CN101409577A - 一种基于码扩正交频分多址（cs-ofdma）的智能天线无线系统 - Google Patents

一种基于码扩正交频分多址（cs-ofdma）的智能天线无线系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种创新的无线通信系统，包含自适应天线阵列、码扩正交频分多址CS－OFDMA、时分双工、自适应调制、动态信道分配和其他先进无线通信技术。以上先进技术的有机融合使无线系统具有大覆盖、高吞吐量和同频组网的性能。不同于其他常用无线通信系统只擅长于窄带语音或宽带数据中的一种，该无线通信系统还能够同时高效率支持宽带和窄带的业务，如语音和宽带数据业务。

Description

一种基于码扩正交频分多址(CS-OFDMA)的智能天线无线系统
技术领域
本发明涉及一种基于自适应天线阵列、码扩正交频分多址CS-OFDMA、时分双工等技术的无线通信系统。
背景技术
当今通用的无线技术不外乎以CDMA为主导的3G技术和以OFDMA为主导的WiMAX无线宽带接入技术。
CDMA是码分多址技术。简单的说，它将一个宽带横向分成许多扩频的正交码道，然后通过将这些码道分给不同的用户来实现码分多址。由于CDMA扩频的码道是宽带的，CDMA有很强的抗信号衰弱和抗邻区干扰能力，有利于同频组网。但是，如果CDMA的上行码道不同步，正交码道将不再正交，码间干扰将大大增强。SCDMA，即同步码分多址，在理想情况下，解决了码道不正交的问题。但在多径干扰严重的情况下，码道的正交性也将被破坏。多用户联合检测技术对多径有一定效果，但在用户过多和多径复杂的情况下，性能会有较大下降。同时多用户联合检测技术的实现难度大。因此，CDMA不适合用于宽带应用。
OFDMA是正交频分多址技术。简单的说，它将一个宽带纵向分成许多非常窄的频点，然后通过将这些频点分给不同的用户来实现频分多址。只要留出足够的时间间隔(循环前缀)，由于频点之间的正交性不受多径时延影响，不同的用户的信号几乎没有相互干扰。这样，多用户联合检测将可被分解成多个独立的单用户检测。然而，由于OFDMA是靠窄带频点承载的，其幅度在多径的情况下变化剧烈，造成严重的信号衰落，尤其对窄带语音通信。另外由于各个同频相邻小区用相同的频点，对相邻小区干扰基本无抵御能力，很难实现同频组网。
本发明提出的CS-OFDMA多址设计有机地融合了同步CDMA和OFDMA。它首先将一个宽带纵向分成许多窄带频点，然后再用正交CDMA码道将符号横向调制到窄带频点。这样的融合多址设计结合了CDMA和OFDMA的优点，有效地避开了两者的缺点。具体地说，由于用了OFDMA，它能克服传统CDMA系统在传输宽带数据时由扩展频谱而引起的严重码间干扰(ISI)，并且复杂的、非最优性能的多用户联合检测将可被分解成多个简单的、高性能的单用户检测。同时由于每个符号被扩展到多个有一定间隔的频点，有效地对抗频率选择性衰落和相邻小区干扰，有利于窄带语音和宽带数据的可靠传送以及同频组网。
智能天线技术采用阵列天线及时空信号处理，是一种充分利用移动用户的空间方位信息来提高移动通信的传输质量及系统容量的信号处理技术。采用智能天线技术可以提高系统的覆盖范围、抗干扰能力、频谱利用率以及移动环境下的性能。
本发明结合了智能天线、CS-OFDMA、时空联合检测、自适应调制和动态信道分配等技术，提出了一个全新的能适应移动和固定，兼容语音、宽带数据和视频的无线通信系统。
发明内容
本发明提供了一种基于自适应天线阵列、码扩正交频分多址CS-OFDMA、时分双工等技术的无线通信系统。该系统包括以下部件：
1.一个天线阵。
2.一个多路收发信机，用于接收来自终端的CS-OFDMA信号和向终端发射CS-OFDMA信号，其中接收和发射时间不重合。
3.一个空间处理器，用于根据多路收发信机接收的来自终端的多路CS-OFDMA信号，估计终端的空频信道响应。优选的，空频信道响应为终端的空间特征向量和频域信道响应。
4.一个解调器，对空间处理器得出的结果进行处理，得出终端发出的消息。
