CN1153368C - 一种延时估算方法与接收机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种延时估算方法及无线电系统中的接收机。信号源自一台或几台发射机，它们沿着几条路径传播过来。在本方法中，每次选择所确定的路径(73-77)之一来估算。在接收到的信号和码组模型之间的最小平方最小化问题被逐条路径(73-77)和逐个延时地解出。在这样一种情况下，形成当最小化结果时，每次只有一条所选路径的延时被改变，而其它路径(73-77)的延时仍然未改变。最小化结果被用来搜索延时，为此最小化的结果最多等于其它延时的结果，此延时被存贮并当其它路径的延时被搜索时用作路径(73-77)的恒定值。如必要时本方法可被重复，本方法具有这样的优点，它同时提供所有用户的所有路径(73-77)的延时而不需要用户符号或信道的衰减系数的信息。

Description

一种延时估算方法与接收机

发明领域

本发明涉及一种用在无线电系统中的延时估算方法，该无线电系统包括一台发射机和一台接收机的至少一个基站和一个用户终端，其系统中信号包括波形、接收到的或预处理过的信号被采样，相互的延时从接收到的信号作估算，这些接收到的信号源自一台或几台发射机并一般情况下沿着几条路径传播过来。

本发明也涉及安排用于无线电系统中的一种接收机，该无线电系统包括发射机和接收机的至少一个基站和一个用户终端，其信号包含波形，在此系统中安排接收机来采样接收到的或预处理过的信号，并从此信号估计相互的延时，这些信号源自一台或几台发射机并一般情况下是多径信号，是沿着几条路径传播过来的。

发明背景

在一个无线电系统中，信号离开发射机以后，在传播时分散到几条路径中，因此同样信号的几个复制品在稍稍不同的时刻到达接收机，因为这些复制品是以同样的速度沿着不同的路径传播的。信号散射随环境而改变，例如，山、乡村、效区、市中心等。由环境引起的散射越大，为模拟一个信号所需的路径越多。

设计与实现数据传输系统中的中心问题之一是同时发送与接收同时工作的用户的信号，使信号互相干扰尽可能的小。为了这个原因以及由于所用的传输容量的考虑，几种不同的传输协议以及多址方法，例如，码分多址(CDMA)方法，已经被开发出来了。

CDMA是一种多址方法，它是基于扩谱技术并目前已用于除了先前的FDMA(频分多址)和TDMA(时分多址)以外的蜂窝无线电系统。CDMA与先前方法相比较有几个优点，例如频率规划简单和谱效率高。以下，本发明将通过应用在一个直接扩谱CDMA系统中的例子来作描述。本发明应用到其它系统中，例如数字汽车无线电，也是可能的。

在直接扩谱CDMA方法中，一个用户的窄带数据信号被用一种远远比数据信号频带宽的扩谱码扩大到较宽的频带。用于已知试验系统中的带宽包括1.25MHZ、10MHZ、和25MHZ。与扩大频带有关的是数据信号扩谱到所用的整个频带。所用的用户采用相同的频带同时发送，在基站与移动站之间的每个连接上使用一种分开的扩谱码，用户信号根据每个用户的扩谱码可在接收机上互相区分。扩谱码最好用这样一种方法来选择，即它们是相互基本上正交的，也就是它们互相相关尽可能地小。

在CDMA接收机中提供的用通常方式实现的相关器与根据扩谱码识别出来的所希望的信号同步。通过用在传送期间使用的相同的扩谱码再次与数据信号相乘，数据信号在接收机中被恢复到原来的频带。已经用某些其它扩谱码相乘过的信号理想情况下是不相关的，因此并不恢复到窄频带。因此它们对于检测到的信号来说是作为噪声出现。信号散射为多径信号以及其它用户的信号通过使接收到的信号畸变使所希望的信号的检测复杂化。

