CN1188957C - 信道估计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于扩频通信技术中的时分导频信道估计方法及装置，是利用时分导频方法进行信道估计时，通过相邻导频符号得到信道的相位和幅度估计值，并利用接收机已知的与该导频符号间对应所进行的功率控制命令，修正其中某个导频符号的幅度值，以消除功率控制对信号幅度的影响，再通过插值得到其间的业务信号的信道估计结果。能够在存在功率控制的CDMA系统中，适应各种调制方式，尤其是多电平调制方式，使移动通信系统的性能得到显著改善。

Description

信道估计方法及装置

技术领域

本发明涉及无线扩频通信及数字移动通信领域，特别涉及一种高数据速率传输下适用于各种调制方式的信道估计方法及实现该方法的装置。

发明背景

在现代高速移动通信中，出于对高数据速率的要求，使得对多电平调制体制的研究逐渐成为无线通信中的核心内容之一。但多径与较大的多谱勒频移一直是限制多电平、多相位的调制方式在高速移动环境下应用的主要瓶颈。为克服衰落信道的这些影响，必须进行有效的信道估计。特别是在第三代移动通信中，要求移动台适应高数据速率要求，并要忍受大约500Hz多谱勒频移的深衰落环境，对此，现有技术中已经存在若干种解决方案。

例如，欧洲的Nokia、Errisson在宽带码分多址(WCDMA)中提出的方案是在其前向信道中采用连续导频信道和专用导频信道的联合估计，而在反向信道中则采用专用导频信道的估计(可参阅3GPPTS25.211)。专用导频信道估计方法是在发射端的每个信道中，每隔一定的间隔传输一个导频符号，利用导频符号估计出的信道的参数对此导频符号之后的数据符号进行信道补偿，以消除信道对传输信号的影响。在这种专用的导频信道结构中，由于导频信号与业务信号采用时分复用的方式，业务信号的信道估计是通过其前后的导频符号所估计出的信道特性进行插值计算得到的。因此，这种方法仅仅对于单一电平的调制方式是可行的，比如WCDMA中所采用的QPSK，因为在单电平调制方式下，信道估计只需要估计信道的相位特性变化，而对幅度的变化不需要估计，即在单电平调制方式下，不必考虑因功率控制而导致的对信道幅度的估计的影响。然而，对于多电平调制方式，比如16QAM，64QAM等，由于CDMA系统中必然存在的功率控制，将导致相邻导频符号的幅度不仅受信道的幅度衰落影响，而且受功率控制的影响，相邻导频符号的幅度大小不仅反映了此时间段内信道幅度的变化，同时也包含了功率控制所导致的发射功率的改变。所以，采用这种专用导频信道估计方法所得到的信道幅度的估计值存在较大的误差，不能准确、有效地保证信道估计的正确性，进而不能保证在高速移动环境下应用更高维的调制方式。

发明内容

本发明提供的用于高数据速率传输和高速移动环境的信道估计方法及装置，通过对现有技术中被普遍采用的时分专用导频信道估计方式加以改进，可以极大的减少由功率控制技术所带来的对信道幅度的估计误差，能够在存在功率控制的CDMA系统中，适应各种调制方式，尤其是多电平调制方式。

本发明提供的一种应用于码分多址(CDMA)系统中的时分导频信道估计方法，是在利用时分导频方法进行信道估计时，在得到相邻导频符号的幅度估计值之后，先利用接收机已知的与该导频符号间对应所进行的功率控制命令，修正其中某个导频符号的幅度值，以消除功率控制对信号幅度的影响，再通过插值得到其间的业务信号的信道估计结果。

根据上述本发明方法，进一步还可包含以下步骤：

a)对接收信号进行解扩解调；

b)对经解扩解调得到的信号分离出导频信号和业务信号；

c)对导频信号进行幅度和相位的分离，并得到信道的幅度和相位的估计值；

d)对得到的信道的幅度估计值，在相邻导频符号间，利用接收机已知的与该导频符号间对应所进行的功率控制命令，修正其中某个导频符号的幅度值，以消除功率控制对信号幅度的影响；

e)根据上述得到的信道的相位估计值和修正后的幅度值，通过插值得到导频符号间的业务信号的信道估计结果；

f)利用该信道估计结果，对业务信号进行相位补偿；

g)对相位补偿补偿后的业务信号进行最大比值合并，判决并输出数据。

上述的修正某个导频符号的幅度值可以是当功率控制命令为增加发射功率，则对前一导频符号的幅度估计值乘以 或对后一导频符号的幅度估计值乘以 当功率控制命令为减少发射功率，则对前一导频符号的幅度估计值乘以

