专利名称：设计上行链路导频信号的方法及估计信道的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及移动通信系统，并特别涉及一种用于设计在多载波码分多址(MC-CDMA)系统中同时支持同步和信道估计的导频信号的方法。
背景技术：
下一代移动通信系统需要高速高质量的数据传输，来提供具有改进的质量的各种多媒体服务。为满足此需求，正在积极地对MC-CDMA系统进行研究。
MC-CDMA系统基于CDMA和例如正交频分多路复用(OFDM)的多载波技术。
在OFDM中，在彼此正交的窄带副载波上传输数据，由此减小可由宽带传输中遇到的频率选择性衰落而造成的性能降级。OFDM还通过插入保护间隔(GI)来克服多径衰落引起的符号间干扰(ISI)的问题。
CDMA通过正交扩展码来识别用户。因此，CDMA在系统容量上比频分多址(FDMA)或时分多址(TDMA)系统具有优势。
根据例如OFDM的多载波传输方案，为了同步，接收机使用导频符号或使用被插入以去除多径信道的延迟扩展的循环前缀(cyclic prefix，CP)来恢复定时。
在通信系统中，初始同步捕获非常重要。特别是由于基于多载波的通信系统对定时误差敏感，所以，具有优异性能的同步技术是必不可少的。然而，如果由来自多用户的信号引起的多址干扰(MAI)大，则导频信号或GI经常会失真。结果，降低了同步捕获的可靠性。
并且，在移动通信系统中，需要信道估计来补偿时变信道特性。将导频信号用于信道估计。在复杂传播条件下，MC-CDMA在上行链路传输的应用方面具有限制，虽然其被接受作为用于下行链路传输的适合技术。换句话说，由于在不同信道传送功能下接收来自多个移动台(MS)的信号，所以基于导频的信道估计较为困难。另外，移动台的不同速度、以及MS与基站(BS)之间的不同距离使上行链路同步较为困难。
尽管在韩国专利申请第2001-0058248号中提出了使用正交码来设计导频信号用于上行信道估计的技术，但其具有的缺点在于，用于信道估计的附加导频信号的使用减小了频带效率。
发明内容
本发明的一个目的是至少基本解决上面的问题和/或缺点，并至少提供下面的优点。因此，本发明的一个目的是提供一种用于通过在时域中插入具有较好相关特性的代码、以及在频域中插入正交码，来设计上行链路导频信号，以同时支持定时同步和信道估计的方法。
本发明的另一个目的是提供一种导频信号设计方法，该方法用于在来自多用户的高MAI功率电平下的MC-CDMA上行链路传输中，同时允许稳定的同步和信道估计。
本发明的另一个目的是提供一种设计同时允许定时同步和信道估计的导频信号，以便将导频引起的频带效率的减小最小化的方法。
通过在无线通信系统中提供信道估计方法来达到上面的目的，其中，多个MS在多载波上与BS通信。每个MS将被设计为同时具有预定的时域和频域响应的导频信号发送到BS。BS使用接收的导频信号而被同步到MS，并为MS执行信道估计。导频信号在时域中包括同步码和信道特征码。根据频率特性确定信道特征码。导频信号在频域中包括扩展码和与信道估计无关的从属码。同步码和信道特征码为正交码，如Gold码或Walsh码。通过时域中的信道特征码来确定频域中的扩展码和从属码。信道特征码形成为根据给定环境的信噪比(SNR)而使得频域中的扩展码的信号对干扰噪声比(SINR)被最大化。
根据本发明的另一方面，在其中多个MS在多载波上与BS通信的无线通信系统中的导频信号设计方法中，导频信号设计为同时具有预定的时域和频域响应。
根据本发明的第三方面，在使用从MC-CDMA系统中的MS接收的导频信号，来为多个MS中的每个估计信道的BS中的接收机中，多个相关器为每个MS分离导频信号，最大值检测器将相关器的最高输出反馈到与最高值相对应的MS，作为定时信息，而信道估计器通过对导频信号进行解扩而为每个MS估计信道。相关器为匹配滤波器或有源相关器。信道估计器通过合并技术而对导频信号进行解扩，用于信道估计。
