CN102835083A

CN102835083A - 带外发射消除

Info

Publication number: CN102835083A
Application number: CN2010800521206A
Authority: CN
Inventors: 晓靖·黄; 英杰·杰伊·郭
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Current assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2010-10-14
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2030-10-14
Also published as: EP2494756A4; CN102835083B; EP2494756A1; JP2013509112A; US9240910B2; AU2010312304B2; WO2011050392A1; JP5809632B2; AU2010312304A1; US20120269286A1; EP2494756B1

Abstract

本发明公开了一种用于带外发射消除的发送信号预处理方法。对于频带中的N个子信道中的每一个，通过0到1范围内的计算值对N个子信道符号中的每一个进行加权。将N个加权符号组织成N×1矩阵，然后乘以酉矩阵。

Description

带外发射消除

技术领域

本发明涉及多频带无线通信系统，更具体地涉及带外发射的消除。

背景技术

由于射频频谱资源的匮乏和对高速数据发送的需求，要求无线通信系统实现更高的频谱效率以及更高的功率和更低的成本。随着数字信号处理和无线技术的发展，多频带系统已经越来越有吸引力，因为它们能够容许更宽的频谱以实现更高的数据速率，并且能够更加灵活且适应地使用现有频带。

正交频分复用（OFDM）最近已经广泛用于多种单频带通信系统中，诸如无线局域网（WLAN）和第三代合作伙伴计划（3GPP，www.3gpp.org）长期演进（LTE）系统。OFDM的特点是，一个频带内的相邻子信道正交地展现。由于子载波分配的灵活性和快速傅立叶变换（FFT）的实现简单性，OFDM还是用于多频带系统中的合适的调制技术，因为通过打开或关闭根据频带指配而落入频带内的子载波可动态地选择频带或取消对频带的选择。然而，OFDM由于子载波的慢旁瓣滚降而表现出带外发射，这可能导致无法进一步降低带间干扰以满足传输屏蔽要求。

存在在基于OFDM的多频带系统中减少带外发射的技术。第一种简单的技术是将陷波滤波器应用于未分配的频带。然而，该滤波器的数字实现将显著增加处理复杂度，模拟实现既昂贵又难以实现动态频带分配。

第二种技术是在发送的信号带的旁瓣上引入保护频带。不幸地，这会牺牲频谱效率并且在不具有用于分配的频带的足够大数量的子载波的情况下可能无法提供足够的保护。

第三种技术是在时域中对所发送的信号执行分窗。这需要具有额外信号功率的扩展OFDM符号并且造成符号间干扰。保护频带可能还需要与分窗一起使用以确保减少带外发射。（参见例如IEEE标准802.11a-1999，“Part 11：Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications:High-speed Physical Layer inthe 5 GHz Band（第11部分：无线LAN介质访问控制（MAC）和物理层（PHY）规定：5GHz频带中的高速物理层）”。）

第四种技术是构造干扰取消子载波并将它们置于所发送的信号频带的边缘上。这种技术不仅降低了频谱效率而且降低了接收器处的有效信噪比（SNR），因为浪费了用于取消的额外的信号功率。（参见例如S.Brandes,I.Cosovic和M.Schnell的“Reduction of Out-of-BandRadiation in OFDM Systems by Insertion of Cancellation Carriers (通过插入取消载波减少OFDM系统中的带外发射)”，IEEE CommunicationsLetters，Vol.10,No.6,June 2006,pp.420-422。）

因此需要能够基本避免已知方法的问题的带外发射消除技术。

发明内容

公开了一种用于带外发射消除的发送信号预处理方法，包括：对于频带中的N个子信道中的每一个，通过0到1范围内的计算值对N个子信道符号中的每一个进行加权；以及通过乘以酉矩阵对N个加权符号进行预编码。

进一步公开了一种用于带外发射消除的发送信号预处理方法，包括：对于频带中的N个子信道中的每一个，通过0到1范围内的计算值对N个子信道符号中的至少n个进行加权；以及通过乘以n×n酉矩阵对组织成n×1矩阵的加权符号进行预编码。

