CN101965702A - 用于减低同时信号传输及多用户***中的干扰的编码解码方法及设备 - Google Patents

Abstract

用于减低同时信号传输***和共享相同或相邻频率的多用户***中的干扰，减少它们之间的干扰音并增大通信网络容量的编码和解码方法及设备。为了编码到各种频带中，其使用来自传统通信信道的信息。该方法使得可以通过开发互补序列中家族的正交性来获得为零或非常低的MAI。在接收中，使用与由发送中的相同滤波器阵列卷积的序列中的每一个的共轭相对应的滤波器阵列，使得其输出的和可以在接收中提取来自所选择的用户的信息，而没有其它用户的干扰。

Description

用于减低同时信号传输及多用户***中的干扰的编码解码方法及设备

发明目的

本发明涉及一种用于同时信号传输及多用户***中的干扰的编码解码方法及设备。这个方法使得能够通过同时编码脉冲传输来减低基于任何传输手段或图像俘获手段的多址通信***中的串音或干扰。

技术领域

本发明在几个领域中逐步开发，这是由于本技术的使用范围广泛之故。作为范例但并非限制权利要求的范围而言之，我们应该提及本发明在视频业中的使用，尤其是在电信业中的使用。然而，本技术在军事及民事领域也同样很有用，例如在雷达或声纳设备通信中使用。本技术的相应性及多功能性的另一范例是其在基于图像的医疗诊断设备中的使用，比如其在磁共振成像诊断设备及超声波诊断设备中的使用。

背景技术

在大多数的通信***中，频谱有限而必须由许多用户共享。

有几种频谱共享***：通过频率分集(比如“正交频率分集复用”(OFDM)、“离散多音调制”(DMT)等等)，“跳频”(FH)、“码分多址”(CDMA)、“波分复用”(WDM)的手段及其结合。

在过去数年，一些调查及研究已经集中于重新使用频谱的可能性或至少尽量减低干涉的可能性。所有这些调查研究试图获得最大的频谱效率，以及从而在使得能够在没有相互干扰的情况下同时传输多个信号的同时，获得传输信道的最佳使用。

最大的问题之一是，目前及将来的移动电话***用户之间的干扰。所述基于“码分”或“码分多址”(CDMA)的***，是一种基于不同用户使用的不同序列之间的低互相关特性的***。由于所述互相关并不是零，几个用户同时寻址会导致称为“多址干扰”(MAI)的干扰，“多址干扰”(MAI)妨碍将用户数量增加到涉及所述干扰的数量界限之上。

另一方面，在几个用户之间传输的功率不同时，低互相关特性的条件没有被满足；这就是为什么网络应能够控制由每个用户传输的功率，以确保尽量减低“多址干扰”(MAI)。“欧洲联盟第三代合作伙伴项目”(European Consortium 3GPP)规定的移动电话的进展趋于使用多种技术，在这些技术中，多寻址建议以“频分”的手段及使用“正交频率分集复用”(OFDM)来进行。

此外，多个用户或服务之间共享相同的频带对各种数字用户线路(xDSL)的电缆宽带寻址***特别有害；在共享相同的电缆的用户数量增加时，“远端串音”(FEXT)使得在某一特定距离的每个用户能够传输的数据的速率减低。这个影响可能相当重大，而且在中等速率(与12Mbps的速率相比)时使特定服务的覆盖范围缩小50％，并在20Mbps的速率时使特定服务的覆盖范围缩小2,500％，使覆盖半径从1千米减少至200米。

几项研究项目已经提议通过使用互补序列集来编码不同的载波，比如由陈晓华(Hsiao-Hwa Chen)等人在2001年10月出版的“IEEE Communications Magazine”(美国电气与电子工程师协会通信期刊)第126-135页上发表的标题为“A Multi-carrier CDMA Architecture Based on Orthogonal Complementary Codes for New Generations of Wideband Wireless Communications”(即：“一种用于新一代宽带无线通信的、基于正交补码的多载波“码分多址”(CDMA)结构”)的论著中所提议的。

