CN1378393A - 一种多径分集接收中选择性合并的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种在多径接收过程中,筛选出能够带来合并增益的支路,进行最大比合并的移动通信系统多径接收选择性最大比合并的方法,以及采用这种方法用于非相干多径接收和导频辅助多径分集接收两种不同的通信系统。在非相干接收机中可实现准最大比合并,较之等增益合并或选择性合并在性能上有很大的提高;在相干接收机中则可有效地选择分集支路,充分利用多径上的信息,提高信道参数估计的精确度,达到最大比合并。

Description

一种多径分集接收中选择性合并的方法和装置

本发明涉及移动通信的接收系统，尤其是涉及多径分集接收中选择性最大比合并的方法和装置。

在移动通信系统中，分集接收是从多径传播的特点本身产生的，它是克服衰落的有效方法之一。从衰落信道接收到的信号是到达接收机的不同时延、不同相位的多径矢量和。如果设法取几组不同的矢量和，由于各到达矢量和的相位关系，各组矢量和与衰落情况必然有差异。因此，如果所选的几组矢量和彼此独立，则它们就会此起彼伏，几组矢量和同时衰落的概率就远小于一组矢量和单独衰落的概率。然后再用适当的方法把几组矢量和合并起来使用，这样就会使总的接收质量大为提高。

在目前的移动通信系统中，主要有两种类型的多径分集接收机：非相干接收和导频辅助相干接收。对于非相干接收，要求多径搜索器必须在用户信道上分别找出多径，这种结构相对较复杂，所以通常采用等增益合并或选择性合并，无法充分利用其他支路的信号，接收性能受到很大限制；而在具有导频信号的系统中，虽可利用导频信号进行信道参数估计，为多径分集接收机提供多径分量的时延、强度与相位，但在合并时，会遇到参与合并的多径分量的有效性问题。

鉴于移动通信信道中存在恶劣的多径衰落现象，通常采用多径分集接收的方法来克服多径衰落，从而实现更为有效的接收。但一旦出现了相对较弱的支路参与合并，便会带来接收性能恶化的结果；即使对于具有导频信道的移动通信系统，由于信道参数估计的不精确性，若纯干扰信号参与合并，也会恶化接收性能。

下面通过对上述传统的多径分集接收中的非相干接收方法的数学分析，说明这种方法存在的不足。

由RAKE接收机接收到的第k个解调路径经解扩后的判决信号可表示为：

           r_k(t)＝S_k(t)+n_k(t)    (1)

上式中s_k(t)为信号成份，实际上是基带信号±1经过瑞利信道，又经过RAKE接收机信道补偿后的响应。n_k(t)为噪声成份，包括多址干扰和热噪声(即通常所称的白噪声)。

上式经合并后可得： $r\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{c}_k{r}_k\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{c}_k{s}_k\left(t\right)+\underset{k=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{c}_k{n}_k\left(t\right)---\left(2\right)$

其中c_k为增益系数，l为可合并路径数。现假定第一路径信号最强，令

            a_k＝s_k/s_l    0≤a_k≤1    (3)

因每个解调路径在收端的噪声近似相等，经解调后的残余噪声也近似相等，令噪声功率为σ²，设各路径的噪声不相关，则可得合并后的信噪比为： $\mathrm{SNR}=\frac{{\left(\underset{k=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{c}_k{s}_k\right)}^2}{{\left(\underset{k=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{c}_k{n}_k\right)}^2}=\frac{{\left(\underset{k=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{c}_k{a}_k\right)}^2}{{\left(\underset{k=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{c}_k\right)}^2}\·\frac{s_1^2}{{\mathrm{\σ}}^2}={\mathrm{SNR}}_1\·\frac{{\left(\underset{k=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{c}_k{a}_k\right)}^2}{{\left(\underset{k=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{c}_k\right)}^2}---\left(4\right)$

