专利名称：用于多小区正交频分多址系统的载波分配方法
技术领域：
本发明涉及无线信息传输领域，特别是采用正交频分复用(OFDM)技术的无线局域网、固定无线接入、移动通信、地面数字电视广播等信息传输系统和相应的通信方法。更具体地，本发明涉及一种用于多小区正交频分多址(OFDMA)系统的载波分配方法。
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。在新一代无线系统中，从物理层到网络层，将广泛采用一些新技术，如正交频分复用(OFDM)等。
OFDM在频域把信道分成许多正交子信道，整个宽带频率选择性信道被分成相对平坦的子信道，同时，在每个OFDM符号间插入循环前缀(CP)作为保护间隔(GI)，大大减小了符号间干扰(ISI)。由于OFDM具有抗多径能力强等优点，它在xDSL、DVB、DAB和WLAN、IEEE 802.16等系统中得到了成功应用。目前，在第三代移动通信标准化组织(3GPP)的长期演进计划(LTE)中，也把它作为下(上)行的关键传输技术。
OFDM技术用于移动通信系统中，需支持多用户接入。现有的多址接入方式，如时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)都可用于OFDM系统。在OFDM TDMA系统中，每个用户占有不同时隙，在每个时隙内，所有子载波都分配给同一用户。TDMA的优点是可以根据不同的数据率动态分配时隙，欧洲无线局域网标准HiperLAN/2的媒体接入控制(MAC)协议采用了TDMA。在OFDM FDMA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，也称为正交频分多址(OFDMA)。其优点是当发射端已知信道状态信息(CSI)时，可以为每个用户动态分配子载波。
采用OFDMA与TDMA相结合的混合多址技术OFDMA-TDMA具有二者的优点，它可以在每个时隙内为不同用户动态分配载波，提供了精细、灵活的时频资源分配，可获得多用户分集增益。该技术已应用到基于OFDM的新型无线通信系统，如宽带无线接入IEEE 802.16标准和以Flash-OFDM为基础的IEEE 802.20标准中。在3GPP LTE的一些提案中，也把OFDMA-TDMA作为基本的传输方式。
在LTE提案中，上行OFDMA-TDMA有两种传输方法(图1A和图1B分别示出了分布式FDMA和局部化FDMA的示例)。
一类是频率分集的OFDMA，其特点是在各时隙，分配给用户的子载波散布在OFDM符号的所有频域载波中，也称之为分布式FDMA(Distributed FDMA)。例如，如图1A所示，把载波A，E，I，M分配给用户1，把载波B，F，J，N分配给用户2，依此类推。
另一类是频域调度的OFDMA-TDMA，其特点采用调度算法把OFDM符号中所有载波的一部分连续载波(载波块(chunk))分配给用户，也称为局部化FDMA(Localized FDMA)。例如，如图1B所示，把载波A～D分配给用户1，把载波E～H分配给用户2，依此类推。
第一类OFDMA已应用于IEEE 802.16标准中，第二类OFDMA系统具有频谱效率高的优点，且通过频域OFDM子载波调度，可抑制小区间干扰，支持复用因子为1的多小区系统频率复用，即网络中所有小区使用同一频率。
目前对该类系统的研究还较少，特别是当它用于多小区环境中时，如何调度用户并为其分配载波，是使该方案能实用化的关键。为解决此问题，本发明提出了一种用于多小区正交频分多址(OFDMA)系统的载波分配方法，包括选择导频信号；根据导频信号，估计信道干扰噪声比；据此，选择用在小区内及小区间的载波。
