CN1162996C - 用于移动通信系统的数据速率检测设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种数据速率检测设备，在没有接收到有关数据速率的信息时，数据检测设备可以基于两个相邻间隔之间各接收信号的能量变化，检测接收信号的数据速率。并且对检测到的数据速率信息进行信道解码。首先，对于被定义为在多个接收数据速率中最小速率和最大速率之间一段间隔，数据速率检测设备将其分割成m个区别间隔。然后，该设备计算第i区别间隔的接收信号的平均能量和第(i+1)区别间隔的接收信号的平均能量之间的差，其中i是小于m的整数。如果平均能量的差小于或等于阈值，该设备确定第(i+1)区别间隔内的接收信号以对应于第i区别间隔的数据速率传输。

Description

用于移动通信系统的数据速率检测设备和方法

技术领域

本发明一般涉及一种用于移动通信系统的信道信号接收设备和方法，并且特别涉及一种检测接收信号的数据速率的设备和方法。

背景技术

码分多址(CDMA)移动通信系统已经从以语音服务为重点的传统的移动通信标准发展到可以提供高速数据传输的IMT-2000标准。IMT-2000标准包括多种不同的服务，包括高质量语音，运动图像，和因特网浏览。在CDMA移动通信系统的移动台和基站之间提供的通信链接一般分为下行链路(DL)和上行链路(UL)，下行链路用于从基站到移动台引导数据，上行链路用于从移动台到基站引导数据。

对于下行链路或上行链路上语音或数据传输，数据的数据速率可能周期性的动态变化，这里的周期是一个预定的时间段，例如10毫秒，周期取决于服务类型。通常，数据速率的有关信息被传输到接收器并用于解码。但是在接收器未能接收到数据速率的有关信息的情况下，接收器必须通过分析接收信号来检测从发送器实际发送的接收信号的速率。这个接收器从接收信号检测数据速率的过程被称作“盲速率检测(BRD)”。

下面描述按照现有技术的BRD操作，在使用卷积码用于前向误差校正(FEL)的语音传输的情况下执行BRD操作。

首先，假设有一组语音数据的数据速率，指定为R＝{R₁，R₂，...，R_n}，接收机(也即移动台)使用其来为发送器(也即基站)提供服务，这里数据速率按升序排列。为了检测发送器报告的实际数据速率R_a，接收器从最低数据速率R₁起对数据执行维特比解码，然后校验循环冗余码(CRC)。如果对于R₁CRC校验结果是“好”，Ra＝R₁的可能性大，并且作为实际发送的数据速率Ra确定为R₁。如果R₁的CRC校验结果是“劣”，接收器继续对另外数据执行维特比解码直到下一个数据速率R₂也就是说以(R₂-R₁)的数据速率，接着CRC校验。为了设法减少BRD操作假告警的可能性，除了CRC校验，对于维特比解码接收器还校验内部计量(metric)。

如上所述，为了检测卷积编码的语音数据的速率，接收器首先执行维特比解码，然后是CRC校验。然而，在使用快速码(turbo code)数据传输的情况下，BRD操作不容易应用。这是因为和维特比解码器不同，快速解码器有一个类型取决于数据速率的内部快速解交织器。更具体地说，当给定数据速率的CRC校验结果是“劣”，为了校验下一个数据速率的CRC，快速解码器必须从第一个数据速率起重复数据解码过程，而维特比解码器只要读取到下一个数据速率的另外的数据然后继续数据解码。BRD操作不适合快速解码器的另一个原因在于快速解码常常循环运行，对某一数据速率而言，最大迭代数大约从8到12，这样就导致解码器复杂度的增加，并且当在所有数据速率对于CRC校验执行迭代解码时，BRD操作需要长的延迟时间。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种设备和方法，用于在移动通信系统中，当未能接收到有关数据速率的信息时从接收信号检测数据速率。

本发明的另一个目的是提供一种设备和方法，用于在未能接收到有关快速编码数据的信息时检测数据速率。

本发明的另一个目的是提供一种设备和方法，用于检测在卷积编码的数据传输或快速编码的数据传输期间没有接收到的数据速率。

本发明的另一个目的是提供一种设备和方法，降低在未能接收到有关数据速率的信息时，数据速率检测操作的复杂度。

为了实现本发明的上述目的，提供了一种在移动通信系统中检测数据速率的设备，其中将定义为给定的多个数据速率中最小值和最大值之间的间隔分为m个区别的间隔，其中m是正整数，该设备包括：能量计算器，用于计算第i区别间隔的接收信号的平均能量以及第(i+1)区别间隔的接收信号的平均能量，其中i是小于m的正整数；能量差分器，用于计算第i区别间隔的接收信号的平均能量和第(i+1)区别间隔的接收信号的平均能量之间的差；和数据速率判决块，用于当在能量计算器中计算的平均能量之间的差小于或等于阈值时，确定对应于第i区别间隔的数据速率为在第(i+1)区别间隔的接收信号的数据速率。

