Cdma通信系統的瑞克接收機中的信道估計的制作方法

專利名稱：Cdma通信系統的瑞克接收機中的信道估計的制作方法
技術領域：
本公開內容通常涉及無線通信，更具體地，涉及無線通信設備中的，例如基于用戶設備的CDMA的RAKE(瑞克)接收機中的信道估計設備和方法。
背景技術：
在碼分多址(CDMA)通信系統中，全部小區中的全部基站均可以使用相同的射頻用于通信。通過唯一分配的擴頻碼在系統中唯一地識別基站。由全部基站使用兩個215比特長度的指定的偽隨機噪聲(PN)序列。在正交調制系統中，一個序列用于同相(I)的I信道碼元的信道擴頻，而另一個序列用于正交(Q)的Q信道碼元的信道擴頻。系統中的移動站擁有相同的兩個215比特長度的擴頻碼，并且將其用于I和Q信道的初始解擴。
使用被稱為Walsh(沃爾什)覆蓋的過程對用于發射的碼元擴頻。當處在呼叫中時，由基站向每個移動站分配唯一的Walsh碼，以確保針對給定小區中的每個移動站的發射同針對每其他的移動站的發射正交。除了業務信道之外，每個基站廣播導頻信道。導頻信道由恒定電平的信號形成，其由Walsh碼0覆蓋，其全部由0構成。由范圍中的全部移動站共同接收該導頻信道，此外，由移動站使用該導頻信道，用于識別CDMA系統的存在，識別通信和干擾基站的初始和延遲射線，并且用于通信信道的相干解調。
然而，在RAKE(瑞克)接收機的輸出端，通信信道可能受到噪聲的影響，其可被估計為信擾比(SIR)，在此處其還被稱為信噪比(SNR)。由于其唯一的和已知的性質，導頻信道有利地用于估計信道質量條件，其隨后可用于增強通信信道。信道估計是關于碼分多址(CDMA)系統，諸如第三代伙伴項目(3GPP)、通用移動電話系統(UMTS)、寬帶CDMA(WCDMA)和cdma2000系統的RAKE(瑞克)解調的組成部分。信道估計器處理已知的導頻序列，以得到相位基準，用于RAKE(瑞克)解調器的每個支路(耙指)中的相干解調。
參考

圖1，典型的CDMA移動站接收機利用具有三個或更多(N)的獨立受控的耙指(支路)的RAKE(瑞克)接收機，其同正確的PN序列相位在時間上對準，該PN序列相位使用由接收機導頻相位搜索元件確定的導頻信道相位的知識。通常將耙指分配給由接收機導頻相位搜索元件所確定的、自全部通信基站接收的最強的射線。使用本領域已知的技術使進入的正交調制(I+Q)信號下變頻為所接收的基帶信號。RAKE(瑞克)接收機的每個耙指利用具有關于導頻和數據(業務)信道的唯一的擴頻序列的相關器，針對進入的信號進行操作。數據相關器檢測(解擴)數據信息并且將其累加。導頻相關器檢測(解擴)導頻碼元并且將其累加。這樣，導頻比特可用于使用信道估計濾波器的信道估計。然后，針對所估計的信道質量進行校正的濾波器的輸出可以施加到使用復共軛的數據碼元，以提供校正。信道估計濾波器在信號被處理時使之延遲，因此補償延遲元件用于數據碼元，由此相干地施加校正。然后，在使用用于每個耙指的獨立的解偏移器進行延遲而使全部的信號相干地對準之后，組合來自RAKE(瑞克)接收機的每個耙指的輸出。
