DE10228740A1

DE10228740A1 - Verfahren zur Ermittlung von Nutzsignalparametern und Störsignalparametern aus einem Empfangssignal eines Funkkommunikationssystems

Info

Publication number: DE10228740A1
Application number: DE2002128740
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Frey; Thomas Grundler; Mario Kiessling; Markus Dr. Reinhardt; Alexander Dr. Seeger; Ingo Viering
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2004-01-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Nutzsignalparametern und Störsignalparametern aus einem Empfangssignal eines Funkkommunikationssystems, bei dem aus dem Empfangssignal einerseits anhand einer kohärenten Kurzzeitmittelung und einer inkohärenten Langzeitmittelung Nutzsignalparameter und andererseits anhand einer inkohärenten Langzeitmittelung Störsignalparameter durch Schätzung gewonnen werden. Aus den geschätzten Nutzsignalparametern und aus den geschätzten Störsignalparametern werden optimierte Nutzsignalparameter und optimierte Störsignalparameter mit jeweils kompensiertem Schätzfehler gewonnen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Nutzsignalparametern und Störsignalparametern aus einem Empfangssignal eines Funkkommunikationssystems, bei dem aus dem Empfangssignal einerseits anhand einer kohärenten Kurzzeitmittelung und einer inkohärenten Langzeitmittelung geschätzte Nutzsignalparameter und andererseits anhand einer inkohärenten Langzeitmittelung geschätzte Störsignalparameter gewonnen werden.

Bei einem Funkkommunikationssystem bzw. bei einem Mobilfunksystem weisen Funkübertragungskanäle sowohl Kurzzeiteigenschaften als auch Langzeiteigenschaften auf, die empfangsseitig sowohl Nutzsignalparameter als auch Störsignalparameter eines Empfangssignals beeinflussen.

Dabei werden die Kurzzeiteigenschaften empfangsseitig typischerweise durch sogenanntes „Fast-Fading" (Interferenzsituations-Änderungen) oder durch im Wellenlängenbereich liegende Bewegungen eines mobilen Teilnehmers beeinflusst, während die Langzeiteigenschaften typischerweise durch Umgebungsänderungen beeinflusst werden, z.B. durch Verschiebungen von Funkausbreitungspfaden, die sich empfangsseitig bezüglich Einfallswinkel oder Verzögerungszeiten oder durch Abschattung verändern.

Um Teilnehmersymbole eines Empfangssignals kohärent detektieren zu können, werden zur Detektion die Kurzzeiteigenschaften als aktuelle Funkübertragungskanaleigenschaften benötigt, die als Kanalimpulsantworten nach Betrag und Phase mit Hilfe von vorbekannten Trainingssymbolen aus dem Empfangssignal abschätzbar sind.

Durch eine kohärente Mittelung wird bei den Kanalimpulsantworten im Vergleich zum Empfangssignal ein erhöhter Signal-Störabstand (SNR) erreicht. Bei der kohärenten Mittelung ist eine Mittelungslänge mit einer Obergrenze vorgegeben, die abhängig von schnell erfolgende Änderungen des Funkübertragungskanals festgelegt wird.

Zusätzlich sind die Trainingssymbole systembedingt in ihrer Anzahl begrenzt. Bei einem theoretisch maximal zu erreichenden Signal-Störabstand kommt es somit ebenfalls zu einer Begrenzung.

Diejenigen Eigenschaften des Funkübertragungskanals, die sich vergleichend zu den Impulsantworten über längere Beobachtungszeiten verändern (Laufzeitverzögerungen, Änderungen des Signal-Störabstands, Änderungen bei zu bestimmenden Kovarianzmatrizen, u.s.w.) werden als Langzeitparameter mit Hilfe einer inkohärenten Langzeitmittelung aus dem Empfangssignal bestimmt. Dadurch ist bei den Langzeitparametern eine deutlich höhere Zuverlässigkeit als bei den Impulsantworten zu erzielen. Die Langzeitparameter wiederum basieren auf den Impulsantworten.

Bei einer Erhöhung der Mittelungslänge wird hier jedoch der Signal-Störabstand SNR bei der Schätzung der Langzeitparameter nicht verbessert, sondern lediglich die Varianz der Langzeitparameter geht gegen null.

Störsignalparameter, die in der Regel mit Hilfe einer inkohärenten Langzeitmittelung aus einem Empfangssignal ermittelt werden, enthalten neben den tatsächlichen Störsignalanteilen noch Nutzsignalanteile und verhalten sich bezüglich ihrer Varianz entsprechend.

