CN1139230C

CN1139230C - 一种在无线电系统中用于信道估测的装置和方法

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Publication number: CN1139230C
Application number: CNB998141623A
Authority: CN
Inventors: ��˹��B��ֶ�; B·林多夫
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Clastres LLC; WIRELESS PLANET LLC
Priority date: 1998-10-09
Filing date: 1999-10-04
Publication date: 2004-02-18
Anticipated expiration: 2019-10-04
Also published as: MY125290A; EP1119953B1; JP2002527997A; US6373888B1; WO2000022791A1; TR200100975T2; ATE298956T1; JP4515635B2; MXPA01003389A; DE69926008T2; CN1329789A; EP1119953A1; AU1303600A; DE69926008D1

Abstract

通过接收一个无线信号的接收训练符号部分并根据该接收训练序列和一个预定的训练序列估测一些信道模型结构，执行信道估测。对于每个信道模型结构，其相应的系数是利用一组与该信道模型结构相关而与其它不相关的一个或多个抽头中的所有抽头确定的。为每个信道模型结构生成一个方差测量值，该值代表该信道模型结构生成的一个估测值与一个接收信号值之间的方差值。根据该方差测量值，从信道模型结构中挑选一个最佳信道模型结构，并生成一些与该结构相关的状态。随后，利用均衡技术，从接收信号，最佳信道模型和状态数中生成判定符号。

Description

一种在无线电系统中用于信道估测的装置和方法

本发明有关数字通信，更具体地，有关数字通信中使用的信道估测器和均衡方法。

近年来，数字无线通信系统已被用于在多个位置间传递各种信息。对于数字通信，信息被转换为数字或二进制格式，称为位，以便传输。发射机将这种位流变换为一个调制的符号流，该流在数字接收机中被检测并再被变换回位和信息。

在数字无线通信中，无线电环境中存在一些影响成功通信的困难，例如，无线信号在到达一个接收机之前会通过一些信号路径所引起的困难。一种困难出现在多个信号路径长度相差甚大时。在这种情况下，会出现时间扩散，其中，多个信号图像在不同时间到达接收机天线，这就产生了信号回波。这会引起符号内干扰(ISI)，即，一个符号的回波干扰随后的符号的现象。

利用一个均衡器可以减轻时间扩散。常用的均衡器形式有线性均衡器，判定反馈均衡器，和最大似然序列估测(MLSE)均衡器。线性均衡器试图通过对所接收信号滤波来恢复信道功能。判定反馈均衡器利用前面的符号检测来删除由这些前面符号的回波所引起的符号内干扰。最后，一个MLSE均衡器假设不同的已发射符号序列并利用一个扩散信道模型，确定哪个假设最符合所接收的数据。对于本技术专业人士来说，这些均衡技术是已知的，这些技术可见于诸如J.G.Proakis，Digital Communication，2nd ed.，New York：McGraw-Hiu，1989这样的标准书籍。均衡器广泛用于TDMA系统中，例如DAMPS和GSM。

在三种常用均衡技术中，从性能准确度的角度来说，MLSE均衡是比较好的。在MLSE均衡器中，要考虑所有可能的发射符号序列。对于每个假设序列，都利用一个多通路信道模型预测接收信号采样值。预测的接收信号采样值与实际的接收信号采样值间的差异被称为预测误差，它能表明该假设的好坏程度。该预测误差的平方值被用作估测某特定假设的量度。对于不同的假设，该量度被累积以确定哪个假设更好。利用Viterbi算法可以有效地实现该过程，该算法是一个动态规划的格式。

不过，在某些工作条件下，到达一个接收机的信号可能不产生明显的符号内干扰。当ISI不明显或没有时，实际上，均衡器加到检测统计中的噪声多于消除掉的噪声，特别是在信道快速变化时。在这些条件下，可能希望将均衡器切换为另一种检测设备，例如，一个差分检波器，该检波器可以在非时间扩散条件下更好地执行。更进一步，一个均衡器与一个差分检波器相比计算上相对复杂。这样，周期性地将均衡器切换到差分检波器可以节省MIPS，进而降低电池消耗。

