CN101272228B - 应用单载波频分多址传输系统的确认信令传输方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种应用单载波频分多址(FDMA)传输系统的确认信令(ACK)传输方法及装置，其包括发射ACK信令传输和接收ACK信令传输。该ACK信令传输包括依次进行的CAZAC序列生成，相位旋转，用户ACK比特映射控制装置，子载波映射，N点的逆离散傅立叶变换，循环前缀添加，及重复级联。该ACK信令传输包括依次进行的重复累加，循环前缀去除，离散傅立叶变换，子载波解映射，匹配相关，L点逆离散傅立叶变换，及用户ACK比特检测。本发明在保持系统原有传输信号峰均比性能的条件下，可提高系统的ACK信号传输的频率分集性能。

Description

应用单载波频分多址传输系统的确认信令传输方法与装置

技术领域

本发明有关于一种确认信令(ACK)传输方法与装置，特别涉及一种应用单载波频分多址传输系统的ACK信令传输方法与装置。

背景技术

单载波频分多址(SC-FDMA)是近年来国际上提出来的一种既具备单载波通信峰均比特性，又具备多载波通信实现简单和资源调度灵活特性的新型频分多址通信系统，主要应用于宽带移动通信的上行链路解决方案。目前，SC-FDMA有两种实现方式，一种是基于滤波器组变换的SC-FDMA，基于离散傅立叶变换扩频的广义多载波(DFT-S-GMC)；另一种是基于正交频分复用(OFDM)技术的SC-FDMA，如基于离散傅立叶变换扩频的OFDM(DFT-S-OFDM)。对于基于OFDM技术的SC-FDMA，与OFDMA系统相比，该系统可明显降低传输信号峰均比。然而，由于该类也是基于OFDM传输的，因此也具有对同步误差导致的多址干扰敏感的缺陷。对于基于滤波器组变换的SC-FDMA，由于其每个子带的带宽相对于载波频偏和多普勒频移较大，同时每个子带之间具有一定的频域保护间隔，此外每个子带的频谱具有陡峭的带外衰减，这些特征使得该方案对载波频偏和定时误差引起的多用户间干扰具有较强的鲁棒性。

对于无线通信系统，混合自动重传请求(HARQ)技术可以显著提高链路传输的可靠性，因此被广泛应用于时延要求相对不高而链路质量要求较高的数据传输中。当通信系统的下行链路采用HARQ技术时，其上行链路必须传输确认信号(ACK)表明接收端是否正确接收传输信息，以便下行发端判决是否需要重传。由于重传将占用系统资源，因此对上行ACK信令的检测就尤为重要。通常，ACK信令的比特误码率(BER)性能需要达到1e-2～1e-3量级。同时，在达到该BER条件下所需的信噪比(SNR)门限应低于系统采用最鲁棒的调制编码方式下所需BER对应的SNR门限。

对于单载波频分多址系统，传输信号峰均比是其最主要的优势之一。当ACK信令采用非捎带(not piggyback)传输方式时，单用户的ACK信令与数据必需采用时分复用的方式传输，以便数据信号的峰均比不受ACK信令的影响。并且，ACK信号的峰均比不应高于数据调制信号最低峰均比。传统的OFDM调制存在固有的峰均比高的缺陷，如802.16e标准规范中定义的ACK信令调制方法。但是由于ACK信令只携带1比特信息，因此可以采用特殊的信息序列，如常模零自相关(CAZAC)序列，传输该比特信息，以降低发射信号峰均比，如3GPP-LTE中采用的方法。另外，由于单用户的ACK信令只传输1比特信息，因此ACK信令必须在满足检测性能的条件下，尽可能的提高传输效率。

现有ACK信令调制方式，如802.16e标准规范中定义的ACK信令调制方法，由于采用QPSK调制方式，同时与导频信号一起传输，所以存在传输信号峰均比高的缺点。而3GPP-LTE标准化提案中的ACK信令调制方式虽然采用CAZAC序列，可以降低传输信号峰均比，但必须通过时、频两维的特殊跳频方式以提高信令的检测BER性能，这限制了该方案在不能采用跳频传输条件下的应用，如DFT-S-GMC系统。