欲使信号噪声比最大，c_k(k＝1…l)须满足条件： $\frac{\∂\mathrm{SNR}}{\∂c_k}=0---\left(5\right)$ $\frac{{\∂}^2\mathrm{SNR}}{\∂c_k\∂c_m}=0$

可以看出，为了实现最大比合并，需要实际测出各支路的信噪比，以便及时对增益系数进行调整，这种方法实现起来比较困难，代价也较大。

本发明的目的是，针对上述非相干分集接收机和导频辅助相干接收机在接收后合并过程中存在的不足，提出一种性能与最大比合并相当，但实现的复杂度较低的方法。即对待参与合并的多个路径作进一步筛选，确保加入的每一路径，都能带来合并增益。

本发明的另一目的是，在系统处理能力一定的情况下，使参与处理的支路数较小，从而提高多径分集接收机的处理速度。

在非相干接收机中使用本方法，可实现准最大比合并，较之等增益合并或选择性合并在性能上有很大的提高；在相干接收机中使用本方法，则可有效地选择分集支路，充分利用多径上的信息，提高信道参数估计的精确度，达到最大比合并。

本发明的这种选择性最大比合并方法包括以下步骤：在多径接收过程中，筛选出能够带来合并增益的支路，进行最大比合并，所述方法包括以下步骤：

a)通过多径搜索找出接收信号中可能的分集支路，并按照所述各个支路的功率大小排列；

b)将所述排列中功率最大的支路分配给初始的有效集合；

c)进行有效性判断，确定是否将所述排列中下一支路合并到所述有效集合，如果不能合并，进入步骤f)；

d)修订参数，更新所述有效集合；

e)回到步骤c)，进行所述排列中所述下一支路的紧邻后一支路的判断；

f)对判断得到的有效集合中的有效支路分别进行解扩、解调；

g)对所述解扩、解调后的信号进行合并。

本发明还涉及一种选择性最大比合并的导频辅助多径分集接收装置，包括：

多径搜索器，接收信号并分辨所述接收信号可能的分集支路；

有效性判断装置，与多径搜索器相连，用于筛选能够带来合并增益提高的各分集支路；

PSA信道估计器，根据所述有效性判断装置所提供各支路的导频信号，用于提供导频信号估计信道参数；

解扩、解调器，与所述有效性判断装置相连，用于根据所述信道参数，分别对所述有效性判断装置筛选出来的各分集支路进行解扩、解调；

合并器，与解扩、解调器输出相连，用于接收所述解扩、解调器解扩解调后的信号，然后进行合并。

本发明还提供了另一种选择性最大比合并的非相干多径分集接收装置，包括：

多径搜索器，接收信号并分辨所述接收信号可能的分集支路；

有效性判断装置，与多径搜索器相连，用于进行筛选能够带来合并增益提高的各分集支路；

解扩、解调器，用于对各个有效支路分别进行扩、解调；

合并器，与解扩、解调器相连，用于接收所述解扩、解调器处理后的信号，实现合并。

采用本方法可以实现有效的合并接收，参与合并的各路径对输出信号均有一定的贡献，能得到最高的合并信噪比。此外，系统通常在设计时就已确定其能处理的最大支路数N，当有效集合A的元素数#A小于最大支路数时，可以根据所得的有效性标识E置(N-#A)个处理单元为空闲状态，这样就能提高多径分集接收机的处理速度。

假定各支路已按其功率从大到小排列，于是有：

       a_l≤a_l-1≤…≤a₂≤a₁          (7)

其中a₁＝1。

若待参与合并的每一支路满足： $\frac{1}{l}{\left(\underset{k=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\right)}^2\≥\frac{1}{l-1}{\left(\underset{k=1}{\overset{l-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\right)}^2---\left(8\right)$

