CN100505715C - 一种通信系统中的训练序列传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多小区系统和体系结构下的训练序列的传输方法，其中所述多小区系统包括多个小区，这些小区使用相同的频率资源，所述方法包括步骤：(1)在各个小区的用户相对独立时，各个小区使用相同或者不同的训练母序列，并且每个小区中的不同发射天线上的训练信号的传输采用同一训练母序列的不同相移或者时移；(2)在移动终端从一个小区向另一个小区移动并且到达两个小区边界时，目的地小区的训练母序列采用与源小区相同的训练母序列，并且目的地训练序列与源小区所使用的各个天线上的训练序列具有不同的相移或时移。

Description

一种通信系统中的训练序列传输方法

技术领域

本发明涉及一种多小区系统和体系结构下的训练序列传输方法。

背景技术

近年来，随着移动用户数据业务需求的不断增长，无线通信系统正经历从第三代(3G)向后三代(B3G)的发展。在当前世界各国的移动通信运营商和设备制造商正在积极推动第三代移动通信的商用化和市场化的同时，各国企业，大学及其他科研机构对于具有更高频谱利用率和提供更高速业务的B3G移动通信系统的研发也已经展开。为了最大化运营商在宝贵的频谱资源上的投资利润，B3G移动通信系统将比以往的系统具有更高的频谱效率以支持更高数据速率(如100Mb/s以上)的业务。此外，移动通信系统运营商期望在有限的带宽资源上以可接受的服务质量(QoS)同时支持更多的用户。因此，系统设计者就必须面对更高系统容量的挑战。在多用户或多天线同时传输中限制系统容量的重要因素是多址干扰(MAI)。在B3G宽带信道中，由于信道的频率选择性衰落使得每根天线上的发射信号在接收端产生多个输出信号，从而造成符号间干扰(ISI)，使得MAI问题进一步恶化。因此，减轻甚至消除MAI和ISI的各种可能技术受到各国学者的普遍关注。在使用这些技术时，多根天线经历的无线信道特性，如信道传递函数(CTF)或信道冲激响应(CIR)被假定为已知，由此必须预先估计出来。一种广泛使用的估计无线信道的方法是周期性地在发送端发送特定的训练信号，这些训练信号对于接收机为已知。基于所发送的训练信号及其相应的接收信号，根据一定的准则获得对于信道的估计。理论研究表明，信道估计的性能与各天线上发送的训练序列密切相关，因此训练序列的设计成为信道估计研究中的一个重要的理论问题。

目前国内外的信道估计技术主要针对单小区环境，如采用联合信道估计(JCE)技术消除信道估计过程中单小区内的MAI和ISI。在单小区环境下，信道估计的精度可由信道估计均方误差(MSE)和信噪比恶化程度(SNR degradation)来衡量。MSE定义为：

$\mathrm{\ϵ}=E\left\{{|\underset{\‾}{\overset{^}{h}}-\underset{\‾}{h}|}^2\right\}.$

均方误差用以统计地衡量估计的信道CIR

与真实的信道CIRh之间的差别。信噪比恶化程度定义为：

${\mathrm{\δ}}^{(u,n_F)}=\frac{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ref}}^{(u,n_F)}}{{\mathrm{\γ}}^{(u,n_F)}},$

用以衡量某一用户u某一子载波(或符号)n_F下一种参考信道估计方法(一般为单用户匹配滤波方法)下接收端的信噪比与所考虑的信道估计方法下接收端的信噪比

的比值。

理论研究表明，在单小区环境下，在一定的假设条件下(如假设各天线上发射的训练序列具有相同的长度和功率)，如果接收机采用JCE技术，精心设计的训练序列能够完全消除多用户或多天线信道传输中的MAI和ISI，从而获得最优的信道估计性能，即最小的信道估计均方误差和最小的信噪比恶化程度。对于可以在时域表达的多用户或多天线传输系统，能够完全消除MAI和ISI的各天线上传输的训练序列应该具有时移正交性；对于可以在频域表达的多用户或多天线传输系统，能够完全消除MAI和ISI的各天线上传输的训练序列应该具有相移正交性。

B3G系统所面临的挑战之一是系统容量。对于传统的蜂窝网，一般采用小区分裂的方法扩大系统容量。当小区尺寸减少后，切换和小区间干扰增大，系统信令的负担加重。为了实现最好的用户体验，提高系统容量，基于多小区的体系结构成为未来无线通信系统体系结构研究的一个热点。多小区体系结构由使用相同频带资源的多个相邻的小区组成。其基本思想是天线分布在小区内的各个热点地区。系统将连续选择与每个移动终端最近的分布式天线进行通信。相邻小区使用相同的时频资源与其覆盖范围内的移动终端进行通信。

