通过应用已知的频偏促进无线网络中信号鉴别的方法和设备

摘要

用于在具有已知频偏的系统中解调的方法和设备。来自两个用户的第一和第二信号占据基本上相同的带宽并使用基本上相同的载波频率，同时调节在与基站相关联的不同发射天线上的信号的相对频率至已经知道特定的频偏。在接收机使用这些已知的频偏帮助估计任何已知的频率误差以及解调多个发射信号。除了有有利于解调之外，还能够将已知的频偏分配给多个基站中的每个基站以便于识别特定的基站。所述方法能够用于任何类型的时分多址(TDMA)系统，包括全球移动通信系统(GSM)，或者用于码分多址(CDMA)系统。

说明书

背景技术

在数字、无线通信系统中使用多根发射天线已经显示出有助于增加数据速率以及提高具有单根或多根接收天线的接收机的性能。在这些系统中，利用基本上相同的载波频率和带宽发射所发射的信号，以便其信道响应在频域中重叠。许多已知的方法是开环系统，即在接收机到发射机之间没有有关信道响应知识的任何反馈。当提供该信道知识时，则能够使用多根发射天线利用闭环技术来提高数据速率。

由于从不同发射(Tx)天线到接收(Rx)天线该信道是不同的，所以获得上述技术的优点。各种方法依赖于能够相互之间鉴别(discriminate)不同的发射信号。当使用该发射信号的相干接收时，经由估计处理在接收机获得用于每个发射信号的信道响应。当来自不同发射信号的信道相互干扰时，该估计处理是复杂的，处理器密集的并且精确度较低。另外，由于信号在时间(延迟)上相互重叠，从而多径使得该估计处理更加困难。

已经使用半盲(semi-blind)技术来估计所述信道响应，以便为一个期望信号和一个干扰信号执行联合解调。但是，在用于两个用户的信道响应相类似的情况下，与当能够容易地区分信道估计时相比，联合解调接收机的性能恶化。一种用于提高衰落信道性能的技术是自适应地更新(跟踪)该信道估计。但是，这导致了信道切换的问题，其中估计的信道被误差地分配给用户信号。即使在衰落波形变得可区分之后，也可能将信道估计误差地分配给用户。该信道切换导致了长脉冲串的检测误差，直到将该信道估计，例如通过另一信道切换，重新分配给其正确的用户。

发明内容

本发明涉及使用已知的频偏通过帮助区分从基站的不同天线所发射的信号以促进信号鉴别。当信号占据基本上相同的带宽并使用基本上相同的载波频率时，在基带或中频调节在不同发射天线上信号的相对频率，以便在从不同天线所发射的信号之间存在小的、特定的频率间隔。这导致具有与载波不同偏移的每个信号，同时导致用于信号的相对于该载波的一个频偏集。该频偏集在执行信道估计或干扰消除的接收机中导致更高程度的分离。另外，频偏能够有助于区分来自不同基站的信号，因为能够将不同的、已知的频偏集分配给多个基站中的每个基站。该方法能够用于任何类型的时分多址(TDMA)系统，包括全球移动通信系统(GSM)或用于码分多址(CDMA)系统。

在某些实施例中，具有至少两根天线的基站通过首先建立应用于第一和第二信号的已知频偏，向移动终端传输或发射该第一和第二信号。在移动终端知道或者使得知道该频偏。可以认为该频偏作为系统设计的一部分，或者可以从基站存储器中的数据结构或表查找它。所述移动终端可以存储该频偏集，或者基站可以在开始正常操作之前，在控制信道上向该移动终端发射该频偏集。基站应用已知的频偏给第一和第二信号，并且上变换该信号以便在基本上相同的载波频率和带宽发射。除了该应用的已知频偏以外，还可能存在由发射机所引入的未知频率误差。这要求对已知频偏的设计，尽管通过锁定不同发射链路的载波频率可以放松这些要求。然后，能够至少部分地基于该已知的频偏在移动终端解调该发射的信号。

根据某些实施例的系统中的移动终端从第一和第二相关发射天线接收第一和第二信号，并下变换这些信号。该移动终端使用用于第一和第二符号的信道估计和频率估计，至少部分地基于该已知的频偏集来检测该第一和第二信号中的符号。在移动接收机，需要频率估计来校正接收信号中出现的未知频率误差。一种方法是使用自动频率控制(AFC)技术，尽管能够代替地使用其他的频率补偿方法。

