專利名稱：用于ofdma上行鏈路接收機和基站的時間和頻率同步方法
技術領域：
本發(fā)明通常涉及校正在互連設備之間的無線通信中的同步誤差，更具體而言，涉及在接收機，諸如正交頻分多址(OFDMA)通信系統(tǒng)或網(wǎng)絡的上行鏈路接收機中實現(xiàn)的，用于校正由于上行鏈路或反向鏈路中存在的時延和頻偏引起的同步誤差的軟件、系統(tǒng)和方法。
背景技術：
正在不斷地努力以便提供下一代移動通信并提高在互連設備之中包括在無線設備之中已存在的通信。最近的發(fā)展必須不僅消除大樓或室內(nèi)的電線或電纜，而且必須消除進入大樓或室內(nèi)的電纜。WiMAX技術(還被稱為802.16，因為它基于用于無線城域網(wǎng)的IEEE 802.16無線MAN標準)有希望允許這種跳躍到更多的無線通信，這些通信作為電纜調(diào)制解調(diào)和DSL(數(shù)字用戶線路)的無線替換。WiMAX將有可能提供從天線起長達30英里、速度高至75mbps(每秒兆字節(jié))的連接，以及在5英里之內(nèi)提供更高的速率或速度，而電纜調(diào)制解調(diào)只可以提供1mbps的速度。因此，在電纜和電話公司不提供寬帶因特網(wǎng)連接時，WiMAX技術提供一種使用無線天線拾取WiMAX信號來提供寬帶因特網(wǎng)、數(shù)字電視、和其他數(shù)字通信的途徑，該WiMAX信號然后在本地區(qū)域中由基站(BS)無線(或有線)分發(fā)到用戶終端或設備(例如用戶站(SS))。
WiMAX支持城域網(wǎng)(MAN)而不支持局域網(wǎng)(LAN)，并假設點到多點拓撲?？刂苹?BS)不相互連接用戶站(SS)，而是將其連接到與該基站鏈接的各種公共網(wǎng)絡。在這種無線通信系統(tǒng)中，遠程用戶站(SS)，諸如蜂窩或移動電話通過發(fā)送接入信號到基站(BS)或“上行鏈路”接入網(wǎng)絡。該接入信號實現(xiàn)重要的功能諸如請求BS進行資源分配，警告BS存在試圖進入網(wǎng)絡的SS，以及發(fā)起允許BS測量SS的某些參數(shù)(例如，傳播引起的時偏、頻率誤差、發(fā)送功率等等)的處理，其中保持并調(diào)節(jié)這些參數(shù)以確保上行鏈路資源(例如，BS)的無干擾共享。不像普通的使用分配給SS的調(diào)度資源發(fā)送的數(shù)據(jù)業(yè)務，而是以自發(fā)的方式發(fā)送用于SS的接入信號并且經(jīng)常將這種處理稱之為隨機接入。這種處理還可以認為是測距(ranging)，因為所述接入信號能夠幫助BS測量與SS的傳播距離(即，它的范圍)，以便能夠調(diào)節(jié)其發(fā)送時間以確保來自所有SS的信號在基站同步(即，上行鏈路定時同步)。來自SS的大量、多用戶信號的同步已經(jīng)出現(xiàn)了將在簡單描述傳輸技術或協(xié)議之后討論的大量問題。
在許多無線系統(tǒng)中已經(jīng)廣泛地提出了OFDM(正交頻分多路復用)技術以提供高數(shù)據(jù)速率傳輸。OFDM使用一組重疊但正交的子載波來實現(xiàn)高的頻譜效率。尤其近來，與TDMA(時分多址)和/或FDMA(頻率多址)相結(jié)合，已經(jīng)在許多寬帶無線系統(tǒng)諸如WiMAX系統(tǒng)中提出OFDMA(正交頻分多址)。OFDMA能夠分為2種類型子頻帶OFDMA和交織OFDMA。在子頻帶OFDMA中，沿頻率軸的一組連續(xù)的子載波分配給某個用戶，以便通過位于接收機或基站一側(cè)的濾波器組分離來自不同用戶的信號。顯然，這種類型的OFDMA對于頻率選擇性信道是敏感的。為了利用信道分集增益的優(yōu)點，交織OFDMA給某個用戶分配一組交織的子載波，該組子載波允許大的子載波間隔用于每一用戶，使得對于WiMAX更加期望交織OFDMA。
但是，同步問題可能出現(xiàn)在用戶設備或用戶站(SS)和特定的基站(BS)或其上行鏈路接收機之間。例如，由于從SS到BS的未對準，BS振蕩器和SS的振蕩器之間的不一致以及多普勒效應中的一個或多個，經(jīng)常在上行鏈路中出現(xiàn)與時延和頻偏有關的同步誤差。與OFDM技術一樣，OFDMA對于這些同步誤差是如此脆弱或敏感，甚至小的頻偏導致失去正交性，在OFDMA中，時域中的時延經(jīng)常導致頻域中復指數(shù)旋轉(zhuǎn)或變化。另外，與下行鏈路(或前向鏈路)相反，當多個點或設備與單個基站通信時，上行鏈路中的接收信號經(jīng)受多用戶時延和頻偏。而且，由于交織的子載波，交織OFDMA使得執(zhí)行有效的信號同步變復雜。例如，如果兩個連續(xù)的子載波分配給兩個用戶，它們可能經(jīng)受兩個不同的時延和頻偏。兩個子載波之間的信道間干擾(ICI)典型地導致產(chǎn)生兩個用戶之間的多址干擾(MAI)，這種干擾在同步期間會引起問題。
