CN1985446A - 确定跳时、脉冲无线电系统中的帧持续时间的方法和跳时、脉冲无线电系统 - Google Patents

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Abstract

一种方法确定在跳时、脉冲无线电系统中的帧持续时间。定期估计在两个收发机之间信道的信道状态信息。还定期估计信号对噪声加干扰比。然后，根据信道状态信息和信号对噪声加干扰比，确定帧的帧持续时间。

Description

确定跳时、脉冲无线电系统中的帧持续时间的方法和跳时、脉冲无线电系统
技术领域
本发明一般涉及通信系统，具体涉及用于无线通信系统中的调制格式。
背景技术
在美国，联邦通信委员会(FCC)允许限制性无执照使用超宽带宽(UWB)信号用于无线通信系统，参见“First Report and Order”(2002年2月14日)。UWB信号必须在从3.1到10.6GHz的频率范围内，且最小带宽为500MHz。FCC规则也将UWB信号的功率谱密度和峰值发射功率限制到小于-43.1dBm/MHz。
用于UWB的一种调制方法使用极短时间脉冲(例如，1/1,000,000,000秒或更短)来生成带宽超过500MHz(其对应波长约为300mm)的信号。使用短脉冲的无线系统通常称为脉冲无线电(IR)系统。
如图1A所示，通常用于IR系统的四种不同的调制技术为：脉位调制(PPM)11、脉幅调制(PAM)12、通断键控(OOK)13和二相相移键控(BPSK)14。
作为优点，UWB系统实现了高数据速率，并能抗多径损伤。这是由于有较大的处理增益。另外，IR系统使得能够使用无需本机振荡器用于外差的、低成本、低工作循环、低功率的收发机。由于UWB收发机主要在数字域中实现，从而可将UWB收发机集成在半导体芯片中。在UWB系统中，多个收发机在无干扰的条件下同时共享同一频谱。UWB系统对于家庭、商业和教育机构中的短距离高速网络是理想的。传感器网络也能使用UWB收发机。
M.Win和R.A.Scholtz的“Ultra-Wide Band Width Time-Hopping Spead-Spectrum Impulse Radio for Wireless Multiple-Access Communications”(IEEE Trans.On Communications，Vol.48，No.4，2000年4月，pp.679-691)中对跳时(TH)IR进行了描述。在该TH-IR系统中，每位或符号由Nf个脉冲表示，其中，Nf为正整数。发射一位的时间为Ts。这称为符号持续时间。还可将时间Ts划分为帧Tf，将帧划分为码片Tc，通常对应于脉冲持续时间。如果Nc表示一帧中的码片数量，Nf表示一个符号中帧的数量，则Ts，Tf和Tc的关系由下式表示：
Ts＝NfTf＝NfNcTc    (1)
图1B表示对于‘0’位的示例性现有技术TH-IR波形110和‘1’位的波形120的脉冲104，符号时间Ts 101、帧持续时间Tf 102和码片持续时间Tc 103之间的关系。一般而言，在根据“跳时”代码的帧中的可用码片之间，将脉冲伪随机地间隔开，以最小化多用户干扰。
如以上所述，调制可为二相相移键控(BPSK)。通过BPSK，将每位b表示为正或负一，即，b∈{-1，1}。发射信号具有如下形式：
其中，cj表示TH代码的第j个值，处在{0，1，...，Nc-1}的范围内，b表示第i个调制符号。另外，可对发射信号中的每个脉冲应用表示为hi，j的可选序列，以便“整形”发射信号谱，以及缩减谱线。序列hi，j称为值为+1或-1的极性加扰序列。不同的振幅还可能进一步对频谱整形。
图2示出传统的相干TH-IR接收机200。接收机包括自动增益控制(AGC)部件210，自动增益控制部件210与放大器220相连，放大器220与接收天线230相连。接收机还包括同步部件240、定时控制部件250、信道估计部件260、MMSE均衡器部件270和解码器部件280。分离多径接收机指290输入到加法器295。每个分离多径接收机指均包括脉冲序列发生器、相关器和加权组合器。分离多径接收机指减小了多径干扰。
