CN101171816A

CN101171816A - 在sc-fdma通信系统中进行频带限制的装置及其方法

Info

Publication number: CN101171816A
Application number: CNA2006800151096A
Authority: CN
Inventors: 金学成; 金奉会; 卢东昱; 安俊基; 徐东延
Original assignee: LG Electronics Inc
Current assignee: LG Electronics Inc
Priority date: 2005-05-02
Filing date: 2006-05-02
Publication date: 2008-04-30
Also published as: KR20060114755A; WO2006118411A2; KR101100199B1; EP1878187A2; US20090010150A1; WO2006118411A3

Abstract

本发明提供了在SC－FDMA通信系统中进行频带限制的装置及其方法。该方法包括以下步骤：生成SC－FDMA数据符号块；以及利用窗对所述SC－FDMA数据符号块进行频带限制。单载波频分多址(SC－FDMA)通信系统中的发送器包括：SC－FDMA数据符号块生成器，用于生成SC－FDMA数据符号块；以及窗，用于对所述SC－FDMA数据符号块进行频带限制。由于只需要在发送信号和窗之间进行乘法，所以利用窗进行频带限制的优点是减少了计算次数。

Description

在SC-FDMA通信系统中进行频带限制的装置及其方法

技术领域

本发明涉及单载波频分多址(SC-FDMA)通信系统，更具体地说，涉及一种SC-FDMA通信系统中的频带限制装置及其方法。

背景技术

通常存在三种多址方法，即，频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。

频分多址(FDMA)是一种在不同的频率载波上对多个基带信号进行调制并加在一起来创建复合信号的信号复用形式。

时分多址(TDMA)通过在每个信道内为每个用户分配唯一的时隙而使多个用户可以无干扰地接入单个射频信道。

码分多址(CDMA)不是通过时间(如TDMA那样)或频率(如FDMA那样)对信道进行划分，而是利用与每个信道相关联的特殊码来对数据进行编码并利用该特殊码的相长干涉特性进行复用。根据如何对信号进行扩频还将CDMA分为离散序列CDMA(DS-CDMA)、跳频CDMA(FH-CDMA)和以上两种的混合。DS-CDMA将数据切分为小片并在频域上对其进行扩展。在FH-CDMA系统中，发送器根据特定算法在可用频率之间“跳跃”，所述特定算法可以是随机的或者是预先计划好的。

单载波系统可以利用单载波频分多址(SC-FDMA)、码分多址(CDMA)或一些其他单载波调制方案。SC-FDMA系统可以(1)利用交织FDMA(IFDMA)在分布于整个系统带宽的子载波上发送数据和导频(2)利用集中FDMA(LFDMA)在一组相邻子载波上发送数据和导频或者(3)利用增强FDMA(EFDMA)在多组相邻子载波上发送数据和导频。通常，对于SC-FDMA(例如IFDMA、LFDMA和EFDMA)调制符号是在时域中发送的，而对于OFDM调制符号是在频域中发送的。

图1例示了第一种单载波频分多址(SC-FDMA)通信系统(即交织频分多址(IFDMA))的符号结构。IFDMA将Q个符号数据重复发送L次。Q符号序列表示为

其中i是特定用户的索引。

当根据IFDMA方法来发送符号序列时，形成保护间隔以避免数据块之间的干扰。保护间隔的长度应大于信道的延时。保护间隔和重复符号块一起形成了如图1所示的IFDMA符号。IFDMA符号cⁱ可以表示为：

例如，图1示出了当保护间隔长度为L_Δ＝2、符号序列的重复次数为L＝8并且符号数量为Q＝5时的IFDMA符号cⁱ。

此外，针对用户i的IFDMA符号的第I个分量，即针对用户i的第I个复符号数据可以表示为：

{c^{i}}_{1} = \frac{1}{L + L_{Δ}} d_{l \mod Q}^{i}, l = 1, . . ., L_{c} (= Q (L + L_{Δ}))

其中L_c是IFDMA符号cⁱ的维数。

用户相关相移地来发送图1所生成的数据符号块以区分多个用户。将数据块乘以用户相关相位矢量，其中维数为L_c的用户相关相位矢量s(i)具有以下分量

s⁽ⁱ⁾ _l＝exp(-j·l·Φ⁽ⁱ⁾)，l＝0，...，L_c-1，(L_c＝(L+L_Δ)Q)选择用户相关相位Φ⁽ⁱ⁾，使得

Φ^{(i)} = i \times \frac{2 π}{Q \times L}

最后，所得的发送信号矢量Xⁱ可以写作

X^{i} = [c_{0}^{i} c_{i}^{i} e^{- j Φ^{i}} . . . c_{L_{c} - 1}^{i} e^{- j (L_{c} - 1) Φ^{i}}]

