專利名稱：正交頻分復用無線通信系統(tǒng)與信道補償方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種可操作在頻率選擇性信道上的OFDM(正交頻分多路復用)無線通信系統(tǒng)。更明確地說，本發(fā)明涉及一種信道補償系統(tǒng)及其方法。
背景技術：
OFDM方法是用于改善每一通信帶寬的數(shù)據(jù)速率并防止由多徑衰落信道引起的干擾的數(shù)字調制方法。近來，OFDM方法已被廣泛應用于通信方法中，用于提供移動多媒體服務。
例如，ADSL與VDSL系統(tǒng)的有線通信方法采用數(shù)字音頻廣播和數(shù)字視頻陸上廣播的無線標準所使用的OFDM方法。另外，為從2.4到5GHz的W-LAN通信方法將這些OFDM方法標準化為IEEE802.11a與802.16。
當在上面指出的OFDM系統(tǒng)中通過移動信道發(fā)射高速率數(shù)據(jù)時，移動信道被形成模式為頻率選擇性衰落信道，并且這種OFDM無線通信系統(tǒng)把從循環(huán)擴展中獲得的防護間隔加到一個OFDM信號上，并且發(fā)射它們以解決由頻率選擇性衰落信道的延遲擴展所引起的碼間干擾。
詳細地說，傳統(tǒng)的OFDM無線通信系統(tǒng)提供用于數(shù)據(jù)調制與解調的一個IDFT(反離散傅里葉轉換)單元和一個DFT(離散傅里葉轉換)給發(fā)射機和接收機。當接收機接收到來自發(fā)射機的一個信號并通過使用DFT單元解調該信號時，以發(fā)射信號的產(chǎn)品格式表示解調的頻率選擇性衰落信道信號。這樣，接收機的信道預測器通過使用一個導頻碼元來預測以產(chǎn)品格式表示的該信道的幅度與相位，并且通過使用預測的該信道的幅度與相位執(zhí)行信道補償。也就是說，通過把解調的OFDM信號乘以一個復共軛來執(zhí)行信道補償，所述復共軛是一個信道預測值，其比后面跟著一個卷積操作的傳統(tǒng)信道補償更簡單、更容易執(zhí)行信道補償。
但是，傳統(tǒng)信道補償方法沒有考慮在信道幅度急劇降低、并且降低了由突發(fā)錯誤產(chǎn)生所引起的總性能時的情況。另外，該信道補償方法增加了BER(誤碼率)并允許低數(shù)據(jù)速率。
單個載波通信系統(tǒng)使用信道預測器的結果來執(zhí)行信道補償，以便補償頻率選擇性衰落信道，但是該信道補償方法有一個缺點需要使用一個信道預測器和一個復合的均衡器。
因此，需要一種信道補償系統(tǒng)和方法，用于在OFDM無線通信系統(tǒng)中減少具有窄信道幅度的間隔的BER。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個優(yōu)點是提供一種可操作在頻率可選擇信道上的OFDM無線通信系統(tǒng)，用于減少具有窄信道幅度的間隔中的BER并改良總誤碼率，以及該無線通信系統(tǒng)的信道補償方法。
本發(fā)明的另一優(yōu)點是提供一種可操作在頻率可選擇信道上的OFDM無線通信系統(tǒng)，用于至少加倍數(shù)據(jù)速率并且利用同一頻率在投資方面獲得更高的經(jīng)濟利益，以及該無線通信系統(tǒng)的信道補償方法。
在本發(fā)明的一個方面中，在通過使用多徑衰落信道用于發(fā)射并接收數(shù)據(jù)的無線通信系統(tǒng)中，一個OFDM無線通信系統(tǒng)包括發(fā)射機，用于對一個信息發(fā)射向量至少執(zhí)行兩次IDFT，來把該信息發(fā)射向量調制成為一個OFDM信號，通過多徑衰落信道發(fā)射調制的該OFDM信號，將用于預測多徑衰落信道的幅度與相位的導頻碼元向量調制成為OFDM信號，并且通過多徑衰落信道發(fā)射調制的該OFDM信號；和接收機，用于解調通過多徑衰落信道接收到的導頻碼元向量，以便預測多徑衰落信道的幅度與相位，使用預測的幅度與相位來補償與收到的信息發(fā)射向量相乘的幅度與相位，對經(jīng)過補償?shù)男畔l(fā)射向量執(zhí)行DFT，以便把在具有低于平均值的信道幅度的一個特定間隔中將由信道補償增加的噪聲信號值平均成為一個OFDM碼元間隔內的平均值，并且輸出所述平均值。
在本發(fā)明的另一方面中，一種無線通信系統(tǒng)包括用于使用多徑衰落信道發(fā)射數(shù)據(jù)的發(fā)射機和用于接收來自發(fā)射機中的數(shù)據(jù)的接收機，所述無線通信系統(tǒng)包括映射器，用于按照MQAM(M-ary正交幅度調制)方法將外部接收到的二進制信息序列映射到至少一個碼元；串并轉換器，用于把映射的碼元轉換成為向量數(shù)據(jù)，所述向量數(shù)據(jù)是信息發(fā)射向量；包括至少一個(最好是M個)IDFT單元的第一IDFT單元，用于對所述經(jīng)過轉換的信息發(fā)射向量執(zhí)行IDFT；交織器，用于在第一方向上把從IDFT單元中收到的各自發(fā)射向量的子信道值寫入一個M×N存儲緩存器中；包括至少一個(最好是M個)IDFT單元的第二IDFT單元，當完成第一方向上的寫入動作時，用于在第二方向上讀取第一方向上寫入的子信道值，對讀取的子信道值執(zhí)行IDFT，并且把讀取的子信道值調制成OFDM信號；用于把導頻碼元向量調制成OFDM信號的第三IDFT單元，所述導頻碼元向量用于預測多徑衰落信道的幅度與相位；和一個并串轉換器與防護間隔插入器，用于將一個防護間隔插入到從第二IDFT單元中收到的信號中，把防護間隔插入的信息發(fā)射向量轉換成為串行信號，并發(fā)射所述串行信號，然后把防護間隔插入的導頻碼元向量轉換成為串行信號，并把該串行信號發(fā)射給發(fā)射機。