能够如此设计根据本发明某些实施例的系统，以便多个相邻基站使用频偏的多个相应集。能够在移动终端中已知有关频偏的信息以及将该信息编程到移动终端中，或者能够首先在控制信道上将其发射到移动终端并存储在存储器中。每个基站具有与天线和收发信机设备相关的存储器，其中存储了频偏信息。包括无线电块、一根或更多根天线、处理和控制逻辑、和基带逻辑的移动终端，能够使用该频偏识别基站，以便于测距和其他功能。基站和移动终端中的各种硬件和软件或微码形成了用于执行本发明各个方面的装置。

附图简述

图1示例了根据本发明实施例操作的发射机和接收机的功能方框图和操作方法。

图2所示的功能方框图示例了根据本发明的一个实施例，使用自动频率控制的干扰消除接收机设备和接收方法的进一步的细节。

图3所示的另一个功能方框图示例了根据本发明的另一个实施例，使用自动频率控制的联合解调接收机设备和接收方法的进一步的细节。

图4是根据本发明的未使用频偏的第一和第二信号的相位器表示。

图5是根据本发明的实施例能够分离两个信号的第一和第二信号的相位器表示。

图6是包括根据本发明实施例的接收机的移动终端的功能方框图。

图7是根据本发明某些实施例的系统网络图，其中不同的频偏分配给多个相邻基站。

执行本发明的最佳模式

以示意性的实施例描述本发明，所述实施例采用的方法使用用于从不同天线发射的信号的不同频偏，但是在每根天线上使用相同的载波频率。通过实例的方式给出这些实施例，本领域的普通技术人员将会意识到还存在可以被实现，而不背离所附权利要求书的范围的其他实施例。

所公开的实施例涉及根据本发明发射和接收信号。在示意性的实施例中，移动终端进行接收，以及基站进行发射。正如本领域的普通技术人员将会明白，通过适当设计的设备，本发明反过来也将会同等地起作用。另外，在两个移动收发信机或两个固定的收发信机之间能够使用本发明的方法。

关于一些数学公式和符号，读者应该意识到下标和上标有时候不能在附图中使用，因为它们将导致文本可能太小而不能清楚地阅读。在某些情况下，在正规的文本中显示更为准确地写为下标或上标的符号，例如，可能将s₁(k)示为s1(k)。这里在直接讨论附图的情况下，使用附图中的符号。否则，可以使用适当的数学符号。本领域的普通技术人员仍然可以理解这里的方程。

在多输入多输出(MIMO)系统中，增加数据速率而基本上不用增加复合发射信号的带宽。缺点是发射的信号相互干扰，需要更加复杂的接收机分离这些信号。为了便于这种分离，利用较简单的接收机，与频率估计技术一起使用不同的频偏以帮助在接收机区别这些信号。估计技术包括正如在本领域已知的联合频率估计或多用户锁相环方法。

而且，移动终端经常接收来自多个基站的发射。通过给多个相邻基站的每个基站分配已知偏移的唯一集，频偏本身能够用于帮助区分哪些信号是从哪些基站发射的，每个基站具有至少两根天线。然后，移动终端能够在检测期望的发射信号或防止信号干扰基站中使用该信息。另外，可以使用这些唯一的频偏来估计该发射信号的其他重要特征。例如，可以使用接收信号强度辅助执行软切换，并且当给已知的基站分配信号时，可以获得更为精确的信号强度值。而且，能够使用已知基站的标识用于移动测距和定位。

图1中系统100的方框图示出了本发明的一个实施例，图中示出了由两根发射(Tx)天线102和104所发射的以及由两根接收(Rx)天线106和108所接收的期望信号。原始的信号首先被编码和交织并发射到空时编码和调制单元110。该方块的目的是为了将已调制的信号映射到不同的Tx天线上。例如，在所谓的“V-BLAST”方案中，调制并直接地映射不同的符号到不同的发射天线上(即，不用附加的空时编码)。所述V-BLAST方案在下面的文献中有描述，Foschini，G.等人的“用于采用多单元阵列的高频谱效率无线通信的简化处理(Simplified Processing forHigh Spectral Efficiency Wireless Communication Employing multi-element Arrays)”，Journal on Selected Area in Communications(有关通信中所选区域的期刊)，17(11)：1841-1852，1999年11月，其在此引入作为参考。

发射机RF单元111和112上变换并且然后发射所述信号。在信道上发射信号以及在Rx天线接收该信号之后，在接收机RF单元113和114下变换该信号并将其发送到解调单元。解调单元执行信道和频率估计以便相干检测所发射的信号。在解调之后，传送所产生的检测信号至检测原始输入比特的解码器单元。

