专利名称：一种td－scdma系统中码片序列与子载波间的匹配方法
技术领域：
本发明涉及通讯技术领域，特别涉及兼容正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术的TD-SCDMA系统中码片序列与子载波间匹配的方法。
背景技术：
TD-SCDMA标准建议被ITU采纳为第三代移动通信四个标准之一，是中国在移动通信领域的一个重大突破。它采用的空中接口技术是最为先进的传输技术之一，TDD类的标准建议容易融合进各种各样的先进技术，如智能天线技术、同步CDMA技术以及软件无线电技术，同时还可以避免频分双工(FDD)中CDMA技术领域诸多专利的纠纷。TD-SCDMA技术相对于其它第三代移动通信的标准有较多的优势。
TD-SCDMA系统采用时分双工(TDD)方式和时分同步码分多址接入(TD-SCDMA)。工作频段在2.01GHz到2.025GHz，每载波占1.6MHz带宽，其中保护带宽约为100Hz。每个射频信道子帧可由8个可动态分配的TDMA时隙组成，每个TDMA时隙又分为16个CDMA码道。每个码道经过一个特定的Walsh码与一个公共的伪随机码(PN)相乘后彼此分割开来。在TD-SCDMA系统中，每帧的长度是10ms，分为两个5ms的子帧，每个子帧至少有一个上行时隙和一个下行时隙，其他6个时隙可以根据业务需要动态的配置为上行或下行时隙。通过下行广播信号，把帧结构的变化周期性地发送到整个小区。时隙之间地保护时间为1/2个符号周期，即8个码片周期，从上行到下行转换期间地保护时间是4个符号周期；为了使用用户终端(UT)建立同步，从下行到上行转换期间地保护间隔是16个符号周期。接入信道的扩频因子为16，业务信道的扩频因子为16或32。一般采用QPSK方式调制。TD-SCDMA系统的物理层参数和特性见表1所示。
表1两种TDD标准物理层参数和特性
OFDM是将高速串行数据变换成成百上千路相对低速的并行数据分别对不同的载波进行调制，这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，提高了对抗多径衰落的性能。传统的频分复用方法中各个子载波的频谱是互不重叠的，需要使用大量的发送滤波器和接收滤波器，这样就大大增加了系统的复杂程度以及成本；另外，为了减少各个子载波间的相互串扰，各子载波间需要保持足够的频率间隔，这将导致整个系统频率利用率的降低。现代OFDM系统均采用数字信号处理技术来实现。各个子载波的产生和接收都由数字信号处理算法完成，从而极大地简化了系统结构和成本。另外，为了提高频谱利用率，各子载波的频谱是互相重叠的，但由于这些子载波在整个符号周期内满足正交性，这样在接收端能保证不失真地还原所发信号。设OFDM信号的符号周期R，子载波数N，当N个子载波频率之间的最小间隔为1/T，即设fk＝fc+k/T时(k＝0，1，L，N-1)，则各子载波的正交性条件为∫0Tej2πfkt(ej2πfit)dt=Ti=k0i≠k...(1)]]>由于每个子载波的调制频谱为(sinx)/x形状，其峰值正好对应于其它子载波频谱的零点，各子载波组合在一起，总的频谱形状非常近似于矩形频谱，其频谱宽度接近传输信号的Nyquist带宽，所以OFDM系统的频谱利用率较高。理论和实践都已证明，为克服多径衰落的影响，信道中传输的最佳信号形式应该具有白噪声的统计特性。对于OFDM信号，由于每个子载波上的信息是不相关的，相加后在时域内的合成信号非常近似于白噪声。所以OFDM系统同时还具有较强的对抗多径衰落的能力。因此，OFDM技术的主要特点可以归纳为(1)OFDM采用了基于载波频率正交的FFT(快速傅里叶变换)调制，各个载波的中心频点没有其他载波频谱分量，因而允许各载波间频率的相互混叠，大大提高了系统的频谱利用率。
(2)本身可以有效对抗ISI(码间干扰)，因而特别适合于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。
(3)各个子载波联合编码，抗衰能力很强。
