專利名稱：一種用于無線通信體系的噪聲方差估算方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于無線通信體系的噪聲方差估算方法及裝置，尤其涉及一種利用訓練序列進行噪聲方差估算的方法及裝置。
背景技術：
CDMA(碼分多址)是一種在FDMA(頻分多址)和TDMA(時分多址)之后發(fā)展起來的新型的無線通信技術。在CDMA無線通信技術中，不同的用戶終端被分配不同的相互正交的擴頻碼，由不同用戶終端發(fā)送的采用不同擴頻碼擴頻處理的信號，可以在同一頻帶上傳輸。
在1997年的VTC(車輛技術會議)期刊上由A.Klein撰寫的論文“Data Detection Algorithms Specially Designed For The Downlink ofCDMA Mobile Radio Systems(特別為CDMA移動無線體系的下行鏈路設計的數據檢測算法)”提出了一種CDMA下行鏈路的傳輸模型。該CDMA下行鏈路的傳輸模型如

圖1所示。由圖1可見，為了將信號向量d(1)、...、d(k)、...、d(k)(其中，信號向量d(k)(k＝1...K)由N個復數元素構成)分別發(fā)送給用戶終端1、...、k、...、K，基站200首先使用分配給用戶1、...、k、...、K的擴頻碼cd(1)、...、cd(k)、...、cd(K)分別對信號向量d(1)、...、d(k)、...、d(K)進行擴頻，然后將經過擴頻的信號向量d(1)、...、d(k)、...、d(K)合并成信號向量sd并經由相同的信道210同時發(fā)送給各個相應的用戶終端220。假設信號向量sd經過多個傳輸路徑到達用戶終端k(k＝1...K)，并且每個傳輸路徑的信道沖擊響應分別為hd(i)(k)(i＝1、2、...)，則用戶終端k收到的信號向量ed(k)可以由等式(1)描述
ed(k)＝Hd(k)Cdd+nd(k)＝Hd(k)sd+nd(k)(1)在上式中，Hd(k)是由各個傳輸路徑的信道沖擊響應hd(i)(k)(i＝1、2、...)構成的信道沖擊響應矩陣，Cd是由擴頻碼cd(1)、...、cd(k)、...、cd(K)構造得到的擴頻碼矩陣(Hd(k)和Cd的具體構造方法參見上述由A.Klein撰寫的論文)，d＝(d(1)T，...，d(k)T，...，d(K)T)T，[.]T表示矩陣轉置，sd表示對d進行擴頻合并后得到的信號向量并且sd＝Cdd，nd(k)是噪聲向量。
由等式(1)可以看出，接收信號向量ed(k)中不但包含用戶終端k想接收的信號向量d(k)，還包括基站發(fā)送給其他用戶終端的信號向量和噪聲向量。
為了使用戶終端k能從接收信號向量ed(k)中以最小誤差獲取基站發(fā)送給它的信號向量d(k)，人們提出了許多信號接收方法。在1999年的VTC(車輛技術會議)期刊上由Kimmo Kettunen發(fā)表的論文“Iterative Multiuser Receiver/Decoders With Enhanced VarianceEstimation(具有增強方差估算的迭代多用戶接收機/解碼器)”，以及在1996年5月的IEEE Transaction on Vehicular Technology第45期第276-287頁上由A.Klein發(fā)表的論文“Zero Forcing and MininumMean-Square-Error Equalization for Multiuser Detection inCode-Division multiple-access channels(用于碼分多址信道的迫零和最小均方差均衡)”對這些信號接收方法進行了描述。從這些信號接收方法的描述可知，它們全部都依賴信道信息(即噪聲方差)從接收信號向量中獲取欲接收的信號向量，因此為了最小誤差的獲取欲接收的信號向量，需要計算精確的噪聲方差(noise variance)。