另一个例子，在直接序列CDMA系统中，普遍采用瑞克(RAKE)接收机。不过，过多地使用RAKE抽头会降低性能。

因此，希望提供一个接收机，其中，可以动态地识别并实施一个合适的检测技术，例如，一个使用适量信道抽头的检测器。

图1描述了一个常规信道估测器和信道均衡器，用于一个突发传输系统，例如GSM系统。图1中所示类型的常规设备是已知的，可见于前面引用的Proakis所著的书中，一个具有预定突发长度的接收信号101被存储在一个存储器103中。存储器103将包含有一个接收训练信号的一个接收突发部分送给信道估测器104。参照一个输入训练信号102，由该接收信号计算第k级(k是固定的)信道滤波器抽头{h_i}_i＝1，k。然后，信道滤波器抽头被送给一个均衡器105，该均衡器具有固定数量的状态，M^k-1，这里，M是可能符号的数量。均衡器105可以是一些类型的均衡器中的任一种，包括一个Viterbi均衡器。均衡器105的输出是已判定符号106。

1997年7月1日授于Ushirokawa的美国专利No.5,644,603中描述了一个具有可变数量状态的一个信道估测器和信道均衡器。见图2。一个具有预定突发长度的接收信号201被存储在存储器203中。存储器203将包含接收训练序列的接收突发部分提供给一个信道估测器204。参考一个输入训练信号202，从接收信号计算第k(k是固定的)信道滤波器抽头{h_i}_i＝1，k。随后，信道滤波器抽头被送入一个控制单元206，控制单元206识别最后一个功率大于一个预定门限功率级的滤波器抽头。最后标识的滤波器抽头之外的那些滤波器抽头中的功率可假设为零。当确定最后响应是第L个响应(L≤k)时，滤波器抽头{h_i}_L＝1，L被送给一个有M^L-1个状态的Viterbi均衡器205。该均衡器的输出为判定符号207。

如上述美国No.5,644,603所解释的，减少状态数的一个主要原因是降低所需的平均处理量。处理量的降低即为功耗的降低。

国际专利申请WO 96/13910中描述了一个信道估测器和信道均衡器，它将一个长信道估测与一个短信道估测平均，提供一个综合信道估测。WO 96/13910解释道，小信道滤波器抽头的减少也能得出真实无线信道的更好模型。不过，WO 96/13910的信道估测器使用了常规的技术，该技术在信道滤波器中使用一个预定的，固定数量的抽头。

在用于一个无线接收机中的信道估测方法和设备中，可以达到上述和其它目的。按照本发明的一个方面，信道估测包括：接收一个无线信号的接收训练序列部分；根据接收训练序列和一个预定训练序列，估测多路信道模型结构，其中，对于多路信道模型中的每一个，其相应的系数是利用一组与该相应信道模型相关而不与其它模型相关的一个或多个抽头的全部确定的。

按本发明的另一个方面，多路信道模型结构中至少一个是级数为k的信道模型结构，并有少于k个系数。

在本发明的另一方面，信道估测还包括对一个非滤波训练序列滤波，以生成一个预定训练序列，其中，该滤波与一个发射训练序列所经受的已知滤波大体相同。

本发明的另一方面，信道估测还包括，为多路信道模型结构的每一个生成一个方差测量值，该值代表该信道模型结构生成的一个估测值与一个接收信号值之间的方差。

在本发明的另一方面，信道估测还包括，根据该方差测量值，从多路信道模型结构中挑选一个最优信道模型结构。

本发明的另一方面，在一个Akaike Information Criteria(阿开克信息准则)测试中，利用该方差测量值执行最优信道模型的挑选。

本发明的另一方面，信道估测还包括生成一些与最优信道模型结构相关的状态；并将该最佳信道模型结构和状态数用于一个均衡器。随后，该均衡器由一个接收无线信道，最佳信道模型结构和状态数生成一个判定信号。

