专利名称：用于时分双工通信系统的信道估算的制作方法
本申请要求2000年1月7日申请的美国临时专利申请60/175,167的优先权。
图1是无线通信系统10的示意图。通信系统10包括与用户设备(UE)141到143进行通信的基站121到125。每个基站121具有一相关的工作区域，在此区域内，此基站与用户设备141到143进行通信。
在一些通信系统，比如码分多址(CDMA)系统和使用CDMA的时分双工系统(TDD/CDMA)中，多路通信在同一频谱内发送。这些多路通信通常由它们的码片编码序列区分。为了更有效地使用频谱，TDD/CDMA通信系统使用划分成时隙的重复帧用于通信。在这样的系统中发送的一路通信具有基于通信的带宽而分配给它的一个或多个相关的码片编码和时隙。
既然多路通信可以在同样的频谱内同时发送，这样的系统中的接收机必须区分这些多路通信。一种检测这样的信号的方法是单用户检测。在单用户检测中，接收机只检测来自于期望的发射机且使用关联于该发射机的编码的通信，而把其它发射机的信号作为干扰。另外一种方法被称为联合检测。在联合检测中，多路通信同时被检测。
为了使用这样的检测技术，最好具有每路通信在其中传送的无线信道的估算。在典型的TDD系统中，使用通信脉冲串中的中间报文(midamble)序列进行信道估算。
如图2所示，典型的通信脉冲串16包括中间报文20、保护周期18和两个数据脉冲串22和24。中间报文序列20分离两个数据脉冲串22和24，而保护周期18分离通信脉冲串16，从而允许从不同的发射机发送的脉冲串16的到达时间不同。两个数据脉冲串22和24包含通信脉冲串的数据。中间报文20包含用于信道估算的训练序列。
当接收机接收到通信脉冲串16以后，它使用收到的中间报文序列来估算信道。当接收机在一个时隙中接收到多个脉冲串16时，它通常估算每个脉冲串16的信道。一种这样的用于通过多路信道发送通信脉冲串16的信道估算方法叫做斯坦纳信道估算器(Steiner ChannelEstimator)。斯坦纳信道估算通常用于来自多个用户设备，即141到143的上行链路通信，其中信道估算器需要估算多路信道。
在一些情况下，多个脉冲串16占据同样的无线信道。一种这样的情形是高数据速率服务，比如2兆比特每秒(Mbps)的服务。在这样的系统中，发射机会在一个时隙中发送多个脉冲串。通过将来自所有的脉冲串16的估算的信道响应进行平均，斯坦纳估算可以在这样的情形中应用。然而，这样的方法复杂性很高。因此，需要另外的方法来进行信道估算。
附图简要说明图1是一个无线通信系统。
图2是一个通信脉冲串的示意图。
图3是简化的多脉冲串(multiburst)发射机和接收机。
图4是多波群信号信道估算的流程图。
发射机26通过无线射频信道30发送数据。数据在K个通信脉冲串中发送。发射机26中的数据发生器321到32K产生要与接收机28通信的数据。调制/扩频和训练序列插入设备341到34K对数据扩频且使被扩频的参考数据与中间报文训练序列以合适的分配时隙和用于扩频数据的编码时分多路传输用，从而产生K个通信脉冲串。对于发送下行链路脉冲串的基站121，通常的K值是从1到16。通信脉冲串被组合器48组合，且被调制器36调制成射频(RF)信号。天线38通过无线射频信道30发射RF信号到接收机28的天线40。用于发送通信的调制类型可以是任何本领域的普通技术人员熟知的类型，比如二进制相移键控(BPSK)或四相移键控(QPSK)。
接收机28的天线40接收各种射频信号。接收到的信号被解调器42解调而产生基带信号。基带信号在时隙内且与分配给发送的通信脉冲串的合适的编码一起，被诸如信道估算设备44和数据检测设备46处理。数据检测设备46可以是多用户检测器或单用户检测器。信道估算设备44使用基带信号中的中间报文训练序列成分来提供信道信息，比如信道冲击响应。信道信息被数据检测设备46用于以硬码元估算接收到的通信脉冲的发送数据。
尽管多脉冲信道估算可以应用到其它的中间报文类型，为了显示多脉冲信道估算的一种具体实施，下面的中间报文类型被使用。K个中间报文编码，即 其中k＝1...K，得自周期P码片的周期性的单个基本中间报文编码 的时间移位版本。每个中间报文编码的长度是Lm＝P+W-1。W是用户信道脉冲响应的长度。Lm的通常值是256和512个码片。W是用户信道脉冲响应的长度。尽管下面的讨论基于每个脉冲串具有不同的中间报文编码，一些中间报文可以具有相同的编码。所以，分析基于N个中间报文编码，其中N＜K。另外，系统可以具有一个最大数目的可接受的中间报文编码N。即使被发送的编码少于N个，在这样的系统中的接收机28也为最大N个编码估算信道。 的元素从整数集{1，-1}中取值。序列 首先转化成复数序列mp~‾[i]=ji·mp‾[i],]]>其中i＝1...P通过从连接两个周期的 而形成的长度为2P的序列中选择长度为Lm的K个子序列，从而获得 的第i个元素与 的关系如公式1。mi(k)‾=mp~[(K-k)W+i],]]>对于1≤i≤P-(K-k)W=mp~[i-P+(K-k)W],]]>对于P-(K-k)W≤i≤P+W-1公式1这样，当k从1增加到K时， 的开始点向右移位W个码元。
