CN101521530A - 一种多用户导频方法及其应用调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户导频方法及其应用调度方法，其导频方法为：首先确定系统的导频符号/序列间隔，然后将用户的移动速度进行分档并根据速度的分档对导频符号/序列间隔进行时隙划分；其应用调度方法为：基站首先测量用户终端的移动速度，然后根据用户的实际速度确定用户所对应的时隙，之后将用户数据分配到对应的时隙内，最后基站发送数据信息并通知各移动终端的数据块大小及所在位置。与传统的导频解决方法相比，本发明的方法不受用户终端最高速度的束缚，既保证不同移动速度终端的通信质量，又减少不必要的导频资源开销，大大提高了频带利用率，从而使系统的容量性能进一步提高。

Description

一种多用户导频方法及其应用调度方法

技术领域

本发明涉及一种下行信道导频方法及其应用调度方法，尤其涉及一种多用户导频方法及其应用调度方法，属于通信技术领域。

背景技术

无线通信系统中，由于信道的多径时延扩展而导致的码间干扰(ISI)会使发射信号到达接收机时产生形变，从而在接收时发生误码。接收机为了正确地解调这些信号，通常需要对信号形变实施补偿，以恢复信号本来的形状，这种补偿称为信道均衡。信道均衡不但可以恢复信号形状，而且成为信号相干解调的必要条件，因此信道均衡质量直接影响通信系统的性能。

为了确保接收机得到良好的均衡效果，系统设计采用如下方法：发射机在传送的信息符号流中插入导频符号/序列，其中导频符号/序列对接收机而言是已知信息。接收机则利用这些已知的导频符号/序列估计信道及实施信道均衡，然后解调发送端发送的信息符号。就导频设计而言：一方面，较多插入导频符号/序列，有利于增强信道估计精度及改善信道均衡质量，从而提高信息传输的可靠性；另一方面，过多地插入导频符号/序列，则不可避免地减少单位时间内可以传输信息符号的数量，从而降低信息传输速率，或者说降低频带利用率。

上述矛盾在设计支持高速移动用户的现代通信系统中尤为突出。这是因为当移动终端处于高速移动状态时，发射机与接收机之间的信道迅速变化，接收机在某一时刻完成的信道估计，随着时间的流逝迅速失去其精准度，使得信号接收可靠性迅速变坏。为了解决这个问题，接收机需要频繁更新信道估计及信道均衡结果。为了支持高速移动用户的这种更新需求，传统系统设计采用在时间上重复发送导频符号/序列的方法。系统支持的移动速度越高，要求的重复周期就越短。传统导频设计是依据其支持的最高移动速度来决定的。这种设计原则上保证了高速移动用户的性能，但是大大降低了频带利用率，因为并非所有用户都同时处于高速移动状态。

下面我们以时分复用导频为例子(Time-Multiplexing Pilot，TMP)进行分析系统设计，并阐述本发明技术的基础。

在单载波通信系统中，如果每个信息符号根据其前方发送的最近的导频符号/序列得到的信道估值进行解调的话，两次插入导频符号/序列的间隔时间大致等于信道的相关时间T_c，

$T_c=\sqrt{\frac{9}{16\mathrm{\π}{f}_m^2}}=\sqrt{\frac{9}{16\mathrm{\π}{\left(\frac{\mathrm{\υ}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2}}=\frac{3}{4\sqrt{\mathrm{\π}}}\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\υ}}=0.423\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\υ}}---\left(1\right)$

其中T_c表示信道的相关时间，

f_m表示最大多普勒频移，

υ表示终端的移动速度，

λ表示通信系统使用的电磁波波长；

由上式可知：在波长(或载波频率)一定的情况下，移动速度升高一倍，需要将相邻导频符号/序列的间隔时间缩短一倍。也就是说：导频占用资源增加一倍，而信息符号的资源就相应地减少，图1(a)，(b)给出支持不同移动速度的传统导频设计方案。

在多载波通信系统中(例如：OFDM系统)，设计人员利用信道的频域相关性，将导频信息以导频图案的方式插入到数据中(见图2(a)，(b))。对比单载波通信系统，虽然导频信息被分散在频域上，但是导频符号在时间上的间隔，本质上仍由系统支持移动终端的最高速度决定。

发明内容

本发明基于时分复用导频设计基本框架，提出了一种适用于无线宽带通信系统下行信道的新导频方法及其应用调度方法。对比传统导频设计，新导频方法采用相对稀疏的导频间隔取代由终端最高移动速率决定的紧密导频间隔，通过调度算法将处于高速移动的用户数据放置于离导频符号/序列相对较近的时间段内，将处于低速移动的用户数据放置于离导频符号/序列相对较远的时间段内。

