CN1343396A - 自适应信道均衡器 - Google Patents

Abstract

公开了用于码分多址通信系统的一种接收机。这种接收机至少包括用于从码分多址信道接收信号的一个天线,用于估计所述信道冲击响应的一个估计器和一个自适应均衡器。这个估计器为自适应均衡器提供一个参考,自适应均衡器用于估计这个信道发射的码片序列,并且恢复收到的信号之间的正交性。自适应均衡器包括利用盲自适应算法估计这个信道发射的码片序列的电路。

Description

自适应信道均衡器

本申请2000年3月3日Petri Komulainen和Markku J.Heikkila提交，标题是“自适应信道均衡器”，律师文号是872.8546USU的美国专利申请09/

的部分继续申请，它的特快邮件号是：EL 470231293US，根据35 U.S.C.§119(e)，它要求享受PetriKomulainen和Markku J.Heikkila于1999年3月10日提交，标题是“自适应信道均衡器”的第60/123689号临时专利申请的优先权。在这里将这份临时专利申请全部引入作为参考。

发明领域

本发明涉及通信系统，具体而言涉及进行自适应信道均衡的接收机。

发明背景

码分多址通信系统是基于数字、宽带、扩频技术之上的，它在分配的一个无线电频段内发射多个独立的用户信号。在码分多址系统中，每个用户信号都包括一个不同的正交码和调制一个载波以将波形频谱扩展的一个伪随机二进制序列，这样就能使大量的用户信号共享同样的频谱。用户信号在具有相关器的接收机内被分开，它只允许具有用于解扩的所选正交码的信号通过。代码不相匹配的其它用户信号不能解扩，因而变成了系统噪声。系统的噪声比是由所需要的信号功率跟所有干扰信号的和的比决定的，并且由系统的处理增益和扩频带宽跟基带数据率的比值来提高。

最近提出的第三代宽带码分多址(WCDMA)标准也是这样，它能同时支持不同的扩频系数和可变的用户数据率，也就是说，通常都是通过正交扩频码将多个用户信号多路复合到信道里去。但是在码分多址系统中，由于存在多径传播和频率选择性衰落，不同用户之间波形的正交性被降低，多址干扰会破坏接收机的性能。

其它用户信号造成的干扰叫做多址干扰，基本上是由信道内的用户信号引起的，它会破坏接收机那里的代码正交性。

已经提出来几个多用户检测方案，用来缓和直接序列码分多址(DS-CDMA)系统中上行链路的多址干扰。但是这些方法太复杂，用于普通用户终端太繁琐，因为它们会给功耗和尺寸带来不利影响。

关于这一点可以参考A.Duel-Hallen、J.Holtzman和Z.Zvonar于1995年4月在IEEE个人通信第46～48页上发表的“码分多址系统的多用户检测”。

作为另外一种选择，已经有人提出计算量较少的几个自适应算法，用于降低码分多址系统中的多址干扰。例如，在存在一个已知训练序列的时候，可以采用一个最小均方(LMS)算法。但如果没有训练序列，或者训练是不切实际的，盲适应方案更加适合于降低码分多址干扰。

关于这一点可以参考M.L.Honig、U.Madhow和S.Verdu于1995年7月在第41卷IEEE信息论杂志第944～960页上的文章“盲自适应多用户检测”。还可以参考N.Zecevic和J.H.Reed于1997年5月在IEEE国际汽车技术会议VTC’97第2133～2137页上发表的文章“直接序列扩频码分多址单用户检测的盲适应算法”。

但是，提出来的多数自适应干扰抑制方法都依赖于信号的码元级别上的三阶稳定性。可惜，这一点使得它们不能用于采用长扰码的系统，比方说采用宽带码分多址的系统，其中的伪随机扰码会改变信号不同码元的相关特性。