另一可提供相同解决方案的途径是由Zao Ying等人在2006年5月22-24日期间举办的“MILKON国际会议”(MILKON International Conference)在第622-625页上发表的“Complex Orthogonal Spreading Sequences Using Mutually Orthogonal Complementary Sets”(即：“使用互正交补集的复数正交扩频序列”)中提出的。互补序列以每个序列及载波需要四个相位的方式来使用。上述两个方法相同，除了一些关于使用的序列的修改之外。

最后，参阅曾恕铭(Shu-Ming Tseng)在2000年1月出版的“IEEE Transactions On Communications”(美国电气与电子工程师协会通讯汇刊)第48卷第53-59页中标题为“Asynchronous Multi-carrier DS-CDMA Using Mutually Orthogonal Complementary Sets of Sequences”(即：“使用互正交的互补序列集的异步多载波“直接序列码分多址”(DS-CDMA)”)的论著，其中重复前述的论著中所提出的调制及解调程序相同的调制及解调程序，除了轻微的修改之外。

所有先前的实施方法的不便之处之一在于最大频谱效率只是1bit/s/Hz。在用于高容量通信***(如目前的高容量通信***)时，这个频谱效率被证明为太低，介于无线电***中的3bps/Hz至各种数字用户线路(xDSL)中的12bits/s/Hz。

此外，这些技术专为基于“码分多址”(CDMA)的***设计；这就是为什么它们不能被任何其他通信***用于减低用户之间的干扰之故。除此之外，输出信号带宽大于基本信号带宽。因此，有必要完全地更改目前***的传输及接收相位，以结合所述各种技术。

由上述所有这些可以推论，在考虑所传输的带宽参数及功率的同时，不论在基带中调制数据的方式如何——不论是“正交频率分集复用”(OFDM)、“码分多址”(CDMA)、正交幅度调制(QAM)、波分复用(WDM)还是它们的其他衍生方式——都需要一种能够有效地发出信息并减低使用相同频带的用户之间或服务之间的干扰的技术。

这个技术应被用于任何需要其不同信息信道相互独立或正交化、不更改其传输频谱或传输功率的***。在可提供证据的应用中，我们应提及各种数字用户线路(xDSL)的同时用户之间的串音的减低、移动电话***中每单元的用户数量的增加、使用不同波长或雷达或声纳信号正交化的光纤电缆容量的增加以及医疗图像的产生等等。

没有任何背景技术、原有专利或实用新型具备已知的、相似于在此宣布的特征。

发明内容

在此提及的发明基于使用M个互补序列集。“互补”一词意指它们的自互相关的和导致一“克罗内克函数”(Kronecker’s delta)。

除此之外，M的值也匹配相互正交的互补序列集的数量。

“正交”一词意指每个互补序列集的交互相关的和为零。

这两个特性在本专利中用于获得期望结果。在正交序列成对(M＝2)的特定情况下，它们被称为“Golay序列”(Golay sequences)，以表示对其发现者的敬意。

本发明中使用的各序列的主要特性在于它们有一理想的自互相关特征；更确切地说，其相应于一完整的“克罗内克函数”(Kronecker’sdelta)而没有横向裂片，以及相应于一正交序列集中的家族之间的一相互为零的交互相关。

