CN1941672A - 将单载波频分多址信号共同转换为频域信号的接收设备 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于获得针对单载波FDMA的处理量的减少以及接收特性的改善的多用户接收设备。DFT单元将所有用户的单载波FDMA接收信号共同转换为频域信号。解映射单元针对每个用户从由DFT单元提供的子载波选择子载波的一部分。接收滤波器分离用户信号并且抑制噪声。解调器解调用户信号并且检测其中的定时。

Description

将单载波频分多址信号共同转换为频域信号的接收设备

技术领域

本发明涉及一种用于基站的多用户接收设备，每个都分配给了相应用户的多个移动站根据单载波频分多址方案与所述基站同时通信。

背景技术

在用于下一代移动通信分组接入的上行链路无线系统中，终端的高传输功率效率，以及在同时接入的用户间的无干扰的无线传输被认为是重要的，以便为了扩展通信范围。作为满足这些要求的无线方案，已经考虑到了使用具有低峰值与平均功率比(PAPR)的单载波(SC)频分多址(FDMA)方案。SC-FDMA方案将系统频带分为子频带，由多个用户使用每个子频带。每个用户执行具有根据所要求的传输速率而变化的频带的单载波传输。SC-FDMA方案的特征是，因为它们不同的载波频率，每个用户信号不会受到干扰，因此相比于码分多址(CDMA)等，该方案因此适合于难以采用高精度传输功率控制的分组传输。例如，图1示出了例如在三个用户U1、U2、U3同时接入时的SC-FDMA信号的频谱。

图3图解说明了传统的典型SC-FDMA信号接收设备的方框图。传统SC-FDMA信号接收设备包括K(K是不小于1的整数)个用户接收机101-k(其中，1≤k≤K)，每个和相应的用户相关联。每个用户接收机101-k转换接收的SC-FDMA信号的频率，并对频率转换后的SC-FDMA信号进行滤波和解调。每个用户接收机101-k包括频率转换器102、接收滤波器103、以及解调器104。为频率变换器102提供SC-FDMA接收信号，并且该频率转换器102将每个用户信号的载波转换为零频率。接收滤波器103限制每个用户信号的频带以便分离用户信号和抑制噪声。典型地，使用升余弦滚降滤波器作为接收滤波器103。解调器104执行诸如定时检测、传输信道估计和均衡之类的处理，并且输出解调的信号。可以通过采用多种方法来解调单载波信号。例如，考虑使用可以显著减少处理量的频域均衡器，通过频率信号处理执行多径均衡(D.Falconer，S.L.Ariyavisitakul，A.Benyamin-Seeyar，and B.Didson，“Frequency Domain Equalization for Single-Carrier BroadbandWireless Systems，”IEEE Comun.Mag.，vol.40，no.4，pp.58-66，Apr.2002)。

图2示出了使用频域均衡器时的分组信号一种典型的格式。分组信号由多个块组成，每个块包含导频或数据。在所示例子中，第一块包含导频信号，接着是包含数据信号的多个连续的块。在每个块的开头有保护间隔(GI)，以避免在DFT(离散傅立叶变换)处理期间来自前一个块的多径干扰。典型地采用循环前缀作为GI，它把每一个块的末尾数据添加到其头部。

解调器104包括延时谱(delay profile)发生器105、定时检测器106、传输信道估计器107、串/并(S/P)转换器108、DFT单元109、权重计算单元110、保护间隔(GI)消除器111、S/P转换器112、DFT单元113、均衡滤波器114、逆离散傅立叶变换(IDFT)单元115、以及并/串(P/S)转换器116。延时谱发生器105接收频带已经被接收滤波器103限制的信号，并根据检测到的、在接收信号上复用的导频信号和已知导频码之间的滑动相关来产生延时谱。定时检测器106接收延时谱发生器105产生的延时谱，并检测在更高电平的、多个路径的定时，包括第一路径的定时。使用第一路径的定时来控制DFT定时，使用其它路径的定时来估计每个传输信道。为传输信道估计器107提供其频带已经被接收滤波器103限制并且其路径定时已经由定时检测器106检测的接收信号。然后，传输信道估计器107用包含在接收信号中的导频信号估计每一个路径的传输信道估计。S/P转换器108执行传输信道响应序列的串并转换，所述传输信道响应序列是各路径的传输信道估计在时间轴上的排列。DFT单元109接收S/P转换器108转换的传输信道响应序列，并输出转换到频域的传输信道估计。权重计算单元110从DFT单元109接收传输信道估计输出，并按照最小均方差(MMSE)方法、迫零方法等来计算均衡滤波器的权重。为GI消除器111提供其频带已经被接收滤波器103限制并被定时检测器106进行过DFT定时检测的接收信号，并且GI消除器111消除掉接收信号中对应于GI的那部分。S/P转换器112对已经被GI消除器111消除掉了GI的接收信号进行串并转换。DFT单元113接收由S/P转换器112转换过的接收信号，并将接收信号转换到频域。均衡滤波器114接收已经被转换到频域且由权重计算单元110计算过均衡权重的接收信号，并且针对每个子载波将接收信号和均衡权重相乘以均衡接收信号。IDFT单元115接收从均衡滤波器114在频域输出的均衡信号，并对均衡信号进行IDFT以便转换到时域。P/S转换器116对转换到时域的均衡信号进行并串转换来产生解调的信号。

