用于ofdma通信中的多普勒频移补偿的系统和方法

专利名称：用于ofdma通信中的多普勒频移补偿的系统和方法
用于OFDMA通信中的多普勒频移补偿的系统和方法本申请是申请日为2009年4月24日的中国专利申请200980122222. 8的分案申请。相关案例的交叉引用本申请是于2008年4月25日所提交的、题目为“SYSTEMS AND METHODS FORDOPPLER SHIFT COMPENSATION IN OFDMA COMMUNICATIONS”(目前未决)的、序列号为 12/109，771的申请的继续，其在此处通过引用被并入，并且本申请要求对其的优先权。
背景技术：
正交频分多址(OFDMA)系统(比如由IEEE 802. 16e、WiMAX和LTE描述的系统)适度地受到多普勒频移降级的影响。尤其是对于WiMAX/802. 16e，规范规定了载波频率必须精确到子载波频谱宽度的2%。对于WiMAX，子载波宽度为10.94kHz。因此载波频率精确度必须为10. 94kHz X0. 02 = 218Hz。如果载波频率没有这么精确，则作为信号质量的量度的调制误差率(MER)将会降级。如果调制误差率(MER)降级，则OFDMA信号将不能够携带尽可能多的信息。一种通常被接受的、用于处理多普勒频移的方法是降低调制复杂性(例如从QAM64 (每个符号6位)降格到QPSK (每个符号2位))，使得MER的降级将不会导致误差。使用这种方法的缺点在于，降低的效率和降低的带宽不仅影响移动用户而且影响没有多普勒频移的其他用户，因为多个用户将在邻近的子信道上进行输，并且多普勒频移的子载波将会由于子载波正交性的降级而干扰没有频移的子载波，所述子载波正交性的降级则是由于载波误差产生的。事实上，这被称为ICI或载波间干扰。另一种方法(由Morelli等人在IEEE 的学报(Vol. 95, No. 7, July 2007)中的 “Synchronization Techniques for OFDMA^中进行了讨论)需要基站接收机来适应于特定子信道的载波频偏。然而，这不会消除ICI，并且可能需要使用空闲子载波作为子信道之间的防护频带。出于以上所述的原因和以下所述的其他原因(其对阅读并理解了说明书的本领域中的技术人员而言将变得明显)，在本领域中有对用于OFDMA通信中的多普勒频移补偿的改进的系统和方法的需求。概述本发明的实施方式提供了用于OFDMA通信中的多普勒频移补偿的方法和系统，并且将通过阅读和研究以下的说明书被理解。提供了用于确定用户站相对于基站的相对速度的系统和方法。在一个实施方式中，所述方法包括从基站向用户站发送查询消息，该查询消息请求由用户站使用的当前调制频率以调制传输；接收对查询消息的响应，该响应包括当前调制频率；确定在当前调制频率与目标载波频率值之间的偏移；以及基于该偏移计算用户站的速度。附图的简要说明当考虑到优选实施方式的描述和下列附图时，本发明的实施方式能够被更容易地理解，并且其他的优势和其用途将更容易明显，其中

图1A、1B和IC示出本发明的一个实施方式的双向通信系统100 ；
图2是示出本发明的一个实施方式的方法的流程图；图3是示出本发明的一个实施方式的方法的流程图；图4是示出本发明的一个实施方式的方法的流程图；以及图5-7是本发明的可选的实施方式的流程图，其示出用于确定用户站相对于基站的相对速度的方法。根据通常的做法，各种被描述的特征并不是按比例绘制的，而是被绘制成强调与本发明有关的特征。在附图和正文中，参考符号自始至终都表示相同的元件。详细描述在以下的详细描述中，对形成其一部分的附图进行参考，并且在附图中显示了具体的例证性实施方式，本发明可在所述实施方式中被实践。这些实施方式以足够的细节被描述以便使本领域中技术人员能够实践本发明，并且应理解，可以利用其他实施方式，并且可以做出逻辑的、机械的、电子的改变而不偏离本发明的范围。因此，以下详细描述并不在限制的意义上被理解。