CN101064703A - Ofdm接入基站中基站发射信号的正交化方法及系统 - Google Patents

Abstract

OFDMA系统中基站发射信号的正交化方法，在发射端包括：对原始的信息比特进行编码、交织和调制等处理；将等间隔的子载波分配给一个子信道；并且将信道分为小区边缘用户信道和中心区域信道两部分；将调制后的信息符号映射到相应的子载波上；对两部分信道分别进行正交化处理；对小区边缘用户而言，根据步骤b)的结果，将OFDM符号分成相应的等长的分段；将步骤e)分出的各段乘以与本小区相应的正交化序列；将两部分的OFDM符号相加，形成总的OFDM符号；为系统加置循环前缀；对基带信号进行D/A变换、射频上的处理、以及发射天线上的馈送。本发明的干扰小区和相邻小区对服务小区的同频干扰可以有效、完整地得以消除，从而改善了小区边缘区域用户的通信质量。

Description

OFDM接入基站中基站发射信号的正交化方法及系统

技术领域

本发明涉及正交频分复用(OFDM)技术的蜂窝通信系统，如第三代移动通信系统、WiMAX、WiBro系统等，特别涉及正交频分复用接入(OFDMA)基站中基站发射信号的正交化方法及系统。

背景技术

众所周知地，在基于OFDMA的小区系统中，在频率复用系数为1的前提条件下，各小区特别是各个小区的边缘地区将不可避免地受到临近小区的同频干扰。从而，不仅是处于小区边缘的用户的传输速率受到极大的限制，而且系统的吞吐量将显著降低。因此说，临小区干扰是影响基于OFDM/OFDMA技术的小区系统性能的最主要因素之一。

如图1所示的实例中，一个基站所管辖的小区分裂为3个扇区，令其分别为服务小区(Serving Cell)、相邻小区1(Adjacent Cell 1)和相邻小区2(Adjacent Cell 2)；而其它临近小区中与服务小区相对的扇区则定义为干扰小区1(Interfering Cell 1)和干扰小区2(Interfering Cell 2)。终端UE1为服务小区边缘的用户，而UE2和UE3分别为使用与UE1相同子信道的、干扰小区1和干扰小区2中的用户，则该用户(UE1)将受到相邻小区和干扰小区的同频干扰。也就是说，在接收端用户的基带接收信号r(t)一般可以表示为

$r\left(t\right)=s\left(t\right)\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{I}_m\left(t\right)---\left(1\right)$

其中s(t)为服务小区传送给用户UE1的信号，而I_m(t)为来自于相邻小区和干扰小区的同频干扰信号，M为干扰的个数。由此不难看出，位于小区边缘的用户受到的临小区干扰是相当强的(在各小区发射功率相等的条件下，用户接收端的信号与干扰噪声比(SINR)非常低，最差的情况甚至只有-3dB左右)。进而导致了用户的接收性能急剧恶化，系统的吞吐量迅速下降等负面结果。鉴于此，小区边缘性能增强(Cell Edge PerformanceEnhancement--CEPE)问题是基于OFDM/OFDMA的系统中非常值得研究和解决的问题。

目前，OFDM/OFDMA系统的CEPE问题是诸如3GPP LTE、WiMAX及WiBro等标准化组织的研究热点。在当前的协议或标准中还没有明确的、最终的解决方案。

目前，针对各协议和标准，均有许多提案和建议用以解决小区边缘的干扰问题，例如在3GPP LTE中，就有许多提案申请对该问题进行了讨论和分析。总的来说，现有的各种技术存在以下主要问题：

