在OFDM系统中使用音调预留的传送装置和方法 【技术领域】
本发明涉及一种用于传送正交频分复用信号的装置和方法，更具体地，涉及一种用于使用音调预留方案传送正交频分复用(在下文中称为“OFDM”)信号的装置和方法。
背景技术
根据OFDM方法，数据传输由特定带宽中的多个子载波执行。OFDM方法使得能够执行快速数据传输。采用OFDM方法的通信系统(在下文中称为“OFDM系统”)可以基于快速傅立叶逆变换(IFFT)操作对信号编码，并且可以基于快速傅立叶变换(FFT)操作对信号解码。
OFDM系统表现出高的带宽效率，这是因为多个子载波以保持正交的方式重叠。
而且，由于OFDM系统使用多个子载波执行低速传输，因此OFDM系统对于具有频率选择性的多径衰落具有的较强的性能。
由于上述的优点，在IEEE 802.11a、IEEE 802.16、DVB(数字视频广播)标准中采用OFDM方法。
然而，当待传送信号的峰均功率比(Peak-to-Average-Power Ratio，在下文中被称为“PAPR”)高的时候，OFDM方法会有问题。根据OFDM方法，频域信号首先进行被快速傅立叶逆变换，并且变换的信号由多个子载波传送。因此，OFDM信号的幅度由多个子载波的和确定。当多个子载波具有相同的相位时，OFDM信号具有非常高的PAPR值。通常，由于具有大的线性范围(span)的功率放大器是昂贵的，因此具有高的PAPR值的OFDM信号失真。
【发明内容】
因此，考虑到上述的问题提出了本发明，并且本发明的一个方面在于提供一种在OFDM系统中有效降低PAPR的装置和方法。
根据本发明的一个方面，上述和其他的目的可以通过一种用于使用音调预留方案传送正交频分复用(OFDM)信号的装置实现，该装置包括：插入器，用于将传送格式指示符(TFI)添加到编码的分组，该传送格式指示符(TFI)包括用于控制峰均功率比(PAPR)的音调预留率；重排序模块，用于通过区分编码的分组的信息比特和奇偶比特，改变编码的分组中所包括的比特的顺序；零替换模块，用于将一部分奇偶比特替换为用于控制峰均功率比(PAPR)的至少一个比特集；发射机，用于使用多个正交子载波传送替换了的输出；和控制器，用于基于接收信号的状态控制音调预留率。
在本发明的另一方面中，提供了一种使用音调预留方案传送正交频分复用(OFDM)信号的方法，该方法包括：获取关于接收的信号的接收状态的信息，以及通过与总带宽对应的子载波传送正交频分复用(OFDM)信号，其中所述子载波包括由发射机分配的用于控制峰均功率比(PAPR)的至少一个子载波，以及其中基于对应于接收状态的音调预留率分配该至少一个子载波。
应当理解，本发明的前面的一般描述和后面的详细描述是示例性和解释性的，并且目的在于提供如权利要求的本发明的进一步的解释。
【附图说明】
所包括的附图用于提供对本发明的进一步理解并且其并入在本申请中构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1是用于解释基于音调预留(TR)方案控制PAPR的OFDM发射机的框图；
图2是用于解释执行梯度算法的模块的框图；
图3是用于解释使用自适应TRR方案地OFDM发射机的框图；
图4是用于解释TFI插入和重排序模块输出的分组的框图；
图5是用于解释零替换模块输出的分组的框图；以及
图6是用于解释使用自适应音调预留(TR)方案的OFDM接收机的框图。
具体设施方式
现将详细参考本发明的实施例，其示例在附图中示出。
使用OFDM方法的通信系统可以采用削波(clipping)方案或块编码方案以减小PAPR。此外，可以采用控制信号相位的加扰(scrambling)方案和音调预留(在下文中称为“TR”)方案，作为减小PAPR的方法。
