CN103430615B - 无线通信系统及其通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通信方法，包括：根据系统配置信息确定随机接入序列长度N，N小于或等于有用子载波个数；根据所设计的系统覆盖范围确定循环移位参数集合及循环前缀；获取并根据中心接入点CAP的MAC地址或其物理层标识ID和预定的生成多项式产生长度为N的PN序列，并对PN序列进行星座映射和子载波映射；基于所述循环移位参数对星座映射和子载波映射后的序列进行循环移位并对循环移位后的序列进行正交变换，得到所需序列并加入循环前缀，得到随机接入信号，进行后续处理后发送给接收端。本发明还提供了相应的通信系统。根据本发明可更好地支持无线通信系统随机接入，提高系统的稳定性和可靠性。

Description

无线通信系统及其通信方法

本申请要求申请日为2011年3月25日、申请号为201110074434.2、发明名称为“一种中短距离无线通信系统及其通信方法”的中国专利申请的优先权，该在先申请的全部内容均已在本申请中体现。

技术领域

本发明涉及无线通信及网络技术领域，具体地说，涉及无线通信系统及其通信方法。

背景技术

在传统的无线局域网系统(如802.11系列)中，是不需要借助随机接入序列来进行系统接入的，所有的用户终端(STA)根据带冲突避免的载波监听多点接入/冲突避免(CSMA/CA，Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)机制，在自由竞争阶段，向检测到的接入点(AP)依次发送鉴权请求帧、关联请求帧，从而完成系统接入的功能。这种方案的优点在于易于实现，物理层上不需要单独的设计；缺点是由于鉴权请求帧和关联请求帧是MAC帧，同样需要长短训练符号和控制符号，帧控制信息等，占用了较多的OFDM符号，所以当用户数较多时，冲突概率的增大会造成系统效率降低。

在移动通信长期演进(LTE，Long Term Evolution)和全球互通微波接入(Wimax，Worldwide Interoperability for Microwave Access)系统中，尽管两种系统都是基于集中调度的系统，它们都有专门设计的随机接入序列来辅助完成随机接入的过程，但是由于二者面向的是移动通信的场景，覆盖范围较大(覆盖半径在几百米到几十公里的范围)，它们使用的随机接入序列不适用于中短距离无线通信的场景。

图1及表1分别给出了LTE系统的随机接入序列格式及其支持的具体参数，随机接入序列包括循环前缀CP和序列主体，序列主体采用的是短训练序列Zadoff-Chu序列。目前被广泛关注的Zadoff-Chu序列和Generalized Chirp Like(GCL)序列都属于CAZAC的范畴，所谓CAZAC序列即具备了恒幅、零自相关性的优良特性的非二进制复数序列。

表1

Format	TCP	TSEQ
			0	3168	24576
1	21024	24576
			2	6240	49152
3	21024	49152
			4*	448	4096

其中格式4仅适用于TDD帧结构中上行导频时隙(UpPTS)长度为4384和5120的情况。

以图2所示的Wimax系统中采用的一种随机接入序列格式作为例子，这个例子采用2个OFDM符号作为随机接入序列，其规范中规定可以采用的OFDM符号数为2或4，序列主体采用的是PN序列。

表2给出了Wimax支持的不同CP长度值T_CP。

表2

Format	TCP	TSEQ
			0	64/256	256/1024
1	32/128	256/1024
			2	16/64	256/1024
3	8/32	256/1024

以现有的无线局域网(802.11)系统为例，其OFDM符号长度为3.2微秒，循环前缀CP的长度T_CP为0.8微秒，子载波间隔为312.5KHz，20M带宽下对应的有用子载波个数为52，快速傅里叶变换FFT的大小为64。从物理层参数上来看，无论是LTE还是Wimax的随机接入序列，都无法直接在现有的无线局域网系统中直接应用，需要针对性地重新设计随机接入序列。

