CN1599279A - 一种使用正交调制的导频信道设计方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新的导频信道设计方案以及采用该方案所需的调制、解调方法以及改进的通信系统发射机、接收机结构。根据本发明导频信道与业务信道采用彼此正交的码信道，使得接收机在进行信道估计时不会受到业务信道的干扰。采用该发明的发射机需要进行如下步骤的信号处理：对导频序列和信息符号序列进行正交调制；符号序列加扰码调制；对信号进行二次调制。采用该发明的接收机需要进行如下步骤的信号处理：利用导频信号估计信道；将信息符号预解调；利用信道参数设计均衡器的系数，对信号进行均衡处理；对信号进行相应的解调、判决。

Description

一种使用正交调制的导频信道设计方法和系统

技术领域

本发明涉及一种新的导频信道设计方案以及采用该方案所需的调制、解调方法以及改进的通信系统发射机、接收机结构。本发明可适用的系统包括前缀码分多址(CP-CDMA)和前缀梳状谱码分多址(CP-CS-CDMA)等系统。

背景技术

未来的无线通信系统正向着增加宽带，提高通信速率的方向发展，以满足多媒体等大数据流量，高速率业务的需要。信号带宽的增加使得准确的信道估计变的更加重要。以CDMA(码分多址)为代表的第三代移动通信需要准确的信道估计来实现提高其性能的接收机算法，在CDMA系统中，随着带宽的增加，多径干扰将变的更加严重，需要在接收端利用估计的信道参数对接收信号作均衡处理，以减少多径干扰。另外，如何提高系统的带宽利用率也是通信系统中需要考虑的重要问题之一。传统的CDMA系统在导频信道设置的问题上，在提高信道估计精度和系统带宽效率两方面的性能仍然不尽如人意。在传统的通信系统中，通常设置在某特定的时间段传送导频信号，在该时间段内，信息符号将停止传送。

中国专利CN1426186提供了一种含有多个发送天线和多个接收天线的移动通信装置，以及一种在该移动通信装置中执行的移动通信方法。在装置中，基站根据从移动站接收的反馈信号来恢复由移动站中的第一特征值确定的长期和短期信息，使用由恢复的长期和短期信息生成的基本信息来空间处理专用物理信道信号，以及将空间处理信号和导频信号的和发送到基站。移动站含有至少一个发送天线，基站有至少一个接收天线，各个发送和接收天线的下行链路信道的特性。相应地，反映空间信道下行链路特性的长期和短期信息被从移动站反馈到基站，从而最小化衰落，干扰，和噪声的影响，和最大化吞吐量。这种做法虽然保证了导频信号与信息符号之间不存在干扰，但导频信道需要占用频带资源，因此系统的带宽效率降低。本发明针对这一问题，提出了一种新的导频信道设计方法，使得导频信号和信息符号可以同时传送而又不会相互干扰，在保证了信道参数估计精度的同时提高了系统的带宽效率。

发明内容

本发明提出了一种基于码分多址的导频信号和信息符号同时传输的方法。导频信道与业务信道采用彼此正交的码信道，使得接收机在进行信道估计时不会受到业务信道的干扰。

本发明的第一个目的是提供一种适用于CP-CDMA和CP-CS-CDMA等系统导频信道和业务信道同时传输并保持正交的信号调制方法。

本发明的另一个目的是提供一种基于该信号格式的信道估计方法。

本发明的又一个目的是提供一种采用这种导频信道设计方案的通信系统结构。

本发明所采用的技术方案如下：

一.采用该发明的发射机需要进行如下步骤的信号处理

(1)对导频序列和信息符号序列进行正交调制

首先，我们假设导频符号序列对接收机而言是一个已知的序列。

选取长度为M的一组彼此正交的码，如沃尔什(Walsh)码，这样的码字共可找到M个，我们称这组码为序列调制码。选取其中一个码字作为导频信道调制码，其余M-1个码字可用于信息符号序列调制。导频符号和信息符号均可是BPSK，QPSK或QAM等调制的符号。

