DE4212300C2 - Method and device for the simultaneous estimation of channels in digital message transmission in multiple access systems - Google Patents
Method and device for the simultaneous estimation of channels in digital message transmission in multiple access systemsInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum gleichzeitigen Schätzen der zeitdiskreten Impulsantworten digitaler Nachrichtenkanäle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention is based on a method for simultaneously estimating the discrete-time impulse responses of digital news channels after the Preamble of claim 1.
Bei der digitalen Nachrichtenübertragung über zeitvariante und frequenz selektive Kanäle benötigt man in den Empfängern zur Signalentzerrung Informationen über den momentanen Kanalzustand. Diese Informationen können dadurch gewonnen werden, daß die Sender neben den Signalen zur Daten übertragung zusätzliche, nicht mit Daten modulierte Testsignale senden, die nach Übertragung über die Kanäle zur empfängerseitigen Kanalschätzung benutzt werden können, siehe z. B. /1,2,3,4/. Bezüglich der Verwertung der durch die Kanalschätzung gewonnenen Informationen bei der Datenschätzung wird auf /5/ verwiesen.With digital message transmission via time variant and frequency selective channels are required in the receivers for signal equalization Information about the current channel status. This information can can be obtained in that the transmitter in addition to the signals for data transmission send additional test signals that are not modulated with data after transmission over the channels for channel estimation on the receiver side can be used, see e.g. B. / 1,2,3,4 /. Regarding the recovery of the information obtained from the channel estimation in the data estimation reference is made to / 5 /.
In der Aufwärtsstrecke von Mobilfunksystemen sollen die von K verschiedenen mobilen Sendern ausgesandten und jeweils über einen aus K verschiedenen Kanälen an den Empfänger der Basisstation gelangenden Signale in der Basisstation ausgewertet werden. Das hierbei auftretende Vielfachzugriffs problem wird traditionellerweise durch die Vielfachzugriffsverfahren FDMA (frequency division multiple access) und TDMA (time division multiple access) gelöst /6/. Die Signale der einzelnen mobilen Sender sind beim Verfahren FDMA im Frequenzbereich disjunkt, beim Verfahren TDMA dagegen im Zeitbereich. Ein neueres Vielfachzugriffsverfahren, das aufgrund seiner inhärenten Frequenzdiversität Vorteile bei der Übertragung über frequenzselektive Kanäle und das u. a. für die Mobilfunksysteme der dritten Generation /7/ in Betracht kommen könnte, ist das Verfahren CDMA (code division multiple access), siehe z. B. /8/. Bei diesem Verfahren sind die Signale der einzelnen mobilen Sender weder im Frequenz- noch im Zeitbereich disjunkt. Für die Kanalschätzung mit Testsignalen bedeutet dies, daß im Empfänger die Antworten der Kanäle auf die Testsignale nicht in separierter Form, sondern als Summe vorliegen. Man hat das Problem der Mehrfach-Kanalschätzung. Die bekannten Verfahren der Kanalschätzung /1,2,3,4,9,10/, bei denen eine frequenz- oder zeitmäßige Separiertheit der Antworten der Kanäle auf die Testsignale unabdingbare Voraussetzung ist, lassen sich deshalb bei CDMA nicht anwenden. Diese bekannten Verfahren sind so gestaltet, daß nur ein einziger Kanal geschätzt werden kann, nicht jedoch gleichzeitig mehrere Kanäle, die weder im Zeit- noch im Frequenzbereich disjunkt sind. Bei einem bekannten CDMA-System /11/ umgeht man das geschilderte Problem der Mehrfach-Kanalschätzung dadurch, daß man im Empfänger alle gleichzeitig empfangenen CDMA-Signale bis auf jeweils ein einziges als Rauschen ansieht. Bei dieser Vorgehensweise verzichtet man jedoch auf das a-priori-Wissen über die CDMA-Codes der anderen Teilnehmer und kann deshalb nur relativ wenige Teilnehmer unterbringen /12/.In the