或对后一导频符号的幅度估计值乘以

其中Δ为功率控制步长。

本发明提供的一种应用于码分多址(CDMA)系统中的时分导频信道估计器，至少包括：

信号解调解扩器，对接收信号进行解扩解调；

分路器，分离出导频信号与业务信号；

导频信道估计器，利用导频信号进行信道估计，得到信道的幅度和相位的估计值；

运算器1(即乘法器)，对得到的信道的幅度估计值，在相邻导频符号间，利用接收机已知的与该导频符号间对应所进行的功率控制命令，修正其中某个导频符号的幅度值，以消除功率控制对信号幅度的影响；

运算器2(即插值器)，根据上述得到的信道的相位估计值和修正后的幅度值，通过插值得到导频符号间的业务信号的信道估计结果；

相位补偿器，利用上述的信道估计结果，对业务信号进行相位补偿；

合并及判决器，对相位补偿后的业务信号进行合并，判决并输出数据。

根据上述技术方案的信道估计器，其中所述的运算器1可为一乘法器，其输入分别为导频信道估计器输出的信道的幅度估计值和接收机中功率控制命令产生器输出的功率控制命令；且

当相邻导频符号间的功率控制命令为增加发射功率，则对前一导频符号的幅度估计值乘以

或对后一导频符号的幅度估计值乘以 当相邻导频符号间的功率控制命令为减少发射功率，则对前一导频符号的幅度估计值乘以 或对后一导频符号的幅度估计值乘以 其中Δ为功率控制步长。

根据上述技术方案的信道估计器可进一步包括延时器，通过所述的运算器2插值得到的相应导频符号间业务信号的信道估计结果经延时器延时后送入相位补偿器对业务信号进行相位补偿。

根据上述技术方案的信道估计器，其中所述的合并及判决器可为最大比值合并及判决器，对相位补偿后的业务信号进行最大比值合并，判决并输出数据。

应用本发明的一种码分多址(CDMA)系统中的信号接收系统，包括接收天线、中频射频解调部分、解扩部分、信道估计及判决部分、译码及信源恢复部分，其中：

所述的信道估计及判决部分采用本发明的时分导频信道估计器，包括分路器、导频信道估计器、运算器1、运算器2及相位补偿和合并及判决装置，其中经解扩解调的信号经分路器分离出导频信号和业务信号，经导频信道估计器估计出信道的相位和幅度，经运算器1对估计出的幅度进行修正，以消除功率控制对信号幅度的影响，经运算器2通过插值得到相应导频符号间的业务信号的信道估计结果，将信道估计结果输出至相位补偿装置，对业务信号进行相位补偿，及在合并及判决装置中对相位补偿后的业务信号进行合并，判决并输出数据。

根据上述技术方案的信号接收系统，其中所述的运算器1可为一乘法器，其输入分别为导频信道估计器输出的信道的幅度估计值和接收机中功率控制命令产生器输出的功率控制命令；且

当相邻导频符号间的功率控制命令为增加发射功率，则对前一导频符号的幅度估计值乘以 或对后一导频符号的幅度估计值乘以

当相邻导频符号间的功率控制命令为减少发射功率，则对前一导频符号的幅度估计值乘以 或对后一导频符号的幅度估计值乘以 其中Δ为功率控制步长。

根据上述技术方案的信号接收系统，其中所述的合并及判决器可为最大比值合并及判决器，对相位补偿后的业务信号进行最大比值合并，判决并输出数据。

根据上述技术方案的信号接收系统进一步可包括延时器，通过所述的运算器2插值得到的相应导频符号间业务信号的信道估计结果经延时器延时后送入相位补偿器对业务信号进行相位补偿。

这里，所述的功率控制步长可由发射机实时通过信令的方式传送到接收机或由系统设定，并以广播的形式进行发送，等等。

本发明所揭露的信道估计技术，系利用接收机内形成的功率控制比特，以及一定的功率控制步长，消除现有信道估计技术中因功率控制技术的采用导致的对于信道幅度的估计误差，从而实现在多电平调制方式下的信道估计。

本发明所揭露的信道估计技术与现有技术的专用导频信道估计技术相比，克服了现有技术中的时分专用导频信道估计不能适用于高维调制方式的缺陷，不仅保留了现有技术中的时分专用导频信道估计的所有优点，而且能够使之应用到各种调制方式下。并且在存在功率控制的CDMA系统中，采用本发明所揭露的信道估计技术，在理论分析和计算机仿真都已证明，这种方法能带来移动通信系统性能的显著改善。

