专利名称：在时分多址系统中计算噪声能量的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对经由传输信道传送的信号进行噪声能量计算和/或偏差计算的方法和相应设备。具体地说，本发明涉及在无线远程通信系统中使用的这种方法和设备。
背景技术：
近来，移动无线远程通信系统应用地已非常广泛。这种移动无线远程通信系统例如根据一种公认的标准，如GSM标准来操作。根据GSM标准，依据时分多址(TDMA)的方法执行数据传送。TDMA传输规则规定，仅在各个指定的时隙帧期间从发射机向接收机传送数据，反之亦然。
这种远程通信系统中的数据传输基本上是依靠数字数据传送。然而，在作为一个用户终端的移动无线接收机(以下称为移动站MS)和一个作为业务无线网络元素的固定无线发射机设备(以下称为基站BS)之间，数据必需作为模拟数据经由空中接口Um(代表感兴趣的传输信道)传送。
结果，由移动站MS传送的数据经由基站BS接收设备的基站天线装置作为模拟数据接收。在利用所述接收设备对这样得到的数据进行进一步处理的过程中，对所述模拟数据进行模数转换，即将此数据通过一个A/D转换器装置。在下一阶段的处理中，把得到的数字数据提供给一个均衡器装置进行均衡处理。然后把这样得到的输出数据提供给一个信道编解码装置以对该数据进行编码/解码。在接收侧执行解码以从相关信号数据中分离出已接收到的语音数据。
要特别注意这种处理过程中对已接收数据的均衡，因为在接收侧所述均衡要求从已接收信号的混合体中重构已传输信号。
例如，假定一种情况，其中在无线远程通信网络中有一个基站BS和在该基站无线覆盖区中仅有的一个单独的移动站MS。于是，从移动站MS传送出的信号s可通过直线经时间s(t)直接到达基站BS。但是，同样的信号s可能被周围环境中的例如建筑物，山脉或类似物体反射。这样，该同样的信号可能在一个较迟的时间点s(t+T)到达基站BS，并被叠加到所述信号s(t)上。由于时延T的存在，所接收到的两个信号不再彼此同相。而且，因为经过更长的传送路径，被延迟了的信号s(t+T)甚至可能比信号s(t)衰减得更严重。于是，由基站BS接收到的从移动站MS发出的信号就失真了。现在，假设又提供另一个移动站MS′，则基站BS另外还接收到信号s′(t′)和s′(t′+T′)，这些信号在各个已传送的数据符号之间引起干扰(符号间干扰)。
因此，必须由一个均衡器装置重构(检测)初始传送的信号s(t)和/或从已接收信号s(t)，s(t+T)，s′(t′)，s′(t′+T′)的混合中得到的信号s′(t′)。
这样被重构(或检测)的信号需要尽可能地与初始传送的信号相似。因此当设计均衡器，例如用在基站BS的接收设备(接收机)中的均衡器时，这种重构是一个主要的关注点。
至于在这种情况下所采用的信道模型，上述每个延迟信号都构成一种信道脉冲响应函数相应的FIR(有限脉冲响应)模型，并代表一个所谓的分接头(tap)。根据所述分接头的值就能够计算出传输函数的极点和零点。
在接收机侧，有必要了解所接收信号的品质。用已接收信号的噪声能量(偏差)来代表该已接收信号的品质。把用噪声能量代表的对信号品质的了解(例如与均衡一起)运用到相应的接收机中。
在移动通信系统中，必须从已接收到的数据流来计算已接收信号的噪声能量。
根据现有的技术方案，从已接收信号减去训练序列(trainingsequence)(对接收机为已知并也经由传输信道传送，因此包含在该已接收信号中)的卷积处理结果及一个已计算出的信道脉冲响应所得之差来计算噪声能量。文献EP-B1-0 428 199中描述了这种方法的一个实例。
然而，执行卷积处理需要在接收机侧提供一个具有大容量数据存储器的大功率数字处理器设备，以便临时存储卷积处理的结果。而且，由于卷积处理的复杂性，这种处理也非常耗时。
