CN1951078A - 用于实现多入多出ofdm无线局域网的方法和系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于实现MIMO通信系统的方法和相关系统。该系统包括至少一个编码器(120a，120b)，用于对数据分组的相应输入数据流进行里德－所罗门编码；至少一个交织器(124a，124b)，用于交织一个相应的已编码输入数据流的比特；至少一个映射器(128a，128b)，用于映射一个相应的已编码输入数据流的已交织的比特；至少一个反向FFT(132a，132b)，用于确定一个相应的已编码比特流的所述映射的已交织比特的变换；至少一个循环前缀单元(136a，136b)，用于确定一个相应的已编码比特流的已变换、已映射的已交织比特的循环前缀；以及，至少一个脉冲整形器(140a，140b)，用于对一个相应的已编码比特流的脉冲进行整形，以及用于将数据流分割为多个输入数据流的装置，所述输入数据流与一个相应的通信信道相关。此外，该方法提供了对数据传输施加最小开销的训练序列700。

Description

用于实现多入多出OFDM无线局域网的方法和系统

本申请根据35USC§119(e)要求于2004年5月13日在美国专利商标局提交的、题目为“MIMO OFDM System For Wireless LANApplication(用于无线LAN应用的MIMO OFDM系统)”、并且被转让的、序列号为60/570,637的临时专利申请的权益，该临时专利申请的内容在这里引入作为参考。

本申请涉及无线通信，并且更确切地涉及用于训练多入多出(MIMO)通信系统的方法和系统。

服务器、路由器、访问点和客户设备的无线连网很大地扩展了用户创建和扩展现有网络的能力。事实上，无线网络已允许客户将诸如笔记本或膝上型电脑、个人数字助理(PDA)、以及蜂窝电话的设备从与网络并不典型地相关的远端位置连接到办公室和家庭网络。这些远端位置被称为热点(hotspot)，其允许客户从当地的咖啡店访问他们自己的网络。

为了促进无线通信的扩张并提供不同设备间的兼容性，已经建立了诸如IEEE 802.11a/b/g的通信协议。

IEEE 802.11a是由编码正交频分复用(Coded OrthogonalFrequency Division Multipexing，COFDM)支持的重要的无线局域网(WLAN)标准。IEEE 802.11a系统能够达到6Mbps到54Mbps的传输数据率。当前的802.11a系统在5GHz载波频段使用20MHz频带作为一个信道。整个信道分割为64个子信道，并且其中的48个用于传输信息数据，而剩余的12个子载波在频带边缘被用于频谱整形。802.11a系统子载波使用和系统参数的细节是本领域内公知的。

然而，这些协议主要被设计用于数据的传输，并且，由于传输的数据的量的限制，仅仅非常有限地适合于实时视频传输。不能及时地递送视频数据例如可能导致运动中的错误，从而使得图像不可用。

在OFDM系统中，频段被分割成频率子信道，称作载波频率，每个与其上调制数据的子载波频率相关。典型地，每个子信道可能经受诸如衰落和多径效应的不同条件，其也随时间变化。因此，每个子信道频率传输的比特的数目可能变化。

为了满足诸如热点、家庭娱乐网络和企业通信的应用的高容量无线通信，需要更高的传输率。已经形成了一个称作IEEE 802.11n WG(工作组)的新组以研究能够在MAC层提供100Mbps的吞吐量的标准。

考虑到无线局域网(WLAN)的信道特性，很难仅仅通过增加信号星座(constellation)的量级并在合理的SNR范围内解码来增加单天线系统的数据率。获得较高传输数据率的一个简单的方法就是使用较大的信道带宽。该解决方案简单、廉价并且能够很快的推向市场。但是，频谱效率不能得到显著地提高。为了达到标准委员会制定的3比特/秒/赫兹的目标，需要对基于802.11a的系统作额外的工作。

另外一种在丰富散射的环境下获得更高数据率的方法是空间复用，例如BLAST系统。已经研究了基于802.11a的2×2空间复用多入多出(SP-MIMO)系统的不同配置以找到系统的性能和复杂性的最佳解决方案。

