Cdma通信系统的瑞克接收机中的信道估计的制作方法

专利名称：Cdma通信系统的瑞克接收机中的信道估计的制作方法
技术领域：
本公开内容通常涉及无线通信，更具体地，涉及无线通信设备中的，例如基于用户设备的CDMA的RAKE(瑞克)接收机中的信道估计设备和方法。
背景技术：
在码分多址(CDMA)通信系统中，全部小区中的全部基站均可以使用相同的射频用于通信。通过唯一分配的扩频码在系统中唯一地识别基站。由全部基站使用两个215比特长度的指定的伪随机噪声(PN)序列。在正交调制系统中，一个序列用于同相(I)的I信道码元的信道扩频，而另一个序列用于正交(Q)的Q信道码元的信道扩频。系统中的移动站拥有相同的两个215比特长度的扩频码，并且将其用于I和Q信道的初始解扩。
使用被称为Walsh(沃尔什)覆盖的过程对用于发射的码元扩频。当处在呼叫中时，由基站向每个移动站分配唯一的Walsh码，以确保针对给定小区中的每个移动站的发射同针对每其他的移动站的发射正交。除了业务信道之外，每个基站广播导频信道。导频信道由恒定电平的信号形成，其由Walsh码0覆盖，其全部由0构成。由范围中的全部移动站共同接收该导频信道，此外，由移动站使用该导频信道，用于识别CDMA系统的存在，识别通信和干扰基站的初始和延迟射线，并且用于通信信道的相干解调。
然而，在RAKE(瑞克)接收机的输出端，通信信道可能受到噪声的影响，其可被估计为信扰比(SIR)，在此处其还被称为信噪比(SNR)。由于其唯一的和已知的性质，导频信道有利地用于估计信道质量条件，其随后可用于增强通信信道。信道估计是关于码分多址(CDMA)系统，诸如第三代伙伴项目(3GPP)、通用移动电话系统(UMTS)、宽带CDMA(WCDMA)和cdma2000系统的RAKE(瑞克)解调的组成部分。信道估计器处理已知的导频序列，以得到相位基准，用于RAKE(瑞克)解调器的每个支路(耙指)中的相干解调。
参考

图1，典型的CDMA移动站接收机利用具有三个或更多(N)的独立受控的耙指(支路)的RAKE(瑞克)接收机，其同正确的PN序列相位在时间上对准，该PN序列相位使用由接收机导频相位搜索元件确定的导频信道相位的知识。通常将耙指分配给由接收机导频相位搜索元件所确定的、自全部通信基站接收的最强的射线。使用本领域已知的技术使进入的正交调制(I+Q)信号下变频为所接收的基带信号。RAKE(瑞克)接收机的每个耙指利用具有关于导频和数据(业务)信道的唯一的扩频序列的相关器，针对进入的信号进行操作。数据相关器检测(解扩)数据信息并且将其累加。导频相关器检测(解扩)导频码元并且将其累加。这样，导频比特可用于使用信道估计滤波器的信道估计。然后，针对所估计的信道质量进行校正的滤波器的输出可以施加到使用复共轭的数据码元，以提供校正。信道估计滤波器在信号被处理时使之延迟，因此补偿延迟元件用于数据码元，由此相干地施加校正。然后，在使用用于每个耙指的独立的解偏移器进行延迟而使全部的信号相干地对准之后，组合来自RAKE(瑞克)接收机的每个耙指的输出。
