CN101167322B - 用于具有新前导码结构的ofdm通信系统的发射设备、接收设备和通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于发射和接收在OFDM通信系统的频率副载波上所调制的数据的发射设备、接收设备和通信方法。OFDM突发包含前导码部分和有效负载数据部分，由此，前导码部分具有由被映射到每个第n个频率副载波上的导频符号和被映射到频率副载波与导频符号之间的频率副载波上的信令数据组成的分段。执行基于接收到的导频符号的第一信道估计，该第一信道估计的结果被用于将接收到的前导码的整个分段重构为用于精确信道估计的训练模式，该精确信道估计被用于对接收到的有效负载部分进行信道均衡。

Description

用于具有新前导码结构的OFDM通信系统的发射设备、接收设备和通信方法

本发明涉及一种用于发射和接收在OFDM(正交频分多路复用)通信系统的频率副载波上调制的信号的发射设备、接收设备和通信方法。

在双向猝发式(burst-oriented)数字通信系统中，需要使接收设备与来自发射设备的数据突发同步。这对有线以及无线通信系统都成立。通常，为了在接收侧执行信号检测、AGC(自动增益控制)调节、频偏估计、定时同步和信道均衡，都使用前导码。发射设备将前导码正好插入到突发的有效负载数据部分之前，或者插入到突发的中间，并且该前导码在接收侧被处理，以便执行所提及的功能。

在目前的猝发式数字通信系统中，其中前导码正好被插入到有效负载数据部分之前，该前导码可以被粗分成三个分段。第一分段包括在接收侧被用于信号检测和自动增益控制以及粗略的频率和定时估计的信息或符号。第二分段包括在接收侧被用于信道估计、精确的频偏估计和定时同步的符号和信息。第三分段包括涉及诸如所使用的调制方案、包长度、业务信息等等的附加信令信息的信息和符号。在OFDM通信系统中，其中在频率副载波上调制数据或符号，第一分段通常包括某种自相关模式，也就是使用被调制到频率副载波上的导频符号，例如使用像CAZAC(恒定幅度零自相关)那样的序列。因此，具有导频符号的序列遍布OFDM符号的频率副载波，由此在两个调制过的载波之间的具有导频符号的所有载波都被设置为零。这些特定导频模式的思想是要获得具有高相关最大值的合适的相关模式，以便实现第一和粗略同步。自动增益控制信息通常被放置在自相关模式之前。在第二分段中，已知的OFDM符号(即接收机已知的训练序列或者导频模式)被映射到允许信道均衡以及精确的频率和定时同步的频率副载波上。第三分段包括附加的信令数据，该附加信令数据的具体内容基本上取决于MAC(媒体存取控制)架构。

关于前导码的一般问题是，随着前导码长度的增加，即随着不同的训练和相关模式的长度增加，同步和信道估计可能性变得更好，而另一方面由于所传输的前导码数据和所传输的有效负载数据之间的比例变大，所以整个数据吞吐量降低。特别地，在有多个活动节点和因此与多个前导码的大量数据交换的通信网络中，长前导码引起有效数据率显著降低。

因此，本发明的目的在于提供一种用于发射和接收在正交频分多路复用通信系统的频率副载波上调制的信号的发射设备、接收设备和通信方法，由此发射包括前导码部分和有效负载部分的突发，其中前导码部分尽可能短，同时仍然保证接收侧的安全同步。

通过依照权利要求1所述的、用于发射在正交频分多路复用(OFDM)通信系统的频率副载波上所调制的信号的发射设备实现上述目的。依照本发明的发射设备适于发射包括前导码部分和有效负载数据部分的OFDM突发，并且该发射设备包括适于产生所述前导码部分的前导码产生装置，所述前导码部分具有由被映射到每个第n个频率副载波上的导频符号和被映射到具有导频符号的频率副载波之间的频率副载波上的信令数据组成的分段。因此，n＝1，2，3，4，5，6，...。

