專利名稱：用于頻率選擇性和快速衰落信道上的單載波空間頻率塊編碼傳輸?shù)南到y(tǒng)和方法
用于頻率選擇性和快速衰落信道上的單載波空間頻率塊編碼傳輸?shù)南到y(tǒng)和方
法
相關(guān)專利申請的交叉引用
本申請涉及2006年12月11日提交的題為"METHOD AND SYSTEM FOR
OVER FREQUENCY SELECTIVE AND FAST FADING CHANNELS(用于頻率 選擇性和快速衰落信道上的單載波空間頻率塊編碼傳輸?shù)南到y(tǒng)和方法)"的美 國臨時專利申請60/874,144，該申請全部納入于此并形成優(yōu)先權(quán)要求的基礎(chǔ)。
領(lǐng)域
本申請的實施例涉及通信系統(tǒng)中的單載波傳輸方案領(lǐng)域。示例性實施例涉 及用于單載波空間頻率塊編碼傳輸?shù)姆椒ê拖到y(tǒng)。
背景
對無線應(yīng)用需求的快速增長刺激了開發(fā)支持無線信道上可靠高速率傳輸 的大量研究計劃。然而，這些開發(fā)必須應(yīng)付諸如多徑衰落、無線信道的時變特 征、帶寬限制和手持式設(shè)備功率限制等挑戰(zhàn)?？諘r傳輸技術(shù)已被證明能對抗多 徑衰落的不利影響。遺憾的是，頻率選擇性衰落信道的大延遲擴展破壞了對于 空時編碼而言關(guān)鍵的收到信號的正交性。因此，這些技術(shù)僅在頻率平坦塊衰落 信道上有效。正交頻分復(fù)用(OFDM)也被表明能對抗多徑衰落?？諘rOFDM (ST-OFDM)和空間頻率OFDM (SF-OFDM)已被提議為用以對抗信道的頻 率選擇性的有效方式。此外，可將SF-OFDM應(yīng)用于快速衰落信道，其中信道 無需如ST-OFDM方案通常所要求的那樣在至少兩個塊傳輸內(nèi)恒定。OFDM是 多載波通信技術(shù)，其中單個數(shù)據(jù)流是在數(shù)個較低速率的副載波上傳送的。多載 波信號包括數(shù)個獨立調(diào)制的副載波，在對這些副載波進行相干合計時這些副載 波會導(dǎo)致大的峰均PAPR。而且，OFDM遭受相位噪聲和頻率偏移問題。因此，
5為了對抗信道的頻率選擇性，對OFDM提出了替換性方案，該方案利用具有
頻域均衡的單載波傳輸。與ST-OFDM方案并行的，提出了空時單載波(ST-SC) 傳輸方案，其要求信道在至少兩個塊周期內(nèi)相同。
盡管已提出了許多高速率無線通信方法和系統(tǒng)，但是并未提供不要求信道 在兩個塊周期內(nèi)相同并因此對快速衰落信道有益的空間頻率單載波(SF-SC) 技術(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)和系統(tǒng)不使用實現(xiàn)如以下章節(jié)所示的具有附加頻率分集的空間 頻率塊編碼的單載波傳輸技術(shù)。
概述
示例性實施例的各方面針對利用空間頻率塊編碼和頻域均衡(SF-SCFDE) 的單載波傳輸方案。這種技術(shù)可與頻率選擇性和快速衰落信道聯(lián)用。
在一個示例性實施例中， 一種用于頻率選擇性和快速衰落信道上的單載波 空間頻率(SF-SCFDE)傳輸?shù)姆椒òń邮胀ㄐ艍K流；編碼所收到的通信 塊流以產(chǎn)生通信塊；將循環(huán)前綴添加到每個通信塊以形成傳輸塊；以及通過頻 率選擇性衰落信道傳達每個傳輸塊。
在另一個示例性實施例中，一種用于頻率選擇性和快速衰落信道上的單載 波空間頻率(SF-SCFDE)傳輸?shù)难b置包括空間頻率編碼器，接收并編碼通
信塊流；循環(huán)前綴添加器，向每個通信塊添加循環(huán)前綴；以及天線，傳達每個 通信塊。
在又一示例性實施例中， 一種用于頻率選擇性和快速衰落信道上的單載波 空間頻率(SF-SCFDE)傳輸?shù)南到y(tǒng)包括發(fā)射機和接收機。發(fā)射機包括接收并 編碼通信塊流的空間頻率編碼器、向每個通信塊添加循環(huán)前綴的循環(huán)前綴添加 器、以及傳達每個通信塊的天線。接收機包括從發(fā)射機接收通信塊的天線、用 于移除循環(huán)前綴的結(jié)構(gòu)、以及解碼器。
根據(jù)以下描述、所附權(quán)利要求和以下簡述的附圖中所示的示例性實施例， 本發(fā)明的這些及其他特征、方面和優(yōu)點將變得顯而易見。
附圖簡述


圖1是根據(jù)示例性實施例的發(fā)射機的總圖。圖2是描繪在圖1的發(fā)射機的單載波空間頻率(SF-SCFDE)傳輸方案中 執(zhí)行的操作的流程圖。
