CN101808066A - 长保护区间和短保护区间的切换方法及其模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及长保护区间和短保护区间的切换方法及其模块。所述切换方法包含以下步骤：接收第一数据符号，所述第一数据符号包含循环前缀和有效数据；根据所述循环前缀产生第二数据符号，所述第二数据符号包含有效数据；个别地测量所述第一和第二数据符号的部分符号以产生第一和第二测量值；根据所述第一和第二测量值与阈值进行比较以产生输出信号；以及根据所述输出信号选择性地切换其后的数据符号的保护区间。

Description

长保护区间和短保护区间的切换方法及其模块

技术领域

本发明涉及长保护区间和短保护区间的切换方法及其模块，尤其涉及一种应用于正交频分多路复用系统的长保护区间和短保护区间的切换方法及其模块。

背景技术

一般来说，在固定带宽的限制下，通信系统可以使用单载波传输和多载波传输两种方式进行传输。单载波传输方式是将数据串放在单个载波信道上传送，而多载波传输方式是将数据串经由多个低传输速率的子载波(Subcarrier)来传送。正交频分多路复用技术可看成多载波传输中的一个特例，其基本原理在于将原本较高传输速率的数据串分成数个较低传递速率的数据串，并且使用多个彼此正交的子载波传送。正交频分多路复用系统在多重路径效应下，很容易受到信道延迟扩展(Channel Delay Spread)的影响而造成符号间干扰(Inter-Symbol Interference，ISI)。图1A显示时域上的数据帧(frame)10，数据帧10是由许多连续的数据符号12A至12N所构成。图1B进一步说明每一数据符号的细节，其中数据符号12A至12N在时域上具有相同的格式。图1B中的每一数据符号12A至12N包含具有保护区间T_GI的循环前缀14(Cyclic Prefix)和具有符号区间T的有效数据16。为了降低上述符号间干扰，传输器在传输数据符号前会经由保护区间嵌入单元(GI Insertion Unit)将有效数据16加上循环前缀14以构成数据符号12A至12N。如图1B所示，循环前缀14等同于有效数据16的尾端部分。此外，保护区间T_GI必须大于信道延迟扩展时间T_delay，以确保有效数据不会受到上一个数据符号的干扰。

根据由美国电气电子工程师协会(IEEE)802.11标准修正而成的美国电气电子工程师协会修正版802.11n所界定的无线通信标准，所述保护区间可选用长保护区间(例如800ns)或是短保护区间(例如400ns)。保护区间越长，表示对抗符号间干扰的能力越强，但相对的系统也必须付出较大的传输功率，并且会降低数据的传输效率。举例来说，在802.11n中使用长保护区间的数据吞吐量(throughput)为65Mbps，而使用短保护区间的数据吞吐量可提升到72.2Mbps左右。因此，有必要提出一种长保护区间和短保护区间的切换方法及其模块，其可基于符号间干扰和数据吞吐量之间的取舍而进行适应性地选择。

发明内容

本发明揭示一种长保护区间和短保护区间的切换方法及其模块，以有效提升对抗符号间干扰的能力及提升数据吞吐量。

本发明的长保护区间和短保护区间的切换方法的一实施例，其包含以下步骤：接收第一数据符号，所述第一数据符号包含循环前缀和有效数据；根据所述循环前缀产生第二数据符号，所述第二数据符号包含有效数据；个别地测量所述第一和第二数据符号的部分符号以产生第一和第二测量值；根据所述第一和第二测量值与阈值进行比较以产生输出信号；以及根据所述输出信号选择性地切换其后的数据符号的保护区间。

本发明的长保护区间和短保护区间的切换模块的一实施例，其接收第一数据符号，所述第一数据符号具有长保护区间，或者具有短保护区间，所述切换模块包含：信号处理单元，其用以根据所述第一数据符号以产生第二数据符号；测量单元，其用以测量所述第一和第二数据符号的部分符号以产生第一和第二测量值；比较单元，其用以根据所述第一和第二测量值与阈值进行比较以产生输出信号；以及切换单元，其用以根据所述输出信号选择性地切换其后的数据符号的保护区间。

本发明的长保护区间和短保护区间的切换方法的一实施例，其包含以下步骤：接收报头以产生信道估计参数；根据所述信道估计参数计算多个相邻子载波的相关值；判断所述相关值是否大于阈值；以及输出信号以选择性地切换其后的数据符号的保护区间。

