专利名称：Ofdm系统的速率选择的制作方法
领域本发明一般涉及数据通信，尤其涉及用于为无线(如OFDM)通信系统选择速率的技术。
背景无线通信系统广泛用于提供各类通信，比如语音、数据等等。这些系统可以实现正交频率分集复用(OFDM)调制，它能够为某些信道环境提供高性能。在OFDM系统中，系统带宽有效地被分成多个(NF)频率子信道(可称为子频带或频率区段)。各个频率子信道都与相应的子载波(或频率音调)相关联，数据基于所述子载波而被调制。一般而言，用一特定的编码方案对要被发送的数据(即信息比特)进行编码以产生经编码的比特，然后把经编码的比特分组成多位码元，多位码元接着根据特定的调制方案(如M-PSK或M-QAM)被映射到调制码元。在取决于每个频率子信道的带宽的每个时间间隔处，可以在NF条频率子信道的每一个上发送调制码元。
OFDM系统的频率子信道会经受不同的信道条件(如不同的衰落和多径效应)并且可实现不同的信号对噪声和干扰比(SNR)。各个发送的调制码元受到特定频率子信道处通信信道的频率响应所影响，所述码元经由所述特定频率子信道而发送。根据通信信道的多径分布特性，频率响应可以在整个系统带宽内广泛地改变。这样，总体形成一特定数据分组的调制码元可以经由NF条频率子信道用宽范围的SNR单独接收，SNR然后在整个分组上相应地改变。
对于具有不平坦或不恒定的频率响应的多径信道而言，可在各频率子信道上可靠发送的每调制码元的信息比特数(即数据率或信息率)可能随着子信道的不同而不同。此外，信道条件一般随时间改变。结果，为频率子信道支持的数据速率也随时间改变。
由于给定接收机所经历的信道条件一般不是先验已知的，因此以相同的发送功率和/或数据速率把数据发送到所有接收机是不切实际的。固定这些传输参数可能会导致浪费发送功率、为某些接收机使用次佳数据速率、以及某些其它接收机的不可靠通信，所有这些都会导致系统容量的不期望的减少。不同接收机的通信信道的不同传输能力加上这些信道的时变和多径特性使得难以对用于OFDM系统中传输的数据进行有效地编码和调制。
因此本领域中需要为了在具有上述信道特性的无线(如OFDM)通信系统中的数据传输选择适当速率的技术。
概述本发明各方面提供了技术来确定并选择用于无线(如OFDM)通信系统中数据传输的速率。这些技术可用于为或按多径(非平坦)信道或按平坦信道工作的OFDM系统提供改进的系统性能。
一方面，根据等效频率平坦信道(例如具有平坦频率响应的信道)的度量确定由OFDM系统在给定多径信道上可靠发送的最大数据速率。对于给定的多径信道而言，它由一特定的频率响应和特定的噪声方差来定义，OFDM系统能够使用特定的调制方案M(r)来实现特定的等效数据速率Dequiv。等效数据速率Dequiv可以根据特定的信道容量函数(例如受约束的信道容量函数或者某些其它函数)来估计。然后使用M(r)并进一步根据特定的函数g(Dequiv，M(r))来为Dequiv确定度量，所述度量是SNR的估计，所述SNR是等效频率平坦信道使用调制方案M(r)以等效数据速率Dequiv可靠发送所要求的SNR。然后确定等效信道使用调制方案M(r)和编码速率C(r)可靠发送一特定数据速率D(r)所需的阈值SNR。如果所述度量大于或等于所述阈值SNR，则把数据速率D(r)视为由多径信道所支持。
另一方面，提供了增量传输(IT)方案，其最好与第一方面的速率选择结合使用，以便降低回退数量并改进系统吞吐量。IT方案使用一个或多个离散的传输来发送一给定的数据分组，每次一个传输，直到特定的限止。分组的第一传输包括足够数量的数据，使得可以根据预期的信道条件在接收机处无差错地恢复分组。然而，如果第一传输由通信信道过度降级而使得未实现分组的无差错恢复，则执行分组的附加数据量的增量传输。然后，接收机试图根据增量传输中的附加数据以及前面为分组接收到的所有数据而恢复分组。发射机的增量传输和接收机的解码可以作出一次或多次，直到无差错地恢复分组或者达到增量传输的最大次数为止。
下面进一步详述了本发明的各个方面和实施例。本发明还提供了能实现本发明各方面、实施例和特性的方法、接收机单元、发射机单元、接收机系统、发射机系统、系统以及其它装置和元件，如下面进一步详述。
附图简述通过下面提出的结合附图的详细描述，本发明的特征、性质和优点将变得更加明显，附图中相同的元件具有相同的标识，其中
图1A是OFDM通信系统的简化模型图；图1B是用图示说明使用等效信道进行多径信道的速率选择的图；图2是用于根据度量ψ选择数据速率以便用作OFDM系统中的过程实施例的流程图；图3是发射机系统和接收机系统的实施例的框图，所述发射机系统和接收机系统能实现本发明的各个方面和实施例；图4是发射机单元的一实施例的框图；以及图5是接收机单元的一实施例的框图。
详细描述这里所述用于确定和选择用于数据传输的速率的技术可用于包括一条或多条独立传输信道的各种无线通信系统，例如多输入多输出(MIMO)系统。为了简洁，特别为正交频率分集复用(OFDM)系统描述了本发明的各方面和实施例，其中独立传输信道是通过分割总系统带宽而形成的频率子信道或区段。
图1A是OFDM系统的简化模型图。在发射机110处，以特定的数据速率把话务数据从数据源112提供到编码器/调制器114，后者按照一个或多个编码方案对数据进行编码，还按照一个或多个调制方案来调制已编码的数据。调制的实现可通过分组已编码比特集合以形成多比特码元，并且把各个多比特码元映射到信号星座图中的一点，所述信号星座图与为了用于发送码元的各频率子信道选择的特定调制方案(如QPSK、M-PSK或M-QAM)相对应。各映射的信号点对应于一调制码元。
在一实施例中，数据速率由数据速率控制所确定，编码方案由编码控制所确定，而调制方案由调制控制所确定，所有这些都由控制器130根据从接收机150接收到的反馈信息来提供。
还可以把导频发送到接收机来帮助它执行若干功能，比如信道估计、捕获、频率和定时同步、相干数据解调等等。在这种情况下，导频数据被提供给编码器/调制器114，后者接着将导频数据与话务数据多路复用并处理。
