CN1534910A - 正交频分复用无线通信系统与信道补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是一种可操作在频率选择性信道上的OFDM(正交频分复用)无线通信系统和一种信道补偿方法。发射机的IDFT(反离散傅里叶转换)单元包括第一到第三N点IDFT单元，并对二进制信息信号执行两次IDFT。接收机的DFT(离散傅里叶转换)单元包括第一到第三N点DFT单元、信道预测器与内插器以及信道补偿器，并且对从发射机中收到的信号执行两次DFT。

Description

正交频分复用无线通信系统与信道补偿方法

技术领域

本发明涉及一种可操作在频率选择性信道上的OFDM(正交频分多路复用)无线通信系统。更明确地说，本发明涉及一种信道补偿系统及其方法。

背景技术

OFDM方法是用于改善每一通信带宽的数据速率并防止由多径衰落信道引起的干扰的数字调制方法。近来，OFDM方法已被广泛应用于通信方法中，用于提供移动多媒体服务。

例如，ADSL与VDSL系统的有线通信方法采用数字音频广播和数字视频陆上广播的无线标准所使用的OFDM方法。另外，为从2.4到5GHz的W-LAN通信方法将这些OFDM方法标准化为IEEE802.11a与802.16。

当在上面指出的OFDM系统中通过移动信道发射高速率数据时，移动信道被形成模式为频率选择性衰落信道，并且这种OFDM无线通信系统把从循环扩展中获得的防护间隔加到一个OFDM信号上，并且发射它们以解决由频率选择性衰落信道的延迟扩展所引起的码间干扰。

详细地说，传统的OFDM无线通信系统提供用于数据调制与解调的一个IDFT(反离散傅里叶转换)单元和一个DFT(离散傅里叶转换)给发射机和接收机。当接收机接收到来自发射机的一个信号并通过使用DFT单元解调该信号时，以发射信号的产品格式表示解调的频率选择性衰落信道信号。这样，接收机的信道预测器通过使用一个导频码元来预测以产品格式表示的该信道的幅度与相位，并且通过使用预测的该信道的幅度与相位执行信道补偿。也就是说，通过把解调的OFDM信号乘以一个复共轭来执行信道补偿，所述复共轭是一个信道预测值，其比后面跟着一个卷积操作的传统信道补偿更简单、更容易执行信道补偿。

但是，传统信道补偿方法没有考虑在信道幅度急剧降低、并且降低了由突发错误产生所引起的总性能时的情况。另外，该信道补偿方法增加了BER(误码率)并允许低数据速率。

单个载波通信系统使用信道预测器的结果来执行信道补偿，以便补偿频率选择性衰落信道，但是该信道补偿方法有一个缺点：需要使用一个信道预测器和一个复合的均衡器。

因此，需要一种信道补偿系统和方法，用于在OFDM无线通信系统中减少具有窄信道幅度的间隔的BER。

发明内容

本发明的一个优点是提供一种可操作在频率可选择信道上的OFDM无线通信系统，用于减少具有窄信道幅度的间隔中的BER并改良总误码率，以及该无线通信系统的信道补偿方法。

本发明的另一优点是提供一种可操作在频率可选择信道上的OFDM无线通信系统，用于至少加倍数据速率并且利用同一频率在投资方面获得更高的经济利益，以及该无线通信系统的信道补偿方法。

在本发明的一个方面中，在通过使用多径衰落信道用于发射并接收数据的无线通信系统中，一个OFDM无线通信系统包括：发射机，用于对一个信息发射向量至少执行两次IDFT，来把该信息发射向量调制成为一个OFDM信号，通过多径衰落信道发射调制的该OFDM信号，将用于预测多径衰落信道的幅度与相位的导频码元向量调制成为OFDM信号，并且通过多径衰落信道发射调制的该OFDM信号；和接收机，用于解调通过多径衰落信道接收到的导频码元向量，以便预测多径衰落信道的幅度与相位，使用预测的幅度与相位来补偿与收到的信息发射向量相乘的幅度与相位，对经过补偿的信息发射向量执行DFT，以便把在具有低于平均值的信道幅度的一个特定间隔中将由信道补偿增加的噪声信号值平均成为一个OFDM码元间隔内的平均值，并且输出所述平均值。

在本发明的另一方面中，一种无线通信系统包括：用于使用多径衰落信道发射数据的发射机和用于接收来自发射机中的数据的接收机，所述无线通信系统包括：映射器，用于按照MQAM(M-ary正交幅度调制)方法将外部接收到的二进制信息序列映射到至少一个码元；串并转换器，用于把映射的码元转换成为向量数据，所述向量数据是信息发射向量；包括至少一个(最好是M个)IDFT单元的第一IDFT单元，用于对所述经过转换的信息发射向量执行IDFT；交织器，用于在第一方向上把从IDFT单元中收到的各自发射向量的子信道值写入一个M×N存储缓存器中；包括至少一个(最好是M个)IDFT单元的第二IDFT单元，当完成第一方向上的写入动作时，用于在第二方向上读取第一方向上写入的子信道值，对读取的子信道值执行IDFT，并且把读取的子信道值调制成OFDM信号；用于把导频码元向量调制成OFDM信号的第三IDFT单元，所述导频码元向量用于预测多径衰落信道的幅度与相位；和一个并串转换器与防护间隔插入器，用于将一个防护间隔插入到从第二IDFT单元中收到的信号中，把防护间隔插入的信息发射向量转换成为串行信号，并发射所述串行信号，然后把防护间隔插入的导频码元向量转换成为串行信号，并把该串行信号发射给发射机。

