Tdd－cdma电信系统中简化的实时信号处理的方法和设备的制作方法

专利名称：Tdd－cdma电信系统中简化的实时信号处理的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及电信系统中的信号处理，更具体地，涉及基于时分双工(TDD)-码分多路访问(CDMA)的电信系统中实时简化信号处理。
背景技术：
在移动电信中，多个移动装置同时向单个访问装置发送信号，该访问装置与网络相连。为了区分由多个移动装置发送的不同信号，实践中已经引入了多种划分-多路-访问技术。因为第三代(3G)移动无线电系统中信息交换的速率相对较高，这些技术对3G系统尤为重要，尽管它们可以不同的设置应用。
划分-多路-访问技术实际上是多路复用技术。可以区别若干划分-多路-访问技术，它们中有频分多路访问(FDMA)、码分多路访问(CDMA)和时分多路访问(TDMA)。
在FDMA中各个信号被以不同的频带传输到无线电访问装置。访问装置根据各个信号的频带来区别它们。
在TDMA中被一个接一个地发送，并且访问装置随后接收每个信号的部分信息。
在CDMA中各个移动装置的信号包括一个唯一代码、一个扩展代码，访问装置可以区别这些代码，并进而区别不同的信号。
上述中，信号被假定为单工信号。由于通信是双向的，因而需要双工信号。例如，时分双工(TDD)是一种已知的基于TDMA的双工技术。在TDD模式中，出入无线电访问装置的信号流被相继在信道上发送。这可以是对称和不对称的，取决于系统需求。在对称TDD模式中，所述访问装置在两个方向上保留相同的传输容量，例如来回交替的传输容量序列。
其中，一些3G移动无线电系统以其TDD模式使用CDMA。这种TDD-CDMA技术(也称为时分-码分多路访问TD-CDMA)是上述FDMA、CDMA和TDMA/TDD技术的组合。由无线电访问装置接收到的复合信号被按具有FDMA结构的频带划分。各个频带或信道包括若干移动装置的多个同时信号。一个频带范围内的同时信号各自包括一个唯一代码、一个扩展序列或扩展代码，因而可以由它们的CDMA结构进行区别。随后，在一个频带范围内，访问装置接收不同移动装置组的组合信号，该组合信号位于所述访问装置所覆盖的小区中。已经由附加的TDD特性(把CDMA放进TDD模式中)建立了双工，借此结合到不同用户组的发送，就可以把信号发回到移动装置。
TDD-CDMA为无线电访问装置中的信号处理步骤增加了较大的复杂度。对实时数据处理来说，例如语音，必须实现能够尽可能快地识别并区分大量用户的扩展序列或扩展代码的信号处理算法。用来对信号解码的算法将必须在尽可能少的计算步骤中完成这个任务。
在基于TDD-CDMA的移动无线电系统中，对多个信号的识别和处理称为联合检测(JD)。这种JD技术的主要目标是消除干扰。在CDMA中要识别两种重要的干扰类型符号间干扰(ISI)和多路访问干扰(MAI)。
符号间干扰是由所用信道的信道脉冲响应(CIR)引起的。CIR是对由移动装置发送的δ信号的信道的脉冲响应。由于沿它到访问装置的传播路径上的信号反射，例如相对于沿路的建筑、树木、山和其它物体的反射，这个信号趋向于变得模糊。因为移动装置经常在环境中移动，CIR将随时间而变化。符号间干扰(ISI)是移动装置发送到无线电访问装置的一个信号中的两个连续符号间的干扰，该干扰是由信号的模糊而引起的。
CDMA中与扩展代码的正交性有关的另一干扰源是多路访问干扰的主要原因。多路访问干扰(MAI)是访问装置同时接收到的多个信号之间的干扰。如果用来对来自多个装置的信号划定彼此界限的扩展代码不是正交的(由于多径传播或其它干扰因素)，访问装置可能在一定程度上无法区别不同编码的信号。这将导致同时发送的多个信号间的干扰。
