专利名称：正交频分复用基扩频多址系统中的导频利用的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信系统，具体涉及正交频分复用(OFDM)基扩频多址(SSMA)系统。
无线通信系统应该是这样的系统，有最大可能的被适当服务的用户数目；若提供数据服务，则有最大可能的数据传输速率。无线通信系统通常是共享媒体系统，即，无线系统中的所有用户共享固定的可用带宽。这种无线通信系统往往是以所谓的“蜂窝式”通信系统实现的，其中被覆盖的地理区域分成单独的小区，且每个小区由一个基站提供服务。
众所周知，蜂窝式无线通信系统的所需特征是，小区内的干扰要尽可能地小，而小区间的干扰是在相邻小区的所有用户中间取平均的。
在这些系统中，重要的是移动用户单元能够容易地识别和同步到发射最强信号基站的下行链路。现有技术装置周期性地给移动用户单元发射训练符号，便于检测和同步到相关的基站下行链路。在这些装置中，从不同基站发射的训练符号非常可能发生互相干扰。确实，众所周知，一旦训练符号之间发生互相干扰，它们将继续干扰。因此，若训练符号遭受到破坏，则数据也遭受到破坏，从而引起效率下降。随机地处在时频网格中的导频可能也解决不了这个问题。
现有技术基站识别和下行链路同步装置的问题和/或限制是通过利用导频信号加以解决，该导频信号包含在各个规定的时间间隔中以规定的频率音发射的已知符号。具体地说，导频中使用的符号是唯一地定位于时频网格(即，时频平面)，其中各个位置是由周期性导频音跳频序列确定的。
在本发明的特定实施例中，导频音跳频序列的周期是这样构成的，以拉丁方基跳频序列开始，在时间上给以截断，且任选地在频率上偏移和置换它。导频音跳频序列的具体例子是平行斜率跳频序列，其中该序列的周期性选取为质数个符号时间间隔。
在本发明的另一个实施例中，在适应上述导频音跳频序列的同时，利用虚假导频概念便于使用各种系统参数。就是说，基于系统的考虑，当以上产生的导频音跳频序列的频率范围超过特定系统的可用带宽时，就出现问题。这个问题是这样克服的，每当音调频率超过带宽时，截断该导频音跳频序列，即，把这些音调规定的为虚假导频音，且不发射它们。
图1说明规定的带宽中产生的规定的多个音调的频域表示；图2说明音调fi的时域表示；图3是包含导频音跳频序列的一个时频网格的图形表示；图4是包含其他导频音跳频序列的另一个时频网格的图形表示；图5以简化方框图的形式表示包括本发明一个实施例的发射机细节；图6以简化方框图的形式表示包括本发明另一个实施例的发射机细节；图7是说明虚假音调区的另一个时频网格的图形表示；和图8说明可以有利地采用本发明的多小区环境。
图1说明规定的带宽中产生的规定的多个音调的频域表示。在这个例子中，利用带宽W产生总数为Nt个音调，即，i=1,…Nt。各个音调之间的间隔为ρf=1/Ts，其中Ts是OFDM符号的持续时间。请注意，本发明这个实施例中产生的音调不同于窄带系统中产生的音调。具体地说，在窄带系统中，每个音调的能量严格地限制在该音调频率为中心的狭窄带宽内，而在宽带系统的正交频分复用(OFDM)系统中，允许特定音调的能量泄漏到整个带宽W，但是，各个音调之间互相不干扰。
图2说明在符号周期Ts内音调fi的时域表示。还请注意，在每个符号周期Ts内，可以在每个音调上大致同时发射数据。
图3是包含导频音跳频序列的一个时频网格(即，时频平面)的图形表示。一般地说，导频音包括从基站发射的已知波形，因此，移动接收机能够估算各种参数，例如，信道系数。在正交频分复用基扩频多址(OFDM-SSMA)系统中，按照本发明的一个方面，导频包括在规定的频率和规定的时刻发射的已知符号。确实，OFDM系统利用规定的频率带宽内的正交音调给多个用户同时发射数据。图3是在时频网格的直线区域中的导频音例子。如图所示，导频(即，音调)是以平行斜率导频音跳频序列位于时频网格中。