在图1中，信号s1(k)和s2(k)分别具有在115和116应用的频偏f₁和f₂。还存在随机频率误差，并且它们分别在117和118以相同方式示为f_T1和f_T2。这些随机频率误差例如由于所制造时钟电路的容差、环境条件、和类似因素而产生。在图1所示两根接收天线的情况下，所接收的信号r1(k)和r2(k)每个都包含来自第一和第二发射信号的贡献，s1(k)和s2(k)由发射和接收天线之间的箭头所指示。在接收机具有一根天线的情况下，一个单独的接收信号r(k)包含来自s1(k)和s2(k)两者的分量。

应该注意到对于上述方法，当在两个信号之间存在显著的频率差时，AFC稳定状态周期中的检测性能可能更好。实际上，这是由于分离这两个信号的能力依赖于用户之间的信道响应的差而产生的。因此，如果由随机系统误差所产生的附加偏移之间的差，即|f_T2-f_T1|足够大，这增加了额外的维度，该维度使得信道不同。已经建议系统一段时间根据基本信道响应之差获得其改进的性能。给每个发射链路添加已知的频偏改进了如上所述的系统。对于使用多用户AFC环的接收机来说，通过分离不同发射信号的频率来获得瞬变周期中更快的会聚，所以它们之间几乎不存在或者不存在任何模糊。其次，通过减小在数据脉冲串上具有相似信道响应的可能性，在稳定状态周期中获得更好的检测性能。

返回到图1的2×2MIMO系统，频率f₁和f₂分别应用于第一和第二发射信号，以获得已知的偏移。该方法能够容易地扩展到多于两根发射天线的情况。在图1中，示出了基带表示。但是，该方法能够用于在某些载波或中间频率上的系统。两个频率f₁和f₂应该具有大于2f_max1和2f_max2中最大值的间隔，这里f_max1＝|f_T1|和f_max2＝|f_T2|表示每根发射天线上的最大期望频率误差。换言之，|f₁-f₂|应该大于2max(f_max1，f_max2)。如果存在M＞2根发射天线，那么对于任何两根天线m和n，m≠n，上述项对频率fm和fn也成立。另外，在接收机引入随机频率误差，并通过分别在120和122应用频率误差f_R1和f_R2模型化该误差。解调方案现在通过在方块119下变换和应用频率和信道估计、平滑等等来检测具有已知频偏的信号中的符号。在接收机已知f₁和f₂的值并典型存储该值，以便能够进行存取并使用它们来初始化频率估计方法。如上所述，以下进一步详细描述的自动频率控制(AFC)技术能够用于块119中的频率估计。但是，也能够应用本领域中已知的其他技术。例如，能够使用利用已知训练序列或导频信道的最大似然估计技术，或者能够代替其他传统的AFC方法或除了其他传统的AFC方法以外还应用锁相环(PLL)。

一种检测MIMO系统所发射信号的常见方法是独立地检测从一根天线发射的信号，同时消除从其他天线发射的信号。这种类型的接收机表示为干扰消除接收机。在这种情况下，能够应用AFC仅仅补偿有关检测信号的频率误差。这就是AFC应用于图1系统的情况，在图2中示出AFC用于第一信号。对于第二信号处理也类似。如果使用两根或更多根接收天线，期望频率锁定接收链路以便，基本上f_R＝f_R1＝f_R2。根据本发明的这个实施例，使用这种方法对每个被检测的信号执行AFC。第一信号即r1(k)在接收机内部处理时表示为s1，以及第二信号r2(k)表示为s2。在图2中，接收机组件200包括干扰消除、信道估计、和频率估计方块202，以及平滑方块204。f_err1是s1的初始频率估计。f_e1是s1的频偏的估计。为了方便起见，使用符号f_off1和f_off2，这里f_off1＝f₁+f_T1+f_R以及f_off2＝f₂+f_T2+f_R。有关类似于图2所示AFC方法的进一步细节能够在美国专利第5878093号中找到，其在此引入作为参考。

