CN102067473B - 用于通信实体的相对运动的动态补偿的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种动态地补偿起源通信实体(EC1)相对于包括一组目的地天线(A21，…，A2M2)的目的地通信实体(EC2)的相对运动的方法，其中通过在当前时刻在所述起源天线和基准目的地天线(A2ref(n))之间的估计传播信道的时间反演来对由起源通信实体的起源天线传送的天线数据信号进行预均衡；并且其中所述方法包括如下迭代步骤：在目的地通信实体处估计(E4)当前焦点(FO(n))；估计(E5)当前焦点的运动
Figure DPA00001276977600011
以及为随后时刻选择(E6)意欲用于估计传播信道的基准目的地天线(A2ref(n+1))和意欲用于接收所述数据信号的目标目的地天线(A2tar(n+1))。

Description

用于通信实体的相对运动的动态补偿的方法
技术领域
本发明的领域是电信领域，并且更精确地，是通信实体之间的无线电通信技术的领域。
本发明更具体地涉及使用时间反演(reversal)技术来在包括至少一个传送天线和至少两个接收天线的两个通信实体之间传送信号。
背景技术
天线信号是通过通信实体的天线传送的无线电信号，并且经受作为在源天线的输出处定义的源点与在目的地通信实体的天线的输入处定义的目的地点之间的传播条件的函数的失真。为了限制这个失真，通过施加作为这两个天线之间的传播信道的特性的函数的预均衡系数来对天线信号进行预失真。因此，需要表征这个传播信道。
在现有的预均衡方法中，使用时间反演的方法由于其降低的复杂度、其高性能、和其用于将无线电波聚集到接收天线上的固有能力而引人注目。时间反演使得可能通过在时间和空间中聚集所接收的信号的能量来显著地减少传播信道的时间扩展效应(time dispersion)。
时间反演是用于聚集波(典型地为声波)的技术，其依赖于时间反演上的波动方程的不变性。这样，时间反演的波像在时间上向回行进的前向波一样地传播。从源点发射出的短脉冲在传播介质中传播。在由目的地点接收的这个波的一部分被在传播介质中送回之前，对它进行时间反演。送回的波朝它形成短脉冲的源点汇聚，并且该波的能量聚集在源点(焦点)。通过时间反演而聚集在源点上的信号的形状实际上与在源点处发射出的源信号的形状一致。因此，在焦点处发生时间再压缩。具体地，传播介质越复杂，时间反演波越精确地汇聚。
因此，将时间反演技术应用在无线电通信网络中，以特别地通过减少传播信道的扩展来消除该信道对天线信号的影响，并简化在穿过信道之后接收的码元的处理。因此，通过以下系数的应用来对由源通信实体的天线发射的天线信号进行预均衡，所述系数是通过对这个天线信号已经穿过的传播信道的脉冲响应进行时间反演而获得的。向该信号应用的传播信道的时间反演使得可能消除这个信道对以这个方式预失真的该信号的来自源点的传送的影响，并且可能将该信号聚集在目的地天线上。因此，时间反演需要源通信实体对传播信道的知识。
在双向时分双工(TDD)传送中，在相同的载频和不同的时间上进行第一方向(例如，从源通信实体到目的地通信实体)的传送和与第一方向相反的第二方向的传送。于是，对应于第一方向的传播信道实质上与对应于第二方向的传播信道一致。因此，源通信实体能够根据接收的信号来估计该传播信道。
在频分双工(FDD)双向传送中，在不同的频段中进行第一方向的传送和相反方向的传送。例如，可以根据由目的地通信实体产生的传播信道的估计来获得源通信实体的与第一传送方向对应的传播信道的知识。
然而，如果通信实体是移动的，则在给定时间处由通信实体产生的信道估计由于通信实体的移动性而此后可能证明是错误的。作为如从目的地通信实体所观察到的源通信实体的运动的函数，相对于所定义的相对运动来限定这个错误。对于大的相对运动，在用以对信号进行预失真的传播信道的估计和该信号事实上经历的传播信道之间存在去相关。
相应地，首先，该信号的预失真不充分，并且其次，没有将该信号聚集到目的地天线上。因此，时间反演预均衡技术对于快速运动的通信实体提供了非常差的性能。