对于OFDM而言，已调数据(即调制码元)接着通过快速傅立叶逆变换器(IFFT)116变换到时域以提供OFDM码元，其中各个OFDM码元都对应于在传输码元期间要在NF频率子信道上发送的NF个调制码元的向量的一时间表示。与单载波“时间编码的”系统相反，OFDM系统通过在时域中发送代表话务数据的调制码元的IFFT，从而有效地在“频域”中发送调制码元。OFDM码元被进一步处理(图1中为了简洁未示出)以产生一已调信号，已调信号接着通过无线通信信道被发送到接收机。如图1A所示，通信信道的频率响应为H(f)，且由于加性白高斯噪声(AWGN)n(t)而使已调信号进一步降级。
在接收机150处，已发出的已调信号被接收、调节、并数字化以提供数据采样。然后，快速傅立叶变换器(FFT)160接收数据采样并将其变换到频域，经恢复的OFDM码元被提供给解调器/解码器162和信道估计器164。解调器/解码器162处理(例如解调和解码)经恢复的OFDM码元以提供经解码的数据，并可以进一步提供各个接收到的分组的状态。信道估计器164处理经恢复的OFDM码元以提供通信信道的一个或多个特征的估计，比如信道频率响应、信道噪声方差、接收码元的信号对噪声加干扰比(SNR)等等。
速率选择器166从信道估计器164接收估计，并确定一适当的“速率”，所述适当的速率可用于数据传输所用的全部或一个子集的频率子信道。该速率表示一组参数的一组特定值。例如，速率可以指示(或与之相关联)数据传输要使用的特定数据速率、特定的编码方案和/或编码速率、特定的调制方案等等。
控制器170接收来自速率选择器166的速率以及来自解调器/解码器162的分组状态，并提供适当的反馈信息以便发送回发射机110。该反馈信息可以包括速率、信道估计器164所提供的信道估计、各个接收分组的确认(ACK)或否定确认(NACK)、某些其它信息、或者它们的任意组合。反馈信息用于提高系统的效率，其通过调节发射机处的数据处理使得以通信信道可支持的功率和速率的最佳已知设置来执行数据传输。然后把反馈信息发送回发射机110，并且使用反馈信息来调节到接收机150的数据传输的处理(如数据速率、编码和调制)。
在图1A所示的实施例中，接收机150执行速率选择，并把所选的速率提供给发射机110。在其它实施例中，速率选择可由发射机根据接收机所提供的反馈信息来执行，或者可以由发射机和接收机共同执行。
在适当的条件下，FFT 160输出处的经恢复的OFDM码元可表示为Y^(k)=Y(k)H(k)+N(k),]]>公式(1)其中k是OFDM系统的频率子信道的索引，即k＝0，1，...，NF-1，其中NF是频率子信道的数目；Y(k)是在第k条频率子信道上发送的调制码元，它是根据第k条频率子信道所使用的特定调制方案而导出的；H(k)是通信信道的频率响应，对于各条频率子信道以“量化的”形式来表示；N(k)表示时域噪声的NF个采样序列的FFT，即FFT{n(kT)}，其中k＝0，1，...，NF-1；以及T是采样周期。
在单载波系统中，发出的码元可以以几乎相同的SNR在接收机处全部被接收。“恒定SNR”分组的SNR和分组误差概率之间的关系是本领域公知的。作为一种近似，具有特定达到的SNR的单载波系统所支持的最大数据速率可以被估计为由具有相同SNR的AWGN信道所支持的最大数据速率。AWGN信道的主要特性是其频率响应在整个系统带宽上是平坦的或恒定的。
然而，在OFDM系统中，组成分组的调制码元在多个频率子信道上被发送。根据用于发送分组的频率子信道的频率响应，SNR可以在整个分组上改变。随着系统带宽增加，并且对于多径环境，这个“变化的SNR”分组的问题受到恶化。
于是，OFDM系统的主要难题是确定可用于数据传输的最大数据速率，而同时达到特定的性能水平，性能水平可由特定的分组误差率(PER)、帧误差率(FER)、比特误差率(BER)或某些其它准则来定量化。例如，通过把PER维持在特定标称值左右的小窗口内(如Pe＝1％)，可以达到期望的性能水平。
在典型的通信系统中，可以定义一组特定的且离散的数据速率，仅仅这些数据速率可供使用。各数据速率D(r)可以与一特定的调制方案或星座图M(r)、以及特定的编码速率C(r)相关联。各数据速率会进一步要求一特定的SNR(r)，它是该数据速率下的数据传输所产生的PER小于或等于期望PER Pe时的最小SNR。该SNR(r)假定通信信道是AWGN(即具有整个系统带宽上的平坦频率响应，或者对于所有kH(k)＝H)。一般而言，发射机和接收机间的通信信道不是AWGN，而是色散的或频率选择的(即在系统带宽的不同子频带下有不同的衰减量)。对于这种多径信道而言，可以选择数据传输要使用的特定数据速率来计及信道的多径或频率选择特性。
因此，各数据速率D(r)与表征它的一组参数相关联。这些参数可以包括调制方案M(r)、编码速率C(r)以及所需的SNR(r)，如下D(r)[M(r)，C(r)，SNR(r)]，公式(2)其中r是数据速率的索引，即r＝0，1，...NR-1，其中NR是可供使用的数据速率的总数。表达式(2)声明了数据速率D(r)可以用调制方案M(r)和编码速率C(r)来发送，并进一步要求AWGN信道中的SNR(r)实现期望的标称PER Pe。可以排列NR个数据速率，使得D(0)＜D(1)＜D(2)...＜D(NR-1)。
按照本发明一方面，根据等效AWGN信道的度量确定在OFDM系统中的给定多径信道上可靠发送的最大数据速率。如果为数据传输维持了期望的PER Pe，则实现可靠传输。这个方面的细节在下面描述。
图1B是图解说明了使用等效信道进行多径信道的速率选择的图。对于由信道响应H(k)和噪声方差N0所定义的个定多径信道而言，OFDM系统能够使用调制方案M(k)实现等效数据速率Dequiv，其中M(k)对于不同的频率子信道可能不同。这个Dequiv可以如下根据特定的信道容量函数f[H(k)，N0，M(k)]来估计。由于各单独频率子信道的带宽被归一化为1，因此它并不作为函数f[·]的自变量出现。可以使用M(k)并进一步根据函数g(Dequiv，M(k))为Dequiv导出度量，所述度量是SNR的估计SNRequiv，所述SNRequiv是等效AWGN信道以期望的PER Pe使用调制方案M(k)以等效数据速率Dequiv进行发送所需的，这也在下文描述。
