CN1086074C - 一种接收方法以及一种接收机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种接收方法和一种接收机,该接收机包括这样的装置(60),其中接收信号被抽样;以及这样的装置(61),其中从接收信号中测量包含在信号中的传输的互延迟和诸传输的强度,所述诸传输始发于一个或多个发射机。为保证接收的高质量,根据本发明的接收机包括这样的装置(62),其输入是抽样信号(64),并且在装置(62)中,基于在一个特定的监测周期内已到达的所有样值,从该样值中对每个希望传输计算一个估计,并且每当一个新的样值到达装置(62)的输入,则装置(62)基于这一到达的样值更新所计算出的诸估计。

Description

一种接收方法以及一种接收机
本发明涉及一种接收方法,其中一个接收信号被抽样,以及其中从接收信号中测量信号中所包含的诸传输的互延迟和诸传输的强度,所述传输始发于一个或多个发射机。
设计和实现一个数据传输系统的中心问题是使得诸信号彼此干扰尽可能小的同时传输及接收来自几个同时用户的信号。因为这一点以及所使用的传输容量,已使用各种传输协议和多址连接方法,尤其是在移动通信业务中,最为常见的是FDMA(频分多址)和TDMA(时分多址),以及还有近期的CDMA(码分多址)。
CDMA是基于扩展频谱技术的一种多址连接方法,除已有的FDMA和TDMA外,它近期被用于蜂窝无线系统。比起原有方法,CDMA拥有许多优势,诸如简易的频率分配以及频谱效率。
CDMA方法中,用户的窄带数据信号通过一个的扩展码倍乘至一个相对较宽的频带,该扩展码拥有比数据信号宽得多的频带。在知名的诸实验系统中已使用的带宽包括比如1.25MHz、10MHz以及25MHz的频带宽度。倍乘将上述数据信号扩展至将被使用的整个频带内。所有用户通过同时使用同一频带传输。基站与移动台之间的每个连接上使用不同的扩展码,进而接收机中可基于用户的扩展码彼此区分不同用户。如果可能的话,诸扩展码以这样的方式选取,即使得它们相互正交,即他们彼此不相关。
常规方式所实现的CDMA接收机中的相关器与一个希望信号同步,该信号被基于一个扩展码识别。在接收机中,通过再次乘以传输步骤中的同一扩展码,上述数据信号被恢复至原有频带。在理想情况下,乘以某一其它扩展码的信号彼此不相关,因而不被恢复至窄频带。从希望信号的角度看,它们显现为噪声。目的是从许多干扰信号当中检测出希望用户的信号。实际上,诸扩展码是相关的,因此其它用户的信号使接收信号畸变,使得检测希望用户的信号更为困难。这种由用户彼此之间所引起的干扰称为多址连接干扰。
当一个或几个用户以可观地大于其它用户的信号强度传输时,上述情况尤其存在问题。使用较大信号强度的那些用户与其它用户的连接发生相当的干扰。这种情况被称为近-远问题,当一个或几个用户位于基站附近而其它用户远离该基站时,因此在接收机中靠近基站之用户的信号掩盖了其它用户的信号——除非该系统的功率控制算法非常快且有效,上述情况可出现在蜂窝无线系统中。
尤其是在异步系统中,即诸用户信号彼此不同步的系统中,用户的码元被其它用户的多个码元扰乱,因此信号的可靠接收存在问题。然而常规接收机中,与扩展码匹配的滤波器及滑动相关器——它们亦被用作检测器,对近-远情形不能很好发挥作用。解相关检测器提供诸已知方法中的最好结果,它通过将接收信号乘以所使用的诸扩展码的互相关矩阵,从接收信号中去除多址连接干扰。在Lupas,Verdu的“Linear multiuser detectorsfor synchronous code-division multiple access channels”,IEEETransactions on Information Theory,Vol.35,No.1,pp.123-136,Jan 1989和Lupas,Verdu的“Near-far resistance of multiuser detectors inasynchronous channels”,IEEE Transactions on communications,Vol.38,Apr 1990  中,解相关检测器得到更为详细的描述,它们被引用于此。然而,这些方法亦涉及许多运算,例如在蜂窝无线系统中诸如矩阵求逆运算,它们要求大的计算容量,这一计算容量在传输信道质量和用户数量不断变化时尤其急需。
