專利名稱：移動通信系統(tǒng)中多普勒頻移補償?shù)墓烙嫷闹谱鞣椒?br> 技術領域：
本發(fā)明涉及估計移動通信系統(tǒng)中的多普勒頻移補償。
背景技術：
在移動通信系統(tǒng)中，相對于基站移動的移動站發(fā)出的信號受到眾所周知的多普勒效應，多普勒效應導致在移動站接收的頻率相對于移動站發(fā)射頻率的頻率頻移。這里，該頻率頻移被稱為多普勒頻移。多普勒頻移取決于移動站相對于基站的移動速度和移動方向。從而，根據(jù)移動站相對于基站的移動方向，多普勒效應可造成頻率的增大或降低。多普勒頻移的大小取決于移動站相對于基站的移動速度。
當發(fā)射器和接收器被錯誤地同步時，產(chǎn)生另一方面的頻率偏移。
現(xiàn)有的移動通信設備提供一定形式的多普勒補償，因為基站內(nèi)選擇特定信道上的特定信號的檢頻電路可以考慮所述信號中一定量的多普勒頻移。
AU 664626涉及一種用于補償當移動站接近及經(jīng)過基站時，在基站和移動站之間傳播的無線電信號中的多普勒頻移的方法和電路。隨著移動站接近基站，同時傳播時間延遲日益降低，每隔一段時間累積傳播時間延遲，以確定傳播時間延遲如何隨時間而變化。該信息被用于在特定的時間，實現(xiàn)無線電信號頻率的改變，以便補償當移動站經(jīng)過基站時的突發(fā)多普勒頻移。在TDMA系統(tǒng)中，每隔等于時間幀的整數(shù)的時間進行詢問。在GSM標準中，時間幀包含8個連續(xù)的時隙，并且在任意一個時間幀內(nèi)，單個傳輸脈沖串在特定的移動站和基站之間傳遞。
從而，在這種多普勒補償方法中，響應過去的和即將到來的信號，作出判定，以便改善在未來某一時刻的接收，即這是一個反應性系統(tǒng)。最好是實現(xiàn)一種可實時地主動補償?shù)絹硇盘栔械亩嗥绽疹l移的系統(tǒng)。
此外，由于衰減的緣故，除頻率之外，受到多普勒效應影響的信號還具有幅度方面的變化。除了估計多普勒效應對頻率的影響之外，最好還估計多普勒效應對幅度的影響。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于產(chǎn)生多普勒校正因數(shù)的系統(tǒng)，所述多普勒校正因數(shù)用于補償移動通信系統(tǒng)中，在移動站和基站之間傳輸?shù)男盘柕亩嗥绽疹l移，所述系統(tǒng)包括信道脈沖響應確定電路，用于確定接收信號的信道的信道脈沖響應；根據(jù)一組已知符號和所述信道脈沖響應，產(chǎn)生參考矢量的參考電路；根據(jù)參考矢量和信號的接收樣本，產(chǎn)生誤差矢量的裝置；確定到來信號的噪聲方差的裝置；及產(chǎn)生具有表示幅度校正的實數(shù)部分和表示相位校正的虛數(shù)部分的多普勒校正因素的估值器，估值器利用噪聲方差，誤差矢量，接收的信號的樣本及采樣時間。
根據(jù)GSM標準，TDMA傳輸脈沖串包括通常用于確定接收信號的信道的信道脈沖響應的訓練序列。這是通過接收的訓練序列和保存的訓練序列的卷積來實現(xiàn)的。從而，訓練序列可構成供產(chǎn)生參考矢量之用的一組已知符號。另一方面，該組已知符號可包括來自于接收的信號樣本的估計符號。
在TDMA系統(tǒng)中，信號包括相應時隙中的一系列傳輸脈沖串?？申P于每個傳輸脈沖串產(chǎn)生多普勒校正因數(shù)，并將其用于校正所述脈沖串中的信號樣本。
