CN100559786C - 时域同步正交频分复用系统中的频分多址接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时域同步正交频分复用系统中的频分多址接入方法，属于数字信息传输技术领域。所述方法包括：将时域同步正交频分复用系统中任意一个用户使用的长度为N_S的训练序列重复N_T次，生成第一训练序列；N_T为时域同步正交频分复用系统中用户的数目；将第一训练序列中的每个元素乘以第一相位旋转因子，得到第二训练序列；将用户发送的长度为N_D的数据序列重复N_T次，生成第一数据序列；将第一数据序列中的每个元素乘以第二相位旋转因子，得到第二数据序列；将第二训练序列作为保护间隔和第二数据序列组成信号帧。本发明有效地消除了时域同步正交频分复用系统中多用户间的相互干扰。

Description

时域同步正交频分复用系统中的频分多址接入方法

技术领域

本发明涉及数字信息传输技术领域，特别涉及一种时域同步正交频分复用系统中的频分多址接入方法。

背景技术

目前，OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)调制技术是无线通信系统的核心技术之一，它由于具有良好的抗符号间干扰和抗多径引起的频率选择性衰落等特性，以及具有高频谱利用率，使其在数字音频广播DAB系统、数字视频广播DVB系统、802.11无线局域网、802.16无线城域网和中国数字电视国家标准等无线传输领域中得到了广泛的应用。

欧洲的地面数字视频广播DVB-T系统使用循环前缀作为保护间隔(如图1所示)，采用正交编码频分复用调制技术(COFDM，Coding Orthogonal Frequency Division Multiplexing)传输数据。正交编码频分复用中“编码”的含义之一是指在OFDM频谱中插入了一些“导频”信号(如图2所示)，所谓“导频”是指这样一些OFDM的子载波，它们由接收机已知的数据调制，并且它们所传输的不是调制数据本身。导频在COFDM系统中起着非常大的作用，它可以用来进行帧同步、频率同步、时间同步、信道传输特性估计、传输模式识别和相位噪声跟踪等等。但是，因为在COFDM系统中多载波数据块和导频是互相需求的，导频是在多载波数据块之后插入的，而多载波数据块计算又需要先利用导频进行同步，所以COFDM系统采用迭代逼近算法进行同步时，就会存在同步收敛误差和收敛时间问题。

中国的地面数字电视国家标准(GB20600-2006)也采用了OFDM调制技术，但与欧洲的数字视频广播COFDM调制技术不同，它采用了时域同步正交频分复用(TDS-OFDM，TimeDomain Synchronous-Orthogonal Frequency Division Multiplexing)调制技术，这是一种时域和频域混合的调制方案。在TDS-OFDM系统中不插入OFDM导频信号，而是利用了扩频通信系统中的扩频技术，在时域上插入伪随机(Pseudo Noise，PN)扩频序列作为保护间隔(如图3所示)，作为保护间隔的PN序列还用来做帧同步、频率同步、时间同步、信道传输特性估计和相位噪声跟踪等等。TDS-OFDM系统既具有OFDM多载波调制的优点，又避免了数字视频广播DVB-T系统中COFDM采用频域导频所带来的缺点。

在OFDM系统中，为了将可用资源(包括频率、时间、码字、空间等)划分为单独的部分，以便供多用户使用，OFDM调制技术通常需要与TDMA(Time Division Multiple Access，时分多址接入)、FDMA(Frequency Division Multiple Access，频分多址接入)以及CDMA(CodeDivision Multiple Access，码分多址接入)等多址接入方式相结合。其中OFDM-FDMA(简称OFDMA)和MC-CDMA(Multiple Carrier Code Division Multiple Access，多载频码分多址接入)两种多载波多址接入方法是现在和未来的无线通信领域最具竞争力的技术。使用COFDM调制技术的IEEE 802.16协议就采用了OFDMA的多址接入方法，并以此来实现子载波的动态分配、不同用户子载波上比特及功率的动态调整、不同用户子载波上调制方式的调整等等。利用了OFDMA多址接入技术的OFDM系统可以充分利用频率分集和多用户分集，获得巨大的系统性能增益。

由于TDS-OFDM系统采用时域训练序列作为保护间隔填充，并且利用该训练序列进行同步和信道估计，所以在TDS-OFDM系统中实现多址接入就要消除多用户之间的训练序列的相互干扰，以保证每个用户同步和信道估计的准确性。