为了有效地消除来自接收到信号的干扰，JD通常利用干扰与接收到的信号的相关性。在“Zero Forcing and Minimum Mean-Square-Error Equalisation for Multi User Detection inCode-Division-Multiple-Access Channels”，Anja Klein，Ghassan Kawan Kaleh and Paul Walter Baier，IEEE transactionson vehicular technology，volume 45，number 2，May 1996中可以找到TDD-CDMA中所用的不同的JD技术的数学描述。在“Comparative Study of Joint-Detection Techniques forTD-CDMA based Mobile Radio Systems”，Marius Vollmer，MartinHaardtand Jürgen Gtze，IEEE journal on selected areas incommunications，volume 19，number 8，August 2001中可以找到对JD技术别的研究。
其中，这些文章描述了信号矩阵的构造，它有一个典型的块Toeplitz结构、Cholesky因子分解的使用以及协方差矩阵的构造。这里还描述了若干其它统计算法和技术，例如最小均方误差块线性均衡(MMSE-BLE)。
除接收到的信号之外，JD算法还需要与正交扩展代码和CIR有关的知识以便处理信号。与CIR有关的知识由单独的信道估计器提供。这个信道估计器通常分析信号的midamble以确定CIR，信号的midamble包含midamble代码。
在JD算法中，与扩展代码和CIR有关的信息被用来构成卷积矩阵。这个卷积矩阵形成了算法中若干过程的基础，这些过程中有协方差矩阵的构造以及它的Cholesky分解。特别是这最后两个步骤形成了现有技术中所用JD算法的瓶颈。
如果M是各个扩展代码的一个数据字段中数据符号的数量，N是算法中所用扩展代码的数量，则协方差矩阵包括(N*M)2个元素。协方差矩阵中这(N*M)2个元素的计算以及对这个协方差矩阵的Cholesky分解步骤，对TDD-CDMA系统中每个分解的时隙所用的指令周期总数提出了巨大的需求。这两个步骤可以看作是信号处理过程中的性能瓶颈。
现有技术中JD接收器处理与TDD-CDMA系统的每个时隙中所有可能的扩展代码对应的信号。如果一个系统能够同时处理Nmax个扩展代码，并且在特定时刻系统中实际使用了N个代码，则JD算法分解与所有代码对应的信号，假定N＝Nmax。
在现有技术中，进一步假定各个信号的ISI跨度是midamble结构所允许的最大跨度。因而由JD算法所用的CIR是信道估计器产生的最大CIR并且基于预置的midamble结构。TDD-CDMA信号中某一特定代码的元素个数M由所用的CIR决定，产生M＝Mmax。
现有技术中所做的上述两个假设导致了协方差矩阵中(Nmax*Mmax)2个元素的标准(最大)规模。
尽管JD已经发展了若干年，TDD-CDMA系统中JD的复杂度对设计者仍然是一个挑战。移动装置能够收发信息的最大速率将受限于JD算法的性能。

发明内容
本发明的目的是为以TDD-CDMA操作的移动电信系统提供一种性能最优的信号处理方法和设备。
本发明的目的尤其是提供一种降低了复杂度的实时信号处理方法和设备。
依照本发明的基于时分双工(TDD)-码分多路访问(CDMA)的电信系统中的一种信号处理方法实现本发明的这些以及更多目的，其中多个用户同时在至少一个信道上向一个无线电访问装置发送信号，这些信号中每个都包括至少一个唯一的扩展序列和可数数量的元素，并且这些信号由所述访问装置用一种信号处理算法同时进行处理，该信号处理算法包括构造扩展序列和信道的组合效果的卷积矩阵，该方法的特征是通过减少所述卷积矩阵中元素的数量、通过评定可能包含相关信息的元素并用所述可能包含相关信息的元素构造所述卷积矩阵来降低所述信号处理算法的复杂度。
依照本发明的一个优选实施例，在JD算法中，接收器(或访问装置)通过确定与一个扩展代码对应的信号是否空闲(它在接收时没有被用在小区中)并忽略与空闲信号对应的扩展代码来评定可能包含相关信息的元素。通过减少要处理的扩展序列的量而大大降低了JD期间的计算复杂度。