对于数据速率D(k)、调制方案M(k)和编码速率C(k)，AWGN信道会需要值为SNRth或更佳的SNR来实现期望的PER Pe。该阈值SNRth可以通过计算机模拟或某些其它手段来确定。如果度量(或SNRequiv)等于或大于SNRth，则把数据速率D(k)视为由多径信道的OFDM系统所支持。随着数据速率D(k)的增加，阈值SNRth对于H(k)和N0所定义的给定信道条件而增加。因此，OFDM系统所支持的最大数据速率受信道条件所限制。这里提供了各种方案来确定可由给定多径信道的OFDM系统所支持的最大数据速率。这些方案中的一些在下面描述。
在第一速率选择方案中，度量ψ接收一组参数，用于OFDM系统中给定多径信道上的数据传输，并且根据接收到的参数为等效于多径信道的AWGN信道提供SNR的估计。这些对度量ψ的输入参数可以包括与数据传输的处理有关的一个或多个参数(例如调制方案M(k))以及与通信信道有关的一个或多个参数(如信道响应H(k)和噪声方差N0)。如上所述，调制方案M(k)可以与特定的数据速率D(k)相关联。度量ψ是等效AWGN信道的SNR的估计(即ψ≈SNRequiv)。多径信道所支持的最大数据速率接着被确定为与等效SNR相关的最高数据速率，它大于或等于阈值SNR SNRth，所述SNRth是AWGN信道使用与该数据速率相关的编码和调制方案实现期望的PER Pe所需的。
可以为度量ψ使用各种函数，某些在下面提供。在一实施例中，度量ψ被定义为Ψ=g{(Σk=0NF-1f[H(k),N0,M]),M}]]>公式(3)在公式(3)中，函数f[H(k)，N0，M]确定了调制方案M可以在具有频率响应H(k)和噪声方差N0的第k条频率子信道上支持的最大数据速率。函数f[H(k)，N0，M]可以根据各种信道容量函数来定义，如下所述。
参数H(k)和N0可以被映射到SNR(k)。如果系统的总发送功率Ptotal是固定的并且发送功率到NF条频率子信道的分配是均匀且固定的，那么各条频率子信道的SNR可以表示为SNR(k)=PtotalNF|H(k)|2N0]]>公式(4)如公式(4)所示，SNR(k)是信道响应H(k)和噪声方差N0的函数，上述两者是函数f[H(k)，N0，M]的两个参数。
对于所有NF条频率子信道上的f[·]执行公式(3)中的加法，以便提供可以在AWGN信道上发送的等效数据速率Dequiv。然后，函数g(Dequiv，M)确定为了使用调制方案M以等效数据速率Dequiv进行可靠发送而在AWGN信道中所需的SNR。
公式(3)假定为OFDM系统中的所有NF条频率子信道使用相同的调制方案M。这种限制导致OFDM系统中发射机和接收机处的简化处理，但会牺牲性能。
如果可以为不同的频率子信道使用不同的调制方案，则度量ψ可以被定义为Ψ=Σk=0NF-1g(f[H(k),N0,M(k)],M(k))]]>公式(5)如公式(5)所示，调制方案M(k)是频率子信道的索引k的函数。为不同频率子信道使用不同的调制方案和/或编码率也称为“比特加载”。
函数f[x]为总体表示为x的一组参数确定了可以在AWGN信道上可靠发送的数据速率，其中x可以是频率的函数(即x(k))。在公式(5)中，函数f[H(k)，N0，M(k)]确定了调制方案M(k)可以在第k条频率子信道上传送的数据速率，其中x(k)＝{H(k)，N0，M(k)}，所述第k条频率子信道具有频率响应H(k)和噪声方差N0。然后，函数g(f[x(k)]，M(k))确定为了传送由f[x(k)]确定的数据速率而在等效AWGN信道中所需的SNR。然后对于所有NF条频率子信道上的g(f[x(k)]，M(k))执行公式(5)中的加法，以便提供等效AWGN信道的SNR的估计SNRequiv。
可以根据各种信道容量函数或某些其它函数或技术来定义函数f[x]。系统的绝对容量一般被给出为理论上的最大数据速率，所述理论最大数据速率对于信道响应H(k)和噪声方差N0可以可靠发送。系统的“受约束的”容量取决于数据传输所用的特定调制方案或星座图M(k)，并且低于绝对容量。
在一实施例中，函数f[H(k)，N0，M(k)]可以根据受约束的信道容量函数来定义，并且可以表示为f(k)=Mk-12MkΣi=12MkE[log2Σj=12Mkexp(-SNR(k)(|ai-aj|2+2Re{x*(ai-aj)}))]]]>公式(6)其中Mk与调制方案M(k)有关，即调制方案M(k)对应于2Mk-元星座图(例如2Mk-元QAM)，其中星座图中2Mk个点的每一个都可由Mk个比特来标识；ai和aj是2Mk-元星座图中的点；x是一复高斯随机变量，其具有零均值，方差为1/SNR(k)；以及E[·]是期望值运算，相对于公式(6)中的变量x来采用该运算。
公式(6)所示的受约束信道容量函数不具有封闭型的解。这样，为各种调制方案和SNR值数值地推导该函数，其结果可以被保存至一个或多个表格。此后，通过用特定的调制方案和SNR来访问适当的表格，可以评估函数f[x]。
在另一实施例中，函数f[x]根据香农(或理论上的)信道容量函数来定义，并且可以表示为f(k)＝log2[1+SNR(k)] 公式(7)其中W是系统带宽。如公式(7)所示，香农信道容量不受任何给定调制方案的约束(即，M(k)不是公式(7)中的参数)。
为f[x]选择特定的函数来使用可以取决于各种因素，比如OFDM系统设计。对于采用一个或多个特定调制方案的典型系统来说，已经发现在公式(3)中定义的矩阵ψ在结合公式(6)中函数f[x]的受约束信道容量而使用时，成为AWGN信道以及多径信道的OFDM系统的最大支持数据速率的准确估计量。
函数g(f[x]，M(k))确定了为了支持等效数据速率而在AWGN信道中所需的SNR，所述等效数据速率是用调制方案M(k)由函数f[x]确定的。在一实施例中，函数g(f[x]，M(k))被定义为g(f[x]，M(k))＝f[x]-1公式(8)由于函数f[x]取决于调制方案M(k)，因此函数g(f[x]，M(k))也取决于调制方案。在一实施方式中，可以为每个调制方案导出函数f[x]-1，它可以被选择以供使用，并可以被保存到相应的表格。然后通过访问调制方案M(k)的特定表格而为f[x]的给定值评估函数g(f[x]，M(k))。函数g(f[x]，M(k))也可以使用其它函数定义，或者通过其它手段导出，这在本发明的范围内。
