CN101480005A

CN101480005A - 采用循环前缀单载波调制的通信系统

Info

Publication number: CN101480005A
Application number: CNA2007800235433A
Authority: CN
Inventors: 王海峰; 李玮; 陈明; 程时昕
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2007-06-01
Publication date: 2009-07-08
Also published as: EP2047649A1; GB0615201D0; WO2008015508A1; US20080025423A1

Abstract

一种用于在通信系统中将信息从第一站发送到第二站的方法包括：根据第一调制方案来调制信息的第一部分以提供第一调制数据块；根据第二不同调制方案来调制信息的第二部分以提供第二调制数据块；将所述第一调制数据块附加到第二调制数据块以形成合成数据块；以及发送数据块。

Description

采用循环前缀单载波调制的通信系统

技术领域

本发明涉及通信系统并且具体地但是并不唯一地涉及循环前缀-单载波(CP-SC)系统。

背景技术

正交频分复用是将N个数据符号映射成间距为1/T的N个正交载波的面向块的调制方案，其中T是块时段。这样，多载波发送系统使用OFDM调制以通过多个相邻载波并行发送数据位。多载波发送的一个优点在于可以通过在后续块的发送之间插入防护时间间隔来减少由于发送信道中的信号弥散造成的块间干扰(IBI)。用块的副本(称为循环前缀)填充防护时间以保存载波之间的正交性。循环前缀CP允许各块的延迟副本在后继块被接收之前消失。

在OFDM调制器中，单独载波之和对应于可以使用离散傅立叶逆变换(IDFT)而生成的时域波形。快速傅立叶逆变换(IFFT)是执行N点IDFT变换的公知高效IDFT实施。一般而言，在CP被插入到信号中之前在发射器中执行IFFT运算。

近来，循环前缀辅助的单载波发送(CP-SC)已经被提出作为OFDM的一种取代并且是用于将来通信标准的一个有利候选。CP-SC将传统的单载波收发器与OFDM中的频域均衡(FDE)组合。在CP-SC系统与OFDM系统之间的主要不同在于IFFT位于CP-SC接收器而不是发射器中。

在CP-SC中，通过插入长度大于最大延迟扩展的CP，可以完全去除块间干扰(IBI)，并且频域均衡就每一数据符号仅一次相乘(或者OFDM术语为每一子载波有一个抽头)而言是可能的。这一方案的性能与针对OFDM的性能实质上相同、但是对非线性失真和相位噪声的鲁棒性有所增强。

在通信系统中，在相对于彼此移动的用户设备UE与基站BS之间发送的信号受到公知的多普勒效应的影响。多普勒效应造成接收频率相对于发送频率的频移。多普勒移位依赖于用户设备UE相对于基站BS的移动速度和方向。

在具有多普勒移位的快速衰落信道、即其中信号功率在很短距离改变的信道中，信道可能在甚至一个发送块中变化。在常规CP-SC和具有一个抽头FDE的OFDM中，这造成码间干扰(ISI)和频域载波间干扰(ICI)。

已经提出许多算法以补偿由于高的多普勒移位造成的系统性能降级。这些可以分类成三个主要类型：

类型I直接应用涉及码分多址(CDMA)系统的多用户检测(MUD)的干扰消除技术。这一类算法受困于如下问题：它由于多级运算而引起处理延迟，并且误差传播对发送信号初始估计的准确度敏感。

称为自干扰消除的类型II通过增加信号冗余度来补偿ICI或者ISI。它具有很低的复杂度，但是这一算法的使用由于信号冗余度增加而减少带宽。

类型III利用规模更小的FFT运算来缩短发送块长度。这实现对ISI和ICI更鲁棒的信号。然而，由于CP的长度依赖于最大延迟扩展，所以CP的大小并未减少。这由于循环前缀的开销而减少系统带宽效率。

