专利名称：用于估计移动通信终端中的多普勒扩展的设备和方法
技术领域：
本发明大体上涉及包括一个或多个移动通信设备的通信系统，具体地涉及对这样的移动通信设备处的多普勒扩展(Doppler spread)的估计。
背景技术：
当移动通信设备例如在车辆中以非零速度移动时或者甚至在移动通信设备正被步行者使用时，从基站到移动通信设备的下行链路无线电信号经历被称为“衰落(fading)，， 的过程。衰落表现为所接收信号的相位和幅度的相对较慢的伪随机变化。以“多普勒扩展” 的形式测量的变化速度与移动通信设备的移动速度相关。多普勒扩展是与多普勒偏移不同的现象。多普勒偏移是由移动通信设备与基站之间的径向速度造成的、在移动通信设备处的频率明显改变。多普勒偏移通常通过通信设备的自动频率控制环路来消除。可以以使得活动的移动通信设备在其天线处估计多普勒扩展的方式来设计移动通信系统。该估计随后被报告给基站，基站使用此信息来改善向各个个体移动通信设备的无线电资源分配。例如，基站可以选择向移动较快的移动通信设备分配具有高带宽和低占空因数的短传输突发(burst)，并向移动较慢的移动通信设备分配具有较低总带宽的长突发。在两种情况中，用于每一个移动通信设备的平均数据速率将是相同的(例如参见专利文献1和专利文献2)。但是，如果移动通信设备还报告下行链路信号的瞬时质量——例如在3GPP WCDMA或3GPP LTE OFDM系统中的代码质量指示器(CQI)，并且基站在其峰值下行链路信号(CQI)质量的时刻向高速移动通信设备进行发送，则能够提高总平均接收质量。文献列表专利文献PTL 1 JP-T-2002-523967PTL 2 JP-T-2002-52396
发明内容
(技术问题)但是，用于估计移动通信设备处的多普勒扩展的现有技术要求定位设备(例如， GPS接收器)、对绝对时间或频率基准的访问、对移动通信设备自身频率基准的非常精确的校准、或者来自基站的辅助。因此，需要以比当前可能的方式更高效且较不麻烦的方式来提供对移动通信设备处的多普勒扩展的估计。而且，希望提供改善或克服了已知多普勒扩展估计技术的一个或多个缺点的、用于估计移动通信设备中的多普勒扩展的方法和设备。(问题的解决方案)根据本发明第一方面，提供了一种对移动通信设备中的多普勒扩展进行估计的方法，该方法包括
(a)在一系列所选子载波频率中的每一子载波频率处，从一系列时隙的每一时隙中选择信道估计；(b)在每一所选子载波频率处对所选信道估计执行数字傅立叶变换(DFT)，从而计算出不同频率槽处的DFT分量；(c)针对每一不同频率槽对所有所选子载波频率处的DFT分量求和；(d)检测下述频率槽在该频率槽处，求和得出的DFT分量首次下降到预定阈值以下；以及(e)将检测出的频率槽转换为多普勒扩展估计。包含这些步骤的方法使用信道估计，这些信道估计是移动通信设备为了正确接收下行链路而在任意情况中必须计算的。关于衰落过程的信息被使用这些信道估计来导出， 以导出移动通信设备处的多普勒扩展的估计。方便地，步骤(b)包括在每一所选子载波频率处对所选信道估计实施戈泽尔算法。不是在整个传入信号的带宽上均勻地计算快速傅立叶变换算法，戈泽尔算法着眼于特定的预定频率，因而使得对估计多普勒速度的方法的运算要求最小化。信道估计优选地是从接收到的每一时隙的第一符号处的导频符号计算出的。而且，所选子载波频率优选地在传输带宽中均勻地间隔开。在本发明的实践示例性实施例中，在步骤(b)中在每一所选子载波频率处从所选信道估计计算出的DFT分量可以在通过步骤(c)被求和之前，被分开来存储在缓冲器中。为了进一步使多普勒扩展估计所涉及的运算要求最小化，步骤(b)可以涉及仅针对第一组N_dft个最低频率槽计算DFT分量，其中，N_dft是预定整数。本发明的另一个方面提供了一种估计移动通信设备的速度的方法，包括通过执行上述方法来估计移动通信设备中的多普勒扩展；将多普勒扩展估计转换为所述移动通信设备的估计速度。这种运算可用来提高例如与移动通信设备相关联的位置服务的精确度， 以在GPS信号并不一直可用的“城市峡谷”环境中向导航系统填入位置数据。本发明的另一方面提供了一种用于估计移动通信设备中的多普勒扩展的多普勒扩展估计器，该估计器包括用于执行上述多普勒扩展估计方法的一个或多个计算块。本发明的另一方面提供了一种用于估计移动通信设备的速度的速度估计器，该估计器包括用于执行上述移动通信设备速度估计方法的一个或多个计算块。本发明的又一方面提供了一种移动通信设备，其包括如上所述的多普勒扩展估计
