CN1937603A - 基于子载波分配方式的通信方法以及通信系统 - Google Patents

Abstract

提供一种基于子载波分配方式的通信方法，包括：多个移动终端向基站发送只包括训练序列的第一数据帧；根据接收信号，基站首先对干扰用户进行同步，获得干扰用户的载波频偏估计结果，利用该载波频偏估计结果优化目标用户的映射器矩阵，用于对接收信号进行初始化搜索过程，获得目标用户的同步参数，并用公共控制信道向该目标用户传送同步参数，该接收信号包括所述第一数据帧；该目标用户根据所述同步参数，调整时偏和频偏并完成接入过程，并向基站发送包括训练序列和数据符号的第二数据帧；以及，采用目标用户优化的映射器矩阵对再次接收的信号进行自适应跟踪过程，即完成剩余载波频偏估计，从而获得该目标用户的载波频偏估计结果，实现上行同步。

Description

基于子载波分配方式的通信方法以及通信系统

技术领域

本发明涉及基于子载波分配方式的通信方法以及通信系统，尤其涉及降秩映射器方法(RRP)和移位抽样映射器方法(SSP)，其中RRP用于基于子块(Block-based)的子载波分配方式，SSP适用于交织(Interleaved)子载波分配方式。

背景技术

现存的很多经典算法都讨论了OFDM系统的同步技术(见参考文献[1]-[7])。其中，多数算法是讨论下行同步技术，而参考文献[2]是对OFDMA系统上行同步进行了研究。在该参考文献[2]中，多用户干扰(MUI)被假设为0，当系统在同一时刻只允许一个新用户接入基站并且假设其它用户已经实现了可靠的同步的时候，这种假设就是合理的。但是，当系统允许多于一个用户同时接入时，不同的新接入用户之间的干扰就不能简单的视为0。严重的多用户干扰不仅降低用户的有效SINR，而且，多用户干扰还有可能破坏载波频偏估计算法的非偏特性，从而导致较大的载波频偏估计误差。

图1(a)和图1(b)显示了OFDMA系统中的子载波分配方式，其中，图1(a)显示了基于子块的分配方式(Block-based Allocation Scheme)，图1(b)显示了交织分配方式(Interleaved Allocation Scheme)。

如图1(a)所示，在基于子块的分配方式中，连续的多个子载波(即子载波段)分配给一个用户，由此不同用户(用户k-1、k和k+1)占用不同的子载波段。在该分配方式中，只要不同用户间的保护间隔足够大，就可以减少甚至避免由于较大的载波频偏而造成的用户间的干扰。但是，该保护间隔占用了一定的频率资源，使得频率资源的利用率较低。

与此相比较，图1(b)所显示的交织分配方式具有其自身的优势，尤其是在频率资源利用率方面，其可充分利用频率资源。然而，该交织分配方式对载波频偏非常敏感，很小的频偏就有可能造成较大的多用户干扰。

具体来说，当采用上述基于子块的分配方式和交织分配方式进行OFDMA系统上行同步时，假设基站对用户k进行上行同步，那么该用户k的信号首先需要在基站端进行提取。提取的方式是利用一个与分配给该用户k的载波相对应的映射器矩阵，对用户k的数据进行过滤，过滤后的用户k的数据可表示为 $r_k=P_{k}y=F_k{F}_k^{H}y,$ 其中y表示基站端所接收到的信号，该信号为所有用户数据的叠加(其中包括用户k的数据)， $P_k=F_k{F}_k^H$ 表示对应于用户k的映射器矩阵，F_k表示用户k的离散傅立叶矩阵。利用过滤后的用户k的数据r_k，可以实现用户k的上行同步。

当多个用户存在载波频偏时，映射器矩阵P_k不能完全滤除其它用户的干扰，因而在过滤后的用户k的数据r_k中包含有多用户干扰成分，导致用户k的有效信号干扰噪声比(SINR)降低，从而进一步影响载波频偏估计精度。

因此，有必要针对现有的基于子块的分配方式和交织分配方式，设计一种可有效消除多用户干扰的方法。

参考文献：

[1]J.-J.van de Beek and M.Sandell，“ML estimation of time and frequencyoffset in OFDM systems，”IEEE Trans.Signal Processing.，vol.45，PP.1800-1805，July 1997.

[2]M.Morelli，″Timing and Frequency Synchronization for the Uplink of anOFDMA System，″IEEE Trans.Comm.，vol.52，No.2，pp.296-306，Feb.2004.

[3]M.-H.Hsieh and C.-Ho，“A Low-Complexity Frame Synchronization andFrequency Offset Compensation Scheme for OFDM Systems over FadingChannels，”IEEE Trans.Vehicular Technology.，vol.42，pp.1596-1609，September1999.

[4]T.Keller and L.Piazzo，“Orthogonal Frequency Division MultiplexSynchronization Techniques for Frequency-Selective Fading Channels，”IEEEJournal on Selected Areas in Communications，vol.19，No.6，pp.999-1008，June2001.

[5]T.M.Schmidl and D.C.Cox，“Robust Frequency and TimingSynchronization for OFDM，”IEEE Trans.Comm.，vol.45，pp.1613-1621，December 1997.

[6]P.H.Moose，“Atechnique for orthogonal frequency division multiplexingfrequency offset correction，”IEEE Trans.Comm.，vol.42，pp.2908-2914，October1994.

[7]Z.Zhang and M.Zhao，″Frequency offset estimation with fast acquisitionin OFDM system，″IEEE Commun.Lett.，vol.8，pp.171-173，Mar.2004.

