一种信干比测量动态优化的装置与方法 【技术领域】
本发明涉及无线移动通信系统，尤其涉及第三代移动通信系统中一种信干比(SIR)测量动态优化的装置与方法。背景技术
近年来，信息技术的进步带动了移动通信的迅猛发展，无线通信已经深入到工业、商务和个人生活的方方面面，第三代移动通信系统已经引起业界人士的广泛关注。
对于第三代移动通信系统而言，它除了具有能够为用户提供数据业务、多媒体业务等灵活多样的业务、更高的业务质量、更大的无线覆盖范围等外，一个很突出的目标是能够提供更大的系统容量，以满足日益增长的业务量需求。
对于移动终端而言，它的一个不可忽视的设计目标是低功耗。较低的功耗产生减小的能量损失，以延长移动终端地电池使用寿命，减少对终端手持者的电磁辐射，实现日益深受欢迎的绿色环保。
在码分多址(CDMA)系统中，所有用户采用码分复用的多址方式进行通信，即所有用户在相同时间、相同频段发射和接收信号。每一用户发射的信号都会对其他用户产生干扰，即通常所说的多址干扰。所以，基站接收到的来自较近移动台的信号能量很可能淹没来自较远移动台的信号，产生所谓的“远近效应”。
由于多用户同时通信产生的多址干扰的影响，使得CDMA系统中的功率控制显得尤其重要。
通常，功率控制的目标是使基站接收到的每个移动台的信号功率相等，而不论各移动台到基站的距离远近。这种控制方法类似于很多人在房间里交谈时，房间很拥挤，大家都在同时不停的讲话，所以噪音越来越大。这时，讲话者为了让对方听清自己的声音，不得不提高音量。可是，这样做的同时却增加了对其他发言者的干扰，其他人为了让别人听清楚自己讲话，也不得不一再加大音量，这将导致所谓的功率攀升现象。如此下去，房间里的噪音将越来越大，最后必将导致整个通信系统的崩溃，房间里面进行交流的人们再也没办法继续交流。
从上述的例子可以形象地看出，在CDMA通信系统中，功率是非常宝贵的系统资源，功率控制的优劣直接影响着系统容量。可以通过功率控制调节系统内各移动台发射机的发射功率，以使期望通信链路的功率保持在最低水平、同时系统内期望的信号质量和多址干扰维持在可接受的范围，从而保证整个通信系统的容量最大。
在功率控制过程中，为了控制并监视无线链路的通信质量，接收机需要测量接收信号的信噪比(SNR)或信干比(SIR)，并根据测量值动态调节上、下行相应发射机的发射功率。
在闭环功率控制过程中，控制信号的变化以信道信噪比的变化为依据，发射机不断调节发射功率，以保持对端接收机的测量SIR为某一常数。所以，在实现功率控制过程中，测量SIR的准确度和反应速度将直接决定着功率控制的优劣。
CDMA系统中，对某一移动台而言，来自其他用户的信号统统视为白噪声处理，因此，用户数的增加等价于噪声功率的增加，在某一小区同时通信的用户数，也就是容量，依赖于为达到期望信道质量的接收SIR。
然而，传统SIR测量方法存在一个问题，即在由衰落等引起的接收信号包络恶化时，接收期望信号功率的检测精度会下降。这是因为执行SIR测量时，通常是利用专用物理控制信道(DPCCH)的导频域，采用了插入导频的方式确定接收信号(即运用导频进行信道估计)。在传播路径衰落较大时，必将引起接收数据符号实际值与插入值间存在较大偏差，从而导致测量精度大幅下降。
而且，在进行SIR测量时，对于干扰功率的度量采用的是将断断续续的导频符号作为一个整体处理，并用于对连续接收信号的估计，这种估计方法本身也将引起干扰功率测量的恶化，从而导致SIR测量精度下降。
现有专利对于SIR测量方法的论述：
美国专利5566165中在对功率控制的论述中，论及SIR的测量方法问题，但只是泛泛而谈，没有具体说明，实用意义不大。
美国专利6028894利用SIR的各当前测量值对前一值的相对关系来修正最终测量结果的方法。这种方法也仅仅是从相邻两个连续测量值间的相对关系出发对SIR测量进行处理，而没有考虑实际通信系统的具体环境。
美国专利6032026谈到了在快衰落、站间干扰或噪声环境下，精确的SIR测量方法。其中，主要采用了多址消除的方法，主旨思想是基于多用户检测中的干扰消除，该方法本身有一定先进性，但实现复杂度较高，实用价值不高。
