CN1081416C - 适用于宽带码分多址信号传输的帧结构的实现方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于宽带码分多址信号传输的帧结构的实现方法，其是在前向链路中采用了专用物理控制信道(DPCCH)和专用物理数据信道(DPDCH)时分复用的帧结构，每帧由16个时隙构成，每个时隙为0.625毫秒，其中又包括导频符号、功控符号、传输速率指示和数据，其特征在于：在每个时隙中均匀分散插入若干个导频符号。在不增加导频符号个数的情况下，改变导频符号插入的频率，使该帧结构更加适合于移动信道，可以更好地跟踪移动信道的变化，更有效地补偿由于信道引起的相位漂移。

Description

适用于宽带码分多址信号传输的帧结构的实现方法

本发明涉及一种数字移动通信系统中信道估计的方法及信号传输的帧结构的实现方法，确切地说，涉及在宽带码分多址系统中的信号传输的格式和相干检测的方法，属于数字移动通信的信号接收领域，为数字接收机的一个重要组成部分。

目前，码分多址(CDMA)已经成功地应用于第二代移动通信系统中。基于CDMA的IS-95在1993年成为美国国家标准，后来在整个世界范围内得到认同，成为国际标准。现在基于CDMA的第二代移动通信系统在全世界已有几百万商业用户。国际上许多国家都在致力于第三代移动通信系统。由于宽带CDMA(Wideband CDMA)系统的许多优点，WCDMA系统最有可能成为第三代移动通信系统采用的多址接入方式。日本、欧洲、美国等在宽带CDMA通信系统的研究中显得非常活跃，现在他们都已提出了自己的第三代移动通信系统的标准。

在欧洲和日本所提出的宽带CDMA系统中，在上、下行链路均采用了导频符号辅助的相干接收机结构。即在数据帧中周期性地插入导频符号，利用这些周期性插入的导频符号形成一个逻辑导频信道，在不增加物理信道的情况下，对信道参数进行估计，实现数据信号的相干解调，从而改善系统性能。

在WCDMA系统中，前向链路的帧结构如图1所示。在前向链路中采用了专用物理控制信道(DPCCH)和专用物理数据信道(DPDCH)时分复用的帧结构，每帧由16个时隙构成，每个时隙中又包括导频符号，功控符号、传输速率指示和数据。由72个连续的帧组成超帧。

参见图1，每帧有16个时隙，每时隙为0.625毫秒，每个时隙的前端插入有若干个导频符号P，其数目为N(参见图2)。在导频符号位置利用接收的信号来估计导频符号处的信道衰落，然后对所收到的导频信号进行平均，从而得到对应于导频符号中间的位置估计信道。对于数据部分，为实现相干解调，也必须估计其相位偏移，在当前日本和欧洲的方法中，他们采用了以下两种方式来实现数据信号的相干解调：

(1)利用在导频符号位置得到的估值相位，采用线性内插的方式来得到对应于数据部分的相位漂移，从而实现数据信号的相干解调。

(2)利用前后相邻的多个时隙中的导频符号信道估值进行加权，并把得到的加权值作为数据信号部分对应的相位漂移，实现数据部分的相干解调。

日本提出的导频符号辅助相干解调方法只是在0.625毫秒中估计一次，跟不上信道衰落的速度，这样就会使得数据部分的相位估计不精确，系统性能下降。图2给出了在日本及欧洲方案中的信号传输帧结构，其中前面的若干个信息符号为导频信号符号，以P表示，后面的为数据符号，以data表示。其中一种典型的数值为，导频符号的个数为4，数据符号的个数为36，也就是说导频符号占用的信息量为10％。

由于导频符号的插入以及信道估值的误差，在理想相干解调与导频符号辅助相干解调之间，必然存在一定的性能差异，而此性能差异必然与导频符号插入的数目有关。

本发明的目的是提供一种适用于宽带码分多址信号传输的帧结构的实现方法，也就是提供一种解决时隙结构中导频符号插入频率的问题，从而提出一种更加适合于高速移动环境中的信号传送帧结构。

本发明的目的是这样实现的：其是在前向链路中采用了专用物理控制信道(DPCCH)和专用物理数据信道(DPDCH)时分复用的帧结构，每帧由16个时隙构成，每个时隙为0.625毫秒，其中包括有导频符号、功控符号、传输速率指示和数据，其特征在于：在每个时隙中均匀分散插入若干个导频符号。将导频符号均匀分散到每个时隙中，在不增加导频符号个数的情况下，改变了导频符号插入的频率，更加适合于移动信道，可以更好地跟踪移动信道的变化，更有效地补偿由于信道引起的相位漂移。

