CN1171489C - 一种信号干扰比的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于任意干扰条件下的蜂窝移动通信系统的SINR的测量方法，包括在发送端的同一子帧中传送不同的导频符号，该不同导频符号间的干扰和衰落均具有相关性；在接收端通过对所接收的该不同导频符号运算以消除干扰，得到SINR的测量值。利用本发明方法可以有效地去除干扰的影响，在多小区多用户干扰的情况下，给出精确的SINR测量值。

Description

一种信号干扰比的测量方法

技术领域

本发明涉及蜂窝移动通信技术领域，尤其涉及一种测量信号与干扰和噪声比值(SINR)的方法。

发明背景

在现代蜂窝移动通信中，功率控制、自适应调制编码(AMC：Adaptivemodulation coding)、Turbo编码等很多算法的实现都需要精确的估计出信号与干扰和噪声的比值SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)。为了获得精确的SINR，很多学者在该领域进行了大量的理论研究。例如：

①在M.D.Austin and G.L.Stuber的一篇题为“In service signal qualityestimation for TDMA cellular systems”(in Proc.PIMRC，1995，pp.836-840)中，Austin和Stuber提出了一种利用训练序列进行SINR估计的算法，如果不用训练序列，其估计的精度取决于符号错误特性。

②在M.Andersin，N.B.Mandayam，and R.D.Yates的一篇题为“Subspacebased estimation of the signal to interference ratio for TDMA cellular systems”(inProc.VTC，Atlanta，GA，1996，pp.1155-1159)的文章中，Andersin等建议了另一种方法，即通过对接收信号方差矩阵的特征根进行分解来得到SINR的估计值。

③在M.Turkboylari and G.L.Stuber的一篇题为“An efficient algorithm forestimating the signal-to-interference ratio in TDMA cellular systems”(IEEE Trans.Commun.，vol.46，pp.728-731，June 1998)的文章中Turkboylari和Stuber提出的另一种新方法是基于将接收信号投影到表征期望信号的子空间上来获得SINR的估计。

④最近，由Krishna Balachandran，Srinivas R.Kadaba and Sanjiv Nanda提出了一种新颖的SINR估计方法，该方法记录在题为“Channel QualityEstimation and Rate Adaptation for Cellular Mobile Radio”(IEEE Trans.Commun.，vol.17，pp 1244-1256)的文章中，是通过在译码过程中计算译码后信号和期望信号的欧氏距离来计算SINR的值。

纵观以上这些方法可以看出，前三种的方法过于复杂，而且需要很长的训练序列，不适合于快速的功率控制，在实际的系统中很难应用。第四种的方法虽然看起来较简单，但这种方法的应用有一个前提，那就是必须精确地估计出信号的参数。但是，在蜂窝通信系统中，由于存在着多用户、多小区干扰的情况，因此要精确地估计信号的参数就必须进行多用户检测，而这一点必将大大地增加系统的复杂度。

在WCDMA中建议的一种SINR的测量方法(详见“Physical Layer Standardfor WCDMA，3GPP TS25.211”)，是通过计算接收信号的平方差来得到SINR的测量值，这种方法的应用必须有一个重要的前提，那就是干扰的均值为零。在WCDMA及IS-2000中，是通过对各个小区进行伪码扩频来达到这一点的，因此这种方法的应用有很大的局限性。

发明内容

本发明提供一种应用于蜂窝移动通信系统的信号与干扰和噪声比值(SINR)的测量方法，该方法包括：在发送端的同一子帧中传送不同的导频符号，该不同导频符号间的干扰具有相关性，衰落亦具有相关性；在接收端通过对所接收的该不同导频符号运算以消除干扰，得到SINR的测量值。

所述的不同导频符号可以是由K个不同的导频符号组成为一组，传送2N/K组的2N个导频符号，其中K、N均为正整数，且2N须被K整除。如此，当K为2时，为传送N组的2个不同的导频符号。当K为2N时，为传送1组的2N个不同的导频符号。

所述的不同导频符号还可以是由K个相同的导频符号组成为一组，传送不同的2N/K组的共2N个导频符号，其中K、N均为正整数。如此，当K为2时，为传送不同的N组共2N个导频符号。当K为N时，为传送不同的2组共2N个导频符号。

根据本发明上述技术方案，所述的在接收端对所接收的不同导频符号运算以消除干扰，得到SINR的测量值包括如下步骤：

(a)对接收的不同导频符号进行解扩、同相解调及串并转换，对串并转换后的相邻不同导频符号进行相减运算以消除干扰；同时，对该不同导频符号进行解扩、正交解调及串并转换，对串并转换后的相邻不同导频符号进行相减运算以消除干扰；

