专利名称：在多载波码分多址接入接收机中执行按载波均衡的方法
技术领域：
本发明涉及在MC-CDMA电信系统中按载波执行均衡的一个方法。本发明也涉及实施这种均衡方法的一个MC-CDMA接收机。
多载波码分多址接入(MC-CDMA)组合了OFDM(正交频分复用)调制和CDMA多址接入技术。这个多址接入技术第一次由N.Yee等人在题为“室内无线的无线电网络中的多载波CDMA”[Multicarrier CDMA inindoor wireless radio networks]的文章中提出，文章出现于PIMRC’93会议文件[Proceedings of PIMRC’93]，1993年，第一卷，第109-113页。这个技术的发展由S.Hara等人在题为“多载波CDMA综述[Overviewof Multicarrier CDMA]”的文章中被回顾，文章刊于IEEE通信杂志[IEEE Communication Magazine]，1997年十二月份，第126-133页。
与DS-CDMA(直扩码分多址接入[Direct Spread Code DivisionMultiple Access])方法(其中每个用户的信号在时域中被相乘来扩展它的频谱)不同的是，这里在频域中签名(signa ture)与信号相乘，该签名的每个元素乘以不同子载波的信号。
更为明确的是，
图1展示了一个对于给定用户k的MC-CDMA发射机的结构。这里我们考虑前向链路，即，我们假定发射机位于基站。令d(k)(n)为将在时刻nT被发送到用户k的符号，其中d(k)(n)属于调制符号表。符号d(k)(n)首先在110与扩频序列或用户签名相乘，扩频序列或用户签名记为c(k)(t)，由N个“码片”或者签名元素构成，每个“码片”持续时间为Tc，扩频序列的总持续时间对应于一个符号周期T。符号d(k)(n)由不同的“码片”相乘的结果被串并转换器120转换成L个符号的块，其中L通常是N的倍数。不失一般性，我们另外假定下面指定N＝L并且我们记用户k的该序列的元素(即码片的值)为clk，l＝0，...，L-1。由120输出的L个符号的块在模块130中被进行反快速傅立叶变换(IFFT)。为了防止符号间干扰，一个典型地大于传输信道冲击响应持续时间的保护间隔，被加到MC-CDMA符号上。这在实际中通过附加一个等于所说符号末尾的前缀(记为Δ)来实现。在并串转换器140中被串行化之后，该MC-CDMA符号在150被放大以便在下行链路用户信道上发送。本MC-CDMA方法因而可被分解为在频域中扩展(在IFFT之前)，后接OFDM调制。实际中，用户k以符号帧d(k)(n)的形式发送他的数据，每个符号由一个实签名c(k)(t)扩展，持续时间等于符号周期T，即若t∉
]>则c(k)(t)＝0，并且若t∈[O，T[，则Σl=0L-1cl(k)δ(t-lTc).]]>如果我们省略前缀，则在时间t被发送到用户k的信号Sk(t)因而可以被写为Sk(t)=ak·Σl=0L-1c(k)(t).d(k)(n)exp(j.2π(lt/L)---(1)]]>其中ak是被发送到用户k的信号的振幅系数，被假定为在整个发送帧期间是恒定的。因而，如果我们省略该前缀，则被发送到下行链路信道的生成的信号可以被表示为Sk(t)=Σk=0K-1Σl=0L-1akc(k)(t).d(k)(n)exp(j.2π(lt/L)---(2)]]>其中K是用户数目。
一个给定用户k的MC-CDMA接收机被概略展示于图2。这个接收机在文献中被认为是单用户检测接收机(或者SUD接收机)，因为检测仅考虑被发送到(或者发送自)所关心用户的符号。
在经过下行链路传输信道传播之后，被接收的信号被解调并且以“码片”频率1/Tc取样。我们假定信道被AWGN(加性白高斯噪声)N(t)扰乱，如图2中加法器205所示。被接收信号的取样然后被提供给串并转换器210并且在模块220中在进行FFT之前去掉前缀(Δ)。在220的输出端在子载波l上的信号可以被表示为rl(n)=hl(n)Σk=0K-1akcl(k)d(k)(n)+nl(n)---(3)]]>或者，等价地rl(n)=hl(n)Σk=0K-1Dl(k)(n)+nl(n)withDl(k)=akcl(k)d(k)(n)---(4)]]>其中hl(n)表示在时刻nT被传送的MC-CDMA符号的子载波l的频率上该下行链路信道的响应并且其中nl是在子载波l上的噪声分量。在下文中，为了简单将会省略时间下标n。