依照本发明的另一实施例，如果与各个扩展代码对应的信号功率低于一个特定阈值，就可以判定信号为空闲。例如，这个任务可以在每次由接收器的联合信道估计器进行信道估计时完成。
可以使依据其判断信号空闲的阈值取决于将要使用接收器的特定情况。人们可以把精度要求和可用的处理能力看作这些相关性的实例。
在本发明的另一实施例中提供了一种接收方法，其中对可能包含相关信息的元素的评定包括减少对每个接收到的信号要处理的元素数量的步骤。为了实现这一点，人们可以设想接收器确定并使用信道的实际CIR。
可以通过利用包含足够高的CIR能量百分比的若干拍而从信道估计中确定CIR的长度。当CIR能量的百分比降至阈值以下时，就停止测定并确定CIR。
再者，可以使CIR能量百分比的阈值依赖于确定将在其中使用接收器的特定情况的参数，例如精度要求和可用的处理能力。
本发明还涉及一种包括执行所公开方法的装置的用于信号处理的设备，以及包括这种设备的无线电访问装置。
除了上述之外，本发明还涉及由布置用于评定可能包含相关信息的元素的装置组成的无线电访问装置。
参考附图，在下面对本发明的优选实施例的描述中说明本发明的上述以及其它特征和优点。


图1示出了在TDD-CDMA电信系统中操作的移动装置的信号数据组的典型结构。
图2示出了TDD-CDMA电信系统中向一个无线电访问装置发送信号的多个移动装置的组合信号的结构。
图3是对接收器操作的说明，该操作可以包括在依照本发明的方法中。
图4示出了依照本发明的方法和设备。
具体实施例方式
图1中示出了在时分双工(TDD)-码分多路访问(CDMA)电信系统中由移动装置发送到无线电访问装置的数据组1的典型结构。数据组1以保护期2结束，以划定数据组1和其它数据组的界限。在前一数据组的保护期(未示出)和保护期2之间，数据块3和4被发送到无线电访问装置。包括数据序列的数据块3和4由midamble 5分开，midamble 5包括一个midamble代码。关于信号所用扩展代码的信息由midamble代码传送。
可以用一个矩阵结构表示TDD-CDMA中由一个无线电访问装置从在该无线电访问装置的覆盖范围中工作的多组无线电移动装置(未示出)接收到的全部信号或和信号，图2中示意性地示出了该矩阵结构。这里表示了数据组6(如图1中所示)，矩阵中的每块表示一个不同的数据组(例如块6)。不同组的块7表示在不同频带中发送的信号，由图左上方的缩写“freq.”指示。
在单个频带中，来自例如8和9的一组用户的多个信号被同时发送到无线电接收装置。所有信号8属于单个用户组，在这个例子中即用户组I，信号8包含N个信号，每个信号都由不同的扩展代码编码，如图左中部的缩写“code”所示。在时间上紧跟在如8中所示的用户组I中发送的信号的是来自如9所示的用户组II的信号，此外这是N个信号。接着将由无线电接收装置接收到来自用户组III、用户组IV等等的信号。由于这些信号是双工的(图2中未明确示出)，无线电访问装置将向移动装置发回信号，所发回的信号也可如图2所示以块来放置。
图3示出了TDD-CDMA系统中接收器单元的操作，其可以包括在依照本发明的设备中。由接收器(如图4所示，接收器12)接收到与如图2中第一列8所示的一个特定频率对应的和信号33。接收器把midamble块35与数据块36分开34。和信号中表示数据块36的部分将随后在过程中使用，并被转发38到执行信号处理的系统的一个部件。和信号中表示midamble 35的部分将被转发37到一个信道估计器(如图4所示)。信号的35和36部分可以看作是分别表示数据块和midamble的重叠的单个信号部分的栈。
图4示出了依照本发明的方法和设备的示意性表示。这里，N个的多个信号10被发送11到无线电访问装置12。无线电访问装置12接收和信号10并把midamble 14的栈和数据块13的栈从和信号10中分离(如图3所示)，注意此时没有关于存在于和信号10中的单个midamble的知识。数据块13的栈将用在信号处理中，下面将会进行论述，midamble 14的栈被转发到信道估计器16。
