CN101523837A - 用于生成在ofdm通信系统中传输的数据包的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

用于生成用于在正交频分调制通信系统中传输的数据包的方法和设备，其中依据至少两个条件来在频域或时域中针对每个包生成前导序列，以节省功耗并在单个CMOS芯片中实现。

Description

用于生成在OFDM通信系统中传输的数据包的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于生成在OFDM通信系统中传输的数据包的方法和设备。
背景技术
正交频分复用(OFDM)系统近年来已经得到相当的普及，部分是由于其内在的多路适应特性。过去数年建立的数个标准(如802.11a、802.11g、DVB-T等)都使用基于OFDM的物理层(PHY)。这些标准中的大多数是用于基于包的应用，如无线局域网(WLAN)和无线个域网(WPAN)。在这些OFDM系统中，以短突发(通常是数千字节)来传输数据。于是，每个包传输都包括专用于包检测和信道估计的字段。此信息在每个包的开头作为前导进行传输。前导由几个符号组成，这些符号可以从一个源符号导出。例如，WiMedia具有30个符号长的用于标准包的前导，以及18个符号长的用于突发包的前导。另外，使用频率分集技术(已知为时域扩展)来为数据速率低于320Mbps的数据传输提供更多的错误保护。
对于移动无线系统，射频(RF)电路的互补型金属氧化物半导体(CMOS)实现正变得越来越重要，因为其能够与CMOS数字基带电路集成，从而提供更廉价的解决方案。为了补偿CMOS RF电路的构成损耗，在数字基带中一直使用某些预补偿技术(如副载波预补偿)。此外，WiMedia装置应当不与其它固定的服务终端发生干扰。在单独的邻近干扰的情况下，具有动态频率选择(DFS)形式的有源缓解技术能够为室内固定服务终端提供有效的保护。
传统的WiMe dia PHY能够提供从53.3Mbps到480Mbps的数据速率。其使用码率为1/3(rate-1/3)的卷积编码器来对加扰信息位进行编码。对编码后的数据进行删截来得到不同的编码速率。对低数据速率模式(上至200Mbps)使用正交相移键控(QPSK)调制，而对高数据速率模式使用双载波调制(DCM)。通过时域扩展来为低数据速率模式提供额外的频率分集。
图1示出了WiMedia物理层收敛协议帧的格式。PLCP帧由3个部分a)前导部分101，b)报头103和c)有效负载部分105。前导101包括时域(TD)训练序列107和频域(FD)训练序列109。TD前导107的持续周期为24或者12个OFDM符号，这取决于传输模式(标准或者流动)。TD前导107被接收器用于包和帧的同步。TD前导107的后面是FD前导109。FD前导109由六个OFDM符号组成，并且用于信道估计(CE)，因此在此字段中传输的符号被称作CE符号CE1-6，即，111_1、111_2、111_3、111_4、111_5、111_6。前导的后面是12个报头(HDR)符号113_1、113_2、...、113_11、113_12，以及数量可变的有效负载符号105(具有例如最大4095字节)。以基频速率(53.3Mbps)传输报头符号103，以特定的速率传输有效负载符号105。
传统的WiMedia通信系统使用跳频OFDM系统以便在将系统复杂度保持在合理水平的同时提供更高的数据速率。在这种系统中，OFDM符号的载波频率在每次跳变时都发生改变，并且是基于符号数来从三个子频带的组中选择OFDM符号的载波频率，并且会应用时间频率来实现频率分集并由此实现更好的错误保护。在这种情况下，扩展的符号恰恰得自于它所继续的符号。具体来说，对于53.3Mbps和880Mbps的数据速率，时域中的第n个扩展符号为：
Sspreaded(n)＝P(n)*Soriginal(n)
