专利名称：用于计算蜂窝通信系统中的路径特征数据的方法
技术领域：
根据独立权利要求的前序部分，本发明涉及无线数字通信领域。特别地，本发明涉及通过UMTS系统(通用移动通信系统)对数字信息进行无线发送和接收的领域。更具体来说地，本发明涉及用于蜂窝通信系统的CDMA接收机和包括所述CDMA接收机的基站或用户站(移动台)。该CDMA接收机应用一种用于计算路径特征数据的方法，该方法可实现为计算机软件。
背景技术：
蜂窝通信系统是众所周知的。这些蜂窝通信系统包括小区和无线通信区域，共同覆盖给定的地理区域。小区包括多个基站，这些基站通过控制信道和通信信道建立和保持与系统中所包括的移动通信设备的通信链路，并通过所建立的通信链路与移动通信设备进行通信。
一种蜂窝通信系统就是所谓的直接序列CDMA(码分多址)扩频系统。在这种CDMA扩频系统中，除发射机之外，移动通信设备还具有CDMA接收机，典型地是所谓的RAKE(瑞克)接收机，具有多个径(finger)以分解多径接收扩频信号的分量并对分解后的分量进行组合以便改善接收信号的信噪比。扩频信号接收自通过使用扩展序列将数据信号扩展到一个频带上的发射机。这种序列中的单元通常称作码片。
在CDMA和WCDMA(宽带码分多址)接收中，有必要关于某个参考点，例如关于已经选中的观察窗的起点来对每条输入路径的延迟进行估计。为此，需要计算路径特征数据。图1中示出了这种路径特征数据。接收机检测具有某个幅度的信号，图1中对幅度以任意单位相对于以过采样码片网格为单位的延迟作曲线图。在图1中，关于选中参考点对码片网格进行四次过采样。水平直线代表背景噪声(noise floor)。如果信噪比(SNR)足够，就可以检测到具有延迟的信号。在这种情况下，如在图1的情况下，路径特征数据中该信号的相应峰值足够明显。该例中的无线信道包括由于多径传播而导致的若干时间可分辨延迟。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于以对具有较差SNR的弱信号进行改善的检测来计算路径特征数据的方法。
本发明的另一个目的是提供能够对具有较差SNR的弱信号进行检测的CDMA接收机和基站。本发明又一个目的是提供实现上述方法的计算机程序产品。
根据本发明，上述目的由独立权利要求的特征来实现。进一步的实施例由从属权利要求的特征来描述。
关于所述方法，实现上述目的的第一个解决方案可以称作以本公开为目的的能量组合。在这种方法中，在一个单独的时隙内的P个导频符号的长度上将已包含导频模式补偿的长度为K的解扩向量dk与长度为K的输入序列向量sk相关。P和K是整数。换句话说，对于某个天线i和某个时隙j，在形成元素dk和sk并具有索引k的所有(过采样的)码片上对dk和sk的哈达马(Hadamard)积dksk求和Σkdi,j,k⊗si,j,k]]>索引i表示总数为I的天线中的一个天线。索引i、j和k是整数。通常，输入序列向量s表示用于每个天线i的模/数转换器的输出的基带中的数字信号。
现在在某个观察窗的所有天线i和所有时隙j上对所述结果的绝对值的平方求和。这样做意味着对所述观察窗的所有天线i和所有时隙j执行非相干平均。对可以搜索到的所有不同的延迟值重复进行这项操作，计算出的总和为
ΣiΣj|Σkdi,j,k⊗si,j,k|2]]>该能量组合方法的优点是两个连续时隙j和j+1之间的量Σkdijk⊗sijk]]>的相角变化可以是任意的。在实践中，这意味着移动台相对于基站的速度可以是任意的。
