CN1469654A - 多天线接收机的重复合并技术 - Google Patents

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Abstract

一种用于对通过无线接收机中多个天线接收的无线信号进行处理的方法，所述无线接收机具有至少下列之一：至少两个天线，每个天线在使用中发送天线信号；天线阵列的至少两个部件，每个天线部件发送天线信号；至少两个天线阵列，每个天线阵列具有多个天线部件并发送天线信号；合并天线信号并发送合并的信号，其中对每个天线信号进行重复的信道估计，用于控制天线信号的合并处理。本发明的优点是改善多天线无线接收机的差错率性能，因为由于减少了合并损耗增强了天线增益。

Description

多天线接收机的重复合并技术
技术领域
本发明涉及一种对通过无线接收机中的多个天线接收的无线信号进行处理的方法，所述无线接收机具有至少两个天线，或天线阵列的至少两个部件，天线信号由空间或空间-时间合并器合并。本发明还涉及带有多个天线的接收机以及包括这样的接收机的移动通信系统。
背景技术
多个接收天线常用于无线通信系统中以改善链路质量，即减少给定传输功率的差错率，或者减少给定目标差错率的传输功率。多个接收天线包括天线阵列，比如线性的或环形的阵列，其中相邻的天线部件典型地被半无线波长分隔，或各种星阵列，其中天线被更远地间隔开，比如十倍无线波长或更多。另外的天线排列合并了上述阵列，比如使用不同构造中所用的多个子阵列。这儿讨论线性极化天线，但也可能讨论横向极化的多个天线构造。
在使用M个天线(M＞1)的接收机中，通过适当的技术合并M个接收的信号以获得单个信号，通常通过数字信号处理技术。有足够的合并技术可应用于各种传输格式(比如TDMA(时分多址)或CDMA(码分多址))和各种天线星阵列。一般的，如下面说明的，合并步骤可以称为空间合并步骤或空间-时间合并步骤。该空间或空间-时间合并单元是为了相干地增加接收的信号分量(在相位上)，以优化差错率性能。
时间分散是无线传播信道的典型特性。它由有限波段的滤波器形成，在TDMA系统(比如全球移动通信系统(GSM)或通用分组无线业务(GPRS))中典型地导致码间干扰。移动无线通信中典型地出现的另一个分散效果是多径传播。它导致如图4所示的接收的功率延迟轮廓，图4的纵轴表示接收的功率，横轴表示路径延迟。多径传播信道的冲激响应可表示为 Σ l = 1 L α l δ ( t - τ l ) , 其中L表示多径分量的数量，δ(t)表示Dirac冲激。每个信号路径由复数值幅度αl和路径延迟τl表征。W-CDMA(宽带CDMA)的特性是接收机能解决多径轮廓并对每个接收路径进行信道估计。这时，常常应用瑞克接收机进行分支(fingers)(即多径分量)的时间合并，其依据是 Σ l = 1 L α l * r ( t + τ l ) , . . . . . ( 1 ) 其中r(t)表示接收的信号(假设M＝1时单天线1Rx接收机)，加权系数由共轭复数(conjugate complex)信道估计给出。注意的是对每个分支计算信道估计αl。常常利用专用导频或训练符号进行信道估计。导频符号提供相位参照以促成相干检测。常常基于轮换时隙或基于平均多个时隙使用简单的互相关技术。注意的是在本文中如果不作说明，“信道估计”将一直表示利用导频符号的信道估计。
空间合并是指在空域上进行的合并处理，比如利用M个用Wm表示的复数值加权系数将M个接收的信号加权相加。rm(t)表示接收的信号，r(t)表示合并块的输出信号。空间合并可表示为 r ( t ) = Σ m = 1 M w m r m ( t ) . . . . . . ( 2 )
在空间合并的情况下，获得的信号r(t)的处理方法和1Rx接收机(即具有单个接收天线的接收机)中的处理方法相同。空间合并的应用包括，比如，TDMA系统诸如GSM及其扩展系统。
