CN1475049A - 一种sinr估计方法以及实现该方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种SINR估计方法与估计装置，SINR估计方法包括以下步骤：将接收的被干扰信号映射到判决符号；将判决符号映射到QAM星座图上的点，以得到被估计有用信号。将接收的被干扰信号的I路和Q路进行延时操作；从接收的被干扰信号中减去被估计有用信号，从而得到被估计干扰信号。计算被估计干扰的功率与被估计有用信号的功率，并且通过被估计干扰功率与被估计有用信号功率来决定SINR。本发明提供的SINR估计方法与估计装置能够快速、精确地估计出SINR值，解决了其他方法中存在的快速、高复杂度等缺陷。

Description

一种SINR估计方法以及实现该方法的装置

技术领域

本发明涉及通信系统中测量SINR(Signal to Interference plus NoiseRatio)的方法以及实现该方法的装置，尤其涉及一种新型的、提高SINR测量精度的SINR测量方法，其中SINR指有用信号功率与干扰功率及噪声功率和之比。

背景技术

在无线通信中，为了控制和监控通信质量，在接收机端需要对SINR(有用信号功率与干扰功率及噪声功率和之比)进行测量。尤其在现代蜂窝移动通信中，在很多算法中都需要精确的SINR估计，例如功率控制、自动增益控制、Turbo译码等。在SINR测量方面，已经有很多的研究工作。

例如，M.D.Austin和G.L.Stuber提出一种使用训练序列的SINR测量方法。其测量精度取决于符号错误的统计特性(参见文献“In servicesignal quality estimation for TDMA cellular systems”inProc.PIMRC，1995，pp.836-840)。

Andersin在他的论文“Subspace based estimation of the signal tointerference ratio for TDMA cellular systems”(in Proc.VTC，Atlanta，GA，1996，pp.1155-1159)中提出了一种通过分析接收信号的方差矩阵的特征根来得到SINR的方法。

1998年，Turkboylarii和G.L.Stuber在他的论文“An efficientalgorithm for estimating the signal-to-interference ratio in TDMAcellular systems”(IEEE Trans.Commun.，vol.46，pp.728-73l，June1998)中提出了一种基于子空间的SINR测量方法。但是这种测量方法需要的时间太长，无法满足快速功率的要求，另外其较高的复杂度也是一个致命缺陷。

仿真结果表明后两种估计方法较第一种估计方法具有较好的性能。然而这两种估计方法具有较高的复杂度并需要较长的估计周期，从而其在实际中的应用，如快速功率控制。

WCDMA中是通过计算接收信号的方差来进行SINR估计。但这种估计方法有一个重要的条件，就是干扰信号的均值必须为零。在WCDMA系统和IS-2000系统中，采用PN码扩频来解决上述问题。然而这种方法需要导频信道，从而增加了冗余、降低了系统容量。因而这种估计方法在实际应用中具有一定的局限性。

以上提到的几种传统的SINR估计方法将导致低速、高复杂度，例如需要复杂的电路和复杂的算法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速、精确的无线链路SINR估计方法。

本发明的目的还在于提供一种SINR测量装置，通过一种简单的操作就可以进行高精度的SINR测量。

依据本发明，通过提供一种通信系统中的SINR测量装置来达到前述的目的，其包括：

一个解调器，将接收信号的I路和Q路转化到判决符号；

一个调制器，与解调器一起将判决符号映射到QAM星座图上，从而得到估计信号；

延时是指对接收信号的I路和Q路进行延时；

减法器是指从接收的受干扰的信号中减去估计有用信号从而得到估计的干扰信号；

平方和，与调制器和减法器一起计算干扰功率与有用信号的功率。

判决器，根据估计干扰功率与估计有用信号的功率来决定SINR。

另外，通过提供一种SINR测量方法来达到本发明前述的目的，其包括以下步骤：

将接收的被干扰信号映射到判决符号；

将判决符号映射到QAM星座图上的点，以得到被估计有用信号。

将接收的被干扰信号的I路和Q路进行延时操作；

从接收的被干扰信号中减去被估计有用信号，从而得到被估计干扰信号。

计算被估计干扰的功率与被估计有用信号的功率，并且

通过被估计干扰功率与被估计有用信号功率来决定SINR。

根据本发明，在实际的SINR较高时，SINR估计的精确相对较高。在一个蜂窝系统中，对于相对基站较近的用户来说，由于其信道估计更可靠并且来自邻小区的干扰较小，所以其SINR估计更加精确。另外，随着用于估计的时隙越多，估计的精确也更精确。

