CN102726015B

CN102726015B - 电信系统中的方法和装置

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Publication number: CN102726015B
Application number: CN201180007501.7A
Authority: CN
Inventors: 米格尔·洛佩斯; 莫滕·松德贝里; 亨利克·萨林; 皮特·布罗埃; 罗兰德·卡尔森; 奥洛夫·利贝里
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2010-01-28
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2031-01-26
Also published as: WO2011093778A1; US20110207451A1; US8638721B2; EP2529525B1; EP2529525A1; CN102726015A

Abstract

本发明描述了用于在蜂窝无线系统中对时隙编码的方法和设备。该编码允许增加鲁棒性，且可以被设计为与例如GSM、GPRS、EGPRS和EGPRS2的传输后向兼容。

Description

电信系统中的方法和装置

技术领域

本发明涉及电信系统中的方法和装置，具体地涉及用于鲁棒无线通信的兼容时隙格式。

背景技术

虽然有全球移动通信系统(GSM)网络已经商用几乎二十年这一事实，对继续改进GSM/EDGE(GSM演进的增强数据)技术的关注尚未减少。网络设备制造商、移动设备制造商和电信运营商持续关注于进一步开发GSM系统。正在主动寻求在语音和分组数据服务方面对硬件和频谱效率的改进。

在图1中示出了“3GPP TS 45.001，“Physical layer on the radio path”Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network；3rdGeneration Partnership Project”中所规定的用于GSM、GPRS(通用分组无线服务)、增强GPRS(EGPRS)和EGPRS2A中的普通突发的时隙格式。此处，该描述基于具有速率F_s＝13000/48≈270.83kHz的采样的，这也是时隙内的普通符号速率。该时隙格式由148个符号构成，其中3个尾部符号、58个编码数据符号、26个训练序列符号、58个编码数据符号以及最后的3个尾部符号。引入具有8.25个采样的保护间隔，以分隔相邻时隙。将8个这种时隙按时间顺序放置，构成TDMA帧，参见“3GPP TS 45.005，“Radio transmission and reception”Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network；3rdGeneration Partnership Project”。在TDMA帧内的这些时隙中，可以向一个用户分配一个或若干个时隙。

在发射机处，每个时隙必须满足时间掩码。在图2中示出了8PSK的示例。此处，对时隙格式中尾部符号的使用是重要的，因为这些符号是预定符号，且不依赖于发送的数据，使得可以用高准确度来测量发送功率电平。这些测量用于调整发送功率。

训练序列是接收机已知的序列。将其插入时隙中，使得可以在发送训练序列之后，接收机估计接收信号的失真。然后接收机可以补偿这些失真，以增加通信的可靠性。在训练序列的帮助下可以估计的失真的示例是：

-发射机和接收机滤波器脉冲响应

-无线信道脉冲响应

-定时偏移

-噪声方差

-天线之间的噪声相关性(在具有多个天线分支的接收机中)

-载频偏移

还可以使用训练序列来对所使用的调制进行盲检测。

在使用无线分组数据通信的情况下，对更高的峰值速率和更高的频谱效率的需求正在日益增加。特别地，需要在低等到中等的信号干扰噪声比(SINR)下的更高比特率。这导致了需要鲁棒并且不牺牲高SINR下的高峰值速率的时隙格式。

关于调制的3GPP TS 45.001(如“3GPP TS 45.004，“Modulation”Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network；3rdGeneration Partnership Project，(Release 1999)”中所规定的)的时隙格式和(如3GPP TS 45.004中规定的)发射机滤波器导致了接收信号具有符号间干扰(ISI)。物理无线信道也增加了ISI的量。因此，接收机不得不依赖于高级算法来检测发送符号，并恢复发送比特序列。还由于以下各项使得接收信号失真：发射机和接收机缺陷(导致例如相位噪声)、载频偏移、定时错误、共信道和相邻信道干扰。此外，LinglongDai et.Al“A novel time domain synchronous orthogonal frequencydivision multiple access scheme”Globecom 2009，IEEE Piscataway，NJ，USA 30 November 2009 pages 1-6描述了TDS-OFDMA系统。

