CN1909532A - 基于正交频分复用的导频与数据载波分配方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于正交频分复用的导频与数据载波分配方法及其装置，适用于正交频分复用系统，其中该分配方法通过以导频数据分配单元为单位进行导频载波和数据载波分配：每个所述导频数据分配单元在时间上持续M个正交频分复用符号，每个所述导频数据分配单元在频率上包括B个连续载波；在每个所述导频数据分配单元中，每Mf个载波中有一个导频载波，其中B为可用载波数目的因子，Mf为导频参数。采用本发明所述的导频与数据载波分配方法及其装置，能够提高信道估计的准确度，同时也提高了用户数据的传输效率，从而保证信道估计质量了又保证了用户数据的传输效率。
Description
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(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM)系统的导频和数据载波分配装置和方法及发射机。
背景技术
作为一种多载波传输模式，正交频分复用(OFDM)通过将一高速传输的数据流转换为一组低速并行传输的数据流，使系统对多径衰落信道频率选择性的敏感度大大降低，而循环前缀的引入又进一步增强了系统抗符号间干扰(Inter-symbol Interference，ISI)的能力。除此之外的带宽利用率高、实现简单等特点使OFDM在无线通信领域的应用越来越广，比如，WLAN(WirelessLAN，无线局域网)系统，基于正交频分复用多址(Orthogonal Frequency DivisionMultiple Access，OFDMA)的WiMax系统等都是基于OFDM技术的系统。即使在作为未来移动通信系的超3G(beyond 3-th generation)系统，OFDM技术也是最受瞩目的技术。其中有效的导频和数据载波分配技术是其中的关键。
对于基于OFDMA技术的802.16系统，前向链路是以簇(Cluster)为单位进行导频载波和数据载波分配的，其分配如附图1所示。这样分配的特点是：在时间上，每个符号都有导频，在频率上，平均每四个载波有一个导频。但是实际上，导频密度在时间上没有必要如此密集，若这样做会导致前向链路的吞吐量下降。当信道的频率选择性比较显著，例如，当信道的延迟扩展大于4.5us时，这样安排导频会使导频在频域的密度又太低，从而严重降低了信道估计的准确度，进而影响了接收机解调的性能。
对于基于OFDMA技术的802.16系统，反向链路是以片(Tile)为基本单位进行导频载波和数据载波分配的，其分配如附图2所示。按照Tile分配导频和数据的方法，一个Tile中，4个位置放的是导频，8个位置放的是用户数据。导频位置和数据位置的比例为1∶2。如此高的比例使反向链路传输用户数据的传输效率大为降低。
“3GPP，TR25.814v0.11-Physical Layer Aspects for Evolved UTRA(release7)”，给出了W-CDMA以后长期演进(Long Term Evolution，LTE)的各种技术方案。其中基于OFDM技术方案最为引人瞩目。在基于OFDM的LTE技术方案中，不同带宽条件下技术参数如下表所示：
| 带宽 | 1.25MHz | 2.5MHz | 5MHz | 10MHz | 15MHz | 20MHz |
| 子载波间隔 | 15kHz | |||||
| 采样频率 | 1.92MHz | 3.84MHz | 7.68MHz | 15.36MHz | 23.04MHz | 30.72MHz |
| FFT大小 | 128 | 256 | 512 | 1024 | 1536 | 2048 |
| 可用载波数目(不记直流载波利保护载波) | 75 | 150 | 300 | 600 | 900 | 1200 |
表1基于OFDM的LTE技术方案的技术参数
