CN1174592C - 基于正交频分多址的数据通信设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于正交频分多址(OFDMA)的数据通信设备和数据通信方法。在该数据通信设备中，用于将相应用户信息发送到一个基站部分的U个用户发射单元中的第u用户发射单元内的第(U+1)编码器对用户信息进行编码，并输出编码结果作为N_u个第u用户码元。根据公式X_k ^(u)=α_k%Nu ^(u)exp(j2πknu /N)，利用从第(U+1)编码器接收的第u用户码元A_m ^(u)，一个用户信号发生器产生时域内的第u用户信号x_k ^(u)。第二循环扩展码元插入器将循环扩展码元插入第u用户信号。第二信号发射机将插入结果转换为码元块信号，并将该码元块信号发送到基站部分。在此，1≤N_U≤N。因此，可以有选择地大大简化用户部分的硬件。在给定信道环境下，可以提高通信效率。此外，具有不同复杂程度的不同类型用户部分可以采用一种数据格式与一个基站部分进行通信。

Description

基于正交频分多址的数据通信设备和方法

技术领域

本发明涉及数据通信，更具体地说，本发明涉及基于正交频分多址(OFDMA)的数据通信设备和数据通信方法。

背景技术

在基于OFDMA的常规数据通信过程中，以如下方式，以数据码元块为单位，将信息从基站发送到用户部分。首先，对待发送的信息进行N点离散傅立叶反变换(IDFT)或N点快速傅立叶反变换(IFFT)(N表示待分配到用户的码元总数)。发送通过在具有变换信息的主码元序列之前附加一个循环前缀而产生的码元块。结果，在基于OFDMA的常规数据通信过程中，将整个频带分割为N个小频带(或副载波)，并通过每个副载波发射单个数据码元。

在基于OFDMA的常规数据通信过程中，以如下方式，根据从用户部分接收的信号，基站推导出用户码元。首先，找到各码元块的起始点，并消除循环前缀。然后，对N个采样进行N点DFT或N点FFT以将N个采样转换为频域内的一个信号。接着，对由于共用信道而在各频率产生的信号失真进行补偿，并检测数据。在此，附加一个循环前缀以防止由于共用信道而产生块间干扰，并且循环前缀需要比信道的脉冲响应长。在此，为了提高基于OFDMA的常规数据通信过程的效率，N的值应尽可能大。然而，随着N值的增大，FFT/IFFT的硬件规模也要增大，因此难以实现基于OFDMA的常规数据通信过程。

在基于OFDMA的常规数据通信过程中，当多个用户同时进行通信时，为了建立多址连接，对每个用户分配所需的多个频率或副载波。因此，每个用户部分仅利用某些频率发送数据码元，而剩余频率不用于数据传输。即使在仅以某些频率发送数据的情况下，基于OFDMA的常规数据通信的每个用户部分仍必须进行N点IFFT和N点FFT，这样导致不必要的硬件浪费。

在多媒体无线通信环境下，从低速语音业务到高速数据业务各种速度和特性共存，包括用户发射单元和用户接收单元的用户部分，即用户终端根据其价格和用途仅提供有限的业务。例如，低价终端仅可以提供低速数据业务，如语音业务，而高价终端可以提供高速数据业务和视频图像业务。因此，尽管为了提高多媒体无线通信环境下的通信效率，应该将N设置得大些，但是对于低速终端，可以将N设置得小些。然而，基于OFDMA的常规数据通信使终端的硬件和设计复杂化了。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的第一个目的是提供一种基于正交频分多址(OFDMA)的数据通信设备，该设备可以根据信息传输速度简单、可变地实现用户发射单元和用户接收单元。

本发明的第二个目的是提供一种基于OFDMA的数据通信方法，利用这种基于OFDMA的数据通信设备实现该方法。

为了实现本发明的第一个目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于OFDMA的数据通信设备，该数据通信设备包括用于为至少一个用户发送用户信息的一个基站发射单元。该基站发射单元包括：第一至第U编码器，其中第u个(其中1≤u≤U，U表示用户数)编码器对用户信息进行编码，并输出编码结果作为N_u个第u用户码元(其中N_u是对第u个用户分配的码元数)；一个频率分配器，用于分别对从第一至第U编码器接收的用户码元分配不同频率，并输出分配结果；第一傅立叶反变换器，用于对从频率分配器接收的分配结果进行N点傅立叶反变换器(其中N是可以对U个用户分配的码元总数)；第一循环扩展码元插入器，用于将循环扩展码元插入傅立叶反变换结果内；以及第一信号发射机，用于将插入结果转换为码元块信号，并将码元块信号发送到用户。N1至N_U之和不超过N。

数据通信设备还包括一个用户接收单元，用户接收单元接收基站发射单元发射的码元块信号，并对接收码元块信号中的第u用户码元进行估计。用户接收单元包括：第二信号接收机，用于将接收的码元块信号转换为码元块，并输出该码元块；第二预处理器，用于寻找从第二信号接收机接收的码元块的起始点，根据该起始点，从码元块中消除循环扩展码元，并输出消除结果r_k(其中k表示时间指数，并且0≤k≤N-1)；用户信号提取器，用于根据公式 $R_n^{\left(u\right)}={\mathrm{BA}}_m^{\left(u\right)}{H}_n^{\left(u\right)}+N_n^{\′},$ 其中n是频率指数并且0≤n≤N_n-1、B表示规模控制因数、H_n ^(u)表示频域内的信道特性、以及N’_u表示频域内的噪声特性，从第二预处理器输出的结果r_k中提取第u用户的频域信号R_n ^(u)；第二均衡器，用于消除从用户信号提取器接收的信号R_n ^(u)中的信道间干扰；以及第二估计值检波器，用于从第二均衡器输出的消除结果中检测第u用户码元A_m ^(u)的估计值

