CN102668407A - 空间和时间预均衡 - Google Patents
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Abstract
本发明描述用于多用户通信系统中的接收器中的信道均衡的信道均衡器和方法。该方法包括下列步骤：采用至少两个天线来接收信号，以便产生至少两个天线输入流；测量各天线输入流的时间和天线输入流之间的空间相关性；根据时间和空间相关性来确定用户无关预均衡滤波器；采用预均衡滤波器来对天线输入流进行滤波；以及最后将经滤波的信号输入到配置成检测给定用户的所接收数据符号的用户相关接收器。
Description
技术领域
本发明涉及多用户通信系统中使用的信道均衡方法。虽然本发明具体涉及WCDMA通信系统，但是应当注意，它可适用于其它通信系统，包括LTE、WiMAX、WiFi、UWB、GSM等。本发明是低复杂度的用户无关空间和时间最小均方误差(MMSE)预均衡。
背景技术
在任何无线通信系统中，所传送信号因无线信道的动态性质而失真。这些动态特性引起频率选择性信道。因此，在接收器侧，能够应用某种均衡方案，以便补偿无线信道的动态特性。理想补偿消除无线电信道的影响，并且使所产生的均衡信道是完全频率平坦的。但是，这种方案在大多数情况下引起不希望的噪声放大，其限制性能。均衡方案还应当通过接收器天线的解相关来抑制干扰。因此，均衡方案必须提供如下之间的折衷：干扰抑制、噪声放大以及使均衡信道是频率平坦的。
在第三代蜂窝系统(包括WCDMA和CDMA2000)中，采用直接序列码分多址(DS-CDMA)来作为多址方案。CDMA是一种扩展频谱技术，该技术使用空间上设计的扩展序列来将符号级数据扩展到更高带宽码片级序列。CDMA的一个显著优点是其通过组合所接收信号的不同传播延迟来利用无线信道的多径分集的能力。这在按照使得扩展序列的自相关函数对于不同于零的时移为零(或者至少近似为零)的方式来选择扩展序列时是可能的。通过多径信道的CDMA的最常用的接收器是耙式接收器(2、2A、2B)。这样命名耙式接收器是因为其结构与钉耙相似，其中各耙指收集与某个传播延迟对应的能量(5A-B、5C-D、5E-F和5G-H)。
图1A示出将耙式接收器用于M个用户中的每个用户的、具有N个接收天线的CDMA多用户接收器。N个天线分支耦合到RF前端(RX)，RF前端(RX)包含用于将所接收信号变换成基带的电路。因此，RF前端输出N个天线输入流，所述N个天线输入流用作M个用户特定耙式接收器(2A、2B)的输入。图2A示出图1A的多用户接收器中用于各用户的常规耙式接收器。将N个输入流中的每个输入流馈送到耙式接收器，并且指配给一个或多个耙指(5A-H)。耙指由路径搜索器(4A)来分配，路径搜索器分析所接收信号的功率延迟分布，并且将耙指指配给能级高于某个阈值的每个多径分量。各耙指的主要功能是将其多径分量从码片级重新解扩到符号级。在解扩之后，耙指的符号级输出由最大比率组合器(MRC)来组合。MRC(6A)是最佳组合器，它按照与各耙指的信号功率的比例来对符号级输出符号进行加权。在MRC中，权重估计单元(WEU)从各耙指的解扩信号中提取导频序列，以便确定MRC权重。
常规耙式接收器对于在白噪声存在的情况下解调CDMA信号是最佳的。但是，在蜂窝系统中通常遇到的存在多用户干扰(MUI)的情况下，噪声可被着色，并且耙式接收器不再是最佳的，并且甚至可能完全远非最佳接收器。这种情况下更好的解决方案是将MMSE优化耙式接收器或一般化耙式(G-Rake)接收器用于各用户。用于N个接收天线的MMSE-Rake/G-Rake接收器的示例如图2B所示。
MMSE-Rake接收器和G-Rake接收器(3、3A、3B)具有与常规耙式接收器(2、2A、2B)相似的结构。但是，存在将其与常规耙式接收器加以区分的一些细节。首先，由路径搜索器(4B)所确定的耙指的数量可大于功率延迟分布上所指示的多径分量的数量。其次，权重估计单元(WEU-2)需要在计算用于MRC(6B)的权重时考虑所有耙指。因此，MMSE优化耙式或G-Rake的权重估计单元(WEU-2)相比对于常规耙式接收器是在计算上显著地更为密集的。
