CN1130853C

CN1130853C - 干扰的时间和空间去相关方法和设备

Info

Publication number: CN1130853C
Application number: CN97195381A
Authority: CN
Inventors: G·E·波托姆莱
Original assignee: Ericsson Inc
Current assignee: Clastres LLC; WIRELESS PLANET LLC
Priority date: 1996-04-19
Filing date: 1997-04-14
Publication date: 2003-12-10
Anticipated expiration: 2017-04-14
Also published as: WO1997040589A1; AU2672297A; US5796788A; CN1221525A; DE69720710T2; EP0894368B1; AU725732B2; JP2000509576A; KR20000005544A; JP4149517B2; CA2252101A1; EP0894368A1; DE69720710D1

Abstract

本发明揭示了应用一些技术联合对抗衰落、时间扩散和在空间上和时间上都相关的干扰的接收机和方法。这些目的是通过例如除信道估计外还向支路度量处理器提供一个逆有害成分相关序列估计来实现的。这样，支路度量处理器就能利用这附加信息提供考虑了有害成分的时间相关性而得到的支路度量，从而改善了码元假设。

Description

干扰的时间和空间去相关方法和设备

技术领域

本发明与由多个天线接收的遭受多往衰落、时间扩散和干扰的数字通信无线电信号的解调技术有关。

发明背景

数字无线通信系统正在遍布世界各地，提供方便、经济的通信服务。在这些系统中存在的一个需要解决的问题是减轻发射信号沿几条路径传输到预定接收机时所引起的多路径传播的影响。在各路径的长度差较小时，多个信号像几乎同时到达。这些像相助或相消叠加，引起通常呈瑞利分布的衰落。在各路径的长度差较大时，传输媒体就呈现为时间扩散媒体，叠加的这些像可以看作发射信号的各个回波，这将导致码间干扰(ISI)。

可以利用多个接收天线和某种形式的分集合并(如选择合并、等增益合并或最大比值合并)来减轻衰落的影响。分集利用了对不同的天线衰落也不同的优点，这样，当一个天线接收到的是衰落的信号时，很可能其他天线上的信号并不衰落。

ISI多路径时间扩散的影响传统上是通过用某种形式的均衡(如线性均衡、判决反馈均衡或最大似然序列估计(MLSE)来减轻的。这三种方法中，MLSE均衡的性能最好。MLSE均衡和分集合并可以联合执行，例如可参见颁发给Backstro等人的美国专利No.5,191,598。

另一个挑战是减轻干扰的影响。在蜂窝通信系统中，一个信道在不同小区中重复使用。传播到本小区外的信号将要干扰在使用同样信道的其他小区内产生的信号。这种干扰称为同信道干扰，限制了接收的性能。其他类型的干扰，如邻信道干扰，也是一个问题。

干扰的影响可以通过采用某种对接收信号进行阵列处理的方式来减轻。例如，在分集合并多个天线信号时，可以调整各个合并加权系数来抵消干扰和相干合并信号能量。例如，可参见J.H.Winters的“在具有平坦衰落的数字移动无线电系统IS-54中用自适应阵列获取和跟踪信号”(Signal Acquisition and Tracking with Adaptive Arrays in theDigital Mobile Radio System IS-54 with Flat Fading”，IEEETransaction on Vehicular Technology，Vol.42，pp.377-384，Nov.1993)。

通过考虑逆有害成分相关矩阵修改MLSE度量可以同时减轻衰落、时间扩散和干扰的影响。例如可参见Bottomley 1994年8月2日递交的美国专利申请No.08/284,775“多天线数字蜂窝通信系统中的抗干扰合并方法和设备”，该申请的内容列为本申请的参考，还可参见G.E.Bottomleg和K.Jamal的“自适应阵列和MLSE均衡”(“AdaptiveArrags and MLSE Equalization”，Proc VTC′95，Chicago，IL，July1995)。逆有害成分相关矩阵在MLSE均衡过程中形成支路度量时对有害成分估计在空间上去相关。这种技术称为抗干扰合并(IRC)。

然而，天线的有害信号可能在时间上和空间上都是相关的。这可以是由于采用了诸如部分响应调制或CPM方案那样的有记忆的调制而引起的。这也可以是由于干扰的多路径时间扩散而引起的，导致出现干扰信号的一些回波。上述这些技术对于时间相关的干扰都不是最佳的。因此，有必要开发一种能更好地处理衰落、ISI和时间相关干扰的技术。

