專利名稱：用于時(shí)分雙工通信系統(tǒng)的信道估算的制作方法
本申請(qǐng)要求2000年1月7日申請(qǐng)的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)60/175,167的優(yōu)先權(quán)。


圖1是無線通信系統(tǒng)10的示意圖。通信系統(tǒng)10包括與用戶設(shè)備(UE)141到143進(jìn)行通信的基站121到125。每個(gè)基站121具有一相關(guān)的工作區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，此基站與用戶設(shè)備141到143進(jìn)行通信。
在一些通信系統(tǒng)，比如碼分多址(CDMA)系統(tǒng)和使用CDMA的時(shí)分雙工系統(tǒng)(TDD/CDMA)中，多路通信在同一頻譜內(nèi)發(fā)送。這些多路通信通常由它們的碼片編碼序列區(qū)分。為了更有效地使用頻譜，TDD/CDMA通信系統(tǒng)使用劃分成時(shí)隙的重復(fù)幀用于通信。在這樣的系統(tǒng)中發(fā)送的一路通信具有基于通信的帶寬而分配給它的一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的碼片編碼和時(shí)隙。
既然多路通信可以在同樣的頻譜內(nèi)同時(shí)發(fā)送，這樣的系統(tǒng)中的接收機(jī)必須區(qū)分這些多路通信。一種檢測(cè)這樣的信號(hào)的方法是單用戶檢測(cè)。在單用戶檢測(cè)中，接收機(jī)只檢測(cè)來自于期望的發(fā)射機(jī)且使用關(guān)聯(lián)于該發(fā)射機(jī)的編碼的通信，而把其它發(fā)射機(jī)的信號(hào)作為干擾。另外一種方法被稱為聯(lián)合檢測(cè)。在聯(lián)合檢測(cè)中，多路通信同時(shí)被檢測(cè)。
為了使用這樣的檢測(cè)技術(shù)，最好具有每路通信在其中傳送的無線信道的估算。在典型的TDD系統(tǒng)中，使用通信脈沖串中的中間報(bào)文(midamble)序列進(jìn)行信道估算。
如圖2所示，典型的通信脈沖串16包括中間報(bào)文20、保護(hù)周期18和兩個(gè)數(shù)據(jù)脈沖串22和24。中間報(bào)文序列20分離兩個(gè)數(shù)據(jù)脈沖串22和24，而保護(hù)周期18分離通信脈沖串16，從而允許從不同的發(fā)射機(jī)發(fā)送的脈沖串16的到達(dá)時(shí)間不同。兩個(gè)數(shù)據(jù)脈沖串22和24包含通信脈沖串的數(shù)據(jù)。中間報(bào)文20包含用于信道估算的訓(xùn)練序列。
當(dāng)接收機(jī)接收到通信脈沖串16以后，它使用收到的中間報(bào)文序列來估算信道。當(dāng)接收機(jī)在一個(gè)時(shí)隙中接收到多個(gè)脈沖串16時(shí)，它通常估算每個(gè)脈沖串16的信道。一種這樣的用于通過多路信道發(fā)送通信脈沖串16的信道估算方法叫做斯坦納信道估算器(Steiner ChannelEstimator)。斯坦納信道估算通常用于來自多個(gè)用戶設(shè)備，即141到143的上行鏈路通信，其中信道估算器需要估算多路信道。
在一些情況下，多個(gè)脈沖串16占據(jù)同樣的無線信道。一種這樣的情形是高數(shù)據(jù)速率服務(wù)，比如2兆比特每秒(Mbps)的服務(wù)。在這樣的系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)會(huì)在一個(gè)時(shí)隙中發(fā)送多個(gè)脈沖串。通過將來自所有的脈沖串16的估算的信道響應(yīng)進(jìn)行平均，斯坦納估算可以在這樣的情形中應(yīng)用。然而，這樣的方法復(fù)雜性很高。因此，需要另外的方法來進(jìn)行信道估算。
附圖簡(jiǎn)要說明圖1是一個(gè)無線通信系統(tǒng)。
圖2是一個(gè)通信脈沖串的示意圖。
圖3是簡(jiǎn)化的多脈沖串(multiburst)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。
圖4是多波群信號(hào)信道估算的流程圖。