需要选择合适的帧持续时间。短的帧持续时间会降低多路接入干扰(MAI)，还能够提高在有定时抖动的情况下的性能，如S.Gezici，H.Kobayashi，H.V.Poor和A.F.Molisch的“Effect oftiming jitter on the tradeoff between processing gains”(Proc.ICC2004，PP.3596-3600，2004年)中所述。另一方面，当帧持续时间短于信道脉冲响应的最大过量延迟时，会出现帧间干扰(IFI)。在传统TH-IR系统中，帧持续时间是固定的，不可更改。
因此，希望能够自适应地选择帧持续时间。
发明内容
本发明提供一种用于根据当前信道状态和干扰自适应地确定跳时、脉冲无线电(TH-IR)系统中帧持续时间的方法和装置。在多用户系统中，干扰是由于来自其他收发机的信号以及噪声造成的。因此，干扰以信号对噪声加干扰比(SINR)来度量。
接收机获得信道状态信息(CSI)(具体为小尺度平均功率延迟分布)以及平均SNIR。CSI和功率延迟分布用于确定最佳帧持续时间。帧持续时间可在接收机或发射机中确定。当CSI和SNIR随时间变化时，可定期更新帧持续时间。
附图说明
图1A是现有调制技术的时序图；
图1B是现有技术TH-IR调制的时序图；
图2是现有技术TH-IR接收机的框图；以及
图3是根据本发明用于确定帧持续时间的方法的流程图。
具体实施方式
本发明提供一种用于为无线电系统中的收发机自适应选择帧持续时间的系统和方法。帧持续时间取决于信号对噪声加干扰比(SNIR)和信道状态信息(CSI)。可将该方法应用到跳时、脉冲无线电(TH-IR)系统以及涉及跳时的发射基准系统中的相干收发机，以及应用到具有非相干收发机的跳时系统。应该注意，在任一时刻，收发机可进行发射或接收。
在第一步中，接收机定期估计310信道301的CSI 311。这可通过两种方式实现。接收机可估计瞬时CSI或平均CSI。在后者情形中，接收机估计小尺度、平均功率延迟分布或其近似。本发明不必使用精确的CSI。小尺度平均功率延迟分布的近似或甚至仅是均方根(RMS)延迟扩展的估计可带来益处。是使用瞬时还是平均CSI主要取决于信道的符号持续时间与相干时间之间的比。在准静态信道中，优选使用瞬时CSI。
在第二步中，接收器定期估计320信道301的SNIR 321。可在不向接收机发射任何数据的“静噪”周期期间，估计SNIR。在该时期内，接收机是活动的，“正在收听”信道。有许多用于估计CSI和SINR的方法。本发明可与用于进行这些估计的任何传统方法一起工作。关于信道与干扰估计的综述，可参看J.G.Proakis的《DigitalCommunications》(第四版，McGraw-Hill出版社，纽约，2001年)。
在可选的第三步中，收发机定期获取330其他UWB收发机329所使用的帧持续时间331。这可通过其他收发机的显式发射来实现。例如，在根据IEEE 802.15.4标准的网络的场境中，中央协调设备发射信标。信标包含用于在协调设备控制下的所有其他设备的帧持续时间。
估计了CSI和SNIR之后，确定340最佳帧持续时间341。帧持续时间可在发射机或接收机中确定。最佳帧持续时间使得训练信号与接收信号之间的RMS误差、编码或未编码误码率(BER)、或其他合适标准最小。例如，S.Gezici，F.Tufvesson和A.F.Molisch在“On the performance of transmitted-reference impulse radio”(Proc.Globecom 2004)中描述了在只有噪声时对于发射基准方案的BER。或者，根据来自发射数据的BER或RMS误差确定最佳帧持续时间。通过在发射机中“抖动”帧持续时间，收发机能够确定是更小还是更大的帧持续时间会改善BER。然后，将该信息提供给发射机，相应地适配帧持续时间。
本发明还优化了对于最佳帧持续时间的跳时(TH)序列。常规地，对于预定的固定帧持续时间，预选和优化TH序列。预选的TH序列试图使每符号脉冲冲突数最小，而与不同收发机之间变化的相对延迟无关。
本发明自适应地选择350当被截取成更短持续时间时保持良好“冲突”特性的TH序列351。可使用具有不同长度的序列349的离散集。发射机从该序列集中选择对于最佳帧持续时间341的最佳序列351。
本发明的效果
根据本发明的帧持续时间选择减少了帧间干扰和多路接入干扰。根据系统运行环境，本发明对帧持续时间进行调整，以使帧间干扰最小，同时还保持良好的多路接入性能。
尽管以示例性优选实施例描述了本发明，不过应该理解，在本发明的精神和范围内，可进行多种其他适配和修改。因此，所附权利要求的目的是涵盖处在本发明的实际精神和范围内的所有这些变型和修改。