因此本发明实施例的目的在于提供一种能够在高的多普勒移位时在快速衰落信道中抵御ICI和ISI而带宽效率与常规系统相同的通信系统。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种用于在通信系统中将信息从第一站发送到第二站的方法，该方法包括：根据第一调制方案来调制信息的第一部分以提供第一调制数据块；根据第二不同调制方案来调制信息的第二部分以提供第二调制数据块；将所述第一调制数据块附加到第二调制数据块以形成合成数据块；以及发送数据块。

根据本发明的第二方面，提供一种接收从第一站发送到第二站的合成数据块的方法，该方法包括以下步骤：根据用来调制合成数据块的各组成数据块中数据的调制方案类型来分离组成数据块；以及使用与用来调制数据的调制方案对应的解调方案来解调各组成数据块。

根据本发明的第三方面，提供一种用于在通信系统中发送信息的发射器，该发射器包括：第一调制装置，用于根据第一调制方案来调制信息的第一部分以提供第一调制数据块；第二调制装置，用于根据第二调制方案来调制信息的第二部分以提供第二调制数据块；用于将所述第一调制数据块附加到第二调制数据块以形成合成数据块的装置；以及发送装置，用于发送所述合成数据块。

根据本发明的第四方面，提供一种用于接收从第一站发送到第二站的合成数据块的接收器，该接收器包括：用于根据用来调制合成数据块的各组成数据块中数据的调制方案类型来确定组成数据块的装置；以及用于使用与用来调制数据的调制方案对应的解调方案来解调各组成数据块的解调装置。

根据本发明的第五方面，提供一种用于在通信系统中发送信息的发射器，该发射器包括：第一调制器，用于根据第一调制方案来调制信息的第一部分以提供第一调制数据块；第二调制器，用于根据第二不同调制方案来调制信息的第二部分以提供第二调制数据块；组合器，用于将所述第一调制数据块附加到第二调制数据块以形成合成数据块；以及发射器，用于所述发送合成数据块。

根据本发明的第六方面，提供一种用于接收从第一站发送到第二站的合成数据块的接收器，该接收器包括：划分器，用于根据用来调制各组成数据块中数据的调制方案类型将合成数据块分离成组成数据块；以及解调器，用于使用与用来调制数据的调制方案对应的解调方案来解调各组成数据块。

本发明的这些和其它目的、优点和特征及其组织和操作方式根据与附图结合的如下具体描述将变得清楚，在附图中相似单元在下述若干图中通篇具有相似标号。

附图说明

为了更好地理解本发明并且示出可以如何将本发明付诸实际，现在将通过例子对附图进行参考，在附图中：

图1是蜂窝无线通信系统的示意图；

图2是示出了用户设备、基站与无线网络控制器之间通信的示意图；

图3是常规CP-SC收发器的框图；

图4是根据现有技术的CP-SC数据块结构；

图5是根据现有技术的另一CP-SC数据块结构；

图6a是根据本发明一个实施例的发射器中的CP-SC数据块结构；

图6b是根据本发明一个实施例的接收器中的CP-SC数据块结构；

图7呈现了速率为30公里/小时的替代系统的性能表现；

图8呈现了速率为120公里/小时的替代系统的性能表现；

图9呈现了速率为250公里/小时的替代系统的性能表现；

图10示出了根据本发明一个实施例的收发器的示意性图示；以及

图11示出了根据本发明一个实施例而实现的方法步骤的流程图。

具体实施方式

图1图示了蜂窝无线通信网络，其中的七个小区C1...C7以“蜂巢”结构示出。示出了各小区由基站BS管理，该基站负责处理与位于该小区中的用户设备(UE)的通信。虽然在图1中示出了每一小区有一个基站，但是将容易理解其它小区配置是可能的，例如一个基站控制三个小区。其它布置也是可能的，包括划分成扇区的网络或者其中各小区被划分成扇区的网络。用户设备UE1经由具有上行链路和下行链路的无线信道2与基站BS通信。基站BS负责处理将传送到用户设备UE的信号，这一点将在下文中更具体地加以描述。