ο本发明的又一方面提供了一种移动通信设备，其包括如上所述的速度估计器。(本发明的有利效果)本发明适用在诸如3GPP-LTE移动电话系统之类的OFDM系统中，并且结合该示例性应用来描述本发明将是便利的。
图1是移动通信系统的选定元件的示意图。图2是在形成图1所示的系统的一部分的移动通信设备中生成的信道估计的结构的图示。
图3是示出在形成图1所示的系统的一部分的移动通信设备中、在估计多普勒扩展期间执行的步骤的流程图。图4是示出在图3所示的多普勒扩展估计中执行的步骤的示图。图5是示出在图3所示的多普勒扩展估计期间执行的另一步骤的另一示图。图6是示出相对于槽频率绘制的示例性DFT分量并示出了用于检测多普勒扩展的边沿的图示。参考标号列表18无线电接收器块20模拟数字转换器22定时对齐块24 FFT 块26信道估计块28均衡块30解调块32多普勒扩展估计块
具体实施例方式现在将参考附图更详细地描述本发明。应当了解，附图中的具体细节并不取代对本发明前述描述的一般性。首先参考图1，大体上示出了包括基站12和移动通信设备14的移动通信系统10。 信号从基站12经由经历衰落的无线电信道16而被发送到移动通信设备14。在通过无线电接收器块18接收信号之后，该信号被模拟数字转换器20数字化。对数据帧内的数据的检测通过定时对齐(timing alignment)块22而被使得可行。移动通信设备14中的快速傅立叶变换(FFT)块M在分配给系统10的整个带宽上从所接收信号周期性地计算FFT。下述时间段在3GPP LTE术语学中称为符号(symbol) FFT在该时间段上被重复地计算。若干个符号(通常是6个或7个)形成时隙。每一个时隙在精确定义的时间被发送，该精确定义的时间被3GPP LTE标准设定为0.5毫秒。在一个符号处FFT输出的每一个频率槽(frequency bin)称为资源元素。每一个资源元素被定义为某一时间位置(亦即，在特定时隙内的特定符号位置处)并被定义在特定频率处。FFT输出的距离频率称为子载波，并且等距地隔开。3GPP LTE系统被定义成具有15kHz或7. 5kHz 的子载波间距。每一个资源元素能够承载以信息符号(信息符号与上述规定的OFDM符号不同) 的形式从基站发送的且在3GPP LTE系统中按BPSK、QPSK, 16QAM或64QAM调制的信息。一些符号在预定资源元素位置承载固定的受到QPSK调制的序列，这些固定的QPSK调制序列称为参考信号或“导频(pilot)”。由于这些“导频”自身不承载任何信息，并且是移动通信设备已知的，所以它们被用来估计衰落过程的瞬时相位和幅度。除了导频以外的位置处的衰落值由信道估计块26来确定。通常，这个块执行基于时间和频率域的插值。信道估计功能的输出因而是在连续时间采样处并且在每一个子载波处(即，针对每一个资源元素)、代表无线电频率信道衰落的状态的副本或二维阵列。由信道估计块26执行的信道估计功能的输出的结构在图2中示出。作为接收的一部分，移动通信设备14在向前行进至解调块30中的解调信道符号之前，在均衡块观中使用信道估计来补偿衰落。本发明利用在信道估计块沈中计算出的信道估计来估计移动通信设备14的多普勒扩展。图3示出了由形成移动通信设备14的一部分的多普勒扩展估计块32执行的各种处理块。最初，信道估计选择器块50选择信道估计的子集。在图2所示的示例性实施例中，所选子集包含来自时域中的每一个时隙的单个信道估计。在本发明的其它示例性实施例中，可以使用每一个时隙的不止一个信道估计。优选地，信道估计具有在每一时隙的第一符号处的导频符号，因为这是信道估计最精确的地方。在频率域中，信道估计选择器块50选择N_sc个子载波，这N_sc个子载波在整个传输带宽上均勻间隔开。因此，在一系列所选子载波频率的每一个子载波频率处从一系列时隙的每一个选择信道估计。每一个所选信道估计被分开来存储在缓冲器52中。在图4中示出了示例性缓冲器70、72和74，它们分别用于存储三个示例性子载波频率处的、来自一系列时隙的信道估计。从中选择信道估计的这一系列时隙包括N_slots个连续时隙。在3GPPLTE通信系统中工作良好的典型值是N_slots = 200。但是，在本发明的其它示例性实施例中，可在该序列中包括其他数目的时隙。