CN101394196A - 一种信道估计中帧结构的动态调整方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种信道估计中帧结构的动态调整方法，包括：基于信道变化度量的累积统计，判定信道状态；根据判定结果，自适应的调整帧结构中导频符号的数量和位置。还提供了一种信道估计中帧结构的动态调整装置，包括安装于接收机中的接收单元和安装于发送机中的发送单元，接收单元包括信道变化度量计算模块、信道变化度量统计模块和信道状态判定模块，发送单元包括传输方式设计模块。本发明能够最大限度的提高信道的利用率，以优化通信系统吞吐量。

Description

一种信道估计中帧结构的动态调整方法及装置

技术领域

本发明涉及一种信道估计中的动态调整方法及装置，特别涉及一种利用信道状态检测实现帧结构动态调整的信道估计方法及装置。

背景技术

信道估计是数字接收机的一个关键功能。有了精确的信道估计，就能实现相干检测，其性能优于非相干检测的性能。

信道估计可以通过在发送通信符号时插入训练序列或导频来实现。从训练序列或导频的信道估计就能得出通信符号的信道估计。导频符号的插入方式应能够保证可以精确识别不同信道状态下的信道。目前，一般采用的是插入固定导频符号的方式。为了识别较高的信道参数变化，通常插入较多的导频符号以获得足够的信道轨道特性。然而，对于较低的信道参数变化，插入过多的导频符号会导致无线资源的浪费。因此，有必要提出一种可以检测信道状态并正确动态调整帧结构以优化吞吐量的方法及装置。

发明内容

本发明提供了一种信道估计中利用信道状态检测来动态调整帧结构的方法。

该方法有规律的检测判定每个用户的信道时域状态和信道频域状态，并基于单个用户，在不同的信道状态下，设计不同的导频方式，导频方式规定了通信符号和导频符号的相对数量和位置，来精确跟踪信道时域和频域的变化。时域变化越大，时域就需要更多的导频符号；同样的，频域变化越大，频域就需要更多的导频符号。其中，信道状态判定步骤如下：(a)计算每个用户的信道变化度量；(b)累积统计信道变化度量(c)基于度量的统计来判定信道状态。

可以使用下行公用子信道来判定信道状态。利用广播子信道的导频符号来计算一个信道变化度量，该度量用来判定信道状态。

也可以使用下行专用子信道或者上行专用子信道来判定信道状态。利用上下行专用子信道的导频符号和通信符号来计算信道变化度量。

对于采用多天线的无线系统，还可以利用空间特征来计算信道变化度量。

优选的，对于采用多天线的无线系统，可以同时利用上下行专用子信道和空间特征来计算信道变化度量，两种计算方法和逻辑算法同时独立运行，得出各自的信道状态结论，最后将两个结论结合产生一个信道状态结果。

本发明还提供了一种信道估计中利用信道状态检测来动态调整帧结构的装置，该装置包括接收单元和发送单元：

接收单元安装于接收机中，包括：

信道变化度量计算模块，计算每个用户的信道变化度量；

信道变化度量统计模块，累积统计信道变化度量；

信道状态判定模块，基于信道变化度量的统计来判定信道状态；

发送单元安装于发送机中，包括：

传输方式设计模块，根据每个用户的信道状态，转换信号传输格式，即调整该用户的帧结构中的通信符号和导频符号的相关数量和位置。

本发明可以根据信道状态，动态设计导频方式，实现帧结构的动态调整，从而优化了通信系统的吞吐量。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为插入了较多导频的第K个波段的帧结构图；

图2为插入了较少导频的第K个波段的帧结构图；

图3为根据信道状态选用两种导频方式之一的帧结构图；

图4为同一帧结构中同时存在不同的导频方式的示意图；

图5为每隔一个子载波分配导频符号的帧结构图；

图6为使用广播子信道(BCH)来判定信道状态的示意图；

图7为信道状态的转移示意图；

图8为多个子信道的子载波交织的示意图；

图9为CS-OFDMA信号传输过程中的信道状态调整方框图；

图10关于信道状态转移的信号发送流程图；

图11为帧结构动态调整装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明描述的自适应调整帧结构的技术可以用于多种无线通信系统，如CDMA，TDMA，FDMA，OFDM，OFDMA系统或者以上系统的任意混合，如OFDMA-TDMA，OFDM-TDMA。这些系统可以是时分双工或频分双工。