利用平行斜率导频音跳频序列中的导频音减小移动用户单元在基站识别和下行链路同步过程中的搜索努力。在图3所示的例子中，有这样一个导频音跳频序列，它的规定的斜率“α”=2，这个序列的周期性是五(5)个符号间隔，即，T=5。所以，在这个例子中，在每个符号间隔期间，利用不同的导频音，而在有T个符号的一个序列周期上，利用p个不同的导频音。在这个例子中，我们有p=T，但是，一般地说，这是不必要的。音调的编号是沿频率轴，而符号间隔(即，周期)的编号是沿图3的时间轴。因此，如图所示，在符号间隔(1)期间，发射导频音(2)；在符号间隔(2)期间，发射导频音(4)；在符号间隔(3)期间，发射导频音(1)；在符号间隔(4)期间，发射导频音(3)；和在符号间隔(5)期间，发射导频音(5)。此后，重复该导频音跳频序列。
总之，若图3中各个音调之间的间隔是ρf，则音调1对应于f；音调2对应于f+ρf；音调3对应于f+2ρf；音调4对应于f+3ρf；音调5对应于f+4ρf。
类似地，若符号间隔的持续时间是Ts，则时间1对应于t0；时间2对应于t0+Ts；时间3对应于t0+2Ts；时间4对应于t0+3Ts；时间5对应于t0+4Ts；
时间6对应于t0+5Ts；时间7对应于t0+6Ts。
图4是包含其他导频音跳频序列的另一个时频网格的图形表示。在图4所示的例子中，有以“X”和“O”表示的两个导频音跳频序列。图4所示例子中的每个导频音跳频序列有规定的的斜率“a”和五(5)个符号间隔的周期性，即，T=5。所以，在这个例子中，在每个符号间隔期间，利用两个不同的导频音；在有T个符号的一个序列周期内，对于两个导频音跳频序列中的每一个跳频序列，利用p个不同的导频音。在这个例子中，p=T。音调的编号是沿频率轴，而符号间隔(即，周期)的编号是沿图4的时间轴。因此，如图所示，在符号间隔(1)期间，发射导频音(2)和(4)；在符号间隔(2)期间，发射导频音(1)和(4)；在符号间隔(3)期间，发射导频音(1)和(3)；在符号间隔(4)期间，发射导频音(3)和(5)；和在符号间隔(5)期间，发射导频音(2)和(5)。此后，重复该导频音跳频序列。
图5以简化方框图形式表示包括本发明一个实施例的发射机细节．具体地说，图中画出导频音跳频序列发生器501和导频波形发生器502．导频音跳频序列发生器501产生导频序列，它规定该导频在任何时刻使用的音调。请注意，每个小区利用Npil个导频序列。导频序列定义为Si={f0Si,f1Si,···fkSi,···},]]>其中i=1,…Npil。把导频序列提供给导频波形发生器502，在这个例子中，导频波形发生器502产生以Σi=1NpilCkSie2πfkSiΔft]]>为代表的波形，在调制载波频率之后，再提供给用于发射的天线503。请注意，Δf是相邻音调之间的基本频率间隔， 是在第k个符号时刻和以音调 发射的已知符号。
在这个例子中，拉丁方基导频音跳频序列是按照fkSi=Z{(a(kmodT)+Si)modp+d}]]>产生的，其中“k”是时间指数，“T”，“a”，“si”和“d”是积分常数，“p”是质数，和“Z”是在[MIN(0,d),MAX(Nt-1,p-1+d)]上定义的置换算符，和“Nt”是系统中的音调总数。参数“T”是导频音跳频序列的时间周期。参数“d”是这样选择的，满足0≤d≤Nt-p。这种“d”的选择保证导频音跳频序列是在发射带宽内。
还请注意，在这个例子中，“p”是质数，它对于系统中的所有小区是恒定的，且接近于Nt。此外，在这个例子中，“Z”是恒等变换算符。就是说，任何音调变换成它自身，即，Z{f}=f。可这种Z的特定选择简化了移动单元接收机的基站导频的同步和识别过程，并提高了信道估算质量。此外，恰当地定义Z使它略微偏离恒等变换可以保留一些上述显著特征。然而，这种安排仍然是在上述置换算符Z一般表达式的范围内。而且，Z对于所有的小区是相同的。T=p的选择保证音调跳频序列的周期与拉丁方跳频序列的周期相同，并与作为恒等变换算符Z的选择相结合，导致平行斜率音调跳频序列的产生。T接近于p的其他选择会导致略微偏离平行斜率音调跳频序列。参数“a”(即，导频跳频序列斜率)随不同的小区而不同。这表示在包含三(3)个小区例子的以下图8中，即，它们的斜率分别为a1,a2和a3。Npil是给信道估算提供足够数目的导频音。Npil对于所有的小区是相同的。最后，{S1,···SNpil},]]>能够实现导频功能，例如，信道估算，基站识别和帧同步。
