适用于TDDSC‑FDE的宽带无线传输系统的物理层帧结构的制作方法

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种适用于tddsc-fde的宽带无线传输系统的物理层帧结构及相应的通讯方法。

背景技术：

随着无线通信技术的飞速发展，宽带无线通信中的信号传输已经成为人们日益关注的焦点。宽带无线通信中的信号传输需要克服由信道的多径效应和多普勒效应所带来的频率选择性衰落和时间选择性衰落等问题。ofdm(正交频分复用)和sc-fde(单载波频域均衡)技术的提出为解决这个问题提供了切实可行的手段。

sc-fde技术在每个数据块末尾内填充循环前缀(cp)形成sc-fde符号发送；接收端去除cp后，进行离散傅立叶变换(dft)得到频域信号，然后利用信道估计结果进行频域均衡，最后进行离散傅立叶反变换(idft)并转换为串行数据流即得到原始数据。sc-fde技术可以有效对抗信道衰落，与ofdm系统相比，sc-fde降低了系统对频偏影响的敏感程度，具有较低的峰均功率比，并且对于无编码系统，能充分利用多径的分集增益。sc-fde的性能与ofdm系统相近，对于无编码和高编码效率的系统，sc-fde甚至有更好的性能。

宽带无线通信系统可以通过tdd(时分双工)方法实现信号的双工传输，即下行(从基站传输到用户设备的通信链路)信号和上行(从用户设备传输到基站的通信链路)信号在相同的频带上分别于两个不同的时间段进行发送。其优点在于：首先，tdd方式不需要成对的频谱，只用一个信道，便于频率规划，提高频谱利用效率；其次，无线信道衰落的快慢取决于传输频率，tdd上下行使用相同频率，上下行链路的传播特性相同，利用这种相关特性，可以很方便的采用预处理技术提高系统性能，对抗信道衰落；再次，tdd方式采用收发一个信道，可以省去一个价格比较昂贵的双工器，使收发器设计变得简单，简化rf部分设计，同时也能减小设备体积；最后，tdd只使用一个信道传输上下行数据，便于上下行带宽的灵活分配，而对于业务需求来讲也主要是非对称的，从而适应不同业务的需求。

对于tdd宽带无线通信系统而言，怎样设计物理层帧结构用于系统上行/下行传输，同时解决频谱资源分配、时延和保护间隔等问题成为其关键点。

在申请号为cn200710141437、公开号为cn101374012、公告日为2009年2月25日的中国专利“时分双工正交频分复用系统无线传输方法及物理层帧结构”中，给出了一种基于ofdm时分双工tdd系统的帧结构。该帧结构描述为：将物理层帧划分为等时长等结构的两个子帧，每一个子帧中又包括若干常规业务时隙和两个保护间隔，即第一保护间隔和第二保护间隔。在进行无线传输时，先利用一个常规时隙发送下行业务控制信息，之后停顿一段时间，再利用一个或多个常规业务时隙接收上行业务，之后再停顿一段时间，再利用一个或多个常规业务时隙发送下行业务。该专利所述物理层帧结构指出了基于ofdm的tdd宽带通信系统的无线传输方法，在提高系统资源利用率的同时抑制上、下行信号的干扰。但该专利所述物理层帧结构需要在严格的时间同步机制保证的基础上实施，且根据前节背景技术所述，基于tddsc-fde的宽带无线传输系统具有tddofdm宽带系统所不及的优势，因此需要研究一种适用于tddsc-fde宽带无线传输系统的物理层帧结构。

技术实现要素：

为解决现有物理层帧结构需要在严格的时间同步机制保证的基础上才能达到提高宽带通信系统资源利用率及抑制上、下行信号的干扰效果的弊端，本发明提供了一种适用于tddsc-fde的宽带无线传输系统的物理层帧结构及相应的通讯方法。

本发明的技术方案是：

适用于tddsc-fde的宽带无线传输系统的物理层帧结构，定义上行复帧的发送设备和下行复帧发送设备中其中一方为主站，另一方为从站；其特殊之处在于：

所述物理层帧结构包括多个超帧；每个超帧包括s个上行复帧和m个下行复帧；s个上行复帧和m个下行复帧任意组合排列，相邻的上行复帧和下行复帧之间以及相邻的下行复帧和上行复帧之间均依次设置有上行/下行复帧保护间隔g0和收发切换保护间隔gp；其中，s≥1，m≥1；

上行/下行复帧保护间隔g0用于上行复帧和下行复帧之间的传输时延的保护；所有上行/下行复帧保护间隔g0总的保护时长大于主站和从站之间的空间距离达到最大极限距离时所造成的传输时延；

