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CN1132328C - 接收机和在移动站中处理接收信号的方法 - Google Patents

接收机和在移动站中处理接收信号的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于减少RAKE接收机消耗的功率的系统和方法。在本发明的范例上述方案中，环境变化估计器在CDMA移动站中被提供。环境变化估计器被连接到RAKE接收机的搜索器上并提供移动站环境变化速度的估计值。通过提供移动站环境变化速率的估计值，搜索器的工作周期可被优化，从而减少接收机消耗的总功率。而且，还可通过提供对RAKE分支的估计来改善信道跟踪。

Description

接收机和在移动站中处理接收信号的方法
背景
本发明通常涉及无线通信系统中的码分多址(CDMA)通信技术，尤其涉及解调CDMA信号的接收器。
便携式电话工业已经在美国以及世界其他地区商业运作中产生显著的进展。在主要大城市地区的增长已经远远超过预期并且迅速超过系统容量。如果这种趋势继续下去，这种工业发展的影响甚至能到达最小的市场。这就要求解决方案的革新以满足这些不断增长的容量的需要，同时能保持较高的业务质量，避免提高成本。
在全世界，无线通信系统发展的重要一步就是从模拟到数字传输的改变。同等重要的是选择有效数字传输方案实现下一代技术。而且，大家广泛相信，采用能够被轻松自在携带的并且能在家里、办公室、街头、汽车等地方使用以便始发或接收呼叫的低成本、袖珍尺寸的无绳电话的第一代个人通信网络(PCNs)将通过(例如)使用下一代数字蜂窝系统结构的蜂窝承载者来提供。这些新系统所期望一个的重要特性就是增加的业务容量。
当前，信道接入可使用频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)方法来实现。FDMA中，通信信道是一个单一无线频段，信号传输能量集中在这个频段中。对通信信道发生干扰的信号包含那些在相邻信道上传输(相邻信道干扰)和在同一信道其他小区中传输(共同信道干扰)的信号。依靠使用只允许指定频率频带内的信号能量通过的带通滤波器可以对相邻信道干扰进行限制。通过为使用同一频率信道的小区提供最小的分隔距离，限制信道复用的方法可以将共同信道干扰减小到可忍受的程度。这样，由于每个信道被分配一个不同的频率，系统容量将受到可用频率和信道复用所带来的局限性的限制。
TDMA系统中，信道包含例如相同频率下一段时间间隔周期系列中的时隙。每个时隙周期称为一帧。给定信号的能量被限制在这些时隙的一个中。相邻信道干扰可依靠使用时间门或只允许特定时间接收的信号能量通过的其他同步单元来进行限制。这样，每个信道被分配不同时隙，系统容量将受到可用时隙和上面关于FDMA所述的信道复用局限性的限制。
使用FDMA和TDMA系统(以及混合FDMA/TDMA系统)，系统设计者的一个目的就是确保两个潜在的干扰信号不能在相同时间占用相同频率。相反，码分多址(CDMA)是一种允许信号时间和频率重叠的信道接入技术。CDMA是一种扩谱通信，出现在二次世界大战时期。早期应用主要面向军用。但是，今天在商业应用中使用扩谱系统的兴趣不断增加，因为扩谱系统能够提供对抗干扰的强壮性，它允许多径信号在相同时间占用相同带宽。这种商业应用的例子包括数字蜂窝无线电设备、陆地移动无线电设备和户内以及户外个人通信网络。
在CDMA系统中，每个信号使用扩谱技术传输。原则上，要传输的信息数据流被附加到称为特征序列的更高速率的数据流上。典型的，特征序列数据是二进制的，提供比特流。产生这种特征序列的方法是使用一个随机出现、但可以被授权接收机复制的伪噪声(PN)过程。信息数据流和高比特速率特征序列流通过将两个比特流复用而进行组合，假设两个比特流的二进制值可用+1或-1代表。较高比特速率信号和较低比特速率数据流的组合被称为扩展信息数据流信号。每个信息数据流或信道分配一个独特的特征序列。
