正交時頻移位和頻譜整形通信方法
【專利說明】
[0001] 本申請是申請日為2011年5月27日、申請號為201180034699. 8、名稱為"正交時 頻移位和頻譜整形通信方法"的發明的分案申請。 陽00引發明背景
[0003] 本專利申請要求2010年5月28日提交的美國臨時專利申請61/349, 619 "正交 時頻移位和頻譜整形通信方法（ORTHONORMALTIME-FREQ肥NCY甜IFTINGANDS陽CTRAL SHAPINGCOMMUNICATIONSMETHOD)"的優先權，發明人是SelimSilomoRakib和Ronny 化dani，該專利申請的內容通過引用結合在此。
技術領域
[0004] 本發明設及通信協議和方法的一般領域，更具體地設及無線通信協議和方法。
【背景技術】
[0005] 隨著無線通信技術的進步，每個人都想通過范圍有限的可利用無線電頻譜發送或 接收越來越多的數據，容納越來越多的用戶成為了普遍問題。
[0006] 當今，正在使用大量的具有無線功能的不同便攜式手持裝置。運些便攜式無線裝 置（例如移動電話、便攜式計算機等）一般是由小電量電池供電，用戶通常希望在為電池重 新充電之前運些裝置能長時間工作。為了滿足運些用戶期望，運些裝置上的無線發射器必 須利用很小的功率來輸出無線信號，因而難W在背景噪聲上區分無線電信號。
[0007] 另一個問題是，運些裝置中的很多是在移動交通工具上承載的，例如汽車、飛機 等。運產生了額外的復雜情況，因為運些裝置傳輸的低功率無線信號還可能受到各種失真 的影響，例如變化的并且不可預知的多普勒移位、W及經常由建筑物或其他結構體的變化 的無線電反射所產生的不可預測的多徑效應。
[0008] 面對所有運些問題，各種無線信道的噪聲背景隨著產生噪聲的電子裝置的激增而 變得更高。其他無線裝置增加也加劇了背景噪聲。
[0009] 為了解決運些問題，很多現有技術無線電傳輸方法，包括時分多址（TDMA)、全球移 動通信系統（GSM)、碼分多址（CDMA)、頻分多址（抑MA)、正交頻分多址（(FDM)、化及其他無 線協議已經變得十分普及。每種方法都試圖W略微不同的方式解決W上一系列問題。
[0010] 最簡單，也是高度受歡迎的一種無線通信方案是TDMA，在TDMA中，多個用戶可W 共享一個單一載頻，并且為每個用戶分配了他們自己的特定時隙，接著該特定時隙與預留 給其他用戶的時隙進行交錯。 W11] TDMA構成了更為先進的GSM方法的基礎，該方法組合了跳時和跳頻，并且在當今 世界中是最受歡迎的移動電話協議。GSM分配了很多不同頻率或波長W供使用，并且每個波 長被分成小的時隙，持續時間常常只有幾毫秒。因此，每個波長可W與大約8個到16個其 他用戶共享。
[0012] 相比之下，CDMA是更為復雜的協議。CDMA是一種擴頻協議，該協議為每個發射器 分配一個不同的擴頻碼。運種擴頻碼通常是運行在"碼片"速率（碼片通常是短的矩形脈 沖，具有+1或-I的幅度）上的偽隨機數或碼，該速率遠高于用戶希望傳輸的底層數據信號 的速率。CDM的工作方式是W高速偽隨機擴頻碼來調制（在傳輸結果之前，通常是經過獨 有的或（異或）處理）用戶的數據信號。運種高速擴頻碼在更寬的波長頻譜上分配用戶的 數據，并且還為接收器提供方便的途徑W"調諧"至信號中并將信號與背景噪聲分開。
[0013] 利用不同的偽隨機數，很多不同的用戶可W使用不同的擴頻碼，并且所有用戶同 時在相同的頻帶上進行傳輸。在接收端，已知運種適合的偽隨機擴頻碼的接收器可W"調 諧"至所需的發射器，并忽略其他信號。利用相同頻帶上的不同擴頻碼的其他用戶傳輸的效 應是最小的，因為他們的不同擴頻碼只在該信道上引起少量的背景噪聲。的確，因為擴頻碼 在更寬的頻譜范圍上對數據進行擴展，擴頻方法（例如CDMA)被認為是相對抗噪聲的。