本公开描述了用于自适应测距的系统和方法，其能够用来最小化用于缓和多普勒频移的测距资源的使用。图1A、1B和IC示出了本发明的一个实施方式的双向通信系统100。系统100包括基站110，其与一个或多个上行网络112通信。系统100还包括一个或多个用户站120，其无线地耦合到基站110。系统100利用通常被称作正交频分多址(OFDMA)的多址方案。也就是说，给一个或多个用户站120中的每一个都分配了单个多载波正交频分复用(OFDM)波形(105)的子载波的子集，其由用户站120共享，用于和基站110进行通信。WiMAX(IEEE802. 16e)系统是这种正交频分多址系统的一个例子。LTE(长期演进)系统是另一个例子。基站110包括发射机(110-1)、接收机(110-2)、处理器(110-3)以及调制和解调OFDM信号并且将同步和其他控制指令传递到一个或多个用户站120所需的其他功能，以便促进OFDMA通信。基站110也包括在一个或多个用户站120和一个或多个上行网络112之间输送数据所需的那些功能和接口。一个或多个用户站120中的每一个还包括发射机(120-1)、接收机(120-2)、处理器(120-3)以及调制和解调OFDM信号并基于从基站110接收的同步指令调节OFDM传输所需的其他功能。在一个实施方式中，系统100实现常常被称为“测距”的过程，以便实现一个或多个用户站120的同步，以从一个或多个用户站120的组合OFDM传输在基站110上实现相干统一(coherent unified)的OFDM波形。一般的测距过程包括补偿符号定时、载波频率和从一个或多个用户站120到基站110的上行OFDM传输中的信号振幅误差的一个或多个。当该术语在本说明书中被使用时，测距过程包括至少识别在上行OFDM传输中的载波频率误差，以及按校正载波频率误差所需要的将频率调节指令发送至用户站。在一个实施方式中，载波频率误差由基站基于由用户站发送并在基站上接收的预定义测距模式来确定。在下行链路(也就是从基站110到一个或多个用户站120的下行传输)中，载波源自单个点源——基站110。用户站120需要并且能够通过通常所理解的采集和跟踪技术来锁定到下行链路载波频率。此外，因为WiMAX(和其他OFDMA系统)需要基站110将下行链路和上行链路(也就是从一个或多个用户站120到基站110的上行传输)载波频率锁定到‘主时钟’，用户站120能够从下行链路载波频率导出上行链路载波频率。在时分双工(TDD)操作的情况下，上行链路和下行链路频率实际上是一样的。在频分双工(FDD)操作的情况下，用户必须通过与下行链路频率的已知数学关系来导出上行链路频率。在用户站120不会相对于基站110运动的静态环境中，用户站120的上行链路载波频率被精确地锁定到基站110接收机解调载波频率，并且没有调节是必需的。然而，在移动环境中，下行链路和上行链路频率根据Af = RvA被移动了多普勒频移。例如，对于以125km/hr 速度的 6GHz 传输的情况，Af= (6*109Hz*(125*103m/(60min*60sec)))/3*108m/s = 694Hzo用户站120中的下行链路接收机能够跟踪在下行链路载波频率中的该多普勒频 移，但是该频移也会被复制在上行链路中，因为依据WiMAX规范，上行链路是从下行链路导出的。此外，上行链路载波频率将由于用户站120远离或朝着基站110的相对运动被移动了额外的Af。在以上的例子中，该频移将为2Af= 1，388Hz。因此，上行链路多普勒频移将近似为被允许的载波频移的6倍。OFDMA的WiMAX规范要求用户站120不仅使用下行链路载波来导出上行链路载波，而且还基于来自基站110的‘范围响应’ (RNG-RSP)消息使用基站110所测量的任何载波频率误差来调节载波频率。然而，如果用户站120中的一个朝着或远离基站110迅速加速，则多普勒频移将动态地改变——WiMAX规范不提供适当的解决方案的一种情况。