专利名称：具有多载波发送器的发送功率的最佳分配的传输方法
技术领域：
本发明一般涉及构成电信领域的一部分的所谓的数字通信。数字通信具体地包括其中传输信道是无线信道的无线通信，也包括有线通信。在本领域内，本发明涉及传输方法，更具体地涉及多载波传输技术。具体地，这些技术包括正交频分多路复用(OFDM)类型的技术或正交频分多址(OFDMA)类型的技术。
背景技术：
OFDM传输技术的本质特征是通过同时使用子载波而在提供高比特速率的传输的同时降低每个子载波的数据速率。将频带细分为较小的范围，每个范围被分配给各个不同的子载波。子载波是相互正交的。通过用符号持续时间的倒数(reciprocal)的倍数将子载波间隔开而获得该特性。作为不是所有的子载波都同时经受衰落的结果，多载波调制系统可以提供对在信道上传输期间发生的选择性频率衰落的免疫性。然而，为了克服该衰落现象，在接收所发送的信号时，需要对每个子载波估计并校正传输信道。
为了生成通过信道发送的所谓的OFDM信号，OFDM发送器对输入的高比特速率二进制数据执行各种处理。于是，例如使用卷积码对高比特速率二进制数据进行编码，例如通过二进制相移键控(BPSK)、正交相移键控(QPSK)或16正交幅度调制(16QAM)来对其进行调制。然后，将该数据转换成多个数据流的并行形式，每个数据流以低速率被调制，以送入OFDM多路复用器的子载波分支。多路复用器通过N点离散傅立叶逆变换(IDFT)来执行频分多路复用。通过数模转换器将结果得到的OFDM信号转换成模拟形式，并且通过变频器(U/C)(上变频(U/C))而移动到射频波段，以传输到传输信道中。
典型地，OFDM系统在由通过1/N间隔开的子载波所确定的N个子信道上、在第i个OFDM符号周期期间传送N个符号。对于第i个块，以下面的形式来表示所发送的基带OFDM信号 其中，符号N是块的大小，而
是第i个发送的符号序列。
为了克服符号间干扰(ISI)以及载波间干扰(ICI)，向每个OFDM符号增加诸如循环前缀(cyclic prefix，CP)或零填充(zero padding，ZP)的保护间隔(guard interval，GI)。该保护间隔使得能够避免当传输延迟小于间隔的持续时间时在OFDM符号之间的任何重叠。当保护间隔是输出序列的扩展时，即当其内容是输出信号的部分的副本时，则以下面的形式表示所发送的信号 其中，符号G是保护间隔的长度。
假设传输信道由P个离散路径构成，所述每个路径由各自的幅度和延迟所刻画，可以以下面的形式来表示信道的基带脉冲响应 其中，αp和τp分别构成第p个路径的信道的复增益、和被称为扩展(spreading)延迟的延迟。信道通过各种子载波发送的总功率被归一化为1。
另一假设在于考虑到τmax＝max τj<Tg＝保护间隔的持续时间。
可以以下面的形式在频域中表示信道的传递函数H(t，f) 在由接收器接收后，通过带通滤波器(BPF)将所接收的信号滤波，并将其移动到基带内(下变频(D/C))。通过模数转换器(A/D)对该信号采样。在去除了保护间隔后，所采样的数据被送入到N点离散傅立叶变换(DFT)，并且将其解多路复用为与子载波一样多的分支。
如果保护间隔比最大扩展延迟要长，则可以以下面的形式来表示被移到基带内的所接收的信号 其中，和分别表示在已去除保护间隔之后和在处理之前对于第i个OFDM符号的所接收的信号和附加的高斯白噪声。
为了降低信道的失真影响，已知的是利用系数来逐个子载波地补偿频域中的信道，所述系数具体地是作为最小均方差(MMSS)判据或迫零(ZF)均衡判据的函数而确定的。然后，在每个分支中，对数据进行解调和解码。该补偿等同于对任意给定子载波将所接收的信号乘以信道增益的倒数。该方法的缺点是增加了接收时的噪声电平，特别是当信道增益的值较小时，这也是在衰落情形中常见的情形。
发明内容
因而，本发明提出了一种对在N个载波上传输的信号执行空分多路复用的传输方法，以所确定的每载波功率Pu来发送信号，从而克服衰落现象而不增加所接收的信号中的噪声电平。
