專利名稱：一種應(yīng)用于wcdma接收機(jī)中的信道估計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于無線移動通訊領(lǐng)域的信道估計方法，特別是涉及一種無線擴(kuò)頻通訊系統(tǒng)在衰落信道情況下，提高通訊質(zhì)量的信道估計方法。
在移動通訊環(huán)境下，對電波傳播特性產(chǎn)生影響的因素主要有1、自由空間傳播損耗，主要于基站與移動電話之間的空間距離有關(guān)。
2、陰影衰落，由于地形結(jié)構(gòu)引起的傳播損耗，其表現(xiàn)為慢衰落。
3、多徑效應(yīng)，由于移動電話周圍的局部散射體引起的多路徑傳播，是到達(dá)接收機(jī)輸入端的信號相互疊加，其合成的信號表現(xiàn)為快速起伏變化。即快衰落。
4、多譜勒效應(yīng)，由于移動電話的運(yùn)動速度和方向會使接收的信號產(chǎn)生多譜勒頻偏。隨著移動速度的加快，多譜勒頻偏越明顯。
現(xiàn)有的擴(kuò)頻通訊系統(tǒng)在接收端主要采用RAKE接收機(jī)的工作方式，RAKE接收機(jī)采用分徑的方法來改善多徑效應(yīng)產(chǎn)生的影響，同時采用連續(xù)導(dǎo)頻和插入導(dǎo)頻的信道估計算法來抑制多譜勒頻偏。但在移動端快速移動的條件下，多譜勒頻偏的影響較為嚴(yán)重，傳統(tǒng)的信道估計性能將會明顯下降，從而導(dǎo)致接收端產(chǎn)生掉話，話音質(zhì)量下降嚴(yán)重等現(xiàn)象。
在“Channel Estimation Filter Using Time-Multiplexed Pilot Channelfor Coherent RAKE Combining in DS-CDMA Mobile Radio”中(IEICE TRANSCOMMUN.VOL E81-B.No.7，JULY 1998)，主要討論了一種基于相鄰時隙進(jìn)行加權(quán)平均的信道估計方法(WMSA)，估計過程如下1．對每一個時隙的導(dǎo)頻信號進(jìn)行估計，如

圖1所示。
先對該時隙的導(dǎo)頻信號的每一個符號進(jìn)行采樣，一個符號采一個樣本，然η1(n)=1NPΣm=0NP-1r1(m,n)]]>后對所有樣本求平均，得到的均值作為該時隙的導(dǎo)頻信號的估計值。
式中η1(n)是導(dǎo)頻信號估計值；Np是導(dǎo)頻信號的符號數(shù)；r1(n,m)是接收信號r(t)在t=mT+nTslot時刻的采樣值。
其中T是符號寬度，Tslot是時隙寬度，t=mT+nTslot表示第n時隙的第m個符號。
2．將多個時隙的估計值進(jìn)行加權(quán)組合。為了提高估計精度，要對連續(xù)多個時隙的估計值進(jìn)行加權(quán)組合。
這種算法利用多個時隙的導(dǎo)頻信號進(jìn)行信道估計，要求觀察的時間窗口較寬，因此它只適用于信號慢衰落的情形。這種算法的優(yōu)點在于在信號慢衰落的情況下，信道估計的性能較好，但隨著信道的惡化，例如移動速度的加快，由于沒有自適應(yīng)系統(tǒng)，信道估計的效果也會變差。
在《多用戶檢測與信道估計相結(jié)合的性能分析》中(吳俊、王藝等，北京郵電大學(xué)學(xué)報，1999年第2期中)，將平坦瑞利衰落信道近似為二階自回歸模型，并以此為基礎(chǔ)，提出了一種采用卡爾曼跟蹤濾波的信道估計方法，并結(jié)合解相關(guān)檢測、兩級干擾抵消檢測和判決反饋檢測3種多用戶檢測的同步CDMA系統(tǒng)分析了其性能。
上述兩種算法中，在相鄰時隙加權(quán)平均信道估計中采用了對幾個相鄰時隙的信道參數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均以獲得較為精確的對當(dāng)前時隙信道參數(shù)的測量。但其各個相鄰時隙的加權(quán)參數(shù)為恒定值，而實際信道參數(shù)為不斷變化值，因此在信道惡化明顯的情況下很難達(dá)到預(yù)期效果；在采用卡爾曼跟蹤濾波的信道估計方法中，利用了MMSE估計的方法，但標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波要求信道模型必須非常精確，否則很容易發(fā)散。且算法較為復(fù)雜，對硬件的要求非常高，不利于工程實現(xiàn)。