空间-时间合并是指在空域和时域上进行的合并处理。空间-时间合并的引用包括，比如，W-CDMA系统诸如UTRA/FDD(即通用地面无线接入(UTRA)系统的频分双工(FDD)变型)。这时，空间-时间合并可表示为 r ( t ) = Σ m = 1 M Σ l = 1 L w m , l r m ( t + τ l ) . . . . . . ( 3 )
利用由wm，l表示的ML个加权系数的集合。输出信号r(t)可随后地馈送到差错校正解码器(这儿是指可能包括去复用功能诸如去交织或速率去匹配)。
用于空间或空间-时间合并的加权系数常常基于信道估计。在空间合并的情况下，对每个天线计算信道估计。在W-CDMA的空间-时间合并的情况下，对每个天线和每个分支计算信道估计。取决于如何计算加权系数，可区别多个不同的合并技术：
最大比例合并法(MRC)对于AWGN(附加白高斯噪声)是最合适(分集)的合并技术。它利用共轭复数信道估计作为加权系数。注意的是MRC利用信道估计的幅度和相位信息。它典型地使用天线分集星阵列，其中天线之间接收的信号的幅度各不相同。
等增益合并法假定天线合并的所有加权系数具有相同的幅度，因此合并仅利用相位信息。相位信息可从信道估计获得，方法与MRC相同。该技术常常使用天线阵列，其中物理结构确保接收的信号等幅度。
上述技术对于出现AWGN是最适合的，因为附加信道损伤，MRC使用分集星阵列，等增益合并法使用天线阵列。在TDMA和CDMA中，信道间干扰常影响接收的信号。干扰抑制的天线合并技术包括最优合并法或MMSE(最小均方根误差)合并法。利用相同的基于信道估计的系数实现这些技术，方法与上述技术相同。此外，这些系数同其他测定的参数相乘。然而实质是加权系数的计算利用信道估计。
根据现有技术的多天线接收机的一般框图如图5所示。对于每个天线有信道估计单元。信道估计馈送到空间或空间-时间合并单元。或利用信道估计，或至少利用从信道估计获得的相位信息，合并单元对接收的信号进行加权相加。合并单元的输出馈送到差错校正解码器。特别地，图5表示如下功能块：存储单元3-1到3-M(S1到SM)用于存储天线信号。存储单元的输出连接到合并器5的输入端，合并器5用“SP/SP-T COMB”表示，意思是根据要求该合并器是空间(“SP”)合并器或空间-时间(“SP-T”)合并器。(空间或空间-时间合并的典型应用如上述所示。)除了合并多个信号，合并器的功能还包括解调功能，比如均衡，典型的是TDMA，或瑞克合并，典型的是CDMA(下文具体说明)。合并器5的输出信号由解码器(DEC)9解码。解码器也可能包括去复用功能诸如去交织或速率去匹配(下文具体说明)。到合并器5的输入信号也馈送到各个信道估计器7-1到7-M(CE-1到CE-M)，所述信道估计器通常基于天线信号中的已知信号发送信道估计。每个信道估计器发送控制信号到合并器5的各个输入端。在本文中假定既处理模拟信号也处理数字信号。因此应考虑模拟天线信号(在可能的频移和解调之前或之后)数字化。由于这是众所周知的，所以在图中未示出也未说明。
图5中所用的框图可适应于各种传输格式，如下所述：
TDMA：TDMA系统中比如GSM及其扩展，鲜明的是大量的码间干扰(ISI)。通常利用均衡器在解码之前消除ISI。一般的，将该均衡器集成到图5中的合并单元中。而且常常应用时间交织。一般的，将去交织功能集成到图5中的解码器单元中。
W-CDMA：在W-CDMA中，比如UTRA/FDD中，常常通过空间-时间瑞克接收机实现合并单元，如公式(3)所定义。UTRA/FDD还利用速率匹配和时间交织。一般的，将速率去匹配和去交织的各个接收机单元模块集成到图5中的解码单元中。
如上所述，可将合并单元的输出定义为适用于差错校正解码的软符号序列，即去除ISI和其他无线传播效果。换而言之，合并单元包含所有解调功能。诸如去交织或速率去匹配的去复用功能在解码器单元内进行处理。
准确的信道估计是优化相干合并单元性能的关键要求。对于AWGN，利用带有M个部件的天线阵列在原理上可使非编码位差错率性能改善10log M dB。该增益称为天线增益。实际中观察到的增益常常比理论上的天线增益要低得多。定义合并损耗为理论的10logM dB天线增益减去实际得到的天线增益。在UTRA/FDD上行链路中有AWGN和MRC的计算机仿真[1]中，观察到四个部件的线性阵列有1.5-2.0dB级的合并损耗。用绝对dB表示，合并损耗往往随着接收天线数量的增加和信噪比的降低而增加。在计算机仿真中，假定利用专用导频符号(基于轮换时隙)以常规的(非重复的)方法实现信道估计。