削波方案可能由于失真的OFDM信号而在特定频带中产生自干扰问题，其中自干扰可能使误比特率(在下文中称为“BER”)特性劣化。而且，削波方案执行的操作属于非线性操作，其可能产生在所期望的频带外的不期望的频率因素。
块编码方案在剩余的子载波中对PAPR减小码编码，由此减小所有子载波的PAPR。根据块编码方案，最大功率可以保持低于特定水平，并且可以在没有OFDM信号失真的情况下实现PAPR减小。然而，由于块编码的低的码速率，数据传输效率降低，并且当子载波的数目较大的时候，块编码方案所需的查找表格或生成矩阵的尺寸增加。这会增加复杂度和计算量。
加扰方案可被分类为选择映射方法(在下文中称为“SLM”)和部分发送序列(在下文中称为“PTS”)方案。
SLM是一种如下的方法，使U个不同的相位矢量与单个信息相乘，对每个相乘后的输出执行IFFT操作，并且随后选择和传送这U个执行了IFFT的输出中具有最低PAPR的执行了IFFT的输出。根据SLM，尽管需要U个IFFT操作，但是可以显著减小PAPR。然而，随着相位矢量数目的增加，IFFT操作和PAPR计算处理的数量也增加。而且，指示相位矢量的额外的信息的量会增加。
PTS方案是一种如下的方法，将输入数据分为M个子块，执行IFFT操作，使来自M个子块中的输出与减少输出的PAPR的相位因素(phaseelement)相乘并且对相乘后的输出求和。PTS方案的PAPR减小性能优于SLM。然而，PTS方案具有计算复杂度的问题。由于在M个子块中需要执行大量的IFFT操作，因此PTS方案的计算复杂度增加。而且，当子块的数目较大的时候，存在关于相位因素的信息的量较大的问题。
TR方案选择一部分子载波以减少PAPR。换言之，选择的子载波专门用于控制PAPR，而剩余的子载波用于数据传输。由于支持TR方案的接收机经由除选择的子载波以外的子载波接收数据，因此该接收机可以容易实现。
TR方案的一个代表性示例是梯度算法。梯度算法是一种将削波方案应用于TR方案的方法。根据梯度算法，发射机使用不传送数据的至少一个音调(即，至少一个子载波)产生具有脉冲信号特性的信号，并且使用该具有脉冲信号特性的信号对来自IFFT块的输出信号削波。如果来自IFFT块的输出信号被添加到具有脉冲信号特性的信号，则信号失真仅存在于不传送数据的音调中。最终，在用于数据传输的频带中不存在信号失真。
图1是用于解释基于TR方案控制PAPR的OFDM发射机的框图。如图1中所示，OFDM发射机包括编码器11、码元映射器12、串行到并行转换器13、音调分配模块14、IFFT模块15、并行到串行转换器16、梯度算法模块17、循环前缀(prefix)插入器18、存储器19和控制器20。
参考图1，用于根据TR方案控制PAPR的OFDM发射机执行的操作解释如下。
编码器11执行输入数据比特的编码。优选地，编码器11执行卷积编码或者turbo编码。同时，码元映射器12通过调制编码的比特生成星座码元。串行到并行转换器13将串行输入的星座码元转换为并行信号。音调分配模块14将该并行信号分配给总数目N个子载波中的N-L个子载波。N表示对应于OFDM系统的总带宽的子载波数目，并且L表示用于减小PAPR的子载波的数目。优选地，L个子载波仅用于减少PAPR，而剩余的子载波用于数据传输。关于并行信号和N-L个子载波之间的关系的映射信息存储在存储器19中。映射信息进一步包括关于L个子载波的信息。控制器20向音调分配模块14提供该映射信息，并且使N-L个子载波能够被分配给这些并行信号。
对应于用于减小PAPR的L个子载波的音调信号描述如下。
[式1]
Ck=Ck,k∈{i1,i2,...,iL}0,k∉{i1,i2,...,iL}]]>
如式1所示，对应于这L个子载波的音调信号可以事先预留。优选地，当建立初始通信时协商这L个子载波的位置。优选地，当进行正常通信时，L个子载波的位置是固定的。
同时，与用于数据传输的N-L个子载波对应的音调信号描述如下。
