CN101199148B - 一种产生二维导频图案的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种产生二维导频图案的方法，该方法用于多址接入通信系统，上述二维导频信号图案用于估计时频等间隔采样的传播信道。上述方法包括以下步骤：产生基本二维导频图案，该导频图案在第一维度中完全分布，在第二维度中分布在其中的一段，且信道响应在所述第二维度的一段中恒定；然后将所述导频图案在第二维度进行周期性重复，其中所述导频图案的重复间隔等于在第二维度中进行信道估计所需的采样间隔。

Description

一种产生二维导频图案的方法

技术领域

本发明涉及具有多(子)载波的通信系统。更具体地，本发明涉及一种产生二维导频图案的方法。 

背景技术

多址接入通信系统具有在多个用户间有效地共享有限带宽的能力。可以通过诸如时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、正交频分多址(OFDMA)、码分多址(CDMA)、多载波CDMA(MC-CDMA)等的不同机制来控制或完全消除多个用户信号之间的相互干扰。 

除数据信号外，还有从各个用户发射的、用来支持数据信号正确接收的很多其它信号，例如：用于接收机中信道估计(channel estimation)的导频信号，这种导频信号位于通信信道中预定的某些时频单元处，并形成特定的图案(pattern)，即导频图案。在蜂窝系统中，这种用于信道估计的导频图案可以应用在下行链路(DL)和上行链路(UL)。 

在FDMA、OFDMA或MC-CDMA系统中，接收机使用导频图案来获取时间维度(time dimension)和频率维度(frequency dimension)中的样本或传输信道响应。这些导频图案必须允许在上述两个维度中对信号进行等距的抽样，从而以最有效的方式来估计一个给定传输信道。这是为了减少对信道样本的插值和滤波。 

在诸如数字视频广播(DVB)的广播系统中，整个系统用一个导频图案就足够了。然而，在诸如OFDM蜂窝系统中，或一般的多载波传输中，每个基站都需要通过下行链路发送用于用户设备(UE)中进行信道估计的二维导频图案。 

通过尝试优化各种参数，已经有了一些设计用于多址接入通信系统的导频图案的成果。 

EP 1 148 673 A2说明了基于拉丁方序列(Latin square sequences)的导频图案设计。其中，导频图案不仅用于信道估计，还用于基站识别(小区搜索)和DL同步。每个基站都有其特有的导频图案。以某一时间为周期，在整个可用频谱上定义每个导频图案。在这样的周期中，不同的导频图案最多碰撞(collide)一次。观察这些导频图案，可以发现它们在通信信道的时频栅格中形成了多条直线。不同导频图案的这些线的斜率不同。用该方法进行信道估计时存在的问题是，频域中的采样间隔取决于上述不同斜率，因此不同基站具有不同的最小采样间隔。 

在2004年春举行的2004车载电信会议(VTC)的文章中，“跳频-正交频分多址(FH-OFDMA)系统的基站识别”中，由于导频格点在频率中是周期地设置的，因而可以独立于拉丁方序列的斜率来控制采样间隔，从而能够进行导频图案的等间隔采样，避免了这一问题的出现。 

现有技术中导频图案存在的一个问题是，当通信信道的某一部分信道条件差时，或者当遭受相邻基站干扰时，导频可能会受到相当大的干扰。这可能会严重降低系统的性能。 

当现有技术的导频图案与使用多个发射和接收天线的多输入多输出(MIMO)系统一起使用时，会出现另一个问题。对于这样的系统来说，每个发射天线都必须分配一个用于估计该特定天线的特定传输信道的正交导频图案。还有，不同的MIMO系统应该在同一时间内使用具有有限干扰的不同导频 图案，这使得对可用导频图的数量需求加大。因为现有技术中可用导频的总量有限，所以当与MIMO系统一起使用时，可用导频可能很快就用完了。 

现有技术的另一个问题是，导频图案是定义在整个频谱上的。这限制了灵活地规划资源使用的可能性。需要一种能够把导频分配给允许用于导频的时频栅格中预定部分的方法。通过这种方法，就有可能很容易地分开时频栅格中的不同传输信道(信令、数据和导频)。 