典型的信道估计滤波器是有限脉冲响应(FIR)滤波器，其通过对在公共导频信道(CPICH)或专用导频信道(其在例如3GPP WCDMA系统中的专用物理信道(DPCH)上是时间复用的)上传送的解扩导频码元的序列执行滑动平均，进行操作。图2示出了关于3GPP WCDMA系统的公共导频信道(CPICH)的时隙结构。现有技术的滑动平均信道估计滤波器具有随滤波器长度变化的延迟(即，延迟＝二分之一滤波器长度)。在该情况中，设置信道估计滤波器的长度以在预期操作条件的全部范围上产生可接受的性能。然而，改变滤波器带宽将非常可能引起一个或多个帧错误。此外，延迟缓冲器必须是足够大的，以容纳全部可能遇到的延迟，导致了非常大的延迟缓冲器，其是高成本的，并且在集成电路上耗用了大的面积。而且，已经发现，多普勒(Doppler)频率偏移也可能影响相干接收，这在现有技术中仍待解决。尽管有很多的现有技术致力于使用FIR滤波器用于信道估计，但是没有一个具有作为多普勒速率的函数的变化的滤波器长度(信道带宽)。
在CDMA通信系统中需要改进的信道估计，其在不牺牲性能的情况下进一步减少了计算复杂度和集成电路尺寸以及成本。而且，有利的是，致力于多普勒频率偏移以及噪声。
附图简述图1示出了现有技术的CDMARAKE(瑞克)接收机的简化的框图；图2示出了3GPP WCDMA系统的公共导频信道(CPICH)的时隙结构的说明；图3示出了根据本发明的CDMA RAKE(瑞克)接收机的简化的框图；图4示出了图3的信道估计滤波器的框图；图5示出了图4的滤波器的抽头应用的说明；图6示出了由本发明提供的改进方案的图表；并且图7示出了根据本发明的方法的流程图。
优选实施例详述本发明在无显著的计算复杂度的情况下提供了CDMA通信系统中的有效的信道估计，并且在不牺牲性能的情况下减少了对额外的集成电路尺寸和成本的需要。本发明还致力于多普勒频率偏移以及噪声。特别地，本发明并入了固定延迟的滑动平均FIR信道估计滤波器的实现方案，其中滤波器长度(带宽)作为所估计的多普勒速率和信道SNR的函数(基于每个支路)而动态变化，以便于使无线电链路性能最优化。最优的信道估计滤波器的带宽是多普勒速率(信道带宽)和信道SNR的函数。
用于估计多普勒速率和信道SIR或SNR的算法是已知的，并且可以在处理器或数字信号处理器(DSP)中的软件中实现。例如，在计算SNR时，关于第l个物理信道的第i个传播路径上的第n个时隙的第k个码元的解扩码元通常由下面的表达式表示dli[n,k]=al[n,k]zli[n,k]+ηli[n,k],]]>其中al[n，k]是归一化的(以1为量值)发射码元，其在导频码元的情况中已知的，并且ηli[n，k]是噪声。量zli[n，k]是传播信道，其量值平方表示关于相关联的传播路径的接收功率。通过扩频因子可以对解扩信号归一化。
所估计的信噪比部分地基于移除了调制之后的所估计的噪声功率估计。通常在某些时间间隔上对所估计的噪声功率取平均。在大部分应用中，可以认为信道在两个码元上基本上是恒定的。该估计的范数产生了噪声功率的无偏估计，在时间上对其取平均。更具体地，噪声功率估计可以基于一个或多个信道上的，例如公共导频信道(CPICH)或者专用导频信道(其在WCDMA应用中在专用物理信道(DPCH)上是时间复用的)上的加权的噪声功率估计。
假设在第l个物理信道上对于每个时隙存在NPILOTl(偶数)个导频码元，并且其中使用了移动平均有限脉冲响应(FIR)滤波器，如下估计关于第i个传播路径上的第n个时隙的噪声功率σ^ηli2[n]=1KΣi=0K-11NPILOTlΣk=PPILOTl/2PPILOTl/2+NPILOTl/2-1|al[n-i,2k]*dil[n-i,2k]-al[n-i,2k+1]*dil[n-i,2k+1]|2]]>
其中K是在其上移动平均FIR滤波器对噪声功率估计进行滤波的时隙的数目。在其他的实施例中可以使用其他的滤波器，例如，多极点IIR滤波器，或者更通用的FIR滤波器。
