專利名稱：用于在通信系統(tǒng)中估測信道性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1的前序部分所述的、用于在通信系統(tǒng)的系統(tǒng)帶寬內(nèi)估測信道性能的方法。
在通信系統(tǒng)中，信息(例如語音、圖像信息、視頻信息、短消息業(yè)務(wù)或其它數(shù)據(jù))是借助電磁波通過接口在發(fā)射臺和接收臺(基站或用戶臺)之間傳輸?shù)?。尤其在無線通信系統(tǒng)中，此時電磁波的輻射是在為各個系統(tǒng)所規(guī)定的頻帶內(nèi)的載頻中實現(xiàn)的。對于廣泛采用的GSM移動無線系統(tǒng)(全球移動通信系統(tǒng))，使用約900、1800和1900MHz的頻率。對于將來的利用CDMA、TD/CDMA或OFDM(正交頻分多路復用)傳輸方法的移動無線系統(tǒng)，例如UMTS(通用移動電信系統(tǒng))、Hiperlan、IEEE 802.11a、DVB(數(shù)字視頻廣播)或其它的未來新生代系統(tǒng)，所設(shè)定的頻率位于高達約6000MHz的頻帶內(nèi)。
特別在OFDM傳輸方法中，需傳輸?shù)男畔⒈忍胤謩e以組的形式(所謂的OFDM符號)被綜合成優(yōu)選2m比特，m表示自然數(shù)。通過OFDM符號的IFFT(快速傅立葉逆變換)把信息比特分別投影到正交的子載波上，以便并行地通過無線信道經(jīng)這些無線信道傳輸OFDM符號的信息比特。為了避免符號干擾，給OFDM符號附加了一個周期性前綴，使得所述的OFDM符號時間由包含有有用信息時間的有效OFDM符號時間和該前綴時間組成。
在這種無線通信系統(tǒng)中，電臺對公共傳輸媒體的訪問是通過多路接入方法(MA)來控制的。在這種多路接入方法中，傳輸媒體可以在時域(時分多址TDMA)、頻域(頻分多址FDMA或OFDM)、碼域(碼分多址CDMA)或空域(空分多址SDMA)內(nèi)而在電臺之間進行劃分。在此，(例如在GSM[全球移動通信系統(tǒng)]、TETRA[地面集群無線電]、DECT[歐洲數(shù)字無繩電話]、UMTS[通用移動電信系統(tǒng)])經(jīng)常根據(jù)無線接口把傳輸媒體再分為頻率信道和/或時間信道。這些信道通常被稱為傳輸信道或無線信道。在分散協(xié)調(diào)的系統(tǒng)中，借助測量來判斷該傳輸信道的可用性。根據(jù)無線電的傳播、也即根據(jù)無線電場的衰減，也可以按照相應(yīng)的間隔來再次使用這些傳輸信道。
在無線傳輸系統(tǒng)的發(fā)射臺和至少一個接收臺之間進行無線傳輸時，此時由于傳輸信道的頻選而將導致干擾現(xiàn)象，這被公知為符號間干擾和多路接入干擾。傳輸信道的傳輸帶寬越大，這些干擾造成發(fā)射信號的失真就越厲害。
通常，在發(fā)射臺處產(chǎn)生發(fā)射信號時沒有考慮有效的無線信道。在第二個步驟中補償隨后出現(xiàn)的干擾現(xiàn)象，至少是近似地通過相應(yīng)匹配的且經(jīng)常極昂貴的方法在接收臺處利用信道估測方法來補償。
此時非常有意義的是用一些信道估測方法來估測一個線性的不隨時間變化的或隨時間變化緩慢的信道的傳遞函數(shù) 所述的信道在OFDM系統(tǒng)中具有一個或多個輸入k和一個或多個輸出ka，其中k＝1...K，而且K為大于或等于1的自然數(shù)，ka＝1...Ka，而且Ka是大于或等于1的自然數(shù)。這些信道譬如出現(xiàn)在無線電系統(tǒng)中。在此，MIMO(多入多出)信道由從每個發(fā)射天線到每個接收天線的無線信道組成，其中信號在接收天線上被相加地疊加。另外，MIMO信道的輸出信號上還被相加地疊加了一個干擾。這種一般的模型包含有以下的無線電系統(tǒng)-具有一個或多個發(fā)射臺，-在每個發(fā)射臺上具有一個或多個發(fā)射天線，-具有一個或多個接收臺，以及-在每個接收臺上具有一個或多個接收天線。
