CN1150710C - 一种动态调整平均长度以进行信道估计的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明方法包括以下步骤：(1)估计移动信道最大多普勒频移；(2)根据最大多普勒频移计算最佳平均长度；(3)根据计算出的最佳平均长度进行动态调整。本发明装置包括瞬时信道参数估计器1、最大多普勒频移估计器2、最佳平均长度计算器3和M个数据累加平均器4，其中瞬时信道参数估计器1同时与最大多普勒频移估计器2和M个数据累加平均器4连接。本发明计算简单易行，可用于任何具有连续导频的CDMA移动通信系统，包括3GPP WCDMA和3GPP2 CDMA2000系统。克服了固定平均长度进行信道估计所带来的估计误差，大大提高RAKE接收机的接收性能。

Description

一种动态调整平均长度以进行信道估计的方法和装置

本发明属于CDMA(码分多址)蜂窝通信系统领域。

CDMA蜂窝通信技术以其频率规划简单、系统容量大、抗多径能力强、通信质量好、电磁干扰小等特点显示出巨大的发展潜力，是包括第三代的未来移动通信的主流技术。CDMA扩频信号接收机分为相干接收机和非相干接收机两种。相干接收机需要得知接收信号的相位信息，而非相干接收机不需要接收信号的相位信息，但要求发送信号为正交调制方式。本发明主要考虑在未来CDMA蜂窝系统中占主导地位的相干接收方式。

移动通信系统中存在多径衰落现象，会造成严重的多径干扰。在采用了扩展频谱技术的CDMA蜂窝移动通信系统中，通过接收带有确知信息的导频(Pilot)信号，可以对多径信号的幅度和相位信息进行估计，从而使得多径分集和相干接收成为可能。针对多径衰落信号进行分集处理的相干扩频接收机称为RAKE接收机，它可对多个携有相同信息且衰落特性相互独立的单径信号进行相位校正并进行最大比合并处理，从而达到克服多径衰落，提高接收信号干扰比之目的。

为了实现相干接收，需要估计出衰落信道的时变参数即进行信道估计。而对信道估计的要求有及时性和准确性两个方面，及时性是指信道快速变化时，信道估计能快速跟踪信道的变化；准确性是指，在保证及时性的前提下，尽可能地提高信道估计的精度。在连续导频体制的CDMA系统中，进行信道估计时采用的经典方法是RAKE接收机的每一分支利用导频符号估计出的连续多个信道数据的采样值进行平均以抑制估计噪声，平均区间越大，噪声所带来的干扰越小。但是另一方面，这种在一定区间进行平均的方法是建立在信道参数在此范围是缓慢变化的基础之上的，而这个信道参数相对变化缓慢的估计区间又随移动台移动速度(多普勒频移)而变化，移动速度越大，此区间越小，反之则越大。综合考虑，信道估计的长度存在一个相对的平衡点，此点能兼顾信道的时变特性及抑制噪声两个方面。在传统的连续导频CDMA系统的RAKE接收机中，信道估计器的平均长度设定为一个固定的值。而对于第三代综合业务移动通信系统来说，如果采用固定平均长度，移动速度越大，信道相对稳定的时间也就越短，信道估计器的平均长度也应该越短，随着信道估计平均长度的缩短，信道估计值所含噪声成份逐渐增大，信道估计的准确度会下降。为了使RAKE接收机达到从静止到500公里/小时的速度适应能力，信道估计采用固定平均长度的方法不是最佳方案，因此我们必须动态调整这一估计长度。

本发明的目的是根据移动台不同的移动速度，确定信道估计时最佳的平均长度，由此建立对信道估计平均长度进行动态调制，从而克服固定平均长度进行信道估计所带来的估计误差，大大提高RAKE接收机的接收性能。

本发明的方法及装置分别是按以下方案实现的：

本发明提出了动态调整信道估计平均长度的调整方法，其基本思路是：首先估计出信道的最大多普勒频移，再利用最佳信道估计平均长度的闭合公式对平均长度进行动态调整。

本发明方法包括以下步骤：(1)估计移动信道最大多普勒频移；(2)根据最大多普勒频移计算最佳平均长度；(3)根据计算出的最佳平均长度进行动态调整。

以下结合公式分别进行介绍。

1、信道最大多普勒频移的估计：CDMA系统中的导频(Pilot)信道用于传送事先确知的导频序列，可用于系统定时和载波的提取、信道估计、越区切换等。

设RAKE接收机所用的指峰数为L，考虑第l个指峰。接收导频信道数据经过与发送信号导频信道的扰码及信道码相关解扩后得到受衰落信道影响的导频接收符号序列r_l(n)，即

(r_ln)＝d_p(n)c₁(n)+v(n)

c_l(n)＝c_lI(n)+jc_lQ(n)               [公式1]

d_p(n)＝d_pI(n)+jd_pQ(n)

