专利名称：用于在多天线通信系统中传递正交导频音的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及多天线无线通信系统，而更具体地，涉及用于多天线通信系统的相位和频率偏移估计技术。
背景技术：
在下一代无线局域网(WLAN)系统中提出多发射和接收天线，以提供增强的健壮性和增大的容量。增强的健壮性可以通过利用在有多个天线的系统中引入的空间分集和附加增益的技术而获得。增大的容量可以在多径衰落环境中通过带宽有效的多输入多输出(MIMO)技术而获得。多天线通信系统通过在多个发射天线上发送分别的数据流而在给定信道带宽中增加数据速率。每个接收器在多个接收天线上接收上述数据流的组合。
为了正确地接收不同的数据流，在多天线通信系统中的接收器必须通过训练来获取信道矩阵。这通常是通过使用特定训练符号或前同步码来执行同步和信道估计而实现的。前同步码帮助接收器(i)估计接收信号的功率以设置自动增益控制(AGC)功能；(ii)获取定时偏移以执行快速傅立叶变换(FFT)窗口的优化定位；(iii)估计在发射器和接收器之间的频率偏移，以及在FFT解调前对频率偏移进行校正；以及(iv)估计信道传递函数以帮助在执行FFT后解映射正交调幅(QAM)符号。
另外，为了估计相位噪声和剩余频率偏移，上述OFDM数据符号中嵌入了多个导频音。在发射器和接收器的本地振荡器中的相位噪声在快速傅立叶变换(FFT)输出端产生共同相位误差(CPE)，其通常要为每个OFDM符号而纠正。在快速傅立叶变换(FFT)输入端的剩余频率偏移也产生CPE。通常，CPE估计的准确性会与导频数目一起增加，从而减少分组差错率，并且增加传输的可靠性。
通常地，MIMO系统在所有天线上发送相同的导频音和极化序列。导频是预定信号。这样，导频有特定的波束方向图。在频率选择性信道中，不同的导频音将经历不同的信道。这样，每个导频音有一个不同的波束方向图。因此，信道将增大其中一些导频而取消其它导频。可以观察到波束成形在“平衰落”信道的情况下更为严重。在此情况下，所有导频经历相同的信道衰落而均可以被抵消。这样，虽然信道条件允许接收器正确地接收数据，但接收器却可能因为导频全部衰落而不能处理数据。
通常地，MIMO系统在所有天线上发送相同的导频音和极化序列。导频是预定信号。这样，如果从多发射天线到指定接收天线的信道是高度相关的，则导频将在远场中产生特定波束方向图。因此，根据在两维平面中的方位角，信道将增大一些导频而其它导频被降级。可以观察到，波束成形在“平衰落”信道的情况下最为严重，由此该信道不会作为频率的函数而改变。在此情况下，所有的导频将经历相同的信道衰落，并且可以在特定的方位角上抵消。因此，虽然信道条件允许接收器正确地接收数据，但是，该接收器可能由于对导频的巨大衰落而不能够处理数据。
因此，需要用于在多天线通信系统中传递正交导频音的方法和设备，从而导频音将不会在信道中互相抵消。
发明内容
通常地，提供用于在多天线通信系统中传递伪正交导频音的方法和设备。根据本发明的一方面，通过为N个发射天线的每个产生多个导频音，在有N个发射天线的多天线通信系统中发送数据，其中，用于N个发射天线的每个的导频音彼此是伪正交的；并且在N个发射天线的每个上发送数据。所述导频音通常嵌入在数据中。上述导频音在频率域、时间域、空间域或者上述所有域中是正交的。
根据本发明的另一方面，通过在N个发射天线的每个上接收数据，而在有N个发射天线的多天线通信系统中接收数据，其中，所述数据包括用于所述N个发射天线的每个的多个导频音，其中，所述用于N个发射天线的每个的导频音彼此是伪正交的。
对本发明以及对本发明的其它特性和优点的更完整的理解将通过参考下面的详细描述和附图来获得。
