CN102007742A - 使用基于互补序列的导频的信令方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用正交频分复用(OFDM)的信令方法，其基于包括N个专用载波(导频)的报头，所述方法的定位和调制由一个或多个长度为N的互补序列链限定。对于互补序列，除零位漂移即克罗内克符号δ之外，其自相关的和为零。所述报头的主要目的是为了信令化所传输的信号的基本属性，并且在时间和频率同步的时刻提供首次估计。该报头在通过逆傅立叶变换(IFFT)模块进行逆傅立叶变换之前使用OFDM而临时被所传输的数据复用或编入序列。

Description

使用基于互补序列的导频的信令方法和装置
技术领域
本发明涉及旨在用于接收的第一阶段的信令的方法，该方法允许迅速获取与发送相关的信息，而很少需要或不需要了解所接收到的信号的参数。通常使用在频率水平上与数据混合的专用载波来发送使用OFDM(正交频分复用技术)的信令。为访问所述信息，需要前期的时间间隔来实现时间和频率的同步，以估计发送信道的畸变(distortion)并平衡所接收到的信号。在该情况中，信令(或一部分信令)以报头(preamble)的形式临时地与剩余数据分离。即使在低信噪比(SNR)、由于多普勒效应引起信道畸变、单频率网络(SFN)产生回波(echo)等的情况下，所述报头也能够被检测到和被解码，并且时间和/或频率发生移动。
背景技术
在通讯系统中，介质的畸变效应、接收器的热噪声和糟糕的时间与频率同步引起的效应会使所发送的信号畸变。一部分所发送的信息用于发送参数信令(TPS)，比如，例如OFDM系统的载波的数目(FFT模式)和保护间隔(GI)、所使用的映射的类型(星座(constellation))或所使用的协议的版本。该信息极为重要，并且必须被完全地接收到以能够解码余下的所接收到的信息。因此，必须发送信令以允许非常健壮的可检测性，[见ETSI EN 300 744：“Digital Video Broadcasting(DVB)”；Frame structure，channel coding and modulation for digital terrestrial television”]。
OFDM技术多年来一直受多个专利的保护，比如[Gledhill，V.V.etal.，“Reception of Orthogonal Frequency Division Multiplexed Signals”US19935345440]或[Saito，M.，“Method and Apparatus for Digital Signal Transmission Using Orthogonal Frequency Division Multiplexing”US19935406551]。
最近提出来了一些用于在频域内使用导频进行优化估计的方法，比如[Yeh，CS.；Lin，Y.“Channel Estimation using Pilot Tons in OFDM Systems”，IEEE Trans. On Broadcasting，Vol.45，No.：4，Dec 1999.pp 400-409]。另外还有使用导频进行同步的方法，比如[Minn，H.，Bhargava，V.K.，Letaief，K.B.“A Robust Timing and Frequency Synchronization for OFDM Systems”]。
在前述的参考文献中，估计和同步是在获取与数据一起发送的信令信息之前进行的步骤。所搜寻的与该专利较接近的参考文献是[Chang-Ho，S. et al.“Apparatus and Method for Generating Preamble Sequence in an OFDM Communication System”，US2004252777]。在该情况中，报头被提出用于帧(非信令)同步，提出报头的主要目的在于最小化峰值平均功率比(PAPR)。
在两个上述的参考文献资料中，具有两个分量(K＝2)的集被用于同步，该集也称作Golay序列[MARCEL J.E. Golay“Complementary Series”，IRE Transactions on Information Theory，April 1961，pp.82-87.]，但是也可以采用K＞2的集[C.C.Tseng，C.L.Liu，“Complementary Sets of Sequences”，IEEE Trans.Inform. Theory，Vol，IT-18，No 5，pp.644-651，Sept.1972.]。
该互补序列的集或SCS的主要特性是：
&Sigma; i = 0 K - 1 r a i a t [ n ] = KN&delta; [ n ] - - - < 1 >
其中rxx指x的非周期性自相关。集的全部序列的自相关的和在n＝0时等于KN，并且在n≠0时等于0(克罗内克符号δ乘以因子KN)，这里N是所述序列的长度。
另一个有趣的特性在于存在K个互相不相关的序列集(也称为正交集)：
&Sigma; i = 0 K - 1 r a i a t [ n ] = 0 , &ForAll; n - - - < 2 >
这允许同时发送K个集合。
