CN1832464A - 正交频分复用***的导频分配装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种正交频分复用***的导频分配装置及其方法，该导频分配装置设置于正交频分复用***发射机中，其包括：导频产生器、用户数据缓存器、导频***器和空时编码器。通过导频产生器产生用于导频***的导频数据，并利用所产生的该导频数据对用户数据进行导频***，然后对导频***后的数据，包括用户数据和导频数据进行空时编码并输出，从而实现正交频分复用***在使用多个发送天线时兼容空时码与非空时码模式的导频分配。本发明实现了与非STC模式的兼容，降低了地板效应且可以充分发挥STC和OFDM技术的优点。

Description

正交频分复用***的导频分配装置及其方法

技术领域

本发明涉及数字通信领域，特别是涉及一种正交频分复用***在使用多个发送天线时兼容空时码与非空时码模式的导频分配装置和方法。

背景技术

空时码(STC)是一种低复杂度的空时二维编码技术，它在发送端采用正交编码的方式在各个天线上同时发送信号，充分利用了空间和时间分集，成倍提高了***传输效率。但是，这种编码方案只适用于准静态的平坦衰落信道，但是在实际的移动通信环境中，多径延时是信道模型的一个非常基本的特征，衰落具有频率选择性，此时空时码的设计成为一个比较复杂的问题。正交频分复用(OFDM)技术把频率选择性衰落信道划为多个并行的相关的平坦衰落信道，并且允许各个子信道频谱相互交叠，极大提高了频谱利用率。因此，把STC和OFDM技术结合起来，充分发挥二者的优点，受到越来越多的关注。

但是，不管是STC的解码，还是相干OFDM***的解调，都需要精确的知道无线信道的状态信息，这就为发射机的导频分配方法提出了较高的要求。一个良好的导频分配方法，再辅之适当的信道估计算法，可以极大地提高***的性能，充分发挥STC和OFDM技术的优点。反之，一个不恰当的导频分配方法却可能降低***的性能，甚至导致地板效应，即随信噪比增加而误比特率却不下降，这对无线***来说是致命的。

许多基于OFDM技术和STC的通讯***中，STC模式下的导频分配与非STC模式下不同，例如，基于“IEEE 802.16-2004”协议的OFDMA(正交频分复用多址)***，当发射天线数目是两个且采用STC模式时，分配给每个发射天线的导频数目只有非STC模式(只有一个发射天线)的一半。与非STC模式相比，这种变化有如下缺点：

(1)STC模式下导频分配的规则与单个天线不同，发射机为了同时支持STC模式与非STC模式，除了需要支持STC编码外，还需要同时支持STC模式与非STC模式下的导频分配规则。这就额外增加了发射机实现的复杂度。

(2)导频数目的减少降低了信道估计的准确度，而这与STC的解码要精确的知道无线信道的状态信息相矛盾，从而降低了STC优点的发挥。

(3)导频数目的减少甚至会导致地板效应。以OFDMA***为例，当发射天线数目为两个时，导频间隔为12个载波，设***带宽为20MHz，信道模型为SUI-5(修正的斯坦福大学临时信道模型-5)信道时，空中信道的相干带宽只有7个载波，这时，无论采用什么样的信道估计方法，当用户数据通过该信道时，都会有严重的地板效应。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种正交频分复用***STC模式下的导频分配方法和装置，解决现有技术未能考虑与非STC模式兼容且充分发挥STC和OFDM技术的优点的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种正交频分复用***的导频分配装置，在正交频分复用***中至少包含一个发射机和两个发射天线，所述导频分配装置设置于所述发射机中，其特点在于，所述导频分配装置在使用所述发送天线时兼容空时码与非空时码模式的导频分配。

