分數間隔衰落無線信道的符號間隔估計和/或跟蹤方法

2023-05-14 07:57:46

專利名稱：分數間隔衰落無線信道的符號間隔估計和/或跟蹤方法
技術領域：
本發明涉及估計或跟蹤多速率衰落信道的數字通信接收機，更具體地說，涉及分數間隔信道的符號間隔估計和/或跟蹤方法。
無線信道可以有效地分成三部分。有已知的發射濾波器、未知的信道媒體、以及已知的接收濾波器。無線信道的輸入一般是來自離散字符如+1和-1的符號，同時抽樣率等於波特率。發射濾波器、信道媒體以及接收濾波器一般在更高的、例如符號率的八倍的抽樣率下建立模型。均衡器使用無線信道的符號間隔模型，後者使發射的符號與接收濾波器的輸出在每個符號周期一個樣值的抽樣率下相關(這種應用把這種符號間隔信道稱為有效基帶信道)。參考文獻「Digital Communication」(Lee/Messerschmitt，Kulwer AcademicPublishers，1994)提出一種用於直接估計有效基帶信道的方法。類似地，參考文獻「Licentiate Thesis，Lars Lindbum，Upsala University1992，ISSN 03468887)提出一種用於直接跟蹤有效基帶信道的方法。但是，當信道媒體的基礎輻射的間隔比一個符號周期還小時，本發明對這些方法提出了改進。A.Khayrallah、R.Ramesh、G.Bottomley以及D.Koilpillai「Improved Channel Estimation with Side Information」「VTC-97，第2卷，第1049-1051頁提出一種用於估計衰落移動無線信道的方法，是把有效基帶信道建成已知脈衝和未知媒體的卷積的模型。作者僅明確地估算信道的媒體部分，並且把有效基帶信道重建成這個估算的媒體與已知脈衝的卷積。但是，如當前應用中所表明的，有效基帶信道並不總是能表示成已知脈衝與未知媒體的卷積。特別是，當信道媒體有安插得比一個符號周期更緊密的輻射時(即分數間隔媒體)，Khayrallah的方法是不適用的。
本發明旨在以新穎簡單的方式克服上面討論的問題中的一個或多個。
這裡廣泛地公開了估計時變無線信道的方法，它包括這些步驟接收經信道發送的信號並且把信號轉換成數字樣值以供處理；確定信道媒體的衰落輻射的位置；對於每個估計位置、估計信道媒體的脈衝響應；以及用數字樣值和估計的脈衝響應來計算時變無線信道的估計值。
本發明的一個特徵是衰落輻射的間隔比發送符號周期還小。
本發明的另一特徵是無線信道估計值是為GSM(全球移動通信系統)均衡器提供的。
本發明的又一特徵是無線信道估計值是為碼分多址均衡器提供的。
按照本發明的另一方面公開一種適合於跟蹤時變無線信道的信道估算器，它包括用於接收經信道發送的信號、並且把信號轉換成數字樣值以供處理的裝置。設置用於確定信道媒體的衰落輻射的位置的裝置。裝置對於每個估計位置估計信道媒體的脈衝響應。設置用於用數字樣值和媒體的估計的脈衝響應來計算時變無線信道的估計值的裝置。
從說明書和附圖中，本發明的其他特徵和優點會顯而易見。
本發明的詳細描述本發明涉及分數間隔衰落無線信道的符號間隔估計和跟蹤的方法。任何需要估計或跟蹤多輻射衰落信道、如全球移動通信系統(GSM)的典型市區信道的數字通信均衡器都可使用本方法。使用這種跟蹤方法，在每小時120公裡、0.73的編碼率下、可以把當前設計的GMS/GMSK(高斯最小頻移/高斯最小頻移鍵控)均衡器的誤碼組率(BLER)提高4dB(Eb/N0，每個信息比特與噪聲頻譜密度的能量之比)，達到10％的BLER。
所公開的方法還可用於碼分多址(CDMA)系統、以便估計或跟蹤衰落輻射供分離多徑指針(rake finger)使用。例如，假定媒體輻射的間隔比一個使無線信道的輸出數位化所用的抽樣周期更短，該方法可被CDMA指針搜索器用來找到分離多徑指針。
參照