鉴于现有OFDM系统的导频载波和数据载波分配方法不尽合理，具有信道估计质量不高和用户数据传输效率低等缺点。因此，非常需要一种既可以保证信道估计质量又可以保证用户数据传输效率的导频和数据载波分配方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于正交频分复用的导频与数据载波分配方法及其装置，用于提高信道估计质量、用户数据传输效率。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于正交频分复用的导频与数据载波分配方法，适用于正交频分复用系统，其中，该分配方法通过以导频数据分配单元为单位进行导频载波和数据载波分配；每个所述导频数据分配单元在时间上持续M个正交频分复用符号，每个所述导频数据分配单元在频率上包括B个连续载波；在每个所述导频数据分配单元中，每Mf个载波中有一个导频载波，其中B为可用载波数目的因子，Mf为导频参数。
上述的基于正交频分复用的导频与数据载波分配方法，其中，当所述每个所述导频数据分配单元在频率上包括B个连续载波时，所述导频数据分配单元在不同带宽条件下完全兼容且所述B个载波的总带宽不大于应用环境的相干带宽。
上述的基于正交频分复用的导频与数据载波分配方法，其中，当子载波间隔为15kHz，带宽为1.25MHz，可用载波数目是75时，所述B的较佳取值为3、5或15。
上述的基于正交频分复用的导频与数据载波分配方法，其中，当每个所述导频数据分配单元在时间上持续M个正交频分复用符号时，
其中α为所述正交频分复用系统可容忍的且用子载波间隔归一化的最大多普勒频率。
上述的基于正交频分复用的导频与数据载波分配方法，其中，所述M的取值由所述正交频分复用系统的帧结构确定。
上述的基于正交频分复用的导频与数据载波分配方法，其中，在每个所述导频数据分配单元中每Mf个载波中有一个导频载波时，
其中β为所述正交频分复用系统可容忍的且用子载波间隔倒数归一化的最大延迟扩展。
上述的基于正交频分复用的导频与数据载波分配方法，其中，所述Mf的取值由所述正交频分复用系统中用户的信道条件确定。
为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种用于上述方法的装置，适用于正交频分复用系统，其中，该装置包括：
一导频数据分配单元选择和发送装置，用于导频载波和数据载波分配；每个所述导频数据分配单元在时间上持续M个正交频分复用符号，每个所述导频数据分配单元在频率上包括B个连续载波；在每个所述导频数据分配单元中，每Mf个载波中有一个导频载波，其中B为可用载波数目的因子，Mf为导频参数。
上述的装置，其中，所述导频数据分配单元选择和发送装置进一步包括：
一导频数据分配单元选择器，用于根据所述正交频分复用系统的可用资源、需要传送的数据量及信道状态信息选择确定需要分配的导频数据分配单元的结构、数目与位置；
一导频产生器，用于产生插入到所述导频数据分配单元的导频数据；
一用户数据缓存器，用于缓存来自上层的经过编码和调制处理后的用户数据；及
一导频数据分配单元映射器，分别连接所述导频数据分配单元选择器、导频产生器、用户数据缓存器，用于把所述导频产生器产生的导频数据和所述用户数据缓存器存放的用户数据映射到所述导频数据分配单元选择器选择的导频数据分配单元上并输出供后续处理。
上述的装置，其中，当每个所述导频数据分配单元在时间上持续M个正交频分复用符号时，
其中α为所述正交频分复用系统可容忍的且用子载波间隔归一化的最大多普勒频率。
上述的装置，其中，在每个所述导频数据分配单元中每Mf个载波中有一个导频载波时，
其中β为所述正交频分复用系统可容忍的且用子载波间隔倒数归一化的最大延迟扩展。
本发明还有一个目的是提供一种采用上述装置的发射机，其中，该发射机又包括：
一导频数据分配单元选择和发送装置，用于导频载波和数据载波分配；每个所述导频数据分配单元在时间上持续M个正交频分复用符号，每个所述导频数据分配单元在频率上包括B个连续载波；在每个所述导频数据分配单元中，每Mf个载波中有一个导频载波，其中B为可用载波数目的因子，Mf为导频参数；
一逆傅立叶变换模块，用于接收所述导频数据分配单元输出的数据，并对输入的数据进行逆傅立叶变换，把并行的频域的数据变换到串行的时域数据输出；
一添加保护时隙模块，用于对所述逆傅立叶变换模块的输出数据添加保护时隙，以消除符号间干扰和保持载波间的正交性；
一数模转换模块，用于将所述添加保护时隙模块输出的离散数据转换成模拟数据；及
一射频电路模块，用于对所述数模转换模块的模拟数据进行处理，将处理后的数据输出到空中信道。