图2是用于根据度量ψ选择OFDM系统中所使用的数据速率的过程200的一实施例的流程图。首先，排列可用的数据速率(即那些OFDM系统所支持的数据速率)，使得D(0)＜D(1)＜...＜D(NR-1)。然后在步骤212中选择最高的可用数据速率(例如通过把一速率变量设为最高数据速率的索引)。接着在步骤214中确定与所选数据速率D(rate)相关的各个参数，比如调制方案M(rate)。根据OFDM系统的设计，各个数据速率可以与一个或多个调制方案相关联。然后根据以下步骤评估所选数据速率的每个调制方案。为了简洁，以下假定仅有一个调制方案与各个数据速率相关联。
然后对于与所选数据速率D(rate)相关联的特定调制方案M(rate)评估度量ψ。这可以通过评估度量ψ的函数来实现，如公式(3)所示，如下Ψ=g{(Σk=0NF-1f[H(k),N0,M(rate)]),M(rate)}]]>度量ψ表示为了使用调制方案M(rate)可靠发送等效数据速率而在等效AWGN信道中所需的SNR的估计。
然后在步骤218确定阈值SNRSNRth(rate)，该阈值SNR是为了在AWGN信道中以期望的PER Pe发送所选的数据速率D(rate)所需的SNR。阈值SNRth(rate)是与所选数据速率相关的调制方案M(rate)和编码速率C(rate)的函数。可以通过计算机模拟或通过某些其它手段为可能数据速率的每一个确定阈值SNR，并且保存以供以后使用。
然后在步骤220中确定度量ψ是否大于或等于与所选数据速率相关联的阈值SNRth(rate)。如果度量ψ大于或等于SNRth(rate)，它指明对于多径信道中的数据速率D(rate)由OFDM系统实现的SNR足以达到期望的PER Pe，则在步骤224选择该数据速率以供使用。否则，在步骤222选择下一较低的可用数据速率用于评估(例如通过使速率变量减1，即rate＝rate-1)。然后通过返回到步骤214来评估下一较低的数据速率。步骤214到222可以根据需要被重复多次，直到在步骤222中标识并提供了最大所支持的数据速率为止。
度量ψ是数据速率的单调函数，并且随着数据速率的增加而增加。阈值SNR也是随数据速率的增加而增加的单调函数。图2所示的实施例评估可用的数据速率，一次一个，从最大可用数据速率到最小可用数据速率。选择与阈值SNR SNRth(rate)相关联的最高数据速率以供使用，其中SNRth(rate)小于或等于度量ψ。
在另一实施例中，可以为特定的调制方案M(r)评估度量ψ以便导出等效AWGN信道的SNR的估计SNRequiv(r)。然后为使用调制方案M(r)的该等效SNR下的期望SNR确定(例如经由查找表)AWGN信道所支持的最大数据速率Dmax(r)。接着把对于多径信道在OFDM系统中使用的实际数据速率选择为小于或等于AWGN信道所支持的最大数据速率Dmax(r)。
在第二速率选择方案中，度量ψ被定义为由单载波系统在均衡后为多径信道实现的后检测SNR。后检测SNR代表在接收机处均衡后的总信号功率与噪声加干扰之比。在具有均衡的单载波系统中实现的后检测SNR的理论值可以指示OFDM系统的性能，因此可用于确定OFDM系统中最大支持的数据速率。各类均衡器可用于处理单载波系统中的接收信号，以补偿接收信号中由多径信道引入的失真。这种均衡器可以包括例如最小均方误差线性均衡器(MMSE-LE)、判决反馈均衡器(DFE)等等。
(无限长度)MMSE-LE的后检测SNR可以表示为SNRmmse-le=1-JminJmin]]>公式(9a)其中Jmin给出为Jmin=T2π∫-π/Tπ/TN0X(ejωT)+N0dω]]>公式(9b)其中X(ejωT)是信道传递函数H(f)的折叠频谱。
(无限长度)DFE的后检测SNR可以表示为
SNRdfe=exp[T2π∫-π/Tπ/Tln(X(ejωT)+N0N0)dω]-1]]>公式(10)公式(9)和(10)中所示的用于MMSE-LE和DFE的后检测SNR分别表示理论值。MMSE-LE和DFE的后检测SNR也在以下这本书中详细描述J.G.Proakis著，题为“Digital Communications”，第三版，1995年，McGraw Hill出版社，分别在第10-2-2和10-3-2节，该书通过引用被结合于此。
也在接收机处根据接收信号估计MMSE-LE和DFE的后检测SNR，这在美国专利申请序列号09/826,481和09/956,449中描述，两者均题为“Method and Apparatusfor Utilizing Channel State Information in a Wireless CommunicationSystem”，这两个申请分别于2001年3月23日和2001年9月18日提交，还在美国专利申请序列号09/854,235中描述，该申请题为“Method and Apparatus forProcessing Data in a Multiple-Input Multiple-Output(MIMO)CommunicationSystem Utilizing Channel State Information”，于2001年5月11日提交，这些专利申请都被转让给本发明的受让人并且通过引用被结合于此。
由公式(9)和(10)所示的分析表达式所描述的那些后检测SNR可以对于多径信道被确定，并且被用作度量ψ的估计(即ψ≈SNRmmse-le或ψ≈SNRdfe)。等效AWGN信道的后检测SNR(例如SNRmmse-le或SNRdfe)可以与为一组特定参数D(r)、M(r)、C(r)和Pe导出的阈值SNR SNRth相比较，以确定对于多径信道可以在OFDM系统中使用的数据速率。
度量ψ也可以根据某些其它函数来定义，也可以根据某些其它技术来估计等效数据速率，这在本发明的范围内。
根据度量ψ选择用于OFDM系统中的数据速率表示对于期望PER Pe可由多径信道所支持的数据速率的预测。如同任何速率预测方案一样，不可避免地会存在预测误差。为了确保可以实现期望的PER，在确定可由多径信道支持的数据速率时可以估计预测误差并使用回退因子。该回退减少了OFDM系统的吞吐量。这样，期望使这个回退保持尽可能的小，而同时仍能实现期望的PER。
