CN1415155A - 结合导频码元和数据码元估计频率偏差的方法和装置 - Google Patents

Abstract

估计发射机载频和接收机本地基准频率之间偏差的一种方法和装置。将收到的信号分成频率同步信号和数据，判断频率同步信号是否适合用于估计频率偏差。这一判断可以建立在例如多普勒扩展估计、信噪比估计和/或估计频率偏差能够利用的时间这些基础之上。根据判断结果估计频率偏差。如果频率同步信号适合用于估计频率偏差，就将频率同步信号用于确定频率偏差。否则就提高频率同步信号的速率，例如，通过将数据用作频率同步信号，在这种情况下将数据跟频率同步信号结合起来确定频率偏差。

Description

结合导频码元和数据码元估计频率偏差的方法和装置

发明背景

总的来说，本发明涉及一种方法和系统，用于控制无线电接收机中的基准频率。具体而言，本发明涉及一种方法和系统，用于估计通信系统中发射机载频和接收机本地基准频率之间的频率偏差。

现代通信系统，比方说蜂窝无线电电话系统和卫星无线电系统，采用各种工作模式(模拟、数字、双模式等等)和接入技术，比方说频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)技术以及这些技术的组合。

在北美，采用TDMA的数字蜂窝无线电电话系统叫做数字高级移动电话系统(D-AMPS)，它的一些特性由电信工业协会和电子工业协会(TIA/EIA)公布的TIA/EIA/IS-136标准给出。采用直接序列CDMA的另外一个数字通信系统由TIA/EIA/IS-95标准给出。还有跳频TDMA和CDMA通信系统，其中之一由EIA SP 3389标准(PCS 1900)做出规范。PCS 1900标准是GSM系统的一个具体实施，用于个人通信业务(PCS)系统，这里的GSM在北美以外非常普遍。

目前，各种标准制定机构都在讨论下一代数字蜂窝通信系统的建议，这些机构包括国际电信联盟(ITU)、欧洲电信标准学会(ETSI)和日本无线电工业和商业协会(ARIB)。

图1是一个示例性的通信系统。这个系统包括至少一个发射机100和至少一个接收机150。虽然在图1中将发射机100和接收机150画成基站(BS)和移动台(MS)，但是发射机显然可以是任意发射机，例如陆地或者卫星中继器，接收机可以是任意接收机，例如固定蜂窝终端(无线本地环)。图1中画出BS和MS，在以后对它们进行描述，都是为了进行说明。

基站100和移动台150通过无线电空中接口125进行通信。每个相邻基站100都分配一个特定的载频，每个基站100都为每个移动台150分配特定的时隙。

在建议的基于DS-CDMA的下一代移动电话IMT2000系统这种系统中，数据可以在控制信道中作为码元发射。来自基站的下行链路数据被分段成超帧，每一个超帧的长度都是720毫秒。每个超帧被划分成72帧，每一帧持续10毫秒。每一帧都被划分成15个时隙，每个时隙都被划分成2560个码片。2560个码片被组成多个码元，具体情况取决于通信信道。例如，在广播控制信道(BCCH)中有10个码元，每个码元有256个码片。从基站将特定个数的已知码元作为导频码元发射给移动台。图2说明广播控制信道(BCCH)中的数据如何分段。

为了跟基站100通信，移动台150在时间和频率上必须跟基站100同步。换句话说，移动台150的本地频率基准和时间基准必须跟基站分配给基站100的载频和时隙同步。在CDMA系统中，移动台150必须跟基站发射的载频和码字同步。

为了使移动台150同步，基站100发射一个频率同步信号，例如导频码元或者导频群。移动台150用合适的方式接收和解调发射的频率同步信号。

在蜂窝系统中，频率偏差或者漂移存在于发射机载频和接收机本地振荡器中。频率偏差来源于不同因素，包括温度变化、老化和制造公差。为了减小偏差，可以估计一个相位斜度，并且在自动频率控制(AFC)控制环里进行补偿。这一估计可以是根据收到的频率同步信号来进行，例如导频码元或者导频群。频率偏差可以通过研究连续时隙中导频码元的相位来进行估计。这一点在例如1997年11月17日提交，共同转让的第08/971666号美国申请上进行了描述，在这里将它引入作为参考。

在移动无线电信道中，多径现象是环境中障碍物反射发射的信号形成的，这些障碍物有建筑物、树林、汽车等等。总之，由于产生多径效应的结构存在相对运动，因此移动无线电信道是一个时变多径信道。

多径信道的一个特性是这个信道的每一条路径都具有不同的相位。例如，如果通过多径信道发射一个理想冲击脉冲，一般而言，收到的脉冲里每一个脉冲都具有不同的相位。这样就会导致信号衰落。