发明内容

为了解决在TDS-OFDM系统中实现多址接入时所带来的多用户间的相互干扰问题，本发明提供了一种时域同步正交频分复用系统中的频分多址接入方法，所述方法包括：

步骤A：将时域同步正交频分复用系统中任意一个用户使用的长度为N_S的训练序列重复N_T次，生成第一训练序列；所述N_T为时域同步正交频分复用系统中用户的数目；

步骤B：将所述第一训练序列中的每个元素乘以第一相位旋转因子

得到第二训练序列，0≤i＜N_I，所述i为第i个用户索引；

步骤C：将所述用户发送的长度为N_D的数据序列重复N_T次，生成第一数据序列；

步骤D：将所述第一数据序列中的每个元素乘以第二相位旋转因子得到第二数据序列，0≤i＜N_I，所述i为第i个用户索引；

步骤E：将所述第二训练序列作为保护间隔和所述第二数据序列组成信号帧。

所述步骤E具体为：将一个所述第二训练序列作为保护间隔填充在所述第二数据序列之前，组成信号帧。

所述步骤E具体为：将两个相同的所述第二训练序列作为保护间隔填充在所述第二数据序列之前，组成信号帧。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明提供的信号帧组帧方式使各个用户用于保护间隔填充的训练序列在频域相互正交，各个用户的数据序列也分别使用相互正交的子载波，用户之间用于保护间隔填充的训练序列和数据序列都不会产生相互干扰，实现了TDS-OFDM系统的多用户频分多址接入。

附图说明

图1是现有技术中以循环前缀作为保护间隔填充的COFDM帧结构示意图；

图2是现有技术中COFDM数据子载波和导频子载波分配示意图；

图3是现有技术中以伪随机序列作为保护间隔填充的TDS-OFDM帧结构示意图；

图4是本发明提供的TDS-OFDM频分多址接入方法的流程图；

图5是本发明提供的第一种TDS-OFDM帧结构示意图；

图6是本发明提供的第二种TDS-OFDM帧结构示意图；

图7是本发明提供的用户数目N_T＝4的TDS-OFDM频分多址接入方法的流程图；

图8是本发明TDS-OFDM频分多址接入子载波在用户间的分配示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明提供了一种TDS-OFDM系统中的频分多址接入方法，该方法充分利用了离散傅里叶变化的性质，很好地解决了多用户TDS-OFDM系统时域和频域混合所带来的多址接入问题。下面以TDS-OFDM系统中的N_T个用户为例来加以说明。

参见图4，本发明提供的TDS-OFDM系统中的频分多址接入方法，具体包括以下步骤：

步骤101：将第i个用户使用的长度为N_S的训练序列S_i重复N_T次生成一组长度为N_SN_T的第一训练序列

第i个用户使用的长度为N_S的训练序列S_i，具体表示为 $S_i=\{s_{i,0},s_{i,1},...,s_{i,N_S-1}\},$ 训练序列S_i不限于伪随机序列，还可以是BAP序列，Barker序列等等；第i个用户由S_i重复N_T次生成长度为N_SN_T的第一训练序列，具体表示为：

步骤102：将

中的每一个元素

乘以第一相位旋转因子得到第二训练序列TS_i；

和第一相位旋转因子

相乘得到长度为N_SN_T的第二训练序列TS_i，具体表示为：

${\mathrm{TS}}_i=\{{\mathrm{ts}}_{i,0},{\mathrm{ts}}_{i,1},...,{\mathrm{ts}}_{i,N_S{N}_T-1}\}=\{{\hat{s}}_{i,0},{\hat{s}}_{i,1}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N_S{N}_T}i},...,{\hat{s}}_{i,k}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N_S{N}_T}\mathrm{in}},...,{\hat{s}}_{i,N_S{N}_T-1}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N_S{N}_T}i(N_S{N}_T-1)}\}$

步骤103：将第i个用户发送的长度为N_D的数据序列D_i重复N_T次生成一组长度为N_DN_T的第一数据序列

第i个用户发送的长度为N_D的数据序列D_i，具体表示为 $D_i=\{d_{i,0},d_{i,1},...,d_{i,N_D-1}\};$ 第i个用户由D_i重复N_T次生成的长度为N_DN_T的数据序列

