DE60201765T2

DE60201765T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Schätzung der Kovarianzmatrix des Übertragungskanals eines UMTS-Systems

Info

Publication number: DE60201765T2
Application number: DE60201765T
Authority: DE
Inventors: Pascal Chevalier; Jean-Marie Chaufray; Philippe Loubaton
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2001-02-27
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2022-02-23
Also published as: ATE281729T1; CA2374095A1; FR2821502A1; EP1235399A1; EP1235399B1; US7062227B2; DE60201765D1; US20020150176A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schätzen eines Übertragungskanals ausgehend von seinen Statistiken.
Sie wird in den Mobiltelefonienetzen der dritten Generation, allgemein UMTS genannt, angewandt.
Sie kann auch auf Multiaufnehmer-Empfänger für messtechnische Funktionen, Steigerung der Kapazität oder auch Funküberwachung angewandt werden.
Bei einem Übertragungssystem, insbesondere durch Funkwellen, sendet ein Sender ein Signal in einen Übertragungskanal in Richtung eines Empfängers. Das gesendete Signal erfährt in dem Übertragungskanal Amplituden- und Phasenschwankungen, das von dem Empfänger empfangene Signal besteht aus zeitlich versetzten und modifizierten Kopien des gesendeten Signals. Die Schwankungen des Signals und die Verschiebungen erzeugen das, was der Fachmann Intersymbolinterferenz nennt. Die Interferenz geht insbesondere aus dem Modulationsgesetz hervor, das für die Übertragung verwendet wird, und auch aus der Multibahnausbreitung in dem Kanal.
Das empfangene Signal stammt im Allgemeinen aus einer großen Anzahl von Reflektionen in dem Kanal, wobei die von dem gesendeten Signal verschiedenen eingeschlagenen Bahnen zu unterschiedlichen Verzögerungen auf der Ebene der Empfänger führen. Die Impulsantwort des Kanals stellt daher die Summe der Schwankungen dar, welchen das gesendete Signal unterworfen ist.
Das Erscheinen in Kürze der UMTS-Netze zwingt die Ausstatter dazu, die Werkzeuge der Messtechnik zur Ka pazitätssteigerung oder Funküberwachung an diese neue Norm anzupassen. Die Leistungen dieser Werkzeuge beruhen zum Teil auf einer Schätzung der Wirkung, die von dem Ausbreitungsmilieu (dem Funkkanal) auf den von den verschiedenen Entitäten des Netzes (Basisstation, Mobilstation usw.) gesendeten Signalen erzeugt wird.
Dieser Vorgang wird Schätzung des Übertragungskanals genannt. Er erlaubt es insbesondere, der Ausbreitungswirkung entgegen zu wirken, um die Qualität des empfangenen Signals zu verbessern (Abgleich) oder um Informationen hervortreten zu lassen, die das Ausbreitungsmilieu betreffen (Ankunftsrichtungen, Verzögerung der Bahnen), um räumliche Behandlungen, wie zum Beispiel die Goniometrie anzuwenden.
MODELLIERUNG
Gesendetes Signal
Die Zusammensetzung des UMTS-Signals, das von einer Basisstation zu den Mobiltelefonen gesendet wird (Abwärtsverbindungen), kann zum Beispiel gemäß dem in 1 gegebenen Schema modelliert werden.
Das Signal s(t) besteht aus mehreren Rahmen, wobei jeder Rahmen mit fixer Dauer eine bestimmte Anzahl von Schlitzen umfasst. Zum Beispiel zählt ein Rahmen zu 10 ms 15 Schlitze.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Modulators für die Abwärtsverbindung (Basisstation zu den Mobiltelefonen).
Die Symbole Q-PSK (angelsächsisch: Quadrature Phase Shift keying), geschrieben b_q(0), ..., b_q(Ns – 1), die für einen Benutzer q bestimmt sind, werden zuerst mit einem Leistungsfaktor μ_q multipliziert, wobei Ns die Anzahl der zu diesem Benutzer gesendeten Symbole ist. Jedes Symbol wird anschließend von einer Sequenz moduliert, die Ausbreitungssequenz genannt wird (bezeichnet mit dem angelsächsischen Ausdruck Spreading), notiert c_q zu ±1 und mit der Größe Nq (Ausbreitungsfaktor). Daher formt man ausgehend vom Symbol b_q(l) die Folge μ_qb_q(l)c_q(0), ..., μ_qb_q(l)c_q(N_q – 1), wobei l der Index des Symbols ist.
Die Sequenzen c_q sind orthogonal, so dass
wenn p = q
anderenfalls = 0
Die so geformten Folgen werden dann Glied für Glied mit einer Folge von Symbolen, (±1 ±i), Scrambling-Code s genannt, multipliziert. Diese Folge ist periodisch, mit Rahmenperiode und wird so aufgebaut, dass ein Zufallssignal simuliert wird.
Das daraus hervorgehende Signal, das zu senden ist, wird daher wie folgt geschrieben:
wobei s(n) Scrambling in einem gegebenen Augenblick n ist
wobei ⌊⌋ den Operator „ganzer Teil" und [] den Operator „Modulo" bezeichnet. Das kann auch wie folgt geschrieben werden:
wobei
Dieses Signal läuft durch ein Sendefilter und wird dann von der Basisstation zu den Mobiltelefonen verteilt.
Von einem Mobiltelefon empfangenes Signal
Das Signal wird auf einem Aufnehmernetz empfangen, nachdem es den Funkkanal durchquert hat. Nach dem Abtasten kann es die folgende Form annehmen:

