专利名称：低复杂度正交频分复用通信系统及多用户接入方法
技术领域：
本发明涉及一种低复杂度的多输入多输出正交频分复用(MIMOOFMD)通信系统及其多用户接入方法。特别是，涉及利用循环后缀(CS)代替一般OFDM系统的循环前缀(CP)，减小了存储器资源的占用，具有高灵活性的多用户MIMO OFDM系统。
背景技术：
随着无线网络、多媒体技术和因特网的逐渐融合，人们对无线通信业务的类型和质量的要求越来越高。为满足无线多媒体和高速率数据传输的要求，需要开发新一代无线通信系统。近来，多天线输入和输出(MIMO)和正交频分复用(OFDM)相结合的MIMO OFDM无线传输技术受到广泛关注。
有关多天线输入和输出的技术可参考G J.Foschini于1996年发表了题为“在使用多天线的衰落环境中用于无限通信的分层空时架构(Layeredspace-time architecture for wireless communication in a fading environmentwhen using multi-element antennas)”的论文，该文章发表在Bell Labs Tech.J.，vol.1，1996，第41-59页。I.E.Telatar于1999年发表了题为“多天线高斯信道的容量(Capacity of multi-antenna Gaussian channels)”的文章，该文章发表在Eur.Trans.Tel.，vol.10，no.6，Nov./Dec.1999，第585-595页。关于MIMO与正交频分复用(OFDM)相结合的资料可参考A.J.Paularj等人于2004年在Proceedings of IEEE，vol.92，no.2，Feb.2004，第pp.198-218发表的题为“MIMO通信纵览一千兆比特无线通信的关键(An Overview ofMIMO Communications-A Key to Gigabit Wireless)”的文章。
MIMO和OFDM相结合的MIMO OFDM技术具有两者的优点，它既通过OFDM调制把频率选择性MIMO衰落信道分解成一组并行平坦衰落信道，又利用MIMO提高了系统容量，适用于传输高速率的音、视频等多媒体业务。
相对于单天线OFDM系统，多天线OFDM系统具有传输速率和可靠性高等性能优点，但其缺点是实现复杂度较高。一般的OFDM系统中，均采用了把每个OFDM符号的最后一部分样本复制到每个OFDM符号块之前获得循环前缀(CP)以抗符号间的干扰。在这种方案中，只有在获得了一个完整的OFDM符号后，才能进行CP插入操作，这需要耗用一定的存储器空间，并且存在处理时延。而在MIMO无线通信系统中，为了获得分集或复用增益，通常要求在基站(BS)的天线间隔为数十个波长，用户终端(UE)的天线间隔为一个波长量级。随着天线间隔的增大，必然会增加基站的尺寸和成本。在目前的工作频段中，用户终端采用多天线也较为困难。因此，低复杂度的MIMO OFDM系统一直是寻求的目标。为此，本发明从MIMO OFDM系统中的两项基本技术OFDM和MIMO出发，提出了降低工程实现难度的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种低复杂度的多输入多输出正交频分复用通信系统及其多用户接入方法。使用该通信系统和方法能够实现OFDM和MIMO技术结合的复杂度的降低。
为了实现本发明的目的，根据本发明的一个方面，提供一种支持多用户接入的低复杂度多输入多输出正交频分复用发送装置，包括导频序列插入装置，用于在调制的发送符号流中插入用于定时、信道估计的导频序列；逆离散傅氏变换处理装置，用于对调制符号流作逆离散傅氏变换；循环后缀加入装置，用于把保护间隔符号插入受到逆离散傅氏变换处理后的符号流中的每个正交频分复用符号之后；和包括至少一幅双极化天线的发送装置，用于对得到的正交频分复用基带符号进行载波调制并发射。
根据本发明的另一个方面，提供一种支持多用户接入的低复杂度多输入多输出正交频分复用接收装置，包括包括至少一幅双极化天线的接收装置，用于接收多输入多输出正交频分复用载波信号，并将所述接收的信号下变频为基带符号；时频同步装置，用于对经过变频的符号进行定时、频率同步；循环后缀移出装置，用于删除插入到每个正交频分复用符号之后的循环后缀；和离散傅氏变换装置，用于对已删除循环后缀的正交频分复用符号进行N点离散傅氏变换。
