CN104410479A - 一种支持mimo通信系统单载波两种带宽的数据通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种支持MIMO通信系统单载波两种带宽的数据通信方法，其数据发送帧格式主要包括同时支持两种带宽的前导码字段、解释数据发送方式所需基本信息的信令字段、支持两种数据带宽的信道估计字段及Data字段，所述方法为当接入点AP所建的基本服务集BSS为小带宽BSS时，通信发起者与通信响应者之间的通信为小带宽通信；当AP所建的BSS为大带宽BSS时，通信发起者与通信响应者之间的通信根据信道检测及通信双方带宽支持能力分为小带宽通信或者大带宽通信。与现有的多载波MIMO技术相比，本发明在没有明显提高系统复杂度的前提下，不仅灵活支持单载波系统的两种带宽，并能明显改善系统性能。

Description

一种支持MIMO通信系统单载波两种带宽的数据通信方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种支持多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)通信系统单载波两种带宽的数据发送帧格式及通信方法。
背景技术
目前，3GPP无线通信标准、无线局域网通信系统标准(IEEE802.11n和IEEE802.11ac)已采用MIMO技术作为一种提升通信系统容量的流行技术方法。MIMO通信系统是指发射端和接收端均配置多根天线的通信系统，其主要优势在于不增加发射功率及发射带宽的前提下，可以明显改善通信系统的信号强度，即分集增益，同时又可以明显提升通信系统的系统容量，即复用增益，而且实现多天线系统的阵列增益。
现有MIMO技术主要应用于正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)调制通信系统及3GPP通信系统上行链路系统，而且在后者的通信机制中，发射端通常在频域空间对发射信号做相应的信号处理，如比如预编码、空时编码等。针对单载波通信系统而言，现有通信系统主要集中研究单天线通信系统，而且很少文献研究单载波MIMO通信技术研究，特别是时域信号处理系统中加入循环移位及空时编码处理的研究更加少。由于结合这些技术之后导致单载波MIMO通信系统的接收机设计变得相当复杂，需要相当大的计算量。
基于上述发现，本发明公开了一种无线MIMO通信系统支持单载波两种带宽发送方式的物理层协议数据单元(PHY Protocol Data Unit,PPDU)格式：主要包括同时支持两种带宽的前导码字段、解释数据发送方式所需基本信息的信令字段、支持两种数据带宽的信道估计字段及Data字段。同时，本发明公开了一种支持无线MIMO通信系统单载波两种带宽数据通信方法。
发明内容
发明目的：针对单载波MIMO通信技术，本发明提供一种无线MIMO通信系统支持单载波两种带宽发送方式的物理层协议数据单元(PPDU)格式及通信方法。
技术方案：为了更清楚理解本发明的一种兼容单载波两种带宽MIMO通信系统的数据通信方法的技术方案，首先介绍一下本发明通信方法所基于的物理层协议数据单元(PPDU)的格式。本发明采用的单载波MIMO系统下支持两种带宽下的PPDU格式，主要包括：动态支持两种数据带宽的帧检测、自动增益控制、时频同步和信道估计的前导码字段(Q-band Training Field,QTF)、解释数据发送方式所需基本信息的信令字段(SIG-A)、支持两种数据带宽的信道估计和时频同步补偿的字段(Single Carrier Training Field,SCTF)及Data字段。本发明所提供的PPDU格式的主要目的是在同一基本服务集(Basic ServiceSet,BSS)内，实现不同带宽能力的站点间的共存，从而更好地利用频谱资源，提升通信系统容量。
本发明提供一种兼容基本服务集(Basic Service Set,BSS)内两种不同带宽站点(Station,STA)的单载波MIMO通信系统的数据通信方法，所述两种带宽分别指带宽为BHz的小带宽及带宽为2BHz的大带宽。小带宽的物理层协议数据单元(PPDU)依次包括前导码字段、信令字段和Data字段；大带宽的PPDU有两种格式BPPDUA和BPPDUB。本发明所提的PPDU格式可以分为三种主要的格式：SPPDU是指整个PPDU均由一个BHz带宽组成的小带宽发送的PPDU，BPPDUA是指前导码、信令字段及Data字段均由两个相邻BHz带宽组成的2BHz大带宽发送的PPDU，BPPDUB是指前导码、信令字段由两个相邻BHz带宽组成的2BHz大带宽发送，而Data字段由2BHz带宽发送的PPDU。