为了实现本发明的上述目的，提供了一种在移动通信系统中检测数据速率的方法，其中基站预先提供给移动台多个可变服务数据速率信息，并且移动台检测多个数据速率中的一个作为接收信号的数据速率，该方法包括以下步骤：(a)将定义为多个预定数据速率的最小速率和最大速率之间的一段间隔分成m个区别间隔，其中m是正整数；(b)计算对应于m个区别间隔中一区别间隔的接收信号的平均能量；(c)计算对应于该一区别间隔之后的下一区别间隔的接收信号的平均能量；(d)计算在步骤(b)和(c)中获得的平均能量之差；和(e)当两个平均能量之差小于或等于一阈值时，确定该下一区别间隔的接收信号以对应于该一区别间隔的接收信号的数据速率传输。

附图说明

通过结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，本发明的上述和其他目的、特性、优点会变得更加清楚，其中：

图1是用以描述包括本发明的数据速率检测器的移动通信系统解码器的简要方框图；

图2是用以描述按照本发明的数据速率的检测操作的图；

图3是用以详细描述图1中所示的数据速率检测器的方框图；

图4是按照本发明的第(i+1)间隔的数据速率检测过程的流程图；和

图5是用以描述按照本发明的第i间隔的数据速率检测过程的流程图。

具体实施例方式

借助于附图，下文结合图例对本发明进行优选实施例的详细描述。在下面的描述中，为了避免不必要的细节会模糊对本发明的描述，对于公知的功能或结构，略去了细节性的说明。

图1是用于描述移动通信系统中移动台接收器的解码器的简要方框图，该系统包括本发明的数据速率检测器。本发明适用于任何CDMA移动通信系统，例如通用移动通信系统(UMTS)，CDMA2000，等等。

参照图1，解交织器110解交织接收信号以产生解交织的信号(符号)X_k。间断发送(DTX)(Discontinuous transmission)位提取器120从解交织信号X_k提取指示间断发送模式的位，这些位是在移动通信系统的间断发送模式下从基站接收的。数据速率检测器150检测在解交织器110解交织的接收信号(符号)X_k的可变数据速率，最后在未能接收到有关数据速率的信息的情况下检测数据速率。具体地说，数据速率检测器150测量在两个相邻间隔中每个接收信号的能量变化，并基于检测结果检测接收信号的数据速率。在数据速率检测器150检测到的有关数据速率的信息输入到速率匹配块130和信道解码器140。数据速率匹配块130接收解交织符号用以执行穿孔逆处理也就是符号插入，和执行重发逆处理也就是符号组合，这样产生速率匹配的符号。信道解码器140对从速率匹配块130接收的速率匹配符号进行解码。信道解码器140可以由卷积解码器或快速解码器来实现。速率匹配块130和信道解码器140使用从数据速率检测器150接收的数据速率信息执行速率匹配和信道解码操作。

图2是用于解释在图1所示的数据速率检测器150中执行的本发明的数据速率检测操作的图示。

首先，如图2所示，假设在移动台接收器接收到的符号数按时间以R₁，R₂，R₃，R₄及R₅顺序变化。符号数按间隔如10毫秒发生改变意味着数据速率是变化的。这样必须注意到术语“符号数”实质上可以与术语“数据速率”互换。

图2示出了基站发送器在间隔1到4间正确地传输数据，但在间隔4到5间发送数据失败的情况。如图1所示，在发送间隔1到4中的数据符号被解交织器110解交织并存储在DTX(间断发送)位提取器120的内部缓冲器中。在间隔4到5之间，基站发送器按照DTX模式发送DTX位。对于这样的DTX间隔，基站发送器禁止传输功率而只存在附加的高斯白噪声(AWGN)。所以DTX间隔5的数据速率为R₄。这样，本发明使用这样一个基本原理，即涉及确定在实质上数据的非传输间隔数据的存在还是数据速率信息的存在，最终检测数据速率。