发明内容
本发明的目的是改善移动通信系统中无线信号的接收。该目的是利用一种对通过无线接收机中多个天线接收的无线信号进行处理的方法来实现，所述无线接收机具有至少下列之一：至少两个天线，每个天线在使用中发送天线信号；天线阵列的至少两个部件，每个天线部件发送天线信号；至少两个天线阵列，每个天线阵列具有多个天线部件并发送天线信号；合并天线信号以发送合并的信号，其中对于每个天线信号进行重复的信道估计，用于控制天线信号的合并处理。
该目的还通过一种无线接收机实现，所述无线接收机具有至少下列之一：具有至少两个天线，每个天线在使用中发送天线信号；和/或具有天线阵列的至少两个部件，每个天线部件发送天线信号；和/或具有至少两个天线阵列，每个天线阵列具有多个天线部件并发送天线信号；该无线接收机还包括至少一个信号合并模块，合并天线信号并发送合并的信号，该无线接收机还具有至少一个信道估计模块，对每个天线信号进行重复的信道估计，用于控制天线信号的合并处理。
该目的还通过一种无线基站实现，包括无线接收机，该无线接收机具有至少下列之一：具有至少两个天线，每个天线在使用中发送天线信号；和/或具有天线阵列的至少两个部件，每个天线部件发送天线信号；和/或具有至少两个天线阵列，每个天线阵列具有多个天线部件并发送天线信号；该无线接收机还包括至少一个信号合并模块，合并天线信号并发送合并的信号，该无线接收机也包括至少一个信道估计模块，对每个天线信号进行重复的信道估计，用于控制天线信号的合并处理。
该目的还通过一种包括基站的移动通信系统实现，该基站包括无线接收机，该无线接收机具有至少下列之一：具有至少两个天线，每个天线在使用中发送天线信号；和/或具有天线阵列的至少两个部件，每个天线部件发送天线信号；和/或具有至少两个天线阵列，每个阵列具有多个天线部件并发送天线信号；该无线接收机还包括至少一个信号合并模块，合并天线信号并发送合并的信号，该无线接收机也具有至少一个信道估计模块，对每个天线信号进行重复的信道估计，用于控制天线信号的合并处理。
重复的信道估计[2]是用于改善信道估计精度的高级技术。在公开的文献中，描述了单个接收天线的应用。重复信道估计的基本思想是两次进行常规的解码处理，其中对中间的差错校正输出进行重编码以获得扩展的训练序列。由于扩大的数据库用于更新信道估计，会有更好的精度并因而直接地带来更好的差错率性能。观察到单个接收天线最后的增益是相当可观的，比如GRPS中大约1-1.5dB[2]。
提议合并多个天线接收的重复信道估计技术，从而天线信号的合并重复地进行(至少两次)，其中利用先前更新的信道估计。
本发明的优点在于改善了多天线无线接收机的差错率性能，因为天线增益因合并损耗的减少而得到增强。
根据本发明的实施方式，从紧跟在合并器(“短”回路)或解码单元之后的一点而得的反馈信息被回送用于在信道估计单元中进行处理。其优点在于因为较长的训练序列而增强了信道估计。“短”回路(紧跟在合并器之后开始回送)可以简单的方式实现并且有利，尽管与长回路(在解码器之后开始)相比差错率性能有所降低。对于本发明的其他实施方式以及根据本发明的接收机和系统会有相似的优点。
附图说明
从本发明的优选变型和实施方式的如下说明以及表示本发明的实质特征的附图以及权利要求，本发明的进一步特征和优点将会更明显。
图1是基于重复合并的多天线接收机的一般框图。
图2是基于适用于UTRA/FDD上行链路的重复合并的多天线接收机。
图3是结合N个天线子阵列的重复合并的应用。
图4表示在多径信道的输出端观察到的典型功率轮廓。
图5表示常规多天线接收机的一般框图。
具体实施方式
利用重复合并技术的多天线接收机的一般框图如图1所示。
