CN1691562B - 基于可变扩频和跳频的正交时频域的码分多址接入方法 - Google Patents

Abstract

基于可变扩频和跳频的正交时频域的码分多址接入方法，包括步骤：a)根据跳频图案，在OFDM的时频域选择适当的时频单元组；b)从正交码组中选择正交码，在由步骤a)选定的OFDM时频单元组中采用正交扩频以确定选定跳频图案下的子信道；c)在从步骤a)中选定的具有相同时频单元的组中，对在相同时频单元组中从步骤b)中选择的满足正交特性的SC-SFHP信道中的扩频信息进行复用；d)从步骤c)中得到的复用后的数据信息通过OFDM系统进行数据传输。本发明适应未来的高数据速率传输的需要。由于正交扩频，可提供系统频率分集作用。同时在高的扩频因子下以及跳频作用下，提供系统时间分集作用。跳频信息所需的同步和对正交码的解扩可得益于OFDM系统的同步和信道估计/信道均衡。

Description

基于可变扩频和跳频的正交时频域的码分多址接入方法

技术领域

本发明涉及无线通信系统中的信息传输以及多址接入技术，特别涉及在正交频分复用(OFDM)系统中利用正交扩频和跳频技术进行信息传输和多信道划分的方法。

背景技术

在无线通信领域，多址技术被用于支持多个用户接入网络，从而达到多用户业务复用效果。随着无线通信中业务需求的扩大，提供更高速率的数据传输和多址接入技术就成为了一个研究热点。码分复用(CDMA)是近年来用于数字蜂窝移动通信的一种先进的无线扩频通信技术，并被IS-95，宽带码分复用(W-CDMA)等标准和系统所采纳。码分复用(CDMA)系统采用直序扩频(DS-SS)，以克服信道中的频率选择性衰落。但其容量受限于多址干扰(MAI，multiple accessinterference)，MAI来源于不完备的扩频码的自相关和互相关特性。零互相关正交码在平衰落信道和高斯信道中不引入MAI，但在频率选择性衰落信道中，由于切普(chip)间干扰，正交码的正交性不易保证，这将导致系统性能的降低。一种在频率选择性衰落信道中抑制切普间干扰的方法是将CDMA技术和多载波调制，如正交频分复用(OFDM)技术相组合，以达到更高的频谱效率。多载波CDMA(Multi Carrier-CDMA，MC-CDMA)和正交频域码分复用(Orthogonal Frequency and CodeDivision Multiplexing，OFCDM)就是CDMA和OFDM技术相结合的接入方式的典型代表。

在MC-CDMA机制中，在频域，用户指定的扩频码与同一个信息码元的拷贝相乘得到的扩频信息被映射到不同的子载波，因为同一信息码元的拷贝是通过多个子载波传输的，所以实现了频率分集效应，但MAI的可能性仍然存在。

基于MC-CDMA思想，S.Abeta等人在“Performance of coherentmulti-carrier/DS-CDMA for broadband packet wireless access”，IEICE Trans，Commun.，E84-B，n0.3，pp406-414，Mar.，2001参考文献中提出了正交频域码分复用(Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing，OFCDM)技术。与MC-CDMA一样，OFCDM也是在频域进行扩频处理，因而OFCDM与MC-CDMA具有相同的收发模型。但OFCDM可以按照小区结构和信道等因素变更扩频因子，从而适应多种通信环境要求。随后，Noriyuki Maeda等人在“Variable spreading factor-OFCDM with two dimensional spreadingthat prioritizes time domain spreading for forward link broadband wirelessaccess”Vehicular Technology Conference，2003.VTC 2003-Spring，Volume 1，April 22-25，2003参考文献中，将OFCDM中的正交扩频技术推广到时频域，并为保证经历频率选择性信道后正交码的正交性，主要研究了相干带宽和相干时间内的时频组合方式。

经历频率选择性衰落信道会导致切普间干扰，从而正交码的正交性就不易保证，这将导致系统性能的降低。一种在频率选择性衰落信道中抑制切普间干扰的方法是将CDMA技术和多载波调制，如正交频分复用(OFDM)技术组合，以达到更高的频谱效率。

