CN101272372B

CN101272372B - 一种ofdm自动闭环发送分散导频插入控制方法

Info

Publication number: CN101272372B
Application number: CN2008101030916A
Authority: CN
Inventors: 陈朝阳
Original assignee: Beijing Northern Fiberhome Technologies Co Ltd
Current assignee: CICT Mobile Communication Technology Co Ltd
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: CN101272372A

Abstract

本发明涉及一种利用OFDM系统接收端估计出的误比特率(BER)来动态自动闭环调整发送端的分散导频插入间隔的方法，具体包括步骤：当接收数据的BER超过给定值时，就通过增加命令，通知发送端增加插入的导频数量；当接收数据的BER低于给定值时，就通过减少命令，通知发送端减少插入的导频数量；发送端在每个发送的OFDM帧内都指示本帧的帧格式；帧格式信息插入在第一个导频单元的后面。采用本发明的方法，可以根据信道情况及时动态地调整导频插入数量，既满足系统对BER值的要求，又最大程度地提高了频谱效率。

Description

一种OFDM自动闭环发送分散导频插入控制方法

技术领域

本发明涉及移动通信领域，尤其涉及一种宽带移动无线通信正交频分复用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系统中自动闭环发送分散导频插入控制的方法。

背景技术

近几年来，在新一代宽带移动无线通信系统中，正交频分复用OFDM技术已经取代单载波扩频技术，例如CDMA，成为主流的基本发送技术。较早采用OFDM技术的包括数字广播DAB和数字电视DVB。随后，宽带无线接入系统标准IEEE 802.11g/a/n、802.16d/e和正在制定中的802.20也以OFDM/OFDMA技术为基础。另外，目前正在标准化的3GPP LTE长期演进技术和3GPP2 AIE空中接口演进技术也很可能选用OFDM及其改进型下行OFDM、上行DFT-S-OFDM作为基本多址技术。近距离通信UWB技术的两个备选方案之一也采用了多载波MC-OFDM。预计未来的B3G技术也将基于OFDM。总之，目前无线通信领域所有的新兴技术几乎都以OFDM为核心。

OFDM技术是采用多载波传输的方式克服由于多径效应而引入的时延功率谱扩散而带来的频率选择性衰落，频率选择性衰落在高速的宽带移动通信系统中特别突出。OFDM技术将高速率的信息数据流经串/并变换，分割为若干路低速数据流，然后每路低速数据采用一个独立的载波调制并叠加在一起构成发送信号。在接收端用同样数量的载波对发送信号进行相干接收，获得低速率信息数据后，再通过并/串变换得到原来的高速信号。由于信道中多径时延功率谱的扩散区间是由信道客观特性所决定的，然而决定系统传输性能的不是扩散区间的绝对值，而是扩散区间在被传送信息码元中所占的相对百分比。OFDM技术将待发送的信息码元通过串/并变换，降低速率，增大信息码元周期，减少多径时延扩散在接收到的信息码元中所占的相对百分比值，以削弱多径干扰对传输系统性能的影响。

OFDM系统对脉冲干扰的抵抗能力要比单载波系统大得多，这是因为OFDM信号的解调是在很多符号周期内积分，从而使脉冲干扰的影响得以分散。OFDM系统抗多径传播与频率选择性衰落能力强，由于OFDM系统把信息分散到许多个载波上，大大降低了各子载波的信号速率，从而能减弱多径传播的影响，再通过采用保护间隔的方法，可以完全消除符号间干扰。

在OFDM系统中，信道估计大致可以分为两种：一种是基于导频辅助的信道估计算法，另一种是盲估计算法。二者相比较而言，虽然基于导频辅助的信道估计方法由于导频的插入降低了系统的频谱效率，但因其相对简单而在无线通信系统中得到了广泛应用。