5.一个L2处理器，用于处理解调器得出的结果，根据系统信道划分定义给终端分配上下行信道，产生给终端和所述调制器的消息并送给调制器。优选的，信道划分定义为：将一个连续频带分成多个不重合的频段，然后在每个频段抽取不重合的频点作为信道分配单元。
6.一个调制器，利用空间处理器和L2处理器得出的结果，将发给终端的消息调制成多路CS-OFDMA信号并送到多路收发信机。优选的，调制器将L2处理器的终端信道重新分配消息调制到终端当前分配的下行业务信道。
优选的，空间处理器在预定的随机接入信道得到请求接入终端的空间特征向量；解调器在预定的随机接入信道解调出终端接入请求消息；L2处理器分配信道，产生终端接入响应消息；调制器将终端接入响应消息调制到预定的随机接入响应信道，根据所述空间特征向量做波束赋形。终端接入请求消息可以包含终端所接收到的干扰和噪声信息，L2处理器根据所述终端所接收到的干扰和噪声信息分配信道，产生终端接入响应消息。
优选的，空间处理器从上行时频窗口得到干扰和噪声信息；L2处理器根据所述干扰和噪声信息分配信道。时频窗口的位置是由所述无线通信系统的前导序列的序号决定的。
优选的，解调器解调所述终端发送的包含所述终端所接收到的干扰和噪声信息的上行消息；L2处理器根据所述干扰和噪声信息分配信道。上行信息还可以包含发射功率信息，L2处理器还可以同时根据发射功率信息分配信道。
优选的，空间处理器在预定的测距信道检测终端上行测距信号及其时延和信号强度；L2处理器根据所述测距信号时延和信号强度信息产生包含调时和功控信息的测距响应消息。其中所述测距信道，位于下行到上行的保护时隙。空间处理器还可以检测终端空间特征向量，调制器根据空间特征向量做波束赋形，将测距响应消息调制到预定测距响应信道。
优选的，空间处理器估计出终端的时延；L2处理器根据所述时延产生所述终端调时命令消息；调制器将调时命令消息调制到所述终端业务信道。
优选的，空间处理器得到空间特征向量和在信道对应的时频窗口估计干扰和噪声的统计量；解调器根据所述空间特征向量和干扰和噪声的统计量计算抵消干扰的上行波束赋形的权重。时频窗口的位置是由所述无线通信系统的前导序列的序号决定的。
本发明结合了智能天线、CS-OFDMA、时空联合检测、自适应调制和动态信道分配等技术，可以使无线系统具有大覆盖、高吞吐量和同频组网的性能。不同于其他常用无线通信系统只善长于窄带语音或宽带数据中的一种，该无线通信系统还能够同时高效率支持宽带和窄带的业务，如语音和宽带数据业务。
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CS-OFDMA信号在频域的示意图；
图2为10ms/5ms的帧结构的上下行时隙分配示意图；
图3为10ms的对称(4∶4)帧结构的时频示意图；
图4为逻辑信道和物理信道的映射的示意图；
图5为CS-OFDMA系统的关键组成模块示意图；
图6为空间处理器处理上行业务数据的步骤示意图。
具体实施方式
在详细介绍本发明的系统前，我们先从CS-OFDMA的信道结构开始。为了便于说明，以下将本发明的系统称为CS-OFDMA系统。
1.CS-OFDMA系统的信道结构
如图1的例子所示，CS-CDMA信号的总带宽是5MHz，并分为5个独立的子载波组，每个子载波组的带宽是1MHz。每个子载波组由128个频点组成(OFDM子载波)。128个频点又进一步分为16个子群，每个子群有8个频点。对于一个单独的被发送的符号，它首先被8个正交码中的一个扩频为8个频点(类似于8个CDMA的码片)。由于8个扩频频点分散在整个1MHz子载波组中，也就是说一个被发送的符号的能量被8个单独的频点扩频到整个1MHz的带宽中，这样我们能够得到CDMA扩频增益并同时抵抗信道衰落环境影响下个别频点的严重衰弱。如此类推，我们可以用i个正交码将i个符号扩到8个频点，i＝1，2，...，8。
2.CS-OFDMA系统的帧结构