发明内容

本发明通过联合抗衰落、时间扩散和在时间上和空间上都相关的干扰解决了上述问题。这些目的例如通过除了信道估计外还为支路度量处理器提供一个逆有害成分相关序列估计来实现。支路度量处理器于是可以利用这个附加信息提供考虑了有害成分的时间相关性得出的支路度量，改善码元假设。

附图说明

从以下结合附图所作的详细说明中可以清楚地看到本发明的这些和其他一些特征和优点。在这些附图中：

图1为数字无线通信系统的例示方框图；

图2例示了本发明的基带处理器的一个典型实施例；

图3例示了本发明的支路度量处理器的一个典型实施例；

图4例示了本发明的基带处理器的另一个实施例；

图5例示了本发明的支路度量处理器的另一个实施例；

图6例示了本发明的逆有害成分相关序列估计器的一个典型实施例；以及

图7例示了本发明的逆序列计算机的一个典型实施例。

具体实施方式

图1所示为一个典型的无线通信系统的方框图。标为S(n)的数字信息码元通过发射机102变换成无线电波形，利用天线104传输。发射的信号由多个接收天线元106接收。每个天线信号由射频单元108处理，经适当滤波、放大、变频和采样后变换成一个接收样本序列。这些接收样本在基带处理器110中受到处理，形成一个检测到的数字码元值序列。

如果采用上面提到的IRC处理，基带处理器110将如以下所述那样进行工作。设r_a(n)和r_b(n)分别为天线a和b的接收样点流。每个样点流可以表示为：

r_{x} (n) = \underset{j}{Σ} c_{x} (j) s (n - j) - z_{x} (n) - - - - (1)

其中：下标x标示天线，Cx(j)为与有用信号和天线x配合的第j个信道抽头系数，而z_x(n)标示有害成分(噪声加其他干扰信号)。通常，将接收信号的同相(I)和正交(Q)分量处理成复样点，因此接收样点、信道抽头增益、有害成分样点以及可能的信息码元值都是一些复数。

基带处理器形成的度量呈

M_{h} (n) = E_{h}^{H} (n) R_{zz}^{- 1} E_{h} (n) - - - - (2)

其中：

E_{h} (n) = [\begin{matrix} e_{a, h} (n) \\ e_{b, h} (n) \end{matrix}] - - - - (3)

e_{x, h} (n) = r_{x} (n) - \underset{j}{Σ} c_{x} (j) s_{h} (n - j) - - - - (4)

其中：下标h标示假设值，Cx(j)标示信道系数估计，而Rzz^-1标示逆有害成分相关矩阵的估计。有害成分相关矩阵定义为：

R_{zz} = E {[\begin{matrix} Z_{a} (n) \\ Z_{b} (n) \end{matrix}] [\begin{matrix} Z_{a}^{*} (n) & Z_{b}^{*} (n) \end{matrix}]} - - - - (5)

其中E{ }标示期望值。于是，检测到的码元序列就是一个使支路度量累加值最小的码元序列。

但是按照本发明，还需要考虑有害成分的时间相关性。在时间上和空间上的相关性可以用一个有害成分相关矩阵序列来表示，例如为

R_{zz} (m) = E {[\begin{matrix} z_{a} (n + m) \\ z_{b} (n + m) \end{matrix}] [\begin{matrix} z_{a}^{*} (n) & z_{b}^{*} (n) \end{matrix}]} - - - - (6)

其中m为序列指数。指数m表示进行相关的两个有害成分值之间的时间差。因此，这个有害成分相关矩阵序列为每个矩阵提供了一个附加项(即表示有害成分时间相关性的项)。逆有害成分相关矩阵序列可以定义为：

R_{zz}^{- 1} (m) * R_{zz} (m) = δ (m) I - - - - (7)

其中：δ(m)为Kronecker增量函数(即，δ(0)＝1，而对于所有其他的m值δ(m)＝0)，而I为单位矩阵(即除对角线上的元为1外，其他均为0)。

利用所定义的逆有害成分相关矩阵序列，按照本发明得出的支路度量为：

M_{h} (n) = \underset{m}{Σ} E_{h}^{H} (n) R_{zz}^{- 1} (m) E_{h} (n - m) - - - - (8)

这是二次型积的和。

本发明的这个典型实施例示于图2。接收样本由支路度量处理器202处理，按码元假设产生支路度量。处理器202利用了来自信道估计器204的信道系数估计和来自逆有害成分相关序列估计器206的逆有害成分相关序列估计。