因此，需要与例如GSM、EGPRS和EGPRS2后向兼容的改进和鲁棒的编码。

发明内容

本发明的目标是提供用于处理上述问题的改进方法和设备。

由本文所述的方法和设备来获得该目标和其他目标。

从而，引入新的时隙格式。在该时隙格式中，针对已调制的用户数据的每个块使用预编码器。从而，新的时隙与GSM、EGPRS和EGPRS2后向兼容，因为其使用从而未被预编码的相同的训练序列。同时，形成更鲁棒且可以提供增加的数据吞吐量的时隙格式。

因此，根据一个实施例，提供了一种在蜂窝无线系统的基站中用于对从基站到用户的数据的时隙进行编码的方法。所述时隙包括至少一个用户数据块以及训练序列。编码后的时隙包括至少一个预编码的用户数据块和在时域中调制的训练序列。

根据一个实施例，所述训练序列具有26个符号的长度。

根据一个实施例，所述训练序列与在EGPRS或EGPRS2中使用的训练序列相同。

根据一个实施例，所述预编码采用了离散傅立叶变换。

根据一个实施例，在所述时隙中使用两个或更多用户数据块。

根据一个实施例，对每个用户数据块进行单独预编码。

根据一个实施例，所述时隙包括上行链路状态旗标。

根据一个实施例，在时域中发送所述上行链路状态旗标。

本发明还扩展到一种被布置为执行如本文所述的方法的编码器。所述编码器可以具有用于执行上述方法的控制器/控制器电路。可以使用合适的硬件和/或软件来实现所述控制器。所述硬件可以包括一个或多个处理器，所述一个或多个处理器被布置为执行在可读存储介质中存储的软件。可以由单一专用处理器、由单一共享处理器、或由多个单独的处理器来实现所述处理器，它们中的一些可以是共享的或分布式的。此外，处理器可以包括(而不限于)：数字信号处理器(DSP)硬件、ASIC硬件、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、和/或其他存储介质。

作为第一优点，根据本发明的时隙格式与GSM、EGPRS和EGPRS2在以下意义上后向兼容：其具有相同的

-频谱掩码

-时域掩码

-训练序列，使得可以使用相同的信道估计实现，以及相同类型的盲检测算法

作为另一优点，其使得能够对已调制的用户数据符号的块进行预编码，例如，编码为正交频分复用(OFDM)符号。这导致了相对于卷积信道更鲁棒的格式。

作为另一优点，其将训练序列置于时隙中，使得可以用接近保护(guard)的高准确度来测量发送功率。

作为另一优点，可以将该时隙格式用于所提议的时隙格式与GSM、GPRS、EGPRS以及EGPRS2之间的盲检测。以与EGPRS/EGPRS2中严格相同的方式，可以执行在使用所提议的时隙格式的突发中的调制类型的信令。

