CN1156179C

CN1156179C - 一种信道估计平均区间的动态调整方法和装置

Info

Publication number: CN1156179C
Application number: CNB011312246A
Authority: CN
Inventors: �Դ��; 赵春明; 马章勇; 蒋良成; 尤肖虎
Original assignee: Southeast University; Research Institute of Telecommunications Transmission Ministry of Industry and Information Technology
Current assignee: Southeast University; Research Institute of Telecommunications Transmission Ministry of Industry and Information Technology
Priority date: 2001-09-03
Filing date: 2001-09-03
Publication date: 2004-06-30
Anticipated expiration: 2021-09-03
Also published as: US20050018641A1; CN1337835A; US7376176B2; WO2003021980A1

Abstract

本发明所述基于多普勒频偏的动态调整信道估计时的最佳平均区间的方法，是根据移动终端不同的移动速度，利用电平穿过率(Level Cross Rate，LCR)估计多普勒频偏，再根据已有的多普勒频偏与平均区间的关系，确定信道估计时最优的平均区间，最后，根据计算出的最优信道估计平均区间，动态地调整信道估计平均区间，使整个相干接收机的性能在不同的移动速度下均能获得最优的估计性能。本发明的装置包括信道估计模块，有效/最强径选择模块，RAKE解调与合并模块，其特征在于还包括RAKE输出判决模块，LCR检测与多普勒估计模块，高斯噪声功率估计模块，最强径信号功率估计模块，最优平均区间计算模块。本发明方法和装置简单易行，可在传统的RAKE接收机的基础上增加RAKE输出判决模块、LCR检测与多普勒频偏估计模块、高斯噪声功率估计模块、最强径信号功率估计模块和最优平均区间计算模块五个简单的计算单元即可。

Description

一种信道估计平均区间的动态调整方法和装置

技术领域

本发明涉及CDMA(码分多址)蜂窝通信技术领域，具体地说涉及WCDMA(宽带)和CDMA2000-1x的多普勒频偏估计及信道估计平均长度动态调整的技术。

背景技术

与FDMA、TDMA相比，CDMA具有容量大、抗多径衰落能力强和频带利用率高等优点，已成为第三代移动通信无线传输技术的主流。CDMA扩频信号接收机分为相干接收机和非相干接收机两种方式。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，但要求发送信号采用正交调制方式。目前主要是采用相干接收方式。本发明主要考虑在第三代移动通信体制标准中占主导地位的相干接收方式。

移动信道的多径传输环境引起信号衰落，使接收信号的幅度和相位随时间变化，在采用了扩展频谱技术的CDMA峰窝移动通信系统中，通过接收带有确知信息的连续导频(Pilot)信号，可以估计出多径信号的幅度和相位信息，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，提高接收信噪比的目的。

为进行相干接收，需要估计出衰落信道的时变参数，该过程称为信道估计。常规方法是利用已知的导频符号对达到信号的每一径分别进行解相关，估计出信道参数的多个采样值，并对多个采样值进行平均以得到更为精确的信道估计值。在信道参数相对保持不变的条件下，所采用的平均区间越大，信道估计结果越准确，但在实际应用中，信道参数随衰落信道的多普勒频偏而发生变化，移动终端的移动速度越快，多普勒频偏越大，信道参数变化越快。换言之，信道参数相对保持不变的区间随移动终端的移动速度(多普勒频偏)发生变化，移动速度越快，该区间越小，反之则越大。如果采用固定平均长度，则难以适应不同移动环境下的应用。根据第三代移动通信系统的要求，移动终端应能够适应从静止环境到500公里/小时移动环境的适应能力。这要求移动终端应能估计出多普勒频偏，并根据多普勒频偏来动态地调整信道估计平均区间，以获得最优的接收性能。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于估计多普勒频偏的动态调整信道估计平均区间的方法和装置，以克服固定平均区间不能跟踪移动终端速度的缺点。

本发明所述基于多普勒频偏的动态调整信道估计时的最佳平均区间的方法，是根据移动终端不同的移动速度，利用电平穿过率(Level Cross Rate，LCR)估计多普勒频偏，再根据已有的多普勒频偏与平均区间的关系，确定信道估计时最优的平均区间。

