专利名称：多载波无线通信系统中的自适应比特加载和功率分配的制作方法
技术领域：
本发明的实施方案总地涉及无线通信系统，更具体地说，涉及采用例如自适应比特加载和功率分配技术中的一种或多种技术的自适应多个载波(这里称为“多载波(multicarrier)”)的无线通信系统、设备和相关方法。
背景技术：
多载波通信系统，例如正交频分复用(OFDM)、离散多音频(DMT)等的特征一般在于与通信信道有关的频带被划分为多个较小的子频带(这里称为“子载波(subcarrier)”)。在多载波通信系统中信息(例如，数据、音频、视频等)在台站之间的传送是通过将信息内容划分成多片(例如，符号)，然后经由多个独立的子载波并行地传输这些信息片而完成的。当通过子载波传输的符号周期比信道中的最大多径延迟还要长时，可以显著减小符号间串扰效应。
在信道内通过多个子载波来同时传送内容，多载波通信系统就很有希望实现高吞吐率(throughput)的无线应用。用于提高系统吞吐率(即，信道在任意给定的时间上可以传送的内容量)的传统技术强调的是对“好”子载波(例如，提供的阈值(threshold)数据率达到或超过阈值性能特性(例如，信噪比SNR)的那些子载波)的识别和利用超过“坏”子载波(它们被反激活)。接着处理剩余的活动子载波以达到“最优”香农(Shannon)“注水(water-filling)”方案。这样的传统技术在计算上一般是很昂贵的，而在系统吞吐率上并没有提供相称的改进。
在附图中以示例而非限制的方式图示说明了本发明的实施方案，其中相近的标号表示相似的元件，在附图中
图1是根据一种示例性的实现包含本发明教导的示例性多载波无线网络的框图；图2是根据一个示例性的实现包含本发明教导的示例性收发机的框图；图3是根据本发明的一个示例性实施方案图示了用于提高多载波无线通信信道中的系统吞吐率的方法的通信流程图；图4和5根据本发明的一个实施方案提供了多个子载波之间的比特加载和功率分配的图解说明；图6是根据本发明一种示例性的实现用于证明利用子载波管理代理所实现的改进的图解说明；以及图7是一种示例性的制品的框图，该制品包括的内容在由访问的机器执行时致使该机器实现本发明的(一个或更多个)实施方案的一个或多个方面。
具体实施例方式
这里一般性地介绍了提供自适应多载波无线通信系统的系统、设备和相关方法的实施方案。就此，根据本发明教导的仅一个示例性的实施方案，介绍了一种自适应子载波管理代理(SMA)用于至少部分基于接收到的或感知到的信道状态信息来自适应地修改在“好”和“坏”子载波之中的比特加载和分布、编码类型、调制类型和/或功率分配。术语“比特加载(bit loading)”一般被本领域的技术人员理解为信息内容到多个数据流的选择性分配、内容的编码、以及已编码内容到多个调制方案中的一个选中方案的映射，但是本发明在这方面并不受限。当执行在多个流之间进行功率分配的附加步骤时，处理过程被认为是星座图(constellation)成形之一。
随着下面进一步的展开，这里介绍的创新性子载波管理代理(SMA)可以将传统的香农注水技术用于活动子载波的初始确定、这些子载波之间的比特加载和活动子载波之间的功率分配。接着，自适应地确定在多个子集的每一个中的子载波的数量，力图保持每个子集内利用一种或多种信道质量度量所测量的给定性能水平。根据一种示例性的实现，SMA可以重新分配表现较好的子载波(所谓的“好”子载波)的功率用于表现较差的子载波(所谓的“坏”子载波)，甚至可以重新激活一开始被反激活的(例如，被关闭的)子载波。按照这种方式，引入采用所公开的比特和功率加载(BPL)技术的SMA后，与使用传统技术的方式相比，对于给定的性能度量有效地实现了更高的数据率。
在整篇说明书中提及“一个实施方案”或“实施方案”是指关于该实施方案所描述的具体特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，短语“在一个实施方案中”或者“在实施方案中”在整篇说明书中不同地方的出现不一定全是指相同的实施方案。此外，在一个或多个实施方案中可以以任何适当的方式将具体的特征、结构或特性组合起来。
示例性的网络环境现在参考图1，根据本发明一个示例性的实施方案给出了可以实现本发明的教导的示例性无线通信环境100。如图所示，网络100被描绘为包括两个或更多的电子设备102、104，它们通过在与两个设备相关联的收发机116、118之间建立的通信信道106而选择性地耦合在无线通信中。根据如上所述的本发明的教导，设备102、104的每一个分别描绘了子载波管理代理(SMA)112、114的实施方案，用以实现自适应比特加载和功率控制技术，力图保证在多个子载波子集的每一个中具有固定的质量性能度量。
使用在这里，收发机116、118可以包括发射机和接收机功能的组合，并且完全可以包括一个或多个发射机电路和/或接收机电路，但本发明在这方面并不受限。收发机116、118与一个或多个天线耦合，这些天线可以为设备102、104之一或两者提供空分多址(SDMA)(或波束赋形)或多输入多输出(MIMO)系统特性。使用在这里，收发机116、118意图代表大范围内的多载波无线通信收发机中的任何一种，例如包括适于用在符合以下标准的通信网络内的收发机，所述标准例如是电气电子工程师学会(IEEE)802.11任务组“n”(俗称为802.11n)、802.15任务组“3a”(802.15.3a)等、增强型数据速率GSM演进(EDGE)规范、和/或第三代伙伴计划(3GPP)规范，但本发明在这方面并不受限。根据一种示例性的实现，收发机116、118可以采用正交频分复用(OFDM)，如上所述。
