CN1201518C - 在ofdm系统中用于sttd方案的导频模式设计 - Google Patents

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Abstract

一种在具有时空发送分集(STTD)的天线正交频分复用(OFDM)通信系统中的发送和接收设备，和在该无线通信系统中执行信道估算的一种方法。其中该发送设备包括以STTD发送信号的第一和第二天线。在空间分集中安排它们彼此分开，故经所述第一和第二天线分别发送第一和第二导频码元。第二导频码元的一些与第一导频码元的对应一些是正交的，故在利用一个单一天线接收信号的接收设备中可执行分别确定从第一和第二天线分别发送的信号的传输质量的信道估算。

Description

在OFDM系统中 用于STTD方案的导频模式设计
                    技术领域
本发明涉及具有时空发送分集(STTD)的无线正交频分复用(OFDM)通信系统的发送设备和接收设备。另外，本发明涉及用于执行在无线OFDM通信系统中的信道估算的信道估算方法，其中该系统中的包括第一和第二天线的发送设备利用时空发送分集来发射信号。
                    技术背景
在无线电信中，在诸如基站的发送设备与诸如移动终端的接收设备之间的传输质量强烈地依赖于对应的传输环境，且通常由于衰减的影响等而变坏。这通常导致了坏的语音和数据传输质量，特别是如果在发送一方只用一个单一天线而在接收一方只用一个单一天线的情况下。因此，诸如GSM系统等的无线电信系统的一些移动终端包括两个或多个不同种类的天线，作为在移动终端上的内部或外部天线。然而，希望是现代的移动终端尽可能的轻少。因此增加了对在这些移动终端中只使用一个单一天线的兴趣。为了使在接收方(具体是移动终端一侧)只使用一个单一天线，已提议在发送方(具体是基站一侧)使用多于一个的天线，使得可将分集增益用于更好的传输质量。将这种方案称为发送分集。发送分集通常意味着多于一个的天线，例如两个天线，同时将数据发送给接收设备。如果通过两个天线并行发送同样的数据，则该接收方具有至少从这些天线的一个以可接受的传输质量接收这些信号的机会，从而可确保一个好的连接。在该发送分集方案中的一个具体的方法是称为时空编码的使用。现在一直采用所得到的时空发送分集(STTD)，并成为移动电信的下一代的UMTS标准的部分。
在时空发送分集系统中，诸如基站的发送设备包括例如以空间分集方案彼此隔开安排的两个天线。将要发送到接收设备(诸如移动终端)的数据流进行编码和处理，使得产生两个并行的数据流。在与各个无线通信系统对应的进一步处理之后，由两个天线的各自一个发送该两个数据流的每个的数据。尽管通常由两个天线的每个发送同样的数据内容，由该两个天线所发送的信号不是绝对相同的，而是将要发送的数据码元略有不同地映射成编码到由每个天线发送的信号上。这使得接收从该两个天线发送的信号的接收设备只利用一个单一天线，以便将来自一个发射天线的信号与来自另一个发射天线的信号区分开。因为在空间分集方案中安排两个发射天线，可避免交叉干扰，在相应的信道估算以后，该接收设备可将来自该两个发射天线的信号区分和组合，从而获得更好的传输质量。通常根据从发送设备发射的导频码元来执行在接收设备中的信道估算。该接收设备通过将接收的导频码元与预期的导频码元比较来执行信道估算，以测量该信道响应，并将该接收设备调谐到最好的传输信道，即存在更好连接的发射天线上。
上述的UMTS系统是基于码分多址(CDMA)方案。该CDMA方案只是在无线电信中所用的几个可能的多址方案之一。对于具有高数据速率的无线电信，正交频分复用(OFDM)方案是已知的，其中将可用于通信的频带分成一组频率副载波，借此使相邻的频率副载波分别彼此正交。
                    发明概述
本发明的目的是利用时空发送分集以及对于这种通信系统的信道估算方法对无线OFDM系统提出一种发送设备和一种接收设备。使得执行简单和有效的信道估算。
