CN1299199A - 有改善的信号捕获和处理的码分多址系统及运行方法 - Google Patents

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Abstract

一种CDMA系统及其运行方法,它提供出降低了干扰的接收信号以及减小了计算复杂性的、改善的信号捕获和信号处理。系统中包括有一个与至少两个或多个天线之天线阵列相连接的基站,它服务于多个用户。基站中的一个接收机内包括有一个连接于天线阵列上的通行的互相关逆矩阵、一个服务于每个用户的信号捕获和信号处理电路。每个信号捕获电路中包含一系列延时级,在其中使每个级内诸输入天线信号与一个扩展码相关联,并在一个连接至通用的互相关逆矩阵上的乘法器中进行组合。

Description

有改善的信号捕获和处理的码分多址系统及运行方法
本发明涉及应用码分多址(CDMA)系统及其运行方法的无线系统。更具体地，本发明涉及在接收机上采用多个天线的无线CDMA系统。
CDMA系统中，在接收机内进行降低干扰的任何处理时，就减小噪声看可改善链路质量，就增加由CDMA系统提供服务的用户(称为移动用户)看可改进系统容量。因此，降低干扰是CDMA系统的一项重大任务。然而，在信号处理之前，CDMA接收机中必须先精确地估值每个接收信号的定时，以容许发生去扩展处理。每个接收信号的定时估值过程称为同步。降低干扰中先前提出的信号处理方法认为，在处理之前同步已经完成。然而，由于当接收到的信号数目增加时干扰也增加，使得对全部接收信号的延时估值变得更为困难。
CDMA系统中降低干扰和增大系统容量的一种信号处理方法是应用多个天线或者天线阵列。天线阵列可以提供出分集接收(称为分集增益)和改善平均信噪比(称为孔径增益)，使得存在多径衰落时无线链路抗干扰能力较强。天线阵列借助于合适的天线组合，还能够达到干扰拒斥(称为信号对干扰噪声比，或称为SINR增益)。容量改进的实现是借助于将每个天线的输出进行加权组合，使得抵消干扰和/或增强所需信号。加权值的计算(必需时要实时地计算)按照一种最佳化准则和一种相关的自适应算法。典型算法要求对每个接收的信号作出一个天线互相关矩阵的估值。互相关矩阵中包括干扰信号方面(例如功率和入射角)的信息，它对于降低干扰时计算合适的天线加权值十分有用。CDMA系统中，由于在进行相关处理之前(先于相关)的矩阵估值中牵涉到在码片速率上计算矢量的外积(它要求高速地计算)，所以，互相关矩阵通常应用相关处理后的信号(也即在去扩展后的信号)予以组成。另一方面，计算相关后的互相关矩阵要求先前已达到同步，并要求有改进的信号捕获技术。本技术领域内需要CDMA系统及其运行方法。用以在信号捕获中降低干扰，以提供出一种改善的同步技术，并需在处理相关前的信号时有合理的计算复杂性。
CDMA系统中有关降低干扰的先有技术包括以下几方面：
1996年3月19日提出的、名称为“Transmission De-CorrelatorFor Eliminating Interference In A CDMA Communication System(CDMA通信系统中用于消除干扰的传输去相关器)”的美国专利USP5,500,856中，公开了一种传输去相关器，它包括有：一个存储数据集的存储器，数据集代表了各别信道中传输信息比特之积；各别信道中扩展码数据序列之积的总和；以及各别信道中扩展码数据序列之间一个预定的互相关矩阵方面的逆矩阵元素。该总和对应于沿逆矩阵之行方向上各乘积的相加。一个计数装置在工作中使存储器顺序地输出那里来的数据。一个加法器的作用是计算各别信道中存储器来的输出数据之总和。
1996年10月22日提出的、名称为“Method And Apparatus ForSimple And Efficient Interference Cancellation For ChipSynchronized CDMA(用于码片同步之CDMA的简单和高效的干扰消除方法和装置)”的美国专利USP5,568,473中，公开了通过阻断单一个基准序列以消除其他用户引来干扰的方法和装置，该基准序列代表了系统中所有用户的扩展序列。对其他用户来的干扰的消除中，可以不需使每个接收机针对系统中每一其他用户应用一个独立的去相关器，并且对于接收到的每个传输信号的功率电平能有一个精确的估值。