Nutzsignalparameter, die in der Regel mit Hilfe einer kohärenten Kurzzeitmittelung und einer inkohärenten Langzeitmittelung aus einem Empfangssignal durch Schätzung ermittelt werden, enthalten neben den tatsächlichen Nutzsignalanteilen noch Störsignalanteile.

Selbst bei einer theoretisch unendlich andauernden Mittelung verbleibt somit ein systematischer Schätzfehler sowohl bei den Nutzsignalparametern als auch bei den Störsignalparametern, die bei praktischen Anwendungen im allgemeinen vernachlässigt werden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mit geringem Schätzfehler behaftete Nutz- und Störsignalparameter aus einem Empfangssignal zu gewinnen.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden die beschriebenen systematischen Schätzfehler sowohl bei den Nutzsignalparametern als auch bei den Störsignalparametern vollständig kompensiert.

Die Nutzsignalparameter und die Störsignalparameter werden mit Hilfe herkömmlicher Methoden geschätzt und einer erfindungsgemäßen gegenseitigen Kompensation des Schätzfehlers zur Gewinnung von optimierten Nutzsignalparametern bzw. optimierten Störsignalparametern zugeführt.

Alternativ ist es erfindungsgemäß möglich, aus den mit dem systematischen Schätzfehler behafteten geschätzten Nutzsignalparameter bzw. geschätzten Störsignalparameter ein Ergebnis zu gewinnen und den Schätzfehler nachträglich zu kompensieren. Dabei wird vorteilhaft benötigte Rechenkomplexität reduziert.

Besonders bei Anwendungen mit sehr niedrigem Signal-Störabstand (wie beispielsweise bei einem auf Antennensignalen angewendeten Beamforming-Verfahren) werden durch die erfindungsgemäße Kompensation des Schätzfehlers je nach Anwendung beträchtliche Übertragungsverbesserungen erreicht.

Je nach Übertragungs-Szenario hat ein vernachlässigter Schätzfehler starke negative Auswirkungen, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens verhindert werden.

