专利名称：用于频率选择性和快速衰落信道上的单载波空间频率块编码传输的系统和方法
用于频率选择性和快速衰落信道上的单载波空间频率块编码传输的系统和方
法
相关专利申请的交叉引用
本申请涉及2006年12月11日提交的题为"METHOD AND SYSTEM FOR
OVER FREQUENCY SELECTIVE AND FAST FADING CHANNELS(用于频率 选择性和快速衰落信道上的单载波空间频率块编码传输的系统和方法)"的美 国临时专利申请60/874,144，该申请全部纳入于此并形成优先权要求的基础。
领域
本申请的实施例涉及通信系统中的单载波传输方案领域。示例性实施例涉 及用于单载波空间频率块编码传输的方法和系统。
背景
对无线应用需求的快速增长刺激了开发支持无线信道上可靠高速率传输 的大量研究计划。然而，这些开发必须应付诸如多径衰落、无线信道的时变特 征、带宽限制和手持式设备功率限制等挑战。空时传输技术已被证明能对抗多 径衰落的不利影响。遗憾的是，频率选择性衰落信道的大延迟扩展破坏了对于 空时编码而言关键的收到信号的正交性。因此，这些技术仅在频率平坦块衰落 信道上有效。正交频分复用(OFDM)也被表明能对抗多径衰落。空时OFDM (ST-OFDM)和空间频率OFDM (SF-OFDM)已被提议为用以对抗信道的频 率选择性的有效方式。此外，可将SF-OFDM应用于快速衰落信道，其中信道 无需如ST-OFDM方案通常所要求的那样在至少两个块传输内恒定。OFDM是 多载波通信技术，其中单个数据流是在数个较低速率的副载波上传送的。多载 波信号包括数个独立调制的副载波，在对这些副载波进行相干合计时这些副载 波会导致大的峰均PAPR。而且，OFDM遭受相位噪声和频率偏移问题。因此，
5为了对抗信道的频率选择性，对OFDM提出了替换性方案，该方案利用具有
频域均衡的单载波传输。与ST-OFDM方案并行的，提出了空时单载波(ST-SC) 传输方案，其要求信道在至少两个块周期内相同。
尽管已提出了许多高速率无线通信方法和系统，但是并未提供不要求信道 在两个块周期内相同并因此对快速衰落信道有益的空间频率单载波(SF-SC) 技术。现有技术和系统不使用实现如以下章节所示的具有附加频率分集的空间 频率块编码的单载波传输技术。
概述
示例性实施例的各方面针对利用空间频率块编码和频域均衡(SF-SCFDE) 的单载波传输方案。这种技术可与频率选择性和快速衰落信道联用。
在一个示例性实施例中， 一种用于频率选择性和快速衰落信道上的单载波 空间频率(SF-SCFDE)传输的方法包括接收通信块流；编码所收到的通信 块流以产生通信块；将循环前缀添加到每个通信块以形成传输块；以及通过频 率选择性衰落信道传达每个传输块。
在另一个示例性实施例中，一种用于频率选择性和快速衰落信道上的单载 波空间频率(SF-SCFDE)传输的装置包括空间频率编码器，接收并编码通
信块流；循环前缀添加器，向每个通信块添加循环前缀；以及天线，传达每个 通信块。
在又一示例性实施例中， 一种用于频率选择性和快速衰落信道上的单载波 空间频率(SF-SCFDE)传输的系统包括发射机和接收机。发射机包括接收并 编码通信块流的空间频率编码器、向每个通信块添加循环前缀的循环前缀添加 器、以及传达每个通信块的天线。接收机包括从发射机接收通信块的天线、用 于移除循环前缀的结构、以及解码器。
根据以下描述、所附权利要求和以下简述的附图中所示的示例性实施例， 本发明的这些及其他特征、方面和优点将变得显而易见。
附图简述
图1是根据示例性实施例的发射机的总图。图2是描绘在图1的发射机的单载波空间频率(SF-SCFDE)传输方案中 执行的操作的流程图。
图3是将图1的发射机的单载波空间频率(SF-SCFDE)传输方案与其他 传输方案作对比的曲线图。
详细描述
以下参照附图描述示例性实施例。应当理解，以下描述意在描述本发明的 示例性实施例而非限制本发明。
图1图解了具有N,-2个发射天线和N严1个接收天线的发射机10。属于 字母表A的信息承载数据码元d(n)首先使用分用器12分用成各自用于任一发 射天线的传输的两个N码元的块流。通信块由& =k(0),^(l)，...A(iV-lj"来表 示，且由第A个发射天线发射，其中* = 1.2且|^(划2 = 1，后者的W点离散傅 里叶变换(DFD被给定为|&=(0),&(1),....,&(^-1)「。两个码元块s,和S2随
后被馈送到适于SCFDE产生以下两个块的空间频率编码器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(")。这两个块u,和u2随后被从码元持续时间7;压縮至7;/2，且 压縮向量被重复两次以形成以下诸块
V,[u，<]^ = l,2 (2)