MIMO系统中遇到的一个复杂性是需要训练每一个信道。这需要传输一系列已知比特，接收系统从这些比特可以估计相应信道中的传输介质对比特流的影响。由于训练序列是传输上的一种开销并且不携带用户信息，因而在比特流中包括它们便降低了传输的有效率。

因此，产业中需要一种MIMO系统和训练序列，其允许MIMO系统确定给数据传输增加最低开销的相应信道特性。

公开了一种用于实现MIMO通信的方法和多个系统。所述系统包括至少一个编码器，用于对数据分组的相应输入数据流进行里德-所罗门(Reed-Solomon)编码；至少一个交织器，用于交织一个相应的已编码输入数据流的比特；至少一个映射器，用于映射一个相应的已编码输入数据流的所述已交织比特；至少一个反向FFT，用于确定一个相应的已编码比特流的所述已映射的已交织比特的变换；至少一个循环前缀单元，用于确定一个相应的已编码比特流的已变换、已映射的已交织比特的循环前缀，以及至少一个脉冲整形器，用于对一个相应的已编码比特流的脉冲整形；以及用于将数据流分割为多个输入数据流的装置，每个输入数据流与一个相应的通信信道相关。此外，该方法公开了给数据传输加上最小开销的训练序列。

图1图示了常规的无线LAN通信系统；

图2-5图示了根据本发明原理的MIMO无线LAN通信系统的示范性实施例；

图6图示了MIMO系统交叉耦合的示例；

图7图示了根据本发明原理的示范性MIMO训练序列；以及

图8图示了用于执行这里显示的处理的系统。

应该理解，这些附图仅仅是用于说明本发明的概念的目的，而不意图作为本发明的限制的定义。这里图中显示的并在附属详细描述中描述的实施例用于作为说明性的实施例，而不应解释为实施本发明的唯一方式。同时，在适当时可能用参考字符补充的同样的参考数字用于识别类似的元件。

图1图示了具有传输部分110和接收部分150的常规无线通信系统100的框图。传输部分110为前向纠错(FEC)编码器120提供数据115，该编码器120以一种纠正传输中可能产生的错误的方式编码数据115。一方面，FEC可能包括公知的里德-所罗门编码方案。已编码的数据之后应用于比特交织器124，并且交织的比特在映射器128中进行映射。已编码并交织的比特流在IFFT 132中进行反向快速傅立叶变换，并且在循环前缀136中应用数据比特的循环移位。之后，比特流被应用于脉冲整形器140并经由天线144通过传输介质传输。

接收系统150在天线151接收传输的比特流并通过将接收的数据应用于脉冲整形器152、采样器156、FFT 160、解映射器164、解比特交织器168和FEC解码器172来倒转传输过程以产生输出176。

图2图示了根据本发明原理的2-信道MIMO系统200的一方面，包括传输部分210和接收部分250。这种情况中，数据流115在第一信道和第二信道之间被分割。一方面，数据流115可以被分割以便于奇数比特(或字节)应用于第一信道而偶数比特(或字节)应用于第二信道。在这种图示的情况下，第一和第二信道的组件用字母“a”和“b”标注，并且和对于图1描述的那些相同。因此，这些组件不需要再次详细描述。和对于图1描述的过程相似地操作的接收部分250接收并解码-即恢复-独立传输的已编码的数据比特流以产生数据176。在这种情况下，2×2 MMSE/ZF滤波器255。MMSE/ZF滤波在本技术领域中是公知的，因为它是解码MIMO信号的标准方法。在本图示的实施例中，被恢复的比特流在移除纠错码之后被组合。

图3图示了根据本发明原理的2-信道MIMO系统300的第二方面。在本发明的该方面中，数据首先在编码器120中进行FEC编码，并且被编码的数据在如对于图2描述的传输信道中被分割。接收系统在如对于图2描述的过程中恢复比特流。然而，这种情况下，被恢复的比特流在解码器172中先于移除FEC而被组合。