此外，在特别适合于接收和重构已传送语音数据的接收机中，根据Viterbi(维特比)算法计算噪声能量。在以前的申请人所提交的文件WO 97/08841中描述了这种方法的一个实例。
但是，执行Viterbi算法也需要在接收机侧提供具有大容量数据存储器的大功率数字信号处理器设备以临时存储卷积处理的结果。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种用于计算经由传输信道传送的已接收信号的信号偏差的方法和相应的设备，这种方法和设备没有已知的现有技术所提供的技术方案的上述内在缺陷。
根据本发明，这个目的通过一种用于计算经由传输信道传送的已接收信号的信号偏差的方法实现，所述方法包括以下步骤计算已接收信号的能量，计算信道脉冲分接头的能量，以及用所述已计算出的所述已接收的信号的能量减去所述已计算出的信道脉冲响应分接头的能量计算所述已接收信号的所述信号偏差，以便从公式VAR＝RSSI-Emax得到所述信号偏差。
此外，根据本发明，这一目的通过用于计算经由传输信道传送的已接收信号的信号偏差的设备实现，所述设备包括适合于计算已接收信号能量的第一计算部件，适合于计算信道脉冲响应分接头能量的第二计算部件，和适合于计算所述已接收信号的信号偏差的第三计算部件，还包括一个适合于从所述已计算出的所述已接收信号的能量中减去所述已计算出的信道脉冲响应的能量的减法单元，从而可从公式VAR＝RSSI-Emax中得到所述信号偏差。
本发明的有利改进在各项从属权利要求中说明。
于是，本发明的优点在于提供一种计算噪声能量，即已接收信号的偏差的非常简单的方法。特别地，这种计算方法比基于卷积的偏差计算简单得多。
另外，因为本发明需要比现有技术更小容量的存储器来计算噪声能量，所以本发明用在上述的接收机中是很有益的，该接收机中所用数字信号处理器设备的数据存储器的容量有限。这也给相应的接收机设备增加了更多的灵活性并能执行新的和改进的接收机算法。
而且，在这些接收机中所需计算结果即时可得，而仅需对现有的接收机做较小的改变。
此外，本发明能在任何适合于根据TDMA传输规则操作的接收机设备中实现，并因此可用于所有符合GSM规范的基站。
另外，本申请中提出的用于计算偏差的方法和设备可结合在先提出的专利申请PCT/EP 98/04562(1998年7月21日提交，尚未出版)用在接收机设备中以改善接收机的灵敏性，该在先申请利用已接收信号的偏差来处理信道脉冲响应计算。
下面将参照附图通过实例详细地说明本发明的优选实施例。
图1图解说明了根据本发明的设备的一个基本实现方式的示意电路方框图；和图2示出了图1所示的基本实现方式的一种改进形式。
优选实施例详细说明根据本发明，已接收信号的噪声能量和/或偏差不再像已有技术所做的那样通过已接收信号、训练序列的卷积处理结果和已计算出的传输信道的脉冲响应之差来计算。
取而代之，本发明基于这样一种思想，即已接收信号是原始信号加上一个噪声分量。因此，噪声分量就等于已接收信号减去原始信号。而且，噪声能量代表已接收信号的偏差。于是这种偏差就可基于已接收信号的能量和脉冲响应分接头的能量进行计算。更准确地说，根据本发明，通过已接收信号的能量和脉冲响应分接头的能量之差计算所述偏差，正如随后将通过根据本发明的方法和设备进行说明的那样。
应当注意，在对本发明的说明中“能量”是相应信号的平均能量，且该能量将被一段信号符号序列划分以获得每个符号的平均信号能量。该符号序列由包含在该序列中符号个数的数字N代表。同时，“信号能量”这一表述意指每个符号的信号能量。
通常，已接收信号y也包含一个训练序列X。该训练序列对于系统是预知的并也作为在一个TDMA帧的某一时隙期间传输的数据的一部分被传送，所述数据称为数据短脉冲串(data burst)。
在下面的描述中，首先要特别注意对作为根据本发明的方法之基础的规则的说明。