发明内容

本发明提供无线通信系统及其通信方法，可更好地支持无线通信系统随机的接入，提高系统的稳定性和可靠性。

本发明提供的一种无线系统的通信方法，包括：

根据系统配置信息选择确定随机接入序列长度N，N≤N_u，其中N_u为有用子载波个数；

根据所设计的系统覆盖范围确定循环移位参数集合{δ_CS}及循环前缀CP；

获取中心接入点CAP的MAC地址或其物理层标识ID，并根据所述CAP的MAC地址或其物理层标识ID和预定的生成多项式产生长度为N的PN序列，并对所述PN序列进行星座映射和子载波映射；

基于所述循环移位参数{δ_CS}对星座映射和子载波映射后的序列进行循环移位并对循环移位后的序列进行正交变换，得到所需序列；或者对子载波映射后的序列进行正交变换，再基于所述循环移位参数{δ_CS}进行循环移位，得到所需序列；

在得到的所需序列中加入所述循环前缀CP，得到时域的随机接入信号；

对所述随机接入信号进行后续处理，并发送给接收端。

本发明提供的一种无线通信系统，包括：

设置单元，根据系统配置信息选择确定随机接入序列长度N，N≤N_u，其中N_u为有用子载波个数；

循环移位参数选择单元，根据系统配置信息确定循环移位参数集合{δ_CS}；

获取单元，用于获取中心接入点CAP的MAC地址或其物理层标识ID；

伪随机序列产生单元，用于根据所述CAP的MAC地址或其物理层标识ID和预定的生成多项式产生长度为N的PN序列；

星座映射单元，用于对所产生的PN序列进行星座映射，得到新的序列，并将所述新的序列提供给子载波映射单元；

载波映射单元，用于对所述PN序列进行子载波映射；

第一循环移位处理单元，基于所述循环移位参数{δ_CS}对子载波映射后的序列进行循环移位；或第二循环移位处理单元，用于对正交变换后的序列基于所述循环移位参数{δ_CS}进行循环移位，得到所需序列；

变换处理单元，对子载波映射后的序列进行正交变换，并提供给第二循环移位处理单元；或者对所述第一循环移位处理单元进行循环移位后的序列进行正交变换，得到所需序列；

接入信号产生单元，用于在得到的所需序列中加入循环前缀CP，得到时域的随机接入信号；

调制单元，用于对所述随机接入信号进行调制；

发送单元，用于将所述调制后的随机接入信号发送给接收端。

综上所述，本发明提供的无线通信系统及其通信方法，采用PN序列及其循环移位序列作为随机接入序列。通过有针对性的设计随机接入序列，序列长度的变化，循环移位参数的变化，循环前缀长度的变化等，达到更好地支持无线通信系统，特别是中短距离无线通信系统随机接入的目的，提高系统的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为现有技术中LTE系统采用的随机接入序列示意图；

图2为现有技术中Wimax系统采用的随机接入序列示意图；

图3为本发明提供的一种无线系统的通信方法流程图；

图4为本发明实施例中提供的通信方法流程图；

图5为本发明实施例中提供的PN序列产生框图；

图6为本发明实施例中采用的子载波映射示意图；

图7为本发明实施例中的无线通信系统的系统帧结构；

图8为本发明另一实施例中提供的PN序列产生框图；

图9为本发明实施例中提供的通信系统构成示意图。

具体实施方式

针对无线通信系统的特点，需要引入新的设计准则，从而达到提升随机接入性能，同时降低接收机的复杂度和功耗，有鉴于此，本发明提出一种通信方法，该方法中涉及随机接入序列的设计方案，该方案采用PN序列及其循环移位序列作为随机接入序列。序列长度的变化，循环移位参数的变化，循环前缀长度的变化等，达到更好的支持无线通信系统随机接入的目的，特别是更好的支持中短距离无线通信系统随机接入。

