CN1720674A - 无线通信系统中的延迟分集 - Google Patents

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Abstract

一种用于话音或者数据的无线通信系统诸如WLAN系统利用多个发射天线和多个接收天线。多个发射天线呈现不同的延迟路径，并且多个接收天线呈现不同的延迟路径。发射天线路径之一的延迟不同于接收天线路径之一的延迟。在优选实施例中，发射天线路径之一使用非零值延迟部件，该非零值延迟部件的值不同于接收天线路径之一的非零值延迟部件的值。

Description

无线通信系统中的延迟分集
技术领域
本发明涉及无线通信系统，并且特别涉及采用延迟分集的无线通信系统
背景技术
无线通信系统当今正在广泛用于数据和话音通信。无线通信的一个有益应用是用于数据和计算机系统的无线局域网(WLAN)。WLAN不需要安装硬连线网络，并因而可以在短时间内建立该WLAN并使其进入运行状态，而且没有硬连线基础结构的成本。根据操作在5GHz频带中的IEEE标准802.11a操作的现代WLAN系统当前具有高达54Mbit/sec的比特速率，从而为大量的用户提供高速数据访问。而且，一旦WLAN是操作的，用户就享受有意义的移动性。用户能够在接入点或基站的范围内自由地四周移动，同时保持与网络和其它的信息源及通信源的通信。这意味着，用户可以在接入点范围内再定位，并且无需在改变硬连线系统上的位置时通常经历的再布线到或者连接到不同的数据端口。
然而，无线网络遇到来自公知源的各种干扰和信号恶化问题。一个公共干扰源是由于瑞利(Rayleigh)衰落造成的信号损失。瑞利衰落由于多径干扰而产生为反射或者重发的射频(RF)信号破坏性地相互干扰，造成RF信号抵消以及信号的损失。多径干扰起因于许多共同发现源，比如墙壁、建筑物和其它反射体。此外，瑞利衰落或者多径失真的可能性随着无线网络尺寸的增加以及接入点与使用系统的移动终端之间距离的增加而增加。
各种冗余传输技术以及编码方案已经被提出和被实施，以解决锐利衰落问题。在国际专利申请WO01/78255中描述了一种这样的方案，其描述了从装备有中继器的基站到最终接收机的接收机分集。IF信号被延迟，并且原始的和延迟的信号被合并并利用天线发射给最终接收机。在该接收机上，天线接收已合并的信号，并除去由于自适应延迟均衡处理扩展的延迟，所以合并的信号可以被分开和解调为一个信号。该专利利用L＝2的特定情况讨论(1，L)IF接收机延迟分集单载波系统，这样的系统背后的理论是可以识别人为引入的多径信号，并借助接收机中的均衡器利用最小数据损失对其成功解码。
尽管这样的方案可以为话音通信系统提供可接受的性能，但是数据系统如WLAN更强调精确接收信号数据的能力。特别地，2-3dB信噪比(SNR)的改善可以提供数据系统的误码率的明显改善。在公共瑞利衰落存在的情况下，利用低误码率执行的技术是极其希望的。
发明内容
根据本发明的原理，提供一种无线通信系统，其在发射机和接收机上呈现延迟分集。其中移动终端和接入点都呈现L天线的WLAN系统被称作(L，L)分集系统。根据本发明的(L，L)延迟分集系统不完全依赖于L天线的空间分集，而且使用发射机和接收机上天线信号路径中的不同延迟。根据本发明的再一个方面，一个终端(发射机或接收机)上的非零延迟不同于另一个终端的非零延迟，因而提供了2L分集加10log10(L)dB性能改善。
附图说明
图1以方框图形式示出了正交频分多路复用(OFDM)系统发射机的物理层；
图2以方框图形式示出了OFDM系统接收机的物理层；和
图3示出了根据本发明原理在(L，L)RF延迟分集实施例中使用图1和图2的OFDM发射机和接收机的WLAN系统。
具体实施方式
