自适应通信 【技术领域】
本发明涉及一种采用多天线的多载波或正交频分多路复用(OFDM)系统。具体来说，本发明涉及导频信号载波的动态分配。
背景技术
现在有多种系统以高数据率而工作，例如无线局域网(WLAN)、无线个人局域网(WEAN)、例如蓝牙等等这样的多媒体应用。各种方案被提出以可靠和实用的方式实现这种高数据率。但是，存在与高数据率无线信道相关的许多问题，特别是由于多路径所导致的问题。该问题这在户内特别严重，在户内由于大量物体和表面以及结构的动态特性，特别是走动的人，导致环境特别离散。从而，非常难以可靠地从一个所发送信号提取和检索原始信息，而不需要极其复杂的处理。这导致必须能够估计和补偿由于到达接收器的不同路径长度而导致原始信号的不同版本。
为了解决该问题，已经有人提出一种多载波方法，其中原始数据流被分为一系列并行数据流，每个数据流被用不同频率来调制和发送，通常在相同的频带中。这使得所发送符号相对于多路径延迟的相对大小变为非常大，并且符号间干扰被减小。使用多载波的一个特别有利的系统是正交频分多路复用(OFDM)。
OFDM在克服衰减和多路径的问题方面是非常有效的。这通过把一个频率选择衰减信道(即，在一个频率上地衰减特性不同于在邻近频率上的衰减特性的一个信道，使得所接收信号的与频率的特性曲线是不平坦的)分为多个平坦的衰减次频段。按照这种方式，在该次频段中的特性曲线近似为平坦。这些次频段与OFDM次载波频率相关。
图1示出用于一个OFDM系统的发送器10和接收器20的布局的一个例子。在多天线接收单元21中，每个天线接收一个信号，其被馈送到一个模数转换器22，然后进入一个串并转换器23，以分离各个子信道。该子信道然后被通过一个快速傅利叶变换(FFT)24而处理。最后，该信号被从多个并行信号转换为用于每个子信道和所提取的编码数据的一个串行信号。
在这样一种OFDM接收器系统中，可以在如图1中所示的一个接收器的各个点处使用自适应成束加权。但是，这些加权的有效性主要取决于该传播信道的稳定性和一致性。如果该信道受到平衰减(flatfading)(即，每个副载波的信号强度受到相同程度的影响)，然后它被作为一个窄带信道。在这种情况中，单组加权可以在射频(RF)或中频(IF)在该天线阵列21之后(即，在图1的位置(1))，应用于所接收信号。另外，在图1中的位置(2)处，在模数转换器单元22之后可以使用该加权。这些位置应当足以用于最佳的空间处理。
但是，在例如WLAN、WPAN等等以高数据率工作可能需要10MHz或更高的带宽的宽带系统中和/或在高度离散的环境中工作的系统中，信号将占用超过目干带宽的频谱。从而，单组加权(即，与在窄带成束中相同)将不能够满足成束的要求。
克服该问题的一种方法是在FFT24之后，即在位置(3)，处理所接收的数据，并且在用于每个副载波的接收器中使用加权。图2示出一个接收器的例子。在该系统中，由天线101、102、103接收该信号。预处理单元104、105、106执行降频转换、模数转换、串并转换和FFT处理。该输出然后被馈送到一个自适应信号处理设备107、108、109的阵列，其中包括多个乘法器110，其把每个所接收信号乘以由一个加权确定单元113所确定的加权值w。来自该乘法器的每个加权信号然后被求和111，以提供一个输出信号。来自每个加权单元的输出信号然后被馈送到提取数据信号的一个合并单元112，其中该延迟信号和干扰信号已经从所接收信号中除去。
