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CN101326743B - 用于每一子频带的接收天线选择的系统、设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于基于能量的天线选择技术的系统(300-400)、设备(300-400)和方法，其中观察到在每一子频带(405)的所有副载波上平均的最大SNR(405)的天线被选择用于空间时间编码的MB-OFDM系统。由于系统的频率选择性质，不同的子频带可以具有来自多径信道的不同的信道增益效应。我们可以执行每一子频带的基于能量的天线选择，且仿真结果表明，所提出的技术不但对具有阴影的MB-OFDM UWB信道有效，而且也对相同的不带有阴影的信道有效。

Description

用于每一子频带的接收天线选择的系统、设备和方法
本发明涉及用于多频带OFDM系统中每一子频带的接收机天线选择的系统、设备和方法，其减小了RF链的数目和与多个RF链相关联的成本。 
在下一代多频带OFDM系统中，空间分集是特别令人感兴趣的，因为它可以通过使用多个发送和接收天线(MIMO)来利用丰富散射的信道环境。同时，空间分集可以提供系统性能的显著改善。为了改善多频带OFDM系统的性能、而同时保持高的数据速率与低的译码复杂性，空间-时间编码的OFDM系统是一个很好的选择，诸如使用两个发送天线的Alamouti(阿拉穆蒂)码，见S.Alamouti，“A simple transmit diversity technique for wirelesscommunications，”IEEE J.Select.Areas Comm，Vol.16，第1451-1458页，1998年十月。伴随使用多天线技术在性能上的改善，一同带来了由于需要多个RF链被用于实现而导致成本增加的固有缺点。 
需要一种减小这个成本的方法，一种保持多天线技术的性能改善的方法。 
本发明的系统、设备和方法提供一种用于执行天线选择的技术，其减小所选择的天线的数目且从而减小相关联的成本。 
本发明的优选实施例是基于固有频率和多频带正交频分复用MB-OFDM系统的不同子频带之间的空间分集的简单选择准则。 
按照本发明的天线选择，保留了多天线系统的大多数优点，并减小了所选择的天线和相应的RF链的数目。天线选择技术可以在空间-时间编码的OFDM系统的上下文中被使用于频率选择性信道。典型地，这样的选择准则可能会由于在天线对之间的大的子信道数量而相当复杂。 
在优选实施例中，选择度量是基于能量的天线选择技术，在其中，天线是通过观察在每一子频带中所有载波上平均的最大SNR而被选择的。 
由于MB-OFDM系统的频率选择性质，不同的子频带可能具有来自多径信道的不同的阴影(shadowing)效应。通过使用优选实施例的技术，执行每一子频带的基于能量的天线选择，且仿真结果确保不但对具有阴影的MB-OFDM UWB信道有效，而且也对相同的不带有阴影的信道有效。 
图1图解在1k字节的分组尺寸和16QAM调制下，对于具有阴影的MB-OFDM UWB信道(CM2)的单天线发送和Alamouti编码的两天线发送的PER曲线； 
图2图解在1k字节的分组尺寸和16QAM调制下，对于不带有阴影的MB-OFDM UWB信道(CM2)的单天线发送和Alamouti编码的两天线发送的PER曲线； 
图3图解具有两个天线的发射机结构；以及 
图4图解按照本发明修改的接收机结构。 
本领域普通技术人员应当明白，以下的说明被提供用来举例说明而不是限制。技术人员明白，在本发明的精神和所附权利要求的范围内可以有许多变例。已知的功能和结构的不必要的细节可以从当前的说明中省略，以免遮蔽本发明。 
在优选实施例中，MB-OFDM系统利用两个接收天线。优选实施例可以容易地扩展到两个以上的接收天线的情形。发送天线的数目大于或等于1。当发送天线的数目是1时，执行单天线发送。当发送天线的数目是2时，执行空间-时间编码发送(例如使用Alamouti码)。 
