CN101399798B - 一种ofdma无线通信***的稳健信号传输方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种OFDMA无线通信***中对抗时频色散信道的稳健信号传输方法，包括：将要发送的一个大小为L×1的符号向量转换成一个大小为N×1的调制信号向量，其中：L＞1，N＞1并且L≤N；每个调制信号均为L个符号的函数；N为固定值，比值L/N是调制信号的负载因子，负载因子可调并由接收方计算得出；再将调制信号映射到N个时频网格上，并将时频网格转化为信号波形发送。还提供了一种对抗时频色散信道的稳健信号传输装置，包括向量转换器、映射器、发送器、接收器、逆映射器、解调器、负载因子产生器。本发明通过调整发射预编码速率来改善在多径衰落及干扰信道下接收信号的稳定性。

Description

一种OFDMA无线通信***的稳健信号传输方法及装置

技术领域

本发明涉及一种OFDMA无线通信***的稳健信号传输方法及装置，特别涉及一种OFDMA无线通信***中对抗时频色散信道的稳健信号传输方法及装置。

背景技术

在无线通信中，多径传播、衰落和其他各种干扰对稳健的信号传输构成主要挑战。在正交频分多址接入(OFDMA)***中，无线频谱可被看作由时间间隔和子载波构成的二维平面。每对时间间隔和子载波构成了信号传输的基本单元——时频网格。经过时频网格的传输，信道响应、噪声统计都可能存在波动变化。如果通过具有极弱信道响应或极大噪声方差的部分时频网格传送符号，那么相应符号将很可能不可恢复。由于额外带宽需求，对每个时频网格进行功率控制是不现实的。因此，根据测量的信道状况，通过设计最优的信号发送和接收方式，在多个时频网格上扩展每个符号将非常有利。考虑到信号发射和接收中的快速计算，本发明提出一种自适应地调整基于线性变换的预编码码率的最优发射信号方法。该方法能够解决上述信道条件下的信号接收问题。

发明内容

本发明提供了一种OFDMA无线通信***中对抗时频色散信道的稳健信号传输方法。

该方法首先将要发送的一个大小为L×1的符号向量转换成一个大小为N×1的调制信号向量，其中：L＞1，N＞1并且L≤N；每个调制信号均为L个符号的函数；N为固定值，比值L/N是调制信号的负载因子，负载因子可调并由接收方计算得出：在接收方，计算一个或多个即时信道状态度量值，并利用一个或多个可用即时信道状态度量，基于一最佳性能评判标准来预测最优负载因子；然后发送方和接收方之间交互，并在后续通信中均转换并使用前述预测的最优负载因子。再将调制信号映射到N个时频网格上，并将时频网格转化为信号波形发送。

可以通过使用大小为N×L的预编码矩阵左乘大小为L×1的符号向量，将L个符号转换为大小为N×1的调制信号向量。优选的，预编码矩阵各列为正交列向量，并且矩阵所有元素具有相同幅度。大小为N×L的预编码矩阵通过去掉一个大小为N×N的基本矩阵中的N-L列得到。

优选的，即时信道状态度量是信道信噪比和信号对干扰及噪声比的差值，其中，信号对干扰及噪声比是可以利用检测后的符号或估计的信道特性计算出的。优选的，最佳性能评判标准是：在发射功率约束下，使数据速率达到最大。发送方和接收方之间的交互包括：基站在收到终端接入请求后向终端发送初始信道分配命令，然后基站和终端切换到最佳负载因子；基站在正常通信期间向终端发送信道重新分配命令，终端向基站发送回执，然后基站和终端切换到最佳负载因子。

可以按下面的步骤预测最优负载因子：对于所有选定的负载因子和信道输入信噪比的二维组合，利用记录的每一组合对应的即时信道状态度量值集合，计算关于所有选定组合的二维统计数据；再使用关于所有选定的负载因子和信道输入信噪比的二维统计数据，计算所有给定信道输入信噪比下的最优负载因子。优选的，将二维统计数据定义为所计算并记录的即时信道状态度量集合中的某值，该值大于集合中百分之P的度量值，其中P是0-100之间的***预先定义之值；或者将二维统计数据定义为所计算并记录的即时信道状态度量的平均值。

本发明还提供了一种OFDMA无线通信***中对抗时频色散信道的稳健信号传输装置。该装置包括：

向量转换器，安装于发送方，将要发送的一个大小为L×1的符号向量转换成一个大小为N×1的调制信号向量，其中：L＞1，N＞1并且L≤N；每个调制信号均为L个符号的函数；N为固定值，比值L/N是调制信号的负载因子，负载因子可调并由负载因子产生器计算得出；

