CN100536453C

CN100536453C - Ofdm系统中自适应导频插入的方法

Info

Publication number: CN100536453C
Application number: CNB2004100888762A
Authority: CN
Inventors: 单淑伟; 殷志明
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2004-11-08
Filing date: 2004-11-08
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2024-11-08
Also published as: CN1773976A

Abstract

本发明公开了一种通讯领域中OFDM系统中自适应导频插入的方法，包括以下方面：发送端根据接收端估计的信道参数自适应选择不同间隔导频模型，在信道低速变化时，增大导频间隔，采用降低导频数量的导频模型；而在信道高速变化时，减小导频间隔，采用增加导频数量的导频模型；将信道参数、最大时延扩展和相对多普勒频移进行分段，不同的导频间隔对应不同的导频模型。本发明所述方法能够根据信道条件自适应选择不同导频间隔，从而有效提高系统频谱利用率、提高系统工作效率。

Description

OFDM系统中自适应导频插入的方法

技术领域

本发明涉及移动通讯领域，尤其涉及OFDM(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，正交频分复用)系统中自适应导频插入的方法。

背景技术

由于数字信号处理技术的飞速发展，OFDM技术作为一种可以有效对抗符号间干扰(ISI，InterSymbol Interference)的高速传输技术引起了越来越广泛的关注。OFDM技术将高速数据流通过串并变换，使得子载波上的数据符号持续时间加长，通过插入循环前缀可以消除ISI。在OFDM系统中，各个子载波之间是相互正交的，允许子信道的频谱互相重叠，因而可以最大限度地利用频谱资源。目前，OFDM技术已经成功应用到ADSL(AsymmetricDigital Subscriber Line，不对称数字用户线)、WLL(Wireless Local Loop，无线本地环路)、DAB(Digital Audio Broadcasting，数字音频广播)和HDTV等系统中，其在移动无线通信系统中得到日益广泛应用将是大势所趋。

无线通信系统的性能受到无线信道的制约，移动无线信道的主要特征是多径传播。由于传输环境中地形地物的作用，电波在传输过程中将产生透射、反射或绕射等现象，发射信号往往经由多条不同路径，以不同的时间到达接收天线，从而在发射机与接收机之间形成多条电波播路径。接接收端所接收的信号是从多条路径传来的多个信号的迭加，其相位、幅度和到达时间呈随机变化，由此产生所谓的多径衰落。因而在接收机中，信道估计是一个很重要的组成部分，尤其是在OFDM系统中，信道估计是一项关键技术，信道估计的好坏直接影响到系统的性能。

在OFDM系统中，信道估计可以大致分为两种，一种是基于导频辅助的信道估计算法，另一种是盲估计算法。二者比较而言，虽然基于导频辅助的信道估计方法由于导频的插入降低了系统的频谱效率，但因其相对简单而在无线通信系统中得到了广泛的应用。

中国专利申请“正交频分复用通信系统中的信道估计方法”(申请号：03118746.3，公开日：2003.08.20)给出了一种正交频分复用通信系统中基于导频辅助的信道估计方法。该方法对于梳状导频和分散导频均适用，且在信道信噪比较高时，可降低导频和数据的比例，但是对于如何根据信噪比改变导频数据比，该专利并没有给出，而仅是说明该信道估计方法在不同的导频数据比条件下均适用。由于导频插入的多少与信道变化的快慢有关，受信噪比的影响很小，因而将信噪比作为导频和数据比例的依据并不合适。

中国专利申请“在OFDM系统中用于STTD方案的导频模式设计”(专利号：ZL01121742.1，公开日：2002.01.16)给出了一种OFDM系统中用于STTD方案的导频模式设计方法，所给出的导频模型和导频取值目的是为了将不同发射天线的信道分开，导频间隔是固定的。

中国专利申请“按照信道状态执行自适应均衡的正交频分复用均衡器”(专利号：03101807.6，公开日：2003.12.24)给出了一种按照信道状态执行自适应均衡的OFDM均衡器，在接接收端根据导频得到信道变化状态，从而确定选择多个导频的非线性内插还是两个导频的线性内插。但是该均衡器仅在接收端判断信道状态，并不将其反馈给发送端，所说的自适应是指接收端根据信道条件选择内插方式，可以说是一种信道估计方法的自适应。自适应技术是无线通信系统中有效提高频谱利用率的重要手段之一。通过自适应技术提高系统的信道容量是非常明显的。自适应技术的基本思想是调节信号传输的参数来充分利用当前的信道环境。与单载波系统相比，OFDM系统采用自适应技术具有更高的灵活性。在OFDM系统中，已经广泛研究了自适应功率分配、自适应比特分配及联合自适应比特、调制和功率分配技术。通过自适应技术有效地提高了系统的性能。

标准IEEE 802.16a中给出了无线城域网的OFDMA物理层导频插入的方式，在每个OFDM符号内既有固定位置的导频也有变化的导频，位置的变化由公式给出，且以4个OFDM符号为周期位置重复。类似的导频插入方式在中国专利申请“数字地面广播COFDM传输系统中的信号传输方法”(申请号：01130988.1，公开号：2003.04.02)给出的数字地面广播COFDM传输系统中的信号传输方法中也可看到。二者的共同特点是，导频的位置虽然是有变化的，但变化是周期的，与实时的信道条件无关。

