DE60208026T2

DE60208026T2 - Dopplerspreizungs-/-geschwindigkeitsschätzung in mobilen drahtlosen kommunikationsgeräten und verfahren dafür

Info

Publication number: DE60208026T2
Application number: DE60208026T
Authority: DE
Inventors: Alexandre Chicago MALLETTE; Paul John OLIVER
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Mobility LLC
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2002-04-18
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2022-04-19
Also published as: RU2003134627A; ATE313198T1; RU2269206C2; BR0210021A; WO2002100060A1; DE60208026D1; EP1397897B1; EP1397897A4; TW586325B; CN1529970A; EP1397897A1; CN1529970B; US20020181553A1; US6636574B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegenden Erfindungen beziehen sich allgemein auf Mobilgeräte zur drahtlosen Kommunikation und insbesondere auf ein Schätzen einer Dopplerspreizung/Geschwindigkeit in Mobilgeräten zur drahtlosen Kommunikation.
Hintergrund der Erfindungen
Die Leistung vieler zellularer Kommunikationssysteme hängt von der Genauigkeit der Schätzung unbekannter Parameter, zum Beispiel Fadingkanalkoeffizienten bei zellularen Kommunikationssystemen der dritten Generation, durch eine Mobilstation oder -gerät zur drahtlosen Kommunikation, ab.
Eine maßgebliche Quelle für eine Parameterschätzungsungenauigkeit ist das Doppler-Phänomen, das wahrgenommen wird, wenn sich eine Mobilstation in Bewegung befindet. Eine Kanalschätzung erfordert zum Beispiel bei einigen Kommu nikationssystemen ein Filtern von in der Mobilstation empfangenen Pilotsignalen. Die optimale Bandbreite des Filters hängt von der Dopplerspreizung ab.
Die Geschwindigkeit ist proportional zur Frequenz und somit zur Dopplerspreizung. Eine Kenntnis der genauen Dopplerspreizung in Mobilgeräten zur drahtlosen Kommunikation ist für ein Zuordnen langsamerer Mobilstationen zu Mikrozellen und für ein Zuordnen schnellerer Mobilstationen zu Makrozellen und zum Herstellen relativ präziser Leistungssteuerungsmessungen nützlich.
Es ist bekannt, wie eine Dopplerspreizung basierend auf der Autokovarianz des Quadrats der Größe eines in der Mobilstation empfangenen Signals geschätzt wird. Ein Problem bei diesem Ansatz besteht jedoch in einer Verschlechterung der Schätzfunktion, die aus einer schlechten Rauschunempfindlichkeit resultiert, die mit einem Schätzen der Autokovarianz einer Größe im Quadrat bei einer Verzögerung 0 verbunden ist. Ein weiteres Problem bei diesem Ansatz auf dem Stand der Technik liegt darin, dass er auf Schätzungen der Momente der 1ten und 2ten Ordnung der Größe im Quadrat des empfangenen Signals basiert, die im Grunde Momente der 2ten und 4ten Ordnung des Signals sind. Gewöhnlich sind Momente höherer Ordnung des empfangenen Signals schwerer zu schätzen als Momente niedrigerer Ordnung davon und somit sind Dopplerspreizungsschätzungen auf dem Stand der Technik basierend auf Schätzungen der Momente der 1ten und 2ten Ordnung der Größe im Quadrat des empfangenen Signals anfällig für Ungenauigkeiten, die zu schwacher Systemleistung führen können. Eine Dopplerspreizungsschätzung, die die Quadrate der Differenzen zwischen Proben der Autokorrelationsfunktion unter Verwendung von Kanalschätzungen, die von Pilotsymbolen und einer Gruppe von hypothetischen Autokorrelationsfunktionen erhalten werden, minimiert, ist aus der WO 01/13537 A bekannt.