在各种频率与时间资源调度方法中，频率复用系数无法真正达到1或接近1；

此外，对于绝大多数算法来说，均需要各个基站间对公共的频率和时间资源进行统一的调度和管理，这在工程实现上有相当大的难度；

使用扩频码和扰码的小区区分算法，人为地降低了信息的传输率，扩频因子越大，信息传输率的降低就越大；

发明内容

本发明的目的是提供一种正交频分复用接入基站中基站发射信号的正交化方法及系统。

按照本发明的一方面，一种OFDMA系统中基站发射信号的正交化方法，在发射端包括步骤：

a)对原始的信息比特进行编码、交织和调制等处理；

b)将等间隔的子载波分配给一个子信道；并且将信道分为小区边缘用户信道和中心区域信道两部分；

c)将调制后的信息符号映射到相应的子载波上；

d)对两部分信道分别进行正交化处理；

e)对小区边缘用户而言，根据步骤b)的结果，将OFDM符号分成相应的等长的分段；

f)将步骤e)分出的各段乘以与本小区相应的正交化序列；

g)将两部分的OFDM符号相加，形成总的OFDM符号；

h)为系统加置循环前缀；

i)对基带信号进行D/A变换、射频上的处理、以及发射天线上的馈送。

按照本发明的另一方面，一种OFDMA系统中基站发射信号的正交化方法，在接收端包括步骤：

a)对接收的射频信号进行卸载、A/D变换等处理，从而变成基带信号而进行后续处理；

b)对小区信号进行分离处理；

c)对步骤b)得到的结果进行扩展处理，即将步骤b)中得到的P点结果进行周期性延拓；

d)对于小区中心用户，将接收信号减去c)中的结果；

e)对OFDM符号进行解正交化处理；

f)对子载波上承载的信息进行提取；

g)对数据进行解调、解交织和解码处理。

按照本发明的另一方面，一种OFDM/OFDMA系统中基站发射信号的正交化系统，在发射端包括：

a)前处理模块，对原始的信息比特进行编码、交织和调制等处理；

b)子信号划分模块，将等间隔的子载波分配给一个子信道，并将信道分为小区边缘用户信道和中心区域信道两部分；

c)信息映射模块，将调制后的信息符号映射到相应的子载波上；

d)正交化处理模块，对两部分信道分别进行正交化处理；

e)分段模块，对小区边缘用户而言，根据步骤b)的结果，将OFDM符号分成相应的等长的分段；

f)正交化模块，将步骤e)分出的各段乘以与本小区相应的正交化序列；

g)求和模块，将两部分的OFDM符号相加，形成总的OFDM符号；

h)循环前缀模块，为系统加置循环前缀；

i)数据后处理模块，对基带信号进行D/A变换、射频上的处理、以及发射天线上的馈送。

按照本发明的另一方面，一种OFDM/OFDMA系统中基站发射信号的正交化系统，在接收端包括：

a)前处理模块，对接收的射频信号进行卸载、A/D变换等处理，从而变成基带信号而进行后续处理；

b)分离模块，对小区信号进行分离处理；

c)周期拓展模块，对步骤b)得到的结果进行扩展处理，即将步骤b)中得到的P点结果进行周期性延拓；

d)小区边缘信号去除模块，对于小区中心用户，将接收信号减去c)中的结果；

e)解正交化模块，对OFDM符号进行解正交化处理；

f)提取信息模块，对子载波上承载的信息进行提取；

g)数据后处理模块，对数据进行解调、解交织和解码处理。

根据本发明的方法，干扰小区和相邻小区对服务小区的同频干扰可以有效、完整地得以消除，从而改善了小区边缘区域用户的通信质量，而且提高了系统的容量。

附图说明

图1为OFDM/OFDMA系统中的小区边缘干扰的示意图；

图2为本发明的发射端的处理过程；

图3为本发明的小区边缘用户接收端的处理过程；

图4为本发明的小区中心用户接收端的处理过程；

图5为子信道的划分方法说明；

图6为OFDM符号的周期循环示意图；

图7为OFDM符号的正交化设计；

图8为发射端OFDM符号的正交化设计过程。

具体实施方式

图1为OFDM/OFDMA系统中的小区边缘干扰的示意图。该图指明了本发明要解决的问题。然而，图中的小区的三扇区结构仅为一个实施例，本发明可以扩展到不同的扇区划分情况。属于服务小区的UE1在接收某一个子信道的信息时，实际上受到了属于干扰小区1用同一个子信道发射给属于它的用户UE3的信号，以及属于干扰小区2用同一个子信道发射给属于它的用户UE2的信号的干扰，当然这种干扰也包括与服务小区属于同一个基站的相邻小区1和相邻小区2。因此，本发明的目的就在于将属于UE1的信号从各种小区间的同子信道干扰中完全分离出来。