映射器，安装于发送方，将调制信号映射到N个时频网格上；

发送器，安装于发送方，将时频网格转化为信号波形发送；

接收器，安装于接收方，将接收到的信号波形转化为时频网格；

逆映射器，安装于接收方，基于映射器采用的映射规则，将时频网格转化为调制信号；

解调器，安装于接收方，基于向量转换器采用的转换规则，将逆映射器产生的调制信号转化为符号向量；

负载因子产生器，安装于接收方，利用逆映射器产生的调制信号，计算负载因子，并与发送方交互负载因子信息；所述的负载因子产生器包括：度量值计算单元，用于计算一个或多个即时信道状态度量值；负载因子预测单元，利用一个或多个可用即时信道状态度量，并基于一最佳性能评判标准来预测最优负载因子；交互单元，与发送方交互并在后续通信中均转换并使用最优负载因子预测单元预测的最优负载因子。

本发明可以通过调整发射预编码速率来改善在多径衰落及干扰信道下接收信号的稳定性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为一个传统OFDMA信道传输示例的方框图；

图2为时频网格上的色散信道响应的示意图；

图3为时频网格上的色散干扰方差的示意图；

图4为频率网格的信道响应的示意图；

图5为一个OFDMA码扩信号传输示例的方框图；

图6为具有自适应负载因子的CS-OFDMA信号传输框图；

图7为通常通信模式下的下行负载因子更新的信令过程；

图8为通常通信模式下的上行负载因子更新的信令过程；

图9为初始接入时，决定下行负载因子的信令过程；

图10为对抗时频色散信道的稳健信号传输的装置示意图。

具体实施方式

通常在像OFDMA这样的传统多载波调制***中，每一个编码符号被映射到一个OFDMA网格来发送。每个OFDMA网格均占用了某个时间间隔和子载波。信号传输基带模型如图1所示。因而接收的符号质量将极大地依赖于传输时分配的时频网格集的信噪比(SNR)。在多径衰落的信道状态下，分配的部分时频网格的信道响应可能出现增益急剧衰减的情况。如图2所示为6×6的时频网格块，其中每条垂直线的高度代表了该垂直线所在网格的信道增益。信道增益在该区域内表现出较大的时频色散。在图3所示的6×6的时频网格块，每条垂直线的高度代表了该垂直线所在网格的噪声方差。小区间干扰和外网干扰均可能引入噪声方差的时频色散。通常时频色散信道表达式如下：

$Y[k,n]=H[k,n]\·\sqrt{P_{k,n}}S[k,n]+N[k,n]$

其中，H[k，n]是信道增益，N[k，n]是噪声，P_k，n是第[k，n]个网格的传输功率。为更确切的说明，图4给出了在8个时频网格上传输信号的分配示例，并给出每一频率网格的信道增益。其中第3个和第6个频率网格的信道增益相对于平均信道增益而言有分别为-18.9dB和-20.25dB的严重衰减。

为了恢复在第3个和第6个频率网格传输的符号S₃和S₆，一种办法就是在每个网格对信道响应求逆。此方法需要对每个基本符号进行功率控制。该机制在反馈功率控制命令时不仅要消耗额外带宽，而且会发送过高功率的信号。此外，由于H[k，n]的快速时变特性，该方法对移动信道来讲并不实用。另外一种方法就是利用强信道编码来恢复被衰减的符号。然而，强信道编码将增加***的复杂性和解码延迟。

图5为一种新的采用码扩技术的信号传输方法的基带模型。在该方法中，使用N×L的码扩矩阵左乘每个符号向量，将每个L×1的符号向量变换为N×1的调制信号向量。再将调制信号向量映射到具有N个时频网格的指定集合上，用于传输。另外，功率控制将被应用到整个符号向量而不是单个符号。接收信号模型的表达式为：

其中Y、H和N均是N×1的向量，S是L×1的向量，W是N×L的码扩矩阵且N≥L，P为传输功率，⊙

是Hadamard乘积。

优选的，W的列向量互相正交，且W的所有元素具有相同幅度。码扩使每个符号在N个时频网格上有效传输。因此，即使由于衰落或干扰导致分配的部分时频网格被破坏，也可以恢复符号。

图6为具有自适应负载因子的信号传输框图。可以使用多种不同的信号检测方法恢复符号，优选的，采用基于最小均方误差(MMSE)的信号检测算法。典型MMSE信号检测算法表达式为：

$\hat{S}={({\mathrm{PW}}^{*}{\left|\mathrm{\Φ}\right|}^{2}W+R_n)}^{-1}\sqrt{P}{W}^{*}{\mathrm{\Φ}}^{*}Y.$

