利用信道自相关函数假设的多普勒扩展估算

摘要

通过提供通信信道估值和产生对于通信信道估值的自相关函数测量对于通信信道的多普勒扩展。多个自相关函数假设之一被选取以近似对于通信信道估值的自相关函数,其中每个自相关函数假设对应于各自的多普勒扩展估值假设。对应于所选的自相关函数假设的多普勒扩展估值假设之一被选取作为对于通信信道的多普勒扩展估值。

说明书

                        发明的领域

本发明涉及通信领域，更具体而言，涉及接收无线电通信。

                        发明的背景

一种在蜂窝无线电话通信系统中用于移动终端的无线电信道可能难以操作。特别是，所发送的信号经常被周围的环境反射，散射，绕射，延时，和衰减。而且，因为移动终端的移动和靠近移动终端的物体的移动，用于一个移动终端的无线电信道常常不是静止的。当移动终端在汽车中使用时可快速地移动，其他的车辆也可靠近移动终端移动。

无线电信道的特性也可能由于地形/建筑物，气候，和/或其他的因素的差异从一个区域到另一个区域有变化。因此无线电信号沿无线电信道的传播可能经受多径衰落，影区，和路径损失的影响。这些因素中，多径衰落可能是最重要的，多径衰落可由包络衰落，多普勒扩展，和时延扩展来表征。

多普勒频移是当移动终端移动时无线电信号经受到的频移，多普勒扩展是由移动无线电信道的时间变化率引起的谱扩展的一种量度。因此多普勒扩展导致频散，在频率域中的多普勒扩展与所观测到的信号中的变化率紧密相关。因此在自适应接收机中所用的算法的自适应时间应该比信道的变化率快，以便能够精确地跟踪接收信号中的起伏。

例如，取决于车辆速度，载波频率，和其他的因素，在DAMPS蜂窝无线电话通信系统中的一个移动终端可能经受到0Hz到250Hz范围内的多普勒扩展。可将该无线电信道变化率的知识用于改进接收机的性能和/或降低接收机的复杂性。而且，对于一个自适应接收机的自适应参数可作为多普勒扩展的一个函数被改变。代替为最坏的情况下预期的多普勒扩展固定跟踪器和内插的参数的做法，可改成例如，可将这些参数作为多普勒信息的函数自适应地改变以改进性能。同样，可将多普勒扩展信息用于对移动站可能移动的不同速度自适应地控制接收机。换句话说，可以依据移动终端正在移动的速度而使用不同的接收机算法。

因此可以使用多普勒扩展的估算增加接收机的性能。可以作为多普勒扩展的一个函数改变接收机自适应算法的参数，以便自适应地使，例如，接收机中的相干检波器最佳化。另外，如果多普勒估值可得到的话，可以增强蜂窝移动电话系统中的越区切换过程。因此可以避免将一个快速移动的移动终端越区切换到一个微小区。

例如，在授于Koch的美国专利No.4,723,303，标题为“Methodof and Circuit Arrangement for Measuring the Quality ofRadio-Transmission Channels of a Radio-TransmissionSystem”，和授于Raith的美国专利No.5,016,017，标题为“Methodof Controlling the Frequency of a Coherent Radio Receiver andApparatus for Carrying Out the Method”中，讨论了多普勒扩展估算。因而将这些专利中每个的公开内容整个地引入于此供参考。

例如，在Lars Lindbom的论文，标题为“Adaptive Equalizationfor Fading Mobile Radio Channels”，(Techn，Lic.Thesis No.UPTEC 92124R，November 1992，Department of Technology，UppsalaUniversity，Uppsala Sweden)中，讨论了从一系列的信道估值来估算多普勒扩展的方法，因而将其公开内容整个地引入于此供参考。在Lindbom的论文中，将信道估值的差异，包括在时间上两点之间值的差别用于估算多普勒扩展。然而，这些差异可能是噪声，所以需要平均。结果，该平均值可给出偏移的多普勒扩展的估值。

在参考文献Karim Jamal等标题为“Adaptive MSLE PerformanceOn The D-AMPS 1900 Channel”(IEEE Trans.Vehic.Technol.，Vol.46，Aug.1997)，和参考文献M.Morelli等标题为“Further ResultsIn Carrier Frequency Estimation for Transmissions Over FlatFading Channels”(IEEE Commun Letters，Vol.2，pp.327-330，Dec.1998)中讨论了其他的多普勒扩展估算技术。

