在多載波碼分多址接入接收機中執行按載波均衡的方法
2023-05-10 07:28:51
專利名稱：在多載波碼分多址接入接收機中執行按載波均衡的方法
技術領域：
本發明涉及在MC-CDMA電信系統中按載波執行均衡的一個方法。本發明也涉及實施這種均衡方法的一個MC-CDMA接收機。
多載波碼分多址接入(MC-CDMA)組合了OFDM(正交頻分復用)調製和CDMA多址接入技術。這個多址接入技術第一次由N.Yee等人在題為「室內無線的無線電網絡中的多載波CDMA」[Multicarrier CDMA inindoor wireless radio networks]的文章中提出，文章出現於PIMRC』93會議文件[Proceedings of PIMRC』93]，1993年，第一卷，第109-113頁。這個技術的發展由S.Hara等人在題為「多載波CDMA綜述[Overviewof Multicarrier CDMA]」的文章中被回顧，文章刊於IEEE通信雜誌[IEEE Communication Magazine]，1997年十二月份，第126-133頁。
與DS-CDMA(直擴碼分多址接入[Direct Spread Code DivisionMultiple Access])方法(其中每個用戶的信號在時域中被相乘來擴展它的頻譜)不同的是，這裡在頻域中簽名(signa ture)與信號相乘，該籤名的每個元素乘以不同子載波的信號。
更為明確的是，
圖1展示了一個對於給定用戶k的MC-CDMA發射機的結構。這裡我們考慮前向鏈路，即，我們假定發射機位於基站。令d(k)(n)為將在時刻nT被發送到用戶k的符號，其中d(k)(n)屬於調製符號表。符號d(k)(n)首先在110與擴頻序列或用戶籤名相乘，擴頻序列或用戶籤名記為c(k)(t)，由N個「碼片」或者籤名元素構成，每個「碼片」持續時間為Tc，擴頻序列的總持續時間對應於一個符號周期T。符號d(k)(n)由不同的「碼片」相乘的結果被串並轉換器120轉換成L個符號的塊，其中L通常是N的倍數。不失一般性，我們另外假定下面指定N＝L並且我們記用戶k的該序列的元素(即碼片的值)為clk，l＝0，...，L-1。由120輸出的L個符號的塊在模塊130中被進行反快速傅立葉變換(IFFT)。為了防止符號間幹擾，一個典型地大於傳輸信道衝擊響應持續時間的保護間隔，被加到MC-CDMA符號上。這在實際中通過附加一個等於所說符號末尾的前綴(記為Δ)來實現。在並串轉換器140中被串行化之後，該MC-CDMA符號在150被放大以便在下行鏈路用戶信道上發送。本MC-CDMA方法因而可被分解為在頻域中擴展(在IFFT之前)，後接OFDM調製。實際中，用戶k以符號幀d(k)(n)的形式發送他的數據，每個符號由一個實籤名c(k)(t)擴展，持續時間等於符號周期T，即若t
]>則c(k)(t)＝0，並且若t∈[O，T[，則l=0L-1cl(k)(t-lTc).]]>如果我們省略前綴，則在時間t被發送到用戶k的信號Sk(t)因而可以被寫為Sk(t)=akl=0L-1c(k)(t).d(k)(n)exp(j.2(lt/L)---(1)]]>其中ak是被發送到用戶k的信號的振幅係數，被假定為在整個發送幀期間是恆定的。因而，如果我們省略該前綴，則被發送到下行鏈路信道的生成的信號可以被表示為Sk(t)=k=0K-1l=0L-1akc(k)(t).d(k)(n)exp(j.2(lt/L)---(2)]]>其中K是用戶數目。
一個給定用戶k的MC-CDMA接收機被概略展示於圖2。這個接收機在文獻中被認為是單用戶檢測接收機(或者SUD接收機)，因為檢測僅考慮被發送到(或者發送自)所關心用戶的符號。
在經過下行鏈路傳輸信道傳播之後，被接收的信號被解調並且以「碼片」頻率1/Tc取樣。我們假定信道被AWGN(加性白高斯噪聲)N(t)擾亂，如圖2中加法器205所示。被接收信號的取樣然後被提供給串並轉換器210並且在模塊220中在進行FFT之前去掉前綴(Δ)。在220的輸出端在子載波l上的信號可以被表示為rl(n)=hl(n)k=0K-1akcl(k)d(k)(n)+nl(n)---(3)]]>或者，等價地rl(n)=hl(n)k=0K-1Dl(k)(n)+nl(n)withDl(k)=akcl(k)d(k)(n)---(4)]]>其中hl(n)表示在時刻nT被傳送的MC-CDMA符號的子載波l的頻率上該下行鏈路信道的響應並且其中nl是在子載波l上的噪聲分量。在下文中，為了簡單將會省略時間下標n。