下面基于16QAM来具体描述该估计方法，其他调制方案同样适用于该估计方法。

附图说明

图1是该发明星座图判决反馈SINR估计方法原理框图；

图2框图是该发明第一种实施方式的SINR估计装置；

图3框图是该发明第二种实施方式的SINR估计装置；

图4是该估计方法的估计误差功率曲线；

图5是该估计方法的估计误差曲线；

图6是7小区结构的拓扑图。

具体实施方式

众所周知，在无线通信系统中，采用QAM调制或多相调制时发射信号分为I路信号和Q路信号两个部分。在扩频系统中，每一路数据信号被扩频码进行扩频得到扩频调制信号。通常情况下，QPSK调制应用到扩频信号的I路和Q路，得到的信号由发射机发送出去。在接收机端，具有一个天线、一个滤波器(将带外信号过滤掉)和一个积分解调器(解调扩频信号的I路与Q路)。

图1为本发明的星座图判决反馈SINR估计方法的原理框图。

参见图1，我们假设发射机端的调制信号的I路与Q路信号为(x，y)。而接收机端的判决器I路与Q路输出信号为 上述的坐标显示在图1的星座图上。从图1中可以很容易看出信号矢量与干扰矢量之间的关系。

理想的信号与干扰功率分别为：

S＝(x²+y²)，I＝(x-x′)²+(y-y′)²           (1)

其中S为理想的信号功率，I为理想的干扰功率，x为发射机端的被调制信号的I路，y为发射机端的被调制信号的Q路，x′为接收机端的解扩信号的I路，y′为接收机端的解扩信号的Q路。

被估计的信号与干扰功率分别为： $\hat{S}=({\hat{x}}^2+{\hat{y}}^2),\hat{I}={(\hat{x}-x^{\′})}^2+{(\hat{y}-y^{\′})}^2---\left(2\right)$

其中

为被估计的信号功率， 为被估计的干扰功率，

为判决器的I路输出，

为判决器的Q路输出，x’为接收机解扩信号的I路，y’为接收机解扩信号的Q路。

如果判决器的输出是正确的，则 $\hat{S}=S,\hat{I}=I---\left(3\right)$

通过一段时间的累计可以得到一个相对精确的结果。所以SINR可以通过下式得到： $S\hat{I}\mathrm{NR}=\frac{\underset{m=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{S}}_m}{\underset{m=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{I}}_m}---\left(4\right)$

其中T为累加的时隙个数，它取决于测量周期。

为第m个符号的被估计信号功率，

为第m个符号的被估计干扰功率。

图2框图是该发明第一种实施方式的SINR估计装置。

如图2所示，SINR估计装置包括一个解调器201，一个调制器204，延时模块202、203，减法器205、206，平方和模块207、208，累加平均器209、210和一个判决器211。

参见图2，解扩信号的I路与Q路(x′，y′)为实际的接收机接收信号，该信号输入到解调器201。然后，解调器201将该被干扰信号转化为判决符号，然后将判决符号输入到调制器204。从解调器201得到判决符号，由调制器204映射到16QAM星座图中的相应点，从而得到被估计的信号

在图2中，一对延时模块202、203用于将接收到的被干扰信号进行延时。在本实施方式中，延时模块的延时量等于被干扰的接收信号经过解调器201与解调器204的延时之和。参见图2，被延时的被干扰的接收信号为(x′，y′)，由调制器得到的被估计信号为

由减法器205、206可以得到被估计的干扰为 $(\hat{x}-x^{\′},\hat{y}-y^{\′}).$ 平方和模块207与减法器205相连计算被估计信号的功率，平方和模块208与减法器206相连计算被估计干扰的功率。累加平均模块209、210分别用于累加平均信号功率与干扰功率。判决器211根据式(4)来得到被估计的SINR。