本发明的目的在于提供这样一种接收方法,无论在异步和同步系统中还是接收信号中存在强噪声时,例如在近-远情形下,它均能很好地工作。本发明的目的还在于提供这样一种接收方法,它能够获得比诸常规方法更低比特差错率,并且在实现的过程中不包含对计算运算的要求。
这采用绪论中所叙述的方法被达到,上述方法其特征在于将一个抽样信号提供给估计器,该估计器用这样的方法处理上述抽样信号,即利用在一个特定的监测周期内到达的所有样值,从上述样值中对每个希望信号计算一个估计,并且每当一个新的样值到达估计器,则基于这一到达的样值更新所述以前计算出的估计。
本发明还涉及这样一种接收机,它包括这样的装置,在该装置中接收信号被抽样,以及这样的装置,在该装置中从接收信号中测量包含在信号中的诸传输的互延迟及传输的强度,所述传输始发于一个或几个发射机。根据本发明的接收机其特征在于该接收机包括这样的装置,其输入为抽样信号,在该装置中:利用在一个特定的监测周期内到达的所有样值,从对应每个希望信号的样值计算出一个估计,并且每当一个新的样值到达该装置的输入,则该装置基于这一新的样值更新所计算出的估计。
在根据本发明的方法中,将从一个信号中所取的样值提供给一个优化线性估计器(OLE),它是一个无偏估计器,对用户信号样值的幅值提供最小方差。该OLE提供一个瞬时的、通常是一个复幅值的估计,该估计还可能被量化以提供一个码元估计。根据本发明的方法可普遍地被应用于所有线性调制方式中,诸如MPSK和M-QAM。
根据本发明的方法利用延伸到几个传输数据码元的一个可调监测周期,并因此提供可靠的估计。根据本发明的方法顺序递归的,籍此用户和路径的数量可被轻易地增减。监测周期的长度可根据接收信号的特性选择,诸如根据诸用户波形的互相关性能等。
本发明的最佳实施方式利用这样一种多级接收方法,其中将上述优化线性估计器所提供的诸预估计提供给一个合适的后处理块,在这里基于上述估计用合适的检测方法来实现可靠的检测,例如通过Viterbi型检测器或其它线性或非线性检测器。
以下将参考有关伴随附图的诸示例更为详细地描述本发明,附图中:
图1-4描述应用于根据本发明的方法的矩阵运算。
图5是一个框图,描述根据本发明的接收机的结构。
图6是一个框图,详细描述根据本发明的接收机中的检测器块的结构。
图7a和7b是两个框图,描述接收机第二检测器级的另外可供选择的实现方法。
图8描述信道估计块的一种可能结构。
根据本发明的安排中,对已被接收并可能已被某种方式处理了的信号抽样。不象常规接收机中将样值供给匹配滤波器,而是将每个样值提供给一个优化线性估计器(OLE)。该估计器在延伸到几个数据码元的一个监测周期内检查所接收的样值,并且据此估计所接收的诸码元。
根据本发明的接收方法既可被应用于同步系统,亦可被应用于异步系统。无论用户数量以及每个用户之多径传输信号分量的数量如何,该方法均可使用。