现在给出根据本发明的数据速率检测原理的详细说明。

为了方便，假设有两个数据速率R₁和R₂。在这种情况下，可以使用下列等式以便没有接收到任何数据速率信息确定信号以R₁发送还是R₂发送。如果从比特位1到比特位R₁间的接收信号是X₁，而且从比特位(R₁+1)到比特位R₂间的接收信号是X₂，信号X₁和X₂可以表示为：

[等式1]

X₁＝A₁×a₁+n₁

X₂＝A₂×a₂+n₂

在等式1中，A₁和A₂表示从基站发送器传送到移动台接收器的信号的传输功率电平并且在有信号时对应于±A，或对于DTX为“0”；a₁和a₂表示瑞利(Rayleigh)随机变量，分别满足概率函数

p(a₁)＝2×a₁×exp(-a₁ ²)或者p(a₂)＝2×a₂×exp(-a₂ ²)；n₁和n₂表示AWGN随机变量，其均值为“0”，方差是“σ²”。如果传输信道的噪声方差是“σ²”，那么可以给出基于间隔的接收信号能量(功率)：

[等式2]

$E\left\{X_1^2\right\}=A_1^2+{\mathrm{\σ}}^2$

$E\left\{X_2^2\right\}=A_2^2+{\mathrm{\σ}}^2$

求接收信号的能量E{X₁ ²}和E{X₂ ²}的差的等式D₁可以表示为：

[等式3]

$D_1=\left|E\right\{X_1^2\}-E\{X_2^2\left\}\right|=|A_1^2-A_2^2|$

等式3中，如果 $A_1^2=A_2^2,$ D₁为“0”；否则如果 $A_2^2=0$ (也就是DTX情况)，D₁为“A₁ ²”。即当实际数据速率为R₂，D₁几乎接近“0”；否则，当实际数据速率为R₁时，D₁几乎为“A₁ ²”。

只有当已知第二个概率特征，平均偏差σ²已知，和瑞利随机变量的概率函数p(a₁)和p(a₂)无关时才可应用上述等式。当然，假设随机变量不随时间改变。作为参考，可以根据给定的各接收信号基于间隔的能量，计算接收信号能量的差的值 $D_1=\left|E\right\{X_1^2\}-E\{X_2^2\left\}\right|.$ 决定D₁最重要的变量也许是数据的累加值，这个变量足以决定平均能量。当最小数据速率R₁为32千比特/秒(kbps)，也就是说10毫秒的一个帧间隔内传送的数据超过320比特时，可以确定出精确的数据速率。

上述数据速率检测过程可以概括如下。

第一，假设一组可用数据速率，用{R₁，R₂，...，R_n}表示，其中数据速率按升序排列。有关可用数据速率的信息在呼叫建立阶段从基站传输给移动台，可用数据速率的相关信息称为“传输格式集”(TFS)。如果有关n个数据速率的信息已知，首先给最大数据速率R_n分配一个间隔，另外(n-1)个间隔分配给其它(n-1)个数据速率。为了与分配给最大数据速率R_n的间隔相区别，分配给其它(n-1)个数据速率的多个间隔定义为区别间隔。各个接收信号的数据速率都可以检测。举例来说，从第i+1区别间隔的接收信号的平均能量中减去第i区别间隔的接收信号的平均能量，所得相减的结果与预定的阈值作比较用以检测第i+1区别间隔内接收信号的数据速率。

现在结合概括表达，描述第i+1区别间隔内接收信号的数据速率检测操作。表示为X_i的第i间隔的接收信号定义为：

[等式4]

X_i＝A_i×a_i+n_i

在等式4中，A_i代表基站发送器的传输功率电平，并且在有信号时对应±A或对于DTX为“0”；a_i和n_i分别表示上文所述的瑞利随机变量和AWGN随机变量。依据等式3，从1到n，如在下面等式5中可以定义判决准则。当到第i间隔的接收信号用X_i表示，第(i+1)间隔的接收信号用X_i+1表示，接收信号的能量E{X_i ²}和能量E{X_i+1 ²}之差的结果D_i表述为：

[等式5]

$D_1=\left|E\right\{X_i^2\}-E\{X_{i+1}^2\left\}\right|=\left|A_i^2\right|-\left|A_{i+1}^2\right|$

在等式5中，如果第(i+1)间隔数据被连续传输，也就是说 $A_i^2=A_{i+1}^2,$ 则D_i为“0”；否则如果到第i间隔为止有数据传输而从第i到第(i+1)间隔没有数据传输(对于DTX)，也就是说 $A_{i+1}^2=0,$ 则 $D_i{=}^{\′\′}{A_i^2}^{\′\′}.$ 于是在 $\mathrm{DTX}=(A_{i+1}^2=0)$ 期间，移动台接收器搜索初始索引并认为相应的R_i是来自基站发送器的接收信号的实际速率。

