CN1395779A - 自适应预编码 - Google Patents

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Abstract

数字收发系统包括下行信道及上行信道。在该系统中，发送机在下行信道发送信号并在上行信道接收信号。发送机包括预编码器。而且，发送机还包括与预编码器耦合的滤波系数更新器。该系统的接收机在下行信道接收信号并在上行信道发送信号。接收机包括具备多个分接头的线形均衡器。每个分接头具有相应的分接头系数。系数更新器配置成依据分接头系数动态更新滤波系数。

Description

自适应预编码
技术领域
本发明一般涉及数字收发信机，进一步详细地说是涉及在非对称通信网络中对经过有适应性地预编码的数字信号进行的接收和发送。
技术背景
近几年，宽频带(宽带)加入者系无线(FWA)技术作为实现单点对多点间的高速数据传送的有效方法已被得到广泛认识，这通过ETSIBRAN及IEEE802.16中的标准化活动已经被证明。另外，其详细内容可参照RES10/96 ETR7-10C报告书“The ETSI HIPERLAN LayerArchitecture”、1996年10月以及正在审议中的IEEE802.16 FWA相关的“IEEE802.16 Fixed Wireless Access Standard Committee试行方案”。
与多媒体对应的宽带无线系统必须解决衰落、多路径电波反射损伤以及使接收信号劣化的码间干扰(ISI：inter-symbolinterference)。例如，20Mb/s以上这样非常快的数据速度由于多媒体数据用的低比特错误率而要使用从时间离散微波多点配信系统(MMDS)带宽(<10GHz>)到由衰落主导的毫米波带宽(例如10-66GHz)的高频载波频率，导致这些问题的解决尤为困难。
最近有很多方法被提出。即，参照Matsumoto等人的“宽带无线访问用发送分集组合OFDM系统的结构及性能(Configuration andperformance of transmission-diversity-combined OFDM systems forbroadband wireless access)”Globecom 2000、以及Kang等人的“広带域無線アクセス用送信ダィバ-シティ組合せOFDMシステムの構成ぉょび性能：高速数字传送系统用模数型维他比解码器(Modulo-Type Viterbi Decoderfor High-Speed Digital Transmission System)”IEEE Comm.Let.，Vol.4，No.2，2000年2月。
这些依照现有技术的方法中包含单一载波M值正交调幅(M-QAM)系统以及基于正交频分多路(OFDM)的多路载波系统。它们在性能及实装的复杂程度的观点来看有所不同。
加入者系无线系统是尤其重要的。在本记述中，无线系统的基站(“小区塔”)称作“发送机”，加入者无线装置(client radios)例如蜂窝电话称作“接收机”。应该理解这些基站及加入者都能进行信号的发送和接收。
此种加入者系无线系统的一个特性就是其非对称的性质。本系统从基站(发送机)到多个加入者(接收机)之间具有一个强大的下行链路。本系统从各个加入者“接收机”到基站“发送机”之间具有一个较小的上行链路。设置少数基站进行运转的设置成本与较低成本的加入者无线装置的大小相比是比较高的，因此，要通过对基站加以进一步的处理来追求使复杂性、电力消耗及加入者的成本最低限化的系统的设计。
依照现有技术的一个减轻信号劣化的解决方法是在接收机内使用大规模的带有判断能力的回授均衡器(equalizer)。但是，这一解决方法将加大接收机的计算装置的复杂程度及成本。随着多路径电波反射失真的加大，其状况更加恶化。为了有助于接收机的均衡器的会聚，必须每每与(信息)数据同时发送较长的训练序列。这将减少在规定时间内可以传送的信息量。
