CN1261476A

CN1261476A - 接收方法和接收机

Info

Publication number: CN1261476A
Application number: CN98806519.3A
Authority: CN
Inventors: 阿里·豪蒂宁; 约尔马·利里伯格; 安蒂·托斯卡拉; 哈里·霍尔马
Original assignee: Nokia Networks Oy
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1997-06-23
Filing date: 1998-06-23
Publication date: 2000-07-26
Also published as: NO996400D0; EP0988706B1; FI972704L; DE69835816D1; FI104020B1; FI104020B; EP0988706A1; AU7920698A; NO996400L; JP2002506595A; ATE339036T1; AU743733B2; DE69835816T2; WO1999001946A1; FI972704A0; US7088699B1

Abstract

本发明涉及这样一种系统中的接收方法和接收机,该系统在每个小区中都包括一个与位于其小区区域中的终端通信的基站。所接收的信号包括来自多个发射机的信号的和信号。该接收机包括用于对信号进行干扰消除和进行同时的多用户检测的装置(208)以及用于搜索信号参数的装置(210)。为了减小所需的计算容量,该接收机还包括用于从所接收的和信号中消除已知用户的信号的影响的装置(210),以及用于根据窄带残留信号来估算未知信号的参数的装置(210)。

Description

接收方法和接收机

本发明涉及蜂窝无线系统中的一种接收方法，该系统在每个小区中都包括至少一个与位于其小区区域中的终端通信的基站，并且在该系统中，采用码分多址，在这种方法中，所接收的信号包括来自多个发射机的信号的和信号，所述信号包括码元，并对所述信号进行干扰消除和进行同时的多用户检测，并且在这种方法中，为所接收的信号产生一个估算。

本发明还涉及蜂窝无线系统中的一种接收方法，该系统在每个小区中都包括至少一个与位于其小区区域中的终端通信的基站，并且在该系统中，采用码分多址，在这种方法中，所接收的信号包括来自多个发射机的信号的和信号，并对所述信号进行干扰消除和进行同时的多用户检测。

本发明可应用于多种不同类型的无线系统如CDMA系统中。CDMA是一种基于扩展频谱技术的多址联接方法，并且除了以前的FDMA和TDMA系统以外，这种方法最近也已应用于蜂窝无线系统中。CDMA比起以前的方法具有多个优点，如频率规划简单而频谱效率高。

在CDMA方法中，利用带宽大大宽于数据信号的扩展码将窄带用户数据信号倍乘到相对宽带上。在已知测试系统中，所用的带宽例如为1.25MHz、10MHz和25MHz。鉴于这一倍乘，数据信号被扩展到所用的整个频带上。所有用户以同一频带同时发射。在基站与移动台之间的每个连接上，都使用一个独特的扩展码，这样，在接收机中，根据每个用户的扩展码，可以区分这些用户信号。目的是要通过这样的方法来选择扩展码：这些扩展码互相正交，即它们互不相关。

以常规方法实现的CDMA接收机中的相关器与根据扩展码来识别的所需信号进行同步。在接收机处，通过将数据信号再乘以与发射期间相同的扩展码，将该数据信号复原到原始带宽。与其他扩展码相乘的信号理论上不相关且不会复原到该窄带。因此，这些信号对所需信号而言就象噪声一样。目的是要从一些干扰信号中检测出所需用户的信号。实际上，扩展码不是正交的，因此其他用户的信号造成所接收信号非线性失真，这会妨碍所需信号的检测。这种用户之间的互相干扰叫作多址联接干扰。类似的多址联接干扰也会出现在诸如TDMA和FDMA等其他多址连接方法中。

已开发了许多种接收方法，用来消除因多址联接干扰所造成的信号质量下降。在这些方法中，有常规的单用户接收和能进行同时的多用户检测的方法。在常规的单用户接收中，所接收的传输可通过一种线性匹配滤波器来相关，这种滤波器可以滤掉除所需用户的信号之外的传输中所包含的所有其他信号。这种接收方法容易实现，但在多址联接干扰消除中，效率太低。