所提出的方法是一种用于具有被传输信道分开的至少一个发送天线和至少一个接收天线的系统的传输方法，该系统对在多个载波上传输的信号执行空分多路复用。以为每个载波确定的相应的功率通过各个载波来发送所述信号。该方法运用确定的判据将所述N个载波中的一组载波分布到子组中。该方法确定要由每个载波子组发送的一组功率。每组所确定的功率遵循该组的总发送功率在该组载波中的最佳频率分布。通过在一组的所确定的功率的和等于子组的载波的数目乘以通过所有载波发送的总平均功率的乘积的约束下最小化总误差判据(BER，PER)来确定该组。
通过搜索使每载波子组的总误差判据(通常是总比特误差率(BER))能够最小化的一组发送的功率，本发明的方法考虑传播条件，以调整在各个载波上发送的功率，并因而使得能够获得所发送的功率的最佳频率分布，用来更好地克服衰落现象，并且因而改进了系统的效率。
该总误差判据通常是比特误差率(BER)，但是它也同样可以是分组误差率(PER)，其是在依赖于例如卷积码、turbo码或LDPC码来实现信道编码的系统中通常使用的误差测量判据。在所谓的编码系统中，可以利用BER和PER这两种总误差判据。
在相邻子载波之间的传播信道变化通常缓慢地发生。因此，在大量衰落情况下，与信道相关联的变化引起相邻子载波中的大量干扰。
因而，在特定的实现方式中，将受诸如衰落的信道干扰影响最强烈的子载波与受影响最小的子载波分组在一起。评价衰落在频域中的影响的方法包括计算信道系数的功率，通常写作|Hm|2，其中m是载波索引。在这样的环境下，用于在子组中分布载波的判据是信道系数的功率电平。
通过参考作为非限制示例而给出的附图进行的下面描述，本发明的其它特征和优点将变得明显。
图1是实现本发明的方法的包括无线传输的传输系统的框图。
图2是本发明的方法的流程图。
图3是本发明的方法的第一实现方式的流程图。
图4是本发明的方法的第二实现方式的流程图。
图5是实现本发明的方法的具体实现方式的具有无线传输的传输系统的框图。
具体实施例方式 图1是示出实现本发明的方法的传输系统SY的示例的图。该系统包括发送器EM(代表发射器)、发送天线TX、接收天线RX和接收器RE。发送和接收天线被传输信道CH分开。
通过返回循环(return loop)和关于所发送的信号的每子载波权重系数来图示地表示本发明的方法1。该方法基于对信道的传输条件的了解来优化每子载波发送的功率的分布。返回循环使得能够在整个误差判据的表达式中考虑信道状态信息(CSI)。返回循环是利用导频符号的例证，其使得能够通过运用本领域技术人员公知的技术来确定信道的特征，特别是确定信道的传递函数。依赖于例如频分双工或时分双工(FDD或TDD)型的传输的模式，在发送器处对Hm的了解需要或不需要将信息从接收器返回到发送器。
因而，这使得能够知道每个信道系数的模(modulus)和相位
图2是本发明的方法的流程图。
方法1是通过空间分隔来多路复用用于在N个载波上传输的信号的传输方法。以确定的每载波功率Pu来发送信号。
在第一步骤2中，该方法通过运用确定的判据将N个载波中的一组载波细分为子组。
该判据典型地是传输信道的系数的功率电平|Hm|2。
在第二步骤3中，在先前步骤之后或与先前步骤交错地，该方法确定每子组要发送的一组功率。
参考图3和图4更详细地描述该方法，图3和图4是本发明的方法的第一和第二实现方式的相应的详细流程图。
在这些实现方式中，将第一和第二步骤2和3重复某个数目的次数。
第一步骤2包括第一子步骤和第二子步骤。
在第一子步骤4中，该方法确定一组载波。
在第一实现方式中，对于第一次迭代，该组是由N个子载波组成(5)。
在第二实现方式中，对于第一次迭代，该组由该组N个载波的子组组成(6)。该子组包括相同数量的受到信道最多干扰的子载波和受到最少干扰的子载波。通过保留对于其关于误差判据获得的值大于参考值的那些子载波来选择受到最多干扰的子载波。
下面参考其中总误差判据是二进制误差率(BER)的具体示例给出对该第二实现方式的描述。在这样的情况下，该实现方式依赖于下面的假设即可以通过下面的公式来估计与子载波m相关联的二进制误差率BERm， BERm≈a.exp(-b.βm.pm/(M-1)) (7) 其中 并且，其中M＝2Nm是调制字的数目(假设Nm是每符号的比特的数目)，Gm是由于在频率m上的选择频率衰落而导致的信道补偿值，a＝0.1是第一试探(heuristic)系数，而b＝3.0是第二试探系数。利用迫零均衡，通过下列公式给出Hm和Gm之间的关系 其中，*意味着共轭值； 并且当使用最小均方误差(MMSE)均衡时，在Hm和Gm之间的关系变为等于 其中，
