專(zhuān)利名稱(chēng)：選頻單載波分塊傳輸系統(tǒng)中的一種分塊比特加載方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及寬帶數(shù)字通信傳輸方法，屬于寬帶通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
通信技術(shù)在最近幾十年，特別是二十世紀(jì)九十年代以來(lái)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，對(duì)人們?nèi)粘Ｉ詈蛧?guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。而未來(lái)通信技術(shù)正朝著寬帶高速的方向發(fā)展，因此許多寬帶數(shù)字傳輸技術(shù)受到廣泛的關(guān)注，正交頻分復(fù)用(以下簡(jiǎn)稱(chēng)OFDMOrthogonalFrequency Division Multiplexing)和單載波分塊傳輸技術(shù)(也稱(chēng)為頻域均衡的單載波，以下簡(jiǎn)稱(chēng)SC-FDESingle Carrier with Frequency Domain Equalization)就是兩種被人們重視的寬帶數(shù)字傳輸技術(shù)，它們都屬于分塊傳輸技術(shù)，而目前OFDM受關(guān)注的程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)SC-FDE，并且在多種標(biāo)準(zhǔn)中成為支撐技術(shù)，例如無(wú)線局域網(wǎng)(WLANWireless Local Area Network)中的IEEE802.11a、歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(ETSIEuropean Telecommunication Standard Institute)的HiperLAN/2，無(wú)線城域網(wǎng)(WMANWireless Metropolitan Area Network)中的IEEE802.16；有線數(shù)據(jù)傳輸中的各種高速數(shù)字用戶線(xDSLDigital Subscriber Line)都是基于OFDM技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。SC-FDE并沒(méi)有被這些標(biāo)準(zhǔn)采用，只是在IEEE802.16中與OFDM共同建議為物理層傳輸技術(shù)。
OFDM系統(tǒng)是一種多載波傳輸技術(shù)，它用N個(gè)子載波把整個(gè)寬帶信道分割成N個(gè)并行的相互正交的窄帶子信道。OFDM系統(tǒng)有許多引人注目的優(yōu)點(diǎn)1.非常高的頻譜效率；2.實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單；3.抗多徑干擾能力和抗衰落能力強(qiáng)；4.可以利用信道狀態(tài)信息(即自適應(yīng)OFDM技術(shù))進(jìn)一步提高頻譜效率等等。
自適應(yīng)OFDM技術(shù)可以根據(jù)給定發(fā)送信號(hào)功率和信道狀況，確定一個(gè)傳碼率，然后根據(jù)信道狀況自適應(yīng)的調(diào)節(jié)不同頻域點(diǎn)(也就是不同的子信道)上采取的調(diào)制方式，使每個(gè)頻域點(diǎn)根據(jù)信道狀況不同攜帶不同比特?cái)?shù)的信息，從而在該傳碼率下獲得最好的系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是比特加載(bit-loading)算法。一般系統(tǒng)的誤碼率要求是一定的，所以在達(dá)到系統(tǒng)誤碼率要求的情況下，可以盡可能的提高傳碼率，也就提高了頻譜效率。
正是這些優(yōu)點(diǎn)使得OFDM成為近十年來(lái)的研究熱點(diǎn)，以致被認(rèn)為是未來(lái)通信，特別是寬帶無(wú)線通信的支撐技術(shù)。但OFDM系統(tǒng)自身的許多缺點(diǎn)，特別是它的峰值平均功率比(簡(jiǎn)稱(chēng)PAPRPeak to Average Power Ratio)過(guò)大，限制著它的實(shí)用步伐，而現(xiàn)有SC-FDE具有OFDM上述除第四點(diǎn)以外的所有優(yōu)點(diǎn)，并且不存在OFDM的PAPR問(wèn)題，性能和效率跟OFDM基本相當(dāng)。它是人們?cè)谘芯縊FDM的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，這種SC-FDE系統(tǒng)跟OFDM一樣采取分塊傳輸，并且采用CP(若采用零填充(簡(jiǎn)稱(chēng)ZPZero Padding)方式，而將每幀拖尾疊加到該幀的前面，則與CP效果相同)，這樣就可以把信號(hào)與信道脈沖響應(yīng)的線性卷積轉(zhuǎn)化為循環(huán)卷積，并且消除了多徑引起的幀間干擾。這樣在接收端采用簡(jiǎn)單的頻域均衡技術(shù)就可以消除符號(hào)間干擾，例如迫零(簡(jiǎn)稱(chēng)ZFZero Forcing)均衡和最小均方誤差(簡(jiǎn)稱(chēng)MMSEMinimum Mean Square Error)均衡。
SC-FDE系統(tǒng)跟OFDM相比，不存在PAPR問(wèn)題。而PAPR問(wèn)題是OFDM系統(tǒng)本身難以用低代價(jià)(頻譜效率和功率效率)方式解決的問(wèn)題。因此SC-FDE技術(shù)目前受到越來(lái)越多的重視。下面簡(jiǎn)單介紹一下傳統(tǒng)SC-FDE系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。
