衰落多普勒频率估计装置和衰落多普勒频率估计方法

摘要

信道估计部(101)基于经由无线信道所接收到的接收信号来估计表示该无线信道的信道特性的信道估计值。相关值计算部(103)基于信道估计值来计算表示无线信道的时间相关性的信道时间相关值。信道功率计算部(102)基于信道估计值来计算作为接收信号的功率的信道功率。噪声功率计算部(104)计算作为接收信号中所包含的噪声成分的功率的噪声功率。校正部(105)基于噪声功率来校正信道功率，并且基于所述噪声功率和该校正后的信道功率来校正信道时间相关值。衰落多普勒频率估计部(200)基于校正后的信道时间相关值来估计衰落多普勒频率。

说明书

技术领域

本发明涉及移动通信中根据接收信号来估计衰落多普勒频率(fading  Doppler frequency)的衰落多普勒频率估计装置。

背景技术

在移动通信中，为了通过高效地使用有限的无线资源来实现高质量通 信，提出了各种通信控制技术。这些通信控制技术大多根据移动终端的移动 速度进行控制。例如，根据移动终端的移动速度来确定用以降低接收信号中 所包含的信号干涉的影响的自适应均衡所使用的参数。此外，在发送功率根 据移动终端的接收状况而改变的功率控制中、以及在根据移动终端的接收状 况来选择编码调制方案的自适应调制中，使用移动终端的移动速度来估计接 收状况。因此，需要精确地估计移动终端的移动速度，从而实现高质量通信。

作为表示移动终端的移动速度的指标，通常使用衰落多普勒频率。由于 建筑物等所引起的信号反射，在基站和移动终端之间形成了多个通信信号传 播信道。在移动终端或基站处接收并合成通过多个传播信道传输的信号时， 这些信号的幅度和相位随时间而改变。该现象称为衰落。作为用以测量衰落 的时间变化率的尺度，可以使用衰落多普勒频率。由于衰落的时间变化是因 移动终端的移动而产生的，移动终端的移动速度与衰落多普勒频率相对应。

作为用于估计衰落多普勒频率的方法，已知有使用作为示出无线信道的 信道特性的信道估计值的标准化协方差的信道时间相关值的方法。在该方法 中，基站或移动终端基于接收信号来按一定间隔获取信道估计值，并且基于 所获取到的信道估计值来估计信道时间相关值。由于已知信道时间相关值和 衰落多普勒频率是通过零阶Bessel(贝塞尔)函数相关联的，基站或移动终端 利用该关系，根据所估计出的信道时间相关值来估计衰落多普勒频率(参见 专利文献1)。

由于可以通过精确地估计衰落多普勒频率来精确地估计移动速度，执行 适当的通信控制成为可能。然而，在接收信号的信号水平低的情况下，信道 估计值中所包含的噪声成分的比例变大，使得信道时间相关值趋于被估计得 比实际值小。结果，发生衰落多普勒频率的估计精度下降的问题。

为了解决该问题，提出了如下方法，该方法通过基于接收信号中所包含 的真实信号成分的功率和噪声成分的功率的比、即信噪比(Signal-to-Noise  Ratio：以下将缩写为SNR)校正信道时间相关值，来抑制衰落多普勒频率的 估计精度的下降(参见非专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利4358686

非专利文献

非专利文献1：“Time Correlation Based Maximum Doppler Frequency  Estimator for W-CDMA,”IEEE VTC2001Fall,pp.2626-2629