更具體而言，在一種強制的分配方案下，在WiMAX通信系統(tǒng)中使用基于貼磚(tile)的交織OFDMA(例如，如在IEEE802.16d/e上行鏈路)。在這種方案中，沿頻率軸將每四個連續(xù)的子載波分成一組，并且將該組表示為貼磚。這些貼磚以給定的置換(permutation)基交織。然后，交織的貼磚重新分組成子信道，通過它們由BS分配無線電資源給用戶或SS。通過這種方式，來自一個用戶的數(shù)據(jù)均勻地分布到整個頻帶上。除此之外，為了利用時間分集的優(yōu)點，在發(fā)送時間期間旋轉(zhuǎn)分配方案?；谫N磚的交織OFDMA利用測距過程來檢測和調(diào)節(jié)用戶的傳輸參數(shù)。測距能夠分為兩種類型初始測距和周期性測距。這些測距操作通過基站和用戶交互地完成。通過測距過程(初始和周期性)，能夠在可接受的原則內(nèi)調(diào)節(jié)激活用戶的時延和頻偏，基站能夠獲得激活用戶的殘留時延和頻偏的相對精確的估計。在這種測距中，使用寬松的原則帶來相對長的時延和大的頻偏，但是需要較少的測距信令。相反，使用嚴格的原則會產(chǎn)生短的時延和窄的頻偏，但需要更多的測距信令。因此，在設計魯棒的基站接收機或上行鏈路接收機中，必須解決的重要問題是如何有力和有效地消除由于多用戶殘留時延和頻偏引起的MAI(或校正MAI)，這些能夠不利地影響在基站的同步。
已經(jīng)提出大量的技術解決MAI的問題，但是每一種技術已經(jīng)產(chǎn)生新的困難或者還沒有足以解決對無線通信產(chǎn)業(yè)的需求。一種提出的解決方案應用于交織OFDMA上行鏈路同步并涉及使用帶狀(banded)干擾矩陣。該矩陣利用用戶頻偏的先驗知識構(gòu)造，校正矩陣基于最小平方(LS)算法產(chǎn)生。利用這種提出的解決方案的一個不足是沒有考慮到構(gòu)造帶狀干擾矩陣中的時延。另一個不利之處是其高的計算復雜度使得難以在具有巨大數(shù)量可用子載波的OFDMA系統(tǒng)上實現(xiàn)它。在WiMAX系統(tǒng)諸如IEEE802.16d/e所定義的系統(tǒng)中，這是重要的，因為分配給用戶的可用子載波被頻繁地更新，并且校正矩陣的高度復雜的計算對于實時傳輸變得不適用。
在另一建議的解決方案中，在OFDMA上行鏈路同步期間應用SIC(逐次干擾消除)和SPIC(選擇性并行干擾消除)算法。在這種建議下，即使不需要對矩陣求逆，也要利用信道估計器和解調(diào)器迭代上述算法。由于迭代特征，這種建議具有高的復雜度，因此難以估計，以至于不能容易地實現(xiàn)穩(wěn)定的等待時間實施。而且，在這種建議的解決方案中，不可接受地忽略了由于時延和頻偏引起的自失真。在另一建議的解決方案中，分配參考子載波給每一激活的用戶，用于上行鏈路中的同步。在這些參考子載波上發(fā)送碼分多址(CDMA)代碼?；窘邮諜C檢測所述參考子載波中的時延和頻偏，并要求激活用戶調(diào)節(jié)其下行鏈路中的傳輸參數(shù)，直到該激活用戶與基站同步。這個過程類似于上述測距過程。不幸的是，它需要長時間信令來完成用于每一用戶的同步。此外，在移動系統(tǒng)中，難以調(diào)節(jié)出變化的多普勒頻率，使得這種建議不合需要。另一建議的方法允許在各自的最接近于子頻帶(包括保護間隔)的子載波上發(fā)送上和下邊緣旁瓣消除信號。在接收機一側(cè)，在逆快速傅里葉變換(IFFT)之后，所述消除信號能夠減小MAI。這種解決方案定義了產(chǎn)生上和下旁瓣消除信號的算法，以及將其插入到保護間隔中的方式，但是，使用這種方法的問題是需要改變信號傳輸結(jié)構(gòu)，這使得該方法與標準化無線通信(諸如IEEE802.16等所定義的)不兼容。