首先参见图1，在图中以方框图形式示出了正交频分多路复用(OFDM)系统发射机的物理层。待发射的数据被施加到发射机的输入12上。数据可以是将以6、9、12、18、24、36、48或者54Mbits/sec的比特率发射的因特网协议(IP)数据的分组。在图1的实施例中，将以54Mbits/sec的最大数据速率发射1518字节的分组。这些字节包括由发射机以帧格式编码、调制和发射的字符。图1的实施例使用包括有助于接收机捕获的短和长训练间隔的前置码的帧格式。该前置码也包括如下讨论的保护间隔。该前置码的后面跟随着一个OFDM符号的标题，其后跟随着可变数量OFDM符号的数据字段。
首先由前向纠错编码器14编码数据，该编码器利用接收机中的解码器知道的并识别的编码方案对数据编码。可标识的编码方案使接收机能够通过识别不正确代码并校正它们来校正数据差错。图1的前向纠错编码器采用具有对应于预期数据速率的编码速率R＝1/2、2/3或3/4的卷积编码。对于54Mbits/sec的数据速率，使用R＝3/4。已编码的数据比特被映射处理器16交织和映射。交织重新排序比特，以确保相邻的已编码比特被映射到非相邻的副载波上，以及确保或少或多有效比特被交替映射，因此避免了具有同样有效性的比特的长运行。这减少了由于连续数据序列的损失而造成的误差，因为在整个发射脉冲串上扩展已编码的数据。数据现在被分布在用于后续正交调制的复平面上，并且被映射为与用于每个OFDM符号的48个副载波相关联的48个M-QAM符号。在图1的实施例中，使用了包括四个导频副载波的52个副载波。
复数值数据现在经历快速傅里叶逆变换处理18。这将副载波从频域变换到时域。现在，在特定的载频上在时域序列中调制M-QAM符号。图1的系统使用52个副载波，其中利用二进制相移键控(BPSK)、四相相移键控(QPSK)、16-正交调幅(16-QAM)或者64-QAM。
保护间隔20被增加，以提供可以用来克服衰落问题的冗余度。周期T的OFDM符号被扩展到被延长的T`的周期。例如，一组六十四个时间抽样的最后十六个抽样可以被复制并被加到六十四的组上，以产生扩展周期T`的80个抽样。抽样的此时间扩散防止在多径接收期间的符号间干扰(ISI)问题。
现在，符号数据经历波形整形22，以便对符号过滤或整形并把它们限制到预期带宽。数据被变换成模拟信号，并且在24上利用中频参考信号26将其正交调制到中频(IF)。IF信号随后利用施加到混频器30上的载波信号32调制到5.xGHz发射频率(RF频率)。发射波形利用高功率放大器34放大并利用天线36发射。
图2示出了OFDM接收机，其中基本上反转由发射机执行的编码和调制，并恢复原始数据序列。利用天线36接收的信号被低噪声放大器42放大，并且在混频器44中利用5.xGHz参考信号46进行解调。已解调信号由自动增益控制放大器48带到预期电平上，其检测在输出50上接收的信号的电平。由I-Q检波器52利用正交参考信号54对这些信号进行正交解调，这些正交参考信号54由自动频率控制(AFC)反馈电路56来稳定。正交解调的信号被转换成数字信号，并且保护间隔被保护间隔消除处理器60识别和消除。通过识别和分析保护间隔，该处理器将定义最合适的抽样，以开始用于消除ISI的FFI运算。这些信号利用快速傅里叶变换处理器62从时域转换到频域。这产生具有M-QAM符号的离散频率箱(bin)。M-QAM符号被解映射(demap)处理器64解映射和解交织到所要求的比特序列，这恢复编码比特的原始序列。编码比特的码利用前向纠错解码器66识别和分析，这试图通过识别错误码和恢复正确码来纠正丢失和其它信号损失问题。输出68上的解码数据包括原始IP分组数据。图1和图2的发送和接收处理的进一步细节可以在IEEE标准802.11a的1999附录中找到。