发明目的和优点

本发明的一个目的和优点是提供一种接收机，它利用自适应信道均衡功能来恢复同步用户波形之间的正交性，抑制其它多址信号。

本发明的另外一个目的和优点是通过首先估计发射的码片序列，然后用一个算法收敛到一个线性最小均方误差(LMMSE)解，将自适应信道均衡应用于码分多址系统。

本发明的再一个目的和优点是提供一种性能改善了的码分多址接收机，它适合于采用长扰码的系统，比方说第三代宽带码分多址系统。

本发明还有一个目的和优点，那就是提供一种性能改善了的码分多址接收机，它不需要训练序列，也不需要训练信息，除了普通信道估计以外，它们既可以是基于导引码元，也可以是基于导引信道。

发明简述

前面的问题和其它问题以及本发明的目的是用本发明的实施方案中的方法和装置来解决和实现的。

公开了用于码分多址通信系统的一种接收机。这种接收机至少包括一个天线用于从码分多址信道接收信号，还包括一个估计器，用于估计信道的冲击响应，以及一个自适应均衡器。估计器为自适应均衡器提供一个参考，自适应均衡器用于估计这个信道中发射的码片序列，恢复同步用户波形之间的正交性，以至其它多址信号。自适应均衡器包括用于实施盲自适应算法估计信道中发射的码片序列的电路。

公开了用于码分多址通信系统的一种接收机。这种接收机至少包括一个天线，用于估计信道冲击响应的一个估计器和一个自适应均衡器。这个估计器为自适应均衡器提供一个参考，自适应均衡器通过估计发射的码片序列来均衡信道中的信号。自适应线性接收机算法用于恢复信号波形的正交性。

自适应均衡器最好是采用一种盲自适应算法来估计信道中发射的码片序列，并且收敛到一个线性的最小均方误差解。

附图简述

通过阅读下面的详细说明同时参考以下附图，会对本发明的上述特征和其它特征更加了解，在这些附图中：

图1是符合本方面一个方面的一个接收机框图。

图2是按照本发明一个方面的自适应估计滤波器的一个框图，其中N＝1(一个天线)和N_s＝1(没有过采样)。

图3是采用扩频系数G＝32和单个接收机天线的接收机误码率曲线。

图4是采用扩频系数G＝32和两个接收机天线的误码率曲线。

图5给出采用扩频系数G＝4和一个接收机天线的误码率曲线。

图6说明采用扩频系数G＝4和两个接收机天线的误码率曲线。

图7说明采用扩频系数G＝4和两个接收机天线的时候干扰基站对误码率的影响。

发明详述

如上所述，在采用正交扩频码同步码分多址的下行链路中，多址干扰基本上是由多径信道引起的。因此多址干扰可以通过信道均衡来抑制，因为用户的正交信号是通过同一个信道传播到感兴趣的接收机那里的。

关于信道均衡可以参考D.P.Taylor、G.M.Vivetta、B.D.Hart和A.Mammela于1998年在欧洲电信杂志第9卷第2期第117～143页上发表的“无线信道均衡”。

还可以进一步参考S.Werner和J.Lilleberg于1999年5月在IEEE汽车技术会议VTC’99上发表的“具有长码的码分多址系统中的下行链路信道去相关”。还可以参考P.Komulainen和M.J.Heikkila于1999年9月在IEEE国际个人、室内和移动无线电通信讨论会PIMRC’99上发表的“基于码分多址下行链路码片分离的自适应信道均衡”。

频率选择性信道的非零延迟扩展导致不同用户之间的信号按照扩频波形的互相关特性泄漏。同一个用户不同路径之间的干扰非常大，特别是处理增益较低的时候，这种干扰可以通过信道均衡来降低。

一方面，本发明公开了一种接收机10，它具有一个自适应线性干扰抑制算法。这个算法是以线性信道均衡为基础的，适合于采用具有长码加扰的正交扩频码的同步码分多址系统。这个算法是自适应的，因为通过采用Griffiths算法它会收敛到线性最小均方误差解。这个接收机不需要任何训练序列，也不需要任何训练信息，除了普通信道估计以外，它可以建立在专用导引码元或者导引信道的基础之上。