– wobei die fettgedruckten Zeichen Vektoren bezeichnen und
– L der Ausbreitung des Kanals ausgedrückt in Anzahl Chips, den Indizes n und der k Chips entspricht.
– x(n) stellt Folgendes dar
• Wenn man im Chiprhythmus abtastet, ist x(n) der Vektor der im Augenblick n auf jedem Aufnehmer empfangenen Signale.
• Wenn man mit einem Rhythmus, der einem Chip/2 entspricht, überabtastet, ist x(n) der Vektor der in dem Augenblick n und n + Chip/2 empfangenen Signale.
– h(k) ist der Multiaufnehmerkanal und
– b(n) ist ein zusätzliches Rauschen, das die Interferenzen, die von den anderen Basisstationen stammen, und das thermische Rauschen zusammenfasst.

Von einer Station empfangenes Signal
3 stellt schematisch eine Modellierungsmöglichkeit der Aufwärtsverbindung (Mobilstation zu einer Basisstation) dar, die unten im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens detailliert beschrieben wird.
BEKANNTE VERFAHREN
Zahlreiche Verfahren sind bekannt, um die Antwort eines Übertragungskanals zu schätzen.
Zum Beispiel geht ein klassisches Verfahren durch Korrelation des empfangenen Signals vor, mit versetzten Versionen einer bekannten Lernsequenz des Empfängers, von welcher nur die Schritte unten in Erinnerung gerufen werden, die zum Verstehen der Erfindung erforderlich sind.
Für einen Benutzer O erfolgt zum Beispiel die Schätzung der Impulsantwort des Kanals herkömmlich durch Korrelieren mehrerer versetzter Versionen des empfangenen Signals x(n + k) (wobei eine Version um den Abtastwert k versetzt wird) durch die folgende Lernsequenz:
wobei P die Zahl der Lernsymbole darstellt und N₀P die Anzahl der Lernchips oder Treiberchips
Unter Gruppieren der Gleichungen (1), (2), (3) und (4), entspricht der Ausdruck des geschätzten Kanals (5):
Die Eigenschaften der Sequenzen d_q(n) bewirken, dass (6):
wenn k = l
anderenfalls
Daher wird der Schätzwert der Impulsantwort des Kanals in Abhängigkeit insbesondere von der Antwort des Kanals h(k) und drei Gliedern ausgedrückt, die für die existierenden Interferenzen repräsentativ sind (7):

• wobei Q die Zahl der Benutzer des Übertragungskanals ist,
• l, k Indizes sind, die Chips entsprechen, und
• n der Index des betrachteten Augenblicks ist

Drei Interferenzentypen, die die Schätzung stören, werden daher identifiziert:

• das erste Glied entspricht den Autokorrelationen der Sequenz d₀,
• das zweite Glied der Interferenz der anderen Benutzer und
• das dritte Glied stellt den Beitrag des äußeren und des thermischen Rauschens dar.