申请号为03118746.3、并于2003年8月20日公开、名称为“正交频分复用通信系统中的信道估计方法”的中国专利申请给出了一种正交频分复用通信系统中基于导频辅助的信道估计方法，该方法对于梳状导频和分散导频均适用，且在信道信噪比较高时可以降低导频和数据的比例，但是对于如何根据信噪比改变导频数据比，该专利却没有给出。由于导频插入的多少应该与信道变化的快慢有关，受信噪比的影响很小，因此将信噪比作为决定导频和数据比例的依据并不合适。

申请号为01121742.1、并于2002年1月16日公开的名称为“在OFDM系统中用于STTD方案的导频模式设计”的中国专利申请给出了一种OFDM系统中用于STTD方案的导频模式设计方法，其中给出了导频模型和导频取值，目的是为了将不同发射天线的信道分开，导频间隔是固定的。

申请号为：03101807、并于2003年12月24日公开的名称为“按照信道状态执行自适应均衡的正交频分复用均衡器”的中国专利申请给出了一种按照信道状态执行自适应均衡的OFDM均衡器。在接收端根据导频得到信道变化状态，从而确定选择多个导频的非线性内插还是两个导频的线性内插，但是该均衡器仅在接收端判断信道状态，并不将其反馈给发送端，所说的自适应是指接收端根据信道条件选择内插方式，可以说是一种信道估计方法的自适应。

IEEE802.16a标准中给出了无线城域网的OFDMA中物理层导频插入的方式，在每个OFDM符号内既有固定位置的导频也有变化的导频，位置的变化由公式给出，且以4个OFDM符号为周期位置重复。类似的导频插入方式在申请号为01130988.1、并于2003年4月2日公开的名称为“数字地面广播COFDM传输系统中的信号传输方法”的中国专利申请给出的数字地面广播COFDM传输系统信号传输方法中也可看到。二者的共同特点是，导频的位置虽然是有变化的，但变化是周期的，与实时的信道条件变化无关。

从上述方法可以看出，对于OFDM系统用于信道估计的导频的研究，主要集中于在确定信道条件下导频图案和导频值的设计，以及相应的信道估计方法方面。但是由于终端移动和周围环境的变化，信道条件也是不断变化的。在不同的信道参数条件下，导频间隔的要求是不同的，在信道变化较慢时需要很少的导频即可很好地估计信道，在信道变化较快时需要很多导频才能较好地估计信道。

申请号为2004100888876.并于2006年5月17日公开的名称为“OFDM系统中自适应导频插入的方法”中国专利申请给出了一种OFDM系统中自适应导频插入的方法，发送端根据接收端估计的信道参数自适应选择不同间隔导频模型，在信道变化慢时，采用间隔大、数量少的导频模型；在信道变化快时，采用间隔小、数量多的导频模型。将信道参数、最大时延扩展和相对多普勒频移进行分段，不同的导频间隔对应不同的导频模型。但是没有给出最大时延扩展和相对多普勒频移的测量方法，事实上，最大时延扩展和相对多普勒频移工程测量困难。从而使这种方法在工程上难于实现。

而且在现有的自适应技术中，仅考虑了如何利用接收端估计出的信道信息来调整发送端的功率、调制等参数，或者仅在接收端进行自适应信道估计方案选择，利用接收端估计出的信道信息来调整发送端的导频插入间隔又因为相干时间和相干带宽估计困难而没有实用的方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种OFDM自动闭环发送分散导频插入控制方法。

本发明的一种OFDM自动闭环发送分散导频插入控制方法，包括以下步骤：当接收数据的BER超过给定值时，就通过增加导频命令，通知发送端增加插入的导频数量；当接收数据的BER低于或等于给定值时，就通过减少导频命令，通知发送端减少插入的导频数量；发送端在每个发送的OFDM帧内都指示本帧的帧格式；帧格式信息插入在第一个导频单元的后面。