已经公开了从宽带信号中消除多址联接干扰并又通过将扩展码解码来检测窄带信号的方法。这种方法在“Thielecke，‘Interference Reduction Applied to Channel Estimation in CDMASystems’，Proceedings of Vehicular Technology Conference，1994”中被公开，在此作为参考。然而，实际上这些方法实现起来是困难的，因为要在宽带上即以码片级(chip level)来进行信号处理。

一种最佳多用户检测器(MUD)包括一些线性匹配滤波器和一个维特比检测器。一种已知的线性多用户检测器是称为去相关检测器的最小二乘方检测器(LS检测器)。这种检测器需要有关所用码的互相关的数据。

再者，这些已知方法的缺陷在于，它们是针对静态系统(即用户数量不变的情况)而发展起来的。然而，无线系统实际上包括了大量随时间变化的因素，因此在设计接收机时应当考虑这些因素。鉴于越区切换或新的呼叫，一些新用户进入到小区中。来自邻近小区的干扰信号的数据和质量也在不断变化。

本发明的目的是，提供一种接收方法和一种接收机，利用这种方法和接收机可以避免以往方案的缺点。本发明的方案能实现快速和精确的同步，因此可以提高连接建立和干扰消除的质量。

用引言中所述的那种方法可以达到这一目的，该方法其特征在于，估算包括所接收用户信号的一个或多个估算，还在于，将所接收的和信号减去以码元级所估算的码元的影响，从而得到一个窄带的码元级残留信号。

还可用引言中所述的那种方法达到这一目的，该方法其特征在于，估算包括所接收用户信号的一个或多个估算，还在于，所接收的和信号用一种特殊的扩展码来相关，从而得到第一码元级信号，还在于，所计算的估算用同一扩展码来相关，从而得到第二码元级信号，还在于，将第一码元级信号减去第二码元级信号，从而得到一个窄带的码元级残留信号。

本发明还涉及蜂窝无线系统中的一种接收机，该系统在每个小区中都包括至少一个与位于其小区区域中的终端通信的基站，在这种方法中，所接收的信号包括来自多个发射机的信号的和信号，所述接收机包括用于对信号进行干扰消除和进行同时的多用户检测的装置以及用于搜索信号参数的装置。本发明的接收机其特征在于，该接收机还包括用于消除已知用户的信号的影响的装置以及用于根据窄带残留信号来估算未知信号的参数的装置。

利用本发明的方法可以得到一些优点。本发明的方法可以迅速注意无线通路的传播环境中的一些动态变化，例如新用户或未知入侵者的信号。在大多数情况下，本发明的方案也比以往的方案需要更少的处理容量。本发明的方案不需要现有设备作多大的改动，而以低代价就可以在现有系统中投入使用。本发明的优选实施方式如附属权利要求书中所阐述。

下面，将根据附图并参照例子来详述本发明，其中：

图1示出了应用本发明的系统，和

图2是说明本发明的接收机的结构的框图

本发明可应用于多种不同类型的无线系统如CDMA系统中。下面，就CDMA系统(不局限于该系统)来描述本发明。

图1说明了典型的蜂窝无线系统的结构。该图示出了两个小区100、102，每个小区各包括一个基站104、106。小区100包括三个与基站104通信的活动终端108-112。相应地，小区102包括两个与基站106通信的活动终端116、118。

在基站处，接收到终端的信号，并对所接收的信号进行同时的多用户检测。现在我们来考查基站104的情况。该基站与位于其小区区域中的活动终端108-112通信，基站接收它们的信号120-124。基站天线所接收到的和信号还包括位于邻近小区中的终端的信号126，对该接收机而言，这是一个干扰信号。基站104利用一种已知的MUD算法来进行同时的多用户检测。因此，它在此检测所需信号120-124并从所需信号中消除干扰信号126的影响。当然，从各个所需信号中不仅可以消除来自邻近小区的信号的影响，还能消除所有其他信号的影响。这取决于实施方法的限制和估算的可靠性。

