專利名稱：速率估計設備和方法
技術領域：
本發明涉及移動通信系統，尤其是用于估計移動通信系統中的運動物體的速率的技術。
背景技術：
在下一代無線通信中，由于必須利用有限的頻率資源來支持大型多媒體數據包數據業務，所以將基于精確信道信息的系統資源分配當作一個重要的因素。
因此，移動終端的速率是分配系統資源的信道信息中必不可少的元素，而且將其特別應用于在使用自適應算法的接收模式中，確定諸如信道跟蹤長度、數字復用器的大小等等之類的系數。此外，運動物體的速率信息是蜂窩通信系統中功率控制和切換控制的重要信息。
在移動終端中，接收到的信號經歷衰減現象和多普勒頻移現象。通常，在移動通信系統中，由接收機天線接收到的瞬時信號功率對應于多路徑接收到的信號的總和，該多路徑由發送機發送到接收機的散射和反射信號產生。接收到的信號可分為慢衰落信號分量和快衰落信號分量。慢衰落分量受發送機和接收機之間的地形的影響，而且接收到的功率根據測量的位置而變化。也將快衰落分量稱為瑞利衰落，并受傳送路徑上存在的障礙物引起的散射和反射信號的影響，所述障礙物例如建筑物、樹和汽車等等。因此，移動終端接收到的信號功率在慢衰落和快衰落的影響下瞬時變化。
如上所述，在移動終端(接收機)，接收到的信號經歷多普勒頻移現象。多普勒頻移現象在接收到的信號中產生頻率誤差，該誤差與移動終端相對于基站(發送機)的速率成比例。
就此而論，通過利用由于多普勒頻移現象而在接收信號中產生的頻率誤差與移動終端的運動速率成比例的特性，估計移動終端的速率成為可能。因此，在移動通信系統中，移動終端的速率可通過檢測從基站接收到的信號的最大多普勒頻率來進行估計。
有關用于信道系數測量的最大多普勒頻率估計的研究由來已久。通過這個研究，利用過零率(ZCR)、過電平率(LCR)、自動相關函數(ACF)或者接收信號協方差(COV)的多普勒頻率估計算法已在現有技術中公開。
在傳統的基于ZCR或LCR的最大多普勒頻率估計技術中，由于沒有考慮附加噪聲的影響，當在包含噪聲的衰落信號中估計最大多普勒頻率時就會出現較大的失真。
在傳統的基于ACF的最大多普勒頻率估計技術中，信噪比(SNR)用于補償在衰落信道中出現的估計失真。然而，由于在變化很快的移動通信環境中很難精確估計信噪比，所以很難可靠地實現該技術。
盡管在直達波存在的賴斯衰落環境中，傳統的基于COV的最大多普勒頻率估計技術展示出了強于那些基于ACF的傳統最大多普勒頻率估計技術的特性。然而，傳統的基于COV的最大多普勒頻率估計技術仍然具有在含有噪聲的衰落信道中出現很大程度的失真的缺陷，而且必須精確確定SNR來補償失真。
為了應對上述問題，現有技術中提出了一種用于利用篩選的自動相關函數(ACF)估計最大多普勒頻率的技術。通過使用該技術，雖然減少由于附加噪聲引起的失真成為可能，但是由于濾波造成的信號失真在高最大多普勒頻率環境中也增加了。同樣，因為使用篩選的自動相關函數的技術并非完美地消除而是僅僅減輕了噪聲的影響，在具有非常低的信噪比的環境中仍將出現失真。
在利用篩選的自動相關函數(ACF)估計最大多普勒頻率的技術的變體中，使用具有時差的信號的自動相關函數比值。在這種情況下，雖然不受噪聲影響估計最大多普勒頻率成為可能，卻造成可估計的最大多普勒頻率范圍減少一半的缺陷，而且由于主要使用自動相關函數，在直達波存在的賴斯衰落環境中性能特性會比較微弱。
發明內容
因此，設計本發明來解決以上以及現有技術中存在的其它問題，本發明的一個目的是提供一種用于在移動通信系統中估計最大多普勒頻率的速率估計設備和方法，能夠不受噪聲影響有效地估計最大多普勒頻率而不減少可估計范圍。
