專利名稱：Ofdm系統(tǒng)的速率選擇的制作方法
OFDM系統(tǒng)的速率選擇本申請是國際申請日為2004年7月19日、申請?zhí)枮?2827306.0、發(fā)明名稱為 "OFDM系統(tǒng)的速率選擇”的PCT發(fā)明專利申請的分案申請。背景領(lǐng)域本發(fā)明一般涉及數(shù)據(jù)通信，尤其涉及為無線(如OFDM)通信系統(tǒng)選擇速率的技 術(shù)。背景無線通信系統(tǒng)被廣泛使用，以提供各類通信，如語音、數(shù)據(jù)等等。這些系統(tǒng) 可以實現(xiàn)正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制，此調(diào)制能夠為一些信道環(huán)境提供高性能。在一 OFDM系統(tǒng)中，系統(tǒng)帶寬被有效地劃分成幾個(NF)頻率子信道(可以被稱為子頻帶或頻 率區(qū)段)。每個頻率子信道與各自的子載波(或頻率音調(diào))相關(guān)，其中數(shù)據(jù)可以在子載波 上被調(diào)制。一般，將被發(fā)送的數(shù)據(jù)(即，信息比特)使用特定編碼方案被編碼，以產(chǎn)生 編碼比特，然后這些編碼比特可以進(jìn)一步被分組成多比特的碼元，這些碼元接著基于特 定的調(diào)制方案(如，M-PSK或M-QAM)被映射到調(diào)制碼元。在取決于每個頻率子信道 的帶寬的每個時間間隔上，調(diào)制碼元可以在每個NF頻率子信道上被發(fā)送。OFDM系統(tǒng)的頻率子信道可以經(jīng)歷不同的信道條件(如，不同的衰落和多徑效 應(yīng))，而且可以達(dá)到不同的信號對噪聲加干擾比(SNR)。每個被發(fā)送的調(diào)制碼元在該碼元 被發(fā)送的特定頻率子信道上受通信信道的頻率響應(yīng)的影響。根據(jù)通信信道的多徑特性， 頻率響應(yīng)可以在整個系統(tǒng)帶寬上廣泛地變化。從而，共同形成特定數(shù)據(jù)分組的調(diào)制碼元 可以各自通過NF頻率子信道被接收，具有大范圍的SNR，并且SNR將在整個分組上相 應(yīng)地變化。對于具有非平坦或恒定的頻率響應(yīng)的多徑信道，在每個頻率子信道上被可靠發(fā) 送的每調(diào)制碼元信息比特數(shù)(即，數(shù)據(jù)率或信息率)可以在子信道之間不同。而且，信 道條件一般隨時間變化。從而，頻率子信道支持的數(shù)據(jù)速率也隨時間變化。因為給定接收機(jī)經(jīng)歷的信道條件一般先驗未知，所以以相同的發(fā)送功率和/或 數(shù)據(jù)率將數(shù)據(jù)發(fā)送至所有接收機(jī)是不現(xiàn)實的。固定這些傳輸參數(shù)很可能將導(dǎo)致發(fā)送功 率的浪費、對于一些接收機(jī)的次優(yōu)數(shù)據(jù)速率的使用以及對于一些其他接收機(jī)的非可靠通 信，它們都導(dǎo)致系統(tǒng)性能的不良下降。對于不同接收機(jī)，通信信道的不同傳輸容量加上 這些信道的時變和多徑特性使得在OFDM系統(tǒng)內(nèi)有效編碼和調(diào)制傳輸數(shù)據(jù)困難。因此，本領(lǐng)域內(nèi)需要用于在具有上述信道特性的無線(如OFDM)通信系統(tǒng)內(nèi)為 數(shù)據(jù)傳輸選擇適當(dāng)速率的技術(shù)。附圖
的簡要描述通過下面提出的結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的特征、性質(zhì)和優(yōu)點將變得更加 明顯，附圖中相同的符號具有相同的標(biāo)識，其中圖IA是OFDM通信系統(tǒng)的簡化模型的圖表；圖IB是圖示為使用等效信道的多徑信道選擇速率的圖表；
圖2是基于度量Ψ選擇OFDM系統(tǒng)中使用的數(shù)據(jù)速率的過程的實施例流程圖；圖3是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)系統(tǒng)的實施例框圖，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)能實現(xiàn)本發(fā)明的各 個方面和實施例。圖4是發(fā)射機(jī)單元的實施例框圖。圖5是接收機(jī)單元的實施例框圖。圖6是受限容量速率自適應(yīng)算法的流程圖。圖7A-7D是改進(jìn)的CCRA(M-CCRA)算法的流程圖；以及圖8是CCRA算法的性能與理想速率選擇的圖形比較。