发明内容

发明要解决的问题

然而，由于难以基于接收信号来测量真实信号成分的功率，在实际测量 SNR中，使用包含噪声成分的接收信号的功率(以下称为信道功率)作为真实 信号成分的功率。

在这种情况下，噪声成分的比例越大，信道功率相对于真实信号成分的 功率的偏差越大，因而所测量到的SNR相对于实际SNR的误差也变大。

由于该原因，非专利文献1所述的技术引起了如下问题：噪声成分的比 例越大，校正信道时间相关值的精度越低，由此衰落多普勒频率的估计精度 降低。

本发明的目的是提供可以提高衰落多普勒频率的估计精度的衰落多普 勒频率估计装置和衰落多普勒频率估计方法。

用于解决问题的方案

根据本发明的一种衰落多普勒频率估计装置，包括：信道估计部，用于 基于经由无线信道所接收到的接收信号来估计表示所述无线信道的信道特 性的信道估计值；相关值计算部，用于基于所述信道估计值来计算表示所述 无线信道的时间相关性的信道时间相关值；信道功率计算部，用于基于所述 信道估计值来计算所述接收信号的功率作为信道功率；噪声功率计算部，用 于计算所述接收信号中所包含的噪声成分的功率作为噪声功率；校正部，用 于基于所述噪声功率来校正所述信道功率，并且基于所述噪声功率和校正后 的所述信道功率来校正所述信道时间相关值；以及衰落多普勒频率估计部， 用于基于校正后的所述信道时间相关值来估计衰落多普勒频率。

根据本发明的一种衰落多普勒频率估计方法，包括以下步骤：基于经由 无线信道所接收到的接收信号来估计表示所述无线信道的信道特性的信道 估计值；基于所述信道估计值来计算表示所述无线信道的时间相关性的信道 时间相关值；基于所述信道估计值来计算所述接收信号的功率作为信道功 率；计算所述接收信号中所包含的噪声成分的功率作为噪声功率；基于所述 噪声功率来校正所述信道功率；基于校正后的所述信道功率来校正所述信道 时间相关值；以及基于所述噪声功率和校正后的所述信道时间相关值来估计 衰落多普勒频率。

发明的效果

根据本发明，可以提高衰落多普勒频率的估计精度。

附图说明

图1是示出根据本发明的第一实施例的衰落多普勒频率估计装置的功能 结构的框图。

图2是示出根据本实施例的信道时间相关值估计部的详细结构的框图。

图3是用于说明根据本实施例的衰落多普勒频率估计装置所执行的用于 估计衰落多普勒频率的处理的流程图。

图4是用于说明在累计相加次数为相关值计算用样本数N以上的情况下 的处理的流程图。

图5是示出根据本发明的第二实施例的衰落多普勒频率估计装置的功能 结构的框图。

图6是用于说明根据本实施例的衰落多普勒频率估计装置所执行的用于 估计衰落多普勒频率的处理的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图来说明本发明的实施例。在以下的说明中，可以通过将 相同的附图标记分配至具有相同功能的组件来省略重复说明。

第一实施例

接着，将说明第一实施例。

图1是示出根据本发明的第一实施例的衰落多普勒频率估计装置的功能 结构的框图。衰落多普勒频率估计装置10是用于进行移动通信的通信装置， 并且可理解为包括诸如基站或移动终端等的通信站(未示出)。

图1所示的衰落多普勒频率估计装置10包括信道时间相关值估计部100 和衰落多普勒频率估计部200。

信道时间相关值估计部100基于通信站的天线(未示出)所接收到的接收 信号来估计表示无线信道的时间相关性的信道时间相关值。信道时间相关值 估计部100基于SNR来校正所估计出的信道时间相关值。信道时间相关值估 计部100将校正后的信道时间相关值输入至衰落多普勒频率估计部200。后面 将说明信道时间相关值估计部100的详细结构。

衰落多普勒频率估计部200基于从信道时间相关值估计部100输入的信 道时间相关值来估计衰落多普勒频率。已知利用零阶Bessel函数来表示信道 时间相关值和衰落多普勒频率之间的关系。因此，衰落多普勒频率估计部200 可以保持表示上述关系的信息，并且通过使用该信息来根据信道时间相关值 估计衰落多普勒频率。

接着，将说明信道时间相关值估计部100的详细结构。图2是示出根据本 实施例的信道时间相关值估计部的详细结构的框图。图2所示的信道时间相 关值估计部100包括信道估计部101、信道功率计算部102、信道时间相关值 计算部103、噪声功率计算部104、SNR估计部106和相关值校正部107。

