CN1354932A - 无线通信系统中的噪声特征 - Google Patents

Abstract

确定在无线链路上接收到的一系列输入码元中的噪声特征。根据一系列输入码元再现一系列相应的位(72)。对一系列相应的位进行编码(72)以确定一系列再现码元。确定一系列输入码元和一系列再现码元的矢量积(74)。确定在矢量积中的两个码元之间的差值(76),其中在接近彼此临时邻近的所述无线链路中发送两个码元。根据在两个码元之间的差值的期望值确定一系列输入码元的非－正交噪声部分的期望值(78)。

Description

无线通信系统中的噪声特征

发明领域

本发明一般涉及无线通信系统。本发明特别涉及无线通信系统中的信号特征。

背景技术

在一般无线电系统中，多个远程单元通过公共基站进行通信。图1是方框图，示出典型的现代无线电通信系统10。系统包括一系列基站14。一组远程单元12和基站14进行通信。远程单元12经过前向链路信道18和反向链路信道20与基站14进行通信。例如，图1示出手持送受话器便携式电话、安装在车辆上的移动电话和固定位置无线本地环路电话。这种系统提供话音和数据服务。其它现代通信系统经过无线卫星链路而不是地面基站进行操作。

为了使多个远程单元经过公共信道进行通信，必须使用一种装置把信号多路复用到前向链路和反向链路。采用的一种普通方法是码分多址(CDMA)。在TIA/EIA临时标准中题为“用于双—模式宽带扩频蜂窝系统的移动站—基站兼容性标准”，TIA/EIA/IS-95-A，和它的成果，规定有关CDMA的附加的信息，此处引用其内容作为参考。在CDMA系统中，用扩展代码(它在一个频带上扩展信号能量)来调制前向和反向链路信号。通过把输入信号与在发送单元中使用的扩展序列相关，在接收机处在相同时间处的相同频带中发送的信号可以相互分辨。

一般，当每个远程单元在最小信号质量处(为了对输入信号正确地解码，这是必须的)接收前向链路信号时，CDMA系统的工作最有效。如果到达远程单元处的前向链路信号的电平太低，则信号电平可能不足以支持可靠的通信。如果到达远程单元处的前向链路信号的电平太高，则信号对其它远程单元的作用是不需要的干扰。因此，远程单元监视所接收到的信号的信号质量，如果信号质量太低，则请求增加基站发送前向链路信号的功率电平，如果信号质量在门限值以上，则请求降低基站发送前向链路信号的功率电平。

为了实施这种系统，在一个实施例中，远程单元通过确定它接收前向链路信号处的信噪比来估计前向链路信号质量。可以通过寻找每位能量对非正交噪声功率密度(Eb/Nt)的比来确定信噪比。每位能量是与信号信息位相关联的能量的量度。一般，通过一系列位确定信噪比，以致确定每位平均能量，并用作为信噪比的分子。

图2是接收机方框图，所述接收机确定每位平均能量。解码器30接收相应于构成帧的一系列N个码元的信号矢量 ，以致 。每个码元r_n’包括信号部分和噪声部分，如下面等式1所示。

               r_n＝s_n+w_n         (1)

其中，

r_n是第n个码元的电压值；

s_n是以伏表示的第n个码元的信号部分；

w_n是以伏表示的第n个码元的噪声部分。

可以以电压电平和极性的项表示每位取样的信号分量，如等式2所示。

              r_n＝A_nd_n+w_n             (2)

其中，

A_n是第n个码元的电压电平的绝对值；以及

d_n表示第n个码元的极性(即，数字值)  (即，+/-1)。在数字表达式中，把电压电平An发送到通过数字位表示的数字值。再参考图2，解码器30接收相应于通过矢量 表示的帧的码元，并把它们转换成一系列的位。在一个实施例中，解码器30是维特比解码器。一般，把通过解码器30输出的位传递到接着的处理级(未示出)，为了再建立所发送的信号。为了确定与帧中的信号能量相关联的能量，通过再—编码器32对解码器的位输出进行再—编码，所述再—编码器32与解码器30工作于互补的状态，致使再—编码器32的输出是矢量d＝(d₁，d₂，…，d_N)，其中，d_n表示如上所定义的第n个码元的极性。

把矢量 和矢量

输入点积块34。点积块34取得两个输入的点积，如下面等式3所示。 $1/N\left(\stackrel{\→}{r}\stackrel{\→}{\·d}\right)=1/N(r_1*d_1+r_2*d_2+...+r_N*d_N)---\left(3\right)$