在MC-CDMA中，保护间隔的存在使得有可能忽略符号间干扰(只要保护间隔比信道的时延扩展长)。因而，对一个给定的子载波(下文中简单地被称为载波)，均衡可以由一个单一抽头进行，即通过乘以一个复系数进行。这种均衡也被称作按载波均衡，它在于对每一个载波独立地应用公知的均衡方法之一，例如ZF(迫零[Zero Forcing])，MMSE(最小均方误差[Minimum Mean Square Error]))。
对专用于用户k的SUD接收机，均衡系数被记为ql(k)，l＝0，...，L-1。在230中频域中的取样分别被乘以该均衡系数ql(k)。在下文中假定MMSE准则被选定，即按载波的MMSE均衡被使用。
在这种情况下，给出均衡系数为ql(k)=akh^l*|h^l|2·Σk=0K-1ak2+σl2---(5)]]>其中σl是在载波l上的噪声分量的方差， 是hl的一个估计并且.*表示复共轭。估计 一般通过在传输信道上以规则的间隔发送导频符号被得到。
实际中，因为在(5)的分子上出现的乘系数ak对所有的载波相同，所以它可以被省略并且振幅系数变化的补偿通过如下面被进一步描述的自动增益控制(AGC)被保证。如果AGC被使用，则该均衡系数因而可以表示为ql(k)=h^l*|h^l|2·Σk=0K-1ak2+σl2---(5′)]]>均衡之后，频率分量被解扩，即在241中被相加之前，它们在2400…，240L-1中被乘以该用户k的共轭签名。该结果然后被自动增益控制250归一化以给出被发送符号dk(n)的估计 事实上 是一个判决变量，它可以被这样使用(软判决)或者经受硬判决(未显示)。为了简单起见，下文中我们在两种情况下保持相同的记号。
依照等式(5)或(5’)均衡系数的计算需要知道具体的用户数目K以及振幅系数ak。因为接收机不能确定这些值，所以它们必须以规则的间隔由MC-CDMA发射机通过传输信道发送，这是以有效负荷为代价的。
本发明下的一个问题是提供一个方法使得执行按载波的均衡，它使用比现有技术中少的传输资源。
这个问题由在权利要求1中被定义的均衡方法解决。本发明的有利的实施方案在从属权利要求中被展示。本发明也被在权利要求6或7中展示的MC-CDMA接收机定义。
本发明的特征通过阅读下面给出的涉及附图的描述而呈现，其中图1概略描述了现有技术中已知的MC-CDMA发射机的结构；图2概略描述了现有技术中已知的使用MMSE按载波均衡的MC-CDMA接收机的结构。
图3概略描述了一个方法，以得到被用于依照本发明的均衡方法中的均衡系数；图4概略描述了具有并行干扰消除的MC-CDMA接收机的结构；图4A描述了由图4中展示的MC-CDMA接收机的第一级；图4B描述了由图4中展示的MC-CDMA接收机的第二级；图5概略描述了具有串行干扰消除的MC-CDMA接收机的结构；图5A描述了由图5中展示的MC-CDMA接收机的第一级；图5B描述了由图5中展示的MC-CDMA接收机的第二级；作为本发明基础的基本思想是导出表达式(5)或(5’)的分母的值，表达式(5)或(5’)根据在不同载波上被接收的功率的估计来定义该均衡系数。
我们返回去参考具有按载波均衡的MC-CDMA接收机的上下文，其中该均衡系数被确定为满足该MMSE准则。如果如图2中自动增益控制被使用，则均衡系数可以被确定为ql(k)=hl*|hl|2·Σk=0K-1ak2+σl2---(6)]]>另一方面，在一个给定载波上被接收的功率可以被如下表达Pl=|hl|2·Σk=0K-1E(|Dk|2)+σl2---(7)]]>其中E表示数学期望。第一项代表信号功率并且第二项是在载波上的噪声功率。不失一般性，我们可假定被发出的符号和扩展码被归一化为Pl=|hl|2·Σk=0K-1ak2+σl2---(8)]]>在给定载波上被接收的功率可以被估计为P^l=1Ns·Σn=1Ns|rl(n)|2---(9)]]>其中Ns是在平均的过程中被考虑的连续符号的数目。应能理解任何适于估计不同载波上功率的估计可以被使用。例如，该功率估计可以通过用回归类型的低通滤波对取样|rl(n)|2进行滤波来完成P^l(n)=(1-α).P^l(n-1)+α.|rl(n)|2---(10)]]>其中α是遗忘因子，它优选地取值等于2-P并且P是正整数。