当结合附图时，从下面的详细描述中，本发明的上面和其它目的、特征以及优点将变得更为清楚，其中图1图解了根据本发明的优选实施例而设计的导频信号在时域中的结构；图2图解了根据本发明的优选实施例而设计的导频信号在频域中的结构；图3为图解当使用加权最小二乘法来设计信道特征码时，用于检测使导频信号的信号对干扰和噪声比(SINR)最大化的误差反射(error-reflecting)权重的操作的流程图；图4为用于使用根据本发明优选实施例的导频信号来捕获定时的BS接收机的方框图；以及图5为在图4所示的BS接收机中的用于为每个用户执行信道估计的解扩器的方框图。
具体实施例方式
这里，将参考附图而在下面描述本发明的优选实施例。在下面的描述中，由于公知的功能或构造会以不必要的细节混淆本发明，所以将不对其进行详细描述。
根据本发明，设计MC-CDMA上行链路导频信号，使得该信号在时域中包括同步码，且在频域中允许每个用户的信道估计。
图1图解了根据本发明的优选实施例而设计的导频信号的时域结构。
参照图1，导频信号由用于去除延迟扩展的GI 101、用于定时同步的同步码(p1)102、以及通过考虑频率特性而设计的信道特征码(p2)103形成。除去GI 101的具有N个样值的导频信号如等式1表示p=p1p2---(1)]]>其中，将导频向量的元素p1和p2表示于等式2和3中
p1＝[p
，p[1]，p[2]，...，p[M-2]，p[M-1]]T.....(2)p2＝[p[M]，，p[M+1]，p[M+2]，...，p[N-2]，p[N-1]]T.....(3)使用具有较好的互相关特性的代码如Gold码或正交Gold码，来作为同步码p1，以提供抵抗来自其他用户的干扰的鲁棒性(robustness)。
图2图解了根据本发明的优选实施例的导频信号的频域结构。
参照图2，在频域中，导频信号由正交扩展码201、以及与信道估计不相关的从属码202形成。导频信号需要的期望频率响应Xd由等式4确定Xd＝(u
，ci，u[1]，ci，u[2]，...，ci，u[M-1]).....(4)通过将Xd的正交扩展码ci串接(concatenating)L次而创建的长度N的扩展码201(即Cspi)、以及从属码202(即u)在下面的等式5和6中给出Cspi=(c
,c[1],c[2],...,c[N-M-1])]]>=(c1,ci,ci,...,ci)---(5)]]>以及u＝(u
，u[1]，u[2]，...，u[M-1])＝0.....(6)ci为分配到第i个用户的正交码，如Gold码或Walsh码。由于u优选不具有能量，所以期望频率响应可为向量0。
现在将对设计信道特征码p2、使得整个导频信号在频域中的频率响应Xd为如图2所示的正交码来作出描述。
从等式1和等式4中得出的等式7表示如下Dp1p2=Dp=Xd---(7)]]>其中D为离散时间傅立叶变换(DFT)矩阵，如在等式8中给出的
等式9中，将DFT矩阵D分割为(NxM)矩阵D1和(Nx(N-M))矩阵D2D＝(D1|D2).....(9)通过将等式9代入等式7，得到等式10(D1|D2)p1p2=D1p1+D2p2=Xd---(10)]]>将其约化为等式11D2p2＝Xd-D1p1.....(11)这里， 等式11为超定方程。使用用于使Dp和Xd之间的差(即均方误差(MSE))最小化的最小二乘法，可得到信道特征码p2。
因此，利用最小二乘法，通过下面的等式12来计算信道特征码p2p2=(D2TD2)-1D2T(Xd-D1p1)---(12)]]>根据使通过将不同的误差反射权重施加到正交扩展码c1和未设计的从属码u的误差、并对结果值求和来计算的总误差最小化的加权最小二乘法，通过下面的等式13来计算信道特征码p2p2=(D2TWTWD2)-1(D2TWTW(Xd-D1p1))---(13)]]>等式13中的W为权重矩阵，如等式14所示