下面，利用图2中的框图，来详细分析本发明的这一例子的基站中的接收机。该接收机包括一个接收来自多个发射机的信号的和信号的天线200。该天线可以是单个天线也可以是包括两个或多个天线的天线阵。信号从天线传送到射频部件202，在射频部件中，信号通常被放大并变频为中频或基频。信号再从射频部件传送到抽样装置204即模/数转换器，在此，以所需抽样频率对信号进行抽样，将其转换成数字形式。

然后，信号从抽样装置202传送到相关器组206，该相关器组包括若干个相关器或匹配滤波器，每个相关器与该和信号中的一个信号分量(相关器可根据信号参数来识别它)进行同步。相关器将这些信号的扩展码解码即将其变频为窄带。这些窄带信号212传送到检测单元208，在该检测单元中，进行同时的多用户检测。从检测单元得到的所需信号码元的软判决214传送到后处理单元216，再转发到接收机的其他部件中。在后处理单元216中，例如对信号进行去交错和信道解码。检测单元以后如何处理信号就无关紧要了。

相关器组所需的信号参数包括扩展码、数据速率、相对延时，还包括信号传输中所用的幅度(任选)。当这些参数中的任一参数改变时，相关器必须被更新。当用户离开或进入小区时，扩展码可能改变，这会在越区切换或接入时出现。

由于有关这些参数的数据是重要的，因此，接收机当然得监测和估算这些变化的参数。这在所谓的搜索器单元210中进行。从抽样装置202接收到的和信号除了传送到相关器组之外，还传送到搜索新信号分量及其参数的搜索器单元210中。

搜索器单元210所估算和计算的信号参数包括活动用户的数量、物理信道、信道脉冲响应、帧参数及其功能。在搜索器单元中，还计算码之间的相关矩阵。当信道上出现动态变化时，即当延时和比特率改变时，该相关矩阵必须被更新。在同时的多用户检测和干扰消除中，检测单元利用这些数据来计算信号之间的相关。

在本发明的方案中，通过除了将所接收的和信号输入到搜索器单元之外还将从所接收的和信号中消除了已知用户的信号的影响的信号输入到搜索器单元的方法，可以大大减轻搜索器块的工作量。根据这一残留信号来估算未知信号的参数要比根据原始和信号来估算容易得到多。在此，尤其对分组形式的数据而言，接收机的这种快速操作是重要的。

当发现一个新信号并识别了其参数时，有两种可选择的方法。如果该信号是干扰信号，例如一个属于邻近小区的终端的信号，那么从所接收的信号中消除通过估算参数所发现的信号的影响。而如果该信号是所需信号，例如一个移动到基站小区区域中并想建立到基站的宏分集(macrodiversity)连接的终端，那么利用同时的多用户检测方法来检测由估算参数所发现的信号。

未知信号的估算可选择不同的方法。接收机可以有一些关于所要搜索的信号的预知信息。这些信号可以例如来自邻近小区，据此，邻近小区的基站可预先发送一些潜在干扰信号的参数。这样，当例如不知道延时时可以知道扩展码。另一方面，在同步系统中，当不知道扩展码时可以知道延时。还可能预先知道没有干扰信号的参数。另一方面，在分组业务中或对于随机接入传输，当例如不知道延时时可以知道代码。

当已知所要搜索的信号的一些参数时，利用这些数据来搜索其他参数，这样当然可使搜索更迅速。

例如，如果一些潜在的入侵者是已知的，那么可以预先计算所需用户与潜在干扰信号之间的互相关。接着，利用所估算的码元、已知的延时和代码，从所接收的和信号中消除这些已知信号的影响。然后，为了减小搜索窗，可利用预知数据，根据残留信号来搜索未知信号。

