专利名称：使用tpc命令的相对速度估计的制作方法
背景技术：
发明领域本发明涉及无线电信，并具体地涉及估计移动通信系统中移动台相对于发射机的速度。
背景技术：
在移动通信系统中，常常需要精确地估计无线电信道或为无线电信道建模，以便增强通过无线电信道接收信号的接收机的性能。
图1说明本领域已知的示例性无线电信道。具体地，发射机102通过无线电信道104发送信号，这个无线电信道受到AWGN(加性高斯白噪声)影响，AWGN用单元106表示。然后，该信号在接收机108处被接收。
无线电信道经常受到多径传播的影响，这是在发射机与接收机之间的路径包括有来自大的物体的反射时引起的，使得来自发射机的传输信号的射线在接收机处相遇之前沿着具有不同长度的不同的路径行进。因此，当信号的射线相遇时，因为不同的路径长度，在这些射线之间有相位差。这会引起Rayleigh(瑞利)衰落，其中传输信号的射线或回波根据它们的相位，被相长或相消地组合。因此，由于在接收机处接收的组合的信号由在到接收机的路程上沿着不同的路径行进的传输信号的许多较小的射线或回波组成，该组合的信号在幅度和相位上呈现随机改变。因此，即使发射机以恒定的功率或幅度输出传输信号，在接收机处的传输信号的幅度或功率也会由于Rayleigh衰落而变化。
由接收机接收的组合信号通常被建模或被表示为具有Rayleigh概率分布，它被定义为P(r)=re-r2/2s2S2]]>换句话说，Rayleigh分布描述在关于从发射机发送到接收机的信号的RMS值的包络内Rayleigh衰落信道中信号分量的分布，在接收机与发射机之间的视线路径被阻挡，以使得由发射机发送的信号以多径方式，以沿到达接收机的不同路径反射的信号不同的射线或分量，到达接收机的情况下。因为由于多个不同相位的多径分量或射线的到达，信号的同相和正交分量实质上是高斯型的，所以Rayleigh分布描述包络。所以，作为同相和正交分量的平方和的平方根的信号包络遵循Rayleigh分布。
来自发射机的传输信号的射线在接收机处是相长还是相消地被组合，取决于接收机和发射机以及围绕它们的环境中阻挡式/反射式物体的特定的位置。因此，如果接收机改变相对于发射机和环境的位置，则它会移动通过其中射线不同地组合的位置。换句话说，当接收机移动时，射线在接收机处以交替的方式相长，然后相消地组合，使得接收机经历一系列“衰落凹陷(fading dip)”，其中接收的信号的幅度周期地下陷，然后返回到它的先前的电平。这些衰落凹陷的频率，或换句话说每单位时间的衰落凹陷的次数，通常被称为无线电信道的“衰落速率”。
衰落速率相应于接收机相对于发射机的速度，这样，当接收机的速度增加时，衰落速率也增加。结果是，衰落速率等价于Rayleigh衰落无线电信道的“多普勒扩展”，它被定义为Fd=2·V·Fcc]]>式中Fd＝多普勒扩展，V＝接收机相对于发射机的速度，Fc＝来自发射机的传输信号的频率，以及c＝光速(3×108米/秒)。
例如，如果接收机的速度是50千米/小时，以及传输信号频率是2GHz，则多普勒扩展将是约185Hz。因此，衰落速率将是185Hz，这意味着，在接收机处传输信号的幅度将向下倾斜，或在幅度上循环地衰落然后恢复，每秒185次。相反，如果已知传输信号频率和衰落速率，则这个方程可被使用来确定接收机的相对速度。
在接收机与发射机之间的相对速度正比于Rayleigh分布的带宽，它又涉及到无线电信道的性质，诸如无线电信道的二阶矩统计性质。如果已知无线电信道的性质，则在发射机与接收机之间的交换或通信可以大大地改进。换句话说，接收机与发射机之间的相对速度确定或反映无线电信道的性质，它们对于增强发射机与接收机之间的通信是有用的。因此，重要的是精确地确定接收机与发射机之间的相对速度，例如在移动通信网中的移动台(MS)与基站(BS)之间的相对速度。在接收机与发射机之间的相对速度通常是例如通过按照上述的多普勒扩展方程研究由接收机看到的无线电信道的衰落性质而被估计的。