CS-OFDMA系统的帧结构是可调的。如图2的示例所示，如果TDD的周期是10ms，整个10ms的帧可分为8个时隙。其上下行之比可以是1∶7到7∶1。如果时隙长度不变，5ms的帧可分为4个时隙，其上下行之比可以是1∶3到3∶1。不管5ms还是10ms的帧结构，从上行到下行和从下行到上行都有保护时隙；下行的第一个时隙的头部是已知的前导序列。图3是对应10ms的帧结构的信道分配时频示意图。如图所示，5MHz带宽被分成5个1MHz子载波组。每个时隙和子载波组有16个信道单元，一个信道单元是8个频点。每个信道单元有8个符号时长。在8个符号中，至少有一个导频符号；并在每个信道单元中，有一组和前导序列号对应的时频窗口，即在某几个符号时长中的某几个频点上下行都不发信号。这个时频窗口用于观察干扰和噪声情况。
3.CS-OFDMA系统的逻辑信道
CS-OFDMA系统有以下7种逻辑信道，这些逻辑信道到物理帧结构的映射如图4所示：
a.广播信道(BCH)：基站广播基站配置/加载信息、终端寻呼信息和其他广播包。
b.测距信道(RG)：终端在上行链路/下行链路间的保护段发送测距信号，以达到上行同步。
c.测距响应信道(RR)：测距后下行链路响应信道返回同步信息到终端。
d.随机接入信道(RA)：终端发送上行链路随机接入包到基站，并请求初始信道分配，从备用到通信。
e.随机接入响应信道(RAR)：从终端收到随机接入请求后，基站将初始信道分配信息回送给终端。
f.上行链路业务信道(UTCH)：终端将包括数据、语音、控制信令和性能信息的业务包在上行链路中发送给基站。
g.下行链路业务信道(DTCH)：终端将包括数据、语音、控制信令和性能信息的业务包发送给基站。
4.同步机制
对于所有的TDD系统，TDD定时都需要严格同步。CS-OFDMA系统可以通过GPS、有线等方式与任何全球时钟同步。基站和终端的同步通过下列过程获得：
a.终端首先在第一个下行链路业务时隙(D1)检测前导序列，然后在每个可能的下行链路时隙搜索BCH信道。一旦发现BCH信道，终端就会找到TDD的不对称上/下行比，将实现下行链路同步。
b.实现下行链路同步并定位测距和测距响应信道后，终端发送测距信号到基站，并接收下行测距响应信道中的上行链路同步信息。
c.在通信模式中，同步由基站的前导信号和上行链路信号维持，并将同步偏移信息反馈到终端。
以上同步的具体实施方案将在以下CS-OFDMA系统模块的说明中阐述。
5.CS-OFDMA系统主要功能模块详细说明
图5示出了CS-OFDMA无线系统的主要功能模块。第一个子系统包括一个天线阵和多通道收发器100，负责放大信号并将射频和微波信号变换到基带数字信号，传给空间处理器110。子系统100还负责将调制的CS-OFDMA信号转换并放大为射频和微波信号，经由天线阵发射出去。空间处理器接收到在时间n的抽样数字信号向量X(n)，其中X(n)是M维列向量。空间处理器110对上行业务数据的处理步骤见图6。在第一步骤200，在上行帧的每个符号时长内，对从每根天线单元得到的基带信号进行FFT变换，得到频域向量y(f)，其中f是频率索引，y(f)是对应M根天线单元的M维列向量。在第二步骤210，选择落在导频符号的每一个信道单元对应的频点，并估计那个基本信道单元的频率和空间信道响应，即空频信道响应。在此，为了便于说明，空频信道响应可视为空间特征向量和频域信道响应的组合。一个优选空间特征向量的估计方法是对数据矩阵Y＝[y(f1)，...，y(fn)]执行奇异值分解(SVD)计算。对应最大奇异值的左奇异向量就是空间特征向量估计a。对于分配了多个信道单元的终端，可以将导频符号的所有频域数据向量形成一个更大的数据矩阵，对空间特征向量进行更精确的估计。找到空间特征向量后，则转到下一步220，即估计信道响应c(fi)。一个优选的方法是通过对对应一个导频符号的频域数据向量y(fi)进行波束赋形得到：c(fi)＝a * y(fi)/SP(fi)，i＝1，...，n，其中a *是a的复共扼转置，SP(fi)是频率索引fi的导频符号。如果导频符号多于1个，可以采取某种形式的平均，以得到更精确的信道响应估计。在空间处理器110的最后一步230是将空间特征估计，信道响应以及所有的频域数据向量发给解调器。