uplink of mobile radio systems, those different from K should mobile transmitters and each via a different from K Channels arriving at the receiver of the base station in the Base station can be evaluated. The multiple access that occurs here problem is traditionally caused by the multiple access methods FDMA (frequency division multiple access) and TDMA (time division multiple access) solved / 6 /. The signals from the individual mobile transmitters are in the process FDMA in the frequency domain disjoint, with the TDMA method, however, in Time range. A newer multiple access method, which due to its inherent frequency diversity benefits when transmitting over frequency selective channels and that u. a. for the mobile radio systems of third generation / 7 / could be considered is the CDMA method (code division multiple access), see e.g. B. / 8 /. In this process, the Signals from the individual mobile transmitters neither in the frequency nor in the time domain disjoint. For channel estimation with test signals, this means that in The receiver's responses to the test signals are not separated Form, but as a sum. You have the problem of Multiple channel estimation. The known methods of channel estimation / 1,2,3,4,9,10 /, in which a frequency or temporal separation of the Channel response to the test signals is an essential requirement can therefore not be used with CDMA. This known method are designed so that only a single channel can be estimated, not however at the same time several channels that are neither in time nor in Frequency range are disjoint. With a known CDMA system / 11 / bypasses the described problem of multi-channel estimation in that in the receiver all CDMA signals received at the same time except one only sees as noise. With this procedure you do without however, on the a priori knowledge of the CDMA codes of the other participants and can therefore only accommodate a relatively small number of participants / 12 /.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Problem der Mehrfach-Kanal schätzung in CDMA-Systemen aufwandsgünstig zu lösen. Der erfindungsgemäße Lösungsweg wird im folgenden dargelegt. Hierbei wird von zeitdiskreten Signalen ausgegangen, die reell oder komplex sein können. Vektoren und Matrizen werden durch Unterstreichen gekennzeichnet. i ist die diskrete Zeit.The invention has for its object the problem of multiple channels estimate in CDMA systems can be solved at low cost. The invention The solution is outlined below. Here, time is discrete Signals that can be real or complex. Vectors and Matrices are identified by underlining. i is the discrete time.
Fig. 1 zeigt die K Kanäle (1), deren Impulsantworten Fig. 1 shows the K channels ( 1 ), their impulse responses
{h(k)(i)} = {h(k)(1), h(k)(2) . . . h(k)(Wk′)}, k = 1 . . . K (1){h (k) (i)} = {h (k) (1), h (k) (2). . . h (k) (W k ′)}, k = 1. . . K (1)
geschätzt werden sollen, wobei die Größenshould be estimated with the sizes
Wk′ ∈ IN, k = 1 . . . K (2)W k ′ ∈ IN, k = 1. . . K (2)
die Anzahl der Komponenten der Impulsantworten sind. Die Anzahl Wk′ der Komponenten einer zeitdiskreten Impulsantwort ist proportional zur Dauer der zugehörigen zeitkontinuierlichen Kanalimpulsantwort. Mit den Größenare the number of components of impulse responses. The number W k 'of the components of a discrete-time impulse response is proportional to the duration of the associated continuous-time channel impulse response. With the sizes
Wk ∈ IN, Wk Wk′, k = 1 . . . K (3)W k ∈ IN, W k W k ′, k = 1. . . K (3)
kann man die Impulsantworten {h(k)(i)} nach Gl. (1) als Vektoren the impulse responses {h (k) (i)} according to Eq. (1) as vectors
schreiben. Die Vektoren h (k) nach Gl. (4) können zu einem Vektorwrite. The vectors h (k) according to Eq. (4) can become a vector
h = [h (1)T, h (2)T . . . h (K)T]T (5) h = [ h (1) T , h (2) T. . . h (K) T ] T (5)
vereinigt werden.be united.
