CN102388558B

CN102388558B - 在无线系统中允许多天线通信的信令方法和设备

Info

Publication number: CN102388558B
Application number: CN201080016070.6A
Authority: CN
Inventors: M.戈什; V.R.加达姆
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2009-04-10
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2030-03-24
Also published as: CN102388558A; TW201136229A; US8773994B2; EP2417723A1; KR20120016234A; WO2010116280A1; KR101679173B1; TWI499236B; JP2012523732A; JP5615903B2; US20120039321A1

Abstract

一种用于在无线通信网络中用信号通知传输模式的方法（200）包括：选择与发射设备的传输模式相对应的签名序列（S210）；基于选择的签名序列，为发射设备中的每一个天线形成同步字段，其中同步字段被包括在前同步码中（S220）；以及从发射设备中的每一个天线发射包括前同步码的数据帧。

Description

在无线系统中允许多天线通信的信令方法和设备

这个申请要求于2009年4月10日提交的美国临时申请号61/168,284的利益。

本发明一般涉及无线系统中的多天线通信。

具有有限/限制传输功率的无线设备非常适于无线局域网（WLAN）和无线个人区域网络（WPAN）应用。这样的设备的示例是在Ecma392标准中定义的便携式认知设备。无线设备可以实现为包括单个天线或多个天线。后一种配置通常用于增加数据速率和传输范围。因而，典型的网络可以包括具有单个天线的设备和具有多个天线的设备。结果，发射设备可以包括多个天线，而接收天线可以包括单个天线。

在相关技术领域中，讨论由多个天线利用的传输方案的众多变体。这些传输方案包括发射波束成形、空时分组码（STBC）、频率交错发射分集（FITD）等等。无论传输方案如何，接收设备都必须知道传输是使用单个天线还是多个天线执行的。

为此，执行显式信令程序，以便将传输模式（单天线或多天线）通知接收设备。在帧的标题中明确地指定传输模式。总是使用单个天线来发射标题，从而该标题能够被网络中的所有接收设备正确地解码。然而，这需要也使用单个天线来发送帧的前同步码。由于应该总是使用单个天线来发射前同步码和标题，所以显式信令程序消耗带宽和功率。因而，这个信令程序是低效的。

因此，提供用于用信号通知传输模式的有效的解决方案将是有利的。

本发明的某些实施例包括一种用于在无线通信网络中用信号通知传输模式的方法。该方法包括：选择与发射设备的传输模式相对应的签名序列；基于选择的签名序列，为发射设备中的每一个天线形成同步字段，其中同步字段被包括在前同步码中；以及从发射设备中的每一个天线发射包括前同步码的数据帧。

本发明的某些实施例也包括一种设备，其包括：存储器，用于存储与传输模式和传输方案相对应的至少一个签名序列；同步字段生成器，用于通过使用从存储器检索的至少一个签名序列生成短训练序列来为设备中包括的每一个天线形成同步字段；信道估计（CE）字段生成器，用于通过生成长训练序列来为每一个天线形成CE字段，其中同步字段和CE字段被包括在前同步码中；帧生成器，用于为每一个天线生成数据帧，该数据帧包括前同步码；以及调制器，用于使用为该设备设置的传输方案来调制每一个数据帧。

被视为本发明的主题在说明书完结时在权利要求书中特别地指出并且显然地请求保护。从以下结合附图进行的详细描述中，本发明的前述以及其他的特征和优点将是显而易见的。

图1是数据帧结构的图示；

图2是根据本发明的实施例实现的用于用信号通知传输模式的流程图；

图3是用于用信号通知单天线传输模式的PLCP前同步码的图示；

图4是用于用信号通知多天线传输模式的PLCP前同步码的图示；和

图5是根据本发明的实施例的设备的框图。

重要的是注意：利用本发明公开的实施例仅是在这里的创新教导的众多有利使用的示例。一般而言，在本申请的说明书中进行的陈述不一定限制各种请求保护的发明中的任何一种。此外，某些陈述可能应用于某些发明的特征而不应用于其他的特征。一般而言，除非另有说明，否则在不丧失一般性的情况下，单数元素可以是多个，并且反之亦然。在附图中，相同的数字在若干视图中指的是相同的部分。

图1示意性显示用于描述本发明的原理的数据帧100的典型格式。在诸如WLAN和WPAN之类的无线网络中通常使用帧100来传送将要发射的数据。帧100包括物理层会聚协议（PLCP）前同步码110、PLCP标题（HDR）120和PLCP服务数据单元（PSDU）130。PLCP前同步码110、PLCP标题120和PSDU130的确切内容和格式是包括但不限于IEEE802.11、IEEE802.15、WiMedia、Ecma等的传输规范特定的并由这样的传输规范定义的应用。

