用于多載波發送的方法和裝置的制作方法

專利名稱：用于多載波發送的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于數據的多載波發送的方法和裝置。特別是，本發明涉及一種尤其適合于無線傳輸的有效傳輸分集方案。
背景技術：
已經提出了用于無線環境的多載波調制，其不但用于廣播應用，如在European Digital Video Broadcasting(DVB，歐洲數字視頻廣播)標準中定義的，而且用于高速率無線局域網(W-LAN)，如在北美IEEE 802.11a和在歐洲HIPERLAN-2標準中定義的，上述應用都依賴于編碼的正交頻分復用(OFDM)。這些標準支持高達54Mbps的高數據率無線傳輸。
隱藏在OFDM之后的思想是將到來的數據流分割成幾個較低速率的并行數據流(因此符號周期Ts更長)并在不同的子信道中發送每個數據流。使用相隔1/Ts的不同子載波發送這些數據流。通過這樣選擇子載波間隔，子信道在被適當地抽樣時是正交的，并且允許子信道的頻譜重疊，從而最大化傳輸的頻譜效率。
OFDM的優點在于其對符號間干擾(ISI)的適應力，該ISI是由無線信道中常有的多徑傳播造成的。該適應力可通過使用保護間隔來循環擴展信號來實現，該保護間隔應當長于信道的最大延遲。
通常，頻率選擇衰落(即在不同的頻率上觀測到不同的衰落)表現了寬帶無線系統的特點。在編碼的OFDM中，編碼跨不同的子載波上的數據比特，這給抵抗頻率選擇信道提供了某些保護。但是，由于相鄰頻率極可能是高度相關的，因此該保護也是受限的，從而深度衰落往往影響幾個子信道。
抵抗衰落的一個可選方法是使用多個天線以獲得空間分集。為了獲得足夠的分集，不同天線的信道必須具有低相關性，這意味著這些信道彼此相隔地足夠遠。除此之外，每個天線還需要單獨的無線前端，從而增加了收發信機的成本。這些問題使得更可能僅在基站使用多個天線，因此，在下行鏈路中，必須在發射機側使用分集技術。
高速W-LAN系統定位于室內環境中的靜止應用或低速移動應用。對于這類應用，信道變化地很慢，例如，以步行速度(1m/s)，對于載波頻率fc＝5GHz，相干時間為Tc＝25ms，這對應于HIPERLAN/2中12個2ms的MAC幀。對于靜止(便攜)終端，衰落可能持續幾百毫秒。對于數據應用，自動重傳請求(ARQ)方案或簡單的分組重傳可用來保證低分組丟失和近乎無錯傳輸。但是在上述信道條件下，直到該分組被無錯接收時，分組可能不得不被多次重傳或者在重傳之間有大的延遲，從而降低了系統吞吐量且增加了傳輸延遲。
在美國專利第5,914,933號中建議了一種所謂的分集的OFDM系統(clustered OFDM)，其中，連續子載波的不同子集被分配給每個天線。該系統的缺點在于由于相鄰的子載波是從同一天線發送的，并因此而相關，所以能夠獲得小的頻率分集。
美國專利第6,005,876號描述了高速無線傳輸系統，其中，子集是這樣的，以至子載波被均勻地擴展在整個帶寬上。這可以被看作是頻域中的天線跳頻。考慮到使用重復機制的吞吐量，該系統具有缺點。就頻率分集而言，該方法代表了一種進步，但是考慮到使用ARQ的時間分集，即使變化子載波，獲益也很少。
從上述清楚地可知非常需要一種可應用于現有標準，諸如基于OFDM的標準，的有效傳輸分集方案。而且，為了提高傳輸的性能和獲得更高的可靠性，降低誤碼率并從而提高數據的吞吐量應該是可以實現的。

發明內容
根據本發明的一個方面，提供了一種用于數據的多載波發送的方法，該方法包括步驟提供數據流；編碼該數據流以創建多個復數值；將多個復數值中的每一個分配給形成兩個或多個信道中的一個的多個子信道中的一個；將單獨值(separate value)分配給該多個子信道中的每一個；將該多個子信道的每一個與所分配的單獨值相乘以產生該多個子信道的每一個的乘積值(multiplied value)；
將該多個子信道的每一個的乘積值調制到子載波，以產生該兩個或多個信道的每一個的調制信號；和同時發送該兩個或多個信道的每一個的該調制信號。