所述無線通信系統(tǒng)還進一步包括一個防護間隔消除器與串并轉換器，用于消除來自所述經(jīng)過轉換與接收的串行信號中的防護間隔，并且把消除防護間隔的串行信號分別轉換成為信息發(fā)射向量和導頻碼元向量；包括至少一個DFT單元的第一DFT單元，用于把所述經(jīng)過轉換的信息發(fā)射向量解調成為OFDM信號；第三DFT單元，用于把經(jīng)過轉換的導頻碼元向量解調成為OFDM信號；信道預測器和內插器，用于使用經(jīng)過解調的導頻碼元向量來預測多徑衰落信道的幅度與相位；信道補償器，用于按照預測的信道幅度與相位，補償與解調的信息發(fā)射向量相乘的信道的幅度與相位；解交織器，用于在第一方向上把補償?shù)男诺佬盘枌懭隡×N存儲緩存器中；包括至少一個(最好是M個)IDFT單元的第二DFT單元，用于在第二方向上從在第一方向上寫入的信道補償信號中讀取具有較小信道自相關的信號，對讀出的信號執(zhí)行DFT，并且把它們解調成為OFDM信號；一個并串轉換器，用于把已解調信號轉換成為串行信號；和解碼器，用于把轉換的串行信號恢復成為二進制信息序列，并且輸出所述二進制信息序列。
在本發(fā)明的另一方面中，一種在使用多徑衰落信道用于發(fā)射并接收數(shù)據(jù)的無線通信系統(tǒng)中用于補償信道的方法，包括(a)對用于信息傳輸?shù)南蛄繄?zhí)行IDFT，以便將向量調制成為OFDM信號，并且通過多徑衰落信道發(fā)射所述調制信號；(b)將用于預測多徑衰落信道的幅度與相位的一個導頻碼元向量調制成為一個OFDM信號，并且通過多徑衰落信道發(fā)射所述調制信號；(c)對通過多徑衰落信道接收到的導頻碼元向量進行解調，以便預測多徑衰落信道的幅度與相位；(d)通過使用信道的預測幅度與相位，來補償與接收到的信息發(fā)射向量相乘的信道幅度與相位；和(e)對經(jīng)過補償?shù)男诺佬盘枅?zhí)行DFT，將具有低于平均值的信道幅度的特定間隔中由信道補償增強的噪聲信號值平均成為OFDM碼元間隔內的平均值，并且輸出所述平均值。


所結合的并且構成說明書一部分的附圖，說明了本發(fā)明的一個實施例，并且和說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施例的一種無線通信系統(tǒng)的詳細結構；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實施例的一種無線通信系統(tǒng)的詳細結構；圖3示出了圖2的交織器的存儲緩存器的第一結構；圖4示出了圖2的交織器的存儲緩存器的第二結構；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明第三優(yōu)選實施例的一種無線通信系統(tǒng)的詳細結構；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明第四優(yōu)選實施例的一種無線通信系統(tǒng)的詳細結構；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的無線通信系統(tǒng)經(jīng)過改良的BER；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明第五優(yōu)選實施例的一種無線通信系統(tǒng)的詳細結構；和圖9示出了根據(jù)本發(fā)明第六優(yōu)選實施例的一種無線通信系統(tǒng)的詳細結構。
具體實施例方式
在下面的詳細說明中，簡單地通過發(fā)明人實現(xiàn)本發(fā)明所打算的最佳方式的說明，僅示出并描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。正如將被實現(xiàn)的，本發(fā)明能夠在各個明顯方面中進行修改，這所有修改都不偏離本發(fā)明。因此，實際上認為附圖和說明書是說明性的，而非限定性的。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施例的一種無線通信系統(tǒng)的詳細結構。
如圖所示，無線通信系統(tǒng)100包括發(fā)射機I和接收機II，并且為了描述容易，將描述發(fā)射機I和接收機II之間的數(shù)據(jù)發(fā)射與接收過程，即一個基帶部分?；鶐Р糠质侵蓄l(IF)轉換的一個先前階段。
至于它的詳細結構，發(fā)射機I包括映射器110、串并轉換器120、IDFT(反離散傅里葉轉換)單元130和一個并串轉換器與防護間隔插入器140，接收機II包括一個防護間隔消除器與串并轉換器150、DFT(離散傅里葉轉換)單元160、并串轉換器170以及解碼器180。
為了減少信道幅度低于平均值的間隔中的誤碼率，配置發(fā)射機I的IDFT單元130，使其包括第一一直到第三N點IDFT單元131～133，從而對外部接收的信號執(zhí)行兩次IDFT。
接收機II的DFT160包括第一和第三N點DFT單元161和162、信道預測器與內插器163、信道補償器164以及第二N點DFT單元165，從而對發(fā)射機I提供的信息發(fā)射信號執(zhí)行兩次DFT。