在雷達(dá)系統(tǒng)中，經(jīng)常采用簡化卡爾曼濾波算法，其主要目的是對飛行目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。首先構(gòu)建飛行軌跡模型和測量誤差模型，以此為根據(jù)，并采取適當(dāng)?shù)淖赃m應(yīng)算法機(jī)動，相應(yīng)的不斷修正濾波參數(shù)。以便準(zhǔn)確獲得飛行目標(biāo)的坐標(biāo)參數(shù)。這種方法不僅利用了系統(tǒng)的先驗知識，且可以根據(jù)實際情況，實時改變參數(shù)，因此可以準(zhǔn)確獲得所需要的各種參數(shù)。這種方法目前尚未被應(yīng)用到移動通訊系統(tǒng)中。
本發(fā)明目的在于提出一種應(yīng)用于WCDMA接收機(jī)中的，基于簡化卡爾曼跟蹤濾波的信道估計方法，能提高移動通訊系統(tǒng)在高速移動環(huán)境下的接收性能。
本發(fā)明提出了一種應(yīng)用于WCDMA接收機(jī)中的信道估計方法，其特征在于包括如下步驟(1)將輸入RAKE接收機(jī)的寬帶擴(kuò)頻信號解擾/解擴(kuò)為窄帶話音或業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；(2)根據(jù)預(yù)先知道的時隙信號格式，從時隙中提取出導(dǎo)頻信號；(3)對提取出的導(dǎo)頻信號，每個導(dǎo)頻碼元與已知導(dǎo)頻碼元進(jìn)行相關(guān)處理，獲得經(jīng)過相位幅值衰減后的碼元波形；(4)簡化卡爾曼預(yù)測，通過相位預(yù)測方程對預(yù)測下一時刻的信號狀態(tài)；(5)簡化卡爾曼濾波，獲得當(dāng)前時刻的精確濾波值；(6)對時隙內(nèi)的信道參數(shù)進(jìn)行外推；
(7)提取信道綜合估計參數(shù)；(8)對各個徑數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，并加權(quán)合并本發(fā)明采用的信道估計方法中，通過前幾個時隙的先驗知識對當(dāng)前時隙的估計值進(jìn)行預(yù)測，然后再與當(dāng)前時隙的實時估計值加權(quán)濾波，獲得當(dāng)前的精確估計值，這樣不僅消除了高斯白噪聲的影響，而且充分利用了所有的已知的多時隙的信道衰落信息。同時采用簡化卡爾曼跟蹤預(yù)測濾波算法，在獲得信號衰落模型的情況下，可以有效提高信道估計的精度，而且實現(xiàn)的難度并不復(fù)雜。
下面結(jié)合附圖和實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
圖1為相臨時隙加權(quán)平均信道估計流程圖。
圖2為寬帶CDMA接收機(jī)的基本功能結(jié)構(gòu)圖。
圖3為本發(fā)明涉及的信道估計方法的流程圖。
RAKE接收是CDMA采用的多種分集技術(shù)之一，其目的是為了減少多徑效應(yīng)引起的碼(符號)間干擾。RAKE接收就是要將不同延時的多徑信號進(jìn)行分離，然后按一定的準(zhǔn)則合并，以增強(qiáng)有用信號的能量。圖2示出了寬帶CDMA(WCDMA)接收機(jī)的基本功能結(jié)構(gòu)圖。信道估計作為接收機(jī)的核心技術(shù)之一，其主要作用是矯正移動所產(chǎn)生的多譜勒頻移，以達(dá)到準(zhǔn)確接收。
本發(fā)明所提供的信道估計方法的主要過程如下首先將原始信號解擾解擴(kuò)，獲得單徑的基帶信號，再進(jìn)行解復(fù)用，將導(dǎo)頻信號提取出來，然后去除導(dǎo)頻的信息，得到導(dǎo)頻的包絡(luò)。再在單時隙內(nèi)獲得對導(dǎo)頻信號包絡(luò)的平均。再采用簡化的卡爾曼濾波，最后獲得對當(dāng)前時隙的精確信道估計值。
對于平坦瑞利衰落信道，可以近似為一個二階自回歸模型。
可以用下式表示X(k+1)=AX(k)+Gw(k)其中，X(k)=[C(k),C(k-1)]T為模型系統(tǒng)的狀態(tài)參量。 為參數(shù)矩陣。