参考文献列表 3GPP R1-050390，ZTE，EUTRA Uplink Multiple Access forDownlink and Uplink，RAN 141bis[2]3GPP R1-050590，NTT DoCoMo，Physical channels andmultiplexing in evolved UTRA downlink，RAN1 Ad Hoc on LTE[3]3GPP R1-050591，NTT DoCoMo，Physical channels andmultiplexing in evolved UTRA uplink，RAN1 Ad Hoc on LTE发明内容本发明的目的在于提供一种用于多小区正交频分多址(OFDMA)系统的载波分配方法。
为了实现上述目的，根据本发明，提出了一种用于多小区正交频分多址系统的载波分配方法，所述方法包括步骤基站相邻扇区分配彼此正交的载波或载波块；用户在接入所述多小区正交频分多址系统前，先接收基站发送的广播信息，并根据所述广播消息，判断基站是否存在由空闲载波组成的空闲载波块；如果存在空闲载波块，用户端利用空闲载波发射导频符号到基站端；基站接收所述导频信号，并利用所述导频信号估计出由空闲载波组成的载波块的平均信道增益；基站比较各空闲载波块的信道增益，并将信道增益较大的空闲载波块分配给所述用户端；在分配给所述用户端的载波块内，比较各个载波的信道增益，选择出信道增益低于门限值的载波，使这些载波上不传送数据。
优选地，所述方法还包括在载波分配结束，开始在已分配载波块内未被排除的载波信道上传送数据的步骤。
优选地，如果没有空闲载波块，则表明接入失败，并结束处理。
优选地，所述方法还包括在所述用户端第一次接入所述多小区正交频分多址系统时，利用定时符号，估计信道增益；在所述用户端非第一次接入所述多小区正交频分多址系统时，利用导频信号，估计信道增益。
优选地，利用最小二乘估计方法来估计信道增益。
优选地，门限值为平均信道增益的一半。
优选地，所述多小区正交频分多址系统为多小区、局部化频分多址系统。
优选地，所述多小区正交频分多址系统为多小区、分布式频分多址系统。
优选地，所述多小区正交频分多址系统按照时分双工工作模式进行操作，由基站端或用户端进行载波分配。
优选地，所述多小区正交频分多址系统按照频分双工工作模式进行操作，根据上下行链路的业务量来确定载波分配端在主要是用户端从基站端下载数据的情况下，由基站端进行载波分配；以及在主要是用户端向基站端上载数据的情况下，由用户端进行载波分配。
本发明针对多小区OFDMA系统，由基站协同实现相邻小区(扇区)间的载波正交，以消除小区间的干扰，把基于载波信道干扰噪声比的载波调度简化为基于载波信道噪声比的载波调度。又考虑到各载波的噪声功率相差很小的特点，在载波调度时，直接根据其信道条件，把平均信道增益较大的载波块分配给用户。此外，把零数据映射到载波块中深度衰落子载波上。通过这些操作，达到提高系统容量和误比特率性能的目的，且具有简单易行的优点。
下面将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述，其中图1A和图1B分别示出了分布式FDMA和局部化FDMA的示例；图2是用于解释本发明的通信方法的原理的说明图。
图3是示出了多小区OFDMA系统的示意图；图4示出了下行基站发射装置；图5示出了上行用户发射装置；图6是用于解释小区边界处的干扰的示意图；图7示出了分配给用户的不同载波块；图8是示出了多径功率分布的图表；图9是示出了子载波信道增益的曲线图；图10是根据本发明实施例的载波分配方法的流程图；以及图11是示出了误比特率性能的曲线图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作具体说明。应该指出，所描述的实施例仅是为了说明的目的，而不是对本发明范围的限制。所描述的各种数值并非用于限定本发明，这些数值可以根据本领域普通技术人员的需要进行任何适当的修改。
首先，将描述本发明通信方法的原理。图2是用于解释本发明通信方法的原理的说明图。
在多小区OFDM系统中，当用户位于小区边缘时，常受到来自相邻小区用户信号的干扰，为此，本发明基于相邻扇区载波正交的思想提出一种避免干扰方法。
