CN1788443B - Ofdm系统中的导频复用方法 - Google Patents

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Abstract

正交频分复用(OFDM)系统中的导频复用方法，通过OFDM方式用OFDM信号来发送发送数据，对导频数据进行直接扩展，在同一频带，并且在同一时间重叠地、或者时分复用地发送通过扩展所获得的扩频信号和OFDM信号。扩频信号是用规定的扩展码对导频数据进行扩展所获得的CDMA信号。

Description

OFDM系统中的导频复用方法
技术领域
本发明涉及正交频分复用(OFDM)系统中的导频复用方法和收发装置，特别是涉及根据OFDM方式使用OFDM信号来发送发送数据，并且，使用频谱信号、例如CDMA信号，在与OFDM信号相同的频带发送导频数据的OFDM系统中的导频复用方法和收发装置。 
背景技术
图17是OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing：正交频分复用)传输系统中的OFDM发送装置的结构图。用户数据(信道数据)以规定的比特速率串行地输入到OFDM调制部1中。串/并转换部1a通过串并转换将输入数据转换为M比特并行数据S1～SM，即副载波f1～fM的频域数据。假设IFFT运算部1b利用副载波f1～fM传输各频域数据S1～SM，并对该频率数据实施IFFT运算，以变换成时域的波形数据。GI(保护间隔)插入部1c为了除去码间干扰，将时域最末尾数据的一部分作为保护间隔附加在头部上，并作为OFDM码元输出，DA转换部1d将其转换为模拟信号。上变频器2将由OFDM调制部1输入的OFDM调制信号(OFDM信号)上变频为高频信号，发送放大器3对高频信号进行放大，由天线发射到空中。 
图18是串并转换说明图，在1帧发送数据的前方时间复用导频P。另外，如图19所示，导频P在帧内可以是分散的。例如当假设每一帧的导频P是4×M个码元、发送数据是28×M个码元时，串并转换部1a在最初的4次作为并行数据而输出导频的M个码元，以后作为并行数据而输出28次发送数据的M个码元。其结果是，可以在1帧期间将导频时间复用在所有的副载波上，通过进行4次传输，在接收侧针对每个副载波可以使用该导频来估计信道，从而进行信道补偿(衰落补偿)。 
图20是保护间隔插入说明图。所谓保护间隔插入是指将与M个副载波样本(＝1OFDM码元)对应的IFFT输出信号作为1个单位时，将其末尾部分拷贝到头部中。通过插入保护间隔GI，可以消除多路径引起的码间干扰(ISI：Inter Symbol Interference)的影响。 
图21是OFDM传输系统中的OFDM接收装置的结构图。下变频器5对从发送装置发送来的高频信号实施频率变换处理，频率变换后的接收信号用AGC放大器6进行AGC放大，用AD转换器7转换为数字信号，然后输入到OFDM解调部8中。 
在OFDM解调部中，码元定时检测部8a根据保护间隔(GI)的相关性，检测OFDM码元的定时(专利文献1)。保护间隔GI如图22(a)所示，将样本数为NG个的末尾部分拷贝到样本数为M个的OFDM有效码元的头部中而作成，因此通过运算1个OFDM有效码元之前(M个样本之前)的接收信号与当前接收信号的相关性，如图22(b)所示，在保护间隔GI部分相关值最大。该相关值成为最大的定时t0为OFDM码元开始定时。GI除去部8b根据OFDM码元开始定时将所插入的保护间隔删除，并输入到FFT运算部8c中。 
FFT运算部8c在FFT窗口定时进行FFT运算处理，并将时域信号转换为M个副载波信号(副载波样本)S1’～SM’，信道估计部8d在发送侧使用被时间复用的导频对每个副载波f1～fM进行信道估计，信道补偿部8e将每个副载波的信道估计值CC1～CCM与FFT输出相乘，以进行衰落的补偿。 
信道估计部8d针对每个副载波，将从FFT部8c输出的各导频码元的副载波成分S1’～SM’加上多个码元，并根据其平均值运算各副载波的信道估计值CC1～CCM。即，信道估计部8d使用已知的导频信号估计各副载波的衰落所导致的相位的影响exp(jΦ)，信道补偿部8e将发送码元的副载波信号成分乘以exp(-jΦ)来补偿衰落。 