如上所述方法，其中，如果给定的BER值为ψ，实时接收的BER值为γ，当γ＞ψ时，接收端向发送端发出增加插入导频的命令1，发送端将导频单元的数量变为原先的2倍，这些增加的导频占据原先数据符号占据的位置，并且导频单元在OFDM帧中保持均匀分布；如果给定的BER值为ψ，实时接收的BER值为γ，当γ≤ψ时，接收端向发送端发出减少插入导频的命令0，发送端将减少导频单元的数量为原先的1/2，仍然保持导频单元在OFDM帧中的均匀分布；在第一个导频单元的后面，紧接着插入更新的帧格式信息，接收端在接收到帧格式信息后，对本帧正确接收；帧格式信息是一个自然数，表示从最密集的帧格式到最稀疏的帧格式的所有帧格式。

如上所述方法，其中，当达到最密集导频模式后，γ＞ψ时，导频的数量保持不变；当达到最稀疏导频模式后，γ≤ψ时，导频的数量也保持1个不变。

如上所述方法，其中，在初始化状态下，采用最密集导频模式；假设一个OFDM帧在时间长度上包括2^N个OFDM符号，其序号为0，1，...，n，...，2^N-1，在频域有2^M个子载波，其序号为0，1，...，m，...，2^M-1，整个OFDM帧总共有2^N+M个时频单元，在最密集的导频模式时有2^N+M/2个导频单元，帧格式信息需要N+M-1位表示所有的帧格式。

如上所述方法，其中，最稀疏导频模式为，在一个OFDM帧中，只有(0，0)位置的时频单元是导频单元，其余的都是数据单元。

采用本发明的这种动态自动闭环分散导频控制方法，可以根据信道情况及时动态地调整导频插入数量，既满足系统对BER值的要求，又最大程度地提高了频谱效率。

附图说明

图1是OFDM自动闭环发送分散导频插入控制方法的示意图；

图2是n＝3，m＝3时，最密集导频模式的示意图；

图3是n＝3，m＝3时，次最密集导频模式的示意图；

图4是n＝3，m＝3时，最稀疏导频模式的示意图。

图5是n＝3，m＝3时，次最稀疏导频模式的示意图。

具体实施方式

本发明提供的是一种OFDM自动闭环发送分散导频插入控制方法，也就是一种利用接收端估计出的误比特率(BER)来动态自动闭环调整发送端的分散导频插入间隔的方法。接收端接收信息的误比特率(BER)和无线移动信道的变化快慢有紧密的相关关系。正是快速的信道变化导致信道估计的相关性变差，也就是说快速的信道变化导致导频处的信道衰落情况不能代表数据处的信道衰落情况，但是在工程上，我们是用导频处的信道衰落情况代表数据处的信道衰落情况的，这样就造成了BER的上升。可以说，如果导频处的信道衰落情况和数据处的信道衰落情况完全一致的话，在设计良好的通信系统中，接收端就不会有误码，即BER是0。导频处的信道衰落情况和数据处的信道衰落情况差别越大的话，BER就会越高。所以，导频处信道衰落情况和数据处信道衰落情况的差异和BER的大小有对应关系。在快速衰落的信道中，就是要导频和数据的时间距离和频率距离近。在衰落速度慢的信道中，为了尽量提高频谱效率，就要尽量少插入导频。如果BER给定，在信道衰落的快慢随机变化的情况下，就需要动态自动调整插入的导频数量和间隔。BER给定的情况是通信系统的普遍情况。

本发明的动态自动闭环调整发送端的分散导频插入间隔和数量的方法是：当接收数据的BER超过给定值时，就通过增加命令，通知发送端增加插入的导频数量；当接收数据的BER低于给定值时，就通过减少命令，通知发送端减少插入的导频数量。发送端在每个发送的OFDM帧内都指示本帧的帧格式。帧格式信息插入在第一个导频单元的后面。