Die verschiedenen Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindungen werden den ordentlichen Fachleuten bei sorgfältiger Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindungen und der unten beschriebenen Begleitzeichnungen voller ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Kommunikationssystem, das ein Mobilgerät zur drahtlosen Kommunikation, für das eine Dopplerspreizung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindungen geschätzt wird, umfasst.
2 ist ein schematisches Arbeitsablaufdiagramm zum Ermitteln einer Dopplerspreizung.
3 ist eine graphische Darstellung des relativen Bias versus die Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)-Leistung mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindungen und des Standes der Technik.
4 ist eine graphische Darstellung der Quadratwurzel des relativen mittleren quadratischen Fehlers (RMSE) versus die SNR-Leistung mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindungen und des Stands der Technik.
Ausführliche Beschreibung der Erfindungen
In der vorliegenden Erfindung wird eine Dopplerspreizung in Mobilgeräten zur drahtlosen Kommunikation, zum Bei spiel zellularen Handapparaten, Minicomputern, zur drahtlosen Kommunikation freigegebenen Computern usw., geschätzt.
In einer Ausführungsform basiert die Dopplerspreizungsschätzung auf dem Realteil einer geschätzten Autokorrelationsfunktion der Impulsreaktion eines Kanals, über den ein Signal kommuniziert wird. Für die geschätzte Autokorrelationsfunktion beziehen sich weitere Bezugnahmen hier auf den Realteil davon. Und in einer weiteren Ausführungsform basiert die Dopplerspreizungsschätzung auf einer geschätzten Autokovarianzfunktion der Größe im Quadrat der Impulsreaktion eines Kanals, über den ein Signal kommuniziert wird. Die Dopplerspreizungsschätzungen der vorliegenden Erfindungen weisen – unter anderen Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik – eine verbesserte Rauschunempfindlichkeit auf.
In 2, in Feld 200, wird die Autokovarianz- oder die Autokorrelationsfunktion geschätzt. Die Schätzung der Autokorrelations- oder Autokovarianzfunktionen ist allgemein bekannt. In Schmalbandkommunikationssystemen kann die Autokovarianz- oder die Autokorrelationsfunktion zum Beispiel auf einem in dem Mobilgerät zur drahtlosen Kommunikation empfangenen Signal basieren.
In TDMA-Systemen kann die geschätzte Autokovarianz- oder Autokorrelationsfunktion auf einem Ausgang eines adaptiven Entzerrers oder bei einem anderen Schaltungsteil des Mobilgeräts zur drahtlosen Kommunikation basieren.
In einer Ausführungsform, wie in dem exemplarischen CDMA- oder WCDMA-Empfänger 100 von 1 dargestellt, basiert eine geschätzte Autokorrelationsfunktion auf I- und/oder Q-Signalkomponenten von einem oder mehreren Rake-Fingern A–N, die einem bestimmten Pfad eines Rake- Empfängers 110 zugeordnet sind. In einer weiteren Ausführungsform basiert eine geschätzte Autokovarianzfunktion auf I- und Q-Signalkomponenten von einem oder mehreren der Rake-Finger des Rake-Empfängers 110. Alternativ kann die geschätzte Autokovarianzfunktion auch auf einem Ausgang, Rout, eines Rake-Empfängers 110 basieren.
Das exemplarische Gerät 100 von 1 umfasst gewöhnlich einen Verstärker 120 und weitere Komponenten, die einen Basisbandprozessor, einen digitalen Signalprozessor, eine Anzeige und Eingänge umfassen, von denen einige nicht dargestellt, aber in der Technik wohl bekannt sind, unter der Steuerung eines lokalen Prozessors 150, zum Beispiel eines programmierbaren DSP oder dedizierter Hardwareschaltungen wie eines ASIC oder anderen Prozessors oder Kombinationen, wie den ordentlichen Fachleuten bekannt ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Autokorrelationsfunktion aus entweder den Inphase- oder den Quadraturkomponenten eines Signals geschätzt, und in einer weiteren Ausführungsform wird die Autokorrelationsfunktion aus sowohl den Inphase- als auch den Quadraturkomponenten des Signals geschätzt. In noch einer weiteren Ausführungsform wird die Autokovarianzfunktion aus der Größe im Quadrat eines Signals geschätzt.
