CN102656855B

CN102656855B - 频率分集和相位旋转

Info

Publication number: CN102656855B
Application number: CN201080056480.3A
Authority: CN
Inventors: T·M·舍米德; A·巴特拉; S·霍苏尔
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2030-12-10
Also published as: EP2514156A4; EP2514156A1; CN102656855A; WO2011084356A1; JP2013514739A

Abstract

本发明涉及一种集成电路，其包括逻辑，该逻辑被配置成在智能公用事业网络通信中，将一个或更多第一子载波中的一个或更多第一数据符号编码（404）作为一个或更多第二子载波中的一个或更多第二数据符号。

Description

频率分集和相位旋转

技术领域

本发明涉及无线通信网络等等；并且具体涉及用于将频率分集和相位旋转应用于这些网络中通信的系统、方法和装置。

背景技术

无线个人区域网（“WPAN”）用于在相对短的距离传送信息。不同于无线局域网“WLAN”，经由WPAN影响的连接几乎不涉及基础结构，并且WPAN允许为许多各种不同设备实现小且高能效的廉价解决方案。智能公用事业网络（Smart Utility Network）（“SUN”）可以在小范围操作，诸如在网状网络中，其中计量仪表（meter）信息从一个计量仪表发送到另一个计量仪表，或者在较大范围操作，诸如在星形拓扑中，其中计量仪表信息被发送到柱顶收集点（poletopcollection point）。术语WPAN和SUN在本文件中可互换地使用。

发明内容

本文描述了用于将频率分集和相位旋转应用到通信（例如SUN通信）的系统和方法。在至少一些公开的实施例中，设备包括处理器和耦合到该处理器的存储器。处理器通过将一个或更多第一子载波中的一个或更多第一数据符号编码为一个或更多第二子载波中的一个或更多第二数据符号，在智能公用事业网络通信中应用频率分集。

在其他公开的实施例中，机器可读存储介质包括可执行指令，当执行时可执行指令使得一个或更多处理器通过将一个或更多第一子载波中的一个或更多第一数据符号编码为一个或更多第二子载波中的一个或更多第二数据符号，在智能公用事业网络通信中应用频率分集。

在其他公开的实施例中，方法包括通过将一个或更多第一子载波中的一个或更多第一数据符号编码为一个或更多第二子载波中的一个或更多第二数据符号，在智能公用事业网络通信中应用频率分集。

从下列结合附图和权利要求的详细描述中可以更清楚地理解这些及其他特点和优点。

附图说明

为了更完全地理解本公开，参考附图和详细描述，其中相同的参考数字表示相同的部件：

图1A-1B图示说明根据至少一些图示说明的实施例的2频率分集；

图2A-2B图示说明根据至少一些图示说明的实施例的4频率分集；

图3图示说明按照至少一些图示说明的实施例的双载波调制发射器；

图4图示说明根据至少一些图示说明的实施例的频率分集的方法。

具体实施方式

下列讨论针对本发明的各种的实施例。尽管这些实施例的一个或更多个可以是优选的，但除了另外指定，公开的实施例不应该解释为或者用作限制包括权利要求的本公开的范围。此外，本领域技术人员将会理解，下列描述具有广泛应用，并且任何实施例的讨论只意在说明该实施例，而不是意图限制包括权利要求的本公开的范围。

本公开描述了频率和时间分集怎样在SUN或者WPAN系统中实现。然而，本公开不限制于SUN系统，而是可以适合用于任何无线通信系统。WPAN或者低速WPAN是简单的低成本的通信网络，其允许在具有有限功率和不严格吞吐量要求的应用中的无线连接。WPAN的主要目的是易于安装、可靠的数据传输、短距离的操作、极低的成本、适度的电池寿命和简单灵活的协议。