通过利用根据权利要求1的STTD在无线OFDM通信系统中发送信号的发送设备达到了这个目的。根据本发明的发送设备包括：编码装置，用于根据STTD方案编码数据流，并输出第一和第二STTD编码数据流；第一和第二天线装置，用于分别发射在OFDM信号中的第一和第二数据流的数据，在空间分集装置中安排所述第一和所述第二天线装置彼此隔开；导频码元产生装置，用于产生在所述的第一和第二数据流的数据中要发送的导频码元，经第一天线发送第一导频码元而经所述第二天线发送第二导频码元，所述第二导频码元的一些与所述第一导频码元的对应一些是正交的。
通过利用根据权利要求8的STTD在无线OFDM通信系统中接收信号的接收设备进一步达到了上述目的。根据本发明的该接收设备包括：一个单一的天线装置，用于从该OFDM通信系统的发送设备的第一和第二空间分集天线装置发送的STTD编码信号，所述第一和所述第二空间分集天线装置在所述的STTD编码信号中发送对应的导频码元，从而使从该第二天线装置发送的导频码元的至少一部分与从该第一天线装置发送的对应导频码元是正交的；处理装置，用于检测在该接收STTD编码信号中的导频码元，用于处理检测的导频码元并根据所述的处理执行信道估算，以便分别确定分别从所述第一和所述第二天线装置发送的STTD编码信号的传输质量。
进一步，通过根据权利要求13的用于执行在天线OFDM通信系统中的信道估算的信道估算方法，达到了上述目的，其中包括第一和第二天线的发送设备利用STTD发送信号，在空间分集装置中安排所述第一和所述第二天线装置彼此隔开，该信道估算方法包括步骤：分别通过所述第一和所述第二天线装置发送第一和第二导频码元，所述第二导频码元的一些与所述第一导频码元的对应一些是正交的；在接收设备的一个单一天线中接收所述导频码元；处理接收的导频码元并根据所述处理执行信道估算，以便分别确定分别从所述第一和所述第二天线装置发送的STTD编码信号的传输质量。
该建议的发送，接收和处理第一和第二导频码元的分案，使得在接收一方能执行简单有效的信道估算处理，从而可进行该传输信道的更好的相干解调，以确保最好的传输质量。特别是，本发明保证全时空分集。另外，不需要从接收方到发送方的反馈信息，可实现改善的数据传输容量。另外，该建议的系统对传输天线故障抵制是强有力的，保证了在发送一方功率放大器的平衡。
在各个从属权利要求中描述了其它的优越特征。优点是，分别从发送设备的第一和第二天线装置发送的对应的第一和第二导频码元在该OFDM系统中具有同样的频率和时间分配。换句话说，是在OFDM系统的同样副载波和同样的时隙中发送相应的第一和第二导频码元。因此，在频率以及时间轴上该第一和第二导频码元彼此方便地交替相同和正交。这意味着在该OFDM系统的频率和时间坐标中，相同的第一和第二导频码元与正交的第一和第二导频码元在频率以及时间坐标上彼此交替。
在这一点上必须明确，该接收设备的该单一天线只是作为一种组合的或重叠的导频码元来接收从发送设备的第一天线装置发送的第一导频码元和从发送设备的第二天线装置发送的第二导频码元。当以相同的频率副载波和相同的时间点发送的第一导频码元和第二导频码元为相同时，该接收设备接收包括该重叠的相同第一和第二导频码元的组合导频码元。而当第一和第二导频码元为彼此正交时，该接收设备接收包括，该重叠的正交第一和第二导频码元的组合导频码元。因此，在该接收设备中，可将第一和第二导频码元的传递函数分别地分开，使得可以简单的方式进行两个发送天线的每个的各自信道估算。
优点是，在时间以及在频率轴上，该第二导频码元具有与对应的第一导频码元的相同和相反的复数值，故在接收方的处理和信道估算可以根据该接收导频码元的简单加和减计算来进行。根据该信道估算的结果，将来自该发送设备的第一天线装置和来自第二天线装置的STTD编码信号进行进一步的处理，并将其用作为在该接收设备中的通信数据。
将本发明的发送设备可实施在，例如OFDM通信系统的基站中，将本发明的接收设备可实施在，例如OFDM通信系统的移动站中。
                       附图简述