現(xiàn)在參考公式詳細描述上面構造的無線通信系統(tǒng)100的各個組件以及通過這些組件的操作過程。
發(fā)射機I的映射器110按照MQAM(M-ary正交幅度序列)或者多相移鍵控方法把一個外部接收的二進制信息序列映射到碼元。
串并轉換器120接收映射的MQAM碼元并把它們轉換成為向量數(shù)據(jù)，如公式1所給出。
公式1sij=(sij(0),sij(1),K,sij(N-1))]]>在此，sij(k)是具有平均功率為1的一個標準化MQAM碼元，i和j是一個導頻碼元塊的標引，并且表示第i個導頻碼元塊中第j個MQAM碼元向量(包括單個導頻碼元向量和(Np-1)個信息發(fā)射向量)，而N是子信道(或者副載波)數(shù)目。
也就是說，通過使用單個導頻碼元向量和(Np-1)個信息發(fā)射向量來配置一個導頻碼元向量，在此，Np是一個導頻碼元向量的間隔，并且表示在(Np-1)個信息發(fā)射向量被發(fā)射之后，發(fā)射單個導頻碼元向量。
接下來，IDFT單元130的第一和第二N點IDFT單元131和132通過第一和第二IDFT轉換操作把作為信息發(fā)射向量的MQAM碼元向量調制成為一個OFDM信號，并且第三N點IDFT單元133把用于預測移動信道幅度與相位的一個導頻信號調制成為一個OFDM信號。
第二和第三N點IDFT單元132與133的輸出信號被給出，如公式2。
公式2 在此，導頻碼元向量被給出，如公式3公式3pij=(pi(0),0,K,0,pi(P),K,pi(NGP-1),0,K,0)]]>在此，pi(P)是一個導頻碼元，它具有被標準化到N/NG的一個平均功率(這里，N是導頻碼元數(shù)目，而NG是防護間隔中導頻碼元數(shù)目)，并且P是導頻碼元向量中導頻碼元的間隔(即，一個導頻間距)。通過建立導頻碼元向量中的若干導頻碼元與一個防護間隔中的導頻碼元數(shù)目匹配來找到P＝N/NG的相關性。
并串轉換器與防護間隔插入器140把防護間隔加到OFDM信號上，防護間隔是通過對第二N點IDFT單元132輸出的OFDM信號執(zhí)行循環(huán)擴展獲得，按照上面指出的導頻碼元塊配置方法把與防護間隔相加的信息發(fā)射向量轉換成為一個串行信號，以便發(fā)射(Np-1)個向量，并且把與單個防護間隔相加的導頻碼元向量轉化成為一個串行信號，以便把串行信號發(fā)射給一個IF轉換器。
已經(jīng)過上面處理的發(fā)射信號通過IF轉換器、RF(射頻)轉換器和天線被發(fā)射給接收機II。
接收機II的防護間隔消除器與串并轉換器150從OFDM信號中消除防護間隔，該OFDM信號是從IF解調器中收到的，并且把沒有防護間隔的串行信號轉換成為向量數(shù)據(jù)。
DFT單元160的第三N點DFT單元162解調一個OFDM信號，該OFDM信號是來自經(jīng)過轉換的向量數(shù)據(jù)中一個導頻碼元向量；而信道預測器與內插器163預測與來自解調導頻碼元中的信息發(fā)射信號相乘的衰落信道的幅度與相位。
第一N點DFT單元161解調來自經(jīng)過轉換的向量數(shù)據(jù)中的信息發(fā)射向量，并且信道補償器164使用從信道預測器與內插器163中收到的信道預測值來補償與解調了的信息發(fā)射數(shù)據(jù)相乘的信道的幅度與相位。
第二N點DFT單元165對補償了的信息發(fā)射信號信道執(zhí)行DFT，以使具有窄信道幅度的一個特定間隔中噪聲的加強可以被平均或平滑到一個常規(guī)碼元間隔中的數(shù)值，從而減少誤碼率并改良總系統(tǒng)性能。
并串轉換器170把經(jīng)過信道補償?shù)男畔l(fā)射向量轉換成為一個串行信號，并且解碼器180把輸出的串行信號恢復為二進制信息序列，并輸出該二進制信息序列。
現(xiàn)在將進一步描述按照本發(fā)明第一優(yōu)選實施例的無線通信系統(tǒng)100的一個信道補償過程。
通過第三N點DFT單元162解調的導頻碼元向量中第k個子信道被給出，如公式4。
公式4ri(k)＝Hi(k)pi(k)+Ii(k)+Wi(k)0≤k≤N-1
在此，Hi(k)是由頻率選擇性衰落信道引起的一個失真信號，Ii(k)是由多普勒擴展引起的ICI(信道間干擾)，Wi(k)是在頻域中具有平均功率為No的一個AWGN(加性高斯白噪聲)信號。通過N點DFT單元161解調的信息發(fā)射向量被給出，如公式5。
公式5rij=DFT(yij)]]>yij=(yij(0),yij(1),K,yij(N-1))]]>在此，yij是第i個導頻塊的第j個OFDM接收信號向量。
信道補償器164從信道預測器與內插器163中接收信道的幅度與相位的預測數(shù)值，并且使用如公式6所示的MMSE(最小均方誤差)補償方法補償信道。
公式6x^ij(k)=rij(k)H^ij*(k)|H^ij*(k)|2+σw2/σx2+σI2]]>在此， 是從信道預測器與內插器163中收到的預測數(shù)值，σw2和σx2是OFDM信號和AWGN信號的平均功率值，而σI2是ICI信號的平均功率值。從公式7中得到此σI2。
公式7σI2=1-1N2(N+2Σn=1N-1(N-n)J0(2πnfDTs))]]>在此，fD是最大多普勒頻率，Ts是抽樣間隔，而J0()是第一類的Bessel函數(shù)。用高斯噪聲來模式化ICI信號，并且無AWGN產(chǎn)生發(fā)射差錯。
信道補償器164從信道預測器與內插器163中接收信道的幅度與相位的預測數(shù)值，并且使用如公式8所示的ZF(迫零)補償方法補償信道。
