CN1787506B - 正交频分复用系统的导频分配方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种正交频分复用系统的导频分配方法和装置，用于至少包括一个发射机和两个发射天线的通信系统，该方法包括：发射机中的用户数据载波分配模块对用户的数据符号分配适当的载波，并把用户数据输出到发射机的逆傅立叶变换模块的适当端口；同时，发射机中的导频数据载波分配模块根据系统的子信道分配方式和发射天线数目确定导频数据的分配规则，并把导频数据输出到逆傅立叶变换模块的适当端口。本发明是在发射机采用多个天线传送数据时，合理安排导频，有效地降低地板效应的影响，同时考虑实际应用的一些问题。

Description

正交频分复用系统的导频分配方法和装置
技术领域
本发明涉及数字通信领域，特别是涉及一种正交频分复用系统在使用多个发送天线时的导频分配方法和装置。
背景技术
空时码(STC)是一种低复杂度的空时二维编码技术，它在发送端采用正交编码的方式在各个天线上同时发送信号，充分利用了空间和时间分集，成倍提高了系统传输效率。但是，这种编码方案只适用于准静态的平坦衰落信道，但是在实际的移动通信环境中，多径延时是信道模型的一个非常基本的特征，衰落具有频率选择性，此时空时码的设计成为一个比较复杂的问题。正交频分复用(OFDM)技术把频率选择性衰落信道划为多个并行的相关的平坦衰落信道，并且允许各个子信道频谱相互交叠，极大提高了频谱利用率。因此，把STC和OFDM技术结合起来，充分发挥二者的优点，受到越来越多的关注。
但是，不管是STC的解码，还是相干OFDM系统的解调，都需要精确的知道无线信道的状态信息，这就为发射机的导频分配方法提出了较高的要求。一个良好的导频分配方法，再辅之适当的信道估计算法可以极大地提高系统的性能，充分发挥STC和OFDM技术的优点。反之，一个不恰当的导频分配方法却可能导致地板效应，即随信噪比增加而误比特率却不下降，这对无线系统来说是致命的。
在“IEEE P802.16REVd-D5”协议中，当子信道分配模式为FUSC(全部子信道应用方式)，发射天线有两个时，系统按照以下原则对导频进行分配：对于偶数符号，系统分配可变导频集合0和固定导频集合0给天线0，可变导频集合1和固定导频集合1给天线1；对于奇数符号，系统分配可变导频集合1和固定导频集合0给天线0，可变导频集合0和固定导频集合1给天线1。按照这个分配原则，两个导频载波的最小间隔是12个载波(不考虑固定导频集合)。当空中信道的相干带宽小于12个载波时，信道估计的误差主要来源于插值误差，这种误差不会随着信噪比增加而减少，从而导致地板效应的出现。需要指出的是，这种情况是大量存在的。例如，设系统带宽为20MHz，信道模型为SUI-5(修正的斯坦福大学临时信道模型-5)信道时，空中信道的相干带宽只有7个载波，因此，当用户数据通过该信道时，就会有严重的地板效应。
在“IEEE P802.16REVd-D5”协议中，当子信分配模式为PUSC(部分子信道应用方式)，发射天线有两个时，系统按照以下原则对导频进行分配：对于偶数符号，系统把每个簇(Cluster)中的第0个载波和第12个载波分配给天线0作为导频载波，每个Cluster中的第1个载波和第13个载波分配给天线1作为导频载波；对于奇数符号，系统不分配任何导频载波给天线0和天线1。按照这个分配原则，两个导频载波的最小间隔是12个载波，前面描述的地板效应仍然无法避免。
美国专利US6298035，“Estimation of two propagation channel inOFDM”，提出一种增加导频密度的方法：把可用的导频载波同时分配给两个发射天线，为了保证接收端的导频不相互干扰，要求天线0发送的导频和天线1发送的导频相互正交。利用该方法可以在不增加导频载波的情况下使两个发送天线的导频密度与单个天线的导频密度相同，这实际上也是减少地板效应的影响。但是，该方法会增加接收机利用导频进行信道估计或同步的开销，并且，如果使用该方法，就需要对IEEE 802.16协议进行大幅度改动。换而言之，该方法不易与IEEE 802.16协议兼容。
应该说，现有的导频分配方法未能综合考虑降低地板效应及实际应用的一些问题，如接收机利用导频进行信道估计的开销，与协议的兼容性等，必须加以考虑和改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种正交频分复用系统的导频分配方法和装置，解决现有技术未能在考虑降低地板效应的同时综合考虑实际应用的问题。