又进一步公开了一种用于带外发射消除的接收信号预处理方法，包括：通过酉矩阵乘法对接收的符号进行解预编码，其中接收酉矩阵是发送处所使用的预编码矩阵的转置；以及通过除以发送处所使用的相应权值来对解预编码的符号进行去加权。

又进一步公开了一种带外发射消除方法，包括：将输入数据位映射到时域数据符号；将时域符号转换成多个子信道；对于频带中的N个子信道中的每一个：通过0到1范围内的计算值对N个子信道符号中的每一个进行加权；以及通过乘以酉矩阵对N个加权符号进行预编码；将预编码的子信道变换成正交时域子信道；以及发送时域子信道。

又进一步公开了一种发送器，包括：将输入数据位映射到时域数据符号的模块；将时域符号转换成多个子信道的模块；对于频带中的N个子信道中的每一个：通过0到1范围内的计算值对N个子信道符号中的每一个进行加权的模块；以及通过乘以酉矩阵对N个加权符号进行预编码的模块；将预编码的子信道变换成正交时域子信道的模块；以及发送时域子信道的射频模块。

又进一步公开了一种接收器，包括：接收多个时域正交子信道的射频模块；将接收的子信道变换为频域子信道的模块；对于N个子信道中的每一个：通过酉矩阵乘法对接收的符号进行解预编码，其中接收酉矩阵是发送处所使用的预编码矩阵的转置；以及通过除以发送处所使用的相应权值来对解预编码的符号进行去加权；将去加权的符号转换为符号序列的模块；将符号序列映射成输出数据位的模块。

又进一步公开了一种收发器，包括如上所述的发送器和接收器。

附图说明

在附图中：

图1为实施本发明的广泛方法的框图；

图2为具有源节点和目的节点的基于OFDM的示例性多频带收发器的示意性框图；

图3为示例性收发器的示意性框图；

图4为示例性多频带布置；

图5为具有带外发射消除的示例性发送器的示意性框图；

图6为适于带外发射消除的示例性接收器的示意性框图；

图7示出了单边带外发射消除的性能；

图8示出了双边带外发射消除的性能；以及

图9示出了在图4所示的多频带布置的状态下在未分配的频带中的带外发射。

具体实施方式

当在附图中的任何一个或多个中对具有相同标号的步骤和/或特征进行引用时，这些步骤和/或特征描述相同的功能或操作，除非有相反的意思表示。

在下文中，表述“模块”被理解为电路元件的一般术语，电路元件可以许多方便的形式实现，诸如运行在处理器上的软件、数字领域中的固件和FPGA、以及作为模拟领域中的离散电路。而且，对本领域技术人员来说，明显的是，当能够实现于代码或电路中时，矩阵代数可以许多方便的形式实现，包括乘法和加法运算。

图1是实施本发明的用于带外发射消除的广泛发送的流程框图。对于频带中的N个子信道中的每一个，在步骤102中，通过计算的0至1范围内的值对N个子信道符号中的每一个进行加权。在步骤104中，通过乘以酉矩阵（unitary matrix）来对加权后的符号进行预编码。

图2示出了基于OFDM的多频带无线通信系统200。系统200包括两个通信节点：一个是源节点202，另一个是目的节点204。源节点202在多个频带内发送数据信息，目的节点204通过前向路径206从多个频带中的至少一个接收数据信息。目的节点204还可向源节点202提供信道状态信息（CSI），确认接收的数据包，和/或通过返回路径208在至少一个频带中向源节点发送数据信息。源节点202和目的节点204都分别装配有单元件天线或天线阵列210、212。为了降低接收器处（源收发器214和目的收发器216内）的信道间干扰，来自被分配给其他用户的任意频带的信号分配给相关用户的频带内所产生的发射必须尽可能少。用于频带的所允许的发送功率谱密度通常被称为传输屏蔽。当使用OFDM技术在频带内的多个子载波上调制数据符号时，带外发射严重，并且由于子载波的慢旁瓣滚降，典型的传输屏蔽通常得不到满足。因而，如上所述，可能对工作在相邻频带上的用户造成不能忍受的干扰。