所述无线通信系统还进一步包括：一个防护间隔消除器与串并转换器，用于消除来自所述经过转换与接收的串行信号中的防护间隔，并且把消除防护间隔的串行信号分别转换成为信息发射向量和导频码元向量；包括至少一个DFT单元的第一DFT单元，用于把所述经过转换的信息发射向量解调成为OFDM信号；第三DFT单元，用于把经过转换的导频码元向量解调成为OFDM信号；信道预测器和内插器，用于使用经过解调的导频码元向量来预测多径衰落信道的幅度与相位；信道补偿器，用于按照预测的信道幅度与相位，补偿与解调的信息发射向量相乘的信道的幅度与相位；解交织器，用于在第一方向上把补偿的信道信号写入M×N存储缓存器中；包括至少一个(最好是M个)IDFT单元的第二DFT单元，用于在第二方向上从在第一方向上写入的信道补偿信号中读取具有较小信道自相关的信号，对读出的信号执行DFT，并且把它们解调成为OFDM信号；一个并串转换器，用于把已解调信号转换成为串行信号；和解码器，用于把转换的串行信号恢复成为二进制信息序列，并且输出所述二进制信息序列。

在本发明的另一方面中，一种在使用多径衰落信道用于发射并接收数据的无线通信系统中用于补偿信道的方法，包括：(a)对用于信息传输的向量执行IDFT，以便将向量调制成为OFDM信号，并且通过多径衰落信道发射所述调制信号；(b)将用于预测多径衰落信道的幅度与相位的一个导频码元向量调制成为一个OFDM信号，并且通过多径衰落信道发射所述调制信号；(c)对通过多径衰落信道接收到的导频码元向量进行解调，以便预测多径衰落信道的幅度与相位；(d)通过使用信道的预测幅度与相位，来补偿与接收到的信息发射向量相乘的信道幅度与相位；和(e)对经过补偿的信道信号执行DFT，将具有低于平均值的信道幅度的特定间隔中由信道补偿增强的噪声信号值平均成为OFDM码元间隔内的平均值，并且输出所述平均值。

附图说明

所结合的并且构成说明书一部分的附图，说明了本发明的一个实施例，并且和说明书一起用于解释本发明的原理：

图1示出了根据本发明第一优选实施例的一种无线通信系统的详细结构；

图2示出了根据本发明第二优选实施例的一种无线通信系统的详细结构；

图3示出了图2的交织器的存储缓存器的第一结构；

图4示出了图2的交织器的存储缓存器的第二结构；

图5示出了根据本发明第三优选实施例的一种无线通信系统的详细结构；

图6示出了根据本发明第四优选实施例的一种无线通信系统的详细结构；

图7示出了根据本发明优选实施例的无线通信系统经过改良的BER；

图8示出了根据本发明第五优选实施例的一种无线通信系统的详细结构；和

图9示出了根据本发明第六优选实施例的一种无线通信系统的详细结构。

具体实施方式

在下面的详细说明中，简单地通过发明人实现本发明所打算的最佳方式的说明，仅示出并描述本发明的优选实施例。正如将被实现的，本发明能够在各个明显方面中进行修改，这所有修改都不偏离本发明。因此，实际上认为附图和说明书是说明性的，而非限定性的。

图1示出了根据本发明第一优选实施例的一种无线通信系统的详细结构。

如图所示，无线通信系统100包括发射机I和接收机II，并且为了描述容易，将描述发射机I和接收机II之间的数据发射与接收过程，即一个基带部分。基带部分是中频(IF)转换的一个先前阶段。

至于它的详细结构，发射机I包括：映射器110、串并转换器120、IDFT(反离散傅里叶转换)单元130和一个并串转换器与防护间隔插入器140，接收机II包括：一个防护间隔消除器与串并转换器150、DFT(离散傅里叶转换)单元160、并串转换器170以及解码器180。

为了减少信道幅度低于平均值的间隔中的误码率，配置发射机I的IDFT单元130，使其包括第一一直到第三N点IDFT单元131～133，从而对外部接收的信号执行两次IDFT。

接收机II的DFT160包括第一和第三N点DFT单元161和162、信道预测器与内插器163、信道补偿器164以及第二N点DFT单元165，从而对发射机I提供的信息发射信号执行两次DFT。

现在参考公式详细描述上面构造的无线通信系统100的各个组件以及通过这些组件的操作过程。

发射机I的映射器110按照MQAM(M-ary正交幅度序列)或者多相移键控方法把一个外部接收的二进制信息序列映射到码元。

串并转换器120接收映射的MQAM码元并把它们转换成为向量数据，如公式1所给出。

公式1

$s_i^j=(s_i^j\left(0\right),s_i^j\left(1\right),K,s_i^j(N-1))$

在此，s_i ^j(k)是具有平均功率为1的一个标准化MQAM码元，i和j是一个导频码元块的标引，并且表示第i个导频码元块中第j个MQAM码元向量(包括单个导频码元向量和(Np-1)个信息发射向量)，而N是子信道(或者副载波)数目。