并串转换部8f将在信道补偿部8e中进行了信道补偿的并行数据(副载波成分S1’～SM’)转换为串行数据，并输入到未图示的数据解码部中，对发送数据进行解码。 
信道估计值根据已知信号的导频码元求出，但是为了改善S/N，往往取多个码元的平均。此时，由于了解了信道值在时间方向和副载波方向的两个方向上具有某种程度的相关性，所以，可以在横跨时间和副载波的两个方向的区域中进行平均。图23示出了帧结构的例子。在该情况下，横跨8个OFDM码元，每2个副载波(合计2×8＝16)进行平均。如上所述，对信道估计值进行平均以求出的理由是：由于各个码元上载有噪声，所以通过平均可以消除该噪声的影响，从而提高S/N。如果是频率相近的副载波，则信道值几乎相同，所以即使平均也没有什么问题。 
在以上的OFDM通信中，可以只使用1个导频，而不与打算使用多种导频的情况相对应。例如，如图24所示，将基站BS的周围扇区化，在各扇区SC1～SC3中在由天线AT1～AT3发射方向性束的结构中，必须识别每个扇区的移动站MS1～MS3。因此，在各扇区必须使用不同的导频，但是，在以往的方式中，不能使用多种导频。 
作为复用多种导频信号的一种方法具有使用正交码的方法(专利文献2)。如图25所示，该方法为：以相邻的每m(＝2)个副载波为一组，将n(＝8)个导频码元中的各组的合计16个副载波成分乘以图26所示的正交码K0～K15。根据该方法，可以用相同的频率、相同的定时来复用正交码数那么多的导频信号。 
·现有技术的问题 
在现有技术的OFDM接收机中，为了检测初始同步中的OFDM码元的头部定时，应用保护间隔的相关性。但是，在该现有技术中，由于相关特性缓慢，所以存在很难提高检测精度的问题。另外，还存在该检测精度对数据部的解调性能产生影响的问题。 
因此，在其它的现有技术中，具有如下的技术：通过CDMA方式从母站向子站发送码元同步信号，在子站中，CDMA解码器对CDMA接收信号进行解码，OFDM同步电路与该码元同步信号同步，经过OFDM调制器、高频转换器来发送OFDM信号(专利文献3)。根据该现有技术，可以提高定时的检测精度，但是，由于只是为了同步而进行CDMA发送，所以在性能/成本的方面存在问题。 
另外，在现有技术中，通过乘以正交码来复用导频。但是，在该现有技术中，在接收所有码之前不能分离各导频。因此，例如在接收了1～2个导频码元的阶段，存在不能与想要得到瞬时的信道估计值时对应的问题。另外，在乘以16比特的正交码K0～K15来复用导频的方法中，最大只能复用16个导频，存在自由度小的问题。例如，在多个用户进行多元的无线通信时，往往各用户使用独立的导频信号，但是存在不能与该情况对应的问题。 
如上所述，本发明的目的是可以提高帧和OFDM码元等的定时检测精度，并且可以进行信道估计。 
本发明的另一目的是通过接收1～2个导频码元而能够进行瞬时的信道估计，并且能够复用很多导频。 
专利文献1    PCT/JP01/08488 
专利文献2    PCT/JP02/00059 
专利文献3    特开平10-210002 
发明内容
本发明提供一种正交频分复用系统即OFDM系统中的导频复用方法，其特征在于，上述导频复用方法具有如下步骤：通过OFDM方式对发送数据进行OFDM调制，用规定的扩展码对导频数据进行直接扩展，分别在通过上述扩展而得到的CDMA信号和通过上述OFDM调制而得到的OFDM信号中插入保护间隔，在同一频带中，时分复用地发送分别插入有上述保护间隔的CDMA信号和OFDM信号，或者在同一频带中，在同一时间重叠地发送分别插入有上述保护间隔的CDMA信号和OFDM信号。 
另外，本发明提供一种正交频分复用系统即OFDM系统中的导频复用方法，其特征在于，上述导频复用方法具有如下步骤：通过OFDM方式对发送数据进行OFDM调制，对将多个导频数据分别用不同的扩展码扩展而得到的多个CDMA信号进行复用，用与通过上述OFDM调制而得到的OFDM信号相同的频带发送上述复用后的CDMA信号，在接收 侧，产生各导频的副本信号，从接收信号中减去目标导频以外的导频的副本信号，来进行目标导频的信道估计。 