以下本发明中的接入点称为中心接入点(CAP)，用户终端称为站点(STA)。

参照图3，本发明提供的一种无线系统的通信方法，包括如下步骤：

S01，根据系统配置信息选择确定随机接入序列长度N，N≤N_u，其中N_u为有用子载波个数；例如，N的取值可以为N_u等。

S02，根据所设计的系统覆盖范围确定循环移位参数集合{δ_CS}及循环前缀CP；

根据所设计的系统覆盖范围确定循环移位参数集合{δ_CS}，具体步骤包括：

1)基于系统覆盖范围测算回程时延，并测定信道时延扩展；

2)根据所述回程时延及信道时延扩展对应的时域样点数；

3)选取大于等于所述时域样点数的值作为相邻序列的循环移位间隔；

4)基于所述循环移位间隔设计循环移位参数集合{δ_CS}。

根据所设计的系统覆盖范围确定循环前缀CP，具体步骤包括：

a)基于系统覆盖范围测算回程时延，并测定信道时延扩展；

b)设置循环前缀CP的值大于所述回程时延与信道时延扩展之和。

S03，获取CAP的MAC地址或物理层标识ID，并根据所述CAP的MAC地址或其物理层标识ID和预定的生成多项式产生长度为N的PN序列，并对所述PN序列进行星座映射和子载波映射；

长期演进系统LTE中采用Zadoff-Chu序列加循环移位的方式作为接入序列，而802.16中采用PN序列作为接入序列，本发明采用PN加循环移位的方式作为接入序列，其主要原因有1)系统上行数据传输没有考虑预编码来降低峰均比，所以没有采用Zadoff-Chu序列作为接入序列；2)采用循环移位可以降低CAP端检测的实现复杂度，假定循环移位集合{δ_CS}的元素数为8，则复杂度降为原来的1/8；3)如果采用频域检测，采用PN序列比Zadoff-Chu序列使用更少的逻辑资源。这样可以降低相应设备的成本。

S04，对星座映射和子载波映射后的序列进行循环移位，并进行正交变换；如，逆快速傅里叶变换IFFT，也可采用其他的变换方式。其中循环移位可以在频域进行，也可以在时域进行。

在频域进行循环移位：

首先，基于所述循环移位参数{δ_CS}对星座映射和子载波映射后的序列进行循环移位，对循环移位后的序列进行正交变换，得到所需序列；具体地，可采用逆快速傅里叶变换IFFT(包括正负频的搬移)。

或者在时域进行循环移位：

先对子载波映射后的序列进行正交变换(如IFFT，包括正负频的搬移)变换，再基于所述循环移位参数{δ_CS}进行循环移位，得到所需序列；

S05，在得到的所需序列中加入循环前缀CP，得到时域的随机接入信号；

S06，对所述随机接入信号进行后续处理，并发送给接收端。

本发明实施例中，当物理信道带宽为20MHz，采用IFFT的长度N_IFFT＝256，其中有用子载波数为N_u＝224，则确定序列长度为N＝N_u。

本发明实施例中，循环移位参数集合{δ_CS}中的元素数为8，设置循环移位参数{δ_CS}＝{0 32 64 96 128 160 192 224}；或设置{δ_CS}＝{0 43 86 129 172 215}。

用户终端随机选择或采用CAP分配的序列索引和循环移位索引产生随机接入信号作为资源请求信号。所述随机接入信号用做资源请求信号，二者的区别在于，随机接入信号产生时的序列索引，循环移位索引是各STA随机进行选择的，有冲突的可能；而作为资源请求信号时，可以分为竞争性和非竞争性的，竞争性资源请求信号的产生同随机接入信号；而非竞争性的资源请求信号产生时，STA所用的序列索引和循环移位索引是CAP通过控制信道分配给各STA的，没有冲突的可能。可以以时分或码分等形式来区分随机接入和资源请求。

假如系统的资源请求和随机接入在一个上行传输帧中是时分的，则资源请求可以使用与随机接入相同的码资源。如果二者不是时分的，则必须使用不同的码资源或循环移位参数来加以区分。

为使本发明的原理、特性和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明进行描述。

实施例一

本实施例中，假定物理信道20M带宽，采用逆快速傅里叶变换IFFT，IFFT的长度N_IFFT＝256，其中有用子载波数为N_u＝224，假定选取的序列长度为N＝N_u，则每个随机接入序列占用20M的带宽。

本实施例提供的无线系统的通信方法，参照图4，该方法包括如下步骤：

S101，确定随机接入序列长度N，N≤N_u，其中N_u为有用子载波个数；IFFT长度N_IFFT，可用随机接入序列个数n和序列集合{S}。其中N为系统配置参数，比如其值可以配置为N_u。

