CN101212288B

CN101212288B - 一种ofdma系统中上行多用户空分复用方法

Info

Publication number: CN101212288B
Application number: CN2006101703122A
Authority: CN
Inventors: 赵路
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2026-12-28
Also published as: CN101212288A

Abstract

本发明涉及一种OFDMA系统中上行多用户空分复用方法，采用MIMO在多天线移动终端MS和多天线基站BS之间进行上行多用户联合空分复用，包括：对于空分复用用户的接入首先进行信道帧听，对于满足信道矩阵条件数H阈值要求的子信道可以空分复用并分配给该用户；通信过程中，若已经复用的子信道信道矩阵条件数H小于阈值，则将重新分配满足信道矩阵条件数H阈值要求的未空间复用子信道给该用户。这种方法利用信道帧听和信道矩阵条件数H阈值，以保证已接入用户通信质量代替每时每刻信道容量最大化为条件。调整复用子信道。始终保证空分复用信道满足通信要求；进一步区分优先用户和空分复用用户，保障优先用户的通讯质量。

Description

一种OFDMA系统中上行多用户空分复用方法

技术领域

本发明涉及移动通讯和信道复用，具体涉及一种OFDMA系统中上行多用户空分复用方法。

背景技术

正交频分复用OFDM将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。正交信号通过接收端采用相关技术分开，可以在一定条件下减少子信道之间的相互干扰Inter-Carrier-Interference，简称ICI。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道可看作平衰落信道，从而消除了符号间干扰Inter-Symbol-Interference，简称ISI。由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易，图1是典型的OFDM调制系统框图。OFDMA则是从OFDM发展而来的另一个多址技术。它靠不同的正交子载波来区分用户。系统在时间和频率2维空间进行资源分配，每个用户分配的带宽资源非常灵活，这是OFDMA的一个重要优点。

多输入多输出MIMO可以充分利用空间信道的时间和频率扩展来提高信道容量，也可以通过空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集。前者通常成为空分复用，后者称为空时编码，都是MIMO的一些具体形式，图2是典型的MIMO系统框图。

空间复用主要是贝尔实验室提出的Bell Labs Layered Space-Time结构，简称BLAST，它比多址接入技术大大提高了频谱效率。BLAST结构不是通过信号变换引入符号间的正交性，信号变换包括编码、调制、映射等，而是充分利用了信道的多径特点，解除了信号之间的相关性。BLAST结构主要分为Vertical-BLAST和Diagonal-BLAST，即V-BLAST和D-BLAST。V-BLAST将M个比特流编码、映射和交织后通过互相独立的天线发射出去，充分发掘了分集增益，而且每一个信息流可以单独检测。D-BLAST也先经过相同的处理，但是各编码块分配给不同的天线发送，从而减小了因某一个独立信道传输效果较差而导致的系统整体性能的下降，但意味着更加复杂的收发设备。

MIMO可以应用于所有的无线通信技术。然而，MIMO和正交频分复用OFDM的结合具有很多优点，比如，OFDM通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，减少的多径衰落的影响。而且MIMO技术能够在空间中产生独立并行的多路数据流，这样就能够有效的提高了系统的传输速率，即在不增加系统带宽的情况下增加了频谱效率。图3为典型的MIMO+OFDM系统框图。多用户联合空分复用则是利用多个单天线的MS独立发送数据和基站的多个接收天线构成MIMO+OFDM系统，各MS占用相同的时间频率资源，以提高整个系统的容量。BS依靠各MS到BS之间的信道相互独立来解调各MS的信号。

中国发明专利“正交频分复用系统中基于空分复用来分配信道的方法”，公开号CN1665332，公开了一种在具有多个发射/接收天线的利用空分复用SDM的正交频分复用OFDM系统中将单个频率子信道分配给多个移动终端MS的方法。在该方法中，基站BS能够有效地分配导频信道来估计下行信道。所述基站BS将单个频率子信道分成多个空间信道，并将所述多个空间信道顺序地分配给具有最大通信容量的MS，从而通过所述单个频率子信道发射MS的信号。

对于TDD的OFDMA系统，一般下行数据量大于上行数据量，上行子帧的长度小于下行子帧的长度。但对于一些突发性的上行业务，如果上行时间频率资源已经分配完，则不得不调整上下行子帧的转换时间。假设上行子帧的部分区域可以进行空分复用解调，则可以将多个单天线MS分配到相同的子载波上，提高系统的容量。但是信道是变化的，如果复用后的信道矩阵条件数很小，则不但不能解调复用用户的数据，还会影响已经分配到该子信道用户的数据解调。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种OFDMA系统中上行多用户空分复用方法，可以克服复用后的信道矩阵条件数很小导致的无法解调复用用户数据和影响已经分配到该子信道用户的数据解调。