如图3所示，源节点202或目的节点204处的收发器214、216包括发送器302、接收器306和双工器310，发送器302组成输入数据位304以形成数据包并且在多个频带内使用OFDM调制发送数据包，接收器306在多个频带内使用OFDM调制接收CSI、确认（ACK）信息和/或数据包308，双工器310在发送器302与接收器306之间切换信号路径。

发送器302和接收器306可具有用于不同节点的不同频带布置。图4示出了用于发送器302的多频带布置400，包括编号为1至8的八个频带，但是仅编号为1、3、4、6、7和8的六个频带被分配给一个用户，频带2和5被分配给不同的用户（即，对于第一用户而言，是“未分配的”）。接收器306从“已分配频带”中的一个或多个接收信号。任意发送频带必须满足一定的传输屏蔽要求以不干扰其他用户在任意“未分配频带”中的发送。

图5示出了提供带外发射的发送器302的示意性框图。首先通过符号映射模块502使用符号星座映射技术将输入数据位304映射成数据符号（即，复数），符号星座映射技术诸如为二进制相移键控（BPSK）、正交相移键控（QPSK）、或正交幅度调制（QAM）。然后在数据符号通过串并转换（S/P）模块504之后，将数据符号分配给M个已分配频带的每一个中的N个子载波。（未分配频带中的子载波为空）。在（通过分组的模块506，将在下面描述）执行带外发射消除之后，通过IFFT模块508执行快速傅立叶逆变换（IFFT），接下来通过模块510执行并串转换（P/S）以将频域符号转换为时域样本。在通过模块512进行循环前缀插入之后，OFDM信号514被形成并由发送器天线210、212发送。为了清楚起见，在CP插入模块512之后未示出RF电路链，然而将理解，在天线之前存在IF和/或RF级。由于存在总的M个频带，每个频带具有N个子载波，因此IFFT大小为MN。然而，每个（已分配）的频带可具有不同数量的子载波。

带外发射消除被应用于所有已分配频带（诸如1、3、4和6-8）。预处理包括由预处理模块506对每个子信道执行的两个步骤。因此，对于每个子信道，符号加权模块516将一系列N个符号中的每一个乘以具有实值（范围从0到1）的权值。极限权值0意味着不发送符号，极限权值1意味着用全功率发送符号。然后预编码模块518将加权的符号乘以酉矩阵。这种预处理对消除带外发射是有效的。这里“消除”不是指绝对术语，而是有效的工程术语，并且与“降低至不重要的程度”等同义。

在另一种形式中，仅对频带内的N个子信道的子集n进行预处理。n个子信道是与一个或两个频带边缘直接相邻的那些子信道，并且1≤n<<N。

下面将描述权值选择和预编码矩阵选择的两个实施方式。一个实施方式是单边带外发射消除，另一个实施方式是双边带外发射消除。当多个频带彼此相邻以形成连续的较大频带并且仅较大频带两边的频带被用于带外发射消除时，可使用单边带外发射消除。当频带与两边的未分配频带独立时，可使用双边带外发射消除。然而，连续的大频带中的所有频带都可使用双边带外发射消除。

单边带外发射消除

对于单边带外发射消除，按照如下所述选择权值和预编码矩阵。

1.定义N×1向量

c_{1} = {(\frac{1}{w}, \frac{1}{w + 1}, . . ., \frac{1}{w + N - 1})}^{T} - - - (1)

其中，w>0，是通过子载波间距正规化的频率。将w称为消除距离，因为w是发送频带的边缘与频带的任一边上的消除点之间的距离，带外发射在频带的任一边的消除点处被消除。c₁中的元素

i=0,1，...,N-1，表示从发送频带的子载波i的中心到消除点的频谱衰减。将称为单边频谱衰减向量。

2.对矩阵执行奇异值分解，其中I_N是N阶单位矩阵，即

I_{N} - \frac{c_{1} {c_{1}}^{T}}{trace (c_{1} {c_{1}}^{T})} = U_{1} W_{1} {V_{1}}^{T} - - - (2)

