CN103354535A - 子块式频域均衡器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于子块式频域均衡的方法、接收装置和计算机程序产品，其中，接收到的信号的数据块在传输信道的接收端被分割成至少两个子块。随后所述子块被在频域中分别均衡，并且已均衡的子块被合并以获得已均衡的信号。由此，多普勒导致的干扰可以被抑制，以达到对高多普勒的增强了的鲁棒性，并且补偿由于快速变化的信道产生的性能降级。

Description

子块式频域均衡器

分案申请

本申请是申请号为200780040741.0的、申请日为2007年10月29日的、发明名称为“子块式频域均衡器”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于在传输系统的接收器中执行频域均衡（FDE）的方法、接收器装置和计算机程序产品。

背景技术

正交频分多路复用（OFDM）最近已在数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、基于数字用户线路（xDSL）的高速调制解调器以及宽带无线接入领域中被采用，其中，所述宽带无线接入例如是IEEE标准802.11a和802.11g中的无线局域网（WLAN）。在OFDM中，多个已调子载波被并行发送。每个都仅占用非常窄的带宽。由于仅每个子载波的幅度和相位受信道影响，所以频率选择性衰落的补偿可以通过对每个子信道的幅度和相位进行补偿来完成。OFDM信号处理可以相对简单地通过分别在发送器和接收器处使用快速傅立叶变换（FFT）来实现。

信道估计和跟踪成为无线通信系统中确实存在的问题。对估计信道的替代是自适应地均衡收到的符号。频域均衡（FDE）可被认为是由常规线性时域均衡器完成的频域模拟。对于具有严重时延扩展的信道，由于与OFDM因为FFT操作和简单信道逆操作所以更简单相同的原因，其比对应的时域均衡更简单。

此外，通过在每个数据块前面附加足够长度的循环前缀（CP），由多径信道产生的块间干扰（IBI，inter-block interference）可以被移除。另外，低复杂度一阶（one-tap）频域均衡（FDE）可被用于补偿由多径信道产生的信号失真。时域与频域间的信号变换可以例如经由快速傅立叶变换（FFT）来有效地实现。

然而，在具有快速移动终端的高多普勒（high Doppler）环境中，传输信道甚至在单个数据块内变化。这导致时域中的符间干扰（ISI，inter-symbol interference）或频域中的载波间干扰（ICI，inter-carrierinterference），它们不能通过常规一阶FDE来抑制。

三种主要类型的算法已被提出以补偿由高多普勒产生的系统性能降级。类型I直接应用多用户检测（MUD）的干扰抵消技术，其最初被针对码分多址（CDMA）系统而提出。这里，处理时延由于多级操作而导致，并且误差传播对初始估计的精确性敏感。也称为“自干扰抵消”的类型II通过增加信号冗余来补偿ICI或ISI。其具有非常低的复杂度，但其带宽效率由于冗余而被降低。最后，类型III以较小尺寸的FFT操作缩短了传输块长度，并且由此对ISI和ICI更具鲁棒性。然而，系统带宽效率由于循环前缀的开销而被降低。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于高级均衡的方法和接收器装置以补偿由于快速变化信道产生的性能降级。

此目的通过一种方法来达到，该方法包括：

●在传输信道的接收端将收到的信号的数据块分割成至少两个子块；

●在频域中分别均衡所述子块；以及

●合并已均衡的子块以获得已均衡的信号。

另外，上述目的通过一种接收器装置来达到，所述接收器装置包括：

●分割单元，用于在传输信道的接收端将收到的信号的数据块分割成至少两个子块；

●至少两个均衡器单元，用于在频域中分别均衡所述子块；以及

●合并器单元，用于合并已均衡的子块以获得已均衡的信号。

进一步地，上述目的通过包括至少一个如上面所定义的发送装置的收发器设备来达到。

另外，上述目的通过一种计算机程序产品来达到，所述计算机程序产品包括当在计算机设备上运行时用于产生以上方法的步骤的代码装置。

相应地，全块尺寸的符号被分割成许多小的子块、被分别均衡并合并。所提出的均衡概念通过抑制多普勒导致的干扰来提供对高多普勒的鲁棒性。由于快速变化信道产生的性能降级可以由此被补偿。

