CN1430829A - 利用多时隙平均内插进行信道估计的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在无线网络的接收机内估计信道传递特性的多时隙平均线性内插(MALI)的方法。该方法和系统特别适于在宽带CDMA传输系统中使用。方法步骤中包括为所发送信号(515)中的每个时隙计算瞬时信道估计(信道估计器)，把相邻时隙组(1122、1124)的瞬时信道估计合并起来，并且在多时隙平均值中进行内插，为时隙内的每个符号提供该符号的传递特性的准确估计。

Description

利用多时隙平均内插进行 信道估计的方法和系统

发明背景

1.发明领域

本发明总体涉及电信领域，而且更加具体而言，涉及无线通信领域。

2.背景技术讨论

通常采用无线通信系统为多个移动单元或用户提供语音和数据通信。从1991年以来，TDMA(时分多址复用)数字蜂窝和个人通信系统(PCS)技术的使用已经使无线通信得到广泛地应用。1995年引入码分多址(CDMA)技术，并且也将其用于PCS和蜂窝系统。在无线通信市场中，近来人们把兴趣和精力都集中在开发宽带CDMA(W-CDMA)系统中。最近为W-CDMA的标准化过程所做出的努力最终将会被当作IMT-2000标准，这将在2002年到2004年进行研制开发，可以参见Artech出版社于1998年出版的、Tero Ojanpera和Ramjee Prasad的《Wideband CDMA for Third Generation Mobile Communications(宽带CDMA第三代移动通信系统)》，以及Artech出版社于1998年出版的、Jong Sam Lee和Leonard E.Miller的《CDMA SystemsEngineering Handbook(CDMA系统工程手册)》中的讨论。

总之，图1中说明了无线通信系统中的收发机。期望信号受由通信信道媒介72所引入的多径衰落(慢速或快速)的影响，这表明多径衰落就是多个信号路径中的干扰，其中每个路径都具备不同的时延。为了克服通信信道中的干扰及其对信号星座的影响，需要在数据符号内传输导频符号，使得可以对衰落信道特性进行估计，并且降低信号的错误。衰落中可以包括沿信号传播路径，由于地形波动而造成的长期衰落，以及由于例如建筑物等物体的反射而造成的短期多径衰落，它将在接收信号强度中造成波动，并且还在接收台中造成其它畸变。由于信号路径比较靠近地面，因此移动地面无线电话通信特别容易受到多径衰落的影响。对于以相对高速移动的接收机和发射机来说，其中包含多谱勒频移(瑞利)衰落也将是个问题。

由于来自不同多个路径的信号典型地呈现出非相关的特性，因此在接收机内可以把它们合并起来，以改善衰落所造成的影响。类似地，可以利用多个级化方向来发送和接收无线电话通信信号，并且在接收机内可以利用不同级化方向信号衰落之间的低相关性，把它们合并起来。尽管理论上讲，这些接收机技术存在好处，但是由于天线放置的限制，因此并不太可能获得足够的分集增益。

如图1所示，一序列导频符号与信息符号在时间上复用，其中信息符号可以承载语音、数据或其它信息。这一技术通常被称作导频符号辅助调制。符号序列515通过无线电话通信信道72进行通信。解扩器630从对应于被发送信息符号的信息符号数据中分离出与被发送导频符号相对应的导频符号数据632。然后在信道估计器640中使用估计传递特性，根据由无线通信信道72所引入的畸变，对信息符号的估计进行补偿。

导频符号辅助调制可以改善对抗衰落的能力，但是它也存在若干缺点。一般来说，在符号序列中，时间上距离导频符号最远的那些符号的符号估计错误概率就会增加，会影响到通过信道进行通信的无线电话通信的整体误比特率。为了降低误比特率，可以以较小的间隔在符号序列中插入导频符号，减小导频符号之间的间隔距离，就可以提高估计的信道传递特性的准确性。然而，由于导频符号内一般不包含信息内容，因此增加被发送符号序列中的导频符号的频率就会降低信道的潜在信息容量，这进而又会减少系统可以提供的信道的数量，并且降低每个信道的质量。由于在非信息符号上会浪费发射功率，因此添加导频符号还会降低功率效率。尽管时间复用的导频符号允许在基站内采用下行链路自适应天线，但是由于内嵌的导频符号在数量上还是很少，并且具备与其它数据符号相同的能量，因此这一技术还仍然面临着挑战。