圖3是將圖1的發(fā)射機的單載波空間頻率(SF-SCFDE)傳輸方案與其他 傳輸方案作對比的曲線圖。
詳細描述
以下參照附圖描述示例性實施例。應(yīng)當(dāng)理解，以下描述意在描述本發(fā)明的 示例性實施例而非限制本發(fā)明。
圖1圖解了具有N,-2個發(fā)射天線和N嚴1個接收天線的發(fā)射機10。屬于 字母表A的信息承載數(shù)據(jù)碼元d(n)首先使用分用器12分用成各自用于任一發(fā) 射天線的傳輸?shù)膬蓚€N碼元的塊流。通信塊由& =k(0),^(l)，...A(iV-lj"來表 示，且由第A個發(fā)射天線發(fā)射，其中* = 1.2且|^(劃2 = 1，后者的W點離散傅 里葉變換(DFD被給定為|&=(0),&(1),....,&(^-1)「。兩個碼元塊s,和S2隨
后被饋送到適于SCFDE產(chǎn)生以下兩個塊的空間頻率編碼器14:
Ul - [A'O ，-《2,0 ，《U ,-J2，W-1 ，…，A,W—1 ，-》2'1 ] ( J )
U2 — [S2,0 A'O ，152,1 ,Sl，W一l， ， ， ' ,S2,A/一1 ，Sl'l]
其中、 = a(")。這兩個塊u,和u2隨后被從碼元持續(xù)時間7;壓縮至7;/2，且 壓縮向量被重復(fù)兩次以形成以下諸塊
V,[u，<]^ = l,2 (2)
向量、由、e(、。)標示，且令奇(偶)元素為零，艮卩，vM = [s,e,S,ef,A: = l，2
且v廣hL,-《。r、 v2,。=k。,s〔。r，其中
A(l),0，... ]r s^。
=
r 、 J
這些零插入和重復(fù)操作是在圖1中的塊18處執(zhí)行的。在傳輸之前，使用乘法 器20將向量h,。與移相矩陣0>4iV相乘
04A/=~(l,，ei，...,e 4W ), (4)
以在其傅里葉變換中向前移位一個元素。從兩個天線發(fā)射的信號向量隨后由以 下給出
Xi = ( + Aw、。), "1,2 (5)
其中尸。是總發(fā)射功率。如圖1中所示的，加法器22被用于(5)中的(v^+①4wV4,。)操作。在塊24，在通過L階頻率選擇性衰落信道傳送之前將 循環(huán)前綴(CP)加到每個塊上。h4 (l)，...A(Z-1)]，其中&(/)是第A 個發(fā)射天線與接收天線之間的信道沖激響應(yīng)(CIR)的第/階響應(yīng)。收到信
號向量y由以下給出
"f《尸)(8)、+w (6)
其中x「)為添加CP的情況下的、，并且w是在假定具有方差iV。的AWGN 的情況下的添加噪聲向量，且0標示線性巻積。由于CP使線性巻積變成循 環(huán)，因此在移除CP并執(zhí)行4iV點DFT之后的收到信號向量可由以下給出 Y = JaA+W (7)
其中八,__* = 1,2表示其元素是相應(yīng)CIR ^的4iV點DFT的對角矩陣。XA 和W分別表示^和w的47V點DFT。
根據(jù)(5)'得出
X「V尸。/8iV(Vk'e+義,J"1.2 (8) 其中V 、 v和^分別表示v 、 v和^ v )的4W點DFT?，F(xiàn)在得出
^。 = ~fe《]r (9)
其中
sM = fc(o),o，&(i)o,... -l),0]r sM = [o,s:(o)，o,s:(iv—1)，…，0,s;(i)]" (10)
-, /o*/o*o /o*(4jV — 2)、
建議其中pe = b(o)，o,...，P(iv-1),or的[p"Pf形式的4iV個元素向量的
點 DFT 為[P二P〖r ， 其中Pj[尸(0),0,…，戶(iV-l),0r且向量 [尸(0),尸(l)，…，尸(iV-1)]r為[p(0),; (l),…,i^V-l):r的7V點DFT。為了證明(9)，從
前述建議可看出，V^是、,[sK;r的4iV點DFT,其中s^是在(3)中定義
、r ，r
的，因此 = [s6,s^ 。接著，定義向
=|^(0),0，《(iV-1),...,0，《(2)，0，^(1),0『，其為(3)中的s^向左循環(huán)移位一個元素，艮口， s4,。(") = ;( — i)，且72,。
Sl ,Si
，艮卩V2。(>) = V2,。(W-1)。
使用DFT的移位特性，v2,。的點DFT由以下給出 v2。= V2.。 (11)