(4)在基于DFT(离散傅里叶变换)的OFDM系统中，所有调制器的输出都自动联合相加，然后再对合并信号放大，由于其具有高斯噪声的幅度特性，即包络不恒定，使得基于DFT的OFDM系统对放大器的非线性敏感；而且为了保证子载波间的正交性，精确定时和减小频偏问题就显得特别重要。
当将OFDM技术结合到TD-SCDMA系统中，可以得到简单的系统结构框图，见图1所示。由图中可见，扩频后的数据信号经过调制和载波映射后，进行快速傅立叶变换，从信号由频域变换到时域，然后加上保护前缀，通过天线发送到无线信道。在接收端，通过相反的步骤可以获得发送的信号。
然而，OFDM技术被引入到TD-SCDMA系统后，就要考虑对于采用不同的扩频码，所对应的不同的信号传输速率，如何将该信号保持相同的传输速率映射到不同的OFDM子载波上是实现两者结合的一个关键问题。
发明内容本发明要解决的技术问题在于提供一种兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中码片序列与子载波间的匹配方法，以解决在TD-SCDMA符号转化为OFDM符号调制过程中出现的速率匹配问题。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的一种兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中码片序列与子载波间的匹配方法，其包括以下步骤在TD-SCDMA系统中根据占用的码道数目得到相应的传输速率；计算在采用不同子载波数目和循环前缀的情况下，OFDM符号的传输速率；求出在两者的数据速率匹配的情况下需要采用的OFDM符号数，及TD-SCDMA符号(时隙)每次转化的切普数目，得到正确的匹配关系。相较于现有技术，本发明具有以下优点a.在不改变TD-SCDMA符号的传输速率的情况下，将该符号直接转化为OFDM传输，保证TD-SCDMA符号速率的一致。
b.可以根据TD-SCDMA符号传输速率的变化，动态的变化转化的切普数目，从而保证数据速率一致性。
c.可以根据信道特点选择不同的子载波数目和循环前缀长度，方便了系统的设计和实现更加灵活。
d.通过采用不同循环前缀可以抵抗不同的多径干扰，从而消除ISI，提高系统的性能。
e.可以利用OFDM调制的特点用更高的调制方式来实现TD-SCDMA数据的传输。
f.将TD-SCDMA符号通过OFDM来传输，可以充分利用CDMA和OFDM技术的优点，从而获得时域分集和频域分集，提高系统的性能。
g.在OFDM传输过程中可以利用自适应传输等技术。
图1是现有技术中兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统结构框图。
图2是本发明TD-SCDMA子帧结构图。
图3是本发明常规时隙结构图。
图4是本发明16-QAM调制的星座图。
图5是本发明发射端基带部分原理图。
具体实施方式在TD-SCDMA系统中，为了保证数据在无线链路上的可靠传输，物理层首先需要对来自MAC的数据流进行编码/复用，然后经过物理信道映射之后，信道上的数据将进行扩频和扰码处理。扩频用高于数据比特速率的数字序列与信道数据相乘，相乘的结果扩展了信号的带宽，将比特速率的数据流转换成了具有码片速率的数据流。扩频处理通常也叫做信道化操作，所使用的数字序列称为信道化码，这是一组长度可以不同但仍相互正交的码组。扰码与扩频类似，也是用一个数字序列与扩频处理后的数据相乘。与扩频不同的是，扰码用的数字序列与扩频后的信号序列具有相同的码片速率，所作的乘法运算是一种逐码片相乘的运算。扰码的目的是为了标识数据的小区属性，同时将数据随机化。
TD-SCDMA扩频后的码片速率为1.28Mc/s，扩频因子的范围为1～16，调制符号的速率为80.0k符号/s～1.28M符号/s。
TD-SCDMA帧长度为10ms，并且将其分成两个结构完全相同的5ms子帧。子帧结构如图2所示。每个子帧由3个特殊时隙和7个常规时隙组成(TS0～TS6)。