In 2, in Feld 210, wird ein erster Wert der Autokovarianz- oder der Autokorrelationsfunktion für eine erste Verzögerung, n, geschätzt. In Ausführungsformen der Erfindungen, wo es sich bei der geschätzten Funktion um eine Autokovarianzfunktion handelt, ist die erste Verzögerung irgendein positiver oder negativer Nichtnullwert und in Ausführungsformen, wo es sich bei der geschätzten Funktion um eine Autokorrelationsfunktion handelt, kann die erste Verzögerung, n, jeder Wert einschließlich Null sein.
In Feld 220 wird ein zweiter Wert der geschätzten Autokorrelations- oder Autokovarianzfunktion bei einer zweiten Verzögerung, m, geschätzt, die über eine Größe verfügt, die größer ist als eine Größe der ersten Verzögerung, n.
In 2 wird ein erster Quotient zwischen einer ersten Differenz und einer zweiten Differenz berechnet. Die erste Differenz ist eine Differenz zwischen dem geschätzten Wert bei der ersten Verzögerung, n, und dem geschätzten Wert bei der zweiten Verzögerung, m. Die erste Differenz wird schematisch berechnet in Differenzfeld 230 dargestellt. Die zweite Differenz ist eine Differenz zwischen einem ersten Produkt und einem zweiten Produkt. Das erste Produkt ist ein Produkt der zweiten Verzögerung im Quadrat, m², und des geschätzten Werts bei der ersten Verzögerung, n. Das zweite Produkt ist ein Produkt der ersten Verzögerung im Quadrat, n², und des geschätzten Werts bei der zweiten Verzögerung, m. Die zweite Differenz wird schematisch berechnet in Differenzfeld 240 dargestellt.
Der erste Quotient der ersten und zweiten Differenzen wird in Teilerfeld 250 schematisch berechnet und wird quantitativ ausgedrückt als x = [φ(n) – φ(m)]/[m2φ(n) – n2φ(m)] (1)wobei φ(n) ein geschätzter Wert von entweder geschätzter Autokorrelation oder Autokovarianz mit der ersten Verzögerung, n, ist, und φ(m) ein geschätzter Wert derselben geschätzten Funktion mit der zweiten Verzögerung, m, ist.
In 2, in Feld 255, wird eine Größe des ersten Quotienten berechnet, falls der erste Quotient, x, kleiner ist als null. Somit ist der Ausgang von Feld 255 die Größe des ersten Quotienten. Alternativ wird in Feld 255, falls der erste Quotient kleiner ist als null, der Ausgang von Feld 255 auf null gesetzt. Falls der erste Quotient größer ist als null, dann ist der erste Quotient der Ausgang von Feld 255.
In Feld 260 wird die Quadratwurzel des Ausgangs von Feld 255 berechnet. Falls der erste Quotient größer ist als null, ist die Dopplerspreizung proportional zu der Quadratwurzel des ersten Quotienten. Falls der erste Quotient kleiner ist als null, dann ist die Dopplerspreizung proportional zu der Quadratwurzel der Größe des ersten Quotienten. Alternativ ist die Dopplerspreizung null, falls der erste Quotient kleiner ist als null.
In 2, in Feld 270, wird die Quadratwurzel des ersten Quotienten mit einem zweiten Quotienten skaliert, wobei die geschätzte Dopplerspreizung oder Geschwindigkeit proportional zu einem Produkt des zweiten Quotienten und der Quadratwurzel des ersten Quotienten ist. Der zweite Quotient ist ein Reziproke eines Produkts aus π und T, wobei T die Inverse einer Verarbeitungsrate ist. Bei der Verarbeitungsrate kann es sich zum Beispiel um eine Symbolrate oder eine Chiprate oder irgendeine andere dem ordentlichen Fachmann bekannte Rate handeln.