發(fā)射機(jī)26通過無線射頻信道30發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在K個(gè)通信脈沖串中發(fā)送。發(fā)射機(jī)26中的數(shù)據(jù)發(fā)生器321到32K產(chǎn)生要與接收機(jī)28通信的數(shù)據(jù)。調(diào)制/擴(kuò)頻和訓(xùn)練序列插入設(shè)備341到34K對(duì)數(shù)據(jù)擴(kuò)頻且使被擴(kuò)頻的參考數(shù)據(jù)與中間報(bào)文訓(xùn)練序列以合適的分配時(shí)隙和用于擴(kuò)頻數(shù)據(jù)的編碼時(shí)分多路傳輸用，從而產(chǎn)生K個(gè)通信脈沖串。對(duì)于發(fā)送下行鏈路脈沖串的基站121，通常的K值是從1到16。通信脈沖串被組合器48組合，且被調(diào)制器36調(diào)制成射頻(RF)信號(hào)。天線38通過無線射頻信道30發(fā)射RF信號(hào)到接收機(jī)28的天線40。用于發(fā)送通信的調(diào)制類型可以是任何本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員熟知的類型，比如二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)或四相移鍵控(QPSK)。
接收機(jī)28的天線40接收各種射頻信號(hào)。接收到的信號(hào)被解調(diào)器42解調(diào)而產(chǎn)生基帶信號(hào)。基帶信號(hào)在時(shí)隙內(nèi)且與分配給發(fā)送的通信脈沖串的合適的編碼一起，被諸如信道估算設(shè)備44和數(shù)據(jù)檢測(cè)設(shè)備46處理。數(shù)據(jù)檢測(cè)設(shè)備46可以是多用戶檢測(cè)器或單用戶檢測(cè)器。信道估算設(shè)備44使用基帶信號(hào)中的中間報(bào)文訓(xùn)練序列成分來提供信道信息，比如信道沖擊響應(yīng)。信道信息被數(shù)據(jù)檢測(cè)設(shè)備46用于以硬碼元估算接收到的通信脈沖的發(fā)送數(shù)據(jù)。
盡管多脈沖信道估算可以應(yīng)用到其它的中間報(bào)文類型，為了顯示多脈沖信道估算的一種具體實(shí)施，下面的中間報(bào)文類型被使用。K個(gè)中間報(bào)文編碼，即 其中k＝1...K，得自周期P碼片的周期性的單個(gè)基本中間報(bào)文編碼 的時(shí)間移位版本。每個(gè)中間報(bào)文編碼的長(zhǎng)度是Lm＝P+W-1。W是用戶信道脈沖響應(yīng)的長(zhǎng)度。Lm的通常值是256和512個(gè)碼片。W是用戶信道脈沖響應(yīng)的長(zhǎng)度。盡管下面的討論基于每個(gè)脈沖串具有不同的中間報(bào)文編碼，一些中間報(bào)文可以具有相同的編碼。所以，分析基于N個(gè)中間報(bào)文編碼，其中N＜K。另外，系統(tǒng)可以具有一個(gè)最大數(shù)目的可接受的中間報(bào)文編碼N。即使被發(fā)送的編碼少于N個(gè)，在這樣的系統(tǒng)中的接收機(jī)28也為最大N個(gè)編碼估算信道。 的元素從整數(shù)集{1，-1}中取值。序列 首先轉(zhuǎn)化成復(fù)數(shù)序列mp~‾[i]=ji·mp‾[i],]]>其中i＝1...P通過從連接兩個(gè)周期的 而形成的長(zhǎng)度為2P的序列中選擇長(zhǎng)度為L(zhǎng)m的K個(gè)子序列，從而獲得 的第i個(gè)元素與 的關(guān)系如公式1。mi(k)‾=mp~[(K-k)W+i],]]>對(duì)于1≤i≤P-(K-k)W=mp~[i-P+(K-k)W],]]>對(duì)于P-(K-k)W≤i≤P+W-1公式1這樣，當(dāng)k從1增加到K時(shí)， 的開始點(diǎn)向右移位W個(gè)碼元。
所組合的接收到的中間報(bào)文序列是K個(gè)卷積的疊加。第k個(gè)卷積代表 與 的卷積。 是第k個(gè)用戶的信道響應(yīng)。脈沖串中前面的數(shù)據(jù)字段破壞了接收到的中間報(bào)文最初的(W-1)個(gè)碼片。因此，為了進(jìn)行信道估算，只有Lm個(gè)碼片的后P個(gè)用來估算信道。