Golay序列的生成和检测能够通过应用在下述文献中限定的系统来有效地完成：[S.Z. Budisin.“Efficient Pulse Compressor for Golay Complementary Sequences”，Elec.Lett.Vol.27，No.3，pp.219-220，31st Jan.，1991]；和[Popovic，B.M.“Efficient Golay correlator”.Electronics Letters，Volume：35，Issue：17，19Aug.1999Pages：1427-1428]。这些结构仅在K＝2时有效。对于K＞2时所产生的序列，优化算法的说明见如下文献[X.Huang and Y.Li，“Scalable Complete Complementary Sets of Sequences”，IEEE Globecom 2002，Taipei，Taiwan，Nov 17.21，2002]。对于K≥2时的优化算法的说明见如下文献[Jos éMar ía Insenser et al.”M étodo y Sistema  de  Estimaci ón de  Canales de Multiple Entrada yM últiple Salida”(Method and System for Multiple Input and Multiple Output Channel Estimation)Spanish patent application no.P200601942，20 July 2006.]。
除允许估计和同步之外，这里所说明的方法还提供用于信令的报头结构。该方法是基于对用于限定分配和调制的不同序列的使用，并且允许使用大于2的集(K≥2)。
发明内容
如上所述说明的，SCS的主要特性是：
&Sigma; i = 0 K - 1 r a i a t [ n ] = KN&delta; - - - < 3 >
其中rxx指x的非周期性自相关。集的全部序列的自相关的和等于克罗内克符号δ与因子KN的乘积。
有趣的特性在于存在K个互相不相关的序列集(也称为正交集)(见图5)：
&Sigma; i = 0 K - 1 r a i a t [ n ] = 0 - - - < 4 >
当序列a和b的值属于集合{1，-1}时，将保持这些特性。如果所述频率由系数F进行放大，这些特性仍将保持但具有增益F。当向所述序列施加幅值偏移(amplitude offset)时会出现问题；例如，所述序列的值属于集合{1，0}。在所述情况中，在相关的结果中存在积分效应(integration effect)。
如果不求和，而只进行相关计算，则不能保持序列的理想特性。所述相关具有限定的最大值，但会出现旁瓣(side lobe)(接近波峰的值不为零)。如果自相关序列包括两个或更多个具有相同或不同长度的互补序列链，则该特性被保持。在图4中能够看到所述效应。在该附图中，进行功率相关，但为防止传递到功率(或传递到绝对值或传递到模量)的积分效应，从所接收到的序列消除幅值偏移，以获得接近于零的均值，并且该幅值偏移在值{1，-1}中与基准信号相关。
使用值{1，-1}使得能够简化对所述相关的计算，并且使所述相关的计算基于加法和减法运算。
该技术通常用于时域(直接序列扩频，Direct Sequence Spread Spectrum)，但在该情况下，其在频域(OFDM)中的应用是要慎重考虑的，因此，在发送端在逆傅立叶变换(IFFF)之前使用该技术。
根据图1中的框图，能够看到可以使用两个独立的信令字段(signalling fields)(S1和S2)。一个信令字段是用于选择用于分配有效载波的序列，另一个信令字段是用于选择用于对有效载波进行DBPSK映射或调制的序列。在第一个情况中，产生具有相同或不同长度2*N的序列或序列链，获得N个有效载波和N个无效载波。N个有效载波由长度为N的序列或序列链映射到DBPSK星座。可能的是，载波分配序列具有的有效载波的数目与无效载波数目不同。在所述情况中，必须根据有效载波的数目来选择限定映射的序列的长度。在任意情况中，限定映射的序列的最优选择是使用K个长度为N的集合并且使K个长度为N的序列链接，以生成用于调制的序列。K*N必须等于待映射的有效载波的数目。
S1信令是基于如下的相关峰：其在接收端(图3)与发送的同一序列相关时最大。在使用另一序列进行相关计算时，相关的结果的最大峰值将较低。这能够用以进行不同的相关计算，以检测所发送的序列并且与能够发送的序列的数目一样多的数目的选项被信令化。在该情况中，搜索具有低的互相关(cross-correlation)的序列集是有意义的。还可以使用全有全无检测(all-or-nothing detection)项，即，搜索与报头一致的峰，并且如果未发现所述峰，则信令化所分析的信号中不是所搜寻的信号的信号。所述峰能够用于生成频率基准，所生成的频率基准用来对载波进行索引以用于后续的DBPSK检测。全部该信息在频域编码，因此，接收端的第一步是检测时域中的报头并将其发送过FFT。所述检测可以通过对充分偏移的信号进行时间相关(temporal correlation)来完成。所述保护间隔是在不同瞬时所发送的信号(相移或未相移)的复制。所述算法已知为保护间隔相关(GI-C)。
S2信令是基于通过利用其他序列集完全正交(互相关的和为零)对所发送的序列集进行检测。与使用的互补序列集一样多的项能够被信令化。使用这些序列集的互补特性的信令容量(signalling capacity)为K＝N。
附图说明
图1示出了发送系统的示意性框图。其包括的不同部分说明如下：
100.S1信令数据，其被编码在用以分配载波的序列中。300。其能够用以标识所使用的传输协议类型。
101.S2信令数据，其被编码在用以调制载波的序列中。其能够用以标识OFDM模式和保护间隔。
102.其他信息(和信令)位，其被编码在与报头的符号不同的OFDM符号中。
103.长度为2N的互补序列发生器，其中使用S1作为生成互补序列的种子(seed)。各序列片的二进制结果为1或0。1处的位置表示有效载波，0处的位置表示无效载波。
104.长度为N的互补序列发生器，其中使用S2作为生成互补序列的种子。各序列片的二进制结果为1或0。这些值用于差分二进制相移键控(DBPSK)。
105.有效载波的DBPSK映射，该映射使用了在0时无效载波所发送出的键控序列。
106.用无效载波填充2N载波，直到完成OFDM符号的C载波。
107.映射信息位载波。
108.OFDM符号复用器，用于将报头插入各特定的数字数据符号(number data symbol)中。
109.逆傅立叶变换，用于将OFDM符号的频域载波转换成时域符号。
110.OFDM传输链的其他典型模块，比如插入保护间隔(GI)、数模转换器、射频段、滤波器等，或任何其他对待发送的信号进行时域变换或扩展(extension)的方法。
