基于信道的相干带宽在ofdm系统中选择保护间隔长度的制作方法

专利名称：基于信道的相干带宽在ofdm系统中选择保护间隔长度的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及无线通信技术，更具体地涉及基于无线信道内的 频率相关特性来确定保护间隔长度。
背景技术：
无线通信及其对于很多不同市场的应用的重要性是众所周知的。 无线技术和设备被连续地改进为包括新的特征和功能，这些新的特征 和功能使得用户能够更有效地传送语音和数据。 一个这样的特征
(WLAN通信)被集成到包括蜂窝电话、智能电话和个人数字助理
("PDA")的多个不同的无线设备中。
无线设备可以在点对点连接或在网际连接(例如无线局域网
("WLAN"))上彼此通信。WLAN接入点作为网络上的网关，并且 允许无线设备在网络上与其它设备通信。这种通信常常需要设备之间 的通信信道符合特定通信标准，例如正EE 802.11标准。为了建立通 信信道，无线设备和/或接入点对信道进行分析，以定义特定通信特性。 这种通信信道可以采用在信道内通过多个不同载波来发送数据 的正交频分复用("OFDM")。 OFDM系统的特征在于具有较高的谱效 率和对RF干扰的较好的恢复性(resiliency)。由于信号失真而导致 OFDM信道是多径的，信号失真可能由多种因素所导致，包括温度、 压力、湿度等等的空间变化，其导致了反射率以及各种物体对信号的 反射的变化。因为无线LAN环境实质上是多径衰落信道，所以在频 域内，多组频率可能衰减并且其相位被旋转，并且在时域内，邻近码 元可能拖尾进入彼此。这种类型的干扰被称为码间干扰。
OFDM通过给每个码元插入保护间隔来解决码间干扰。保护间隔 典型地是OFDM码元的周期延拓，但不传送新信息。保护间隔旨在防 止由于多径信道所导致的码元之间的拖尾。
然而，保护间隔的使用导致了数据率的低效。随着保护间隔的长 度增加，更多时间专门用于保护间隔，而不是传送新的数据。另一方 面，如果保护间隔长度太小，则由码间干扰所导致的多径失真可能变
得太大，并且在OFDM接收机处产生问题。

发明内容
描述一种用于选择保护间隔长度的系统、设备和方法。本发明提 供了一种通过在频域内执行多个操作来选择OFDM信道的保护间隔 长度的高效方式。具体地说，通过使用信号相干带宽与RMS延迟之 间的关系来标识最小保护间隔长度。
无线设备接收OFDM信号，并且典型地将该信号变换到频域。可 以执行变换的一种方法是通过对信号施加离散傅立叶变换。
针对使用OFDM信号的无线信道，确定相干带宽。在一个实施例 中，可以使用OFDM信号的频率相关特性来确定相干带宽。然后，根 据RMS延迟与所述相干带宽之间的反比关系，通过使用所确定的相 干带宽来估计RMS延迟。这种估计将量度从频域有效地映射到时域， 在时域中，存在对保护间隔长度的量度。可以将比例因子应用在估计 处理中，估计处理取决于所确定的信号的相干带宽。
使用RMS延迟来标识保护间隔长度。具体地说，根据信道RMS 延迟来确定最小保护间隔长度。接下来，选择比所述最小长度长的适 当的保护间隔长度，并将其用于OFDM信号中。


将参照本发明的实施例，其示例可以在附图中示出。这些附图是 示例性的，而并非限制性的。尽管通常在这些实施例的上下文中描述 本发明，但应理解，这并非旨在使本发明的范围局限于这些特定实施 例。
图1示出根据本发明的一个实施例的包括无线设备可以与之通信 的接入点的WLAN。
图2是根据本发明的一个实施例的包括数据帧和保护间隔的无线
信道的示图。
图3是根据本发明的一个实施例的正交频分复用系统的示例性框图。
图4是根据本发明的一个实施例的选择保护间隔长度的装置的框图。
图5A是示出根据本发明的一个实施例的OFDM信道内的载波频
率的示意图。
图5B是示出根据本发明的一个实施例的OFDM信道的示例性频 率协方差函数曲线图。