(公式2)

由于每个信号生成了不同的相位延迟，因此将每个发送信号Xⁱ定位到不同的频率。

图2示出了作为具有脉冲整形滤波器(209)的SC-FDMA系统之一的OFDM(正交频分复用)-FDMA(频分多址)发送器的结构。

在这种情况下，考虑M个不同用户并且每个用户排他地分配L个不同子载波。所考虑的传输系统中的子载波的总数为No＝L*M。在编码器&交织器(201)处对每个移动用户m，m＝0，...，M-1的输入数据流进行卷积编码。随后将比特序列映射到相干、高级调制方案(202)的L个复调制符号

D_{1}^{(m)}, 1 = 0, . . ., L - 1 .

上。串并转换(203)后，利用单位扩频矩阵[C](204)在L个用户专门分配的子载波上对L个调制符号进行扩频，得到L个复发送符号S₁ ^(m)。随后在FDMA映射(205)处将发送符号S₁ ^(m)映射到专门为用户m分配的可用No个子载波的L个上。IFFT(206)将发送符号S₁ ^(m)转换为发送时间信号S₁ ^(m)。并串转换器(207)将该并行发送时间信号转换为串行发送时间信号。因此，采用DFT扩频矩阵和等距子载波分配的OFDM-FDMA上行链路中的用户m的发送时间信号S₁ ^(m)使得复用户数据符号D_i ^(m)序列周期性重复，该复用户数据符号D_i ^(m)序列包括所添加的作为循环前缀的保护间隔(208)。

此外，大多数传输系统都受到了由传输介质(铜线、同轴电缆、光纤等)的自然带宽或者由政府或规定条件施加的频带限制。因此，数据传输系统中的挑战是在所分配的带宽内以最少量(最好没有)的错误来获得尽可能高的数据速率。然而，矩形脉冲的问题在于其有效能量分布在相当大的带宽上，如其傅立叶变换所示。实际上，由于脉冲的频谱是通过近似正弦响应给出的，所以其带宽无限扩展。矩形脉冲的无界频率响应导致其不适于现代的传输系统。脉冲整形滤波器(209)应运而生。在数字通信系统中广泛采用了作为脉冲整形滤波器的平方根升余弦滤波器，以消除受衰减失真影响的信道上出现的符号间干扰(ISI)的影响。可以直接从脉冲响应中合成平方根升余弦滤波器，即：

f (t) = \sqrt{\frac{\sin (πt / T)}{πt / T} \frac{\cos (βπt / T)}{1 - 4 β^{2} t^{2} / T^{2}}}

(公式3)

其中T是采样周期，B是信号带宽和多余带宽的比。

然而，基本滤波过程是与时域中卷积同义的，并且数字滤波器需要卷积操作。采用脉冲整形滤波器的频带限制方法需要在最终发送信号与滤波器系数之间进行大量卷积操作，从而增加了计算次数。此外，由于卷积操作需要将最终发送信号与滤波器系数之间的乘法以及这些乘法之间的加法重复进行多次，因此利用其中一个脉冲整形滤波器的频带限制增大了峰值功率。换句话说，峰均功率比(PAPR)增加得如此之大以至于会改变放大器的工作点或可能给其他元件带来严重的负担。

因此，非常希望开发一种能够为SC-FDMA通信系统中的频带限制提供较少计算的技术。

发明内容

因此，本发明旨在一种在SC-FDMA通信系统中进行频带限制的装置及其方法，其基本上消除了由于现有技术的限制和缺点而导致的一个或更多个问题。

本发明的目的是提供一种以较少的计算在SC-FDMA通信系统中进行频带限制的装置和方法。

本发明的另一目的是提供一种以较小的时延在SC-FDMA通信系统中进行频带限制的装置和方法。

本发明的又一目的是提供一种以较低的PAPR在SC-FDMA通信系统中进行频带限制的装置和方法。

本发明的其他优点、目的和特征将部分地在随后的说明中进行阐述，且部分地通过本领域普通技术人员参阅以下说明而变得清楚，或者可以通过实施本发明而获知。本发明的目的和其他优点将由在说明书及其权利要求书以及附图中特别指出的结构而实现并获得。