以此為基礎(chǔ)，建立簡化的標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼跟蹤預(yù)測濾波算法(改進(jìn)的α-β跟蹤預(yù)測濾波算法)。通過前幾個時隙的先驗知識對當(dāng)前時隙的估計值進(jìn)行預(yù)測，然后再與當(dāng)前時隙的實時估計值加權(quán)濾波，獲得當(dāng)前的精確估計值。這種方法的優(yōu)越性是顯而易見的，不僅消除了高斯白噪聲的影響，而且利用了所有的已知信息。
在得到對導(dǎo)頻符號的精確信道估計后，需要對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行補(bǔ)償。一個時隙中必須用導(dǎo)頻估計對所有的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行補(bǔ)償。如果一個時隙的時間長度相對于信道的時間常量短的多，信道的變化可以被簡化為一個可變的一階線性變化。這樣可以采用簡單的復(fù)線性變化來得出每個碼元符號的信道估計值，對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行補(bǔ)償。
如圖2所示，采用簡化卡爾曼濾波的信道估計方法的接收端按照功能可以具體被分為八個部分1．解擾解擴(kuò)在1中，輸入解擾/解擴(kuò)模塊的信號仍然是寬帶擴(kuò)頻號，首先將信號解擾/解擴(kuò)得到窄帶話音或業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。
2．導(dǎo)頻抽取通過2，根據(jù)預(yù)先知道的時隙信號格式，從時隙中提取出導(dǎo)頻信號。
3．碼元幅值相位測量模塊2對提取出的導(dǎo)頻信號，每個導(dǎo)頻碼元與已知導(dǎo)頻碼元進(jìn)行相關(guān)處理，獲得經(jīng)過相位幅值衰減后的碼元波形，其中就包含了數(shù)據(jù)信道經(jīng)過信道衰減而產(chǎn)生的相位和幅值上的衰落。
4．簡化卡爾曼預(yù)測模塊4的預(yù)測是充分利用已有信息，以及對信號構(gòu)建的模型，對下一個時刻信號的狀態(tài)進(jìn)行估計。
預(yù)測方程表示為Xp(k+1)=AXf(k)Xp(k+1)表示k+1時刻的預(yù)測值。
A為參數(shù)矩陣Xf(k)為K時刻的濾波值。
5．簡化卡爾曼濾波模塊5在取得當(dāng)前時刻的預(yù)測值和觀測值后，在通過平緩和濾波獲得當(dāng)前時刻的精確濾波值。
濾波方程可以表示為Xf=Xp+α(Xm-Xp)其中Xf為經(jīng)過濾波的精確信道參數(shù)值其中Xp為外推得到的信道參數(shù)預(yù)測值其中Xm為當(dāng)前時隙信道參數(shù)的測量值其中α為平滑系數(shù)，α=
。
當(dāng)α=0時，系統(tǒng)不利用當(dāng)前時刻的信息，而僅僅是將先前觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑和濾波。
當(dāng)α=1時，系統(tǒng)完全不進(jìn)行平滑。
典型的穩(wěn)態(tài)濾波器要設(shè)計的是觀測值的平滑濾波值的場方誤差最小。
6．時隙內(nèi)的信道參數(shù)的外推外推6的信道參數(shù)外推主要有三種方法。
(1)簡單平均對一個時隙內(nèi)部的信道估計值平均，再重復(fù)以成為時隙內(nèi)部所有碼元的信道參數(shù)。
(2)一階內(nèi)差對一個時隙內(nèi)部的信道估計值平均，再利用相鄰時隙的信道估計參數(shù)進(jìn)行一階內(nèi)差。
(3)二階內(nèi)差對一個時隙內(nèi)部的信道估計值平均，再利用相鄰三個時隙的信道估計參數(shù)進(jìn)行二階曲線擬和。