也就是说，通过使用单个导频码元向量和(Np-1)个信息发射向量来配置一个导频码元向量，在此，Np是一个导频码元向量的间隔，并且表示在(Np-1)个信息发射向量被发射之后，发射单个导频码元向量。

接下来，IDFT单元130的第一和第二N点IDFT单元131和132通过第一和第二IDFT转换操作把作为信息发射向量的MQAM码元向量调制成为一个OFDM信号，并且第三N点IDFT单元133把用于预测移动信道幅度与相位的一个导频信号调制成为一个OFDM信号。

第二和第三N点IDFT单元132与133的输出信号被给出，如公式2。

公式2

在此，导频码元向量被给出，如公式3

公式3

$p_i^j=(p_i\left(0\right),0,K,0,p_i\left(P\right),K,p_i(N_{G}P-1),0,K,0)$

在此，p_i(P)是一个导频码元，它具有被标准化到N/N_G的一个平均功率(这里，N是导频码元数目，而N_G是防护间隔中导频码元数目)，并且P是导频码元向量中导频码元的间隔(即，一个导频间距)。通过建立导频码元向量中的若干导频码元与一个防护间隔中的导频码元数目匹配来找到P＝N/N_G的相关性。

并串转换器与防护间隔插入器140把防护间隔加到OFDM信号上，防护间隔是通过对第二N点IDFT单元132输出的OFDM信号执行循环扩展获得，按照上面指出的导频码元块配置方法把与防护间隔相加的信息发射向量转换成为一个串行信号，以便发射(Np-1)个向量，并且把与单个防护间隔相加的导频码元向量转化成为一个串行信号，以便把串行信号发射给一个IF转换器。

已经过上面处理的发射信号通过IF转换器、RF(射频)转换器和天线被发射给接收机II。

接收机II的防护间隔消除器与串并转换器150从OFDM信号中消除防护间隔，该OFDM信号是从IF解调器中收到的，并且把没有防护间隔的串行信号转换成为向量数据。

DFT单元160的第三N点DFT单元162解调一个OFDM信号，该OFDM信号是来自经过转换的向量数据中一个导频码元向量；而信道预测器与内插器163预测与来自解调导频码元中的信息发射信号相乘的衰落信道的幅度与相位。

第一N点DFT单元161解调来自经过转换的向量数据中的信息发射向量，并且信道补偿器164使用从信道预测器与内插器163中收到的信道预测值来补偿与解调了的信息发射数据相乘的信道的幅度与相位。

第二N点DFT单元165对补偿了的信息发射信号信道执行DFT，以使具有窄信道幅度的一个特定间隔中噪声的加强可以被平均或平滑到一个常规码元间隔中的数值，从而减少误码率并改良总系统性能。

并串转换器170把经过信道补偿的信息发射向量转换成为一个串行信号，并且解码器180把输出的串行信号恢复为二进制信息序列，并输出该二进制信息序列。

现在将进一步描述按照本发明第一优选实施例的无线通信系统100的一个信道补偿过程。

通过第三N点DFT单元162解调的导频码元向量中第k个子信道被给出，如公式4。

公式4

      r_i(k)＝H_i(k)p_i(k)+I_i(k)+W_i(k)    0≤k≤N-1

在此，H_i(k)是由频率选择性衰落信道引起的一个失真信号，I_i(k)是由多普勒扩展引起的ICI(信道间干扰)，W_i(k)是在频域中具有平均功率为No的一个AWGN(加性高斯白噪声)信号。通过N点DFT单元161解调的信息发射向量被给出，如公式5。

公式5

$r_i^j=\mathrm{DFT}\left(y_i^j\right)$

$y_i^j=(y_i^j\left(0\right),y_i^j\left(1\right),K,y_i^j(N-1))$

在此，y_i ^j是第i个导频块的第j个OFDM接收信号向量。

信道补偿器164从信道预测器与内插器163中接收信道的幅度与相位的预测数值，并且使用如公式6所示的MMSE(最小均方误差)补偿方法补偿信道。

公式6

${\hat{x}}_i^j\left(k\right)=\frac{r_i^j\left(k\right){\hat{H}}_i^{j^{*}}\left(k\right)}{{\left|{\hat{H}}_i^{j^{*}}\left(k\right)\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_w^2/{\mathrm{\σ}}_x^2+{\mathrm{\σ}}_I^2}$

在此，

是从信道预测器与内插器163中收到的预测数值，σ_w ²和σ_x ²是OFDM信号和AWGN信号的平均功率值，而σ_I ²是ICI信号的平均功率值。从公式7中得到此σ_I ²。

公式7

${\mathrm{\σ}}_I^2=1-\frac{1}{N^2}(N+2\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(N-n)J_0\left(2\mathrm{\πn}{f}_D{T}_s\right))$