为了实现本发明的第一个目的，根据本发明的另一个方面，提供了一种基于OFDMA的数据通信设备，该数据通信设备包括U个用户发射单元，其中各用户发射单元将用户信息发送到一个基站部分。U个用户发射单元中的第u用户发射单元(1≤u≤U)包括：第(U+1)编码器，用于对用户信息进行编码，并输出编码结果作为N_u个第u用户码元(其中N_u是对第u用户分配的码元数)；用户信号发生器，根据公式 $x_k^{\left(u\right)}=a_{k\%N_u}^{\left(u\right)}\exp (j2\mathrm{\πk}{n}_u/N),$ 利用从第(U+1)编码器接收的第u用户码元A_m ^(u)(其中0≤m≤N_u)产生时域内的第u用户信号x_k ^(u)，并输出产生的第u用户信号x_k ^(u)，其中0≤k≤N-1，N是可以对U个用户分配的码元总数，并且至少是N₁至N_U之和，k％N_u表示“k”被N_u除时的余数，a_k ^(u)表示对N_u个用户码元A_m ^(u)进行傅立叶反变换的结果，n_u表示对第u用户分配的频偏数；第二循环扩展码元插入器，用于将循环扩展码元插入第u用户信号；以及第二信号发射机，用于将插入结果转换为码元块信号，并将该码元块信号发送到基站部分。在此，1≤N_U≤N。

该数据通信设备还包括一个基站接收单元，该基站接收单元用于接收U个用户发射单元中的各用户发射单元发射的码元块信号，并根据接收的码元块信号，估计第u用户码元。基站接收单元包括：第一信号接收机，用于将接收的码元块信号转换为码元块，并输出该码元块；第一预处理器，用于寻找从第一信号接收机接收的码元块的起始点，根据该起始点，从码元块中消除循环扩展码元，并输出消除结果r_k；第一傅立叶变换器，用于对从第一预处理器接收的消除结果r_k进行N点傅立叶变换；第一均衡器，用于消除从第一傅立叶变换器接收的傅立叶变换结果中的信道间干扰；以及第一估计值检波器，用于从第一均衡器输出的消除结果中检测第u用户码元A_m ^(u)的估计值。

为了实现本发明的第二个目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于OFDMA的数据通信方法，利用该方法，数据通信设备的基站发射单元将用户信息发送到一个或多个用户。该数据通信方法包括以下步骤：对U条用户信息中的各用户信息进行编码以获得各用户的N_u个用户码元；对各用户的相应用户码元分配不同频率；对频率分配结果进行傅立叶反变换；将循环扩展码元插入傅立叶反变换结果；以及将插入结果转换为码元块信号，并将码元块信号发送到用户。

为了实现本发明的第二个目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于OFDMA的数据通信方法，利用该方法，数据通信设备的第u个用户发射单元将用户信息发送到基站部分。该数据通信方法包括步骤：对用户信息进行编码以获得N_u个第u用户码元；根据公式 $x_k^{\left(u\right)}=a_{k\%N_u}^{\left(u\right)}\exp (j2\mathrm{\πk}{n}_u/N),$ 利用第u用户码元A_m ^(u)产生时域内的第u用户信号x_k ^(u)；将循环扩展码元插入第u用户信号；以及将插入结果发送到基站部分作为码元块信号。

为了实现本发明的第二个目的，根据本发明的又一个方面，提供了一种基于OFDMA的数据通信方法，利用该方法，数据通信设备的基站接收单元根据接收的码元块信号估计第u个用户码元。该数据通信方法包括以下步骤：将接收的码元块信号转换为码元块；寻找码元块的起始点，并根据该起始点，消除该码元块内的循环扩展码元；对消除循环扩展码元后的消除结果r_k进行N点傅立叶变换；消除傅立叶变换结果的信道间干扰；以及从消除信道间干扰的结果中检测第u个用户码元A_m ^(u)的估计值。

为了实现本发明的第二个目的，根据本发明的又一个方面，提供了一种基于OFDMA的数据通信方法，利用该方法，数据通信设备的用户接收单元根据接收的码元块信号估计第u个用户码元。该数据通信方法包括以下步骤：将接收的码元块信号转换为码元块；寻找码元块的起始点，并根据此起始点，消除码元块中的循环扩展码元；从消除循环扩展码元的消除结果r_k中提取信号R_n ^(u)；消除信号R_n ^(u)内的信道间干扰；以及从消除信道间干扰的结果中检测第u用户码元A_m ^(u)的估计值

为了实现本发明的第二个目的，根据本发明的又一个方面，提供了一种基于OFDMA的数据通信方法，利用该方法，可以在数据通信设备内获得频偏数。该数据通信方法包括以下步骤：(a)以L_u升序排列用户；(b)初始化用户指数“u”和频偏数；(c)将用户指数“u”增加1，获得满足 $\underset{i=1}{\overset{u-1}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i^{-1}=\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{b}_l{2}^{-l}$ 的值b₁∈{0，1}，并利用

