CN102457447A

CN102457447A - 无线通讯系统的信道及其延迟扩展时间的估测方法

Info

Publication number: CN102457447A
Application number: CN2010105215073A
Authority: CN
Inventors: 江晓岚; 丁邦安; 许仁源
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2012-05-16

Abstract

本发明公开一种无线通讯系统的信道及其延迟扩展时间的估测方法。其中该方法先获取经由一无线通讯系统的信道的多个导频信号。并根据这些导频信号的值及相对位置计算至少一个代表该信道的频率响应的形状特性的参数值。及根据所述至少一个参数值决定信道的延迟扩展时间。

Description

无线通讯系统的信道及其延迟扩展时间的估测方法

技术领域

本发明涉及一种无线通讯系统的信道及其延迟扩展时间(delayspread)的估测方法。

背景技术

在无线通讯系统中，欲传递的信号是由发射端的天线发射出去后，经由空气传播并由一接收端的天线接收。其中，该传递信号由发射端至接收端的传递路径即称为该无线通讯系统的信道。该信道会改变该传递信号的振幅及相位，故在接收端所接收的传递信号和在发射端所发射的传递信号并不相同，其差异即由该无线通讯系统的信道所造成。据此，除了拥有在接收端所接收的信号，还必须了解该无线通讯系统的信道的分布，才能针对该接收信号进行还原以得到原本的传递信号。一般而言，无线通讯系统均是对其信道进行估测以推算信道的分布。

现行的无线通讯系统存在多种信道的估测方法，其中在使用正交分频多用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)的无线通讯系统中，经常利用导频信号(pilot signal)估测信道。导频信号散布于不同时间的不同子载波(subcarrier)中，并携带接收端已知的导频值。最常见的信道估测方法之一采用最小均方误差(minimum meansquare error，MMSE)算法。在最小均方误差算法中，多半假设信道的功率延迟分布(power delay profile，PDP)为均匀分布或呈指数衰减。然而，不论是何种信道模型，现行的信道功率延迟分布估测方法多半需要二阶(second-order)以上的统计量，这将会增加系统的计算量。

此外，研究人员亦相继提出各种延迟扩展时间的估测方法以推算信道的功率延迟分布。在各种延迟扩展时间的估测方法中，有一种方法假设延迟扩展时间和信道传送函数(channel transfer function)的平面交叉率(level crossing rate)成反比。然而，为正确计算平面交叉率，需要相当密集的对信道的频率响应作取样。另外，另一种方法根据正交分频多用系统中的循环前缀(cyclic prefix)的自相关函数(autocorrelation function)计算具有指数衰减的功率延迟分布的信道的延迟扩展时间的方均根值(root mean square，RMS)。其它方法包含根据信道的频率响应或接收信号的交叉相关函数(cross correlation function)估测延迟扩展时间。然而，上述方法皆需要大量的计算。此外，上述方法皆需要近乎完整的信道参数，包含时域和频域的数据。由于在现行使用正交分频多用的无线通讯系统中，导频信号间散布相当远，上述数据将难以获得。

据此，业界所需要的是一种无线通讯系统的信道及其延迟扩展时间的估测方法，其可快速简单的通过观察信道的形状特性估测延迟扩展时间，并进而估测无线通讯系统的信道。

发明内容

本发明的无线通讯系统的信道及其延迟扩展时间的估测方法根据信道的频率响应的形状特性(例如该信道的频率响应的形状的斜率及曲率)正比于延迟扩展时间的特性，以通过计算信道的频率响应的形状特性估算信道的延迟扩展时间。根据该估算的延迟扩展时间，即可估算该信道的分布。

本发明公开一种用于无线通讯系统的信道估测方法。其中该方法先获取经由一无线通讯系统的信道的多个导频信号。根据这些导频信号的值及相对位置计算至少一个代表该信道的频率响应的形状特性的参数值。及根据所述至少一个参数值决定信道的延迟扩展时间。

本发明另公开一种应用于无线通讯系统的信道的延迟扩展时间的估测方法。其中该方法先获取经由一无线通讯系统的信道的多个导频信号。根据所述导频信号的值及相对位置计算至少一个参数值，其中该参数值代表该信道的频率响应的形状特性。根据所述至少一个参数值决定一代表参数值。及根据该代表参数值决定一延迟扩展时间。

上文已经概略地叙述本发明的技术特征，从而使下文的详细描述得以获得了解。构成本发明的专利保护范围的其它技术特征将描述于下文。本领域技术人员应可了解，下文公开的概念与特定实施例可作为基础而相当轻易地予以修改或设计其它结构或制造方法而实现与本发明相同的目的。本领域技术人员亦应可了解，这类等效的建构并无法脱离本发明的申请专利范围所提出的本发明的精神和范围。