在MC-CDMA中，保護間隔的存在使得有可能忽略符號間幹擾(只要保護間隔比信道的時延擴展長)。因而，對一個給定的子載波(下文中簡單地被稱為載波)，均衡可以由一個單一抽頭進行，即通過乘以一個復係數進行。這種均衡也被稱作按載波均衡，它在於對每一個載波獨立地應用公知的均衡方法之一，例如ZF(迫零[Zero Forcing])，MMSE(最小均方誤差[Minimum Mean Square Error]))。
對專用於用戶k的SUD接收機，均衡係數被記為ql(k)，l＝0，...，L-1。在230中頻域中的取樣分別被乘以該均衡係數ql(k)。在下文中假定MMSE準則被選定，即按載波的MMSE均衡被使用。
在這種情況下，給出均衡係數為ql(k)=akh^l*|h^l|2k=0K-1ak2+l2---(5)]]>其中σl是在載波l上的噪聲分量的方差， 是hl的一個估計並且.*表示復共軛。估計 一般通過在傳輸信道上以規則的間隔發送導頻符號被得到。
實際中，因為在(5)的分子上出現的乘係數ak對所有的載波相同，所以它可以被省略並且振幅係數變化的補償通過如下面被進一步描述的自動增益控制(AGC)被保證。如果AGC被使用，則該均衡係數因而可以表示為ql(k)=h^l*|h^l|2k=0K-1ak2+l2---(5)]]>均衡之後，頻率分量被解擴，即在241中被相加之前，它們在2400…，240L-1中被乘以該用戶k的共軛籤名。該結果然後被自動增益控制250歸一化以給出被發送符號dk(n)的估計 事實上 是一個判決變量，它可以被這樣使用(軟判決)或者經受硬判決(未顯示)。為了簡單起見，下文中我們在兩種情況下保持相同的記號。
依照等式(5)或(5』)均衡係數的計算需要知道具體的用戶數目K以及振幅係數ak。因為接收機不能確定這些值，所以它們必須以規則的間隔由MC-CDMA發射機通過傳輸信道發送，這是以有效負荷為代價的。
本發明下的一個問題是提供一個方法使得執行按載波的均衡，它使用比現有技術中少的傳輸資源。
這個問題由在權利要求1中被定義的均衡方法解決。本發明的有利的實施方案在從屬權利要求中被展示。本發明也被在權利要求6或7中展示的MC-CDMA接收機定義。
本發明的特徵通過閱讀下面給出的涉及附圖的描述而呈現，其中圖1概略描述了現有技術中已知的MC-CDMA發射機的結構；圖2概略描述了現有技術中已知的使用MMSE按載波均衡的MC-CDMA接收機的結構。
圖3概略描述了一個方法，以得到被用於依照本發明的均衡方法中的均衡係數；圖4概略描述了具有並行幹擾消除的MC-CDMA接收機的結構；圖4A描述了由圖4中展示的MC-CDMA接收機的第一級；圖4B描述了由圖4中展示的MC-CDMA接收機的第二級；圖5概略描述了具有串行幹擾消除的MC-CDMA接收機的結構；圖5A描述了由圖5中展示的MC-CDMA接收機的第一級；圖5B描述了由圖5中展示的MC-CDMA接收機的第二級；作為本發明基礎的基本思想是導出表達式(5)或(5』)的分母的值，表達式(5)或(5』)根據在不同載波上被接收的功率的估計來定義該均衡係數。
我們返回去參考具有按載波均衡的MC-CDMA接收機的上下文，其中該均衡係數被確定為滿足該MMSE準則。如果如圖2中自動增益控制被使用，則均衡係數可以被確定為ql(k)=hl*|hl|2k=0K-1ak2+l2---(6)]]>另一方面，在一個給定載波上被接收的功率可以被如下表達Pl=|hl|2k=0K-1E(|Dk|2)+l2---(7)]]>其中E表示數學期望。第一項代表信號功率並且第二項是在載波上的噪聲功率。不失一般性，我們可假定被發出的符號和擴展碼被歸一化為Pl=|hl|2k=0K-1ak2+l2---(8)]]>在給定載波上被接收的功率可以被估計為P^l=1Nsn=1Ns|rl(n)|2---(9)]]>其中Ns是在平均的過程中被考慮的連續符號的數目。應能理解任何適於估計不同載波上功率的估計可以被使用。例如，該功率估計可以通過用回歸類型的低通濾波對取樣|rl(n)|2進行濾波來完成P^l(n)=(1-).P^l(n-1)+.|rl(n)|2---(10)]]>其中α是遺忘因子，它優選地取值等於2-P並且P是正整數。
