CN101094027A - 隐含用户控制信息的签名序列发送结构及发射、接收方法 - Google Patents

Abstract

一种隐含用户控制信息的签名序列发送结构及发射、接收方法，所述发送结构，包括用户签名序列和用户控制信息，所述隐含用户控制信息的签名序列与所述用户签名序列之间的时域循环移位为循环移位步长N_s的整数倍，该控制信息位于该整数倍处。本发明在多用户竞争信道中，提供了一种可靠的用户控制信息的传输方式。通过充分利用Zadoff－chu序列的优良相关特性来克服多用户的干扰。此外，本发明实现复杂度低，由于这种特殊结构的用户签名序列检测几乎和传统的用户签名序列检测相同，所以这种用户签名序列对用户控制信息的携带并不会给用户检测带来许多额外的复杂度。

Description

隐含用户控制信息的签名序列发送结构及发射、接收方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及多载波通信中空中信号传输技术。

背景技术

在无线通信系统中，由于正交频分复用(OFDM)具有矩形频谱，以及采用快速傅立叶变换(FFT)而带来的系统低集成度，它能够在较高频谱效率下有效提高下行链路的系统容量，覆盖范围以及数据传输速度。OFDM作为一种宽带数据通信技术，已经被广泛应用于各类无线射频环境中，例如高速数字用户回路(HDSLs)，非对称数字用户环路(ADSLs)，以及数字广播。OFDM将完整的频带分为许多并行的子载波，用来发射并行的数据流。由于插入保护时隙，符号发送时间相对延长，但能有效降低符号间的干扰(ISI)。近年来，在3GPP标准化论坛中，OFDMA已经被定为UMTS无线移动通信系统演化的下行链路空中接口方案，并且成为超3G或4G系统的主要竞争标准之一。

上行随机接入是通信系统中用户和基站进行通信的一种接入方式：用户在特定的时间，特定的信道上，以竞争的方式向基站发送一些控制信息以要求与基站进行通信。通常，根据用户和基站在时间同步上的状态，可将上行随机接入信道分为非同步随机接入信道和同步随机接入信道。非同步接入一般用于用户的初始接入或链路信道的突然中断之后。在非同步接入时，用户首先随机的选择一个签名序列作为用户暂时的身份标识，当基站检测到用户的签名序列的同时估计用户信号的到达时延(RTD)，然后将时延信息反馈给用户作为下次发送信号时间的调整量，确保所有用户信号在基站的到达时间保持同步；当用户与基站同步后，再向基站发送一些控制信令建立通信链路，该信令一般是物理层以上的信令，如链路建立理由、小区无线网络临时标识号(C-RNTI)、用户优先级、带宽申请等。同步接入主要用于空闲用户的带宽申请。同步接入时，用户与基站的通信流程与非同步接入方式下的基本相同，只是基站不必向用户反馈估计的时延信息，用户向基站发出控制信令的主要是带宽申请信息。

在传统的随机接入时，一般用户的签名序列和控制信息是单独发送，即控制信息是等到签名序列发送成功后才开始传输。这种单独发送的模式虽然可以保证控制信息的可靠传输，但是它不便于基站的控制和调度，用户的接入时延就很难保证。为了缩短用户的上行接入时间，一些公司就提出用户的签名序列和控制信息一起联合发送的方案。由于随机接入信道是基于用户竞争的，所以当用户的签名序列和控制信息一起发送时，主要存在以下两大问题：1)控制信息直接在非同步信道传输的性能不可靠。因为在非同步接入时，各用户经历的信道时延不同，所以用户之间的正交性很难保证。况且多用户下的信道估计误差也很大，所以基站直接解调控制信息的正确率会很低。特别是在用户初始接入时，用户的信号很可能会经历阴影衰落，因此接收信号的功率就会明显的降低。这就更难保证控制信息的正确解调了。2)为保证控制信息在非同步接入信道中可靠传输，基站需要预留很大的资源供用户传输控制信息。而且一旦用户之间发生碰撞，这些预留资源也就浪费了，即用户需要重新发起接入。所以在实际系统中，想通过采用联合发送方式缩短用户的接入时间往往是得不偿失的。