有利地，导频符号形成互相关模式。换句话说，接收侧已知这些导频符号。此外有利地，前导码产生装置利用稳定的(robust)调制方案来调制前导码部分的所提及的分段的信令数据。因此，稳定的调制方案是其中符号要被发射到或者被映射到该调制方案的两个或者四个星座点的调制方案。例如，稳定的调制方案可以是BPSK或QPSK调制方案。可替换地，如果信道特性足够好，则可以使用具有例如8个、16个、32个或更多个星座点的更高级的星座。此外有利地，前导码产生装置给信令数据提供前向纠错，以便提高在接收侧的解码器处正确决策的可能性。

有利地，本发明的发射设备及其元件适于在输电线通信系统中发射信号。

这种前向纠错的实例是维特比(Viterbi)码。

上述目的还可以通过依据权利要求7所述的、用于接收在OFDM通信系统的频率副载波上所调制的信号的接收设备来实现。按照本发明的接收设备适于接收包含前导码部分和有效负载数据部分的OFDM突发，所述前导码部分包括具有被映射到每个第n个频率副载波(n＝1，2，3，4，5，6，...)上的导频符号和被映射到具有导频符号的频率副载波之间的频率副载波上的信令数据的分段，并且该接收设备包括信道估计装置和第一信道均衡装置，该信道估计装置适于根据所述接收到的导频符号执行第一信道估计，该第一信道估计的结果被用于将接收到的前导码的整个分段重构为用于精确信道估计的训练模式，该第一信道均衡装置适于使用该精确信道估计的结果来对接收到的有效负载部分进行信道均衡。

有利地，信道估计装置适于通过比较训练模式与前导码部分的接收到的分段来执行所述精确信道估计。此外有利地，由信道估计装置根据接收到的导频符号所提供的第一信道估计结果被供给第二信道均衡装置，该第二信道均衡装置适于对接收到的信令数据执行信道均衡。因此，均衡过的信令数据有利地被用于将接收到的前导码的整个分段重构为用于所述精确信道估计的所述训练模式。

有利地，本发明的接收设备及其元件适于在输电线通信系统中接收信号。

上述目的还可以由按照权利要求11所述的、用于发射和接收在OFDM通信系统的频率副载波上所调制的信号的通信方法来实现。在本发明的通信方法中，发射包含前导码部分和有效负载数据部分的OFDM突发，所述前导码部分具有由被映射到每个第n个频率副载波(n＝1，2，3，4，5，6，...)上的导频符号以及被映射到具有导频符号的频率副载波之间的频率副载波上的信令数据组成的分段，并且借此执行基于所述接收到的导频符号的第一信道估计，该第一信道估计的结果被用于将接收到的前导码的整个分段重构为用于精确信道估计的训练模式，该精确信道估计被用于对接收到的有效负载部分进行信道均衡。

有利地，通过比较该训练模式与前导码部分的接收到的分段来执行精确信道估计。此外有利地，第一信道估计结果被用于形成对所述接收到的信令数据的信道均衡。因此，该均衡过的信令数据有利地被用于将接收到的前导码的整个分段重构为用于所述精确信道估计的训练模式。

术语“信号”意指包含可以在无线或有线通信系统中被发射和被接收的各种有效负载数据、符号、信息、训练模式、导频符号等等。

本发明基于该想法来通过将来自已知前导码的第三分段的所有信令数据的部分合并到该前导码的第二分段的信道估计模式中来最小化前导码符号的数目。这通过以下过程来实现，即优选地在稳定的星座模式中用信令数据代替每个训练符号的特定频率图(频率副载波)中的训练数据或导频符号，然后在得自剩余的训练模式的粗略信道估计之后决定所传输的数据模式，以及最后再使用所决定的数据模式来在该前导码的分段的所有频率副载波上重构完整训练模式或符号。在前导码的相同分段中组合信道均衡和信令信息显著地缩短了整体前导码长度。

应当注意，通信信道中的传输越稳定或越静止，前导码的长度就越短。静态信道或准静态信道中的同步比快速变化传输信道中的同步更容易，因为衰减和相移保持长时间稳定，使得需要更少的同步信息。另外，静态或准静态信道有缩短前导码的可能性，因为自动增益调节比在快速变化信道中更简单。通常，本发明对于如在大多数有线通信系统、特别是输电线通信系统、DSL通信系统等中的静态或准静态通信信道是有利的。例如，在输电线通信系统中，传输信道是准静态的，因为除了在像开关灯和插拔设备那样的事件中，信道特性都保持稳定。相同的情况对使用有线电话网络的通信系统也成立。另一方面，无线通信系统、诸如WLAN通信系统也具备准静态的信道特性。因此，本发明不限于有线通信系统，而是也可被用于无线通信网络。