在MC-CDMA机制中，在频域，利用用户指定的扩频码与一个信息码元相乘得到扩频信息，扩频信息随后被映射到不同的子载波。因为同一信息码元的拷贝是通过多个子载波传输的，因此实现了频率分集。

OFCDM可以按照小区结构和信道条件改变扩频因子，从而适应多种通信环境要求。而且为保证经历频率选择性信道后正交码的正交性，主要研究了相干带宽和相干时间内的时频组合。

但不论MC-CDMA和OFCDM系统，接收机对扩频信息的解码都需得益于信道估计和信道均衡。特别对于OFCDM系统，对一个正交码的扩展域中信道估计偏差的不一致都将破坏正交性，引入MAI。即使对在相干带宽和相干时间内的扩频信息进行信道估计，也很难维持一个一致的信道估计的偏差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于可变扩频和跳频的正交时频域的码分多址接入方法。

为实现上述目的，一种基于可变扩频和跳频的正交时频域的码分多址接入方法，包括步骤：

a)根据跳频图案，在OFDM的时频域选择适当的时频单元组；

b)从正交码组中选择正交码，在由步骤a)选定的OFDM时频单元组中采用正交扩频以确定选定跳频图案下的子信道；

c)在从步骤a)中选定的具有相同时频单元的组中，对在相同时频单元组中从步骤b)中选择的满足正交特性的SC-SFHP信道中的扩频信息进行复用；

d)从步骤c)中得到的复用后的数据信息通过OFDM系统进行数据传输。

本发明适应未来的高数据速率传输的需要。由于正交扩频，可提供系统频率分集作用。同时在高的扩频因子下以及跳频作用下，提供系统时间分集作用。跳频信息所需的同步和对正交码的解扩可得益于OFDM系统的同步和信道估计/信道均衡。便于系统灵活适应多种通信环境，当变扩频因子为1，VSFH-OTFCDM简化为FH-OFDMA，适合单小区系统。当变扩频因子大于1，VSFH-OTFCDM将结合正交扩频，跳频和OFDM等技术，适合多小区系统。

附图说明

图1是选定跳频图案下的子信道SC-SFHP的构造图；

图2是VSFH-OTFCDM的组成框架；

图3是VSFH-OTFCDM的正交扩频SC-SFHP信道的时频分配示意图；

图4是VSFH-OTFCDM的信号模型；

图5是SC-SFHP信道正交码的分配实例。

具体实施方式

OFDM技术采用互相正交的子载波(子载频)并行地传输低速率数据来实现高数据速率的通信。接收端利用其各个子载波的正交性，分离出并行传输的数据信息。基于OFDM技术，本发明提出基于可变扩频和跳频的正交时频域的码分多址接入技术(VSFH-OTFCDM)。VSFH-OTFCDM综合了正交扩频，跳频和OFDM技术，其思路就是利用跳频和变扩频因子在时频域共同控制选定跳频图案下的子信道(Sub-Channelunder a Selected Frequency Hopping Pattern，SC-SFHP)，将数据信息正交扩频，扩频后的信息映射到时频域的SC-SFHP信道，并通过OFDM系统传输。

其中，SC-SFHP是VSFH-OTFCDM系统中对业务分配的最小资源。一个SC-SFHP信道映射到多个时频单元TFC组成的时频单元组，每个TFC可由一组数目大于等于1的频域连续的子载波组成，TFC中的子载波组合方式可以是频域连续的子载波组合或按子载波的索引进行组合。SC-SFHP信道中TFC的组合方式由分配的跳频图案决定。在同一时频单元组的码域允许多个满足正交特性的SC-SFHP信道叠加，在码域叠加的SC-SFHP信道可以分配给同一用户，也可分配给不同用户。

根据本发明，多个OFDM码元组成OFDM的时频域，VSFH-OTFCDM系统基于可变扩频和跳频控制其时频域资源和正交码道的分配。系统按照系统需求和业务要求选择跳频图案，在OFDM的时频域选择适当的时频单元(TFC)组，系统按需求从正交码组中选择正交码，在选定的OFDM时频单元组中确定采用正交扩频以确定适当的SC-SFHP信道，具有相同时频单元组和满足正交特性的码道可进行复用，复用后的数据信息通过OFDM系统进行数据传输。其中，正交码的正交特性指的是从正交码组中任选的两个不同码，在给定的区间里积分，其结果为0。正交特性的数学描述为假定W_j(t)和W_k(t)(j和k为整数，且0 j，k N-1)均选自同一码集{W_i(t)；t∈(0，T)，i＝0，1，...，N-1}

