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CN101326752B - 用于具有自适应保护间隔的单载波块传输的系统、设备和方法 - Google Patents

用于具有自适应保护间隔的单载波块传输的系统、设备和方法 Download PDF

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Abstract

本发明的系统、设备和方法提供具有保护间隔的单载波块传输，作为多径信道上的通信方式，其允许频域均衡，并且因此具有OFDM的很多优点，但是不具有诸如高PAPR和需要高分辨率ADC之类的某些缺点。虽然在单载波通信中保护间隔的使用使得可以实现信号的低复杂度检测，但是其降低了带宽效率。本发明通过自适应调节保护间隔的长度提高了带宽效率。并且，通过允许时域和频域均衡，除了提高带宽效率，本发明还可以在接收机设计中实现较大灵活性。

Description

用于具有自适应保护间隔的单载波块传输的系统、设备和方法
本发明涉及用于数字通信系统中单载波块传输的自适应长度保护间隔的系统、设备和方法。
在正交频分复用(OFDM)系统和其它多载波系统以及在单载波块传输(SCBT)中，保护间隔(GI)通常被用在每个块之前。这种保护间隔或者用该块末尾部分的副本填充，其被称作循环前缀(CP)，或者用零填充，其被称作零填充(ZP)。如果使用CP，则在接收机处，符号的这个部分被简单地丢弃。如果使用ZP，已经被溢出(spill)到ZP中的信号部分由于信道延迟而被添加到数据符号的开头。
CP和ZP实现如下重要优点：
·消除符号间干扰(ISI)：如果CP或ZP的长度大于最大信道延迟，则ISI将会得到避免。
·避免载波间干扰(ICI)：如果不使用CP或ZP，则OFDM频音(tone)的延迟版本被截短。因此，OFDM符号将会包括这些频音的部分周期。结果是，这些频音不再正交，并且产生ICI。
·使得能够进行块处理：当使用CP或ZP时，信道冲激响应有效地与数据进行循环卷积(与常规卷积不同)。这使得能够进行信号的块处理。
使用GI的最大缺点是其带宽低效性。如果GI的长度是NGI个采样，则系统的带宽效率以因子N/(N+NGI)降低，其中N是SCBT系统中的块长度或者OFDM系统中子载波的数目(OFDM块长度)。
因此需要对GI进行某些形式的修改，以减轻其对带宽效率的影响，从而可以实现相对于CP和ZP的积极优点。
本发明的系统、设备和方法提供了具有自适应长度GI的单载波传输，其有效利用了带宽。通常，GI被设计为长于最差情况(最长)的信道冲激响应。为了提高系统的带宽效率，单载波系统中的GI长度由本发明的系统、设备和方法根据实际的信道冲激响应长度而适配。
具有GI的SCBT系统具有OFDM系统在处理多径方面的优点，但不具有OFDM系统的某些缺点，即高的峰均功率比(PAPR)和需要高分辨率的模数转换(ADC)。在性能方面，如果使用高速率信道码(或者不编码)，则具有GI的SCBT系统比OFDM系统性能更好。
图1示出了具有自适应GI的单载波块传输系统的系统框图；
图2示出了基于总信道功率的百分比来确定适当的GI长度；
图3示出了利用阈值确定适当的GI长度；和
图4示出了对于CM1信道模型由99％功率方法获得的GI长度。
本领域普通技术人员应该明白，下面的描述是为了解释而提供，而不是为了限制。技术人员明白，有很多变型处于本发明的精神和所附权利要求的范围之内。已知功能和结构的不必要细节将会从本描述中省略，使得不对本发明造成模糊。根据这一点，仅仅出于证明本发明性能的目的，使用了与MB-OFDM UWB系统中的参数相似的参数，但是本领域技术人员能够容易地将这些讨论应用到任意的SCBT系统。
在优选实施例中，具有GI的SCBT系统是一个具有长度为N的符号块(例如QAM或PSK)的系统，符号块前面有CP或ZP。如果使用N×N的傅立叶矩阵作为扩展(码)矩阵的话，则这种系统等效于具有全频域扩展的OFDM系统。在数学上，来自扩展OFDM系统的发送信号可被写作
                    s＝PF-1Cx
其中x是信息符号的N×1向量，C是N×N扩展矩阵，F-1是逆傅立叶变换矩阵(也是N×N)。矩阵P产生GI，该矩阵P大小为(N+NGI)×N，其中NGI是GI的长度。对于CP，P矩阵是
Figure S2006800460009D00021
而对于ZP，P矩阵是
Figure S2006800460009D00022
容易看出，如果扩展矩阵是傅立叶矩阵，则具有GI的SCBT系统是如上形式的特殊情况，即C＝F。在这种情况下，
                    s＝Px
这意味着符号向量x的简单传输之前有GI。
在优选实施例中，本发明的系统、设备和方法克服了带宽低效性。如在OFDM系统中一样，GI的使用引入了带宽的低效性。本发明的优选实施例允许这种SCBT系统适应最高可能的带宽效率(作为信道冲激响应长度的函数)，同时保持具有GI的单载波传输的优点。