所以，需要結(jié)合了諸如解決多用戶或SS之間MAI問題的方法的改進的上行鏈路方法和上行鏈路接收機和基站，其中MAI能夠阻止在上行鏈路接收機或基站(BS)中的精確同步。優(yōu)選地，將這種方法設計成在上行鏈路接收機(例如，OFDMA上行鏈路接收機)提供時間和頻率同步，同時使其具有低復雜度和可接受的小存儲器要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供具有低復雜度和低存儲器要求，但提供特別適合于上行鏈路接收機中交織OFDMA的有效的時間和頻率同步的方法(和相應的軟件和硬件組件)解決了上述問題。該方法通常涉及產(chǎn)生有關時間和頻率同步誤差的干擾矩陣，并且在干擾或校正矩陣中丟棄或不包括對應于未使用子載波的項目。在本發(fā)明的某些實施例中，所述校正矩陣為帶狀以及還被分割成若干較小維數(shù)的子矩陣，以減小計算復雜度和提供存儲器節(jié)約。在大多數(shù)情況下，基于最小平方(LS)算法來計算所述校正矩陣。實際上，該技術的另一優(yōu)點是當子載波分配隨時間改變時，能夠容易和迅速地更新所述校正矩陣。
本發(fā)明的方法提供了用于處理多用戶信號的同步算法。在OFDMA上行鏈路接收機(例如，基站或BS)中接收的信號是多用戶、多路復用的信號，即來自WiMAX或類似系統(tǒng)中激活用戶的信號在時域上重疊。原理上，這些用戶信號在頻率上不重疊并且能夠分離開來，即在接收機側(cè)進行OFDM解調(diào)(例如，F(xiàn)FT變換)之后。但是，由于同步誤差，諸如各種時延和頻偏，在頻城上的這些多用戶信號在OFDM解調(diào)之后顯示出太多的失真和干擾而不能可靠地分離。因此，本發(fā)明的一個目的是例如在上行鏈路接收機或BS或WiMAX網(wǎng)絡中的其它地方插入同步模塊，該模塊用于校正在從OFDM解調(diào)器發(fā)出的“多用戶”頻域信號上的這些失真和干擾。在這種同步之后，能夠執(zhí)行在頻域上進行的多用戶分離，其中利用本發(fā)明的同步方法或算法(即，通過插入的同步模塊的操作)有效地實現(xiàn)這種分離。
更具體而言，提供了一種在多用戶通信系統(tǒng)中用于同步在時域上重疊的多用戶信號的方法。該方法包括基于通信系統(tǒng)中的激活用戶，諸如接入特定OFDMA上行鏈路接收機的那些用戶的時延和頻偏信息產(chǎn)生干擾矩陣。該方法繼續(xù)接收來自所有激活用戶的重疊信號(即，多用戶信號)，將該重疊的信號或多用戶信號分割成多個決，然后，應用干擾矩陣到每一個塊。典型在分割處理之前解調(diào)該接收的多用戶信號，以及另外對其進行處理，以便丟棄識別的未使用子載波。應用干擾矩陣可以包括首先通過應用最小平方算法到干擾矩陣來產(chǎn)生校正矩陣，然后將每一個塊乘以校正矩陣。在其他實施例中，應用較小維數(shù)的矩陣以便消除干擾(諸如MAI)，在這些實施例中，通過因子分解校正矩陣形成因子分解矩陣并基于因子分解結(jié)果形成逆矩陣。然后，校正步驟(即，應用干擾矩陣)包括將來自多用戶信號的每一塊乘以這三個矩陣中的每一個矩陣。然后級聯(lián)經(jīng)校正的用戶塊以形成校正的向量信號。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供在交織OFDMA上行鏈路接收機中使用的同步設備或單元。該設備包括模塊(例如，硬件和/或軟件組件)，其被配置用于基于上行鏈路接收機正在其中工作的通信系統(tǒng)(諸如根據(jù)IEEE802.16標準配置的WiMAX系統(tǒng))中的用戶分配，通過刪除未使用的子載波處理多用戶信號向量從而產(chǎn)生多個塊。在該設備中提供另一個模塊，用于通過將每一塊乘以校正因子順序地輸出校正的塊，該因子已經(jīng)先前產(chǎn)生用于校正通信系統(tǒng)中的時延和頻偏。該設備還包括一個模塊，它級聯(lián)校正的塊以形成校正的信號向量。在某些實施例中，所述校正因子包括基于通信系統(tǒng)中激活用戶的時延和頻偏信息形成的校正矩陣。在其他實施例中，代替單個校正矩陣使用三個矩陣，這些矩陣包括干擾矩陣、因子分解矩陣、和逆矩陣。所述干擾矩陣典型為選擇用于消除諸如多用戶信號向量中MAI之類干擾的帶狀矩陣，并具有減小的維數(shù)，因為與未使用子載波相關的子信道或項沒有包括在干擾矩陣中。


圖1以方框圖的形式示例了包括基站的無線通信系統(tǒng)，諸如基于OFDMA的網(wǎng)絡或系統(tǒng)，該基站具有根據(jù)本發(fā)明配置的上行鏈路接收機；圖2示例了示意性的時間和頻率同步單元，諸如可以在圖1基站的OFDMA上行鏈路接收機中使用的單元，其結(jié)構(gòu)和操作以方框形式示出；圖3示例了本發(fā)明的同步或校正模塊的級聯(lián)實現(xiàn)，其中該模塊可以例如在圖2的時間和頻率同步單元中使用。
具體實施例方式