根据本发明的一个方面，提供一种信道估计平均区间的动态调整方法，包括步骤：统计平均电平通过率；利用相干RAKE接收原理估计出有效到达径的信道估计参数及其包络信号，统计有效到达径包络信号的平均电平通过率，并由此估计出信道的多普勒频偏；利用已有的多普勒频偏与最优信道估计平均区间的关系，计算出在当前多普勒频偏及噪声等信道条件下最优信道估计平均区间；根据计算出的最优信道估计平均区间，动态地调整信道估计平均区间，使整个相干接收机的性能在不同的移动速度下均能获得最优的估计性能。

根据本发明的另一个方面，提供一种信道估计平均区间的动态调整装置，包括信道估计模块，有效/最强径选择模块，RAKE解调与合并模块，其特征在于还包括RAKE输出判决模块，LCR检测与多普勒估计模块，高斯噪声功率估计模块，最强径信号功率估计模块，最优平均区间计算模块。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步描述，以使本发明的目的，特征和优点更清楚。

图1是电平通过率和平均电平持续时间的示意图；

图2是基于窗口滑动平均的信道估计示意图；

图3是基于LCR原理的cdma2000-1x系统RAKE接收机的方框图；

图4是不同车速下采用固定平均长度与动态平均长度时性能比较示意图。

具体实施方式

首先说明在多径衰落信道环境下CDMA系统多普勒频偏估计：由移动信道的衰落特性可知，衰落速率是与衰落深度有关的，深度衰落发生的次数较少，而浅度衰落发生的相当频繁，定量地描述这一特征的参量是电平通过率(LCR)。其定义为：信号包络在单位时间内以正斜率通过某一规定电平的平均次数。如图1所示，在给定的观察区间T内，信号包络在时刻1、2、3、…，M以正斜率通过平均电平R，也即信号电平衰减到电平R以下的次数为M次，其电平通过率为N_A＝M/T。在观察区间足够长的条件下，可以估计出信道衰落所带来的多普勒频偏如下：

f_d≈M/T (公式1)式中f_d为多普勒频偏。

在相干接收的CDMA系统中，由于存在连续导频(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CDMA系统中RAKE接收机所能够分辨出的有效到达径(分枝)总数为L，则对其经过解扩运算之后的第l个分支的输出信号为，

γ_l(n)＝d_p(n)c_l(n)+v(n) (公式2)其中，γ_l(n)为第l个分支的输出信号，d_p(n)为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(AWGN)，根据导频符号估计出的信道参数序列为：

{\hat{c}}_{l, s} = γ_{l} (n) d_{p}^{*} (n) / {| d_{p} (n) |}^{2} = c_{l} (n) + z (n)

(公式3)其中，

是c_l(n)的符号瞬间估值，z(n)是v(n)引入的估计白噪声，其方差为σ_n ²对上述符号舜间估计值进行窗口滑动平均，如图2所示。设窗口的长度为P，可得到一个更为精确的信道参数估计值如下。

{\hat{c}}_{l} (n) = \frac{1}{P} Σ_{i = - N_{1}}^{N_{2}} {\hat{c}}_{l, s} (n - i)

(公式4)式中P＝N₁+N₂+1为滑动平均的窗口长度，其初始取值应保证瞬时信道估计值-N₁≤i≤N₂，相对保持不变。

为计算出RAKE接收机第l分支的多普勒频偏，需计算出其信道估计的平均电平，为此取连续K次的包络平均值作为所需的平均电平估计值：

{\hat{R}}_{l} (n) = \frac{1}{K} Σ_{i = 0}^{K} | {\hat{c}}_{l} (n - i) |

或

{\hat{R}}_{l} (n) = {\hat{R}}_{l} (n - 1) + \frac{1}{K} {| {\hat{c}}_{l} (n) | - | c_{l} (n - K) |}

(公式5)

式中K值的选取应足够大，使得所对应的区间远大于信道衰落周期值。假设K个

估计所对应的时间区间为T，且第l径信道估计的包络

上穿平均电平

的次数为M_l(n)，则估计出移动终端RAKE接收机的第l个分支的多普勒频偏

为：

{\hat{f}}_{d, l} (n) \approx M_{1} (n) / T

(公式6)

其次，利用已有的多普勒频偏与最优信道估计平均区间的关系，计算出在当前多普勒频偏及噪声等信道条件下最优信道估计平均区间。若多普勒频偏为

导频符号间隔为T_s，高斯白噪声的方差σ_n ²，第l个信道到达径的功率为σ_l ²时，则其信道估计的最佳平均区间为：

P = \sqrt[5]{(384 σ_{l}^{2} / ({(2 π f_{d} T_{s})}^{4} σ_{n}^{2})}

(公式7)