公式8x^ij(k)=rij(k)H^ij*(k)|H^ij*(k)|2]]>進一步，信道補償器164接收來自信道預測器與內插器163中的信道幅度與相位的預測值，并且使用如公式9所給出的增益限制補償方法來補償該信道。
公式9x^ij(k)=rij(k)H^ij*(k)|H^ij*(k)|2+σ]]>在此，σ是用于增益限制的一個常數(shù)。
第三N點DFT單元162按照平均方法對經(jīng)過補償了信息發(fā)射信號的信道執(zhí)行DFT，以便把在具有窄信道幅度的一個特定間隔中的噪聲加強平均成為常規(guī)碼元間隔內的數(shù)值。
正如所描述的，為了在第一優(yōu)選實施例的無線通信系統(tǒng)100中通過使用一個估計的信道預測值補償信道的幅度與相位，信道補償器164通過MMSE補償方法來補償信道，并且第三N點DFT單元162把來自補償信道中的具有低于幅度平均值的信道幅度的特定間隔中的噪聲加強平均成為常規(guī)碼元間隔內的數(shù)值，從而改良總的系統(tǒng)性能。
也就是說，與傳統(tǒng)的OFDM信道補償方法相比，無線通信系統(tǒng)100通過進一步執(zhí)行一個IDFT處理和一個相應的DFT處理來降低誤碼率。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的無線通信系統(tǒng)的改良BER。
如圖7所示，與傳統(tǒng)的OFDM方法相比，無線通信系統(tǒng)100通過從10-3的BER來改善BER 10dB。而且，不使用附加的錯誤校正碼，當SNR(信號噪聲比)為30dB時，無線通信系統(tǒng)100在最大多普勒頻率為100Hz的一個移動信道環(huán)境中具有4比特/秒/Hz的高頻使用功效。因此，當通過使用5MHz的頻帶寬度提供一個移動多媒體業(yè)務時獲得20Mbps的數(shù)據(jù)速率(當不考慮由防護間隔和導頻碼元而引起的減少量時)。作為參考，在相同條件下按照2/比特/秒/Hz的頻率功效，傳統(tǒng)OFDM方法具有10Mbps的數(shù)據(jù)速率。
因此，根據(jù)優(yōu)選實施例的無線通信系統(tǒng)擁有比傳統(tǒng)發(fā)射方法快兩倍的數(shù)據(jù)速率，并且相應地利用同一頻率的投資獲得兩倍經(jīng)濟效益。
為了在考慮處理延遲時更進一步改善第一優(yōu)選實施例的無線通信系統(tǒng)的系統(tǒng)性能，將參考附圖描述第二優(yōu)選實施例，第二優(yōu)選的實施例包括用于執(zhí)行交織和解交織處理的功能部件。
在第二至第五優(yōu)選實施例中，由于接收機II的操作與發(fā)射機I的操作相對應，并且許多操作是重復的，所以為了說明容易將只描述發(fā)射機I，并因此將不描述相應的操作。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實施例的無線通信系統(tǒng)的詳細結構，圖3示出了圖2中交織器的存儲緩存器的第一結構，而圖4示出了圖2中交織器的存儲緩存器的第二結構。
如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實施例的發(fā)射機I除了一個IDFT單元210之外，具有與第一優(yōu)選實施例的發(fā)射機I相同的結構；并且根據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實施例的接收機II除了一個DFT單元之外，具有與第一優(yōu)選實施例的接收機II相同的結構。
詳細地，IDFT單元210包括一個映射器110、串并轉換器121～12m、一個并串轉換器和防護間隔插入器140以及一個交織器211，交織器211包括提供第一和第二IDFT單元212與213之間的M×N存儲緩存器。
當接收到來自發(fā)射機I的映射器110中的映射MQAM碼元時，串并轉換器121～12m按順序接收映射的MQAM碼元，并把它們轉換成為向量數(shù)據(jù)。第一N點DFT單元212各自的m個IDFT單元接收向量數(shù)據(jù)，對它們執(zhí)行IDFT，并把各自的輸出值發(fā)射給交織器211。
交織器211在垂直(或瞬時)方向上把從m個IDFT單元中收到的輸出信號的子信道值寫入存儲緩存器中，并且當交織器211結束寫入N個導頻碼元塊的子信道數(shù)值時，第二N點IDFT單元213在垂直(或頻率)方向上從寫入存儲緩存器中讀存儲緩存器。圖3示出了對存儲緩存器的讀寫過程。
圖3示出了圖2中交織器的存儲緩存器的第一結構。
正如所示出的，交織器211包括M×N存儲緩存器，并且提供在各自緩存器上的數(shù)字表示從m個IDFT單元中收到的輸出信號的子信道值。上面配置的交織器211在垂直(或瞬時)方向上寫入緩存器的子信道值，以至于第二N點IDFT單元213可以從寫入的子信道值中讀取具有較小自相關的信道值。
也就是說，當不同于第一優(yōu)選實施例、考慮處理延遲時，具有較大自相關的各個子信道暫時按順序自上而下被儲存，并且在頻率方向讀取其中具有較小自相關的子信道，從而改良系統(tǒng)性能。
第二N點IDFT單元213對讀取子信道執(zhí)行傅里葉變換，并且把它們發(fā)射給并串轉換器與防護間隔插入器140，以使附加了防護間隔的信息發(fā)射向量可以被轉換成一個串行信號，然后被輸出。
