CN1669264A - 用于准同步系统的时间－频率交织mc－cdma - Google Patents

Abstract

本发明涉及数字传输。它特别涉及采用多载波码分多址(CDMA)接入传输系统以从发射机向接收机发送数据的方法。这些被发送数据由一组预定义的连续码片扩展序列扩展之后，被用正交频分复用(OFDM)进行OFDM调制，其中预定义序列的两个连续码片在不连续的载波以及不连续的时间间隔内发送。

Description

用于准同步系统的时间-频率交织MC-CDMA

发明领域

本发明总体涉及数字传输。更加具体而言，本发明涉及采用多载波码分多址(CDMA)接入到传输系统以发送数据的方法，并且还涉及接收按此方式被发送的数据的方法。

本发明还涉及传输系统，涉及用于执行上述方法的发射机和接收机。

本发明还涉及用于执行该方法的计算机程序产品。

本发明一般被应用于数字多用户(多址接入)传输系统，并且特别被应用于无线和移动通信系统，例如下一代高速率移动通信系统(超3代通信系统)。

发明背景

由于更高速率移动数据通信需求的不断增长，下一代蜂窝无线系统，也被称作4G系统，将面临重要挑战：即为用户提供大容量、高频谱效率的服务。因此，早在3G(第三代)系统完全商用之前，就已经开始针对4G系统(或IMT-2010+系统)展开了研究和讨论。目前已经投入大量精力，去制定能够支持不断增长的移动数据业务量需求的空中接口。

目前已经针对无线通信网络提出了宽带码分多址(CDMA)系统。当用预定义的扩展序列对要被发送数据进行扩展时，这些系统比常规多址接入技术可以提供更高的平均容量和数据速率。而且，它们能够应付多媒体数据业务量的非同步特性，并且能够对抗不利的信道频率选择性。然而这种高速无线链路的大频率带宽使其更加容易受到符号间干扰(ISI)的影响。因此，目前已经提出多种多载波CDMA技术，以便改善频率选择性信道的性能。多载波CDMA技术结合了CDMA系统的多址接入和小区复用技术，以及使用正交频分复用(OFDM)的多载波系统针对信道选择性的鲁棒性。该技术被认为是4G无线系统物理层的主要候选技术。扩展既可以在频域内进行，导出多载波CDMA(MC-CDMA)，或者在时域内进行，导出多音CDMA(MT-CDMA)和多载波直接序列CDMA(MC-DS-CDMA)。

发表于2002年由Kluwer Academic Publishers出版、K.Fazel和S.Kaiser的“多载波扩展及相关问题(Multi-Carrier Spread-Spectrum & Related Topics)”一书(第3-12页)的Hikmet Sari的文章“多载波CDMA回顾(A Review of Multi-carrier CDMA)”中阐述了一种系统，其组合了两种多载波CDMA系统的变体，称作“两种极端情况”，其中信号扩展分别要么只在频域内进行，即MC-CDMA系统，要么只在时域内进行，即MC-DS-CDMA系统。该组合系统通过在不同载波以及不同码片周期内发送给定符号的码片，不仅在时域而且在频域获得分集效果。

尽管该系统的性能可能优于上述的“两种极端情况”，但是就其接收质量而言(低干扰以及同步)还不是最优的。

发明概述

被发明的目的在于提供一种具有较好接收质量的系统。

本发明从以下各个方面进行考虑。如果由不同的发射机发送的数据是被同步地接收的，则利于接收的相干检测。在上行链路传输中，由于不同的用户一般不是同步的，因此很难获得接收的同步。

因此本发明提出一种传输方案，其比上述系统对准同步有更强的鲁棒性。为了做到这一点，提出一种利用多载波码分多址(MC-CDMA)来发送数据符号以接入传输系统的方法，该方法包含：