根据本发明的再一个方面，提供一种多用户接入低复杂度多输入多输出正交频分复用系统的方法，包括步骤对调制符号流作N点逆离散傅氏变换，其中N为IDFT运算的点数；把保护间隔符号插入受到IDFT处理后的符号流中的每个正交频分复用符号之后；向不同用户分配不同的正交频分复用子载波集，在频率域动态改变用户冲突数量，得到一组多址方案；在接入用户采用频分多址模式的情况下把每个子载波分配给一个用户；和在接入用户采用码分多址模式的情况下在把全部子载波分配给所有接入用户。
根据本发明的再一个方面，提供一种多用户接入低复杂度多输入多输出正交频分复用系统的方法，包括步骤发射端根据信道状态信息自适应地向用户分配子载波；当正交频分多址应用于多址信道时，所有接入用户在小功率放大器下工作并为用户动态分配带宽；和当正交频分多址应用于广播信道时，对多个用户并行发射数据，以便通过调整子载波下行发射功率控制链路质量。
根据本发明的再一个方面，提供一种支持多用户接入的低复杂度多输入多输出正交频分复用发送装置，包括导频序列插入装置，用于在调制的发送符号流中插入用于定时、信道估计的导频序列；扩频装置，利用各个用户的扩频序列对符号流进行扩频；媒体接入控制载波分配装置，用于向调制的符号流分配预定的载波数；逆离散傅氏变换处理装置，根据分配给用户的载波数对调制符号流作与分配的载波数对应的点的逆离散傅氏变换；循环后缀加入装置，用于把保护间隔符号插入受到逆离散傅氏变换处理后的符号流中的每个正交频分复用符号之后；和包括至少一幅双极化天线的发送装置，用于对得到的正交频分复用基带符号进行载波调制并发射。
根据本发明的通信系统和方法，利用循环后缀代替一般OFDM系统的循环前缀，减小了存储器资源的占用；利用至少一幅正交极化天线代替两幅单极化天线，降低了系统的复杂度，并获得极化分集增益；推广了一般的正交频分多址方案，提高了多用户MIMO OFDM系统的灵活性。
通过阅读和理解下面参考附图对本发明优选实施例所做的详细描述，将使本发明的这些和其它目的、特征、和优点变得显而易见。其中图1A和1B是现有技术的多天线系统的发送机和接收机结构的方框图；图2A和2B是根据本发明的MIMO OFDM系统发送机和接收机结构的方框图；图3是说明循环前缀(CP)OFDM和循环后缀(CS)OFDM的数据格式的示意图；图4是表示MIMO CP-OFDM和MIMO CS-OFDM的比特误差率性能的示意图；图5是表示不同线性接收机的比特误差率性能的示意图；图6是表示不同调制方式下的比特误差率性能的示意图；图7是表示MIMO OFDM系统的多用户接入的示意图；图8是表示一般OFDMA多址的示意图；图9是表示OFDMA多址的示意图，其中每用户分配一个子载波；图10是表示OFDMA多址的示意图，其中所有用户共享全部子载波；图11是表示根据本发明实施例的MIMO OFDM系统的多用户接入协议族。
具体实施例方式
下面参照附图对本发明的实施例进行详细的说明，在描述过程中省略了对于本发明来说是不必要的细节和功能，以防止对本发明的理解造成混淆。
为了更好地理解本发明，首先参考图1A和1B描述MIMO系统发送机和接收机的结构和其操作。图1A和1B分别表示空分复用MIMO系统的发送端和接收端。发送端和接收端均采用两幅单极化天线。
如图1A所示，MIMO系统的发送机包括串/并变换器11a，信道编码器12a，交织器13a，调制器14a，导频序列插入单元15a，逆离散傅氏变换(IDFT)调制单元16a，循环前缀(CP)加入单元17a，和两幅单极化天线18a。如图1B所示，接收机包括离散傅氏变换(DFT)解调制单元16b，CP移出单元17b，时频同步单元15，和两幅单极化天线18b。另外，为了简单起见，图1B中用信号处理单元19代替接收机中进行解调，解交织，解码操作的有关装置，并省略与这些装置的操作有关的操作的描述，因为这些部分与本发明没有直接关系。
