CN100342678C - 话务导频比的相干估计方法和装置 - Google Patents

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Abstract

描述了相干估计话务导频能量比的方法。将接收的前同步码译码(20)，然后再编码(22)。接着将接收的前同步码乘以再次编码的前同步码(23)。将结果求和(24)、平方(26)、然后除以导频能量值(28)。在另一种方法中，携带能量信息的报文(41)能够插入子包前同步码(40)和子包(42)之间。

Description

话务导频比的相干估计方法和装置
技术领域
本发明一般属于无线通信系统领域。具体而言，本发明属于估计基于数据包的通信系统的话务导频比的改进方法和设备。
背景技术
无线通讯系统领域应用广泛，例如包括：无绳电话、传呼、无线本地环路、个人数字助手(PDAs)、因特网电话及卫星通信系统。尤为重要的应用是移动订户使用的蜂窝电话系统(这里，术语“蜂窝”系统包含蜂窝和个人通信设备(PCS)频率)。人们为这类蜂窝电话系统研发了各种无线空中接口，例如包括频分多址联接(FDMA)、时分多址联接(TDMA)和码分多址联接(CDMA)。还建立了与此相关的各种国家标准与国际标准，例如：高级移动电话服务(AMPS)、全球移动电话系统(GSM)和过渡标准95(IS-95)。特别是，电信工业协会(TIA)和其它著名的标准团体公布了IS-95及其派生标准、IS-95A、IS-95B，ANSI J-STD-008(这里总称为IS-95)和用于数据的建议高数据数率系统，等等。
依照IS-95标准构建的蜂窝电话系统使用CDMA信号处理技术来提供高效率和稳健的蜂窝电话服务。在美国专利5,103,459和4,901,307(这两份专利已转让给本发明的受让人，通过引用合并其全部内容)中描述了基本依照IS-95标准构建的示范蜂窝电话系统。在CDMA系统中，无线空中功率控制是重要的。在美国专利5,056,109(该专利已转让给本发明的受让人，通过引用合并其全部内容)中描述了在CDMA系统中进行功率控制的示范方法。
采用CDMA无线空中接口的主要优点是通信在相同射频(RF)波段中实施。例如，在指定蜂窝电话系统中的各个远程订户单元(例如，蜂窝电话、个人数据助手(PDA)、连接到蜂窝电话的膝上型设备、免提手动汽车配件，等等)能够通过在相同1.25MHz RF谱中发送反向链接信号与相同的基站通信。同样，在这类系统中的各个基站能够通过在另一个1.25MHz RF谱中发送前向链接信号与远程单元通信。在相同RF谱中发送信号提供了各种益处，例如包括：增加了蜂窝电话系统的频率再利用和两个或多个基站间的软切换能力。增加的频率再用可在给定量的频谱中进行更大量的通话。软切换是从两个或更多基站的覆盖区域中转换远程站的稳健方法，包含同时与两个基站间接口。相反，硬切换包括在与第二基站建立接口前终止与第一基站的接口。在美国专利5,267,261(该专利已转让给本发明的受让人，通过引用合并其全部内容)中描述了执行软切换的示范方法。
在常规蜂窝电话系统中，公共电话交换网(PSTN)(通常是电话公司)和移动交换中心(MSC)通过标准的E1和/或T1电话线(后面称作E1/T1线)与一个或更多的基站控制器(BSCs)通信。BSCs通过包括E1/T1线的回程线路与基站收发信机子系统(BTSs)(也称作基站或小区站点)通信并且互相通信。BTSs通过在空中发送的RF信号与远地单元通信。
为提供增加的容量，国际电信协会最近要求提交了通过无线通信信道提供高速率数据和高质量语音服务的建议方法。该建议描述了称为“第三代”，或“3G”的系统。作为示范方案，由TIA颁布了cdma2000 ITU-R无线传输技术(RTT)候选方案(这里称作cdma2000)。cdma2000标准由IS2000草案提供并由TIA批准。cdma2000方案可用许多方法与IS-95系统兼容。另一个CDMA标准是W-CDMA标准，体现为第三代合伙人方案(3rd Generation Partnership Project)“3GPP”，(文献号3GTS25.211，3GTS25.212，3GTS25.213和3GTS25.214)。
随着对无线数据应用的需求增长，对高效率无线数据通信系统的需求也明显增加。IS-95、cdma2000和WCDMA标准能够在前向链路和反向链路上进行数据通信和传输语音业务。在美国专利5,504,773中详细描述了名称为“METHOD ANDAPPARATUS FOR THE FORMATTING OF DATA FOR TRANSMISSION”的固定尺寸编码信道帧的数据话务传输方法(该专利已转让给本发明的受让人，通过引用合并在此)。