具体表示为；

步骤104：将

中的每一个元素

乘以第二相位旋转因子

得到第二数据序列TD_i；

和第二相位旋转因子

相乘得到长度为N_DN_T的第二数据序列TD_i，具体表示为：

${\mathrm{TD}}_i=\{{\mathrm{td}}_{i,0},{\mathrm{td}}_{i,1},...,{\mathrm{td}}_{i,N_D{N}_T-1}\}=\{{\hat{d}}_{i,0},{\hat{d}}_{i,1}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N_D{N}_T}i},...,{\hat{d}}_{i,k}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N_D{N}_T}\mathrm{in}},...,{\hat{d}}_{i,N_D{N}_T-1}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N_D{N}_T}i(N_D{N}_T-1)}\}$

步骤105：由第二训练序列TS_i和第二数据序列TD_i组成信号帧；

将第二训练序列TS_i作为保护间隔填充在数据序列TD_i之前组成信号帧；在实际应用中，可以将一个第二训练序列TS_i作为保护间隔填充在数据序列TD_i之前组成信号帧，此时信号帧中训练序列的长度为N_SN_T，如图5所示；另外，还可以将两个相同的第二训练序列TS_i作为保护间隔填充在数据序列TD_i之前组成信号帧，此时信号帧中训练序列的长度为2N_SN_T，如图6所示。

为了更加清楚地阐述上述实施例提供的技术方案，下面以用户数目N_T＝4，训练序列S_i为长度N_S＝127的PN序列，用户每帧发送的数据序列的长度N_D＝945为例来说明，具体包括以下步骤，参见图7：

步骤201：利用生成多项式x⁷+x³+1生成长度为127的PN序列作为训练序列S_i；

步骤202：在第i个用户发端，将长度为127的PN序列S_i重复4次生成一组长度为508的第一训练序列

步骤203：将

中的每一个元素

(0≤i≤3，0≤n≤507)乘以第一相位旋转因子

(0≤i≤3，0≤n≤507)得到第二训练序列TS_i；

TS_i中的每一个元素为 ${\widehat{\mathrm{ts}}}_{i,n}={\hat{s}}_{i,n}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{508}\mathrm{in}}$ (0≤i≤3，0≤n≤507)；

步骤204：将第i个用户发送的长度为945的数据序列D_i重复4次生成一组长度为3780的第一数据序列

步骤205：将

中的每一个元素

(0≤i≤3，0≤n≤3779)乘以第二相位旋转因子

(0≤i≤3，0≤n≤3779)得到第二数据序列TD_i；

TD_i中的每一个元素为 ${\widehat{\mathrm{td}}}_{i,n}={\widehat{\mathrm{td}}}_{i,n}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{3780}\mathrm{in}}$ (0≤i≤3，0≤n≤3779)；

步骤206：由第二训练序列TS_i和第二数据序列TD_i组成信号帧；

将一个第二训练序列TS_i作为保护间隔填充在数序列据TD_i之前组成长度为508+3780＝4288的信号帧；或者，将两个相同的第二训练序列TS_i作为保护间隔填充在数据序列TD_i之前组成长度为2×508+3780＝4796的信号帧。

按照本发明提供的方法所得到的各个用户信号帧的作为保护间隔的训练序列之间在频域子载波上相互正交，各个用户的数据序列也分别使用相互正交的子载波(如图8所示)，用户之间用于保护间隔填充的训练序列和数据序列都不会产生相互干扰，实现了TDS-OFDM系统的多用户频分多址接入。

另外，本发明提供的TDS-OFDM的组帧方法的原理可以通过下面的推导得到：

数据序列D_i的离散傅里叶变换为：

${\mathrm{FD}}_i=\{{\mathrm{fd}}_{i,0},{\mathrm{fd}}_{i,1},...,{\mathrm{fd}}_{i,N_D{N}_T-1}\}=\mathrm{DFT}\left({\mathrm{TD}}_i\right)$

所以

${\mathrm{fd}}_{i,k}=\underset{n=0}{\overset{N_D{N}_T-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{td}}_{i,n}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N_D{N}_T}\mathrm{nk}}$

$=\underset{n=0}{\overset{N_D-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{td}}_{i,n}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N_D{N}_T}\mathrm{nk}}+\underset{n=N_D}{\overset{{2N}_D-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{td}}_{i,n}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N_D{N}_T}\mathrm{nk}}+...+\underset{n=N_D(N_T-1)}{\overset{N_D{N}_T-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{td}}_{i,n}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N_D{N}_T}\mathrm{nk}}$