TD-SCDMA采用TDD模式，在物理信道上是将一个突发(Burst)在所分配的无线帧的特定时隙发射。时隙结构也就是突发的结构。由图2，TD-SCDMA系统共定义了4种时隙类型DwPTS、UpPTS、GP和TS0～TS6。其中DwPTS和UpPTS分别用作上行同步和下行同步，不承载用户数据，GP用作上行同步建立过程中的传播时延保护，常规时隙(TS0～TS6)用作承载用户数据或控制信息。
TS0～TS6共7个常规时隙用作用户数据或控制信息的传输，它们具有完全相同的时隙结构，其结构如图3所示。
对于常规时隙中用户数据的处理分析如下。
a.调制如图3所示，每一个常规时隙都是由两个数据域构成，这两个域分别位于训练序列(Midamble)之前和之后。来源于物理信道映射的比特流在进行扩频处理之前，先要经过数据调制。数据调制把连续的多个比特映射为一个复数值的数据符号。在TD-SCDMA系统中一般采用的数据调制技术是QPSK，而对于2Mbit/s的业务，使用8PSK调制方式。为了进一步提高频谱效率，可采用16-QAM调制。由于采用了可以有效对抗符号间干扰的OFDM传输技术，所以可以适当地提高调制的阶数。16-QAM把连续的4个比特映射为一个复数值的数据符号，其星座图如图4所示。
输入比特序列经过映射以后，输出序列可以表示为d‾(k,i)=(d‾1(k,i),d‾2(k,i)‾,L,d‾Nk(k,i))T,i=1,2;k=1,L,K...(2)]]>式中，k是一个时隙中的用户数，最大为16，Nk是第k个用户在一个数据域中的符号数，其值与使用的扩频因子Qk有关。数据块d(k，1)在训练序列的前面发送，而数据块d(k，2)在训练序列的后面发送。
b.扩频经过复值映射后，复值数据符号d(k，i)n将被扩频。在TD-SCDMA系统中，上行方向的扩频使用长度为Qk∈{1，2，4，8，16}的实值信道化码序列，而在下行方向，Qk∈{1，16}。实值信道化码序列可表示为c(k)=(c1(k),c2(k),Λ,cQk(k)),k=1,Λ,K...(3)]]>序列中的元素c(k)q∈(1，-1}；k＝1，Λ，k。cq(k)∈{1,-1};k=1,Λ,K.]]>c(k)也叫做正交可变扩频因子(OVSF)码。
为了降低多码传输时的峰均值比，与信道化码相伴的还有一个信道化特征乘法算子wQk(k)∈{ejπ/2pk},pk∈{0,Λ,Qk-1},]]>Qk是扩频因子。乘法算子通常在扩频之前与经过复值映射的每一数据符号相乘(也可扩频之后进行)，因而w(k)Qk通常也叫做加权因子。
c.扰码数据符号经过扩频处理后，还要进行扰码处理。如果说信道化处理标识了用户(码分信道)，那么对数据进行扰码处理则是为了标识小区。在TD-SCDMA系统中，采用短的复扰码来对数据符号进行加扰处理。扰码序列的长度固定为16，可以表示为v＝(v1，v2，Λ，v16)。复序列中的元素vi(i＝1，Λ，16)取值范围为{1，j，-1，-j}。复扰码是由一个长度为16的二进制实数扰码序列v＝(v1，v2，Λ，v16)产生的。TD-SCDMA系统共定义了128个这样的实数序列，每个小区配置4个。复扰码序列v和实扰码序列v中各元素的关系为vi＝(j)i·vivi∈{1，-1}；i＝1，Λ，16 (4)则复序列v中的各元素vi是虚实交替的。
d.串/并变换与OFDM调制用户k经过扩频和加扰后的数据以每Qmax个码片分为一组。该组中用户k的扩频码和小区的扰码结合起来可以看作是用户k和小区特定的扩频码s(k)=(sp(k)),]]>其中sp(k)=c1+[(p-1)modQk](k)v‾p,p=1,2...,Qmax...(5)]]>则该组码片序列中第p个码片up(k，i)可以表示为
up(k,i)=d‾1+[(p-1)modQk](k,i)wQk(k)sp(k),p=1,2...,Qmax...(6)]]>将该组序列的Qmax个码片进行串/并变换，变为一个并行的数据流，然后通过映射到不同的子载波上，由OFDM调制后传送出去。如图5所示。
