CN1980212A - 多小区正交频分复用系统中的传输方法 - Google Patents

Abstract

一种多小区正交频分复用系统中的传输方法，包括步骤：发送端发送包含两个特定OFDM符号的训练符号；发送端使用在时间域和频率域连续的子载波所构成的子载波块来传输导频信号；接收端通过检测这个训练符号来进行同步估计；接收端利用导频子载波块上接收到的导频信号进行相关接收。本发明可以有效应用在多小区单频网的传输和接收机制，通过对不同小区分配不同子载波组来生成训练符号和不同相邻小区在相同导频块上传输不同导频序列，在多小区干扰的情况下，能有效进行同步和信道估计。训练符号携带小区身份信息和导频传输模式信息可以有效进行小区识别和快速的信道估计，减少信令开销。

Description

多小区正交频分复用系统中的传输方法

技术领域

本发明涉及到正交频分复用(OFDM)通信技术领域，具体地说，本发明主要涉及多小区OFDM通信系统中一种新的传输方法。

背景技术

OFDM通信系统是以OFDM技术为核心的一种通信系统。OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定频带分成许多平坦的正交子载波，在每个子载波上进行调制，并且各子载波并行传输。

OFDM的调制特性决定它对频率偏移具有高度的敏感性。同时，当OFDM系统采用高阶调制比如64QAM时，需要比较精确的信道估计。

OFDM传输信号经过无线信道时，会出现频率和时间选择性衰落，同时由于收发信机的频率和时间上的偏差，会导致接收信能的降低。为了对抗收发信机的频率和时间上的偏差，接收机利用某些发射信号的特征来估计收发信机的频率和时间上的偏差来实现同步。

通常，发射机可以保留某些专用的已知OFDM符号作为训练符号或使用某些专用的子载波来传输导频信号，接收机通过捕获这些导频信号来估计偏差和衰落信道。同时，为了对抗符号间干扰，OFDM技术采用循环前缀，即把OFDM符号的最后一部分复制添加到OFDM符号的前面。这样，接收机可以利用循环前缀来实现部分同步功能。

OFDM技术已经成功地应用于许多通信系统中，例如，由欧洲电信标准化组织ETSI制定的数字广播(DAB)和地面数字电视(DVB-T)采用OFDM技术为空中接口的无线传输标准，此外无线局域网标准IEEE802.11和无线城域网标准IEEE802.16也都采用了OFDM技术。OFDM技术的有效使用，需要收发双方能严格时间同步和载波同步。

多小区通信系统要求接收机不仅具有单一的时间，频率同步功能，还要具有小区搜索功能。通过小区搜索，接收机能够识别相邻小区，选择最佳小区来通信。相对于单小区通信系统，多小区通信系统存在多小区干扰。接收机在进行同步，小区搜索和信道估计时，应充分考虑多小区干扰。

OFDM技术可以应用到单频多蜂窝系统，即每个小区都使用相同的频段。和单小区一样，每个小区里的收发信机同样存在频率和时间上的偏差。

目前OFDM系统中大多数同步和信道估计的方法是基于单小区设计的，当OFDM技术可以应用到单频多蜂窝系统时，多小区干扰就会变成一个突出的问题。多小区干扰会导致估计信能下降，甚至导致接收机不能工作。同时，目前存在的OFDM单频多蜂窝系统中，接收机没能很好地快速地进行小区搜索，这样会导致额外的能量开销。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种新的多小区正交频分复用系统中的传输方法。

为实现上述目的，一种多小区正交频分复用系统中的传输方法，包括步骤：

发送端发送包含两个特定OFDM符号的训练符号；

发送端使用在时间域和频率域连续的子载波所构成的子载波块来传输导频信号；

接收端通过检测这个训练符号来进行同步估计；

接收端利用导频子载波块上接收到的导频信号进行相关接收。

本发明可以有效应用在多小区单频网的传输和接收机制，通过对不同小区分配不同子载波组来生成训练符号和不同相邻小区在相同导频块上传输不同导频序列，在多小区干扰的情况下，能有效进行同步和信道估计。训练符号携带小区身份信息和导频传输模式信息可以有效进行小区识别和快速的信道估计，减少信令开销。