為了獲得比較精確的噪聲方差，人們提出了各種噪聲估算方法。比如，在1997年4月Proc.Of ITC’97第173-178頁上由M.Reed和J.Asenstorfer共同發(fā)表的論文“a novel variance estimator for turbo-codedecoding(一種用于turbo碼解碼的新的方差估算器)”，提出的一種用于AWGN信道的傳統(tǒng)的方差估算技術，美國國家專利公開號為US20020110199、發(fā)明名稱為“Method for Noise Energy Estimation inTDMA Systems(在TDMA體系中用于噪聲能量估算的方法)”提出的用于消除多徑干擾的瑞克(RAKE)技術，此外還有一些使用訓練序列的卷積處理來計算噪聲方差的噪聲估算方法。所述的這些噪聲估算方法都能滿足第二代無線通信體系對噪聲方差的精度要求。
但是，在第三代無線通信體系中，信號接收方法要求更加精確的噪聲方差，比如，用于第三代無線通信體系的關鍵技術多用戶檢測方法和turbo碼解碼方法就要求非常精確的噪聲方差，而現有的噪聲估算方法不能滿足第三代無線通信體系對噪聲方差的精度要求。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是提供一種用于無線通信體系的噪聲方差估算方法及裝置。在該噪聲方差估算方法及裝置中，使用訓練序列來計算噪聲方差，以得到精度很高的噪聲方差。
按照本發(fā)明的一種在一個用戶終端中執(zhí)行的噪聲方差估算方法，包括步驟接收來自基站的經由至少一個傳輸路徑傳輸的包含訓練序列和噪聲向量的信號向量；根據該信號向量，估算各個傳輸路徑的信道沖擊響應，以構成一個信道沖擊響應矩陣；若該信道沖擊響應在該訓練序列的特定時間長度內基本保持不變，則根據該信道沖擊響應矩陣和該信號向量，計算該信號向量的噪聲方差。
附圖簡述圖1是常規(guī)CDMA下行鏈路的傳輸模型；圖2是本發(fā)明的噪聲方差估算方法的流程圖；圖3是應用本發(fā)明一個實施例的噪聲方差估算裝置的用戶終端的模塊方框圖；圖4是本發(fā)明一個實施例的噪聲方差估算裝置的模塊方框圖。
發(fā)明詳述下面以TD-SCDMA為例，詳細說明本發(fā)明的一個實施例。
在TD-SCDMA中，基站在相應時隙中向各個用戶終端發(fā)送信號向量。根據TD-SCDMA的時隙格式，基站在時隙中向每個用戶終端發(fā)送的信號向量由訓練序列和經過擴頻的用戶信號構成。
對于分配在相同時隙的用戶終端，基站首先把向每個用戶終端發(fā)送的信號向量進行合并得到合并信號向量，然后在該時隙中將該合并信號向量向各個用戶終端發(fā)送。所述的合并信號向量也由用戶信號和訓練序列兩部分構成，其中，該合并信號向量的用戶信號由向每個用戶終端發(fā)送的信號向量中的經過擴頻的用戶信號合并得到，而該合并信號向量的訓練序列由向每個用戶終端發(fā)送的信號向量中的訓練序列合并得到。
駐留在一個小區(qū)中的各個用戶終端所分配的訓練序列通過相同的基本訓練序列經過不同的移位得到，因此該合并信號向量的訓練序列可以看作是基本訓練序列。又由于各個用戶終端在小區(qū)搜索過程中就已經獲取該小區(qū)使用的基本訓練序列，所以基站在時隙中發(fā)送的訓練序列對各個用戶終端來說是已知的。
假設基站在一個時隙中所發(fā)送的信號向量包含的訓練序列經由至少一個傳輸路徑到達一個用戶終端，該用戶終端在該時隙收到的由所述訓練序列和噪聲向量n構成的信號向量為r，并且所述訓練序列的已知值為s，則根據等式(1)，信號向量r可由下式表示r＝Hs+n (2)其中，H是由在該用戶終端與基站之間的各個傳輸路徑的信道沖擊響應構成的信道沖擊響應矩陣。
根據在1993年11/12月的Frequenz第47期第292-298頁上由B.Steiner和P.W.Baier撰寫的論文“Low Cost Channel Estimation in theuplink receiver of CDMA mobile radio systems(在CDMA移動無線系統(tǒng)的上行鏈路接收機中的低成本信道估計)”所提出的信道估計方法，信號向量r所包含的訓練序列的最大似然估計值(the maximumlikehood estimate)可以由下式描述