当发射机与接收机之间的连接是同步，即信号延时是已知时，用户符号的检测是可能的。一种现有技术方法是使用通常的单用户延时估算器。只有当某些边界条件适合时这种方法才工作得很好，由于实现简单，它的容量也是不够的。一般情况下成功的同步需要用户符号的提前信息以及通道的综合衰减系数。在异步系统，即用户的信号是相互不同步的系统中，因为用户符号受到其它用户的几个符号的干扰，可靠的信号接收是因难的。然而，适合于扩谱码的滤波器和用作检测器的滑动相关器在通常的接收机中是无效的。许多有效的已知方法包括多用户检测器，例如，一种从接收到的信号中消除多址干扰的去相关检测器，是通过用所用的扩谱码的互相关矩阵与接收到的信号相乘来实现的。一种去相关检测器及已知的实现方法较详细地描述在下文中：Linearmultiuser detectors for synchronous code-division multipleaccess channels by verdu lupas，IEEE Transactions onlnformation Theory，vol 35，no.1，pp123-136，Jan1989，和Near-for resistance of multiuser detectors in asynchronouschannels，by verdu lupas，IEEE Transactions on Communications，vol 38，Apr 1990，引入在此作为参考。

本发明的特征

本发明的目的是提供一种延时估算方法，其中延时估算是在检测用户符号以前，没有关于信道的性质的信息的情况下，对于所有的用户与路径同时完成的。

这是用一种在前绪中公开的类型的方法实现的，其特征在于确定要估算的路径，确定包含所用的波形信息的码组模型，在估算时选择所选路径中的一条路径，并对于这些路径，求解在接收到的信号与码组模型之间的最小平方最小化问题，使得在所希望搜索间隔内每次只有一个被选的路径的延时是改变的，而其它路径的延时仍未改变，以便得到特定延时的最小化结果，搜索与最小化结果相应的延时，最小化的结果是小于或等于同样路径的其它延时的结果，存贮所述的延时，它就是被搜索的延时估算值，并且当搜索其它路径的延时时，利用所述的延时作为所述路径的一个恒定值。

依据本发明的接收机，其特征在于此接收机包括路径模型装置，码组模型装置和延时装置，将所述的延时装置安排用于从路径模型装置接收要估算的路径上的信号、信息、和从码组模型装置接收码组模型，还将所述的延时装置安排用于实施以下的为每条路径特定的延时估算步骤：求解在接收到的信号和码组模型装置的码组模型之间的最小平方最小化问题以便提供最小化的结果，在最小化问题中每次只有一条路径要被改变而其它路径的延时仍然未改变；搜索其最小化结果是小于或等于同样路径的其它延时的结果的延时；存贮所述的延时，它就是被搜索的延时估算值，并且当搜索其它路径的延时时，利用所述的延时作为一个常数值。

依据本发明的方法和应用本方法的接收机提供了相当多的优点。所有用户的所有路径的延时可被同时考虑，在作出延时估算时不需要知道用户符号和通道的综合衰减系数。还可考虑已知的参数并与本方法结合。

附图描述

以下，将参考依据附图的例子详细地描述本发明，其中

图1示出一个两维的延时空间，

图2示出延时空间和校正的延时位置，

图3示出有不同延时的g值作为一条路径的扩谱码的函数，

图4示出最小化向量Z和有不同延时的g，

图5示出一种典型的接收机结构，和

图6示出一个无线电系统。

优选实施方案描述

依据本发明的装置特别适用于CDMA系统，然而，并不限制本发明应用在数字汽车无线电系统中。例如，本发明可适用的其它系统的例子包括FDMA和TDMA系统。

现在察看依据本发明主要适用在CDMA系统中的装置，在依据本发明的方案中，已被接收到并可能被以某种方式预处理的信号被采样，预处理可以例如，由模拟或数字滤波组成。接收到的采样信号在延伸到至少一个数据符号的观测间隔期间被查看，接收到的延时的估算在此查看的基础上进行。

依据本发明的接收方法既可适用于同步系统中也可适用于异步系统中。不管用户的数目或每个用户多径传播信号成分的数量如何，本方法均适于使用。

接收到的异步CDMA信号r(t)通常是以下的形式表示，

$r\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K\left(t\right)}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=-M\left(k\right)}{\overset{M\left(k\right)}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=1}{\overset{L(l,k)}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{klm}}{b}_{\mathrm{km}}{s}_k(t-\mathrm{mT}-d_{\mathrm{klm}})+n\left(t\right),----\left(1\right)$

