CN1747461A

CN1747461A - 在正交频分复用通信***中发送和接收前导序列的方法

Info

Publication number: CN1747461A
Application number: CNA2005101025238A
Authority: CN
Inventors: 丁英镐; 郑在学; 黄赞洙; 南承勋
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2005-09-08
Publication date: 2006-03-15
Also published as: EP1635481A2; KR100594156B1; EP1635481A3; KR20060023863A; US20060056528A1

Abstract

提供一种在OFDM通信***中的发射机中发送和接收前导序列的方法。发射机将预定长度的第一序列分割为预定数量的第二序列，通过对第二序列应用不同的时间偏移来产生与第二序列一样多的前导序列，从产生的前导序列中选择预定数量的前导序列，将选择的前导序列映射到发射天线，并通过发射天线发送映射的前导序列。

Description

在正交频分复用通信***中发送和接收前导序列的方法

技术领域

本发明通常涉及一种OFDM(正交频分复用)通信***，更具体地说，涉及一种在使用MIMO(多入多出)方案的OFDM通信***中发送和接收前导序列的方法。

背景技术

目前，为了在未来一代，例如***(4G)通信***中在高数据率下为用户提供具有不同QoS(服务质量)的服务，正进行着大量的研究。更明确地说，为了对诸如WLAN(无线局域接入网)和MAN(城域网)的BWA(宽带无线接入)通信***保证移动性和QoS，正在做很多努力以支持高速服务。

因此，作为用于在4G通信***中的有线和无线信道上的高速数据传输的有用的方案，OFDM正在被研究。更详细地，OFDM是用于使用MCM(多载波调制)在多个载波上发送数据的传输方案，在MCM中，在传输之前，输入串行符号序列被转换为并行符号序列并被调制到多个正交子载波。

4G通信***需要宽带频谱资源以提供高速、高质量的无线多媒体服务。然而，由于多径传播和频率选择性衰落影响传输频带，所以宽带频谱资源的使用在无线电传输路径上引起严重衰落。因此，趋势是：由于与CDMA(码分多址)相比，OFDM抵抗频率选择性衰落的鲁棒性提供了大的增益，因此OFDM在4G通信***中获得其应用。

无线通信***包括基站(BS)和移动站(MS)，其支持使用帧的无线通信服务。因此，BS和MS必须获取对彼此的同步以发送和接收帧。为了同步，BS发送同步信号从而MS可识别从BS发送的帧的开始。

之后，MS通过接收所述同步信号来检测BS的帧时序并解调与该帧时序一致的接收的帧。所述同步信号通常是在MS和BS之间预置的前导序列。

在OFDM中，前导序列具有低的PAPR(峰均功率比)。使用前导，同步获取、信道估计和BS识别被执行。

由于OFDM是使用多个载波，即子载波的多载波通信***，因此在时域中传输信号变成独立信号的和并且信号值的最大功率不同于它们的平均功率。结果，在数据周期期间，PAPR增加。在OFDM***中，根据数据周期的最大PAPR设置放大器的线性区域。当前导PAPR减小时，该前导序列可以以与数据周期的最大PAPR和前导PAPR之间的差值一样多的附加功率被发送。因此，信道估计、同步获取和BS识别的性能提高。因此，减小在前导周期期间的PAPR是很重要的。

在无线电信道上，从发射机发送来的信号遭受失真，因此接收机接收失真的信号。接收机使用预定的前导序列来获取用于接收的信号的时间/频率同步，对该信号进行信道估计，并通过FFT(快速傅里叶变换)处理将信道估计的信号解调为频域符号。之后，接收机通过信道解码和源解码来解码信息数据，该信道解码与在发射机中使用的信道编码对应。

OFDM通信***使用前导序列用于帧时序同步、频率同步和信道估计。因此，除了前导，OFDM通信***还可使用保护间隔和导频子载波用于帧时序同步、频率同步和信道估计。在每个帧或数据突发的开始，已知符号被作为前导序列发送，并且在数据周期，基于保护间隔和导频子载波，通过所述前导序列估计的时间/频率/信道信息被更新。