公开的先有技术中没有一个是应用天线阵列的CDMA系统及其运行方法，用于使信号捕获中具有改善的同步以降低干扰，并且对于信号捕获和信号处理其计算复杂性都能很适宜。
本发明的一个目的是建立起应用一个或多个天线阵列来降低干扰的一种CDMA系统及其运行方法，它具有改进的信号捕获和信号处理，其计算复杂性适宜。
本发明的另一个目的是包括有一个或多个天线阵列的一种接收机及其运行方法，它具有改善的同步用于CDMA系统中的信号捕获和信号处理。
本发明的另一个目的是建立起包括有一个或多个天线阵列的一种接收机及其运行方法，其中，在信号捕获和信号处理两方面都应用了一种通用的互相关逆矩阵，用于减少CDMA系统中计算的复杂性。
本发明的另一个目的是建立起具有一个或多个天线阵列的一种接上机及其运行方法，其中，一个通用的互相关逆矩阵阵列可简化信号捕获中的同步，并有助于在CDMA系统中的信号捕获和信号处理两方面减少计算的复杂性。
本发明的这些和另一些目的、特性及优点在码分多址(CDMA)系统及其运行方法中可实现，它对于接收的信号可使干扰减少，并在改进的信号捕获和处理中可使计算复杂性降低。该系统中包括一个连接于由至少两个或多个天线组成的天线阵列上的基站，它服务于多个用户。该基站中的接收机内包括一个连接于该天线阵列上的通用的互相关逆矩阵、以及服务于每个用户的一个信号捕获和一个信叫处理电路。每个信号捕获电路中包含一系列延时电路级，其中，使每个延时电路级中的天线输入信号与一个扩展码相关联，并在一个连接于通用的互相关逆矩阵上的乘法器内相组合，该矩阵在信号捕获上有助于改善延时估值。每个乘法器将通用的互相关逆矩阵的输出中已相关的延时级信号组合起来，提供出于一个给定的时间期内在一条天线路径中反映出信号能量的一个信号幅度，其中各个延时相隔开半个码片时间。延时级中每个信号的幅度存储入缓存器中，缓存器内包括选择出最强的接收信号的阈值信息。该信号处理电路将最强的接收信号与一个信道估值和一个乘法器中的通用互相关逆矩阵输出组合起来，提供出一个用于解调和解码的输出信号，由于下列原因而该输出信号具有改进的信号质量：(a)干扰降低，(b)对于信号捕获和处理有改善的延时估值，以及(c)通用的互相关逆矩阵降低了信号捕获和信号处理中计算的复杂性。
从下面详细的技术规范连同各附图中，可以较深入地理解本发明，附图中：
图1中示明CDMA系统中连接至服务于许多用户之多个天线上的一个基站。
图2的图1之基站中一个接收机的电路框图，它应用了本发明的原理。
图3是图2之信号处理电路中信号同步电路的电路框图，它应用了本发明的原理。
图4是一个流程图，用于计算图2和图3中包括的互相关逆矩阵的系数。
图5是一个流程图，用于计算图2上信号捕获电路中信号的延时。
图6是一个流程图，用于处理图2上信号处理电路中的信号。
简言之，本发明试图在CDMA系统中建立一个接收机及其运行方法，其中，该接收机中包括一个由相关处理前信号所形成的通用的互相关矩阵(也就是一个能使用于全部用户之信号的互相关矩阵)，它通过降低干扰可应用来改善同步以及改进系统容量。另外，由于单一个或通用的矩阵阵列可应用于到达基站上的全部用户之信号，所以本方法的复杂性是适宜的。
通用的天线阵列处理方法涉及到将每个天线上接收到的信号样本关联起来，以建立一个公共的或通用的相关矩阵。将该通用的矩阵逆转后作用到各接收信号的样本上，其结果应用来对每个所需的信号估值出正确的信号定时(也就是同步)。由于该方法降低了同步时所使用之信号内包含的干扰，所以这个处理比之常规的同步方法提供出了更为可靠的同步。此外，在同步和作出相关处理之后，将通用的阵列矩阵应用来处理每个相关后的信号。这种相关后的处理可减少每个用户信号在检测时见到的干扰，因而改进了系统容量。另外，借助于应用一个公共的阵列，本发明的处理复杂性比之先前的CDMA系统和接收机来说是降低了。
