CN1611048A - 用于多载波发送的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于数据的多载波发送的方法和装置。该方法包括步骤：提供数据流；编码该数据流以创建多个复数值；将多个复数值的每一个分配给多个子信道中的一个；将单独值分配给该多个子信道的每一个；将该多个子信道的每一个与所分配的单独值相乘以产生该多个子信道的每一个的乘积值；将该多个子信道的每一个的乘积值调制到子载波，以产生该子信道的每一个的调制信号；和同时发送该调制信号。

Description

用于多载波发送的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于数据的多载波发送的方法和装置。特别是，本发明涉及一种尤其适合于无线传输的有效传输分集方案。

背景技术

已经提出了用于无线环境的多载波调制，其不但用于广播应用，如在European Digital Video Broadcasting(DVB，欧洲数字视频广播)标准中定义的，而且用于高速率无线局域网(W-LAN)，如在北美IEEE 802.11a和在欧洲HIPERLAN-2标准中定义的，上述应用都依赖于编码的正交频分复用(OFDM)。这些标准支持高达54Mbps的高数据率无线传输。

隐藏在OFDM之后的思想是将到来的数据流分割成几个较低速率的并行数据流(因此符号周期T_s更长)并在不同的子信道中发送每个数据流。使用相隔1/T_s的不同子载波发送这些数据流。通过这样选择子载波间隔，子信道在被适当地抽样时是正交的，并且允许子信道的频谱重叠，从而最大化传输的频谱效率。

OFDM的优点在于其对符号间干扰(ISI)的适应力，该ISI是由无线信道中常有的多径传播造成的。该适应力可通过使用保护间隔来循环扩展信号来实现，该保护间隔应当长于信道的最大延迟。

通常，频率选择衰落(即在不同的频率上观测到不同的衰落)表现了宽带无线***的特点。在编码的OFDM中，编码跨不同的子载波上的数据比特，这给抵抗频率选择信道提供了某些保护。但是，由于相邻频率极可能是高度相关的，因此该保护也是受限的，从而深度衰落往往影响几个子信道。

抵抗衰落的一个可选方法是使用多个天线以获得空间分集。为了获得足够的分集，不同天线的信道必须具有低相关性，这意味着这些信道彼此相隔地足够远。除此之外，每个天线还需要单独的无线前端，从而增加了收发信机的成本。这些问题使得更可能仅在基站使用多个天线，因此，在下行链路中，必须在发射机侧使用分集技术。

高速W-LAN***定位于室内环境中的静止应用或低速移动应用。对于这类应用，信道变化地很慢，例如，以步行速度(1m/s)，对于载波频率f_c＝5GHz，相干时间为T_c＝25ms，这对应于HIPERLAN/2中12个2ms的MAC帧。对于静止(便携)终端，衰落可能持续几百毫秒。对于数据应用，自动重传请求(ARQ)方案或简单的分组重传可用来保证低分组丢失和近乎无错传输。但是在上述信道条件下，直到该分组被无错接收时，分组可能不得不被多次重传或者在重传之间有大的延迟，从而降低了***吞吐量且增加了传输延迟。

在美国专利第5,914,933号中建议了一种所谓的分集的OFDM***(clustered OFDM)，其中，连续子载波的不同子集被分配给每个天线。该***的缺点在于：由于相邻的子载波是从同一天线发送的，并因此而相关，所以能够获得小的频率分集。

美国专利第6,005,876号描述了高速无线传输***，其中，子集是这样的，以至子载波被均匀地扩展在整个带宽上。这可以被看作是频域中的天线跳频。考虑到使用重复机制的吞吐量，该***具有缺点。就频率分集而言，该方法代表了一种进步，但是考虑到使用ARQ的时间分集，即使变化子载波，获益也很少。

从上述清楚地可知：非常需要一种可应用于现有标准，诸如基于OFDM的标准，的有效传输分集方案。而且，为了提高传输的性能和获得更高的可靠性，降低误码率并从而提高数据的吞吐量应该是可以实现的。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于数据的多载波发送的方法，该方法包括步骤：