-利用一组预定义的连续码片的扩展序列对数据符号进行扩展，以生成包括与码片相乘的数据符号在内的扩展数据符号序列；

-映射扩展数据符号序列，以将其分配到预定义子载波组内被选中的子载波上，以及预定义周期性时间间隔内被选中的时隙中；

-利用正交频分复用(OFDM)对所映射的扩展数据符号序列进行调制，以生成将要在所选中的子载波和时隙中被传输的OFDM调制符号；

其中两个连续的扩展数据符号被分配到不连续的子载波以及不连续的时隙中。

由于分配给不同用户的扩展序列应该是近似正交的，这意味着两个不同用户的不连续扩展数据符号的相关性近似为零，因此无论同步或准同步，在对接收到的OFDM符号进行解调之后，接收后的解扩导致容易地取回期望的由各个用户发送的编码数据。这使寻找表示由各个用户发出的编码数据的项成为可能。

由于扩展数据序列被分布在不连续的子载波和时隙中，因此本发明的传输方案在时域和频域对信道选择性还具有更强的鲁棒性。有利地，这使降低对接收的干扰并导致更好的性能成为可能。

为上行链路和下行链路传输采用不同的方案是可能的，只需调整映射以适应所考虑的系统。

与已知系统相比，通过改变所选择的参数，本发明还提供了针对信道特征的更高的灵活性。

附图简述

参考随后描述的附图，可以清楚地了解并且阐述本发明及其附加功能，这些附加功能可以有选择地被用于实现本发明以有利于本发明，其中附图包括：

-图1A和图1B是分别针对上行链路和下行链路传输，说明依据本发明的发射机/传输方法实例的概念性框图；

-图2A和图2B是说明依据本发明的一个传输方法的两个映射实例的示意图；

-图3A和图3B是分别针对两个不同的用户，详细说明图2A所示的映射实例的示意图；

-图4A和图4B是分别针对上行链路和下行链路传输，说明依据本发明的接收机/接收方法实例的概念性框图；

图5是说明一个依据本发明的系统的实例的概念性框图。

附图详述

图1A和图1B示出依据本发明的MC-CDMA发射机局部的实例。该传输系统可以是任意数字多用户传输系统，例如无线移动通信系统。由于本发明所提出的MC-CDMA方案的异步结构，其特别有利于蜂窝系统的上行链路传输(图1A)。

图1A说明了上行链路传输中的MC-CDMA发射机。它包含单用户设备，例如与多个用户共享同一带宽的移动电话。

MC-CDMA传输使用多载波码分多址(MC-CDMA)。共享同一带宽的多个用户，标识为N_u，被分配以预定义的扩展码字，以将其数据扩展到所述信道的整个带宽内。在贯穿该信道的一组预定义的子载波上发送该扩展数据。在图1A所示的实例中，把一长度为L的特定扩展序列的连续码片分配给用户k(k＝1，…，N_u)，其中该扩展序列的连续码片被标识为C_k ⁽ⁱ⁾，i＝1，…L为序列内的码片序号。该扩展序列被应用于输入数据符号，标识为S_k，其实际上已经由未画出的信源编码器和信道编码器编码。根据不同的系统，分配给不同用户的扩展序列可以是相互正交的或近似正交的，但它们必须具有预定的特性。对于给定的帧来说，子载波和时隙的个数分别被标识为N_c和N_t。对于每个用户k而言，图1A的发射机包含：

-  扩展装置SPREAD，用于利用分配给用户K的一组预定义的扩展序列(C_k ⁽¹⁾，…，C_k ^(L))，k＝1，…，N_u的连续码片对输入数据符号S_k进行扩展，以生成包含与码片相乘的数据符号在内的扩展数据符号序列；

-  映射装置MAP，用于映射扩展数据符号序列，以把它们分配到从一组N_c个预定义子载波中选出的子载波上，和从包含N_t个时隙的预定周期时间间隔内被选中的时隙中，使得两个连续的扩展数据符号被分配到不连续的子载波以及不连续的时隙当中；