在本发明中，有用信号从被干扰的信号中分离出来。而被干扰的信号与有用信号之差为干扰。然后由SINR估计装置来得到SINR估计值。

参见图2，下面将以第m个符号为例对该实施方式进行详细的说明。

以第m个符号为例，解调器201的输入信号的I路与Q路分别为x′_m，y′_m，也就是说解调器201的被干扰的接收信号为(x′_m，y′_m)，被干扰信号(x′_m，y′_m)为接收机的解扩器的输出。

解调器201的输出为判决符号。判决符号输入到调制器204，然后映射到星座图中的点

调制器204的输出为被估计信号 被估计信号功率为： ${\hat{S}}_m={\hat{x}}_m^2+{\hat{y}}_m^2---\left(5\right)$

被干扰信号为(x′_m，y′_m)通过延时模块202、203。我们假设解调器201与调制器204的延时之和为Δ，被干扰信号(x′_m，y′_m)与被估计信号

输入到减法器205、206，然后得到被估计的干扰为 $(x_m^{\′}-{\hat{x}}_m,y_m^{\′}-{\hat{y}}_m).$

被估计的干扰功率为 ${\hat{I}}_m={(x_m^{\′}-{\hat{x}}_m)}^2+{(y_m^{\′}-{\hat{y}}_m)}^2---\left(6\right)$

平方和模块207、208用于计算被估计的干扰功率

和被估计的信号功率

被估计的信号功率

和被估计的干扰功率 分别输入到累加平均模块209、210。我们假设T为累加的时隙数，则累加平均模块209、210的输出分别为 $\underset{m=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{S}}_m$ 和 $\underset{m=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{I}}_m.$ 则判决器211根据以下公式来估计SINR值。 $S\hat{I}\mathrm{NR}=10\log \frac{\underset{m=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{S}}_m}{\underset{m=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{I}}_m}---\left(7\right)$

图3框图是该发明第二种实施方式的SINR估计装置；

在这种实施方式中，星座图功率事先是已知的，所以没有必要再去估计有用信号功率。否则估计误差就会引入。

参见图3，下面以第m个符号为例来具体描述本实施方式。

在第m个符号时刻，解调器301的I路与Q路输出分别为x′_m，y′_m，则解调器301的输入被干扰信号为(x′_m，y′_m)。被干扰信号为(x′_m，y′_m)为接收机端解扩器的输出。

解调器301的输出为判决符号。判决符号作为调制器304的输入信号然后映射到星座图上的点

调制器304为被估计信号 则被估计信号功率为： ${\hat{S}}_m={\hat{x}}_m^2+{\hat{y}}_m^2---\left(8\right)$

被干扰信号(x′_m，y′_m)通过延时模块302，303。延时模块的延时Δ应当等于解调器301与调制器304的延时之和。被干扰信号(x′_m，y′_m)和被估计有用信号 输入到减法器305，306，则被得到被估计的干扰 $(x_m^{\′}-{\hat{x}}_m,y_m^{\′}-{\hat{y}}_m).$

被估计的干扰功率为： ${\hat{I}}_m={(x_m^{\′}-{\hat{x}}_m)}^2+{(y_m^{\′}-{\hat{y}}_m)}^2---\left(9\right)$

平方和模块307用于计算被估计的干扰功率

被估计的干扰功率 输入到累加平均模块309。假设T为累加的时隙数，则累加平均模块309的输出为 $\underset{m=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{I}}_m.$

在本实施方式中，在图2中的估计信号功率的部分被星座图功率模块308直接代替。在这种SINR估计方法中，由于星座图功率是事先知道的，所以只需估计干扰功率。干扰功率的估计方法等同于第一种实施方式。SINR判决模块310根据下式估计出SINR。 $S\hat{I}\mathrm{NR}=\frac{S_{\mathrm{constellation}}}{\frac{1}{T}\underset{m=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{I}}_m}---\left(10\right)$

