CN1909536A

CN1909536A - 正交频分多址－时分多址通信方法及装置

Info

Publication number: CN1909536A
Application number: CN 200510088293
Authority: CN
Inventors: 黎海涛; 李继峰
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-08-02
Filing date: 2005-08-02
Publication date: 2007-02-07

Abstract

本发明提供了一种用于OFDMA－TDMA系统的通信方法及装置。它设计系统物理帧由两段前导序列和数据符号组成；其中第一段导频序列是无需正交调制而直接发射的伪随机序列，它用于确定DFT运算的开始时刻；第二段导频序列与数据符号经正交调制形成OFDM符号后再发射。该类帧格式克服了传统方法中，确定DFT运算起始时刻需要解调导频符号，而解调导频符号又需要已知DFT运算起始时刻的相互依存而影响系统性能，可以有效进行符号定时及提高信道估值准确度。

Description

正交频分多址-时分多址通信方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信方法及装置，特别是采用OFDM技术的无线局域网、固定无线接入、移动通信、地面数字电视广播等的信息传输系统，更具体地讲，本发明涉及一种能够进行符号定时及提高信道估值准确度的正交频分多址-时分多址通信方法及装置。

背景技术

随着无线网络、多媒体技术和因特网的逐渐融合，人们对无线通信业务的类型和质量的要求越来越高。为满足无线多媒体和高速率数据传输的要求，需要开发新一代无线通信系统。新一代无线系统中，从物理层、媒体接入控制层到网络层，将广泛采用一些新技术，如正交频分复用(OFDM)等。

OFDM在频域把信道分成许多正交子信道，整个宽带频率选择性信道被分成相对平坦的子信道，同时，在每个OFDM符号间插入循环前缀(CP)作为保护间隔(GI)，大大减小了符号间干扰(ISI)。由于OFDM具有抗多径能力强等优点，它已在xDSL、DVB、DAB和WLAN、IEEE 802.16等系统中得到成功的应用。目前，在第三代移动通信标准化组织(3GPP)的长期演进计划(LTE)中，也把它作为提高下(上)行信道传输速率和容量的关键技术。

已提出的OFDM系统，均支持多用户接入。多用户OFDM系统中，多址方式的选择是一个重要问题。现有的多址方式，如时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)都可用于OFDM系统。在OFDM TDMA系统中，每个用户占有不同时隙，在每个时隙内，所有子载波都分配给同一用户，如图1(a)所示。TDMA的优点是可以根据不同的数据率动态分配时隙，接收机在指定时隙中接收基站发送给它的信息，降低了接收机功耗。欧洲无线局域网标准HiperLAN/2的媒体接入控制(MAC)协议采用了TDMA。在OFDM FDMA中，在每个OFDM符号内，为每个用户分配所有载波中的一部分子载波，也称为正交频分多址(OFDMA)，如图1(b)所示。其优点是当发射端已知信道状态信息(CSI)时，可以为每个用户动态分配子载波，它已用于有线电视CATV传输系统中。

采用OFDMA与TDMA相结合的混合多址技术OFDMA-TDMA具有二者的优点，它可以在每个时隙内为不同用户分配载波，提供了更精细的时频资源分配，灵活性更强。该技术已应用到基于OFDM的新型无线通信系统，如宽带无线接入IEEE 802.16标准和以Flash-OFDM为基础的IEEE 802.20标准中，均采用OFDMA-TDMA作为多址接入方式。近来，在3GPP LTE提案中，一些公司也建议把OFDMA-TDMA作为下行传输方式。OFDMA-TDMA具有两种不同的实现方法，一类是频率分集的OFDMA-TDMA，其特点是在各时隙，随机地给用户分配频域子载波，如图2(a)所示；另一类是频域调度的OFDMA-TDMA，其特点在每个时隙，采用调度算法给用户分配载波，如图2(b)所示。第一类OFDMA-TDMA已应用于IEEE 802.16标准中，第二类OFDMA-TDMA系统具有频谱效率高的优点，但目前对其研究还较少。两类OFDMA-TDMA的技术基础仍然是OFDM，未来业务大多是传送分组业务，由于分组业务具有突发特征，故OFDM系统的一个关键技术是需要准确实现符号定时。