SC-FDE系統(tǒng)在發(fā)送端發(fā)送的一幀不含CP的時(shí)域信號(hào)為s(n)，(n＝0，1，…，N-1)，通過(guò)多徑信道，其中信道的脈沖響應(yīng)為h(n)，(n＝0，1，…L-1)，信號(hào)傳輸過(guò)程中受到加性白高斯噪聲(AWGNAdditive White Gaussian Noise)的干擾，設(shè)噪聲為w(n)，(n＝0，1，…，N-1)，去掉CP之后，接收到的時(shí)域信號(hào)r(n)為r(n)＝s(n)h(n)+w(n)，(n＝0，1，…，N-1)(1)其中，“?！北硎狙h(huán)卷積運(yùn)算。
在接收端對(duì)信號(hào)做離散傅立葉變換(以下簡(jiǎn)稱(chēng)DFTDiscrete Fourier Transform)變換到頻域，根據(jù)DFT的時(shí)域卷積定理，所得到的頻域信號(hào)為R(k)＝S(k)·H(k)+W(k)，(k＝0，1，…，N-1)(2)其中，R(k)，S(k)，H(k)，W(k)分別是r(n)，s(n)，h(n)，w(n)做N點(diǎn)DFT的頻域符號(hào)，并且，H(k)，(k＝0，1，…，N-1)是信道的頻域響應(yīng)。經(jīng)過(guò)迫零均衡以后頻域信號(hào)為S~(k)=S(k)+W(k)H(k)=S(k)+W~(k),(k=0,1,···,N-1)---(3)]]>最后，將信號(hào)做離散傅里葉逆變換(以下簡(jiǎn)稱(chēng)IDFTInverse Discrete Fourier Transform)變回時(shí)域進(jìn)行判決，得到發(fā)送端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
從(3)式可以看出，最終得到的信號(hào)跟發(fā)送的真實(shí)信號(hào)存在誤差，這種誤差是由噪聲引起的，尤其在信道存在深衰點(diǎn)的情況下會(huì)過(guò)分放大噪聲，另外用MMSE均衡時(shí)會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生畸變。如果在SC-FDE系統(tǒng)中利用了信道狀態(tài)信息，這些問(wèn)題就可以得到很好解決。因此，申請(qǐng)人提出了一種選頻方式的單載波分塊傳輸方法(已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?00410036439.6)，克服了傳統(tǒng)SC-FDE系統(tǒng)不能利用信道狀態(tài)信息的缺點(diǎn)，這種新的SC-FDE系統(tǒng)具有更高的系統(tǒng)性能和效率。
這種選頻方式的單載波分塊傳輸方法的實(shí)現(xiàn)步驟分為第一步，找出可用子信道，并將信道是否可用作標(biāo)記，然后將子信道標(biāo)記信息通過(guò)反向信道發(fā)送給發(fā)送端。
接收端根據(jù)估計(jì)出的信道狀態(tài)信息H(k)，(k＝0，1，…，N-1)，從N個(gè)子信道中，按照幅度增益從大到小選出M(M≤N)個(gè)可用子信道，設(shè)這M個(gè)可用子信道的標(biāo)號(hào)為ki(i＝0，1，…，M-1)，而將剩下的子信道禁用，用1比特信息，即“0”或“1”標(biāo)記每個(gè)子信道是可用子信道還是禁用子信道，這就是發(fā)送端所需要的子信道標(biāo)記信息，如果接收端做N點(diǎn)的DFT，即共有N個(gè)子信道，反饋給發(fā)送端的子信道標(biāo)記信息共有N比特，然后將這N比特信息通過(guò)反向信道發(fā)回發(fā)送端。
第二步，根據(jù)子信道標(biāo)記信息改變信號(hào)頻譜在發(fā)送端收到接收端發(fā)送回來(lái)的子信道標(biāo)記信息后，就可以用M個(gè)可用子信道來(lái)傳輸信號(hào)，這樣對(duì)一幀M個(gè)SC-FDE符號(hào)s(n)，(n＝0，1，…，M-1)，做M點(diǎn)DFT變換到頻域S(i)=Σn=0M-1s(n)e-j2πMni,(i=0,1,···,M-1)---(4)]]>
就得到M點(diǎn)的頻域信號(hào)，用選出來(lái)的第ki，(i＝0，1，…，M-1)個(gè)可用子信道H(ki)，(i＝0，1，…，M-1)傳輸?shù)趇個(gè)頻域信號(hào)S(i)，(i＝0，1，…，M-1)，即在可用子信道對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻譜點(diǎn)上放置要傳輸?shù)念l域信號(hào)，而將禁用子信道對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻譜點(diǎn)置零，也可以填充一些非信息數(shù)據(jù)，這樣就得到一幀新的頻域信號(hào)S′(k)，(k＝0，1，…，N-1)，點(diǎn)數(shù)為NS′(k)=S(i),k=ki0,k≠ki,(k=0,1,···,N-1;i=0,1,···,M-1)---(5)]]>然后對(duì)S′(k)，(k＝0，1，…，N-1)做N點(diǎn)IDFTs′(n)=1NΣk=0N-1S′(k)ej2πNnk,(n=0,1,···,N-1)---(6)]]>變成時(shí)域信號(hào)，過(guò)抽樣時(shí)IDFT點(diǎn)數(shù)要大于N，高頻部分置零，對(duì)該時(shí)域信號(hào)作D/A(數(shù)模變換)后，再進(jìn)行調(diào)制發(fā)送出去。
第三步，選出可用子信道上傳輸?shù)男盘?hào)，然后對(duì)選出來(lái)的信號(hào)進(jìn)行均衡，并變換回時(shí)域進(jìn)行判決，最終得到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
