CN1525770A - 基于双循环结构的自适应时隙结构及其实现方法 - Google Patents

Abstract

基于双循环结构的自适应时隙结构及其实现方法是一种在移动通信系统中应用的时隙结构及其实现方法，该结构中时隙由一个或多个子时隙及尾部组成，依据移动台的移动速度，自适应地选择具有不同子时隙个数的时隙结构，一个时隙的长度是固定的，而不同的时隙结构中的子时隙的长度是不同的，每个子时隙由循环保护G、导频P、用户数据段D顺序相连组成，而时隙尾部由循环保护G和导频P顺序相连组成，循环保护G的长度L_G不小于信道的最大时延扩展Δ，导频P的长度L_P大于循环保护G的长度L_G，由导频的后面L_G个比特构成循环保护G，各段导频P采用相同的导频序列。

Description

基于双循环结构的自适应时隙结构及其实现方法

                          技术领域

本发明是一种在移动通信系统中应用的时隙结构及其实现方法。它属于移动通信系统中的发射信号格式。

                          背景技术

移动通信在全球范围内发展迅猛，数据业务将取代话音业务成为移动通信的主要业务，且随着因特网的迅速发展，人们对移动数据业务的速率要求越来越高。但可用于移动通信频谱资源却越来越紧张，而且由于技术和经济上的考虑，移动通信系统的带宽不可能无限制地增加。这就要求移动通信系统能高效地支持高速数据业务。

在移动通信系统中，为了能够实现相干解调，需要用导频序列来进行信道估计。可以采用连续导频信道，也可以采用间歇导频信道。这里，我们考虑间歇导频序列的情况。在传统的移动通信系统中，对不同的移动速度，时隙结构通常是固定的。因此，需要按照支持的最高移动速度来进行时隙设计，在时隙中插入足够多的导频序列，以保证最高移动速度情况下的信道估计精度。而对低速移动的情况来说，这些导频序列已经超出了保证信道估计精度的需求，从而固定的时隙结构将导致资源的浪费。另一方面，借鉴正交频分复用(OFDM)系统由于循环保护时间的引入使得线性卷积信道转化为循环卷积信道，进而使得抗多径干扰的时间分集及空间分集合并可以在离散傅立叶变换(DFT)域各频点独立进行的优点，考虑到在间歇导频模式下，利用已知导频信号对未知数据信号的隔离作用，经过简单的预处理，线性卷积信道同样可以转化为循环卷积信道，从而可以采用DFT域单点空时联合检测方法，以提高系统的性能和降低实现复杂度。

                          发明内容

技术问题

本发明的目的是提供一种能够提高频谱效率，提高信道估计精度，降低接收机实现复杂度的基于双循环结构的自适应时隙结构及其实现方法。

技术方案

本发明的基于双循环结构的自适应时隙结构，由一个或多个子时隙及尾部组成，依据移动台的移动速度，自适应地选择具有不同子时隙个数的时隙结构，一个时隙的长度是固定的，而不同的时隙结构中的子时隙的长度是不同的，每个子时隙由循环保护、导频、用户数据段顺序相连组成，而时隙尾部由循环保护和导频顺序相连组成，循环保护的长度L_G不小于信道的最大时延扩展Δ，导频的长度L_P大于循环保护的长度L_G，由导频的后面L_G个比特构成循环保护，各段导频采用相同的导频序列。

对于比较低的移动速度，在时隙中部不需插入导频序列；对于较高的移动速度，在时隙中插入一个或多个导频序列，并且在时隙中引入双循环结构，在不同的移动速度下，应采用何种时隙结构取决于系统的载波工作频率和采用的时隙长度，应保证在两段导频之间的信道参数基本不变。

所述的双循环结构是在每段导频之前都有循环保护；而此导频和其循环保护又是数据段加上下一个导频和循环保护的“大循环保护”，从而形成“双循环结构”。

时隙结构的自适应调整的实现包括以下几个步骤：

第一步，利用已有的信道参数估计方法，在导频序列的辅助下，对多径信道进行较准确的估计，得到各径的时延、相位和幅度等参数，对幅度进行排序，并从中选出最大值，从而找到最强径；

第二步，根据估计到的最强径的信道参数计算G_A，然后根据 ${\hat{f}}_d=\frac{1}{\mathrm{\π\τ}}\sqrt{G}$ 计算出相应的最大多谱勒频偏，并根据移动速度的估计值 $\hat{v}={\hat{f}}_d\mathrm{\λ}$ 得出相应的移动速度；