也就是說，當在第二優(yōu)選實施例中考慮了處理延遲時，通過讀取具有較小信道自相關的子信道值以及解調OFDM信號，從而來改良總的系統(tǒng)性能。
而且，由于根據(jù)交織器211寫入各自子信道的什么方向或第二N點IDFT單元213讀取子信道的什么方向的方法，根據(jù)第二優(yōu)選實施例的無線通信系統(tǒng)的性能可能會不同。也就是說，遵循寫入與讀取方向，通過減少與經(jīng)過接收機的解交織處理的信息發(fā)射向量相乘的信道的自相關來獲得更好的性能。
例如，當交織器211在對角線方向上將各自接收的子信道寫入存儲緩存器中時，第二N點IDFT單元213在與行方向平行的頻率方向(水平方向)上讀取寫入的信道值。與對角線方向上的寫入過程相比，該方法獲得更好的性能。
現(xiàn)在將利用公式描述交織器211和第二N點IDFT單元213寫入與讀取數(shù)據(jù)的過程。
在公式4中由頻率選擇性衰落信道引起的失真信號Hi(k)具有如公式10給出的自相關。
公式10RH(a,b)=E[Hi(k)Hi-b*(k-a)]=R(0,b)Σi=0τL-1σal2e-j2πalN]]>在此，τL是多徑信道中第L條路徑的延遲時間，而σal2是第L個路徑信號的平均功率，每個功率的總平均功率被標準化為1。因此，自相關在頻率方向上被衰落信道的延遲包絡所影響。術語R(0，b)如公式11。
公式11R(0,b)=1N2(N+2Σn=1N-1(N-n)J0(2π(b-1)Nu(b-1)+bNG+n)fDTs)]]>在此，u是單位階躍函數(shù)，而NG是防護間隔。自相關在頻率方向上被最大多普勒頻率、若干子信道、防護間隔以及信號的帶寬1/TS所影響?？梢酝ㄟ^圖3的上述說明來描述用于改善性能的交織器211的最佳操作方法。
另外，在具有延遲包絡的衰落信道中，在如圖4所示的對角線方向對子信道值執(zhí)行寫操作，并且在水平方向對子信道值進行交織，以使可以利用具有較小自相關的子信道配置衰落信道，從而實現(xiàn)更好的性能。
在沒有多徑的信道情況下，即在類似于頻率非選擇性信道的情況下，為減少由多普勒擴展引起的信道自相關，在瞬時方向上執(zhí)行交織，因此，OFDM方法在頻率非選擇性信道中產(chǎn)生更好的性能。
正如所描述的，根據(jù)第二優(yōu)選實施例的無線通信系統(tǒng)不僅如第一優(yōu)選實施例所述遵循新的信道補償方法來改善了系統(tǒng)性能，而且通過較小的信道自相關的交織與解交織獲得了更好的性能。
可以在許多方面改變或修改上述實施例。
例如，第一N點DFT單元中IDFT單元的數(shù)目與結構可以不同，現(xiàn)在參考附圖對其作出描述。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明第三優(yōu)選實施例的無線通信系統(tǒng)的詳細結構，而圖6示出了根據(jù)本發(fā)明第四優(yōu)選實施例的無線通信系統(tǒng)的詳細結構。
如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明第三優(yōu)選實施例的無線通信系統(tǒng)除了IDFT單元510外，具有與第一優(yōu)選實施例相同的結構，并且除第二N點IDFT單元的數(shù)目(單個數(shù)目)和第一N1點IDFT單元的結構之外，具有與第二優(yōu)選實施例相同的結構。除DFT單元之外，接收機II也具有與第一和第二優(yōu)選實施例相同的結構。
根據(jù)第三優(yōu)選實施例的無線通信系統(tǒng)通過減少包括IDFT和DFT處理在內的計算來降低實現(xiàn)的復雜性，并因此需要(N/2)log2N的復雜計算，以便按照第二優(yōu)選實施例中所描述的來配置N點IDFT單元。
為了減少復雜計算和相加，使用M個N1點IDFT單元來代替N點IDFT單元(N1小于N)，并且交織IDFT單元的各個輸出，從而通過log2N1/log2N之比，來改良系統(tǒng)性能并減少硬布線復雜性，這里N＝MN1。
如圖6所示的根據(jù)第四優(yōu)選實施例的無線通信系統(tǒng)除IDFT單元610之外，具有與第一優(yōu)選實施例相同的結構，并且該無線通信系統(tǒng)除了IDFT單元610中第二N點IDFT單元的數(shù)目(單個數(shù)目)和第一N1點IDFT單元的結構之外，具有與第二優(yōu)選實施例相同的結構。除了DFT單元之外，接收機II也具有與第一和第二優(yōu)選實施例相同的結構。
按照第三實施例的相同方式，根據(jù)第四優(yōu)選實施例的無線通信系統(tǒng)目的是降低IDFT和DFT的實現(xiàn)和計算的復雜性，并且它包括L×M個第一N1點IDFT單元612，L個第二N點IDFT單元213以及包括提供在它們之間的M×L存儲緩存器在內的交織器611。
圖8示出了本發(fā)明第五優(yōu)選實施例的一種無線通信系統(tǒng)(發(fā)射機)的詳細結構。正如所示出的，除IDFT單元810之外，該無線通信系統(tǒng)具有與第二實施例相同的結構。
詳細地說，與使用具有M×N個存儲緩存器的交織器211來改善無線通信系統(tǒng)性能的第二實施例不同，根據(jù)第五優(yōu)選實施例的無線通信系統(tǒng)在發(fā)射機I中使用M×N點IDFT單元812，并且在接收機II中使用DFT單元，從而改善性能。