其中，α_klm是综合通道衰减，b_km是一个用户的位或位的组合，S_k(t)是扩谱码序列/用户的波形，d_klm是由异步引起的延时，n(t)是噪声和T是一个符号周期，用户数目k(t)是一个随时间改变的函数，M(k)是要发送的符号数和L(t，k)是接收到的信号成分的数目，是与时间和用户有关的，即L(t，k)相应于信号传播过的路径。L(t，k)是一个时间的函数，因为对于不同用户的多径传播信号成分的数目是随时间改变的，同样的等式(1)也可以矩阵形式给出

             r＝S_dAb+n，                      (2)

其中b＝(b_km)，A＝d_iag(a)是一个对角线矩阵，a＝(α_klm)，n是噪声项，S_d是扩谱码的矩阵，即用延时向量d＝(d₁，d₂，…d_p)参数化的一个码组模型，结果是延时d可以通过以下的双最小化函数来估算：

$d=\arg \underset{d}{\min }\left(\underset{z}{\min }\right|r-S_{d}z\left|\right)----\left(3\right)$

关于变量Z的最小平方最小化可用任何最小二乘法来实现，在下文中有较详细的描述，Numerical Methods for least squares problemsby Ake Bjrck，SIAM，philadelphia，USA，1996，引入于此作为参考，在这方面特别是Hesteness-stiefel共轭梯度法是有利的，因为它向解收敛迅速。Hesteness-Stiefel共轭梯度法较详细地描述在下文中，Introduction to Numerical Analysis，by J.stoer andR.Bulirsch，Springer-Verlag，1983，PP 572-576，引入于此作为参考，关于延时d＝(d₁，d₂，…d_p)的最小化通过每次查看一条路径的延时替换值d_k＝0，1…(样本序列的长度-1)并选择最小化的延时来实现。

为求解对于某个系统特定的问题的典型算法举例如下：

设A是所有用户所有预先规定的路径的指数集，A＝{1，2，…，p}，赋值d＝(d₁，d₂，d_p)，初始值d＝0。设S_d是所用的相应于延时d的码组模型。

1)从路径集之中选择一条路径，例如k；

2)为每个j＝0，1，2，…，cl_k-1解以下的最小平方问题

$\underset{z}{\min }|r-S_{d}z|=g\left(j\right),$

其中d＝(d₁，d₂，…，d_k，…，d_p)d_k＝(j+dk_a)模cl_k，dk_a是路径k的初始延时；

3)求对于所有的j＝0，1，2，…，cl_k-1具有特性g(j)≥g(j₀)的J₀，并赋值dk＝(j₀+dk_a)模cl_k；

4)完成A的所有路径。

在算法中，cl_k是第k路径的信号样本序列的长度，因为信号在采样频率上被采样，例如在CDMA系统中，路径模型确定一个扩谱码的路径的数目，沿着不同路径传播的信号成分的不同时性由延时装置监测，在路径模型中为每条路径作估算，码组模型确定要用的扩谱码及它们的特性，例如它们的周期性/非周期性。码组模型也包含扩谱码如何将沿路径传播的散射信号模型化，在这种情况下，即使CDMA信号包含几个与它们的路径不同的扩谱码，将一个码的多径传播模型化是可能的，路径也可用不完整的信号模型被模型化，也就是码组模型的一部分可不考虑。

步骤1到步骤4的算法至少执行一次，这样在第一次以后的迭代中延时d被给于以前迭代循环的延时值，当算法被执行一次时，在最小化函数执行期间从延时空间找出最强路径的最小值。另一方面，如果此路径是微弱的，不可能立即被定位，但当算法被重复时，也可能找出最微弱的路径，这样预先规定的路径所需要的延时可被估算。

最小平方解最好用Hesteness-Stiefel共轭梯度算法(HS-CG算法)或诸如此类的算法来估算。共轭梯度算法利用以前的或者(n+1)迭代的第n次迭代循环的结果。否则HS-CH算法的初始值为零。扩谱码最好是Gold码或类似的码。