因此，提供一个由可抑止接收信号的劣化且低成本和构造简单的接收机构成的收发信系统是最理想的。
发明内容
本发明提供一种无需过度增加接收机的复杂程度及成本就可减轻信号劣化的无线收发信系统。基于本发明的收发信系统基于适应型的信道预编码。在本收发信系统中，发送机在发送之前对输入数据应用动态的有适应性的预编码。预编码的应用基于从接收机接收到的反馈。
反馈使发送机能决定接收机均衡器(equalizer)的平均分支能量及峰值平均比率(peak-to-average ratio)。这将使呈时间性变动的信道状态在整体上可以高可靠性地运转，使本发明也可以适合伴有较大扰碍的无线及有线系统。另外，进行依从本发明的适应型预编码的收发信系统将减轻接收机的复杂程度。本收发信系统可以送出高保真度的多媒体声音、数据及图像。
本收发信系统使用适应型的TH(Tomlinson-Harashima)预编码器以及模数型维他比编码器。本收发信系统对适应型的调制和空间分集进行组合。这些特征将带来下述优点。
传统型的判断回授均衡器(DFE)所能发生的误传播问题可被最低限化，ISI将得到补偿。并可实现格构码的全编码增益及均衡增益。作为接收机系统的复杂程度将被明显减轻。空间分集通过对发送分集和适应型天线系统的使用得以实现，并将使通过能力及多路径电波反射扰碍排斥得到改善。适应型的调制使对用户的不同水平的服务成为可能，据此可以增大频谱效率和服务适用范围。
更详细地说，本发明将提供对在通信网络中所发送的信号进行适应型的预编码的方法和装置。数字收发信系统包含下行链路信道及上行链路信道。在本系统中发送机在下行链路信道上发送信号，在上行链路信道上接收信号。
发送机包含具有复数滤波器的预编码器。各滤波器具有对应的滤波系数。另外，发送机还包含与预编码器相结合的滤波系数更新器。本系统的接收机在下行链路信道上接收信号，在上行链路信道上发送信号。接收机包含具有复数分支的线性均衡器(equalizer)。各分支具有对应的分支系数。系数更新器是为了按照表示接收机频率响应的分支系数对预编码器的滤波系数进行动态更新而构成的。
附图说明
图1为依从本发明的收发信系统的结构图。
图2为传统型TH预编码器的结构图。
图3为图1所示收发信系统中的接收机的解调器/限幅器的结构图。
图4为图1所示收发信系统所选定的结构要素的结构图。
图5为对图4所示动态预编码器的系数进行更新的电路的结构图。
图6为图1所示收发信系统所采用的训练序列的结构图。
实施方式
本发明将提供在通信网络中减少信号劣化的数字收发信系统。网络可以是无线的也可是有线的。在收发信系统中，发送机对在下行链路信道上所传送的信号进行动态(动态)的且有适应性的预编码。适应性基于在通过来自系统的接收机的上行链路所获得的信号中所检测到的失真。
本发明使一般为接收机所采用的判断回授均衡器(equalizer)得以被更简单地引入。通过对接收机的均衡器的能量水平及信道频率特性曲线的平滑性进行分析可以使预编码动态适应信道的变化。
系统的说明
图1所示为基于本发明的发送机的主要编码步骤。110使源数据比特101转换为字节。120对字节里德所罗门(RS)编码以进行前方纠错(FEC)。130采用透平编码对编码后的信号进行交错、140再进行格构编码以使信号变换为QPSK、16及32QAM排列。然后，310采用TH(Tomlinson Harashima)预编码对编码后的信号进行有适应性的预编码以从接收机向发送机替换均衡函数。关于基于本发明的预编码下文将有更详细的阐述。
预编码之后，在170将信号调制为IF载波109之前，要经过带通滤波器160。IF信号通过选择指定的调制类型而被决定。