附图说明

图1A显示时域上的数据帧；

图1B说明每一数据符号的细节；

图2显示本发明的一实施例的保护区间切换模块；

图3显示根据本发明的一实施例的长保护区间和短保护区间的切换方法的流程图；

图4是以一实施例说明本发明的保护区间切换方法的流程图；

图5显示本发明的一实施例的保护区间的切换方法的另一流程图；

图6显示用于802.11a系统中的帧架构；以及

图7显示步骤S52的详细步骤。

具体实施方式

为更流畅地阐释本发明的保护区间的切换方法，以下将先描述应用本发明的方法的切换模块。图2显示本发明的实施例的保护区间切换模块20，其包含信号处理单元21、测量模块25以及切换单元28。信号处理单元21包含复制单元22和取代单元23。测量模块25包含测量单元26和比较单元27。信号处理单元21经设计以用以接收第一数据符号以产生第二数据符号。测量模块25经设计以用以测量及比较第一和第二数据符号的数据。切换单元28经设计以用以切换其后的数据符号的保护区间。

图3显示根据本发明的一实施例的长保护区间和短保护区间的切换方法的流程图。在步骤S30，接收第一数据符号，第一数据符号包含循环前缀和有效数据。在步骤S32，根据循环前缀产生第二数据符号，第二数据符号包含有效数据。在步骤S34，个别地测量第一和第二数据符号的部分符号以产生第一和第二测量值。在步骤S36，根据第一和第二测量值与阈值进行比较以产生输出信号。在步骤S38，根据输出信号选择性地切换其后的数据符号的保护区间。以下配合图2、图3和图4说明本发明的保护区间切换方法的细节。图4是以实施例说明本发明的保护区间切换方法的流程图。

首先，在图3的步骤S30中使用接收单元(未绘出)接收第一数据符号。第一数据符号在图4中以数据符号40表示。数据符号40包含具有长保护区间T_LGI的循环前缀和具有符号区间T的有效数据。长保护区间T_LGI中的0至T₁具有i个样本点，而T₁至T₂具有j个样本点，其中i和j为整数。i个样本点和j个样本点是在传输前由保护区间嵌入单元(未绘出)经由周期性地复制符号区间T中的尾端T₃至T₄的k个样本点和T₄至T₅的1个样本点而个别地取得。

在步骤S32中根据循环前缀得到第二数据符号。第二数据符号在图4中以数据符号42表示。首先在图2中使用复制单元22复制所接收的数据符号40中的长保护区间T_LGI的j个样本点。接着，通过取代单元23取代数据符号40中的符号区间T的1个样本点为所复制的j个样本点，因此取得数据符号42。

接着，在步骤S34中，根据数据符号40和42的部分符号，例如有效数据，来个别地进行测量以产生第一和第二测量值。所述测量值可以是信噪比(Signal-to-NoiseRatio，SNR)。或者所述测量值可以通过图2的测量单元26，例如向量信号分析仪(Vector Signal Analyzer，VSA)来产生误差向量量值(Error Vector Magnitude，EVM)。在步骤S36中，根据数据符号40和42的测量值而使用比较单元27与阈值N₁进行比较。在本发明的一实施例中，比较方式是首先将基于数据符号40而测量到的误差向量量值减去基于数据符号42而测量到的误差向量量值之后，取其差值的绝对值与阈值N₁进行比较。假如差值小于阈值N₁，那么表示接下来的数据符号在传输器端可选择短保护区间T_SGI。

在本发明的一实施例中，步骤S30所接收的第一数据符号可以是包含具有短保护区间T_SGI的循环前缀和具有符号区间T的有效数据的数据符号44，如图4所示。数据符号44在短保护区间T_SGI中的0至T₆有m个样本点，而m个样本点是由传输器的保护区间嵌入单元经由周期性地复制符号区间T中的尾端T₇至T₈的n个样本点所得到。

类似地，在步骤S32中，根据循环前缀产生第二数据符号。第二数据符号在图4中以数据符号46表示。数据符号46中的符号区间T₇至T₈的样本点是为经过信道后的数据符号44复制原短保护区间T_SGI的m个样本点而得到。

接着，在步骤S34中，根据数据符号44和46的部分符号，例如有效数据进行测量。所述测量可包括测量经过信道的数据符号44的误差向量量值及数据符号46的误差向量量值。接着，在步骤S36中，根据数据符号44和46的测量值使用比较单元27和阈值N₂进行比较。例如，将基于数据符号44而测量到的误差向量量值减去基于数据符号46而测量到的误差向量量值之后，取其差值的绝对值与阈值N₂进行比较。假如其差值大于阈值N₂，那么表示产生符号间干扰，因此接下来的数据符号在传输器端需选择加上长保护区间T_LGI。