上文所述的PPDU格式中首先包括前导码字段(Q-band Training Field,QTF)和信令字段(SIG-A)，为保证工作在不同带宽的站点都可以接收前导码字段和信令字段，所提PPDU格式以小带宽为基本格式发送前导码字段和信令字段，即2BHz大带宽PPDU的前导码字段和信令字段由两个相邻BHz小带宽承载相同的前导码字段和信令字段组成；前导码字段主要用来完成帧检测、自动增益控制、时频同步和信道估计；信令字段由包含着各种解析数据发送方式所需的基本信息的各个比特位组成；PPDU中前导码字段和信令字段之后是Data字段，Data字段由用于补偿时频偏差和信道估计的SCTF和N个数据符号块组成的数据基本单元块组成；BPPDUA的数据字段由两个相邻BHz小带宽承载相同数据的Data字段或者由两个相同的相邻BHz带宽承载不同数据的Data字段组成2BHz大带宽PPDU的Data字段,每个BHz小带宽的Data字段由SCTF(长度为NBLS，表示每个单载波数据符号块中符号数)和N个数据符号块(每个数据符号块的长度为NBLS)组成的数据基本单元块组成；BPPDUB是指前导码字段和信令字段由两个相邻BHz小带宽承载相同的前导码字段和信令字段组成及Data字段由2BHz大带宽承载的PPDU，其Data字段由SCTF(数据符号块的为2NBLS)和N个数据符号块(每个数据符号块的长度为2 NBLS)组成的数据基本单元块组成。
所述通信方法包括：
(1)当接入点(Access Point,AP)所建BSS为小带宽(BHz)BSS时，BSS内所有通信均为小带宽通信，即通信发起者(Initiator，可以为AP也可以为站点STA)与通信响应者(Responder，可以为STA也可以为站点AP)之间的通信为小带宽通信，具体步骤包括：
(1.1)通信发起者检测信道是否空闲，若信道不空闲则放弃发送数据，若空闲则进入步骤(1.2)；
(1.2)通信发起者与通信响应者用小带宽PPDU格式进行握手操作通信，若他们之间的通信链路可用，则通信发起者与通信响应者之间以小带宽PPDU格式发送与接收数据，否则通信发起者放弃数据发送；
(2)当接入点(AP)所建BSS为大带宽(2BHz)BSS时，BSS内所有通信可以分为小带宽通信或者大带宽通信，即通信发起者(Initiator,可以为AP也可以为站点STA)与通信响应者(Responder,可以为STA也可以为站点AP)之间的通信可以分为小带宽通信或者大带宽通信，具体视信道检测及通信双方支持能力而定，主要步骤包括：
(2.1)若通信发起者只支持小带宽且检测的信道为空闲，则用小带宽PPDU格式与通信响应者进行握手操作通信，若他们之间的通信链路可用，则以小带宽PPDU格式发送与接收数据，否则放弃发送数据；
(2.2)若通信发起者支持大带宽，若通信发起者检测大信道为空闲进入步骤(2.3)，否则放弃发送数据；
(2.3)通信发起者用前导码、信令字段和Data字段都采用以小带宽为基本单元的复制方式的大带宽PPDU格式与通信响应者进行握手操作通信；若握手操作确认他们之间的通信链路的大带宽空闲可用，则通信发起者与通信响应者之间以BPPDUA或BPPDUB格式发送与接收数据；若握手操作确认他们之间只能建立小带宽通信，通信发起者与通信响应者之间以小带宽PPDU格式发送与接收数据。
上述步骤(1.2)、(2.1)和(2.3)中的通信发起者与通信响应者之间以小带宽PPDU格式发送与接收数据的具体步骤为：通信发起者首先发送前导码字段和信令字段，然后再发送Data字段；通信响应者接收到该格式的PPDU时，首先接收和解调前导码字段，并做相应的帧检测、自动增益控制、时频同步和信道估计；然后接收和解调信令字段，解析出数据发送的基本信息；最后接收和解调Data字段，恢复出发送的数据。
上述步骤(2.3)中的通信发起者与通信响应者之间以BPPDUA格式发送与接收数据的具体步骤为：通信发起者首先以小带宽为基本单元的复制方式发送前导码和信令字段，然后再发送Data字段部分，其中两个小带宽的Data字段的内容可以是不相同的也可以为复制的；当通信响应者接收到此种格式的PPDU时，首先解调前导码字段，并做相应带宽上的帧检测、自动增益控制、时频同步和信道估计；然后接收和解调信令字段，解析出数据发送方式的基本信息；最后接收和解调Data字段，恢复出发送数据。
