CN100531162C - 用于时分双工通信***的信道估算 - Google Patents

Abstract

单个发射机在时分双工通信***的一个时隙内以共享频谱发送K个通信脉冲串。***与N个中间报文序列相关。每个脉冲串都包括一个相关的中间报文序列。接收机接收与所发送的K个通信脉冲串的中间报文序列相对应的向量。部分地根据已知的K个中间报文序列建立具有N个相同的右循环行列式矩阵块的矩阵。部分地根据N个块中的一个和所接收的向量估算发射机和接收机之间的无线信道。

Description

用于时分双工通信***的信道估算

本申请是申请号为01803476.4，名称为“用于时分双工通信***的信道估算”的分案申请。本申请要求2000年1月7日申请的美国临时专利申请60/175,167的优先权。

背景技术

本发明涉及无线通信***。具体来说，本发明涉及无线通信***中的信道估算。

图1是无线通信***10的示意图。通信***10包括与用户设备(UE)14₁到14₃进行通信的基站12₁到12₅。每个基站12₁具有一相关的工作区域，在此区域内，此基站与用户设备14₁到14₃进行通信。

在一些通信***，比如码分多址(CDMA)***和使用CDMA的时分双工***(TDD/CDMA)中，多路通信在同一频谱内发送。这些多路通信通常由它们的码片编码序列区分。为了更有效地使用频谱，TDD/CDMA通信***使用划分成时隙的重复帧用于通信。在这样的***中发送的一路通信具有基于通信的带宽而分配给它的一个或多个相关的码片编码和时隙。

既然多路通信可以在同样的频谱内同时发送，这样的***中的接收机必须区分这些多路通信。一种检测这样的信号的方法是单用户检测。在单用户检测中，接收机只检测来自于期望的发射机且使用关联于该发射机的编码的通信，而把其它发射机的信号作为干扰。另外一种方法被称为联合检测。在联合检测中，多路通信同时被检测。

为了使用这样的检测技术，最好具有每路通信在其中传送的无线信道的估算。在典型的TDD***中，使用通信脉冲串中的中间报文(midamble)序列进行信道估算。

如图2所示，典型的通信脉冲串16包括中间报文20、保护周期18和两个数据脉冲串22和24。中间报文序列20分离两个数据脉冲串22和24，而保护周期18分离通信脉冲串16，从而允许从不同的发射机发送的脉冲串16的到达时间不同。两个数据脉冲串22和24包含通信脉冲串的数据。中间报文20包含用于信道估算的训练序列。

当接收机接收到通信脉冲串16以后，它使用收到的中间报文序列来估算信道。当接收机在一个时隙中接收到多个脉冲串16时，它通常估算每个脉冲串16的信道。一种这样的用于通过多路信道发送通信脉冲串16的信道估算方法叫做斯坦纳信道估算器(Steiner ChannelEstimator)。斯坦纳信道估算通常用于来自多个用户设备，即141到143的上行链路通信，其中信道估算器需要估算多路信道。

Steiner和Jung公开了一种用于信道估算的方法：“对于具有联合和检测的CDMA移动射频***的上行链路的最优和次最优信道估算”。一种方法是使用单循环相关器。通过使用已知的所发送的中间报文序列，建立矩阵M。接收到的中间报文向量e与M的第一列相乘。该乘积被循环相关器执行超过P值，且移位值2P-1次，P是中间报文编码的周期。

在一些情况下，多个脉冲串16占据同样的无线信道。一种这样的情形是高数据速率服务，比如2兆比特每秒(Mbps)的服务。在这样的***中，发射机会在一个时隙中发送多个脉冲串。通过将来自所有的脉冲串16的估算的信道响应进行平均，斯坦纳估算可以在这样的情形中应用。然而，这样的方法复杂性很高。因此，需要另外的方法来进行信道估算。

