专利名称：分数间隔衰落无线信道的符号间隔估计和/或跟踪方法
技术领域：
本发明涉及估计或跟踪多速率衰落信道的数字通信接收机，更具体地说，涉及分数间隔信道的符号间隔估计和/或跟踪方法。
无线信道可以有效地分成三部分。有已知的发射滤波器、未知的信道媒体、以及已知的接收滤波器。无线信道的输入一般是来自离散字符如+1和-1的符号，同时抽样率等于波特率。发射滤波器、信道媒体以及接收滤波器一般在更高的、例如符号率的八倍的抽样率下建立模型。均衡器使用无线信道的符号间隔模型，后者使发射的符号与接收滤波器的输出在每个符号周期一个样值的抽样率下相关(这种应用把这种符号间隔信道称为有效基带信道)。参考文献“Digital Communication”(Lee/Messerschmitt，Kulwer AcademicPublishers，1994)提出一种用于直接估计有效基带信道的方法。类似地，参考文献“Licentiate Thesis，Lars Lindbum，Upsala University1992，ISSN 03468887)提出一种用于直接跟踪有效基带信道的方法。但是，当信道媒体的基础辐射的间隔比一个符号周期还小时，本发明对这些方法提出了改进。A.Khayrallah、R.Ramesh、G.Bottomley以及D.Koilpillai“Improved Channel Estimation with Side Information”“VTC-97，第2卷，第1049-1051页提出一种用于估计衰落移动无线信道的方法，是把有效基带信道建成已知脉冲和未知媒体的卷积的模型。作者仅明确地估算信道的媒体部分，并且把有效基带信道重建成这个估算的媒体与已知脉冲的卷积。但是，如当前应用中所表明的，有效基带信道并不总是能表示成已知脉冲与未知媒体的卷积。特别是，当信道媒体有安插得比一个符号周期更紧密的辐射时(即分数间隔媒体)，Khayrallah的方法是不适用的。
本发明旨在以新颖简单的方式克服上面讨论的问题中的一个或多个。
这里广泛地公开了估计时变无线信道的方法，它包括这些步骤接收经信道发送的信号并且把信号转换成数字样值以供处理；确定信道媒体的衰落辐射的位置；对于每个估计位置、估计信道媒体的脉冲响应；以及用数字样值和估计的脉冲响应来计算时变无线信道的估计值。
本发明的一个特征是衰落辐射的间隔比发送符号周期还小。
本发明的另一特征是无线信道估计值是为GSM(全球移动通信系统)均衡器提供的。
本发明的又一特征是无线信道估计值是为码分多址均衡器提供的。
按照本发明的另一方面公开一种适合于跟踪时变无线信道的信道估算器，它包括用于接收经信道发送的信号、并且把信号转换成数字样值以供处理的装置。设置用于确定信道媒体的衰落辐射的位置的装置。装置对于每个估计位置估计信道媒体的脉冲响应。设置用于用数字样值和媒体的估计的脉冲响应来计算时变无线信道的估计值的装置。
从说明书和附图中，本发明的其他特征和优点会显而易见。
本发明的详细描述本发明涉及分数间隔衰落无线信道的符号间隔估计和跟踪的方法。任何需要估计或跟踪多辐射衰落信道、如全球移动通信系统(GSM)的典型市区信道的数字通信均衡器都可使用本方法。使用这种跟踪方法，在每小时120公里、0.73的编码率下、可以把当前设计的GMS/GMSK(高斯最小频移/高斯最小频移键控)均衡器的误码组率(BLER)提高4dB(Eb/N0，每个信息比特与噪声频谱密度的能量之比)，达到10％的BLER。
所公开的方法还可用于码分多址(CDMA)系统、以便估计或跟踪衰落辐射供分离多径指针(rake finger)使用。例如，假定媒体辐射的间隔比一个使无线信道的输出数字化所用的抽样周期更短，该方法可被CDMA指针搜索器用来找到分离多径指针。
参照
