CN1708999B - 无线通信***中的上行链路导频信号和信令传输 - Google Patents

Abstract

在OFDM***中通过上行链路更高效地传输导频信号和信令的技术。通过子带复用，***中的M个可用子带被分为Q个不相交的子带组。每个子带组可以被分配给不同的终端，以进行上行链路导频信号传输。多个终端可以在分配给它们的子带上同时发射信号。可以将用于导频信号的发射功率调高，使得：即使每个终端使用S、而非M个子带来用于导频信号传输时，也可以达到相同的总的导频信号能量。接收从这些终端发射的导频信号，并且根据在所分配的这些子带上接收的导频信号来获取对各终端的信道估计。该信道估计包括不属于所分配的组中的附加子带的响应。子带复用也可用于上行链路信令传输。

Description

无线通信***中的上行链路导频信号和信令传输

相关申请

本申请要求2002年10月29日提交的、题为“Uplink Pilot AndSignaling Transmission In Wireless Communication Systems”的美国临时专利申请60/422368和2002年10月29日提交的、题为“ChannelEstimation for OFDM Communication Systems”的美国临时专利申请60/422362的优先权，这两篇申请并入此处，作为参考。

发明领域

本发明一般涉及数据通信，尤其涉及在无线通信***中通过上行链路传输导频信号和信令(如速率控制)信息的技术。

技术背景

无线通信***广泛用于提供各种类型的通信，如语音、分组数据等。这些***可以是能够通过共享可用***资源而支持与多个用户顺序或同时通信的多址***。这些***的例子包括：码分多址(CDMA)***、时分多址(TDMA)***和正交频分多址(OFDMA)***。

OFDM***采用正交频分复用(OFDM)，将整个***带宽有效地分为数个(N个)正交子带。这些子带也被称为音(tones)、频率段(frequency bins)和频率子信道。可将各子带视为可以用于传输数据的独立传输信道。

在无线通信***中，来自发射机的RF调制信号经由多个传播路径到达接收机。由于很多因素，传播路径的特征通常随时间而变化。对于OFDM***来说，这N个子带会经历不同的信道状况，获得不同的信噪比(SNR)。

为了在可用子带上有效地传输数据，通常需要准确地估计发射机和接收机之间的无线信道响应。通常情况下，信道估计是通过从发射机发送导频信号和在接收机测量该导频信号而执行的。由于导频信号是由接收机先验得知的符号构成，所以，可以将信道响应估计为收到的导频符号与发射的导频符号的比。

导频信号传输代表着无线通信***中的开销(overhead)。因此，希望将导频信号传输降低到尽可能小的程度。但是，由于无线信道中存在噪音和其他干扰(artifacts)，为了使接收机对信道响应获得相当准确的估计，需要发送足够量的导频信号。此外，由于传播路径对信道响应的影响以及传播路径本身通常随时间而变化，因此需要重复导频信号发射。将无线信道假设为相对稳定的持续时间常被称为信道相干时间(channel coherence time)。为了维持较高的***性能，重复发射导频信号的间隔应明显小于信道相关时间。

在无线通信***的下行链路中，多个终端使用从一个接入点(或一个基站)发射的单个导频信号，来估计从该接入点到各终端的不同信道的响应。在上行链路中，通常需要通过从各终端发射的单独导频信号，对从各终端到该接入点的信道进行估计。

所以，对于无线通信***来说，多个终端各需要通过上行链路向接入点发射导频信号。此外，信令信息，如速率控制信息和对下行链路发射的确认，也需要通过上行链路发送。如果以时分复用(TDM)方式执行上行链路发射，则可以为各终端分配不同的时隙，然后在所分配的时隙中发射其导频信号和信令信息。根据活动终端的数量和时隙的持续时间，相当大部分的上行链路传输时间会被导频信号和信令传输占用。导频信号和信令信息的上行链路传输中的这种低效率在OFDM***中被进一步恶化，在OFDM***中，最小的传输单位(通常为一个OFDM符号)的数据承载能力可能会很大。

因此，本领域需要在无线通信***(如OFDM***)中更高效地传输导频信号和信令信息的技术。

发明内容

这里提供的技术用于在无线通信***中通过上行链路更高效地传输导频信号和信令。通过子带复用，***中M个可用子带可以被分为Q个不相交的子带组，其中，如果任一子带包含于某组，则它只包含于唯一一个组内。然后，可以将各子带组分配给不同的终端。多个终端可以在分配给它们的信道上同时发射信号。

通过子带复用，各终端只根据在可用子带的一个小的子集中传输的上行链路导频信号，就可获得对全部可用频带的准确信道估计。如果维持用于在S个子带上发射导频信号的总能量，使其等于用于在所有M个可用子带上发射导频信号的总能量，那么，只使用在S个子带上传输的导频信号，就可以准确地***其他M-S个子带的信道响应。

一个实施例提供了一种在具有多个子带的无线通信***(如OFDM***)中通过上行链路传输导频信号的方法。根据该方法，M个适用于在***中进行数据传输的可用子带初始时被分为Q个不相交的子带组。这Q个组包括的子带数量可以相同或不同，并且各组中的子带可以均匀或不均匀地分布在这M个可用子带中。为一个或多个终端的每一个终端分配不同的子带组，以用于上行链路导频信号传输。然后，在所分配的子带组上，接收来自所述一个或多个终端发射的导频信号。对于各个终端，可以将各子带中的导频信号发射功率调高(例如，倍数为Q)，从而，即使在S、而非M个子带上传输导频信号的情况下，也可以达到相同的总导频信号能量。执行功率调整，从而使得在各终端观测到该可用的总发射功率、满足发射功率约束(如调整约束)以及将硬件部分的成本增加量最小化(如果成本增加的话)。然后，各个终端根据在分配给该终端的子带上接收的导频信号，获得信道估计。各终端的信道估计可以覆盖不包含于分配给该终端的组中的一个或多个其他子带。例如，该信道估计可以包括对所有M个可用子带的响应。