典型的信道估計濾波器是有限脈沖響應(FIR)濾波器，其通過對在公共導頻信道(CPICH)或專用導頻信道(其在例如3GPP WCDMA系統中的專用物理信道(DPCH)上是時間復用的)上傳送的解擴導頻碼元的序列執行滑動平均，進行操作。圖2示出了關于3GPP WCDMA系統的公共導頻信道(CPICH)的時隙結構。現有技術的滑動平均信道估計濾波器具有隨濾波器長度變化的延遲(即，延遲＝二分之一濾波器長度)。在該情況中，設置信道估計濾波器的長度以在預期操作條件的全部范圍上產生可接受的性能。然而，改變濾波器帶寬將非常可能引起一個或多個幀錯誤。此外，延遲緩沖器必須是足夠大的，以容納全部可能遇到的延遲，導致了非常大的延遲緩沖器，其是高成本的，并且在集成電路上耗用了大的面積。而且，已經發現，多普勒(Doppler)頻率偏移也可能影響相干接收，這在現有技術中仍待解決。盡管有很多的現有技術致力于使用FIR濾波器用于信道估計，但是沒有一個具有作為多普勒速率的函數的變化的濾波器長度(信道帶寬)。
在CDMA通信系統中需要改進的信道估計，其在不犧牲性能的情況下進一步減少了計算復雜度和集成電路尺寸以及成本。而且，有利的是，致力于多普勒頻率偏移以及噪聲。
附圖簡述圖1示出了現有技術的CDMARAKE(瑞克)接收機的簡化的框圖；圖2示出了3GPP WCDMA系統的公共導頻信道(CPICH)的時隙結構的說明；圖3示出了根據本發明的CDMA RAKE(瑞克)接收機的簡化的框圖；圖4示出了圖3的信道估計濾波器的框圖；圖5示出了圖4的濾波器的抽頭應用的說明；圖6示出了由本發明提供的改進方案的圖表；并且圖7示出了根據本發明的方法的流程圖。
優選實施例詳述本發明在無顯著的計算復雜度的情況下提供了CDMA通信系統中的有效的信道估計，并且在不犧牲性能的情況下減少了對額外的集成電路尺寸和成本的需要。本發明還致力于多普勒頻率偏移以及噪聲。特別地，本發明并入了固定延遲的滑動平均FIR信道估計濾波器的實現方案，其中濾波器長度(帶寬)作為所估計的多普勒速率和信道SNR的函數(基于每個支路)而動態變化，以便于使無線電鏈路性能最優化。最優的信道估計濾波器的帶寬是多普勒速率(信道帶寬)和信道SNR的函數。
用于估計多普勒速率和信道SIR或SNR的算法是已知的，并且可以在處理器或數字信號處理器(DSP)中的軟件中實現。例如，在計算SNR時，關于第l個物理信道的第i個傳播路徑上的第n個時隙的第k個碼元的解擴碼元通常由下面的表達式表示dli[n,k]=al[n,k]zli[n,k]+ηli[n,k],]]>其中al[n，k]是歸一化的(以1為量值)發射碼元，其在導頻碼元的情況中已知的，并且ηli[n，k]是噪聲。量zli[n，k]是傳播信道，其量值平方表示關于相關聯的傳播路徑的接收功率。通過擴頻因子可以對解擴信號歸一化。
所估計的信噪比部分地基于移除了調制之后的所估計的噪聲功率估計。通常在某些時間間隔上對所估計的噪聲功率取平均。在大部分應用中，可以認為信道在兩個碼元上基本上是恒定的。該估計的范數產生了噪聲功率的無偏估計，在時間上對其取平均。更具體地，噪聲功率估計可以基于一個或多個信道上的，例如公共導頻信道(CPICH)或者專用導頻信道(其在WCDMA應用中在專用物理信道(DPCH)上是時間復用的)上的加權的噪聲功率估計。
假設在第l個物理信道上對于每個時隙存在NPILOTl(偶數)個導頻碼元，并且其中使用了移動平均有限脈沖響應(FIR)濾波器，如下估計關于第i個傳播路徑上的第n個時隙的噪聲功率σ^ηli2[n]=1KΣi=0K-11NPILOTlΣk=PPILOTl/2PPILOTl/2+NPILOTl/2-1|al[n-i,2k]*dil[n-i,2k]-al[n-i,2k+1]*dil[n-i,2k+1]|2]]>
其中K是在其上移動平均FIR濾波器對噪聲功率估計進行濾波的時隙的數目。在其他的實施例中可以使用其他的濾波器，例如，多極點IIR濾波器，或者更通用的FIR濾波器。