首先，将一个蜂窝小区划分为若干扇区，且各个扇区之间分配不同载波。然后，记录用户所属小区及对该用户干扰最强的小区，给用户所属扇区及相邻小区的扇区之间分配正交载波。通过相邻扇区的协同处理，使发射信号正交，避免了位于小区边缘的用户受到相邻小区用户信号的干扰，从而可把基于载波信道干扰噪声比SINR的载波调度转化为基于载波信道噪声比SNR的载波选择。又考虑到各载波的噪声功率相差很小的特点，载波调度时可进一步简化为基于载波的信道增益来完成。
其次，把零数据映射到载波块中深度衰落子载波上。通过这些操作，达到提高系统容量和误比特率性能的目的，且具有简单易行的优点。
系统装置图3是示出了多小区OFDMA系统的示意图。所示多小区OFDMA系统具有六边形蜂窝形状，每个小区周围有六个其他小区，每个基站覆盖一个小区并与该小区内的用户通信。为降低小区内同频干扰并提高容量，可在基站端安装扇区天线把每个小区划分为若干个扇区，图中示出了将每个小区划分为三个扇区的情况。
所示多小区OFDMA系统所采用的通信方式为下行链路(基站端到用户端)采用OFDMA-TDMA多址方案，上行链路(用户端到基站端)采用局部化FDMA传输方式。
图4示出了基站发射装置，以及图5示出了用户发射装置。
参考图4，当基站端发射信号时，调度器401确定在某时隙接入的用户，并为不同的用户分配载波。编码器402对每个用户的信息比特流进行编码。交织器403对编码的数据进行交织。调制器404按预定方式对经交织的数据进行调制。导频插入装置405分别、、将导频插入数据符号，把数据、导频符号影射到与用户对应的载波上，并由IDFT变换器406对其进行IDFT变换，由循环前缀加入装置407加入循环前缀，从而形成基带发射信号。基带信号经射频RF链408，利用天线409发射到信道。
参考图5描述用户端的构成及操作。当用户端发射信号时，编码器501对用户比特流进行编码。交织器502对编码的数据进行交织处理。调制器503按预定方式对经交织的数据进行调制。导频插入装置504将导频插入数据符号。然后，利用DFT扩频装置505对数据符号块进行扩频(线性预编码)，映射装置506把扩频后符号映射到与用户对应的载波上，并由IDFT变换器507对其进行IDFT变换，由循环前缀加入装置508加入循环前缀，从而形成基带发射信号。基带信号经射频RF链509，利用天线510发射到信道。
多小区层面——小区间干扰的删除图6是用于解释小区边界处的干扰的示意图。对于多小区OFDMA系统，特别是当用户位于小区边缘时，常受到来自相邻小区信号的干扰。因为如果A小区的用户端A1处于A、B小区的边界附近，当它利用OFDM载波f1…f64与基站A进行通信时，B小区的用户端B 1可能正在用OFDM载波f1…f128与基站B进行通信，则由用户端B1与用户端A1重叠的载波f1…f64所承载的信号将叠加到用户A1的载波信号中而造成干扰。该类干扰与CDMA系统不同，它与被干扰信号的类型相同，不能被视作高斯分布的噪声。若从每个载波端的接收信号中逐个删除每个载波端的干扰，复杂度较高。
为此，可以采用给相邻小区预先分配不同频率(载波)的方法。优选地，本发明采用给相邻小区的各个扇区预先分配不同频率的方法。
再次参考图3，将用户所处的小区A划分为三个扇区A1、A2和A3，预先把载波块f1□64、f65□128、…分配给每个扇区，各个扇区包括不同的载波块集，如扇区A1的载波块集F1包括载波块f1□64…f257□320，即{f1□64…f257□320}∈F1，扇区A2的载波块集F2包括载波块f321□384…f705□768，扇区A3的载波块集F3包括载波块f769□832…f961□1024。由此可见，各扇区之间的载波正交。当扇区A1内的用户靠近其相邻小区B的扇区B2、B3时，基站BS_B分别把载波块集F2、F3分配给扇区B2、B3。这样，通过相邻小区基站BS_B的协同处理，避免了小区边缘的用户受到相邻小区用户信号的干扰。这需要相邻小区基站的协同工作。通常，这些基站通过有线连接接入公共的无线网络控制器(RNC)等，因此能够实现基站的协同处理。
单小区层面——用户载波调度通过上述方法，为每个小区分配了载波。下面，将分析每个小区内的用户载波块分配，从而使系统的频谱效率最高。
