CN1742451A

CN1742451A - 多载波通信设备

Info

Publication number: CN1742451A
Application number: CNA2003801092284A
Authority: CN
Inventors: 藤本和久
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-04-23
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2006-03-01
Also published as: WO2004095748A1; JP2004328255A; US20060128323A1; AU2003289372A1; JP4294364B2; EP1617582A1

Abstract

本发明提供一种能够以相同的带宽处理大大增加的单位时间数据量的多载波通信设备。调制器(102)使用例如QPSK调制来对作为要发射的第一数据的数据(101)依次执行第一级调制。模式生成部分(104)，生成要指定到子载波矩阵的特定信号模式，所述矩阵是通过将沿着频率轴布置的多个子载波重新布置进沿着时间轴的多码元布置来配置的。此模式基于作为要发射的第二数据的数据(103)来确定。映射部分(105)将在调制器(102)中用数据(101)调制的子载波和特定信号模式指定到子载波矩阵。

Description

多载波通信设备

技术领域

本发明涉及一种使用多个子载波执行通信的多载波通信设备。

背景技术

近来，随着宽带通信的发展，增加了对能够瞬时并稳定地传输大量数据的无线通信设备以及这种设备的发展的期望。具体而言，使用多个子载波来传送数据的多载波传输系统近来正受到关注，因为它们具有包括能够减小多径中的延迟波的干扰的优良特点，该特点源于多个子载波的使用，其使得由每个子载波以低速率来发射码元(symbol)。

正交频分复用(OFDM)是一种多载波传输系统。正交频分复用具有这样的系统，其中所有子载波都相互正交并且相邻的子载波重叠。由于正交频分复用的极高的谱效率，所以其被采用和实际应用在地面数字广播和5GHz的频段的WLAN(802.11a)中。

下面将描述根据现有技术的多载波传输。

图5示出根据现有技术的、使用作为一种多载波传输的正交频分复用的发射设备的结构的示例。

在图5中所示的根据现有技术的发射设备中，通过使用例如QPSK调制方法的调制器502对要发射的数据501进行主调制(primary modulation)。由串并转换器503对在调制器502处通过主调制得到的复信号进行串并转换，然后根据频率轴方向上的子载波布置对其进行重新布置，之后通过IFFT 504对其进行逆付立叶变换。通过执行并串转换的并串转换器505将已经进行逆付立叶变换的数据转换成时间轴方向上的复数据。GI添加单元506添加保护间隔GI，以避免对之后将由正交调制器507施加载波并由发射机508发射的数据、产生由延迟波造成的码元间的干扰。

如此所述，通过IFFT 504对其进行逆付立叶变换并且加入了保护间隔GI的时间轴方向上的复数据构成了一个OFDM码元，并且以取决于逆付立叶变换的大小的单位依次重复随后的OFDM码元。

图6示出根据现有技术的、使用作为一种多载波传输的正交频分复用的接收设备的结构的示例。

在根据现有技术的图6中所示的接收设备中，通过正交解调器602将由接收机601接收的信号转换成同相分量I和正交分量Q。此后，建立OFDM码元的同步，并且通过GI去除单元603将对于解调不必要的保护间隔GI去除。通过S/P 604对从其去除保护间隔GI的复信号进行串并转换。此后，通过执行付立叶变换的FFT 605将该复信号转换成与频率轴方向上的子载波相关联的复信号。最后，通过P/S 606对与频率轴方向上的子载波布置相关联的复信号进行并串转换。然后，通过例如解调器607对该信号进行QPSK解调以获得作为被接收的数据的数据608。

以这种方式在产生正交的多个载波时使用付立叶变换最能代表正交频分复用。例如，在正常的正交频分复用中，对按时间序列发射的数据，通过将该数据分配到子载波而将其调制，该子载波具有各自的频率f1到f8并且互相正交，如稍后描述的图7中。将参照图7描述该过程。

图7是用于解释在根据现有技术的多载波通信设备中数据和子载波之间的关系。

如图7所示，仅仅将按时间顺序输入的、要调制的数据D1到D8分配到具有各自频率f1到f8的子载波上，并且对其进行逆付立叶变换以产生一个OFDM码元。

例如，用于增加可以使用一个OFDM码元发射的数据量的技术包括多个建议，其中将第一数据分配到从十六个子载波中选出的十个子载波的组合本身，并且其中将第二数据分配到所选择的十个子载波的每一个，该建议目的在于：通过减少所得到的子载波数目，增加可以发射的数据量并且减小发射波的峰值-平均值的功率比PAPR(例如，参见专利文件1：JP-A-2001-148678)。该技术使得提高构成无线单元的一部分的功率放大器的功率效率成为可能，因为其允许当不改变要发射的数据量时减少子载波的数目，并且使得发射波的峰值-平均值的功率比PAPR得到提高。