然后，基于所估计的信号功率估计，其是按照与上文相似的方式确定的，但是是基于关于数据信道的信号功率的加权估计(其是以相干方式取平均的)，确定所估计的SNR。然后取范数，以生成信号功率的偏差估计。优选地，随后对该估计取平均以提高其准确性。这样，估计信噪比(SNR)基于上文讨论的估计信号功率和估计噪声功率，并且用于确定最优带宽。
相似地，还可以确定并入到关于最优带宽计算中的多普勒偏移。多普勒偏移是这样的频率偏离，即其引起以等于该频率偏离速率的调制的相位旋转。180度的相位旋转将使所发射的具有+1值的码片变为所接收的具有-1值的码片。这样，在使用匹配滤波器对码片求和时，存在对可以被求和以及匹配的连续码片的数目的实际限制，即影响了所需的滤波器带宽。例如，对于2250Hz的多普勒偏移，在111.1微秒中将发生90度的相位旋转。基于CDMA的系统中的码片具有0.8138微秒的时间长度。这样，在111.1微秒中出现了136.5个码片时间，因此可以安全地对136个码片求和或匹配，同时保持相位相干性。
根据本发明，可以在不使数据被破坏同时保持固定的延迟的情况下，动态地调节滤波器带宽。确定最优滤波器带宽以满足SNR和多普勒条件。有利地，通过使用固定延迟，滤波器在接收通信设备时保存功率，并且节约计算复杂度。由于RAKE的每个支路的SNR可以是不同的，因此滤波器还支持用于每个支路的独立带宽。这样，本发明在最小地增加实现方案的复杂度的情况下，提供了改善的无线电性能。本发明具有以下进一步的优点提供了在缓慢变化的信道(低的多普勒速率)中非对称地延伸滤波器跨度的能力，同时保持固定的延迟。
参考图3，除了信道估计滤波器30以外，基础模块同图1相同。信道估计滤波器30是有限脉冲响应(FIR)滤波器，其通过对在例如3GPP WCDMA系统的公共导频信道(CPICH)上传送的解扩导频码元序列执行滑动平均，进行操作。信道估计滤波器30由以下部分组成存储器(RAM)，用于存储来自导频相关器的导频码元和由滤波器30确定的信道估计值；简单的算术逻辑单元(ALU)42，其允许同常数相乘以及加法；小的触发器(FF)库44，用于操作数存储；和微处理器、数字信号处理器或有限状态机(FSM)46，其提供存储器寻址/控制、ALU控制和FF控制。存储器40包括最新的L+1个导频码元(其中L是滤波器的最大长度)。信道估计值在存储器40中存储在两个库中，其允许一个信道估计库保持恒定，用于由处理器(或FSM)使用，而另一个信道估计库被更新。以导频码元速率调换该库。信道估计处理是非实时地完成的，但是确保其在存储器库调换之前完成。ALU是分时的，以利用针对每个支路具有不同的滤波器带宽设置的能力，计算关于RAKE的每个支路的信道估计。当关于给定支路的带宽不变时，电路在低功率模式下操作，其中加入一个新的码元并且减去一个旧的码元。然而，当滤波器带宽发生变化时，通过对来自RAM的必需的码元组求和，重新计算滤波器输出值。在一个导频码元周期中对全部支路完成这些计算。对每个信道估计归一化，以防止相对量值受到滤波器带宽的影响。例如，通过以1/L比例调节该信道估计(即，除以用于特定的滤波器带宽的抽头数目)，可以实现恒定的增益。