其中，Φ＝diag(H)。MMSE检测算法性能很大程度上依赖于M＝PW^*|Φ|²W+R_n的矩阵条件。M越接近于对角元素完全相同的对角矩阵，检测后的平均符号信噪比(SNR)越优良。另一方面，如果H的元素幅度波动剧烈，M的矩阵条件就会变差从而平均符号信噪比也会相应受到影响。为了提高符号传输的稳健性，需要根据分配的时频网格的信道状况对负载因子L/N进行调整。在接收方，通过对信道响应的测量，计算出负载因子。通过反馈信道将负载因子报告给发送方。负载因子的计算、报告必须定期进行，以便于及时追踪信道变化并更新最佳负载因子。一旦发送方接收到新的负载因子，就会生成相应的码扩矩阵，并用该矩阵将后续符号向量转换成调制信号向量。

本发明的一个优选实施方式是，针对N×1的调制信号向量定义一个基础矩阵W_N。对给定的负载因子L/N和时频网格数目N(N≥L)，通过去掉W_N矩阵的N-L列，可以得到一个码扩矩阵。一个方案是去掉W_N矩阵的最后N-L列，即

对于给定的N，负载因子L/N同时也确定了码扩传输的数据速率。当L减少时，

的矩阵条件将会得到改善。因而，减小L/N可以提高时频色散信道中信号传输的稳健性。而增强稳健性的代价是数据速率损失。因此，在时变信道状态下，计算出合适的L/N值以取得最佳性能尤为重要。

本发明的一个优选实施方式，在符号被检测后，信号对干扰及噪声比(SINR)相对于信道信噪比(SNR)的损耗可用来确定L/N的最佳值。对给定的第t帧信号模型

信道信噪比(SNR)由

给定，其中

是噪声方差。而信号对干扰及噪声比(SINR)由检测的符号计算得到。SINR表征了检测的符号和理想符号之间的偏差。检测符号的SINR通常小于SNR，性能损耗定义为：SnrLoss(t)＝SNR(t)-SINR(t)。而且SnrLoss(t)通常也是负载因子、信道特性和信道信噪比的函数。对于给定的SNR，使数据速率达到最大的最佳负载因子可由如下公式求出：

$L_{\mathrm{opt}}\left(\mathrm{SNR}\right)=\underset{L}{\min }\mathrm{SinrLoss}(L,\mathrm{SNR})-10\·{\log }_{10}\left(L\right)$

在实际移动环境中，信道随时间变化，因而需累计多帧的信道特性以取得统计数据，从而计算最佳负载。本发明的优选实施方式中，使用概率SINR SinrOutage而不是即时SINR计算SnrLoss。假定收集了N个帧的数据，并且计算出N个对应的SINR；对于每一选定的L和SNR的组合——概率SINRSinrOutage(L，SNR)被定义为某一取值，使得PctTh·N个SINR值都大于或等于该值。PctTh的优选值为0.9。根据不同的L和SNR组合，可由下式计算出相应的SnrLoss(SNR，L)。

SinrLoss(SNR，L)＝SNR-SinrOutage(L，SNR)

在实际***中，多种选定的L和SNR的组合构成二维集合。对于该集合中的每一组合累计并计算统计数据，进而得到对应的最佳的负载因子。

对于在BTS或终端侧采用多天线的无线***，上行和下行信道情况通常不同。因此，上下行负载因子应独立计算。由于在终端侧计算下行负载因子较为有利，最佳下行负载因子需要定期上报给BTS以反映信道变化。使用上行业务信道在BTS侧计算上行负载因子。只要BTS检测到上下行负载因子变化，BTS将使用新的负载因子重新为终端分配信道。信道重新分配命令被发送到终端以启动终端传输格式交换。一旦BTS收到终端的回复确认，基于新的负载因子的传送格式就生效。上述上下行负载因子更新的信令过程分别如图7和图8所示。

在通常的通信模式中，使用上下行业务信道的数据来计算上下行负载因子。在终端开始初始接入以前，可使用下行公共信道如广播信道计算初始下行负载因子。当终端随机接入BTS时，将初始下行负载因子发送给BTS。BTS使用该负载因子执行初始下行信道分配。该负载因子也可作为上行负载因子用于初始上行信道分配。处理过程如图9所示。

图10是根据本发明实施方式的对抗时频色散信道的稳健信号传输的装置的示意图。如图所示，该装置包括向量转换器、映射器、发送器、接收器、逆映射器、解调器、负载因子产生器。上述部分或单元可以通过所有能够完成相应计算的软件模块或硬件逻辑模块实现。