其中，w1和w2为c1和u的误差反射权重。对于误差反射权重之间的比率rw＝w1/w2，如果rw增加，则在u中功率泄漏(power leakage)减小，但在c1中的失真变得严重。如果rw减小，则观察到相反的情形。也就是说，当扩展码的失真的减小使用户之间的干扰功率减小时，功率泄漏增加。考虑到频域中的导频设计的目的在于使用于信道估计的信号的SINR最大化，则必须相对于给定环境下的给定信噪比(SNR)来选择使用于信道估计的导频信号的SINR(SINRCE)最大化的rw。因此，如果SNR如等式15给出SNR=10log10(Pσi2)(dB)---(15)]]>那么，在等式16中SINRCE=10log10(P-Plσn2+σi2)(dB)---(16)]]>其中P为导频符号功率，P1为无关点的功率损失，σn2为噪声功率，而σi2为代码干扰功率。从等式16中注意到，由于P1和σi2随着rw而变化，所以SINRCE也改变。
图3为图解用于检测使SINRCE最大化的粗略值(rough value)rw的操作的流程图。根据本发明，一旦确定了SNR，则检测使SINRCE最大化的rw，同时在每次迭代时将rw增加一个步长。由于SINRCE随rw而增加，且rw从0开始增加，所以rw在SINRCE开始下降的点处具有最大SINRCE。
参照图3，在步骤S301中，将给定SNR、Prev和rw设置到其初始值0。Prev表示最大SINRCE。在步骤S303中，将rw增加一个步长，而在步骤S305中，利用等式(16)，根据增加的rw来计算SINRCE。在步骤S307中，如果当前SINRCE大于Prev，则在步骤S308中，将当前SINRCE设置为Prev。接下来，在步骤S303中，rw再次增加一个步长。在重复步骤S303到S307之后，在步骤S307中，如果当前SINRCE等于或小于Prev，则在步骤S309中，输出当前rw。
BS使用以上述方法在MS中设计的导频信号，来执行定时捕获和信道估计。
图4为用于使用根据本发明的优选实施例的导频信号来执行定时捕获的BS接收机的方框图。
参照图4，BS接收机包括模数(A/D)转换器401，用于将通过天线接收的模拟信号转换为数字信号；串并(S/P)转换器402，用于将数字信号转换为并行信号；快速傅立叶变换器(FFT)403，用于对并行信号进行快速傅立叶变换；解扩器404，用于对FFT信号进行解扩；检测器405，用于使用利用信道估计器408中的导频信号计算的信道估计，来从解扩的信号中恢复传输信号；以及同步捕获器410，用于利用导频信号来捕获同步。
关于解扩操作，使用了合并技术(combining technique)，如等增益合并(equal gain combining，EGC)、最大比合并(MRC)、或最小均方误差合并(MMSE)。
同步捕获器410包括相关单元412，用于通过将A/D转换器401的输出与同步码相关，来检测每个用户的定时误差；以及最大值检测器415，用于将相关单元412的最高输出反馈到对应的用户终端。
优选地，解扩器404具有多个解扩模块504，各自用于将接收的信号乘以用户特定的扩展码，因为其必须识别用于解扩的用户信号，如图5所示。
参照图5，由于每个用户信号通过正交码来扩展，所以每个解扩模块504通过对应的扩展码来对用户信号进行解扩，以由此为每个用户估计信道。
根据本发明，通过分别在时域和频域中插入具有较好相关特性的代码和正交码，来设计上行链路导频信号。因此，可同时进行定时捕获和信道估计。根据本发明而设计的导频信号在来自多用户的高MAI功率电平的MC-CDMA上行链路传输中，同时允许稳定的同步和信道估计。此外，同时支持定时同步和信道估计的导频信号的设计使导频引起的频带效率减小最小化。