获得频偏数；以及(d)确定用户指数“u”是否小于用户数，并且如果确定用户指数“u”小于用户数，则进入步骤(c)。

附图说明

通过参考附图详细说明本发明的优选实施例，本发明的上述目的和优势将变得更加明显，附图包括：

图1示出根据本发明一种基于正交频分多址(OFDMA)的数据通信设备的示意框图；

图2示出用于说明帧、时隙以及码元块之间关系的数据格式；

图3示出图2所示码元块的格式；

图4示出根据本发明的基站发射单元的框图；

图5示出根据本发明利用图4所示的基站发射单元实现的一种数据通信方法的流程图；

图6示出根据本发明的用户发射单元的框图；

图7示出根据本发明利用图6所示的用户发射单元实现的一种数据通信方法的流程图；

图8示出图4和图6所示的第一信号发射机和第二信号发射机的一般实例的框图；

图9示出根据本发明的基站接收单元的框图；

图10示出根据本发明利用图9所示的基站接收单元实现的一种数据通信方法的流程图；

图11示出根据本发明的用户接收单元的框图；

图12示出根据本发明利用图11所示的用户接收单元实现的一种数据通信方法的流程图；

图13示出图9和图11所示的第一信号接收机和第二信号接收机的一般实例的框图；

图14示出根据本发明用于获得频偏数的数据通信方法的流程图；

图15示出在4个用户以同样速度同时发送信息的频域内的码元；以及

图16示出在4个用户以不同速度同时发送信息时的频域内的码元。

具体实施方式

以下将参考附图说明根据本发明的基于正交频分多址(OFDMA)数据通信设备的配置和操作。

图1示出根据本发明基于OFDMA的数据通信设备的示意框图。该数据通信设备包括：用户部分10，具有用户发射单元12和用户接收单元14；以及基站部分20，具有基站接收单元22和基站发射单元24。

有多少个用户就有多少个用户部分10与基站部分20进行通信。所有各用户部分10以如下方式与基站部分20进行通信。

请参考图1，根据本发明的数据通信设备的用户发射单元12，以包括至少一个主码元和至少一个附加循环扩展码元的码元块为单位，将以用户码元形式编码的用户信息发送到基站接收单元22。基站接收单元22以码元块为单位接收一个或多个用户发射单元12分别发射的用户信息，并利用接收到的用户信息估计用户部分10发射的用户码元。

以包括至少一个主码元和至少一个附加循环扩展码元的码元块为单位，根据本发明的数据通信设备的基站发射单元24将特定用户的信息发送到相应用户接收单元14。在此，用户接收单元14以码元块为单位接收基站发射单元24发射的信息，并对接收信息内有关特定用户的码元进行估计。

以下将参考附图说明在图1所示的用户部分10与基站部分20之间所发射和接收的信息的格式。

图2示出说明帧、时隙以及码元块之间关系的数据格式。参考图2，单位帧30包括至少一个时隙。单位时隙32包括至少一个码元块。当根据本发明的数据通信设备和方法在用户部分10与基站部分20之间发射和接收信息时，可以将一个码元块34分配给一个用户或同时分配给多个用户。亦即，根据本发明，码元块34的分配并不固定在一个帧内，但是对于各码元时隙不同。

图3示出图2所示码元块34的格式。码元块34包括循环扩展码元40和44以及主码元42。

参考图3，码元块34包括N个主码元(N是可以分配到所有用户的码元总数，即副载波总数)42和N_p个循环扩展码元(N_p是1或大于1的整数)40。码元块34还可以包括N_q个循环扩展码元(N_q是1或大于1的整数)44。换句话说，通常必须将循环扩展码元40附加到码元块34的前部，但是可以省略附加在码元块34后部的循环扩展码元44。将N个主码元42中的后N_p个主码元拷贝到码元块34的前部以形成循环扩展码元40，如箭头46所示，并将N个主码元42中的头N_q个主码元拷贝到码元块34的后部以形成循环扩展码元44，如箭头48所示。在此，如果将表示主码元42数量的N设置为以2为底的指数值(即：N∈{2^n’|n’＝1，2，3，...})，则更容易实现根据本发明的数据通信设备。在此，将循环扩展码元40或44的长度N_p或N_q设置为等于或大于信道脉冲响应的长度。当多个用户部分发射的多条用户信息未同时到达基站部分时，到达时间差就包含在循环扩展码元40或44内。

以下将参考附图说明根据本发明的基站发射单元24的一个优选实施例的配置和运行过程，以及这种基站发射单元24将相应用户信息发送到用户接收单元14的数据通信方法。

图4示出根据本发明的基站发射单元24的方框图。基站发射单元24包括：第一至第U编码器60至62、频率分配器64、第一傅立叶反变换器66、第一循环扩展码元插入器68以及第一信号发射机70。

图5示出根据本发明用于传输用户信息的、由图4所示基站发射单元24实现的数据通信方法的流程图。在步骤90和92，对通过编码用户信息获得的各用户码元分配频率。在步骤94至98，将循环扩展码元插入对被分配频率的用户码元进行傅立叶反变换获得的结果获得码元块，然后发送码元块。

图4所示的基站发射单元24用于将相应用户信息发送到至少一个用户接收单元14。为此，在步骤90，第一至第U编码器60至62对通过相应输入端IN₁至IN_U接收的U条用户信息进行编码，并且第一至第U编码器60至62分别将编码结果输出到频率分配器64作为各用户的N_u个用户码元A_m ^(u)。在此，N_u是对第U用户分配的码元数，“u”是用户指数，并且1≤u≤U，0≤m≤N_u。当1≤N_u≤N，N₁至N_U之和不大于N，并且将N设置为以2为底的指数值(如公式(1)所示)时，则可以非常容易地实现根据本发明的数据通信设备。此外，还可以将N_u设置为以2为底的指数，如公式(1)所示。

N∈{2^n’|n’＝1，2，3，...}，N_u∈{2^n’|n’＝1，2，3，...}       ...(1)

例如，作为编码器60至编码器62之一的第u编码器对通过输入端IN_u以位形式接收的用户信息进行编码，并将编码结果作为第u个用户的N_u个用户码元A_m ^(u)输出到频率分配器64。

完成步骤90之后，在步骤92，根据公式(2)，频率分配器64对第一至第U编码器60至62为所有用户输出的N_u个用户码元A_m ⁽¹⁾至N_u个用户码元A_m ^(U)分配不同频率S_u，并将分配结果输出到第一傅立叶反变换器66。

S_u＝{n|n＝mL_u+n_u}                        ...(2)

