CN102792596B - 具有比特加载和可变深度的频率交错的ofdm - Google Patents

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Abstract

在通信设备(100)中，分组单元(152)在将数据比特映射到多个不同的星座群时使用信道状态信息。每个星座群被分配给另一个调制方案。多个子载波不被分配给星座群或者被分配给一个星座群，并且每个调制使用另一个星座群。通信设备(100)可以包括多个可扩展的交错器单元(156)，其中每个交错器单元(156)被分配给一个星座群并且对被映射到每个星座群的数据比特和携带了从该数据比特导出的符号信息的子载波的分配进行交错。例如，交错器单元(156)通过在星座级对携带了符号信息的子载波进行交错来执行频率交错。

Description

具有比特加载和可变深度的频率交错的OFDM
技术领域
本发明的实施例涉及使用多个用于子载波的不同调制方案来支持自适应OFDM(正交频分多路复用)的通信设备。另外的实施例涉及一种操作支持自适应OFDM并且使用多个用于子载波的不同调制方案的通信系统的方法。
背景技术
OFDM通过大量的正交子载波来分发数据。子载波的正交性允许在接收器侧进行逐载波解调，这是因为在接收器侧，防止了解调器考虑其被专门用于的子载波之外的其他子载波。OFDM提供高频谱效率并且允许子载波选择和调制以适应传输信道特性。
发明内容
本发明的目的是提供具有提升的传输性能的通信设备及操作方法，其在通信系统中提供了提升的传输性能。
附图说明
该目的通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求中分别说明了另外的实施例。结合附图，通过对实施例的如下说明，本发明的细节将变得更加明显，其中，各实施例的特征可以相结合，除非它们相互排斥。
图1是示出了根据本发明的一个实施例具有包括发送器单元的第一通信设备和包括接收单元的第二通信设备的通信系统的示意方框图。
图2是更加详细地示出了图1的发送器单元的示意方框图。
图3A是示出了根据一个实施例的在星座级提供输出频率内交错的通信设备的示意方框图。
图3B是示出了根据另一个实施例的在星座级提供输出频率间交错的通信设备的示意方框图。
图3C是示出了根据另一个实施例的在比特或符号级提供输出频率内交错的通信设备的示意方框图。
图3D是示出了根据另一个实施例的在比特或符号级提供输出频率间交错的通信设备的示意方框图。
图4A是示出了根据为相应子载波确定的SNR(信噪比)的子载波到星座路径的分组的示意图，并且示出了根据另一个实施例的通信系统的操作模式。
图4B是示出了根据SNR被分组到不同星座路径的图4B的子载波的示意图。
图4C是示出了在星座级频率交错的图4B的经分组的子载波的示意图。
图4D是以其被提供给IFFT(快速傅里叶逆变换)单元的顺序示出图4C的子载波的示意图，所述IFFT单元重组图4C的经调制的子载波以在时域中生成信号。
图5是示出了根据另一个实施例的用于经旋转的星座的调制单元的示意方框图。
图6A是示出了用于示出本发明实施例的效果的正交星座图的示意图。
图6B是示出了用于示出本发明实施例的效果的经旋转的星座图的示意图。
图7是根据又一个实施例的接收单元的示意方框图。
图8是示出了根据另外的实施例的用于操作通信系统的方法的简化流程图。
具体实施方式
图1A示出了基于OFDM调制方案的有线或无线通信系统199，例如DVB-C2(数字视频广播-电缆)系统。根据一个实施例，通信系统199是使用配电线进行数据通信的系统。例如，通信系统199是使用叠加到频率可以为例如50或60Hz的电力线交流电的、经调制的载波的电力线通信(PLC)系统、干线(mains)通信系统、电力线远程通信(PLT)系统、宽带电力线(BPL)系统或者电力带或电力线联网(PLN)系统。