同图5中所示相似的部件用相似的标记表示。安排信道估计器17-1到17-M接收和估计从合并器15之后的某点反馈的反馈信号。一种情况下，反馈信号从解码器9之后的某点反馈，这时解码过程应当由单元10(ENC)中的重编码进行反处理。该反馈路径用标号11表示。另一种情况下，反馈路径12从合并器的输出端开始；不需要重编码。这两种情况下，待反馈的信号在需要时以合适的方式加以处理，比如量化。输入反馈信号以控制所有信道估计器的输入端并控制它们发送比没有反馈信号时质量更佳的信道估计。图1也表示同时的两个不同实施方式：一个具有空间合并器(SP COMB)，另一个具有空间-时间合并器(SP-T COMB)。
如上所述，每个天线都有信道估计单元。信道估计馈送到空间或空间-时间合并单元。合并单元利用信道估计或至少利用从信道估计获得的相位信息对接收的信号进行加权相加。合并单元的输出馈送到差错校正解码器(DEC)9。“第一重复”(n＝1)(更准确的是：第一步骤；该步骤中不重复地进行任何处理，也不利用任何反馈信号)已完成，接下来是“第二重复”(n＝2)(或第二步骤，其中反馈信号实际上是第一次使用)。对差错校正输出重编码以获得“扩展的训练序列”(路径11)。该扩展训练序列提供比常规的训练或导频序列要大的数据库，因而能够提供更准确的信道估计。注意的是为了使用扩展训练序列更新信道估计，使用与计算起始信道估计所用的算法不同的算法。还要注意的是重编码单元可能包括速率匹配或交织的功能，这取决于传输格式。利用扩展的训练序列更新信道估计，可能利用与初始值不同的信道估计算法。重复空间或空间-时间合并，这次是利用信道估计更新，最后对合并单元的输出进行解码。进行重复的次数至少为n＝2，但可以更大。对于后者，图1中的反馈路径进行多次。
在重复合并方案的简化实现中，扩展训练序列可直接从合并单元的输出端获得(图1中的虚线，路径12，在第一重复中避免解码和重编码处理)。同上述完全复杂的方案相比，该技术可能在差错率性能上较为不利。但是利用天线增益获得扩展的训练序列，性能降低相比于完全复杂的方案还是适度的。
一般的，期望重复合并技术能补偿在计算机仿真中观察到的合并损耗的一大部分。另外，也会改善单天线接收机给定的绝对参考性能。在UTRA/FDD上行链路中，当使用四个部件天线阵列(其中假定参考性能改善大约0.5-1dB，加上合并损耗大约减少1-1.5dB)时我们可以期待总共大约1.5-2.5的增益。
一般的，重复合并技术可用于任何无线传输格式，比如TDMA，CDMA，TDMA-CDMA组合(比如TD-CDMA(时分CDMA)或同步TD-CDMA(TD-SCDMA))，或OFDM(正交频分复用)。也可以应用于任何多天线星阵列，比如分集星阵列(其中天线部件典型地相隔几米)或天线阵列(比如线性或环形阵列)。还能用于纯粹的空间合并技术(比如在TDMA中)或空间-时间合并(比如在CDMA中利用空间-时间瑞克接收机)，以及各种合并算法诸如等增益合并(常常用于天线阵列中)，最大比例合并(常常用于天线分集星阵列中)，或最优合并(用于天线阵列或分集星阵列中的干扰抑制)。
作为本发明的特例，合并技术应当利用从信道估计导出的信息，至少相位信息用于进行相干合并。此外，合并能利用信道估计的幅度信息，比如以实现最大比例合并或最优合并。
如UTRA/FDD上行链路的描述例子所示。图2表示基于重复合并技术的多天线接收机应用于UTRA/FDD上行链路中的框图。
在图2中，合并器25是对所有天线信号的所有“分支”(＝不同时刻到达的信号)1到L进行合并的空间-时间合并器，该例中的天线信号是单个天线的信号但在本发明的其他实施方式中是多个天线阵列的信号。图2中每个信道估计器符号27-1到27-M理解为多个估计器(对于信道器估计27-1：信道估计器CE1；1，CE1；2，CE1；3...CE1；L)，L是分支的个数。因此就有M×L个信道估计器，要么作为实际设备，要么作为计算过程中的工具。合并器25接收所有信道估计器的输出信号作为控制信号。
在图2中，假定合并单元实现公式(3)中定义的空间-时间瑞克接收机，其中第m天线和第l分支的加权系数表示为wm，l。对于MRC，加权值为wm，l＝α* m，l，其中αm，l表示第m天线和第l分支的信道估计。