在每个时隙中可以均匀分散插入3个导频符号，每个导频符号由2个比特组成，分别对应到I路信号和Q路信号。

该帧结构的实现方法也可以适用于反向链路中。

该帧结构的实现方法也可以适用于I/Q复用方式中传送控制信号的某一路信号的传输格式中。

在一定数据速率下，该帧结构的导频符号的个数应与相应的数据符号的个数的比例保持不变。

本发明的主要思想是把导频符号平均分配到一个时隙中，从而使得信道估计的间隔时间减小，更容易跟踪信道的变化，也就是说，把导频符号分散到时隙中，更好地估计信道。在此利用分散到各个时隙中的导频符号实现移动通信系统信道衰落，主要是由于接收机和发射机的相对运动而引起的多普勒频移，由于所产生的多普勒频移会引起信号相位的变化，在本发明中，一旦帧同步后，导频符号的位置便是已知的，而且收发双方可以同时确定导频符号的状态，这样利用接收到的导频符号即可确定由于信道衰落引起的信道相位漂移，然后利用导频符号所在位置的相位漂移来确定数据信号的相位漂移，从而实现数据信号的相干解调。

另外，在所提出的本发明中，当估计出导频符号位置处的信道衰落后，也可以采用加权多个导频符号位置处的信道衰落来得到数据信号的相位漂移，也就是说，把相邻的多个时隙的多个导频符号得到的信道估计值进行加权，最后得到的值作为数据信号的信道衰落，从而实现数据信号部分的相干解调。

本发明的帧结构的实现方法主要是针对数字移动通信中由于接收机不断移动，会产生多普勒频移，而且如果车速过高，会使得多普勒频移变大，而采用以前的方法就有出现跟踪速度不够快的问题，而使得导频符号辅助相干解调的性能大大下降，不能实现预期的目的。

下面结合附图和仿真试验图表进一步具体介绍本发明：

图1是宽带码分多址系统中前向链路帧结构示意图。

图2是宽带码分多址系统中前向链路帧结构中的时隙结构示意图。

图3是使用本发明实现的帧结构中每个时隙结构示意图。

图4是使用本发明实现的帧结构中信号在信道上传输方式的示意图。

图5是对使用本发明实现的帧结构进行理论分析的结果示意图。

图6是日本方案的时隙结构示意图。

图7是使用本发明实现的帧结构中的时隙结构示意图。

图8是在不同业务速率下使用本发明实现的帧结构与传统方案的对比图。

图9是在不同车速情况下使用本发明实现的帧结构与传统方案的对比图。

本发明是一种适用于宽带码分多址信号传输的帧结构的实现方法，其是将导频符号均匀分散到每个时隙中，在不增加导频符号个数的情况下，改变了导频符号插入的频率，更加适合于移动信道，可以更好地跟踪移动信道的变化，更有效地补偿由于信道引起的相位漂移。下面介绍本发明的一种具体实现的方法：

参见图3所示，本发明帧结构的实现方法是在每个时隙中插入有3个导频符号P，每个导频符号P由2个比特组成，分别对应到I路信号和Q路信号，这样在每个时隙中含有6个比特的导频符号，利用当前的导频符号和下一个的导频符号来实现信道估计，并对两个导频符号间的数据信号所经历的信道衰落进行估计，所以一时隙中数据信号的估计所采用的导频符号数目为4(包含后一个时隙的第一个导频符号。因为使用了QPSK调制，所以含有8个导频比特〕，这样进行QPSK即串并变换后在I路和Q路的信号中，均包含导频比特。信号的时隙结构如附图3所示。

进行QPSK调制后信道的信号传输形式如图4所示，也就是说，导频符号和数据信息经过串并变换后如图4所示。

在信道估计方面可以利用导频符号来确定信道衰落情况，然后利用线性内插的方法得到数据部分的相位漂移，从而实现数据信号部分的相干解调。把接收信号与估计的信道衰落的共轭相乘，用以克服信道衰落漂移，实现导频符号辅助的相干解调。