本发明的上述技术问题这样解决，提供一种OFDMA系统中上行多用户空分复用方法，采用MIMO在包括多个发射天线的移动终端MS和包括多个接收天线的基站BS之间的空中接口进行上行多用户联合空分复用，利用信道帧听和保证已接入用户通信质量的信道矩阵条件数H阈值，包括以下步骤：

1.1)对于空分复用用户的接入首先进行信道帧听，对于满足信道矩阵条件数H阈值要求的子信道进行空分复用并分配给该用户；

1.2)通信过程中，若已经复用的子信道信道矩阵条件数H小于阈值，则将重新分配满足信道矩阵条件数阈值要求的未空间复用子信道给该用户。

按照本发明提供的空分复用方法，所述满足是大于或大于等于。

按照本发明提供的空分复用方法，所述步骤1.2)中通讯过程还包括空分复用用户对未复用子信道进行信道帧听，对其可用子信道信息进行存储和跟踪，用于原复用信道恶化时进行实时切换。

按照本发明提供的空分复用方法，所述空中接口包括可空分复用的联合空分复用区域和不可空分复用的普通区域，所述联合空分复用区域由若干所述子信道构成，所述子信道属于所述联合空分复用区域，可以空分复用、接入空分复用用户；所述普通区域的对应子信道仅能接入一个用户、不可以空分复用。

按照本发明提供的空分复用方法，所述子信道由进行信道帧听，信道估计和信道均衡的复用基本单元构成，其具体的组成方式可以由系统适用信道特点确定。

按照本发明提供的空分复用方法，所述复用基本单元的数量与所述联合空分复用区域最大空分复用用户的数量相同。

按照本发明提供的空分复用方法，所述空分复用的对应导频在所述子信道分开，其分开方式包括但不限制于时间、频率和正交码中的一种或多种，这种配置方式的能够使系统可以允许每个MS在每个子信道上进行信道帧听。

按照本发明提供的空分复用方法，所述步骤1.2)中信道矩阵条件数H的更新遵守以下公式H_i+1＝(1-ρ)H_i+ρ*H_new，其中H_new为计算出的新值，H_i+1为当前状态，H_i为上一个状态，ρ为平滑因子，从而保证系统避免因为信道快速变化而出现资源分配不稳定。

按照本发明提供的空分复用方法，所述多用户优先占据未被用户占用的所述子信道。

按照本发明提供的空分复用方法，优先占据未被用户占用的子信道的所述多用户为优先用户，而占据已被用户占用的子信道的用户为空分复用用户，所述步骤1.2)仅调整空分复用用户的信道。

按照本发明提供的空分复用方法，接入空分复用用户时，还包括降低优先用户的调制阶数或通过功率控制加大优先用户的功率；可以提高接入的可靠性，减小复用用户对优先用户造成的影响。

按照本发明提供的空分复用方法，所述用户是指接入或请求接入OFDMA系统联合空分复用区域的移动终端MS。

本发明提供的OFDMA系统中上行多用户空分复用方法。利用信道帧听和信道矩阵条件数H阈值，以保证已接入用户通信质量代替每时每刻信道容量最大化为条件。调整复用子信道。始终保证空分复用信道满足通信要求；进一步区分优先用户和空分复用用户，保障优先用户的通讯质量。

附图说明

下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明。

图1是用离散傅立叶变换实现OFDM的调制器。

图2是MIMO系统框图。

图3是MIMO+OFDM系统框图。

图4是本发明一种基本复用单元结构图。

图5是本发明一种由基本复用单元构造的2×3子信道结构图。

图6是本发明空分复用用户接入流程图。

图7是本发明空分复用用户资源重新分配过程图。

具体实施方式

首先，说明本发明基础：多用户联合空分复用需要独立完成不同MS到BS的空间信道估计，则其导频数据结构将不同于非空间复用系统的导频数据结构，所以对于可以进行多用户联合空分复用的区域需要单独开辟。此区域中可以不进行多用户的联合空分复用，每个子信道子载波只有一个与之对应的MS，也可以进行联合空分复用，一个子信道子载波对应多个MS。独立划分的区域由子信道做为基本资源分配单位，子信道由基本复用单元构成。