多个扩展信息信号调制无线频率载波信号，通过例如二进制相移键控法(BPSK)，并在接收机处作为复合信号被共同接收。每个扩展信号与所有其他扩展信号和噪声相关信号都在时间和频率上重叠。如果接收机被授权，复合信号将与其中一个独特的特征序列相关，而且相应信息信号可以被隔离并解除扩展。如果使用正交相移键控法(QPSK)，特征序列可包含复数(具有实数和虚数部分)，其中实数和虚数部用于调制同一频率下的两个载波，但有90度的相位差。
传统上，特征序列用于代表一个比特的信息。接收已传输序列或其补码显示信息比特是否为+1或-1，有时表示为“0”或“1”。特征序列通常包含N比特，而特征序列每个比特都被称为“码片”。整个N码片序列和其补码，被称为传输符号。传统接收器，例如RAKE接收器，使接收信号与已知特征序列的复数共扼相互相关以产生一个关联值。在进行线形失真补偿后，只有相关值的实数部分被计算。当得到一个大的正相关值时，检测到“0”；当得到一个大的负相关值时，检测到“1”。
上面所述的“信息比特”还可以是编码比特，使用的码可以是块码或卷积码。而且，特征序列可以比单一传输符号长很多，这种情况下，特征序列的子序列用于扩展信息比特。在许多无线通信系统中，接收信号包括两个成分：I(同相)成分和Q(正交)成分。在使用数字信号处理的典型接收器中，接收的I和Q成分信号至少每Tc秒被抽样和存储，这里Tc是一个片的时间长度。
图1说明常规RAKE接收机。常规RAKE接收机100包括多径延迟搜索器110、多个并行解调器(通常在本领域内指RAKE“分支”)120和一个组合器130。通常，RAKE接收机利用一个信道内的多径时间延迟并将延迟的传输信号的拷贝组合起来以便提高链路质量。RAKE接收机通过给由多径延迟搜索器110确定的接收多径信号中选定的最强成分分配多个并行解调器120，可以捕获大部分接收信号能量。本领域的技术人员将会理解，多径延迟搜索处理器(通常在本领域内指“搜索器”)110能够估计信道延迟概貌，在延迟概貌中识别信道，同时识别信号传播条件改变所引起的延迟变化。在RAKE分支120进行相应的延迟补偿后，所有分支的输出通过组合器130组合在一起以便确定信号的信息内容。
本领域的技术人员将会理解常规RAKE接收机的搜索器将耗费接收机所有能量支出的绝大部分。因此，为了延长RAKE接收机所在移动站的电池寿命，保持搜索器的工作周期尽可能低是很重要的。
常规RAKE接收机没有考虑进行搜索和解调处理时移动站环境变化的速率。结果，搜索器的工作周期不考虑环境条件的改变而总是保持恒定，因此不必要地浪费了宝贵的能量。
本发明认识到，可以通过通过考虑移动站环境的变化速率而优化搜索器的工作周期以便节省能量。而且，还可改善信道跟踪。
发明概要
本发明旨在设法节省传统RAKE接收机的功率消耗。本发明的范例实施方案中，移动站的环境改变速率(在路径变化中反映)被确定并被选择路由发送到RAKE接收机的搜索器。例如，当移动站环境迅速改变时，搜索器的工作周期也将调整以便搜索操作能够更频繁地进行。另外，环境的缓慢改变允许搜索操作可以不很频繁地进行，因而减少移动站的功率消耗。
根据本发明的具体实施方案，移动检测器可在CDMA移动站中提供。移动检测器连接到搜索器上，提供移动站速率的估计(例如：非常低、低、中等等)。这种情况下，移动站的速率可以被用作例如当移动站速率增加时移动站环境改变的代表，同样可用作路径变化的代表。这样，速率估计允许搜索器工作周期最优化，从而减少接收机消耗的总功率。通过也给RADE分支提供移动估计，可以改善信道估计跟踪。
根据本发明，接收机包括：一个搜索器，用于检测接收到的扩谱信号射线；多个解调单元，用于对所述搜索器识别的选定射线进行解调并估计与所述射线相关联的信道；一个组合器，用于组合所述多个解调单元的输出；和一个移动检测器，用于估计移动站速度；其中所述的接收机使用所述估计速度来调节所述搜索器的操作。
根据本发明的另一个方面，在移动站中处理接收信号的方法，包括如下步骤：启动搜索器，以便在所述接收信号中搜索多径射线；并使用所述搜索步骤中识别的路径来处理所述接收的信号，本方法的进一步特征在于以下步骤：在移动站的环境变化估计器(340)中估计环境改变的速率；其中所述搜索器(310)的启动/禁止频率根据改变速率的估计而变化。
附图简述
下面有关附图的优选实施方案的描述，将使本发明的以上目的和特性显得更加清楚。其中：