在本发明的一实施例中，保护区间的切换方法可由计算子载波间的信道相关性而得到。图5显示本发明的一实施例的保护区间的切换方法的另一流程图。在步骤S50，接收报头(preamble)以产生信道估计(channel estimation)参数。在步骤S52，根据信道估计参数计算多个相邻子载波的相关值。在步骤S54，判断相关值是否大于阈值。在步骤S56，如果判断结果为是，那么选择性地切换至短保护区间。在步骤S58，如果判断结果为否，那么选择性地切换至长保护区间。

在802.11n无线通信标准中，每个信道具有64个子载波，每个子载波相隔312.5KHz(20MHz/64，其中20MHz为信道带宽)。在64个子载波中，有56个非零子载波，其中的52个数据子载波用以传递数据，而4个导频子载波(pilot subcarrier)用以传递导频音调(pilot tones)。每个子载波每秒传递312.5K个符号。数据在发送前被放入3.2μs的符号区间并选择性地加上短保护区间400ns或者长保护区间800ns的循环前缀以防止前述符号间干扰。此外，符合802.11n无线通信标准的系统为了能兼容符合802.11a无线通信标准的系统，802.11n的系统必须能使用在802.11a的系统中采用的报头符号以执行信道估计。图6显示用于802.11a系统中的帧架构，其中所述帧架构可被分为四个区域。第一区为短报头(short preamble)62，接着为长报头(longpreamble)64，接着依次为信号符号区66与数据符号区68。多个保护区间72、78、82和86被插入各区域之间。短报头62包含短训练符号t1～t10，所述训练符号通常用来进行帧检测、粗时序同步(coarse timing synchronization)、以及载波频率偏移(carrierfrequency offset，CFO)的估计。长报头64包含第一和第二长训练符号74和76，所述训练符号通常用来进行细时序同步(fine timing synchronization)与信道估计。信号符号区66包含信号符号80，其用来传送数据吞吐量、数据数目、调制方法等信息，而数据符号区68包含数据符号84和88，其用来传送将要传输的数据。

回到图5的流程图。在步骤S50中首先接收报头，例如图6所示的第一和第二长训练符号74和76，借以产生信道估计参数h(x)。接着，在步骤S52中根据信道估计参数计算多个相邻子载波的相关值。图7显示步骤S52的详细步骤。在步骤S521，根据短保护区间计算相干带宽(Coherence Bandwidth)Δf_C的最小值。在步骤S522，根据相干带宽Δf_C的最小值计算相邻子载波的数目。在步骤S523，根据相邻子载波的数目和信道估计参数计算相关值。现以符合802.11n无线通信标准的系统为例说明上述步骤。假如在系统中选择使用短保护区间，例如400ns，那么信道的延迟扩展需小于短保护区间。由于信道延迟扩展与信道的相干带宽Δf_C大约为倒数关系，因此由短保护区间可计算相干带宽Δf_C的最小值。例如，当短保护区间为400ns时，相干带宽Δf_C的最小值为2.5MHz。由于802.11n的系统中子载波频率间隔为312.5KHz，因此2.5MHz可包含8个子载波。

在步骤S52中，因为在相干带宽Δf_C内的所有信号具有大约相等的量值增益和线性的相位关系，即信号彼此间的相关性高。因此通过计算相邻子载波的相关性，可以知道子载波是否位于相干带宽Δf_C内。子载波间的信道相关值C可以通过方程式(1)表示：

$C=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\frac{h\left(k\right)}{\left|h\left(k\right)\right|}\×\frac{h^{*}(k+D)}{\left|h^{*}(k+D)\right|}---\left(1\right)$

其中h(k)表示第k个子载波的信道估计参数。h^*(k+D)表示第(k+D)个子载波的信道估计参数的共轭复数值，其中k和D为整数，而在本实施例中D＝8。由方程式(1)可知信道相关值C为规范化函数值。

接着，在步骤S54中判断信道相关值C是否大于阈值N₃。在步骤S56，假如信道相关值C大于阈值N₃，那么表示信道的延迟扩展小于短保护区间T_SGI，因此接下来要传输的数据符号在传输器端可选择加上短保护区间T_SGI。在步骤S58，假如信道相关值C小于阈值N₃，那么表示信道的延迟扩展大于短保护区间T_SGI，因此接下来要传输的数据符号在传输器端需选择加上长保护区间T_LGI。