MMSE优化耙式接收器以计算上更加密集的实现为代价来提供优于常规耙式接收器的改进性能。因此，在具有有限计算能力的接收器节点中，只可负担得起将MMSE-Rake接收器或G-Rake接收器用于几个优先化用户，而其余用户必须接受由常规耙式接收器所提供的较低服务等级。
发明内容
按照本发明，提供计算上简单但MMSE优化的接收器的问题通过天线输入流的用户无关时间和空间预均衡得到解决。与G-Rake和MMSE-Rake解决方案(3、3A、3B)不同，所提出方法相对于常规耙式接收器的计算复杂度没有随用户数量的增加而增加。
本发明描述一种用于多用户通信系统中的接收器中的信道均衡方法。该方法包括下列步骤：
- 采用至少一个天线来接收(601)信号，以便产生至少一个天线输入流，
- 测量(602)至少一个天线输入流的时间相关性，而且还在提供至少两个天线输入流时测量(602)天线输入流之间的空间相关性，
- 当提供至少一个天线输入流时根据时间相关性来确定(603)用户无关预均衡滤波器(7)或者当提供至少两个天线输入流时根据时间相关性和空间相关性来确定用户无关预均衡滤波器，
- 采用用户无关预均衡滤波器(7)来对至少一个天线输入流进行滤波(604)，
- 将至少一个经滤波的流输入(605)到至少一个用户相关接收器(2A、2B)。
此外，该方法涉及下列情况，其中：
- 多用户通信系统是CDMA通信系统，并且用户相关接收器是耙式接收器(2A、2B)，
- 滤波分为分别与时间预均衡(9)和空间预均衡(10)对应的两个过程，
- 接连地执行时间预均衡和空间预均衡，
- 单独对各天线输入流来执行时间预均衡，
- 完全在频域中执行用户无关预均衡滤波或部分地在频域中执行用户无关预均衡滤波(图3B、图4B和图5)。
本发明还描述多用户通信系统中的接收器节点。接收器节点包括：
- 至少一个天线(1A、1B)，用于接收至少一个天线输入流，
- 相关性估计单元(CEU)，用于测量至少一个天线输入流的时间相关性或者至少两个天线输入流的时间和空间相关性，
- 用户无关预均衡滤波器(7)，以补偿所述时间相关性或者所述时间和空间相关性，
- 至少一个用户相关接收器(2A、2B)，配置成检测给定用户的所接收数据符号。
此外，接收器节点涉及下列情况，其中：
- 多用户通信系统是CDMA多用户通信系统，并且用户相关接收器是耙式接收器(2A、2B)，
- 预均衡滤波器分为分别与时间预均衡(9、11)和空间预均衡(10、12)对应的两级，
- 串联设置时间预均衡滤波器和空间预均衡滤波器，
- 单独对各天线输入流(未示出)执行时间预均衡滤波，
- 完全在频域中执行用户无关预均衡滤波或部分地在频域中执行用户无关预均衡滤波(图3B、图4B和图5)。
所提出的预均衡是用户无关的，并且该处理对所有接收器天线进行但是仅进行一次，而与用户数量无关。因此，在解调和检测大量用户的多用户接收器中，每用户的计算复杂度平均起来将非常低。预均衡能够在一个级中执行或者分为分别与时间预均衡和空间预均衡对应的两个级。通过将预均衡分为两个单独级，计算复杂度得到进一步降低。
附图说明
图1示出多用户接收器，其中采用常规耙式接收器、MSE优化耙式接收器或G-Rake接收器来检测各用户，
图2a示出常规耙式接收器，
图2b示出MMSE优化耙式接收器，
图3a示出本发明的第一实施例，
图3b示出第一实施例的备选方案，
图4a示出本发明的第二实施例，
图4b示出第二实施例的备选方案，
图5示出本发明的第三实施例，
图6示出本发明的信道均衡方法的流程图，以及
图7示出重叠相加FFT方法的流程图。
具体实施方式
下面参照图3-5详细地描述本发明的三个实施例。所有实施例中的共同元件是N个接收天线(1A、1B)、各天线将所接收信号变换成基带的RF前端电路(RX)、用于测量空间和时间相关性的相关性估计单元(CEU)、空间和时间预均衡滤波器(7)以及M个用户特定接收器(2A、2B)。应当注意，本发明的范围并不局限于本文所述的具体实施例，而是仅受到所附权利要求书限制。