圖1，框圖說明數字通信系統10的離散時間模型。把數字通信系統建成基帶上的模型。信號S(n)表示發射的符號。框12收到發射的符號並且對這些符號進行從每符號一個樣值到每符號M個樣值的上升抽樣，以便產生信號e(n)(即框12在s(n)的每對相鄰樣值之間插入「M-1」個零)。方框12連接到由脈衝響應p(k)表示的發射濾波器14。由d(n)表示的發射濾波器14的輸出被通過信道媒體方框16發送。序列c(k)表示信道媒體的脈衝響應，它產生由f(n)表示的輸出。接收機包括由q(k)表示的接收濾波器18，後者產生輸出z(n)。接收濾波器18的輸出耦合到抽樣率轉換器20，後者進行從每符號M個樣值到每符號1個樣值的下降抽樣。在加法器22中把下降抽樣器20的輸出r(n)與代表白高斯噪聲(AWGN)的信號v(n)相加，從而產生輸出y(n)。把此輸出提供給均衡器24，後者產生估計符號(n)。應該在接收濾波器18和下降抽樣之前加入AWGN。但是，如果接收濾波器18在通信系統的整個帶寬上是平坦的，則在下降抽樣器20的輸出端加上AWGN會產生到均衡器的同樣輸入。
關於信道媒體16，c(j)代表具有延遲jT(1/T是數字通信系統模型中的最高抽樣頻率)的多徑輻射。假定T足夠小，各c(k)能準確地模擬連續時間媒體。在少數輻射下，c(k)僅有少數的非零係數。在圖1的模型中，p(k)、c(k)和q(k)工作在1/T的抽樣頻率下。S(n)和r(n)工作在1/MT的較低抽樣頻率下(即它們工作在符號率下)。在發射機中，用發射濾波器14每隔MT秒調製一次新符號s(n)。結果，d(n)=ks(k)p(n-Mk)----(1)]]>s(n)的每個符號屬於離散符號。
本發明利用圖1的通信系統10的幾個屬性。系統10的一個屬性是對於任何p(k)、c(k)和q(k)，具有輸入信號s(n)和輸出信號r(n)的系統是線性時間不變量(LTI)。具體來講，r(n)=kh0(k)s(n-k)----(2)]]>其中h0(k)＝h(MK)而h(k)＝p(k)*c(k)*q(k)。圖2說明有效基帶信道的框圖，其中圖1的框14、16和18用代表函數h(k)的框26來模擬。可以看出，e(k)、z(k)和r(k)的z變換的關係如下E(z)＝S(zM) (3)Z(z)＝S(zM)H(z) (4)R(z)＝[S(zM)H(z)]↓M(5)＝S(z)H0(z) (6)其中從等式(5)到等式(6)，使用了來自Prentice Hall 1992年出版的P.P.Vaidyanathan的「多速率系統與濾波器組」中的第一Nobel恆等式。這裡，函數h0(n)稱為有效基帶信道。h0(n)的估計值由 來表示，均衡器24用該估計值來計算(n)。
第二屬性是r(n)是媒體信道的每個抽頭的線性函數。具體來講，如果ri(n)是由s(k)＝δ(n)與c(n)＝δ(n-i)得出的輸出序列，則符號間隔信道h0(n)可以表示為h0(n)=iri(n)c(i)----(7)]]>使用等式(7)，r(n)可以寫成r(n)＝s(n)*h0(n)(8)=s(n)*iri(n)c(i)----(9)]]>=i{ri(n)*s(n)}c(i)----(10)]]>=igi(n)c(i)----(11)]]>其中gi(n)≡ri(n)*s(n)。
假定對於i＞P，c(i)＝0，等式(11)可以表示成圖3中的框圖形式。
顯然，圖1和3是具有輸入信號s(n)和輸出信號r(n)的同一LTI系統的不同表示形式。在圖1中，如上所討論的，該模型的不同部分工作在不同的抽樣率下。在圖3的表示下，模型的所有部分工作在1/(MT)的抽樣頻率下，即工作在符號率(即波特率)下。
為了均衡，需要估計和/或跟蹤h0(k)的每個抽頭。直接估計或跟蹤抽頭各h0(k)是複雜的。但是，估計或跟蹤c(k)則相對簡單。h0(k)的不同抽頭一般是彼此相關的，並且這種相關需要包含在這些抽頭的任何好估算器中。另一方面，c(k)的不同抽頭是獨立的；因此，c(k)的估算器不需要各c(k)之間的相關。
