CN1529970B - 移动无线通信设备中的多普勒展宽/速度估计及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于在例如CDMA或W-CDMA蜂窝通信系统的移动无线通信设备中估计多普勒展宽的方法，其具有改进的抗噪性。多普勒展宽估计基于在第一延迟(210)和在第二延迟(220)的自相关或自协方差的估计值，第二延迟的幅度大于第一延迟。在第一差别(230)与第二差别(240)之间确定第一比率。估计的多普勒展宽通常与第一比率的平方根(260)成比例，并且缩放一个相乘因子，该缩放因子取决于估计函数是自相关还是自协方差函数。

Description

移动无线通信设备中的多普勒展宽/速度估计及其方法
技术领域
本发明总的来说涉及移动无线通信设备，具体地说涉及在移动无线通信设备中估计多普勒展宽(Doppler spread)/速度。
背景技术
许多蜂窝通信系统的性能取决于通过移动无线通信站或设备对未知参数(例如第三代蜂窝通信系统中的衰落信道系数)的估计的准确性。
参数估计准确性的一个重要来源就是移动站在运动过程中经历的多普勒现象。例如，在某些蜂窝通信系统中的信道估计要求对在移动站上接收到的导频信号进行滤波。滤波器的优化带宽取决于多普勒展宽。
速度与频率成比例，并因此与多普勒展宽成比例。移动通信设备中的精确多普勒展宽的知识，对于给较慢的移动站分配微小区(micro-cell)，给较快的移动站分配宏小区，以及做出相对精确的功率控制测量来说，是十分有用的。
已经知道怎样基于在移动站上接收到的信号的幅度平方的自协方差来估计多普勒展宽。但是，此方法的一个问题是估计器的退化，其原因在于与在延迟0处的幅度平方的自协方差估计相关的糟糕的抗噪性。这种现有技术方法的另一个问题在于，它是基于对接收到的信号的幅度平方的一阶矩和二阶矩的估计，该估计主要是该信号的二阶矩和四阶矩。通常，接收到的信号的高阶矩比其低阶矩更难以估计，因此，基于对所接收信号的幅度平方的一阶矩和二阶矩估计的现有技术多普勒展宽估计很容易不精确，这将导致糟糕的系统性能。
对于本领域普通技术人员来说，通过考虑下面对本发明和附图的详细描述，将会使本发明的各种方面、特点和优点变得更加完全地显而易见。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种在移动无线通信设备中估计多普勒展宽的方法，其包括：估计第一和第二延迟的信道的脉冲响应的自相关估计的值，所述第二延迟的幅度比所述第一延迟的幅度大；确定第一差别和第二差别之间的第一比率，所述第一差别是第一延迟处的估计值与第二延迟处的估计值之间的差别，所述第二差别是第一乘积和第二乘积之间的差别，所述第一乘积是第二延迟平方与第一延迟处所述估计值的乘积，所述第二乘积是第一延迟平方与第二延迟处所述估计值的乘积；如果所述第一比率大于0，就确定第一比率的平方根；确定与所述第一比率的平方根成比例的多普勒展宽。
根据本发明的另一个方面，提供了一种在移动无线通信设备中估计多普勒展宽的设备，其包括：用于估计第一和第二延迟的信道的脉冲响应的自相关估计的值的装置，所述第二延迟的幅度比所述第一延迟的幅度大；用于确定第一差别和第二差别之间的第一比率的装置；所述第一差别是第一延迟处的估计值与第二延迟处的估计值之间的差别，所述第二差别是第一乘积和第二乘积之间的差别，所述第一乘积是第二延迟平方与第一延迟处所述估计值的乘积，所述第二乘积是第一延迟平方与第二延迟处所述估计值的乘积；用于如果所述第一比率大于0则确定第一比率的平方根的装置；以及用于确定与所述第一比率的平方根成比例的多普勒展宽的装置。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的一个包括移动无线通信设备的通信系统，多普勒展宽就是为此而估计的。
图2是用于确定多普勒展宽的示意性流程图。
图3是对应本发明和现有技术的几个实施例的信噪比(SNR)性能的相对偏差的图示。
图4是对应于本发明和现有技术的几个实施例的SNR性能的相对均方差(RMSE)的平方根的图示。
具体实施方式
在本发明中，在移动无线通信设备，例如蜂窝电话手机、个人数字助理、无线使能计算机等中估计多普勒展宽。