更详细地察看依据本发明的方法应用到一个无线电系统中。一般情况下一个CDMA信号包括在相同频带上的几个扩谱码，每个扩谱码产生的信号可被散射，对于相应于每个扩谱码的散射信号估算延时，码组用于将所用的扩谱码的散射方式和性质模型化，对于每个系统分别被确定，特别应该强调的是码组模型可以是不完整的，也就是说，不必要同时包括CDMA信号的所有扩谱码，但可以例如，只有一个扩谱码并且甚至用不完整的方式模型化，换句话说，几个不同的码组模型可被应用到相同的CDMA信号，从一个完整的模型到只包含一个扩谱码的模型，除了扩谱码以外，延时及路径模型也影响码组模型的结构。

所用的路径模型确定码组为每个扩谱码包含多少路径，不同的扩谱码可以有不同数量的路径，延时算法以路径特定的形式给出：按照总的路径数为每条路径分开确定延时，扩谱码或它的路径模型所要的一部分与每条路径一起被使用。

为接收到的CDMA信号选择要用的码组模型和路径模型，只有与码组模型中的扩谱码相对应的路径的延时才估算。一开始，所有路径的延时被设置为零除非可得到延时值更精确的信息。然后逐条路径确定延时，通过对察看的路径的延时移位，每次从一个延时级的初始值开始直到该路径的所有希望的延时值都被查看过为止，在CDMA信号和码组模型之间最小平方问题是为每个察看下的延时解出，与最小平方值对应的延时被分配作为该路径的延时。路径的延时而不是在察看下的延时被保持恒定，换句话说，只有在察看下的路径的延时是改变的，所有的路径要经受前面提到的操作，最好所有的路径至少被察看一次，如果算法被相继执行多次，前次循环的延时可被设置为下次循环的初始值，以上描述的算法可作这样的改变，即在路径模型中某些路径的延时认为是已知的，因此当执行算法时，将不搜索这些路径的延时。

图1示出延时搜索是如何在延时空间中产生的。只有两条路径，因此延时空间只有两维。路径p_a的延时在dx轴上和路径p_b的延时在dy轴上。搜索最好这样执行，除了一个以外，所有其它路径的延时被保持在预定值，在这样的情况下，这一条路径的值，在此是p_b，相对于其它路径的延时，在此是p_a，作改变。设路径p_a的固定延时为d_a，在这种情况下，通过延时空间的搜索，例如从路径p_b的延时d_b＝0开始，过程在图中向上进行直到达到对应于路径p_b的码的其它端。重要的因素不是开始与结束点，而只是通过用算法查看所希望的搜索区。在算法的步骤2中形成的最小值与最小值对应于最佳相关的相关类型相一致，这些最小值中最小的一个在算法的步骤3中被选出，在这样的情况下，在从路径p_b的扩谱码的开始到结束的距离上，最小化函数获得关于延时的最小值，也就是此值在点d_b＝d_bmin中，在本发明的优选实施方案中，在延时空间中的移动只在空间的坐标轴方向中进行，因此该函数可被非常快速地解出，如果总共有100条路径p，符号长度m是200，m^p＝200¹⁰⁰个点必须要查看以便用通用形式解此函数。当只在延时空间的坐标轴方向移动时，获得的点数大大少于以前，即mp＝200*100＝20000。

图2示出一个两维延时空间和带有不同延时组合的三维方式中与最小化问题有关的函数g的特性。函数g在由延时轴dx和dy组成的表面成条状地得到较小的值。查看对路径p_b的延时搜索，例如从延时轴dy方向中的dxa点开始通向点d_bmin＝23，典型情况下包含沿着两个片宽度的较低的带，当这个带被定位时，这条路径的扩谱码的延时被存贮，因此可以给延时轴dx方向中路径p_a的最小值的带定位，此值可从点域22中求出。这样一来对于路径p_a和p_b的函数g的最小值从点(d_amin，d_bmin)＝(22，23)可求出，这也构成算法步骤3中对最小化函数的解，典型情况下函数g的一个最小值点(d_amin，d_bmin)占支配地位，在延时空间中的其它点获得大得多的值。然而，通常搜索信号路径较多的延时是有用的，典型情况下CDMA系统使用，例如，1.25MHZ的频带，最好能够为一个扩谱码利用三条路径。在较大的频带上可利用较多的路径。