为达到上述目的，本发明提供了一种正交频分复用系统的导频分配方法，用于至少包括一个发射机和两个发射天线的通信系统，其特点在于，包括如下步骤：步骤一、发射机中的用户数据载波分配模块对用户的数据符号分配适当的载波，并把用户数据输出到发射机的逆傅立叶变换模块的适当端口；步骤二、与步骤一同时，发射机中的导频数据载波分配模块根据系统的子信道分配方式和发射天线数目确定导频数据的分配规则，并把导频数据输出到逆傅立叶变换模块的适当端口。
上述的正交频分复用系统的导频分配方法，其特点在于，步骤二中，在系统的子信道分配方式为全部子信道应用方式的情况下，通过对系统的可变导频集合的载波偏置进行设置的方式，得到编号为0、1、0+、1+的四组可变导频集合，并且结合系统的编号为0、1的两组固定导频集合分配给根据发射天线数目确定的导频分配周期中的各符号。
上述的正交频分复用系统的导频分配方法，其特点在于，设置所述四组可变导频集合的载波偏置关系如下：
可变导频集合0+的载波偏置＝可变导频集合0的载波偏置+6；
可变导频集合1+的载波偏置＝可变导频集合1的载波偏置+6。
上述的正交频分复用系统的导频分配方法，其特点在于，在发射天线数目为两个的情况下，导频分配周期包括四个符号并编号为符号0、符号1、符号2和符号3，两个天线编号为天线0和天线1，所述导频数据的分配规则如下：
在符号0：分配可变导频集合0和固定导频集合0给天线0，可变导频集合1和固定导频集合1给天线1；
在符号1：分配可变导频集合1和固定导频集合0给天线0，可变导频集合0和固定导频集合1给天线1；
在符号2：分配可变导频集合0+和固定导频集合0给天线0，可变导频集合1+和固定导频集合1给天线1；
在符号3：分配可变导频集合1+和固定导频集合0给天线0，可变导频集合0+和固定导频集合1给天线1。
上述的正交频分复用系统的导频分配方法，其特点在于，在发射天线数目为四个的情况下，导频分配周期包括八个符号并编号为符号0至符号7，四个天线编号为天线0至天线3，所述导频数据的分配规则如下：
在符号0：分配可变导频集合0和固定导频集合0给天线0，可变导频集合1和固定导频集合1给天线1，天线2和天线3不分配导频；
在符号1：分配可变导频集合0和固定导频集合0给天线2，可变导频集合1和固定导频集合1给天线3，天线0和天线1不分配导频；
在符号2：分配可变导频集合1和固定导频集合0给天线0，可变导频集合0和固定导频集合1给天线1，天线2和天线3不分配导频；
在符号3：分配可变导频集合1和固定导频集合0给天线2，可变导频集合0和固定导频集合1给天线3，天线0和天线1不分配导频；
在符号4：分配可变导频集合0+和固定导频集合0给天线0，可变导频集合1+和固定导频集合1给天线1，天线2和天线3不分配导频；
在符号5：分配可变导频集合0+和固定导频集合0给天线2，可变导频集合1+和固定导频集合1给天线3，天线0和天线1不分配导频；
在符号6：分配可变导频集合1+和固定导频集合0给天线0，可变导频集合0+和固定导频集合1给天线1，天线2和天线3不分配导频；
在符号7：分配可变导频集合1+和固定导频集合0给天线2，可变导频集合0+和固定导频集合1给天线3，天线0和天线1不分配导频。
上述的正交频分复用系统的导频分配方法，其特点在于，步骤二中，在系统的子信道分配方式为部分子信道应用方式的情况下，通过给各天线分配每个簇中的载波的方式，来配置根据发射天线数目确定的导频分配周期中的各符号。
上述的正交频分复用系统的导频分配方法，其特点在于，在发射天线数目为两个的情况下，导频分配周期包括四个符号并编号为符号0、符号1、符号2和符号3，两个天线编号为天线0和天线1，所述导频数据的分配规则如下：
在符号0：分配每个簇的第4个载波和第8个载波给天线0，不分配导频载波给天线1，但是规定天线1在每个簇的第4个载波和第8个载波上不发送任何数据；
在符号1：分配每个簇的第0个载波和第12个载波给天线1，不分配导频载波给天线0，但是规定天线0在每个簇的第0个载波和第12个载波上不发送任何数据；
在符号2：分配每个簇的第0个载波和第12个载波给天线0，不分配导频载波给天线1，但是规定天线1在每个簇的第0个载波和第12个载波上不发送任何数据；
在符号3：分配每个簇的第4个载波和第8个载波给天线1，不分配导频载波给天线0，但是规定天线0在每个簇的第4个载波和第8个载波上不发送任何数据。