下面用一个OFDMA-TDMA时分双工系统举例说明利用信道检测进行帧结构调整的方法。

在图1中，是OFDMA-TDMA时分双工系统的一个发送帧。无线资源用频率和时间的二维平面表示。整个系统频谱分成多个波段，每个波段由k个子载波组成。在图1中，显示的是插入了较多导频的第K个波段的帧。图2显示的是插入了较少导频的第K个波段的帧。时域中，上下行信号在上行帧和下行帧中交替发送。每个上下行帧分成多个时隙。从下行帧到上行帧有第一个保护时隙，从上行帧到下行帧有第二个保护时隙。给每个通信用户分配一个或多个上下行时隙用于传输。在每个分配时隙里，进一步的为用户指定一个子载波子集用于信号传输。

为了使信号相干检测的误码率足够小，插入的导频符号必须适当，以便能够跟踪分配给用户的子信道的信道变化。图3显示的是一个16选4的子载波分配的例子。分配时，指定32个符号，用4个不同的子载波传输。为了估计这32个符号的信道系数，需要插入导频符号。在传统的无线系统设计中，不考虑信道状态，一旦分配了子载波，就采用固定的导频方式。通常，导频方式设计为满足信道条件最差的情况，所以采用了较多导频方式。如图1的例子，采用较多导频方式导致的容量损失达到了14.29％，这个比例是相当大的。因此，当信道处于慢衰落时采用图2的导频方式，当信道处于快衰落时采用图1的导频方式，是十分有利的。图3和图4分别举例说明。图3中，先判定信道状态为慢衰落还是快衰落，再选用两种导频方式之一。另外，由于导频方式的设计是基于单个用户的，当同时给多个用户每人分配一个子载波子集时，每个用户处于不同的信道状态，同一个帧结构中就可能同时存在不同的导频方式。图4中，给两个用户均分配了4个子载波。用户1判定信道状态为慢衰落，用户2判定信道状态为快衰落，因此图4显示的最终帧结构采用的是混合导频方式。

除了利用信道时域相关性，还可以利用频域相关性来更好的设计导频方式。当载波间隔小于相干带宽时，可以利用信道频率响应系数的相关性减少导频使用的数量；当载波间隔超过相关带宽时，信道频率响应系数失去相关性，必须使用较多的导频符号。

以一个无线系统，如OFDMA为例，由于频域特性，宽带和窄带通信的导频开销是不同的。在OFDM系统中，无线资源被分成多个子信道，每个子信道由多个子载波组成。每个子信道的子载波数量应当满足窄带应用的最小带宽需求，如语音业务；给同一个用户分配多个子信道可以满足其宽带通信需求。同时，为了对抗频率选择性衰落，如图3所示，每个子信道在较宽的带宽范围上分散其子载波较为有利，图8显示的就是这种分散子载波的方法，多个子信道的子载波互相交织。对于窄带通信，通常只分配一个子信道，子载波较少，各子载波之间的频率间隔大于相干带宽，使信道频响系数失去相关性，所以每个子载波必须有自己的导频，引起了较高的开销；对于宽带通信，通常分配多个子信道，子载波较多，各子载波之间的频率间隔小于相干带宽，利用信道频率响应系数的相关性就能进一步优化导频。图5中，所有16个子载波都分配给一个用户。这种情况下，每隔一个子载波分配导频符号，而不是每个子载波均分配导频符号。对于那些没有插入导频符号的子载波，信道估计可以通过在相邻子载波插入的导频符号来获得。

在不同的信道状态下，设计不同的导频方式来精确跟踪信道时域和频域的变化。通常来说，最大多普勒频移越高，时域就需要更多的导频符号；同样的，延迟扩展越大，频域就需要更多的导频符号。

下面说明信道状态检测判定的步骤。

使用下行公用子信道、下行专用子信道或者上行专用子信道来判定信道状态。下行公用子信道，例如广播子信道(BCH)，供所有用户使用，无论用户处于慢衰落还是快衰落。因此，广播子信道的导频方式必须设计为最坏情况，也就是说，导频方式必须能够跟踪快衰落信道和较大的延迟扩展。因此，利用广播子信道的导频符号来计算一个信道变化度量，该度量用来判定信道状态。