发明内容

本发明的目的在于提供适用于基于子块的子载波分配方式和适用于交织子载波分配方式的多用户干扰消除方法。

本发明的第一方面提供了一种用于基于子块的子载波分配方式的通信方法，其应用于包括多个移动终端和基站的OFDMA系统中，其中多个移动终端同时接入基站，该方法包括：

步骤1)该多个移动终端向基站发送只包括训练序列的第一数据帧；

步骤2)根据接收信号，基站首先对干扰用户进行同步，获得干扰用户的载波频偏估计结果，利用该载波频偏估计结果优化目标用户的映射器矩阵，用于对接收信号进行初始化搜索过程，获得目标用户的同步参数，并用公共控制信道向该目标用户传送同步参数，该接收信号包括所述第一数据帧；

步骤3)该目标用户根据所述同步参数，调整时偏和频偏并完成接入过程，并向基站发送包括训练序列和数据符号的第二数据帧；

步骤4)采用目标用户优化的映射器矩阵对再次接收的信号进行自适应跟踪过程，即完成剩余载波频偏估计，从而获得该目标用户的载波频偏估计结果，实现上行同步，该再次接收的信号包括所述第二数据帧。

本发明的的第二方面提供了一种OFDMA系统中基于子块的子载波分配方式的通信系统，该系统包括多个移动终端和基站，其中包括干扰用户和目标用户的多个移动终端同时接入基站，其特征在于：

该多个移动终端向基站发送只包括训练序列的第一数据帧；

根据接收信号，基站首先对干扰用户进行同步，获得干扰用户的载波频偏估计结果，利用该载波频偏估计结果优化目标用户的映射器矩阵，用于对接收信号进行初始化搜索过程，获得目标用户的同步参数，并用公共控制信道向该目标用户传送同步参数，该接收信号包括所述第一数据帧；

该目标用户根据所述同步参数，调整时偏和频偏并完成接入过程，并向基站发送包括训练序列和数据符号的第二数据帧；

基站采用目标用户优化的映射器矩阵对再次接收的信号进行自适应跟踪过程，即完成剩余载波频偏估计，从而获得该目标用户的载波频偏估计结果，实现上行同步，该再次接收的信号包括所述第二数据帧。

本发明的的第三方面提供了一种适用于交织子载波分配方式的通信方法，其应用于包括多个移动终端和基站的OFDMA系统中，其中多个移动终端同时接入基站，该方法包括：

步骤1)该两个移动终端向基站发送只包括训练序列的第一数据帧；

步骤2)根据接收信号，基站首先对干扰用户进行同步，获得干扰用户的载波频偏估计结果，利用该载波频偏估计结果的小数部分优化目标用户的映射器矩阵，用于对接收信号进行初始化搜索过程，获得目标用户的同步参数，并利用公共控制信道向该目标用户传送相关的同步参数，该接收信号包括所述第一数据帧；

步骤3)该目标用户根据所述同步参数，调整时偏和频偏并完成接入过程，并向基站发送包括训练序列和数据符号的第二数据帧；

步骤4)采用目标用户优化的映射器矩阵对再次接收的信号进行自适应跟踪过程，即完成剩余载波频偏估计，从而获得该目标用户的载波频偏估计结果，实现上行同步，该再次接收的信号包括所述第二数据帧。

本发明的的第四方面提供了一种OFDMA系统中基于交织子载波分配方式的通信系统，该系统包括多个移动终端和基站，其中包括干扰用户和目标用户的最多两个移动终端同时接入基站，其特征在于：

该两个移动终端向基站发送只包括训练序列的第一数据帧；

根据接收信号，基站首先对干扰用户进行同步，获得干扰用户的载波频偏估计结果，利用该载波频偏估计结果的小数部分优化目标用户的映射器矩阵，用于对接收信号进行初始化搜索过程，获得目标用户的同步参数，并利用公共控制信道向该目标用户传送相关的同步参数，该接收信号包括所述第一数据帧；

该目标用户根据所述同步参数，调整时偏和频偏并完成接入过程，并向基站发送包括训练序列和数据符号的第二数据帧；

基站采用目标用户优化的映射器矩阵对再次接收的信号进行自适应跟踪过程，即完成剩余载波频偏估计，从而获得该目标用户的载波频偏估计结果，实现上行同步，该再次接收的信号包括所述第二数据帧。

本发明的有益效果是：本发明利用降秩映射器方法和移位抽样映射器方法，在初始化搜索和自适应跟踪过程中，对每个用户的映射器矩阵进行优化，从而增大目标用户的信号干扰比，很好的消除了多用户干扰，并提高载波频偏估计精度，实现准确的上行同步。

附图说明

图1(a)显示了OFDMA系统中子载波基于子块的分配方式；

图1(b)显示了OFDMA系统中子载波的交织分配方式；

图2为依照本发明的OFDMA通信系统的示意图；

图3为依照本发明的移动终端1的结构示意图；

图4为依照本发明的基站2的结构示意图；

图5为采用RRP方法时基站2中初始搜索部的具体结构示意图；

图6为采用RRP方法时初始搜索部执行的操作的流程图；

图7为采用SSP方法时基站2中初始化搜索部的具体结构示意图；

图8为采用移位抽样映射器方法时初始搜索部执行的操作的流程图；

图9为采用RRP方法进行干扰消除(初始化搜索)后用户载波频偏估计精度的示意图；

图10为采用SSP方法进行干扰消除(初始化搜索)后用户载波频偏估计精度的示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种适用于基于子块的子载波分配方式的通信方法(降秩映射器方法)和设备，且提供一种适用于交织分配方式的通信方法(移位抽样映射器方法)和设备，从而应用于OFDMA系统上行同步。

