專利名稱：確定跳時(shí)、脈沖無(wú)線電系統(tǒng)中的幀持續(xù)時(shí)間的方法和跳時(shí)、脈沖無(wú)線電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及通信系統(tǒng)，具體涉及用于無(wú)線通信系統(tǒng)中的調(diào)制格式。
背景技術(shù)：
在美國(guó)，聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)允許限制性無(wú)執(zhí)照使用超寬帶寬(UWB)信號(hào)用于無(wú)線通信系統(tǒng)，參見(jiàn)“First Report and Order”(2002年2月14日)。UWB信號(hào)必須在從3.1到10.6GHz的頻率范圍內(nèi)，且最小帶寬為500MHz。FCC規(guī)則也將UWB信號(hào)的功率譜密度和峰值發(fā)射功率限制到小于-43.1dBm/MHz。
用于UWB的一種調(diào)制方法使用極短時(shí)間脈沖(例如，1/1,000,000,000秒或更短)來(lái)生成帶寬超過(guò)500MHz(其對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)約為300mm)的信號(hào)。使用短脈沖的無(wú)線系統(tǒng)通常稱為脈沖無(wú)線電(IR)系統(tǒng)。
如圖1A所示，通常用于IR系統(tǒng)的四種不同的調(diào)制技術(shù)為脈位調(diào)制(PPM)11、脈幅調(diào)制(PAM)12、通斷鍵控(OOK)13和二相相移鍵控(BPSK)14。
作為優(yōu)點(diǎn)，UWB系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高數(shù)據(jù)速率，并能抗多徑損傷。這是由于有較大的處理增益。另外，IR系統(tǒng)使得能夠使用無(wú)需本機(jī)振蕩器用于外差的、低成本、低工作循環(huán)、低功率的收發(fā)機(jī)。由于UWB收發(fā)機(jī)主要在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)，從而可將UWB收發(fā)機(jī)集成在半導(dǎo)體芯片中。在UWB系統(tǒng)中，多個(gè)收發(fā)機(jī)在無(wú)干擾的條件下同時(shí)共享同一頻譜。UWB系統(tǒng)對(duì)于家庭、商業(yè)和教育機(jī)構(gòu)中的短距離高速網(wǎng)絡(luò)是理想的。傳感器網(wǎng)絡(luò)也能使用UWB收發(fā)機(jī)。
M.Win和R.A.Scholtz的“Ultra-Wide Band Width Time-Hopping Spead-Spectrum Impulse Radio for Wireless Multiple-Access Communications”(IEEE Trans.On Communications，Vol.48，No.4，2000年4月，pp.679-691)中對(duì)跳時(shí)(TH)IR進(jìn)行了描述。在該TH-IR系統(tǒng)中，每位或符號(hào)由Nf個(gè)脈沖表示，其中，Nf為正整數(shù)。發(fā)射一位的時(shí)間為Ts。這稱為符號(hào)持續(xù)時(shí)間。還可將時(shí)間Ts劃分為幀Tf，將幀劃分為碼片Tc，通常對(duì)應(yīng)于脈沖持續(xù)時(shí)間。如果Nc表示一幀中的碼片數(shù)量，Nf表示一個(gè)符號(hào)中幀的數(shù)量，則Ts，Tf和Tc的關(guān)系由下式表示Ts＝NfTf＝NfNcTc(1)圖1B表示對(duì)于‘0’位的示例性現(xiàn)有技術(shù)TH-IR波形110和‘1’位的波形120的脈沖104，符號(hào)時(shí)間Ts101、幀持續(xù)時(shí)間Tf102和碼片持續(xù)時(shí)間Tc103之間的關(guān)系。一般而言，在根據(jù)“跳時(shí)”代碼的幀中的可用碼片之間，將脈沖偽隨機(jī)地間隔開(kāi)，以最小化多用戶干擾。
如以上所述，調(diào)制可為二相相移鍵控(BPSK)。通過(guò)BPSK，將每位b表示為正或負(fù)一，即，b∈{-1，1}。發(fā)射信號(hào)具有如下形式 其中，cj表示TH代碼的第j個(gè)值，處在{0，1，...，Nc-1}的范圍內(nèi)，b表示第i個(gè)調(diào)制符號(hào)。另外，可對(duì)發(fā)射信號(hào)中的每個(gè)脈沖應(yīng)用表示為hi，j的可選序列，以便“整形”發(fā)射信號(hào)譜，以及縮減譜線。序列hi，j稱為值為+1或-1的極性加擾序列。不同的振幅還可能進(jìn)一步對(duì)頻譜整形。