附图简要说明

图1是一CDMA移动通信系统的简单示意框图。

图2是根据本发明的一个优选实施方式框图。

图3是在16QAM调制方式下，本发明与现有技术的仿真曲线性能比较。

实施本发明的方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

参考附图1，图1示出了一个简单的CDMA移动通信系统。信源发生器101产生信号，经过编码器102编码，扩频器103扩频后，扩频信号送到调制器104进行中频、射频调制，再经发射天线105将信号功率发射出去。在接收机一端，接收天线106接收信号功率，再经解调器107解调为基带信号，解扩器108完成解扩处理，信道估计电路109完成译码及信源恢复电路110所需的信道估计，并且根据所接收到的信号和干扰电平的不同，产生功率控制命令，经功率控制环路111传输到发射端进行功率控制。

在现有的CDMA系统中，功率控制技术被普遍采用，它一般分为开环功率控制，闭环功率控制以及外环功率控制。其中闭环功率控制的频率最高，其目的是要部分地跟踪快衰落。闭环功率控制要求在0.5-1ms的时间内对发射信号功率进行一次调整。

由于功率控制的存在，给信道估计引入了新的内容，尤其是对于时分专用导频信道方式下的信道估计。因为一般而言，相邻时分导频信号的间隔与功率控制时间段大体相当。这样，不同的导频信号便处在不同的功率控制时间段内。因此，相邻导频信号的幅度变化不仅反映了该时间段内的信道幅度特性变化，同时还反映了该时间段内由于功率控制导致的发射功率的变化。在单电平调制方式下，由于信道估计只需要估计信道的相位特性变化，而幅度的变化不需要估计，因此在采用时分专用导频方式时不存在由于如上所述的功率控制带来的影响，因为功率控制并不改变信号的相位特性。然而在多电平调制方式下，这个问题便凸显出来。因为接收信号的幅度和相位都包含发送信号信息，因此都必须准确可靠地得到，这就要求信道估计必须同时完成对信道的幅度和相位估计。

如果不存在功率控制，则可采用与信道的相位估计相同的方法，即利用相邻导频符号所估计出的信道幅度和相位特性，按照某种给定的算法，比如线性插值算法或高斯插值算法进行插值，得到该导频符号间的业务信号的信道幅度和相位的估计值。

但不存在功率控制的CDMA系统几乎是不存在的。因此实际上对于多电平调制方式，上述对于信道幅度的估计方法在理论上就存在误差和缺陷。因为如前所述，相邻导频符号的幅度大小不仅反映了此时间段内信道幅度的变化，同时也包含了功率控制所导致的发射功率的改变。因此如果不加改进，则所得到的信道幅度的估计值必然存在误差。如果功率控制的步长，即相邻功率控制时间段的发射功率的改变值比较大，比如为1dB或2dB，则由于功率控制所带来的对信道幅度的估计误差也会较大，从而可能使时分导频信道方法性能急剧恶化甚至根本不能使用。

如上所述，对于闭环功率控制，其控制命令是通过接收机对信号干扰大小的测量，从而将功率控制命令反馈到发射机，如果接收信号质量过低，就要求发射机增加一个功率控制步长的发射功率，反之则减小一个功率控制步长的发射功率。也就是说接收机明确地知道，而且并不需要任何形式的信令通知接收端，对任何对应的接收信号时间段所采取的功率控制动作，即是增加发射功率还是减小发射功率。因此，在利用时分导频方法进行信道估计时，在得到相邻导频符号的幅度值之后，并不立即通过插值得到其中的业务信号的信道幅度的估计值，因为那样会引入由于功率控制导致发射功率改变引起的误差。我们可以利用接收机已经知道的与此对应导频符号间所进行的功率控制动作，修正其中某个导频符号的幅度值。比如，如果在此时间段内进行的功率控制是增加发射功率，则此发射功率的增加必然导致后一导频符号幅度值的增加，其增加值的计算很简单，假设功率控制的步长为ΔdB，则对应的导频符号的幅度增加值为 倍。这就是由于功率控制的存在造成的信道幅度估计值的误差。可以看到功率控制步长Δ越大，这种影响就会越明显。在进行插值计算之前，将后一导频符号的幅度估计值通过一除法器，除以

或者将前一导频符号的幅度估计值通过一乘法器，乘以 如果此时间段内进行的功率控制是减小发射功率，则根据同样的原理修正导频符号的幅度估计值，即在进行插值计算之前，将后一导频符号的幅度估计值通过一乘法器，乘以 或者将前一导频符号的幅度估计值通过一除法器，除以 通过这样简单的修正，功率控制对于多电平调制时分专用导频信道估计的影响被消除，从而实现了正确的信道估计。