另外，本发明提供一种正交频分复用系统即OFDM系统中的OFDM发送装置，其特征在于，上述OFDM发送装置具有：OFDM调制部，其对发送数据进行OFDM调制并输出OFDM信号；CDMA调制部，其用规定的扩展码对导频数据进行扩展调制，并输出CDMA信号；保护间隔插入部，其分别在上述OFDM信号和CDMA信号中插入保护间隔；以及发送部，其在同一频带中，时分复用地发送分别插入有上述保护间隔的CDMA信号和OFDM信号，或者在同一频带中，在同一时间重叠地发送分别插入有上述保护间隔的CDMA信号和OFDM信号。 
根据以上方式，可以提高帧和OFDM码元等的定时检测精度，而且可以进行信道估计，可以提高性能。另外，可以通过接收1～2个导频码元来进行瞬时的信道估计。 
另外，根据以上的本发明的方式，可以通过接收1～2个导频码元来进行瞬时的信道估计，而且，由于可以使用足够长的扩展码，所以可以复用多个导频。 
附图说明
图1是第1实施例的OFDM系统中的发送装置的结构图。 
图2是OFDM系统中的接收装置的结构图。 
图3是帧结构例(OFDM信号和CDMA信号的信号功率的时间变动例)。 
图4是第2实施例的OFDM系统中的发送装置的结构图。 
图5是OFDM系统中的接收装置的结构图。 
图6是帧结构例(OFDM信号和CDMA信号的信号功率的时间变动例)。 
图7是用于检测OFDM帧定时的定时检测单元的结构图(图7(A))和用于运算OFDM的各副载波的信道估计值的信道估计单元的结构图(图7(B))。 
图8是延迟分布说明图。 
图9是计算各副载波的信道估计值的原理说明图。 
图10是第4实施例的CDMA调制部的结构图。 
图11是示出了复用3个CDMA导频信号，并将该所复用的CDMA导频信号与OFDM信号时分复用来进行发送的状况的图。 
图12是向CDMA信号插入保护间隔的说明图。 
图13是第5实施例的CDMA调制部的结构图。 
图14是将非希望信号作为干扰信号除去的第6实施例的干扰去除器的结构图。 
图15是导频副本发生部的信道估计部的结构图。 
图16是只考虑直接波来估计信道时的干扰去除器的结构图。 
图17是OFDM通信中的发送装置的结构图。 
图18是串并转换说明图。 
图19是导频的分散配置说明图。 
图20是插入保护间隔的说明图。 
图21是OFDM通信中的接收装置的结构图。 
图22是现有的定时检测方法说明图。 
图23是现有的导频检测说明图。 
图24是将基站的周围扇区化时的说明图。 
图25是复用多种导频信号的方法的说明图。 
图26是为了复用多种导频信号而使用的正交码的说明图。 
具体实施方式
(A)第1实施例 
图1是第1实施例的OFDM系统中的发送装置的结构图，图2是OFDM系统中的接收装置的结构图，图3是帧结构例。 
在图1的发送装置中，OFDM调制部11具有与图17的OFDM调制部1相同的结构，对以规定比特速率输入的发送数据进行OFDM调制并输出。CDMA调制部12具有CDMA扩展部12a和DA转换器12b，用导频用的扩展码对以与发送数据相同的比特速率输入的导频数据进行扩展并输出。在CDMA扩展部12a中，扩展码发生部12a-1产生导频用的扩展码，乘法 部12a-2通过将导频数据乘以扩展码来直接扩展，DA转换器12b将乘法结果转换为模拟信号。CDMA扩展部12a中的扩展码由512比特构成，扩展率例如是512。合成部13在同一频带并且同一时间将从OFDM调制部11输出的OFDM信号和从CDMA调制部12输出的CDMA信号进行合成并输出，上变频器14将合成信号上变频为高频信号，发送放大器15将高频信号放大并从天线发送出去。从图3可知，导频数据总是被叠加在发送数据上进行发送。 
在图21的接收装置中，下变频器21对从发送装置发送来的高频信号实施频率变换处理，AGC放大器22对频率变换后的接收信号进行AGC放大，AD转换器23将接收信号转换为数字信号，并输入到OFDM解调部24和CDMA解调部25中。OFDM解调部24具有与图21所示的OFDM解调部8相同的结构，对接收信号实施FFT处理，将信道估计/信道补偿所得的各副载波数据(M比特并行数据)转换为串行数据，并对发送数据进行解调。CDMA解调部25将接收信号乘以与发送装置的导频用的扩展码相同的码来进行解扩，对导频数据进行解调。 