由于数据的传送是通过与导频信道平行的其它数据传送码道同时进行的，因而其信道衰落参数与导频信道所估计的参数相同。为此，设经解扩运算后的数据传送码道的第l径输出为：

r_l ^d(m)＝d(m)c_l(n)+v(m),m＝qn+j,j＝0，1，Λ，q-1(公式8)

式中d(m)为所发送的符号，q为一个导频符号间隔内所包含的发送符号数，则RAKE接收机的最大比合并输出为：

\hat{d} (m) = Σ_{l = 1}^{L} r_{l}^{d} (m) {\hat{c}}_{l}^{*} (n)

(公式9)

由下列各式分别估算高斯自噪声的方差σ_n ²及第l径信号的功率σ_l ²：

或

{\hat{σ}}_{n}^{2} (m) = {\hat{σ}}_{n}^{2} (m - 1) + \frac{1}{qK} {{| r_{l}^{d} (m) - \hat{d} (m) {\hat{c}}_{l} (n) |}^{2} - {| r_{l}^{d} (m) - \hat{d} (m - qK) {\hat{c}}_{l} (n - K) |}^{2}}

(公式10)

{\hat{σ}}_{l}^{2} (n) = \frac{1}{K} Σ_{i = 0}^{K - 1} {| {\hat{c}}_{l} (n - i) |}^{2}

或

{\hat{σ}}_{l}^{2} (n) = {\hat{σ}}_{l}^{2} (n - 1) + \frac{1}{K} {{| {\hat{c}}_{l} (n) |}^{2} - {| {\hat{c}}_{l} (n - K) |}^{2}}

(公式11)

然后，根据计算出的最优信道估计平均区间，动态地调整信道估计平均区间，使整个相干接收机的性能在不同的移动速度下均能获得最优的估计性能。对于信道估计器的第l个分支，0≤l≤L-1，其最优信道估计平均区间的迭代按如下方法进行：

步骤1：对参数进行初始化。设平均区间参数初始值为P＝P₀，迭代次数n＝1；

步骤2：计算每个导频符号所对应的瞬时信道估计

并取P＝P_n-1，按(公式4)计算滑动窗平均信道估计值并按(公式5)计算平均电平

步骤3：统计 0≤i≤K-1所对应的K个估计区间内(也即T时间间隔内)平均信道估计值

0≤i≤K-1上穿平均电平

的次数，并按(公式6)估计移动台的多普勒频偏

步骤4：利用(公式10)和(公式11)分别计算高斯白噪声的方差σ_n ²及第l径信号功率σ_l ²的估计值，并利用(公式7)计算出多普勒频偏为时的信道估计器最佳平均长度P_n，n←n-1，返回步骤2。

上述迭代方法是针对RAKE接收机的第l径进行的。考虑到由移动终端所带来的多普勒频偏对于每个信道到达径的影响应是相同的，可把上述迭代方法简化为仅使用最强信号到达径确定所有的L径的最优信道估计平均区间。

本发明有益效果：

本发明方法和装置简单易行，可在传统的RAKE接收机(由B101、B102、B103组成)的基础上增加A100至A104五个简单的计算单元即可；而且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；可使RAKE接收机的性能在不同的移动速度环境下，均能获得最优的性能。当移动速度变化时，可以自动地跟踪信道变化，并在估计出的速度范围内选择最佳的平均长度，使系统的性能有较大程度的提高。

下面结合附图进一步说明本发明的实施例。

参考图1，该图表示信号包络穿过电平R的示意图。电平通过率是指信号包络在单位时间T内以正斜率，例如图中数字1表示正斜率处，穿过电平R的平均次数。

图2是基于窗口滑动平均的信道估计示意图。

根据本发明的方法可应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(3GPP、3GPP2是两个分别被称为“第三代移动通信伙伴”和“第三代移动通信伙伴2”的国际组织)。

可在传统的RAKE接收机的基础上增加RAKE输出判决模块、LCR检测与多普勒频偏估计模块，高斯噪声功率估计模块、最强径信号功率估计模块和最优平均区间计算模块五个简单的计算单元即可。