由表达式(6)和(8)，该均衡系数可以被如下计算ql(k)=h^l*P^l---(11)]]>更为一般地，具有正比于信道系数hl和/或正比于功率值Pl的估计就足够了。换句话说，信道系数和/或功率值可以被简单地互相相对估计。如果λ和μ分别是用于信道系数估计和功率估计的比例因子，则我们可以选择作为均衡因子ql(k)=(λ.h^l)*(μ.P^l)---(12)]]>其中 和 是分别与信道系数和功率值成比例的估计。比例因子λ和μ对均衡没有影响，因为它们对所有的载波是共同的。它们也可以是时间相关的，因为上面被提到的自动增益将会补偿这种变化。
图3概略描述了依照本发明的一个均衡方法。
相关于在FFT模块(即图2中的模块220)输出端的不同载波的复值rl，l＝0，...，L-1被引导至功率估计模块331以及信道估计模块332。功率估计模块，例如依照表达式(9)和(10)估计由不同的载波接收到的功率(可能由一个共同的比例因子相乘)。信道估计模块估计关于不同载波的信道系数hl(可能由一个共同的比例因子相乘)。例如，依照这样被公知的信道估计方法，导频符号周期性地被MC-CDMA发射机发送并且信道系数从相应的被接收符号的复值rl被确定。
均衡系数ql(k)依照等式(11)或(12)通过在模块333中的除法被得到。复值rl，l＝0，...，L-1然后分别通过乘法器3340，…334L-1乘以均衡系数ql(k)以产生被均衡的信号。
重要的是注意到，如果用户k的符号d(k)(n)被扩展到N的一个子集(其中N优选的是L的一个因数)，则对这个载波子集计算该均衡系数就足够了。因而，信道系数和功率值的估计可以被限制于这个子集。
依照本发明的第一个应用，在图3中被展示的均衡方法在图2的MC-CDMA接收机的均衡模块230中被实施。均衡后的信号然后被解扩并且解扩后的结果被进行自动增益控制。
图4展示了具有相关于给定用户k的并行干扰消除(PIC)的MC-CDMA接收机结构。这个接收机也被称为一个多用户检测接收机(或者MUD接收机)，因为该检测也考虑了被MC-CDMA发射机发送到不同于被考虑的(k)的用户的符号。在图4中，只有FFT模块下游的接收机部分被表现出来。它包括M个同样的第一级的序列430i，m＝1，...，M，它与M-1个同样的第二级的序列440m，m＝1，...，M-1交替，第一级430m的输出是后续第二级440m的输入并且第二级440m的输出是后续的第一级430m+1的输入。由FFT输出的L个复值rl，l＝0，...，L-1被提供给第二级440m的每一个。最后，级430M输出一个被发送到考虑的用户k的符号估计。应当被理解，该级联的级可以等效地被一个执行一系列迭代的单级替换。
图4A概略展示了在第一级430m进行的过程。它收到K个干扰清除的向量r(m)(q)，q＝0，...，K-1，每个具有相应于该L个载波的L个分量。向量r(m)(q)代表被发送到用户q的MC-CDMA符号的频率分量，其中由于其它用户所产生的贡献已经被去掉，正如下面进一步被显示的。第一级4301的向量r(l)(q)都是相等的并且它们的分量等于由FFT提供的L个复值。每个向量r(m)(q)的L个频率分量由模块431m(q)均衡，然后在模块432m(q)中被用户q的扩展码的共轭进行解扩并且解扩结果在433m(q)进行自动增益控制。433m(q)的输出，记做 被这样使用(软判决)或者经受硬或非线性判决(未显示)、信道译码和之后的重新编码，同样的记号 对所有的情况都被保留。
依照本发明的第二个应用，示于图3的均衡方法在均衡模块431m(q)，q＝0，...K-1中被实现。应当理解，在均衡模块431l(q)中功率值 的计算对q＝0，...，K-1是同样的。功率计算因而可以被第一级的K个模块共用。