帧格式信息是一个自然数，表示从最密集的帧格式到最稀疏的帧格式的所有帧格式。

如果系统采用的OFDM帧在时间长度上包括2N个OFDM符号，其序号为0，1，...，n，...，2^N-1，在频域有2^M个子载波，其序号为0，1，...，m，...，2^M-1。整个OFDM帧总共有2^N+M个时频单元，我们用符号序号n和子载波序号m表示在OFDM帧中时频单元的位置。

在初始化状态时，采用最密集导频模式。即一个导频时频单元跟着一个数据时频单元、跟着一个导频时频单元、跟着一个数据时频单元、……。在第一个导频单元的后面，紧接着插入帧格式信息。接收端在接收到帧格式信息后，就可以对本帧正确接收了。我们可以将这个密集导频模式描述为：

pilotsymbolelocation＝2p，p＝0，…，2^N+M/2-1

datasymbolelocation＝2d+1，d＝0，…，2^N+M/2-1

在最密集的导频模式时有2^N+M/2个导频单元，所以帧格式信息需要N+M-1位才能表示所有的帧格式。

另外，定义最稀疏导频模式：在一个OFDM帧中，只有(0，0)位置时频单元是导频单元，其余的都是数据单元。

最密集导频模式和最稀疏导频模式分别是导频单元插入的数量上限和下限。

如果通信系统规定的BER值为ψ，实时接收的BER值为γ，当γ＞ψ时，接收端向发送端发出增加插入导频的命令1，发送端将导频单元的数量变为原先的2倍，这些增加的导频占据原先数据符号占据的位置，并且导频单元在OFDM帧中保持均匀分布。在第一个导频单元的后面，紧接着插入帧格式信息。接收端在接收到帧格式信息后，就可以对本帧正确接收了。

当γ≤ψ时，接收端向发送端发出减少插入导频的命令0，发送端将减少导频单元的数量为原先的1/2，仍然保持导频单元在OFDM帧中的均匀分布。同样，在第一个导频单元的后面，紧接着插入帧格式信息。接收端在接收到帧格式信息后，就可以对本帧正确接收了。

当达到最密集导频模式，γ＞ψ时，导频的数量保持不变。

当达到最稀疏导频模式，γ≤ψ时，导频的数量也保持1个不变。

下面结合附图和实例，对本发明作进一步说明。

图1是OFDM自动闭环发送分散导频插入控制方法的示意。图中的发送端包括编码、交织、数字调制、插入导频和帧格式控制、IFFT、并串变换、加CP(Cyclic Prefix)等单元，其中的插入导频和帧格式控制单元是最重要的功能单元。接收端包括解编码、解交织、数字解调、提取导频和帧格式、FFT、串并变换、去CP(Cyclic Prefix)等单元。发送端在插入导频和帧格式控制单元把导频插入进去，最后经过天线把OFDM帧发射出去，然后经过空间信道，OFDM帧被接收端接收。在FFT变换后，提取导频和帧格式信息后，再经过解码，接收端就可以得知接收的OFDM帧的误码率BER值γ。这个实时接收的BER值γ和给定的BER值ψ相比较，根据比较结果产生插入导频的控制命令T：

当γ＞ψ时，T＝1，命令发送端增加导频数量为原先的2倍；

当γ≤ψ时，T＝0，命令发送端将导频数量减少为原先的1/2。

命令T是通过从接收端到发送端的控制信道传输的。

发送端接收到接收端的T命令后，就控制插入导频的数量。并在第一个导频单元的后面插入帧格式信息。

图2是n＝3，m＝3时，最密集导频模式示意图，图中黑色方块表示导频单元、白色方块表示数据单元、网格填充的方块表示帧格式信息。如图2所示，导频单元和数据单元数量是相等的，并且交替出现。在第一个导频单元的后面就是帧格式信息单元。在本发明中，设最密集导频模式的帧格式信息是11111，接收端提取了第一个导频单元，接着解析帧格式信息，知道是最密集导频模式，就可以接收整个帧了。采用本发明的方法，在OFDM系统初始化状态时，采用如图2所示的最密集导频模式。