图3较详细地示出带有不同延时的值 $\underset{z}{\min }|r-S_{d}z|=g\left(j\right),$ 这些值代表不同路径扩谱码之间的相关的类型。在图中，g值在y轴上和路径扩谱码是以采样精度位于x轴上，当信号密度函数获得它的路径特定的最大值时，值g取得它的最小值。

图4示出使最小平方为最小的向量Z，和具有最小延时的值g，当扩谱码的延时改变时，最小化向量Z1，Z2和Z3改变，相应的最小值移到不同的点，例如g(d₁)，g(d₂)，g(d₃)。在这样的方式中，最小化向量和最小值必须为每条路径及算法步骤2中的延时分开计算，矩阵S_d通过路径模型，码组模型和延时直接确定，并且将带有延时的扩谱码的路径模型化。

在多维延时空间中，对于某些路径而言，精确的延时估值d已知也是可能的，依据发明算法的步骤2在这种情况下对于所涉及的延时值无最小化可执行。

图5示出一种典型的接收机结构，接收机包括天线60、射频装置61、检测装置62、延时装置64、路径模型装置63、码组模型装置65和控制装置66。详细察看依据本发明的接收机的操作。天线60接收信号，其频率在射频装置61中变换为中频，例如通过将接收到的信号与本地振监器的频率相乘并通过低通滤波除去高频来实现。中频信号既传送到检测器62又传送到延时装置64。在检测器62中，中频信号首先变换为数字信号以便于检测，并用数字信号处理装置处理。在这样的情况下，此信号，例如，被调解，发送的位被检测，取决于接收机，检测到的位被发送到用户或网络的其它部分。延时装置64通过依据本发明的方法按照不同扩谱码的路径依次形成延时，检测器62，例如当组成沿不同路径已到的多径信号时，利用此延时，在多径接收时，最普通的分集接收机在检测以前或以后组合信号，它们包括，例如，选择组合，最大比例组合和等增益组合。多径信号通常用Viterbi检测器检测，在这种情况下，信号在检测以后组合，然而，最优选的是在检测以前组合，因为在这种方式下可得到较大的信号放大。延时装置64利用码组模型装置65的信息，路径模型装置63对每个系统是特定的。路径模型装置63的内容也取决于环境，例如在城市中，路径模型装置63的内容应该是与乡村中的不同。路径模型典型情况下与每个扩谱码的路径数有关，码组模型装置65包含在所用的扩谱码上的数据，散射的方式，可能的码周期，和每条路径是如何被模型化的。无论是码组模型装置还是路径模型装置的内容可依据位置，环境和需要而改变。控制装置66控制接收机的操作。

接收机可以利用通常在无线电系统中使用的元件和部件来实现。天线60是包括一个或几个元件的通常的先前技术的天线。射频装置61包括通常的射频电子线路。数字信号处理装置62到66可用ASIC或VLSI电路来实现，它的操作或操作控制可由例如，带有微处理器技术的软件来实现。

图6示出一种典型的无线电系统，包括基站76、用户终端71和72以及在不同路径73到77上的多径信号。基站70被连到无线电系统(在图中未示出)的另一个网络子系统，网络子系统包括例如，至少一个基站控制器和一个移动服务交换中心，连接到其它交换中心和其它电话系统或类似的系统。基站70和用户终端71及72包括至少一个发射机和接收机。用户终端71和72典型情况下是由用户或使用者使用的移动电话，在图6中的双向箭头的意思是用户终端71和72以及基站70通过双向连接来通信。在这样的情况下，来自用户终端71的信号，例如，可以沿着三条不同的路径75到77传播到基站70，此信号沿三条路径75到77传播的不同成分，由于不同的走时长度可能在基站有不同的延时，在依据本发明的方法中，所有用户71和72的信号的所有路径73到77的延时，在接收机70具有用户信号内容或通道特性的信息以前，在基站70的接收机中同时形成。