下面结合图1A和1B说明空分复用MIMO系统的操作。如图1A和1B所示，发送端和接收端均采用两幅单极化天线。在发送端，串/并变换器11a把输入的比特流复用到每幅天线支路端，获得两个发射子流。对于每个天线的支路端，采用信道编码器12a对输入的、经过串/并变换的比特流进行信道编码以抗噪声。此后，利用交织器13a对信道编码器12a输出的数据进行交织处理以降低比特流相关性，并将处理后的比特流提供给调制器14a。调制器14a将交织器13a输出的比特流调制为符号流。导频序列插入单元15a在调制的发送符号流中插入用于定时、信道估计的导频序列。然后，采用逆离散傅氏变换(IDFT)处理器16a对调制符号流作N点(N为IDFT运算的点数，如64、1024等，下同)逆离散傅氏变换。CP加入单元17a对IDFT处理后的符号流加入循环前缀。此后，发送单元18a把得到的OFDM基带符号经载波调制后发射。
在接收端，接收单元18b把接收到的OFDM载波信号下变频为基带符号，时频同步单元15对经变频的符号进行定时、频率同步。循环前缀(CP)移出单元把OFDM符号的循环前缀删除。离散傅氏变换(DFT)单元16b对已删除循环前缀的OFDM符号进行N点离散傅氏变换。此后，信号处理单元19对DFT单元16b输出的信号进行接收信号处理、信道估计、解调、解交织、译码后恢复信息比特流。
下面说明本发明的MIMO OFDM系统的发送端和接收端的结构和操作。图2A和2B分别示出了根据本发明实施例的MIMO OFDM系统的发送端和接收端的结构方框图。
根据本发明的MIMO OFDM系统的发送机包括串/并变换器21a，信道编码器22a，交织器23a，调制器24a，导频序列插入单元25a，逆离散傅氏变换(IDFT)调制单元26a，循环后缀(CS)加入单元27a，和一幅双极化天线28a。应该指出，本发明不限于在此使用的一幅双极化天线，也可根据需要采用多幅双极化天线。如图2B所示，本实施例的接收机包括离散傅氏变换(DFT)解调制单元26b，循环后缀(CS)移出单元27b，时频同步单元25，和一幅双极化天线28b。同样，接收端也不限于采用一幅双极化天线，而是可根据需要采用多幅双极化天线。另外，为了简单起见，图2B中用信号处理单元29代替接收机中进行解调，解交织，解码操作的有关装置，并省略与这些装置的操作有关的操作的描述，因为这些部分与本发明没有直接关系。
下面描述根据本发明实施例的MIMO OFDM系统的操作。如图2A和2B所示，在发送端，串/并变换器21a把输入的比特流复用到极化天线的每条支路端，获得两个发射子流。对于天线的每条支路端，信道编码器22a对输入的、经过串/并变换的比特流进行信道编码以抗噪声。此后，利用交织器23a对信道编码器22a输出的数据进行交织处理以降低比特流相关性，并将处理后的比特流提供给调制器24a。调制器24a将交织器23a输出的比特流调制为符号流。导频序列插入单元25a在调制的发送符号流中插入用于定时、信道估计的导频序列。然后，采用逆离散傅氏变换(IDFT)处理器26a对调制符号流作N点逆离散傅氏变换。CS加入单元27a对IDFT处理后的符号流加入循环后缀。此后，发送单元18a把得到的OFDM基带符号经载波调制后发射。
在接收端，接收单元28b把接收到的MIMO OFDM载波信号下变频为基带符号，时频同步单元25对经过变频的符号进行定时、频率同步。CS移出单元把OFDM符号的循环后缀删除。离散傅氏变换(DFT)单元26b对已删除循环后缀的OFDM符号进行N点离散傅氏变换(N为IDFT运算的点数)。此后，信号处理单元29对DFT单元26b输出的信号进行接收信号处理、MIMO检测、信道估计、解调、解交织、译码后恢复信息比特流。
根据本发明的MIMO OFDM系统与现有技术的MIMO OFDM系统相比，其主要不同之处在于利用CS加入单元和CS移出单元代替现有的OFDM系统的CP加入单元和CP移出单元，并利用一副正交极化天线代替两幅单极化天线。通过对系统作了这些改变之后，降低了实现复杂度而性能相当。
另外，在现有的OFDM系统中，CP插入到每个OFDM符号块之前，以保持符号块间的正交性。在本发明的利用CS的OFDM系统中，把OFDM符号的前NG符号(即保护间隔)插入到每个OFDM符号之后。经过信道传输后，在接收端，与现有的CP OFDM系统的操作相同，移出前NG符号后进行DFT解调。
在现有的CP OFDM系统中，由于待插入到CP位置的样本位于OFDM符号的前端，仅当获得一个OFDM符号后才可发射OFDM符号，需要字长为N的缓存器。而在本发明的CS OFDM中，CS位于OFDM符号后端，需要字长为NG的缓存器，IDFT处理后的符号可直接输入到下一级而无需等待时延。相比之下，本发明的CS OFDM占用的缓存器资源更少。