優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述這里所揭示的用于確定和選擇數(shù)據(jù)傳輸速率的技術(shù)可以用于各種包括一個或多 個獨立傳輸信道的無線通信系統(tǒng)中，如多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)。為了說明清楚，本 發(fā)明的各個方面和實施例被描述為專用于正交頻分復(fù)用(OFDM)系統(tǒng)，其中獨立的傳輸 信道是通過劃分整個系統(tǒng)帶寬而形成的頻率子信道或區(qū)段。圖IA是OFDM系統(tǒng)的簡化模型的圖表。在發(fā)射機(jī)110處，話務(wù)數(shù)據(jù)以特定數(shù) 據(jù)速率從數(shù)據(jù)源112被提供至編碼器/調(diào)制器114，114根據(jù)一個或多個編碼方案編碼數(shù) 據(jù)，并且根據(jù)一個或多個調(diào)制方案進(jìn)一步調(diào)制數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^對編碼比特集合分組以形 成多比特碼元和將每個多比特碼元映射到信號星座圖上的一點而達(dá)到解調(diào)，信號星座圖 對應(yīng)于為用于發(fā)送調(diào)制碼元的每個頻率子信道所選的特定調(diào)制方案(如QPSK、M-PSK 或M-QAM)。每個映射的信號點對應(yīng)于一調(diào)制碼元。在一實施例中，數(shù)據(jù)速率通過數(shù)據(jù)速率控制被確定，編碼方案通過編碼控制被 確定，調(diào)制方案通過調(diào)制控制被確定，它們兩者由控制器130基于從接收機(jī)150接收的反 饋信息提供。導(dǎo)頻也可以被發(fā)送至接收機(jī)以協(xié)助接收機(jī)執(zhí)行幾個功能如信道估計、捕獲、頻 率和定時同步、相干數(shù)據(jù)解調(diào)等等。這樣，導(dǎo)頻數(shù)據(jù)被提供給編碼器/解碼器114，114 再多路復(fù)用和處理導(dǎo)頻數(shù)據(jù)和話務(wù)數(shù)據(jù)。對于OFDM，接著通過付里葉反變換(IFFT) 116將調(diào)制數(shù)據(jù)(即，調(diào)制碼元)變 換到時域以提供OFDM碼元，每個OFDM碼元對應(yīng)于Nf個調(diào)制碼元的一向量的時間表 示，在傳輸碼元周期內(nèi)此Nf個調(diào)制碼元將在NF個頻率子信道上被發(fā)送。與單載波“時間 編碼”系統(tǒng)不同，OFDM系統(tǒng)通過在時域發(fā)送表示話務(wù)數(shù)據(jù)的調(diào)制碼元的IFFT，而“在 頻域”有效地發(fā)送調(diào)制碼元。OFDM碼元還進(jìn)一步被處理(為了簡明圖IA中未示出)， 以產(chǎn)生調(diào)制信號，然后此調(diào)制信號通過無線通信信道被發(fā)送至接收機(jī)。如圖IA中所示， 通信信道具有H(f)的頻率響應(yīng)，還以n(t)的加性高斯白噪聲(AWGN)降級調(diào)制信號。在接收機(jī)150處，發(fā)送的調(diào)制信號被接收、調(diào)節(jié)、以及數(shù)字化，以提供數(shù)據(jù)采 樣。然后快速付里葉變換器(FFT) 160接收和變換該數(shù)據(jù)采樣至頻域，經(jīng)恢復(fù)的OFDM 碼元被提供至解調(diào)器/解碼器162以及信道估計器164。解調(diào)器/解碼器162處理(如解 調(diào)和解碼)經(jīng)恢復(fù)的OFDM碼元，以提供解碼數(shù)據(jù)，并且可以進(jìn)一步提供每個接收分組 的狀態(tài)。信道估計器164處理經(jīng)恢復(fù)的OFDM碼元，以提供通信信道的一個或多個特性 的估計，例如信道頻率響應(yīng)、信道噪聲方差、接收碼元的信號對噪聲加干擾比(SNR)等等。
速率選擇器166從信道估計器164接收估計，并且確定可用于數(shù)據(jù)傳輸可用頻 率子信道的全部或一個子集的適當(dāng)“速率”。速率指示了一個參數(shù)集合的一個特定值集 合。例如，速率可以指示(或可以相關(guān)于)用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶囟〝?shù)據(jù)速率、特定編碼方 案或編碼率、特定調(diào)制方案等等?？刂破?70從速率選擇器166接收速率，從解調(diào)器/解碼器162接收分組狀態(tài)， 并且提供適當(dāng)?shù)姆答佇畔⒁员话l(fā)送回到發(fā)射機(jī)110。