通常，PLCP标题120包括物理（PHY）层标题121、介质访问控制（MAC）层标题122和标题校验序列（HCS）123。基于PLCP标题120的内容，接收设备被启用来正确地解码净荷数据。PSDU130包括从MAC层接收的净荷数据部分131以及用于检测帧100中的差错的帧校验序列（FCS）132。

PLCP前同步码110主要用于突发/分组检测、时间和频率同步、帧开始检测、自动增益控制（AGC）以及信道估计。这些任务利用同步字段111和信道估计（CE）字段112来完成。特别地，同步字段111用于按那个顺序进行AGC设置、突发检测、定时和频率偏移估计以及帧检测。CE字段112用于确定信道响应，并且也用于精细频率估计。

图2显示根据本发明的实施例实现的用于用信号通知传输模式的示例的且非限制的流程图200。该方法提供将传输模式隐式通知接收设备的机制，从而允许具有多个天线的无线设备与具有单个天线的无线设备在无线网络中的共存。在目前披露的上下文中，传输模式指示发射设备是使用单个天线还是多个天线来发射信号以及由发射设备采用的特定的多天线传输方案。

在S210，从预定义集合的签名序列中选择识别传输模式的独特的签名序列。传输模式和传输方案与独特的签名序列相关联。例如，独特的签名序列为下列中的每一个而生成：单天线传输模式；利用发射波束成形方案的多天线传输模式；利用STBC方案的多天线传输模式；以及利用FITD方案的多天线传输模式。对接收设备而言，这些签名序列事先是已知的。在本发明的实施例中，以利用良好的自相关属性来表征的伪随机（PN）序列的方式，生成这些签名序列。

在S220，对于发射设备中的每一个天线，PLCP前同步码110的同步字段111被构造为包括选择的独特的签名序列。所发射的帧100的数量、因此PLCP前同步码110的数量与发射设备中的天线的数量是相同的。在每一个发射的帧100中，通过将签名序列重复多次，生成同步字段111。所重复的签名序列导致短训练序列。下面提供用于为不同的传输模式生成同步字段110的详细示例。

在S230，PLCP前同步码110的CE字段112被构造成包括长训练序列。这个步骤包括生成长训练序列以及根据构成CE字段112的符号的数量在CE字段112中定位该序列。下面提供用于执行S230的示例。

在S240，构造帧100的剩余部分，即，PLCP标题120和PSDU130。此后，发射设备分别使用其单个天线或多个天线来发射该帧或多个帧。换言之，如果发射设备包括数量Q个天线，则构造并发射Q个帧（Q是等于或大于1的整数）。

使用上述处理生成的PLCP前同步码110能够由接收设备解码，以确定传输模式。此外，接收设备能够检测用于多天线传输模式的传输方案，例如发射波束成形、STBC或FITD。

特别地，接收设备将接收到的信号与该信号的延迟版本自相关，或者将接收到的信号与参考信号互相关。

在时间实例m，自相关能够如下执行：

其中‘p’是相关窗口大小，‘r’代表采样的基带接收信号，以及‘r*’表示‘r’的复共轭。此后，为了识别传输模式，接收设备执行接收到的信号与能够被包括在同步字段111中的不同签名序列的并行相关。例如，如果预定义三个不同的签名序列（SS1、SS2A和SS2B），那么并行相关能够如下执行：

其中N是相关序列的长度。

具有最大输出值的相关器被选择并与阈值进行比较，以检测信号的存在，并且也识别传输模式。例如，如果相关器输出最大值，那么传输模式是与签名序列SS2B相对应的模式。一旦传输模式被确定，则接收设备设置该帧的剩余字段的持续时间，以便正确地解调和解码净荷数据131。

图3显示用于用信号通知单天线传输模式的PLCP前同步码300的示例图。同步字段310包括短训练序列S⁰到S^M-1，其中M是同步字段311中的签名序列的重复次数。在示例实施例中，短训练序列如下生成：

其中i=0到M-1，以及n=0到N-1；N是与该天线相对应的签名序列SS1的长度。短训练序列中的每一个元素S⁰到S^M-1具有长度N。基于同步字段111的长度，预定义N和M的值。是覆盖序列，并用于独特地识别传输模式以及检测帧的开始。

信道估计（CE）字段320包含两个符号CE1和CE2（例如，OFDM符号），其中能够在两个符号CE1和CE2中发射相同的长训练序列。接收设备将这两个接收到的符号进行平均，以估计每一个子载波上的信道增益因数。