除了校正多普勒效應之外，多普勒校正因數(shù)還校正由于發(fā)射器和接收器之間的錯誤頻率同步而產(chǎn)生的頻率偏移。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于補償在移動通信系統(tǒng)中的移動站和基站之間傳輸?shù)男盘栔械亩嗥绽疹l移的方法，所述方法包括確定接收信號的信道的信道脈沖響應；根據(jù)信道脈沖響應中的一組已知符號，產(chǎn)生參考矢量；根據(jù)參考矢量和信號的接收樣本，產(chǎn)生誤差矢量；確定到來的信號的噪聲方差；估計具有代表幅度校正的實數(shù)部分和代表相位校正的虛數(shù)部分的多普勒校正因數(shù)，估計步驟使用噪聲方差，誤差矢量，接收信號的樣本及采樣時間；并把多普勒校正因數(shù)應用于接收的信號樣本，從而補償多普勒頻移。


為了更好地理解本發(fā)明，并證明如何實現(xiàn)本發(fā)明，下面將參考附圖，舉例說明本發(fā)明，其中圖1表示了移動通信系統(tǒng)中的信號脈沖串；圖2是實現(xiàn)多普勒頻移補償?shù)碾娐返姆娇驁D；圖3圖解說明了估計β部件。
具體實施例方式
圖1圖解說明了按照GSM標準的移動通信系統(tǒng)中的標準脈沖串。圖1表示了在基站接收的脈沖串。對于根據(jù)GSM標準的TDMA系統(tǒng)來說，移動站以調(diào)制信號的形式，在基站控制器分配的頻道上傳輸脈沖串。一個頻道可支持多達8個脈沖串，每個脈沖串和相應的呼叫相關，每個呼叫被分配一個時隙，以便在所述時隙中發(fā)送所述脈沖串。這里不說明根據(jù)GSM標準的TDMA系統(tǒng)的其它細節(jié)，因為本領域的技術人員熟知這些細節(jié)。
標準脈沖串含有圍繞26位的訓練序列(TRS)的58位的兩個數(shù)據(jù)分組(DATA)。三個尾位(tail bit)(TS)被添加到標準脈沖串的每個末端。訓練序列(TRS)是由移動站(MS)發(fā)送，并且在基站控制器(BSC)已知的預定位序列。圖1中，假定接收的信號樣本yk代表脈沖串的第k個二進制位，在本例中代表訓練序列的起點。在基站控制器，訓練序列被用于估計通過其發(fā)送脈沖串的信道的脈沖響應，并且至少在本發(fā)明的一個實施例中被用于估計多普勒補償因數(shù)。實際傳輸?shù)男畔⑽挥诿}沖串的數(shù)據(jù)位(DATA)中。
如前所述，信號通過其從移動站到達基站的環(huán)境可發(fā)生顯著的變化，除了其它因素之外，還取決于移動站和基站之間的距離，以及由該區(qū)域中的大樓及其它建筑物引起的干擾。從而，在基站接收的信號的信號強度和信號質量變化極大。另外，對于移動站來說，基站接收的信號遭受應被校正的多普勒頻移。
圖2圖解說明了適于在GSM系統(tǒng)中實現(xiàn)多普勒補償?shù)碾娐?。應明白圖2中的各個部件雖然被圖解表示為獨立的互連實體，但是不一定必須代表獨立的物理實體，相反意圖是圖解表示被執(zhí)行的各個步驟。所述各個部件可被實現(xiàn)為多個電路或者可完成單獨分配給各個部件的各個功能的一個適當編程的微處理器。
天線20接收來自于移動站MS的信號11。天線20與RF電路22相連。電路22作用于接收的脈沖串，把頻率降頻為基帶頻率，并對脈沖串采樣，以便根據(jù)模擬信號提供數(shù)字采樣值yi，這里i是樣本索引。RF電路22通常以被傳輸信號的預期位速率輸出各個脈沖串的采樣值y0…yn，以及采樣時間t0…tn。RF電路22的輸出沿著線路24被提供給信道脈沖響應(C.I.R)部件10，提供給方差和誤差計算器16，提供給濾波和均衡電路12，提供給估計β部件36，以便估計多普勒校正因數(shù)，并提供給轉換電路40，使得能夠把多普勒校正因數(shù)應用于脈沖串。
