CN1702477A - 速率估计设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于通信***的速率估计设备和方法，该通信***包括用于通过无线信道发送信号的发送机和用于接收信号并再生数据的接收机。所述设备包括用于从接收信号检测导频信号的导频信号检测器，最大多普勒频率估计器，用于利用导频信号检测器检测的导频信号估计最大多普勒频率，以及自适应频带限制滤波器，其具有基于最大多普勒频率估计器的在先输出值的限制频带。通过利用导频信号，其在通过频带限制滤波器时消除了噪声，精确估计最大多普勒频率从而估计速率成为可能。

Description

速率估计设备和方法

技术领域

本发明涉及移动通信***，尤其是用于估计移动通信***中的运动物体的速率的技术。

背景技术

在下一代无线通信中，由于必须利用有限的频率资源来支持大型多媒体数据包数据业务，所以将基于精确信道信息的***资源分配当作一个重要的因素。

因此，移动终端的速率是分配***资源的信道信息中必不可少的元素，而且将其特别应用于在使用自适应算法的接收模式中，确定诸如信道跟踪长度、数字复用器的大小等等之类的系数。此外，运动物体的速率信息是蜂窝通信***中功率控制和切换控制的重要信息。

在移动终端中，接收到的信号经历衰减现象和多普勒频移现象。通常，在移动通信***中，由接收机天线接收到的瞬时信号功率对应于多路径接收到的信号的总和，该多路径由发送机发送到接收机的散射和反射信号产生。接收到的信号可分为慢衰落信号分量和快衰落信号分量。慢衰落分量受发送机和接收机之间的地形的影响，而且接收到的功率根据测量的位置而变化。也将快衰落分量称为瑞利衰落，并受传送路径上存在的障碍物引起的散射和反射信号的影响，所述障碍物例如建筑物、树和汽车等等。因此，移动终端接收到的信号功率在慢衰落和快衰落的影响下瞬时变化。

如上所述，在移动终端(接收机)，接收到的信号经历多普勒频移现象。多普勒频移现象在接收到的信号中产生频率误差，该误差与移动终端相对于基站(发送机)的速率成比例。

就此而论，通过利用由于多普勒频移现象而在接收信号中产生的频率误差与移动终端的运动速率成比例的特性，估计移动终端的速率成为可能。因此，在移动通信***中，移动终端的速率可通过检测从基站接收到的信号的最大多普勒频率来进行估计。

有关用于信道系数测量的最大多普勒频率估计的研究由来已久。通过这个研究，利用过零率(ZCR)、过电平率(LCR)、自动相关函数(ACF)或者接收信号协方差(COV)的多普勒频率估计算法已在现有技术中公开。

在传统的基于ZCR或LCR的最大多普勒频率估计技术中，由于没有考虑附加噪声的影响，当在包含噪声的衰落信号中估计最大多普勒频率时就会出现较大的失真。

在传统的基于ACF的最大多普勒频率估计技术中，信噪比(SNR)用于补偿在衰落信道中出现的估计失真。然而，由于在变化很快的移动通信环境中很难精确估计信噪比，所以很难可靠地实现该技术。

尽管在直达波存在的赖斯衰落环境中，传统的基于COV的最大多普勒频率估计技术展示出了强于那些基于ACF的传统最大多普勒频率估计技术的特性。然而，传统的基于COV的最大多普勒频率估计技术仍然具有在含有噪声的衰落信道中出现很大程度的失真的缺陷，而且必须精确确定SNR来补偿失真。

为了应对上述问题，现有技术中提出了一种用于利用筛选的自动相关函数(ACF)估计最大多普勒频率的技术。通过使用该技术，虽然减少由于附加噪声引起的失真成为可能，但是由于滤波造成的信号失真在高最大多普勒频率环境中也增加了。同样，因为使用筛选的自动相关函数的技术并非完美地消除而是仅仅减轻了噪声的影响，在具有非常低的信噪比的环境中仍将出现失真。