在现有的OFDM系统中，CP插入到每个OFDM符号块之前，以保持符号块间的正交性，如图3(a)。从第nt个天线端发射的信号子流由下面的公式(1)表示xCPnt(n)=Σk=0N-1Xnt(k)exp(j2πkn/N)]]>n＝-NG…0…N-1 (1)式中N为OFDM子载波数，NG为保护间隔(GI)样本数。经过信道传输后，DFT解调前第nt根天线端的接收信号由下面的公式(2)表示(假设已对信号的时、频同步误差作补偿)yCPnr(n)=Σk=0N-1hnrnt(k)Xnt(k)exp(j2πkn/N)+w(n)---(2)]]>式中hnrnt(k)为信道增益系数，w(n)为噪声。
在根据本发明利用CS的OFDM系统中，把OFDM符号的前NG符号插入到每个OFDM符号之后，如图3(b)。从第nt天线端发射的信号子流由下面的公式(3)表示xCSnt(n)=Σk=0N-1Xnt(k)exp(j2πkn/N)]]>n＝0 1…N+NG-1 (3)
经过信道传输，移出前NG符号后，第nr根天线的接收信号可以表示为下面的公式(4)yCSnr(n+NG)=Σk=0N-1hnrnt(k)Xnt(k)exp[j2πk(n+NG)/N]+w(n+NG)---(4)]]>经DFT解调后，得到下面的公式(5)表示的信号流YCSnr(k)=YCPnr(k)exp(j2πNGk/N)---(5)]]>式中YCSnr、YCPnr分别为yCSnr、yCPnr(k)的DFT解调输出。从式(5)可看出，YCSnr由YCPnr经相位旋转得到，还可从图3看到，CS OFDM移出前NG样本后的符号是现有的OFDM符号中移出CP后的符号样本的圆周移位。
从硬件实现的角度出发来看，CP OFDM和CS OFDM的计算复杂度不同。在CP OFDM系统中，因CP范围位于OFDM符号前端，待插入到CP范围的样本位于OFDM符号的前端，仅当获得一个OFDM符号后才可发射OFDM符号。这样在硬件上就需要N个缓存器。而在CS OFDM中，CS范围位于OFDM符号后端，IDFT处理后的符号可直接输入到下一级而无需等待时延，仅需要字长为NG的缓存器。因此，CS OFDM更易于采用流水线(pipeline)结构实现。
除利用CS降低OFDM调制的复杂度外，考虑到极化分集中，采用一副正交极化天线代替两幅单极化天线能有效降低系统的复杂度和成本，同时获得分集增益。因此，本发明从降低系统复杂度和可实现性出发，在发送端和接收端采用双极化天线的多天线系统。该系统中，符号串/并变换后从，例如，一副倾斜(+45°/-45°)或正交(0°/90°)的极化天线发送出去。在接收端，也采用一幅双极化天线接收信号。应该指出，本发明不限于一幅双极化天线，而是可采用多幅双极化天线。虽然只采用了一副发射、接收天线，但每种极化模式可看作一个单独的信道。因此，系统信道模型等效为一个双输入双输出信道，故接收符号为用下面的公式(6)表示y＝Hx+w (6)其中x为发射符号向量，可表示为x＝[x1x2]T，y为接收信号向量，H=h11h12h21h22Nr×Nt]]>为信道传输矩阵(极化矩阵)，w为噪声向量。
极化矩阵描述了极化单元间的互相关和极化状态转换时的能量互耦。把极化矩阵H分解为固定分量(直射波)Hf和变化分量(散射波)Hv，传输矩阵H则可由下面的公式(7)表示H=K1+KHf+11+KHv---(7)]]>式中K/(1+K),1/(1+K)]]>为归一化因子，K为Ricean K因子。Hf的各分量满足|h11f|2=|h22f|2=1,|h12f|2=|h21f|2=αf,]]>故Hf=1αfαf1,]]>αf(0≤αf≤1)取决于信道固定分量的交叉极化鉴别率(XPD)。Hv=h11vh12vh21vh22v]]>的各分量为零均值的复高斯随机变量，其方差和各分量间的相关性与信道传播环境和天线极化方式有关。一般有E{|h11v|2}=E{|h22v|2}=1,E{|h12|2}=E{|h21|2}=α]]>(0＜α≤1)，α取决于信道变化分量的交叉极化鉴别率(XPD)，天线的XPD越好，α越小；若α＝1，表示收发端天线极化方式相同。