上述步骤(2.3)中的通信发起者与通信响应者之间以BPPDUB格式发送与接收数据的具体步骤为：通信发起者首先以小带宽为基本单元的复制方式发送前导码和信令字段，然后先发送一个用于估计连续大带宽信道的零相关区(zero correlation zone，ZCZ)训练序列，最后发送格式如图3中所示的Data字段部分，其由SCTF(长度为2NBLS)和N个数据符号块(长度为2 NBLS)组成的数据基本单元块组成；
当通信响应者接收到此种格式的PPDU时，首先解调前导码字段，并做相应带宽上的帧检测、自动增益控制、时频同步和信道估计；然后接收和解调信令字段，解析出数据发送方式的基本信息；然后接收用于连续大带宽信道估计的训练序列得出连续大带宽估计的信道及进行频率同步跟踪、相位跟踪；在此基础上，最后接收和解调Data字段，恢复出发送数据。
有益效果：本发明提出了一种MIMO系统下支持单载波两种带宽下的物理层协议数据单元(PPDU)的格式和数据通信方法，可以在单载波MIMO系统中同一基本服务集内，实现运行不同带宽能力的站点间的共存，并能提高MIMO通信系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明540 MHZ带宽下的SPPDU格式图；
图2为本发明非连续1080 MHZ带宽下的BPPDUA格式图；
图3为本发明连续1080 MHZ带宽下的BPPDUB格式图；
图4为本发明非连续1080 MHZ带宽示意图；
图5为本发明连续1080 MHZ带宽示意图；
图6为本发明方法在同一BSS中AP与STA的数据发送和接收过程的示意图。
具体实施方式
下面以毫米波无线局域网(IEEE 802.11aj)为例，结合附图对本发明一种MIMO系统下支持单载波两种带宽下的物理层协议数据单元(PPDU)的格式作进一步详细说明。应理解这些实施案例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利。
本发明实施例中，IEEE 802.11aj支持单载波系统下两种带宽540MHz和1080MHz。一种MIMO系统下支持单载波两种带宽下的物理层协议数据单元(PPDU)的格式，主要包括：同时支持MIMO系统下的两种数据带宽的前导码字段(QTF)、解释数据发送方式所需基本信息的信令字段(SIG-A)、支持两种数据带宽的信道估计和细定时同步精频偏估计的字段(SCTF)及Data字段，本发明所提供的PPDU格式的主要目的是在同一基本服务集(BSS)内，实现不同带宽能力的站点间的共存。
为兼容基本服务集(Basic Service Set,BSS)中两种带宽站点(Station,STA)，本发明所提的物理层协议数据单元(PPDU)格式可以分为两种主要的格式：其一是540 MHZ带宽PPDU(SPPDU)，格式如图1所示，其二是1080 MHZ带宽PPDU，而且1080 MHZ带宽PPDU可以进一步分为由两540MHZ带宽构成的1080 MHZ带宽PPDU(BPPDUA)，格式如图2所示，应用于如图4所示的非连续1080 MHZ带宽情形，及部分540 MHZ带宽构成和部分1080 MHZ带宽构成的1080 MHZ带宽PPDU(BPPDUB)，格式如图3所示，应用于如图5所示的连续1080 MHZ带宽情形。
如图1-3所示，上文所述的PPDU格式中首先包括前导码字段(Q-bandTraining Field,QTF)和信令字段(SIG-A)，为保证工作在不同带宽的站点都可以接收前导码字段和信令字段，所提PPDU格式以540 MHZ带宽为基本格式发送前导码字段和信令字段，即1080 MHZ带宽PPDU的前导码字段和信令字段由两个复制的540 MHZ带宽前导码字段和信令字段组成；前导码字段主要用来完成帧检测、自动增益控制、时频同步和信道估计；信令字段由包含着各种解析数据发送方式所需的基本信息的各个比特位组成；PPDU中前导码字段和信令字段之后是Data字段，Data字段由用于补偿时频偏差和信道估计的SCTF(长度为256)和N个数据符号块(长度为256)组成数据基本单元块组成；BPPDUA的数据字段由相同的Data字段或者不同的540MHZ带宽Data字段组成1080 MHZ带宽PPDU的Data字段；BPPDUB是指前导码字段和信令字段由两个复制的540 MHZ带宽前导码字段和信令字段组成及Data字段为1080 MHZ带宽，其SCTF(长度为512)和N个数据符号块(长度为512)组成数据基本单元块组成。