本發(fā)明針對用于更好處理來自多個用戶設備或用戶站(SS)的信號(諸如可以稱為多用戶信號的接入信號)的通信方法(和實現(xiàn)這些方法的組件)。為此，本發(fā)明提供了一種實現(xiàn)接收用戶信號的基站和一個或更多SS之間的聯(lián)合時間和頻率同步的技術。本發(fā)明的同步技術特別適合用于交織OFDMA無線通信系統(tǒng)，甚至更特別地用于在通信系統(tǒng)內(nèi)的基站(BS)的上行鏈路接收機中使用，該通信系統(tǒng)實現(xiàn)基于貼磚的交織OFDMA上行鏈路。為此，同步和/或校正技術通常包括校正或消除由于多用戶殘留時延和頻偏引起的多址干擾(MAI)。
圖1示例了其中可以使用本發(fā)明的同步技術的通信系統(tǒng)110。如圖所示，系統(tǒng)110包括與一個或更多公共或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡，例如因特網(wǎng)140和通信網(wǎng)絡146通信的基站或BS 120，在典型實施例中，與網(wǎng)絡140、146的鏈路是有線或無線通信鏈路，諸如IEEE802.16等中定義的在BS和網(wǎng)絡之間的那些鏈路等等(例如，WiMAX網(wǎng)絡BS鏈路)。BS 120還經(jīng)由用戶或SS信號138與SS134通信，并且再者，信號138可以是如通過標準諸如WiMAX標準IEEE802.16定義的無線的、隨機訪問信號等等。BS 120包括上行鏈路接收機124和接收機124可存取的存儲器128。上行鏈路接收機124的作用是同步信號138，為此，它包括時間和頻率同步單元126。在以下描述中參考圖2和3更詳細地討論同步單元126的操作并且這是本發(fā)明的重要方面。系統(tǒng)110的特定結(jié)構(gòu)并不限制于本發(fā)明，系統(tǒng)110通常表示代表性的WiMAX通信系統(tǒng)，諸如可以建立系統(tǒng)來以有線或無線的方式，經(jīng)由基站120為多個用戶和/或SS134提供寬帶因特網(wǎng)140或網(wǎng)絡接入或數(shù)字電視接入146。
為了實施本發(fā)明，計算機、網(wǎng)絡設備和通信設備，例如用戶/客戶機設備或用戶站(SS)和基站(BS)可以是有助于提供所描述功能的任何設備，包括眾所周知的數(shù)據(jù)處理和通信設備和系統(tǒng)，例如計算機系統(tǒng)、個人數(shù)字助理、個人計算機、膝上型計算機、和筆記本電腦及具有處理、存儲器、和輸入/輸出組件的移動計算設備，配置用于保持然后發(fā)送數(shù)字數(shù)據(jù)的服務器設備。數(shù)據(jù)典型以符合標準的有線和無線通信和傳送協(xié)議的數(shù)字格式傳送，該協(xié)議例如是TCP/IP、HTTP等等，或者IP或非IP無線通信協(xié)議諸如TCP/IP、TL/PDC-P、WSP、藍牙、IEEE802.11b、802.16(WiMAX)、和/或其他I EEE標準、和/或其他仍有待開發(fā)或發(fā)展的協(xié)議或格式，但是這并無意圖作為本發(fā)明的限制。典型的實施例被配置用于支持通信系統(tǒng)中的同步/校正(諸如MAI消除)，該系統(tǒng)實現(xiàn)IEEE802.16的基于貼磚的交織OFDMA及其測距過程，但是本發(fā)明的教導可以在其他通信系統(tǒng)中實現(xiàn)，諸如由于存在多用戶信號引起的干擾可能存在并成為問題的這些系統(tǒng)。
如在以下段落中所討論的，用于根據(jù)本發(fā)明的交織OFDMA上行鏈路接收機(諸如上行鏈路接收機124的同步單元126所提供的)的同步算法優(yōu)選地將(a)同步接收機與多用戶時延(或不對準)和頻偏；(b)考慮低復雜度和小存儲器消耗的實現(xiàn)；以及(c)提供穩(wěn)定的等待時間用于實時處理。使用根據(jù)本發(fā)明配置的上行鏈路接收機具有至少以下優(yōu)點(a)它是作為時延因子的時間和頻率聯(lián)合同步，即通過一個同步過程減輕復指數(shù)旋轉(zhuǎn)或變化和頻偏；(b)它不是迭代算法，因此能夠獲得穩(wěn)定的等待時間；和(c)與現(xiàn)有的同步和消除算法比較，本發(fā)明的建議能夠顯著地降低計算復雜度并節(jié)約存儲器消耗，同時保持可接受的性能。