發(fā)射天線的基底是MIMO信道的輸入，接收天線的基底是MIMO信道的輸出。必要時存在于發(fā)射機或接收機側(cè)的信號處理器內(nèi)的濾波器、放大器等同樣可以被視為該MIMO信道的組成部分。
目的是盡可能準確地得知從每個輸入到每個輸出的、系統(tǒng)帶寬內(nèi)的信道的傳遞函數(shù)。為此，向每個輸入饋入一個或多個具有有限時延、已知頻率和已知復數(shù)幅值的正弦信號。利用MIMO信道的輸出上的混合信號應(yīng)該可以估測出所述的傳遞函數(shù)。
常規(guī)的方式在于以下特征1.如此地選擇在輸入上被饋入的正弦信號頻率，使得相鄰的正弦信號的頻率間隔的倒數(shù)至少對應(yīng)于從該輸入到一個輸出的最長信道脈沖響應(yīng)的時延。于是滿足在頻域內(nèi)的采樣理論。
2.在相同或不同輸入上被饋入的兩個任意的時間限制的正弦信號的頻差的倒數(shù)是該正弦信號的時延的整數(shù)倍。于是被饋入的正弦信號是正交的。
3.由于在經(jīng)過所述線性的隨時間不變的、或在該正弦信號時延內(nèi)隨時間只有可忽略變化的信道傳輸給輸出時，所述被饋入的信號的正交性因在OFDM系統(tǒng)內(nèi)所使用的周期性前綴而不會喪失，所以來自于各個正弦信號的正弦輸出信號在MIMO信道的輸出信號中可以通過濾波或傅立葉變換被分離開來。
4.由正弦輸出信號的復數(shù)幅值和被饋入的有關(guān)正弦信號的復數(shù)幅值所組成的商對應(yīng)于從MIMO信道的有關(guān)輸入到輸出的傳遞函數(shù)在該正弦信號頻率時的采樣值。
5.對于位于被饋入各個信道內(nèi)的正弦信號頻率之間的頻率，傳遞函數(shù)在這些頻率時的值可以通過內(nèi)插來得到。如果已經(jīng)選擇被饋入的正弦信號的、按照1.所得到的最大可能的頻率間隔，那么必須按照采樣理論使用sinc函數(shù)來進行內(nèi)插。如果被饋入的正弦信號的頻率間隔已經(jīng)被選擇的更小，則可以使用這種過采樣來改善傳遞函數(shù)的估測。
從2.得出，只使用位于一個固定頻率格柵內(nèi)的離散頻率。被饋入MIMO信道的正弦信號必須具有不連續(xù)的頻率，尤其在兩個不同的輸入上只允許饋入頻率不連續(xù)的正弦信號。
因此，本發(fā)明所基于的任務(wù)在于，針對MIMO多信道系統(tǒng)為所有的輸出和所有的載頻來估測傳遞函數(shù)的值。
該任務(wù)通過具有權(quán)利要求1所述特征的方法和具有權(quán)利要求10所述特征的通信系統(tǒng)來解決。本發(fā)明的改進和擴展由從屬權(quán)利要求給出。
為了在通信系統(tǒng)的系統(tǒng)帶寬內(nèi)估測信道性能，所述的通信系統(tǒng)在至少一個進行發(fā)送的輸入k和至少一個進行接收的有關(guān)輸出ka之間包括至少一個傳輸信道，其中k＝1...K且K為大于或等于1的自然數(shù)，以及ka＝1...Ka且Ka為大于或等于1的自然數(shù)，其中，所述的至少一個傳輸信道通過一個傳遞函數(shù) 來表征，根據(jù)本發(fā)明，與傳遞函數(shù) 相應(yīng)的信道脈沖響應(yīng) 的時延被選擇得小于需經(jīng)所述傳輸信道進行傳輸?shù)姆柕挠行r延。
在沒有該條件的情況下，在K＞1的多用戶環(huán)境中進行信道估測是不可能的，因為需要在每個子載波fn上從所接收的單個復數(shù)幅值中估測出多個傳遞函數(shù) k＝1...K的值。但是，如果與傳遞函數(shù) 相應(yīng)的信道脈沖響應(yīng) 的時延小于需經(jīng)所述傳輸信道進行傳輸?shù)姆柕挠行r延，那么單個傳遞函數(shù) 在不同的子載波上的值并不是完全無關(guān)的。這是從單個接收的復數(shù)幅值中共同地估測多個傳遞函數(shù) k＝1...K的值的基礎(chǔ)。
在本發(fā)明的一種改進方案中，為了進行信道估測而采用至少一個載波頻率的測試信號，其中測試信號也可以使用相同的載波頻率。