所提出的解决方案以较小的块尺寸提供了与常规方案相同的性能，并且显著胜过使用全块尺寸的常规方案。然而，带宽效率可以仍然被维持。

在实施例的一方面，子块的均衡可以基于每个子块的专用信道脉冲响应。

在该实施例的可替换方面，子块的均衡可以基于前同步信号的信道估计和频域中的线性内插。

此外，可以在所提出的均衡之前针对所述子块的每一个执行串到并转换和快速傅立叶转换。

根据实现示例，接收到的信号可以是循环前缀辅助的单一载波信号，或可替换地是OFDM信号。

进一步的有利修改或改善限定在从属权利要求中。

附图说明

现在将基于实施例参考附图来描述本发明，其中：

图1示出了在其中本发明可以被实现的传输系统的示意图；

图2示出了指示数据块与时变信道之间的卷积过程的示意功能图；

图3示出了根据本实施例的子块式（subblock-wise）均衡过程的示意功能图；

图4示出了具有根据本实施例的子块式均衡器的传输系统的示意框图；

图5示出了根据本实施例的均衡过程的示意流程图；

图6至8示出了指示不同速度时各种可替换系统的误码率对噪声比（noise ratio）的图；以及

图9示出了本实施例的基于软件实现的示意框图。

具体实施方式

现在将基于OFDM传输系统来描述本实施例，在所述系统中采用具有FDE的接收器。然而，从以下描述将显而易见并且因此被明确强调，本发明可以被应用于其中可使用FDE技术的任何其它传输架构。

图1示出了不具有信道估计模块的示例性OFDM传输系统，根据本实施例的接收器可以被实现在该系统中。

在根据图1的OFDM系统中，在发送器侧，将被经由无线传输信道发送的每个数据块在逆快速傅立叶变换（IFFT）单元或应用IFFT操作的框10中被处理。然后，在前缀添加单元或框20中，循环前缀（CP）被添加到被变换的数据块，并且随后，经由无线传输信道发送具有所添加的CP的已变换的数据块。该CP典型地具有的长度大于由传输信道引入的最大时延扩展。

在接收器侧，在前缀移除单元或框30中例如基于帧同步（时延估计）移除所述CP。然后，在串/并转换单元或框40中，对具有已移除CP的接收信号进行串到并转换，并且随后通过在FFT单元或框50中执行的FFT操作将其变换到频域。此后，通过FDE单元或框60在频域中均衡已变换的信号，并且随后在并/串转换单元或框70中进行并到串转换。

具有已移除CP的离散时间接收信号可以被表示为

y=HQ^Hx+n     (1)

其中，x=[x₁x₂....x_M]^T是长度为M的被发送的数据，y=[y₁y₂....y_M]^T是具有CP移除的接收信号，以及n=[n₁n₂....n_M]^T是噪声向量。Q是FFT矩阵，以及()^H表示共轭转置操作。信道矩阵可以被建模为：

其中，h_ij表示第i个符号期间第j个路径的信道响应。假设信道状态是近似准静态的，则信道矩阵H变成可被近似为如下的循环卷积矩阵：

$H\≈\tilde{H}=Q^H\mathrm{\ΛQ}---\left(3\right)$

其中，Λ是对角矩阵。那么可以通过线性最小均方误差（LMMSE）检测器在频域中估计信号，例如

如果假设信道在一个OFDM符号内变化，则收到的信号可以被建模为：

$y=H{Q}^{H}x+n$

$=\tilde{H}{Q}^{H}x+(H-\tilde{H})Q^{H}x+n$

(5)

$=\tilde{H}{Q}^{H}x+E_r{Q}^{H}x+n$

$E_r=H-\tilde{H}$

其中，

是可以像在（3）中那样被建模的循环卷积矩阵，以及是Er是导致时域中的残留ISI或频域中的ICI的一个符号周期期间的信道变化矩阵。

然而，如在这里注意到的，因为常规一阶频域均衡器不能抑制由高多普勒导致的干扰，所以高多普勒干扰可以严重影响系统性能。

考虑到此，子块式FDE在本实施例中被实现，其是作为抵抗在一个OFDM符号内具有改变了的信道脉冲响应的高多普勒干扰的措施。特别地，将一个OFDM符号的卷积进行近似分解为P个长度为B的子块（M=P×B）。

图2示出了指示数据块与时变信道之间的卷积过程的示意功能图。横轴将被解释为时间轴，而纵轴指示OFDM数据块与时变信道之间的卷积过程。

尺寸为M的OFDM符号被分割成P个连续的尺寸为B的子块。假设信道状态或信道脉冲响应在每个子块期间是静态的，但逐子块地从信道脉冲响应h₀变化到信道脉冲响应h_P-1。可注意，可以通过对所述子块与时变信道状态之间的所有已分解的卷积求和来恢复实际收到的信号（图2中收到的数据块）。