为此，假设已接收信号由下面的公式表示y＝Xh+w (1)其中y代表经由传输信道传送的已接收信号，X代表训练序列，h代表已计算出的信道脉冲响应，w代表包含在已接收信号中的噪声。注意在此的和以后的公式中黑体字表明相应的数量/变量为矢量和/或矩阵表示。
如果对上述的公式(1)进行转换使得该公式两边都用相应的能量E表示，就将得到下面的公式E(yHy)＝E((Xh+w)H(Xh+w)) (2)在上述假设的条件下，数据，即已接收信号y和噪声w是不相关的，可重写公式(2)的右边并得到下面的公式E(yHy)＝E(hHXHXh+w)+E(wHw) (3)很明显，在公式(3)中，E(wHw)项代表噪声的能量，而E(hHXHXh+w)项代表信号能量，E(yHy)代表已接收信号的能量。
所以，现在就能近似认为(XHX)，即训练序列的共轭复数转置矩阵XH和该训练序列矩阵X(用复数符号表示)的乘积为“1”，或代表仅在其对角线上有数值“1”的单位矩阵。这取决于所选择的训练序列的性能或特征。
根据这种近似，信号/符号的能量可重写为E(hHXHXh)/N=E(hHh)/N=(Σi(Re{hi}2+Im{hi}2))/N]]>＝Emax(4)其中，Re{hi}代表以矢量表示的所述信道脉冲响应h的第i个分矢量的实部，Im{hi}代表以矢量表示的所述信道脉冲响应h的第i个分矢量的虚部，h代表信道脉冲响应矢量，hH代表所述信道脉冲响应矢量的共轭复数转置，和X代表用矢量表示的训练序列，该训练序列与它的共轭复数转置XH的乘积为“1”，以及N代表上述公式(3)中的序列y的长度。
同理，已接收信号/符号的能量E也可表示为E(yHy)/N=(Σi(Re{yi}2+Im{yi}2))/N=RSSI---(5)]]>其中，Re{yi}代表以矢量表示的已接收信号y的第i个分矢量的实部，Im{yi}代表以矢量表示的已接收信号y的第i个分矢量的虚部，y代表已接收信号矢量，yH代表所述已接收信号矢量的共轭复数转置，且RSSI代表已接收信号强度指示器，以及N代表上述公式(3)中的序列y的长度。
考虑到上述情况，噪声能量或偏差VAR就可通过已接收信号/符号的能量RSSI和近似由所述信道脉冲响应h的脉冲响应分接头的能量所表示的信号/符号的能量之差得到，即VAR＝RSSI-Emax (6)上述公式(6)是推导该公式时进行近似所得到的结果。但是，这一关系在几乎所有的情况下提供了足够可靠的结果。
然而，下面可得到公式(6)的一种改进。特别地，脉冲响应分接头的能量分别由第一和第二预定系数(加权系数)a和b加权。
然后，就得到经改进的公式(6)VAR＝RSSI-a*Emax (7)和ACT_VAR＝MAX(VAR，b*Emax) (8)其中ACT_VAR作为执行本发明的(改进的)方法的结果代表将用在接收机中的实际偏差。具体地说，选择根据公式(7)得到的所述偏差VAR和用第二预定系数b进行加权的脉冲响应分接头的能量Emax中的最大值作为实际偏差。
所述预定的系数a和b分别是对使用者特定的常数。应注意当选择加权系数a，b分别等于1和0时，所述改进的方法就可简化为上述的基本方法。
这些分量的设定依赖接收机所使用的环境，也依赖于所使用的设备的特性(例如，设备的热电噪声特性)。
本发明人通过实验证明a和b的合适数值为a＝0.5，b＝1/32。用数值b设定偏差VAR的最小可能值。也就是说，对于公式(8)，如果VAR的值(公式(7)的结果)小于b*VAR，则b*VAR的值较大并选其作为ACT_VAR，因为它是这两个值中最大的。通过把VAR或ACT_VAR的值限制到最小，Emax/VAR(或相应的Emax/ACT_VAR)的商被限制到最大可能值。再从该商数可得到S/N(信噪比)的值。