作为另一优点，该时隙格式允许EGPRS2移动台解码USF旗标。从而避免了需要对支持所提议的时隙格式的移动台和仅支持EGPRS2的移动台进行隔离。

作为另一优点，可以将该时隙格式与标准的“重叠和添加(overlap-and-add)”接收机一起使用。

根据本发明的以下具体实施方式，本发明的其他目标、优点和新颖特征将变得显而易见。

附图说明

为了更好的理解，参考本发明的以下附图和优选实施例。

图1示出了具有保护、尾部比特(TB)、用户数据和训练序列的普通突发的时隙格式。

图2示出了8-PSK调制的普通时间长度突发(NB)的时间掩码。

图3示出了由于GMSK调制而产生的GSM 400、GSM 900、GSM850和GSM 700 MS频谱。

图4示出了在末尾具有训练序列且在用户数据块之间具有零填充(ZP)的时隙格式。

图5示出了在开始具有训练序列且在用户数据块之间具有零填充(ZP)的时隙格式。

图6示出了在时隙末尾具有训练序列、在开始具有尾部比特(TB)且在用户数据块之间具有零填充(ZP)的时隙格式。

图7示出了在时隙开始具有训练序列、在末尾具有尾部比特(TB)且在用户数据块之间具有零填充(ZP)的时隙格式。

图8示出了在时隙的中央部分具有训练序列的时隙格式。

图9示出了使用所提议的时隙格式3b来进行预编码和调制的示例。

图10示出了在末尾具有训练序列且在用户数据块之间具有循环前缀(CP)的时隙格式。

图11示出了在预编码器之前的旋转和Q交换。

图12示出了与EGPRS2移动台的USF信令后向兼容的时隙格式。

图13示出了高级用户数据预编码的示例。

图14是示出了在形成要发送的时隙时所执行的一些步骤的流程图。

图15是要用于编码数据的编码器的视图。

具体实施方式

在图4中示出了具有置于时隙末尾的训练序列的时隙格式。通过将训练序列置于时隙边界上靠近保护周期(GP)，接收机可以用高准确度来测量发送功率，因为所预期的信号电平在训练序列上是确定的，并例如如图2所示，使得信号在时间掩码之后。备选地，可以将训练序列置于时隙的开始处，如图5所示。

在本发明的另一实施例中，将训练序列置于时隙的一端，且将尾部比特(TB)的小的序列置于另一端。这些尾部比特形成了预定符号的短序列。参见图6的在时隙的开始处具有尾部比特的时隙格式的示例，以及参见图7的在时隙的末尾处具有尾部比特的时隙格式的示例。还可以将尾部比特置于训练序列附近，导致了增大的训练序列。这将以降低的数据速率为代价来增加鲁棒性。该尾部比特的小的序列与在时隙另一端的训练序列一起使得能够对时隙的两端上的发送功率进行测量。

通过具有与GSM、EGPRS和EGPRS2A所使用的相同长度的训练序列(即，26个符号)，参见第三代合作伙伴计划(3GPP)技术规范TS 45.001，可以重复使用类似的接收机算法和实现，比如信道估计、噪声方差估计、和定时偏移估计。对训练序列的长度的其他选择也是可能的。

当然可以用在不脱离本发明的实质特征的情况下与本文所具体阐述不同的方式来实现本发明。应当将本实施例在所有方面上视为是说明性而非限制性的，且在所附权利要求的含义和等价范围内作出的所有改变预期都由本发明所包含。

训练序列还用于对EGPRS和EGPRS2中的调制进行盲检测。此处，取决于针对数据符号使用哪种调制来使用不同的旋转。通过这种方式，接收机可以检测对时隙的其余部分中的数据符号使用哪种调制。在盲检测算法中，接收机通常根据用于各种调制的不同旋转，对接收信号进行解旋转(derotation)。通过已知的训练序列，接收机可以检测哪个是最有可能的旋转角度。

与GSM、GPRS、EGPRS和EGPRS2相比，通过在另一时间间隔具有训练序列，使得能够对所提议的时隙格式进行盲检测。将图1与图4和图5进行比较。可以如同EGPRS/EGPRS2一样来信号通知调制，以及也可以重复使用盲检测算法。从而，可以让针对所提议的时隙格式的调制的盲检测可靠。

根据一个实施例，该时隙格式包括针对已调制的用户数据符号的每个块的预编码器。这种预编码器的一个示例是IDFT(离散傅立叶逆变换)，使得将N_DFT个用户数据符号的块X(k)(其中，0≤k≤N_DFT-1)变换为一个OFDM符号，如：

x (n) = Σ_{n = 0}^{N_{DFT} - 1} X (k) e^{j \frac{2 πnk}{D_{DFT}}} - - - (1)

其中，0≤n≤N_DFT-1。这些用户数据符号X(k)可以具有任何调制，比如二进制相移键控(BPSK)、正交相移键控(QPSK)、16QAM(正交幅度调制)、32QAM、64QAM等等。其他变换也是可能的，如小波变换、DCT(离散余弦变换)、Hartley变换等等。