附图说明

图1显示在一双输入双输出系统下，导频信号于空间串流信号的表示图；

图2显示在一四输入双输出系统下，导频信号于空间串流信号的表示图；

图3显示根据本发明的一实施例的应用于无线通讯系统的信道的延迟扩展时间的估测方法的流程图；

图4显示根据本发明的一实施例的导频信号的值及理想频率响应；

图5显示根据本发明的另一实施例的应用于无线通讯系统的信道的延迟扩展时间的估测方法的流程图；

图6显示根据本发明的另一实施例的应用于无线通讯系统的信道的延迟扩展时间的估测方法的流程图；

图7显示根据本发明的另一实施例的导频信号的值及理想频率响应；

图8显示根据本发明的一实施例的应用于无线通讯系统的信道估测方法的流程图；以及

图9显示根据本发明的另一实施例的应用于无线通讯系统的信道估测方法的流程图。

【主要组件符号说明】

301～304步骤

501～504步骤

601～605步骤

801～805步骤

901～905步骤

具体实施方式

本发明在此所探讨的方向为一种无线通讯系统的信道及其延迟扩展时间的估测方法。为了能彻底地了解本发明，将在下列的描述中提出详尽的步骤。显然地，本发明的施行并未限定于本领域技术人员所熟知的特殊细节。另一方面，众所周知的步骤并未描述于细节中，以避免造成本发明不必要的限制。本发明的多个实施例会详细描述如下，然而除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地施行在其它的实施例中，且本发明的范围不受限定，其以本发明的专利范围为准。

在一个随着时间改变的无线通讯系统中(time-varying system)，信道传送函数于时域和频域的自相关函数可拆解为：r_H(Δt，Δf)＝r_H(Δt)·r_H(Δf)。r_H(Δt)和r_H(Δf)可近似为sinc函数，并可为下列表示，r_H(Δt)＝sinc(2πf_DΔt)，以及

其中f_D为最大都卜勒频率，τ_m为延迟扩展时间，而τ_shift为多路径强度分布的位移量。τ_m(即延迟扩展时间)为本发明的无线通讯系统的信道及其延迟扩展时间的估测方法所预估测的值，而f_D和τ_shift则不在本发明讨论范围。

在现行的使用正交分频多用的无线通讯系统中，例如电机电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)所制定的802.16m标准的无线通讯系统，接收端并不一定可分配到所有子载波的信号。例如在某种情形下，一接收端将只分配到一资源单元(resource unit，RU)，其中一资源单元仅包含18个连续的子载波，其中亦包含少数的导频信号，如图1及图2。在这种情况下，接收端将难以通过所述少数的导频信号估测整个信道的分布。据此，现有用以估测无线通讯系统的信道及其延迟扩展时间的技术将难以适用。然而，由于延迟扩展时间反比于信道的相干带宽(coherent bandwidth)，本发明即通过观察信道的形状特性估测延迟扩展时间。具体而言，本发明利用至少一个参数值代表信道的频率响应的形状特性，例如信道的频率响应的形状的至少一个斜率值或是信道的频率响应的形状的至少一个曲率值，以达到估测信道的目的。

图1显示一包含2组串流信号(data stream)的资源单元的表示图。据此，该资源单元仅具有18个子载波的信号。图中标记1的导频信号分配给第1个串流信号，而标记2的导频信号分配给第2个串流信号。如图1所示，导频信号根据不同时间散布于不同的子载波中。

图2显示一包含4组串流信号(data stream)的资源单元的表示图。相同的，该资源单元仅具有18个子载波的信号。图中标记1的导频信号分配给第1个串流信号，标记2的导频信号分配给第2个串流信号，标记3的导频信号分配给第3个串流信号，而标记4的导频信号分配给第4个串流信号。如图2所示，导频信号根据不同时间散布于不同的子载波中。

从图1可知，在一双输入双输出系统下，若一接收端仅分配一资源单元，在接收到6个符元(symbol)后，各空间串流信号仅具有6个导频信号。相似的，从图2可知，在一四输入双输出系统下，若一接收端仅分配一资源单元，在接收到6个符元(symbol)后，各空间串流信号仅具有4个导频信号。由于仅能获得片段的频率信息，现有用以估测信道及其延迟扩展时间的方法将难以应用。

