TWI473484B - 用於多重輸入多重輸出（ｍｉｍｏ）通信系統的實體層收斂協定（ｐｌｃｐ）封包結構 - Google Patents

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Description

用於多重輸入多重輸出(MIMO)通信系統的實體層收斂協定(PLCP)封包結構
本發明大致上涉及多重輸入多重輸出(MIMO)通信系統，特別是涉及用於MIMO通信系統的前置項結構。
本申請案主張2008年3月10日申請之美國臨時申請案第61/035,144號之權利。
WiMedia標準定義了基於多頻帶正交分頻調變(MB-OFDM)傳輸的媒體存取控制(MAC)層與實體(PHY)層的規範。WiMedia標準使短距離多媒體檔能夠以至多達480Mbps的速率低功耗地傳輸。該標準作業在超寬頻(UWB)頻譜的3.1GHz與10.6GHz之間的頻帶中。然而，WiMedia標準速率的最高資料速率不能滿足未來無線多媒體應用，如高清晰電視(HDTV)無線連接。人們正在努力將資料速率提高到1Gbps及以上。
為此，正在考慮用於未來基於WiMedia無線通信系統的多重輸入多重輸出(MIMO)技術。該MIMO技術提供更好的分集增益並且在強散射的情況下可顯著增加通道容量。該MIMO技術已經成功應用於無線系統中，包含例如基於802.11n無線區域網路(WLAN)和WiMax。該MIMO還被考慮在基於下一代WiMedia的系統中實施。
圖1顯示一基於MIMO系統100的示意圖，其中一發射器130包含M個發射天線110-1到110-M以及一接收器140使用N個接收天線120-1到120-N接收信號。通常，在單輸入單輸出(SISO)系統中，該接收器只估計標量通道參數‘h’。也就是說，由一接收器使用一由一發射天線發射的前置項實施該通道估計。另一方面，在該MIMO 100系統中，該接收天線120-X(其中X是等於或大於1的整數)應估計一M乘N的通道矩陣H：
圖2顯示一實體層收斂協定(PLCP)封包200，其是一用於基於SISO的UWB通信系統中的實體層封包。該PLCP封包200包含一前置項210、一標頭220和一有效載荷資料230。該前置項210允許接收器實施封包檢測、自動增益控制(AGC)調整、同步(例如，時序擷取和載波頻率偏差估計)和通道估計的該等任務。為此，該前置項210包含兩個部分：同步(SYNC)211和通道估計(CE)212。該同步部分211包含具有一重複結構的OFDM符號的時域隨機序列。這些序列具有良好的自相關性質並且使一UWB接收器能夠使用基於相關的方法實施封包和時序同步檢測。該等隨機序列還可被用於實施AGC和頻率偏差估計。此外，該等時域序列被最佳化以滿足FCC功率譜密度遮罩需求。該通道估計部分212包含使接收器能夠為每個次載波估計一通道參數「h」的訓符號。
該PLCP封包200不能直接用於未來基於MIMO的UWB通信系統。這是由於基於MIMO系統需要更多通道估計符號的這樣一個事實，因為需要估計更多通道參數。此外，一個以上的天線110-X同時發射有效載荷資料230，據此該同步部分211應被修改以允許細微AGC調整。
因此，為了在未來基於MIMO的UWB系統中支援MIMO，有必要定義一種新PLCP封包結構以至少滿足以上該等需求。此外，該新PLCP封包應是向後相容於該等WiMedia標準的當前及/或先前版本。該PLCP封包還應保證從多重發射天線發射的信號滿足FCC功率譜遮罩需求。然而，該PLCP封包的超負荷應是儘可能低以便不會降低系統的性能。
本發明的特定實施例包含一種在多重輸入多重輸出(MIMO)通信系統中傳輸的實體層收斂協定(PLCP)資料結構。該PLCP資料結構包括：一舊有部分，其包含一舊有前置項和一舊有標頭，其中該舊有前置項和該舊有標頭攜帶與至少一WiMedia標準相容的資訊；和一高吞吐量(HT)部分，其包含一HT前置項和一HT標頭，其中該HT前置項攜帶使該MIMO通信系統的一接收器能夠解碼所接收之信號的資訊。