本发明的一个具体实施方式中，计算每帧的一个时域变化度量(MVT)和一个频域变化度量(MVF)，累积统计多个帧的信道变化度量，直到有足够多的统计来判定信道状态。

在图6的例子中，分配给广播子信道(BCH)4个子载波，每个子载波分配8个符号，其中有2个导频符号，分别是第2个符号和第7个符号。假设情况如上，第k个子载波的第n个符号的信道和其估计值分别表示为H(k，n)和

利用在导频位置对(k_p，n_p)上接收到的导频符号可以得到

对于第t个帧，MVT计算如下：

$\mathrm{dHT}\left(t\right)=10\·\log 10\left(\underset{k_p=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left[{\left(|\tilde{H}(k_p,n_{p1})-\tilde{H}(k_p,n_{p2})\right|}^2\right)/{\left|\tilde{H}(k_p,n_{p2})\right|}^2]\right)$

dHT(t)表示第t帧的相对时域信道变化。

同样的，MVF计算如下：

$\mathrm{dHF}\left(t\right)=10\·\log 10\left(\underset{n_p=\left\{\mathrm{2,7}\right\}}{\mathrm{\Σ}}\underset{k_p=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\left[{\left(|\tilde{H}(k_p,n_p)-\tilde{H}(k_p+1,n_p)\right|}^2\right)/{\left|\tilde{H}(k_p,n_p)\right|}^2]\right)$

dHF(t)表示第t帧的相对频域信道变化。

累积统计多个帧的MVT和MVF，再基于MVT和MVF的统计来判定信道状态。信道状态有两种类型：对于时域信道变化，分为时变信道(TV)和时不变信道(TI)；对于频域信道变化，分为频变信道(FV)和频不变信道(FI)。接收机中的状态机在TV和TI之间转移，说明时域信道变化；状态机在FV和FI之间转移，说明频域信道变化。状态机如图7所示。信道状态转移的逻辑算法如下。

首先说明下面的几个定义：

dHT(k)：相对时域信道变化，单位dB

TV_Th：时变信道门限

TI_Th：时不变信道门限

P_TV：时变信道百分比

P_TI：时不变信道百分比

TV_Indicator(t)：帧指示符，1---表示时变信道，0---表示时不变信道

N_win：判定信道状态所需要的测量数

具体信道状态转移步骤为：

(1)收集历史统计

对于第t帧

If dHT(t)>TV_Th，

      TV_Indicator(t)＝1

Else

      TV_Indicator(t)＝0

End；

If dHT(t)<TI_Th，

      TI_Indicator(t)＝1

Else

      TI_Indicator(t)＝0

End；

(2)进行测试

测试1：从TI到TV

If Status＝＝’TI’，

      $\mathrm{If}\underset{k=t-N_{\mathrm{win}}+1}{\overset{t}{\mathrm{\&Sigma;}}}[\mathrm{TV}\_\mathrm{Indicator}\left(k\right)]>N_{\mathrm{win}}\&CenterDot;P\_\mathrm{TV}$

     Status＝’TV’；

   End；

End；

测试2：从TV到TI

If Mode＝＝’TV’，

        $\mathrm{If}\underset{k=t-N_{\mathrm{win}}+1}{\overset{t}{\mathrm{\&Sigma;}}}[\mathrm{TI}\_\mathrm{Indicator}\left(k\right)]>N_{\mathrm{win}}\&CenterDot;P\_\mathrm{TI}$

       Mode＝’TI’；

   End；

End；

以上的逻辑算法也适用于频域信道变化有关的判定，也就是，FI和FV之间的状态转移。唯一的区别的是用dHF(t)代替dHT(t)。

根据信道状态设计通信状态下的传输方式。基于BCH的信道状态可以用于空闲状态或通信状态。在接入时将空闲状态时判定的信道状态上报给BTS，接入成功后，对接入用户实施相应的上下行传输方式。基于BCH的信道状态也可以用于通信状态。后一种情况下，由于信道状态时常变化，终端会将任何的信道状态更新上报给BTS。由于上下行只使用BCH，上行和下行将共享上报的同一信道状态。