在本发明中，上行同步分成2个步骤，即初始化搜索(Initial Acquisition)和自适应跟踪(Adaptive Tracking)。在初始化搜索过程中，基站为一个新用户进行初始化接入。在这一过程中，可能有多个用户要求同时接入。当频偏较大时，可能发生多用户干扰。因此，在初始化搜索过程中，多用户干扰消除是至关重要的。在完成初始化搜索过程(初步的频偏载波估计)后，基站进一步进行自适应跟踪过程，即进行剩余的载波频偏估计，从而对目标用户实现准确的上行同步。

图2为依照本发明的OFDMA通信系统的示意图。

如图2所示，该OFDMA通信系统包括多个移动终端1和基站2，图上仅仅示出3个移动终端1a、1b和1c，其中，移动终端1b为目标移动终端，即此时系统需要对其进行上行同步的移动终端。该OFDMA通信系统对目标移动终端1b所进行上行同步的通信过程为：

a)多个移动终端1同时接入基站2，分别向基站2发送只包括训练序列的数据帧F1；

b)对于多个移动终端1中的目标移动终端1b，基站2采用降秩映射器方法或移位抽样映射器方法对接收信号(其中包括目标移动终端1b所发送的数据帧F1)进行初始化搜索过程，并利用公共控制信道(Common ControlChannel-CCCH)向该目标移动终端1b传送由初始化搜索过程所获得的同步参数；

c)该目标移动终端1b根据所述同步参数，调整时偏和频偏并完成接入过程，并向基站2发送包括训练序列和数据符号的数据帧F2；

d)基站2采用降秩映射器方法或移位抽样映射器方法对再次接收的信号(其中包括所述数据帧F2)进行自适应跟踪过程，完成载波频偏估计，从而实现目标移动终端1b的上行同步。

其中，在步骤d)中，基站2利用步骤b)中获得的同步参数进行自适应跟踪过程。

<移动终端1>

图3为依照本发明的移动终端1的结构示意图。

具体来说，移动终端1可如现有技术一样而配置为包括数据调制部11、转换部12、训练序列生成部13、数据符号生成部14、以及帧生成部15。

数据调制部11对输入的数据(该数据用于生成训练符号或数据符号)进行调制，并将调制后的数据传送到转换部12。

转换部12根据移动终端1要发送数据帧F1或数据帧F2的要求，将从数据调制部11输入的调制后的数据分别传送到训练序列生成部13和数据符号生成部14。

训练序列生成部13根据来自转换部12的输入，生成训练序列并传送到帧生成部15，值得注意的是，该训练序列可为任意适用于OFDMA系统的训练序列形式。

数据符号生成部14根据来自转换部12的输入，生成数据符号并传送到帧生成部15。

帧生成部15根据系统发送数据帧的要求，可生成只包括来自训练序列生成部13的训练序列的数据帧F1；或者生成包括来自训练序列生成部13的训练序列和来自数据符号生成部14的数据符号的数据帧F2，并利用无线信道将数据帧F1或数据帧F2发送到基站2。

<基站2>

如图4所示，基站2包括接收部21、初始化搜索部22、以及自适应跟踪部23。

接收部21用于接收移动终端1通过无线信道发送的数据帧(数据帧F1或F2)，值得注意的是，此时接收部21接收的是所有用户发送信号的叠加，即接收信号y还包括除了目标移动终端1b之外的其他移动终端1发送的数据。此时假设目标用户为目标移动终端1b。

在目标移动终端发送数据帧F1之后，接收部21在接收到接收信号y时，该接收部21将接收信号y传送到初始化搜索部22进行初始化搜索过程，对目标用户消除干扰，初始化搜索部22获得同步参数并传送到自适应跟踪部23和目标移动终端1b。

在目标移动终端调整时偏和频偏，发送数据帧F2之后，接收部21在接收到接收信号y’时(该接收信号y’包括目标移动终端1b再次发送的数据帧F2)，该接收部21将该接收信号y’传送到自适应跟踪部23，该自适应跟踪部23根据之前从初始化搜索部22接收的同步参数，对接收信号y’进行载波频偏估计，从而实现目标移动终端1b的上行同步。

<降秩映射器方法>(Reduced-Rank Projector，RRP)

下面将根据以上移动终端1和基站2的配置，首先对适用于基于子块的子载波分配方式的降秩映射器方法进行具体说明。

如果上述OFDMA系统的子载波分配方式为基于子块的子载波分配方式，则多用户干扰(MUI)只在每个用户的边缘子载波处发生。如果能够对相应于用户k的映射器矩阵P_k进行优化，使得用户k的没有被干扰的子载波(除边缘子载波之外分配给用户k的子载波)被成功的提取，而抛弃那些被相邻用户(如图1所示的用户k-1和用户k+1)干扰的子载波，这样就可以减少用户k的多用户干扰。基于以上原理的降秩映射器方法，可以对P_k进行优化，即生成

。为了增大用户k的信号干扰比(SIR)，应当满足如下公式：

$\underset{{\tilde{P}}_k}{\arg \max }\left|\right|{\tilde{P}}_k{v}_k\left|\right|---S.t.{\tilde{P}}_k\underset{l\&NotEqual;k}{\mathrm{\&Sigma;}}{v}_k=0---\left(1\right)$

其中，v_k表示用户k的传输向量， 为 的模，

为相对于优化的 可得到的最大模值， ${\tilde{P}}_k={\tilde{F}}_k{\tilde{F}}_k^H,$ 为用户k的离散傅里叶矩阵，

为 的共轭转置矩阵，S.t.(subject to)表示在“…”的条件下

图5以3个用户(用户k-1、用户k、用户k+1)为例，显示了基站2的初始化搜索部22的结构示意图。

由于同时接入基站2的移动终端一般最多为3个，则这里假设用户k-1、用户k、用户k+1同时接入基站2，目标用户为用户k，且分配给用户k的子载波频段高于用户k-1的频段，且低于用户k+1的频段，所以用户k将同时承受来自用户k-1和用户k+1的干扰。