在以下討論中，強調(diào)同步技術的重要方面，這些方面包括(但不限制于)(a)這些技術不僅減輕了頻偏而且還減輕了復指數(shù)旋轉(zhuǎn)；(b)這些技術丟棄了未使用的子載波，以便減小干擾矩陣的維數(shù)；(c)在某些情況下，將所述干擾矩陣分割成若干小尺寸的矩陣，并且所述技術一個一個地對其進行處理，這顯著地降低了計算復雜度并節(jié)約了存儲器使用；(d)代替輸出完整的校正矩陣，所述同步單元典型操作輸出3個矩陣，其中之一是帶狀矩陣，盡管這些輸出消耗更多的存儲器(諸如存儲器128)，但是該處理避免2個矩陣的相乘以控制復雜度。
利用在上行鏈路接收機124中包含同步單元126的通信系統(tǒng)110的這種概述和它有利的理解，現(xiàn)在將詳細描述時間和頻率聯(lián)合同步算法或方法的實施例。這種描述包括列表有用的方程以及，如將變得顯而易見的是，在交織OFDMA方面來定義，并認為這是本發(fā)明同步方法的一種有用的實現(xiàn)(例如，在用于OFDMA上行鏈路的基站的接收機中使用)。
首先考慮多用戶交織OFDMA信號模型，以給定的方式首先交織可用的子載波，然后分組成子信道，基站通過這些子信道將無線電資源沿頻率軸分配給若干同時存在的用戶或SS。為了避免頻帶泄漏，在頻帶兩個邊緣上應用虛擬的子載波并將它表示為左保護和右保護。因此，用于數(shù)據(jù)和導頻M的剩余可用子載波的數(shù)量將是M＝N-N左-N右-NDC方程1這里N是OFMD調(diào)制大小，N左是左保護大小，N右是右保護大小，以及NDC是中心頻率。
每個通信系統(tǒng)可以定義其自己的方案以(交織和)將不相交的子載波分組成子信道(例如，若干不相交物理子載波的邏輯組)。利用頻率分集，可用子載波的每個子信道(Ωi)具有相同數(shù)量的均勻分布在整個頻帶上的不相交子載波(N子載波)。而且，一些系統(tǒng)考慮丟棄一些“不良的”子信道。
Ωm∩Ωn＝0，m≠n 方程2這里，N子信道是所使用子信道的總數(shù)以及N丟棄是丟棄子信道的數(shù)量，從而M能夠通過以下方程給出M＝N子信道N子載波+N丟棄N子載波方程3這里，Ωi(k)表示為分配第i個子信道給第k個用戶，以及Ω(k)=∪iΩi(k)]]>指定用于第k個用戶的子信道組。
在上行鏈路中，根據(jù)以下方程，激活用戶k輸出其信號(α(k))到分配給它的子信道(Ω(k))上，以及分配零給其他的子信道 方程4沒有同步誤差和白噪聲，在時域上從第k個用戶所接收的OFDM符號通過以下方程給出R(k)[n]=1N·Σm=-M2M2Sm(k)·Hm(k)·ej2π·m·nN]]>方程5
這里，Hm(k)是從用戶k到基站的信道的第m個子載波上的信道響應，以及n是采樣指數(shù)。
在時域上在基站的接收機多路復用來自Nuser個用戶的信號R[n]=Σk=0Nuser-1R(k)[n]=1N·Σk=0Nuser-1Σm=-M2M2Sm(k)·Hm(k)·ej2π·m·nN]]>方程6現(xiàn)在，可以有利于討論異步信號模型。由于多用戶不對準，在上行鏈路中存在時延R(k)[n-τk]=1N·Σm=-M2M2Sm(k)·Hm(k)·ej2π·m·nN·e-j2π·m·τkN]]>方程7這里τk是從用戶k到基站的上行鏈路上的歸一化時延。
多路復用的信號然后變成R[n]=Σk=0Nuser-1R(k)[n-τk]=1N·Σk=0Nuser-1Σm=-M2M2Sm(k)·Hm(k)·ej2π·m·nN·e-j2π·m·τkN]]>方程8關于這個異步信號模型的頻偏，假設第k個用戶發(fā)送機和其基站接收機之間的頻偏Δf(k)已經(jīng)在(-0.5ΔF，+0.5ΔF)的范圍內(nèi)同步，這里ΔF是測距過程中子載波間隔，從用戶或SS接收的信號能夠表示為R[n]=1N·Σk=0Nuser-1ej2π·ξ(k)·nNΣm=-M2M2Sm(k)·Hm(k)·ej2π·m·nN·e-j2π·m·τkN]]>方程9這里ζ(k)是歸一化的頻偏(ζ(k)＝Δf(k)/ΔF，-0.5＜ζ(k)＜0.5)。
本實施例的同步方法或算法現(xiàn)在可以繼續(xù)產(chǎn)生干擾矩陣(Γ)。在OFDM解調(diào)之后(例如在大多數(shù)情況下采用N點FFT變換)，第1個子載波的信號(r1)通過以下方程給出r1=Σm=-M2M2Σk=0Nuser-1Sm(k)·Hm(k)N(Σn=0N-1ej2π(l-m)-ζ(k)Nn)·e-j2π·m·τkN]]>方程10如果我們現(xiàn)在讓I(m,l)=1N·Σn=0N-1ej2π(l-m)-ξ(k)Nn·e-j2πm·τkN,k=argk(l∈Ωk)]]>則方程10變?yōu)?