但是，在所示的例子中，该接收器具有L个天线，并且每个天线接收的子信道的数目为N。因此，所需的加权单元的总数为L×N。这导致需要非常大量的乘法器110。例如，在HIPERLAN系统中，有48个数据副载波和4个导频信号副载波(N＝52)；还有一个无载波数据的DC信道(CH0)。这意味着该接收器被复杂化，并且这导致该接收器变得昂贵和容易出现稳定性问题。另外，该加权通常用软件来实现，并且如此对处理器的要求非常高，这又导致高价格或差性能的问题。如果确定所使用的加权的处理被过渡复杂化，则它需要大量的时间来完成。在该时间过程中，该信道参数可能发生大的改变，并且所计算的加权可能不正确。在这些情况中，所产生的加权总是过时，因此在信道特性随着时间快速改变的情况下将导致较差性能。
减小处理器的要求的一种方法是把工作频带分为多个次频段，然后从每个次频段中选择一个副载波作为所有计算的基础。该方法依赖于通常作为一个窄带的每个次频段，即，该次频段有效地受到平衰减。换句话说，所选择的次频段是在作为一个整体的次频段中的衰减的精确表示。但是，如果没有预先得知该操作环境的情况，则难以得知该工作频带应当被分割的程度。在选择大的次频段时，存在有所选择的副载波不能充分地代表该次频段以及性能下降的缺点。相反，如果所选择的次频段的数目较大(即，每个次频段具有少量的载波)，则代表性的副载波很可能是该次频段的精确表示，这不利地导致所需的处理量的增加。
与用于5GHz WLAN的当前标准相关的欧洲专利EP-A2-0,852,407建议减小自适应信号处理单元的总数以及加权单元的数目，以通过减小复杂度而增强该接收器。该文档描述把该操作频带分为四个相等的次频段，每个次频段具有一个“导频信号”副载波。
在该副载波之间提供相等间隔的导频信号副载波使得该接收器能够计算平均和差分载波相位误差。这通过得知该导频信号的格式而实现。使用该信息，该接收器可以细调该载波和时序跟踪电路，使得该误差最小化。
该方案的一个例子在图3中示出，其中该操作频带被分为53个信道或副载波(即，与HIPERLAN中相同)，然后它被分为4个分离的组，每个组确定一个次频段。每个次频段包括一个副载波，其作为用于该组的一个导频信号(在本例中，为信道-21、-7、7和21)。该导频信号信道不携带信号数据，而是包含一个预定序列，用于通过把所接收的信号与所期望的信号相比较而补偿该所接收的信号。用于所接收的信号的加权使用该导频信号副载波来确定，然后应用于在各个次频段中的每个副载波。如上文所述，该系统依赖于在每个次频段上的平衰减，在上述参考文献的情况中，该次频段在5MHz的量级。
为了有助于OFDM系统的相干解调处理，导频信号副载波被以相等的间距内插在该数据副载波之间。得知这些导频信号的格式，可以计算该平均值和差分载波相位误差，其反过来可以用于细调该载波和在该接收器中的时序跟踪电路，使得任何误差可以被最小化。
如果该系统的带宽增加，使得该次频段具有相当大频带宽度，例如，在10MHz的区域中，然后相当大地减小该次频段具有平衰减的可能性，特别是在该环境给出强的多路径干扰的-况中尤其如此，例如户内。结果，该导频信号不容易提供用于在该次频段中的副载波的精确指示。
副载波的调制方案的动态分配已经被提出，例如Atheros系统，以扩展5GHz的基础，使得大范围的设备在一个统一的协议下共存。按照这种方式，各个副载波被根据现有的条件而分配一个调制方案。在该Atheros系统中，最高级别的调制方案可以被分配到每个副载波，以使得处理量最大化。如果一些副载波经受更加严重的衰减，则可以使用一个较低级别的调制方案。这减小潜在的处理量，但是提供更加可靠的传输，并且使得有效数据处理量被最大化。