也可以使用子带复用，在上行链路上传输信令信息。信令信息可以包括：用于下行链路数据传输的速率控制信息、对在下行链路上接收数据的确认等。

下面对本发明的各方面和实施例做出进一步详细的描述。

附图简述

通过参考以下结合附图的说明，本发明的特征、本质和优点将变得更加显而易见，在附图中，相同的标号表示相似或相应的功能和特征，其中：

图1示出了支持多个用户的OFDM***；

图2、3和4分别示出了帧结构、OFDM子带结构和支持子带复用的OFDM子带结构；

图5示出了使用子带复用发射上行链路导频信号的过程；

图6示出了支持上行链路导频信号和信令传输的子带复用的帧结构；

图7是OFDM***中接入点和终端的框图；以及

图8A到8C示出了通过用于上行链路导频信号和信令传输的子带复用而实现的潜在节约的示意图。

发明详述

这里使用“示例性的”一词用于表示“作为一个例子、实例或例证”。这里被描述为“示例性的”的实施例或设计并不意味着较其他实施例或设计优选或有优势。

可以在各种类型的无线通信***中使用这里描述的用于发射导频信号和信令信息的技术。例如，这些技术可用于CDMA、TDMA、FDMA和OFDM***。这些技术也可用于混合***，如OFDM TDM***，混合***用时分复用传输导频信号/信令和业务数据，其中，OFDM用于传输导频信号/信令，另一种传输机制用于传输业务数据。为清楚起见，下面针对OFDM***具体描述这些技术。

图1示出了支持多个用户的OFDM***100。OFDM***100包括多个支持与多个终端(T)120进行通信的接入点(AP)110。为简单起见，图1只示出了一个接入点。接入点也被称为基站或其他术语。

终端120可以分布于该***中。终端也被称为移动台、远程台、接入终端、用户设备(UE)、无线设备或其他术语。每个终端都是一个固定或移动终端，可以在任何给定时间，通过下行链路和/或上行链路与一个或可能多个接入点进行通信。下行链路(或forward link前向链路)指的是从接入点到终端的传输，而上行链路(或reverselink，反向链路)指的是从终端到接入点的传输。

在图1中，接入点110经由上行链路和下行链路与用户终端120a到120f进行通信。根据OFDM***的具体设计，接入点可以与多个终端同时(如经由多个子带)或顺序地(如经由多个时隙)进行通信。

图2示出了当上行链路和下行链路都使用单一频带时OFDM***可以使用的帧结构200。在这种情况下，下行链路和上行链路可以使用时分复用(TDD)共享相同的频带。

如图2所示，上行链路和下行链路传输是以“MAC帧”为单位而进行的。可将每个MAC帧定义为覆盖特定的持续时间。每个MAC帧被分为下行链路阶段210和上行链路阶段220。可以在下行链路阶段使用时分复用(TDM)，将向多个终端的下行链路传输进行复用。同样，可以在上行链路阶段使用TDM，将来自多个终端的上行链路传输进行复用。对于图2所示的具体TDM实现，各阶段被进一步分为多个时隙(或简称为隙)230。这些时隙的持续时间可以是固定的或可变的，并且上行链路和下行链路阶段的时隙的持续时间可以相同或不同。对于该具体的TDM实现，上行链路阶段中每个时隙230包括导频信号段232、信令段234和数据段236。段232用于将上行链路导频信号从终端发送到接入点，段234用于发送信令(如速率控制、确认等)，而段236用于发送数据。

每个MAC帧上行链路阶段中的时隙可以被分配给一个或多个终端，以进行上行链路传输。然后，各终端通过分配给它的时隙发射信号。

帧结构200表示当只有一个频带可用时OFDM***使用的一个具体实现。如果有两个频带可用，则可以使用频分复用(FDD)，通过不同的频带进行上行链路和下行链路传输。在这种情况下，可以在一个频带上实现下行链路阶段，而在另一个频带上实现上行链路阶段。

基于TDD和基于FDD的帧结构都可使用这里描述的导频信号和信令传输技术。为简便起见，具体针对基于TDD的帧结构来描述这些技术。

图3示出了OFDM***使用的OFDM子带结构300。该OFDM***的总***带宽为W MHz，通过使用OFDM，总***带宽被分为N个正交的子带。各子带的带宽为W/N MHz。在这总共N个子带中，只有M个子带用于数据传输，其中M＜N。剩余的N-M个子带没有被使用，它们作为防护频带(guard bands)，从而使OFDM***满足其频谱屏蔽(spectral mask)要求。这M个“可用”子带包括子带F到M+F-1。

对于OFDM来说，首先使用为各子带选用的特定调制方案，将各子带上待传输的数据进行调制(即符号映射)。对于这N-M个未使用的子带，信号值被置为0。对于每个符号周期，使用快速傅立叶反变换(IFFT)，将这所有N个子带的M个调制符号和N-M个零变换到时域，从而获得变换后的符号，其包括N个时域采样。变换后的各符号的持续时间与各子带的带宽成反比。例如，如果***带宽为W＝20MHz，N＝256，那么每个子带的带宽为78.125KHz，变换后的每个符号的持续时间为12.8μs。

OFDM可以提供某些优点，如抑止频率选择性衰落的能力，其特征在于整个***带宽的不同频率具有不同的信道增益。众所周知，频率选择性衰落会产生符号间干扰(ISI)，在这种现象中，接收信号中各符号会使接收信号中的后续符号失真。ISI失真影响正确检测接收符号的能力，所以导致性能降低。通过将变换后的每个符号的一部分进行重复(或向其附加一个循环前缀)以形成一个相应OFDM符号然后将其发送，可以用OFDM方便地抑止频率选择性衰落。

每个OFDM符号循环前缀的长度(即重复量)取决于无线信道的延迟扩展(delay spread)。对于一个给定的发射机，所述延迟扩展是对于该发射机发射的信号，在接收机处最早和最晚到达信号实例的差。***的延迟扩展是该***中所有终端预期最坏情况下的延迟扩展。为了有效地抑止ISI，循环前缀应该比延迟扩展长。

每个变换后符号的持续时间为N个采样周期，其中每个采样周期的持续时间为(l/W)μs。可以将循环前缀定义为包括Cp个采样，其中，Cp是根据***的预期延迟扩展而选择出的整数。具体地讲，选择Cp大于或等于无线信道冲激响应的抽头数(L)，(即，Cp≥L)。这种情况下，每个OFDM符号将包括N+Cp个采样，并且每个符号周期为N+Cp个采样周期。