图4显示用于隐式用信号通知双天线传输模式的PLCP前同步码410和420的示例图。发射设备（未显示）中的每一个天线发射包括PLCP前同步码410或420的数据帧。前同步码410的同步字段411包括短训练序列S₁ ⁰到S₁ ^M-1，其中M是各自的签名序列在同步字段411中的重复次数。在本发明的示例实施例中，如下生成训练序列S₁ ⁰到S₁ ^M-1：

其中i=0到M-1，n=0到N-1（N是签名序列SS2A的长度），并且是覆盖序列。

在这个示例中，签名序列SS2A对应于由发射设备的两个天线利用的传输方案。例如，SS2A是具有发射波束成形的两个天线、具有STBC（例如，Alamouti码）的两个天线或具有FITD的两个天线的各自的签名序列。

前同步码420中的同步字段421包括与为同步字段411生成的符号/信号/训练序列相同的短训练序列。即，=。在两个帧中发射相同的短训练序列确保在接收设备上可靠的突发检测和AGC设置。根据本发明的实施例，在同步字段421中发射训练序列的循环移位版本。

应注意：同步字段311、411和421的持续时间是相同的。但是，在双天线传输模式中的CE字段412和422可以长于CE字段320。例如，双天线传输模式的CE字段能够包括4个符号。

在图4所示的前同步码中，CE字段412和422利用两个天线来发射，以便允许接收设备估计和存储用于每一个天线传输的信道估计。在示例的实施例中，CE字段412包括两个符号CE1和CE2，其中训练序列在第一符号持续时间（CE1）期间被分配给偶数子载波，并在第二符号持续时间（CE2）期间被分配给奇数子载波。在CE字段422中，这个顺序被颠倒，即，在第一符号持续时间（CE1）期间，在奇数子载波上发射训练序列，而在第二符号持续时间（CE2）期间，在偶数子载波上发射该训练序列。接收设备在这两个符号上执行插入，以便在整个信道（即，所有的子载波）上推导出信道估计。

当CE字段包括4个符号时，则两个符号作为CE1和CE2被发射，而另外两个符号（CE3和CE4）是符号CE1和CE2的拷贝。在这个实施例中，接收设备能够将两个符号上的信道估计进行平均，并且信道估计的可靠性类似于利用单个天线传输所实现的可靠性。

根据本发明的另一个实施例，提供一种信令方法，用于在网络中规定传输模式，其中该网络包括或具有单个天线的无线设备或具有两个天线的无线设备。在这个实施例中，同步字段111用于表示传输模式，即，是使用一个还是两个发射天线。特别地，同步字段111基于在上面详细描述的签名序列来生成。通过在第一天线中仅在偶数子载波上使用导频以及仅在第二天线中的奇数子载波上使用导频来创建CE字段112。因而，或具有单个天线或具有两个天线的所有的接收设备能够接收该字段122。

根据这个实施例，在PLCP标题120中指定传输方案。当使用多个天线时，利用每一个天线、优选地使用FITD来发射标题120。使用为发射设备设置的传输方案，发射PSDU130。如表1所示，PLCP标题120的两个比特被设置成指定被发射设备使用的传输方案。在示例的实施例中，比特A0和A1占据PLCP标题120中的PHY标题中的位置14和15。

应注意：根据这个实施例，仅在目的地接收设备也具有两个天线时，发射设备才能够使用空间复用（SM）方案。例如，这能够利用在接收设备的信标传输中使用的短序列来确定。

多天线字段比特A1-A0	多天线传输方案
		00	单个天线
01	频率交错发射分集（FITD）
		10	空时分组码（STBC）
11	空间复用（SM）

表1

接收设备最初处理接收到的信号，以便突发检测。这通常通过将接收到的信号与该信号的延迟版本相关或与参考信号相关来执行。随后，接收设备将接收到的信号与多个相关器相关，以确定传输模式。在上面更详细描述这种处理。如果接收设备确定使用双天线模式发射帧，则标题被FITD解码，以推导出传输方案。

本发明的不同实施例能够与任何的使用类似OFDM调制方案的基于分组的通信系统一起使用。例如，本发明的教导能够有效地在利用Ecma-392标准等等的基于CogNeA的系统中实现。

图5显示根据本发明的实施例构造的设备500的示例的且非限制的框图。设备500包括：存储器510，用于存储不同的传输模式和方案的各自的签名序列；同步字段生成器520；CE字段生成器530；帧生成器540；调制器550；以及至少一个天线560。同步字段生成器520使用从存储器510中检索的签名序列来生成短训练序列。在本发明的一个实施例中，存储器510能够利用生成签名序列的反馈循环移位寄存器来替代。