图2为本发明的发射端的处理过程。

201：数据的前处理模块，用来对原始的信息比特进行编码、交织和调制等处理；

202：子信号划分模块，用来按照指定的形式划分子信道，即等间隔的子载波被分配给一个子信道，且第一个子载波一定要在零位置处；

203：信息映射模块，用来将调制后的信息符号映射到相应的子载波上；

204：小区中心区域用户信道的正交化处理(IDFT)；对分配给小区中心用户的子信道(子载波组)进行正交化处理(IDFT)处理；

205：小区边缘区域用户信道的正交化处理(IDFT)；对分配给小区边缘用户的子信道(子载波组)进行正交化处理(IDFT)；

206：OFDM符号的分段模块，用来根据202模块的结果，将OFDM符号分成相应的等长的分段；

207：小区正交化模块：该模块用来对各小区的发射信号进行正交化设计，具体方式为将206模块分出的各段乘以与本小区相应的正交化序列；

208：OFDM符号求和模块；用于将属于小区边缘用户和小区中心用户的各自的OFDM符号进行求和；

209：循环前缀模块：用于为系统加置循环前缀；循环前缀的长度要求等于206中分段的整数倍；

210：数据后处理：用于对基带信号进行D/A变换、射频上的处理、以及发射天线上的馈送等。

图3为本发明的小区边缘用户接收端的处理过程。

301：接收信号的前处理模块，用来对接收的射频信号进行卸载、A/D变换等处理，从而变成基带信号而进行后续处理；

302：小区信号分离的处理；通过周期性信号的时间累加，达到去除临小区同频信号的目的；

303：本小区接收信号在时间上的周期拓展模块；将302的处理结果，从P点的序列在时间上周期延拓为N数据；

304：信道的解正交化模块，通常通过离散傅立叶变换(DFT)出来来完成；

305：提取信息模块，用来对子载波上承载的信息进行提取；

306：数据的后处理模块，用来对数据进行后续的处理，如解调、解交织和解码等；

图4为本发明的小区中心用户接收端的处理过程。

401：接收信号的前处理模块，用来对接收的射频信号进行卸载、A/D变换等处理，从而变成基带信号而进行后续处理；

402：小区信号分离的处理；通过周期性信号的时间累加，达到去除临小区同频信号的目的；

403：本小区接收信号在时间上的周期拓展模块；将302的处理结果，从P点的序列在时间上周期延拓为N数据；

404：小区边缘信号去除模块；将403所得结果在原有接收信号中给予去除；

405：信道的解正交化模块，通常通过离散傅立叶变换(DFT)出来来完成；

406：提取信息模块，用来对子载波上承载的信息进行提取；

407：数据的后处理模块，用来对数据进行后续的处理，如解调、解交织和解码等；

实施例

我们现在假设：

在整个系统中子载波个数为N，在实施例中的具体数值为1024；

在整个系统中子信道个数为Q，在实施例中的具体数值为64；

一个子信道中的子载波个数为P，且有N＝P·Q，在实施里中的具体数值为16；假设子信道1和2分配给了小区边缘的用户使用，其它的分配给小区中心区域用户使用。实际的子载波和子信道的分配原理如图5所示；即子信道的划分原则为子载波间总是等间隔分布。

我们现在只考虑一个子信道，即第k个子信道，那么时域上的OFDM符号可以表示为

$x^{\left(k\right)}\left(n\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\·\underset{p=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}X(p\·Q+k)\·e^{j\·\frac{2\mathrm{\π}}{N}\·n\·(p\·Q+k)}$

$=e^{j\·\frac{2\mathrm{\π}}{N}\·n\·k}\·\frac{1}{\sqrt{N}}\·\underset{p=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}X(p\·Q+k)\·e^{j\·\frac{2\mathrm{\π}}{p}\·n\·p}---\left(2\right)$

其中，x^(k)(n)，n＝0，1，…，N-1为第k个子信道的OFDM符号采样，X(p·Q+k)，k＝0，1，…，Q-1，p＝0，1，…，P-1。我们现在令m＝0，1，…，P-1以及q＝0，1，…，Q-1，则有

$x^{\left(k\right)}(m+q\·P)$

$=e^{j\·\frac{2\mathrm{\π}}{N}\·(m+q\·P)\·k}\·\frac{1}{\sqrt{n}}\·\underset{p=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}X(p\·Q+k)\·e^{j\·\frac{2\mathrm{\π}}{P}\·(m+q\·P)\·P}$

$=e^{j\·\frac{2\mathrm{\π}}{Q}\·q\·k}\·x^{\left(k\right)}\left(m\right)---\left(3\right)$

从中我们不难发现一个相当有趣的现象，即整个N点长的OFDM符号除去仅与子信道序列号有关的相位以外，是以P点长度为周期循环的，显然共有Q个循环，如图6所示。

综合地考虑所有的子信道，则均有此规律。特别地，在k＝0时，整个OFDM符号呈现P点的Q个周期延拓。我们将子信道1和2定义为小区边缘用户使用的信道，而其它为中心用户使用的信道。因而，我们可以重新定义，P＝Q＝32。于是，在发射端对OFDM符号中的各周期性的子段进行与本小区相关的正交性加权。根据实施例中的假设，我们现在给出5个干扰小区的指定的正交化序列C_(s)(i)，其中(s)为小区的序列号，i为正交化的序列号码：