按照本发明另一方面，提供了一种增量传输(IT)方案，可以结合第一方面的速率选择有利地使用，以便减少回退量并提高系统吞吐量。IT方案使用一次或多次不连续的传输发送给定的分组，一次一个传输，直到特定的上限。分组的第一次传输包括足够数量的数据，使得可以根据预期的信道条件在接收机处无误差地恢复该分组。然而，如果第一次传输被通信信道过度降级使得未达到分组的无误差恢复，则为分组执行附加数据量的增量传输。然后接收机尝试根据增量传输的附加数据以及前面为分组接收到的所有数据来恢复该分组。发射机的增量传输和接收机的解码可以尝试一次或多次，直到无误差地恢复该分组或者达到增量传输的最大次数为止。
IT方案的一个实施例可以实现如下。首先，用一较低的编码速率(对于前向纠错码)对分组的数据进行编码，该较低编码速率比没有任何增量传输的分组所使用的编码速率要低。接着，截去一些已编码的比特，并且为了分组的第一次传输仅发送所有已编码比特的一个子集。如果正确接收到分组，则接收机会发回一确认(ACK)，指示无误差地接收到该分组。或者，如果接收机有误差地接收到分组，它就发回一否定确认(NACK)。
在任一情况下，如果发射机未接收到分组的确认，或者接收到否定确认，发射机就向接收机发送一递增分组。该递增分组可以包括未在第一次传输中被发送的某些原始经截去的已编码比特。然后接收机尝试通过使用在第一次传输和第二次传输中都发送的已编码比特对分组进行解码。第二次传输的附加已编码比特提供了更多能量并且改进了纠错能力。可以执行一次或多次增量传输，一般每次执行一次传输，直到接收到确认或未接收到否定确认为止。
如果系统采用了增量传输，那么可以使用较小的回退以考虑速率预测误差，并且可以作出更加递进速率选择。这会导致改进的系统吞吐量。
增量传输以及上述速率选择还提供了一种用于确定由固定或慢变化的通信信道所支持的最大数据速率的有效机制。考虑到其中信道的多径分布特性缓慢变化的固定接入应用。在该情况下，初始数据速率可根据上述技术来选择并且用于数据传输。如果初始数据速率高于信道能支持的速率，则IT方案可以发送附加的已编码比特，直到可以在接收机处正确地解码分组为止。然后根据在第一次传输以及任何随后增量传输中发送的已编码比特的总数来确定信道能支持的最大数据速率。如果信道缓慢变化，则可以使用所确定的数据速率直到信道变化为止，此时可以确定新的数据速率。
因此增量传输提供了许多优点。首先，增量传输的使用允许递进的数据速率选择提高系统吞吐量。其次，增量传输提供了一种补救预测误差的装置，预测误差对于任何速率预测方案都不可避免的产生(预测误差的频率和幅度取决于所采用的回退量)。第三，增量传输提供了一种机制以便为固定或慢变化的信道更准确地确定最大支持的数据速率。
图3是发射机系统110a和接收机系统150a的一实施例的框图，所述两个系统能实现本发明的各个方面和实施例。
在发射机系统110a处，以特定的数据速率把话务数据从数据源308提供给发送(TX)数据处理器310，后者根据特定的编码方案对数据进行格式化、交织和编码以提供已编码数据。数据速率和编码可由控制器330所提供的数据速率控制和编码控制分别提供。
然后把已编码数据提供至调制器320，后者还接收导频数据(例如已知模式并且以已知方式处理的数据，如果有的话)。在用于发送话务数据的所有频率子信道或其一个子集中，导频数据使用时分复用(TDM)或码分复用(CDM)与已编码的话务数据进行复用。在一特定实施例中，对于OFDM而言，调制器320进行从处理包括(1)用一个或多个调制方案来调制接收到的数据，(2)变换已调数据以形成OFDM码元，以及(3)把一循环前缀附加到每个OFDM码元以形成相应的传输码元。调制根据控制器330所提供的调制控制来执行。然后把已调数据(即传输码元)提供给发射机(TMTR)322。
发射机322把已调数据转换成一个或多个模拟信号，并进一步调节(例如放大、滤波和正交调制)模拟信号以产生适用于在通信信道上传输的已调信号。然后经由天线324把已调信号发送到接收机系统。
在接收机系统150a处，所发出的已调信号被天线352接收并被提供给接收机(RCVR)354。接收机354调节(例如滤波、放大和下变频)接收信号并数字化经调节的信号以提供数据采样。然后解调器(Demod)360处理数据采样以提供经解调的数据。对于OFDM而言，解调器360进行的处理可包括(1)移去前面被附加到每个OFDM码元的循环前缀，(2)变换每个经恢复的OFDM码元，以及(3)按照与发射机系统处使用的一个或多个调制方案互补的一个或多个解调方案来解调经恢复的调制码元。
接着，接收(RX)数据处理器362对经解调的数据进行解码以恢复所发射的话务数据。解调器360和RX数据处理器362进行的处理与发射机系统110a处分别由调制器320和TX数据处理器310执行的处理相反。
如图3所示，解调器360可以导出信道响应的估计 并把这些估计提供给控制器370。RX数据处理器362也可以导出并提供每个接收到的分组的状态，并可进一步提供指示已解码结果的一个或多个其它性能度量。根据从解调器360和RX数据处理器362接收到的各种信息类型，控制器370可以根据上述技术确定或选择用于数据传输的特定速率。反馈信息的形式可以是所选的速率、信道响应估计、接收分组的ACK/NACK等等，反馈信息可由控制器370提供、由TX数据处理器378处理、由调制器380调制、以及由发射机354调节并发送回发射机系统110a。
在发射机系统110处，来自接收机系统150a的已调信号由天线324接收、由接收机322调节、并且由解调器340解调，以便恢复接收机系统所发出的反馈信息。然后反馈信息被提供至控制器330并用于控制对到接收机系统的数据传输的处理。例如，可以根据由接收机系统提供的所选速率、或者可以根据来自接收机系统的信道频率响应来确定数据传输的数据速率。在被提供给TX数据处理器310和调制器320的编码和调制控制中确定并反映处与所选速率相关联的特定编码和调制方案。接收到的ACK/NACK可用于启动一增量传输(图3中为了简洁未示出)。
控制器330和370分别指导发射机和接收机系统处的操作。存储器330和372分别为控制器330和370所使用的程序代码和数据提供存储。