本發明的特定實施例包含一種在具有多重發射天線和具有多重接收天線的多重輸入多重輸出(MIMO)通信系統中傳輸資料的方法。該方法包含產生一PLCP資料結構，該結構包括一用於攜帶與至少一WiMedia標準相容之資訊的舊有部分、一高吞吐量(HT)部分和一資料部分；從一第一發射天線發射該PLCP資料結構；以及從除了該第一發射天線以外的該多重發射天線發射該PLCP資料結構的該HT部分和該資料部分。
本發明的特定實施例包含一種在具有多重發射天線和具有多重接收天線的多重輸入多重輸出(MIMO)通信系統中傳輸資料的方法。該方法包含產生一PLCP資料結構(300)，該結構包括一用於攜帶與至少一WiMedia標準相容之資訊的舊有部分、一高吞吐量(HT)部分和一資料部分；以及從該多重發射天線發射該PLCP資料結構，其中每個發射天線發射該舊有部分的一循環移位版本。
本發明的特定實施例包含一種在多重輸入多重輸出(MIMO)通信系統中傳輸的實體層收斂協定(PLCP)資料結構。該PLCP包括：一舊有部分，其包含一舊有前置項和一舊有標頭，其中該舊有前置項和該舊有標頭攜帶與至少一WiMedia標準相容的資訊；和一高吞吐量(HT)部分，其包含一HT通道估計(CE)前置項和一HT標頭，其中該HT CE前置項攜帶用於估計由全部多重發射天線發射之信號的通道效應的頻域序列。
本發明的特定實施例包含一種在具有多重發射天線和具有多重接收天線的多重輸入多重輸出(MIMO)通信系統中傳輸資料的方法。該方法包含：產生一PLCP資料結構，該結構包括一用於攜帶相容於至少一WiMedia標準之資訊的舊有部分、一高吞吐量(HT)通道估計(CE)前置項和一HT標頭部分以及一有效載荷資料部分；以及從該多重發射天線發射該PLCP資料結構。
在本說明書結尾的申請專利範圍中特別指出並且清楚地主張了被視為本發明的標的。本發明的以上和其他特徵及優點從以下結合所附圖式的詳細描述將是顯而易見的。
重要的是注意，本發明所揭示之實施例只是本文中創新教示之許多有利用途的實例。一般而言，在本申請案之說明書中做出的陳述並不一定限制該等各種請求發明的任何一個。此外，一些陳述可能適用於一些發明特徵但不適用於其他特徵。一般而言，除非另有指示，為了不失廣義性，單數元件可以是複數，反之亦然。在該等圖式中，相同數字是指貫穿幾個圖的相同部分。
圖3顯示根據本發明的一實施例構造的一實體層收斂協定(PLCP)封包300的示例性和非限制性圖。該PLCP封包300是一資料結構，其包含一舊有前置項311和一舊有標頭312、一高吞吐量(HT)前置項321和一HT標頭322以及一有效載荷資料部分330。與該PLCP封包200相比，一新前置項(321)和標頭(322)被添加在該PLCP封包300中。該PLCP 300的該結構將參考圖1中所示的一基於MIMO通信系統描述。
在一較佳實施例中，該舊有前置項311和標頭312只能經由該第一發射天線110-1發射以分別攜帶如在一標準PLCP前置項210和標頭220中所包含的資訊。在一較佳實施例中，該舊有前置項311和舊有標頭312是定義在該WiMedia標準版本1.0中。這允許基於MIMO的UWB系統實施封包檢測、AGC控制、時序同步、頻率偏差估計和通道估計的該等任務以解碼標頭資訊。該AGC控制和該通道估計只能被實施用於發射該舊有前置項311和舊有標頭312的通道。此外，因為只有一條發射天線110-1發射該資訊，所以滿足FCC功率譜遮罩。
為了允許其他通道的AGC和通道估計，該HT標頭321包含一AGC前置項321-1和一通道估計(CE)前置項321-2(見圖3)。每個發射天線110-X(其中X是大於或等於1的整數)發射一不同的AGC前置項321-1，以及所有發射天線110-1到110-M同時發射其等自己的AGC前置項321-1。為了獲得精確的AGC調整，來自不同發射天線110-X的AGC前置項應是不相關的。為此，使用一「音頻分配」程序決定該等AGC前置項321-1的內容。在一較佳實施例中，該AGC前置項321-1包含一具有六個OFDM符號的短前置項。
