專利名稱：基于ofdm－cdma的寬帶無線通信系統(tǒng)的時(shí)頻聯(lián)合擴(kuò)展方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種寬帶多載波無線通信技術(shù)，特別涉及寬帶多載波無線通信系統(tǒng)中物理層的擴(kuò)頻調(diào)制及多址技術(shù)。物理層的擴(kuò)頻調(diào)制及多址技術(shù)對于有效的應(yīng)用寶貴的頻譜資源有非常重要的意義。在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)以及某些特定的無線通信系統(tǒng)(如WLAN)中已經(jīng)采用了碼分多址接入和正交頻分復(fù)用技術(shù)，但兩種技術(shù)的有效融合則存在很多問題。本發(fā)明公開了一種基于碼分多址接入和正交頻分復(fù)用技術(shù)的適用于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)或無線通信系統(tǒng)的新型擴(kuò)頻調(diào)制方式和多址接入方式，并詳細(xì)地說明了其優(yōu)點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方式在時(shí)頻聯(lián)合擴(kuò)頻方式中，每個(gè)用戶都需要利用一組擴(kuò)頻長度為N的正交碼序列作為擴(kuò)頻序列組，不同的用戶應(yīng)使用這一組擴(kuò)頻序列的不同的排列組合形成相應(yīng)的時(shí)頻擴(kuò)頻網(wǎng)格圖。這一點(diǎn)完全不同于傳統(tǒng)單純的時(shí)域或頻域擴(kuò)頻方式中每個(gè)用戶只使用一組擴(kuò)頻序列中某一個(gè)特定的擴(kuò)頻序列。
對應(yīng)于本發(fā)明中提出的時(shí)頻2維擴(kuò)頻調(diào)制方式，可將N個(gè)OFDM符號(hào)作為一個(gè)基本幀，無論是發(fā)射機(jī)端的時(shí)頻擴(kuò)頻處理，還是接收機(jī)端的時(shí)頻解擴(kuò)合并處理，都是以這個(gè)基本幀作為處理時(shí)間的基本單元。
在發(fā)射機(jī)端，根據(jù)不同的子載波數(shù)目和擴(kuò)頻序列長度的關(guān)系，我們可以選擇不同的時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖，然后在一個(gè)基本處理時(shí)間單元(即在一個(gè)基本幀中)，完成對調(diào)制符號(hào)在時(shí)域和頻域上的聯(lián)合擴(kuò)展處理。由于在實(shí)際系統(tǒng)中，系統(tǒng)可以使用的子載波的數(shù)目通常不等于擴(kuò)頻序列長度，所以我們必須針對不同的情況設(shè)計(jì)不同的時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖。但是，這些設(shè)計(jì)都基于一個(gè)共同的原則，就是盡量使某個(gè)用戶的同一調(diào)制符號(hào)的信息擴(kuò)展到各個(gè)OFDM符號(hào)的各個(gè)子載波上，以達(dá)到最大限度的時(shí)間分集和頻率分集的效果。同時(shí)，考慮到移動(dòng)信道存在的時(shí)間相關(guān)性，在設(shè)計(jì)幀結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該使一個(gè)基本處理時(shí)間單元的持續(xù)時(shí)間和移動(dòng)信道的相關(guān)時(shí)間可以相比擬，從而才能更好地體現(xiàn)時(shí)頻聯(lián)合擴(kuò)展中時(shí)間分集的優(yōu)點(diǎn)。另一方面，由于各個(gè)子載波占據(jù)的總帶寬一般都遠(yuǎn)大于移動(dòng)信道的相關(guān)帶寬，所以時(shí)頻聯(lián)合擴(kuò)展能夠方便地實(shí)現(xiàn)頻率分集的效果。
在接收機(jī)端，保持與發(fā)射機(jī)端一致，基本的處理時(shí)間單元是基本幀，即N個(gè)OFDM符號(hào)，并使用與發(fā)射機(jī)端一致的時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖來對某個(gè)用戶進(jìn)行時(shí)頻解擴(kuò)和合并處理，以恢復(fù)原調(diào)制符號(hào)數(shù)據(jù)流。在接收機(jī)端一般考慮使用簡單易行的等增益合并方式(EGC)。考慮到移動(dòng)信道對擴(kuò)頻序列正交性的破壞，為了得到更好的性能，可以使用能有效克服噪聲和多址干擾的最小化平方誤差均值合并方式(MMSEC)。
本發(fā)明提出的時(shí)頻2維擴(kuò)頻調(diào)制方式很好地保持了與現(xiàn)有的基于正交頻分復(fù)用的頻域擴(kuò)頻系統(tǒng)的兼容性，只需通過更新發(fā)射機(jī)端的擴(kuò)頻模塊中的時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖和接收機(jī)端的時(shí)頻解擴(kuò)展網(wǎng)格圖及合并模塊中的一些系數(shù)，就可以方便地完成原系統(tǒng)的改造。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