上述监测周期可具有与比如信道相干时间相同的持续时间。当新的样值到达估计器时该监测周期不断被更新。根据本发明的方法中,当一个新的样值到达估计器时,希望信号的估计不完全是根据现有的诸样值重新计算,而是为减少计算次数,根据新的样值计算一个修正项,并且使用它来更新根据以前诸样值所计算出的估计。根据本发明的方法中,上述更新可利用一种所谓的SLS(顺序最小二乘)计算方法而顺序地实现。该方法在[1]R.W.Farebrother,Linear Least-Squears Computations,Marcel Dekker,NewYork,1988,以及[2]S.M.Kay,Fundamental of Statistical SingnalProcessing:Estimation Theory,Prentice-Hall,New Jersey,1993中得到详细描述,上述文献被提及并参考来描述本发明。然而,该方法将被简短地描述于下。
一个接收到的异步CDMA信号r(t)通常具有以下形式 r ( t ) = Σ k = 1 K ( t ) Σ m = - m ( k ) M ( k ) Σ l = 1 L ( t , k ) a klm b km s k ( t - mT - d klm ) + w ( t ) 其中aklm是复信道衰减,bkm是用户的码元,Sk(t-nT-dklm)是用户的宽带波形(扩展码序列),dklm是由异步导致的延迟,W(t)是噪声。用户数量K(t)是随时间变化的函数,M(k)是将要传输的码元数量,以及L(t,k)是依赖时间和用户的接收信号分量。因为对应不同用户的多径传输信号分量的数量随时间变化,L(t,k)作为一个函数随时间变化。同一方程亦可表示为向量形式
              R=Hu+w,其中u的诸分量包括信道衰减aklm和用户的码元bkm的输入项,w包括一个噪声向量,以及H包括用户的波形H=[h1,h2,...hk]。希望数量u可用以下公式直接从该方程中求出
              u=(HTH)-1H-TS,但该运算从计算角度过于苛求,这归因于矩阵求逆运算。
根据本发明的方法中,当一个新的样值到达该估计器不完全重新计算估计,因为这需要大量的矩阵计算,而是基于该新的样值中所包含的信息用以下计算的修正项对以前估计
Figure C9519563100081
更新: u ^ [ n ] = u ^ [ n - 1 ] + G [ n ] ( r [ n ] - h T u ^ [ n - 1 ] ) , 其中C[n]是一个依赖于样值数量的加权系数,并且括号中的项描述该新的样值中所包含的信息在以前估计中引起的一个可能的误差。hT是H中新的水平线,相当于新的样值。上述公式在以上所述及的对比文献[2]中得到详细的描述。
一个蜂窝无线系统中,接收信号的诸信号分量如此不断变化:当一个呼叫开始或结束时以及当多径传输信号分量的数量变化时,用户的数量也不断变化。当一个用户所传输的码元变向一个新的码元时,信号诸分量亦发生变化。因此接收信号分量的数量有赖于上述K,L和M项,它们作为时间的函数变化。为这一原因,使用上述为u提供解的矩阵公式时,必须不断执行大量的矩阵求逆运算。
根据本发明的接收方法利用一个递归计算方法ORLS(顺序递归最小二乘),通过这种方法可避免上述矩阵求逆运算,并且可不需大量计算而增加或删除信号分量。当信号分量的数量依据K,L,和M变化而新的分量数量被用来计算一个修正项时,将根据本发明所计算的估计矩阵 递归地更新,用这一修正项基于以前估计矩阵提供一新的矩阵
Figure C9519563100092
。因此不需要重新计算整个矩阵
假定要求解的具有特定数量的信号分量的方程具有上述形式R=Hu+w。假定在该例中信号分量的数量增加一个。相应地,计算矩阵的维数发生变化,因此在方程中得到 R = [ H h n + 1 u u n + 1 + w ,
通过以下公式所描述的修正系数可根据上述方法基于上次的
Figure C9519563100095
计算出希望的新的
Figure C9519563100096
u ′ ^ = u ^ - G 1 G 2 , 其中系数G1和G2是基于即将加入矩阵H的新的列hn+1以及矩阵H的以前项而计算出的.该方法在以上所述及的对比文献[2]中得到详细的描述。