根据本发明原理使用图1和图2的OFIDM发射机和接收机的WLAN系统被显示在图3中。所示的系统包括用于WLAN的接入点终端70以及四个远程终端80a、80b、80c和80d，尽管可以有四个以上的远程终端。除了图1和图2所示的发射机/接收机天线36外，每个终端还具有第二天线38。利用天线36和38发射和接收的RF信号被RF加法器40分离和合并。因而，该系统是用于发射和接收的具有L＝2的(L，L)分集系统，因而包括(2，2)分集系统。根据本发明的原理，接入点终端70具有利用RF延迟τ1耦合到该终端的第二天线38，而每个移动终端80n具有利用被显示为τ2的不同RF延迟耦合到该终端的第二天线38。
当终端在发射时，由发射机产生的功率P被施加到天线上，并且被分配在两个天线之间。因而，每个天线在发射P/2的功率电平，并且两个天线一起在发射P的功率电平。因此，通过发射功率的任何增加没有信噪比改善。结果，在任何一个移动终端中没有增加对电池功率的需求，这对于其在电池再充电之间的操作时间具有意义。对于本发明，重要地，现在具有发射信号路径的分集，一条路径呈现零延迟，而另一条路径呈现τ1延迟。
在接收终端上，由发射终端辐射的信号功率P利用两个天线36和38接收，每一个天线接收利用两个发射天线辐射的总功率P。因此，多接收天线将改善系统的信噪比性能，因为利用两个天线接收的总功率是2P。也具有接收信号路径的分集，因为移动终端的接收天线38的RF信号路径呈现τ2的延迟，而接收天线36呈现零的延迟。
发射机和接收机上的此延迟分集在发射机和接收机之间产生四个信号路径，其可以被定义如下：
H1＝0+0＝0
H2＝τ1+0＝τ1
H3＝0+τ2＝τ2和
H4＝τ1+τ2
例如，如果τ1是100纳秒，以及τ2是200纳秒，则四个信号路径将具有零延迟、100纳秒延迟、200纳秒延迟和300纳秒延迟。
用于在本发明的构成实施例中提供延迟τ1和τ2的组件不必是精确组件；只要延迟值是充分不同的就足够了，所以产生了多条多延迟信号路径。将认识到，当发射站变成接收站以及当接收站变成发射站时，将保持相同的结果，因为两个天线被再次用于发射端和接收端上。
本发明的(L，L)延迟分集方案利用图1和图2所示的发射机和接收机是特别有用的，因为它们采用了保护间隔保护和编码保护。每个信号路径或者信道的传递函数是信道脉冲响应的傅里叶变换，该传递函数将具有这些延迟而引起的频谱零点(null)。由于延迟的固定值，这些零点将位于频域的已知的和可识别的位置上。OFDM系统利用时域中的这些延迟在频域中产生可识别的频率选择特性的事实。这些频谱零点将衰减一定数目的M-QAM符号，即调制位于频谱零点附近的副载波的那些符号。该衰减可以导致一定数目比特的损失，并因而导致已接收比特序列中的错误。然而，利用前向纠错解码器66将校正许多这些错误，该前向纠错解码器66将识别错误比特码并把它们校正为有效码。此外，保护间隔20通过已发射OFDM符号的延迟版本的接收将有助于防止连续符号的失真。结果，该系统对于插入的频谱零点事实上进行自校正。
利用增加接收信号功率的多个接收天线以及通过每个发射信号的多个延迟版本的接收，本发明的(L，L)分集系统减少瑞利衰落的影响。延迟导致的频谱零点通过数据的编码一解码和保护间隔的使用来克服。发射机和接收机上延迟的合并产生(L，L)分集系统，该系统具有有效的2L分集，并在SNR性能上具有有效的10log10(I)dB增加。
本领域的熟练技术人员将会明白，超过两个天线的附加天线在本发明的构成实施例中可以被加到发射机、接收机或二者，利用附加的不同延迟来提供甚至更大的性能改善。
对于本领域的熟练技术人员来说，本发明的其它变型都将容易发生。例如，在发射机和接收机都使用相同延迟值τ1的系统中，三个不同的信号路径将是(在一条信号路径具有零延迟的情况下)：
H1＝0+0＝0
H2＝τ1+0＝τ1
H3＝τ1+τ1＝2τ1
尽管不等同于τ1和τ2具有不同值的图3的实施例的性能，但是通过分集效应将仍然实现明显的性能改善。尽管图3的实施例显示了用于信号路径的RF部分中的延迟，但是本领域的那些熟练技术人员将会认识到，这些延迟还可以是在两个天线的分离IF信号路径中使用的IF延迟，或者这些延迟可以是两个天线的分离基带信号路径中使用的基带延迟。