以上揭示了本发明的技术内容及技术特点，然而所属技术领域的技术人员仍可基于本发明的教示及揭示内容而作种种不背离本发明精神的替换及修改。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修改，并为上述权利要求书所涵盖。

Claims (17)

1.一种长保护区间和短保护区间的切换方法，其特征在于其包含以下步骤：

接收第一数据符号，所述第一数据符号包含循环前缀和有效数据；

根据所述循环前缀产生第二数据符号，所述第二数据符号包含有效数据；

个别地测量所述第一和第二数据符号的一部分符号以产生第一测量值和第二测量值；以及

利用所述第一和第二测量值与阈值进行比较以产生输出信号，借以选择长保护区间或短保护区间。

2.根据权利要求1所述的切换方法，其特征在于其中所述循环前缀具有长保护区间，所述长保护区间的第一部分具有i个样本点，第二部分具有j个样本点，且所述第二数据符号的尾端部分的k个样本点为所述j个样本点，其中i、j和k为整数。

3.根据权利要求1所述的切换方法，其特征在于其中所述循环前缀具有短保护区间，所述短保护区间具有m个样本点，而所述第二数据符号的所述尾端部分的k个样本点为所述m个样本点，其中m和k为整数。

4.根据权利要求1所述的切换方法，其特征在于其中所述第一和第二数据符号的所述部分符号个别为所述第一和第二数据符号的所述有效数据。

5.根据权利要求1所述的切换方法，其特征在于其中所述第一和第二测量值为信噪比或误差向量量值。

6.根据权利要求1所述的切换方法，其特征在于其中根据所述第一和第二测量值与阈值进行比较的步骤为取第一和第二测量值的差值的绝对值与所述阈值进行比较。

7.根据权利要求6所述的切换方法，其特征在于其中当所述绝对值小于所述阈值时，将其后的数据符号的保护区间切换为短保护区间；而当所述绝对值大于所述阈值时，将其后的数据符号的保护区间切换为长保护区间。

8.一种长保护区间和短保护区间的切换方法，其特征在于其包含以下步骤：

接收报头以产生信道估计参数；

根据所述信道估计参数计算多个相邻子载波的相关值；

判断所述相关值是否大于阈值；以及

如果是，那么将其后的数据符号的保护区间切换为短保护区间。

9.根据权利要求8所述的切换方法，其特征在于其中所述根据所述信道估计参数计算多个相邻子载波的相关值的步骤进一步包含：

根据所述短保护区间计算相干带宽的最小值；

根据所述相干带宽的最小值计算相邻子载波的数目；以及

根据所述相邻子载波的数目和所述信道估计参数计算所述相关值。

10.根据权利要求9所述的切换方法，其特征在于其中根据所述相干带宽的最小值计算相邻子载波的数目的步骤依据所述子载波的频率间隔。

11.根据权利要求8所述的切换方法，其特征在于其中所述报头和所述短保护区间符合IEEE 802.11a或IEEE 802.11n的无线通信标准。

12.一种长保护区间和短保护区间的切换模块，其特征在于其接收第一数据符号，所述第一数据符号具有长保护区间和短保护区间中的一者，所述切换模块包含：

信号处理单元，其用以根据所述第一数据符号以产生第二数据符号；

测量单元，其用以测量所述第一和第二数据符号的部分符号以产生第一和第二测量值；

比较单元，其用以根据所述第一和第二测量值与阈值进行比较以产生输出信号；以及

切换单元，其用以根据所述输出信号选择性地切换所述第一数据符号之后的数据符号的保护区间。

13.根据权利要求12所述的切换模块，其特征在于其中所述信号处理单元包含：

复制单元，其用以复制所述第一数据符号的长保护区间或短保护区间的多个样本点；以及

取代单元，其经由所述复制单元以取代所述第一数据符号的尾端部分的多个样本点，借以产生第二数据符号。

14.根据权利要求12所述的切换模块，其特征在于其中所述第一和第二数据符号的所述部分符号个别为所述第一和第二数据符号的有效数据。

15.根据权利要求12所述的切换模块，其特征在于其中所述测量单元为向量信号分析仪，而所述第一和第二测量值为误差向量量值。

16.根据权利要求15所述的切换模块，其特征在于其中所述比较单元进一步包含运算单元，所述运算单元用以取其第一和第二测量值的差值的绝对值与所述阈值进行比较。

17.根据权利要求16所述的切换模块，其特征在于其中当所述绝对值小于所述阈值时，其后的数据符号的保护区间为短保护区间；而当所述绝对值大于所述阈值时，其后的数据符号的保护区间为长保护区间。

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