如上所述，在蜂窝式通信系统中利用导频音有几个作用。例如，利用它们识别新的基站和有最强传输信号的基站，在时间和频率上同步到最强发射的基站，以及便于下行链路的信道估算。利用以上 的公式和T=p，可以把两个相邻基站中导频音跳频序列的最大冲突数目减至最小。此外，通过选择Z为恒等变换，如图4所示，产生的导频是几个平行斜率导频音跳频序列。使用所谓的斜率导频减小了基站识别和下行链路同步过程中的搜索努力。斜率值，平行斜率之间的间隔和导频音跳频序列的数目是基于各种考虑确定的，其中包括信道估算和基站识别。选取物理层帧的大小为一个导频音跳频序列周期。这便于跟踪所谓的物理层帧。而且，实现一个非常均匀的导频符号分布，其意义是，在每个符号时间发射固定的数目和在移动单元接收机中容易计算各个导频序列。在本发明的另一个实施例中，在适应以上导频音跳频序列设计的同时，利用虚假导频概念便于使用各种系统参数。就是说，基于系统的考虑，以上产生的导频音跳频序列的频率范围超过特定系统的可用带宽，这就出现问题。克服这个问题的方法是，每当音调频率超过带宽时，截断该导频音跳频序列，即，规定的这些音调为虚假导频音，且不发射它们。
在适应以上导频音跳频序列设计的同时，虚假导频概念便于灵活选取各种系统设计参数。某个带宽可以分成的音调数目取决于系统的参数，例如，每个音调上支持的数据速率和循环前缀的长度，它用于保证多路径环境的正交性。基于这些考虑，小于p的Nt可以到达该系统，这是一个问题。该问题是，产生的导频音跳频序列有时超过可允许的带宽。对于d的某个选择，这个问题是存在的，即使是在Nt大于或等于p的情况。这个问题的解决是利用虚假音调概念。就是说，选取大于Nt的质数“p”。于是，假设我们有p个音调的带宽，利用p产生导频音跳频序列。这些音调中的(p-Nt)个音调称之为虚假音调。所以称这些音调为虚假音调是因为它们是不发射的。选取导频音跳频序列的数目以保证信道估算要求得到满足，尽管虚假音调是不发射的。确实，利用虚假音调对于基站识别和同步过程有很小的负面影响。
图6以简化方框图的形式表示按照本发明另一个实施例利用虚假音的发射机细节。与图5中单元基本相同的图6中单元的编号是类似的，在此不再给以详细地描述。图5中发射机500与图6中发射机600的差别是，序列发生器501产生的所谓虚假导频音不包含在导频波形发生器601产生的波形内。因此，在第k个符号时刻的波形发生器601提供的波形为Σi=1NpilCkSiΓkSie2πfkSiΔft,]]>其中Δf是相邻音调之间的基本频率间隔， 是在第k个符号时刻和以音调 发射的已知符号，和若 ∈
，则ΓkSi=1;]]>否则，ΓkSi=0.]]>图7是说明虚假音调区的另一个时频网格的图形表示。如图7所示，若导频音序列发生器501产生的导频音是在虚假音调区内，即，在[MIN(0,d),0]和[Nt-1,MAX(Nt-1,p-1+d)]上，则不发射该导频音。
图8说明可以有利地采用本发明的多小区环境。因此，相邻的小区801,802和803各自有其相关的导频音跳频序列斜率，即，分别为斜率a1,a2和a3。斜率a1,a2和a3对于它们相关的小区801,802和803分别是唯一的。然而，应当明白，一些远离的小区可以采用诸如a1,a2或a3的斜率，只要特定的远离小区不会与采用相同导频音跳频序列斜率的本地小区发生干扰。
