发明内容
发明目的:针对现有的无线局域网标准,提出了一种引入OFDMA机制的方法。本发明所提供的方案在OFDMA机制的基础上支持空分多址,以进一步提高系统吞吐率和减小用户接入延时的机制。
技术方案:为了实现上述发明目的,本发明采用如下技术方案:
一种在宽带无线局域网中实现OFDMA技术的数据发送方法,所述无线局域网通信的帧格式包括前导码、信令字段A、多载波训练字段、信令字段B和数据字段,其中,信令字段A中包括用于指示发送站点调度的用户的分组号的字段、用于指示各个用户空时流个数的字段和用于指示资源块与用户分配关系的字段,信令字段B中包括用于指示各个用户调制编码方式的字段和数据字节数的字段;
所述方法包括如下步骤:
(11)根据发送站点调度的用户的分组号、各个用户空时流个数以及资源块与用户分配关系配置信令字段A中的相应字段;
(12)根据各个用户的调制编码方式和数据字节数分别配置各个用户的信令字段B中的相应字段;
(13)发送前导码和信令字段A;
(14)生成用于估计OFDM-MIMO发送的等效信道的多载波训练字段,并经过空间映射操作送到各个发射链路;
(15)将各个用户的信令字段B经过基本基带信号处理、空间映射、逆快速傅里叶变换和加入保护间隔形成各个射频链路上的发送序列;
(16)将各个用户的数据分别经过基本基带信号处理后,再经过资源块映射、空间映射、逆快速傅里叶变换和加入保护间隔形成各个射频链路上的发送序列。
优选的,所述用于指示资源块与用户分配关系的字段由子字段Bitmap[r],r=0,...,NRB-1构成,Bitmap[r]子字段的长度为NU个比特,分别指示资源块r关于用户u的分配,u=0,...,NU-1,NRB为资源块数目,NU为用户数。
资源块数目NRB取值的计算步骤如下:
A)计算系统相关度大于0.5的带宽Bc,其计算公式如下:
(公式1)
其中,στ表示均方根时延扩展,στ定义如下:
(公式2)
其中,τk表示第k条径的时延,βk表示第k条径的径幅度的模值;
B)计算每个资源块包含的子载波数Nc,Nc的计算公式如下;
(公式3)
其中,Δf表示系统的子载波间隔;
C)计算资源块的数目NRB,NRB的计算公式如下:
(公式4)
其中,NSD表示每个OFDM符号的数据子载波数。
一种与上述数据发送方法对应的在宽带无线局域网中实现OFDMA技术的数据接收方法,包括如下步骤:
(21)接收数据帧并解调信令字段A,若信令字段A循环冗余校验通过,则进入步骤(22),否则不处理该帧的后续字段;
(22)读取信令字段A中的指示发送站点调度的用户的分组号的字段值,若该字段值是1至62之间的整数,并且该字段值指示的分组包含本用户,则进入步骤(23),否则按照单用户的方式处理该帧的后续数据;
(23)读取信令字段A中的指示各个用户空时流个数的字段和指示资源块与用户分配关系的字段,根据这两个字段的值确定本用户对应的空时流在资源块中的位置;
(24)根据步骤(23)得到的本用户空时流在资源块中的位置,估计MIMO-OFDM等效信道;
(25)利用步骤(24)得到的MIMO-OFDM等效信道,解调信令字段B,如果信令字段B循环冗余校验通过,则读取信令字段B的调制编码方式字段和数据字节数字段获得该数据帧的调制编码方式和数据字节数,否则,放弃该数据帧的后续数据字段;
(26)对随后的数据字段去保护间隔和逆快速傅里叶变换,利用步骤(24)信道估计的结果,均衡本用户对应的资源块上子载波,根据步骤(25)所得的调制编码方式和数据字节数的指示,再经过基本基带信号处理获得发送数据。
一种采用上述发送方法的在宽带无线局域网中实现OFDMA技术的数据发送装置,包括:
信令字段A配置模块,用于根据发送站点调度的用户的分组号、各个用户空时流个数以及资源块与用户分配关系配置信令字段A中的相应字段;
信令字段B配置模块,用于根据各个用户的调制编码方式和数据字节数分别配置各个用户的信令字段B中的相应字段;
信令字段A发送模块,用于发送前导码和信令字段A;