如图4所示，接收机逆向执行这些动作。首先输入被解调，然后施以模数型维他比解码化(MVD)，模数运算和传统型的维他比编码器(VD)被组合。与传统型VD相比较，MVD与TH预编码器相关联，将显著减少系统的复杂程度。
传统型TH预编码
图2所示为传统型的TH预编码200的结构。请参照通过引用在此编入的Tomlinson著的“采用模数运算的新自动均衡器(NewAutomatic Equalizer Employing Modulo Arithmetic)”(Electronics Let.，Vol.7，1971年3月)以及Tomlinson的美国专利4,860,317。在TH预编码器中，模数N加法器后续有串联结合的延迟线。延迟线的输出通过具有加权系数F(z)的乘法器反馈给加法器。这种类型的配置结构作为反向滤波器已被周知。
为简洁起见，在此仅就基带运算作以记述。符号201关于具有z转换H(z)效果的信道，采用模数N算术加法器210替代传统型加法器，在发送机100中被均衡或预编码。参数N被选定为足够大以收容将要传送的调节完毕的符号，均衡按如下实现。
模数N加法器的输出如下所示。
Y(z)＝(X(z)-Y(z)[H(z)-1])MOD(N)......(1)
在此，Y(z)的大小经常在从-N到+N的范围内。
在该时间范围内，对应的y[n]可如下表示。
y[n]＝x[n]-y[n]*(h[n]-δ[n])-k[n]N......(2)
在此，k[n]为反映模块式运算的时间波动整数。因此，信道输出209如下。
r[n]＝y[n]*h[n]＝y[n]*[δ[n]+h[n]-δ[n]]
    ＝y[n]+y[n](h[n]-δ[n])＝x[n]-k[n]N......(3)
输入x[n]通过依靠接收机的模数N运算对r[n]的通过得以复原。
接收机所对应的结构要素如图3所示。接收信号251通过同样的模数N运算260，接着被解调并对限幅器装置270作比较，决定其值即输出数据280。
传统型的TH预编码器200的引入很简单。不过，上述TH预编码形式一般适合于时间不波动的信道特性。实际上，这尤其对于无线链路是不切合现实的。在大部分时间，尤其在具有高度移动性的环境中，信道的特性决不是不变的。
因此，有必要对时间全程的信道特性进行推测。实际上，信道特性在复式通信链路上是可以推测的。这可以通过两种方法来实施。
在第1种方法中，接收机在正常工作时将其信道参数的推测值回送给发送机。信道参数的所有突然的变化都可以通过对系数F(z)的适宜调节或切换系统来发送训练序列一直到再次确立正确的链路而得到纠正。
在第2种方法中，经过上行链路从接收机向发送机周期性地发送训练序列。该训练序列可以被预编码器312使用以推测信道参数。
与图3同样可以使用下行链路接收机，并向发送机回送训练序列以调节预编码器的系统F(z)。不过，这对于具有取决于频率的衰落的宽带信道来说是不充分的。
因此，我们发明了下述适应型的信道预编码系统。
适应型TH预编码
系统结构
图4所示为基于本发明的适应型信道预编码收发信系统。系统300具有发送机(基站)310、复式非对称通信信道320以及接收机(加入者无线)330。在以下的说明中，将焦点只集中于和现有技术中已被周知之处有实质性不同的要素进行说明。
因而，发送机310具有适应型TH预编码器312、发送滤波器314、接收机解调器316及系数更新器(CU)318。TH预编码器312具有若干个乘法器，各乘法器具有对应的加权系数F(z)。
如上所述，信道320具有从“发送机”310到多个“接收机”330的强大的下行链路(信道)321以及从各个“接收机”到“发送机”310的较小的上行链路(信道)322。
接收机330具有与均衡器/限幅器334结合的解调器332。作为优点，本发明的接收机330内的均衡器与现有技术所使用的复杂的判断回授均衡器不同，而为单纯的线性。
系统的动作