与该方案相关的另一个问题是如果一个导频信号信道在受到严重衰减的频率间隙(frequency slot)处中断，则该导频信号可能是不可恢复的，并且不能够用于平均和差分载波相位误差的计算。从而，由于减少的估计和剩余导频信号之间的内插导致该频带的大部分可能变得不可恢复。图4示出基于ETSI 5 GHz HIPERLAN/2信道模型的一个离散信道的例子，其表示导频信号的近似间隔和位置。在四个导频信号中，一个导频信号处于强衰减状态。从而，该接收器可能不能够恢复该导频信号，因此依赖于来自该导频信号的信息的信道组可能也是不可恢复的。参见图3，应当知道由于在信道7中的导频信号的丢失使得在组3中的副载波不可恢复。
申请号为GB0108026.6的英国专利描述一种用于根据信道特性重新排列次频段的系统。按照这种方式，该副载波可以被动态分配到该次频段，使得在一个次频段中的所有副载波在有限的时间段内具有类似的相干性。
【发明内容】
本发明可以用硬件或在一个通用计算机中的软件来实现。另外，本发明可以用硬件和软件的组合来实现。本发明还可以通过单个处理装置或处理装置的分布网络来实现。由于本发明可以由软件来实现，因此本发明包括在任何适当的载体介质上提供到一个通用计算机的计算机代码。该载体介质可以包括例如软盘、CD ROM、磁性器件或者可编程存储器件、或例如电、光或微波信号这样的任何信号的瞬时介质。
因此，根据本发明，在此提供一种用于多载波通信系统的终端，该终端包括：导频信号分配器，用于根据发送信号的一个信道的特性而确定导频信号分配信息；以及发送器，用于发送包括多个副载波的多载波信号，其中一个或多个副载波被根据导频信号分配信息分配为导频信号信道。
本发明进一步提供一种用于多载波通信系统的终端，该终端包括：接收器，用于接收包括通过一个信道发送的多个副载波的多载波信号；分析器，用于分析所接收的信号，以确定该信道特性；以及导频信号分配器，用于使用该信道特性来确定识别被分配为导频信号信道的一个或多个副载波的导频信号分配信息。
本发明还提供一种用于在多载波通信系统中通信的方法，其中包括：根据发送一个信号的信道的特性确定导频信号分配信息；以及发送包括多个副载波的一个多载波信号，其中一个或多个副载波被根据该导频信号分配信息而分配为导频信号信道。
另外，本发明还提供一种在多载波通信系统中的通信方法，其中包括：接收包括在一个信道上发送的多个副载波的多载波信号；分析所接收的信号，以确定该信道特性；以及使用该信道特性来确定表示要被分配为导频信号信道的一个或多个副载波的导频信号分配信息。
本发明使得一个所接收信号被分析，以确定发送该信号的信道的特性。由此，该导频信号可以被有选择地分配给将提供被该导频信号所作用的次频段的代表性指示的信道。另外，当该信道在大量的副载波上受到平衰减时，在该区域的导频信号数目可以被减小。类似地，当该信道的响应为可变时，分配给各个导频信号的副载波的数目可以被减少。因此，该导频信号仍然可以提供其所表示的较少数目的副载波的合理的精确指示。
另外，通过避免强衰减的信道，因为可以避免该导频信号信道的损耗，因此该导频信号几乎总是可以被恢复的，并且整组副载波或次频段的损耗也是可恢复的。
另外，在HIPERLAN/2标准中，仅仅四个导频信号被分配。但是，通过动态导频信号分配，在该信道受到平衰减时，该数目可以被减小。同样，在该信道是高度离散的情况下，导频信号的数目可以被增加，以更好地表示该信道如何影响所有副载波。通过改变导频信号的数目，在信道是平直时，可以提高处理量(通过避免把资源分配到不需要的导频信号)，并且当该信道是离散时，使得处理量最大化(通过避免由于导频信号不被正确地接收而使得整个副载波的组被损耗)。
本发明可以通过根据所接收信号而确定该信道并且假设该发送信道受到类似的影响而实现。按照这种方式，所发送信号可以被根据刚刚接收的信号而优化(即，所分配的导频信号)。
另外，当一个信号被接收时，该接收器可以确定该信道的特性，然后把信息发送回该发送器，以使其优化在该信道上的进一步发送。该信息可以是关于该信道特性的信息、专用导频信号分配信息或者使得对于来自发送器的随后发送的最佳导频信号分配可以被确定的其他信息。