提供数据流；

编码该数据流以创建多个复数值；

将多个复数值中的每一个分配给形成两个或多个信道中的一个的多个子信道中的一个；

将单独值(separate value)分配给该多个子信道中的每一个；

将该多个子信道的每一个与所分配的单独值相乘以产生该多个子信道的每一个的乘积值(multiplied value)；

将该多个子信道的每一个的乘积值调制到子载波，以产生该两个或多个信道的每一个的调制信号；和

同时发送该两个或多个信道的每一个的该调制信号。

该方法提供了一种有效的传输分集方案，只要使用多个天线，该方案就具有低的额外复杂度，从而其可以应用于诸如基于OFDM的W-LAN标准的现有标准，而不需或仅需极少地修改就可应用于现有标准。而且，可以实现误码率的实质性的降低。因此，较高的吞吐量是可以实现的。因此可以提供传输性能的提高和更高的可靠性。

基本上，该方法提供了频域预失真且使用了多个发射天线以提高多载波***的频率分集。该方法也可以用来提供一种具有时间分集的***，可以通过高层的错误控制功能(例如，自动重传请求(ARQ))来利用该具有时间分集的***，以提高数据吞吐量。

与所分配的单独值相乘的步骤提供了子载波中的相移和/或幅度变化。通过这样做，频域中的自相关变得更小。此外，可以更有效地使用所应用的码。

如果从一个子载波到下一个子载波的相移之差是常数，这是有利的。这影响信道中的延迟。从而在接收机侧，可以更有效地执行信道估计。

将单独值分配给多个子信道的每一个的步骤可以包括：提供用于单独值的随机变量。使用随机变量提高了信道中的频率选择性，同时，所使用的码变得更有效。

将单独值分配给多个子信道的每一个的步骤可以包括：提供用于单独值的具有不同相位值的常数幅度值。由于保持了子载波之间的功率分配，而不会显著影响传输性能，所以这是有利的。

不同的相位值可能属于一组可能的固定值，这是由于其后可以简化复数乘法。

数据流包括分组和用于每个分组的一个单独值，即，对于每个分组，单独值是不同的。通过这样做，可以实现将单独值固定分配给各个分组，这导致了时间分集。

当知道多个子信道中的一个的信道增益时，改变单独值的相位值，从而单独值提供与多个子信道中的一个的相位的逆相位相对应的相移，是有利的，这是由于其后如下优点出现：来自不同天线的信号是可相干接收的。

当信道增益是已知的，即，信道估计是成功的时，修改单独值的幅度值，从而幅度值与多个子信道中的一个的幅度成比例，是更加有利的，这是由于其后如下优点出现：信号是可相干接收的，并且信噪比(SNR)可被最大化。

调制步骤可以包括OFDM调制。这示出了：所提议的方案可被应用于标准调制技术。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于数据的多载波发送的装置，该装置包括：

编码器单元，用于接收数据流和创建多个复数值；

去多路复用器，用于将多个复数值的每一个分配给形成两个或多个信道中的一个的多个子信道中的一个；

乘法单元，用于将多个子信道的每一个与单独值相乘以产生多个子信道的每一个的乘积值；

调制器，用于将多个子信道的每一个的乘积值调制到子载波，以产生两个或多个信道的每一个的调制信号；和

发射机，用于经传输天线同时发射调制信号，两个或多个信道的每一个具有分配给它的传输天线。

因此，本发明的这个方面的实施例使用与上述相类似的原理。

附图说明

通过下面参照示例性的附图，对本发明的优选实施例进行了详细的、仅作为示例的描述，其中：

图1示出了对根据本发明的多载波发送装置的示例性说明；

图2以更抽象的方式示出了对多载波发送装置的示例性说明；

图3示出了相应接收机的示例性说明；

图4示出了显示相对于不同传输方案的数据吞吐量的图。

附图是为了说明的目的提供的，并且附图不必按比例地表示本发明的实际示例。

具体实施方式

虽然本发明可用于多种多载波发送应用，但是重点描述对无线***，即无线局域网(W-LAN)的应用，其如在W-LAN标准IEEE 802.11a和HIPERLAN-2中使用正交频分复用(OFDM)那样使用OFDM。在描述本发明的实施例之前，根据本发明说明一些基础知识。

通常，所提出的传输分集方案使用在天线A₁上各个子载波上的第k个子信道上发送的符号(也被称为复数值x_k(i))与系数(也被称为单独值a_l，k)的乘法。表达式i对应于第i个OFDM符号。每个单独值a_l，k包括幅度值α_l，k和相位值φ_l，k，如下面更详细描述的。单独值a_l，k可以被看作是复数值。使用具有至少两个天线A₁(这意味着具有至少两个信道1)的***可以得到最好的结果。考虑如图3所示的单个接收天线52的情况，第k个子信道的、经过快速傅立叶变换(FFT)之后的接收信号将是：

r_k(i)＝h_eq，kx_k(i)

