CN101296210A - 增强正交频分多址系统中小区边界用户性能的传输系统 - Google Patents

Abstract

一种用于OFDM通信系统的传输装置，包括：信道编码模块，对信息源比特流和加入的冗余信息比特进行编码；符号调制模块，将信息源比特变换为传输的符号；符号重复模块，对调制后的符号进行重复；伪随机序列生成模块，用于产生二进制的伪随机序列；M－QAM调制器，将多个二进制伪随机比特变换成复数随机化因子；乘法器，将重复模块重复的符号与复数随机化因子相乘；OFDM调制模块，对乘法器产生的符号形成连续的传输复号并经天线发射出去。利用本发明的方法，在相邻小区可以使用相同的频率，并且利用多天线MIMO技术，大大提高了小区边界的用户性能。

Description

增强正交频分多址系统中小区边界用户性能的传输系统

技术领域

本发明涉及移动通信系统，特别涉及增强正交频分多址系统中小区边界用户性能的传输系统。

背景技术

在正交频分多址蜂窝移动通信系统中，对于同一个小区的不同用户来说，由于他们使用了不同的子载波或者子载波组(子信道)，由于子载波之间的信号是正交的，因此他们之间的互相干扰就没有或者很小。在这样的移动通信系统中，主要的干扰就是来自与相邻小区的同频干扰(ICI)。特别是对于时分双工(TDD)系统中位于小区边界的用户，因为他同时收到多个来自于不同小区的下行同频信号，干扰就更为严重。因此，寻求合理的减轻小区间同频干扰的方法就显得更为重要。

已经提出了几种方法用于减轻小区间的同频干扰。(3GPP R1-050981，“Text proposal for TR25.814，Section 7.1.2.6”，Ericsson，Alcatel，RITT，CATT，NTT DoCoMo，Qualcomm，Aug.，2005)例如，干扰的随机化，干扰删除，小区间的协作以达到干扰避免以及对小区边界的多小区的协同传输。在这些技术中，基于协同符号重复传输(CSR，Coordinated Symbol Repetition)格式(3GPP R1-050829，“CoordinatedSymbol Repetition to Mitigate Downlink Inter Cell Interference”，Panasonic；3GPP R1-051085，“Resource Allocation for InterferenceMitigation with Symbol Repetition in E-UTRA Downlink”，ETRI。)被广泛研究，而认为是一种有效的方法。符号重复传输格式的基本思想是，对于小区边界的用户，同样一个数据符号，在若干个子载波上重复传输。在相邻的小区，在相同的子载波上，也同样重复传输该小区的一个数据符号。这样，同时来自于不同的小区的数据符号就成为一个互为干扰的系统，更进一步，由于不同的小区具有不同的传输信道条件，他们就构成了一个等效的多输入多输出系统(MIMO)。这样，各种MIMO的检测算法，包括迫零(ZF，Zero Forcing)，最小方差(MMSE，Minimum Mean Square Error)，并行干扰删除(PIC，Parallel InterferenceCancellation)以及串行干扰删除(SIC，Successive InterferenceCancellation)都可以用来同时检测本小区的有用信号和邻小区的干扰信号，并进一步从收到的信号中删除干扰信号。

在MIMO的检测算法中，对信道条件的一个基本要求是传输信道矩阵中的系数是互相独立的，如果它们之间存在相关性，则检测算法的性能就会大大降低。也就是说，对于符号重复传输格式，用于同一数据符号重复传输的子载波的信道系数应当是相互独立的。但是，在实际的多径衰落环境，由频率选择性引起的子载波的信道系数的独立性是有限的，特别是对于这些用于重复传输的子载波是相邻的连续几个子载波时，它们的信道系数的相关性就更强了，从而使得MIMO检测算法的性能大大地降低。

针对这种情况，韩国电信研究院提出了一种解决方案。其要点是对每一个重复的数据符号，在子载波上传输之前，乘上一个随机的相位旋转因子。这样一来，在接收端，等效于对信道矩阵中的每一个系数乘上一个随机的相位旋转因子。因此，原来相关的子载波信道系数就被随机化了，增强了它们之间的独立性，从而使得其MIMO检测算法的性能得到提高。