7．信道估計參數(shù)的提取對經(jīng)過解擾解擴(kuò)的任一單徑信號I0/Q0，在每一時隙內(nèi)經(jīng)過時分解復(fù)用后可分離成數(shù)據(jù)符號部分和導(dǎo)頻符號部分，其中I0分解為數(shù)據(jù)符號Id1和導(dǎo)頻符號Ip1Q0分解為數(shù)據(jù)符號Qd1和導(dǎo)頻符號Qp1。假設(shè)對應(yīng)該條徑的移動信道特性可表示為αLejθL，其中αL為幅度衰落系數(shù)，θL為相移；并且，每一時隙內(nèi)對應(yīng)的I路、Q路理想情況下的導(dǎo)頻符號分別為Ip和導(dǎo)頻符號Qp,Ip,Qp=±1，則(Ip1,Qp1)與(Ip,Qp)之間的對應(yīng)關(guān)系可由下式描述因此信道綜合估計7的接收信號可以用以下公式表示Ip1+jQp1=(IP+jQP)(αLejθL)整理一下，可用以下矩陣表示 對于導(dǎo)頻符號時隙內(nèi)的信道參數(shù)估計，其物理意義可理解為由已知的任一符號周期內(nèi)的(Ip1,Qp1)和(Ip,Qp)，求解(αL,θL)。求解(αLcosθL,αLsinθL)可得(αLsinθLαLcosθL)=1IP2+IP2(-QPIP1+IPQP1IPIP1+QPQP1)]]>8．對各個徑數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，并加權(quán)合并由于導(dǎo)頻信號經(jīng)過外推或曲線擬和，所以每個數(shù)據(jù)符號都有相應(yīng)時刻的導(dǎo)頻信號對之進(jìn)行信道估計參數(shù)的估計，在加權(quán)合并電路8中，每個徑補(bǔ)償加權(quán)后，進(jìn)行合并輸出。
本信道估計方法在應(yīng)用中主要通過采用專用集成電路(ASIC)或高速數(shù)字信號處理(DSP)芯片來實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于WCDMA接收機(jī)中的信道估計方法，其特征在于包括如下步驟1)將輸入RAKE接收機(jī)的寬帶擴(kuò)頻信號解擾/解擴(kuò)為窄帶話音或業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；2)根據(jù)預(yù)先知道的時隙信號格式，從時隙中提取出導(dǎo)頻信號3)對提取出的導(dǎo)頻信號，每個導(dǎo)頻碼元與已知導(dǎo)頻碼元進(jìn)行相關(guān)處理，獲得經(jīng)過相位幅值衰減后的碼元波形；4)簡化卡爾曼預(yù)測，通過相位預(yù)測方程對預(yù)測下一時刻的信號狀態(tài)；5)簡化卡爾曼濾波，獲得當(dāng)前時刻的精確濾波值；6)時隙內(nèi)的信道參數(shù)外推；7)提取信道綜合估計參數(shù)；8)對各個徑數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，并加權(quán)合并。
2.如權(quán)利要求1所述的基于簡化卡爾曼濾波的信道估計方法，其特征在于步驟4)所述的簡化卡爾曼預(yù)測的預(yù)測方程為Xp(k+1)=AXf(k)。
3.如權(quán)利要求1所述的基于簡化卡爾曼濾波的信道估計方法，其特征在于步驟5)所述的簡化卡爾曼濾波的濾波方程為Xf＝Xp+α(Xm-Xp)。
4.如權(quán)利要求1所述的基于簡化卡爾曼濾波的信道估計方法，其特征在于步驟7)所述的信道綜合估計參數(shù)的提取方法可用如下方程表示(αLsinθLαLcisθL)=1Ip2+Qp2(-QpIp1+IpQp1IpIp1+QpQp1)]]>。
全文摘要
一種應(yīng)用于WCDMA接收機(jī)中的信道估計方法,能在無線擴(kuò)頻通訊系統(tǒng)的衰落信道情況下,提高通訊質(zhì)量,本信道估計方法首先將原始信號解擾解擴(kuò),獲得單徑的基帶信號,再進(jìn)行解復(fù)用,將導(dǎo)頻信號提取出來,然后去除導(dǎo)頻的信息,得到導(dǎo)頻的包絡(luò),再在單時隙內(nèi)獲得對導(dǎo)頻信號包絡(luò)的平均,再采用簡化的卡爾曼濾波,最后獲得對當(dāng)前時隙的精確信道估計值,本發(fā)明可以在準(zhǔn)確獲得信號衰落模型的情況下,有效提高信道估計的精度。
文檔編號H04B1/10GK1286534SQ9912441
公開日2001年3月7日 申請日期1999年11月10日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月10日
發(fā)明者任震, 張斌 申請人:深圳市中興通訊股份有限公司