多脈沖信道估算將結(jié)合圖4中的流程圖進(jìn)行解釋。公式2是為了用來解出單獨(dú)的信道響應(yīng) 公式2rW...rLM是接收到的中間報(bào)文序列的組合碼片。m值是 的元素。
公式2也可以重新簡(jiǎn)寫為公式3。Σk-1KM(k)h(k)‾=r‾]]>公式3每個(gè)M(k)是一個(gè)KW乘W的矩陣。r是接收到的中間報(bào)文碼片響應(yīng)。當(dāng)所有的脈沖串在同樣的信道中傳播時(shí)， 可以被h取代，如公式4以及圖4中的50。[Σk=1KM(k)]h-=r-]]>公式4G按照公式5來定義。
G＝[M(1)，...，M(k)，...，M(K)]公式5結(jié)果是，G是KW乘KW的矩陣。既然G是右循環(huán)行列式矩陣，如公式6和圖4中的52所示，公式4可以使用K個(gè)同樣的右循環(huán)行列式矩陣塊B重寫。[Σk=1KM(k)]=BB···B=D]]>公式6
B是W乘W的右循環(huán)行列式矩陣。B塊有K個(gè)。利用公式6，公式4可以重寫成公式7。
Dh＝r公式7公式7描述了具有KW乘W維的由多種因素決定的(over-determined)系統(tǒng)。解出公式7的一種方法是最小二乘法，如圖4中的52所示。公式7的最小二乘法由公式8給出。h-^=(DHD)-1DHr-]]>公式8DH是D的共軛矩陣。
應(yīng)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維的向量r可以根據(jù)公式10進(jìn)行分解。r-=r1-r2-...rk-]]>公式10 是W維的。把公式9和公式10代入公式8，用于信道系數(shù)的最小二乘法可以根據(jù)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是方陣，公式11變?yōu)楣?2。h-^=B-1rk=]]>公式12由于B是右循環(huán)行列矩陣，且右循環(huán)行列式矩陣的逆也是右循環(huán)行列式矩陣，信道估算器可以由57維的單一循環(huán)相關(guān)器實(shí)現(xiàn)，或者通過離散傅里葉變換(DFT)解法。
W點(diǎn)的DFT方法如下所述。既然B是右循環(huán)行列的，就可以使用公式13。B=DW-1·ΛC·DW]]>公式13DW是根據(jù)公式14的W點(diǎn)DFT矩陣。 公式14根據(jù)公式15，ΛC是對(duì)角矩陣，其主對(duì)角線是B的第一列的DFT。
ΛC＝diag(DW(B(，1)))公式15W~=e-j2π/w.]]>這樣，DW是DFT運(yùn)算符，從而 代表向量x的W點(diǎn)DFT。通過把公式13帶入公式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的元素乘元素復(fù)共軛。
作為選擇，根據(jù)ΛR而不是ΛC可以導(dǎo)出表達(dá)h的等效形式。根據(jù)公式17，ΛR是對(duì)角矩陣，其主對(duì)角線是B的第一行的DFT。
ΛR＝diag(DW(B(1，)))公式17既然B的轉(zhuǎn)置矩陣BT也是右循環(huán)行列的，且BT的第一列是B的第一行，則BT可以用公式18表達(dá)。BT=DW-1·ΛR·DW]]>公式18應(yīng)用公式18以及DWT＝DW且ΛRT＝ΛR，并且對(duì)于任何可逆矩陣A，(AT)-1＝(A-1)T，B可以由公式19來表達(dá)。B=DW·ΛR·DW-1]]>公式19把公式19帶入公式12，且DW-1=DW*W,]]>則得出公式20。h-=(DW·ΛR-1·1WDW*)r-]]>公式20公式16或公式20可以用來解出h。既然所有的DFT的長(zhǎng)度都是W，解出上述公式的復(fù)雜度就大大降低了。
使用單周期相關(guān)器的方法如下。既然B-1是右循環(huán)行列式矩陣的逆，它可以寫成公式21。B-1=T=T1TP…T3T2T2T1…T4T3......…......TW-1TW-2…T1TWTWTW-1…T2T1]]>公式21
矩陣T的第一行等于ΛR-1的主對(duì)角線的逆DFT。這樣，矩陣T完全由ΛR-1確定。