該方法提供了一種有效的傳輸分集方案，只要使用多個天線，該方案就具有低的額外復雜度，從而其可以應用于諸如基于OFDM的W-LAN標準的現有標準，而不需或僅需極少地修改就可應用于現有標準。而且，可以實現誤碼率的實質性的降低。因此，較高的吞吐量是可以實現的。因此可以提供傳輸性能的提高和更高的可靠性。
基本上，該方法提供了頻域預失真且使用了多個發射天線以提高多載波系統的頻率分集。該方法也可以用來提供一種具有時間分集的系統，可以通過高層的錯誤控制功能(例如，自動重傳請求(ARQ))來利用該具有時間分集的系統，以提高數據吞吐量。
與所分配的單獨值相乘的步驟提供了子載波中的相移和/或幅度變化。通過這樣做，頻域中的自相關變得更小。此外，可以更有效地使用所應用的碼。
如果從一個子載波到下一個子載波的相移之差是常數，這是有利的。這影響信道中的延遲。從而在接收機側，可以更有效地執行信道估計。
將單獨值分配給多個子信道的每一個的步驟可以包括提供用于單獨值的隨機變量。使用隨機變量提高了信道中的頻率選擇性，同時，所使用的碼變得更有效。
將單獨值分配給多個子信道的每一個的步驟可以包括提供用于單獨值的具有不同相位值的常數幅度值。由于保持了子載波之間的功率分配，而不會顯著影響傳輸性能，所以這是有利的。
不同的相位值可能屬于一組可能的固定值，這是由于其后可以簡化復數乘法。
數據流包括分組和用于每個分組的一個單獨值，即，對于每個分組，單獨值是不同的。通過這樣做，可以實現將單獨值固定分配給各個分組，這導致了時間分集。
當知道多個子信道中的一個的信道增益時，改變單獨值的相位值，從而單獨值提供與多個子信道中的一個的相位的逆相位相對應的相移，是有利的，這是由于其后如下優點出現來自不同天線的信號是可相干接收的。
當信道增益是已知的，即，信道估計是成功的時，修改單獨值的幅度值，從而幅度值與多個子信道中的一個的幅度成比例，是更加有利的，這是由于其后如下優點出現信號是可相干接收的，并且信噪比(SNR)可被最大化。
調制步驟可以包括OFDM調制。這示出了所提議的方案可被應用于標準調制技術。
根據本發明的第二方面，提供了一種用于數據的多載波發送的裝置，該裝置包括編碼器單元，用于接收數據流和創建多個復數值；去多路復用器，用于將多個復數值的每一個分配給形成兩個或多個信道中的一個的多個子信道中的一個；乘法單元，用于將多個子信道的每一個與單獨值相乘以產生多個子信道的每一個的乘積值；調制器，用于將多個子信道的每一個的乘積值調制到子載波，以產生兩個或多個信道的每一個的調制信號；和發射機，用于經傳輸天線同時發射調制信號，兩個或多個信道的每一個具有分配給它的傳輸天線。
因此，本發明的這個方面的實施例使用與上述相類似的原理。


通過下面參照示例性的附圖，對本發明的優選實施例進行了詳細的、僅作為示例的描述，其中圖1示出了對根據本發明的多載波發送裝置的示例性說明；圖2以更抽象的方式示出了對多載波發送裝置的示例性說明；圖3示出了相應接收機的示例性說明；圖4示出了顯示相對于不同傳輸方案的數據吞吐量的圖。
附圖是為了說明的目的提供的，并且附圖不必按比例地表示本發明的實際示例。
具體實施例方式
雖然本發明可用于多種多載波發送應用，但是重點描述對無線系統，即無線局域網(W-LAN)的應用，其如在W-LAN標準IEEE 802.11a和HIPERLAN-2中使用正交頻分復用(OFDM)那樣使用OFDM。在描述本發明的實施例之前，根據本發明說明一些基礎知識。
通常，所提出的傳輸分集方案使用在天線A1上各個子載波上的第k個子信道上發送的符號(也被稱為復數值xk(i))與系數(也被稱為單獨值al，k)的乘法。表達式i對應于第i個OFDM符號。每個單獨值al，k包括幅度值αl，k和相位值φl，k，如下面更詳細描述的。單獨值al，k可以被看作是復數值。使用具有至少兩個天線A1(這意味著具有至少兩個信道1)的系統可以得到最好的結果。考慮如圖3所示的單個接收天線52的情況，第k個子信道的、經過快速傅立葉變換(FFT)之后的接收信號將是rk(i)＝heq，kxk(i)其中heq，k是由所有信道1構成的等效信道的增益，也被稱為等效信道增益heq，k。