N_u，n，N_IFFT，具体地，本实施例中，IFFT的长度N_IFFT＝256，其中有用子载波数为N_u＝224。

S102，确定CAP的MAC地址或者CAP的物理层标识ID。

在此，CAP的MAC地址由系统的广播信息得到，CAP的物理层标识ID可以包含在系统同步符号内。

S103，确定循环移位参数集合{δ_CS}；

循环移位参数集合{δ_CS}为系统默认参数，也可由系统的广播信息得到。

循环移位参数和循环前缀长度可以随系统的工作场景变化。

在此，工作场景主要指系统的覆盖范围，参照目前系统设计支持100米的覆盖范围，其回程时延加信道时延扩展大概为1.46微秒，所以设置CP长度为1.6微秒，考虑到回程时延加信道时延扩展对应的时域样点数约为30，则相邻序列的循环移位间隔应该大于等于30个样点，若以32为间隔设置，则循环移位参数{δ_CS}＝{0 32 64 96 128 160 192 224}；如果要扩展系统的覆盖范围，比如到200米，则回程时延加信道时延扩展大概为2.13微秒，可以增大CP的长度至2.4微秒，考虑到回程时延加信道时延扩展对应的时域样点数约为42，若以43为间隔设置，则循环移位参数{δ_CS}＝{0 43 86 129 172 215}，如果发送端进行过采样，循环移位参数还要乘以过采样系数。

S104，根据CAP的MAC地址或物理层标识ID和生成多项式产生长度为N的PN序列；

可以根据生成多项式生成所需要的PN序列R，假定生成多项式为Wimax中采用的1+X+X⁴+X⁷+X¹⁵，则PN序列产生框图如图5所示。其中[s0 s1 s2 s3 s4 s5 s6]为AP的MAC地址或其物理层标识ID的最低7比特。

假如CAP的MAC地址或其物理层标识ID的最低7比特全部为0，则图5中的线性反馈寄存器(LFSR)的初始状态为[001010110000000]，其输出的伪随机二进制序列为：

R＝[00110000010001110001010101011110...]

其周期是32767。则该CAP对应的第i个可用随机接入序列为：

S_i＝[R_224×(i-1)+1 R_224×(i-1)+2 … R_224×i]

其中i＝1，2，...，n，S_i∈{S}。

假设n＝2，则S＝{S₁S₂}，其中

S₁＝[00110000010001110001010101011110010111010110000001010101110110110011010011100001001011100101001010011111101111101100101110011101101001000010000111100110101110011100001101111100110111001111010111110110010000100111010111011100]

S₂＝[11101000101111011010000000101110101001011000101101001110010010110010111111011000010011010101010110110011010100001000101000011000110011100111001110000010100011001001100100101110111111111001001010100000010000010110011111011111]

S105，对序列S_i(k)进行星座映射；

在得到S_i(k)之后，按照公式(1)进行星座映射，得到序列C(k)

C(k)＝1-2×S_i(k) (1)

S106，对星座映射后的序列C(k)进行子载波映射；

具体地，将C(k)按照图6所示进行子载波映射，得到序列M(k)。

S107，根据子载波映射后的序列产生循环移位序列；

对子载波映射后的序列按照公式(2)进行循环移位，得到序列T(k)

$T\left(k\right)=M\left(k\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\πk}{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{CS}}}{N_{\mathrm{IFFT}}}}---\left(2\right)$

其中，N_IFFT为IFFT的点数，δ_CS为循环移位参数。

S108、对循环移位序列T(k)进行IFFT变换；

具体地，按照如下公式进行变换处理：

$t\left(l\right)=\frac{1}{\sqrt{N_{\mathrm{IFFT}}}}\underset{k=-N_{\mathrm{IFFT}}/2}{\overset{N_{\mathrm{IFFT}}/2-1}{\mathrm{\Σ}}}T\left(k\right)e^{j\frac{2\mathrm{\πkl}}{N_{\mathrm{IFFT}}}},k,l\∈[-\frac{N_{\mathrm{IFFT}}}{2},\frac{N_{\mathrm{IFFT}}}{2}-1]---\left(3\right)$