发明内容

在时分双工通信***的一个时隙内，一个单独的发射机在共享频谱中发送K个通信脉冲串。***与N个中间报文序列相关。每个脉冲串具有一个相关的中间报文序列。接收机接收相应于所发送的K个通信脉冲串的中间报文序列的一个向量。部分地基于已知的N个中间报文序列建立具有N个相同的右循环行列式矩阵块的矩阵。部分地基于N个块中的一个和接收到的向量，估算发射机和接收机之间的无线信道。

附图说明

图1是一个无线通信***。

图2是一个通信脉冲串的示意图。

图3是简化的多脉冲串(multiburst)发射机和接收机。

图4是多波群信号信道估算的流程图。

具体实施方式

图3示出了在TDD/CDMA通信***中的简化的多编码发射机26和接收机28。在优选的应用中，比如2Mbps的下行链路服务中，接收机28在一个用户设备14中，而发射机26在一个基站12₁中，不过接收机28和发射机26也可以用在其它应用中。

发射机26通过无线射频信道30发送数据。数据在K个通信脉冲串中发送。发射机26中的数据发生器32₁到32_K产生要与接收机28通信的数据。调制/扩频和训练序列***设备34₁到34_K对数据扩频且使被扩频的参考数据与中间报文训练序列以合适的分配时隙和用于扩频数据的编码时分多路传输用，从而产生K个通信脉冲串。对于发送下行链路脉冲串的基站12₁，通常的K值是从1到16。通信脉冲串被组合器48组合，且被调制器36调制成射频(RF)信号。天线38通过无线射频信道30发射RF信号到接收机28的天线40。用于发送通信的调制类型可以是任何本领域的普通技术人员熟知的类型，比如二进制相移键控(BPSK)或四相移键控(QPSK)。

接收机28的天线40接收各种射频信号。接收到的信号被解调器42解调而产生基带信号。基带信号在时隙内且与分配给发送的通信脉冲串的合适的编码一起，被诸如信道估算设备44和数据检测设备46处理。数据检测设备46可以是多用户检测器或单用户检测器。信道估算设备44使用基带信号中的中间报文训练序列成分来提供信道信息，比如信道冲击响应。信道信息被数据检测设备46用于以硬码元估算接收到的通信脉冲的发送数据。

尽管多脉冲信道估算可以应用到其它的中间报文类型，为了显示多脉冲信道估算的一种具体实施，下面的中间报文类型被使用。K个中间报文编码，即m ^(k) ，其中k＝1...K，得自周期P码片的周期性的单个基本中间报文编码m _p 的时间移位版本。每个中间报文编码的长度是L_m＝P+W-1。W是用户信道脉冲响应的长度。L_m的通常值是256和512个码片。W是用户信道脉冲响应的长度。尽管下面的讨论基于每个脉冲串具有不同的中间报文编码，一些中间报文可以具有相同的编码。所以，分析基于N个中间报文编码，其中N＜K。另外，***可以具有一个最大数目的可接受的中间报文编码N。即使被发送的编码少于N个，在这样的***中的接收机28也为最大N个编码估算信道。

m _p 的元素从整数集{1，-1}中取值。序列m _p 首先转化成复数序列

$\underset{\‾}{{\tilde{m}}_p}\left[i\right]=j^i\·\underset{\‾}{m_p}\left[i\right],$ 其中i＝1...P

通过从连接两个周期的

而形成的长度为2P的序列中选择长度为L_m的K个子序列，从而获得m ^(k) 。m ^(k) 的第i个元素与

的关系如公式1。

$\underset{\‾}{m_i^{\left(k\right)}}={\tilde{m}}_P[(K-k)W+i],$ 对于1≤i≤P-(K-k)W

$={\tilde{m}}_P[i-P+(K-k)W],$ 对于P-(K-k)W≤i≤P+W-1

公式1

这样，当k从1增加到K时，m ^(k) (k＝1...K)的开始点向右移位W个码元。

所组合的接收到的中间报文序列是K个卷积的叠加。第k个卷积代表m ^(k) 与h^(k)的卷积。h^(k)是第k个用户的信道响应。脉冲串中前面的数据字段破坏了接收到的中间报文最初的(W-1)个码片。因此，为了进行信道估算，只有L_m个码片的后P个用来估算信道。