[0014] 相比之下，替代的抑MA協議工作方式是將可利用的頻譜細分為很多窄帶信道。在 每個通信會話過程中，為每個用戶分配一個唯一的頻率或波長（唯一的窄帶）。
[0015] (FDM(也稱為離散多音音調制或DMT)協議還將可利用的頻譜分為很多窄帶信道 或音調或譜形，每個信號通過最小的頻率或波長間隔彼此隔開。運些窄帶音調或譜形信道 可W承載正交調幅（QAM)信號或相移鍵控信號，運些信號被設計用于與相鄰窄帶信道承載 的相似信號最低限度地重疊（與其正交）本質上0抑M方案標出有限的時頻網格，運樣每個 傳輸的符號被分配至特定的時間和頻率坐標。因為CFDM方案使用非常緊密堆積的信道W 及載波調制方案（該方案被選擇用于使運些很多緊密堆積的音調或譜形信道之間產生最 小重疊），該方法可W獲得相對較高的數據傳輸速率。
[0016] 盡管OFDM方案相當高效地使用可利用的頻譜，并因此受到有線和無線寬帶數字 通信的歡迎，但運種方法需要接收器和發射器之間非常精確的頻率同步。因此，OFDM協議 對多普勒移位導致的問題相對敏感，并且當建筑物和其他結構體的反射產生多徑效應時， 運些問題還會變的更嚴重。
【發明內容】
[0017] 有鑒于在現代世界中越來越多的人使用無線裝置，因此對通信協議仍然存在未滿 足的需求，運些通信協本質上能夠利用少量功率承載寬帶通信，還對多普勒移位、多徑反射 W及背景噪聲比W前的通信協議更具有抵抗性。本發明是用于實現運些目標的一種新的通 信方法。
[0018] 盡管將在本專利申請全文中使用一些無線實例，但需要注意的是有線通信也具有 運些問題中的很多。因此，除非另有說明，在此披露的方法用于涵蓋有線通信方法W及無線 通信方法。
[0019] 本發明方法的操作方式是，利用新的時頻移位和頻譜整形碼將數據擴散在時間、 頻譜、波形或音調或譜形調制上，新的時頻移位和頻譜整形碼在比W前方法更大的程度上 利用時移、頻移和頻譜整形。本發明的方法結合時移技術、頻移技術和頻譜整形技術，在一 些退化情況下該方法類似于TDM，在其他退化情況下類似于CDM，而在其他退化情況下類 似于(FDM，但在預期的使用模式中是其自己的唯一方法，運里稱為正交時頻移位和頻譜整 形（0TFSSS，或可替代地OTFS3)方法。如將要討論的，運種OTFSSS方法可W高速率地傳輸 數據，通常對多普勒移位、多徑效應和背景噪聲導致的問題仍具有抵抗性。
[0020] 本發明操作的方式通常是采用比W前方法更大的"塊"或帖來發送數據。也就是 說，盡管現有技術的CDMA或(FDM方法可能在通信鏈路的一組時間間隔上對N個符號進行 編碼并發送，但本發明通常將在更長的時段上對最少N2個符號進行編碼，并且相比于現有 技術方法的情況，傳輸的每個數據符號或元素都在更大程度上擴散在時間、頻率和譜形空 間上。因此，相對于先前方法，N2個符號在更長的時段上進行組合，并且花費更長的時間開 始求解任意給定數據符號的值，因為運種符號必須是在較長時段上逐漸組合或累積的。
[0021] 更具體地，在傳輸處理過程中，本發明將在一系列時擴間隔的循環變化的頻率范 圍上對每個數據元素進行細分并傳輸。相對于替代的通信協議，運常常會要求每個數據元 素或符號在實質上更長的時段上進行傳輸。然而，為了避免使數據速率降至不可接受的緩 慢水平，基于在此討論的各種卷積和解卷積方案，本發明還利用復雜的多路復用方法，W便 將相當多的信息封裝到每個信號（該信號在循環變化的頻率范圍上并且在一系列時擴間 隔上發送）中。為了恰當地選擇卷積和解卷積方案，較慢的數據速率（由于將一個單一數 據元素和符號拆分在N個時擴間隔上而導致）可W通過適合的卷積和解卷積方案來補償， 運些方案在由N2個數據符號或元素組成的數據帖或數據矩陣巧]中來發送數據。