为了适当实施所述结果，所述***包括两个明确定义的块：

a.-进行发送的编码***；以及

b.-进行接收的解码***。

所述方法如下：

M个同时用户的发送***负责：

■利用与针对每个用户的选定序列相对应的滤波器组来过滤每个用户的信号，根据以上提出的解释，确保选定序列之间的正交化特性。

■将从每个用户获得的信号中的每个信号添加到过程输出，并通过一射频相位，将它们发送到发送装置。

■通过一个或多个天线，调制及发送信号。

一用户i的接收***负责：

■解调及均衡自天线接收的信号。

■利用与发送中针对所述用户的选定序列相对应的带通滤波器组来过滤获得的信号。

■将自所述滤波器组的输出获得的信号中的每个信号相加，以获得不受其他用户的干扰影响的、所述用户的原始信号。

这个过程的适当使用使得能够完全消除干扰。

附图说明

首先，我们在叙述包括下列附图组成的元件时，以相同的参考编号代表相同的元件。

图1为一方块图，其显示仅供一个用户使用的一编码***。

-1- F(ω)由一适应于为所述用户选定的互补序列集的带通滤波器组组成。

-2- H(ω)相应于可以调制为N个独立带通滤波器的和的、发送器与接收器之间的信道。

-3- F’(ω)由一适应于所述相同的集的带通滤波器组组成：

-4- D₁(ω)，D₂(ω)…D_M(ω)相应于需同时发送的不同数据流信号。

-5- FA(ω)，FB(ω)…FM(ω)相应于适应于每个用户使用的正交序列的家族的带通滤波器组，以便在接收来自每个用户数据时关于其余数据流正交化。

-6- H(ω)类似-2-，其相应于传输装置。

-7- F’_A(ω)，F’_B(ω)…F’_M(ω)相应于适应于每个用户在发送中使用的正交序列的家族的带通滤波器组，以便在接收来自每个用户的数据时关于其余数据流正交化。

-8- Rx₁(ω)，Rx₂(ω)…Rx_M(ω)相应于由每个用户在没有相互干扰的情况下得到的信号。

为了更好地了解本发明，三张附图附加于此，其中区别为：

图1为一方块图，其显示仅供一个用户使用的一编码***。

图2为一方块图，其显示独立传输及接收的M个用户。

图3为一略图，其显示一使用本专利中描述的技术的各种数字用户线路(xDSL)通信***。

本发明的优选实施方式

在此宣布的发明包括结果一致的两种独立应用。

.-在一方面，本专利对一方法提出权利要求。

.-在另一方面，本专利对一设备提出权利要求。

所述方法的实施需要一用于信号编码及解码的设备。

所述方法使用M个互补序列的集。“互补”一词意指它们的自互相关的和导致一“克罗内克函数”(Kronecker’s delta)。

除此之外，M的值也匹配相互正交的互补序列集的数量。

“正交”一词意指每个互补序列集的交互相关的和为零。

这两个特性在本专利中用于获得期望结果。在正交序列成对(M＝2)的特定情况下，它们被称为“Golay序列”(Golay sequences)，以表示对其发现者的敬意。

作为一通信***，所述设备包括三个主要的部件：

编码器-1-及-5-、解码器-3-及-7-、以及信道-2-及-6-。

所述编码器负责将需传输的基带信号与一互补序列集相卷积。另一方面，所述解码器负责将接收到的信号与相同互补序列集进行相关，以及负责将所述结果相加，以获得原始频谱。

本发明中使用的各序列的主要特性在于它们有一理想的自互相关特征；更确切地说，其相应于一完整的“克罗内克函数”(Kronecker’sdelta)而没有横向裂片，以及相应于正交序列集中的家族之间相互为零的交互相关，其遵守：

${\mathrm{\φ}}_{11}\left[n\right]+{\mathrm{\φ}}_{22}\left[n\right]+...+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{MM}}\left[n\right]=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ii}}\left[n\right]=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{MN}& ,n=0\\ 0& ,n\≠0\end{array}\right.$

$\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{ii}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\mathrm{cte},\∀\mathrm{\ω}/{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{ii}}\left(\mathrm{\ω}\right)={\mathrm{\Ω}}_i\left(\mathrm{\ω}\right){\mathrm{\Ω}}_i^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)$

$\underset{i=}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\left(\mathrm{\ω}\right)B_i^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)=0,\∀\mathrm{\ω}/A\≠B$