由于在使用CDMA(码分多址)的移动通信系统中的高码片速率(chiprate)，在这样的系统中的接收机通常配备有功率控制器，来减小或克服无线电信道中衰落凹陷的影响。由发射机广播的信号的功率控制通常是根据接收机的SIR(信号干扰比)的估计。SIR通常通过使用诸如导频信号或信道的导频技术，数据，或导频技术与数据的组合，而被估计。接收机使用SIR的估计通知或指示发射机减小或增加它用来将信号广播到接收机的功率。实质上，发射机改变信号广播功率来补偿Rayleigh衰落。因此，在发射机处广播信号的功率或幅度被改变，使得来自发射机的广播信号的功率或幅度在接收机处将是有效恒定的，由此保持在接收机处恒定的SIR。
图2显示本领域已知的示例性程序过程，其中如步骤202中所示的，SIR是使用数据和/或导频技术被估计的。控制从步骤202进到步骤204，在此把SIR与参考值进行比较。控制从步骤204进到步骤206，在此根据在步骤204中的比较，形成TPC命令，然后把它发送到发射机，通知发射机它应当如何改变它正在发送到接收机的信号的功率或幅度。
有关控制从发射机发送的信号功率的在接收机与发射机之间(例如，移动台与基站)的通信，通常使用TPC命令来完成。
图3说明在W-CDMA(宽带一码分多址)系统中从网络到移动台的下行链路中发送的数据的示例性结构。具体地，超帧302包含72个诸如帧304的帧。每个帧包含15个诸如时隙306的时隙。每个时隙包含符号，包括导频符号和TPC符号。在时隙中每种符号的数目和所有符号的总数，取决于被用于CDMA扩展的扩展因子。例如，如时隙306中所显示的，每个时隙可包含包括4个导频符号308和单个TPC符号310的总共20个符号。
加到发射机的发射功率控制速率限制发射机可有效地补偿的最大衰落速率。例如，在W-CDMA(宽带-码分多址)中，其中功率控制速率是1500Hz，当移动台以小于每小时30千米速度移动时，衰落凹陷可通过使用TPC命令被有效地克服。当相对速度相对于功率控制速率低时，功率控制通常能最有效地运行来克服衰落。这是因为功率控制速率确定发射机能够多快地反应和改变它的广播功率输出来克服接收机处的衰落凹陷，以及接收机与发射机之间的相对速度确定在接收机处衰落凹陷会多快地出现。当相对速度增加从而衰落速率增加，对于有效地克服衰落所必须的功率控制速率也必须增加，换句话说，如果功率控制速率适当地提高的话，由于接收机的更大的相对速度引起的更高的衰落速率在理论上可以通过使用TPC命令被有效地克服。
然而，接收机与发射机之间的相对速度通常是通过研究由接收机看到的无线电信道的衰落性质而被估计的。因此，当TPC命令被有效地用来克服由接收机看到的Rayleigh衰落时，用于估计相对速度的这种技术是不精确的，因为补偿去除了由接收机看到的衰落。换句话说，速度估计的不准确性随功率控制的有效性而增加。当速度相对于功率控制速率低，使得功率控制有效地克服衰落时，速度估计将是不精确的。
因此，存在在减小或消除衰落的同时精确地估计接收机与发射机之间的相对速度，诸如移动台与基站之间的相对速度的需要。
发明概要按照本发明的示例性实施例，在具有通过无线电信道通信的发射机和接收机的并补偿接收机处的衰落的系统中，通过有效地观察在发射机处出现的信号功率或幅度的起伏，而不是观察在接收机处接收的信号的功率或质量起伏，来估计无线电信道的Rayleigh衰落速率或多普勒扩展，从而估计在接收机与发射机之间的相对速度。这是通过观察TPC命令或由TPC命令表示的信号广播功率改变而完成的，TPC命令是由接收机发送到发射机，使得发射机调节它的信号发射功率，以使得当该信号被接收机接收时，它将具有有效的恒定的功率电平或信号质量。
由于TPC命令的图形(或它们表示的功率改变)相应于信道中的衰落凹陷，可以在一段时间内观察TPC命令，以确定在该时间期间在该信道中出现多少个衰落凹陷。因此，TPC命令，或由TPC命令表示的信号广播功率改变，可被使用来精确地估计衰落速率，以及通过使用上述关于衰落速率的多普勒扩展技术估计接收机与发射机之间的相对速度。当衰落凹陷可以通过使用TPC命令被克服时，这样的估计是适合的。