存儲器32保存訓練序列x，所述訓練序列x是移動站以訓練序列形式發(fā)送的，并在基站被接收，并被轉換為樣本yTRS＝Yk→yk+2s的一系列預定二進制位。參考訓練序列x被提供給參考發(fā)生器14，并被提供給信道脈沖響應(C.I.R)部件10。參考發(fā)生器14還從信道脈沖響應部件10接收估計的信道脈沖響應h。
C.I.R.部件10接收包括接收的訓練序列yTRS在內(nèi)的脈沖串，并通過，例如根據(jù)等式1，計算接收的訓練序列yTRS和已知的訓練序列x之間的互相關性，計算估計的信道脈沖響應h。也可使用其它類型的估計方法。
h＝xcorr(x，yTRS) (等式1)要認識到，在實現(xiàn)互相關之前，根據(jù)GSM標準，以在MS對該訓練序列進行調(diào)制，以便傳輸?shù)念愃品绞剑瑢σ詳?shù)字形式保存的已知訓練序列x進行i，q調(diào)制。按照已知的方式實現(xiàn)互相關，以便產(chǎn)生呈5個抽頭(tap)值h(j)j＝0～4的形式的信道脈沖響應。
眾所周知，估計的脈沖響應h被用于計算接收的脈沖串中的數(shù)據(jù)的預期估計，仿佛該數(shù)據(jù)已受到相同的平均噪聲的作用一樣。
C.I.R.部件還產(chǎn)生計時提前信息T，該信息被用于確定接收的脈沖串位于分配時隙中的位置。
對于每個脈沖串，CIR部件10計算該脈沖串的估計信道脈沖響應h，并將其提供給濾波/均衡電路，所述濾波/均衡電路允許恢復該脈沖串中的數(shù)據(jù)DATA(r)。眾所周知，濾波/均衡電路12接收所接收的脈沖串的信道脈沖響應Ht計時信息T，以便允許對信號進行解調(diào)，濾波和解碼，從而以已知的方式恢復所述數(shù)據(jù)。
參考發(fā)生器14產(chǎn)生參考矢量z，通過利用脈沖響應和已知的訓練序列的卷積，計算所述參考矢量z。參考發(fā)生器14實現(xiàn)下述計算z＝h*x(等式2)這里x代表取決于所使用的調(diào)制的已知符號值。
zk代表矢量z的第k個樣本，z表示矢量樣本zk的對角矩陣，即z＝xh，這里x是已知的訓練序列符號的對角矩陣。
參考矢量z從參考發(fā)生器被提供給方差和誤差計算器16。如上所述，方差計算器還接收包括接收的訓練序列yTRS的樣本yi。方差計算器根據(jù)下述等式計算方差var(σ2) 術語ref_length是代表參考矢量z的長度的常數(shù)。這是通過使樣本數(shù)(22)乘以位距離計算得到的。
在等式4中，yi的值是脈沖串的所接收的訓練序列的采樣值(yk→yk+2s)。
方差和誤差計算器還產(chǎn)生誤差矢量z-y(即，各個樣本的誤差值zi-yi)。
誤差矢量z-y和方差σ2被提供給估計β部件36。估計β部件36還從RF電路22接收信號樣本和時間yi，ti。估計β部件可被實現(xiàn)為執(zhí)行程序的處理器，或者由其它適當?shù)难b置實現(xiàn)。估計β部件用于產(chǎn)生多普勒補償因數(shù)β，所述多普勒補償因數(shù)β是具有實數(shù)部分和虛數(shù)部分的復數(shù)。從而，β可表示為α+jφt這里α代表由于衰減引起的幅度變化，φ是多普勒角。估計β部件36還包括用于保存產(chǎn)生多普勒校正因數(shù)β所需的值，包括Cβ，E(β)和E(z-y)的存儲器。后面參考圖3對這些項進行說明。
