CN1361945A - 移动无线电话应用的接收方法和接收机 - Google Patents

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Abstract

在用于移动无线电应用的接收方法中,某个用户数据信号和至少一个位于相同频段内的其他的用户数据信号被接收到。藉助于一种自适应多用户数据检测器(JD－DD)和一种连接在对自适应多用户数据检测器(JD－DD)的反馈路径(R)中的多用户信道解码器(JD－KDECOD)对这两个用户数据信号进行均衡。考虑被均衡的其他用户数据信号实现某个用户数据信号的噪声减少。

Description

移动无线电话应用的接收方法和接收机
本发明涉及一种在移动无线电系统中使用的接收方法和接收设备。
蜂窝移动无线电系统是以提供划分或小区的无线电通信的地理区域为基础的。蜂窝划分的理由不仅是试图对最广泛的可能的区域(蜂窝网)提供无线电通信，而且也藉助于频率复用对具有有限总传输带宽的蜂窝网提供大量的用户(容量)。
频率复用的原理意味着蜂窝网的某些小区(应该尽可能的远离)使用总传输带宽中的相同频率的子频段。将每个子频段再划分成许多用户信道。在来自这些具有相同子频段的小区(“公共信道小区”)的相同信道中的有效用户的信号的叠加被称为共信道干扰。
在没有频段扩展的蜂窝移动通信系统(也就是不使用CDMA(码分多址)方法的系统)，如GSM(全球移动通信系统)中，共信道干扰是不利的，因为它不仅损害服务质量，而且，照例也限制了该蜂窝网的容量。
在由Z.Zvonar，P.Jung and K.Kammer lander(出版者)所著的“GSM-Evolution towards 3rd Generation Systems”，Boston，1999，一书中，由P.A.Ranta，M.Pukkila所写的第二章“Interference Suppression by joint demodulation of cochannelSiguals”，pages 153-186中，提议使用联合检测方法，也称为JD，在以下的正文中，也被称为用于压制共信道干扰的多用户检测。
在由D.Raphaeli and Y.Zarai，所著的文章“Combined TurboEqnalization and Turbo Decoding”，IEEE Communicationsletters，Vol.2 No.4，1998，pages 107 to 109中，描述了一种迭代接收方法。将MAP(最大后验)符号估值器用于自适应信道估算，将跟随MAP符号估值器的Turbo解码器用于解码。将该MAP符号估值器和turbo解码器安排在反馈回路中并实施迭代式的单用户均衡。
本发明是基于创造一种用于不使用CDMA多址方法的移动无线电系统的有效的接收方法和有效的接收设备的目的。特别是，将能够实现大数目的用户，也就是大容量。
为了实现此目的，提供了权利要求1和6的特性。
通过将多用户检测的原理与迭代均衡结合，将用于改进信号/噪声比的两种相辅的技术组合。虽然该多用户检测是基于将一部分共信道干扰考虑为有用信号，也就是有选择地将它检测然后从实际感兴趣的某些用户数据信号中将它消除(这是可能的，因为共信道干扰的特性是确定的)，该迭代平衡是基于通过利用在数据检测期间的解码信息实现差错减少的原理，后者是通过将在多用户解码期间获得的可靠性信息重复反馈到该多用户数据检测器中完成的。用于差错减少的迭代均衡既在某些用户数据信号，也就是“实际”有用信号上的实施，又在其他用户数据信号，也就是在JD期间作为有用信号看待的共信道干扰信号分量上实施，结果使依据本发明组合的两种原理(多用户检测和迭代均衡)相互影响和互相支持。
在迭代均衡期间，最好实施相干数据检测。相干数据检测还增加了可以通过依据本发明的接收方法达到的抗扰性(或者，分别增加依据本发明的接收设备的抗扰性)。
在自适应数据检测中，最好考虑从空间分离的接收传感器获得的大量数据信号。这些接收传感器的空间分离具有这样的效果，各个数据信号被通过具有不同传输特性，也就是具有不同的脉冲响应(或多或少，与接收传感器的距离有关)的不同传输信道发送。将来自空间分离的接收传感器的许多这样的数据信号考虑为用户数据信号使得有可能进一步增加数据检测的差错容限。
本发明的有优点的实施方案被限定在从属权利要求中。
在以下文中，将通过用作说明的实施方案，参考附图来解释本发明，其中：