图3示出了根据本实施例的子块式均衡过程的示意功能图，其可被看作是与图2相比的逆处理操作。再一次地，横轴将被解释为时间轴，而纵轴指示均衡过程。所提出的子块式频域均衡过程抑制由高多普勒导致的干扰。

具有已移除CP的尺寸为M的所接收的信号y在各分割级90-1至90-P中被分割为P个连续的尺寸为B的子块y_i，0≤i≤P一l，其中y_i=[y]_j,iB≤j≤(i+1)B一l。此种分割可以被建模为

y_i=S_iy,O≤i≤P一1

$S_i={\left[\begin{array}{ccc}{0}_{\mathrm{iBxiB}}& 0& 0\\ 0& E_{\mathrm{BxB}}& 0\\ 0& 0& 0_{(P-i-l)\mathrm{Bx}(P-i-l)}\end{array}\right]}_{\mathrm{MxM}}---\left(6\right)$

其中，E_BxB是尺寸为B的单位矩阵。

然后逐子块地均衡已分割的接收信号，例如：

(7)

其中，∧_i,是尺寸为M的对角矩阵，例如：

${\mathrm{\Λ}}_i=\mathrm{diag}\left\{Q\left[\begin{array}{c}{h}_i\\ 0_{M-L,1}\end{array}\right]\right\}---\left(8\right)$

作为可选的情况，还可以通过前同步信号上的信道估计和频域中的线性内插来获得∧_i，而不是像在方程（8）中那样对每个子块将信道脉冲响应从时域变换到频域。最后，可以通过对所有子块式已均衡信号求和来建模频域已均衡信号，例如：

图4示出了带有接收器或收发器的OFDM传输系统的示意框图，所述接收器或收发器具有根据本实施例的子块式FDE。

下文中，将仅描述图4的那些不同于图1的单元或框。如可从图4了解的，子块式FDE单元80被提供，其具有P个处理分支，其中，每个处理分支用于在相应的分割单元或框40-1至40-P中生成并处理子块中的一个，所述分割单元或框40-1至40-P可以被实现为具有选择性消隐或复位选项的寄存器单元，接下来是相应的FFT单元或框50-1至50-P，并且相应的FDE单元60-1至60-P被配置为按照已估计、已测量或已计算的信道脉冲响应h₀至h_P-1中的对应的一个来应用均衡。

最后，在合并单元或框85中合并已处理并均衡的子块。

在表1中给出了在所提出的子块式FDE接收器与常规全块FDE接收器之间，对于OFDM信号和CP辅助单载波信号（CP-SC）的复杂度比较。在所述比较中，所有信号具有相同的块尺寸。

表1

由用于子块的附加分割单元40-1至40-P添加的复杂度在表1中被忽略。可注意到，所提出的子块式FDE方案在OFDM系统中需要P倍的常规接收器的复杂度，并且在CP-SC系统中需要P/2倍的复杂度。然而，所增加的复杂度远小于最初提到的ISI/ICI抵消方案。

下文中，在表2中分析了具有不同FFT尺寸的带宽效率。

表2

假设512位的FFT尺寸和16位的CP长度，则对应的带宽效率分别为96.97%、94.49%和96.97%。所提出的方案对于用以抵抗高多普勒的半块尺寸，达到比常规方案高2.52%的带宽效率。

图5示出了根据本实施例的子块式均衡过程的处理步骤的示意流程图。

最初，在步骤S101中，已接收的数据块被分割或划分为预定数量的子块。关于这一点应当指出，复杂度增加与性能获得之间的有益折衷已经在小的P值处达到。从仿真结果可以注意到，当P=2时（即分割成两个子块）所提出的方案已达到收敛（convergence）。然而，当使用小的P值时，所增加的复杂度可以被忽略。

在步骤S102中，根据在子块的定时（timing）处（例如在相应的处理分支中或通过并行的处理操作）可适用的所分配的信道脉冲响应，分别均衡所述子块。最后，在步骤S103中，合并被分别均衡的子块以获得完整的已均衡的输出信号。

图6至8示出了这样的图，其指示对于各种可选系统以及通过在包括FDE接收器的终端设备的不同速度时的仿真所获得的以dB计的误码率（BER，bit error rate）对噪声比Eb/N0。这些各种可选系统是准静态OFDM、具有全块尺寸的常规FDE、具有半块尺寸的常规FDE以及所提出的根据本实施例的具有全块尺寸并且子块数P=2的FDE。