因此，如何克服上述现有技术的缺失，进而有效提高系统的ACK信号传输的频率分集性能，是业界亟待解决的技术问题。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种应用单载波频分多址传输系统的ACK信令传输方法与装置，在保持系统原有传输信号峰均比性能的条件下，有效提高系统的ACK信号传输的频率分集性能，从而提高链路可靠性。

为了达到上述目的，本发明提供一种应用单载波频分多址(FDMA)传输系统的确认信令(ACK)传输方法，在保持系统原有传输信号峰均比性能的条件下，以提高系统的ACK信号传输的频率分集性能，其包括发射ACK信令传输和接收ACK信令传输，其中：

该发射ACK信令传输包括以下步骤：

根据既定的序列长度生成能满足发射信号峰均比要求的常模零自相关(CAZAC)序列；

旋转相位，用于根据来自用户ACK比特映射的控制信号改变CAZAC序列的相位；

用户ACK比特映射控制，用于根据每个CAZAC序列占用的子载波内需要复用的用户数目以及每个用户需要传输的ACK比特取值确定相位旋转装置中的CAZAC序列相位旋转量；

映射子载波，用于根据既定的子载波映射规则将相位旋转后的CAZAC序列映射到相应的子载波上传输；

逆离散傅立叶变换，用于子载波映射后的数据序列进行N点逆离散傅立叶变换(IDFT)；

添加循环前缀，用于对IDFT之后的数据序列添加循环前缀；

重复级联操作，用于对循环前缀添加后的并行序列进行重复级联操作；

该接收ACK信令传输包括以下步骤：

对并行数据序列进行重复累加操作；

去除循环前缀，用于去除输入的并行数据序列首部数据；

对去除循环前缀后的数据序列进行N点的离散傅立叶变换(DFT)；

按照发射端的各用户CAZAC序列的子载波映射规则从DFT之后各子载波上提取相应的数据；

将子载波解映射后获得的数据序列与接收端本地生产的CAZAC序列进行匹配相关运算；

对匹配相关后获得的数据序列进行L点的逆离散傅立叶变换(IDFT)；

根据发射端用户ACK比特映射控制装置13中定义的ACK比特映射规则，从IDFT后获得的数据符号序列中检测并判断各用户的ACK比特。

进一步地，在映射子载波时，采用子载波等间隔分组映射的规则作为既定的子载波映射规则，即将长度为L的CAZAC序列占用的L个子载波分成G个子载波组，每个子载波组由频谱上连续分布的L/G个子载波构成；采用码分复用的方式，可将多个用户的ACK信号映射到相同的L个子载波上传输；对于分别采用不同的L个子载波传输多组用户的ACK信令，各子载波组采用频分复用的方式占用一段连续的子载波作为一个ACK信令频域分配区域。

进一步地，在映射子载波时，对应没有映射到序列元素的子载波上传输零值。

进一步地，该发射ACK信令传输还包括将重复级联后的并行数据序列形成串行离散基带信号。

进一步地，该接收ACK信令传输还包括对串行数据序列进行串并转换。

进一步地，上述序列长度与占用的子载波数目相同。

本发明的另一方案是提供一种应用单载波频分多址(FDMA)传输系统的确认信令(ACK)传输装置，其包括ACK信令传输发射机和ACK信令传输接收机，在保持系统原有传输信号峰均比性能的条件下，以提高系统的ACK信号传输的频率分集性能，其中：

该ACK信令传输发射机包括依次耦合的CAZAC序列生成装置，相位旋转装置，用户ACK比特映射控制装置，子载波映射装置，N点的逆离散傅立叶变换装置，循环前缀添加装置，及重复级联装置；

该ACK信令传输接收机基带包括依次耦合的重复累加装置，循环前缀去除装置，离散傅立叶变换装置，子载波解映射装置，匹配相关装置，L点逆离散傅立叶变换装置，及用户ACK比特检测装置。