收发切换保护间隔gp用于主站的发送和从站接收状态切换时延的保护，单个收发切换保护间隔gp的保护时长大于等于硬件电路要求的最小收发切换时间；

当主站和从站之间的空间距离未达到最大极限距离时，处于下行复帧前后端的两个上行/下行复帧保护间隔的保护时长不相等；

上行复帧包括pu个长度固定的上行传输帧复合而成，下行复帧包括pd个长度固定的下行传输帧复合而成；所述pu和pd的值由信源的数据率需求和无线传输业务需求确定；

每个上行传输帧和下行传输帧均由training域、signal域和data域构成；上行复帧中的第一个上行传输帧的signal域携带上行复帧控制信息；下行复帧中的第一个下行传输帧的signal域携带下行复帧控制信息；所述上行复帧控制信息和下行复帧控制信息用于使接收端知道接收何时结束，发送何时开始。

进一步地，上述上行/下行复帧保护间隔g0和收发切换保护间隔gp均为固定值。

进一步地，1≤pu≤n，1≤pd≤n，2≤pu+pd≤n+1，n为大于等于2的整数，n由上下行业务数据带宽需求确定。

进一步地，上述上行复帧或下行复帧的时长均为t～n*t，t根据上下行数据带宽需求和无线信道相干时间确定。

进一步地，上述上行复帧和下行复帧的时长均为t。

进一步地，上述上行传输帧和下行传输帧的结构相同；

上行传输帧由n个标准sc-fde符号构成，training域占用n1个sc-fde符号，signal域占用n2个sc-fde符号，data域占用n3个sc-fde符号；n1,n2,n3的值依据具体数据链路业务确定；n＝n1+n2+n3；一个标准sc-fde符号周期为t/n。

进一步地，上述training域包括ns个短训练序列、nl个长训练序列，ns和nl依据通信链路确定；

每个短训练序列采用长度为l0的chu0序列，单个chuo序列的周期为t/n/ns；短训练序列用于分组检测、agc、载波粗同步和符号定时，可用于检测频率偏差；

每个长训练序列采用l1点chu1序列，nl个长训练序列的chu1序列相同，且共用循环前缀g1；循环前缀g1为一个标准sc-fde符号循环前缀g2的2倍；长训练序列用于载波细同步、信道估计、采样同步操作；

所述signal域由循环前缀g2和控制信息调制符号块组成；signal域携带传输帧的控制信息；

所述data域由循环前缀g3和数据调制符号块组成；data域携带传输帧的数据业务信息。

本发明同时提供了一种适用于tddsc-fde的宽带无线通讯方法，定义上行复帧的发送设备和下行复帧发送设备中其中一方为主站，另一方为从站；其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)构建超帧

该通讯方法的传输物理层帧结构包括多个超帧；每个超帧包括s个上行复帧和m个下行复帧；s个上行复帧和m个下行复帧任意组合排列，相邻的上行复帧和下行复帧之间以及相邻的下行复帧和上行复帧之间均依次设置有上行/下行复帧保护间隔g0和收发切换保护间隔gp；其中，s≥1，m≥1；

所有上行/下行复帧保护间隔g0总的保护时长大于主站和从站之间的空间距离达到最大极限距离时所造成的传输时延；单个收发切换保护间隔gp的保护时长大于等于硬件电路要求的最小收发切换时间；当主站和从站之间的空间距离未达到最大极限距离时，处于下行复帧前后端的两个上行/下行复帧保护间隔的保护时长不相等；

2)传输超帧

主站以确定的超帧周期启动上行复帧的发送；从站根据其所接收到的上行复帧的起始位置计算出下行复帧的起始时刻，并启动下行复帧的发送。

进一步地，上述上行复帧包括pu个长度固定的上行传输帧复合而成，下行复帧包括pd个长度固定的下行传输帧复合而成；所述pu和pd的值由信源的数据率需求和无线传输业务需求确定；

所述每个上行传输帧和下行传输帧均由training域、signal域和data域构成；上行复帧中的第一个上行传输帧的signal域携带上行复帧控制信息；下行复帧中的第一个下行传输帧的signal域携带下行复帧控制信息；所述上行复帧控制信息和下行复帧控制信息用于使接收端知道接收何时结束，发送何时开始。

进一步地，上述上行/下行复帧保护间隔g0和收发切换保护间隔gp均为固定值；

所述pu、pd满足：1≤pu≤n，1≤pd≤n，2≤pu+pd≤n+1，n为大于等于2的整数，n由上下行业务数据带宽需求确定；

所述上行复帧或下行复帧的时长均为t～n*t，t根据上下行数据带宽需求和无线信道相干时间确定；

所述上行传输帧和下行传输帧的结构相同。

所述上行传输帧由n个标准sc-fde符号构成，training域占用n1个sc-fde符号，signal域占用n2个sc-fde符号，data域占用n3个sc-fde符号；n1,n2,n3的值依据具体数据链路业务确定；n＝n1+n2+n3；一个标准sc-fde符号周期为t/n。