然而，在专利文件1中所公开的多载波通信设备中，由于将第一数据分配到从在频率轴方向上布置的子载波中所选择的任意数目的子载波的组合的模式，所以第一数据量只能增加到频率轴方向上的子载波的数目范围内的最大值。因此，对于可以使用一个OFDM码元发射的数据量的增加而言存在限制。

例如，₈C₇＝8＝2³组合(C表示组合)可用于从8个子载波中选择7个子载波，因此可以将3比特数据作为第一数据而发射。利用专利文件1中所公开的多载波通信设备，和利用通常的多载波传输系统所达到的数据量相比，被发射的数据量仅增加了3比特，在通常的多载波传输系统中，通过仅将数据分配到8个子载波的每一个来发射数据。

本发明是考虑到上述的情况而产生的，并且本发明的目的在于提供一种多载波通信设备，其能够在频率带宽保持不变的情况下极大地增加每单位时间被发射和被接收的数据量。

发明内容

根据本发明的多载波通信设备是使用多个子载波发射数据的多载波通信设备，其包括：确定单元，其确定与第一数据相关联的特定信号模式；分配单元，其将被确定的模式分配到子载波矩阵，该矩阵通过将被布置在频率轴方向上的多个子载波布置在时间轴方向上而构成；分配单元，其将由第二数据调制的子载波分配到矩阵的除特定信号之外的部分；以及发射单元，其发射被分配到矩阵的特定信号和由第二数据调制的子载波。

利用这样的结构，将第一数据和第二数据发射到接收端，其中第一数据与被分配到子载波矩阵的特定信号模式相关联，第二数据为被分配到矩阵的除特定信号之外的部分的被调制的子载波。

可以在一段时间内发射的第一数据量由特定信号模式的数目来确定，所述一段时间由矩阵的时间轴方向上的码元的数目来确定。所述模式的数目为从所述矩阵中选择任意数目元素的可用组合数目，并且所述组合数目取决于所述矩阵的大小而极大地增加。

因此，可以通过增加矩阵频率轴方向上的子载波数目和时间轴方向上的码元数目，极大地增加可以发射的第一数据量。由此可以发射大量数据。所以，每一个码元时间所发射的数据量因此而增加，这使得每单位时间所发射的数据量增加。

根据本发明的一种多载波通信设备包括：检测单元，其检测与第一数据相关联的特定信号模式，所述第一数据被分配到子载波矩阵，所述矩阵是通过将从被接收的数据得到的、布置在频率轴方向上的多个子载波布置在时间轴方向上而构成的；恢复单元，其恢复与被检测的模式相关联的第一数据；和解调单元，其从子载波解调第二数据，所述子载波已经由被分配到所述矩阵的除所述特定信号之外的部分的第二数据所调制。

这种结构使得可以接收第一数据和第二数据，其中第一数据与被分配到子载波矩阵的特定信号模式相关联，第二数据为被分配到矩阵的除特定信号之外的部分的被调制的子载波。

可以在一段时间内发射的第一数据量由特定信号模式的数目来确定，所述一段时间由矩阵的时间轴方向上的码元的数目来确定。所述模式的数目为从所述矩阵中选择任意数目元素的可用组合数目，并且所述组合数目取决于所述矩阵的大小而极大地增加。因此，可以接收的第一数据量相应地极大增加。

因此，随着矩阵频率轴方向上的子载波数目和时间轴方向上的码元数目变得越大，可以极大地增加接收的第一数据量。由此可以接收大量数据。所以，每一个码元时间所接收的数据量因此而增加，这使得每单位时间所接收的数据量增加。

在根据本发明的多载波通信设备中，布置在频率轴方向上的多个子载波的每一个与和其相邻的子载波具有正交关系。

在此结构中，由于即使将子载波布置成彼此相邻也不会发生干扰，可以通过减小布置子载波的间隔来增加子载波的数目，这使得在频率带宽保持不变时增加被传送的数据量成为可能。

附图说明

图1示出用于解释本发明的第一实施例的多载波通信设备的示意性结构；

图2示出用于解释本发明的第一实施例的多载波通信设备中的矩阵，所述矩阵由布置在频率轴方向上的多个子载波和布置在时间轴方向上的多个OFDM码元构成；

图3示出用于解释本发明的第一实施例的多载波通信设备中的子载波的波形，所述子载波与矩阵的各个元素相关联，所述矩阵由布置在频率轴方向上的多个子载波和布置在时间轴方向上的多个OFDM码元构成；