在此，f_D是最大多普勒频率，T_s是抽样间隔，而J₀()是第一类的Bessel函数。用高斯噪声来模式化ICI信号，并且无AWGN产生发射差错。

信道补偿器164从信道预测器与内插器163中接收信道的幅度与相位的预测数值，并且使用如公式8所示的ZF(迫零)补偿方法补偿信道。

公式8

${\hat{x}}_i^j\left(k\right)=\frac{r_i^j\left(k\right){\hat{H}}_i^{j^{*}}\left(k\right)}{{\left|{\hat{H}}_i^{j^{*}}\left(k\right)\right|}^2}$

进一步，信道补偿器164接收来自信道预测器与内插器163中的信道幅度与相位的预测值，并且使用如公式9所给出的增益限制补偿方法来补偿该信道。

公式9

${\hat{x}}_i^j\left(k\right)=\frac{r_i^j\left(k\right){\hat{H}}_i^{j^{*}}\left(k\right)}{{\left|{\hat{H}}_i^{j^{*}}\left(k\right)\right|}^2+\mathrm{\σ}}$

在此，σ是用于增益限制的一个常数。

第三N点DFT单元162按照平均方法对经过补偿了信息发射信号的信道执行DFT，以便把在具有窄信道幅度的一个特定间隔中的噪声加强平均成为常规码元间隔内的数值。

正如所描述的，为了在第一优选实施例的无线通信系统100中通过使用一个估计的信道预测值补偿信道的幅度与相位，信道补偿器164通过MMSE补偿方法来补偿信道，并且第三N点DFT单元162把来自补偿信道中的具有低于幅度平均值的信道幅度的特定间隔中的噪声加强平均成为常规码元间隔内的数值，从而改良总的系统性能。

也就是说，与传统的OFDM信道补偿方法相比，无线通信系统100通过进一步执行一个IDFT处理和一个相应的DFT处理来降低误码率。

图7示出了根据本发明优选实施例的无线通信系统的改良BER。

如图7所示，与传统的OFDM方法相比，无线通信系统100通过从10^-3的BER来改善BER 10dB。而且，不使用附加的错误校正码，当SNR(信号噪声比)为30dB时，无线通信系统100在最大多普勒频率为100Hz的一个移动信道环境中具有4比特/秒/Hz的高频使用功效。因此，当通过使用5MHz的频带宽度提供一个移动多媒体业务时获得20Mbps的数据速率(当不考虑由防护间隔和导频码元而引起的减少量时)。作为参考，在相同条件下按照2/比特/秒/Hz的频率功效，传统OFDM方法具有10Mbps的数据速率。

因此，根据优选实施例的无线通信系统拥有比传统发射方法快两倍的数据速率，并且相应地利用同一频率的投资获得两倍经济效益。

为了在考虑处理延迟时更进一步改善第一优选实施例的无线通信系统的系统性能，将参考附图描述第二优选实施例，第二优选的实施例包括用于执行交织和解交织处理的功能部件。

在第二至第五优选实施例中，由于接收机II的操作与发射机I的操作相对应，并且许多操作是重复的，所以为了说明容易将只描述发射机I，并因此将不描述相应的操作。

图2示出了根据本发明第二优选实施例的无线通信系统的详细结构，图3示出了图2中交织器的存储缓存器的第一结构，而图4示出了图2中交织器的存储缓存器的第二结构。

如图2所示，根据本发明第二优选实施例的发射机I除了一个IDFT单元210之外，具有与第一优选实施例的发射机I相同的结构；并且根据本发明第二优选实施例的接收机II除了一个DFT单元之外，具有与第一优选实施例的接收机II相同的结构。

详细地，IDFT单元210包括：一个映射器110、串并转换器121～12m、一个并串转换器和防护间隔插入器140以及一个交织器211，交织器211包括提供第一和第二IDFT单元212与213之间的M×N存储缓存器。

当接收到来自发射机I的映射器110中的映射MQAM码元时，串并转换器121～12m按顺序接收映射的MQAM码元，并把它们转换成为向量数据。第一N点DFT单元212各自的m个IDFT单元接收向量数据，对它们执行IDFT，并把各自的输出值发射给交织器211。

交织器211在垂直(或瞬时)方向上把从m个IDFT单元中收到的输出信号的子信道值写入存储缓存器中，并且当交织器211结束写入N个导频码元块的子信道数值时，第二N点IDFT单元213在垂直(或频率)方向上从写入存储缓存器中读存储缓存器。图3示出了对存储缓存器的读写过程。

图3示出了图2中交织器的存储缓存器的第一结构。

正如所示出的，交织器211包括M×N存储缓存器，并且提供在各自缓存器上的数字表示从m个IDFT单元中收到的输出信号的子信道值。上面配置的交织器211在垂直(或瞬时)方向上写入缓存器的子信道值，以至于第二N点IDFT单元213可以从写入的子信道值中读取具有较小自相关的信道值。

也就是说，当不同于第一优选实施例、考虑处理延迟时，具有较大自相关的各个子信道暂时按顺序自上而下被储存，并且在频率方向读取其中具有较小自相关的子信道，从而改良系统性能。

第二N点IDFT单元213对读取子信道执行傅里叶变换，并且把它们发射给并串转换器与防护间隔插入器140，以使附加了防护间隔的信息发射向量可以被转换成一个串行信号，然后被输出。