其中、。為、。的點DFT 。使用以上論點并對、。應(yīng)用 k(0)X(W —1),…,《(2)，《(1)f的W點DFT即[^(0),S;(l),…,《(iV-2),《)7V —l)f ， 得出々2,。=[§;\§;7，其中^,S:,e。在^.。=04^2,。并使用DFT的移位特性的 逆的情況下，得出92.。(附)=、,(附-1)，即，^。為V2,。向右循環(huán)移位一個元素 使用(ll)，得出義,。-0^[S〖。,S[。;f ，其中在(10)中定義了①4w?？勺裾障嗤?序來表明、, [-S。,-S;,J。
現(xiàn)在針對向量A， As和A。被分別定義為A的偶部分和奇部分。根據(jù)(9)，
得出
V, [S:，S丫,V:,
Vk>K《]r， "1.2
其中①2W =力'"g
(12)
l，e2w ,e ，
為27Vx2iV對角矩陣，其對角元素為
((io))的o核的奇對角元素，而(^是長度為W的零向量。隨后得出
x: =VW[sLs]r
根據(jù)((13))'可看到
(13)
(14)
隨后可將式((7))重寫成 Ye =A〖X〖+Ae2Xe2+We Y。 -A^+Ap^+W" (15)
其中A〖和A〖是對角矩陣，其對角元素分別為AJ勺偶對角元素和奇對角元 素。假定毗鄰副載波的信道增益大致相等，即，A〖《A:,* = 1,2;因此組合 ((15))得到
9<formula>formula see original document page 10</formula> (16)
針對* = 1，2分別定義^和y。的第一和第二iV項如下
r((/t—1)iv),…，:r()uv—i)f
y; ，。(("i)A0，…，rw-1)
將((13))和((17))插入((16》得到
Z = AS + W (18)
其中
W L .. …
A; ， Ae，
，r
(17)
y￡7 y0" y0"
r ,7* j
w,e ,w2e ,w,。 ，w20
s= s'r,s
(19)
其中A ,和A1,2為N xN對角矩陣，其對角元素是A:的第一和最后W個對角 元素，且AU2,2，OV,，dV2被類似地定義。注意，
①
2W|
="》
2W>
=①
=i,
其中對角矩陣D被定義為!Dl、DD'。所建
議的空間頻率解碼器根據(jù)以下給出估計§
§ 'A"Z (20)
可表明矩陣A"A是對角的，且如下給出 IA卩0 、 0 lAl:
A、=
(21)
其中|<=^(
+
+ Ae，
因此S,和S2被完全去耦合。(20)
中的估計被變換回時域以進行檢測。
圖2圖解了參照圖1描述的發(fā)射機10所利用的示例性單載波空間頻率 (SF-SCFDE)傳輸技術(shù)中執(zhí)行的操作。另外，取決于實施例，可執(zhí)行更少或 不同的操作。在操作30，屬于字母表A的數(shù)據(jù)碼元d(n)被分用成兩個N碼元 的塊流。在操作32，塊流被編碼成通信塊。
通信塊在操作34中被壓縮成向量，并且經(jīng)壓縮的向量被重復(fù)兩次以在操 作36中形成向量塊。 一旦形成向量塊，可使用移相矩陣來移相(操作38)。
10此移相使得在傅里葉變換中向前移位一個元素。在操作40，循環(huán)前綴(CP) 被添加到每個經(jīng)移相的向量塊。 一旦CP前綴被添加，就通過L階的頻率選擇
性衰落信道傳送這些塊。在接收到所傳達的塊之際，移除CP前綴并確定4N 點DFT。
本文所描述的頻率選擇性和快速衰落信道上的示例性單載波空間頻率 (SF-SCFDE)傳輸方案以被表明是高效且有效的傳輸技術(shù)，對于其中信道快 速衰落的應(yīng)用尤其如此。在仿真中計算示例性空間頻率單載波系統(tǒng)的誤碼率 (BER)性能。仿真使用假定為COST207六射線U = 6)典型城市信道的頻 率選擇性信道中每塊具有W = 64個數(shù)目碼元的單載波傳輸。BER性能被表明 勝于K. F. Lee和D.B. Williams在2000年3月的IEEE傳感器陣列和多信道信 號處理專題會議第149-152頁中的"A space-time coded transmitter diversity technique for frequency selective fading (用于頻率選擇性衰落的空時編碼發(fā)射機 分集技術(shù))"以及在2000年11月的IEEE GLOBECOM第1473-1477頁的"A space-frequency diversity technique for OFDM system (用于OFDM系統(tǒng)的空間 頻率分集技術(shù))"(在以下稱為"Lee和Williams")中所描述的ST-OFDM 。