Besonders vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren beim sogenannten „DS-CDMA-Funkkommunikationssystem", bei dem Teilnehmersignale mit Hilfe von quasi-orthogonalen Codes übertragen werden, eingesetzt. Hier ist der Nutzsignalanteil beim Empfangssignal gegenüber dem Störsignal sehr klein. Bislang wurden üblicherweise die Störsignalparameter durch Schätzung ermittelt und inklusive Schätzfehler zur Eliminierung eines Störsignalanteils bei den Nutzsignalparametern verwendet. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist zukünftig dieser Schätzfehler vollständig kompensierbar.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von fünf Anwendungsbeispielen näher erläutert.
Ein erstes Beispiel zeigt eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Bestimmung eines Signal-Störabstands SNR.
Im folgenden Beispiel gilt:
S Nutzsignalleistung als optimierter Nutzsignalparameter,
N Störsignalleistung als optimierter Störsignalparameter,
S' Nutzsignalleistung als geschätzter Nutzsignalparameter, und
N' Störsignalleistung als geschätzter Störsignalparameter.
Der geschätzte Nutzsignalparameter S' bzw. der geschätzte Störsignalparameter N' beinhaltet jeweils einen Anteil des anderen Signalparameters sowie einen zusätzlichen Schätzfehler ΔS bzw. ΔN, der durch eine nur endlich durchgeführte Langzeitmittelung bedingt wird.
Es gilt somit:
S' = S + k⋅N + ΔS
N' = N + g⋅S + ΔN Die beiden Faktoren k bzw. g werden als vorbekannt betrachtet.
Der Faktor k ist nur von der kohärenten Mittelungslänge abhängig, nicht jedoch von der endlichen Langzeitmittelungslänge.
Der Faktor k ist beispielsweise indirekt proportional zur kohärenten Kurzzeit-Mittelungslänge (beispielsweise zur Chipanzahl pro Pilotsymbol multipliziert mit der Pilotsymbolanzahl) und direkt proportional zum Leistungsanteil der Trainingssequenz am Gesamtsignal.
Der Faktor k wird mit zunehmender kohärenter Kurzzeit-Mittelungslänge geringer und ist typischerweise erheblich kleiner als Eins. Die Langzeitmittlung verringert die Varianz der Schätzwerte, wodurch ΔS bzw. ΔN gegen Null streben.
Für den geschätzten Störsignalparameter N' ist im allgemeinen eine kohärente Mittelung nicht durchführbar.
Der Faktor g ist von einer endlichen Langzeit-Mittelungslänge unabhängig. In den meisten Fällen ist g = 1.
Der oben genannte Nutzsignalparameter S' wird mit Hilfe einer kohärenten Kurzzeitmittelung und einer inkohärenten Langzeitmittelung aus einem Empfangssignal geschätzt während mit Hilfe einer inkohärenten Langzeitmittelung aus dem Empfangssignal der Störsignalparameter N'' geschätzt wird.
Im folgenden wird zur Vereinfachung eine ideale inkohärente Langzeitmittelung angenommen, d.h. ΔS = 0 bzw. ΔN = 0.
Nun wird erfindungsgemäß der optimierte Nutzsignalparameter S und der optimierte Störsignalleistung N mit kompensiertem Schätzfehler bestimmt. Mit g = 1 ergibt sich:
S'' = S + k⋅N
N'' = N + S
und aufgelöst:
Der Signal-Störabstand SNR kann nun mit eliminiertem Schätzfehler ermittelt werden:
SNR = S/N.
Alternativ dazu kann zuerst ein mit Schätzfehler behafteter Signal-Störabstand SNR' ermittelt werden:
SNR' = S''/N'
und nachfolgend der Schätzfehler kompensiert werden:
Ein zweites Beispiel zeigt eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Kovarianzmatrix-Schätzung.
Viele Beamforming-Verfahren basieren auf einer sogenannten „Nutzsignal-Kovarianzmatrix" R_ss bzw. auf einer sogenannten Störsignal-Kovarianzmatrix R_nn.
Ähnlich zum ersten Beispiel werden geschätzte Parameter der Nutzsignal-Kovarianzmatrix R_ss' mit Hilfe einer kohärenten Kurzzeitmittelung und einer inkohärenten Langzeitmittelung aus einem Empfangssignal gewonnen, während mit Hilfe einer inkohärenten Langzeitmittelung aus dem Empfangssignal geschätzte Parameter einer Störsignalkovarianzmatrix R_nn' gewonnen werden.
Im Folgenden gilt:
R_ss als optimierte Nutzsignal-Kovarianzmatrix,
R_nn als optimierte Störsignal-Kovarianzmatrix,
R_ss' als geschätzte Nutzsignal-Kovarianzmatrix, und
R_nn' als geschätzte Störsignal-Kovarianzmatrix.
Nach Kompensation des Schätzfehlers ergibt sich die optimierte Nutzsignal-Kovarianzmatrix R_SS bzw. die optimierte Störsignal-Kovarianzmatrix Rnn zu:
Abhängig vom eingesetzten Verfahren können – verglichen mit Beispiel 1 – wiederum zunächst die fehlerbehafteten geschätzten Matrizen verarbeitet werden und erst nachfolgend die erfindungsgemäße Kompensation durchgeführt werden.
Ein drittes Beispiel zeigt eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim sogenannten „Eigen-Beamforming".
Das Eigen-Beamforming-Verfahren basiert auf Eigenwerten und Eigenvektoren der oben genannten Kovarianzmatrizen.
Die zugrundegelegte Eigenwert-Gleichung lautet:
Verwendet man anstelle der korrekten, optimierten Kovarianzmatrizen R_ss bzw. R_nn die fehlerbehafteten, geschätzten Kovarianzmatrizen R_ss' bzw. R_nn', so erhält man als Eigenwertgleichung:
Diese Gleichungen ergeben gleichartige Eigenvektoren mit sich unterscheidenden optimierten Eigenwerten λ bzw. fehlerbehafteten Eigenwerten λ'.
Es gilt:
Ein viertes Beispiel zeigt eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim sogenannten „Fixed-Beamforming.
Beim Fixed-Beamforming-Verfahren wird aus einer Menge unveränderlicher Strahlungsdiagramme (Beams) beispielsweise anhand des Signal-Störabstands ein Beam oder mehrere Beams ausgewählt.
Jeder einzelne Beam i bzw. jedes einzelne Beamsignal lässt sich durch einen Zeilenvektor w _i ^H darstellen, der jeweils zugeordnete komplexe Antennengewichtsfaktoren enthält.
Sowohl Nutzsignalleistung S_i als auch Störsignalleistung N_i beim i-ten Beam lassen sich in Abhängigkeit von den Kovarianzmatrizen R_ss bzw. R_nn angeben:
Die Verwendung der fehlerbehafteten geschätzten Kovarianzmatrizen führt zu den fehlerbehafteten Leistungen:
Wie im ersten Beispiel lautet das Kompensationsschema für die zugehörigen optimierten Signal-Störabstände SNR bzw. für die fehlerbehafteten Signal-Störabstände SNR':
Ein fünftes Beispiel zeigt eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim sogenannten „Hybriden-Beamforming".
Beim Hybriden-Beamforming ist in einer ersten Stufe ein sogenannter Fixed-Beamformer enthalten. Die Kompensation des Schätzfehlers wird wie oben beschrieben durchgeführt.
Der ersten Stufe ist eine zweite Stufe nachgeschaltet und beinhaltet einen Eigen-Beamformer, der nun auf den entsprechenden Beamsignalen arbeitet. Die Kompensation der Eigenwerte ist davon nichtbetroffen.
Bei den oben beschriebenen Beamforming-Verfahren entstehen besonders dann erhebliche Gewinne durch die jeweiligen Kompensationen, wenn die Störsignal-Kovarianzmatrix (als Interferenz- bzw. Noise-Kovarianzmatrix) keine Einheitsmatrix ist. Dies ist der Fall, wenn räumlich gerichtete Störungen vorliegen.
Dann erreicht ein Störsignal relativ leicht die Größenordnung des eigentlichen Nutzsignals, wodurch die Auswahl von geeigneten Beams für den Empfang bzw. für eine Störsignalunterdrückung erheblich gestört wird.
Durch die im zweiten bis fünften Beispiel dargestellten Kompensationsschemata wird dieser Nachteil überwunden.