多普勒校正因數(shù)β，以及每個脈沖串的信號樣本yi和時間ti一起被提供給轉換電路40，以便根據(jù)下述等式實現(xiàn)多普勒校正yn-compensated＝y(tǒng)n(1-βtn)轉換電路40的另一種實現(xiàn)是把幅度分量和相位分量分成獨立的校正步驟?？赏ㄟ^使樣本乘以 校正相位，并可在一個單獨的步驟中校正幅度 yn-compensated＝y(tǒng)-phase-compensated(1-real(β)tn)按照上面所述，imag(β)＝φ，real(β)＝α。這樣，根據(jù)real(β)為負或為正，在脈沖串中，接收的信號或者被放大，或者被替換。
這產(chǎn)生一組補償?shù)男盘枠颖緔comp，所述補償?shù)男盘枠颖究杀惶峁┙o濾波/均衡電路12，產(chǎn)生脈沖串的數(shù)據(jù)的改進值。
作為其中使用訓練序列x提供作為參考的已知符號的上述方法的備選方案，也可使用在均衡電路30中估計的二進制位。均衡電路30，例如Viterbi均衡器，從濾波和均衡電路12接收濾波，解調(diào)和均衡后的信號DATA(r)。均衡電路30作用于脈沖串的一部分數(shù)據(jù)序列數(shù)據(jù)(該部分數(shù)據(jù)得自于圖1中的估計部件)，以便估計從移動站發(fā)送出的輸出位。這里把該輸出稱為estim_bits。如同在已知的移動通信系統(tǒng)中一樣，均衡電路30用于判定所述輸出位，因此這里不對其進行進一步的說明。這些估計的二進制位可替代訓練序列，用于為計算參考矢量z提供已知數(shù)值。estim_bits和信道脈沖響應h一起被提供給參考電路34，參考電路34產(chǎn)生誤差矢量z′-y，這里z′＝estim_bits*h。
下面將概述成為多普勒校正因數(shù)β的產(chǎn)生的基礎的原理。
(純)多普勒頻率估計的問題可表述為Xh＝Yr+w，這里r是旋轉矢量，Y是對角樣本矩陣，w是噪聲。Y=y00…00y1…0…………0……yn-1,r=ejφt0ejφt1ejφtn-1]]>Xh對應于已知符號(訓練序列符號的對角矩陣x)和脈沖響應h之間的卷積。
從而，在多普勒頻率估計中，要估計多普勒角φ。該問題是非線性的，于是，特別是對于實時實現(xiàn)來說，解決該問題有些棘手。假定 可執(zhí)行線性化步驟。由于衰減的緣故，所需的多普勒頻率校正不能被假定為幅度恒定不變。
如果項jφt0也具有實數(shù)部分，則可粗略估計幅度變化。從而，用更通用的假定1+βt0代替項jφt0，這里β是復數(shù)(α+jφt)。
線性問題可被表示為(出于簡化z＝Xh＝[z0z1…Zn-1]T。
zi＝y(tǒng)i(1+βti)+wi借助矩陣符號，上式可被重新表述為z-y＝pβ+w (等式6)這里p＝[y0t0y1t1…yn-1tn-1]T，并且β將被估計。
通過利用LMMSE估值器，可找到等式6的解答β=E(β)+Cβ(z-y)C(z-y)(z-y)-1(z-y-E(z-y))]]>這里E(β)是β的預期值，Cβ(z-y)，C(z-y)(z-y)是兩個元素，即E(β(z-y)H)和E((z-y)(z-y)H)之間的協(xié)方差矩陣，E(z-y)是接收的脈沖串中的預期誤差。