图1画出了本发明一个方面中接收机的框图。至少有一个天线100₁，…，100_N从一个码分多址通信信道接收信号。这些信号被交给一个传统的射频收发信机和一个模数转换器110。传统的射频收发信机和模数转换器110也可以有选择地进行码片波形滤波。转换过的信号r₁，…，r_N被交给信道冲击响应估计器120和自适应码片估计器130。信道冲击响应估计器120估计这个码分多址信道的冲击响应并且将参考输入矢量 h₁，…， h_N提供给自适应码片估计器130。这个自适应码片估计器130可以是一个线性滤波器，这一点将在下面详细描述。自适应码片估计器130的输出被提供给码元同步的代码相关器140。相关器140通过将自适应码片估计器130的输出d跟一个代码发生器150的输出相乘对它解扩，然后在这个码元周期上积分。代码发生器150能够产生长短代码。相关器140的输出被提供给传统的去交织器160，去交织器160则跟一个传统的译码器170连接，输出数据判决。

信号模型

在具有K码元同步用户的码分多址下行链路中，基站产生用户信号的和，并且用一个长伪随机(PN)码c(i)对它加扰。复扰码的周期可以扩展到整个码元帧。所谓的多用户码片序列可以定义为： $d\left(i\right)=c\left(i\right)\underset{m}{\mathrm{\Σ}}\underset{k=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\left(m\right)b_k\left(m\right)s_k(i-\mathrm{mG})---\left(1\right)$ 其中i，m和k分别是码片、码元和用户下标。实的正幅度a_k(m)是由于功率控制，b_k(m)是用户k的正交相移键控(QPSK)数据码元。假设数据码s_k是一个Walsh码，这样，(理想情况下)用户的扩频码都是正交的。扩频系数(处理增益)可以这样表示：G，s_k(i)＝±1，对于i＝0，1，…，G-1，对于其它i等于0。显然，多用户码片序列被作为所有用户的码片的和来形成。由于采用了长伪噪声代码加扰，因此{d(i)}_i是不相关复信号元素的一个序列，由于取决于用户的功率控制，它的幅度分布对于接收机来说是未知的。

为了限制需要的带宽，用一个冲击响应是p(τ)的脉冲整形滤波器滤波以后发射序列{d(i)}_i。假设在码片间隔i内信道的冲击响应是g(τ，i)，码片序列所经历的总冲击响应就是h(τ，i)＝g(τ，i)*p(τ-iT_c)，在这里T_c是码片间隔，*表示卷积。对于矢量表示，这个响应在时间上是离散化的，每一个码片间隔采集N_s个样本，获得冲击响应矢量h(i)。现在，收到的信号矢量可以写成

              r＝Hd+n    (2)其中

H＝(…，h(-1)，h(0)，h(1)，…)    (3)和

矩阵H包括脉冲整形滤波器和信道的影响。也可以认为它代表前端滤波器的影响(图1中没有画出)。矢量n是假设跟d不相关的一个任意噪声或者干扰矢量。等式(2)的截断形式是：样本下标iN_s被定义成传递d(i)的脉冲开始的那个样本的下标。显然，H(i)和n(i)只是保存所需要的那一行H和n。常数M₁和M₂是正实数，并且给出后来线性信道均衡器的长度。在图2中画出了M₁+M₂＝L的情形。

LMMSE码片估计

在这一节中给出线性分数间隔的信道均衡器，它在最小均方意义上是最优的。这一方法是要通过估计发射的多用户码片d(i)，从而均衡信道，努力恢复接收机那里用户波形的正交性，来抑制多址干扰。对于非常理想地估计出来的码片序列，通过将多用户码片序列跟用户的长置乱码和短置乱码进行相关运算，需要的用户信号可以恢复出来，而不会有任何其它用户的残余干扰。

可以用等式(5)的信号模型来描述线性最小均方误差(LMMSE)信道均衡器。

关于这一点可以参考1993年新泽西州的Prentice Hall出版的S.M.Kay的书《统计信号处理器处：估计理论》。

利用等式(5)中的信号模型，线性最小均方误差(LMMSE)信道均衡器可以写成： $\hat{d}\left(i\right)={\stackrel{-}{h}}^H\left(i\right){(H\left(i\right)H^H\left(i\right)+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_d^2}{C}_{\mathrm{nn}})}^{-1}r\left(i\right)---\left(6\right)$ 其中(·)^H表示Hermitian转置， h(i)是对应于d(i)的H(i)的列，σ_d ²是不相关多用户码片的平均功率，C_nn是噪声的协方差矩阵。显然，等式(6)中的解需要估计信道冲击响应和协方差矩阵。另外，在快速变化环境中所需要的逆矩阵可能会导致计算过程复杂得无法接受。