把点积块34的平方的输出耦合到平方块36，在等式4中给出产生的结果。 $1/N{\left(\stackrel{\→}{r}\stackrel{\→}{\·d}\right)}^2=1/N[(A_1{d}_1+w_1)*d_1+(A_2{d}_2+w_2)*d_2+...(A_N{d}_N+w_N)*d_N{]}^2---\left(4\right)$

注意，对于所有n，d_n ²＝1。我们还可以假设矢量

的噪声分量是一系列独立的和相同地分布的具有零平均值的随机变量，可能是高斯分布，因此，根据众知的随机处理的原理，随机地使独立分量乘以+/-1不会改变噪声的特征或平均值。这样，等式4减少成如下所示的等式5。 $\frac{1}{N}{\left(\stackrel{\→}{r}\stackrel{\→}{\·d}\right)}^2={(\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n+\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_n)}^2={(\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n+\mathrm{\ϵ})}^2---\left(5A\right)$

通过定义，等式5A的第二项是矢量

的平均噪声分量，并等于零，致使等式5A减少成如下所示的等式5(B)。 $\frac{1}{N}{(\stackrel{\→}{r}\·\stackrel{\→}{d})}^2=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A_n}^2----\left(5B\right)$

因此，点积块34的平方的输出示出在帧中的码元能量的总和，它直接和帧的每位中的能量有关，如下面等式6所示。 $E_b={(\stackrel{\→}{r}\·\stackrel{\→}{d})}^2/B----\left(6\right)$

其中，B是在帧中的位数。

为了取得信噪比，还必须确定信号的噪声分量的估计。一般，我们只对噪声的非—正交部分Nt感兴趣，因为通过信号处理可以除去噪声的正交部分。非—正交噪声源包括热噪声、来自邻近基站的前向链路发送和来自服务基站的多路径传播。一般，噪声非—正交分量的估计要比位能量的估计困难。虽然已经讨论过数种技术，但是这些技术趋向于不正确或需要过多量的处理资源。例如，在题为“用于基于非—正交噪声能量的增益控制的方法和系统”的美国专利第5,754,533号中揭示了确定非—正交噪声能量的一种装置。根据该专利的一个实施例，对导频信道以及其它已知信道进行解码，并用来确定非—正交噪声电平。在这种情况下，对信号的每个多路径分量进行分立的解调处理。根据解调的结果，对每个多路径独立地测量噪声分量。导频信道的使用增加系统的成本并降低系统的容量。发生每个分立的多路径信道的解调和分别计算明显地消耗系统资源。

因此，在工业中已经长期感到需要有效地确定在数字通信系统中的非—正交噪声特征。

发明概要

为了估计在无线通信系统中的正交噪声电平，对在无线链路上接收到的一系列输入码元进行解调以产生一系列相应的位。对一系列相应的位进行再编码以产生一系列再现的码元。确定一系列输入码元和一系列再现码元的矢量积。确定在矢量积中的两个码元之间的差，它是在接近彼此临时邻近的无线链路上发送的。确定两个码元之间的期望值。根据差的期望值确定一系列输入码元的非—正交噪声部分的期望值。在一个实施例中，根据非—正交噪声部分的期望值确定一系列输入码元的信号质量。

附图简述

从下面结合附图对本发明的实施例的详细描述中，对本发明的特征、目的和优点将更为明了，在所有的附图中，用相同的标记作相应的识别，其中：

图1是方框图，示出典型的现代无线通信系统；

图2是接收机的方框图所示接收机确定每位平均能量；

图3是方框图，示出本发明的非—正交噪声确定过程的一个实施例；

图4是流程图，示出根据本发明的噪声估计过程的操作。

本发明的详述

在设计有效地使用可用容量的CDMA无线系统中，提供用于确定接收到的信号的信号质量的一种有效率和有效的装置是重要的因素。在已经发展数个有效的测量信号能量(所述信号能量消耗可观的处理资源量)的方法的同时，到此为止，可得到的用于测量非—正交噪声分量的装置和方法已经十分复杂。例如，以前的开发方案包括根据导频信号的解调来估计非—正交噪声分量。这种方案依靠一组步骤，对在远程单元处接收到的导频信号的每个个别的多路径传播执行这些步骤。虽然这种处理是有效的，但是希望找到一种根据组合信号而不是根据个别的多路径分量来确定所接收到信号的非—正交噪声分量的方法。这里描述的本发明在组合信号上操作，并且可以实际执行而不消耗过度的资源量。