如下所示，從權(quán)利要求1的條件中可以推導出-把可供支配的頻率分配到各個輸入上不必要象在頻率必須不連續(xù)的情況中那樣進行協(xié)調(diào)，-實現(xiàn)了信道估測的較高的頻率分集，-實現(xiàn)了信道估測的較高的干擾分集，以及-相對于窄帶干擾信號，降低了當在輸入上采用少數(shù)不連續(xù)的頻率時對各個信道進行信道估測的高靈敏度，其中所述的窄帶干擾信號的頻率偶爾會對應(yīng)于所采用的正弦信號之一的頻率。
在本發(fā)明的一種改進方案中，各個傳輸信道分別是不相關(guān)聯(lián)的。
由于不同的傳輸信道是完全不相關(guān)聯(lián)的，所以可以獨立地在所有的接收臺內(nèi)執(zhí)行所述的信道估測。因此，當從每個輸出的輸出信號中分別估測從所有的輸入到該輸出的傳遞函數(shù)時，MIMO信道估測任務(wù)相當于多個并行的MISO(多入單出)信道估測任務(wù)。
有利的是，為進行信道估測而采用利用導頻符號P(k)被調(diào)制的測試信號，其中該測試信號在接收機內(nèi)是已知的。尤其是，每個傳輸信道分別只采用一個傳輸導頻符號P(k)來進行信道估測。
通過每個傳輸信道采用一個導頻符號，可以借助該單個的符號來估測所有子載波的傳遞函數(shù)值。尤其不需要讓發(fā)射臺使用不同的載波頻率。但是，當未被使用的子載波的導頻符號被置為零時，也可以通過該方案來掩蓋該特殊情況。
有利的是，采用被調(diào)制的正弦信號作為所述的測試信號。在正弦信號的情況下，可以簡單地從接收信號的復數(shù)幅值和發(fā)射信號構(gòu)成的商中得出傳遞函數(shù)。
在本發(fā)明的一種改進方案中，所述被估測的傳遞函數(shù) 通過由一個估測矩陣M和所述接收信號 的乘積H‾^(k,ka)(f)=M‾·e‾P(ka)]]>來確定，其中所述的估測矩陣與所述的輸出ka無關(guān)。尤其是，所述的估測矩陣通過 來給出，其中FW為傅立葉矩陣，P＝(P(1)...P(K))是一個由各個導頻矩陣P(k)組成的總導頻矩陣。
在所述的確定中，所述的估測矩陣M是一個計算強度較大的矩陣，但該矩陣只須針對事先知道的導頻矩陣P被一次性地計算出來。另外從M還可以看出，它與傳輸信道的各個輸出無關(guān)，并由此可以被同樣地使用在每個接收臺之中。
本發(fā)明的細節(jié)和詳情將在下面借助OFDM無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用實施例來詳細講述。
在此

圖1示出了一個包括接入點(AP)、移動終端(MT)和控制單元(CU)的網(wǎng)絡(luò)的原理結(jié)構(gòu)，其中所述的控制單元(CU)在上行鏈路中執(zhí)行聯(lián)合檢測(JD)，圖2示出了一個包括接入點(AP)、移動終端(MT)和控制單元(CU)的網(wǎng)絡(luò)的原理結(jié)構(gòu)，其中所述的控制單元(CU)在下行鏈路中執(zhí)行聯(lián)合檢測(JD)。
在基于OFDM的移動無線系統(tǒng)的上行方向中應(yīng)用干擾-降低-技術(shù)的先決條件是得知從K個MT到Ka個AP(圖1和2)的所有無線信道的傳遞函數(shù) k＝1...K，ka＝1...Ka。得知該傳遞函數(shù) 是通過信道估測來獲得的。因為不同的無線信道完全是不相關(guān)聯(lián)的，所以可以分開地在所有的AP上執(zhí)行信道估測。在此，在單個特定的AP ka上考慮傳遞函數(shù) k＝1...K的估測問題就足夠了。在AP ka上，只需要從所述由K個MT同時發(fā)射出的K個OFDM符號中得出的單個接收OFDM符號來用于估測傳遞函數(shù) k＝1...K。信道估測的基本思想是基于發(fā)射OFDM符號，在這些符號中，所有正弦曲線的復數(shù)幅值是對AP ka為已知的導頻符號。在無噪聲的情況下，此時在AP ka上所接收的正弦曲線的復數(shù)幅值只取決于相應(yīng)子載波頻率fn的傳遞函數(shù) k,1...K的值。