CN1274488A - 移动通信系统中多普勒漂移的补偿 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于补偿移动通信系统中移动台与基站之间所发送的信号的多普勒漂移的方法和系统。在这种方法中,确定接收信号的两个选定部分的多普勒特性,对于每个选定部分,多普勒特性都呈相位偏移形式。然后,将较大的相位偏移作为多普勒特性,来为接收信号提供多普勒漂移补偿。

Description

移动通信系统中多普勒漂移的补偿

本发明涉及移动通信系统中多普勒漂移的补偿。

在移动通信系统中，相对于基站正在移动的移动台发出的信号会受到众所周知的多普勒效应的影响，这导致了在基站处所接收到的频率相对于移动台所发送的频率的频移。这一频移在此被称为多普勒漂移。多普勒漂移取决于移动台相对于基站的移动速度和方向。因此，根据移动台相对于基站的移动方向，多普勒效应会造成频率的增大或减小。多普勒漂移的幅度取决于移动台相对于基站的移动速度。

现有的移动通信设备提供了一种多普勒补偿，其中，基站中的在特定信道上选择特定信号的频率检测电路可考虑到信号的一定量的多普勒漂移。

实现多普勒补偿的一种技术如我们以前的申请PCT/EP97/00489中所述。

这种技术按以下步骤实现：

确定接收信号的信道的信道脉冲响应；

利用该信道脉冲响应来估算接收信号的选定部分的数据比特；

利用该信道脉冲响应和所估算的比特来产生一个参考矢量；

利用该参考矢量和接收信号的选定部分来确定多普勒特性；和

利用该多普勒特性来为该接收信号提供多普勒漂移补偿。

在检测快速移动的移动台所发送的信号时，多普勒漂移会带来特别的难题。如果能校正多普勒漂移，就能更精确地检测接收信号。

本发明涉及上述参考技术的一种改进方案，该改进方案旨在提供一种多普勒校正方法，不管移动台的速度多快，这种方法都能很好地运用。在低移动速率时，多普勒漂移小，因此校正会降低性能。而在高速率时，需要校正来改进信号检测。本发明人找到了一种折衷办法，使得，对于高移动速率，接收机性能可得到改善，反之在低移动速率时，性能下降最小。

根据本发明的一个方面，它提供了一种方法，用于补偿移动通信系统中移动台与基站之间所发送的信号的多普勒漂移，这种方法包括：

确定接收信号的两个选定部分的多普勒特性，对于每个选定部分，多普勒特性都呈相位偏移形式；和

将较大的相位偏移作为多普勒特性，来为接收信号提供多普勒漂移补偿。

根据本发明的另一个方面，它提供了一种系统，用于补偿移动通信系统中移动台与基站之间所发送的信号的多普勒漂移，这种系统包括：

用于确定接收信号的两个选定部分的多普勒特性的电路，对于每个部分，多普勒特性都呈相位偏移形式；和

用于根据作为接收信号的多普勒特性的较大的相位偏移来实现多普勒漂移补偿的电路。

意想不到的是，总是取较大的相位偏移，接收信号的信号估算才会有改善。接收信号的选定部分可以是分开的也可以是重叠的。在所述实施方式中，一个选定部分靠近接收信号的中部，而另一选定部分远离中部，当然选定部分的位置可以有很多其他可能性。

再者，也可以取两个以上的选定部分，并将三个或三个以上选定部分上的较大的偏移作为多普勒特性，用以实现多普勒漂移补偿。

多普勒特性可用一种参考矢量来确定，这种参考矢量是利用为接收该信号的信道所确定的信道脉冲响应和通过该信道脉冲响应所估算的估算数据比特来产生的。这可以参见我们以前的申请PCT/EP97/00489中所述的技术。

为了更好地理解本发明并说明本发明如何实施，可参照附图中所举的例子，其中：

图1是移动通信系统中的信号脉冲串的示意图；

图2是用于实现改进型多普勒漂移补偿的电路的框图；和

图3是信号脉冲串的另一示意图，图中示出了一个以上的选定部分。

图1示出了根据GSM标准的移动通信系统中的常规脉冲串。该图表示基站处接收到的脉冲串。对于根据GSM标准的TDMA系统，移动台发送这些脉冲串，作为基站控制器所分配的频率信道上的调制信号。一个频率信道可以支持多达8个脉冲串，每个脉冲串与各自的呼叫有关，其中每个呼叫被分配了一个发送该脉冲串的时隙。根据GSM标准的TDMA系统的进一步的细节在此不再描述，因为对熟练技术人员而言是已知的。