該增益通過下式給出heq，k＝∑lal，khl，k其中，hl，k是第1個天線A1和第k個子信道的信道增益。發射天線A1的數量和單獨值al，k的選擇對接收機是透明的，并且不需要額外的信令。接收機接收使用等效信道增益heq，k修正的發送信號xk(i)，就像它是從單個天線A發送的。因此，接收機僅僅看到等效信道增益heq，k，并且如果單獨值al，k也可應用于訓練前導(preamble)，使用如現有技術中已知的傳統的信道估計技術，就可以獲得等效信道增益heq，k。
為了提供時間分集，單獨值al，k應當在每個分組處改變。有幾種不同的方法來選擇與第n個分組相對應的單獨值al，k(n)。在第一個示例中建議通過使al，k(n)＝αl，kexp(jφl，k(n))，則所有的單獨值都具有幅度αl，k和隨機相位，其中，相位值φl，k(n)包括區間
]>其中L是天線A1的總數。可以示出與單個天線系統相比，該系統的頻率分集隨著該選擇，即不同子信道k的信道增益之間的相關性降低而提高。這導致了誤碼率的實質性降低。或者，在第二示例中，可以隨機選擇幅度αl，k。根據第一示例的、使用隨機相位的方法的性能類似于第二示例。
如上所述，當使用諸如自動重傳請求(ARQ)的分組重傳方案時，所提議的傳輸分集方案的時變特性提供了時間分集。該技術在接收機處可以與分組合并一起使用，以實現進一步的性能提高。具有錯誤的所接收的分組不應該被丟棄。不是存儲有錯誤的分組，而是將其與同一分組的后來的重傳版本組合，理想的情況是使用最大比進行合并。與傳輸分集方案相關的分組合并可以提高OFDM無線系統的吞吐量。這導致了容量的提高和傳輸延遲的降低，并且還可以在現有系統中使用。
圖1示出了多載波發送裝置2的示例性說明。編碼器單元10在其輸入處接收數據流b，并在其輸出處提供多個復數值x。編碼器單元10還被看作是比特交織編碼調制(BICM)單元10，其在這里包括編碼器11和映射器12，其或者使用相移鍵控(PSK)或者使用正交調幅(QAM)。為了簡便起見，未示出編碼器11和映射器12之間的交織器單元。編碼器單元10的輸出與2個去多路復用器14相連，其中，每個去多路復用器對應于一個信道1。信道1的數量可以高于兩個，如圖2所示的。下面，僅將一個信道看作是各單元的功能是相同的。去多路復用器14將多個復數值xk的每一個分配給多個子信道k的每一個。乘法單元16與多個子信道k的每一個相連。單獨值al，k被提供給乘法單元，并且如上所述，其是可指定的。在每個信道1中，多個子信道k與調制器20相連。調制器20包括反向快速傅立葉變換(IFFT)單元22，其與多路復用器24相連。多路復用器24串行化從反向快速傅立葉變換(IFFT)單元22接收的信號流。串行化的信號流被饋送給循環擴展單元26。循環擴展單元26的輸出，也就是調制器20的輸出，被饋送給發射機30。這樣的發射機30通常包括發送或TX濾波器和RF(射頻)前端，為了簡化而未示出。調制信號s1可經發射天線A1發送。每個信道1具有其發射天線A1，A2。
多載波發送裝置2如下進行操作。由編碼器單元10將數據流b編碼成多個復數值x。將多個復數值xk的每一個分配給多個子信道k中的一個。此外，將一個單獨值al，k分配給多個子信道k的每一個。盡管有幾種變化的可能性，都可以如上所述創建每個單獨值al，k。同時，能夠使單獨值al，k。適合信道條件。如圖1所示，將多個子信道k的每一個與所分配的單獨值al，k相乘，以產生多個子信道k的每一個的乘積值ml，k。其由乘法單元16中的乘法符號示出。在調制器20中，多個子信道k的每一個的乘積值ml，k被饋送到反向快速傅立葉變換(IFFT)單元22。在使用多路復用器24進行的串行化和使用循環擴展單元26進行的處理之后，將調制信號s1提供給發射機30。經分配給各個信道1的發射天線A1，A2同時發射每個信道1的調制信號s1。