正交码对符号序列的调制是将每个序列调制码乘以符号序列中对应的符号。例如：选取长M的Walsh码中的全1码对导频符号序列调制，则得到原导频符号重复M次的新序列。

进行该正交调制的目的是为保证接收机端的信息符号与导频符号的正交性，从而保证两者之间不会互相干扰。接收机可以在没有信息符号干扰的情况下利用分离出的导频信号进行信道估计；在解调信息符号时，又不会受到导频信号的干扰。

(2)符号序列加扰码调制

将经过上面步骤(1)的正交调制后的信号乘以扰码，不同小区使用的是不同的扰码。加扰码的目的是减少临近小区的干扰，所以相邻小区使用的扰码应具有良好的互相关特性。例如可以选取m序列作为扰码，每个扰码是一个长度为M的二值序列，即序列的取值只有+1和-1。将扰码的每一位与步骤(1)得到的序列的相应位相乘，即得到加扰后的序列。

(3)对信号进行二次调制

该步骤根据各自不同的系统，对正交调制并加扰后的符号进行进一步的调制，我们称为二次调制。例如，在CP-CDMA系统中，将上一步骤得到的M个码片(chip)采用扩频码进行扩频。设该步骤使用的扩频码是长N的码，通常该码字由Walsh码与扰码的乘积得到。将步骤(2)中得到的每一个chip用扩频码扩频。对应N个扩频码字，按步骤(1)(2)的办法产生N组信号，并将这N组信号分别用不同的扩频码字扩频，最后将扩频后的码字叠加起来，得到长为M×N的信号。将扩频后得到的每个长N的序列添加长L的前缀，最后得到长(N+L)×M的序列。二次调制与传统CP-CDMA中的调制过程相同。

二.采用该发明的接收机需要进行如下步骤的信号处理：

(1)预解调分离出导频信号并利用导频信号估计信道

在接收机已经获得同步的情况下，得到接收信号按chip速率采样的(N+L)×M个样点。去掉每个符号的循环前缀部分，得到M个长度为N的符号。首先，接收端恢复出序列调制码与扰码的乘积序列，称为加扰的正交调制码；然后用该序列对接收信号作相关处理，我们称该过程为预解调过程。将每个符号的第一个chip提取出来，与导频信道对应的加扰的正交调制码作相关累加；同理作第二chip的相关累加，直到做完N个chip，这时得到的是已不包含信息符号的信号，因为由于码的正交性，在用导频信道的本地正交调制码解扩时与其正交的信号分量就被抵消了。得到的不含干扰的导频信号可用于各种信道估计算法，如采用频域信道估计，需要将该序列作N点的FFT，得到信号的频域响应，再将各频点的信号除以该点发送的导频信号的频谱波形，就得到了该点的信道响应的波形，作IFFT变换到时域，就可以得到时域的信道多径响应。

(2)将信息符号预解调

信息符号的预解调和前面导频信道的预解调方法相同，将调制信息符号用的序列调制码与扰码相乘，得到本地恢复出的加扰的正交调制码，再用该加扰的正交调制码与接收信号进行相关、累加。预解调后，由于序列调制码的正交性，各正交分量将被分离开。

(3)利用信道参数设计均衡器的系数，对信号进行均衡处理

由步骤(1)得到的信道参数可按照不同的算法设计均衡器的系数。对CP-CDMA系统，较为典型的均衡器算法是频域的最小均方误差(MMSE)算法。依照该算法设计均衡器的抽头系数，将步骤(2)得到的长N的序列作FFT变换到频域，再将频域上各点的符号乘以相应频点的均衡器的系数，然后作IFFT变换回时域，即得到均衡好的信号。该步骤和传统CP-CDMA系统的解调相同。

