CN101223707A - 用于在脉冲无线电系统中确定帧持续时间的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在脉冲无线电系统中确定帧持续时间的方法。本方法在用于无线电测距的脉冲无线电系统中确定帧的持续时间。周期性地估计两个无线电收发器之间的信道的信道状态信息。还周期性地估计信号干扰噪声比。接着，根据所述信道状态信息和所述信号干扰噪声比确定帧的帧持续时间。

Description

用于在脉冲无线电系统中确定帧持续时间的方法

技术领域

本发明总体上涉及通信系统，更具体地说，涉及在无线通信系统中使用的调制格式。

背景技术

在美国，联邦通信委员会(FCC)允许有限制地、不经许可地使用超宽带(UWB)信号用于无线通信系统，参见2002年2月14日的“FirstReport and Order”。UWB信号必须处于3.1GHz到10.6GHz的频率范围中，并且最小带宽为500MHz。FCC规则还将UWB信号的功率谱密度和峰值发射功率限制成小于-43.1dBm/MHz。

一种用于UWB的调制方法使用极短的时间脉冲，例如，1/1000000000秒或以下，来生成其带宽大于500MHz并与大约300mm波长相对应的信号。使用短脉冲的无线系统一般被称为脉冲无线电(IR)系统。

如图1A所示，一般将四种不同的调制技术用于IR系统：脉冲位置调制(PPM)11、脉冲振幅调制(PAM)12、开关键控(OOK)13，以及二相相移键控(BPSK)14。

作为一种优势，UWB系统实现了高数据速率，并且耐多路径衰减。这是由于处理增益大的原因。另外，IR系统使得低成本、低占空系数、低功率的、不需要本地振荡器的无线电收发器能够用于差频(heterodyning)。因为UWB无线电收发器主要在数字域中实现，所以UWB无线电收发器可以被集成在半导体芯片中。在UWB系统中，多个无线电收发器同时共享同一频谱，而不存在干扰。对于在家庭、商业以及教育机构中的短距、高速网络来说，UWB系统是理想的。传感器网络也可以使用UWB无线电收发器。

M.Win和R.A.Scholtz在2000年4月的IEEE Trans.OnCommunications，Vol.48，No.4，pp.679-691中的“Ultra-Wide Band WidthTime-Hopping Spread-Spectrum Impulse Radio for Wireless Multiple-AccessCommunications”中描述了跳时(time-hopping)(TH)IR。在该TH-IR系统中，每一个比特或码元都用N_f个脉冲来表示，其中，N_f是正整数。用于发送一个比特的时间为T_s。这称为码元持续时间。时间T_s被进一步划分成多个帧T_f，而帧T_f被划分成码片(chips)T_c，码片(chips)T_c通常对应于脉冲持续时间。如果N_c表示一帧中的码片数，而N_f表示一码元中的帧数，则T_s、T_f以及T_c的关系如下：

T_s＝N_fT_f＝N_fN_cT_c                        (1)

图1B示出了针对用于“0”比特的示例现有技术TH-IR波形110和用于“1”比特的波形120的码元时间T_s 101、帧持续时间T_f 102以及针对脉冲104的码片持续时间T_c 103之间的关系。通常来讲，根据“跳时”码，在一帧中的可用码片之间伪随机地隔开脉冲，以使多用户干扰最小化。

如上所述，调制可以是二相相移键控(BPSK)。根据BPSK，将各比特b表示为正或负，即，b∈{-1，1}。发送信号具有格式

$s\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_f}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{i,j}{b}_{|i/N_f|}p(t-{\mathrm{jT}}_f-c_j{T}_c)---\left(2\right)$

其中，c_j表示TH码的第j个值，范围在{0、1、…、N_c-1)中，而b是第i个调制码元。另外，表示为h_i，j的可选序列可以应用至发送信号中的各脉冲，以“整形”发送信号的频谱，并且缩减谱线。序列h_i，j被称为具有值+1或-1的极性加扰序列(scrambling sequence)。不同振幅还可以进一步整形频谱。

图2示出了常规相干TH-IR接收器200。该接收器包括接合至放大器220的自动增益控制(AGC)单元210，该放大器220连接至接收天线230。该接收器还包括同步单元240、定时控制单元250、信道估计单元260、MMSE均衡器270，以及解码器单元280。Rake接收器指部290输入至加法器295。每一个Rake接收器指部都包括脉冲序列生成器，相关器以及权重组合器。该Rake接收器指部降低了多路径干扰。