进一步地，该ACK信令传输发射机还包括并串转换装置，用于将重复级联后的并行数据序列形成串行离散基带信号。

进一步地，该ACK信令传输接收机还包括串并转换装置，用于对串行数据序列进行串并转换。

与现有技术相比，本发明的应用单载波频分多址传输系统的确认信令传输装置和方法，可在保持系统原有传输信号峰均比性能的条件下，有效提高系统的ACK信号传输的频率分集性能，从而提高链路可靠性。

附图说明

图1是本发明的应用单载波FDMA传输系统的ACK信令传输发射机基带实现结构图。

图2是本发明的应用单载波FDMA传输系统的ACK信令传输接收机基带实现结构图。

图3是本发明的多用户ACK信令传输子载波组映射与复用方法。

图4是应用单载波FDMA系统的ACK信令传输方法与802.16e-2005标准上行ACK信令传输方法在TU-3km/h信道下仿真的比特误码率性能比较。

图5是应用单载波FDMA系统的ACK信令传输方法与802.16e-2005标准上行ACK信令传输方法在TU-120km/h信道下仿真的比特误码率性能比较。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述，本领域的技术人员可由说明书所揭示的内容轻易了解本发明其它优点及功效。

以下将对照图1及2对本发明的一种应用单载波频分多址(FDMA)传输系统的ACK信令传输方法与装置的各组成部分进行详细的说明。该种应用单载波FDMA传输系统的ACK信令传输装置包括单载波FDMA传输系统的ACK信令传输发射机和单载波FDMA传输系统ACK信令传输接收机。

如图1所示，为应用单载波FDMA传输系统的ACK信令传输发射机基带实现结构框图，其包括依次耦合的常模零自相关(CAZAC)序列生成装置11，相位旋转装置12，用户ACK比特映射控制装置13，子载波映射装置14，N点的逆离散傅立叶变换装置15，循环前缀添加装置16，重复级联装置17和并串转换装置18。

该CAZAC序列生产装置11，用于根据既定的序列长度生成能满足发射信号峰均比要求的常模零自相关序列。同时，序列长度与占用的子载波数目相同。长度为L的CAZAC序列生成的表达式为：

C(n)＝exp(j2πpn²/(2L))，n＝0，1，…，L-1

其中p为整数，选择该参数使得生成的CAZAC序列满足发射信号峰均比要求。

该相位旋转装置12，用于根据来自用户ACK比特映射控制装置的控制信号改变CAZAC序列的相位。经过相位旋转装置，输出序列为：

b(n)＝C(n)*exp(-j2πqn/L)，n＝0，1，…，L-1

其中q为整数，该参数按用户ACK比特映射规则由该用户ACK比特映射控制装置13给出。

该用户ACK比特映射控制装置13，用于根据每个CAZAC序列占用的子载波内需要复用的用户数目以及每个用户需要传输的ACK比特取值确定相位旋转装置中的q参数。具体地，假设有U个用户，则每个用户传输的ACK比特取值与参数q的对应关系可表示为：

$q(u,a)=\frac{L}{U}\×u+\frac{L}{2U}\×a,u=\mathrm{0,1},...,U-1,a=\mathrm{0,1}$

其中q(u，a)表示第u(u＝0，1，…，U-1)个用户ACK比特取值为a(a＝0，1)时对应的q值。此处假设CAZAC序列长度可被2倍的用户数整除。

该子载波映射装置14，用于根据既定的子载波映射规则将相位旋转后的CAZAC序列映射到相应的子载波上传输，对应没有映射到序列元素的子载波上传输零值。经过子载波映射装置，输出信号序列可表示为：

$d\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}b\left(n\right),& k\∈\mathrm{\Ω}\\ 0,& k\∉\mathrm{\Ω},k\∈\left[\begin{array}{cc}0& N-1\end{array}\right]\end{array}\right.$