图3中所示的传统SC-FDMA信号接收设备存在这样的问题，随着用户的增加，在频率转换器102的处理和需要达到可变带宽的接收滤波器103的处理变得复杂。另外，用在时域检测到的和导频码的相关来实现定时检测和传输信道估计的方法存在这样的问题，要求较大的处理量，并且接收特性会由于多径干扰的影响而退化。

发明内容

本发明的目的是提出一种多用户接收方法和设备来减少处理量并改善接收特性。

根据本发明的一个方面，提出了一种多用户接收方法，包括：将所有用户的SC-FDMA接收信号共同转换为频域信号；为每个用户选择包含在频域信号中的子载波的一部分；以及执行接收处理。

根据本发明的另一个方面，提出了一种多用户接收设备，包括：n个DFT单元，用于将所有用户的SC-FDMA接收信号共同转换为频域信号；解映射单元，用于为每个用户选择包含在从所述DFT单元提供的频域信号中的子载波的一部分；多个用户接收器，每个接收器和多个用户中的一个相关，并且每个用户接收机包括：接收滤波器，用于限制由所述解映射单元提供的每个用户信号的频带，以便分离用户信号和抑制噪声；以及解调器，用于解调所述接收滤波器的输出，并用于检测接收定时以便产生定时控制信号。

对所有用户的SC-FDMA接收信号进行共同的离散傅立叶变换，并且在接收信号已经被逐用户地进行了分离之后，通过频域信号处理来执行所有的解调处理，因而达到针对单载波FDMA信号的处理量的减少以及接收特性的改善。

对所有用户的SC-FDMA接收信号共同进行离散傅立叶变换、解映射(频率转换)、接收信号的可变带宽滤波，以及传输信道估计都在频域执行。因此，相比于执行频率转换、接收信号滤波、以及时域相关检测的传统接收设备，即使用户数量增加，接收设备上所负担的处理量的增加也能够保持的很小。此外，因为在解调中所涉及的针对每个用户的传输信道估计和定时检测通过在频域上的信号处理实现，可以避免多径干扰并改善接收特性。

从结合附图所采用的下述实施例的描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将变得明显。

附图说明

图1是示出了单载波FDMA信号频谱的示意图；

图2是示出了当使用频域均衡器时针对分组信号的格式的示意图；

图3是传统接收设备的方框图；

图4是说明根据本发明实施例的多用户接收设备结构的示意图；

图5是示出了DFT单元3的输出信号的示意图；

图6是示出了解映射单元4的输出信号的示意图；

图7是示出了接收滤波器6的输出信号的示意图；

图8是说明参考信号发生器8的结构的方框图；

图9是用于描述上取样单元53的操作的示意图；

图10是说明噪声抑制器10的结构的方框图；

图11是用于描述传输定时控制操作的示意图；以及

图12是示出了如何同步接收信号的示意图。

具体实施方式

现在参考图4，根据本发明的实施例的用于接收SC-FDMA信号的多用户接收设备包括：GI消除器1、S/P转换器2、DFT单元3、解映射单元4、以及每个用户一个的K(K是等于大于2的整数)个用户接收器5-k(其中1≤k≤K)。本设备的特点是对所有用户的SC-FDMA接收信号共同进行离散傅立叶变换，并且逐用户地将其分离之后，通过在频域中的信号处理来解调接收信号。