语音话务服务和数据话务服务间的明显差别在于语音话务要求严格的最大延迟。通常，语音话务帧的全部单向延迟必需不小于100毫秒。与之相比，数据通信帧的延迟可以变化，以优化数据通信系统的效率。尤其是，能够采用更有效的差错纠正编码技术，它比那些语音话务能够容忍的技术要求明显更大的延迟。在美国专利5,743,462中描述了标题为“SOFT DECISION OUTPUT DECODER FOR DECODINGCONVOLUTIONALLY ENCODED CODEWORDS”的示范有效数据编码方案(颁布于1999年8月3日，转让于本发明的受让人，通过引用合并于此)。
语音话务和数据话务间的另一个明显差别在于，语音通信需要对所有用户提供固定和共同的服务等级(GOS)。通常，对提供语音话务服务的数字系统，这转换为对所有用户的固定和相等的传输速率和对语音话务帧的最大可容忍差错率。与之相比，因为对数据话务服务可采用重发协议，用户间的GOS可以不同并变化以提高数据通信系统的整体效率。数据话务通信系统的GOS通常定义为预定量数据传输中发生的总延迟。
数字数据传输必然会有干扰，这会导致数据传输中的差错。人们提出了差错检测方案来尽可能地确定在数据传输中是否产生了差错。例如，通常以数据包发送数据并对每个数据包增加循环冗余校验码(CRC)字段(比如16位长)，载有数据包的数据校验和。当接收机接收数据时，接收机计算接收数据上相同的校验和并验证计算结果是否与CRC字段的校验和相同。
还提供了卷积码，允许数字数据的接收机甚至在传输时发生差错时，正确确定传输的数据。卷积码在传输数据中加入冗余位并将传输数据分组为数据包中，其中各位值依赖于序列中的前面的位。这样，当差错发生时，接收机还能够通过回朔追踪接收数据的可能序列来推断原始数据。
为进一步提高传输信道的性能，一些编码方案包括交织器，它在编码时改变数据包中的位的次序。这样，当在传输中干扰毁坏相邻位时，干扰的影响被分散到在整个原始数据包中，并能够通过译码过程更易于克服。其它的改进方法可包括串行或并行地对数据包多于一次编码的多成分(multiple-component)编码。例如，已知可采用至少并行使用两个卷积编码器的差错纠正方法。这类并行编码通常称作turbo编码。
对于多成分编码，最佳编码常常是非常复杂的任务，并且需要在线编码并不常用的大时间周期。人们研究了迭代编码技术来克服这一问题。接收机不立即确定接收位是零或一，而在表示位为一的概率的多级标度上为各个位赋值。
在多级标度上表示的数据称作“软数据”，而迭代编码通常是软进(soft-in)/软出(soft-out)，也就是，译码过程接收相应于位值概率的输入序列并考虑编码约束提供输出纠正概率。通常，执行迭代译码的译码器从前面的迭代使用软件数据来译码由接收器读取的软件数据。在多成分编码的迭代译码中，译码器使用一个码的译码结果来改进第二个码的译码。当使用如turbo编码的并行编码器时，为此目的可方便地并行使用两个对应的译码器。这样的迭代译码可执行多次迭代，直到相信软件数据接近代表被传输的数据。那些位具有指示他们更接近为1的概率而被赋值为二进制零、而其余位赋值为二进制的1。
“turbo编码”是前向纠错(FEC)领域的一次重大进步。turbo编码有许多变化，但许多类型的turbo编码结合迭代译码使用由交织步骤分离的多个编码步骤。对于通信系统中噪声容差，这种结合提供了原有技术所不具有的性能。也即，turbo编码允许在每噪声功率谱密度每位能量(Eb/No)的电平上通信，这对使用现有前向纠错技术而言是原来不可接收的。
许多通信系统使用前向纠错技术，并从而从使用turbo编码中获益。因此，在无线通信系统中提高turbo译码器的性能是有利的。一种turbo译码器性能的提高是精确和及时的话务导频能量比信息。这样的信息是辅助迭代译码处理的软件数据的一部分。这样，需要快速估计话务导频比。显然，对于本领域的普通技术人员，除了使用turbo译码，无线通讯中的其它技术也可从快速估计话务信道能量的方法中受益。
发明内容
阐述了执行相干估计的新型且并不显然的方法和装置，该方法包括：在话务信道上接收第一码元序列；将第一码元序列译码以确定数据有用负荷；将数据有用负荷编码以形成第二码元序列；将第一码元序列乘以第二码元序列以形成第三码元序列；将第三码元序列的各个元素相加以确定话务能量值；和将话务能量值除以导频能量值。