圖2示出傳統(tǒng)的相干TH-IR接收機(jī)200。接收機(jī)包括自動(dòng)增益控制(AGC)部件210，自動(dòng)增益控制部件210與放大器220相連，放大器220與接收天線230相連。接收機(jī)還包括同步部件240、定時(shí)控制部件250、信道估計(jì)部件260、MMSE均衡器部件270和解碼器部件280。分離多徑接收機(jī)指290輸入到加法器295。每個(gè)分離多徑接收機(jī)指均包括脈沖序列發(fā)生器、相關(guān)器和加權(quán)組合器。分離多徑接收機(jī)指減小了多徑干擾。
需要選擇合適的幀持續(xù)時(shí)間。短的幀持續(xù)時(shí)間會(huì)降低多路接入干擾(MAI)，還能夠提高在有定時(shí)抖動(dòng)的情況下的性能，如S.Gezici，H.Kobayashi，H.V.Poor和A.F.Molisch的“Effect oftiming jitter on the tradeoff between processing gains”(Proc.ICC2004，PP.3596-3600，2004年)中所述。另一方面，當(dāng)幀持續(xù)時(shí)間短于信道脈沖響應(yīng)的最大過(guò)量延遲時(shí)，會(huì)出現(xiàn)幀間干擾(IFI)。在傳統(tǒng)TH-IR系統(tǒng)中，幀持續(xù)時(shí)間是固定的，不可更改。
因此，希望能夠自適應(yīng)地選擇幀持續(xù)時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于根據(jù)當(dāng)前信道狀態(tài)和干擾自適應(yīng)地確定跳時(shí)、脈沖無(wú)線電(TH-IR)系統(tǒng)中幀持續(xù)時(shí)間的方法和裝置。在多用戶系統(tǒng)中，干擾是由于來(lái)自其他收發(fā)機(jī)的信號(hào)以及噪聲造成的。因此，干擾以信號(hào)對(duì)噪聲加干擾比(SINR)來(lái)度量。
接收機(jī)獲得信道狀態(tài)信息(CSI)(具體為小尺度平均功率延遲分布)以及平均SNIR。CSI和功率延遲分布用于確定最佳幀持續(xù)時(shí)間。幀持續(xù)時(shí)間可在接收機(jī)或發(fā)射機(jī)中確定。當(dāng)CSI和SNIR隨時(shí)間變化時(shí)，可定期更新幀持續(xù)時(shí)間。


圖1A是現(xiàn)有調(diào)制技術(shù)的時(shí)序圖；圖1B是現(xiàn)有技術(shù)TH-IR調(diào)制的時(shí)序圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)TH-IR接收機(jī)的框圖；以及圖3是根據(jù)本發(fā)明用于確定幀持續(xù)時(shí)間的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供一種用于為無(wú)線電系統(tǒng)中的收發(fā)機(jī)自適應(yīng)選擇幀持續(xù)時(shí)間的系統(tǒng)和方法。幀持續(xù)時(shí)間取決于信號(hào)對(duì)噪聲加干擾比(SNIR)和信道狀態(tài)信息(CSI)?？蓪⒃摲椒☉?yīng)用到跳時(shí)、脈沖無(wú)線電(TH-IR)系統(tǒng)以及涉及跳時(shí)的發(fā)射基準(zhǔn)系統(tǒng)中的相干收發(fā)機(jī)，以及應(yīng)用到具有非相干收發(fā)機(jī)的跳時(shí)系統(tǒng)。應(yīng)該注意，在任一時(shí)刻，收發(fā)機(jī)可進(jìn)行發(fā)射或接收。
在第一步中，接收機(jī)定期估計(jì)310信道301的CSI 311。這可通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)。接收機(jī)可估計(jì)瞬時(shí)CSI或平均CSI。在后者情形中，接收機(jī)估計(jì)小尺度、平均功率延遲分布或其近似。本發(fā)明不必使用精確的CSI。小尺度平均功率延遲分布的近似或甚至僅是均方根(RMS)延遲擴(kuò)展的估計(jì)可帶來(lái)益處。是使用瞬時(shí)還是平均CSI主要取決于信道的符號(hào)持續(xù)時(shí)間與相干時(shí)間之間的比。在準(zhǔn)靜態(tài)信道中，優(yōu)選使用瞬時(shí)CSI。
在第二步中，接收器定期估計(jì)320信道301的SNIR 321?？稍诓幌蚪邮諜C(jī)發(fā)射任何數(shù)據(jù)的“靜噪”周期期間，估計(jì)SNIR。在該時(shí)期內(nèi)，接收機(jī)是活動(dòng)的，“正在收聽(tīng)”信道。有許多用于估計(jì)CSI和SINR的方法。本發(fā)明可與用于進(jìn)行這些估計(jì)的任何傳統(tǒng)方法一起工作。關(guān)于信道與干擾估計(jì)的綜述，可參看J.G.Proakis的《DigitalCommunications》(第四版，McGraw-Hill出版社，紐約，2001年)。