附圖的主要描述

圖1是描述按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的一個(gè)數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的框圖。
圖2是描述了發(fā)明中當(dāng)子載波數(shù)目M與擴(kuò)頻序列長度N相等時(shí)，即M＝N，某一個(gè)用戶的基本時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖及擴(kuò)頻的實(shí)現(xiàn)。
圖3是描述了發(fā)明中當(dāng)子載波數(shù)目M與擴(kuò)頻序列長度N相等時(shí)，即M＝N，多用戶情況下的基本時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖及擴(kuò)頻的實(shí)現(xiàn)。
圖4是描述了發(fā)明中當(dāng)子載波數(shù)目M大于擴(kuò)頻序列長度N時(shí)，并且M＝KN，K為整數(shù)，某一個(gè)用戶的時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖及擴(kuò)頻的實(shí)現(xiàn)。
圖5是描述了發(fā)明中當(dāng)子載波數(shù)目M大于擴(kuò)頻序列長度N時(shí)，并且M＝KN，K為整數(shù)，多用戶情況下的時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖及擴(kuò)頻的實(shí)現(xiàn)。
圖6是描述了發(fā)明中當(dāng)子載波數(shù)目M小于擴(kuò)頻序列長度N時(shí)，并且N＝KM，K為整數(shù)，某一個(gè)用戶的時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖及擴(kuò)頻的實(shí)現(xiàn)。
圖7是描述了發(fā)明中當(dāng)子載波數(shù)目M小于擴(kuò)頻序列長度N時(shí)，并且N＝KM，K為整數(shù)，多用戶情況下的時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖及擴(kuò)頻的實(shí)現(xiàn)。
詳細(xì)描述圖1是描述按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的一個(gè)數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的框圖。在圖1的例子中，原始的信息比特?cái)?shù)據(jù)流經(jīng)過調(diào)制模塊101(例如QPSK或高階QAM調(diào)制)之后，然后在模塊102處作串并轉(zhuǎn)換。這時(shí)，相同的調(diào)制符號(hào)通過復(fù)制模塊103分配到了多個(gè)子載波上，并通過時(shí)頻擴(kuò)頻模塊104實(shí)現(xiàn)在時(shí)-頻域上的聯(lián)合擴(kuò)頻效果，擴(kuò)頻后的數(shù)據(jù)經(jīng)過IFFT模塊105，經(jīng)過模塊106做并串變換后形成OFDM信號(hào)，并在模塊107處加上保護(hù)前綴以消除碼間干擾。接著，帶保護(hù)前綴的OFDM信號(hào)經(jīng)過移動(dòng)信道后到達(dá)接收機(jī)端。在接收機(jī)端將采取一系列與發(fā)射機(jī)端相對應(yīng)的反操作來恢復(fù)出原始的信息比特?cái)?shù)據(jù)流。首先是在模塊109處將保護(hù)前綴去除恢復(fù)出OFDM信號(hào)，然后經(jīng)過串并變換模塊110后，處理后的信號(hào)進(jìn)入FFT模塊111。這時(shí)，可以通過在發(fā)射機(jī)端插入的導(dǎo)頻信號(hào)來完成在模塊114處完成信道估計(jì)，為后面的合并模塊提供所需的信道信息。經(jīng)過FFT模塊處理后的信號(hào)進(jìn)入時(shí)頻解擴(kuò)模塊112和合并模塊113，并恢復(fù)出擴(kuò)頻前的調(diào)制信號(hào)。最后，經(jīng)過并串變換模塊115后的信號(hào)將進(jìn)入解調(diào)模塊116，恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)比特流。
圖2是描述了發(fā)明中當(dāng)子載波數(shù)目M與擴(kuò)頻序列長度N相等時(shí)，即M＝N，某一個(gè)用戶的時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖及擴(kuò)頻的實(shí)現(xiàn)。假設(shè)時(shí)頻擴(kuò)頻模塊的輸入調(diào)制符號(hào)序列為{a1，a2，...，aN}，那么調(diào)制符號(hào)a1將通過1號(hào)Walsh碼序列{W11，W21，...，WN1}擴(kuò)展到了第1個(gè)OFDM符號(hào)中的第1號(hào)子載波，第2個(gè)OFDM符號(hào)中的第2號(hào)子載波，…，和第N個(gè)OFDM符號(hào)中的第N號(hào)子載波。同理，調(diào)制符號(hào)a2將通過2號(hào)Walsh碼序列{W12，W22，...