信道估计部101基于经由无线信道接收到的接收信号来获取表示无线信 道的信道特性的信道估计值。信道估计部101还从接收信号获取噪声成分。 信道估计部101将所获取到的信道估计值输入至信道功率计算部102和信道 时间相关值计算部103，并且将噪声成分输入至噪声功率计算部104。

信道功率计算部102计算作为接收信号的功率的信道功率。具体地，信 道功率计算部102通过将从信道估计部101输入的信道估计值的平方值累计 相加N次(N表示相关值计算用样本数)来计算信道功率。信道功率计算部102 将所计算出的信道功率输入至信道时间相关值计算部103和SNR估计部106。

信道时间相关值计算部103基于从信道估计部101输入的信道估计值来 计算表示无线信道的时间相关性的信道时间相关值。具体地，信道时间相关 值计算部103存储信道估计值，计算此次所存储的本次信道估计值和上次所 存储的前次信道估计值之间的复乘积(complex product)，并且对所计算出的 复乘积进行N次累计相加(N表示相关值计算用样本数)。然后，信道时间相关 值计算部103将通过对复乘积进行累计相加所得的值除以从信道功率计算部 102输入的信道功率，以计算信道时间相关值。信道时间相关值计算部103将 所计算出的信道时间相关值输入至相关值校正部107。这里，通过以下的表 达式(1)来表示信道时间相关值计算部103所计算出的信道时间相关值。

数学式1

$\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}\hat{\alpha }\left[n\right]{\hat{\alpha }}^{*}[n-1]}{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\left|\hat{\alpha }\right[n\left]\right|}^2}$      …表达式(1)

在表达式(1)中，n是1～N的整数，并且表示获取到当前时刻的信道估计 值的次数。此外，

数学式2

$\hat{\alpha }\left[n\right]$

以及

数学式3

$\hat{\alpha }[n-1]$

是信道估计部101顺次输出的信道估计值中连续的两个信道估计值，并 且分别为本次信道估计值和前次信道估计值。

数学式4

$\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\left|\hat{\alpha }\right[n\left]\right|}^2$

是信道功率，并且

数学式5

${\hat{\alpha }}^{*}\left[n\right]$

是

数学式6

$\hat{\alpha }\left[n\right]$

的复共轭。

噪声功率计算部104计算噪声功率、即接收信号中所包含的噪声成分的 功率。具体地，噪声功率计算部104通过对从信道估计部101输入的噪声成分 的幅度的平方值进行累计相加来计算噪声功率。在正针对与N个相关值计算 用样本相对应的噪声成分计算噪声功率的情况下，噪声功率计算部104将所 计算出的噪声功率输入至SNR估计部106。

校正部105基于噪声功率来校正信道功率，并且基于校正后的信道功率 和上述噪声功率来校正信道时间相关值。具体地，校正部105包括SNR估计 部106和相关值校正部107。

SNR估计部106基于从信道功率计算部102输入的信道功率和从噪声功 率计算部104输入的噪声功率来估计SNR。具体地，SNR估计部106基于噪声 功率来校正信道功率，并且将校正后的信道功率除以噪声功率以估计SNR。 SNR估计部106将所估计出的SNR输入至相关值校正部107。这里，通过以下 的表达式(2)来表示SNR估计部106所计算出的SNR。

数学式7

$\mathrm{SNR}\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\left|\hat{\alpha }\right[n\left]\right|}^2-{\sigma }^2}{{\sigma }^2}$     …表达式(2)

这里，在表达式(2)中，σ²表示噪声功率。这样，SNR估计部106通过从 信道功率中减去噪声功率来校正信道功率。

相关值校正部107通过使用校正后的信道功率来校正由信道时间相关值 计算部103计算出的信道时间相关值。具体地，相关值校正部107通过使用 SNR估计部106所估计出的SNR来校正信道时间相关值。通过以下的表达式(3) 来表示校正后的信道时间相关值ρ。

数学式8

$\rho =\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}\hat{\alpha }\left[n\right]{\hat{\alpha }}^{*}[n-1]}{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\left|\hat{\alpha }\right[n\left]\right|}^2}\frac{1+\mathrm{SNR}}{\mathrm{SNR}}$     …表达式(3)