图3是方框图，示出非—正交噪声确定过程的一个实施例。在图3中示出的某些元件(诸如去交错器50、速率判定块54和交错器58)是根据发射机执行的过程的。把这些单元包括在图3中是为了示例的目的，但是在不结合交错或多个速率发送的系统中可能不需要这些单元。在一个实施例中，把在图3中示出的元件结合到在蜂窝环境中操作的远程单元中。

交错是一种处理，通过该处理，把从在发射机中的维特比编码器输出的码元在发送之前进行重新排序。由于通过维特比编码在维特比编码器的输出处引入冗余，所以接着的码元包括冗余信息。一般，在发送过程期间引入的差错对一系列连续的码元起作用。如果成功地发送相应于任何一位的至少一部分码元能量，则维特比解码过程可以从不完整的码元流再建立完整的码元流。因此，为了降低相应于给定位的所有码元会在发送过程期间出错的概率，在发送前使码元安排成不—连续的次序。在接收机处，在对码元进行解码之前使码元重新排序。

去交错器50以在发射机处的维特比编码器产生这些码元的次序来安排这些码元。使从去交错器50输出的重新排序码元输入到维特比解码器52。维特比解码器52根据众知的维特比解码技术产生位流。在一个实施例中，发射机能够以一个以上的数据速率发送数据。为了对数据完全地解码，必须对发送数据的速率作出判定。使从维特比解码器52输出的位流输入到速率判定块54。例如，速率判定块54可以根据题为“在通信接收机中用于确定所发送可变速率数据的数据速率的方法和装置”的美国专利第5,566,206和5,774,496号操作，该专利已转让给本发明的受让人，并为了完整性在此引用作为参考。速率判定块54在发送一系列位的速率处输出一系列位，而且在一个实施例中，还输出该速率的指示。使速率判定块54的输出经过进一步的信号处理(未示出)。此外，把速率判定块54的输出传递到再—编码器56。

再—编码器56以相同于发射机的方法对数据进行编码，因此把一系列再现数据位转换成一系列再现码元。从再—编码器56输出再现码元并输入到交错器58。交错器58以相同于发射机找到交错器的方法进行操作，并使再现码元重新排序成相应于经过空中发送的输入码元的次序为不—连续的次序。

矢量积块60使接收到的矢量与再现矢量相乘。差值块62确定两个值(它们相应于在接近彼此临时邻近的无线链路中传递的两个码元)一组之间的差值。噪声估计块64根据差值块62输出的统计特征确定噪声的统计特征。在一个实施例中，噪声估计块64确定输入信号的非—正交噪声分量的期望值。在另一个实施例中，把噪声估计块64的输出耦合到信号质量确定单元，该单元确定信噪比(在该信噪比处接收信号)。在再一个实施例中，把噪声估计块64的输出耦合到功率控制块，所述功率控制块根据噪声的统计特征请求增加或降低发射功率。

可以在多个使用多种众知技术的媒体上实施在图3中示出的块。例如，可以在可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、在微处理器上运行的软件和其它媒体的领域中实施在图3中的块。

参考下列解释和等式可以理解本发明的操作。可以以矢量 的项来表示接收到的码元，以及以如下所示的等式7来表示矢量

的个别码元分量。 $\stackrel{\→}{r}=[r_1,r_2,...r_N]=[(A_1{d}_1+w_1),(A_2{d}_2+w_2),...(A_N{d}_N+w_N)]---\left(7\right)$

其中：r_n是第n个码元的电压值；

      w_n是第n个码元按电压的噪声部分；

      A_n是第n个码元的信号部分电压电平的绝对值；以及

      d_n表示第n个码元的极性(即，数字值)  (即，+/-1)。

对接收到的矢量

进行解码、再—编码和再—交错的过程产生再现矢量 ，它表示按发送码元时的码元次序的码元值，例如，在矢量

中接收码元的次序如在等式8中所示。 $\stackrel{\→}{d}=[d_1,d_2,....d_N]----\left(8\right)$

其中，d_n＝第n个码元值的极性(即，+/-1)。

通过取所接收矢量 和再现矢量 的矢量积，产生等式9。 $(\stackrel{\→}{r}*\stackrel{\→}{d})=[(A_1*d_1*d_1+w_1*d_1),(A_2*d_2*d_2+w_2*d_2),...,(A_N*d_N*d_N+w_N*d_N)]$ ＝[(A₁*d₁ ²+w₁*d₁)，(A₂*d₂ ²+w₂*d₂)，…，(A_N*d_N ²+w_N*d_N)]＝[(A₁+w₁*d₁)，(A₂+w₂*d₂)，…，(A_N+w_N*d_N)] $=[p_1,p_2,\·\·\·,p_N]=\stackrel{\→}{P}----\left(9\right)$