图4图示了根据本发明原理的2-信道MIMO系统400的另一方面。在该系统中，数据115先于如对于图2描述的在传输信道间分割比特流而被进行FEC编码并在比特交织器410中被交织。在这种情况下，接收部分与对于图2的描述的类似的进行操作。然而，比特交织器420操作以对所有天线上的比特流共同地进行比特交织。这种操作与图3中示出的交织不同，因为图3中示出的比特交织器是在每个天线上执行交织。

图5还图示了根据本发明原理的2-信道MIMO系统500的另一方面。在该图示的实施例中，先于在传输信道间分割数据115，数据115被编码器120编码、被交织器410交织并被映射器128映射。类似地，接收的数据以类似于对于图4描述的方式被恢复。然而，这种情况下，恢复的比特流在被解映射器164解映射之前被组合。

常规的无线通信系统用高达64个频率载波操作以通过避免干扰而改善传输。在本发明的优选实施例中，使用一百二十八(128)个频率载波。在该方面中，OFDM符号可以随后被编组到96的块，具有在DC的2个相邻的零载波，用于频带边缘保护的22个载波和8个引导载波。输入到IFFT 132的128-块可以形成为：

0，0，s₁，s₂，...，s₅₂，0，0，...，0，s₅₃，s₅₄，...，s₁₀₄，0

其中s₁，...，s₁₀₄包括96个数据+8个引导OFDM符号。

在一个优选实施例中，信号传输可以在FFT域出现，如：

载波号：[1，2，3...10，11，12...28，29，30...46，47，48...53，54...76，77...82，83，84...100，101，102...118，119，120...127，128]

值：[0，0 d₁...d₈ p₁ d...d₂₅ p₂ d₂₆...d₄₂ p₃ d₄₃...d₄₈ 0...0 d₄₉...d₅₄ p₄ d₅₅...d₇₁ p₅ d₇₂...d₈₈ p₆ d₈₉...d₉₆ 0]

其中d_i代表数据符号；

p_j代表引导符号；以及

载波号表示载波频率。

由于号码为3到53的载波频率和号码为77-127的载波频率被用于传输，因而传输更多的数据符号，传输因此得到了提高。而且，在该128FFT表示中，号码为54和76的载波频率被预留来仅用于训练符号。

图6图示了与图2-5中示出的那些类似的2-信道MIMO系统600的框图，其中在传输出现于同一频带中时，接收系统620能够接收来自相应的信道以及间隔(alternate)信道的信号。因此，与信道1相关的接收天线622能够接收来自分别与信道1和2相关的传输天线612和614的信号，并且与信道2相关的接收天线624也可以接收来自传输天线612和614的信号。这种接收信号的交叉耦合在由接收系统620恢复的符号中引入误差。一种解决该引入的交叉耦合的误差的方法是确定并估计引入的误差。对由衰落、多径和其他干扰原因引入的误差的估计在本领域中是已知的。在常规的无线通信系统中，已知的序列称为训练序列，其用来为接收系统提供足够的信息以估计信道特性，例如衰落和多径。但是，这些序列必须足够长以确定并将信道特性与交叉耦合干扰相隔离。在传输中包括这样的足够长的训练序列减少了有效比特传输率。

图7图示了根据本发明原理的用于2-信道MIMO通信系统的示范性的训练序列700。在该示范序列700中，用a_i表示的符号在第一信道和第二信道的间隔载波频率上传输，并且例如，在第一和第二信道之间被偏移以单一、相邻的频率载波。如示出的，符号a₁，a₂，...a_n在第一信道的奇数频率上传输，并且，同样的符号a₁，a₂，...a_n在第二信道的偶数频率上传输。在该图示的情况中，一百二十八(128)个载波频率用于在发信机和接收系统之间通信。由于在序列中使用51个符号或单音(tone)，因而符号a₁，a₂，..a_n在第一信道的号码为3到53的载波频率和号码为76-126的载波频率上以及第二信道的载波4-54和77-127上传输。因此，载波54和76被预留来用于训练单音并且没有数据。由于示出的序列使一个数据块能够估计两个信道的信道特性，因此它是非常有利的。当MIMO通信系统中使用两个以上的信道时构建类似的训练序列完全是在本领域技术人员的知识内的。