然后，基于所估計的信號功率估計，其是按照與上文相似的方式確定的，但是是基于關于數據信道的信號功率的加權估計(其是以相干方式取平均的)，確定所估計的SNR。然后取范數，以生成信號功率的偏差估計。優選地，隨后對該估計取平均以提高其準確性。這樣，估計信噪比(SNR)基于上文討論的估計信號功率和估計噪聲功率，并且用于確定最優帶寬。
相似地，還可以確定并入到關于最優帶寬計算中的多普勒偏移。多普勒偏移是這樣的頻率偏離，即其引起以等于該頻率偏離速率的調制的相位旋轉。180度的相位旋轉將使所發射的具有+1值的碼片變為所接收的具有-1值的碼片。這樣，在使用匹配濾波器對碼片求和時，存在對可以被求和以及匹配的連續碼片的數目的實際限制，即影響了所需的濾波器帶寬。例如，對于2250Hz的多普勒偏移，在111.1微秒中將發生90度的相位旋轉。基于CDMA的系統中的碼片具有0.8138微秒的時間長度。這樣，在111.1微秒中出現了136.5個碼片時間，因此可以安全地對136個碼片求和或匹配，同時保持相位相干性。
根據本發明，可以在不使數據被破壞同時保持固定的延遲的情況下，動態地調節濾波器帶寬。確定最優濾波器帶寬以滿足SNR和多普勒條件。有利地，通過使用固定延遲，濾波器在接收通信設備時保存功率，并且節約計算復雜度。由于RAKE的每個支路的SNR可以是不同的，因此濾波器還支持用于每個支路的獨立帶寬。這樣，本發明在最小地增加實現方案的復雜度的情況下，提供了改善的無線電性能。本發明具有以下進一步的優點提供了在緩慢變化的信道(低的多普勒速率)中非對稱地延伸濾波器跨度的能力，同時保持固定的延遲。
參考圖3，除了信道估計濾波器30以外，基礎模塊同圖1相同。信道估計濾波器30是有限脈沖響應(FIR)濾波器，其通過對在例如3GPP WCDMA系統的公共導頻信道(CPICH)上傳送的解擴導頻碼元序列執行滑動平均，進行操作。信道估計濾波器30由以下部分組成存儲器(RAM)，用于存儲來自導頻相關器的導頻碼元和由濾波器30確定的信道估計值；簡單的算術邏輯單元(ALU)42，其允許同常數相乘以及加法；小的觸發器(FF)庫44，用于操作數存儲；和微處理器、數字信號處理器或有限狀態機(FSM)46，其提供存儲器尋址/控制、ALU控制和FF控制。存儲器40包括最新的L+1個導頻碼元(其中L是濾波器的最大長度)。信道估計值在存儲器40中存儲在兩個庫中，其允許一個信道估計庫保持恒定，用于由處理器(或FSM)使用，而另一個信道估計庫被更新。以導頻碼元速率調換該庫。信道估計處理是非實時地完成的，但是確保其在存儲器庫調換之前完成。ALU是分時的，以利用針對每個支路具有不同的濾波器帶寬設置的能力，計算關于RAKE的每個支路的信道估計。當關于給定支路的帶寬不變時，電路在低功率模式下操作，其中加入一個新的碼元并且減去一個舊的碼元。然而，當濾波器帶寬發生變化時，通過對來自RAM的必需的碼元組求和，重新計算濾波器輸出值。在一個導頻碼元周期中對全部支路完成這些計算。對每個信道估計歸一化，以防止相對量值受到濾波器帶寬的影響。例如，通過以1/L比例調節該信道估計(即，除以用于特定的濾波器帶寬的抽頭數目)，可以實現恒定的增益。