附图简述当结合附图阅读以下的优选实施例的详细说明时，本领域技术人员将会明白本发明的其它目的和优点。附图上相同的单元用相同的参考数字表示。
图1显示按照现有技术的无线电通信。
图2显示按照现有技术的示例性发射功率控制过程。
图3显示在W-CDMA(无线-码分多址)系统中从网络到移动台的下行链路中发送的数据的示例性结构。
图4显示相应于衰落凹陷的一系列TCP命令的实例。
图5显示按照本发明的示例性实施例的处理过程。
优选实施例描述按照本发明的示例性实施例，在具有通过无线电信道进行通信的发射机和接收机的，并且其中从发射机发射的信号发射功率或幅度被调节以补偿信道中的衰落凹陷的系统中，通过有效地观察发射机的信号发射功率或幅度的调节或起伏，估计无线电信道的Rayleigh衰落速率，从而估计在接收机与发射机之间的相对速度。
接收机控制和调节发射机的发射功率，来补偿Rayleigh衰落，即无线电信道中的衰落凹陷，使得在接收机处提供恒定的信号功率或质量。例如，接收机可发送TPC(发射功率控制)命令到发射机，使得发射机调节它的信号发射功率来克服衰落凹陷。由于发射功率起伏相应于并表示信道中的衰落凹陷，衰落速率(每单位时间的衰落凹陷)或多普勒扩展可以通过观察TPC命令而被确定。接着，衰落速率或多普勒扩展可被使用来通过使用上述关于衰落速率的多普勒扩展技术而精确地估计接收机与发射机之间的相对速度。
图4显示一系列TPC命令和相应的信号发射功率(表示衰落凹陷)的例子。X轴是具有二进制TPC命令(″u″＝向上，″d″＝向下)的时间线，它使得发射机增加或减小它的信号发射功率。该信号发射功率被表示在Y轴上。在本例中，使用诸如图3所示的时隙结构，其中接收机发送到发射机的每个时隙包括TPC命令。TPC命令的频率可以是例如在WCDMA系统中的1500Hz。示例的信号发射功率增量和其它示例的TPC命令频率在本领域是熟知的，所以这里不作详细描述。
正如在时间段A中看到的，TPC命令指令发射机有效地保持稳态信号发射功率。在时间段B，总的效果是信号发射功率的增加，然后在时间段C，由接收机发到发射机的TPC命令使得发射机减小信号发射功率到稳态电平。在时间段D，TPC命令指令发射机有效地保持稳态信号发射功率。因此，图4显示在跨越时间段B和C的时间段期间出现在信道中的单个衰落凹陷。
在时间段B的中部也可以看到一个比特的噪声或在凹陷期间信号功率改变速率中的变化，其中TPC命令之一使得信号发射功率在下一个使得信号发射功率继续增加的TPC命令之前瞬时减小。另外，必须通过使用“向上”和“向下”二进制TPC命令的混合来表示信号功率的不同的改变速率。例如，TPC序列向上-向上-向上-向下-向上-向上-向上-向下表示比起TPC序列向上-向上-向下-向上-向上-向下更高的改变速率。本领域技术人员将会看到，熟知的信号处理技术可以容易地被使用来精确地鉴别相应于信号发射功率随时间改变的衰落凹陷，而不管由噪声或不同于衰落凹陷的其它源引起的信号发射功率的起伏。
图5说明按照本发明的示例性实施例使用TPC命令来估计接收机与发射机之间的相对速度的方法。如在步骤502中表示的，首先观察到TPC命令。控制从步骤502进到步骤504，在此相应于接收机与发射机之间的无线电信道中的衰落凹陷的多个信号发射功率电平起伏是根据观察到的TPC命令被识别的。其中出现被识别的起伏的时间帧也被识别，用来确定被识别的起伏的速率或频率。这个速率是估计的衰落速率或多普勒扩展。
控制从步骤504进到步骤506，在此根据估计的衰落速率或多普勒扩展来估计接收机相对于发射机的速度。具体地，通过把估计的衰落速率和由发射机发送的信号的已知的载波频率代入到上述的多普勒扩展方程中，可以估计该速度。
控制从步骤506进到步骤508，在此接收机相对于发射机的估计的速度被使用来估计或表征无线电信道的性质。控制从步骤508进到步骤510，在此无线电信道的性质被使用来保持或增强在发射机与接收机之间通过无线电信道的通信的质量。控制从步骤510进到步骤502，在此重复该循环。