(4)对信号进行相应的解调、判决

如果采用的是CP-CDMA系统，则需对均衡好的符号进行解扩，然后将解扩结果进行判决。该步骤是与发送端的二次调制步骤相对应的，我们这里称该步操作为二次解调。该步骤和传统的CP-CDMA系统中相应的步骤相同。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步详细地说明：

图1是采用本发明的通信系统结构示意图；

图2是信号空间示意图；

图3是误码率仿真曲线。

最佳实施例详细描述

下面参照本发明的附图，更详细的描述出本发明的最佳实施例。

图1是采用本发明的通信系统结构示意图，下面参照图1说明本发明的通信系统。图中的虚线框内部分为本发明需要添加在传统系统中的模块，也是本发明与传统系统不同之处。

1.发射机

调制好的信息符号1与导频符号2经过正交调制处理3得到N个长为M的序列。加扰步骤4对每个正交调制后的序列作与扰码相乘的处理。

这里，我们用向量w_i表示一个长为M的加扰的序列正交调制码，它由正交码和扰码的乘积得到：w_i＝[w_i(1)，w_i(2)，…，w_i(M)]^T＝[u_i(1)q₁，u_i(2)q₂，…，u_i(M)q_M]^Ti＝1，2，…，M(1)其中^T表示转置，u_i(j)表示正交码，如Walsh码的第i个码字的第j个chip；q_i表示该小区所用扰码序列的第i个chip，这里省略了代表小区的脚标。用M×M的矩阵W来表示这组码：

W＝[w₁，w₂，…，w_M]           (2)

正交调制和加扰过程可由矩阵表示为：

d_j＝W·s_j    (3)

其中s_j是导频符号和信息符号组成的向量

s_j＝[c_j，s_j，1，s_j，2，…，s_j，M-1]^T                       (4)

其中c_j为正实数，代表导频信道传送的符号，s_j，i表示信息符号，是经过数字调制后的符号，如QPSK或QAM等符号。脚标j代表该组符号将被分配到CP-CDMA的第j个码信道传送。将N个向量s_j预扩频，得到N个向量d_j，并排列成矩阵形式D：

D＝[d₁，d₂，…，d_N]^T＝(W·S)^T                  (5)

其中S＝[s₁，s₂，…，s_N]。

二次调制过程5，是指根据不同的系统所采取的接下来的调制过程，对于CP-CDMA系统，在该模块进行扩频，然后将每个长为N的扩频符号添加前缀。

用维数是N×N的矩阵P表示二次调制步骤，在CP-CDMA系统中，P表示扩频矩阵。二次调制过程可用下式表示：

X＝P·D              (6)这样就得到了N×M的矩阵X，X的每一列是一个长为N的序列，将该序列添加长为L的循环前缀，方法是将该序列的后L个chip复制，添加到序列前面，这样就构成了一个完整的符号，将M个符号顺序串行发送。

2.信道

宽带通信系统所采用的信道模型是一个频率选择性衰落的信道，信道模型可采用一个FIR滤波器，各个抽头系数为每径的信道响应，用向量h表示：

h＝[h₁，h₂，…，h_L]                       (7)

信号经过多径衰落后，还要有高斯噪声叠加在信号上。

3.接收机

在接收机已经获得同步的情况下，接收信号按chip速率采样得到(N+L)×M个样点。去掉每个符号的循环前缀部分，得到M个长N的符号。去掉前缀后的符号可用矩阵表示为：

Y＝H·X+N₀               (8)

其中N₀为高斯白噪声组成的矩阵，H为M×M的信道矩阵，它是有各径信道响应参数构成的循环矩阵：

首先将去掉前缀后的信号矩阵Y在预解扩模块7中进行预解调，将调制到各个不同序列正交调制码信道的信号区分开。其中，所分离出的导频信号向量是用导频信道所采用的加扰正交调制码w₁对Y进行相关解调，解调后的信号用向量Z表示：

Z＝Y·w₁                        (10)

由公式(5)(6)(8)(10)得到：

Z＝Y·w₁＝H·P·(W·S)^T·w₁+N₀·w₁＝H·P·S^T·W^T·w₁+N₀·w₁      (11)