本發明的另一個目的是提供一種用于移動通信系統的速率估計設備和方法，能在瑞利衰落環境和賴斯衰落環境中可靠地估計最大多普勒頻率。
為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種用于通信系統中的速率估計設備，所述通信系統包括用于通過無線信道發送信號的發送機和用于接收信號和再生數據的接收機。所述設備包括導頻信號檢測器，用于從接收的信號中檢測導頻信號；最大多普勒頻率估計器，用于利用由導頻信號檢測器檢測到的導頻信號估計最大多普勒頻率；以及位于最大多普勒頻率估計器輸入端的自適應頻帶限制濾波器，其產生一個與最大多普勒頻率估計器的在先輸出值一致的界限帶寬。
根據本發明的另一方面，提供一種用于移動通信系統的速率估計設備，所述移動通信系統包括至少一個用于為服務區的移動站提供無線接入服務的基站。所述設備包括RF處理單元，用于將接收的無線信號下轉換為基帶信號；采樣單元，用于從RF處理單元輸出的基帶信號中采樣預定部分并輸出數字信號；導頻信號檢測單元，用于從采樣單元輸出的數字信號中檢測導頻信號；自適應頻帶限制單元，用于僅通行導頻信號檢測單元信號輸出中的導頻信號；最大多普勒頻率估計器單元，用于利用由自適應頻帶限制單元濾出的導頻信號估計最大多普勒頻率；以及速率信息生成單元，用于將最大多普勒頻率估計器單元估計的最大多普勒頻率值轉換成速率信息。
根據本發明的再一個方面，提供一種用于通信系統的速率估計方法，該系統包括用于通過無線信道發送信號的發送機和用于接收信號并再生數據的接收機。該方法包括步驟從接收的信號中檢測出導頻信號；對導頻信號執行頻帶限制過濾工作；利用頻帶限制過濾后的導頻信號估計最大多普勒頻率；以及利用估計的最大多普勒頻率生成速率信息。
根據本發明的又一個方面，提供一種用于移動通信系統的速率估計方法，系統包括至少一個用于為服務區內的移動站提供無線接入服務的基站。該方法包括步驟將接收的無線信號下轉換為基帶信號；采樣基帶信號的預定部分并輸出數字信號；從數字信號中檢測導頻信號；對導頻信號執行頻帶限制過濾工作；利用頻帶限制過濾的導頻信號估計最大多普勒頻率；以及將估計的最大多普勒頻率轉換成速率信息。
以上及本發明的其它目的、特征和優點將通過以下結合附圖的詳細說明更加明顯，附圖如下圖1A是說明在使用基于ZCR和LCR的最大多普勒頻率估計技術時由附加噪聲引起的最大多普勒頻率失真的曲線圖；
圖1B是說明在使用基于ACF和COV的最大多普勒頻率估計技術時由附加噪聲引起的最大多普勒頻率失真的曲線圖；圖2是說明依照本發明實施例的速率估計設備的框圖；圖3A是說明根據本發明通過自適應頻帶限制濾波器之前接收的導頻信號的功率頻譜的圖形；圖3B是說明根據本發明通過自適應頻帶限制濾波器之后接收的導頻信號的功率頻譜的圖形；圖4A是說明比較本發明最大多普勒頻率估計技術和常規基于ZCR的最大多普勒頻率估計技術的性能的實驗結果圖表；圖4B是說明比較本發明最大多普勒頻率估計技術和常規基于LCR的最大多普勒頻率估計技術的性能的實驗結果圖表；圖4C是說明比較本發明最大多普勒頻率估計技術和常規基于ACF的最大多普勒頻率估計技術的性能的實驗結果圖表；和圖4D是說明比較本發明最大多普勒頻率估計技術和常規基于COV的最大多普勒頻率估計技術的性能的實驗結果圖表。
具體實施例方式
以下將結合附圖詳細說明本發明的優選實施例。在以下說明中，相同的元件將由相同的標號來指示，盡管它們顯示在不同的圖中。而且，下列說明出現的各種特殊限定，例如分組標識符的特定值、顯示信息的內容等等，僅用來幫助理解本發明，而且對本領域的技術人員來說顯然可以實施本發明而不需要上述限定。