该常规脉冲串包括两个58比特的分组(DATA)，这两个分组位于26比特的训练序列(TRS)的两侧。加在该常规脉冲串的每一端的是3比特的尾比特(TS)。训练序列(TRS)是一个预定的比特序列，它由移动台(MS)所发送并为基站控制器(BSC)所知。在基站处，可利用它来估算发送该脉冲串的信道的脉冲响应。所发送的实际信息置于脉冲串的数据比特(DATA)中。

正如前面所述，信号从移动台到基站所通过的环境可能有很大的变化，这尤其取决于移动台与基站之间的距离以及小区中的房屋和其他建筑物所造成的干扰。因此，基站处所接收到的信号的信号强度和信号质量变化很大。再者，对于移动的移动台，基站所接收到的信号还受多普勒漂移的影响，这种多普勒漂移应当校正。

这里所述的电路提供了一种多普勒漂移校正技术，采用这种技术可不受移动台的速度的影响。

图2示出了适合于在GSM系统中实现多普勒补偿的一种电路1。应当理解，图2中的各个块，尽管被示为各个互连的实体，但并非表示各个物理实体，而旨在图解说明所执行的各个步骤。这些块可以用一些电路来实现，或者适当编程的处理器可以实现分别分配给这些块的每一功能。

天线20接收来自移动台的信号11。天线20通过互连21连接到RF电路22。这一电路22对接收到的脉冲串进行处理，将频率下变频到基带频率，并对该脉冲串进行抽样以将模拟信号转换为数字抽样值。RF电路22的输出是以传输信号的所需比特率所抽样的(数字形式的)抽样脉冲串r。图1示出了这种脉冲串。电路22的输出沿线路24输入到信道脉冲响应(C.I.R.)块10，输入到方差计算器16使得能估算通信信道的质量(如后面所述)，输入到滤波和均衡电路12，输入到相位差计算器36和输入到变换电路40使得能估算和应用对脉冲串r的多普勒漂移校正。

图2的上面部分示出了实现系统的自适应部分所需的电路，以产生一个多普勒校正修正因子S_c。存储器32保存训练序列TRSref，该序列是预定比特序列，该预定比特序列作为训练序列由移动台MS发送，并作为TRS_received在基站处被接收。该参考训练序列TRSref输入到参考发生器14还输入到信道脉冲响应(C.I.R.)块10。参考发生器14还接收来自信道脉冲响应块10的估算信道脉冲响应h。

C.I.R.块10接收含有接收训练序列TRS_received的脉冲串r，并通过计算接收训练序列TRS_received与已知训练序列TRSref之间的互相关来计算估算信道脉冲响应h。因此：

h＝xcorr(TRS_received，TRSref)  (公式1)

应当注意，在进行互相关之前，以数字形式存储的已知的训练序列TRSref以类似于这样的方式被调制，在这种方式中，根据GSM标准，为进行传输，训练序列已在MS处被调制。这种互相关以一种已知的方式来实现，从而得到有5个分量值(h(i)_i＝0-4)的信道脉冲响应。

正如所知的那样，估算脉冲响应h用来计算所需的接收脉冲串中数据的估算，就好象该数据受到了同一平均噪声的影响。

C.I.R.块还产生定时超前信息τ，该信息用来确定接收脉冲串r位于所分配的时隙中何处。

对于每个脉冲串，脉冲串的估算信道脉冲响应h由CIR块10计算后被输入到滤波/均衡电路，该电路可使该脉冲串中的数据DATA(r)被恢复。正如所知的那样，滤波/均衡电路12接收所接收脉冲串的信道脉冲响应h和定时信息τ，以使该信号被解调、滤波和解码，从而以已知方式来恢复数据。

参考发生器14产生一个参考矢量reffi，该矢量是利用脉冲响应与已知训练序列的卷积计算出来的。因此，参考发生器14完成了以下计算：

reffi＝h*TRSref  (公式2)

具体地说是(其中reffi_k表示信号reffi的第k个抽样)： ${\mathrm{reffi}}_k=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i\·(1-2.{\mathrm{TRS}}_{k-i})$ (公式3)

其中，N表示估算脉冲响应h中的分量值的个数(在所述实施方式中，N＝5)，而k是从N-1到25。

矢量reffi从参考发生器输入到方差计算器16。如上所述，方差计算器还接收含有接收训练序列的脉冲串r。方差计算器根据下式计算方差var(σ²： $\mathrm{var}=\frac{\left(\underset{k=4}{\overset{25}{\mathrm{\Σ}}}\left(\right|r_k-{\mathrm{reffi}}_k{|}^{^}2)\right)}{\mathrm{reffi}\_\mathrm{length}}$ (公式4)