表示噪声的方差。
这样，为了将对子载波获得的二进制误差率与参考值进行比较，利用pm是在子载波m上发送的功率的近似而将对所述子载波获得的值βm与对应于BER参考值的阈值β相比较就足够了。作为示例，参考BER等于10-4。因而，为了确定子组，该方法将阈值跟与各个子载波相关联的βm值进行比较。该方法选择其βm大于阈值的那些子载波，即导致二进制误差率大于参考率的那些子载波。伴随该选择的是呈现βm的最佳值从而呈现最低的二进制误差率的相同数目的子载波。该第二实现方式的优点在于不像第一实现方式那么复杂，因为仅对子载波中的一些确定发送功率。
在两种实现方式中，在随后的迭代期间，该组载波被还原(7)为在先前迭代期间被分组在一起的子载波。
在第二子组8中，在迭代i期间，该方法将Ntg/2个信道增益最强的子载波和Ntg/2个信道增益最弱的子载波一起编成大小为Ntg的第i子组。
在第一实现方式中，在该过程中的迭代的数目通常等于N/Ntg。该第一实现方式假设满足下面的约束N模Ntg＝0，这相当于说N/Ntg＝k，其中k是自然数。在第二实现方式中，迭代的数目I小于N/Ntg。
在第二步骤3中，在先前步骤之后或与先前步骤交错地，该方法确定每子组发送的一组功率。所确定的该组功率遵循为所述组发送的总功率在该组的子载波中的最佳频率分布。在该组子组的功率和等于子组中的载波数目Ntg乘以在N个子载波上发送的平均总功率P的乘积的约束下，通过最小化总误差判据来获得该最佳分布。以下面的形式来表示该约束 在该表达式中，Ntg和Pm分别是对其执行最小化的子组的大小、和分配给该子组的子载波m的功率。
该总误差判据通常是二进制误差率BER。二进制误差率BER是信噪比SNR的函数。在具有平坦衰落的信道中，可以将该比率表示为每子载波m发送的功率pm和系数βm的函数 BER＝f(βm，pm) (10) 其中，通过等式(8)来确定βm。
当二进制误差率BER对与子载波对应的每个频率子带最小化时其最小。为了确定最小值，一种方案包括使用拉格朗日算法。可以如下表示最小化 minf(βm，pm) 其中 等式(11)表示下述事实即该方法在通过所有Ntg个子载波发送的总功率必须是恒定和固定的约束下通过确定所发送的功率的最佳组来最小化BER。
通过实现拉格朗日算法可以求解方程(11)。对于子载波的每个子组，可以以下面的形式表示拉格朗日量 为了获得所发送的功率的最佳组，该方法求解下述方程组 通过引入由等式(7)给出的对BER的简化估计，可以以下面形式表示方程组(13) 这导致对于子载波的预定的发送功率的下列表示 当实现拉格朗日算法导致无法描述的物理事实的方案时，通常是当所获得的功率为负时，该方法考虑附加约束。在这样的情况下，该方法可以从该组子载波中消除子载波。
在所描述的第一实现方式中，该方法通过最小化总误差判据来确定对于每个子组的每个子载波的所发送的功率。
图5是使用无线传输并且实现本发明的方法的具体实现方式的传输系统的框图。图5中与图1中的元件相同的元件被给予了相同的参考数字，并且不再描述它们。
在该特定的实现方式中，该传输方法(1)进行传输，以补偿由信道引入的相移
因而，对于每个子载波m，要发送的信号Vm被相移了值
并且被所确定的发送功率值的平方根加权。这可以用下面的等式来表示
可以使用各种手段来实现本发明的方法。例如，可以以硬件形式、软件或其两者的组合来实现本方法。
对于硬件实现方式，可以将发送器中用来执行各种步骤的用于确定功率组的模块集成在一个或多个专用集成电路(ASIC)中、一个或多个数字信号处理器(DSP、DSPD)中、可编程逻辑电路(PLD、FPGA)中、控制器、微控制器、微处理器、或被设计为执行上述功能的任何其它电子组件中。
在软件实现中，可以通过执行上述的功能的软件模块来实现本发明的传输方法的一些或所有步骤。该软件代码可以被存储在存储器中，并且可被处理器执行。存储器可以形成处理器的一部分，或它可以在处理器的外部并通过本领域人员公知的方式耦接到处理器。