图4B概略展示了在第二级440m中被执行的过程。这个级接收到由前面级430m输出的K个估计 q＝0，...，K-1以及由FFT输出的L个复值rl，l＝0，...，L-1。每个估计 在模块441m(q)中被相应用户q的扩展码扩展。该扩展信号可以被表示为有N个频率分量的向量(如在介绍部分中被提到的，尽管为了简单起见，N已被假定为L，L的因数值可以被同样地设想)。然后，在频域中由传输信道等效滤波器443m(q)进行滤波之前，扩展信号的分量在442m(q)中与振幅系数aq相乘。有利的是，传输信道等效滤波器使用信道系数的估计，该信道系数估计在前一级430m在均衡模块431m(q)中已经被确定。传输信道等效滤波器也可以基于对在前一级430m由不同的均衡模块431m(q)，q＝0，...，K-1确定的信道系数估计的平均，因为所有这些估计涉及相同的(下行链路)传输信道。由443m(q)输出的分量Rl，m(q)可以被写为Rl,m(q)=aqh^lcl(q)d^m(q)---(13)]]>其中 是信道系数的估计。分量Rl，m(q)反映了用户q对复值rl的贡献，即由于用户q引起的多址干扰(MAI)。记Rm(q)为分量Rl，m(q)，l＝0，...，L-1的向量并且r为分量rl，l＝0，...，L-1的向量，干扰清除向量rm+1(q)通过从r减去(在444m(q′)中)用户q≠q′的贡献被得到，即rm+1(q′)=r-Σq=0q≠q′K-1Rm(q)---(14)]]>并且这K个干扰清除向量被输出到下一级430m+1。
从一级到下一级，MAI的评估被精细化并且传输符号 的估计被改良。在最末级430M，只有被传输到感兴趣的用户k的符号的估计才被采用。
应当注意到，图4的MC-CDMA接收机需要用户数目K、它们各自的扩展序列和振幅系数aq的知识，以便进行并行干扰消除(例如在442m(q))。然而，重要的是注意到，有利地，用于在442m(q)中相乘的系数aq可以通过分别取用于AGC模块443m(q)的AGC系数而被估计(以相对值)。它们因而不需要被MC-CDMA发射机发送。
图5展示了与用户k关联的具有串行干扰消除(SIC)的MC-CDMA接收机的结构。这个接收机是一个多用户检测接收机(或者MUD接收机)，因为为了去掉MAI而估计被发送给不同于k的用户的符号。
这里再一次，只有该FFT模块下游的接收机部分被表示。该接收机包括同样的第一级530q的序列，它与同样的第二级540q的序列交替，第一级530q的输出为后续的第二级540q的输入，并且第二级540q的输出是后续的第一级530q+1的输入。一对第一和第二级530q，540q与一个用户q相关，第一级530q估计被发送到所说的用户的符号，相关的第二级540q估计由于所说的用户引起的MAI。级的数目取决于其MAI将被去除的用户的数目。有利的是，用户通过在所说的MC-CDMA接收机侧渐降的接收功率而被排序，使得该符号检测和MAI估计以干扰最严重的用户开始。该过程在530k终止，使该符号的估计被发送到所关心的用户k。
图5A概略描述了在第一级530q被进行的过程。它收到一个干扰清除向量r(q)，其中由于q个能量最高的用户引起的MAI已经被去掉。第一级5300直接收到由FFT输出的分量rl，l＝0，...，L-1的向量r(0)＝r.每个向量r(q)的L个频率分量在模块531q中被均衡，然后在模块532q中被用户q的扩展码的共轭进行解扩并且该解扩的结果在模块533q受到自动增益控制。533q的输出，记做 被这样使用(软判决)或者经受一个硬或非线性判决(未示出)、信道译码和随后的重新编码，同样的记号 对所有的情况都被保留。
依照本发明的第三个应用，示于图3的均衡方法在均衡模块531(q)中被实现。