图2是示出了与基站通信的用户设备、还示出了以本领域中已知的方式来管理多个基站的操作的无线网络控制器RNC的示意框图。用户设备UE包括连接到收发器4的天线3。基站也具有连接到收发器10的天线7。无线网络控制器RNC连接到基站BS和虚线示意地表示的其它基站。

现在将参照图3以描述根据现有技术的CP-SC收发器。图3示出了基站BS的收发器10的发射器部分和用户设备UE的收发器4的接收器部分。将容易理解所述发射器和接收器部分可以存在于BS和UE这二者中。

在对数据进行编码和调制之后，数据输入到CP添加块30。可以通过任何类型的信道编码器(未示出)对数据进行编码，并且可以通过任何调制方式如PSK、QAM来调制信号。CP添加块30将循环前缀(CP)附加到各数据块。CP实际上是数据块最后部分的副本。CP的长度大于最大延迟扩展。然后上变频转换和发送信号。

在图4中示出了添加有CP的数据块结构的例子。图4示出了大小为M的数据块Da 52。长度为L的附加CP 50是数据块54的最后部分的副本。

回到图3，当在接收器接收到信号时，CP去除块32基于时间同步来去除CP以避免块间干扰(IBI)。接着在块36，通过快速傅立叶变换(FFT)来处理数据块。由于多径衰落而造成的频率选择性衰落信道变换成并行的平坦衰落独立子信道。假设子载波间距小于信道相干频率，那么在块38，通过一个抽头的FDE来均衡信道。

然后通过IFFT块40将均衡的信号变换回成时域信号。在CP-SC系统中去除CP的时域接收信号可以表达如下：

y＝Hx+n (1)

其中y、x和n分别是大小为M的各数据块中大小为M的接收信号向量、发送信号向量和噪声向量。H是时变循环卷积信道矩阵，比如：

其中元素h_ij意味着第j个路径在第i个符号时段的信道响应，L是路径的数目，而M是数据块的大小。

当信道缓慢变化而在同一数据块过程中保持准静态时，H可以近似地视为恒定循环卷积矩阵，因此该矩阵给定如下：

H＝Ω*ΛΩ (3)

其中Λ是对角矩阵而Ω是大小为M的FFT矩阵。

回到图4，当Da是大小为M的块中的发送数据而CP长度为L时，带宽效率如下：

M/(M+L) (4)

然而在快速衰落信道、尤其是在同一数据块中变化的信道中，方程3不能建模为用于信道矩阵H的近似求解。这造成一个抽头的FDE性能明显劣化。

一种解决方案是减少块大小的长度。然而如结合类型III算法讨论的那样，这减少了带宽效率，因为CP的长度未减少。在图5中示出了这一点。

图5示出了用以抵御高多普勒的大小为M/2的发送数据块56。在数据块中携带数据Db，而长度为L的CP 50附加到数据块56。这造成减少的系统带宽效率如下：

M/(2L+M) (5)

现在将描述本发明的一个实施例，该实施例示出了具有与常规系统相同的带宽效率的用于高多普勒的CP SC系统。

根据本发明的一个实施例，提出更高的调制CP以缩短数据块长度。

现在参照图10，该图示出了根据本发明一个实施例的CP-SC收发器。图10示出了基站BS的收发器的发射器部分90和用户设备UE的收发器的接收器部分91。将容易理解所述发射器和接收器部分可以存在于BS和UE这二者中。

图6a示出了在发射器中不同处理级的数据块。图6b示出了在接收器中不同处理级的接收数据块。现在参照图10以及图6a和6b以描述本发明的一个实施例。

如图6a中所示，数据Da 60的大小为2M的原始数据块定义如下：

x＝[x₁ x₂...x_2M]^T (6)

