CN1423751A

CN1423751A - 多谱勒频移的测量方法及装置

Info

Publication number: CN1423751A
Application number: CN00813634A
Authority: CN
Inventors: 张宇; 李道本
Original assignee: Linkair Communications Inc
Current assignee: Linkair Communications Inc
Priority date: 2000-10-23
Filing date: 2000-10-23
Publication date: 2003-06-11
Also published as: HK1052971A1; AU2000279004A1; WO2002037136A8; WO2002037136A1

Abstract

本发明公开了一种应用于数字移动通信系统中的多谱勒频移的测量方法和实现该方法的装置,该方法通过将信道估计信息进行滤波,对该滤波信息运算求其一阶导数的绝对值,在一段时间内对上述运算结果进行累加求平均值,利用RAKE接收机每一支路确定的多谱勒频移大小,进行最大比值合并,确定最终的多谱勒频移测量值。该方法实现简单、适应范围广,可应用到CDMA移动通信系统中的信道估计、功率控制、切换等技术中,能改善接收机的性能,提高系统的容量。

Description

多谱勒频移的测量方法及装置

技术领 ¾戈

本发明涉及数字移动通信系统领域，特别涉及一种应用于该领域的多谱勒频移的测量方法及其装置。发明背景

无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，从简单的视距传播，到遭遇各种复杂的地物，如建筑物、山脉和树木等。无线信道不像有线信道那样固定及可预见，而是具有很强的随机性，因而难以分析。移动台的速度也会对信号电平的衰落产生影响。

由于移动台与基站的相对运动，每个多径波都经历了明显的频移过程。移动引起的接收机信号频移被称为多谱勒频移。它与移动台的运动速度、运动方向，以及接收机多径波的入射角等有关。

当前的移动通信系统越来越要求能够适应快速移动的用户的通信要求。由于在快速移动的过程中，信道特性变化较剧烈。针对这一移动环境下的独特情况，接收机必须能够实时跟踪信道的变化，才可能实现正常的通信。因此，信道估计方法的有效与否至关重要。 WCDMA (宽带码分多址 )在其前向信道中采用连续导频信道和专用的导频信道的联合估计，而反向信道中采用专用导频信道的估计 (可参阅 3GPPTS25.211)。这种专用导频信道方式通过将导频信号与业务信号时分复用，依靠相邻的导频信道估计出信道特性，并通过插值处理得到业务信号所经历的信道特性，从而实现信道估计。这种方法隐含了假设在相邻导频信号之间的信道特性是线性变化的。这样假设的成立与否，取决于相邻导频信号的时间间隔以及移动台的移动速度。在实际的实现中，希望采用尽可能少的导频信号，而又能够满足尽可能高的移动速度的要求。因此往往采用一种实时的处理方法，即依靠接收机测量得到当前移动台的移动速度，根据不同的移动速度采用不同的导频和业务信号间的时分复用格式。

再者，移动环境对于移动通信系统的其它许多技术也提出了新的问题。比如功率控制。这是因为由于用户的移动性导致信号衰落变化，使得在同样的发射功率下，用户天线所接收到的功率大小不断变化，而这对于移动通信系统，尤其是码分多址（CDMA )移动通信系统是极为不利的，它降低了用户所接收到的平均信号干扰比，从而降低了 CDMA 系统本来所具有的容量优势，因此功率控制尤其在 CDMA 系统中尤为重要。但是当前的功率控制技术，由于釆用闭环功率控制来跟踪快衰落，必然存在一定的处理时延和传输时延，因此功率控制总是滞后于信道当前的变化。当移动台移动速度很快时，功率控制就有可能无法跟踪快衰落，这时功率控制的存在不仅不会给系统带来好处，反而恶化了系统的性能。因此，如果能够测量得到移动台当前的移动速度，然后据此决定是否需要功率控制，无疑是一种可取的方法。