在下文结合附图的描述中更详细地说明本发明，其中：

图1示出按照本发明的发射设备的示意性框图，

图2示意性地示出导频符号在每个第n个副载波上的映射，

图3示意性地示出用于信令数据的稳定的调制方案，以及

图4示意性地示出按照本发明的接收设备的框图。

图1示出按照本发明的发射设备1的示意性框图。发射设备1适于发射在OFDM通信系统的频率副载波上所调制的信号，并且发射设备1包括准备和处理信号以及将信号映射到OFDM系统的频率副载波上并在有线或无线OFDM通信系统中发射相应形成的OFDM突发所需的所有装置。然而，为了清楚，在图1中仅示出和解释本发明所需的元件和装置。相同的情况对图4中示意性示出的接收设备也成立。

通常，本发明建议一种对具有前导码的OFDM突发进行OFDM发射和接收，该前导码相对于现有技术的前导码短，同时仍然保证接收侧的安全同步。因此，本发明建议使用包括前导码部分和有效负载部分的OFDM突发，由此前导码部分具有由被映射到每个第n个频率副载波上的导频符号和被映射到具有导频符号的频率副载波之间的频率副载波上的信令数据组成的分段。因此，n＝1，2，3，4，5，6或以上取决于所要求的、接收侧同步的可靠性。换言之，导频符号等间距地被映射到频率副载波上，借此选择相邻导频符号之间的距离，使得在接收侧的插值足够好而可以预测被置于其间的信令数据的幅度衰减和相移。在具有导频符号和信令数据的前导码分段的前面有一在先分段，该在先分段包括用于接收侧的自动增益控制信息以及能实现接收侧的粗略同步的自相关模式。

因此，如图1中所示的本发明的发射设备1包括导频符号产生装置2和信令数据产生装置3。导频符号产生装置2产生互相关模式的导频符号、即接收侧已知的导频符号。可以使用任何种类的、已知或未来的导频符号。由信令数据产生装置所产生的信令数据可以是包含接收侧的有用信息(即可被用于任何种类的处理的信息)的任何种类的数据。例如，信令数据包含关于发射设备和接收设备的标识信息或任何其它种类的信息。这使得例如能在准静态信道中再使用发射设备与接收设备之间的正式发射的自动增益控制值。嵌入信令数据中的发射设备和接收设备标识信息被用于标识该连接，此后通过接收侧使用正式使用的自动增益控制值。另外或者可替换地，信令数据包括关于发射功率电平的信息。接收设备向发射设备指示发射功率电平。另外或者可替换地，信令数据包括媒体存取控制定时信息。另外或者可替换地，信令数据包括关于自适应OFDM调制的信息。在说明书结尾部分详细说明信令数据的所提及的可能内容。

来自导频符号产生装置2的导频符号和来自信令数据产生装置3的信令数据被提供给前导码产生装置5，该前导码产生装置5适于将导频符号映射到OFDM系统的每个第n个频率副载波上并且还适于将信令数据映射到具有导频符号的频率副载波之间的频率副载波上。导频符号的密度取决于要在接收侧实现的同步。必须确保，导频符号以能够实现接收侧上的插值的密度来放置，该插值足够好而可以预测导频符号之间的频率副载波上的信令数据的幅度衰减和相移。