从上述方法可以看出，对于OFDM系统用于信道估计的导频的研究，主要集中于在确定信道条件下导频图案和导频值的设计，以及相应的信道估计方法方面。而由于终端的移动性和周围环境的变化，移动信道呈现出不同的衰落特性，信道条件在不断的变化。在不同的信道参数条件下，导频间隔的要求是不同的，在信道变化较慢时需要很少的导频即可很好的估计信道，而在信道变化较快时才需要较多的导频。为了保证任何信道条件下均能较好估计信道必须将导频间隔设置得足够小，这样做的结果是系统的频谱利用率很低，造成了频谱资源的浪费。

而且，在现有的自适应技术中，仅考虑了如何利用接收端估计出的信道信息来调整发送端的功率、调制等参数，或者仅在接收端进行自适应信道估计方案选择，并没有考虑到如何利用接收端估计出的信道信息来调整发送端的导频插入间隔来提高系统频谱效率的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种OFDM系统中自适应导频插入的方法，以克服现有技术由于采用固定导频间隔带来的频谱资源浪费严重、效率低下的缺点。

本发明提出的OFDM系统中自适应导频插入的方法，包括以下步骤：

发送端根据接收端估计的信道参数自适应选择不同间隔导频模型，在信道变化较慢时，增大导频间隔，采用降低导频数量的导频模型；而在信道变化较快时，减小导频间隔，采用增加导频数量的导频模型；

将信道的参数、最大时延扩展和相对多普勒频移进行分段，不同的导频间隔对应不同的导频模型。

在TDD方式的系统中，发送端自行决定采用何种导频间隔模型，无需反馈链路，只需将导频模型序号发送给接收端即可；

具体包括以下步骤：

(1)i＝1；

(2)第i帧数据采用导频间隔最小的导频模型；

(3)接收端利用从第i帧数据得到的信道参数确定下一帧要采用的导频模型，将其序号利用反馈信道传送给发送端；

(4)i＝i+1；

(5)发送端根据反馈来的导频模型序号，在第i帧数据中插入导频；

(6)接收端转至步骤(3)，进行下一帧的操作。

在FDD方式的系统中，接收端根据估计的信道向发送端反馈一个需要的导频模型序号，并不需要将信道信息全部反馈给发送端；

具体包括以下步骤：

(1)i＝1；

(2)第i帧数据采用导频间隔最小的导频模型，发送端将导频模型序号发送给接收端；

(3)接收端根据接收到的导频模型序号进行信道估计；

(4)发送端利用上行第i帧数据得到的信道参数确定下一帧要采用的导频模型，将其序号传送给接收端；

(5)i＝i+1；

(6)发送端在第i帧数据中插入导频；

(7)接收端转至步骤(3)，进行下一帧的操作。

发送端根据估计的信道最大时延扩展确定循环前缀的长度，从而进一步提高系统的频谱效率。

第一帧采用导频间隔最小的导频模型。

所述导频模型可以是矩形导频模型，也可以是块状和梳状导频模型。

所述信道参数分成的段数可由信道参数的范围、系统实现的复杂性等因素确定。

本发明所述OFDM系统中自适应导频插入的方法，通过在信道变化较慢时，增大导频间隔，采用导频较少的导频模型；而在信道变化较快时，减小导频间隔，采用导频较多的导频模型，从而能够根据信道条件自适应选择不同导频间隔，有效提高系统频谱利用率、提高系统工作效率。

附图说明

图1是本发明所述方法的导频模型示意图。

图2是作为实施方式的FDD方式下自适应导频插入OFDM系统收发信机框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明所述方法作进一步说明。

本发明的自适应策略利用接收端估计出的信道参数，在信道变化较慢时，增大导频间隔，采用导频较少的导频模型；而在信道变化较快时，减小导频间隔，采用导频较多的导频模型。该方法可以用在TDD方式的系统中，由于上下行信道的对称性，发送端可以直接利用上行信息知晓下行信道特性，因而发送端可自行决定采用何种导频间隔模型，无需反馈链路，只需将导频模型序号发送给接收端即可；也可用在FDD系统中(参见附图2)，接收端根据估计的信道向发送端反馈一个需要的导频模型序号，并不需要将信道信息全部反馈给发送端，只需要几个比特即可，因而十分简单。

具体实施时，可根据系统参数，如带宽、子载波个数及信道的参数，如最大时延扩展、最大多普勒频移等，将信道条件分成几个区段，不同的区段采用不同间隔导频模型。

为了精确地估计信道，导频在时频两维上的间隔必须满足一定的条件。导频点的信道可由导频信号利用某种算法比较精确地得到，而数据点的信道是由导频点的信道按照某种算法进行估计的，因此必须保证数据点的信道与估计它的导频点的信道具有一定的相关性。从这个意义上讲，导频需要放置得足够近来保证可靠的信道估计；但同时导频密度过高又将导致数据传输速率的下降。因此，必须在性能和频谱效率两方面进行折衷。在时域上，信道的相关性主要取决于多普勒频移f_d，而频域的相关性则与信道的时延扩展有关。根据二维采样定理，对于矩形导频模型(见附图1)，时间维导频间隔P_t和频率维导频间隔P_f应满足：