图3是OFDM信号和CDMA信号的信号功率的时间变动例。OFDM信号和CDMA信号互为干扰信号，但是通过将CDMA信号的扩展比变得足够大，可以使相互的干扰变得足够小。例如，通过将扩展比设为512，可以使CDMA信号功率为OFDM信号功率的1/512左右，由此可以减小对OFDM信号的干扰。 
(B)第2实施例 
图4是第2实施例的OFDM系统中的发送装置的结构图，图5是OFDM系统中的接收装置的结构图，图6是帧结构例。 
在图4的发送装置中，与第1实施例的发送装置不同的点在于： 
①合成部13被变更为复用器31， 
②在图6所示的定时将发送数据DT、导频数据P输入到OFDM调制部11和CDMA调制部12中， 
③复用器31在图6所示的定时，时分地选择输出CDMA信号和OFDM信号。 
即，在图4的发送装置中，独立设置的OFDM调制部11和CDMA调制部12在各自的定时，将OFDM调制、CDMA调制所得的同一频带的OFDM信号和CDMA信号分别输入到复用器31中，复用器31对所输入的OFDM信号和CDMA信号进行时间复用并输出。上变频器14将时分输入的信号上变频为高频信号，发送放大器15对高频信号进行放大并由天线发送出去。 
在图5的接收装置中，与第1实施例的接收装置的不同点在于： 
①在AD转换器23的后级设置解复用器32， 
②解复用器32将从AD转换器23输入的时间复用信号分离成OFDM信号和CDMA信号，将OFDM信号输入到OFDM解调部24中，将CDMA信号输入到CDMA解调部25中， 
③OFDM解调部24对所输入的OFDM信号实施OFDM解调处理，将发送数据解调后输出，CDMA解调部24对所输入的CDMA信号实施CDMA解调处理，将导频解调后输出。 
根据第2实施例，从图6可知，可以消除OFDM信号与CDMA信号的干扰。 
(C)第3实施例 
图7(A)是在接收装置中用于检测OFDM帧定时或OFDM码元定时的定时检测单元的结构图。 
发送装置根据第1实施例、第2实施例中的任意一个结构发送OFDM信号和CDMA信号，并且在特定的定时(例如帧定时)用已知的定时用扩展码对已知的导频数据进行扩展，从而产生CDMA信号并进行发送。 
接收装置的定时检测单元中的匹配滤波器41将AD转换后的接收信号乘以上述发送侧的已知的定时用扩展码来进行相关运算，平均化部42使用多个相关运算结果来运算各时刻tj的相关的平均值Xj，功率计算部43计算各时刻的相关值Xj的功率，产生图8所示的延迟分布。定时检测部44根据延迟分布，将功率的最大峰值时刻t0确定为帧定时、OFDM码元定时。 
图7(B)是运算OFDM的各副载波的信道估计值的信道估计单元的结构图。如图9所示，可知当对OFDM的各副载波的信道估计值CC0～CC511 实施IFFT运算时，可以获得延迟分布(脉冲响应的频率特性)。相反，如果对延迟分布进行FFT运算处理，则可以获得各副载波的信道估计值CC0～CC511。 
因此，在图7(B)的信道估计单元中，匹配滤波器51将A/D转换后的接收信号乘以已知的扩展码来进行相关运算，平均化部52使用多个相关运算结果来运算各时刻tj的相关的平均值Xj，并输出延迟分布，FFT运算部53对该延迟分布实施FFT运算处理，输出各副载波f0～f511的信道估计值CC0～CC511。 
(D)第4实施例 
图10是第4实施例的CDMA调制部的结构图，代替图1、图4的CDMA调制部12来使用。 
第4实施例的CDMA调制部12具有CDMA扩展部12a’和DA转换器12b。CDMA扩展部12a’具有用使多个导频数据Pl～Pn相互正交的扩展码SCl～SCn来进行扩展的第1～第n扩展部61-1～61-n和复用从各扩展部输出的扩展数据(CDMA信号)并输入到DA转换器12b中的合成部62。第1～第n扩展部61-1～61-n具有产生扩展码SCl～SCn的扩展码发生部61a1～61an、将导频数据Pl～Pn乘以扩展码SCl～SCn的乘法部61b1～61bn。 
在第4实施例中，对用使多个导频数据Pl～Pn正交的扩展码SCl～SCn进行扩展而得到的CDMA导频信号进行复用，与由OFDM调制部11(图1、图4)产生的OFDM信号在时间上重叠地、或时分复用地发送复用后的CDMA导频信号。 