依据上述设计思路，我们无需将导频符号/序列按照终端的最高速度要求设计，这样的设计方法即保证处于不同移动速度终端的通信质量，又减少不必要的导频资源开销。

下面以单载波通信系统说明设计原理。

首先确定一个系统支持的低速移动速度，并针对它设计导频序列的间隔。每个信息符号可以根据其前面或后面发送的距离最近的导频符号/序列得到一信道估值，然后根据该信道估值进行解调，因此导频序列间隔可以设计为根据系统支持的最低移动速度得出的信道相关时间的2倍：

$T_{\max }=2\×\frac{3}{4\sqrt{\mathrm{\π}}}\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\υ}}=2\frac{0.423\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\υ}}_{\min }}---\left(2\right)$

上式中：υ_min和λ分别代表低速终端的移动速度和通信系统使用的电磁波波长，导频设计见图3。

其次，我们将多用户的移动速度分为n档：υ₁，υ₂，υ₃，....υ_n，并且有v_min<υ_n<υ_n-1<υ_n-2<....<υ₂<υ₁。根据信道相关时间的公式

$T_i=\frac{3}{4\sqrt{\mathrm{\&pi;}}}\frac{\mathrm{\&lambda;}}{{\mathrm{\&upsi;}}_i}=\frac{0.423\mathrm{\&lambda;}}{{\mathrm{\&upsi;}}_i}---\left(3\right)$

将这些速度档映射到对应的n档的数据(见图4)，其中T_i表示对应υ_i的时间界限，它分别对应时隙1，2，…，n。

系统工作时，基站根据用户实际速度计算出它的信道相关时间：

$T_c\&prime;=\frac{3}{4\sqrt{\mathrm{\&pi;}}}\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&upsi;}}=\frac{0.423\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&upsi;}\&prime;}---\left(4\right)$

上式中：T_c′和υ′分别代表某个用户的信道相关时间和其移动速度。

然后，基站调度算法将移动速度为υ′的用户数据放置在满足(5)式

$T_i\&le;T_c^{\&prime;}\&ForAll;i\&Element;[\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,n]---\left(5\right)$

的第i档对应的时隙内实施信号复接(或多址复接)。

上述方法可以扩展到多载波系统(见图5)。

二、基站调度和移动终端接收机信号处理步骤

1.基站信号处理及调度过程：

(1)基站通过测量的方法确定各个移动终端的移动速度，并根据(5)式分配各个用户数据位置；

(2)基站在下行的信令信道中通知各个移动终端的数据块大小及所在位置；

(3)基站实施各个用户数据的发送。

2.移动终端信号处理

(1)接收机接收导频符号/序列，实施信道估计和信道均衡；

(2)读取信令，并按照信令指定的位置解调属于自己的信息符号。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种多用户导频方法，其步骤为：

1)确定系统的导频符号/序列的间隔；

2)将用户的移动速度分档；

3)根据移动速度的分档对导频符号/序列的间隔进行时隙划分。

进一步的，所述方法中首先确定系统能支持的用户最低移动速度，根据所述最低移动速度确定所述系统的导频符号/序列的间隔。

进一步的，所述方法中信息符号根据其前面或后面发送的距离最近的所述导频符号/序列进行信道估值。

进一步的，所述导频符号/序列的间隔为所述最低移动速度的信道相关时间的2倍，所述时隙划分的数目为速度分档数目的2倍。

进一步的，所述时隙划分的方法为：

1)计算不同档速度所对应的信道相关时间；

2)根据信道相关时间划分对应时隙的时间界限；

3)以导频符号/序列为中心，以每个时隙的时间长度来排列时隙。

一种多用户导频应用调度方法，其步骤为：

1)基站测量用户终端的移动速度，根据用户的实际速度算出对应的信道相关时间；

2)根据信道相关时间，确定用户所对应的时隙；

3)依据调度算法，将用户数据分配到对应的时隙内；

4)基站发送数据信息并在下行的信令信道中通知各移动终端的数据块大小及所在位置。

进一步的，所述调度算法为T_i≤T_c $\&ForAll;i\&Element;[\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,n],$ 其中T_i为第i档速度υ_i的信道相关时间，

为用户移动速度为υ′的信道相关时间，n为自然数，i∈n。

进一步的，所述将用户数据分配到对应的时隙内的方法为：将距离导频符号/序列由近及远的时隙依次用于存储用户移动速度由快到慢的数据。

进一步的，所述方法中用户根据接收的所述导频符号/序列，实施信道估计和信道均衡。

本发明的积极效果：

本发明与传统的导频解决方法相比，其优点在于本发明的导频符号/序列方法不会受到用户终端最高速度的束缚，本发明通过调度算法将处于高/低速移动的用户数据放置于离导频符号/序列相对较近/远的时间段内，这样既保证处于不同移动速度终端的通信质量，确保信道估计精度，又减少了不必要的导频资源开销，大大提高了频带利用率，从而使系统的容量性能进一步提高。