(b)分别对步骤a中相减后的计算结果进行平均运算以进一步消除干扰；

(c)对步骤b的计算结果求平方和，从而求出信号能量；

(d)计算信号总能量并减去步骤c的信号能量，从而求出干扰和噪声的总能量；

(e)用信号能量除以干扰和噪声的总能量得到SINR的测量值。

在上述的步骤(a)中，当所述的不同导频符号是由2个不同的导频符号组成为一组，传送N组共2N个导频符号时，所述的对串并转换后的相邻不同导频符号进行相减运算是指计算奇数位的导频符号与相邻偶数位的导频符号之间的差值。

在上述的步骤(a)中，当所述的不同导频符号是指传送2N个不同的导频符号时，所述的对串并转换后的相邻不同导频符号进行相减运算是指计算第M位导频符号与第M-1位导频符号之间的差值，其中M为小于或等于2N的正偶数。

在上述的步骤(a)中，当所述的不同导频符号是指由2个相同的导频符号组成为一组，传送不同的N组共2N个导频符号时，所述的对串并转换后的相邻不同导频符号进行相减运算是指计算奇数位的相邻导频符号之间的差值和偶数位的相邻导频符号之间的差值。

在上述的步骤(a)中，当所述的不同导频符号是指由N个相同的导频符号组成为一组，传送不同的2组共2N个导频符号时，所述的对串并转换后的相邻不同导频符号进行相减运算是指计算第M位的导频符号与第(N+M)位的导频符号之间的差值，其中M为小于或等于N的正整数。

上述的不同导频符号，最佳地是取其相关特性值为最小。

根据本发明方法提供的一种应用于蜂窝通信系统的信号与干扰和噪声比值(SINR)的测量装置，其中包括：解扩同相解调装置401，完成同相解调；

解扩正交解调装置402，完成正交解调；串并转换器403、404，对解扩解调后的信号进行串并转换；减法器405、406，对串并转换后的相邻不同导频符号进行差值运算以消除干扰；均分器407、408，分别对差值运算结果进行累加求平均以进一步消除干扰；运算器，求出总能量，对均分器的运算结果求平方和，从而求出信号能量，进一步求出干扰和噪声的总能量，用信号能量除以干扰和噪声的总能量得到SINR的测量值。

本发明提出的这种SINR测量方法，可以有效的去除掉干扰的影响，在任意的干扰条件下给出精确的SINR的测量值。同时避免了复杂的多用户检测，算法简单易于实现，在实际工程中有极大的应用价值。

附图简要说明

图1是一个无线通信系统的基本示意框图。

图2是帧结构示意图。

图3是本发明四种导频符号设计实施实例示意图。

图4是根据本发明方法的一种测量装置的框图。

实施本发明的方式

下面通过公式的表述并结合附图对本发明进行详细描述。

请参考附图1，在第k个采样时刻，接收装置105接收的信号为：

r_k＝α_ks_k+I_k+n_k                 (1)

式中r_k，s_k，α_k，I_k，n_k分别表示在第k个采样时刻，接收装置105接收的信号，发送装置101发射的信号，衰落信道102的衰落因子，来自同小区和其它小区的干扰信号106，和白噪声信号107。

通过导频符号来估计SINR、信号或信道参数，并且将导频符号的估计结果作为后面数据符号的参考，且这些估计结果在一帧内保持不变，此时系统的帧结构参考附图2。

本发明方法的核心在于导频结构的设计上。传统的导频结构设计都是传送相同的导频符号，而本发明则是在同一子帧内传送不同的导频符号，所谓不同可以是指其在信号星座图上的位置不同，并且星座图距离越大越好，当两个不同导频符号间的相关特性值最小时为最佳。该同一子帧不同导频符号之间的干扰在相关区内，衰落亦在相关区内。

参考附图3，附图3示出了几种本发明导频符号的结构设计。其中，(a)和(b)示出的导频符号是由多组导频符号重复组成，每组的导频符号之间相互不同。(a)示出的是由2个不同的导频符号P₁、P₂组成一组，共有N组组成2N个导频符号。(b)示出的是由1组2N个相互不同的导频符号P₁、P₂、P₃、P₄......P_2N-1、P_2N组成。这里N的取值应满足使不同导频符号间的干扰和衰落均具有相关性。