图2示出了传输信号在时域的架构。其包括的不同部分说明如下：
200.周期性地插入所发送的信号的报头(P)。
201.剩余的发送数据(D)。
图3示出了接收系统的示意性框图，所示出的框图着重于检测报头的部分。其包括的不同部分说明如下：
300.用于接收的典型模块，比如射频段和数模转换器。
301.使用保护间隔获取时间基准-报头的相关运算。所述基准能够用作出现报头的第一基准并且允许定位OFDM符号的时间窗。
302.傅立叶变换，用于转换到频域，并且用于恢复载波。
303.功率相关，用于获取用于后续段的第一频率基准。
304.检测，该检测能够用于检测是否出现所搜寻的信号(S1＝1bit)或者用于使用多个相关来检测更多的信息，比如所使用的协议的不同版本(S1＞1bit)。
305.使用时间基准通过检测相移(DBPSK)来检测有效载波。
306.根据检测有效载波所产生的二进制序列被相关并且与用于生成调制序列的不同的可能的种子相加(SoAC-自相关的和)。
307.可以识别使用的不同的种子，并使用多个SoAC运算来检测S2信令位。
图4示出了使用长度分别为512和256的互补序列链进行的功率相关的结果。
图5示出了16个长度为16的互补序列的自相关的和的结果，并且所述和被与15个完全正交的序列集(零互相关)互相关。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种所使用的报头结构包括N个专用载波(导频)的通讯系统(发送和接收装置)，所述系统的定位和/或调制/映射由一个或多个互补序列限定，对于所述互补序列，除零位漂移之外，其自相关的和为零，其中用于分配载波的序列的选择，用于信令化与所述通讯系统相关的信息的信号和/或用于映射载波的序列的选择，用于信令化与所述通讯系统相关的信息的信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所生成的报头以与所传输的数据顺序的方式临时地周期性地插入所传输的信号中。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，互补序列的正交集，即自相关的和通常为零的序列的集被用于映射或定位星座内的专用载波或有效载波。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，使用基于二进制相移键控(BPSK-二进制相移键控)的二进制星座。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，使用基于差分二进制相移键控(DBPSK-差分二进制相移键控)的二进制星座。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，使用基于四相相移键控(QPSK-四相相移键控)的四相星座。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，使用基于差分四相相移键控(DQPSK-差分四相相移键控)的四相星座。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述报头的被相移或未被相移(保护间隔)的临时复制被添加到所述报头以允许在所述接收端进行时域中的时间相关和/或使符号间的干扰最小化。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述序列的分配和/或调制/映射被优化用以在单输入-单输出(SISO)系统中传输。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述序列的分配和/或调制/映射被优化用以在单输入-多输出(SIMO)系统中传输。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述序列的分配和/或调制/映射被优化用以在多输入-单输出(MISO)系统中传输。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述序列的分配和/或调制/映射被优化用以在多输入-多输出(MIMO)系统中传输。
13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接收端使用多个并行连接的相关器。
14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接收端使用多个串联连接的相关器。
15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接收端使用根据权利要求10的时域中的保护间隔相关用以以加窗的方式对累积进行移动和乘法(保护间隔相关)来检测所述报头。
16.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接收端对所述信号在频域内进行功率相关、模量相关或绝对值相关，以检测载波的分配和/或获得频率基准及其中所编码的信息。
17.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接收端在频域内执行在根据权利要求4、5、6或7的映射中所编码的信号的相关的和，以检测其中所编码的信息。
18.根据权利要求15、16和17中的任一项所述的系统，其特征在于，峰值检测算法和/或所检测的峰之间的比较被用于获得时间基准和/或频率基准，并用以获得在所传输序列中编码的信息。
19.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，用于分配载波的序列包括互补序列链，所述互补序列属于或不属于一个集。
20.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，用于调制或映射有效载波的所述星座的序列包括互补序列链，所述互补序列属于或不属于一个集。