通信系统199可以是具有第一通信设备100和第二通信设备200的SISO(单输入单输出)或MIMO(多输入多输出)系统，第一通信设备包括采用一个、两个或更多个发送端口101-103的发送器单元110，第二通信设备包括采用至少一个(例如两个，三个或四个)接收端口201-203的接收单元220。传输信道300连接发送器单元110和接收单元220。
第一通信设备100可以是仅具有发送端口101-103的专用发送设备。根据其他实施例，第一通信设备100是除了包括发送器单元110外还包括接收单元120的双向设备，接收单元120可以为第二通信设备200中的接收单元220的类型，其中端口101-103可以是双向端口。第二通信设备200可以是专用接收设备。根据其他实施例，第二通信设备200是除了包括接收单元220外还包括发送器单元210的双向设备，发送器单元210可以为第一通信设备100中的发送器单元110的类型，其中端口201-203可以是双向端口。通信设备100和200可以是单独的设备，或者可以集成在用于消费者应用的电子设备中，所述电子设备例如是存储单元、电视机、音频接收机或录像机。
传输信道300可以为多线连接。根据一个实施例，传输信道300是包括两个或更多个用于AC(交流)电力传输的电导体并且作为永久接线被安装在建筑物内或者埋在地下的电力电缆。例如，发送器单元110可以使用火线或相线(L，P)，零线(N)和保护接地(PE)来提供两种差分发送信号，其中，差分发送信号被调制在叠加了干线电压AC频率的载波上。根据一个实施例，接收单元220接收火线和零线之间、零线和保护接地之间以及火线和保护接地之间的三种差分接收信号。根据另一个实施例，接收单元220可以接收三种差分接收信号和由接线的漏电流产生的作为第四接收信号的共模信号。
图2更详细地示出了图1的发送器单元110。发送器单元110接收包括将要在传输信道上传输的有效负荷数据的输入数据流d1。FEC(前向纠错)单元115根据便于在接收器侧进行纠错的错误检测方案将代码冗余插入输入数据流d1。FEC单元115输出经编码的数据流d2。
发送器单元110可以包括接收经编码的数据流d2并且将经编码的数据流d2分割或者复用成预定数量的并行数据流d3的串行转并行多路复用器单元130，其中每个数据流d3被分配给多个信号路径之一，其中每个信号路径对应于发送端口之一。在涉及SISO系统的实施例中，省略了多路复用器单元130，并且经编码的数据流d2被直接发送给第一调制器单元150。
根据已示出的实施例，并行数据流d3被发送到第一调制器单元150。第一调制器单元150对于每个信号路径包括多个调制。每个调制被分配给星座群，其中每个星座群使用另一个调制方案。调制方案可以是从每个载波1比特到每个载波x比特的任意调制，例如PSK(相移键控)，QPSK(正交相移键控)，4-QAM(正交调幅)，8-QAM，64-QAM，256-QAM，1024-QAM，4096-QAM，任意其他2n-QAM或者任意2n-PAM(脉冲调幅)。根据为每个子载波确定的SNR，对于每个信号路径，控制单元195将子载波分配给一个星座群。每个信号路径内的每个调制将数据比特组合到对相应星座群的星座点进行编址的符号中，并且输出携带了符号信息d4的经调制的子载波。
根据本发明的实施例，第一调制器单元150的每个星座群或者每个调制与适合于在每个调制路径内执行比特级、符号级或者星座级交错的交错处理相组合，其中每个交错处理具有可变的大小并且可以适应可用于相应星座群的子载波的数量。例如，星座群的符号可以被映射到各种频率载波。
第二调制器单元170可以调制携带了主载波上的每个信号路径的各种调制的符号信息d4的子载波以针对每个信号路径生成一个数字传输流d5。这些操作可以在频域内执行，并且IFT(傅里叶逆变换)单元180可将数字传输流d5变换到时域以获得用于每个信号路径的数字信号d6。转换器单元190可以将数字信号d6转换成模拟传输信号d7并将每个模拟传输信号d7耦合到一个发送端口。