由表達式(6)和(8)，該均衡係數可以被如下計算ql(k)=h^l*P^l---(11)]]>更為一般地，具有正比於信道係數hl和/或正比於功率值Pl的估計就足夠了。換句話說，信道係數和/或功率值可以被簡單地互相相對估計。如果λ和μ分別是用於信道係數估計和功率估計的比例因子，則我們可以選擇作為均衡因子ql(k)=(.h^l)*(.P^l)---(12)]]>其中 和 是分別與信道係數和功率值成比例的估計。比例因子λ和μ對均衡沒有影響，因為它們對所有的載波是共同的。它們也可以是時間相關的，因為上面被提到的自動增益將會補償這種變化。
圖3概略描述了依照本發明的一個均衡方法。
相關於在FFT模塊(即圖2中的模塊220)輸出端的不同載波的復值rl，l＝0，...，L-1被引導至功率估計模塊331以及信道估計模塊332。功率估計模塊，例如依照表達式(9)和(10)估計由不同的載波接收到的功率(可能由一個共同的比例因子相乘)。信道估計模塊估計關於不同載波的信道係數hl(可能由一個共同的比例因子相乘)。例如，依照這樣被公知的信道估計方法，導頻符號周期性地被MC-CDMA發射機發送並且信道係數從相應的被接收符號的復值rl被確定。
均衡係數ql(k)依照等式(11)或(12)通過在模塊333中的除法被得到。復值rl，l＝0，...，L-1然後分別通過乘法器3340，…334L-1乘以均衡係數ql(k)以產生被均衡的信號。
重要的是注意到，如果用戶k的符號d(k)(n)被擴展到N的一個子集(其中N優選的是L的一個因數)，則對這個載波子集計算該均衡係數就足夠了。因而，信道係數和功率值的估計可以被限制於這個子集。
依照本發明的第一個應用，在圖3中被展示的均衡方法在圖2的MC-CDMA接收機的均衡模塊230中被實施。均衡後的信號然後被解擴並且解擴後的結果被進行自動增益控制。
圖4展示了具有相關於給定用戶k的並行幹擾消除(PIC)的MC-CDMA接收機結構。這個接收機也被稱為一個多用戶檢測接收機(或者MUD接收機)，因為該檢測也考慮了被MC-CDMA發射機發送到不同於被考慮的(k)的用戶的符號。在圖4中，只有FFT模塊下遊的接收機部分被表現出來。它包括M個同樣的第一級的序列430i，m＝1，...，M，它與M-1個同樣的第二級的序列440m，m＝1，...，M-1交替，第一級430m的輸出是後續第二級440m的輸入並且第二級440m的輸出是後續的第一級430m+1的輸入。由FFT輸出的L個復值rl，l＝0，...，L-1被提供給第二級440m的每一個。最後，級430M輸出一個被發送到考慮的用戶k的符號估計。應當被理解，該級聯的級可以等效地被一個執行一系列迭代的單級替換。
圖4A概略展示了在第一級430m進行的過程。它收到K個幹擾清除的向量r(m)(q)，q＝0，...，K-1，每個具有相應於該L個載波的L個分量。向量r(m)(q)代表被發送到用戶q的MC-CDMA符號的頻率分量，其中由於其它用戶所產生的貢獻已經被去掉，正如下面進一步被顯示的。第一級4301的向量r(l)(q)都是相等的並且它們的分量等於由FFT提供的L個復值。每個向量r(m)(q)的L個頻率分量由模塊431m(q)均衡，然後在模塊432m(q)中被用戶q的擴展碼的共軛進行解擴並且解擴結果在433m(q)進行自動增益控制。433m(q)的輸出，記做 被這樣使用(軟判決)或者經受硬或非線性判決(未顯示)、信道解碼和之後的重新編碼，同樣的記號 對所有的情況都被保留。
依照本發明的第二個應用，示於圖3的均衡方法在均衡模塊431m(q)，q＝0，...K-1中被實現。應當理解，在均衡模塊431l(q)中功率值 的計算對q＝0，...，K-1是同樣的。功率計算因而可以被第一級的K個模塊共用。