因為c(k)的統計模型相對簡單，按照本發明，間接估計h0(k)。這是通過首先估計每個c(k)、由 來表示估計值、然後用等式(7)得到 來完成的，如下h^0(n)=iri(n)c^(i)----(12)]]>為了估計各h0(n)，首先得到衰落輻射的各估計值 然後按照等式(12)形成基帶信道的估計值。
為了獲得各 首先調用y(n)＝r(n)+v(n) (13)=igi(n)c(i)+v(n)----(14)]]>其中從(13)到(14)，使用了等式(11)。接著，把等式(14)表示成矩陣的形式如下 y≡Gc+v， (15)其中gi是(N×1)向量，其第n個元素是gi(n)＝ri(n)*s(n)。記住「*」代表離散時間卷積。
從等式(15)可以看出，接收信號向量y是未知衰落輻射的線性函數c加上噪聲。因此，標準線性估計技術(例如H.Van Trees，「Detection，Estimation，and Modulation Theory，Part 1」，1968)可用來根據對y的觀察以及根據已知發射序列s(n)來估計c。注意，由於ri(n)是已知的，可通對知道s(n)來形成矩陣G[見等式(11)後面的一行]。
例如，由 表示的c的最大似然估算值由下式給出c^ML=(GHG)-1GHy----(16)]]>並且有效基帶信道h0(n)的相應的ML估算值是h^0ML(n)=iri(n)c^ML(i)----(17)]]>如果信道媒體的輻射c(k)隨時間改變，有效基帶信道會隨時間改變。如果在均衡窗期間這種改變明顯，則連續跟蹤有效基帶信道的變化變得必要。在這部分中，通過首先跟蹤信道媒體的衰落輻射、然後從信道媒體的輻射的跟蹤值形成有效基帶信道的跟蹤值，間接地跟蹤有效基帶信道。
令c(k，n)表示在時間「nMT」具有延遲「kT」的媒體輻射的值。讓h0(l，n)表示在時間「nMT」的相應有效基帶信道的脈衝響應。
各種標準跟蹤算法[例如，遞歸最小二乘方(RLS)、最小均方(LMS)、歸一化最小均方(NLMS)、卡爾曼跟蹤器、卡爾曼LMS跟蹤器等]可用於遞歸估計(或跟蹤)c(k，n)。令 表示c(k，n)的跟蹤值。按照當前的發明，有效基帶信道的相應的跟蹤值是h^0(l,n)=iri(l)c^(i,n)----(18)]]>為了利用公開的方法，必須首先確定媒體輻射的位置[即c(k，n)為非零值時k的值]。本發明不涉及如何確定這些延遲，而寧可說是，一旦知道對於特定的k、c(k，n)是非零值，就要估計c(k，n)的值。陳述此問題的另一方式即首先必須找到非零媒體輻射的位置。
在大多數通信系統中，把發射符號分成碼組，每個碼組包括幾個已知符號。這些已知符號有時稱為「前置碼」、「中置碼」或者「訓練序列」。給定訓練序列，就可以用許多方法來確定非零延遲的位置。例如，考慮到確定用於放置媒體信道的三個輻射的最佳位置。用於放置這三種輻射的一種迭代算法如下。首先，找出放置僅一個輻射的最佳位置。接著，固定第一輻射的位置，找到放置第二輻射的最佳位置。在搜索第二輻射的位置期間，固定第一輻射的位置，並且允許第一輻射的值變化。最終，在固定第一和第二輻射的位置後，找出放置第三輻射的最佳位置。在搜索第三輻射的位置期間，固定第一輻射的位置和第二輻射的位置，但是，允許第一輻射的值和第二輻射的值變化。這種程序可以容易地推廣到三種以上的輻射。
圖4表示按照本發明的跟蹤均衡器的性能，以及在13MHZ/48的符號率下、基於GMSK調製、在120公裡/小時下、並且用於Eb/N0支配的環境的非跟蹤均衡器。實線表示跟蹤均衡器而虛線表示非跟蹤均衡器。非跟蹤均衡器估計中置碼的信道、並且用該信道估計值來利用五抽頭MLSE均衡器解調整個突發。
從圖4可以看出，在0.73的編碼率下，非跟蹤均衡器需要的Eb/N0比跟蹤均衡器大約多4dB以得到10％的BLER。