接着，将说明衰落多普勒频率估计装置10的操作。

图3是用以说明根据本实施例的衰落多普勒频率估计装置所执行的用于 估计衰落多普勒频率的处理的流程图。

首先，在输入接收信号时，信道估计部101基于所输入的接收信号来获 取信道估计值和噪声成分。然后，信道估计部101将所获取到的信道估计值 输入至信道功率计算部102和信道时间相关值计算部103，并且将噪声成分输 入至噪声功率计算部104(步骤S100)。信道时间相关值计算部103将所输入的 信道估计值存储作为初次信道估计值(步骤S105)。

然后，在新输入接收信号时，信道估计部101基于该新输入的接收信号 来获取信道估计值和噪声成分。信道估计部101将所获取到的信道估计值输 入至信道功率计算部102和信道时间相关值计算部103，并且将噪声成分输入 至噪声功率计算部104(步骤S110)。

信道时间相关值计算部103计算所存储的前次信道估计值和从信道估计 部101输入的本次信道估计值的复乘积，并且计算通过对所计算出的复乘积 进行累计相加所得的值(步骤S115)。

信道时间相关值计算部103存储通过对复乘积进行累计相加所得的该 值。此外，信道时间相关值计算部103存储步骤S115中所使用的本次信道估 计值。在下次执行步骤S115的处理的情况下，将会使用这里所存储的本次信 道估计值作为前次信道估计值(步骤S120)。

此外，信道功率计算部102基于从信道估计部101输入的信道估计值，通 过对信道估计值的平方值进行累计相加来计算信道功率(步骤S125)。

然后，噪声功率计算部104通过对从信道估计部101输入的噪声成分的幅 度的平方值进行累计相加来计算噪声功率(步骤S130)。信道估计部101使累计 相加次数递增1(步骤S135)。

信道估计部101判断累计相加次数是否小于相关值计算用样本数N(步 骤S140)。然后，在累计相加次数小于相关值计算用样本数N的情况下，信道 估计部101再次执行步骤S110的处理。

图4是用以说明在累计相加次数为相关值计算用样本数N以上的情况下 的处理的流程图。

在累计相加次数为相关值计算用样本数N以上的情况下，信道估计部101 向信道功率计算部102、信道时间相关值计算部103和噪声功率计算部104通 知针对N个相关值计算用样本的计算已结束。响应于该通知，信道功率计算 部102将所计算出的信道功率输入至信道时间相关值计算部103和SNR估计 部106，而噪声功率计算部104将所计算出的噪声功率输入至SNR估计部106。

然后，信道时间相关值计算部103基于通过对前次信道估计值和本次信 道估计值的复乘积进行累计相加所获得的值以及从信道功率计算部102输入 的信道功率，来估计信道时间相关值。信道时间相关值计算部103将所估计 出的信道时间相关值输入至相关值校正部107(步骤S145)。

接着，SNR估计部106通过使用从噪声功率计算部104输入的噪声功率来 校正从信道功率计算部102输入的信道功率(步骤S150)。然后，SNR估计部106 根据校正后的信道功率和噪声功率来估计SNR(步骤S155)。SNR估计部106 将所估计出的SNR输入至相关值校正部107。

接着，相关值校正部107基于从SNR估计部106输入的SNR来校正从信道 时间相关值计算部103输入的信道时间相关值(步骤S160)。相关值校正部107 将校正后的信道时间相关值输入至衰落多普勒频率估计部200。

衰落多普勒频率估计部200基于从相关值校正部107输入的信道时间相 关值来估计衰落多普勒频率(步骤S165)。

如上所述，在本实施例中，基于噪声功率来校正信道功率，然后基于校 正后的信道功率和上述噪声功率来校正信道时间相关值。然后，基于校正后 的信道时间相关值来估计衰落多普勒频率。因此，可以减轻噪声成分对信道 时间相关值的影响。结果，即使接收信号中所包含的噪声成分的比例高，也 可以精确地校正信道时间相关值，由此提高衰落多普勒频率的估计精度。