图1说明了一个常规的RAKE接收机；
图2说明了一个典型的扩谱通信链路；
图3说明了一个根据本发明范例优选实施方案的RAKE接收机；
图4说明了根据本发明的RAKE接收机的组件；而
图5说明了根据本发明具体实施方案的RAKE接收机的组件。
详细描述
图2说明了一个典型的扩谱通信链路。图2中，一个扩展器202将包含信息符号的信息数据流附加到称为特征序列的更高速率的数据流上，以便产生一个扩展的或发射的数据序列。通常，此特征序列可用实数和复数来表示，相当把一个码片值传送到载频(I信道)或90度相移变型的载频(Q)上。此特征序列也可能是多个序列的合成。
然后，此扩展信号通过调制器204调制到一个射频载波上。此调制信号被传送到天线206上发射。在接收机处，接收天线208收集信号能量，然后将其传送到RF前端210，此前端提供必要的放大、滤波和混频操作，将射频信号转换成本技术领域内众所周知的包括同相(I)和正交(Q)成分的复数的基带信号。
接收信号然后被传送到能够隔离和合成接收信号的各个独立射线的RAKE接收机220，下面将对此作详细讨论。一旦合成，此信号就受到后处理230。
在无线系统中，由于信号反射，譬如从建筑物或附近的山脉的反射，无线信道会产生多径衰落和多径弥散。因而信号不是经一条而是多条路线传送到接收机，结果接收机接收到许多具有不同并且随机变化的时延和幅度的反射信号或射线。因此接收的信号是发射信号经过具有相对时延的不同路径进行传播的多种变型的合成。
图3说明了一个根据本发明范例实施方案的RAKE接收机。和传统的RAKE接收机一样，此接收机包括一个搜索器310、多个RAKE分支320和一个组合器330。本领域技术的人员会理解，在多个RAKE分支的其中一个能够完成搜索操作的情况下，RAKE接收机可选择不配置单独的搜索器。本发明的RAKE接收机还包括一个环境变化估计器340。
根据本发明的范例实施方案，当移动站接收机收到一个发射信号(通常是产生一个导频信号)，这样就能够确定一个移动站的周围环境变化的估计值。环境变化估计器340确定移动站周围环境变化的速率，即传播路径变化的速率。这种变化是由移动站的运动，或移动站周围建筑物结构的变化(例如，电梯门的关闭)引起的。
可用许多方法来确定环境变化的估计，例如，本领域的技术人员会理解可用频率偏移量的大小或多普勒频谱的宽度来估计移动站周围环境变化(即路径变化的速率)。根据第一范例实施方案，每个RAKE接收机分支的频率偏移可以以一种众所周知的方式来测量。通过比较不同的RAKE接收机分支的频率偏移，就能确定移动站环境变化的一个估计值。或者，在RAKE接收器提供可靠的振荡器的情况下，可以将不同RAKE分支的频率偏移与接收机的振荡器频率进行比较。这种比较还能提供移动站环境改变速率的指示。
根据本发明的第二范例实施方案，每个RAKE分支的多普勒频谱的宽度可以以一种众所周知的方式来确定。具有最宽多普勒频谱宽度的分支能够提供最高的代表环境改变速率的速度估计。
或者，移动站环境改变速率的估计可通过估计移动站速度来实现。这种估计可通过使用多个基站来实现。通过接收来自基站的信号和将信号发送到移动站，可得到移动站速度的测定。一个快速的移动站速度代表环境的快速变化。
本领域的技术人员会理解，上述用于估计移动站环境变化速率的方法只是一个范例，还有许多其他可替代方法可实现这种估计。
搜索器310可以使用这个估计来优化工作周期，而不考虑进行估计的方式。例如，当移动站环境以一个较低速率改变时(这可能是因为移动站处于静止或以较低速度移动)，根据本发明，搜索器的操作可以不很频繁以便节省电源。另一方面，当环境迅速变化时，搜索器的操作要较频繁地进行，以便改善接收机的运行。
图4更加具体说明图3描述的RAKE接收机。如图中所示，搜索器310包括一个范例搜索单元405、路径选择单元410和跟踪及控制单元415。作为一个例子，搜索单元405使用适当的编码(例如短金码和长金码)来执行对接收到的复合信号的复相关，以便“搜索”从天线接收的需要信号。本领域的技术人员可以理解，搜索单元通常包含多个匹配滤波器或相关器(未显示)，它们识别出信号中M个最强的多径成分，该信号是预定要由移动站从移动天线接收的复合信号中存在的各种重叠的扩谱信号中进行解码的。