当时隙j上的总和得到改良时，相比于上述能量组合方法甚至能更好地检测具有较差SNR的信号。在能量组合方法中，时隙j上的总和是实数的总和|Σkdijk⊗sijk|2,]]>其中量Σkdijk⊗sijk]]>是复数。但是，可以将这些量中的至少两个量相加，由此将复数相加，然后对所有天线i计算其绝对值的平方。在这种情况下，将这些量选择为从具有索引j，j+1，j+2，...的至少两个连续时隙中生成。如果将恰好两个连续时隙中的复数量相加，则计算出ΣiΣj|Σkdi,j,k⊗si,j,k+Σkdi,j+1,k⊗si,j+1,k|2]]>换句话说，将具有索引j的第一时隙的总和Σkdi,j,k⊗si,j,k]]>与具有索引j+1的第二连续时隙的至少一个相应第二总和Σkdi,j+1,k⊗si,j+1,k]]>相加，以这种方式在所有时隙上执行求和，并且在所有具有索引i的天线和所有时隙上对所得值的平方求和。
当两个连续时隙之间的量Σkdijk⊗sijk]]>的相角不超过90°时，第二种解决方案是切实可行的。这对应于发射机和接收机之间450Hz的总频率偏移，其包括多普勒偏移(当接收机相对于发射机具有某一速度时是相关的)和振荡器频率偏移。对于几乎所有的情况，450Hz都是足够的。
当计算路径特征数据时，也可以补偿在连续时隙之间测量到的频率偏移，所以以该第二解决方案可以处理更高的偏移。
可以用几种方式在时隙上进行新的求和。当求和时，可以将索引j选择为1，2，3，4，5，...。在这种情况下，对j的所有整数值执行求和，并且将时隙上的总和与时隙1+2，2+3，3+4，4+5的量Σkdijk⊗sijk]]>相加。换句话说，对有重叠的量进行求和。
如上所述，可以将多于两个连续时隙的复数量相加。作为示例，还可以将三个时隙的复数值相加。在这种情况下，对于时隙1+2+3，2+3+4，3+4+5等，用重叠程度更高的两个时隙代替一个时隙，对量Σkdijk⊗sijk]]>求和。如果以这种方式将三个而不是两个时隙相加，则总的频率偏移将仅为450*(2/3)＝300Hz。灵敏度将提高，并且SNR将更好。
当在所有时隙上求和时，另一种可能方案是只对j的奇数值执行求和。在该第三种解决方案中，对于时隙1+2，3+4，4+5等，对这些量求和，并因此没有重叠。可以略微减小计算负担。
所有三种解决方案都显示出路径特征数据的较好的SNR，其中第二种解决方案和第三种解决方案的路径特征数据的SNR比第一种解决方案的SNR更好。改善的SNR可以实现对输入路径的改善的检测。还可以检测用其他方式不可检测的较弱路径。此外，通过检测由于提高SNR而增加的路径，还可以获得时间分集。这在使用具有较低空间分集的线性阵列时特别有用。
扩频接收机，优选的是CDMA接收机，并且特别是RAKE接收机或具有耙形的径(finger)处理结构的接收机可适用于应用上述方法来计算路径特征数据。在这种情况下，由于使用根据本发明的方法所得到的提高的路径特征数据SNR增加了检测到的路径数量并由此增加了可能的RAKE径的数量。这增大了在RAKE径组合器的输出端测量的SNR并由此增强了例如UMTS系统中的UTRAN接口之类的空中接口的能力。CDMA接收机，特别是如果其为RAKE接收机，可以是用于例如UMTS系统之类的蜂窝通信系统的基站或用户站的一部分。
当计算WCDMA信号的路径特征数据时，本方法特别有用。
当扩频接收机适用于采用根据本发明的第一种解决方案来计算路径特征数据时，本方法特别有用，另外第二种解决方案和/或第三种解决方案也特别有用。如上所述，当两个连续时隙之间的量Σkdijk⊗sijk]]>的相位变化不超过对应于总频率偏移450Hz的90°时，第二种解决方案是切实可行的。对于第三种解决方案这同样成立。如果扩频接收机能够执行速度估计(多普勒频率估计)和频率偏移估计，则可以估计总频率偏移。如果总偏移超过450Hz，则应当使用第一种解决方案，否则具有改善的SNR的第二种解决方案或第三种解决方案就是优选的。因此，上述估计可以用于在两种操作模式之间进行切换。在备选解决方案中，当计算路径特征数据时，对频率偏移进行补偿。
路径特征数据计算可以是在两个天线上求和。但是，在四个或更多的天线上对每个扇区执行求和时，该解决方案特别有用。原因是在这种情况下功率控制将降低接收到的信号电平。这将导致在路径特征数据中具有不明显峰值的较差的SNR，并且在检测输入路径时将相应地导致更大的问题。