由于一个多小区体系结构内部的若干小区使用相同的频带资源，就为信道估计技术带来了新的挑战。在图1所示的三小区构成的多小区体系结构中，移动终端7(MS7)位于三个小区(Cell_1，Cell_2，Cell_3)覆盖的交集；MS4，MS5，MS6分别处于两个小区(Cell_1和Cell_3，Cell_2和Cell_3，Cell_1和Cell_2)覆盖的交集；而MS1，MS2，MS3只处于一个小区(分别为Cell_1，Cell_2，Cell_3)的覆盖范围内。假定Cell_1为MS7分配训练资源I，由于MS7处于三个小区的边界，所以Cell_2和Cell_3的训练资源I也不能重新分配。也就是说，MS7占用了三个小区的同一个训练资源。同理，MS4占用Cell_1和Cell_3的同一个训练资源；MS5占用Cell_2和Cell_3的同一个训练资源；MS6占用Cell_1和Cell_2的同一个训练资源。MS7的训练序列设计将直接影响Cell_1，Cell_2和Cell_3小区的信道估计精度。如果训练序列设计得不好，将直接对Cell_1，Cell_2和Cell_3的所有用户造成MAI。

综上所述，在多小区体系结构下，处于两个(或多个)小区覆盖范围内的移动终端同时与两个(或多个)小区内的多个分布式天线进行通信，从而对这两个小区内的多个移动用户造成多址干扰。在未来多小区体系结构下如何进行训练序列设计，使得通过训练序列的“多小区联合优化”不但使每个小区内部的MAI和ISI被有效抑制，而且小区间的MAI也能够被很好地克服，将是未来多小区体系结构下B3G系统设计和应用所面临的重要课题之一。

目前国内外无线通信系统中的训练序列设计技术方面的专利只涉及了单小区下的训练序列设计。如：

1)国际专利：Method for transmitting information in acommunication system，a communication and a wirelesscommunication device，专利号为WO 02/43277A1，由诺基亚公司(Nokia Corporation)提出。

2)美国专利：Method for reception of multicarrier signals andrelated apparatus，专利号为：US6，208，695B1，由德国Thomson-Brandt有限公司提出。

3)国际专利：Wireless communication system using blockfiltering and fast equalization-demodulation and method ofoperation，专利号为WO 02/058271A2，由Raze Technologies公司提出。

发明内容

本发明旨在提出一种多小区体系结构下的训练序列的传输方法，在该方法中，多小区系统中的各个小区使用相同的频率资源。

根据本发明，提供了一种多小区系统和体系结构下的训练序列的传输方法，其中所述多小区系统包括多个小区，这些小区使用相同的频率资源，所述方法包括：

在各个小区的用户相对独立时，各个小区使用相同或者不同的训练母序列，并且每个小区中的不同发射天线上的训练序列的传输采用同一训练母序列的不同相移或者时移；

在移动终端从一个小区向另一个小区移动并且到达两个小区边界时，目的地小区的训练母序列采用与源小区相同的训练母序列，并且目的地训练序列与源小区的各个天线上所使用的训练序列具有不同的相移或时移。

本发明通过对训练序列的设计和选择，降低信道估计过程中各个小区内的多址干扰和小区间的多址干扰，从而大大提高系统的性能和容量。

附图说明

图1示出了多小区体系结构下的训练序列分配示意图；

图2示出了表达在时域的多用户/多天线系统；

图3示出了表达在频域的多用户/多天线系统；

图4示出了适用于单小区多天线传输的训练序列生成示意图。

具体实施方式

本发明的基本构思在于将属于相同或不同训练母序列但具有不同相移或时移的训练序列从多个(至少两个)小区的多个天线发送出去。当各小区内的用户相对独立，例如没有移动终端从一个小区运动到另一个小区的情况时，各小区可以相对独立地进行训练序列的设计。不同小区可以使用相同或不同的训练序列母信号，但每个小区内的移动终端的发送信号来自于同一个训练序列母信号的不同相移或时移。当有移动终端从一个小区向另一个小区运动并到达两小区边界时，将对其中一个小区的训练序列进行调整，即目的小区的训练母序列采用与源小区相同的训练母序列，但选择与源小区所使用的各天线上的训练序列不同的相移或时移。

多小区内各天线上发送的训练序列采用相移或时移由这些小区内的训练序列信号所表达的域的情况而定。对于训练序列表达在时域的情况，小区内的训练序列采用不同的时移。具体每根发射天线上的时移与小区内的多径信道情况，用户/天线数目等因素有关。这种情况所对应的多用户或多天线发射机模型如图2所示。