其中φ_ii是以N-长度选定的、M个互补序列中的每个互补序列的单一自互相关，Φ及Ω_i是互相关及所使用的带宽中的M-长度正交序列集中的家族Ω的互补序列i的频率响应，而^*为共轭算子。

这些序列的产生是根据目前已知的2、10及26比特的所谓“基核”来执行的(互补序列家族的产生的规则在C.-C.Tseng及C.L.Liu于1972年9月出版的“IEEE Transactions on Information Theory”(美国电气与电子工程师协会信息理论汇刊)第IT-18卷第644-651页的标题为“Complementary Sets of Sequences”[互补序列集]中讨论)。

通过观察所述过程方块图(图1)，可方便了解本技术。需发送的信息用d[n]表示，其带宽为B，通过一带通滤波器组F₁至F_N处理，带通滤波器组F₁至F_N从信号去除频谱分量以用于发送。频带数量N将视所使用的互补序列集的大小及欲正交化的用户及服务数量而定。

考虑带宽频率B中的信道传递的函数为：

H(ω)＝H₁(ω)+H₂(ω)+…+H_N(ω)  (5)

我们将假设每个信道的带宽为B/N，以推动所述过程。

通过所述信道接收的信号相应于输入信号与信道响应的卷积，这类似于它们的频谱的乘积：

Rx(ω)＝D(ω)·H(ω)＝D(ω)·[H₁(ω)+H₂(ω)+…+H_N(ω)]  (6)

其中F₁(ω)、F₂(ω)…F_N(ω)是以下列方式相应于信道1、2、…、N的频带及由互补序列卷积的单位增益的带通滤波器：

F₁(ω)＝Ω₁(ω)

F₂(ω)＝Ω₂(ω)

F_N(ω)＝Ω_N(ω)  (7)

其中Ω_i是符合特性(4)的N个元素的互补序列集(A、B、C、D、…)中的集Ω的元素i，如上述由Tseng发表的文章中解释那样。

根据图1中的简图及运算，我们获得下列表达式：

Rx(ω)＝D(ω)·[F₁(ω)H₁(ω)F′₁(ω)+F₂(ω)H₂(ω)F′₂(ω)+…+F_N(ω)H_N(ω) F′_N(ω)]

                                                        (8)

为使表达式(8)及(6)相等，所有信道响应应当相同并等于所述单位。这个过程称为均衡化，而且可以通过多种传统过程实现。

因此，在基带中，我们将假设信道先前已经被均衡化到这个过程，最后获得下列表达式：

Rx(ω)＝D(ω)·[F₁(ω)F′₁(ω)+F₂(ω)F′₂(ω)+…+F_N(ω)F′_N(ω)]  (9)

其中F₁(ω)、F₂(ω)…F_N(ω)是以下列方式相应于信道1、2、…、N的频带及由互补序列卷积的单位增益的带通滤波器：

F₁(ω)＝Ω^* ₁(ω)

F₂(ω)＝Ω^* ₂(ω)

…                                    (10)

F_N(ω)＝Ω^* _N(ω)

其中^*为共轭算子。

代入(9)并应用互补序列集的特性(4)，可以证明：

Rx(ω)＝D(ω)·cte                    (11)

根据这个结果并根据图2，在由M个用户D₁(ω)、D₂(ω)…D_M(ω)共享并且只有一个信道供所有用户使用的通信***中，目标在于遵守下列方程式：

Rx(ω)＝[D₁(ω)+D₂(ω)+…+D_M(ω)]·[H₁(ω)+H₂(ω)+…+H_N(ω)] (12)

照这样，所有用户相互独立。如果一正交序列家族的一互补序列集被分配给每个用户，将可以证明它们是独立的而且它们可以在没有相互干扰的情况下被获得。为了清楚，将可以以用户之中使用一正交集的一对用户来证明。照这样，假设信道均衡及将方程式(7)及(10)代入(9)并通过简化消除变量ω，方程式(12)可导出下列方程式：