圖4顯示描述根據本發明的一實施例實施的該音頻分配程序的示例性和非限制性流程圖400。在S410，定義一包含NFFT 個符號的一頻域序列，其可與WiMedia標準版本v1.0中定義的前置項序列其中之一的相應頻域序列相同。該參數NFFT 是在一OFDM符號中的次載波數。為此可選擇來自一QPSK星座圖(constellation)的非零符號以保證平坦的功率譜。在S420，該頻域序列被分配至發射天線110-1到110-M。在S430，對於每個發射天線110-X，產生其包含在各自AGC前置項321-1中的時域序列。具體而言，如下產生一由一發射天線110-X發射的時域AGC前置項(TX )：
其中S(k)是在次載波k的頻域值，FX (k)是發射天線110-X各自的頻域前置項，且IFFT(FX )是反傅立葉變換。
圖5中提供一說明該音頻分配程序的作業的非限制性實例。使用該頻域序列530產生前置項510和520。可注意到，該等次載波的值在零與S(k)之間交替。在該實例中，該等發射天線110-1和110-2經由不同次載波發射該等前置項510和520。因此，該等各自時域AGC前置項510和520是不相關的。這在圖6中進一步說明，其分別在曲線610和620中顯示該等時域AGC前置項510和520的自相關模擬結果，以及在曲線630中顯示其等的互相關。可注意到，該互相關信號(即，兩個信號之相似性的測量)是零。
該CE前置項321-2係以如此之一方式構造使得由不同發射天線110-X產生的前置項是正交的。這確保不同通道可被分開估計。具體而言，每個發射天線110-X在M個不同時間週期期間發射M個不同CE前置項321-2。該M個不同CE前置項321-2係使用該音頻分配程序產生，其中由一發射天線110-i在一時間週期j期間發射的時域前置項Di,j如下決定：
其中Ω a ,a =1,2,...M 為指數集，其等每個具有個元素且Ω i ∩Ω j ={}和Ω1 ∪Ω2 ...∪Ω M ={1,2,...,N FFT }，Ci,j是各自頻域前置項且S是頻域序列。該等指數集可隨機產生。在一實施例中，該等指數集可能是：
Ω a ={a ,a +M ,a +2M ,a +N FFT -M }
在一較佳實施例中，對於M等於2的情況，在一CE前置項321-1中的OFDM符號數是六個。
圖7說明使用該音頻分配程序從一頻域序列750產生的4個CE前置項710、720、730和740。在該實例中，一OFDM符號包含128個次載波。可注意到，每個發射天線110-X在M個時間週期期間只有一次在所有次載波上發射一信號。此外，在每個時間週期期間，只有一個發射天線110-X在一次載波上發射信號。這使能夠估計該通道。
根據本發明的另一實施例，可由所有發射天線110-1到110-M使用一循環延遲分集(CDD)方案發射該舊有前置項311和舊有標頭312。具體而言，該發射天線110-1發射該舊有前置項311和舊有標頭312的原始內容，而該等發射天線110-2到110-M發送該舊有前置項311和舊有標頭312的循環移位版本。應注意，包含在該HT前置項321中的該等OFDM符號(時域序列)係使用該音頻分配程序產生。這些序列可進一步用於使用基於習知相關方法的封包檢測和時序同步，使得該舊有前置項311是向後相容。
圖8顯示一根據本發明的一實施例構造的實體層收斂協定(PLCP)封包800的示例性和非限制性圖。該PLCP封包800是一資料結構，其包含一舊有前置項811和一舊有標頭812、一HT通道估計(CE)前置項821和一HT標頭822以及一有效載荷資料部分830。與該PLCP封包300相比，該PLCP封包800不包含該AGC前置項321-1。該PLCP封包800係由所有發射天線110-1到110-M發射，其中該舊有前置項811和舊有標頭812係使用該音頻分配程序產生，其中使用公式(2)定義該前置項的該等時域序列，其中j=1。這保證該等發射的時域序列是不相關的。此外，基於該舊有前置項811可達成精確的MIMO AGC調整。