图2示出了表达在时域的多用户/多天线系统。该系统中有U个发射天线，训练序列表达在时域，分别为时域训练序列1，时域训练序列2到时域训练序列U。保护时间可以为训练序列和数据之间的任何时间间隔。U个训练序列在空间传输中经历U个无线信道，其信道冲激响应分别为h ⁽¹⁾，h ⁽²⁾和h ^(U)。

对于训练序列表达在频域的情况，小区内的训练序列采用不同的相移。具体每根发射天线上的相移与小区内的多径信道情况，用户/天线数目等因素有关。这种情况所对应的多用户/多天线发射机模型如图3所示。

图3示出了表达在频域的多用户/多天线系统。该系统中有U个发射天线，训练序列表达在频域，分别为频域训练序列1，频域训练序列2和频域训练序列U。由逆快速傅立叶变换(IFFT)将频域信号转换为时域信号。保护时间可以为训练序列和数据之间的任何时间间隔。U个训练序列在空间传输中经历U个无线信道，其信道冲激响应分别为h ⁽¹⁾，h ⁽²⁾和h ^(U)。

例如对于OFDM系统，训练序列可以表达在频域，如图3所示。在多小区体系结构下，可以针对上述两种移动终端运动情况选择相同或不同训练序列母信号的不同相移用于不同小区移动终端天线上的训练序列发送。对于WCDMA或TD-SCDMA系统，训练序列一般表达在时域，如图2所示。在多小区体系结构下，可以针对上述两种移动终端运动情况选择相同或不同训练序列母信号的不同时移用于不同小区移动终端天线上的训练序列发送。

下面结合优选实施例描述本发明的训练序列传输方法。

假设一个两个小区的多小区移动通信系统，采用具有16个子载波的正交频分复用(OFDM)调制技术进行每个小区内信号的传输，训练序列表达在频域。假设每个小区的无线衰落信道为四径。每小区的训练序列母信号可选用恒幅度零自相关(constant amplitude zeroautocorrelation，CAZAC)码，如长度为16的CAZAC码序列

可以构造为：

${\underset{\‾}{\overset{~}{c}}}_1={\left[\begin{array}{cccccccccccccccc}1& 1& 1& 1& 1& -j& -1& j& 1& -1& 1& -1& 1& j& -1& -j\end{array}\right]}^T,$

也可以构造为

${\underset{\‾}{\overset{~}{c}}}_2={\left[\begin{array}{cccccccccccccccc}1& 1& 1& 1& 1& j& -1& -j& 1& -1& 1& -1& 1& -j& -1& j\end{array}\right]}^T.$

由第一个CAZAC码

并经过其循环移位(相移)构成一个矩阵由第二个CAZAC码并经过其循环移位(相移)构成一个矩阵

矩阵

的第一列为CAZAC码

由这个码的循环移1-15位(相移)构成该矩阵的第2-16列。

${\underset{\‾}{\overset{~}{A}}}_{c1}=\left[\begin{array}{cccccccccccccccc}1& j& -1& -j& 1& -1& 1& -1& 1& -j& -1& j& 1& 1& 1& 1\\ 1& 1& j& -1& -j& 1& -1& 1& -1& 1& -j& -1& j& 1& 1& 1\\ 1& 1& 1& j& -1& -j& 1& -1& 1& -1& 1& -j& -1& j& 1& 1\\ 1& 1& 1& 1& j& -1& -j& 1& -1& 1& -1& 1& -j& -1& j& 1\\ 1& 1& 1& 1& 1& j& -1& -j& 1& -1& 1& -1& 1& -j& -1& j\\ j& 1& 1& 1& 1& 1& j& -1& -j& 1& -1& 1& -1& 1& -j& -1\\ -1& j& 1& 1& 1& 1& 1& j& -1& -j& 1& -1& 1& -1& 1& -j\\ -j& -1& j& 1& 1& 1& 1& 1& j& -1& -j& 1& -1& 1& -1& 1\\ 1& -j& -1& j& 1& 1& 1& 1& 1& j& -1& -j& 1& -1& 1& -1\\ -1& 1& -j& -1& j& 1& 1& 1& 1& 1& j& -1& -j& 1& -1& 1\\ 1& -1& 1& -j& -1& j& 1& 1& 1& 1& 1& j& -1& -j& 1& -1\\ -1& 1& -1& 1& -j& -1& j& 1& 1& 1& 1& 1& j& -1& -j& 1\\ 1& -1& 1& -1& 1& -j& -1& j& 1& 1& 1& 1& 1& j& -1& -j\\ -j& 1& -1& 1& -1& 1& -j& -1& j& 1& 1& 1& 1& 1& j& -1\\ -1& -j& 1& -1& 1& -1& 1& -j& -1& j& 1& 1& 1& 1& 1& j\\ j& -1& -j& 1& -1& 1& -1& 1& -j& -1& j& 1& 1& 1& 1& 1\end{array}\right]$