此反饋信息可以包括速率、信道估計 器164提供的信道估計、每個接收分組的確認(rèn)(ACK)或否定確認(rèn)(NACK)、一些其他信 息或它們的任意組合。通過調(diào)節(jié)發(fā)射機(jī)處的數(shù)據(jù)處理該反饋信息被用于增加系統(tǒng)效率， 從而以通信信道可以支持的功率和速率的最佳已知設(shè)置實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。接著，反饋信息 被返回到發(fā)射機(jī)110，并用于調(diào)整至接收機(jī)150的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶幚?如，數(shù)據(jù)速率、編碼 和調(diào)制)。在圖IA所示的實施例中，速率選擇由接收機(jī)150實現(xiàn)，選擇的速率被提供至發(fā) 射機(jī)110。在其他實施例中，速率選擇可以由發(fā)射機(jī)基于接收機(jī)提供的反饋信息來實現(xiàn)， 或者可以由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)聯(lián)合實現(xiàn)。在適當(dāng)?shù)臈l件下，F(xiàn)FT160的輸出處的經(jīng)恢復(fù)的OFDM碼元可以表示為Y(k) = Y(k)H{k) + N(k),公式(1)其中k是OFDM系統(tǒng)的頻率子信道的索引，即k = 0，1...，Nf-I,其中Nf是頻 率子信道的個數(shù)；Y(k)是第k個頻率子信道上發(fā)送的調(diào)制碼元，它們基于用于第k個頻率子信道 的特定調(diào)制方案被導(dǎo)出。H(k)是對每個頻率子信道以“量化”形式表示的通信信道的頻率響應(yīng)。N(k)表示時域噪聲的風(fēng)個采樣的一序列的FFT，即FFT丨n(kT)!，k = 0， 1，…，Nf-I ；以及T是采樣周期。在單載波系統(tǒng)中，發(fā)送碼元可以全部以大致相同的SNR在接收機(jī)被接收?！昂?定SNR”分組的SNR和此分組的差錯概率之間的關(guān)系在本領(lǐng)域內(nèi)是公知的。作為近似， 具有特定達(dá)到的SNR的單載波系統(tǒng)支持的最大數(shù)據(jù)速率可以被估計為具有同樣SNR的 AWGN信道支持的最大數(shù)據(jù)速率。AWGN信道的主要特性是它的頻率響應(yīng)在整個系統(tǒng)帶 寬上平坦或恒定。然而，在OFDM系統(tǒng)中，組成分組的調(diào)制碼元在多個頻率子信道上被發(fā)送。根 據(jù)用于發(fā)送分組的頻率子信道的頻率響應(yīng)，SNR可以在整個分組上變化?！白兓疭NR” 分組的問題隨著系統(tǒng)帶寬增加和用于多徑環(huán)境而被惡化。OFDM系統(tǒng)的主要難點是接著確定可用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)速率，同時達(dá)到 特定性能標(biāo)準(zhǔn)，性能標(biāo)準(zhǔn)可以用特定分組差錯率(PER)、幀差錯率(FER)、比特差錯率 (BER)、或者一些其它準(zhǔn)則來定量表示。例如，期望的性能標(biāo)準(zhǔn)可以通過在特定的標(biāo)稱 值(如Pe= 1%)附近的小窗內(nèi)維持PER來達(dá)到。在一般通信系統(tǒng)中，一特定和離散數(shù)據(jù)速率的集合可被定義，只有這些數(shù)據(jù)速 率可用。每個數(shù)據(jù)速率D(r)可以與特定調(diào)制方案或星座圖M(r)以及特定編碼率C(r)有 關(guān)。每個數(shù)據(jù)速率經(jīng)進(jìn)一步要求特定SNR(r)，此特定SNR(r)是最小SNR，在此SNR上 以上述數(shù)據(jù)速率傳輸數(shù)據(jù)導(dǎo)致的PER小于等于期望的PER，Pe0此SNR(r)假定通信信道使AWGN(即，在整個系統(tǒng)帶寬上具有平坦的頻率響應(yīng)或?qū)τ谒械膋，H(k) =H)。 一般，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的通信信道不是AWGN，而是色散的或頻率選擇性的(即， 系統(tǒng)帶寬的不同子信道上衰減量不同)。對于這樣的多徑信道，將用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶囟〝?shù) 據(jù)速率可以被選擇來計及信道的多徑或頻率選擇特性。從而，每個數(shù)據(jù)速率D (r)與表征它的一參數(shù)集合相關(guān)。