图6的图在30km/h的接收器速度时获得。在如此低的多普勒干扰的情况下，可选方案之间的差异是可忽略的。

图7示出了120km/h的接收器速度时的性能表现。所提出的根据本实施例的子块式FDE方案对于目标BER为10-2，胜过具有全块尺寸的常规方案大约2dB，并且具有与具有半块尺寸的常规方案和准静态信道中的理想FDE近似相同的性能。

250km/h的接收器速度时的更高多普勒干扰被计算并在图8中示出。所提出的根据本实施例的子块式FDE方案达到与具有半块尺寸的常规方案相同的性能，并且显著胜过不能达到目标BER水平的具有全块尺寸的常规方案。

根据本实施例的子块式FDE接收器由此提供了对高多普勒干扰的抵制。其提议将数据块分割成许多子块、分别均衡它们并在最后阶段合并它们，而不是像在常规解决方案中那样减小块尺寸以扩大子载波间隔。数字结果证明，所提出的方案对抵制高多普勒干扰是鲁棒的，并且可以显著提高带宽效率。

图9示出了所提出的子块式FDE接收器的基于软件实现的示意框图。这里，用处理单元210来实现图4中所示的接收器，其可以是任何具有控制单元的处理器或计算机设备，所述控制单元基于存储在存储器212中的控制程序的软件例程来执行控制。程序代码指令被从存储器212取出，并被加载到处理单元210的控制单元以执行上面结合各个图3和5或结合图4的FDE单元80的各个框描述的功能的处理步骤。可以基于输入数据DI来执行这些处理步骤，并生成输出数据DO，其中输入数据DI可以对应于已接收的数据块，并且输出数据DO可以对应于已均衡并合并的输出信号。

总之，一种用于子块式频域均衡的方法、接收装置和计算机程序产品已被描述，其中，已接收信号的数据块在传输信道的接收端被分割为至少两个子块。随后所述子块被在频域中分别均衡，并且已均衡的子块被合并以获得均衡的信号。由此，多普勒导致的干扰可以被抑制，以达到对高多普勒的增强了的鲁棒性，并且补偿由于快速变化的信道产生的性能降级。

应当注意本发明不限于上文所描述的实施例，而是可以实现在包含频域中的均衡方案的任何接收装置。本实施例由此可以在所附权利要求的范围内改变。

Claims (18)

1.一种方法，包括：

a.在传输信道的接收端将收到的信号的数据块分割成至少两个子块；

b.根据所述子块的定时处可适用的所分配的信道脉冲响应，分别均衡所述子块；以及

c.合并已均衡的子块以获得已均衡的信号。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括基于每个子块的专用信道脉冲响应均衡所述子块。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括基于前同步信号的信道估计和频域中的线性内插均衡所述子块。

4.根据前述权利要求中任一个所述的方法，包括在所述均衡之前对所述子块的每个的串到并转换和快速傅立叶变换。

5.根据前述权利要求中任一个所述的方法，其中，所述收到的信号是循环前缀辅助单载波信号。

6.根据权利要求1至4中任一个所述的方法，其中，所述收到的信号是正交频分多路复用信号。

7.一种接收装置，包括：

a.分割单元，用于在传输信道的接收端将收到的信号的数据块分割成至少两个子块；

b.至少两个均衡器单元，用于根据所述子块的定时处可适用的所分配的信道脉冲响应，分别均衡所述子块；以及

c.合并器单元，用于合并已均衡的子块以获得已均衡的信号。

8.根据权利要求7所述的接收装置，其中，所述至少两个均衡器单元被配置为基于每个子块的专用信道脉冲响应均衡所述子块。

9.根据权利要求7所述的接收装置，其中，所述至少两个均衡器单元被配置为基于前同步信号的信道估计和频域中的线性内插均衡所述子块。

10.根据权利要求7至9中任一个所述的接收装置，进一步包括在所述至少两个均衡器单元之前用于所述子块的每个的至少两个相应的串到并转换单元和至少两个相应的快速傅立叶变换单元。

11.根据权利要求7至10中任一个所述的接收装置，其中，所述接收装置被配置为接收循环前缀辅助单载波信号。

12.根据权利要求7至10中任一个所述的接收装置，其中，所述接收装置被配置为接收正交频分多路复用信号。

13.一种收发器设备，其包括至少一个根据权利要求7所述的接收装置。

14.一种设备，包括用于执行方法权利要求1的步骤的装置。

15.一种基站设备，其包括根据权利要求7所述的接收装置。

16.一种移动终端，其包括根据权利要求7所述的接收装置。

17.一种接收器模块，其包括根据权利要求7所述的接收装置。

18.一种传输系统，其包括至少一个根据权利要求7所述的接收装置。

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