其中P是覆盖序列(cover sequence)。对于106.7Mbps、160Mbps和200Mbps的数据速率，第n个扩展符号为：
Sspreaded(n)＝P(n)*swap(Soriginal(n))
其中swap是对复值的同相分量和正交分量进行切换。
假设前导符号除了符号位都相等，则可以在时域中根据一个源符号生成前导。但是，此假设在带有预补偿和/或DFS技术的系统中不成立。在这些技术中，不同的副载波以不同的幅值调制并且有时甚至可以消除(null out)。另外，这种类型的调制可以根据不同的操作条件不时地变化。在本公开中，我们提出一种在频域中发起生成前导的架构。此外，我们还提出一种双重时间扩展结构。提出了几种操作模式，以便系统能够在这几种操作模式中进行切换来使功率效率最大化。
传统上在时域中进行前导生成和时间扩展，如图2所示。
发射机200包括用于接收待发射数据的输入端子201。输入端子201连接至处理器203，处理器203用于对输入的数据信号执行诸如IFFT和时间扩展的处理。前导发生器205生成前导。处理后的信号和所生成的前导被馈至组合器207以插入必需的前缀和保护符号，所完成的数据包被输出到输出端子209上以进行发射。
假设前导符号除了覆盖序列均相等。这样，仅需要在时域中存储一组固定的符号。对于每个包的发射，通过对一个源符号应用不同的覆盖位来导出24或12个TD前导符号。该方法也用于FD前导符号和时域扩展后的符号。
对于无线系统，用单芯片解决方案代替当前的多芯片解决方案变得越来越普遍。在单芯片解决方案中，所有的电路(包括基带和RF)都使用CMOS技术集成在一起。由于CMOS RF的构成损耗，基带始终需要在将信号发送至RF之前执行预补偿。在这种情况下，取决于CMOS RF的时变特性，各个包的前导可以有所变化。此外，不同供应商的RF电路具有不同的特性。所有这些因素使得几乎无法像以前一样在时域中存储全部的预补偿符号。通过软件进行时域预补偿符号的实时加载也不可行，因为可能需要十分频繁地进行这种加载(例如逐包加载)而加载时域符号会占用相当多的时间。于是，在CMOS RF系统中单独从时域生成前导是不可行的。
由于WiMedia PHY可能基于每1或2个字符就跳至不同的带(取决于TFC码)，无法始终单独根据原始符号导出扩展后的符号，因为不同的带可能具有不同的预补偿掩码(mask)。这使得难以单独在时域中实现时域扩展。
很多现有系统提出了在频域中生成前导的技术。例如，US2004/0114504公开了在频域中有效生成前导的技术。但是，单独在频域中生成前导会显著增加设备的功耗。
发明内容
本发明致力于提供生成用于传输的数据包的方法和设备，其中前导的生成和时域扩展被控制为使得功耗最小化并且能够在CMOSRF系统中实现。
根据本发明的一个方面，上述目的是通过用于生成在正交频分调制通信系统中传输的数据包的方法来实现的，该方法包括如下步骤：生成多个报头和有效负载符号；依据至少两个条件来在频域或时域中生成前导序列；以及将报头、有效负载和前导符号组合起来生成数据包。
根据本发明的另一个方面，上述目的是通过用于生成在正交频分调制通信系统中传输的数据包的设备来实现的，该设备包括：用于生成多个报头和有效负载符号的装置；用于依据至少两个条件来在频域或时域中生成前导序列的装置；用于将报头、有效负载和前导符号组合起来生成数据包的组合器；以及用于传输数据包的传输装置。
根据本发明的再一个方面，上述目的是通过用于在正交频分调制通信系统中用包来传输数据的发射机来实现的，该发射机包括：用于生成多个报头和有效负载符号的装置；用于依据至少两个条件来在频域或时域中生成前导序列的装置；用于将报头、有效负载和前导符号组合起来生成数据包的组合器；以及用于传输数据包的传输装置。
这样，依据诸如预补偿和动态频率选择的状态、时频码的值、符号的类型和数据速率等条件，在频域或者时域中生成前导。在通过此方法切换前导生成的过程中，功耗明显降低同时保持了发射机CMOS实现的可行性。