＝(HHH)-1HHr＝s+(HHH)-1HHn＝s+n′(3)在上式中，上標H表示復共軛轉置。
由等式(3)，根據信號向量r所包含訓練序列的已知值s，可以很容易計算信號向量r所包含噪聲向量n的估計值n′n′＝-s＝(HHH)-1HHn (4)信號向量r所包含噪聲向量n的估計值n′的協(xié)方差矩陣為E{n′n′H}＝E{HHH)-1HHn·nHH(HHH)-1}＝(HHH)-1HHE(nnH)H(HHH)-1}＝σ2(HHH)-1(5)其中，E{.}是執(zhí)行期望值運算。對等式(5)的兩邊執(zhí)行求矩陣跡(trace)的操作，就可以得到信號向量r所包含的噪聲向量n的估計值n′的平均方差σn′2σ‾n′2=σ2·trace{(HHH)-1}/N---(6)]]>在上式中，N是信號向量r所包含的訓練序列的碼片長度，操作符trace(·)是求矩陣跡的操作，σ2是需要估計的信號向量r的噪聲方差。
信號向量r所包含噪聲向量n的估計值n′的平均方差σn′2按照常規(guī)的方法計算是比較麻煩的。事實上，如果在信號向量r所包含訓練序列的時間長度內的信道可以被認為是不變化的，則噪聲向量n的估計值n′的平均方差σn′2可以近似為噪聲向量n的估計值n′中所有元素的均方值，因此，需要估計的信號向量r的噪聲方差σ2可以由等式(7)表示σ2≈(n′Hn′)/trace{(HHH)-1}(7)為了進一步提高估算性能，可以把該時隙利用等式(7)計算得到的信號向量r的噪聲方差σ2和以前各個時隙利用等式(7)已經計算得到噪聲方差σ2進行相加求平均，并把得到平均噪聲方差作為該時隙信號向量r的噪聲方差σ2。
上述就是本發(fā)明的使用訓練序列計算噪聲方差的原理。
下面結合圖2，詳細描述本發(fā)明的噪聲方差估算方法。
首先，用戶終端在一個時隙中接收來自基站的經由至少一個傳輸路徑傳輸的包含訓練序列和噪聲向量的信號向量(步驟S10)。
其次，用戶終端根據所述信號向量估算各個傳輸路徑的信道沖擊響應，并由估算得到的各個傳輸路徑的信道沖擊響應構成一個信道沖擊響應矩陣H(步驟S20)。
然后，用戶終端根據所述信號向量和所述信道沖擊響應矩陣，使用等式(3)估算所述信號向量所包含的訓練序列的最大似然估計值(步驟S30)。
接著，用戶終端根據所述信號向量所包含訓練序列的最大似然估計值和訓練序列的已知值，使用等式(4)計算所述信號向量所包含噪聲向量的估計值n′(步驟S40)。其中，所述信號向量所包含訓練序列的已知值由用戶終端在小區(qū)搜索過程中獲取。
之后，用戶終端根據所述信號向量所包含噪聲向量的估計值n′和所述信道沖擊響應矩陣H，使用等式(7)計算所述信號向量的噪聲方差σ2(步驟S50)。其中，可以先根據計算得到的該噪聲向量的估計值n′，使用等式pn2＝(n′)H(n′)計算噪聲向量的估計值n′的功率pn2；再計算矩陣((HHH)-1)的跡cf，即cf＝trace((HHH)-1)；最后根據該噪聲向量的估計值n′的功率pn2以及計算得到的跡cf，使用等式σ2＝pn2/cf，即等式(7)，計算噪聲方差σ2。
最后，用戶終端把該時隙利用等式(7)計算得到的所述信號向量的噪聲方差σ2和以前各個時隙利用等式(7)已經計算得到的噪聲方差σ2進行相加求平均，并把得到平均噪聲方差作為該時隙所述信號向量的噪聲方差σ2(步驟S60)。
下面結合圖3和圖4，詳細描述本發(fā)明的噪聲方差估算裝置。