多脉冲信道估算将结合图4中的流程图进行解释。公式2是为了用来解出单独的信道响应h^(k)。

$\left[\begin{array}{ccc}{m}_P& ...& m_{(K-1)W+1}\\ m_1& ...& m_{(K-1)W+2}\\ m_2& ...& m_{(K-1)W+3}\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ & .& \\ & .& \\ m_{\mathrm{KW}-1}& .& m_{(K-1)W}\end{array}\right|\left.\begin{array}{ccc}{m}_{(K-1)W}& ...& m_{(K-2)W+1}\\ m_{(K-1)W+1}& ...& m_{(K-2)W+2}\\ m_{(K-1)W+2}& ...& m_{(K-2)W+3}\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ m_{(K-1)W-1}& ...& m_{(K-2)W}\end{array}\right|...\left|\begin{array}{ccc}{m}_W& ...& m_1\\ m_{W+1}& ...& m_2\\ m_{W+2}& ...& m_3\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ m_{W-1}& & m_P\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{\underset{\‾}{h}}^{\left(1\right)}\\ {\underset{\‾}{h}}^{\left(2\right)}\\ .\\ .\\ .\\ {\underset{\‾}{h}}^{\left(K\right)}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{r}_W\\ r_{W+1}\\ r_{W+2}\\ .\\ .\\ .\\ r_{L_m}\end{array}\right]$

公式2

r_W...r_LM是接收到的中间报文序列的组合码片。m值是m _p 的元素。

公式2也可以重新简写为公式3。

$\underset{k-1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{M}^{\left(k\right)}\stackrel{\‾}{h^{\left(k\right)}}=\stackrel{\‾}{r}$

公式3

每个M^(k)是一个KW乘W的矩阵。r是接收到的中间报文码片响应。当所有的脉冲串在同样的信道中传播时，h⁽¹⁾...h^(k)可以被h取代，如公式4以及图4中的50。

$\left[\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{M}^{\left(k\right)}\right]\stackrel{\‾}{h}=\stackrel{\‾}{r}$

公式4

G按照公式5来定义。

G＝[M⁽¹⁾，...，M^(k)，...，M^(k)]

公式5

结果是，G是KW乘KW的矩阵。既然G是右循环行列式矩阵，如公式6和图4中的52所示，公式4可以使用K个同样的右循环行列式矩阵块B重写。

$\left[\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{M}^{\left(k\right)}\right]=\left[\begin{array}{c}B\\ B\\ .\\ .\\ .\\ B\end{array}\right]=D$ 公式6

B是W乘W的右循环行列式矩阵。B块有K个。利用公式6，公式4可以重写成公式7。

Dh＝r

公式7

公式7描述了具有KW乘W维的由多种因素决定的(over-determined)***。解出公式7的一种方法是最小二乘法，如图4中的52所示。公式7的最小二乘法由公式8给出。

$\widehat{\stackrel{\‾}{h}}={\left(D^{H}D\right)}^{-1}{D}^H\stackrel{\‾}{r}$

公式8

D^H是D的共轭矩阵。

应用公式6到公式8就得到公式9。

${\left(D^{H}D\right)}^{-1}=\frac{1}{K}{\left(B^{H}B\right)}^{-1}$

公式9

接收到的KW维的向量r可以根据公式10进行分解。

$\stackrel{\‾}{r}=\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{r}}_1\\ {\stackrel{\‾}{r}}_2\\ .\\ .\\ .\\ {\stackrel{\‾}{r}}_k\end{array}\right]$ 公式10

r_k是W维的。把公式9和公式10代入公式8，用于信道系数的最小二乘法可以根据公式11得出。

$\widehat{\stackrel{\‾}{h}}={\left(B^{H}B\right)}^{-1}{B}^H\left(\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{r}}_k\right)={\left(B^{H}B\right)}^{-1}{B}^H{\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{r}}}_k$ 公式11