也就是说，当在第二优选实施例中考虑了处理延迟时，通过读取具有较小信道自相关的子信道值以及解调OFDM信号，从而来改良总的系统性能。

而且，由于根据交织器211写入各自子信道的什么方向或第二N点IDFT单元213读取子信道的什么方向的方法，根据第二优选实施例的无线通信系统的性能可能会不同。也就是说，遵循写入与读取方向，通过减少与经过接收机的解交织处理的信息发射向量相乘的信道的自相关来获得更好的性能。

例如，当交织器211在对角线方向上将各自接收的子信道写入存储缓存器中时，第二N点IDFT单元213在与行方向平行的频率方向(水平方向)上读取写入的信道值。与对角线方向上的写入过程相比，该方法获得更好的性能。

现在将利用公式描述交织器211和第二N点IDFT单元213写入与读取数据的过程。

在公式4中由频率选择性衰落信道引起的失真信号H_i(k)具有如公式10给出的自相关。

公式10

$R_H(a,b)=E\left[H_i\left(k\right)H_{i-b}^{*}(k-a)\right]=R(0,b)\underset{i=0}{\overset{{\mathrm{\τ}}_L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{al}}^2{e}^{-j\frac{2\mathrm{\πal}}{N}}$

在此，τ_L是多径信道中第L条路径的延迟时间，而σ_al ²是第L个路径信号的平均功率，每个功率的总平均功率被标准化为1。因此，自相关在频率方向上被衰落信道的延迟包络所影响。术语R(0，b)如公式11。

公式11

$R(0,b)=\frac{1}{N^2}(N+2\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(N-n)J_0(2\mathrm{\π}(b-1)\mathrm{Nu}(b-1)+b{N}_G+n)f_D{T}_s)$

在此，u是单位阶跃函数，而N_G是防护间隔。自相关在频率方向上被最大多普勒频率、若干子信道、防护间隔以及信号的带宽1/T_S所影响。可以通过图3的上述说明来描述用于改善性能的交织器211的最佳操作方法。

另外，在具有延迟包络的衰落信道中，在如图4所示的对角线方向对子信道值执行写操作，并且在水平方向对子信道值进行交织，以使可以利用具有较小自相关的子信道配置衰落信道，从而实现更好的性能。

在没有多径的信道情况下，即在类似于频率非选择性信道的情况下，为减少由多普勒扩展引起的信道自相关，在瞬时方向上执行交织，因此，OFDM方法在频率非选择性信道中产生更好的性能。

正如所描述的，根据第二优选实施例的无线通信系统不仅如第一优选实施例所述遵循新的信道补偿方法来改善了系统性能，而且通过较小的信道自相关的交织与解交织获得了更好的性能。

可以在许多方面改变或修改上述实施例。

例如，第一N点DFT单元中IDFT单元的数目与结构可以不同，现在参考附图对其作出描述。

图5示出了根据本发明第三优选实施例的无线通信系统的详细结构，而图6示出了根据本发明第四优选实施例的无线通信系统的详细结构。

如图5所示，根据本发明第三优选实施例的无线通信系统除了IDFT单元510外，具有与第一优选实施例相同的结构，并且除第二N点IDFT单元的数目(单个数目)和第一N₁点IDFT单元的结构之外，具有与第二优选实施例相同的结构。除DFT单元之外，接收机II也具有与第一和第二优选实施例相同的结构。

根据第三优选实施例的无线通信系统通过减少包括IDFT和DFT处理在内的计算来降低实现的复杂性，并因此需要(N/2)log₂N的复杂计算，以便按照第二优选实施例中所描述的来配置N点IDFT单元。

为了减少复杂计算和相加，使用M个N₁点IDFT单元来代替N点IDFT单元(N₁小于N)，并且交织IDFT单元的各个输出，从而通过log₂N₁/log₂N之比，来改良系统性能并减少硬布线复杂性，这里N＝MN₁。

如图6所示的根据第四优选实施例的无线通信系统除IDFT单元610之外，具有与第一优选实施例相同的结构，并且该无线通信系统除了IDFT单元610中第二N点IDFT单元的数目(单个数目)和第一N₁点IDFT单元的结构之外，具有与第二优选实施例相同的结构。除了DFT单元之外，接收机II也具有与第一和第二优选实施例相同的结构。

按照第三实施例的相同方式，根据第四优选实施例的无线通信系统目的是降低IDFT和DFT的实现和计算的复杂性，并且它包括L×M个第一N₁点IDFT单元612，L个第二N点IDFT单元213以及包括提供在它们之间的M×L存储缓存器在内的交织器611。

图8示出了本发明第五优选实施例的一种无线通信系统(发射机)的详细结构。正如所示出的，除IDFT单元810之外，该无线通信系统具有与第二实施例相同的结构。

详细地说，与使用具有M×N个存储缓存器的交织器211来改善无线通信系统性能的第二实施例不同，根据第五优选实施例的无线通信系统在发射机I中使用M×N点IDFT单元812，并且在接收机II中使用DFT单元，从而改善性能。

由于用于平滑由接收机II中的均衡器所引起的噪声的一个间隔从N点增加到M×N点，所以，与图2的交织方法相比其性能进一步提高。如图8所示的M×N存储缓存器811不执行交织功能。