${\∫}_0^T{W}_j\left(t\right)W_k\left(t\right)\mathrm{dt}=\left\{\begin{array}{cc}0& j\≠k\\ M& j=k\end{array}\right.$ ，M为实数

在完成OFDM系统同步并获知分配的跳频图案和正交码的情况下，接收端在OFDM的时频域中确定系统分配的时频单元组，并利用正交码的相关特性，对分配的SC-SFHP信道中的扩频码元信息进行解扩，从而提取出原有数据信息。

图1是选定跳频图案下的子信道SC-SFHP的构造图。在跳频图案选择模块102控制下，系统完成在OFDM时频单元中确定由多个TFC组成的时频单元组模块104的功能。系统利用选择正交码模块106从正交码组中选择适当的正交码完成正交扩频。数据码元(包括调制或未调制)信号则通过数据码元信号复制模块104完成对数据码元信号的多次拷贝，拷贝数目与选择的正交码的长度相同。经由数据码元复制模块104后的复制后的数据码元与正交码模块106选择的正交码，在相乘器模块110中完成逐位相乘，以形成扩频码元信号。随后，扩频码元信号在构成SC-SFHP信道模块112中将扩频码元信号映射到选定的时频单元组，从而构成SC-SFHP信道。在选定的相同的时频单元组中，利用SC-SFHP信道正交叠加模块114，来自多个SC-SFHP信道的扩频码元将完成正交叠加。正交叠加后的信号将经由OFDM系统进行传输。

图2是VSFH-OTFCDM的组成框架。在VSFH-OTFCDM系统模型中，系统将在OFDM时频单元中构造SC-SFHP信道，SC-SFHP信道将承载扩频业务数据，多个SC-SFHP信道的扩频码元可完成正交叠加，正交叠加后的信号将经由OFDM系统进行传输。在这个机制中，受选定的可变扩频因子(VSF)和跳频图案控制，数据码元被正交扩频到时频域的正交信道，选定的正交扩频码的VSF扩频因子可以按照网络拓扑和系统需求选择。VSFH-OTFCDM支持多用户业务的复用。假定有用户A和B的数据要传输。用户A的业务数据经过调制模块202，被交由信息码元分解模块204，信息码元分解模块按业务需求将用户信息分解到各个SC-SFHP信道中，在本图例中，信息码元分解模块将用户A的业务数据分解到SC-SFHP信道0模块206和SC-SFHP信道K模块218。在这K+1个SC-SFHP信道中，各功能模块相同。其中，在SC-SFHP信道0模块206中，用户信息被输入到正交扩频模块208中进行正交扩频，扩频后的信息通过SC-SFHP信道映射模块210完成信道的映射，正交扩频模块208和SC-SFHP信道映射模块210均受到VSF模块214和跳频图案模块216的控制，SC-SFHP信道映射后的信息被输入到TFC映射模块212后完成对指定的子载波的映射。对于下行(基站到移动台)数据传输，系统为多个用户分配的SC-SFHP信道可在基站发射机中进行码道叠加。如图2所示，假定来自另一用户B的业务数据也可通过调制模块220，信息码元分解模块222和SC-SFHP信道映射模块224完成对指定子载波的映射。假定上述数据被映射到相同的TFC中，这些数据可被输入到切普级累加模块226中完成正交累加(虚线表示)。对于上行(移动台到基站)数据传输，在移动台发射机中将对分配给本移动台的SC-SFHP信道进行码道叠加。以上业务数据的处理完毕后，可和其他信道信息，如控制信道的信息一道被输入到OFDM系统中IFFT模块228，完成从频域到时域的转换。之后通过OFDM系统传输。

图3所示是VSFH-OTFCDM的正交扩频SC-SFHP信道的时频分配示意图。在本实例中，TFC由多个频域子载波组成。从时间轴上看，按功能划分包括训练序列34和由SC-SFHP信道组成的业务/控制信道部分；从频域轴上，在可用的子信道中，包括多个TFC块36。在码域，具有相同跳频图案的多个SC-SFHP信道32可在码域叠加，由于SC-SFHP信道映射到不同时域的TFC中，所以SC-SFHP信道的时间周期T_SC-SFHP将由这些时域的TFC的时间周期决定。