项reffi_length是一个常数，它表示参考信号reffi的长度。这可用抽样数(22)乘以比特间距计算出。

在公式4中，r_k的值是脉冲串r的接收训练序列的抽样值。

应当注意，每个实际接收抽样r_k都具有与从信道脉冲响应中得到的和参考抽样reffi_k所反映出的平均估算噪声电平不同的噪声电平。因此，方差指示了实际接收到的噪声能量的强度，从而指示了信号质量。

方差计算器16的输出σ²输入到多普勒校正修正因子电路18。多普勒校正修正因子电路18应用一种可由用户确定的功能，利用计算出的方差σ²来产生修正因子S_c。在图2所示的实施方式中，多普勒校正修正因子电路产生作为方差σ²的函数(例如线性函数或诸如阶跃函数的非线性函数)的修正S_c。

在另一种实施方式中，S_c的值可根据信道的信噪比(SNR)来计算。

图2的下面部分电路以框图形式示出了实现多普勒漂移校正的系统。

均衡电路30，例如维特比均衡器，接收经滤波和均衡电路12所滤波、解调和均衡的信号DATA(r)。均衡电路30对脉冲串的数据序列DATA的两个选定部分(这些部分在图3中用ESTIM.BLK1和ESTIM-BLK2表示)进行处理，从而根据移动台MS所发送的数据来估算比特。这一数据在此用estim_bits来表示，并且它们的运算是从BLK1中的k＝j到k＝j+n。这一过程将结合BLK1来描述，应当注意，对于BLK2可采用类似的过程。均衡电路30正如在已知移动通信系统中那样可进行比特判决处理，因而在此不再描述。

估算比特判决estim_bits输入到参考电路34。参考电路34利用估算比特判决与估算脉冲响应h的卷积，按照下式产生一个参考矢量ref：

ref＝estim_bits*h    (公式5)

因此，参考矢量ref包括一组抽样ref_k，k＝j→j+n，每个抽样都有实部和虚部值。参考矢量ref输入到相位差计算器36。如前面所述，相位差计算器36还接收所接收的脉冲串r。正如该技术中所知，该接收脉冲串包括抽样r_k，每个抽样都有实部和虚部值。

相位差计算器利用了一个表示零相位偏移时刻h_time与估算块blk1的中间时刻之间的时间的值t_diff，如图3中所示。该零相位偏移时刻h_time是所计算脉冲响应是正确的训练序列中的零相位偏移时刻。实际上，这通常是训练序列的中间时刻。t_diff和h_time的值可在系统设计阶段被确定，其后当作一个常数。当然，在系统使用期间，如果需要，可以将它们重新改编。

另外，在均衡电路30中，还确定和编制估算块estim blk1和2的起始位置(j)和它们的长度(n)。在所述实施方式中，这些估算块分别选为靠近和远离训练序列。

相位差计算器36根据参考信号ref和实际接收信号r，按照以下公式之一来计算多普勒效应所导致的每比特持续时间的相位变化(ph_diff)(多普勒特性)： $\mathrm{ph}\_\mathrm{diff}=\frac{1}{t\_\mathrm{diff}}{\tan }^{-1}\left\{\frac{{\mathrm{\Σ}}_k\mathrm{imag}(r_k\·{{\mathrm{ref}}^{*}}_k)}{{\mathrm{\Σ}}_k\mathrm{real}(r_k\·{{\mathrm{ref}}^{*}}_k)}\right\}$ (公式6) $\mathrm{ph}\_\mathrm{diff}=\frac{1}{t\_\mathrm{diff}}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\·{\tan }^{-1}\left\{\frac{\mathrm{imag}(r_k\·{{\mathrm{ref}}^{*}}_k)}{\mathrm{real}(r_k\·{{\mathrm{ref}}^{*}}_k)}\right\}/\mathrm{length}\left(k\right)$

                                        (公式7)

其中k是从j到j+n，而其中length(k)表示求和中不同k值的总量，即n。

对于每个估算块，都要进行这一计算，并由比较器来确定较大的ph_diff值。

然后，多普勒校正电路38根据接收抽样来校正估算多普勒漂移。多普勒校正电路38接收零相位偏移时刻h_time和多普勒校正修正因子S_c。再者，它还接收来自相位差计算器36的两个估算块的两个所计算的相位差中的较大值ph_diff max。由于已知时刻h_time具有零相位偏移，因此对于每一比特，可按下式来计算实际多普勒相移φ：