其中，L_u是N/N_u，n_u表示对第u用户分配的频偏数。

为了实现步骤92，频率分配器64包括第一开关单元80和第一控制器82。根据从第一控制器82接收的第一控制信号C1，第一开关单元80选择从第一至第U编码器60至62接收的编码结果之一，并将选择编码结果作为频率分配结果X_n(由公式(3)计算)输出到第一傅立叶反变换器66。

$X_n=\underset{u=1}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{X}_n^{\left(u\right)}---\left(3\right)$

其中“n”是频率指数，并且0≤n≤N-1。在公式(3)中，仅在n＝mL_u+n_u时，X_n ^(u)＝A_m ^(u)，否则为0。根据L_u和n_u，第一控制器82产生第一控制信号C1，并将此第一控制信号C1输出到第一开关单元80。

完成步骤92之后，在步骤94，第一傅立叶反变换器66对从频率分配器64接收的频率分配结果X_n进行N点傅立叶反变换，并将N点傅立叶反变换结果输出到第一循环扩展码元插入器68。

完成步骤94之后，在步骤96，第一循环扩展码元插入器68将循环扩展码元40或循环扩展码元40和44插入从第一傅立叶反变换器66接收的N点傅立叶反变换结果中，并将插入结果输出到第一信号发射机70。

完成步骤96之后，在步骤98，第一信号发射机70将从第一循环扩展码元插入器68接收的插入结果转换为码元块信号，并将此码元块信号发送到用户接收单元14。

以下将参考附图说明根据本发明的用户发射单元12的优选实施例的配置和运行过程以及用户发射单元12将用户信息发送到基站接收单元22的数据通信方法。

图6示出根据本发明的用户发射单元12的方框图。用户发射单元12包括第(U+1)编码器100、用户信号发生器102、第二循环扩展码元插入器104以及第二信号发射机106。

图7示出根据本发明由图6所示的用户发射单元12将用户信息发送到基站接收单元22的数据通信方法的流程图。在步骤120和122，根据通过编码用户信息获得的用户码元产生用户信号。在步骤124和126，发射通过将循环扩展码元插入产生的用户信号获得的码元块。

图6所示的、包括在U个用户部分中的第u用户部分10内的用户发射单元12将相应用户信息发送到基站接收单元22。为此，在步骤120，第(U+1)编码器100对通过输入端IN_U+1接收的用户信息进行编码以产生正交振幅调制码元(QAM)或移相键控(PSK)码元，并将编码结果输出到用户信号发生器102作为第u用户的N_u个用户码元A_m ^(u)。

完成步骤120之后，在步骤122，在公式(2)表示的频率分配情况下，如公式(4)所示，根据从第(U+1)编码器100接收的第u用户的N_u个用户码元A_m ^(u)，用户信号发生器102产生时域内的第u用户信号x_k ^(u)，并将产生的第u用户信号x_k ^(u)输出到第二循环扩展码元插入器104。

$x_k^{\left(u\right)}=a_{k\%N_u}^{\left(u\right)}\exp (j2\mathrm{\πk}{n}_u/N)---\left(4\right)$

其中0≤k≤N-1，k％N_u表示“k”被N_u除时的余数，a_k ^(u)(0≤k≤N_u-1)表示对N_u个用户码元A_m ^(u)进行傅立叶反变换的结果，x_k ^(u)表示对X_n ^(u)进行傅立叶反变换的结果。

为了实现步骤122，用户信号发生器102包括：第二傅立叶反变换器110、块转发器112以及乘法器114。第二傅立叶反变换器110对从第(U+1)编码器100接收的第u用户的N_u个用户码元A_m ^(u)进行N_u点傅立叶反变换，并将N_u点傅立叶反变换的N_u个结果a_k ^(u)输出到块转发器112。块转发器112将从第二傅立叶反变换器110接收的N_u点傅立叶反变换的N_u个结果a_k ^(u)定义为一个子块，转发该子块L_u次以产生N个码元a_k’ ^(u)，并将N个码元a_k’ ^(u)输出到乘法器114。其中k’＝k％N_u，并表示“k”被N_u除时的余数。乘法器114将从块转发器112接收的N个码元a_k’ ^(u)乘以γ_uexp(j2πkn_u/N)，并将用公式(5)表示的乘法结果x_k ^(u)作为时域内的第u用户信号输出到第二循环扩展码元插入器104。

x_k ^(u)＝a_k’ ^(u)·γ_uexp(j2πkm_u/M)                          ...(5)

其中0≤k≤N-1，γ_u表示第u用户信号x_k ^(u)的振幅控制因数，例如，L_u ^-0.5。

完成步骤122后，在步骤124，第二循环扩展码元插入器104将循环扩展码元插入从用户信号发生器102接收的第u用户信号x_k ^(u)，并将插入结果输出到第二信号发射机106作为码元块。

完成步骤124后，在步骤126，第二信号发射机106将从第二循环扩展码元插入器104接收的码元块插入码元块信号，并将该码元块信号发送到基站接收单元22。

图8示出图4和图6分别所示的第一信号发射机70和第二信号发射机106的一般实例的方框图。第一信号发射机70和第二信号发射机106分别包括数模转换器(DAC)130、第一低通滤波器(LPF)132、第一本机振荡器134、乘法器136、大功率放大器(HPA)138以及天线140。

请参考图8，第一信号发射机70或第二信号发射机106的DAC 130将通过接收端IN_U+2从第一循环扩展码元插入器68和第二循环扩展码元插入器104接收的码元块转换为模拟信号，并将该模拟信号输出到第一LPF 132。然后，第一LPF 132对从DAC 130接收的模拟信号进行低通滤波，并将低通滤波结果输出到乘法器136。乘法器136将第一LPF 132的输出乘以第一本机振荡器134输出的、频率为fc的载波信号以对第一LPF 132的输出进行调制，从而形成中心频率为fc的信号，并将调制结果输出到HPA 138。然后，HPA 138对乘法器136的输出进行放大。通过天线140，将放大结果发送到用户接收单元14或基站接收单元22。