進一步地，在本發明的以下說明中，在其可能妨礙本發明的主題時，將省略在此包括的已知功能和結構的詳細描述。
在不考慮附加噪聲時，前述的基于ZCR、LCR、ACF和COV的最大多普勒頻率估計技術將分別以公式(1)至(4)表達。
ZR=2fm......(1)]]>LR=2πfmρe-ρ2......(2)]]>φ1φ0=J0(2πfmTS)......(3)]]>
Cov[a2(i)a2(i+1)]Var[a2(i)]=J02(2πfmTS)......(4)]]>在公式(1)和(2)中，ZR和LR是接收信號的過零率(ZCR)和過電平率(LCR)的值，而fm是最大多普勒頻率。
在公式2中，ρ是用于統計電平跨過(crossing)發生的數量的參考電平R和平均接收電平Rrms間的比值。
在公式3和4中，Ts是導頻信號的周期。
公式3中，φk是接收到的信號之間的自動相關函數(ACF)值，所述信號被第k個抽樣時間分離。
公式4中，α(i)是第i個接收信號的大小，以及Cov[]和Var[]是協方差和自方差值。
圖1A和圖1B是說明使用基于ZCR、LCR、ACF和COV的最大多普勒頻率估計技術時由附加噪聲導致的最大多普勒頻率失真的曲線圖。結合圖1A和圖1B，應該可以明白，在所有基于ZCR、LCR、ACF和COV的最大多普勒頻率估計技術中，估計的最大多普勒頻率在具有較低信噪比的環境下，與真實最大多普勒頻率相比是嚴重失真的。
考慮到附加噪聲的影響重新推導公式(1)到(4)，可以得到公式(5)到(8)。
ZR=γ+1γ+2Bm2/3fm22fm......(5)]]>LR=γ+1γ+2Bm2/3fm22fmρe-ρ2......(6)]]>φ1φ0=(γγ+1)(J0(2πfmTS)+sinc(BmTS)γ)......(7)]]>Cov[a2(i)a2(i+1)]Var[a2(i)]=(γγ+1)2(J0(2πfmTS)+sinc(BmTS)γ)2......(8)]]>在公式(5)到(8)中，γ是信噪比(SNR)以及Bm是附加噪聲的帶寬。因而，為了精確估計有噪聲的信道環境下的最大多普勒頻率，需要信噪比γ的信息。
然而，由于在變化很快的移動通信環境中很難精確估計有關信噪比的信息，通常利用公式(1)到(4)估計最大多普勒頻率，其沒有考慮噪聲的影響。因此，由于附加噪聲在最大多普勒頻率估計值中會出現嚴重的失真。
在本發明中，通過將附加噪聲的帶寬Bm限制到最大多普勒頻率fm的 倍來實現自適應頻帶限制工作，作為通過衰落信道的導頻信號帶寬，從而防止在傳統的基于ZCR、LCR、ACF和COV的最大多普勒頻率估計技術中出現的失真。
圖2是說明根據本發明實施例的速率估計設備的框圖。參照圖2，速率估計設備包括RF處理單元201，用于從由天線(未示出)接收到的信號中過濾特定頻帶的信號，并將過濾的信號下轉換成基帶信號；采樣單元203，用于從RF處理單元201輸出的基帶信號中采樣預定部分并輸出數字信號；數據信號處理單元205用于將從采樣單元203輸出的數字信號再生為發送數據；導頻信號檢測單元207用于從采樣單元203輸出的數字信號檢測導頻信號；自適應頻帶限制濾波器209用于僅通行導頻信號檢測單元207輸出的信號中的導頻信號；最大多普勒頻率估計單元211用于利用通過自適應頻帶限制濾波器209的導頻信號來估計最大多普勒頻率；以及速率信息生成單元213用于將最大多普勒頻率估計單元211輸出的最大多普勒頻率估計值轉換成速率信息并輸出所轉換的速率信息。
