基于联合发送技术的上行同步建立方法及其传输矩阵
技术领域
本发明涉及时分双工和频分双工的移动通信系统,特别涉及到这些移动通信系统中上行同步的建立方法。
背景技术
对于通信系统而言,接收方获取接收信号的定时信息是正确解析信息的基础。在频分双工(FDD)的移动通信系统中,下行链路和上行链路均可以是异步的,基站和用户终端需通过径的搜索和跟踪以获取对方发送来信号的定时信息,特别是接收信号首径的定时信息。考虑到移动通信系统的信道特征,接收信号的首径位置不会在短期内发生大的变化,但径本身的信号强度却极可能在短期内发生较大变化,因而径的搜索和跟踪通常采用信号能量进行长期加权平均再利用结果信息进行处理的方法。另一方面,FDD移动通信系统中径的搜索窗可以很大,如WCDMA系统中径的搜索窗可在96码片以上,因而短期内估计的偏差不会对后续系统性能造成太大的影响。
基于时分双工(TDD)的CDMA系统均采用了特殊的导频码结构,其构造方法使得同一时隙中不同Midamble(时隙突发结构中的训练序列部分)偏移的信道估计值位于同一信道估计结果的不同窗中,且这个窗的宽度与径的最大时延相差无几。例如,时分同步码分多址(TD-SCDMA)系统中通常的信道估计窗的长度为16码片,而径的最大延迟可达15.3码片以上。这就要求系统中任何一方的接收信号都具有同步或者准同步的特征,特别是基站必须获得用户设备(UE)发射信号的起始位置,并对其进行跟踪乃至通知用户设备进行定时的调整,以达到同步或者准同步的目标。
在TDD移动通信系统中,下行链路的信号是同步发送的,因而作为用户设备而言,可以利用始终具有信号发射的物理信道(如DwPCH和P-CCPCH)进行同步的搜索和跟踪;而在上行链路方向,为了达到同步或者准同步的目的,系统需执行初始同步的建立和同步的控制两个步骤。其中前者又是后者的基础,也是系统功能实现的前提。
对于上行链路同步的TD-SCDMA系统和准同步的TD-CDMA系统,上行链路初始信号的同步过程稍有差别,但基站都是以上行链路初始信号的接收定时作为处理的基础。但是,信道的时延扩展特征使得基站在判定初始信号的定时方面会产生固有的偏差,影响了系统功能的实现。
以TD-SCDMA系统为例,其子帧结构如图1所示,发明名称为“同步码分多址通信链路的建立和保持方法”、专利申请号为97118934.X的中国专利提出了一种上行同步建立的方法,如图2所示,主要包括以下步骤:步骤21,用户设备估计自身与基站的距离;步骤22,用户设备根据该距离估计确定发射定时;步骤23,用户设备发射信号;步骤24,基站获取接收信号的首径位置;步骤25,网络端指导用户设备调整发射定时;步骤26,用户设备调整发射定时。
根据这一方法,基站可能将所接收到UpPTS(上行导频时隙)的尾径作为接收UpPTS的初始定时,导致对用户定时信息的误读,这对于大时延扩展的信道条件下的用户影响更为深远,乃至于用户无法完成接入过程。因此,完善包括TD-SCDMA和TD-CDMA在内的TDD移动通信系统的上行同步建立过程将极大地推动有关系统的发展和成熟。
与此同时,联合检测技术的应用已经在理论和实践中获得了证明。德国Kaiserslautern大学的P.W.Baier教授进一步提出了与联合检测技术相对偶的联合发送技术。该技术利用在时分双工系统中,当上、下行传输时隙之间的时间间隔小于信道相关时间时,上行信道的冲击响应与下行信道的冲击响应具有较大相关性这一特点,结合上行链路联合信道估计得到的信道冲击响应与用户扩频序列信息在基站侧预处理发送信号,使得在移动台接收端不必进行信道估计,只需进行相关运算就可以检测出传输信号。这样,可以将对用户设备的联合检测需求转移为对基站的联合发送需求,有效地降低移动台的复杂度。申请号为03137628.2的“基于联合检测联合发送技术的联合优化信号方法”的中国专利申请正是以上述技术为基础的。但是,目前还没有在用户设备上运用联合发送技术的实现方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种基于联合发送技术的上行同步建立方法,使得上行同步和上行准同步的TDD移动通信系统中的基站可以精确地指导用户设备完成上行同步的建立过程。
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种基于联合发送技术的上行同步建立方法,应用于移动通信系统中,包括如下步骤:
(a)用户设备对与上行信道临近的下行信道进行信道估计;
(b)用户设备确定上行同步时隙发送信号的发送定时;
(c)用户设备依据下行信道估计结果,构造传输矩阵A和与原拟发射信号有关的矩阵d;
(d)用户设备求解d=Ae+n,获取转换后的信号e,其中n为噪声矩阵;
(e)用户设备采用信号e代替原上行同步序列进行发射,发射时采用步骤(b)确定的发送定时;
(f)基站通过相关器对接收信号进行估计,获取上行信号的定时,并推导出用户设备为了达到上行同步而需要进行的时间调整量;
(g)网络端利用获取的信息指导用户设备进行上行信号发射定时的调整,用户设备调整上行信号的发射定时,完成上行同步的建立。
进一步地,上述方法还可具有以下特点:所述步骤(a)中,用户设备是对下行导频时隙或者主公共控制物理信道进行信道估计。
进一步地,上述方法还可具有以下特点:所述步骤(a)中,用户设备进行信道估计时,是利用信道估计的长期滤波结果获取径的位置,同时利用瞬时的信道估计结果获取有关径的信道估计值。
进一步地,上述方法还可具有以下特点:所述步骤(b)中,是依据接收信号的功率估计出与基站间的距离,再计算出发送定时;或者,假定用户设备处于网络的某一位置,根据接收定时来指定发送定时。
进一步地,上述方法还可具有以下特点:所述传输矩阵A是由信道估计结果和扩频序列卷积构成的,所述矩阵d是由拟发射信号和0元素组成。
进一步地,上述方法还可具有以下特点:所述通讯系统是TD-SCDMA系统,将步骤(a)中的信道估计结果记为H=[h1,h2,...,h16N],其中N为过采样率,是大于等于1的整数,定义HT矩阵为H的转秩矩阵,则所述步骤(c)中,所述传输矩阵A通过以下步骤的构造得到:
(c1)先构造出矩阵B,矩阵B的构造方法为:新构造31N*16的矩阵,第一个HT矩阵放置在新构造矩阵的第1行第1列至第16行第1列之间,下一HT矩阵紧邻上一次放置的HT矩阵的右侧放置且起始行始终加1,在排列完16个HT矩阵之后,再将新构造的31N*16矩阵的其余元素填充为零;
(c2)然后,新构造143N*128的矩阵,将第一个矩阵B放置在新构造矩阵的第1行第1列至第31行第16列之间,下一矩阵B紧邻上一次放置的矩阵B的右侧放置且起始行始终加16,在排列完8个矩阵B之后,再将新构造的143N*128矩阵的其余元素填充为零。
进一步地,上述方法还可具有以下特点:所述步骤(c)中,所述矩阵d是在原拟发射的上行同步序列后加上若干个0构成的包含143N个元素的一维矩阵。
进一步地,上述方法还可具有以下特点:所述噪声矩阵是用户设备检测到的本地噪声,或者,是通过估计基站侧时隙上行导频时隙的信噪比获取。
进一步地,上述方法还可具有以下特点:所述步骤(d)中,是采用最小均方误差-块线性均衡方法,其简化算法,或者采用破零-块线性均衡方法来求解信号e。
进一步地,上述方法还可具有以下特点:所述步骤(f)中,是将相关输出能量最大的时刻作为上行信号的定时。
进一步地,上述方法还可具有以下特点:所述步骤(f)中,所述基站还判断搜索窗内是否存在着小于最大峰值且与该最大峰值之差小于一设定范围的另一峰值,如存在,则认为此时存在两个用户利用同一接入码进行接入,直接退出流程,否则再执行步骤(g)。
本发明要解决另一技术问题是提出一种时分同步码分多址系统中的传输矩阵及其生成方法,使得该传输矩阵用于上行同步序列的转换后,能够消除信道的时延特征。
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种时分同步码分多址系统中的传输矩阵的生成方法(请重点看一下这个及下一个新增加的主题名称是否合适,考虑可能需要对传输矩阵再加以限定一下),包括以下步骤:
(r)根据信道估计结果H=[h1,h2,...,h16N],得到其转秩矩阵HT,其中N为过采样率,是大于等于1的整数;
(s)先构造出矩阵B,矩阵B的构造方法为:新构造31N*16的矩阵,第一个HT矩阵放置在新构造矩阵的第1行第1列至第16行第1列之间,下一HT矩阵紧邻上一次放置的HT矩阵的右侧放置且起始行始终加1,在排列完16个HT矩阵之后,再将新构造的31N*16矩阵的其余元素填充为零;
(t)然后,新构造143N*128的矩阵,将第一个矩阵B放置在新构造矩阵的第1行第1列至第31行第16列之间,下一矩阵B紧邻上一次放置的矩阵B的右侧放置且起始行始终加16,在排列完8个矩阵B之后,再将新构造的143N*128矩阵的其余元素填充为零,即得到所述传输矩阵。