接收端接收到信號(hào)，去掉CP后的時(shí)域離散信號(hào)為r′(n)＝s′(n)h(n)+w(n)，(n＝0，1，…，N-1) (7)對(duì)其做N點(diǎn)的DFTR′(k)=Σn=0N-1r′(n)e-j2πNnk,(k=0,1,···,n-1)---(8)]]>并且R′(k)＝S′(k)H(k)+W(k)，(k＝0，1，…，N-1)(9)這樣就可以根據(jù)子信道標(biāo)記信息選出M個(gè)可用子信道上的信號(hào)R′(ki)，(i＝0，1，…，M-1)，然后用估計(jì)出來(lái)的信道狀態(tài)信息中可用子信道參數(shù)H(ki)，(i＝0，1，…，M-1)，對(duì)選出來(lái)的信號(hào)進(jìn)行均衡；可以選擇下述三種均衡方式之一1、迫零均衡，2、最小均方誤差均衡，3、混合均衡，即一部分子信道用迫零均衡，而另一部分子信道用最小均方誤差均衡；以迫零均衡為例作介紹S~(ki)=R′(ki)H(ki),(i=0,1,···,M-1)---(10)]]>令S~(i)=S~(ki),(i=0,1,···,M-1)---(11)]]>對(duì)其做M點(diǎn)的IDFT
s~(n)=1MΣi=0M-1S~(i)ej2πMni,(n=0,1,···,M-1)---(12)]]>對(duì)這組數(shù)據(jù)進(jìn)行判決就可以恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。
選頻方式的單載波分塊傳輸方法利用信道狀態(tài)信息，對(duì)頻率選擇性衰落信道可以避開(kāi)深衰點(diǎn)，從而顯著改善了系統(tǒng)的誤碼性能。通信系統(tǒng)普遍有一定的誤碼性能要求，而系統(tǒng)性能是由均衡后信噪比及信道估計(jì)誤差和同步誤差引起的信噪比損失決定的，均衡后信噪比是指均衡后信號(hào)功率和噪聲功率的比值。并且均衡后信噪比及信道估計(jì)誤差和同步誤差引起的信噪比損失還決定系統(tǒng)的信道容量，所以根據(jù)系統(tǒng)的均衡后信噪比及信道估計(jì)誤差和同步誤差引起的信噪比損失和系統(tǒng)性能要求，自適應(yīng)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)制方式，可進(jìn)一步提高頻譜效率。
由Fischer和Huber提出的比特加載技術(shù)(“A new loading algorithm for discrete multitonetransmission”Fischer，R.F.H.；Huber，J.B.；Global Telecommunications Conference，18-22 Nov.1996Page(s)724-728 vol.1)是一種性能非常好的OFDM比特加載技術(shù)，但由于該技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度太高，沒(méi)有應(yīng)用于實(shí)際通信系統(tǒng)中，只是有一些次最優(yōu)(即實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化，性能有所下降)的技術(shù)在部分有線通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用，但由于其復(fù)雜度高等原因至今仍然難以應(yīng)用于無(wú)線環(huán)境中。

發(fā)明內(nèi)容針對(duì)上述選頻方式的單載波分塊傳輸方法，本發(fā)明提出了基于該傳輸方法的可以充分利用發(fā)送功率、進(jìn)一步提高系統(tǒng)頻譜利用率的一種分塊比特加載方法。
該分塊比特加載方法包括以下步驟(1)收發(fā)雙方建立通信后，系統(tǒng)確定一個(gè)傳碼率即確定每幀傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)RT，接收端根據(jù)選取的可用子信道數(shù)M及這些可用子信道的幅度增益|H(ki)|，(i＝0，1，…，M-1)，將其分為Q塊，形成分塊信息；(2)將每幀傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù)RT分配到Q塊可用子信道上，每塊傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)為Ri，(i＝0，1，…，Q-1)，且Σi=0Q-1Ri=RT,]]>根據(jù)塊數(shù)Q和每塊上傳輸?shù)男畔⒈忍財(cái)?shù)Ri，(i＝0，1，…，Q-1)確定對(duì)信源進(jìn)行分塊的規(guī)則，并確定每塊內(nèi)各點(diǎn)采取的調(diào)制方式，形成調(diào)制方式信息；(3)根據(jù)分塊信息、調(diào)制方式信息和由它們決定的塊內(nèi)各點(diǎn)所采取的調(diào)制方式，發(fā)送端將信源信息比特分塊，對(duì)塊內(nèi)各點(diǎn)做調(diào)制映射，然后每塊單獨(dú)做DFT，再將這些頻域信號(hào)放置到可用子信道對(duì)應(yīng)的點(diǎn)上得到新的信號(hào)頻譜，再用IDFT將新得到的頻域信號(hào)變換到時(shí)域，得到要發(fā)送的信號(hào)；(4)接收端接收到信號(hào)后，將其變到頻域進(jìn)行均衡，然后按照分塊信息將各點(diǎn)信號(hào)恢復(fù)到對(duì)應(yīng)所在塊中，并分塊做IDFT變回時(shí)域進(jìn)行檢測(cè)判決。
下面對(duì)以上步驟作詳細(xì)說(shuō)明第一步，收發(fā)雙方建立通信后，系統(tǒng)確定傳碼率，并將可用子信道分塊。