参考附图2，附图2示出了本发明一种信道估计器通过导频符号及插值算法实现对衰落信道特性的估计。首先，由解调解扩器112得到解扩信号，再经分路器113分别得到解扩后的导频信号和业务信号；导频信号是用来做信道估计的，因此它通过导频信道估计器114得到信道的幅度和相位估计值，其中幅度值中包含有功率控制的影响，因此必须予以去除；功率控制比特的产生器115输出功率控制比特“1”或者“0”，它一方面将反馈到发射端进行实际的功率调整，另一方面用以决定乘法器116的乘数是 或是 其中Δ为功率控制步长，其单位为dB。通过乘法器后的信道幅度估计值去除掉了功率控制带来的影响，从而可以经过插值117进行业务信号的插值信道估计，得到业务信号的信道估计值(含幅度和相位)，再经延时器118，提供给相位补偿器119及最大比值合并及判决器120进行业务信号的判决。

以上实施例显然已经假定，功率控制步长Δ的大小已经为接收机所知，否则接收机无法确切地知道对导频信号所估计出的信道幅度估计值应修正的大小。可以有两种方法得到这个步长的大小：1)由发射机实时通过信令的方式传送到接收机；2)系统设定一相对固定的步长大小，并以广播的形式进行发送。

参考附图3，附图3所示是在16QAM调制方式下，本发明与现有技术的仿真性能曲线比较。图中横坐标是Eb/No，单位是db，纵坐标是误符号率。图中所示的两条曲线中，一条虚曲线是根据本发明所提供的信道估计方法仿真得到的系统性能曲线，另一条实曲线是不采用本发明所提供的方法，而直接将应用于单电平调制方式下的信道估计方法不加改动地应用到16QAM调制方式下的仿真结果。从该仿真曲线中可以明显看出，本发明所述的改进方法能够带来显著的性能改善，大约为1-2dB。粗略的估算表明，这相当于给CDMA系统带来26％-58％的容量的增加。由于本发明所公开的方法并没有给系统带来较多的复杂性，因而采用本发明所公开的方法所带来的增益无疑是值得的。

将本发明思想应用在码分多址(CDMA)系统中的信号接收系统，该信号接收系统包括接收天线、中频射频解调部分、解扩部分、信道估计及判决部分、译码及信源恢复部分。其中的信道估计及判决部分为采用本发明技术的时分导频信道估计器，其利用接收机内形成的功率控制比特，以及一定的功率控制步长，消除信道估计中因功率控制而导致的对于信道幅度的估计误差，从而实现在多电平调制方式下的信道估计。

根据本发明所描述的方法，对本领域的普通技术人员而言，还可以有较多实施例，本发明虽然只给出了在16QAM调制方式下的实施例，但对于更高维的调制方式，同领域的普通技术人员可以显而易见的实施本发明，并得到良好的信道估计结果。

Claims (16)

1.一种应用于码分多址系统中的时分导频信道估计方法，其特征在于：

在得到相邻导频符号的幅度估计值之后，先利用接收机已知的与该导频符号间对应所进行的功率控制命令，修正其中某个导频符号的幅度值，以消除功率控制对信号幅度的影响，再通过插值得到其间的业务信号的信道估计结果。

2.如权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于所述的修正某个导频符号的幅度值的步骤包括：

当功率控制命令为增加发射功率，则对前一导频符号的幅度估计值乘以

或对后一导频符号的幅度估计值乘以

当功率控制命令为减少发射功率，则对前一导频符号的幅度估计值乘以或对后一导频符号的幅度估计值乘以

其中Δ为功率控制步长。

3.如权利要求2所述的信道估计方法，其特征在于所述的功率控制步长由发射机实时通过信令的方式传送到接收机。

4.如权利要求2所述的信道估计方法，其特征在于所述的功率控制步长由系统设定，并以广播的形式进行发送。

5.如权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于该方法进一步包含以下步骤：

对接收信号进行解扩解调；

对经解扩解调得到的信号分离出导频信号和业务信号；

对导频信号进行幅度和相位的分离，并得到信道的幅度和相位的估计值；

对得到的信道的幅度估计值，在相邻导频符号间，利用接收机已知的与该导频符号间对应所进行的功率控制命令，修正其中某个导频符号的幅度值，以消除功率控制对信号幅度的影响；