圖3是一種應用本發(fā)明的噪聲方差估算裝置的用戶終端的模塊方框圖。如圖3所示，在用戶終端與基站進行通信之前的小區(qū)搜索過程中，小區(qū)搜索單元40獲取該用戶終端所駐留小區(qū)使用的基本訓練序列s。在用戶終端與基站進行通信時，用戶終端的天線在一個時隙中收到的信號向量Rx首先送到乘法器10，該乘法器10將收到的信號向量Rx與電壓控制振蕩器(VCO)20生成的射頻載波相乘，以將該信號向量Rx轉變成基帶信號向量；然后，模數轉換單元(ADC)30將乘法器10輸出的基帶信號向量轉換成數字基帶信號向量r；接著，小區(qū)搜索單元40對模數轉換單元30輸出的數字基帶信號向量r進行同步處理，信道估算單元50對經過同步的數字基帶信號向量r，使用常規(guī)的信道估算方法，計算各個傳輸路徑的信道沖擊響應，并由計算得到的傳輸路徑的信道沖擊響應構成信道沖擊響應矩陣；接下來，噪聲方差估算單元60根據信道估算單元50估算得到的信道沖擊響應矩陣、模數轉換單元30輸出的數字基帶信號向量r以及小區(qū)搜索單元40獲取的基本訓練序列s，計算數字基帶信號向量r的噪聲方差；最后，數據檢測單元70根據噪聲方差估算單元60計算得到的噪聲方差，使用常規(guī)的數據檢測方法，比如多用戶檢測方法和turbo碼解碼方法等，從數字基帶信號向量r中獲取需要的用戶信號。
圖4是噪聲方差估算單元60的模塊方框圖。如圖4所示，噪聲方差估算單元60包括均衡單元601，用于根據信道估算單元50計算得到的信道沖擊響應矩陣H、模數轉換單元30輸出的數字基帶信號向量r，使用等式(3)計算所述數字基帶信號向量r所包含訓練序列的最大似然估計值；噪聲估計單元602，用于根據均衡單元601計算得到的所述數字基帶信號向量r所包含訓練序列的最大似然估計值和基本訓練序列s，即所述數字基帶信號向量r所包含訓練序列的已知值，使用等式(4)計算所述數字基帶信號向量r所包含噪聲向量的估計值n′；噪聲功率計算單元603，用于根據噪聲估計單元602計算得到的所述數字基帶信號向量r所包含噪聲向量的估計值n′，使用等式pn2＝(n′)H(n′)計算噪聲向量的估計值n′的功率pn2；
均衡校正單元604，用于計算矩陣((HHH)-1)的跡cf，也即cf＝trace((HHH)-1)；噪聲功率校正單元605，用于根據噪聲功率計算單元603計算得到的所述數字基帶信號向量r所包含噪聲向量的估計值n′的功率pn2以及均衡校正單元604計算得到的跡cf，使用等式σ2＝pn2/cf計算噪聲方差σ2。
有益效果綜上所述，由于在本發(fā)明提供的用于無線通信體系的噪聲方差估算方法及裝置中，使用訓練序列來計算噪聲方差，因此計算得到的噪聲方差能滿足更高精度要求的應用。
本領域技術人員應當理解，本發(fā)明所公開的用于無線通信體系的噪聲方差估算方法及裝置，可以在不脫離本發(fā)明內容的基礎上做出各種改進。因此，本發(fā)明的保護范圍應當由所附的權利要求書的內容確定。
權利要求
1.一種在一個用戶終端中執(zhí)行的噪聲方差估算方法，包括步驟(a)接收來自基站的經由至少一個傳輸路徑傳輸的包含訓練序列和噪聲向量的信號向量；(b)根據該信號向量，估算各個傳輸路徑的信道沖擊響應，以構成一個信道沖擊響應矩陣；(c)若該信道沖擊響應在該訓練序列的特定時間長度內基本保持不變，則根據該信道沖擊響應矩陣和該信號向量，計算該信號向量的噪聲方差。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述特定時間長度是所述訓練序列的時間長度。
3.如權利要求2所述的方法，其中，步驟(c)包括(c1)根據所述信道沖擊響應矩陣和所述信號向量，估算所述信號向量所包含訓練序列的最大似然估計值；(c2)根據該訓練序列的最大似然估計值和所述訓練序列的已知值，計算所述信號向量所包含噪聲向量的估計值；(c3)根據該噪聲向量的估計值和所述信道沖擊響應矩陣，計算所述信號向量的噪聲方差。
4.如權利要求3所述的方法，其中步驟(c3)按照下式計算所述信號向量的噪聲方差σ2≈(n’Hn’)/trace{(HHH)-1}其中σ2是所述信號向量的噪聲方差；n’是所述信號向量所包含噪聲向量的估計值；H是所述信道沖擊響應矩陣，上標H表示復共軛轉置；trace{·}表示求矩陣的跡。