其中，d_p(n)是导频信道的发送符号，c_l(n)是第l径第n个符号区间信道参数，v(n)是复加性高斯白噪声。r_l(n)及v(n)的采样时间间隔为符号间隔Δt。根据导频符号估计出的信道参数序列为：

${\hat{c}}_{l,T}\left(n\right)=r_l\left(n\right)/d_p=c_l\left(n\right)+z\left(n\right)$ [公式2]

其中，

是c_l(n)的符号瞬时估值，z(n)是v(n)引入的估计白噪声，其方差为σ_n ²。

设x_l，T(n)为

的包络，我们利用x_l，T(n)在区间1≤n≤N的值来估计信道的最大多普勒频移ω_d。RAKE接收机能够分辨出很小的多径时延，并能搜索出其中的最强径，设最强径为第l径。构造如下变量G：

$G=\frac{\frac{1}{N-1}\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{(x_{l,T}(n+1)-x_{l,T}\left(n\right))}^2}{\frac{1}{N}\underset{l=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{l,T}^2\left(n\right)}$ [公式3]

ω_d的估计为：

${\mathrm{\ω}}_d=\frac{2}{\mathrm{\Δt}}\sqrt{G}$ [公式4]

2、计算最佳平均长度

利用连续导频估计第n点的信道参数时，采用平均的方法，即将

输入到一个平均长度为2N+1的平均系统模型中，如图1所示。

由此得到新的信道参数的估计序列

由以下等式右端的三部分组成：

${\hat{c}}_l\left(n\right)=c_l\left(n\right)+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Total}}\left(n\right)=c_l\left(n\right)+{\mathrm{\ϵ}}_s\left(n\right)+{\mathrm{\ϵ}}_z\left(n\right)$ [公式5]

其中，ε_s(n)是由于平均长度所带来的误差，ε_z(n)是由于噪声所带来的误差。ε_Total(n)是两种误差的总和。

本发明给出一个完整的误差平均功率的表达式。ω_d为信道最大多普勒频移。因此，由于平均所产生的误差均方值为：

$E\left[\right|{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Total}}{|}^2]=E[\left|{\mathrm{\ϵ}}_s{|}^2\right]+E\left[\right|{\mathrm{\ϵ}}_z{|}^2]=\frac{N^2{(N+1)}^2}{96}{\left({\mathrm{\ω}}_d\mathrm{\Δt}\right)}^4{\mathrm{\σ}}_l^2+\frac{{\mathrm{\σ}}_n^2}{2N+1}$ [公式6]

在已知ω_d及符号间隔Δt时，由上式可求得在不同运动速度下的最佳平均时间2N+1。设M＝2N+1，则由[公式6]可知，最佳的M为使下式最小的整数

$E\left[\right|{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Total}}{|}^2]=a{(M-1)}^2{(M+1)}^2+\frac{b}{M}$ [公式7]

其中

$a=6.51\×{10}^{-4}{\left({\mathrm{\ω}}_d\mathrm{\Δt}\right)}^4{\mathrm{\σ}}_l^2,$ $b={\mathrm{\σ}}_n^2$ [公式8]利用基本不等式，易得在 $M=\sqrt[5]{b/4a}$ 时，[公式7]取极小值，即可将图1所示的平均长度取

$M=\sqrt[5]{b/4a}$ [公式9]

3、得到最佳平均长度后由数据累加平均器对瞬时信道参数进行动态调整，即对瞬时信道参数估计进行累加、求和及平均。

本发明装置如图2所示，他包括瞬时信道参数估计器1、最大多普勒频移估计器2、最佳平均长度计算器3和M个数据累加平均器4，其中瞬时信道参数估计器1同时与最大多普勒频移估计器2和M个数据累加平均器4连接。

本发明优点：

(1)本发明计算简单易行，可用于任何具有连续导频的CDMA移动通信系统，包括3GPP WCDMA和3GPP2 CDMA2000系统。

(2)克服了固定平均长度进行信道估计所带来的估计误差，大大提高RAKE接收机的接收性能。

附图说明：

图1为连续导频平均法估计第n点信道参数示意图

图2为动态调整最佳平均长度进行信道估计的装置总框图

图3为瞬时信道参数估计器

图4为最大多普勒频移估计器

图5为信道估计最佳平均长度计算器

图6为M个数据累加平均器

图7为采用动态调整最佳平均长度进行信道估计装置的实施示例

以下结合本发明装置详细说明实施例：

本发明装置如图2所示，他包括瞬时信道参数估计器1、最大多普勒频移估计器2、最佳平均长度计算器3和M个数据累加平均器4，其中瞬时信道参数估计器1同时与最大多普勒频移估计器2和M个数据累加平均器4连接。

瞬时信道参数估计器1包括：复数乘法装置101，如图3所示；

最大多普勒频移估计器2包括：复数求模装置201、延时装置202、减法器203、平方器204、平方器205、N-1个数据累加平均装置206、N个数据累加平均装置207、除法器208、求二次方根装置209、乘法器210，并且减法器(203)同时与延时装置(202)、复数求模装置(201)及平方器(204)连接，除法器(208)同时与N个数据累加平均装置(207)、N-1个数据累加平均装置(206)及求二次方根装置(209)连接，如图4所示；