除以上基本步骤外，空间处理器还在上行的多个接收通道的时频窗口进一步估计噪声和干扰特性。这些干扰特性包括干扰功率和干扰协方差矩阵，它们也会送到解调器120，以进行干扰抵消处理。
基于空间特征向量a，以及信道响应c(fi)，可以得到如下无噪声频域数据向量的理论表达式：y(fi)＝aP(i)c(fi)S，其中P(i)是码扩矩阵P的第i行，S是包括n个数字符号的n维列向量，如：QPSK，QAM16对CS-OFDMA波形的调制。
解调器120首先利用估计的空间特征向量进行波束赋形，然后利用信道响应和频域数据向量来估计符号S。波束赋形权重可选为空间特征向量，即w＝a。这样，可以让信号强度最大。另外一种方法是选w＝Rn -1a来优化信干比，其中Rn -1是噪声和干扰协方差矩阵的逆。波束赋形后，得到z(fi)＝w* y(fi)。至于数据符号S的估计，该发明的一种实现方法是依据以下公式得到：
S＝Q# Z，这里Z＝[z(f1)，..，z(fn)]′，Q＝[P(1)′，..，P(n)′]′Φ，Φ＝diag{c(f1)，..，c(fn)}是c(fi)的对角阵，′表示矩阵转置，Q#表示Q的伪逆阵。如根据先验知识得到或者从空间处理器得到噪声方差σ，则可用最小均方差算法(MMSE)估计S，即：S＝(Q*Q+σI)-1Q*Y，其中I为单位矩阵。基于S，解调器120通过星座图上的与被估符号相距最近为原则选择预定义调制的点，执行标准的符号检测，相应的结果保存于S d。然后，解调器120计算信噪比(SNR)，即：SNR＝10log10(|Sd|2/|S-S d|2)。
本发明的另一种优化算法如下：解调器120将S d送回到空间处理器110，后者以此重新估计空间特征a和信道响应c(fi)，公式如下：a＝Y(SS*)-1S*，其中S＝[p(1)c(f1)Sd，...p(n)c(fn)Sd]。Y和S可以从相同的终端进一步扩展到其他符号以及导频符号以获得对空间特征的更精确估计。根据更新的空间特征a，解调器可以根据前述过程，获得更新的检测到的符号S d。这两步可以迭代直到首先满足以下某一条件：S d收敛或者达到预先定义的迭代次数。
最后，解调器120将所有结果，包括被检测的符号，空间特征向量，信道响应，干扰统计，上行信号强度，信噪比，发送到L2处理器130。L2处理器130进一步对检测到的符号进行所有必要的处理，包括：信道解码，组包，从终端提取上行L2消息，该消息中包含终端功率控制命令，终端下行干扰和噪声统计及下行的信噪比。对于正和基站保持通信的在线终端，L2处理器130还基于上、下行业务模式、信噪比、干扰统计等因素重新分配信道。而且，L2处理器130还基于终端功率控制命令处理下行功率控制，根据信号强度、信噪比、干扰统计等上行信息完成上行功率控制。L2处理器130进一步为信道重新分配生成L2包，那些包和其他业务包、OAM包一起，被转换成消息符号并送到调制器140调制到下行业务信道。值得指出，通常的方案将信道重新分配命令发送到专用广播信道。本发明将信道重新分配命令发送到业务信道的设计具有以下明显优势：1.经波束赋形的业务信道具有更好的分集质量，从而节省大量下行功率；2.节省了为发送终端ID信息的资源；3.节约了大量公共接入信道资源，因此CS-OFDMA系统能有效的处理大量终端的并发。
L2处理器还生成包括上行功率控制命令等字段的下行L2消息。L2处理器130将空间特征估计、信道响应及所有下行消息符号发给调制器140。
调制器140首先对所有终端生成下行波束赋形向量。在该发明的一种实现中，下行权重向量可以是它对应的空间特征向量，即w d＝a，以最大化终端下行接收信号强度。为最小化对其他终端的同道干扰，使用上行权重向量。调制器140从L2处理器130提取所有消息符号，首先针对每一个信道单元进行码扩，即：t(i)＝Ps(i)，i＝1，...，N，其中t(i)是一个信道单元的第i个符号向量，P是编码矩阵。然后进行下行波束赋形，以复制每个符号向量到矩阵[w d(1)t(i)，...，w d(M)t(i)]，其中w d(j)t(i)是第j根天线的发射频域数码向量。波束赋形后，对每根天线，对应的赋形结果，放到与信道单元映射相关联的对应的频点中。之后，对于每个符号进行IFFT计算，将频域数据变换到时域中。数字信号将转换为模拟信号，上变到射频和微波信号，经过放大，最后发送到子系统100的天线阵列。