[式2]
Xk=0,k∈{i1,i2,...,iL}Xk,k∉{i1,i2,...,iL}]]>
IFFT模块15执行N点IFFT，并且IFFT模块15的输出被输入到并行到串行转换器16。通过并行到串行转换器16转换为串行信号的输出信号(在下文中被称为“x”)被输入到梯度算法模块17。
梯度算法模块17根据控制器生成具有脉冲信号特性的波形(在下文中被称为“P波形”)以控制PAPR，并且使用该P波形执行梯度算法。控制器20使梯度算法模块17能够基于存储器19中存储的映射信息执行梯度算法。
梯度算法模块17生成时域中的码c。来自梯度算法模块17的码c和信号x相加，并且相加的信号被输入到循环前缀插入器18。循环前缀插入器18插入传统的循环前缀(CP)并且配置待传送的OFDM信号。
图2是用于解释执行梯度算法的模块的框图。如图2中所示，梯度算法模块17包括峰值检测器171、位置循环移位模块172、缩放(scaling)模块173、P波形生成器174、加法器175、PAPR计算器176和梯度算法控制器177。
P波形生成器174使用事先预留的L个子载波生成P波形。由于生成具有脉冲信号特性的P波形困难，因此P波形生成器174通过选择除了对应于最大幅度的特定点以外具有最小幅度的子载波来配置P波形。
峰值检测器171检测在自梯度算法模块17输入的x信号中大于预定阈值的OFDM样本。位置循环移位模块172使用循环移位将生成的P波形移动到其中存在检测的OFDM样本的点。
缩放模块173执行检测的OFDM样本的缩放以生成码c。加法器175通过使码c和信号x相加输出c+x信号。PAPR计算器176计算c+x信号的PAPR，并且将计算的PAPR输入到算法控制器177。
当计算的PAPR小于预定阈值时，算法控制器177输出当前值。如果计算的PAPR大于预定阈值，则算法控制器177使梯度算法模块17迭代该过程直至计算的PAPR变得小于预定阈值。优选地，可以执行该迭代的最大数目是预先确定的。当迭代数目达到最大数目时，传送具有最后计算的PAPR的信号。
迭代操作被描述为下式。
[式3]
x‾i+1=x‾i-μΣ|x‾ni|>AαniPn]]>
ani由式ani=x‾ni-Aejarg(x‾ni)]]>确定，μ表示步长，n表示OFDM索引，并且i表示迭代数目。
在如上文所述应用TR方案时，由于对应于音调预留率(例如，所有子载波的5％、10％和15％)的子载波不能用于数据传输，因此系统吞吐量可能劣化。
当移动站远离基站或者信道条件差的时候，用于OFDM信号的发射功率可能增加。通常，当发射功率高的时候，发射机的操作是在非线性区中执行的，由此出现了OFDM信号失真的问题。因此，优选地事先预留用于PAPR的子载波。
同时，当移动站位于基站附近或者信道条件好的时候，由于发射机的操作是在线性区中执行的，因此可以保持OFDM信号的质量。在该情况中，由于未发生OFDM信号的失真，因此不需要减小PAPR。
总而言之，基于对移动站的发射功率自适应地控制音调预留率(在下文中被称为“TRR”)以更加有效地控制PAPR。
图3是用于解释使用自适应TRR方案的OFDM发射机的框图。如图3中所示，OFDM发射机包括：编码器31、用于插入TFI和改变编码的码字的顺序的传送格式指示符(在下文中被称为“TFI”)插入和重排序模块32、零替换模块33、交织器34、码元映射器35、串行到并行转换器36、IFFT模块37、并行到串行转换器38、梯度算法39、循环前缀插入器40、存储器41和控制器42。
在下文中，使用自适应TRR方案的OFDM发射机的操作解释如下。
编码器31执行输入数据比特的编码。优选地，编码器31执行卷积编码或turbo编码。编码的比特被输入到TFI插入和重排序模块32。