尽管已参照其特定优选实施例，连同BS接收机的结构一起示出并描述了导频信号设计方法，但本领域的技术人员应当理解，其中可作出形式和细节上的各种改变，而不背离如所附权利要求定义的本发明的精髓和范围。
权利要求
1.一种无线通信系统中的信道估计方法，其中多个移动台(MS)与基站(BS)在多个载波上通信，该方法包括以下步骤由每个MS将导频信号发送到BS，该导频信号被设计为具有同时的时域和频域响应；以及使用接收的导频信号来对MS进行同步，并由BS为MS执行信道估计。
2.如权利要求1所述的信道估计方法，其中，该导频信号在时域中包括同步码和信道特征码，该信道特征码根据频率特性而确定。
3.如权利要求2所述的信道估计方法，其中，该同步码为正交码。
4.如权利要求2所述的信道估计方法，其中，该同步码为Gold码和Walsh码中的一个。
5.如权利要求1所述的信道估计方法，其中，该导频信号在频域中包括扩展码和与信道估计无关的从属码。
6.如权利要求5所述的信道估计方法，其中，该扩展码为正交码。
7.如权利要求5所述的信道估计方法，其中，该扩展码为Gold码和Walsh码中的一个。
8.如权利要求1所述的信道估计方法，其中，该导频信号在时域中包括同步码和信道特征码，该同步码用来使BS和MS同步，而该信道特征码根据频率特性而确定，并且，该导频信号在频域中包括用于信道估计的扩展码和与信道估计无关的从属码。
9.如权利要求8所述的信道估计方法，其中，同步码和信道特征码为Gold码或Walsh码中的一个。
10.如权利要求9所述的信道估计方法，其中，通过时域中的信道特征码来确定频域中的扩展码和从属码。
11.如权利要求10所述的信道估计方法，其中，信道特征码形成为根据给定环境的信噪比(SNR)而使得频域中的扩展码的信号对干扰噪声比(SINR)被最大化。
12.一种无线通信系统中的导频信号设计方法，其中多个移动台(MS)与基站(BS)在多个载波上通信，该方法包括以下步骤将导频信号设计为具有同时的时域和频域响应。
13.如权利要求12所述的导频信号设计方法，其中，导频信号在时域中包括同步码和信道特征码，该同步码用来使BS和MS同步，而该信道特征码根据频率特性而确定，并且，该导频信号在频域中包括用于信道估计的扩展码和与信道估计无关的从属码。
14.如权利要求13所述的导频信号设计方法，其中，该同步码和信道特征码为正交码。
15.如权利要求13所述的导频信号设计方法，其中，扩展码和从属码为Gold码或Walsh码中的一个。
16.如权利要求14所述的导频信号设计方法，其中，通过时域中的信道特征码来确定扩展码和从属码。
17.如权利要求16所述的导频信号设计方法，其中，信道特征码根据给定环境的信噪比(SNR)而使频域中的扩展码的信号对干扰噪声比(SINR)最大化。
18.一种基站(BS)中的接收机，其使用从多载波码分多址(MC-CDMA)系统中的移动台(MS)接收的导频信号，来为多个MS中的每个而估计信道，该接收机包括多个相关器，用于为每个MS分离导频信号；最大值检测器，用于将相关器的最高输出反馈到与最高值相对应的MS，作为定时信息；以及信道估计器，用于通过对导频信号进行解扩，而为每个MS估计信道。
19.如权利要求18所述的接收机，其中，相关器为匹配滤波器。
20.如权利要求18所述的接收机，其中，相关器为有源相关器。
21.如权利要求18所述的接收机，其中，信道估计器通过合并技术而对导频信号进行解扩，用于信道估计。
全文摘要
一种无线通信系统中的信道估计方法，其中多个MS与BS在多个载波上通信。每个MS将被设计为具有同时的时域和频域响应的导频信号发送到BS。使用接收的导频信号来将BS同步到MS，并为MS执行信道估计。
文档编号H04L27/26GK1655477SQ20051000443
公开日2005年8月17日 申请日期2005年1月17日 优先权日2004年1月15日
发明者文骏, 李容焕, 俞炫硕 申请人:三星电子株式会社, 财团法人索尔大学校产学协力财团