在传统的OFDM系统中，如IEEE 802.11a标准，其帧格式如图3所示。它的前导包括由两个OFDM符号组成的导频信号，其中第一个导频信号是对伪随机(PN)序列进行QPSK调制得到的符号，它用作定时、粗同步等。第二个导频信号对伪随机(PN)序列进行BPSK调制得到的符号，它用作信道估计和精频率同步等。前导之后是调制后的数据符号。

发射时，输入信息比特流经编码、调制后形成数据符号，在数据符号之前插入导频符号。然后，对这些符号进行逆离散傅氏变换(IDFT)、加入循环嵌缀(CP)。最后，经载波调制后发射到信道，如图4所示。现有的OFDM通信系统，如IEEE 802.16等，均采用了这种把导频符号变换到频域后发射的通信方式。接收时，需将其离散傅氏变换(DFT)到时域后进行定时、同步等处理。这样的操作可以使导频符号经多载波调制获得抗多径能力。但这种方式也存在一些缺点，因为在对接收导频和数据进行DFT解调时，需要先根据导频信号确定DFT窗的起始运算时刻。但确定DFT运算时刻又需要先对导频符号进行DFT解调，故符号定时与DFT解调二者之间存在相互依存、影响的关系。若DFT计算时刻并不对应帧的开始时刻，即存在偏差，则会影响到随后的定时、频率同步等操作的精度，进而降低系统的整体性能。

参考文献列表：

[1]3GPP R1-050251，Nokia，Uplink Considerations for UTRANLTE，RAN1 40bis；

[2]3GPP R1-050245，Motorola，Uplink Multiple Access forEUTRA，RAN1 40bis；

[3]3GPP R1-050248，NTT DoCoMo，Uplink Multiple AccessScheme for Evolved UTRA，RAN1 40bis；

[4]3GPP R1-050254，Ericsson，Evolved UTRA，Uplinktransmission scheme，RAN1 40bis；

[5]3GPP R1-050260，Siemens AG，Multiple Access SchemeEvaluation for the SI’Evolved UTRA and UTRAN’Uplink，RAN140bis；

[6]3GPP R1-050269，Samsung，Uplink Multiple Access forEvolved UTRA Radio Interface，RAN1 40bis；

[7]3GPP R1-050390，ZTE，EUTRA Uplink Multiple Access forDownlink and Uplink，RAN1 41bis。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于OFDMA-TDMA系统的通信方法及装置，能够消除符号定时与DFT解调二者之间相互影响的问题，并提高信道估值的准确度。

根据本发明的第一方面，提出了一种正交频分多址-时分多址通信方法，包括以下步骤：对信息比特流进行编码和调制以形成数据符号；选择时域自相关性良好而互相关性低的伪随机序列，形成用于符号定时的第一导频序列；选择频域自相关性良好而互相关性低的符号，形成第二导频信号；将第二导频符号附加在数据符号前，形成待调制的数据包；对第一导频序列进行载波调制，并将经调制的第一导频序列发射到信道；以及将待调制的数据包IDFT调制为OFDM符号，并发射到信道。

优选地，所述时域自相关性良好而互相关性低的伪随机序列是从M序列、Gold序列、Hadamard序列、具有零互相关特性的LAS码中选择的。

根据本发明的第二方面，提出了一种正交频分多址-时分多址通信装置，其特征在于包括：数据符号形成装置，用于对输入的信息比特流就编码和调制以形成数据符号；第一导频序列形成装置，用于选择时域自相关性良好而互相关性低的伪随机序列，形成用于符号定时的第一导频序列；第二导频序列形成装置，用于选择频域自相关性良好而互相关性低的符号，形成第二导频信号，并将第二导频符号附加在数据符号前，形成待调制的数据包；离散傅里叶逆变换装置，用于对调制的数据包进行离散傅里叶逆变换，以便调制为正交频分复用符号。