图1，框图说明数字通信系统10的离散时间模型。把数字通信系统建成基带上的模型。信号S(n)表示发射的符号。框12收到发射的符号并且对这些符号进行从每符号一个样值到每符号M个样值的上升抽样，以便产生信号e(n)(即框12在s(n)的每对相邻样值之间插入“M-1”个零)。方框12连接到由脉冲响应p(k)表示的发射滤波器14。由d(n)表示的发射滤波器14的输出被通过信道媒体方框16发送。序列c(k)表示信道媒体的脉冲响应，它产生由f(n)表示的输出。接收机包括由q(k)表示的接收滤波器18，后者产生输出z(n)。接收滤波器18的输出耦合到抽样率转换器20，后者进行从每符号M个样值到每符号1个样值的下降抽样。在加法器22中把下降抽样器20的输出r(n)与代表白高斯噪声(AWGN)的信号v(n)相加，从而产生输出y(n)。把此输出提供给均衡器24，后者产生估计符号(n)。应该在接收滤波器18和下降抽样之前加入AWGN。但是，如果接收滤波器18在通信系统的整个带宽上是平坦的，则在下降抽样器20的输出端加上AWGN会产生到均衡器的同样输入。
关于信道媒体16，c(j)代表具有延迟jT(1/T是数字通信系统模型中的最高抽样频率)的多径辐射。假定T足够小，各c(k)能准确地模拟连续时间媒体。在少数辐射下，c(k)仅有少数的非零系数。在图1的模型中，p(k)、c(k)和q(k)工作在1/T的抽样频率下。S(n)和r(n)工作在1/MT的较低抽样频率下(即它们工作在符号率下)。在发射机中，用发射滤波器14每隔MT秒调制一次新符号s(n)。结果，d(n)=Σks(k)p(n-Mk)----(1)]]>s(n)的每个符号属于离散符号。
本发明利用图1的通信系统10的几个属性。系统10的一个属性是对于任何p(k)、c(k)和q(k)，具有输入信号s(n)和输出信号r(n)的系统是线性时间不变量(LTI)。具体来讲，r(n)=Σkh0(k)s(n-k)----(2)]]>其中h0(k)＝h(MK)而h(k)＝p(k)*c(k)*q(k)。图2说明有效基带信道的框图，其中图1的框14、16和18用代表函数h(k)的框26来模拟。可以看出，e(k)、z(k)和r(k)的z变换的关系如下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)其中从等式(5)到等式(6)，使用了来自Prentice Hall 1992年出版的P.P.Vaidyanathan的“多速率系统与滤波器组”中的第一Nobel恒等式。这里，函数h0(n)称为有效基带信道。h0(n)的估计值由 来表示，均衡器24用该估计值来计算(n)。
第二属性是r(n)是媒体信道的每个抽头的线性函数。具体来讲，如果ri(n)是由s(k)＝δ(n)与c(n)＝δ(n-i)得出的输出序列，则符号间隔信道h0(n)可以表示为h0(n)=Σiri(n)c(i)----(7)]]>使用等式(7)，r(n)可以写成r(n)＝s(n)*h0(n)(8)=s(n)*Σiri(n)c(i)----(9)]]>=Σi{ri(n)*s(n)}c(i)----(10)]]>=Σigi(n)×c(i)----(11)]]>其中gi(n)≡ri(n)*s(n)。
假定对于i＞P，c(i)＝0，等式(11)可以表示成图3中的框图形式。
显然，图1和3是具有输入信号s(n)和输出信号r(n)的同一LTI系统的不同表示形式。在图1中，如上所讨论的，该模型的不同部分工作在不同的抽样率下。在图3的表示下，模型的所有部分工作在1/(MT)的抽样频率下，即工作在符号率(即波特率)下。
为了均衡，需要估计和/或跟踪h0(k)的每个抽头。直接估计或跟踪抽头各h0(k)是复杂的。但是，估计或跟踪c(k)则相对简单。h0(k)的不同抽头一般是彼此相关的，并且这种相关需要包含在这些抽头的任何好估算器中。另一方面，c(k)的不同抽头是独立的；因此，c(k)的估算器不需要各c(k)之间的相关。