在可選的第三步中，收發(fā)機(jī)定期獲取330其他UWB收發(fā)機(jī)329所使用的幀持續(xù)時(shí)間331。這可通過(guò)其他收發(fā)機(jī)的顯式發(fā)射來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，在根據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)境中，中央?yún)f(xié)調(diào)設(shè)備發(fā)射信標(biāo)。信標(biāo)包含用于在協(xié)調(diào)設(shè)備控制下的所有其他設(shè)備的幀持續(xù)時(shí)間。
估計(jì)了CSI和SNIR之后，確定340最佳幀持續(xù)時(shí)間341。幀持續(xù)時(shí)間可在發(fā)射機(jī)或接收機(jī)中確定。最佳幀持續(xù)時(shí)間使得訓(xùn)練信號(hào)與接收信號(hào)之間的RMS誤差、編碼或未編碼誤碼率(BER)、或其他合適標(biāo)準(zhǔn)最小。例如，S.Gezici，F(xiàn).Tufvesson和A.F.Molisch在“On the performance of transmitted-reference impulse radio”(Proc.Globecom 2004)中描述了在只有噪聲時(shí)對(duì)于發(fā)射基準(zhǔn)方案的BER?；蛘?，根據(jù)來(lái)自發(fā)射數(shù)據(jù)的BER或RMS誤差確定最佳幀持續(xù)時(shí)間。通過(guò)在發(fā)射機(jī)中“抖動(dòng)”幀持續(xù)時(shí)間，收發(fā)機(jī)能夠確定是更小還是更大的幀持續(xù)時(shí)間會(huì)改善BER。然后，將該信息提供給發(fā)射機(jī)，相應(yīng)地適配幀持續(xù)時(shí)間。
本發(fā)明還優(yōu)化了對(duì)于最佳幀持續(xù)時(shí)間的跳時(shí)(TH)序列。常規(guī)地，對(duì)于預(yù)定的固定幀持續(xù)時(shí)間，預(yù)選和優(yōu)化TH序列。預(yù)選的TH序列試圖使每符號(hào)脈沖沖突數(shù)最小，而與不同收發(fā)機(jī)之間變化的相對(duì)延遲無(wú)關(guān)。
本發(fā)明自適應(yīng)地選擇350當(dāng)被截取成更短持續(xù)時(shí)間時(shí)保持良好“沖突”特性的TH序列351?？墒褂镁哂胁煌L(zhǎng)度的序列349的離散集。發(fā)射機(jī)從該序列集中選擇對(duì)于最佳幀持續(xù)時(shí)間341的最佳序列351。
本發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明的幀持續(xù)時(shí)間選擇減少了幀間干擾和多路接入干擾。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，本發(fā)明對(duì)幀持續(xù)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，以使幀間干擾最小，同時(shí)還保持良好的多路接入性能。
盡管以示例性優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，不過(guò)應(yīng)該理解，在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可進(jìn)行多種其他適配和修改。因此，所附權(quán)利要求的目的是涵蓋處在本發(fā)明的實(shí)際精神和范圍內(nèi)的所有這些變型和修改。
權(quán)利要求
1.一種用于確定在跳時(shí)、脈沖無(wú)線電系統(tǒng)中的幀持續(xù)時(shí)間的方法，包括定期估計(jì)在兩個(gè)收發(fā)機(jī)之間的信道的信道狀態(tài)信息；以及根據(jù)信道狀態(tài)信息確定幀持續(xù)時(shí)間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括定期估計(jì)信號(hào)對(duì)噪聲加干擾比；以及根據(jù)信號(hào)對(duì)噪聲加干擾比確定幀持續(xù)時(shí)間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，信道狀態(tài)信息是瞬時(shí)的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中，信道狀態(tài)信息基于瞬時(shí)功率延遲分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，信道狀態(tài)信息被在時(shí)間上求平均。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中，信道狀態(tài)信息基于小尺度、平均功率延遲分布。