在另一方面，描述了改进turbo译码器性能的方法，该方法包括：确定从第一基站到第二基站的传输能量值；形成载有能量值的信息；发送信息到第二基站。
附图说明
当参考附图时，由下述详细描述可更清楚本发明的特征，目的和优点，在附图中，相同的参考数字表示相同的组件，其中：
图1是示范的数字通信系统图；
图2是根据示范实例的算法步骤流程图；
图3是实现示范实施例的装置图；
图4是实现另一个实施例的装置图；
图5示出根据示范实施例的帧结构字段。
详细描述
如图1所示，无线通信网络10一般包括多个移动站或订户单元12a-12d、多个基站14a-14c、基站控制器(BSC)或数据包控制功能模块16、移动站控制器(MSC)或开关18、数据包数据服务节点(PDSN)或网间功能模块(IWF)20、公共电话交换网(PSTN)22(通常是电话公司)、和Internet协议(IP)网络18(通常是因特网)。为简化起见，示出了四个远程站12a-12d、三个基站14a-14c、一个BSC16、一个MSC18和一个PDSN20。本领域的普通技术人员需理解可以有任意数目的远程站12、基站14、BSCs16、MSCs18和PDSNs20。
在一个实施例中，无线通信系统10是数据包数据服务网。远程站12a-12d可以是蜂窝电话、蜂窝电话可连接到运行基于IP的Web浏览器应用程序的膝上型计算机、也可连接到免提汽车套件或运行基于IP的网络浏览器应用程序的PDAs。远程站12a-12d最好可配置为执行一个或多个无线数据包数据协议(诸如在EIA/TIA/IS-707标准中所描述的)。在特定实施例中，远程站12a-12d产生送往IP网络24的IP数据包并将IP数据包封装入使用点对点协议(PPP)的帧。
在一个实施例中，通过根据几个已知协议(包括例如E1、T1、异步传输模式(ATM)、IP、PPP、帧中继、HDSL、ADSL或xDSL)中的任何一个配置而传输语音和/或数据包的有线线路，将IP网络24耦合到PDSN20、PDSN20耦合到MSC18、MSC耦合到BSC16和PSTN22，而BSC16耦合到基站14a-14c。在替换实施例中，BSC16直接耦合到PDSN20，MSC18不耦合到PDSN20。在一个实施例中，远程站12a-12d与基站14a-14c通过在第3代合伙人方案2“3GPP2”中定义的RF接口通信，3GPP2文献号CP0002-A，TLAPN-4694，将颁布为TIA/EIA/IS-2000-2-A的“Physical LayerStandard for cdma2000 Spread Spectrum System”(草案、编辑文本300)(1999年11月19日)，在此通过引用合并其内容。
在无线通信网络10的典型操作中，基站14a-14c从各个用于电话呼叫，Web浏览或其它数据通信的远程站12a-12d接收并解调制一系列反向链接信号。在基站14a-14c中处理由指定基站14a-14c接收的各个反向链接信号。各个基站14a-14c可通过将一系列前向链接信号解调并发送到远程站12a-12d与多个远程站12a-12d通信。例如，基站14a与第一和第二个远程站12a、12b同时通信，基站14c与第三和第四个远程站12c、12d同时通信。所得的数据包转送到BSC16，BSC16提供呼叫资源分配，而移动管理功能包括从一个基站14a-14c到另一个基站14a-14c的对特定远程站12a-12d呼叫的软切换的协调。例如，远程站12c与两个基站14b、14c同时通信。最后，当远程站12c移动到距离基站14c足够远时，呼叫将切换到另一个基站14b。
如果传输是常规电话呼叫，BSC16将接收到的数据路由传送到MSC18，MSC18为与PSTN22的接口提供额外的路由服务。如果传输是诸如发送到IP网络24的数据呼叫的基于数据包的传输，MSC18将路由数据包到PDSN20，PDSN 20将发送数据包到IP网络24。另外，BSC16将直接路由数据包到PDSN20，后者发送数据包到IP网络24。
反向信道从远程站12a-12d传输到基站14a-14c。反链路传输的性能可用导频信道和其它反向话务信道的能量电平比来测量。导频信道伴随话务信道一起提供接收话务信道的相干解调。在cdma2000系统中，反向话务信道可包含多个信道，包括(但不限于)接入信道、增强接入信道、反向公共控制信道、反向专用控制信道、反向基本信道、反向辅助信道、反向辅助编码信道、正如使用cdma2000的各个订户网络的射频结构所指定的。前向链路信道也能够包括多个信道，包括(但不限于)导频信道、同步信道、寻呼信道、广播信道、分配信道、公共功率控制信道、公共控制信道、专用控制信道、基本信道、辅助信道和辅助编码信道。