在這階段，可假定噪聲是方差為δ2，并且經(jīng)過一些處理后的白高斯噪聲。
β＝E(β)+pH(z-y-E(z-y))/(δ2/Cβ+pHp)，這里(等式7)Cβ＝E((β-E(β)(β-E(β)H) (等式8)pH是p的復共軛轉置矩陣。
在估計β部件36中，等式7被用于產(chǎn)生β。圖3中圖解說明了估計β部件。實際上，可以由處理器執(zhí)行的軟件的形式實現(xiàn)估計β部件，所述處理器具有保存所需數(shù)據(jù)的存儲器。估計β部件50作用于在每個時隙中接收的數(shù)據(jù)(Yi，ti)，以便產(chǎn)生被轉換電路40使用的β的數(shù)值。Accβ部件52累積并在前時隙內(nèi)的β值，并求其平均值，產(chǎn)生E(β)。Accβ功能可由自適應濾波器實現(xiàn)。Acc(z-y)部件54產(chǎn)生預期的誤差E(z-y)。為此，它可使用來自先前時隙的z-y值，或者來自于Accβ部件52的E(β)，以便估計頻率誤差。Gen Cβ部件56產(chǎn)生Cβ的值。對于等式7的參數(shù)來說，存在多種可能性。
如果E(β)被設定為零，并且δ2/Cβ也被設定為零，則等式7轉化為標準的線性回歸。
如上所述，意圖為每個時隙產(chǎn)生β?？赏ㄟ^計算赤自先前時隙的估計β值的平均值，可產(chǎn)生預期的值E(β)。從而，對于每個時隙，當這些值被計算時這些值可被保存，并被用于產(chǎn)生保存在估計β部件36中的E(β)部件中的平均值。
另一種簡化是假定E(β)的實數(shù)部分為零。由于在典型的衰減信道情形下，預料到?jīng)]有長時間的幅度，因此這是一個合理的假設。從而只相對于頻率的誤差分量執(zhí)行長時間的平均就足夠了。另外，如果只需要校正相位變化，則實數(shù)部分可被假定為零。
通過用 反旋轉接收的樣本yi，則不必計算預期誤差E(z-y)。為此，β可以是來自前一時隙的先前估計的β值。這種情況下，等式7變?yōu)棣拢紼(β)+pH(z-y)/(δ2/Cβ+pHp)(等式9)從而，這需要一個預處理步驟(參見圖3中的50a)，在該預處理步驟中，在形成矢量p之前，用 反旋轉樣本值yi。
C(β)的值可由GEN Cβ部件利用不同的方法產(chǎn)生。C(β)的值可以是一個恒定的數(shù)值?？衫孟惹皶r隙的信息，利用，例如等式8，估計I。它可以β的預期值和/或噪聲方差δ2的函數(shù)。可利用自適應濾波器，或者前述部件的任意組合，估計C(β)的值。
該技術特別適用于短延遲擴展信道和純頻率誤差。
權利要求
1.一種產(chǎn)生多普勒校正因數(shù)的系統(tǒng)，所述多普勒校正因數(shù)用于補償在移動通信系統(tǒng)中的移動站和基站之間傳輸?shù)男盘栔械亩嗥绽疹l移，所述系統(tǒng)包括確定接收所述信號的信道的信道脈沖響應的信道脈沖響應確定電路；根據(jù)一組已知符號和信道脈沖響應，產(chǎn)生參考矢量的參考電路；根據(jù)參考矢量和信號的接收樣本，產(chǎn)生誤差矢量的裝置；確定輸入信號的噪聲方差的裝置；和產(chǎn)生具有代表幅度校正的實數(shù)部分和代表相位校正的虛數(shù)部分的多普勒校正因數(shù)的估值器，所述估值器使用噪聲方差，誤差矢量，接收信號的樣本及采樣時間。