美国专利6034952中提出的SIR测量方法，谈到了利用接收信号的导频符号估计信号传播路径的传递函数，并将传递函数的估计值用于SIR测量。文中论述的方法有一定道理，但其中未给出信道传递函数的具体估计方法，可操作性较差。
美国专利6128494中论述了对SIR测量值进行滤波的思想。但是，其中的信号滤波系数是固定的，所以对信道环境的适应能力较差。而且，文中的相关论述所针对的处理对象是模拟信号，对于目前先进的数字通信系统而言，可操作性较差。
美国专利6292519提及一种在传统的SIR测量基础上，对SIR测量结果采用查表或求反函数进行修正的方法。该方法仅对某一特定的业务或环境可能有效，而对实际接收机硬件子系统的适应能力较差。
美国专利6330432提出一种根据对于Doppler带宽的估计进行SIR测量控制的方法。其中，依据相关函数估计Doppler带宽。这种方法比较新颖，但运用相关函数求解Doppler带宽的方法运算量较大，硬件实现的复杂度较高。发明内容
本发明所要解决的技术问题是在对传统信干比(SIR)测量方法进行改进和优化。
本发明首先从Rake接收处理单元中提取导频域信息，通过不断检测无线信道衰落获得信道环境变化的最新信息，则依据当前的信道衰落程度动态调节信干比测量中的信号滤波因子和干扰滤波因子，然后计算期望信号和干扰信号的估计值，最后计算信干比时隙测量值和对其在测量周期内进行统计平均处理，这样得到的信干比测量值能更为准确的反映复杂无线信道环境的接收信噪水平，为功率控制、软切换等无线资源管理提供更为可信、有效、详实的依据。本发明所要解决的技术问题是主要针对接收端的SIR测量模块进行改进和优化。本发明提出的测量方法既适用于移动终端的SIR测量，也适用于基站Node B的SIR测量。
本发明对于SIR测量模块的动态优化处理方法：1)按照协议给定的时隙格式，从Rake接收数据中提取专用物理控 制信道(DPCCH)的导频域信息，以用于SIR测量；2)对当前时隙内接收的导频信号先进行统计平均，然后作平方运 算，得到期望信号功率，即：Msig(n)={1k[Σi=1kI(i)+Σi=1kQ(i)]}2]]>
其中，I(i)和Q(i)：分别为用于SIR测量的DPCCH导频符号；
k：为当前时隙的导频符号数；
Msig(n)：为当前时隙的期望信号功率。3)计算当前时隙接收导频信号的方差，即为干扰信号功率。具体地说，就是先对时隙内的接收导频信号进行平方运算，然后作统计平均处理，再减去步骤2中得到的期望信号功率，即：Min(n)=1kΣi=1k{[I(i)]2+[Q(i)]2}-Msig(n)]]>其中，I(i)和Q(i)：分别为用于SIR测量的DPCCH导频符号；
k：为当前时隙的导频符号数；
Msig(n)：为当前时隙的期望信号功率；
Min(n)：为当前时隙的干扰信号功率。4)依据SIR的测量方差、移动台的速度信息或接收信号的多普勒 (Doppler)频移检测无线信道环境的衰落程度。当SIR的测量 方差(也可以是移动台的速度信息或接收信号的Doppler频移) 较大时，说明信道环境的衰落较大；而当SIR的测量方差(也可 以是移动台的速度信息或接收信号的Doppler频移)较小时，说 明信道环境的衰落较小；5)根据信道衰落程度不断调节信号滤波因子，即如果信道衰落较 大，则减小信号滤波因子；如果信道衰落较小，则增大信号滤波 因子。这里所进行的信号滤波是基于信息论对于随机过程的论 述，也就是说对于信号的描述本身就应该是一个长期过程，这样 才可能反映信号的特性。通过综合利用多个时隙的接收信号信 息，可以更为科学、准确的反映信号作为一个随机过程的统计特 性。6)根据信道衰落程度不断调节干扰滤波因子，即当信道衰落较大 时，则减小干扰滤波因子；而当信道衰落较小时，则增大干扰滤 波因子。这里所进行的干扰滤波是基于信息论对于随机过程的论 述，也就是说对于干扰信号的描述本身也应该是一个长期过程， 这样才可能反映干扰信号的特性。通过综合利用多个时隙的接收 信号信息，可以更为科学、准确的反映干扰信号作为一个随机过 程的统计特性。7)采用最新的信号滤波因子对计算得到的期望信号功率进行动态、 可变的自回归滤波，得到期望信号功率的估计值，即： Sig(n)＝(1-αsig)Sig(n-1)+αsigMsig(n) 其中， αsig：为信号滤波因子；