Diese Technik ist leistungsfähig, wenn die Lernsequenz lang ist, und wenn sich der Übertragungskanal im Laufe der Zeit nicht oder wenig entwickelt. Bei dem Fall einer schnellen Variation des Übertragungskanals wird es erforderlich, über ziemlich kurze Dauern zu schätzen.
Eine weitere Technik, die unter der Bezeichnung „Technik der geringsten Quadrate" bekannt ist, erlaubt es, die vorhergehende Methode zu verbessern, indem man sich der Autokorrelationen der Lernsequenz entledigt.
Die Patentschrift FR 2 762 164 offenbart ein Verfahren zum Schätzen der Impulsantwort eines Übertragungskanals, das die Schätzung der räumlich-zeitlichen Kovarianzmatrix Γ der Impulsantwort des Kanals verwendet. Das Verfahren geht davon aus, dass das Schätzungsrauschen weiß ist, mit der Leistung B und unabhängig vom Kanal.
In diesem Fall wird die Matrix Γ geschätzt durch, Γ ^ = Δ ^ – B| wobei Δ die räumlich-zeitliche Kovarianzmatrix des geschätzten Kanals ist. Ist B unbekannt, kann es durch den kleinsten Eigenwert der geschätzten Matrix Δ geschätzt werden, es kann auch auf einen Schwellenwert festgelegt werden. Eine solche Annahme eignet sich perfekt für ein System, bei dem ein Übertragungskanal einem Benutzer zugeordnet ist, zum Beispiel dem GSM-System. Andererseits betrifft die vorgeschlagene Tech nik Empfänger mit einem Aufnehmer.
Hingegen eignet sich ein solches Verfahren nicht mehr für Signale, die mehrere Benutzer umfassen, wie zum Beispiel das UMTS, bei dem das Rauschen weder weiß noch vom Kanal unabhängig ist, insbesondere aufgrund der Multibenutzerinterferenz.
Das Dokument mit dem Titel „A parametric spatio-temporel channel estimation technique for FDD UMTS uplink" von Chenu-Tournier et al., veröffentlicht in den Proceedings of the 2000 IEEE Sensor array and Multichannel signal processing workshop, 16.–17. März 2000, Seiten 12–16, XP0021179594 IEEE, Piscataway, NJ, USA, und das Dokument von Mesmezieres et al. mit dem Titel „Polarization in space-time processing for propagation channel identification", Proceedings of 1999 2^ND workshop on signal processing advances in wireless, 9.–12. Mai 1999, Seiten 395–398, IEEE, Piscataway, NJ, USA beschreiben autodidaktische oder blinde Kanalschätzungstechniken ausgehend von Multi-Aufnehmern. Diese Techniken erlauben es insbesondere, eine Multiaufnehmer-Impulsantwort zu schätzen.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schätzen eines Übertragungskanals ausgehend von seinen Statistiken, die selbst unter Ausdrücken insbesondere des Rauschens ausgehend von der empirischen Korrelationsmatrix der Beobachtungen geschätzt werden.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schätzen der Impulsantwort h eines Übertragungskanals in einem System, das mindestens einen oder mehrere Aufnehmer umfasst, das mindestens eine Stufe des Schätzens der Statistiken des zusätzlichen Rauschens umfasst, das sich aus Interferenzen ergibt, und des thermischen Rauschens des empfangenen Signals auf der Basis von Statistiken. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe des Schätzens der Kovarianzmatrix des Rauschens zum Beispiel ausgehend von der empirischen Kovarianzmatrix der Beobachtungen und der Anzahl der Treiberchips N₀P einer Lernsequenz HR ^_x durchgeführt wird, die mit dem Signal übertragen wird, wobei die Kovarianzmatrix des Rauschens in der folgenden Form ausgedrückt wird
wobei P die Zahl der Lernsymbole angibt.
Das Verfahren wird zum Beispiel zum Schätzen der Impulsantwort eines Übertragungskanals im UMTS-Bereich für Aufwärts- und/oder Abwärtsverbindungen zwischen einer Basisstation und einer oder mehreren Mobilstationen verwendet.
Die Erfindung betrifft auch eine Empfangsvorrichtung, die dafür ausgelegt ist, die Impulsantwort eines Übertragungskanals zu schätzen, der einen oder mehrere Aufnehmer zum Empfang eines Signals, ein Mittel zum Abtasten des empfangenen Signals, ein Mittel, das dafür ausgelegt ist, das Rauschen auf der Basis von Statistiken des Kanals zu schätzen, umfasst.
Der erfindungsgemäße Empfänger kann ein Mittel umfassen, das dazu ausgelegt ist, das Rauschen ausgehend von der empirischen Kovarianzmatrix der Beobachtungen R ^_x und der Zahl der Treiberchips N₀P einer Lernsequenz zu schätzen, die mit dem Signal übertragen wird, wobei die Kovarianzmatrix des Rauschens in folgender Form ausgedrückt wird
wobei P die Zahl der Lernsymbole angibt.