因为c(k)的统计模型相对简单，按照本发明，间接估计h0(k)。这是通过首先估计每个c(k)、由 来表示估计值、然后用等式(7)得到 来完成的，如下h^0(n)=Σiri(n)c^(i)----(12)]]>为了估计各h0(n)，首先得到衰落辐射的各估计值 然后按照等式(12)形成基带信道的估计值。
为了获得各 首先调用y(n)＝r(n)+v(n) (13)=Σigi(n)×c(i)+v(n)----(14)]]>其中从(13)到(14)，使用了等式(11)。接着，把等式(14)表示成矩阵的形式如下 y≡Gc+v， (15)其中gi是(N×1)向量，其第n个元素是gi(n)＝ri(n)*s(n)。记住“*”代表离散时间卷积。
从等式(15)可以看出，接收信号向量y是未知衰落辐射的线性函数c加上噪声。因此，标准线性估计技术(例如H.Van Trees，“Detection，Estimation，and Modulation Theory，Part 1”，1968)可用来根据对y的观察以及根据已知发射序列s(n)来估计c。注意，由于ri(n)是已知的，可通对知道s(n)来形成矩阵G[见等式(11)后面的一行]。
例如，由 表示的c的最大似然估算值由下式给出c‾^ML=(GHG)-1GHy‾----(16)]]>并且有效基带信道h0(n)的相应的ML估算值是h^0ML(n)=Σiri(n)c‾^ML(i)----(17)]]>如果信道媒体的辐射c(k)随时间改变，有效基带信道会随时间改变。如果在均衡窗期间这种改变明显，则连续跟踪有效基带信道的变化变得必要。在这部分中，通过首先跟踪信道媒体的衰落辐射、然后从信道媒体的辐射的跟踪值形成有效基带信道的跟踪值，间接地跟踪有效基带信道。
令c(k，n)表示在时间“nMT”具有延迟“kT”的媒体辐射的值。让h0(l，n)表示在时间“nMT”的相应有效基带信道的脉冲响应。
各种标准跟踪算法[例如，递归最小二乘方(RLS)、最小均方(LMS)、归一化最小均方(NLMS)、卡尔曼跟踪器、卡尔曼LMS跟踪器等]可用于递归估计(或跟踪)c(k，n)。令 表示c(k，n)的跟踪值。按照当前的发明，有效基带信道的相应的跟踪值是h^0(l,n)=Σiri(l)c‾^(i,n)----(18)]]>为了利用公开的方法，必须首先确定媒体辐射的位置[即c(k，n)为非零值时k的值]。本发明不涉及如何确定这些延迟，而宁可说是，一旦知道对于特定的k、c(k，n)是非零值，就要估计c(k，n)的值。陈述此问题的另一方式即首先必须找到非零媒体辐射的位置。
在大多数通信系统中，把发射符号分成码组，每个码组包括几个已知符号。这些已知符号有时称为“前置码”、“中置码”或者“训练序列”。给定训练序列，就可以用许多方法来确定非零延迟的位置。例如，考虑到确定用于放置媒体信道的三个辐射的最佳位置。用于放置这三种辐射的一种迭代算法如下。首先，找出放置仅一个辐射的最佳位置。接着，固定第一辐射的位置，找到放置第二辐射的最佳位置。在搜索第二辐射的位置期间，固定第一辐射的位置，并且允许第一辐射的值变化。最终，在固定第一和第二辐射的位置后，找出放置第三辐射的最佳位置。在搜索第三辐射的位置期间，固定第一辐射的位置和第二辐射的位置，但是，允许第一辐射的值和第二辐射的值变化。这种程序可以容易地推广到三种以上的辐射。
图4表示按照本发明的跟踪均衡器的性能，以及在13MHZ/48的符号率下、基于GMSK调制、在120公里/小时下、并且用于Eb/N0支配的环境的非跟踪均衡器。实线表示跟踪均衡器而虚线表示非跟踪均衡器。非跟踪均衡器估计中置码的信道、并且用该信道估计值来利用五抽头MLSE均衡器解调整个突发。
从图4可以看出，在0.73的编码率下，非跟踪均衡器需要的Eb/N0比跟踪均衡器大约多4dB以得到10％的BLER。