图3是图1所示的数据速率检测器150的简略方框图，这里数据速率检测器150包括能量计算器152，能量差分器154和数据速率判决块156。

参照图3，能量计算器152测量第i间隔的接收信号X_i的能量E_i以及从第i到第i+1间隔的接收信号X_i+1的能量E_i+1。即能量计算器152分别累加第i间隔的接收信号的能量和第i+1间隔的接收信号的能量，根据下面的等式6计算各接收信号X_i和X_i+1的能量E_i和E_i+1，等式6用来计算接收信号X_i+1的能量E_i+1。

[等式6]

$E_{i+1}=\frac{1}{R_{i+1}-R_i}\underset{k=R_i}{\overset{R_{i+1}}{\mathrm{\Σ}}}{X}_k^2\mathrm{dk}$

能量差分器154计算如在等式6求出的第i间隔中的能量E{X_i ²}在第(i+1)间隔中的能量E{X_i+1 ²}之间的差(D_i)。能量E{X_i ²}和E{X_i+1 ²}之间的差可以表示为传输功率电平的平方之间的差，如等式3和5定义的，即第i间隔内的接收信号的传输功率电平的平方A_i ²和第(i+1)间隔接收信号传输功率电平的平方A_i+1 ²之间的差。数据速率判决块156使用在能量差分器154计算的能量差D_i来确定传输数据的速率。如果D_i是如等式5中期望的值A_i ²，则数据速率判决块将确定第i间隔的数据速率R_i是当前传输数据的速率。

但是考虑到实际的信道环境，两段间隔之间的能量差D_i不可能是“0”或A_i ²。即，差值D_i本身是一个概率变量，其中D_i的条件期望(conditionalexpectation)满足 $E\left\{D_i\right|A_i^2=A_{i+1}^2\}=0$ 和 $E\left\{D_i\right|A_i^2\≠A_{i+1}^2\}=A^2.$ 这样，数据速率判决块156将两个相邻间隔之间的能量之差D_i和阈值作比较以确定数据速率。更详细地说，当两个相邻间隔之间的能量差D_i小于或等于阈值时，数据速率判决块156确定上一个间隔第i间隔内的数据速率R_i为当前间隔的数据速率。根据最大似然原理(ML)，阈值可以指定为“0”和A²的中值，即A²/2。这里A表示来自基站发送器的接收信号的传输功率电平，A²/2是接收信号传输功率电平的一半。如图1所示，由数据速率判决块156确定的数据速率的有关信息被输入到速率匹配块130和信道解码器140。

图4和图5的流程图说明了应用上述等式检测数据速率的过程，其在图3所示的数据速率检测器150中执行。图4是一个流程图，说明了从两个相邻间隔即第i间隔和第(i+1)间隔的接收信号的能量，检测第(i+1)间隔数据速率的操作。图5是说明检测第i间隔数据速率的一般操作流程图。

参照图4，如图1所示的数据速率检测器150对于每次迭代计算两个相邻间隔之间的能量差D_i，并且将能量差D_i与阈值A²/2比较。当能量差D_i大于或等于阈值时，在步骤405中，数据速率检测器150把第i间隔的数据速率R_i估计为实际数据速率R_est。

具体地说，在步骤401中如图3所示的能量计算器152累加在第(i-1)间隔和第i间隔之间的接收信号X_i，并且在步骤402中计算接收信号X_i的能量E{X_i ²}。同样能量计算器152累加在第i间隔和第(i+1)间隔之间接收的信号X_i+1，并且在步骤402中计算接收信号X_i+1的能量E{X_i+1 ²}。在步骤403中，能量差分器154计算两个相邻间隔之间的能量差。即，能量差分器154把两个间隔间的能量差确定为D_i＝|E{X_i ²}-E{X_i+1 ²}|。如上所述，能量差也可表示为D_i＝|A_i ²-A_i+1 ²|。在步骤404中，数据速率判决块156将两个间隔间的能量差和阈值作比较，也就是说，它判断能量差D_i是否小于或等于阈值A²/2。当能量差D_i小于或等于阈值A²/2时，在步骤405中，数据速率判决块156把第i间隔的数据速率估计为当前第(i+1)间隔的实际数据速率Rest。如图1所示，估计的数据速率提供给DTX位提取器120，速率匹配块130和信道解码器140，并用于速率匹配和信道解码操作。