图3A涉及具有两个信号路径131和132的发送器单元110，并示出了图2的第一调制器单元150的实施例的细节。在每个信号路径131、132中，分组单元152可以将包含在被分配给信号路径131、132的数据流d3中的数据比特映射到多个调制路径，其中每个调制路径被分配给星座群。多个子载波中的每个单一子载波不被分配给星座群或者被分配给不同星座群中的一个。根据一个实施例，可以根据描述了与频率有关的信道特性的信道状态信息来执行子载波到星座群的分配，使得应用到子载波的调制方案依赖于相应传输路径上该子载波的当前传输信道特性。传输信道特性可以随时间改变，并且子载波到星座群的分配可以为连续适应的。
星座控制单元195可以从如下反馈信息接收或导出信道状态信息，所述反馈信息可以被发送单元110从发送单元110与之通信的另一通信设备接收。在此情况下，发送单元110被包括在还包含图1所示的接收单元120的通信设备100中，所述接收单元可用于接收反馈信息。
对于每个调制路径，调制器单元150包括实现相应星座群并使用可配置数量的子载波来生成经调制的输出信号(可以为例如PSK信号，QPSK信号，16-QAM信号，64-QAM信号，256-QAM信号，1024-QAM信号，4096-QAM信号，任意其他2n-QAM信号，或2-PAM信号或任意其他2n-PAM信号)的调制单元154a-f。每个调制单元154a-f使用另一个星座群。调制单元154a-f的输出表示经调制的子载波。由分组单元152递送的数据流中包含的比特被映射到QAM符号。根据传输信道特性，每个调制单元154a-f处理不同数量的符号。每个调制单元154a-f对于被使用的子载波的数量和频率是自适应的和可编程的。例如，星座控制单元195能够根据当前传输信道特性确定在每个调制单元154a-f中使用的子载波的数量和频率。
根据一个实施例，对于每个调制器路径，交错单元156包括在星座级对相应调制器路径内的子载波进行交错的交错器单元156a。交错器单元156a可以基于伪随机数生成器，例如移位寄存器，其中寄存器输入是从两个寄存器单元的输出的异或函数中导出的。交错器单元156a是可扩展的，使得每个交错器单元156a能够处理相同星座群中不同数量的子载波。这样，交错器单元156a可以与自适应调制单元154a-f相组合，并且每个交错器单元156a可以按照它被分配给的调制单元154a-f的模式被控制。
在每个信号路径131、132中，解分组单元158a可以重组QAM调制器路径的频率交错的子载波群，其中交错的子载波群在其原始位置被重新排序，但是其中每个QAM星座群中的子载波由于交错处理而被扩散(spread)。结果，显著提高了频率分集。提高了的频率分集可以改善系统比特错误性能，尤其是在窄带干扰的情况下。交错器单元156a的可扩展性允许与自适应OFDM系统组合。
根据另一个实施例，调制器单元150可以包括一个单一的调制单元，该单一的调制单元可以被过采样以顺序地处理载波群，而非像前面的实施例那样并行地处理载波群。每个星座群的符号可以被映射到各种频率载波。在MIMO系统中，星座群的各种载波可以被分割到不同的通信路径。
图3B的发送器单元110仅仅涉及MIMO系统并且和图3A中示出的发送器单元的不同之处在于一个单一的解分组单元158b组合了至少两个信号路径131、132的频率交错群。根据一个实施例，一个单一的组合解分组单元158b组合了发送器单元110的全部(例如三个或四个)信号路径131、132的频率交错群。这允许进一步程度的分集，因为否则将在一个传输路径中被编码的信息可以通过一个以上的传输路径来传输，使得传输变得可以更有力地对抗一个传输路径上的干扰。
图3C涉及具有至少两个信号路径131、132的发送器单元110的另一个实施例。在每个信号路径131、132中，分组单元152将包含在相应数据流d3中的数据比特映射到多个调制路径之一，其中每个调制路径被分配给另一个不同的星座群。