下面用N來表示每個OFDM符號的子載波數(shù)量。由此得出，一個無周期性前綴的OFDM符號的長度在所述的時平面內(nèi)為N。乍一看來，在K＞1的多用戶環(huán)境中進行信道估測是不可能的，因為需要在每個子載波fn上從所接收的單個復數(shù)幅值中估測出多個傳遞函數(shù) k＝1...K的值。但根據(jù)本發(fā)明，當信道脈沖響應(yīng) 的長度W在時平面內(nèi)小于N時，單個傳遞函數(shù) 在不同的子載波fn上的值并不是完全無關(guān)的，在典型的OFDM系統(tǒng)中偶然會是這種情況。下面研究一種利用該性能的信道估測技術(shù)。開始只考慮N＝KW(0.1)的特殊情況。目的是估測所有AP k＝1...K的傳遞函數(shù) 在所有子載波頻率fn，n＝1...N上的值。這種估測用 來表示。為此只需要單個的OFDM符號，其中每個MT k，k＝1...K在每個子載波fn，n＝1...N上發(fā)送已知的導頻符號 尤其不需要讓不同的MT使用子載波的不連續(xù)子范圍來傳輸其導頻符號 但是，當未被使用的子載波的導頻符號被置為0時也可以在所考察的一般方案中包含這種特殊情況。
傳輸模型在AP ka上所接收的正弦曲線的復數(shù)幅值的矢量為e‾P(ka)=(e‾Pλ(ka)···e‾PfN(ka))T.]]>所述在AP ka上所接收的正弦曲線的復數(shù)幅值的矢量可以從所接收的、從MT k＝1...K的傳輸導頻中得出的正弦曲線e‾P(k,ka)=(e‾Pλ(k,ka)···e‾PfN(k,ka))T,k=1...K,----(0.3)]]>的復數(shù)幅值的矢量和幾個噪聲n的疊加中得出e‾P(ka)=Σk=1Ke‾P(k,ka)+n‾.----(0.4)]]>利用MT k的導頻矩陣
和MK k在AP ka上的傳遞函數(shù)的矢量H‾(k,ka)=(H(k,ka)(f1)···H(k,ka)(fN))T,----(0.6)]]>所述在AP ka上所接收的正弦曲線的復數(shù)幅值的矢量可以從MT k的發(fā)射導頻中得出，且等于e‾P(k,ka)=P‾(k)·H‾(k,ka).----(0.7)]]>從(0.4)和(0.7)得出e‾P(ka)=Σk=1KP‾(k)H‾(k,ka)+n‾.----(0.8)]]>從數(shù)學上，(0.6)給出的傳遞函數(shù)的矢量元素之間的相互依賴性可以從MT k在AP ka上的相應(yīng)信道脈沖響應(yīng)的傅立葉變換中得出h‾(k,ka)=(h‾l(k,ka)···h‾W(k,ka))T.----(0.9)]]>利用N×N的傅立葉矩陣F，可以按下式進行傅立葉變換H‾(k,ka)=F‾·h‾(k,ka)0···0,----(0.10)]]>其中長度為W的信道脈沖響應(yīng) 等于0，被補充成長度為N個采樣。傳遞函數(shù) 的矢量在W維子空間內(nèi)通過所述傅立葉矩陣的首先的W列來定義。這時我們來定義N×N傅立葉矩陣F的N×W子矩陣
Fw[Fw]i，j＝[F]i，j，i＝1...N，j＝1...W。(0.11)利用(0.11)從(0.10)中得出H‾(k,ka)=F‾W·h‾(k,ka).----(0.12)]]>在AP ka上的總信道脈沖響應(yīng)被定義為h‾(ka)=(h‾(l,ka)T···h‾(K,ka)T)T----(0.13)]]>相應(yīng)地，在AP ka上的總傳遞函數(shù)被定義為H‾(ka)=(H‾(l,ka)T···H‾(K,ka)T)T.----(0.14)]]>利用(0.13)和(0.14)從(0.12)中得出 利用N×KN總導頻矩陣P＝(P(1)...P(K)) (0.16)和(0.15)從(0.8)中得出 系統(tǒng)矩陣G是一個N×KW＝N×N矩陣，并且通常是非奇異的，也就是說存在逆G-1。只是在非常特殊的情況下，例如當兩個MT使用相同的導頻矩陣P(k)時，所述的系統(tǒng)矩陣G才是奇異的。