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，信道狀態(tài)信息基于均方根RMS延遲擴(kuò)展。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中，在不發(fā)射任何數(shù)據(jù)的靜噪周期期間，估計(jì)信號(hào)對(duì)噪聲加干擾比。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括定期獲取所述無(wú)線電系統(tǒng)的其他收發(fā)機(jī)所使用的其他幀持續(xù)時(shí)間；以及根據(jù)其他幀持續(xù)時(shí)間確定所述幀持續(xù)時(shí)間。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中，顯式地發(fā)射其他幀持續(xù)時(shí)間。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，在接收機(jī)中確定幀持續(xù)時(shí)間，該方法還包括將所述幀持續(xù)時(shí)間發(fā)射到發(fā)射機(jī)。
12.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中，在接收機(jī)中估計(jì)信道狀態(tài)信息和信號(hào)對(duì)噪聲加干擾比，該方法還包括將信道狀態(tài)信息和信號(hào)對(duì)噪聲加干擾比發(fā)射到發(fā)射機(jī)；以及在發(fā)射機(jī)中確定幀持續(xù)時(shí)間。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述幀持續(xù)時(shí)間使得訓(xùn)練信號(hào)與接收信號(hào)之間的RMS誤差最小。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述幀持續(xù)時(shí)間使得編碼誤碼率最小。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述幀持續(xù)時(shí)間使得未編碼誤碼率最小。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述幀持續(xù)時(shí)間使得發(fā)射數(shù)據(jù)的RMS誤差最小。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述幀持續(xù)時(shí)間使得發(fā)射數(shù)據(jù)的誤碼率最小。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，還包括在發(fā)射機(jī)中抖動(dòng)幀持續(xù)時(shí)間。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括根據(jù)幀持續(xù)時(shí)間，定期選擇跳時(shí)序列。
20.一種跳時(shí)、脈沖無(wú)線電系統(tǒng)，包括用于定期估計(jì)信道的信道狀態(tài)信息和信號(hào)對(duì)噪聲加干擾比的接收機(jī)，所述接收機(jī)還包括用于根據(jù)信道狀態(tài)信息和信號(hào)對(duì)噪聲加干擾比確定幀持續(xù)時(shí)間的裝置；以及用于發(fā)射幀持續(xù)時(shí)間的裝置；以及用于接收幀持續(xù)時(shí)間的發(fā)射機(jī)。
21.一種跳時(shí)、脈沖無(wú)線電系統(tǒng)，包括用于定期估計(jì)信道的信道狀態(tài)信息和信號(hào)對(duì)噪聲加干擾比的接收機(jī)，所述接收機(jī)還包括用于發(fā)射信道狀態(tài)信息和信號(hào)對(duì)噪聲加干擾比的裝置；以及用于根據(jù)信道狀態(tài)信息和信號(hào)對(duì)噪聲加干擾比確定幀持續(xù)時(shí)間的發(fā)射機(jī)。
全文摘要
一種方法確定在跳時(shí)、脈沖無(wú)線電系統(tǒng)中的幀持續(xù)時(shí)間。定期估計(jì)在兩個(gè)收發(fā)機(jī)之間信道的信道狀態(tài)信息。還定期估計(jì)信號(hào)對(duì)噪聲加干擾比。然后，根據(jù)信道狀態(tài)信息和信號(hào)對(duì)噪聲加干擾比，確定幀的幀持續(xù)時(shí)間。
文檔編號(hào)H04B1/69GK1985446SQ20058002321
公開(kāi)日2007年6月20日 申請(qǐng)日期2005年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月4日
發(fā)明者安德瑞斯·F.·莫利茨, 菲利浦·奧利克 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社