(c)和(d)示出的导频符号是由多组导频符号组成，每组是由相同的导频符号构成，组与组之间采用不同的导频符号。(c)示出的是分别由2个相同的导频符号P₁与P₁，P₂与P₂，......P_N-1与P_N-1，P_N与P_N组成一组，共有N组组成2N个导频符号，P₁，P₂，......P_N-1与P_N为N个相互不同的导频符号。(d)示出的是由N个相同的导频符号P₁和P₂分别组成一组，共有2组组成2N个导频符号，P₁和P₂为不同的两个导频符号。这里N的取值也应满足使不同导频符号间的干扰和衰落均具有相关性。

下面以图3-(a)为例，通过推导说明这种导频结构的变换为SINR的测量带来的极大便利及有效消除干扰。

设在一帧之内的导频符号共有2N个，在第奇数个导频符号传送信号p₁，在第偶数个导频符号传送信号p₂，即第k个导频符号为：

其中：

p₁＝I_kcos(ωt+₀)-Q_ksin(ωt+₀)＝A_kcos(ωt+₀+_k)

                                                        (3)

p₂＝I_kcos(ωt+₀)+Q_ksin(ωt+₀)＝A_kcos(ωt+₀-_k)

经过衰落信道之后，附加了衰落因子和白噪声的干扰，接收信号的形式与公式(1)的表示式有些相似。此时有：

式中的_dk为衰落引入的相位偏移。

由于相邻导频符号之间的间隔时间较短，因而在相邻的导频符号之间有α_k＝α_k-1，_dk＝_dk-1，I_k＝I_k-1(k＝1，2，...，N)。因此，对第2k-1，2k个导频符号有：

r_2k-1＝α_2k-1A_2k-1cos(ωt+₀+_d(2k-1)+_(2k-1))+I_2k-1+n_(2k-1)    (5)

r_2k＝α_2k-1A_2k-1cos(ωt+₀+_d(2k-1)-_2k-1)+I_2k-1+n_2k            (6)

      k＝1，2，...，N

参考附图4所示，此时接收端接收的信号经过解扩解调装置401完成同相解调，经过串并转换器403输出；经过解扩解调装置402完成正交解调，经过串并转换器404输出，分别得到如下的信号：

d_(2k-1)s＝α_2k-1A_2k-1cos(₀+_2k-1+_d(2k-0)+I_s(2k-1)+n_s(2k-1)     (7)

d_(2k-1)o＝α_2k-1A_2k-1sin(₀+_2k-1+_d(2k-1)+I_o(2k-1)+n_o(2k-1)     (8)

d_2ks＝α_2kA_2kcos(₀+_2k-_d2k)+I_s2k+n₂s_2k                         (9)

d_2ko＝α_2kA_2ksin(₀+_2k-_d2k)+I_o2_k+n_o2k                          (10)

k＝1，2，...，N

运算器405用来完成(7)-(9)，有：

C_ks＝-2α_kA_ksin(₀+_dk)sin(_k)+n′_sk    k＝1，3，5...，2N-1      (11)

运算器406用来完成(8)-(10)，有：

C_ks＝2α_kA_kcos(₀+_dk)sin(_k)+n′_ok     k＝1，3，5...，2N-1      (12)

式中：

n′_sk＝n_sk-ns_(k+1)    k＝1，3，5......，2N-1                        (13)

n′_ok＝n_ok-n_o(k+1)    K＝1，3，5，......，2N-1                      (14)

n′_sk，n′_ok均为零均值的高斯白噪声。

从(11)、(12)的表示式可以看出，噪声已经基本上被消除了，为精确的估计信号的能量，还要去除白噪声的影响。为此需要对(11)、(12)式取平均。

均分器407、408分别对(11)、(12)式取平均。由于共有2N个导频符号，通过以上的推导过程，经过相邻导频符号间取相减运算，在(11)、(12)式中只剩下N项，因此可以对(11)、(12)式取N项平均：

经过(15)、(16)的平均运算，在很大程度上消除了噪声的影响，且由于P₁、P₂的接收干扰和经过传输信道的衰落具有相关性基本相同，因此有

此时的

经过平均之后已经变的很小。

若要得到SINR的测量值，必须得到信号能量和干扰和噪声的总能量。因此通过运算器409计算(17)*(17)+(18)*(18)，这样就可以得到估计信号的能量

由于导频符号为已知信号，所以sin(_k)为已知信号，从(19)式中我们可以求出很精确的信号能量，运算器412用来完成这个功能，公式(19)除以常数项4sin²(_k)，因为n″的值很小，在此可忽略不计，可得到信号能量为：

