CN101202611A

CN101202611A - 支持灵活的时域资源分配的ofdma下行导频结构的发送方法

Info

Publication number: CN101202611A
Application number: CNA2006101194160A
Authority: CN
Inventors: 戎璐; 熊勇; 张小东
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2006-12-11
Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2008-06-18

Abstract

一种支持灵活的时域资源分配的OFDMA下行导频结构的发送方法，其以时间片为最小单位进行重排域的时域资源调度，时间片的长度等于时频隙的时间长度，时频隙是OFDMA系统进行时频资源调度的最小单元，在每N个连续的时间片中，在1个时间片内发送复用的导频和数据，在另外N－1个时间片内只发送数据。采用本发明设计出来的OFDMA系统，不仅能够支持对重排域时域长度的灵活调度，而且能够支持对不同的移动速度范围，采用几乎完全相同的导频结构，只略微调整时域参数，就可以实现针对移动速度的优化。在不影响资源块颗粒度的前提下，且保证OFDMA系统时域资源调度的灵活性的同时，能够获得很高的频谱利用率。可广泛应用于采用OFDMA作为下行空中接口方案的无线通信系统。

Description

支持灵活的时域资源分配的OFDMA下行导频结构的发送方法

技术领域

本发明涉及无线通信系统中的OFDMA系统。

背景技术

现有的宽带无线接入通信系统，主要有两条发展路径。一条是从原有的模拟到数字的窄带话音无线通信系统，再到基于码分多址的第三代无线通信系统，向支持更高带宽多媒体业务的无线通信系统发展，其以第三代合作伙伴计划(3GPP)为代表；另一条是从原有的电路交换到分组交换的有线通信系统，到基于固定无线接入的宽带无线接入系统，向支持高移动性的无线通信系统发展，其以美国电气及电子工程师学会(IEEE)为代表。这两条发展路径殊途同归。

IEEE的移动WiMAX系统(802.16e)和3GPP的长期演化(LTE)系统，在其空中接口的下行链路中，都采用了正交频分多址(OFDMA)技术。但是这两套系统在OFDMA帧结构设计上有很大的不同。

移动WiMAX系统的时分复用系统(TDD)下行子帧中，采用可变长度的重排域(permutationzone)，每种重排域内的最小资源块为时频隙(slot)，导频在时间上和频率上都均匀地分布在每个物理簇中。因此，其导频所占资源比例相对固定，相应地其数据资源块的大小和数量也相对固定。其优点是系统设计简单，只需要确定一套同资源块大小相匹配的导频参数，不需要考虑资源块随时间的动态变化，上下行之间以及重排域之间资源配置灵活，下行子帧的长度和其中的资源块能够以时频隙为最小单位(通常为2个OFDM符号)进行灵活的调度；缺点是导频占用的资源较多，损失了大量的频谱资源。

LTE系统的下行链路中，采用固定长度的子帧，每个子帧内的最小资源块由一定数量的子载波组成，导频在频率上均匀地分布在相应的带宽范围内，而在时间上则不均匀，仅分布在每个子帧中的少数特定位置的OFDM符号中。其优点是频谱资源的使用效率高，尤其是对于慢变信道，导频只使用必要的资源，将绝大部分资源节省给数据使用；缺点是必须以子帧为单位(通常为7个OFDM符号)进行调度，在TDD方式下不利于进行灵活的时域资源调配。

现有的最主要的两套OFDMA系统，是IEEE 802.16e和正在制定过程中的3GPP LTE。IEEE802.16e的帧结构如图1所示。其下行子帧中的数据单元是以时频隙为最小单位，一个时频隙由时域上的若干个OFDM符号和频域上的若干个子信道所构成。在图1中所描绘的例子中，1个时频隙在时域上由2个OFDM符号组成。