图4是用于解释TFI插入和重排序模块32输出的分组的框图。TFI插入和重排序模块32根据来自控制器42的控制信号将包括TRR的TFI401添加到编码的分组。基于TRR(例如，0％、5％、10％和20％中的一个)确定TFI。
TFI插入和重排序模块32通过基于编码器31输出的比特的优先级区分信息比特402和奇偶比特403，来改变比特的顺序。在图4中，N表示所有子载波的数目，而P表示奇偶比特的数目。
零替换模块33根据从控制器42输入的TRR确定预留用于PAPR控制以减小PAPR的子载波数目。
图5是用于解释零替换模块33输出的分组的框图。如图5所示，零替换模块33将一部分奇偶比特替换为用于PAPR控制的至少一个比特集。在图5中，L表示用于PAPR控制的比特的数目，其中L由TRR确定。
对除了与控制器41事先预留的至少一个音调(即子载波)对应的比特之外，交织器34执行交织操作。映射器35基于BPSK、QPSK、16 QAM、64 QAM等针对交织的比特执行星座映射。映射器35生成的码元通过串行到并行转换器36输入到IFFT模块37，并且IFFT模块37的输出通过并行到串行转换器38输入到梯度算法模块39。即，梯度算法模块39使用接收自存储器42和控制器41的关于子载波在频域中的位置的位置信息，生成用于PAPR控制的具有脉冲信号特性的P波形。
梯度算法模块39生成的时域码c与自并行到串行转换器38输出的信号x相加。相加的信号被输入到循环前缀插入器40。循环前缀插入器40插入循环前缀并且配置待传送的OFDM信号。
控制器41根据发射功率获取关于TRR的信息，量化获取的信息并且通过量化的信息控制TFI插入和重排序模块32和零替换模块33。控制器41还控制交织器33执行对除了预留音调以外的交织操作。关于对应于该TRR的子载波的位置的位置信息存储在存储器42中。同时，通过下式4的规则确定关于子载波位置的信息。
[式4]
Loc5％∈Loc10％∈Loc20％
在式4中，Loc20％表示TRR是20％时预留用于PAPR控制的子载波的位置，Loc10％表示TRR是10％时预留用于PAPR控制的子载波的位置，而Loc5％表示TRR是5％时预留用于PAPR控制的子载波的位置。
图6是用于解释使用自适应TRR方案的OFDM接收机的框图。如图6中所示，使用自适应TRR方案的OFDM接收机包括循环前缀移除器61、串行到并行转换器62、FFT模块63、信道估计和均衡模块64、并行到串行转换器65、去映射器66、去交织器67、TFI分析和音调移除模块68、重排序模块69、解码器70、控制器71和存储器72。
图6中示出的OFDM接收机解释如下。该接收机通过无线信道接收失真的OFDM信号，并且通过循环前缀移除器61移除循环前缀。串行到并行转换器62将接收的串行信号转换为并行信号并且输入到FFT模块63。FFT模块63将时域信号变换为频域信号，并且信道估计和均衡模块64执行信道估计和均衡。并行串到行转换器65将均衡后的信号转换为串行信号，并且去映射器66基于BPSK、QPSK、16 QAM、64 QAM等执行解星座。即，去映射器66输出对应于数据码元的比特流。
去交织器67将比特流分为TFI、信息比特和奇偶比特。控制器71根据存储器72中存储的TRR和TFI控制TFI分析和音调移除模块68来将用于PAPR控制的比特替换为零，并且随后将替换后的信号通过重排序模块69输入到解码器70。解码器70执行解码并且恢复原始信号。
前面的实施例和优点仅是示例性的，并且不应被解释为限制本发明。本教导可以容易地应用于其他类型的装置。本发明的描述仅是说明性的，而不是限制权利要求的范围。许多替换、修改和变化对于本领域的技术人员将是显而易见的。在权利要求中，装置加功能条款意图涵盖此处描述的执行所述功能的结构，并且其不仅涵盖结构等效方案，而且还涵盖等效结构。
工业适用性
本教导可以容易地应用于所有类型的装置，包括移动终端和基站。