在UTRA/FDD上行链路中，设想该技术作为多用户检测(MUD)的替代或附加。
现在讨论几个实现方面。一般的，实现方面旨在降低计算的复杂性而不造成差错率性能显著的损失。
如上所述，合并单元包含所有的解调功能，诸如均衡或瑞克合并。其他可能包括在合并单元中的解调技术有多用户接收机结构(比如W-CDMA或TD-SCDMA中)。为了降低合并单元的计算复杂性，解调处理可在降低复杂性下实现，特别在第一重复中。作为例子，在第一重复中使用低复杂性的均衡器(或多用户检测)算法，在第二重复中使用更复杂的算法。
差错校正编码比如可通过块代码，常规代码或链接代码诸如Turbo代码实现。为了减少重复合并方案的计算复杂性，第一重复中的解码可在减少的复杂性下实现。作为例子，第一重复中的Turbo解码局限于第一或第二重复，其中需要典型地大约八次重复以实现实际的最优性能。
其他实现方面与从常规的重复信道估计技术[2]所知的相似。作为例子，扩展的训练序列可分成多个部分，以改善接收机性能用于迅速地移动传输站(或多个天线接收机站)或使得几个用户分享时隙[2]。
简要地介绍提出的技术的几个其他应用：
此前一直假设多个接收天线用在单个小区或小区区域中。宏分集技术利用多个接收天线，其中天线位于不同的小区或小区区域。这些小区属于相同的基站或不同的基站。在UTRA术语中，前者成为软软(softer)切换，后者成为软切换。一般的，提出的技术可在两种情况下应用，只要在共同的接收机单元可得到接收的信号。在UTRA中，可以和软软切换结合应用，其中在节点B可得到接收的信号。
在分集星阵列中使用天线子阵列(比如在分集星阵列中使用两个子阵列的四个天线星阵列，每个子阵列包括相距半波长的两个部件)是有用的，因为在上行链路中除了获得天线增益之外还获得空间的各种增益。原则上，在上行链路中进行天线合并主要有两种可能：
以同样的方式对所有天线进行计算，比如使用基于信道估计的合并。这时，提出的重复合并技术可如上所述加以应用，见图1。
天线合并可在两个步骤中实现。在第一步骤中，合并相同的子阵列接收的信号。在第二步骤中，合并子阵列的输出信号。在步骤一和步骤二中使用不同的合并算法，比如在步骤一中基于到达方向(DOA)的合并和在步骤二中基于信道估计的合并。如果步骤之一进行基于信道估计的合并，可以应用提出的重复合并技术。典型地，基于信道估计的合并(至少)在步骤二中进行，以获得分集增益。重复合并技术具有如图3所示的结构。同图1比较，N个子阵列可考虑作为相同的天线，其中假定M＝N MS，MS表示每个子阵列的部件个数。
图3表示结合N个天线子阵列的重复合并的应用例子。
图3和图1不同在于，使用多个天线阵列SA1到SAN而非单个天线部件。信道估计器的标号是37-1到37-N。
每个天线阵列发送一个输出信号，在一个实施方式中该输出信号是利用从接收的信号的到达方向(DOA)导出的相位信息而获得。众所周知，比如Butler矩阵可以用于准备基于方向的输出信号。这可以看作用于阵列的天线部件接收的信号合并处理的第一步骤。
接收信号的合并在两个步骤中进行，其中第二步骤中的合并是基于上述的重复信道估计。
实现第一步骤中的合并比如可利用盲信道估计而非基于DOA和比如上述的Butler矩阵。
提出了称为重复合并的多天线接收机结构。该技术合并重复信道估计以及多天线合并，从而重复地(至少两次)进行天线信号的合并，其中利用了在前更新的信道估计。该基本的接收机结构可应用于任何传输格式，比如TDMA或CDMA，以及任何接收天线星阵列，比如天线阵列或分集天线。同常规的接收机相比，解调和解码所需的计算的复杂性将近增长一倍。讨论了通用的实现方面并给出了专用系统例子。
参考：
[1]K.Kopsa，R.Weinmann，V.Braun，and M.Tangemann，“Space-Time Combining in the Uplink of UTRA/FDD，”2000 IEEEGlobal Communications Conference Globecom’00，pp.1844-1848，vol.3，Dec.2000.