当独立地解调两个用户的信号时，刚刚描述的AFC方法是适当的。但是，使用联合AFC对于相干联合检测两个信号是至关重要的。图3中示例了联合AFC的使用，正如根据本发明将该AFC应用于系统中。图3示出了接收机组件300，包括用于联合检测、频率估计和信道估计的方块302，两个平滑方块304和306。再次，信号表示为s1和s2。联合检测方块302估计频率误差并输出这些估计为f_err1和f_err2。馈送这些频率误差估计到平滑方块304和306中以估计总的频偏，f_e1和f_e2。利用本发明知道频偏f₁和f₂。频率估计f_e1应用于补偿接收的信号，减小信号s1的视在频率误差至零，同时改变其他信号的视在频率误差到f_e2-f_e1＝f_off2-f_off1。初始估计f_e1和f_e2能够分别设置成已知的频偏值f₁和f₂。联合检测方块302要求输入视在频率的估计，如图3所示。有关联合AFC方法的进一步细节类似于图3所示，能够在本发明人于2000年10月30日所提交的美国专利申请第09/699920号中找到，其在此引入作为参考。

最后，应该注意的是两个发射信号的载波频率应该频率锁定。这能够通过在采用两根天线的基站产生来自同一源的载波而实现。如果载波被频率锁定，那么这对发射机和接收机的设计有几个隐含意义。首先，|f₁-f₂|的值能够较小，这是由于两个发射机将被移位f_T1(＝f_T2)，因此保持了已知频偏的频率差。其次，如果接收机链路也频率锁定，或者如果只存在一根接收天线，那么，f_e2-f_e1＝f₂-f₁，这是已知的。在这种情况下，尽管AFC必须仍然被应用于补偿未知的频率误差，但是已知视在频率分量的差并且不需要将其输入到联合检测方块302。

为了示例这种方法的功效，考虑包括两个发射信号s1(k)和s2(k)的接收信号y1(k)，以及分别由信道c₁₁(k)和c₂₁(k)破坏(corrupt)。在这种情况下的接收信号写为：

$>>>y>1>>>(>k>)>>=>>e>>j>2>\pi >>(>>f>>T>1>>>+>>f>>R>1>>>)>>k>\; >>c>11>>>(>k>)>>>s>1>>>(>k>)>>+>>e>>j>2>\pi >>(>>f>>T>2>>>+>>f>>R>1>>>)>>k>\; >>c>21>>>(>k>)>>>s>2>>>(>k>)>>+>n>>(>k>)>>>s>$

其目的是让f_T1和f_T2小，或者将这两个频率锁定，以便它们以相同的方式影响两个发射的信号。但是，该目的的结果是当c₁₁(k)＝c₂₁(k)时，那么在特定的时刻发生图4中的情形。即，由于这两个信道是相同的以及频率误差也相似，那么在检测过程中存在模糊。图4将这种情形示为相位器，表示用于在点400重合的两个信号的信道。当信道系数c₁₁(k)和c₂₁(k)在时间上不改变或者变化非常慢，那么模糊存在的时间周期可以持续一个长的数据脉冲串。在给发射的信号增加频偏f₁和f₂之后，该接收信号变为：

$>>>y>1>>>(>k>)>>=>>e>>j>2>\pi >>(>>f>1>>+>>f>>T>1>>>+>>f>>R>1>>>)>>k>\; >>c>11>>>(>k>)>>>s>1>>>(>k>)>>+>>e>>j>2>\pi >>(>>f>2>>+>>f>>T>2>>>+>>f>>R>1>>>)>>k>\; >>c>21>>>(>k>)>>>s>2>>>(>k>)>>+>n>>(>k>)>>>s>$

现在，由于已经增加f₁和f₂来区分两个发射的信号，因此能够使f_T1和f_T2变小或者一起锁定。这给出了图5所示的用于一个时刻的情况。这里，所述相位器示出了信道响应现在在点502和504不重合。即使它们在某些时刻上重合，由于f₁不等于f₂，那么它们也不会保持重合持续长的数据脉冲串。

图6是实现本发明的移动终端的方框图。图6示例了具有语音能力的终端，诸如移动电话。在这种情况下，第一和第二信号可以包含语音或数据或其组合。这两个信号可以对应于一个信息流(例如，一个语音呼叫)或者多个信息流(例如，两个语音用户三方呼叫)。该示例仅仅是一个实例，本发明对于专用于文本或其他形式数据通信的移动终端同等起作用。如图6所示，该终端包括无线电方块601、基带逻辑方块602、和音频接口方块604。在无线电方块601内部，所述接收和发射信息被转换到各种载波类型的射频(RF)或者从它转换回，并应用滤波，正如在本领域中所明白的。由至少天线606组成的终端的天线系统连接到该无线电方块。如前所述，终端可以使用两根天线，可选的第二天线607也连接到该无线电方块。在基带逻辑方块602中，基本信号处理发生，例如同步、信道编码、解码和脉冲串格式化。在本实例中，该基带逻辑包括接收机子系统612，其根据本发明执行干扰消除(I.C)、频率估计(F.E)和其他功能。基带逻辑方块能够通过一个或更多ASIC来实现，或者也许可以通过数字信号处理器(DSP)来实现。音频接口方块604处理语音以及模数(A/D)和D/A处理。处理器和控制逻辑方块608协调上述方块并且还在控制诸如键盘和液晶显示器(LCD)之类人机接口组件(未示出)中扮演重要的角色。