由加扰的序列正交调制码的正交性，有下式：

由上面(11)(12)两式得：

其中N′₀＝N₀·w₁，

将分离出的导频符号向量Z输入信道估计模块8，在该模块中使用信道估计算法得到估计的信道参数。对信道参数的估计可以看做求解上式中H的问题，一种解决方法是可根据H是循环矩阵的性质在频域求解。

${\tilde{h}}_l={\tilde{z}}_l/{\tilde{p}}_l---\left(14\right)$

其中

分别代表h，Z，P′变换到频域后第i个频点的值。

预解调模块7中分离出的信息符号可由一个N×(M-1)维矩阵R表示：

R＝Y·W_s               (15)

其中W_s＝[w₂，w₃，…，w_M]，是由用于调制信息符号的加扰的序列正交调制码构成的矩阵。

由(5)(6)(8)(15)式可得：

R＝Y·W_s＝H·P·(W·S)^T·W_s+N₀·W_s＝H·P·S^T·W^T·W_s+N₀·W_s    (16)

由加扰序列正交调制码的正交性可得：

由(16)(17)两式得到：

将信道估计模块8得到的信道参数和预解调模块7中分离出的信息符号送入均衡器9中，根据相应的均衡器算法进行均衡。

在CP-CDMA系统中，对预解扩后的信号进行均衡，通常选择在频域的MMSE均衡方法，将R变换到频域得到矩阵 设 是

的第j行第i列元素，频域均衡后得到N×(M-1)维的信号矩阵为

为其第j行第i列元素，使用MMSE均衡算法得到：

${\tilde{g}}_{j,i}=\frac{{{\tilde{h}}_l}^{*}{\tilde{r}}_{j,i}}{{{\tilde{h}}_j}^{*}\·{\tilde{h}}_j+n_0}---\left(19\right)$

其中 代表信道多径响应向量h的估计值作N点FFT得到的第j个频点的值，^*代表取复数共轭，n₀代表高斯噪声的功率谱密度。将均衡后的频域信号矩阵 变换到时域，即将矩阵

的每一列作IFFT，变换到时域，得到新的矩阵G。

均衡后的信号被送入二次解调模块10。这里所谓的二次解调是对应与发送端的二次调制模块，根据相应系统的调制方法进行相应的解调。如果系统采用CP-CDMA，则该模块需要进行相关解扩。二次解调步骤可用下面的矩阵表示：

S_r＝P^T·G                   (20)

对二次解扩后的矩阵S_r送入判决模块11中，将S_r中的每个符号进行判决，得到恢复出的二进制信息比特。

图2所示为信号在二维信号空间中符号的分配示意图。序列正交调制码长为M，共有M个可用码字，因而可传送M个符号，在图2中用纵坐标表示。在二次调制过程中使用的扩频码的长度是N，因而可提供N个码信道传送符号，在图2中用横坐标表示。由图2的坐标空间看出，共有M×N个信道可用于传送符号。该空间中的某一点，以坐标(x，y)表示，代表该点使用第y个序列正交调制码，并被用CP-CDMA中的第x个扩频码扩频。本发明选择序列正交调制码的一个码信道作为设置导频的信道，即图中所示c₁，...，c_N，其余的码信道可用于传送信息符号s_i，j。

图3所示为对本发明的系统进行仿真得到的误码率曲线，下面介绍一下该仿真的条件和仿真得到的结果。

(1)仿真条件

为验证本发明的性能，对采用本发明的CP-CDMA系统进行了仿真。仿真中采用的序列正交调制码长M＝8，使用的是Walsh序列；扩频码是Walsh码与扰码的乘积，长度N＝64；循环前缀长度L＝8；多径信道采用8径的Rayleigh信道，信道各径系数h_i为独立同分布的Rayleigh随机数，相位服从[0，2π]均匀分布，时延扩展宽度为L个码片。第一个序列正交调制码信道和第一个扩频码信道被用于传送导频信号，第一个序列正交调制码信道、CP-CDMA扩频中使用的剩余63个二次扩频码的信道不传送任何信号；除此之外的其余码信道均被用于传送信息符号。接收机信道估计算法采用频域估计，均衡器采用频域MMSE算法。仿真中导频信道所用的能量分别占系统总能量的1/8和1/32。