附图说明

图1是基于本发明的发射和接收框图；

图2是OFDM系统发射机；

图3是训练符号中子载波分组示意图；

图4是含有导频子载波块分布的OFDM时频结构；

图5是导频序列在导频子载波块上的映射；

图6是OFDM数据帧结构示意图；

图7是接收机的接收流图。

具体实施方式

OFDM是一种多载波技术，它将整个可用频带划分为很多相互正交的子载波并通过子载波并行传输从而达到高速传输的同时，减少对符号间干扰的敏感性，提高频谱效率和降低子载波之间的干扰。

除了用来传输有用数据外，为了更好估计信道参数，少量的子载波还用来传输导频信号，这些子载波称为导频子载波。用来传输数据的子载波称数据子载波。

有些OFDM系统为了更好的估计接收参数，保留某些OFDM符号来作为训练符号来传输某些已知信号。

OFDM系统将整个频带从低到高划分为N个子载波，标号为[-N/2：N/2-1]，一般情况下，为了防止邻道干扰，位于频带边沿的子载波不被使用。同时为了实现上的方便，标号为零的子载波也不被使用。不使用的子载波置零，即不放置任何信号。

OFDM系统中，如图2所示，串行数据符号被分成数据块和导频信号在OFDM频域符号生成器中根据一定的规则组成{p_j|j＝-N/2，...，N/2-1}(其中N为IFFT长度，j对应OFDM调制子载波(subcarrier)标号)，并行放置在相应的子载波上进行快速反傅立叶变换(IFFT)得到OFDM符号

$\{s_k=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{p}_j\·e^{i2\mathrm{\πjk}/N}|j=-N/2,...,N/2-1,k=\mathrm{0,1},...,N-1\}$

经过IFFT操作，对该OFDM数据信号进行加循环前缀(cyclic prefix，CP)操作之后，经过数模变换和上变频通过天线发射出去，p_j还含有一定的导频信号，放置在导频子载波上。

在本发明中，发射机生成的数据传输格式如图6所示，其中的训练符号用来进行下行同步，指示小区特有的信息比如小区导频传输模式和小区身份识别。

在本发明中，提出一种新的发收方法，如图1所示：训练符号生成器生成一种新的训练符号。

训练符号生成器的实现框图如图1所示，这种符号由两个OFDM符号组成，符号构成的示意图如图3。这种新的训练符号结构对OFDM符号中的子载波进行了分组，通过给相邻的小区分配不同的分组避免了相互之间的干扰。该训练符号生成器只在分配的分组上的偶子载波或奇子载波上调制某一已知的频域序列，假设第一个符号的频域序列为{s¹(m)|m＝0，1，2，...，K-1}，第二个符号的频域序列为{s²(m)|m＝0，1，2，...，K-1}，其中K为该分段上调制已知频域序列的偶子载波或奇子载波的数目。那么前后符号的频域序列的关系为差分关系。该差分关系得出来序列为 $\{s\left(m\right)=\frac{s^1\left(m\right)}{s^2\left(m\right)}|m=\mathrm{0,1,2},...,K-1\}\·$ 生成的时域上的训练符号中第一个OFDM符号具有重复结构，即该OFDM符号由两个相同的部分或两个相反的部分构成。

导频生成器传输一种新的导频模式。该模式在由一些在时间和频率上连续的子载波组成的导频子载波块上传输导频。

其中导频块的组成和分布方法如下：

1)配置导频子载波块在时间上占用L(其中L大于或等于1)个OFDM符号长度，在频域上占用M(其中M大于或等于1)个子载波，即一个导频子载波块由L乘以M个导频子载波构成。

2)以导频子载波块为单元，导频子载波块可以在时频上分散分布，其分布可以是规则的，在频域上，导频子载波块可以按Np(其中Np大于或等于0，见图4)个子载波为间隔出现；在时间上，导频子载波块可以按Nt(其中Nt大于或等于0)个OFDM符号为间隔出现，如图4所示。

3)以导频子载波块为单元，导频子载波块可以在时频上分散分布，其分布可以是不等间隔的，这时在频域上相邻导频子载波块之间的间隔可以是规则的，也可以是变化的。在时间上导频子载波块出现的时间间隔可以是变化的。