21.用于通讯系统(发送和接收装置)的发送装置，其中使用了包括N个专用载波(导频)的报头，所述系统的定位和/或调制/映射由一个或多个互补序列限定，对于所述互补序列，除零位漂移之外，其自相关的和为零，其中用于分配载波的序列的选择，用于信令化与所述通讯系统相关的信息的信号和/或用于映射载波的序列的选择，用于信令化与所述通讯系统相关的信息的信号。
22.用于通讯系统(发送和接收装置)的接收装置，其中使用了包括N个专用载波(导频)的报头，所述系统的定位和/或调制/映射由一个或多个互补序列限定，对于所述互补序列，除零位漂移之外，其自相关的和为零，其中用于分配载波的序列的选择，用于信令化与所述通讯系统相关的信息的信号和/或用于映射载波的序列的选择，用于信令化与所述通讯系统相关的信息的信号。
23.用于通讯系统(发送和接收装置)的方法，其中使用了包括N个专用载波(导频)的报头，所述系统的定位和/或调制/映射由一个或多个互补序列限定，对于所述互补序列，除零位漂移之外，其自相关的和为零，其中用于分配载波的序列的选择，用于信令化与所述通讯系统相关的信息的信号和/或用于映射载波的序列的选择，用于信令化与所述通讯系统相关的信息的信号。

Claims (22)

1.一种所使用的报头结构包括N个专用载波(导频)的通讯系统(发送和接收装置)，所述系统的定位和/或调制/映射由一个或多个互补序列限定，对于所述互补序列，除零位漂移之外，其自相关的和为零。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所生成的报头以与所传输的数据顺序的方式临时地周期性地插入所传输的信号中。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，互补序列的正交集，即自相关的和通常为零的序列的集被用于映射或定位星座内的专用载波或有效载波。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，使用基于二进制相移键控(BPSK-二进制相移键控)的二进制星座。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，使用基于差分二进制相移键控(DBPSK-差分二进制相移键控)的二进制星座。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，使用基于四相相移键控(QPSK-四相相移键控)的四相星座。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，使用基于差分四相相移键控(DQPSK-差分四相相移键控)的四相星座。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，用于载波的分配的序列的选择被用来信令化与所述通信系统相关的信息。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，用于映射载波的序列的选择被用来信令化与所述通信系统相关的信息。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述报头的被相移或未被相移(保护间隔)的临时复制被添加到所述报头以允许在所述接收端进行时域中的时间相关和/或使符号间的干扰最小化。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述序列的分配和/或调制/映射被优化用以在单输入-单输出(SISO)系统中传输。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述序列的分配和/或调制/映射被优化用以在单输入-多输出(SIMO)系统中传输。
13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述序列的分配和/或调制/映射被优化用以在多输入-单输出(MISO)系统中传输。
14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述序列的分配和/或调制/映射被优化用以在多输入-多输出(MIMO)系统中传输。
15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接收端使用多个并行连接的相关器。
16.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接收端使用多个串联连接的相关器。
17.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接收端使用根据权利要求10的时域中的保护间隔相关用以以加窗的方式对累积进行移动和乘法(保护间隔相关)来检测所述报头。
18.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接收端对所述信号在频域内进行功率相关、模量相关或绝对值相关，以检测载波的分配和/或获得频率基准及其中所编码的信息。
19.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接收端在频域内计算在根据权利要求4、5、6或7的映射中所编码的信号的相关的和，以检测其中所编码的信息。
20.根据权利要求17、18和19中的任一项所述的系统，其特征在于，峰值检测算法和/或所检测的峰之间的比较被用于获得时间基准和/或频率基准，并用以获得在所传输序列中编码的信息。
21.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，用于分配载波的序列包括两个或更多个互补序列链，所述互补序列属于或不属于一个集。
22.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，用于调制或映射有效载波的所述星座的序列包括两个或更多个互补序列链，所述互补序列属于或不属于一个集。
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