在图4的“时隙格式1a”中示出了具有1个用户数据块的时隙格式。在图5至图7中示出了具有其他训练序列放置和尾部比特使用的备选时隙格式。

如果使用具有长度为26个采样的训练序列，则用户数据块的长度是N_DFT＝122个采样。这导致子载波间隔(在使用离散傅立叶逆变换(IDFT)预编码的情况下)为Δ_f＝F_s/N_DFT≈2.2kHz。这种小的子载波间隔导致了对载频频移有些敏感的传输。

可以通过使用若干用户数据块来实现子载波间隔增加。例如，将具有2个用户数据块的时隙格式示出为图4中的“时隙格式1b”。此处，对2个用户数据块单独预编码，从而形成2个OFDM符号。

例如，每个块的长度可以是N_DFT＝60个采样。这导致子载波间隔为Δ_f＝F_s/N_DFT≈4.5kHz，对于载频偏移而言，这比使用1个用户数据块明显更鲁棒。对多于2个用户数据块的归纳是直接的，且将示例示出为图4中的时隙格式1c和1d。此外，在图5至图7中示出了具有一个以上用户数据块的时隙格式，以及同时示出了不同的训练序列放置和尾部比特使用。

根据一个实施例，在用户数据块之间包括零填充(ZP)。在图4至图7中也示出了该点。这是发送采样等于零的短间隔。如图10所示，使用ZP的备选是在用户数据块之间使用循环前缀(CP)。

在图9中示出了使用时隙格式3b的用户数据预编码的示例。

如上所述，可以通过变换来进行对数据的预编码。使用离散傅立叶变换(DFT)来作为变换的一个缺点是频谱属性不符合图3所示的标准的特定频谱掩码的属性。因此，脉冲整形滤波器将对位于频谱边界处的符号造成衰减。结果将是在频谱边界处发送的符号具有更大的错误概率。

克服该问题的一个方法是设计与所需掩码具有相同频谱属性的变换，但是使用这种变换将使得接收机更复杂。

实现相同属性的一个备选可以是针对每个数据块设计不同的变换。当在整个发送时隙上测量时，可以达到所需的频谱属性。为了实现短时频谱属性，可以在块之间交换来自变换块的虚部(或实部)数据。

作为示例，如果我们具有2个数据块，可以使用离散余弦变换来变换一个块，同时第二块可以使用离散正弦变换。在块之间的Q部分(即，虚部)的交换之后，当在发送的整个数据上进行测量时，降低了信道滤波器的影响。参见图13。

在每秒比特方面的吞吐量取决于在信道解码器中使用的编码率。通过使用具有固定编码率(例如，1/3)的信道编码器，然后使用打孔(puncturing)或重复来获得任何其他编码率，实现了可变编码率。根据无线链路的质量来选择编码率。对所提议的不同时隙格式进行比较的一种方式是比较峰值速率，即，使用等于单位一(unity)的编码率。然而，当比较实际场景的吞吐量时，可以以实际编码率和无线信道来评估时隙格式。

图1中的普通突发的时隙格式包含针对于时隙时间长度T_slot＝576.9μs的用户数据的N_s＝116个符号。在使用64QAM调制和向每个TDMA帧中的所有时隙进行分配的情况下，该格式导致以下峰值速率：

R_{NB} = \frac{116 * \log_{2} (64)}{T_{slot}} \approx 1.0 Mbps - - - (2)

图4中的时隙格式1a具有针对于用户数据的N_s＝122个采样。在使用IDFT预编码且限制使用F_BW＝200·10³Hz的带宽的情况下，可使用的子载波的数目是：

其中，用于表示最接近A且比A小的整数，得到(64QAM)峰值速率：

P_{NB} = \frac{N_{Symb, 1 a} * \log_{2} (64)}{T_{slot}} \approx 0.94 Mbps - - - (4)

当设计时隙格式时，如图4至图7所提议的，必须指定以下数，参见例如表1：

-用户数据块的数目

-用户数据块的长度

-尾部比特间隔的数目

-尾部比特间隔的长度

-零填充(或循环前缀)间隔的数目

-零填充(或循环前缀)间隔的长度

在图4至图7中，ZP(或CP)间隔的数目始终等于用户数据块的数目减1。其他选择当然也是可能的，例如等于用户数据块和ZP(或CP)的数量。

在如表1给出的所有格式中，要用于TB、ZP和用户数据块的采样的数目等于122，因为总时隙长度是148个采样且训练序列是26个采样。如果训练序列长度改变，则该表中的值将相应改变。