信道響應(yīng)h的分支(taps)可以通過T的相繼行和接收到的向量r的W長(zhǎng)的部分的平均的內(nèi)積相繼得到。T的相繼行是前面的行的循環(huán)右移位版本。使用寄存器來產(chǎn)生內(nèi)積，第一寄存器保存r的平均部分，第二寄存器是一個(gè)保存矩陣T的第一行的移位寄存器。第二寄存器以確定的時(shí)鐘速率循環(huán)移位。在每個(gè)時(shí)鐘周期，通過存儲(chǔ)在兩個(gè)寄存器中的向量的內(nèi)積確定h的一個(gè)新元素。更為有利的是移位矩陣T的第一行而不是移位接收到的中間報(bào)文。結(jié)果是不需要多余的用于中間報(bào)文的存儲(chǔ)空間。中間報(bào)文連續(xù)存在于保存整個(gè)脈沖串的接收緩沖器中。既然相關(guān)器的長(zhǎng)度只有W，估算信道的復(fù)雜度可以顯著的降低。
權(quán)利要求
1.一種方法，用于在使用碼分多址的時(shí)分雙工通信系統(tǒng)中估算無線信道，所述系統(tǒng)關(guān)聯(lián)N個(gè)中間報(bào)文序列，無線信道存在于單個(gè)發(fā)射機(jī)和單個(gè)接收機(jī)之間，所述的單個(gè)發(fā)射機(jī)在一個(gè)時(shí)隙中以共享頻譜發(fā)送K個(gè)通信脈沖串，每個(gè)脈沖串具有N個(gè)序列中的一個(gè)關(guān)聯(lián)的中間報(bào)文序列，接收機(jī)知道N個(gè)中間報(bào)文序列，所述方法包括在所述的單個(gè)接收機(jī)端接收與所發(fā)送的K個(gè)通信脈沖串的中間報(bào)文序列相對(duì)應(yīng)的向量；部分地根據(jù)已知的N個(gè)中間報(bào)文序列建立具有N個(gè)相同右循環(huán)行列式矩陣塊的矩陣；部分地根據(jù)N個(gè)塊中的一個(gè)和接收到的向量估算無線信道。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使用最小二乘法執(zhí)行無線信道估算。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，使用單循環(huán)相關(guān)器實(shí)現(xiàn)所述最小二乘法。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，使用離散傅里葉變換解法實(shí)現(xiàn)所述最小二乘法。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，N是關(guān)聯(lián)于系統(tǒng)的中間報(bào)文編碼的最大數(shù)目。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，N是在K個(gè)脈沖串中發(fā)送的不同的中間報(bào)文的數(shù)目。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，估算的維數(shù)是無線信道的信道響應(yīng)的長(zhǎng)度。
8.一接收機(jī)，用于使用碼分多址的無線時(shí)分雙工通信系統(tǒng)，所述系統(tǒng)關(guān)聯(lián)N個(gè)中間報(bào)文序列，所述系統(tǒng)中的單個(gè)發(fā)射機(jī)在一個(gè)時(shí)隙中以共享頻譜發(fā)送K個(gè)通信脈沖串，每個(gè)脈沖串具有N個(gè)序列中的一個(gè)關(guān)聯(lián)的中間報(bào)文序列，所述接收機(jī)知道N個(gè)中間報(bào)文序列，所述接收機(jī)包括天線，用于接收K個(gè)通信脈沖串，所述脈沖串包括與所發(fā)送的所述脈沖串的中間報(bào)文序列相對(duì)應(yīng)的向量；信道估算器，用于部分地根據(jù)已知的N個(gè)中間報(bào)文序列建立包括N個(gè)相同的右循環(huán)行列式矩陣塊的矩陣，并且部分地根據(jù)N個(gè)塊中的一個(gè)和接收到的向量估算所述接收機(jī)和所述的單個(gè)發(fā)射機(jī)之間的無線信道；以及數(shù)據(jù)檢測(cè)器，用于利用所估算的無線信道從接收到的通信脈沖串中恢復(fù)數(shù)據(jù)。
9.如權(quán)利要求8所述的接收機(jī)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)檢測(cè)器是多用戶檢測(cè)器。
