專利名稱：傳輸信道的時(shí)間均衡探測(cè)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是傳輸信道的一種探測(cè)方法，換言之，本發(fā)明推薦一種傳輸信道的脈沖響應(yīng)的估計(jì)方法。
在一個(gè)傳輸系統(tǒng)中，特別是在無線電波傳輸系統(tǒng)中，一個(gè)發(fā)送器在傳輸信道中向接收器發(fā)送信號(hào)。發(fā)送的信號(hào)在傳輸信道中經(jīng)歷了幅度和相位的起伏，以致接受器接收到的信號(hào)不同于發(fā)送的信號(hào)。信號(hào)的起伏主要是由于技術(shù)人員稱作的符號(hào)間干擾所致。這種干擾可以來自傳輸所用的調(diào)制法則，也同樣來自在信道中的多路徑傳播(propagation multi-trajets)。
實(shí)際上，接收到的信號(hào)通常來自信道中大量的反射，發(fā)射信號(hào)所取的不同路徑便導(dǎo)致了在接收器處不同的延遲，信道的脈沖響應(yīng)表現(xiàn)了發(fā)送信號(hào)所經(jīng)歷的這些起伏的整體。于是，這涉及到表征在發(fā)射器和接收器間的傳輸?shù)幕咎卣鳌?br> 信道的脈沖響應(yīng)特別為明確具有修正接收器中符號(hào)間干擾的功能的均衡器所使用。用來實(shí)現(xiàn)對(duì)這種脈沖響應(yīng)進(jìn)行估計(jì)的一種傳統(tǒng)的方法是在發(fā)送的信號(hào)中放置一個(gè)由已知符號(hào)構(gòu)成的訓(xùn)練序列(sequenced’apprentissage)。這種序列是根據(jù)調(diào)制規(guī)則和信道的色散來選擇的。此外，色散可以理解為取信道較長(zhǎng)路徑的一個(gè)發(fā)送符號(hào)相對(duì)于取較短路徑的這同一符號(hào)的延時(shí)。色散通常表示為分開兩個(gè)相繼發(fā)送的符號(hào)的持續(xù)時(shí)間的倍數(shù)，或“符號(hào)的持續(xù)”數(shù)。
作為例子，這里舉出兩個(gè)已知的估計(jì)一個(gè)傳輸信道的脈沖響應(yīng)的方法。
第一種方法求助于稱之為CAZAC序列的特殊的訓(xùn)練序列，CAZAC是盎格魯-撒克遜表示“Constant Amplitude Zero Autocorrelation”。A.MILEWSKI在IBM Journal of Research and Developement，Vol.27，No.5，Sept.83第426-431頁的題為“Periodic sequences with optimalproperties for channel estimation and fast start-up equalisation”中對(duì)這樣的序列進(jìn)行過描述。
GSM數(shù)字蜂窩式無線電通訊系統(tǒng)借助于取值為+1或-1的26個(gè)記作a0到a25的符號(hào)所構(gòu)成的TS訓(xùn)練序列。這些序列具有下列性質(zhì)Σi=520ai2=16]]>Σi=520aiai+k=0]]>當(dāng)0＜|k|≤5時(shí)將信道的色散記作d，在GSM情況下d取4，脈沖響應(yīng)的估計(jì)是一個(gè)具有5個(gè)分量的矢量X，這5個(gè)分量記作x0到x4。
對(duì)應(yīng)于TS符號(hào)序列的接收到的符號(hào)序列S也是由26個(gè)符號(hào)構(gòu)成，記作s0到S25。這里自然假定發(fā)送器和接收器是完全同步的，在這種情況下，脈沖響應(yīng)的估計(jì)X是由下列給出xk=116Σi=520aisi+k]]>，此處0≤k≤4CAZAC方法具有非常易于實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)，然而這里指出，脈沖響應(yīng)的每個(gè)分量?jī)H是根據(jù)接收到的16個(gè)符號(hào)來建立的，因?yàn)榻o出的訓(xùn)練序列有26個(gè)符號(hào)以及信道的色散等于4，于是就有接收到的信號(hào)的信息沒有考慮進(jìn)去，這樣得到的性能就不如理想的理論上的性能。