Gemäß einer Ausführungsvariante umfasst er zum Beispiel ein Mittel, das dazu ausgelegt ist, die Impulsantwort des Kanals in der Form
zu bestimmen, wobei Δ die Kovarianzmatrix des geschätzten Kanals darstellt: Δ = E[HH ^mH ^Hm ]H ^_m der Schätzwert des Kanals für den Schlitz m ist,
M die Zahl der für die Schätzung des Kanals beobachteten Schlitze ist,
P die Zahl der Lernsymbole darstellt und
N₀P die Anzahl der Lernchips oder Zahl der Treiberchips ist.
Der Empfänger wird im UMTS-Bereich verwendet.
Die Erfindung weist insbesondere den Vorteil auf, dass sie einen Übertragungskanal schätzt, der mehrere Benutzer umfasst, für welchen das Rauschen weder weiß noch unabhängig ist.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung treten bei der Lektüre der folgenden Beschreibung besser hervor, in der Anwendungsbeispiele beispielhaft vorgeschlagen werden, die sich auf die anliegenden Figuren beziehen, die Folgendes darstellen:
1 die Zusammensetzung des UMTS-Signals,
2 die Modellierung des Signals für eine Abwärtsverbindung,
3 ein Wirkbild einer ersten Anwendungsvariante der Erfindung,
4 ein Beispiel eines Signals für die Aufwärtsverbindung (zwischen einer Mobilstation und einer Basisstation),
5 eine zweite Variante der Anwendung der Erfindung,
6 vergleichende Ergebnisse, die unter Verwenden verschiedener Schätzungsverfahren erzielt werden.
Um den Gegenstand der vorliegenden Erfindung besser zu verstehen, wird die folgende Beschreibung, die rein beispielhaft und nicht einschränkend gegeben wird, in dem UMTS-Bereich zum Schätzen eines Übertragungskanals insbesondere ausgehend von seinen Statistiken ange wandt.
Man bezeichnet mit dem Begriff „Statistik" zum Beispiel die räumlich-zeitliche Kovarianz der Impulsantwort des Kanals.
Dieses System zieht Signale für die Aufwärtsverbindung heran, wie zum Beispiel die jeweils in 1 beschriebenen, das heißt das von der Basisstation zu den Mobilstationen gesendete Signal, und in 5 für eine Aufwärtsverbindung, die einem von einer Mobilstation zu der Basisstation gesendeten Signal entspricht.
Indem man an den Übertragungskanal ein realistisches statistisches Modell anwendet, das auf der Annahme beruht, dass der Übertragungskanal einem finiten Impulsantwortfilter gleichgestellt werden kann, kann man die existierenden Schätzungstechniken des Kanals verbessern, indem man seine Statistiken berücksichtigt.
MODELLIERUNG DES FUNKKANALS
Der Funkkanal kann als eine Summe von Bahnen modelliert werden, die jeweils durch eine Ankunftszeit, eine Dämpfung und eine Phasenverschiebung charakterisiert ist. Die im Rahmen der Erfindung berücksichtigte Modellierung verwendet als Annahme, dass sich die Dämpfung und die Phasenverschiebung einer Bahn im Vergleich zur Entwicklung der Ankunftszeiten der verschiedenen Bahnen rasch weiterentwickeln. Der Kanal kann daher als ein zufälliger stationärer Prozess dargestellt werden, was es erlaubt zu sagen, dass jede Realisation des Kanals den gleichen Statistiken unterliegt (wobei eine Realisation hier den Wert bezeichnet, den der Kanal auf einem gegebenen Schlitz nämlich H_m annimmt).
Daher wird der Vektor der Koeffizienten der abgetasteten Kanäle, die jedem Aufnehmer des Empfängers entsprechen, für einen gegebenen Slot mit dem Index m, wobei m zum Beispiel von 1 bis M variiert, wie folgt geschrieben (8): Hm = [hm(0)Hhm(1)H ... hm(L)H]H wobei der Exponent H der hermitischen Transponierten entspricht, L der Anzahl der Abtastungen, m dem Index des Schlitzes des empfangenen Signals.
Angenommen, H_m bleibt während der gesamten Dauer des Schlitzes konstant, aber dass für m ≠ m', H_m ≠ H_m'. ist.
Ebenso wird der Kanal bei jedem Schlitz m geschätzt und sein Schätzwert wird H ^_m geschrieben. Man verwendet zum Beispiel die Methode der aufeinander folgenden versetzten Korrelationen, die dem Fachmann bekannt ist.
Da die Impulsantwort des Kanals für sämtliche Schlitze m des empfangenen Signals geschätzt wird, ist es möglich, diesen Schätzwert H ^_m' zu verbessern, indem man die dem Fachmann bekannten Verfahren anwendet.
Das Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, das illustrierend gegeben wird, zieht eine Wiener-Schätzung heran, die dem Fachmann bekannt ist, und deren Konzepte nicht dargelegt werden. Das Wiener-Schätzungsverfahren ist zum Beispiel in dem Buch mit dem Titel „Fonctions Aléatoires" beschrieben, dessen Autoren A. Blanc-Lapierre und B. Pichinbono, Verlag Masson 1981, sind. Jedes weitere Schätzungsverfahren, das das Verbessern des Schätzwerts des Kanals erlaubt, kann verwendet werden, ohne den Geltungsbereich der Erfindung zu verlassen.