在优选实施例中，本发明的系统、设备和方法提供了天线增益使 用中的灵活性。在基于应用要求而需要具有不同增益的不同天线的系统中，基于使用的天线增益(波束宽度)，该系统将观察不同多径电平。该系统必须灵活地利用平坦信道，但是同时能够处理具有低复杂度的多径信道。当使用极高增益的天线时，波束被强烈集中。因此，存在非常少或者不存在多径。在该情况下，传统的单载波系统由于其低复杂度和较高的带宽效率而是有利的。当使用低增益(宽角度)天线时，多径是不可避免的，因此，具有GI和频域均衡的系统能够以较低复杂度提供好的性能。
在优选实施例中，本发明的系统、设备和方法提供了接收机设计中的灵活性。通常，在具有GI的OFDM或SCBT系统中，必须使用频域接收机。另一方面，如果将没有GI的单载波用于传输，则必须使用时域接收机(RAKE接收机)。本发明的优选实施例提供了接收机设计中的完全灵活性。
在优选实施例中，本发明的系统、设备和方法发送后面跟有自适应长度GI的N个符号的块(单载波传输)。发送的符号包括任意的编码信息数据、未编码信息数据、已知数据(导频符号)并且可让该发送符号为空(设置为等于零)。并且，在可替换实施例中，每个符号应被脉冲成型，以便得到想要的频谱形状。
在优选实施例中，GI长度可根据信道冲激响应长度和接收机设计能力中的至少其中之一而被自适应调整。这可以以开环或闭环的形式实现。
现在参照图1A，在包括开环的优选实施例中，基于来自接收分组的信道估计，发射机估计信道冲激响应的长度，并相应地设置GI长度。为GI确定的长度被提前或利用分组头部中的字段而被传送到接收机。
现在参照图1B，在包括闭环的第一可替换优选实施例中，接收机101在链路建立期间，以及在链路已经被建立之后周期性地，确定GI114的长度，并利用ACK或返回的分组头部中的字段而将该决定通知给发射机102。接收机的决定是基于从包括以下因素的组中选择的至少一个因素：其本身的设计111.1和基于接收机的信道估计的当前信道冲激响应长度111。例如，时域接收机(RAKE接收机)可以规定GI长度为零。这样得到简单的单载波传输方案。
另一方面，参照图1C，在第二个可替换优选实施例中，使用频域均衡110的接收机选择适当的GI长度作为所观察的信道冲激响应长度111的函数。图1C示出了用于系统闭环的可替换优选实施例，所述系统具有频域接收机101和反馈信道115，所述反馈信道115是分离的信道或使用普通通信信道103的返回或ACK分组。接收机101周期性地估计信道111，确定新的GI长度NGI 114，并通过至少其中一个反馈信道115或在返回/ACK分组中在普通通信信道103中将新的GI长度NGI发送到发射机102。此后，直到接收到新的GI长度，发射机在每个OFDM符号之前添加长度为NGI的GI。
在优选实施例中，GI的适当长度从信道的时域估计(冲激响应)中确定。给定了时域信道估计，优选实施例选择包含预定百分比的信道功率的GI长度。例如，图2示出了这种方法的优选实施例。假设希望在GI中包含99％的信道功率，则求出GI的适当长度为大约29ns。
更简单方法的可替换优选实施例基于预先指定的阈值选择GI的长度。图3示出了这种可替换方法的优选实施例。这里，阈值被选择为低于信道冲激响应的峰值20dB。然后这样选择GI的长度，使得冲激响应的所有具有大于阈值的值的部分都落入GI中。可以看出，(对于同一个信道来说)该方法得到大约30ns的GI长度。
为了展示带宽效率的改善，提供利用与MB-OFDM UWB系统参数相似的参数和CM1信道模型的例子。带宽效率的改善对于单载波系统也是相似的。利用百分比功率方法(99％的功率)，对于CM1信道模型的2000次实现所需GI的平均长度等于24.88ns，参见图4。这与MB-OFDM规范中70.08ns的固定GI长度形成对比。这意味着，通过使用自适应GI方法，该系统的带宽效率提高了因子(242.42+70.08)/(242.42+24.88)＝1.17，导致数据率提高了17％。例如，480Mb/s的数据率可被提高到560Mb/s。
本发明的系统、设备和方法改善了具有GI的SCBT系统的带宽效率，特别适用于高速率通信，在高速率通信的情况下多径可能很严重，并且带宽效率非常重要。
由于非常高的数据率，本发明对于用在60GHz系统中，以及用在对不同应用具有不同天线增益的系统中特别有吸引力。
并且，由于能够在接收机设计中实现灵活性，本发明在标准化工作中特别有吸引力。
虽然示出并描述了本发明的优选实施例，但是，本领域技术人员将会明白，这里所述的系统、设备和方法是示意性的，在不脱离本发明真正范围的情况可做出各种变化和修改，并且用等价物来替代其元素。此外，可做出很多修改来调整本发明的教导，使其在不脱离其中心范围的情况下适应特定的同步情况。因此，本发明的意图不是要被限定到用于执行本发明的预期最佳模式的特定实施例，而是，本发明包括落入后附权利要求保护范围之内的所有实施例。