本领域的技术人员将会理解，通信信道106的特性与设备(102，104)用来建立信道的无线收发机116、118的类型是相称的。因此，根据一种示例性的实现，收发机116、118可以选择性地建立一条或多条OFDM无线通信信道，例如信道106，所述信道可以包括上行链路成分和下行链路成分中的一个或多个，这些成分中至少有一个是由多个子载波组成的。使用在这里，已建立的无线通信信道106协助两个设备102、104之间信息无线地交换。这样的信息可以包括有效载荷内容(音频、视频、数据等)以及控制内容(例如信道状态信息等)中的一种或多种。
除了传送有效载荷内容的上行链路成分和下行链路成分这样的传统概念外，设备102、104还可以经由一条或多条通信路径(未具体标注)来交换信道状态信息(CSI)，包括但不限于带内通信路径(例如，嵌入在通信信道106内)、带外无线通信路径或者有线线路通信路径。
如上所述，电子设备102、104被描绘为包括子载波管理代理(SMA)112、114的实施方案。使用在这里，SMA(112，114)与收发机(116，118)的至少发射机和/或接收机元件一起协同工作，以便有选择地并且动态地控制发射机和/或接收机的多个信道处理参数中的任何一个或多个。根据一个实施方案，信道处理参数可以包括在构成多载波通信信道106的多个子载波的至少一个子集中的各个子载波当中的比特加载、编码类型、调制类型和/或功率分配中的一项或多项。根据一个示例性的实施方案，SMA 112、114响应于接收到的或者感知到的信道状态信息，发起这种对收发机的信道处理参数的自适应控制。
根据一个实施方案，在信息发送前，SMA(112，114)可以至少部分基于信道状态信息来动态地确定多个子载波中的哪些将用在信道中(多个活动子载波)并且计算在子载波的至少一个子集中的各个子载波当中的比特加载、编码类型、调制类型和/或功率分配中的一项或多项。下面将进一步展开，SMA 112、114在子载波之间执行这种自适应比特加载和功率重分配以得到给定的信道质量度量，同时提高总信道吞吐率。在这方面，根据一个实施方案，SMA 112和114可以采用比特和功率加载算法(BPLA)来自适应地并且动态地控制比特加载和功率分配中的一项或多项，从而不仅利用“好”的子载波，而且开发一个或多个选中的“坏”子载波。通过改进较低等级(lower-order)的子载波的RATE(速率)，或者重新激活一开始被识别为“坏”子载波并且在前面的信息发送期间被反激活的子载波，SMA 112、114有效增大了通信信道的总吞吐率。
用在这里的与SMA 112、114相关联的独特标号只是想要表示在设备102、104的每一个中，SMA的实现不必完全相同。事实上，在一个实施方案中，SMA 112被描绘为集成在收发机116内，而SMA 114只是耦合到相关联的一个或多个收发机118。因此，应当清楚的是，SMA多变的复杂性和实现只要至少实现了所要求保护的发明，就被认为落在本发明的范围和精神内。
示例性的SMA体系结构现在简要地参考图2，根据本发明的一个实施方案介绍了一种示例性的子载波管理代理(SMA)体系结构200的框图。为描述简单和清楚起见，子载波管理代理(SMA)202被描绘为功能上与发射机204和/或接收机206的某些元件耦合，但本发明在这方面并不受限。使用在这里，SMA 200完全可以作为SMA 112实现在设备102中，和/或作为SMA114实现在设备104中，但也可以使用SMA的其他实施方案。
在图2的上下文中，示例性的SMA 202被描绘为包括控制元件、比特和功率加载(BPL)计算器、比特掩码发生器、编码引擎、调制引擎、功率分配引擎和相关存储器器件中的一个或多个，但本发明在这方面并不受限。应当理解，在替换性的实施方案中，SMA 202的一个或多个元件完全可以被合并、删除、或者划分成几个功能元件，而不会偏离本发明的范围和精神。使用在这里，SMA 202的一个或多个元件完全可以用硬件、软件、固件和/或它们的组合中的一种或多种来实现。
根据一个实施方案，SMA 202至少可以部分基于接收到的或感知到的信道状态信息(CSI)236来有选择地控制关联的发射机204和/或接收机206的一项或多项信道处理特征，以在给定的信道质量性能阈值上提高信道吞吐率(例如，按数据率等测量的)。根据一个实施方案，SMA 202可以从远端设备接收信道状态信息(CSI)236，或者利用本地接收机来感知信道状态信息(CSI)。
使用在这里，CSI 236完全可以包括信道传输函数或其估计、一种或多种射频(RF)信号特性、和/或一个或多个信道质量参数中的一项或多项。即，CSI 236可以包括频域或时域上的信道传输函数估计。CSI 236可以包括一个或多个射频(RF)信道性能指示符，例如信噪比(SNR)、信干噪比(SINR)、接收信号强度指示(RSSI)等。CSI 236还可以包括与从接收信号解码出的信息相关联的一个或多个信道质量参数，例如误比特率(BER)、分组(packet)错误率(PER)、误符号率(SER)等。CSI 236可以包括由远端设备的SMA计算出来的一个或多个信道处理参数(例如，比特加载、编码类型、调制类型和/或功率分配)。根据一个实施方案，CSI 236与经由信道106的一次或多次在先传输相关联。
下面将进一步展开，设备102、104中的收发机116、118完全可以一开始由于初始传输而建立无线通信信道106。SMA 202可以接收来自远端接收机的信道状态信息(CSI)236，或者接收由本地接收机(206)感知到的信道状态信息。SMA使用一种或多种传统的注水技术来管理多载波信道的子载波，以便初始确定“坏”子载波，这些子载波被反激活(关闭)，并且在剩余的(好)子载波之间进行功率分配。剩余的子载波(即，好子载波)一开始根据给定的信道质量性能阈值被划分成若干子集，以根据选定的编码和调制类型来处理，其中向每个固定子集中的每个子载波施加某个功率值。