其中Ω表示CAZAC序列映射占用的子载波序号集，N为子载波总数。需要说明的是，为获得频率分集增益，CAZAC序列中各元素符号采用子载波等间隔分组映射的规则。具体地，将长度为L的CAZAC序列占用的L个子载波分成G个子载波组，每个子载波组由频谱上连续分布的L/G个子载波构成，采用码分复用的方式，可将多个用户的ACK信号映射到相同的L个子载波上传输。此外，对于分别采用不同的子载波组传输多组用户的ACK信令时，各子载波组可以采用频分复用的方式占用一段连续的子载波作为一个ACK信令频域分配区域。

该逆离散傅立叶变换装置15，用于子载波映射后的数据序列进行N点逆离散傅立叶变换(IDFT)。经过IDFT之后，输出信号序列可表示为：

$e\left(n\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}d\left(k\right)\exp (j2\mathrm{\πkn}/N),n=\mathrm{0,1},...,N-1$

该循环前缀添加装置16，用于对IDFT之后的数据序列添加循环前缀。经过循环前缀添加之后，输出信号序列可表示为：

s(n)＝e((n))_N，n＝-N_CP，…，0，1，…，N-1

其中N_CP表示循环前缀长度。

该重复级联装置17，用于对循环前缀添加后的并行序列进行重复级联操作。经过重复级联操作，输出并行信号序列可表示为：

$s^{\′\′}\left(n\right)=s^{\′}{\left(\left(n\right)\right)}_{N+N_{\mathrm{CP}}},$ n＝0，1，…，R×(N+N_CP)-1

其中，s′(n)＝s(n-N_CP)，n＝0，1，…，N+N_CP-1。R为重复级联倍数，取值大于等于1。

该并串转换装置18，用于将重复级联后的并行数据序列形成串行离散基带信号。然后经过数/模转换和射频单元后，由天线发射。

如图2所示，为该应用单载波FDMA传输系统的ACK信令传输接收机基带实现结构框图，其包括依次耦合的串并转换装置20，重复累加装置21，循环前缀去除装置22，离散傅立叶变换装置23，子载波解映射装置24，匹配相关装置25，L点逆离散傅立叶变换装置26，以及用户ACK比特检测装置27。

假设接收机理想同步，来自射频单元接收的模拟信号经过模数转换后接收的离散基带信号可表示为r(n)，n＝0，1，…，R×(N+N_CP)-1。

该串并转换装置20，用于对串行数据序列进行串并转换。经过串并转换后，输出为R个长度为N+N_CP的并行数据序列，可表示为：

r_l′(n)，n＝0，1，…，N+N_CP-1；l＝0，…，R-1

该重复累加装置21，用于对并行数据序列进行重复累加操作。经过重复累加操作，输出并行数据序列可表示为：

$v\left(n\right)=\underset{l=0}{\overset{R-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_l^{\′}\left(n\right),n=\mathrm{0,1},...,N+N_{\mathrm{CP}}-1$

该循环前缀去除装置22，用于去除输入的并行数据序列首部N_CP个数据。经过循环前缀去除操作，输出的并行数据序列可表示为：

v′(n)＝v(n+N_CP)，n＝0，1，…，N-1

该离散傅立叶变换装置23，用于对去除循环前缀后的数据序列进行N点的离散傅立叶变换(DFT)。经过DFT之后，数据序列可表示为：

$o\left(k\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}r\left(n\right)\exp (-j2\mathrm{\πkn}/N),k=\mathrm{0,1},...,N-1$

该子载波解映射装置24，用于按照发射端的各用户CAZAC序列的子载波映射规则从DFT之后各子载波上提取相应的数据。经过子载波解映射后，提取的数据序列可表示为：

w(n)＝o(k)，k∈Ω，n＝0，…，L-1

其中Ω表示发射端CAZAC序列映射占用的子载波序号集，并且k∈[0 N-1]，N为子载波总数。

该匹配相关装置25，用于将子载波解映射后获得的数据序列与接收端本地生产的CAZAC序列进行匹配相关运算。经过匹配相关运算，获得的数据序列可表示为：

y(n)＝w(n)*C^*(n)，n＝0，1，…，L-1

其中C(n)为本地生成的CAZAC序列，该序列与发射端CAZAC序列生产装置11，生成的CAZAC序列相同。上标“^*”表示复数共轭运算。

该逆离散傅立叶变换装置26，用于对匹配相关后获得的数据序列进行L点的逆离散傅立叶变换(IDFT)。经过IDFT后，获得的数据符号序列可表示为：

$z\left(k\right)=\frac{1}{\sqrt{L}}\underset{n=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}y\left(n\right)\exp (j2\mathrm{\πkn}/L),k=\mathrm{0,1},...,L-1$