以下将参考附图说明根据本发明的基站接收单元22的优选实施例的配置和运行过程以及基站接收单元22利用其估计用户码元的本发明数据通信方法。

图9示出根据本发明的基站接收单元22的方框图。该基站接收单元22包括第一信号接收机140、第一预处理器142、第一傅立叶变换器144、第一均衡器146以及第一估计值检波器148。

图10示出根据本发明利用图9所示的、用于估计用户码元的基站接收单元22实现的数据通信方法的流程图。在步骤160至步骤164，对由接收码元块消除循环扩展码元获得的结果进行傅立叶变换。在步骤166和步骤168，消除傅立叶变换中的信道间干扰，并检波用户码元估计值。

图9所示的基站接收单元22接收U个用户部分之第u个用户部分10内的用户发射单元12发射的码元块信号，并估计接收码元块信号内的第u用户码元。为此，在步骤160，第一信号接收机140将从用户发射单元12接收的码元块信号转换为码元块，并将该码元块输出到第一预处理器142。

完成步骤160后，在步骤162，第一预处理器142寻找从第一信号接收机140接收的码元块的起始点，根据此起始点，消除码元块内的循环扩展码元，将消除循环扩展码元后的结果r_k输出到第一傅立叶变换器144。

完成步骤162后，在步骤164，第一傅立叶变换器144对从第一预处理器142接收的结果r_k进行N点傅立叶变换，并将N点傅立叶变换结果输出到第一均衡器146。

完成步骤164后，在步骤166，第一均衡器146从第一傅立叶变换器144接收的N点傅立叶变换结果中消除信道间干扰，并将消除结果输出到第一估计值检波器148。在此，信道间干扰表示，在通过信道将码元块信号从用户发射单元12发送到基站接收单元12时产生的干扰。

完成步骤166后，在步骤168，第一估计值检波器148从从第一均衡器146接收的消除信道间干扰后的结果中检波第u用户码元A_m ^(u)的估计值

为此，第一估计值检波器148包括：检波器150、第二开关单元152以及第二控制器154。

检波器150从由均衡器146接收的消除信道间干扰后的结果中检波用公式(3)表示的X_n的估计值

并将检波估计值

输出到第二开关单元152。根据从第二控制器154接收的第二控制信号C2，第二开关单元152输出从检波器150接收的估计值

作为第u用户码元的估计值 为此，与第一控制器82相同，利用L_u和n_u，第二控制器154产生第二控制信号C2，并将它输出到第二开关单元152。

以下将参考附图说明根据本发明的用户接收单元14的优选实施例的配置和运行过程以及用户接收单元14利用其估计用户码元的本发明数据通信方法。

图11示出根据本发明的用户接收单元14的方框图。该用户接收单元14包括第二信号接收机170、第二预处理器172、用户信号提取器174、第二均衡器176以及第二估计值检波器178。

图12示出根据本发明利用图11所示的、用于估计用户码元的用户接收单元14实现的数据通信方法的流程图。在步骤190至步骤194，从从接收码元块中消除循环扩展码元获得的结果中提取频域内的用户信号。

在步骤196和步骤198，从频域内的用户信号中消除信道间干扰，并检波用户码元的估计值。

图11所示的用户接收单元14接收基站发射单元24发射的码元块信号，并估计接收码元块信号内的第u用户码元。为此，在步骤190，第二信号接收机170将接收码元块信号转换为码元块，并将该码元块输出到第二预处理器172。

完成步骤190后，在步骤192，第二预处理器172寻找从第二信号接收机170接收的码元块的起始点，并根据此起始点，消除该码元块中的循环扩展码元，将消除循环扩展码元后的结果输出到用户信号提取器174。公式(6)表示结果r_k。

$r_k=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{(k-l+N)\%N}{h}_l+n_k=x_k\⊗h_k+n_k---\left(6\right)$

其中k＝0、1、...、或N-1，x_k表示被基站发射单元24插入循环扩展码元之前的用户信号。例如，x_k与图4所示的傅立叶反变换器66的输出对应。此外，(k-I+N)％N表示(k-I+N)除以N后的余数，表示圆周卷积，n_k表示时域内的噪声特性。换句话说，对于r_k的各块，对用户信号x_k和信道脉冲响应h_k进行圆周卷积。

完成步骤192后，在步骤194，用户信号提取器174从从第二预处理器172接收的、用公式(6)表示的r_k中提取第u用户的频域内信号R_n ^(u)，并将用公式(7)表示的信号R_n ^(u)输出到第二均衡器176。

R_n ^(u)＝BA_m ^(u)H_n ^(u)+N’_n                         ...(7)

其中0≤n≤N_n-1，B表示规模控制因数，H_n ^(u)表示频域内的信道特性，即通过对exp(-j2πkn_u/N)·h_k进行N_u点傅立叶变换获得的值，N’_u表示频域内的噪声特性。

为了实现步骤194，用户信号提取器174包括乘法器180、后处理器182以及第二傅立叶变换器184。乘法器180将从第二预处理器172接收的、用公式(6)表示的结果r_k乘以α_uexp(-j2πkn_u/N)，并将公式(8)表示的乘法结果

输出到后处理器182。

${\tilde{r}}_k^{\left(u\right)}=r_k{\mathrm{\α}}_u\exp (j2\mathrm{\πk}{n}_u/N)---\left(8\right)$

其中0≤k≤N-1，α_u表示乘法结果

的规模控制因数。例如，可以将α_u设置为L_u ^-0.5。

然后，后处理器182将从乘法器180接收的乘法结果 与周期N_v折合并相加，并将公式(9)表示的折合与相加结果r_k ^(u)输出到第二傅立叶变换器184。

$r_k^{\left(u\right)}=\underset{l=0}{\overset{L_u-1}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{r}}_{k+l\·N_u}^{\left(u\right)}---\left(9\right)$