图9示出了根据本发明第六优选实施例的一种无线通信系统的详细结构。

与图1的第一优选实施例相比，除了第一和第二N点DFT单元161和165以外，接收机II还包括N点IDFT单元965。

因此，根据第六优选实施例的无线通信系统在接收机II中不需要信息发射码元向量的IDFT单元。

详细地说，无线通信系统的发射机I包括：一个映射器910，用于将二进制信息发射序列转换成为MQAM(或MPSK)码元；一个串并转换器920，用于将MQAM码元转换成为向量；一个存储器930，用于在对具有预先优化的PAR(峰值与平均值比)的导频码元执行IDFT之后，读取储存在存储器中的一个调制导频码元；以及一个并串转换器与防护间隔插入器940，用于将MQAM码元向量转换成为并行信号，插入循环扩展得到的一个防护间隔并将其发射。

接收机II包括：一个防护间隔消除器与串并转换器950，用于从接收信号中消除防护间隔并将串行数据转换成为并行数据；一个DFT单元961，用于将信息发射码元向量转换为频域；一个信道预测器与插入滤波器963，用于当DFT单元962解调导频码元向量时，通过使用一个解调导频码元向量来预测信息发射码元的一个信道；一个信道补偿器964，用于通过均衡器补偿该信道；一个IDFT单元965，用于通过IDFT解调信道补偿的信息发射码元向量；一个并串转换器970，用于将已解调信号转换成为一个串行信号；以及一个解码器980，用于将转换的信号恢复成为一个二进制信息序列。

与第一优选实施例不同，根据第六实施例的无线通信系统通过从发射机与接收机中去除两个IDFT单元来减少硬布线的复杂性。

当通过IDFT单元将MQAM(或MPSK)码元向量调制成为OFDM信号时，调制信号的幅度相对大于平均值，而当以PAR参量格式给出幅度并且PAR为大时，一个A/D(模拟到数字)转换器和一个D/A(数字到模拟)转换器需要高动态范围，这增加了成本并引起消波现象，其中由于功率放大器的补偿作用，使一大片幅度被切断。并且消波现象产生信号失真并且降低了系统性能。

但是，由于根据第五优选实施例的无线通信系统没有使用IDFT单元，所以因为产生PAR而没有降低性能，并且获得有效的性能改善。

正如所描述的，第一到第六优选实施例的无线通信系统在具有信道较小幅度的间隔中，将由信道补偿引起的噪声加强控制到码元间隔内的平均值，以降低误码率并改善系统性能。

另外，无线通信系统执行交织与解交织以在补偿信道时减少信道的自相关，并将其恢复，从而获得更好的性能。

基于OFDM的无线通信系统和信道补偿方法减少了具有较小信道幅度的间隔中的误码率，从而改善总的系统性能，获得比传统数据速率快两倍的数据速率，并且用相同的频率实现了两倍的经济效益。

虽然有关于目前被认为是最实用且优选的实施例已经描述了本发明，但是应该理解，本发明不局限于该公开的实施例，相反地，而是要覆盖包括在附加权利要求范围内的各种修改和等价配置。

Claims (24)

1、在通过使用多径衰落信道发射并接收数据的无线通信系统中，一种OFDM(正交频分复用)无线通信系统包括：

发射机，用于对信息发射向量至少执行两次IDFT(反离散傅里叶转换)，将该信息发射向量调制为OFDM(正交频分多路复用)信号，通过多径衰落信道发射调制的该OFDM信号，将用于预测多径衰落信道的幅度与相位的导频码元向量调制为OFDM信号，并且通过多径衰落信道发射调制的该OFDM信号；和

接收机，用于解调通过多径衰落信道接收到的导频码元向量，预测多径衰落信道的幅度与相位，使用预测的幅度与相位补偿与收到的信息发射向量相乘的幅度与相位，对经过补偿的信息发射向量执行DFT(离散傅里叶转换)，在具有低于平均值的信道幅度的一个特定间隔中，将由信道补偿增加的噪声信号值平均为一个OFDM码元间隔内的平均值，并且输出所述平均值。

2、如权利要求1所述的OFDM无线通信系统，其中：发射机包括：

映射器，用于按照MQAM(M-ary正交幅度调制)方法将外部接收到的二进制信息序列映射到码元；

串并转换器，用于将映射的码元转换为向量数据，所述向量数据是信息发射向量；

第一IDFT单元，用于对经过转换的信息发射向量执行IDFT；

第二IDFT单元，用于对执行过IDFT的信号执行IDFT，将所述执行过IDFT的信号调制为OFDM信号；

第三IDFT单元，用于将导频码元向量调制为OFDM信号，所述导频码元向量用于预测多径衰落信道的幅度与相位；和

并串转换器与防护间隔插入器，用于将防护间隔插入到从第二IDFT单元中收到的信号中，将该防护间隔插入的信息发射向量转换为串行信号，并发射该串行信号，然后将防护间隔插入的导频码元向量转换为串行信号，并发射该串行信号。