第三步，将估计到的移动速度与系统事先设定的阈值进行比较，以确定此估计到的速度所在的速度区间，从而选定合适的时隙结构。

有益效果

本发明提出了一种能够提高频谱效率的自适应时隙结构。其基本特点包括：

(1).根据移动台移动速度的不同，分别采用不同的时隙结构，从而降低开销，提高系统的频谱效率。

(2).具有双循环结构，能提高信道估计精度，简化检测方法的复杂度，降

(3).低接收机实现复杂度。

本发明可用于任何移动通信系统。

本发明主要考虑如何在移动通信系统中提高频谱效率，降低检测算法的复杂度，提高系统性能，使得系统能更高效地支持高速数据业务。

                          附图说明

图1为基于“双循环结构”的三种不同移动速度下的自适应时隙结构示意图。其中图1a是用于低速移动情况下的时隙结构，图1b是用于中等移动速度情况下的时隙结构，图1c是用于高速移动情况下的时隙结构。

图2是自适应时隙结构的实现方法装置示意图。它包括信道估计装置、计算G_A的装置、计算f_d的装置、计算移动速度的装置、时隙结构选择装置。

                         具体实施方式

本发明提出了一种基于“双循环结构”的自适应时隙结构，其基本思路是：对于不同的移动速度，将采用不同的时隙结构，以减少开销，节省频谱资源。具体是，对于比较低的移动速度，在时隙中插入较少的导频序列；对于较高的移动速度，在时隙中插入较多的导频序列，并且在时隙中引入双循环结构，即每段导频之前都有循环保护；而此导频和其循环保护又是数据段加上下一个导频和循环保护的“大循环保护”，从而形成“双循环结构”。

图1中的时隙由一个或多个子时隙“G+P+D”及尾部“G+P”组成，依据移动台的移动速度，自适应地选择具有不同子时隙个数的时隙结构。一个时隙的长度是固定的，而不同的时隙结构中的子时隙的长度是不同的。每个子时隙由循环保护G、导频P、用户数据段D组成，而时隙尾部由循环保护和导频组成。循环保护的长度L_G不小于信道的最大时延扩展Δ，导频序列的长度L_P大于L_G，由导频序列的最后L_G个数据构成保护序列G，各导频段采用相同的导频序列。图1(a)可用于低速移动的情况，此时，时隙中部不需插入导频，只在时隙的开始和结束部分加上导频，此时导频占据较少的资源；图1(b)可用于中等的移动速度，此时，在时隙中部插入一段导频，此时导频占据的资源比低速移动的情况多；图1(c)可用于高速移动的情况，此时，在时隙中间插入两段导频，此时导频占据较多的资源，以保证高速移动情况下信道估计的准确度。值得注意的是，如图1所示的时隙结构具有一个重要的特点：每个导频段之前都有循环保护，便于接收端信道参数的估计；每个数据段及其后继的循环保护和导频段所构成的长度与子时隙长度相同的段之前亦有循环保护“G+P”，则便于接收端传输信号的检测。这样，就形成了双循环结构。

图1中以三种不同移动速度下的时隙结构为例说明了基于双循环结构的自适应时隙结构。在实际系统设计时，时隙长度、时隙结构的种类、导频序列的长度、一个时隙中的子时隙的个数可以根据需要安排，但每个子时隙中都采用循环结构，子时隙的长度应保证在其时间内，信道参数基本保持不变。

实现时隙结构自适应调整的关键是准确估计移动台的移动速度。下面我们介绍估计移动台移动速度的方法。当移动台移动速度为v，移动方向与反射体(散射体)的径向夹角为θ时，多普勒频移为f＝vcosθ/λ＝f_dcos，其中，λ为载波波长，f_d＝v/λ为最大多普勒频移。由此可见，最大多普勒频移由移动台的移动速度和载波频率决定。因此，由最大多谱勒频偏能得到移动速度。

未来移动通信系统将是宽带系统，具有分辨多径的能力。鉴于接收机的所分辨出的各多径分量的最大多普勒频移是相同的，因此我们可以只利用搜索分支得到的一个最强分支对其进行估计。

设接收机所用的分支数为L，以下考虑第l个分支的等效低通复接收信号的导频信道数据。设利用导频符号估计出的信道参数的采样序列为c_i，其采样时间间隔为τ(τ在为一个符号的时间)。设x_i为c_i的包络，我们利用x_i在区间1≤i≤N的值来估计信道的最大多普勒频移f_d。构造如下变量G：

$G=\frac{\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{(x_{i+1}-x_i)}^2}{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2}$    [公式1]