因此，本发明还提供了一种计算机程序，具体地是在数据介质或存储器上或其中的计算机程序，并且适合于实现本发明。该程序可以利用任何编程语言，并且它可以是源代码、目标代码或介于源代码和目标代码之间的代码的形式(诸如部分编译的形式)或是用于实现本发明的方法所希望的任何其它形式。
数据介质可以是能够存储程序的任何实体或设备。例如，介质可以包括诸如只读存储器(ROM)(例如CD-ROM)、微电子电路ROM的存储装置、或甚至于磁记录装置，例如软盘或硬盘。
此外，数据介质可以是适合于被电缆或光缆、无线或其它手段传送的诸如电或光信号的可传输介质。具体地，本发明的程序可以从因特网类型的网络下载。
因此，本发明还提供了一种用于对通过N个子载波发送的信号执行空分多路复用的发送器中的数字信号，以所确定的每载波功率Pu来发送所述信号。该数字信号至少包括用于使发送器执行下列步骤的代码 运用预定判据将N个载波中的一组载波分布到子组中；以及 在一组的功率的和等于子组的子载波的数目Ntg乘以通过N个子载波发送的总平均功率的乘积的约束下，通过最小化总误差判据来确定一组每子组发送的功率，该组功率满足该组发送的总功率在该组的子载波中的最佳频率分布。
权利要求
1.一种对在N个子载波上传输的信号执行空分多路复用的传输方法(1)，依赖于传输信道的系数的功率电平而将取自该N个子载波的一组子载波分布(2)到子组中，以及确定(3)每个子组的所发送的一组功率，
该方法的特征在于
利用所确定的每子载波的功率Pu来发送信号；以及
通过在一组的功率的和等于子组的子载波的数目Ntg乘以通过所述N个子载波发送的平均总功率的乘积的约束下最小化每子载波的总误差判据，每个子组所发送的一组功率遵循由该组发送的总功率在该组的子载波中的最佳频率分布。
2.根据权利要求1所述的传输方法(1)，其中，通过发送器(EM)来发送要通过N个子载波发送的所述信号，并且通过该发送器和所发送的信号的接收器(RE)之间的传输信道(CH)来发送该信号，并且其中以作为由传输信道引入的相移的逆反值的相位值来相移用于传输的信号(V0、...、VN-1)。
3.根据权利要求1和2中的任何一个所述的传输方法(1)，其中，所的子载波部分地由作为关于总误差判据的参考值的函数而选择的子载波组成。
4.根据权利要求1至3中的任何一个所述的传输方法(1)，其中，通过拉格朗日算法来最小化所述总误差判据。
5.根据权利要求1至4中的任何一个所述的传输方法(1)，其中，所述总误差判据对应于二进制误差率BER。
6.根据权利要求5所述的传输方法(1)，其中，通过指数函数来估计所述二进制误差率，以获得所确定的每子载波功率Pu的分析表达式。
7.根据权利要求1至4中的任何一个所述的传输方法(1)，其中，所述总误差判据对应于总分组误差率PER。
8.一种对在N个子载波上传输的信号执行空分多路复用的发送器(EM)，包括用于依赖于传输信道的系数的功率电平而将取自该N个子载波的一组子载波分布到子组中的模块，
该发送器的特征在于
利用所确定的每子载波的功率Pu来发送信号；并且
所述发送器还包括下述模块，用于通过在一组的功率的和等于子组的子载波的数目Ntg乘以通过所述N个子载波发送的总平均功率的乘积的约束下最小化每子载波的总误差判据、从而确定遵循由该组发送的总功率在该组的子载波中的最佳频率分布的每个子组所发送的一组功率。
9.一种包括根据权利要求8所述的发送器(EM)的传输系统(Sy)。
10.一种数据介质上的计算机程序，所述程序包括当在发送器上加载并执行所述程序时适合于实现根据权利要求1至7中的任何一个所述的传输方法的程序指令。
11.一种数据介质，包括当在发送器上加载并执行所述程序时适合于实现根据权利要求1至7中的任何一个所述的传输方法的程序指令。
全文摘要
本发明涉及一种用于具有N个载波的发送器(EM)的传输方法(1)。该方法涉及基于预定判据将N个载波中的一组载波分布到子组中，并且在一组功率电平的和等于子组载波的数目Ntg乘以在N个载波上发射的平均总功率的乘积的条件下最小化总误差判据(BER)的同时，确定每个子组发射的一组功率电平，其服从该组发射的总功率在该组子载波中的最佳频率分布。
文档编号H04L27/26GK101390357SQ200780006406
公开日2009年3月18日 申请日期2007年2月23日 优先权日2006年2月23日
发明者弗拉迪米尔·博克特 申请人:法国电信公司