收發(fā)雙方建立通信后，系統(tǒng)根據(jù)信道狀態(tài)、接收信噪比、各種誤差造成的信噪比損失情況和相應(yīng)的傳輸協(xié)議確定一個(gè)傳碼率，根據(jù)信道狀態(tài)信息從所有N個(gè)子信道中選取M個(gè)子信道標(biāo)記為可用，并將這M個(gè)可用子信道分為Q塊，每塊上的可用子信道數(shù)分別為Mi，(i＝0，1，…Q-1)，且Σi=0Q-1Mi=M;]]>本發(fā)明只涉及到其中的分塊比特加載方法，這里的分塊有多種方法，例如按照信道增益的高低分塊，如果將可用子信道分為兩塊，可以設(shè)置一個(gè)門(mén)限，信道增益高于這個(gè)門(mén)限的可用子信道分為一塊，信道增益低于該門(mén)限的可用子信道分為一塊；為了實(shí)現(xiàn)方便可以按照信道增益高低將前2k個(gè)可用子信道分為一塊，剩下的可用子信道分為一塊，其中2k小于可用子信道數(shù)M；如果將可用子信道分為兩塊以上，可以將可用子信道中信道增益相差不大的分入同一塊中，并且為了實(shí)現(xiàn)方便，每塊的大小可以選為2的整數(shù)次冪；將可用子信道所分的塊數(shù)Q，每塊的大小Mi，(i＝0，1，…Q-1)及各個(gè)可用子信道所在塊的標(biāo)記信息形成分塊信息。
第二步，將每幀傳輸?shù)男畔⒖偙忍財(cái)?shù)RT分配到各塊上，并確定每點(diǎn)采取的調(diào)制方式。
將每幀需要傳輸?shù)男畔⒖偙忍財(cái)?shù)RT分配到Q塊可用子信道上，且每塊上分配的比特?cái)?shù)分別為Ri，(i＝0，1，…，Q-1)，且Σi=0Q-1Ri=RT;]]>分配比特的規(guī)則很多，例如按照各塊的信道容量占總信道容量的比例分配；根據(jù)每塊的可用子信道數(shù)Mi，(i＝0，1，…Q-1)和每塊傳輸?shù)男畔⒈忍財(cái)?shù)Ri，(i＝0，1，…，Q-1)確定時(shí)域點(diǎn)的分塊情況和塊內(nèi)各點(diǎn)采取的調(diào)制方式；首先根據(jù)可用子信道的分塊狀況將每幀的M個(gè)時(shí)域點(diǎn)分為Q塊，其中時(shí)域點(diǎn)的分塊情況與可用子信道的分塊情況一致，然后將每塊可用子信道傳輸?shù)男畔⒈忍財(cái)?shù)Ri，(i＝0，1，…，Q-1)對(duì)應(yīng)分配給Q塊時(shí)域點(diǎn)，確定塊內(nèi)各時(shí)域點(diǎn)采取的調(diào)制方式；設(shè)每塊上的各時(shí)域點(diǎn)攜帶的比特?cái)?shù)分別為Rij，下標(biāo)i表示該點(diǎn)處于第i塊，j表示該點(diǎn)處于第i塊的第j個(gè)點(diǎn)，且Σj=0Mi-1Rij=Ri;]]>普遍情況下，SC-FDE通信系統(tǒng)采取線性調(diào)制方式，所以該時(shí)域點(diǎn)采取的調(diào)制方式為2Rij進(jìn)制的QAM或者M(jìn)PSK調(diào)制；各時(shí)域點(diǎn)攜帶比特?cái)?shù)的確定也有很多種規(guī)則，下面以每塊內(nèi)不同的時(shí)域點(diǎn)可能攜帶一種或者兩種比特?cái)?shù)為例介紹時(shí)域塊內(nèi)的比特加載方法；設(shè)第i塊中各點(diǎn)攜帶的比特?cái)?shù)分別為Ki1或Ki2，其中， Ki2＝Ki1+1 (14)
表示下取整；且Mi個(gè)點(diǎn)中攜帶Ki2個(gè)比特信息的點(diǎn)數(shù)為Mi2＝Ri-Ki1·Mi(15)則Mi個(gè)點(diǎn)中攜帶Ki1個(gè)比特信息的點(diǎn)數(shù)為Mi1＝Mi-Mi2(16)這樣，第i塊中有Mi1個(gè)點(diǎn)攜帶Ki1比特信息，Mi2個(gè)點(diǎn)攜帶Ki2比特信息，并且可以從Mi個(gè)點(diǎn)中任取Mi1個(gè)點(diǎn)令其攜帶Ki1比特信息，其余Mi2個(gè)點(diǎn)攜帶Ki2比特信息；但為了實(shí)現(xiàn)方便，可以令Mi個(gè)點(diǎn)中的前Mi1個(gè)點(diǎn)攜帶Ki1比特信息，后Mi2個(gè)點(diǎn)攜帶Ki2比特信息；最后將各塊傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)Ri，(i＝0，1，…，Q-1)，及由塊內(nèi)各時(shí)域點(diǎn)攜帶的比特?cái)?shù)決定采取的調(diào)制方式形成調(diào)制方式信息；分塊信息、調(diào)制方式信息的確定可以在發(fā)送端也可以在接收端，通過(guò)收發(fā)雙方達(dá)成的協(xié)議完成這一系列的工作，并通過(guò)前向或反向信道傳給對(duì)方；如果該項(xiàng)工作由接收端進(jìn)行，則需要將分塊信息和調(diào)制方式信息通過(guò)反向信道傳給發(fā)送端；如果該工作由發(fā)送端進(jìn)行，則需要將信道增益H(k)，(k＝0，1，…，N-1)傳給發(fā)送端。
第三步，發(fā)送端根據(jù)選取的可用子信道，分塊信息以及調(diào)制方式信息，對(duì)各時(shí)域點(diǎn)分塊并做相應(yīng)的調(diào)制映射，然后各塊單獨(dú)做DFT，再將得到的頻域信號(hào)放置在可用子信道上得到新的頻域信號(hào)，最后變換到時(shí)域得到要發(fā)送的信號(hào)。