图3显示根据本发明的一实施例的应用于无线通讯系统的信道的延迟扩展时间的估测方法的流程图。在步骤301，获取经由一无线通讯系统的信道的多个导频信号，并进入步骤302。在步骤302，根据所述导频信号的值及相对位置计算至少一个斜率值，并进入步骤303。在步骤303，根据所述至少一个斜率值决定一代表斜率值，并进入步骤304。在步骤304，根据该代表斜率值估测该信道的延迟扩展时间。

由于各接收的导频信号的值代表信道于该子载波的频率响应，本发明利用信道的频率响应的形状的斜率反比于信道的相干带宽的特性，以及延迟扩展时间反比于信道的相干带宽的特性，推导出信道的频率响应的形状的斜率正比于延迟扩展时间的特性。据此，即可通过计算信道的频率响应的形状的斜率，估算信道的延迟扩展时间。

再参见图1，并应用图3的方法，在步骤301，获取多个导频信号：第1个空间串流信号于第1时间第1个子载波所接收的导频信号的值为0.3145；第1个空间串流信号于第2时间第17个子载波所接收的导频信号的值为0.1958；第1个空间串流信号于第3时间第9个子载波所接收的导频信号的值为0.3237。在步骤302，根据所述导频信号的值及相对位置计算至少一个斜率值：图4显示即所述导频信号的值，亦即信道于所述导频信号所在子载波的频率响应。图中的圆点即为所述导频信号的值，而图中的曲线则为理想的信道频率响应。如图4所示，该三点导频信号的值可定义出两个斜率值S1和S2，其绝对值分别为0.00115和0.01599。在步骤303，根据所述至少一个斜率值决定一代表斜率值：由于较小斜率值所对应的子载波间可能有本地极值而使得延迟扩展时间的估测较不准确，本实施例采用最大斜率值以估测延迟扩展时间。因此，决定斜率值S2为代表斜率值。在步骤304，根据该代表斜率值估测该信道的延迟扩展时间。在本实施例中，为节省计算量，先将不同斜率和对应的延迟扩展时间存成一查找表。据此，该代表斜率值S2通过一查找表对应至该延迟扩展时间。

在本发明的部分实施例中，亦可根据信道的频率响应的形状的曲率反比于信道的相干带宽的特性，以及延迟扩展时间反比于信道的相干带宽的特性，推导出信道的频率响应的形状的曲率正比于延迟扩展时间的特性。据此，即可通过计算信道的频率响应的形状的曲率，估算信道的延迟扩展时间。

图5显示根据本发明的另一实施例的应用于无线通讯系统的信道的延迟扩展时间的估测方法的流程图。在步骤501，获取经由一无线通讯系统的信道的多个导频信号，并进入步骤502。在步骤502，根据所述导频信号的值及相对位置计算至少一个曲率值，并进入步骤503。在步骤503，根据所述至少一个曲率值决定一代表曲率值，并进入步骤504。在步骤504，根据该代表曲率值估测该信道的延迟扩展时间。

在本发明的部分实施例中，若假设z_i(s)＝[x_i(s)，y_i(s)]为一曲线上的一点，则可利用

的公式计算信道的频率响应的曲率值，其中x_i-1为一第一导频信号的索引值，y_i-1为该第一导频信号的值，x_i和x_i+1分别为相邻该第一导频信号的一第二导频信号和一第三导频信号的索引值，而y_i和y_i+1分别为该第二导频信号和第三导频信号的值。

再参见图1，并应用图5的方法。如图1所示，若所述导频信号的间隔相等，则所述导频信号的索引值互相抵消，故曲率公式的第一项为零，仅需计算第二项。若所述导频信号为三个以上，则可计算出多个曲率值。在本发明的部分实施例中，采用所述曲率值的平均值以估测延迟扩展时间。

前述实施例是在接收端静止或速度不快的情况下进行估测，故在不同时间的信道频率响应变化不大。因此，可利用不同时间点的导频信号估测频率响应。然而在接收端速度较大的情况下，例如大于一临界值，可利用本发明的另一实施例估算无线通讯系统的信道及其延迟扩展时间。

图6显示根据本发明的一实施例的应用于无线通讯系统的信道的延迟扩展时间的估测方法的流程图。在步骤601，获取经由一无线通讯系统的信道的多个导频信号，并进入步骤602。在步骤602，增加至少一个虚拟导频信号至所述导频信号，并进入步骤603。在步骤603，根据所述导频信号的值及相对位置计算至少一个斜率值，并进入步骤604。在步骤604，根据所述至少一个斜率值决定一代表斜率值，并进入步骤605。在步骤605，根据该代表斜率值估测该信道的延迟扩展时间。