当向表1中不同间隔分配采样数目时，针对所有尾部比特间隔使用相同的长度。此外，所有ZP(或CP)间隔具有相同的长度。为了使用所有122个采样，在一个时隙内的块之间，用户数据块的长度可以改变。此处，将一个块设计为比其他块(标为“短数据块”)略长(从而标为“长数据块”)。

在表1中给出了ZP(或CP)的长度的2个示例。然而，其他选择当然也是可能的。

表1如图4至图7所述的所提议的时隙格式的数字(numerology)示例

预编码器还可以在对复数据符号的预旋转之后，在对复数据符号的预旋转之后是用户数据块中的数据之间的Q交换(参见图11)。

使用如图11所示的传输方法将对数据星座进行旋转，使得每个星座点在I轴上的投影(且相应地在Q轴上的投影)由唯一的值来表示。导致

x_{R} = (\sqrt{\frac{N}{1 + N} + \sqrt{\frac{1}{1 + N} i}}) X

的旋转(其中，N表示QAM星座(例如，16 QAM)中的大小)将产生在I轴(Q轴)上的所有点的等距表示。

在第二步骤中，将用户数据块1中的每个符号的虚(Q)部与用户数据块2中每个用户数据符号的对应虚部加以交换。

在由多于2个用户数据块构成时隙格式的情况下，可以如下交换Q部：

且K是该时隙格式中用户数据块的数目。

然后将新的已旋转且已Q交换的符号馈送至预编码器，用于对上述用户数据进行预编码。

该处理将导致分集增益，因为在不同时间发送2个块。

旋转和Q交换的理念本身是众所周知的，且在例如标准化的“数字视频广播-第二代陆地”(DVB-T2)中被使用。

对上述时隙格式的直接扩展包括：将训练序列放在突发的中间某处，在其两侧放置用户数据。然而，如果在所提议的时隙格式中的训练序列的位置和在EGPRS/EGPRS2中训练序列的位置之间的偏移不够大，则必须设计另一种盲检测方法。参见图8的这种格式的一些示例。此处，每个零填充(ZP)间隔可以由循环前缀或短的已知序列来替换。

在训练序列的右侧紧挨着的符号中对EGPRS2移动台的上行链路状态旗标(USF)进行编码。与EGPRS2 USF信令后向兼容的时隙格式让训练符号和USF符号如EGPRS2定义的一样(在时域中)，同时创建要预编码的两个或更多数据块(在变换域中，例如，频率域)。即使使用新的时隙格式，该布置也允许EGPRS2移动台对USF旗标解码。该特征对于避免需要对同时兼容所提议的时隙格式和EGPRS2的移动台和只支持EGPRS2的移动台加以隔离是有用的。图12示出了与EGPRS2的调制和编码方案DAS-8/12后向兼容的不同的时隙格式。产生时隙格式的其他变种是简单的，这些变种使得对USF进行解码与EGPRS2移动台相兼容。例如，可以用如图10所示的相同方式来引入CP，或通过使用类似于图4至8中所示的那些格式，但是让训练序列在中间。

如上所述，可以对用户数据进行预编码，同时可以在时域中发送训练序列，以支持所使用的传统传输方法，例如EGPRS和EGPRS2。在图14中示出了该点。在图14中，首先在步骤101中，将用户数据预编码到变换域中。例如，可以对用户数据块应用离散傅立叶变换。然后在步骤103中，形成用户数据在变换域中且其他时隙信息(具体地，训练序列)在时域中的组合时隙。接下来，以传统方式发送该时隙，即，进行调制并通过空中接口从无线基站向预期用户发送。