支路度量处理器202的一个典型实施例示于图3。接收样点送至减法器302，从中减去假设的接收样点，形成差信号。假设的接收样点通过用序列产生器304产生一个假设的码元序列再用滤波器306以信道系数估计对这个序列进行滤波得出。各差信号存储在存储器308内。二次型积处理器310利用逆有害成分相关序列估计中的矩阵形成所存储的差信号之间的二次积。这些二次积由累加器312累加，产生支路度量。

本发明的另一个实施例可以通过将最终度量改写成由下式给出的新支路度量之和得出。

M_{h} (n) = Re {s_{h}^{*} (n) [z (n) - 0.5 S (0) s_{h} (n) - \underset{k, k > 0}{Σ} S (k) s_{h} (n - k)]} - - - - (9)

其中：

z (n) = {\underset{j}{Σ} \underset{m}{Σ} C}^{H} (j) R_{zz}^{- 1} (m) R (n + j - m) = \underset{j}{Σ} \underset{m}{Σ} W^{H} (j, m) R (n + j - m) - - - - (10)

S (k) = {\underset{j}{Σ} \underset{m}{Σ} C}^{H} (j) R_{zz}^{- 1} (m) C (k + j - m) - - - - (11)

以及

C (j) = [\begin{matrix} c_{a} (j) \\ c_{b} (j) \end{matrix}], R (n) = [\begin{matrix} r_{a} (n) \\ r_{b} (n) \end{matrix}], W (j, m) = R_{zz}^{- 1} (m) C (j) - - - - (12)

因此，式(9)中的度量为当前假设码元的复共轭与两项之差的乘积的实部。第一项为用加权w(j，m)合并接收数据所得的结果。第二项为用参数S(k)对假设的码元滤波所得的结果。如果所有可能的码元值具有同样的幅度，则S(0)项可以略去。

这个实施例示于图4。接收样点在合并器402中用存储在加权向量存储器404内的加权加以合并，产生合并项。这些加权在加权处理器405中计算，利用了分别由逆有害成分相关序列估计器206和信道估计器204提供的逆有害成分相关序列估计和信道系数估计。这些估计还在参数估计器403中用来计算存储在参数存储器410内的参数。这些合并项和参数送至支路度量构成器412，按照各码元假设构成支路度量。这些支路度量送至序列估计器208，用来估计发射序列。

支路度量构成器412的一个典型实施例示于图5。合并输出存储在存储器502内。合并输出从存储器502读出后送至减法器302，从中减去滤波器306的输出，产生差值。滤波器306的输出是用来自参数存储器的参数对来自序列产生器304的假设码元值滤波得到的结果。差值与假设码元值的乘积的实部在半复数乘法器(HCM)504中计算。HCM504的输出就是支路度量。

所有这些典型实施例都要用到逆有害成分相关序列估计器206。确定逆有害成分相关序列的一个过程是对有害成分相关矩阵序列进行z变换，将变换结果表示成一个矩阵，其中的每个元都是一个在z域内的序列。然后，就能进行正常的矩阵求逆运算，再将所得的逆矩阵加以逆z变换。这个过程示于图6。有害成分相关序列在估计器602中估计。与Bottomley的专利类似，这可以通过从接收到的信号样点中减去有用信号来实现，所得到的有害成分样点可能是在时间上和空间上都相关的。然后将这个有害成分相关序列估计送至逆序列处理器604，按上述过程计算出逆有害成分相关序列估计。

在实路中，可能希望对604的求逆操作进行近似。这可以通过形成子变换矩阵的伴随矩阵、用一个比例因子对每个元定标后再进行逆子变换操作来实现。当这个比例因子是z变换矩阵的行列式时，对最佳性并无损害。也可以将比例因子选为1(即不需定标)、Rzz(0)的行列式或Rzz(0)的追迹。

逆序列处理器604的典型实施例示于图17。有害成分相关矩阵序列在变换器702中受到z变换后，形成一个子变换矩阵，其中每个元都是一系列值。这个z变换矩阵的伴随矩阵由伴随矩阵处理器704计算。伴随矩阵的每个元由定标器708用比例因子处理器706确定的比例因子定标。经定标的伴随矩阵在逆变换器710中受到逆变换后，产生逆相关有害成分序列的一个估计。实际上，在支路度量形成过程的其他点上执行定标操作可能更为有效。