Claims (21)

1.一种数据通信系统，包括：
发射机，具有第一和第二发射天线(36，38)，第一天线(36)的信号路径呈现与第二天线(38)的信号路径不同的延迟；和
接收机，具有第三和第四接收天线(36，38)，第三天线(36)的信号路径呈现与第四天线(38)的信号路径不同的延迟。
2.根据权利要求1所述的数据通信系统，其中第一和第二天线(36，38)的信号路径之一的非零延迟不同于第三和第四天线(36，38)的信号路径之一的非零延迟。
3.根据权利要求2所述的数据通信系统，其中非零延迟之一的值是另一个非零延迟的值的两倍。
4.根据权利要求1所述的数据通信系统，其中发射机进一步包括能够利用第一和第二天线(36，38)在不同时间上发射和接收的收发信机；和
其中接收机进一步包括能够利用第三和第四天线(36，38)在不同时间上发射和接收的收发信机。
5.根据权利要求1所述的数据通信系统，其中数据进一步包括话音数据。
6.根据权利要求1所述的数据通信系统，其中数据进一步包括数字数据。
7.根据权利要求1所述的数据通信系统，其中第一天线(36)的RF信号路径包括RF延迟元件和RF加法器(40)，并且第二天线(38)的信号路径包括RF加法器(40)；
其中第三天线(36)的RF信号路径包括RF延迟元件和RF加法器(40)，并且第四天线(38)的RF信号路径包括RF加法器(40)。
8.根据权利要求1所述的数据通信系统，其中发射机进一步包括编码器(14)和保护间隔插入处理器(20)之中的至少一个或多个；和
其中接收机进一步包括响应于编码器(14)所利用的码的解码器(66)和保护间隔识别处理器(20)之中的至少一个或多个。
9.根据权利要求1所述的数据通信系统，其中延迟包括RF延迟。
10.根据权利要求1所述的数据通信系统，其中延迟包括IF延迟。
11.根据权利要求1所述的数据通信系统，其中延迟包括基带延迟。
12.一种WLAN系统，包括：
接入点，具有耦合到第一和第二收发天线(36，38)的收发信机，第一天线(36)的信号路径呈现与第二天线(38)的信号路径不同的延迟；和
一个或多个移动终端(80a，80b，80c，80d)，每个移动终端具有耦合到第三和第四(36，38)收发天线的收发信机，第三天线(36)的信号路径呈现与第四天线(38)的信号路径不同的延迟。
13.根据权利要求12所述的WLAN系统，其中第一和第二天线(36，38)的信号路径之一的非零延迟不同于第三和第四天线(36，38)的信号路径之一的非零延迟。
14.根据权利要求13所述的WLAN系统，其中非零延迟之一的值是另一个非零延迟的值的两倍。
15.根据权利要求12所述的WLAN系统，其中多个天线(36，38)和不同的延迟提供呈现2L分集加10log10(L)dB性能的(L，L)分集系统。
16.根据权利要求12所述的WLAN系统，其中每个收发信机进一步包括OFDM系统。
17.根据权利要求16所述的WLAN系统，其中OFDM系统利用二进制相移键控(BPSK)、四相相移键控(QPSK)、16-正交调幅(16-QAM)或64-QAM之一。
18.根据权利要求12所述的WLAN系统，其中每个收发信机进一步包括编码器(14)和保护间隔插入处理器(20)之中的至少一个或多个；以及响应于编码器(14)所利用的码的解码器(66)和保护间隔识别处理器(20)之中的至少一个或多个。
19.根据权利要求12所述的WLAN系统，其中延迟包括RF延迟。
20.根据权利要求12所述的WLAN系统，其中延迟包括IF延迟。
21.根据权利要求12所述的WLAN系统，其中延迟包括基带延迟。
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