本领域的任何技术人员都能够认识到示出的示范性训练序列可以应用于使用不同数量的传输频率的系统。例如，在IEEE802.11a/b/g系统中使用64个载波频率，因此，改变使用的符号数目以便为特定的载波频率提供期望的训练单音的隔离。将载波频率数从64增加到128需要显著地减小信道间的相位噪声。因此，尽管本发明参照优选的128频率系统描述，但是也能应用于具有较小数目-例如64，32等或较大数目-例如256，512等的载波频率的系统。

本发明的另一方面采用GF(256)上的里德-所罗门(220，200)20字节-纠错码，使用由以下给出的生成多项式：

x⁸+x⁴+x³+x²+1

该生成多项式与ATSC HDTV标准中使用的相同。该代码纠正高达每220字节码字10字节误差。一方面，分组大小不必严格限于码字尺寸的整数倍。RS编码器开始编码200字节的块中的数据，并且任何剩下的字节，例如少于200的字节用相同数目的奇偶校验字节(20)编码成缩短的RS码字。一方面，分组可能用RS奇偶校验比特填充。例如，用128-FFT、使用GF(2⁸)(220，200)RS上的10-字节的3/4 64QAM调制的比率去编码在上面示出的2x2系统上传输的100字节分组需要8字节作为填充比特。在这种情况下，8个奇偶校验字节可以用作8“填充比特”-字节；从而产生一个(108，100)码。RS码的缩短和穿孔在本领域是已知的，并且不需要在这里详细讨论。

图8图示了可能用于实现本法明原理的系统800的示范性实施例。系统800可以包含一个或多个输入/输出设备802、处理器803以及存储器804。I/O设备802可以访问或接收来自一个或多个源801的信息。源801可以是诸如电视系统、计算机、笔记本电脑、PDA、蜂窝电话或其他适于接收信息以执行这里示出的处理的设备。设备801可以经由例如无线广域网、无线城域网、无线局域网、陆地广播系统(广播、电视)、卫星网、蜂窝电话或无线电话网，以及这些和其他类型网络的一部分或组合来请求一个或多个网络连接850上的访问。

输入/输出设备802、处理器803和存储器804可以通过通信介质825通信。通信介质825可以表示例如总线、通信网、电路、电路卡或其他装置的一个或多个内部连接，以及这些或其他通信介质的一部分或组合。来自客户设备801的输入数据请求根据可能在存储器804中存储并由处理器803执行的一个或多个程序来处理。处理器803可以是任何装置，诸如通用或专用计算系统；或可以是硬件配置，例如膝上型电脑、台式机、服务器、手持电脑、专用逻辑电路，或集成电路。处理器803还可以是可编程阵列逻辑(PAL)、专用集成电路(ASIC)等，其可以是被硬件“编程”的，以包括响应已知输入来提供已知输出的软件指令或代码。一方面，硬件电路可以用于代替软件指令或与之结合以实现本发明。这里图示的元件还可以实现为可操作来通过使用编码的逻辑操作或通过执行硬件可执行代码来执行示出的操作的分立硬件元件。

一方面，本发明的原理可以由处理器803执行的计算机可读代码实现。该代码可以存储在存储器804中或可从存储介质883、I/O设备885或诸如软盘、CD-ROM或DVD的磁、光介质887读取/下载。

由I/O设备802从设备801接收的信息条目在根据一个或多个可操作来执行这里图示的功能的软件程序处理之后，还可以通过网络880传输到一个或多个输出设备，表示为显示器880、报告设备890或第二处理系统895。