如图6所示，本发明实施例公开的一种支持MIMO通信系统单载波两种带宽的数据通信方法，主要过程如下：
(1)当接入点(Access Point,AP)所建BSS为540 MHZ带宽(BW MHz)BSS时，BSS内所有通信均为540 MHZ带宽通信，即通信发起者(Initiator，可以为AP也可以为站点STA)与通信响应者(Responder，可以为AP也可以为站点STA)之间的通信为540 MHZ带宽通信，具体步骤为：
(1.1)Initiator需要发送数据时，首先检测信道是否空闲，若信道为空闲则进入步骤(1.2)，若不空闲则放弃发送数据；
(1.2)Initiator与Responder用小带宽PPDU格式进行握手操作，若他们之间的通信链路可进行通信，则Initiator首先发送前导码字段和信令字段，然后再发送Data字段；Responder接收到该格式的PPDU时，首先接收和解调前导码字段，并做相应的帧检测、自动增益控制、时频同步和信道估计；然后接收和解调信令字段，解析出数据发送的基本信息；最后接收和解调Data字段，恢复出发送的数据；若他们之间的通信链路不可进行通信，则Initiator放弃数据发送。
(2)当接入点(AP)所建BSS为1080 MHZ带宽BSS时，BSS内所有通信可以分为540 MHZ带宽通信或者1080 MHZ带宽通信，即通信发起者(Initiator,可以为AP也可以为站点STA)与通信响应者(Responder,可以为STA也可以为站点AP)之间的通信可以分为540 MHZ带宽通信或者1080MHZ带宽通信，具体视信道检测情况而定，Initiator首先检测信道是否空闲；
(2.1)若Initiator只能支持540 MHZ带宽且检测的信道为空闲，则用540 MHZ带宽SPPDU格式与Responder进行握手操作通信，若他们之间的通信链路可进行通信，则它们之间的数据发送和接收采用SPPDU的格式，过程如步骤(1.2)中所述；
(2.2)若Initiator能支持1080 MHZ大带宽，若Initiator检测大信道为空闲进入步骤(2.3)，否则放弃发送数据；
(2.3)Initiator采用BPPDUA且数据部分采用以540 MHZ带宽为基本单元的复制方式与Responder进行握手操作通信，根据握手情况采用不同方式与Responder通信：若握手操作确认他们之间的通信链路的大带宽1080MHZ空闲可用，则它们之间的数据发送和接收可以采用BPPDUA格式或者BPPDUB格式发送；若Responder在握手操作确认过程中指示Responder只能与Initiator建立540 MHZ带宽通信，则Initiator采用SPPDU方式与Responder进行数据通信，过程如步骤(1.2)中所述。
当采用BPPDUA格式发送时，Initiator首先发送复制的前导码和信令字段，如图2中的QTF和SIG-A部分；然后再发送Data字段部分，其中两个540 MHZ带宽的Data字段的内容可以是不相同的也可以为复制的，如图2中的Data部分；当Responder接收到此种格式的PPDU时，首先解调前导码字段，并做相应带宽上的帧检测、自动增益控制、时频同步和信道估计；然后接收和解调信令字段，解析出数据发送方式的基本信息；最后接收和解调Data字段，恢复出发送数据；
当采用BPPDUB的格式发送时，Initiator首先发送复制形式的前导码和信令字段，格式如图3中的QTF和SIG-A部分；然后在发送Data字段前，先发送一个用于估计连续大带宽1080 MHZ信道的零相关区(zero correlationzone，ZCZ)训练序列，最后发送格式如图3中所示的Data字段部分；当Responder接收到此种格式的PPDU时，首先解调前导码字段，并做相应带宽上的帧检测、自动增益控制、时频同步和信道估计；然后接收和解调信令字段，解析出数据发送方式的基本信息；然后接收用于连续大带宽1080 MHZ信道估计的训练序列，得出连续大带宽1080 MHZ估计的信道；在此基础上，最后接收和解调Data字段，恢复出发送数据；
本发明提出了一种MIMO系统下支持单载波两种带宽下的物理层协议数据单元(PPDU)的格式以及通信方法，可以在单载波MIMO系统中运行在同一BSS中的不同带宽的站点兼容共存，并协同工作，还能提高单载波MIMO通信系统的可靠性。