該HT CE前置項821包含用於只估計通道2到M的頻域序列。該第一通道係使用該舊有前置項811估計。因此，總的額外前置項超負荷被減少到6(M-1)個OFDM符號。例如，對於基於MIMO的UWB系統(包含兩個發射天線)的總額外開銷只是6個OFDM符號。該HT CE前置項821係在M-1個時間週期期間發射，且在公式(2)中定義的該通道估計前置項Di,j係在第i個(i=2,...M)週期內經由第j個天線發射。S(k)是頻域通道估計序列，其可與例如在該WiMedia標準版本v1.0中定義的通道估計序列相同。應注意，該等指數集Ω a ,a =1,2,...M 的不同設計可導致不同時序同步性能並且可被最佳化以改良舊有器件的同步性能。
以上詳細描述已經闡述了本發明可採用的許多形式的一些。這意味著以上詳細描述應理解為說明本發明可採用的選定形式而不是限於本發明的定義。只有該等請求項(包含所有等效物)旨在界定本發明的範圍。
最佳而言，本發明的原理係作為硬體、韌體和軟體之一組合實施。此外，該軟體較佳地係實施為具體體現在程式儲存單元或電腦可讀媒體上的應用程式。該應用程式可被上傳到一包括任何合適結構的機器並且由其執行。較佳而言，在具有硬體(如一或多個中央處理單元(「CPU」)、一記憶體以及輸入/輸出介面)的電腦平台上實施該機器。該電腦平台還可包含一作業系統和微指令碼。本文所描述的各種程序和功能可以是該微指令碼的一部分或該應用程式的一部分或其任何組合，其可由一CPU執行，不論此電腦或處理器是否被明確顯示。此外，各種其他週邊單元可被連接到該電腦平台，如一額外的資料儲存單元和一列印單元。
100．．．基於多重輸入多重輸出系統
110-1到110-M．．．發射天線
120-1到120-N．．．接收天線
130．．．發射器
140．．．接收器
200．．．實體層收斂協定封包
210．．．前置項
211．．．同步部分
212．．．通道估計
220．．．標頭
230．．．有效載荷資料
300．．．實體層收斂協定封包
311．．．舊有前置項
312．．．舊有標頭
321．．．高吞吐量前置項
321-1．．．自動增益控制前置項
321-2．．．通道估計前置項
322．．．高吞吐量標頭
330．．．有效載荷資料部分
400．．．流程圖
510．．．前置項
520．．．前置項
530．．．頻域序列
610．．．圖
620．．．圖
630．．．圖
710．．．通道估計前置項
720．．．通道估計前置項
730．．．通道估計前置項
740．．．通道估計前置項
750．．．頻域序列
800．．．實體層收斂協定封包
811．．．舊有前置項
812．．．舊有標頭
821．．．高吞吐量通道估計前置項
822．．．高吞吐量標頭
830．．．有效載荷資料部分
圖1是一基於MIMO系統的示意圖；
圖2是一根據WiMedia標準構造的實體層收斂協定(PLCP)封包圖；
圖3是一根據本發明的一實施例構造的PLCP封包資料結構圖；
圖4是描述一根據本發明的一實施例實施的音頻分配程序的流程圖；
圖5說明使用該音頻分配程序產生的AGC前置項；
圖6說明AGC前置項的自相關與互相關模擬圖；
圖7說明使用該音頻分配程序產生的CE前置項；及
圖8是一根據本發明的另一實施例構造的PLCP封包。
300．．．實體層收斂協定封包
311．．．舊有前置項
312．．．舊有標頭
321．．．高吞吐量前置項
321-1．．．自動增益控制前置項
321-2．．．通道估計前置項
322．．．高吞吐量標頭
330．．．有效載荷資料部分

Claims (12)

  1. 一種用於在一多重輸入多重輸出(MIMO)通信系統中傳輸一實體層收斂協定(PLCP)資料結構之通信裝置，其包括：至少一天線，其用於傳輸該PLCP資料結構；及一處理器，其用於產生該PLCP資料結構；其中該PLCP資料結構包括一舊有部分(legacy portion)，該舊有部分包含一舊有前置項和一舊有標頭，該舊有前置項和該舊有標頭經組態以攜帶用於一以WiMedia為基礎的網路之資訊；及一高吞吐量(HT)部分，其包含一HT前置項和一HT標頭，該HT前置項經組態以攜帶使該MIMO通信系統之一接收器能夠解碼所接收之信號的資訊，且包含一自動增益控制(AGC)前置項及一通道估計(CE)前置項，且其中該AGC前置項係由一音頻分配程序(tone distributing process)決定，該音頻分配程序包括：決定一頻域序列；將該頻域序列分配至該MIMO系統之多重發射天線；以及對於每個發射天線，產生一待包含在各自AGC前置項中之時域序列。