图1示意性地示出在传统的使用四个发射(Tx)天线的OFDM通信***中在前导序列和Tx天线之间的映射。参照图1，通过四个Tx天线，Tx.ANT#1至Tx.ANT#4，以不同的频率偏移发送相同的前导序列(图1中的第1前导序列)。

OFDM通信***是蜂窝通信***，其中MS必须识别多个单元。虽然一个BS典型地管理多个单元，但是这里假设BS只管理一个单元。因此，为了在多个BS中检测出MS所属的BS，该MS必须能够识别它们。因此，OFDM通信***将不同的前导序列分配给多个BS，每个BS通过多个，即N_TX个，Tx天线以不同的频率偏移发送前导序列。由于在BS中使用不同的前导序列，MS不得不在与BS的数量一样多的前导序列中检测。

在这种情况下，OFDM通信***产生与BS的数量一样多的前导序列。当更多的预定长度的前导序列被产生时，在它们之间的最高相关和它们的PAPR增加。

由于MS需要与BS的数量一样多的相关器以识别所述前导序列，因此硬件负载增加。另外，使用这些相关器的用于与BS和Tx天线的数量一致的BS识别和同步获取的计算量线性地增加。

发明内容

本发明的目的是实质地解决至少上述问题和/或缺点并提供至少下列优点。因此，本发明的目的是提供一种在使用MIMO方案的OFDM通信***中发送和接收前导序列的方法。

本发明的另一目的是提供一种在使用MIMO方案的OFDM通信***中发送和接收具有最低PAPR的前导序列的方法。

本发明的另一目的是提供一种用于在使用MIMO方案的OFDM通信***中使可被识别的BS的数量最大化的前导序列的发送和接收的方法。

本发明的另一目的是提供一种用于在使用MIMO方案的OFDM通信***中使精确的信道估计能够实现的前导序列的发送和接收的方法。

根据本发明的一方面，在使用多个发射天线的OFDM通信***中发送前导序列的方法中，发射机将预定长度的第一序列分割为预定数量的第二序列，通过对第二序列应用不同的时间偏移来产生与第二序列一样多的前导序列，从产生的前导序列中选择预定数量的前导序列，将选择的前导序列映射到发射天线，并通过发射天线发送映射的前导序列。

根据本发明的另一方面，在具有多个BS、每个BS使用多个发射天线的OFDM通信***中分配前导序列的方法中，预定长度的第一序列被分割为预定数量的第二序列，通过对第二序列应用不同的时间偏移来产生与第二序列一样多的前导序列，在产生的前导序列中的预定数量的前导序列被分配给每个BS，并且BS被控制以将分配的前导序列映射到基站的发射天线并通过该发射天线发送映射的前导序列。

根据本发明的另一方面，在OFDM通信***中接收前导序列的方法中，其中，在该OFDM通信***中，发射机使用多个发射天线并且接收机使用至少一个接收天线，接收机接收信号，将接收的信号与预定数量的预置前导序列进行相关，以降序的顺序检测与发射天线的数量一样多的相关性，并根据与检测的相关性相应的前导序列来识别接收机与其通信的发射机。

附图说明

通过下面结合附图的详细描述，本发明的上述及其他目的、特征和优点将变得更明显。其中：

图1示意性地示出在传统的使用四个Tx天线的OFDM通信***中在前导序列和Tx天线之间的映射；

图2是示出在根据本发明的实施例的MIMO-OFDM通信***中作为前导序列的CAZAC序列的自相关特性的曲线图；

图3示意性地示出在根据本发明的实施例的MIMO-OFDM通信***中的前导序列；

图4是在不考虑PAPR的情况下在性能方面比较传统的前导序列与根据本发明的前导序列的曲线图；和

图5是考虑PAPR的情况下在性能方面比较传统的前导序列与根据本发明的前导序列的曲线图。

具体实施方式

下面，将参照附图详细地描述本发明的优选实施例。在下列描述中，由于公知的功能或结构在不必要的细节上将使本发明模糊，因此它们将不被详细描述。

本发明提供一种在OFDM通信***中发送和接收前导序列的方法。更明确地，本发明针对一种在使用MIMO方案，即，使用多个，例如N_TX个，发射(Tx)天线和多个，例如N_RX个，接收(Rx)天线的OFDM通信***中发送和接收作为前导序列的具有极好自相关特性的序列，如CAZAC(恒定幅度零自相关)或ZAC(零自相关)序列的方法。