图1示出一种移动无线电系统空中接口的图形表示；
图2示出一种蜂窝移动无线电网可能的小区结构图形表示；
图3示出一种依据带有迭代多用户均衡器的本发明的接收设备方框图；和
图4示出一种在图3中所示的迭代多用户均衡器的方框图。
图1以图形表示方式示出关于单一无线电小区的一种蜂窝移动无线电系统的空中接口。可在三个移动站MS1，MS2，MS3之间建立双向通信链路，在每种情况下与各个用户和一个公共基站BS有关联。各自的空中接口传输特性由三个无线电信道K1，K2，K3描述。
在连到干线通信网的基站BS和移动站MS1，MS2，MS3之间的通信链路，除了直接传播路径外，要经受由例如建筑物或植物的反射引起的多径传播。假定移动站MS1，MS2，MS3正在移动(相对于静止的基站BS)，导致用户数据信号的各个传播路径的信号分量，分别以时间有关的方式在接收站MS1，MS2，MS3和BS上叠加。
结果是无线电信道K1，K2，K3的传输特性是不断改变的。
另外，既在上行又在下行中存在许多用户数据信号(也就是来自或发往不同用户的无线电信号)。在移动站MS1，MS2，MS3和基站BS的接收设备中实施的用户分离是藉助于不用CDMA部件的已知方法之一，例如，FDMA(频分多址)，TDMA(时分多址)或混合多址方法实现的。
图2藉助于一部分这样的网络说明蜂窝网的结构。为简单起见，六角形小区为基础。属于该小区的基站BS，BSX，BSY画在每个小区的中心。图2假定总的传输带宽被再分成三个不同的子频段。分别具有相同的阴影和相同的括号内子频段识别标志(1)或(2)或(3)的小区使用相同的子频段。
正如一开始已经提到的那样，每个子频段包括由系统技术规格预先确定的许多分开的用户信道。例如，由GSM采用的混合FDMA/TDMA多址方法在所分配的频段中展示出124个FDMA用户信道。因为也提供8个TDMA时隙，每个无线电小区获得大约1000个用户的最大容量。
两个移动站(用户)MSX和MSY位于具有相同子频段的两个小区X和Y中(公共信道小区)，并且同时在相同用户信道中也是有效的。由于共信道干扰，对于两个用户MSX和MSY，服务质量可能受到损害。图2示出下行中共信道干扰的情况。除了所指定的用户数据信号SX以外，移动站MSX也从BSX(小区X的基站)接收来自BSY(小区Y的基站)，指定用于移动站MSY的用户数据信号。然而，由于MSX和BSY之间的距离大于MSX和BSX之间的距离，后者的信号表现出比SX少的接收能量。
用户数据信号SX，SY由一系列数据符号组成，其中某些是携带信息的数据符号，其余部分通常被指定为辅助的携带信息的数据符号。在以下的正文中，由BSX辐射的用户数据信号SX中携带信息的数据符号(在移动无线电信道的输入上)将被称为dx，由BSY辐射的用户数据信号SY中携带信息的数据符号(在移动无线电信道的输入上)将被称为dy。
图3示出依据本发明的一种接收设备E的方框图。接收设备E可以被安放在移动站MS和基站BS中。在以下的正文中，假定被安放在移动站MSX中(除非另外说明)。接收设备E包含射频接收装置HFE，带有存储设备SPE的控制装置SEE，带有多用户数据检测器JD-DD和多用户信道解码器JD-KDECOD的解调装置DMOD，和跟随在解调装置DMOD后的源解码器QDECOD。多用户数据检测器JD-DD装有多用户信道估值器JD-KS。
射频接收装置HFE通过天线接收包括所有用户数据信号的无线电波，特别是指定用于移动站MSX的用户数据信号SX(包含在有关的信道输出出现的dx受干扰的型式)和指定用于移动站MSY的用户数据信号SY(包含在有关的信道输出出现的dy受干扰的型式)。接收信号被限制在由射频接收装置HFE中模拟滤波器(未示出)限定的带宽内，然后用通常的方式通过下变换转换成模拟的基带接收信号(或者也可以是中频接收信号)。
将该模拟基带接收信号以一种未示出的方式，由具有至少与数据信号的符号速率对应的足够高的采样率的模拟/数字转换器进行数字化，并再次限制在随后的数字滤波器(未示出)限定的带宽内。
这样获得的带宽有限的数字信号，除了包含想要的用户数据信号SX外，也包含“不想要的”作为干扰信号起作用的用户数据信号SY和或许出现在所考虑的频段中的其他“不想要的”用户数据信号。带宽有限的数字信号被供给解调器装置DMOD中的多用户数据检测器JD-DD。
在下文中，为简单说明起见，将通过两用户检测来解释多用户检测，也就是假定，只存在一个不想要的共信道干扰信号，即SY。