为了更好的实现本发明的目的，本发明还提供了一种正交频分复用系统的导频分配装置，其特点在于，包括有逆傅立叶变换模块以及分别与所述逆傅立叶变换模块相连的用户数据载波分配模块和导频数据载波分配模块；所述用户数据载波分配模块用于对用户的数据符号分配适当的载波，并把用户数据输出到发射机的逆傅立叶变换模块的适当端口；所述导频数据载波分配模块用于根据系统的子信道分配方式和发射天线数目确定导频数据的分配规则，并把导频数据输出到逆傅立叶变换模块的适当端口。
本发明的技术效果在于：采用本发明所述的方法，可以在不增加额外导频载波的情况下有效的降低地板效应对系统性能的影响，并且，该方法的实现在编码调制之后，容易与只有一个天线的情况兼容，简化了发射机的设计。同时，采用本发明所述的方法，接收机利用导频进行信道估计也比美国专利US6298035容易实现，从而简化了接收机的实现。
下面结合附图进一步详细说明本发明的具体实施例。
附图说明
图1是包含本发明的一个简化的OFDM系统发射机示意图；
图2是当子信道分配模式为PUSC，发射天线有两个时的导频分配示意图；
图3是当子信道分配模式为PUSC，发射天线有两个时的另外一种导频分配示意图；
图4是本发明方法的步骤流程图。
具体实施方式
本发明是在发射机采用多个天线传送数据时，合理安排导频，有效地降低地板效应的影响，同时考虑实际应用的一些问题。
本发明提供用于在OFDM通信系统中分配导频的方法，该通信系统中包含至少一个发射机和两个发射天线，参考图4，是本发明方法的步骤流程图，该方法包括以下步骤：
步骤100，在发射机中，用户数据载波分配模块对用户的数据符号分配适当的载波，并把用户数据输出到逆傅立叶变换模块的适当端口。
步骤200，与步骤100同时，导频数据载波分配模块根据系统的子信道分配方式和发射天线数目确定导频数据的分配规则，并把导频数据输出到逆傅立叶变换模块的适当端口。
下面给出本发明的一个详细实施例。图1是包含本发明的一个简化的OFDM系统发射机示意图，它包括两个发射天线。用户数据载波分配模块101根据用户的申请，系统的可用资源等因素把用户的数据分配在不同的载波上，最后按照一定的顺序把用户数据输出到逆傅立叶变换模块103A和103B。注意这里的用户数据一般都经过了编码和调制处理。同时，导频数据载波分配模块102根据系统的子信道分配方式和发射天线数目确定导频数据的分配规则，并把导频数据输出到逆傅立叶变换模块103A和103B的适当端口。逆傅立叶变换模块103A和103B对输入的数据进行逆傅立叶变换，从而把并行的频域的数据变换到串行的时域数据输出。添加保护时隙模块104A和104B分别对逆傅立叶变换模块103A和103B的输出数据添加保护时隙，其目的是消除符号间干扰和保持载波间的正交性。数模转换模块105A和105B把添加保护时隙模块104A和104B输出的离散数据转换成模拟数据。射频电路模块106A和106B则对数模转换模块105A和105B的模拟数据进行适当的处理，最终输出到空中信道。
在附图1中，逆傅立叶变换模块是一个多输入单输出装置，它的输入数据包括两类：导频载波数据和数据载波数据。前述的逆傅立叶变换模块103A和103B的“适当端口”指的是用户数据载波分配的数据输入到接收用户数据的端口，以及导频数据载波分配的数据输入到接收用户数据的端口，并且在图中用两条连线表示它们的连接关系。
当子信道分配模式为FUSC，发射天线有两个时导频数据载波分配模块102的导频分配规则如下表1所示，
表1
  符号索引   天线0   天线1
符号0   可变导频集合0和固定导频集合0   可变导频集合1和固定导频集合1
符号1   可变导频集合1和固定导频集合0   可变导频集合0和固定导频集合1
符号2   可变导频集合0<sup>+</sup>和固定导频集合0   可变导频集合1<sup>+</sup>和固定导频集合1
符号3   可变导频集合1<sup>+</sup>和固定导频集合0   可变导频集合0<sup>+</sup>和固定导频集合1
从表中可以看出，导频分配以四个符号为周期，
在符号0：分配可变导频集合0和固定导频集合0给天线0，可变导频集合1和固定导频集合1给天线1；
在符号1：分配可变导频集合1和固定导频集合0给天线0，可变导频集合0和固定导频集合1给天线1；
在符号2：分配可变导频集合0+和固定导频集合0给天线0，可变导频集合1+和固定导频集合1给天线1；