如图5所示，初始化搜索部22包括对应于用户k-1的初始化搜索设备221、对应于用户k的初始化搜索设备222、以及对应于用户k+1的初始化搜索设备223。该初始化搜索设备(221、222、223)根据接收信号y，分别对用户k-1、用户k和用户k+1进行初始化搜索过程，该接收信号y为在基站端接收的所有用户信号的叠加。

该初始化搜索部22的总体处理过程为：首先，初始化搜索设备221和初始化搜索设备223将根据用户k-1和用户k+1的映射器矩阵，分别对用户k-1和用户k+1进行载波频偏估计，计算出用户k受到干扰的边缘的子载波，之后初始化搜索设备222根据计算出的受到干扰的边缘的子载波，优化用户k的映射器矩阵，并进行载波频偏估计。

该初始化搜索设备221和223均包括映射器矩阵单元301a(301c)、映射器矩阵优化单元302、以及载波频偏估计单元303。

以初始化搜索设备221为例，其映射器矩阵单元301a根据对应于用户k-1的映射器矩阵P_k-1，即 $P_{k-1}=F_{k-1}{F}_{k-1}^H,$ 对接收信号y进行过滤，获得过滤后的用户k-1的数据r_k-1，r_k-1＝P_k-1y，其中F_k-1为用户k-1的离散傅里叶矩阵。

之后载波频偏估计单元303根据过滤后的用户k-1的数据r_k-1，获得初始化搜索过程中用户k-1的载波频偏

，即 $\widehat{{\&Element;}_{k-1}}=\underset{\widehat{{\&Element;}_{k-1}}}{\arg \max }{\left|\right|r_{k-1}^H{P}_{k-1}{\hat{E}}_{k-1}{F}_{k-1}{\hat{H}}_{k-1}{x}_{k-1}\left|\right|}^2.$

同样，初始化搜索设备223根据对应于用户k+1的映射器矩阵 $P_{k-1}=F_{k+1}{F}_{k+1}^H,$ 获得过滤后的用户k+1的数据r_k+1＝P_k+1y，并获得初始化搜索过程中用户k+1的载波频偏 $\widehat{{\&Element;}_{k+1}}=\underset{\widehat{{\&Element;}_{k+1}}}{\arg \max }{\left|\right|r_{k+1}^H{P}_{k+1}{\hat{E}}_{k+1}{F}_{k+1}{\hat{H}}_{k+1}{x}_{k+1}\left|\right|}^2,$ 此时系统完成了对用户k-1和用户k+1的同步。映射器矩阵优化单元302的结构功能将在后面描述。

由于分配给用户k的子载波频段高于用户k-1的频段，且低于用户k+1的频段，如果用户k和用户k-1之间的保护间隔为G_k-1个子载波，用户k与用户k+1间的保护间隔为G_k+1个子载波，且假设在分配给用户k的子载波中，最左L_k个子载波被用户k-1干扰，最右U_k个子载波被用户k+1干扰，则

且

其中

表示x的最大整数部分， ${\left(x\right)}^{+}=\left[\begin{array}{cc}x& x>0\\ 0& x\&le;0\end{array}\right].$

之后，对应于用户k的初始化搜索设备222就可以根据上述L_k和U_k，对用户k的映射器矩阵进行优化，并进行载波频偏估计。

如图5所示，初始化搜索设备222包括降秩映射器矩阵单元301b和载波频偏估计单元303。其中，对应于用户k的降秩映射器矩阵301b，即 $\widetilde{P_k}({\tilde{P}}_k={\tilde{F}}_k{\tilde{F}}_k^H)$ 对接收信号y进行过滤，获得过滤后的用户k的数据r_k， $r_k={\tilde{P}}_{k}y,$ 其中通过去除用户k的离散傅里叶矩阵F_k中最左L_k列和最右U_k列而得到用户k的优化离散傅里叶矩阵 值得注意的是， 的秩低于P_k。载波频偏估计单元303根据过滤后的用户k的数据r_k，得到载波频偏 $\widehat{{\&Element;}_k}=\underset{\widehat{{\&Element;}_k}}{\arg \mathrm{ma}}x\left|\right|r_k^H{P}_k{\hat{E}}_k{F}_k{\hat{H}}_k{x}_k|{|}^2,$ 对角线矩阵 $H_k=\mathrm{diag}(H_k^{k_1},H_k^{k_2},\&hellip;,H_k^{k_{\mathrm{Qk}}})$ 表示用户k的每个子载波的信道衰落，其中k1，k2，...，kQk表示用户k分配的子载波，Qk表示用户k共分配的载波个数， $E_k=\mathrm{diag}\{e^{{\mathrm{\&psi;}}_k},e^{(\frac{{j2\mathrm{\&pi;}\&Element;}_k}{N}+{\mathrm{\&psi;}}_k)},e^{(\frac{{j2\mathrm{\&pi;}\&Element;}_k\&times;2}{N}+{\mathrm{\&psi;}}_k)},\&hellip;,e^{(\frac{j2\mathrm{\&pi;}{\&Element;}_k\&times;(N-1)}{N}+{\mathrm{\&psi;}}_k)}\},$ ψ_k表示用户k的初始相位。此时初始化搜索设备222完成了对用户k的初始化搜索过程，消除了用户k-1和用户k+1对用户k的干扰。之后基站2将载波频偏等同步参数发送给用户k，从而用户k在调整时偏和频偏之后，完成接入基站过程，并发送数据帧F2进行自适应跟踪过程，以便进行剩余的载波频偏估计，从而实现上行同步。

由上述可知，由于抛弃了用户k-1和用户k+1对用户k干扰的L_k和U_k个子载波，使得用户k的没有被干扰的子载波被成功的提取，也就是对映射器矩阵P_k进行优化获得