1.向量转换器，安装于发送方，包括预编码矩阵单元和转换单元。预编码矩阵单元，用于生成一个大小为N×L的预编码矩阵。预编码矩阵各列为正交列向量，并且矩阵所有元素具有相同幅度，大小为N×L的预编码矩阵通过去掉一个大小为N×N的基本矩阵中的N-L列得到。转换单元，通过使用预编码矩阵左乘大小为L×1的符号向量，将L个符号转换为大小为N×1的调制信号向量。其中：L＞1，N＞1并且L≤N；每个调制信号均为L个符号的函数；N为固定值，比值L/N是调制信号的负载因子，负载因子可调并由负载因子产生器计算得出。

2.映射器，安装于发送方，将调制信号映射到N个时频网格上。

3.发送器，安装于发送方，将时频网格转化为信号波形发送。

4.接收器，安装于接收方，将接收到的信号波形转化为时频网格。

5.逆映射器，安装于接收方，基于映射器采用的映射规则，将时频网格转化为调制信号。

6.解调器，安装于接收方，基于向量转换器采用的转换规则，将逆映射器产生的调制信号转化为符号向量。

7.负载因子产生器，安装于接收方，利用逆映射器产生的调制信号，计算负载因子，并与发送方交互负载因子信息。包括度量值计算单元，负载因子预测单元，交互单元。

7.1.度量值计算单元，用于计算一个或多个即时信道状态度量值。即时信道状态度量是信道信噪比和信号对干扰及噪声比的差值，其中，信号对干扰及噪声比是利用检测后的符号或估计的信道特性计算出的。

7.2.负载因子预测单元包括二维数据统计模块和最优负载因子计算模块。二维数据统计模块，用于对于所有选定的负载因子和信道输入信噪比的二维组合，利用记录的每一组合对应的即时信道状态度量值集合，计算关于所有选定组合的二维统计数据。可以将二维统计数据定义为所计算并记录的即时信道状态度量集合中的某值，该值大于集合中百分之P的度量值，其中P是0-100之间的***预先定义之值。还可以将二维统计数据定义为所计算并记录的即时信道状态度量的平均值。最优负载因子计算模块，使用关于所有选定的负载因子和信道输入信噪比的二维统计数据，计算所有给定信道输入信噪比下的最优负载因子。

7.3.交互单元，与发送方交互并在后续通信中均转换并使用最优负载因子预测单元预测的最优负载因子。所述的交互包括：基站在收到终端接入请求后向终端发送初始信道分配命令，然后基站和终端切换到最佳负载因子；基站在正常通信期间向终端发送信道重新分配命令，终端向基站发送回执，然后基站和终端切换到最佳负载因子。

Claims (24)

1.一种OFDMA无线通信***中对抗时频色散信道的稳健信号传输方法，其特征在于，包括：

a.将要发送的一个大小为L×1的符号向量转换成一个大小为N×1的调制信号向量，其中：L＞1，N＞1并且L≤N；每个调制信号均为L个符号的函数；N为固定值，比值L/N是调制信号的负载因子，负载因子可调并由接收方按以下步骤计算得出：

a.1.在接收方，计算一个或多个即时信道状态度量值；

a.2.在接收方利用一个或多个可用即时信道状态度量，并基于一最佳性能评判标准来预测最优负载因子；

a.3.发送方和接收方之间一方和另一方交互并在后续通信中均转换并使用前述预测的最优负载因子；

b.将调制信号映射到N个时频网格上；

c.将时频网格转化为信号波形发送。

2.权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a，通过使用大小为N×L的预编码矩阵左乘大小为L×1的符号向量，将L个符号转换为大小为N×1的调制信号向量。

3.权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的预编码矩阵各列为正交列向量，并且矩阵所有元素具有相同幅度。

4.权利要求2所述的方法，其特征在于，大小为N×L的预编码矩阵通过去掉一个大小为N×N的基本矩阵中的N-L列得到。

5.权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的即时信道状态度量是信道信噪比和信号对干扰及噪声比的差值，其中，信号对干扰及噪声比是利用检测后的符号计算出的。

6.权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的即时信道状态度量是信道信噪比和信号对干扰及噪声比的差值，其中，信号对干扰及噪声比是利用估计的信道特性计算出的。

7.权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的最佳性能评判标准是：在发射功率约束下，使数据速率达到最大。

8.权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的交互包括：基站在收到终端接入请求后向终端发送初始信道分配命令，然后基站和终端切换到最佳负载因子。

9.权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的交互包括：基站在正常通信期间向终端发送信道重新分配命令，终端向基站发送回执，然后基站和终端切换到最佳负载因子。