In die zu schätzenden Kanäle (1), siehe Fig. 1, wird jeweils ein TestsignalA test signal is placed in each of the channels (1) to be estimated, see FIG. 1
{a(k)(i)} = { . . . a(k)(1), a(k)(2), a(k)(3), . . .}, k = 1 . . .K (6){a (k) (i)} = {. . . a (k) (1), a (k) (2), a (k) (3),. . .}, k = 1. . .K (6)
eingespeist. Die von diesen Testsignalen hervorgerufenen Kanalausgangs signale werden in einem Summierer (2) zum Summensignal {s(i)} aufsummiert. Zum Summensignal {s(i)} wird im Addierer (3) ein Störsignal {n(i)} addiert. {n(i)} repräsentiert das empfangene Rauschen, das Rauschen der Empfängereingangsstufe usw. Am Ausgang des Summierers (3) hat man das Signalfed. The channel output signals caused by these test signals are summed up in a summer ( 2 ) to form the sum signal {s (i)}. An interference signal {n (i)} is added to the sum signal {s (i)} in the adder ( 3 ). {n (i)} represents the received noise, the noise of the receiver input stage, etc. At the output of the summer ( 3 ) you have the signal
{e(i)} = {s(i)}+{n(i)}. (7){e (i)} = {s (i)} + {n (i)}. (7)
Aus diesem Signal sollen die Impulsantworten {h(k)(i)}, k = 1 . . . K, siehe Gl. (1), geschätzt werden.From this signal, the impulse responses {h (k) (i)}, k = 1. . . K, see Eq. (1) to be estimated.
Es gibt unendlich viele Möglichkeiten, Testsignale (a(k)(i)) nach Gl. (6) zu wählen. Die erfindungsgemäße und nicht naheliegende Wahl besteht darin, alle K Testsignale aus ein und demselben periodischen BasissignalThere are endless possibilities to test signals (a (k) (i)) according to Eq. (6) to choose. The choice according to the invention, which is not obvious, consists in all K test signals from one and the same periodic basic signal
{p(i)} = { . . . p(P), p(1), p(2) . . . p(P), p(1) . . .} (8){p (i)} = {. . . p (P), p (1), p (2). . . p (P), p (1). . .} (8th)
der Periode the period
gemäß der Vorschriftaccording to the regulation
zu generieren. Gegenstand des Hauptanspruchs ist diese spezielle Wahl der Testsignale {a(k)(i)}, k = 1 . . . K.to generate. The main claim relates to this special choice of test signals {a (k) (i)}, k = 1. . . K.
Die neuartige Wahl der Testsignale {a(k)(i)}, k = 1 . . . K nach Gl. (10) legt eine spezielle, durch Anspruch 2 erfaßte Art zum Durchführen der Schätzung nahe.The new choice of test signals {a (k) (i)}, k = 1. . . K according to Eq. (10) suggests a special way of performing the estimation as covered by claim 2.
Wie im folgenden gezeigt wird, führen gemäß Gl. (10) erzeugte Testsignale {a(k)(i)} zu besonders einfachen Implementierungen des Schätzers. In Fig. 2 ist für den Fall K = 3, W1= 3, W2= 2, W3= 5 das Entstehen der Testsignale {a(k)(i)}, k = 1,2,3, gemäß Gl. (10) veranschaulicht.As shown below, according to Eq. (10) generated test signals {a (k) (i)} for particularly simple implementations of the estimator. In FIG. 2, for the case K = 3, W 1 = 3, W 2 = 2, W 3 = 5, the generation of the test signals {a (k) (i)}, k = 1,2,3, according to Eq . (10) illustrates.
Aus jedem der Testsignale {a(k)(i)} nach Gl. (10) kann man eine Matrix mit P Zeilen und Wk SpaltenFrom each of the test signals {a (k) (i)} according to Eq. (10) one can have a matrix with P rows and W k columns
A (k) = (Aÿ (k)), k = 1 . . . K, (11) (a) A (k) = (A ÿ (k) ), k = 1. . . K, (11) (a)
Aÿ (k) = a(k) (Wk+i-j) (11) (b)A ÿ (k) = a (k) (W k + ij) (11) (b)
bilden. Die Matrizen A (k), k = 1 . . . K, nach (11a) können wiederum zu einer quadratischen Matrix der Dimension Pform. The matrices A (k) , k = 1. . . K, according to (11a) can in turn lead to a square matrix of dimension P
A = (A (1), A (2) . . . A (K)) (12) A = ( A (1) , A (2) ... A (K) ) (12)
zusammengefaßt werden.be summarized.