圖5說明了設置長度為L的信道估計濾波器的抽頭分配。如所示出的，可以調節帶寬以改變長度，同時延遲保持恒定。通過在濾波器的起點和終點具有正確數目的零值抽頭，針對不同的濾波器帶寬(長度)保持了恒定的濾波器延遲D。實際上，施加到每個抽頭的濾波系數是關于濾波器帶寬的中心對稱的，且將零施加到所需帶寬外部的抽頭。典型地，對于那些SNR是差的或者多普勒偏移是高的情況，確定了窄的帶寬。在確定大的帶寬(＞2D)(例如，好的SNR或者緩慢變化的信道)的特殊的情況中，可以允許帶寬變為關于固定的延遲是非對稱的。在該情況中由于信道質量是好的，因此這對于解調是無害的，并且接收機可以適應微小的偏移而沒有顯著的傷害。
通過利用具有有限狀態機(FSM)控制的恒定延遲的FIR濾波器結構，本發明允許快速地調節濾波器帶寬而不會使數據被破壞。在信道估計濾波器中保持恒定的延遲(等于數據碼元延遲緩沖器長度)的事實消除了針對帶寬變化調節數據碼元延遲緩沖器長度的問題，該問題將引起許多碼元錯誤。恒定的信道估計延遲還允許RAKE(瑞克)接收機的每個支路具有獨立的信道估計帶寬，而不會使數據碼元延遲緩沖器的尋址復雜化。結合FSM使用簡單的ALU允許快速的調節濾波器帶寬。與具有等于濾波器長度的重置周期(其間信道估計可能是不正確的)不同，本發明在一個導頻碼元間隔中(以非實時的方式)重新計算濾波器的值。具有動態調節濾波器長度的能力還允許以特殊的方式處理非常低的多普勒速率的情況。在該特殊情況中，可以將濾波器設置為大于2D的長度，其中D是數據碼元延遲緩沖器長度。即使數據和信道估計不再完好地排列，時間偏離的影響仍是最小的(由于信道是緩慢變化的)，并且濾波器的額外長度仍是有利的。應當注意，由于數據延遲緩沖器占用了RAKE(瑞克)解調器的大部分成本(集成電路面積)，因此使其長度最小是非常需要的。
參考圖7，本發明并入了一種方法，用于CDMA通信系統的RAKE(瑞克)接收機中的信道估計。在第一步驟中，該方法包括步驟70，即提供具有L個抽頭并且具有固定延遲的有限脈沖響應信道估計濾波器。下一步驟72包括，輸入在RAKE(瑞克)接收機上來自通信系統信道的所接收數據序列的導頻序列。下一步驟74包括，確定通信系統的信道質量和濾波器的帶寬，以適應該信道質量。優選地，由信道的信噪比和信道的多普勒頻率偏移中的一個或兩個確定信道質量。更優選地，該步驟74包括，在一個導頻碼元間隔中計算濾波系數。下一步驟76包括，調節濾波器的帶寬以適應信道質量，同時保持固定的延遲。下一步驟78包括，針對通過信道估計濾波器的所接收數據序列，進行操作。
優選地，確定步驟74包括，計算關于最優帶寬的濾波系數，并且調節步驟76包括，以關于固定延遲的對稱的方式向抽頭施加該濾波系數，同時向那些帶寬外部的抽頭施加零。可選地，確定步驟74包括計算關于最優帶寬的濾波系數，并且調節步驟76包括，如果系數的數值超過延遲的兩倍，則以關于延遲的非對稱的方式向抽頭施加該濾波系數，同時向高于帶寬的任何抽頭施加零。這對于其中失準是無害的緩慢變化的信道條件是有用的。
實際上，針對RAKE(瑞克)接收機的全部耙指獨立執行這些步驟70～78，由此操作步驟導致了RAKE(瑞克)接收機中所接收的數據序列的相干解調。
為了在多普勒速率和信道SNR的全部范圍上保持最優的濾波器長度，本發明提供了動態地調節濾波器帶寬。特別地，對于給定的多普勒偏移，好的SNR可以使用比差的SNR更多的濾波器抽頭。相似地，對于給定的SNR，低的多普勒偏移使用比高的多普勒偏移更多的濾波器抽頭(和非對稱的帶寬)。由于關于每個支路的SNR可能是不同的，因此濾波器還可以支持關于RAKE(瑞克)接收機的每個支路的獨立帶寬。