发明内容

为改进上行随机接入的用户时延控制和用户检测性能，本发明提出一种新的用户签名序列(Preamble)和隐含用户控制信息的签名序列(shift Preamble)的发送结构及其发射、接收方法。通过将部分用户控制信息隐含在一组具有特殊结构的用户签名序列中传输，而将其余的控制信息放在基于基站调度的上行信道中直接传输。一方面部分用户控制信息隐含在特殊的用户签名序列中不但可以可靠地传输，而且这种特殊的用户签名序列也会提高用户的检测性能。同时部分用户控制信息的传输可以给基站提供最基本的用户接入要求信息如链路建立理由，用户优先级，信道质量标识(CQI)等，这样基站就可以根据用户的需求以及当前的网络负载状况对用户的接入控制进行调度，允许用户的其他重要信息如小区无线网络临时标识号(C-RNTI)，无线资源控制信令(RRC)等在所分配的信道上可靠传输，以确保用户的正常接入。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列的发送结构，包括用户签名序列和用户控制信息，所述隐含用户控制信息的签名序列与所述用户签名序列之间的时域循环移位为循环移位步长N_s的整数倍，该控制信息位于该整数倍处。

其中，所述用户签名序列可以是其自身的循环移位版本。

作为本发明的一种优选方式，所述循环移位步长N_s为用户签名序列长度L除以2n后的整数部分且满足检测性能的前提，其中n为可携带的最大控制信息的位数。

作为本发明的又一优选方式，当所述用户签名序列长度L为512时，所述循环移位步长N_s可选为16，则所述可携带的最大控制信息的位数n为5。

作为本发明的再一优选方式，还包括重复的一个或多个所述用户签名序列和重复的一个或多个所述隐含用户控制信息的签名序列。

一种用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列的发射方法，采用上述用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列的发送结构，包括以下步骤：

1)产生所述用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列发送结构；

2)发送所述用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列发送结构，或只发送所述发送

结构中隐含用户控制信息的签名序列。

作为本发明发射方法的一种优选方式，所述步骤1)中，采用恒幅零自相关序列集中的Zadoff-chu序列产生所述用户签名序列。

一种用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列的接收方法，接收上述发射方法发射的用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列，包括以下步骤：

1)用户签名序列检测；

2)检测用户签名序列和用户循环移位签名序列之间的相对移位数获得控制信息。

作为本发明接收方法的一种优选方式，所述步骤1)中，用户签名序列的检测方法为相关检测和门限判决法。

作为本发明接收方法的一种优选方式，所述步骤2)中，信道估计的方法为时域多径提取方法，信道均衡采用频域MMSE均衡。

本发明具有以下优点：

1、在多用户竞争信道中，提供了一种可靠的用户控制信息的传输方式。通过充分利用Zadoff-chu序列的优良相关特性来克服多用户的干扰。

2、本发明的实现复杂度低。由于这种特殊结构的用户签名序列检测几乎和传统的用户签名序列检测相同，所以这种用户签名序列对用户控制信息的携带并不会给用户检测带来许多额外的复杂度。

以下结合附图及实施例进一步说明本发明。

附图说明

图1为本发明用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列的发送结构实施例；

图2为用户签名序列符号的产生结构示意图；

图3为在高斯信道下，信噪比SNR＝10dB，用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列的峰值检测图；

图4为本发明方法和传统方法的用户检测概率性能比较；

图5为在理想信道估计下，当RACH＝1.25MHz时的用户控制信息BLER性能比较；

图6在理想信道估计下，当RACH＝5MHz时的用户控制信息BLER性能比较；

图7为在实际信道估计下，当RACH＝1.25MHz时的用户控制信息BLER性能比较；

图8为在实际信道估计下，当RACH＝5MHz时的用户控制信息BLER性能比较。

具体实施方式

如图1所示，一种用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列的发送结构，包括两个用户签名序列、两个隐含用户控制信息的签名序列，所述用户签名序列之间的时域循环移位为循环移位步长N的整数倍，且该控制信息位于该整数倍处。这样，用户的控制信息隐含在经过时域循环移位的用户签名序列中。

其中，所述用户签名序列可以是其自身的循环移位版本。即，在同步随机接入时，用户的签名序列也可以采用原来用户签名序列的循环移位版本来扩容以达到降低用户碰撞概率的目的。这样，在用户的循环移位用户签名序列基础上再进行一次循环移位作为控制信息符号和用户签名序列一起发送出去。