下面，来详细分析一下本发明的这一方案的数学基础。所接收的信号r用下式来表示：

r＝S₁A₁b₁+n

其中，矩阵S包括t时刻活动用户的所有代码，A包括t时刻活动用户的所有的信道系数，b包括t时刻活动用户的所有的比特，而n为噪声。当一个新用户进入到系统中时，必须被标识的一个新的列出现在上式的矩阵S中。

一种已知的解决这一问题的方法是，用一个不属于矩阵S的已知码s₂与所接收的信号相关：

s₂ ^Hr。

根据这一相关，判定这一新信号是否利用特殊码发送以及该信号以什么样的延时被接收。对这些码和延时逐个进行验证，直到通过相关结果找出该发射机。

另一种被以上Thielecke所公开的方法是，根据以下宽带残留信号来决定是否执行干扰消除：

{S_{2}}^{H} [\underline{r} - {\hat{S}}_{1} {\hat{A}}_{1} {\hat{b}}_{1}]

其中，从所接收信号中减去这一宽带信号。

本发明的一种优选实施方式基于处理窄带信号即从瑞克支路的输出端得到的信号。根据这一方法，首先产生已知信号的估算：

\underline{{\hat{r}}_{1}} = {\overset{\bar{^}}{S}}_{1} \hat{A}_{1} {\hat{b}}_{1} .

接着，将残留信号用所要搜索的码来相关：

{\hat{z}}_{12} = {\hat{s}}_{2}^{H} [{\hat{S}}_{1} {\hat{A}}_{1} {\hat{b}}_{1}] = {\hat{S}}_{2}^{H} {\hat{r}}_{1},

从而为窄带信号得到一个干扰估算。然后，从

瑞克支路的输出中减去所估算的窄带信号：

Z_{rω} = Z_{2} - {\hat{z}}_{12}

并根据窄带残留信号作出判决。对于用户k，根据下面信号作出判决：z_res+_k_k其中，_k是某个用户的信道估算。

这一判决可基于例如残留信号的强度或信道估算或幅度估算。残留信号可以相干也可以不相干地以码元级来合成。相干合成可以通过发送一个已知的训练序列或通过判决反馈来实现。如果一个新信号不包括s₂，那么残留信号的信噪比差，反之，这一操作减小干扰并大大提高信噪比。本发明方法的一个很大的优点在于，在任何阶段都不必计算互相关，因此，该方法实现起来简单多了，即便代码逐个码元地变化。另一方面，如果代码保持不变即并没有逐个码元地变化，那么还可以通过先计算出互相关矩阵S₂ ^H*S₁然后只计算

的方法，来实现上述计算。由于代码不变，因此计算量没有明显增加。

窄带残留信号的计算仍是不可或缺的过程，因此能使计算不过频繁的这些方法是有好处的。做到这点的一种方法是采用卷积相关器：

S₂ ^Hr，

利用这一方法，可以搜索一些测试延时，其中极可能有正确的延时/码。对于以这种方法得到的所有测试延时，都可以为其计算出基于残留信号z_rω的更精确的延时/码估算。因此，利用系数|L₁|/|L₂|，可以减小复杂性，其中，|L₁|是所搜索的测试延时的数量，而|L₂|是所有可能的延时的数量。当然，可以并行地对多个测试延时进行计算，也可以一次一个延时顺次进行计算。

在本发明的另一优选实施方式中，从所接收的信号中去除干扰信号的至少一个估算，然后根据所得到的残留信号来估算未知信号的参数。在例如包含了随机接入信号时，这一可选的方法是有好处的。在这种情况下，干扰信号只产生一次影响。可以从所接收的传输中消除这一信号的影响，然后根据以这一方式得到的较小的干扰残留信号来估算未知信号的参数。这一干扰信号估算包括复数振幅、信道系数、延时等。

下面，利用图2中的框图，来详细分析一下本发明的这一例子的基站中的接收机的结构。该接收机含有相关器组206，该相关器组包括若干个相关器或匹配滤波器，其输出包括了将与已知扩展码相乘后变频为窄带的信号212。检测装置208对信号212进行干扰消除并进行同时的多用户检测。