实验数据表明，H的各分量通常是相关的，故定义发射相关系数t=E{h11vh12*(v)}α=E{h21vh22*(v)}α]]>和接收相关系数r=E{h11vh21*(v)}α=E{h12vh22*(v)}α.]]>下面通过仿真试验来说明本发明的系统的性能。仿真参数为采用IEEE 802.11a的物理层基本参数，数据载波数为48，64点(I)FFT变换，可选BPSK、QPSK、16QAM、64QAM调制；Ricean K因子为10，αf＝0.3，α＝0.4，t＝0.5，r＝0.3，发送500个OFDM帧。图4为采用QPSK调制、未编码、VBLAST检测的MIMO CP-OFDM和MIMO CS-OFDM的性能比较。从图4中可以看出，现有的MIMO CP-OFDM和本发明的MIMOCS-OFDM的误比特率(BER)性能较为一致，但采用本发明的方案可以降低系统的复杂度。
图5表示分别采用VBLAST、MMSE、ZF等不同线性接收机、QPSK调制的系统BER性能。从图5可见，VBLAST接收的BER性能比MMSE、ZF较优。图6为采用VBLAT接收机，BPSK、QPSK、16QAM、64QAM等不同调制方式下的系统BER性能。仿真结果表明，本发明提出的MIMOCS-OFDM系统的比特误差率性能与一般的MIMO OFDM系统性能一致，而实现复杂度较低。另外，需要指出，虽然本实施例中仅讨论了收发天线端均采用一副双极化天线的系统，但本发明不限于此，可应用到收发端采用多幅双极化天线的系统中。
本发明的系统在物理结构上降低了实现复杂度，但在支持多用户接入时，还需考虑到媒体接入控制(MAC)层的设计。这方面，需要在MAC层解决多个用户的接入问题。众所周知，实用化的无线系统必须支持多用户通信。因此，无论是一般的OFDM系统，还是多天线的OFDM系统，均需具有支持多用户接入的能力。
为了提高支持多用户接入的MIMO OFDM系统的灵活性和可伸缩性，本发明还提出一种动态多用户接入方案。它给不同用户分配不同OFDM子载波集，在频率域(子载波)动态改变用户冲突数量，得到一个多址族。它包括从把每个子载波分配给一个用户的频分多址(FDMA)到把全部子载波分配给所有接入用户的码分多址(CDMA)。本发明的方案可看作是推广的正交频分多址(OFDMA)机制。
现有的正交频分多址(OFDMA)中，在每个OFDM符号内为每个用户分配所有载波中的一部分子载波。OFDMA优点是可动态分配载波、比特率。但它仅给用户分配一定数量的子载波，没有考虑到多用户共享所有子载波的情况，如图8所示。本发明既利用了OFDMA的优点，又对其作了推广，使它具有更好的灵活性，并利用多用户复用增益来统一评定提出的多用户接入方案。
图7是表示MIMO OFDM系统的多用户接入的示意图。如图7所示，多个用户通过MIMO OFDM无线网络接入基站。下面分析该系统的多用户接入机制。
常用的接入机制包括随机竞争类，如Aloha系列；固定分配类，如频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、和码分多址(CDMA)等。不同多址技术各有特点，分别适用于不同的通信业务。如CDMA有零信道接入时延、带宽利用率高等优点，但也存在传输速率受限等缺点。随机接入适用于突发性分组业务，但当网络业务量较重时，易发生业务流碰撞导致阻塞。作为面向未来无线通信而提出的MIMO OFDM传输体制，它将支持高、中、低不同速率，不同服务质量(QoS)的多类业务，如话音、数据、视频等。同时，该系统作为一种综合通信系统，将向下兼容其他系统，如支持CDMA用户的接入。考虑到这些因素的影响，需设计灵活的多址接入方式，以支持来自不同系统、承载不同业务的用户接入。
现有的多址方式，时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)以及空分多址(SDMA)都可用于多用户OFDM系统。AnaGarcia-Armada，Gil Jimenez，M.J.Fernandez-Getino等人在题为“用于无线个人区域通信的H-OFDM(H-OFDM design for wireless personal areacommunications)”一文中提出了基于OFDMA和TDMA的混合OFDM多址接入方案，但该方案不能支持CDMA用户接入。