对于韩国电信研究院提出的解决方案，其传输的数据符号的相位被随机化了，但是没有改变其幅度。因此，其等效的信道矩阵中的每一个系数的幅度也没有改变，对于具有相关性的信道系数，其幅度也是相等的。虽然相对于原来的信道系数来说，其独立性得到增强，并且可以很好的利用MIMO检测算法，但是，由于其幅度是相等的，检测算法的性能受到了限制。

为了更进一步提高MIMO检测算法的性能，其等效的信道矩阵就需要更进一步随机化，也就是说，在相位和幅度上同时引入随机化因子。这样，不但相位不一样，幅度也不一样，就可以得到更多的分集增益。

发明内容

本发明的目的是提供一种增强正交频分多址系统中小区边界用户性能的传输系统。

按照本发明的一方面，一种用于OFDM通信系统的传输装置，包括：

信道编码模块，对信息源比特流和加入的冗余信息比特进行编码；

符号调制模块，将信息源比特变换为传输的符号；

符号重复模块，对调制后的符号进行重复；

伪随机序列生成模块，用于产生二进制的伪随机序列；

M-QAM调制器，将多个二进制伪随机比特变换成复数随机化因子；

乘法器，将重复模块重复的符号与复数随机化因子相乘；

OFDM调制模块，对乘法器产生的符号形成连续的传输复号并经天线发射出去。

按照本发明的另一方面，一种用于OFDM通信系统的接收装置，包括：

OFDM解调制模块，用于得到复数形式的调制符号；

信道估计模块，通过对已知的导频的估计，得到需要的信道信息；

伪随机序列生成模块，生成与发送装置相同的二进制伪随机序列；

M-QAM调制器，将多个二进制伪随机比特变换成复数随机化因子；

等效信道矩阵生成模块，将复数随机化因子与对应的子载波的信道系数相乘，构成等效信道矩阵；

MIMO检测模块，从多个互相干扰的符号中检测出不同小区的符号；

不同小区的符号分离模块，将来自于不同小区的符号进行；

符号解调制模块，对不同小区的复数形式的符号进行解调；

信道译码模块，用于纠正无线传输过程中的错误比特，得到发送装置的发射信息。

利用本发明的方法，在相邻小区可以使用相同的频率，并且利用多天线MIMO技术，大大提高了小区边界的用户性能。

附图说明

图1是本发明技术方案的发射端的结构示意图；

图2是本发明技术方案的接收端的结构示意图；

图3是用连续的4个子载波重复传输数据符号的示意图；

图4是PA信道条件下的性能比较，ZF检测算法；

图5是PB信道条件下的性能比较，ZF检测算法；

图6是VA信道条件下的性能比较，ZF检测算法；

图7是PA信道条件下的性能比较，SIC检测算法；

图8是PB信道条件下的性能比较，SIC检测算法；

图9是VA信道条件下的性能比较，SIC检测算法。

具体实施方式

下面将详细地介绍符号重复传输格式的基本原理，韩国电信研究院提出的解决方案以及本发明的技术方案。

为了叙述的简单起见，我们假定有2个相邻的小区，一个目标小区0和一个干扰小区1，符号重复传输4次。则对于某一个符号重复传输块，来自与这相邻的两个小区的数据符号就叠加在一起，起相应的接收符号可以表示为：

Y(0)＝H₀(0)X₀+H₁(0)X₁+N_w(0)

Y(1)＝H₀(1)X₀+H₁(1)X₁+N_w(1)

                                                   (1)

Y(2)＝H₀(2)X₀+H₁(2)X₁+N_w(2)

Y(3)＝H₀(3)X₀+H₁(3)X₁+N_w(3)

其中X₀和X₁分别是小区0和小区1的传输数据符号，被在不同的子载波上重复了4次。H₀(n)和H₁(n)，n＝0，1，2，3分别是小区0和小区1在子载波n上的信道增益。N_w(n)，n＝0，1，2，3是加性高斯白噪声(AWGN)，其平均值为0，方差为σ²。更进一步，(1)式可以用矩阵的形式表示为

Y＝HX+N_w    (2)

其中

Y＝(Y(1)，Y(2)，Y(3)，Y(4))^T    (3)

$H=\left[\begin{array}{cc}{H}_0\left(0\right)& H_1\left(0\right)\\ H_0\left(1\right)& H_1\left(1\right)\\ H_0\left(2\right)& H_1\left(2\right)\\ H_0\left(3\right)& H_1\left(3\right)\end{array}\right]---\left(4\right)$