于是，根据本发明的方法，在适合于执行根据公式(6)的函数关系的计算步骤中计算已接收信号的信号偏差。在进行这一步骤之前，先执行计算已接收信号的能量/符号RSSI的步骤和计算信道脉冲响应分接头的能量/符号Emax的步骤。这些步骤的优点在于其也适合于分别实现根据公式(5)和(4)的函数关系。
根据上述改进，在一个相应的改进计算步骤中计算所述已接收信号的实际信号偏差ACT_VAR，所述改进步骤适合于实现根据公式(7)和(8)的函数关系。
接下来将参照附图详细说明根据本发明的相应设备。
图1示出了根据本发明的设备的基本实现方式的示意电路方框图。
如图所示，一个已接收信号y经由一条传输通路(未示出)被提供给构成接收机设备一部分的装置。
该已接收信号y被分流并分别提供给第一计算部件1和第二计算部件2。
所述第一计算部件适合于计算已接收信号y的能量/符号，这个比值也可用RSSI(已接收信号强度指示器)表示。所述能量可表示为∑｜y｜2(y是假设以复数形式表示的信号所代表的已接收信号)。特别地，所述第一计算部件1适合于执行如上述公式(5)表示的以输入/输出特性来表达的处理。
所述第二计算部件适合于计算信道脉冲响应h分接头的能量/符号Emax。所以，该第二计算部件2包括一个信道脉冲响应(CIR)计算单元2a和一个处理单元2b。
所述CIR计算单元2a基于所提供的已接收信号y和一个输入训练序列X得到信道脉冲响应，所述训练序列包含在已接收信号的数据中且对于所述设备是已知的。该已知的训练序列例如从一个用于存储各个训练序列的存储单元(未示出)输入CIR计算单元2a。
这种信道脉冲响应计算单元2a的设计对本发明来说并不重要，其可以是常规的已知单元，所以对此不再赘述。
作为CIR计算单元2a的处理结果，一个代表信道脉冲响应函数和/或信道脉冲响应分接头的信号h输出并被提供给再处理单元2b，该再处理单元适合于根据所述单元2a的预处理结果输出信道脉冲响应分接头的能量/符号Emax。所述能量/符号Emax可表示为∑｜h2｜。特别地，所述再处理单元适合于执行如上述公式(4)表达的以输入/输出形式表示的处理。应时刻牢记，所指定的每个信号都由i个分矢量组成，其中i依赖于由信道脉冲响应函数h所表达的FIR信道模型。
分别由第一和第二计算部件输出的信号RSSI和Emax被提供给第三计算部件3。
所述第三计算部件3适合于根据提供给它的两个信号得到信号偏差或噪声能量。更准确地说，所述信号RSSI和Emax分别加到所述第三计算部件3的减法单元3a的正(+)和负(-)输入端子。
在图解说明的本发明设备的基本实现形式中的减法单元3a(和/或第三计算部件)适合于执行如上述公式(6)表示的以输入/输出特性形式表达的处理。随后，该减法单元输出作为信号偏差或噪声能量的信号VAR并将其提供给所述接收机设备以做下一步使用。
下面将参照图2说明如图1所示的基本实现方式的改进方式。
由于所述改进仅与第三计算部件有关，因此不必重复描述第一和第二计算部件。
如图2所示，所述改进的第三计算部件包括一个减法单元33a并且还包括一个加权单元33b。该加权单元执行加权，即分别用预先确定的系数a和b乘以所提供的信号Emax。加权单元33b的输出a*Emax加到所述减法单元的负(-)端子上，而信号RSSI仍然加到减法单元的另一个，即正(+)端子上。所述减法单元适合于输出如上述公式(7)所表示的信号VAR。该信号VAR作为所述设备还提供的一个选择部件44的两个输入信号中的一个输出到该选择部件。所述改进的第三计算部件33的加权单元33b的输出b*Emax作为所述选择部件44的两个输入信号中的第二个。
所述选择部件44适合于输出两个输入信号中较大的一个作为将进一步用在所述接收机中的实际偏差ACT_VAR。