WPAN的一些特性是：无线（over-the-air）数据速率250kb/s、100kb/s、40kb/s和20kb/s；星型或者对等或者网状操作；分配16位短地址或64位扩展地址；保证时隙（guaranteed time slot）的可选分配；具有防撞信道访问的载波侦听多路访问；用于传输可靠性的完全确认协议；低功耗；能量检测；链路质量指示；2450MHz宽带中16个信道、915MHz带宽中30个信道以及868MHz带宽中3个信道。这些特性不是必要条件，并且每个WPAN可以以许多方式偏离特性。两种不同设备类型可以分享WPAN：全功能设备（“FFD”）和部分功能设备（“RFD”）。FFD能够以三种模式操作，用作个人区域网络（“PAN”）协调器、协调器或者设备。FFD可以与RFD或者其他FFD对话，而RFD仅可以与FFD对话。更多信息可以在IEEE标准802.15.4–2006中找到，该标准可以从http://www.ieee802.org/15/pub/TG4.html获得并且因此合并到本文以供参考。

公用事业网络或者智能公用事业网络（“SUN”）是低速率（例如40kbps到1Mbps）低功率WPAN，专门为用于公用事业计量应用设计的，诸如从用户住处将电、气、水使用和其他类似数据发送到公用事业单位操纵的数据收集点。例如，为住宅区中的每个房屋安装计量仪表，并且周期性地发出使用数据，例如每15分钟从每个计量仪表发出到数据收集点，该收集点为WPAN的元件。数据收集点通过光纤、铜线、或者无线连接方式连接到中心站，中心站收集区域的所有使用数据。使用数据或者直接从每个计量仪表发出到收集点，或者从计量仪表发送到计量仪表直到在星型或者网络结构中达到收集点。

为了改进WPAN中的比特错误率和帧错误率，可以执行时间分集或者频率分集。例如，诸如BPSK或QPSK的相同数据符号或者数据符号的功能可以在不同时间或者在不同频率重复。在用固定计量仪表操作的SUN系统中，Doppler（多普勒）速率通常较低，从而频率分集的益处通常比时间分集的益处更显著。术语OFDM符号是指一组正交的子载波，其通常转换到具有IFFT的时域，并且术语数据符号是指在每个子载波上的调制，通常诸如BPSK、QPSK、16-QAM或者m-QAM。

图1A图示说明频域扩展加共轭对称。具体地，示出2频率分集怎样应用于SUN系统。图1A中的X轴表示正交频分复用（“OFDM”）数据符号编码到其上的子载波。中心的长垂直线标记DC子载波，其在至少一个实施例都没有使用。每个实垂直线表示这个实例中的一个数据子载波。两个虚垂直线表示导频子载波（pilot sub-carrier）。在DC子载波的左边，数据子载波从左到右标示/索引为-7、-6、-5和-3、-2、-1。导频子载波标示为-4。在DC子载波右边，数据子载波从左到右标示/索引为1、2、3和5、6、7。导频子载波标示为4。为了提供2频率分集，子载波-7处的数据符号的复共轭被编码为7。类似地，子载波-6、-5、-3、-2和-1处的数据符号的复共轭被分别编码为6、5、3、2和1。在至少一个实施例中，使用导频子载波，并且其作用类似于数据子载波。这样，通过使用单个数模转换器（“DAC”）能够在发射器处生成实信号。在至少一个实施例中从正标示/正索引的子载波到负标示/负索引的子载波进行编码。

在图1B中，执行频域扩展加相位旋转。在这个实例中子载波4由虚线表示，从而指示承载导频数据的导频子载波，其在接收器处是已知的。此处，子载波1中的数据符号被复制到子载波-7。相位旋转被应用于子载波-7从而允许在IFFT的输出处的低峰值平均功率比（“PAR”）。类似地，子载波2、3、5、6和7被分别编码或者映射到子载波-6、-5、-3、-2和-1。这样，全部子载波受益于频率分集。在各种实施例中，在DC子载波的任一侧上，任何数量的子载波被映射到任何其他数量的子载波。这样，为了频域扩展加相位旋转，在至少一个实施例中不需要导频子载波，并且不存在复输出/复数输出结果。然而，对于频域扩展加共轭对称，导频子载波应该使得总体OFDM数据符号共轭对称并且在至少一个实施例中产生实输出/实数输出。