IEEE 802.16e系统中，OFDMA导频排列模式的周期，等于时频隙的时间长度。与图1中所描绘的时域上含2个OFDM符号的时频隙的例子相对应，其导频的排列模式也以2个OFDM符号为周期。图2给出了IEEE 802.16e中的一个相应的导频和数据之间复用模式的例子。

如图2所示，每连续14个子载波中有2个导频符号，导频符号的位置同OFDM符号序号的奇偶有关，图2中第一行对应于偶数序号，第二行对应于奇数序号，这样，就可以保证在每2个OFDM符号中，所传输的数据调制符号的个数刚好是时频隙大小(24)的整数倍，即资源块最小单元的整数倍。这样一来，IEEE 802.16e系统可以在2个OFDM符号的精度下，对下行子帧及其内部的各个重排域的时间资源，根据情况需要进行相当灵活的调度。

由此产生的不足之处是，在每个传输数据的下行OFDM符号中，不论有没有必要，都必须传输固定数量的导频符号。在图2所示的导频和数据的基本复用模式下，导频所占资源的比例固定为1/7，数据所占资源的比例约为86％。事实上，在大量场景下，时域上传输这样密集的导频是没有必要的，反而消耗了宝贵的频谱资源，降低了频谱效率。尤其是在低速移动和固定游牧等主体应用场景下，实际上所需要的导频时间密度是比较稀疏的，完全可以间隔很多个OFDM符号，插入一次导频，将导频所占资源的比例降低到5％左右，将数据所占资源的比例提高到95％左右，仍然可以获得良好的系统性能。在这些情况密集下，固定而密集的导频模式，显然造成了不必要的频谱资源浪费。

3GPP LTE系统中，每个下行子帧由7个(采用短循环前缀时)或6个(采用长循环前缀时)OFDM符号组成。图3描绘了由7个OFDM符号组成的一个基本下行子帧中，导频和数据的复用模式。

由图3可见，在3GPP LTE系统中，下行每7个OFDM符号中只有2个符号插有导频，其他OFDM符号中均没有导频，通过信道插值获得所需要的信道估计。在这种配置下，导频模式的周期为7个OFDM符号，相应地，资源块单元，在时域上也由7个OFDM符号组成。在这种导频和数据复用的模式下，导频所占资源的比例为1/21，数据所占资源的比例约95％。

这种结构的不足之处是，其导频模式的周期很长，不利于灵活调度时域资源。例如，当导频模式的周期为7个OFDM符号时，下行资源调度在时间上的颗粒度只能达到7个OFDM符号，而不能够更细。这对于时分双工系统的上行和下行之间的资源灵活配置是很不利的限制。因为3GPP LTE系统所设计的这个复用模式，是以频分双工为首要的应用对象，所以它并不需要充分考虑到上行下行时域资源调度的问题。但是在以时分双工为首要的双工模式的宽带无线多媒体系统中，这一问题就显得很重要。当下行子帧中又分为多个重排域时，重排域之间的时间资源调度粒度，也将受到其导频模式周期的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种支持灵活的时域资源分配的OFDMA下行导频结构的发送方法。以保持时分双工模式下OFDMA时域资源调度的灵活性，并提高频谱利用效率。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种支持灵活的时域资源分配的OFDMA下行导频结构的发送方法，其以时间片为最小单位进行重排域的时域资源调度，时间片的长度等于时频隙的时间长度，时频隙是OFDMA系统进行时频资源调度的最小单元，在每N个连续的时间片中，在1个时间片内发送复用的导频和数据，在另外N-1个时间片内只发送数据。

其中，导频和数据复用的时间片中所含的数据符号个数、导频符号个数及纯数据传输时间片中所含的数据符号个数均为OFDMA系统最小数据资源块大小的整数倍。

其中，当OFDMA系统的频率复用因子为S时，所述导频和数据复用时间片中所含的数据符号个数、导频符号个数及纯数据传输时间片中所含的数据符号个数均为频率复用因子S和最小数据资源块大小D之乘积SD的整数倍。