该组码片序列经过OFDM调制所发送的基带信号为xn(k,i)=Σp=1Nexp(j2πpn/N)up(k,i),n=1,...,N...(7)]]>即OFDM调制可以通过将串/并变换后的数据执行N点的IFFT变换来有效地实现。
为了克服符号间干扰的影响，在IFFT变换后要添加一个大于信道最大延迟扩展的循环前缀(CP)作为保护间隔。通过使用这个保护间隔，接收端可以取出不受符号间干扰的信号部分，以实现无符号间干扰的传输。
由于一般在实际的设计中IFFT的点数都是2的整数次方，这样设计有利于硬件的实现。因此，TD-SCDMA的传输速率如果不经过设计和调整，通过OFDM调制以后传输速率将会改变。考虑到不同得传输速率经过不同的数量子载波调整将会造成不同的速率匹配问题，下面通过具体的分析提出了一种速率匹配方案，它能够保证两者的传输速率一致。分析中假定采用的调制方式为QPSK。
TD-SCDMA传输速率分析由前面的分析可以知道，对于TD-SCDMA扩频后的码片速率为1.28Mc/s，扩频因子的范围为1～16，调制符号的速率为80.0k符号/s～1.28M符号/s。因此，一个码道的传输速率为80.0k符号/s，对应到一个子帧的传输速率为400符号/子帧(5ms)，同样可以对应到一个时隙的传输速率为54符号/时隙(675us)。这也就是说，对于图3中每个时隙的864个chip值在675us时间内传输的有效数据数为54个符号。当该数据通过串并转化，映射到对应子载波上后也要保持相同的数据传输速率。对于采用多个码道的情况也可以以此类推，每个时隙的传输速率以54个符号为基数，乘以占用的码道数。
OFDM调制方式传输速率分析当OFDM采用基于2为底的次方长度的IFFT点数时，就要考虑如何将TD-SCDMA的符号速率匹配到OFDM传输速率。在选择子载波点数时，主要是要考虑该系统要工作的最大移动速度，得到相应得多普勒频移为fd=vcfs...(8)]]>式中，v为运动速度，c为光速，fs为载波频率，fd为多普勒频移。
对于带宽为B的频带的子载波带宽要满足，Δf=B2m≤fd...(9)]]>式中，Δf为子载波带宽，2m(m＝6，7，8，9，10)对应不同的子载波数，分别对应64～1024；fd为多普勒频移。
由表1可知TD-SCDMA系统的传输带宽为1.6MHz，而有效带宽为1.28MHz，对该带宽分别采用不同点数的IFFT和不同循环前缀所对应的OFDM符号长度如表2所示。
表2采用不同点数和循环前缀的OFDM符号长度
由表2可以看出，OFDM符号与TD-SCDMA的时隙长度不同，为了实现传输速率的匹配，就要把TD-SCDMA的一个时隙的数据通过一个至多个OFDM符号来传输。在所有子载波都用来传输数据的情况下，对于不同的数量的子载波来说，他们的传输速率是相同的。因此，可以得到采用不同的循环前缀的情况下，传输一个TD-SCMDA时隙需要OFDM符号的符号数，
式中
表示向上取整；2m(m＝6，7，8，9，10)为采用的子载波数，分别对应64～1024；TS为对应的采样间隔长度。通过式(8)可以看出需要传输的OFDM符号数与OFDM的子载波数无关，这是因为子载波数越多，每个OFDM符号时间越长，传输的符号速率没有变化。可以得到对于不同的CP长度所需要的符号数分别为16，15和13个。
然而，对于不同子载波长度的OFDM符号，每次传输的符号数量确是不同的，子载波数越多，每个符号传输的越多。对于相同的传输速率情况下，实际的传输的符号数目如表3所示。
表3传输一个TD-SCDMA时隙数据所需要的OFDM符号数
根据表3也可以得到，在对于TD-SCDMA符号的每个时隙的864个切普分成几个串并转化的过程，然后将这部分扩频后的符号重复映射到不同子载波上，具体见表4所示。
表4TD-SCDMA符号转化为OFDM符号关系
通过表4可以得到将两者匹配起来的关系。该方案假定了所有子载波都用来传输数据，然而，在实际系统中，由于要考虑边带的隔离，会将子载波的两边的一部分作为保护边带，不用来传任何数据；同时，有一些子载波会用来作为导频信道传输一些已知的信息，用于接收端的信道估计。这样就要做一些修正，但是设计的方案仍然是采用本文提出的过程。可以认为传输的子载波为采用的IFFT点数乘一个系数，即表示为L*(1-α)，其中，L是子载波数目，α是用于其他开销的占所有子载波的比例，该值与不同的具体设计参数有关。