尽管以上讨论过各种方法，仍然继续存在改进多普勒扩展估算方法的技术的需要。

                        发明概述

因此本发明的一个目的是提供改进的估计通信信道多普勒扩展的方法和有关的系统与接收机。

本发明的另一个目的是提供不太复杂的估算多普勒扩展的方法和有关的系统与接收机。

依据本发明通过提供对通信信道的估值和产生对通信信道估值的自相关函数可以达到这些和其他的目的。选取多种自相关函数假设之一以便近似该通信信道估值的自相关函数，其中每个自相关函数假设对应于各自的多普勒扩展估值假设。然后将对应于所选的自相关函数假设的多普勒扩展估值假设选作为该通信信道的多普勒扩展的估值。

可将该自相关函数假设存储在依据本发明的多普勒扩展估值器的存储器中并与对通信信道估值的自相关函数作比较，最接近的自相关函数假设被接受为对于通信信道的实际自相关函数估值。这样，可将对应于该最接近的自相关函数的多普勒扩展假设用作为该通信信道的实际多普勒扩展的估值。因此用于估计多普勒扩展的计算复杂性可被降低，同时提供比较精确的多普勒扩展估值。另外，可将所用的自相关函数假设的数目增加以提供更精确的估值，或者将其减少以减少计算数量和所用的存储器总数。

更详细地说，选择自相关函数假设之一可以包括将用于通信信道估值的自相关函数与该多个自相关函数假设中每一个相比较。另外，选择自相关函数假设之一可以包括选择最接近近似用于估算通信信道的自相关函数的该多个自相关函数假设之一。

而且，选择这些自相关函数假设之一可以包括产生分别对应于该多个自相关函数假设的多个误差信号，其中每个误差信号表示在各个自相关函数假设与通信信道估值的自相关函数之间的差别，将误差信号进行比较，选择自相关假设以便近似用于估算通信信道的自相关函数。特别是，可以比较这些误差信号，以便选择表示在这些相应的自相关函数假设与用于估算通信信道的自相关函数之间的最小差别的误差信号。另外，在这些误差信号的比较以前，将每个误差信号平均，以提供平均的误差信号，其中对误差信号的比较包括对这些平均的误差信号的比较。

因此依据本发明的方法，系统，和接收机可被用于以较低的复杂性提供对于通信信道的多普勒扩展的估值。

                      附图简述

图1是一种包括依据本发明的接收机的通信系统方框图。

图2-4是依据本发明的接收机方框图。

图5是依据本发明的一种多普勒扩展估值器方框图。

图6是用作说明在相对于基站不同速度的接收机上无线电信道自相关函数的简图。

图7是用作说明存储图6的自相关函数样本的简表。

                       详述

现在从此往后将参考示出本发明优选实施方案的附图比较充分地描述本发明。然而，本发明可被以许多不同的形式实施，不应该被解释为限于在此所提出的实施方案；而是，这些实施方案被提供使得这份公开材料将是透彻的和完全的，并将充分地将本发明的范围传达给本领域的技术人员。同样的数字通篇归属于同样的部件。

图1示出依据本发明的发射机T和接收机R，其中数据d由发射机T通过无线电信道C发送。接收到的信号r是所发送的数据d，无线电信道C，和噪声n的函数。在平坦衰落的信道中：

            r＝h·d+n             (等式1)

如以上所讨论的那样，可通过估计多普勒扩展并利用所估计的多普勒扩展适应接收机的功能来改进接收机的性能。更具体而言，可以利用所估计的多普勒扩展更精确地估计无线电信道h。在共同未决的美国专利申请串号为＿＿＿＿，Leonid Krasny等，“DOPPLER SPREADESTIMATION SYSTEM”，1999，3月22日提交的文件中讨论了多普勒扩展估值器的使用(DocKet No.P10367-RCVR和1280.00105)。Krasny等的申请被过产给本发明的受让人，Krasny等的申请与本申请共有公共的发明人。此外，Krasny等的申请的公开内容在此被整个地引入供参考。

在图2-4中示出包括依据本发明的多普勒扩展估值器的各种接收机Ra，Rb和Rc。特别是，图2的接收机Ra被适配成使用已知的引导符号，并且该接收机包括接收信号r的天线21，无线电接收机和变换器23a，信道估值器25a，多普勒扩展估值器27a，已知符号方框29a，和信号处理器31a。天线21a接收无线电信号r，无线电接收机和变换器23a将接收到的无线电信号r滤波，放大并变换成数字样本供处理。更具体而言，可以将接收到的无线电信号变换成一种适合于处理的形式，如综合的数字样本值。信道估值器接收被变换的无线电信号和来自已知符号方框29a的已知符号。