下面，将参考附图更详细地描述本发明，其中：
图1示意地表示包括根据本发明的发送设备的基站，
图2示意地表示包括根据本发明的接收设备的移动终端，
图3A和3B，分别为由本发明的发送设备的第一天线装置发送的导频码元模式的第一和第二例子，和
图4A和4B，分别为由本发明的发送设备的第二天线装置发送的导频码元模式的第一和第二例子。
                      详细描述
在图1中，示出了无线正交频分复用(OFDM)通信系统的基站1的框图，它包括根据本发明的发送设备。应知道，在图1中只示出了一些用于理解本发明的重要元件。其它的元件，诸如编码装置、调制装置、为操作基站所必须的RF部分等，为清楚起见而省略了。
基站1包括第一天线5和第二天线6，以空间分集方案将其安排得彼此分隔开。因此还可将第一天线5称为非分集天线，而还可将第二天线6称为分集天线。第一天线5和第二天线6的空间分集方案是两个天线5和6在空间上足够地分开，使分别由第一天线5和第二天线6发送的信号不相关，在接收方可获得有效的分集增益。
另外，该基站1包括编码装置3，用于根据时空发送分集(STTD)方案对数据流编码，并对复用器4输出第一和第二STTD编码数据流。通过第一天线5发送第一STTD编码数据流，通过第二天线6发送第二STTD编码数据流。尽管从第一天线5和第二天线6发送的数据通常是相同的数据，即包含供给编码装置3的单一数据流的数据，该数据5由该两个天线5和6同样地发送。例如，由第一天线5发送的数据同样对应于供给该编码装置3的单个数据流的数据安排。如果，例如将在时间周期O-T中的第一数据码元S1和在接着的时间周期T-2T中的第二数据码元供给编码装置3，由该编码装置输出的第一数据流可同样对应于该安排(数据码元S1跟着有数据码元S2)。然而，由编码装置3输出的第二数据流包含在不同安排中的数据码元S1和S2。例如，如图中1所示，在第二数据流中，第一时间周期O-T的数据码元可能是第一数据流的第二数据块S2的负复共轭值，即-S2*。下面的该第二数据流的后继数据码元是第一数据流的第一数据码元S1的复共轭值，即S1*。因此，第二数据流包含与第一数据流相同的数据内容，但是在不同的安排中。因此，由于空间分集方案和该同样数据内容的不同方案，将来自第一天线5和第二天线6的信号作为重叠信号接收的接收设备，能够清楚地区分从第一天线5发送的信号和从第二天线6发送的信号。该知道，在图1中所示的并参照图1描述的该时空发送分集方案只是用作为说明本发明的一个实施例。可以应用任何其它的用于经第一天线5和第二天线6发送数据的STTD方案。
基站1还包括一个导频码元产生装置2，用于产生要由第一天线5和第二天线6在第一和第二数据流的数据中发送的导频码元。该导频产生装置2产生并提供分别通过第一天线5和第二天线6发送的不同导频码元模式给复用器4。本发明的总的构思在于，由第一天线5和第二天线6发送的一些导频码元是彼此正交的，故可消除来自两个天线5和6的交叉干扰，可将来自第一(非分集的)天线5和第二(分集的)天线6的信号区分，因此，在接收设备中可获得天线5和6每个的公开的信道估算。
图2表示移动终端10的示意框图，包括一个接收设备，利用本发明的STTD在无线OFDM通信系统中接收信号。具体地，该移动终端10用于接收来自图1中所示基站1的信号。
移动终端10包括一个单一天线11，用于接收从基站1的第一天线5和第二天线6发送的STTD编码信号及导频码元。另外，移动终端10包括接收装置12，它包括例如，必须的RF部分等。此外，该移动终端10包括一个解调装置，用于解调由接收装置12经天线11接收的信号。应理解，该移动终端10还包括所有在对应的无线OFDM系统中工作所必要的零件。然而，为了清楚起见未将这些元件示出。