，WN2}擴(kuò)展到了第1個(gè)OFDM符號(hào)中的第2號(hào)子載波，第2個(gè)OFDM符號(hào)中的第3號(hào)子載波，...，和第N個(gè)OFDM符號(hào)中的第1號(hào)子載波。以此類推，調(diào)制符號(hào)序列{a1，a2，...，aN}通過一組長度為N的Walsh正交碼擴(kuò)展到了N個(gè)OFDM符號(hào)的N個(gè)子載波上。某用戶的具體的時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖如圖2所示，橫軸代表時(shí)間，表示不同的OFDM符號(hào)，縱軸代表頻率，表示不同的子載波。這N個(gè)OFDM符號(hào)組成一幀，在接收機(jī)端，必須在接收到一幀后才能根據(jù)發(fā)射機(jī)端的擴(kuò)頻碼組合方式來進(jìn)行相應(yīng)的解擴(kuò)和合并。
圖3是描述了發(fā)明中當(dāng)子載波數(shù)目M與擴(kuò)頻序列長度N相等時(shí)，即M＝N，多用戶情況下的時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖及擴(kuò)頻的實(shí)現(xiàn)。假設(shè)圖2說明的是用戶1的基本時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖，那么用戶2的擴(kuò)頻網(wǎng)格圖是在用戶1的時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格的基礎(chǔ)上往右進(jìn)行循環(huán)移位一次得到的。同理，再往右進(jìn)行循環(huán)移位一次得到用戶3的時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖......，直至達(dá)到用戶N的時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖。
圖4是描述了發(fā)明中當(dāng)子載波數(shù)目M大于擴(kuò)頻序列長度N時(shí)，并且M＝KN，K為整數(shù)，某一個(gè)用戶的時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖及擴(kuò)頻的實(shí)現(xiàn)。將M個(gè)子載波分成K組，每一組包括N個(gè)子載波，這樣，在每一組中的子載波數(shù)目等于擴(kuò)頻序列的長度N，所以在每一組中可以采用與圖2所示的相同的基本時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖。
圖5是描述了發(fā)明中當(dāng)子載波數(shù)目M大于擴(kuò)頻序列長度N時(shí)，并且M＝KN，K為整數(shù)，多用戶情況下的時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖及擴(kuò)頻的實(shí)現(xiàn)。每一個(gè)用戶都將使用所有的M個(gè)子載波，那么，每個(gè)用戶都將M個(gè)子載波分成K組，在每個(gè)組中使用該用戶對應(yīng)的基本時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖。
圖6是描述了發(fā)明中當(dāng)子載波數(shù)目M小于擴(kuò)頻序列長度N時(shí)，并且N＝KM，K為整數(shù)，某一個(gè)用戶的時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖及擴(kuò)頻的實(shí)現(xiàn)。從N個(gè)長度為N的擴(kuò)頻序列組中選擇M個(gè)(M＜N)序列組成一組新的序列組來形成所需的時(shí)頻擴(kuò)頻網(wǎng)格圖。將新序列組中的每個(gè)擴(kuò)頻序列的N個(gè)碼片分成M組，每一組包括K個(gè)碼片。以形成第1個(gè)用戶對應(yīng)的時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖來說明問題。把第1個(gè)擴(kuò)頻序列中的第1組包括1到K個(gè)碼片分配到第1到K個(gè)OFDM符號(hào)的第1個(gè)子載波上，把第2組包括K+1到2K個(gè)碼片分配到第K+1到2K個(gè)OFDM符號(hào)的第2個(gè)子載波上......，以此類推；把第2個(gè)擴(kuò)頻序列中的第1組包括1到K個(gè)碼片分配到第K+1到2K個(gè)OFDM符號(hào)的第1個(gè)子載波上，把第2組包括K+1到2K個(gè)碼片分配到第2K+1到3K個(gè)OFDM符號(hào)的第2個(gè)子載波上......；如此重復(fù)直到M個(gè)擴(kuò)頻序列的N×M個(gè)碼片到分配到整個(gè)時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖中。