导频生成器根据所传输的导频模式，在导频子载波块上传输的导频信号是一种特定的序列，称为导频序列，不同的相邻小区使用不同的导频序列。该序列长为L乘以M。不同小区可以使用相同的导频子载波块来传输导频序列。导频序列可以是正交序列或具有良好相关性能的序列，用来区分小区，并消除或减少小区之间的干扰。导频序列在导频子载波块上的分布是一种时频二维分布，可以先从频域开始再到时域，也可以先从时域开始再到频域，如图5所示。

在本发明的传输方法中，使用训练符号生成器中由差分关系得出来序列 $\{s\left(m\right)=\frac{s^1\left(m\right)}{s^2\left(m\right)}|m=\mathrm{0,1,2},...,K-1\}$ 来传输小区特有的信息。同时可以结合子载波组的标号来传输小区特有的信息比如标示小区身份和标示该小区导频传输模式和导频序列的信息由训练符号生成器的训练符号。

接收机根据信号发射方法，采用新的接收方法，其流程图如图7所示。接收机在接收信号时，首先利用子载波组滤波器和时域同步器捕获训练符号来实现符号同步，如图1示，子载波组滤波器过滤出不同子载波组的信号，将某一特定的子载波组的信号送给时域估计器。同步器的时域估计器利用训练符号的重复结构进行移位相关来求得定时。下面是可能的接收方法：

移位相关：

$P\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(r_{d+m}^{*}{r}_{d+m+T}\right)$

移位输出归一化：

$R\left(d\right)=\underset{m=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r_{d+m+T}\right|}^2$

$M\left(d\right)=\frac{{\left|P\left(d\right)\right|}^2}{{\left(R\left(d\right)\right)}^2}$

r为滤波器输出时域信号采样值，T为训练符号重复部分长度。当M(d)超过某一门限时，时域估计器利用M(d)的峰值来确定时间同步位置(即确定训练符号的起始位置)。

同步器的时域估计器根据时域估计器送来的不同的子载波组的信号估计出不同的M(d)峰值给小区选择器，小区选择器然后从不同子载波组的M(d)选择具有最大M(d)峰值的子载波分组，确定选择传输该子载波组的小区作为当前小区。然后对该子载波组的信号进行后续的如下操作。

在确定M(d)峰值的同时，在时域求P(d)相位角，这时的P(d)实际相位为

φ＝2π*εT/N π*ε＝π*(ε1+ε2)

其中ε为频偏对子载波间隔的归一化，ε1为整数部分ε2为小数部分。

由于求P(d)相位角范围为[-π，π]，所以只能测出ε2。

频域估计器利用训练符号中的两个OFDM符号的频域序列的差分关系求得ε1，方法如下：

接收机的频域估计器对FFT变换后的数据和序列{s(m)｜m=0，1，2，...，K-1}进行滑动相关：

$B\left(l\right)=\underset{l}{\arg }\underset{l=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}({b^1}_{q\left(i\right)+l}/{b^2}_{q\left(i\right)+l})*s*\left(i\right)$ 其中

是对窗口[-W，W]的遍历。bⁿ _i表示训练符号第n个OFDM符号经过FFT后第i个子载波上的数据。q(i)为在发射端生成训练符号时放置频域序列{s¹(m)｜m=0，1，2，...，K-1}中第i个元素的子载波标号。

只要ε1落在窗口[-W，W]，那么如果{s(m)｜m=1，2，...，K-1}具有良好相关性能的话，求B(l)绝对值出现峰值时得到的l就为ε1。

最后时域估计器和频域估计器将估计出来的偏移参数送给偏差纠正器进行偏差补偿。

小区身份识别和导频模式识别器根据频域估计器送来的{s(m)｜m＝1，2，...，K-1}信息得到不同小区的身份码，达到小区识别的目的。同时得到该小区所传输的导频模式。

接收机根据得到的同步参数完成同步后，对接收的数据进行去循环前缀后进行FFT操作。

信道估计器根据该小区所传送的导频模式和导频序列来估计信道。

首先先估计导频块上的信道系数，通过对已知的导频序列进行相关求得。方法如下：

对某一导频块，根据导频序列在导频块上放置的顺序，假设放置导频序列的第i个子载波上的信道系数为H_i，其中i＝1，...，L×M，那么接收机在该子载波上的收到的导频信号为 $Y_i=\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{H}_i^l{C}_i^l+n_i$ ，其中H^l和c^l _i对应着第l个相邻小区传输的信道和导频序列。不失一般性，设对应本小区的l＝0，接收机用本小区所传输的导频序列和导频块的导频信号来相关得到