参照图5，在步骤501中，数据速率检测器将搜索间隔i初始化为“1”，前一间隔的平均功率(能量)E{X_i-1 ²}初始化为0。在步骤502中，图3所示的能量计算器152计算搜索间隔1的平均功率，也就是说首先计算当前间隔的平均功率E{X_i ²}。在步骤503中，根据区别等式D_i-1，能量差分器154计算(第二次计算)上一间隔和当前间隔的能量差。如果数据速率判决块156在步骤504中测定区别等式D_i-1的结果小于或等于阈值A²/2(其中当i＝1时，意味着数据速率为“0”千比特/秒)，数据速率判决块156在步骤508中把当前间隔的数据速率R_est估计为上一间隔的数据速率(R_i-1)。

否则，也就是，如果在步骤504中区别等式的结果D大于阈值A²/2，则在步骤505中，数据速率判决块156将当前间隔的平均功率E{X_i ²}的值赋给上一间隔所对应的平均功率E{X_i-1 ²}，并在步骤506中i增1，搜索下一间隔。在步骤507中，能量计算器162计算(第三次计算)间隔i+1内的平均功率并将计算得到的平均功率值赋给当前间隔的平均功率E{X_i ²}。处理过程返回到步骤503，基于平均功率E{X_i ²}，计算区别等式D_i-1，并在步骤504中，将区别等式D_i-1的结果值和阈值作比较。

重复上述过程时，如果在步骤504中判断得知D≤A²/2，数据速率判决块156将把当前间隔的数据速率R_est估计为上一间隔的数据速率R_i-1。

如上所述，即使没有从基站的发送器接收到有关数据速率的信息，本发明也能在解码操作之前估计接收信号的数据速率，与在维特比解码和CRC校验后检测数据速率的传统BRD操作相比，降低了复杂度。从而本发明降低了检测快速编码数据的速率的复杂性，不需要基于速率的解码操作，在最坏情况下最大迭代数目的解码操作。

此外，本发明只需要应用累加统计来确定数据速率，与信道编码器类型无关，所以与任何信道编码器兼容。举例来说，即使使用传统编码器，对于数据速率不小于阈值的帧，本发明也可以可靠地估计该帧的数据速率。

尽管本发明是参照其特定的优选实施例来描述的，但本发明领域的技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种修改。

Claims (5)

1.一种在移动通信系统中检测数据速率的方法，包括下列步骤：

(a)将定义为多个预定数据速率的最小速率和最大速率之间的一段间隔分成m个区别间隔，其中m是正整数；

(b)计算对应于m个区别间隔中一区别间隔的接收信号的平均能量；

(c)计算对应于该一区别间隔之后的下一区别间隔的接收信号的平均能量；

(d)计算在步骤(b)和(c)中获得的平均能量之差；和

(e)当两个平均能量之差小于或等于一阈值时，确定该下一区别间隔的接收信号以对应于该一区别间隔的接收信号的数据速率传输。

2.如权利要求1所述的方法，其中，阈值定义为A²/2，其中A代表该一区别间隔的接收信号的传输功率电平。

3.如权利要求1所述的方法，其中，在所述移动通信系统中，基站预先给移动台提供多个可变服务数据速率的信息，并且移动台检测多个数据速率中的一个作为接收信号的数据速率，该方法还包括步骤：

(f)当平均能量之间的差大于阈值时，将该一区别间隔设置成为该下一区别间隔；以及

(g)对于新设定的下一区别间隔的接收信号重复步骤(b)到(f)，直到该差值不超过阈值。

4.一种在移动通信系统中检测数据速率的设备，其中将定义为给定的多个数据速率中最小值和最大值之间的间隔分为m个区别的间隔，其中m是正整数，该设备包括：

能量计算器，用于计算第i区别间隔的接收信号的平均能量以及第(i+1)区别间隔的接收信号的平均能量，其中i是小于m的正整数；

能量差分器，用于计算第i区别间隔的接收信号的平均能量和第(i+1)区别间隔的接收信号的平均能量之间的差；和

数据速率判决块，用于当在能量计算器中计算的平均能量之间的差小于或等于阈值时，确定对应于第i区别间隔的数据速率为在第(i+1)区别间隔的接收信号的数据速率。

5.如权利要求4所述的设备，其中阈值定义为A²/2，A代表第i区别间隔的接收信号的传输功率电平。

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