Claims (21)

1.一种用于确定在跳时、脉冲无线电系统中的帧持续时间的方法，包括：
定期估计在两个收发机之间的信道的信道状态信息；以及
根据信道状态信息确定帧持续时间。
2.根据权利要求1的方法，还包括：
定期估计信号对噪声加干扰比；以及
根据信号对噪声加干扰比确定帧持续时间。
3.根据权利要求1的方法，其中，信道状态信息是瞬时的。
4.根据权利要求3的方法，其中，信道状态信息基于瞬时功率延迟分布。
5.根据权利要求1的方法，其中，信道状态信息被在时间上求平均。
6.根据权利要求5的方法，其中，信道状态信息基于小尺度、平均功率延迟分布。
7.根据权利要求1的方法，其中，信道状态信息基于均方根RMS延迟扩展。
8.根据权利要求2的方法，其中，在不发射任何数据的静噪周期期间，估计信号对噪声加干扰比。
9.根据权利要求1的方法，还包括：
定期获取所述无线电系统的其他收发机所使用的其他帧持续时间；以及
根据其他帧持续时间确定所述帧持续时间。
10.根据权利要求9的方法，其中，显式地发射其他帧持续时间。
11.根据权利要求1的方法，其中，在接收机中确定帧持续时间，该方法还包括：
将所述帧持续时间发射到发射机。
12.根据权利要求2的方法，其中，在接收机中估计信道状态信息和信号对噪声加干扰比，该方法还包括：
将信道状态信息和信号对噪声加干扰比发射到发射机；以及在发射机中确定帧持续时间。
13.根据权利要求1的方法，其中，所述帧持续时间使得训练信号与接收信号之间的RMS误差最小。
14.根据权利要求1的方法，其中，所述帧持续时间使得编码误码率最小。
15.根据权利要求1的方法，其中，所述帧持续时间使得未编码误码率最小。
16.根据权利要求1的方法，其中，所述帧持续时间使得发射数据的RMS误差最小。
17.根据权利要求1的方法，其中，所述帧持续时间使得发射数据的误码率最小。
18.根据权利要求15的方法，还包括：
在发射机中抖动帧持续时间。
19.根据权利要求1的方法，还包括：
根据帧持续时间，定期选择跳时序列。
20.一种跳时、脉冲无线电系统，包括：
用于定期估计信道的信道状态信息和信号对噪声加干扰比的接收机，所述接收机还包括：
用于根据信道状态信息和信号对噪声加干扰比确定帧持续时间的装置；以及
用于发射帧持续时间的装置；以及
用于接收帧持续时间的发射机。
21.一种跳时、脉冲无线电系统，包括：
用于定期估计信道的信道状态信息和信号对噪声加干扰比的接收机，所述接收机还包括：
用于发射信道状态信息和信号对噪声加干扰比的装置；以及
用于根据信道状态信息和信号对噪声加干扰比确定帧持续时间的发射机。
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