图5B概括展示了在第二级540q被进行的过程。这级一方面接收该符号估计 并且另一方面接收该干扰清除向量r(q)。符号估计 在模块541q中被用户q的扩展码扩展。该扩展信号可以被表达为一个有N个频率分量的向量(为了简单起见被假定为等于L)。然后，该扩展信号的分量在通过传输信道等效滤波器543q在频域中被滤波之前，在542q中与振幅系数aq相乘。有利的是，传输信道等效滤波器使用了信道系数的估计，该信道系数估计在前一级530q在均衡模块531q中被确定。由543q输出的分量Rl(q)可以被写为Rl(q)=aqh^lcl(q)d^(q)---(15)]]>其中 是信道系数的估计。分量Rl(q)反映用户q对复值rl的贡献，即由于用户q引起的多址干扰(MAI)。记R(q)为分量Rl(q)，l＝0，...，L-1的向量，该干扰清除向量r(q+1)通过由r(q)中减去(在544q中)由于用户q引起的MAI得到，即r(q+1)＝r(q)-R(q)(16)这里再一次，图5的MC-CDMA接收机为了串行干扰去除(例如在542m(q)中)，需要用户数目K、它们各自的扩展序列以及振幅系数aq的知识。然而，重要的是注意到，如果从一个MC-CDMA符号到下一个该振幅系数aq的变化很小，则通过取出为前一个符号分别被用于AGC模块543(q)的AGC系数，在542(q)中的系数aq可以有利地被估计(以相对值)。振幅系数因而不需要被MC-CDMA发射机发送。
尽管使用依照本发明的均衡方法的MC-CDMA接收机的结构已经按照功能模块例如滤波器或乘法器被基本上描述，但理所当然，所有或部分的这些设备可以通过单处理器被实现，专用于完成所有被描述的功能，或者以多处理器的形式，专用或者经过编程使得每一个完成一个或多个所说的功能。
权利要求
1.在MC-CDMA接收机中执行均衡的方法，被发送到所说的接收机的符号用扩展序列在多个(N)个载波上被扩展，被所说的接收机收到的信号被分解成多个频率分量(rl)，其特征在于估计(331)在每个所说的载波上的相对功率值，由该被估计的相对功率值( )计算(333)多个均衡系数(ql)并且用所说的均衡系数之一乘以(3340，...，334L-1)每一个所说的频率分量。
2.依照权利要求1的在MC-CDMA接收机中执行均衡的方法，其特征在于，在所说的载波的频率处估计(332)传播所说的符号的传输信道的相对信道系数( )。
3.依照权利要求2的在MC-CDMA接收机中执行均衡的方法，其特征在于，对一个给定的载波，均衡系数通过用在该载波频率上的被估计的相对功率值去除在该载波频率上的被估计的相对信道系数而得到。
4.依照任一前面的权利要求的在MC-CDMA接收机中执行均衡的方法，其特征在于，在一个载波上的相对功率值通过在所说载波的频率上对所说的接收信号的分量的平方值的取样进行低通滤波而估计。
5.依照权利要求4的在MC-CDMA接收机中执行均衡的方法，其特征在于，在一个载波上的相对功率值通过在所说载波的频率上平均所说的接收信号的分量的平方值的取样而估计。
6.在一个MC-CDMA电信系统中的多载波CDMA接收机，其特征在于，包括把被接收信号分解成由多个载波携带的多个频率分量的分解装置，用均衡系数乘以每一个所说的频率分量的均衡装置，其特征在于所说的均衡装置进一步包括估计在每一个所说的载波上的相对功率值的装置和由该被估计的相对功率值计算该均衡系数的装置。
7.在一个MC-CDMA电信系统中的多载波CDMA接收机，所说的接收机专用于所说的系统的一个用户，其特征在于，它包括把被接收信号分解成由多个载波携带的多个频率分量的分解装置，从每个所说的频率分量中去除由于被发送到所说系统的至少另一个用户的信号所引起的贡献的干扰去除装置，所说的干扰去除装置产生被所说的多个载波携带的干扰清除频率分量，所说的接收机进一步包括用一个均衡系数乘以每一个所说的被去除的频率分量的均衡装置，所说的均衡装置包括在干扰去除之后估计在每一个所说的载波上的相对功率值的装置以及由该被估计的相对功率值计算该均衡系数的装置。
全文摘要
在一个MC－CDMA接收机中执行均衡的方法，一个被发送到所说的接收机的符号被用扩频序列在多(N)个载波上扩展，被所说的接收机收到的信号被分解成多个频率分量(r
文档编号H04B7/005GK1459948SQ0312845
公开日2003年12月3日 申请日期2003年4月29日 优先权日2002年5月2日
发明者D·莫蒂尔 申请人:三菱电机株式会社