10.如權(quán)利要求8所述的接收機(jī)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)檢測(cè)器是單用戶檢測(cè)器。
11.如權(quán)利要求8所述的接收機(jī)，其特征在于，使用最小二乘法執(zhí)行無線信道估算。
12.如權(quán)利要求11所述的接收機(jī)，其特征在于，使用離散傅里葉變換解法實(shí)現(xiàn)所述最小二乘法。
13.如權(quán)利要求11所述的接收機(jī)，其特征在于，使用單循環(huán)相關(guān)器實(shí)現(xiàn)所述最小二乘方解法。
14.使用關(guān)聯(lián)于N個(gè)中間報(bào)文序列的碼分多址的無線擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，所述系統(tǒng)使用通信脈沖串進(jìn)行通信，每個(gè)脈沖串都包括關(guān)聯(lián)的中間報(bào)文序列，所述系統(tǒng)包括基站，包括數(shù)據(jù)發(fā)生器，用于產(chǎn)生數(shù)據(jù)；多個(gè)調(diào)制/擴(kuò)頻設(shè)備，用于格式化所述產(chǎn)生的數(shù)據(jù)成為時(shí)分多路傳輸?shù)酵瑯拥臅r(shí)隙和共享頻譜中的K個(gè)通信脈沖串；以及天線，用于發(fā)送所述K個(gè)通信脈沖串；和用戶設(shè)備，包括天線，用于接收K個(gè)通信脈沖串，所述脈沖串包括與所發(fā)送的所述脈沖串的中間報(bào)文序列相對(duì)應(yīng)的向量；信道估算器，用于部分地根據(jù)N個(gè)中間報(bào)文序列建立包括N個(gè)相同的右循環(huán)行列式矩陣塊的矩陣，并且部分地根據(jù)K個(gè)塊矩陣和接收到的向量估算所述基站和所述用戶設(shè)備之間的無線信道；和數(shù)據(jù)檢測(cè)器，用于利用所估算的無線信道從接收到的通信脈沖串中恢復(fù)數(shù)據(jù)。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)檢測(cè)器是多用戶檢測(cè)器。
16.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)檢測(cè)器是多個(gè)單用戶檢測(cè)器。
17.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，使用最小二乘法執(zhí)行無線信道估算。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，使用離散傅里葉變換解法實(shí)現(xiàn)所述最小二乘法。
19.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，使用單循環(huán)相關(guān)器實(shí)現(xiàn)所述最小二乘法。
20.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，基站有效地以2Mbps的數(shù)據(jù)速率發(fā)送數(shù)據(jù)到用戶設(shè)備。
全文摘要
單個(gè)發(fā)射機(jī)在時(shí)分雙工通信系統(tǒng)的一個(gè)時(shí)隙內(nèi)以共享頻譜發(fā)送K個(gè)通信脈沖串。系統(tǒng)與N個(gè)中間報(bào)文序列相關(guān)。每個(gè)脈沖串都包括一個(gè)相關(guān)的中間報(bào)文序列。接收機(jī)接收與所發(fā)送的K個(gè)通信脈沖串的中間報(bào)文序列相對(duì)應(yīng)的向量。部分地根據(jù)已知的K個(gè)中間報(bào)文序列建立具有N個(gè)相同的右循環(huán)行列式矩陣塊的矩陣。部分地根據(jù)N個(gè)塊中的一個(gè)和所接收的向量估算發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的無線信道。
文檔編號(hào)H04J13/02GK1394420SQ01803476
公開日2003年1月29日 申請(qǐng)日期2001年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月7日
發(fā)明者阿里埃拉·蔡拉 申請(qǐng)人:交互數(shù)字技術(shù)公司