图4所示是VSFH-OTFCDM的信号模型。在发射机40，信号经由调制模块402后正交扩频，正交扩频由相乘器模块404表示，之后，正交扩频后的信号可以通过相加器模块406完成信号正交叠加，并映射到时频域。之后信号通过信道模块408。在接收机42中，信号可在频域进行信道均衡410，其中估计的信道信息由信道估计模块412提供；经过均衡的接收信号可通过相乘器模块414恢复正交信号，并随后送到解调模块416进行解调。在这一模型下，假定调制信号用M_i表示，共有N个SC-SFHP信道叠加。假定正交码长为Q，第i个SC-SFHP信道的正交码用S_i＝{S_i，1，S_i，2，...，S_i，Q}表示；频域信道用H表示，估计的信道参数用表示。

T为在频域的累加信号，用公式(1)表示，式中j为对应的子载波编号。

$T_j=\begin{array}{cc}\underset{i=1}{\mathrm{\Σ}}{M}_i{S}_{i,j}& j=1,\·\·\·,Q\end{array}---\left(1\right)$

R_j为在子载波编号为j的接收信号，用公式(2)表示

R_j＝T_j*H_j  j＝1，...，Q    (2)

公式(3)表示了对正交码均衡和解扩的过程，其中S_P是第i个SC-SFHP信道的正交码序列

$\stackrel{-}{M_i}=\underset{j=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}\frac{R_j}{\stackrel{-}{H}j}*S_{p,j}---\left(3\right)$

令信道估计为有偏的，则有偏估计的信道参数

可用公式(4)表示

H_j＝H_j*δ_j      (4)

将表达式(4)代入(3)中可得：

${\stackrel{-}{M}}_i=\underset{j=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}\frac{R_j}{(H_j*{\mathrm{\δ}}_j)}*S_{p,j}=\underset{j=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{M_i}{{\mathrm{\δ}}_j}(S_{i,j}*S_{p,j})---\left(5\right)$

当对于一个正交码的所经历的信道的估计偏差为同一值δ，上式可表示为：

${\stackrel{-}{M}}_i=\frac{1}{\mathrm{\δ}}\underset{j=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i(S_{i,j}*S_{p,j})---\left(6\right)$

则当S_i＝S_P，

$M_i=\frac{1}{\mathrm{\δ}}{M}_i---\left(7\right)$

如上所述，对VSFH-OTFCDM正交译码影响的是信道估计的偏差，只有当一个正交码所经历的信道的估计偏差一致时，才易保证正交码的正交性。而在频率选择性衰落信道下的正交扩频，其系统性能将是分集效应和正交性保持下的折衷。由以上分析可知，在VSFH-OTFCDM系统中，经由VSF控制的正交扩频信息被分配到SC-SFHP信道中，SC-SFHP信道中TFC的选择由选择的跳频图案决定。则对应某个正交码，其在频域分配既可在相干频域内，也可在不相干的频域，只要信道估计偏差变化不大，仍易于接收端恢复正交译码的正交特性。在VSFH-OTFCDM系统中，跳频图案的选择可使得正交扩频信息可在相干时间和相干频域内分配，也可在不相干的频域和不相干时间域分配。

实施例

以下假定一个TFC有8个子载波，一个SC-SFHP由8个TFC组成，SC-SFHP中TFC的组成由跳频图案控制，数据信息通过可变扩频因子VSF控制，可变扩频因子VSF大小可为1，2，...，64。正交扩频到SC-SFHP信道中。在这种情况下，由跳频图案控制的同一时频单元组可以分配给相同用户，也可分配给不同用户。这些用户可以采用相同的扩频因子，相同扩频因子的正交码选自正交码构造树中的同级节点。例如表1所示，同一时频单元组中采用了相同的扩频因子。当VSF为2时，系统在对应的时频单元中支持2个正交码道，也即在同一时频单元中支持的最大的SC-SFHP信道数M_max-num＝2，SC-SFHP信道中可承载的调制数据码元信号数N_SC-SFHP-cm＝32。则在该时频单元组里，最大可传输的信息码元数为N_SC-SFHP-cm*M_max-num＝64。