其中0≤k≤N_u-1。如果公式(6)与公式(8)折合的结果与公式(9)折合，则可以用公式(10)表示公式(9)表示的r_k ^(u)。

$r_k^{\left(u\right)}=\left({\mathrm{\γ}}_u{\mathrm{\α}}_u{L}_u\right)\underset{l=0}{\overset{L_u-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{(k+N-l)\%N_u}^{\left(u\right)}\exp (-j2\mathrm{\πI}{n}_u\mathrm{lN})\·h_l+n_k^{\′}---\left(10\right)$

其中k＝0、1、...、或M_u-1，(k+N-1)％N_u表示(k+N-1)被N_u除的余数。如果设置α_uγ_u＝1/L_u，则可以简化公式(10)。

第二傅立叶变换器184对从后处理器182接收的、用公式(10)表示的折合与相加结果r_k ^(u)进行N_v点傅立叶变换，并公式(7)表示的傅立叶变换结果R_n ^(u)输出到第二均衡器176。因此，公式(7)的规模控制因数B是a_uγ_uL_u。

完成步骤194后，在步骤196，第二均衡器176消除公式(7)表示的、从用户信号提取器174接收的信号R_n ^(u)内的信道间干扰，并将消除结果输出到第二估计值检波器178。

完成步骤196后，在步骤198，第二估计值检波器178从从第二均衡器接收的、消除信道间干扰后的结果中检波第u用户码元A_m ^(u)的估计值

${\hat{A}}_m^{\left(u\right)}.$

分别利用图4和图6所示的第一傅立叶反变换器66和第二傅立叶反变换器110进行的傅立叶反变换就是离散傅立叶反变换(IDFT)或快速傅立叶反变换(IFFT)。在这种情况下，图9和图11所示的第一傅立叶变换器144和第二傅立叶变换器184进行的傅立叶变换就是DFT或FFT。

图13分别示出第一信号接收机140和第二信号接收机170的一般实例的方框图。第一信号接收机140和第二信号接收机170分别包括天线200、低噪声放大器(LNA)202、带通滤波器(BPF)204、第二本机振荡器206、乘法器208、第二LPF 210以及模数转换器(ADC)212。

参考图13，LNA 202对从天线200接收的码元块信号进行放大，并将放大结果输出到BPF 204。BPF 204对从LNA 202接收的放大结果进行带通滤波，并将带通滤波结果输出到乘法器208。乘法器208将从BPF204接收的带通滤波结果乘以从第二本机振荡器206接收的频率为-fc的载波信号，并将乘法结果作为带通信号输出到第二LPF 210。LPF 210对该带通信号进行低通滤波，并将低通滤波结果输出到ADC 212。ADC212将由低通滤波获得的模拟信号转换为数字信号，并通过输出到OUT将该数字信号作为码元块输出到第一预处理器142或第二预处理器172。

同时，如果根据公式(2)设置分配到各用户的频率S_u，则必须设置频偏数n_u满足公式(11)，这样对用户码元分配的频率就不会重叠。

S_i∩S_j≠0                                         ...(11)

其中i≠j。

以下将参考附图说明根据本发明获得满足公式(11)条件的频偏数n_u的数据通信方法。

图14示出根据本发明获得频偏数n_u的数据通信方法。在步骤220至步骤226，利用L_u值获得频偏数n_u。

参考图14，根据本发明基于OFDMA的数据通信方法包括，在步骤220以升序L_u顺序排列用户。完成步骤220后，在步骤222初始化用户指数“u”和频偏数n_u。

完成步骤222后，在步骤224，将用户指数“u”递增1，获得满足公式(12)的数值b₁∈{0，1}，并利用由公式(12)获得的b₁，获得用公式(13)表示的频偏数n_u。

$\underset{i=1}{\overset{u-1}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i^{-1}=\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{b}_l{2}^{-l}---\left(12\right)$

$n_u=\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{b}_l{2}^{l-1}---\left(13\right)$

完成步骤224后，在步骤226，确定用户指数是否小于用户数U。如果确定用户指数“u”小于用户数U，则处理过程进入步骤224。然而，如果确定用户指数“u”不小于用户数U，则图14的处理过程结束。

根据本发明实施例，在步骤222，将用户数“u”和频偏数n_u分别数值为1和0。在这种情况下，在步骤224，根据公式(13)，获得频偏数n_u。

根据本发明的另一个实施例，在步骤222，将用户指数“u”和频偏数n_u分别数值为1和L₁-1。在这种情况下，在步骤224，根据公式(14)，获得频偏数n_u。

$n_u=L_u-1-\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{b}_l{2}^{l-1}---\left(14\right)$

以下将参考附图说明，利用上述获得的频偏数n_u，多个用户共享一个码元块的情况。在此，假定用户数U为4。

图15示出在4个用户同时以同一个速度发射信息时的频域内码元X_n ⁽¹⁾、X_n ⁽²⁾、X_n ⁽³⁾和X_n ⁽⁴⁾。请参考图15，在4个用户共享主码元时，即在各用户发射N_u(N/4)个用户码元(L₁＝4、L₂＝4、L₃＝4以及L₄＝4)时，对相应用户分配的频偏数n_u，即n₁、n₂、n₃和n₄分别为0、2、1和3。在此，将对第u用户分配的N/4个码元转发4次以形成大小为N的主码元。大小为N的主码元的频率特性是，仅在4n(n＝0、1、...、(N/4)-1)频率时，码元X_n ⁽¹⁾、X_n ⁽²⁾、X_n ⁽³⁾和X_n ⁽⁴⁾为非0，而在其它所有频率时，码元X_n ⁽¹⁾、X_n ⁽²⁾、X_n ⁽³⁾和X_n ⁽⁴⁾为0，如图15所示。