采用本发明所述的导频与数据载波分配方法及其装置，能够提高信道估计的准确度，同时也提高了用户数据的传输效率，从而保证信道估计质量了又保证了用户数据的传输效率。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1是802.16系统以Cluster为单位进行导频和数据载波分配示意图；
图2是802.16系统以Tile为单位进行导频和数据载波分配示意图；
图3是包含本发明的导频和数据载波分配装置的发射机示意图；
图4a-4e是本发明以基于OFDM的LTE技术方案为例提出的导频数据分配单元示意图。
具体实施方式
本发明所要解决的技术问题在于提供一种既可以保证信道估计质量又可以保证用户数据传输效率的导频载波和数据载波分配方法。
本发明所提供的导频载波和数据载波分配以导频数据分配单元为单位进行导频载波和数据载波分配。一个导频数据分配单元在时间上持续M个OFDM符号，在频率上包括B个连续载波。在一个导频数据分配单元中，每Mf个载波就有一个载波是导频。
一个导频数据分配单元在频率上包括B个连续载波，需要满足如下条件：
a)、导频数据分配单元定义应保证导频数据分配单元不同带宽条件下完全兼容，B是可用载波数目的一个因子；
b)、B个载波的总带宽不应该大于应用环境的相干带宽。
参照表1，子载波间隔为15kHz。当带宽为1.25MHz时，可用载波数目为75个。当带宽是1.25MHz的整数倍时，可用载波数目也是75的整数倍。根据前面所述的原则，B可以取3，5，15。B之所以不取25和75，是因为当B＝25(或75)时，一个导频数据分配单元的频域宽度为375kHz(或1125kHz)，这个值通常大于信道的相干带宽，从而使系统采用频域调度、自适应调制编码(Adaptive Modulation and Coding，AMC)的难度增大。
一个导频数据分配单元在时间上持续M个OFDM符号，需要满足如下条件：
其中，
x表示小于x的最大正整数；
α表示系统可以容忍的并且用子载波间隔归一化的最大多普勒频率。
M的具体取值可以在满足公式(1)依据具体系统的帧结构确定，以便于系统的实现。比如基于OFDM的LTE技术方案中，设α＝0.05，此时公式(1)转换为：
M≤8
另外，10ms无线帧被均分为20个子帧，在保护时间为4.7us时，每个子帧有7个符号。在保护时间为16.7us时，每个子帧有6个符号。因此，当保护时间为4.7us时，M取值为7；当保护时间为16.7us时，M取值为6或3。
导频数据分配单元中的导频参数Mf满足如下条件：
β表示系统可以容忍的并且用子载波间隔倒数归一化的最大延迟扩展。
采用本发明提出的导频数据分配单元结构，既可以保证信道估计质量又可以保证用户数据传输效率。同时，该导频数据分配单元结构既可以用于前向链路，又可以用于反向链路。另外，导频数据分配单元的分配可以采用连续的方式分配，包括时域上连续或频域上连续。非常便于频域调度和AMC的实现。导频数据分配单元的分配也可以利用若干随机序列，按照随机的方式进行分配，以实现最大的频率分集。
为更好的实现本发明的目的，本发明还提供了一种适用于正交频分复用系统的自适应导频数据分配单元选择和发送装置，包括如下模块：
(a1)、导频数据分配单元选择器，用于根据系统可用资源、需要传送的数据量以及信道状态信息确定需要分配的导频数据分配单元结构和数目和位置；
(a2)、导频产生器，用于产生用于插入到导频数据分配单元的导频数据；
(a3)、用户数据缓存器，用于缓存来自上层的用户数据，该数据已经进行了编码和调制处理；
(a4)、导频数据分配单元映射器，用于把用户数据和导频数据映射到导频数据分配单元选择器选择的导频数据分配单元上并输出供后续处理。
图1所示为802.16系统以Cluster为单位进行导频和数据载波分配示意图。一个Cluster包括2个符号，14个载波，其中黑色圆圈10表示导频载波，灰色圆圈20表示数据载波。从图1可以看出，当导频载波10和数据载波20以Cluster为单位进行分配时，在时间上，每个符号都有导频，在频率上，平均每四个载波有一个导频。但是实际上，导频密度在时间上没有必要如此密集。因为在实际的OFDM系统中，最大多普勒频率fDoppler一般不超过子载波间隔的5％。假设最坏的情况，多普勒频率为fDoppler为子载波间隔的5％，信道的相干时间也至少有6个符号，也就是说，在6个符号中放一个导频已经可以满足信道估计的要求，现在按照Cluster分配导频和数据的方法，每个符号都有导频，这样做的后果是导致增加额外开销，前向链路的吞吐量下降。按照Cluster分配导频和数据的方法，在频域分配的导频密度又太低，当信道的延迟扩展超过4.5us时(在城市或者密集山区就可能会出现这样的延迟扩展)，导频间隔就会大于信道的相干带宽，从而使信道估计的准确度降低，进而影响到接收机的解调性能。