本领域的技术人员应该认识到，术语计算机或计算机系统可以代表一个或多个处理单元，其与一个或多个存储单元以及电连接到至少一个处理单元并与之通信的其他设备(例如外围设备)通信。而且，设备可以经由例如ISA总线、微通道总线、PCI总线、PCMCIA总线等的内部总线、或电路、电路卡或其他设备的一个或多个内部连接，以及这些和其他通信介质的一部分和组合、或诸如互联网和内联网的外部网络而电连接至一个或多个处理单元。

在当前的IEEE 802.11a/g标准中，64-点FFT用于形成被传送的信号。在这种情况下，被插入用以保护对抗多径的循环前缀是16样本长，因此导致了25％的开销。这个大的开销限制了用户数据率，即使人们将使用MIMO系统。而且，MIMO系统的信道估计在用作频率交织的训练序列的64-点FFT仅允许每个天线使用小数目的频率仓(frequency bin)用于信道估计时受到损害。因此，本发明优选地采用128-点FFT系统，其考虑了每个仓更大数目的条目并进一步减小由于循环前缀带来的开销。与这里描述的用于信道估计的频率交织的训练序列结合，与64-点FFT系统相比有非常少的性能损耗。

尽管已经基本上将本发明的新颖特征显示、描述并记录为是应用到其优选实施例，应该理解，本领域技术人员可以对所描述的装置、公开的设备的细节和形式以及它们的操作进行各种省略和替代以及改变而不背离本发明的精神。例如，尽管本发明参照2-信道MIMO描述，本领域技术人员可以将这里显示的概念扩展到具有更多信道的系统。很明白，旨在使那些以基本相同方式执行基本相同功能以获得相同结果的元素的所有组合是处于本发明的范围内。将一个描述的实施例的元素替代成另一个也完全是计划中的和预期的。

Claims (34)

1.一种用于在多入多出(MIMO)无线通信系统(200)中提供训练序列的方法，所述方法包括步骤：

在第一信道的选定载波频率上传送从多个数据符号和训练符号中选择的符号；以及

在第二信道的选定载波频率上传送所述符号，所述第二信道的选定载波频率偏移于所述第一信道的选定载波频率。

2.如在权利要求1中描述的方法，其中所述训练符号是预定的。

3.如在权利要求1中描述的方法，其中在所述第一信道载波频率(700.51a)中选定的一个载波频率上传输的所述符号在相邻的第二信道载波频率(700.52b)上传送。