图5说明了设置长度为L的信道估计滤波器的抽头分配。如所示出的，可以调节带宽以改变长度，同时延迟保持恒定。通过在滤波器的起点和终点具有正确数目的零值抽头，针对不同的滤波器带宽(长度)保持了恒定的滤波器延迟D。实际上，施加到每个抽头的滤波系数是关于滤波器带宽的中心对称的，且将零施加到所需带宽外部的抽头。典型地，对于那些SNR是差的或者多普勒偏移是高的情况，确定了窄的带宽。在确定大的带宽(＞2D)(例如，好的SNR或者缓慢变化的信道)的特殊的情况中，可以允许带宽变为关于固定的延迟是非对称的。在该情况中由于信道质量是好的，因此这对于解调是无害的，并且接收机可以适应微小的偏移而没有显著的伤害。
通过利用具有有限状态机(FSM)控制的恒定延迟的FIR滤波器结构，本发明允许快速地调节滤波器带宽而不会使数据被破坏。在信道估计滤波器中保持恒定的延迟(等于数据码元延迟缓冲器长度)的事实消除了针对带宽变化调节数据码元延迟缓冲器长度的问题，该问题将引起许多码元错误。恒定的信道估计延迟还允许RAKE(瑞克)接收机的每个支路具有独立的信道估计带宽，而不会使数据码元延迟缓冲器的寻址复杂化。结合FSM使用简单的ALU允许快速的调节滤波器带宽。与具有等于滤波器长度的重置周期(其间信道估计可能是不正确的)不同，本发明在一个导频码元间隔中(以非实时的方式)重新计算滤波器的值。具有动态调节滤波器长度的能力还允许以特殊的方式处理非常低的多普勒速率的情况。在该特殊情况中，可以将滤波器设置为大于2D的长度，其中D是数据码元延迟缓冲器长度。即使数据和信道估计不再完好地排列，时间偏离的影响仍是最小的(由于信道是缓慢变化的)，并且滤波器的额外长度仍是有利的。应当注意，由于数据延迟缓冲器占用了RAKE(瑞克)解调器的大部分成本(集成电路面积)，因此使其长度最小是非常需要的。
参考图7，本发明并入了一种方法，用于CDMA通信系统的RAKE(瑞克)接收机中的信道估计。在第一步骤中，该方法包括步骤70，即提供具有L个抽头并且具有固定延迟的有限脉冲响应信道估计滤波器。下一步骤72包括，输入在RAKE(瑞克)接收机上来自通信系统信道的所接收数据序列的导频序列。下一步骤74包括，确定通信系统的信道质量和滤波器的带宽，以适应该信道质量。优选地，由信道的信噪比和信道的多普勒频率偏移中的一个或两个确定信道质量。更优选地，该步骤74包括，在一个导频码元间隔中计算滤波系数。下一步骤76包括，调节滤波器的带宽以适应信道质量，同时保持固定的延迟。下一步骤78包括，针对通过信道估计滤波器的所接收数据序列，进行操作。
优选地，确定步骤74包括，计算关于最优带宽的滤波系数，并且调节步骤76包括，以关于固定延迟的对称的方式向抽头施加该滤波系数，同时向那些带宽外部的抽头施加零。可选地，确定步骤74包括计算关于最优带宽的滤波系数，并且调节步骤76包括，如果系数的数值超过延迟的两倍，则以关于延迟的非对称的方式向抽头施加该滤波系数，同时向高于带宽的任何抽头施加零。这对于其中失准是无害的缓慢变化的信道条件是有用的。
实际上，针对RAKE(瑞克)接收机的全部耙指独立执行这些步骤70～78，由此操作步骤导致了RAKE(瑞克)接收机中所接收的数据序列的相干解调。
为了在多普勒速率和信道SNR的全部范围上保持最优的滤波器长度，本发明提供了动态地调节滤波器带宽。特别地，对于给定的多普勒偏移，好的SNR可以使用比差的SNR更多的滤波器抽头。相似地，对于给定的SNR，低的多普勒偏移使用比高的多普勒偏移更多的滤波器抽头(和非对称的带宽)。由于关于每个支路的SNR可能是不同的，因此滤波器还可以支持关于RAKE(瑞克)接收机的每个支路的独立带宽。