发射设备1还包括用于针对前导码的一分段产生自动增益控制信息和自相关模式的装置4，该分段在具有导频符号和信令数据的分段之前。因此，在非常基本的实施例中，前导码仅由两个分段组成，由此，第一分段包括自动增益控制信息和自相关模式，而第二分段由导频符号和信令数据组成。因此，必须注意到，在装置2、3和4中产生各种符号和数据当然包括从其它源获得相对应的数据或信号或信息以及就地、即在发射设备中产生信号或数据或信息。前导码产生装置5产生OFDM突发的整个前导码，这意味着正在执行创建用于OFDM系统的前导码的各种必需的处理步骤，诸如扰频数据、数据的前向错误编码、交织数据、映射数据和OFDM调制数据(其通常包括快速傅里叶逆变换)。然后，由前导码产生装置5所产生的前导码被供给OFDM突发产生装置6，该OFDM突发产生装置6将所获得的前导码与有效负载数据组合。在有效负载数据产生装置7中产生或通过有效负载数据产生装置7获得有效负载数据，由此，在OFDM处理装置8中以相应通信系统所需的波形处理该有效负载数据，例如通过扰频、前向错误编码、交织、映射和OFDM调制有效负载数据来处理。OFDM突发产生装置6将前导码和有效负载数据合在一起并例如通过增加保护间隔、通过执行符号波形成形等来产生OFDM突发。所产生的OFDM突发然后被供给传输装置9并由相对应的接口装置10朝接收设备传输。该接口装置可以是任何种类的有线或者无线接口。例如，如果是无线通信系统，则接口装置10可能是天线。如果是输电线通信系统，则接口装置10是用于到输电线插座的连接的适当的接口设备。

图2示意性地示出按照本发明的、导频符号11到前导码的频率副载波上的映射以及信令数据12在具有导频符号11的频率副载波之间的频率副载波上的映射。在图2中所示的实例中，导频符号被映射到每个第4个频率副载波上，因此n＝4。然而，n可以使用任何其它适当的数字。如上所述，导频符号的密度和数目、或者换句话说等间距的导频符号副载波之间的距离取决于在接收侧能够有足够好的同步的所要求的密度。因此，根据信道特性可能实现导频符号的可变映射。

由前导码产生装置5所执行的信令数据调制必须足够稳定，以致接收侧可以可靠地检测到所传输的信号值。例如，如图3中示意性示出的那样，可使用二进制相移键控调制(BPSK调制)，其中所传输的值仅是‘-1’和‘+1’。由于在接收侧针对前导码的所讨论的分段的信令数据的信道估计是基于来自相邻导频符号的插值，所以调制方案必须足够稳定，以便确保所传输的值的安全检测。这种意义上的稳定的调制方案是其中信令数据被映射到星座图中的两个或四个星座点上的调制方案。例如，可以使用BPSK、QPSK、QAM或任何其它类似的稳定的调制方案。此外，前导码产生装置5给信令数据提供前向纠错码并对其进行保护，以便提高在接收侧的解码器处正确决策的可能性。

图4示出按照本发明的接收设备20的示意性框图。接收设备20包括接收接口21，该接收接口21被连接到有线通信系统或建立到无线通信系统的连接。如果是无线通信系统，则接口装置21例如是天线。如果是输电线通信系统，则接口装置21例如是用于到输电线插座的连接的适当的接口设备。接收装置22处理从接口装置21接收到的OFDM突发，该接收装置22根据通信系统执行必要的接收处理。在A/D装置23中进行模数转换之后，在OFDM解调器24中解调接收到的OFDM突发。通常，接收设备20执行获得在相对应的通信系统的OFDM突发中接收到的数据所需的所有处理。然而，为了清楚，在图4中仅示出理解本发明所需的元件和装置。通常，接收设备20处理如例如相对于图1所示和解释的发射设备1所产生和所发射的OFDM突发。如所解释的那样，来自发射设备1的OFDM突发具有独特构造的前导码，其中，如上文详细解释的那样，分段由导频符号和信令数据组成。在发射设备20中，在进行OFDM解调之后，开关装置25将接收到的OFDM突发分成前导码部分和有效负载部分。如下文进一步解释的那样，在有效负载分支27中进一步处理有效负载部分。在前导码分支26中进一步处理前导码部分，该前导码分支26包括载波分离装置28，该载波分离装置28将包括导频符号和信令数据的前导码部分的接收到的分段分成多个导频符号，这些导频符号经由导频符号分支29被供给信道估计装置31。前导码部分分段的信令数据经由信令数据分支30被供给第一信道均衡装置33。