[0022] 因為每個數據符號被細分并在多個信號上發送，在傳輸和接收過程中運些信號中 的一些的損耗不會導致數據符號丟失，因為使用了不同信號處理方案來補償運些信號中的 一些的損耗。同時，可W更容易地補償由公共無線通信鏈路損害導致的損耗，例如多普勒移 位和多徑效應。
[0023] 例如，對于現有技術，如果偶然由第一發射器的一個無線信號導致的多普勒效應 如同第一或第二發射器的另一個信號一樣影響了相同的頻率（對于多徑效應，移動的第一 或第二發射器的信號撞擊相對于接收器成任意角度的目標可W產生該第一或第二發射器 的多普勒失真反射或回聲信號，該回聲信號也到達接收器），運可能導致混亂、歧義和數據 丟失。相比之下，根據本發明，通過循環移位頻率并將數據元素在多個時間間隔上發送，基 本上最小化了多普勒"碰撞"的影響一最多將存在一種瞬時效應，它只會導致用于傳輸特定 數據符號或元素的多個信號中的一個的損耗。其他通信鏈路損害的效應（例如多徑效應） 也可W最小化，因為循環頻移還提供了另一種補償多徑效應的方式。
[0024] 注意的是，存在至少兩種基本途徑來分隔循環頻移的時間范圍上的數據元素和符 號，因此構成了本發明的兩種基本形式。在本發明的第一形式中，單一符號的數據在多個時 間片上進行卷積和分隔，并最終作為一系列時間片W每時間片為基礎進行傳輸，運在某種 程度上讓人回憶起TDMA方案（盡管十分不同于它），并且利用運種傳輸方案在多個時擴間 隔上實現循環頻移。因此，對于本發明的第一形式，數據傳輸的基本單元W時間片為基礎進 行操作。
[0025] 在本發明的第二形式中，數據最終作為具有特征頻率的一系列波形來傳輸，其中 每個波形持續一個時擴間隔（通常包括N個時間片），并且貫穿運種傳輸方案的是在多個時 擴間隔上實現循環頻移。因此，對于本發明的第二形式，數據傳輸的基本單元在更長的時擴 間隔上操作，通常可W將該更長時擴間隔視為由N個時間片組成。除非另有所指，通常貫穿 本披露的是，討論將集中在本發明的第一面向時間片的形式。
[00%] 返回至本發明的第一基本形式的討論，在一個實施方案中，該方法通過W下操作 產生作用：形成妒個符號或元素的NXN數據帖矩陣，該數據帖與第一NXN時頻移位矩陣 相乘，選擇性地對該結果進行置換，然后將該結果與第二NXN頻譜整形矩陣相乘。因此， 本質上數據帖中的N2個數據元素混合或分布在所得的整個NXN矩陣乘積中，運里稱為"時 頻移位和頻譜整形"數據矩陣或"TFSSS數據矩陣"。因此，例如NXN數據帖的第一行第一 列中的一個單一符號或元素最終分布在所得的NXNTFSSS數據矩陣的所有行和列上。
[0027] 然后可W選擇、調制并傳輸運種TFSSS數據矩陣的內容（即獨立元素）。通常每次 選擇該TFSSS數據矩陣的N個元素（常常是該TFSSS數據矩陣的列）在一個時擴間隔上進 行發送，因此經常需要N個時擴間隔來傳輸該TFSSS數據矩陣的全部內容。運種時擴間隔 通常由至少N個時間片組成。在每個時間片中，選擇、調制并傳輸最新選擇的N個元素（例 如，TFSSS數據矩陣的所選列）中的一個元素。
[0028] 在接收端，處理過程通常逆向地操作。TFSSS數據矩陣的獨立元素在不同的時間片 和不同的時擴間隔上接收，從而允許接收器重新組合原始的TFSSS數據矩陣的副本（由于 通信鏈路損害影響，該副本可能不是一個完美的副本）。利用它的關于第一NXN時頻移 位矩陣、可選擇的置換處理、第二NXN頻譜整形矩陣和用于選擇TFSSS數據矩陣的不同元 素的選擇處理W及克服損害效果的各種降噪或補償技術的知識，然后接收器將重構N2個符 號或元素的原始NXN數據帖矩陣。因為原始數據帖的每個數據符號或元素常常擴散于整 個TFSSS數據矩陣上，TFSSS矩陣的大部分或所有通常需要進行重構W求解原始的數據符 號或元素。然而，通過使用降噪和補償技術，常常可W補償傳輸過程中的