用户的移动性同样给切换带来类似的问题。对某个移动的用户，决定它是否切换到其它小区是通过测量各小区基站的信号强弱来实现的。通常此信号的强弱不仅受其路径损耗和慢衰落影响，而且也受其快衰落的影响。我们希望测量到的信号能够平均掉这种快衰落的影响，从而准确地得到切换所需的信息。因此需要一定的时间来平均快衰落带来的信号强弱的快速波动。当移动台快速移动时，由于信道特性变化迅速，因此所需的平均时间较短一些；当移动台慢速移动时，所需的测量时间相应地较长一些。另一方面，当移动台快速移动时，必须较快地得到测量信息，否则移动台可能已经远离它所接入的基站而靠近某相邻的干扰基站。因此，多谱勒频移的测量也有助于切换算法的优化。

除此之外，得到移动台的移动速度的信息，在其它许多方面也将是有用的。

目前的算法，比如通过多路数据之间的相位信息来得到多谱勒频移，实现复杂，而且对发送信号的调制方式、扩频方式、帧结构等等依赖性强，不利于其广泛的应用。比如在利用 QPSK调制格式提供数据的通信系统中，把 QPSK信号的 I分量和 Q分量进行交叉积可以知道两分量的相对相位，可以粗略地确定移动站相对于基站的速度（参见美国专利 US 07/981,034 "导频载波点积电路"）。这种方法只能粗略地得到移动台的多谱勒频移大小，而且需使用 QPSK调制格式，因此应用范围很窄。发明内容

本发明的目的在于提供一种实现筒单、适用于各种扩频方式、调制方式的多谱勒频移测量方法及其装置。

本发明进一步的目的在于将该多谱勒频移测量技术应用于移动通信系统，特别是 CDMA移动通信系统的信道估计、功率控制和切换等技术中，以改善系统性能，提高系统容量。 '

本发明所提供的在数字移动通信系统中应用的测量多谱勒频移的方法，是通过对反映移动台移动速度快慢的信道时域波形求一阶导数的绝对值实现的。由于信道估计的结果是一个连续的信道特性，大致反映了实际信道的变化，隐含了移动台多谱勒频移大小的信息。因此，可以通过对信道估计所得到的能量信息或相位信息或是二者的组合求一阶导数的绝对值而得到多谱勒频移测量结果。

由于干扰和噪声的影响，导致信道估计结果出现误差，从而影响多谱勒频移的测量精度。因此，进一步可对上述信道估计所得的信息进行滤波，使信道特性变得平滑，提高多谱勒频移的测量精度。

由于在相对较短的时间内，信道的变化仍然可能没有完全真实地反映此刻平均的多谱勒频移大小。因此，进一步可对上述求导后的绝对值的一段时间的累积求平均，以得到更高的多谱勒频移测量精度。

在 CDMA系统中，多径信号使得 Rake接收机成为可能，采用 Rake 技术能够得到很好的分集效果，显著提高系统的性能。本发明也采用 Rake技术来取得类似的分集效果。即在 Rake接收机的每一接收支路上都依照上述方法独立测量得到一个多谱勒频移的大小，然后按照各支路的平均接收功率进行最大比值合并以得到最终的多谱勒频移测量值。

根据本发明提出的多谱勒频移测量方法，能够测量出移动台当前的移动速度，进而可以据此调整功率控制，避免了因移动台移动速度较快时，功率控制无法跟踪快衰落的缺陷；根据本发明的这种方法，能够根据测出的移动台移动速度来实时调整不同导频和业务信号间的时分复用格式，解决了现有技术中的时分导频信道估计方法中存在的固有缺陷；根据本发明的方法，还可以对移动用户在越区切换的切换算法予以优化，即通过本发明方法计算得到的测量信息可减弱或消除快衰落的影响，为移动台完成越区切换提供准确的信息。

本发明对于无线通信系统，尤其是 CDMA无线通信系统来讲，具有别的方法不可比拟的实现的简单性，以及测量的实时性和准确性。本发明可用于信道估计中根据不同的多谱勒频移调整信道估计算法，也可应用于功率控制中根据不同的多谱勒频移大小调整功率控制算法或者用于决定是否关闭 /开启功率控制环路，以及别的一些需要多谱勒频移大小信息和车速信息的技术和领域中的应用。