其中，在重排域的末尾，当连续纯数据时间片的个数将超过某一限定数值时，在其术尾设置1个导频和数据复用的时间片。

采用本发明设计出来的OFDMA系统，其每个时间片，都包含整数个数据资源块，所以不仅能够支持对重排域时域长度的灵活调度，而且能够支持对不同的移动速度范围，采用几乎完全相同的导频结构，只略微调整时域参数，就可以实现针对移动速度的优化。在不影响资源块颗粒度的前提下，且保证OFDMA系统时域资源调度的灵活性的同时，能够获得很高的频谱利用率。可广泛应用于采用OFDMA作为下行空中接口方案的无线通信系统。

附图说明

图1为IEEE 802.16e系统的帧结构；

图2为IEEE 802.16e中OFDMA下行导频和数据的复用；

图3为3GPP LTE中OFDMA下行导频和数据的复用；

图4为本发明提出的导频时间结构；

图5为导频时域结构的实施例。

具体实施方式

一种支持灵活的时域资源分配的OFDMA下行导频结构的发送方法，以时间片为最小单位进行重排域的时域资源调度，时间片的长度等于时频隙的时间长度，时频隙是OFDMA系统进行时频资源调度的最小单元，在每N个连续的时间片中，在1个时间片内发送复用的导频和数据，在另外N-1个时间片内只发送数据。

其中，在重排域的末尾，当连续纯数据时间片的个数将超过某一限定数值时，在其末尾设置1个导频和数据复用的时间片。

本实施例中，采用类似于IEEE 802.16e的时间较短的时频隙，作为物理资源块的基本单元。与IEEE 802.16e不同的是，本实施例不是在每个时频隙的时间范围内都发送导频，而是只在一部分时频隙的时间范围内发送导频，而在另一部分时频隙的时间范围内不发送导频，将节省下来的频率资源也用于数据传输，从而提高了频谱利用效率。

为便于描述，本实施例中将时频隙的时间范围称为时间片。例如，对于由时域上的2个OFDM符号和频域上的24个子载波所构成的时频隙，相应的每2个OFDM符号就构成一个时间片。

设每个时间片长度为T，其中包含K个OFDM符号，本发明所提出的导频的时间结构如图4所示。每N个连续的时间片中，在1个时间片内发送复用的导频和数据，在另外N-1个时间片内只发送数据而不发送导频。

设一个重排域所分配的时间资源长度为L个时间片，L＝pN+q，1≤q≤N，则除了依照上述规则设置p+1个导频/数据时间片之外，如果q≥J(J的取值取决于信道估计时域外插的准确性)，则在这q个时间片的末尾部分再设置一个导频/数据复用时间片，其他时间片均设置为纯数据时间片。

在频域上，将连续的每R个有效子载波(包括数据子载波和导频子载波)作为一簇。对数据/导频复用的时间片，在其中的每个子载波簇中有P个导频，这P个导频在K个OFDM符号的R个子载波中的具体位置，可以遵循某一约定的模式。对数据传输的时间片，在其K个OFDM符号的R个子载波中全部都传数据，而不发送导频。

当数据/导频复用的时间片和纯数据传输的时间片中所含数据子载波的数量不同时，需要采用如下的设计方法，以够保证对于两种不同的时间片，其数据子载波都能够构成整数个资源块。

设频域上的所有有效子载波一共可以分为Q个子载波簇，则：对于一个纯数据时间片，其中所含的数据符号总数等于KQR，其中，K为OFDM符号数量，Q为子载波簇个数，R为一个子载波簇中有效子载波数量；对于一个导频/数据复用时间片，其中所含的数据符号总数等于KQ(R-P)，其中，P为导频数量。