上述的导频分配装置，其特点在于，进一步包括：

导频产生器，用于产生用于导频***的导频数据；

用户数据缓存器，用于缓存来自上层的已经进行了编码和调制处理的数据；

导频***器，用于接收来自该用户数据缓存器的数据并把该导频产生器产生的导频数据***到数据中，以方便接收机实现信道估计，时间和频率同步功能；

空时编码器，用于对导频***后的数据，包括导频和用户数据，进行空时编码并输出。

本发明还提供了一种应用如上所述导频分配装置的导频分配方法，其特点在于，包括以下步骤：

步骤一，产生用于导频***的导频数据；

步骤二，利用所产生的该导频数据对用户数据进行导频***；

步骤三，对导频***后的数据，包括用户数据和导频数据进行空时编码并输出。

上述的导频分配方法，其特点在于，在步骤一中，所产生的导频数据的数目最少为非空时码模式产生的导频数据的数目，最多为非空时码模式产生的导频数据的数目与发射天线数目的乘积。

上述的导频分配方法，其特点在于，在步骤二中，该导频数据***在所述正交频分复用***分配的导频载波集合上，该导频载波集合一般位于数据载波之间。

上述的导频分配方法，其特点在于，所述在正交频分复用***分配的导频载波集合中***导频数据的步骤包括：

对于不同天线，空时码模式下分配给每个天线的导频载波集合都相同或只差一个偏置；

对于每个天线，空时码模式下分配的导频载波集合与非空时码模式分配的导频集合相同或只差一个偏置。

上述的导频分配方法，其特点在于，对于正交频分复用***的PUSC模式，发射天线数目为天线0、天线1两个时，导频的***方法为：

在时隙0，天线0和天线1的导频载波集合和非空时码模式相同，导频载波位于每个载波集合偶数符号第4个和第8个载波上和每个载波集合奇数符号第0个和第12个载波上。

上述的正交频分复用***的导频分配方法，其特点在于，在发射天线数目为四的时候，可以任意组合两个天线，并且使它们的导频载波集合和其各自在非空时码模式下的导频载波集合相同；另外的两个天线组合，其导频载波集合则和其各自在非空时码模式下的导频载波集合相差一个偏置。

上述的导频分配方法，其特点在于，对于正交频分复用***的PUSC模式，发射天线数目为天线0、天线1、天线2、天线3四个时，导频的***方法为：

在时隙0，天线0和天线1的导频载波集合和非空时码模式相同，导频载波位于每个载波集合偶数符号第4个和第8个载波上和每个载波集合奇数符号第0个和第12个载波上；而天线2和天线3的导频载波集合与非空时码模式相比只差一个偏置，导频载波位于每个载波集合偶数符号第5个和第9个载波上和每个载波集合奇数符号第1个和第13个载波上。

上述的导频分配方法，其特点在于，为避免数据符号对导频符号的干扰，该导频的***方法进一步包括步骤：

对于天线0和天线1，置空每个载波集合偶数符号第5个和第9个载波和每个载波集合奇数符号第1个和第13个载波；

对于天线2和天线3，置空每个载波集合偶数符号第4个和第8个载波和每个载波集合奇数符号第0个和第12个载波。

根据本发明的一个方面，采用本发明所述的方法，可以在不增加额外导频载波的情况下有效的降低地板效应对***性能的影响，并且，该方法的实现时充分利用了STC模式下发射机都有一个STC编码器的特点，既简化了***设计，容易与非STC模式兼容，又使接收的导频带有STC编码器带来的增益，从而充分发挥了STC和OFDM技术的优点。本发明提出利用STC模式下发射机都有一个STC编码器的特点，提出一种与非STC模式兼容，降低地板效应且可以充分发挥STC和OFDM技术的优点的导频分配方法。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1是包含本发明导频分配装置的一个简化的OFDM***发射机示意图；

图2是本发明非STC模式下，OFDMA***子信道分配方式为部分子信道应用方式(PUSC)的导频分配示意图；

图3是本发明提出的在STC模式下，OFDMA***PUSC方式下2个发射天线的导频分配示意图；

图4是本发明提出的在STC模式下，OFDMA***PUSC方式下4个发射天线的导频分配示意图。

具体实施方式

下面给出本发明的一个详细实施例。图1是包含本发明导频分配装置的一个简化的OFDM***发射机示意图，该OFDM***发射机包括两个发射天线。如图1所示，该导频分配装置包括有导频产生器101、用户数据缓存器102、导频***器103和空时码编码器104。