在一个实施例中，多普勒展宽估计基于在其上传输信号的信道的脉冲响应的估计的自相关函数的实部。在此，对于估计的自相关函数的进一步的引用指的是其实部。在另一实施例中，多普勒展宽估计基于在其上传输信号的信道的脉冲响应的幅度平方的估计的自协方差函数。本发明的多普勒展宽估计除了具有现有技术的其它优点之外，还具有改进的抗噪性。
图2中，在框200，估计自协方差或者自相关函数。通常，对自相关或自协方差函数的估计是公知的。例如，在窄带通信系统中，自协方差或自相关函数可以基于在移动无线通信设备上接收的信号。
在TDMA系统中，估计的自协方差或自相关函数基于无线移动通信设备的自适应均衡器或其它电路部分的输出。
在一个实施例中，如在图1的示例CDMA或WCDMA接收器100中所示，估计的自相关函数基于与瑞克接收器(rake receiver)110的特定路径相关的多个瑞克指(rake finger)A-N中的一个或多个的I和/或Q信号分量。在另一实施例中，估计的自协方差函数基于rake接收器110的一个或多个rake指的I和Q信号分量。此外，估计的自协方差函数也可以基于rake接收器110的输出Rout。
图1的示例设备100通常包括放大器120和其它部件，包括在本地处理器150(例如可编程DSP或类似ASIC的专用硬件电路，或者本领域普通技术人员公知的其它处理器或组合)的控制之下的基带处理器、数字信号处理器、显示和输入，其中一些部件并没有示出，但都是本领域公知的。
在本发明一个实施例中，根据信号的同相或正交分量来估计自相关函数，在另一实施例中，根据信号的同相和正交分量来估计自相关函数。在又一实施例中，根据信号的幅度平方来估计自协方差函数。
图2中，在框210，为第一延迟n估计自协方差或自相关函数的第一值。在估计的函数为自协方差函数的本发明的实施例中，第一延迟为任意正或负的非零值，在估计的函数为自相关函数的实施例中，第一延迟n可以为包括零在内的任意值。
在框220，在第二延迟m处估计出估计的自相关或自协方差函数的第二值，其中第二延迟m的幅度大于第一延迟n的幅度。
图2中，在第一差别和第二差别之间计算出第一比率。第一差别是第一延迟n处的估计值与第二延迟m处的估计值之间的差别。在差分框230示意性地示出了第一差别的计算。第二差别是第一乘积与第二乘积之间的差别。第一乘积是第二延迟平方m2与第一延迟n处的估计值的乘积。第二乘积是第一延迟平方n2与第二延迟m处的估计值的乘积。在差分框240示意性地示出了第二差别的计算。
在除法器框示意性地算出了第一和第二差别的第一比率，定量地表述如下：
公式(1)
Figure GFW00000042180200051
式中，
Figure GFW00000042180200052
是具有第一延迟n的估计的自相关或自协方差的估计值，是具有第二延迟m的相同估计函数的估计值。
图2中，在框255，如果第一比率x小于0，则计算出第一比率的幅度。因此框255的输出就是第一比率的幅度。可替换地，在框255，如果第一比率小于0，就将框255的输出置为0。如果第一比率大于0，则第一比率即为框255的输出。
在框260，计算出框255输出的平方根。如果第一比率大于0，多普勒展宽与第一比率的平方根成比例。如果第一比率小于0，则多普勒展宽与第一比率的幅度的平方根成比例。可替换地，如果第一比率小于0，多普勒展宽就为0。
图2中，在框270，第一比率的平方根以第二比率来缩放，其中，估计的多普勒展宽或速度与第一比率平方根和第二比率的乘积成比例。第二比率是π和T的乘积的倒数，其中T为处理速率的倒数。例如，处理速率可以是符号率或者码片率(chip rate)或一些本领域普通技术人员公知的其它速率。
通常，第二比率可定量地表述如下：
公式(2)1/(πT)
在估计的函数是自相关函数的应用中，多普勒展宽与第一和第二比率的乘积成比例。在估计的函数是自协方差函数的应用中，多普勒展宽与第一和第二比率的乘积乘以2的平方根除以2的相乘因子成比例。因此，对于自协方差函数来说，公式(2)可通过下式缩放：
公式(3)