例如，假设用户站120中的一个乘坐必须突然停止的交通工具以恒定的速度行进。如果我们假设有高速刹车，交通工具可以在例如6秒的时间内从125km/hr减速到Okm/hr。为了维持不超过2%的子载波误差，必须进行近似每秒一次的RNG-RSP调节。将该例子更广泛地应用到多个用户站是移动的情况，如果所有的用户站120必须每秒测一次距，则这个负担在用于测距的资源上施加了不应有的压力。如本发明的实施方式所提供的自适应测距解决了 OFDMA系统中的多普勒补偿，而不会在用于测距的资源上产生不应有的压力。该自适应测距方法和系统利用自适应载波频率测距周期。也就是说，基站所使用的载波频率测距周期是自适应的，因为它们基于当前关于用户单元的条件比如用户单元的速度或者被测量的载波频率误差被动态地调节。图2是示出了本发明的一个实施方式的一种自适应测距方法200的流程图。方法200示出用于多普勒校正的长循环测距周期方法。根据方法200，自适应测距仅为经历了高多普勒频移的用户站增加测距过程的频率。由于移动无线系统的更动态的性质，OFDMA系统比如系统100很可能比用户站总是静止的系统以更快的周期性测距开始。在具有移动用户站的系统中，用户站的最大加速度有可能是交通工具中的快速刹车，而不是正加速度。这是因为车辆中的刹车马力通常大于发动机马力。因此，更快的测距周期可能是必要的一个指示是，用户站是否以高速率行进。移动的用户站比不移动的用户站更可能改变加速度。除非用户站在加速，否则它不必保持对于多普勒频移的测距。因此，方法200在210以确定用户站的速度开始。许多OFDMA系统比如WiMAX能够适应较低的速度(例如高达60km/hr)而不降级到需要多普勒补偿的程度。如果系统能够补偿60kph的改变而没有对多普勒补偿的任何需要，则不需要为了多普勒目的在阀值水平以下执行任何测距，虽然可以在周期性的测距期间执行可选的频率校正。也就是说，对具有在阀值水平以下的速度(在215确定)的任何用户站而言，用户站被定义为静止的(在220示出)。也就是说，具有在阀值水平以下的速度的用户站被认为是静止的，即使它可能具有非零速度。只要用户站的速度维持在阀值水平以下，方法200就继续进行到230并且根据标准缺省测距周期(例如每十秒一次)继续执行测距，即使当频率误差被测量出时。所述方法将指示用户站根据需要补偿频率误差作为测距过程的一部分，但是将以长循环缺省测距周期保持下去。当用户站的速度增加到超过阀值水平时(在215确定)，用户站被定义为“在运动中”或者“正移动”(在240示出)，方法200转变到以运动中测距周期执行测距功能用于移动用户站(在250示出)。运动中测距周期可以基于一种设计，所述设计则基于最坏情况加速事件(也就是
说，系统被设计成要处理的最坏情况设计基础加速事件)。例如，以上的例子讨论了一个可能的最坏情况加速事件作为高速刹车的情况，其中交通工具在6秒的时间内从125km/hr减速到Okm/hr。对于这种最坏情况加速事件，为了维持不超过2%的子载波误差，运动中测距周期将被设定成近似每秒一次。当阅读了本说明书时，本领域中的普通技术人员将认识到，对于其他规定的最坏情况加速事件的运动中测距周期可容易被计算。本领域中的普通技术人员将认识到，在任何时刻，与基站通信的一个或多个用户站可具有超过阀值水平的速度，而其他的用户站可具有在阀值水平以下的速度。因此，利用与基站通信的不同用户单元中的每一个的不同测距周期来执行个别测距过程的基站被设想为在本发明的实施方式的范围内。在图3示出的自适应测距的可选实施方式中，方法300考虑对于用户站的载波频率误差的重大历史性改变，以便动态地确定该用户站的运动中测距周期。方法300示出用于多普勒校正的快反应慢衰减(fast attack slow decay)方法。该方法在310以根据缺省测距周期(例如，10秒)执行测距开始，其包括测量用户站的频率误差。也就是说，作为测距过程的一部分，基站测量从用户站接收的上行OFDM信号的频率误差。