图2A-2B图示说明执行4频率分集的方法。首先，在子载波-7、-6和-5的数据符号被分别编码为-3、-2和-1。这样，确保使用的1/4数量的子载波的频率分集。其次，类似于图1，负子载波的数据符号的复共轭被编码为正子载波。

在图2B中，执行相位旋转。子载波1中的数据符号被编码为子载波-7、-3和5以便频率分集。相位旋转被应用于子载波-7、-3和5，用以在IFFT的输出处的低PAR。类似地，子载波2被映射到子载波-6、-2和6；并且子载波3被映射到子载波-5、-1和7。这样，每个子载波具有4频率分集。在至少一个实施例中，相位旋转根据子载波的不同而变化，从而产生低的PAR，并且每个相位旋转都基于对应的子载波的标示/索引。

表格1示出一组可以用于SUN系统的调制编码方案（“MCS”）。在至少一个实施例中，每OFDM符号的数据子载波的数量除以4。这样，直接提供因数4的频率分集。在各种的实施例中，执行除了4以外的其他因数的频率分集。

表格1——用于5IFFT大小的调制编码方案

NCBPS=每OFDM符号的编码比特数，NDBPS=每OFDM符号的数据比特数

时间分集的效果能够显著有助于高Doppler速率。执行时间分集的一个方式是重复，例如在两个不同时间发出相同OFDM符号。执行时间分集的其他方式是经由子载波的循环位移或者经由在重复的OFDM符号上应用不同的交织（interleaving）。在至少一个实施例中，表格1的MCS水平具有以下特性：

MCS	星座	编码率	频域扩展	实输出
					0	BPSK	1/2	4	是
1	BPSK	1/2	2	是
					2	QPSK	1/2	2	是
3	QPSK	3/4	2	是
					4	DCM-QPSK	1/2	1	否
5	DCM-QPSK	5/8	1	否

6	DCM-QPSK	3/4	1	否
					7	16QAM	1/2	1	否
8	16QAM	5/8	1	否
					9	16QAM	3/4	1	否

图3图示说明双载波调制发射器（“DCM”）300，并且DCM 300提供频率分集而没有损失数据速率。交织器模块302根据各种实施例中的各种算法将两个数据符号的比特布置在一起。经由分离器模块304和306将比特成半分开，并且每半都进入串并转换器（S/P）308、310。其次，这两半由酉变换（unitary transform）模块312共同编码，并且输出经由快速傅里叶逆变换模块314分离到两个子载波上。如果两个子载波中的一个经受噪声、干扰或者频率选择性衰减，那么两个数据符号都可以使用另一个子载波恢复。可以在接收器（未示出）使用联合最大后验（“MAP”）解码器（或者采用最大星近似（max-star approximation）或者最大log近似的低复杂度MAP解码器）。

在至少一个实施例中，频率分集或者时间分集用于较低的数据速率，并且DCM用于使用QPSK的中间数据速率。这种情况的酉矩阵由下式给出：

T = \frac{1}{\sqrt{5}} [\begin{matrix} &PlusMinus; 2 & &PlusMinus; 1 \\ &PlusMinus; 1 & \overset{&OverBar;}{+} 2 \end{matrix}] orT = \frac{1}{\sqrt{5}} [\begin{matrix} &PlusMinus; 1 & &PlusMinus; 2 \\ &PlusMinus; 2 & \overset{&OverBar;}{+} 1 \end{matrix}]

其中+和-被选定从而确保T是酉矩阵，即TT*=I，其中（）*表示矩阵转置，并且I是单位矩阵。

正交频分复用（“OFDM”）是能够用于SUN的物理层的调制技术。表格2示出一些OFDM选项。选项1可以通过使用128点快速傅里叶逆变换（“IFFT”）生成，选项2可以通过使用64点IFFT生成，并且选项3、4、和5可以分别通过使用32点、16点和8点IFFT生成。为了过采样，在各种实施例中可以使用各种大小的IFFT，例如256点。