需要选择恰当的帧持续时间。如S.Gezici，H.Kobayashi，H.V.Poor，和A.F.Molisch在“Effect of timing jitter on the tradeoff betweenprocessing gains”，Proc.ICC 2004，pp.3596-3600，2004中所述的，短帧持续时间降低多接入干扰(MAI)，并且还可以在存在定时抖动(timingjitter)时提高性能。另一方面，当帧持续时间短于信道脉冲响应的最大过度延迟时可能出现帧间干扰(IFI)。在常规TH-IR系统中，帧持续时间被固定并且不能改变。

因此，希望自适应地选择帧持续时间。

发明内容

本发明提供一种用于在跳时、脉冲无线电(TH-IR)系统中根据当前信道状态和干扰自适应地确定帧持续时间的方法。在多用户系统中，干扰是由于噪声和来自其它无线电收发器的信号造成的。因此，干扰是对信号干扰噪声比(SNIR)的一种量度。

接收器获取信道状态信息(CSI)，具体来说，获取小规模平均功率延迟概况(power delay profile)和平均SNIR。CSI和功率延迟概况被用于确定最佳帧持续时间。帧持续时间可以在接收器或者在发送器中确定。帧持续时间可以根据CSI和SNIR随着时间的改变而定期更新。

附图说明

图1A是现有技术调制技术的定时图；

图1B是现有技术TH-IR调制的定时图；

图2是现有技术TH-IR接收器的框图；以及

图3是根据本发明的用于确定帧持续时间的方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种用于在无线电系统中为无线电收发器自适应地选择帧持续时间的方法。帧持续时间取决于信号干扰噪声比(SNIR)和信道状态信息(CSI)。本方法可以应用至跳时、脉冲无线电(TH-IR)系统中的和涉及跳时的基准发送系统中的相干无线电收发器，并且可以应用至具有非相干无线电收发器的跳时系统。应注意到，在任一时刻，无线电收发器都可以发送或者接收。

在第一步骤中，接收器定期估计信道301的CSI 311(310)。这可以按两种方式来完成。接收器可以估计瞬间CSI或平均CSI。在后一情况下，接收器估计小规模、平均功率延迟概况或其近似值。本发明不需要准确的CSI。小规模平均功率延迟概况的近似甚或仅对于均方根(RMS)延迟扩展的估计都可以提供益处。是使用瞬间CSI还是平均CSI主要取决于信道的码元持续时间与相干时间之比。在准静态信道中，优选瞬间CSI。

在第二步骤中，接收器定期估计信道301的SNIR 321(320)。可以在没有向接收器发送数据时的“静止”时段期间估计SNIR。在这个时段期间，接收器激活并“收听”信道。存在大量方式来估计CSI和SNIR。本发明可以利用任何常规方法工作，以进行这些估计。在J.G.Proakis，Digital Communications，fourth edition，McGraw-Hill，New York，2001中可以找到对信道和干扰估计的概述。

在可选第三步骤中，无线电收发器周期性地获取由其它UWB无线电收发器329使用的帧持续时间331(330)。这可以通过其它无线电收发器的显式发送来完成。例如，在根据IEEE 802.15.4标准的网络的环境下，中央协调器装置发送信标。该信标包含用于在该协调器装置的控制下的所有其它装置的帧持续时间。

在估计出CSI和SNIR之后，确定最佳帧持续时间341(340)。可以在发送器或者在接收器中确定该帧持续时间。最佳帧持续时间使训练信号与接收信号之间的RMS误差、编码或未编码比特差错率(BER)，或其它合适标准最小化。例如，由S.Gezici，F.Tufvesson，和A.F.Molisch，在“On the performance of transmitted-reference impulse radio”，Proc.Globecom 2004中描述了仅存在噪声的情况下的基准发送方案的BER。另选的是，根据发送数据的BER或RMS误差来确定最佳帧持续时间。通过在发送器中“调谐”帧持续时间，无线电收发器可以确定是较小还是较大帧持续时间可改进BER。接着，将这个信息提供给发送器，由此相应调整帧持续时间。