图3是基于LCR原理的CDMA2000-1x系统RAKE接收机的方框图。图示出了执行本发明方法的装置的详细结构图，如图3所示，信道估计模块B101接收基带采样信号并进行相关运算。有效/最强径选择模块B102根据信道估计器幅度的大小，选择有效信号到达径和最强信号到达径。RAKE解调与合并模块B103接收来自基带采样信号并进行相关运算。RAKE输出判决模块A100接收RAKE解调与合并模块B103的输出，对RAKE接收机输出进行硬判决。LCR检测与多普勒估计模块A101接收来自有效最强径选择模块的输出，计算该径信号的平均电平。高斯噪声功率估计模块A102计算最强信号到达径中所包含的噪声功率。最强径信号功率估计模块A103接收来自有效/最强径选择模块的最强径信道估计结果。最优平均区间计算模块A104调整信道估计模块的平均区间。

由图3可见：有效/最强径选择模块B102直接与LCR检测与多普勒估计模块A101和最强径信号功率估计模块A103连接，RAKE解调与合并模块B103直接与高斯噪声功率估计模块A102和RAKE输出判决模块A100连接。

具体的信号处理过程如下：首先，将接收到的基带模拟信号经A/D转换后，成为数字信号，然后进入信道估计模块B101，该模块接收数字基带采样信号并进行相关运算，按(公式3)估计出导频符号的瞬时信道参数并按(公式4)计算出滑动平均信道估计值

l＝0，1，…，L-1，L的取值应大于多径衰落时延扩展，这样就可以对多径衰落信道进行估计。对于cdma2000-1x系统，L可取值为32。迭代开始时，可选取平均长度P为4个符号(256个码片)，其结果送往有效/最强径选择模块B102。有效/最强径选择模块B102根据信道估计器的信道估计值

的幅度的大小，选择有效信号到达径和最强信号达到径，最强信号到达径用于确定后续平均电平、电平穿过率、到达信号径功率和噪声功率以计算所需的路径号l值。有效信号到达径用于后续的RAKE合并计算，有效/最强径选择模块B 102选择的有效和最强径送往RAKE解调与合并模块B103，最强径信号功辜估计模块A103和LCR检测与多普勒估计模块A101。RAKE解调与合并模块B103接收来自基带采样信号并进行相关运算，得到如下式所示的解调输出：

r_l ^d(m)＝d(m)c_l(n)+v(m)，m＝qn+j，j＝0，1，Λ，q-1并按(公式9)进行最大比合并，得到RAKE接收机的输出。另一方面，最强径的解调输出以及RAKE接收机的输出判决送往高斯噪声功率估计模块A102。RAKE输出判决模块A100接收RAKE解调与合并模块B103的输出，对RAKE接收机输出进行硬判决，得到传送数据符号的判决估计值

并将其结果送往高斯噪声功率估计模块A102。LCR检测与多普勒估计模块A101接收来自有效/最强径选择模块B102的输出，按(公式5)计算该径信号的平均电平并完成如图1所示的电平穿过检测，统计连续K个估计的时间间隔中，其包络上穿平均电平

的次数，然后按(公式6)计算多普勒频偏的估计值

其结果送往最优信道估计平均区间计算模块A104。高斯噪声功率估计模块A102计算最强信号到达径中所包含的噪声功率，接受来自RAKE解调与合并模块B103中最强径信号的解调输出以及RAKE输出判决模块A100的输出，并按(公式10)计算最强径信号的噪声功率估计其结果送往最优平均区间计算模块A104。最强径信号功率估计模块A102接收来自有效/最强径选择模块B102的最强径信道估计结果，并按(公式11)计算最强径的功率估计其结果送往最优平均区间计算模块A104。最优平均区间计算模块A104接收来自LCR检测与多普勒估计模块A101，高斯噪声功率估计模块A102、最强径信号功率估计模块A103的输出，按(公式7)选择最佳的平均长度，其结果送往信道估计模块B101，调整信道估计器的平均长度P。

图4示出了3GPP2 cdma2000-1x移动终端的信道估计平均区间动态调整的典型计算结果。所采用的信道模型为IMT-2000推荐的M.1225城市信道模型，具体计算参数为：E_b/N₀＝3dB，数据传送速率为9.6kbps，工作频段为3GPP2标准所推荐的800MHz频段。从图4可以看出，若采用5个导频符号的固定平均区间(512个码片)，则在等效车速为100km/h至200km/h的范围内能够获得较好的性能。采用动态调整的信道估计平均区间，则可适应不同移动速度环境，使RAKE接收机的整体性能始终达到最优的程度。一般地，在速度小于100km/h时，最优平均区间为16至8个符号(1024至512个码片)；当速度在100km/h至300km/h范围内变化时，最优平均区间为8个符号(512个码片)；当速度大于300km/h时，最优平均区间为6至4个符号(384至256个码片)。