在以下描述中，在频域中执行时间滤波。存在生成时域信号的频域表示的若干方法。图3B、图4B和图5中，以快速傅立叶变换(FFT)模块示出时域到频域的转换，以及以快速傅立叶逆变换(IFFT)模块示出频域到时域的转换。图7中，更详细的描述示出用于FFT和IFFT的重叠相加方法的工作方式。在这里，时域中的样本的短非重叠段被提取(701)并且以零填充(702)，以便补偿时域卷积。通过FFT，将时域块转换到频域(703)。时间滤波(704)这时作为对于各频率索引的逐个元素的乘法来进行。采用IFFT(705)将经滤波的块转换回时域，并且通过重叠经滤波的段并且将其相加在一起来得到时域信号。
应当注意，本领域的技术人员众所周知，频域滤波可在时域中等效地执行。因此，本发明并不局限于频域滤波，而是可等效地在时域中实现，如图3A和图4A所示。使用频域滤波的优点在于，时域滤波器的卷积操作变成简单的逐个元素的乘法。下面采用块索引 
来枚举频域样本的每个块。
对于频率
和频域块编号
，具有频域中的
个所接收信号的向量能够建模为
其中，
是具有加性噪声和干扰的向量，
是来自一个用户的所传送信号，以及
是无线电信道矩阵。
MMSE组合系数的多天线公式化等于
其中，
是特定用户的所估计信道矩阵，以及
是频率索引
的所估计多天线周期图(又称作功率密度谱)。多天线周期图能够估计为移动平均数
其中，
是适当的比例系数，例如
。备选地，按照递归方式来估计这个多天线周期图矩阵，
其中，
是适当的遗忘因子，例如
。组合这些移动平均数和递归估计量的若干可能方式是可能的。
频域MMSE组合这时能够公式化为
单天线频域MMSE组合能够公式化为
其中
是MMSE频域滤波器系数，
是所估计的频域信道净响应，以及是所接收信号的所估计周期图。
第一实施例：
在本发明的第一实施例中，时间预均衡和空间预均衡均能够在单级(7、8)中进行，如图3所示。对于频率索引
，由下式来表示从所有天线(1A、1B)所接收的频域样本
其中
以及其中是标量谱整形滤波器(SSF)，例如升余弦滤波器的频域表示。在这里，是多天线周期图的Cholesky因式分解的结果，即
第二实施例：
在本发明的第二实施例中，MMSE预均衡能够分为两级：首先的时间预均衡(9、11)，以及然后的空间解相关(10、12)。对于该空间和时间预均衡的两个备选实施例，参见图4a和图4b。
在第一级，对于天线数量α，时间预均衡(11)采用频域滤波器系数
进行，其中
是标量谱整形滤波器(SSF)、例如升余弦滤波器，以及
是频率
和块编号
的单天线周期图。注意，
是实值并且为正，这简化平方根和除法计算。
对于天线数量α，周期图能够估计为移动平均数
其中，
是适当的比例系数，例如
。备选地，按照递归方式来估计这个周期图，
其中，
是适当的遗忘因子，例如
。组合这些移动平均数和递归估计量的若干可能方式是可能的。
对于各天线α、频率索引
和块
，时间预均衡(11)作为标量频域滤波来进行
。
在第二级，对时间预均衡数据进行空间解相关(12)。时间n的时间上预均衡的信号向量表示为
解相关在频域中在样本的各块
进行
其中，
是协方差矩阵的Cholesky因式分解
使得
以及是下三角。注意，这个协方差矩阵是频率无关的，使得对于各块
仅需要一个Cholesky因式分解。
为了防止协方差矩阵的估计过快地发生变化，应用块之间的滤波。协方差矩阵能够估计为移动平均数
其中，是适当的比例系数，例如
。备选地，按照递归方式来估计这个协方差矩阵，
其中，
是适当的遗忘因子，例如
。组合这些移动平均数和递归估计量的若干可能方式是可能的。
第三实施例：
在本发明的第三实施例中，如同前一小节的第二级中所述的频域空间解相关在时域(10)中进行。对于这个空间和时间预均衡的图示，参见图5。
在第一级，时间预均衡(11)如同前一节点中那样、即作为逐个元素的标量乘法来进行
对于各天线α、频率索引
和块
，其中
将天线α的时间上预均衡的信号的时域形式表示为
通过使用“重叠和相加”方式，如图7所示，构建新的时域序列。这是由各天线α的
所表示并且运行时间索引为
的连续序列。在向量表示中，时间
的时间上预均衡的信号表示为
在第二级，时域空间解相关(10)能够按照下式进行
其中，
是协方差矩阵的Cholesky因式分解