其中x_n代表数据位而上标T代表转置。

根据本发明一个实施例，原始数据块划分成多个部分。各部分输入到不同调制器中，一个调制器是高于其它调制器的高阶调制器。使用更高的调制部分作为CP。

根据本发明一个实施例，在收发器处，数据块Da 60输入到串行到并行转换器块92中。数据块60的2M个位然后分离成两个部分；长度为2M-4L的第一部分62和长度为4L的第二部分64。

通过第一调制方案来调制第一部分62。在图10中，第一部分62输入到4QAM调制器101中。通过将4QAM调制应用于数据块的第一部分62，第一部分62分段成两个连续子块Da1 72和Da2 74。另外，4QAM调制将第一部分62的总长度减半。因而，两个连续子块Da1和Da2的总长度如下：

(2M-4L)/2)

或者

M-2L

根据本发明一个实施例，应用于数据块的第一部分62的调制方案将数据块划分成多个子块。在本发明又一实施例中，应用的调制方案减少数据块的第一部分的长度。

在本发明又一实施例中，在多普勒很高的情况下，数据块的第一部分62可以分解成多于两个子块。数据块分解成的子块的数目依赖于所用调制方案的类型。例如，数据块可以分解成四个子块，在这一情况下需要64QAM调制。

数据块的第二部分64定义如下：

[x_2M-4L+1 x_2M-4L+2...x_2M]^T

数据块的第二部分64输入到高阶组合(HMC)调制器中。

根据本发明一个实施例，第二部分64输入到16QAM调制器102中。将16QAM调制应用于4L位获得长度为L的块70。

然后复制长度为L的块70。在本发明一个实施例中，在块70与数据块的其余部分组合之前，可以在发射器90中的存储器105中临时存储块70。

如图6a中所示，长度为L的高阶调制块70的两个副本然后在组合器104附加到块Da1 72和Da2 74的末尾以形成长度为M的组合数据块76。组合数据块76然后输入到CP添加块103中，其中高阶调制块70的又一副本也在数据发送之前作为循环前缀(CP)插入于块Da1 72的开头。

如从图6a中可见，带宽效率如下：

M/(M+L) (7)

这与在方程(4)中给定的常规系统的效率相同。然而，由于各数据块的长度为M/2，所以系统对高多普勒更具鲁棒性。

在本发明更多实施例中，数据块可以拆分成4个或者8个子块，由此增加系统对高多普勒的抵御性。然后必须应用高阶调制以维持相同频谱效率。

图6b示出了在接收器91中接收数据块时如何处理接收的数据块。也将参照图10以描述接收器。

根据本发明一个实施例，接收器91被布置用以将合成数据块划分成发射器中数据块的第一部分62的调制获得的相同数目的子块。

根据本发明一个实施例，预定义调制类型，而接收器知道接收器中所用调制类型。

根据本发明另一实施例，调制信息可以从发射器发送到接收器。

当在接收器91接收信号时，CP去除块93去除CP。接收的信号块然后划分成两个子块78和79。

在将接收信号块划分成两个子块78和79之后，在并行布置的接收器的两个路径中分别处理子块。用于均衡子块78的第一路径包含大小为M/2的FFT块94a、FDE块95a和IFFT块96a。用于均衡第二子块79的第二路径包含大小为M/2的FFT块94b、FDE块95b和IFFT块96b。

在本发明一个实施例中，在接收器中提供的处理路径的数目依赖于合成数据块划分成的子块的数目。

从IFFT块96a输出的子块78’包含第一子块Da 1 72以及长度为L的块70。从IFFT块输出的子块79’包含第二子块Da 2 74以及块70的另一副本。

根据本发明一个实施例，由于接收器知道发射器中所用调制类型，所以接收器知道各子块的长度。在接收器同步接收的帧之后，可以按照各子块中数据的长度来确定数据。

长度为L的更高调制块70然后从各子块中加以去除并且在输入到16QAM解映射块98中进行解调之前在组合器97中加以组合。同时，第一和第二子块78和79输入到4QAM解映射块99中进行解调。