图6是示出根据本发明的一个实施例的用于确定保护间隔长度的 方法的流程图。
具体实施例方式
描述了一种用于标识可以在OFDM系统内使用的保护间隔长度 的系统、装置和方法。在本发明的一个实施例中，将所接收到的信号 变换到频域，并且针对该信号内的载波，计算对应的频率协方差函数。 通过使用该频率协方差函数，标识该信号内的载波的频率相关。通过 将第一阈值应用于信号的频率相关来确定相干带宽。
可以根据相干带宽与方均根("RMS")延迟之间的反比统计关系， 使用先前所确定的相干带宽来估计时域内的RMS延迟。通过使用 RMS延迟，标识OFDM信号的最小保护间隔长度。在一个实施例中， 可以通过将所标识的最小保护间隔长度与根据标准所定义的多个长度 进行比较，来确定实际的保护间隔长度。选择比所标识的最小保护间 隔长度长的最高效的保护间隔长度。
在以下描述中，为了说明，阐述具体细节，以便理解本发明。然 而，对于本领域技术人员而言，显而易见的是，可以在没有这些细节 的情况下实践本发明。此外，本领域技术人员应认识到，以下所描述 的本发明的实施例可以包括多个不同的无线设备，该无线设备包括无 线接入点、无线路由器、蜂窝电话、智能电话以及PDA等。本发明可 以被集成到这些无线设备内作为硬件、软件或固件。相应地，下面在
框图中所示的结构和设备示出本发明的特定实施例，并且旨在避免使 得本发明含混不清。此外，附图中的组件和/或模块之间的连接并非旨 在局限于直接连接。此外，可以通过中间组件或模块来对这些组件和 模块之间的数据进行修改、重新格式化或者以其它方式改变。
在本说明书中对"一个实施例"、"另一实施例"或"实施例"的 参考表示结合实施例所描述的特定特征、结构、特性或功能被包括在 本发明的至少一个实施例中。在说明书中多处出现的短语"在一个实 施例中"并非一定全部指的是同一实施例。
A.系统概述
图1示出了 WLAN，其具有多个无线设备可以与之通信的接入点。 WLAN包括无线接入点140;多个网络站，其可以包括计算机125、 135;以及移动无线设备115，例如蜂窝电话。无线接入点140可以包 括网络交换机或路由器。
无线接入点140和其它设备115、 125、 135通过使用无线多径信 道120、 130、 145 (例如OFDM信道)来彼此通信。OFDM信道是在 其中通过多个频率来发送信号的多载波信道。可以根据其中产生通信 的环境和信道特性来调整这些信道120、 130、 145内的信号结构。例 如，特定通信信道可能具有因多径反射而导致的大量码间干扰。在这 种情况下，在该信道上进行通信的设备将需要解决由这样的反射所导 致的多径失真。
图2示出了 OFDM信道中的示例性信号结构。在一个示例中， WLAN接入点220经由OFDM信号210与移动无线设备215通信。 可以根据特定格式或结构在该信道210上发送并接收数据。在一个特 定实例中，由保护间隔240来分离包含码元的数据帧230。保护码元 240可以是周期性的，或是数据帧230内的码元的周期延拓。
典型地，因为没有任何新的数据被包括在保护间隔240中，所以 接收机可以忽略保护间隔240。接收机丢弃该保护间隔，以消除信道 210内的任何码间干扰。本领域的技术人员应理解，保持保护间隔240 的距离的重要性比由多径信道120而导致的任何潜在拖尾更大。
保护间隔240的丢弃通过有效地使用未用于传送新数据的信号的 一部分而有效地降低了 OFDM系统的性能。相应地，重要的是，保持 足够长的保护间隔以避免码元拖尾；然而，这种保护间隔长度可能降 低系统在其它通信方面的性能。
图3示出了根据本发明的一个实施例的在其中选择保护间隔长度 并将其插入信号的OFDM系统。接收机370接收OFDM信号，并移 除该信号内的保护间隔365。 FFT模块360将信号变换到频域。其后， 由解调器355对频域信号进行解调，并由解码器350对其进行解码。 其它设备和组件也可以被包括在接收机的数据路径内。