在符号3：分配可变导频集合1+和固定导频集合0给天线0，可变导频集合0+和固定导频集合1给天线1；
综合考虑降低地板效应的影响，接收机利用导频进行信道估计的实现及与现有IEEE 802.16协议的兼容，我们这里规定：
可变导频集合0+的载波偏置＝可变导频集合0的载波偏置+6(1)
可变导频集合1+的载波偏置＝可变导频集合1的载波偏置+6(2)
需要指出的是，我们的方法可以很容易推广到四个或更多发射天线，当子信道分配模式为FUSC，发射天线有四个时导频数据载波分配模块102的导频分配规则如下表2所示，其详细过程这里不在赘述。
表2
  符号索引   天线0   天线1   天线2   天线3
符号0   可变导频集合0和固定导频集合0   可变导频集合1和固定导频集合1 不分配导频 不分配导频
  符号索引   天线0   天线1   天线2   天线3
符号1 不分配导频 不分配导频   可变导频集合0和固定导频集合0   可变导频集合1和固定导频集合1
符号2   可变导频集合1和固定导频集合0   可变导频集合0和固定导频集合1 不分配导频 不分配导频
符号3 不分配导频 不分配导频   可变导频集合1和固定导频集合0   可变导频集合0和固定导频集合1
符号4   可变导频集合0<sup>+</sup>固定导频集合0   可变导频集合1<sup>+</sup>和固定导频集合1 不分配导频 不分配导频
符号5 不分配导频 不分配导频   可变导频集合0<sup>+</sup>和固定导频集合0   可变导频集合1<sup>+</sup>和固定导频集合1
符号6   可变导频集合1<sup>+</sup>和固定导频集合0   可变导频集合0<sup>+</sup>和固定导频集合1 不分配导频 不分配导频
符号7 不分配导频 不分配导频   可变导频集合1<sup>+</sup>和固定导频集合0   可变导频集合0<sup>+</sup>和固定导频集合1
图2是当子信道分配模式为PUSC，发射天线有两个时的导频分配示意图。其中，黑色圆圈表示导频载波41，灰色圆圈表示数据载波42，白色圆圈表示空载波43，即，该空载波不发送任何数据。从图2可以看出，导频分配以四个符号为周期，
在符号0：分配每个Cluster的第4个载波和第8个载波给天线0，不分配导频载波给天线1，但是规定天线1在每个Cluster的第4个载波和第8个载波上不发送任何数据。
在符号1：分配每个Cluster的第0个载波和第12个载波给天线1，不分配导频载波给天线0，但是规定天线0在每个Cluster的第0个载波和第12个载波上不发送任何数据。
在符号2：分配每个Cluster的第0个载波和第12个载波给天线0，不分配导频载波给天线1，但是规定天线1在每个Cluster的第0个载波和第12个载波上不发送任何数据。
在符号3：分配每个Cluster的第4个载波和第8个载波给天线1，不分配导频载波给天线0，但是规定天线0在每个Cluster的第4个载波和第8个载波上不发送任何数据。
图3是当子信道分配模式为PUSC，发射天线有两个时的另外一种导频分配示意图。从图3可以看出，导频分配也以四个符号为周期，所不同的是在符号0和符号3给天线0分配导频，在符号1和符号2给天线1分配导频。
利用图2和图3的原则，我们的方法可以很容易推广到PUSC模式四个或更多发射天线的情况，熟悉本技术领域的人员应理解，因此，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；凡是依本发明所作的等效变化与修改，都被本发明的专利范围所涵盖。

Claims (4)

1.一种正交频分复用系统的导频分配方法，用于至少包括一个发射机和两个发射天线的通信系统，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、发射机中的用户数据载波分配模块对用户的数据符号分配适当的载波，并把用户数据输出到发射机的逆傅立叶变换模块的适当端口；
步骤二、与进行步骤一的同时，发射机中的导频数据载波分配模块根据系统的子信道分配方式和发射天线数目确定导频数据的分配规则，并把导频数据输出到逆傅立叶变换模块的适当端口，其中，在系统的子信道分配方式为全部子信道应用方式的情况下，通过对系统的可变导频集合的载波偏置进行设置的方式，得到编号为0、1、0+、1+的四组可变导频集合，并且结合系统的编号为0、1的两组固定导频集合分配给根据发射天线数目确定的导频分配周期中的各符号，设置所述四组可变导频集合的载波偏置关系如下：可变导频集合0+的载波偏置＝可变导频集合0的载波偏置+6；可变导频集合1+的载波偏置＝可变导频集合1的载波偏置+6；