Der zweite Quotient wird gewöhnlich qualitativ ausgedrückt als 1/(πT) (2)
Bei Anwendungen, wo es sich bei der geschätzten Funktion um eine Autokorrelationsfunktion handelt, ist die Dopplerspreizung proportional zu dem Produkt der ersten und zweiten Quotienten. Bei Anwendungen, wo es sich bei der geschätzten Funktion um eine Autokovarianzfunktion handelt, ist die Dopplerspreizung proportional zu dem Produkt der ersten und zweiten Quotienten skaliert mit einem Multiplikationsfaktor der Quadratwurzel von 2 dividiert durch 2. Somit wird Eq. (2) für die Autokovarianzfunktion wie folgt skaliert: √2/2 (3)
3 ist eine graphische Darstellung des relativen Bias versus die Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)-Leistung mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindungen im Vergleich zum Stand der Technik. Der Graph stellt allgemein einen relativ konstant geschätzten Dopplerspreizungsbias dar, wo die geschätzte Autokorrelationsfunktion der vorliegenden Erfindungen auf sowohl Inphase- als auch/oder Quadraturkomponenten des Signals basiert, oder wo die Autokovarianzfunktion auf der Größe im Quadrat des Signals basiert. Im Gegensatz dazu ist die Dopplerspreizungsschätzungsabweichung auf dem Stand der Technik bei geringeren Signalstärken wesentlich schwächer. In 3 weisen die Dopplerspreizungsschätzung basierend auf der geschätzten Autokovarianzfunktion, die aus der Größe des Signals im Quadrat geschätzt wird, oder die Dopplerspreizungsschätzung basierend auf der geschätzten Autokorrelation aus sowohl den Inphaseals auch Quadraturkomponenten davon vergleichsweise weniger Bias auf als die geschätzte Dopplerspreizung, die nur auf der Inphase- oder der Quadraturkomponente des Signals basiert.
4 ist eine graphische Darstellung der Quadratwurzel des relativen mittleren quadratischen Fehlers (RSME) versus SNR-Leistung von mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindungen im Vergleich zum Stand der Technik. Der Graph stellt allgemein einen relativ konstanten RMSE für die geschätzte Dopplerspreizung für Ausführungsformen dar, wo die geschätzte Autokorrelationsfunktion der vorliegenden Erfindungen auf Inphase- und/oder Quadraturkomponenten des Signals basiert oder wo die geschätzte Autokovarianzfunktion auf der Größe im Quadrat des Signals basiert. Im Gegensatz dazu weist eine Dopplerspreizungsschätzung auf dem Stand der Technik bei geringeren Signalstärken einen bemerkenswert großen RMSE auf. In 4 ist der RMSE basierend auf der geschätzten Autokovarianzfunktion, die aus der Größe des Signals im Quadrat geschätzt wird, oder der Autokorrelationsfunktion basierend auf sowohl den Inphaseals auch Quadraturkomponenten des Signals vergleichsweise kleiner als der Stand der Technik, insbesondere bei geringeren Signalstärken.
Zwar sind die vorliegenden Erfindungen auf eine Art und Weise beschrieben worden, die es den ordentlichen Fachleuten ermöglicht, die Erfindungen durchzuführen und zu verwenden, doch können Modifikationen und Änderungen dazu vorgenommen werden ohne vom Umfang der Erfindungen abzuweichen, die nicht durch die exemplarischen Ausführungsformen zu beschränken sind, sondern durch die angehängten Ansprüche.