通过抽样变换不需矩阵求逆运算即可实现以上所述的运算。为实现上述递归方法,实施所需的变换的一条途径将在以下描述。即将公开的计算方法在以上所述及的对比文献[1]中得到更为详尽的描述。须指出的是,还存在着这样一些其它已知的矩阵计算方法,通过它们相应地运算亦可实现,并且根据本发明的方法并不限于在此作为例子所列举的运算。
将被考察的方程的矩阵形式是
                    R=Hu+w。为使计算更为简单,使用该方程中的诸矩阵以形成一个具有[H|R]形式的新矩阵,即向量R被作为矩阵H最右边的列而加入。其目的在于将该新矩阵改变成图1的形式,其中该矩阵在左边包括一个三角矩阵10,并且除去最右边的一列可能不为0以外其它项均为0。该图中,可能取为一个不为0的值的所有项由字母X表示。这个希望的形式可使用比如所谓的Householder运算以及Givens旋转来得到,通过Householder运算可将矩阵变换成列中希望项以下的所有项为0,通过Givens旋转可使矩阵中的任何项为0。在上述运算中矩阵中其它诸项的值自然地改变。然而,上述方程的解不变,这是因为以上所述及的诸运算是酉(unitary)的,如同上述对比文献中所描述的。
如果需要,由该矩阵所形成的方程可根据上述形式被容易地求解,从三角矩阵的下角一行一行向上。这种方法在文献中被称为重新定位方法。
例如通过以上运算,为变换监测周期或在信号分量的数量改变时,有可能改变上述方程而不需实施矩阵求逆运算——该运算在计算上过于苛求。
为描述根据本发明的方法,以下考察几种例示性情形。在以上所述及的对比文献[1]中,公开了其它类似的矩阵处理示例。假定在接收信号中检测到—个新的信号分量。相当于这个新的信号分量的一个列20则被加到图1中矩阵的三角矩阵的右边,于是该矩阵具有图2所示的类型。该矩阵必须被变换回图1的希望形式,包括一个三角矩阵和一个列。这是通过以下步骤完成的,即通过比如Givens旋转重新设置所加列的最低两项。Givens旋转中将一个矩阵乘以一个给定的可预计酉矩阵,于是希望的诸项可被重新设置。相应地,如果在监测周期内欲去除一个信号分量,可从该矩阵中去除最左边一列来完成。则图2所示类型的矩阵变为图3的矩阵。为能再次提供希望形式,必须利用Householder或Givens运算重新设置对角线30。
此外,在图1的情形下,如果用一个新样值更新监测周期,根据图4,则相当于该新样值的一个新行40被加到该矩阵中。如果需要,为再次提供包括三角矩阵的希望形式以及易于求解的方程形式,必须利用比如Givens矩阵运算重新设置最底行。
当样值和信号分量不是被一个一个地而是成组处理时,例如一次处理5个样值或信号分量,以上所述及的运算亦可被自然地实施。在任何情形下所需的计算是相对简单的。
通过OLE,将所获的诸估计提供给接收机的下一级,包括一个适当的检测算法(EDA,增强检测算法),在这里通过对上述诸估计的后处理从接收码元中得到可靠的估计。各种线性或非线性信号处理方法可被用作后处理。
接收机的第二级可以是使用相继的信道估计结果的一个顺序Viterbi型检测器。
第二级检测器还可基于一块一块地处理,于是基于适当的标准将用户分组,并且在每组中对诸信号实施同时检测。各组可利用干扰消除方法被并行地或接续地检测。这种方法在这里所引用的芬兰专利申请943196中得到详细的描述。
根据本发明的方法在AWGN信道,多径信道,和衰落多径信道,以及同步和异步数据传输系统中均是可应用的。该方法唯一的先决条件是,诸信号分量的互延迟可在接收机第一检测级(OLE)之前能够被确定。该延迟能够用众知的方法比如匹配滤波器估计,但是,根据本发明的方法亦可使用一种迭代计算方法,该方法通过几个迭代循环中愈来愈精确地确定各级中所获延迟的估计,以使得达到希望精确成度。