这种复相关由匹配滤波器(或相关器)在给定时间或搜索窗口内完成。结果，搜索单元向路径选择单元410传送一个延迟能量概貌(DPP)信号。虽然DPP的具体计算与本说明没有特殊关系，感兴趣的读者可参考1998年5月29日提交的德国申请号DE-19824218.2“具有周期性插入的导频符号的DS-CDMA系统使用的多径搜索和跟踪程序”，整篇文章结合在这里作为参考。
路径选择单元410在考虑到干扰估计的情况下从搜索单元接收的DPP中提取M个最强路径。路径选择单元410将这个信息传送到跟踪及控制单元415。
跟踪及控制单元415完成两个基本功能。第一个功能是调节搜索单元的定计，以使其适合移动站和基站之间的距离变化。第二功能是根据搜索窗口的调整，调节提供的延迟路径并且选择一定数目的最终延迟值。本发明的跟踪及控制单元415还完成控制启动/禁止搜索单元405频率的功能。
跟踪及控制单元415将计时信号t1-tN输出到不同RAKE分支4201-420N，这些信号表示RAKE分支解调合成信号时的延迟时间。来自各个RAKE分支4201-420N的信号根据已知的分集技术在组合器330中被组合，以便确定信号的信息内容。
根据本发明的范例实施方案，环境变化估计器340给跟踪和控制单元415提供移动站环境变化速率的估计。本领域的技术人员可以理解，变化速率的估计可以是一个数字值或指示一个环境以多快速率变化的分类(例如：慢)。跟踪及控制单元使用变化速率估计控制搜索单元的匹配滤波器(或相关器)运行(即：控制启动/禁止匹配滤波器)的持续时间。因此，搜索器的工作周期可以被优化，以便在信道条件迅速变化时提高接收机的性能。
从上面可以看出，搜索器(尤其是接收机的搜索单元)消耗了RAKE接收机的绝大部分电源。因此，保持搜索单元的工作周期尽可能低以便减少RAKE接收机的总电源消耗是非常重要的。
传统的RAKE接收机没有考虑进行搜索和解调处理时移动站环境变化的速率。结果，在多径射线变化比较小，或者多径射线变化较大但变化速率很快的情况下，搜索单元的多个匹配滤波器在同一速率下运行，而不考虑移动站环境是否缓慢变化。在移动站环境缓慢变化的情况下，本发明的环境变化评估器通过减少搜索器操作所必需的时间降低了搜索器的功率消耗。因为这项操作涉及匹配滤波器，所以通过减少它们的操作可以节省大量功率。类似上述情况，当移动站环境以更快节奏变化的时候，搜索器被启动一段更长的时间。
根据本发明的具体实施方案，环境变化评估器可以以移动检测器的方式实现，图5说明根据本发明具体实施方案的RAKE接收机。图5所示的RAKE接收机包括搜索器510、多个RAKE分支520、和组合器530，它们的操作方式与上面图4所述内容类似。现在的具体实施方案的RAKE接收机还包括一个移动检测器540。
当移动站接收到一个发射信号，关于移动站速度的估计就会被确定。这个估计可以通过下述方式确定，例如：估计不同多径成分的多普勒频率；跟踪不同多径成分的时间差；或者使用全球定位系统(GPS)。当速度估计的确定通过估计不同多径成分的多普勒频率来实现时，本领域的技术人员会理解使用RAKE分支来实现这样的估计，其中每个分支路径变化可以单独考虑，或者，认为这个估计可以反映大多数情况。
在不必考虑速度估计实现的方式的情况下，搜索器310可以使用这个估值来优化其工作周期。例如，本领域内的技术人员会理解在速度比较低情况下，多径射线变化最小。多径射线中的最小变化允许搜索器运行时间最小化，这在下面的论述中将会更加清晰。通过使搜索器的操作减至最少，可实现减少移动站功率消耗。但，较大变化表示能够保证搜索器性能的提高。
类似于上面图4所述的RAKE接收机，移动检测器540为跟踪及控制单元515提供移动站速度估计。跟踪及控制系统515用速度估计来控制搜索单元505的匹配滤波器操作的持续时间。(即：它控制匹配滤波器的启动/禁止)。因此，可以优化搜索器510的工作周期，以便减少接收机的总功率消耗。
根据本发明具体实施方案的范例，移动检测器也可以为RAKE分支提供速度估计。RAKE分支执行包含滤波操作的信道估计过程。本领域的技术人员会理解，如果多普勒频率带宽未知，则很难确定适合的滤波器操作。很显然，信道的带宽会随着移动站的速度变化而变化。因此，通过给RAKE分支提供速率估计，可以实现最合适的滤波器操作，从而产生更好的信道估计。