该移动终端10还包括一个处理装置14，用于检测在由该接收装置12经天线11接收的信号中的导频码元。该处理装置14处理检测的导频码元并根据该处理执行信道估算，以便分别地确定分别从第一天线5和第二天线6发送的接收信号的传输质量。换句话说，通过处理包括由第一天线5和第二天线6同时发送的第一和第二导频码元的组合导频码元，即该接收导频码元，该处理装置14能够分别地确定从第一天线5发送的信号的传输质量和从第二天线6发送的信号的传输质量。根据这个信道估算结果，将来自第一天线5和来自第二天线6的STTD编码信号进一步地处理，并用作在移动终端10中的通信数据。
如上所述，至少一些从第二天线6发送的第二导频码元是与由天线5发送的相应第一导频码元正交的。在该处理装置14中执行的该处理是基于第一和第二导频码元的这种正交性，以使分别地进行第一和第二天线5和6的分开的信道估算。涉及图3和4，提出了由基站1发送导频码元模式并在移动终端10中接收和处理的一个具体例子。
图3包括两个图3A和3B。图3A表示由基站1的第一(非分集)天线5发送的导频码元模式的第一实施例。所示的导频码元模式在OFDM系统的时间和频率方面具有规则的分布。总是以相同的频率副载波并在等同的时间点上发送导频码元20，21，…，28。例如，以第一频率副载波发送导频码元20，21和22，因此在相邻的导频码元20，21和21，22之间发送分别的四个数据码元。以第二频率副载波发送导频模式23，24和25，以第三频率副载波发送导频码元26，27和28。因此，在相同的第一时间点发送导频码元20，23和26，在相同的第二时间点发送导频码元21，24和27，在相同的第三时间点发送导频码元22，25和28。因此，总是将同样的频率副载波用于导频码元的发送，并且在各个副载波中的导频码元的发送总是发生在等距的时间点。从现有技术OFDM系统中已知这种导频码元模式。在接收一方，通过例如线性内插法执行相邻导频码元(在频率和时间上)之间的数据码元的信道估算。例如，对于在同样频率副载波的导频码元20和21之间的数据码元，在接收一方执行导频码元20和21的线性内插。对于在相同的时间点但在不同的频率副载波上接收的相邻导频码元20和23之间的数据码元，也执行线性内插。对于其中无导频码元发送的频率副载波中的数据码元，执行各个相邻导频码元的时间和频率内插的组合。
图3B也表示由基站1的第一天线5发送的第一导频码元的规则分布。与图3A的导频码元模式不同的是不是以与先前的导频码元相同的频率副载波而是以最邻近副载波来发送(时间上)随后的导频码元。例如，导频码元31不是以与先前的导频码元30相同的频率副载波发送的，而是以最邻近的(低的)频率副载波发送的。这种导频码元模式可使其中无导频码元发送的频率副载波的数据码元的信道估算更精确。与图3A中给出的导频码元模式相同，也以同样的时间点发送在图3B中提议的导频码元模式的导频码元。因此，在第一相同时间点上发送导频码元30，34和38，在第二相同时间点上发送导频码元31，35和39，在相同第三时间点上发送导频码元32，36和40，在相同第四时间点上发送导频码元33，37和41。
图4包括两个图4A和4B，图4A表示由基站1的第二天线6发送的第二导频码元的导频码元模式，它对应于图3A中所示的第一导频码元的导频码元模式。如可看到的，图4A的导频码元模式也显示了在频率和时间上的导频码元42，43，…，53的很规则的分布。总是以与对应的第一导频码元的同样的频率副载波在同样的时间点上发送该第二导频码元。例如，以与对应的第一导频码元20同样的频率副载波并在同样的时间点上发送第二导频码元42。以与第一导频码元21同样的频率副载波并在同样的时间点上发送第二导频码元43。第二导频码元46对应于第一导频码元23，第二导频码元50对应于第一导频码元26等等。因此，图4A中的导频码元模式的第二导频码元与图3A中所示的导频码元模式的对应的第一导频码元交替地相同和正交。第二导频码元42，44，47，50和52与它们对应的第一导频码元20，22，24，26和28是相同的。然而，每隔一个第二导频码元(在时间和频率方面)是对应的第一导频码元的反复数值。例如，第二导频码元43是第一导频码元21的反复数值，第二导频码元46是第一导频码元23的反复数值。对于第二导频码元48和第一导频码元25，第二导频码元51和第一导频码元27，也是同样。因此，相邻的第二导频码元，例如第二导频码元42和43，以及第二导频码元42和46的比较是与对应的一对第一导频码元，例如第一导频码元20和21，以及第一导频码元20和23正交的。因此确保了在频率以及时间上的正交性。