本发明提出一种动态多用户接入方案。它给不同用户分配不同OFDM子载波集，在频率域(子载波)动态改变用户冲突数量，得到一组多址方案。该多用户接入协议族包括从把每个子载波分配给一个用户的FDMA(如图9所示)到把全部子载波分配给所有接入用户的CDMA(如图10所示)。该方案可看作为推广的OFDMA机制。
现有的正交频分多址(OFDMA)中，是在每个OFDM符号内，为每个用户分配所有载波中的一部分子载波，如图8所示。当发射机未知每个用户的信道状态信息(CSI)时，可以为每个用户任意分配一组子载波。而当发射机已知用户的信道响应时，如接收端信道估计得到的CSI通过反馈路径送回到发射机。发射端根据CSI自适应分配子载波给用户，获得比对每个用户任意分配子载波更好的性能。当OFDMA应用于多址信道(上行)时，所有接入用户可以在小功率放大器下工作和为用户动态分配带宽。当它应用于广播信道(下行)时，对多个用户并行发射数据，可通过调整子载波下行发射功率控制链路质量。与TDMA相比，OFDMA优点是可动态分配载波、比特率，对脉冲噪声和干扰有很强的鲁棒性。一般的OFDMA多址方案仅考虑到给用户分配一定数量的子载波，没有考虑到多用户共享所有子载波的情况。本发明既利用了OFDMA的优点，又对其作了推广，使它具有更好的灵活性和更广的应用范围。
我们利用多用户复用增益(MuG)来统一定义所提出的该多用户接入协议族。设总用户功率为P‾=Σu=1UPu,]]>Pu为每个用户功率，且Pu=duP‾,]]>满足Σu=1Udu=1,]]>du描述了分配给用户u的功率占总功率的分数比例；Uk为用户的子载波分配，若全部子载波分配给所有用户，则可表示为Uk＝{1，…，U-1}，k＝1，2，…，N，若每个载波分配给一个用户，则可表示为Uk＝1，k＝1，2，…，N；各种载波分配集{U1，U2，…，UN}对应的总信息容量为C({U1，U2，…，UN})，且C=E{log2det(INr+Σu=1UPiNNtHuHuH)}.]]>根据载波分配定义的多用户复用增益可以用下面的公式(8)表示MuG({U1,U2,...,UN})=limP‾→∞C({U1,U2,...,UN})log2(P‾)---(8)]]>可以看到，系统获得的多用户复用增益受到很多因素影响，例如，发送、接收天线的数量，信道环境，用户数量，载波数等。对于一定的Pi，可得到下面的公式(9)MuG({U1})≤MuG({U1U2…Un})≤MuG({U1U2…UN})，1＜n＜N(9)每个用户共享所有载波时获得的多用户复用增益最大，这就是MCCDMA系统。应该指出，虽然每个用户共享所有载波时能获得最大的多用户复用增益，但与向不同用户分配单个或部分子载波的OFDMA相比，其系统复杂度也更高。因此，系统设计时需考虑到系统性能与复杂度的合理开销。
图11是本发明所提出的MOMI OFDM系统和多用户接入协议族的另一个实施例。如图11所示，MIMO OFDM系统的发送机包括串/并变换器111a，信道编码器112a，交织器113a，调制器114a，导频序列插入单元115a，逆离散傅氏变换(IDFT)调制单元116a，CS加入单元117a，一幅双极化天线118a，以及MAC载波分配单元119和扩频单元120。应该指出，本发明不限于在此使用的一幅双极化天线，也可根据需要采用多幅极化天线。本实施例的接收机包括离散傅氏变换(DFT)解调制单元116b，CS移出单元117b，时频同步单元115，和一幅双极化天线118b。同样，接收端也不限于采用一幅双极化天线，而是可根据需要采用多幅极化天线。另外，为了简单起见，图中用信号处理单元29代替接收机中进行解调，解交织，解码操作的有关装置，并省略与这些装置的操作有关的操作的描述，因为这些部分与本发明没有直接关系。
如前所述，如果该通信系统的MAC层采用提出的多址协议族，则它支持把子载波分配给一个用户的FDMA接入方式和每个用户共享所有子载波的CDMA接入方式。假设系统中同时有U个用户接入，可以设第1到第(u-1)个用户采用OFDMA方式，且分配给每个用户k个载波；第u到第U个用户采用CDMA方式工作，即这些用户共享所有载波。