图4是发射机单元400的框图，它是发射机系统110a的发射机部分的一个实施例。发射机单元400包括(1)接收并处理话务数据以提供已编码数据的TX数据处理器310a，以及(2)调制已编码数据以提供已调数据的调制器320a。TX数据处理器310a和调制器320a分别是图3中TX数据处理器310和调制器320的一个实施例。
在图4所示的特定实施例中，TX数据处理器310a包括编码器412、信道交织器414和截短器416。编码器412接收话务数据并按照一个或多个编码方案对其进行编码以提供已编码比特。编码提高了数据传输的可靠性。各个编码方案可以包括CRC编码、卷积编码、Turbo编码、分组码及其它编码的任何组合，或者根本不进行编码。话务数据可以被划分成多个分组(或帧)，每个分组可以被单独处理和发送。在一实施例中，对于每个分组而言，分组中的数据用于产生被附加到数据的一组CRC比特，然后用一卷积码或一Turbo码对所述数据和CRC比特进行编码以便为分组产生已编码数据。
然后，信道交织器414根据特定的交织方案来交织已编码比特以提供分集。交织为已编码比特提供了时间分集、允许根据数据传输所用的频率子信道的平均SNR发送数据、对抗衰落、并进一步消除在用于形成各个调制码元的已编码比特间的相关。如果在多条频率子信道上发送已编码比特，交织还可以提供频率分集。
截短器416接着截短(即删除)零个或多个经交织的已编码比特，并向调制器320a提供所需数量的未经截短的已编码比特。截短器416还可以把经截短的已编码比特提供到缓冲器418，后者保存这些已编码比特，万一需要它们在稍后进行增量传输，如上所述。
在图4所述的特定实施例中，调制器320a包括码元映射元件422、IFFT 424和循环前缀发生器426。码元映射元件422把经复用的导频数据和经编码的话务数据映射为用于数据传输的一条或多条频率子信道的调制码元。可以为频率子信道使用一个或多个调制方案，如调制控制所指示。对于选择使用的每个调制方案而言，调制可以通过分组接收比特的集合以形成多比特码元、并把每个多比特码元映射到对应于所选调制方案(例如QPSK、M-PSK、M-QAM或某些其它方案)的信号星座图中的一点来实现。每个被映射的信号点都对应于一个调制码元。然后，码元映射元件422为每个传输码元周期提供(多达NF个)调制码元的向量，每个向量中的调制码元数目对应于为该传输码元周期所选择使用的频率子信道的数目(多达NF条)。
IFFT 424使用快速傅立叶逆变换把每个调制码元向量转换成其时域表示(被称为OFDM码元)。IFFT 424被设计成对任何数量的频率子信道(例如8、16、32、...、NF、...)实行逆变换。在一实施例中，对于每个OFDM码元而言，循环前缀发生器426重复OFDM码元的一部分以形成相应的传输码元。循环前缀确保了传输码元在多径延迟扩展存在时保持其正交属性，从而改进了对抗有害路径效应的性能。然后把来自循环前缀发生器426的传输码元提供给发射机322(见图3)，并处理它们以产生已调信号，已调信号接着从天线324发出。
也可实现其它发射机单元的设计，这在本发明的范围内。编码器412、信道交织器414、截短器416、码元映射元件422、IFFT 424和循环前缀发生器426的实现是本领域已知的，并且在此不再详细描述。
OFDM及其它系统的编码和调制在以下美国专利申请中进一步详细描述上述美国专利申请序列号09/826,481、09/956,449和09/854,235；美国专利申请序列号09/776,075，题为“Coding Scheme for a Wireless Communication System”，于2001年2月1日提交；以及美国专利申请序列号[代理人记录号010254]，题为“Multiple-Access Multiple-Input Multiple-Output(MIMO)CommunicationSystem”，于2001年11月6日提交，所有这些专利申请都被转让给本发明的受让人并且通过引用被结合于此。
一示例OFDM系统在美国专利申请序列号09/532,492中描述，该专利申请题为“High Efficiency，High Performance Communication System EmployingMulti-Carrier Modulation”，于2000年3月30日提交，被转让给本发明的受让人并且通过引用被结合于此。OFDM也在题为“Multicarrier Modulation for DataTransmissionAn Idea Whose Time Has Come”的论文中描述，该论文由A.C.Bingham所著，1990年5月发表于IEEE通信杂志，通过引用被结合于此。
图5是接收机单元500的一实施例的框图，接收机单元500是图3中接收机系统150a的接收机部分的一个实施例。从发射机系统发出的信号被天线352(图3)所接收，并被提供给接收机354(也称为前端处理器)。接收机354调节(例如滤波和放大)接收信号，把经调节的信号下变频到中频或基带，并且数字化经下变频的信号来提供数据采样，数据采样接着被提供给解调器360a。
在解调器360a(图5)内，数据采样被提供给循环前缀移去元件510，后者移去各个传输码元中包括的循环前缀以提供相应的经恢复的OFDM码元。然后，FFT 512使用快速傅立叶变换来变换每个经恢复的OFDM码元，并且为各传输码元周期的数据传输所使用的(多达NF条)频率子信道提供(多达NF个)经恢复的调制码元的向量。来自FFT 512的经恢复的调制码元被提供给解调元件514，并且按照一个或多个解调方案被解调，所述解调方案与发射机系统处所使用的一个或多个调制方案互补。然后把来自解调元件514的经解调的数据提供给RX数据处理器362a。
在RX数据处理器362a内，用与发射机系统处实行的方法互补的方式由解交织器522对经解调的数据进行解交织，并进一步用与发射机系统处实行的方法互补的方式由解码器524对经解交织的数据进行解码。例如，如果在发射机单元处分别实行Turbo或卷积编码，则可以为解码器524使用Turbo解码器或维特比解码器。来自解码器524的经解码的数据代表了发送数据的估计。解码器524可以提供各个接收到的分组的状态(例如正确或错误地接收)。解码器524可以进一步保存未被正确解码的分组的经解调的数据，使得该数据可以与来自随后增量传输的数据相结合并且被解码。