设OFDMA系统的最小资源块单元包含D个数据符号，那么为了使得OFDMA系统可以在时域以时间片为粒度进行灵活的资源调度，就必须令每个时间片内的数据符号总数等于D的整数倍，即，要求KQR为D的整数倍，且KQ(R-P)为D的整数倍。因此，可以推知KQR也必须为D的整数倍。因为通常导频符号的数量远少于数据符号的数量，P显著地小于R和R-P，所以KQR必须为D的整数倍这个条件，更加直接地影响到本发明的系统参数设计。如果OFDMA系统的子载波簇还需要分配到S个扇区，那么KQP和KQR进一步必须是SD的整数倍。

在系统参数设计时，可以首先根据依赖于相干带宽的导频频域间隔和子载波簇的粗略大小等，确定每个子载波簇中所需要嵌入的导频数量P。然后根据所要求的最小资源块单元的大小D，和作为时域资源调度粒度的每个时间片内的OFDM符号个数K，确定子载波簇的数量Q＝nD/(KP)，其中n整数，通过选择合适的n，可以取得合适的尽可能大的子载波簇数量Q，以在系统可实现的前提下，获得尽可能高的频谱利用率。

这里以700MHz载频，5MHz带宽，5.6MHz采样频率，三个扇区为系统基本配置，给出本发明所提出的OFDMA导频结构的一个实施例。

(一)相关参数设计

在OFDMA系统中，将最小资源块单元中的数据符号个数取为：D＝48。

若考虑时域每K＝2个OFDM符号作为一个时间片，频域每十几个子载波构成一个簇，取一个OFDM符号中的导频间隔为6个子载波左右，则在一个簇内可以设置约P＝2个导频，在由一个簇和2个OFDM符号构成的时间片内，一共可以设置4个导频。

系统的扇区个数S＝3。根据KQP须为SD的整数倍的条件，设KQP＝mSD，其中m为待定整数，则代入各参数取值后可得子载波簇的数量为：Q＝18m。

为在5.6MHz的采样频率下达到95％左右的频谱利用率，有效子载波的数量需要在434个左右。而有效子载波的数量，应等于子载波簇的数量Q和每个簇内所含子载波个数R的乘积，因此R应当接近于434/Q＝434/18m≈24/m。在前面设计时频块内的导频数量P＝4时，已经假定了一个簇中应含有十几个子载波，即10＜R＜20，据此可以确定待定参数的取值应为m＝2，相应地，每个簇中应含有R＝24/m＝12个子载波。

进一步可以推出其它相关参数。子载波簇的总数为Q＝18m＝36，其中每个扇区可以分配Q/S＝36/3＝12个子载波簇。有效子载波的数量应为M＝QR＝36×12＝432。每个纯数据传输时间片中，所含的子信道数量应为KQM/D＝2×36×12/48＝18，其中每个扇区可以分配18/3＝6个子信道。每个导频/数据复用时间片中，所含的子信道数量应为KQ(M-P)/D＝2×36×(12-2)/48＝15，其中每个扇区可以分配15/3＝5个子信道。

表1给出了由此获得的一套OFDMA系统参数。

表1实施例中所设计的OFDMA系统参数

(二)导频结构应用

根据以上参数可知，时频隙的构成为：时域2个OFDM符号，频域24个数据子载波。

在时域，以每2个OFDM符合为一组，将(除前导序列以外的)OFDM符号分为一系列时间片。第1个时间片为导频/数据复用时间片；从第2个到第N个时间片为纯数据传输时间片；第N+1个时间片为导频/数据复用时间片；从第N+2个到第2N个时间片为纯数据传输时间片……依此类推，每间隔N-1个纯数据传输时间片，后跟1个导频/数据复用时间片……直到本重排域的末尾。如果在本重排域的最后一个导频/数据复用时间片之后，将有不少于b个纯数据时间片，则将最后一个时间片也设置为导频/数据复用时间片。