在利用筛选的自动相关函数(ACF)估计最大多普勒频率的技术的变体中，使用具有时差的信号的自动相关函数比值。在这种情况下，虽然不受噪声影响估计最大多普勒频率成为可能，却造成可估计的最大多普勒频率范围减少一半的缺陷，而且由于主要使用自动相关函数，在直达波存在的赖斯衰落环境中性能特性会比较微弱。

发明内容

因此，设计本发明来解决以上以及现有技术中存在的其它问题，本发明的一个目的是提供一种用于在移动通信***中估计最大多普勒频率的速率估计设备和方法，能够不受噪声影响有效地估计最大多普勒频率而不减少可估计范围。

本发明的另一个目的是提供一种用于移动通信***的速率估计设备和方法，能在瑞利衰落环境和赖斯衰落环境中可靠地估计最大多普勒频率。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于通信***中的速率估计设备，所述通信***包括用于通过无线信道发送信号的发送机和用于接收信号和再生数据的接收机。所述设备包括：导频信号检测器，用于从接收的信号中检测导频信号；最大多普勒频率估计器，用于利用由导频信号检测器检测到的导频信号估计最大多普勒频率；以及位于最大多普勒频率估计器输入端的自适应频带限制滤波器，其产生一个与最大多普勒频率估计器的在先输出值一致的界限带宽。

根据本发明的另一方面，提供一种用于移动通信***的速率估计设备，所述移动通信***包括至少一个用于为服务区的移动站提供无线接入服务的基站。所述设备包括：RF处理单元，用于将接收的无线信号下转换为基带信号；采样单元，用于从RF处理单元输出的基带信号中采样预定部分并输出数字信号；导频信号检测单元，用于从采样单元输出的数字信号中检测导频信号；自适应频带限制单元，用于仅通行导频信号检测单元信号输出中的导频信号；最大多普勒频率估计器单元，用于利用由自适应频带限制单元滤出的导频信号估计最大多普勒频率；以及速率信息生成单元，用于将最大多普勒频率估计器单元估计的最大多普勒频率值转换成速率信息。

根据本发明的再一个方面，提供一种用于通信***的速率估计方法，该***包括用于通过无线信道发送信号的发送机和用于接收信号并再生数据的接收机。该方法包括步骤：从接收的信号中检测出导频信号；对导频信号执行频带限制过滤工作；利用频带限制过滤后的导频信号估计最大多普勒频率；以及利用估计的最大多普勒频率生成速率信息。

根据本发明的又一个方面，提供一种用于移动通信***的速率估计方法，***包括至少一个用于为服务区内的移动站提供无线接入服务的基站。该方法包括步骤：将接收的无线信号下转换为基带信号；采样基带信号的预定部分并输出数字信号；从数字信号中检测导频信号；对导频信号执行频带限制过滤工作；利用频带限制过滤的导频信号估计最大多普勒频率；以及将估计的最大多普勒频率转换成速率信息。

附图说明

以上及本发明的其它目的、特征和优点将通过以下结合附图的详细说明更加明显，附图如下：

图1A是说明在使用基于ZCR和LCR的最大多普勒频率估计技术时由附加噪声引起的最大多普勒频率失真的曲线图；

图1B是说明在使用基于ACF和COV的最大多普勒频率估计技术时由附加噪声引起的最大多普勒频率失真的曲线图；

图2是说明依照本发明实施例的速率估计设备的框图；

图3A是说明根据本发明通过自适应频带限制滤波器之前接收的导频信号的功率频谱的图形；

图3B是说明根据本发明通过自适应频带限制滤波器之后接收的导频信号的功率频谱的图形；

图4A是说明比较本发明最大多普勒频率估计技术和常规基于ZCR的最大多普勒频率估计技术的性能的实验结果图表；

图4B是说明比较本发明最大多普勒频率估计技术和常规基于LCR的最大多普勒频率估计技术的性能的实验结果图表；

图4C是说明比较本发明最大多普勒频率估计技术和常规基于ACF的最大多普勒频率估计技术的性能的实验结果图表；和

图4D是说明比较本发明最大多普勒频率估计技术和常规基于COV的最大多普勒频率估计技术的性能的实验结果图表。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明的优选实施例。在以下说明中，相同的元件将由相同的标号来指示，尽管它们显示在不同的图中。而且，下列说明出现的各种特殊限定，例如分组标识符的特定值、显示信息的内容等等，仅用来帮助理解本发明，而且对本领域的技术人员来说显然可以实施本发明而不需要上述限定。