图1是传统802.11a/g收发器的示意框图；图2显示了用于示例性IEEE 802.11a/g OFDM系统的示例性帧格式；图3显示了在示例性单输入单输出(SISO)和MIMO系统中的数据传输；图4显示了用于示例性2×2MIMO系统的示例性MIMO帧格式；图5显示了用于示例性20MHz模式的导频音的位置；图6显示了用于示例性40MHz模式的导频音的位置；图7显示了用于示例性IEEE 802.11a/g导频信号的极化序列；图8显示了图7的示例性极化序列的产生过程；图9显示了导频音的波束成形；图10显示了用于示例性四天线MIMO系统的一组20MHz的频率域正交导频；图10显示了用于示例性四天线MIMO系统的一组20MHz的4个频域BPSK编码的正交导频；图11显示了用于示例性四天线MIMO系统的另一组20MHz的4个频域QPSK编码的正交导频；图12显示了用于示例性四天线MIMO系统的一组40MHz的6个频域伪正交导频；图13显示了用于示例性四天线MIMO系统的另一组40MHz的6个频域伪正交导频；以及图14显示了使用16QAM的星座点来产生同样使用在数据传输中的正交导频的折中方案。
具体实施例方式
本发明认为现今存在的(例如，在“平衰落”信道的情况中)的导频抵消问题可以通过在多个的天线上发送正交导频来克服。根据本发明的一方面，同时在频率和空间域中提供正交导频设计。这样，如下所述，使用正交码用于在频率和空间维度上的导频信号。在频率和空间传输正交导频信号会减轻波束成形的影响。这样，平均起来，将没有导频的波束成形。
图1是传统的802.11a/g收发器100的示意框图。在发射端105，信息比特将首先在级110处编码，然后，在级120处频率交织。然后，编码和交织的比特在级130处映射在副载波(音调)上，并且形成频率域OFDM信号。在级130期间通过反傅立叶变换(IFFT)将频率域OFDM信号转换至时间域。数据在级140处被串行化，并且在每个OFDM符号处增加保卫间隔。最后，在级145期间，包括训练和信号字段的前同步码被加入在每一分组的开始。
在接收器侧150，首先由RF前端155处理接收信号，然后，在级160处并行化串行数据，并且移除其保卫间隔。使用FFT170将时间域信号转换回频率域，并且将副载波解映射为编码和交织的比特。同时，在级165处，处理前同步码。交织的比特在级180处解交织，并且在级190处解码以提供发送的信息比特。
图2显示了用于示例性IEEE 802.11a/g OFDM系统的示例性帧结构200。如图2所示，每一帧200(或者分组)以已知方式从前同步码210开始在接收器处建立正确的同步，而用户数据220跟随在前同步码之后。每个前同步码210包含短同步码、长同步码以及信号字段。每个数据符号含有四个导频音230。如前所示，这些导频音230是用来追踪载波频率偏移、定时漂移以及振幅下降的。
在MIMO系统中，不同的发射器天线发送不同的数据OFDM符号。图3显示了在示例性单输入单输出(SISO)和MIMO系统中的数据传输。如图3所示，有单个天线的SISO发射器310发送数据至有单个天线的SISO接收器320。另外，有两个天线的示例性MIMO发射器350发送数据至有两个天线的示例性MIMO接收器360。
图4显示了用于示例性2×2MIMO系统的示例性MIMO帧结构400。如图4所示，每个帧400包含前同步码部分410和数据部分420。示例性前同步码410含有遗留的802.11a前同步码，其后跟随有专用的MIMO前同步码。对适当的前同步码格式的更详细的讨论，参看于2005年1月24日提交的、申请号为11/043,025的、题为“Method and Apparatusfor Preamble Training in a Multiple Antenna Communication System”的美国专利申请，其在此引入作为参考。正如上面结合图2所讨论的那样，在数据传输中，用与SISO系统相同的方法插入导频音。这样，从所有发射器天线同步发送导频音。
