当前MCS使用某种抽头数的前提是当前接收信噪比高于该抽头数的PER曲线交点对应的信噪比，即当前的接收信噪比应位于交点的右侧，这样可以将横轴分成若干区间，所有交点对应的信噪比就是某种MCS不同抽头之间的切换点，得到根据接收信噪比选择接收机抽头数的切换点表如下表所示，即自适应中需要使用的抽头数选择表：

抽头数选择门限

其中信噪比区间与接收机抽头数的对应关系是按以下方式建立的：劣于所有信噪比切换点处信道质量的信噪比区间(即最小的信噪比切换点的左侧区间)对应于最大的接收机抽头数，优于所有信噪比切换点处信道质量的信噪比区间(即最大的信噪比切换点右侧区间)对应于最小的接收机抽头数，两个信噪比切换点之间的信噪比区间对应于信道质量较差(即信噪比较小)的切换点对应的接收机抽头数。

3)接收机自适应选择的做法：

接收端在接收检测过程中需要用到MCS选择表和抽头数选择表的信息。对应发明内容中所述各个步骤，假设信道估计为理想信道估计，即接收端完全已知当前信道条件，接收端通过控制信息得到当前使用MCS，对于当前的PA信道，在理想信道估计的前提下，确定抽头数为4和7，抽头的位置分别为[-2，0，2，3，6]和[-6，-3，-2，0，2，3，6](单位为子码片时延个数)。

根据控制信道获得接收信噪比，根据该接收信噪比所在区间从表4中确定当前应选择的抽头数，利用信道估计获得的信道信息和所确定的接收机抽头数对接收数据进行检测，再利用接收信噪比和当前的信道响应计算当前后处理信噪比，以CQI的形式反馈到基站，基站根据CQI反馈，从表3中选择接下来需要选用的MCS。

下面对自适应选择抽头数接收机的复杂度的进行分析。对于接收机的复杂度，当Grake接收机抽头数为4时，通过解相关得到4路数据，而当接收机抽头数为7时，需要解相关得到7路数据，这些数据进入检测模块，与检测矩阵相乘，而且计算检测矩阵时，需要求逆的矩阵的维数和解相关得到的数据量也是相关的，综合以上因素，比较抽头数为4和7时接收机的总复杂度如下表所示：

表3接收机复杂度

由上表所示，对于接收机总的复乘次数和接收机总的运算次数(FLOPS：总的实数加法次数与实数乘法次数的和)，7个抽头接收机的运算次数都几乎为4个抽头运算量的2倍，所以根据信道环境，在性能损失不大的前提下适当选择4个抽头，可以有效的降低复杂度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。例如，这种自适应选择抽头数的方法也可以用在单天线HSDPA中，方法是相同的。

Claims

1.一种高速下行分组接入系统中的接收信号检测方法，应用于Grake接收机系统，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的接收信号检测方法，其特征在于：步骤(a)进一步分为以下步骤：

(a2)在每一种信道环境，对任一可选的调制编码方案，按上述参数仿真出该调制编码方案和不同接收机抽头数组合下与信道质量参数相关的服务质量曲线，将用户规定的服务质量记为q，记录服务质量为q时各个服务质量曲线对应的信道质量参数，即为信道质量切换点；

3.如权利要求2所述的接收信号检测方法，其特征在于：所述信道质量参数为接收信噪比，所述服务质量是用误帧率或误码率来表示的。

4.如权利要求1所述的接收信号检测方法，其特征在于：所述信道质量参数为接收信噪比。

5.如权利要求2所述的接收信号检测方法，其特征在于：步骤(a1)中，是将信道环境划分为：车载、步行、室内或室外。

6.如权利要求2所述的接收信号检测方法，其特征在于：

步骤(a2)中，仿真出该调制编码方案和不同接收机抽头数组合下的服务质量曲线，是指仿真出该调制编码方案与所有可能的接收机抽头数的组合下的服务质量曲线；或者，是指仿真出该调制编码方案与部分可能的接收机抽头数的组合下的服务质量曲线。

7.如权利要求3或4所述的接收信号检测方法，其特征在于：

8.如权利要求1所述的接收信号检测方法，其特征在于：所述高速下行分组接入系统是多输入多输出的高速下行分组接入系统。

9.一种高速下行分组接入系统的Grake接收机，包括依次相连的滤波模块、解扰解扩模块和Grake符号级检测模块，以及连接在所述滤波模块和Grake符号级检测模块之间的信道估计模块，其特征在于：

10.如权利要求9所述的Grake接收机，其特征在于：

所述Grake接收机使用的信道质量参数为接收信噪比。

11.如权利要求9所述的Grake接收机，其特征在于：所述高速下行分组接入系统是多输入多输出的高速下行分组接入系统。