图4示出用于解释本发明的第二实施例的多载波通信设备的示意性结构；

图5示出根据现有技术的、使用作为一种多载波传输的正交频分复用的发射设备的结构的示例；

图6示出根据现有技术的、使用作为一种多载波传输的正交频分复用的接收设备的结构的示例；和

在图中，标号101、102、103、104、105、106、107、108、和110分别表示数据项(第一发射数据)、调制器、另一数据项(第二发射数据)、模式确定单元、映射单元、IFFT、P/S、GI添加单元、发射单元。

具体实施例

将参照附图描述本发明的实施例。

(第一实施例)

图1示出用于解释本发明的第一实施例的多载波通信设备的示意性结构。

该多载波通信设备包括：调制器102；模式确定单元104，用于确定稍后描述的特定信号模式；映射单元，用于分配信号；IFFT 106，用于执行逆付立叶变换；P/S 107，用于将并行信号转换成串行信号；GI添加单元108，用于向信号添加保护间隔GI；正交调制器109；和发射单元110。

调制器102将作为要发射的第一数据的数据101映射到复平面上以调制子载波。基于作为第二输入数据的数据103，模式确定单元104确定与要分配到子载波矩阵的数据103相关联的特定信号模式，所述子载波矩阵是通过将布置在频率轴方向上的多个子载波布置进时间轴方向上的一个阵列而构成的，以容纳多个OFDM码元。所述特定信号可以是已经根据某种调制方法调制的子载波或者不涉及子载波的零(null)信号。

映射单元105将由模式确定单元104确定的特定信号模式分配到所述矩阵，并且将已经由数据101调制的子载波分配给矩阵中除特定信号模式之外的元素。

现在将参照附图描述以上提到的矩阵。

图2示出由布置在频率轴方向上的多个子载波和布置在时间轴方向上的多个OFDM码元构成的矩阵。图3示出与矩阵的元素相对应的子载波的波形，所述矩阵由布置在频率轴方向上的多个子载波和布置在时间轴方向上的多个OFDM码元构成。图2和图3示出一个示例，其中频率轴方向上的子载波的数目是8，OFDM码元的数目是4。

在图2中，D1到D24表示向其分配由数据101调制的子载波的区域，S表示向其分配特定信号模式的区域。数据101是所述第一数据。区域S的分配位置和数目根据输入到模式确定单元104的数据103而不同。将如图2所示的矩阵作为数据表存储在合并在多载波通信设备中的存储器中，并且可以采用一种结构，其中所述表的内容(子载波的数目和OFDM码元的数目)可以自由改变。

IFFT 106对由映射单元105分配到所述矩阵的特定信号和子载波进行逆付立叶变换，以便以每次一个的方式将它们变换成时间轴方向上的OFDM码元，由此将频率轴方向上的信号变换成时间轴方向上的信号。

P/S 107将由IFFT 106输出的时间轴方向上的并行信号转换成时间轴方向上的串行信号。GI添加单元108向由P/S 107输出的信号添加GI，以便抑制由多径导致的延迟波干扰。正交调制器109使用在GI添加单元108处被添加了GI的信号来执行载波的正交调制。发射单元110放大由正交调制器109输出的信号的功率并且将输出的信号发射到空中。

根据本发明的该实施例的多载波通信设备采用正交频分复用，其中被发射的所有子载波相互为正交关系，并且其中相邻的子载波相互重叠。

现在将描述图1中示出的多载波通信设备的操作。

该多载波通信设备根据例如QPSK调制，对作为要发射的第一数据的数据101执行主调制(从而得到已经使用数据101对其进行主调制的子载波)。在QPSK调制的情况下，由于将数据映射到例如复平面上的4个码元(1，1)、(-1，1)、(1，-1)、(-1，-1)，所以两个比特数据可以由一个码元承载(被调制进一个码元)。

多载波通信设备根据作为要发射的第二输入数据的数据103，确定分配到子载波矩阵的特定信号模式，并且根据被确定的模式，将由数据101调制的子载波和特定信号分配到矩阵。

在时间轴方向上对分配到上述矩阵的信号(子载波和特定信号)进行逆付立叶变换，每次变换成一个OFDM码元。由此将它们变换成串行信号并且在插入GI之后将它们发射到空中。

现在将参照图2和3描述由图1中示出的多载波通信设备可以发射的数据量。

当如图2和3所示，子载波数目和码元数目分别为8和4时，所构成的矩阵将具有32个元素。可用于将例如8个特定信号分配到矩阵的每个元素的组合的数目是₃₂C₈＝10518300。就是说，可以以10518300个不同模式(＞2^23.3)将8个特定信号分配到矩阵中，并且可以将23.3比特数据作为第二数据而发射。