P_{t} < \frac{1}{2 (1 + \frac{L_{CP}}{K}) f_{d, r}}, P_{f} < \frac{K}{L_{CP}} - - - (1)

式中：f_d，r＝f_d/Δf为相对多普勒频移，Δf为子载波间隔；K为子载波数；L_CP为循环前缀长度，这里取定L_CP等于信道的最大时延扩展。为了较好的进行信道估计，导频间隔至少要满足式(1)。导频间隔是按式(1)计算后，取其一半并适当调整得到。

考虑一个具体的系统，系统参数为：

带宽W＝800kHz、子载波数K＝128、则子载波间隔Δf＝6.25kHz；信道可能的最大时延扩展最大值L_CP-max＝32；可能的相对多普勒频移最大值f_d，r-max＝5％。

根据以上参数将最大时延扩展和相对多普勒频移各分为四段，则有：

由于导频间隔和L_CP、f_d，r均成反比，因而没有采用等间隔分段，而是采用成比例分段。研究表明，当导频间隔取式(1)所给值的一半时只有很小的性能损失。P_t和P_f的值是由式(1)计算，取所得值的一半并适当调整得到，这样可以使得导频模型比较规整，利于信道估计算法的实现。模型序号对应数字1～16，在FDD方式下将由反馈信道传输到发送端，进行导频模型选择。

对于本实施例，帧长可以选择为7个OFDM符号，第7个符号既作为第一帧的结束也作为第二帧的开始。这样，在相对多普勒频移较高时(1.8％＜f_d，r≤5％)，即信道衰落较快时，数据符号的信道利用信道的时频两维的相关性得到；而在相对多普勒频移较低时(f_d，r≤1.8％)，由于衰落较慢，则可在每帧的第一个OFDM符号内利用信道频域相关性即可得到数据信道，其余OFDM符号的信道认为是和第一个符号相等的，这样就得到了一帧中的全部信道。

Claims

1、一种OFOM系统中自适应导频插入的方法，其特征在于，包括以下方面：

发送端根据接收端估计的信道参数自适应选择不同间隔导频模型，在信道低速变化时，增大导频间隔，采用降低导频数量的导频模型；而在信道高速变化时，减小导频间隔，采用增加导频数量的导频模型；

将信道参数、最大时延扩展和相对多普勒频移进行分段，不同的导频间隔对应不同的导频模型。

2、根据权利要求1所述的OFOM系统中自适应导频插入的方法，其特征在于，在TDD方式的系统中，发送端自行决定采用何种导频间隔模型，无需反馈链路，只需将导频模型序号发送给接收端。

3、根据权利要求2所述的OFOM系统中自适应导频插入的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

(1)i＝1；

(2)第i帧数据采用导频间隔最小的导频模型；

(4)i＝i+1；

(6)接收端转至步骤(3)，进行下一帧的操作。

4、根据权利要求1所述的OFOM系统中自适应导频插入的方法，其特征在于，在FDD方式的系统中，接收端根据估计的信道向发送端反馈一个需要的导频模型序号，并不需要将信道信息全部反馈给发送端。

5、根据权利要求4所述的OFOM系统中自适应导频插入的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

(1)i＝1；

(2)第i帧数据采用导频间隔最小的导频模型，发送端将导频模型序号发送接收端；

(3)接收端根据接收到的导频模型序号进行信道估计；

(5)i＝i+1；

(6)发送端在第i帧数据中插入导频；

(7)接收端转至步骤(3)，进行下一帧的操作。

6、根据权利要求1到5中任一项所述的OFOM系统中自适应导频插入的方法，其特征在于，发送端根据估计的信道最大时延扩展确定循环前缀的长度，从而进一步提高系统的频谱效率。

7、根据权利要求1到5中任一项所述的OFOM系统中自适应导频插入的方法，其特征在于，所述导频模型可以是矩形导频模型，也可以是块状和梳状导频模型。

8、根据权利要求7所述的OFOM系统中自适应导频插入的方法，其特征在于，对于矩形导频模型，时间维导频间隔P_t和频率维导频间隔P_f应满足：

P_{t} < \frac{1}{2 (1 + \frac{L_{CP}}{K}) f_{d, r}},

P_{f} < \frac{K}{L_{CP}} - - - (1)

式中：

f_{d, r} = f_{d} / Δf

为相对多普勒频移，f_d为多普勒频移，Δf为子载波间隔；K为子载波数；L_CP为循环前缀长度。

9、根据权利要求1到5中任一项所述的OFOM系统中自适应导频插入的方法，其特征在于，所述信道参数分成的段数可由信道参数的范围、系统实现的复杂性因素确定。