该用户ACK比特检测装置27，用于根据发射端用户ACK比特映射控制装置13中定义的ACK比特映射规则，从IDFT后获得的数据符号序列中检测并判断各用户的ACK比特。具体地，假设各用户的ACK比特映射规则如用户ACK比特映射控制装置13表述中所示，则第u(u＝0，1，…，U-1)个用户ACK比特取值的判决如下：

$a_u=\left\{\begin{array}{cc}0,& \underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|z(\frac{L}{U}u+k)\right|}^2>\underset{k=L/2U}{\overset{L/2U+K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|z(\frac{L}{U}u+k)\right|}^2\\ 1,& \underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|z(\frac{L}{U}u+k)\right|}^2\≤\underset{k=L/2U}{\overset{L/2U+K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|z(\frac{L}{U}u+k)\right|}^2\end{array}\right.$

其中K为判决能量窗的大小，k∈[1，L/2U]。

如图3所示，为一种多用户ACK信令传输子载波组映射与复用方法。如图所示，长度为L的CAZAC序列被分割为长度为L/G的G(G＝2)组序列分别被映射到间隔为N_g个子载波的G组子载波上传输。采用码分复用的方式，可将多个用户的ACK信号映射到相同的L个子载波上传输；多个CAZAC序列对应的各子载波组采用频分复用的方式占用一段连续的子载波区域。

如图4、图5所示，为采用本发明的应用单载波FDMA系统的ACK信令传输方法与802.16e-2005标准上行ACK信令传输方法的比特误码率性能比较。由图4和图5可知，在TU-3km/h信道下BER大于0.001范围内，以及在TU-120km/h信道下BER大于0.002范围内，在达到相同BER条件下，单载波FDMA系统所需符号信噪比(Es/N0)均低于16e上行(16e-UL)。

如表1所示，为采用本发明的单载波FDMA系统的ACK信令传输方法与802.16e-2005标准上行ACK信令传输方法的峰均比与比特误码率性能的参数比较。

采用如表1参数设计的单载波系统ACK信令的调制信号的峰均比小于3.3dB。16e上行系统ACK信令的调制信号的峰均比大于6.8dB。

本发明实施例的方法流程可以配合上述的图1或图2的实施例说明来进行，在此不加以赘述。

综上所述，本发明主要应用于ACK信令与数据采用时分复用传输的系统，如单载波频分多址系统。本发明可在保持系统原有传输信号峰均比性能的条件下，有效提高系统的ACK信号传输的频率分集性能，从而提高链路可靠性。

上述实施例仅为例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，亦即，本发明事实上仍可作其它改变。因此，熟知本领域的技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修改。因此本发明的权利保护范围，应如后述的申请专利范围之所列。

                        表1

Claims (12)

1.一种应用单载波频分多址传输系统的确认信令(ACK)传输方法，在保持系统原有传输信号峰均比性能的条件下，以提高系统的ACK信号传输的频率分集性能，其包括发射ACK信令传输和接收ACK信令传输，其特征在于：该发射ACK信令传输包括以下步骤：

根据既定的序列长度生成能满足发射信号峰均比要求的常模零自相关(CAZAC)序列；

旋转相位，用于根据来自用户ACK比特映射的控制信号改变CAZAC序列的相位；

用户ACK比特映射控制，用于根据每个CAZAC序列占用的子载波内需要复用的用户数目以及每个用户需要传输的ACK比特取值确定相位旋转装置中的CAZAC序列相位旋转量；