X＝(X₀，X₁)^T    (5)

N_w＝(N_w(0)，N_w(1)，N_w(2)，N_w(3))^T    (6)

矩阵表达式(4)中的第i列代表第i个小区和移动用户之间的信道响应系数。

假定信道响应系数H_i(n)是互相独立的，则传输的数据符号X就可以用各种MIMO检测算法而得到。这些检测算法包括线性的如ZF(迫零算法)，MMSE(最小均方误差估计)，非线性的如PIC(并行干扰删除算法)，SIC(顺序干扰删除算法)以及ML(最大似然算法)。例如X的ZF检测，

为

$\hat{X}=\left({\left(H^{*}H\right)}^{-1}{H}^{*}\right)Y---\left(7\right)$

其中H^*是H的共轭转置。而MMSE检测为

$\hat{X}=\left({(H^{*}H+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}{H}^{*}\right)Y---\left(8\right)$

但是，如果信道响应系数H_i(n)不是互相独立的，而是相关的，则干扰删除的性能就被降低。例如，对于重复传输的4个数据符号，位于连续的4个子载波上(如图3)，则信道响应系数H_i(n)具有很强的相关性，从而降低检测性能。

对于信道响应系数是相关的情形，韩国电信研究院提出一种解决方案，就是用一个随机的相位旋转因子，乘以被重复传输的数据符号。这样一来，等效地，把原来具有相关性的信道响应系数乘以一个随机的相位旋转因子，使得它们互相独立。具体地说，随机的相位旋转因子是

c_i(n)＝exp(jπ/4·rand(i，n))，rand(i，n)∈{0，1，...，7}    (8)

其中rand(i，n)是0到7之间的一个随机整数，因而c_i(n)是一个8PSK调制符号加权值。这样，在接收端，其等效的信道矩阵就可以表示为

$H=\left[\begin{array}{cc}{c_0\left(0\right)H}_0\left(0\right)& {c_1\left(0\right)H}_1\left(0\right)\\ {c_0\left(1\right)H}_0\left(1\right)& c_1\left(1\right)H_1\left(1\right)\\ {c_0\left(2\right)H}_0\left(2\right)& {c_1\left(2\right)H}_1\left(2\right)\\ c_0\left(3\right)H_0\left(3\right)& c_1\left(3\right)H_1\left(3\right)\end{array}\right]---\left(9\right)$

可以清楚地看到，原来相关的信道矩阵，由于随机的相位旋转因子c_i(n)的引入，变得不相关了。

本发明的技术方案是为了保证其等效的信道矩阵更加独立，其随机化因子不但在相位上是随机的，在幅度上也是随机的。另一方面，为了避免这种随机化因子在传输端和接收端的传输，本发明采用伪随机PN序列来确定随机化因子。

本发明的传输端的结构示意图如图1，信息源比特经过信道编码，调制，符号重复后，乘以符号随机化因子，再OFDM(正交频分复用)调制后，发射出去。其中，符号随机化因子是先由伪随机序列发生器产生二进制的PN序列，再根据PN序列，产生随机化因子。

其中，信道编码模块是为了纠正由于无线传输信道引入的误差，是在原有的信息源比特流中加入冗余的信息比特，相当于对信息源比特进行备份传输。信道编码可以是基于固定长度块的线性编码，也可以是卷积编码，还可以是基于多个卷积编码的Turbo编码。调制是把信息源比特变换成容易传输的符号，根据不同的信道条件和环境参数，可以把不同数目的比特变换成一个符号，例如，把一个比特可以变换一个BPSK符号，把两个比特可以变换一个QPSK符号，把三个比特可以变换一个8PSK符号，把四个比特可以变换一个16QAM符号等等。完成符号调制后，为了消除小区间的干扰，再对符号进行重复，而重复的次数则根据受到的干扰大小及接收的性能要求，可以两次，三次或者四次等。对于重复的符号，通过一个乘法器，分别乘以不同的随机化因子，也就是说，对于相同的重复符号，它们的随机化因子是完全不同的，以保证它们之间的独立性。然后，经过OFDM符号调制，就是利用快速逆傅立叶变换(IFFT)和数字模拟转换(ADC)，形成连续的传输符号。最后，通过发射天线发射出去。