从而可以增大用户k的信号干扰比(SIR)，同时提高载波频偏估计的精度。

值得注意的是：初始化搜索设备222在完成对用户k的载波频偏估计以后，其获得的载波频偏

等同步参数可以反馈给初始化搜索设备221和223，用于对用户k-1和用户k+1的映射器矩阵进行进一步的优化。

假设用户k对用户k-1干扰的子载波为分配给用户k-1的子载波中最右U_k-1个子载波，则初始化搜索设备221中的映射器矩阵优化单元302可以获得

并将用户k-1的离散傅里叶矩阵F_k-1中的最右U_k-1列去除形成优化的离散傅里叶矩阵

映射器矩阵单元就可以利用该得到优化的映射器矩阵

${\tilde{P}}_{k-1}={\tilde{F}}_{k-1}{\tilde{F}}_{k-1}^H.$

同理，初始化搜索设备223中的映射器矩阵优化单元302可以根据初始化搜索设备222反馈的用户k的载波频偏，获得用户k对用户k+1干扰的最左的L_k+1个子载波， 形成优化的映射器矩阵

${\tilde{P}}_{k+1}={\tilde{F}}_{k+1}{\tilde{F}}_{k+1}^H.$

由此，通过优化的映射器矩阵 和

可以对用户k-1和k+1进行提高精度的载波频偏估计。

<初始化搜索过程中降秩映射器方法的流程>

图6显示了根据图5所显示的初始化搜索部22的结构所执行的操作流程。如图6所示，该初始化搜索具体流程为：

步骤S101：分别利用用户k-1和用户k+1的映射器矩阵P_k-1和P_k+1，对接收信号y进行过滤；

步骤S102：根据过滤后的数据，分别对用户k-1和用户k+1进行载波频偏估计；

步骤S103：利用载波频偏估计结果，计算用户k-1和用户k+1对用户k干扰的子载波数目；

步骤S201：根据步骤S103所获得的子载波数目，对用户k的映射器矩阵进行优化形成降秩映射器矩阵；

步骤S202：利用降秩映射器矩阵对该接收信号进行过滤；

步骤S203：利用步骤S202中获得的过滤后的数据，对用户k进行载波频偏估计，从而完成对用户k的初始化搜索过程，消除用户k-1和用户k+1对用户k的干扰；

步骤S204：利用步骤S203中获得的用户k的载波频偏结果，分别优化用户k-1和用户k+1的映射器矩阵，之后执行步骤S101-S103，完成对用户k-1和用户k+1的载波频偏估计。

由此实现了对目标用户k的高精度载波频偏估计，并且优化了用户k-1和用户k+1的载波频偏估计。

<自适应跟踪过程>

如上所述，在完成对目标用户k的初始化搜索过程，将同步参数发送到用户k后，用户k调整其时偏和频偏，完成接入基站过程，且向基站发送包括训练序列和数据符号的数据帧F2，此时，可采用图4显示的自适应跟踪部23对目标用户k进行自适应跟踪过程。

如图4所示，对于接收信号y’(基站接收的调整后的用户信号的叠加，包括该目标移动终端发送的数据帧F2)，自适应跟踪部23利用初始搜索部22中的初始化搜索设备222(或利用与该初始化搜索设备222结构相同的独立的设备)进行剩余的载波频偏估计。该初始化搜索设备222利用在初始化搜索过程中获得的L_k和U_k，对接收信号y’进行操作，操作过程与上述初始化搜索过程相同，从而获得目标用户k的载波频偏

实现准确的上行同步。

<降秩映射器方法的修改实施例>

如上所述，本发明可以利用步骤S203中获得的用户k的载波频偏结果，分别优化用户k-1和用户k+1的映射器矩阵，之后执行步骤S101-S103，完成对用户k-1和用户k+1的载波频偏估计。

此时，如果系统需要进一步提供载波频偏估计精度，用户k-1和用户k+1获得的优化的载波频偏结果可以再传送到用户k的初始搜索设备222，由于用户k-1和用户k+1的载波频偏结果的精度得到提高，初始搜索设备所计算的L_k和U_k的精度也可以得到提高，从而进一步提高对用户k的载波频偏估计精度。

值得注意的是，以上所述的降秩映射器方法和降秩映射器方法的修改实施例都是针对3个用户同时接入基站的情形，其同样也适用于任意数量的用户同时接入基站的情形。

当同时2个用户接入基站时，例如用户k-1和用户k，其中用户k为目标用户，则基站只需利用上述初始搜索设备221和初始搜索设备222执行相同的操作，实现对目标用户的高精度的载波频偏估计，从而实现准确的上行同步。

当多于3个用户同时接入基站时，例如用户k-1、k、k+1和k+2共4个用户，此时可利用上述降秩映射器方法首先对其中的三个用户(用户k-1、k、k+1)进行操作，具体步骤与上述相同，并获得用户k的精确的载波频偏，具体过程在此不再详述。虽然用户k+1受到用户k和k+2的干扰，但是获得用户k的精确的载波频偏之后，系统可对用户k、k+1和k+2运用降秩映射器方法进行操作，从而获得用户k+1的精确的载波频偏。

<移位抽样映射器方法>

上面首先对适用于基于子块的子载波分配方式的降秩映射器方法进行了具体说明，接下来将具体说明适用于交织子载波分配方式的移位抽样映射器方法(Shift-Sampling Projector-SSP)，该移位抽样映射器方法只适用于同时最多两个用户接入基站的情形。