本发明用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列的发送结构，用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列之间的相对循环移位信息就代表了用户所携带的控制信息，这些控制信息可以是链路建立理由，用户优先级，资源申请以及信道质量标识(CQI)等。假设用户签名序列长度是L，最小的循环移位步长是N_s，即一个用户签名序列总共可派生出K＝L/N_s个经过循环移位的用户签名序列。这样，一个用户签名序列最多就可携带 $M=\mathrm{lo}{g}_2^K$ 比特的二进制信息。一般对于固定带宽下的随机接入系统，用户签名序列长度也是固定的，所以用户签名序列的控制信息携带量将主要取决与最小的循环移位步长。所以为了提高签名序列内隐含的比特信息，应该尽量缩短最小循环移位步长。但是在多径衰落的信道下，由于多径时延扩展的干扰，最小循环移位步长不能太小，否则移位的检测性能会很差。所以在选取最小循环移位步长时需要折中考虑用户控制信息的比特量和实际检测性能。假设在5M系统带宽时，用户签名序列长度L＝512，优选最小循环移位步长N_s＝16，则该循环移位的用户签名序列可传输 $M={\log }_2^{32}=5$ 比特的用户控制信息。用户控制信息的映射方法示例如表1。例如，假设控制信息为“00010’’和“00011”，分别映射为序号2和3对应的移位步长32和48。即用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列之间的相对循环移位信息就代表了用户所携带的控制信息“00010”和“00011”。

表1：控制信息的比特映射示例

序号	移位步长(采样点)	控制信息	(5bits)
				建立理由(3bits)	优先级(2bits)
		0	0			000	00
1	16			000	01
		2	32			000	10
…	…			…	…
		31	496			111	11

当然，为了在一次用户接入时传输更多的控制信息，用户可以同时发送多个级联的循环移位用户签名序列，但是随机接入的开销也就相应的增加了。

一种用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列的发射方法，采用上述用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列的发送结构，包括产生和发送所述用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列发送结构两步骤。

在用户同步接入时，为了节省资源开销，用户可以只发隐含控制信息的签名序列。因为在该签名序列中，实际已经同时包含了用户签名序列信息和用户控制信息了。而且在同步接入的时候，用户达到时延对签名序列移位检测的影响几乎可以忽略。

在该发射方法中，考虑到用户的签名序列必须具备良好的自相关和互相关特性，同时又保持较低的峰均比，所以签名序列可以由恒幅零自相关(CAZAC)序列集中的Zadoff-chu序列产生。Zadoff-chu序列如下式所示：

$C_{u_i}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}\exp (-j2\mathrm{\π}{k}^2{u}_i/\left(2N_u\right)),& N_u\mathrm{}\mathrm{even}\\ \exp (-j2\mathrm{\πk}(k+1)u_i/\left(2N_u\right))& N_u\mathrm{}\mathrm{odd}\end{array}\right.$

k＝0，1，2，…，N_u-1；u_i＝0，1，2，...，N_u-1

其中k是Zadoff-chu序列的标号，u_i是用于产生一组特定Zadoff-chu序列的标识号，N_u是序列的长度。为了保证Zadoff-chu序列有良好的互相关特性，N_u应该取素数。用户在随机接入时，会在用户签名序列集中随机的选择一个签名序列作为暂时的用户身份标识并以用户签名序列符号的形式发射出去。用户签名序列符号是由用户签名序列产生的OFDM符号，产生结构如图2所示。用户首先随机地选用一组Zadoff-chu序列后将其映射到随机接入信道频段的一组连续的子载波上(如果该随机接入信道包含多组可用选择的子载波组集，用户也可以随机选择子载波组进行映射以进一步减小用户接入的碰撞概率)。然后经过FFT变换后就产生了时域的OFDM符号，最后将OFDM符号在时域重复多次后发射出去。

当基站接收到用户签名序列时，就利用接收的用户签名序列进行用户检测和用户的到达时延估计，信道估计及发射功率控制等。由于基站接收端会同时收到来自不同用尸的多个用户签名序列，所以这就要求用户的签名序列之间具有很好的互相关性。

一种用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列的接收方法，接收上述发射方法发射的用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列，包括1)用户签名序列检测和2)用户控制信息检测两大步骤。即，在基站接收端，基站必须先通过接收的用户签名序列来检测用户的签名序列，然后再检测该用户的隐含用户控制信息的签名序列峰值，最后通过用户签名序列得到的峰值和隐含用户控制信息的签名序列得到的峰值之间的距离确定循环移位的位数从而判定出控制信息。其具体的检测步骤描述如下：

1)用户签名序列检测

签名序列的检测可以采用最常用的相关检测和门限判决法。在用户签名序列的检测窗内(如图1)，通过FFT变换将接收的签名序列从用户签名序列的特定频段内提取出来，该特定频段就是由系统设定的上行随机接入信道(RACH)的工作频段。此时在用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列的检测窗内(如图1)，也可采用相同的处理。这样就可以同时得到序列P(k)和P_m(k)：