具体是，已知符号方框29a可以提供引导符号或其他已知的参考符号，如包括在接收信号r中的同步符号，可被用于计算信道估值。而且，已知符号方框29a可包括存储器，在其中存储已知符号，或包括码发生器，可立生已知符号。信道估值器25a将接收到的数字样本与已知符号相关，提供被多普勒扩展估值器27a使用的信道C的估值。多普勒扩展估值器利用信道估值估计多普勒扩展，然后将所估计的多普勒扩展发送到信号处理器31a。以下将更详细地讨论多普勒扩展估值器的操作。信号处理器31a处理被采样的信号以便抽取信息，信号处理器31a提供对信道估值器25a的反馈，使得在多普勒扩展估值以后可以改进信道估值。

图3的接收机Rb被适配成不使用已知的引导符号。该接收机包括接收信号r的天线21b，无线电接收机和变换器23b，信道估值器25b，多普勒扩展估值器27b，符号估值器29b，和信号处理器31b。除了使用符号估值器29b代替在图2的接收机中使用的已知符号方框29a外，接收机Rb与图2的接收机Ra是类似的。符号估值器29b可用于未知符号的应用中。例如，符号估值器29b可以使用误差检测和校正技术，以高等级的精度估计接收到的符号。然后这些所估计的符号可被信道估值器25b用于估计信道h。如以下较详细讨论的那样，多普勒扩展估值器27b使用信道估值估计多普勒扩展。

在码分多址(CDMA)蜂窝系统(如IS-95系统)中，发射机发送称为引导代码的已知符号流。利用不同的扩谱码与其他的信息承载符号在相同的信道上同时发送引导代码。图4的接收机Rc提供在这样一种CDMA系统中的多谱勒扩展估值。图4的接收机Rc被适配成使用已知的引导符号并且该接收机包括接收信号r的天线21c，无线电接收机和变换器23c，信道估值器25c，多普勒扩展估值器27c，和信号处理器31c。在这种CDMA接收机中，可直接通过不带图1的已知符号块29a的信道估值器25c或图2的符号估值器29b对信道估值，信道估值用于多普勒扩展估值。

信道估值器25c将包括已知的引导代码和其他代码的接收信号r以加法迭加方式相关，并将得到的综合相关值滤波，获得信道估值。接收到的信号也可与携带要解码的信息的其他代码相关。与携带代码的信息相关的结果被乘以相同延时的引导代码相关的共轭值，其结果被相加，以相干方式组合多径信号。在宽带CDMA(WBCDMA)系统中，调制符号间隔可以非常短，因而使多重传播路径能够以较精细的时间分辨率进行分辨。

因此图2-4的接收机示出包括依据本发明的多普勒扩展估值器的各种接收机。在每种接收机中，信道估值被提供给多普勒扩展估值器供计算多普勒扩展估值。包括依据本发明的多普勒扩展估值器的接收机并不限于以上讨论过的信道估值器，本领域的技术人员将认识到任何信道估值技术可被用于提供信道估值。

特别是，信道估值器可以利用表示在时隙期间接收到的数据样本的符号产生在一个TDMA时隙上的信道估值。例如，图3的接收机Rb可以包括对符号估值的符号估值器296。然后多普勒扩展估值器可以使用对于当前时隙的信道估值计算对于当前时隙的多普勒扩展估值，信号处理器可以在对于后继时隙的计算中使用这个多普勒扩展估值，如计算对于后继时隙的信道估值。换句话说，对于当前时隙的多普勒扩展估值可被用于在信号处理器中更新在后继的计算中使用的长时间段多普勒估值。例如，利用以下要更详细讨论的平均技术可以更新长时间段多普勒估值。

当如参考图3所讨论的符号估值器被使用时，对于用于计算该时隙的多普勒扩展估值的被估值的符号实施循环冗余检验(CRC)可能是有用的。如果循环冗余检验通过，信道估值应该是比较精确的，所得到的多普勒扩展估值可被用于更新长时间段多普勒估值。可是，如果循环冗余检验失败，信道估值可能是不可靠的，因此利用基于潜在的不可靠的信道估值的多普勒扩展估值更新长时间段多普勒估值可能是不希望的。