由David Gesbert、Mansoor Shafi、Da-shan Shui、Peter J.Smith、和AymanNaguid在IEEE Journal on Selected Areas in Communication，2003年4月，卷21上发表的题目为“From Theory to Practice：an overview of MIMO space-timecoded wireless systems”的论文表述了作为波长、传播信道测量时段、和在测量与接收传送的天线信号之间的延迟的函数的相对运动的影响。该论文然后示出了时间反演技术仅仅可用于短传播信道测量时段和在测量与接收作为测量的函数而预均衡的信号之间的非常短的延迟。
一种解决方案是估计相对运动、或估计源通信实体的运动，以便使用时间反演方法或不使用该方法。因此，题目为“A method and device for channelestimation in a mobile system，particularly in a mobile phone”的欧洲专利申请EP 0 109 533提出了一种信道估计方法，其包括估计移动终端的运动的步骤。取决于所估计的运动，采用最合适的传送技术，例如对小的运动采用时间反演，和对于大的运动采用不需要信道估计的传送技术。
所述解决方案因此需要在通信实体中使用两种传送模式。除了增加了复杂度之外，使得能够选择适当传送模式的运动阈值或者相对运动的选定是困难的，这是因为它是传播环境的函数。
因此，需要一种基于对通信实体的宽范围相对运动有效的时间反演技术来动态地补偿源通信实体相对于目的地通信实体的运动以传送信号的方法。下面，表述相对运动必须理解为指的是如从目的地通信实体所观察到的源通信实体的运动。
本发明适合于具有至少一个传送天线和至少两个接收天线的通信实体。通信实体可以是移动终端、无线电接入点、地面或卫星基站或者配备有通信卡的任何设备。
这个解决方案还适合于其信号由多个天线信号构成的、具有多个传送天线的通信实体，其例如用于MIMO(多输入多输出)网络。
发明内容
为了实现上述目的，本发明提供了一种动态地补偿源通信实体相对于包括目的地天线集合的目的地通信实体的运动的方法，通过对在当前时间在所述源天线和基准目的地天线之间的估计传播信道进行时间反演来对由源通信实体的源天线传送的天线数据信号进行预均衡。所述方法包括如下迭代步骤：
●目的地通信实体估计当前焦点；
●估计当前焦点的运动；
●为下一时间段选择用于估计传播信道的基准目的地天线和用于接收所述数据信号的目标目的地天线。
这样，天线信号被聚集在基准目的地天线上，但是根据由目标目的地天线接收的信号来重构数据。通过分析焦点的运动和相对运动的预期来迭代地选择目标和基准天线。这个方法因此通过使得能够进行传播信道估计的基准目的地天线和用于重构数据的目标目的地天线的迭代调整，而使得可能对于宽范围的相对运动来使用时间反演预均衡技术。
所述估计当前焦点的运动的步骤基于当前焦点和基准目的地天线在当前时间的位置。
简单地根据所接收的用于确定焦点的信号来估计相对运动。这样，不需要基于通信实体的运动估计来估计运动的附加方法。
所述目的地通信实体基于由源天线传送且由所有目的地天线接收的聚集信号的聚集矢量来估计当前焦点。
这样，简单地通过分析由所有目的地天线接收的聚焦信号来确定焦点。
所述聚集矢量表示由所有目的地天线接收的所述聚集信号的质量的测量。
这样，相对于所接收的信号的质量来确定聚集矢量，这使得可能优化目的地通信实体的信号接收机的操作，例如保证最大比特率或以最小误差来重构数据。
对于下一时间段，选择基准目的地天线和目标目的地天线是基于当前焦点的估计运动的下一焦点的估计位置的函数。
为下一时间段选择目标目的地天线和基准目的地天线使下一时间段的目标目的地天线与估计的下一焦点之间的距离最小化。
因此，基于与合并了焦点运动的基准天线相对的信道估计，选择基准和目标目的地天线，以获得到目标天线的聚集。
选择目标天线还可以是所有目的地天线的几何重心的函数，并使得可能朝目的地通信实体的天线集合的中心集中信号的能量，并因此限制在目的地通信实体周围的能量的分散。