这里假设用户m和用户k同时接入基站，且分配给该两个用户的子载波相互交织。当用户k进行上行同步时，用户m将被认为是用户k的干扰用户。

图7显示了图4中初始化搜索部22的结构示意图。如图7所示，初始化搜索部22包括用户m的初始化搜索设备40和用户k的初始化搜索设备50，用于分别对用户m和用户k进行初始化搜索过程，消除干扰。

该初始化搜索设备40包括映射器矩阵单元41、载波频偏估计单元42、频偏补偿单元43、以及映射器矩阵优化单元44。

用户m的映射器矩阵41，即 $P_m(P_m=F_m{F}_m^H)$ 对接收信号y进行过滤，将用户m的数据从接收信号y中提取出来，得到过滤后的数据r_m。

载波频偏估计单元42利用从映射器单元41输入的r_m，获得在初始化搜索过程中用户m的载波频偏

$\widehat{{\&Element;}_m}=\underset{\widehat{{\&Element;}_m}}{\arg \max }{\left|\right|r_m^H{P}_m{\hat{E}}_m{F}_m{\hat{H}}_m{x}_m\left|\right|}^2$ ，并从

得到ζ_m，其中ζ_m表示

的小数部分，只有该小数部分频偏将造成对用户k的干扰。映射器矩阵优化单元44的功能将在后面描述。

该初始化搜索设备50包括移位抽样映射器矩阵单元51、载波频偏估计单元52、以及频偏补偿单元53。

该移位抽样映射器矩阵单元51可表示为 $P_{k+{\mathrm{\&zeta;}}_m}=F_k{F}_{k+{\mathrm{\&zeta;}}_m}^H=P_k{\mathrm{\&theta;}}_m,$ ，其中 $F_{k+{\mathrm{\&zeta;}}_m}^H=F_k^H{\mathrm{\&theta;}}_m,$ 且对角线矩阵 ${\mathrm{\&theta;}}_m=\mathrm{diag}\left\{1,e^{\frac{{-j2\mathrm{\&pi;\&zeta;}}_m}{N}},\&hellip;{,e}^{\frac{{-j2\mathrm{\&pi;\&zeta;}}_m\&times;(N-1)}{N}}\right\},$ N表示DFT长度，该移位抽样映射器矩阵单元51根据初始化搜索设备40获得的小数部分载波频偏ζ_m，对接收信号y进行过滤，提取其中用户k的信息，此时相当于利用F_k对接收信号y进行频域抽样，可以等价的视为对接收信号y的数据进行了频域上的ζ_m移位抽样。

载波频偏估计单元52根据过滤后的用户数据r_k，获得在初始化搜索过程中用户k的初步载波频偏结果

$\hat{{\&Element;}_{k+{\mathrm{\&zeta;}}_m}}=\underset{\hat{{\&Element;}_{k+{\mathrm{\&zeta;}}_m}}}{\arg \max }{\left|\right|r_k^H{P}_{k+{\mathrm{\&zeta;}}_m}{\hat{E}}_{k+{\mathrm{\&zeta;}}_m}{F}_k{\hat{H}}_k{x}_k\left|\right|}^2.$ 之后频偏补偿单元53获得初始化搜索过程中用户k的载波频偏结果 $\widehat{{\&Element;}_k}(\widehat{{\&Element;}_k}=\hat{{\&Element;}_{k+{\mathrm{\&zeta;}}_m}}+{\mathrm{\&zeta;}}_m),$ 从而进行载波频偏补偿。

如果

的精度足够高，则P_k+ζmv_m＝0，因此由公式(1)用户m的干扰可以全部消除。

该

可以反馈给初始化搜索设备40中的映射器矩阵优化单元44，用于对P_m进行优化，从而进一步提高

的精度。与上述初始化搜索设备50的操作相同，

的小数部分可提高用户m的载波频偏估计精度。

图8显示了采用移位抽样映射器方法时基站进行初始化搜索过程的具体流程。如图8所示，基站执行的初始化搜索流程为：

步骤S301：利用用户m的映射器矩阵P_m，对接收信号y进行过滤；

步骤S302：根据过滤后的数据，对用户m进行载波频偏估计，获得初始化搜索过程中用户m的载波频偏估计结果；

步骤S303：从载波频偏估计结果获得其小数部分；

步骤S401：根据步骤303中获得的所述小数部分，对用户k的映射器矩阵进行优化，形成移位抽样映射器矩阵；

步骤S402：利用移位抽样映射器矩阵对接收信号y进行过滤；

步骤S403：根据步骤402中的获得的过滤后的数据，对用户k进行载波频偏估计，获得初始化搜索过程中用户k的载波频偏估计结果；

步骤S404：利用用户k的载波频偏估计结果进一步提高用户m的载波频偏估计精度。

<自适应跟踪过程>

在初始化搜索部22完成对用户k的载波频偏估计后，其将同步参数发送给用户k，用户k调整其时偏和频偏，完成接入基站过程，且向基站发送包括训练序列和数据符号的数据帧F2，此时，可采用图4显示的自适应跟踪部23对目标用户k进行自适应跟踪过程。

如图4所示，对于接收信号y’(基站接收的调整后的用户信号的叠加)，自适应跟踪部23可利用初始搜索部22中的初始化搜索设备50进行自适应跟踪过程，即进行剩余的载波频偏估计(或者也可利用与初始化搜索设备50结构相同的独立的设备)。该初始化搜索设备50利用在初始化搜索过程中获得的L_k和U_k，对接收信号y’进行操作，操作过程与上述初始化搜索过程相同，从而获得目标用户k的载波频偏 实现准确的上行同步。