对于与图3B中所示的导频码元模式对应的图4B中所示的导频码元模式实质上是同样的。同样，图4B中所示的导频码元模式的导频码元与图3B中所示的对应的第一导频码元是交替地相同和正交(反复数)的。
可将本发明提供的该导频码元方案应用到无线OFDM通信中的任何线性信道估算法。为了清楚起见，将基于简单的两个导频码元平均的图3A和图4A的导频码元模式的信道估算法用作为下面进一步详细描述中的一个实施例。
假设所有第一导频码元20，21，…，28和具有相同值的对应第二导频码元(即第二导频码元42，44，47，50，52，…，)是A。则具有对应的正交值的第二导频码元43，46，48，51，…，的复数值是-A。对于在随后的导频码元20和21，或42、43之间的所有数据码元，能可靠地获得对于第一(非分集)天线5和第二(分集)天线6的各自信道估算值，故可应用该STTD方案。
如上所述，移动终端10的天线11和接收装置12以重叠或组合导频码元接收该第一和第二导频码元。因此，假定y1和y2是从第一20，21和第二42，43导频码元的接收值。因为在第一和第二天线5，6之间的时间延迟是可忽略的，则下面的公式成立：
              y1＝A×h1 1+A×h2 1+n1和
              y2＝A×h1 2-A×h2 2+n2，
其中h1 1是对于具有值“A”的第一导频码20的从第一天线5到接收天线11的信道传递函数，h2 1是对于具有值“A”的对应第二导频码元42的从第二天线6到接收天线11的信道传递函数，h1 2是对于具有值“A”的第一导频码元21的从第一天线5到接收天线11的信道传递函数，而h2 2是对于具有值“-A”的对应第二导频码元43的从第二天线6到接收天线11的信道传递函数。n1和n2是噪声值。如果将y1+y2用作对于第一(非分集)天线5的信道估算，而将y1-y2用作对于第二(分集)天线6的信道估算，则可将来自第一和第二天线的信号区分，如果假设在跨越时间轴的前面的和后面的导频码元之间的间隔里该传递函数保持不变，即，h1 1＝h1 2和h2 1＝h2 2，则可消除交叉干扰，并可在移动终端10的处理装置14中获得天线5和6的可靠信道估算。
因此，在移动终端10可区分来自第一和第二发射天线5，6的信号，从而可达到对于天线5和6每个的分别信道估算。因为第一和第二导频码元的导频模式是正交的，故可消除来自第一天线5和第二天线6的交叉干扰。因此，可将STTD方案用在高数据速率的OFDM无线通信系统中。应指出，也可将本发明的构思应用到基于OFDM的宽带无线电接入网络(BRAN)，如H1PERLAN 2型系统。在这种情况下，在包括前序部分和数据部分的各个数脉冲串的前序部分中发送这些导频码元。在各个前序中包含的导频码元对于两个发送天线应是交替地相同和正交的。

Claims (16)

1.一种发送设备，用于在无线正交频分复用(OFDM)通信系统中利用时空发送分集(STTD)发送信号，该设备包括：
编码装置(2)，用于根据STTD方案对数据流编码并输出第一和第二STTD编码数据流；
第一天线装置(5)和第二天线装置(6)，分别用于在OFDM信号中发送所述第一数据流和所述第二数据流的数据，在空间分集配置中安排所述第一天线装置(5)和所述第二天线装置(6)彼此分隔开；
导频码元产生装置(2)，用于产生要在所述第一数据流和第二数据流的所述数据中发送的导频码元，从而通过所述第一天线(5)发送第一导频码元，并通过所述第二天线(6)发送第二导频码元，一些所述第二导频码元与对应的所述第一导频码元正交。
2.根据权利要求1的发送设备，其特征在于：
对应的第一导频码元(20；21)和第二导频码元(42；43)在OFDM系统中具有相同的频率和时间分配。