比较图3和图6的方法，图6的方法于所述获取的导频信号间新增至少一个虚拟导频信号。图7显示根据本发明的另一实施例的导频信号的值及理想频率响应。图中的圆点即为所述导频信号的值，而图中的曲线则为理想的频率响应。在本实施例中，接收端的速度为时速120公里。据此，如图7所示，在相同的子载波索引值，不同时间点即对应至不同的理想频率响应。若应用图3的方法，根据不同时间点的导频信号计算斜率值会造成估测误差。若应用图6的方法，在步骤602，即可于所述获取的导频信号于相同位置不同时间增加虚拟的导频信号，使得同一时间点具有多个导频信号。如图7所示，三角标记即为新增的虚拟导频信号。

图6所示于所述获取的导频信号间新增至少一个虚拟导频信号的方法亦可应用于图5的方法。据此，即可在接收端速度较大的情况下利用本发明的方法估算无线通讯系统的信道及其延迟扩展时间。

本发明的无线通讯系统的信道的延迟扩展时间的估测方法还可推广至信道的估测方法。图8显示根据本发明的一实施例的应用于无线通讯系统的信道估测方法的流程图。在步骤801，获取经由一无线通讯系统的信道的多个导频信号，并进入步骤802。在步骤802，根据所述导频信号的值及相对位置计算至少一个斜率值，并进入步骤803。在步骤803，根据所述至少一个斜率值决定一代表斜率值，并进入步骤804。在步骤804，根据该代表斜率值估测该信道的延迟扩展时间，并进入步骤805。在步骤805，根据该延迟扩展时间估测该信道。

比较图3和图8的方法，图8的方法是于估测信道的延迟扩展时间后，根据该延迟扩展时间估测该信道。如前述所示，一个随着时间改变的无线通讯系统的信道传送函数于时域和频域的自相关函数可拆解为：r_H(Δt，Δf)＝r_H(Δt)·r_H(Δf)。其中r_H(Δf)的傅立叶转换函数可根据信道特性统计分析用一些函数取代，若将r_H(Δf)的傅立叶转换函数近似为一矩形函数，则

亦即，该估测信道的频率部分的自相关函数具有一相干带宽并均匀分布，且该相干带宽反比于该延迟扩展时间。据此，即可代入所估测的延迟扩展时间至上述函数而得到该信道的分布。然而，r_H(Δf)的傅立叶转换函数亦可近似为具有指数性衰减的函数。亦即，该估测信道的频率部分的自相关函数具有一相干带宽且呈指数性衰减，且该相干带宽反比于该延迟扩展时间。根据图8的方法，仍可根据所估测的延迟扩展时间估算该信道的分布。

类似的，图5的方法亦可推广至信道的估测方法。图9显示根据本发明的另一实施例的应用于无线通讯系统的信道估测方法的流程图。在步骤901，获取经由一无线通讯系统的信道的多个导频信号，并进入步骤902。在步骤902，根据所述导频信号的值及相对位置计算至少一个曲率值，并进入步骤903。在步骤903，根据所述至少一个曲率值决定一代表曲率值，并进入步骤904。在步骤904，根据该代表曲率值估测该信道的延迟扩展时间，并进入步骤905。在步骤905，根据该延迟扩展时间估测该信道。

综上所述，本发明所提供的无线通讯系统的信道及其延迟扩展时间的估测方法系利用信道的频率响应的形状的斜率及曲率反比于信道的相干带宽的特性，以及延迟扩展时间反比于信道的相干带宽的特性，推导出信道的频率响应的形状的斜率及曲率正比于延迟扩展时间的特性。据此，即可通过计算信道的频率响应的形状的斜率及曲率，估算信道的延迟扩展时间。根据该估算的延迟扩展时间，即可估算该信道的分布。

本发明的技术内容及技术特点已公开如上，然而本领域技术人员仍可能基于本发明的教导及公开而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于权利要求所限定的，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本发明的权利要求书所涵盖。

Claims

1.一种应用于无线通讯系统的信道估测方法，其特征在于，包含下列步骤：

获取经由一无线通讯系统的信道的多个导频信号；

根据所述导频信号的值及相对位置计算至少一个参数值，其中所述至少一个参数值代表该信道的频率响应的形状特性；

根据所述至少一个参数值决定一代表参数值；

根据该代表参数值决定一延迟扩展时间；以及

根据该延迟扩展时间估测该信道。

2.根据权利要求1所述的应用于无线通讯系统的信道估测方法，其特征在于，进一步包含下列步骤：

增加至少一个虚拟导频信号至所述导频信号，其中所述至少一个虚拟导频信号对应至所述获取的导频信号于相同位置不同时间的虚拟值。

3.根据权利要求2所述的应用于无线通讯系统的信道估测方法，其特征在于，其在该无线通讯系统的一接收端执行，且该增加至少一个虚拟导频信号的步骤在该接收端的速度大于一临界值时执行。