其 還勝于相同信道中的常規(guī)OFDM系統(tǒng)。也在慢速衰落信道(其中歸一化多普 勒頻率為0.001)和快速衰落信道(其中歸一化多普勒頻率為0.05)中將本文 所描述的SF-SCFDE的性能與W. M. Younis、 N. Al-Dhahir和A. H. Sayed在 2002年5月佛羅里達州奧蘭多的IEEE關(guān)于聲學(xué)、話音、信號處理國際會議的 第3巻第2353-2356頁在"Adaptive frequency-domain equalization of space-time block-coded transmissions (空時塊編碼傳輸?shù)淖赃m應(yīng)頻域均衡)"(以下稱為 "Younis")中所描述的ST-SCFDE的性能作對比。仿真結(jié)果顯示本文所描述的 SF-SCFDE方案表現(xiàn)出更好的BER。更好性能的一個原因在于導(dǎo)致附加頻域分 集的頻域擴展。此外，示例性實施例的技術(shù)未遭受PAPR(峰均功率比)問題。 圖3是示出了本文所描述的示例性SF-SCFDE在慢速(fdTs=0.001)和快 速(fdTs=0.05)衰落COST207六射線典型城市(TU)信道中同Lee和Williams 的ST-SCFDE (左側(cè))以及同Younis的SF-SCFDE及SF-OFDM的性能比較的 曲線圖。
出于例示和描述的目的，給出了示例性實施例的前述描述。其無意窮舉或?qū)⒈景l(fā)明限于所公開的精確形式，且按照以上教義諸修改和變形是可能的，或 者可從本發(fā)明的實踐中獲得。選取并描述實施例是為了解釋本發(fā)明的原理及其
實際應(yīng)用，以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠以各種實施例或在適于所構(gòu)想的具體使
用的各種修改下利用本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種用于頻率選擇性和快速衰落信道上的單載波空間頻率(SF-SCFDE)傳輸?shù)姆椒?，所述方法包括接收通信塊流；編碼所述收到通信塊流以產(chǎn)生通信塊；將循環(huán)前綴添加到每個通信塊以形成傳輸塊；以及通過頻率選擇性衰落信道傳達每個傳輸塊。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，接收通信塊流還包括將數(shù)據(jù)碼 元分用成多個通信塊流。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，編碼所述收到通信塊流以產(chǎn)生 通信塊還包括將所述通信塊壓縮成經(jīng)壓縮的向量； 將所述經(jīng)壓縮的向量重復(fù)兩次以形成向量塊；以及 使用移相矩陣將所述向量塊移相。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述移相矩陣為①4w且由以 下來定義<formula>formula see original document page 2</formula>
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述頻率選擇性衰落信道是L階的，以使得發(fā)射天線與接收天線之間的信道沖激響應(yīng)被表示為 h,關(guān)，/Ul),…A(丄-1)]，其中&(/)為第/階響應(yīng)。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過所述頻率選擇性衰落信道 傳達每個通信塊包括使用N點離散傅里葉變換(DFT)由第k個發(fā)射天線發(fā)射 所述傳輸i央，其中其內(nèi)Pjb(0),0,…，p(7V-l),or的[p〖,p:T形式的憤元素向量 的4iV點DFT為[Pe7',Pe7 ，其中Pe =[尸(0)，0,..,,尸(^-l),Of且所述向量 [尸(0),尸(1)，…,尸(W-1)r是[p(0),p(l),…,p(;V-lf的 〃點DFT。
7. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括在接收天線處移除所述 循環(huán)前綴并采用4N點離散傅里葉變換(DFT)。
8. —種用于頻率選擇性和快速衰落信道上的單載波空間頻率(SF-SCFDE)傳輸?shù)难b置，所述裝置包括空間頻率編碼器，接收并編碼通信塊流； 循環(huán)前綴添加器，向每個通信塊添加循環(huán)前綴；以及天線，傳達每個通信塊。