向量、由、e(、。)标示，且令奇(偶)元素为零，艮卩，vM = [s,e,S,ef,A: = l，2
且v广hL,-《。r、 v2,。=k。,s〔。r，其中
A(l),0，... ]r s^。
=
r 、 J
这些零插入和重复操作是在图1中的块18处执行的。在传输之前，使用乘法 器20将向量h,。与移相矩阵0>4iV相乘
04A/=~(l,，ei，...,e 4W ), (4)
以在其傅里叶变换中向前移位一个元素。从两个天线发射的信号向量随后由以 下给出
Xi = ( + Aw、。), "1,2 (5)
其中尸。是总发射功率。如图1中所示的，加法器22被用于(5)中的(v^+①4wV4,。)操作。在块24，在通过L阶频率选择性衰落信道传送之前将 循环前缀(CP)加到每个块上。h4 (l)，...A(Z-1)]，其中&(/)是第A 个发射天线与接收天线之间的信道冲激响应(CIR)的第/阶响应。收到信
号向量y由以下给出
"f《尸)(8)、+w (6)
其中x「)为添加CP的情况下的、，并且w是在假定具有方差iV。的AWGN 的情况下的添加噪声向量，且0标示线性巻积。由于CP使线性巻积变成循 环，因此在移除CP并执行4iV点DFT之后的收到信号向量可由以下给出 Y = JaA+W (7)
其中八,__* = 1,2表示其元素是相应CIR ^的4iV点DFT的对角矩阵。XA 和W分别表示^和w的47V点DFT。
根据(5)'得出
X「V尸。/8iV(Vk'e+义,J"1.2 (8) 其中V 、 v和^分别表示v 、 v和^ v )的4W点DFT。现在得出
^。 = ~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)、
建议其中pe = b(o)，o,...，P(iv-1),or的[p"Pf形式的4iV个元素向量的
点 DFT 为[P二P〖r ， 其中Pj[尸(0),0,…，户(iV-l),0r且向量 [尸(0),尸(l)，…，尸(iV-1)]r为[p(0),; (l),…,i^V-l):r的7V点DFT。为了证明(9)，从
前述建议可看出，V^是、,[sK;r的4iV点DFT,其中s^是在(3)中定义
、r ，r
的，因此 = [s6,s^ 。接着，定义向
=|^(0),0，《(iV-1),...,0，《(2)，0，^(1),0『，其为(3)中的s^向左循环移位一个元素，艮口， s4,。(") = ;( — i)，且72,。
Sl ,Si
，艮卩V2。(>) = V2,。(W-1)。
使用DFT的移位特性，v2,。的点DFT由以下给出 v2。= V2.。 (11)
其中、。为、。的点DFT 。使用以上论点并对、。应用 k(0)X(W —1),…,《(2)，《(1)f的W点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 逆的情况下，得出92.。(附)=、,(附-1)，即，^。为V2,。向右循环移位一个元素 使用(ll)，得出义,。-0^[S〖。,S[。;f ，其中在(10)中定义了①4w。可遵照相同程 序来表明、, [-S。,-S;,J。
现在针对向量A， As和A。被分别定义为A的偶部分和奇部分。根据(9)，
得出
V, [S:，S丫,V:,
Vk>K《]r， "1.2
其中①2W =力'"g
(12)
l，e2w ,e ，
为27Vx2iV对角矩阵，其对角元素为
((io))的o核的奇对角元素，而(^是长度为W的零向量。随后得出
x: =VW[sLs]r
根据((13))'可看到
(13)
(14)
随后可将式((7))重写成 Ye =A〖X〖+Ae2Xe2+We Y。 -A^+Ap^+W" (15)
其中A〖和A〖是对角矩阵，其对角元素分别为AJ勺偶对角元素和奇对角元 素。假定毗邻副载波的信道增益大致相等，即，A〖《A:,* = 1,2;因此组合 ((15))得到
9<formula>formula see original document page 10</formula> (16)
针对* = 1，2分别定义^和y。的第一和第二iV项如下
r((/t—1)iv),…，:r()uv—i)f
y; ，。(("i)A0，…，rw-1)
将((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为N xN对角矩阵，其对角元素是A:的第一和最后W个对角 元素，且AU2,2，OV,，dV2被类似地定义。注意，
①
2W|
="》
2W>
=①
=i,
其中对角矩阵D被定义为!Dl、DD'。所建
议的空间频率解码器根据以下给出估计§
§ 'A"Z (20)
可表明矩阵A"A是对角的，且如下给出 IA卩0 、 0 lAl:
A、=
(21)
其中|<=^(