上行链路导频信号传输

在一些OFDM***中，终端通过上行链路发射导频信号，以让接入点估计上行链路信道。如果使用图2所示的TDD-TDM帧结构，则各终端可以在分配给它的时隙的导频信号段中传输其上行链路导频信号。通常情况下，各终端在所有M个可用子带中以全功率(fullpower)传输上行链路导频信号。这样，接入点就可以估计全部可用频带的上行链路信道响应。尽管该上行链路导频信号传输机制是有效的，但其效率却是很低的，因为所有活动终端都可能将相当大部分的上行链路阶段用于导频信号传输。所有活动终端的导频信号段可能包括很大部分的上行链路阶段。

这里提供的技术可以在OFDM***中更高效地通过上行链路传输导频信号。为了更加有效，导频信号传输机制需要被设计为：根据从终端发射的上行链路导频信号，每个活动终端都可以实现准确的信道估计。但是，已经发现信道估计的质量通常取决于导频信号的总能量，而不是导频信号传输机制的具体细节。导频信号总能量等于用于导频信号的发射功率乘以导频信号传输的持续时间。

根据仅S个子带上传输的导频信号，就可以实现对全部可用频带准确的信道估计，其中，选择S，使得Cp≤S＜M，并且，S通常远小于M。上述序号为60/422368的美国临时专利申请、序号为60/422362的美国专利申请和案卷号为020718的美国专利申请中描述了一种这样的信道估计技术。实际上，可以看出，如果在这S个子带上用于发射导频信号的总能量等于在所有M个子带上用于导频信号发射的总能量，那么，就可以使用上述信道估计技术，根据这S个子带上传输的导频信号，准确地***其他M-S个子带的信道响应。换言之，如果导频信号总能量相同，那么，***的M-S个子带的信道响应通常与根据所有M个子带上传输的导频信号而获得的信道估计具有相同的质量(如，相同的平均方差)。

可以通过子带复用，使多个终端在上行链路上同时发射导频信号。为了实现子带复用，这M个可用子带可被分为Q个不相交的子带组，使得如果任一可用子带出现于某个组，则它只出现在一个组中。这Q个组包括的子带数量可以相同或不同，并且每个组中的子带可以均匀或不均匀地分布于这M个可用子带中。也不必使用这Q个组中的所有M个子带(即，一些可用子带可以不用于导频信号传输)。

在一个实施例中，每个组包括S个子带，其中，

且S≥Cp，其中，表示下取整运算符。每个组中的子带数量应等于或大于延迟扩展Cp，从而可以降低ISI的影响，并且可以实现更准确的信道估计。

图4示出了可用于0FDM***且支持子带复用的OFDM导频信号结构400的一个实施例。在该实施例中，M个可用子带初始时被分为S不相交的集合，每个集合包括Q个连续的子带。每个集合中的Q个子带被分配给Q个组，使得每个集合中的第i个子带被分配给第i个组。这样，每个组中的S个子带均匀地分布于这M个可用子带中，从而使得该组中的连续子带被Q个子带分开。也可以通过其他方式，将这M个子带分配给这Q个组，这同样落入本发明的保护范围内。

可将这Q个子带组分配给最多Q个终端以进行上行链路导频信号发射。然后，每个终端在分配给它的子带上发射导频信号。通过子带复用，最多Q个终端可以在最多M个可用子带上通过上行链路同时发射导频信号。这可以大大降低传输上行链路导频信号所需的时间量。

为了使接入点获得高质量的信道估计，每个终端都可以将每子带的发射功率提高Q倍。这使得所分配的这S个子带上传输的导频信号的导频信号总能量与所有M个子带都用于导频信号传输的情况相同。由于导频信号总能量相同，所以，接入点可以根据这M个可用子带的一个子集，估计全部可用频带的信道响应，而质量损耗却很小或没有，后面还将对此进行描述。

OFDM***可以在每MHz的功率约束为P dBm/MHz和总功率约束为P·W dBm的频带中工作。例如，5GHz UNII频带包括三个20MHz的频带，分别被表示为UNII-1、UNII-2和UNII-3。这三个频带的总发射功率限制分别为17、24和30dBm，并且每MHz的功率约束分别为4、11和17dBm/MHz。根据这三个频带的最低功率约束，可以选择每终端的功率约束，从而使每MHz的功率约束为P＝4dBm/MHz，并且总功率约束为P·W＝17dBm。

形成这些子带组，从而，即使对各终端施加每MHz的功率约束和总功率约束，也可以使用全发射功率进行上行链路导频信号发射。具体地讲，如果每个组中子带之间的间隔约是1MHz，那么，每个终端都可以在每子带的功率为P dBm的情况下在分配给它的所有S个子带中发射上行链路导频信号，并且仍遵循所述每MHz的功率约束。于是，这S个子带的总发射功率将等于P·S dBm，由于1MHz的间隔，S≈W，所以，其约等于P·W dBm。通常情况下，只要S＞W，适当的调节就可以满足每MHz的功率约束和总功率约束，其中，W是以MHz为单位给出的。

在一个示例性的OFDM***中，***带宽为W＝20MHz、N＝256和M＝224。OFDM导频信号结构包括Q＝12个组，每个组包括S＝18个子带。对于该导频信号结构，224个可用子带中的216个子带可同时用于上行链路导频信号传输，剩余的8个子带没有被使用。

通常，每个组中每个子带使用的发射功率量取决于各种因素，例如：(1)每MHz的功率约束和总功率约束，以及(2)每个组中的子带分布。即使子带之间的间隔不均匀和/或小于1MHz，终端也可以全功率发射上行链路导频信号。然后，根据这Q个组中的子带分布，可以确定用于这些子带的具体功率量。为简单起见，假设每个组中的S个子带被所需的最小间隔(如，至少1MHz)均匀地分隔和分开。

图5是使用子带复用传输上行链路导频信号的过程500的一个实施例的流程图。最初，M个可用子带被分为Q个不相交的子带组(步骤512)。可以根据OFDM***中的预期负载，执行一次该划分。或者，也可以在***负载发生改变时，将这M个可用子带动态地划分。例如，在***负载轻时，形成较少的组，而在峰值***负载时，形成较多的组。在各种情况下，分区都使得每个组都满足条件S≥Cp。