Claims (12)

1.一种用于具有长度为N的符号块的单载波块传输的系统(100a-c)，包括：
发射机(102)，在其发射的每个符号块之前发射具有预定长度NGI的保护间隔GI；和
接收机(101)，去除由发射机(102)发射并由接收机(101)在每个符号块之前接收的长度为NGI的GI，
其特征在于，该接收机包括GI长度确定模块，用于按照如下方式基于信道冲激响应的估计和接收机的设计周期性地确定GI的长度NGI：
如果接收机是RAKE接收机，长度NGI被设置为零，以及
如果接收机使用频域均衡，长度NGI被设置为不同于零，
所述GI长度确定模块将NGI发送到发射机以供使用。
2.根据权利要求1的系统，其中，给定信道冲激响应的估计，GI的长度NGI被选择为包含预定百分比的信道功率。
3.根据权利要求1的系统，其中，给定信道冲激响应的估计，GI的长度NGI基于预先指定的阈值来选择。
4.根据权利要求3的系统，其中，所述选择按如下方式执行：长度NGI等于其中信道冲激响应落到保护间隔之外的部分不具有大于阈值的量值的值。
5.根据权利要求1的系统，其中，接收机(101)确定GI的长度NGI，并利用专用反馈信道(115)和通过其间的通信信道(103)发送的ACK或返回分组头部中的字段的至少其中之一，将所确定的GI的长度NGI发送到发射机(102)。
6.一种用于具有长度为N的符号块的单载波块传输的方法，包括如下步骤：
由单载波传输的发射机(102)和接收机(101)的其中之一按照如下方式基于信道冲激响应的估计和接收机的设计周期性地确定长度NGI：
如果接收机是RAKE接收机，长度NGI被设置为零，以及
如果接收机使用频域均衡，长度NGI被设置为不同于零，
将所确定的长度发送到各自接收机(101)和发射机(102)，以便由它们用作长度NGI，
发射机(102)在由其发射的每个符号块之前将长度为NGI的保护间隔GI发射到接收机(101)；和
接收机(101)去除所发射的、由接收机(101)在每个符号块之前接收的长度为NGI的GI。
7.一种用于具有长度为N的符号块的单载波块传输系统的接收机，包括：
GI去除模块(113)，去除在从发射机(102)接收的每个符号块之前的预定长度为NGI的GI，以及
GI长度确定模块，用于按照如下方式基于信道冲激响应的估计和接收机的设计周期性地确定GI的长度NGI：
如果接收机是RAKE接收机，长度NGI被设置为零，以及
如果接收机使用频域均衡，长度NGI被设置为不同于零。
8.根据权利要求7的接收机，进一步被配置为包括估计信道冲激响应的信道估计模块(111)，并被配置为包括GI长度确定模块(114)，所述GI长度确定模块(114)基于此周期性地确定GI的长度NGI。
9.根据权利要求8的接收机，其中，GI长度确定模块响应将GI的长度NGI确定为包含预定百分比的信道功率的长度。
10.根据权利要求8的接收机，其中，GI长度确定模块响应将GI的长度NGI确定为预先指定的阈值。
11.根据权利要求10的接收机，其中，所述确定按如下方式执行：长度NGI等于其中信道冲激响应落到保护间隔之外的部分不具有大于阈值的量值的值。
12.根据权利要求11的接收机，其中，接收机(101)利用专用反馈信道(115)和通过其间的通信信道(103)发送的ACK或返回分组头部中的字段的至少其中之一，将确定的GI长度NGI发送到发射机(102)。
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