进一步地，在本发明的以下说明中，在其可能妨碍本发明的主题时，将省略在此包括的已知功能和结构的详细描述。

在不考虑附加噪声时，前述的基于ZCR、LCR、ACF和COV的最大多普勒频率估计技术将分别以公式(1)至(4)表达。

$Z_R=\sqrt{2}{f}_m......\left(1\right)$

$L_R=\sqrt{2\mathrm{\π}}{f}_m{\mathrm{\ρe}}^{-{\mathrm{\ρ}}^2}......\left(2\right)$

$\frac{{\mathrm{\φ}}_1}{{\mathrm{\φ}}_0}=J_0\left(2\mathrm{\π}{f}_m{T}_S\right)......\left(3\right)$

$\frac{\mathrm{Cov}\left[a^2\left(i\right)a^2(i+1)\right]}{\mathrm{Var}\left[a^2\left(i\right)\right]}=J_0^2\left(2\mathrm{\π}{f}_m{T}_S\right)......\left(4\right)$

在公式(1)和(2)中，Z_R和L_R是接收信号的过零率(ZCR)和过电平率(LCR)的值，而f_m是最大多普勒频率。

在公式2中，ρ是用于统计电平跨过(crossing)发生的数量的参考电平R和平均接收电平Rrms间的比值。

在公式3和4中，T_s是导频信号的周期。

公式3中，φ_k是接收到的信号之间的自动相关函数(ACF)值，所述信号被第k个抽样时间分离。

公式4中，α(i)是第i个接收信号的大小，以及Cov[]和Var[]是协方差和自方差值。

图1A和图1B是说明使用基于ZCR、LCR、ACF和COV的最大多普勒频率估计技术时由附加噪声导致的最大多普勒频率失真的曲线图。结合图1A和图1B，应该可以明白，在所有基于ZCR、LCR、ACF和COV的最大多普勒频率估计技术中，估计的最大多普勒频率在具有较低信噪比的环境下，与真实最大多普勒频率相比是严重失真的。

考虑到附加噪声的影响重新推导公式(1)到(4)，可以得到公式(5)到(8)。

$Z_R=\sqrt{\frac{\mathrm{\γ}+1}{\mathrm{\γ}+2B_m^2/3f_m^2}}\sqrt{2}{f}_m......\left(5\right)$

$L_R=\sqrt{\frac{\mathrm{\γ}+1}{\mathrm{\γ}+2B_m^2/3f_m^2}}\sqrt{2}{f}_m{\mathrm{\ρe}}^{-{\mathrm{\ρ}}^2}......\left(6\right)$

$\frac{{\mathrm{\φ}}_1}{{\mathrm{\φ}}_0}=\left(\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}+1}\right)(J_0\left(2\mathrm{\π}{f}_m{T}_S\right)+\frac{\sin c\left(B_m{T}_S\right)}{\mathrm{\γ}})......\left(7\right)$

$\frac{\mathrm{Cov}\left[a^2\left(i\right)a^2(i+1)\right]}{\mathrm{Var}\left[a^2\left(i\right)\right]}={\left(\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}+1}\right)}^2{(J_0\left(2\mathrm{\π}{f}_m{T}_S\right)+\frac{\sin c\left(B_m{T}_S\right)}{\mathrm{\γ}})}^2......\left(8\right)$

在公式(5)到(8)中，γ是信噪比(SNR)以及B_m是附加噪声的带宽。因而，为了精确估计有噪声的信道环境下的最大多普勒频率，需要信噪比γ的信息。

然而，由于在变化很快的移动通信环境中很难精确估计有关信噪比的信息，通常利用公式(1)到(4)估计最大多普勒频率，其没有考虑噪声的影响。因此，由于附加噪声在最大多普勒频率估计值中会出现严重的失真。