Claims

1.一种信道估计平均区间的动态调整方法，其特征在于，包括步骤：

统计平均电平通过率，利用相干RAKE接收原理估计出有效到达径的信道估计参数及其包络信号，统计有效到达径包络信号的平均电平通过率，并由此估计出信道的多普勒频偏；

利用已有的多普勒频偏与最优信道估计平均区间的关系，计算出在当前多普勒频偏及噪声等信道条件下最优信道估计平均区间；

根据计算出的最优信道估计平均区间，动态地调整信道估计平均区间，使整个相干接收机的性能在不同的移动速度下均能获得最优的估计性能。

2.根据权利要求1所述的一种信道估计平均区间的动态调整方法，其特征在于计算最优信道估计平均区间使用一种迭代算法，按如下方法进行：

步骤1：对参数进行初始化，设平均区间参数初始值为P＝P₀，迭代次数n＝1；

步骤2：计算每个导频符号所对应的瞬时信道估计并取P＝P_n-1，按下列

公式计算滑动窗平均信道估计值

{\hat{c}}_{l} (n) = \frac{1}{P} Σ_{i = - N_{1}}^{N_{2}} {\hat{c}}_{l, s} (n - i)

并按公式：

{\hat{R}}_{l} (n) = \frac{1}{K} Σ_{i = 0}^{K} | {\hat{c}}_{l} (n - i) |

或

{\hat{R}}_{l} (n) = {\hat{R}}_{l} (n - 1) + \frac{1}{K} {| {\hat{c}}_{l} (n) | - | c_{l} (n - K) |}

计算平均电平

步骤3：统计 0≤i≤K-1所对应的K个估计区间内平均信道估计值

0≤i≤K-1上穿平均电平

的次数，并按下面的公式估计移动台的多普勒频偏

{\hat{f}}_{d, l} (n) \approx M_{1} (n) / T;

步骤4：

利用公式：

或

{\hat{σ}}_{n}^{2} (m) = {\hat{σ}}_{n}^{2} (m - 1) + \frac{1}{qK} {{| r_{l}^{d} (m) - \hat{d} (m) {\hat{c}}_{l} (n) |}^{2} - {| r_{l}^{d} (m) - \hat{d} (m - qK) {\hat{c}}_{l} (n - K) |}^{2}}

{\hat{σ}}_{l}^{2} (n) = \frac{1}{K} Σ_{i = 0}^{K - 1} {| {\hat{c}}_{l} (n - i) |}^{2}

或

{\hat{σ}}_{l}^{2} (n) = {\hat{σ}}_{l}^{2} (n - 1) + \frac{1}{K} {{| {\hat{c}}_{l} (n) |}^{2} - {| {\hat{c}}_{l} (n - K) |}^{2}}

分别计算高斯白噪声的方差σ_n ²及第l径信号的功率σ_l ²的估计值，并利用公式：

P = \sqrt[5]{(384 σ_{l}^{2} / ({(2 π f_{d} T_{s})}^{4} σ_{n}^{2})}

计算出多普勒频偏为

时的信道估计器最佳平均长度P_n，n←n-1，返回步骤2。

3.一种信道估计平均区间的动态调整装置，包括，信道估计模块，有效/最强径选择模块，RAKE解调与合并模块，其特征在于还包括RAKE输出判决模块，LCR检测与多普勒估计模块，高斯噪声功率估计模块，最强径信号功率估计模块，最优平均区间计算模块，其中，有效/最强径选择模块直接与LCR检测与多普勒频偏估计模块和最强径信号功率估计模块连接，RAKE解调与合并模块直接与高斯噪声功率估计模块和RAKE输出判决模块连接，最优平均区间计算模块与信道估计模块和LCR检测和多普勒频偏估计模块连接。

4.根据权利要求3所述一种信道估计平均区间的动态调整装置，其中，信道估计模块接收基带采样信号并进行相关运算，有效/最强径选择模块是根据信道估计器幅度的大小，选择有效信号到达径和最强信号达到径，RAKE解调与合并模块是接收来自基带采样信号并进行相关运算，其特征在于：RAKE输出判决模块接收RAKE解调与合并单元的输出，对RAKE接收机输出进行硬判决；LCR检测与多普勒估计模块接收来自最强信号到达径选择器的输出，计算该径信号的平均电平；高斯噪声功率估计模块计算最强信号到达径中所包含的噪声功率；最强径信号功率估计模块接收来自有效/最强径选择的最强径信道估计结果；最优平均区间计算模块调整信道估计器的平均区间。