基于内建的系统知识，信道估计器从接收到的栈中的midamble的结构确定最大可能的(长)CIR 17，并把它转发到CIR分析器18。在CIR分析器18中，把信号功率和阈值15进行比较，从这个对比中确定增强的(短)CIR估计19以及与空闲信号对应的扩展代码20。
在上述比较期间，对所有扩展代码测定midamble的信号功率并将其和阈值15比较。如果与某个特定扩展代码对应的信号功率低于阈值15，该信号就被看作空闲信号并且该扩展代码也被这样归类。如果信号功率高于阈值15，就在每个周期或每拍或若干个连续拍对信号功率采样。当信号功率在某个特定拍上降至阈值以下时，从第一个采样直到这最后一个采样的拍数就被看作对该扩展代码对应的实际CIR。这个比较过程在图3中没有明确示出。
优选地，阈值15是依照动态变化的系统参数而被不断更新的，所依据的参数例如可用的处理能力以及性能质量要求。
但是，代替或除了测定接收到的信号功率之外，可以由依照本发明的方法和设备应用指示接收到的信号的有效性或相关性的其它信号参数。例如相对信号能量依赖参数，即由无线电访问装置接收到的总信号能量的百分比。例如，可以从对其能级高于最低阈值的接收到的信号的多个拍或时间周期的计数来确定这个相对信号能量参数。
在选择器22中，从所有可用扩展代码的列表21中去除与空闲信号对应的扩展代码20，只留下活动的扩展代码23。因此，选择器还去除与空闲信号对应的CIR的信息(因为它们不包含有效或相关值)，只留下活动的CIR 24。
活动的扩展代码23和CIR 24被转发到产生活动的扩展代码和活动的CIR的卷积矩阵的部件25。因为只使用了活动的扩展代码和实际CIR，需要处理的信号元素的数量就减少了。由于与要结合CIR的上限使用所有已知扩展代码的情况相比计算复杂度降低了，因而这个计算的性能也得到了提高。
卷积矩阵26被转发到构造系统矩阵的部件27。系统矩阵28被提供给产生协方差矩阵的部件29。协方差矩阵30被提供给执行Cholesky因子分解并组合进入的数据块13和因子分解结果的信号处理单元31。N个评定过的数据信号32被转送(例如送往电信网络)。
在本发明进一步的实施例中，输入信号13是用合适的信号处理算法处理的，例如所谓的联合检测(JD)算法。JD算法包括根据系统矩阵构造协方差矩阵的步骤，以及用Cholesky因子分解处理协方差矩阵的步骤。
应该理解，根据上述讲授对本发明可以有众多更改和变化。因此，应该理解在所附权利要求的范围内，可以不按照这里所明确描述的来实施本发明。
权利要求
1.一种在基于时分双工(TDD)-码分多路访问(CDMA)的电信系统中进行信号处理的方法，其中多个用户同时在至少一个信道上向一个无线电访问装置发送信号，每个信号包括至少一个唯一的扩展序列和可数数量的元素，并且这些信号由所述访问装置用一种信号处理算法同时进行处理，该信号处理算法包括构造扩展序列和信号的组合效果的卷积矩阵的步骤，该方法的特征是通过减少所述卷积矩阵中元素的数量、通过对可能包含相关信息的元素进行评定并构造至少可能包含相关信息的所述元素的所述卷积矩阵来降低所述信号处理算法的复杂度。
2.依照权利要求1的方法，其中对可能包含相关信息的元素的评定包括计算与所述扩展序列对应的信号功率的步骤，以及对所述信号功率和一个阈值进行比较的步骤。
3.依照权利要求2的方法，其中所述阈值是依照动态变化的系统参数而不断更新的，所依照的系统参数例如可用的处理能力以及性能质量要求。
4.依照前述任一权利要求的方法，其中对可能包含相关信息的元素的评定包括识别与空闲信号对应的扩展序列的步骤。
5.依照权利要求4以及权利要求2或3中任一个的方法，其中如果与所述扩展序列对应的信号功率低于所述阈值，则所述扩展序列被识别为与空闲信号对应。
6.依照权利要求4或5中任一个的方法，其中所述与空闲信号对应的扩展序列被用来确定哪些元素被归类为不可能包含相关信息的元素。