信道估计装置31适于根据接收到的导频符号执行第一信道估计。导频符号形成互相关模式，这意味信道估计装置31知道该模式。信道估计装置31根据所述接收到的导频符号执行第一(和粗略)信道估计，并向第一信道均衡装置33提供粗略信道估计的结果32。第一信道均衡装置32适于例如通过插值等而对接收到的信令数据执行粗略信道均衡，之后符号检测装置34执行均衡过的信令数据的符号检测。此后，解码装置35执行前向错误代码解码。当然，这意味着，前导码部分分段中的信令数据是由发射OFDM突发的发射设备1中的前导码产生装置5所编码的前向错误。前导码部分的所讨论的分段中的接收到的、均衡过的并被解码的信令数据然后被用于将整个分段重构为用于精确信道估计的训练模式。因此，来自解码装置35的、被解码的信令数据被供给前向错误代码编码器36，该前向错误代码编码器36执行与发射设备1的前导码产生装置5相同的前向错误编码。此后，对应于由发射设备1的前导码产生装置5所执行的OFDM映射与调制，由符号映射装置37执行符号映射处理。此后，接收到的前导码的、所获得的被重构的整个分段被用作训练模式，该训练模式被存储在相对应的训练模式存储器38中。然后，信道估计装置31使用被重构的训练模式来通过比较所述训练模式与前导码部分的接收到的整个分段而执行精确信道估计。这种精确信道估计的结果39被供给第二信道均衡装置40，该第二信道均衡装置40对接收到的有效负载数据部分执行信道均衡。然后，符号检测装置41和前向错误代码解码器42按所要求的方式处理均衡过的有效负载数据部分。

在有利的实施例中，按照本发明的发射设备(如例如上文所解释的发射设备1)及其元件以及本发明的接收设备(诸如上文所解释的接收设备20)及其元件适于在输电线通信系统中分别发射和接收信号。输电线通信系统是使用例如在公寓、住宅、建筑物以及在公寓、住宅和建筑物之间所提供的现有输电线来通过输电线发射和接收信号的系统。这种输电线通信系统例如适于接收和发射高频信号，这些高频诸如但不限于0.3MHz到100MHz。OFDM是一种有利地在输电线通信系统中使用的调制方案。

如上所述，信令数据可被用来传输在接收设备中或针对发射设备与接收设备之间的通信有用的各种数据。例如，信令数据包括发射和接收标识。在准静态信道中，由发射机与接收机之间的某个连接所使用的自动增益控制值可以在下一次被再使用。因此，被嵌入到信令数据中的发射机和接收机标识被用于识别连接以及再使用自动增益控制值，在这种情况下并不需要再次传输该自动增益控制值。此外，信令数据包括关于发射功率电平的信息。因此，接收设备向发射设备指示发射功率电平。通过接收设备调节发射功率电平可被用于改进与邻近通信系统的共存或最小化对邻近通信系统的干扰。一种专用带宽要求的应用可随着降低的功率电平和较低的载波比特承载星座(carrierbit-loading constellation)下发射。此外，信令数据包括例如集中式媒体存取控制架构中的媒体存取控制定时信息。例如，接收机可以用信号通知媒体存取控制帧中的优选的或扰乱的时间片。这允许其中各种通信系统共存的架构更灵活。

此外，信令数据包括自适应OFDM调制信令信息。因此，前导码中的数据位被用来用信号通知其通信伙伴OFDM载波星座的所适配的比特承载信息。例如，像输电线通信那样的某些通信系统按照当前的信道条件使用自适应方案。OFDM作为由多个正交频率副载波组成的调制方案可以按照使每个频率副载波都适于其信道特性的方式被扩展。信道条件好的副载波可以用允许高比特率吞吐量的高调制方案发射，而信道条件差的副载波可以用更稳定的调制方案发射，从而导致较低比特率吞吐量。此外，信道条件非常差的副载波可以不考虑，即不用于数据传输。在前导码分段的信令数据中用信号通知自适应OFDM模式的目标是提供非常快的自适应模式评估。接收机通过解码前导码分段知道发射机的OFDM模式。另一方面，接收机可以返回用信号通知发射机对于这个连接的下一数据块可能最好的星座。

Claims (14)

1.用于发射在OFDM通信系统的频率副载波上所调制的信号的发射设备(1)，所述设备适于发射包括前导码部分和有效负载数据部分的OFDM突发，并且该发射设备(1)包括：