(2)仿真结果

图3给出了该通信系统仿真的误比特率曲线。其中，曲线15为理想信道估计情况，即信道估计不存在误差的情况下的系统误码率曲线。在使用占总能量1/8的导频信号作信道估计的情况下得到误码率曲线14，系统性能很接近理想信道估计的结果，说明信道估计的精度较高，尝试采用1/32的能量作信道估计，得到误码率曲线12，系统误码率相对1/8导频能量的情况恶化了6dB左右。图中还与准确信道估计的正交频分复用(OFDM)系统进行了比较，曲线13表示该OFDM系统的误码率。由于采用本专利方法的CP-CDMA系统采用MMSE均衡，有一定的分集效果，因而相对OFDM系统有较好的性能。

尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。例如，不同的导频信号设置方法，即在利用序列正交调制技术的前提下，选择不同的码信道分配给导频信道；又如将本发明用于除CP-CDMA和CP-CS-CDMA之外的其它系统中。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。

Claims (10)

1.一种使用正交调制的导频信道设计方法，其特征在于：

发射机需要进行如下步骤的信号处理：

(1)对导频序列和信息符号序列进行正交调制(2)符号序列加扰码调制(3)对信号进行二次调制；

接收机需要进行如下步骤的信号处理：

(1)预解调分离出导频信号并利用导频信号估计信道(2)将信息符号预解调(3)利用信道参数设计均衡器的系数，对信号进行均衡处理(4)对信号进行解调、判决。

2.根据权利要求1所述的使用正交调制的导频信道设计方法，其特征在于：正交调制是选取长度为M的一组彼此正交的码，将导频序列和信息符号各自乘以对应的序列调制码，然后将所得的结果叠加。

3.根据权利要求2所述的使用正交调制的导频信道设计方法，其特征在于：符号序列加扰码调制是将正交调制后的信号乘以扰码。

4.根据权利要求3所述的使用正交调制的导频信道设计方法，其特征在于：在不同的小区采用不同的扰码。

5.根据权利要求1所述的使用正交调制的导频信道设计方法，其特征在于：使用该导频信道设计方法的通信系统为，前缀码分多址或者前缀梳状谱码分多址。

6.根据权利要求5所述的使用正交调制的导频信道设计方法，其特征在于：将得到的M个码片采用扩频码进行扩频。

7.根据权利要求1所述的使用正交调制的导频信道设计方法，其特征在于：将信息符号预解调的过程为，将序列调制码与扰码相乘，得到本地恢复出的加扰的正交调制码，再用该加扰的正交调制码与接收信号进行相关、累加，得到分离的导频信号和信息符号。

8.根据权利要求5所述的使用正交调制的导频信道设计方法，其特征在于：利用导频信号估计信道时，信道参数均衡器算法采用频域的最小均方误差算法。

9.根据权利要求5所述的使用正交调制的导频信道设计方法，其特征在于：对均衡好的符号进行解扩，然后将解扩结果进行判决。

10.一种使用正交调制的导频信道的通信系统，包括发射机和接收机，发射机将调制好的信号发射到信道中，接收机接收信道中的信号，其特征在于：

发射机需要进行如下步骤的信号处理：

(1)对导频序列和信息符号序列进行正交调制(2)符号序列加扰码调制(3)对信号进行二次调制；

接收机需要进行如下步骤的信号处理：

(1)预解调分离出导频信号并利用导频信号估计信道(2)将信息符号预解调(3)利用信道参数设计均衡器的系数，对信号进行均衡处理(4)对信号进行解调、判决。

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