本发明的有益效果：

1、本发明通过设定主站和从站的方法进行宽带无线传输，主站负责维护超帧结构，主站以确定的超帧周期启动上行复帧的发送，从站根据其所接收到的上行复帧的起始位置计算出下行复帧的起始时刻并启动下行复帧的发送，因此，上行、下行链路能够自行进行超帧结构的时间同步，无需额外的时间同步模块，在节省硬件资源的同时，简化了系统收发的时间同步机制。

2、本发明采用超帧、复帧长度可变，传输帧长度固定的多层物理层帧结构，在保证可靠的宽带无线传输的同时根据上下行无线业务不对称的情况，通过设置超帧中上、下行传输帧的个数，灵活分配上、下行带宽，提高了宽带通信系统的资源利用率。

3、本发明的传输帧结构中的短训练序列和长训练序列作为传输帧的前导结构可以分别供以接收端进行分组检测、agc、信道估计、载波同步和符号同步等操作，由于短训练序列和长训练序列分别采用了重复结构的chu0序列和chu1序列，可以获得更高的信噪比和更强的抵抗多径时延的能力。

4、本发明采用tddsc-fde的宽带无线通信系统，相对于传统tddofdm系统而言，本发明具有较低的峰均功率比，降低了系统对频偏影响的敏感程度。

5、本发明若上行传输帧和下行传输帧采用相同的结构，可以复用相同的收发电路，利于缩减硬件实现对资源的消耗。

6、依据具体传输距离与射频硬件的不同，本发明上行/下行复帧保护间隔g0和收发切换保护间隔gp均设定为不同的固定值，因此可适用于各种通讯方法。

附图说明

图1是本发明的物理层帧结构的示意图。

图2是本发明的上行/下行传输帧结构的示意图。

图3是本发明一实施例中源发射时刻为时间参考的tddsc-fde宽带无线传输系统空中接口的物理层帧结构图；图中，t0为超帧n起始时刻，同时也是该超帧n中上行复帧起始时刻；t1为超帧n中上行复帧结束时刻；t2为超帧n中下行复帧起始时刻；t3为超帧n中下行复帧结束时刻；t4为超帧n结束时刻，同时也是超帧n+1的起始时刻。

图4是本发明一实施例中主站所在地的空中信号为时间参考时的tddsc-fde宽带无线传输系统空中接口的物理层帧结构图；图中，dl0是主站到从站的传播时延；dl1是从站到主站的传播时延；gr是剩余保护间隔，gr等于2*(g0+gp)-dl0-dl1；t0为超帧n起始时刻，同时也是超帧n中上行复帧起始时刻；t1为超帧n中上行复帧结束时刻；t2为超帧n中下行复帧起始时刻；t3为超帧n中下行复帧结束时刻；t4为超帧n结束时刻，同时也是超帧n+1的起始时刻。

图5是本发明实施例中tddsc-fde宽带无线传输系统的主/从站状态机的状态转移图；其中，图(a)是主站状态机的状态转移图；图(b)是从站状态机的状态转移图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

本发明物理层帧结构是一种由超帧、复帧、传输帧组成的多层帧结构，适用于tddsc-fde的宽带无线传输系统。以每个超帧包含一个上行复帧和一个下行复帧为例，如图1所示，该物理层帧结构由多个超帧组成：超帧指一个上行-下行循环，每个超帧由一个上行复帧、一个下行复帧、两个上行/下行复帧保护间隔g0和两个收发切换保护间隔gp组成。超帧中的上行/下行复帧个数可变，根据具体无线传输业务确定。

超帧中的上行/下行保护间隔g0用于上、下行复帧之间的传输时延的保护，超帧中所有上行/下行保护间隔g0总的保护时长大于主站和从站之间为最大传输距离时所造成的传输时延；当主站和从站之间的空间距离未达到最大极限距离时，处于同一下行复帧前后端的两个上行/下行复帧保护间隔的保护时长不相等。超帧中的收发切换保护间隔gp用于主站和从站的发送和接收状态切换时延的保护，单个收发切换保护间隔gp的保护时长由具体的射频电路决定，应大于等于硬件电路要求的最小收发切换时间。

超帧中的每个上行复帧包含pu个长度固定的上行传输帧，每个下行复帧包含pd个长度固定的下行传输帧，pu和pd的值由信源的数据率需求和无线传输业务需求确定；优选的，1≤pu≤n，1≤pd≤n，2≤pu+pd≤n+1，n为大于等于2的整数，n由上下行业务数据带宽需求确定。由于上行/下行复帧中的传输帧数目可变，从而使超帧的周期可变。上行/下行传输帧是本发明物理层传输的基本单位，包含独立完整的一次单向传输所需的全部信息，进一步地，上行/下行传输帧可作为一般的物理层操作，如信道估计、载波同步、训练、捕获、译码、交织等的基本单位，上行/下行传输帧的时间长度固定为t，t的选择可根据上下行数据带宽需求和无线信道相干时间确定，不做特定数字要求，本实施例中t＝512us。

