CN101783782B - 一种自动适应信道特性变化的上行多址接入方法 - Google Patents

一种自动适应信道特性变化的上行多址接入方法 Download PDF

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Abstract

该发明属于本发明属于网络接入技术中能自动适应信道特性变化的多址接入上行技术。包括***初始化处理，及发送端：选择与当前信道特性匹配的成型滤波器，对发送信息进行正交幅度调制，插零处理，正交化相位映射，多载波调制，信号成型及发送信号；接收端：对接收信号的处理，选择与信道特性匹配的成型滤波器，多载波解调，去正交化相位映射，提取有效数据，均衡补偿及存储数据。该发明由于在OFDMA(技术)中引入了OQAM(技术)，并采用时频聚焦特性好的成型滤波器替代循环前缀；从而具有可有效提高频谱效率、***容量和数据传输性能及抵抗多谱勒扩展的能力，降低了用户间的干扰及信号在信道内的畸变，能更好满足高速移动通信要求等特点。

Description

一种自动适应信道特性变化的上行多址接入方法
技术领域
本发明属于基于交错正交幅度调制的正交频分复用***(OFDM/OQAM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing/Offset Quadrature Amplitude Modulation)多址接入上行技术，特别是一种能自动适应信道特性变化的上行多址接入技术，尤其适用于高频谱效率要求以及高速环境下的上行多址接入***。 
背景技术
正交频分多址接入技术(OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access)是一种基于正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)***的多址接入技术。其核心是通过给每个用户分配部分可用子载波的方法来实现多用户接入。OFDMA不需要采用保护频段去区分不同用户，提高了频谱效率；并且通过添加循环前缀(CP，Cyclic Prefix)，可以很容易克服多径信道引起的符号间干扰(ISI，Inter-Symbol Interference)。此外，OFDMA除作为多址技术独立使用外，还可以与现有的多址技术，如时分多址(TDMA，Time Division Multiple Access)、频分多址(FDMA，Frequency Division Multiple Access)等非常灵活的结合，从而使得OFDMA技术拥有广阔的应用前景。 
传统基于循环前缀的正交频分多址***(CP-OFDM，Cyclic Prefix-Orthogonal Frequency Division Multiple Access)的总体实现过程(流程)如下： 
发送端(移动台)： 
步骤1.信号源数据比特经过编码，做正交幅度调制(QAM，Quadrature Amplitude Modulation)，得到复数数据后，组帧、并添加导频序列； 
步骤2.根据***对该用户的资源分配，进行子载波映射，即在非可用子载波位置，对步骤1得到的数据帧做插零操作； 
步骤3.通过步骤2后的符号做反快速傅里叶变换(IFFT，Inverse Fast Fourier Transform)，完成多载波调制； 
步骤4.发送时将通过步骤3调制后的数据添加足够长的CP，以克服多径信道引起的ISI干扰； 
步骤5.数模转换、上变频，发射信号； 
接收端(基站端)， 
步骤1.接收信号，下变频、模数转换，得到基带复数符号帧序列； 
步骤2.去掉OFDM符号(当前帧)内的CP部分； 
步骤3.通过步骤2后的符号做快速傅里叶变换(FFT，Fast Fourier Transform)，完成多载波解调； 
步骤4.根据***对该用户的资源分配，进行子载波反映射，即在通过步骤3后的符号中，去除非可用子载波位置的数据； 
步骤5.从通过步骤4后的符号，由导频序列提取多径信道的幅频和相频响应，利用此信道信息，由均衡器(如迫零均衡等)消除或减小多径信道对OFDM信号的影响； 
步骤6.通过步骤5后的符号，进行QAM解调及相应解码，存入数据。 
CP-OFDMA***最大的不足在于： 
其一.CP-OFDMA***中，在步骤4发送时需要加入CP，以消除多径干扰；相应的，在接收步骤2中，则需要去掉CP。因此存在：一是CP只能用做静态信道ISI的减小或消除，对于子载波间干扰(ICI，Inter-Carrier Interference)的影响则没有作用；二是CP的加入，加大了***的额外开销，减小了频谱利用率； 
其二.CP-OFDMA***中，在发送步骤4之后，直接将数据送入发射器(即作矩形窗成型滤波)，此弊端有二：一是、矩形窗时频聚焦特性远不及扩展高斯函数(EGF，Extended Gaussian Function)等窗型，因而使得CP-OFDMA***对于ICI较为敏感；二是、对于所有用户、所有时频资源格点均采用固定的成型滤波器，未针对信道的不同情况灵活处理，因而整体性能较差。 
2、基于交错的正交幅度调制的正交频分复用***： 