利用多用户信道估值器JD-KS，多用户数据检测器JD-DD对于两用户数据信号SX和SY，实施自适应数据检测，也就是适应各个传输信道的瞬时状态的数据检测。详细地说，按如下方式完成：除了携带信息的数据符号dx和dy外，数据符号的要素对多用户信道估值器JD-KS是已知的，称为训练序列TR的特殊数据序列也以连续重复的方式在用户数据信号SX和SY中传送。例如，每个被发送的数据块可以准确地包含一个训练序列TR，训练序列TR可被存储在存储装置SPE中。
通过将已知的训练序列TR与接收到的该训练序列TR的受干扰的型式相关，多用户信道估值器JD-KS相对于每个训练序列TR(也就是作为对于每个数据块的标准)计算发送各个训练序列TR所通过的移动无线电信道当前的信道参数。
信道参数描述各个移动无线电信道的瞬时传输状态。例如，它们可被用参数组的形式提供，分别将信道脉冲响应hx和hy的功能性变化参数化。信道脉冲响应hx和hy，分别是移动无线电信道在时间t上对输入各个信道(在t-τ上，分别是SX的传输信道和SY的传输信道)的狄拉克脉冲的响应。
在每个信道估值以后，新确定的信道参数被传送到多用户数据检测器JD-DD。通过分别利用当前的信道脉冲响应hx和hy(用信道参数参数化)，对接收到的携带信息的数据符号dx和dy的型式进行卷积，这些数据符号的发出对接收机来说是事先不知道的，多用户数据检测器分别确定有关的所发送的数据符号dx和dy的重建物(在以下的正文中称为
Figure A0081052600071
和 )。相干数据检测被优先采用。相干意味着时间-离散的信道脉冲响应hx和hy在自适应数据检测中分别在数量和相位上加以考虑。这样事先假定，多用户信道估值器JD-KS产生包含相应数量和相应信息的适当的信道信息，多用户数据检测器JD-DD也在后继的数据检测中使用这种信息(数量和相位)。
相干，自适应数据检测是优选的，因为与非相干自适应数据检测相比，它有可能增加信号/噪声比。
正如已经指出的那样，数据符号的块结构也必须在数据检测中考虑，也就是必须区别哪些检测到的数据符号是携带信息的数据符号
Figure A0081052600073
和 (也就是所发送的携带信息的数据信号dx和dy的重建物)和哪些检测到的数据符号是其他的，辅助的携带信息的数据符号(例如，用于控制信息等)。为此目的，相应的有关所用的块结构的信息(尤其是每个数据块的数据符号数目N)被存储在存储装置SPE中并被传送到解调器DMOD。
在该多用户数据检测器JD-DD的输出上，(重建的)数字用户数据信号对于某些用户，也就是在此所考虑的移动站MSX是可得到的，而(重建的)数字用户数据信号对于其他的用户MSY也是可得到的。(如果接收机E被安置在基站BS中，来自某个移动站MSX的(重建的)数字用户信号和来自其他的用户MSY的重建的数字用户数据信号都是可得到的)。
由自适应数据检测获得的重建的携带信息的数据符号(利用两用户检测的
Figure A0081052600081
和
Figure A0081052600082
)，在以下的正文中一般被称为
Figure A0081052600083
。数据符号
Figure A0081052600084
被供给多用户信道解码器JD-KDECOD。
环形的箭头X表明在多用户数据检测器JD-DD和多用户信道解码器JD-KDECOD之间的连接是递推式的。这是为称为迭代均衡的过程提供的。在其中数据检测和信道解码之间传统的区分被解除了，因为由于递推，在初始的信道解码以后发生一次或多次重复的数据检测。
带有多用户信道估值器JD-KS和多用户信道解码器JD-KDECOD的多用户数据检测器JD-DD的结构，用点划线划界，被称为迭代式多用户均衡器JD-IE。在图4中更详细地解释迭代均衡。
由迭代式多用户均衡器JD-IE(在图4中也被称为
Figure A0081052600085
)输出的数据信号在块去插入(未示出)以后供给一种可选的源解码器QDECOD。这种源解码器抵消可能已在发送端完成的任何源编码。源解码器QDECOD输出一种数据信号，它是原始的源数据信号，也就是，数字化话音信号，视频信号等的重建物。
图4示出一种迭代式多用户均衡器JD-IE的方框图。在图4中所示的多用户均衡器JD-IE与图3中所示的多用户均衡器JD-IE的区别只在于选择性地提供许多信号输入E1，E2，…EK，这在每种情况下是分配给不同的接收传感器(天线)的。这将在以后解释；一开始，将假定只存在一个输入E1，在其上由射频接收装置HFE输出的基带信号是存在的。