GI消除器1接收SC-FDMA接收信号和DFT定时，并且在DFT定时接收之前消除掉接收信号中对应于GI的那部分。S/P转换器2对已经由GI消除器1消除掉GI的接收信号执行串并转换。可选地，可以忽略GI消除器1，并且S/P转换器2可以对未经过GI消除器1的接收信号执行串并转换。为DFT单元3提供由S/P转换器2转换为并行信号的接收信号，并且对所有用户的SC-FDMA信号共同进行离散傅立叶，以变换成频域信号。图5示出了DFT单元3的典型输出信号。在图5中，在比系统频带宽的频域上对三个用户的FDMA信号共同进行离散傅里叶变换。解映射单元4为每个用户选择包含在从DFT单元3提供的频域信号中的子载波的一部分用于接收处理，以便从而将每个用户的载波频率转换为零频率来根据传输速率调节取样频率。图6示出了解映射单元4的典型输出信号。如图6所示，解映射单元4将每个用户的DFT输出信号解映射，使得将每个用户的载波集中在零频率，以及使得取样频率增加为传输速率的两倍。每个接收器5-k(其中1≤k≤K)由接收滤波器6和解调器7组成。接收滤波器6在频域上限制每个用户信号的频率，以便分离用户信号和抑制噪声。图7示出了接收滤波器6的典型输出信号。如图7所示，消除了与每个用户信号相邻的其它用户信号的干扰。可以使用具有升余弦滚降特性、对应于每个用户信号传输速率的可变带宽的升余弦滚降滤波器作为接收滤波器6。解调器7执行诸如传输信道估计、均衡、以及频域定时检测的处理，以便产生解调的信号。特别地，解调器7对接收滤波器的输出进行解调并检测接收定时以便产生定时控制信号。

解调器7由参考信号发生器8、传输信道估计器9、噪声抑制器10、权重计算单元11、均衡滤波器12、IDFT单元13、P/S转换器14、IDFT单元15、P/S转换器16、延时谱发生器17、以及定时检测器18组成。参考信号发生器8、传输信道估计器9、噪声抑制器10权重计算单元11、均衡滤波器12、IDFT单元13、以及P/S转换器14执行传输信道估计和均衡以便产生解调的信号。参考信号发生器8接收导频码并且根据导频符号在每个用户的频域中产生导频参考信号。特别地，参考信号发生器8对导频符号执行DFT，用传输/接收滤波器限制DFT信号的频带，并且产生导频参考信号，用于在传输信道估计计算中消除掉包括在接收的导频信号中的导频符号模式特征(pilot symbol patterncharacteristics)、以及传输/接收滤波器的特征。图8说明了参考信号发生器8的结构。参考信号发生器8由S/P转换器51、DFT单元52、上取样单元53、传输/接收滤波器54、以及参考信号计算单元55组成。S/P转换器51对导频信号执行串并转换。DFT单元52以单元取样频率将导频码转换到频域。上取样单元53对DFT单元52的输出信号进行上取样(增加取样频率)。图9是上取样单元53操作的说明性的图。通过将从导频码的DFT得到的单元取样信号CS(m)复制到更高频域，就得到了具有两倍于导频码频率的取样频率的信号。上取样单元53把上取样的导频码递送给传输/接收滤波器54。在图9中，传输/接收滤波器54的输出信号C(m)用虚线表示。C(m)代表由码的频域特性曲线和传输/接收滤波器54的特性曲线相乘所得到的特性曲线。在图8的结构中，通过在频域的信号处理来执行导频码的滤波。然而，也可以在DFT单元52的处理之前通过在时域的信号处理来执行。在时域中，执行卷积处理(或FIR〔有限冲击响应〕滤波器)。参考信号计算单元55计算参考信号，用于根据传输/接收滤波器54的输出信号C(m)的传输信道估计。子载波m的参考信号X(m)通常通过使用如下等式计算：

$X\left(m\right)=\frac{C\left(m\right)}{{\left|C\left(m\right)\right|}^2}---\left(1\right)$

为传输信道估计器9提供其频带受到接收滤波器6限制的接收导频信号，以及由参考信号发生器8产生的导频参考信号X(m)，并且传输信道估计器9在频域中计算传输信道估计。子载波m的传输信道估计H(m)通过使用如下等式计算：

    H(m)＝P_r(m)X^*(m)            (2)