發(fā)送端根據(jù)每點(diǎn)采取的調(diào)制方式信息，對(duì)各點(diǎn)做相應(yīng)的調(diào)制映射，并將各點(diǎn)分配到所對(duì)應(yīng)的塊中，每塊中的點(diǎn)數(shù)分別為Mi，(i＝0，1，…Q-1)；設(shè)映射后的信號(hào)為si(n)，(n＝0，1，…Mi-1)，下標(biāo)i表示該點(diǎn)處于第i塊，n表示該點(diǎn)處于第i塊的第n個(gè)點(diǎn)；然后每塊分別做Mi，(i＝0，1，…Q-1)點(diǎn)的DFT，得到的頻域信號(hào)為Si(k)=Σn=0Mi-1si(n)exp(-j2πknMi),(k=0,1,···,Mi-1)---(17)]]>將上述分塊DFT之后的離散頻域信號(hào)放置在對(duì)應(yīng)塊的Mi個(gè)可用子信道上，所有N個(gè)子信道中M個(gè)可用子信道以外的其他子信道上置零或傳輸非信息信號(hào)，完成信號(hào)的頻譜變換，記完成頻譜變換后的頻域信號(hào)為S′(k)，(k＝0，1，…，N-1)，再利用IDFT將變換后的頻域信號(hào)變回時(shí)域進(jìn)行發(fā)送。
第四步，接收端將接收信號(hào)變到頻域，均衡后按照分塊信息將信號(hào)恢復(fù)到原來(lái)的頻譜狀態(tài)，并分塊做IDFT變回時(shí)域，根據(jù)調(diào)制方式信息進(jìn)行檢測(cè)判決。接收端將接收到的信號(hào)變換到頻域，均衡后選出可用子信道上的頻域信號(hào)，按照分塊信息將這些頻域信號(hào)分配在相應(yīng)的塊中，然后分塊做IDFT變回時(shí)域按照調(diào)制方式信息進(jìn)行檢測(cè)判決。
本發(fā)明基于選頻方式的單載波分塊傳輸方法，將可用子信道按照一定的規(guī)則分塊，分塊后在時(shí)域自適應(yīng)的進(jìn)行比特加載。相對(duì)于傳統(tǒng)的單載波頻域均衡系統(tǒng)，本發(fā)明提出的方法可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的頻譜效率，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度增加不大。在傳碼率一定和發(fā)送功率一定時(shí)可以達(dá)到很好的系統(tǒng)性能，而當(dāng)傳碼率和系統(tǒng)性能一定時(shí)就可以很大程度的節(jié)省發(fā)送功率，同樣發(fā)送功率和誤碼率一定時(shí)，系統(tǒng)的傳碼率可以比已有的系統(tǒng)有很大提高。理想情況下的自適應(yīng)OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度太高，并沒(méi)有得到實(shí)際應(yīng)用。相對(duì)而言，雖然本發(fā)明提出的方法得到的系統(tǒng)性能稍微有所下降，但實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，便于應(yīng)用于有線和無(wú)線環(huán)境中，尤其是可以應(yīng)用于無(wú)線通信環(huán)境中，例如無(wú)線局域網(wǎng)、無(wú)線城域網(wǎng)等等。


圖1是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所提出方法的系統(tǒng)框圖。
圖2是在每幀傳輸1000比特時(shí)本發(fā)明提出方法和基于Fischer和Huber提出的比特加載算法的自適應(yīng)OFDM技術(shù)誤碼性能的比較。
圖中1.信源模塊，2.分塊模塊，3.符號(hào)映射模塊，4.分塊FFT(Fast Fourier Transform快速傅立葉變換，DFT的快速算法)模塊，5.頻譜變換模塊，6.IFFT(Inverse Fast FourierTransform快速逆傅立葉變換，IDFT的快速算法)模塊(N點(diǎn))，7.加循環(huán)前綴(CP)模塊，8.D/A模塊，9.中頻及射頻調(diào)制模塊，10.信道，11.射頻及中頻解調(diào)模塊，12.A/D模塊，13.去CP模塊，14.FFT模塊(N點(diǎn))，15.均衡模塊，16.頻譜反變換模塊，17.分塊IFFT模塊，18.判決模塊，19.分塊輸出模塊，20.信道估計(jì)及子信道選擇模塊，21.分塊和調(diào)制方式確定模塊，22.同步模塊具體實(shí)施方式
實(shí)施例圖1給出了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所提出方法的系統(tǒng)框圖，各模塊作用如下信源模塊1產(chǎn)生要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
分塊模塊2按照分塊和調(diào)制方式確定模塊21傳來(lái)的分塊信息，將信源產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分配到各塊中。
映射模塊3按照分塊和調(diào)制方式確定模塊21傳來(lái)的調(diào)制方式信息，選擇不同的調(diào)制方式(QAM或者M(jìn)PSK)，將信源產(chǎn)生的數(shù)據(jù)映射到星座圖對(duì)應(yīng)的點(diǎn)上。
分塊FFT模塊4按照分塊和調(diào)制方式確定模塊21傳來(lái)的分塊信息，每塊分別做FFT變換，將每塊的數(shù)據(jù)分別變換到頻域。
頻譜變換模塊5按照信道估計(jì)及子信道選擇模塊20傳來(lái)的可用子信道信息，將分塊做FFT得到的頻域信號(hào)，按照分塊信息將每塊的頻域信號(hào)放置到Q塊可用子信道上，而禁用子信道對(duì)應(yīng)頻譜點(diǎn)置零。此模塊需要按照背景技術(shù)中提到的發(fā)明專(zhuān)利(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?00410036439.6)介紹的方法和本發(fā)明提出的方法編程，由通用數(shù)字信號(hào)處理芯片實(shí)現(xiàn)。
N點(diǎn)IFFT模塊6將新得到的頻域信號(hào)變換到時(shí)域。
加CP模塊7將得到的每幀數(shù)據(jù)加上循環(huán)前綴。
D/A模塊8將數(shù)字信號(hào)變換為模擬信號(hào)。