导频码元的相位包括移动台和基站之间的频率偏差加上多普勒扩展。典型情况下，用一条一条的射线来模拟这一信道。在瑞利衰落无线电信道里，路径-射线的频率分布在发射机载频和接收机本地基准频率之间频率偏差或者漂移周围两倍多普勒扩展的频率范围内。这一点在图3中说明，其中画出了区域f_off-f_Dopp，和f_off+f_Dopp中的频率分布，包括频率偏差f_off周围的多普勒扩展f_Dopp。

较大的多普勒扩展会使得频率偏差的估计复杂化。例如，多普勒扩展跟频率偏差的量会超过导频码元的接收速率。因此，根据连续的导频码元或者导频群不能可靠地估计频率偏差。即使总的频率偏差略小于导频码元接收速率，仍然发现估计质量不能令人满意。为了避免混叠，接收速率至少应该等于频率偏差的两倍。

在时间有限应用中的频率偏差估计也是一个问题，比如移动台只有很短的时间来估计频率偏差的空闲移动台模式。在这种时间有限的情形里，收到的路径-射线的频率不一定按照图3所示的方式分布在频率偏差的周围。它们可能象图4一样分布，其中的虚线表示在有限时间内收到的路径-射线的频率范围。这样会导致图4重用“^”表示的，发生了偏差的频率偏差估计。

另一个问题是信噪比较低，它会影响检测到的导频码元的相位，从而影响频率偏差估计。

由于存在多普勒扩展、频率偏差估计时间有限、信噪比太低或者一些其它原因，收到的导频码元可能不适合用于确定频率偏差。因此需要一种技术，用来在导频码元不合适的时候可靠地估计频率偏差。发明简述

因此，本发明的一个目的是提供一种技术，用来即使来自通信网络的同步信号不合适时还能使远程台与通信网络同步。

根据示例性的实施方案，为了这一目的和其它目的，采用了一种方法和装置，用来估计发射机载频和接收机本地基准频率之间的偏差。收到的信号分成频率同步信号和数据，判断频率同步信号是否适合于估计频率偏差。这一判断可以建立在例如多普勒扩展估计、信噪比估计和/或可用频率偏差估计时间的基础之上。根据判断结果估计频率偏差。如果频率同步信号适合于估计频率偏差，就用频率同步信号确定频率偏差。否则，提高频率同步信号的速率，例如将收到的数据作为频率同步信号，在这种情况下，将数据跟频率同步信号一起用来确定频率偏差。

附图简述

通过阅读下面的说明，同时参考附图，本发明的特征、目的和优点将显而易见。在这些附图中，相似的引用数字表示相似的部件。在这些附图中：

图1是示例性蜂窝无线电电话通信系统的一个框图；

图2说明W-CDMA系统中BCCH的超帧结构；

图3说明瑞利衰落无线电信道的频谱；

图4说明有限时间内收到的路径-射线的频率范围；

图5说明用于估计频率偏差的示例性装置；和

图6说明估计频率偏差的一种示例性方法。

发明详述

为了进行说明，对蜂窝无线电通信系统进行以下说明，但是应该明白，本发明并不限于此，而是还能够用于其它类型的通信系统。

为了同步发射机，例如基站，和接收机，例如移动台，之间的通信，必须估计发射机载频和接收机本地基准频率之间的频率偏差，并且将它考虑在内。当多普勒扩展增大、必须在有限的时间内进行估计和/或信噪比很低的时候，频率偏差估计的统计特性变坏。在这种情况下，导频码元可能不适合用于确定频率偏差。

根据示例性的实施方案，这些问题是通过提高导频码元或者导频群的速率来解决的。如果移动台不能获得基站发射的导频码元，根据本发明的一个示例性实施方案，这个目的就可以通过将基站发射的数据码元作为导频码元来解释而实现。可以将导频码元和数据码元的相位综合起来估计频率偏差。当然，收到的数据不是已知的，必须首先进行估计。因此会出现估计误差，导致频率偏差估计变坏。因此如果不是必要，就应该避免将数据码元用作导频码元。

图5说明一个示例性实施方案里用于估计频率偏差的一种装置。该装置包括导频信号分离器500、数据分离器510、用于估计多普勒扩展这种参数的估计器520、信噪比和估计频率偏差能够使用的时间、频率偏差估计器530和控制器540。如果知道导频码元的位置，导频信号分离器500就将收到的信号跟已知导频码元分离，将导频码元输出给频率偏差估计器530。数据分离器510将收到的信号跟数据码元分离，将数据码元输出给控制器540。控制器540通过分析例如多普勒扩展估计、信噪比估计和/或估计频率偏差能够使用的时间估计，判断是否将数据码元作为导频码元，作为估计器520的输出。