在依据本发明的方法中，一个用户可应用几个扩谱码，它们有不同的长度并例如，周期性地或恒定地变化的循环。

依据本发明的方法也可应用到不应用实际扩谱码的无线电系统。扩谱码只是一个信号波形的例子，代表位或位组合形成的编码信息被加到一个单元上。在CDMA系统中，扩谱码规定波形的函数，而TDMA系统应用四种不同的波形选择，波形对每种系统是特定的，依据本发明的方法并不有赖于无线电系统，在方法中主要的是知道用于数据传输的波形，正如众所周知的，在数字数据传输中所用的波形以及它们所用的方式是已知的。

在本发明的最佳实施方案中，不同的路径可以同时用并行处理来估算，这样估算可加快，通过确定至少几条路径之间的延时是常数也可以加快估算。在这种情况下，确定一条路径的延时使得将所有这些路径的延时模型化成为可能，因而这些路径的延时在搜索中被同时改变。

尽管参考附图的例子在以上描述了本发明，很清楚，本发明并不限于此，在所附的权利要求公开的发明构思的范围内可以多种方式进行修改。

Claims (7)

1.一种在无线电系统中的延时估算方法，该系统包括作为一台发射机和一台接收机的至少一个基站(70)和一个用户终端(71，72)，在此系统中信号包括波形，在其中接收到的或者被预处理的信号被采样，从接收到的信号估算相互延时，这些信号源自一台或几台发射机，并一般情况下沿着几条路径(73-77)传播过来，其特征在于：

确定被估算的路径(73-77)，

确定要用的包含所用波形信息的码组模型，

每次选择所确定的路径(73-77)之一作估算，对于这些路径，

求解在接收到的信号和码组模式之间的最小平方最小化问题，每次在所希望的搜索间隔内只有一条所选的路径(73-77)的延时被改变，而其它路径(73-77)的延时仍然不改变，因此延时特定的最小化结果(30)被得到，

搜索相应于最小化结果(30)的延时，最小化结果(31)小于或等于相同路径(73-77)的其它延时的结果，存贮所述的延时，就是所搜索的延时估值(22，23)，当其它路径(73-77)的延时被搜索时，利用所述的延时作为所述路径(73-77)的一个恒定值。

2.依据权利要求1的方法，其特征在于，本方法至少执行两次，在第一循环期间估算的延时在第二循环期间被使用。

3.依据权利要求1的方法，其特征在于不同路径的延时是以采样频率的间隔的精度被确定的。

4.依据权利要求1的方法，其特征在于当几条路径的延时已知时，只有未知的路径的延时被估算。

5.依据权利要求1的方法，其特征在于一种依据位置或需要可以改变的模型被作为路径模型使用。

6.依据权利要求1的方法，其特征在于一种依据位置或需要可以改变的模型被作为码组模型使用。

7.安排用于无线电系统中的一种接收机，该系统包括作为发射机与接收机的至少一个基站(70)和一个用户终端(71，72)，具有包含波形的信号，在此系统中，一种接收机被安排于采样接收到的或被预处理的信号，并估算来自信号的相互延时，这些信号源自一台或几台发射机并且典型情况下是沿着几条路径(73-77)传播过来的多径信号，其特征在于接收机包括路径模型装置(63)、码组模型装置(65)和延时装置(64)，

所述的延时装置(64)被安排接收来自路径模型装置(63)的要估算的路径上的信号、信息、和来自码组模型装置(65)的码组模型，

所述的延时装置(64)也被安排执行以下的对每条路径特定的延时估算步骤：

求解接收到的信号和码组模型装置(65)的码组模型之间的最小平方最小化问题，以便提供最小化结果(30)，在此最小化问题中，每次只有一条路径的延时被改变，而其它路径的延时仍然不改变，

搜索最小化结果(31)是小于或等于同样路径的其它延时的结果的延时，

并存贮所述的延时，就是所搜索的延时估值(22，23)，当其它路径的延时被搜索时，利用所述的延时作为一个恒定值。

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