为了提高信道吞吐率，SMA 202可以在满足目标信道质量阈值时有选择地修改在关联的发射机(204)和/或接收机(206)中执行的信道处理，。在这方面，根据一个示例性的实施方案，在构成多载波信道106的子载波的每个子集中，例如根据调制和编码类型的组合来指定子载波(这里称为RATE组合，或者子载波子集)，并且对子载波功率进行重新调节。每个RATE子集中的子载波的数量被自适应地确定，但本发明的范围在这方面并不受限。
下面将进一步展开，在重新调节子载波功率时，SMA 202可以从较高RATE的子集中重新分配某些功率以供在较低RATE的子集中使用，和/或用于重新激活在初始的注水过程期间被反激活的子载波。根据一个示例性的实施方案，SMA 202可以调用SMA 202的一种功率分配特征，该特征动态地生成多个权重系数，这些系数被施加于对应的多个数据流中的一个或多个数据流，用以控制施加于一个给定数据流的有效功率。根据一个示例性的实施方案，SMA 202所执行的功率分配可被约束为满足由管理机构、系统设计约束等提出的各种峰值功率和/或功率谱密度要求。
简要地说，图2的发射机204被描绘为包括串并转换模块210、一个或多个编码器212、(一个或多个)映射器214、(一个或多个)加权(weighting)模块216、(一个或多个)反向快速傅立叶变换(IFFT)元件218以及并串转换和GI插入元件220中的一个或多个，用以生成输出(TX)信号，但本发明在这方面并不受限。根据一个示例性的实现，发射机204在串并转换模块210处接收信息，在该模块210中接收的信息被转换成多个并行信息流。根据一个实施方案，根据从SMA 202内的比特掩码发生器接收的比特掩码来将信息转换成并行子流。
然后，多个子流可以穿过一个或多个编码器212、映射器214和接下来的加权模块，然后由反向快速傅立叶变换模块218来处理。可以动态地应用多种编码技术中的任何一种，然后编码后的内容穿过(一个或多个)映射器214，其中对内容施行适当的调制技术。根据一个实施方案，可以使用BPSK、QPSK、8-PSK、16QAM、64QAM、128QAM、256QAM等调制技术中的任何一种或多种，但本发明在这方面并不受限。类似地，也可以使用多种编码率中的任何一种，例如1/2、2/3、3/4、5/6、7/8、1等。IFFT 218的输出穿过并串转换器模块220以生成输出信号，在模块220中可以根据OFDM系统来施加循环前缀或保护间隔(GI)，但本发明在这方面并不受限。输出信号的各个单元(element)可以被引导至选定的一个或多个天线(未具体标注)，以作为无线通信信道的一个组成部分(element)(上行链路或下行链路)发送出去。
根据一个示例性的实施方案，SMA 202可以选择性地控制比特掩码、编码类型和/或调制类型中的一项或多项，以便有效地控制发射机在各个子载波及其子集上的比特加载。更具体地说，下面将进一步展开，SMA 202可以生成比特掩码、编码控制内容、映射器控制内容和/或功率分配系数(或权重)中的一个或多个，提供给串并转换模块210、(一个或多个)编码器212、(一个或多个)映射器214和/或加权模块216中的一个或多个，以便自适应地控制在各个子载波之间的比特加载和功率分配，从而在子载波上获得给定的性能度量(例如，BER、PER等)。
如图所示，接收机206例如可以经由通信信道106接收无线信号，并且处理该信号以生成嵌入在接收的多载波信号106内的信息的表示234。在这方面，接收机204被描绘为包括(一个或多个)串并转换器和GI去除元件222、(一个或多个)快速傅立叶变换元件224、(一个或多个)均衡器和加权元件226、(一个或多个)反向映射器228、(一个或多个)解码器230和(一个或多个)并串转换元件232中的一项或多项，用以生成嵌入在接收信号内的信息的表示234。
根据图示的示例性实施方案，接收机206接收到的信号是多载波信号，例如OFDM信号。根据下面进一步论述的一种示例性的实现，接收机206的一个或多个元件从SMA202接收控制内容(例如，比特分布掩码、编码类型、调制类型和/或功率分配系数)，用于控制各个接收到的子载波的一个或多个处理特性(例如，解调、解码等)。
根据一种示例性的实现，并串转换元件232、(一个或多个)解码器230、(一个或多个)反向映射器228和/或加权模块226中的一个或多个可以从SMA 202接收控制内容，用于自适应地控制从各个子载波中的内容恢复，以在子载波上产生给定的质量度量(例如，BER、PER等)。根据一个示例性的实施方案，SMA 202向接收机206的一个或多个元件226-232提供的控制内容与提供给发射元件的控制内容是相称的。根据一个实施方案，发射机204和接收机206元件可以支持多条完全不同的通信信道，其中提供给发射机和接收机的控制内容适于每一条给定的通信信道。
因此，根据前面已经介绍并且下面将进一步展开的示例性实施方案，SMA 202可以自适应地修改应用于相关联的发射机和/或接收机的一个或多个元件(如图所示)的比特分布掩码、编码类型、调制类型和/或功率分配系数中的一项或多项，以便在保证某些性能阈值的同时提高信道吞吐率。下面将参考图3-7更完整地描述有关如何进行这些修改、以及SMA 202的哪些元件可以执行这种处理过程的细节。
示例性的SMA操作翻到图3，根据一个示例性的实施方案给出了多个电子设备(例如102、104)之间的通信流图300，其图示了一种用于提高多载波无线通信系统中的信道吞吐率的示例性方法。使用在这里，通信信道的特性完全可以包括子载波功率增益λi＝|Hi|2(其中Hi是第i子载波的信道传输函数)、子载波噪声功率σn，i2等当中的一个或多个。