还可以针对最佳帧持续时间来最优化跳时(TH)序列。常规地讲，针对预定固定帧持续时间预选并最优化TH序列。预选出的TH序列尝试与改变不同无线电收发器之间的相对延迟无关地使每个码元的脉冲冲突数最小化。

本发明自适应地选择这样的TH序列351，在被截短为较短持续时间时，其保持好的“冲突”特性(350)。可以使用离散的具有不同长度的序列集349。发送器从这个序列集中选择针对最佳帧持续时间341的最佳序列351。

测距

使用跳时和/或跳极化(polarization hopping)的无线电信号还可以被用于测距。在测距应用中，根据接收信号的抵达时间(TOA)来确定发送器与接收器之间的距离。对于这些应用来说，根据信道的状态和接收器的结构来使帧持续时间适合也是有益的。一般来说，与相干接收器相比，非相干接收器对于来自先前接收的脉冲的干扰更敏感。

通过增加帧持续时间，可以在接收器中降低帧间干扰(IFI)。增加帧持续时间的一种方式是在时间上使脉冲间隔得更远。因此，对于测距应用来说，应当根据信道状态和接收器结构来增加帧持续时间。

还应注意到，如上所述的自适应帧持续时间可以结合诸如UWB信号的其它扩频无线电信号来使用。具体来说，可以对在帧持续时间的整数倍时发送的脉冲序列(具有+1和-1的极性，或零振幅)应用自适应帧持续时间，即，抑制特定脉冲。在这种情况下，自适应帧持续时间意指对脉冲之间的持续时间进行改变。类似的是，本方法可以应用于如下情况，即在帧持续时间的整数倍时仅发送具有+1或0振幅的脉冲。

在其中一个“主”装置和多个“从”装置通信的网络中，该主装置可以针对整个网络设置单一的帧持续时间，或者可以单独针对各个从装置设置多个帧持续时间。为了设置针对整个网络的帧持续时间，主装置广播持续时间信息。在这种情况下，选定的帧持续时间基于信道状态和从装置的结构的。类似的考虑在对等式网络中也同样适用。

根据本发明对帧持续时间的选择降低了帧间干扰和多接入干扰。根据系统操作的环境，本发明调节帧持续时间以使帧间干扰最小化，同时保留良好的多接入性能。

尽管通过优选实施方式的实施例对本发明进行了描述，但应当明白，在本发明的精神和范围内，可以对本发明进行各种其它改变和修改。因此，所附权利要求的目的是覆盖落入本发明的精神和范围内的所有这种变型例和修改例。

Claims (14)

1.一种用于在脉冲无线电系统中确定帧持续时间的方法，该方法包括以下步骤：

根据信道状态信息确定无线电信号的帧持续时间；

根据所述帧持续时间从发送器向接收器发送作为脉冲的帧；以及

在所述接收器中估计所述脉冲的抵达时间，以确定所述发送器与所述接收器之间的距离。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发送器定期估计所述信道状态信息。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，用于非相干接收器的帧持续时间比用于相干接收器的帧持续时间更长。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述无线电信号使用脉冲序列，并且所述方法还包括以下步骤：

通过在时间方面将脉冲间隔得更远来增加所述帧持续时间。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述无线电信号是扩频无线电信号。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述脉冲具有+1、-1以及0的极性。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述脉冲具有+1和-1的极性。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述无线电信号是跳时信号，即，脉冲在帧内的位置由伪随机序列确定。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，由主装置为所述无线电系统中的所有从装置同一地设置所述帧持续时间。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，由主装置为所述无线电系统中的各从装置单独设置所述帧持续时间。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，两个装置协商它们之间的帧持续时间。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述接收器定期估计信道的所述信道状态信息。

13.一种用于在脉冲无线电系统中确定帧持续时间的方法，该方法包括以下步骤：

根据接收器的结构确定无线电信号的帧持续时间；

根据所述帧持续时间从发送器向所述接收器发送作为脉冲的帧；以及

在所述接收器中估计所述脉冲的抵达时间，以确定所述发送器与所述接收器之间的距离。

14.一种用于在脉冲无线电系统中确定帧持续时间的方法，该方法包括以下步骤：

根据信道状态信息和接收器的结构确定无线电信号的帧持续时间；

根据所述帧持续时间从发送器向所述接收器发送作为脉冲的帧；以及

在所述接收器中估计所述脉冲的抵达时间，以确定所述发送器与所述接收器之间的距离。

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