为了实现这些和其他优点，并且根据本发明的目的，正如此处具体实施和广泛描述的那样，一种在SC-FDMA通信系统中进行频带限制的方法包括以下步骤：接收SC-FDMA数据符号块；以及利用窗对所述SC-FDMA数据符号块进行频带限制。

在本发明的另一方面中，一种SC-FDMA通信系统中的发送器包括：SC-FDMA数据符号块生成器，用于生成SC-FDMA数据符号块；以及窗，用于对所述SC-FDMA数据符号块进行频带限制。

应该理解，本发明的上述概括描述和以下详细描述都是示例性和说明性的，旨在为要求保护的本发明提供进一步的说明。此处所用的“示例性”一词是指“充当例子(example)、实例(instance)或例示(illustration)”。此处“示例性”描述的任何实施方式都不必被解释为相对其他实施方式是优选的或有利的。

附图说明

所包含的用于提供对本发明的进一步理解的附图被并入并构成本说明书的一部分，其例示了本发明的实施方式并与说明书一起用来说明本发明的原理。附图中：

图1例示了在L_Δ＝2、L＝8且Q＝5的情况下针对用户I的IFDMA符号c⁽ⁱ⁾的结构；

图2例示了利用脉冲整形滤波器在等距子载波上进行DFT扩频的OFDM-FDMA发送器；

图3例示了利用窗在等距子载波上进行DFT扩频的OFDM-FDMA发送器；

图4例示了矩形窗；而

图5例示了与未采用窗相比，采用窗时的频带限制效果。

具体实施方式

下面将详细说明本发明的优选实施方式，附图中例示了其实施例。只要有可能，就在所有附图中使用相同标号来表示相同或类似部分。

现参照附图，图3示出了OFDM(正交频分复用)-FDMA(频分多址)发送器(300)的结构，该发送器是利用窗而不是图2的脉冲整形滤波器(209)的SC-FDMA系统中的一种。如以下进一步详细描述的那样，窗(309)对于脉冲整形滤波器(209)有许多优点。加窗是一种对测量数据的时间部分进行整型，以使导致FFT频谱中的频率泄漏的边缘效应最小化的技术。通过正确地采用窗，可以提高频域结果的频谱分辨率。

对于SC-FDMA无线移动通信系统的频带限制包括以下步骤：生成用于频带限制的窗；以及利用所述窗对频带进行限制。窗的长度取决于SC-FDMA符号的数量，并且窗具有特定长度的窗头和窗尾。例如，窗W(n)可以描述为

W(n)＝

n/Nh，1≤n≤Nh(时段1)

1，Nh+1≤n≤N+Np+Nh(时段2)

(Nh+N+Np+Nt-n)/Nt，N+Np+Nh+1≤n≤N+Np+Nh+Nt(时段3)

其中n是每个SC-FDMA符号的索引号，Nh是窗头的长度，Nt是窗尾的长度，N是信息间隔中SC-FDMA符号的数量，而Np是保护间隔中SC-FDMA符号的数量。

W(n)可以每N+Np进行重复，使得一个W(n)的尾窗与下一W(n)的头窗部分或全部重叠。

图4示出了应用于SC-FDMA系统的矩形窗。在该图中，窗包括头窗、循环前缀、SC-FDMA符号和尾窗。在该例子中，头窗和尾窗的长度相同，即Nw。循环前缀的长度是Np，其中Np＝Q*L_Δ是保护间隔中的符号数量。SC-FDMA符号的长度是N，其中N＝Q*L是信息间隔中的符号数量。

下面的公式5是Nw＝Nh＝Nt＝32时窗(公式4)的具体例子。

n/32,1≤n≤32(时段1)

W(n)＝1,33≤n≤N+Np+32(时段2) (公式5)

(64+N+Np-n)/32，N+Np+33≤n≤N+Np+64(时段3)

将窗W(n)乘以SC-FDMA系统的发送信号x[n]来得到实际发送的信号。换句话说，实际发送的信号是发送信号x[n]乘以窗W(n)。当每个SC-FDMA符号的索引号n在时段1中时，将发送信号x[n]乘以窗W(n)的线性面积。图中所示的线性窗仅是一示例，窗可以是包括非线性窗的任何类型。当n在时段2中时，将x[n]乘以一个单位(unity)，其中x[n]包括信息间隔中的符号或者信息间隔和保护间隔二者中的符号。此外，由于在时段2中将x[n]在时域乘以一个单位，所以在频域中产生了频带限制效果。当n在时段3中时，将发送信号x[n]再乘以窗W(n)的线性面积。