其中S_{constellation}为星座图功率，T为累中时隙数， 为被估计干扰功率。

从以上的描述可以看出，基于星座图判决反馈的SINR估计方法可以快速、准确的估计出SINR值。

图4是该估计方法的估计误差功率曲线；图5是该估计方法的估计误差曲线；图6是7小区结构的拓扑图。

参见图4的仿真结果，本仿真采用了20ms的帧长，每帧中包括160个时隙。采用的7小区的拓扑结构如图6所示。图4给出了SINR估计方差σ²与基站到移动台的规一化距离之间的关系，估计方差σ²以dB为单位。

图5为该估计方法的估计错误功率曲线。

参见图5的仿真结果，本仿真采用了20ms的帧长，每帧包括160个时隙，采用的7小区的拓扑结构如图6所示。图5给出了SINR估计错误功率Δ²与基站到移动台的规一化距离之间的关系，估计方差Δ²以dB为单位。

估计方差σ²的定义为： ${\mathrm{\σ}}^2=\frac{E\left[{(\mathrm{SIR}-{\mathrm{SIR}}^{\′})}^2\right]}{E\left[{\mathrm{SIR}}^2\right]}=\frac{\underset{T}{\mathrm{\Σ}}{({\mathrm{SIR}}_i-{\mathrm{SIR}}_i^{\′})}^2}{\underset{T}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{SIR}}_i^2}$

估计错误功率Δ²定义为： ${\mathrm{\Δ}}^2=\frac{E\left|{(\mathrm{\ξ}-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ξ}})}^2\right|}{E\left[{(\mathrm{SIR}-\stackrel{\‾}{\mathrm{SIR}})}^2\right]}$

其中

SIR：每个时隙的SIR的真实值；

SIR′：每个时隙的SIR估计值；

T：累加的时隙数；

ξ：ξ＝SIR-SIR′。

Claims (8)

1.通信系统中的一种SINR估计装置，其特征在于，包括：

一个解调器，将接收信号的I路和Q路转化到判决符号；

一个调制器，与解调器一起将判决符号映射到QAM星座图上，从而得到估计信号；

延时是指对接收信号的I路和Q路进行延时；

减法器是指从接收的受干扰的信号中减去估计有用信号从而得到估计的干扰信号；

平方和模块，与调制器和减法器一起计算干扰功率与有用信号的功率；

判决器，根据估计干扰功率与估计有用信号的功率来决定SINR。

2.根据权利要求1所述的通信系统中的一种SINR估计装置，其特征在于，还包括累加平均模块，用于估计被估计信号与干扰的平均功率值。

3.根据权利要求1和/或2所述的通信系统中的一种SINR估计装置，其特征在于，还包括星座图功率模块，用于输出星座图功率，以决定信号功率。

4.根据权利要求1至3所述的通信系统中的一种SINR估计装置，其特征在于，根据下面的公式来决定SINR估计值： $S\hat{I}\mathrm{NR}=10\log \frac{\underset{m=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{S}}_m}{\underset{m=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{I}}_m}$

其中， 为SINR估计，

为m符号时刻被估计信号功率，

为m符号时刻被估计干扰功率，T为累加时隙数。

5.通信系统中的一种SINR估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

将接收的被干扰信号映射到判决符号；

将判决符号映射到QAM星座图上的点，以得到被估计有用信号；

将接收的被干扰信号的I路和Q路进行延时操作；

从接收的被干扰信号中减去被估计有用信号，从而得到被估计干扰信号；

计算被估计干扰的功率与被估计有用信号的功率，并且

通过被估计干扰功率与被估计有用信号功率来决定SINR。

6.根据权利要求5所述的通信系统中的一种SINR估计方法，其特征在于，包括以下步骤：通过对被估计信号与被估计干扰进行累加操作来估计信号功率与干扰功率。

7.根据权利要求5与6所述的通信系统中的一种SINR估计方法，其特征在于，包括以下步骤：由星座图功率输出模块来得到信号功率。

8.根据权利要求5至7所述的通信系统中的一种SINR估计方法，其特征在于，包括以下步骤：根据下面的公式来估计SINR值， $S\hat{I}\mathrm{NR}=10\log \frac{\underset{m=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{S}}_m}{\underset{m=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{I}}_m}$ 其中， 为SINR估计，

为m符号时刻被估计信号功率， 为m符号时刻被估计干扰功率，T为累加时隙数。

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