可以利用本发明导频音跳频序列装置以识别基站的移动用户单元，即，蜂窝式电话，在美国专利申请序列号No.(R.Laroia-J.Li-S.Rangan Case 15-8-4)中描述，该文与此文同时申请，并转让给本发明的受让人。
当然，以上描述的实施例仅仅是说明本发明的原理。确实，在不偏离本发明精神和范围的条件下，本领域专业人员能够设计出众多其他的方法或设备。
权利要求
1．一种用于正交频分复用(OFDM)基扩频多址无线系统中的基站中的设备，包括序列发生器，用于产生一个或多个导频音跳频序列，每个跳频序列包含导频音，所述每个导频音是在规定的时频网格中规定的频率和时刻产生的；和波形发生器，响应于所述一个或多个导频音跳频序列，产生发射的波形。
2．按照权利要求1的本发明，其中每个所述一个或多个导频音跳频序列是拉丁方基导频音跳频序列。
3．按照权利要求1的本发明，其中所述序列发生器按照如下公式产生每个所述一个或多个导频音跳频序列Si={f0Si,f1Si,···fkSi,···}]]>，其中i=1,…Npil。
4．按照权利要求3的本发明，其中所述序列发生器产生每个所述一个或多个有规定的时间周期性的导频音跳频序列。
5．按照权利要求4的本发明，其中所述时间周期性包括规定的数目的符号间隔。
6．按照权利要求5的本发明，其中所述波形发生器包括用于发射所述时间周期性的所述导频音的发射机。
7．按照权利要求3的本发明，其中fkSi=Z{(a(kmodT)+Si)modp+d},]]>“k”是时间指数，“T”，“a”，“si”和“d”是积分常数，“p”是恒定质数，和“Z”是置换算符。
8．按照权利要求7的本发明，其中所述规定的数目的符号间隔T是质数。
9．按照权利要求7的本发明，其中产生的每个所述一个或多个导频音跳频序列包括质数个不同音调。
10．按照权利要求7的本发明，其中所述置换算符Z是在[MIN(0,d),MAX(Nt-1,p-1+d)]上定义的，和“Nt”是系统中的音调总数，p是质数个音调，和“d”是规定的频率。
11．按照权利要求7的本发明，其中每个所述一个或多个导频音跳频序列有规定的斜率“a”。
12．按照权利要求11的本发明，其中所述斜率“a”对于一个或多个相邻基站中的所述基站是唯一的。
13．按照权利要求1的本发明，其中所述波形发生器按照如下公式产生波形Σi=1NpilCkSie2πfkSiΔft,]]>其中 是由序列Si={f0Si,f1Si,···fkSi,···}]]>给出的，i=1，…Npil,Δf是相邻音调之间的基本频率间隔， 是在第k个符号时刻和以音调 发射的已知符号。
14．按照权利要求13的本发明，其中fkSi=Z{(a(kmodT)+Si)modp+d},]]>“k”是时间指数，“T”，“a”，“si”和“d”是积分常数，“p”是恒定质数，和“Z”是置换算符。
15．按照权利要求1的本发明，其中所述波形发生器按照公式Σi=1NpilCkSiΓkSie2πfkSiΔft]]>产生波形， 是由序列Si={f0Si,f1Si,···fkSi,···}]]>给出的，i=1,…Npil，Δf是相邻音调之间的基本频率间隔， 是在第k个符号时刻和以音调 发射的已知符号，和若fkSi∈[0,Nt-1],]]>则ΓkSi=1;]]>否则，ΓkSi=0.]]>
16．按照权利要求15的本发明，其中fkSi=Z{(a(kmodT)+Si)modp+d},]]>其中“k”是时间指数，“T”，“a”，“si”和“d”是积分常数，“p”是恒定质数，和“Z”是置换算符。
17．按照权利要求16的本发明，其中所述波形发生器包括发射所述导频音的发射机，且其中在[MIN(0,d),0]和[Nt-1,MAX(Nt-1,p-1+d)]上定义的虚假音调区中的导频音是不发射的，“Nt”是系统中的音调总数，p是质数个音调，和“d”是规定的频率。