此外，在本实施例中，通过从信道功率中减去噪声功率来校正信道功率。 因此，可以以更准确的方式减轻噪声功率对信道功率的影响。结果，可以可 靠地校正信道时间相关值，由此提高衰落多普勒频率的估计精度。

此外，在本实施例中，计算表示校正后的信道功率相对于噪声功率的比 率的SNR，然后基于所计算出的SNR来校正信道时间相关值。因此，使用基 于噪声成分的影响已减轻的信道功率的SNR来校正信道时间相关值成为可 能。结果，可以更准确地校正信道时间相关值，由此提高衰落多普勒频率的 估计精度。

应当注意，通过使用基于校正后的信道功率所估计出的衰落多普勒频 率，使得进行更合适的通信控制成为可能，由此提高基站和移动终端之间的 吞吐量。

第二实施例

接着，将说明本发明的第二实施例。

首先，将说明根据本发明的第二实施例的衰落多普勒频率估计装置的功 能结构。图5是示出根据本发明的第二实施例的衰落多普勒频率估计装置的 功能结构的框图。

衰落多普勒频率估计装置20包括分支分离部300、多个信道时间相关值 估计部100、分支合成部400和衰落多普勒频率估计部200。

衰落多普勒频率估计装置20包括M个信道时间相关值估计部100。在以 下说明中，将第m个信道时间相关值估计部100称为信道时间相关值估计部 100-m，其中m是1～M的整数。

分支分离部300是分配部，用于将多个不同天线(未示出)各自所接收到的 个体接收信号分别分配至任一个信道时间相关值估计部100作为接收信号。 分支分离部300基于预定标准来分配各天线的个体接收信号，并且将该信号 输入至任一个信道时间相关值估计部100。例如，分支分离部300基于天线和 信道时间相关值估计部100之间的预定对应关系来分配个体接收信号。这里， 可以使天线和信道时间相关值估计部100一一对应，或者可以使多个天线与 单个信道时间相关值估计部100对应。在使多个天线与单个信道时间相关值 估计部100对应的情况下，能够实现更加简单的装置结构。

信道时间相关值估计部100基于从分支分离部300输入的接收信号来估 计信道时间相关值。信道时间相关值估计部100所执行的信道时间相关值估 计处理的详情与第一实施例所述的处理相同。

这里，通过使用以下的表达式(4)来表示信道时间相关值估计部100-m (m＝1～M)的输出ρ_m。

数学式9

${\rho }_m=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\hat{\alpha }}_m\left[n\right]{\hat{\alpha }}_m^{*}[n-1]}{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\left|{\hat{\alpha }}_m\right[n\left]\right|}^2}\frac{1+{\mathrm{SNR}}_m}{{\mathrm{SNR}}_m}$     …表达式(4)

这里，下标m表示多个信道时间相关值估计部100中的第m个信道时间相 关值估计部100-m所计算或估计出的值。例如，SNR_m是信道时间相关值估计 部100-m的SNR估计部106所估计出的SNR，并且通过以下的表达式(5)来表 示。

数学式10

${\mathrm{SNR}}_m\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\left|{\hat{\alpha }}_m\right[n\left]\right|}^2-{\sigma }_m^2}{{\sigma }_m^2}$       …表达式(5)

信道时间相关值估计部100-m估计相应的信道时间相关值，并且将所估 计出的信道时间相关值ρ_m输入至分支合成部400。

分支合成部400是合成相关值计算部，用于计算通过对多个信道时间相 关值估计部100各自所估计的多个信道时间相关值ρ_m进行合成所获得的合成 相关值ρ_c。分支合成部400将合成相关值ρ_c输入至衰落多普勒频率估计部200。

分支合成部400例如可以输出多个信道时间相关值ρ_m的平均值作为合成 相关值ρ_c。在这种情况下，可以通过以下的表达式(6)来表示合成相关值ρ_c。

数学式11

${\rho }_c=\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\rho }_m$     …表达式(6)