自適應頻帶限制濾波器209的通帶由最大多普勒頻率估計單元211所估計的在先最大多普勒頻率估計值來決定，而且將最大多普勒頻率估計單元211的輸出通過獨立的反饋線路212提供給自適應頻帶限制濾波器209。
最大多普勒頻率估計單元211利用前述的基于ZCR、LCR、ACF或COV的技術估計最大多普勒頻率。
如上所述，因為估計的最大多普勒頻率與運動物體的速率成比例，那么就可能以一種簡單的方式來獲得速率信息。
導頻信號檢測單元207所檢測的導頻信號通過自適應頻帶限制濾波器209輸入到最大多普勒頻率估計單元211，該濾波器209已經考慮到最大多普勒頻率估計單元211之前估計的最大多普勒頻率估計值而設立了通帶。
最大多普勒頻率估計單元211基于接收信號的ZCR、LCR、ACF或COV估計最大多普勒頻率并輸出最大多普勒頻率的估計值。
在本發明的優選實施例中，自適應頻帶限制工作通過將附加噪聲的帶寬Bm限制到最大多普勒頻率fm的 倍來實現，其是通過衰落信道的導頻信號的帶寬，從而防止在傳統基于ZCR、LCR、ACF和COV的最大多普勒頻率估計技術中出現的失真。
將在先緊鄰的最大多普勒頻率估計值用作自適應頻帶限制的最大多普勒頻率估計值。由于最大多普勒頻率的變化僅與運動物體速率的變化一致，因此最大多普勒頻率變化得非常緩慢。因而，利用在先的最大多普勒頻率估計值，產生誤差的可能性就降低了。
圖3A和3B是說明接收到的導頻信號通過根據本發明的自適應頻帶限制濾波器之前之后的功率頻譜圖。當將圖3B與3A相比較時，應注意到已通過自適應頻帶限制濾波器209的導頻信號僅在噪聲頻帶帶限，并且因此在導頻信號中不出現失真。因此，由于噪聲帶被自適應帶限，所以接收信號的ZCR和LCR可由公式(1)和(2)表示，而接收信號的ACF和COV可分別由公式(9)和(10)表示。
φ1φ0≈J0(2πfmTS)....(9)]]>Cov[a2(i)a2(i+1)]Var[a2(i)]≈J02(2πfmTS)......(10)]]>公式(9)和(10)可利用近似公式，J0(x)≈1-x2/4和sinc(x)≈1-(2πx)2/6，得到。
從公式(1)、(2)、(9)和(10)可以很容易看出，由于已經通過自適應頻帶限制濾波器的信號的特征與沒有附加噪聲的接收的信號相對應，即使在使用基于ZCR、LCR、ACF和COV的最大多普勒頻率估計技術時，失真也不會發生。
在根據本發明的速率估計方法中，由于應用了判定反饋結構，有必要驗證其穩定性。
在使用判定反饋結構的自適應頻帶限制方案中，由于使用其自身輸出信息來限制輸入信號的帶寬，則判定反饋結構可能會不收斂，即發散。因此，驗證判定反饋結構的收斂性非常重要。
在判定反饋結構中，假定fm是最大多普勒頻率， 是第n個估計最大多普勒頻率，而α(n)是第n估計誤差的比率。第n個估計最大多普勒頻率 可以由公式(11)來計算。
f^m(n)=α(n)·fm......(11)]]>通過將自適應頻帶限制方案應用到公式(5)至(8)中，α(n)和α(n-1)的關系可以由公式(12)來表示。
α(n)=γ+α2(n-1)γ+1......(12)]]>在假定初始估計誤差比率是α(0)時，α(0)成為指示初始最大多普勒頻率估計值誤差的變量，其范圍為0＜α(0)＜∞。
通過利用幾何級數原理以一般項的形式重新整理公式(12)，得到公式(13)。