其中上标^*表示复数共轭，以及Pr(m)表示其频带由接收滤波器6所限制的接收导频信号。当使用由等式(1)给出的参考信号来估计传输信道时，可以和传输/接收滤波器特性一起消除包括在接收导频信号中的代码特性(频域中的导频信号特性，由时域中导频码的DFT产生)。然而，如果代码特性在频域中不是常数，将加重噪声。这是因为，如果导频代码特性中不是常数(取一个极小值)，等式(1)中的X(m)变得非常大，使得等式(2)中的计算引起噪声部分被放大。因此，使用具有常数特性的导频码能够减小H(m)中包含的噪声。在频域中显示出常数代码特性的序列(例如，Chu序列)，或优选地，尽可能随机产生具有的1和-1的代码可能适用于导频码。噪声抑制器10抑制传输信道估计中由传输信道估计器9产生的噪声以便从而提高信噪功率比(S/N)。噪声抑制器10可以采用平均临近子载波的方法，一种临时地将传输信道估计转换为时域中的估计以便由时间窗口滤波器来消除噪声通道的方法，或者类似方法。图10说明了噪声抑制器10的典型结构。如图10所示，噪声抑制器10由IDFT单元61、P/S转换器62、时间窗口滤波器63、S/P转换器64、以及DFT单元65组成。IDFT单元61接收频域传输信道估计，并将其转换为时域中的估计。P/S转换器62对代表在时域中的传输信道估计执行并串转换。时间窗口滤波器63通过让由P/S转换器62转换的传输信道响应序列经过时间窗口滤波器来提高S/N。例如，如果假设传输信道响应在GI之内，在对应于GI的间隔用“1”乘以传输信道响应，在其它间隔用“0”乘以传输信道响应，然后就消除掉了噪声分量。S/P转换器64对由时间窗口滤波器63消除掉噪声部分的传输信道响应序列执行串并转换。DFT单元65把S/P转换的传输信道响应序列转换为频域中的序列以便产生噪声抑制的传输信道估计。权重计算单元11从噪声抑制器10接收传输信道估计输出，并且按照MMSE、迫零方法等为均衡滤波器计算权重。例如，如果使用MMSE，子载波m的均衡权重W(m)由下面等式计算：

$W\left(m\right)=\frac{H^{*\left(m\right)}}{{\left|H\left(m\right)\right|}^2+{\mathrm{\σ}}^2}$ $---\left(3\right)$

其中σ²代表噪声功率，H(m)代表子载波m的传输信道估计。

为均衡滤波器12提供其频带受到接收滤波器6限制的接收信号，为均衡滤波器12提供由权重计算单元11根据传输信道估计而计算的均衡权重。然后均衡滤波器12通过将接收信号和每个子载波m的均衡权重根据最小均方差方法或迫零方法相乘来均衡接收信号。IDFT单元13从均衡滤波器12接收在频域中的均衡信号，并且通过IDFT将均衡信号转换为时域信号。P/S转换器14对转换为时域信号的均衡信号执行并串转换以便递送解调的信号。另一方面，IDFT单元15、P/S转换器16、延时谱发生器17、以及定时检测器18使用从传输信道估计器9提供的在频域中的传输信道估计来检测定时。IDFT单元15接收在频域中的传输信道估计并且将传输信道估计转换为时域中的估计。P/S转换器16对在时域中表示的传输信道估计进行并串转换。延迟谱发生器17计算由P/S转换器16转换的传输信道响应序列的功率或幅度，来产生延迟谱。定时检测器18接收由延迟谱发生器17产生的延时谱，根据具有较高电平的延迟谱路径检测指示了接收定时的定时，并且产生定时控制信号。因为本发明对所有用户的SC-FDMA接收信号共同进行快速傅里叶变换(使用共同的DFT定时)，分组信号接收定时必须在用户中互相同步。因为这个目的，由解调器7所检测的每个用户的定时信号被反馈回发射机(未示出)以便逐用户控制传输定时。图11是用于解释传输定时控制的操作的示意图。针对各个用户U1、U2用户接收机5-1、5-2，由定时检测器18分别地检测前导路径的定时T1、T2，并且计算定时信号-T1、-T2以使得定时T1、T2在零时间(DFT定时)。将定时信号-T1、-T2反馈回发射机，然后发射机在传输控制中分别延迟传输-T1、-T2。另外，为了减少反馈信息量，表明提前或延迟的信息可以被作为定时控制信号反馈给发射机。图12示出了在传输定时控制之后是如何同步接收的分组信号的。执行每个用户的接收的分组信号的同步以使得前导路径与DFT定时吻合。如果每个用户的延迟的路径落在GI之内，就可以避免在DFT处理中来自前面的导频或数据块的多径干扰。在本发明中，因为对所有用户普遍使用DFT定时，所以要求传输定时控制。在传统SC-FDMA接收设备中，如果分组之间没有保留充分的保护时间，也需要传输定时控制来防止分组碰撞。在该实施例中，使用传输信道估计器9的输出来检测定时，但是可选地，可以在由噪声抑制器10提供的噪声抑制之后的使用传输信道估计来检测定时。如上文中所述，在该实施例中，对所有用户的SC-FDMA接收信号共同进行快速傅里叶变换，以及解映射9(频率转换)、接收信号的可变带宽滤波、以及传输信道估计都在频域中进行。因此，相比于传统接收设备执行频率变换、接收信号滤波和时域相关检测，即使用户数量增加，接收设备负担的处理量的增加也能够保持的很小。另外，因为包括在解调中的针对每个用户的传输信道估计和定时检测通过在频域中的信号处理来执行，可以避免多径干扰并改善接收特性。