Claims (4)

1.一种支持多输入多输出(MIMO)通信系统单载波两种带宽的数据通信方法，其特征在于：所述两种带宽分别指带宽为B Hz的小带宽及带宽为2B Hz的大带宽；物理层协议数据单元(PPDU)依次包括前导码字段、信令字段和Data字段；支持两种带宽的PPDU格式包括三种：SPPDU指整个PPDU均由B Hz带宽组成的小带宽发送的PPDU；BPPDUA指前导码、信令字段及Data字段均由两个相邻B Hz带宽组成的2B Hz大带宽发送的PPDU；BPPDUB指前导码、信令字段由两个相邻B Hz带宽组成的2B Hz大带宽发送，而Data字段由2B Hz带宽发送的PPDU；
所述通信方法包括：
(1)当接入点(AP)所建立的基本服务集(BSS)为小带宽BSS时，通信发起者与通信响应者之间的通信为小带宽通信，具体步骤包括；
(1.1)通信发起者检测信道是否空闲，若不空闲则放弃发送数据，若空闲则进入步骤(1.2)；
(1.2)通信发起者与通信响应者用小带宽PPDU格式进行握手操作通信，若他们之间的通信链路可用，则通信发起者与通信响应者之间以小带宽PPDU格式发送与接收数据，否则通信发起者放弃数据发送；
(2)当AP所建的BSS为大带宽BSS时，通信发起者与通信响应者之间的通信根据信道检测及通信双方带宽支持能力分为小带宽通信或者大带宽通信，具体步骤包括：
(2.1)若通信发起者只支持小带宽且检测的信道为空闲，则用小带宽PPDU格式与通信响应者进行握手操作通信，若他们之间的通信链路可用，则以小带宽PPDU格式发送与接收数据，否则放弃发送数据；
(2.2)若通信发起者支持大带宽，若通信发起者检测大信道为空闲进入步骤(2.3)，否则放弃发送数据；
(2.3)通信发起者用前导码、信令字段和Data字段都采用以小带宽为基本单元的复制方式的大带宽PPDU格式与通信响应者进行握手操作通信；若握手操作确认他们之间的通信链路的大带宽空闲可用，则通信发起者与通信响应者之间以BPPDUA或BPPDUB格式发送与接收数据；若握手操作确认他们之间只能建立小带宽通信，通信发起者与通信响应者之间以小带宽PPDU格式发送与接收数据。
2.根据权利要求1所述的支持MIMO通信系统单载波两种带宽的数据通信方法，其特征在于，所述步骤(1.2)中的通信发起者与通信响应者之间以小带宽PPDU格式发送与接收数据的具体步骤为：
通信发起者首先发送前导码字段和信令字段，然后再发送Data字段；
通信响应者接收到该格式的PPDU时，首先接收和解调前导码字段，并做相应的帧检测、自动增益控制、时频同步和信道估计；然后接收和解调信令字段，解析出数据发送的基本信息；最后接收和解调Data字段，恢复出发送的数据。
3.根据权利要求1所述的支持MIMO通信系统单载波两种带宽的数据通信方法，其特征在于，所述步骤(2.3)中的通信发起者与通信响应者之间以BPPDUA格式发送与接收数据的具体步骤为：
通信发起者首先以小带宽为基本单元的复制方式发送前导码和信令字段，然后再发送Data字段部分，其中两个小带宽的Data字段的内容可以是不相同的也可以为复制的；
当通信响应者接收到此种格式的PPDU时，首先解调前导码字段，并做相应带宽上的帧检测、自动增益控制、时频同步和信道估计；然后接收和解调信令字段，解析出数据发送方式的基本信息；最后接收和解调Data字段，恢复出发送数据。
4.根据权利要求1所述的支持MIMO通信系统单载波两种带宽的数据通信方法，其特征在于，所述步骤(2.3)中的通信发起者与通信响应者之间以BPPDUB格式发送与接收数据的具体步骤为：
通信发起者首先以小带宽为基本单元的复制方式发送前导码和信令字段，然后先发送一个用于估计连续大带宽信道的零相关区训练序列，最后发送Data字段部分，所述Data字段中的用于信道估计和时频同步补偿的字段长度和数据符号块的长度均为小带宽Data字段的两倍；
当通信响应者接收到此种格式的PPDU时，首先解调前导码字段，并做相应带宽上的帧检测、自动增益控制、时频同步和信道估计；然后接收和解调信令字段，解析出数据发送方式的基本信息；然后接收用于连续大带宽信道估计的训练序列得出连续大带宽估计的信道及进行频率同步跟踪、相位跟踪；在此基础上，最后接收和解调Data字段，恢复出发送数据。
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