如上所述，扩频接收机可适用于采用上述方法来计算路径特征数据。为此，该接收机具有类似于FPGA、ASIC或EPROM、数字信号处理器之类的为计算路径特征数据提供功能性的硬件逻辑。这种硬件逻辑可以具有能从诸如计算机之类的其他设备中卸下的固件。该固件是计算机程序产品，其可以直接装载到数字计算机的内存中或装载到诸如FPGA、EPROM之类的计算实体中，并且该固件包括用于在所述产品在计算机或计算实体上运行时执行上述方法的软件代码部分。该计算程序产品可以存储在诸如硬盘、DVD的CD之类的存储介质中，或者可以借助于电载波信号通过诸如因特网之类的计算机网络中发送该计算程序产品。
参考下面描述的实施例，可以说明本发明的这些方面和其他方面，并使其更加明确。应当注意的是，所使用的参考标记不应解释为对本发明范围的限制。
图1示出了以第一种解决方案进行计算时的路径特征数据；图2示出了以第二种解决方案进行计算时的路径特征数据；
图3示出了以第三种解决方案进行计算时的路径特征数据；图4是具有实现根据本发明的方法的逻辑的通信系统的略图。
具体实施例方式
图1示出了按照根据本发明的第一种方法而计算的路径特征数据。计算了使用步行(Pedestrian)B传播信道的一个单独的12.2kbps链路。CDMA接收机有四个天线。扩频因子为256，导频符号的数目为6，并且有15个时隙。一个时隙包括2560个码片，其具有DPCCH(专用物理控制信道)扩频因子256和在接收机处进行采样的双码片速率。这2560个码片的60％用于具有索引k的求和，表示具有双码片速率的256*2*6＝3172个采样。如果Tchip表示从第一码片到第二码片的持续时间，那么使用Tchip/2网格中的192个值，并将这些值内插到Tchip/4网格。对于所有的192个抽头，计算ΣiΣj|Σkdi,j,k⊗si,j,k|2]]>的值。相对于延迟对这383个值作曲线图。竖虚线表示步行B传播信道的实际输入路径。
图2示出了利用根据本发明的第二种方法进行计算时与图1参数相同的路径特征数据。将两个连续时隙的值无重叠地相加，从而将Σkdi,j,k⊗si,j,k]]>的复数值相加ΣiΣj{|Σkdi,k,1⊗si,j,1+Σkdi,j,2⊗si,j,2|2+|Σkdi,j,3⊗si,j,3+Σkdi,j,4⊗si,j,4|2+···]]>+|Σkdi,j,14⊗si,j,14+Σkdi,j,15⊗si,j,15|2}]]>这种方法可以称作相邻时隙相干组合。
将通过第一种方法获得的相应值添加到曲线图上。由图可见，现在峰值更加明显，使得SNR得到改善。
图3示出了利用根据本发明的第三种方法进行计算时与图1参数相同的路径特征数据。将有重叠的两个连续时隙相加。换句话说，将时隙1+2，2+3，3+4等的值以如下方式相加
N*ΣiΣj{|Σkdi,j,1⊗si,j,1+Σkdi,j,2⊗si,j,2|2+|Σkdi,j,2⊗si,j,2+Σkdi,j,3⊗si,j,3|2+]]>|Σkdi,j,3⊗si,j,3+Σkdi,j,4⊗si,j,4|2+···+|Σkdi,j,14⊗si,j,14+Σkdi,j,15⊗si,j,15|2}]]>应用额外的归一化因子N＝15/19来保持固有背景噪声不变。第三种解决方案与第二种解决方案相比具有将近两倍的计算复杂度，但是在诸如FPGA、EPROM之类的计算实体中可以很容易地实现第三种解决方案。
图4以高度示意性的方式示出了实现上述方法的通信系统。通过用天线阵列3发送信号到用户站2的相应天线阵列3’，基站1与用户站2进行通信。两个设备都是根据IEEE 802.16标准操作于低于11Hz的频率上的UMTS设备。基站1和用户站2均包括扩频接收机4，4’。
基站1和/或用户站2估计多普勒频率偏移和/或基站1与用户站2之间的频率偏移。如果所估计的偏移高于预定的门限值，则扩频接收机4，4’根据第一种解决方案来执行非相干求平均。如果所估计的偏移低于预定的门限值，则根据第二种解决方案或第三种解决方案来执行相干的求平均。