为了解决上述技术问题,本发明又提供了一种时分同步码分多址系统中的传输矩阵,其特征在于,
该传输矩阵是一维数为143N*128的矩阵,包含8个矩阵B,第一个矩阵B放置在新构造矩阵的第1行第1列至第31行第16列之间,下一矩阵B紧邻上一次放置的矩阵B的右侧放置且起始行始终加16,其余元素为零;
所述矩阵B是一维数为31N*16的矩阵,包含16个HT矩阵,第一个HT矩阵放置在新构造矩阵的第1行第1列至第16行第1列之间,下一HT矩阵紧邻上一次放置的HT矩阵的右侧放置且起始行始终加1,其余元素为零;
上述矩阵HT是矩阵H的转秩矩阵,矩阵H是由信道估计结果组成的一维矩阵,H=[h1,h2,...,h16N],其中N为过采样率,是大于等于1的整数。
由上可知,本发明通过在用户设备上采用联合发送技术对上行同步序列进行转换,消除了信道的时延特征,所以可以更准确地算出初始信号的定时,得到更准确的时间调整量,进而精确地指导用户设备完成上行同步的建立过程。本发明方法从根本上解决上行同步建立过程的低成功概率问题。
附图概述
图1是TD-SCDMA系统的子帧结构示意图。
图2是现有的上行同步建立流程图。
图3是本发明实施例提出的上行同步建立方法的流程图。
图4是本发明实施例提出的传输矩阵A的构造图。
本发明最佳实施方式
TDD移动通信系统是以时分双工为基础的,即下行链路和上行链路使用了相同的频率,这就使得下行链路和上行链路具有相同的无线传播环境。另一方面,信道冲击响应在一定时间范围内具有相关性,因而上行链路的信道冲击响应与下行链路的信道冲击响应在一定时间范围内也具有相关性,并可认为是相等的。
本发明利用了TDD移动通信系统中下行链路和上行链路的信道对称性和信道的时间相关性,提出了应用于用户设备(UE)的联合发送技术,并将该技术运用到TDD移动通信系统的上行同步建立过程中,从而通过用户设备的简单处理使得基站仅需进行相关运算就可以准确地检测出上行信号的定时。下面将结合附图给出本发明在TD-SCDMA系统中的具体实施方式,以进一步说明本发明的技术特征和功能特色,但不是用来限制本发明的保护范围。实际上,TD-CDMA和WCDMA系统中,仍然可以采用这一相同的方法。
在图1所示TD-SCDMA系统的子帧结构中,时隙0的Midamble与时隙UpPTS间最长的时间间隔小于一个时隙,而DwPTS(下行导频时隙)与时隙UpPTS间最长的时间间隔更是小于一个时隙的一半,因而可认为上行UpPTS的信道冲击响应等于下行时隙0或者下行DwPTS的信道冲击响应。而且时隙0的广播信道和DwPTS部分均采用固定功率进行连续发送。在用户设备侧,这两部分信号均具有较高的信噪比,它们的信道估计结果具有较高的准确性。在实现时可以依据用户设备的处理能力加以选择-如果处理能力较强,可选取DwPTS部分进行信道估计。
如图3所示,本实施例方法具体包括以下步骤:
步骤31,用户设备对DwPTS或者P-CCPCH(主公共控制物理信道)进行信道估计;
在信道估计过程中,本实施例是利用信道估计的长期滤波结果准确地获取径的位置,同时利用瞬时的信道估计结果获取有关径的信道估计值,从而提高信道估计的准确性,但也可以采用其它的信道估计方法。在此,我们将过采样率为1时的信道估计结果记为H=[h1,h2,...,h16]。
步骤32,用户设备确定上行同步时隙发送信号的发送定时;
这里可依据接收信号的功率估计出与基站间的距离,再计算出发送定时;也可以假定用户设备处于网络的某一位置,从而运用设定的发送定时。例如:假定用户设备处于小区边缘,此时可设发送定时比接收定时提前96个码片。也可以采用其它方式。
步骤33,用户设备依据下行信道估计结果,构造维数为143×128的由信道估计结果和扩频序列卷积构成的传输矩阵A,同时需构造与由拟发射信号和0元素组成的维数为1×143的矩阵d;
由于本实施例的联合发送技术使用在同步接入信道,这一信道与其它业务信道不同,因而构造出的矩阵A有其特征性。如图4所示,矩阵A由8个矩阵B并行排列而来,而矩阵B又由16个HT矩阵并行排列而来,其中HT为信道估计的结果所表示的16*1矩阵。
矩阵B的构造方法为:新构造31*16的矩阵,第一个HT矩阵放置在新构造矩阵的第1行第1列至第16行第1列之间,下一HT矩阵紧邻上一次放置的HT矩阵的右侧放置且起始行始终加1,在排列完16个HT矩阵之后,再将新构造的31*16矩阵的其余元素填充为零。