在系统300工作之际，预编码器312及滤波器314从输入数据301生成通过下行链路321被传送的信号。被传送的信号在接收机中被接收及解调，并生成输出数据309。“接收机”330通过上行链路将数据回送给“发送机”310。接收机的数据被解调。如以下更详细的陈述，若干数据被用于更新TH预编码器312的系数F(z)。
尤其是，本发明的TH预编码器312的加权系数F(z)根据接收机的均衡器334的分支系数Ci而被周期性更新。接收到分支系数317时，CU通过对分支系数Ci的平方值的求和来决定下行链路接收机的均衡器的总能量E。
E(t)＝[C1(t)2+C2(t)2+...+Cn(t)2]/n......(4)
在此，n为分支Ci的总个数。请注意E(t)为时间的函数。起因于衰落或多路径电波反射效果的频率响应的倾斜(dip)在均衡器欲行补偿时将使对应于倾斜位置的这些分支的均衡器的系数从E(t)偏离。该偏离可由下式测定。
Di(t)＝[Ci-Ec]/E(t)......(5)
在此，Ec如下所示，为采用训练序列所决定的矫正完毕的分支系数，Di为总偏离。本发明使用Di(t)以调节TH预编码器滤波器F(z)系数。
被重新施以动态适应的F(z)如下所示。
F(z)＝[D1，*h(1)*z-1+D2*h(2)*z-2+...+Dn*h(n)*z-n]......(6)
图5所示为用以对本发明的适应型TH预编码器312的加权系数F(z)进行更新的电路。本电路包括2个输入寄存器401、402、1个输出寄存器403以及1个用以对数据进行同步化的内部寄存器404和闩锁405。区段410从被作为输入411提供的经过解码的分支权Ci决定“平方”系数Ci2。权在区段420按照上述方程式(4)被累加。被预置的矫正完毕的系数Ec412，并供给至线412，并与区段420的求和输出组合以在区段430中决定Di。输出仅作为加权系数F(z)的“增益”系数被传送给图4的线315上的预编码器312。
训练序列
如图6所示，本发明可以向在下行链路或上行链路的某个信道上所传送的数据502再附加训练序列501以使信号劣化进一步最低限化。训练序列有助于接收机的均衡器确立初始会聚(收敛)。另外，训练序列也可以被CU使用以对有关Ec和Di的一组基准值进行计算。
训练序列为采用多项式生成的预定义完毕的伪随机(PN)序列。该序列对于发送机和接收机来说是已知的。在取得信道之际，接收机的均衡器使用一个PN训练序列的局部记忆版本以与接收到的训练序列进行比较，并且二者的差异被用于对适应型均衡器的系数进行更新。由于均衡器在训练期间收敛，判断错误将逐渐减少。这将确保关于后续于训练序列的信息数据402的较小的判断错误。
多路天线振子
本发明的适应型的预编码可以与具有多路可变速率QAM天线振子的发送机进行组合。数据将通过不同的天线传送。为使信道失真或总分支偏离Di最低限化，将选择指定的天线。
我们采用固定无线系统作为一例就本发明作以记述，但请理解，本发明的系统可以与例如ADSL、VDSL及xDSL等家庭电话网络之类的有线系统共同使用。本发明的系统将与多级QAM及PSK调制格式以及其变化版本如16QAM、64QAM、256QAM、QPSK及8PSK之类共同动作。
系统模型
依从本发明的收发信系统的模型具有下述性能特征。本模型中采用具备与内侧格构(Trellis)码相联结的外侧里德所罗门(RS)码的DOCSIS标准(compliant)FEC系统。内侧编码速率对应带宽和数据速度是可变的，但RS编码速率则固定于(204、188)。关于QPSK模式，内侧码限制长度为7，所支持的速率为1/2、2/3、3/4、5/6、7/8。发送分集(transmit diversity)只应用于基站。在大部分实用系统中，下行链路的数据速度远远快于上行链路的数据速度，低速衰落为主导。关于下行链路和上行链路的双方发送，假定为依照时分多路(TDD)的时分多元连接(TDMA)形式。