本发明提供的多谱勒频移测量方法，实现筒单，并且对发送信号的调制方式、扩频方式、帧结构等没有依赖性。该方法在应用到移动通信系统中，尤其是 CDMA移动通信系统中的信道估计、功率控制、切换等技术中可以改善接收机的性能，并最终提高系统的容量。附图简要说明

图 1是一个简单的 CDMA移动通信系统示意框图。

图 2是根据本发明方法的多谱勒频移测量装置的实现框图。实施本发明的方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。参考附图 1 , 图 1示出了一个筒单的 CDMA移动通信系统。信源发生器 101产生信号，经过编码器 102编码，扩频器 103扩频后，扩频信号送到调制器 104进行中频、射频调制，再经发射天线 105将信号功率发射出去。在接收机一端，接收天线 106接收信号功率，再经解调器 107 解调为基带信号，解扩器 108完成解扩处理，信道估计电路 109完成译码及信源恢复电路 110所需的信道估计，并且根据所接收到的信号和干扰电平的不同，产生功率控制命令，经功率控制环路 111传输到发射端进行功率控制。

本发明所提供的对多谱勒频移的测量是通过对信道的时域波形求一阶导数的绝对值实现的。在本发明中虽基于信道估计而实现，但并不限于具体的信道估计方法。这是因为无论哪种信道估计方法，其最终结果都是估计出一个连续的信道特性，这个估计出的信道特性至少大致反映了实际信道的变化。而在这种特性的变化中即隐藏着移动台的多谱勒频移大小的信息。

首先，将经信道估计电路 109所得的信道能量或相位信息或二者的某种组合，通过一 FIR ( Finite Impulse Response )滤波器或 IIR ( Infinite Impulse Response )滤波器进行滤波，以抑制由于干扰和噪声影响导致信道估计出现的误差，从而影响其精度。经过滤波器后的信道特性将变得平滑。通过对信道特性的分析可以知道，当移动台移动速度很快时，信道特性变化快，经过滤波器后的信道估计值的变化也快；当移动台移动速度较慢时，则反之，经过滤波器后的信道估计值的变化也较慢。反映这种变化快慢的数学量是其时域波形的一阶导数的绝对值。因此，利用现有技术中广泛存在的微分器，并对微分器的输出求其绝对值，即可得到反映信道变化快慢的具体数值。通过理论分析和计算机仿真，可以知道此数值与多谱勒频移的大小成线性关系，因此这个数值反映了多谱勒频移的相对大小。

尽管大部分情况下只需要这样的相对大小，比如在 CDMA系统中的功率控制、信道估计和切换技术中。但是要得到其绝对大小也很简单。为了进一步得到多谱勒频移的绝对大小，可以通过计算机仿真或现场测试，在已知移动台运动速度的情况下测量该数值的大小，得到移动台运动速度与该数值大小的线性曲线。从而根据此曲线，可以得到对应的多谱勒频移绝对大小。

尽管将所得到的信道估计值经过滤波后能够得到一个相对平滑而且接近实际信道变化的信道时域波形，但考虑在 CDMA 系统中，干扰和噪声普遍存在，而信号幅度的衰落遵循近似瑞利衰落或莱斯衰落特性，在相对较短的时间内，信道的变化仍然可能并没有完全真实地反映此刻平均的多谱勒频移大小。因此，对求导后的绝对值的一段时间的累积求平均值被推荐采纳。考虑到在一段短时间内（比如 1-2秒）移动台的移动速度很少会发生太大的变化，而这段持续约 1-2秒的时间对于累积平均得到多谱勒频移的大小已经足够长了。因此，通过比如 1-2秒的累积平均测量多谱勒频移，以得到更高的测量精度是必要的和可行的。