-  调制装置OFDM，用于使用正交频分复用(OFDM)对映射的扩展数据符号序列进行调制，以生成将要在所选中的子载波和选中的时隙中传输的OFDM调制符号。

为了适当地组织供随后模块操作的数据流，在扩展器SPREAD的输入端以及映射装置的输出端分别提供串-并S/P和并-串P/S转换器。所有用户共享相同的码片的时间-频率映射。扩展数据符号根据时间-频率交织被分配到不同的所选中的子载波上和不同的所选中的时隙中，这样就能够对抗信道的时间选择性和频率选择性。而且，两个连续的扩展数据符号被分配到不连续的子载波以及不连续的时隙中，这样能够更好地对抗信道的时间选择性和频率选择性，并且针对准同步还得到更好的鲁棒性。这将随后参考图3A和3B更加详细地加以讨论。

下面给出传输方法的实施细节。对于每个用户k而言，串-并转换器S/P把输入的编码数据符号S_k转换为一组N_cN_t/L个低速率并行子数据流，其中每个数据流被用于调制N_c个子载波当中的一个子载波。串-并转换器S/P的输出被馈送到长度为L的扩展器SPREAD，以利用用户k的相关扩展波形C_k ⁽¹⁾对输入数据符号进行扩展。

然后进行映射，以把N_cN_t个扩展数据符号分布到相应的时隙-频率槽中。在映射的输出端，并-串转换模块P/S确保在每一给定时刻，每块的N_c个扩展符号是一个OFDM输入符号。基站内接收到的信号是来自系统内所有用户通过其自己的信道传输的所有OFDM调制信号的总和。

图1B说明了依据本发明的下行链路传输中的发射机。图1B中所示的发射机可以是，例如，无线移动通信系统中的基站，其与多个标识为用户1-用户N_u的用户通信(下行链路传输)。除了扩展器的输出在映射前被求和之外，大部分传输链类似于图1A所示的传输链。这种映射对于所有用户都是相同的。在该传输链的末端，N_u组相应的N_cN_t个OFDM调制的扩展符号被通过信道发送。

图2中描述了两个映射矩阵实例，它们可以被有利地用于用来实现上述传输方法的映射步骤的系统。图2A所示的映射实例很适合一系统，其中扩展序列相互正交，比如，举例来说，Walsh-Hadamard序列。图2B所示的实例很适合一种系统，其中扩展序列具有特定的相关特性，即它们具有低的互相关性和自相关性分布，比如，举例来说，Gold序列。

一帧内子载波和时隙的个数分别由N_c＝K_f.L与N_t＝K_t.L给出，其中K_t和K_f分别标识时间和频率的交织深度。扩展序列的长度仍然为L。因此，每个大小为K_t.K_f的子矩阵M_i ⁿ对应于扩展序列的第n个码片，并且包含根据信道、应用以及传输特性所选择的K_t.K_f个数据符号。M_i ⁿ并不必须是方阵，并且存在L×L个子矩阵M_i ⁿ，以便表示K_t.K_fL个数据符号中每个符号的L个码片。利用这种映射，可以在N_c.N_t个相应的时间-频率槽内同时传输K_t.K_fL²个扩展数据符号。一个OFDM符号的大小仍然为N_c。

图2A说明了子矩阵被连续分布在频域内的映射实例，而图2B说明了子矩阵被连续分布在时域内的映射实例。在这两种情况中，每个扩展数据符号都被分布在一帧内的所有子载波以及所有时隙中，使系统能够有效地对抗信道的时间选择性和频率选择性。最终，利用图2A所示的特定映射以及，举例来说，Walsh-Hadamard扩展序列，系统能够允许0到K_t-1个码片的时间偏差。下面给出其细节描述。

图3A和图3B中分别给出针对两个不同用户k和1的图2A所示映射矩阵的实施实例，其存在一个码片的时间偏差。在该实例中，K_f＝K_t＝2，N_c＝N_t＝8，L＝4。标识为f₁-f₈的N_c个子载波的集合被表示在横轴上，而标识为t₁-t₈的N_t个时隙的集合被表示在竖轴上。用户k的输入数据符号，标记为S_k ⁱ，i＝1，…，16以及用户1的，标记为S₁ ^j，j＝1，…，16被分组在四个符号矩阵内，被分别标记为m_i ^(k)和m_i(1)，i＝1…，4。对于用户k来说，四个符号矩阵分别为：