在不对称信道中的这种信息发送可以在两个方向上进行，以使得接收和发送链路被优化。
本发明可以用于固定大小的次频段和被适当的分配以在该次频段中提供信道或特别是子信道的最佳指示的导频信号信道。该导频信号然后可以通过内插而使用，以确定用于接收一个中间副载波或组的标准。
但是，本发明还可以用于与一个系统相结合，其中响应信道条件而动态地分配该次频段。因此，大量副载波受到平衰减，然后它们可以被分配到一个大的次频段并且可能仅仅分配到一个导频信号。同样，在副载波受到不同的衰减时，它们可能被分组为较小的组。这些较小的组仅仅需要表示该组的一个导频信号。
为了确定需要多少导频信号以及它们被置于该副载波中的什么位置，该副载波最好被分组为具有类似相干性的副载波组。根据一个副载波的相干性在已经被分配到一个组的相邻副载波的相干性的预定量之内，该分组装置最好把该副载波分配到该组。在相干性中的最大差别最好在该组的其他副载波的0.5度的范围内。如上文所述，在使用次频段的动态分配时，该组可以对应于副载波。其中该副载波被固定，该组可以被选择，并且一个导频信号被分配到每个组，而与次频段无关。这可能导致在一个次频段中具有两个或更多的导频信号，或者甚至在一些次频段中没有导频信号。用于确定一个给定副载波的特性的适当信息仍然可以通过在导频信号之间的内插而确定。
该系统最好反复监控在一个组中的副载波的相干性，以保证它们继续保持在该组的其他副载波和用于该组的导频信号的特定范围内。
本发明提供对副载波的相干性的更好估计，并且可以实现更加有效的相干解调。这使得更高级别的调制方案(BPSK、QPSK、8PSK等等)被使用，并且可以获得更高的处理量。另外，受到小的衰减的副载波可以用比受到大衰减的副载波更高级别的调制方案来操作。
本发明可以在一个常规的OFDM接收器上实现，而没有大的改变。从而，系统可以容易地升级为用该改进的系统而操作。
用于5GHz系统的当前标准规定一个固定的传输带宽(20MHz)。但是，存在有通过额外的信道分配支持更高的数据率的其他系统，例如，把另外20MHz分配给单个链路，以支持多达两倍的最大瞬时数据率。例如，在Atheros统一的5GHz建议中，这将允许高达108MBps的用户数据支持。这些系统的增加的带宽意味着如果一个固定导频信号不能够被正确地接收，则它们可能容易丢失大量副载波。因此，本发明允许在更多的情况下实现这些系统的全部潜力。灵活的导频信号分配还能够使用多载波或OFDM容易地实现可变的带宽系统。这使得在一个给定信道环境中的处理量最大化或者减小用于给定处理量所需的带宽。
本发明可以在一个通用计算机中用硬件或软件来实现。另外，本发明可以结合硬件和软件来实现。本发明还可以通过单个处理装置或处理装置的分布网络来实现。由于本发明可以用软件实现，因此，本发明包括在任何适当的载体介质上提供到一个通用计算机的计算机代码。该载体介质可以包括例如软盘、CD ROM、磁性器件或者可编程存储器件、或例如电、光或微波信号这样的任何信号的瞬时介质。
下面将参照附图描述本发明的一个具体实施例，其中：
【附图说明】
图1示出一种典型的OFDM接收器的示意图；
图2为示出一种常规自适应天线系统的结构的示意图；
图3示出工作信道被分为副载波的次频段的一个系统的表示；
图4示出表示在一个导频信号副载波中的强衰减的示意信道特性的表示；
图5示出本发明的OFDM接收器的基本结构；
图6示出根据本发明的动态导频信号分配处理的示意图；
图7、8和9分别示出图6的标识A、B和C的放大视图；
【具体实施方式】