$=\underset{n=0}{\overset{N_D-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{td}}_{i,n}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N_D{N}_T}\mathrm{nk}}+\underset{n=0}{\overset{N_D-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{td}}_{i,n+N_D}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N_D{N}_T}(n+N_D)k}+...+\underset{n=0}{\overset{N_D-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{td}}_{i,n+N_D(N_T-1)}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N_D{N}_T}(n+N_D(N_T-1))k}$

因为

${\mathrm{td}}_{i,n+m{N}_D}={\mathrm{td}}_{i,n}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N_D{N}_T}i(n+m{N}_D)}$

所以

${\mathrm{fd}}_{i,k}=\underset{n=0}{\overset{N_D-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{td}}_{i,n}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N_D{N}_T}\mathrm{nk}}+\underset{n=0}{\overset{N_D-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{td}}_{i,n+N_D}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N_D{N}_T}(n+N_D)k}+...+\underset{n=0}{\overset{N_D-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{td}}_{i,n+N_D(N_T-1)}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N_D{N}_T}(n+N_D(N_T-1))k}$

$=\underset{n=0}{\overset{N_D-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{td}}_{i,n}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N_D{N}_T}\mathrm{nk}}+\underset{n=0}{\overset{N_D-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{td}}_{i,n}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N_D{N}_T}(n+N_D)k}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N_D{N}_T}i(n+N_D)}+...+\underset{n=0}{\overset{N_D-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{td}}_{i,n}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N_D{N}_T}(n+N_D(N_T-1))k}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N_D{N}_T}i(n+(N_T-1)N_D)}$

$=\underset{n=0}{\overset{N_D-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{N_T-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{td}}_{i,n}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N_D{N}_T}(k-i)n}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N_T}(k-i)m}$

$=\left(\underset{n=0}{\overset{N_D-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{td}}_{i,n}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N_D{N}_T}(k-i)n}\right)\left(\underset{m=0}{\overset{N_T-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N_T}(k-i)m}\right)$

又因为

$\underset{m=0}{\overset{N_T-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N_T}(k-i)m}=\left\{\begin{array}{c}{N}_T,(k-i)\mathrm{mod}{N}_T=0\\ 0,(k-i)\mathrm{mod}{N}_T\≠0\end{array}\right.$

且

0≤i≤N_T-1

所以对每一个固定的子载波k，存在且只存在一个用户i在该子载波上的数据非0，其他用户在该子载波上的数据为0，这就消除了多用户之间的相互干扰，实现了OFDM系统中子载波的多址接入，也就是FDMA。

固定的用户i使用的子载波k是满足(k-i)modN_T＝0的子载波，在这些子载波上频谱为

${\mathrm{fd}}_{i,k}=N_T\left(\underset{n=0}{\overset{N_D-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{td}}_{i,n}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N_D{N}_T}(k-i)n}\right)$

$=N_{\text{T}}\left(\underset{n=0}{\overset{N_D-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{td}}_{i,n}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N_D}n\frac{k-i}{N_T}}\right)$

而

是第i个用户发送的长度为N_D的数据序列D_i的离散傅里叶变换在第

个频点上的数值，所以实际传输的数据FD_i是数据序列D_i能量增加到原来的N_T倍，之后经过频谱插零扩展得到的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种时域同步正交频分复用系统中的频分多址接入方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤A：将时域同步正交频分复用系统中任意一个用户使用的长度为N_S的训练序列重复N_T次，生成第一训练序列；所述N_T为时域同步正交频分复用系统中用户的数目；

步骤B：将所述第一训练序列中的每个元素乘以第一相位旋转因子

得到第二训练序列，0≤i＜N_l，所述i为第i个用户索引；

步骤C：将所述用户发送的长度为N_D的数据序列重复N_T次，生成第一数据序列；

步骤D：将所述第一数据序列中的每个元素乘以第二相位旋转因子

得到第二数据序列，0≤i＜N_T，所述i为第i个用户索引；

步骤E：将所述第二训练序列作为保护间隔和所述第二数据序列组成信号帧。

2.如权利要求1所述的时域同步正交频分复用系统中的频分多址接入方法，其特征在于，所述步骤E具体为：将一个所述第二训练序列作为保护间隔填充在所述第二数据序列之前，组成信号帧。

3.如权利要求1所述的时域同步正交频分复用系统中的频分多址接入方法，其特征在于，所述步骤E具体为：将两个相同的所述第二训练序列作为保护间隔填充在所述第二数据序列之前，组成信号帧。

Images