+
+ Ae，
因此S,和S2被完全去耦合。(20)
中的估计被变换回时域以进行检测。
图2图解了参照图1描述的发射机10所利用的示例性单载波空间频率 (SF-SCFDE)传输技术中执行的操作。另外，取决于实施例，可执行更少或 不同的操作。在操作30，属于字母表A的数据码元d(n)被分用成两个N码元 的块流。在操作32，块流被编码成通信块。
通信块在操作34中被压縮成向量，并且经压縮的向量被重复两次以在操 作36中形成向量块。 一旦形成向量块，可使用移相矩阵来移相(操作38)。
10此移相使得在傅里叶变换中向前移位一个元素。在操作40，循环前缀(CP) 被添加到每个经移相的向量块。 一旦CP前缀被添加，就通过L阶的频率选择
性衰落信道传送这些块。在接收到所传达的块之际，移除CP前缀并确定4N 点DFT。
本文所描述的频率选择性和快速衰落信道上的示例性单载波空间频率 (SF-SCFDE)传输方案以被表明是高效且有效的传输技术，对于其中信道快 速衰落的应用尤其如此。在仿真中计算示例性空间频率单载波系统的误码率 (BER)性能。仿真使用假定为COST207六射线U = 6)典型城市信道的频 率选择性信道中每块具有W = 64个数目码元的单载波传输。BER性能被表明 胜于K. F. Lee和D.B. Williams在2000年3月的IEEE传感器阵列和多信道信 号处理专题会议第149-152页中的"A space-time coded transmitter diversity technique for frequency selective fading (用于频率选择性衰落的空时编码发射机 分集技术)"以及在2000年11月的IEEE GLOBECOM第1473-1477页的"A space-frequency diversity technique for OFDM system (用于OFDM系统的空间 频率分集技术)"(在以下称为"Lee和Williams")中所描述的ST-OFDM 。其 还胜于相同信道中的常规OFDM系统。也在慢速衰落信道(其中归一化多普 勒频率为0.001)和快速衰落信道(其中归一化多普勒频率为0.05)中将本文 所描述的SF-SCFDE的性能与W. M. Younis、 N. Al-Dhahir和A. H. Sayed在 2002年5月佛罗里达州奥兰多的IEEE关于声学、话音、信号处理国际会议的 第3巻第2353-2356页在"Adaptive frequency-domain equalization of space-time block-coded transmissions (空时块编码传输的自适应频域均衡)"(以下称为 "Younis")中所描述的ST-SCFDE的性能作对比。仿真结果显示本文所描述的 SF-SCFDE方案表现出更好的BER。更好性能的一个原因在于导致附加频域分 集的频域扩展。此外，示例性实施例的技术未遭受PAPR(峰均功率比)问题。 图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COST207六射线典型城市(TU)信道中同Lee和Williams 的ST-SCFDE (左侧)以及同Younis的SF-SCFDE及SF-OFDM的性能比较的 曲线图。
出于例示和描述的目的，给出了示例性实施例的前述描述。其无意穷举或将本发明限于所公开的精确形式，且按照以上教义诸修改和变形是可能的，或 者可从本发明的实践中获得。选取并描述实施例是为了解释本发明的原理及其
实际应用，以使得本领域技术人员能够以各种实施例或在适于所构想的具体使
用的各种修改下利用本发明。
权利要求
1.一种用于频率选择性和快速衰落信道上的单载波空间频率(SF-SCFDE)传输的方法，所述方法包括接收通信块流；编码所述收到通信块流以产生通信块；将循环前缀添加到每个通信块以形成传输块；以及通过频率选择性衰落信道传达每个传输块。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，接收通信块流还包括将数据码 元分用成多个通信块流。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，编码所述收到通信块流以产生 通信块还包括将所述通信块压縮成经压縮的向量； 将所述经压縮的向量重复两次以形成向量块；以及 使用移相矩阵将所述向量块移相。
4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述移相矩阵为①4w且由以 下来定义<formula>formula see original document page 2</formula>