结合附图，通过以下具体描述，可以理解本发明的目的和优点。

图1描述了一个常规信道估测器和信道均衡器，用于一个突发传输系统，例如GSM系统；

图2描述了一个具有可变个状态的常规信道估测器和信道均衡器；

图3是一个方块图，举例说明了一个蜂窝式移动无线电话系统中的十个小区，该电话系统中使用了本发明；

图4举例说明了一个按本发明工作的接收机的实例，包括一个信道估测器和控制单元。

现在，参照附图介绍本发明的不同特点，其中，类似的部分用同样的参考符号标识。尽管以下描述是针对非扩展系统的，但本技术专业人士可以认识到，本发明也同样适用于扩频系统(如CDMA)。

图3是一个原理图，举例说明了在一个诸如D-AMPS的典型蜂窝电话网络300(以下称为蜂窝网络)中，10个小区(C1-C10)间的关系。一般，一个蜂窝网络有不止10个小区；不过，要例证本发明，10个小区就足够了。

在每个小区C1到C10中，都有一个基站B1到B10。图3所示基站位于每个小区的中心，不过，基站可位于小区中的任何地方。位于中心的基站一般使用全向天线，而位于小区边缘的基站一般使用定向天线。

图3所示的蜂窝网络300还有一个移动交换中心(MSC)。MSC通过电缆，无线链路，或这两种(图1中未示出)，与每个基站相连。MSC还与一个固定电话交换单元(图3中也未示出)相连。移动站M1-M10代表移动电话单元。当然，移动站可以在一个小区内移动，或者，它们可以从一个小区移动到另一个小区。一般，移动站远远多于10个。此处示出10个只是为了例证本发明。

每个移动站都包括一个接收机(图3中未示出)，用于接收从该移动站当前正在监听的基站通过空气接口发射的信号。接收机利用诸如解调和检测技术，处理接收信息符号，以提取包含在接收信号中的信息符号。

传统上，这些接收机中包含有诸如均衡器或差分检波器之类的检测设备，用于识别接收信号流中的信息符号。一般，根据一个接收机预计要工作在其中的无线电环境的最差条件，来选择要包含在该接收机中的特定的检测设备，例如具有一些预定的，固定数量的信道抽头的均衡器。不过，本发明采用了另一种方案，其中提供了一个信道估测器，其信道滤波器上的抽头数量是可变的。可变数量的抽头可允许模型复杂度适应于接收符号序列中的符号内干扰。根据接收数据序列优化模型结构能够提高良好均衡的程度，从而降低比特差错率。此外，与均衡器一直用最大数量的状态工作的情况相比，在任何可能的时候降低模型复杂度，可以降低均衡器的平均处理量(从而降低功耗)。

参照图4，描述了一个按本发明工作的接收机的实例。一个具有预定突发长度的接收信号401被存储在存储器404中。存储器404向一个信道估测器405提供一个与接收训练序列相对应的接收信号部分。训练序列是预定的，且对发射机和接收机来说都是已知的。从而，接收机根据该预定训练序列生成其自身的训练信号402，并将其送给一个滤波器403，该滤波器可以这样构造，即，它可按类似于发射训练序列所经受的整个滤波过程中的那些已知部分的方式工作。整个滤波的已知部分可以是发射机和接收机滤波器，因此，滤波训练序列和实际接收训练序列间的任何差异只是归因于无线信道自身执行的滤波。这能得到更精确的信道估测。

随后，滤波器403将已滤波训练序列送给信道估测器405。按本发明的一个方面，信道估测器使用滤波训练序列和接收训练序列来估测所有(或一个子集)可能的信道模型结构，

直到一个固定级K。在每种情况下，都按已知技术执行估测，例如，按最小平方技术。

每种可能信道模型结构都只包含那些与一个相应的可能抽头组合相关的抽头。例如，假设k＝3，且可由一个有限冲激响应(FIR)滤波器对信道建模。从而，有三种只有一个单一抽头的信道模型：

H_channel(z)＝h₀；

H_channel(z)＝h₁z^-1；和

H_channel(z)＝h₂z^-2另一种极端，只有一个具有三个抽头的信道模型：

H_channel(z)＝h₀+h₁z^-1+h₂z^-2.