还有一个问题是，要确保导频图案在任意时间偏移下，都是尽可能正交的，当用户没有被同步时也是如此。 

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种在某个时频栅格区域能够灵活地规划导频图案的方法，该方法产生的导频图案在恶劣的传输信道条件下或者在受到其它用户干扰时，具有更好地减少碰撞的性能。该方法还能够产生大量的导频图案，适合用于MIMO系统，并且同时能够确保导频图案之间的一定程度的正交性。也就是，确保在同步和异步运行情况下，都能预测相互碰撞的最大数量。 

本发明实施例设计了一种产生二维导频信号导频图案的方法，该方法用于多址接入通信系统中，上述导频图案用于估计时频等间隔采样的传播信道，由置于时频平面的时频单元组成。该方法包括以下步骤： 

-产生基本导频图案，该导频图在第一维度中完全分布，在第二维度中部分分布，其中所述的第二维度的部分分布是指在第二维度的一段中分布，并且在所述第二维度部分分布的一段中信道响应恒定。 

-对该基本导频图案沿该第二维度进行周期性重复，其中该基本导频图案的复制间隔等于该第二维度中所需采样间隔。根据本发明实施例，该第一维度和第二维度可以分别为时间和频率，或相反。 

通过这种方式，利用如上所述方法产生的导频图案具有很大的灵活性，同时也保留了导频图案等距采样的特性。 

利用该方法，可以产生一个大的不同导频图案的集合，而且可以大大减轻由于信道特性或其它用户产生的干扰问题。这是因为大量的导频图案将能够使干扰平均化。这种平均化的效果可以通过伪随机地改变特定用户在连续传输时间间隔内的导频图案来进行。同时，对于MIMO应用来说，将满足其对大量导频图案的需求。另外，由于该类导频图案分布在第二维度的一段中，而不是必须要分布在整个第二维度，因而，该方法将解决如上所述的资源规划问题。 

上述的导频图案可以通过在一个整数序列相邻的两个元素之间插入相等数量的空信令单元来得到，其中在相邻两个元素之间插入的空信令单元的个数与第一维度中的采样间隔相对应，且整数序列中元素的值表示的导频信号在第二维度中的时频位置。通过这种方式，设计了一种通用的产生该类导频图案且保留等距采样特性的方法。 

例如，可以通过映射下列序列来获得该整数序列：f(i)＝P[x(i)]，其中  $P\left(x\right)=\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j{x}^j,$ 为k次连带多项式(associated polynomial)，其自变函数x(i)为伽罗华域GF(Q)的元素组成的序列，其中“i”为序列元素x(i)的序号，多项式P(x)中的乘法和加法都是在GF(Q)中进行的，Q为质数幂。可以从具有不同系数的一个连带多项式的集合获得一个基本导频图案的集合。利用此连带多项式产生出了一个大的具有有限交点的导频图案集合。从而，可以在该集合中获得一个其中任一对导频图案的正交性都可以预测的、大的导频图案的集合。 

各个自变函数，以及Q和系数的各种变化，都是可能的，从而可以产生出导频图案的各个子集。这种变化包括： 

1)Q为质数，且其自变函数为x(i)＝i，i＝0，1，2，...，Q-1，系数n_k-1固定且所有其它系数n_j取来自GF(Q)的值。 

2)Q为质数幂，且其自变函数为x(i)＝αⁱ，i＝0，1，2，...，Q-2，α为GF(Q)的本原元素(primitive element)，系数n₁固定且所有其它系数n_j取来自GF(Q)的值。 

3)Q为质数，其自变函数为 

$x\left(i\right)=\left\{\begin{array}{c}1/i,i=\mathrm{1,2},...,Q-1\\ 0,i=0\end{array}\right.,$

且所有系数n_j取来自GF(Q)的值。在该子集的子集中，系数n₀固定且所有其它参数n_j取来自GF(Q)的值。 

所有的上述三个子集产生的导频图案具有下面所述的特点，某个子集中的任何两个导频图案之间在相互非零周期的时间移位(arbitrary mutual non-zeroperiodic time shift)情况下，导频图案之间的最大交点数都是可预测的。也就是说，采用上述方法，还可以解决导频图的正交性问题，另外，对于没有被时间同步的用户来说，也是如此。 