本发明还提供了一种用于动态地补偿源通信实体相对于包括目的地天线集合的目的地通信实体的运动的装置，通过对在当前时间在所述源天线和基准目的地天线之间的估计传播信道进行时间反演来对由源通信实体的源天线传送的天线数据信号进行预均衡。所述装置包括：
●用于估计当前焦点的部件；
●用于估计当前焦点的运动的部件；
●用于为下一时间段选择用于估计传播信道的基准目的地天线和用于接收所述数据信号的目标目的地天线的部件。
本发明还提供了一种无线电通信系统的通信实体，该通信实体包括至少一个用于补偿源通信实体相对于目的地通信实体的运动的前述装置。
本发明还提供了一种无线电通信系统，该无线电通信系统包括本发明的至少一个通信实体。
所述装置、通信实体和系统具有与上述的优点相似的优点。
附图说明
在阅读了通过仅仅说明性和非限制性示例、并结合附图提供的本发明的具体实现的以下描述时，本发明的其它特征和优点变得更清楚地显现，其中：
●图1是本发明的源通信实体与目的地实体通信的示意框图；
●图2表示本发明的一个具体实现的补偿源通信实体的相对运动的方法的步骤；
●图3表示排列的目的地天线的配置；
●图4表示用于在平面中分布的目的地天线的配置的聚集的运动的示例；
●图5表示在一个具体实现中选择目的地天线的子步骤；和
●图6表示在第二具体实现中选择目的地天线的子步骤。
具体实施方式
参考图1，通信实体EC1能够经由在该图中未表示的无线电通信网络与目的地实体EC2通信。
例如，无线电通信网络是如由3GPP(第三代合作伙伴计划)组织和包括3GPP-LTE(LTE代表“长期演进”)的其演进所定义的UMTS(通用移动电信系统)蜂窝无线电通信网络。
该通信实体可以是移动终端、地面或卫星基站、接入点或配备有通信卡的任何设备。
为了清楚，针对从通信实体EC1到目的地通信实体EC2的数据信号的单向传送来描述本发明。本发明同样涉及双向传送。
源通信实体EC1包括M1个源天线(A11，…，A1M1)，其中M1大于或等于1。目的地通信实体EC2包括M2个天线(A21，…，A2ref，…，A2tar，…，A2M2)，其中M2大于或等于2。
源通信实体EC1适于将由一个或多个天线信号组成的数据信号传送到目的地通信实体EC2。这样的天线信号基于二进制数据、通过M1个天线之间的调制、编码和分布的方法来定义，例如在由S.Alamouti在IEEE Journalon Selected Areas in Communications，1998年10月，卷16，第1456到1458页上发表的论文“Space block coding：A simple transmitter diversity techniquefor wireless communication”中所描述的。
目的地通信实体EC2适于经由所述目的地天线集合的目标天线A2tar来接收数据信号，并且根据接收的信号来重构数据。
通过应用时间反演的估计脉冲响应的系数来预过滤由源天线A1i(令i从1变化到M1)传送的天线信号。所述脉冲响应表示在源天线和基准目的地天线A2ref之间的传播信道C(A1i→A2ref)。
在相同的载频上的不同时间处进行第一方向(例如，从源通信实体到目的地通信实体)、和与第一方向相反的第二方向中的TDD传送。传播信道的脉冲响应通常由源通信实体基于在第二方向中传送的信号的分析来估计。
在分开的频带中进行第一方向和相反方向中的FDD传送。例如，源通信实体的与第一传送方向对应的传播信道的知识可以根据由目的地通信实体进行的该传播信道的估计来获得。
这样，取决于所涉及的传送模式，源通信实体或目的地通信实体估计在源天线与基准目的地天线之间的传播信道。如果这个估计由目的地通信实体来进行，则所述实体适于向源通信实体传递所述估计或通过对所述估计进行时间反演而获得的预均衡系数。
图1仅示出涉及本发明的在目的地通信实体中包括的部件。
所述目的地实体还包括未示出的中央控制单元，其连接到在所述实体中包括的部件并且适于控制这些部件的操作。
所述目的地通信实体包括：