在本发明中，通过将附加噪声的带宽B_m限制到最大多普勒频率f_m的 倍来实现自适应频带限制工作，作为通过衰落信道的导频信号带宽，从而防止在传统的基于ZCR、LCR、ACF和COV的最大多普勒频率估计技术中出现的失真。

图2是说明根据本发明实施例的速率估计设备的框图。参照图2，速率估计设备包括：RF处理单元201，用于从由天线(未示出)接收到的信号中过滤特定频带的信号，并将过滤的信号下转换成基带信号；采样单元203，用于从RF处理单元201输出的基带信号中采样预定部分并输出数字信号；数据信号处理单元205用于将从采样单元203输出的数字信号再生为发送数据；导频信号检测单元207用于从采样单元203输出的数字信号检测导频信号；自适应频带限制滤波器209用于仅通行导频信号检测单元207输出的信号中的导频信号；最大多普勒频率估计单元211用于利用通过自适应频带限制滤波器209的导频信号来估计最大多普勒频率；以及速率信息生成单元213用于将最大多普勒频率估计单元211输出的最大多普勒频率估计值转换成速率信息并输出所转换的速率信息。

自适应频带限制滤波器209的通带由最大多普勒频率估计单元211所估计的在先最大多普勒频率估计值来决定，而且将最大多普勒频率估计单元211的输出通过独立的反馈线路212提供给自适应频带限制滤波器209。

最大多普勒频率估计单元211利用前述的基于ZCR、LCR、ACF或COV的技术估计最大多普勒频率。

如上所述，因为估计的最大多普勒频率与运动物体的速率成比例，那么就可能以一种简单的方式来获得速率信息。

导频信号检测单元207所检测的导频信号通过自适应频带限制滤波器209输入到最大多普勒频率估计单元211，该滤波器209已经考虑到最大多普勒频率估计单元211之前估计的最大多普勒频率估计值而设立了通带。

最大多普勒频率估计单元211基于接收信号的ZCR、LCR、ACF或COV估计最大多普勒频率并输出最大多普勒频率的估计值。

在本发明的优选实施例中，自适应频带限制工作通过将附加噪声的带宽B_m限制到最大多普勒频率f_m的

倍来实现，其是通过衰落信道的导频信号的带宽，从而防止在传统基于ZCR、LCR、ACF和COV的最大多普勒频率估计技术中出现的失真。

将在先紧邻的最大多普勒频率估计值用作自适应频带限制的最大多普勒频率估计值。由于最大多普勒频率的变化仅与运动物体速率的变化一致，因此最大多普勒频率变化得非常缓慢。因而，利用在先的最大多普勒频率估计值，产生误差的可能性就降低了。

图3A和3B是说明接收到的导频信号通过根据本发明的自适应频带限制滤波器之前之后的功率频谱图。当将图3B与3A相比较时，应注意到已通过自适应频带限制滤波器209的导频信号仅在噪声频带带限，并且因此在导频信号中不出现失真。因此，由于噪声带被自适应带限，所以接收信号的ZCR和LCR可由公式(1)和(2)表示，而接收信号的ACF和COV可分别由公式(9)和(10)表示。

$\frac{{\mathrm{\φ}}_1}{{\mathrm{\φ}}_0}\≈J_0\left(2\mathrm{\π}{f}_m{T}_S\right)....\left(9\right)$

$\frac{\mathrm{Cov}\left[a^2\left(i\right)a^2(i+1)\right]}{\mathrm{Var}\left[a^2\left(i\right)\right]}\≈J_0^2\left(2\mathrm{\π}{f}_m{T}_S\right)......\left(10\right)$

公式(9)和(10)可利用近似公式，J₀(x)≈1-x²/4和sinc(x)≈1-(2πx)²/6，得到。

从公式(1)、(2)、(9)和(10)可以很容易看出，由于已经通过自适应频带限制滤波器的信号的特征与没有附加噪声的接收的信号相对应，即使在使用基于ZCR、LCR、ACF和COV的最大多普勒频率估计技术时，失真也不会发生。

在根据本发明的速率估计方法中，由于应用了判定反馈结构，有必要验证其稳定性。

在使用判定反馈结构的自适应频带限制方案中，由于使用其自身输出信息来限制输入信号的带宽，则判定反馈结构可能会不收敛，即发散。因此，验证判定反馈结构的收敛性非常重要。