则以下关系式成立：

$G_A=\frac{E\left[{(x_{i+1}-x_i)}^2\right]}{E\left[x_i^2\right]}={\left(\mathrm{\π}{f}_d\mathrm{\τ}\right)}^2+O\left({\left(\mathrm{\π}{f}_d\mathrm{\τ}\right)}^4\right)$ [公式2]

其中，E[·]表示取均值，O(·)表示高阶无穷小，G_A可以理解为无噪声时[公式1]所示构造变量的精确值。

由[公式1]和[公式2]可以得到f_d的估计为：

${\hat{f}}_d=\frac{1}{\mathrm{\π\τ}}\sqrt{G}$

[公式3]

在得到f_d的估计值后，可以很容易地由

$\hat{v}={\hat{f}}_d\mathrm{\λ}$ [公式4]

得到移动速度的估计。

因此，时隙结构的自适应调整的实现包括以下几个步骤：

第一步，利用已有的信道参数估计方法，在导频序列的辅助下，对多径信道进行较准确的估计，得到各径的时延、相位和幅度等参数，对幅度进行排序，并从中选出最大值，从而找到最强径。

第二步，根据估计到的最强径的信道参数计算G_A，然后根据 ${\hat{f}}_d=\frac{1}{\mathrm{\π\τ}}\sqrt{G}$ 计算出相应的最大多谱勒频偏，并根据 $\hat{v}={\hat{f}}_d\mathrm{\λ}$ 得出相应的移动速度。

第三步，将估计到的移动速度与系统事先设定的阈值进行比较，以确定此估计到的速度所在的速度区间，从而选定合适的时隙结构。

时隙结构自适应调整的实现装置包括信道估计装置，计算G_A的装置，计算f_d的装置，计算移动速度装置、时隙结构选择装置。信道估计装置利用接收信号进行信道参数的估计，并找出最强径；计算G_A的装置根据最强径的信道估计结果，利用[公式2]计算G_A，计算f_d的装置根据[公式3]来计算最大多谱勒频偏，计算移动速度装置根据[公式4]计算移动速度。得到移动速度的估计之后，时隙结构选择装置根据移动台的移动速度和预先设定的阈值进行比较，然后选定合适的时隙结构。

Claims (4)

1、一种基于双循环结构的自适应时隙结构，其特征在于时隙由一个或多个子时隙及尾部组成，依据移动台的移动速度，自适应地选择具有不同子时隙个数的时隙结构，一个时隙的长度是固定的，而不同的时隙结构中的子时隙的长度是不同的，每个子时隙由循环保护(G)、导频(P)、用户数据段(D)顺序相连组成，而时隙尾部由循环保护(G)和导频(P)顺序相连组成，循环保护(G)的长度L_G不小于信道的最大时延扩展Δ，导频(P)的长度L_P大于循环保护(G)的长度L_G，由导频的后面L_G个比特构成循环保护(G)，各段导频(P)采用相同的导频序列。

2、根据权利要求1所述的基于双循环结构的自适应时隙结构，其特征在于对于比较低的移动速度，在时隙中部不需插入导频序列；对于较高的移动速度，在时隙中插入一个或多个导频序列，并且在时隙中引入双循环结构，在不同的移动速度下，应采用何种时隙结构取决于系统的载波工作频率和采用的时隙长度，应保证在两段导频之间的信道参数基本不变。

3、根据权利要求1所述的基于双循环结构的自适应时隙结构，其特征在于所述的双循环结构是在每段导频(P)之前都有循环保护(G)；而此导频(P)和其循环保护(G)又是数据段(D)加上下一个导频(P)和循环保护(G)的“大循环保护”，从而形成“双循环结构”。

4、一种基于双循环结构的自适应时隙结构的实现方法，其特征在于对于时隙结构的自适应调整的实现包括以下几个步骤：

第一步，利用已有的信道参数估计方法，在导频序列的辅助下，对多径信道进行较准确的估计，得到各径的时延、相位和幅度等参数，对幅度进行排序，并从中选出最大值，从而找到最强径；

第二步，根据估计到的最强径的信道参数计算G_A，然后根据 ${\hat{f}}_d=\frac{1}{\mathrm{\π\τ}}\sqrt{G}$ 计算出相应的最大多谱勒频偏，并根据移动速度的估计值 $\hat{v}={\hat{f}}_d\mathrm{\λ}$ 得出相应的移动速度；

第三步，将估计到的移动速度与系统事先设定的阈值进行比较，以确定此估计到的速度所在的速度区间，从而选定合适的时隙结构。

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