5.如權利要求3或4所述的方法，其中， 還包括步驟把所述信號向量的噪聲方差與先前時隙計算得到的噪聲方差進行相加求平均，并將得到的平均噪聲方差作為所述信號向量的噪聲方差。
6.一種噪聲方差估算裝置，包括一個接收單元，用于接收來自基站的經由至少一個傳輸路徑傳輸的包含訓練序列和噪聲向量的信號向量；一個信道估算單元，用于根據該信號向量，估算各個傳輸路徑的信道沖擊響應，以構成一個信道沖擊響應矩陣；一個計算單元，用于若該信道沖擊響應在該訓練序列的特定時間長度內基本保持不變，則根據該信道沖擊響應矩陣和該信號向量，計算該信號向量的噪聲方差。
7.如權利要求6所述的裝置，其中所述特定時間長度是所述訓練序列的時間長度。
8.如權利要求7所述的裝置，其中所述計算單元包括一個均衡單元，用于根據所述信道沖擊響應矩陣和所述信號向量，估算所述信號向量所包含訓練序列的最大似然估計值；一個噪聲估計單元，用于根據該訓練序列的最大似然估計值和所述訓練序列的已知值，計算所述信號向量所包含噪聲向量的估計值；一個噪聲功率計算單元，用于根據該噪聲向量的估計值，計算該噪聲向量的估計值的功率；一個噪聲功率校正單元，用于根據該計算的噪聲向量的估計值的功率，以及所述信道沖擊響應矩陣，計算所述信號向量的噪聲方差。
9.如權利要求8所述的裝置，其中所述噪聲功率校正單元按照下式計算所述信號向量的噪聲方差σ2≈(n’Hn’)/trace{(HHH)-1}其中σ2是所述信號向量的噪聲方差；n’是所述信號向量所包含噪聲向量的估計值，n’Hn’是所述噪聲向量的估計值的功率；H是所述信道沖擊響應矩陣，上標H表示復共軛轉置；trace{·}表示求矩陣的跡。
10.一種用戶終端，包括一個接收單元，用于接收來自基站的經由至少一個傳輸路徑傳輸的包含訓練序列和噪聲向量的信號向量；一個信道估算單元，用于根據該信號向量，估算各個傳輸路徑的信道沖擊響應，以構成一個信道沖擊響應矩陣；一個噪聲方差估算單元，用于若該信道沖擊響應在該訓練序列的特定時間長度內基本保持不變，則根據該信道沖擊響應矩陣和該信號向量，計算該信號向量的噪聲方差；一個數據檢測單元，用于根據該計算的信號向量的噪聲方差，對所接收的信號向量進行檢測，以得到需要的信號。
11.如權利要求10所述的用戶終端，其中所述特定時間長度是所述訓練序列的時間長度。
12.如權利要求11所述的用戶終端，其中所述噪聲方差估算單元包括一個均衡單元，用于根據所述信道沖擊響應矩陣和所述信號向量，估算所述信號向量所包含訓練序列的最大似然估計值；一個噪聲估計單元，用于根據該訓練序列的最大似然估計值和所述訓練序列的已知值，計算所述信號向量所包含噪聲向量的估計值；一個噪聲功率計算單元，用于根據該噪聲向量的估計值，計算該噪聲向量的估計值的功率；一個噪聲功率校正單元，用于根據該計算的噪聲向量的估計值的功率，以及所述信道沖擊響應矩陣，計算所述信號向量的噪聲方差。
13.如權利要求12所述的用戶終端，其中所述噪聲功率校正單元按照下式計算所述信號向量的噪聲方差σ2≈(n’Hn’)/trace{(HHH)-1}其中σ2是所述信號向量的噪聲方差；n’是所述信號向量所包含噪聲向量的估計值，n’Hn’是所述噪聲向量的估計值的功率；H是所述信道沖擊響應矩陣，上標H表示復共軛轉置；trace{·}表示求矩陣的跡。
全文摘要
一種用于無線通信體系的噪聲方差估算方法及裝置，該方法包括步驟接收來自基站的經由至少一個傳輸路徑傳輸的包含訓練序列和噪聲向量的信號向量；根據該信號向量，估算各個傳輸路徑的信道沖擊響應，以構成一個信道沖擊響應矩陣；若該信道沖擊響應在該訓練序列的特定時間長度內基本保持不變，則根據該信道沖擊響應矩陣和該信號向量，計算該信號向量的噪聲方差。
文檔編號H04L1/20GK1625075SQ20031011978
公開日2005年6月8日 申請日期2003年12月5日 優(yōu)先權日2003年12月5日
發(fā)明者李焱, 徐綠洲, 李岳衡 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司