Rx＝Rx₁+Rx₂＝D₁·[A₁A^* ₁+A₂A^* ₂+…+A_NA^* _N]+D₁[A₁B^* ₁+A₂B^* ₂+…+A_NB^* _N]+

    +D₁·[B₁A^* ₁+B₂A^* ₂+…+B_NA^* _N]+D₂[B₁B^* ₁+B₂B^* ₂+…+B_NB^* _N] (13)

由于所述正交互补序列的家族的集的特性，(13)的交叉项为零，而产生的表达式如下：

Rx＝Rx₁+Rx₂＝D₁·[A₁A^* ₁+A₂A^* ₂+…+A_NA^* _N]+D₂·[B₁B^* ₁+B₂B^* ₂+…+B_NB^* _N]＝

cte·(D₁+D₂)                                        (14)

可以说明先前针对N个用户所概括的过程可以表达如下：

$\mathrm{Rx}=\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Rx}}_i=\mathrm{cte}\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i---\left(15\right)$

更确切地说，所接收的信号的和相当于所发送的数据的和乘以一常数而没有相互干扰。这意味着用户是正交而独立的。

在本发明的另一实施例中，每个用户的信道可能不同，如一些无线电***、卫星及雷达或各种数字用户线路(xDSL)***那样。在这个情形下，适用于两个用户的信道模型如下：

Rx(ω)＝D₁(ω)·[H1₁(ω)+H1₂(ω)+…+H1_N(ω)]+D₂(ω)·[H2₁(ω)+H2₂(ω)+…+

H2_N(ω)]                                            (16)

其中D₁是被发送的信号，D₂是干扰源发送的信号，H1是信号D₁的产生点与接收器之间的信道的传递函数，而H2是从信号D₂的产生点到接收器1之间的传递函数。

在这个情形下，当信道不相同时，有必要独立地均衡相应于每个用户并干扰正交化特性被满足的每个信道H1、H2、…；然而，虽然所述特性更为复杂，但它对本文件中提及的应用还是很有用处。

还存在所有用户的发送点相同的其他情形，比如从移动电话基站到用户的下游信道、卫星-地球链接或各种数字用户线路(xDSL)信道。参阅图3。在这些情形下，信道H2大约等于H1乘以一常数；因此，接收器中的信号将等于下列表达式：

Rx(ω)＝[cte₁·D₁(ω)+cte₂·D₂(ω)]·[H₁(ω)+H₂(ω)+…+H_N(ω)]

                                                    (17)

其中H1＝H2＝H，而cte₁、cte₂为常数。因此，(17)主要匹配表达式(12)，因此一旦信道H在接收器中被均衡化后，所有用户就是相互正交的。

应该强调的是，已经考虑所发射的信号D在正交化过程中调制、功率及带宽保持不受影响并与之独立；相较于上述提议，这是一大优势。

此外，我们应该考虑在各种数字用户线路(xDSL)通信的情形下，(参阅图3)电缆中的每个对的响应使中心原点(CO/DSLAM)的点-a-更接近用户的接收点(点-b-)，假设相同电缆中的每对H(ω)的响应大约相等(除了一常数)，而干扰或串音耦合是在接收点-b-中产生。因此，在接收中相应于用户-a-的信号是在所述附图较下部分中描绘的点被共享电缆的其余用户的信号的耦合所干扰。

作为结论，可以声明本技术的优势一方面在于能够及时为使用相同频带的不同用户建立独立及正交的信道，其优势的另一方面在于能够保持高频谱效率，不论所描述的过程如何。因此，在此描述的发明构成一强大的信道正交化***，其通过使用能增加通信***中的频谱效率或能增加在雷达、声纳或医疗成像***中获得的信息量的互补代码来改进目前的技术。

Claims (9)