  2. 如請求項1之通信裝置，其中該舊有部分係從該MIMO系統之一第一發射天線發射。
  3. 如請求項1之通信裝置，其中該CE前置項之內容係由該 音頻分配程序決定。
  4. 如請求項3之通信裝置，其中不同時域序列和頻域序列係被用於產生該CE前置項和該AGC前置項。
  5. 一種在具有多重發射天線和具有多重接收天線之多重輸入多重輸出(MIMO)通信系統中傳輸資料之方法，其包括：產生一PLCP資料結構，其包括一用於攜帶用於一以WiMedia為基礎的網路之資訊之舊有部分、一高吞吐量(HT)部分和一有效載荷資料部分；從一第一發射天線發射該PLCP資料結構；以及從除了該第一發射天線以外之該多重發射天線發射該PLCP資料結構之該HT部分和該資料部分。
  6. 如請求項5之方法，其中該舊有部分包含一舊有前置項和一舊有標頭，且其中該HT部分包含一HT前置項和一HT標頭，該HT前置項攜帶使該MIMO通信系統之該接收器能夠解碼所接收之信號之資訊。
  7. 如請求項5之方法，其中該HT前置項包括一自動增益控制(AGC)前置項和一通道估計(CE)前置項，且其中該AGC前置項和CE前置項之內容係使用一音頻分配程序產生。
  8. 一種在具有多重發射天線和具有多重接收天線之多重輸入多重輸出(MIMO)通信系統中傳輸資料之方法，其包括：產生一PLCP資料結構，其包括一用於攜帶用於一以 WiMedia為基礎的網路之資訊之舊有部分、一高吞吐量(HT)部分和一有效載荷資料部分，該HT部分包含一HT前置項和一HT標頭，該HT前置項攜帶使該MIMO通信系統之一接收器能夠解碼所接收之信號的資訊，該資訊包含一自動增益控制(AGC)前置項及一通道估計(CE)前置項，該AGC前置項係由一音頻分配程序決定；以及從該多重發射天線發射該PLCP資料結構，其中每個發射天線發射該舊有部分之一循環移位版本；其中該音頻分配程序包括：決定一頻域序列；將該頻域序列分配至該MIMO系統之多重發射天線；以及對於每個發射天線，產生一待包含在各自AGC前置項中之時域序列。
  9. 一種在多重輸入多重輸出(MIMO)通信系統中傳輸之實體層收斂協定(PLCP)資料結構，其包括：一舊有部分，其包含一舊有前置項和一舊有標頭，其中該舊有前置項和該舊有標頭攜帶用於一以WiMedia為基礎的網路之資訊且係利用一音頻分配程序而產生；以及一高吞吐量(HT)部分，其包含一HT通道估計(CE)前置項和一HT標頭，其中該HT CE前置項攜帶用於估計由所有多重發射天線發射之信號之通道效應的頻域序列。
  10. 如請求項9之PLCP資料結構，其中該舊有前置項是用於 估計由所有多重發射天線發射之信號之通道效應，且其中每個發射天線只在次載波之一子集上發射並且不同發射天線在不同之次載波子集上發射。
  11. 一種在具有多重發射天線和具有多重接收天線之多重輸入多重輸出(MIMO)通信系統中傳輸資料之方法，其包括：產生一PLCP資料結構，其包括一用於攜帶用於一以WiMedia為基礎的網路之資訊之舊有部分、一高吞吐量(HT)通道估計(CE)前置項和一HT標頭部分以及一有效載荷資料部分，該舊有部分係利用一音頻分配程序而產生；以及從該多重發射天線發射該PLCP資料結構。
  12. 如請求項11之方法，其中在不同之次載波子集上由所有多重發射天線發射之信號之通道效應係使用該舊有部分而被估計，且其中該HT CE前置項攜帶用於估計在除了由該舊有前置項估計之該等次載波以外之所有次載波上發射之信號之通道效應的頻域序列。
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