Claims

Verfahren zur Ermittlung von Nutzsignalparametern und Störsignalparametern aus einem Empfangssignal eines Funkkommunikationssystems – bei dem aus dem Empfangssignal einerseits anhand einer kohärenten Kurzzeitmittelung und einer inkohärenten Langzeitmittelung Nutzsignalparameter und andererseits anhand einer inkohärenten Langzeitmittelung Störsignalparameter durch Schätzung gewonnen werden, – bei dem aus den geschätzten Nutzsignalparametern und aus den geschätzten Störsignalparametern optimierte Nutzsignalparameter und optimierte Störsignalparameter mit jeweils kompensiertem Schätzfehler gewonnen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine optimierte Nutzsignalleistunq S als Nutzsignalparameter und eine optimierte Störsignalleistung N als Störsignalparameter N bestimmt werden durch:
mit k als Rauschunterdrückungsfaktor, mit S' als geschätzter Nutzsignalleistung und mit N' als geschätzter Störsignalleistung.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem ein schätzfehlerkompensierter Signal-Störabstand SNR bestimmt wird durch:
mit SNR' = S'/R' als schätzfehlerbehaftetem Signal-Störabstand.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem bei einer Kovarianzmatrix-Schätzung Parameter einer optimierten Nutzsignal-Kovarianzmatrix R_ss und einer optimierten Störsignal-Kovarianzmatrix R_nn bestimmt werden durch:
mit R_ss' als Nutzsignal-Kovarianzmatrix mit geschätzten Nutzsignalparametern, mit R_nn' als Störsignal-Kovarianzmatrix mit geschätzten Störsignalparametern, mit R_ss als Nutzsignal-Kovarianzmatrix mit optimierten Nutzsignalparametern und mit R_nn als Störsignal-Kovarianz-matrix mit optimierten Störsignalparametern.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem bei einem Eigen-Beamforming-Verfahren optimierte Eigenwerte λ_i bestimmt werden durch:
mit w_i'= w_i als Eigenvektoren, und bei dem optimierte Eigenwerte λ_i bzw. geschätzte Eigenwerte λ_i' bestimmt werden durch:
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem bei einem Fixed-Beamforming-Verfahren eine optimierte Nutzsignalleistung S_i und eine optimierte Störsignalleistung N_i eines i-ten Beams bestimmt werden durch:
mit S_i'' als geschätzte Nutzsignalleistung und mit N_i' als geschätzte Störsignalleistung.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem ein i-ter optimierter Signal-Störabstand SNR bestimmt wird durch:
als schätzfehlerbehaftetem Signal-Störabstand.