所组合的接收到的中间报文序列是K个卷积的叠加。第k个卷积代表 与 的卷积。 是第k个用户的信道响应。脉冲串中前面的数据字段破坏了接收到的中间报文最初的(W-1)个码片。因此，为了进行信道估算，只有Lm个码片的后P个用来估算信道。
多脉冲信道估算将结合图4中的流程图进行解释。公式2是为了用来解出单独的信道响应 公式2rW...rLM是接收到的中间报文序列的组合码片。m值是 的元素。
公式2也可以重新简写为公式3。Σk-1KM(k)h(k)‾=r‾]]>公式3每个M(k)是一个KW乘W的矩阵。r是接收到的中间报文码片响应。当所有的脉冲串在同样的信道中传播时， 可以被h取代，如公式4以及图4中的50。[Σk=1KM(k)]h-=r-]]>公式4G按照公式5来定义。
G＝[M(1)，...，M(k)，...，M(K)]公式5结果是，G是KW乘KW的矩阵。既然G是右循环行列式矩阵，如公式6和图4中的52所示，公式4可以使用K个同样的右循环行列式矩阵块B重写。[Σk=1KM(k)]=BB···B=D]]>公式6
B是W乘W的右循环行列式矩阵。B块有K个。利用公式6，公式4可以重写成公式7。
Dh＝r公式7公式7描述了具有KW乘W维的由多种因素决定的(over-determined)系统。解出公式7的一种方法是最小二乘法，如图4中的52所示。公式7的最小二乘法由公式8给出。h-^=(DHD)-1DHr-]]>公式8DH是D的共轭矩阵。
应用公式6到公式8就得到公式9。(DHD)-1=1K(BHB)-1]]>公式9接收到的KW维的向量r可以根据公式10进行分解。r-=r1-r2-...rk-]]>公式10 是W维的。把公式9和公式10代入公式8，用于信道系数的最小二乘法可以根据公式11得出。h-^=(BHB)-1BH(1KΣk=1Krk-)=(BHB)-1BHrk=]]>公式11 代表r的段的平均。由于B是方阵，公式11变为公式12。h-^=B-1rk=]]>公式12由于B是右循环行列矩阵，且右循环行列式矩阵的逆也是右循环行列式矩阵，信道估算器可以由57维的单一循环相关器实现，或者通过离散傅里叶变换(DFT)解法。
W点的DFT方法如下所述。既然B是右循环行列的，就可以使用公式13。B=DW-1·ΛC·DW]]>公式13DW是根据公式14的W点DFT矩阵。 公式14根据公式15，ΛC是对角矩阵，其主对角线是B的第一列的DFT。
ΛC＝diag(DW(B(，1)))公式15W~=e-j2π/w.]]>这样，DW是DFT运算符，从而 代表向量x的W点DFT。通过把公式13带入公式12，且使用DW-1=DW*W,]]>就得到公式16。h-=(DW*·1W·ΛC-1·DW)r-]]>公式16 是DW的元素乘元素复共轭。
作为选择，根据ΛR而不是ΛC可以导出表达h的等效形式。根据公式17，ΛR是对角矩阵，其主对角线是B的第一行的DFT。
ΛR＝diag(DW(B(1，)))公式17既然B的转置矩阵BT也是右循环行列的，且BT的第一列是B的第一行，则BT可以用公式18表达。BT=DW-1·ΛR·DW]]>公式18应用公式18以及DWT＝DW且ΛRT＝ΛR，并且对于任何可逆矩阵A，(AT)-1＝(A-1)T，B可以由公式19来表达。B=DW·ΛR·DW-1]]>公式19把公式19带入公式12，且DW-1=DW*W,]]>则得出公式20。h-=(DW·ΛR-1·1WDW*)r-]]>公式20公式16或公式20可以用来解出h。既然所有的DFT的长度都是W，解出上述公式的复杂度就大大降低了。
使用单周期相关器的方法如下。既然B-1是右循环行列式矩阵的逆，它可以写成公式21。B-1=T=T1TP…T3T2T2T1…T4T3......…......TW-1TW-2…T1TWTWTW-1…T2T1]]>公式21
矩阵T的第一行等于ΛR-1的主对角线的逆DFT。这样，矩阵T完全由ΛR-1确定。
信道响应h的分支(taps)可以通过T的相继行和接收到的向量r的W长的部分的平均的内积相继得到。T的相继行是前面的行的循环右移位版本。使用寄存器来产生内积，第一寄存器保存r的平均部分，第二寄存器是一个保存矩阵T的第一行的移位寄存器。第二寄存器以确定的时钟速率循环移位。在每个时钟周期，通过存储在两个寄存器中的向量的内积确定h的一个新元素。更为有利的是移位矩阵T的第一行而不是移位接收到的中间报文。结果是不需要多余的用于中间报文的存储空间。中间报文连续存在于保存整个脉冲串的接收缓冲器中。既然相关器的长度只有W，估算信道的复杂度可以显著的降低。
权利要求