附图说明

下面将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述，其中：

图1(a)和1(b)示出了OFDM TDMA/FDMA示例的示意图；

图2示出了OFDMA-TDMA示例的示意图；

图3示出了IEEE 802.11a帧格式的示意图；

图4示出了传统的OFDM发射装置的方框图；

图5示出了用在本发明中的物理帧的示意图；

图6示出了根据本发明实施例的OFDM发射装置的方框图；以及

图7示出了根据本发明实施例的导频、数据发射方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体说明。应该指出，所描述的实施例仅是为了说明的目的，而不是对本发明范围的限制。所描述的各种数值并非用于限定本发明，这些数值可以根据本领域普通技术人员的需要进行任何适当的修改。

图5示出了用在本发明中的物理帧。OFDM发射的物理帧由前导(包括导频符号Pilot1和Pilot2)和数据符号组成。其中Pilot1主要用于帧检测，即符号定时，它是一未经调制的伪随机PN序列。该PN序列可采用在时域具有良好自相关性的伪随机序列，如M序列、Gold序列、Hadamard序列，以及最近提出的具有零互相关特性的LAS码等。Pilot2用作信道估计、频偏估计等，它可采用IEEE802.11a、HiperLAN/2等标准中所定义的符号，或采用在频域具有良好自相关性而互相关性低的序列。

图6示出了根据本发明的OFDM发射装置的方框图。在数据符号形成单元601中，输入的信息比特流经编码和调制后形成数据符号。在导频插入单元602中，在数据符号之前插入导频符号形成待发射的数据包。

然后，把导频符号分成两个支路发射，其中把定时导频产生单元607产生的用于符号定时的导频序列Pilot1直接通过载波调制后发射到信道，把用于信道、频偏估计的导频符号Pilot2和数据输入到IDFT单元603进行正交调制，插入循环前缀CP单元604在调制后的符号前插入保护间隔，即CP，形成OFDM符号，再经RF单元605进行载波调制后通过天线606发射到信道。

图7示出了根据本发明的正交频分多址-时分多址通信方法的流程图。

在步骤S701，对信息比特流进行编码和调制以形成数据符号；在步骤702，选择时域自相关性良好而互相关性低的伪随机序列和频域自相关性良好而互相关性低的符号组成导频信号；在步骤703，选择频域自相关性良好而互相关性低的符号，形成第二导频信号；在步骤704，把导频符号附加在数据符号之前以形成待发射的数据包；在步骤705，从数据包中提取用于符号定时的导频序列并对它进行载波调制，然后发射到信道；在步骤706，把用于信道、频偏估计等的导频符号和数据符号经IDFT调制为OFDM符号后再发射到信道。

在传统的OFDM系统中，对所有的导频符号和数据均进行IDFT调制后再发射。与此不同，根据本发明的通信方法中，先直接发射未经IDFT调制的部分导频符号，接收端利用该符号进行符号定时，确定进行IDFT运算时的初始位置，并记下该时刻。然后，从该时刻起，对接收到的OFDM符号，包括用于信道估计等的导频和数据，进行DFT解调。通过这种发射方法，克服了传统方法中，确定DFT运算时刻需要解调导频符号，而解调导频符号又需要已知DFT运算起始时刻的歧义性，可以有效地进行符号定时，并提高后续的信道、频偏估计的精度，且有益于提高系统性能。

为解决符号定时与IDFT运算相互影响而带来误差的问题，本发明设计一种帧结构，它的前导由具有时域良好自(互)相关性的伪随机序列和频域良好自(互)相关性而互相关性低的序列组成。这里的良好相关性主要指自相关值高而互相关性低。如第一段序列采用M序列时，以初始状态001和特征多项式f(z^-1)＝z³+z+1、f(z^-1)＝z³+z²+1产生的周期为7的序列为：0010 1110 0101 1100 10111。为尽可能兼容现有标准，用于信道估计的第二段序列采用现有标准中的序列，如