18．一种用于正交频分复用(OFDM)基扩频多址无线系统中的基站中的方法，包括以下步骤产生一个或多个导频音跳频序列，每个跳频序列包含导频音，所述每个导频音是在规定的时频网格中规定的频率和时刻处产生的；和响应于所述一个或多个导频音跳频序列，产生发射的波形。
19．按照权利要求18的方法，其中每个所述一个或多个导频音跳频序列是拉丁方基导频音跳频序列。
20．按照权利要求18的方法，其中所述产生一个或多个导频音跳频序列的步骤包括按照Si={f0Si,f1Si,···fkSi,···}]]>产生每个所述一个或多个导频音跳频序列的步骤，i=1,…Npil。
21．按照权利要求20的方法，其中所述产生一个或多个导频音跳频序列的步骤包括产生每个所述一个或多个有规定的时间周期性的导频音跳频序列的步骤。
22．按照权利要求21的方法，其中所述时间周期性包括规定的数目的符号间隔。
23．按照权利要求22的方法，还包括发射所述时间周期性的所述导频音的步骤。
24．按照权利要求20的方法，其中fkSi=Z{(a(kmodT)+Si)modp+d},]]>“k”是时间指数，“T”，“a”，“si”和“d”是积分常数，“p”是恒定质数，和“Z”是置换算符。
25．按照权利要求24的方法，其中所述规定的数目的符号问隔T是质数。
26．按照权利要求24的方法，其中所述产生一个或多个导频音跳频序列的步骤包括产生每个所述一个或多个有质数个不同音调的导频音跳频序列的步骤。
27．按照权利要求24的方法，其中所述置换算符Z是在[MIN(0,d),MAZ(Nt-1,p-1+d)]上定义的，和“Nt”是系统中的音调总数，p是质数个音调，和“d”是规定的频率。
28．按照权利要求24的方法，其中所述产生一个或多个导频音跳频序列的步骤包括产生每个所述一个或多个有规定的斜率“a”的导频音跳频序列的步骤。
29．按照权利要求28的方法，其中所述斜率“a”对于一个或多个相邻基站中的所述基站是唯一的。
30．按照权利要求18的方法，其中产生所述波形的所述步骤包括按照公式Σi=1NpilCkSie2πfkSiΔft]]>产生所述波形的步骤， 是由序列Si={f0Si,f1Si,···fkSi,···}]]>给出的，i=1,…Npil,Δf是相邻音调之间的基本频率间隔， 是在第k个符号时刻和以音调 发射的已知符号。
31．按照权利要求30的方法，其中fkSi=Z{(a(kmodT)+Si)modp+d},]]>“k”是时间指数，“T”，“a”，“si”和“d”是积分常数，“p”是恒定质数，和“Z”是置换算符。
32．按照权利要求18的方法，其中产生所述波形的所述步骤包括按照公式Σi=1NpilCkSiΓkSie2πfkSiΔft]]>产生所述波形的步骤， 是由序列Si={f0Si,f1Si,···fkSi,···}]]>给出的，i=1,…Npil,Δf是相邻音调之间的基本频率间隔， 是在第k个符号时刻和以音调 发射的已知符号，和若fkSi∈
,]]>则ΓkSi=1;]]>否则，ΓkSi=0.]]>
33．按照权利要求32的方法，其中fkSi=Z{(a(kmodT)+Si)modp+d},]]>“k”是时间指数，“T”，“a”，“si”和“d”是积分常数，“p”是质数，和“Z”是置换算符。
34．按照权利要求33的方法，还包括发射所述导频音的步骤，且其中在[MIN(0,d),0]和[Nt-1,MAX(Nt-1,p-1+d)]上定义的虚假音调区中的导频音是不发射的，“Nt”是系统中的音调总数，p是质数个音调，和“d”是规定的频率。
35．一种用于正交频分复用(OFDM)基扩频多址无线系统中的基站中的设备，包括一个装置，用于产生一个或多个导频音跳频序列，每个跳频序列包含导频音，所述每个导频音是在规定的时频网格中规定的频率和时刻产生的；和一个装置，响应于所述一个或多个导频音跳频序列，产生发射的波形。
36．按照权利要求35的本发明，其中每个所述一个或多个导频音跳频序列是拉丁方基导频音跳频序列。