同样，矩阵

的第一列为CAZAC码

由这个码的循环移1-15位(相移)构成该矩阵的第2-16列。

${\underset{\‾}{\overset{~}{A}}}_{c2}=\left[\begin{array}{cccccccccccccccc}1& -j& -1& j& 1& -1& 1& -1& 1& j& -1& -j& 1& 1& 1& 1\\ 1& 1& -j& -1& j& 1& -1& 1& -1& 1& j& -1& -j& 1& 1& 1\\ 1& 1& 1& -j& -1& j& 1& -1& 1& -1& 1& j& -1& -j& 1& 1\\ 1& 1& 1& 1& -j& -1& j& 1& -1& 1& -1& 1& j& -1& -j& 1\\ 1& 1& 1& 1& 1& -j& -1& j& 1& -1& 1& -1& 1& j& -1& -j\\ -j& 1& 1& 1& 1& 1& -j& -1& j& 1& -1& 1& -1& 1& j& -1\\ -1& -j& 1& 1& 1& 1& 1& -j& -1& j& 1& -1& 1& -1& 1& j\\ j& -1& -j& 1& 1& 1& 1& 1& -j& -1& j& 1& -1& 1& -1& 1\\ 1& j& -1& -j& 1& 1& 1& 1& 1& -j& -1& j& 1& -1& 1& -1\\ -1& 1& j& -1& -j& 1& 1& 1& 1& 1& -j& -1& j& 1& -1& 1\\ 1& -1& 1& j& -1& -j& 1& 1& 1& 1& 1& -j& -1& j& 1& -1\\ -1& 1& -1& 1& j& -1& -j& 1& 1& 1& 1& 1& -j& -1& j& 1\\ 1& -1& 1& -1& 1& j& -1& -j& 1& 1& 1& 1& 1& -j& -1& j\\ j& 1& -1& 1& -1& 1& j& -1& -j& 1& 1& 1& 1& 1& -j& -1\\ -1& j& 1& -1& 1& -1& 1& j& -1& -j& 1& 1& 1& 1& 1& -j\\ -j& -1& j& 1& -1& 1& -1& 1& j& -1& -j& 1& 1& 1& 1& 1\end{array}\right]$

适用于两小区多用户/多天线传输的训练序列可由矩阵

和/或

的若干列组成。

首先，假设各小区只有一个移动式终端/天线的情况。在这种情况下，可以选择矩阵

的任何一列，如第1列作为小区1的训练序列传输，选择矩阵

的任何一列，如第1列作为小区2的训练序列传输。也可以选择矩阵

或矩阵

中的两列，如第1列和第5列作为两个小区移动终端的训练序列传输。两小区移动终端上的训练序列来自于相同或不同的矩阵由接收机的信号处理方式(如小区内的信道估计还是小区间的联合信道估计)和最小化小区内和小区间的多址干扰而定。例如，如果信道估计由每个小区内的接收机独立进行，则选择两小区移动终端上的训练序列来自于不同的矩阵的方式；如果信道估计由两个小区的共同的控制器/接收机联合完成，则选择两小区移动终端上的训练序列来自于相同矩阵的方式。

此外，当两个小区内的信号处理相对独立并且移动终端相对固定，也即没有终端从一个小区向另一个小区移动的情况，两个小区可采用不同的CAZAC码如

和

作为训练序列母码。当有终端从一个小区向另一个小区移动的情况，这两个小区的移动用户将采用相同的CAZAC码。

其次，假设每个小区各有两个移动终端/天线的情况。在这种情况下，可以选择矩阵

的任何两列，如第1列和第5列分别作为小区1的两个移动终端上的训练序列传输，其中第1列为训练母序列，第5列为其相移。选择矩阵

的任何两列，如第1列和第5列分别作为小区2的两个移动终端上的训练序列传输，其中第1列为训练母序列，第5列为其相移。也可以选择矩阵或矩阵中的四列，如第1列和第5列，第9列，第13列分别作为两个小区四个移动终端上的训练序列传输，其中第1列为训练母序列，其他列为其相移。两小区移动终端上的训练序列来自于相同或不同的矩阵由接收机的信号处理方式(如小区内的联合信道估计还是小区间的联合信道估计)和最小化小区内和小区间的多址干扰而定。例如，如果信道估计由每个小区内的接收机独立进行，则选择两小区移动终端上的训练序列来自于不同的矩阵的方式；如果信道估计由两个小区的共同的控制器/接收机联合完成，则选择两小区移动终端上的训练序列来自于相同矩阵的方式。此外，当两个小区内的信号处理相对独立并且移动终端相对固定，也即没有终端从一个小区向另一个小区移动的情况，两个小区可采用不同的CAZAC码如