图5示出在本发明中所用的OFDM接收器的基带部分的功能框图。所示的接收器的许多功能是公知的，并且在此仅仅简单说明。在A/D单元(过)采样之前，所接收信号被正交(I和Q)降频变换、放大和滤波(未示出)。该数字过采样信号然后被过滤和分样。在开始时进行该信号的过采样有助于该数字滤波处理，在此之后把采样率减小到所需/所期望的采样率。在这种情况中假设该系统在一个帧(MAC帧)中的每个脉冲中提供一些类型的报头。在HIPERLAN的情况中，每个帧包括由三个基本OFDM符号所构成的报头部分，在此表示为A、B和C。A和B(或者甚至C)符号可以在时域(前-FFT)中被观察(恢复)，并且用于通过一些互相关处理建立帧和频率同步(以及设置用于在这些符号之后的数据的FFT窗口)。该自动增益控制(AGC)设置(未示出-在ADC之前)还可以被建立。这可以把该C符号串作为一个完整的符号传送到FFT。预先已知该符号是什么符号(并且采用适当的同步)之后，可以对基于副载波的后-FFT估计信道变化。该C符号将被“断开”，以估计信道补偿(在副载波中的符号旋转)。但是，相同的信道估计可以被用于副载波分组过程中。
另外，导频信号可以被选择进行后-FFT，并且用于估计信道随时间的变化。该导频信号中具有已知符号，并且被处理以识别哪个符号被接收(I，和Q，)以及期望接收哪个符号(I和Q)。如果I’≠I和O’≠Q，则可以计算使得它们相等的相位旋转和幅度改变。该导频信号提供这些数值的估计，使得它可以估计或内插所有中间副载波所需的幅度和相位旋转。这被称为一个单抽头均衡(one-tap equalization)，这是一种简单或粗略的确定所有信道所需的纠正的方法。然后可以应用该副载波的幅度和旋转(I和Q)纠正值的所确定数值。该系统的剩余部分把该数据解包和解扰为相关数位。
应当指出，该报头符号用于“训练”或同步的目的，即，它们在该接收器处是已知的，使得它可以形成对一个均衡器的信道影响的估计或者甚至智能天线加权计算。
下面将参照图6至9描述该接收器系统的基本操作。数据被按照称为符号的数据块的形式而发送。这些符号一般包含用于减小符号间干扰的一个保护间隔以及一个有用的数据部分。使用上述副载波在一个子信道上发送每个符号。要被发送的数据被分为符号，然后被在每个子信道上发送和在该接收器处重构。另外，所发送的符号系列通常包括上述的一个或多个报头符号，用于提供控制和同步信息等等。
在本例中，在两个收发器TRX1和TRX2之间进行通信。这可以是在一个移动通信系统中的终端和基站或者在一个无线LAN等等中的两个终端。最初，一个信号可以由TRX1用已知的格式发送到接收器TRX2。该格式使得该接收器解码对于在一个未知信道上的连接的基本操作来说重要的消息的各个方面，该消息例如为广播消息或者其他训练短脉冲。该接收器TRX2使用该消息的格式(信号特征、报头等等)来确定该信道的状态，并且估计相干性带宽。因此，该接收器在频域中使用报头符号来确定该衰减在整个频带上的变化(例如图4中所示)。用正交(I和Q)信息获得该频带的一个估计。可以获得在副载波上的所接收功率的“平坦性”和相位差。
还可以估计信道的相干时间，并且使用该相干时间来估计直到所确定的导频信号方案需要被更改的时间。在该信道特性快速改变时，需要比该特性在相对较长的时间段保持稳定的情况更加经常地重新评估该导频信号分配。
从该估计，接收器把频带上的副载波分为副载波的组。该副载波被与其他相互之间在的特定范围内的副载波分为一组。所接收功率和相位差不一定绝对相等，但是在一个特定范围内充分接近。该范围可以根据环境而变化。通过使得该范围较小，副载波的组也较小，但是相干性较强。相反，如果该范围较大，则该组也较大，但是它们之间的相干性较小。因此，该范围根据可获得的处理能力、所需的接收质量等等而被选择。如果存在大量小组，并且一个导频信号被分配给每个组。则该数据处理量可以被减小，因为所发送数据的大部分将被分配到导频信号，并且该导频信号不携带用户数据。用于该范围的一个典型数值可以是副载波在所接收功率的3dB以及0.5度的变化内。