9. 如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述空間頻率編碼器還包括用 于壓縮所述經(jīng)編碼的通信塊流的壓縮器、用于重復(fù)所述通信塊流和形成向量塊 的電路、以及用于執(zhí)行移相的移相器。
10. 如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述移相是使用移相矩陣0)4w 來進行的，所述移相矩陣^4w由以下來定義乂2 r 聲2 乂'2;r(4W-l)①4,血g(l,e百,ei,…,e ")。
11. 如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，還包括將數(shù)據(jù)碼元分用成多 個通信塊流的分用器。
12. 如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，傳達每個通信塊的所述天線使用快速衰落信道來傳達。
13. —種用于頻率選擇性和快速衰落信道上的單載波空間頻率 (SF-SCFDE)傳輸?shù)南到y(tǒng)，所述系統(tǒng)包括發(fā)射機，其具有接收并編碼通信塊流的空間頻率編碼器、向每個通信塊添 加循環(huán)前綴的循環(huán)前綴添加器、以及傳達每個通信塊的天線；以及接收機，其具有從發(fā)射機接收通信塊的天線、用于移除所述循環(huán)前綴的結(jié) 構(gòu)、以及解碼器。
14. 如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述空間頻率編碼器還包 括用于壓縮所述經(jīng)編碼的通信塊流的壓縮器、用于重復(fù)所述通信塊流和形成向 量塊的電路、以及用于執(zhí)行移相的移相器。
15. 權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述移相使用移相矩陣①w，所述移相矩陣由以下來定義0% = ^ag(l,，ei，…，e ")。
16. 如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射機還包括將數(shù)據(jù) 碼元分用成多個通信塊流的分用器。
17. 如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，天線通過頻率選擇性衰落信道傳達所述通信塊。
18. 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述頻率選擇性衰落信道 是L階的，以使得所述發(fā)射機與所述接收機之間的信道沖激響應(yīng)被表示為 h,[/U0)A(l)，…A"-1)]，其中&(/)為第/階響應(yīng)。
19. 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，通過所述頻率選擇性衰落 信道的通信使用帶N點離散傅里葉變換(DFT)的第k個發(fā)射天線，其中其內(nèi) PJ[P(0),0,…,p(iV-l),Of的[p,pr形式的47V元素向量的4W點DFT為 [Pf ， Pf r ，其中Pe = [P(O),O,…,f(JV - 1),0]T且所述向量[尸(O)，尸(1),...,尸(7V -1 )f是 [;K0),p(l),…,MW —1)]7'的W點DFT。
20. 如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述接收機在所述循環(huán)前 綴被移除之后對所述通信塊采取4N點離散傅里葉變換(DFT)。
全文摘要
針對頻率選擇性和快速衰落信道提議一種利用空間頻率塊編碼和頻域均衡(SF-SCFDE)的單載波傳輸方案。表明了在慢速衰落環(huán)境中采用這種技術(shù)表現(xiàn)出與用空時編碼方案獲得的相同的性能。然而，在更不利的快速衰落信道中，所提議的方案呈現(xiàn)出好得多的性能。
文檔編號H04L25/03GK101589571SQ200780045585
公開日2009年11月25日 申請日期2007年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月11日
發(fā)明者K·阿科拉斯, Y·巴-奈斯 申請人:新澤西理工學(xué)院