类似地，信道估计选择器选择跨所需传输带宽均勻间隔开的 N_sc个子载波。在3GPP LTE系统中工作良好的典型值是N_sc = 8。当然，在本发明的其它示例性实施例中，可以使用其他数目的子载波。一旦在N_sc个所选子载波频率的每一个子载波频率处来自N_slots个时隙的所有信道估计被选择，就由DFT块M执行离散傅立叶变换(DFT)。DFT计算是针对为每一个所选子载波收集的信道估计来分开地执行的，从而产生N_sc个分离的DFT输出采样集合。 在图4中示出了分别连接至缓冲器70、72和74的输出的示例性DFT计算块76、78和80。虽然被提供给缓冲器70至74作为输入的信道估计的数目是N_slots，但是N_ slots的值不一定是2的幂。此外，不一定要在由计算块76至80执行的DFT计算中使用所有可能&N_SlotS值。仅需针对第一组N_DFT个最低频率槽计算DFT分量。发明人已经确定N_DFT = 40这个值对于3GPPLTE通信系统而言是足够的。由于这些简化要求，使得不必在移动通信设备14中使用快速傅立叶变换(FFT)算法。取代之，可以使用GoertzeK戈泽尔)算法或者其它运算要求较低的变换。戈泽尔算法是用于识别信号的频率分量的数字信号处理技术。一般的快速傅立叶变换(FFT)算法在整个传入信号的带宽上均勻地进行计算，而戈泽尔算法着眼于特定的预定频率。在本发明的上下文中，戈泽尔算法被如下地执行在系统启动时，如下所述地对一组系数进行预先计算对于k = 0... Ndft-I DFT_C0EFFk = 2*cos (2*K*PI/Nslots)或者，这些系数可被存储在ROM或其它存储设备(未示出)中。接下来，在N_slot 个累积时段的结尾处，对变量Ql和Q2进行设定对于c = 0... Ndft-I
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Qlcjk = 0Q2Cjk = 0在此示例中，Ql和Q2是二维缓冲器(未示出)。接下来，按照戈泽尔算法，针对每一个子载波分开地计算DFT系数对于(h-.N—slot-l中的时隙对于c = 0... Ndft-I 对于k = 0... Ndft-I QO = DFT_C0EFFk*Qlc, k-Q2c, k+Re {ce_sampleslot, JQ2c,k = Qlc,kQlcjk-QO在以上计算中，Re{}指的是仅取信道估计的实部。接下来，设定对于k = 0... Ndft-I DFTk = 0接下来，按照戈泽尔算法计算最终的指数(power)对于c = 0... Ndft-I 对于 k = 0... Ndft-I Mag = [Qlc, k] 2 = [Q2C, k] 2-Qlc, k*Q2c, k*DFT_C0EFFkDFTk = DFTk+Mag以上公式是由DFT求和块56执行的求和函数。该求和函数也在图5中被示出。根据此求和函数，对针对每一个不同频率槽在所有所选子载波频率处的DFT分量进行求和。 求和DFT[k]的结果可存储在缓冲器中，缓冲器DFT [k]的典型注释的示例在图6中被示出。 遵循瑞利衰落过程的大多数典型无线电信道情形将在求和值中显示出明显的边沿。该边沿对应于衰落过程的最大多普勒频率，或者多普勒扩展。边沿的位置，亦即频率槽k的对应值，代表多普勒扩展频率。因此，为了估计多普勒扩展，对下述频率槽进行检测在该频率槽处，求和得到的DFT分量首次下降到预定阈值MAX (DFUk])以下。该边沿检测如下所述地被执行。首先，确定所有DFT[K]值中的最大值，即，找出max(DFT[K])。然后，找出大于 max (DFT [k])的第一个k (槽编号)的位置。Edge_thresh0ld_C0eff，从最后一个k开始搜索对于k = Ndft-I 直到 0 如果 DFTk > max (DFTk) *Edge_thresho 1 d_coeff kedge = k跳出循环在3GPP LTE 系统中工作良好的 Edge_threshold_coeff 的值是 Edge_threshold_ coeff = 0. 2。此边沿检测由DFT边沿检测块58执行。然后，将K_edge的值转换为多普勒扩展估计FD_est = Kedge*FE_C0EFF其中，FD_est以Hz计，并且FD_C0EFF (用于将DFT采样数转换为Hz的系数)取决于载波频率和时隙持续时间。