可以利用例如导频码元、数据码元或者它们一起来确定多普勒扩展和信噪比。例如，可以在利用收到的导频码元和/或数据码元以正常方式分析无线电信道变化的基础之上，确定多普勒扩展。可以用一种已知的方法通过估计收到的导频码元和/或数据码元中的信号和噪声功率来估计信噪比。估计时间是已知的。控制器540也可以预先判断数据码元的可靠性并提供权，以便将数据码元的相位作为导频相位，具体情况取决于数据码元的可靠性。例如，导频码元可以用第一个预定权加权，数据码元可以用第二个预定权加权。预先判断可以建立在例如信噪比估计的基础之上。例如，如果信噪比很低，第一个预定权就大于第二个预定权。否则，可以将这些权设置成相等。

控制器540决定是否将数据码元用作导频码元，在估计出来的参数的基础之上提高导频信号速率。例如，如果多普勒扩展很大，例如速度很快、信噪比很低和/或估计时间很短，控制器540就决定同时利用导频码元和数据码元。控制器540控制频率偏差估计器530利用导频码元，如果需要，还利用数据码元，来估计频率偏差。如果要同时利用导频码元和数据码元，在频率偏差估计器530中按照控制器540提供的权将这些码元的相位合并起来。例如，可以按照导频码元、数据码元、导频码元、数据码元......这样的顺序合并相位。图5所示的部件可以在图1所示的接收机120那样的接收机中实现。

图6说明一个示例性实施方案中估计频率偏差的一种方法。该方法从步骤600开始，将导频码元从收到的信号中分离出来。在步骤610里分出数据码元。显然，这些步骤可以按照任意顺序进行，也可以同时进行。在步骤620里，判断这些导频码元是否适合用于估计频率偏差。这一判断可以建立在例如多普勒扩展估计、信噪比、频率偏差估计可以使用的时间等等的基础之上。如果导频码元合适，就在步骤630利用这些导频码元估计偏差。否则，就在步骤640里合并导频码元和数据码元，利用导频码元和数据码元估计频率偏差。

根据示例性的实施方案，发射机载频和接收机本地基准频率之间的频率偏差可以用导频码元来进行估计，即使导频码元是不合适的。导频码元和估计出来的数据码元可以结合起来减少本地基准频率晶体和载频之间估计出来的频率偏差的不确定性。

本领域中的技术人员会明白，本发明可以采用其它的具体形式而不会偏离它的基本特征。因此上面描述的本发明应该被看成是说明性的而不是限制性的。例如，虽然上面针对了CDMA系统，但是本发明也可以用于其它形式的通信系统。

Claims (20)

1.估计发射机载频和接收机本地基准频率之间频率偏差的一种方法，该方法包括以下步骤：

将收到的信号分成频率同步信号和数据；

判断频率同步信号是否适合用于估计频率偏差；和

根据判断结果估计频率偏差。

2.权利要求1的方法，其中如果频率同步信号适合用于估计频率偏差，就将频率同步信号用于估计频率偏差。

3.权利要求1的方法，其中如果频率同步信号不适合用于估计频率偏差，就提高频率同步信号的速率。

4.权利要求3的方法，其中的速率是通过将数据用作频率同步信号来提高的。

5.权利要求4的方法，还包括将数据跟频率同步信号合并起来估计频率偏差。

6.权利要求1的方法，其中的判断建立在估计出来的多普勒扩展的基础之上。

7.权利要求1的方法，其中的判断建立在估计出来的信噪比的基础之上。

8.权利要求1的方法，其中的判断建立在频率偏差估计能够利用的时间的基础之上。

9.权利要求1的方法，其中的频率同步信号是导频码元。

10.权利要求1的方法，其中的发射机是基站，接收机是远程台。

11.估计发射机载频和接收机本地基准频率之间频率偏差的一种装置，该装置包括：

将收到的信号分成频率同步信号和数据的分离器；

判断频率同步信号是否适合用于估计频率偏差的控制器；和

根据控制器的判断估计频率偏差的频率偏差估计器。

12.权利要求11的装置，其中如果确定频率同步信号适合用于估计频率偏差，就将频率同步信号用于确定频率偏差。

13.权利要求11的装置，其中如果确定频率同步信号不适合用于估计频率偏差，就提高频率同步信号的速率。

14.权利要求13的装置，其中的速率是通过将数据用作频率同步信号来提高的。

15.权利要求14的装置，还包括将数据跟频率同步信号合并起来估计频率偏差的合并器。

16.权利要求11的装置，其中的控制器根据多普勒扩展估计判断频率同步信号是否合适。

17.权利要求11的装置，其中的控制器根据估计出来的信噪比判断频率同步信号是否合适。

18.权利要求11的装置，其中的控制器根据频率偏差估计能够利用的时间判断频率同步信号是否合适。

19.权利要求11的装置，其中的频率同步信号是导频码元。

20.权利要求11的装置，其中的发射机是基站，接收机是远程台。

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