10.权利要求1所述的方法，其特征在于，预测最优负载因子的步骤包括：

10.1.对于所有选定的负载因子和信道输入信噪比的二维组合，利用记录的每一组合对应的即时信道状态度量值集合，计算关于所有选定组合的二维统计数据；

10.2.使用关于所有选定的负载因子和信道输入信噪比的二维统计数据，计算所有给定信道输入信噪比下的最优负载因子。

11.权利要求10所述的方法，其特征在于，将二维统计数据定义为所计算并记录的即时信道状态度量集合中的某值，该值大于集合中百分之P的度量值，其中P是0-100之间的***预先定义之值。

12.权利要求10所述的方法，其特征在于，将二维统计数据定义为所计算并记录的即时信道状态度量的平均值。

13.一种OFDMA无线通信***中对抗时频色散信道的稳健信号传输装置，该装置包括：

向量转换器，安装于发送方，将要发送的一个大小为L×1的符号向量转换成一个大小为N×1的调制信号向量，其中：L＞1，N＞1并且L≤N；每个调制信号均为L个符号的函数；N为固定值，比值L/N是调制信号的负载因子，负载因子可调并由负载因子产生器计算得出；

映射器，安装于发送方，将调制信号映射到N个时频网格上；

发送器，安装于发送方，将时频网格转化为信号波形发送；

接收器，安装于接收方，将接收到的信号波形转化为时频网格；

逆映射器，安装于接收方，基于映射器采用的映射规则，将时频网格转化为调制信号；

解调器，安装于接收方，基于向量转换器采用的转换规则，将逆映射器产生的调制信号转化为符号向量；

负载因子产生器，安装于接收方，利用逆映射器产生的调制信号，计算负载因子，并与发送方交互负载因子信息；所述的负载因子产生器包括：

度量值计算单元，用于计算一个或多个即时信道状态度量值；

负载因子预测单元，利用一个或多个可用即时信道状态度量，并基于一最佳性能评判标准来预测最优负载因子；

交互单元，与发送方交互并在后续通信中均转换并使用最优负载因子预测单元预测的最优负载因子。

14.权利要求13所述的装置，其特征在于，所述的向量转换器包括：

预编码矩阵单元，用于生成一个大小为N×L的预编码矩阵；

转换单元，通过使用预编码矩阵左乘大小为L×1的符号向量，将L个符号转换为大小为N×1的调制信号向量。

15.权利要求14所述的装置，其特征在于所述的预编码矩阵单元，生成的预编码矩阵各列为正交列向量，并且矩阵所有元素具有相同幅度。

16.权利要求14所述的装置，其特征在于所述的预编码矩阵单元，大小为N×L的预编码矩阵通过去掉一个大小为N×N的基本矩阵中的N-L列得到。

17.权利要求13所述的装置，其特征在于度量值计算单元，所述的即时信道状态度量是信道信噪比和信号对干扰及噪声比的差值，其中，信号对干扰及噪声比是利用检测后的符号计算出的。

18.权利要求13所述的装置，其特征在于度量值计算单元，所述的即时信道状态度量是信道信噪比和信号对干扰及噪声比的差值，其中，信号对干扰及噪声比是利用估计的信道特性计算出的。

19.权利要求13所述的装置，其特征在于负载因子预测单元，所述的最佳性能评判标准是：在发射功率约束下，使数据速率达到最大。

20.权利要求13所述的装置，其特征在于交互单元，所述的交互包括：基站在收到终端接入请求后向终端发送初始信道分配命令，然后基站和终端切换到最佳负载因子。

21.权利要求13所述的装置，其特征在于交互单元，所述的交互包括：基站在正常通信期间向终端发送信道重新分配命令，终端向基站发送回执，然后基站和终端切换到最佳负载因子。

22.权利要求13所述的装置，其特征在于，所述的负载因子预测单元包括：

二维数据统计模块，对于所有选定的负载因子和信道输入信噪比的二维组合，利用记录的每一组合对应的即时信道状态度量值集合，计算关于所有选定组合的二维统计数据；

最优负载因子计算模块，使用关于所有选定的负载因子和信道输入信噪比的二维统计数据，计算所有给定信道输入信噪比下的最优负载因子。

23.权利要求22所述的装置，其特征在于所述的二维数据统计模块，将二维统计数据定义为所计算并记录的即时信道状态度量集合中的某值，该值大于集合中百分之P的度量值，其中P是0-100之间的***预先定义之值。

24.权利要求22所述的装置，其特征在于，所述的二维数据统计模块，将二维统计数据定义为所计算并记录的即时信道状态度量的平均值。

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