根据一个实施方案，这些值可被SMA 202用来针对在信道的接收机侧一种给定的信道质量性能度量(例如BER)，在数据率(或者说信道吞吐率)最大化的准则下，确定在发射机侧各子载波间的最优功率分配户Pi(其中Pi是分配给第i子载波的功率，Ptotal假定为恒定的)，但本发明在这方面并不受限。
如图所示，过程开始于一个设备(例如设备102)向远端设备(例如设备104)发送信息302。根据一个示例性的实施方案，这一初始发送完全可以在设备102、104之间的初始握手期间或者作为初始握手的组成部分而被执行，但本发明不局限于此。例如，该初始发送可以包括请求发送(RTS)/清除发送(CTS)类型交换的组成部分，其中所述信息包括请求发送(RTS)帧。
一旦接收到发送的信息(302)，设备104就可以确定在接收所发送的信息时观测到的一个或多个信道特性(例如，信道状态信息(CSI))，框304。根据一个示例性的实施方案，信道特性可以包括观测到的信道(106)的射频(RF)信号特性(SNR、SINR、RSSI、衰落特性等)和/或与经由信道接收的解码后的内容相关联的信道质量性能特性(BER、PER、FER、SER等)中的任何一个或多个。对一个或多个信道特性的确定完全可以根据接收机(206)的传统操作宋完成，或者也可以由设备104的SMA(118)的一个或多个元件来完成。
在单元306中，SMA 202计算比特加载和功率分布。根据一个实施方案，SMA 202调用BPL计算器的一个实例来确定比特加载和功率分布。在这方面，根据一个示例性的实施方案，对于给定数量Nsc(例如48个)的子载波以及给定集合的RATE(RATE＝{RATE1，...，RATEM})，可以按照升序来预先定义和排列(ranked)在gRATE={gRATE1,...,gRATEM}]]>的子载波信噪比(SNR)阈值的集合。使用在这里，gRATEk是第k类型的RATE组合(调制和编码)的SNR阈值，其中假定在每个子载波上只有加性高斯白噪声(AWGN)。例如，在IEEE 802.11a通信模型中，针对具有编码率R＝1/2的BPSK(最低阶编码)来计算阈值gRATE1。
根据一个示例性的实施方案，SMA 202确定每个子载波的SNR(例如，γi=λiPiσn,i2)]]>是否等于阈值gRATEk，使得对于第k类型的RATE组合实现所必需的信道质量性能阈值(例如BER)。通过使用信道特性，每个子载波中的有效噪声功率可以被确定为σi2=σn,i2λi]]>(再次，其中σ2i是第i子载波中的子载波噪声功率，λi是第i子载波的与信道传输函数相关联的子载波功率增益)。
SMA 202例如通过按照有效噪声功率(σi2)的升序来排序(sorting)Nsc子载波而开始初始注水阶段，其中σi2=σmin2]]>并且σNsc2=σmax2.]]>根据一个示例性的实施方案，排序后的子载波被SMA 202控制逻辑放入建立在存储器中的索引表中。在这方面，SMA 202保持子载波在谱内分配的顺序和理解。
一旦子载波已被排序，SMA 202就识别坏的(关闭的)子载波。根据一个实施方案，SNRγi小于阈值gRAIL1(与最低的调制加编码RATE组合相关联)的子载波将被关闭。在这方面，根据一个实施方案，SMA 202可以将Non设置为等于子载波的总数Nsc，然后例如根据以下方程1来确定自适应水平AA=1Non(Ptatal+Σi=1Nonσi2)---[1]]]>如果用于该子载波的自适应水平(adaptive level)满足A<(gRATE1+1)σNon2]]>(等于小于阈值gRATE1的SNRγi)，则第Non子载波被识别为“坏”子载波并被关闭。然后，SMA202前进到索引列表中的下一子载波，并且计算用于下一子载波的自适应水平(A)。以上过程继续，直到测量出的用于列表中子载波的自适应水平超过性能度量阈值为止，即A≥(gRATE1+1)σNon2,]]>这代表了索引中用于“好”子载波的子载波阈值，即，此处性能度量SNRγi大于阈值gRATE1，并且可以为子载波保证BER。
一旦识别出活动子载波，SMA 202就在子载波之间设置初始功率分布以进行发送。根据传统的注水原理，功率均匀分布在活动子载波上，而反激活的子载波被关闭，根据以下方程来进行数学表示PiWF=A-σi2,i=1...Non0,i=(Non+1)...NSC---[2]]]>
此时，SMA 202已根据注水原理定义了序号为i＝1...Non的子载波是活动的(好的)，而序号为i＝(Non+1)...Nsc的子载波不满足保证的性能度量(坏子载波)而被反激活。参考图4来图形化地说明初始功率分布。
为了完成BPL计算，SMA 202确认(identify)子载波之间的比特加载和最终功率分布，甚至重新激活在注水过程中一开始被反激活的子载波的至少一个子集，框308。SMA202通过寻找最大速率(maximum rate)(RATEm)而开始这一调整过程，对于所述最大速率，阈值gRATEm等于或小于“最佳”子载波性能度量(例如SNRγ1)，数学上表示为gRATEm≤γ1=P1WFσ12---[3]]]>根据一个示例性的实施方案，RATEm是最大RATE，它将被用于具有最高信道功率增益的子载波。
一旦识别出最大可用速率(RATEm)，SMA 202就确定适于以识别出的速率来处理的子载波的最大数量，这里表示为NRATEm。根据一个示例性的实施方案，SMA 202确认适于以识别出的RATEm来处理的子载波的最大数量(NRATEm)，满足以下不等式γRATEmITPC=Σi=1NRATEmPiWFΣi=1NRATEmσ12≥gRATEm---[4]]]>该不等式的左侧是接收机侧的性能度量(例如，每子载波SNR)的解析表达式。根据一个示例性的实施方案，所述解析表达式假定根据某种智能发射功率控制(ITPC)的预均衡处理在发射侧被用于给定的子载波子集i＝1...NRATEm。