表格2-OFDM选项

使用复信号的两个优点是当使用频率扩展时频率分集好（复制音调（duplicate tones）具有大的频率分离）并且在IFFT的输出处的峰值平均功率比（PAR）较低。在至少一个实施例中，复信号用于全部MCS水平。例如，为实信号使用选项1（使用扩散因数2的二进制相移键控（“BPSK”））导致9.1dB的PAR和用于通用数据的实信号的产生，然而为复信号使用选项1导致7.2dB的PAR和用于通用数据的复信号的产生。

在至少一个实施例中，在24个数据子载波上编码数据符号，并且每个数据子载波都被复制到3个其他子载波。然而，仅在子载波上编码数据而没有相位旋转对于在全部96个音调上具有独立数据增加了峰值平均比。这样，3个副本被相位旋转，从而使得PAR在IFFT的输出没有增加。例如，对于第一组副本数据子载波，从子载波到子载波的额外的相位是90度。对于第二组，额外相位是180度。对于第三组，额外相位是270度。

在至少一个实施例中，子载波从-52到52标示/索引，包括数据子载波和导频子载波两者。例如，它们可以被标示为d_-52到d₅₂。子载波1被编码到子载波27、-52和-26（分别具有90、180和270度的相位旋转），从而使得在副本之间维持最大频率间距。数据d₂₇到d₅₂旋转[1,j,-1,-j,1,j,-1,-j，...]，数据d_-52到d_-27旋转[j,-j,j,-j,j,-j,j,-j，...]，并且数据d_-26到d_-1旋转[-1,j,1,-j,-1,j,1,-j，...]。例如，d₁在由1标度之后编码到d₂₇，d₂在由j标度之后编码到d₂₈，d₃在由-1标度之后编码到d₂₉，d₄在由-j标度之后编码到d₃₀，d₅在由1标度之后编码到d₃₁等等。换句话说，向量（d₁、d₂、d₃……d₂₆）编码到（d₂₇、d₂₈、d₂₉、……、d₅₂），然后应用线性相位以获得（l*d₂₇、j*d₂₈、-l*d₂₉、……、j*d₅₂）。

在等式形式中，d_k乘以exp(j*[pi*m(k)+pi/2])，其中k=-52到-1，其中m（k）是子载波数作为绝对索引，即对于k=-52到-1，m(k)=0到51。相同的相位旋转能够用于全部5个选项。

表格3示出使用通用数据的用于各种选项的各种PAR。

表格3——用于全部具有相位旋转的选项PAR

	选项1	选项2	选项3	选项4	选项5
						SF=1	7.3dB	6.8dB	6.7dB	6.6dB	6.5dB
SF=2	7.2dB	6.6dB	6.7dB	6.6dB	6.5dB
						SF=4	7.2dB	6.5dB	6.7dB	6.6dB	6.5dB

下面示出Matlab格式的相位旋转。通常，如果存在N个子载波，Matlab子载波编号是0、1、2、3、……、(N/2)-l，然后是-(N/2)、……、-3、-2、-1。符号%表示说明注解。

%用于选项1的2频率扩展

ltfrl=zeros(l,128);

ltfrl(2:53)=2*(rand(l,52)＞0.5)-l; %原始数据子载波

ltfrl(77:128)=exp(j*2*pi*(l:2:103)/4).*(ltfrl(2:53));%具有相位旋转的复制数据子载波

%用于选项1的4频率扩展

ltfrl=zeros(1,128);

ltfrl(2:27)=2*(rand(l,26)＞0.5)-l;%原始数据子载波

ltfrl(28:53)=exp(j*2*pi*(0:25)/4).*(ltfrl(2:27));%具有相位旋转的复制数据子载波

ltfrl(77:102)=exp(j*2*pi*(l:2:51)/4).*(ltfrl(2:27));%具有相位旋转的复制数据子载波

ltfrl(103:128)=exp(j*2*pi*(2:3:77)/4).*(ltfrl(2:27));%具有相位旋转的复制数据子载波

在替换实施例中，相位旋转可以由不同的算法生成。例如，相位旋转能够源于第一组子载波的索引、第二组子载波的索引或者两者。例如，考虑一组相位旋转映射f₁、f₂和f₃，其中映射随每个子载波的索引数变化。