多载波训练字段生成与发送模块,用于生成用于估计OFDM-MIMO发送的等效信道的多载波训练字段,并经过空间映射操作送到各个发射链路;
信令字段B发送模块,用于将各个用户的信令字段B经过基本基带信号处理、空间映射、逆快速傅里叶变换和加入保护间隔形成各个射频链路上的发送序列;
以及,
数据字段发送模块,用于将各个用户的数据分别经过基本基带信号处理后,再经过资源块映射、空间映射、逆快速傅里叶变换和加入保护间隔形成各个射频链路上的发送序列。
一种采用上述接收方法的在宽带无线局域网中实现OFDMA技术的数据接收装置,包括:
信令字段A解调模块,用于接收数据帧并解调信令字段A,并进行循环冗余校验,根据校验结果确定继续处理还是放弃后续字段;
帧格式判断模块,用于读取信令字段A中的指示发送站点调度的用户的分组号的字段值,若该字段值是1至62之间的整数,并且该字段值指示的分组包含本用户,则按照OFDMA方式处理该帧的后续数据,否则按照单用户方式处理该帧的后续数据;
资源块计算模块,用于读取信令字段A中的指示各个用户空时流个数的字段和指示资源块与用户分配关系的字段,根据这两个字段的值确定本用户对应的空时流在资源块中的位置;
信道估计模块,用于根据资源块计算模块得到的本用户空时流在资源块中的位置,估计MIMO-OFDM等效信道;
信令字段B解调模块,用于利用步骤信道估计模块得到的MIMO-OFDM等效信道,解调信令字段B,并进行循环冗余校验,若校验通过则读取本用户对应的调制编码方式和数据字节数,否则,放弃该数据帧的后续数据字段;
数据字段解调模块,用于对随后的数据字段去保护间隔和逆快速傅里叶变换,利用信道估计模块得到的信道估计的结果,均衡本用户对应的资源块上子载波,再经过基本基带信号处理获得发送数据。
一种包括上述数据发送装置和数据接收装置的在宽带无线局域网中实现OFDMA技术的收发系统。
有益效果:与现有的技术相比,在毫米波无线局域网中实现OFDMA方案提高无线系统的多用户增益和频率选择性增益。进一步提高系统的吞吐率和减小用户的接入延时,除了部分信令开销,相对传统的MU-MIMO技术方案,本技术方案不会造成额外的系统开销。
具体实施方式
本发明的技术可以用于各种宽带无线通信系统,实现的无线节点可以包括接入点或者接入终端,这种通信系统的例子包括毫米波无线多输入多输出通信系统等。
本发明需要无线局域网协议支持两种信令字段,即信令字段A和信令字段B承载解调该物理层协议数据单元(PPDU)的基本信息。信令字段A中需要有用于指示发送站点调度的用户的分组号的GroupID字段和用于指示各个用户空时流个数NSTS/PAID字段,信令字段B需要MCS字段和Length字段分别指示各个用户的调制编码方式和数据字节数。由于现有的无线局域网IEEE 802.11ac和IEEE 802.11aj最多支持4个用户,为了兼容现有的标准协议,本发明支持4个用户。
下面以毫米波无线局域网(IEEE 802.11aj)540MHz带宽下混合载波机制发送为例详细本发明的操作步骤,系统的采样率是660MHz,所述的子载波数量是256,有效子载波是179,包括8个导频子载波,3个直流子载波和168个数据子载波。各个子载波的分布情况如图1所示,资源块的数目NRB计算如下:
1)在毫米波无线局域网中,均方根时延扩展στ=10ns,信号相关度大于0.5的带宽Bc计算公式如下:
(公式5)
2)计算每个资源块包含的子载波的数量Nc,子载间隔Δf的计算公式如下:
Δf=660/256=2.5781MHz (公式6)
资源的数目Nc计算公式如下:
(公式7)
3)计算资源块的数目NRB,在毫米波通信系统中,NSD=168,NRB计算公式如下:
(公式8)
即在毫米波无线局域网中,每个资源块包含8个子载波。按照数据子载波划分,可以得到168/8=21个资源块。资源块和子载波的对应关系如表1所示。
表1:资源块和子载波的对应关系(540MHz)
本发明中涉及到到帧格式的修改,原始的帧格式可参考申请号为201410239319X的专利,修改之后的帧格式如图2所示,主要包括:
1.采用B38到B40的3个比特的Midamble字段配置单载波导频符号块的出现频率;