自适应算法

因为为了获得均衡器的直接解计算起来非常复杂，因此下一步考虑一种自适应方法，用来调整横向滤波器的系数。自适应方法的问题是没有任何多用户码片训练序列。

下面，给出一个盲自适应算法，它不需要任何训练序列，而只是普通的信道估计。图2中给出了单个天线(N＝1)没有过采样(N_s＝1)的情形中，包括在自适应码片估计器130中的盲自适应算法。射频收发信机和模数转换器110(图1)的输出r₁是图2中的输入r(i)。信道冲击响应估计器120(图1)的输出 h₁＝(h₀，…，h_L)⁷也是给自适应码片估计器130的输入。下面详细描述自适应码片估计器130的工作过程。

令单个接收天线(忽略天线下标)情形中d(i)的估计是： $\hat{d}\left(i\right)=w^H\left(i\right)r\left(i\right)---\left(7\right)$ 更新分数间隔多用户码片估计器的复系数的算法，也叫做自适应码片估计器130，是： $w(i+1)=w\left(i\right)+\mathrm{\μ}\left(i\right)\left(E\right\{r\left(i\right)d^{*}\left(i\right)\}-r\left(i\right){\hat{d}}^{*}\left(i\right))---\left(8\right)$ $=w\left(i\right)+\mathrm{\μ}\left(i\right)({\mathrm{\σ}}_d^2\stackrel{-}{h}\left(i\right)-r\left(i\right){\hat{d}}^{*}\left(i\right))$ 其中E(.)表示期望，(.)*表示复共轭，μ(i)是可能的时间步长参数，h(i)是H(i)的列，它对应于等式(5)中的d(i)。利用所需信号(多用户码片)和收到信号之间的相关性知识，避免了对训练序列的需求。为此，接收机10用一个信头估计器估计信道的冲击响应h(i)。注意实际上不需要码片功率σ_d ²的知识，因为这个系数只影响滤波器输出的大小。这里给出的优选算法，用等式(7)和(8)表示，被叫做Griffith算法。

关于这一点可以参考John Wiley & Sons公司于1987年出版的小C.R.Johnson和M.G.Larimore的书《自适应滤波器理论和设计》。

Griffith算法是LMS算法的一种改进。通过检查等式(8)的稳态，可以发现它收敛到Wiener解。

回到图1，如上所述，自适应码片估计器130的输出被馈入码元同步的代码相关器140，它对信号进行解扩和去置乱，并且输出码元判决。例如在操作开始进行初始化的时候，滤波器系数可以由信道冲击响应初始化，从而使这个接收机跟普通的瑞克接收机相似。

在一般情况下，接收机可以有几个天线。将等式(7)和(8)推广到N个天线的系统会得到 $\hat{d}\left(i\right)=(w_1^N\left(i\right)...w_N^H\left(i\right))\left[\begin{array}{c}{r}_i\left(i\right)\\ \underset{.}{\overset{.}{.}}\\ r_N\left(i\right)\end{array}\right]----\left(9\right)$ $\left[\begin{array}{c}{w}_1(i+1)\\ \underset{.}{\overset{.}{.}}\\ w_N(i+1)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{w}_i\left(i\right)\\ \underset{.}{\overset{.}{.}}\\ w_N\left(i\right)\end{array}\right]+\mathrm{\μ}\left(i\right)\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_d^2\stackrel{-}{h_1}\left(i\right)-r_1\left(i\right)\stackrel{^*}{d}\left(i\right)\\ \underset{.}{\overset{.}{.}}\\ {\mathrm{\σ}}_d^2\stackrel{-}{h_N}\left(i\right)-r_N\left(i\right)\stackrel{^*}{d}\left(i\right)\end{array}\right]----\left(10\right)$ 其中的矢量按照前面那种方式定义，其它的下标指的是天线下标。具有多个天线的自适应接收机10的结构可以从图1中看到。