2.按照權利要求1所述的系統(tǒng)，其中根據(jù)下述等式產(chǎn)生多普勒校正因數(shù)ββ＝E(β)+pH(z-y-E(z-y))/(δ2/Cβ+pHp)這里E(β)是β的預期值，pH是p的復共軛轉置矩陣，p是矢量(yi，ti)T，E(z-y)是接收樣本中的預期誤差，δ2是噪聲方差，Cβ是常數(shù)。
3.按照權利要求2所述的系統(tǒng)，其中E(β)和δ2/Cβ被設定為零。
4.按照權利要求1、2或3所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括通過利用多普勒校正因數(shù)β，對接收的信號樣本應用多普勒校正的裝置。
5.按照任意前述權利要求所述的系統(tǒng)，其中信號包括TDMA移動通信系統(tǒng)中的時隙中的傳輸脈沖串，并且對于每個時隙生成一個新的多普勒校正因數(shù)β。
6.按照權利要求5所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括以來自先前時隙的β的生成值的平均值的形式，估計E(β)的裝置。
7.按照權利要求5所述的系統(tǒng)，其中E(β)的實數(shù)部分被設定為零。
8.按照任意前述權利要求所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括利用e-j*imag(β)t反旋轉接收的信號樣本的裝置，這里E(β)是β的預期值，反旋轉后的接收信號樣本隨后被用于根據(jù)下述等式，產(chǎn)生當前時隙中的多普勒校正因數(shù)ββ＝E(β)+pH(z-y)/(δ2/Cβ+pHp)
9.一種補償在移動通信系統(tǒng)中的移動站和基站之間傳輸?shù)男盘栔械乃龆嗥绽疹l移的方法，所述方法包括確定接收所述信號的信道的信道脈沖響應；根據(jù)信道脈沖響應中的一組已知符號，產(chǎn)生參考矢量；根據(jù)參考矢量和信號的接收樣本，產(chǎn)生誤差矢量；確定到來的信號的噪聲方差；估計具有代表幅度校正的實數(shù)部分和代表相位校正的虛數(shù)部分的多普勒校正因數(shù)，所述估計步驟使用噪聲方差，誤差矢量，接收信號的樣本及采樣時間；及把多普勒校正因數(shù)應用于接收的信號樣本，從而補償多普勒頻移。
10.按照權利要求9所述的方法，其中信號包括TDMA移動通信系統(tǒng)中的一系列傳輸脈沖串，并為每個傳輸脈沖串產(chǎn)生多普勒校正因數(shù)。
11.按照權利要求9或10所述的方法，其中按照下述等式產(chǎn)生多普勒校正因數(shù)ββ＝E(β)+pH(z-y-E(z-y))/(δ2/Cβ+pHp)這里E(β)是β的預期值，pH是p的復共軛轉置矩陣，p是矢量(yi，ti)T，E(z-y)是接收樣本中的預期誤差，δ2是噪聲方差，Cβ是常數(shù)。
全文摘要
描述了一種用于估計移動通信系統(tǒng)中的多普勒頻移補償?shù)南到y(tǒng)和方法。信道脈沖響應確定電路確定接收信號的信道的信道脈沖響應。利用一組已知的符號和信道脈沖響應,產(chǎn)生參考矢量,隨后通過比較參考矢量和信號的接收樣本,產(chǎn)生誤差矢量。另外,可確定到來的信號的噪聲方差。隨后,估計具有代表幅度校正的實數(shù)部分和代表相位校正的虛數(shù)部分的多普勒校正因數(shù)。
文檔編號H04L25/03GK1348641SQ99816553
公開日2002年5月8日 申請日期1999年3月10日 優(yōu)先權日1999年3月10日
發(fā)明者奧利·皮雷寧 申請人:諾基亞網(wǎng)絡有限公司