$m_1\left(k\right)=\left(\begin{array}{cc}{S}_k^1& S_k^2\\ S_k^3& S_k^4\end{array}\right)$ $m_2\left(k\right)=\left(\begin{array}{cc}{S}_k^5& S_k^6\\ S_k^7& S_k^8\end{array}\right)$

$m_3\left(k\right)=\left(\begin{array}{cc}{S}_k^9& S_k^{10}\\ S_k^{11}& S_k^{12}\end{array}\right)$ $m_4\left(k\right)=\left(\begin{array}{cc}{S}_k^{13}& S_k^{14}\\ S_k^{15}& S_k^{16}\end{array}\right)$

类似地，除了序号k被序号1代替之外，用户1的四个符号矩阵与用户k的相同。

分配给用户k的扩展序列码片被标识为(C_k ⁽¹⁾，C_k ⁽²⁾，C_k ⁽³⁾，C_k ⁽⁴⁾)。分配给用户1的那一个被标识为(C₁ ⁽¹⁾，C₁ ⁽²⁾，C₁ ⁽³⁾，C₁ ⁽⁴⁾)。映射矩阵包含L×L个大小为K_tK_f的子矩阵，标识为M_i ⁿ(k)，i＝1，…，L，其中n＝1，…，L对应于扩展序列的第n个码片，其中子矩阵中包含K_tK_f个子矩阵元素，这些子矩阵元素包括数据符号与扩展序列的乘积。对于用户k，这些子矩阵M_i ⁿ(k)，i＝1，…，L，n＝1，…，L为：

$M_i^1\left(k\right)=\left(\begin{array}{cc}{S}_k^{4(i-1)+1}\·C_k^1& S_k^{4(i-1)+2}\·C_k^1\\ S_k^{4(i-1)+3}\·C_k^1& S_k^{4(i-1)+4}\·C_k^1\end{array}\right)$ $M_i^2\left(k\right)=\left(\begin{array}{cc}{S}_k^{4(i-1)+1}\·C_k^2& S_k^{4(i-1)+2}\·C_k^2\\ S_k^{4(i-1)+3}\·C_k^2& S_k^{4(i-1)+4}\·C_k^2\end{array}\right)$

$M_i^3\left(k\right)=\left(\begin{array}{cc}{S}_k^{4(i-1)+1}\·C_k^3& S_k^{4(i-1)+2}\·C_k^3\\ S_k^{4(i-1)+3}\·C_k^3& S_k^{4(i-1)+4}\·C_k^3\end{array}\right)$ $M_i^4\left(k\right)=\left(\begin{array}{cc}{S}_k^{4(i-1)+1}\·C_k^4& S_k^{4(i-1)+2}\·C_k^4\\ S_k^{4(i-1)+3}\·C_k^4& S_k^{4(i-1)+4}\·C_k^4\end{array}\right)$

对于用户1，所述L×L子矩阵与用户k的相同，除了序号k被序号1代替以及除了对于用户1，在映射矩阵中该子矩阵具有一个码片的时间偏移，如图3B所示。因此，用户1的映射矩阵中对应于时隙t₁的第一行包含先前的映射矩阵中最后一行的扩展数据，标识为S’₁ ⁱ，i＝15，16，11，12，7，8，3，4，其不再对应于数据符号S₁ ¹-S₁ ¹⁶，因为子矩阵是时间偏移的。

在时间偏移不超过K_t-1的情况下，由于与已知方案相比，利用正交扩展序列的相关特性，这种映射方案可以更容易地获取发送的数据符号，因此它针对准同步具有更强的健壮性，即：

k，l≠k

$\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k^i{C}_l^i=0$

$\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k^i\·C_k^{i*}=1$

例如，在接收机一侧进行解调之后，在频率f₁和时隙t₂内发送的数据符号的解扩可以被表示为：

$\frac{1}{4}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}[S_k^3\·C_k^i+S_l^i\·C_l^i]\×C_k^{i*}$

$=\frac{1}{4}{S}_k^3\·\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k^i\·C_k^{i*}+\frac{1}{4}{S}_l^i\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{C}_l^i\·C_k^{i*}$