其中h_eq，k是由所有信道1构成的等效信道的增益，也被称为等效信道增益h_eq，k。

该增益通过下式给出：

h_eq，k＝∑_la_l，kh_l，k其中，h_l，k是第1个天线A₁和第k个子信道的信道增益。发射天线A₁的数量和单独值a_l，k的选择对接收机是透明的，并且不需要额外的信令。接收机接收使用等效信道增益h_eq，k修正的发送信号x_k(i)，就像它是从单个天线A发送的。因此，接收机仅仅看到等效信道增益h_eq，k，并且如果单独值a_l，k也可应用于训练前导(preamble)，使用如现有技术中已知的传统的信道估计技术，就可以获得等效信道增益h_eq，k。

为了提供时间分集，单独值a_l，k应当在每个分组处改变。有几种不同的方法来选择与第n个分组相对应的单独值a_l，k(n)。在第一个示例中建议：通过使

a_l，k(n)＝α_l，kexp(jφ_l，k(n))，则所有的单独值都具有幅度α_l，k和随机相位，其中，相位值φ_l，k(n)包括区间[0，2π)中的独立统一(independent uniform)随机变量。如果需要如在单个天线***中那样的同一发送功率，可以将幅度选择为 $a_{l,k}=\sqrt{\left(L\right)},$ 其中L是天线A₁的总数。可以示出：与单个天线***相比，该***的频率分集随着该选择，即不同子信道k的信道增益之间的相关性降低而提高。这导致了误码率的实质性降低。或者，在第二示例中，可以随机选择幅度α_l，k。根据第一示例的、使用随机相位的方法的性能类似于第二示例。

如上所述，当使用诸如自动重传请求(ARQ)的分组重传方案时，所提议的传输分集方案的时变特性提供了时间分集。该技术在接收机处可以与分组合并一起使用，以实现进一步的性能提高。具有错误的所接收的分组不应该被丢弃。不是存储有错误的分组，而是将其与同一分组的后来的重传版本组合，理想的情况是使用最大比进行合并。与传输分集方案相关的分组合并可以提高OFDM无线***的吞吐量。这导致了容量的提高和传输延迟的降低，并且还可以在现有***中使用。

图1示出了多载波发送装置2的示例性说明。编码器单元10在其输入处接收数据流b，并在其输出处提供多个复数值x。编码器单元10还被看作是比特交织编码调制(BICM)单元10，其在这里包括编码器11和映射器12，其或者使用相移键控(PSK)或者使用正交调幅(QAM)。为了简便起见，未示出编码器11和映射器12之间的交织器单元。编码器单元10的输出与2个去多路复用器14相连，其中，每个去多路复用器对应于一个信道1。信道1的数量可以高于两个，如图2所示的。下面，仅将一个信道看作是各单元的功能是相同的。去多路复用器14将多个复数值x_k的每一个分配给多个子信道k的每一个。乘法单元16与多个子信道k的每一个相连。单独值a_l，k被提供给乘法单元，并且如上所述，其是可指定的。在每个信道1中，多个子信道k与调制器20相连。调制器20包括反向快速傅立叶变换(IFFT)单元22，其与多路复用器24相连。多路复用器24串行化从反向快速傅立叶变换(IFFT)单元22接收的信号流。串行化的信号流被馈送给循环扩展单元26。循环扩展单元26的输出，也就是调制器20的输出，被馈送给发射机30。这样的发射机30通常包括发送或TX滤波器和RF(射频)前端，为了简化而未示出。调制信号s₁可经发射天线A₁发送。每个信道1具有其发射天线A₁，A₂。

多载波发送装置2如下进行操作。由编码器单元10将数据流b编码成多个复数值x。将多个复数值x_k的每一个分配给多个子信道k中的一个。此外，将一个单独值a_l，k分配给多个子信道k的每一个。尽管有几种变化的可能性，都可以如上所述创建每个单独值a_l，k。同时，能够使单独值a_l，k。适合信道条件。如图1所示，将多个子信道k的每一个与所分配的单独值a_l，k相乘，以产生多个子信道k的每一个的乘积值m_l，k。其由乘法单元16中的乘法符号示出。在调制器20中，多个子信道k的每一个的乘积值m_l，k被馈送到反向快速傅立叶变换(IFFT)单元22。在使用多路复用器24进行的串行化和使用循环扩展单元26进行的处理之后，将调制信号s₁提供给发射机30。经分配给各个信道1的发射天线A1，A2同时发射每个信道1的调制信号s₁。