两个调制器的输出然后组合并且输入到并行到串行块100从而获得长度为2M的数据块Da。

在本发明的替代实施例中，在接收器中可以有不同数目的调制器和均衡器路径。应当认识到接收器中调制器和均衡器的数目依赖于子块的数目。

由于高阶调制，定义每位中谱噪声密度(SNR)的每噪声功率谱密度每位能量(EbNo)将减少。这一损失在接收器中加以补偿，该接收器在组合器97中组合重复的高阶调制块L。例如，等增益组合(EGC)可以在组合器中用来补偿EbNo损失。取而代之，也可以在组合器97中应用其它组合方案，比如最大比率组合(MRC)。图11是示出了根据本发明一个实施例的发射器中实现的主要方法步骤的流程图。

在步骤S1中，根据第一调制方案来调制信息的第一部分以提供第一数据块。

在步骤S2中，根据不同调制方案来调制信息的第二部分以提供第二数据块。

在步骤S3中，第一数据块附加到第二数据块以形成合成数据块。

在步骤S4中，发送合成数据块。

比较结果

下表1比较常规方案和根据本发明的方案的复杂度。

表1

复杂度
复杂度	常规大小为1M的FFT，用以将接收信号转换到频域：(M/2)logM；一个抽头的FDE：M；大小为1M的IFFT，用以将均衡信号转换到时域：(M/2)logM；共计MlogM+M
实施例大小为2M/2的FFT，用以将接收信号转换到频域：(M/2)log(M/2)；一个抽头的FDE：2 M/2；大小为2 M/2的IFFT，用以将均衡信号转换到时域：(M/2)log(M/2)；共计Mlog(M/2)+M

因此表明本发明的实施例在M为512的情况下可以将实施复杂度减少约11％。

如先前讨论的那样，利用HMC的本发明所述实施例的带宽效率与常规系统的带宽效率相同而未缩短数据块。在M为512而L为16的情况下，根据方程(4)、(5)和(7)的带宽效率分别为96.96％、94.11％和96.96％。

图7、图8和图9是分别示出了速率为30、120和250公里/小时的替代系统的相对性能表现的曲线图。曲线图比较了QPSK每块有1024个符号的常规CP-SC系统与QPSK数据和16QAM辅助CP有1024个符号的根据本发明一个实施例的HMC CP-SC系统。

表II.

采样速率 5M Hz
采样速率 5M Hz	CP长度 8个符号
路径数目在最大延迟扩展为8时为8	CP长度 8个符号
路径数目在最大延迟扩展为8时为8	载波频率 3G Hz
信道性质(profile) ITU VA信道	载波频率 3G Hz

图7是示出了速率为30公里/小时的替代系统的性能表现的曲线图。在相对低的多普勒环境中，信道在一个数据块内为准静态，从而无需缩短数据块以抵御多普勒引起的干扰。根据本发明一个实施例的HMC方案具有与常规方案近似相同的性能。在根据本发明实施例中的略微损失归因于无法通过分集组合来完全恢复由于高阶调制造成的EbNo损失。

图8示出了系统在120公里/小时的性能表现。可见根据本发明的HMC CP-SC实施例由于对多普勒引起的ICI的鲁棒性就实际/理想信道估计而言超越常规CP-SC方案约0.5/1dB。

图9示出了速率为250公里/小时的系统的性能表现。可见，根据本发明一个实施例的HMC方案明显提高系统性能。

可以通过硬件或者软件来实施本发明的上述实施例中所需的数据处理功能。可以在集中式控制器中提供所有所需处理或者可以将控制功能加以分离。适当改造的计算机程序码产品可以在加载到计算机时用于实施实施例，例如用于在组合子块以形成合成块时需要的计算。可以在载体介质如载体盘、卡或者带上存储并且通过该载体介质来提供用于提供运算的程序码产品。可以在控制节点中利用适当软件来提供实施。