图5显示了用于示例性20MHz模式的导频音的位置500。如图5所示，在与图2所示的802.11a/g系统中的位置相同的位置总共放置有4个导频(在位置+/-7和+/-20)。示例性载波间隔是3.125kHz.图6显示用于示例性40MHz模式的导频音的位置600。如图6所示，在40MHz模式中总共有6个导频(在位置+/-16，+/-30和+/-44)。载波间隔仍就是3.125kHz。
图7显示了用于示例性IEEE 802.11a/g导频信号710、720、730、740(均在一个天线上发送)的极化序列700。可以注意到，所有发射器天线在整个分组期间发送相同导频。如图7所示，导频信号在时间域在符号之间改变符号(sign)或者极化。例如，在第一时间步中，-1，+1，+1，-1在相同的天线上发送。在图7的上下文中，术语“极化”表示+1和-1(即，180度的相位转变)。
图8显示了图7的示例性极化序列700的产生。如图8所示，极化序列700是使用有初始状态“1111111”的扰频器800产生的，所述扰频器在输出中把“0”值替换为“1”和把“1”值替换为“-1”值。
通常，MIMO系统在所有的天线上发送相同的导频音和极化序列。导频是确定信号。这样，如果从不同的天线发送相同的导频信号，会引起波束成形。图9显示了导频(例如导频901-904)的波束成形900。在频率选择性信道中，如在图9中的各信道响应911-914所示的那样，不同的导频音会经历不同的信道。这样，并非所有的导频都在相同的时间衰落。因此，如接收到的导频920所示，一些导频得到增强而其它的导频可能得到抵消。总的说来，接收器可以接收到相当强的平均导频能量来执行要求的功能。可以观察到，波束成形在“平衰落”情况913、914中最严重。在此情况中，所有导频经历相同的信道衰落。接着，如在图9中接收的导频950所示，所有的导频均可以抵消。这样，虽然信道条件允许接收器正确地接收数据，但接收器可能由于导频全部衰落而不能处理数据。
本发明认识到，这种导频抵消问题可以通过在多个天线上发送伪正交导频来克服。如此所使用的那样，如果在任两个天线上的导频间的互相关很低，所述导频通常被认为是伪正交的。如果在任两组导频序列间的互相关严格为零值，则导频为正交的。如果任两组导频序列间的互相关是低于预定门限的小的数，则导频为伪正交的。根据本发明的一方面，在频率和空间域中提供正交导频设计。
在天线上发送正交导频根据本发明的一方面，在空间和频率中的正交码被用于导频信号，而在时间域覆盖有极化序列。在频率和空间传输正交导频信号将减轻波束成形的影响。
频率正交导频如前所述，在示例性20MHz模式中有4个导频音。这样，需要四个正交码。图10显示了用于示例性四天线MIMO系统的一组20MHz的频率域正交导频1000。图10中所示导频设计1000仍使用如在IEEE801.11a/g中使用的基于4乘4沃尔什(Walsh)矩阵的二进制相移键控(BPSK)信号。天线1通过沃尔什矩阵的第一行(即，1，1，1，-1)来编码。类似地，随后的每个天线(ANT 2至ANT 4)通过沃尔什矩阵的相应行来编码。如图10所示，第一个天线(ANT 1)发送IEEE 802.11a/g导频(1，1，1，-1)。剩余天线(ANT 2至ANT 4)发送既正交于第一天线又彼此正交的导频。在此情况中，对天线进行编码从而产生正交序列。
图11显示了用于示例性四天线MIMO系统的另一组20MHz的频率域正交导频1100。在图11的示例性实施例中，使用了四相移键控(QPSK)星座和傅立叶变换序列。如图11所示，每个天线(ANT 1至ANT 4)发射傅立叶变换矩阵的一行。如此，四个天线发送的导频是彼此正交的。可以注意到图11是三维图，其中任意导频音均可以指向四个方向中的一个(上、下、入纸面或出纸面)。正交序列是基于图11的左边上的星座获得的。图11的维数越多，随着增加的自由度，越容易在更大数量的导频中选择正交导频序列。在图11的实例中，可以产生多至8个导频音的导频序列。