r1=Σm=-M2M2Σk=0Nuser-1Sm(k)Hm(k)·I(m,l)]]>方程11從方程4，可以得知Σk=0Nuser-1Sl(k)·Hl(k)=al·Hl(8)]]>和g=argg(l∈Ω8)]]>(用戶編號g，為其分配的子載波組包括子載波1)rl=Σm=M2M2Σk=0Nuser-1Sm(k)·Hm(k)·I(m,l)=al·Hi(argg(l∈Ωg))·I(l,l)+Σm=M2,m≠lM2am·Hm(argk(m∈Ω(k)))·I(m,l)]]>方程12上述方程的第一項解釋為由于時延和頻偏聯(lián)合引起的自失真(自干擾)，第二項認為是其他子載波產(chǎn)生的干擾。然后，如果我們讓B=[r0,r1,......,rM-1]1×MT]]>和A=[a0·H0(argk(o∈Ω(k))),a1·H1(argk(1∈Ω(k))),......,aM-1·HM-1(argK(M-1∈Ω(K)))]1×MT]]>以及干擾矩陣ΓM×M，其第(m，1)個元素是I(m，1)。
最后，頻域的接收信號的向量表示是B＝ΓA+N 方程13這里頻域白噪聲向量N=[n0,n1,......,nM-1]1×MT]]>以及nm是第m個子載波的白噪聲。
同步方法或算法然后繼續(xù)產(chǎn)生校正矩陣。根據(jù)估計理論，本發(fā)明應用最小平方(LS)算法到方程13。校正矩陣∏由以下推導得出∏＝ΓH(ΓΓH)-1方程14以及校正的信號向量A’是A’＝∏B 方程15所述同步方法可以通過方程15所述實現(xiàn)，但是在某些情況下，希望進一步優(yōu)化干擾矩陣的產(chǎn)生。這可以在某些實施例中通過丟棄未使用的子信道完成。例如，在某些通信系統(tǒng)中，例如基于IEEE802.16(即，802.16d/e)的系統(tǒng)，在一個上行鏈路幀發(fā)送期間丟棄一些子信道(參見方程2)。在方程13中沒有必要取未使用的子信道項。因此，能夠?qū)⒎匠?3的向量維數(shù)從M減小到M’＝N子載波N子信道(M＝M’+N丟棄N子載波，見方程3)。
在其他情況下，能夠簡化輸入項計算以優(yōu)化干擾矩陣的產(chǎn)生或至少減小其計算復雜度。根據(jù)I(m，1)的定義，該矩陣的每一項是N個復數(shù)的和。幸運的是，I(m，1)能夠簡化為I(m,l)=sin(π(m-l-ξ(k)))Nsin(πN(m-l-ξ(k)))·e-jπ(1-1N)(m-l-ξ(k))·e-j2πm·τkN,k=argk(l∈Ω(k))]]>方程16另一種通過降低計算復雜度和節(jié)約存儲器以優(yōu)化產(chǎn)生干擾矩陣的技術是使干擾矩陣Γ成帶狀。這是因為這種事實，即第1個子載波對第m個子載波所產(chǎn)生的干擾功率在頻率軸上以距離(|1-m|)的函數(shù)顯著地降低。
方程17在其他實施例中，可以期望進一步改進同步方法，這可通過優(yōu)化或改進逆矩陣而實現(xiàn)。例如，和干擾矩陣一樣，使逆矩陣為帶狀可能是有用的。如上所討論，逆矩陣Θ＝ΓΓH是頻帶為d的帶狀矩陣，以及d的選擇主要通過網(wǎng)絡配置情形執(zhí)行。折衷的是如利用較大的d則增加性能，但存在更大的復雜度。定性地，能夠選擇相對大的d用于無線系統(tǒng)，其中大多數(shù)的用戶是快速移動的和/或子載波間隔相當?shù)恼?參見方程9)。在一種實現(xiàn)中，優(yōu)選為使用d＝4。例如，在IEEE 802.16d/e實現(xiàn)中，頻帶d＝4是有利的，因為這種實現(xiàn)中的貼磚結(jié)構(gòu)在頻域上具有4個子載波。
在其他情況下，可能期望分割逆矩陣成兩個或更多較小維數(shù)的矩陣以減小計算復雜度。如上所述，逆矩陣Θ＝ΓΓH的計算復雜度和存儲器消耗將增加由使用的子載波數(shù)量所確定的矩陣維數(shù)。例如，在示意性的最差情況下，在IEEE802.16d系統(tǒng)中使用最大1680個子載波，以及每3個OFDM符號持續(xù)時間就上載一次它的分配方案。對巨大維數(shù)的帶狀矩陣求逆的復雜度和存儲器使用使得在實時系統(tǒng)上進行實現(xiàn)成為問題。記住，一種替換是分割逆或求逆矩陣Θ成若干小維數(shù)的矩陣Θ=ΘP×P0ΘP×P1·····ΘP×Pu-1ΘL×LM′×M′]]> 方程18所以，Θ的逆矩陣能夠如下近似為
Θ-1≈(ΘP×P0)-1(ΘP×P1)-1·····(ΘP×Pu-1)-1(ΘL×L)-1M′×M′]]>方程19圖2示出了用于實現(xiàn)本發(fā)明同步和其他技術的一個有用的同步結(jié)構(gòu)。具體而言，該示例的結(jié)構(gòu)通過提供同步單元或元件(例如，參見圖1的單元124和126)可以用于實現(xiàn)上行鏈路接收機。在圖2中，可以提供時間和頻率同步單元210作為OFDMA接收機的一部分或作為通信系統(tǒng)中的獨立組件。同步單元210可操作用于接收用戶信號214，例如接收信號214是來自一個或若干SS或客戶機設備的重疊信號，并處理這些信號214以校正接收的多用戶信號214中的干擾，例如MAI。從同步單元210輸出經(jīng)校正的信號或校正的信號向量218，并且典型地，將其提供給與單元210和用戶或SS相關的上行鏈路接收機(在圖2中未示出)。