$P\left(k\right)=H_u\left(k\right)S_u\left(k\right)+\underset{i\≠u}{\mathrm{\Σ}}{H}_i\left(k\right)S_i\left(k\right)+\mathrm{\σ},$ $P_m\left(k\right)=H_{m,u}\left(k\right)S_u\left(k\right)+\underset{i\≠u}{\mathrm{\Σ}}{H}_{j,i}\left(k\right)S_i\left(k\right)+{\mathrm{\σ}}^{\′},$ k＝0，1……K-1。

其中H_i(k)是用户i的签名序列在RACH占用频段内的第k个子载波上的信道响应，H_j，i(k)是用户i的隐含控制信息的签名序列j在RACH占用频段内的第k个子载波上的信道响应，j是隐含控制信息的签名序列的循环移位的位数。m是用户u签名序列的循环移位的位数。σ，σ′分别表示基站在接收到签名序列和隐含控制信息的签名序列中的高斯噪声干扰项。K是Zadoff-chu序列的长度。考虑到P(k)和P_m(k)可能分别是不同用户的签名序列和隐含用户控制信息的签名序列的叠加，所以接收端必须采用一组相关器分别检测所有可能的用户签名序列。假设其他用户的干扰和噪声在接收端都很小，则对用户u的签名序列进行相关检测时，可以采用频域检测法：

${\tilde{H}}_u\left(k\right)\≈P\left(k\right)\·{S_u}^{*}\left(k\right),$ ${\tilde{H}}_{m,u}\left(k\right)\≈P_m\left(k\right)\·{S_u}^{*}\left(k\right)$ 其中S_u(k)就是本地产生的第u个签名序列。

接着再对得到的H_u(k)和H_m，u(k)进行P点的IFFT得到序列：

${\tilde{h}}_u\left(l\right)=\frac{1}{P}\underset{k=0}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{H}}_u\left(k\right)\·e^{j2\mathrm{\π}/k/P},$ 和 ${\tilde{h}}_{m,u}\left(l\right)=\frac{1}{P}\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{H}}_{m,u}\left(k\right)\·e^{j2\mathrm{\π}/k/P}$ ，l＝0，1，2....P-1.

其中，J是签名序列在RACH中占用的子载波数目，如当RACH的带宽是1.25MHz时J＝73。IFFT的点数P是大于J的整数，并必须满足是2的幂次方，如当J＝73时，P＝128。

对IFFT变化后的序列进行峰值检测：

$Z_u=\frac{\max [{\left|{\tilde{h}}_u\left(l\right)\right|}^2,{\left|{\tilde{h}}_{m,u}\left(l\right)\right|}^2]}{{\mathrm{\σ}}_u^2},$ ${{\mathrm{\σ}}_u}^2=\frac{1}{2P}\underset{l=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}({\left|{\tilde{h}}_u\left(l\right)\right|}^2+{\left|{\tilde{h}}_{m,u}\left(l\right)\right|}^2)$

其中σ_u ²可近似成实际估计的多用户干扰噪声项。最后将得到的Z_u与门限值进行比较(如图3所示，用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列的峰值检测在高斯信道下，信噪比SNR＝10dB)。只要Z_u值超过了预定的门限值，就可认为用户的签名序列S_u(k)就已经检测成功。

3)用户控制信息检测

经过隐含用户控制信息的签名序列的移位数目包含了用户的控制信息，所以接收端只要能检测出用户的签名序列和隐含用户控制信息的签名序列之间的相对移位数目就能获得控制信息。所以用户签名序列的移位数目需要由

的峰值来同时确定(如图3所示)。此处强调检测相对移位数目是因为在同步随机接入时，用户的签名序列也可以采用原来用户签名序列的循环移位版本来扩容以达到降低用户碰撞概率的目的。这样用户若要同时发送用户签名和控制信息，就必须在用户的隐含用户控制信息的签名序列基础上再进行一次循环移位作为控制信息符号和用户签名序列一起发送出去。

为了改善多径衰落下的用户控制信息检测性能，在检测前，可以根据用户签名序列检测时得到的

或者

来估计该用户所经历的信道。信道估计可采用传统的时域多径提取方法。信道均衡可以采用传统的频域MMSE均衡。

为了评估本发明方法的性能，本实施例参考目前的3GPP LTE标准，将本实施例和传统方案在用户检测概率和用户控制信息检测的错误符号块率(BLER)方面做了比较。假设系统的传输带宽是5MHz，用户在随机接入时发送4个OFDM符号：重复的前2个作为用户签名序列符号；重复的后2个作为该隐含用户控制信息的签名序列。发送结构如图1所示。所有的接入用户都在同一个RACH上竞争接入，各用户的采用不同的签名序列，所以在仿真中没有考虑用户碰撞的影响。仿真的其他具体参数见表2。