在MIMO-OFDM通信***中，前导序列被设计用于同步获取、信道估计和BS识别，其考虑如下：

(1)在从Tx天线发送来的前导序列的多径成分之间必须保持正交性，以使信道估计的性能最优化；

(2)在分配给BS的前导序列之间的互相关必须被最小化以使BS识别的性能最优化；

(3)前导序列本身的自相关特性必须极好以使同步获取的性能最优化；

(4)前导序列必须具有低的PAPR。根据数据周期的最高PAPR来设计在发射机中的PA(功率放大器)的线性区域。当前导PAPR减小时，该前导序列可以以与数据周期的最高PAPR和前导PAPR之间的差值一样多的附加功率而被发送。因此，信道估计、同步获取和BS识别的性能提高。因此，减小在前导周期期间的PAPR是很重要的；

(5)使用的前导序列的数量必须被最小化以使在接收机中的运算量最小化并且使同步获取的性能最优化。

在本发明中，考虑到上述因素，产生具有极好自相关特性的序列作为前导序列。这样的序列是CAZAC和ZAC序列。由于CAZAC序列的恒定幅度，它具有0[dB]的PAPR。ZAC序列的PAPR是3[dB]或更小。如上所述，在PAPR方面，CAZAC序列是最佳的。因此，为了方便，下面将描述作为前导序列的CAZAC序列的产生。

图2是示出在根据本发明的实施例的MIMO-OFDM通信***中作为前导序列的CAZAC序列的自相关特性的曲线图。参照图2，水平轴代表CAZAC序列的时间差，垂直轴代表CAZAC序列的自相关。时间差是在CAZAC序列与它本身的复制之间的时间差。如图2所示，如果CAZAC序列的时间差为0，即，CAZAC序列与它本身的复制之间无时间差地相同，那么它的自相关为峰值。因此，在没有精确同步的情况下，CAZAC序列具有零自相关，因此它表现出最佳的序列检测性能。

图3示意性地示出在根据本发明的实施例的MIMO-OFDM通信***中的前导序列。然而，在描述图3之前，前导序列集合包括从长度为N的CAZAC序列c＝[c₁c₂...c_N-1c_N]^T中以不同的时间偏移被循环移动的移项序列。即，CAZAC序列c＝[c₁c₂...c_N-1c_N]^T被分割为N_pre个子CAZAC序列。在N_pre个子CAZAC序列中的第i个子CAZAC序列可表示为如等式(1)中所示：

c_{i} = {[\begin{matrix} c_{\frac{(i - 1) N}{N_{pre}} + 1} & c_{\frac{(i - 1) N}{N_{pre}} + 2} & ··· & c_{\frac{iN}{N_{pre}} - 1} & c_{\frac{iN}{N_{pre}}} \end{matrix}]}^{T}

通过以不同的时间偏移移动N_pre个子CAZAC序列来产生N_pre个前导序列。在等式(1)中，第i个子CAZAC序列c_i的长度为

等于或大于延迟取样的最大数量，即，信道延迟扩展的最大长度L_max，以防止在前导序列之间的互相关。

N_pre个前导序列可表示为如等式(2)中所示：

p_{1} = {[\begin{matrix} c_{1} & c_{2} & c_{3} & c_{4} & \cdot \cdot \cdot & c_{N_{pre} - 2} & c_{N_{pre} - 1} & c_{N_{pre}} \end{matrix}]}^{T}