●聚集评估器EVAL，适于根据由源通信实体传送并且在目的地通信实体的每一个天线处接收的聚集的信号来确定聚集矢量；聚集矢量的分量是通过测量在目的地天线处接收的信号的质量来获得的；
●焦点估计器FOCAL，适于基于由所述评估器EVAL传递的聚集矢量来估计当前的焦点；
●当前焦点的运动的估计器MVREL；
●天线选择器SEL，适于选择用于下一时间段的基准目的地天线和目标目的地天线；通过对源天线和基准天线之间的估计的脉冲响应进行时间反演来对由源通信实体传送的天线信号进行预均衡；
●接收器REC，适于根据在目标目的地天线处接收的数据信号来重构数据。
目的地通信实体的各个部件可利用本领域技术人员熟知的模拟或数字技术来实现。下面，当描述动态地补偿源通信实体的相对运动的方法时，详细地描述上述部件的操作。
下面，参考图2来描述所述方法的使用的一个具体示例。
所述方法被作为可配置迭代频率Fiter的函数而进行迭代。在从源通信实体EC1到目的地通信实体EC2的数据传送期间，所述迭代频率Fiter被作为获得有效信道估计的频率的函数而确定。如果在所述通信实体之间没有传送数据，则确定迭代频率Fiter，以保持包括基准目的地天线和目标目的地天线的天线对的知识，并为随后的数据传送作准备。所述迭代用具有下标n的迭代步骤IT来表现。预备的初始化步骤INIT对应于索引n＝1。
在初始化步骤INIT期间，目的地通信实体从所有目的地天线中选择基准目的地天线A2ref(n)和目标目的地天线A2tar(n)。
与所述方法的第n次迭代对应的基准目的地天线被表示为A2ref(n)，而目标目的地天线被表示为A2tar(n)。
在步骤E1中，源通信实体确定要施加到由M1个天线信号构成的数据信号或基准信号的预均衡系数。通过对源天线A1i和基准目的地天线A2-ref(n)之间的传播信道C(A1i→A2ref(n))的估计脉冲响应进行时间反演，来给出向在当前时间t由源天线A1i传送的数据或基准信号的天线信号Si(t)施加的预均衡系数(令i从1变化到M1)。
这个确定可以例如通过源或目的地通信实体分别传送脉冲或导频、接下来所述目的地或源通信实体分别取决于FDD或TDD传送模式而估计传播信道来进行。如果由目的地通信实体估计传播信道，则所述实体将所述估计传递到源通信实体。
在步骤E2中，源通信实体传送通过使用在步骤E1中确定的预均衡系数而预过滤每个天线信号Si(t)所获得的数据信号或基准信号(称作聚集的信号)。
在步骤E3中，目的地通信实体的聚集评估器EVAL基于由源通信实体传送并且由目的地通信实体的每个天线接收的聚集信号来确定聚集矢量Fn＝(Met1，…，Metref(n)，…，Mettar(n)，…，MetM2)。聚集矢量Fn(Fn包括M2个分量)的分量Meti通过测量由目的地天线A2i接收的聚集信号的质量来给出。分量Mettar(n)对应于第n次迭代的目标目的地天线，而分量Metref(n)对应于第n次迭代的基准目的地天线。
所接收的聚集信号的质量可例如通过测量所接收信号的能量、该信号的瞬时比特率、信噪比S/N或者信干比S/I、或数据误码率来测量，但是这不是在对本发明进行限制。
在步骤E4中，目的地通信实体的焦点估计器FOCAL根据聚集矢量Fn来估计焦点FO(n)。可以通过确定根据采样而估计的空间函数的最大点的任何方法来估计所述焦点。所述焦点因此例如对应于通过聚集矢量Fn的测量的线性、表面、体(volumetric)内插而估计的空间函数的最大值。
例如，所述焦点根据目的地天线的(X，Y)坐标来确定。图3表示沿轴Ox的直线段排列的目的地天线的安装配置。图4表示在轴Ox和Oy的平面中的目的地天线的安装配置。
参考图3，对于位于直线段上的目的地天线A2j(令j从1变化到M2)，例如通过内插函数INTP上的最大值在这个直线段上的坐标来确定焦点FO(n)。所述内插函数是基于由每个目的地天线A2j(令j从1变化到M2)接收的聚集信号的质量测量Metj来确定的。图3还示出了目标目的地天线A2ref(n)和基准目的地天线A2tar(n)的位置。
替换地，所述焦点通过给出最大质量测量的目的地天线的位置来确定。