$=S_k^3$

由于：

$\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k^i\·C_k^{i*}=1$

以及：

$\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k^i{C}_l^{i*}=0$

因此，利用依据本发明的特定映射能够应付准同步情况。实际上，上述允许提取S_k ³的实例仅能很好地工作K_t×L/2个符号，也就是图3A和图3B所示映射矩阵实例中两行中的一行。在所有其他情况下，该结果不一定恰好等于预计的数据符号，而是会生成带有剩余项的部分和。这些剩余项可以随后被容易地消除。利用规模足够大的子矩阵，在预期数据符号之外所述计算出现剩余项的情况会减少。利用这种子矩阵还可以减小由于出现部分和而造成的干扰，从而改善性能。

图4显示了依据本发明的MC-CDMA接收机的两个实例。图4A举例说明了移动传输系统内上行链路传输中的基站接收机。该基站接收由序号为1-N_u的多个用户设备编码，经MC-CDMA移动传输系统发送的数据，该传输系统采用多载波码分多址(CDMA)和OFDM调制。接收到的编码数据被用一组分配给各个用户，标识为(C_k(1)，…，C_k(L))，长度为L的预定扩展序列扩展，k为所考虑的有关用户的序号。接收机至少包含：

-  解调器OFDM^-1，用于针对一组预定义的子载波对接收到的多载波数据进行解调；

-  解除映射(de-map)装置MAP^-1，用于对解调数据解除映射以及用于取回预定义的扩展序列组；以及

-  解扩装置SPREAD^-1，用于对预定义的扩展序列组进行解扩，以取回发射机发送的编码数据。

为了适当地组织供随后模块操作的数据流，在解调器OFDM^-1和解扩装置SPREAD^-1的输出端分别提供串-并S/P和并-串P/S转换器。在接收链的末端存在译码装置DECOD，以表明接收机最终需要对解扩数据进行译码(信源译码和信道译码)，以获取由发射机发送的原始数据消息。

图4B中举例说明了移动通信系统下行链路传输中的用户设备接收机。用类似的参考符号指示与图4A中的接收机内类似的模块元素。在下行链路传输过程中，序号为k的用户设备仅须对由基站发出的数据进行解扩，而其到达自己的译码器。因此，用户k的用户设备仅须得知用户k的扩展序列即(C_k(1)，…，C_k(L))。

图5示出一个包含发射机51、接收机52以及传输信道53，用于从发射机经传输信道向接收机传输数据的依据本发明的系统。根据系统以及所进行的传输类型，可选地，发射机和接收机可能是同一设备。在移动通信系统中，典型地，在下行链路传输期间用户设备将是接收机而基站将是发射机；而在上行链路传输期间基站将是接收机而用户设备将是发射机。在上行链路传输中，发射机在设计上可与图1A中所描述的MC-CDMA发射机相类似，而接收机在设计上可与图4A中所描述的MC-CDMA接收机相类似。在下行链路传输中，发射机可具有与图1B中所描述的MC-CDMA发射机相类似的设计，而接收机可具有与图4B中所描述的MC-CDMA接收机相类似的设计。

上文中的附图及其描述说明而不是限制了本发明。显然存在多种落在随后权利要求覆盖范围中的变体。基于此做出随后结尾的注释。

利用硬件或软件单元，或两者都用，有多种途径来实现本发明的功能。从这一点考虑，附图是非常概略的，每个附图仅表示本发明一种可能的实施例。因此，尽管附图将不同的功能显示在不同的模块中，但这决不排除单一硬件或软件单元完成几个功能。它也不排除多个硬件或软件，或者两种单元的组合完成一项功能。

权利要求内的任何参考符号不应被解释为对该权利要求的限制。使用动词“包含”及其变形并不排除不同与权利要求所声明的元素或步骤的出现。某一元素或步骤之前的冠词“一”或“一个”并不排除多个这样的元素或步骤的出现。

Claims (9)