当用户分配多于一个码道时，用户的传输速率将得到提高，这时要将每个时隙转化的切普数加倍，加倍的数目是根据分配的码道数来决定的。从而导致了OFDM符号所传输的符号数要增加，如果由于子载波的数目的限制，不能在相同的时间内全部传输时，可以采用更高的调制方式来实现，即将输入的几个符号映射为一个符号，这样就大大的提高了传输的速率。
还可以利用OFDM传输的特点，通过有效的自适应分配策略来实现高速和可靠的数据传输。
如上所述，本发明中a.将TD-SCDMA符号的传输速率和OFDM传输速率同时考虑，得出合适的速率匹配结果。
b.根据TD-SCDMA符号的传输速率是变动，通过速率匹配方案，可以动态的变化转化的切普数目。
c.根据信道的特点和要求选择不同子载波数目和循环前缀来实现从TD-SCDMA到OFDM传输的转换。
d.采用更高的调制方式来实现OFDM符号的传输，即将输入的几个符号映射为一个符号，这样就大大的提高了传输的速率，满足速率匹配要求。
e.当有部分子载波用于特定的设计时，可以利用相同的过程来实现匹配和转换。
f.利用OFDM传输的特点，通过有效的自适应分配策略来实现高速和可靠的数据传输。
此外本发明还具有以下特点a.将OFDM传输用于TD-SCDMA系统可以提高系统抗多径干扰能力和有效对抗ISI(码间干扰)。
b.OFDM调制是在TD-SCDMA数据符号扩频后，将数据映射到子载波上，然后通过IFFT和加循环前缀来实现OFDM调制。
c.根据信道的不同要求可以采用64～1024点的IFFT，这样可以保证每个子载波是平坦的，易于采用高价调制方式。
d.通过采用不同循环前缀可以抵抗不同的多径干扰，从而消除ISI。
e.对数据进行扩频，可以获得扩频增益，又通过OFDM调制可以获得分集增益。
f.在OFDM传输过程中可以利用自适应传输等技术。
综上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。
权利要求
1.一种兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中码片序列与子载波间的匹配方法，其特征于包括以下步骤在TD-SCDMA系统中根据占用的码道数目得到相应的传输速率；计算在采用不同子载波数目和循环前缀的情况下，OFDM符号的传输速率；求出在两者的数据速率匹配的情况下需要采用的OFDM符号数，得到TD-SCDMA符号转化为OFDM符号的关系，即正确的匹配关系。
2.根据权利要求1所述的兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中码片序列与子载波间的匹配方法，其特征在于对所述TD-SCDMA系统常规时隙中用户数据进行调制、扩频、扰码及串/并变换与OFDM调制处理。
3.根据权利要求2所述的兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中码片序列与子载波间的匹配方法，其特征在于所述OFDM调制处理通过将在TD-SCDMA数据符号扩频后，将数据映射到子载波上，然后通过IFFT变换步骤来实现。
4.根据权利要求3所述的兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中码片序列与子载波间的匹配方法，其特征在于在IFFT变换步骤后要添加一个大于信道最大延迟扩展的循环前缀作为保护间隔以克服符号间干扰。
5.根据权利要求2所述的兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中码片序列与子载波间的匹配方法，其特征在于根据TD-SCDMA用户数据扩频后的码片速率、扩频因子，调制符号的速率求得一个码道的传输速率、对应到一个子帧的传输速率以及对应到一个时隙的传输速率。