2.采用B41到B44的4个比特的SU MCS字段配置单用户的调制编码方式;
3.采用B45的1个比特的Precoded字段配置是否采用预编码;
4.采用B46到B56的11个比特的NSTS/PAID字段配置空时流数目和部分关联标识符;
5.采用B57到B140的84个比特的RBALLO(Resource Block Allocation)字段配置资源块的分配,所述的RBALLO字段长度为84个比特,由子字段Bitmap[r],r=0,...,20构成,Bitmap[r]子字段的长度4个比特,指示资源块r的分配情况。
6.采用B141到B143的3个比特的Reserved字段增强系统的可扩展性;
7.采用B144到B151的8个比特的CRC字段配置循环冗余校验(CRC)。
RBALLO字段的配置步骤如下,不失一般性,以Bitmap[0]的设置为例,其中,Bitmap[0]包含4个,第一个比特指示用户0在资源块0中是否有发送数据,0表示没有数据,1表示有数据,第二个比特指示用户1在资源块0中是否有发送数据,0表示没数据,1表示有数据,以此类推。例如
1.Bitmap[0]取值为0001,表示只有用户3的数据在资源块0中发送;
2.Bitmap[0]取值为1111,表示用户0-3的数据通过空间复用资源块0中发送;
3.Bitmap[0]取值为1100,表示用户0和用户1的数据通过空间复用在资源块0中发送。
示例:假设发送站点调度的站点(即需要接收数据的站点)的分组号为60,用户0分配的资源块集合为{0,1,3,5,7,9},用户1分配的资源块集合为{0,2,4,6,8,20},用户2分配的资源块集合为{0,10,11,12,13,14,15},用户3分配的资源块的集合为{0,16,17,18,19},各个用户的空间流数均为2。
下面结合上述具体示例和附图,对本发明方法和装置进一步说明:
一种在宽带无线局域网中实现OFDMA技术的数据发送方法,包括如下步骤:
11)根据调度站点分组号配置信令字段A的子字段GroupID,GroupID子字段的取值为1至62之间的某个数,配置NSTS/PAID字段,分别配置子字段NSTS/PAID的子字段MU[u]NSTS,u=0,...,3,即指示了用户u在其对应的资源块上空时流的个数,根据资源块在用户上的分配关系配置RBALLO字段,分别配置每个资源块r的对应Bitmap[r]字段;在本示例中即将60写入信令字段A的子字段GroupID,子字段Nsts/PAID和子字段RBALLO的配置方法如图3和图4所示;
12)配置各个用户的信令字段B,即分别将用户0-3的编码调制方式和数据的字节数写入各个用户各自的MCS字段和Length字段;
13)以传统的方式发送前导码和信令字段A,如毫米波无线局域网标准IEEE802.11aj中,前导码、信令字段A和数据字段采用单载波方式发送,具体操作方式可参考专利申请号为2014104316959的专利;其中信令字段A的发送过程包括扰码,LDPC编码,星座映射,交织,循环移位,插入保护间隔和脉冲成型;
14)生成用于估计MIMO-OFDM等效信道的多载波训练字段,多载波训练字段的长度取决所有用户的空时流数之和,定义在频域的序列和一个正交映射矩阵生成与空间数据流数对应的多载波训练字段;在本示例中,所有用户总的空时流数为8,因此多载波训练字段包括8个OFDM符号,由定义在频域的序列和一个空间映射矩阵P生成,P的定义如下:
(公式9)
其中,P4×4的定义如下:
(公式10)
多载波训练字段经过空间映射操作送到各个发射链路;
15)分别对用户u,u=0,...,3的信令字段B进行基带信号处理,空间映射,再经过逆快速傅里叶变换(IFFT)和加入保护间隔形成各个链路上的发送序列,其中的空间映射方法和步骤14采用同一种映射方法;