矩阵A的构造方法为:新构造143*128的矩阵,将第一个矩阵B放置在新构造矩阵的第1行第1列至第31行第16列之间,下一矩阵B紧邻上一次放置的矩阵B的右侧放置且起始行始终加16,在排列完8个矩阵B之后,再将新构造的143*128矩阵的其余元素填充为零。
若用户设备拟发射的上行同步序列为S=[s1,s2,...,s128],则矩阵d=[S,15×{0}]T,即在原拟发射的上行同步序列后加上15个0,构成一个包含143个元素的一维矩阵。
步骤34,用户设备求解d=Ae+n,获取替代信号e,e=[e1,e2,...,e128]T,其中n为噪声矩阵,n=[n1,n2,...,n143]T,可以是用户设备检测到的本地噪声,也可以通过估计基站侧UpPTS部分的信噪比获取;
具体实施时可采用联合检测技术中的MMSE-BLE(最小均方误差-块线性均衡)、ZF-BLE(破零-块线性均衡)等方法来求解信号e,当采用MMSE-BLE方法时,其通用的计算公式如下:
式中:A
*T是否表示A的共轭矩阵的转置矩阵。
表示实际发射的信号e,R
n名义上称为噪声空间相关矩阵,R
e名义上称为信号空间相关矩阵,R
n -1是R
n的逆矩阵,
表示在认为R
e=I的条件下。实际求解时,其流程和现有的联合检测算法的流程完全相同。可以运用Cholesky分解算法、近似Cholesky分解,也可采用FFT、Schur算法等。
为了避免对Rn求倒数的运算,也可采用MMSE-BLE方法的简化算法,其公式如下:
其中的σ2为噪声的能量中值。
或者,可采用更为简化的ZF-BLE方法,公式如下所示:
采用式(1)求解的性能较佳,但计算较复杂,采用式(3)计算简单,性能差些,而采用式(2)时性能和计算量介于上述两种方式之间。
步骤35,用户设备采用替代信号e代替原上行同步序列进行发射,其发送定时采用步骤32的结果即可;
步骤36,基站通过相关器对接收信号进行估计,并将相关输出能量最大的时刻作为上行信号的定时,从而推导出用户设备为了达到上行同步的效果而需要进行的时间调整量;
具体实施时也可采用FFT的辅助方法。如果发现搜索窗内存在小于最大峰值且与最大峰值之差小于xdB的另一峰值(x可设定,可取0~20dB),则认为此时存在两个用户利用同一接入码进行接入,可直接退出流程,否则执行步骤37。
步骤37,网络端利用获取的信息指导用户设备完成上行信号发射定时的调整,在TD-SCDMA系统中,这一信息是通过FPACH信道的特定字段传达的;
步骤38,用户设备根据网络端的命令调整上行信号的发射定时,此时,上行信号在基站侧即可获得上行同步。
这一通信过程也可进一步进入上行同步的跟踪阶段。
综上所述,本发明方法通过在用户设备上采用联合发送技术对上行同步序列进行转换,消除了信道的时延特征,所以可以更准确地算出初始信号的定时,得到更准确的时间调整量,进而精确地指导用户设备完成上行同步的建立过程,从根本上解决上行同步建立过程的低成功概率问题。
需要强调的是,本发明的方法并不局限于TD-SCDMA系统,在另两个实施例,本发明方法分别应用于TD-CDMA或者WCDMA系统中,且同样采用图3中的流程,只是构造的矩阵A和d的有所不同。TD-CDMA和WCDMA系统中矩阵A和矩阵d的构造方法在其它专利和文献中有所体现,如本文提到的申请号为03137628.2,发明名称为“基于联合检测联合发送技术的联合优化信号方法”的中国专利申请中公开了TD-CDMA和WCDMA系统中的矩阵A和矩阵d的构造方法。而TD-SCDMA系统的上行接入采用了特殊时隙结构,因而在本发明在上述实施例中提出了TD-SCDMA上行接入时隙的传输矩阵A的生成方法。
在TD-SCDMA系统中,矩阵A和B的维数决定于拟发送序列的宽度和信道估计的窗长。另外,其维数会随着过采样率的大小而变化。在又一实施例中,当过采样率为N时,H=[h1,h2,...,h16N],这样矩阵B和A的构造方法是一样的,但维数变大,如B矩阵为31N*16,而A矩阵为143N*128,其中N为大于等于1的正整数,由于采样率引起的维数变化应当视为上述实施例等同的变化。
工业实用性
本发明方法可用于TD-SCDMA、TD-CDMA或WCDMA系统,使得这些移动通信系统中的基站可以精确地指导用户设备完成上行同步的建立过程。具备工业实用性。