现有技术MB-OFDM UWB系统利用时间频率码(TFC)来执行在频带上的跳频。对于TFC的跳频图案可以是1，2，3，1，2，3，这具有六跳的周期，以及每跳的持续时间是一个OFDM码元。在接收机处进行天线选择的优点在于它的低复杂性，仅仅一个RF链、一个模拟-数字转换器(ADC)和一个快速傅立叶变换(FFT)。本发明的系统、设备和方法的附加复杂性是由于在接收机的前端包括了开关401、加上用于天线选择的度量的某个计算403而导致的，例如，参阅A.Gorokhov，M.Collados，D.Gore，A.Paulraj，“Transmit/receive MIMO antenna subset selection，”Proc.IEEE InternationalConference on Acoustics，Speech，and Signal Processing(ICASSP`04)，第13-16页，vol.2，2004年5月；X.Shao，J.Yuan，P.Rapajic，“Antenna selectionfor MIMO-OFDM spatial multiplexing system，”Proc.IEEE InternationalSymposium on Information Theory，第90页，2003年6月；和I.Bahccci，T.M.Duman，Y.Altunbasak，“Performance of MIMO antenna selection forspace-time coded OFDM systems，”Proc.IEEE Wireless Communications andNetworking Conference(WCNC 2004)，vol.2，第987-992页，2004年3月。 
在优选实施例中，每一子频带的所有副载波的功率的和值被用作为选 择度量。在接收机处的预选择滤波器403按照设计的带宽捕获信号，并把信号传送到LNA 402中。对于一个发送天线，开关401通过度量计算405被控制，并被执行为： 
Figure S2006800466359D00031
其中hn，l是关于副载波n和接收天线l的估计的信道系数。 
对于使用Alamouti码的两个发送天线，开关401通过度量计算405被控制，并被执行为： 
Figure S2006800466359D00032
其中hn，l m是关于在发送天线m与接收天线l之间的副载波n的估计的信道系数。 
仿真环境使用当前带有阴影的MB-OFDM UWB信道(CM2)，1k字节的分组尺寸和16QAM调制。PER曲线图解于图1A-B。 
如果信道具有阴影，则显然，本发明的优选实施例具有由于不同的接收天线具有不同接收功率这一事实而导致的某些增益。 
对于当前的不带有阴影的MB-OFDM UWB信道(CM2)执行仿真。在没有阴影效应的情况下，图2所图解的仿真结果表明，本发明的系统、设备和方法仍旧可以通过跟踪每个接收天线的功率而利用在三个子频带间的功率增益。 
图3显示具有两个天线的优选实施例的发射机结构300(对于一个发送天线设计，在发射机结构中应当只使用一个分支)。 
优选实施例的接收机结构400被图解于图4，其中开关401被放置在LNA单元402之后，这样，由开关造成的性能损失可被减小。度量的计算(405)可以在来自基带的信道估计(CE)后被处理(以实线箭头显示)。直接在来自前端的LNA(402)之后计算度量(以虚线箭头显示)是有可能的，但不是有利的。把开关放置在LNA之后是优选实施例，因为它导致噪声指数的小得多的降级(例如，0.2dB对照在典型技术下的1.5dB)。使用2个LNA来达到本目的是为了显著的好处而付出的小的代价。在两个LNA的输出之间切换的一个有利方式是使用无源组合器而不是开关，以及仅仅对相应于要被选择的天线的LNA选择性地供电。另一个LNA可以整个地关断， 或是切换到低的偏压模式，使得增益与完全供电的LNA相比是最小的。本发明的这个系统300-400、设备300-400和方法允许现有的MB-OFDM系统达到更高的性能增益，而同时保持相同的传输速率和低的接收机复杂性。直接的应用之一是下一代(千兆比特)多频带OFDM UWB系统。 
虽然已经图解和描述了本发明的优选实施例，但本领域技术人员将会明白，这里描述的系统、设备和方法是举例说明性的，并且可以作出各种改变和修改以及用等价物替换它们的要素，而不背离本发明的真实的范围。另外，可以作出许多修改，使得本发明的教导适应于具体的情形，而不背离它的中心范围。所以，旨在使本发明不限于被公开作为预期用于实行本发明的最好模式的具体实施例，而是使本发明包括属于所附权利要求的范围内的所有实施例。 

Claims (18)

1.一种用于在多频带正交频分复用(MB-OFDM)系统中每一子频带的接收天线选择的系统(300-400)，包括：
发射机(300)，用来连接到至少一个发送天线(301)以发送消息且其利用时间频率码(TFC)图案来执行跳频，以及
接收机(400)，包括至少两个接收天线(404)和一个开关(401)，该开关使用选择度量(405)来选择所述至少两个接收天线(404)中的一个天线来接收由发送天线(301)使用TFC发送的消息，
其中观察到在每一子频带的所有副载波上平均的最大信号噪声比(SNR)的接收天线被选择。