将一个子带组分配给各活动终端，以进行上行链路导频信号发射(步骤514)。可以在呼叫建立时或以后确定子带分配，并将其传送给终端。然后，每个终端在分配给它的子带中通过上行链路发射信号(步骤522)。每个终端可以用根据上述各种因素确定的用于各子带的发射功率量，调高用于上行链路导频信号发射的发射功率。接入点也可以指定用于各子带(或各子带组)的发射功率量，并将其随同子带分配一起传送到终端。

接入点在所有M个可用子带或其一个子集上，接收从所有活动终端发射的上行链路导频信号(步骤532)。然后，接入点处理收到的信号，以获取对分配给各活动终端的子带的每子带的信道估计(步骤534)。对于各活动终端，可以根据对各分配子带获得的每子带的信道估计，获取对全部可用频带的信道估计(步骤536)。可以使用各种技术，从对一部分可用子带的信道估计中获取对全部可用频带的信道估计。上述序号为60/422368的美国临时专利申请、序号为60/422362的美国临时专利申请和案卷号为020718的美国专利申请中描述了一种这样的信道估计技术。也可以通过***对可用子带的一个子集的每子带的信道估计，来获取对全部可用频带的信道估计。

对于各活动终端来说，然后，对全部可用频带的信道估计就可用于向/来自该终端的下行链路和/或上行链路数据传输(步骤538)。在一次通信会话期间中，通常连续不断地执行上行链路导频信号发射和信道估计，从而获得最新的信道估计。

OFDM***模型可表示为：

r＝Hox+n，                     公式(1)

其中，r是具有N个项的向量，用于表示在这N个子带上接收的符号；

x是具有N个项的向量，用于表示在这N个子带上传输的符号(一些项可能包括零)；

H是一个(N×1)向量，用于表示接入点和终端之间的信道频率响应；

n是这N个子带的加性高斯白噪声(AWGN)向量；并且

“o”表示Hadmard乘积(即点乘，其中，r的第i个元素是x和H的第i个元素的乘积)。

假设噪声n的均值为0，方差为σ²。

通过子带复用，每个活动终端在导频信号发射间隔内，在分配给它的S个子带上发射导频信号。每个终端发射的导频信号都可表示为一个(N×1)向量x _i，其包括所分配的S个子带中每一个子带的导频符号和其他所有子带的0。在所分配的各子带上导频符号的发射功率可表示为 $P_{\mathrm{UL}}=x_{i,j}^2,$ 其中，x_i，j是终端i在第j个子带上发射的导频符号。

终端i的每子带的信道估计

可表示为：

公式(2)

其中，

是一个(S×1)向量，a _i/b _i＝[a₁/b₁……a_s/b_s]^T，其包括分配给终端i的S个子带的比率。终端i的每子带的信道估计由接入点根据分配给该终端的S个子带各自接收和发射的导频符号而确定。所以，每子带的信道估计

表示所分配的S个子带对于终端i的信道频率响应。

可以使用很多技术从每子带的信道估计

中获取公式(1)中对H的估计。如上所述，在序号为60/422368的美国临时专利申请、序号为60/422362的美国临时专利申请和案卷号为020718的美国专利申请中描述了一种这样的技术。

如果N个子带全部用于数据传输(即M＝N)，则可以看出，如果满足以下条件，使用上述序号为60/22368的美国临时专利申请、序号为60/422362的美国临时专利申请和案卷号为020718的美国专利申请中描述的技术，根据仅S个子带上的导频信号传输获得的信道估计的均方误差(MSE)与根据全部N个子带上传输的导频信号获得的信道估计的MSE是相同的：

1、选择S≥Cp且S≥W；

2、这S个子带均匀地分布于全部N个子带的各个组中；

3、将所分配的这S个子带中每一个子带的发射功率设置为高于如下定义的平均发射功率P_avg的N/S倍。

终端进行发射所使用的总发射功率通常受以下较小者的约束：(1)终端的总发射功率P_total(由终端的功率放大器限制)和(2)工作频带的总功率约束P·W。于是，平均发射功率P_avg等于P_total/N和P·W/N中的较小者。例如，如果终端使用的总发射功率受限于调整约束，则P_avg＝P·W/N。

如果总共N个子带中只有一个子集用于数据传输(即M＜N)，在这种情况下，一些子带被用作保护频带，那么，只有S＝M，才能达到最小均方误差(MMSE)。但是，上述序号为60/422368的美国临时专利申请、序号为60/422362的美国临时专利申请和案卷号为020718的美国专利申请中已经发现：如果S≈1.1Cp，则MSE接近MMSE。因此，在S≤M＜N的情况下，如果满足以下条件，则根据仅在S个子带上的导频信号传输而获得的信道估计的MSE是最小的：

1、选择S≈1.1Cp且S＞W；

2、S个子带均匀地分布于总共N个子带的各个组中；

3、将所分配的S个子带中每一个子带的发射功率设置为高于上述平均发射功率P_avg的N/S倍。

上行链路信令发射

在很多无线***中，终端需要通过上行链路向接入点发送信令信息。例如，终端可能需要将用于下行链路数据传输的速率告知接入点、发送对收到的数据分组的确认等。信令信息通常包括很少量的数据，但需要及时且可能定期地被发送。

在一些***中，可能需要通过上行链路发送速率控制信息，以指出在一个或多个传输信道中每一个信道的下行链路上使用的速率。每个传输信道可能对应于多进多出(MIMO)***中的一个空间子信道(即特征模式)、OFDM***中的一个子带或频率子信道、TDD***中的一个时隙等。每个终端可以估计下行链路信道，并确定各传输信道可以支持的最高速率。然后，可以将传输信道的速率控制信息送回接入点，并用它确定传输到终端的下行链路数据的传输速率。速率控制信息的形式可以是一个或多个速率代码，各代码可以被映射为代码速率、调制方案等的具体组合。或者，可以其他形式提供速率控制信息(如，各传输信道的接收SNR)。在任何情况下，每个传输信道的速率控制信息包括3至4个比特，并且所有传输信道的速率控制信息可能总共包括15个比特。