根据一个示例性的实施方案，可以使用适于OFDM的自适应智能发射功率控制方案，例如在Sadri等人2002年12月30日递交的、名称为“用于智能化发射功率控制方案的系统和方法(SYSTEM AND METHOD FOR INTELLIGENT TRANSMITTED POWERCONTROL SCHEME)”的共同待审查申请10/330,675中介绍的方案，该申请与本发明共同属于同一受让人，其公开内容以引用的方式包含在这里用于所有目的。已经证明，在上述申请中介绍的预均衡处理过程在一个子集中给定总功率的情况下减小了BER。因此，计算子载波的数量NRATEm时考虑了SNR预均衡处理。
由此，SMA 202为子载波子集i＝1...NRATEm设置RATEm(第m种组合的调制加编码)。然后，SMA 202为该子载波子集设置在发射侧的功率分布PiOPT=gRATEm·σi2,(i=1...NRATEm).]]>需要强调的是，对于这样一种发射侧的功率分配，该子集的所有子载波在接收侧都将具有相等的性能度量(例如，SNRγiOPT=gRATEm),]]>并且将具有与作为目标的固定性能度量相等的性能度量(例如BER)。
根据一个示例性的实施方案，为了满足规定的功率要求，SMA 202可以将发射功率分布与规定(regulatory)阈值进行比较，例如PiOPT≤PthresholdGovt_agency.]]>如果以上不等式对于某个子载波不成立，则SMA 202选择性地将该子载波排除在RATEm子载波子集之外。对于该子载波，可以使用较低等级的RATE(RATEm-1)。
在给定的性能阈值(例如BER)下，一旦SMA 202确定了该子集的功率分布后，它就可以计算该子集的总功率PTATEmopt=Σi=1NRATEmPiopt.]]>多余的功率PmEXTRA被认为是给定子集的初始注水方案的总功率和所获得的功率PRATEmopt之间的差，例如根据下面的方程5PmEXTRA=Σi=1NRATEmPiWF-Σi=1NRATEmPiopt---[5]]]>根据一个实施方案，出现这一多余功率是由于调制和编码的离散类型。在真空中增加子载波的数量而不解决功率分配是不够的。同时，多于或超出子集中每个子载波为实现给定的性能度量(例如BER)所必需的最小量的功率被“浪费”了，从这个意义上说该功率是多余的，它更适当地应被施加于其他子载波或者用于重新激活先前被反激活的子载波。
根据一个实施方案，SMA 202在剩余的、较低等级的子集中迭代地重新分配识别出的多余功率。根据一个示例性的实施方案，SMA 202可以得到在相邻的较低等级RATE子集(即RATEm-1)中的子载波的最大数量为γRATEm,lITPC=PmEXTRA+Σi=NRATEm+1NRATEm-1PiWFΣi=NRATEm+1NRATEm-1σi2≥gRATEm-1---[6]]]>如果该不等式对于任何NRATEm-1不成立，则RATEm-1必须被略过并且SMA 202前进到下一子集RATEm-2或者后面的速率。
然后，SMA 202设置RATEm-1，即第(m-1)种调制和编码类型，用于索引为i＝{NRATEm+1，...，NRATEm-1}的子载波的子集。然后，对于该子载波子集，SMA 202将发射侧的功率分布设置等于Piopt=gRATEm-1·σi2.]]>发射侧的这样一种功率分配将具有均匀分布的SNRγi＝gRATEm-1以及与目标性能度量相等的均匀性能度量(例如BER)。所获得的功率分配结果使得SMA 202能够计算该子集的总功率，即PRATEm-1opt=Σi=NRATEm+1NRATEm-1Piopt.]]>根据总功率的这一确定结果，SMA 202可以将可用的多余功率的值(累积和)更新为Pm-1EXTRA=PmEXTRA+(Σi=NRATRm+1NRATEm-1PiWF-Σi=NRATEm+1NRATEm-1Piopt)---[7]]]>这一过程可以迭代地重复，直到RATE1子集，或者直到出现所有子载波对于当前RATEl都是活动的情形(即NRATEl＝Nsc)。在后面的情形中，所有子载波中的SNR不高并且使用1≤k≤l-1内的RATE，这种情形对于吞吐率最大化而言是不合理的。
一旦已经确认了比特加载和最终的功率分布，SMA 202就可以向远端设备发送(310)提议的比特加载和功率分布，以用在后续的信道处理中。在框312中，远端设备接收并且在设备之间的通信信道的后续信道处理期间选择性地应用所提议的比特加载和功率分布。
本领域的技术人员将认识到，这样做，SMA 202就获得了所有子载波的比特分配(调制加编码组合)和功率分布。这些比特分配和功率分布用于增大(或者，最大化)总数据率，并且保证性能度量等于给定的性能值(例如，BER＝10-5)。在这一过程结束时，活动子载波的初始数量Non只可能增加，因为最后活动子载波的初始选择已保证了不等式γNon≤gRATE1]]>的成立。另外，通过将保留的功率PkEXTRA从较高等级的子集“注入(transfusion)”到较低等级的子集，也可以增大活动子载波的数量。比特加载和功率分布的重新分配被图形化地描绘在图5中。
根据一个实施方案，在最后的子集形成后仍保留的多余功率PlEXTRA可以在所有活动的子载波上进行分配，它可用来改进这些子载波的性能(例如，降低在接收机上经受的BER)。在另一个实施方案中，SMA 202要实现所要求的性能度量同时减少(或者节约)功率(即，功率节约模式)，可以不使用所识别的多余功率PiEXTRA。