16)各个用户的数据各自独立的经过基本基带信号处理,然后经过资源块映射,如在本示例中,用户0的数据映射到子载波{-89,–88,–87,–86,–85,–84,–83,–83,–81,–80,–79,–78,–76,–75,–74,–73,–64,–63,–62,–61,–60,–59,–58,–57,–47,–46,–45,–44,–43,–42,–41,–40,–30,–29,–28,–27,–26,–25,–24,–23,–14,–13,–12,–10,–9,–8,–7,–6},再经过空间映射,IFFT和插入保护间隔形成各个射频链路上的发送序列,数据字段的发送如图5所示。
一种在宽带无线局域网中实现OFDMA技术的数据发送方法,包括如下步骤:
21)接收站点接收数据帧并解调信令字段A,如果循环冗余校验(CRC)通过进入步骤22,如果CRC校验失败,则站点不处理该帧的后续字段;
22)读取GruopID字段,GruopID的值是1至62之间的某个数,并且该GroupID指示的分组中包含本用户,则该物理层协议数据单元(PPDU)是一个OFDMA PPDU,执行步骤23,否则,按照单用户方式执行后续的处理;
23)读取信令字段A中RBALLO字段,根据RBALLO字段的子字段值Bitmap[r],r=0,...,20的指示,判断该资源r是否属于本用户,结合NSTS/PAID字段的指示,确定本用户对应的空时流的位置,具体操作方式可参考专利申请号为2014105643483的专利;
24)根据步骤23得到的本用户空时流的位置,估计MIMO-OFDM等效信道;
25)利用步骤24所得的MIMO-OFDM等效信道,解调信令字段B,如果CRC通过,则读取本用户对应的数据的MCS和字节数;否则,放弃该PPDU的后续数据字段;
26)对随后的接收字段去保护间隔和逆快速傅里叶变换(IFFT),利用步骤24信道估计的结果,均衡本用户对应的资源块上子载波,根据步骤25所得的MCS和数据字节数的指示,经过基本基带信号处理获得发送数据。
一种采用上述发送方法的在宽带无线局域网中实现OFDMA技术的数据发送装置,包括:
信令字段A配置模块,用于根据发送站点调度的用户的分组号、各个用户空时流个数以及资源块与用户分配关系配置信令字段A中的相应字段;
信令字段B配置模块,用于根据各个用户的调制编码方式和数据字节数分别配置各个用户的信令字段B中的相应字段;
信令字段A发送模块,用于发送前导码和信令字段A;
多载波训练字段生成与发送模块,用于生成用于估计OFDM-MIMO发送的等效信道的多载波训练字段,并经过空间映射操作送到各个发射链路;
信令字段B发送模块,用于将各个用户的信令字段B经过基本基带信号处理、空间映射、逆快速傅里叶变换和加入保护间隔形成各个射频链路上的发送序列;
以及,
数据字段发送模块,用于将各个用户的数据分别经过基本基带信号处理后,再经过资源块映射、空间映射、逆快速傅里叶变换和加入保护间隔形成各个射频链路上的发送序列。
一种采用上述接收方法的在宽带无线局域网中实现OFDMA技术的数据接收装置,包括:
信令字段A解调模块,用于接收数据帧并解调信令字段A,并进行循环冗余校验,根据校验结果确定继续处理还是放弃后续字段;
帧格式判断模块,用于读取信令字段A中的指示发送站点调度的用户的分组号的字段值,若该字段值是1至62之间的整数,并且该字段值指示的分组包含本用户,则按照OFDMA方式处理该帧的后续数据,否则按照单用户方式处理该帧的后续数据;
资源块计算模块,用于读取信令字段A中的指示各个用户空时流个数的字段和指示资源块与用户分配关系的字段,根据这两个字段的值确定本用户对应的空时流在资源块中的位置;
信道估计模块,用于根据资源块计算模块得到的本用户空时流在资源块中的位置,估计MIMO-OFDM等效信道;
信令字段B解调模块,用于利用步骤信道估计模块得到的MIMO-OFDM等效信道,解调信令字段B,并进行循环冗余校验,若校验通过则读取本用户对应的调制编码方式和数据字节数,否则,放弃该数据帧的后续数据字段;
数据字段解调模块,用于对随后的接收字段去保护间隔和逆快速傅里叶变换,利用信道估计模块得到的信道估计的结果,均衡本用户对应的资源块上子载波,再经过基本基带信号处理获得发送数据。