已知的第二種方法是借助于最小二乘準(zhǔn)則(critère des moindrescarrés)，對(duì)此，在申請(qǐng)?zhí)枮镕R2 696 604和EP0 564 849的專利特別予以描述?，F(xiàn)予回顧，這種方法是借助于由長(zhǎng)度為n的TS訓(xùn)練序列所構(gòu)成的一個(gè)測(cè)量矩陣A。這個(gè)矩陣有(n-d)行和(d+1)列，d總是信道的色散。位于第i行和第j列的元素是訓(xùn)練序列的第(d+i-j)個(gè)符號(hào)
選擇訓(xùn)練序列，使矩陣AtA是可逆的，此處算符.t是轉(zhuǎn)置算符，這自然適于CAZAC序列的情況，亦適于別種序列的情況。
在接收到的符號(hào)序列中，沒有考慮前面四個(gè)s0到s3，因?yàn)檫@四個(gè)符號(hào)還和在發(fā)送訓(xùn)練序列之前發(fā)送的未知符號(hào)有關(guān)，因?yàn)榻o定的信道的色散為4。這里將接收到的信號(hào)定義成具有所有接收到的符號(hào)為分量s4、s5、s6、…、s25的矢量S。
由此，脈沖響應(yīng)的估計(jì)取下面的形式X＝(AtA)-1At·S這種最小平方方法較前面的方法要復(fù)雜一些，但必須指出，矩陣(AtA)-1At只計(jì)算一次。這里指出，脈沖響應(yīng)的估計(jì)X的每個(gè)分量的建立是依據(jù)接收到的22個(gè)符號(hào)，而不是在CAZAC方法中的16個(gè)，因此就改善了性能。
因此，不管使用什么方法，估計(jì)誤差是不可避免的。在有加性噪聲時(shí)，脈沖響應(yīng)的確定是一個(gè)不能用嚴(yán)格的方法解決的問題。另外，以前的各種方法所做的假設(shè)都隱含著脈沖響應(yīng)可以取任意的形式。
因此，本發(fā)明的目的在于傳輸信道的一種探測(cè)方法，這種方法非常好地抵抗加性噪聲。換言之，這種方法引入的誤差較已知方法的估計(jì)誤差要小。
根據(jù)本發(fā)明，對(duì)一個(gè)傳輸信道的探測(cè)方法要求通過這個(gè)信道接收一個(gè)信號(hào)，這個(gè)接收信號(hào)與發(fā)送的訓(xùn)練序列相對(duì)應(yīng)，這種方法包括下面的步驟-對(duì)這個(gè)傳輸信道作一個(gè)統(tǒng)計(jì)獲取，-根據(jù)接收信號(hào)建立起由信道的這一統(tǒng)計(jì)來均衡的這個(gè)信道的脈沖響應(yīng)的估計(jì)。
信道統(tǒng)計(jì)表明了先于接收信號(hào)的獲取的一個(gè)脈沖響應(yīng)的值，前述的均衡所引入的事實(shí)是和接收信號(hào)有關(guān)的脈沖響應(yīng)具有的值大體上接近前面的值而不是離前面值太遠(yuǎn)的值，這樣，估計(jì)誤差就用統(tǒng)計(jì)的方法減小了。
相當(dāng)方便，這種統(tǒng)計(jì)是和述及的脈沖響應(yīng)的協(xié)方差估計(jì)相對(duì)應(yīng)。
根據(jù)這個(gè)方法的第一個(gè)變型，這個(gè)方法有下列的步驟-平滑脈沖響應(yīng)，并用變換矩陣W正交歸一化，以得到述及的協(xié)方差估計(jì)，于是，這個(gè)協(xié)方差也取矩陣L’的形式。
-尋求與矩陣L’相關(guān)聯(lián)的本征矢量Vi’和本征值λ’i，-根據(jù)接收到的信號(hào)估計(jì)信道的瞬時(shí)脈沖響應(yīng)，并用變換矩陣W以構(gòu)成一個(gè)矢量X’，-于是就建立了均衡估計(jì)(Xp)Xp=Σ(λi′-N0λi′(vih′·X′))Wvih′]]>此處，N0是一個(gè)純正實(shí)數(shù)，表示加性噪聲。