通过基于上述条件在频域和时域之间切换时间扩展可以得到进一步的功耗降低。
优选的是，本发明可以应用于绝大多数基于包的通信系统(无线、移动、卫星、有线……)。例如，本发明可以应用于带有集成CMOS RF的IEEE 802.11a、802.11g和802.11n系统。本发明还可应用于WiMedia系统。
附图说明
为了更完整地理解本发明，现引用如下参照附图进行的说明，附图中：
图1例示了典型的WiMedia通信系统的物理层收敛协议帧的格式；
图2是传统发射机的简化示意图；
图3是根据本发明优选实施例的发射机的简化示意图；
图4例示了根据本发明优选实施例的发射机的操作的模式。
具体实施方式
尽管是参照WiMedia PHY对优选实施例进行说明，但可以理解本发明可以应用于绝大多数基于包的通信系统。
现参照图3对根据优选实施例的发射机进行说明。发射机300包括配置接口303。配置接口303连接至数据加载器和控制器307并且连接至快速傅立叶逆变换器(IFFT)309。交错器(interleaver)305连接至映射器和时间扩展器311。映射器和时间扩展器311连接至预补偿/DFS处理器313。数据加载器和控制器307连接至预补偿/DFS处理器313。前导存储器315也连接至预补偿/DFS处理器313。IFFT309的输出连接到输出端子317。交错器305连接至输入端子319。
参照图3和图4来描述根据优选实施例的发射机的操作。待处理的数据输入到输入端子319并由此输入至交错器305。映射器和时间扩展器311从交错器305得到数据并将报头符号提供给预补偿/DFS模块313。前导存储器315存储标准前导序列。对输入的符号进行调制的预补偿/DFS码型(pattern)被数据加载器和控制器模块307加载。可以从配置接口303实时地逐包加载。可以在频域(在IFFT模块309之前)或者在时域(IFFT 309中)生成前导。
于是可以容易地实现用于生成前导的预补偿/DFS。预补偿/DFS模块313原则上对特定的副载波进行添加或消除。在频域中实现预补偿/DFS比在时域中更容易，因为副载波的概念仅在频域中有效。
此外，由于预补偿/DFS码型的软件加载是实时进行的，于是软件只需向基带告知频域中的当前预补偿/DFS码型，与其时域表示相比这包含了较少的数据。例如，软件只需将需要被消除的副载波指标传送给预补偿/DFS模块，而不需要传送一个完整的OFDM符号。通过使用软件而不是硬件来控制预补偿/DFS码型，系统变得更可行。
利用IFFT缓冲器的有力支持，可以显著降低生成前导的功耗。由于前导是从频域中产生的，有时不可避免会调用IFFT数据路径(发射机中功耗最大的块)。在本文所提出的架构中，只要可以就使用IFFT缓冲器来产生前导符号，于是能够最小化对IFFT数据路径的调用。
此外，优选实施例的发射机可以在两处，即在映射器和时间扩展器模块311和IFFT 309，执行时间扩展。这样的配置能够在保持系统可行性的同时使功率效率最大化。在当前的操作模式允许在IFFT缓冲器处(时域)执行时间扩展时，系统将令IFFT缓冲器产生扩展的符号。由于IFFT数据路径仅需要每隔一个符号激活一次，因此使用IFFT缓冲器来产生扩展符号会有助于节省功耗。或者，可以在映射器和时间扩展器处(频域)启动时间扩展并通过IFFT数据路径。
由于在频域中产生前导，于是需要通过IFFT数据路径，IFFT数据路径是发射机链中最耗能的块。为了降低功耗，划分了不同的操作状态，于是系统能够基于当前的操作条件在不同的操作模式之间切换。图4示出了如何产生操作模式以控制生成前导和时间扩展。
如图4所示，存在一些配置信号来控制操作模式的生成。以WiMedia PHY为例，这些信号将指定是否启动预补偿/DFS、当前输入的数据类型、用于传输的TFC、当前传输的有效负载的数据速率以及前导类型。基于这些配置信号来选择某种操作模式。如下面的表1所示，为WiMedia系统定义了十种操作模式。
 