由于用于平滑由接收機II中的均衡器所引起的噪聲的一個間隔從N點增加到M×N點，所以，與圖2的交織方法相比其性能進一步提高。如圖8所示的M×N存儲緩存器811不執(zhí)行交織功能。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明第六優(yōu)選實施例的一種無線通信系統(tǒng)的詳細結構。
與圖1的第一優(yōu)選實施例相比，除了第一和第二N點DFT單元161和165以外，接收機II還包括N點IDFT單元965。
因此，根據(jù)第六優(yōu)選實施例的無線通信系統(tǒng)在接收機II中不需要信息發(fā)射碼元向量的IDFT單元。
詳細地說，無線通信系統(tǒng)的發(fā)射機I包括一個映射器910，用于將二進制信息發(fā)射序列轉換成為MQAM(或MPSK)碼元；一個串并轉換器920，用于將MQAM碼元轉換成為向量；一個存儲器930，用于在對具有預先優(yōu)化的PAR(峰值與平均值比)的導頻碼元執(zhí)行IDFT之后，讀取儲存在存儲器中的一個調制導頻碼元；以及一個并串轉換器與防護間隔插入器940，用于將MQAM碼元向量轉換成為并行信號，插入循環(huán)擴展得到的一個防護間隔并將其發(fā)射。
接收機II包括一個防護間隔消除器與串并轉換器950，用于從接收信號中消除防護間隔并將串行數(shù)據(jù)轉換成為并行數(shù)據(jù)；一個DFT單元961，用于將信息發(fā)射碼元向量轉換為頻域；一個信道預測器與插入濾波器963，用于當DFT單元962解調導頻碼元向量時，通過使用一個解調導頻碼元向量來預測信息發(fā)射碼元的一個信道；一個信道補償器964，用于通過均衡器補償該信道；一個IDFT單元965，用于通過IDFT解調信道補償?shù)男畔l(fā)射碼元向量；一個并串轉換器970，用于將已解調信號轉換成為一個串行信號；以及一個解碼器980，用于將轉換的信號恢復成為一個二進制信息序列。
與第一優(yōu)選實施例不同，根據(jù)第六實施例的無線通信系統(tǒng)通過從發(fā)射機與接收機中去除兩個IDFT單元來減少硬布線的復雜性。
當通過IDFT單元將MQAM(或MPSK)碼元向量調制成為OFDM信號時，調制信號的幅度相對大于平均值，而當以PAR參量格式給出幅度并且PAR為大時，一個A/D(模擬到數(shù)字)轉換器和一個D/A(數(shù)字到模擬)轉換器需要高動態(tài)范圍，這增加了成本并引起消波現(xiàn)象，其中由于功率放大器的補償作用，使一大片幅度被切斷。并且消波現(xiàn)象產(chǎn)生信號失真并且降低了系統(tǒng)性能。
但是，由于根據(jù)第五優(yōu)選實施例的無線通信系統(tǒng)沒有使用IDFT單元，所以因為產(chǎn)生PAR而沒有降低性能，并且獲得有效的性能改善。
正如所描述的，第一到第六優(yōu)選實施例的無線通信系統(tǒng)在具有信道較小幅度的間隔中，將由信道補償引起的噪聲加強控制到碼元間隔內的平均值，以降低誤碼率并改善系統(tǒng)性能。
另外，無線通信系統(tǒng)執(zhí)行交織與解交織以在補償信道時減少信道的自相關，并將其恢復，從而獲得更好的性能。
基于OFDM的無線通信系統(tǒng)和信道補償方法減少了具有較小信道幅度的間隔中的誤碼率，從而改善總的系統(tǒng)性能，獲得比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)速率快兩倍的數(shù)據(jù)速率，并且用相同的頻率實現(xiàn)了兩倍的經(jīng)濟效益。
雖然有關于目前被認為是最實用且優(yōu)選的實施例已經(jīng)描述了本發(fā)明，但是應該理解，本發(fā)明不局限于該公開的實施例，相反地，而是要覆蓋包括在附加權利要求范圍內的各種修改和等價配置。
權利要求
1.在通過使用多徑衰落信道發(fā)射并接收數(shù)據(jù)的無線通信系統(tǒng)中，一種OFDM(正交頻分復用)無線通信系統(tǒng)包括發(fā)射機，用于對信息發(fā)射向量至少執(zhí)行兩次IDFT(反離散傅里葉轉換)，將該信息發(fā)射向量調制為OFDM(正交頻分多路復用)信號，通過多徑衰落信道發(fā)射調制的該OFDM信號，將用于預測多徑衰落信道的幅度與相位的導頻碼元向量調制為OFDM信號，并且通過多徑衰落信道發(fā)射調制的該OFDM信號；和接收機，用于解調通過多徑衰落信道接收到的導頻碼元向量，預測多徑衰落信道的幅度與相位，使用預測的幅度與相位補償與收到的信息發(fā)射向量相乘的幅度與相位，對經(jīng)過補償?shù)男畔l(fā)射向量執(zhí)行DFT(離散傅里葉轉換)，在具有低于平均值的信道幅度的一個特定間隔中，將由信道補償增加的噪聲信號值平均為一個OFDM碼元間隔內的平均值，并且輸出所述平均值。
2.如權利要求1所述的OFDM無線通信系統(tǒng)，其中發(fā)射機包括映射器，用于按照MQAM(M-ary正交幅度調制)方法將外部接收到的二進制信息序列映射到碼元；串并轉換器，用于將映射的碼元轉換為向量數(shù)據(jù)，所述向量數(shù)據(jù)是信息發(fā)射向量；第一IDFT單元，用于對經(jīng)過轉換的信息發(fā)射向量執(zhí)行IDFT；第二IDFT單元，用于對執(zhí)行過IDFT的信號執(zhí)行IDFT，將所述執(zhí)行過IDFT的信號調制為OFDM信號；第三IDFT單元，用于將導頻碼元向量調制為OFDM信號，所述導頻碼元向量用于預測多徑衰落信道的幅度與相位；和并串轉換器與防護間隔插入器，用于將防護間隔插入到從第二IDFT單元中收到的信號中，將該防護間隔插入的信息發(fā)射向量轉換為串行信號，并發(fā)射該串行信號，然后將防護間隔插入的導頻碼元向量轉換為串行信號，并發(fā)射該串行信號。