导频产生器101作用是产生用于导频***的导频数据。所产生的导频数据的数目最少为非空时码模式产生的导频数据的数目，此时，空时码模式下每个发射天线使用的导频数目都相同。所产生的导频数据的数目最多为非空时码模式产生的导频数据的数目与发射天线数目的乘积。这时，每个发射天线使用的导频数据都不相同。当产生的导频数据的数目介于前面所述二者之间时，某些导频数据会被多个发射天线使用。导频数据产生器产生的数据输出到导频***器103。

用户数据缓存器102的作用是缓存来自上层的用户数据，该数据已经进行了编码和调制处理。用户数据缓存器102的数据也输出到导频***器103。

导频***器103作用是把导频产生器产生的导频数据***到数据中，导频数据***的特点为：a)对于不同天线，空时码模式下分配给每个天线的导频载波集合都相同或只差一个偏置；b)对于每个天线，空时码模式下分配的导频载波集合与非空时码模式分配的导频集合相同或只差一个偏置。***的导频数据参与空时编码，以方便接收机实现信道估计，时间和频率同步功能。

比如，对于OFDMA***的PUSC模式，发射天线数目为两个时，导频***器的***规则如下：

时隙0(PUSC一个天线一个时隙包括两个符号，在时隙0，天线0包括符号0～1，天线1包括符号2～3)，天线0和天线1的导频载波集合和非STC模式相同，即：导频载波位于每个Cluster偶数符号第4个和第8个载波上和每个Cluster奇数符号第0个和第12个载波上。Cluster是载波集合，载波集合包括导频载波集合和非导频载波集合。

发射天线数目为四个时，导频***器的***规则如下：

时隙0(天线0包括符号0～1，天线1包括符号2～3，天线2包括符号4～5，天线3包括符号6～7)，天线0和天线1的导频载波集合和非STC模式相同，即：导频载波位于每个Cluster偶数符号第4个和第8个载波上和每个Cluster奇数符号第0个和第12个载波上。天线2和天线3的导频载波集合与非STC模式相比只差一个偏置，即：导频载波位于每个Cluster偶数符号第5个和第9个载波上和每个Cluster奇数符号第1个和第13个载波上。为避免数据符号对导频符号的干扰，要求：对于天线0和天线1，置空每个Cluster偶数符号第5个和第9个载波上和每个Cluster奇数符号第1个和第13个载波。对于天线2和天线3，置空每个Cluster偶数符号第4个和第8个载波上和每个Cluster奇数符号第0个和第12个载波。

在发射天线数目为四的时候，可以任意组合两个天线，并且使他们的导频载波集合和其各自在非STC模式下的导频载波集合相同；另外的两个天线组合，其导频载波集合则和其各自在非STC模式下的导频载波集合相差一个偏置。

空时编码器104作用是对导频***后的数据(包括导频和用户数据，而基于协议IEEE 802.16-2004导频数据不参与空时编码)进行空时编码，并输出到逆傅里叶变换模块。请参考附图1，发射天线数目为两个，设空时编码器104的输入数据块S0、S1。空时编码器104的编码矩阵为：

$\left[\begin{array}{cc}{S}_1& -S_2^{*}\\ S_2& S_1^{*}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，S₂ ^*表示S₂的共轭。编码矩阵的行索引表示数据对应的天线索引(或者逆傅里叶变换器索引)，列索引表示数据对应的时隙索引。更具体的，在时隙0，天线0发送数据块S1，天线1发送数据块S2。在时隙1，天线0发送数据块-S₂ ^*，天线1发送数据块S₁ ^*。空时编码器104在对导频***后的数据(包括导频和用户数据)进行空时编码的同时，也就完成了对导频数据在一个导频分配周期的分配。逆傅立叶变换模块105A和105B对输入的数据进行逆傅立叶变换，从而把并行的频域的数据变换到串行的时域数据输出。添加保护时隙模块106A和106B分别对逆傅立叶变换模块105A和105B的输出数据添加保护时隙，其目的是消除符号间干扰和保持载波间的正交性。数模转换模块107A和107B把添加保护时隙模块106A和106B输出的离散数据转换成模拟数据。射频电路模块108A和108B则对数模转换模块107A和107B的模拟数据进行适当的处理，最终输出到空中信道。