随机化因子是通过伪随机序列生成多项式产生的。在通信系统的发射端，通过固定的伪随机序列生成多项式产生和移位寄存器的初始状态，产生二进制的伪随机序列。再通过M-QAM(M＞16)调制器，把每4个或更多个二进制伪随机比特变换成一个幅度和相位都随机变化的复数，由于每一个伪随机比特都是独立的，因此而生成的复数随机化因子都是相互独立的。这样，就保证了独立性。另一方面，为了保证不改变传输符号的平均能量，这样产生的随机化因子的平均能量是单位化了的，即平均幅度为1。

本发明的接收端的结构示意图如图2，对收到的符号OFDM解调后，进行信道估计，并产生和发射端完全相同PN序列，从而形成完全相等的符号随机化因子，根据随机化因子和信道增益，计算出等效的信道矩阵。MIMO检测后，分离各个小区的数据符号，再经过符号解调和信道译码，就得到信息比特。

其中，OFDM解调模块是完成采样，进而进行快速傅立叶变换(FFT)，得到复数形式的调制符号。为了正确的解调调制符号符号，接收端需要知道信道信息，这是通过信道估计模块来得到的，通过对已知的导频的估计，就得到所需要的信道信息。在接收端，有一个和发射端完全相同的伪随机序列发生器，也就是说，具有相同的生成多项式和相同的移位寄存器初始状态。这样，就可以生成和发射端完全相同的二进制伪随机比特序列。在通过M-QAM(M和发射端相等)调制器，就得到和发射端一样的随机化因子。再和对应的子载波的信道系数相乘，构成等效信道矩阵。MIMO检测模块，是从多个互相干扰的符号中分离检测出来自于不同小区的符号，可以是用线性的迫零检测算法和最小二乘算法，也可以用非线性的最大试然检测算法。得到不同小区的复数形式的符号后，再进行符号解调，把复数形式的符号变换成二进制形式的信息比特。最后是信道译码模块，以纠正在无线传输过程中的错误比特，例如，对于卷积信道编码，可以用维比特译码，从而得到发射端的发射信息。

其中的关键之处是用和发射端完全相同的伪随机序列发生器和相同的移位寄存器初始状态，生成和发射端完全一样的随机化因子，再构造出等效的信道矩阵。

本发明的符号重复传输格式的随机化因子可以表示为

c_i(n)＝α_inexp(j·γ_in)    (10)

其中α_in＞0是平均值为1的随即幅度，而γ_in∈[0，2π]是随机相位。这样，在接收端的等效信道矩阵就是

$H=\left[\begin{array}{cc}{{\mathrm{\α}}_{00}\exp (j\·{\mathrm{\γ}}_{00})H}_0\left(0\right)& {{\mathrm{\α}}_{10}\exp (j\·{\mathrm{\γ}}_{10})H}_1\left(0\right)\\ {\mathrm{\α}}_{01}\exp (j\·{\mathrm{\γ}}_{01})H_0\left(1\right)& {{\mathrm{\α}}_{11}\exp (j\·{\mathrm{\γ}}_{11})H}_1\left(1\right)\\ {\mathrm{\α}}_{02}\exp {(j\·{\mathrm{\γ}}_{02})H}_0\left(2\right)& {{\mathrm{\α}}_{12}\exp (j\·{\mathrm{\γ}}_{12})H}_1\left(2\right)\\ {{\mathrm{\α}}_{03}\exp (j\·{\mathrm{\γ}}_{03})H}_0\left(3\right)& {\mathrm{\α}}_{13}\exp {(j\·{\mathrm{\γ}}_{13})H}_1\left(3\right)\end{array}\right]---\left(11\right)$

可以清楚地看到，等效信道矩阵被更进一步随机化了，从而得到更多的MIMO检测算法的增益。

为了产生伪随机的随机化因子，可以分两步了完成。例如，首先，可以根据序列生成多项式

x³+x²⁵        (12)

产生伪随机的二进制PN序列；再将PN序列进行M-QAM调制(M＞16)，这样，调制的输出就是伪随机的复数随机化因子。

当然，其它的生成多项式也可以用来产生伪随机的二进制PN序列，复数随机化因子的主要目的是使得等效信道矩阵是不相关的，保证在幅度和相位上是独立的。例如，下面的长PN序列生成多项式也可以用来生成伪随机的复数随机化因子