作为另一个示例，需要将信道响应或频率选择性信息报告回到接入点。信道响应或频率选择性信息所需的比特数取决于被发送信息的粒度(如，每子带或每第n个子带)。

这里还提供了在OFDM***中通过上行链路更高效地传输信令信息的技术。可以将M个可用子带分为Q_R个不相交的组，每个可用子带如果出现于某组的话，则只出现于一个组中。这Q_R个组包括的子带数量可以相同或不同。对用于上行链路信令信息的可用子带的分组和对用于上行链路导频信号传输的可用子带的分组可以相同或不同。可以将各子带组分配给一个终端，用于上行链路信令发射。多个终端可以在分配给它们的子带上同时发射信令信息。

通过子带复用传输上行链路信令信息具有各种优点。由于OFDM符号的数据承载能力相对较大，所以，当只需要发送少量数据时，将整个OFDM符号分配给活动终端可能导致效率极低。通过子带复用，分配给各活动终端的子带数量与需发送的数据量成比例。

如果每子带的发射功率的增加量是相同时间间隔内复用的终端的数量，那么子带复用带来的节约就更大。每子带的发射功率越高，接入点的接收SNR就越高，这可以支持更高阶的调制方案。这样，就可以在各子带上传输更多的数据或信息比特。或者，可以给各终端分配较少的子带，从而在相同的时间间隔内可以复用更多的终端。如果使用更高阶的调制方案，那么，较少的子带就可以提供所需的数据承载能力。

子带复用也可用于通过上行链路传输确认信息。对于一些***，接收机需要发送确认信息，以确认对接收机收到的各组的检测是正确或错误的。通过降低用于传输确认信息的资源的分配粒度(即，将一个子带组、而不是整个OFDM符号分配给各终端)可以提高***效率。

为确认所发送的数据量随终端而不同，也随帧而不同。原因在于：各终端通常只发送对在当前/前一个MAC帧内接收数据包的确认信息，并且发送给各终端的数据包的数量随终端和时间而不同。相比之下，为速率控制而发送的数据量通常较恒定。

可以使用多种子带分配方案，在活动终端之间通过上行链路传输可变量的信令(如确认信息)。在一种方案中，M个可用子带被分为Q_A个不相交的组。这Q_A个组包括的子带数量可以相同或不同。可以为各个活动终端分配可变数量的子带，用于确认信息传输。对于这种方案，分配给特定终端的子带数量可以与发送给该终端的组数量成比例。

在另一种方案中，分配给各活动终端的、用于传输确认信息的子带数量是固定的。但是，每个终端使用的调制方案并不固定，而是可以根据信道状况进行选择的。对于互补信道(reciprocal channel)，其上行链路和下行链路是高度关联的，下行链路和上行链路传输容量也相关。因此，如果由于信道状况提高而可以在特定时间段内通过下行链路发送更多的数据包，则同样的信道状况可以支持在特定时间间隔内通过上行链路传输更多的信息比特。这样，通过将固定数量的子带分配给各活动终端、但允许调制根据信道状况进行适应，可以在需要的时候发送更多的确认比特。

为了简化将子带分配给活动终端，可以将子带分为多个组，然后，可以将子带组、而非单个子带分配给这些终端。通常情况下，每个组可以包括任意数量的子带，这取决于子带分配的预期粒度。作为一个示例，可以形成37个子带组，每个组包括6个子带。然后，根据数据需求，为给定的终端分配任意数量的子带组。

对于一个具体的OFDM***设计，在***支持的速率范围内，可以在两个OFDM符号中发送150至2000个比特。该比特率范围的取得基于这样的假设：通过子带复用，各子带使用更高的发射功率。然后，根据信道状况，上述示例中描述的37个子带组的每一个组可用于发送150/37至2000/37个确认比特。因此，每个组中固定数量的子带可以发送可变数量的确认比特，这取决于所选用的速率，而该速率取决于信道状况。

在有些情况下，每子带的发射功率需要维持在与数据传输相同的水平。例如，如果将所有可用子带都分配给单个终端，则可能会出现这种情况。但是，当子带的数据承载能力较低时，对它的要求也相应地降低。对于期望的所有信道配置来说，两个OFDM符号用于确认数据就足够了。

在另一种方案中，确认数据与上行链路分组数据一起发送。如果确认数据需要等待通过上行链路发送分组数据，就会产生附加的延时。如果附加的延时是可以容忍的，则发送确认数据几乎没有开销，因为确认数据量通常很小，并且很可能适合上行链路数据分组的填充部分。

在另一种方案中，确认数据与速率控制信息一起发送。分配给各活动终端进行速率控制传输的子带组具有的数据承载容量可能高于发送速率控制信息所需的数据承载容量。在这种情况下，可以在分配用于速率控制的子带的过量数据承载容量中发送确认数据。

当使用子带复用通过上行链路传输信令信息时，接入点可以处理收到的信号，以逐个地恢复各终端发送的信令(如速率控制和确认)。

子带复用的帧结构示例

图6示出了支持上行链路导频信号和信令传输的子带复用的帧结构600的一个实施例。MAC帧被分为一个下行链路阶段610和一个上行链路阶段620。上行链路阶段进一步被分为一个导频信号段622、一个信令段624和多个时隙630。段622可使用子带复用，使多个终端在该段中通过上行链路可以同时发射导频信号。同样，段624也可以使用子带复用，使多个终端在该段中通过上行链路可以同时发射信令(如速率控制信息、确认等)。时隙630可用于传输分组数据、消息和其他信息。可以使用子带复用或不使用子带复用，将各时隙630分配给一个或多个活动终端。各个时隙630也可用于向多个终端发送开销消息。

也可以设计使用其他各种帧结构，而这也落入本发明的保护范围之内。例如，上行链路阶段包括用于发送速率控制信息的速率控制段和用于发送确认数据的确认段。作为另一个例子，可以将该帧分为多个上行链路和下行链路阶段，并且不同的阶段可以用于不同类型的传输，如业务数据、导频信号、速率信令和确认。