图15示出了用于根据本文所述方法来编码数据的编码器201。编码器201包括控制器电路203，该控制器电路203用于执行在根据本文所述原理对用于发送的时隙进行编码时所需的各种步骤。可以使用合适的硬件和/或软件来实现该控制器电路。硬件可以包括一个或多个处理器，该处理器可以被布置为执行在可读存储介质中存储的软件。可以由单一专用处理器、由单一共享处理器、或由多个单独处理器来实现该处理器，它们中的一些可以是共享的或分布式的。此外，处理器可以包括(但不限于)：数字信号处理器(DSP)硬件、ASIC硬件、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、和/或其他存储介质。

之前的描述已被限制为GSM/GPRS/EGPRS/EGPRS2A中使用的普通符号速率。将所提议的时隙格式扩展到在EGPRS2B中所使用的更高符号速率是简单的。唯一的改变是各种时隙段的长度。

Claims

1.一种在GSM/EDGE蜂窝无线系统的基站中用于对要从所述基站向用户发送的数据的时隙进行编码的方法，所述时隙包括至少一个用户数据块和训练序列，所述方法的特征在于以下步骤：

-使用预编码器变换对所述至少一个用户数据块进行编码(101)，以及

-形成用户数据在变换域中且所述训练序列在时域中的组合时隙，其中，将所述训练序列或者置于所述时隙中的所有所述至少一个用户数据块之前，或者置于所述时隙中的所有所述至少一个用户数据块之后，以及调制(103)所述组合时隙。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述训练序列与在EGPRS或EGPRS2中使用的训练序列相同。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，所述预编码变换采用离散傅立叶逆变换。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，所述预编码变换采用以下一项或多项：离散余弦变换、离散正弦变换、离散小波变换、以及离散Hartley变换。

5.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，在所述时隙中使用两个或更多个用户数据块。

6.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，每个数据块具有由零填充构成的前缀或者循环前缀。

7.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，将所述训练序列置于所述时隙的开始或末尾，且尾部比特的序列与所述训练序列相邻。

8.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，对每个用户数据块单独进行预编码变换。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，针对不同的数据块使用不同的预编码器变换。

10.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，所述时隙包括上行链路状态旗标。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述上行链路状态旗标编码比特与所述训练序列一起在时域中调制。

12.一种GSM/EDGE蜂窝无线系统的基站(201)，适于对要从所述基站向用户发送的数据的时隙进行编码，所述时隙包括至少一个用户数据块和训练序列，所述基站的特征在于：

-用于使用预编码器变换对所述至少一个用户数据块进行编码的控制器电路(203)，以及

-用于形成用户数据在变换域中且所述训练序列在时域中的组合时隙的控制器电路(203)，其中，将所述训练序列或者置于所述时隙中的所有所述至少一个用户数据块之前，或者置于所述时隙中的所有所述至少一个用户数据块之后，以及调制所述组合时隙。

13.根据权利要求12所述的基站，其中，所述训练序列与在EGPRS或EGPRS2中使用的训练序列相同。

14.根据权利要求12至13中任一项所述的基站，其中，所述预编码变换是离散傅立叶逆变换。

15.根据权利要求12至13中任一项所述的基站，其中，所述预编码是以下一项或多项：离散余弦变换、离散正弦变换、离散小波变换、以及离散Hartley变换。

16.根据权利要求12至13中任一项所述的基站，其中，在所述时隙中使用两个或更多个用户数据块。

17.根据权利要求12至13中任一项所述的基站，其中，每个数据块具有由零填充构成的前缀或者循环前缀。

18.根据权利要求12至13中任一项所述的基站，其中，将所述训练序列置于所述时隙的开始或末尾，且尾部比特的序列与所述训练序列相邻。

19.根据权利要求12至13中任一项所述的基站，其中，对每个用户数据块单独进行预编码。

20.根据权利要求19所述的基站，其中，针对不同的数据块使用不同的预编码器变换。

21.根据权利要求12至13中任一项所述的基站，其中，所述时隙包括上行链路状态旗标。

22.根据权利要求21所述的基站，其中，上行链路状态旗标编码比特与所述训练序列相邻放置，且与所述训练序列一起在时域中调制。