尽管SC-FDMA符号的总长度为N+Np，但是窗的长度为N+Np+Nw。为了避免由于数据增加而导致的时延，前一窗的窗尾与下一窗的窗头重叠。因此，不会出现时延。在本例中窗头和窗尾的长度是相同的，但该长度可以不同，并且选择适当的长度对于本领域普通技术人员来说是一设计选择。

通过将矩形窗W(n)应用于发送信号x[n]而实现了频带限制。实际的发送信号是x[n]乘以W(n)。

这里出于例示的目的仅引入了矩形窗。然而窗可以是任何类型的，包括：高斯窗(Gauss)、汉明窗(Hamming)、汉宁窗(Hann)、巴特利特窗(Bartlett)、三角窗(Trangular)、巴特利特-汉宁窗(Bartlett-Hann)、布莱克曼窗(Blackman)、凯塞窗(Kaiser)、纳托尔窗、布莱克曼-哈里斯窗(Blackman-Harris)、布莱克曼-纳托尔窗(Blackman-Nuttall)、平顶窗(Flat top)、贝塞尔窗(Bessel)和正弦窗。

图5示出了与未采用窗时相比采用窗的效果。在该图中，SC-FDMA符号的长度为64，窗的长度为10。如图所示，当采用窗时，信号带宽外部的多余带宽中的功率谱密度(实线)降低了。

对于本领域技术人员来说，显然可以在不背离本发明的精神或范围的情况下对本发明中做出各种修改和变型。因此，只要本发明的修改和变型落入所附权利要求及其等同形式的范围内，本发明就要涵盖这些修改和变型。

Claims

1.一种用于在单载波频分多址(SC-FDMA)通信系统中进行频带限制的方法，该方法包括以下步骤：

生成SC-FDMA数据符号块；以及

利用窗对所述SC-FDMA数据符号块进行频带限制。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过离散傅立叶变换(DFT)扩频来生成所述SC-FDMA数据符号块。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述窗是线性窗和非线性窗中的一种。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述窗是高斯窗、汉明窗、汉宁窗、巴特利特窗、三角窗、巴特利特-汉宁窗、布莱克曼窗、凯塞窗、纳托尔窗、布莱克曼-哈里斯窗、布莱克曼-纳托尔窗、平顶窗、贝塞尔窗和正弦窗中的一种。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述窗是

n/Nh，1≤n≤Nh

W(n)＝1，Nh+1≤n≤N+Np+Nh

(Nh+N+Np+Nt-n)/Nt，N+Np+Nh+1≤n≤N+Np+Nh+Nt

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述SC-FDMA数据符号块包括保护间隔和信息间隔。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述窗的长度取决于所述SC-FDMA数据符号块的长度。

8.根据权利要求4所述的方法，其中Nh和Nt的长度相同。

9.根据权利要求7所述的方法，其中为避免时延，所述窗与下一窗重叠了Nh或Nt。

10.根据权利要求1所述的方法，其中通过将所述SC-FDMA数据符号块乘以所述窗来实现频带限制。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述SC-FDMA包括交织频分多址(IFDMA)。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述DFT扩频生成了等距子载波。

13.一种单载波频分多址(SC-FDMA)通信系统中的发送器，该发送器包括：

SC-FDMA数据符号块生成器，用于生成SC-FDMA数据符号块；以及

窗，用于对所述SC-FDMA数据符号块进行频带限制。

14.根据权利要求13所述的发送器，其中所述SC-FDMA数据符号块生成器包括离散傅立叶变换(DFT)扩频器。

15.根据权利要求13所述的发送器，该发送器还包括编码器和交织器。

16.根据权利要求13所述的发送器，该发送器还包括调制器。

17.根据权利要求13所述的发送器，该发送器还包括串并处理器和并串处理器。

18.根据权利要求13所述的发送器，该发送器还包括保护间隔添加器。

19.根据权利要求13所述的发送器，其中频带限制是通过将所述SC-FDMA数据符号块乘以所述窗来实现的。

20.根据权利要求1所述的方法，其中所述SC-FDMA包括正交频分复用(OFDM)-频分多址(FDMA)。