CN1347223A - 慢速径搜索和多窗口快速信道估计的多径信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明将慢速径搜索与基于快速估计(子)窗口的快速信道估计相结合,解决了传统方法中径切换频繁时性能下降的问题,在不降低信道估计性能的同时大大降低了计算复杂度。本发明的实施按照如下步骤进行:慢速径搜索、基于快速估计(子)窗口的快速信道估计、在进行快速信道估计的同时在保护窗内进行慢速新有效到达径的搜索。本发明能构成性能优越、计算复杂度低的CDMA系统多径信道估计器。

Description

慢速径搜索和多窗口快速信道估计的多径信号处理方法

(一)技术领域：

本发明属于CDMA(码分多址)蜂窝移动通信领域。

(二)背景技术：

移动通信系统存在的多径衰落现象会造成系统严重的多径干扰。在使用扩谱技术的CDMA(码分多址)蜂窝移动通信系统中，通过接收含确知信息的导频(Pilot)信号，对多径信号的幅度和相位进行估计，从而使多径信号的时域分集和相干接收成为可能。这种针对多径衰落信号进行时域分集处理的相干扩谱接收机称为RAKE相干接收机。

为获得较好的RAKE接收性能，除了必须实现本地扩谱序列(PN码)与接收信号的同步以外，还必须找到足够强和足够多的多径信号，并需估计出各强径的信道衰落因子(即信道估计)，才能进行对多个含相同信息且衰落特性互相独立的各个单径信号进行相位校正和最大比合并处理，从而达到提高信号干扰比的目的。

CDMA系统中的导频信号用来传送已知信号，利用它不但可以提取出信号载波和系统定时，还可以进行信道参数估计等。信道参数估计的目的在于根据接收信号和确知的导频序列估计出信道衰落因子c_n。假设移动信道是频率选择性慢衰落信道，则可认为在一个信道估计区间内c_n近似为常数。估计的公式如下：

式中，r(t)是等效基带接收信号，s_o(t)是确知的导频信号，N_a、N_c、N_z本别是扩频码的相关特性不够理想造成的多径干扰、多址干扰以及白噪声通过相关器后产生的输出；T_c是一个码片的时间宽度，NT_c是信道估计区间；E_c是一个码片的能量。

传统的RAKE接收机的实现方法由以下步骤完成：首先在整个多径信号能量分布范围内对强径搜索，再对每条强径信号进行跟踪，在此基础进行扩频接收与多径合并。这种方法的计算量虽然较小，但是由于实际移动环境下每一径到达信号在幅度和相位上均有较大范围的随机变化，从而导致频繁的径切换，从而在较大程度上影响RAKE接收机的性能。

针对上述情形，发明专利(专利号为00128222.0)提出多径信号能量分布窗口(简称为多径能量窗)定义为信号衰落因子c_n的有效分布范围。该窗口宽度由多径信道的时延扩展范围确定。在不同的多径衰落环境(城市、乡村、山区)下，宽度分别为3微秒、6微秒、15微秒。由于多径信号出现的不确定性，多径能量窗的宽度应取最大可能值(通常为30微秒)，即在主窗两侧还应加上宽度为Δ码片的两个保护窗，才能保证不会丢失多径信号。通常，主窗宽度约为15微秒，保护窗宽度约为7微秒。该主窗又称快速信道估计窗。

(三)发明内容：

由于在整个多径能量窗范围内进行快速信道估计所需的计算量较大，本发明在上述快速信道估计窗和保护窗概念的基础上，将多径能量窗划分为快速估计窗和前、后保护窗，如图1所示，其主要参数如下，前、后保护窗：宽度分别为7微秒，设为Δ个码片；快速估计窗：宽度为15微秒，设为L个码片。在快速估计窗内进行快速信道估计，同时在保护窗内进行慢速径搜索。本发明建立的慢速径搜索和快速信道估计相结合的多径信号处理方法不但解决了多径信号出现不确定的问题，使处理具有稳健性，同时还克服了专利“基于多径信道能量窗重心跟踪环路的导频信道跟踪方法”中信道估计器运算量较大和传统方法在径切换频繁时性能下降的缺点。故本发明方法称为“基于慢速径搜索和快速信道估计的多径信号处理方法”。