性能评估

在这一节中利用自适应信道均衡对这里公开的接收机的性能进行检查，并且将它跟一个普通的瑞克接收机进行比较。考虑一条宽带码分多址下行链路，它采用具有K个活动相等功率用户的QPSK调制，每个用户都分配一个长度是G＝4或者G＝32的Walsh码。将一个复数Gold序列用作置乱码。在性能仿真中不进行任何纠错编码。

将接收机在一个时变瑞利信道中测试，它的延迟扩展是一个微秒，具有3条平均功率相等的可分辨路径。码片速率是4MHz，在仿真中采用根提升余弦脉冲整形滤波、2GHz的载波频率和5km/h的汽车速度。对单天线和双天线接收机进行了仿真。在双天线情形中，假设天线是不相干的。提供给接收机的是信道冲击响应的理想估计。

图3和图4分别说明一个接收机天线和2个天线的情况下扩频系数是G＝32的误码率曲线。注意E_b/N₀是对每个天线单元进行测量的。相似地，图5和图6分别说明扩频系数是G＝4的时候的曲线。在所有的图中，针对几个用户数进行了测试。

在图7中，给出了干扰基站对两个接收机的影响。假设干扰功率等于所需基站的接收功率，将一条3路径衰落信道(具有不同的延迟)用作干扰发生器。

结果说明这里公开的自适应接收机能够有效地抑制多址干扰。对于扩频系数G＝4，信道均衡方法能够给出单用户情形下的性能增益，因为路径之间的干扰非常明显。当用户数增大的时候，信道均衡随着多用户码片的信噪比增大而更加有效。显然，自适应均衡器能够利用基站的所有发射功率。对于分集天线，瑞克接收机和自适应接收机之间的性能差别更大。此外，LMMSE解充分利用了干扰的协方差信息，因此这里公开的自适应接收机能够比传统的瑞克接收机更能承受小区间的结构化干扰。

应当明白这里描述的功能可以用离散的电路元件来实现，或者用一个适当的数据处理器执行软件子程序来实现。也可以采用电路元件和软件的组合。还有，虽然在这里将Griffith算法公开为目前的优选实施方案，但是也可以采用能够提供自适应复码片估计滤波器的其它算法。

这样，虽然描述本发明的时候针对了它的优选实施方案，但是本领域里的技术人员应当明白可以改变它们的形式和细节，而不会偏离本发明范围和实质。

Claims (6)

1.用于码分多址通信系统的一种接收机，包括：

用于从码分多址信道接收用户信号的至少一个天线；

跟所述天线连接用于估计所述信道冲击响应的一个估计器；

跟所述天线和所述估计器连接的一个自适应均衡器，其中的估计器为所述自适应均衡器提供一个参考，所述自适应均衡器用于估计所述信道中发射的码片序列，从而恢复收到的用户信号之间的正交性；和

跟所述自适应分离器连接的一个相关器，用于对所述自适应均衡器的输出解扩，获得收到的用户信号的数据码元的估计。

2.权利要求1的接收机，其中的自适应均衡器还包括利用盲自适应算法估计所述信道发射的码片序列的电路。

3.权利要求1的接收机，其中的自适应均衡器还包括利用Griffith算法收敛到一个线性最小均方误差解的电路。

4.在码分多址通信系统中接收信号的一种方法，该方法包括以下步骤：

从一个码分多址信道接收信号；

估计所述信道的冲击响应；和

将所述信道的信道冲击响应估计用作参考，自适应地均衡所述信道的信号，并且估计所述信道发射的码片序列，恢复收到的信号之间的正交性；和

对自适应均衡的信号进行解扩，获得接收信号的数据码元的估计。

5.权利要求4的方法，其中的自适应均衡步骤还包括用一个盲自适应算法估计所述信道发射的码片序列。

6.权利要求4的方法，其中自适应地均衡所述信号的步骤还包括利用Griffith算法收敛到一个线性最小均方误差解。

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