图4示出，由去插入器DIL随后的一种符号/代码位转换器SCM可被有选择地使用在多用户数据检测器JD-DD和多用户信道解码器JD-KDECOD之间，在这种情况下，由插入器IL随后的一种代码位/符号转换器CSM必须被提供在从多用户信道解码器JD-KDECOD到多用户数据解码器JD-DD的反馈连接R中。
迭代式多用户均衡器JD-IE操作如下：
除了输入E1外，多用户数据检测器JD-DD有一个输入EAP，用于接收非固有信息项Zex，在数据检测期间得到它作为一种先验知识。利用在数据检测期间有关要被检测的数据符号(或关于要被检测的有限序列的数据符号)的先验知识的数据检测器在本领域中也被称为APRI检测器。
输入EAP被连到多用户信道解码器JD-KDECOD，通过反馈连接R提供非固有信息项Zex。
多用户数据检测器JD-DD为每个检测结果
Figure A0081052600091
计算有关的可靠性信息项Λd。在多用户数据检测器JD-DD的输出上提供数据序列 和有关的可靠性信息项Λd序列。序列
Figure A0081052600093
和Λd是基于从所有接收到的用户数据信号检测出的数据符号。例如，检测到的数据符号序列
Figure A0081052600094
(和相应的序列Λd)可以这样一种方式组成，将所有检测到的用户的检测结果一起以串行方式交替地运行，也就是，在两用户检测的情况下，检测到的数据符号序列 可以具有形式
Figure A0081052600097
…。
在数据检测期间，为了计算
Figure A00810526000910
和Λd，多用户数据检测器JD-DD使用辅助信息项Zex(如果这已经是可以得到的)作为关于所发送的数据符号相对于所有接收到的用户数据信号SX，SY的一种先验知识。在检测至少感兴趣的用户数据信号SX的携带信息的数据符号
Figure A00810526000911
期间，也应用JD的原理，也就是通过消除可归属于为此目的检测到的其他用户数据信号(SY)引起的干扰的噪声分量减少这个用户数据信号SX的噪声。
两个数据序列
Figure A00810526000912
和Λd被供给组合的符号代码位转换器SCM/去插入器DIL并转换成关于二进制数据
Figure A00810526000913
的二进制数据序列
Figure A00810526000914
和可靠性信息项序列Λc。序列
Figure A00810526000915
和Λc也是基于从所有接收到的用户数据信号检测到的数据符号、组合的符号/代码位转换器SCM/去插入器DIL是可选的，并只有当相应的二进制数据也已在发送端上使用时才需要。
多用户信道解码器JD-KDECOD以这样一种方式处理所述的 和Λc，发送端(信道)未编码数据序列相对于用户数据信号SX的估值
Figure A00810526000917
和可能附加的可靠性信息项的有关序列Λu被输出。
在这个估值中，多用户信道解码器JD-KDECOD可以使用辅助的信息项Zc，作为适当的信号处理结果，通过后继的源解码器QDECOD提供(图3)。
该多用户信道解码器JD-KDECOD还确定可靠性信息项序列Λe，它的基元本质上代表关于所有用户数据信号SX，SY以前的数据检测的命中或成功率的估值(也就是分别为概率
Figure A0081052600101
和
Figure A0081052600102
的估值)。在组合的代码位/符号转换器CSM/插入器IL中可靠性信息项Λe被转换成序列Zex。
在下文中，在迭代均衡期间通过迭代回路进行描述。
在第一迭代步骤中，还没有序列Zex。因此，一开始多用户数据检测器JD-DD(也就是在输入E1上接收用户数据信号时)不考虑先验知识进行操作。正如已描述过的那样，检测结果
Figure A0081052600103
和Λd被转换成序列
Figure A0081052600104
和Λc。多用户信道解码器JD-KDECOD，也没有任何先验知识(序列Zc)，在第一估值中确定对于
Figure A0081052600105
Λu和Λe的值。序列
Figure A0081052600106
Λu被供给源解码器QDECOD(见图3)和序列Λe被供给(在CSM/IL中转换成符号序列Zex以后)多用户数据检测器JD-DD。
根据接收到的序列 Λu，源解码器QDECOD确定可靠性信息项Zc，同时，多用户数据检测器JD-DD从已经出现在输入E1上的序列确定序列 和Λd的改进型和现在出现的辅助信息项Zex。这些序列