3、如权利要求2所述的OFDM无线通信系统，其中：接收机包括：

防护间隔消除器与串并转换器，用于消除来自所述经过转换和接收的串行信号中的防护间隔，并且将消除防护间隔的串行信号分别转换为信息发射向量和导频码元向量；

第一DFT单元，用于将经过转换的信息发射向量解调为OFDM信号；

第三DFT单元，用于将经过转换的导频码元向量解调为OFDM信号；

信道预测器和内插器，用于使用经过解调的导频码元向量来预测多径衰落信道的幅度与相位；

信道补偿器，用于按照预测的信道幅度与相位，补偿与经过解调的信息发射向量相乘的信道的幅度与相位；

第二DFT单元，用于对经过补偿了的信道信号执行DFT，并将在具有低于平均值的信道幅度的一个特定间隔中增强的噪声信号值平均成为一个码元间隔内的平均值；

并串转换器，用于将从第二DFT单元中收到的信号转换为串行信号；和

解码器，用于将经过转换的串行信号恢复为二进制信息序列，并且输出所述二进制信息序列。

4、如权利要求2所述的OFDM无线通信系统，其中：信道补偿器使用信道的预测幅度与相位，通过MMSE(最小均方误差)平均方法补偿信道的幅度与相位，并且所述MMSE平均方法满足如下公式：

${\hat{x}}_i^j\left(k\right)=\frac{r_i^j\left(k\right){\hat{H}}_i^{j^{*}}\left(k\right)}{{\left|{\hat{H}}_i^{j^{*}}\left(k\right)\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_w^2/{\mathrm{\σ}}_x^2+{\mathrm{\σ}}_I^2}$

其中， 是信道的预测幅度与相位，σ_w ²与σ_x ²是OFDM信号与AWGN(加性高斯白噪声)信号的平均功率值，而σ_I ²是一个ICI(信道间干扰)信号的平均功率值。

5、如权利要求4所述的OFDM无线通信系统，其中：信道补偿器使用信道的预测幅度与相位，通过ZF(迫零)平均方法来补偿信道的幅度与相位，并且所述ZF平均方法满足如下公式：

${\hat{x}}_i^j\left(k\right)=\frac{r_i^j\left(k\right){\hat{H}}_i^{j^{*}}\left(k\right)}{{\left|{\hat{H}}_i^{j^{*}}\left(k\right)\right|}^2}$

6、如权利要求4所述的OFDM无线通信系统，其中：信道补偿器使用信道的预测幅度与相位，通过增益限制平均方法来补偿信道的幅度与相位，并且所述增益限制平均方法满足如下公式：

${\hat{x}}_i^j\left(k\right)=\frac{r_i^j\left(k\right){\hat{H}}_i^{j^{*}}\left(k\right)}{{\left|{\hat{H}}_i^{j^{*}}\left(k\right)\right|}^2+\mathrm{\σ}}$

其中，σ是用于增益限制的常数。

7、一个无线通信系统包括：用于使用多径衰落信道发射数据的发射机和用于接收来自发射机的数据的接收机，所述无线通信系统包括：

映射器，用于按照MQAM(M-ary正交幅度调制)方法将外部接收到的二进制信息序列映射到至少一个码元；

串并转换器，用于将映射的码元转换为向量数据，所述向量数据是信息发射向量；

包括至少一个(最好是M个)IDFT单元的第一IDFT(反离散傅里叶转换)单元，用于对经过转换的信息发射向量执行IDFT；

交织器，用于在第一方向上把从IDFT单元中收到的各自发射向量的子信道值写入M×N存储缓存器中；

包括至少一个(最好是M个)IDFT单元的第二IDFT单元，当完成第一方向上的写入动作时，用于在第二方向上读取第一方向上写入的子信道值，对读取的子信道值执行IDFT，并且把读取的子信道值调制成OFDM(正交频分复用)信号；

第三IDFT单元，用于将导频码元向量调制成OFDM信号，所述导频码元向量用于预测多径衰落信道的幅度与相位；和

并串转换器与防护间隔插入器，用于将一个防护间隔插入到从第二IDFT单元中收到的信号中，把防护间隔插入的信息发射向量转换为串行信号，发射串行信号，将防护间隔插入的导频码元向量转换为串行信号，并把该串行信号发射至发射机。

8、如权利要求7所述的无线通信系统，进一步包括：

防护间隔消除器与串并转换器，用于消除来自所述经过转换与接收的串行信号中的防护间隔，并且将消除防护间隔的串行信号分别转换成信息发射向量和导频码元向量；

包括至少一个DFT单元的第一DFT单元，用于将所述经过转换的信息发射向量解调成OFDM信号；

第三DFT单元，用于将经过转换的导频码元向量解调成OFDM信号；

信道预测器和内插器，用于使用经过解调的导频码元向量来预测多径衰落信道的幅度与相位；

信道补偿器，用于按照预测的信道幅度与相位，补偿与经过解调的信息发射向量相乘的信道的幅度与相位；

去交织器，用于在第一方向上将经过补偿的信道信号写入M×N存储缓存器中；

包括至少一个(最好是M个)DFT单元的第二DFT单元，用于在第二方向上从在第一方向上写入的信道补偿信号中读取具有较小信道自相关的信号，对读出的信号执行DFT，并且把读出的信号解调成OFDM信号；