参照图5，示出无线通信系统的硬件实现的框图。要发送的信号在线路101上传送给数字符号发生器102。符号发生器102产生要提供给数字发射器103的发射符号s(n)。发射机103经信道媒体发射符号，后者由无线单元105的天线104接收。无线单元105对信号滤波和放大并将其转换成用于处理的适当形式。这些信号可由要提供给模-数转换器106的模拟样值来表示，模-数转换器106输出供基带处理器107处理的数字样值。基带处理器107产生估计符号(n)。在系统100中，发射功能块109被表示成包括发射机103、信道、无线单元105以及A/D(模/数)转换器106。
参照图6，示出按照本发明的基带处理器107。基带处理器107从发射功能块109接收信号到同步块206。同步块206的输出对应于图1中所示的信号y(n)。同步块206连接到信道抽头估算器202和分支矩阵处理器203。信道抽头估算器202接收值y(n)并且导出h0(n)的估算值，由 表示，后者还输入到分支矩阵处理器203。分支矩阵处理器203连接到序列估计处理器204。在本发明的所示实施例中，处理器203和204实现利用数字样值和信道抽头估计值来确定估计符号(n)的Viterbi均衡器函数。
如本领域的技术人员会理解的，本发明可以用方法或装置来实施。因此，本发明可采用全部硬件的实施例、全部软件的实施例或者组合硬件和软件方面的实施例的形式。已就框图说明及各种等式描述了本发明。应该明白，框图中每个块或者这些块的组合可以用计算机程序指令来实现。这些表示各步骤的程序指令可以提供给处理器以产生机器。同样，文中指出的等式可以类似地由计算机程序指令来实现。
因此，框图中各个块及定义的等式支持用于产生特定功能的装置的组合以及用于执行这些特定功能的步骤的组合。应该明白，每块和块的组合可以由执行特定功能或步骤的基于硬件的专用系统、或者专用硬件与计算机指令的组合来实现。
因此，按照本发明，公开了一种用于分数间隔衰落无线信道的符号间隔跟踪的新颖方法。
权利要求
1.一种估计时变无线信道的方法，它包括以下步骤接收经所述信道发送的信号并且把所述信号转换成用于处理的数字样值；确定所述信道媒体的衰落辐射的位置；对于所述估计位置中的每一个、估计信道媒体的脉冲响应；以及利用所述数字样值和所述媒体的所述估计的脉冲响应、计算所述时变无线信道的估计值。
2.权利要求1的方法，其特征在于所述衰落辐射的间隔比发射符号周期小。
3.权利要求1的方法，其特征在于所述无线信道估计值是提供给GSM均衡器的。
4.权利要求1的方法，其特征在于所述无线信道估计值是提供给码分多址均衡器的。
5.权利要求1的方法，其特征在于所述信道媒体脉冲响应随时间变化。
6.一种适合于估计或跟踪时变无线信道的信道估算器，它包括用于接收经所述信道发送的信号并且把所述信号转换成用于处理的数字样值的装置；用于确定所述信道媒体的衰落辐射的位置的装置；用于对所述估计位置中每一个、估计信道媒体的脉冲响应的装置；以及用于利用所述数字样值和所述媒体的所述估计的脉冲响应、计算所述时变无线信道的估计值的装置。
7.权利要求6的方法，其特征在于所述衰落辐射的间隔比发射符号周期要小。
8.权利要求6的方法，其特征在于所述无线信道估计值是提供给GSM均衡器的。
9.权利要求6的方法，其特征在于所述无线信道估计值是提供给码分多址均衡器的。
10.权利要求6的方法，其特征在于所述信道媒体的脉冲响应随时间变化。
全文摘要
一种估计和/或跟踪时变无线信道的方法,它包括接收经信道发送的信号并且把信号转换成用于处理的数字样值的步骤。确定信道媒体的衰落辐射的位置。对于估计位置中每一个、估计信道媒体的脉冲响应。然后利用数字样值和估计的脉冲响应来计算时变无线信道的估计值。
文档编号H04B3/04GK1355978SQ00808783
公开日2002年6月26日 申请日期2000年5月23日 优先权日1999年6月16日
发明者K·C·赞吉 申请人:艾利森公司