1.一种用于减低同时信号传输及多用户***中的干扰的编码解码方法及设备，其特征在于所述方法包括：每个用户的频谱通过带通滤波器-3-分割为较小频带，所述较小频带由相应于被分配给相互正交的每个用户的互补序列集的、其子集之间的交互相关为零的家族的序列卷积或适应，而所述方法使用M个互补序列的集。“互补”一词意指它们的自互相关的和导致“克罗内克函数”(Kronecker’s delta)，而M的值也匹配互补序列集的数量，这些互补序列集相互正交(即每个集的互补序列的交互相关的和为零)。除此之外，所发射的信号-4-在正交化过程中调制、功率及带宽保持不受影响并与之独立。

2.如权利要求1所述的用于减低同时信号传输及多用户***中的干扰的编码解码方法及设备，其特征在于所述***包括三个不同部分，以供适当实施所述方法：

.进行发送的编码***；以及

.进行接收的解码***。

.发送及接收***之间的信道。

其功能如下：

M个同时用户的发送***负责：

■利用与针对每个用户的选定序列相对应的滤波器组-5-来过滤每个用户-4-的信号，确保所述正交化特性。

■将从每个用户获得的信号中的每个信号添加到过程输出，并通过一射频相位，将它们发送到发送装置。

■通过一个或多个发送元件，调制及发送信号。

M个用户的接收***负责：

■解调及均衡从一个或多个接收元件接收的信号。

■利用与针对所述用户的选定序列相对应的滤波器组-7-来过滤获得的信号。

■将从所述滤波器组的输出获得的信号中的每个信号相加，以获得不受其他用户的干扰影响的、所述用户的原始信号。

3.如权利要求1所述的用于减低同时信号传输及多用户***中的干扰的编码解码方法及设备，其特征在于在每个用户的信道不同时，信道模型如下：

Rx(ω)＝D₁(ω)·[H1₁(ω)+H1₂(ω)+…+H1_N(ω)]+D₂(ω)·[H2₁(ω)+H2₂(ω)+…+H2_N(ω)]                (16)

其中D₁是被发送的信号，D₂是干扰源发送的信号，H1是信号D₁的产生点与接收器之间的信道的传递函数，而H2是从信号D₂的产生点到接收器1之间的传递函数。

4.一种用于减低同时信号传输及多用户***中的干扰的编码解码方法及设备，其特征在于：作为一通信***，所述设备包括三个主要的部件：

-5-编码器；

-7-解码器；以及

-6- -5-和-7-之间的信道

5.如权利要求4所述的用于减低同时信号传输及多用户***中的干扰的编码解码方法及设备，其特征在于编码器-5-使得能够通过带通滤波器来分割需在不同频带中发射的信号的频谱，其构建是通过以适应于每个带通滤波器的频率或工作频带的所述滤波器的响应，卷积所述互补序列集的每个元素而完成的。

6.如权利要求4及5所述的用于减低同时信号传输及多用户***中的干扰的编码解码方法及设备，其特征在于所述编码器使用一集合的滤波器，其中每个滤波器的频带的和覆盖需发射的信号的整个频谱或其频谱的一部分。

7.如权利要求4所述的用于减低同时信号传输及多用户***中的干扰的编码解码方法及设备，其特征在于所述解码器使得能够通过带通滤波器来分割需在不同频带中接收的信号的频谱，其构建是通过所使用的共轭互补序列与适应于带通滤波器的频率或工作频带的所述滤波器的响应之间的卷积而完成的。除此之外，每个滤波器的频带的和覆盖所发射及/或所接收的信号的整个频谱或其频谱的一部分，而所有滤波器的输出的和导致所述解码信号-8-。

8.如权利要求4所述的用于减低同时信号传输及多用户***中的干扰的编码解码方法及设备，其特征在于信道-6-相同，而且下列方程式被遵守：

Rx(ω)＝[D₁(ω)+D₂(ω)+…+D_M(ω)]·[H₁(ω)+H₂(ω)+…+H_N(ω)]

9.如先前权利要求所述的用于减低同时信号传输及多用户***中的干扰的编码解码方法及设备，其特征在于所使用的互补序列集的家族的长度为任意。

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