在现有的通信技术中，基于交错的正交幅度调制的正交频分复用(OFDM/OQAM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing/Offset Quadrature AmplitudeModulation)技术相比，基于循环前缀的传统正交频分复用(CP-OFDM，Cyclic Prefix-Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术而言，拥有更高的频谱效率、更好的时频聚焦特性，而且对于克服ISI和ICI的影响在一定程度上都有良好的作用，特别是后者，成为OFDM/OQAM相对于CP-OFDM的主要优势之一。这些特性，使得OFDM/OQAM已经成为未来移动多媒体通信的主要候选方案之一。OFDM/OQAM***的发送信号为实值，取自待传复数符号的实部和虚部，因为相对于传统的正交频分复用***，OFDM/OQAM仅仅在实数域满足严格的正交条件；而对于成型滤波器的选择，可选用具有良好时频聚焦(TFL，Time Frequency Localization)特性的成型滤波器，如各向同性正交变换函数成型滤波器(IOTA，Isotropic Orthogonal TransformAlgorithm)，这是OFDM/OQAM拥有上述优势的重要原因。传统OFDM/OQAM***的结构组成及信号处理流程如附图4所示，其流程如下： 
发送端(移动台) 
步骤1.信号源数据比特经过编码、进行正交幅度调制(QAM，Quadrature AmplitudeModulation)，得到复数数据后，组帧，并添加导频序列；； 
步骤2.通过步骤1到的数据进行正交化相位映射； 
步骤3.通过步骤2的符号进行反快速傅里叶变换(IFFT，Inverse Fast FourierTransform)，完成多载波调制； 
步骤4.由步骤3得到的数据，通过各向同性正交变换处理(IOTA，IsotropicOrthogonal Transform Algorithm)，成型(或其他固定窗型)滤波，完成信号成型； 
步骤5.数模(D/A)转换、上变频，发射信号； 
接收端(基站) 
步骤1.接收信号，下变频、模数转换，得到基带复数符号帧序列； 
步骤2.通过各向同性正交变换算法函数(IOTA，Isotropic Orthogonal TransformAlgorithm)匹配滤波(或其他固定窗型)模块，做匹配滤波； 
步骤3.通过步骤2后的符号，进行快速傅里叶变换(FFT，Fast FourierTransform)，完成多载波解调； 
步骤4.通过步骤3后的符号，进行去正交化相位映射； 
步骤5.从通过步骤4后的符号，由导频序列提取多径信道的幅频和相频响应，利用此信道信息，由均衡器(如迫零均衡等)消除或减小多径信道对OFDM/OQAM信号的影响； 
步骤6.通过步骤5后的符号，进行QAM解调及相应解码，存入数据。 
此类OFDM/OQAM***虽然具有对成型滤波器可灵活选择的特点，但由于没利用下行链路反馈的信道信息，对于一个已定的收发***，在发送步骤4和接收步骤2中，即在发送端和接收端只能采用已选定的成型滤波器和与之匹配滤波器，而不能再针对信道的特性进行自动调整成型滤波器，因而整体性能的波动性较大、稳定性差；此外，OFDM/OQAM***为单用户***，不能直接用于多址接入***。 
发明内容
本发明的目的是在背景技术基础上，研究设计一种自动适应信道特性变化的上行多址接入技术，有效提高频谱效率、***容量和数据传输性能、以及抵抗多谱勒扩展的能力，降低用户间的干扰及信号在信道内的畸变，以达到更好满足高速移动通信的要求等目的。 
本发明的解决方案是在正交频分多址接入技术(OFDMA)中引入交错的正交幅度调制技术(OQAM)，同时采用时频聚焦特性好的成型滤波器来替代循环前缀，并利用下行链路反馈的不同用户与接收端(基站)之间的信道信息，自动调整成型滤波器以适应信道特性的变化，提高频谱效率、***容量和数据传输性能、以及抵抗多谱勒扩展的能力，降低用户间的干扰及信号在信道内的畸变；从而实现其目的。因此，本发明方法包括： 
***初始化处理：首先在在发送端(移动台)和接收端(基站)的寄存器内储存相同的成型滤波器序列，并使不同的成型滤波器对应不同的信道特性，且在收发两端建立对应的规则； 
其流程如下： 
A.发送端(移动台)： 
A1.选择与当前信道特性匹配的成型滤波器：发送端发出启动指令，接收端(基站)根据其指令发送含导频序列的数据包至发送端(移动台)，发送端(移动台)收到其发送的信息后，通过对其中的导频信息分析出当前信道特性、并评估当前时刻信道ISI和ICI干扰程度，然后从成型滤波器序列中选择与该信道特性相匹配的成型滤波器； 
A2.对发送信息进行正交幅度调制：将信号源比特数据编码，进行正交幅度调制(QAM，Quadrature Amplitude Modulation)，得到复数数据后，组帧，并添加导频序列； 
A3.插零处理：对步骤A2得到的数据帧进行插零处理； 
A4.正交化相位映射：对步骤A3得到的数据进行正交化相位映射； 
A5.多载波调制：对步骤A4处理后的数据经反快速傅里叶变换处理(IFFT，InverseFast Fourier Transform)后，完成多载波调制； 
A6.信号成型：经步骤A5调制处理后的数据，根据步骤A1选择当前成型滤波器，完成信号成型； 