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频率选择性衰落信道是L阶的，以使得发射天线与接收天线之间的信道冲激响应被表示为 h,關，/Ul),…A(丄-1)]，其中&(/)为第/阶响应。
6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述频率选择性衰落信道 传达每个通信块包括使用N点离散傅里叶变换(DFT)由第k个发射天线发射 所述传输i央，其中其内Pjb(0),0,…，p(7V-l),or的[p〖,p:T形式的愤元素向量 的4iV点DFT为[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 〃点DFT。
7. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括在接收天线处移除所述 循环前缀并采用4N点离散傅里叶变换(DFT)。
8. —种用于频率选择性和快速衰落信道上的单载波空间频率(SF-SCFDE)传输的装置，所述装置包括空间频率编码器，接收并编码通信块流； 循环前缀添加器，向每个通信块添加循环前缀；以及天线，传达每个通信块。
9. 如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述空间频率编码器还包括用 于压縮所述经编码的通信块流的压縮器、用于重复所述通信块流和形成向量块 的电路、以及用于执行移相的移相器。
10. 如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述移相是使用移相矩阵0)4w 来进行的，所述移相矩阵^4w由以下来定义乂2 r 声2 乂'2;r(4W-l)①4,血g(l,e百,ei,…,e ")。
11. 如权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括将数据码元分用成多 个通信块流的分用器。
12. 如权利要求8所述的装置，其特征在于，传达每个通信块的所述天线使用快速衰落信道来传达。
13. —种用于频率选择性和快速衰落信道上的单载波空间频率 (SF-SCFDE)传输的系统，所述系统包括发射机，其具有接收并编码通信块流的空间频率编码器、向每个通信块添 加循环前缀的循环前缀添加器、以及传达每个通信块的天线；以及接收机，其具有从发射机接收通信块的天线、用于移除所述循环前缀的结 构、以及解码器。
14. 如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述空间频率编码器还包 括用于压縮所述经编码的通信块流的压縮器、用于重复所述通信块流和形成向 量块的电路、以及用于执行移相的移相器。
15. 权利要求14所述的系统，其特征在于，所述移相使用移相矩阵①w，所述移相矩阵由以下来定义0% = ^ag(l,，ei，…，e ")。
16. 如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述发射机还包括将数据 码元分用成多个通信块流的分用器。
17. 如权利要求13所述的系统，其特征在于，天线通过频率选择性衰落信道传达所述通信块。
18. 如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述频率选择性衰落信道 是L阶的，以使得所述发射机与所述接收机之间的信道冲激响应被表示为 h,[/U0)A(l)，…A"-1)]，其中&(/)为第/阶响应。
19. 如权利要求17所述的系统，其特征在于，通过所述频率选择性衰落 信道的通信使用带N点离散傅里叶变换(DFT)的第k个发射天线，其中其内 PJ[P(0),0,…,p(iV-l),Of的[p,pr形式的47V元素向量的4W点DFT为 [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点DFT。
20. 如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述接收机在所述循环前 缀被移除之后对所述通信块采取4N点离散傅里叶变换(DFT)。
全文摘要
针对频率选择性和快速衰落信道提议一种利用空间频率块编码和频域均衡(SF-SCFDE)的单载波传输方案。表明了在慢速衰落环境中采用这种技术表现出与用空时编码方案获得的相同的性能。然而，在更不利的快速衰落信道中，所提议的方案呈现出好得多的性能。
文档编号H04L25/03GK101589571SQ200780045585
公开日2009年11月25日 申请日期2007年12月21日 优先权日2006年12月11日
发明者K·阿科拉斯, Y·巴-奈斯 申请人:新泽西理工学院