图3是n＝3，m＝3时，次最密集导频模式示意图，图中黑色方块表示导频单元、白色方块表示数据单元、网格填充的方块表示帧格式信息。当发送端在最密集导频模式时，接收到接收端发来的T＝0命令，发送端就将下一帧改变为次最密集导频模式，同时在下一帧的第一个导频单元的后面插入帧格式信息11110。与最密集导频模式相比，次最密集导频模式下的导频单元数量下降了一半，只有最密集导频模式时的1/2。导频单元保持在整个帧内均匀分布。接收端提取了第一个导频单元，接着解析帧格式信息，知道是次最密集导频模式，就可以接收整个帧了。

图4是n＝3，m＝3时，最稀疏导频模式示意图，图中黑色方块表示导频单元、白色方块表示数据单元、网格填充的方块表示帧格式信息。只有第一个时频单元是导频单元，导频单元的后面是帧格式信息，在本发明中，设最稀疏导频模式的帧格式信息为00000，OFDM帧中其余的时频单元都是数据单元。

图5是n＝3，m＝3时，次最稀疏导频模式示意图，图中黑色方块表示导频单元、白色方块表示数据单元、网格填充的方块表示帧格式信息。当发送端在最稀疏导频模式时，接收到接收端发来的T＝1命令，发送端就将下一帧改变为次最稀疏导频模式，同时在下一帧的第一个导频单元的后面插入帧格式信息00001。和最稀疏导频模式相比，次最稀疏导频模式的导频单元数量增加到2个，是最稀疏导频模式时的2倍。导频单元保持在整个帧内均匀分布。接收端提取了第一个导频单元，接着解析帧格式信息，知道是次最密集导频模式，就可以接收整个帧了。

上述实施例的方法可以应用于n、m大于等于2的任何OFDM系统的导频插入控制过程。应当注意，凡不脱离本发明思想的任何改进的方法都属于本发明的保护范围，本发明具体保护范围由权利要求书限定。

Claims

1.一种OFDM自动闭环发送分散导频插入控制方法，其特征在于包括以下步骤：当接收数据的BER超过给定值时，就通过增加导频命令，通知发送端增加插入的导频数量；当接收数据的BER低于或等于给定值时，就通过减少导频命令，通知发送端减少插入的导频数量；发送端在每个发送的OFDM帧内都指示本帧的帧格式；帧格式信息插入在第一个导频单元的后面；

具体步骤如下：

如果给定的BER值为Ψ，实时接收的BER值为γ，当γ＞Ψ时，接收端向发送端发出增加插入导频的命令1，发送端将导频单元的数量变为原先的2倍，这些增加的导频占据原先数据符号占据的位置，并且导频单元在OFDM帧中保持均匀分布；如果给定的BER值为Ψ，实时接收的BER值为γ，当γ≤Ψ时，接收端向发送端发出减少插入导频的命令0，发送端将减少导频单元的数量为原先的1/2，仍然保持导频单元在OFDM帧中的均匀分布；在第一个导频单元的后面，紧接着插入更新的帧格式信息，接收端在接收到帧格式信息后，对本帧正确接收；帧格式信息是一个自然数，表示从最密集的帧格式到最稀疏的帧格式的所有帧格式；

当达到最密集导频模式后，γ＞Ψ时，导频的数量保持不变；当达到最稀疏导频模式后，γ≤Ψ时，导频的数量也保持1个不变。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在初始化状态下，采用最密集导频模式；假设一个OFDM帧在时间长度上包括2^N个OFDM符号，其序号为0，1，...，n，...，2^N-1，在频域有2^M个子载波，其序号为0，1，...，m，...，2^M-1，整个OFDM帧总共有2^N+M个时频单元，在最密集的导频模式时有2^N+M/₂个导频单元，帧格式信息需要N+M-1位表示所有的帧格式。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：最稀疏导频模式为，在一个OFDM帧中，只有(0，0)位置的时频单元是导频单元，其余的都是数据单元。