因为对所有n的值d_n ²都等于1，等式减少为如上所示。

为了取得噪声分量，取在两个连续码元值之间的差值，如下面等式10所示。

        X_1，2＝(p₁-p₂)

             ＝A₁-A₂+(w₁*d₁-w₂*d₂)    (10)

注意，如果A₁等于A₂，则这些值相互抵消，在等式11中给出留下的分量。

        X_1，2＝w₁d₁-w₂d₂

             ＝w₁-w₂                   (11)

矢量 的噪声分量是一系列独立的和相同地分布的具有零平均值的随机变量，可能是高斯分布，因此，根据众知的随机处理的原理，随机地使独立分量乘以+/-1不会改变噪声的特征或平均值。因此，如在等式11中所示，可以除去码元的极性dn而不会丢失有关非—正交噪声的特征的信息。

如在概率、随机变量和随机处理技术中众知，可以通过寻找在随机变量的两个值之间的差值来估计高斯随机变量的期望值，如在等式12中所示。

          E{(w_i-w_j)²}＝2σ²＝N_t              (12)

然而应该注意，还存在其它估计器。例如，如果噪声的统计是高斯的，则通过取随机变量的两个值之间的绝对差值，并把它乘上已知定标因子的次数，可以得N的不偏的估计，如在等式13中所示。

        E{|(w_i-w_j)|}＝N_t*K                 (13)

其中：K等于已知定标因子。

在某些实施中使用等式13可能是有利的，因为它避免了等式12所需要的平方操作，因此，恐怕其结果是较快地执行和处理资源更有效的利用。应用这些原理，可以对在整个帧上的差值的平方相加而估计噪声功率，如在等式14中所示。

    Nt＝(X_1，2 ²+X_3，4 ²+…+X_N-1，N²)*S       (14)

其中：S是定标因子。

如上所述，本发明是在相应于两个连续码元的电压电平近似相等的假设上进行操作的。例如，A₁等于A₂，A₃等于A₄，依此类推。如果码元在发送的帧上交错，则应取得在接近彼此临时邻近的信道上(诸如连续地或同时地)发送的两个码元之间的差值。幸运地，在许多通信系统中，接着的信号的电压电平是相等的假设是有效的。例如，如果使用诸如在IS-95-A中的速率组1和速率组2操作的二进制相移键控(BPSK)调制，则在相同功率电平处按序列发送两个连续的码元。因为一般码元持续期很小，诸如在50微秒的数量级，当一般在50微秒中信道不变时，两个电压近似于相等。如果使用正交相移键控(QPSK)，则可以选择已经在相同信道上相同时间处以相同功率电平发送的两个码元。例如，在同相信道上发送r1，并在相同时间处在正交信道上发送r2，因此在理论上电压是相等的。

图4是流程图，示出根据本发明的噪声特征处理。在块70中，接收并存储一系列输入码元。在块72中，对相应的位进行再现和再—编码以产生一系列数字位值。如上所示，在一个实施例中，该处理包括对码元进行去—交错和再—交错。还如上所示，在另一个实施例中，该处理包括确定发送速率。在块74中，取得接收到的码元和再现码元的矢量积。在块76中，取得在相应的连续码元之间的差值。在块78中，取得在相应的连续码元之间的期望差值，它与所存储的一系列输入码元的噪声分量的期望值直接有关。在块80中，使用噪声的期望值来确定前向链路信号的信号质量(即，E_b/N_t)。块82根据信号质量请求增加或降低信号的功率。在另一个实施例中，块82可以以相似的方式请求增加或降低数据速率。

根据上述书面说明的检查，熟悉本技术领域的人员将容易地明了在本发明范围内的另外无数的实施例。例如，在本发明的一个方面，发送的连续码元和同时发送的信号彼此相减。在上面示出的实施例中，这是通过对再现码元进行重新排序和取得所接收的码元和再现码元的矢量积而实现的。明显地，在其它实施例中，可以实现这些过程而无需真实的再现码元的重新排序。作为替代，可以使用映射算法来相关联连续地或同时地发送的码元而无需重新排序。此外，参考维特比编码器和维特比解码器组合描述本发明。可以结合本发明的学说使用其它类型的编码器和解码器。在上述说明中，使用所确定的噪声的非—正交部分的特征来确定前向链路信号的信噪比，接着再用信噪比请求增加或降低来自基站的前向链路发射功率。在其它实施例中，为了诸如负载确定或接入控制之类的其它目的而确定噪声的特征。在某些实施例中，可以使用本发明来确定非—正交噪声分量的更高级的特征。例如，可以确定噪声的更高级的要素。本发明可以应用于前向链路或反向链路，因此可以安装于基站或远程单元或其它类型的单元。可以在地面和卫星系统和其它类型的系统中实施本发明。