在示例性40MHz模式中通常有6个导频音。这样，需要6个正交码。图12显示了用于示例性四天线MIMO系统的一组40MHz的频率域伪正交导频1200。可以注意到，使用BPSK信号的沃尔什码不存在。如果使用BPSK，那么，可以识别彼此有最小互相关的伪噪声(PN)序列，虽然其不是完全正交的。图12的一组频率域伪正交导频组1200显示了一组这样的PN序列。图12实例中的最大互相关是±2，其小于在任意选择的天线上的导频音数的一倍半。
图13显示了用于示例性四天线MIMO系统的另一组40MHz的频率域伪正交导频1300。必须使用傅立叶序列以得到40MHz的正交码。图13的实施使用6-PSK星座和傅立叶变换序列来完全地获得用在40MHz的正交导频音。每个天线(从ANT 1至ANT 4)发送傅立叶变换矩阵的一行。
其它变形表明，傅立叶序列的使用也许是个问题，因为6-PSK被用来产生正交导频，却没有用在数据传输中。图14显示了使用16QAM的星座点来产生正交导频的折中方案，所述正交导频被用在数据传输中。用于导频的6个点在图14中用“”字符表示。如果使用16QAM，那么产生下述导频音组，所述导频音组虽然不是完全正交的，却彼此有最小的互相关。使用的6个“”接近上述6-PSK星座点。假设导频以与PSK信号相同的能量发送，那么最大的互相关为±089±0.89j(其优于使用BPSK信号和PN序列的情况)。
时间正交极化上面结合图10至图14讨论的实施方式找到了一组用在频率域的正交导频。图10至14的正交导频设计保证，在每个OFDM符号中，导频均不会深衰落。根据本发明的另一方面，极化也被该变，这样即使在一个OFDM符号中的所有导频都是深衰落的，其将不会在下一个OFDM符号中也是深衰落的。这样，在此实施例中，不同天线上的极化序列也必须是不同的和正交的。
可以注意到，分组长度通常是可变的，这样，用于产生正交或者伪正交序列的方案需要覆盖所有可能的分组长度。本发明认为，为了覆盖所有可能的分组长度，需要实现超过3个PN产生器，并且根据分组长度在其间切换。
A.正交极化序列的产生通常地，如果在分组内有L个OFDM符号，而用傅立叶变换序列来产生导频音，那么在第n个发射器天线的第一个OFDM符号表示为exp(j2nlπL)]]>而沃尔什序列表示为L＝2k那么，PN序列组(有-1/L的最大关联)可以如下表示
B.伪正交极化序列的产生如上面结合图8所述，用扰频器800来产生极化序列。然而，为了得到在时间域中的伪正交极化序列，此时，不同的天线使用不同的初始状态。在一种实施方式中，不同的天线实际使用相同的、但是有不同移位的极化序列。对大部分的分组长度来说，此设计实际上只引起相当小的互相关。
这样，使用相同的扰频器800用于所有天线，但是不同的天线使用不同的初始状态。例如，在示例性四天线MIMO实施方式中，四个天线可以使用下列不同的初始状态Ant 11 1 1 1 1 1 1Ant 21 0 1 0 1 0 1Ant 31 1 0 0 1 1 0Ant 41 1 1 0 0 0 1可以理解，这里所示和描述的实施例及其变化仅仅是本发明原理的示意说明，而本领域普通技术人员可以在不背离本发明的范围和精髓的情况下实现本发明的各种改变。
权利要求
1.一种用于在有N个发射天线的多天线通信系统中发送数据的方法，所述方法包含以下步骤产生用于所述N个发射天线的每个的多个导频音，其中，所述用于所述N个发射天线的每个的导频音彼此是伪正交的；并且在所述N个发射天线的每个上发送所述数据。
2.根据权利要求1的方法，其中，所述导频音嵌入在所述数据中。
3.根据权利要求1的方法，其中，所述导频音在频率域和空间域是正交的，并且所述产生步骤使用基于沃尔什序列的BPSK信号。
4.根据权利要求1的方法，其中，所述导频音在频率域和空间域是正交的，并且所述产生步骤使用QPSK星座和傅立叶变换序列。