现在将参考图5的多普勒扩展估值更详细地讨论多普勒扩展估值。例如，可以随同依据DAMPS或DAMPS⁺标准工作的无线电话通信系统的接收机使用多普勒扩展估值器。在DAMPS⁺中，提供已知的引导符号。在DAMPS中，利用多次解调，如果在第一次解调的等级1的位通过循环冗余检验(CRC)，则它们可被用作引导符号。最好，在引导时隙之间的相位含糊度被降低以增加结果的可靠性。例如，参考文献，T.Fulghum：“Channel Interpolation On Second PassDemodulation”(Tech.Rep.Tr/X 98：1230，Ericsson，RTP，NC，Feb.22，1999)中讨论了一种分辨相位含糊度的方法，它的公开内容被整个地引入于此供参考。

假定引导符号是可用的，在引导符号之间的相位含糊度已被降低到一个可接受的水平，利用从引导符号得到的信道估值可由自相关计算器51找出自相关函数的样本。然后可以利用假设比较器53将自相关函数的样本与不同多普勒扩展值的实际自相关函数的不同假设(H₁，H₂，H₃，…H_k)相比较，对于相对每种假设的自相关函数样本提供误差计算(e₁(m)，e₂(m)，e₃(m)，…e_k(m))。然后可以利用平均器55在几个时隙上对每个误差计算进行平均，以提供各自的多个平均误差值(e_av，1，e_av，2，e_av，3，…e_av，k)。然后通过最小误差选择器57选出与得到最低平均误差值的假设对应的多普勒扩展，提供被估值的多普勒扩展

更详细地说，利用现在或将来可得到的技术可以确定信道估值，与不同的多普勒扩展值对应的不同自相关函数的假设(H₁，H₂，H₃，…H_k)可被计算并存储在存储器中。特别是，可在相对于基站不同的移动终端速度上确定实际的无线电信道和相应的多普勒扩展值，并可对每个速度计算得到的自相关函数。在图6中示出对应于在不同速度上测得的无线电信道和对应于不同多普勒扩展值的不同自相关函数假设的图形例子(相关值对τ)。

表示各个假设H_k的每个自相关函数的样本可被存储在用于假设比较器53的存储器中，提供图5中所示的假设H₁，H₂，H₃，…H_k。例如，与不同的τ值对应的图6的图中每个自相关函数的样本可被存储在如图7中所示的存储器中。虽然在图6的图中示出5个不同的假设，可以使用任何数目，可以使用较多数目(k)的假设以便在多普勒扩展值的估值方面提供较高的精确度。而较少数目(k)的假设可以提供计算较少，较不复杂的操作和较低的存储器要求。而且，可以依据对于多普勒扩展估值所希望的精确度等级改变对于每个假设所存储的样本数Z。

可以使用自相关估值器51，利用在已知域上的信道估值计算对于一个带有频率误差的信道的自相关函数估值：在这个等式中，是包括频率误差的被估值的自相关函数，是在已知域(或引导符号)上的信道估值。注意，当在接收信号中有频率误差时，可直接影响信道估值，可按频率误差数量旋转，从而影响自相关估值。将频率误差标记为f_e，在信道估值中的旋转可被计算为：其中表示没有频率误差时的信道估值。因此带有频率误差的自相关函数可被写成：或者：其中是没有频率误差的自相关估值。

可以利用，如在参考文献Morelli等“Further Results InCarrier Frequency Estimation For Transmissions Over FlatFading Channels”(IEEE Commun.Letters，Vol，2，pp.327-330，Dec.1998)中所讨论的已知方法计算频率误差，其公开内容整个地引入于此供参考。因此可从信道估值的相关中除去频率误差的影响。然后无频率误差的相关估值可与假设比较器53的不同假设(H₁，H₂，H₃，…H_k)相比较。

假设(H₁，H₂，H₃，…H_k)可被确定并存储在如以上关于图6和7所讨论的存储器中。利用下式计算关于每个假设的自相关估值的误差e_k(m)：在这个等式中，e_k(m)是在被估值的自相关函数和如下式给出的归一化真实自相关函数R_H，k(m)的第k个假设的不同样本之间与第m个时隙对应的误差：