2.权利要求1的系统(300-400)，其中接收机还包括被安排在预选择滤波器(403)与开关(401)之间的低噪声放大器(LNA)(402)，以便减小由开关(401)造成的性能损失。
3.权利要求2的系统(300-400)，其中开关(401)用选择度量(405)来选择接收天线，该选择度量是基于能量的天线选择。
4.权利要求2的系统(300-400)，其中选择度量(405)是每一子频带的副载波功率的和值的函数，其在信道估计后或者紧接在LNA(402)后被处理。
5.权利要求4的系统(300-400)，其中对于一个发送天线，用于开关(401)的选择度量(405)为如下：
Figure FSB00000788988700011
其中hn，l是关于副载波n和接收天线l的估计的信道系数。
6.权利要求4的系统(300-400)，其中对于两个发送天线和Alamouti码，用于开关(401)的选择度量(405)为如下：
Figure FSB00000788988700012
其中
Figure FSB00000788988700013
是关于在发送天线m与接收天线l之间的副载波n的估计的信道系数。
7.一种用于选择在多频带正交频分复用(MB-OFDM)系统中每一子频带的接收天线的方法，包括以下步骤：
提供至少一个发送天线来发送消息且利用时间频率码(TFC)图案来执行跳频；
由所述至少一个发送天线发送消息；
提供至少两个接收天线(404)，用来接口到开关(401)；
通过开关(401)使用选择度量(405)来选择所提供的至少两个接收天线(404)中的、观察到在所有副载波上平均的最大信号噪声比(SNR)的接收天线(404)，以接收由发送天线(301)发送的消息；以及
由所述选择的接收天线(404)来接收由所述至少一个发送天线发送的消息。
8.权利要求7的方法，还包括以下步骤：
在所述至少两个接收天线(404)的每个接收天线与开关(401)之间安排低噪声放大器(LNA)(402)，以便减小由开关(401)造成的性能损失；以及
在信道估计后或者紧接在LNA(402)后确定选择度量(405)为每一子频带的副载波功率和值的函数。
9.权利要求8的方法，其中选择度量(405)是基于能量的天线选择。
10.权利要求7的方法，其中选择度量(405)是每一子频带的副载波功率的和值的函数。
11.权利要求10的方法，其中对于一个发送天线，用于开关(401)的选择度量(405)为如下：
Figure FSB00000788988700021
其中hn，l是关于副载波n和接收天线l的估计的信道系数。
12.权利要求10的方法，其中对于两个发送天线和Alamouti码，用于开关(401)的选择度量(405)为如下：
Figure FSB00000788988700022
其中
Figure FSB00000788988700023
是关于在发送天线m与接收天线l之间的副载波n的估计的信道系数。
13.一种用于多频带正交频分复用(MB-OFDM)信道中每一子频带的接收天线(404)选择的接收机(400)，包括：
接收机(400)，包括至少两个接收天线(404)和一个开关(401)，该开关使用选择度量来选择所述至少两个接收天线(404)的一个天线来接收由发送天线(301)使用TFC发送的消息，
其中该至少两个接收天线(404)中的、观察到在每一子频带的所有副载波上平均的最大信号噪声比(SNR)的接收天线被选择。
14.权利要求13的接收机(400)，还包括被安排在所述至少两个接收天线(404)的每个天线与开关(401)之间的低噪声放大器(LNA)(402)，以便减小由开关(401)造成的性能损失。
15.权利要求14的接收机(400)，其中开关(401)用选择度量(405)来选择所述至少两个接收天线(404)中的一个接收天线，所述选择度量是基于能量的天线选择。
16.权利要求15的接收机(400)，其中选择度量(405)是每一子频带的副载波功率的和值的函数，其在信道估计后或紧接在LNA(402)后被处理。
17.权利要求16的接收机(400)，其中对于一个发送天线，用于开关(401)的选择度量(405)为如下：
Figure FSB00000788988700031
其中hn，l是关于副载波n和接收天线l的估计的信道系数。
18.权利要求16的接收机(400)，其中对于两个发送天线和Alamouti码，用于开关(401)的选择度量(405)为如下：
其中
Figure FSB00000788988700033
是关于在发送天线m与接收天线l之间的副载波n的估计的信道系数。
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