Misg(n)：为当前时隙的期望信号功率；
Sig(n-1)：为经信号滤波的前一时隙期望信号功率；
Sig(n)：为经信号滤波的当前时隙期望信号功率。8)采用最新的干扰滤波因子对计算得到的干扰信号功率进行动态、 可变的自回归滤波，得到干扰信号功率的估计值，即： In(n)＝(1-βin)In(n-1)+βinMin(n) 其中， βin：为干扰滤波因子；
Minn(n)：为当前时隙的干扰信号功率；
In(n-1)：为经干扰滤波的前一时隙干扰信号功率；
In(n)：为经干扰滤波的当前时隙干扰信号功率。9)利用检测到的期望信号功率的估计值和干扰信号功率的估计值， 计算得到SIR的时隙测量值(单位：dB)，即： sir＝10*log(信号功率(mw)/干扰功率(mw)＝信号功率(dBm)-干扰功率(dBm)10)依据测量要求，按照设定的测量周期，对SIR的各时隙测量值进 行统计平均，得到测量周期内的SIR测量值。 本发明对于无线信道衰落的检测方法主要有以下几种：1)依据SIR时隙测量值的统计方差检测信道衰落：即如果SIR时隙 测量值的统计方差较大，则说明无线信道的衰落较大；如果SIR 时隙测量值的统计方差较小，则说明无线信道的衰落较小。采用 这种评价方法是因为：在CDMA系统中，多用户的通信环境本身 就等价于高斯白噪声信道(信息论中已经证明)，所以产生SIR 测量值统计方差的主要原因是由信道环境的衰落产生的。如果 SIR统计方差较大(亦即波动较大)，则说明信道衰落较大，这种 情况对应于移动终端作低速移动或相对静止；而当SIR测量值统 计方差较小(波动较小)时，则说明信道衰落较小，这种情况对 应于移动终端作高速移动。2)依据移动终端速度传感单元检测移动台速度信息检测信道衰落： 即如果移动台的速度较高，则说明无线信道的衰落会很大；如果 移动台的速度较小，则说明无线信道的衰落会很小。3)依据接收信号的Doppler频移检测信道衰落：即如果接收信号的 Doppler频移较大，则说明无线信道衰落较大；如果Doppler频 移较小，则说明无线信道衰落较小。
本发明在检测信道衰落程度时对控制门限(SIR测量统计方差门限Varthred、移动台速度门限Speedthreh，以及Doppler频移门限Freqthreh)所采用的处理方法：
1)自适应连续更新控制门限的方法。此时，滤波因子的调节是
个连续的过程，亦即只要当前滤波因子的设置不再反映据相
关信息(SIR方差、速度信息、Doppler频移等)所检测的信
道衰落变化，就将按照事先定义的控制方式不断调整相应的
滤波因子。
2)离散查表更新控制门限的方法。此时，滤波因子的变化为离
散的不连续取值，亦即按照移动台的相关信息(SIR方差、速
度信息、Doppler频移等)和各滤波因子的对应关系设置相应
的滤波因子。
SIR的测量统计周期可以按照不同的测量需求设定，一般来说有以下两种：1)短期测量：当SIR测量用于功率控制时，短期测量可用于闭环功 率控制，以产生传输功率控制(TPC)比特字，控制对端发射机 的发射功率；2)长期测量：长期测量可用于外环功率控制，以调整参考SIR，使 得到达对端接收机的信号质量满足系统期望的通信质量要求， 如，误帧率(FER)，误块率(BLER)，或者误码率(BER)等。
在宽带码分多址第三代移动通信系统中，短期测量周期对应于一个时隙(即10/15ms)，长期测量周期对应于80ms。
本发明是对传统SIR测量方法作了进一步的改进和优化。传统SIR测量方法在由衰落等引起的接收信号包络恶化时，接收期望信号功率的检测精度会下降。而此方法是通过不断检测复杂的无线信道环境获得信道衰落的最新信息，并据此动态调节SIR测量的滤波因子，以便SIR测量尽快适应复杂无线信道环境的变化，为功率控制或软切换等无线资源管理提供科学、有效的依据。附图说明