1.对于服务小区(s＝0)：C₍₀₎(i)＝{+1，+1，+1，+1，+1，+1，+1，+1，+1，+1，+1，+1，+1，+1，+1，+1}

2.对于干扰小区1(s＝1)：C₍₁₎(i)＝{+1，+1，+1，+1，+1，+1，+1，+1，-1，-1，-1，-1，-1，-1，-1，-1}

3.对于干扰小区2(s＝2)：C₍₂₎(i)＝{+1，+1，+1，+1，-1，-1，-1，-1，+1，+1，+1，+1，-1，-1，-1，-1}

4.对于相邻小区1(s＝3)：C₍₃₎(i)＝{+1，+1，+1，+1，-1，-1，-1，-1，-1，-1，-1，-1，+1，+1，+1，+1}

5.对于相邻小区2(s＝4)：C₍₄₎(i)＝{-1，-1，-1，-1，-1，-1，-1，-1，+1，+1，+1，+1，+1，+1，+1，+1}

从而，我们发现这5个序列是相互正交的。而与OFDM符号的相乘过程，以服务小区为例，如图7所示。

然后，该信号经过循环前缀设置(207)以及D/A转换等射频处理(208)，发送给属于本小区的各个用户。注意，循环前缀必须为P的整数倍。

现在如图8所示的假设，x₁(n)(n＝0，1，...N-1)为小区边缘用户使用的子信道形成的OFDM符号1，而x₂(n)为小区中心区域使用的子信道形成的OFDM符号2，它们之和为发射端的OFDM符号，x_T(n)。那么，在不考虑噪声和信号的衰落的前提下，用户UE1的接收信号为

$x_r\left(n\right)=\underset{s=0}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{x}_T^s\left(n\right)---\left(4\right)$

其中，s代表小区的编号。在接收端，我们根据OFDM符号成明显周期性的性质，可以做如下处理，

$z\left(i\right)=\underset{i=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=0}{\overset{Q-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\left(0\right)}\left(q\right)x_r(i+q\·P),i=\mathrm{0,1},...P-1---\left(5\right)$

此处理即为图3和4中的小区信号分离的处理过程。然后将(5)的P点数据扩展为

y_e(n)＝y_e(i+q·P)＝z(i)，q＝0，1，…，Q-1，n＝0，1，…，N-1    (6)

此过程为图3的303过程。而对于小区中心用户而言，则需增加将小区边缘信号x₁(n)从总接收信号去除的过程，然后再做信道的正交化处理。这样，我们就成功地去除了其它干扰小区和邻近小区的发射信号，得到了只与服务小区相关的信号。

最后，经过如图3所示的304(子载波的解正交化过程--DFT)、305(从子载波上获取本小区传输的信息符号)以及306(数据的后处理，包括解调、解交织和解码等处理)从而得到服务小区中用户所需的信息比特。

Claims (18)

1.一种OFDMA系统中基站发射信号的正交化方法，在发射端包括步骤：

a)对原始的信息比特进行编码、交织和调制等处理；

b)将等间隔的子载波分配给一个子信道；并且将信道分为小区边缘用户信道和中心区域信道两部分；

c)将调制后的信息符号映射到相应的子载波上；

d)对两部分信道分别进行正交化处理；

e)对小区边缘用户而言，根据步骤b)的结果，将OFDM符号分成相应的等长的分段；

f)将步骤e)分出的各段乘以与本小区相应的正交化序列；

g)将两部分的OFDM符号相加，形成总的OFDM符号；

h)为系统加置循环前缀；

i)对基带信号进行D/A变换、射频上的处理、以及发射天线上的馈送。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述对信道进行正交化处理包括逆离散傅立叶变换。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤b)包括：

分配给小区边缘用户的子载波要求等间隔分配，并且起始点从0开始；

子信道的数目与每一个子信道中子载波数目的乘积将等于整个系统中规定的子载波数目。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤e)按下式进行分段：

$x^{\left(0\right)}\left(n\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\·\underset{p=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}X(p\·Q+k)\·e^{j\·\frac{2\mathrm{\π}}{N}\·n\·(p\·Q+k)}$