实现考虑

子带复用可以很大程度上减少用于支持在上行链路上传输导频信号和信令所需的资源量，下面将进行量化。但是，在实现子带复用时需考虑各种因素，如：(1)用于将子带分配给终端的开销信令；(2)从终端接收的上行链路传输之间的时间偏移；(3)来自终端的上行链路传输之间的频率偏移。下面将详细描述这些因素中的每一个因素。

开销信令

传递各个终端的子带分配需要开销信令。对于导频信号和速率控制信息来说，可以给每个活动终端分配一个特定的子带组，用于这两种类型的上行链路传输中的每一种或两种。可以在呼叫建立期间做出这样的分配，并且对于每个MAC帧，所分配的子带通常不必重复或改变。

如果有24个子带组用于最多24个终端，那么，5个比特就足以标识分配给某个终端的具体子带组。这5个比特可以包含在发送给终端、以使其进入活动状态的控制消息中。如果控制消息的长度为80比特，那么，用于表示子带分配的5个比特将使消息长度增加约6％。

如果可以灵活地形成子带组并且/或者如果可以将组动态地分配给终端，则开销信令的量会更大。例如，如果分配用于确认传输的子带数量可以随帧而变化，那么，传递子带分配所需要的开销信令的量会更大。

上行链路定时

经由子带复用同时发射信号的多个终端可能散布于整个***内。如果这些终端到接入点的距离不同，那么，从这些终端发射的信号的传播时间就不同。在这种情况下，如果终端同时发射信号，那么，接入点将在不同的时间收到来自这些终端的信号。最早和最晚到达接入点的信号的差异取决于终端相对于接入点的往返(round trip)延时的差异。

来自不同终端的信号的到达时间的差异会侵犯(cut into)更远的终端的延时扩展容差。例如，对于具有半径为50米的覆盖区域的接入点，最早和最晚到达信号之间的到达时间的最大差值约是330ns，这将占用800ns循环前缀的很大一部分。此外，对于处在覆盖区域边缘的终端而言，降低的延时扩展容差的影响是最糟糕的，这些终端非常需要适应多径延时扩展。

在一个实施例中，为了说明活动终端之间往返延时的差异，调整各活动终端的上行链路定时，从而使其信号在特定的时窗(timewindow)内到达接入点。为每个活动终端维持一个定时调整环路，并且估计该终端的往返延时。然后，根据估计的往返延时确定的量，将终端的上行链路发射提前或延迟，从而使所有活动终端的上行链路发射都能在特定的时窗内到达该接入点。

可以根据来自终端的导频信号或一些其他上行链路发射，获取各个活动终端的定时调整。例如，可以将上行链路导频信号与接入点的导频信号副本进行关联。关联结果表示收到的导频信号比来自其他终端的导频信号早或晚。然后，可以将一个1比特的定时调整值发送给该终端，以指示其将时间提前或延迟特定的量(如，±一个采样周期)。

频率偏移

如果子带复用用于使多个终端在分配给它们的子带上同时发射信号，那么，在所有终端都以全功率发射信号的情况下，来自附近终端的信号会对来自远方终端的信号产生很大的干扰。具体地讲，可以看出，终端间的频率偏移会产生子带间干扰。这种干扰会导致从上行链路导频信号获取的信道估计恶化，并且/或者会增加上行链路数据传输的误码率(BER)。为了降低子带间干扰的影响，对终端进行功率控制，从而使附近终端不对远方终端产生过度的干扰。

对来自附近终端的干扰影响进行研究，发现可以粗略地使用功率控制，以降低子带间干扰影响。具体地讲，发现如果终端之间的最大频率偏移为300Hz或更低，那么，通过将附近终端的SNR限制在40dB或更低，则其他终端的SNR的损失为1dB或更少。如果终端之间的频率偏移为1000Hz或更低，那么，为了保证其他终端的SNR的损失为1dB或更少，需要将附近终端的SNR限制在27dB。如果用于实现OFDM***支持的最高速率所需的SNR小于27dB，那么，将附近终端的SNR限制在27dB(或40dB)，不会对附近终端所支持的最高数据速率产生任何影响。

可以用慢功率控制环路(slow power control loop)实现上述粗功率控制(coarse power control)需求。例如，当需要调整附近终端的上行链路功率时(如，当这些终端由于移动而导致功率电平改变时)，可以发送控制消息。当接入***时(呼叫建立的一部分)，各终端可以得知用于上行链路的初始发射功率电平。

可以将子带组以降低子带间干扰影响的方式分配给活动终端。具体地讲，为具有高接收SNR的终端分配相邻的子带。为具有低SNR的终端分配相邻的子带，但这些子带却远离那些被分配给具有高接收SNR的终端的子带。

子带复用的开销节约

同时进行最多Q个上行链路导频信号传输的能力将导频信号开销降低了最多Q倍。由于上行链路导频信号传输会占用上行链路阶段的很大部分，所以，改善是非常可观的。可以通过一个示例性的OFDM***将改善量进行量化。

在该示例性OFDM***中，***带宽为W＝20MHz且N＝256。每个采样周期的持续时间为50ns。使用的循环前缀为800ns(或Cp＝16个采样)，并且每个OFDM符号的持续时间为13.6μs(或N+Cp＝272个采样)。上行链路导频信号在每个MAC帧内被发送，每个MAC帧的持续时间为5ms或367个OFDM符号。从各终端发射的导频信号需要具有的总能量为4个符号周期×全发射功率。如果存在K个活动终端，那么，不采用子带复用时，发射导频信号所需的符号周期总数为4·K。对于K＝12的情况，发射上行链路导频信号将使用48个符号周期，这将占用MAC帧中367个符号的约13.1％。如果存在K＝24个活动终端，则导频信号开销将增加到MAC帧的26.2％。

如果将K个活动终端分配给K个子带组并且允许它们同时发射上行链路导频信号，那么，每个MAC帧内只需4个符号周期用于上行链路导频信号。将子带复用用于上行链路导频信号时，对于K＝12的情况，开销可降低到MAC帧的1.1％，K＝24时，可降低到2.2％。这表示上行链路导频信号传输所需的开销量对于K＝12和K＝24的情况分别有12％和24％的重大节约。