p_{2} = {[\begin{matrix} c_{N_{pre}} & c_{1} & c_{2} & c_{3} & \cdot \cdot \cdot & c_{N_{pre} - 3} & c_{N_{pre} - 2} & c_{N_{pre} - 1} \end{matrix}]}^{T} \cdot \cdot \cdot (2)



p_{N_{pre} - 1} = {[\begin{matrix} c_{3} & c_{4} & c_{5} & c_{6} & \cdot \cdot \cdot & c_{N_{pre}} & c_{1} & c_{2} \end{matrix}]}^{T}

p_{N_{pre}} = {[\begin{matrix} c_{2} & c_{3} & c_{4} & c_{5} & \cdot \cdot \cdot & c_{N_{pre} - 1} & c_{N_{pre}} & c_{1} \end{matrix}]}^{T}

其中p_Npre是第N_pre个前导序列。

MIMO-OFDM通信***产生N_pre个前导序列。每个BS在它们中选择n个前导序列并将这n个前导序列分配给它的Tx天线。特别地，n可等于或不等于Tx天线的数量N_TX。

当n等于N_TX时，n个前导序列以一一对应的方式被映射到N_TX个TX天线。例如，前导序列以从最低对最低索引到最高对最高索引的顺序被顺次映射到Tx天线。如另一个例子，前导序列以从最高对最高索引到最低对最低索引的顺序被顺次映射到Tx天线。

当n不等于N_TX，即n＝αN_TX(α是大于1的整数)时，n个前导序列以α∶1对应的方式被映射到N_TX个Tx天线。例如，α个前导序列以从最低对最低索引到最高对最高索引的顺序被顺次映射到每个Tx天线。如另一个例子，α个前导序列以从最高对最高索引到最低对最低索引的顺序被顺次映射到每个Tx天线。

由于α个前导序列被分配给每个Tx天线，Tx天线最终发送α个前导序列的和。假设对于被映射到每个发射天线的一个前导序列，PAPR为k[dB]，那么，被映射到每个发射天线的α个前导序列的PAPR为k+10log₁₀α[dB]。与一个前导序列对一个发射天线的映射相比，α个前导序列对一个发射天线的映射使PAPR增加了10log₁₀α[dB]。

当n不等于N_TX，即n＝αN_TX+β(β＜N_TX)时，(α+1)个前导序列被分配给以Tx天线的索引升序的顺序选出的β个Tx天线的每一个，α个前导序列被分配给剩余的Tx天线的每一个。

在MIMO-OFDM通信***中的每个BS具有不同于任何其他BS的那些前导序列的n个前导序列，从而在发射天线之间以及在BS之间保持正交性。而且，使用CAZAC序列作为前导序列产生极好的PAPR特性。

现在将参照图3详细说明上述的N_pre个前导序列的产生。

参照图3，这里假设N_pre＝16。如图3中所示，长度为N的CAZAC序列c＝[c₁c₂...c_N-1c_N]^T被分割为16个长度为

的子CAZAC序列，c₁至c₁₆。通过以不同的时间偏移移动子CAZAC序列来产生16个前导序列p₁至p₁₆。如上所述，子CAZAC序列的长度必须等于或大于最大信道延迟扩展L_max。在图3所示的情况下，子CAZAC序列与L_max一样长。

现在，将描述一种在MIMO-OFDM通信***中发送与BS ID对应的前导序列的方法。

在MIMO-OFDM通信***中，N_pre个前导序列是可用的。每个BS选择与它的Tx天线的数量一样多的(n个)前导序列。Tx天线的数量n是使BS的数量，即可识别的BS的数量等于或小于N_preC_n的整数。

由于BS的数量为N_preC_n，在所述N_pre个前导序列中的n个前导序列的组合被分配给每个BS。可用任何可用的方法使用N_pre个前导序列产生每个都具有n个前导序列的前导序列组合。

假设N_pre＝4并且n＝2，如表1所示，可产生下列前导序列组合。

表1

BS ID	选择的前导索引
BS ID	选择的前导索引	1	1，2
2	1，3	1	1，2
2	1，3	3	1，4
4	2，3	3	1，4
4	2，3	5	2，4
6	3，4	5	2，4