這些參數(shù)可以包括調(diào)制 方案M (r)、編碼率C O")、以及期望的SNR(r)，如下D(r) ^ [M(r), C(r)，SNR(r)],公式(2)其中r是數(shù)據(jù)速率的索引，即r = 0，1，…，Nr-L N(r)是可用數(shù)據(jù)速率的總 數(shù)。等式(2)表示數(shù)據(jù)速率D(r)可以使用調(diào)制方案M(r)和編碼率C(r)被發(fā)送，還進(jìn)一 步要求AWGN信道中的SNR(r)以達(dá)到期望的標(biāo)稱PER，Pe.隊數(shù)據(jù)速率可以被排序如 下D(I) < D(2)... < D(Nr-I)。根據(jù)本發(fā)明的一方面，基于等效AWGN信道的度量確定在OFDM系統(tǒng)中給定的 多徑信道上可以被可靠發(fā)送的最大數(shù)據(jù)速率。如果數(shù)據(jù)傳輸維持期望的PER，Pe,則達(dá) 到可靠傳輸。下面詳細(xì)描述此方面。圖IB是圖示為使用等效信道的多徑信道選擇數(shù)據(jù)的圖表。對于信道響應(yīng)H(k) 和噪聲Ntl方差所定義的給定多徑信道，OFDM系統(tǒng)能夠使用調(diào)制方案M (r)達(dá)到等效的 數(shù)據(jù)速率D6qmv,其中對于不同的頻率子信道M(k)可以不同。此D6quiv可以基于特定信 道容量函數(shù)iIH(k)，N0, M(k)]被估計，描述見下。因為每個獨立頻率子信道的帶寬 被歸一化為1，所以看上去不是函數(shù) .]的自變量。可以在所需Pe的PER處使用調(diào)制 方案M(k)導(dǎo)出度量，然后再進(jìn)一步基于也在下面描述的函數(shù)g(Deqmv，m)，其中度量是 SNR, SNRequivW估計，而SNRequiv是等效AWGN信道以期望的PER，Pe使用調(diào)制方案 M(k)、以同樣的數(shù)據(jù)速率Dequiv發(fā)送所要求的。對于數(shù)據(jù)速率D(k)、調(diào)制方案M(k)以及編碼率C(k)，AWGN信道將需要 SNR, SNRth,或最好達(dá)到期望的PER，Pe.門限SNRth可以通過計算機(jī)仿真或一些其他 裝置確定。如果此度量(或SNReqmv)等于或大于SNRth,則數(shù)據(jù)速率D (k)然后可以被視 為受多徑信道的OFDM系統(tǒng)。隨著數(shù)據(jù)速率D(k)增加，對于H(k)和Ntl定義的給定信 道條件門限SNRth增加。從而，OFDM系統(tǒng)可以支持的最大數(shù)據(jù)速率受信道條件限制。 各個方案在這里被提供以確定對于給定多徑信道OFDM系統(tǒng)可以支持的最大數(shù)據(jù)速率。 這些方案中的一些將在下面描述。在第一個速率選擇方案，度量Ψ接收OFDM系統(tǒng)中給定多徑信道上的數(shù)據(jù)傳輸 的參數(shù)集合，并且基于接收的參數(shù)提供與多徑信道等效的AWGN信道的SNR估計。這 些至度量Ψ的輸入?yún)?shù)可以包括關(guān)于處理數(shù)據(jù)傳輸(如，調(diào)制方案M(k))的一個或多個 參數(shù)以及關(guān)于通信信道(如，信道響應(yīng)H(k)和噪聲方差Ntl)的一個或多個參數(shù)。如上面 提到的，調(diào)制方案M(k)可以與特定數(shù)據(jù)速率D(k)相關(guān)。度量Ψ是等效AWGN信道的 SNR的估計(即，U^SNRequivK然后多徑信道支持的最大數(shù)據(jù)速率可以被確定為與等效 SNR相關(guān)的最高數(shù)據(jù)速率，此等效SNR大于或等于AWGN信道上使用與數(shù)據(jù)速率相關(guān)的 編碼和調(diào)制方案達(dá)到期望的PER，P6所需要的門限SNR，SNRth。各種函數(shù)可以用于度量Ψ，下面提供它們中的一些。在一實施例中，度量Ψ被 定義為
權(quán)利要求
1.無線通信系統(tǒng)中的接收機(jī)單元，包括信道估計器，操作用于導(dǎo)出用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ判诺赖囊粋€或多個特性的估計； 速率選擇器，操作用于接收來自所述信道估計器的信道估計、以及指示所述數(shù)據(jù)傳 輸?shù)奶囟ㄋ俾实膮?shù)集合，其中所述通信信道是頻率選擇性的，導(dǎo)出等效信道的度量， 確定所述等效信道支持所述特定速率所需的門限信號質(zhì)量，以及基于所述度量和所述門 限信號質(zhì)量來指示所述特定速率是否受所述通信信道支持，其中所述特定速率被選擇來 計及所述通信信道的頻率選擇性；以及度量調(diào)節(jié)器，操作用于使用預(yù)定后退因子來調(diào)節(jié)度量。