圖4B概略展示了在第二級440m中被執行的過程。這個級接收到由前面級430m輸出的K個估計 q＝0，...，K-1以及由FFT輸出的L個復值rl，l＝0，...，L-1。每個估計 在模塊441m(q)中被相應用戶q的擴展碼擴展。該擴展信號可以被表示為有N個頻率分量的向量(如在介紹部分中被提到的，儘管為了簡單起見，N已被假定為L，L的因數值可以被同樣地設想)。然後，在頻域中由傳輸信道等效濾波器443m(q)進行濾波之前，擴展信號的分量在442m(q)中與振幅係數aq相乘。有利的是，傳輸信道等效濾波器使用信道係數的估計，該信道係數估計在前一級430m在均衡模塊431m(q)中已經被確定。傳輸信道等效濾波器也可以基於對在前一級430m由不同的均衡模塊431m(q)，q＝0，...，K-1確定的信道係數估計的平均，因為所有這些估計涉及相同的(下行鏈路)傳輸信道。由443m(q)輸出的分量Rl，m(q)可以被寫為Rl,m(q)=aqh^lcl(q)d^m(q)---(13)]]>其中 是信道係數的估計。分量Rl，m(q)反映了用戶q對復值rl的貢獻，即由於用戶q引起的多址幹擾(MAI)。記Rm(q)為分量Rl，m(q)，l＝0，...，L-1的向量並且r為分量rl，l＝0，...，L-1的向量，幹擾清除向量rm+1(q)通過從r減去(在444m(q′)中)用戶q≠q′的貢獻被得到，即rm+1(q)=r-q=0qqK-1Rm(q)---(14)]]>並且這K個幹擾清除向量被輸出到下一級430m+1。
從一級到下一級，MAI的評估被精細化並且傳輸符號 的估計被改良。在最末級430M，只有被傳輸到感興趣的用戶k的符號的估計才被採用。
應當注意到，圖4的MC-CDMA接收機需要用戶數目K、它們各自的擴展序列和振幅係數aq的知識，以便進行並行幹擾消除(例如在442m(q))。然而，重要的是注意到，有利地，用於在442m(q)中相乘的係數aq可以通過分別取用於AGC模塊443m(q)的AGC係數而被估計(以相對值)。它們因而不需要被MC-CDMA發射機發送。
圖5展示了與用戶k關聯的具有串行幹擾消除(SIC)的MC-CDMA接收機的結構。這個接收機是一個多用戶檢測接收機(或者MUD接收機)，因為為了去掉MAI而估計被發送給不同於k的用戶的符號。
這裡再一次，只有該FFT模塊下遊的接收機部分被表示。該接收機包括同樣的第一級530q的序列，它與同樣的第二級540q的序列交替，第一級530q的輸出為後續的第二級540q的輸入，並且第二級540q的輸出是後續的第一級530q+1的輸入。一對第一和第二級530q，540q與一個用戶q相關，第一級530q估計被發送到所說的用戶的符號，相關的第二級540q估計由於所說的用戶引起的MAI。級的數目取決於其MAI將被去除的用戶的數目。有利的是，用戶通過在所說的MC-CDMA接收機側漸降的接收功率而被排序，使得該符號檢測和MAI估計以幹擾最嚴重的用戶開始。該過程在530k終止，使該符號的估計被發送到所關心的用戶k。
圖5A概略描述了在第一級530q被進行的過程。它收到一個幹擾清除向量r(q)，其中由於q個能量最高的用戶引起的MAI已經被去掉。第一級5300直接收到由FFT輸出的分量rl，l＝0，...，L-1的向量r(0)＝r.每個向量r(q)的L個頻率分量在模塊531q中被均衡，然後在模塊532q中被用戶q的擴展碼的共軛進行解擴並且該解擴的結果在模塊533q受到自動增益控制。533q的輸出，記做 被這樣使用(軟判決)或者經受一個硬或非線性判決(未示出)、信道解碼和隨後的重新編碼，同樣的記號 對所有的情況都被保留。
依照本發明的第三個應用，示於圖3的均衡方法在均衡模塊531(q)中被實現。