图2所示为802.16系统以Tile为单位进行导频和数据载波分配示意图。一个Tile包括4个载波，3个符号，其中黑色圆圈10表示导频载波，灰色圆圈20表示数据载波。按照Tile分配导频和数据的方法，一个Tile中，4个位置放的是导频，8个位置放的是用户数据。导频位置和数据位置的比例为1∶2。如此高的比例虽然可以保证信道估计质量，却使反向链路传输用户数据的传输效率大为降低。
图3所示包含本发明提出的导频和数据载波分配装置的发射机示意图。所述导频和数据载波分配装置100包括：导频数据分配单元选择器101、导频产生器102、用户数据缓存器103、导频数据分配单元映射器104；其中导频数据分配单元选择器101根据系统可用资源、需要传送的数据量以及信道状态信息确定需要分配的导频数据分配单元结构和数目。导频产生器102产生用于插入到导频数据分配单元的导频数据，并输出到导频数据分配单元映射器104。用户数据缓存器103缓存来自上层的用户数据，该数据已经进行了编码和调制处理，并被输出到导频数据分配单元映射器104。导频数据分配单元映射器104接收来自导频产生器102的数据，把它们映射到导频数据分配单元选择器101选择的导频数据分配单元的导频载波位置上；导频数据分配单元映射器104接收来自用户数据缓存器103的数据，把它们映射到导频数据分配单元选择器101选择的导频数据分配单元的数据载波位置上。最后，映射后的数据被导频数据分配单元映射器104输出到逆傅立叶变换模块105。逆傅立叶变换模块105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106对逆傅立叶变换模块105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107把添加保护时隙模块106输出的离散数据转换成模拟数据。射频电路模块108则对数模转换模块107的模拟数据进行适当的处理，最终输出到空中信道。
图4a-4e所示为以基于OFDM的LTE技术方案为例，本发明提出的导频数据分配单元示意图。为保证导频数据分配单元定义在不同带宽条件下完全兼容，B应该是可用载波数目的一个因子，参照上表1所示，B可以取3，5，15，25和75。当B＝25(或75)时，一个导频数据分配单元的频域宽度通常大于信道的相干带宽，从而使系统采用频域调度、自适应调制编码(AMC)的难度增大。因此，B取3，5或15比较合适。
设最大多普勒频率fDoppler为子载波间隔的5％，即α＝0.05。根据公式(1)，有：M≤8。另外考虑到每个子帧有6个或7个符号，M＝7，6和3比较合适。图4a是B＝3，M＝7，Mf＝2时导频数据分配单元的一个示意图；图4b是B＝5，M＝3，Mf＝2时导频数据分配单元的一个示意图；图4c是B＝15，M＝6，Mf＝2时导频数据分配单元的一个示意图；图4d是B＝5，M＝3，Mf＝1时导频数据分配单元的一个示意图；图4e是B＝5，M＝3，Mf＝1时导频数据分配单元的另外一种示意图。
在图4a～图4c所示的示意图中，Mf＝2。但实际上，根据公式(2)，可以根据用户的信道条件灵活选择Mf。以基于OFDM的LTE技术方案为例，子载波间隔为15kHz。当信道的延迟扩展大于6.7us时，导频数据分配单元选择器可以选择Mf＝1的导频数据分配单元。图4d是B＝5，M＝3，Mf＝1时导频数据分配单元的一个示意图。在图4a～图4d所示的示意图中，导频总是在第一个符号分配，实际上，导频可以在任意符号分配，只要满足公式(2)即可，图4e给出了B＝5，M＝3，Mf＝1时导频数据分配单元的另外一种示意图。
利用所描述的方法，本发明很容易推广到B、M、Mf为其它值时导频数据分配单元导频和数据分配的情形。
采用本发明所述的导频与数据载波分配方法及其装置，既可以保证信道估计质量又可以保证用户数据传输效率。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (12)