示例已知的是，如果使用单一带宽信道估计滤波器，在极端的多普勒速率和/或SNR条件下可能存在显著的BER劣化。根据本发明，使用具有固定延迟和动态带宽的有限脉冲响应信道估计滤波器执行数值模拟。下文提供了结果。针对全部模拟，在数值模拟中使用模拟数据，如业界所知的。特别地，针对在SFER＝1％，Ior/Ioc＝0dB，平坦衰落信道和DPCH＝12.2kbps下的理想信道估计，确定劣化。
图6示出了结果的图表，其指出了由于所指出的速度引起的相对于多普勒偏移的信道劣化(dB)。在第一个柱中，其在1km/h的速度时测试，使用固定的17个抽头(码元长度)的滤波器，相对于其中将滤波器长度动态地(非对称地)调节到73个抽头的本发明，进行测试。在第二个柱中，其在3km/h的速度时测试，使用固定的17个抽头的滤波器，相对于其中将滤波器长度动态地调节到39个抽头的本发明，进行测试。在第三个柱中，其在15km/h的速度时测试，使用固定的17个抽头的滤波器，相对于其中将滤波器长度动态地调节到20个抽头的本发明，进行测试。在第四个柱中，其在120km/h的速度时测试，使用固定的17个抽头的滤波器，相对于其中将滤波器长度动态地调节到13个抽头的本发明，进行测试。在最后一个柱中，其在250km/h的速度时测试，使用固定的17个抽头的滤波器，相对于其中将滤波器长度动态地调节到7个抽头的本发明，进行测试。
如所看到的，相对于现有技术的恒定长度的滤波器，本发明在极端条件下提供了更少的劣化。而且，在更加普遍的条件下，诸如以120km/h沿公路行驶的汽车，本发明提供了同现有技术相似的结果。此外，这是通过比先前描述的更少的计算实现的。固定延迟的使用以较多的成本和计算为代价，导致了更好的性能。
总而言之，本发明使用信道估计滤波器提供了CDMA通信系统中的信道估计，其在不牺牲性能的情况下减少了计算复杂度。有利地，本发明提供了相对于现有技术的改进方案，其归于使用固定延迟的计算的简化。此外，本发明提供了动态可调节的带宽，且允许带宽关于延迟变得非对称。
尽管上文描述了本发明的具体部件和功能，但是本领域的技术人员可以使用更少的或者额外的功能，并且其在本发明的广泛范围中。本发明应仅由随附权利要求限定。
权利要求
1.一种方法，用于CDMA通信系统的RAKE接收机中的信道估计，该方法包括以下步骤提供具有L个抽头并且具有固定延迟的有限脉冲响应信道估计滤波器；输入在RAKE接收机上来自通信系统信道的所接收数据序列的导频序列；确定通信系统的信道质量和滤波器的带宽，以适应该信道质量；调节滤波器的带宽以适应信道质量，同时保持固定的延迟；和针对利用信道估计滤波器的所接收数据序列，进行操作。
2.权利要求1的方法，其中确定步骤包括测量信道的信噪比。
3.权利要求1的方法，其中确定步骤包括测量信道的多普勒频率偏移。
4.权利要求1的方法，其中确定步骤包括测量信道的信噪比和多普勒频率偏移。
5.权利要求1的方法，其中确定步骤包括计算关于最优带宽的滤波系数，并且其中调节步骤包括以关于固定延迟的对称的方式向抽头施加该滤波系数，同时向那些带宽外部的抽头施加零。
6.权利要求1的方法，其中确定步骤包括计算关于最优带宽的滤波系数，并且其中调节步骤包括如果系数的数目超过延迟的两倍，则以关于延迟的非对称的方式向抽头施加滤波系数，同时向高于该带宽的任何抽头施加零。
7.权利要求1的方法，其中确定步骤包括在一个导频码元间隔中计算滤波系数。
8.权利要求1的方法，其中针对RAKE接收机的全部耙指独立执行所述步骤，由此操作步骤导致了RAKE接收机中的所接收数据序列的相干解调。