37．按照权利要求35的本发明，其中所述产生一个或多个导频音跳频序列的步骤包括按照Si={f0Si,f1Si,···fkSi,···}]]>产生每个所述一个或多个导频音跳频序列的步骤，i=1,…Npil。
38．按照权利要求37的本发明，其中所述产生一个或多个导频音跳频序列的装置包括产生每个所述一个或多个有规定的时间周期性的导频音跳频序列的装置。
39．按照权利要求38的本发明，其中所述时间周期性包括规定的数目的符号间隔。
40．按照权利要求39的本发明，还包括发射所述时间周期性的所述导频音的装置。
41．按照权利要求37的本发明，其中fkSi=Z{(a(kmodT)+Si)modp+d},]]>“k”是时间指数，“T”，“a”，“si”和“d”是积分常数，“p”是恒定质数，和“Z”是置换算符。
42．按照权利要求41的本发明，其中所述规定的数目的符号间隔T是质数。
43．按照权利要求41的本发明，其中所述产生一个或多个导频音跳频序列的装置包括产生每个所述一个或多个有质数个不同音调的导频音跳频序列的装置。
44．按照权利要求4l的本发明，其中所述置换算符Z是在[MIN(0,d),MAX(Nt-1,p-1+d)]上定义的，和“Nt”是系统中的音调总数，p是质数个音调，和“d”是规定的频率。
45．按照权利要求41的本发明，其中所述产生一个或多个导频音跳频序列的装置包括产生每个所述一个或多个有规定的斜率“a”的导频音跳频序列的装置。
46．按照权利要求45的本发明，其中所述斜率“a”对于一个或多个相邻基站中的所述基站是唯一的。
47．按照权利要求35的本发明，其中产生所述波形的所述装置包括按照公式Σi=1NpilCkSie2πfkSiΔft]]>产生所述波形的装置， 是由序列Si={f0SI,F1Si,···fkSi,···}]]>给出的，i=1,…Npil,Δf是相邻音调之间的基本频率间隔， 是在第k个符号时刻和以音调 发射的已知符号。
48．按照权利要求47的本发明，其中fkSi=Z{(a(kmodT)+Si)modp+d},]]>“k”是时间指数，“T”，“a”，“si”和“d”是积分常数，“p”是恒定质数，和“Z”是置换算符。
49．按照权利要求35的本发明，其中产生所述波形的所述装置包括按照公式Σi=1NpilCkSiΓkSie2πfkSiΔft]]>产生所述波形的装置， 是由序列Si={f0Si,f1Si,···fkSi,···}]]>给出的，i=1,…Npil,Δf是相邻音调之间的基本频率间隔， 是在第k个符号时刻和以音调 发射的已知符号，和若fkSi∈
,]]>则ΓkSi=1;]]>否则，ΓkSi=0.]]>
50．按照权利要求49的本发明，其中fkSi=Z{(a(kmodT)+Si)modp+d},]]>“k”是时间指数，“T”，“a”，“si”和“d”是积分常数，“p”是恒定质数，和“Z”是置换算符。
51．按照权利要求50的本发明，还包括发射所述导频音的装置，且其中在[MIN(0,d),0]和[Nt-1,MAX(Nt-1,p-1+d)]上定义的虚假音调区中的导频音是不发射的，“Nt”是系统中的音调总数，p是质数个音调，和“d”是规定的频率。
全文摘要
利用包含已知符号的导频实现基站识别和下行链路同步,该导频是在各个规定的时间间隔以规定的频率音发射的。具体地说,导频中所用的符号唯一地定位于时频网格中,其中各个位置是由周期性导频音跳频序列确定的。在本发明的特定实施例中,导频音跳频序列的周期是这样构成的,以拉丁方基跳频序列开始,在时间上给以截断,以及可能在频率上偏移和置换它。导频音跳频序列的具体例子是平行斜率跳频序列,其中该序列的周期性选取为质数个符号时间间隔。
文档编号H04L27/26GK1318953SQ0111654
公开日2001年10月24日 申请日期2001年4月12日 优先权日2000年4月18日
发明者乐基夫·拉勒亚, 励镌怿, 萨斯亚德夫·V·乌帕拉 申请人:朗迅科技公司