中頻及射頻調(diào)制模塊9如果在無(wú)線環(huán)境下使用該系統(tǒng)，需要對(duì)信號(hào)作射頻調(diào)制才能送天線發(fā)射。有的時(shí)候需要先把信號(hào)調(diào)制到中頻上進(jìn)行中頻放大，再作射頻調(diào)制，最后將已調(diào)信號(hào)送天線發(fā)射。如果在有線環(huán)境(例如xDSL)下使用該系統(tǒng)，則不需要作射頻調(diào)制，也不需要天線發(fā)射信號(hào)，但也要把信號(hào)頻譜搬移到語(yǔ)音信道頻帶以外，保證在傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)不影響話音傳輸。
信道10傳輸信號(hào)的有線信道或無(wú)線信道。
射頻及中頻解調(diào)模塊11在無(wú)線環(huán)境中，將接收天線接收下來(lái)信號(hào)的頻譜從射頻或者中頻搬移到低頻。在解調(diào)之前需要用頻率同步數(shù)據(jù)糾正信號(hào)傳輸過(guò)程中引起的頻偏。
A/D模塊12將解調(diào)后模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)。A/D需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣，提供時(shí)鐘信號(hào)的晶振需要跟發(fā)射機(jī)D/A模塊的晶振頻率相同，否則就會(huì)導(dǎo)致抽樣率誤差。因此在A/D之前要進(jìn)行抽樣率同步。
去CP模塊13將循環(huán)前綴去掉。這時(shí)就存在判斷一幀數(shù)據(jù)何時(shí)開(kāi)始的問(wèn)題，因此去CP之前需要作定時(shí)同步。
N點(diǎn)FFT模塊14將去掉CP的信號(hào)變換到頻域。
均衡模塊15根據(jù)信道估計(jì)及子信道選擇模塊20傳來(lái)的可用子信道信息，對(duì)可用子信道上的信號(hào)均衡，均衡方式可以選擇下述三種均衡方式之一迫零均衡、最小均方誤差均衡、混合均衡(即一部分子信道用迫零均衡，而另一部分子信道用最小均方誤差均衡)。
頻譜反變換模塊16將均衡后的數(shù)據(jù)按照分塊信息分配到各自所在的塊中。
分塊IFFT模塊17按照分塊和調(diào)制方式確定模塊21傳來(lái)的分塊信息，將均衡及頻譜反變換模塊16傳來(lái)分塊后的數(shù)據(jù)，每塊分別做IFFT變換，得到分塊時(shí)域信號(hào)。
判決模塊18根據(jù)星座圖，分塊和調(diào)制方式確定模塊21傳來(lái)的調(diào)制方式信息，完成每塊時(shí)域信號(hào)的判決。
分塊輸出模塊19將判決模塊18傳來(lái)的分塊時(shí)域信號(hào)按照分塊信息輸出，恢復(fù)信源產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。
信道估計(jì)及子信道選擇模塊20通過(guò)參數(shù)估計(jì)來(lái)得到CSI，常用的一般是盲信道估計(jì)和基于輔助數(shù)據(jù)的信道估計(jì)。估計(jì)出CSI后選出可用子信道，將這些可用子信道參數(shù)送給均衡模塊15；同時(shí)根據(jù)信道是否可用，用1比特信息(“0”或“1”)標(biāo)記，形成子信道標(biāo)記信息，將子信道標(biāo)記信息同時(shí)送給信號(hào)頻譜變換模塊5和信號(hào)頻譜反變換模塊16。此模塊需要按照背景技術(shù)中提到的發(fā)明專(zhuān)利(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?00410036439.6)介紹的方法編程，由通用數(shù)字信號(hào)處理芯片實(shí)現(xiàn)。
分塊和調(diào)制方式確定模塊21根據(jù)信道估計(jì)及子信道選擇模塊20得到的可用子信道信息，將選出的這些可用子信道按照一定的規(guī)則分為Q塊，得到相應(yīng)的分塊信息。并將每幀需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)按照一定的規(guī)則分配到這Q塊上，同時(shí)得到調(diào)制方式信息。將這些信息分別傳給模塊2、3、4、17、18、19。此模塊需要按照本發(fā)明提出的方法編程，由通用數(shù)字信號(hào)處理芯片實(shí)現(xiàn)。
同步模塊22通過(guò)參數(shù)估計(jì)(例如盲估計(jì)和基于輔助數(shù)據(jù)的估計(jì))的方法得到系統(tǒng)需要的各種同步數(shù)據(jù)。同步模塊將頻率同步數(shù)據(jù)送給射頻及中頻解調(diào)模塊11；將抽樣率同步數(shù)據(jù)送給模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊12；將定時(shí)同步數(shù)據(jù)送給去CP模塊13。
該實(shí)施例仿真參數(shù)仿真環(huán)境Matlab7.0該仿真是在理想同步的情況下進(jìn)行，信道估計(jì)、子信道分塊、調(diào)制方式信息的形成在接收端完成，并且假設(shè)由反向信道傳給發(fā)送端時(shí)，傳送準(zhǔn)確無(wú)誤。
子信道總數(shù)N＝256可用子信道數(shù)，即每幀SC-FDE數(shù)據(jù)符號(hào)數(shù)M＝224可用子信道分的塊數(shù)Q＝3不同塊的點(diǎn)數(shù)分別為128，64，32(為了FFT/IFFT實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，每塊的大小都是2的整數(shù)次冪，并且按照信道增益從高到低分塊)每幀傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)RT＝1000采取的調(diào)制方式