如图5所示，信道估计器516可以被设计成估计信道频率响应 和噪声方差 并且把这些估计提供给控制器370。可以根据为导频码元接收到的数据采样来估计信道响应和噪声方差(例如，根据来自FFT 512的导频码元的FFT系数)。
控制器370可以被设计成实现增量传输的速率选择和信令的各个方面和实施例。对于速率选择而言，如上所述，控制器370可以根据度量ψ来确定给定的信道条件所使用的最大数据速率。对于增量传输而言，控制器370可以为给定分组的每个接收到的传输提供ACK或NACK，ACK或NACK可用于在接收机系统处不能正确恢复分组时，在发射机系统处发送分组的附加部分。
图1A和3示出一种使发射机发回用于数据传输的速率的简单设计。其它设计也可实现并且在本发明的范围内。例如，可以把信道估计发送到发射机(而不是速率)，发射机接着根据接收到的信道估计确定用于数据传输的速率。
这里所描述的速率选择和增量传输技术可以用各种设计来实现。例如，图5中用于导出并提供信道估计的信道估计器516可以用接收机系统内的各种元件来实现。用于确定速率的某些或全部处理可由控制器370执行(例如用保存在存储器372内的一个或多个查找表)。也可以构想其它用于执行速率选择和增量传输的设计，这在本发明的范围内。
这里所述的速率选择和增量传输技术可以用各种手段来实现。例如，这些技术可以用硬件、软件或它们的组合来实现。对于硬件实现而言，用于实现速率选择和/或增量传输的某些元件可以在一个或多个应用专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计成执行这里所述功能的其它电子单元、或者它们的组合。
对于软件实现而言，速率选择和/或增量传输的某些部分可以用执行上述功能的模块(例如过程、函数等等)来实现。软件代码可以被保存在存储器单元(例如图3中的存储器332或372)中，并且由处理器(例如控制器330或370)执行。存储器单元可以在处理器内或处理器外实现，其中它可以经由本领域已知的各种手段通信上耦合到处理器。
上述优选实施例的描述使本领域的技术人员能制造或使用本发明。这些实施例的各种修改对于本领域的技术人员来说是显而易见的，这里定义的一般原理可以被应用于其它实施例中而不使用创造能力。因此，本发明并不限于这里示出的实施例，而要符合与这里揭示的原理和新颖特征一致的最宽泛的范围。
权利要求
1.一种用于确定无线通信系统中的通信信道上用于数据传输的数据速率的方法，所述方法包括标识一组用于所述数据传输的参数；估计所述通信信道的一个或多个特性；根据所述参数组和所述一个或多个所估计的信道特性导出等效信道的度量；确定所述等效信道为支持特定的数据速率所需的阈值信号质量；以及根据所述度量和所述阈值信号质量指示所述通信信道是否支持所述特定的数据速率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参数组包括所述数据传输要使用的特定的编码方案和特定的调制方案。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述一个或多个所估计的信道特性包括所述通信信道所估计的频率响应以及所述通信信道所估计的噪声方差。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等效信道具有在系统带宽上的平坦频率响应。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述导出度量包括根据第一函数、所述参数组、以及所述一个或多个所估计的信道特性确定所述等效信道的等效数据速率，以及其中根据第二函数、所述等效数据速率和所述特定的调制方案导出所述度量。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一函数是一受约束的信道容量函数。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二函数是所述第一函数的倒数。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号质量由信号对噪声和干扰比(SNR)来定量化。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述导出度量包括根据特定的均衡器来估计所述通信信道的后检测SNR，其中为所述等效信道估计的信号质量是所估计的后检测SNR。
10.如权利要求2所述的方法，其特征在于，为所述数据传输所使用的所有频率子信道使用单个调制方案。
11.如权利要求2所述的方法，其特征在于，为所述数据传输所使用的多个频率子信道使用多个调制方案。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无线通信系统是一正交频分复用(OFDM)系统。
13.一种用于确定正交频分复用(OFDM)系统中的通信信道上用于数据传输的速率的方法，所述方法包括为特定的速率标识一组参数，并且指示特定的数据速率、特定的调制方案和特定的编码方案；估计所述通信信道的一个或多个特性；根据第一函数、所述参数组和所述一个或多个所估计的信道特性导出等效数据速率；根据第二函数、所述等效数据速率和所述特定的调制方案导出所述等效信道的度量；确定所述等效信道为了以特定的调制和编码方案支持特定的数据速率所需的阈值信号对噪声和干扰比(SNR)；以及如果所述度量大于或等于所述阈值SNR，则指示所述通信信道支持所述特定的速率。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一函数是一受约束的信道容量函数。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一函数是香农信道容量函数。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述特定速率是从一组可用速率中选择的，其中评估所述一个或多个可用速率的每一个以确定所述通信信道所支持的最高数据速率。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述导出等效数据速率和导出度量都通过在由特定均衡器进行均衡后为所述通信信道估计后检测SNR来实现。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述特定均衡器是一最小均方误差线性均衡器(MMSE-LE)或判决反馈均衡器(DFE)。