采用IEEE 802.11a的序列{0 0 0 0 0 0 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -11 1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1 1 1 1 0 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1-1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 1 1 1 0 0 0 0 0}。这样，整个的帧格式为：

{(0010 1110 0101 1100 10111)(0 0 0 0 0 0 1 1 -1 -1 1 1 -11 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1 1 1 1 0 1 -1 -1 1 1 -1 1-1 1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 1 1 1 0 0 0 0 0)(…数据…)}。

为了进行对比，下面给出一般IEEE 802.11a的前导帧格式：

{(0 0 0 0 0 0 0 0 1+j 0 0 0 -1 -j 0 0 0 1+j 0 0 0 -1 -j 0 00 -1-j 0 0 0 1+j 0 0 0 0 0 0 0 -1 -j 0 0 0 -1 -j 0 0 0 1+j 0 0 01+j 0 0 0 1+j 0 0 0 1+j 0 0 0 0 0 0 0)(0 0 0 0 0 0 1 1 -1 -11 1 -1 1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1 1 1 1 0 1 -1 -1 11 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 1 1 1 0 0 0 00)(…数据…)}。

可以发现，本发明提出的帧结构更短，这样，占用的硬件资源更少。且利用它首先进行帧检测，先找到IDFT运算的起始位置；然后，准确地解调OFDM符号。发射每个数据包时，首先把用于符号定时的导频序列(0010 1110 0101 1100 10111)经载波调制后发射到信道；然后，把用于信道、频偏估计等的导频符号(0 0 0 0 0 0 1 1 -1 -1 1 1 -11 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1 1 1 1 0 1 -1 -1 1 1 -1 1-1 1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 1 1 1 0 0 0 0 0)和数据符号经IDFT调制为OFDM符号后再经载波调制后发射到信道。

尽管已经针对典型实施例示出和描述了本发明，本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其他的改变、替换和添加。因此，本发明不应该被理解为被局限于上述特定实例，而应当由所附权利要求所限定。

Claims

1、一种正交频分多址-时分多址通信方法，包括以下步骤：

对信息比特流进行编码和调制以形成数据符号；

选择时域自相关性良好而互相关性低的伪随机序列，形成用于符号定时的第一导频序列；

选择频域自相关性良好而互相关性低的符号，形成第二导频信号；

将第二导频符号附加在数据符号前，形成待调制的数据包；

对第一导频序列进行载波调制，并将经载波调制的第一导频序列发射到信道以便对所发射的数据包进行符号定时；以及

将待调制的数据包离散傅里叶逆变换调制为正交频分复用符号，并发射到信道。

2、根据权利要求1所述的正交频分多址-时分多址通信方法，其特征在于所述时域自相关性良好而互相关性低的伪随机序列是从M序列、Gold序列、Hadamard序列、具有零互相关特性的LAS码中选择的。

3、一种正交频分多址-时分多址通信装置，其特征在于包括：

数据符号形成装置，用于对输入的信息比特流就编码和调制以形成数据符号；

第一导频序列形成装置，用于选择时域自相关性良好而互相关性低的伪随机序列，形成用于符号定时的第一导频序列；

第二导频序列形成装置，用于选择频域自相关性良好而互相关性低的符号，形成第二导频信号，并将第二导频符号附加在数据符号前，形成待调制的数据包；

离散傅里叶逆变换装置，用于对调制的数据包进行离散傅里叶逆变换，以便调制为正交频分复用符号。

4.根据权利要求3所述的通信装置，其中还包括：

插入循环前缀装置，用于在经过离散傅里叶逆变换的符号前插入保护间隔，形成正交频分复用符号。

5.根据权利要求3所述的通信装置，其中所述第一导频序列形成装置形成的第一导频序列经过载波调制后发射到信道，以便对所发射的数据包进行符号定时。