$=\frac{1}{\sqrt{N}}\·\underset{p=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}X(p\·Q)\·e^{j\·\frac{2\mathrm{\π}}{P}\·n\·p}$

其中，x⁽⁰⁾(n)，n＝0，1，…，N-1为小区边缘用户使用子信道的OFDM符号采样，且k＝0。

令m＝0，1，…，P-1以及q＝0，1，…，Q-1，k＝0则有

$x^{\left(0\right)}(m+q\·P)$

$=e^{j\·\frac{2\mathrm{\π}}{N}\·(m+q\·P)\·k}\·\frac{1}{\sqrt{n}}\·\underset{p=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}X(p\·Q+k)\·e^{j\·\frac{2\mathrm{\π}}{P}\·(m+q\·P)\·P}$

$=x^{\left(0\right)}\left(m\right).$

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤f)包括：每P个采样乘以一个正交化序列采样，这样的处理共进行Q次。

6.一种OFDMA系统中基站发射信号的正交化方法，在接收端包括步骤：

a)对接收的射频信号进行卸载、A/D变换等处理，从而变成基带信号而进行后续处理；

b)对小区信号进行分离处理；

c)对步骤b)得到的结果进行扩展处理，即将步骤b)中得到的P点结果进行周期性延拓；

d)对于小区中心用户，将接收信号减去c)中的结果；

e)对OFDM符号进行解正交化处理；

f)对子载波上承载的信息进行提取；

g)对数据进行解调、解交织和解码处理。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述对信道进行解正交化包括：离散傅立叶变换。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述步骤c)中的子信道至少为一个子信道。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：

如果有多个子信道属于本用户或所有子信道均属于一个用户，则每次选出一个子信道；

然后重复进行步骤c)～步骤k)的处理，直到所有的子信道信息均从小区干扰中分离出来为止。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述步骤b)按下式处理：

$z\left(i\right)=\underset{i=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=0}{\overset{Q-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\left(0\right)}\left(q\right)x_r(i+q\·P)$

其中，C为发射端的正交化序列。

11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述对信道进行解正交化处理包括：根据发射端对本小区所加的正交化信号与接收信号相乘，每P个采样与一个正交化序列采样相乘，共进行Q次相乘，然后进行对位相加。

12.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述的周期延拓包括将所得P点数据结果进行Q-1次的周期延拓，共得到N点数据。

13.一种OFDM/OFDMA系统中基站发射信号的正交化系统，在发射端包括：

a)前处理模块，对原始的信息比特进行编码、交织和调制等处理；

b)子信号划分模块，将等间隔的子载波分配给一个子信道，并将信道分为小区边缘用户信道和中心区域信道两部分；

c)信息映射模块，将调制后的信息符号映射到相应的子载波上；

d)正交化处理模块，对两部分信道分别进行正交化处理；

e)分段模块，对小区边缘用户而言，根据步骤b)的结果，将OFDM符号分成相应的等长的分段；

f)正交化模块，将步骤e)分出的各段乘以与本小区相应的正交化序列；

g)求和模块，将两部分的OFDM符号相加，形成总的OFDM符号；

h)循环前缀模块，为系统加置循环前缀；

i)数据后处理模块，对基带信号进行D/A变换、射频上的处理、以及发射天线上的馈送。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于所述的正交化处理包括采用逆离散傅立叶变换。

15.一种OFDM/OFDMA系统中基站发射信号的正交化系统，在接收端包括：

a)前处理模块，对接收的射频信号进行卸载、A/D变换等处理，从而变成基带信号而进行后续处理；

b)分离模块，对小区信号进行分离处理；

c)周期拓展模块，对步骤b)得到的结果进行扩展处理，即将步骤b)中得到的P点结果进行周期性延拓；

d)小区边缘信号去除模块，对于小区中心用户，将接收信号减去c)中的结果；

e)解正交化模块，对OFDM符号进行解正交化处理；

f)提取信息模块，对子载波上承载的信息进行提取；

g)数据后处理模块，对数据进行解调、解交织和解码处理。

16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于所述解正交化模块包括采用离散傅立叶变换。

17.根据权利要求15所述的系统，其特征在于所述分离处理按下式进行：

$z\left(i\right)=\underset{i=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=0}{\overset{Q-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\left(0\right)}\left(q\right)x_r(i+q\·P)$

其中，C为发射端的正交化序列。

18.根据权利要求15所述的系统，其特征在于所述周期性延拓包括：共延拓Q-1次，这样延拓后得到N点数据。

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