本发明实施例的方法可以在多址接入通信系统的发射机中实现。优选地，上述发射机将与多址接入通信系统中对应的接收机进行通信，该接收机包括用于接收和处理该发射机产生的信号的装置。它们将一起形成包括至少一个上述发射机和至少一个上述接收机的多址接入通信系统的一部分。 

根据本发明实施例，在具有多个发射天线的无线多址接入通信系统中，可以把本发明实施例产生的正交导频图案的各个子集分配给不同的用户，从而可以把各个正交图案用于一个特定发射天线。 

下面的说明可以将本发明实施例的其它特征和优点阐述得更为清楚。 

附图说明

下面将参考附图说明例示本发明的实施例，附图中： 

图1为具有导频图案的时频栅格的示意图； 

图2为包括三个不同导频图案的另一时频栅格的示意图； 

图3为一个多址接入通信系统的示意图； 

图4为具有多个天线的无线多址接入通信系统的示意图。 

具体实施方式

为了熟悉导频图案的概念，图1中示出了由频率轴和时间轴组成的时频(T-F)栅格，该时频栅格用于形成通信信道。如图1所示，在该栅格中有用于 信道估计的示例性导频图案。该导频图案由在某些特定时刻被调制到某些特定载波上的导频符号组成，该栅格中以黑色方块示出了这些有导频的时频单元。在本示例中，可以说该导频图案在栅格中具有斜率。 

本发明实施例说明了一种用于信道估计的二维导频图案的通用设计方法，该方法在该两个维度中的一个维度上重复基本导频图案。在第一维度上，该基本导频图完全分布，在第二维度上该基本导频图分布在一段，其中在所述第二维度的一段中，信道响应认为是不变的。如图2所示，导频1、2和3是完全占据了x轴维度的三个不同的基本导频图案。在本例中，x轴维度为时间。从图2所示的特定实施例可以看出，这三个导频图案仅占据第二维度中每一段的前六个载波。因而，由于信道响应在第二维度中的每一段中都是恒定的，所以可以明确地允许基本导频图案的取值的大小可以小于第二维度中的采样间隔。于是，没有必要把导频信号放置于上述第二维度每一段的时频栅格的每一个时频单元处。在该段中任一位置处进行的信道估计与在该段中任何其它位置处进行信道估计的质量相同。这就使导频图案的设计以及数据子载波和导频子载波之间的协调具有更高的灵活性。第二维度被分为多个段，在本例中，每段由11个子载波组成。于是，沿第二维度重复基本导频图案。在本实施例中，是沿频率轴重复。基本导频图案的重复间隔与第二维度中所需采样间隔相等。从图2中可以看出，格点图中上面的导频图是下面的导频图在间隔11个子载波的位置上复制得到。 

根据本发明实施例，上述基本导频图案可以通过在一个整数序列相邻的两个元素之间插入相等数量的空信令单元来得到，其中在相邻两个元素之间插入的空信令单元的个数与第一维度中的采样间隔相对应，且整数序列中元素的值表示的导频信号在第二维度中的时频位置。从图2中可以看出，沿x轴每隔一个时隙放置导频。在本例中，x轴对应于时间和第一维度。因此，该方案实现的空信令单元的数量为1，对应于第一维度中(本例中为时间)中的采样间隔(每两个时隙)。序列的值对应于导频信号在第二维度(频率)位置，例如，图1中的导频1的序列(0，1，4，...)，将对应于时隙0，2，4，...中的子载波0， 1，4，...。 

本发明实施例提出了一种基于所谓的连带多项式的、具有有限交点(limitedcross correlation)的基本导频图案集合的通用构造方法。通过映射如下定义的、长度为L的序列{f(i)}来获取用于生成基本导频图案的整数序列： 

f(i)＝P[x(i)]，i＝0，1，...，L-1  (1) 

$P\left(x\right)=\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{n}_j{x}^j,---\left(2\right)$

其中P(x)为k次连带多项式，其自变函数x(i)为伽罗华域GF(Q)的元素的序列，其中“i”为序列元素x(i)的序号，多项式P(x)中的乘法和加法都是在GF(Q)中进行的，Q为质数幂。 

可以从具有不同系数n_j的连带多项式的集合获得基本导频图案的集合。于是，不同导频图案的最大数量，为Q^k+1。 

通过找出两个连带多项式之间的差，可以很容易的看出，通过这种方式，任意两个序列之间的最大交点数等于多项式的最大阶(k)与同一元素在序列x(i)中出现的最大次数的乘积。 