4.根据权利要求1所述的应用于无线通讯系统的信道估测方法，其特征在于，所述导频信号是由一资源单元所获取。

5.根据权利要求1所述的应用于无线通讯系统的信道估测方法，其特征在于，所述至少一个参数值为该信道的频率响应的形状的至少一个斜率值，而该代表参数值为所述至少一个斜率值中的一个。

6.根据权利要求5所述的应用于无线通讯系统的信道估测方法，其特征在于，该代表斜率值为所述至少一个斜率值的绝对值中最大者。

7.根据权利要求1所述的应用于无线通讯系统的信道估测方法，其特征在于，所述至少一个参数值为该信道的频率响应的形状的至少一个曲率值，而该代表参数值为所述至少一个曲率值中的一个。

8.根据权利要求1所述的应用于无线通讯系统的信道估测方法，其特征在于，所述至少一个曲率值的计算方式可根据下列公式：

曲率＝(x_i-1-2x_i+x_i+1)²+(y_i-1-2y_i+y_i+1)²，其中x_i为一第一导频信号的索引值，y_i为该第一导频信号的值，x_i-1和x_i+1分别为相邻该第一导频信号的一第二导频信号和一第三导频信号的索引值，而y_i-1和y_i+1分别为该第二导频信号和第三导频信号的值。

9.根据权利要求7所述的应用于无线通讯系统的信道估测方法，其特征在于，该代表曲率值为所述至少一个曲率值的平均值。

10.根据权利要求1所述的应用于无线通讯系统的信道估测方法，其特征在于，该代表参数值通过一查找表对应至该延迟扩展时间。

11.根据权利要求1所述的应用于无线通讯系统的信道估测方法，其特征在于，该估测信道的频率部分的自相关函数具有一相干带宽并均匀分布，且该相干带宽反比于该延迟扩展时间。

12.根据权利要求1所述的应用于无线通讯系统的信道估测方法，其特征在于，该估测信道的频率部分的自相关函数具有一相干带宽且呈指数性衰减，且该相干带宽反比于该延迟扩展时间。

13.根据权利要求1所述的应用于无线通讯系统的信道估测方法，其特征在于，其应用于电机电子工程师协会所制定的802.16标准的无线通讯系统。

14.一种应用于无线通讯系统的信道的延迟扩展时间的估测方法，其特征在于，包含下列步骤：

获取经由一无线通讯系统的信道的多个导频信号；

根据所述至少一个参数值决定一代表参数值；以及

根据该代表斜率值估测该信道的延迟扩展时间。

15.根据权利要求14所述的应用于无线通讯系统的信道的延迟扩展时间的估测方法，其特征在于，进一步包含下列步骤：

16.根据权利要求15所述的应用于无线通讯系统的信道的延迟扩展时间的估测方法，其特征在于，其系在该无线通讯系统的一接收端执行，且该增加至少一个虚拟导频信号的步骤在该接收端的速度大于一临界值时执行。

17.根据权利要求14所述的应用于无线通讯系统的信道的延迟扩展时间的估测方法，其特征在于，所述导频信号是由一资源单元所获取。

18.根据权利要求14所述的应用于无线通讯系统的信道的延迟扩展时间的估测方法，其特征在于，所述至少一个参数值为该信道的频率响应的形状的至少一个斜率值，而该代表参数值为所述至少一个斜率值中的一个。

19.根据权利要求18所述的应用于无线通讯系统的信道的延迟扩展时间的估测方法，其特征在于，该代表斜率值为所述至少一个斜率值的绝对值中最大者。

20.根据权利要求14所述的应用于无线通讯系统的信道的延迟扩展时间的估测方法，其特征在于，所述至少一个参数值为该信道的频率响应的形状的至少一个曲率值，而该代表参数值为所述至少一个曲率值中的一个。

21.根据权利要求20所述的应用于无线通讯系统的信道的延迟扩展时间的估测方法，其特征在于，所述至少一个曲率值的计算方式可根据下列公式：

22.根据权利要求20所述的应用于无线通讯系统的信道的延迟扩展时间的估测方法，其特征在于，该代表曲率值为所述至少一个曲率值的平均值。

23.根据权利要求14所述的应用于无线通讯系统的信道的延迟扩展时间的估测方法，其特征在于，该代表参数值通过一查找表对应至该延迟扩展时间。

24.根据权利要求14所述的应用于无线通讯系统的信道的延迟扩展时间的估测方法，其特征在于，其应用于电机电子工程师协会所制定的802.16标准的无线通讯系统。