如果因为大小为N的主码元乘以exp(j2πn_u/N)导致大小为N的主码元的频率被偏移频偏数n_u，则仅在4n’+n_u频率码元X_n ⁽¹⁾、X_n ⁽²⁾、X_n ⁽³⁾和X_n ⁽⁴⁾为非0，而在其它频率时，码元X_n ⁽¹⁾、X_n ⁽²⁾、X_n ⁽³⁾和X_n ⁽⁴⁾为0。因此，如图15所示，4个用户的频域内码元X_n ⁽¹⁾、X_n ⁽²⁾、X_n ⁽³⁾和X_n ⁽⁴⁾占据不同频率范围，这样在频域内，各信号就不会互相干扰。

图16示出在4个用户同时以不同速度发射信息时，频域内的码元X_n ⁽¹⁾、X_n ⁽²⁾、X_n ⁽³⁾和X_n ⁽⁴⁾。请参考图16，在4个用户以不同方式共享N个主码元时，即在4个用户分别发射N/2个用户码元(L₁＝2)、N/4个用户码元(L₂＝4)、N/8个用户码元(L₃＝8)以及N/8个用户码元(L₄＝8)时，对相应4个用户分配的频偏数n_u，即n₁、n₂、n₃和n₄分别为0、1、3和7。在此，对第一用户转发2次N/2个码元以形成大小为N的主码元，对第二用户转发4次N/4个码元以形成大小为N的主码元，对第三用户转发8次N/8个码元以形成大小为N的主码元，对第四用户转发8次码元以形成大小为N的主码元。

接着，如果将大小为N的主码元乘以exp(j2πn_u/N)，如图16所示，则4个用户的频域内码元X_n ⁽¹⁾、X_n ⁽²⁾、X_n ⁽³⁾和X_n ⁽⁴⁾占据不同频率范围，因此在频域内信号就不会出现互相干扰。

与采用N点傅立叶反变换的常规用户发射单元不同，图6所示的根据本发明用户发射单元12采用了一个乘法器和N_u点傅立叶反变换器将码元块信号发送到基站接收单元22。与采用N点傅立叶变换器的常规用户接收单元不同，图11所示的根据本发明用户接收单元14采用一个乘法器和N_u点傅立叶变换器估计基站发射单元24发射的用户码元。

如上所述，根据本发明基于OFDMA的数据通信设备和方法，在硬件方面，用户部分采用的N_u点傅立叶反变换器和N_u点傅立叶变换器分别比以具有N个主码元的码元块为单位发送信息和接收信息时使用的N点傅立叶反变换器和N点傅立叶变换器简单得多。因此，通过正确确定N_u的值，可以有选择地简化用户部分的硬件。由于用户部分的硬件不复杂，所以可以容易地实现数据通信设备。此外，在给定信道环境下，与基于OFDMA的常规数据通信相比，本发明还显著提高了通信效率。根据本发明，因为不同N_u值而具有不同复杂程度的不同类型用户部分可以采用一种数据格式与一个基站部分进行通信。

Claims (11)

1.一种使用正交频分多址的数据通信方法，用于将用户信息从一个基站发射单元发送到U个用户，该方法包括以下步骤：

对U条用户信息进行编码，并输出编码结果作为用于U个用户中各用户的N_u个用户码元，其中u是用户指数，满足1≤u≤U；

对用于U个用户中各用户的相应用户码元分配不同频率；

对频率分配的结果进行N点傅立叶反变换，其中N是可以对U个用户分配的码元总数，N₁至N_U之和不超过N；

将循环扩展码元插入傅立叶反变换结果内；以及

将插入结果转换为码元块信号，并将码元块信号发送到用户，

其中，所述分配频率的步骤包括响应于一个控制信号，选择用于第u用户的N_u个用户码元，并输出符合如下公式的分配结果X_n：

$X_n=\underset{u=1}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{X}_n^{\left(u\right)}$

其中“n”是频率指数，满足0≤n≤N-1，在n＝mL_u+n_u时，X_n ^(u)＝A_m ^(u)，而在n≠mL_u+n_u时，X_n ^(u)＝0，其中A_m ^(u)是第u用户的码元，0≤m＜N_u，L_u是N/N_u，并且n_u是对第u用户分配的频偏数，所述控制信号是根据L_u和n_u产生的，

其特征在于，用于用户的频偏数通过以下步骤获得：

(a)按L_u升序排列用户；

(b)初始化用户指数u和频偏数，其中1≤u≤U；

(c)将用户指数u增加1，获得满足 $\underset{i=1}{\overset{u-1}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i^{-1}=\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{b}_l{2}^{-l}$ 的值b_l∈{0，1}，并利用

获得频偏数；以及

(d)确定用户指数u是否小于用户数，并且如果确定用户指数u小于用户数，则进入步骤(c)。

2.根据权利要求1所述的数据通信方法，其中，步骤(b)包括将用户指数u和频偏数分别初始化为1和0，并且步骤(c)包括确定

为频偏数。

3.根据权利要求1所述的数据通信方法，其中，步骤(b)包括将用户指数u和频偏数分别初始化为1和L₁-1，并且步骤(c)包括确定 $L_u-1-\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{b}_l{2}^{l-1}$ 为频偏数。