4.如在权利要求1中描述的方法，其中预定数目的相邻的第一信道载波频率(700.1a，700.1b)不传送符号。

5.如在权利要求1中描述的方法，其中所述符号在间隔的第一信道载波频率(700.76a，700.78a)上传输。

6.如在权利要求1中描述的方法，其中预留至少两个信道频率用于所述训练符号而不用于数据符号传送。

7.如在权利要求6中描述的方法，其中所述至少两个信道频率基本定位为靠近频谱频带边缘(700.1a，700.1b)。

8.一种用于在多入多出(MIMO)无线通信系统中传输训练序列的装置，所述系统包括：

处理器，其与存储器通信，所述处理器执行代码以用于：

在第一信道的选定载波频率上传送从多个数据符号和训练符号中选择的符号；以及

在第二信道的选定载波频率上传送所述符号，所述第二信道的选定载波频率偏移于所述第一信道的选定载波频率。

9.如在权利要求8中描述的装置，其中所述训练符号是预定的。

10.如在权利要求8中描述的装置，其中在所述第一信道载波频率中选定的一个载波频率上传输的符号在相邻的第二信道载波频率上传输。

11.如在权利要求8中描述的装置，其中从由32、64、128、256、和512组成的组中选择若干载波频率。

12.如在权利要求8中描述的装置，其中所述第一信道载波频率中预定数目的相邻载波频率不传送数据符号。

13.如在权利要求8中描述的装置，其中所述符号在间隔的第一信道载波频率上传输。

14.如在权利要求8中描述的装置，进一步包括：

与所述处理器通信的输入/输出设备。

15.如在权利要求8中描述的装置，进一步包括：

发送单元。

16.如在权利要求8中描述的装置，其中预留至少两个第一信道载波频率用于训练符号而不用于数据符号传送。

17.如在权利要求16中描述的装置，其中所述至少两个第一信道载波频率基本定位为靠近频谱频带边缘。

18.一种用于在多个数据分组中经由多个通信信道(144a，144b)传送数据流的MIMO无线通信传送系统(210)，所述系统包括：

至少一个编码器(120a，120b)，用于对数据分组的相应输入数据流进行里德-所罗门编码；

至少一个交织器(124a，124b)，用于交织一个相应的已编码输入数据流的比特；

至少一个映射器(128a，128b)，用于映射一个相应的已编码输入数据流的所述已交织的比特；

至少一个反向FFT(132a，132b)，用于确定一个相应的已编码比特流的所述已映射的已交织比特的变换；

至少一个循环前缀单元(136a，136b)，用于确定一个相应的已编码比特流的所述已变换、已映射的已交织比特的循环前缀；以及

至少一个脉冲整形器(140a，140b)，用于对一个相应的已编码比特流的脉冲进行整形。

19.如在权利要求18中描述的系统，进一步包括：

用于将所述数据流(115)分割为多个输入数据流的装置，所述输入数据流与一个相应的通信信道相关。

20.如在权利要求19中描述的系统，其中所述分割装置被加在从由所述编码器、交织器、映射器、反向FFT、循环前缀和脉冲整形器组成的组中选择的单元之前。

21.如在权利要求20中描述的系统，其中所述多个通信信道的每一个在从由32、64、128、256和512组成的组中选择的若干个载波频率上操作。

22.如在权利要求18中描述的系统，进一步包括：

处理器装置，用于：

在第一信道的选定载波频率(700.1.1-700.1.128)上传送从多个数据符号和训练符号中选择的符号；以及

在后续信道的选定载波频率(700.2.1-700.2.128)上传送所述符号，所述后续信道的选定载波频率偏移于所述第一信道的选定载波频率。

23.如在权利要求22中描述的系统，其中所述后续信道载波频率是与所述第一信道的选定载波频率相邻的频率。

24.如在权利要求22中描述的系统，其中所述第一信道载波频率的预定数目的相邻载波频率不传送数据符号。

25.如在权利要求22中描述的系统，其中所述符号在所述第一信道载波频率(700.1.n，700.1.n+2)的间隔载波频率上传输。

26.如在权利要求18中描述的系统，其中未填充的数据分组由里德-所罗门奇偶校验比特填充。

27.一种计算机可读介质，其上包含在多入多出(MIMO)无线通信系统中使用的代码，所述代码用于：

在第一信道的选定载波频率上传送从多个数据符号和训练符号中选择的符号；以及

在第二信道的选定载波频率上传送所述符号，所述第二信道的选定载波频率偏移于所述第一信道的选定载波频率。

28.如在权利要求27中描述的计算机可读介质，其中所述训练符号是预定的。

29.如在权利要求27中描述的计算机可读介质，所述代码进一步用于：

在所述第一信道载波频率中选定的一个载波频率上传送符号；以及

在相邻的第二信道载波频率上传送所述符号。

30.如在权利要求27中描述的计算机可读介质，其中从由32、64、128、256和512组成的组中选择若干载波频率。

31.如在权利要求27中描述的计算机可读介质，所述代码进一步用于：

在所述第一信道载波频率中预定数目的相邻载波频率上不传送数据系统。

32.如在权利要求27中描述的计算机可读介质，所述代码进一步用于：

在间隔的第一信道载波频率上传送所述符号。

33.如在权利要求27中描述的计算机可读介质，所述代码进一步用于：

预留至少两个第一信道载波频率用于训练符号而不用于数据符号传送。

34.如在权利要求33中描述的计算机可读介质，其中所述至少两个第一信道载波频率基本定位为靠近频谱频带边缘。

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