其中，在发射天线数目为两个的情况下，导频分配周期包括四个符号并编号为符号0、符号1、符号2和符号3，两个天线编号为天线0和天线1，所述导频数据的分配规则如下：
在符号0：分配可变导频集合0和固定导频集合0给天线0，可变导频集合1和固定导频集合1给天线1；
在符号1：分配可变导频集合1和固定导频集合0给天线0，可变导频集合0和固定导频集合1给天线1；
在符号2：分配可变导频集合0+和固定导频集合0给天线0，可变导频集合1+和固定导频集合1给天线1；
在符号3：分配可变导频集合1+和固定导频集合0给天线0，可变导频集合0+和固定导频集合1给天线1。
2.根据权利要求1所述的正交频分复用系统的导频分配方法，其特征在于，在发射天线数目为四个的情况下，导频分配周期包括八个符号并编号为符号0至符号7，四个天线编号为天线0至天线3，所述导频数据的分配规则如下：
在符号0：分配可变导频集合0和固定导频集合0给天线0，可变导频集合1和固定导频集合1给天线1，天线2和天线3不分配导频；
在符号1：分配可变导频集合0和固定导频集合0给天线2，可变导频集合1和固定导频集合1给天线3，天线0和天线1不分配导频；
在符号2：分配可变导频集合1和固定导频集合0给天线0，可变导频集合0和固定导频集合1给天线1，天线2和天线3不分配导频；
在符号3：分配可变导频集合1和固定导频集合0给天线2，可变导频集合0和固定导频集合1给天线3，天线0和天线1不分配导频；
在符号4：分配可变导频集合0+和固定导频集合0给天线0，可变导频集合1+和固定导频集合1给天线1，天线2和天线3不分配导频；
在符号5：分配可变导频集合0+和固定导频集合0给天线2，可变导频集合1+和固定导频集合1给天线3，天线0和天线1不分配导频；
在符号6：分配可变导频集合1+和固定导频集合0给天线0，可变导频集合0+和固定导频集合1给天线1，天线2和天线3不分配导频；
在符号7：分配可变导频集合1+和固定导频集合0给天线2，可变导频集合0+和固定导频集合1给天线3，天线0和天线1不分配导频。
3.一种正交频分复用系统的导频分配方法，用于至少包括一个发射机和两个发射天线的通信系统，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、发射机中的用户数据载波分配模块对用户的数据符号分配适当的载波，并把用户数据输出到发射机的逆傅立叶变换模块的适当端口；
步骤二、与进行步骤一的同时，发射机中的导频数据载波分配模块根据系统的子信道分配方式和发射天线数目确定导频数据的分配规则，并把导频数据输出到逆傅立叶变换模块的适当端口，其中，在系统的子信道分配方式为部分子信道应用方式的情况下，通过给各天线分配每个簇中的载波的方式，来配置根据发射天线数目确定的导频分配周期中的各符号；
其中，在发射天线数目为两个的情况下，导频分配周期包括四个符号并编号为符号0、符号1、符号2和符号3，两个天线编号为天线0和天线1，所述导频数据的分配规则如下：
在符号0：分配每个簇的第4个载波和第8个载波给天线0，不分配导频载波给天线1，但是规定天线1在每个簇的第4个载波和第8个载波上不发送任何数据；
在符号1：分配每个簇的第0个载波和第12个载波给天线1，不分配导频载波给天线0，但是规定天线0在每个簇的第0个载波和第12个载波上不发送任何数据；
在符号2：分配每个簇的第0个载波和第12个载波给天线0，不分配导频载波给天线1，但是规定天线1在每个簇的第0个载波和第12个载波上不发送任何数据；
在符号3：分配每个簇的第4个载波和第8个载波给天线1，不分配导频载波给天线0，但是规定天线0在每个簇的第4个载波和第8个载波上不发送任何数据。
4.一种采用权利要求1至3中任意一种方法的导频分配装置，其特征在于，包括有逆傅立叶变换模块以及分别与所述逆傅立叶变换模块相连的用户数据载波分配模块和导频数据载波分配模块；
所述用户数据载波分配模块用于对用户的数据符号分配适当的载波，并把用户数据输出到发射机的逆傅立叶变换模块的适当端口；
所述导频数据载波分配模块用于根据系统的子信道分配方式和发射天线数目确定导频数据的分配规则，并把导频数据输出到逆傅立叶变换模块的适当端口。
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