       R_H，K(n)＝J₀(2πf_doppler，knT)，      (等式8)其中fdoppler，k是第k个多普勒扩展假设。误差项e_k被利用以下等式在平均器55(滤波器)上对几个时隙进行平均：其中e_av，k是与第k个假设对应的平均误差，M是平均窗的长度。在本例中，块平均被用于平均误差。另外，可以使用其他的平均技术如运行平均或滑动窗平均。这样，平均技术减少统计误差。

最小误差选择器57确定最低的平均误差e_av，k，选择最接近近似对于该接收信道的自相关函数的自相关函数假设H_k。多普勒扩展假设选择器选择与所选的自相关函数假设相应的多普勒扩展假设作为多普勒扩展的估值。换句话说，平均误差的最小值e_av，1-e_av，k被用于选择得到最小平均误差(在最最小误差选择器57上)的自相关函数假设，与所选的自相关函数假设对应的多普勒扩展假设被按以下等式选作多普勒扩展的估值(在多普勒扩展假设选择器59上)：

另外，可以如在Morelli等的参考文献中所讨论的那样计算带有频率误差的自相关函数。代替寻找频率误差和将它从被估值的自相关函数中除去，我们可以取被估值的自相关的绝对值，获得包络自相关函数为：然后自相关函数估值(没有频率误差)的这个绝对值可以与对应于不同多普勒扩展值的实际包络自相关函数的不同假设作比较如下：其中，误差项如以前那样被用于确定在多普勒扩展值的估值中提供最小误差的假设。

在DAMPS系统中，可以利用已知技术在一个时隙内基本上除去相位含糊度。然而，跨时隙的相位含糊度可能仍然存在。依据本发明，可以估计时隙内的相关并与不同的假设作比较。然而，跨时隙的误差被平均。

如以前讨论过的那样，可以依据所希望的精确度和多普勒扩展估值器与接收机的复杂性改变假设的数目。较多的假设数目可以提供较高的精确度而需要较多的存储器和计算。较少的假设数目可以减少存储器的使用和计算而提供不太精确的多普勒扩展估值。

因此依据本发明的多普勒扩展估值方法可被以较高的计算效率和良好的结果实现。特别是，使用包络相关函数可以提供接近不需要频率估值的其他技术的性能水平。

多普勒估值，依据本发明，可以在，例如，DAMPS蜂窝无线电话系统的范围内利用以下的下行时隙和传输格式来实施：带有根升余弦脉冲形成的π/4-DQPSK；20ms的TDMA帧；和共享TDMA帧的3用户。而且，在时隙持续时间为6.667ms的一个帧期间每个用户可以发送两次。传输媒介可以是一种瑞利衰落信道，该信道可利用Jake衰落模型仿真。可以使用一个单一的天线接收机和1900 MHz的载波频率。

在下行联合解调中，无论对于所希望的还是干扰的信号只需要对一个多普勒扩展估值，因为无论所希望的还是干扰的基站是固定的和移动终端正在移动。假设没有直接路径是合乎情理的假设。因而可以利用与较强的用户相应的信息估计多普勒扩展，这个用户在绝大多数情况下就是所希望的用户。

在接收机中，可以假定理想的同步位置是已知的，接收到的样本可被用于相干地解调用户信息序列。基于利用二阶自回归模型(AR-2)进行信道估值的Kalman方法可被用于信道跟踪。如以上所讨论的那样，信道跟踪取决于多普勒信息。因为多普勒信息不可能一开始就知道，跟踪器参数一开始可被设置为100Hz的较高的多普勒扩展。因为多普勒扩展估值收敛于实际的多普勒扩展，也应该在自适应接收机中改变跟踪器参数。

本发明可以作为方法或设备实施。另外，本发明可以采取完全硬件实施方案，完全软件实施方案，或者硬件和软件组合的实施方案的形式。本发明已经在关于图1-5的方框图的部分中进行了描述。将会理解，每个图解方框，和方框的组合可以用计算机程序指令实现。这些可以表示步骤的程序指令可提供给处理器以便产生一种机器。

因此，方框图中的方框在用于实现特殊功能的步骤组合中支持用于实现特殊功能的各种装置组合。将会理解，每个图解方框，和方框的组合可以用专用硬件-基的系统实现，这些系统实施特殊的功能或步骤，或者专用硬件和计算机指令的组合。

在附图和说明书中，已经公开了本发明的典型优选实施方案。虽然采用专门的术语，然而它们只是在通用和描述的意义上被使用的，并不是用于限制的目的，本发明的范围在以下的权利要求中进行阐述。