圖5B概括展示了在第二級540q被進行的過程。這級一方面接收該符號估計 並且另一方面接收該幹擾清除向量r(q)。符號估計 在模塊541q中被用戶q的擴展碼擴展。該擴展信號可以被表達為一個有N個頻率分量的向量(為了簡單起見被假定為等於L)。然後，該擴展信號的分量在通過傳輸信道等效濾波器543q在頻域中被濾波之前，在542q中與振幅係數aq相乘。有利的是，傳輸信道等效濾波器使用了信道係數的估計，該信道係數估計在前一級530q在均衡模塊531q中被確定。由543q輸出的分量Rl(q)可以被寫為Rl(q)=aqh^lcl(q)d^(q)---(15)]]>其中 是信道係數的估計。分量Rl(q)反映用戶q對復值rl的貢獻，即由於用戶q引起的多址幹擾(MAI)。記R(q)為分量Rl(q)，l＝0，...，L-1的向量，該幹擾清除向量r(q+1)通過由r(q)中減去(在544q中)由於用戶q引起的MAI得到，即r(q+1)＝r(q)-R(q)(16)這裡再一次，圖5的MC-CDMA接收機為了串行幹擾去除(例如在542m(q)中)，需要用戶數目K、它們各自的擴展序列以及振幅係數aq的知識。然而，重要的是注意到，如果從一個MC-CDMA符號到下一個該振幅係數aq的變化很小，則通過取出為前一個符號分別被用於AGC模塊543(q)的AGC係數，在542(q)中的係數aq可以有利地被估計(以相對值)。振幅係數因而不需要被MC-CDMA發射機發送。
儘管使用依照本發明的均衡方法的MC-CDMA接收機的結構已經按照功能模塊例如濾波器或乘法器被基本上描述，但理所當然，所有或部分的這些設備可以通過單處理器被實現，專用於完成所有被描述的功能，或者以多處理器的形式，專用或者經過編程使得每一個完成一個或多個所說的功能。
權利要求
1.在MC-CDMA接收機中執行均衡的方法，被發送到所說的接收機的符號用擴展序列在多個(N)個載波上被擴展，被所說的接收機收到的信號被分解成多個頻率分量(rl)，其特徵在於估計(331)在每個所說的載波上的相對功率值，由該被估計的相對功率值( )計算(333)多個均衡係數(ql)並且用所說的均衡係數之一乘以(3340，...，334L-1)每一個所說的頻率分量。
2.依照權利要求1的在MC-CDMA接收機中執行均衡的方法，其特徵在於，在所說的載波的頻率處估計(332)傳播所說的符號的傳輸信道的相對信道係數( )。
3.依照權利要求2的在MC-CDMA接收機中執行均衡的方法，其特徵在於，對一個給定的載波，均衡係數通過用在該載波頻率上的被估計的相對功率值去除在該載波頻率上的被估計的相對信道係數而得到。
4.依照任一前面的權利要求的在MC-CDMA接收機中執行均衡的方法，其特徵在於，在一個載波上的相對功率值通過在所說載波的頻率上對所說的接收信號的分量的平方值的取樣進行低通濾波而估計。
5.依照權利要求4的在MC-CDMA接收機中執行均衡的方法，其特徵在於，在一個載波上的相對功率值通過在所說載波的頻率上平均所說的接收信號的分量的平方值的取樣而估計。
6.在一個MC-CDMA電信系統中的多載波CDMA接收機，其特徵在於，包括把被接收信號分解成由多個載波攜帶的多個頻率分量的分解裝置，用均衡係數乘以每一個所說的頻率分量的均衡裝置，其特徵在於所說的均衡裝置進一步包括估計在每一個所說的載波上的相對功率值的裝置和由該被估計的相對功率值計算該均衡係數的裝置。
7.在一個MC-CDMA電信系統中的多載波CDMA接收機，所說的接收機專用於所說的系統的一個用戶，其特徵在於，它包括把被接收信號分解成由多個載波攜帶的多個頻率分量的分解裝置，從每個所說的頻率分量中去除由於被發送到所說系統的至少另一個用戶的信號所引起的貢獻的幹擾去除裝置，所說的幹擾去除裝置產生被所說的多個載波攜帶的幹擾清除頻率分量，所說的接收機進一步包括用一個均衡係數乘以每一個所說的被去除的頻率分量的均衡裝置，所說的均衡裝置包括在幹擾去除之後估計在每一個所說的載波上的相對功率值的裝置以及由該被估計的相對功率值計算該均衡係數的裝置。
全文摘要
在一個MC－CDMA接收機中執行均衡的方法，一個被發送到所說的接收機的符號被用擴頻序列在多(N)個載波上擴展，被所說的接收機收到的信號被分解成多個頻率分量(r
文檔編號H04B7/005GK1459948SQ0312845
公開日2003年12月3日 申請日期2003年4月29日 優先權日2002年5月2日
發明者D·莫蒂爾 申請人:三菱電機株式會社