6.根据权利要求5所述的兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中码片序列与子载波间的匹配方法，其特征在于在TD-SCDMA系统中根据占用的码道数目得到的传输速率是以一个时隙的传输速率为基数乘以占用的码道数。
7.根据权利要求1所述的兼容OFDM技术TD-SCDMA系统中码片序列与子载波间的匹配方法，其特征在于当OFDM采用基于2为底的次方长度的IFFT点数时，在选择子载波点数时，主要是要通过系统要工作的最大移动速度，得到相应得多普勒频移为fd=vcfs]]>式中，v为运动速度，c为光速，fs为载波频率，fd为多普勒频移，对于带宽为B的频带的子载波带宽要满足，Δf=B2m≤fd]]>式中，Δf为子载波带宽，2m(m＝6，7，8，9，10)对应不同的子载波数，分别对应64～1024；fd为多普勒频移。
8.根据权利要求7所述的兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中码片序列与子载波间的匹配方法，其特征在于根据TD-SCSMA系统传输带宽及有效带宽，得出该带宽分别采用不同点数的IFFT和不同循环前缀所对应的OFDM符号长度，从而得到在采用不同的循环前缀的情况下，传输一个TD-SCMDA时隙需要OFDM符号的符号数为 式中 表示向上取整；2m(m＝6，7，8，9，10)为采用的子载波数，分别对应64～1024；TS为对应的采样间隔长度。
9.根据权利要求8所述的兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中码片序列与子载波间的匹配方法，其特征在于在相同的传输速率情况下，对TD-SCDMA符号的每个时隙的864个切普分成几个串并转化的过程，然后将这部分扩频后的符号重复映射到不同子载波上，求得OFDM符号每次传输的切普数，从而得到TD-SCDMA符号转化为OFDM符号关系，从而得到正确的匹配关系。
10.根据权利要求9所述的兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中码片序列与子载波间的匹配方法，其特征在于用来传输数据的子载波数为采用的IFFT点数乘一个系数，即表示为L*(1-α)，其中，L是子载波数目，α是用于其他开销的占所有子载波的比例。
11.根据权利要求1至10项任一项所述的兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中码片序列与子载波间的匹配方法，其特征在于当用户分配多于一个码道时，用户的传输速率将得到提高，这时要将每个时隙转化的切普数加倍，加倍的数目根据分配的码道数来决定，此时采用更高的调制方式来实现OFDM符号所传输的符号数的增加，即将输入的几个符号映射为一个符号，以提高传输速率。
12.根据权利要求11所述的兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中码片序列与子载波间的匹配方法，其特征在于所述调制过程采用16-QAM调制。
全文摘要
本发明涉及一种兼容OFDM技术的TD－SCDMA系统中码片序列与子载波间的匹配方法。在TD－SCDMA系统中根据占用的码道数目得到相应的传输速率，然后，计算在采用不同子载波数目和循环前缀的情况下，OFDM符号的传输速率，求出在两者的数据速率匹配的情况下需要采用的OFDM符号数，或者TD－SCDMA符号每次转化的切普数目，得到正确的匹配关系。该方法在不改变TD－SCDMA符号的传输速率的情况下，将该符号直接转化为OFDM传输，保证TD－SCDMA符号速率的一致，从而解决了兼容OFDM技术的TD－SCDMA系统中码片序列与子载波匹配的问题。
文档编号H04L27/36GK1825790SQ20051011097
公开日2006年8月30日 申请日期2005年11月30日 优先权日2005年11月30日
发明者蔡凌云 申请人:上海贝豪通讯电子有限公司