对于OFDMA方式接入的用户，在发射端，MAC层根据分配给每个用户的载波数形成OFDM符号，各用户的载波互不重叠。对每用户而言，物理层各功能模块的操作如下。在发送端，串/并变换器111a把输入的比特流复用到极化天线的每条支路端，获得两个发射子流。对于天线的每条支路端，信道编码器112a对输入的、经过串/并变换的比特流进行信道编码以抗噪声。此后，利用交织器113a对信道编码器112a输出的数据进行交织处理以降低比特流相关性，并将处理后的比特流提供给调制器114a。调制器114a将交织器113a输出的比特流调制为符号流。导频序列插入单元115a在经调制的扩频发送符号流中插入用于定时、信道估计的导频序列。MAC载波分配单元向调制的符号流分配预定的载波数，例如k。然后，采用逆离散傅氏变换(IDFT)处理器116a根据分配给用户的载波数k对调制符号流作k点逆离散傅氏变换。CS加入单元117a对IDFT处理后的符号流加入循环后缀。此后，发送单元118a把得到的OFDM基带符号经载波调制后发射。
在用户接收端，接收单元118b把接收到的OFDM载波信号下变频为基带符号，时频同步单元115对经过变频的符号进行定时、频率同步。CS移出单元117b把OFDM符号的循环后缀删除。离散傅氏变换(DFT)单元116b对已删除循环后缀的OFDM符号进行k点离散傅氏变换。此后，信号处理单元29对DFT单元26b输出的信号进行接收信号处理、MIMO检测、信道估计、解调、解交织、译码后恢复信息比特流。
对于以CDMA方式接入的用户，在发射端，调制的符号经扩频单元120后送入IDFT模块，所有用户共享载波，即可采用同一IDFT模块调制。下面描述用户以CDMA方式接入的情况下的操作。在发送端，串/并变换器111a把输入的比特流复用到极化天线的每条支路端，获得两个发射子流。对于天线的每条支路端，信道编码器112a对输入的、经过串/并变换的比特子流进行信道编码以抗噪声。此后，利用交织器113a对信道编码器112a输出的数据进行交织处理以降低比特流相关性，并将处理后的比特流提供给调制器114a。调制器114a将交织器113a输出的比特流调制为符号流。扩频单元120利用各个用户的特征序列(扩频序列)对符号流扩频。导频序列插入单元115a在经调制的扩频发送符号流中插入用于定时、信道估计的导频序列。然后，采用逆离散傅氏变换(IDFT)处理器116a对调制符号流作N点逆离散傅氏变换(N为IDFT运算的点数)。CS加入单元117a对IDFT处理后的符号流加入循环后缀。此后，发送单元118a把得到的OFDM基带符号经载波调制后发射。
在用户接收端，接收单元118b把接收到的OFDM载波信号下变频为基带符号，时频同步单元115对经过变频的符号进行定时、频率同步。CS移出单元117b把OFDM符号的循环后缀删除。离散傅氏变换(DFT)单元116b对已删除循环后缀的OFDM符号进行N点离散傅氏变换。此后，信号处理单元29对DFT单元116b输出的信号进行接收信号处理、MIMO检测、信道估计、解调、解交织、译码后恢复信息比特流。
由上述实施例可知，通过在MAC层应用多址协议族，它能同时接入OFDM和CDMA用户，使之成为能兼容CDMA(3G移动通信技术)和OFDM(4G无线通信技术)的综合通信系统。
根据本发明，用循环后缀代替现有的OFDM系统的循环前缀可以减小存储器资源的占用。另外，利用一副或多幅极化天线代替两幅单极化天线，降低了系统的复杂度，并且能够获得极化分集增益，提高了多用户MIMO OFDM系统的灵活性。
至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不应该被理解为被局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。
权利要求
1.一种支持多用户接入的低复杂度多输入多输出正交频分复用发送装置，包括导频序列插入装置，用于在调制的发送符号流中插入用于定时、信道估计的导频序列；逆离散傅氏变换处理装置，用于对调制符号流作逆离散傅氏变换；循环后缀加入装置，用于把保护间隔符号插入受到逆离散傅氏变换处理后的符号流中的每个正交频分复用符号之后；和包括至少一幅双极化天线的发送装置，用于对得到的正交频分复用基带符号进行载波调制并发射。
2.根据权利要求1所述的发送装置，其中所述双极化天线是倾斜+45°/-45°的双极化天线。
3.根据权利要求1所述的发送装置，其中所述双极化天线是正交0°/90°的双极化天线。