我们只是描述了所发明的CS-OFDMA系统对于在线终端业务信道的工作方式。对于一个新的或者处于待机状态的终端，即当前未与基站进行双向通信的非在线终端，那么，前述模块的工作过程有所不同。终端从非在线状态变为在线状态，有两个原因；一是基站对终端发起寻呼，另一个原因在于终端。如果是一个终端发起的呼叫，在预定义的上行随机接入信道，终端将会发射一个包括终端ID、上下行数据速率请求、发射功率和干扰统计等信息的随机接入包。终端通过下行广播信道得到那些信道信息。子系统100和空间处理器110、解调器120将会和处理业务信号一样的方式接收信号，L2处理器130将从上行随机接入信道接收消息符号并处理上行随机接入包。然后，根据数据速率请求、干扰统计、可获得资源等分配信道。然后，将准备包含信道分配信息的下行随机接入响应包，并将其发到调制器140，由其调制到预定的下行随机接入响应信道。终端收到后，即在分配的信道上与基站通信，成为在线终端。如果基站发起寻呼，终端在广播信道收到寻呼后，在上行随机接入信道发寻呼响应消息。之后的操作同终端发起。
空间处理器110和L2处理器130配合可实现在线终端的上行同步保持。首先空间处理器110可以跟据信道响应估计c(f1)来求时延Δ，即搜索可能的时延Δ使目标函数J(Δ)＝|e-j2πΔf1c(f1)+...+e-j2πΔfmc(fm)|2最大。然后L2处理器130将时延信息通过L2消息包发给调制器140。
对非在线终端的同步或测距需要子系统100、空间处理器110和L2处理器130来配合完成。首先子系统100必须在下行到上行的保护时隙提前打开接收器产生数字基带信号。空间处理器110接着在数字基带信号检测上行测距信号。为了便于检测，终端可以在多个不同的测距信号中选一个发送。空间处理器110可以针对所有的测距信号进行相关检测。对超过检测门限的信号，求得空间特征向量、信号强度、时延送给L2处理器130。L2处理器130根据信号强度、时延形成功率控制和调时命令放入L2消息发给调制器140。调制器140将L2消息调制到测距响应信道用空间特征向量作波束赋形发到子系统100。值得一提的是，常见无线通信系统将测距信道安排在业务信道中。由于非在线的终端发的测距信号在时间上和功率上有相当的任意性，很有可能其功率比其他业务信号大并与其他业务信号不能保证同步。这种测距信号将对业务信号造成很大干扰。在CS-OFDMA系统，测距信道设计在下行到上行的保护时隙，在时间上于业务信道是分开的，妥善地解决了以上问题。

Claims (15)

1、一种和多个终端通信的、基于自适应天线和CS-OFDMA的时分双工无线通信系统，包括以下部件：
1.1.一个天线阵；
1.2.一个多路收发信机，用于接收来自终端的CS-OFDMA信号和向终端发射CS-OFDMA信号，其中接收和发射时间不重合；
1.3.一个空间处理器，用于根据多路收发信机接收的来自终端的多路CS-OFDMA信号，估计终端的空频信道响应；
1.4.一个解调器，对空间处理器得出的结果进行处理，得出终端发出的消息；
1.5.一个L2处理器，用于处理解调器得出的结果，根据系统信道划分定义给终端分配上下行信道，产生给终端和所述调制器的消息并送给调制器；
1.6.一个调制器，利用空间处理器和L2处理器得出的结果，将发给终端的消息调制成多路CS-OFDMA信号并送到多路收发信机。
2、根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，所述空间处理器所估计的空频信道响应是终端的空间特征向量和频域信道响应。