由于由数据101调制并分配到矩阵的子载波的数目是32-8＝24，所以由子载波发射的数据量是24×2比特＝48比特。因此，图1所示的多载波通信设备可以发射由特定信号模式所表示的23.3比特数据和被调制进24个子载波的48比特数据，即总共71.3比特数据。

这里，对图1所示的多载波通信设备和专利文件1中所公开的多载波通信设备进行比较。例如，在这样的假设下进行比较，即假设子载波的数目是8，这与以上描述的示例中的子载波数目相同；所选择的子载波的数目是6；并且频率带宽和OFDM码元数目与以上描述的示例中的那些相同。

在此情况下，专利文件1中所公开的多载波通信设备可以发射以下数据：由从8个子载波中选择6个子载波的组合数目确定的₈C₆(基本上等于4.8比特)种模式的数据，以及被分配到所选择的六个子载波的每一个的数据或者2比特×6＝12比特数据。就是说，用一个OFDM码元总共可以发射16.8比特数据。因此，专利文件1中所公开的多载波通信设备利用4个OFDM码元可以发射的数据量为16.8比特×4＝67.2比特。

从以上可以理解：本发明该实施例的多载波通信设备可以发射的数据量比现有技术的相应数据量大4.1比特(按照数据容量(data volume)来讲17倍或更多)或更多。通过图1所示的多载波通信设备可以发射的数据量比使用通常的多载波传输设备可以发射的数据量(2比特×32＝64比特)大7.3比特(按照数据容量来讲157倍或更多)或更多，其中，在通常的多载波传输设备中，仅将数据分配到六个子载波中的每一个。

如上所述，在本发明的实施例中，将与数据103相关联地确定的特定信号模式分配到具有多个列和行的矩阵，其中列和行由布置在频率轴方向上的多个子载波和布置在时间轴方向上的多个码元构成，以便允许以若干比特来发射数据，所述比特的数目取决于模式组合的数目。随着矩阵的大小变大，特定信号模式的数目极大地增加，这使得可以发射的第二数据103的量极大增加。由此，与现有技术相比可以发射大得多的数据量。

在本发明的实施例中，由于如以上的示例所述可以用4个OFDM码元发射71.3比特数据，所以每单位时间(一个OFDM码元)可以发射的数据量是17.8比特。在相同条件下，根据现有技术的多载波通信设备每单位时间发射的数据量是16比特或16.8比特，其表明每单位时间发射的数据量可以增加几乎1比特，并且表明可以因此更有效地发射数据。

在本发明的实施例中，构成矩阵的频率轴方向上的子载波和时间轴方向上的OFDM码元的数目以及特定信号的数目不受限于以上描述的示例中的那些，并且可以在各自允许的范围内任意地对它们进行设置。

在本发明的实施例中的调制器102中，所使用的调制方法不限于QPSK方法(2比特/码元)，并且可以选择诸如BPSK(1比特/码元)、8PSK(3比特/码元)、16QAM(4比特/码元)或64QAM(6比特/码元)之类的任何调制方法，只要该调制方法允许将数据映射到复平面上即可。

当如在多载波DS-CDMA(MC/DS-CDMA)的情况中那样在主调制之后进行扩展谱复用时，可以得到与以上所描述的那些类似的优点，其中，扩展谱复用直接跟随由在本发明的实施例中的调制器102进行的主调制，以便执行正交频分复用。

当将已经经过特定调制方法的子载波用作特定信号时，只要求该调制方法可以与在调制器102中使用的调制方法相区分，并且可以使用任何调制方法，只要满足这种要求即可。

(第二实施例)

用于解释本发明的第二实施例的多载波通信设备作为用于接收在本发明的第一实施例中所描述的多载波通信设备所发射的信号的接收机。

图4示出用于解释本发明的第二实施例的多载波通信设备的示意性结构。

在相同的图中，多载波通信设备包括：接收单元201，用于从外部接收信号；正交解调器202；GI去除单元203，用于从所述信号去除GI；S/P转换器204，用于将串行信号转换成并行信号；FFT 205，其执行付立叶变换；模式检测单元206，用于检测特定信号模式；解映射单元207；解调器208；和另一个解调器210。