图8A为上述示例性OFDM***中不同数量活动终端的上行链路导频信号传输的节约量的示意图。如图8A所示，节约量随终端数目大约呈线形增长关系。

支持Q_R个同时上行链路速率控制传输的示例性OFDM***的节约量也可以被量化。该示例性OFDM***有M＝224个可用子带，并且使用速率为1/3编码的BPSK进行调制。每个调制符号具有1/3个信息比特，在每个符号周期内，224个可用子带上可以发送大约75个信息比特。如果各终端在每个MAC帧内发送15比特或更少的速率控制信息，则相同的OFDM符号上可同时容纳大约5个终端。在不采用子带复用的情况下，需要为5个终端的速率控制信息分配5个OFDM符号(其中，每个OFDM符号中用于填充未使用比特的量很大)。在使用子带复用的情况下，可以在一个OFDM符号内发送相同的速率控制信息，这将带来80％的节约。

对于一些分集发射模式来说，采用子带复用的节约量更大。对于空时发射分集(STTD)模式，两个发射天线在两个符号周期内发射一对调制符号(表示为s₁和s₂)。第一个天线在两个符号周期内发射向量 ${\underset{\‾}{x}}_1={\left[\begin{array}{cc}{s}_1& s_2^{*}\end{array}\right]}^T,$ 第二个天线在相同的两个符号周期内发射向量 ${\underset{\‾}{x}}_2={\left[\begin{array}{cc}{s}_2& -s_1^{*}\end{array}\right]}^T.$ STTD的发射单位实际上就是两个OFDM符号。通过子带复用，可以在两个OFDM符号内发送10个终端的速率控制信息，这显然小于如果各终端在一对分离的OFDM符号上发射其速率控制信息所需的20个OFDM符号。

对于使用4个天线且发射单位为4个OFDM符号的分集发射模式来说，节约量更大。对于这种分集发射模式，可以将15个终端子带复用到一个4符号周期中。可以通过子带复用，在4个OFDM符号中发送这15个终端的速率控制信息，这显然小于如果各终端在分离的一组4个OFDM符号上发送速率控制信息所需的60个OFDM符号。

图8B是一个示例性OFDM***中不同数量活动终端的上行链路速率控制发射的节约量的示意图。对于该***，可以通过子带复用，将最多12个终端复用在一起。可以为每个终端分配18个子带，每个子带能承载3个信息比特。这12个终端各能在2个符号周期内，在分配给它们的18个子带中发射108个信息比特。这远小于不采用子带复用时12个终端需要的24个符号周期。如果有12个终端，则可以实现22个符号的节约，对于367个符号的MAC帧来说，这大约是6％。如果有24个终端，则可以实现44个符号的节约，这代表着MAC帧的大约12％。如图8B所示，节约量与终端数目约呈线形增长关系。

图8C示出了在上行链路上将导频信号、速率控制和确认信息进行子带复用所带来的节约量的示意图。在曲线812中，多个终端的导频信号和速率控制信息分别被子带复用到导频信号段和速率控制段中。这种情况下没有考虑确认信息。在曲线814中，多个终端的导频信号、速率控制信息和确认信息分别被子带复用到导频信号段、速率控制段和确认段中。

从图8C的曲线中可以看出，节约量随着被复用终端的数目而大致呈线形递增关系。此外，当更多类型的信息被复用时，节约量也随之增加。可以看出，子带复用可以大大降低导频信号和信令的开销量，从而使更多可用资源可方便地用于数据传输。

***

图7是能够支持上行链路子带复用的接入点110x和终端120x的实施例的框图。在接入点110x，从数据源708将业务数据提供给TX数据处理器710，TX数据处理器710将业务数据格式化、编码和交织，从而提供编码数据。数据率和编码方式分别取决于控制器730提供的速率控制和编码控制。

OFDM调制器720接收和处理编码数据和导频符号，从而提供OFDM符号流。OFDM调制器720所做的处理包括：(1)将编码数据调制，以形成调制符号；(2)将导频符号和调制符号进行复用；(3)将调制符号和导频符号变换，以获得变换后的符号；(4)将循环前缀附加到变换后的各个符号，以形成相应的OFDM符号。

然后，发射机单元(TMTR)722接收OFDM符号流，并将其转换为一个或多个模拟信号，并进一步将模拟信号修整(如放大、滤波和上变频)，以产生适于通过无线信道传输的下行链路调制信号。然后，经由天线724将调制信号发射到终端。

在终端120x中，天线752接收下行链路调制信号，并将其提供给接收机单元(RCVR)754。接收机单元754将收到的信号修整(如滤波、放大和下变频)，并将修整后的信号数字化，从而提供采样。

然后，OFDM解调器756将附加到各OFDM符号中的循环前缀去除，使用FFT将各个收到的变换后符号进行变换，并将收到的调制符号解调，从而提供解调后的数据。然后，RX数据处理器758将解调后的数据进行解码，以恢复出所发送的业务数据，并将其提供给数据接收装置760。OFDM解调器756和RX数据处理器758所做的处理分别与接入点110x中OFDM调制器720和TX数据处理器710执行的处理相反。

如图7所示，OFDM解调器756获得信道估计并将这些信道估计提供给控制器770。RX数据处理器758提供各个收到数据包的状态。根据从OFDM解调器756和RX数据处理器758接收的各种类型的信息，控制器770可以确定或选择各传输信道的特定速率。上行链路导频信号和信令信息(如用于下行链路数据传输的速率、对收到数据包的确认等)由控制器770提供，由TX数据处理器782处理，由OFDM调制器784调制，由发射机单元786修整，并且由天线752发射到接入点110x。可以通过分配给终端120x的、进行这些类型传输的子带组，来发送上行链路导频信号和信令信息。

在接入点110x中，来自终端120x的上行链路调制信号由天线724接收，由接收机单元742修整，由OFDM解调器744解调，并且由RX数据处理器746处理，从而恢复出该终端发射的导频信号和信令信息。恢复出的信令信息被提供给控制器730，用于控制传输到该终端的下行链路数据的处理。例如，根据该终端提供的速率控制信息，或来自该终端的信道估计，可以确定每个传输信道上的速率。收到的确认信息可用于将终端接收错误的数据包进行重新发射。如上所述，控制器730也可根据所分配子带上传输的上行链路导频信号，获取各个终端的增强信道频率响应。