這里可以預(yù)計(jì)選擇加性噪聲等于本征值λ’i中的最小值。
當(dāng)這些本征值λ’i的子集具有小于預(yù)定的閾值的作用時(shí)，可以同樣預(yù)計(jì)這每個(gè)本征值是強(qiáng)加在加性噪聲值上的。
由此其復(fù)雜性同樣減小了。
根據(jù)這個(gè)方法的第二個(gè)變型，將和訓(xùn)練序列相連系的測(cè)量矩陣記作A，協(xié)方差的估計(jì)取一矩陣形式R。
這樣便實(shí)現(xiàn)了均衡估計(jì)的建立Xp＝(AtA+N0R-1)-1At.S此處N0是純正實(shí)數(shù)，表示加性噪聲。
不管采用哪種變形，一個(gè)方便的方案在于當(dāng)已估計(jì)瞬時(shí)脈沖響應(yīng)時(shí)用下面的方式得到加性噪聲。
-瞬時(shí)噪聲的估計(jì)N＝S-A·X-這個(gè)瞬時(shí)噪聲估計(jì)的能量的歸一化。
還有，希望在這個(gè)歸一化后面有一平均的步驟。
另外，如這種方案在第二種變型中不能保持，則可以用變換矩陣W實(shí)施對(duì)矩陣R的正交歸一化的一個(gè)步驟，以得到一個(gè)新的矩陣R’，于是，均衡估計(jì)就取新的形式Xp＝W(I+N0R′-1)-1A′t·S
此處，矩陣A’等于測(cè)量矩陣A乘以變換矩陣W的積。
相當(dāng)方便，表達(dá)式(I+N0R′-1)-1是用求逆矩陣引理的方法計(jì)算的。
在后面對(duì)作為說明而推薦的一些實(shí)施例的描述框架中將更詳細(xì)地展現(xiàn)本發(fā)明，描述框架所參照的附圖是-

圖1是一方框圖，說明根據(jù)本發(fā)明的方法的第一個(gè)變型的主要步驟，-圖2是一方框圖，說明了根據(jù)本發(fā)明的方法的第二個(gè)變型的主要步驟。
本發(fā)明將用其在GSM中的應(yīng)用來表述，因?yàn)檫@個(gè)系統(tǒng)為技術(shù)人員所熟悉。這里所關(guān)心的是所用的表述的清楚，但在任何情況下都決不能將本發(fā)明看作是僅限制在這一個(gè)系統(tǒng)中。
首先，傳輸信道的探測(cè)方法預(yù)定要對(duì)此信道作統(tǒng)計(jì)獲取。通過統(tǒng)計(jì)，得到反映這個(gè)信道在一個(gè)分析周期內(nèi)的狀態(tài)的數(shù)據(jù)，于是涉及到一個(gè)表述信道在分析周期中的平均狀態(tài)。不管采用什么方法和在什么地方都能將這個(gè)統(tǒng)計(jì)建立起來。事實(shí)上，在通常的情況下，探測(cè)方法是在一個(gè)接收器中實(shí)施的，統(tǒng)計(jì)的建立可以是在無線通訊網(wǎng)絡(luò)中的另外的設(shè)備中。這意味著述及的接收器可以獲取述及的統(tǒng)計(jì)。
作為例子，這樣的統(tǒng)計(jì)可以用下面的方法得到對(duì)于在分析周期內(nèi)接收到的每個(gè)訓(xùn)練序列，按照已知的一個(gè)方法計(jì)算脈沖響應(yīng)的估計(jì)X。
如果使用最小二乘法，這個(gè)估計(jì)X是X＝(AtA)-1At·S (1)此處假定發(fā)送器和接收器間的同步，大約最多相差半個(gè)符號(hào)，在這種情況下，接收信號(hào)是用矢量S構(gòu)成，這個(gè)矢量S的每個(gè)分量是接收到的符號(hào)S4到S25，與訓(xùn)練序列TS的符號(hào)a4到a25同步。如果不能滿足這樣的同步，則有多個(gè)方案可以采用，作為例子舉出兩種。
第一種方案是接收到的信號(hào)向前或向后移動(dòng)j個(gè)符號(hào)周期，使得Sjt＝(S4-j，S5-j，S6-j，…，S25-j)，此處算符.t是轉(zhuǎn)置算符。
于是就對(duì)每個(gè)矢量Sj計(jì)算估計(jì)Xj，并得出Xjh·Xj的最大值jM，算符.h是厄米特轉(zhuǎn)置算符，這個(gè)jM值給出了期望的同步，只要在方程(1)中的矢量S用矢量SjM代替就行了。