接收机还包括用于搜索信号参数的装置210。所接收的和信号作为一个输入进入到该搜索器装置。有关已知信号参数的数据218从检测装置208传送到搜索器装置。信号218包括例如有关所检测到的信号数量的数据、每个信号的初步延时估算和活动码组。搜索器装置从所接收的和信号中消除已知用户的信号的影响，并根据残留信号来估算未知信号的参数，如上所述。搜索器装置计算出的参数220传送到相关器组206中，还传送到将要使用的检测单元208中。搜索器装置210和检测装置208实际上可以采用信号处理器或多用途处理器或者分离元件或ASCI电路，优先地用软件来实现。

尽管以上参照附图中所示的例子阐述了本发明，显然，本发明并不局限于此，而可以在附属权利要求书中所阐述的本发明思想的范围内以多种方式修改。

Claims

1.蜂窝无线系统中的一种接收方法，该系统在每个小区中都包括至少一个与位于其小区区域中的终端通信的基站，并且在该系统中，采用码分多址，在这种方法中，所接收的信号包括来自多个发射机的信号的和信号，所述信号包括码元，并对所述信号进行干扰消除和进行同时的多用户检测，并且在这种方法中，为所接收的信号产生一个估算，其特征在于，

该估算包括所接收用户信号的一个或多个估算，

还在于，将所接收的和信号减去以码元级所估算的码元的影响，从而得到一个窄带的码元级残留信号。

2.蜂窝无线系统中的一种接收方法，该系统在每个小区中都包括至少一个与位于其小区区域中的终端通信的基站，并且在该系统中，采用码分多址，在这种方法中，所接收的信号包括来自多个发射机的信号的和信号，并对所述信号进行干扰消除和进行同时的多用户检测，其特征在于，

估算包括所接收用户信号的一个或多个估算，

还在于，所接收的和信号用一种特殊的扩展码来相关，从而得到第一码元级信号，

还在于，所计算的估算用同一扩展码来相关，从而得到第二码元级信号，

还在于，将第一码元级信号减去第二码元级信号，从而得到一个窄带的码元级残留信号。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据窄带残留信号来估算未知信号的参数。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用这些参数来判定是否发现了新的用户信号。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，利用所估算的参数，采用同时的多用户检测方法来检测所发现的信号。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所接收到的和信号先传送到一些匹配滤波器(206)，在此估算已知信号的参数，然后将所述信号传送到检测器(208)，在此进行同时的多用户检测。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，这些信号参数包括信号的相位、幅度和所使用的扩展码。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，并行地估算这些信号参数。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，顺次地估算这些信号参数。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，当已知未知信号的某些参数时，在搜索其他参数时可利用这些数据。

11.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，残留信号包括用户码元，还在于，这些码元是非相干合成的。

12.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，残留信号包括用户码元，还在于，这些码元是相干合成的。

13.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在一些阶段中，这样来估算参数：先搜索初步估算，然后根据这些已得到的初步估算来估算出更精确的最终估算。

14.蜂窝无线系统中的一种接收机，该系统在每个小区中都包括至少一个与位于其小区区域中的终端通信的基站，在这种方法中，所接收的信号包括来自多个发射机的信号的和信号，所述接收机包括用于对信号进行干扰消除和进行同时的多用户检测的装置(208)以及用于搜索信号参数的装置(210)，其特征在于，该接收机还包括用于从所接收的码元级和信号中消除已知用户的信号的影响的装置(210)，以及用于根据窄带残留信号来估算未知信号的参数的装置(210)。

15.如权利要求14所述的接收机，其特征在于，该接收机还包括利用所估算的参数从所接收的信号中消除所发现的信号的影响的装置(208)。

16.如权利要求14所述的接收机，其特征在于，该接收机还包括利用所估算的参数采用同时的多用户检测方法来检测所发现的信号的装置(208)。