S109、加循环前缀CP；

对循环移位序列进行IFFT变换后，加入循环前缀CP，得到时域的随机接入信号，至此，完成基带信号处理。

S110，对随机接入信号进行后续处理，并发送给接收端。

该随机接入序列同样可以用作资源请求序列，可以以时分或码分等形式同随机接入信道进行区分。

参照如图7所示的无线通信系统的系统帧结构，系统的资源请求和随机接入在一个上行传输帧中是时分的，所以资源请求可以使用与随机接入相同的码资源。

实施例二

本实施例中，随机接入序列是在时域生成的。

与实施例一中所描述的频域实现方案的区别主要在于，实施例一提供的频域实现方案中，循环移位是在IFFT之前进行的，相当于在不同子载波上进行了不同的相位旋转；而本实施例中的时域实现方案是在IFFT之后进行的，对应于时域样点的循环移位。

本实施例中，采用与Wimax不同的生成多项式，比如采用的生成多项式为1+X¹¹+X¹⁵的最大长度线性反馈移位寄存器序列，PN序列产生框图如图8所示。

假如CAP的MAC地址或其物理层标识ID的最低7比特全部为0，则图8中的线性反馈寄存器(LFSR)的初始状态为[001010110000000]，其输出的伪随机二进制序列为：

R＝[10011011000100100101010001101110...]

假设n＝2，则S＝{S₁S₂}，其中

S₁＝[10011011000100100101010001101110001001010001100011101001001011001111011111000111000101110110110011000011010000011110111010111110000010101011110101000010110100101101111111111110010000000011010010000110111110011101001011001001]

S₂＝[11111100101011000110110011010101010000110000001011100110010110010000011110010010111111010111101001010101101111100001110010111111101011101000101010001100010001001001000000011011001000110101001000101100111000011100010111111011]。

后续的星座映射、子载波映射以及IFFT变换与实施例一中的基本相同，在此不再赘述。

实施例三

本发明实施例提供一种无线通信系统300，如图9所示，包括：

设置单元310，根据系统配置信息选择确定随机接入序列长度N，N≤N_u，(如，N的取值可以为N_u等)，其中N_u为有用子载波个数；

参数选择单元320，根据系统配置信息确定循环移位参数集合{δ_CS}；

获取单元330，用于获取接入点CAP的MAC地址或其物理层标识ID；

序列产生单元340，用于根据所述CAP的MAC地址或其物理层标识ID和预定的生成多项式产生长度为N的PN序列；

星座映射单元350，用于对所产生的PN序列进行星座映射，得到新的序列，并将所述新的序列提供给所述序列处理单元进行子载波映射。

载波映射单元360，用于对所述PN序列进行子载波映射；

第一循环移位处理单元370A，基于所述循环移位参数{δ_CS}对子载波映射后的序列进行循环移位；或第二循环移位处理单元370B，用于对正交变换后的序列基于所述循环移位参数{δ_CS}进行循环移位，得到所需序列；

变换处理单元380，对载波映射单元360进行子载波映射后的序列进行正交变换(如IFFT，包括正负频的搬移)，并提供给第二循环移位处理单元；或者对所述第一循环移位处理单元进行循环移位后的序列进行正交变换(如IFFT，包括正负频的搬移)变换，得到所需序列；

接入信号产生单元390，用于在得到的所需序列中加入循环前缀CP，得到时域的随机接入信号；

调制单元(图中未示出)，用于对所述随机接入信号进行调制；

发送单元(图中未示出)，用于将所述调制后的随机接入信号发送给接收端。

本实施例提供的无线通信系统工作原理及工作流程，与前述方法基本相同，在此不再赘述。

综上所述，本发明提供的无线通信系统及其通信方法，采用PN序列及其循环移位序列作为随机接入序列。通过有针对性的设计随机接入序列，序列长度的变化，循环移位参数的变化，循环前缀长度的变化等，达到更好地支持无线通信系统随机接入的目的，特别是更好地支持中短距离无线通信系统随机接入，提高系统的稳定性和可靠性。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种通信方法，其特征在于，包括：