WIENER-SCHÄTZUNG DES KANALS
Die Wiener-Schätzung des Kanals besteht darin, den Schätzwert H ^_m' mit Hilfe einer linearen Umformung von zu H ^_m' verbessern. Diese Umformung wird derart ausgewählt, dass der mittlere quadratische Fehler zwischen dem echten Kanal und der verbesserten Schätzung minimiert wird.
Die verbesserte Schätzung der Impulsantwort des Kanals für einen Schlitz m berücksichtigt die Kovarianzmatrix des Kanals und die Kovarianzmatrix des geschätzten Kanals und wird zum Beispiel wie folgt geschrieben (9): ΓΔ–1H ^m wobei
Γ die Kovarianzmatrix des Kanals Γ = E[H_mH H / m] darstellt wobei H_m der in dem Ausdruck (8) definierte Vektor ist, der während der Dauer des Schlitzes konstant oder praktisch konstant bleibt, und
Δ die Kovarianzmatrix des geschätzten Kanals darstellt: Δ = E[H ^mH ^Hm ]
Die Idee der Erfindung besteht insbesondere darin, die Kovarianz des Schätzungsrauschens zu schätzen, um sie von der Kovarianzmatrix des geschätzten Kanals Δ abzuziehen, um daraus die Kovarianzmatrix des Kanals Γ abzuleiten. Ausgehend von diesen zwei Werten ist es daher möglich, dafür den verbesserten Schätzungswert der Impulsantwort des Übertragungskanals abzuleiten.
Das Schätzungsrauschen entspricht dem Unterschied zwischen dem geschätzten Kanal H ^_m und dem realen Kanal H_m. Dieses Rauschen ergibt sich insbesondere aus den Interferenzen und anderen Rauschquellen, die das Signal bei der Schätzungsvorgehensweise des Kanals beeinflussen.
Dafür verwendet das Verfahren die Schätzung der Statistiken des Kanals wie unten beschrieben.
SCHÄTZUNG VON Δ, KOVARIANZMATRIX DES GESCHÄTZTEN KANALS
Diese Matrix kann auf die dem Fachmann bekannte Art geschätzt werden, indem angenommen wird, dass man während einer Zahl M von Schlitzen der Schätzwerte des Kanals H ^_m, für die sich die Ankunftszeiten nicht oder wenig weiterentwickelt haben, summiert hat. Mit Hilfe dieser Schätzungswerte, wobei m von 1 bis M variiert, kann man, indem man ein dem Fachmann bekanntes Konzept verwendet (die ausgewählte Schätzfunktion ist zum Beispiel die Beste nicht verzerrte), die Matrix Δ schätzen, die die Statistiken zweiten Ranges des Schätzwerts des Kanals enthalten.
Die Matrix Δ wird daher geschätzt durch (10)
Diese Schätzfunktion ist insofern konsistent, als sie zu der realen Matrix Δ konvergiert, wenn die Anzahl der Beobachtungen ins Unendliche tendiert.
SCHÄTZUNG DER KOVARIANZ Γ DES KANALS
Sie drückt sich unter Berücksichtigung der geschätzten Matrix aus (10)
und
der geschätzten Matrix der Kovarianzmatrix des Rauschens (11), die in der Form
ausgedrückt wird, wobei R ^_x die empirische Korrelationsmatrix der Beobachtungen ist.
Wenn L die Anzahl der Abtastungen des zu schätzenden Kanals ist und K die Zahl der Aufnehmer, hat die Matrix R_x die Größe KL*KL. Man kann sie als eine zeitliche Matrix der Größe L*L betrachten, deren Elemente räumliche Matrizen der Größe K*K sind.
Auf der i. Linie der j. Spalte (wobei i und j von 1 bis L variieren) der zeitlichen Matrix schätzt man die räumliche Matrix (K*K)R_xij durch die Summe über n der x(n + i)x(n + j)^H oder äquivalent der x(n + i)x(n)^H oder auch der x(n)x(n + j – i)^H.
Die Kovarianzmatrix des Kanals wird geschätzt von (12):
wobei R_x eine konsistente Schätzfunktion der Matrix Γ ist, während die Zahl der Beobachtungen M ins Unendliche tendiert, konvergiert diese Menge zu Γ.
SCHÄTZUNG DER IMPULSANTWORT DES ÜBERTRAGUNGSKANALS
Die Impulsantwort des Kanals H_m wird dann erneut ausgehend von der geschätzten Kovarianzmatrix (12) und der Umgekehrten der Kovarianzmatrix des geschätzten Kanals geschätzt, indem man zum Beispiel das Schätzungsverfahren von Wiener anwendet oder jedes andere Verfahren, das es ermöglicht, einen Schätzwert mit Hilfe seiner Statistiken zu verbessern.
Man kennt zum Beispiel einen ersten Schätzwert H ^_m für den Übertragungskanals H_m, zum Beispiel den, der zum Schätzen der Kovarianz des geschätzten Kanals gedient hat, und man wendet die Wiener-Schätzfunktion, Ausdruck (9) an, um daraus den neuen Schätzwert H ~_m des Übertragungskanals H_m (13) abzuleiten.
Zusammenfassend sind die verschiedenen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in 3 in Form eines Algorithmus ausgedrückt, der die folgenden Schritte umfasst