申请人关注于如下事实：本发明可以包括这里隐含或者明确公开的任何特征或者特征组合或者其任何推广，而对任何所附权利要求书的范围没有限制。鉴于前文描述，本领域技术人员将清楚可以在本发明的范围内进行各种修改。

Claims

1.一种用于在通信系统中将信息从第一站发送到第二站的方法，包括：

根据第一调制方案来调制所述信息的第一部分以提供第一调制数据块；

根据第二不同调制方案来调制所述信息的第二部分以提供第二调制数据块；

将所述第一调制数据块附加到所述第二调制数据块以形成合成数据块；以及

发送所述数据块。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述第二调制方案是高于所述第一调制方案的高阶调制。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述第二调制数据块形成循环前缀。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述第二调制数据块还形成所述合成数据块中数据部分的一部分。

5.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述第二调制数据块在所述合成数据块中重复。

6.如任一前述权利要求所述的方法，其中调制所述信息的所述第一部分形成多个第一调制数据块。

7.如权利要求6所述的方法，其中形成的第一调制数据块的数目依赖于所用调制方案的类型。

8.如权利要求6所述的方法，其中所述第二调制块附加到所述多个第一调制数据块中的各调制数据块以形成合成数据块。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述第一调制方案是4QAM调制方案。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述第二调制方案是16QAM调制方案。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述第二调制方案是高阶组合调制方案。

12.一种接收从第一站发送到第二站的合成数据块的方法，包括以下步骤：

根据用来调制所述合成数据块的各组成数据块中数据的调制方案类型来分离所述组成数据块；以及

使用与用来调制所述数据的所述调制方案对应的解调方案来解调各组成数据块。

13.一种用于在通信系统中发送信息的发射器，包括：

第一调制装置，用于根据第一调制方案来调制所述信息的第一部分以提供第一调制数据块；

第二调制装置，用于根据第二调制方案来调制所述信息的第二部分以提供第二调制数据块；

用于将所述第一调制数据块附加到所述第二调制数据块以形成合成数据块的装置；以及

发送装置，用于发送所述合成数据块。

14.如权利要求13所述的发射器，其中所述第二调制装置是高于所述第一调制装置的高阶调制器。

15.如权利要求13所述的发射器，还包括用以将所述第二调制数据块的副本作为循环前缀附加到所述合成数据块的装置。

16.如权利要求13所述的发射器，其中所述第一调制装置是4QAM调制器。

17.如权利要求13所述的发射器，其中所述第二调制装置是16QAM调制器。

18.如权利要求13所述的发射器，其中所述第二调制装置是高阶组合调制器。

19.一种移动电话，包括如权利要求13所述的发射器。

20.一种基站，包括如权利要求13所述的发射器。

21.一种用于接收从第一站发送到第二站的合成数据块的接收器，包括：

用于根据用来调制所述合成数据块的各组成数据块中数据的调制方案类型来确定所述组成数据块的装置；以及

用于使用与用来调制所述数据的所述调制方案对应的解调方案来解调各组成数据块的装置。

22.一种移动电话，包括如权利要求21所述的接收器。

23.一种基站，包括如权利要求21所述的接收器。

24.一种用于在通信系统中发送信息的发射器，包括：

第一调制器，用于根据第一调制方案来调制所述信息的第一部分以提供第一调制数据块；

第二调制器，用于根据第二不同调制方案来调制所述信息的第二部分以提供第二调制数据块；

组合器，用于将所述第一调制数据块附加到所述第二调制数据块以形成合成数据块；以及

发射器，用于发送所述合成数据块。

25.一种用于接收从第一站发送到第二站的合成数据块的接收器，包括：

划分器，用于根据用来调制各组成数据块中数据的调制方案类型将所述合成数据块分离成所述组成数据块；以及

解调器，用于使用与用来调制所述数据的所述调制方案对应的解调方案来解调各组成数据块。

26.一种计算机程序，包括适于在所述程序运行于计算机上或者处理器上时执行如权利要求1至12中任一权利要求所述的任一步骤的程序码装置。