预定加权系数a，b可利用设定部件(未示出)分别设定为对使用者特定的常数。特别是当设定a＝1，b＝0时，所述改进的第三计算部件的结构简化为上述第三计算部件的基本结构。如上所述，对这些分量的具体设定取决于接收机所使用的环境以及所使用的设备的特性(例如该设备的热电噪声特性)。本发明人通过实验证明，a和b适当的值为a＝0.5，b＝1/32。用数值b设定偏差VAR的最小可能值。也就是说，在公式(8)中，如果VAR的值(公式(7)的结果)小于b*VAR，则b*VAR是较大的值并选择其作为ACT_VAR，因为该值是两个值中最大的一个。通过限制VAR或ACT_VAR的值到最小，Emax/VAR(或相应的Emax/ACT_VAR)的商被限制为最大可能值。再从该商数中得到S/N(信噪比)的值。
因此，如上所述，本发明提出了一种计算经由传输信道传送的已接收信号y的信号偏差的方法，所述方法包括以下步骤计算已接收信号y的能量RSSI，计算信道脉冲响应h分接头的能量Emax，以及通过从所述已计算出的所述已接收信号的能量RSSI中减去所述已计算出的信道脉冲响应分接头的能量Emax计算所述已接收信号的所述信号偏差VAR，由此从公式VAR＝RSSI-Emax中得到所述信号偏差；此外本发明还提供一种适合实现这种方法的设备。
应当理解上述描述和附图仅仅是为了通过举例的方式说明本发明。本发明的优选实施例可在附后的权利要求书的范围内变化。
权利要求
1.一种用于计算经由传输信道传送的已接收信号(y)的信号偏差的方法，所述方法包括以下步骤计算已接收信号(y)的能量(RSSI)；计算信道脉冲响应(h)分接头的能量(Emax)；和通过从所述已计算出的所述已接收信号的能量(RSSI)中减去所述已计算出的信道脉冲响应分接头的能量(Emax)计算所述已接收信号的所述信号偏差(VAR)，以便所述信号偏差由下述公式得到VAR＝RSSI-Emax。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述已计算出的已接收信号(y)的能量(RSSI)根据下述关系式由已接收信号(y)的所有分矢量的和表示RSSI=Σi(Re{yi}2+Im{yi}2)=E(yHy)]]>其中，Re{yi}代表以矢量表示的已接收信号y的第i个分矢量的实部，Im{yi}代表以矢量表示的已接收信号y的第i个分矢量的虚部，y代表已接收信号矢量，和yH代表所述已接收信号矢量的共轭复数转置。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述已计算出的所述信道脉冲响应(h)分接头的能量(Emax)根据下述关系式由信道脉冲响应(h)的所有分矢量的和表示Emax=(Σi(Re{hi}2+Im{hi}2)=E(hHXHhX)]]>其中，Re{hi}代表以矢量表示的所述信道脉冲响应h的第i个分矢量的实部，Im{hi}代表以矢量表示的所述信道脉冲响应h的第i个分矢量的虚部，h代表信道脉冲响应矢量，hH代表所述信道脉冲响应的矢量的共轭复数转置，和X代表用矢量表示的训练序列，该训练序列与它的共轭复数转置XH的乘积为“1”。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述的计算所述已接收信号的所述信号偏差(VAR)的步骤进一步包括以下步骤利用相应的第一和第二预定系数(a，b)对所述已计算出的信道脉冲响应分接头的能量(Emax)进行加权，和其中，通过从所述已计算出的所述已接收信号的能量(RSSI)中减去所述已计算出的用所述第一预定系数(a)加权的信道脉冲响应分接头的能量(Emax)得到所述已计算出的信号偏差(VAR)，以便所述信号偏差由下述公式得到VAR＝RSSI-a*Emax，所述方法还包括选择步骤，用于选择实际计算偏差(ACT_VAR)为所述已计算出的信号偏差(VAR)和所述已计算出的用所述第二预定系数(b)加权的信道脉冲响应分接头(Emax)的能量中的最大值，以便所述实际计算偏差(ACT_VAR)由下述公式得到ACT_VAR＝MAX(VAR，b*VAR)。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述预定系数是对使用者特定的常数。