虽然没有示出，但熟悉本技术领域的人员都会明白怎样本发明能用于天线多于两个的情况。此外，本发明也可用于其他类型的接收信道，而只不是与不同天线关联的接收信道。可以将各个分段采样的数据流看成是一些交错地来自不同天线的码元分隔数据流来处理分段均衡(fractinally-spaced equalization)。

本发明的这些估计器都可以设计成能适应随时间的变化。熟悉本技术领域的人员都知道怎样对信道系数和逆有害成分相关序列进行自适应估计。一个途径是利用以当时检测到的码元值进行判决反馈。另一个途径是利用按残差处理，从而在序列估计器中每状态有一个或几个估计。

在一些量不随时间改变或在一段时间内不变的情况下，所有与接收数据样点无关的量可以预先计算出来。例如，对于式(9)中的度量来说，除合并值z(n)以外所有其他量都预先计算。

虽然以上示出和说明了本发明的一些具体实施例，但可以理解本发明并不局限于此。熟悉本技术领域的人员可以根据本发明的精神实质作出种种修改，因此所有这些修改都应列入本发明的专利保护范围之内。

Claims

1.一种用于传送数字信息码元的数字无线通信系统中的接收机，所述接收机包括：

接收多个天线上的无线电信号的装置，用来产生多个天线信号；

对所述天线信号进行射频处理的装置，用来产生多个接收样本流；

形成多个各与所述接收样本流之一相应的信道系数估计的装置；

形成一个逆有害成分相关序列估计的装置，有害成分相应于接收样本流中的干扰和噪声，而其中所述形成一个逆有害成分相关序列估计的装置使用空间有害成分相关和时间有害成分相关；