同步單元210示為包括大量的模塊(即，模塊1-8)，它們提供本發(fā)明同步方法的功能或一部分。這些模塊可以通過使用提供所述功能的硬件組件和/或軟件而實現(xiàn)。正如所示例，該同步單元包括第一模塊220，用于接收用戶信號214并輸出解調(diào)的信號224到第二模塊230，在大部分實施例中，這涉及到應用OFDM解調(diào)給用戶信號214(參見例如方程1到10)。第二模塊230和第三模塊240可以接入或接收同步單元210(或其相關的上行鏈路接收機)支持的所述通信系統(tǒng)的多用戶方案246作為輸入。
第二模塊230基于分配方案處理調(diào)制的信號224，以丟棄任何未使用的子載波和/或分段，這有助于優(yōu)化以后的在第四模塊250中的干擾矩陣產(chǎn)生(例如，參見以上通過在方程13中不引入在上行鏈路幀發(fā)送期間丟棄的子信道來優(yōu)化干擾矩陣產(chǎn)生的討論)。已被模塊230調(diào)制和處理的用于流水線處理的用戶信號232傳送到用于消除干擾(諸如MAI)的第四模塊250，即在模塊220的OFDM解調(diào)之后，從信號向量中丟棄未使用的子載波。其剩余的子載波被分割成u個P個子載波的塊和1個L個子載波的塊(在方程18中)。塊232被連續(xù)地饋送到同步模塊250，其中在三個子矩陣262、272、282中，通過模塊260、270、280將每一個塊(向量)乘以正如在圖2中以示例提供的它的相應校正矩陣。然后，這些校正的塊256饋送到最后的模塊或第八模塊290，在該模塊中級聯(lián)所述的塊成為從同步單元210輸出的信號向量或校正的信號向量218。
第五模塊260接收干擾矩陣248。利用激活用戶的時延242和頻偏244以及多用戶分配方案246的知識，由同步單元210的第三模塊240產(chǎn)生干擾矩陣248(參見時延方程7和8以及頻偏方程9，和方程16所產(chǎn)生的)。如參考方程17所討論的，在丟棄對應于未使用子載波的項之后，模塊260可進行操作使得干擾矩陣248為帶狀。輸出到第六模塊270的矩陣268(例如，參考方程18討論的若干較小維數(shù)的矩陣)是帶狀的并被分割成u個P×P維的帶狀矩陣和1個L×L維的帶狀矩陣。第六模塊270還用來因子分解矩陣268并輸出分解結(jié)果274到產(chǎn)生逆矩陣的第七模塊280，如參考方程19所討論的。然后，如圖所示，對應于帶狀干擾矩陣Γj(如在248所示)的帶狀的校正矩陣Θj能夠通過3個矩陣(Γj)H、(Lj)-1、和(Uj)-1輸出(如在來自模塊260、270、280的262、272、282所示)。
如圖3所示，能夠?qū)⑿ＵK350，諸如圖2的模塊250變成級聯(lián)的等效結(jié)構(gòu)以極大地降低計算復雜度。如圖所示，分割的用戶塊332(諸如圖2的模塊220和230所產(chǎn)生的)具有三個以級聯(lián)方式應用的校正矩陣360、370、380，其輸出374、374被饋送到下一個校正模塊或矩陣，直到從校正單元輸出校正的用戶塊356(諸如用于進一步處理，包括如圖2所示的級聯(lián))。應該注意到，(Γj)H是帶狀矩陣，在第三校正矩陣或模塊380中(Γj)H的相乘可簡化或減小復雜性。如圖所示，通過因子分解矩陣360、逆矩陣370，以及然后通過干擾矩陣380級聯(lián)分割的用戶塊，不需要相乘兩個矩陣來執(zhí)行校正。
盡管已經(jīng)以一定程度的特殊性描述和示例了本發(fā)明，但是應該明白本發(fā)明公開的內(nèi)容僅僅通過實例的方式給出，本領域的普通技術人員在不背離如以下請求保護的本發(fā)明精神和范圍的情況下，能夠采用部件的組合和安排中的大量變化。
權(quán)利要求
1.一種在多用戶通信系統(tǒng)中用于同步在時域上重疊的多個用戶信號的方法，該方法包括基于所述多用戶通信系統(tǒng)中的激活用戶的時延信息和頻偏信息產(chǎn)生干擾矩陣；接收來自該激活用戶的多用戶信號；將該多用戶信號分割成多個塊；以及應用所述干擾矩陣到每一個塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在分割所述多用戶信號之前，解調(diào)接收的多用戶信號，識別解調(diào)的多用戶信號中未使用的子載波，和丟棄未使用的子載波。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，應用干擾矩陣包括通過對該干擾矩陣應用最小平方算法來產(chǎn)生校正矩陣，然后將每一個塊乘以該校正矩陣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，應用干擾矩陣包括將每一個塊乘以所述干擾矩陣。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括通過因子分解從所述干擾矩陣產(chǎn)生的校正矩陣產(chǎn)生因子分解矩陣，該方法還包括將每一個塊乘以因子分解矩陣。