α(n)=1+α2(0)-1(γ+1)n......(13)]]>公式(13)中，由于γ標識實施判定反饋自適應頻帶限制工作后的信噪比，通常會滿足不等式γ＞0。因此，可以理解α(n)在第n條件下收斂于1。也就是說，在建議的判定反饋結構中，如果α(n)＝1，由于第n項估計的最大多普勒頻率滿足等式f^m(n)=fm,]]>所以應該明白第n項估計的最大多普勒頻率會精確收斂于判定反饋結構的最大多普勒頻率。
圖4A到4D是說明比較本發明最大多普勒頻率估計技術和常規基于ZCR、LCR、ACF和COV的最大多普勒頻率估計技術的性能的實驗結果圖表。
為了實驗最大多普勒估計技術的性能，使用了在WCDMA通信系統中應用的2GHz載波，以及1.5K波特的導頻符號發送率，對應于3GPP標準的時隙發送率。而且，將信噪比設為10dB用于考慮噪聲影響，使用每500ms接收的導頻符號來估計單一最大多普勒頻率，以及以0.3的學習比率更新估計的最大多普勒頻率。
參照圖4A到4D，在基于ZCR、LCR、ACF和COV的常規最大多普勒頻率估計技術中，在估計的最大多普勒頻率值中因為附加噪聲出現失真。尤其是在較小的最大多普勒頻率中出現嚴重的失真。然而，應用根據本發明的最大多普勒頻率估計技術時，估計的最大多普勒頻率值可以不受附加噪聲的影響，而不管實際最大多普勒頻率。
從上述說明可以看出，在根據本發明的速率估計設備和方法中，當估計最大多普勒頻率時，由于通過利用在先緊鄰的最大多普勒頻率估計值限制了導頻信號的頻帶來最小化噪聲的影響，所有精確估計最大多普勒頻率并從而得到可靠的速率信息成為可能。
同樣，在根據本發明的速率估計設備和方法中，由于使用在先估計最大多普勒頻率來重新估計最大多普勒頻率，不再需要外部信息例如常規技術中的SNR。結果，構造設備和實施方法的復雜性也顯著降低了。
進一步地，在根據本發明地速率估計設備和方法中，由于不再使用變化很快的SNR而使用僅依照運動物體速率變化來逐步變化的最大多普勒頻率，可以實現穩定的性能特性。
而且，在根據本發明的速率估計設備和方法中，通過對接收到的導頻信號實施頻帶限制過濾工作，甚至可以在具有低信噪比的環境中最小化估計失真。
而且，在根據本發明的速率估計設備和方法中，也能有效使用用于常規最大多普勒頻率估計的基于ZCR、LCR、ACF和COV的技術。
盡管本發明結合其某種優選實施例進行展示和說明，但本領域技術人員理解，在不脫離由隨附的權利要求書限定的本發明的本質和范圍的情況下，可以在形式和細節上作各種改變。
權利要求
1.一種用于通信系統的速率估計設備，所述通信系統包括用于通過至少一個無線信道發送信號的發送機和用于接收信號并再生數據的接收機，所述設備包括用于檢測導頻信號的導頻信號檢測器；最大多普勒頻率估計器，用于利用由導頻信號檢測器檢測的導頻信號估計最大多普勒頻率；和自適應頻帶限制濾波器，用于按照最大多普勒頻率估計器的在先輸出值限制頻帶。
2.根據權利要求1所述的設備，進一步包括速率信息生成器，用于將由最大多普勒頻率估計器估計的最大多普勒頻率轉換成速率信息。
3.根據權利要求1所述的設備，其中估計的最大多普勒頻率通過獨立的反饋線路反饋給自適應頻帶限制濾波器。
4.根據權利要求1所述的設備，其中自適應頻帶限制濾波器設立對應于在先估計的最大多普勒頻率的 倍的限制頻帶。
5.根據權利要求1所述的設備，其中最大多普勒頻率估計器使用過零率(ZCR)、過電平率(LCR)、自動相關函數(ACF)和接收信號協方差(COV)中的至少一個來估計最大多普勒頻率。