A7.发送信号：对步骤A6所得的成型数据进行数模(D/A)转换和上变频处理后，将该信号发送至接收端； 
B.接收端(基站)： 
B1.对接收信号的处理：收到发送端的信号后，首先进行下变频和模数转换(A/D)处理，得到数据帧序列； 
B2.选择与当前信道特性匹配的成型滤波器：接收端(基站)根据步骤B1所得的数据帧序列，通过对其中的导频信息分析当前信道的特性、并评估当前时刻信道ISI和ICI干扰程度，然后从成型滤波器序列中选择与该信道特性相匹配的成型滤波器； 
B3.多载波解调：对经步骤B1处理后的数据帧序列，作快速傅里叶变换处理(FFT，Fast Fourier Transform)，完成多载波解调； 
B4.去正交化相位映射：对步骤B3解调后的数据帧，进行去正交化相位映射处理； 
B5.提取有效数据：对步骤B4所得的数据作去零处理，以提取有效数据； 
B6.均衡补偿：对步骤B5所得的有效数据，结合步骤B2所得的信道特性，进行均衡补偿处理，消除或减小多径信道对***性能的影响； 
B7.存储数据：对步骤B6进行均衡补偿处理后的数据，进行QAM解调及相应的解码处理后，存储数据。 
上述成型滤波器包括扩展高斯函数(EGF)系列成型滤波器或非正交函数系列成型滤波器。所述进行均衡补偿处理，其所用均衡器为迫零均衡器或非线性类均衡器。 
本发明由于在正交频分多址接入技术(OFDMA)中引入了交错的正交幅度调制技术(OQAM)，同时采用时频聚焦特性好的成型滤波器来替代循环前缀，特别是利用下行链路反馈的不同用户与接收端(基站)之间的信道信息，自动选择与其信道特性相匹配的成型滤波器以适应信道特性的变化；从而具有可有效提高频谱效率、***容量和数据传输性能、以及抵抗多谱勒扩展的能力，降低用户间的干扰及信号在信道内的畸变，能更好满足高速移动通信的要求等特点。 
附图说明
图1为本发明方法流程示意图(方框图)； 
图2为本发明具体实施方式上行链路发送端原理图； 
图3为本发明具体实施方式上行链路接收端原理图； 
图4为基于交错正交幅度调制的正交频分复用***(OFDM/OQAM)原理图。 
具体实施方式
本具体实施方式采用以下***条件为例：OFDMA/OQAM***子载波数为1024，共32个用户，当前用户使用第0至第31子载波，成型窗滤波器选择范围是EGF函数序列成型滤波器。 
***初始化处理：首先在在发送端(移动台)和接收端(基站)的寄存器内储存相同的EGF函数序列成型滤波器(扩展因子α＝[0.1，0.2，…，0.9，1，1.1，…，2.9，3])，且在收发两端建立对应的规则； 
其流程如下： 
A.发送端(移动台)： 
A1.选择与当前信道特性匹配的成型滤波器：发送端发出启动指令，接收端(基站)根据其指令发送含导频序列的数据包至发送端(移动台)，发送端(移动台)收到其发送的信息后，通过对其中的导频信息分析出当前信道特性、并评估当前时刻信道均方时延扩展和多谱勒频移，然后根据下面公式选择与该信道特性相匹配的成型滤波器， 
τ 0 Δτ = v 0 Δv - - - ( 1 )
其中Δτ和Δv分别是当前信道的均方时延扩展和多谱勒频移，v0和τ0分别代表OFDMA/OQAM***的子载波间隔和成型滤波器的时间间隔；对于EGF函数成型滤波器而言，通过调节扩展因子α能够调节ν0和τ0，从而达到匹配的目的。该处选择的成型滤波器为g(t)； 
A2.对发送信息进行正交幅度调制：将信号源比特数据编码，进行正交幅度调制(4QAM，Quadrature Amplitude Modulation)，得到复数数据后，组帧，并添加导频序列(全1序列)； 
A3.插零处理：对步骤A2得到的数据帧进行插零处理，即给每帧数据后面补充992个零；； 
A4.正交化相位映射：对步骤A3得到的数据乘以jm+n进行正交化相位映射； 
A5.多载波调制：对步骤A4处理后的数据经1024点的反快速傅里叶变换处理(IFFT，Inverse Fast Fourier Transform)后，完成多载波调制； 
A6.信号成型：经步骤A5调制处理后的数据，根据步骤A1选择当前成型滤波器g(t)，完成信号成型； 
A7.发送信号：对步骤A6所得的成型数据进行数模转换和上变频处理后，将该信号发送至接收端； 
B.接收端(基站)： 
B1.对接收信号的处理：收到发送端的信号后，首先进行下变频和模数转换(A/D)处理，得到数据帧序列； 
B2.选择与当前信道特性匹配的成型滤波器：接收端(基站)根据步骤B1所得的数据帧序列，通过对其中的导频信息分析当前信道的特性、并评估当前时刻信道ISI和ICI干扰程度，然后根据公式(1)选择与该信道特性相匹配的成型滤波器； 
B3.多载波解调：对经步骤B1处理后的数据帧序列，作1024点快速傅里叶变换处理(FFT，Fast Fourier Transform)，完成多载波解调； 
B4.去正交化相位映射：对步骤B3解调后的数据帧，进行乘以j-(m+n)去正交化相位映射处理； 
B5.提取有效数据：对步骤B4所得的数据提取第0至第31个数据，去除最后992点的数据； 
B6.均衡补偿：对步骤B5所得的有效数据，结合步骤B2所得的信道特性，利用迫零均衡补偿处理，以多径信道对***性能的影响； 
B7.存储数据：通过步骤B6后的数据，进行QAM解调及相应解码后，存储数据。 