參照圖5，示出無線通信系統的硬體實現的框圖。要發送的信號在線路101上傳送給數字符號發生器102。符號發生器102產生要提供給數字發射器103的發射符號s(n)。發射機103經信道媒體發射符號，後者由無線單元105的天線104接收。無線單元105對信號濾波和放大並將其轉換成用於處理的適當形式。這些信號可由要提供給模-數轉換器106的模擬樣值來表示，模-數轉換器106輸出供基帶處理器107處理的數字樣值。基帶處理器107產生估計符號(n)。在系統100中，發射功能塊109被表示成包括發射機103、信道、無線單元105以及A/D(模/數)轉換器106。
參照圖6，示出按照本發明的基帶處理器107。基帶處理器107從發射功能塊109接收信號到同步塊206。同步塊206的輸出對應於圖1中所示的信號y(n)。同步塊206連接到信道抽頭估算器202和分支矩陣處理器203。信道抽頭估算器202接收值y(n)並且導出h0(n)的估算值，由 表示，後者還輸入到分支矩陣處理器203。分支矩陣處理器203連接到序列估計處理器204。在本發明的所示實施例中，處理器203和204實現利用數字樣值和信道抽頭估計值來確定估計符號(n)的Viterbi均衡器函數。
如本領域的技術人員會理解的，本發明可以用方法或裝置來實施。因此，本發明可採用全部硬體的實施例、全部軟體的實施例或者組合硬體和軟體方面的實施例的形式。已就框圖說明及各種等式描述了本發明。應該明白，框圖中每個塊或者這些塊的組合可以用電腦程式指令來實現。這些表示各步驟的程序指令可以提供給處理器以產生機器。同樣，文中指出的等式可以類似地由電腦程式指令來實現。
因此，框圖中各個塊及定義的等式支持用於產生特定功能的裝置的組合以及用於執行這些特定功能的步驟的組合。應該明白，每塊和塊的組合可以由執行特定功能或步驟的基於硬體的專用系統、或者專用硬體與計算機指令的組合來實現。
因此，按照本發明，公開了一種用於分數間隔衰落無線信道的符號間隔跟蹤的新穎方法。
權利要求
1.一種估計時變無線信道的方法，它包括以下步驟接收經所述信道發送的信號並且把所述信號轉換成用於處理的數字樣值；確定所述信道媒體的衰落輻射的位置；對於所述估計位置中的每一個、估計信道媒體的脈衝響應；以及利用所述數字樣值和所述媒體的所述估計的脈衝響應、計算所述時變無線信道的估計值。
2.權利要求1的方法，其特徵在於所述衰落輻射的間隔比發射符號周期小。
3.權利要求1的方法，其特徵在於所述無線信道估計值是提供給GSM均衡器的。
4.權利要求1的方法，其特徵在於所述無線信道估計值是提供給碼分多址均衡器的。
5.權利要求1的方法，其特徵在於所述信道媒體脈衝響應隨時間變化。
6.一種適合於估計或跟蹤時變無線信道的信道估算器，它包括用於接收經所述信道發送的信號並且把所述信號轉換成用於處理的數字樣值的裝置；用於確定所述信道媒體的衰落輻射的位置的裝置；用於對所述估計位置中每一個、估計信道媒體的脈衝響應的裝置；以及用於利用所述數字樣值和所述媒體的所述估計的脈衝響應、計算所述時變無線信道的估計值的裝置。
7.權利要求6的方法，其特徵在於所述衰落輻射的間隔比發射符號周期要小。
8.權利要求6的方法，其特徵在於所述無線信道估計值是提供給GSM均衡器的。
9.權利要求6的方法，其特徵在於所述無線信道估計值是提供給碼分多址均衡器的。
10.權利要求6的方法，其特徵在於所述信道媒體的脈衝響應隨時間變化。
全文摘要
一種估計和/或跟蹤時變無線信道的方法,它包括接收經信道發送的信號並且把信號轉換成用於處理的數字樣值的步驟。確定信道媒體的衰落輻射的位置。對於估計位置中每一個、估計信道媒體的脈衝響應。然後利用數字樣值和估計的脈衝響應來計算時變無線信道的估計值。
文檔編號H04B3/04GK1355978SQ00808783
公開日2002年6月26日 申請日期2000年5月23日 優先權日1999年6月16日
發明者K·C·贊吉 申請人:艾利森公司