根据本发明实施例，提出了基于特定自变函数x(i)和特定连带多项式集合的导频图案集合的三种通用方法。该导频图案集合用于时间上不同步的、使用不同导频图(例如，蜂窝系统中的多个基站)的用户。 

在这三种方法产生的导频图案集合中，每个集合中的任何两个导频图案在任意相互的非零周期的时间移位的情况下，任一对导频图案最多具有k或2k个交点。三种构造方法的数学特性的证明可在下列文献中找到： 

1986年6月5日的IEEE电子快报22卷12期640-642页的、作者为B.M.Popovic的“用于同步频率跳复用的新序列”， 

1981年7月的IEEE航空航天与电子系统学报的AES-17卷571-578页的、作者为R.M.Mersereau和T.S.Seay的“基于低模糊度的多址接入频率跳变模式”，和 

1982年在马萨诸塞州波士顿市MILCOM-82进行的IEEE军事通信会议的 会议录22.3.1-22.3.6页的、作者为的T.S.Seay“用于有界相互干扰和频率跳变多址接入的跳变模式”。 

如下定义构造方法1)： 

1)x(i)＝i，i＝0，1，2，...，Q-1， 

Q为质数，(2)式中的系数n_k-1固定，所有其它的系数n_j取来自GF(Q)的值。 

该方法产生有Q^k个导频图案的集合，并且在该集合中，在任意相互的非零周期的时间移位情况下，任一对导频图之间最多具有k个交点。 

如下定义构造方法2)： 

2)x(i)＝αⁱ，i＝0，1，2，...，Q-2 

α为GF(Q)的本原元素，Q为质数幂，(2)式中的系数n₁固定，所有其它的系数n_j取来自GF(Q)的值。 

该方法产生有Q^k个导频图案的集合，且在该集合中，在任意相互的非零周期的时间移位情况下，任一对导频图之间最多具有k个交点。 

构造方法1)和构造方法2)所产生的不同导频图案的最大数量相同，都等于Q^k。在导频图案之间交点的最大数量和导频图案的个数一定的前提下，构造方法1)由于产生的整数序列较长(为Q个而不是Q-1个)，因而就归一化的互相关(k/L)来说，要比构造方法2)稍好。 

如下定义构造方法3)： 

$3),x\left(i\right)=\left\{\begin{array}{c}1/i,i=\mathrm{1,2},...,Q-1\\ 0,i=0\end{array}\right.,$

Q为质数，且所有的系数n_j都取来自GF(Q)的值。 

构造方法3)产生长度为Q的Q^k+1个不同导频图案，在任意非零时间偏移的情况下，该集合中任意两个导频图案之间的交点最大个数为2k个。固定系数n₀且所有其它的系数n_j都来自GF(Q)的值，这样可以通过调整构造方法3)来产生导频图之间干扰较小的导频图集合。在本例中，有Q^k个长度为Q的不同导频图，在任意非零周期的时间偏移的情况下，该集合中任意两个模式之间的交点最多为2k-1个。 

以下为构造方法3)证明的概要。我们必须证明在任意非零周期的时间移位为p的情况下，两个不同序列之间的最大交点数为2k。定义序列的两个函数为A(i)和B(i)。定义差函数D(i)＝A(i+p)-B(i)。现在所定义的足够用来表示D(i)的零值的最大数等于2k，且只有当两个序列相同时，D(i)为等于零的恒定值。 

现在，以图2所示的三个导频图为例。在本例中，假定频域中的采样间隔为M＝11个子载波，且时域中的采样间隔为两个OFDM符号。采用构造方法1)，其中以如下方式给出x(i)： 

1)x(i)＝i，i＝0，1，2，...，Q-1， 

并且在本例中，Q＝7且k＝2。固定系数n_k-1＝n₁＝0。研究总共49(Q^k＝7²＝49)个连带多项式中的三个：P₁(x)＝x²，P₂(x)＝2x²+1和P₃(x)＝3x²+2。现在，由于我们截取了序列i＝0，1，2，...，6，因而每个多项式都输出一个对应的序列。例如，p₁的序列为：0，1，4，2，2，4，...。该序列示出的最后一个元素是4，这是因为5²对6取模等于4。也就是说，该方法要求在伽罗华域GF(6)中进行计算。现在，可以很容易地看到导频1的序列是如何映射到时频栅格上去的。该序列中的每一个值都对应于导频信号沿频率(子载波)索引的位置。 