代表r的段的平均。由于B是方阵，公式11变为公式12。

$\widehat{\stackrel{\‾}{h}}=B^{-1}{\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{r}}}_k$ 公式12

由于B是右循环行列矩阵，且右循环行列式矩阵的逆也是右循环行列式矩阵，信道估算器可以由57维的单一循环相关器实现，或者通过离散傅里叶变换(DFT)解法。

W点的DFT方法如下所述。既然B是右循环行列的，就可以使用公式13。

$B=D_W^{-1}\·{\mathrm{\Λ}}_C\·D_W$

公式13

D_W是根据公式14的W点DFT矩阵。

$D_W=\left[\begin{array}{cccccc}{\tilde{W}}^0& {\tilde{W}}^0& {\tilde{W}}^0& {\tilde{W}}^0& ...& {\tilde{W}}^0\\ {\tilde{W}}^0& {\tilde{W}}^1& {\tilde{W}}^2& {\tilde{W}}^3& ...& {\tilde{W}}^{(W-1)}\\ {\tilde{W}}^0& {\tilde{W}}^2& {\tilde{W}}^4& {\tilde{W}}^6& ...& {\tilde{W}}^{2(W-1)}\\ {\tilde{W}}^0& {\tilde{W}}^3& {\tilde{W}}^6& {\tilde{W}}^9& ...& {\tilde{W}}^{3(W-1)}\\ .& .& .& .& & .\\ .& .& .& .& ...& .\\ .& .& .& .& & .\\ {\tilde{W}}^0& {\tilde{W}}^{(W-1)}& {\tilde{W}}^{2(W-1)}& {\tilde{W}}^{3(W-1)}& ...& {\tilde{W}}^{(W-1)(W-1)}\end{array}\right]$

公式14

根据公式15，Λ_C是对角矩阵，其主对角线是B的第一列的DFT。

Λ_C＝diag(D_W(B(：，1)))

公式15

$\tilde{W}=e^{-j2\mathrm{\π}/w}.$ 这样，D_W是DFT运算符，从而D_W x代表向量x的W点DFT。通过把公式13带入公式12，且使用 $D_W^{-1}=\frac{D_W^{*}}{W},$ 就得到公式16。

$\stackrel{\‾}{h}=({D_W}^{*}\·\frac{1}{W}\·{\mathrm{\Λ}}_C^{-1}\·D_W)\stackrel{\‾}{r}$ 公式16

D_W ^*是DW的元素乘元素复共轭。

作为选择，根据Λ_R而不是Λ_C可以导出表达h的等效形式。根据公式17，Λ_R是对角矩阵，其主对角线是B的第一行的DFT。

Λ_R＝diag(D_W(B(1，：)))

公式17

既然B的转置矩阵B^T也是右循环行列的，且B^T的第一列是B的第一行，则B^T可以用公式18表达。

$B^T=D_W^{-1}\·{\mathrm{\Λ}}_R\·D_W$ 公式18

应用公式18以及D_W ^T＝D_W且Λ_R ^T＝Λ_R，并且对于任何可逆矩阵A，(A^T)^-1＝(A^-1)^T，B可以由公式19来表达。

$B=D_W\·{\mathrm{\Λ}}_R\·D_W^{-1}$

公式19

把公式19带入公式12，且 $D_W^{-1}=\frac{D_W^{*}}{W},$ 则得出公式20。

$\stackrel{\‾}{h}=(D_W\·{\mathrm{\Λ}}_R^{-1}\·\frac{1}{W}{D}_W^{*})\stackrel{\‾}{r}$ 公式20