导频符号产生装置(2)，所述导频符号产生装置(2)被配置来产生互相关模式的导频符号；

信令数据产生装置(3)，所述信令数据产生装置(3)被配置来产生对于用于在发射设备与接收设备之间的通信的接收设备有用的数据；

前导码产生装置(5)，该前导码产生装置(5)适于产生所述前导码部分，所述前导码部分具有由被映射到每个第n个频率副载波上的所述导频符号和被映射到具有导频符号的频率副载波之间的频率副载波上的所述信令数据组成的分段，其中n＝2、3、4、5、6或以上，其中在具有导频符号的频率副载波之间的频率副载波中提供信令数据，而不是提供导频符号。

2.按照权利要求1所述的发射设备(1)，其特征在于，所述导频符号形成互相关模式。

3.按照权利要求1或2所述的发射设备(1)，其特征在于，所述前导码产生装置(5)利用稳定的调制方案调制所述信令数据。

4.按照权利要求3所述的发射设备(1)，其特征在于，所述稳定的调制方案是BPSK或QPSK调制方案。

5.按照权利要求1所述的发射设备(1)，其特征在于，所述前导码产生装置(5)给所述信令数据提供前向纠错。

6.按照权利要求1所述的发射设备(1)，其特征在于，所述前导码产生装置(5)产生包括AGC数据和自相关模式的另一分段。

7.用于接收在OFDM通信系统的频率副载波上所调制的信号的接收设备(20)，所述设备适于接收包含前导码部分和有效负载数据部分的OFDM突发，所述前导码部分包括具有被映射到每个第n个频率副载波上的导频符号和被映射到具有导频符号的频率副载波之间的频率副载波上的信令数据的分段，其中n＝2、3、4、5、6或以上，其中在具有导频符号的频率副载波之间的频率副载波中提供信令数据，而不是提供导频符号，并且该接收设备(20)包括：

信道估计装置(31)，该信道估计装置(31)适于根据所述接收到的导频符号执行第一信道估计，该第一信道估计的结果被用于将接收到的前导码的整个分段重构为用于精确信道估计的训练模式，和

信道均衡装置(40)，该信道均衡装置(40)适于将所述精确信道估计的结果用于对所述接收到的有效负载部分进行信道均衡。

8.按照权利要求7所述的接收设备，其特征在于，所述信道估计装置(31)适于通过比较所述训练模式与所述前导码部分的所述接收到的分段来执行所述精确信道估计。

9.按照权利要求7或8所述的接收设备，其特征在于，由所述信道估计装置(31)根据所述接收到的导频符号所提供的第一信道估计结果被供给适于对所述接收到的信令数据执行信道均衡的另一信道均衡装置(33)。

10.按照权利要求9所述的接收设备，其特征在于，所述均衡过的信令数据被用于将接收到的前导码的整个分段重构为用于所述精确信道估计的所述训练模式。

11.用于发射和接收在OFDM通信系统的频率副载波上所调制的信号的通信方法，由此，发射包含前导码部分和有效负载部分的OFDM突发，所述前导码部分具有由被映射到每个第n个频率副载波上的导频符号和被映射到具有导频符号的频率副载波之间的频率副载波上的信令数据组成的分段，其中n＝2、3、4、5、6或以上，其中在具有导频符号的频率副载波之间的频率副载波中提供信令数据，而不是提供导频符号，并且由此，执行基于所述接收到的导频符号的第一信道估计，该第一信道估计的结果被用于将接收到的前导码的整个分段重构为用于精确信道估计的训练模式，所述精确信道估计被用于对所述接收到的有效负载部分进行信道均衡。

12.按照权利要求11所述的通信方法，其特征在于，通过比较所述训练模式与所述前导码部分的所述接收到的分段来执行所述精确信道估计。

13.按照权利要求11或12所述的通信方法，其特征在于，第一信道估计结果被用于对所述接收到的信令数据执行信道均衡。

14.按照权利要求13所述的通信方法，其特征在于，所述均衡过的信令数据被用于将接收到的前导码的整个分段重构为用于所述精确信道估计的所述训练模式。

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