操作 进入该模式的条件
 
模式
1 预补偿/DFS禁用，或者当TFC为5或6或7时预补偿/DFS启动。当前符号为时间前导。                                
2 预补偿/DFS禁用，或者当TFC为5或6或7时预补偿/DFS启动。当前符号为频率前导。                                
3 当TFC码为3或4时预补偿/DFS启动。当前符号为时间前导。           
4 当TFC码为3或4时预补偿/DFS启动。当前符号频率前导。             
5 预补偿/DFS未启动，或者当TFC为3或4或5或6或7时预补偿/DFS启动。当前符号是数据速率为53.3或80Mbps的报头符号或者有效负载符号。                                                
6 预补偿/DFS未启动，或者当TFC为3或4或5或6或7时预补偿/DFS启动。当前符号是数据速率为106.7或160或200Mbps的有效负载符号。
7 当TFC为1或2时预补偿/DFS启动。当前符号为时间前导。         
8 当TFC为1或2时预补偿/DFS启动，当前符号为频率前导；或者当前符号是数据速率超过200Mbps的有效负载符号。        
9 当TFC为1或2时预补偿/DFS启动。当前符号是数据速率为53.3或80Mbps的报头符号或者有效负载符号。                                                
10 当TFC为1或2时预补偿/DFS启动。当前符号是数据速率为106.7或160或200Mbps的有效负载符号。
表1
操作模式控制着映射器/时间扩展器311、预补偿/DFS处理器313和IFFT 309，如下面的表2所示。
 
操 IFFT、预补偿/DFS、映射器/时间扩展器的操作
 
作模式
1 IFFT执行一次符号计算，然后从其缓冲器读出结果24次或者12次(取决于前导类型)。用覆盖序列对读出的符号进行调制，覆盖序列由TFC确定。预补偿/DFS从前导存储器读取一次，并将预补偿后的符号提供给IFFT。映射器/时间扩展器不启动。                               
2 IFFT执行一次符号计算，然后从其缓冲器读出结果6次。预补偿/DFS从前导存储器读取一次，并将预补偿后的符号提供给IFFT。映射器/时间扩展器不启动。                             
3 IFFT执行12次或6次符号计算(取决于当前的前导类型)。在每次计算之后，从IFFT缓冲器读出数据两次。通过覆盖序列来调制所读出的符号。取决于前导的类型，预补偿/DFS从前导存储器读取12次或6次。预补偿/DFS将预补偿后的前导符号提供给IFFT。映射器/时间扩展器不启动。                               
4 IFFT执行3次符号计算。在每次计算之后，从IFFT缓冲器读出数据两次。预补偿/DFS读取前导存储器3次，并将3个预补偿后的符号提供给IFFT。映射器/时间扩展器不启动。                               
5 IFFT在每执行一次符号计算时从其缓冲器读取数据两次。通过导频序列来调制第二符号。预补偿/DFS对来自映射器/时间扩展器的符号进行预补偿。映射器/时间扩展器禁用其时间扩展功能。                   
6 IFFT在每执行一次符号计算时从其缓冲器读取数据两次。通过导频序列来调制第二符号，然后进行I/Q交换。预补偿/DFS对来自映射器/时间扩展器的符号进行预补偿。     
 
映射器/时间扩展器禁用其时间扩展功能。
7 IFFT在每执行一次符号计算时从其缓冲器读取数据一次。对于奇数号的符号，通过导频序列进行进一步调制。预补偿/DFS读取前导存储器24次或12次(取决于前导的类型)并将预补偿后的符号提供给IFFT。映射器/时间扩展器不启动。                             
8 IFFT在每执行一次符号计算时从其缓冲器读取数据一次。预补偿/DFS读取前导存储器6次并且在FD前导的情况下将预补偿后的符号提供给IFFT。或者，预补偿/DFS对来自映射器/时间扩展器的输入符号进行预补偿。针对有效负载符号启用映射器/时间扩展器。                  
9 IFFT在每执行一次符号计算时从其缓冲器读取数据一次。对于奇数号的符号，通过导频序列进行进一步调制。预补偿/DFS对来自映射器/时间扩展器的符号进行预补偿。映射器/时间扩展器启动其时间扩展功能并且从交错器读取相同的符号两次。                                               
10 IFFT在每执行一次符号计算时从其缓冲器读取数据一次。对于奇数号的符号，通过导频序列进行调制并随后进行I/Q交换。预补偿/DFS对来自映射器/时间扩展器的符号进行预补偿。映射器/时间扩展器启动其时间扩展功能并且从交错器读取相同的符号两次。                                               
表2
在下面的表3中对表1中不同操作模式的功率效率进行概括。
 