由此基站对目标用户k完成初始化搜索过程和自适应跟踪过程。

图9显示了利用RRP方法进行干扰消除(初始化搜索)后用户载波频偏估计精度的示意图。该RRP方法适用于基于子块的子载波分配方式。

其中，用户1、2、3接入基站，目标用户为用户2，用户1和3为干扰用户，仿真参数如表1所示。在该方案中，如果解调范围是[-20，21]子载波，则信噪比为5dB的时候估计的均方误差为10^-4，如果进一步缩小解调范围到[-18，19]子载波，则可进一步提高1.8dB的性能。RRP方法可以有效地降低多用户之间的干扰。

                  表一(带宽＝10MHz，DFT长度＝128，CP＝16)

	用户1	用户2	用户3
				分配的子载波	[-63，-25]	[-23，24]	[26，64]
归一化CFO	3.2	0.1	-3.7
				使用的算法	Moose[6]	Moose[6]	Moose[6]
多路径延迟(us)	0；0.2；0.4	0；0.4；0.8	0；0.6；1.0
				平均功率(dB)	0；-3；-6	0；-6；-9	0；-8；-12
保护带	第(-24)个子载波；第25个子载波
				初始相位	∈[0，2π]

图10显示了利用SSP方法进行干扰消除(初始化搜索)后用户载波频偏估计精度的示意图。该SSP方法适用于交织子载波分配方式。

其中，用户1和2接入基站，用户1作为目标用户，用户2作为干扰用户，2个用户相互干扰，并且偶数序号的子载波分配给用户1，奇数序号的子载波分配给用户2。仿真参数如表2所示。

在该方案中，在对用户1进行频偏估计时，利用SSP方法可以消除用户2对用户1的干扰，当然前提是已经估计出用户2的载波频偏。仿真结果如图10所示。如果不使用SSP方法，则估计均方误差将大于2×10^-4；当使用SSP方法进行干扰消除后，估计精度将大大提高。例如，当使用SSP方法且频偏预补偿误差为30％时，在信噪比为16dB的时候可得到均方误差10^-5；如果预补偿误差为20％，则在信噪比为12.9dB时即可得到均方误差10^-5的精度；如果进一步降低预补偿误差到10％，则在信噪比为12.6dB时即可得到均方误差10^-5的精度。

表二(带宽＝10MHz，DFT长度＝128，CP＝16)

	用户1	用户2
			分配的子载波	偶数序号	奇数序号
归一化CFO	0.1	-0.2
			使用的算法	Moose[6]	Moose[6]
多路径延迟(us)	0；0.2；0.4	0；0.4；0.8
			平均功率(dB)	0；-3；-6	0；-6；-9
初始相位	∈[0，2π]

综上所述，本发明利用降秩映射器方法和移位抽样映射器方法，在初始化搜索和自适应跟踪过程中，对每个用户的映射器矩阵进行优化，从而增大目标用户的信号干扰比，很好的消除了多用户干扰，并提高载波频偏估计精度，实现准确的上行同步。

Claims (20)

1.一种OFDMA系统中基于子块的子载波分配方式的通信方法，该系统包括多个移动终端和基站，其中包括干扰用户和目标用户的多个移动终端同时接入基站，该通信方法包括：

步骤1)该多个移动终端向基站发送只包括训练序列的第一数据帧；

步骤2)根据接收信号，基站首先对干扰用户进行同步，获得干扰用户的载波频偏估计结果，利用该载波频偏估计结果优化目标用户的映射器矩阵，用于对接收信号进行初始化搜索过程，获得目标用户的同步参数，并用公共控制信道向该目标用户传送同步参数，该接收信号包括所述第一数据帧；

步骤3)该目标用户根据所述同步参数，调整时偏和频偏并完成接入过程，并向基站发送包括训练序列和数据符号的第二数据帧；

步骤4)采用目标用户优化的映射器矩阵对再次接收的信号进行自适应跟踪过程，完成剩余载波频偏估计，从而获得该目标用户的载波频偏估计结果，实现上行同步，该再次接收的信号包括所述第二数据帧。

2.如权利要求1所述的通信方法，其中，在步骤4)中，基站利用步骤2)中获得的同步参数进行自适应跟踪过程。

3.如权利要求2所述的通信方法，在步骤2)中，根据干扰用户的载波频偏估计结果，得到分配给目标用户的子载波中受到干扰用户干扰的子载波的数目，并根据该干扰的子载波，去除目标用户的离散傅里叶矩阵中相应的列，形成优化的离散傅里叶矩阵，从而优化目标用户的映射器矩阵。

4.如权利要求3所述的通信方法，其中，步骤4)中获得的目标用户的载波频偏估计结果用于优化干扰用户的映射器矩阵。

5.如权利要求4所述的通信方法，其中，如果同时两个移动终端接入基站，第一移动终端为干扰用户，第二移动终端为目标用户，分配给第一移动终端的载波带宽低于分配给第二移动终端的载波带宽，则从目标用户的离散傅里叶矩阵中去除最左的相应于所述干扰的子载波数量的列数，形成优化的离散傅里叶矩阵。

6.如权利要求4所述的通信方法，其中，如果同时两个移动终端接入基站，第一移动终端为干扰用户，第二移动终端为目标用户，分配给第一移动终端的载波带宽高于分配给第二移动终端的载波带宽，则目标用户的离散傅里叶矩阵中去除最右的相应于所述干扰的子载波数量的列数，形成离散傅里叶矩阵。

7.如权利要求4所述的通信方法，其中，如果同时三个移动终端接入基站，第一和第三移动终端为干扰用户，第二移动终端为目标用户，且分配给第二移动终端的载波带宽低于分配给第三移动终端的载波带宽且高于分配给第一移动终端的载波带宽，则从目标用户的离散傅里叶矩阵中去除最左和最右的相应于所述干扰的子载波数量的列数，形成离散傅里叶矩阵，该最左的列数相应于第一移动终端干扰目标用户的子载波，该最右的列数相应于第三移动终端干扰目标用户的子载波。