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括基于校正矩陣的因子分解產(chǎn)生逆矩陣，該方法還包括將每一個塊乘以該逆矩陣。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括在乘以所述矩陣之后，級聯(lián)所述塊以產(chǎn)生經(jīng)校正的信號向量。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述干擾矩陣是帶狀矩陣，其中其頻帶被選擇以減小計算的復雜度。
9.一種在多用戶、交織正交頻分多址(OFDMA)上行鏈路接收機中所使用的時間和頻率同步的方法，包括產(chǎn)生用以校正與上行鏈路接收機相關的激活用戶的時延和頻偏的校正因子；對來自所述激活用戶的信號向量執(zhí)行正交頻分多路復用(OFDM)解調(diào)；通過丟棄解調(diào)信號向量中未使用的子載波，從該解調(diào)的信號向量中產(chǎn)生一組塊；以及將每一個塊乘以所述校正因子。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述校正因子包括一組矩陣，該矩陣包括基于時延和頻偏產(chǎn)生的干擾矩陣，將每一個塊乘以所述校正因子包括將每一個塊乘以每一個矩陣。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，該組矩陣還包括基于所述干擾矩陣產(chǎn)生的因子分解矩陣。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，該組矩陣還包括基于所述因子分解矩陣產(chǎn)生的逆矩陣。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，通過丟棄未使用的子載波而減小所述干擾矩陣的維數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述干擾矩陣是具有頻帶＝4以減小計算復雜度的帶狀矩陣。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括在乘以每一個塊之后，級聯(lián)這些塊以產(chǎn)生經(jīng)校正的信號向量。
16.一種用于在無線數(shù)字通信系統(tǒng)中使用的交織OFDMA上行鏈路接收機的同步設備，包括基于所述通信系統(tǒng)中的用戶分配，通過刪除未使用的子載波，處理多用戶信號向量以產(chǎn)生多個塊的模塊；通過將每一個塊乘以所產(chǎn)生的校正因子以同時校正通信系統(tǒng)中的時延和頻偏從而順序地輸出校正塊的模塊；和將校正的這些塊級聯(lián)以產(chǎn)生校正的信號向量的模塊。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的設備，其中，所述校正因子包括基于所述通信系統(tǒng)中激活用戶的時延和頻偏產(chǎn)生的干擾矩陣。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設備，其中，所述校正因子還包括因子分解矩陣，該矩陣通過因子分解從干擾矩陣產(chǎn)生的校正矩陣形成，還包括基于校正矩陣的因子分解形成的逆矩陣，輸出校正塊的所述模塊將每一個塊乘以所述干擾矩陣、因子分解矩陣、和逆矩陣。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設備，其中，所述干擾矩陣是配置用于消除用戶信號向量中多址干擾的帶狀矩陣。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設備，其中，所述干擾矩陣不包括與未使用的子載波相關的項。
全文摘要
提供一種用于同步多用戶通信系統(tǒng)中多個用戶信號的方法、實現(xiàn)這種方法的組件?；诮尤隣FDMA上行鏈路接收機的激活用戶的時延和頻偏信息產(chǎn)生干擾矩陣。從該激活用戶接收用戶信號，并將它們分割成塊，對每一個塊應用所述干擾矩陣。OFDM解調(diào)該接收的用戶信號并丟棄未使用的子載波。典型地，該方法還包括對用戶信號塊應用通過因子分解從干擾矩陣產(chǎn)生的校正矩陣而形成的因子分解矩陣，以及基于因子分解結(jié)果形成的逆矩陣，例如所述校正步驟包括將來自用戶信號的每一個塊乘以這三個矩陣中的每一個矩陣。然后級聯(lián)校正的用戶塊以形成校正的向量信號。
文檔編號H04L5/02GK101030955SQ20061000935
公開日2007年9月5日 申請日期2006年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月28日
發(fā)明者葛屹群, 史無限, 杜鵑 申請人:世意法(北京)半導體研發(fā)有限責任公司