导频信道不包含数据调制，其特点是，在基站范围中的所有远程站使用该未调制扩展谱信号用于采集或追踪目的。采用全零组成的Walsh“0”(W0)序列，从而无导频信号调制。导频信号包括短伪随机信号(PN)序列，其性能与其时移方式无关。因此，通过PN序列的偏移能够生成识别信息。
在能够传输数据话务的无线通信系统中，数据话务通常通过空中以数据包的方式传输。仅仅是作为示例，这里采用cdma2000系统的术语。这种使用并非为了把本发明限制为对cdma2000系统使用。在cdma2000系统中，数据包以占据时隙的“子包”为单位传输。时隙大小设计为1.25ms，但需要理解时隙大小在不影响实施例的范围时可在这里所述的实施例中变化。数据有用负荷冗余地封装入至少一个子包中以供发送。如果出现冗余包，可通过软结合处理减小功率消耗和对其它远程站的干涉，其中一个受损的子包与另一受损的子包相结合。以这种方式，重复和冗余子包的发送能够产生最佳数据传输率。
对数据话务传输，前同步码可添加到第一传输子包，其中前同步码携带识别数据有效负荷目标目的地标识、子包传输数率和用于携带数据有效负荷全部数量的子包数目的信息。子包到达的时间(也就是重发预定到达的周期性间隔)通常是预定的系统参数，但如果系统没有这样的系统参数，时间信息也可以包括在前同步码中。也可以包括诸如数据包的无线电链路协议(RLP)序号的其它信息。由于注意到对目标目的地未来传输将在特定时间到达，这类未来传输不需要包括前同步码位。不过，在传输不规则的情况下(诸如在信道灵敏传输方案中)，前同步码必需加到每个数据子包传输中。
在示范实施例中，通过使用数据子包的前同步码信息可以确定话务能量对导频能量的比率。在此实施例中，使用经译码的前同步码码元相干地估计话务导频比。图2示出根据这个实施例的流程图。在步骤20中，用译码器(未示出)将接收到的前同步码码元译码。如果不能正确译码接收到的前同步码码元，则丢弃接收到的子包并使用来自另一子包的新的前同步码码元。在示范的CDMA系统中，如果不能用从0.01到0.1百分比或更小的FER范围译码前同步码，则丢弃前同步码和子包。在步骤22，在编码器(未示出)编码经译码的前同步码信息来再生新的前同步码码元。在步骤23，用乘法器件(没有示出)将编码的前同步码码元和接收到的前同步码码元相乘。在步骤24，用乘法器件(没有示出)将相乘结果求和。在步骤26，将和平方，产生话务能量值。在步骤28，将话务能量值除以导频功率值。
例如，假定接收到前同步码码元(1，-1，1，-1)。在译码后导出信息有效负荷。通常在CDMA系统中使用的对前同步码的简单编码技术是分组码和循环冗余校验(CRC)位。也可使用其它的编码技术而不影响这个实施例的范围。然后当原始接收的前同步码码元到达(1，-1，1，-1)时，以相同的方式将前同步码信息编码。将接收到的前同步码码元和再编码的前同步码码元相乘，产生序列(1，1，1，1)。将结果求和，即1+1+1+1＝4。接着将和平方产生值16。对相同次序的非相干估计的增益超过6dB，其中话务码元的能量被可确定而不需知道码元值。在非相干估计中，接收码元的各位分别被平方以消除负数项，然后加在一起形成能量值。在此例中，非相干估计的结果值为(1)2+(-1)2+(1)2+(-1)2＝4。
上述实施例能够在伴随分组数据和导频信道使用前同步码或报头的任意通信系统中实现。在WCDMA系统中，在与传输数据话务的信道分离的信道上传输前同步码信息。然而，上述实施例还可以实现为用于执行话务导频比的相干估计。上述实施例在相干估计中是有利的，对包括96个码元的前同步码提供大约20dB的增益(这是cdma2000系统的例子)。
图3是配置为执行上述方法步骤的装置方框图。接收器30用伴随的前同步码接收数据子包。控制处理器31将接收的前同步码路由到译码器32。控制处理器31再将译码的前同步码信息路由到编码器33，在那里前同步码信息被重新编码。由乘法器34将接收的前同步码和再编码的前同步码相乘。用加法器35将相乘的结果求和。在平方元件36处将来自加法器35的总和平方。在除法元件37处将来自平方元件36的结果除以导频能量值，这里由控制处理器31提供导频能量值。另外，通用计算元件38能够包括功能模块34、35、36、37。
在另一个示范实施例中，由发送方直接确定话务能量与导频能量之比，且该信息包含在报文中。在一个例子中，报文位可包括为部分前同步码。在另一个例子中，报文位可以作为数据子包的部分被包括。另外，报文可作为分离的有效负荷而传送。可在报文中明白地说明能量比，或者报文可在查找表中携带用于能量值的索引值。