如上所述，图4和5根据本发明的一个示例性实施方案提供了在自适应比特和功率加载的各个阶段的功率分配的图形说明。简要地看图4，描绘了多载波无线通信信道的多个子载波的频谱图。更具体地说，图400图形化地描绘了如上所述已经根据SMA 202所采用的初始注水技术进行处理的多个活动子载波的频谱图。如图所示，SMA 202识别好的子载波(Non)1-43，其中比特加载和功率分布在活动子载波之间均匀分配。剩余的子载波(即，SNRγ1小于阈值gRATE1的坏子载波)被反激活。
在图5中，根据本发明的教导示出了在由SMA 202完成最终的比特加载和功率分配后无线通信信道的子载波的图形说明。更具体地说，图5图示了对于一种给定的信道实现和一个给定的RATE集合的每子载波功率分配。根据一个示例性的实施方案，RATE4代表64QAM，R＝1/2；RATE3代表16QAM，R＝1/2；RATE2代表QPSK，R＝1/2；而RATE1代表BPSK和R＝1/2。如图所示，活动子载波的数量从43(见图4)增大到44。参考图6给出了增大后吞吐率的图形说明。
图6是根据本发明的一种示例性实现证明通过使用比特和功率加载代理(agent)而实现的信道吞吐率改进的图形说明。为了图示通过SMA 202实现的自适应比特加载和功率分配而获得的改进，相对于传统OFDM系统下的总吞吐率(604)描绘了在SMA比特加载和功率分配后的总吞吐率(602)的图形比较。如图所示，SMA 202实现的自适应比特加载和功率分配与传统的OFDM系统相比呈现出4-5分贝(dB)的SNR增益。
因此，与在多载波信道的不同子载波之间进行比特和功率加载的传统“注水”方法相反，这里介绍的子载波管理代理(SMA)通过在多载波信道中的子载波之间分配并且随后重新调整功率分配和比特加载以便增大吞吐率，从而增大了多载波通信信道的有效吞吐率，同时保持或改进一个或多个信道参数。根据一个示例性的实施方案，SMA在(多个)子载波或者多组子载波之间调整比特/功率预算，以实际上满足例如与信道质量度量相关联的给定阈值，所述信道质量度量例如是误比特率(BER)、分组错误率(PER)、信噪比(SNR)、信干噪比(SINR)、接收功率水平等。
替换性的实施方案图7图示了包括内容的示例性存储介质的框图，所述内容在被调用时使得访问的机器实现子载波管理代理200和/或相关方法300的一个或多个方面。在这方面，存储介质700包括内容702(例如，指令、数据或它们的任意组合)，该内容在被执行时使得访问设备实现上述SMA 200的一个或多个方面。
机器可读(存储)介质700可以包括但不限于软盘、光盘、CD-ROM和磁光盘、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、闪存、或者适于存储电子指令的其他类型介质/机器可读介质。此外，本发明也可以作为计算机程序产品而被下载，其中所述程序可以经由通信链路(例如，调制解调器、无线电或网络连接)，利用包含在载波或其他传播介质中的数据信号从远端设备传输到发出请求的计算机。
应当理解，本发明的实施方案可以用于多种应用。虽然本发明在这方面并不受限，但是这里公开的电路可以用在很多设备中，例如用在无线电系统的发射机和接收机中。意图包括在本发明范围内的无线电系统包括无线局域网(WLAN)设备和无线广域网(WWAN)设备，所述设备包括无线网络接口设备和网络接口卡(NIC)、基站、接入点(AP)、网关、网桥、网络中心(hub)、蜂窝无线电话通信系统、卫星通信系统、双向无线电通信系统、单向寻呼机、双向寻呼机、个人通信系统(PCS)、个人计算机(PC)、个人数字助理(PDA)、传感器网络、个人区域网(PAN)等，这仅仅是例子而已，本发明的范围在这方面并不受限。
意图包括在本发明的范围内的无线通信系统的类型包括但不限于无线局域网(WLAN)、无线广域网(WWAN)、码分多址(CDMA)蜂窝无线电话通信系统、全球移动通信系统(GSM)蜂窝无线电话系统、北美数字蜂窝(NADC)蜂窝无线电话系统、时分多址(TDMA)系统、扩展TDMA(E-TDMA)蜂窝无线电话系统、诸如宽带CDMA(WCDMA)、CDMA-2000等的第三代(3G)系统等等，但本发明的范围在这方面并不受限。
本发明的实施方案也可以被包括在集成电路模块中，这些模块被称为核心存储器、缓存(cache memory)、或者存储将由微处理器执行的电子指令或者存储可用在算术运算中的数据的其他类型存储器。总之，使用与所要求保护的主题一致的多级多米诺逻辑的实施方案可以给微处理器带来益处，具体地说，可以被包含在存储器器件的地址译码器中。注意，所述实施方案可以被集成到无线电系统或手持便携设备中，特别是当设备依赖于功耗降低时。因此，想要把膝上型计算机、蜂窝无线电话通信系统、双向无线电通信系统、单向寻呼机、双向寻呼机、个人通信系统(PCS)、个人数字助理(PDA)、照相机和其他产品都包括在本发明的范围内。
本发明包括多种操作。本发明的操作可以由图1和/或图2中示出的硬件组件来执行，或者可以具体实施为机器可执行内容(例如指令)702，它可被用来使得以所述指令编程的通用或专用处理器或逻辑电路执行所述操作。可替换地，可以利用硬件和软件的组合来执行操作。此外，虽然在计算设备的环境中描述了本发明，但是本领域的技术人员将会理解，这样的功能完全可以实施在多种可替换实施方案的任何一个中，例如集成在通信设备(例如蜂窝电话)中。
在以上描述中，为了解释，阐述了大量具体的细节以提供对本发明的完整理解。但是，本领域的技术人员将清楚的是，没有这些具体的细节也可以实现本发明。此外，以框图的形式示出了公知的结构和设备。上述创新构思的任意变体方案都被认为落入本发明的精神和范围内。在此，所图示的具体的示例性实施方案不想用于限制本发明，而只是图示说明它。因此，本发明的范围不是由以上提供的具体实施例来决定，而仅由所附权利要求书的平实语言来决定。