• Empfang und Abtasten des Multiaufnehmersignals, (a)
• Speichern der aufeinander folgenden Beobachtungsvektoren, zum Beispiel in einem Speicher, (b)
• Schätzung der Matrix R ^_x, (c)
• Schätzung des Kanals durch Korrelation des Signals mit der Lernsequenz, (d)
• Speichern der aufeinander folgenden Schätzwerte H ^_m des Kanals H_m, (e)
• Schätzung der Matrix Δ, (f)
• Schätzung der Matrix Γ ausgehend von den Schätzwerten (c) und (f) und unter Verwenden des Ausdrucks des Rauschschätzwerts in der Form
, (g)
• Verbessern der Schätzwerte des Kanals durch Anwen den zum Beispiel des Wiener-Verfahrens auf die Schätzwerte (e), (f) und (g).

Die Berechnung der Schätzwerte erfolgt zum Beispiel mittels eines entsprechend programmierten Mikroprozessors, wobei Letzterer auch angepasst sein kann, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
Der Mikroprozessor kann mit einer Verarbeitungsvorrichtung verbunden sein, die die geschätzten Werte des Kanals verwendet, um eine Demodulation oder eine Goniometrie anzuwenden, wie sie zum Beispiel sehr kurz unten in Erinnerung gerufen werden.
Das im Rahmen der Aufwärtsverbindungen beschriebene Verfahren gilt auch, ohne den Geltungsbereich der Erfindung zu verlassen, für Aufwärtsverbindungen, das heißt Verbindungen von einer Mobilstation zu einer Basisstation.
4 stellt die Skizze des Demodulators in dem Fall der Aufwärtsverbindung dar.
Das Mobiltelefon sendet einen einzigen Steuerkanal, der eine Lernsequenz für die Schätzung des Kanals und Signalgebungsinformationen enthält sowie einen oder mehrere Datenkanäle. Die Datenkanäle werden alle mit der gleichen Leistung entweder auf dem Kanal „in Phase" oder auf dem Kanal in „Quadratur" gesendet. Die auf jedem Kanal übertragenen Symbole sind Symbole B-PSK(±1) (Binary Phase Shift Keying).
Es ist möglich, das für die Abwärtsverbindung verwen dete Modell für die Aufwärtsverbindung anzupassen, indem man den Steuerkanal als den Benutzer, mit dem man sich befasst, betrachtet und die Datenkanäle wie die anderen Benutzer der Zelle. Die anderen Mobiltelefone, die zu der gleichen Basisstation senden, werden gleich wie die anderen Zellen für die Aufwärtsverbindung verarbeitet: sie sind im globalen Rauschen enthalten.
Die im Rahmen der Abwärtsverbindung beschriebenen Verfahren gelten mit diesen Annahmen.
5 stellt ein Beispiel der Anwendung von Schritten dar, die eine Reduktion des Rangs der bei dem Verfahren verwendeten Matrizen erlauben.
Die Schritte werden zum Beispiel wie folgt abgewickelt:

• Empfang und Abtasten des Signals, (a)
• Schätzen des Übertragungskanals, (d, e)
• Schätzen der Parameter des Kanals (Ankunftszeit, Leistung der Bahnen usw.)
• Aufbauen der Reduktionsmatrix,
• Reduzieren der Beobachtungen und der Schätzwerte des Kanals durch Durchführen der zuvor beschriebenen Schritte (c) (f) (g) in dem Normalfall unter Verwenden der Reduktionsmatrix,
• Wiener-Schätzung des reduzierten Kanals.

Man kann gleichzeitig die Effizienz und die Komplexheit dieses Verfahrens verbessern, indem man die Reduktion des Rangs des Kanalraums heranzieht. Diese Technik besteht darin, den Kanalraum mit Hilfe einer Orthonormalbasis zu parametrieren, die aus einer kleinen Zahl von Vektoren gebildet wird.
Im Allgemeinen wird in dem Kontext einer Übertragung über Funkkanal die Matrix ΓΓ auf Grund der Besonderheit des Kanals (Zahl der Bahnen in dem eingeschränkten Kanal) als „mit mangelhaftem Rang" bezeichnet, was bedeutet, dass die Vektoren H_m aus einer linearen Kombination einer kleinen Zahl von Vektoren u₁, ..., u_p abgeleitet werden, die eine Basis des Kanalraums bilden.
Wären diese Vektoren bekannt, würde es daher reichen, die lineare Kombination g_m,1, ..., g_m,p zu schätzen, die es erlaubt, Hm zu rekonstruieren durch:
Gruppiert man g_m,1, ..., g_m,p in einem Vektor g_m und u₁, ..., u_p in einer Matrix U, erhält man: Hm = Ugm
Der Vektor g_m hat eine (viel) kleinere Größe als H_m, es ist daher einfacher, die Wiener-Schätzfunktion von g_m anzuwenden als von H_m. Man kann in der Tat g_m schätzen mit. g ^m = UHH ^m
Infolgedessen kann man die Kovarianzmatrizen Λ und Ξ von g ^_m und von U ^^HX_m' schätzen, wobei X_m den Vektor der Beobachtungen [x_m(0)^H, ..., x_m(L)^H]^H, die am Schlitz m empfangen werden, darstellt. Man kann daher die Kovarianzmatrix Ω von g_m schätzen:
und g ~m = Ώ ^Ξ ^–1 mg ^m
Woraus man einen neuen Schätzwert des Kanals ableitet: H ~m = Ug ~m
In der Praxis sind die Vektoren u₁, ..., u_p nicht bekannt, man kann sie jedoch auf mehrere Arten schätzen:

• Eigenvektoren in Zusammenhang mit den größten Eigenwerten der geschätzten Matrix Γ. Diese Technik muss mit einer Bestimmungsmethode der Zahl der zu berücksichtigenden Eigenvektoren angewandt werden.
• Kanonische Vektoren, die mit den größten Werten der Diagonale von Γ verknüpft sind. Diese Technik läuft darauf hinaus, nur die Koeffizienten des Kanals zu behalten, dessen Leistung einen zuvor festgelegten Schwellenwert übersteigt. Es ist nicht nötig, Γ ganz zu schätzen, sondern nur ihre Diagonale, was viel einfacher ist.
• Vektoren verknüpft mit dem Formungsfilter, versetzt um Verzögerungen des Kanals. Diese Technik kann nur angewandt werden, wenn man zuvor die Verzögerungen der verschiedenen Bahnen des Kanals bestimmt hat. Ein Normungsschritt ist vorzusehen.

Die Stufe der Reduktion des Rangs kann vor den verschiedenen Stufen des erfindungsgemäßen Verfahrens oder, je nach Anwendungsfall, auch nachher durchgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird zum Beispiel zum Demodulieren der Signale oder auch zum Durchführen der Goniometrie verwendet.
DEMODULATION
6 zeigt in einem Diagramm Fehlerraten in Abhängigkeit vom Rauschabstand, die Leistungen verschiedener Schätzfunktionen.
Die Kurve (I) entspricht einer herkömmlichen Schätzfunktion, die man durch die Korrelationsmethode erzielt, die Kurve (II) eine Kurve, die man erzielt, indem man die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens anwendet und die Kurve (III) den Ergebnissen, die man erzielt, indem man zusätzlich einen Schritt zur Reduktion des Rangs der Matrix verwendet.
Zahlreiche Demodulationstechniken beruhen auf der Kenntnis des Übertragungskanals. Der RAKE-Empfänger schätzt zum Beispiel das gesendete Symbol ausgehend von der Phase der Menge:
Wenn man den Übertragungskanal nicht kennt, was in der Praxis immer der Fall ist, verwendet man einen Schätzwert dieses Kanals. In 4 sind die Leistungen unserer Schätzfunktion (und ihrer Version mit reduziertem Rang) mit denen der herkömmlichen Schätzfunktion für den RAKE-Empfänger verglichen.
Die neue Schätzfunktion und mehr noch die Schätzfunktion mit reduziertem Rang bewirken eine große Verstärkung der Leistungen.
KOOPERATIVE GONIOMETRIE
Die Erfindung wird insbesondere angewandt, um die Goniometriemessungen zu verbessern.
In der Goniometrie bestimmt man nämlich die Ankunftswinkel verschiedener Ausbreitungsbahnen, indem man den Vektor h in den verschiedenen Ankunftsaugenblicken schätzt. Die kooperative Schätzung der Ankunftszeiten und der dazu gehörenden Kanäle erfolgt mittels einer Lernsequenz. Es ist daher möglich, sie durch Anwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verbessern. Die Präzision der Schätzung der Ankunftswinkel hängt direkt von der Qualität der Schätzung von h ab. Wenn der geschätzte Kanal rauscht, befindet sich der gemessene Winkel in einem Konus, der auf den realen Winkel zentriert ist. Das Verbessern der Schätzung von h erlaubt es, die Abweichung zwischen dem gemessenen und dem realen Winkel zu verringern, was die Verarbeitungsauflösung verbessert.