在迭代方法中,接收信号首先被一个匹配滤波器滤波以对每个用户的最强信号分量提供一个估计,并且在第一个迭代循环中从接收信号提取出每个用户的此最强信号分量。随后从剩余信号中估计并提取每个用户的第二最强信号分量,并且通过从信号中不断估计并提取次一个最强的信号分量延续上述过程,直至估计出所有分量。
在第二个迭代循环中,从接收信号中提取与每个用户的最强信号分量干扰最为严重的诸信号,并且随后再次估计并从信号中提取上述最强信号分量。随后估计并提取第二最强信号分量。对其它信号分量按照幅度顺序执行相应的估计和提取运算。采用这一方法可精确地估计诸延迟,但运算在计算上并不苛求。所公开的信道估计方法在此处所引用的共同未决的芬兰专利申请944203中得到更详细的描述。
图5是描述根据本发明的接收机的结构的一个框图。该图显示一个用户终端的接收机,但是根据本发明的接收机亦可自然地安装在基站,并且其本质的部件,即特别是检测装置可用终端设备中方式加以实现。根据本发明的接收机包括一付天线50,它接收提供给射频部件51的信号,在该部件中信号被转换成中频。从射频部件将信号提供给一个A/D转换器52,在这里信号被转换为数字形式。将被转换的信号提供给一个检测器块53,在这里检测包含在信号中的希望信号。在图5所示终端设备的接收机中,将被检测的信号提供给一个信道解码器54和一个话音解码器55,从这里将被解码的信号提供给一个扬声器56。如果该接收机被安装在基站,在检测器之后将信号提供给接收机的其它部件。根据本发明的接收机进一步包括一个控制装置57,它控制其它部分的操作。
图6是一个框图,更为详细描述根据本发明的接收机中的检测器的实现。该接收机包括对接收信号抽样的装置60。该接收机还包括估计装置61,在这里估计包含在接收信号中的诸信号分量延迟。被抽样的信号以及信号分量的数据和它们的延迟被提供给这样的第一检测装置62,在这里利用以上所述及的方法如此估计被传输的诸码元,即采用每当一个新的样值到达则更诸估计的方法来计算诸估计,上述计算利用以上所述的矩阵计算方法,它们可以使用一个或几个信号处理器来实现。估计装置61亦可利用一个来自接收机的后随检测级的判决反馈。随后则将码元估计和复衰减系数65,66提供给该估计装置,这些系数得自检测器并可被利用于估计器61中计算延迟。
最佳实施方式中,接收机进一步包括这样的第二检测装置63,其输入为第一检测装置62的输出信号65,并且,在其中对第一检测装置62所计算的诸估计计算更为精确的检测。第二检测器级可包括一个Viterbi型检测器,一个线性或非线性信号处理块,或者它可包括一个块-块检测器。
图7a描述第二检测器块的一种可能的结构。该检测块包括这样的装置70,其中信号被分为几组,其每一组包括至少两个用户的信号;以及装置71,76,81,用于顺序检测每一组,;以及用于再生的装置72,77;以及装置75,78,用于在下一个块的检测之前从将被处理的信号中提取已被检测到的诸组信号。该检测块还包括延迟装置74,79,将被处理的信号在检测和再生过程中被存储于其中。7b描述第二检测器块的另外可供选择的实现方法,其中的接收机包括装置71,76,81,用于并行检测每一组。以上所述的第二检测块的结构在以上所述及的芬兰专利申请943196中得到更为详细的描述。
估计装置61,在其中估计包含在接收信号中的诸信号分量的延迟,可以采用众知的技术通过匹配滤波器加以实施,但是应用一种迭代方法可得到更好的结果。图8描述该装置的一种可能结构。该估计装置包括装置83,用于利用一个与信道匹配的滤波器对接收信号进行滤波;以及装置83,用于从接收信号中估计最强信号分量的延迟和幅值。该估计器还包括这样的装置85,在其中从接收信号中将用户的最强信号分量提取,并且从剩余信号中估计用户的第二最强信号分量。该估计器包括装置85,用于从信号中不断估计并提取次一个最强信号分量,直至估计出所有分量。