即加入第l支路后的功率比之和大于(l-1)条支路的功率比之和，这就表示可以保证第l支路合并后该路径会带来增益，即第l支路径为有效分集支路。

其中， $P_l=\frac{1}{l}{\left(\underset{k=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\right)}^2{s}_l^2---\left(9\right)$

P_l为第l个支路合并后的信号功率。换言之，为了不恶化合并后的接收性能，当解调路径的信噪比降低到一定程度时，必须将其剔除。

下面结合附图，通过对本发明的详细描述，本发明的优点、特性和目的将显而易见。

图1是采用本发明多径选择过程中有效性判断方法的流程图；

图2是本发明导频辅助多径分集接收机的结构示意图；

图3是本发明非相干多径分集接收机的结构示意图；

图4是使用Cossap仿真软件产生的最大比合并(MRC)、等增益合并(ERC)和本发明方法的合并效果图。

下面，参照附图详细描述本发明的较佳实施例。

图1给出实现多径选择过程中有效性判断方法的流程。在进行有效性判断之前，先由RAKE接收中的多径搜索器接收信号并找出各个可能的分集支路，然后进入步骤100，选出前面可分辨的N个支路，并将待筛选的N条分集支路依据支路功率大小按降序排列；接下来进入步骤101，初始化集合与参数，假定A表示有效集，即放入其中的均为能够带来合并增益，最终将参与合并的有效支路集，U表示待选集，置入将要接受筛选的支路，E_i表示支路集对应的有效性标识，用0和1表示第i条支路关断或有效的两种状态，C_i表示其各支路对应的加权因子，参与最终的合并过程。这里用L_i表示第i条支路，因为支路集已经过排序，所以各支路L₁，L₂，L₃，……，L_N的功率也是从大到小，一旦检测出加入第i条支路后的合并功率小于前面(i-1)条支路的功率，就到此终止判断。

具体来说，初始化过程中，设定有效集A＝(L₁)，即按照功率大小降序排列后的第一个支路(支路功率最大)首先放置于有效集A中，此时待选集U＝(L₂，L₃，……，L_N)，E₁＝1，C₁＝1。

接着，进入步骤102分别进行两个功率计算，如果有效集A内已经筛选出(i-1)个分集支路，即A＝(L₁，L₂，……，L_i-1)，这(i-1)个分集支路合并后的功率为P_i-1，计算加入第i条支路后i个支路合并后的功率为P_i；然后进入有效性判断步骤103，如果P_i≥P_i-1，则可以断定加入第i条支路后带来了合并增益，转入步骤104，将L_i加入有效集A中，然后根据(C₁，C₂，……，C_i-1)及前i支路相对第1路径的功率比值算出C_i。更新各集合，此时，有效集A＝(L₁，L₂，……，L_i)，待选集U＝(L_i+1，L_i+2，……，L_N)，E_i＝1，接着回到步骤102，进行下一支路的有效性判断；如果P_i≤P_i-1，则转入步骤105，结束循环，得出最终的有效集A和各支路相应的参数C、E。

得到有效合并集A后，就可以对其中所筛选出来的各支路分别解扩、解调，然后进行合并。该方法可灵活运用于不同的通信系统。下面分别结合两种分集接收机进行说明。

参照图2，所示为导频辅助多径分集接收机的结构示意图。

在导频辅助相干接收机中，接收信号r(t)经过多径搜索器1分辨出N条可能的多径(L₁，L₂，……，L_N)，这些支路经过有效性判断装置2处理后，得到最后参与合并的支路集(L₁，L₂，……，L_n)，然后PSA信道估计器3利用待参与合并的有效支路的导频信号形成信道参数，并将该信道参数送入解扩、解调器4中，根据各有效支路和对应的信道参数，各支路进行扩、解调运算，解调后的有效支路最终进入合并器5，按照方程式(2)进行最大比合并。