CE字段生成器530通过生成长训练序列以及在CE字段112中定位该序列来形成PLCP前同步码的CE字段。在本发明的一个实施例中，长训练序列被存储在存储器510中，并被CE字段生成器530用于形成CE字段。在另一个实施例中，长训练序列由CE字段生成器530生成。帧生成器540为该设备中包括的每一个发射天线560形成PLCP帧。帧的PLCP前同步码包括分别由生成器520和530构造的同步字段和CE字段。由帧生成器540输出的每一个帧由调制器550根据为该设备500设置的传输方案来调制。在本发明的实施例中，设备500可以被集成在通信设备的物理（PHY）层模块中。

本发明的原理能够被实现为硬件、固件、软件或其任何组合。此外，软件优选地被实现为有形地在能够采用数字电路、模拟电路、磁介质或其组合的形式的程序存储单元、计算机可读介质或非暂时性机器可读存储介质上体现的应用程序。应用程序可以被上传到包括任何适当架构的机器，并由该机器来运行。优选地，机器被实现在具有诸如一个或多个中央处理单元（“CPU”）、存储器和输入/输出接口之类的硬件的计算机平台上。计算机平台也可以包括操作系统和微指令代码。无论是否明确地显示这样的计算机或处理器，在这里描述的各种处理和功能可以是可由CPU运行的微指令代码的一部分或应用程序的一部分或其组合。此外，各种其他的外围单元可以连接到计算机平台，例如，附加的数据存储单元和打印单元。

在这里叙述的所有的示例和条件语言旨在教学目的，以帮助读者理解本发明的原理以及发明人为了促进本技术领域所贡献的概念，并且这些示例和条件语言应被解释成不限于如此特别叙述的示例和条件。此外，在这里阐述本发明的原理、方面和实施例及其特定示例的所有语句旨在包括其结构和功能的等价物。另外，意图是这样的等价物包括当前已知的等价物以及未来开发的等价物二者，即，所开发的执行相同功能的任何元素，而无论结构如何。

Claims

1.一种用于在无线通信网络中用信号通知传输模式的方法（200），包括：

选择与传输模式相对应的签名序列（S210）；

基于选择的签名序列，为发射设备中的每一个天线形成同步字段，其中所述同步字段被包括在前同步码中（S220）；

通过生成长训练序列以及根据构成信道估计（CE）字段的符号的数量在所述CE字段中定位所述长训练序列，为每一个天线形成CE字段，其中所述CE字段被包括在所述前同步码中；以及

从所述发射设备中的每一个天线中，发射包括所述前同步码的数据帧，

其中所述签名序列进一步指示所述发射设备的传输方案，以及其中形成同步字段进一步包括：通过将选择的签名序列重复预定次数，生成短训练序列。

2.权利要求1的方法，其中所述数据帧进一步包括标题和净荷部分，所述数据帧是物理层会聚协议（PLCP）帧。

3.权利要求1的方法，进一步包括：将选择的签名序列与覆盖序列相乘。

4.权利要求1的方法，其中所述签名序列是伪随机序列。

5.权利要求1的方法，其中所述传输模式是单天线传输或多天线传输。

6.权利要求1的方法，其中所述传输方案是波束成形发射分集、频率交错发射分集（FITD）、空间复用和空时分组码（STBC）之中的任何一个。

7.权利要求1的方法，进一步包括：为所述发射设备中的每一个天线，形成用于指定所述发射设备的传输方案的标题。

8.权利要求7的方法，进一步包括：使用FITD处理来编码所述标题。

9.一种用于在无线通信网络中用信号通知传输模式的设备，包括：

存储器（510），用于存储与传输模式和传输方案相对应的至少一个签名序列；

同步字段生成器（520），用于通过使用从存储器中检索的至少一个签名序列、将所述签名序列重复预定次数生成短训练序列来为所述设备中包括的每一个天线（560）形成同步字段；

信道估计（CE）字段生成器，用于通过生成长训练序列以及根据构成CE字段的符号的数量在所述CE字段中定位所述长训练序列来为每一个天线形成CE字段，其中所述同步字段和CE字段被包括在前同步码中；

帧生成器（540），用于为每一个天线（560）生成数据帧，所述数据帧包括所述前同步码；和

调制器（550），用于使用为所述设备设置的传输方案来调制每一个数据帧。

10.权利要求9的设备，进一步包括用于生成签名序列的反馈循环移位寄存器。

11.权利要求9的设备，其中所述设备被集成在无线通信设备的物理层模块中。