CP長(zhǎng)度32仿真所選的收信噪比范圍snr＝1-22(dB)本實(shí)施例采用的信道模型是SUI-5信道(IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)中建議的測(cè)試信道之一)的一個(gè)樣本。
從圖2中可以看出本發(fā)明提出的方法跟Fischer和Huber提出比特加載算法的自適應(yīng)OFDM技術(shù)誤碼性能非常相近，F(xiàn)ischer和Huber提出比特加載算法的自適應(yīng)OFDM技術(shù)是一種性能非常好的自適應(yīng)OFDM技術(shù)，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度太高，至今沒(méi)有得到應(yīng)用，只有一些次最優(yōu)的分塊自適應(yīng)OFDM技術(shù)應(yīng)用于有線通信中。本發(fā)明提出的方法實(shí)現(xiàn)要比最優(yōu)自適應(yīng)OFDM技術(shù)簡(jiǎn)單的多，可以比較簡(jiǎn)單地應(yīng)用于有線和無(wú)線通信系統(tǒng)中，并且性能下降非常微小，所以本發(fā)明提出的方法優(yōu)勢(shì)非常明顯。
權(quán)利要求
1.選頻單載波分塊傳輸系統(tǒng)中的一種分塊比特加載方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)收發(fā)雙方建立通信后，系統(tǒng)確定一個(gè)傳碼率即確定每幀傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)RT，接收端根據(jù)選取的可用子信道數(shù)M及這些可用子信道的幅度增益|H(ki)|，(i＝0，1，…，M-1)，將其分為Q塊，形成分塊信息；(2)將每幀傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù)RT分配到Q塊可用子信道上，每塊傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)為Ri，(i＝0，1，…，Q-1)，且Σi=0Q-1Ri=RT,]]>根據(jù)塊數(shù)Q和每塊上傳輸?shù)男畔⒈忍財(cái)?shù)Ri，(i＝0，1，…，Q-1)確定對(duì)信源進(jìn)行分塊的規(guī)則，并確定每塊內(nèi)各點(diǎn)采取的調(diào)制方式，形成調(diào)制方式信息；(3)根據(jù)分塊信息、調(diào)制方式信息和由它們決定的塊內(nèi)各點(diǎn)所采取的調(diào)制方式，發(fā)送端將信源信息比特分塊，對(duì)塊內(nèi)各點(diǎn)做調(diào)制映射，然后每塊單獨(dú)做DFT，再將這些頻域信號(hào)放置到可用子信道對(duì)應(yīng)的點(diǎn)上得到新的信號(hào)頻譜，再用IDFT將新得到的頻域信號(hào)變換到時(shí)域，得到要發(fā)送的信號(hào)；(4)接收端接收到信號(hào)后，將其變到頻域進(jìn)行均衡，然后按照分塊信息將各點(diǎn)信號(hào)恢復(fù)到對(duì)應(yīng)所在塊中，并分塊做IDFT變回時(shí)域進(jìn)行檢測(cè)判決。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的選頻單載波分塊傳輸系統(tǒng)中的分塊比特加載方法，其特征在于所述第(1)步采用以下方法實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方建立通信后，系統(tǒng)根據(jù)信道狀態(tài)、接收信噪比、各種誤差造成的信噪比損失情況和相應(yīng)的傳輸協(xié)議確定一個(gè)傳碼率，根據(jù)信道狀態(tài)信息從所有N個(gè)子信道中選取M個(gè)子信道標(biāo)記為可用，并將這M個(gè)可用子信道分為Q塊，每塊上的可用子信道數(shù)分別為Mi，(i＝0，1，…Q-1)，且Σi=0Q-1Mi=M;]]>本發(fā)明只涉及到其中的分塊比特加載方法，這里的分塊有多種方法，例如按照信道增益的高低分塊，如果將可用子信道分為兩塊，可以設(shè)置一個(gè)門(mén)限，信道增益高于這個(gè)門(mén)限的可用子信道分為一塊，信道增益低于該門(mén)限的可用子信道分為一塊；為了實(shí)現(xiàn)方便可以按照信道增益高低將前2k個(gè)可用子信道分為一塊，剩下的可用子信道分為一塊，其中2k小于可用子信道數(shù)M；如果將可用子信道分為兩塊以上，可以將可用子信道中信道增益相差不大的分入同一塊中，并且為了實(shí)現(xiàn)方便，每塊的大小可以選為2的整數(shù)次冪；將可用子信道所分的塊數(shù)Q，每塊的大小Mi，(i＝0，1，…Q-1)及各個(gè)可用子信道所在塊的標(biāo)記信息形成分塊信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的選頻單載波分塊傳輸系統(tǒng)中的分塊比特加載方法，其特征在于所述第(2)步采用以下方法實(shí)現(xiàn)將每幀需要傳輸?shù)男畔⒖偙忍財(cái)?shù)RT分配到Q塊可用子信道上，且每塊上分配的比特?cái)?shù)分別為Ri，(i＝0，1，…，Q-1)，且Σi=0Q-1Ri=RT;]]>分配比特的規(guī)則很多，例如按照各塊的信道容量占總信道容量的比例分配；根據(jù)每塊的可用子信道數(shù)Mi，(i＝0，1，…Q-1)和每塊傳輸?shù)男畔⒈忍財(cái)?shù)Ri，(i＝0，1，…，Q-1)確定時(shí)域點(diǎn)的分塊情況和塊內(nèi)各點(diǎn)采取的調(diào)制方式；首先根據(jù)可用子信道