为实现迭代的第二个循环,该估计器包括装置86,用于从接收信号中提取与每个用户的最强信号分量干扰最为严重的诸信号;以及装置86,用于再次估计并提取上述最强信号分量,并且装置86用于按照幅度顺序估计并提取其它信号分量,且该接收机包括装置87,用于对接收信号执行所需次数的迭代循环。该估计器还包括存储器装置84,它在迭代循环中存储接收信号。所描述的信道估计器装置61在此处所引用的共同未决的芬兰专利申请944203中得到更详细的考察。
尽管本发明是参考有关伴随附图的示例而描述的,但十分清楚的是,本发明并不限于此,在后附的权利要求书中所公开的本发明之思想范围之内,可以采用多种途径修改它。

Claims (15)

1.一种接收方法,其中一个接收信号被抽样,以及其中从接收信号中测量信号中所包含的诸传输的互延迟和诸传输的强度,所述传输始发于一个或多个发射机,其特征在于
将一个抽样信号提供给一估计器,该估计器用这样的方法处理上述抽样信号,即利用在一个特定的监测周期内到达的所有样值,从上述样值中对每个希望信号计算一个估计,以及
每当一个新的样值到达该估计器,则基于该到达的样值更新所述以前计算出的诸估计。
2.根据权利要求1的一种方法,其特征在于利用众知的矩阵运算更新所计算的诸估计。
3.根据权利要求1的一种方法,其特征在于监测周期的长度有赖于诸接收信号分量的特性。
4.根据权利要求1或3的一种方法,其特征在于每当信号分量或其数量将被改变时,更新上述诸估计。
5.根据权利要求1的一种方法,其特征在于在诸估计被更新之前,两个或更多的接续样值被一次取给估计器作为其输入。
6.根据权利要求1的一种方法,其特征在于所获诸估计面临这样的后处理,其中从上述估计中计算可靠的信道和码元估计。
7.根据权利要求6的一种方法,其特征在于上述后处理包含采用线性或非线性过滤方法对诸估计整形。
8.根据权利要求6的一种方法,其特征在于在后处理中,不同用户的信号被分成多个更小的组,其每个包括两个或更多用户的信号,并且一个组的信号被同时检测。
9.根据权利要求8的一种方法,其特征在于在后处理中,每组被接续检测,以及诸组的已被检测的信号在下一组的检测之前,从所接收的传输中被再生和检测。
10.根据权利要求8的一种方法,其特征在于在后处理中每组被并行检测。
11.一种接收机,它包括这样的装置(60),其中接收信号被抽样,以及装置(61),其中从接收信号中测量包含在信号中的传输互延迟和诸传输的强度,所述诸传输始发于一个或多个发射机,其特征在于该接收机包括这样的装置(62),其输入是抽样信号(64),并且在装置(62)中,从上述样值中,基于在一个特定监测周期内已到达的所有样值,对每个希望传输计算一个估计,以及
每当一个新的样值到达装置(62)的输入,则装置(62)用一个基于该新的样值计算的修正项更新上述计算出的诸估计。
12.根据权利要求11的一种接收机,其特征在于,所述装置(62)基于接收信号的特性来选择上述监测周期的长度。
13.根据权利要求11的一种接收机,其特征在于,该接收机包括后处理装置(63),它被连接至所述估计装置(62)的输出,在该后处理装置(63)中,基于作为其输入的预估计,对所接收的诸传输计算出可靠的信道和码元估计。
14.根据权利要求13的一种接收机,其特征在于,后处理装置(63)包括装置(70),它将信号(65)分成几个组,其每个包括至少两个用户的信号,以及装置(71,76,81),它们对每组中诸信号同时执行检测。
15.根据权利要求14的一种接收机,其特征在于,该接收机包括装置(71,76,81),用于顺序检测所述的每组;以及
用于再生的装置(72,77),以及装置(75,80),用于在下一组的检测之前从所接收的传输中提取已检测到的诸组信号。
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