图7示出了分配给用户的不同载波块。当多个用户接入局部化FDMA系统时，一个关键的问题是在每个传输时间间隔内，如何根据一定准则(如信号干扰噪声比SINR最大)，将由若干个连续载波组成的载波块(Chunk)分配给每个用户，如图7所示，并满足各个用户业务服务质量的要求。如以上参照图2和图6所述，为了避免位于小区边缘的用户受到相邻小区用户信号的干扰，给用户所属小区及相邻小区之间分配正交载波，或者给用户所属扇区及相邻小区的扇区之间分配正交载波，通过上述相邻小区或扇区的协同处理，使发射信号正交，消除了干扰，从而可把基于载波信道干扰噪声比SINR的载波调度转化为基于载波信道噪声比SNR的载波选择，又考虑到各载波的噪声功率相差很小的特点，载波调度时可进一步简化为基于载波的信道增益来完成。
图8示出了多径衰落信道的功率分布的示例，包括八径，每径功率呈指数衰减。如图所示，将每径功率对第一径进行归一化，由此得到每径的功率依次为[exp(0)exp(-1)exp(-2)exp(-3)exp(-4)exp(-5)exp(-6)exp(-7)]。
图9是示出了子载波信道增益的曲线图。所发送的定时符号经图8所示的信道传播后，估计到的信道增益如图9所示。可见，各载波增益变化较大，一些深度衰落的载波会降低系统传输性能。
因此，为了克服信道条件差的载波的影响，在本发明中，比较用户载波块中各载波信道增益大小，选出信道增益低于载波块平均增益2倍的载波，使这些载波不传送数据，即把数据“0”映射到这些载波上。
因此，实现了以下载波(块)分配方法。下面，将参照图10，对本发明的载波分配方法进行详细的描述。图10是根据本发明的载波分配方法的流程图。
当移动终端(用户端)接入系统时，它先接收基站发送的广播信息(步骤101)。然后，移动终端根据广播消息，判断基站端是否有空闲载波块(步骤102)。如果没有空闲载波块，则接入失败，结束处理。如果存在空闲载波块，则准备接入系统。移动终端利用空闲载波发射用于符号定时、同步的导频符号到基站端(步骤103)。基站端接收到导频信号后，利用该信号估计出由空闲载波组成的载波块的平均信道增益(步骤104)。然后，基站端比较各载波块信道增益的大小，并把信道增益较大的载波块分配给该移动终端(步骤105)。在分配给用户的载波块内，比较各个载波的信道增益，选择出信道增益低于门限值的载波，使这些载波上不传送数据(步骤106)。至此，载波分配结束，开始在载波块内未被排除的载波信道上传送数据(步骤107)。
例如，假设目标用户U位于A1扇区内，且可将载波f1～f64分配给该用户U。以上描述了如何将由载波f1～f64中的载波构成的一个或多个载波块分配给用户U的过程。而且，在分配给用户U的载波块中，不在信道增益低于门限值的载波上传送数据。
以上描述了基站端对用户分配载波的过程。
在时分双工(TDD)工作模式下，工作频率相同，上、下行信道特性具有互易性，故基站端给用户分配载波与在用户端对基站端分配载波等效。
在频分双工(FDD)工作模式下，上、下行工作频率不同，信道特性也不相同，需要在基站端和用户端分别分配载波。实际上，这样的操作较复杂，可根据上下行业务量的多少来确定在载波分配端，如用户端主要在从基站端下载数据，则可由基站端来分配，可提高下行业务传输质量。
进行OFDM通信时，先发送定时同步导频符号，然后发送用于信道估计的导频符号，该符号分布映射到导频载波上。进行载波分配的条件是信道增益已知，当用户初始接入信道时，信道估计值未知，故不能给用户分配载波块。为此，本发明直接利用定时符号初始估计信道，设发射频域定时信号为Xp(n)，则频域接收定时信号为Yp＝XpHp+W，利用最小二乘(LS)进行估计，即，使估计误差的欧氏距离e(H^)=||Yp-XH^||2]]>最小。把该式展开后求偏导，得到∂∂H||Yp-XH^||2|H=H^=H^HXHX-YpHX=0---(1)]]>其中“H”表示矩阵的共轭转置。由此，可以得出估计信道增益H^=Yp/Xp.]]>图11示出了根据载波信道增益进行载波选择后的系统误比特率(BER)性能，仿真参数分别为BPSK调制，未编码；8径信道，每径信道功率呈指数衰减(如图8所示)；分配1个载波块(64个载波)给用户，选择出的“0”载波数为12。可以看到，对一些深度衰落载波，其上不发送数据，可获得对BER性能的改善。这时，虽然这些载波不被利用，存在频率耗费，但不计这些载波后，提高了载波块的平均信道增益，从而可采用更高阶的调制方式，提高传输速率和频谱效率。