图1上，一个CDMA系统10中包括有通过多个天线14、16与多个用户(例如，用户1、用户2直至用户K，即U1-UK)相链接的一个基站12。虽然，图1上只示明了两个天线，但本发明可以应用于基站上有任何数目的天线。
图2上，基站12的一个接收机20中包括有与天线14和16相链接之用户1、2、……、K的信号处理电路221、……、22K。每个信号处理电路中包含同步电路231、……、23K。所有这些用户信号当它们全部使用相同的频段和相同的接收天线时，将见到一个类同的干扰环境。因此，对于用户信号来说存在一个通用的干扰矩阵24，它反映了全部用户信号的干扰子空间。由此，矩阵24可应用来改善同步以及方框25的各输入，因为由所有用户信号的阵列处理取代了常规的各别信号处理。该矩阵是全部天线信号输入的互相关矩阵。可以看出，如果存在很大的、任何的干扰信号，逆矩阵方法可以减少干扰信号值，改善被应用于同步和检测处理之信号的质量。计算逆矩阵系数的过程后面将结合图4予以说明。
方框24的输出是互相关矩阵Rxx的逆矩阵Rxx -1，它输入至方框25以产生出Rtot -1。方框25的作用将结合图4予以说明。方框24的输出还传送至同步电路231、……、23K。对同步电路将结合图3和图5予以说明。如图2中底部示明的数学运算关系那样，信号处理电路221、……、22K的输出在各个乘法器26中与逆矩阵25的输出组合起来，提供给标准解调器和解码器电路281、……、28K。在说明信号处理之前，也即在说明相关后的信号y与一个信道估值相组合以便由解调器和解码器28进行处理之前，先说明图3中示明的同步电路23是合适的。
图3中，每个用户1、2、……、K的信号捕获电路23内包含一系列延时级d1、d2、……、dN，它们由各个延时35分隔开，每个延时单元35典型地延时半码片时间。每个延时级由相关器36和37(相关器数目即等于天线单元的数目)以及一个相加器/乘法器39组成。天线14和16与每一延时级中的相关器36、37(每个相关器使同相位和正交相位信号发生互相关作用)相连接。相关器使每个用户的扩展码与接收到的信号样本相关联，这在本技术领域内是周知的。相关器对扩展码是已知的，但对于有关信号的相位和定时是未知的。信号捕获电路23从每个天线中接收其信号样本流，将它们与扩展码计算相关性，在乘法器39内与逆矩阵系数相组合，以对缓冲存储器31提供一个输出，它指明了关于该延时期间的信号能量。在乘法器39中发生的数学关系式运算示明于图3的底部。缓冲存储器31中包括阈值信息，缓存器使得阈值信息可确定出任一延时中是否存在有信号。阈值的选定是一个系统设计参数。对于各单个已延时信号的能量计算过程，将结合图5作更详细的说明。
回到图2上，现在，结合图4说明计算逆矩阵系数(方框24和25)的过程。图4中，在框40上开始计算逆矩阵系数的过程，其中，指数K设定为0，K是矢量外积的一个数，它使各矢量外积平均化以建立互相关矩阵。框41中，自天线14和16输入的信号在一个寄存器(未示出)中于N个码片(也即扩展码的符号)上累加，或是简单地取样每N个码片。第一种方案要求更多的计算，但将有较好的信噪比。框42上，对形成的信号计算一个矢量外积。如果天线数目为M，则诸矢量为M×1，外积的结果是M×M。框43中，将外积与先前的结果(如果K＞1)相加。框44中，使指数K加1。框45中，进行一次判断，K值是否大于预定的窗口大小。窗口大小应当选择得大于为获得完善性能所用的天线数目。如果K+1小于窗口大小，则过程回到框40进行另一次迭代，将K值更新后用于下一次计算。当K次迭代数目等于窗口大小时，在框46中使矩阵逆转，并如框48中那样使所得结果去往同步电路。关于使矩阵逆转的处理是众所周知的，并在Golub和VanLoan的著作《Matrix Computations(矩阵计算)》142-154页中有叙述，该书于1989年在巴尔的摩和伦敦由John Hopkins大学出版社出版。在框48中，按照下式计算更大的矩阵Rtot -1。以用于信号处理：