在 CDMA系统中，多径信号使得 Rake接收机成为可能。采用 Rake 技术能够得到很好的分集效果，显著地提高系统的性能。在本发明中，同样也采用 Rake技术来取得类似的分集效果。即 Rake接收机的每一接收支路都依上述方法独立测量得到一个多谱勒频移的大小，然后按照各支路的平均接收功率进行最大比值合并，这样得到的多谱勒频移估计值为本发明所提供的最终的多谱勒频移的测量值。此处各支路的平均接收功率，可以有两种方法得到：通过对不同环境进行统计分析，并建立其信道模型得到不同时延展宽时信号的功率分布，可以大致估计出 Rake 接收机各支路所接收到的平均功率，以此平均功率值为该环境下的系统参数，通过广播的形式公布给各移动站；或者由各移动站接收机的各接收支路实时测量所接收到的信号功率，并经过较长时间的平均（比如 5-10S )以去除快衰落对接收信号功率的影响，从而得到较可靠的各支路平均接收功率，应用到如上所述的最大比值合并中去。

通过以上过程，可以在移动通信系统中，尤其是 CDMA移动通信系统中实现多谱勒频移测量的简单而实用的方法。在实际实现中，通过计算机仿真或现场测试，可以得到不同专用导频结构所能够容忍的最大多谱勒频移的绝对大小，从而根据当前所测量的多谱勒频移的大小，来决定当前应当采用的专用导频结构，从而得到准确有效的信道估计；再者，通过仿真或现场测试，得到当前系统所给定的功率控制方案能够起到有用效果时所对应的最大多谱勒频移，从而根据当前所测量得到的多谱勒频移大小，改变功率控制方法或者在较大多谱勒频移时无效的功率控制；同样的办法也可应用到切换算法中，即通过仿真或现场实测，得到不同多谱勒频移下的最佳切换算法，然后根据当前多谱勒频移大小的估计值决定当前应当采用的切换算法。这些方法还可无须任何本质的改动，就能被应用到其它相关技术中去。

本发明提供了一种实现简单的测量多谱勒频移大小的方法，并且该方法可被应用到移动通信系统，特别是能被广泛的应用到 CDMA移动通信系统中的多项技术中去。本发明中虽然只提及了其中的三种技术：信道估计、功率控制和切换技术，但这并不排除本发明所提供的这种测量多谱勒频移的方法被应用到其它技术领域中。比如，只需要经过计算机仿真或者现场测试得到本发明^:供方法所测量的多谱勒频移大小与移动台移动速度的对应关系（这种对应关系大致是线性的），便可以得到测量移动台移动速度的大小，从而产生与之相关的应用。

参考附图 2, 附图 2说明了本发明的实现装置。由信道估计电路得到的信号幅度和 /或相位信息，经有限冲激响应滤波器（FIR )或无限冲激响应滤波器（IIR ) 112滤波得到较为平滑的信道信息，经微分器 113 并经运算器 114求绝对值，通过测量信道信息的一阶导数的绝对值得到反映多谱勒频移大小的信息，再经累加器 115, 除法器 116得到经一段时间（比如 1-2秒）的平均值，从而增加测量的准确性。对于 Rake接收机，再将所测量得到的多谱勒频移大小通过最大比值合并器 117合并每 -一 Rake支路所测量得到的多谱勒频移大小，从而更加准确地得到最终的多谱勒频移大小的信息。本领域的技术人员显然清楚，根据本发明公开的方法，可以有许多方式修改所公开的发明，并且除了上述的具体给出的优选方式外，本发明还可以有其它许多实施例。因此，凡属依据本发明构思所能得到方法或改进，均属本发明权利要求保护的范围。

Claims

权利要求书

1、一种应用于数字移动通信系统中的多谱勒频移的测量方法，其特征在于：

该多谱勒频移的测量是通过对信道估计所得的信道时域波形求一阶导数的绝对值实现的。
2、根据权利要求 1所述的多谱勒频移测量方法，其特征在于：所述的信道时域波形是通过信道估计得到的，其可以是信道估计所得到的能量信息或相位信息或是二者的组合。
3、根据权利要求 1或 2所述的多谱勒频移测量方法，其特征在于: 进一步对信道估计所得的信息进行滤波；