本发明的上行传输帧和下行传输帧结构可以相同，也可以不同；当采用相同的传输帧结构时，可以复用相同的收发电路，利于缩减硬件，实现对资源的消耗。每个上行传输帧和下行传输帧均由training域、signal域和data域构成，上行复帧和/或下行复帧的时长为t～n*t。其中，上行/下行复帧中第一个传输帧的signal域携带复帧控制信息，该复帧控制信息中包含复帧中的传输帧个数，以使接收端知道接收何时结束，发送何时开始。

如图2所示，本发明中每个上行/下行传输帧由n个标准sc-fde符号构成，training域占用n1个sc-fde符号(training域的总时间长度等于n1个标准sc-fde符号)，signal域占用n2个sc-fde符号，data域占用n3个sc-fde符号，一个标准sc-fde符号周期为t/n，一个标准sc-fde符号由循环前缀g2和数据块组成，循环前缀g2是数据块末尾64个数据符号的复制，数据块的长度为256个调制符号。

training域(训练域)包括ns个短训练序列和nl个长训练序列。其中：

每个短训练序列采用长度为l0的chu序列(chu0)，周期为t/n/ns，相当于1/ns标准sc-fde符号的时间长度。短训练序列用于分组检测、agc、载波粗同步和符号定时。

每个长训练序列具有1个l1点chu序列(chu1)，nl个长训练序列的chu序列(chu1)相同，并且具有共同的循环前缀g1；循环前缀g1为一个标准sc-fde符号循环前缀g2的2倍。长训练序列用于载波细同步、信道估计、采样同步等操作。

signal域由循环前缀g2和控制信息调制符号块组成，signal域携带传输帧的各种控制信息。

data域由循环前缀g2和数据调制符号块组成，data域携带传输帧的数据业务信息。

实施例：

参见图2和图3，超帧中上行传输帧的个数为2，下行传输帧的个数固定为16，上行/下行复帧保护间隔g0和收发切换保护间隔一gp也取固定值，从而使宽带无线传输系统的物理层帧结构有固定且严格的时间结构。同时，将上行发送设备(地面站)定义为主站，将下行发送设备(空中站)定义为从站。

本实施例的超帧是由主站维护，即由地面站中的物理层电路通过其发送的上行复帧来确定的。在图3所示的物理层帧结构中，主站发送的上行复帧的起始时刻t0和结束时刻t1是确定的，在空中接口的超帧中起到时间标记的作用。从站则根据其所接收到的上行复帧来确定下行复帧的起始发送时刻t2，t2的具体数值由主站和从站之间的传输距离决定。下行复帧的周期为(t3-t2)s是固定值，等于pd(pd＝16)个下行传输帧的时间长度，但下行复帧的具体位置在(t1，t4)区间内变化。

图3是以绝对时间为坐标的物理层帧结构时序关系，图3中各信号的对应时间坐标都是其源设备的发送时刻。若针对主站或从站所在地的空中信号来描述物理层帧结构时序关系时，则需要考虑传输时延，以及其参考时间坐标。另外，处于下行复帧前后的两个上行/下行复帧保护间隔g01和g02是按照主-从站空间距离最大的情况画出的，当主-从站间的空间距离不是最大极限时，上行/下行复帧保护间隔g01和g02的时长将不同，此时的物理层帧结构时序关系需要由图4来描述。

图4是以主站所在地的空中信号为时间参考的帧结构时序关系，此时的主-从站间的空间距离不是最大。时间坐标点t0、t1、t2、t3、t4的含义与图3中一致，可见下行复帧是在t2时刻由从站发出的，但主站要再晚一个传播时延dl1后才能收到。故本实施例中，上行复帧与下行复帧的发送启动方式为：

主站以确定的超帧周期(如图4中的t0和t4时刻)启动上行复帧的发送；从站则是根据其所接收到的上行复帧的起始位置计算出下行复帧的起始时刻t2，并启动下行复帧的发送。

根据本实施例所述，在设计主站和从站收发状态机时，必须针对主站和从站分别采用如图5所示的控制方式，

主站的工作过程为：

(1)复位态；

(2)复位结束后进入发送态，发送上行复帧；

(3)待上行复帧发送结束后进入接收态，接收从站发来的下行复帧；

(4)待新的超帧周期开始，返回发送态，发送上行复帧。

从站的工作过程为：

(1)复位态；

(2)复位结束后进入接收态态，接收主站发来的上行复帧；

(3)待接收上行复帧结束后进入发送态，发送下行复帧给主站；

(4)待下行复帧发送结束或发送窗口结束后，返回接收态，等待接收主站发来的上行复帧。