6.一種用于移動通信系統的速率估計設備，該移動通信系統包括用于為服務區內的至少一個移動站提供無線接入服務的至少一個基站，所述設備包括RF處理單元，用于將接收的無線信號下轉換為基帶信號；采樣單元，用于采樣RF處理單元輸出的基帶信號的預定部分并輸出與采樣部分對應的數字信號；導頻信號檢測單元，用于從采樣單元輸出的數字信號中檢測導頻信號；自適應頻帶限制單元，用于僅通過導頻信號檢測單元輸出的信號中的導頻信號；最大多普勒頻率估計單元，用于利用自適應頻帶限制單元過濾的導頻信號估計最大多普勒頻率；和速率信息生成單元，用于將由最大多普勒頻率估計單元估計的最大多普勒頻率值轉換成速率信息。
7.根據權利要求6所述的設備，其中頻帶限制單元基于最大多普勒頻率估計單元估計的多普勒頻率在先估計值自適應地設立限制頻帶。
8.根據權利要求7所述的設備，其中限制頻帶對應于最大多普勒頻率在先估計值的 倍。
9.根據權利要求6所述的設備，其中最大多普勒頻率估計單元使用過零率(ZCR)、過電平率(LCR)、自動相關函數(ACF)和接收信號協方差(COV)中的至少一個來估計最大多普勒頻率。
10.一種用于通信系統的速率估計方法，該通信系統包括用于通過至少一個無線信道發送至少一個信號的發送機和用于接收至少一個信號并再生數據的接收機，所述方法包括步驟從接收的信號中檢測導頻信號；頻帶限制過濾導頻信號；利用頻帶限制過濾的導頻信號估計最大多普勒頻率；和利用估計的最大多普勒頻率生成速率信息。
11.根據權利要求10所述的方法，其中根據在先估計的最大多普勒頻率來自適應地設立頻帶限制過濾用的限制頻帶。
12.根據權利要求10所述的方法，其中限制頻帶對應于在先估計的最大多普勒頻率的 倍。
13.根據權利要求10所述的方法，其中估計最大多普勒頻率的步驟使用過零率(ZCR)、過電平率(LCR)、自動相關函數(ACF)和接收信號協方差(COV)中的至少一個來估計最大多普勒頻率。
14.一種用于移動通信系統的速率估計方法，所述移動通信系統包括至少一個基站用于為服務區內的至少一個移動站提供無線接入服務，所述方法包括步驟將接收的無線信號下轉換為基帶信號；通過采樣基帶信號的預定部分來輸出數字信號；從數字信號中檢測導頻信號；對導頻信號執行頻帶限制過濾；利用頻帶限制過濾的導頻信號來估計最大多普勒頻率；和將估計的最大多普勒頻率轉換成速率信息。
15.根據權利要求14所述的方法，其中根據在先估計的最大多普勒頻率來自適應地設立頻帶限制過濾用的限制頻帶。
16.根據權利要求15所述的方法，其中限制帶寬對應于在先估計的最大多普勒頻率的 倍。
17.根據權利要求16所述的方法，其中估計最大多普勒頻率的步驟使用過零率(ZCR)、過電平率(LCR)、自動相關函數(ACF)和接收信號協方差(COV)中的至少一個來估計最大多普勒頻率。
全文摘要
一種用于通信系統的速率估計設備和方法，該通信系統包括用于通過無線信道發送信號的發送機和用于接收信號并再生數據的接收機。所述設備包括用于從接收信號檢測導頻信號的導頻信號檢測器，最大多普勒頻率估計器，用于利用導頻信號檢測器檢測的導頻信號估計最大多普勒頻率，以及自適應頻帶限制濾波器，其具有基于最大多普勒頻率估計器的在先輸出值的限制頻帶。通過利用導頻信號，其在通過頻帶限制濾波器時消除了噪聲，精確估計最大多普勒頻率從而估計速率成為可能。
文檔編號G01S11/00GK1702477SQ200510079258
公開日2005年11月30日 申請日期2005年5月30日 優先權日2004年5月29日
發明者樸龜鉉, 李禮勛, 金應善, 李鐘赫, 金虎辰, 洪大植 申請人:三星電子株式會社, 學校法人延世大學校
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