5.根据权利要求4的方法，其中，所述N个天线的每个发射傅立叶变换矩阵的一行。
6.根据权利要求1的方法，其中，所述导频音在频率域和空间域中是伪正交的，并且所述产生步骤产生基于BPSK信号的伪噪声(PN)序列，所述BPSK信号具有满足预定标准的互相关。
7.根据权利要求1的方法，其中，所述p个导频音在频率域和空间域是正交的，并且所述产生步骤采用p-PSK星座傅立叶变换序列。
8.根据权利要求7的方法，其中，所述N个天线的每个发射傅立叶变换矩阵的一行。
9.根据权利要求1的方法，其中，所述p个导频音在频率域是伪正交的，并且所述产生步骤使用QAM星座点，并且所述p个导频音有满足预定标准的互相关。
10.根据权利要求1的方法，其中，所述产生步骤进一步包含以下步骤产生用于所述N个发射天线的每个的多个导频音，所述导频音在时间域中也是正交的。
11.根据权利要求10的方法，其中，所述正交导频音有变化的极化。
12.根据权利要求10的方法，其中，所述N个天线的每个具有不同的极化序列，该极化序列其相对于所述其它天线中的每个是正交的。
13.一种在多天线通信系统中的发射器，包含N个用于发送数据的发射天线，其中，所述天线的每个使用多个相对于其它天线伪正交的导频音。
14.根据权利要求13的发射器，其中，所述导频音嵌入在所述数据中。
15.根据权利要求13的发射器，其中，所述导频音在频率域和空间域是伪正交的。
16.根据权利要求13的发射器，其中，所述导频音在时间域是正交的。
17.一种用于在至少一个接收天线上接收数据的方法，所述数据在多天线通信系统中由具有N个发射天线的发射器发送，所述方法包含以下步骤接收在所述N个发射天线的每个上的所述数据，其中，所述数据包括用于所述N个发射天线的每个的多个导频音，其中，用于所述N个发射天线的每个的所述导频音是彼此伪正交的。
18.根据权利要求17的方法，其中，所述导频音嵌入在所述数据中。
19.根据权利要求17的方法，其中，所述导频音在频率域和空间域是伪正交的。
20.根据权利要求17的方法，其中，所述导频音在时间域是正交的。
21.根据权利要求20的方法，其中，所述正交的导频音具有改变的极化。
22.根据权利要求20的方法，其中，所述N个天线的每个具有不同的极化序列，所述极化序列其相对于其它天线的每个是正交的。
23.一种用于在多天线通信系统中接收数据的接收器，所述多天线通信系统具有至少一个有N个发射天线的发射器，所述接收器包含至少一个接收天线，用于接收在所述N个发射天线的每个上的所述数据，其中，所述数据包括用于所述N个发射天线的每个的多个导频音，其中，用于所述N个发射天线的每个的所述导频音彼此是伪正交的。
24.根据权利要求23的接收器，其中，所述导频音嵌入在所述数据中。
25.根据权利要求23的接收器，其中，所述导频音在频率域和空间域是伪正交的。
26.根据权利要求23的接收器，其中，所述导频音在时间域是正交的。
全文摘要
提供了用于在多天线通信系统中传递伪正交导频音的方法和设备。通过为所述N个发射天线的每个产生多个导频音以及在所述N个发射天线的每个上发送数据，而在具有N个发射天线的多天线通信系统中发送数据，其中，用于所述N个发射天线的每个的所述导频音彼此是伪正交的。所述导频音通常嵌入在上述数据中。通过接收在所述N个发射天线的每个上的所述数据，而在拥有N个发射天线的多天线通信系统中接收数据，其中，所述数据包括用于所述N个发射天线的每个的多个导频音，其中，用于所述N个发射天线的每个的所述多个导频音彼此是伪正交的。上述导频音可以在频率域、时间域、空间域或者上述所有域中是正交的。
文档编号H04W84/12GK101080907SQ200580030140
公开日2007年11月28日 申请日期2005年9月9日 优先权日2004年9月9日
发明者赛德·A.·姆塔巴, 王晓文 申请人:艾格瑞系统有限公司