由于已经计划广泛地采用W-CDMA作为下一代无线通信标准，其中又将使用时间复用的导频符号，因此解决使用时间复用导频符号的缺点就更加具有商业价值。

存在多种可用方案，用于在内嵌导频系统内改善信道传递特性的估计。两种特别有效的可用方案中包括在Andoy等人于1997年发表的“Channel Estimation Using Time Multiplexed Pilot Symbols forCoherent Rake Combining for DS-CDMA Mobile Radio(DS-CDMA无线设备中为相干Rake合并利用时间复用导频符号的信道估计)”一文中描述的加权多时隙平均(WMSA)方法(在此引入作为参考)，以及在Schmidl等人于1999年发表的“The Use of Iterative ChannelEstimation(ICE)to Improve Link Margin in Wideband CDMASystems(利用ICE去改善WCDMA系统中的链路容限)”一文中描述的迭代信道估计(ICE)方法(在此引入作为参考)。

图2中说明了WMSA技术及其操作原理，用于改进使用单一导频符号的信道传递特性的估计(瞬时信道估计)。在长度为10ms的帧内发送WCDMA下行链路信号，其中包括15个长度为0.66ms的时隙。对于大多数数据速率来说，每个时隙内存在四个导频符号。因此，估计信道传递特性的一种方式就是对多个时隙内的导频符号进行平均，从而降低随机错误以及信号畸变的有害影响。典型地如图2所示，需要对2*K组导频符号进行平均，其中K组位于当前时隙数据符号之前，而且K组位于当前时隙的数据符号之后。WMSA的名称来自于：根据距所分析时隙的距离，对导频符号应用不同的权值。如果多谱勒速率已知，则利用已知滤波器就可以得到理想的系数。如本领域内所示以及公认已知的，当K＝2时，对于附近符号来说，在较宽多谱勒频率内能够提供良好特性的、实验得到的标准系数是1.0，而对于较远的符号来说，该系数是0.6。当K＝3时，对于较近、中间和较远的最佳系数分别典型地为1.0、0.8和0.3。

WMSA不能解决的一个问题可以表现在深衰落情况中，其中从相邻时隙内的一个导频分段到另一个导频分段，衰落中就会存在比较严重的偏移。由于WMSA中存在缺陷，因此需要开发研制迭代信道估计(ICE)方法，其中导频和数据符号都被用于去估计信道传递特性。由于只利用导频符号进行初始信道估计，而且然后通过利用导频和数据符号，在一次或多次迭代中改善信道估计，因此这里使用词语“迭代”。

图3中以框图的格式说明了公认已知的ICE方法。在第一次(0号)迭代中，采用标准的WMSA信道传递特性估计方法。然后，从0号迭代中得到的估计值被用于去消除阴影模块中符号的数据调制。随后如图4所示，使用导频和数据符号的滑动平均窗进行随后的估计。应该注意的是，图4中说明的信道估计只是应用于第二次以及随后的迭代，并且针对窗口中央的符号进行计算。实际上，每个符号可以存在不同的信道估计。可以根据近似的多谱勒速率来选择移动平均中所使用的符号的个数。对于较高的多谱勒速率来说，对所选择符号两侧一个时隙的符号进行平均，而对于较低的多谱勒速率而言，对两个时隙的符号进行平均。

典型地，在使用WMSA之前，可以执行近似多谱勒频率的估计，因此这就表示在能够使用ICE的接收机中并没有增加额外的复杂度。

然而，WMSA和ICE方法中都存在缺点，特别是在白噪声和极高多谱勒速率的情况下。采用WMSA，随机噪声错误影响会破坏整个数据帧。采用ICE，在高数据速率情况下，反馈错误会使针对WMSA的性能改善程度会有所下降。因此，本领域内需要一种用于估计WCDMA和其它接收的无线通信信号的信道传递特性的改进方法。

发明概述

为了解决现有技术的缺点，本发明提供通过对从累积的多个瞬时信道估计中得到的解调值进行内插，用于信道估计的改进方法。

因此本发明的第一个好处就是：在无线电话通信系统中提供包括发射机在内的系统，该发射机发送包含组合在时隙中的多个符号在内的信号，在接收机内为每个符号估计信号传递特性的方法，该方法中包括如下步骤：为第一组多个时隙中的每个时隙计算瞬时传递特性估计，第一组多个时隙中包括所分析的第一时隙，合并为第一组多个时隙计算得到的瞬时信道估计，生成第一多时隙平均估计值，为第二组多个时隙中的每个时隙计算瞬时传递特性估计，第二组多个时隙中包括所分析的第二时隙，合并为第二组多个时隙计算得到的瞬时信道估计，生成第二多时隙平均估计值，在该第一多时隙平均估计值和第二多时隙平均估计值之间进行内插，并且根据内插步骤(e)，为所分析的该第一时隙内的符号计算传递函数估计。