图2示出了具有多个信道1的多载波发送装置2的另一实施例的示例性说明。采用矢量表示数据，如有下划线的字母所示。通用的结构和功能与图1的相似。相同的参考数字用来表示相同或相似的部件。使用编码器11，将长度为N_pack的数据流b(n)(也被称为输入数据序列)编码成码率为R_c的N_pack，c＝N_pack/R_c个码比特，然后将其分割成每个有N_c个比特的N_pack，c/N_c个块c(i)，其对应于第i个OFDM符号。然后，通过使用映射器12将其映射成K_d＝N_c/log₂(M)个QAM或正交相移键控(QPSK)符号，其也被称为复数值矢量 x(i)，其中M是星座大小。为了简化表示法，去掉时间索引i，同时考虑单个OFDM符号或复数值矢量 x。复数值矢量 x对应于频域中的OFDM信号。引入了与各个子信道相关的K_p导频和K_z零子载波，并且信号经过K点反向快速傅立叶变换(IDFT)，其中，K＝K_d+K_p+K_z，如在调制器20(未示出)中实现的。对于如此获得的时域信号，一个加上G个抽样的循环前缀，如在也包括在调制器20中的循环扩展单元26(未示出)中实现的，以便消除高达T_G＝GT_s延迟扩展的多径干扰，其中T_s是抽样间隔。所得的调制信号s₁被滤波，使用发射机30将其转换成射频，并经发射天线A₁经过多径信道发射。

多载波发送装置2在频域中使用预失真，该预失真如在多路复用单元16中乘每个子信道k的符号所示。通过将复数值矢量 x的元素与单独值矢量 a_l 的元素相乘来执行该预失真。在第k个子载波和第1个天线A₁上的发送信号是：

x_l，k＝a_l，kx_k

接收机执行反向操作。接收信号被滤波，被转换到基带并以1/T_s的速率被抽样。去除循环扩展且执行离散傅立叶变换(DFT)。去除零和导频子载波，并且该操作之后在第k个子信道的信号是：

y_k＝h_kx_k+v_k

其中，h_k是等效信道增益，而v_k是方差为N₀的复数噪声分量。基于信道估计

可以均衡接收信号以获得信号估计：

${\hat{x}}_k=\frac{y_k}{{\hat{h}}_k}$

分别使用符号和信道矢量估计

和 可以获得码比特 的对数似然比(log-likehood ratio)，可以使用例如软输入维特比解码器对其进行解码。

在每个数据分组之前发送已知的前导，以便允许接收机进行同步和信道估计，以及频率偏移的初始获得。也可用单独值a_l，k来修正前导。由于OFDM***对频率估计误差很敏感，引入多个导频子载波以改善在一个分组内的频率偏移的估计和校正。IEEE 802.11a支持可变比特率，其可以通过不同的调制方案和不同的编码率来实现。

在接收机中，每个接收天线的频域信号可以与矢量按元素相乘，并且来自所有接收天线的信号被累加在一起。可以根据合并方案，象例如用于最大化信噪比(SNR)的最大比合并，来选择加权矢量。

图3示出了可与图1和图2中示出的多载波发送装置2结合应用的接收机50的示例性说明。接收机50包括单个接收天线52、解调器单元54和56、和解码器58，上述各单元连成一线。解调器单元54和56使用诸如相干或差分检测的已知技术，来解调接收信号，例如OFDM信号。解码器58被用作纠错解码器。应该明白：可用多个接收机50来接收发送信号s₁。预失真在理论上对接收机50是透明的，接收机50不必知道是否使用了传输分集，并且简单地尝试估计等效信道增益h_eq，k。

在图4中显示了通过使用随机相位的所提议的传输分集方案的性能改善。考虑具有4个发射天线的***，并且并将如曲线IV所示的所提议的传输分集方案与如曲线I所示的单个天线***和如曲线II和III所示的已知传输分集方案相比较。详细地，曲线II示出了延迟分集方案，而曲线III示出了频域中的天线跳频。按照吞吐量来测量性能，所述吞吐量被定义为正确接收的分组数除以发送分组的总数。在所有4种情况中都考虑了自动重传请求(ARQ)。从4个图形中可知，曲线IV示出了最佳性能。