控制器730和770分别指导接入点和终端处的操作。存储器732和772分别存储控制器730和770使用的程序代码和数据。

这里描述的上行链路导频信号和信令传输技术可用各种方式实现。例如，这些技术可用硬件、软件或软硬件结合的方式实现。对于硬件实现的情况，用于实现这些技术中任意之一或其组合的部件可以在一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理器件(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于实现这里描述的功能的其他电子单元或其组合中实现。

对于软件实现的情况，这些技术可实现为执行这里描述的功能的模块(如过程、函数等)。软件代码可以存储在存储器单元(如图7中的存储单元732或772)，并由处理器(如控制器730或770)执行。存储器单元可实现在处理器中，也可实现在处理器之外，这种情况下，它可以通过本领域公知的各种方式耦接到该处理器。

这里所包含的标题用于参考和协助定位特定部分。这些标题并不限制这里描述的概念的保护范围，这些概念适用于整个说明书中的其他部分。

前面对公开的实施例进行了描述，以使本领域技术人员能够制造或使用本发明。本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明的精神或保护范围的前提下，对这些实施例的各种修改都是显而易见的，这里描述的原理同样适用于其他实施例。因此，本发明不限于这里给出的实施例，而是与这里披露的原理和新颖特征的最宽保护范围相一致。

Claims (36)

1.一种用于分配子带以供在上行链路上进行导频信号传输的方法，包括：

把第一子带组分配给第一终端的导频信号，其中，所述第一子带组中的每个子带与所述第一子带组中的任何其他子带都不相邻；以及

把第二子带组分配给第二终端的导频信号，其中，所述第二子带组中的每个子带与所述第二子带组中的任何其他子带都不相邻；

并且其中，所述第一子带组和所述第二子带组不相交。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一子带组和所述第二子带组包括相同数量的子带。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一子带组和所述第二子带组包括不同数量的子带。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一子带组中的至少一个子带与所述第二子带组中的至少一个子带相邻。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一子带组中的每个子带与所述第一子带组中的最近子带间隔N个子带。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一子带组和所述第二子带组都包括S个子带，其中S是整数，大于或等于上行链路信道冲激响应的抽头数。

7.如权利要求5所述的方法，其中，所述第二子带组中的每个子带与所述第二子带组中的最近子带间隔M个子带。

8.如权利要求7所述的方法，其中，N和M相等。

9.如权利要求7所述的方法，其中，N和M不相等。

10.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一子带组的各子带均匀地分布于多个可用子带。

11.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一子带组的各子带不均匀地分布于多个可用子带。

12.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一终端和所述第二终端同时在所述上行链路上传输所述导频信号。

13.如权利要求1所述的方法，还包括：

在所述第一子带组中从所述第一终端接收导频信号；

根据在所述第一子带组中接收的导频信号，获得所述第一终端的信道估计。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述第一终端的信道估计覆盖不包括在所述第一子带组中的至少一个子带。

15.如权利要求13所述的方法，其中，所述第一终端的信道估计覆盖多个可用子带。

16.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一终端在所述第一子带组中的每一个子带上用于导频信号的发射功率被调整为高于如果在所有可用子带上发射导频信号时所用的每子带的平均发射功率，调整倍数大于1。

17.如权利要求16所述的方法，其中，所述调整倍数等于可用子带的数量除以所述第一子带组的子带数量。

18.如权利要求16所述的方法，其中，所述调整倍数取决于所述上行链路所用的频带的每MHz的发射功率约束和全发射功率约束。

19.如权利要求1所述的方法，还包括：

控制来自所述第一终端的导频信号的发射功率，使所述第一终端的接收信噪比(SNR)维持等于或低于门限SNR。

20.一种用于分配子带以供在上行链路上进行导频信号传输的装置，包括：

用于将第一子带组分配给第一终端的导频信号的分配模块，其中，所述第一子带组中的每个子带与所述第一子带组中的任何其他子带都不相邻；以及

用于将第二子带组分配给第二终端的导频信号的分配模块，其中，所述第二子带组中的每个子带与所述第二子带组中的任何其他子带都不相邻；

并且其中，所述第一子带组和所述第二子带组不相交。

21.如权利要求20所述的装置，其中，所述第一子带组和所述第二子带组包括相同数量的子带。

22.如权利要求20所述的装置，其中，所述第一子带组和所述第二子带组包括不同数量的子带。

23.如权利要求20所述的装置，其中，所述第一子带组中的每个子带与所述第一子带组中的最近子带间隔N个子带。

24.如权利要求23所述的装置，其中，所述第二子带组中的每个子带与所述第二子带组中的最近子带间隔M个子带。

25.如权利要求24所述的装置，其中，N和M相等。

26.如权利要求24所述的装置，其中，N和M不相等。

27.如权利要求20所述的装置，其中，所述第一子带组的各子带均匀地分布于多个可用子带。

28.如权利要求20所述的装置，其中，所述第一子带组的各子带不均匀地分布于多个可用子带。

29.如权利要求20所述的装置，其中，所述第一终端和所述第二终端同时在上行链路上传输所述导频信号。

30.如权利要求20所述的装置，还包括：

用于在所述第一子带组中从所述第一终端接收导频信号的模块；

用于根据在所述第一子带组中接收的导频信号，获得所述第一终端的信道估计的模块。

31.如权利要求30所述的装置，其中，所述第一终端的信道估计覆盖不包括在所述第一子带组中的至少一个子带。

32.如权利要求30所述的装置，其中，所述第一终端的信道估计覆盖多个可用子带。

33.如权利要求20所述的装置，其中，所述第一终端在所述第一子带组中的每一个子带上用于导频信号的发射功率被调整为高于如果在所有可用子带上发射导频信号时所用的每子带的平均发射功率，调整倍数大于1。

34.如权利要求33所述的装置，其中，所述调整倍数等于可用子带的数量除以所述第一子带组的子带数量。

35.如权利要求33所述的装置，其中，所述调整倍数取决于所述上行链路所用的频带的每MHz的发射功率约束和全发射功率约束。

36.如权利要求20所述的装置，还包括：

用于控制来自所述第一终端的导频信号的发射功率，使所述第一终端的接收信噪比(SNR)维持等于或低于门限SNR的模块。

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