Claims

Verfahren zum Schätzen der Impulsantwort h eines Übertragungskanals in einem System mit zumindest einem oder mehreren Aufnehmern mit einer Stufe des Schätzens von Statistiken des zusätzlichen Rauschens, das aus Interferenzen resultiert, und des thermischen Rauschens auf der Basis von Statistiken des empfangenen Signals, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest eine Stufe des Schätzens der Kovarianzmatrix des Rauschens auf der Basis der empirischen Kovarianzmatrix R ^_x der Beobachtungen und N₀P Zahl der Treiberchips einer Lernsequenz umfasst, die mit einem Signal übertragen wird, wobei die Kovarianzmatrix des Rauschens sich in der Form
ausdrückt, wobei P die Zahl der Lernsymbole angibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Stufe des Schätzens der Kovarianzmatrix des geschätzten Kanals in der Form
umfasst, wobei H ^_m die Schätzung des Kanals für den Schlitz m ist, M die Zahl der für die Schätzung des Kanals beobachteten Schlitze ist, P die Zahl der Lernsymbole darstellt, und N₀P die Zahl der Lernchips oder die Zahl der Treiberchips ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schätzung der Impulsantwort des Übertragungskanals ein Wiener-Verfahren nutzt und dass die Impulsantwort des Kanals gleich
ist, wobei Δ die Kovarianzmatrix des geschätzten Kanals darstellt: Δ = E[H ^_mH ^ H / m], H ^_m die Schätzung des Kanals für den Schlitz m ist, M die Zahl der für die Schätzung des Kanals beobachteten Schlitze ist, P die Zahl der Lernsymbole darstellt, und N₀P die Zahl der Lernchips oder die Zahl der Treiberchips ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt umfasst, in dem der Kanalraum mittels einer Orthonormalbasis parametrisiert wird, die aus einer Anzahl gegebener Vektoren u₁, u₂, ... u_p besteht.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vektoren u₁, u₂, ...u_p den Eigenvektoren entsprechen, die den größten Eigenwerten der geschätzten Matrix Γ zugeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vektoren u₁, u₂, ...u_p kanonische Vektoren sind, die mit den Positionen der größten Werte der Diagonalen der Matrix Γ verknüpft sind.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vektoren u₁, u₂, ...u_p auf der Basis von abgetasteten Versionen des Formungsfilters gebildet werden, die um zuvor geschätzte Übertragungsverzögerungen des Kanals verschoben und normiert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Schätzen der Inpulsantwort eines Übertragungskanals im UMTS-Bereich für Aufwärtsverbindungen und/oder Abwärtsverbindungen zwischen einer Basisstation und einer oder mehreren Mobilstationen.
Empfangsvorrichtung, die dafür ausgelegt ist, die Impulsantwort eines Übertragungskanals zu schätzen, mit einem oder mehreren Aufnehmern zum Empfang eines Signals, einem Mittel zum Abtasten des empfangenen Signals, einem Mittel, das dafür ausgelegt ist, das Rauschen auf der Basis von Statistiken des Kanals zu schätzen, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger zumindest ein Mittel umfasst, das dafür ausgelegt ist, die Kovarianzmatrix des Rauschens auf der Basis der empirischen Kovarianzmatrix R ^_x der Beobachtungen und der Zahl N₀P der Treiberchips einer mit einem Signal übertragenen Lernsequenz zu schätzen, wobei die Kovarianzmatrix des Rauschens sich in der Form
ausdrückt, wobei P die Zahl der Lernsymbole angibt.
Empfänger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Mittel enthält, das dafür ausgelegt ist, die Impulsantwort des Kanals in der Form
zu bestimmen, wobei Δ die Kovarianzmatrix des geschätzten Kanals darstellt: Δ = E[H ^_mH ^_m H / m], H ^_m die Schätzung des Kanals für den Schlitz m ist, M die Zahl der für die Schätzung des Kanals beobachteten Schlitze ist, P die Zahl der Lernsymbole darstellt, und N₀P die Zahl der Lernchips oder die Zahl der Treiberchips ist.
Empfänger nach Anspruch 10, der im UMTS-Bereich angewendet wird.