图1为接收处理装置连接框图；
图2为信干比(SIR)测量装置；
图3为基于速度传感控制单元进行信道衰落检测的滤波因子控制流程；
图4为基于Doppler频移进行信道衰落检测的滤波因子控制流程。具体实施方式
1实施环境
本发明所涉及的第三代移动通信系统中，在基站某一个小区内，多个移动终端在相同频段、相同时间、采用不同的扩频码字同时进行通信。由于任一通信链路对任何其他链路而言都是干扰，所以近基站终端发射的信号很可能会淹没远基站终端发射的信号，产生所谓的远近效应，进而影响着其他通信链路的接收信噪水平，制约着整个系统的容量。
为了保证系统容量，进行可靠的多用户通信，进行准确的功率控制是CDMA系统不可或缺的功能单元。而在功率控制过程中，进行功率控制的基本依据是接收信干比(SIR)，所以SIR测量的有效性直接决定着功率控制的成败。
2 SIR测量实施例
图1所示接收处理装置连接框图从整体上描述了接收端的一系列处理流程，以及对于SIR测量所做的相关处理。接收机收到的的无线信号先经射频前端101对接收射频信号作适当处理后，经射频/中频转换单元103下变频为中频信号，接下来的A/D转换单元105将模拟信号转换为数字信号，然后由Rake接收处理单元107对收到的数字信号进行分集接收。经Rake分集合并合送给SIR测量单元进行SIR测量。在SIR测量单元，先由专用物理控制信道导频信息提取单元109提取用于SIR测量的导频域信息，然后在期望信号功率检测单元111和干扰信号功率险测单元123分别检测期望信号功率和干扰信号功率，再分别送由信号滤波单元113和干扰滤波单元121进行滤波处理。其中，信号滤波单元和干扰滤波单元的滤波因子由信道衰落单元129采集到的信道衰落信息控制滤波因子控制单元127产生。然后，在SIR导出单元115利用滤波后的信号功率和干扰功率计算得出SIR的时隙测量值，即：
sir＝10*log(信号功率(mw)/干扰功率(mw))＝信号功率(dBm)-干扰功率(dBm)最后，由统计处理单元117按照测量周期定时单元125设定的定时关系进行统计平均，得到期望测量周期内的SIR测量值。
在图2给出了更为详细的SIR测量装置。经Rake接收处理后提取的导频域信息送到统计平均处理单元203进行时隙内导频信息的统计平均，再经平方单元205作平方运算后得到当前时隙接收导频的功率，然后进行自回归滤波(为简化装置，本发明采用了二阶滤波的形式。当然，也可以根据实际情况，采用多阶滤波等其他滤波形式)，也就是说，利用信号滤波因子生产单元219产生的信号滤波因子(记为Alpha)一方面对当前时隙的接收导频动率以信号滤波因子Alpha加权，另一方面对前一个时隙的接收导频功率以1-Alpha因子加权，然后在求和单元211中把加权后的功率值进行求和运算即得到滤波后的期望信号功率(单位：mw)，再在对数运算单元213中进行对数运算，得到以dBm为单位的期望信号功率值。同样道理，干扰信号功率的检测处理过程采用与信号功率检测处理过程大致相同，不同之处在于：当前时隙干扰功率是以接收导频信号的方差描述的，即先在平方单元223对时隙内的接收信号进行平方运算，再在统计平均处理单元225作统计平均，然后在减法单元227中减去当前时隙的期望信号功率即为当前时隙的干扰信号功率。对于干扰信号的滤波与对期望信号的滤波大致相同，区别在于：干扰滤波因子(记为Beta)与信号滤波因子(Alpha)的取值不同，即对当前时隙的干扰信号功率以Beta加权，而对前一时隙的干扰功率以1-Beta加权。最后，在减法单元215中用滤波后的信号功率减去滤波后的干扰功率即得到SIR的时隙测量值。以上过程中对于滤波因子的控制是依据信道衰落程度，即在信道衰落检测单元201中通过某种途径(以SIR测量统计方差，和移动台的速度信息，或者接收信号的Doppler频移)检测无线信道的衰落，然后将检测到的信道衰落情况送到信号滤波因子控制单元217和干扰滤波因子控制单元235按照某种控制流程(如图3，或图4示)控制信号滤波因子生成单元219和干扰滤波因子生产单元237产生适应信道环境的信号滤波因子和干扰滤波因子，分别用于期望信号功率估计的滤波和干扰信号功率估计的滤波。