Figure A0081052600109
和Λd，依次在SCM/DIL中转换为序列
Figure A00810526001010
和Λc的改进型。多用户信道解码器JD-KDECOD与现已存在的先验知识Zc一起处理这些改进的型式，以组成序列 Λu和Λe的改进型。
可以依据所描述的步骤执行进一步的迭代步骤。应该提到，由源解码器提供的辅助信息项Zc的考虑是可选的，也就是，例如，在以后的迭代步骤或所有的迭代步骤中被略去。
一种用于改进接收质量的再一措施是利用来自许多(K)天线的信号。
这些天线可以是无定向天线或带有定向接收型式的天线。例如，在移动站MSX作为接收机的情况下，可以提供两种本质上是无定向的天线，采用通常的棒状天线和贴附在机座后平面上的平面天线的形式。在基站BS的情况下，通常也采用具有定向接收型式的天线，代替无定向天线。
来自K个天线的基带信号出现在输入E1，E2，…，EK上。由于空间分集，分离的具有它自已的传输特性的传输信道与每个天线有关。在这种情况下，多用户信道估值器JD-KS必须对每个输入E1，E2，…，EK和每个检测到的用户数据信号SX，SY执行信道估值。在这种“多天线检测”中，当考虑K个信道(如果可能的话，它们是独立的)时，检测增益是基于改进的统计性质，并随K增加而增加。
在图3和4中所示的对接收设备E和迭代式多用户均衡器JD-IE的许多修改类型是可能的。
如果有足够的计算容量，Turbo解码器可被用作多用户信道解码器JD-KDECOD。Turbo解码器由两个单独的解码器组成，它们可被递推式地相互连接并以这种方式实现迭代式信道解码。当采用Turbo解码器时，迭代式信道解码被作为上述的迭代均衡的子过程实施。
为了估计信道参数(也就是信道脉冲响应hx，hy，…)，可以采用多种不同的算法，特别是在“Analyse and Entwurf digitalerMobilfunksysteme”[Analysis and design of digital mobile radiosystem]by P.Jung，Stuttgart，B.G.Teubner，1997 in Chapter5.2.3 on pages 201-206，书中所描述的算法。这些算法成为本申请的题目供参考。它们是用于信号自适应滤波，高斯估值，ML估值和MAP估值的算法。

Claims (8)

1.一种移动无线电应用的接收方法，表示为以下的步骤：
-接收由某个用户发送的或打算给该接收用户(MSX)的用户数据信号(SX)，至少一个其他的用户数据信号(SY)的相同的频段内；
-藉助于自适应多用户数据检测器(JD-DD)和连在对自适应多用户数据检测器(JD-DD)的反馈路径(R)中的多用户信道解码器(JD-KDECOD)，既对某个用户数据信号又对其他的用户数据信号(SX，SY)进行迭代均衡；
-通过考虑其他的用户数据信号(SY)实现对被迭代均衡的某个用户数据信号(SX)的噪声减少。
2.依据权利要求1的接收方法，其特征在于在迭代式多用户均衡中实现相干数据检测。
3.依据权利要求1或2的接收方法，其特征在于从空间分离的接收传感器接收到的许多数据信号被考虑在自适应多用户数据检测中。
4.依据前面的权利要求之一的接收方法，其特征在于在源解码期间确定的非固有的信息项(Zc)被用在信道解码中。
5.依据前面的权利要求之一的接收方法，其特征在于turbo解码被用于多用户信道解码中。
6.一种用于移动无线电应用的接收设备，
-包括一个射频装置(HFE)，用于接收由某个用户发送的或指定给接收用户(MSX)的用户数据信号(SX)和至少一个位于相同频段内的其他用户数据信号(SY)，和
-包括一个迭代均衡器(JD-IE)，用于均衡某个用户数据信号(SX)和其他的用户数据信号(SY)，展示一种自适应多用户数据检测器(JD-DD)和连接在对自适应多用户数据检测器(JD-DD)的反馈路径(R)中的一种多用户信道解码器(JD-KDECOD)。
7.依据权利要求6的接收设备，其特征在于自适应多用户数据检测器(JD-DD)实现相干数据检测。
8.依据权利要求6或7的接收设备，其特征在于自适应多用户数据检测器(JD-DD)，关于用户数据信号(SX；SY)，对由许多空间分离的接收传感器提供的许多数据信号实施信道估值。
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