[2]N.Nefedov und M.Pukkila，“Iterative Channel Estimation forGPRS，”Proc.PIMRC 2000，Sept.2000.See also U.S.Patent Application200I/0004390 A1，June 2001

Claims (9)

1.一种用于对通过无线接收机中多个天线接收的无线信号进行处理的方法，所述无线接收机具有至少下列之一：至少两个天线，每个天线在使用中发送天线信号；天线阵列的至少两个部件，每个天线部件发送天线信号；至少两个天线阵列，每个天线阵列具有多个天线部件并发送天线信号；
合并天线信号并发送合并的信号，
其中对每个天线信号进行重复的信道估计，用于控制天线信号的合并处理。
2.根据权利要求1的方法，其中回送来自位于合并器之后的某点的反馈信息，用于在重复的信道估计中进行处理。
3.根据权利要求1的方法，提供带有天线部件的天线阵列，天线部件组合成子阵列，合并从子阵列接收的信号，其中对每个子阵列进行重复的信道估计。
4.根据权利要求1的方法，提供带有天线部件的天线阵列，天线部件组合成子阵列，合并从天线部件接收的信号，其中对每个接收的信号进行重复的信道估计。
5.一种无线接收机，具有至少下列之一：具有至少两个天线，每个天线在使用中发送天线信号；和/或具有天线阵列的至少两个部件，每个天线部件发送天线信号；和/或具有至少两个天线阵列，每个天线阵列具有多个天线部件并发送天线信号；该无线接收机还包括至少一个信号合并模块，合并天线信号并发送合并的信号，该无线接收机也包括至少一个信道估计模块，对每个天线信号进行重复的信道估计，用于控制天线信号的合并处理。
6.根据权利要求5的无线接收机，该无线接收机包括带有天线部件的天线阵列，天线部件组合成子阵列。
7.根据权利要求5的无线接收机，该接收机从每个天线接收包括多个“分支”的信号，该接收机包括用于每个天线信号的多个信道估计，以及用于合并所述信号的空间-时间合并器，利用所有信道估计器的输出信号控制该合并器。
8.一种无线基站，包括无线接收机，该无线接收机至少具有下列之一：具有至少两个天线，每个天线在使用中发送天线信号；和/或具有天线阵列的至少两个部件，每个天线部件发送天线信号；和/或具有至少两个天线阵列，每个天线阵列具有多个天线部件并发送天线信号；该无线接收机还包括至少一个信号合并模块，合并天线信号并发送合并的信号，该无线接收机也包括至少一个信道估计模块，对每个天线信号进行重复的信道估计，用于控制天线信号的合并处理。
9.一种包括基站的移动通信系统，该基站包括无线接收机，该无线接收机至少具有下列之一：具有至少两个天线，每个天线在使用中发送天线信号；和/或具有天线阵列的至少两个部件，每个天线部件发送天线信号；和/或具有至少两个天线阵列，每个天线阵列具有多个天线部件并发送天线信号；该无线接收机还包括至少一个信号合并模块，合并天线信号并发送合并的信号，该无线接收机也包括至少一个信道估计模块，对每个天线信号进行重复的信道估计，用于控制天线信号的合并处理。
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