在移动通信环境下多径信道的能量延迟分布具有如下规律：强径的出现是成组的，一般包括两组以上。本发明针对这一规律又引入了快速估计子窗的概念，将快速信道估计窗划分为多个子窗，之间的间隔称为保护窗，这样多径能量窗包括了多个快速信道估计子窗和保护窗，如图2所示。主要参数描述如下。快速估计子窗的个数最多为M个，每个窗宽度为I个码片，I可选为2、4、8或更大。对这些子窗和保护窗的处理仍然采用慢速径搜索和快速信道估计相结合的多径信号处理方法。这样的处理不但保持了上述“快速估计窗+前后保护窗”方法的优点，而且进一步减少了运算量。故本发明确切称为“基于慢速径搜索和多窗口快速信道估计的多径信号处理方法”。本发明方法流程如下：

步骤1：初始慢速径搜索：初始慢速径搜索在整个多径能量窗范围内进行。在对接收信号进行1/2码片间隔采样后，按 ${\hat{c}}_n=\frac{1}{{\mathrm{NE}}_c}{\∫}_0^{{\mathrm{NT}}_c}r(t-{\mathrm{nT}}_c)\·s_0^{*}\left(t\right)\mathrm{dt}=c_n+N_a+N_c+N_z$ 进行相关处理，得到所需的多径信道估计，并对其幅度值进行判决。通过慢速径搜索，可获得初始有效径。这些初始有效径必须满足如下条件：首先，该初始有效径的信号强度大于某一判决门限(此判决门限应大于PN码部分相关的旁瓣值)；其次，每两个初始有效径的间隔应大于快速估计窗所占据的宽度。设搜索出的初始有效径数为M，由此可确定出M个快速估计子窗。步骤2：多窗口快速信道估计：采用高多径分辨率的估计，将M个快速估计子窗的中心分别对准这些初始有效径位置。在每个快速估计(子)窗内采用单个快速信道估计器以时分复用的方式计算每条径的信道估计值；或者对所有快速估计(子)窗，复用同一快速信道估计器。快速信道估计器对这些子窗内的多径信道进行快速信道估计，能及时跟踪窗口内频繁变化的多径信号，其更新速率约为每秒钟9000次，可适应等效车速为500km/h的移动环境下的信道估计。步骤3：在进行多窗口快速信道估计的同时，在保护窗内进行慢速新径搜索，也即慢速径搜索器在去除这些快速估计窗以外的多径能量窗范围内进行新的到达径的搜索。一旦检测到新的有效到达径，则去除信号最弱快速估计子窗，强制调整强度最弱的快速估计子窗，并用新的快速估计子窗覆盖该新径。

本发明有益效果：本发明构成的CDMA系统多径信道估计器性能优越、能够降低计算复杂难度。

(四)附图说明：

图1为多径能量窗划分方法图示；

图2、本发明方法划分图示；

图3为本发明装置框图。

(五)具体实施方式：

本发明方法的装置结构如图3所示。该装置由慢速径搜索器、抽头延迟线、多窗口快速信道估计器、多径能量窗重心计算/环路滤波/本地PN码相位调整器、强径选择器和PN码发生器等部分组成。各部分的具体功能说明如下。

慢速径搜索器：该部分从抽头延迟线接收的基带采样信号中获得间隔为1/2码片的信号。在多径能量窗范围内(已分配的快速估计窗除外)进行慢速径搜索，以获得初始有效径或新到达有效径的位置。慢速径搜索首先对不同径进行信道估计(参见

)，具体可采用快速PN码发生器和时分复用的相关器组实现。然后将每一径的强度与一个门限值进行比较，从而决定是否为有效到达径信号。判决门限应大于PN码部分相关的旁瓣值。在初始化阶段，从这些到达径信号中选取前M个最强径作为初始有效径，各个初始有效径的间隔应大于估计窗的宽度。初始化完成后，每个有效的到达径视为新的有效到达径。若新的有效到达径的强度大与某一个快速估计子窗内的多径强度，则进行快速估计子窗切换处理。

抽头延迟线：该部分对基带接收信号进行延迟存储，延迟间隔为1/K码片，K取2的幂次。延迟线的长度覆盖宽度为(L+2Δ)码片间隔的多径能量窗。将延迟线每隔1/2码片引出一个抽头，共K(L+2Δ)/2个抽头，送入慢速径搜索器。