图2所示对于信号功率和干扰功率的检测采用了自回归滤波的处理方法，即对当前的时隙测量值以滤波因子(Alpha或Beta)加权，而对前一时隙测量值以遗忘因子(1-Alpha或1-Beta)加权，通过滤波加权控制当前测量值占最终测量结果的比重，从而决定着当前时隙测量值的有效性。如果选择较小的滤波因子，对当前测量值给予较小加权，而对前一测量值给予较大加权，则可制约当前测量值的突然变化，但相应的测量处理时间要稍长一些；如果选择较大的滤波因子，对当前测量值给予较大加权，而对前一测量值给予较小加权，则测量处理延迟会小一些，但测量结果却更易于受信道环境的影响。
图2中的信号滤波因子Alpha和干扰滤波因子Beta依据信道衰落程度确定。其中，滤波因子Alpha、Beta可以设置为不同的数值，如0.5，0.25，0.125，0.0625等。但为了减小相应滤波处理的复杂度，可以把滤波因子Alpha、Beta设置为2的整数次幂的形式。
在基于SIR统计方差进行信道衰落检测的滤波因子控制流程中，首先，初始化信号滤波因子Alpha和干扰滤波因子Beta，设置SIR测量值的统计周期Count，并在统计周期内计算SIR的方差Var，然后将统计方差Var与预先设定的门限Varthreh进行比较，并根据判断结果调节滤波因子Alpha和Beta，即在SIR方差较大时，则减小相应的滤波因子，以尽快适应信道变化，改善跟踪性能；而在SIR测量方差较小时，则增大相应的滤波因子，以提高SIR测量的响应速度。
图3为基于速度传感控制单元进行信道衰落检测的滤波因子控制流程。首先，初始化信号滤波因子Alpha和干扰滤波因子Beta，采集移动台的速度信息Speed，然后将检测到的移动台速度信息Speed与预先设定的容限Speedthreh进行比较，并根据判断结果调节滤波因子，即如果移动台速度Speed大于预设门限Speedthreh，则说明信道衰落较大，应减小滤波因子Alpha和Beta，以改善SIR测量单元的跟踪性能；如果移动台速度Speed小于预设门限Speedthreh，则说明信道衰落较小，应增加滤波因子Alpha和Beta，以提高SIR测量单元的响应速度。
图4为基于Doppler频移进行信道衰落检测的滤波因子控制流程。首先，初始化信号滤波因子Alpha和干扰滤波因子Beta，检测接收信号的Doppler频移Frequnce，然后将检测到的接收信号频移信息Frequnce与预先设定的容限FreqThreh进行比较，并根据判断结果调节滤波因子，即如果频移Frequnce大于预设门限FreqThreh，则说明信道衰落较大，应减小滤波因子Alpha和Beta，以改善SIR测量单元的跟踪性能；如果频移Frequnce小于预设门限Freqthreh，则说明信道衰落较小，应增加滤波因子Alpha和Beta，以提高SIR测量单元的响应速度。
检测信道衰落所用控制门限(图2中的门限Varthred、图3中的门限Speedthreh，以及图4中的门限Freqthreh)，可以采用如下处理方式：
1)自适应连续更新控制门限的方法。此时，滤波因子的调节是个连续的过程，亦即只要当前滤波因子的设置不再反映据相关信息(SIR方差、速度信息、Doppler频移等)所检测的信道衰落变化，就将按照事先定义的控制方式不断调整相应的滤波因子。
2)离散查表更新控制门限的方法。此时，滤波因子的变化为离散的不连续取值，亦即按照移动台的相关信息(SIR方差、速度信息、Doppler频移等)和各滤波因子的对应关系设置相应的滤波因子。
需要说明的是：
测量延迟(即测量反应速度)和测量精度是一对不可调和的矛盾，也就是说为了达到较高的测量精度，就必须以牺牲测量延迟为代价；而为了减小测量处理延迟，而又必须以测量精度的损失为代价。一个比较折中的方法是，在满足测量延迟容限的前提下尽量提高测量精度，当然，也可依据实际系统对于测量精度和测量延迟需求的紧迫度，采用不同的处理优先级。