如果基站没有测量出任何明显的频率误差(在315确定)(例如超过预定限制的误差，比如2%的子载波误差)，所述方法返回到310并且以缺省测距周期继续其测距程序。当基站测量出频率中的明显误差(在315确定)时，基站继续进行到325并且将测距周期减小到小于缺省测距周期(例如，2. 5秒)的缩短的时间周期。所述方法继续进行到330，根据缩短的测距周期执行测距。如果基站继续测量频率中的明显误差(在335确定)，基站将返回到325并且将测距周期减小到更加短的时间间隔(例如，I秒)。基站将继续减小测距周期，直到测距周期达到系统的设计基础最坏情况加速事件的测距周期为止。如图3中所示，在返回到将测距周期减小至更加短的时间间隔的325之前，所述方法进行检查以了解当前测距周期是否小于或等于在系统的设计中假设的最坏情况测距周期(在320确定)。最坏情况测距周期将是系统成功地处理设计基础最坏情况加速事件所需的测距周期，并且将是最短的测距周期。如果当前的测距周期小于或等于最坏情况测距周期时，方法绕过块325并且继续进行到块330。一旦基站不再测量任何明显的频率误差，基站方法300就为预定监控周期维持当前测距周期。如果在该时间期间(在340确定)没有测量出明显的频率误差，该方法返回到310并且将测距周期恢复回缺省测距周期。在恢复测距周期时，测距周期可以被直接重置回缺省测距周期，或者可选地可在一段时间内在若干渐进步骤中被恢复回缺省测距周期。
在另一个实施方式中，当用户站行进得比阀值速度快并且具有指示速度的最近的快速改变的频率误差历史时，方法200中的长循环测距周期方法通过仅减小测距周期与方法300中的快反应慢衰减方法组合。例如，当检测到载波频率中的任何明显误差时使用这种方法，基站将用户站放入快速测距队列，并且将用户站保持在该队列中，直到被检测到的误差在多个测距迭代的可接受的水平以内。一旦检测到有低误差的一组数量的迭代，用户站就能够被放置回到慢速测距队列中。通过图4中的方法400示出一个这样的实施方式。该方法在410以确定用户站的速度开始。对于具有在阀值水平以下的速度(在415确定)的任何用户站，用户站被定义为静止的(在420示出)。也就是说，具有在阀值水平以下的速度的用户站被认为是静止的，即使它可能具有非零速度。在一个实施方式中，基站跟上慢速测距队列中的所有静止的用户站。只要用户站的速度在阀值水平以下，方法400就继续进行到430，并且根据标准缺省测距周期继续执行对该用户站的测距，即使当测量出频率误差时。当用户站的速度增加到超过阀值水平时(在415确定)，该用户站被定义为“在运动中”或者“正移动”(在440示出)。如关于方法300所描述的，方法400继续进行到450以便对任何移动的用户站执行测距。在特定用户站的速度出于任何原因不能被确定的情况下，基站能够默认为图3中用于特定用户站的快反应方法。有若干种方法来完成确定用户站相对于基站的相对速度的任务。例如，在一个实施方式中(通过图5中的流程图示出)，用户站将用户站用来调制传输的载波的当前频率存储到可查询的存储器中(例如，可查询的管理信息数据库(MIB))。如果对存储器的访问可用于基站(例如经由用户MIB查询(块510))，则基站能够获得该信息(块520)，并且转换在当前被调整的载波频率值与目标载波频率值之间的偏移(块530)，以及计算用户站的速度(块540)。可选地(见图6)，在时分双工(TDD)系统中，用户一般将其上行链路载波频率锁定到从基站接收的下行链路载波。如果用户站没有用户正调制的上行链路载波的绝对频率，它将具有相对于下行链路载波对上行链路载波做出的载波频率调节。该信息能够通过查询(见块610-620)或其他方法被提供回基站。载波频率调节可以接着由基站使用，以便计算用户的速度(块630)。通常来说，在频分双工(FDD)系统中，上行链路载波频率基于与下行链路载波频率的预定数学关系，而不是对下行链路载波频率的一对一锁定。在这种情况下，载波频率调节信息能够类似地通过查询或者其他方式提供回基站，并且由基站使用以计算用户的速度。在另一个实施方式中(见图7)，基站记录被发送到每个用户站的频率调节的运行总和(块710)。该运行总和将代表在由用户站使用的当前被调节的载波频率与用户站的目标载波频率之间的偏移(块720)。该偏移还将容易转换成用户站的速度(730)。在另一个实施方式中，用户站可以不以卫星定位系统比如全球定位系统(GPS)接收机为基础记录其位置。当该位置信息对基站可用时，基站能够通过记录用户站随时间的过去的位置来计算用户站的速度。