其中的参数N和b可以根据重排域所针对的移动速度范围，进行配置。例如，在某重排域所支持的移动速度为0～150km/h的情况下，为使得导频/数据复用时间片的发送周期小于相干时间，可以设置为每10个OFDM符号发送一次导频，即取：N＝5，以保障信道估计时域内插的准确性。J的取值主要取决于信道估计时域外插的准确性，例如可以取：J＝2。

图5给出了在长度L＝30个OFDM符号的一个重排域中，应用本导频时域结构的一个示例。因为每2个OFDM符号构成一个时间片，所以30个OFDM符号可分为15个时间片，而N＝5，15＝2N+5，所以p＝2，q＝5。首先从第一个时间片开始，每间隔N-1＝4个数据传输时间片，设置一个导频/数据复用时间片，即：将第1个、第6个、第11个时间片设置为导频/数据复用时间片，这里一共有p+1＝3个导频/数据复用时间片。然后，因为q≥2，所以将末尾的一个时间片也设置为导频/数据复用时间片。除了这4个导频/数据复用时间片之外，剩下的15-4＝11个时间片，均设置为纯数据传输时间片。

在每个导频/数据复用时间片的每个子载波簇中，采用相同的导频/数据复用模式。在各个纯数据传输时间片，只发送数据，不发送导频。

对每个导频/数据复用时间片，将每个扇区所分配的12个子载波簇中的12×10＝120个数据子载波，在这2个OFDM符号中，映射到5个大小为48的数据资源块；对每个纯数据传输时间片，将每个扇区所分配的12个子载波簇中的12×12＝144个数据子载波，在这2个OFDM符号中，映射到6个大小为48的数据资源块。

(二)频谱利用率

本发明实施例中的OFDMA系统的导频结构，同3GPP LTE系统相比，能够更好地支持时分双工系统中对下行子帧及各重排域频的时域资源灵活调度，同IEEE 802.16e系统相比，能够获得更高的频偏利用率。实施例中有效子载波相对应的频谱利用率为94.7％，高于IEEE802.16e中相应的部分使用子信道化(Partial Usage of SubChannels，PUSC)的频谱利用率92.0％和全部使用子信道化(Full Usage of SubChannels，FUSC)的频谱利用率93.4％。实施例中数据符号占有效子载波的比例，在导频/数据复用时间片内为83％，在纯数据传输时间片内为100％，按每5个时间片中含1个导频/数据复用时间片和4个纯数据传输时间片计算，平均比例为97％，高于IEEE 802.16e中相应的PUSC中的比例86％和FUSC中的比例90％。本发明实施例中的导频时间间隔，已经足以在700MHz的载频下，支持150km/h范围内的移动速度。

Claims

1.一种支持灵活的时域资源分配的OFDMA下行导频结构的发送方法，其特征在于：以时间片为最小单位进行重排域的时域资源调度，时间片的长度等于时频隙的时间长度，时频隙是OFDMA系统进行时频资源调度的最小单元，在每N个连续的时间片中，在1个时间片内发送复用的导频和数据，在另外N-1个时间片内只发送数据。

2.根据权利要求1所述的支持灵活的时域资源分配的OFDMA下行导频结构的发送方法，其特征在于：导频和数据复用的时间片中所含的数据符号个数、导频符号个数及纯数据传输时间片中所含的数据符号个数均为OFDMA系统最小数据资源块大小的整数倍。

3.根据权利要求2所述的支持灵活的时域资源分配的OFDMA下行导频结构的发送方法，其特征在于：当OFDMA系统的频率复用因子为S时，所述导频和数据复用时间片中所含的数据符号个数、导频符号个数及纯数据传输时间片中所含的数据符号个数均为频率复用因子S和最小数据资源块大小D之乘积SD的整数倍。

4.根据权利要求1至3中任一所述的支持灵活的时域资源分配的OFDMA下行导频结构的发送方法，其特征在于：在重排域的末尾，当连续纯数据时间片的个数将超过某一限定数值时，在其末尾设置1个导频和数据复用的时间片。