8.一种OFDMA系统中基于子块的子载波分配方式的通信系统，该系统包括多个移动终端和基站，其中包括干扰用户和目标用户的多个移动终端同时接入基站，其特征在于：

该多个移动终端向基站发送只包括训练序列的第一数据帧；

根据接收信号，基站首先对干扰用户进行同步，获得干扰用户的载波频偏估计结果，利用该载波频偏估计结果优化目标用户的映射器矩阵，用于对接收信号进行初始化搜索过程，获得目标用户的同步参数，并用公共控制信道向该目标用户传送同步参数，该接收信号包括所述第一数据帧；

该目标用户根据所述同步参数，调整时偏和频偏并完成接入过程，并向基站发送包括训练序列和数据符号的第二数据帧；

基站采用目标用户优化的映射器矩阵对再次接收的信号进行自适应跟踪过程，即完成剩余载波频偏估计，从而获得该目标用户的载波频偏估计结果，实现上行同步，该再次接收的信号包括所述第二数据帧。

9.如权利要求8所述的通信系统，其中，基站利用初始化搜索过程中获得的同步参数进行自适应跟踪过程。

10.如权利要求9所述的通信系统，其中，基站根据干扰用户的载波频偏估计结果，得到分配给目标用户的子载波中受到干扰用户干扰的子载波的数目，并根据该干扰的子载波，去除目标用户的离散傅里叶矩阵中相应的列，形成优化的离散傅里叶矩阵，从而优化目标用户的映射器矩阵。

11.如权利要求10所述的通信系统，其中，基站可将获得的目标用户的载波频偏估计结果用于优化干扰用户的映射器矩阵。

12.如权利要求11所述的通信系统，其中，如果同时两个移动终端接入基站，第一移动终端为干扰用户，第二移动终端为目标用户，分配给第一移动终端的载波带宽低于分配给第二移动终端的载波带宽，则基站从目标用户的离散傅里叶矩阵中去除最左的相应于所述干扰的子载波数量的列数，形成优化的离散傅里叶矩阵。

13.如权利要求11所述的通信系统，其中，如果同时两个移动终端接入基站，第一移动终端为干扰用户，第二移动终端为目标用户，分配给第一移动终端的载波带宽高于分配给第二移动终端的载波带宽，则基站将目标用户的离散傅里叶矩阵中去除最右的相应于所述干扰的子载波数量的列数，形成离散傅里叶矩阵。

14.如权利要求11所述的通信系统，其中，如果同时三个移动终端接入基站，第一和第三移动终端为干扰用户，第二移动终端为目标用户，且分配给第二移动终端的载波带宽低于分配给第三移动终端的载波带宽且高于分配给第一移动终端的载波带宽，则基站从目标用户的离散傅里叶矩阵中去除最左和最右的相应于所述干扰的子载波数量的列数，形成离散傅里叶矩阵，该最左的列数相应于第一移动终端干扰目标用户的子载波，该最右的列数相应于第三移动终端干扰目标用户的子载波。

15.一种OFDMA系统中基于交织子载波分配方式的通信方法，该系统包括多个移动终端和基站，其中包括干扰用户和目标用户的最多两个移动终端同时接入基站，该通信方法包括：

步骤1)该两个移动终端向基站发送只包括训练序列的第一数据帧；

步骤2)根据接收信号，基站首先对干扰用户进行同步，获得干扰用户的载波频偏估计结果，利用该载波频偏估计结果的小数部分优化目标用户的映射器矩阵，用于对接收信号进行初始化搜索过程，获得目标用户的同步参数，并利用公共控制信道向该目标用户传送相关的同步参数，该接收信号包括所述第一数据帧；

步骤3)该目标用户根据所述同步参数，调整时偏和频偏并完成接入过程，并向基站发送包括训练序列和数据符号的第二数据帧；

步骤4)采用目标用户优化的映射器矩阵对再次接收的信号进行自适应跟踪过程，完成剩余载波频偏估计，从而获得该目标用户的载波频偏估计结果，实现上行同步，该再次接收的信号包括所述第二数据帧。

16.如权利要求15所述的通信方法，其中，在步骤4)中，基站利用步骤2)中获得的同步参数进行自适应跟踪过程。

17.如权利要求16所述的通信方法，在步骤2)中，根据干扰用户的载波频偏估计结果的小数部分，对接收信号的数据进行了频域上的移位抽样，从而优化目标用户的映射器矩阵。

18.一种OFDMA系统中基于交织子载波分配方式的通信系统，该系统包括多个移动终端和基站，其中包括干扰用户和目标用户的最多两个移动终端同时接入基站，其特征在于：

该两个移动终端向基站发送只包括训练序列的第一数据帧；

根据接收信号，基站首先对干扰用户进行同步，获得干扰用户的载波频偏估计结果，利用该载波频偏估计结果的小数部分优化目标用户的映射器矩阵，用于对接收信号进行初始化搜索过程，获得目标用户的同步参数，并利用公共控制信道向该目标用户传送相关的同步参数，该接收信号包括所述第一数据帧；

该目标用户根据所述同步参数，调整时偏和频偏并完成接入过程，并向基站发送包括训练序列和数据符号的第二数据帧；

基站采用目标用户优化的映射器矩阵对再次接收的信号进行自适应跟踪过程，即完成剩余载波频偏估计，从而获得该目标用户的载波频偏估计结果，实现上行同步，该再次接收的信号包括所述第二数据帧。

19.如权利要求18所述的通信系统，其中，基站利用初始化搜索过程中获得的同步参数进行自适应跟踪过程。

20.如权利要求19所述的通信系统，基站根据干扰用户的载波频偏估计结果的小数部分，对接收信号的数据进行了频域上的移位抽样，从而优化目标用户的映射器矩阵。

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