9.一种方法，用于CDMA通信系统的RAKE接收机中的信道估计，该方法包括以下步骤提供具有L个抽头并且具有固定延迟的有限脉冲响应信道估计滤波器；输入在RAKE接收机上来自通信系统信道的所接收数据序列的导频序列；确定通信系统的信道质量和滤波器的最优带宽及其滤波系数，以适应该信道质量；调节滤波器的带宽以适应该信道质量，同时保持固定的延迟；和针对利用信道估计滤波器的所接收数据序列，进行操作。
10.权利要求9的方法，其中在确定步骤中，通过信噪比和多普勒频率的组中的至少一个确定信道质量。
11.权利要求9的方法，其中调节步骤包括以关于固定延迟的对称的方式向抽头施加滤波系数，同时向那些带宽外部的抽头施加零。
12.权利要求9的方法，其中当确定步骤指出了低的多普勒速率时，调节步骤包括以关于延迟的非对称的方式向抽头施加该滤波系数，同时向高于带宽的任何抽头施加零。
13.权利要求9的方法，其中确定步骤包括在一个导频码元间隔中计算滤波系数。
14.一种CDMA通信系统的RAKE接收机，其具有改进的信道估计，该RAKE接收机具有至少一个接收机耙指，包括具有L个抽头并且具有固定延迟的有限脉冲响应信道估计滤波器；存储器，其联接到滤波器，该存储器存储来自滤波器的导频码元和信道估计；算术逻辑单元(ALU)，其联接到滤波器；触发器库，其联接到算术逻辑单元；和处理器，其提供存储器寻址、ALU控制和触发器控制。
15.权利要求14的RAKE接收机，其中存储器包括两个库，第一库包括保持恒定的信道估计，由处理器使用，而信道估计的第二库由滤波器更新，并且其中以导频码元速率调换所述库。
16.权利要求14的RAKE接收机，其中ALU是分时的，以计算关于RAKE接收机的每个耙指的信道估计，并且允许关于每个耙指的不同的滤波器带宽。
17.权利要求16的RAKE接收机，其中当耙指的带宽不变时，滤波器操作，以加入一个新的码元同时减去一个旧的码元，并且当耙指带宽发生变化时，通过对存储器中的码元求和，重新计算滤波器的输出。
18.权利要求14的RAKE接收机，其中在一个导频码元周期中对全部耙指完成全部的滤波器计算，并且对每个信道估计归一化，以保持关于不同滤波器带宽的相对量值。
19.权利要求14的RAKE接收机，其中处理器计算关于最优带宽的滤波系数，并且以关于固定延迟的对称的方式向抽头施加滤波系数，同时向那些带宽外部的抽头施加零。
20.权利要求14的RAKE接收机，其中处理器计算关于最优带宽的滤波系数，并且如果系数的数值超过延迟的两倍，则以关于延迟的非对称的方式向抽头施加滤波系数，同时向高于该带宽的任何抽头施加零。
全文摘要
一种方法和装置，用于CDMA通信系统的RAKE(瑞克)接收机中的信道估计，其通过具有L个抽头并且具有固定延迟的有限脉冲响应信道估计滤波器(40)进行操作。输入在RAKE(瑞克)接收机上来自通信系统信道的所接收数据序列的导频序列。使用噪声或多普勒测量(46)确定通信系统的信道质量。在调节滤波器的带宽时使用这些测量，以适应该信道质量，同时保持固定的延迟，其使延迟缓冲器尺寸最小。然后滤波器用于针对所接收的数据序列进行操作，以提供相干调制。
文档编号H04B1/707GK1836381SQ200480023137
公开日2006年9月20日 申请日期2004年7月28日 优先权日2003年8月13日
发明者布赖恩·W·赞琼, 克里斯多佛·P·拉罗萨, 亚历山大·马莱特, 约翰·P·奥利佛 申请人:摩托罗拉公司