Claims

Verfahren zum Schätzen einer Dopplerspreizung in einem Mobilgerät zur drahtlosen Kommunikation, das umfasst: Schätzen eines Werts einer geschätzten Autokorrelation einer Impulsreaktion eines Kanals für erste und zweite Verzögerungen, wobei die zweite Verzögerung über eine Größe verfügt, die größer ist als eine Größe der ersten Verzögerung; Ermitteln eines ersten Quotienten zwischen einer ersten Differenz und einer zweiten Differenz, wobei die erste Differenz der geschätzte Wert bei der ersten Verzögerung minus des geschätzten Werts bei der zweiten Verzögerung ist, wobei die zweite Differenz ein erstes Produkt minus eines zweiten Produkts ist, wobei das erste Produkt ein Produkt der zweiten Verzögerung im Quadrat und des geschätzten Werts bei der ersten Verzögerung ist, wobei das zweite Produkt ein Produkt der ersten Verzögerung im Quadrat und des geschätzten Werts bei der zweiten Verzögerung ist; Ermitteln einer Quadratwurzel des ersten Quotienten, falls der erste Quotient größer ist als null; Ermitteln einer Dopplerspreizung proportional zu der Quadratwurzel des ersten Quotienten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Quadratwurzel eines absoluten Werts des ersten Quotienten ermittelt wird, falls der erste Quotient kleiner ist als null.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wert des ersten Quotienten auf null gesetzt wird, falls der erste Quotient kleiner ist als null.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dopplerspreizung durch Multiplizieren der Quadratwurzel des ersten Quotienten mit einem zweiten Quotienten ermittelt wird, wobei der zweite Quotient eine Reziproke eines Produkts aus π und T ist, wobei T eine inverse Verarbeitungsrate ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Autokorrelation aus sowohl Inphase- als auch Quadraturkomponenten eines Signals geschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Autokorrelation aus einer Inphase- oder Quadraturkomponente eines Signals geschätzt wird.
Mobilgerät zur drahtlosen Kommunikation, das umfasst: Mittel zum Ermitteln einer Quadratwurzel eines ersten Quotienten, der größer ist als null, wobei der erste Quotient durch [φ(n) – φ(m)]/[m²φ(n) – n²φ(m)] definiert ist, wobei φ(n) ein geschätzter Wert einer geschätzten Autokovarianz aus einer Größe im Quadrat einer Impulsreaktion eines Kanals bei einer ersten Nichtnull-Verzögerung, n, ist, wobei φ(m) ein geschätzter Wert der geschätzten Autokovarianz bei einer zweiten Verzögerung, m, ist, wobei eine Größe der zweiten Verzögerung m größer als eine Größe der ersten Verzögerung, n, ist; Mittel zum Ermitteln einer Dopplerspreizung proportional zu einer Quadratwurzel des ersten Quotienten, falls der erste Quotient größer ist als null.
Gerät nach Anspruch 7, Mittel zum Skalieren der Quadratwurzel des ersten Quotienten mit einem Multiplikationsfaktor der Quadratwurzel von 2 dividiert durch ein Produkt von 2πT, wobei T die Inverse einer Verarbeitungsrate ist.
Gerät nach Anspruch 7, ein Rake-Empfänger, Mittel zum Schätzen der Autokovarianz von einem Ausgang des Rake-Empfängers.
Gerät nach Anspruch 7, ein Rake-Empfänger mit einer Mehrzahl von Rake-Fingern, Mittel zum Schätzen der Autokovarianz von einem Ausgang von einem oder mehreren von der Mehrzahl von Rake-Fingern.
Gerät nach Anspruch 7, Mittel zum Schätzen der Autokovarianz aus sowohl Inphase- als auch Quadraturkomponenten eines Empfangssignals.
Gerät nach Anspruch 7, Mittel zum Ermitteln einer Quadratwurzel eines absoluten Werts des ersten Quotienten, falls der erste Quotient kleiner ist als null.
Gerät nach Anspruch 7, Mittel zum Setzen des Werts des ersten Quotienten auf null, falls der erste Quotient kleiner ist als null.