图11示出了复用3个CDMA导频信号、并与OFDM信号时分复用地发送该复用后的CDMA导频信号的情况。如果将扩展码设为512比特，则与现有技术相比，可以复用非常多的导频，并可以在接收侧进行分离。 
(E)第5实施例 
在OFDM中，如公知那样，通过将如图12(A)所示的保护间隔GI插入到OFDM码元中，来降低来自多路径传播环境中的相邻码元的干扰。即，避开通过多路径传播环境而进入的相邻码元信号，切取OFDM码元， 从而降低来自相邻码元的干扰。因此，如图12(B)所示，即使对于CDMA信号也插入相同的保护间隔GI’。这样，可以避开相邻码元信号，切取CDMA码元，从而可以提高信道估计精度。 
图13是第5实施例的CDMA调制部的结构图，代替图1、图4的CDMA调制部12来使用。与图1的CDMA调制部12的不同点在于：在CDMA扩展部12a和DA转换器12b之间具有保护间隔插入部12c。 
(F)第6实施例 
公知有在CDMA接收机中利用干扰去除器来提高接收灵敏度的方法。该方法为：干扰去除器对接收信号中包含的希望信号以外的多个信道进行解调，并根据该希望信号以外的解调结果重新构成干扰信号波形，通过从接收信号中减去该干扰信号来输出希望信号，从而降低干扰信号。 
图14是将非希望信号作为干扰信号除去的第6实施例的干扰去除器的结构图，是将用第1扩展码扩展的导频信号作为希望信号、将用第2～第N扩展码扩展的导频信号作为非希望信号的例子。另外，假设OFDM信号和CDMA信号是如第2实施例(参照图4)所示那样通过时分方式从发送装置发送来的，另外，N个导频中的一个表示定时。 
路径搜索部71运算接收信号和定时识别用的扩展码的相关性，检测多路径的各路径的定时(延迟时间)t1～tM，并将这些t1～tM输入到针对每条路径而设定的第2～第N导频副本发生部72a1～72N1、……、72aM～72NM的信道估计部81中。各导频副本发生部的信道估计部81具有图15所示的结构，第j路径的第i扩展码发生部81a产生第i扩展码CDi，解扩展部81b在对应的第j路径的检测定时tj，将数字接收信号(AD样本)乘以第i扩展码CDi来进行解扩，平均化部81c对解扩输出进行平均化。平均化输出信号是第j路径的第i导频信号的信道估计值。 
乘法部82将信道估计值乘以从第i扩展码发生部83输出的第i扩展码，延迟调整部84延迟对应路径定时所对应的延迟时间，并输入给运算部73j(j＝a～N)。运算部73j(j＝a～N)合成由第j路径的第2～第N导频副本发生部72aj～72Nj所产生的非希望信号，运算部74合成各运算部73j(j＝a～N)的输出信号，并输出非希望信号，运算部75 通过从数字接收信号中减去非希望信号(干扰信号)，来输出第1导频信号的信道估计信号。同样地，也可以输出其它导频信号的信道估计值。 
以上是考虑了多路径的各路径后的情况，但是如图16所示，也可以构成为只考虑直接波来进行信道估计。 
·本发明的效果 
以上，根据本发明可以提高帧和OFDM码元等的定时检测精度，而且可以估计信道、并提高性能。另外，可以通过接收1～2个导频码元来进行瞬时的信道估计。 
根据本发明，可以通过接收1～2个导频码元来进行瞬时的信道估计，而且，由于可以使用足够长的扩展码，所以可以复用很多导频。 
根据本发明，分别在OFDM信号和CDMA信号中插入保护间隔，可以除去码间干扰。 
根据本发明，产生各导频的副本信号，从接收信号中减去目标导频以外的导频副本信号，来进行目标导频的信道估计，因此，可以利用干扰去除器来提高接收灵敏度。 

Claims (1)

1.一种正交频分复用系统即OFDM系统中的导频复用方法，其特征在于，上述导频复用方法具有如下步骤：
通过OFDM方式对发送数据进行OFDM调制，
对将多个导频数据分别用不同的扩展码扩展而得到的多个CDMA信号进行复用，
用与通过上述OFDM调制而得到的OFDM信号相同的频带发送上述复用后的CDMA信号，
在接收侧，产生各导频的副本信号，
从接收信号中减去目标导频以外的导频的副本信号，来进行目标导频的信道估计。
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