按本发明的一个方面，对于每种信道模型，其相应的系数是利用与其相应信道模型结构有关而与其它无关的一组一个或多个抽头中的所有抽头确定的，因此，通常来说，与一个模型(例如，单一抽头模型中的任一个)相关的第i个系数，不会同与其它任意模型相关的第i个系数取相同值。例如，一开始，通过确定在模型中只存在一个抽头，来确定单抽头模型中的h₀(它只有一个系数，称为h₀)。相反，使用可变数量抽头的常规技术总是假设一个最大抽头数(例如3)，并且只是丢弃在特定模型中不会被使用的系数。

回到我们的例子，对于k＝3的情况，可以估测七个不同的模型结构(尽管不是在本发明的所有实例中都使用所有可能的模型结构)。若在一个特定实例中，估算所有这七种可能的模型结构，则

定义为：这里，对于每个系数h_m ^a，b，…E，上标表明哪些抽头出现在该特定模型中，下标表示该系数代表这些系数中的哪一个(对于一个特定模型来说)。

每个估算模型结构的信道抽头系数(即 )都被送给一个控制单元407。信道估测器405还确定每个模型配合的余数方差，并将这些方差值

送给控制单元407。为确定该方差，可按下面公式为每个模型配合计算余数(e)：

e_{t}^{\mod} = Y_{t} - {\hat{T}}_{t} (\mod), t = 1, . . ., n

这里，Y_t是测量接收信号数据，n是训练序列的长度，且

{\hat{Y}}_{t} (\mod) = \underset{t = a, b, . . ., z}{Σ} {\hat{h}}_{i}^{a, b, . . ., z} d_{t - i}

这里，d_t-1是预定发射符号。

于是，余数的方差为：

根据方差值，模型级数和信道滤波器抽头，控制单元407确定哪个模型最符合接收数据序列。此外，最佳模型记为H^OPT。最佳模型的确定最好是根据一个统计信息测试，例如，L.Ljung，SystemIdentification-Theory for the User，Prentice hall Inc.，NewJersey，1987中描述的Akaike信息准则(AIC)测试。在别的实例中，可用其它的统计模型确认测试代替AIC测试。按AIC测试，按下面公式为每个模型计算一个值L。这里，dim[A]＝A的维数(即，信道抽头数)且n＝数据组的长度(即训练序列的长度)。按下面公式，挑选一个最佳模型

即，按照测量值L_i，与数据最符合的模型即为被选为最佳模型的一个。

控制单元407将最佳模型的信道滤波器抽头，与其状态数一起送给均衡器406，该均衡器可以是一个MLSE Viterbi均衡器，或是如A.Duel-Hallen and C.Heegard，“Delayed decision-feedbacksequence estimation”，IEEE Transactions on Communications，37：5：428-436，1989中所描述的一个延迟判定反馈序列估测器(DFSE)按下面公式确定状态数：

状态数＝M^L-1这里，M为可能符号数，L为最高索引，i与任一个相关。

均衡器406的输出为判定符号408。

以上已参照一个特定实例描述了本发明，不过，本技术专业人士可以认识到，可以用不同于上述推荐实例的方式实现本发明。此外，推荐实例只起例证的作用，而不应看作是对本发明的约束。本发明的范围是由附加权利要求规定的，而不是由前面的描述规定，权利要求范围内的任何改变及等效形式都包含在本发明范围内。

Claims

1.一种在无线电系统中用于信道估测的装置，包括：

一个输入端，用于接收一个无线信号的接收训练序列部分(401)；

电路(405)，用于根据接收训练序列(401)和一个预定训练序列(402)，生成多个信道模型结构，其中，对于，对于多个信道模型结构的每一个，其相应的系数是利用一组与该相应信道模型结构相关的一个或多个抽头的全部来确定的；和

一个控制单元(407)，它从多个信道模型结构中挑选出一个最佳信道模型结构。

2.权利要求1的装置，其中，多个信道模型结构中的至少一个是级数为k的信道模型结构，并有少于k个系数。

3.权利要求1的装置，还包括一个滤波器(403)，用于提供预定训练序列，其中，该滤波器对一个非滤波训练序列信号滤波，且它所执行的滤波与一个发射训练序列已经受的已知滤波大体相同。