可以在其它特定形式中实施本发明而不偏离它的精神和重要特征。在所有方面，所描述的实施例只作为示例，并不作为限制，因此，通过所附的 而不是上述描述来表示本发明的范围。在等效于权利要求书的意思和范围内的所有改变都包含在它们的范围内。

Claims (15)

1.一种噪声估计的方法，其特征在于所述方法包括下列步骤：

存储无线链路上接收到的一系列输入码元；

对一系列所述码元进行解码以产生一系列相应的位；

对一系列相应的位进行编码以产生一系列再现码元；

确定所述一系列输入码元和所述一系列再现码元的矢量积；

确定在所述矢量积中的两个码元之间的差值，其中在接近彼此临时邻近的无线链路中发送所述两个码元；以及

确定在所述两个码元之间的所述差值的期望值，以致定义所述一系列输入码元的非—正交噪声部分的期望值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括按一个次序安排所述一系列再现码元的步骤，所述次序相应于在所述无线链路上发送所述一系列输入码元的次序。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括确定数据速率的步骤，在所述数据速率处，在所述无线链路上发送所述一系列输入码元。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括根据所述非—正交噪声部分的所述期望值确定所述一系列输入码元的信号质量的步骤。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括根据所述非—正交噪声部分的所述期望值请求增加或降低发射功率的步骤。

6.一种接收机，包括：

一种装置，用于存储无线链路上接收到的一系列输入码元；

一种装置，用于对所述一系列输入码元进行解码以产生一系列相应的位；

一种装置，用于确所述一系列输入码元和所述一系列再现码元的矢量积；

一种装置，用于确定在所述矢量积内的两个码元之间的差值，其中在接近彼此临时邻近的无线链路中发送所述两个码元；以及

一种装置，用于确定所述两个码元之间的所述差值的期望值，以致定义所述一系列输入码元的非—正交噪声部分的期望值。

7.如权利要求6所述的接收机，其特征在于，进一步包括一种装置，用于按一种次序安排所述一系列再现码元，所述次序相应于在所述无线链路上发送所述一系列输入码元的次序。

8.如权利要求1所述的接收机，其特征在于，进一步包括用于确定数据速率的一种装置，在所述数据速率处，在所述无线链路上发送所述一系列输入码元。

9.如权利要求1所述的接收机，其特征在于，进一步包括根据所述非—正交噪声部分的所述期望值确定所述一系列输入码元的信号质量的装置。

10.如权利要求1所述的接收机，其特征在于，进一步包括根据所述非—正交噪声部分的所述期望值请求增加或降低发射功率的装置。

11.一种接收机包括：

解码器，它具有配置成在无线链路上接收一系列输入码元的输入端口，以及具有配置成产生一系列再现数据位的输出端口；

编码器，它具有耦合到所述解码器的所述输出端口的输入端口，以及具有配置成产生一系列经编码的码元的输出端口；

矢量积块，它具有耦合到所述编码器的所述输出端口的第一输入端口，和具有配置成接收所述一系列输入码元的第二输入端口，并具有配置成产生所述一系列经编码的码元和所述一系列输入码元的矢量积的输出端口；

差值块，它具有耦合到所述矢量积块的所述输出端口的输入端口，和具有配置成产生所述矢量积的两组值之间的差值的输出端口，其中，所述两组值相应于在接近彼此临时邻近的所述无线链路中传递的两个码元；以及

噪声估计块，它具有耦合到所述差值块的所述输出端口的输入端口，并配置成确定所述差值的统计特征。

12.如权利要求11所述的接收机，其特征在于，进一步包括耦合在所述编码器和所述矢量积块之间的交错器配置成安排所述一系列再现码元的所述交错器是按一种次序的，所述次序相应于在所述无线链路上发送所述一系列输入码元的次序。

13.如权利要求11所述的接收机，其特征在于，进一步包括耦合在所述解码器和所述编码器之间的速率判定块，把所述速率判定块配置成确定一个速率，在所述无线链路上以所述速率发送所述一系列输入码元。

14.如权利要求11所述的接收机，其特征在于，进一步包括信号质量确定单元，把它配置成根据所述差值的所述统计特征确定所述一系列输入码元的信号质量。

15.如权利要求11所述的接收机，其特征在于，进一步包括耦合到所述噪声估计块的功率控制块，把所述功率控制块配置成根据所述差值的统计特征请求增加或降低发射功率。

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