${\tilde{E}}_s={{\mathrm{\α}}_k}^2{A_k}^2\·\·\·\left(20\right)$

运算器410用来将2N个符号内，每个扩频码片的能量加在一起得到总能量，设总能量为E_s+n+I，则运算器411可以求出干扰和噪声的总能量为：

$E_{n+I}=E_{s+n+I}-{\tilde{E}}_s\·\·\·\left(21\right)$

除法器413可以求出最终的SINR为：

$\mathrm{SINR}=\frac{{\tilde{E}}_s}{E_{n+I}}\·\·\·\left(22\right)$

本发明是在发送端的同一子帧中传送干扰和衰落均具有相关性的不同的导频符号，在接收端通过对所接收的该不同导频符号进行运算以消除干扰，得到SINR的精确测量值。利用本发明提供的SINR测量技术，可以在多小区多用户干扰的情况下，给出精确的SINR测量值，避免了复杂的多用户检测，是一种适用于蜂窝移动通信或有干扰的通信系统的有效SINR测量方法。以上仅以本发明一较佳实施例来进行说明，并不用以限定本发明，任何在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (16)

1.一种应用于蜂窝移动通信系统的信号与干扰和噪声比值的测量方法，其特征在于该方法包括：

在发送端的同一子帧中传送不同的导频符号，该不同导频符号间的干扰具有相关性，衰落亦具有相关性；

在接收端通过对所接收的该不同导频符号运算以消除干扰，得到SINR的测量值，所述运算的步骤为：

(a)对接收的不同导频符号进行解扩、同相解调及串并转换，对串并转换后的相邻不同导频符号进行相减运算以消除干扰；同时，对该不同导频符号进行解扩、正交解调及串并转换，对串并转换后的相邻不同导频符号进行相减运算以消除干扰；

(b)分别对步骤a中相减后的计算结果进行平均运算以进一步消除干扰；

(c)对步骤b的计算结果求平方和，从而求出信号能量；

(d)计算信号总能量并减去步骤c的信号能量，从而求出干扰和噪声的总能量；

(e)用信号能量除以干扰和噪声的总能量得到SINR的测量值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述的不同导频符号是指由K个不同的导频符号组成为一组，传送2N/K组的2N个导频符号，其中K、N均为正整数，且2N须被K整除。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述的K为2，传送N组的2个不同的导频符号。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述的K为2N，传送1组的2N个不同的导频符号。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述的不同导频符号是指由K个相同的导频符号组成为一组，传送不同的2N/K组的共2N个导频符号，其中K、N均为正整数，且2N须被K整除。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

所述的K为2，传送不同的N组共2N个导频符号。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

所述的K为N，传送不同的2组共2N个导频符号。

8.根据权利要求1至7任一所述的方法，其特征在于：

所述的不同导频符号的最佳设置为其相关特性值为最小。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述的不同导频符号是指由K个不同的导频符号组成为一组，传送2N/K组的2N个导频符号，其中K、N均为正整数，且2N须被K整除。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：

所述的K为2，传送N组共2N个导频符号；

所述的对串并转换后的相邻不同导频符号进行相减运算是指计算奇数位的导频符号与相邻偶数位的导频符号之间的差值。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：

所述的K为2N，传送1组共2N个不同的导频符号；

所述的对串并转换后的相邻不同导频符号进行相减运算是指计算第M位导频符号与第M-1位导频符号之间的差值，其中M为小于或等于2N的正偶数。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述的不同导频符号是指由K个相同的导频符号组成为一组，传送不同的2N/K组的共2N个导频符号，其中K、N均为正整数，且2N须被K整除。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：

所述的K为2，传送不同的N组共2N个导频符号；

所述的对串并转换后的相邻不同导频符号进行相减运算是指计算奇数位的相邻导频符号之间的差值和偶数位的相邻导频符号之间的差值。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：

所述的K为N，传送不同的2组共2N个导频符号；

所述的对串并转换后的相邻不同导频符号进行相减运算是指计算第M位的导频符号与第(N+M)位的导频符号之间的差值，其中M为小于或等于N的正整数。

15.根据权利要求1或9至14任意一项所述的方法，其特征在于：

所述的不同导频符号的最佳设置为其相关特性值为最小。

16.一种应用于蜂窝通信系统的信号与干扰和噪声比值的测量装置，其中包括：

解扩同相解调装置(401)，完成同相解调；

解扩正交解调装置(402)，完成正交解调；

串并转换器(403，404)，对解扩解调后的信号进行串并转换；

减法器(405，406)，对串并转换后的相邻不同导频符号进行差值运算以消除干扰；

均分器(407，408)，分别对差值运算结果进行累加求平均以进一步消除干扰；

运算器，求出总能量，对均分器的运算结果求平方和，从而求出信号能量，进一步求出干扰和噪声的总能量，用信号能量除以干扰和噪声的总能量得到SINR的测量值。

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