应该注意，图2中的导频图案是正交的，也就是说，它们没有碰撞。因此，这些导频图案构成了也可以用于MIMO传输的正交导频图的一个非平凡(nontrivial)子集。(可以从除了系数n₀外，其它系数都相同的多项式子集，获得平凡正交子集。) 

这样的导频图案可用于多天线传输(MIMO)系统，在该系统中，可以把各个正交导频图案分配给同一基站(或用户设备)不同发射天线的传输。可以把具有有限相互干扰的、同一导频图案集合中的其它正交导频图案的子集，分配给其它基站不同发射天线的MIMO传输。通过这种方式，确保了即使是来自不同的异步基站的MIMO传输，也只会把有限且预定的相互干扰引入系统。 

如图3所示，本发明实施例还提供一种多址接入通信系统。在本实施例中，该系统包括蜂窝系统100的基站(多个基站)110和与该基站(多个基站)通信的终端(多个终端)130。基站(多个基站)和/或终端(多个终端)包括至 少一个发射机，该发射机包括用于执行根据本发明实施例方法的装置。可以设置该装置用于在不同的时间间隔，伪随机地改变导频图案。基站(多个基站)和/或终端(多个终端)还包括至少一个接收机，该接收机包括用于接收和处理该发射机产生信号的装置。 

参见图4，本发明实施例还提供一种包括多个天线的无线多址接入通信系统，从而可以把根据本发明实施例所述方法生成的正交导频图案的各个子集分配给不同的用户。例如，该系统包括蜂窝系统200的基站(多个基站)210和与该基站(多个基站)通信的终端(多个终端)230，从而可以把各个正交导频图案用于来自特定发射天线240的传输。可以在不同时间间隔，伪随机地改变这些导频图案。 

应该理解，上述说明仅仅是解释性的。在所附权利要求书的范围内，可以对本发明进行多种方式的修改。 

例如，可以交换所用的维度，把类导频模式的第一维度变为频率，而第二维度则变为时间。 

Claims (8)

1.一种产生二维导频图案的方法，该方法用于多址接入通信系统，所述导频图案用于估计时频等间隔采样的传播信道，由时频平面上的时频单元组成，其特征在于，包括：

产生基本二维导频图案，所述基本二维导频图案在第一维度中完全分布，在第二维度中部分分布，其中所述在第二维度中部分分布是指在第二维度的一段中分布，并且在所述第二维度中部分分布的一段中信道响应恒定；

将所述基本二维导频图案沿所述第二维度进行周期性重复，其中所述基本二维导频图案的重复间隔等于所述第二维度的采样间隔；

所述第一维度为时间，所述第二维度为频率，或者，所述第一维度为频率，所述第二维度为时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基本二维导频图案是通过在一个整数序列的相邻两个元素之间插入相等数量的空信令单元获得；其中所述空信令单元的个数与第一维度中的采样间隔相对应，所述整数序列的元素确定导频信号在所述第二维度中的位置。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过映射下列序列获得所述整数序列：f(i)＝P[x(i)]；其中， 为k次连带多项式，其自变函数x(i)是由伽罗华域GF(Q)元素组成的序列，i为序列元素x(i)的序号，多项式P(x)中的乘法和加法都是在GF(Q)中进行的，Q为质数或质数幂，n为多项式P(x)中的系数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，从具有不同系数的连带多项式的集合获得基本二维导频图案的集合。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，Q为质数，所述自变函数为x(i)＝i，i＝0，1，2，...，Q-1，系数n_k-1固定，其它的系数n_j取GF(Q)的所有值。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，Q为质数幂，自变函数为 x(i)＝αⁱ，i＝0，1，2，...，Q-2，α为GF(Q)的本原元素，系数n₁固定，其它的系数n_j取GF(Q)的所有值。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，Q为质数，自变函数为 

系数n_j取GF(Q)的所有值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，系数n₀固定，其它的系数n_j取GF(Q)的所有值。 

Images