正交解调器202将由接收单元201所接收的信号转换成同相分量I和正交分量Q。GI去除单元203在OFDM码元之间建立同步，并且从由正交解调器202输出的信号中去除保护间隔GI。S/P转换器204将已经从其去除保护间隔GI的时间轴方向上的信号转换成并行信号。FFT 205对由S/P转换器204输出的时间轴方向上的并行信号执行付立叶变换，以便将它们变换成布置在频率轴方向上的多个子载波。

模式检测单元206检测被分配到矩阵形式的子载波的特定信号模式，所述矩阵通过以下构成：按子载波的接收顺序，将由FFT 205输出的、布置在频率轴方向上的多个子载波布置进布置在时间轴方向上的多个码元。

解映射单元207基于由模式检测单元206所检测的特定信号模式，去除分配到矩阵的特定信号，并且按照子载波的解调顺序，重新布置被分配到矩阵的剩余部分并且经由第一发射数据调制的每一个子载波。

解调器208对已经由解映射单元207重新布置的子载波进行解调，以便得到与第一发射数据相同的第一接收数据(数据209)。解调器210恢复与第二发射数据相同的第二接收数据(数据211)，所述第二发射数据与由模式检测单元206所检测的特定信号模式相关联。

根据本发明的该实施例的多载波通信设备采用正交频分复用，其中被接收的所有子波相互为正交关系，并且其中相邻的子载波相互重叠。

现在将描述图4中示出的多载波通信设备的操作。

将从图1所示的多载波通信设备接收的信号转换成具有同相分量I和正交分量Q的信号，在建立OFDM码元的同步之后，从该信号去除保护间隔GI。将已经从其去除保护间隔GI的信号转换成并行信号，对所述并行信号执行付立叶变换，以便将它们变换成频率轴方向上的信号。

此后，将特定信号模式分配到矩阵中的子载波(见图2)，其中，矩阵通过以下构成：按照子载波的接收顺序，将被布置在频率轴方向上的、作为经付立叶变换的信号的多个子载波布置进时间轴方向上的、多个码元的阵列中。

当检测到特定信号模式时，基于该模式从该矩阵去除该特定信号，并且按照该矩阵上剩下的子载波要解调的顺序对它们进行重新布置。由此，解调第一发射数据(第一接收数据)，并且恢复与特定信号模式相关联的第二发射数据(第二接收数据)。

如上所述，在本发明的实施例中，接收在本发明的第一实施例中所描述的多载波通信设备所发射的信号；从根据该信号而构成的如图2所示的矩阵中检测与数据103相关的特定信号模式；并且通过恢复与如此检测的特定信号模式相关联的数据103可以得到第二接收数据。如此所述，本发明的实施例中所描述的多载波通信设备接收由图1中所示的多载波通信设备所发射的数据，并且可以从该数据得到第一发射数据和第二发射数据。因此可以大大增加可以接收的数据量。

可以选择诸如BPSK(1比特/码元)、8PSK(3比特/码元)、16QAM(4比特/码元)或64QAM(6比特/码元)之类的任何调制方法作为本发明的实施例中的解调器208中所使用的调制方法。

当使用上述的并且如图1和2中所示的多载波通信设备来配置通信系统时，该通信系统将能够以高效率执行数据通信。

尽管参照特定实施例详细描述了本发明以便实现本发明，但是对本领域的技术人员来讲，显然在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以对本发明进行各种修改和改变。

本发明基于2002年4月23日提交的日本专利申请第2003-118767号，并且将其内容合并于此以供参考。

工业上的可用性

本发明使得提供一种能够在频率带宽不变的情况下极大地增加每单位时间的数据量的多载波通信设备成为可能。

Claims

1.一种用于使用多个子载波来发射数据的多载波通信设备，包括：

确定单元，其确定与第一数据相关联的特定信号模式；

分配单元，其将被确定的模式分配到子载波矩阵，所述矩阵是通过将被布置在频率轴方向上的多个子载波布置在时间轴方向上而构成的；

分配单元，其将由第二数据调制的子载波分配到所述矩阵的除特定信号之外的部分；和

发射单元，其发射被分配到所述矩阵的特定信号和由第二数据调制的子载波。

2.一种多载波通信设备，包括：

检测单元，其检测与第一数据相关联的特定信号模式，所述第一数据被分配到子载波矩阵，所述矩阵是通过将从被接收的数据得到的、布置在频率轴方向上的多个子载波布置在时间轴方向上而构成的；

恢复单元，其恢复与被检测的模式相关联的第一数据；和

解调单元，其从子载波解调第二数据，所述子载波由被分配到所述矩阵的除所述特定信号之外的部分的第二数据来调制。

3.根据权利要求1或2所述的多载波通信设备，

其中，布置在频率轴方向上的所述多个子载波的每一个与和其相邻的子载波具有正交关系。