另外，在至少一个实施例中，f₁、f₂和f₃是相位旋转和振幅位移。

图4图示说明在402开始并且在408结束的应用频率分集的方法。虽然图示说明至少一个实施例，但方法400能够在各种实施例中包含任何如上所述的步骤。在404，在智能公用事业网络通信中，一个或更多第一子载波中的一个或更多第一数据符号被编码作为一个或更多第二子载波中的一个或更多第二数据符号。在406，一个或更多第二数据符号被相位旋转。在至少一个实施例中，与一个或更多第一数据符号相比，相位旋转是[1,j,-1,-j,1,j,-1,-j...]、[j,-j,j,-j,j,-j,j,-j...]或者[-1,j,1,-j,-1,j,1,-j...]。在另一个实施例中，一个或更多第二数据符号是一个或更多第一数据符号的复共轭。在至少一个实施例中，相位旋转基于一个或更多第一子载波的索引。例如，相位旋转是第一子载波的索引和数据编码到其上的子载波的索引的函数。这样，频率扩展数据随机出现并且在IFFT的输出具有低的PAR。

该系统可以在具有足够处理能力、存储器资源和网络吞吐量能力的特定机器上执行，从而处理位于其上的必要的工作负荷。图5示出适合于实现本文公开的一个或更多实施例的特定机器580。计算机系统580包括一个或更多处理器582（其可以被称为中央处理单元或者CPU），其与机器可读介质587通信。机器可读介质587可以包括存储设备，存储设备包括辅助存储装置584、只读存储器（ROM）586和随机存取存储器（RAM）588。处理器进一步与输入/输出（I/O）590设备和网络连接性设备592通信。处理器可以实现为一个或更多CPU芯片。

辅助存储装置584通常是由一个或更多磁盘驱动器、磁带驱动器或者光盘组成，并且用于数据的非易失性存储，并且如果RAM 588没有足够大到可以保存所有工作数据，那么该辅助存储装置584用作溢出数据存储设备。辅助存储装置584可以用于存储程序和指令589，当选择这些程序用于执行时，程序和指令589被加载到RAM 588中。ROM 586用于存储指令589和可能的数据，在程序运行期间读取这些指令和数据。ROM 586是非易失性存储设备，相对于辅助存储装置的较大存储容量其通常具有小存储容量。RAM 588用于存储易失数据，并且可能存储指令589。存取ROM 586和RAM 588两者通常比存取辅助存储器584更快。

I/O 590设备可以包括打印机、视频监控器、液晶显示器（LCD）、触屏显示器、键盘、键区、开关、数字盘、鼠标、控制球、声音识别器、读卡器、纸带读取器或者其他众所周知的输入设备。网络连接设备592可以采取的形式有调制解调器、调制解调器库、以太网卡、通用串行总线（USB）接口卡、串行接口、令牌环卡、光纤分布式数据接口（FDDI）卡、无线局域网（WLAN）卡、诸如码分多址（CDMA）和/或全球移动通信系统（GSM）无线收发器卡的无线收发器卡，和其他众所周知的网络设备。这些网络连接设备592可以使处理器582能够与因特网或一个或更多内联网通信。用这种网络连接，处理器582可以从网络接收信息，或者可以在执行上述方法步骤的过程中输出信息到网络。这种信息通常表示为使用处理器582执行的指令序列589，这种信息可以例如以体现为载波的计算机数据信号的形式从网络接收并输出到网络。