按照本发明的示例性实施例，观察和分析TPC命令来确定衰落速率和移动台与基站之间的相对速度，可以在移动台内进行。按照本发明的另一个示例性实施例，观察和分析TPC命令来确定衰落速率和接收机与发射机之间的相对速度，可以在接收机内进行。换句话说，该分析和确定可以在通信系统内的，或连接到通信系统的，任何适当的位置进行。
本领域技术人员将会认识到，移动台既可以用作发射机也可以用作接收机，并且基站同样既可以用作发射机也可以用作接收机，因为在移动台与基站之间的通信通常是双向的。因此，这里描述的原理可以不同地和互易地应用到移动台和基站，以及其它收发信机。
本领域技术人员也将认识到，本发明可以应用于具有不同的或更广泛的可用TPC命令组的系统中，该TPC命令组例如包括具有各种各样的可用的功率增量幅度(包括零)的TPC命令。
表示发射机处的相应于衰落凹陷的信号发射功率起伏的其它机制也可以被使用或被观察，用来确定无线电信道中的衰落凹陷或衰落速率，以及接收机与发射机之间的相对速度。
本领域技术人员还将理解到，在不背离本发明的精神或本质特性的情况下，本发明可以用其它特定的形式来体现，以及本发明并不限于这里描述的特定的示例性实施例。因此当前公开的示例性实施例在所有方面都被看作为说明性的，而不是限制性的。本发明的范围由所附权利要求来表示，而不是由上述的说明表示，属于本发明的意义和范围以及其等价物内的所有的改变意在被包括在本发明内。
权利要求
1.一种用于估计在Rayleigh衰落无线电信道中的接收机与发射机之间的相对速度的方法，包括以下步骤观察指令发射机变化其信号发射功率以克服无线电信道中的Rayleigh衰落的TPC(发射功率控制)命令；根据所观察的TPC命令，估计无线电信道的Rayleigh衰落速率；以及根据估计的衰落速率，估计接收机相对于发射机的速度。
2.权利要求1的方法，其中在一段时间内观察TPC命令，以及估计Rayleigh衰落速率的步骤包括以下步骤识别相应于信道中的衰落凹陷的TCP命令序列；以及根据由在该时间段期间出现的识别的TCP命令序列表示的多个衰落凹陷，估计Rayleigh衰落速率。
3.权利要求1的方法，其中该发射机是移动通信网中的移动台。
4.权利要求1的方法，其中该发射机是移动通信网中的基站。
5.权利要求1的方法，其中该接收机是移动通信网中的移动台。
6.权利要求1的方法，其中该接收机是移动通信网中的基站。
7.权利要求1的方法，还包括以下步骤根据所估计的相对速度表征无线电信道的性质；以及根据所表征的无线电信道的性质，增强在发射机与接收机之间的无线电通信的质量。
8.权利要求1的方法，其中各步骤由该接收机执行。
9.一种用于估计在Rayleigh衰落无线电信道中接收机与发射机之间的相对速度的方法，包括以下步骤观察由该发射机发射的信号发射功率中的起伏；确定哪些起伏相应于无线电信道中的衰落凹陷；根据所确定的衰落凹陷，估计无线电信道的Rayleigh衰落速率；以及根据估计的Rayleigh衰落速率，估计接收机相对于发射机的速度。
10.权利要求1的方法，其中该起伏是通过观察指令发射机变化其信号发射功率的TPC(发射功率控制)命令，而间接地观察的。
全文摘要
在具有通过无线电信道进行通信的发射机和接收机的，并且其中发射机的信号发射功率被调节来补偿信道中的衰落凹陷的系统中，通过有效地观察发射机的信号发射功率或幅度的调节或起伏，估计无线电信道的Rayleigh衰落速率，从而估计发射机与接收机之间的相对速度。按照本发明的示例性实施例，这是通过观察TPC(发射功率控制)命令而完成的，该TPC命令使得发射机调节其信号发射功率，以便克服无线电信道中的Rayleigh衰落，即衰落凹陷。由于TPC命令使得发射机改变其信号发射功率来补偿衰落凹陷，通过观察由TPC命令表示的信号发射功率起伏，可以确定衰落凹陷和衰落速率，以及发射机与接收机之间的相对速度。
文档编号G01S11/00GK1391742SQ00816073
公开日2003年1月15日 申请日期2000年11月13日 优先权日1999年11月22日
发明者R·阿塔里乌斯, J·尼尔松 申请人:艾利森电话股份有限公司