权利要求
1.一种用于计算蜂窝通信系统中的路径特征数据的方法，其中求解扩向量dk与输入序列向量sk的哈达马积dksk，并且对于具有索引i的某个天线和对于具有索引j的某个时隙，在形成元素dk和sk并具有索引k的所有码片上对哈达马积求和 其特征在于，在所有天线和所有时隙上对该总和的绝对值的平方求和(ΣiΣj|Σkdi,j,k⊗si,j,k|2).]]>
2.根据权利要求1的前序部分所述的方法，其特征在于，为了在所有时隙上求和，将具有索引j的第一时隙的总和 与具有索引j+1的第二连续时隙的至少一个相应第二总和 相加，并且在所有天线和所有时隙上对所得值的平方求和。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，为了在所有时隙上求和，将具有索引j的第一时隙的总和与具有索引j+1的恰好一个第二连续时隙的总和相加(ΣiΣj|Σkdi,j,k⊗si,j,k+Σkdi,j+1,k⊗si,j+1,k|2).]]>
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，对于j的所有整数值，在所有时隙上进行求和。
5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，只对j的奇数值在所有时隙上执行求和。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在至少四个天线上进行求和。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，计算用于WCDMA信号的路径特征数据。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法在计算机上运行。
9.一种用于操作基站和/或用户站的方法，其特征在于，所述基站和/或用户站估计多普勒频率偏移以及/或者基站与用户站之间的频率偏移，如果所估计的偏移高于预定门限值，则执行根据权利要求1所述的方法，如果所估计的偏移低于预定门限值，则执行根据权利要求2所述的方法。
10.一种计算机程序产品，可直接载入数字计算机的内存，包括在所述产品在计算机上运行时用于执行根据权利要求8所述的方法的软件代码部分。
11.根据权利要求10所述的计算机程序产品，其在存储介质上或借助于电信号通过计算机网络来发送。
12.一种扩频接收机，适用于应用根据权利要求1-8的任何一个所述的方法来计算路径特征数据。
13.根据权利要求12所述的扩频接收机，适用于CDMA接收机。
14.根据权利要求13所述的扩频接收机，适用于RAKE接收机。
15.一种用于蜂窝通信系统的基站和/或用户站，包括根据权利要求12-14之一所述的扩频接收机或根据权利要求10或11所述的计算机程序，或适用于执行根据权利要求9所述的方法。
全文摘要
本发明涉及一种用于计算蜂窝通信系统中的路径特征数据的方法，其中诸如CDMA接收机之类的扩频接收机可以采用本方法。此外，包括这种扩频接收机的基站和/或用户站的逻辑可以采用本方法。在CDMA接收中，必须计算每条输入路径的延迟。但是只有当信噪比足够时，才能检测输入路径。本发明的一个目的是提供一种以对具有较差信噪比的弱信号进行改善的检测来计算路径特征数据的可能方案。应用三种方法可以实现该目的。一种方法应用能量组合的原理并将所有时隙的绝对值的平方相加。两种方法应用相干特征数据的原理并将两个连续时隙的复数幅度相加，其中一种解决方案将此原理应用到至少两个相邻时隙，并且另一种解决方案将此原理应用到有重叠的至少两个相邻时隙。
文档编号H04B1/707GK1770651SQ200510117029
公开日2006年5月10日 申请日期2005年10月28日 优先权日2004年11月3日
发明者托尔斯滕·维尔德, 科内利斯·赫克 申请人:阿尔卡特公司