VSFH-OFCDM同样支持遵照一定规格的不同扩频因子SF的信号在同一时频单元组的叠加。当采用不同VSF扩频因子时进行叠加时，为保证正交性，不同扩频因子SF的正交码的选择应来自正交码构造树中不同的父节点。如图5所示，可采用编号为1，2，5的不同扩频因子SF的正交码，可传输的数据数目8+16+32＝56。也可采用编号为1，2，4，5的不同扩频因子SF的正交码，可传输的数据数目为64。因此，总的可传输的数据数目小于等于64。

为了维护正交码的正交性，若在同一时频单元组里，选用不同SF，则采用这些不同SF的正交码扩频后需要填充该时频单元组中的所有时频子载波内，但因为SC-SFHP是最小的分配单元，当采用某SF的业务数据已经占用了一个SC-SFHP信道的一部分，特别对于低SF的信道，即使没有剩余数据也需填充整个SC-SFHP信道，这将导致一定的系统资源浪费和处理时间的增加。而这种资源的浪费对于不同SF的情况更突出。

表1.采用相同的扩频因子下SC-SFHP信道参数

VSFfactor	N<sub>SC-SFHP-cm</sub>＝SC-SFHP信道中可承载的调制数据码元信号数	M<sub>max-num</sub>＝在同一时频单元中支持的最大的SC-SFHP信道数
			1	64	1
2	32	2
			4	16	4
8	8	8
			16	4	16
32	2	32
			64	1	64

Claims (9)

1.一种基于可变扩频和跳频的正交时频域的码分多址接入方法，包括步骤：

a)根据跳频图案，在正交频分复用OFDM的时频域选择适当的时频单元组；

b)从正交码组中选择正交码，在由步骤a)选定的OFDM时频单元组中采用正交扩频以确定选定跳频图案下的子信道；

c)在从步骤a)中选定的具有相同时频单元的组中，对在相同时频单元组中从步骤b)中选择的满足正交特性的选定跳频图案下的子信道SC-SFHP信道中的扩频信息进行复用；

d)从步骤c)中得到的复用后的数据信息通过OFDM系统进行数据传输。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述跳频图案控制的同一时频单元组可以分配给相同用户也可分配给不同用户。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述SC-SFHP信道由多个时频单元组成，每个时频单元由一组数目大于等于1的频域连续的子载波组成，时频单元中的子载波组合方式可以是频域连续的子载波组合或按子载波的索引进行组合。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在由跳频图案控制的同一时频单元组中叠加的SC-SFHP信道可以采用相同的扩频因子或不同的扩频因子。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在由跳频图案控制的同一时频单元组中复用的SC-SFHP信道中，相同扩频因子的正交码选自正交码构造树中的同级节点。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在由跳频图案控制的同一时频单元组中复用的SC-SFHP信道中，不同VSF扩频因子的正交码的选择来自正交码构造树中不同的父节点。

7.一种在正交频分复用系统中利用正交扩频和跳频控制多信道划分的发射装置，包括：

信息码元分解模块，用于将用户信息分解到各个选定跳频图案下的子信道SC-SFHP信道中；

正交扩频模块，用于扩频输入的用户信息，并将扩频信息映射到SC-SFHP信道映射模块；

SC-SFHP信道映射模块，用于映射扩频后的信息到SC-SFHP信道上；

跳频图案模块和变扩频因子模块，用于在时频域共同控制所述SC-SFHP信道；

TFC映射模块，用于完成SC-SFHP信道映射后的信息到指定子载波的映射；

切普级叠加模块，将具有相同时频域分布的SC-SFHP子信道信号进行叠加，并将切普级叠加后的信号通过OFDM系统传输。

8.按照权利要求7所述的装置，其特征在于，所述跳频图案模块控制的同一时频单元组可以分配给相同用户，也可分配给不同用户。

9.按照权利要求8所述的装置，其特征在于，所述在由跳频图案模块控制的同一时频单元组中叠加的SC-SFHP信道可以采用相同的扩频因子或不同的扩频因子。

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