Claims (3)

1.一种自动适应信道特性变化的上行多址接入方法，包括：
***初始化处理：首先在发送端和接收端的寄存器内储存相同的成型滤波器序列，并使不同的成型滤波器对应不同的信道特性，且在收发两端建立对应的规则；
上行多址接入流程如下：
A.发送端：
A1.选择与当前信道特性匹配的成型滤波器：发送端发出启动指令，接收端根据其指令发送含导频序列的数据包至发送端，发送端收到其发送的信息后，通过对其中的导频信息分析得到当前信道特性、并评估当前时刻信道ISI和ICI干扰程度，然后从成型滤波器序列中选择与该信道特性相匹配的成型滤波器；
A2.对发送信息进行正交幅度调制：将信号源比特数据编码，进行正交幅度调制，得到复数数据后，组帧，并添加导频序列；
A3.插零处理：对步骤A2得到的数据帧进行插零处理；
A4.正交化相位映射：对步骤A3得到的数据进行正交化相位映射；
A5.多载波调制：对步骤A4处理后的数据经反快速傅里叶变换处理后，完成多载波调制；
A6.信号成型：经步骤A5调制处理后的数据，根据步骤A1选择当前成型滤波器，完成信号成型；
A7.发送信号：对步骤A6所得的成型数据进行数模转换和上变频处理后，将该信号发送至接收端；
B.接收端：
B1.对接收信号的处理：收到发送端的信号后，首先进行下变频和模数转换处理，得到数据帧序列；
B2.选择与当前信道特性匹配的成型滤波器：接收端根据步骤B1所得的数据帧序列，通过对其中的导频信息分析得到当前信道的特性、并评估当前时刻信道ISI和ICI干扰程度，然后从成型滤波器序列中选择与该信道特性相匹配的成型滤波器；
B3.多载波解调：对经步骤B1处理后的数据帧序列，作快速傅里叶变换处理，完成多载波解调；
B4.去正交化相位映射：对步骤B3解调后的数据帧，进行去正交化相位映射处理；
B5.提取有效数据：对步骤B4所得的数据作去零处理，以提取有效数据；
B6.均衡补偿：对步骤B5所得的有效数据，结合步骤B2所得的信道特性，进行均衡补偿处理，消除或减小多径信道对***性能的影响；
B7.存储数据：对步骤B6进行均衡补偿处理后的数据，进行QAM解调及相应的解码处理后，存储数据。
2.按权利要求1所述自动适应信道特性变化的上行多址接入方法，其特征在于所述成型滤波器包括扩展高斯函数系列成型滤波器或非正交函数系列成型滤波器。
3.按权利要求1所述自动适应信道特性变化的上行多址接入方法，其特征在于所述进行均衡补偿处理中所用均衡器为迫零均衡器或非线性类均衡器。
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