圖2示出了具有多個信道1的多載波發送裝置2的另一實施例的示例性說明。采用矢量表示數據，如有下劃線的字母所示。通用的結構和功能與圖1的相似。相同的參考數字用來表示相同或相似的部件。使用編碼器11，將長度為Npack的數據流b(n)(也被稱為輸入數據序列)編碼成碼率為Rc的Npack，c＝Npack/Rc個碼比特，然后將其分割成每個有Nc個比特的Npack，c/Nc個塊c(i)，其對應于第i個OFDM符號。然后，通過使用映射器12將其映射成Kd＝Nc/log2(M)個QAM或正交相移鍵控(QPSK)符號，其也被稱為復數值矢量x(i)，其中M是星座大小。為了簡化表示法，去掉時間索引i，同時考慮單個OFDM符號或復數值矢量x。復數值矢量x對應于頻域中的OFDM信號。引入了與各個子信道相關的Kp導頻和Kz零子載波，并且信號經過K點反向快速傅立葉變換(IDFT)，其中，K＝Kd+Kp+Kz，如在調制器20(未示出)中實現的。對于如此獲得的時域信號，一個加上G個抽樣的循環前綴，如在也包括在調制器20中的循環擴展單元26(未示出)中實現的，以便消除高達TG＝GTs延遲擴展的多徑干擾，其中Ts是抽樣間隔。所得的調制信號s1被濾波，使用發射機30將其轉換成射頻，并經發射天線A1經過多徑信道發射。
多載波發送裝置2在頻域中使用預失真，該預失真如在多路復用單元16中乘每個子信道k的符號所示。通過將復數值矢量x的元素與單獨值矢量al的元素相乘來執行該預失真。在第k個子載波和第1個天線A1上的發送信號是xl，k＝al，kxk接收機執行反向操作。接收信號被濾波，被轉換到基帶并以1/Ts的速率被抽樣。去除循環擴展且執行離散傅立葉變換(DFT)。去除零和導頻子載波，并且該操作之后在第k個子信道的信號是yk＝hkxk+vk其中，hk是等效信道增益，而vk是方差為N0的復數噪聲分量。基于信道估計 可以均衡接收信號以獲得信號估計x^k=ykh^k]]>分別使用符號和信道矢量估計 和 可以獲得碼比特 的對數似然比(log-likehood ratio)，可以使用例如軟輸入維特比解碼器對其進行解碼。
在每個數據分組之前發送已知的前導，以便允許接收機進行同步和信道估計，以及頻率偏移的初始獲得。也可用單獨值al，k來修正前導。由于OFDM系統對頻率估計誤差很敏感，引入多個導頻子載波以改善在一個分組內的頻率偏移的估計和校正。IEEE 802.11a支持可變比特率，其可以通過不同的調制方案和不同的編碼率來實現。
在接收機中，每個接收天線的頻域信號可以與矢量按元素相乘，并且來自所有接收天線的信號被累加在一起。可以根據合并方案，象例如用于最大化信噪比(SNR)的最大比合并，來選擇加權矢量。
圖3示出了可與圖1和圖2中示出的多載波發送裝置2結合應用的接收機50的示例性說明。接收機50包括單個接收天線52、解調器單元54和56、和解碼器58，上述各單元連成一線。解調器單元54和56使用諸如相干或差分檢測的已知技術，來解調接收信號，例如OFDM信號。解碼器58被用作糾錯解碼器。應該明白可用多個接收機50來接收發送信號s1。預失真在理論上對接收機50是透明的，接收機50不必知道是否使用了傳輸分集，并且簡單地嘗試估計等效信道增益heq，k。
在圖4中顯示了通過使用隨機相位的所提議的傳輸分集方案的性能改善。考慮具有4個發射天線的系統，并且并將如曲線IV所示的所提議的傳輸分集方案與如曲線I所示的單個天線系統和如曲線II和III所示的已知傳輸分集方案相比較。詳細地，曲線II示出了延遲分集方案，而曲線III示出了頻域中的天線跳頻。按照吞吐量來測量性能，所述吞吐量被定義為正確接收的分組數除以發送分組的總數。在所有4種情況中都考慮了自動重傳請求(ARQ)。從4個圖形中可知，曲線IV示出了最佳性能。
任意一個所公開的實施例都可以與所示出的和/或所描述的其它實施例中的一個或幾個組合。對于實施例的一個或多個特征的組合也是可能。
本發明可以以硬件、軟件或硬件和軟件的組合來實現。任意類型的計算機系統或適于執行本文中描述的方法的其它裝置都是適用的。硬件和軟件的典型組合可以是具有計算機程序的通用計算機系統，該計算機程序在被裝入和執行時，控制計算機系統，從而執行本文中描述的方法。本發明也可以被嵌入到計算機程序產品中，該產品包括使得本文中描述的方法能夠實現的所有特征，并且當該產品被裝入計算機系統時，其能夠執行這些方法。