信道估測器在AP ka上的總信道脈沖響應(yīng)的最大似然估測是h‾^(ka)=G‾-1·e‾P(ka).----(0.18)]]>在N≥KW(0.19)的一般情況下，必須使用偽逆(G*TG)-1G*T來替代逆G-1以進行信道估測。通過以下按照塊方式所進行的傅立葉變換，可以從對AP ka上的總信道脈沖響應(yīng)的估測 中得到在AP ka上對總傳遞函數(shù)的估測 根據(jù)(0.18)和(0.20)將得到理想的計算公式，以便從在AP ka上接收的僅N個正弦曲線的復數(shù)幅值中估測所述的傳遞函數(shù) k＝1...K在所有子載波頻率fn，n＝1...N上的所有NK個采樣 KN×N估測矩陣M的費時的且包括矩陣求逆的計算可以離線地進行，因為所述的估測矩陣M只取決于包含有事先知道的導頻符號 的總導頻矩陣P。顯然，對所有的AP ka＝1...Ka使用相同的估測矩陣M。
權(quán)利要求
1.用于在通信系統(tǒng)的系統(tǒng)帶寬內(nèi)估測信道性能的方法，其中所述的通信系統(tǒng)在至少一個輸入k和至少一個輸出ka之間包括至少一個傳輸信道，k＝1...K且K為大于或等于1的自然數(shù)，以及ka＝1...Ka且Ka為大于或等于1的自然數(shù)，其中，所述的至少一個傳輸信道通過一個傳遞函數(shù) 來表征，其特征在于與傳遞函數(shù) 相應(yīng)的、在接收側(cè)所估測的信道脈沖響應(yīng) 的時延W被選擇得小于需經(jīng)所述傳輸信道進行傳輸?shù)姆柕臅r延。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于為了對每個傳輸信道進行信道估測而采用至少一個載波頻率的測試信號，其中不同傳輸信道的測試信號也可以使用相同的載波頻率。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的傳輸信道分別是不相關(guān)聯(lián)的。
4.如權(quán)利要求1-3之一所述的方法，其特征在于為進行信道估測而采用利用至少一個導頻符號P(k)被調(diào)制的測試信號，其中該測試信號在接收側(cè)是已知的。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于每個傳輸信道分別只采用一個傳輸導頻符號P(k)來進行信道估測。
6.如權(quán)利要求1-5之一所述的方法，其特征在于所述的測試信號是被調(diào)制的正弦信號。
7.如權(quán)利要求1-6之一所述的方法，其特征在于所述被估測的傳遞函數(shù) 通過由一個估測矩陣M和所述接收信號 的乘積H‾^(k,ka)(f)=M‾·e‾P(ka)]]>來確定，其中所述的估測矩陣與所述的輸出ka無關(guān)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述的估測矩陣通過 來給出，其中FW為傅立葉矩陣，P＝(P(1)...P(K))是一個由各個導頻矩陣P(k)組成的總導頻矩陣。
9.如權(quán)利要求1-8之一所述的方法，其特征在于所述的通信系統(tǒng)采用一種按照OFDM方法的傳輸方法。
10.通信系統(tǒng)，具有經(jīng)至少一個傳輸信道相互連接的至少一個發(fā)射臺和至少一個接收臺，用于執(zhí)行如上述權(quán)利要求之一所述的方法。
全文摘要
用于在通信系統(tǒng)的系統(tǒng)帶寬內(nèi)估測信道性能的方法，其中所述的通信系統(tǒng)在至少一個進行發(fā)送的輸入k和至少一個進行接收的有關(guān)輸出ka之間包括至少一個傳輸信道，k＝1...K且K為大于或等于1的自然數(shù)，以及k
文檔編號H04L25/02GK1488220SQ01822471
公開日2004年4月7日 申請日期2001年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月11日
發(fā)明者P·W·拜爾, A·斯克拉沃斯, T·韋伯, P W 拜爾, 死 炙 申請人:西門子公司