$\hat{H}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{Y}_i\stackrel{*}{C_i^0}+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{n}_i\stackrel{*}{C_i^0}=\underset{\underset{l=0}{i}}{\mathrm{\Σ}}{H}_i^0{C}_i^0\stackrel{*}{C_i^0}+\underset{l\≠0}{\mathrm{\Σ}}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{H}_i^l{C}_i^l\stackrel{*}{C_i^0}+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{n}_i\stackrel{*}{C_i^0}$

其中*表示共轭操作。

由于导频块的时间长度和频率宽度都远远小于相关时间和相关带宽，可以认为在一个导频块上的子载波的信道变化很小，同时导频序列之间有良好的相关性，那么上述公式右边的第二项可以忽略不计。最后除以导频序列的长度后为该导频块上的信道系数。

求出每个导频块上的信道后，利用内插算法求得非导频子载波上的信道系数后将估计到的信道送到信道均衡器进行信道均衡。

接收信号经过信道均衡器后进行解调。

Claims (15)

1.一种多小区正交频分复用系统中的传输方法，包括步骤：

发送端发送包含两个特定OFDM符号的训练符号；

发送端使用在时间域和频率域连续的子载波所构成的子载波块来传输导频信号；

接收端通过检测这个训练符号来进行同步估计；

接收端利用导频子载波块上接收到的导频信号进行相关接收。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：对训练符号的频域子载波进行分组，形成多个由连续的子载波构成的子载波组。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

在某一子载波组的特定的偶子载波或奇子载上调制某一已知序列{s¹(m)|m＝0，1，2，...，K-1}，K为调制该序列的子载波数，其他子载波必须空闲不用；

然后通过IFFT生成训练符号的第一个OFDM符号；

在相同的特定的偶子载波或奇子载波上调制另一已知序列{s²(m)|m＝0，1，2，...，K-1}，其他子载波可以用作其它用途；

然后通过IFFT生成训练符号的第二个OFDM符号。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述训练符号中的二个OFDM符号中的两个序列满足差分关系：

$\{s\left(m\right)=\frac{s^1\left(m\right)}{s^2\left(m\right)}|m=0,1,2,...,K-1\}.$

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述导频子载波块在时间上占用L个OFDM符号长度，在频域上占用M个子载波，其中，L大于或等于1，M大于或等于1。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于以导频子载波块为单元，导频子载波块可以在时频上分散分布。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于在频域上，导频子载波块可以按Np个子载波为间隔出现，在时间上，导频子载波块可以按Nt个OFDM符号为间隔出现，其中Np大于或等于0，Nt大于或等于0。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于在频域上，相邻导频子载波块之间的间隔可以是变化的，在时间上，导频子载波块出现的间隔可以是变化的。

9.根据权利亚求6所述的方法，其特征在于所述的导频子载波块上传输的导频信号包含导频序列。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于不同的相邻小区使用不同的导频序列，所述序列长为L乘以M。

11.根据要求要求1所述的方法，其特征在于所述接收机的同步包括：

通过滤波器将接收到该发射机发射的训练符号过滤出来；

对滤波器过滤出来的信号进行时域移位相关；

利用求相关值的幅度峰值求得时间偏差定位的同时利用该值的相位角来求小数倍频偏。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于接收端在系统开始过滤每个可能的子载波分组的信号进行时域移位相关，找出一个对应最佳相关峰值的子载波组，从而选择出在该子载波组传输训练符号的小区作为最佳小区。

13.根据权利要求11所述方法，其特征在于接收机对最佳小区的训练符号前后两个OFDM符号经过FFT变换后，前后两个OFDM符号的子载波上的数据进行相关解调后和一组已知序列进行滑动相关求峰值来确定该小区所传输的频域序列，同时估计整数倍频偏。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于接收机通过该小区在训练符号上前后OFDM符号上传输的频域序列的差分关系来确定小区身份码和该小区所传输的导频模式和导频序列。

15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

接收机根据发射机所传输的导频模式和导频序列对导频序列求共轭后，乘以导频子载波块中对应的接收到的导频信号；

求平均得到估计的信道系数作为该导频子载波块上所有子载波的信道系数。

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