本文中的計算機程序工具或計算程序意指以任何語言、代碼或注釋對一組指令進行的任何表示，所述指令旨在使具有信息處理能力的系統直接或者在執行下列操作中的任一個或全部之后，執行特定功能a)轉換成另一種語言、代碼或注釋；b)以不同的物質形式再現。
權利要求
1.一種用于數據的多載波發送的方法，包括步驟提供數據流(b)；編碼該數據流以創建多個復數值(x)；將多個復數值(xk)中的每一個分配給形成兩個或多個信道(l)中的一個的多個子信道(k)中的一個；將單獨值(al，k)分配給該多個子信道(k)中的每一個；將該多個子信道(k)的每一個與所分配的單獨值(al，k)相乘以產生該多個子信道(k)的每一個的乘積值(ml，k)；將該多個子信道(k)的每一個的乘積值(ml，k)調制到子載波，以產生該兩個或多個信道(l)的每一個的調制信號(sl)；和同時發送該兩個或多個信道(l)的每一個的該調制信號(sl)。
2.如權利要求1所述的方法，其中與所分配的單獨值(al，k)相乘的步驟提供了子載波中的相移和/或幅度變化。
3.如權利要求2所述的方法，其中從一個子載波到下一個子載波的相移之差是常數。
4.如權利要求1所述的方法，其中將單獨值(al，k)分配給多個子信道(k)的每一個的步驟包括提供用于單獨值(al，k)的隨機變量(φl，k)。
5.如權利要求1所述的方法，其中將單獨值(al，k)分配給多個子信道(k)的每一個的步驟包括提供用于單獨值(al，k)的具有不同相位值的常數幅度值。
6.如權利要求1所述的方法，還包括當知道多個子信道(k)中的一個的信道增益時，改變單獨值(al，k)的相位值(φl，k)，從而單獨值(al，k)提供與多個子信道(k)中的一個的相位的逆相位相對應的相移。
7.如權利要求6所述的方法，還包括適應單獨值(al，k)的幅度值(α)，從而幅度值(α)與多個子信道(k)中的一個的幅度成比例。
8.如權利要求1所述的方法，其中調制步驟包括OFDM調制。
9.如前述權利要求中的任一個所述的方法，其中數據流(b)包括分組和用于每個分組的一個單獨值(al，k)。
10.計算機程序單元，包括程序代碼工具，用于在計算機程序在計算機上運行時，執行根據前述權利要求中的任一個所述的方法。
11.計算機程序產品，包括存儲在計算機可讀介質上的程序代碼工具，用于在計算機程序產品在計算機上運行時，執行根據權利要求1至9中的任一個所述的方法。
12.一種用于數據的多載波發送的裝置(2)，包括編碼器單元(10)，用于接收數據流(b)和創建多個復數值(x)；去多路復用器(14)，用于將多個復數值(xk)的每一個分配給形成兩個或多個信道(l)中的一個的多個子信道(k)中的一個；乘法單元(16)，用于將多個子信道(k)的每一個與單獨值(al，k)相乘以產生多個子信道(k)的每一個的乘積值(ml，k)；調制器(20)，用于將多個子信道(k)的每一個的乘積值(ml，k)調制到子載波，以產生兩個或多個信道(l)的每一個的調制信號(sl)；和發射機(30)，用于經傳輸天線(Al)同時發射調制信號(sl)，兩個或多個信道(l)的每一個具有分配給它的傳輸天線(Al)。
全文摘要
本發明提供了一種用于數據的多載波發送的方法和裝置。該方法包括步驟提供數據流；編碼該數據流以創建多個復數值；將多個復數值的每一個分配給多個子信道中的一個；將單獨值分配給該多個子信道的每一個；將該多個子信道的每一個與所分配的單獨值相乘以產生該多個子信道的每一個的乘積值；將該多個子信道的每一個的乘積值調制到子載波，以產生該子信道的每一個的調制信號；和同時發送該調制信號。
文檔編號H04J11/00GK1611048SQ02825121
公開日2005年4月27日 申請日期2002年11月21日 優先權日2001年12月17日
發明者安德列·諾爾巴雷托 申請人:國際商業機器公司