要注意，在没有源通信实体的相对运动时，焦点FO(n)对应于基准目的地天线A2ref(n)。通过对信道C(A1i→A2ref(n))的脉冲响应进行时间反演而将天线信号Si(t)聚集到目的地天线A2ref(n)上。相反，如果存在相对运动，则焦点不再对应于基准天线A2ref(n)。
在步骤E5中，目的地通信实体的焦点运动估计器MVREL根据焦点FO(n)和基准目的地天线A2ref(n)的位置来确定焦点FO(n)的运动。参考图4，对于目的地天线的平面分布，焦点的运动用运动矢量
Figure BPA00001276977900081
来示出。如果焦点对应于基准天线A2ref(n)(即，在没有相对运动时)，则该运动矢量是零矢量。
在步骤E6中，目的地通信实体的天线选择器SEL为了所述方法的下一迭代而从所有目的地天线中选择基准目的地天线A2ref(n+1)和目标目的地天线A2tar(n+1)。进行这个选择，以便补偿源通信实体的相对运动。
选择基准和目标天线，以使在目标天线A2tar(n+1)与下一迭代中焦点的估计位置之间的距离最小化。通过与施加到所选择的基准天线A2ref(n+1)的运动矢量对应的坐标来给出在下一迭代n+1中焦点的估计位置FOest(n+1)。
因此，选择所述基准和目标目的地天线，以使在目标天线A2tar(n+1)与下一次迭代上的估计焦点(下一个焦点)之间的距离最小化，其中：
Figure BPA00001276977900091
所述基准和目标天线因此可通过本领域技术人员所熟知的任何优化方法来选择。
通过说明性示例，目标目的地天线A2tar(n+1)例如是随机地或任意固定地选定的目的地天线的集合中的任何天线。对于所有目的地天线A2k(令k在1和M2之间)来确定下一个焦点的估计位置，并且通过如下等式来定义：
Figure BPA00001276977900092
于是，所选择的基准目的地天线A2ref(n+1)是目的地天线A2k(令k在1和M2之间)，其使在目标目的地天线A2tar(n+1)与基于所述目的地天线A2k而确定的下一焦点的估计位置FOest(n+1)之间的距离最小化。
替换地，对于目的地天线A2k的子集来确定下一焦点的估计位置。
替换地，所选择的目标目的地天线A2tar(n+1)是距目的地天线集合的几何重心最近的目的地天线。所选择的基准目的地天线A2ref(n+1)同样是天线A2k(令k在1和M2之间)，其使在目标目的地天线A2tar(n+1)与基于所述目的地天线A2k而确定的下一焦点的估计位置FOest(n+1)之间的距离最小化。
替换地，共同地选择所述目标和基准目的地天线，所述目标目的地天线也接近于目的地天线集合的几何重心。例如，然后可通过执行图5所示的天线选择子步骤来进行选择。
在步骤E611期间，目的地通信实体的天线选择器选择与目的地天线集合的几何重心最接近的两个目标目的地天线A2c1、A2c2。
在步骤E612期间，目的地通信实体的天线选择器选择使距离dist1最小化的第一基准目的地天线A2ref1。所评估的距离是在目标天线A2c1与根据天线A2ref1而确定的下一焦点的估计位置FOest(n+1)之间的距离dist1。
在步骤E613期间，目的地通信实体选择器选择使距离dist2最小化的第二基准目的地天线A2ref2。所评估的距离是在目标天线A2c2与根据天线A2ref2而确定的下一焦点的估计位置FOest(n+1)之间的距离dist2。
在步骤E614期间，如果距离dist1大于或等于距离dist2，则所选择的基准目的地天线A2ref(n+1)是天线A2ref2，并且所选择的目标目的地天线A2tar(n+1)是天线A2c2。如果否，则所选择的基准目的地天线A2ref(n+1)是天线A2ref1，并且所选择的目标目的地天线A2tar(n+1)是天线A2c1。
替换地，共同地选择所述目标和基准目的地天线，所述目标目的地天线能够远离目的地天线集合的几何重心。例如，然后可通过执行图6所示的天线选择子步骤来进行选择。
在步骤E621期间，对于每个目的地天线A2j(令j从1变化到M2)，通信实体天线选择器选择基准目的地天线A2refj，以使在目的地天线A2j与根据天线A2refj而确定的下一焦点的估计位置FOest(n+1)之间的距离最小化。