圖7是描述了發(fā)明中當(dāng)子載波數(shù)目M小于擴(kuò)頻序列長度N時(shí)，并且N＝KM，K為整數(shù)，多用戶情況下的時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖及擴(kuò)頻的實(shí)現(xiàn)。假設(shè)圖6說明的是用戶1的基本時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖，那么用戶2的時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖是在用戶1的時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖的基礎(chǔ)上往右進(jìn)行循環(huán)移位K位得到的。同理，再往右進(jìn)行循環(huán)移位K位得到用戶3的擴(kuò)頻網(wǎng)格圖......，直至達(dá)到用戶M的時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖。值得指出的是，在這種情況下的時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖，利用這M個(gè)擴(kuò)頻序列，最多可以同時(shí)讓M個(gè)用戶同時(shí)工作(進(jìn)一步而言，可以使用了剩余的N-M個(gè)擴(kuò)頻序列，將這些擴(kuò)頻序列同樣組成時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖，同樣也可以用于區(qū)分用戶，那么就可以增加用戶數(shù))。
從上文中可以清楚地看到，本發(fā)明提出了用于基于多載波擴(kuò)頻技術(shù)的寬帶數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的一種新型的時(shí)頻聯(lián)合擴(kuò)頻方式及多址接入方式。采用這些技術(shù)，可以很好地克服傳統(tǒng)的時(shí)域或頻域多載波擴(kuò)頻的局限性，而獲得充分的時(shí)間和頻率分集帶來的性能增益。根據(jù)不同的移動(dòng)環(huán)境可以自適應(yīng)地選擇不同的時(shí)頻聯(lián)合擴(kuò)頻方式，特別在高移動(dòng)速度和高數(shù)據(jù)速率的移動(dòng)環(huán)境中。
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權(quán)利要求
1.基于正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)的新型正交頻分復(fù)用碼分多址(OFDM-CDMA)寬帶無線通信系統(tǒng)，其特征是將時(shí)頻2維擴(kuò)展技術(shù)應(yīng)用于OFDM-CDMA系統(tǒng)中，具有更高的頻譜利用率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶無線通信系統(tǒng)，其特征是對于包含多個(gè)OFDM符號(hào)的一個(gè)基本處理單元的調(diào)制數(shù)據(jù)，在基本處理單元持續(xù)處理時(shí)間和每個(gè)子載波上進(jìn)行2維擴(kuò)展；
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的寬帶無線通信系統(tǒng)，其特征是基于時(shí)頻擴(kuò)展的OFDM-CDMA系統(tǒng)可通過多個(gè)擴(kuò)頻碼在子載波上的不同的排列次序來區(qū)分不同的用戶；
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的寬帶無線通信系統(tǒng)，其特征是當(dāng)子載波的數(shù)目大于擴(kuò)頻碼長度時(shí)，可將一組擴(kuò)頻碼循環(huán)分配給各個(gè)子載波使用；
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的寬帶無線通信系統(tǒng)，其特征是當(dāng)子載波的數(shù)目小于擴(kuò)頻碼長度時(shí)，只需從整個(gè)擴(kuò)頻碼集中選擇部分?jǐn)U頻碼，并將每個(gè)擴(kuò)頻碼分段分配到各個(gè)子載波上；
6.根據(jù)權(quán)利要求1，2，3，4或5的寬帶無線通信系統(tǒng)，其特征是利用構(gòu)成的2維時(shí)頻擴(kuò)展網(wǎng)格圖，形成本發(fā)明的多址接入方式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種使用在無線寬帶多載波移動(dòng)通信系統(tǒng)中的新型時(shí)頻聯(lián)合擴(kuò)頻調(diào)制方式。不同于傳統(tǒng)的單純時(shí)域或頻域擴(kuò)頻調(diào)制方式，本發(fā)明提出的方式能夠更好地利用時(shí)間分集和頻率分集帶來的性能增益。在設(shè)計(jì)中本發(fā)明做到了與現(xiàn)有多載波頻域擴(kuò)頻調(diào)制方式的兼容性，有利于在較短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)出按照本發(fā)明工作的系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H04L27/26GK1434588SQ0311950
公開日2003年8月6日 申請日期2003年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月7日
發(fā)明者鄭侃, 王文博, 曾國燕 申請人:北京郵電大學(xué)