Figure 0013483000111
Rxx -1的阶为ML×ML，其中，M为天线数目，L为受跟踪的多径的最大数目。现在，结合图3中所示的信号捕获电路23来说明图5中确定输入信号定时(也即同步)的过程。在开始框50中，从时间上确定一个样本点来开始同步过程。框51中，使搜索点预先移动半个码片。(这由图3中各个半码片延时35来表示。延时可以不是码片的一半，应由系统设计者确定。)框52中，来自每个天线的信号样本在作出相关性后建立一个1×2矩阵矢量[X1,m,X2,m](这是对两个天线；通常是1×M矢量)，并在框53中，应用同样的各信号样本来建立一个第二的2×1矩阵矢量。如框53中所示，将两个矢量应用来对Rxx的逆矩阵进行左乘和右乘，这里，O*表示共轭复数。框54中，使框53内的结果值在一个选定的窗口大小上累加，并存储入图3中的缓冲存储器31中。框55中，将缓存器中的结果与一个反映信号能量的阈值电平进行比较。该阈值由系统工程师确定。如果信号能量低于阈值，则反复此过程，直至阈值被超过，或者所有的延时都已搜索到。如果信号能量超过阈值，便找到了所接收信号的一个有效延时，并在框57中继续此同步过程，直至所有的延时都搜索过。
在同步之后，接收机中发生如图2中所示的信号处理，这将结合图6予以说明。从开始框60出发，信号处理在框61上开始，其中，应用在同步电路23中得到的定时信息将扩展码与接收到的信号作相关运算，以提供出天线14和16方面相关后的信号y1,n和y2,n。它们表示成1×2矩阵矢量[y1,n,y2,n]，其中，n表明延时成分(也即接收信号的延时形体)，并提供给乘法器26。(又需指出，在M个天线的一般情况下，矩阵矢量的阶为1×M。)框62中，实施信道估值以在每个延时n、a1,n和a2,n上对每个天线得到诸信道估值。信道估值的实施指明了每个延时上各信道信号的相对强度和相位，并表示成一个2×1矩阵矢量an=[a1,n,a2,n]。对于实施信道估值，有几种另外的方法。1999年5月申请的、转让予本发明的受让人的系列号为09/296,654是一种信道估值的代表，它与本发明相一致，在此全部引用作为参考。
框63中，将每个天线上每条路径的相关器输出组合起来，形成单一个矢量y=[y1 T,y2 T,……,yL T]T，其中，yn是对于每个延时[y1,n,y2,n]T的2×1矩阵矢量。乘法器26使天线信号矢量y与信道估值矢量a=[a1 T,a2 T,……，aL T]T和逆矩阵Rxx -1组合起来。这一乘法由图2底部给出的数学关系式表明。框64中，将对于诸用户所形成的信号提供给解调器和维持比译码器，作为诸天线的一个组合输出(每个接收机22得到一个)，它对于各个用户有着改善的信号质量。在框65上结束信号处理。解调(或检波)和维特比译码在本技术领域内是周知的。
归纳起来，本发明公开了具有一个或多个天线阵列用于天线分集方式的CDMA系统内的一种接收机及其运行方法。接收机中包括一个通用的矩阵阵列，用于处理信号延时估值(同步)和信号处理两方面。天线分集方式和通用的矩阵阵列处理改善了CDMA系统中的同步和噪声抑制，增加了此种系统内可同时工作的用户数目，并相对于先有技术的系统和方法来说降低了接收机电路中计算的复杂性。
虽然，结合特定的实施例已示出和说明了本发明，但在不偏离本发明的精神实质和范畴下可作出各种改变，在所附的权利要求书中规定了本发明。

Claims (15)

1．一种接收机，包括：
用以接收多个信号的天线装置；
一个连接于接收信号上的通用的互相关逆矩阵；
连接至该通用的互相关逆矩阵上以及接收信号上，用以确定接收信号的信号延时和提供出一个第一输出的装置；以及
连接至该通用的互相关逆矩阵上以及该第一输出上，提供出具有改善的信号质量的信号输出的装置。
2．权利要求1的接收机，还包括：
连接于天线上用以使在各延时期间中的接收信号相关联的装置；以及
连接于延时的、相关联的接收信号和通用的互相关逆矩阵上以提供出第一输出的装置。