4.根据权利要求1至3中的任何一项所述的发送装置，其中进一步包括串/并转换装置，用于对输入比特流进行串/并转换，将其复用为多个天线中的每个天线支路端的符号子流；多个信道编码装置，对输入的比特流进行信道编码以抗噪声；多个交织装置，对经过信道编码的比特流进行交织处理以降低比特流相关性；和多个调制装置，用于将交织后的比特流调制为符号流。
5.一种支持多用户接入的低复杂度多输入多输出正交频分复用接收装置，包括包括至少一幅双极化天线的接收装置，用于接收多输入多输出正交频分复用载波信号，并将所述接收的信号下变频为基带符号；时频同步装置，用于对经过变频的符号进行定时、频率同步；循环后缀移出装置，用于删除插入到每个正交频分复用符号之后的循环后缀；和离散傅氏变换装置，用于对已删除循环后缀的正交频分复用符号进行N点离散傅氏变换，其中N为IDFT运算的点数。
6.根据权利要求5所述的接收装置，其中所述双极化天线是倾斜+45°/-45°的双极化天线。
7.根据权利要求5所述的接收装置，其中所述双极化天线是正交0°/90°的双极化天线。
8.根据权利要求5至7中的任何一项所述的接收装置，其中进一步包括对离散傅氏变换装置输出的信号进行接收信号处理、信道估计、解调、解交织、译码后恢复信息比特流的信号处理装置。
9.一种支持多用户接入的低复杂度多输入多输出正交频分复用系统，包括权利要求1至4中的任何一项所述的发送装置和权利要求5至8中的任何一项所述的接收装置。
10.一种多用户接入低复杂度多输入多输出正交频分复用系统的方法，包括步骤对调制符号流作逆离散傅氏变换；把保护间隔符号插入受到IDFT处理后的符号流中的每个正交频分复用符号之后；向不同用户分配不同的正交频分复用子载波集，在频率域动态改变用户冲突数量，得到一组多址方案；在接入用户采用频分多址模式的情况下把每个子载波分配给一个用户；和在接入用户采用码分多址模式的情况下在把全部子载波分配给所有接入用户。
11.一种多用户接入低复杂度多输入多输出正交频分复用系统的方法，包括步骤发射端根据信道状态信息自适应地向用户分配子载波；当正交频分多址应用于多址信道时，所有接入用户在小功率放大器下工作并为用户动态分配带宽；和当正交频分多址应用于广播信道时，对多个用户并行发射数据，以便通过调整子载波下行发射功率控制链路质量。
12.一种支持多用户接入的低复杂度多输入多输出正交频分复用发送装置，包括导频序列插入装置，用于在调制的发送符号流中插入用于定时、信道估计的导频序列；扩频装置，利用各个用户的扩频序列对符号流进行扩频；媒体接入控制载波分配装置，用于向调制的符号流分配预定的载波数；逆离散傅氏变换处理装置，根据分配给用户的载波数对调制符号流作与分配的载波数对应的点的逆离散傅氏变换；循环后缀加入装置，用于把保护间隔符号插入受到逆离散傅氏变换处理后的符号流中的每个正交频分复用符号之后；和包括至少一幅双极化天线的发送装置，用于对得到的正交频分复用基带符号进行载波调制并发射。
13.根据权利要求12所述的发送装置，其中所述双极化天线是倾斜+45°/-45°的双极化天线。
14.根据权利要求12所述的发送装置，其中所述双极化天线是正交0°/90°的双极化天线。
15.根据权利要求12至14中的任何一项所述的发送装置，其中进一步包括串/并转换装置，用于对输入比特流进行串/并转换，将其复用为多个天线中的每个天线支路端的符号子流；多个信道编码装置，对输入的比特流进行信道编码以抗噪声；多个交织装置，对经过信道编码的比特流进行交织处理以降低比特流相关性；和多个调制装置，用于将交织后的比特流调制为符号流。
全文摘要
本发明为一种支持多用户接入的低复杂度多输入多输出正交频分复用通信系统。在结构上，它利用循环后缀代替一般OFDM系统的循环前缀，减小了存储器资源的占用；利用一副正交极化天线代替两幅单极化天线，降低了系统复杂度，并获得极化分集增益。另外，提出一种动态多用户接入方案，通过在频率域给不同用户动态分配载波集，得到一组多址族，它提高了多用户MIMO OFDM系统的灵活性。该多址族包括从把每个子载波分配给一个用户的FDMA到把全部子载波分配给所有接入用户的CDMA，并利用多用户复用增益来统一定义该多址接入方案。
文档编号H04B7/08GK1812386SQ200510005859
公开日2006年8月2日 申请日期2005年1月27日 优先权日2005年1月27日
发明者黎海涛, 李继峰 申请人:松下电器产业株式会社