和

作为训练序列母码。当有终端从一个小区向另一个小区移动的情况，这两个小区的移动用户将采用相同的CAZAC码作为训练序列母码，但所有用户/天线上传输的训练序列应该采用不同的相移。

图4为以CAZAC码为例的每个小区的训练序列生成示意图。该训练序列生成器有两个RAM(随机存取存储器)，分别为RAM 1和RAM 2，及两个寄存器组，分别为RG 1和RG 2。在RAM1中村除了具有NF个符号的训练母序列如

通常CAZAC码的一些符号是浮点数，可以表示为n比特的定点数。在RAM 1和RG 1之间有个开关，这个开关负责选择向RG 1的N_F个移位寄存器输入数据。初始阶段，开关连接到RAM 1，使得CAZAC码的符号在时钟1(clock 1)的控制下被逐符号地送进RG 1。在每个时钟周期，CAZAC码的n比特符号被送进RG 1的n比特移位寄存器。经过N_F个时钟周期，RG 1中的所有移位寄存器都填充了数据，即原始CAZAC码的N_F个符号被存进RG 1。然后开关被连接到RG 1的反馈线，通过该反馈线将最后一个移位寄存器的输出反馈到第一个移位寄存器的输入。该反馈线能够完成矩阵

中要求的原始CAZAC序列

的循环移位。RG1中的每一个移位寄存器的输出都被连接到RG 2的移位寄存器。而RG 2中移位寄存器的输出由时钟2(clock 2)来控制。在开始的N_F-1个时钟周期，在时钟2的控制下，没有从RG 2到RAM 2的输出。直到第N_F个时钟周期，当原始CAZAC序列的所有符号都被送进RG 1后，才有从RG2到RAM 2的输出。此输出形成了第一个用户/天线上传输的训练序列。下一个RG 2的输出出现在W个时钟周期后，这个输出构成了第二个用户/天线上传输的训练序列。随后每隔W个时钟周期，存储在RG 2中的符号被输出，直到产生小区内所有用户/天线上传输的训练序列。

在接收设备中，利用各个发射天线上的训练序列执行对于传输信息的检测。从各个小区的天线上传送到接收设备的信息在数据帧上传输，并且与所述训练序列复用资源。

该训练序列生成器可以配置在高层控制内，例如可以配置在该小区的集中控制单元。在多小区体系结构下，也可配置在多小区的集中控制单元。在适当的接收机算法下，这样的训练序列生成方式可以保证最小的小区内和小区间的多址干扰。

Claims (6)

1.一种多小区系统和体系结构下的训练序列的传输方法，其中所述多小区系统包括多个小区，这些小区使用相同的频率资源，所述方法包括：

在各个小区的用户相对独立时，各个小区使用相同或者不同的训练母序列，并且每个小区中的不同发射天线上的训练序列的传输采用同一训练母序列的不同相移或者时移；

在移动终端从一个小区向另一个小区移动并且到达两个小区边界时，目的地小区的训练母序列采用与源小区相同的训练母序列，并且目的地训练序列与源小区的各个天线上所使用的训练序列具有不同的相移或时移。

2.根据权利要求1的方法，其中各个小区内的天线上发送的训练序列采用时移或者相移取决于各个小区中的训练序列信号所表达的域。

3.根据权利要求1的方法，其中在训练序列表达在时域时，小区内的训练序列采用不同的时移，并且每根发射天线上的时移取决于小区内的多径信道情况以及用户/天线数目。

4.根据权利要求1的方法，其中在训练序列表达在频域时，小区内的训练序列采用不同的相移，并且每根发射天线上的相移取决于小区内的多径信道情况以及用户/天线数目。

5.根据权利要求1的方法，还包括步骤：

在接收设备中，利用各个发射天线上的训练序列执行对于传输信息的检测。

6.根据权利要求1的方法，其中从各个小区的天线上传送到接收设备的信息在数据帧上传输，并且与所述训练序列复用资源。

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