1.一种方法，用于在使用码分多址的时分双工通信系统中估算无线信道，所述系统关联N个中间报文序列，无线信道存在于单个发射机和单个接收机之间，所述的单个发射机在一个时隙中以共享频谱发送K个通信脉冲串，每个脉冲串具有N个序列中的一个关联的中间报文序列，接收机知道N个中间报文序列，所述方法包括在所述的单个接收机端接收与所发送的K个通信脉冲串的中间报文序列相对应的向量；部分地根据已知的N个中间报文序列建立具有N个相同右循环行列式矩阵块的矩阵；部分地根据N个块中的一个和接收到的向量估算无线信道。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用最小二乘法执行无线信道估算。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，使用单循环相关器实现所述最小二乘法。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，使用离散傅里叶变换解法实现所述最小二乘法。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，N是关联于系统的中间报文编码的最大数目。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，N是在K个脉冲串中发送的不同的中间报文的数目。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，估算的维数是无线信道的信道响应的长度。
8.一接收机，用于使用码分多址的无线时分双工通信系统，所述系统关联N个中间报文序列，所述系统中的单个发射机在一个时隙中以共享频谱发送K个通信脉冲串，每个脉冲串具有N个序列中的一个关联的中间报文序列，所述接收机知道N个中间报文序列，所述接收机包括天线，用于接收K个通信脉冲串，所述脉冲串包括与所发送的所述脉冲串的中间报文序列相对应的向量；信道估算器，用于部分地根据已知的N个中间报文序列建立包括N个相同的右循环行列式矩阵块的矩阵，并且部分地根据N个块中的一个和接收到的向量估算所述接收机和所述的单个发射机之间的无线信道；以及数据检测器，用于利用所估算的无线信道从接收到的通信脉冲串中恢复数据。
9.如权利要求8所述的接收机，其特征在于，所述数据检测器是多用户检测器。
10.如权利要求8所述的接收机，其特征在于，所述数据检测器是单用户检测器。
11.如权利要求8所述的接收机，其特征在于，使用最小二乘法执行无线信道估算。
12.如权利要求11所述的接收机，其特征在于，使用离散傅里叶变换解法实现所述最小二乘法。
13.如权利要求11所述的接收机，其特征在于，使用单循环相关器实现所述最小二乘方解法。
14.使用关联于N个中间报文序列的码分多址的无线扩频通信系统，所述系统使用通信脉冲串进行通信，每个脉冲串都包括关联的中间报文序列，所述系统包括基站，包括数据发生器，用于产生数据；多个调制/扩频设备，用于格式化所述产生的数据成为时分多路传输到同样的时隙和共享频谱中的K个通信脉冲串；以及天线，用于发送所述K个通信脉冲串；和用户设备，包括天线，用于接收K个通信脉冲串，所述脉冲串包括与所发送的所述脉冲串的中间报文序列相对应的向量；信道估算器，用于部分地根据N个中间报文序列建立包括N个相同的右循环行列式矩阵块的矩阵，并且部分地根据K个块矩阵和接收到的向量估算所述基站和所述用户设备之间的无线信道；和数据检测器，用于利用所估算的无线信道从接收到的通信脉冲串中恢复数据。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述数据检测器是多用户检测器。
16.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述数据检测器是多个单用户检测器。
17.如权利要求14所述的系统，其特征在于，使用最小二乘法执行无线信道估算。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，使用离散傅里叶变换解法实现所述最小二乘法。
19.如权利要求17所述的系统，其特征在于，使用单循环相关器实现所述最小二乘法。
20.如权利要求14所述的系统，其特征在于，基站有效地以2Mbps的数据速率发送数据到用户设备。
全文摘要
单个发射机在时分双工通信系统的一个时隙内以共享频谱发送K个通信脉冲串。系统与N个中间报文序列相关。每个脉冲串都包括一个相关的中间报文序列。接收机接收与所发送的K个通信脉冲串的中间报文序列相对应的向量。部分地根据已知的K个中间报文序列建立具有N个相同的右循环行列式矩阵块的矩阵。部分地根据N个块中的一个和所接收的向量估算发射机和接收机之间的无线信道。
文档编号H04J13/02GK1394420SQ01803476
公开日2003年1月29日 申请日期2001年1月5日 优先权日2000年1月7日
发明者阿里埃拉·蔡拉 申请人:交互数字技术公司