在非相干分集接收机中，接收信号r(t)经过多径搜索器6分辨出N条可能的多径(L₁，L₂，……，L_N)，这些支路经过有效性判断装置7处理后，得到最后参与合并的支路集(L₁，L₂，……，L_n)和加权因子集(C₁，C₂，……，C_n)，然后用相应各支路的解扩、解调器8对L₁～L_n各支路分别进行解扩、解调处理，最后由合并器9按照方程式(2)实现准最大比合并。

请参照图4，所示为采用本发明的选择性最大比合并方法一个较佳实施例的仿真效果图。以Cossap仿真软件形成双天线数据为例(信号经过瑞利信道衰落)，图中三条曲线分别表示最大比合并(MRC)、等增益合并(ERC)和本发明的选择性最大比合并(SRC)三种方法在分集支路数与合并效益之间关系的示意图。可以看出，本方法实现的合并增益随着分集支路数的增加，非常接近最大比合并曲线。在这个示例中，当被选中参与合并的各支路的信号强度须满足：a₁＝1，a₂≥0.414，a₃≥0.318，a₄≥0.268时，就可以参与合并，相应的增益系数为：C₁＝1，C₂＝0.75，C₃＝0.5，C₄＝0.25。

前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本发明。对这些实施例的各种修改对本领域内的技术人员是显而易见的，可把这里所述的总的原理应用到其他实施例而不使用创造性。因而，本发明将不限于这里所示的实施例，而应依据符合这里所揭示的原理和新特征的最宽范围。

Claims (6)

1.一种移动通信系统多径接收选择性最大比合并的方法，在多径接收过程中，筛选出能够带来合并增益的支路，进行最大比合并，所述方法包括以下步骤：

a)通过多径搜索找出接收信号中可能的分集支路，并按照所述各个支路的功率大小排列；

b)将所述排列中功率最大的支路分配给初始的有效集合；

c)进行有效性判断，确定是否将所述排列中下一支路合并到所述有效集合，如果不能合并，进入步骤f)；

d)修订参数，更新所述有效集合；

e)回到步骤c)，进行所述排列中所述下一支路的紧邻后一支路的判断；

f)对判断得到的有效集合中的有效支路分别进行解扩、解调；

g)对所述解扩、解调后的信号进行合并。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有效性判断步骤c)包括：

a′)计算所述有效集合所有支路的功率；

b′)按降序将支路加入所述有效集合，并计算并入后一支路后有效集合内所有支路的功率；

c′)比较上述a′)和b′)步骤中所述后一支路并入前后的功率，根据有效性条件对所述支路进行判断。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述比较步骤c′)包括：

a″)如果加入所述后一支路后，所述有效集合内合并后的功率较合并前的功率大，将所述支路保留在有效集合内；

b″)如果加入所述后一支路后，所述有效集合内合并后的功率较合并前的功率小，取消所述支路，结束有效性判断。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述参数包括所述各集合对应的加权因子和有效性标识。

5.一种选择性最大比合并的导频辅助多径分集接收装置，包括：

多径搜索器，接收信号并分辨所述接收信号可能的分集支路；

有效性判断装置，与多径搜索器相连，用于筛选能够带来合并增益提高的各分集支路；

PSA信道估计器，根据所述有效性判断装置所提供各支路的导频信号，用于提供导频信号估计信道参数；

解扩、解调器，与所述有效性判断装置相连，用于根据所述信道参数，分别对所述有效性判断装置筛选出来的各分集支路进行解扩、解调；

合并器，与解扩、解调器输出相连，用于接收所述解扩、解调器解扩解调后的信号，然后进行合并。

6.一种选择性最大比合并的非相干多径分集接收装置，包括：

多径搜索器，接收信号并分辨所述接收信号可能的分集支路；

有效性判断装置，与多径搜索器相连，用于进行筛选能够带来合并增益提高的各分集支路；

解扩、解调器，用于对各个有效支路分别进行扩、解调；

合并器，与解扩、解调器相连，用于接收所述解扩、解调器处理后的信号，实现合并。

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