根据上述得到的信道的相位估计值和修正后的幅度值，通过插值得到导频符号间的业务信号的信道估计结果；

利用该信道估计结果，对业务信号进行相位补偿；

对相位补偿后的业务信号进行最大比值合并，判决并输出数据。

6.如权利要求5所述的信道估计方法，其特征在于所述的修正某个导频符号的幅度值的步骤包括：

当相邻导频符号间的功率控制命令为增加发射功率，则对前一导频符号的幅度估计值乘以 或对后一导频符号的幅度估计值乘以

当相邻导频符号间的功率控制命令为减少发射功率，则对前一导频符号的幅度估计值乘以

或对后一导频符号的幅度估计值乘以

其中Δ为功率控制步长。

7.一种应用于码分多址系统中的时分导频信道估计器，其特征在于至少包括：

信号解调解扩器，对接收信号进行解扩解调；

分路器，分离出导频信号与业务信号；

导频信道估计器，利用导频信号进行信道估计，得到信道的幅度和相位的估计值；

乘法器，对得到的信道的幅度估计值，在相邻导频符号间，利用接收机已知的与该导频符号间对应所进行的功率控制命令，修正其中某个导频符号的幅度值，以消除功率控制对信号幅度的影响；

插值器，根据上述得到的信道的相位估计值和修正后的幅度值，通过插值得到导频符号间的业务信号的信道估计结果；

相位补偿器，利用上述的信道估计结果，对业务信号进行相位补偿；

合并及判决器，对相位补偿后的业务信号进行合并，判决并输出数据。

8.如权利要求7所述的信道估计器，其特征在于所述的乘法器，其输入分别为导频信道估计器输出的信道的幅度估计值和接收机中功率控制命令产生器输出的功率控制命令；且

当相邻导频符号间的功率控制命令为增加发射功率，则对前一导频符号的幅度估计值乘以

或对后一导频符号的幅度估计值乘以

当相邻导频符号间的功率控制命令为减少发射功率，则对前一导频符号的幅度估计值乘以 或对后一导频符号的幅度估计值乘以 其中Δ为功率控制步长。

9.如权利要求8所述的信道估计器，其特征在于所述的功率控制步长由发射机实时通过信令的方式传送到接收机。

10.如权利要求8所述的信道估计器，其特征在于所述的功率控制步长由系统设定，并以广播的形式进行发送。

11.如权利要求7所述的信道估计器，其特征在于进一步包括延时器，通过将所述的插值器插值得到的相应导频符号间业务信号的信道估计结果经延时器延时后送入相位补偿器对业务信号进行相位补偿。

12.如权利要求7所述的信道估计器，其特征在于所述的合并及判决器为最大比值合并及判决器，对相位补偿后的业务信号进行最大比值合并，判决并输出数据。

13.一种应用于码分多址系统中的信号接收系统，包括接收天线、中频射频解调部分、解扩部分、信道估计及判决部分、译码及信源恢复部分，其特征在于：

信号解调解扩器，对接收信号进行解扩解调；

分路器，分离出导频信号与业务信号；

导频信道估计器，利用导频信号进行信道估计，得到信道的幅度和相位的估计值；

乘法器，对得到的信道的幅度估计值，在相邻导频符号间，利用接收机已知的与该导频符号间对应所进行的功率控制命令，修正其中某个导频符号的幅度值，以消除功率控制对信号幅度的影响；

插值器，根据上述得到的信道的相位估计值和修正后的幅度值，通过插值得到导频符号间的业务信号的信道估计结果；

相位补偿器，利用上述的信道估计结果，对业务信号进行相位补偿；

合并及判决器，对相位补偿后的业务信号进行合并，判决并输出数据。

14.如权利要求13所述的信号接收系统，其特征在于所述的乘法器为运算器1，其输入分别为导频信道估计器输出的信道的幅度估计值和接收机中功率控制命令产生器输出的功率控制命令；且

当相邻导频符号间的功率控制命令为增加发射功率，则对前一导频符号的幅度估计值乘以 或对后一导频符号的幅度估计值乘以 当相邻导频符号间的功率控制命令为减少发射功率，则对前一导频符号的幅度估计值乘以

或对后一导频符号的幅度估计值乘以 其中Δ为功率控制步长。

15.如权利要求13所述的信号接收系统，其特征在于所述的合并及判决器为最大比值合并及判决器，对相位补偿后的业务信号进行最大比值合并，判决并输出数据。

16.如权利要求13所述的信号接收系统，其特征在于进一步包括延时器，通过所述的插值器插值得到的相应导频符号间业务信号的信道估计结果经延时器延时后送入相位补偿器对业务信号进行相位补偿。