4.权利要求1的装置，还包括：

为多个信道模型结构中的每一个生成一个方差测量值的电路，该值代表该信道模型结构所生成的一个估测值与一个接收信号值之间的差值。

5.权利要求4的信道估测器，其中，控制单元(407)根据该方差测量值，选择最佳信道模型结构。

6.权利要求5的装置，其中控制单元在一个Akaike信息准则测试中，使用方差测量值，从多个信道模型结构中挑选最佳信道模型结构。

7.权利要求5的装置，其中控制单元包括：

用于生成一些与最佳信道模型结构相关的状态的电路；和

用于向一个均衡器提供该最佳信道模型结构和状态数的电路。

8.一种接收机，包括：

处理电路，用于接收一个无线信号并从中生成信号采样；

一个存储器(404)，与处理电路相连，用于存储信号采样值；

一个信道估测器(405)，连接到存储器的一个输出端，包括：

用于接收存储信号采样的一个接收训练序列部分(401)的电路；

根据该接收训练序列和一个预定训练序列(402)，估测多个信道模型结构的电路，其中，对于多个信道模型结构中的每一个，其相应的系数是利用一组与该信道模型结构相关而不是与其它信道模型结构相关的一个或多个抽头的全部确定的；和

用于为多个信道模型结构中的每一个生成一个方差测量值的电路，该值代表该信道模型结构生成的一个估测值与一个接收信号值之间的方差值；

一个控制单元(407)，与信号估测器相连，包括：

根据该差值测量值，从多个信道模型结构中挑选一个最佳信道模型结构的电路；和

用于生成一些与该最佳信道模型结构相关的状态的电路；和

一个均衡器(406)，与控制单元相连，用于接收最佳信道模型结构和状态数，并生成一个判定符号。

9.用于一个无线接收机中的信道估测方法，该信道估测方法包括以下步骤：

接收一个无线信号的接收训练序列部分；

根据接收训练序列和一个预定训练序列，估测多个信道模型结构，其中，对于多个信道模型结构中的每一个，其相应的系数是利用一组与该相应信道模型结构相关的一个或多个抽头的全部来确定的；

从多个信道模型结构中挑选最佳信道模型结构。

10.权利要求9的信道估测方法，其中，多个信道模型结构中至少一个是级数为k的信道模型结构，并有少于k个系数。

11.权利要求9的信道估测方法，还包括滤波步骤，即，对非滤波训练序列滤波以生成预定训练序列，其中，该滤波与发射训练序列所经受的已知滤波相同。

12.权利要求9的信道估测方法，还包括以下步骤：

为多个信道模型结构中的每一个生成一个方差值，该值代表该信道模型结构生成的一个估测值与一个接收信号值之间的方差值。

13.权利要求12的信道估测方法，其中，从多个信道模型结构中挑选出一个最佳信道模型结构的步骤是基于方差测量的。

14.权利要求13的信道估测方法，其中，挑选最佳信道模型的步骤是在一个Akaike信息准则测试中，利用方差测量值执行的。

15.权利要求13的信道估测方法，还包括以下步骤：

生成一些与最佳信道模型结构相关的状态；

向一个均衡器提供最佳信道模型结构和状态数。

16.一种从一个无线信号生成一个判定符号的方法，包括以下步骤：

接收无线信号并从中生成信号采样；

在一个存储器(404)中存储信号采样值；

根据存储信号的一个接收训练序列部分(401)和一个预定训练序列(402)，估测多个信号模型结构，其中，对于多个信道模型结构中的每一个，其相应的系数是利用与该相应信道模型结构相关并不与其它信道模型结构相关的一组一个或多个抽头的全部来确定的；

为多个信道模型结构的每一个生成一个方差测量值，该值代表由该信道模型结构生成的一个估测值与一个接收信号值之间的方差值；

根据该方差测量值，从多个信道模型结构中挑选一个最佳信道模型结构；

生成一些与该最佳信道模型结构相关的状态；

利用均衡技术，从一个或多个存储信号采样，最佳信道模型结构和状态数，生成判定符号。