Aufgrund der Periodizität der Testsignale {a(k)(i)} nach Gl. (10) ist die Summe {s(i)} am Ausgang des Summierers (2), siehe Fig. 1, ebenfalls periodisch mit der Periode P nach Gl. (9). Betrachtet man das Ausgangssignal {e(i)} des Addierers (3), siehe Fig. 1, für die Dauer P einer Periode des Summensignals {s(i)}, so kann dieser Ausschnitt des Ausgangssignals {e(i)} mit dem Vektor h nach Gl. (5), mit dem aus dem Störsignal {n(i)}, siehe Gl. (7), gebildeten StörvektorDue to the periodicity of the test signals {a (k) (i)} according to Eq. (10) is the sum {s (i)} at the output of the summer ( 2 ), see FIG. 1, also periodically with the period P according to Eq. (9). If one considers the output signal {e (i)} of the adder ( 3 ), see FIG. 1, for the duration P of a period of the sum signal {s (i)}, this section of the output signal {e (i)} can be compared with the Vector h according to Eq. (5), from which the interference signal {n (i)}, see Eq. (7), interference vector formed
n = [n(1), n(2) . . . n(P)]T (13) n = [n (1), n (2). . . n (P)] T (13)
und mit der Matrix A nach (12) durch den Vektorand with the matrix A according to (12) by the vector
e = A · h + n (14) e = A * h + n (14)
beschrieben werden.to be discribed.
Aufgrund der durch die Gleichungen (10) bis (12) gegebenen Konstruktions vorschrift der Matrix A ist diese Matrix rechtszirkulant. Folglich, siehe z. B. /13/, erhält man mit der ebenfalls rechtszirkulanten MatrixDue to the construction rule given by the equations (10) to (12) of the matrix A , this matrix is circulating to the right. Hence, see e.g. B. / 13 /, is obtained with the right-hand circular matrix
C = A -1 (15) C = A -1 (15)
eine Schätzung des gesuchten Vektors h, siehe Gl. (4) und Gl. (5), gemäß der Beziehungan estimate of the searched vectorH, see Eq. (4) and Eq. (5), according to the relationship
= C · e. (16) =C. ·e. (16)
Die Rechtszirkulanz der Matrix C nach Gl. (15) gestattet es, das Ermitteln von nach Gl. (16) mit einem zum Basissignal {p(i)} nach Gl. (8) inversen Filter /2,4,10/ auf besonders einfache Weise vorzunehmen. Ein solches inverses Filter kann, wie in Fig. 3 dargestellt, in vorteilhafter Weise durch einen Korrelator realisiert werden. Die in die Multiplizierer (4) des Korrelators einzuspeisenden Gewichtsfaktoren The right circulatory system of the matrixC. according to Eq. (15) allows the investigation from according to Eq. (16) with a basis signal {p (i)} according to Eq. (8) inverse Filter / 2,4,10 / in a particularly simple way. Such one inverse filter can, as inFig. 3, advantageously by a correlator can be realized. The multipliers (4th) of Weight factors to be fed into the correlator
g = [g(1), g(2) . . . g(P)] (17) g = [g (1), g (2). . . g (P)] (17)
werden gemäß den Elementenbe according to the elements
c = (c₁₁, c₁₂ . . . c1P) (18) c = (c₁₁, c₁₂ ... c 1P ) (18)
der ersten Zeile der Matrix C nach Gl. (17) gewählt, d. h.the first line of the matrix C according to Eq. (17) chosen, ie
g = c. (19) g = c . (19)
In das Schieberegister (5) des Korrelators taktet man zunächst das Empfangs signal e nach Gl. (14) ein. Hierzu ist der Schalter (6) der Einrichtung nach Fig. 3 in Stellung I. Anschließend wird das Schieberegister (5) des Korrelators durch Umlegen des Schalters (6) in Stellung II rückgekoppelt. Taktet man nun den Korrelator P mal, bezüglich P siehe Gl. (9), so erhält man am Ausgang des Korrelatorsummierers (7) die Schätzung des gesuchten Vektors h, aus dem die Schätzungen der gesuchten Impulsantworten {h(k)(i)}, k = 1 . . . K, gemäß Gl. (5) und Gl. (4) hervorgehen.In the shift register (5) of the correlator is first clocked the reception signale according to Eq. (14) a. The switch (6) according to the institution Fig. 3 in position I. Then the shift register (5) of the correlator by flipping the switch (6) fed back into position II. One now clocks the correlator P times, for P see Eq. (9), so you get at the exit the correlator summer (7) the estimation of the searched vectorH, out which the estimates of the impulse responses sought {h(k)(i)}, k = 1. . . K, according to Eq. (5) and Eq. (4) emerge.