4.根据权利要求1所述的数据通信方法，用于在一个用户接收单元中接收基站发射单元发射的码元块信号，并根据接收的码元块信号估计第u用户码元，该数据通信方法还包括：

将接收的码元块信号转换为码元块，并输出该码元块；

寻找该码元块的起始点，根据该起始点，从该码元块中消除循环扩展码元，并输出消除结果r_k(其中“k”表示时间指数，并且0≤k≤N-1)；

根据如下公式，从结果r_k中提取用于第u用户的频域内的信号R_n ^(u)，

$R_n^{\left(u\right)}=B{A}_m^{\left(u\right)}{H}_n^{\left(u\right)}+N_n^{\′}$

其中n是频率指数，并且0≤n≤N_n-1，B表示规模控制因数，H_n ^(u)表示频域内的信道特性，以及N’_u表示频域内的噪声特性；

消除信号R_n ^(u)中的信道间干扰；以及

从消除结果中检测第u用户码元A_m ^(u)的估计值

5.根据权利要求4所述的数据通信方法，其中提取信号R_n ^(u)的步骤包括：

将结果r_k乘以α_uexp(-j2πkn_u/N)(其中α_u表示规模控制因数)，并输出乘法结果；

将乘法结果用周期N_v折合并相加，并输出折合与相加结果；以及

对折合与相加结果进行N_v点傅立叶变换，并输出傅立叶变换结果作为信号R_n ^(u)。

6.一种基于正交频分多址(OFDMA)的数据通信设备，该数据通信设备包括各将用户信息发送到一个基站部分的U个用户发射单元，这U个用户发射单元中的第u用户发射单元(1≤u≤U)包括：

第(U+1)编码器，用于对用户信息进行编码，并输出编码结果作为N_u个第u用户码元(其中N_u是对第u用户分配的码元数)；

一个用户信号发生器，根据如下公式，利用从第(U+1)编码器接收的第u用户码元A_m ^(u)(其中0≤m＜N_u)来生成一个时域内的第u用户信号x_k ^(u)，并输出生成的第u用户信号x_k ^(u)，

$x_k^{\left(u\right)}=a_{k\%N_u}^{\left(u\right)}\exp (j2\mathrm{\π}{\mathrm{kn}}_u/N)$

其中0≤k≤N-1，N是可以对U个用户分配的码元总数，并且至少是N₁至N_U之和，k％N_u表示“k”被N_u除时的余数，a_k ^(u)表示对N_u个用户码元A_m ^(u)进行傅立叶反变换的结果，n_u表示对第u用户分配的频偏数；

第二循环扩展码元插入器，用于将循环扩展码元插入第u用户信号；以及

第二信号发射机，用于将插入结果转换为码元块信号，并将该码元块信号发送到基站部分，

其中1≤N_U≤N。

7.根据权利要求6所述的数据通信设备，其中用户信号发生器包括：

第二傅立叶反变换器，用于对从第(U+1)编码器接收的N_u个第u用户码元A_m ^(u)进行N_u点傅立叶反变换，并输出傅立叶反变换的结果a_k ^(u)；

一个块转发器，用于转发傅立叶反变换结果a_k ^(u)L_u次(L_u＝N/N_u)以产生N个码元；以及

一个乘法器，将N个码元乘以γ_uexp(j2πkn_u/N)，并将乘法结果作为第u用户信号x_k ^(u)输出到第二循环扩展码元插入器。

8.根据权利要求7所述的数据通信设备，该数据通信设备还包括一个基站接收单元，该基站接收单元接收U个用户发射单元分别发射的码元块信号并根据接收的码元块信号估计第u用户码元，该基站接收单元包括：

第一信号接收机，用于将接收到的码元块信号转换为码元块，并输出该码元块；

第一预处理器，用于寻找从第一信号接收机接收的码元块的起始点，根据该起始点，从码元块中消除循环扩展码元，并输出消除结果r_k；

第一傅立叶变换器，用于对从第一预处理器接收的消除结果r_k进行N点傅立叶变换；

第一均衡器，用于消除从第一傅立叶变换器接收到的傅立叶变换结果中的信道间干扰；以及

第一估计值检波器，用于从第一均衡器输出的消除结果中检测第u用户码元A_m ^(u)的估计值。

9.根据权利要求8所述的数据通信设备，其中第一估计值检波器包括：

检波器，从第一均衡器输出的消除信道间干扰后的结果中检测用如下公式表示的X_n的估计值

(其中“n”是频率指数并且满足0≤n≤N)，

$X_n=\underset{u=1}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{X}_n^{\left(u\right)}$

其中X_n ^(u)表示有关x_k ^(u)的频域内的第u用户信号；

第二开关单元，响应第二控制信号，将估计值

作为第u用户码元的估计值输出；以及

第二控制器，利用L_u和n_u产生第二控制信号。

10.一种基于正交频分多址(OFDMA)的数据通信方法，利用该方法，U个用户发射单元中的第u个用户发射单元(1≤u≤U)将用户信息发送到基站部分，该数据通信方法包括以下步骤：

对用户信息进行编码以获得N_u个第u用户码元；

根据如下公式，利用第u用户码元A_m ^(u)(其中0≤m＜N_u)产生时域内的第u用户信号x_k ^(u)，

$x_k^{\left(u\right)}=a_{k\%N_u}^{\left(u\right)}\exp (j2\mathrm{\π}{\mathrm{kn}}_u/N)$

其中0≤k≤N-1，N是可以对U个用户分配的码元总数，并且至少是N₁至N_U之和，k％N_u表示“k”被N_u除时的余数，a_k ^(u)表示对N_u个用户码元A_m ^(u)进行傅立叶反变换的结果，n_u表示对第u用户分配的频偏数；

将循环扩展码元插入第u用户信号；以及

将插入结果发送到基站部分作为码元块信号，其中1≤N_u≤N。

11.根据权利要求10的数据通信方法，用于在基站接收单元接收从U个用户发射单元中每一个发射的码元块信号并根据接收的码元块信号估计第u用户码元，该数据通信方法还包括以下步骤：

将接收的码元块信号转换为码元块；

寻找码元块的起始点，并根据该起始点，从该码元块中消除循环扩展码元；

对消除循环扩展码元的消除结果r_k进行N点傅立叶变换；

消除傅立叶变换结果中的信道间干扰；以及

从消除信道间干扰的结果中检测第u用户码元A_m ^(u)的估计值。

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