本发明的另一个好处在于：提供对无线通信信号进行解调的方法，信号中包括多个时隙，每个时隙内包含多个符号，方法中包括如下步骤：计算解调第一组多个时隙所需要的传递特性的第一多时隙平均估计值，第一组多个时隙中包括所分析的第一时隙，计算解调第二组多个时隙所需要的传递特性的第二多时隙平均估计值，第二组多个时隙中包括所分析的第二时隙，在该第一多时隙平均估计值和该第二多时隙平均估计值之间进行线性内插，由此为所分析的该第一时隙内的每个符号计算传递函数估计，并且解调所分析的该第一时隙内的符号，然后解调所分析的该第一时隙内的多个符号中的每个符号，由分别计算得到的传递函数对每个符号进行解调。

本发明还有一个好处就是提供实施上述用于估计传递特性以及无线通信符号解调的上述方法的系统和结构。

附图简述

作为本发明优选实施例详细描述的结果，并且参考随后的附图，可以更加清楚地理解本发明的上述好处以及其它好处。

图1中概要说明了现有技术中的无线通信系统，以及下行链路中的时间复用导频符号的帧结构；

图2是用于说明现有的加权多时隙平均(WMSA)信道估计技术的框图；

图3是用于说明迭代信道估计(ICE)方法的框图；

图4进一步说明现有的ICE技术；

图5是用于说明本发明的方法和系统的框图；

图6以图示说明本发明的多时隙平均和线性内插方法和系统；

图7A和7B说明用于提高精确性的迭代实施例中的本发明的方法和系统；

图8通过表1中显示的数据，以图示说明本发明方法和系统的功效。

尽管本发明能够呈现各种修改和替代形式，但还是通过附图中的实例给出其特定实施例，并且在随后详细描述。然而应该可以理解到，详细描述并不打算把本发明限制在所公开的特定形式中。相反，本发明要涵盖处于附加权利要求中定义的本发明的精神实质和范围内的所有修改、等效以及替代。

发明详述

下面参考图5，其中提供用于说明本发明方法的框图。首先，从以时隙n-1为中心的类似K个相邻时隙的每个时隙内找到的Np个导频符号中推导得出K个(对典型语音数据速率来说最好为3)瞬时信道估计值。然后，从多个时隙中得到的瞬时信道估计值被合并起来，提供单一多时隙估计值X。对相邻的时隙重复这些步骤，并且与以时隙n为中心的多个时隙之间会有部分覆盖，提供第二多时隙估计值Y。采用抽头延时线去前向传递以前时间内收到的瞬时信道估计值，用于与随后收到的数值进行合并。随后，通过简单的线性内插去计算点X和Y之间的斜率，为所分析的时隙内包含的每个符号提供不同的传递特性估计值。然后，可以为时隙n+1计算第三点Z(没有画出)，并且Y与Z之间得到的线性内插可以为时隙n+1内的每个符号提供单独的估计传递特性。

由于一直到接收到时隙n+[(K-1)/2]，才能对时隙n进行分析，并且计算其瞬时信道估计值，因此K最好不要太大，使其不会明显地影响实时处理的性能，而且也不要太小，使得有益的随机噪声效应不会被最小化。

下面参考图6，其中提供用于估计信道传递特性的本发明的多时隙平均线性内插(MALI)技术的概要说明。首先，从多个时隙1120中的每个时隙内的Np个导频符号中推导得到瞬时信道估计。如本领域内公认已知的，第1’条路径中的第n’个时隙内的第m’个导频符号可以被表示为r1(n，m)，而且包括第n’个时隙内的Np个导频符号的平均值在内的瞬时信道估计可以被表示为： ${\widehat{\mathrm{\ξ}}}_l=\frac{1}{N_p}\underset{m=0}{\overset{N_p-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_l(n,m)$

随后，把来自多个时隙1120的多个瞬时信道估计值1110(如图所示最好为3个)合并起来，并且把平均值传递给加法器。在所示的实例中，首先通过对时隙n-3、n-2和n-1内的瞬时估计值进行平均，提供多时隙平均值1124，为时隙n-1执行这一步骤。然后，为时隙n得到另一多时隙平均元素，提供数值1122。