6.一种用于计算经由传输信道(1)传送的已接收信号(y)的信号偏差的设备，所述设备包括适合于计算已接收信号(y)的能量(RSSI)的第一计算部件(1)；适合于计算信道脉冲响应(h)分接头的能量(Emax)的第二计算部件(2，2a，2b)；和适合于计算所述已接收信号的所述信号偏差(VAR)的第三计算部件(3，3a；33，33a)，且该部件包括一个减法单元(3a；33a)，适合于从所述已计算出的所述已接收信号的能量(RSSI)中减去所述已计算出的信道脉冲响应分接头的能量(Emax)，以便所述信号偏差从下述公式中得到VAR＝RSSI-Emax。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述已计算出的所述已接收信号(y)的能量(RSSI)根据下述关系式由已接收信号(y)的所有分矢量之和表示RSSI=Σi(Re{yi}2+Im{yi}2)=E(yHy)]]>其中，Re{yi}代表以矢量表示的已接收信号y的第i个分矢量的实部，Im{yi}代表以矢量表示的已接收信号y的第i个分矢量的虚部，y代表已接收信号矢量，和yH代表所述已接收信号矢量的共轭复数转置。
8.如权利要求6所述的设备，其中所述已计算出的所述信道脉冲响应(h)分接头的能量(Emax)根据下述关系式由信道脉冲响应(h)的所有分矢量的和表示Emax=Σi(Re{hi}2+Im{hi}2)=E(hHXHhX)]]>其中，Re{hi}代表以矢量表示的所述信道脉冲响应h的第i个分矢量的实部，Im{hi}代表以矢量表示的所述信道脉冲响应h的第i个分矢量的虚部，h代表信道脉冲响应矢量，hH代表所述信道脉冲响应的矢量的共轭复数转置，和X代表用矢量表示的训练序列，该训练序列与它的共轭复数转置XH的乘积为“1”。
9.如权利要求6所述的设备，其中所述适合于计算所述已接收信号的所述信号偏差(VAR)的第三计算部件(33，33a)还包括一个适合于用相应的第一和第二预定系数(a，b)加权所述已计算出的信道脉冲响应分接头能量(Emax)的加权单元(33b)，和一个减法单元(33a)，该减法单元输出所述已计算出的信号偏差(VAR)作为从所述已计算出的所述已接收信号的能量(RSSI)中减去用所述第一预定系数(a)加权的所述已计算出的信道脉冲响应分接头的能量(Emax)的结果，以便所述信号偏差由下述公式得到VAR＝RSSI-a*Emax，所述设备还包括一个选择部件(44)，适合于选择实际计算偏差(ACT_VAR)为所述已计算出的信号偏差(VAR)和所述已计算出的用所述第二预定系数(b)加权的信道脉冲响应分接头的能量(Emax)中的最大值，以便所述实际计算偏差(ACT_VAR)由下述公式得到ACT_VAR＝MAX(VAR，b*VAR)。
10.如权利要求9所述的设备，其中所述预定系数是对于使用者特定的常数。
全文摘要
本发明提出了一种用于计算经由传输信道传送的已接收信号(y)的信号偏差的方法,所述方法包括以下步骤:计算已接收信号(y)的能量(RSSI),计算信道脉冲响应(h)分接头的能量(Emax),以及通过从所述已计算出的所述已接收信号的能量(RSSI)中减去所述已计算出的信道脉冲响应分接头的能量(Emax)得到所述已接收信号的所述信号偏差(VAR),以便所述信号偏差可由公式VAR=RSSI－Emax得到。本发明还提供了一种与上述方法相适应的设备。
文档编号H04B17/00GK1350734SQ99816648
公开日2002年5月22日 申请日期1999年5月17日 优先权日1999年5月17日
发明者阿吉·哈蓬恩, 奥利·皮雷恩 申请人:诺基亚公司