使得
以及
是下三角。
协方差矩阵能够估计为
个样本上的移动平均数
其中，
是适当的比例系数，例如
。备选地，按照递归方式来估计这个协方差矩阵，
其中，
是适当的遗忘因子，例如。组合这些移动平均数和递归估计量的若干可能方式是可能的。
Claims (14)
1. 一种用于多用户通信系统中的接收器中的信道均衡的方法，包括下列步骤：
- 采用至少一个天线(1A，1B)来接收(601)信号，以便产生至少一个天线输入流，
- 测量(602)所述至少一个天线输入流的时间相关性，而且还在提供至少两个天线输入流时测量所述天线输入流之间的空间相关性，
- 当提供至少一个天线输入流时根据所述时间相关性来确定(603)用户无关预均衡滤波器(7)，或者当提供至少两个天线输入流时根据所述时间相关性和所述空间相关性来确定用户无关预均衡滤波器，
- 采用所述用户无关预均衡滤波器(7)来对所述至少一个天线输入流进行滤波(604)，
- 将所述至少一个经滤波的流输入(605)到至少一个用户相关接收器(2A，2B)。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，所述多用户通信系统是码分多址(CDMA)通信系统，并且所述用户相关接收器是耙式接收器(2A，2B)。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其中，所述滤波(604)分为分别与时间预均衡(9，11)和空间预均衡(10，12)对应的两个过程。
4. 如权利要求3所述的方法，其中，接连地执行所述时间预均衡和所述空间预均衡。
5. 如权利要求3或4所述的方法，其中，单独地对各天线输入流执行所述时间预均衡。
6. 如权利要求1-5中的任一项所述的方法，其中，完全在频域(8，11，12)中执行所述滤波(604)或部分地在频域(8，11，12)中执行所述滤波(604)。
7. 如权利要求6所述的方法，其中，频域中的所述滤波(604)包括下列步骤：
- 通过快速傅立叶变换(FFT)将所述至少两个天线输入流变换到频域，
- 通过频域滤波器(8)来对所述至少两个频域天线输入流进行滤波，以便产生至少两个经滤波的输出流，
- 通过快速傅立叶逆变换(IFFT)将所述经滤波的输出流变换到时域。
8. 多用户通信系统中的接收器，包括：
- 至少一个天线(1A，1B)，以产生至少一个天线输入流，
- 相关性估计单元(CEU)，用于测量各天线输入流的所述时间相关性，所述相关性估计单元还适合在提供至少两个天线输入流时测量所述天线输入流之间的所述空间相关性，
- 用户无关预均衡滤波器(7)，以补偿所述时间相关性，所述预均衡滤波器还适合在提供至少两个天线输入流时补偿所述空间相关性，
- 至少一个用户相关接收器(2A，2B)，配置成检测给定用户的所述所接收数据符号。
9. 如权利要求8所述的信道均衡器，其中，所述多用户通信系统是码分多址(CDMA)通信系统，并且所述用户相关接收器是耙式接收器(2A，2B)。
10. 如权利要求8或9所述的信道均衡器，其中，所述预均衡滤波器(7)分为时间预均衡滤波器(9)和空间预均衡滤波器(10)。
11. 如权利要求10所述的信道均衡器，其中，串联设置所述时间预均衡滤波器和所述空间预均衡滤波器。
12. 如权利要求10或11所述的信道均衡器，其中，划分所述时间预均衡滤波器(9)以便各天线输入流具有单独的时间预均衡滤波器。
13. 如权利要求8-12中的任一项所述的信道均衡器，其中完全在频域(8，11，12)中实现所述用户无关预均衡滤波器(7)或部分地在频域(8，11，12)中实现所述用户无关预均衡滤波器(7)。
14. 如权利要求13所述的信道均衡器，其中，所述用户无关预均衡滤波器(7)包括：
- 快速傅立叶变换(FFT)，用于将所述至少两个天线输入流变换到频域，
- 频域滤波器(8，11，12)，以产生至少两个经滤波的输出流，
- 快速傅立叶逆变换(IFFT)，用于将所述至少两个经滤波的输出流变换到时域。
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