附图说明

图1是时分复用系统导频设计方案；

(a)是支持高速移动时需要的导频序列间隔；

(b)是支持低速移动时需要的导频序列间隔；

图2是OFDM系统导频设计方案；

(a)是OFDM系统中支持高速移动时需要的导频序列间隔；

(b)是OFDM系统中支持低速移动时需要的导频序列间隔；

图3是单载波系统导频方法序列的时隙划分；

图4是单载波系统根据用户移动速度分配用户信息传输位置示意图；

图5是多载波系统导频方法示意图。

具体实施方式

结合附图描述本发明的导频方法：

系统的解决方案：

(1)确定一个系统能支持的终端最低移动速度，根据它设计导频符号/序列的间隔；

导频符号/序列间隔可以设计为最低移动速度对应的信道相关时间的2倍：

$T_{\max }=2\&times;\frac{3}{4\sqrt{\mathrm{\&pi;}}}\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&upsi;}}=2\frac{0.423\mathrm{\&lambda;}}{{\mathrm{\&upsi;}}_{\min }}$

式中：υ_min和λ分别代表低速终端的移动速度和通信系统使用的电磁波波长，导频设计见图3，相邻导频符号/序列的间隔内包含2n个时隙，n为自然数。

(2)系统可支持的用户最低移动速度为υ₁，最高移动速度为υ_n，则将多用户的移动速度分档υ₁，υ₂，υ₃，....υ_n；理论上最高移动速度υ_n可以为任意大的速度。

我们将υ₁到υ_n的多用户的移动速度分为n档：υ₁，υ₂，υ₃，....υ_n，并且有v_min<υ_n<υ_n-1<υ_n-2<....<υ₂<υ₁。

(3)根据速度分档算出用户对应的信道相关时间T₁，T₂，T₃，...T_n，即时隙的划分；

根据信道相关时间的公式：

$T_i=\frac{3}{4\sqrt{\mathrm{\&pi;}}}\frac{\mathrm{\&lambda;}}{{\mathrm{\&upsi;}}_i}=\frac{0.423\mathrm{\&lambda;}}{{\mathrm{\&upsi;}}_i}$

将这些速度档映射到对应的n档的数据(见图4)，其中T_i表示对应υ_i的时间界限，它分别对应时隙1，2，…，n。

系统实施方案：

(1)基站测量用户终端的移动速度，根据用户实际速度算出对应的信道相关时间T_c′；

系统工作时，基站测量用户终端的移动速度，根据用户实际速度计算出它的信道相关时间：

$T_c\&prime;=\frac{3}{4\sqrt{\mathrm{\&pi;}}}\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&upsi;}}=\frac{0.423\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&upsi;}\&prime;}$

上式中：T_c′和υ′分别代表某个用户的信道相关时间和其移动速度。根据信道相关时间，确定用户所对应的时隙。

(2)依据调度算法 $T_i\&le;T_c^{\&prime;}$ $\&ForAll;i\&Element;[\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,n],$ 把用户数据分配到对应的时隙内；

基站调度算法将移动速度为υ′的用户数据放置在满足下式

$T_i\&le;T_c^{\&prime;}$ $\&ForAll;i\&Element;[\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,n]$

的第i档对应的时隙内实施信号复接(或多址复接)

(3)基站发送数据信息并在下行的信令信道中通知各移动终端的数据块大小及所在位置；

(4)接收端接收导频符号/序列，实施信道估计及信道均衡。

Claims (9)

1.一种多用户导频方法，其步骤为：

1)确定系统的导频符号/序列的间隔；

2)将用户的移动速度分档；

3)根据移动速度的分档对导频符号/序列的间隔进行时隙划分。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于首先确定系统能支持的用户最低移动速度，根据所述最低移动速度确定所述系统的导频符号/序列的间隔。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于信息符号根据其前面或后面发送的距离最近的所述导频符号/序列进行信道估值。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述导频符号/序列的间隔为所述最低移动速度的信道相关时间的2倍，所述时隙划分的数目为速度分档数目的2倍。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述时隙划分的方法为：

1)计算不同档速度所对应的信道相关时间；

2)根据信道相关时间划分对应时隙的时间界限；

3)以导频符号/序列为中心，以每个时隙的时间长度来排列时隙。

6.一种多用户导频应用调度方法，其步骤为：

1)基站测量用户终端的移动速度，根据用户的实际速度算出对应的信道相关时间；

2)根据信道相关时间，确定用户所对应的时隙；

3)依据调度算法，将用户数据分配到对应的时隙内；

4)基站发送数据信息并在下行的信令信道中通知各移动终端的数据块大小及所在位置。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述调度算法为 $T_i\&le;T_c^{\&prime;}$ $\&ForAll;i\&Element;[\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,n],$ 其中T_i为第i档速度ν_i的信道相关时间，

为用户移动速度为ν′的信道相关时间，n为自然数，i∈n。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述将用户数据分配到对应的时隙内的方法为：

将距离导频符号/序列由近及远的时隙依次用于存储用户移动速度由快到慢的数据。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于用户根据接收的所述导频符号/序列，实施信道估计和信道均衡。

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