其中，U₁和V₁是（N×N）酉矩阵，W₁是具有正对角元素的（N×N）对角矩阵。（2）的左手侧中的被减去的修正项通过在相关子信道中引起适当的功率降低来有效地实现带外消除，以使其在相邻其他用户的（“未分配”）频带中变得不重要。

3.W₁中的对角元素用作权值，并且U₁用作单边带外发射消除的预编码矩阵。

从（2）明显看出，从W₁确定的权值除了一个为0外，全部等于1，这意味着一个数据符号不能被发送。（这是因为

的秩为1并且其仅具有一个非零特征值1）。换句话说，N个子载波中的每个仅能发送N-1个数据符号。

假设数据符号s₀,s₁，...,s_N-1可表示成向量s＝(s₀,s₁，...,s_N-1)^T。符号加权和预编码在数学上以矩阵代数表示成U₁W₁s。也就是说，将N个符号组织成列矩阵并且乘以W₁，然后矩阵乘以U₁。

从（2）还注意到，仅通过发送频带中的子载波的数量N和预定的消除距离w确定权值和编码矩阵。换句话说，带外消除可实现为仅这两个容易知道和选择的变量的函数。权值和预编码矩阵可在发送之前计算而不是实时计算，这有利于节省用于数据发送目的的处理时间。

双边带外发射消除

对双边带外发射消除，按如下所述选择权值和预编码矩阵。

1.定义N×2向量

c_{2} = {[\begin{matrix} \frac{1}{w}, & \frac{1}{w + 1}, & . . ., & \frac{1}{w + N - 1} \\ \frac{1}{w + N - 1}, & \frac{1}{w + N - 2}, & . . ., & \frac{1}{w} \end{matrix}]}^{T} - - - (3)

其中，w>0是关于子载波间距的正规化频率，并且还被称为消除距离。在这种情况下，消除点对称地位于发送频带的两边。将c₂称为双边频谱衰减向量。

2.对矩阵

执行奇异值分解，其中I_N是N阶单位矩阵，即

I_{N} - \frac{c_{2} {c_{2}}^{T}}{trace (c_{2} {c_{2}}^{T})} = U_{2} W_{2} {V_{2}}^{T} - - - (4)

其中，U₂和V₂是酉矩阵，W₂是具有正对角元素的对角矩阵。

3.W₂中的对角元素是权值，并且U₂是双边带外发射消除的预编码矩阵。

从（4）明显看出，从W₂确定的权值除了两个值大于0且小于1之外，全部等于1，这意味着所有数据符号均被发送，但其中两个具有降低的功率。（这是因为

的秩为2并且其仅具有两个非零特征值）。为了进一步降低带外发射，不等于1的权值可设为0，这意味着两个数据符号不能被确定。

类似地，符号加权和预编码过程可在数学上表达成U₂W₂s。

图6示出了接收在带外发射消除之后由发送器302产生的信号514的相应接收器306。首先通过CP移除模块602移除所接收的OFDM符号的CP。然后所产生的OFDM符号在通过S/P模块604和快速傅立叶变换（FFT）模块606之后转换至频域。然后通过对应的信道均衡模块608均衡每个已分配频带中的子载波以补偿传播效应。然后在对应的解预编码模块610中使用酉矩阵U₁ ^T（如果在发送器处使用U₁）或U₂ ^T（如果在发送器处使用U₂）来补偿在发送器302处执行的预编码。所发送的数据符号在通过对应的符号去加权模块612之后被恢复，如果权值为非零，则这涉及除以用于数据符号的相应权值。所有恢复的数据符号618在通过P/S模块614和符号去映射模块616之后组成数据位。

为了证明所公开的带外发射消除技术的性能，图7和8示出了分别在单边带外发射消除和双边带外发射消除之后在具有N=32个子载波的频带中发送的信号的正规化的功率谱密度。对于双边带外发射消除，两个不等于1的权值被设为0。将参数w选为（N+1）/2，这意味着将消除点设成相邻频带的中心。可观察到，与没有消除的1相比，通过使用单边带外发射消除，功率谱密度降低了约10dB。而通过使用双边带外发射消除，功率谱密度降低了约20dB。