本领域的技术人员可以理解，在大多数情况下，只要简单地对速度分类(例如低或高)就足够了，并不用确定出实际的数字数值。所以，可以使用更简单一些的移动检测器。本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明精神和范围的情况下，还可以包括一些附加的类别(除了低和高之外)。例如，速度类别可分成非常低、低、中等、高和非常高。
本发明涉及使用CDMA进行数字通信的所有领域。本发明提供了一种减少功率消耗并改善性能的的方法。尽管本发明描述的方法特别适合于蜂窝移动通信系统的移动站，但是它的应用并不仅限于此。例如，本发明也可应用于基站中。
而且，虽然以上述具体实施方案提出移动检测器可以实施于移动站中，以便提供移动站环境变化的速率估计，本领域的技术人员可以理解，也可以使用单独的移动检测器和环境变换估计器以便更好地确定搜索器操作的最优工作周期。例如，有移动站以较低的速度移动或者静止、但环境却因为移动站周围的建筑物结构变化而快速地变化的例子。在这样的情况下，环境变化估计器会确保确定最优的工作周期。
前面描述了本发明的原理、具体实施方案和操作模式。但是，本发明不能仅限于上面讨论的特定具体实施方案来解释。因此，上述具体实施方案应该被当作是说明性质的，而不是限制性的。应该认识到，在不脱离下面权利要求定义的本发明范围的情况下，本领域内的技术人员可在具体实施方案中作各种改变。

Claims (16)

1.接收机包括：一个搜索器(310)，用于检测接收到的扩谱信号射线；多个解调单元，用于对所述搜索器(310)识别的选定射线进行解调并估计与所述射线相关联的信道；一个组合器(330)，用于组合所述多个解调单元的输出；和
一个移动检测器(540)，用于估计移动站速度；
其中所述的接收机使用所述估计速度来调节所述搜索器(310)的操作。
2.如权利要求1所述的接收机，其中所述移动检测器产生一个数字值作为速度估计。
3.如权利要求1所述的接收机，其中所述移动检测器产生所述速度的一个类别作为速度估计。
4.如权利要求1所述的接收机，其中所述解调单元使用所述速度估计来改善信道估计跟踪。
5.如权利要求1所述的接收机，其中所述搜索器(310)的启动/禁止频率被所述速度估计所控制。
6.在移动站中处理接收信号的方法，包括如下步骤：启动搜索器(310)，以便在所述接收信号中搜索多径射线；并使用所述搜索步骤中识别的路径来处理所述接收的信号，本方法的进一步特征在于以下步骤：
在移动站的环境变化估计器(340)中估计环境改变的速率；
其中所述搜索器(310)的启动/禁止频率根据改变速率的估计而变化。
7.如权利要求6所述的方法，其中搜索器(310)的操作频率随改变速率的降低而降低。
8.如权利要求6或7所述的方法，其中在所述环境改变估计器(340)中估计改变速率的步骤包含确定路径改变速率的步骤。
9.如权利要求6或7所述的方法，其中环境改变的速率由移动检测器(540)确定。
10.如权利要求6或7所述的方法，其中在所述环境变化估计器(340)中估计改变速度的步骤包含估计该移动站速度的步骤。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述速度估计是一个数字值。
12.如权利要求10所述的方法，所述速度估计是速率的分类。
13.如权利要求11或12所述的方法，所述速率估计由多个基站来执行。
14.如权利要求1-7或11-12任意之一所述的方法，其中所述处理步骤进一步的特征在于以下步骤：
对所述搜索器(310)选定的路径进行解调；和
在组合器(330)中组合所述解调的路径；
其中所述改变速率的估计通过改善信道跟踪而改进了所述解调步骤。
15.如权利要求6或7所述的方法，进一步特征在于以下步骤：
估计移动站的速度，
其中所述启动/禁止频率根据所述改变速率的估计和所述速率估计而变化。
16.如权利要求10的方法，其中移动检测器(540)被用于估计移动站的速度。
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