对于0. 5ms时隙和2GHz的载波频率，值为FD_C0EFF = 10. 9。然后，由多普勒扩展计算块60执行多普勒扩展的计算。方便地，多普勒扩展随后可通过简单计算在速度计算块62中被转换为移动通信设备的估计速度，如下所示Speed_est = c*3. 6/FD_est其中，SpeecLest以km/h计，并且c是以m/s计的光速度。以上描述的各种功能块可被实现为专用集成电路(ASIC)的现场可编程门阵列 (FPGA)。但是，实现此功能的其它方式对于相关领域的技术人员而言将是显而易见的。虽然已经结合有限数目的示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将了解，鉴于以上描述许多替代、修改和变化将是可能的。因此，本发明应当认为覆盖了落入所公开的本发明的精神和范围之内的所有这些替代、修改和变化。本申请基于并要求2008年10月M日提交的澳大利亚临时专利申请 No. 2008905519的优先权，该申请的公开内容通过引用而全部结合于此。
权利要求
1.一种对移动通信设备中的多普勒扩展进行估计的方法，该方法包括(a)在一系列所选子载波频率中的每一子载波频率处，从一系列时隙的每一时隙中选择信道估计；(b)在每一所选子载波频率处对所选信道估计执行数字傅立叶变换(DFT)，从而计算出不同频率槽处的DFT分量；(c)针对每一不同频率槽对所有所选子载波频率处的DFT分量求和；(d)检测下述频率槽在该频率槽处，求和得出的DFT分量首次下降到预定阈值以下；以及(e)将检测出的频率槽转换为多普勒扩展估计。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(b)包括在每一所选子载波频率处对所选信道估计实施戈泽尔算法。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述信道估计是从接收到的每一时隙的第一符号处的导频符号计算出的。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所选子载波频率在传输带宽中均勻地间隔开。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在步骤(b)中在每一所选子载波频率处从所选信道估计计算出的DFT分量在通过步骤(c)被求和之前，被分开来存储在缓冲器中。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，步骤(b)包含仅针对第一组N_dft 个最低频率槽计算DFT分量，其中，N_dft是预定整数。
7.一种估计移动通信设备的速度的方法，包括通过执行根据前述权利要求中任一项所述的方法来估计所述移动通信设备中的多普勒扩展；和将多普勒扩展估计转换为所述移动通信设备的估计速度。
8.一种用于估计移动通信设备中的多普勒扩展的多普勒扩展估计器，该估计器包括用于执行根据权利要求1至6中任一项所述的方法的一个或多个计算块。
9.一种用于估计移动通信设备的速度的速度估计器，该估计器包括用于执行根据权利要求7所述的方法的一个或多个计算块。
10.一种移动通信设备，包括根据权利要求8所述的多普勒扩展估计器。
11.一种移动通信设备，包括根据权利要求9所述的速度估计器。
全文摘要
本发明涉及用于估计移动通信终端中的多普勒扩展的设备和方法，适用于OFDM系统，例如3GPP-LTE移动电话系统。一种估计移动通信设备中的多普勒扩展的方法包括(a)在一系列所选子载波频率中的每一子载波频率处，从一系列时隙的每一时隙中选择信道估计；(b)在每一所选子载波频率处对所选信道估计执行数字傅立叶变换(DFT)，从而计算出不同频率槽处的DFT分量；(c)针对每一不同频率槽对所有所选子载波频率处的DFT分量求和；(d)检测求和得出的DFT分量首次下降到预定阈值以下的频率槽；以及(e)将检测出的频率槽转换为多普勒扩展估计。
文档编号H04W28/18GK102197675SQ20098014249
公开日2011年9月21日 申请日期2009年9月11日 优先权日2008年10月24日
发明者菲利普·扎利奥 申请人:日本电气株式会社