3.如權利要求2所述的OFDM無線通信系統(tǒng)，其中接收機包括防護間隔消除器與串并轉換器，用于消除來自所述經(jīng)過轉換和接收的串行信號中的防護間隔，并且將消除防護間隔的串行信號分別轉換為信息發(fā)射向量和導頻碼元向量；第一DFT單元，用于將經(jīng)過轉換的信息發(fā)射向量解調為OFDM信號；第三DFT單元，用于將經(jīng)過轉換的導頻碼元向量解調為OFDM信號；信道預測器和內插器，用于使用經(jīng)過解調的導頻碼元向量來預測多徑衰落信道的幅度與相位；信道補償器，用于按照預測的信道幅度與相位，補償與經(jīng)過解調的信息發(fā)射向量相乘的信道的幅度與相位；第二DFT單元，用于對經(jīng)過補償了的信道信號執(zhí)行DFT，并將在具有低于平均值的信道幅度的一個特定間隔中增強的噪聲信號值平均成為一個碼元間隔內的平均值；并串轉換器，用于將從第二DFT單元中收到的信號轉換為串行信號；和解碼器，用于將經(jīng)過轉換的串行信號恢復為二進制信息序列，并且輸出所述二進制信息序列。
4.如權利要求2所述的OFDM無線通信系統(tǒng)，其中信道補償器使用信道的預測幅度與相位，通過MMSE(最小均方誤差)平均方法補償信道的幅度與相位，并且所述MMSE平均方法滿足如下公式x^ij(k)=rij(k)H^ij*(k)|H^ij*(k)|2+σw2/σx2+σI2]]>其中， 是信道的預測幅度與相位，σw2與σx2是OFDM信號與AWGN(加性高斯白噪聲)信號的平均功率值，而σI2是一個ICI(信道間干擾)信號的平均功率值。
5.如權利要求4所述的OFDM無線通信系統(tǒng)，其中信道補償器使用信道的預測幅度與相位，通過ZF(迫零)平均方法來補償信道的幅度與相位，并且所述ZF平均方法滿足如下公式x^ij(k)=rij(k)H^ij*(k)|H^ij*(k)|2]]>
6.如權利要求4所述的OFDM無線通信系統(tǒng)，其中信道補償器使用信道的預測幅度與相位，通過增益限制平均方法來補償信道的幅度與相位，并且所述增益限制平均方法滿足如下公式x^ij(k)=rij(k)H^ij*(k)|H^ij*(k)|2+σ]]>其中，σ是用于增益限制的常數(shù)。
7.一個無線通信系統(tǒng)包括用于使用多徑衰落信道發(fā)射數(shù)據(jù)的發(fā)射機和用于接收來自發(fā)射機的數(shù)據(jù)的接收機，所述無線通信系統(tǒng)包括映射器，用于按照MQAM(M-ary正交幅度調制)方法將外部接收到的二進制信息序列映射到至少一個碼元；串并轉換器，用于將映射的碼元轉換為向量數(shù)據(jù)，所述向量數(shù)據(jù)是信息發(fā)射向量；包括至少一個(最好是M個)IDFT單元的第一IDFT(反離散傅里葉轉換)單元，用于對經(jīng)過轉換的信息發(fā)射向量執(zhí)行IDFT；交織器，用于在第一方向上把從IDFT單元中收到的各自發(fā)射向量的子信道值寫入M×N存儲緩存器中；包括至少一個(最好是M個)IDFT單元的第二IDFT單元，當完成第一方向上的寫入動作時，用于在第二方向上讀取第一方向上寫入的子信道值，對讀取的子信道值執(zhí)行IDFT，并且把讀取的子信道值調制成OFDM(正交頻分復用)信號；第三IDFT單元，用于將導頻碼元向量調制成OFDM信號，所述導頻碼元向量用于預測多徑衰落信道的幅度與相位；和并串轉換器與防護間隔插入器，用于將一個防護間隔插入到從第二IDFT單元中收到的信號中，把防護間隔插入的信息發(fā)射向量轉換為串行信號，發(fā)射串行信號，將防護間隔插入的導頻碼元向量轉換為串行信號，并把該串行信號發(fā)射至發(fā)射機。
8.如權利要求7所述的無線通信系統(tǒng)，進一步包括防護間隔消除器與串并轉換器，用于消除來自所述經(jīng)過轉換與接收的串行信號中的防護間隔，并且將消除防護間隔的串行信號分別轉換成信息發(fā)射向量和導頻碼元向量；包括至少一個DFT單元的第一DFT單元，用于將所述經(jīng)過轉換的信息發(fā)射向量解調成OFDM信號；第三DFT單元，用于將經(jīng)過轉換的導頻碼元向量解調成OFDM信號；信道預測器和內插器，用于使用經(jīng)過解調的導頻碼元向量來預測多徑衰落信道的幅度與相位；信道補償器，用于按照預測的信道幅度與相位，補償與經(jīng)過解調的信息發(fā)射向量相乘的信道的幅度與相位；去交織器，用于在第一方向上將經(jīng)過補償?shù)男诺佬盘枌懭隡×N存儲緩存器中；包括至少一個(最好是M個)DFT單元的第二DFT單元，用于在第二方向上從在第一方向上寫入的信道補償信號中讀取具有較小信道自相關的信號，對讀出的信號執(zhí)行DFT，并且把讀出的信號解調成OFDM信號；并串轉換器，用于將已解調信號轉換成為串行信號；和解碼器，用于將經(jīng)過轉換的串行信號恢復成二進制信息序列，并且輸出所述二進制信息序列。
9.如權利要求7或8所述的無線通信系統(tǒng)，其中所述交織器在垂直方向(瞬時方向)上將接收到的發(fā)射向量的子信道值按順序寫入M×N個存儲緩存器中；和所述去交織器在對角線方向(臨時方向)上把信道補償信號按順序寫入M×N存儲緩存器中。