1、一种基于正交频分复用的导频与数据载波分配方法，适用于正交频分复用系统，其特征在于，通过以导频数据分配单元为单位进行导频载波和数据载波分配；每个所述导频数据分配单元在时间上持续M个正交频分复用符号，每个所述导频数据分配单元在频率上包括B个连续载波；在每个所述导频数据分配单元中，每Mf个载波中有一个导频载波，其中B为可用载波数目的因子，Mf为导频参数。
2、根据权利要求1所述的基于正交频分复用的导频与数据载波分配方法，其特征在于，当所述每个所述导频数据分配单元在频率上包括B个连续载波时，所述导频数据分配单元在不同带宽条件下完全兼容且所述B个载波的总带宽不大于应用环境的相干带宽。
3、根据权利要求1或2所述的基于正交频分复用的导频与数据载波分配方法，其特征在于，当子载波间隔为15kHz，带宽为1.25MHz，可用载波数目是75时，所述B的较佳取值为3、5或15。
4、根据权利要求1或2所述的基于正交频分复用的导频与数据载波分配方法，其特征在于，当每个所述导频数据分配单元在时间上持续M个正交频分复用符号时，
其中α为所述正交频分复用系统可容忍的且用子载波间隔归一化的最大多普勒频率。
5、根据权利要求4所述的基于正交频分复用的导频与数据载波分配方法，其特征在于，所述M的取值由所述正交频分复用系统的帧结构确定。
6、根据权利要求1或2所述的基于正交频分复用的导频与数据载波分配方法，其特征在于，在每个所述导频数据分配单元中每Mf个载波中有一个导频载波时，
其中β为所述正交频分复用系统可容忍的且用子载波间隔倒数归一化的最大延迟扩展。
7、根据权利要求6所述的基于正交频分复用的导频与数据载波分配方法，其特征在于，所述Mf的取值由所述正交频分复用系统中用户的信道条件确定。
8、一种用于权利要求1所述方法的装置，适用于正交频分复用系统，其特征在于，包括：
一导频数据分配单元选择和发送装置，用于导频载波和数据载波分配；每个所述导频数据分配单元在时间上持续M个正交频分复用符号，每个所述导频数据分配单元在频率上包括B个连续载波；在每个所述导频数据分配单元中，每Mf个载波中有一个导频载波，其中B为可用载波数目的因子，Mf为导频参数。
9、根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述导频数据分配单元选择和发送装置进一步包括：
一导频数据分配单元选择器，用于根据所述正交频分复用系统的可用资源、需要传送的数据量及信道状态信息选择确定需要分配的导频数据分配单元的结构、数目与位置；
一导频产生器，用于产生插入到所述导频数据分配单元的导频数据；
一用户数据缓存器，用于缓存来自上层的经过编码和调制处理后的用户数据；及
一导频数据分配单元映射器，分别连接所述导频数据分配单元选择器、导频产生器、用户数据缓存器，用于把所述导频产生器产生的导频数据和所述用户数据缓存器存放的用户数据映射到所述导频数据分配单元选择器选择的导频数据分配单元上并输出供后续处理。
10、根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，当每个所述导频数据分配单元在时间上持续M个正交频分复用符号时，
其中α为所述正交频分复用系统可容忍的且用子载波间隔归一化的最大多普勒频率。
11、根据权利要求8、9或10所述的装置，其特征在于，在每个所述导频数据分配单元中每Mf个载波中有一个导频载波时，
其中β为所述正交频分复用系统可容忍的且用子载波间隔倒数归一化的最大延迟扩展。
12、一种采用权利要求8或9所述装置的发射机，其特征在于，包括：
一导频数据分配单元选择和发送装置，用于导频载波和数据载波分配；每个所述导频数据分配单元在时间上持续M个正交频分复用符号，每个所述导频数据分配单元在频率上包括B个连续载波；在每个所述导频数据分配单元中，每Mf个载波中有一个导频载波，其中B为可用载波数目的因子，Mf为导频参数；
一逆傅立叶变换模块，用于接收所述导频数据分配单元输出的数据，并对输入的数据进行逆傅立叶变换，把并行的频域的数据变换到串行的时域数据输出；
一添加保护时隙模块，用于对所述逆傅立叶变换模块的输出数据添加保护时隙，以消除符号间干扰和保持载波间的正交性；
一数模转换模块，用于将所述添加保护时隙模块输出的离散数据转换成模拟数据；及
一射频电路模块，用于对所述数模转换模块的模拟数据进行处理，将处理后的数据输出到空中信道。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20091209 Termination date: 20200804 |