为了便于参考，图2给出了基于“IEEE 802.16-2004”协议，PUSC模式非STC模式的导频分配示意图。其中，黑色圆圈表示导频载波，灰色圆圈表示数据载波。从图中可以看出，导频载波位于每个Cluster偶数符号第4个和第8个载波上和每个Cluster奇数符号第0个和第12个载波上。

图3给出了两个发射天线PUSC模式的导频分配示意图。其中，圆圈中有横线的表示天线0对应的导频载波，圆圈中有竖线的表示天线1对应的导频载波，只有一个圆圈的表示数据载波。这里假设空时编码器的编码矩阵为：

$\left[\begin{array}{cc}{S}_1& {-S}_2^{*}\\ S_2& S_1^{*}\end{array}\right]---\left(1\right)$

从上图可以看出，最终的导频分配结果为：

导频分配周期为两个时隙。

在时隙0(符号0～1)，天线0和天线1的导频载波位于每个Cluster偶数符号第4个和第8个载波上和每个Cluster奇数符号第0个和第12个载波上。

在时隙1(符号2～3)，天线0和天线1的导频载波位于每个Cluster偶数符号第4个和第8个载波上和每个Cluster奇数符号第0个和第12个载波上。但是，此时天线0导频载波上***的数据是天线1在时隙0导频载波上***的数据的负共轭。此时天线1导频载波上***的数据是天线0在时隙0导频载波上***的数据的共轭。

从图上可以看出，在时隙0(符号0～1)，天线0和天线1的导频载波位置完全相同，这可以保证天线0和天线1的导频***按照同样的方式进行。并且，导频载波位置与非STC模式的导频***位置完全相同，这又使这种导频***方式与非STC模式非常容易兼容。而时隙1(符号2～3)的导频分配与***是通过STC编码自动实现的，这样的设计可以在不影响***性能的情况下简化了发射机的设计。并且，本发明提出的导频分配方法是通过STC编码完成的，因此发送的导频带有编码增益，这种编码增益可以以减少噪声对接收导频的干扰。从而提高了***的性能。

图4给出了四个发射天线PUSC模式的导频分配示意图。其中，圆圈中有横线的表示天线0对应的导频载波，圆圈中有竖线的表示天线1对应的导频载波，圆圈中有下斜线的表示天线2对应的导频载波，圆圈中有上斜线的表示天线3对应的导频载波，只有一个圆圈的表示数据载波，黑色圆圈表示空载波。这里假设空时编码器的编码矩阵为：

$\left[\begin{array}{cc}{S}_1& {-S}_2^{*}\\ S_2& S_1^{*}\\ S_3& {-S}_4^{*}\\ S_4& S_3^{*}\end{array}\right]---\left(2\right)$

从图上可以看出，在时隙0(符号0～1)，天线0和天线1的导频载波位置完全相同，这可以保证天线0和天线1的导频***按照同样的方式进行。并且，导频载波位置与非STC模式的导频***位置完全相同，这又使这种导频***方式与非STC模式非常容易兼容。天线2和天线3的导频载波位置完全相同，这可以保证天线2和天线3的导频***按照同样的方式进行。另外，天线2和天线3的导频载波位置与非STC模式的导频***位置相比都只差一个偏置，所以这两根天线的导频载波具有相同的导频间隔。与两个发射天线类似，时隙1(符号2～3)的导频分配与***也是通过STC编码自动实现的，这样的设计可以在不影响***性能的情况下简化了发射机的设计。并且，本发明提出的导频分配方法是通过STC编码完成的(STC编码是现有技术内容，在此不做详细描述)，因此发送的导频带有编码增益，这种编码增益可以以减少噪声对接收导频的干扰。从而提高了***的性能。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1、一种正交频分复用***的导频分配装置，在正交频分复用***中至少包含一个发射机和两个发射天线，所述导频分配装置设置于所述发射机中，其特征在于，所述导频分配装置在使用所述发送天线时兼容空时码与非空时码模式的导频分配。