下面将描述使用前导序列的同步获取、BS识别和信道估计。

在MIMO-OFDM通信***中，发射机，例如BS，和接收机，例如MS，使用前导序列用于同步获取、BS识别和信道估计。除了前导序列，MIMO-OFDM通信***还可使用保护间隔和导频信号来执行同步获取、BS识别和信道估计。保护间隔可被配置为“循环前缀”或“循环后缀”的形式。循环前缀是时域OFDM符号的最后的预定取样的复制并被***到有效OFDM符号中。循环后缀是时域OFDM符号的开始的预定取样的复制并被***到有效OFDM符号中。循环前缀和循环后缀是预定取样并具有依赖于***实现的适当的大小。保护间隔作为时域OFDM符号的部分(开始或最后)的复制，它的重复被用来获取在接收机中的接收的OFDM符号的时间/频率同步。

前导序列是在每个帧或每个数据突发的开始发送的预置序列。在数据周期，通过使用保护间隔和导频信号，使用前导序列估计出的同步信息和信道信息被更新。

虽然没有在MIMO-OFDM通信***中应该以其执行同步获取、BS识别和信道估计的特定的顺序，但是以下列顺序实现它们将达到最大效率：

(1)使用保护间隔信号获取频率偏移和OFDM符号同步；

(2)使用前导序列获取帧同步；

(3)使用前导序列执行BS识别；

(4)使用前导序列执行频率偏移的精细调整(可选)；和

(5)使用前导序列执行信道估计。

除了BS识别，本发明的MIMO-OFDM通信***以与传统MIMO-OFDM通信***相同的方式执行同步获取和信道估计。根据本发明，为了识别服务BS，MS计算在接收的信号和N_pre个前导序列之间的相关，以降序的顺序选择n个连续的相关，并检测与n个相关相应的前导序列作为服务BS的前导序列。之后，MS确定与n个前导序列的组合相应的BS ID作为服务BS ID。

图4是示出在不考虑PAPR的情况下在性能方面比较传统的前导序列与根据本发明的前导序列的曲线图。

然而，在描述图4之前，需要注意的是，因为本发明的前导序列的低的PAPR，高于在传统的MIMO-OFDM通信***中可用的发射功率的发射功率对于本发明的前导序列是可用的。发射功率的提高引起***性能的提高。然而，在图4中，比较是在不考虑PAPR的情况下进行的。

参照图4，性能比较在下列条件下进行：

(1)子信道的数量，N＝128，等于CAZAC序列的长度；

(2)保护间隔(循环前缀)的长度，N_CP＝8；

(3)CAZAC序列的长度，N＝128；

(4)BS ID的数量，N_BS＝120；

(5)信道环境：ITU Veh.A信道；

(6)前导序列的数量，N_pre＝16；

(7)Tx天线的数量，N_TX＝2；

(8)分配给每个BS的前导序列的数量，n＝2；

(9)Rx天线的数量，N_RX＝1。

如果不考虑PAPR，本发明的前导序列和传统的前导序列都良好地执行。在BS识别的性能方面，相对于本发明的前导序列，传统的前导序列也是极好的。然而，在BS识别中，传统的前导序列比本发明的前导序列需要更大的计算量。

另外，当传统的MIMO-OFDM通信***未能识别BS时，用于BS识别的计算被重复。关于这一点，本发明的前导序列比传统的前导序列具有优势。用于BS识别的计算量与前导序列的数量成比例。传统的MIMO-OFDM通信***使用(NT_XN_BS)个前导序列，而本发明的MIMO-OFDM通信***仅使用N_pre个前导。结果，计算量被减少为