如果报文包含在数据子包中，则希望在数据子包的前端放置报文，这允许接收方快速处理话务导频比信息以在turbo译码器的数据子包中使用。因此，可用简单、容易的处理码(诸如分组码)编码报文位。
图4是能够执行上述信息生成的装置。传输功率控制单元40确定传输功率电平和数据包的传输率。因此，在信道元件41处将数据包重新分组成子包。传输功率控制单元40生成话务导频比报文，该报文从信道元件41附加到数据子包。传输功率控制单元40也生成附加到数据子包的前同步码。另外，可预编程处理器42来包括传输功率控制单元40和信道元件41的功能。
需要注意，图3或图4的装置能够处于远程站或基站中，这是因为一些示范CDMA系统能够在前向链路和反向链路中提供导频信道和话务信道。
图5是信道帧的例子，其中前同步码字段50在能量消息字段51前面，能量消息字段处于数据子包字段52之前。
这样，描述了估计话务导频比的新型和改进的方法和装置。本领域的普通技术人员将理解与在这里描述的实施例相关的各种演示逻辑块、模块、电路和算法步骤可实现为电子硬件、计算机硬件或其结合。各种示范的部件、块、模块、电路和步骤通常以其功能来描述。无论功能是用硬件或软件来实现，都依赖于整个系统的特定应用和设计约束。熟练的技术人员了解在这类情况下硬件与软件是可互换的，并知道怎样最佳地对各个特别的应用选用所述功能。例如，结合上述实施例的各个示范逻辑块、模块、电路和算法步骤的实现或实行可使用数据信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件元件，例如：寄存器和FIFO，执行一系列固件指令的处理器，任意常规的可编程软件模块和处理器，或其任意组合。处理器优选为微处理器，但也可以是任何常规的处理器、控制器、微处理器或状态机。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器，硬盘、可移动硬盘、CDROM或任意其它本领域中已知的存储媒体。技术人员还可以使用数据、指令、命令、信息、信息、位、码元和码片，它们在全文中有所提及并有益地表示为电压、电流、电磁波、磁场或粒，光波或粒，或其组合。
这样示出并描述了本发明的较佳实施例。本领域的普通技术人员将清楚这些，不过，在不背离本发明的精神或范围时，可对所述实施例进行许多变换。因此，本发明不受其限制，而只依赖于附加的权利要求。

Claims (10)

1.一种相干估计方法，其特征在于，包括：
在话务信道上接收第一码元序列；
译码第一码元序列以确定数据有效负荷；
编码数据有效负荷以形成第二码元序列；
将第一码元序列与第二码元序列相乘以形成第三码元序列；
将第三码元序列的各个元素求和以确定话务能量值；和
将话务能量值除以导频能量值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一码元序列是先导序列序列。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，由远程站执行该方法。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，由基站执行该方法。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，由分组译码器执行该译码。
6.相干估计话务导频比的装置，其特征在于，包括：
在话务信道上接收第一码元序列的装置；
译码第一码元序列以确定数据有效负荷的装置；
编码数据有效负荷以形成第二码元序列的装置；
将第一码元序列与第二码元序列相乘以形成第三码元序列的装置；
将第三码元序列的各个元素求和以确定话务能量值的装置；和
将话务能量值除以导频能量值的装置。
7.一种相干估计话务导频比的装置，其特征在于，包括；
接收器，接收先导序列序列；
译码器，译码先导序列序列以确定数据有效负荷；
编码器，编码数据有效负荷；和
计算元件；将编码的数据有效负荷与先导序列序列相乘以形成中间序列，为中间序列的各个元素求和来形成能量值，并将该能量值除以导频能量值，其中导频能量值从导频序列中确定。
8.如权利要求7所述的，其特征在于，接收器位于远程站。
9.如权利要求7所述的，其特征在于，接收器位于基站。
10.如权利要求7所述的，其特征在于，译码器是分组译码器。
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