这种信息通常包括例如使用处理器582执行的数据或者指令589，可以例如以体现为载波的计算机数据基带信号或者信号的形式从网络接收并输出到网络。由网络连接592设备生成的体现为载波的基带信号或者信号可以在导电体中或者其表面上、同轴电缆中、波导中、例如光纤的光学介质中、或者空气中或者自由空间中传播。载波中嵌入的基带信号或者信号中包含的信息可以根据不同的序列排序，如可能按照处理或生成信息所期望的或者发送或接收信息所期望的。载波中嵌入的基带信号或者信号，或者当前使用的或者稍后改进的其他类型的信号，在这里被称作传送介质，可以根据本领域技术人员熟知的几种方法生成。

处理器582执行从硬盘、软盘、光盘（这些不同的基于磁盘的系统可以全部认为是辅助存储器584）、ROM 586、RAM 588或者网络连接设备592存取的指令589、代码、计算机程序、脚本。

在替换的实施例中，系统可以实现在专用集成电路（“ASIC”）或者类似配置的数字信号处理器（“DSP”）中，专用集成电路包含的逻辑被配置为用相应且适合的输入和输出执行本公开中所述的任何动作。在各种实施例中，这种逻辑可以实现在发射器、接收器或者收发器中。

上述公开意图说明本发明的原理和各种实施例。只要完全理解上面公开，许多变化和修改对于本领域技术人员会变得显而易见。另外，当本文所述的任何动作成功完成时、当本文所述动作不成功时和当发生错误时，可以触发音频或者视觉警报。同时，动作的顺序能够不同于所述的顺序，并且可以同时执行两个或更多动作。许多其他实施例也可能在要求保护的本发明的范围内。因此，也意图覆盖具有全部或者仅一些特征或步骤的示例性实施例的背景下描述的一个或更多特征或步骤的不同组合的实施例。

Claims

1.一种集成电路，其包含逻辑，所述逻辑被配置成将一个或更多第一子载波中的一个或更多第一数据符号编码(404)作为智能公用事业网络通信的一个或更多第二子载波中的一个或更多第二数据符号，并且通过在OFDM符号内与所述一个或更多第一数据符号相比应用第一度数的相位旋转(406)，生成所述一个或更多第二符号。

2.根据权利要求1所述的集成电路，包含逻辑，该逻辑被配置成将一个或更多第一子载波中的一个或更多第一数据符号编码(404)作为一个或更多第三子载波中的一个或更多第三数据符号；和逻辑，该逻辑被配置成通过在OFDM符号内与所述一个或更多第一数据符号相比应用第二度数的相位旋转(406)，生成所述一个或更多第三符号，所述第二度数不等于所述第一度数。

3.根据权利要求2所述的集成电路，包含逻辑，该逻辑被配置成将一个或更多第一子载波中的所述一个或更多第一数据符号编码(404)作为一个或更多第四子载波中的一个或更多第四数据符号；和逻辑，该逻辑被配置成通过在OFDM符号内与所述一个或更多第一数据符号相比应用第三度数的相位旋转，生成(406)所述一个或更多第四符号，所述第一度数、第二度数或者第三度数都不相等。

4.一种将频率分集和相位旋转应用于通信的系统，所述系统包括：

用于在智能公用事业网络通信中，将一个或更多第一子载波中的一个或更多第一数据符号编码(404)作为一个或更多第二子载波中的一个或更多第二数据符号的装置；和

用于在OFDM符号内与所述一个或更多第一数据符号相比而相位旋转(406)所述一个或更多第二数据符号的装置。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述相位旋转(406)是旋转[1,j,-1,-j,1,j,-1,-j...]、[j,-j,j,-j,j,-j,j,-j...]或者[-1,j,1,-j,-1,j,1,-j...]。

6.一种将频率分集和相位旋转应用于通信的方法，其包含：

在智能公用事业网络通信中，将一个或更多第一子载波中的一个或更多第一数据符号编码(404)作为一个或更多第二子载波中的一个或更多第二数据符号；和

在OFDM符号内与所述一个或更多第一数据符号相比而相位旋转(406)所述一个或更多第二数据符号。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述相位旋转(406)是旋转[1,j,-1,-j,1,j,-1,-j...]、[j,-j,j,-j,j,-j,j,-j...]或者[-1,j,1,-j,-1,j,1,-j...]。