示例已知的是，如果使用單一帶寬信道估計濾波器，在極端的多普勒速率和/或SNR條件下可能存在顯著的BER劣化。根據本發明，使用具有固定延遲和動態帶寬的有限脈沖響應信道估計濾波器執行數值模擬。下文提供了結果。針對全部模擬，在數值模擬中使用模擬數據，如業界所知的。特別地，針對在SFER＝1％，Ior/Ioc＝0dB，平坦衰落信道和DPCH＝12.2kbps下的理想信道估計，確定劣化。
圖6示出了結果的圖表，其指出了由于所指出的速度引起的相對于多普勒偏移的信道劣化(dB)。在第一個柱中，其在1km/h的速度時測試，使用固定的17個抽頭(碼元長度)的濾波器，相對于其中將濾波器長度動態地(非對稱地)調節到73個抽頭的本發明，進行測試。在第二個柱中，其在3km/h的速度時測試，使用固定的17個抽頭的濾波器，相對于其中將濾波器長度動態地調節到39個抽頭的本發明，進行測試。在第三個柱中，其在15km/h的速度時測試，使用固定的17個抽頭的濾波器，相對于其中將濾波器長度動態地調節到20個抽頭的本發明，進行測試。在第四個柱中，其在120km/h的速度時測試，使用固定的17個抽頭的濾波器，相對于其中將濾波器長度動態地調節到13個抽頭的本發明，進行測試。在最后一個柱中，其在250km/h的速度時測試，使用固定的17個抽頭的濾波器，相對于其中將濾波器長度動態地調節到7個抽頭的本發明，進行測試。
如所看到的，相對于現有技術的恒定長度的濾波器，本發明在極端條件下提供了更少的劣化。而且，在更加普遍的條件下，諸如以120km/h沿公路行駛的汽車，本發明提供了同現有技術相似的結果。此外，這是通過比先前描述的更少的計算實現的。固定延遲的使用以較多的成本和計算為代價，導致了更好的性能。
總而言之，本發明使用信道估計濾波器提供了CDMA通信系統中的信道估計，其在不犧牲性能的情況下減少了計算復雜度。有利地，本發明提供了相對于現有技術的改進方案，其歸于使用固定延遲的計算的簡化。此外，本發明提供了動態可調節的帶寬，且允許帶寬關于延遲變得非對稱。
盡管上文描述了本發明的具體部件和功能，但是本領域的技術人員可以使用更少的或者額外的功能，并且其在本發明的廣泛范圍中。本發明應僅由隨附權利要求限定。
權利要求
1.一種方法，用于CDMA通信系統的RAKE接收機中的信道估計，該方法包括以下步驟提供具有L個抽頭并且具有固定延遲的有限脈沖響應信道估計濾波器；輸入在RAKE接收機上來自通信系統信道的所接收數據序列的導頻序列；確定通信系統的信道質量和濾波器的帶寬，以適應該信道質量；調節濾波器的帶寬以適應信道質量，同時保持固定的延遲；和針對利用信道估計濾波器的所接收數據序列，進行操作。
2.權利要求1的方法，其中確定步驟包括測量信道的信噪比。
3.權利要求1的方法，其中確定步驟包括測量信道的多普勒頻率偏移。
4.權利要求1的方法，其中確定步驟包括測量信道的信噪比和多普勒頻率偏移。
5.權利要求1的方法，其中確定步驟包括計算關于最優帶寬的濾波系數，并且其中調節步驟包括以關于固定延遲的對稱的方式向抽頭施加該濾波系數，同時向那些帶寬外部的抽頭施加零。
6.權利要求1的方法，其中確定步驟包括計算關于最優帶寬的濾波系數，并且其中調節步驟包括如果系數的數目超過延遲的兩倍，則以關于延遲的非對稱的方式向抽頭施加濾波系數，同時向高于該帶寬的任何抽頭施加零。
7.權利要求1的方法，其中確定步驟包括在一個導頻碼元間隔中計算濾波系數。
8.權利要求1的方法，其中針對RAKE接收機的全部耙指獨立執行所述步驟，由此操作步驟導致了RAKE接收機中的所接收數據序列的相干解調。