(一)用户接入：接入用户时首先要对信道进行帧听，选择信道相关性小的子信道进行复用。通信过程中，因为信道是不断变化的，接入时满足信道相关性要求的子信道随时间推移可能发生改变。所以说，信道帧听是空分复用系统用户接入和通信过程中必须进行的。为了支持多个用户同时对一个子信道进行帧听，每个子信道内优先用户发送的导频和每个复用用户发送的导频要靠时间，频率或者正交码分开。每个子信道在接入和通信过程中都需要计算该子信道上优先用户和所有该区域复用用户的信道矩阵相关性。接入时尽量选取信道相关性小的子信道进行资源分配。

(二)信道再分配：通信过程中，如果已经复用的子信道上两用户的信道相关性逐渐变大，且信道矩阵条件数小于所设定的阈值，则表明BS已经很难分辨出两个MS的上行信号，因此需要重新对该子信道的复用用户进行分配，以避免信道相关影响优先用户和复用用户的信号解调。

第二步，说明本发明用户接入过程，具体如图6所示，包括以下步骤：

600)开始；

610)有用户接入请求；

620)判断优先用户资源是否已经分配完，是，进入步骤630)；否则进入转入步骤631)；

630)判断是否有空出的未被空分复用的子信道，是，进入步骤640)；否则进入转入步骤681)；

631)进行优先用户资源分配，即进入非空分复用的正常接入流程，转入步骤690)；

640)判断未被空分复用的子信道是否满足接入用户的带宽资源要求，是，进入步骤650)；否则进入转入步骤681)；

650)对未被复用的子信道，即空出的子信道，在用户对应位置的基本复用单元进行信道帧听；

660)统计信道矩阵条件数大于阈值，即满足阈值要求，的子信道个数；

670)判断可用复用信道个数是否满足用户通信要求，是，进入步骤680)；否则进入转入步骤681)；

680)对接入用户在未被复用且满足阈值要求的子信道上进行空分复用资源分配；转入步骤690)

681)拒绝用户接入；

690)结束。

第三步，说明本发明信道再分配过程，具体如图7所示，包括以下步骤：

700)开始；

710)监测每个复用子信道的信道相关情况；

720)判断是否有超过信道条件数阈值的子信道，是，进入步骤730)；否则转入步骤780)；

730)提取每个超出阈值子信道的用户信息；

740)根据每个不满足阈值要求的子信道所对应的用户信息，提取未被空分复用子信道上满足阈值要求的子信道信息；

750)判断针对该用户是否有满足阈值要求的未复用子信道，是，进入步骤760)；否则转入步骤780)；

760)进行复用用户子信道的再分配，将不满足阈值要求的子信道重新分配到满足阈值要求的子信道

770)判断是否所有不满足阈值要求子信道处理完毕，是，进入步骤780)；否则转入步骤740)

780)结束。

进一步，结合具体实施例详述本发明：

本实施例中假设每个基本复用单元由12个子载波构成，在频率轴上占用4个子载波位置，时间轴上占用3个符号。其中4个顶点位置为导频位置，不发数据。优先用户发1，3号导频(斜线点)，复用用户发2，4号导频(黑点)，结构如图4。

本实施例规定每6个基本复用单元构成一个子信道，子信道是系统进行资源分配的基本单元。为了多个用户同时帧听不同用户在此子信道的信道相关性，系统中空分复用区域的最大复用用户数和子信道的基本复用单元个数相同，即最多支持6用户的空分复用。本实施例规定一个子信道的基本复用单元结构为3×2，如图5所示，即频率轴上3个基本复用单元，时间轴上2个基本复用单元，每个基本复用单元中，优先用户发1，3号导频(斜线点)，复用用户发2，4号导频(黑点)。

用户接入过程分为优先用户接入和复用用户接入。优先用户的接入和普通用户接入过程相同，需要注意的是由于BS需要估计不同MS的信道冲击响应，所以针对每个用户，在同种基本复用单元结构下，导频数量减少了一半，这样会直接影响信道估计精度，所以对于分配到空分复用用户区域用户的Qos要求不能太高。优先用户发送在1，3号导频位置发送导频，2，4号导频位置空出，为复用用户进行信道帧听，信道监测和信道估计使用。

首个复用用户1接入时，MAC层首先判断空分复用Zone内未被优先用户占用的子信道是否满足用户1带宽请求要求，如果满足则直接作为优先用户接入。如果不满足则对所有未被复用的子信道进行帧听，帧听导频序列发送在每个被帧听子信道与用户1对应的基本复用单元上，发送的导频位置为空出的2号，4号导频。系统根据每个子信道的信道矩阵条件数大小进行标定。满足条件数阈值要求的标注为此用户1的可分配资源，否则标注为不可分配资源，并将标注结果通知MAC层。BS的MAC层按照普通用户的分配方法在已标注的可分配子信道资源上分配该用户数据。