7.依照前述任一权利要求的方法，其中对可能包含相关信息的元素的评定包括为每个信号确定传播路径信道脉冲比(CIR)，该CIR是由其中包括了大部分接收到的信号功率的时间间隔而确定的。
8.依照权利要求7的方法，其中所述CIR是通过为每个信号对若干个采样计数而确定的，其中测定了一个信号能量依赖参数，该参数超出了一个阈值。
9.依照权利要求8的方法，其中所述信号能量依赖参数是所述信号中存在的CIR能量的百分比。
10.依照权利要求7-9中任一个的方法，其中所述CIR正被用来确定哪些元素被归类为可能包含相关信息的元素。
11.依照前述任一权利要求的方法，其中所述卷积矩阵被用来构造一个系统矩阵，该系统矩阵用来构造一协方差矩阵，该协方差矩阵由Cholesky因子分解而分解，并且其中所述Cholesky因子分解的结果被用在所述信号处理算法中。
12.一种在基于时分双工(TDD)-码分多路访问(CDMA)的电信系统中进行信号处理的设备，其中多个用户同时在至少一个信道上向一个无线电访问装置发送信号，每个信号包括至少一个唯一的扩展序列和可数数量的元素，所述装置包括用一种信号处理算法同时处理所述信号的装置，以及构造所述扩展序列和所述信号的组合效果的卷积矩阵的装置，该设备的特征是所述设备包括对可能包含相关信息的元素进行评定的装置以及构造至少可能包含相关信息的所述元素的所述卷积矩阵。
13.依照权利要求12的设备，包括计算与所述扩展序列对应的信号功率的装置，以及对所述信号功率和一个阈值进行比较的装置。
14.依照权利要求13的设备，包括依照动态变化的系统参数而不断更新所述阈值的装置，所依照的系统参数例如可用的处理能力以及性能质量要求。
15.依照12-14中任一权利要求的设备，其中所述对可能包含相关信息的元素进行评定的装置包括识别与空闲信号对应的扩展序列的装置。
16.依照权利要求15的设备，包括把与空闲信号对应的扩展序列归类为不可能包含相关信息的元素的装置。
17.依照前述任一权利要求的设备，其中对可能包含相关信息的元素进行评定的所述装置包括为每个信号确定传播路径信道脉冲比(CIR)的装置。
18.依照权利要求17的设备，其中为每个信号确定传播路径信道脉冲比(CIR)的所述装置包括确定其中包括了大部分接收到的信号能量的时间间隔的装置。
19.依照权利要求18的设备，其中确定其中包括了大部分接收到的信号能量的时间间隔的所述装置，包括对若干采样进行计数的装置，其中测定的信号能量依赖参数超出了一个阈值。
20.依照权利要求17-19中任一个的设备，包括利用所述CIR把元素归类为可能包含相关信息的元素的装置。
21.依照前述任一权利要求的设备，包括用所述卷积矩阵构造一个系统矩阵的装置、用所述系统矩阵构造一协方差矩阵的装置、用Cholesky因子分解所述协方差矩阵的装置、以及布置用于使用所述Cholesky因子分解结果的信号处理装置。
22.一种用在基于时分双工(TDD)-码分多路访问(CDMA)的电信系统中的无线电访问装置，包括信号处理装置，该信号处理装置包括在各个信号中所包括的唯一的扩展序列的基础上分解多个信号的装置，所述信号处理装置还包括对可能包含相关的信息的元素进行评定的装置以及构造至少可能包含相关信息的所述元素的卷积矩阵。
全文摘要
公开了一种在以时分双工(TDD)－码分多路访问(CDMA)方式操作的数字电信系统中进行信号处理的方法和设备，其中多个用户同时向无线电访问装置的接收单元(12)发送(11)信号(10)。信号(10)由可数数量的元素组成，并且使用一种信号处理算法对这些信号(10)同时进行处理。在处理由无线电访问装置的接收单元接收到的原始信号中包括的信号(10)之前，评估是由可能包含相关信息的元素组成的。信号处理由所述元素执行，由此降低所用信号处理算法的复杂度并减少其处理时间。
文档编号H04B1/707GK1625846SQ02828922
公开日2005年6月8日 申请日期2002年5月6日 优先权日2002年5月6日
发明者K·阿-穆拉尼, C·布鲁马 申请人:艾利森电话股份有限公司