当发送器在多个频带中发送信号时，图4所示的多频带布置还用于确定未分配的频带中的带外发射。图9示出了在使用和未使用带外发送消除技术的频带1、3、4、6、7和8中发送的信号的正规化功率谱密度。使用相同的参数N=32和w=（N+1）/2。可见，在未分配频带2和5中的发射在不具有带外发射的每个频带的中心处约为-20dB，并且在采用所公开的双边带外发射消除技术的每个频带的中心处降低至-48.5dB以下。

所公开的带外发射消除技术可用于诸如无线回程的固定点到点无线链路中使用，以集合多个频带和信道来改善频谱效率并提高发送数据速率。它们还可用于涉及多个频带的认知无线网络以允许动态频带分配并实现优化的系统性能。例如，考虑无线接入网中的小区，图4示出了该小区中的频谱可用性。信道/频带2和5不可用。为了使频谱效率最大化而不招致复杂的RF滤波器，所提出的方法可用于产生具有如图9所示的频谱密度的信号。

所公开的技术不使用任何防护频带或任何专用的频域或时域消除符号，所以与其它技术相比提高了系统频谱效率和功率效率。

所公开的技术尤其适用于需要灵活使用多个频带的数千兆位无线回程和认知无线接入系统。该技术还可用于使用正交频分复用接入（OFDMA）的任意移动通信系统，诸如3GPP的LTE系统。当然，其它应用是可能的。

上文描述了一些实施方式，这些实施方式是示例性的且不限制本发明的范围。

Claims

1.一种用于带外发射消除的发送信号预处理方法，包括：对于频带中的N个子信道中的每一个，

通过0到1范围内的计算值对N个子信道符号中的每一个进行加权；以及

通过乘以酉矩阵来对N个加权符号进行预编码。

2.根据权利要求1所述的方法，在正交频分复用（OFDM）方案中执行。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述N个子信道符号被组织成N×1矩阵，所述计算值被组织成N×N对角矩阵，并且所述加权通过将所述符号矩阵和所述对角矩阵相乘来执行。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述对角矩阵和所述酉矩阵根据N阶单位矩阵和修正表达式确定。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述单位矩阵和所述修正表达式是进行奇异值分解以产生所述对角矩阵和所述酉矩阵的对象。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述单位矩阵（I_N）和所述修正项具有如下形式：

I_{N} - \frac{c_{1} {c_{1}}^{T}}{trace (c_{1} {c_{1}}^{T})}

其中：

c_{1} = {(\frac{1}{w}, \frac{1}{w + 1}, . . ., \frac{1}{w + N - 1})}^{T}

并且w是通过子信道载波间距标准化的频率。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述单位矩阵（I_N）和所述修正项具有如下形式：

I_{N} - \frac{c_{2} {c_{2}}^{T}}{trace (c_{2} {c_{2}}^{T})}

其中：

c_{2} = {[\begin{matrix} \frac{1}{w}, & \frac{1}{w + 1}, & . . ., & \frac{1}{w + N - 1} \\ \frac{1}{w + N - 1}, & \frac{1}{w + N - 2}, & . . ., & \frac{1}{w} \end{matrix}]}^{T} .