操作模式     功率效率
1 1200％和2400％(即IFFT数据路径的一次符号计算产生12或24个符号)。                                      
2 600％(即IFFT数据路径的一次符号计算产生6个符号)。
3 200％(即IFFT数据路径的一次符号计算产生2个符号)。
 
4 200％(即IFFT数据路径的一次符号计算产生2个符号)。
5 200％(即IFFT数据路径的一次符号计算产生2个符号)。
6 200％(即IFFT数据路径的一次符号计算产生2个符号)。
7 100％(即IFFT数据路径的一次符号计算产生1个符号)。
8 100％(即IFFT数据路径的一次符号计算产生1个符号)。
9 100％(即IFFT数据路径的一次符号计算产生1个符号)。
10 100％(即IFFT数据路径的一次符号计算产生1个符号)。
表3
尽管优选实施例是参照WiMedia系统进行的说明，本发明还可以应用于其它基于包的无线系统如802.11a/g无线LAN系统，其中应用了纯CMOS实现(即CMOS基带加CMOS RF)。作为802.11a无线LAN系统的一个示例，如前文所述，可以始终通过软件来实时加载预补偿码型而在频域中生成第一前导符号。由于此系统不支持跳频，可以通过重复地读取IFFT缓冲器来生成其它前导符号，如表1的模式1所示。
优选实施例的发射机还与传统的多芯片解决方案兼容。在这种情况下，预补偿/DFS针对每种类型的前导禁止调用IFFT数据路径一次，并且使用IFFT缓冲器来生成绝大部分前导并且在IFFT缓冲器中生成扩展符号。
尽管在附图中例示了本发明的优选实施例并且进行了前述说明，但可以理解到，本发明不限于所公开的实施例，在不偏离由权利要求所限定的发明范围的情况下可以包括各种变型。

Claims (14)

1.一种用于生成在正交频分调制通信系统中传输的数据包的方法，该方法包括如下步骤：
生成多个报头和有效负载符号；
依据至少两个条件来在频域或时域中生成前导序列；以及
将报头、有效负载和前导符号组合起来生成数据包。
2.根据权利要求1的方法，还包括如下步骤：依据所述至少两个条件，在频域或者在时域中对多个组合起来的符号进行时间扩展。
3.根据权利要求1或2的方法，其中所述多个符号在多个副载波上传输，并且该方法还包括如下步骤：
对所述多个副载波进行预补偿；以及
动态地选择所述多个副载波的频率。
4.根据权利要求3的方法，其中第一条件是基于所述预补偿和动态频率选择(DFS)的状态和/或时频码的值。
5.根据权利要求4的方法，其中所述预补偿/DFS的状态包括禁用、启动和未启动。
6.根据前述任一权利要求的方法，其中第二条件是基于当前符号的类型和数据速率。
7.一种用于生成在正交频分调制通信系统中传输的数据包的设备，该设备包括：
用于生成多个报头和有效负载符号的装置；
用于依据至少两个条件来在频域或时域中生成前导序列的装置；
用于将报头、有效负载和前导符号组合起来生成数据包的组合器；以及
用于传输数据包的传输装置。
8.根据权利要求7的设备，还包括时间扩展器，该时间扩展器用于依据所述至少两个条件来在频域或时域中对所述多个符号进行时间扩展。
9.根据权利要求7或8的设备，其中在多个副载波上传输所述多个符号，并且该装置还包括用于进行预补偿和动态选择所述副载波的频率的预补偿/DFS处理器。
10.根据权利要求9的设备，其中第一条件是基于所述预补偿/DFS处理器的状态和/或时频码的值。
11.根据权利要求10的设备，其中所述预补偿/DFS处理器的状态包括禁用、启动和未启动。
12.根据权利要求7至11中任意一项的设备，其中第二条件是基于当前符号的类型和数据速率。
13.一种用于在正交频分调制通信系统中用包来传输数据的发射机，该发射机包括：
用于生成多个报头和有效负载符号的装置；
用于依据至少两个条件来在频域或时域中生成前导序列的装置；
用于将报头、有效负载和前导符号组合起来生成数据包的组合器；以及
用于传输数据包的传输装置。
14.包含如权利要求13所述的发射机的无线通信系统。
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