多个子载波中的每个单一的子载波不被分配给星座群或被分配给一个星座群。根据一个实施例，根据描述了当前传输信道的与频率相关的特性的声调图(tonemap)信息执行子载波到星座群的分配。星座控制单元195可以接收和管理声调图信息。
在每个调制器路径中，交错器单元156b可以在数据比特被分组到符号之前对相应调制器路径中的数据比特进行交错，或者可以在数据比特被用于对相应星座群的各种星座点进行编址之前或之时对符号进行交错。
在每个信号路径131、132中，向每个星座群提供调制单元154a-f。每个调制单元154a-f使用可配置数量的子载波和经交错的数据比特或符号来生成携带了符号信息的经调制的子载波，并可以使用(以举例的方式)PSK方案、QPSK方案、16-QAM方案、64-QAM方案、256-QAM方案、1024-QAM方案、4096-QAM方案、任意其他2n-QAM方案或任意2n-PAM方案。每个调制单元154a-f使用另一个星座群。对于被使用的子载波的数量和频率来说，每个调制单元154a-f是自适应的和可编程的。例如，星座控制单元195能够根据当前传输信道特性确定每个调制单元154a-f中使用的子载波的数量和频率。
交错器单元156b是可扩展的，这样每个交错器单元156b能够处理不同数量的子载波。因此，交错器单元156b可以与自适应调制单元154a-f组合，其中，根据分别分配的调制单元154a-f的模式来控制每个交错器单元156b。
在每个信号路径131、132中，解分组单元158a可以重组每个信号路径131、132的调制器路径的经交错的子载波群，其中，经交错的子载波群被重排序到其原始位置，但是其中不同星座群的子载波由于频率交错而被扩散。
图3D的发送器单元110仅仅涉及MIMO系统并且和图3C中示出的发送器单元的不同之处在于单一的组合解分组单元158b，其组合了至少两个信号路径131、132的频率交错群。根据一个实施例，该组合解分组单元158b组合了发送器单元110的三个、四个或全部信号路径的频率交错群。
发送单元110的每个子单元可以在硬件、软件中或者作为硬件和软件的组合来实现。根据实施例，发送单元110的至少一些子单元可以作为集成在集成电路中的数字信号处理电路来实现。根据其他实施例，发送单元是仿真程序的软件模块。
图4A-图4D借助说明示例示出了由图3A的发送单元110实现的信号处理方法。当前传输信道的信道特性被评估以生成描述了例如用于传输的每个子载波频率的信噪比的信道状态信息。
图4A示出了作为图示的说明性声调图400，其中，按照子载波的离散频率绘制了SNR。基于声调图信息，星座控制单元可以不将每个子载波分配给调制路径或者将其分配给多个调制路径之一，其中每个调制路径对应于另一个星座群。例如，整个SNR范围被分成多个连续范围401-406。SNR落在相同范围内的子载波被分配给相同的调制路径。可以将落在高SNR范围内的子载波分配给使用星座点间距离较小的调制方案(例如4096-QAM)的调制路径。可以将落在低SNR范围内的子载波分配给使用星座点间较大距离的调制方案(例如QPSK)的调制路径，并且可以排除使用SNR落在预定阈值以下的子载波。传输信道的传输路径的声调图可以彼此不同。
根据说明性示例，SNR落在第一范围401内的子载波被分配给4096-QAM调制路径，SNR落在第二范围402内的子载波被分配给1024-QAM调制路径，SNR落在第三范围403内的子载波被分配给256-QAM调制路径，SNR落在第四范围404内的子载波被分配给64-QAM调制路径，SNR落在第五范围405内的子载波被分配给16-QAM调制路径，并且SNR落在第六范围406内的子载波被分配给QPSK调制路径或者对于传输被省略。
图4B示出了用在相应调制路径中的子载波群。例如，第一子载波群411用于4096-QAM调制路径，第二子载波群412用于1024-QAM调制路径，第三子载波群413用于256-QAM调制路径，第四子载波群414用于16-QAM调制路径。在图4B中，分配给子载波的箭头高度对应于图4A中的箭头高度，这只是为了识别子载波和使分组及交错的效果可视化，并且与子载波的幅度无关。