多时隙平均值1122和1124经过线性内插，根据下述等式，为第n’个时隙内的第j’个符号提供具有较高精确性的、估计到的传递函数： ${\widetilde{\mathrm{\ξ}}}_l(n,j)=j\·\left[\frac{(\underset{i=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\widehat{\mathrm{\ξ}}}_l(n-i)-\underset{i=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\widehat{\mathrm{\ξ}}}_l(n-i-1))}{\mathrm{num}\_\mathrm{sym}}\right]+\left(\underset{i=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\widehat{\mathrm{\ξ}}}_l(n-i-1)\right)$

由此，本发明的MALI(多时隙平均线性内插)方法可以有效地替代通常使用的WMSA(加权多时隙平均)技术。而且，在迭代信道估计技术中可以执行MALI方法。参考图7A，其中说明了本发明的IMALI(迭代MALI)方法，如相关领域内具备基本知识的人员的理解，以及如随后的详细描述，该方法能够以迭代方式实施上述的MALI方法。图7B中提供用于说明在多个信道路径中所实施的本发明IMALI方法的第二框图。如本领域的技术人员的理解，在数据被发送给译码器之前，采用最大比合并器(MRC)。利用基本MALI方法执行初始迭代。然后，该初始(0号)迭代被用于对随后接收到的数据进行解调，并且进行平均。尽管实验数据已经表明，只需要两步迭代就可以在精确性和可容忍的处理以及反馈时延之间提供良好的折衷，但是仍然可以按照所期望的精确性，引入附加的迭代。

下面参考图8，其中与上述现有的WMSA和ICE方法相比，通过随后表1中所提供的数据的图形表示，说明了本发明IMALI方法的功效。

			在BER＝10-3时，IMALI比ICE和WMSA的增益
										BER为10-3时所要求的Eb/No(dB)				与理想情况相比的损耗(dB)			IMALI增益(dB)
	衰落(Hz)	理想的       WMSA         ICE        IMALI				WMSA          ICE         IMALI			与WMSA比较与ICE比较
555.680200222320555											26	5.1	4.9	4.6	25	23	2	0.5	0.3
	0.2	3	1.6	1.5	2.8	1.4	1.3	1.5	0.1
										-1.2	1.7	1.7	1.4	29	29	26	0.3	0.3
	-2	1.2	0.6	0.6	3.2	26	26	0.6	0
										-2.3	1	0.8	0.7	3.3	3.1	3	0.3	0.1
	-29	1.3	0.4	0.2	4.2	3.3	3.1	1.1	0.2
										-2.9	N/A	14	4.7	N/A	16.9	7.6	N/A	9.3

                        表1

在表1和图8中，“Eb/No”表示信号噪声比，或者能量(信道或多个信道内发送数据所用的功率)与接收错误数量的比值，并且在图8中以分贝的形式画出。Eb/No被表示为多谱勒频率的函数，例如它将随车辆相对静止发射设备(例如基站)的速度的增加而增加。很明显，从图8中可以看到本发明的MALI和IMALI方法可以提供显著的性能改善，特别是在较高多谱勒频率的情况下(例如高速铁路线中所遇到的那些情况)。

因此，本发明提供创新方法以及实施方法的系统，利用多时隙平均、线性内插的导频符号去估计信道传递特性。尽管已经针对优选实施例给出并且描述了本发明，但是各种变化和修改都处于所要求的本发明的精神实质和覆盖范围内。例如，MALI和IMALI技术可以很容易地被修改去供专用导频信道，来代替内嵌的导频符号，或者与其组合使用。这样，权利要求中的相应结构、资料、运作、以及所有装置或步骤以及功能元素的等效中都打算包括用于执行功能以及权利要求中指出的其它元素的任意结构、资料或运作。

Claims (16)