本发明的帧结构的实现方法同样也可以应用于反向链路中。

在某些移动通信系统中，在链路中有可能使用I/Q复用的方式，这时有可能在其中的一路中传送导频符号及其他控制信息，在另外一路中传送数据信号，同样利用传送的控制信号进行信道估计，数据部分利用估计得到的信道衰落实现相干解调。在该种情况下，对于传送控制信号的某路信号，其导频符号的插入频率即传送的时隙结构也可以根据本发明实现。

本发明还可以应用于以下的情况：在一定的数据速率下，依据本发明，导频符号的个数与数据符号个数的比值为一个确定的值，当数据符号增加时，相应的导频符号的个数也要增加，但可以保持其与数据符号的比例不变。

本发明中导频符号的产生可以采用一个伪随机序列发生器，这样只要收发双方伪随机序列发生器的状态一致，也就是说收发双方已经同步，收发双方就可以同时确定出导频符号的下一个状态，从而进一步加强信号传送的随机性。

当然，在实际的系统中本发明的实现方法可以更加灵活一些。

本发明的优越性可以由以下的仿真试验结果清晰的看出：

通过理论分析可以发现，在移动台速度较高时，如果考虑由于导频符号插入和信道估计带来的双重衰落，就会发现如果导频符号插入的频率不够高，就会使得衰落较大，不能达到导频符号辅助相干解调的目的。理论分析的结果如图5所示，图5是基于1900MHz的载波频率，图中横坐标NUMBER表示导频符号插入之后数据符号的个数，同时也表示出了导频符号插入的频率，纵坐标LOSS表示理想相干解调与导频符号辅助相干解调间的衰落。由图中可以看出，考虑到信息效率和信道估计的精确度，存在一个导频符号插入频率的最佳点。

使用本发明方法实现的帧结构与日本方案的时隙格式比较：对于64千比特每秒的业务，每时隙是40比特，假设有6比特是导频符号，则开销为15％。日本WCDMA的建议中，普通业务信道的时隙格式如图6所示，每个时隙前面为6个比特的导频符号Pilot，后面为34个比特的数据符号DATA，由16个时隙组成一帧。

使用本发明方法实现的帧结构中的时隙格式如图7所示，其中P表示导频符号，共有三组导频符号，每组可以由2个比特构成，均匀分散在一个时隙中。DATA为数据符号，共有34个比特。同样由16个时隙组成一帧。

图8中示出了日本方案与本发明实现的帧结构在不同业务速率下的性能对比仿真曲线，图中的纵坐标BER表示误比特率，横坐标表示信息速率，其单位为KBPS，图8的仿真环境为车速36公里/小时改变业务速率得到的。图中的曲线1为日本方案的，曲线2为使用本发明方法实现的帧结构的。

图9示出了在数据速率为64千比特每秒的情况下，不同的移动台速度下使用本发明方法实现的帧结构与日本方案所对应的误码性能曲线，图中的纵坐标BER表示误比特率，横坐标表示移动台的速度，其单位为米每秒(m/s)。图中的曲线3为日本方案的，曲线4为利用本发明方法实现的帧结构。由图9可见，当车速略为有所增加时，利用本发明方法实现的帧结构的性能即优于传统方案。

由仿真结果不难看出，本发明方法实现的帧结构的性能优于已有方案，尤其是在移动台速度较高时，本发明方法实现的帧结构更有优势。

Claims (5)

1、一种适用于宽带码分多址信号传输的帧结构的实现方法，其是在前向链路中采用了专用物理控制信道(DPCCH)和专用物理数据信道(DPDCH)时分复用的帧结构，每帧由16个时隙构成，每个时隙为0.625毫秒，其中包括有导频符号、功控符号、传输速率指示和数据，其特征在于：在每个时隙中均匀分散插入若干个导频符号。

2、如权利要求1所述的适用于宽带码分多址信号传输的帧结构的实现方法，其特征在于：在每个时隙中可以均匀分散插入3个导频符号，每个导频符号由2个比特组成，分别对应到I路信号和Q路信号。

3、如权利要求1所述的适用于宽带码分多址信号传输的帧结构的实现方法，其特征在于：该帧结构的实现方法也可以适用于反向链路中。

4、如权利要求1所述的适用于宽带码分多址信号传输的帧结构的实现方法，其特征在于：该帧结构的实现方法也可以适用于I/Q复用方式中传送控制信号的某一路信号的传输格式中。

5、如权利要求1所述的适用于宽带码分多址信号传输的帧结构的实现方法，其特征在于：在一定数据速率下，该帧结构的导频符号的个数应与相应的数据符号的个数的比例保持不变。

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