根据系统配置信息选择确定随机接入序列长度N，N≤N_u，其中N_u为有用子载波个数；

根据所设计的系统覆盖范围确定循环移位参数集合{δ_CS}及循环前缀CP；

获取中心接入点CAP的媒体接入控制层MAC地址或其物理层标识ID，并根据所述CAP的MAC地址或其物理层标识ID和预定的生成多项式产生长度为N的PN序列，并对所述PN序列进行星座映射和子载波映射；

基于所述循环移位参数{δ_CS}对星座映射和子载波映射后的序列进行循环移位并对循环移位后的序列进行正交变换，得到所需序列；或者对子载波映射后的序列进行正交变换，再基于所述循环移位参数{δ_CS}进行循环移位，得到所需序列；

在得到的所需序列中加入所述循环前缀CP，得到时域的随机接入信号；

对所述随机接入信号进行后续处理，并发送给接收端。

2.如权利要求1所述的通信方法，其特征在于，

所述正交变换为逆快速傅里叶变换IFFT。

3.如权利要求2所述的通信方法，其特征在于，

当物理信道带宽为20MHz，采用IFFT的长度N_IFFT，选取序列长度为N＝N_u。

4.如权利要求1所述的通信方法，其特征在于，所述根据所设计的系统覆盖范围确定循环移位参数集合{δ_CS}，具体包括：

基于系统覆盖范围测算回程时延，并测定信道时延扩展；

根据所述回程时延及信道时延扩展对应的时域样点数，选取大于等于所述时域样点数的值作为相邻序列的循环移位间隔；

基于所述循环移位间隔设计循环移位参数集合{δ_CS}。

5.如权利要求4所述的通信方法，其特征在于，

当系统覆盖范围为100米，选取相邻序列的循环移位间隔为32个样点，则确定的循环移位参数{δ_CS}＝{0 32 64 96 128 160 192 224}；

当系统覆盖范围为200米，选取相邻序列的循环移位间隔为43个样点，则确定的{δ_CS}＝{0 43 86 129 172 215}。

6.如权利要求1所述的通信方法，其特征在于，根据所设计的系统覆盖范围确定循环前缀CP，具体包括：

基于系统覆盖范围测算回程时延，并测定信道时延扩展；

设置循环前缀CP的值大于所述回程时延与信道时延扩展之和。

7.如权利要求1所述的通信方法，其特征在于，

所述随机接入序列长度N值为或N_u。

8.如权利要求1所述的通信方法，其特征在于，还包括：

用户终端采用CAP分配的序列索引和循环移位索引产生随机接入信号作为资源请求信号。

9.一种无线通信系统，其特征在于，包括：

设置单元，根据系统配置信息选择确定随机接入序列长度N，N≤N_u，其中N_u为有用子载波个数；

循环移位参数选择单元，根据系统配置信息确定循环移位参数集合{δ_CS}；

获取单元，用于获取中心接入点CAP的MAC地址或其物理层标识ID；

伪随机序列产生单元，用于根据所述CAP的MAC地址或其物理层标识ID和预定的生成多项式产生长度为N的PN序列；

星座映射单元，用于对所产生的PN序列进行星座映射，得到新的序列，并将所述新的序列提供给子载波映射单元；

载波映射单元，用于对所述PN序列进行子载波映射；

第一循环移位处理单元，基于所述循环移位参数{δ_CS}对子载波映射后的序列进行循环移位；或第二循环移位处理单元，用于对正交变换后的序列基于所述循环移位参数{δ_CS}进行循环移位，得到所需序列；

变换处理单元，对子载波映射后的序列进行正交变换，并提供给第二循环移位处理单元；或者对所述第一循环移位处理单元进行循环移位后的序列进行正交变换，得到所需序列；

接入信号产生单元，用于在得到的所需序列中加入循环前缀CP，得到时域的随机接入信号；

调制单元，用于对所述随机接入信号进行调制；

发送单元，用于将所述调制后的随机接入信号发送给接收端。

10.如权利要求9所述的通信系统，其特征在于，

所述正交变换为逆快速傅里叶变换IFFT。

11.如权利要求9所述的通信系统，其特征在于，

所述随机接入序列长度N值为或N_u。