本发明的系统的比特错误率(BER)性能可以采用附加性白色高斯噪音(AWGN)信道的一般传播模型进行调查。2套天线发送分集系统被采用。可以测定有效服务适用范围的改善以及固定的服务适用范围相关处理能力的提高。为了分析不同传播环境下的系统的性能，将调查2个载波频率，2GHz和26GHz。有关调制和FEC速率的各组的最大距离将被计算为各向同性辐射功率的推测值。数据速度采用12、24、36Mb/S。模型仅在基站侧基于空间分集。通过向来自移动终端的上行链路应用空间分集将实现补加增益。
产业利用的可行性
模型的性能及效果
对现有的TH预编码器200和固定信道响应进行比较，如上述模型化的、具有2个天线振子的适应型预编码系统在10-6的BER将提供高达6dB的S/N比的改善。
与使用下行链路接收机的判断回授均衡器的现有的收发信系统相比较，本发明的使用简单的线性均衡器的系统将使接收机的复杂程度至少减轻70％左右。本发明的系统具有响应速度更高这一优点，在发送机中进行适应型的预编码，所以不会象依照现有技术的线性均衡器那样使噪音增大。
以上采用本发明的理想的实施方式的诸例作了记述，但请理解，在本发明的宗旨及范围之内，其他诸般适应及修正都是可能的。因此，随附的权利要求范围的目的在于将属于本发明的真正宗旨及范围内的所有此种改变和修正作为对象。

Claims (10)

1.一种具有下行链路信道及上行链路信道通信网络的数字收发信系统，具备：
其构成为在所述下行链路信道上发送信号且在所述上行链路信道上接收信号的发送机，所述发送机包括具有复数的延迟线及具有对应的加权系数F(z)的乘法器的预编码器，系数更新器结合于所述预编码器以对所述加权系数F(z)进行更新；
其构成为对在所述下行链路信道上发送的所述信号进行接收且对在所述上行链路信道上接收的所述信号进行发送的接收机，所述接收机包括具有复数的分支的线性均衡器，该复数的分支具有对应的分支系数Ci，所述系数更新器构成为按照所述分支系数Ci对加权系数F(z)进行动态更新。
2.权利要求1记载的数字收发信系统，其中，
所述接收机向所述发送机周期性地发送所述分支系数Ci。
3.权利要求1记载的数字收发信系统，其中，
所述系数更新器通过对所述分支系数Ci的平方值进行求和来决定所述均衡器的总能量E，
E(t)＝[C1(t)2+C2(t)2+...+Cn(t)2]/n
其中，n为分支总个数，t为时间。
4.权利要求3记载的数字收发信系统，其中，
所述系数更新器决定通过下式测定的所述总能量的偏差Di，
Di(t)＝[Ci-Ec]/E(t)
其中，Ec为采用训练序列决定的矫正完毕的分支系数。
5.权利要求4记载的数字收发信系统，其中，
所述加权系数F(z)由下式表示，
F(z)＝[D1*h(1)*z-1+D2*h(2)*z-2+...+Dn*h(n)*z-n]
6.权利要求1记载的数字收发信系统，其中，
训练序列被所述发送机周期性地发送给所述接收机以确立初始加权及分支系数。
7.权利要求4或6记载的数字收发信系统，其中，
所述训练序列为采用多项式生成的预定义完毕的伪随机(PN)序列。
8.权利要求4记载的数字收发信系统，其中，
所述发送机还具有复数的可变速率天线振子和选择指定天线以使偏差Di最小化的单元。
9.权利要求1记载的数字收发信系统，其中，
所述通信网络为非对称且为无线。
10.一种在具有下行链路信道及上行链路信道的通信网络中交换信号的方法，包括：
采用复数的延迟线及复数的乘法器对输入信号进行预编码的步骤，其中各乘法器具有对应的加权系数；
在所述下行链路信道上对经过预编码的所述信号进行发送的步骤；
采用具有复数的分支的复数的线性均衡器对所述发送的信号进行接收的步骤，其中各分支具有对应的分支系数；
按照所述分支系数对加权系数进行动态更新的步骤。
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