3．权利要求2的接收机，还包括：
连接于第一输出上用以存储被延时期间所延时的、相关的接收信号的装置；以及
用以选择一个最大幅度的已延时、相关的接收信号作为输出信号。
4．权利要求3的接收机，还包括：
用以解调和解码所选择的最大幅度的接收信号作为输出信号的装置。
5．权利要求2的接收机，还包括：
连接于各天线上用以在涉及码片速率的延时期间内使接收信号延时的装置。
6．一种码分多址系统，包括：
一个连接于至少两个天线上的基站接收机，它接收带有一种扩展码和一个码片速率的信号样本；
接收机中响应于诸接收信号样本的一个信号捕获电路；
一个连接于该信号捕获电路上的信号处理电路；以及
连接于用以改善延时估值的信号捕获电路和提供出一个有改善的信号质量的输出信号的信号处理电路两者上的一个通用的互相关逆矩阵。
7．权利要求6的系统，还包括：
连接于各天线上用以在延时期间内使接收信号样本延时、由此确定具有最大信号幅度的接收信号样本的装置。
8．权利要求7的系统，其中，延时的接收信号样本存储在一个缓存器中，用以选择出具有最大信号幅度的接收信号样本。
9．权利要求8的系统，还包括：
使一个延时的接收信号样本与互相关逆矩阵来的一个输出信号相组合而将它作为信号处理电路的一个输入的装置。
10．权利要求7的系统，还包括：
连接于该组合装置上用以存储延时的接收信号样本的装置。
11．权利要求10的系统，还包括：
确定出具有最大信号幅度的已存储的被延时接收信号样本的装置。
12．一种在包括有一个天线阵列、一个信号捕获电路和一个连接于通用的互相关逆矩阵上的信号处理电路的CDMA系统中，用以接收具有一种扩展码和一个码片速率的信号，处理具有改善了同步的接收信号，用于信号捕获和处理的目的的方法，包括步骤：
使诸接收信号样本在延时期间中相关联，并提供出一个第一输出用于每个延时期间上；
对通用的互相关逆矩阵中的接收信号样本进行处理，并提供出一个第二输出；
将第一和第二输出信号进行组合，对每个延时期间提供一个第三输出送入一个存储装置；
提供出存储装置来的第三输出，它超过了一个阈值并由于改善了同步而降低了噪声干扰；以及
对第三输出和第二输出进行处理，以得到一个改善了信号质量的输出信号。
13．权利要求12的方法，其中，通用的互相关逆矩阵在构成中包括步骤：
a)将一个指数Q设置于零，这里，Q是矢量外积的数目，诸外积被平均以建立一个互相关矩阵；
b)使输入的接收信号在扩展码的N个码片上累加，这里，N是一个系统设计参数；
c)计算出诸接收信号的矢量外积；
d)将诸外积信号在一个采样窗口上平均；
e)将Q设置到Q+1，并确定Q是否大于Q+1；
f)如果Q大于Q+1，则形成一个接收信号的逆矩阵，如果Q小于Q+1，则回到步骤b)；以及
g)对接收信号构成一个通用的互相关逆矩阵。
14.对权利要求书12的方法，其中，将第一和第二输出进行组合时包括步骤：
a)使一个延时期间偏移一个选定的量，用于处理第三输出；
b)对接收信号建立一个第一矢量和一个第二矢量；
c)对第一矢量和第二矢量作相乘以得到一个逆矩阵，它是第一矢量和第二矢量之和；
d)重复步骤a)、b)、c)，并将结果累加；
e)确定出步骤d)的结果是否大于阈值；以及
g)如果阈值不被超过，则回到步骤a)；以及
h)如果阈值被超过，则提供出该第三输出作为组合的输出。
15．权利要求1 2的方法，其中，处理输出信号时包括步骤：
a)在定时捕获和使信号相关之后，从接收信号中确定出一个基带信号作为一个矢量；
b)对接收信号的信道失真进行估值，形成一个矢量；
c)将基带信号矢量、信道估值矢量和通用的互相关逆矩阵进行组合，作为输出信号；以及
d)把该输出信号提供给一个信号汇。
CN00134830A 1999-12-07 2000-12-06 有改善的信号捕获和处理的码分多址系统及运行方法 Pending CN1299199A (zh)

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