然后通过选择在一个所确定组中的一个副载波而分配该导频信号。该导频信号可以被选择作为其他副载波的代表，或者更加简单地作为一组的中心或者该组的一个边缘部分。
然后，TRX2利用所确定的导频信号方案来把数据发送回TRX1。这假定该发送出现在所确定的相干时间内。由于该系统有助于保证该相干性的更加可靠的估计，因此TRX2现在可以使用较高级别的调制方案在除了使用一个固定导频信号方案才能使用的副载波之外一些副载波上发送。这使得在一些或所有副载波中的数据处理量更大。、
TRX1以新的格式从TRX2接收信号。该导频信号的位置可以在TRX1中用多种方式来确定。该导频信号的位置可以通过一个鲁棒(robust)的信道消息通过信号通知，例如使用BCH来编码的信道消息。另外，可以发送表示该导频信号信道已经被除去的指示，并且由TRX1执行盲估计。这涉及在TRX1处的延迟度，但是适用于非时间紧迫的数据，或者具有高处理能力的情况。例如，通过使用该导频信号信道内容的知识而进行导频信号的分配，例如通过在接收器的频域中的相关或匹配虑波处理、更高级别的统计分析等等。
一旦TRX1和TRX2知道该导频信号分配，则可以正常进行通信。该组的相干性被定期地监控，以保证它们保留在预定限度内。该相干性可以被检测，以保证该组的成员仍然在最初确定该组所用的数值的范围内，并且所选择的导频信号仍然是适当的。另外，该范围可以略为加大，以稍微减小相干性(以避免相干性的非常小的下降导致该分组的完全重新评估)。如果在一个组中的任何副载波的相干性低于预定水平，则如上文所述，所有组被重新评估并且该副载波被重新分配到一个新的组。如果一个组的代表性的副载波不再是代表性的时，则该导频信号可能被重新评估或者所有组可以被重新评估。另外，除了重新评估所有组之外，如果仅仅一个组在范围之外，或者一个导频信号不再代表该组，则可以仅仅把该组分为具有足够的相干性的两个或多个新的组。然后，新的导频信号可以被分配给每个新的组。尽管这增加组的数目，但是它作为避免重新评估所有组的一种临时措施是可以接受的。
导频信号的数目可以变化，但是希望提供足够的导频信号，以进行给出一个信道离散/衰减估计的数据的可靠相干解调。同样，尽管可以使用较高级别的调制方案，但是导频信号的数目不应当过大，使得在剩余副载波上的用户数据的处理量受到不良影响。
上述方案假设该信道可逆的，即，该信道在传输的两个方向上受到类似的影响。但是，可能不是这种情况。这样，所确定的导频信号分配方案可能对于从TRX1至TRX2的传输被最优化，但是不对于从TRX2至TRX1的传输最优化。因此，本发明还提供一种系统，其中终端TRX1、TRX2具有不同的导频信号分配方案。这意味着在发送一个测试信号之后，该接收器必须把关于该信道或最佳导频信号分配方案的信息发送回(参见上文)到该发送器，用于将来的发送。另外，对于各个接收器需要监控所选择的分配方案的性能，以确定是否应当保留该方案。
上述系统中表明该导频信号被根据类似相干性的副载波组而选择。但是，该导频信号可以用一些其他方式来动态分配，以适应例如在处理性能或发送导频信号信息的效率方面的限制。例如，导频信号的总数可以被指定，并且该导频信号可以被统一地在该频带上分配。
这些系统要覆盖在相对较大的整个带宽上的操作。例如，HIPERLAN可能工作在5.15至5.35GHz和5.47至5.725GHz，从而利用这些频带，可以扩展该信道。但是，一组副载波在频率上可以与下一组相差很远。从而当该组被确定时，可能需要应用一些约束条件。这避免该系统尝试把频谱上分离的副载波归为一组。