3.根据权利要求2的发送设备，其特征在于：
具有相同的频率和时间分配的对应的第一和第二导频码元在频率以及时间维上交替地彼此相同(20；42)和正交(21；43)。
4.根据权利要求1，2或3的发送设备，其特征在于：
在时间维上相邻的第一导频码元对(20；21)分别与对应的第二导频码元对(42；43)正交。
5.根据权利要求1-3之中任一项的发送设备，其特征在于：
在频率维上相邻的第一导频码元对(20；23)分别与对应的第二导频码元对(40；46)正交。
6.根据权利要求1-3之中任一项的发送设备，其特征在于：
第一和第二导频码元在时间和频率维上具有规则的分布，从而第二导频码元在时间以及频率维上交替地具有与对应的第一导频码元相同和相反的复值。
7.一种无线正交频分复用(OFDM)通信系统的基站(1)，包括根据权利要求1-3之中任一项的发送设备。
8.一种接收设备，用于利用时空发送分集(STTD)在无线正交频分复用(OFDM)通信系统中接收信号，包括：
单个天线装置(11)，用于接收从OFDM通信系统的发送设备的第一空间分集天线装置(5)和第二空间分集天线装置(6)发送的STTD编码信号，所述第一空间分集天线装置(5)和所述第二空间分集天线装置(6)在所述的STTD编码信号中发送对应的导频码元，从而从第二天线装置(6)发送的导频码元的至少一部分是与从第一天线装置(5)发送的对应导频码元正交的；
处理装置(24)，用于检测在接收的STTD编码信号中的导频码元，用于处理所检测到的导频码元，并根据所述的处理执行信道估算，以便独立地确定分别从所述第一天线装置(5)和所述第二天线装置(6)发送的STTD编码信号的传输质量。
9.根据权利要求8的接收设备，其特征在于：
从所述第一天线装置和第二天线装置发送的所述第一导频码元(20；21)和第二导频码元(42；43)在该OFDM系统中具有相同的频率和时间分配，并且在频率以及时间维上交替地彼此相同(20；42)和正交(21；43)，从而处理相邻的导频码元对，以确定传输质量。
10.根据权利要求8或9的接收设备，其特征在于：
第二导频码元在时间以及频率维上交替地具有与对应的第一导频码元相同和相反的复值，以便根据对接收的导频码元的加法和减法计算来执行该处理和该信道估算。
11.根据权利要求10的接收设备，其特征在于：
根据信道估算结果，进一步处理来自第一天线装置(5)或来自第二天线装置(6)的STTD编码信号。
12.一种无线正交频分复用(OFDM)通信系统的移动终端，包括根据权利要求8-9之中任一项的接收设备。
13.一种信道估算方法，用于在无线正交频分复用(OFDM)通信系统中执行信道估算，其中发送设备包括利用时空发送分集(STTD)发送信号的第一和第二天线，在空间分集配置中安排所述第一和第二天线彼此分隔开，该方法包括以下步骤：
分别通过所述第一天线装置和所述第二天线装置发送第一和第二导频码元，一些所述第二导频码元与对应的所述第一导频码元是正交的；
在接收设备的单个天线中接收所述导频码元；
处理接收的导频码元，并根据所述处理来执行信道估算，以便独立地确定分别从所述第一天线装置和所述第二天线装置发送的STTD编码信号的传输质量。
14.根据权利要求13的信道估算方法，其特征在于：
从所述第一天线装置和第二天线装置发送的所述第一和第二导频码元在该OFDM系统中具有相同的频率和时间分配，并且在频率以及时间维上交替地彼此相同和正交，从而处理相邻的导频码元对，以确定传输质量。
15.根据权利要求13或14的信道估算方法，其特征在于：
第二导频码元在时间以及频率维上交替地具有与对应的第一导频码元相同和相反的复值，以便根据对接收的导频码元对的加法和减法计算来进行该处理和该信道估算。
16.根据权利要求13或14的信道估算方法，其特征在于：
根据信道估算结果，在该接收设备中对来自第一天线装置或来自第二天线装置的STTD编码信号进行进一步处理。
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