φ_k  φ_k＝s_c·ph_diff max·(k-h_time)  (公式8)

其中k是接收抽样r的比特指数。当指数k＜h_time时，相移的符号与k＞h_time时相移的符号相反。

然后，变换电路40用来实现整个接收脉冲串r的多普勒漂移校正，从而产生一个校正信号。变换电路接收估算多普勒漂移矢量φ(包含φ_k值)和接收脉冲串r的抽样值。它执行CORDIC运算，以便根据下列运算来对每个抽样的多普勒漂移进行校正： $\left[\begin{array}{c}N\_\mathrm{real}\_\mathrm{sample}\left(k\right)\\ N\_\mathrm{imag}\_\mathrm{sample}\left(k\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\φ}}_k& -& {\sin \mathrm{\φ}}_k\\ {\sin \mathrm{\φ}}_k& & {\cos \mathrm{\φ}}_k\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{resl}\left(r_k\right)\\ \mathrm{imag}\left(r_k\right)\end{array}\right]$ (公式9)

从变换电路40输出的多普勒漂移校正矢量DCV输入到滤波/均衡电路12，从而，利用多普勒校正信号，从信号中恢复数据。

作为上述多普勒校正技术的一部分，估算块的比特判决已完成。这些比特构成了数据的一部分。因此，不必再对这些相同的比特进行估算，尽管能进行估算。代之以，可在估算块的终点终止均衡电路30的工作，并保持当前状态。然后对其余比特进行多普勒校正，再执行维特比均衡直到多普勒校正比特的时隙的终点。在第二部分，可进行多普勒校正直到第一部分时隙，然后可对第一部分时隙中的数据进行维特比估算。这种方法减小了接收机中所需的计算量。

可对相位差ph_diff的值进行限定，使得，如果相位差小于某一阈值就不进行校正。

一种能采用多普勒校正的典型环境是快速列车或快车道。在这种情况下，从基站到移动台很可能会有一条视在路径，因此，如果移动台的速率相同，那么不同时隙之间的多普勒校正将是一个常量值。这样，可根据若干个不同的时隙来计算最大相位差的平均值，并可将这一平均值作为校正值。

对于一个具有多个不同支路的分集式接收机而言，可利用与接收抽样相同的估算来计算所有支路的相位差，当然，每个支路要使用各自的脉冲响应。

上述技术的主要思想在于，如果只在脉冲串的某一位置进行估算，那么这有利于快速或慢速移动的活动体。在这种新方法中，一个估算在靠近训练序列处进行，而另一个估算在脉冲串的终点处进行，从而可得到最优估算，而与移动速率无关。

Claims (10)

1.一种用于补偿移动通信系统中移动台与基站之间所发送的信号的多普勒漂移的方法，这种方法包括：

确定接收信号的两个选定部分的多普勒特性，对于每个选定部分，多普勒特性都呈相位偏移形式；和

将较大的相位偏移作为多普勒特性，来为接收信号提供多普勒漂移补偿。

2.如权利要求1所述的方法，其中，在时分通信系统中，接收信号包括一系列脉冲串之一。

3.如权利要求2所述的方法，其中，每个脉冲串都包括一个位于该脉冲串中部的训练序列，而其中两个选定部分位于脉冲串中训练序列的同一侧。

4.如权利要求3所述的方法，其中，两个选定部分分别靠近和远离训练序列。

5.如权利要求3所述的方法，其中，两个选定部分重叠。

6.如上述任何权利要求所述的方法，其中，多普勒特性用一种参考矢量来确定，这种参考矢量是根据为接收该信号的信道所确定的信道脉冲响应和通过该信道脉冲响应所估算的选定部分的估算数据比特而产生的。

7.一种用于补偿移动通信系统中移动台与基站之间所发送的信号的多普勒漂移的系统，这种系统包括：

用于确定接收信号的两个选定部分的多普勒特性的电路，对于每个部分，多普勒特性都呈相位偏移形式；和

用于根据作为接收信号的多普勒特性的较大的相位偏移来实现多普勒漂移补偿的电路。

8.如权利要求7所述的系统，该系统包括用于在通信系统中选定所述部分的装置，在该通信系统中，接收信号包括一系列脉冲串之一，每个脉冲串都包括一个位于该脉冲串中部的训练序列，其中两个选定部分位于训练序列的同一侧。

9.如权利要求8所述的系统，其中，所述用于选定所述部分的装置将所述部分分别选为靠近和远离所述训练序列。

10.如权利要求8所述的系统，其中，所述用于选定所述部分的装置选定重叠的部分。

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