复用用户1在通信过程中，信道不断变化，接入时满足信道相关性要求的子信道随时间推移可能发生改变。如果已经复用的子信道上复用用户1和优先用户信道相关性逐渐加大，信道矩阵条件数小于所设定的阈值，则表明BS已经很难分辨出两个MS的上行信号，此时需要重新对复用用户1在该子信道上的数据进行分配，以避免信道相关影响优先用户的信号解调。再分配的原则仍然按照信道相关性满足要求为条件。MAC层在分配前，需要知道那些子信道相对该复用用户可用，所以需要BS始终监测复用用户1相对其它子信道上优先用户的信道质量和信道相关性。MAC层对复用用户1的其它可用子信道信息进行存储和跟踪，对于不满足要求的子信道进行及时更换。

如果有复用用户2需要接入，仍然先进行信道帧听，帧听的子信道范围为未被复用用户1占用的所有子信道。同样，在通信过程中，复用用户2所要监测的也是除复用用户1所占用的所有子信道。对于复用用户2，系统及时在已经复用的子信道和未被复用的子信道上做出调整，以适应信道变化。

对于其它复用用户的接入和资源再分配，原理基本相同。系统最多可以支持6个用户同时复用到该区域。复用的用户数和每个复用用户的资源占用情况，以及复用用户和优先用户的信道相关水平有关。由于对于信道相关性采用了阈值判断的方法，本方法对于整个系统不是一个最优的算法，但是对于OFDMA来讲是一个实际和可实现的方法。

最后，结合对比文件公开中国发明专利CN1665332“正交频分复用系统中基于空分复用来分配信道的方法”区分描述本发明：

(一)主要相同点

(1)都是空分复用系统的资源分配方法。

(2)都依靠计算信道相关性来作为判据来分配信道资源。

(二)主要不同点

(1)本发明专利基于OFDMA系统，CN1665332专利基于OFDM系统，这两种系统的资源分配方式本来就有很大区别。

(2)本发明专利不以系统最大通信容量为条件，而是以保证已接入用户通信质量为条件；复用子信道的调整以当前信道条件无法满足继续通信要请求为触发条件；不以每时每刻信道容量最大化为要求。

(3)所有接入用户按照优先用户和空分复用用户进行区别，优先用户占满该区域时间频率资源后再在已经占用的资源上接入空分复用用户。通信和接入过程中，只调整空分复用用户的子信道复用情况。

(4)所有空间信道矩阵的计算要做平滑处理。

(5)子信道内的各用户的导频，通过时间，频率，扩频码分开以支持多个用户对未被复用子信道的同时帧听。

Claims

1.一种OFDMA系统中上行多用户空分复用方法，采用MIMO在包括多个发射天线的移动终端MS和包括多个接收天线的基站BS之间的空中接口进行上行多用户联合空分复用，其特征在于，利用信道帧听和保证已接入用户通信质量的信道矩阵条件数H阈值，包括以下步骤：

1.2)通信过程中，若已经复用的子信道信道矩阵条件数H小于阈值，则将重新分配满足信道矩阵条件数H阈值要求的未空间复用子信道给该用户。

2.根据权利要求1所述空分复用方法，其特征在于，所述步骤1.2)中通讯过程还包括空分复用用户对未空间复用子信道进行信道帧听。

3.根据权利要求1所述空分复用方法，其特征在于，所述空中接口包括可空分复用的联合空分复用区域和不可空分复用的普通区域，所述联合空分复用区域由若干所述子信道构成。

4.根据权利要求3所述空分复用方法，其特征在于，所述联合空分复用区域最大空分复用用户的数量与构成子信道的复用基本单元的数量相同，所述复用基本单元用来进行信道帧听、信道估计和信道均衡。

5.根据权利要求1所述空分复用方法，其特征在于，所述空分复用的对应导频在所述子信道分开，其分开方式包括时间、频率和正交码中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述空分复用方法，其特征在于，所述步骤1.2)中信道矩阵条件数H的更新遵守以下公式H_i+1＝(1-ρ)H_i+ρ*H_new，其中H_new为计算出的新值，H_i+1为当前状态，H_i为上一个状态，ρ为平滑因子。

7.根据权利要求1所述空分复用方法，其特征在于，所述多用户优先占据未被用户占用的所述子信道。

8.根据权利要求7所述空分复用方法，其特征在于，优先占据未被用户占用的子信道的所述多用户为优先用户，而占据已被用户占用的子信道的用户为空分复用用户，所述步骤1.2)仅调整空分复用用户的信道。

9.根据权利要求8所述空分复用方法，其特征在于，接入空分复用用户时，还包括降低优先用户的调制阶数或通过功率控制加大优先用户的功率。