信道估计最佳平均长度计算器3包括：乘法器301、四次方装置302、乘法器303、求5次方根装置304，并且这四个装置串联连接如图5所示；

M个数据累加平均器4包括：M个数据累加平均器401，如图6所示。

下面对装置1、2、3、4分别进行介绍

对于装置1，它的输入是经过解扩后的导频信道以符号速率采样的复数信道参数，其中101的复数乘法器完成[公式2]所示的运算，之所以用乘法器是由于导频数据是已知的。装置1的结果数据分别送往装置2和装置4。

对于装置2，它的输入是来自装置1估计出的瞬时信道参数，输出是估计出的信道最大多普勒频移，它送往装置3。其中，201完成对输入的复数进行取模运算，202、203完成相邻两值的差值运算，其结果由204完成平方运算，由206完成平均运算。205、207完成[公式3]所示的分母部分的平方及累加平均运算。208完成[公式3]所示的除法运算，其结果送往209求二次方根，并在210完成与已知数据2/Δt的相乘运算并求出最大多普勒频移送往装置3。

对于装置3，它的输入来自装置2计算出的最大多普勒频移，它完成[公式8]、[公式9]所示的运算并求出最佳的平均长度M送往装置4。

对于装置4，它根据装置3计算出的最佳M值由M个数据累加平均器401对由装置1发送来的M个复数进行累加求和及平均，此即为动态调整，其结果即是动态调整平均长度后估计出的信道参数。

在图7中，为本发明装置应用于RAKE接收机中的实施示例，除本发明装置外，其余均为RAKE接收机中的一般装置，其功能和连接关系分述如下：

●抽头延迟线

抽头延迟线完成对接收基带数据的采样及延迟抽头输出，其结果通过时分复用的方式送往数据信道相关解扩器及导频信道相关解扩器。

●数据信道相关解扩器

数据信道相关解扩器完成对抽头延迟线输出的采样数据中数据信道的相关解扩，其结果送往乘法器。

●导频信道相关解扩器

导频信道相关解扩器完成对抽头延迟线输出的采样数据中导频信道的相关解扩，其结果送往瞬时信道参数估计器。

●乘法器

乘法器完成对数据信道相关解扩器输出的数据信道数据与长度为M的数据平均器输出的信道参数估计值的复数相乘，即对接收信号进行相位校正。其结果送往RAKE接收机的最大比合并器。

Claims (3)

1.一种动态调整平均长度以进行信道估计的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)经解扩后的复数信道参数由瞬时信道参数估计器(1)进行瞬时信道参数估计；

2)将瞬时信道参数输入到最大多普勒频移估计器(2)估计出多普勒频移；

3)最佳平均长度计算器(3)根据多普勒频移计算最佳平均长度；

4)M个数据累加平均器(4)根据最佳平均长度计算器(3)计算出的最佳平均长度值对由瞬时信道参数估计器发送来的信道参数进行累加求和及平均，此即为动态调整。

2.一种动态调整平均长度以进行信道估计的装置，其特征在于由瞬时信道参数估计器(1)、最大多普勒频移估计器(2)、最佳平均长度计算器(3)和M个数据累加平均器(4)组成，其中瞬时信道参数估计器(1)同时与最大多普勒频移估计器(2)和M个数据累加平均器(4)连接，即瞬时信道参数估计器(1)输出瞬时信道参数给最大多普勒频移估计器(2)和M个数据累加平均器(4)、最大多普勒频移估计器(2)输出多普勒频移给最佳平均长度计算器(3)，M个数据累加平均器(4)根据从最佳平均长度计算器(3)输入的最佳平均长度，对从瞬时信道参数估计器来的信道参数进行累加求和和平均即完成动态调整。

3.根据权利要求2所述的一种动态调整平均长度以进行信道估计的装置，其特征在于：

(1)所述的瞬时信道参数估计器(1)包括：复数乘法装置(101)；

(2)所述的最大多普勒频移估计器(2)包括：复数求模装置(201)、延时装置(202)、减法器(203)、平方器(204)、平方器(205)、N-1个数据累加平均装置(206)、N个数据累加平均装置(207)、除法器(208)、求二次方根装置(209)、乘法器(210)，并且减法器(203)同时与延时装置(202)、复数求模装置(201)及平方器(204)连接，除法器(208)同时与N个数据累加平均装置(207)、N-1个数据累加平均装置(206)及求二次方根装置(209)连接；

(3)所述的信道估计最佳平均长度计算器(3)包括：乘法器(301)、四次方装置(302)、乘法器(303)、求5次方根装置(304)，并且这四个装置串联连接；

(4)所述的M个数据累加平均器(4)包括：M个数据累加平均器(401)。