9.一種方法，用于CDMA通信系統的RAKE接收機中的信道估計，該方法包括以下步驟提供具有L個抽頭并且具有固定延遲的有限脈沖響應信道估計濾波器；輸入在RAKE接收機上來自通信系統信道的所接收數據序列的導頻序列；確定通信系統的信道質量和濾波器的最優帶寬及其濾波系數，以適應該信道質量；調節濾波器的帶寬以適應該信道質量，同時保持固定的延遲；和針對利用信道估計濾波器的所接收數據序列，進行操作。
10.權利要求9的方法，其中在確定步驟中，通過信噪比和多普勒頻率的組中的至少一個確定信道質量。
11.權利要求9的方法，其中調節步驟包括以關于固定延遲的對稱的方式向抽頭施加濾波系數，同時向那些帶寬外部的抽頭施加零。
12.權利要求9的方法，其中當確定步驟指出了低的多普勒速率時，調節步驟包括以關于延遲的非對稱的方式向抽頭施加該濾波系數，同時向高于帶寬的任何抽頭施加零。
13.權利要求9的方法，其中確定步驟包括在一個導頻碼元間隔中計算濾波系數。
14.一種CDMA通信系統的RAKE接收機，其具有改進的信道估計，該RAKE接收機具有至少一個接收機耙指，包括具有L個抽頭并且具有固定延遲的有限脈沖響應信道估計濾波器；存儲器，其聯接到濾波器，該存儲器存儲來自濾波器的導頻碼元和信道估計；算術邏輯單元(ALU)，其聯接到濾波器；觸發器庫，其聯接到算術邏輯單元；和處理器，其提供存儲器尋址、ALU控制和觸發器控制。
15.權利要求14的RAKE接收機，其中存儲器包括兩個庫，第一庫包括保持恒定的信道估計，由處理器使用，而信道估計的第二庫由濾波器更新，并且其中以導頻碼元速率調換所述庫。
16.權利要求14的RAKE接收機，其中ALU是分時的，以計算關于RAKE接收機的每個耙指的信道估計，并且允許關于每個耙指的不同的濾波器帶寬。
17.權利要求16的RAKE接收機，其中當耙指的帶寬不變時，濾波器操作，以加入一個新的碼元同時減去一個舊的碼元，并且當耙指帶寬發生變化時，通過對存儲器中的碼元求和，重新計算濾波器的輸出。
18.權利要求14的RAKE接收機，其中在一個導頻碼元周期中對全部耙指完成全部的濾波器計算，并且對每個信道估計歸一化，以保持關于不同濾波器帶寬的相對量值。
19.權利要求14的RAKE接收機，其中處理器計算關于最優帶寬的濾波系數，并且以關于固定延遲的對稱的方式向抽頭施加濾波系數，同時向那些帶寬外部的抽頭施加零。
20.權利要求14的RAKE接收機，其中處理器計算關于最優帶寬的濾波系數，并且如果系數的數值超過延遲的兩倍，則以關于延遲的非對稱的方式向抽頭施加濾波系數，同時向高于該帶寬的任何抽頭施加零。
全文摘要
一種方法和裝置，用于CDMA通信系統的RAKE(瑞克)接收機中的信道估計，其通過具有L個抽頭并且具有固定延遲的有限脈沖響應信道估計濾波器(40)進行操作。輸入在RAKE(瑞克)接收機上來自通信系統信道的所接收數據序列的導頻序列。使用噪聲或多普勒測量(46)確定通信系統的信道質量。在調節濾波器的帶寬時使用這些測量，以適應該信道質量，同時保持固定的延遲，其使延遲緩沖器尺寸最小。然后濾波器用于針對所接收的數據序列進行操作，以提供相干調制。
文檔編號H04B1/707GK1836381SQ200480023137
公開日2006年9月20日 申請日期2004年7月28日 優先權日2003年8月13日
發明者布賴恩·W·贊瓊, 克里斯多佛·P·拉羅薩, 亞歷山大·馬萊特, 約翰·P·奧利佛 申請人:摩托羅拉公司