若干方法可用于实现如本说明书中所讨论的本发明的系统和方法。这些方法包括但不限于数字计算机系统、数字信号处理器、微处理器、通用计算机、可编程控制器以及现场可编程门阵列。例如，图2、3和4的方法每个能够被编程为在系统100的基站110上存在的算法。因此，本发明的其他的实施方式是存在于计算机可读存储介质上的程序指令，当其由这种控制器实现时使控制器能够实现本发明的实施方式。计算机可读存储介质包括任何形式的计算机存储器储存设备，包括但不限于穿孔卡片、磁盘或磁带、任何光学数据储存系统、闪速只读存储器(ROM)、非易失性ROM、可编程ROM(PROM)、可擦可编程ROM(E-PROM)、随机存取存储器(RAM)、或者任何其他形式的永久性、半永久性或临时存储器储存系统或设备。程序指令包括但不限于由计算机系统处理器执行的计算机可执行指令以及硬件描述语言比如超高速集成电路(VHSIC)硬件描述语言(VHDL)。虽然此处已示出并描述了具体的实 施方式，但本领域中的普通技术人员将认识至IJ，为实现相同的目的所计算的任何布置可以代替所示的具体实施方式
。本申请旨在涵盖本发明的任何修改或变化。因此，意图显然是，本发明仅由权利要求和其等价物限制。
权利要求
1.一种用于确定用户站相对于基站的相对速度的方法，所述方法包括 将查询消息从基站发送至用户站，所述查询消息请求由所述用户站使用的当前调制频率以调制传输； 接收对所述查询消息的响应，所述响应包括所述当前调制频率； 确定在所述当前调制频率与目标载波频率值之间的偏移；以及 基于所述偏移计算所述用户站的速度。
2.如权利要求I所述的方法，其中所述当前调制频率由所述用户站存储在可查询的存储器中。
3.如权利要求I所述的方法，其中所述当前调制频率由所述用户站存储在管理信息库中。
4.一种用于确定用户站相对于基站的相对速度的方法，所述方法包括 将查询消息从基站发送至用户站，所述查询消息请求由所述用户站相对于下行链路载波应用于上行链路载波的载波频率调节的值； 接收对所述查询消息的响应，所述响应包括所述载波频率调节的值； 基于所述载波频率调节的值计算所述用户站的速度。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述载波频率调节的值由所述用户站存储在可查询的存储器中。
6.如权利要求4所述的方法，其中所述载波频率调节的值由所述用户站存储在管理信息库中。
7.一种用于确定用户站相对于基站的相对速度的方法，所述方法包括 确定从所述用户站接收的上行OFDM信号的频率误差； 基于所述频率误差将频率调节指令发送至所述用户站； 维持被发送到所述用户站的频率调节的运行总和； 基于所述运行总和确定在当前载波频率与目标载波频率值之间的偏移；以及 基于所述偏移计算所述用户站的速度。
全文摘要
提供了用于确定用户站相对于基站的相对速度的系统和方法。在一个实施方式中，所述方法包括将查询消息从基站发送至用户站，查询消息请求由用户站使用的当前调制频率以调制传输；接收对所述查询消息的响应，该响应包括当前调制频率；确定在当前调制频率与目标载波频率值之间的偏移；以及基于所述偏移计算用户站的速度。
文档编号H04L27/26GK102685068SQ20121009967
公开日2012年9月19日 申请日期2009年4月24日 优先权日2008年4月25日
发明者H·A·罗伯茨 申请人:Adc长途电讯有限公司