并串转换器，用于将已解调信号转换成为串行信号；和

解码器，用于将经过转换的串行信号恢复成二进制信息序列，并且输出所述二进制信息序列。

9、如权利要求7或8所述的无线通信系统，其中：

所述交织器在垂直方向(瞬时方向)上将接收到的发射向量的子信道值按顺序写入M×N个存储缓存器中；和

所述去交织器在对角线方向(临时方向)上把信道补偿信号按顺序写入M×N存储缓存器中。

10、如权利要求7或8所述的无线通信系统，其中：所述交织器在对角线方向(瞬时方向和频率方向)上将接收到的发射向量的子信道值按顺序写入M×N个存储缓存器中，和

所述去交织器在对角线方向(临时方向和频率方向)上将信道补偿信号按顺序写入M×N存储缓存器中。

11、如权利要求1～3中一个OFDM无线通信系统，其中：发射机包括：

M个N1点IDFT单元(在此，N1是小于数量N的一个数目，并且N＝MN1)；和

M×N_I存储缓存器的交织器，用于接收来自第一IDFT单元的信号，并将所述信号提供到第二IDFT单元，以及

所述接收机包括：M个N_I点DFT单元(N_I是小于数量N的一个数目，并且N＝MN_I)；和

M×N_I存储缓存器的去交织器，用于接收来自第一DFT单元中的信号并将所述信号提供到第二DFT单元。

12、如权利要求7或8的OFDM无线通信系统，其中：发射机包括：

L×MN_I点IDFT单元(N_I是小于数量N的一个数目，并且N＝MNI)；和

L×M×N_I存储缓存器的交织器，用于接收来自第一IDFT单元中的信号并将所述信号提供到第二IDFT单元，和

所述接收机包括：

L×M个N_I点的DFT单元(N_I是小于数量N的一个数目，并且N＝MN_I)；和

L×M×Ni存储缓存器的去交织器，用于接收来自第一DFT单元中的信号并将所述信号提供到第二DFT单元。

13、一种在使用多径衰落信道用于发射并接收数据的无线通信系统中用于补偿信道的方法，包括：

(a)对用于信息传输的向量执行IDFT(反离散傅里叶转换)，将向量调制成OFDM(正交频分复用)信号，并且通过多径衰落信道发射所述调制信号；

(b)将用于预测多径衰落信道的幅度与相位的导频码元向量调制成为OFDM信号，并且通过多径衰落信道发射所述调制信号；

(c)对通过多径衰落信道接收到的导频码元向量进行解调，预测多径衰落信道的幅度与相位；

(d)通过使用信道的预测幅度与相位来补偿与接收到的信息发射向量相乘的信道幅度与相位；和

(e)对经过补偿的信道信号执行DFT，把在具有低于平均值的信道幅度的特定间隔中由信道补偿增强的噪声信号值平均成一个OFDM码元间隔内的平均值，并且输出所述平均值。

14、如权利要求13所述的方法，其中：(e)包括：

使用MMSE(最小均方误差)平均方法来补偿与接收到的发射向量相乘的信道幅度与相位。

15、如权利要求13所述的方法，其中：(e)包括：

使用ZF(迫零)平均方法来补偿与接收到的发射向量相乘的信道幅度与相位。

16、如权利要求13所述的方法，其中：(e)包括：使用增益限制平均方法来补偿与接收到的发射向量相乘的信道幅度与相位。

17、如权利要求13所述的方法，其中：(a)包括：

在第一方向上将信息发射向量的子信道值写入M×N存储缓存器中；和

当完成第一方向上的写入时在第二方向上读取子信道值。

18、如权利要求17所述的方法，其中：(e)还包括：

在第一方向上把补偿的信道信号写入一个M×N存储缓存器中；和

在第二方向上从第一方向上写入的信道补偿信号之中，读取具有较小的信道自相关的信号。

19、如权利要求17或18所述的方法，其中：在第一方向上的写入包括：在垂直方向(瞬时方向)上将信息发射向量或信道补偿信号的子信道值写入M×N存储缓存器中。

20、如权利要求17或18所述的方法，其中：在第一方向上的写入包括：在对角线方向(瞬时方向和频率方向)上把信息发射向量或信道补偿信号的子信道值写入M×N存储缓存器中。

21、如权利要求7或8所述的无线通信系统，其中：发射机和接收机分别包括M×N点IDFT单元和M×N点DFT单元，并且通过使用发射机的M×N存储缓存器将接收机的一个降噪干均值间隔扩展为M×N点。

22、如权利要求1或2所述的OFDM无线通信系统，其中：并串转换器和防护间隔插入器把一个防护间隔插入到从串并转换器中接收到的信息发射码元向量中，把防护间隔插入的信息发射码元向量转换成串行信号，并且发射所述串行信号。

23、如权利要求1或2所述的OFDM无线通信系统，其中：并串转换器和防护间隔插入器对具有最小PAR(峰值对平均值比)的导频码元向量执行IDFT，把一个防护间隔插入到转换的导频码元向量中，把防护间隔插入的导频码元向量转换成为串行信号，并且发射所述串行信号。

24、如权利要求23所述的OFDM无线通信系统，其中：

通过IDFT调制相对于PAR被优化的导频码元向量，而被并将该导频码元向量储存在存储器中，并且在需要时，并串转换器和防护间隔插入器读取储存的导频码元向量，转换导频码元向量以及发射经过转换的导频码元向量。

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