快速信道估计器：在整个多径能量窗内，最多包含M个快速信道估计窗。若每个快速估计窗的宽度为I码片，则共需M×I×K个延迟线抽头。为达到节省硬件资源的目的，可采用时分复用的方式对多个快速估计子窗内的多径信道进行估计。也可采用多个信道估计器对多个子窗同时进行估计，以获得更快的信道估计值的刷新速度。信道估计的公式 ${\hat{c}}_n=\frac{1}{{\mathrm{NE}}_c}{\∫}_0^{{\mathrm{NT}}_c}r(t-{\mathrm{nT}}_c)\·s_0^{*}\left(t\right)\mathrm{dt}=c_n+N_a+N_c+N_z.$ 快速估计子窗位置的调整由多径能量窗重心和慢速径搜索器所获得的新有效到达径的位置共同来决定。当径变化未跳出快速估计子窗时，采用专利“基于多径信道重心跟踪环路的导频信号跟踪方法”(专利号为00128222.0)对多径能量窗的位置进行调整；当新有效径的位置处于保护窗内时，则需去除强度最弱的快速估计子窗，增加一个新的快速估计子窗，使之覆盖该新径，之后仍采用多径能量窗重心方法对窗口的位置进行精细调整。

多径能量窗重心计算/环路滤波/本地PN码相位调整量发生器：该部分首先对从快速信道估计器输出的信道估计值进行多径能量窗重心计算及环路滤波处理，再对处理结果进行判决，获得PN码相位调整量，并将其送往PN码发生器。

强径选择器：该部分对从快速信道估计器输出的信道估计值强度进行比较，从中选择出J个最强径，将其位置及其相应的信道估计值分别送给Rake相关器和Rake合并器。

PN码发生器：该部分受多径能量窗重心计算/环路滤波/本地PN码相位调整量发生器和慢速径搜索器的控制。多径能量窗重心计算/环路滤波/本地PN码相位调整器用于微调PN码相位，使主窗重心调整到目标值。

本发明的优点主要体现在以下几个方面：

1、慢速径搜索完成低多径分辨率估计，快速信道估计采用高多径分辨率估计。

2、采用慢速径搜索和快速信道估计结合的方法，在处理整个多径能量窗的同时，大大减少了计算量。

3、引入快速估计窗和保护窗的概念，解决了传统方法中径频繁切换时RAKE接收性能下降的问题。

4、在快速估计窗的基础上引入快速估计子窗的概念，进一步减少了计算量。

下面以3GPP WCDMA系统为例，说明本发明在信道估计计算量方面的减少。

因WCDMA系统的码片速率为3.84Mcps，若多径能量窗宽度设定为30μs，则窗口长度约为116个码片。对于本发明可取快速信道估计子窗个数为2，其窗口宽度均为2μs(约8个码片)。

设快速信道估计的更新速率为每秒19200次，多径分辨率为0.25码片。慢速信道估计的更新速率为每秒1000次，多径分辨率为0.5码片。计算复杂度用每秒需估计的径数表示。

本发明方法要求在两个快速估计子窗内进行快速信道估计，在保护窗内进行慢速信道估计，计算复杂度为：

(8+8)/0.25×19.2k+(116-8-8)/0.5×1k＝1428800可见本发明能够在较大程度上降低计算复杂度，所需付出的代价是在一定程度上增加了多子窗的控制方面的难度。

Claims (4)

1、慢速径搜索和多窗口快速信道估计的多径信号处理方法，其特征在于：按照以下流程步骤：

1)初始慢速径搜索；

2)多窗口快速信道估计；

3)在进行多窗口快速信道估计的同时在保护窗内进行慢速新径搜索。

2、如权利要求1所述的、慢速径搜索和多窗口快速信道估计的多径信号处理方法，其特征在于：

1)初始慢速径搜索：初始慢速径搜索在整个多径能量窗范围内进行。在对

  接收信号进行1/2码片间隔采样后， ${\hat{c}}_n=\frac{1}{{\mathrm{NE}}_c}{\∫}_0^{{\mathrm{NT}}_c}r(t-{\mathrm{nT}}_c)\·s_0^{*}\left(t\right)\mathrm{dt}=c_n+N_a+N_c+N_z$

  进行相关处理，得到所需的多径信道估计，并对其幅度值进行判决。通

  过慢速径搜索，可获得初始有效径。

2)基于快速估计(子)窗口的快速信道估计采用高多径分辨率的估计。

3、如权利要求2所述的、慢速径搜索和多窗口快速信道估计的多径信号处理方法，其特征在于：

1)当在保护窗内出现新的有效到达径时，强制调整强度最弱的快速估计子

  窗覆盖该强径。

2)在快速估计(子)窗口进行快速信道估计，从而能够及时地跟踪窗口内

  频繁变化的多径信号。

4、如权利要求1所述的、慢速径搜索和多窗口快速信道估计的多径信号处理方法，其特征在于：在每个快速估计(子)窗内采用单个快速信道估计器以时分复用的方式计算每条径的信道估计值；或者对所有快速估计(子)窗，复用同一快速信道估计器。