第二種方案是人為地將信道的色散d增加一個(gè)預(yù)定的量2q，這樣就可以定義一個(gè)修正的測(cè)量矩陣Am，其中有(n-d-2q)行和(d+2q+1)列，分別將n和d的值取做26和4，則
于是，必須將接收信號(hào)S的分量數(shù)減少同一個(gè)量2q，并可約定保持修正矢量Sm為Smt＝(S′4+q，S′5+q，…S′25-q)這樣便得到修正的估計(jì)Xm為Xm＝(AmtAm)Amt·Sm這個(gè)修正估計(jì)Xm有d+2q+1個(gè)分量Xmt＝(X-q，…X0，X1，…，X4，…X4+q)于是就在-q到+q之間尋找j的jM值，以使下面的表達(dá)式取最大值Σk=04xj+k*xj+k]]>此處，算符。*是復(fù)共軛算符。
這個(gè)值jM確定對(duì)于色散d＝4的脈沖響應(yīng)的估計(jì)XXt＝(XjM，XjM+1，…XjM+4)由于對(duì)接收信號(hào)S實(shí)施一偏移jM，便使同步立即減少。因此可以重新應(yīng)用方程(1)。
為了得到與這個(gè)脈沖響應(yīng)相關(guān)的協(xié)方差估計(jì)，現(xiàn)在利用在分析周期內(nèi)對(duì)得到的各不同估計(jì)X的平滑來建立一個(gè)平滑矩陣L。這里應(yīng)該明白，平滑的意義非常廣泛，即為用來在分析周期內(nèi)對(duì)脈沖響應(yīng)進(jìn)行平均或平滑的一切操作。這樣就得到傳輸信道的狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)表述。
平滑的第一個(gè)例子是在分析周期內(nèi)對(duì)矩陣XXh實(shí)施平均，假定有m個(gè)訓(xùn)練序列。L(XXh)=1mΣ1mXXh]]>平滑的第二個(gè)例子是用乘法因子α將在第(i-1)個(gè)訓(xùn)練序列中得到的平滑矩陣應(yīng)用到第i個(gè)接收的訓(xùn)練序列中。這個(gè)因子通常被稱為平滑的忽略因子(facteur d’oubli de lissage)，其值在0到1之間Li(XXh)＝αXiXih+(1-α)Li-1(XXh)可以使用各種方法初始化，特別是得到的最初估計(jì)X的方法，或者對(duì)小數(shù)目的訓(xùn)練序列用上面的方法得到平均值。
為簡(jiǎn)單見，后面將平滑矩陣L(XXh)寫作L。
這里允許可將平滑矩陣用下式近似L≈(AtA)-1N0+R(2)此處，N0是在傳輸信道中出現(xiàn)的噪聲或加性噪聲的協(xié)方差，而R是一個(gè)矩陣，習(xí)慣上稱為信道的原始統(tǒng)計(jì)，因?yàn)樗碚髁瞬豢紤]噪聲的信道狀態(tài)。
同樣允許測(cè)量矩陣A是有條件的，就是說，矩陣AtA的所有本征值彼此都很接近。在這種情況下，對(duì)由測(cè)量矩陣A的各列所構(gòu)成的矢量的正交歸一化很感興趣。但決不能將這看作是本發(fā)明的一個(gè)限制。
為此，使用一個(gè)變換矩陣W，有A’＝AW和A’tA’＝I此處I是單位矩陣。
將下面定義的矩陣記作L’L＝WL’Wt便可將(2)式寫作L’＝N0I+R’ (3)根據(jù)在圖1中所示出的信道探測(cè)方法的第一個(gè)變型，可以指出，L’的本征矢量V’i與R’的本征矢量Vi是相同的，與此同時(shí)，L’的本征值λ’i與R’的本征值λi都偏移了N0。假定信道的色散總是取同一個(gè)值4，而對(duì)于所有都在0到4之間的iV’i＝Viλ’i＝λi+N0這樣清楚地看到，確定R’的本征值和本征矢量和確定L’的本征值和本征矢量是一樣的，只要N0是已知的。
估計(jì)噪聲的步驟將在更后一些來描述，以便給出更明確的敘述，盡管這個(gè)步驟在下面要說明的步驟之前。