10.如權利要求7或8所述的無線通信系統(tǒng)，其中所述交織器在對角線方向(瞬時方向和頻率方向)上將接收到的發(fā)射向量的子信道值按順序寫入M×N個存儲緩存器中，和所述去交織器在對角線方向(臨時方向和頻率方向)上將信道補償信號按順序寫入M×N存儲緩存器中。
11.如權利要求1～3中一個OFDM無線通信系統(tǒng)，其中發(fā)射機包括M個N1點IDFT單元(在此，N1是小于數(shù)量N的一個數(shù)目，并且N＝MN1)；和M×NI存儲緩存器的交織器，用于接收來自第一IDFT單元的信號，并將所述信號提供到第二IDFT單元，以及所述接收機包括M個NI點DFT單元(NI是小于數(shù)量N的一個數(shù)目，并且N＝MNI)；和M×NI存儲緩存器的去交織器，用于接收來自第一DFT單元中的信號并將所述信號提供到第二DFT單元。
12.如權利要求7或8的OFDM無線通信系統(tǒng)，其中發(fā)射機包括L×MNI點IDFT單元(NI是小于數(shù)量N的一個數(shù)目，并且N＝MNI)；和L×M×NI存儲緩存器的交織器，用于接收來自第一IDFT單元中的信號并將所述信號提供到第二IDFT單元，和所述接收機包括L×M個NI點的DFT單元(NI是小于數(shù)量N的一個數(shù)目，并且N＝MNI)；和L×M×Ni存儲緩存器的去交織器，用于接收來自第一DFT單元中的信號并將所述信號提供到第二DFT單元。
13.一種在使用多徑衰落信道用于發(fā)射并接收數(shù)據(jù)的無線通信系統(tǒng)中用于補償信道的方法，包括(a)對用于信息傳輸?shù)南蛄繄?zhí)行IDFT(反離散傅里葉轉換)，將向量調制成OFDM(正交頻分復用)信號，并且通過多徑衰落信道發(fā)射所述調制信號；(b)將用于預測多徑衰落信道的幅度與相位的導頻碼元向量調制成為OFDM信號，并且通過多徑衰落信道發(fā)射所述調制信號；(c)對通過多徑衰落信道接收到的導頻碼元向量進行解調，預測多徑衰落信道的幅度與相位；(d)通過使用信道的預測幅度與相位來補償與接收到的信息發(fā)射向量相乘的信道幅度與相位；和(e)對經(jīng)過補償?shù)男诺佬盘枅?zhí)行DFT，把在具有低于平均值的信道幅度的特定間隔中由信道補償增強的噪聲信號值平均成一個OFDM碼元間隔內的平均值，并且輸出所述平均值。
14.如權利要求13所述的方法，其中(e)包括使用MMSE(最小均方誤差)平均方法來補償與接收到的發(fā)射向量相乘的信道幅度與相位。
15.如權利要求13所述的方法，其中(e)包括使用ZF(迫零)平均方法來補償與接收到的發(fā)射向量相乘的信道幅度與相位。
16.如權利要求13所述的方法，其中(e)包括使用增益限制平均方法來補償與接收到的發(fā)射向量相乘的信道幅度與相位。
17.如權利要求13所述的方法，其中(a)包括在第一方向上將信息發(fā)射向量的子信道值寫入M×N存儲緩存器中；和當完成第一方向上的寫入時在第二方向上讀取子信道值。
18.如權利要求17所述的方法，其中(e)還包括在第一方向上把補償?shù)男诺佬盘枌懭胍粋€M×N存儲緩存器中；和在第二方向上從第一方向上寫入的信道補償信號之中，讀取具有較小的信道自相關的信號。
19.如權利要求17或18所述的方法，其中在第一方向上的寫入包括在垂直方向(瞬時方向)上將信息發(fā)射向量或信道補償信號的子信道值寫入M×N存儲緩存器中。
20.如權利要求17或18所述的方法，其中在第一方向上的寫入包括在對角線方向(瞬時方向和頻率方向)上把信息發(fā)射向量或信道補償信號的子信道值寫入M×N存儲緩存器中。
21.如權利要求7或8所述的無線通信系統(tǒng)，其中發(fā)射機和接收機分別包括M×N點IDFT單元和M×N點DFT單元，并且通過使用發(fā)射機的M×N存儲緩存器將接收機的一個降噪干均值間隔擴展為M×N點。
22.如權利要求1或2所述的OFDM無線通信系統(tǒng)，其中并串轉換器和防護間隔插入器把一個防護間隔插入到從串并轉換器中接收到的信息發(fā)射碼元向量中，把防護間隔插入的信息發(fā)射碼元向量轉換成串行信號，并且發(fā)射所述串行信號。
23.如權利要求1或2所述的OFDM無線通信系統(tǒng)，其中并串轉換器和防護間隔插入器對具有最小PAR(峰值對平均值比)的導頻碼元向量執(zhí)行IDFT，把一個防護間隔插入到轉換的導頻碼元向量中，把防護間隔插入的導頻碼元向量轉換成為串行信號，并且發(fā)射所述串行信號。
24.如權利要求23所述的OFDM無線通信系統(tǒng)，其中通過IDFT調制相對于PAR被優(yōu)化的導頻碼元向量，而被并將該導頻碼元向量儲存在存儲器中，并且在需要時，并串轉換器和防護間隔插入器讀取儲存的導頻碼元向量，轉換導頻碼元向量以及發(fā)射經(jīng)過轉換的導頻碼元向量。
全文摘要
本發(fā)明公開的是一種可操作在頻率選擇性信道上的OFDM(正交頻分復用)無線通信系統(tǒng)和一種信道補償方法。發(fā)射機的IDFT(反離散傅里葉轉換)單元包括第一到第三N點IDFT單元，并對二進制信息信號執(zhí)行兩次IDFT。接收機的DFT(離散傅里葉轉換)單元包括第一到第三N點DFT單元、信道預測器與內插器以及信道補償器，并且對從發(fā)射機中收到的信號執(zhí)行兩次DFT。
文檔編號H04L27/26GK1534910SQ20031011574
公開日2004年10月6日 申請日期2003年11月28日 優(yōu)先權日2003年3月27日
發(fā)明者左政祐, 左政 申請人:客得富移動通信股份有限公司, 左政祐