2、根据权利要求1所述的导频分配装置，其特征在于，进一步包括：

导频产生器，用于产生用于导频***的导频数据；

用户数据缓存器，用于缓存来自上层的已经进行了编码和调制处理的数据；

导频***器，用于接收来自该用户数据缓存器的数据并把该导频产生器产生的导频数据***到数据中，以方便接收机实现信道估计，时间和频率同步功能；

空时编码器，用于对导频***后的数据，包括导频和用户数据，进行空时编码并输出。

3、一种如权利要求1或2所述导频分配装置的导频分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，产生用于导频***的导频数据；

步骤二，利用所产生的该导频数据对用户数据进行导频***；

步骤三，对导频***后的数据，包括用户数据和导频数据进行空时编码并输出。

4、根据权利要求3所述的导频分配方法，其特征在于，在步骤一中，所产生的导频数据的数目最少为非空时码模式产生的导频数据的数目，最多为非空时码模式产生的导频数据的数目与发射天线数目的乘积。

5、根据权利要求4所述的导频分配方法，其特征在于，在步骤二中，该导频数据***在所述正交频分复用***分配的导频载波集合上，该导频载波集合一般位于数据载波之间。

6、根据权利要求5所述的导频分配方法，其特征在于，所述在正交频分复用***分配的导频载波集合中***导频数据的步骤包括：

对于不同天线，空时码模式下分配给每个天线的导频载波集合都相同或只差一个偏置；

对于每个天线，空时码模式下分配的导频载波集合与非空时码模式分配的导频集合相同或只差一个偏置。

7、根据权利要求6所述的正交频分复用***的导频分配方法，其特征在于，对于正交频分复用***的PUSC模式，发射天线数目为天线0、天线1两个时，导频的***方法为：

在时隙0，天线0和天线1的导频载波集合和非空时码模式相同，导频载波位于每个载波集合偶数符号第4个和第8个载波上和每个载波集合奇数符号第0个和第12个载波上。

8、根据权利要求6所述的正交频分复用***的导频分配方法，其特征在于，在发射天线数目为四的时候，可以任意组合两个天线，并且使它们的导频载波集合和其各自在非空时码模式下的导频载波集合相同；另外的两个天线组合，其导频载波集合则和其各自在非空时码模式下的导频载波集合相差一个偏置。

9、根据权利要求8所述的正交频分复用***的导频分配方法，其特征在于，对于正交频分复用***的PUSC模式，发射天线数目为天线0、天线1、天线2、天线3四个时，导频的***方法为：

在时隙0，天线0和天线1的导频载波集合和非空时码模式相同，导频载波位于每个载波集合偶数符号第4个和第8个载波上和每个载波集合奇数符号第0个和第12个载波上；而天线2和天线3的导频载波集合与非空时码模式相比只差一个偏置，导频载波位于每个载波集合偶数符号第5个和第9个载波上和每个载波集合奇数符号第1个和第13个载波上。

10、根据权利要求8所述的正交频分复用***的导频分配方法，其特征在于，为避免数据符号对导频符号的干扰，该导频的***方法进一步包括步骤：

对于天线0和天线1，置空每个载波集合偶数符号第5个和第9个载波和每个载波集合奇数符号第1个和第13个载波；

对于天线2和天线3，置空每个载波集合偶数符号第4个和第8个载波和每个载波集合奇数符号第0个和第12个载波。

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