对滤波后的信道估计信息求一阶导数的绝对值得到多谱勒频移的测量结果。
4、根据权利要求 3所述的多谱勒频移测量方法，其特征在于：所述的滤波可以是有限冲击响应滤波（FIR )或无限冲击响应滤波

( IIR )。

5、才艮据权利要求 1或 2所述的多谱勒频移测量方法,其特征在于: 进一步对一段时间内测得的多谱勒频移数值进行累积求平均值，以提高多谱勒频移的测量精度。
6、根据权利要求 1或 2所述的多谱勒频移测量方法，其特征在于: 在 CDMA系统中，在多径接收的每一接收支路上独立测量得到一个多谱勒频移测量值；

按照各支路的平均接收功率进行最大比值合并以得到最终的多谱勒频移测量值。
7、根据权利要求 6 所述的多谱勒频移测量方法，其特征在于所述的平均接收功率是通过以下步骤得到的：

通过对环境进行统计分析建立其信道模型得到不同时延展宽时信号的功率分布，从而估计出各支路的平均接收功率；

以该平均接收功率值为系统参数通过广播的形式公布给各移动站。
8、根据权利要求 6 所述的多谱勒频移测量方法，其特征在于所述的平均接收功率是通过以下步骤得到的：

由各移动站接收机的各接收支路实时测量所接收到的信号功率；经过一较长时间的平均从而得到各支路的平均接收功率。
9、根据权利要求 1 所述的多谱勒频移测量方法，其特征在于该方法进一步包含以下步驟：

将信道估计所得到的能量信息或相位信息或是二者的组合通过一滤波器滤波；

对滤波后的信道估计信息求一阶导数的绝对值；

对求导后的绝对值的一段时间的累积求平均值，得到多谱勒频移的测量结果。
10、根据权利要求 9所述的多谱勒频移测量方法，其特征在于：在 CDMA系统中，在多径接收的每一接收支路上依所述方法独立测量得到一个多谱勒频移测量值；

按照各支路的平均接收功率进行最大比值合并以得到最终的多镨勒频移测量值。
11、根据权利要求 1所述的多谱勒频移测量方法，其特征在于：其应用于信道估计时，进一步可将所测得的多谱勒频移值与一已知多谱勒频移值进行比较，以决定当前所采用的专用导频结构，其中该已知的多谱勒频移值是通过计算机仿真或现场测试得到的不同专用导频结构所能容忍的最大多谱勒频移的绝对值。 12、居权利要求 1所述的多谱勒频移测量方法，其特征在于：其应用于功率控制时，进一步可将所测得的多谱勒频移值与一已知多谱勒频移值进行比较，以改变当前的功率控制方法或决定是否需要功率控制，其中该已知的多谱勒频移值是通过计算机仿真或现场测试得到的系统所给定的功率控制方案能够起到有用效果时所对应的最大多谱勒频移。
13、才艮据权利要求 1所述的多谱勒频移测量方法，其特征在于：其应用于切换时，进一步可将所测得的多谱勒频移值与一已知多镨勒频移值进行比较，以决定当前所采用的切换算法，其中该已知的多谱勒频移值是通过仿真或现场实测得到的不同多谱勒频移下最佳切换算法对应的多谱勒频移值。
14、一种应用于数字移动通信系统中的多谱勒频移测量装置，其特征在于：

该装置包括滤波器，微分器，运算器，累加器，除法器和最大比值合并器，其中由信道估计得到的信道信息通过滤波器获得较为平滑的信道信息，该信息经微分器计算信道信息的一阶导数，经运算器对上述运算结果求绝对值，经累加器和除法器计算一段时间内的上述运算结果的平均值，再经最大比值合并器获得最终的多谱勒频移大小信息。

15、 ^^据权利要求 14所述的多谱勒频移测量装置，其特征在于：所述的滤波器是有限冲击响应滤波器（FIR )或无限冲击响应滤波器（ IIR )。
16、根据权利要求 14所述的多谱勒频移测量装置，其特征在于：最大比值合并器可以是对 RAKE接收机每一支路所测量得到的多谱勒频移大 d、进行最大比值合并。