的分塊狀況將每幀的M個(gè)時(shí)域點(diǎn)分為Q塊，其中時(shí)域點(diǎn)的分塊情況與可用子信道的分塊情況一致，然后將每塊可用子信道傳輸?shù)男畔⒈忍財(cái)?shù)Ri，(i＝0，1，…，Q-1)對(duì)應(yīng)分配給Q塊時(shí)域點(diǎn)，確定塊內(nèi)各時(shí)域點(diǎn)采取的調(diào)制方式；設(shè)每塊上的各時(shí)域點(diǎn)攜帶的比特?cái)?shù)分別為Rij，下標(biāo)i表示該點(diǎn)處于第i塊，j表示該點(diǎn)處于第i塊的第j個(gè)點(diǎn)，且Σj=0Mi-1Rij=Ri;]]>普遍情況下，SC-FDE通信系統(tǒng)采取線性調(diào)制方式，所以該時(shí)域點(diǎn)采取的調(diào)制方式為2Rij進(jìn)制的QAM或者M(jìn)PSK調(diào)制；各時(shí)域點(diǎn)攜帶比特?cái)?shù)的確定也有很多種規(guī)則，下面以每塊內(nèi)不同的時(shí)域點(diǎn)可能攜帶一種或者兩種比特?cái)?shù)為例介紹時(shí)域塊內(nèi)的比特加載方法；設(shè)第i塊中各點(diǎn)攜帶的比特?cái)?shù)分別為Ki1或Ki2，其中， Ki2＝Ki1+1 表示下取整；且Mi個(gè)點(diǎn)中攜帶Ki2個(gè)比特信息的點(diǎn)數(shù)為Mi2＝Ri-Ki1·Mi則Mi個(gè)點(diǎn)中攜帶Ki1個(gè)比特信息的點(diǎn)數(shù)為Mi1＝Mi-Mi2這樣，第i塊中有Mi1個(gè)點(diǎn)攜帶Ki1比特信息，Mi2個(gè)點(diǎn)攜帶Ki2比特信息，并且可以從Mi個(gè)點(diǎn)中任取Mi1個(gè)點(diǎn)令其攜帶Ki1比特信息，其余Mi2個(gè)點(diǎn)攜帶Ki2比特信息；但為了實(shí)現(xiàn)方便，可以令Mi個(gè)點(diǎn)中的前Mi1個(gè)點(diǎn)攜帶Ki1比特信息，后Mi2個(gè)點(diǎn)攜帶Ki2比特信息；最后將各塊傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)Ri，(i＝0，1，…，Q-1)，及由塊內(nèi)各時(shí)域點(diǎn)攜帶的比特?cái)?shù)決定采取的調(diào)制方式形成調(diào)制方式信息；分塊信息、調(diào)制方式信息的確定可以在發(fā)送端也可以在接收端，通過(guò)收發(fā)雙方達(dá)成的協(xié)議完成這一系列的工作，并通過(guò)前向或反向信道傳給對(duì)方；如果該項(xiàng)工作由接收端進(jìn)行，則需要將分塊信息和調(diào)制方式信息通過(guò)反向信道傳給發(fā)送端；如果該工作由發(fā)送端進(jìn)行，則需要將信道增益H(k)，(k＝0，1，…，N-1)傳給發(fā)送端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的選頻單載波分塊傳輸系統(tǒng)中的分塊比特加載方法，其特征在于所述第(3)步采用以下方法實(shí)現(xiàn)發(fā)送端根據(jù)每點(diǎn)采取的調(diào)制方式信息，對(duì)各點(diǎn)做相應(yīng)的調(diào)制映射，并將各點(diǎn)分配到所對(duì)應(yīng)的塊中，每塊中的點(diǎn)數(shù)分別為Mi，(i＝0，1，…Q-1)；設(shè)映射后的信號(hào)為si(n)，(n＝0，1，…Mi-1)，下標(biāo)i表示該點(diǎn)處于第i塊，n表示該點(diǎn)處于第i塊的第n個(gè)點(diǎn)；然后每塊分別做Mi，(i＝0，1，…Q-1)點(diǎn)的DFT，得到的頻域信號(hào)為Si(k)=Σn=0Mi-1si(n)exp(-j2πknMi),(k=0,1,···,Mi-1)]]>將上述分塊DFT之后的離散頻域信號(hào)放置在對(duì)應(yīng)塊的Mi個(gè)可用子信道上，所有N個(gè)子信道中M個(gè)可用子信道以外的其他子信道上置零或傳輸非信息信號(hào)，完成信號(hào)的頻譜變換，記完成頻譜變換后的頻域信號(hào)為S′(k)，(k＝0，1，…，N-1)，再利用IDFT將變換后的頻域信號(hào)變回時(shí)域進(jìn)行發(fā)送。
全文摘要
本發(fā)明提供了選頻單載波分塊傳輸系統(tǒng)中的一種分塊比特加載方法，包括以下步驟(1)建立通信后，確定一個(gè)傳碼率，接收端將可用子信道數(shù)分塊，形成分塊信息；(2)將每幀傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù)分配到可用子信道上，對(duì)信源進(jìn)行分塊，并確定每塊內(nèi)各點(diǎn)采取的調(diào)制方式，形成調(diào)制方式信息；(3)根據(jù)上述信息，發(fā)送端將信源信息分塊，對(duì)塊內(nèi)各點(diǎn)做調(diào)制映射，然后每塊單獨(dú)做DFT，再將這些頻域信號(hào)得到新的信號(hào)頻譜后用IDFT變換到時(shí)域，得到要發(fā)送的信號(hào)；(4)接收端接收信號(hào)后變到頻域進(jìn)行均衡，按照分塊信息將各點(diǎn)信號(hào)恢復(fù)到對(duì)應(yīng)所在塊中，并分塊做IDFT變回時(shí)域進(jìn)行檢測(cè)判決。本發(fā)明提高了系統(tǒng)的頻譜效率。
文檔編號(hào)H04L27/26GK1694443SQ20051004366
公開(kāi)日2005年11月9日 申請(qǐng)日期2005年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月6日
發(fā)明者杜巖, 袁靜, 宮良, 李劍飛 申請(qǐng)人:山東大學(xué)