8.一种用于带外发射消除的发送信号预处理方法，包括：对于频带中的N个子信道中的每一个，

通过0到1范围内的计算值对N个子信道符号中的至少n个进行加权；以及

通过乘以n×n酉矩阵对组织成n×1矩阵的加权符号进行预编码。

9.根据权利要求8所述的方法，其中频率中的n个子信道与频带边缘直接相邻。

10.一种用于带外发射消除的接收信号预处理方法，包括：

通过酉矩阵乘法对接收的符号进行解预编码，其中接收酉矩阵是发送处所使用的预编码矩阵的转置；以及

通过除以发送处所使用的相应权值来对解预编码的符号进行去加权。

11.一种带外发射消除方法，包括：

将输入数据位映射到时域数据符号；

将所述时域符号转换成多个子信道；

对于频带中的N个子信道中的每一个：

通过乘以酉矩阵对N个加权符号进行预编码；

将所述预编码的子信道变换成正交时域子信道；以及

发送所述时域子信道。

12.根据权利要求11所述的方法，在正交频分复用（OFDM）方案中执行。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述N个子信道符号被组织成N×1矩阵，所述计算值被组织成N×N对角矩阵，并且所述加权通过将所述符号矩阵和所述对角矩阵相乘来执行。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述对角矩阵和所述酉矩阵根据N阶单位矩阵和修正表达式确定。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述单位矩阵和所述修正表达式是进行奇异值分解以产生所述对角矩阵和所述酉矩阵的对象。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述单位矩阵（I_N）和所述修正项具有如下形式：

I_{N} - \frac{c_{1} {c_{1}}^{T}}{trace (c_{1} {c_{1}}^{T})}

其中：

c_{1} = {(\frac{1}{w}, \frac{1}{w + 1}, . . ., \frac{1}{w + N - 1})}^{T}

并且w是通过子信道载波间距正规化的频率。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述单位矩阵（I_N）和所述修正项具有如下形式：

I_{N} - \frac{c_{2} {c_{2}}^{T}}{trace (c_{2} {c_{2}}^{T})}

其中：

c_{2} = {[\begin{matrix} \frac{1}{w}, & \frac{1}{w + 1}, & . . ., & \frac{1}{w + N - 1} \\ \frac{1}{w + N - 1}, & \frac{1}{w + N - 2}, & . . ., & \frac{1}{w} \end{matrix}]}^{T} .

18.一种发送器，包括：

将输入数据位映射到时域数据符号的模块；

将所述时域符号转换成多个子信道的模块；

对于频带中的N个子信道中的每一个：

通过0到1范围内的计算值对N个子信道符号中的每一个进行加权的模块；以及

通过乘以酉矩阵对N个加权符号进行预编码的模块；

将所述预编码的子信道变换成正交时域子信道的模块；以及

发送所述时域子信道的射频模块。

19.根据权利要求18所述的发送器，其中变换模块为快速傅立叶逆变换电路。

20.根据权利要求18或19所述的发送器，其中所述N个子信道符号被组织成N×1矩阵，所述计算值被组织成N×N对角矩阵，并且所述加权通过将所述符号矩阵和所述对角矩阵相乘来执行。

21.根据权利要求20所述的发送器，其中所述对角矩阵和所述酉矩阵根据N阶单位矩阵和修正表达式确定。

22.根据权利要求21所述的发送器，其中所述单位矩阵和所述修正表达式是进行奇异值分解以产生所述对角矩阵和所述酉矩阵的对象。

23.根据权利要求22所述的发送器，其中所述单位矩阵（I_N）和所述修正项具有如下形式：

I_{N} - \frac{c_{1} {c_{1}}^{T}}{trace (c_{1} {c_{1}}^{T})}

其中：

c_{1} = {(\frac{1}{w}, \frac{1}{w + 1}, . . ., \frac{1}{w + N - 1})}^{T}

并且w是通过子信道载波间距正规化的频率。

24.根据权利要求23所述的发送器，其中所述单位矩阵（I_N）和所述修正项具有如下形式：

I_{N} - \frac{c_{2} {c_{2}}^{T}}{trace (c_{2} {c_{2}}^{T})}

其中：

c_{2} = {[\begin{matrix} \frac{1}{w}, & \frac{1}{w + 1}, & . . ., & \frac{1}{w + N - 1} \\ \frac{1}{w + N - 1}, & \frac{1}{w + N - 2}, & . . ., & \frac{1}{w} \end{matrix}]}^{T} .

25.一种接收器，包括：

接收多个时域正交子信道的射频模块；

将所接收的子信道变换为频域子信道的模块；

对于N个子信道中的每一个：

通过除以发送处所使用的相应权值来对解预编码的符号进行去加权；

将去加权的符号转换为符号序列的模块；

将所述符号序列映射成输出数据位的模块。

26.一种收发器，包括如权利要求18至24中任一项所述的发送器和如权利要求25所述的接收器。