在判定反馈结构中，假定f_m是最大多普勒频率， 是第n个估计最大多普勒频率，而α(n)是第n估计误差的比率。第n个估计最大多普勒频率

可以由公式(11)来计算。

${\hat{f}}_m\left(n\right)=\mathrm{\α}\left(n\right)\·f_m......\left(11\right)$

通过将自适应频带限制方案应用到公式(5)至(8)中，α(n)和α(n-1)的关系可以由公式(12)来表示。

$\mathrm{\α}\left(n\right)=\sqrt{\frac{\mathrm{\γ}+{\mathrm{\α}}^2(n-1)}{\mathrm{\γ}+1}}......\left(12\right)$

在假定初始估计误差比率是α(0)时，α(0)成为指示初始最大多普勒频率估计值误差的变量，其范围为0＜α(0)＜∞。

通过利用几何级数原理以一般项的形式重新整理公式(12)，得到公式(13)。

$\mathrm{\α}\left(n\right)=\sqrt{1+\frac{{\mathrm{\α}}^2\left(0\right)-1}{{(\mathrm{\γ}+1)}^n}}......\left(13\right)$

公式(13)中，由于γ标识实施判定反馈自适应频带限制工作后的信噪比，通常会满足不等式γ＞0。因此，可以理解α(n)在第n条件下收敛于1。也就是说，在建议的判定反馈结构中，如果α(n)＝1，由于第n项估计的最大多普勒频率满足等式 ${\hat{f}}_m\left(n\right)=f_m,$ 所以应该明白第n项估计的最大多普勒频率会精确收敛于判定反馈结构的最大多普勒频率。

图4A到4D是说明比较本发明最大多普勒频率估计技术和常规基于ZCR、LCR、ACF和COV的最大多普勒频率估计技术的性能的实验结果图表。

为了实验最大多普勒估计技术的性能，使用了在WCDMA通信***中应用的2GHz载波，以及1.5K波特的导频符号发送率，对应于3GPP标准的时隙发送率。而且，将信噪比设为10dB用于考虑噪声影响，使用每500ms接收的导频符号来估计单一最大多普勒频率，以及以0.3的学习比率更新估计的最大多普勒频率。

参照图4A到4D，在基于ZCR、LCR、ACF和COV的常规最大多普勒频率估计技术中，在估计的最大多普勒频率值中因为附加噪声出现失真。尤其是在较小的最大多普勒频率中出现严重的失真。然而，应用根据本发明的最大多普勒频率估计技术时，估计的最大多普勒频率值可以不受附加噪声的影响，而不管实际最大多普勒频率。

从上述说明可以看出，在根据本发明的速率估计设备和方法中，当估计最大多普勒频率时，由于通过利用在先紧邻的最大多普勒频率估计值限制了导频信号的频带来最小化噪声的影响，所有精确估计最大多普勒频率并从而得到可靠的速率信息成为可能。

同样，在根据本发明的速率估计设备和方法中，由于使用在先估计最大多普勒频率来重新估计最大多普勒频率，不再需要外部信息例如常规技术中的SNR。结果，构造设备和实施方法的复杂性也显著降低了。

进一步地，在根据本发明地速率估计设备和方法中，由于不再使用变化很快的SNR而使用仅依照运动物体速率变化来逐步变化的最大多普勒频率，可以实现稳定的性能特性。

而且，在根据本发明的速率估计设备和方法中，通过对接收到的导频信号实施频带限制过滤工作，甚至可以在具有低信噪比的环境中最小化估计失真。

而且，在根据本发明的速率估计设备和方法中，也能有效使用用于常规最大多普勒频率估计的基于ZCR、LCR、ACF和COV的技术。

尽管本发明结合其某种优选实施例进行展示和说明，但本领域技术人员理解，在不脱离由随附的权利要求书限定的本发明的本质和范围的情况下，可以在形式和细节上作各种改变。

Claims (17)