19.一种用于在正交频分复用(OFDM)系统中在通信信道上发送数据的方法，所述方法包括标识要用于所述通信信道上的数据传输的初始速率；根据所述初始速率处理用于在所述通信信道上传输的数据；发送所处理的数据的第一部分；接收所述数据传输不正确接收的指示；以及发送所处理的数据的附加部分。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述初始速率是根据对于等效信道所估计的信号对噪声和干扰比(SNR)来确定的。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述初始速率指示了要用于所述数据传输的特定数据速率、特定调制方案和特定的编码方案。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述处理包括按照所述特定的编码方案对数据进行编码；按照特定的截短方案来截短已编码数据；以及按照所述特定调制方案来调制未经截短的已编码数据。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述第一部分包括所述未经截短的已编码数据，所述附加部分包括前面被截去的但尚未被发送的已编码数据。
24.如权利要求19所述的方法，其特征在于还包括一次或多次地重复附加部分的传输，直到接收到所述数据传输的正确接收的指示为止。
25.如权利要求19所述的方法，其特征在于，响应于所述接收不正确接收的指示而发送的每个附加部分包括前面未发送的已处理数据。
26.一种无线通信系统中的接收机单元，包括信道估计器。用于导出数据传输所使用的通信信道的一个或多个特性的估计；以及速率选择器，用于接收来自所述信道估计器的信道估计以及指示所述数据传输的特定速率的一组参数；导出等效信道的度量；确定所述等效信道为支持所述特定速率所需的阈值信号质量；以及根据所述度量和所述阈值信号质量指示所述通信信道是否支持所述特定的速率。
27.如权利要求26所述的接收机单元，其特征在于还包括解码器，用于为特定数据分组提供每个接收到的传输的状态；以及控制器，用于提供由所述特定速率和所述分组状态的指示所组成的反馈信息。
28.如权利要求26所述的接收机单元，其特征在于，所述速率选择器还用于根据第一函数、所述参数组和所述信道估计为所述等效信道确定等效数据速率，并且根据第二函数、所述等效数据速率和与所述特定速率相关的特定调制方案来导出所述等效信道的度量。
29.如权利要求28所述的接收机单元，其特征在于，所述第一函数是一受约束的信道容量函数。
30.如权利要求28所述的接收机单元，其特征在于还包括配置为所述第一函数存储一个或多个表格的存储器。
31.一种无线通信系统中的接收机装置，包括用于导出数据传输所使用的通信信道的一个或多个特性的估计的装置；用于根据所述信道估计以及表示用于所述数据传输的特定速率的一组参数来导出等效信道的度量的装置；用于确定所述等效信道为支持所述特定速率所需的阈值信号质量的装置；以及用于根据所述度量和所述阈值信号质量，指示所述通信信道是否支持所述特定速率的装置。
32.如权利要求31所述的接收机装置，其特征在于还包括用于根据第一函数、所述参数组和所述信道估计确定所述等效信道的等效数据速率的装置，以及其中根据第二函数、所述等效数据速率和与所述特定速率相关的特定调制方案导出所述度量。
33.如权利要求32所述的接收机装置，其特征在于还包括用于为所述第一函数存储一个或多个表格的装置。
34.一种正交频分复用(OFDM)系统中的发射机单元，包括控制器，用于标识通信信道上的数据传输所使用的初始速率，并用于接收数据传输的正确或不正确接收的指示，其中所述初始速率表示所述数据传输要使用的特定数据速率、特定调制方案以及特定编码方案；发送数据处理器，用于按照所述特定编码方案对数据进行编码；调制器，用于按照所述特定调制方案对所述已编码数据的第一部分进行调制，并且如果接收到所述数据传输的不正确接收的指示，则进一步对所述已编码数据的附加部分进行调制；以及发射机，用于发送已调数据。
35.如权利要求34所述的发射机单元，其特征在于，所述发送数据处理器还用于按照特定的截短方案来截短已编码数据，其中所述第一部分包括未经截短的已编码数据，所述附加部分包括前面被截去但尚未被发送的已编码数据。
36.一种无线通信系统中的发射机装置，其特征在于包括用于标识通信信道上的数据传输要使用的初始速率的装置，其中所述初始速率表示所述数据传输要使用的特定数据速率、特定调制方案和特定编码方案；按照所述特定编码方案对数据进行编码的装置；按照所述特定调制方案对所述已编码数据的第一部分进行调制的装置；接收有关接收机处的数据传输的接收是正确还是不正确的指示的装置；如果接收到所述数据传输不正确接收的指示，则对所述已编码数据的附加部分进行调制的装置；以及用于发送已调数据的装置。
全文摘要
根据等效(平坦)信道的度量确定可以通过OFDM传输在给定的多径(非平坦)信道上可靠发送的最大数据速率。对于给定的多径信道和特定的速率(它可以表示特定的数据速率、调制方案和编码速率)而言，所述度量最初从等效数据速率和特定的调制方案中导出。然后确定使用特定的调制方案和编码速率发送特定的数据速率所需的阈值SNR。如果度量大于或等于阈值SNR，则特定速率被视为由多径信道支持。增量传输用于计及预定数据速率中的误差。
文档编号H04L29/08GK1615623SQ02827304
公开日2005年5月11日 申请日期2002年11月20日 优先权日2001年11月21日
发明者A·贾拉里, I·J·弗南德兹科巴顿 申请人:高通股份有限公司