任意一个所公开的实施例都可以与所示出的和/或所描述的其它实施例中的一个或几个组合。对于实施例的一个或多个特征的组合也是可能。

本发明可以以硬件、软件或硬件和软件的组合来实现。任意类型的计算机***或适于执行本文中描述的方法的其它装置都是适用的。硬件和软件的典型组合可以是具有计算机程序的通用计算机***，该计算机程序在被装入和执行时，控制计算机***，从而执行本文中描述的方法。本发明也可以被嵌入到计算机程序产品中，该产品包括使得本文中描述的方法能够实现的所有特征，并且当该产品被装入计算机***时，其能够执行这些方法。

本文中的计算机程序工具或计算程序意指以任何语言、代码或注释对一组指令进行的任何表示，所述指令旨在使具有信息处理能力的***直接或者在执行下列操作中的任一个或全部之后，执行特定功能：a)转换成另一种语言、代码或注释；b)以不同的物质形式再现。

Claims (12)

1.一种用于数据的多载波发送的方法，包括步骤：

提供数据流(b)；

编码该数据流以创建多个复数值(x)；

将多个复数值(x_k)中的每一个分配给形成两个或多个信道(l)中的一个的多个子信道(k)中的一个；

将单独值(a_l，k)分配给该多个子信道(k)中的每一个；

将该多个子信道(k)的每一个与所分配的单独值(a_l，k)相乘以产生该多个子信道(k)的每一个的乘积值(m_l，k)；

将该多个子信道(k)的每一个的乘积值(m_l，k)调制到子载波，以产生该两个或多个信道(l)的每一个的调制信号(s_l)；和

同时发送该两个或多个信道(l)的每一个的该调制信号(s_l)。

2.如权利要求1所述的方法，其中与所分配的单独值(a_l，k)相乘的步骤提供了子载波中的相移和/或幅度变化。

3.如权利要求2所述的方法，其中从一个子载波到下一个子载波的相移之差是常数。

4.如权利要求1所述的方法，其中将单独值(a_l，k)分配给多个子信道(k)的每一个的步骤包括：提供用于单独值(a_l，k)的随机变量(φ_l，k)。

5.如权利要求1所述的方法，其中将单独值(a_l，k)分配给多个子信道(k)的每一个的步骤包括：提供用于单独值(a_l，k)的具有不同相位值的常数幅度值。

6.如权利要求1所述的方法，还包括：当知道多个子信道(k)中的一个的信道增益时，改变单独值(a_l，k)的相位值(φ_l，k)，从而单独值(a_l，k)提供与多个子信道(k)中的一个的相位的逆相位相对应的相移。

7.如权利要求6所述的方法，还包括：适应单独值(a_l，k)的幅度值(α)，从而幅度值(α)与多个子信道(k)中的一个的幅度成比例。

8.如权利要求1所述的方法，其中调制步骤包括OFDM调制。

9.如前述权利要求中的任一个所述的方法，其中数据流(b)包括分组和用于每个分组的一个单独值(a_l，k)。

10.计算机程序单元，包括程序代码工具，用于在计算机程序在计算机上运行时，执行根据前述权利要求中的任一个所述的方法。

11.计算机程序产品，包括存储在计算机可读介质上的程序代码工具，用于在计算机程序产品在计算机上运行时，执行根据权利要求1至9中的任一个所述的方法。

12.一种用于数据的多载波发送的装置(2)，包括：

编码器单元(10)，用于接收数据流(b)和创建多个复数值(x)；

去多路复用器(14)，用于将多个复数值(x_k)的每一个分配给形成两个或多个信道(l)中的一个的多个子信道(k)中的一个；

乘法单元(16)，用于将多个子信道(k)的每一个与单独值(a_l，k)相乘以产生多个子信道(k)的每一个的乘积值(m_l，k)；

调制器(20)，用于将多个子信道(k)的每一个的乘积值(m_l，k)调制到子载波，以产生两个或多个信道(l)的每一个的调制信号(s_l)；和

发射机(30)，用于经传输天线(A_l)同时发射调制信号(s_l)，两个或多个信道(l)的每一个具有分配给它的传输天线(A_l)。

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