如下也是可以的：分支合成部400通过利用与相应的SNR估计值成比例 的权重对多个信道时间相关值ρ_m进行加权来计算合成相关值ρ_c。在这种情况 下，可以通过以下的表达式(7)来表示合成相关值ρ_c。

数学式12

${\rho }_c=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\rho }_m{\mathrm{SNR}}_m}{\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\mathrm{SNR}}_m}$     …表达式(7)

可选地，分支合成部400可以将多个信道时间相关值ρ_m中的作为来自呈 现最大SNR估计值的信道时间相关值估计部100-m_MAX的输出的最大值ρ_mMAX输出为合成相关值ρ_c。在这种情况下，可以通过以下的表达式(8)来表示合成 相关值ρ_c。

数学式13

${\rho }_c={\rho }_{m_{\mathrm{MAX}}},m_{\mathrm{MAX}}=\underset{m\in \{\mathrm{1,2},...,M\}}{\arg \max }\left({\mathrm{SNR}}_m\right)$     …表达式(8)

衰落多普勒频率估计部200基于从分支合成部400输入的合成相关值ρ_c来 估计衰落多普勒频率。

接着，将说明衰落多普勒频率估计装置20的操作。

图6是用于说明根据本实施例的衰落多普勒频率估计装置所执行的用于 估计衰落多普勒频率的处理的流程图。

首先，分支分离部300将多个天线各自输入的个体接收信号分别分配并 输入至不同的信道时间相关值估计部100(步骤S200)。然后，接收到接收信 号的信道时间相关值估计部100各自执行用于估计信道时间相关值的处理 (步骤S205)。这里，步骤S205中的用于估计信道时间相关值的处理是图3和图 4中的步骤S100～S160的处理。

在步骤S205中，在多个信道时间相关值估计部100估计信道时间相关值 以输入至分支合成部400的情况下，分支合成部400将所输入的多个信道时间 相关值进行合成以计算合成相关值ρ_c。分支合成部400将合成相关值ρ_c输入至 衰落多普勒频率估计部200(步骤S210)。

然后，衰落多普勒频率估计部200基于从分支合成部400输入的合成相关 值ρ_c来估计衰落多普勒频率(步骤S220)。

如上所述，根据本实施例，在基于多个天线各自接收到的个体接收信号 来估计衰落多普勒频率的情况下，将各天线的接收信号作为接收信号分配至 任一个信道时间相关值估计部100。信道时间相关值估计部100基于噪声功率 来校正信道功率，并且基于校正后的信道功率和上述噪声功率来校正信道时 间相关值。在该阶段，信道时间相关值估计部100基于由同一天线接收到的 接收信号来计算信道时间相关值、信道功率和噪声功率。然后，分支合成部 400将由不同的信道时间相关值估计部100估计出的多个信道时间相关值进 行合成以计算合成相关值。结果，即使各天线的接收信号中所包含的噪声成 分的比例彼此不同，也可以获得精度高的信道时间相关值。

这里，以上的各实施例所述的组件可以由诸如半导体集成电路和基带信 号处理部(BB:Baseband signal processor)卡等的计算处理装置来实现。

尽管已经参考实施例说明了本发明，但本发明不应局限于上述实施例。 可以在本发明的范围内对本发明的结构和详情进行本领域技术人员能够理 解的各种修改。

例如，在上述实施例中，说明了用于估计衰落多普勒频率的装置和方法。 然而，可以提供描述用于实现衰落多普勒频率估计装置10或20的处理的过程 的程序、以及记录有该程序的计算机可读记录介质。

本申请要求2012年7月6日提交的申请号为2012-152479的日本专利申请 的优先权，并且其全部公开内容包含于此从而构成本申请的公开内容。

附图标记说明

10,20  衰落多普勒频率估计装置

100  信道时间相关值估计部

200  衰落多普勒频率估计部

300  分支分离部

400  分支合成部

101  信道估计部

102  信道功率计算部

103  信道时间相关值计算部

104  噪声功率计算部

105  校正部

106  SNR估计部

107  相关值校正部