在步骤E622期间，所述目的地通信实体确定索引j(令j从1变化到M2)，以使距离distj最小化。这样，所选择的基准目的地天线A2ref(n+1)是天线A2refj，并且所选择的目标目的地天线A2tar(n+1)是天线A2j。
在相对运动补偿方法的步骤E6期间，在选择天线对A2ref(n+1)和A2ref(n+1)之后，利用这个新天线对来执行步骤E1到E6。相应地，目的地通信实体的接收器REC接收并且根据由目标目的地天线A2tar(n+1)接收的信号来重构数据，通过对源天线A1i和基准目的地天线A2ref(n+1)之间的传播信道C(A1i→A2ref(n+1))的估计脉冲响应进行时间反演，来对所述天线信号进行预均衡，令i从1变化到M1。
在本发明的一个具体实施例中，目的地通信实体适于经由定义了目标目的地天线集合的目的地天线中的一些来接收信号，并根据接收的信号来重构数据。然后，对于所述目标目的地天线集合的每个目标目的地天线执行所述方法的步骤，基准目的地天线与每个目标目的地天线相关联。
所述方法同样可用于双向传送。在本发明的这个具体实施例中，在两个传送方向中实现所述方法，其结果是没有在两个传送方向中同时传送信号。
这里描述的本发明涉及一种在目的地通信实体中执行的方法，该方法用以动态地补偿与目的地通信实体通信的源通信实体的相对运动。结果，本发明同样地应用于适于实现本发明的计算机程序，特别地为在信息存储介质上或其中存储的计算机程序。这个程序可使用任何编程语言，并采用源代码、目标代码、或介于源代码和目标代码之间的代码中间体(诸如，部分编译形式的代码)的形式，或者采用可期望用于实现在目的地通信实体中执行的本发明的方法的那些步骤所需要的任何其它形式。

Claims (10)

1.一种动态地补偿源通信实体(EC1)相对于包括目的地天线(A21，...，A2M2)集合的目的地通信实体(EC2)的运动的方法，通过对在当前时间在源天线和基准目的地天线(A2ref(n))之间的估计传播信道进行时间反演来对由源通信实体的所述源天线传送的天线数据信号进行预均衡；
所述方法的特征在于，它包括如下迭代步骤：
·目的地通信实体估计当前焦点；
·估计当前焦点的运动；
·为下一时间段选择用于估计传播信道的基准目的地天线和用于接收所述数据信号的目标目的地天线。
2.根据权利要求1的方法，其中所述估计当前焦点的运动的步骤基于当前焦点和基准目的地天线在当前时间的位置。
3.根据权利要求1的方法，其中所述目的地通信实体基于由源天线传送且由所有目的地天线接收的聚集信号的聚集矢量(Fn)来估计当前焦点。
4.根据权利要求3的方法，其中所述聚集矢量表示由所有目的地天线接收的所述聚集信号的质量的测量。
5.根据权利要求1的方法，其中为下一时间段选择基准目的地天线和目标目的地天线是基于当前焦点的估计运动的下一焦点的估计位置的函数。
6.根据权利要求5的方法，其中选择目标目的地天线还是所有目的地天线的几何重心的函数。
7.根据权利要求5或权利要求6的方法，其中所述为下一时间段选择目标目的地天线和基准目的地天线使下一时间段的目标目的地天线与估计的下一焦点之间的距离最小化。
8.一种用于动态地补偿源通信实体(EC1)相对于包括目的地天线(A21，...，A2M2)集合的目的地通信实体(EC2)的运动的装置，通过对在当前时间在源天线和基准目的地天线(A2ref(n))之间的估计传播信道进行时间反演来对由源通信实体的所述源天线传送的天线数据信号进行预均衡，所述装置的特征在于，它包括：
·用于估计当前焦点的部件；
·用于估计当前焦点的运动的部件；
·用于为下一时间段选择用于估计传播信道的基准目的地天线和用于接收所述数据信号的目标目的地天线的部件。
9.一种无线电通信系统的通信实体，包括至少一个根据权利要求8的装置。
10.一种无线电通信系统，包括至少一个根据权利要求9的通信实体。
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