因此，根據(jù)本發(fā)明的方法包含有尋求矩陣L’或矩陣R’中的一個(gè)或另一個(gè)的一對(duì)量(本征值、本征矢量)。這個(gè)步驟未作詳述，因?yàn)榧夹g(shù)人員都很清楚。勿需證明就可得出可以去掉那些影響經(jīng)判定不大的本征值。例如這些本征值是按降次排列，則可去掉最后面各階，使去掉的各階的和小于某個(gè)預(yù)定的閾值。
下一步是估計(jì)根據(jù)和接收的最后的訓(xùn)練序列相對(duì)應(yīng)的接收信息，采用任何一種已知的方法所建立的瞬時(shí)脈沖響應(yīng)X。寫成X＝WX’，將最后的估計(jì)用下面的方法均衡，以便得到瞬時(shí)脈沖響應(yīng)的均衡值XpXp=Σi=04(λiλi+N0(vihX′))Wvi]]>Xp=Σi=04(λi′-N0λi′(vihX′))Wvi]]>為了得到均衡值Xp，就必須估計(jì)加性噪聲N0。
第一種方法是給N0賦予一個(gè)預(yù)定的值，這值是反映了閾值，在閾值下面，加性噪聲下降的可能性很小。作為例子這個(gè)值可以通過測(cè)量信噪比來確定，或通過接收器的性能來確定。
第三種方法是將平滑矩陣L的最后一個(gè)本征值(最小的那個(gè))視作等于N0λ’4＝N0或λ4＝0第三種方法無疑也是性能最好的方法，就是根據(jù)接收信號(hào)S和測(cè)量矩陣A來直接估計(jì)加性噪聲。實(shí)際上，如將影響接收信號(hào)的噪聲矢量記作N，則有S＝AX+N考慮到矢量S和N都有22個(gè)分量，有N0=(122)(S-AX)h(S-AX)]]>自然，可對(duì)這個(gè)加性噪聲估計(jì)N0進(jìn)行平均或平滑。
于是，瞬時(shí)脈沖響應(yīng)的估計(jì)的均衡Xp可按前面敘述的來實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)在圖2中示出的信道探測(cè)方法的第二個(gè)變型，直接建立均衡估計(jì)Xp如下Xp＝(AtA+N0R-1)-1At·S或用上面所定義的轉(zhuǎn)置矩陣WXp＝W(I+N0R′-1)-1WtAt·S(4)根據(jù)(3)式有R’＝L’-N0I因此必須估計(jì)加性噪聲N0，這可以使用前面所講的有關(guān)探測(cè)方法的第一種變型的三種方法中的某一種。
得到均衡估計(jì)Xp的一種方便的方案是采用下面的方法。
將矩陣R’除以N0，有B=R′N0]]>爾后有I+N0R′-1＝I+B-1利用求逆矩陣引理計(jì)算均衡矩陣P＝(I+B-1)-1這樣將標(biāo)準(zhǔn)矢量(vecteur cannonique)記作ei，便有下面的迭代-初始化P＝B-對(duì)于i從0到d變化(在本例中d為4)P=P-Pei(Pei)h1+eihPei]]>P為已知，剩下的是根據(jù)(4)式建立均衡矩陣X。
這里指出，沒有必要在發(fā)送每個(gè)新的訓(xùn)練序列時(shí)都要計(jì)算均衡矩陣P，可以用較慢的節(jié)奏來計(jì)算這個(gè)矩陣，因?yàn)樗篌w上按照R’的節(jié)奏變化，因此較接收信號(hào)S為慢。
還要指出，均衡估計(jì)的實(shí)現(xiàn)并未求助于瞬時(shí)脈沖響應(yīng)，根據(jù)接收信號(hào)S便直接產(chǎn)生。
權(quán)利要求
1.一種根據(jù)信道接收的信號(hào)(S)探測(cè)傳輸信道的方法，述及的接收信號(hào)是和發(fā)送的訓(xùn)練信號(hào)相對(duì)應(yīng)。