1、一种用于通信***的速率估计设备，所述通信***包括用于通过至少一个无线信道发送信号的发送机和用于接收信号并再生数据的接收机，所述设备包括：

用于检测导频信号的导频信号检测器；

最大多普勒频率估计器，用于利用由导频信号检测器检测的导频信号估计最大多普勒频率；和

自适应频带限制滤波器，用于按照最大多普勒频率估计器的在先输出值限制频带。

2、根据权利要求1所述的设备，进一步包括：

速率信息生成器，用于将由最大多普勒频率估计器估计的最大多普勒频率转换成速率信息。

3、根据权利要求1所述的设备，其中估计的最大多普勒频率通过独立的反馈线路反馈给自适应频带限制滤波器。

4、根据权利要求1所述的设备，其中自适应频带限制滤波器设立对应于在先估计的最大多普勒频率的 倍的限制频带。

5、根据权利要求1所述的设备，其中最大多普勒频率估计器使用过零率(ZCR)、过电平率(LCR)、自动相关函数(ACF)和接收信号协方差(COV)中的至少一个来估计最大多普勒频率。

6、一种用于移动通信***的速率估计设备，该移动通信***包括用于为服务区内的至少一个移动站提供无线接入服务的至少一个基站，所述设备包括：

RF处理单元，用于将接收的无线信号下转换为基带信号；

采样单元，用于采样RF处理单元输出的基带信号的预定部分并输出与采样部分对应的数字信号；

导频信号检测单元，用于从采样单元输出的数字信号中检测导频信号；

自适应频带限制单元，用于仅通过导频信号检测单元输出的信号中的导频信号；

最大多普勒频率估计单元，用于利用自适应频带限制单元过滤的导频信号估计最大多普勒频率；和

速率信息生成单元，用于将由最大多普勒频率估计单元估计的最大多普勒频率值转换成速率信息。

7、根据权利要求6所述的设备，其中频带限制单元基于最大多普勒频率估计单元估计的多普勒频率在先估计值自适应地设立限制频带。

8、根据权利要求7所述的设备，其中限制频带对应于最大多普勒频率在先估计值的 倍。

9、根据权利要求6所述的设备，其中最大多普勒频率估计单元使用过零率(ZCR)、过电平率(LCR)、自动相关函数(ACF)和接收信号协方差(COV)中的至少一个来估计最大多普勒频率。

10、一种用于通信***的速率估计方法，该通信***包括用于通过至少一个无线信道发送至少一个信号的发送机和用于接收至少一个信号并再生数据的接收机，所述方法包括步骤：

从接收的信号中检测导频信号；

频带限制过滤导频信号；

利用频带限制过滤的导频信号估计最大多普勒频率；和

利用估计的最大多普勒频率生成速率信息。

11、根据权利要求10所述的方法，其中根据在先估计的最大多普勒频率来自适应地设立频带限制过滤用的限制频带。

12、根据权利要求10所述的方法，其中限制频带对应于在先估计的最大多普勒频率的

倍。

13、根据权利要求10所述的方法，其中估计最大多普勒频率的步骤使用过零率(ZCR)、过电平率(LCR)、自动相关函数(ACF)和接收信号协方差(COV)中的至少一个来估计最大多普勒频率。

14、一种用于移动通信***的速率估计方法，所述移动通信***包括至少一个基站用于为服务区内的至少一个移动站提供无线接入服务，所述方法包括步骤：

将接收的无线信号下转换为基带信号；

通过采样基带信号的预定部分来输出数字信号；

从数字信号中检测导频信号；

对导频信号执行频带限制过滤；

利用频带限制过滤的导频信号来估计最大多普勒频率；和

将估计的最大多普勒频率转换成速率信息。

15、根据权利要求14所述的方法，其中根据在先估计的最大多普勒频率来自适应地设立频带限制过滤用的限制频带。

16、根据权利要求15所述的方法，其中限制带宽对应于在先估计的最大多普勒频率的 倍。

17、根据权利要求16所述的方法，其中估计最大多普勒频率的步骤使用过零率(ZCR)、过电平率(LCR)、自动相关函数(ACF)和接收信号协方差(COV)中的至少一个来估计最大多普勒频率。

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