本发明的另一个具体实施方式中，使用业务子信道(TCH)来判定信道状态。当用户不能使用广播子信道，或者用户从空闲状态转换到通信状态时，有必要使用业务子信道(TCH)来判定信道状态。上行TCH和下行TCH可以依照相同的方法来判定信道状态。在通信链路的一端或两端采用多天线的无线系统中，进行波束赋形操作后，BTS和终端检测到的信道状态可能不同。因此基于各自的上/下行TCH统计来判定上下行信道状态是有必要的。对于TCH，传输方式取决于目前的信道状态。因此，如果目前的信道状态是时变的(TV)，则每个子载波安排2个导频，如图3的右下角所示。计算MVT的方法和基于BCH的方法相同。如果目前的信道状态是时不变的，则每个子载波仅安排1个导频，如图3左下角所示。这种情况下，由于信道判定方法必须先对

进行估计，因此不能直接使用基于BCH的方法。信号经过信噪比足够大的符号检测后，进行解扩以获得每个子信道的接收比特。对这些比特重新编码，重新调制并重新扩频以构建发送符号。将(k_p，n_p)位置对重新构建的符号作为导频，这时基于BCH的信道判定算法就仍然可用了。

本发明的另一个具体实施方式中，利用空间特性，空间特性充当时域变化度量(MVT)和频域变化度量(MVF)的作用。尤其可以利用时间和频率上的空间特征变化。空间特征表征主阵列响应向量元素间的相对复数增益。空间特征是时间和频率的函数，因此可作为时间和频率的变化度量的一个有效来源。该方法的特别之处在于MVT和MVF的计算方法。在OFDMA系统中，BTS采用多天线，进行所有天线的信道估计后，BTS获得每个用户的空间特征，且空间特征的计算是基于每帧和每个子信道。扩展前面单个天线情况下的定义，信道估计将用如下向量表示：

$\tilde{H}(t,k,n)=[{\tilde{H}}_1(t,k,n),{\tilde{H}}_2(t,k,n),...,{\tilde{H}}_M(t,k,n)]$

这里M是BTS的天线数量，t是帧索引。MVT和MVF分别从时间和频率上体现空间特征之间的相互关系。对于第t个上行帧，在接收信噪比足够大时，选择一个上行子信道，计算相应的空间特征

第t帧的MVT和MVF计算如下：

dHT(t)＝10·log10(H^*(t，k，n)·H(t-1，k，n)/|H(t，k，n)|/|H(t-1，k，n)|)

dHF(t)＝10·log10(H^*(t，k，n)·H(t，k+d，n)/|H(t，k+d，n)|/|H(t-1，k+d，n)|)

剩余的计算和逻辑算法与基于BCH的算法相同。基于空间特征的方法仅适用于接收机有多个天线的链路。

本发明的另一个具体实施方式中，接收机带有多个天线，上面提到的两种基于TCH的MVT/MVF计算方法可以合并成一个方案。两种计算方法平行独立运行，其中一种利用多天线结合后的信道评估，另外一种利用空间特征。此外，两个逻辑单元平行运行，得出各自的信道状态判定结论。将从两个逻辑单元得出的信道状态输出结论综合起来，产生一个信道状态。其中综合方法之一，只要一个逻辑单元输出TV/FV就判定信道状态为TV/FV，并且只有当两个逻辑单元都输出TI/FI时才判定信道状态为TI/FI。

一旦接收机检测出一个新的信道状态，将报告给发送机，并且进行握手确认发送机和接收机在以后的信号传输中均使用相同的格式。图9和图10分别是这种机制的一个方框图和一个信号发送方案。图9中，建立一个反馈信道来报告接收机判定的信道状态。一旦发送机接收到新的信道状态，发送机将根据新格式将产生的导频符号插入通信符号中。在一个单点对点的结构中，除了定期接收终端上报的下行信道状态，基站还可以利用上行信号进行信道状态判定。如果这两个结果中至少有一个结果为TV/FV，对于该终端，基站将把信道状态转移至TV/FV。基站给终端发送控制消息，用于通知信号格式的转换。如果BTS接收到一个确认，表示格式转换成功完成。

图11是根据本发明实施方式的帧结构动态调整装置的示意图，如图所示，所述信道估计装置包括接收单元和发送单元。接收单元安装于接收机中，包括信道变化度量计算模块、信道变化度量统计模块和信道状态判定模块。发送单元安装于发送机中，包括传输方式设计模块。上述模块可以通过所有能够完成相应计算的软件模块或硬件逻辑模块实现。