程序代码通常以微码的形式存储在存储器603中并且通过处理器和控制逻辑来控制终端的操作。本实施例中的存储器603还存储任何已知的频偏集，以便能够根据本发明存取和使用它们。图6所示的移动终端通过智能卡阅读器接口对接到智能卡识别模块(SIM)611。示意性描述了所述处理器和控制逻辑、存储器以及SIM之间的互连。该接口通常是内部总线。而且，任何或全部这些组件可以是分立的，并通过多个组件实现，或者一起集成到单个或少量半导体设备中。

本发明的移动终端实现不必是传统的“蜂窝电话”类型的终端，而是可以包括具有或不具有多线显示器的蜂窝无线电话；可以组合蜂窝无线电话与数据处理、传真和数据通信能力的个人通信系统(PCS)终端；能够包括无线电话、寻呼机、互联网/内联网接入、网页浏览器、管理器的个人数据助理(PDA)；以及传统的膝上型和/或掌上电脑或包括无线电话收发信机的其他设备。移动终端有时候也被称之为“普适计算”设备。

图7示出了根据本发明实施例的基站系统700。基站系统700包括至少一个基站702，该基站与移动终端703建立通信。在许多实施例中，基站704、705和706包括在基站系统中并且全部与基站702相似或相同，因此对于这些基站在图7中省略了其一些细节。当移动终端703移动通过该系统时，基站704、705和706可以接管与移动终端703的通信。基站702包括两根天线707、709用于根据本发明发射两个用户信号。如在本领域中所明白的，收发信机设备710包括通常的射频组件、处理器、到移动交换中心的通信链路等等。最后，存储器712存储基站702的发射频偏715，以及有可能存储相邻基站的频偏。所述收发信机设备可操作连接到所述天线和存储器712。该天线基本上以相同的带宽和载波频率发射信号。该存储器还可以包含操作基站的至少一些计算机程序代码717。

在图7的实施例中，假设基站，在本实例中是基站702，与移动终端702建立一个频偏集来使用。可以直接地建立所述频偏的值，或者其可以隐含地通过交换或发射用于f₁和f₂的值来建立，如上所参考。在具有多个相邻基站的系统中，基站可以具有本地、远程提供的频偏，或者它们可以协商该频偏。在所示例的实施例中，如在716所示，在控制信道上将该频偏集或多个频偏集传送到移动终端，以作为建立将要使用的频偏或多个频偏的处理的一部分。当在控制信道上发射多个频偏以开始通信时，每个唯一的发射频偏集对应于组成所述基站系统的多个基站中的一个基站。因此，移动站能够通过其唯一的偏移集来识别每个基站。

本发明的计算机程序代码单元可以以硬件和/或软件(包括固件、驻留软件、微码等等)实施。这些单元可以采用计算机程序产品的形式，该计算机程序产品能够通过计算机可使用或计算机可读存储介质实施，该介质中具有由诸如基站收发信机设备之类硬件使用或连同它一起使用的计算机可使用或计算机可读程序指令、“代码”或“计算机程序”。在图7中将这种介质示为存储器702。在本文的上下文中，计算机可使用或计算机可读介质可以是能够包含、存储、通信、传播、或传输指令执行系统、设备或装置所使用或连同它一起使用的程序的任何介质。计算机可使用或计算机可读介质可以例如是但不局限于，电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、设备、器件，或者诸如因特网的传播媒介。应该注意到计算机可使用或计算机可读介质能够甚至是纸件或者其他适当的在其上打印程序的介质，因为经由例如光扫描纸件或其他介质能够电子捕获程序，然后编译、解释，否则以适当的方式处理该程序。

这里描述了本发明的具体实施例。电信领域的普通技术人员将会迅速意识到本发明在其他环境中具有其他应用。实际上，许多实施例和实现都是可能的。所附权利要求书无意将本发明的范围限制到上述的具体实施例。另外，表述“装置用于”其意图是引起装置加功能阅读权利要求中的单元，而没有明确使用该表述的任何单元无意被当作装置加功能的单元，即使它们包括单词“装置”。