图4C示出了图3A的交错器单元156a的效果。每个交错器单元156a交错子载波使得它们在子载波群中的顺序被改变。结果，相继的数据比特或符号使用隔开的子载波，然而在没有交错的情况下，携带了涉及相继数据比特或符号的符号信息的子载波将常常使用直接相邻的子载波。
图4D示出了图3A的解分组单元158a的效果。解分组单元158a组合所有调制路径的子载波，其中解分组单元158a使用分组单元152使用的分组方案的相反方案，并反转由分组单元152执行的分组。如图4D所示，对于图4A，每个子载波已更改了其处于其子载波群中的位置。
调制单元154a-f可以使用正交星座。根据其他实施例，每个调制单元154a-f可以使用经旋转的星座。经旋转的星座允许两个不同的PAM(相幅调制)解码器来代替单一的QAM调制器。
图5示出了用于经旋转的星座的调制单元554x。旋转星座单元554a生成经旋转的星座的正交I分量和正交Q分量。延迟单元554b将一个分量(例如Q分量)延迟一个单元/符号。调制器单元的每个调制单元可以将相同的分量延迟相同的量。根据一个实施例，后续的交错器单元然后确保这些相关的分量在分开的子载波中行进。根据一个实施例，星座旋转和Q分量延迟分别在信号路径的所有星座群中被执行。否则，通过混合的QAM星座，QAM星座阶段的输出将包括来自与最终选择的子载波的SNR特性不匹配的不同星座大小的I分量和Q分量。
结合频率交错来使用经旋转的星座使得多路径信道和所谓的擦除信道(eraserchannel)性能显著改善。
图6A示出了16-QAM的正交星座图。在每种情况中，四个星座点601被投射到I轴和Q轴上相同的投影点611。
相反，使用图6B的经旋转的星座，每个星座点621被投射到与轴I和Q二者有关的另一个投影点631，使得例如省略对一个轴、即接收器侧的一个载波的评估成为可能。
图7涉及图1的通信设备200的接收单元220的细节。转换器单元230对一个或多个(例如两个、三个或四个)模拟接收信号r1进行采样以生成数字接收信号r2。傅里叶变换单元240可以将数字接收信号r2变换到频域，其中对于每个数字接收信号可以生成数字数据流r3。第一解调器单元250可以在频域中将每个数据流分解成两个正交调制的分量。
第二解调器单元260包括对每个数字数据流r3使用不同星座群的多个QAM解调器。第二解调器单元260对于每个数字数据流r3和每个星座群包括能够根据发送侧使用的交错机制来对数据流r3进行解交错的可扩展的解交错器单元。解多路复用器单元270可以将两个或更多个经解调的信号r5重组成组合的接收信号r6，并且前向错误校正单元280可以使用包含在接收器侧的信号中的代码冗余来检测和校正接收信号r7中的数据错误。
根据一个实施例，每个解交错器单元反转在星座级对发送器侧执行的交错处理。根据其他实施例，每个解交错器单元反转在比特或符号级对发送器侧执行的交错处理。根据另外的实施例，接收单元220包括对上面针对图3B和图3D中的组合解分组单元158a讨论的发送信号中的输出间分集进行反转的进一步映射单元。
接收单元220的每个子单元可以在硬件、软件中或者作为其组合被实现。根据实施例，接收单元220的至少一些子单元可以作为集成在集成电路中的数字信号处理单元来实现。
图8涉及操作通信设备的方法。数据比特根据信道状态信息被映射到多个星座群(802)。多个子载波中的每个子载波根据信道状态信息不被分配给星座群或者被分配给一个星座群(804)。从数据比特的群中导出的符号被映射到相应的星座群并且被调制到分配给相应星座群的子载波上。对映射到每个星座群的数据比特到携带了符号信息的子载波的分配进行交错，其中交错的范围(例如相关子载波的数量)是根据信道状态信息来选择的(806)。