信道变化度量计算模块，用于计算每个用户的信道变化度量，例如利用下行公用信道的导频符号来计算信道变化度量。

信道变化度量统计模块，用于累积统计信道变化度量。根据每帧的信道变化度量，判断每帧的指示符为快衰落还是慢衰落，然后计算快衰落指示符的数量和慢衰落指示符的数量。

信道状态判定模块，基于信道变化度量的统计来判定信道状态。所述的信道变化度量，可以是利用下行公用信道，下行专用信道，上行专用信道得出的三种信道变化度量的任意组合。

传输方式设计模块，根据每个用户的信道状态，调整该用户的帧结构中的通信符号和导频符号的相关数量和位置。

Claims (21)

1、一种信道估计中帧结构的动态调整方法，其特征在于，包括：

a.计算每个用户的信道变化度量；

b.累积统计信道变化度量；

c.基于信道变化度量的累积统计，判定信道状态；

d.根据每个用户的信道状态，转换信号传输格式，即调整该用户的帧结构中的通信符号和导频符号的相关数量和位置。

2、权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a，所述的信道变化度量，是根据信道在时域上的变化来计算的。

3、权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a，所述的信道变化度量，是根据信道在频域上的变化来计算的。

4、权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a，所述的信道变化度量，是利用下行公用信道的导频符号来计算的。

5、权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a，所述的信道变化度量，是利用下行专用信道的导频符号和通信符号来计算的。

6、权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a，所述的信道变化度量，是利用上行专用信道的导频符号和通信符号来计算的。

7、权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a，所述的信道变化度量，是利用上行专用信道的空间特征来计算的。

8、权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b包括：

b1.根据每帧的信道变化度量，判断每帧的指示符为快衰落还是慢衰落；

b2.计算快衰落指示符的数量和慢衰落指示符的数量。

9、权利要求1所述的方法，其特征在于步骤c，下一个信道状态至少是基于信道变化度量的累积统计和当前信道状态得出的。

10、权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的累积统计，可以是利用下行公用信道、下行专用信道、上行专用信道得出的三种累积统计的任意组合。

11、权利要求1所述的方法，其特征在于，接收机通过反馈信道将信道状态报告给发送机，发送机将信号传输格式转换命令发送给接收机。

12、一种动态调整帧结构的信道估计装置，该装置包括接收单元和发送单元：

接收单元安装于接收机中，包括：

信道变化度量计算模块，计算每个用户的信道变化度量；

信道变化度量统计模块，累积统计信道变化度量；

信道状态判定模块，基于信道变化度量的统计来判定信道状态；

发送单元安装于发送机中，包括：

传输方式设计模块，根据每个用户的信道状态，转换信号传输格式，即调整该用户的帧结构中的通信符号和导频符号的相关数量和位置。

13、权利要求12所述的装置，其特征在于，所述的信道变化度量计算模块，是从时域上来计算信道变化度量。

14、权利要求12所述的装置，其特征在于，所述的信道变化度量计算模块，是从频域上来计算信道变化度量。

15、权利要求12所述的装置，其特征在于，所述的信道变化度量计算模块，是利用下行公用信道的导频符号来计算信道变化度量。

16、权利要求12所述的装置，其特征在于，所述的信道变化度量计算模块，是利用下行专用信道的导频符号和通信符号来计算信道变化度量。

17、权利要求12所述的装置，其特征在于，所述的信道变化度量计算模块，是利用上行专用信道的导频符号和通信符号来计算信道变化度量。

18、权利要求12所述的装置，其特征在于，所述的信道变化度量计算模块，是利用上行专用信道的空间特征来计算信道变化度量。

19、权利要求12所述的装置，其特征在于，所述的信道变化度量统计模块，包括：

b1.指示符判断部分，根据每帧的信道变化度量，判断每帧的指示符为快衰落还是慢衰落；

b2.指示符计算部分，计算快衰落指示符的数量和慢衰落指示符的数量。

20、权利要求12所述的装置，其特征在于，所述的信道状态判定模块，至少是基于信道变化度量的累积统计和当前信道状态，判定得出信道状态。

21、权利要求20所述的装置，其特征在于，所述的累积统计，可以是利用下行公用信道、下行专用信道、上行专用信道得出的三种累积统计的任意组合。

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