這個(gè)方法的特征在于它有下列步驟-對(duì)這個(gè)傳輸信道的統(tǒng)計(jì)的獲取，-根據(jù)述及的接收信號(hào)(S)建立起由上述信道統(tǒng)計(jì)均衡的述及信道的脈沖響應(yīng)的估計(jì)(Xp)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于述及的統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)于對(duì)述及的脈沖響應(yīng)的協(xié)方差估計(jì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于這個(gè)方法有下列步驟-對(duì)述及的脈沖響應(yīng)進(jìn)行平滑，并通過變換矩陣W進(jìn)行正交歸一化，以便得到述及的協(xié)方差估計(jì)，協(xié)方差估計(jì)取矩陣L’的形式，-尋求與這個(gè)矩陣L’相關(guān)的本征矢量(V’i)和本征值(λ’i)，-根據(jù)述及的接收信號(hào)(S)估計(jì)信道的瞬時(shí)脈沖響應(yīng)，并應(yīng)用變換矩陣W構(gòu)成矢量X’，-這樣就建立了述及的均衡估計(jì)(Xp)Xp=Σ(λi′-N0λi′(vih′·X′))Wvih′]]>此處，N0是一個(gè)純正實(shí)數(shù)，表示加性噪聲。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于選擇述及的加性噪聲(N0)，便之等于最小的述及的本征值(λ’i)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4中某一項(xiàng)的方法，其特征在于述及的本征值(λ’i)的子集具有小于某一個(gè)預(yù)定的閾值的影響，每一個(gè)本征值是強(qiáng)加在述及的加性噪聲值(N0)上的。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于將與述及的訓(xùn)練序列相關(guān)的測(cè)量矩陣記作A，述及的協(xié)方差估計(jì)為一矩陣形式R，于是就建立了述及的均衡估計(jì)(Xp)Xp＝(AtA+N0R-1)-1At·S此處N0是一個(gè)純正實(shí)數(shù)，表示加性噪聲。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征在于，該方法具有通過變換矩陣W對(duì)述及的矩陣R進(jìn)行正交歸一化的步驟，以便得到新的矩陣R’，這個(gè)均衡估計(jì)就取下面的新形式Xp＝W(I+N0R′-1)-1A′t·S此處，矩陣A’等于述及的變換矩陣W與述及的測(cè)量矩陣A的積。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特征在于(I+N0R’-1)-1是借助于求逆矩陣引理計(jì)算的。
9.根據(jù)權(quán)利要求3到6中任意一項(xiàng)的方法，其特征在于，在實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)脈沖響應(yīng)估計(jì)X之后，使用下面的方法得到述及的加性噪聲-估計(jì)瞬時(shí)噪聲N＝S-A·X，-將這個(gè)瞬時(shí)噪聲估計(jì)的能量歸一化。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于在述及的歸一化后面跟著一個(gè)平均的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是一種根據(jù)信道接收的信號(hào)(S)來探測(cè)該傳輸信道的方法。接收信號(hào)和發(fā)送的訓(xùn)練信號(hào)相對(duì)應(yīng),且述及的方法具有下列步驟:傳輸信道的統(tǒng)計(jì)的獲取,利用接收信號(hào)(S)建立由信道統(tǒng)計(jì)均衡的信道脈沖響應(yīng)的估計(jì)(Xp)。
文檔編號(hào)H04B1/00GK1256814SQ9880513
公開日2000年6月14日 申請(qǐng)日期1998年4月10日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月14日
發(fā)明者尼漢姆·本·雷切德, 讓－路易斯·多恩斯蒂特 申請(qǐng)人:諾特爾·馬特拉移動(dòng)通信公司