Aus Fig. 3 und den dazu gemachten Erläuterungen geht hervor, daß es zum Schätzen der Kanalimpulsantworten {h(k)(i)}, k = 1 . . . K, ausreicht, einen Ausschnitt der Länge P des Signals {e(i)} zur Verfügung zu haben. Folglich ist es nicht erforderlich, die Testsignale {a(k)(i)} periodisch zu senden. Vielmehr genügt es, endliche Ausschnitte der LängeFrom Fig. 3, and the explanations given to show that it for estimating the channel impulse responses {h (k) (i)}, k = 1. . . K, is sufficient to have a section of the length P of the signal {e (i)} available. As a result, it is not necessary to send the test signals {a (k) (i)} periodically. Rather, it is sufficient to have finite sections of length
zu senden. Dieser Sachverhalt ist Gegenstand des Anspruchs 3.to send. This fact is the subject of claim 3.
Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 4 bis 7 erfaßt. Die Ansprüche 8 und 9 betreffen die Implementierung des Verfahrens. Further refinements of the method are in claims 4 to 7 detected. Claims 8 and 9 relate to the implementation of the method.
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Claims (10)
- - i die direkte Zeit ist,
- - Wk′ ∈ IN die Komponentenanzahl der zeitdiskreten Kanalimpulsantwort {h(k)(i)} ist,
- - die Komponenten h(k)(i) Abtastwerte einer zeitkontinuierlichen Kanalimpulsantwort sein können,
- - {n(i)} ein Störsignal ist und
- - {s(i)} die Summe der Kanalausgangssignale ist, die sich beim Einspeisen von je einem zeitdiskreten reellen oder komplexen periodischen Testsignal {a(k)(i)} = { . . . a(k)(1), a(k)(2), a(k)(3) . . .}, k=1 . . . K, in jeden der Kanäle (1) ergibt,
- - i is the direct time,
- - W k ′ ∈ IN is the number of components of the discrete-time channel impulse response {h (k) (i)},
- the components h (k) (i) can be samples of a continuous-time channel impulse response,
- - {n (i)} is an interference signal and
- - {s (i)} is the sum of the channel output signals which arise when a time-discrete real or complex periodic test signal {a (k) (i)} = {. . . a (k) (1), a (k) (2), a (k) (3). . .}, k = 1. . . K, in each of the channels ( 1 ),
mit den Größen Wk ∈ IN, k=1 . . . K, die K Testsignale {a(k)(i)} aus einem periodischen zeitdiskreten Basissignal {p(i)} = { . . . p(P), p(1), p(2) . . . p(P), p(1) . . .} der Periode gemäß der Vorschrift gebildet werden, wobei die Komponentenanzahl Wk′ und die Größen Wk die BedingungenWk Wk′, k = 1 . . . Kerfüllen. characterized in that
with the sizes W k ∈ IN, k = 1. . . K, the K test signals {a (k) (i)} from a periodic discrete-time base signal {p (i)} = {. . . p (P), p (1), p (2). . . p (P), p (1). . .} of the period according to the regulation are formed, the number of components W k 'W k and the sizes of the BedingungenW k W k', k =. 1 . . Ker filling.
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