在图4所示的情况下，为

图5是示出考虑PAPR的情况下在性能方面比较传统的前导序列与根据本发明的前导序列的曲线图。

在图5中，性能比较在下列条件下进行：

(1)子信道的数量，N＝128，等于CAZAC序列的长度；

(2)保护间隔(循环前缀)的长度，N_CP＝8；

(3)CAZAC序列的长度，N＝128；

(4)BS ID的数量，N_BS＝120；

(5)信道环境：ITU Veh.A信道；

(6)前导序列的数量，N_pre＝16；

(7)Tx天线的数量，N_TX＝2；

(8)分配给每个BS的前导序列的数量，n＝2；

(9)Rx天线的数量，N_RX＝1。

参照图5，与传统的前导序列相比，由于本发明的前导序列的低的PAPR，对于本发明的前导序列，强的发射功率是可用的。因此，***性能被提高。由于考虑了PAPR，本发明的前导序列比传统的前导序列执行得更好。

依照本发明，在使用多个Tx天线的MIMO-OFDM通信***中，足够数量的BS可被识别，MIMO天线的信道估计被最优化，并且具有最小PAPR的前导序列被产生。因此，***的总性能被改善。另外，由于通过每个Tx天线发送前导序列，可用相对简单的计算实现BS识别，并且信道估计是精确的。

尽管已参照其某优选实施例显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可在其中进行各种形式和细节的改变。

Claims

1、一种在使用多个发射天线的正交频分复用通信***中的发射机中发送前导序列的方法，包括步骤：

将预定长度的第一序列分割为预定数量的第二序列；

通过对第二序列应用不同的时间偏移来产生与第二序列一样多的前导序列；

选择预定数量的产生的前导序列；

将选择的前导序列映射到发射天线；和

通过发射天线发送映射的前导序列。

2、如权利要求1所述的方法，其中，选择的前导序列的数量等于发射天线的数量。

3、如权利要求2所述的方法，其中，选择的前导序列以一一对应的方式被映射到发射天线。

4、如权利要求1所述的方法，其中，第一序列是恒定幅度零自相关序列、零自相关序列、和任何具有良好自相关的序列之一。

5、如权利要求1所述的方法，其中，选择的前导序列的数量大于发射天线的数量。

6、如权利要求5所述的方法，其中，在选择的前导序列中的预定数量的前导序列被映射到每个发射天线。

7、如权利要求6所述的方法，其中，第一序列是恒定幅度零自相关序列、零自相关序列、和任何具有良好自相关的序列之一。

8、一种在具有多个基站的正交频分复用通信***中分配前导序列的方法，每个基站使用多个发射天线，该方法包括步骤：

将预定长度的第一序列分割为预定数量的第二序列；

从产生的前导序列中为每个基站分配预定数量的前导序列；

将分配的前导序列映射到基站的发射天线；和

通过发射天线发送映射的前导序列。

9、如权利要求8所述的方法，其中，被分配给每个基站的前导序列的数量等于发射天线的数量。

10、如权利要求9所述的方法，其中，每个基站以一一对应的方式将分配的前导序列映射到发射天线。

11、如权利要求8所述的方法，其中，第一序列是恒定幅度零自相关序列、零自相关序列、和任何具有良好自相关的序列之一。

12、如权利要求8所述的方法，其中，被分配给每个基站的前导序列的数量大于发射天线的数量。

13、如权利要求12所述的方法，其中，每个基站从分配的前导序列中将预定数量的前导序列映射到每个发射天线。

14、如权利要求13所述的方法，其中，第一序列是恒定幅度零自相关序列、零自相关序列、和任何具有良好自相关的序列之一。

15、一种在正交频分复用通信***中的接收机中接收前导序列的方法，在该正交频分复用通信***中发射机使用多个发射天线并且接收机使用至少一个接收天线，该方法包括步骤：

接收信号；

使接收的信号与预定数量的预置前导序列相关；

以降序的顺序检测与发射天线的数量一样多的相关性；和

根据与检测的相关性相应的前导序列来识别接收机与其通信的发射机。

16、如权利要求15所述的方法，其中，通过将预定长度的第一序列分割为预定数量的第二序列并且对第二序列应用不同的时间偏移来产生前导序列，前导序列的数量等于第二序列的数量。

17、如权利要求16所述的方法，其中，第一序列是恒定幅度零自相关序列、零自相关序列、和任何具有良好自相关的序列之一。