2.如權(quán)利要求1所述的接收機(jī)單元，還包括解碼器，操作用于為特定數(shù)據(jù)分組提供各個接收傳輸?shù)臓顟B(tài)；以及 控制器，操作用于提供包括所述特定速率、以及分組狀態(tài)的指示的反饋信息。
3.如權(quán)利要求1所述的接收機(jī)單元，其中所述后退因子設(shè)計成使分組差錯率(PER)最 小化。
4.如權(quán)利要求1所述的接收機(jī)單元，其中所述度量是信噪比(SNR)的函數(shù)。
5.無線通信系統(tǒng)中的設(shè)備，包括用于導(dǎo)出用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ判诺赖囊粋€或多個特性的估計的裝置； 用于接收來自信道估計器的信道估計、以及指示所述數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶囟ㄋ俾实膮?shù)集 合的裝置，其中所述通信信道是頻率選擇性的； 用于導(dǎo)出等效信道的度量的裝置；用于確定所述等效信道支持所述特定速率所需的門限信號質(zhì)量的裝置； 用于基于所述度量和所述門限信號質(zhì)量來指示所述特定速率是否受所述通信信道支 持的裝置，其中所述特定速率被選擇來計及所述通信信道的頻率選擇性；以及 用于使用預(yù)定后退因子來調(diào)節(jié)度量的裝置。
6.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，還包括用于為特定數(shù)據(jù)分組提供各個接收傳輸?shù)臓顟B(tài)的裝置；以及 用于提供包括所述特定速率、以及分組狀態(tài)的指示的反饋信息的裝置。
7.如權(quán)利要求5所述設(shè)備，其中所述后退因子設(shè)計成使分組差錯率(PER)最小化。
8.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述度量是信噪比(SNR)的函數(shù)。
9.無線通信系統(tǒng)中進(jìn)行速率選擇的方法，包括 導(dǎo)出用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ判诺赖囊粋€或多個特性的估計；接收來自信道估計器的信道估計、以及指示所述數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶囟ㄋ俾实膮?shù)集合， 其中所述通信信道是頻率選擇性的； 導(dǎo)出等效信道的度量；確定所述等效信道支持所述特定速率所需的門限信號質(zhì)量， 基于所述度量和所述門限信號質(zhì)量來指示所述特定速率是否受所述通信信道支持， 其中所述特定速率被選擇來計及所述通信信道的頻率選擇性；以及 使用預(yù)定后退因子來調(diào)節(jié)度量。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，還包括 為特定數(shù)據(jù)分組提供各個接收傳輸?shù)臓顟B(tài)；以及提供包括所述特定速率、以及分組狀態(tài)的指示的反饋信息。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述后退因子設(shè)計成使分組差錯率(PER)最小化。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述度量是信噪比(SNR)的函數(shù)。
全文摘要
基于等效(平坦)信道的度量確定可以在使用OFDM傳輸?shù)慕o定多徑(非平坦)信道上可靠傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)速率。對于給定的多徑信道和特定速率(可以表示特定數(shù)據(jù)速率、調(diào)制方案及編碼率)，開始從等效數(shù)據(jù)速率和特定調(diào)制方案導(dǎo)出度量。然后確定使用特定調(diào)制方案和編碼率可靠地發(fā)送特定數(shù)據(jù)速率所需的門限SNR。如果度量大于或等于門限SNR，則特定速率被視為受多徑信道支持。增量傳輸被用于計及確定的數(shù)據(jù)速率中的差錯。
文檔編號H04L29/08GK102013949SQ20101059356
公開日2011年4月13日 申請日期2002年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月21日
發(fā)明者A·賈拉里, I·J·弗南德茲科巴頓, T·卡多斯 申請人:高通股份有限公司