3、根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，所述L2处理器的信道划分定义是：将一个连续频带分成多个不重合的频段，然后在每个频段抽取不重合的频点作为信道分配单元。
4、根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，所述调制器将L2处理器的终端信道重新分配消息调制到终端当前分配的下行业务信道。
5、根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，所述空间处理器在预定的随机接入信道得到请求接入终端的空间特征向量；所述解调器在预定的随机接入信道解调出终端接入请求消息；所述L2处理器分配信道，产生终端接入响应消息；所述调制器将终端接入响应消息调制到预定的随机接入响应信道，根据所述空间特征向量做波束赋形。
6、根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，所述空间处理器从上行时频窗口得到干扰和噪声信息；所述L2处理器根据所述干扰和噪声信息分配信道。
7、根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，所述解调器解调所述终端发送的包含所述终端所接收到的干扰和噪声信息的上行消息；所述L2处理器根据所述干扰和噪声信息分配信道。
8、根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，所述解调器解调所述终端发送的包含所述终端所接收到的干扰、噪声和发射功率信息的上行消息；所述L2处理器根据所述干扰、噪声和发射功率信息分配信道。
9、根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，所述空间处理器在预定的测距信道检测终端上行测距信号及其时延和信号强度；所述L2处理器根据所述测距信号时延和信号强度信息产生包含调时和功控信息的测距响应消息。
10、根据权利要求9所述的无线通信系统，其特征在于，所述测距信道位于下行到上行的保护时隙。
11、根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，所述空间处理器在预定的测距信道检测终端上行测距信号及其时延、信号强度和空间特征向量；所述L2处理器根据所述测距信号时延和信号强度信息产生包含调时和功控信息的测距响应消息；所述调制器根据空间特征向量做波束赋形，将测距响应消息调制到预定测距响应信道。
12、根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，所述空间处理器得到空间特征向量和在信道对应的时频窗口估计干扰和噪声的统计量；所述解调器根据所述空间特征向量和干扰和噪声的统计量计算抵消干扰的上行波束赋形的权重。
13、根据权利要求6或权利要求12所述的无线通信系统，其特征在于，所述时频窗口的位置是由所述无线通信系统的前导序列的序号决定的。
14、根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，所述空间处理器估计出终端的时延；L2处理器根据所述时延产生所述终端调时命令消息；所述调制器将调时命令消息调制到所述终端业务信道。
15、根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，所述空间处理器在预定的随机接入信道得到请求接入终端的空间特征向量；所述解调器在预定的随机接入信道解调出包含终端所接收到的干扰和噪声信息的终端接入请求消息；所述L2处理器根据所述终端所接收到的干扰和噪声信息分配信道，产生终端接入响应消息；所述调制器将终端接入响应消息调制到预定的随机接入响应信道，根据所述空间特征向量做波束赋形。
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