图3是对应与现有技术相比较的本发明的几个实施例的信噪比(SNR)性能的相对偏差的图示。该图示出了通常的相对常量估计多普勒展宽偏差，其中本发明的估计的自相关函数基于信号的同相和/或正交分量，或者自协方差函数基于信号的幅度平方。相反，现有技术的多普勒展宽估计偏差在较低信号强度处明显差得多。在图3中，基于由信号幅度的平方估计的自协方差函数的多普勒展宽估计或基于由信号的同相和正交分量估计的自相关函数的多普勒展宽估计，比仅仅基于信号的同相或正交分量之一估计的多普勒展宽具有更小的偏差。
图4是对应与现有技术相比较的本发明的几个实施例的SNR性能相对于均方差(RMSE)的平方根的图示。对于本发明的估计的自相关函数基于信号的同相和/或正交分量的实施例或者估计的自协方差函数基于信号的幅度平方的实施例，该图示出了通常的估计多普勒展宽的相对恒定的RMSE。相反，现有技术的多普勒展宽估计在较低信号强度处明显具有相当大的RMSE。在图4中，基于由信号幅度的平方估计的自协方差函数或基于信号的同相和正交分量的自相关函数的RMSE，比现有技术更小，尤其是在较低的信号强度处。
尽管通过建立发明者的拥有权以及使本领域普通技术人员能够做出和使用本发明的方式，描述了本发明以及这里所考虑的其当前的最佳实施方式，应该理解并认识到，这里所公开的示范实施例有许多的等价物，并且再不背离本发明的范围和精神的前提下可以做出多种修改和变化，其中本发明的范围和精神不是由示范实施例限定的，而是由所附权利要求限定的。

Claims (12)

1.一种在移动无线通信设备中估计多普勒展宽的方法，其包括：
估计第一和第二延迟的信道的脉冲响应的自相关估计的值，所述第二延迟的幅度比所述第一延迟的幅度大；
确定第一差别和第二差别之间的第一比率，
所述第一差别是第一延迟处的估计值与第二延迟处的估计值之间的差别，
所述第二差别是第一乘积和第二乘积之间的差别，所述第一乘积是第二延迟平方与第一延迟处所述估计值的乘积，所述第二乘积是第一延迟平方与第二延迟处所述估计值的乘积；
如果所述第一比率大于0，则：
确定第一比率的平方根；以及
确定与所述第一比率的平方根成比例的多普勒展宽。
2.如权利要求1所述的方法，如果所述第一比率小于0，确定所述第一比率的绝对值的平方根。
3.如权利要求1所述的方法，如果所述第一比率小于0，将所述第一比率的值设为0。
4.如权利要求1所述的方法，通过将所述第一比率的平方根与第二比率相乘来确定所述多普勒展宽，所述第二比率是π与T乘积的倒数，其中T为处理速率的倒数。
5.如权利要求1所述的方法，由信号的同相和正交分量来估计自相关。
6.如权利要求1所述的方法，由信号的同相和正交分量之一来估计自相关。
7.一种在移动无线通信设备中估计多普勒展宽的设备，其包括：
用于估计第一和第二延迟的信道的脉冲响应的自相关估计的值的装置，所述第二延迟的幅度比所述第一延迟的幅度大；
用于确定第一差别和第二差别之间的第一比率的装置；
所述第一差别是第一延迟处的估计值与第二延迟处的估计值之间的差别，
所述第二差别是第一乘积和第二乘积之间的差别，所述第一乘积是第二延迟平方与第一延迟处所述估计值的乘积，所述第二乘积是第一延迟平方与第二延迟处所述估计值的乘积；以及
用于如果所述第一比率大于0则确定第一比率的平方根以及确定与所述第一比率的平方根成比例的多普勒展宽的装置。
8.如权利要求7所述的设备，进一步包括，用于如果所述第一比率小于0则确定所述第一比率的绝对值的平方根的装置。
9.如权利要求7所述的设备，进一步包括，用于如果所述第一比率小于0则将所述第一比率的值设为0的装置。
10.如权利要求7所述的设备，其中，用于确定与所述第一比率的平方根成比例的多普勒展宽的装置包括用于通过将所述第一比率的平方根与第二比率相乘来确定所述多普勒展宽的装置，其中所述第二比率是π与T乘积的倒数，T为处理速率的倒数。
11.如权利要求7所述的设备，用于估计第一和第二延迟的信道的脉冲响应的自相关估计的值的装置包括用于从信号的同相和正交分量来估计自相关的装置。
12.如权利要求7所述的设备，用于估计第一和第二延迟的信道的脉冲响应的自相关估计的值的装置包括用于由信号的同相或正交分量之一来估计自相关的装置。
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