权利要求
1.一种方法，包括接收与具有多个子载波的多载波无线通信信道相关联的信道状态信息，其中所述信道被处理，以识别所述子载波当中的活动子载波以及初始功率分布；以及至少部分基于所述接收到的信道状态信息来选择一种比特加载和最终功率分布以用于所述通信信道的子载波的后续处理中，其中所述比特加载和最终功率分布增大信道吞吐率，同时保证活动子载波当中的信道质量度量。
2.如权利要求1所述的方法，其中对所述多载波无线通信信道中的活动子载波和功率分布的识别是一开始使用注水技术来确立的。
3.如权利要求2所述的方法，所述注水技术包括根据信道性能度量来排序所述子载波；在排序后的子载波当中识别不满足所述信道性能度量的子载波作为阈值，其中在所述阈值之上或之下的子载波被识别为坏子载波；反激活所述坏子载波；以及在所述通信信道的活动子载波之间分配可用的功率。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述信道状态信息是从远端设备接收的。
5.如权利要求4所述的方法，所述信道状态信息包括一个或多个由所述远端设备确定的信道处理参数，所述参数包括比特加载、编码类型、调制类型和功率分配。
6.如权利要求4所述的方法，其中所述信道状态信息代表信道性能特性和信道质量特性中的一个或更多个。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述信道性能特性包括射频(RF)特性，所述射频特性包括接收信号强度指示(RSSI)、信噪比(SNR)、信干噪比(SINR)、衰落特性和多普勒特性中的一项或更多项。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述信道质量特性包括误比特率(BER)、分组错误率(PER)、误符号率(SER)和误帧率(FER)中的一项或多项。
9.如权利要求4所述的方法，选择比特加载和最终功率分布的部分包括在所述活动子载波当中识别超过信道质量性能阈值的那些子载波；通过确定在识别出的子载波中可以减去多少功率，使得它们仍然满足但不超过所述信道质量性能阈值，从而计算多余功率值；以及将所述多余功率的至少一个子集从较高速率的子载波子集中应用于较低速率的子集中的子载波。
10.如权利要求9所述的方法，其中应用较高速率的子集中的多余功率值的操作包括将所述多余功率应用于较低速率的子集中被反激活的子载波，以增加活动子载波的数量以及信道吞吐率。
11.如权利要求9所述的方法，还包括修改初始功率系数的至少一个子集，以重新激活一开始被反激活的一个或更多个子载波。
12.如权利要求3所述的方法，其中所述信道状态信息是从本地接收机接收的，并且代表了信道传输函数的估计。
13.如权利要求12所述的方法，其中基于对发射自远端设备的无线信号的接收，所述信道传输函数是频域中的信道传输函数估计和时域中的信道传输函数估计中的一个或更多个。
14.如权利要求1所述的方法，选择比特加载和最终功率分布的部分包括在所述活动子载波当中识别超过信道质量性能阈值的那些子载波；通过确定在识别出的子载波中可以减去多少功率，使得它们仍然满足但不超过所述信道质量性能阈值，从而计算多余功率值；以及将所述多余功率的至少一个子集从较高速率的子载波子集中应用于较低速率的子集中的子载波。
15.如权利要求14所述的方法，其中应用较高速率的子集中的多余功率值的操作包括将所述多余功率应用于较低速率的子集中被反激活的子载波，以增加活动子载波的数量以及信道吞吐率。
16.如权利要求14所述的方法，还包括修改被应用于所述子载波的多个功率系数的至少一个子集，以重新激活一开始被反激活的一个或更多个子载波。
17.如权利要求1所述的方法，还包括修改被应用于多个子载波的功率系数的至少一个子集，包括支持比特加载和最终功率分布的多载波通信信道重新激活一开始被反激活的子载波的至少一个子集。
18.如权利要求1所述的方法，还包括向远端发射机发出消息，以将所述比特加载和最终功率分布应用于所述多载波通信信道的后续处理。
19.一种包括内容的存储介质，所述内容在被访问设备执行时致使该设备实现根据权利要求1的方法。
20.一种设备，包括收发机，其与远端收发机之间建立多载波通信信道；以及与所述收发机耦合的子载波管理代理(SMA)，其接收与具有多个子载波的多载波无线通信信道相关联的信道状态信息，其中所述信道被处理，以识别所述子载波当中的活动子载波以及初始功率分布，并且至少部分基于所述接收到的信道状态信息来选择一种比特加载和最终功率分布以用在对所述通信信道的子载波的后续处理中，其中所述比特加载和最终功率分布增大信道吞吐率，同时保证活动子载波当中的信道质量度量。
21.如权利要求20所述的设备，其中所述SMA利用注水技术来识别所述多载波无线通信信道中的活动子载波和功率分布。
22.如权利要求21所述的设备，其中所述SMA根据信道性能度量来排序所述子载波，在排序后的子载波当中识别不满足所述信道性能度量的子载波作为阈值，其中在所述阈值之上或之下的子载波被识别为坏子载波，反激活识别出的坏子载波，并且在所述通信信道的活动子载波之间分配可用的功率。
23.如权利要求22所述的设备，所述信道状态信息包括一个或多个由所述远端设备确定的信道处理参数，所述参数包括比特加载、编码类型、调制类型和功率分配。
24.如权利要求22所述的设备，其中所述信道状态信息代表信道性能特性和信道质量特性中的一个或更多个。
25.如权利要求24所述的设备，其中所述信道性能特性包括射频(RF)特性，所述射频特性包括接收信号强度指示(RSSI)、信噪比(SNR)、信干噪比(SINR)、衰落特性和多普勒特性中的一项或多项。