1.在无线电话通信系统中，系统内包括发送包含组合在时隙中的多个符号在内的信号的发射机，在接收机内为每个符号估计信号传递特性的方法，该方法中包括如下步骤：

a)为第一组多个时隙中的每个时隙计算瞬时传递特性估计，第一组多个时隙中包括所分析的第一时隙；

b)合并为第一组多个时隙计算得到的瞬时信道估计，生成第一多时隙平均估计值；

c)为第二组多个时隙中的每个时隙计算瞬时传递特性估计，第二组多个时隙中包括所分析的第二时隙；

d)合并为第二组多个时隙计算得到的瞬时信道估计，生成第二多时隙平均估计值；

e)在该第一多时隙平均估计值和该第二多时隙平均估计值之间进行内插；

f)根据内插步骤(e)，为所分析的该第一时隙内的符号计算传递函数估计。

2.权利要求1的方法，还包括以基于步骤(f)内计算得到的传递函数估计值的方式，对符号进行解调的步骤。

3.权利要求1的方法，还包括以至少部分根据该第一时隙内的至少一个符号的方式，对第三组多个时隙内所包含的符号进行解调的步骤。

4.权利要求1的方法，其中该内插步骤中包含线性内插。

5.权利要求1的方法，其中所分析的该第一和第二时隙是相邻时隙。

6.权利要求1的方法，其中在步骤(f)中根据如下公式计算第n’个时隙内的第j’个符号的传递特性： ${\widetilde{\mathrm{\ξ}}}_l(n,j)=j\·\left[\frac{(\underset{i=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\widehat{\mathrm{\ξ}}}_l(n-i)-\underset{i=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\widehat{\mathrm{\ξ}}}_l(n-i-1))}{\mathrm{num}\_\mathrm{sym}}\right]+\left(\underset{i=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\widehat{\mathrm{\ξ}}}_l(n-i-1)\right)$ 其中K等于第一和第二组多个时隙中的时隙的数量。

7.在无线电话通信系统的接收机中，系统内包括发送包含组合在时隙中的多个符号在内的信号的发射机，以及接收被发送信号的多个接收机，在接收机内为每个符号估计信号传递特性的设备，该设备中包括：

a)用于为第一组多个时隙中的每个时隙计算瞬时传递特性估计的装置，第一组多个时隙中包括所分析的第一时隙；

b)用于合并为第一组多个时隙计算得到的瞬时信道估计，生成第一多时隙平均估计值的装置；

c)用于为第二组多个时隙中的每个时隙计算瞬时传递特性估计的装置，第二组多个时隙中包括所分析的第二时隙；

d)用于合并为第二组多个时隙计算得到的瞬时信道估计，生成第二多时隙平均估计值的装置；

e)用于在该第一多时隙平均估计值和该第二多时隙平均估计值之间进行内插的装置；

f)用于根据内插步骤(e)，为所分析的该第一时隙内的符号计算传递函数估计的装置。

8.权利要求7的设备，还包括以基于由所述用于计算传递函数估计的装置计算得到的传递函数的方式，对符号进行解调的装置。

9.权利要求7的设备，还包括以至少部分根据该第一时隙内的至少一个符号的方式，对第三组多个时隙内所包含的符号进行解调的装置。

10.权利要求7的设备，其中所分析的该第一和第二时隙是相邻时隙。

11.权利要求7的设备，其中该内插包含线性内插。

12.权利要求7的设备，其中根据如下公式计算第n’个时隙内的第j’个符号的传递特性： ${\widetilde{\mathrm{\ξ}}}_l(n,j)=j\·\left[\frac{(\underset{i=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\widehat{\mathrm{\ξ}}}_l(n-i)-\underset{i=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\widehat{\mathrm{\ξ}}}_l(n-i-1))}{\mathrm{num}\_\mathrm{sym}}\right]+\left(\underset{i=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\widehat{\mathrm{\ξ}}}_l(n-i-1)\right)$ 其中K等于第一和第二组多个时隙中的时隙的数量。

13.对无线通信信号进行解调的方法，信号中包括多个时隙，每个时隙内包含多个符号，方法中包括如下步骤：

a)计算解调第一组多个时隙所需要的传递特性的第一多时隙平均估计值，第一组多个时隙中包括所分析的第一时隙；

b)计算解调第二组多个时隙所需要的传递特性的第二多时隙平均估计值，第二组多个时隙中包括所分析的第二时隙；

c)在该第一多时隙平均估计值和该第二多时隙平均估计值之间进行线性内插，由此为所分析的该第一时隙内的每个符号计算传递函数估计；

d)解调所分析的该第一时隙内的符号；

e)为所分析的该第一时隙内的多个符号重复步骤(d)，由步骤(c)中分别计算得到的传递函数对每个符号进行解调。

14.权利要求13的方法，还包括以至少部分根据该第一时隙内的至少一个符号的方式，对第三组多个时隙内所包含的符号进行解调的步骤。

15.权利要求13的方法，其中所分析的该第一和第二时隙是相邻时隙。

16.权利要求13的方法，其中在步骤(c)中根据如下公式计算第n’个时隙内的第j’个符号的传递特性： ${\widetilde{\mathrm{\ξ}}}_l(n,j)=j\·\left[\frac{(\underset{i=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\widehat{\mathrm{\ξ}}}_l(n-i)-\underset{i=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\widehat{\mathrm{\ξ}}}_l(n-i-1))}{\mathrm{num}\_\mathrm{sym}}\right]+\left(\underset{i=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\widehat{\mathrm{\ξ}}}_l(n-i-1)\right)$ 其中K等于第一和第二组多个时隙中的时隙的数量。

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