在本实施例中，使用DFT执行时域信号到频域信号的转换，并且使用IDFT执行频域信号到时域信号的转换。然而，也可以使用FFT(快速傅里叶变换)、IFFT(逆快速傅里叶变换)或其它算法。

虽然用特定的术语描述了本发明的优选实施例，但是这些描述仅用于说明目的，应该理解的是，可以进行更改和变动，而不背离下述权利要求的精神或范畴。

Claims (9)

1.一种在基站中的多用户接收方法，其中，每个都分配给了相应用户的多个移动站根据单载波频分多址方案同时与所述基站通信，所述方法包括步骤：

将所有用户的单载波频分多址接收信号共同转换为频域信号；

为每个用户选择包含在频域信号中的子载波的一部分；以及

执行接收处理。

2.一种在基站中的多用户接收设备，其中，每个都分配给了相应用户的多个移动站根据单载波频分多址方案同时与所述基站通信，所述设备包括：

n个离散傅立叶变换单元，用于将所有用户的单载波频分多址接收信号共同转换为频域信号；

解映射单元，用于为每个用户选择包含在从所述离散傅立叶变换单元提供的频域信号中的子载波的一部分；

多个用户接收器，每个接收器和多个用户中的一个相关联，并且每个用户接收机包括：接收滤波器，用于限制由所述解映射单元提供的每个用户信号的频带，以分便离用户信号和抑制噪声；以及解调器，用于解调所述接收滤波器的输出并用于检测接收定时以便产生定时控制信号。

3.如权利要求2所述的设备，其中，所述解映射单元针对每个用户从所述离散傅立叶变换单元提供的子载波中选择子载波的一部分，以便将每个用户的载波频率转换到零频率。

4.如权利要求2所述的设备，其中，所述接收滤波器具有与每个用户信号传输速率相对应的可变带宽的升余弦滚降特性。

5.如权利要求2所述的设备，其中，所述解调器包括：

参考信号发生器，用于根据导频符号产生每个用户的、频域中的导频参考信号；

传输信道估计器，响应其带宽由所述接收滤波器限制的接收导频信号，以及响应由所述参考信号发生器产生的导频参考信号，用于计算传输信道估计；

均衡处理单元，响应其带宽由所述接收滤波器限制的接收信号，以及响应根据传输信道估计计算的均衡权重，用于均衡接收信号；以及

定时检测器，用于根据由传输信道估计的逆离散傅立叶变换引起的传输信道响应来检测接收定时，以便产生定时控制信号。

6.如权利要求5所述的设备，其中，所述参考信号发生器对导频符号执行离散傅立叶变换，用传输/接收滤波器限制离散傅立叶变换信号的频带，并且产生导频参考信号，利用该导频参考信号，包括在接收的导频信号中的导频符号模式特征，以及传输/接收滤波器的特征在传输信道估计的计算中被消除。

7.如权利要求5所述的设备，其中，所述均衡处理单元根据最小均方差方法或迫零法来均衡接收信号。

8.如权利要求5所述的设备，其中，所述定时检测器计算由传输信道估计的逆离散傅立叶变换引起的传输信道响应的功率或幅度，以便产生延迟谱；根据具有较高电平的延迟谱路径来检测指示了接收定时的定时；以及产生定时控制信号。

9.如权利要求5所述的设备，其中，将所述定时控制信号反馈回移动站，并且将其用在用于同步用户之间的分组信号的接收定时的传输定时控制中。

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