26.如权利要求24所述的设备，其中所述信道质量特性包括误比特率(BER)、分组错误率(PER)、误符号率(SER)和误帧率(FER)中的一项或更多项。
27.如权利要求22所述的设备，其中所述SMA在所述活动子载波当中识别超过信道质量性能阈值的那些子载波，计算在识别出的子载波中可以减去多少功率，使得它们仍然满足但不超过所述信道质量性能阈值，从而识别多余功率水平，并且将所述多余功率的至少一个子集从较高速率的子载波子集中应用于较低速率的子集中的子载波。
28.如权利要求27所述的设备，其中所述SMA选择性地将在一个或更多个较高速率的子集中识别出的多余功率值的至少一个子集应用于在较低速率的子集中被反激活的子载波，以增加活动子载波的数量以及信道吞吐率。
29.如权利要求28所述的设备，其中所述SMA动态地生成更新后的功率系数，用以替换初始功率系数的至少一个子集，并且选择性地将所述更新后的系数应用于所述发射机的加权元件。
30.如权利要求20所述的设备，其中所述SMA在所述活动子载波当中识别超过信道质量性能阈值的那些子载波，计算在识别出的子载波中可以减去多少功率，使得它们仍然满足但不超过所述信道质量性能阈值，从而识别多余功率水平，并且将所述多余功率的至少一个子集从较高速率的子载波子集中应用于较低速率的子集中的子载波。
31.如权利要求30所述的设备，其中所述SMA动态地生成控制内容以便应用于所述收发机的一个或更多个元件，所述控制内容包括比特分布掩码、编码类型、调制(类型)和功率分配系数中的一项或更多项。
32.如权利要求30所述的设备，其中所述SMA选择性地将在一个或多个较高速率的子集中识别出的多余功率值的至少一个子集应用于在较低速率的子集中被反激活的子载波，以增加活动子载波的数量以及信道吞吐率。
33.一种系统，包括一个或更多个偶极天线；选择性地耦合到所述天线中的一个或更多个的收发机，该收发机与远端收发机之间建立多载波通信信道；以及与所述收发机耦合的子载波管理代理(SMA)，该SMA接收与具有多个子载波的多载波无线通信信道相关联的信道状态信息，其中所述信道被处理，以识别所述子载波当中的活动子载波以及初始功率分布，并且至少部分基于所述接收到的信道状态信息来选择一种比特加载和最终功率分布以用在对所述通信信道的子载波的后续处理中，其中所述比特加载和最终功率分布增大信道吞吐率，同时保证活动子载波当中的信道质量度量。
34.如权利要求33所述的系统，其中所述SMA利用注水技术来识别所述多载波无线通信信道中的活动子载波和功率分布。
35.如权利要求33所述的系统，所述信道状态信息包括一个或多个由所述远端设备确定的信道处理参数，所述参数包括比特加载、编码类型、调制类型和功率分配。
36.如权利要求33所述的系统，其中所述信道状态信息代表信道性能特性和信道质量特性中的一个或更多个。
37.如权利要求36所述的系统，其中所述信道性能特性包括射频(RF)特性，所述射频特性包括接收信号强度指示(RSSI)、信噪比(SNR)、信干噪比(SINR)、衰落特性和多普勒特性中的一项或多项。
38.如权利要求36所述的系统，其中所述信道质量特性包括误比特率(BER)、分组错误率(PER)、误符号率(SER)和误帧率(FER)中的一项或多项。
39.如权利要求33所述的系统，其中所述SMA在所述活动子载波当中识别超过信道质量性能阈值的那些子载波，计算在识别出的子载波中可以减去多少功率，使得它们仍然满足但不超过所述信道质量性能阈值，从而识别多余功率水平，并且将所述多余功率的至少一个子集从较高速率的子载波子集中应用于较低速率的子集中的子载波。
40.如权利要求39所述的系统，其中所述SMA选择性地将在一个或多个较高速率的子集中识别出的多余功率值的至少一个子集应用于在较低速率的子集中被反激活的子载波，以增加活动子载波的数量以及信道吞吐率。
41.一种包括内容的存储介质，所述内容在被访问设备执行时使得该设备能够选择性地接收与具有多个子载波的多载波无线通信信道相关联的信道状态信息，其中所述信道被处理，以识别所述子载波当中的活动子载波以及初始功率分布，并且至少部分基于所述接收到的信道状态信息来选择一种比特加载和最终功率分布以用在对所述通信信道的子载波的后续处理中，其中所述比特加载和最终功率分布增大信道吞吐率，同时保证活动子载波当中的信道质量度量。
42.如权利要求41所述的存储介质，还包括在被执行时致使所述访问设备采用注水技术来识别所述多载波无线通信信道中的活动子载波和初始功率分布的内容。
43.如权利要求41所述的存储介质，选择比特加载和最终功率分布的部分包括在所述活动子载波当中识别超过信道质量性能阈值的那些子载波；通过确定在识别出的子载波中可以减去多少功率，使得它们仍然满足但不超过所述信道质量性能阈值，从而计算多余功率值；以及将所述多余功率的至少一个子集从较高速率的子载波子集中应用于较低速率的子集中的子载波。
44.如权利要求43所述的存储介质，其中应用较高速率的子集中的多余功率值包括将所述多余功率应用于较低速率的子集中被反激活的子载波，以增加活动子载波的数量以及信道吞吐率。
全文摘要
这里一般性地公开了自适应多载波无线通信系统、设备及相关方法。在这方面，根据一个实施方案，自适应子载波管理代理(SMA)基于一项或多项信道质量度量，自适应地修改“好”和“坏”子载波当中的比特加载和分布、编码类型、调制类型和/或功率分配中的一项或多项。
文档编号H04L1/00GK1894864SQ200480029281
公开日2007年1月10日 申请日期2004年8月6日 优先权日2003年8月8日
发明者亚历山大·马尔特塞夫, 阿里·萨德利, 亚历克希·鲁布托塞夫, 塞捷·蒂拉斯珀尔斯基 申请人:英特尔公司