利用所述信道系数估计和所述逆有害成分相关序列估计形成支路度量的装置；以及

在一个序列估计器中利用所述支路度量检测所述数字信息码元的装置。

2.一种按权利要求1所述的接收机，其中所述形成支路度量的装置包括：

利用所述系数估计形成假设的接收样本的装置；

形成所述接收样本与所述假设接收样本之差的装置；

将所述差存入一个存储装置的装置；

利用所述逆有害成分相关序列估计以所存储的所述差形成二次积的装置；以及

累加所述二次积的装置，用来产生所述支路度量。

3.一种按权利要求1所述的接收机，其中所述形成支路度量的装置包括：

利用所述信道系数估计和所述逆有害成分相关序列估计形成各个加权的装置；

利用所述信道系数估计和所述逆有害成分相关序列估计形成各个参数的装置；

以所述加权合并所述接收样点的装置，用来产生合并值；

以所述参数对假设的码元值进行滤波的装置，用来产生滤波值；以及

合并所述合并值、所述滤波值和一个假设的码元值的装置，用来产生支路度量。

4.一种按权利要求1所述的接收机，其中所述估计逆有害成分相关序列的装置包括：

估计一个有害成分相关序列的装置；

变换所述序列的装置，用来产生一个变换矩阵；

计算所述变换矩阵的逆矩阵的装置；以及

对所述变换矩阵的逆矩阵进行逆变换的装置。

5.一种按权利要求1所述的接收机，其中所述估计逆有害成分相关序列的装置包括：

估计一个有害成分相关序列的装置；

变换所述序列的装置，用来产生一个变换矩阵；

计算所述变换矩阵的伴随矩阵的装置；以及

对所述变换矩阵的伴随矩阵进行逆变换的装置。

6.一种按权利要求1所述的接收机，其中所述估计逆有害成分相关序列的装置包括：

估计一个有害成分相关序列的装置；

变换所述序列的装置，用来产生一个变换矩阵；

计算所述变换矩阵的伴随矩阵的装置；

计算一个比例因子的装置；

对所述伴随矩阵定标的装置，用来产生一个标定伴随矩阵；以及

对所述标定伴随矩阵进行逆变换的装置。

7.一种检测信息码元的方法，所述方法包括下列步骤：

接收多个天线上的无线电信号，产生多个天线信号；

对所述天线信号进行射频处理，产生多个接收样点流；

形成多个各与所述接收样点流之一相应的信道系数估计；

形成一个逆有害成分相关序列估计，其中有害成分相应于接收样点流中的干扰和噪声，而其中所述逆有害成分相关序列估计是使用空间有害成分相关和时间有害成分相关而形成的；

利用所述信道系数估计和所述逆有害成分相关序列估计形成支路度量；以及

在一个序列估计器中利用所述支路度量检测所述数字信息码元。

8.按权利要求7所述的方法，其中所述形成支路度量的步骤包括下列步骤：

利用所述信道系数估计形成假设的接收样本；

形成所述接收样本与所述假设接收样本之差；

将所述差存入一个存储装置；

利用所述逆有害成分相关序列估计以所存储的所述差形成的二次积；以及

累加所述二次积，产生所述支路度量。

9.按权利要求7所述的方法，其中所述形成支路度量的步骤包括下列步骤：

利用所述信道系数估计和所述逆有害成分相关序列估计形成各个加权；

利用所述信道系数估计和所述逆有害成分相关序列估计形成各个参数；

以所述加权合并所述接收样点，产生合并值；

以所述参数对假设的码元值进行滤波，产生滤波值；以及

合并所述合并值、所述滤波值和一个假设的码元值，产生支路度量。

10.按权利要求7所述的方法，其中所述估计逆有害成分相关序列的步骤包括下列步骤：

估计一个有害成分相关序列；

变换所述序列，产生一个变换矩阵；

计算所述变换矩阵的逆矩阵；以及

对所述变换矩阵的逆矩阵进行逆变换。

11.一种按权利要求7所述的方法，其中所述估计逆有害成分相关序列的步骤包括下列步骤：

估计一个有害成分相关序列；

变换所述序列，产生一个变换矩阵；

计算所述变换矩阵的伴随矩阵；以及

对所述变换矩阵的伴随矩阵进行逆变换。

12.按权利要求7所述的方法，其中所述估计逆有害成分相关序列的步骤包括下列步骤：

估计一个有害成分相关序列；

变换所述序列，产生一个变换矩阵；

计算所述变换矩阵的伴随矩阵；

计算一个比例因子；

对所述伴随矩阵定标，产生一个标定伴随矩阵；以及

对所述标定伴随矩阵进行逆变换。

13.一种接收机，所述接收机包括：

至少两个各接收一个无线电信号的天线，用来产生至少两个天线信号；以及

一个接收所述至少两个天线信号和对所述至少两个天线信号进行处理的处理器，用来确定在所述无线电信号中存在的各信息码元，所述处理器包括：

确定支路度量的装置，这些支路度量用来形成所述信息码元的假设，其中所述支路度量是使用有害成分在时间上和空间上的相关性而确定的。

14.权利要求1的接收机，其中所述形成逆有害成分相关序列估计的装置利用了形式为

R_{zz} (m) = E {[\begin{matrix} z_{a} (n + m) \\ z_{b} (n + m) \end{matrix}] [\begin{matrix} z_{a}^{*} (n) & z_{b}^{*} (n) \end{matrix}]}

的有害成分相关序列估计。

15.权利要求7的方法，其中所述形成逆有害成分相关序列估计的步骤还包括下列步骤：

采用形式为：

R_{zz} (m) = E {[\begin{matrix} z_{a} (n + m) \\ z_{b} (n + m) \end{matrix}] [\begin{matrix} z_{a}^{*} (n) & a_{b}^{*} (n) \end{matrix}]}

的有害成分相关序列估计。

16.权利要求13的接收机，其中所述确定支路度量的装置包括：

形成一个逆有害成分相关序列估计的装置，其中所述有害成分相关序列估计具有如下形式

R_{zz} (m) = E {[\begin{matrix} z_{a} (n + m) \\ z_{a} (n + m) \end{matrix}] [\begin{matrix} z_{a}^{*} (n) & z_{b}^{*} (n) \end{matrix}]}

17.权利要求1的接收机，其中所述形成逆有害成分相关序列估计的装置利用了一个有害成分相关矩阵序列，其中每个矩阵都有两项，第一项与有害成分的空间相关性有关，而第二项与有害成分的时间相关性有关。

18.权利要求7的方法，其中所述形成逆有害成分相关序列估计的步骤还包括下列步骤：

采用一个有害成分相关矩阵序列，其中每个矩阵都有两项，第一项与有害成分的空间相关性有关，而第二项与有害成分的时间相关性有关。

19.权利要求13的接收机，其中所述确定支路度量的装置包括：

形成一个逆有害成分相关序列估计的装置，其中所述有害成分相关序列估计包括一个矩阵序列，其中每个矩阵都有两项，第一项与有害成分的空间相关性有关，而第二项与有害成分的时间相关性有关。