尽管已经针对典型实施例示出和描述了本发明，本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其他的改变、替换和添加。因此，本发明不应该被理解为被局限于上述特定实例，而应当由所附权利要求所限定。
权利要求
1.一种用于多小区正交频分多址系统的载波分配方法，所述方法包括步骤基站相邻扇区分配彼此正交的载波或载波块；用户在接入所述多小区正交频分多址系统前，先接收基站发送的广播信息，并根据所述广播消息，判断基站是否存在由空闲载波组成的空闲载波块；如果存在空闲载波块，用户端利用空闲载波发射导频符号到基站端；基站接收所述导频信号，并利用所述导频信号估计出由空闲载波组成的载波块的平均信道增益；基站比较各空闲载波块的信道增益，并将信道增益较大的空闲载波块分配给所述用户端；在分配给所述用户端的载波块内，比较各个载波的信道增益，选择出信道增益低于门限值的载波，使这些载波上不传送数据。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在载波分配结束，开始在已分配载波块内未被排除的载波信道上传送数据的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其中如果没有空闲载波块，则表明接入失败，并结束处理。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述用户端第一次接入所述多小区正交频分多址系统时，利用定时符号，估计信道增益；在所述用户端非第一次接入所述多小区正交频分多址系统时，利用导频信号，估计信道增益。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其中利用最小二乘估计方法来估计信道增益。
6.根据权利要求1所述的方法，其中门限值为平均信道增益的一半。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述多小区正交频分多址系统为多小区、局部化频分多址系统。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述多小区正交频分多址系统为多小区、分布式频分多址系统。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述多小区正交频分多址系统按照时分双工工作模式进行操作，由基站端或用户端进行载波分配。
10.根据权利要求1到6之一所述的方法，其中所述多小区正交频分多址系统按照频分双工工作模式进行操作，根据上下行链路的业务量来确定载波分配端在主要是用户端从基站端下载数据的情况下，由基站端进行载波分配；以及在主要是用户端向基站端上载数据的情况下，由用户端进行载波分配。
全文摘要
本发明提供了一种用于多小区正交频分多址系统的通信方法。首先，将一个蜂窝小区划分为若干扇区，且各个扇区之间分配不同载波。然后，记录用户所属小区及对该用户干扰最强的小区，给用户所属扇区及相邻小区的扇区之间分配正交载波。通过相邻扇区的协同处理，使发射信号正交，避免了位于小区边缘的用户受到相邻小区用户信号的干扰，从而可把基于载波信道干扰噪声比的载波调度转化为基于载波信道噪声比的载波选择。又考虑到各载波的噪声功率相差很小的特点，载波调度时可进一步简化为基于载波的信道增益来完成。其次，把零数据映射到载波块中深度衰落子载波上。通过这些操作，达到提高系统容量和误比特率性能的目的，且具有简单易行的优点。
文档编号H04L27/26GK1968239SQ20051012546
公开日2007年5月23日 申请日期2005年11月17日 优先权日2005年11月17日
发明者黎海涛, 李继峰 申请人:松下电器产业株式会社