表2：仿真参数表

随机接入信道带宽	1.25M，5M
		FFT点数	128，512
签名序列	Zadoff-chu
		签名序列长度	73/1.25M 293/5M
可选的签名序列数目	16
		同时接入的用户数	1，2，4
信道多径时延扩展	FFT/2个采样点时间
		发射/接收天线数目	1/1
信道模型	TU6移动速度30公里/小时
		控制信息比特数目	新方法(proposed)：5bits传统方法(conventional)：4，5bits
最小循环移位步长(新方法(proposed))	16
		控制消息的扩频处理(传统方法(convent ional))	1.25M：CAZAC扩频因子为10，13或者Hadamard(哈达码)扩频因子为8，165M：CAZAC扩频因子为58，41or Hadamard扩频因子为32，64
控制消息的调制编码(传统方法(conventional))	BPSK，BPSK(汉明码(7，4))QPSK(1/3速率的重复编码)

图4显示了用户签名序列的检测概率，其中用户签名序列的虚检概率是控制在10^-3数量级左右。从仿真结果可以看出，本发明的方案比传统的方案有至少2dB的信噪比增益。这主要是新方法的控制信息符号中包含了用户签名序列的冗余信息，所以可以增强用户签名序列的检测概率。图5和图6显示了在理想信道估计下的控制信息BLER性能比较。当两种方法传输相同的控制信息比特(5比特)时，新方法比传统方法至少可获得5dB的信噪比增益。图7和图8显示了实际信道估计下的控制信息BLER性能比较。为了提高传统方法的BLER性能，在传统方案中对控制信息采用了汉明编码和重复编码技术，并在接收端又采用了多用户干扰抵消技术。但是尽管如此，当有至少2个用户同时接入时，在实际的信道估计下，系统还是会出现BLER的误码平层。而本发明的方法不但在性能上仍要明显的优于传统的方法，而且接收端的复杂度也明显的低于传统的方法，因为它基本可以不必采用任何干扰抵消技术。

Claims (10)

1、一种用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列的发送结构，包括用户签名序列和用户控制信息，其特征在于：所述隐含用户控制信息的签名序列与所述用户签名序列之间的时域循环移位为循环移位步长N_s的整数倍，该控制信息位于该整数倍处。

2、根据权利要求1所述的用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列的发送结构，其特征在于：所述用户签名序列为其自身的循环移位版本。

3、根据权利要求1或2所述的用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列的发送结构，其特征在于：所述循环移位步长N_s为用户签名序列长度L除以2ⁿ后的整数部分且满足检测性能的前提，其中n为可携带的最大控制信息的位数。

4、根据权利要求3所述的用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列的发送结构，其特征在于：当所述用户签名序列长度L为512时，且所述循环移位步长N_s为16，则所述可携带的最大控制信息的位数n为5。

5、根据权利要求1或2所述的用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列的发送结构，其特征在于：还包括重复的一个或多个所述用户签名序列和重复的一个或多个所述隐含用户控制信息的签名序列。

6、一种用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列的发射方法，采用权利要求1至5中任一所述用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列的发送结构，其特征在于包括以下步骤：

1)产生所述用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列发送结构；

2)发送所述用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列发送结构，或只发送所述发送结构中隐含用户控制信息的签名序列。

7、根据权利要求6所述的用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列的发射方法，其特征在于：所述步骤1)中，采用恒幅零自相关序列集中的Zadoff-chu序列产生所述用户签名序列。

8、一种用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列的接收方法，接收权利要求6至7中任一所述发射方法发射的用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列，其特征在于包括以下步骤：

1)用户签名序列检测；

2)检测用户签名序列和用户循环移位签名序列之间的相对移位数获得控制信息。

9、根据权利要求8所述的用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列的发射方法，其特征在于：所述步骤1)中，用户签名序列的检测方法为相关检测和门限判决法。

10、根据权利要求8或9所述的用户签名序列和隐含用户控制信息的签名序列的发射方法，其特征在于：所述步骤2)中，信道估计的方法为时域多径提取方法，信道均衡采用频域MMSE均衡。

Images