公式16或公式20可以用来解出h。既然所有的DFT的长度都是W，解出上述公式的复杂度就大大降低了。

使用单周期相关器的方法如下。既然B^-1是右循环行列式矩阵的逆，它可以写成公式21。

$B^{-1}=T=\left[\begin{array}{ccccc}{T}_1& T_P& ...& T_3& T_2\\ T_2& T_1& ...& T_4& T_3\\ .& .& & .& .\\ .& .& ...& .& .\\ .& .& & .& .\\ T_{W-1}& T_{W-2}& ...& T_1& T_W\\ T_W& T_{W-1}& ...& T_2& T_1\end{array}\right]$

公式21

矩阵T的第一行等于Λ_R ^-1的主对角线的逆DFT。这样，矩阵T完全由Λ_R ^-1确定。

信道响应h的分支(taps)可以通过T的相继行和接收到的向量r的W长的部分的平均的内积相继得到。T的相继行是前面的行的循环右移位版本。使用寄存器来产生内积，第一寄存器保存r的平均部分，第二寄存器是一个保存矩阵T的第一行的移位寄存器。第二寄存器以确定的时钟速率循环移位。在每个时钟周期，通过存储在两个寄存器中的向量的内积确定h的一个新元素。更为有利的是移位矩阵T的第一行而不是移位接收到的中间报文。结果是不需要多余的用于中间报文的存储空间。中间报文连续存在于保存整个脉冲串的接收缓冲器中。既然相关器的长度只有W，估算信道的复杂度可以显著的降低。

Claims (12)

1.一种用户设备，所述用户设备包括：

天线，用于在一个时隙中通过共享频谱的无线信道，从发射机接收K个码分多址通信脉冲串，其中每个脉冲串具有一个关联的中间报文序列，所述关联的中间报文序列是N个已知中间报文序列中的一个；

用于定义向量的装置，所述向量对应于与所接收的K个码分多址通信脉冲串关联的中间报文序列；

一信道估算器，用于根据部分所述N个已知中间报文序列建立包含N个相同的右循环行列式矩阵区块的矩阵，并且根据所建立的矩阵和所接收到的向量来估算所述无线信道；以及

一数据检测器，用于利用所估算的无线信道从所接收的通信脉冲中恢复数据。

2.如权利要求1所述的用户设备，其中所述数据检测器为一多用户检测器。

3.如权利要求1所述的用户设备，其中所述数据检测器为一单用户检测器。

4.如权利要求1所述的用户设备，其中所述信道估算器被配置用于利用最小二乘法来执行无线信道估算。

5.如权利要求4所述的用户设备，其中所述信道估算器被配置用于利用离散傅里叶变换解法来执行所述最小二乘法。

6.如权利要求4所述的用户设备，其中所述信道估算器被配置为具有用于执行所述最小二乘法的单循环相关器。

7.一种用于用户设备的无线通信方法，其中所述用户设备具有天线、信道估算器和数据检测器，所述方法包括：

在一个时隙中，使用所述天线通过共享频谱的无线信道而从发射机接收K个码分多址通信脉冲串，其中每个脉冲串具有一个关联的中间报文序列，所述关联的中间报文序列是N个已知中间报文序列中的一个；

定义向量，所述向量对应于与所接收的K个码分多址通信脉冲串关联的中间报文序列；

使用所述信道估算器以根据部分所述N个已知中间报文序列来建立具有N个相同的右循环行列式矩阵区块的矩阵，并且根据所建立的矩阵和所接收到的向量来估算所述无线信道；以及

使用所述数据检测器以利用所估算的无线信道从所接收的通信脉冲中恢复数据。

8.如权利要求7所述的方法，其中使用多用户检测器来执行所述恢复数据。

9.如权利要求7所述的方法，其中使用单用户检测器来执行所述恢复数据。

10.如权利要求7所述的方法，其中利用最小二乘法来执行所述无线信道估算。

11.如权利要求10所述的方法，其中利用离散傅里叶变换解法来执行所述最小二乘法。

12.如权利要求10所述的方法，其中利用单循环相关器来执行所述最小二乘法。

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