根据一个实施例，携带符号信息的经调制的子载波在星座级被交错。根据另一个实施例，被映射到相应星座群的数据比特在数据比特被分组到用于对相应的星座群的星座点进行编址的符号之前在比特级被交错。根据另外的实施例，由数据比特的群形成的符号在符号被映射到分配给相应星座群的子载波之前或之时被交错。

Claims (15)

1.一种包括发送单元(110)的通信设备，包括：
分组单元(152)，被配置成根据信道状态信息将数据比特映射到多个星座群；
调制器单元(150)，被配置成使用所述星座群和多个调制来调制所述数据比特，其中多个子载波中的每个单一的子载波不被分配给星座群或者被分配给一个星座群；以及
可扩展的交错单元(156)，被配置成对映射到所述星座群的数据比特和携带了从相应数据比特导出的符号信息的子载波之间的分配进行交错。
2.根据权利要求1所述的通信设备，其中
所述调制器单元(150)包括多个调制单元(154a-f，554x)，每个调制单元(154a-f，554x)使用另一个星座群；以及
交错单元(156)包括多个交错器单元(156a)，其中每个交错器单元(156a)被分配给星座群之一并且被配置成对映射到相应星座群的所述数据比特和携带了从该数据比特导出的符号信息的相应子载波的分配进行交错。
3.根据权利要求2所述的通信设备，其中
每个可扩展交错器单元(156a)被配置成交错携带了所述符号信息的所述子载波。
4.根据权利要求2所述的通信设备，其中
每个可扩展的交错器单元(156a)被配置成在将所述数据比特映射到用于对相应星座群的星座点进行编址的符号之前对映射到相应星座群的单个数据比特进行交错。
5.根据权利要求2所述的通信设备，其中
每个可扩展的交错器单元(156a)被配置成在将所述符号映射到分配给相应星座群的所述子载波之前对由数据比特的群形成的符号进行交错。
6.根据权利要求2所述的通信设备，进一步包括
控制单元(195)，被配置成根据所述信道状态信息对每个交错器单元(156)所使用的子载波的数量进行编程。
7.根据权利要求6所述的通信设备，其中
所述控制单元(195)被进一步配置成根据所述信道状态信息控制子载波到所述星座群的分配。
8.根据权利要求1所述的通信设备，进一步包括
解分组单元(158a)，被配置成组合携带了所有星座群的符号信息的所述子载波。
9.根据权利要求1所述的通信设备，其中
所述星座群是旋转的非正交星座群。
10.根据权利要求9所述的通信设备，其中
所述调制器单元(150)包括多个调制单元(554x)，并且
每个调制单元(554x)在相同信号输出路径内包括延迟单元(554b)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的通信设备，进一步包括
接收单元(220)，被配置成对发送单元(110)的类型的另外发送单元生成的信号进行解交错和解调。
12.一种包括接收单元(220)的通信设备，包括：
包括使用不同星座群的多个QAM解调器的解调器单元(260)，其中
每个解调器单元(260)对于每个星座群包括能够根据在发送侧使用的交错机制对数据流进行解交错的可扩展的解交错器单元。
13.根据权利要求12所述的通信设备，其中
每个可扩展的解交错器单元被配置成对携带了所述数据流中包含的符号信息的经交错的子载波进行解交错。
14.一种通信系统，包括
根据权利要求1所述的通信设备；和
根据权利要求12所述的通信设备。
15.一种操作通信设备的方法，该方法包括
根据信道状态信息将数据比特映射到多个星座群；
根据所述信道状态信息将多个子载波中的每个子载波不分配给星座群或者分配给一个星座群；
对于每个星座群，将从映射到相应星座群的数据比特导出的符号调制到分配给相应星座群的子载波上；以及
对映射到每个星座群的数据比特到携带了有关所述符号的信息的所述子载波的分配进行交错，其中交错的范围根据所述信道状态信息被编程。
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