映射子载波，用于根据既定的子载波映射规则将相位旋转后的CAZAC序列映射到相应的子载波上传输；

逆离散傅立叶变换，用于子载波映射后的数据序列进行N点逆离散傅立叶变换；

添加循环前缀，用于对逆离散傅立叶变换之后的数据序列添加循环前缀；重复级联操作，用于对循环前缀添加后的并行序列进行重复级联操作；

该接收ACK信令传输包括以下步骤：

对并行数据序列进行重复累加操作；

去除循环前缀，用于去除输入的并行数据序列首部数据；

对去除循环前缀后的数据序列进行N点的离散傅立叶变换；

按照发射端的各用户CAZAC序列的子载波映射规则从离散傅立叶变换之后各子载波上提取相应的数据；

将子载波解映射后获得的数据序列与接收端本地生产的CAZAC序列进行匹配相关运算；

对匹配相关后获得的数据序列进行L点的逆离散傅立叶变换；

根据发射端用户ACK比特映射控制装置(13)中定义的ACK比特映射规则，从IDFT后获得的数据符号序列中检测并判断各用户的ACK比特。

2.如权利要求1所述的应用单载波频分多址传输系统的ACK传输方法，其特征在于：在所述的映射子载波步骤中，采用子载波等间隔分组映射的规则作为既定的子载波映射规则，即将长度为L的CAZAC序列占用的L个子载波分成G个子载波组，每个子载波组由频谱上连续分布的L/G个子载波构成。

3.如权利要求1所述的应用单载波频分多址传输系统的ACK传输方法，其特征在于：在所述的映射子载波步骤中，采用码分复用的方式，可将多个用户的ACK信号映射到相同的L个子载波上传输。

4.如权利要求1所述的应用单载波频分多址传输系统的ACK传输方法，其特征在于：在所述的映射子载波步骤中，对于分别采用不同的L个子载波传输多组用户的ACK信令，各子载波组采用频分复用的方式占用一段连续的子载波作为一个ACK信令频域分配区域。

5.如权利要求1所述的应用单载波频分多址传输系统的ACK传输方法，其特征在于：在所述的映射子载波步骤中，对应没有映射到序列元素的子载波上传输零值。

6.如权利要求1所述的应用单载波频分多址传输系统的ACK传输方法，其特征在于，该发射ACK信令传输进一步包括：将重复级联后的并行数据序列形成串行离散基带信号。

7.如权利要求1所述的应用单载波频分多址传输系统的ACK传输方法，其特征在于，该接收ACK信令传输进一步包括：对串行数据序列进行串并转换。

8.如权利要求1所述的应用单载波频分多址传输系统的ACK传输方法，其特征在于：所述CAZAC序列长度与占用的子载波数目相同。

9.一种应用单载波频分多址传输系统的确认信令(ACK)传输装置，其包括ACK信令传输发射机和ACK信令传输接收机，在保持系统原有传输信号峰均比性能的条件下，以提高系统的ACK信号传输的频率分集性能，其特征在于：

该ACK信令传输发射机包括依次耦合的CAZAC序列生成装置，相位旋转装置，子载波映射装置，N点的逆离散傅立叶变换装置，循环前缀添加装置，及重复级联装置；

该ACK信令传输发射机还包括：用户ACK比特映射控制装置，所述用户ACK比特映射控制装置与所述相位旋转装置耦合；

该ACK信令传输接收机包括依次耦合的重复累加装置，循环前缀去除装置，离散傅立叶变换装置，子载波解映射装置，匹配相关装置，L点逆离散傅立叶变换装置，及用户ACK比特检测装置。

10.如权利要求9所述的应用单载波频分多址传输系统的ACK传输装置，其特征在于：该ACK信令传输发射机进一步包括并串转换装置，用于将重复级联后的并行数据序列形成串行离散基带信号。

11.如权利要求9所述的应用单载波频分多址传输系统的ACK传输装置，其特征在于：该ACK信令传输接收机进一步包括串并转换装置，用于对串行数据序列进行串并转换。

12.如权利要求9所述的应用单载波频分多址传输系统的ACK传输装置，其特征在于：所述CAZAC序列长度与占用的子载波数目相同。

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