1+x+x²+x³+x⁵+x⁶+x⁷+x¹⁰+x¹⁶+x¹⁷+x¹⁸+x¹⁹    (13)

+x²¹+x²²+x²⁵+x²⁶+x²⁷+x³¹+x³³+x³⁵+x⁴²

通过PN序列，则复随机化因子可以唯一地被PN生成多项式及其初始值确定，所以它可以在发射端和接收端事先约定，而不需要传输特定的随机化因子，使得传输带宽被节省，从而提高了系统的数据吞吐量。

相似地，X的ZF检测为

$\hat{X}=\left({\left(H^{*}H\right)}^{-1}{H}^{*}\right)Y---\left(14\right)$

而MMSE检测为

$\hat{X}=\left({(H^{*}H+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}{H}^{*}\right)Y---\left(15\right)$

其中H是完全随机化的等效信道矩阵(11)。

我们利用数值仿真，得到了误比特率(BER)对应于比特噪声比(E_b/N₀)的曲线，并和韩国电信研究院提出的技术方案进行比较。其结果表明，对于相当广泛的一类多径信道条件，本发明的技术方案都比韩国电信研究院提出的技术方案显著优越。

在仿真中，我们假定理想的信道估计，也就是说，不考虑信道估计的误差。4个相邻的小区，每个小区有1个小区边界用户，数据符号的重复次数为4。所有用户的能量相等，也就是说，干扰信号的能量是有用信号能量的3倍。其它一些仿真参数如表1所示。

表1性能比较的仿真参数

调制类型	QPSK
		FFT长度	1024
系统带宽	10MHz

采样率	11.52MHz
		循环前缀长度	256
信道估计	理想
		多径信道条件	ITU M.1225(PA，PB，VA)
时间衰落类型	块衰落
		相位随机化因子	随机的二进制序列→8PSK调制
复数随机化因子	PN序列→256QAM调制

图4，5，6分别是在ITU PA，PB，VA的信道条件下本发明的技术方案和韩国电信研究院的技术方案的性能比较。MIMO检测算法是ZF。从图上可以清楚地看出，本发明的技术方案具有显著的优越性能。

图7，8，9分别是在ITU PA，PB，VA的信道条件下本发明的技术方案和韩国电信研究院的技术方案的性能比较。MIMO检测算法是SIC。从图上可以清楚地看出，本发明的技术方案具有显著的优越性能。

Claims (7)

1.一种用于OFDM通信系统的传输装置，包括：

信道编码模块，对信息源比特流和加入的冗余信息比特进行编码；

符号调制模块，将信息源比特变换为传输的符号；

符号重复模块，对调制后的符号进行重复；

伪随机序列生成模块，用于产生二进制的伪随机序列；

M-QAM调制器，将多个二进制伪随机比特变换成复数随机化因子；

乘法器，将重复模块重复的符号与复数随机化因子相乘；

OFDM调制模块，对乘法器产生的符号形成连续的传输复号并经天线发射出去。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述信道编码是下述编码之一：基于固定长度块的线性编码、卷积编码、基于多个卷积编码的Turbo编码。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述复号重复次数为至少两次。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述复数随机化因子的均值为1。

5.一种用于OFDM通信系统的接收装置，包括：

OFDM解调制模块，用于得到复数形式的调制符号；

信道估计模块，通过对已知的导频的估计，得到需要的信道信息；

伪随机序列生成模块，生成与发送装置相同的二进制伪随机序列；

M-QAM调制器，将多个二进制伪随机比特变换成复数随机化因子；等效信道矩阵生成模块，将复数随机化因子与对应的子载波的信道系数相乘，构成等效信道矩阵；

MIMO检测模块，从多个互相干扰的符号中检测出不同小区的符号；

不同小区的符号分离模块，将来自于不同小区的符号进行；

符号解调制模块，对不同小区的复数形式的符号进行解调；

信道译码模块，用于纠正无线传输过程中的错误比特，得到发送装置的发射信息。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述伪随机序列生成模块与发送端的伪随机序列生成模块相同。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于MIMO检测模块的检测算法是下述算法之一：ZF、MMSE、PIC、ML。

Images