1.利用多载波码分多址(MC-CDMA)接入传输系统以发送数据符号的方法，该方法包含：

-利用一组预定义的连续码片的扩展序列对数据符号进行扩展，以生成包括与码片相乘的数据符号的扩展数据符号序列；

-映射扩展数据符号序列，以便它们被分配到预定义的子载波组内被选中的子载波上，以及分配到预定义的周期性时间间隔内被选中的时隙中；

-利用正交频分复用(OFDM)对所映射的扩展数据符号序列进行调制，以生成将要在所选中的子载波上和在所选中的时隙中被传输的OFDM调制符号；

其中两个连续扩展数据符号被分配到不连续的子载波以及不连续的时隙中。

2.如权利要求1中要求的方法，其中映射步骤包括定义大小为K_tL×K_fL的映射矩阵，L为预定义的扩展序列的长度，K_t和K_f分别标识时间和频率的交织深度，K_tL表示周期性时间间隔内的时隙个数，而K_fL表示预定义的子载波组内的子载波个数，在一个时隙内传输一个OFDM调制符号以及传送K_fL个扩展数据符号，其中映射矩阵包含L×L个大小为K_tK_f的子矩阵，标识为M_i ⁿ，i＝1，...，L，其中n＝1，...，L对应于扩展序列的第n个码片，其中子矩阵包含对应于扩展数据符号的K_tK_f个子矩阵元素，以在相应的选中的子载波和相应的选中的时隙中同时传输K_tK_fL²个扩展数据符号，而其中子矩阵元素的位置依赖于传输系统而相对质量准则来预先确定。

3.如权利要求2中要求的方法，其中在映射矩阵中分布子矩阵，使得对应于相同第n个码片的子矩阵M_i ⁿ被分配给同组K_f个连续的子载波。

4.如权利要求2中要求的方法，其中在映射矩阵中分布子矩阵，使得对应于相同第n个码片的子矩阵M_i ⁿ被分配给同组K_t个连续的时隙。

5.利用多载波码分多址(CDMA)接入到传输系统以发送数据符号的发射机，包含：

-扩展装置，用于利用一组预定义的连续码片的扩展序列对数据符号进行扩展，以生成包括与码片相乘的数据符号的扩展数据符号序列；

-映射装置，用于映射扩展数据符号序列，以便把它们分配到一组预定义的子载波中被选中的子载波上，以及分配到预定义的周期性时间间隔内被选中的时隙中；

-调制装置，用于利用正交频分复用(OFDM)对映射的扩展数据符号序列进行调制，以生成将要在所选中的子载波上和在所选中的时隙中被传输的OFDM调制符号；

其中两个连续的扩展数据符号被分配到不连续的子载波以及不连续的时隙中。

6.接收由发射机编码并且通过利用多载波码分多址(CDMA)接入传输系统来发送的多载波数据的方法，所述编码数据在被用一组预定义的扩展序列扩展后用OFDM调制，所述方法包含：

-相对一组预定义的子载波对接收到的多载波数据进行解调；

-对解调数据解除映射以取回预定义的扩展序列组；以及

-对预定义的扩展序列组进行解扩以取回发射机发送的编码数据。

7.用于接收由发射机编码以及通过利用多载波码分多址(CDMA)接入传输系统来发送的数据的接收机，所述数据在被用一组预定义的扩展序列扩展后用OFDM调制，所述接收机包含：

-解调器，用于相对一组预定义的子载波对接收到的多载波数据进行解调；

-解除映射装置，用于对解调数据解除映射以取回预定义的扩展序列组；以及

-解扩装置，用于对预定义的扩展序列组进行解扩以取回由发射机发送的编码数据。

用于发射机的计算机程序产品，计算一组指令，当其被载入到发射机内时，使发射机能够实现如权利要求1中所要求的方法。

8.用于接收机的计算机程序产品，计算一组指令，当其被载入到接收机内时，使接收机能够实现如权利要求6中所要求的方法。

9.传输系统，至少包含一发射机和一接收机，用于利用多载波码分多址(CDMA)接入传输系统以从发射机发送数据到接收机，该被发送的数据在被用一组预定义的连续码片的扩展序列扩展之后，被用正交频分复用(OFDM)调制，其中预定义序列的两个连续码片在不连续的子载波上以及在不连续的时间间隔内发送。

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