频率协方差模块335接收来自接收机数据路径的频域信号。在一 个实施例中，频率协方差模块335在FFT模块360之后、在解调之前 接收频域信号。频率协方差模块335使用协方差函数来标识信号内的 频率相关。随后这种相关用于推导信号的相干带宽。RMS延迟计算模 块340估计与所推导出的相干带宽关联的RMS延迟。其后，由保护 间隔选择器345使用信号的估计的RMS延迟来选择最小保护间隔长 度。下面将更详细地描述对这种最小保护间隔长度的选择。
示出了发送数据路径，其中，编码器310对频域内的数据进行编 码，调制器315将数据调制到信号上。IFFT模块320将已调频域信号 变换到时域。保护间隔插入模块325将码元之间的保护间隔插入信号， 以防止时域内的数据.的拖尾。保护间隔插入模块325与保护间隔选择 器345进行接口，以标识必须插入的最小保护间隔长度。在本发明的 各个实施例中，保护间隔插入模块325可以使用比所标识的最小保护 间隔长度长的不同的保护间隔长度。例如，标准可以定义可以被添加 给信号的多个保护间隔长度，保护间隔插入模块325可以选择与该标 准以及所标识的最小保护间隔长度有关的优选的保护间隔长度。其后， 发送机330将OFDM信号发送给对应的接收机。
B.保护间隔长度标识 图4是根据本发明的一个实施例的保护间隔长度标识器的框图。 基于对信道频率相关、相干带宽和RMS延迟的分析来标识适当的保
护间隔长度。可以在OFDM发送机或接收机处执行这种分析。
如上所述，接收时域中的OFDM信号。通过使用傅立叶变换415，
将OFDM信号变换到频域。在这个特定示例中，与时域相比，在频域
中执行对信号的频率相关的分析占用较少资源。本领域公知的各种类
型的组件可以用于将信号从时域变换到频域。
频率协方差模块420计算到来的OFDM信号的频率协方差函数。
可以如下在频域中表示OFDM信号
其中，N是频音(frequency tone)的数目，X是OFDM信号中的窄 带信号。可以通过图5A所示的示例性子载波索引图来以图形方式在 频域中表示这个OFDM信号。在这个图示中，示出了多个频率，每一 频率均具有特定幅度。这些频率中的每一个都作为OFDM信道内的载 波，并且被调制为包含数据。可以执行各种调制技术，例如正交幅度 调制("QAM")或二进制相移键控("BPSK")。
这些频率中的每一个的相关可以用于标识OFDM信道的特定特
性以及在其中所使用的保护间隔的最小长度的对应关系。具体地说， 频率协方差模块420根据下式计算协方差函数-
其中，C(m)统计地测量OFDM信道内的两个频率之间的关系。这个协 方差函数可以用于根据下式来定义OFDM信道的相关函数
其中，R(m)是被限定在范围1与O之间的频率关系的统计测量。
图5B示出了根据本发明的一个实施例的示例性频率协方差函数 示图。该频率协方差函数提供N个整数值的离散协方差值。在本发明 的一个实施例中，在1与0之间限定频率协方差，其中，1表示完全 相关，而0表示不相关。本领域技术人员应认识到，可以根据协方差 函数生成各个频率相关函数和曲线图；所有这些函数和曲线图均落入 本发明的范围内。
频率协方差模块420将阈值540应用于频率相关函数，以标识适 当的相干带宽550。相干带宽描述了其中OFDM信道以同等增益和线 性相位使得其谱分量通过的频率范围。
在本发明的一个实施例中，可以将阈值540定义为.9，并将其应 用于相关函数R(m)。在本实施例中，根据频率相关函数R(m)，找到 值M，并且将其定义为在其上频率相关大于或等于.9的频率范围。例 如，如果应用了.9，则标识特定R(m)值(例如值32)。根据802.11a， 可以将总带宽定义为20MHz，并且可以将最大M值定义为64。通过 使用该信息，可以如下定义相干带宽(Be):
(32/64) x 20MHz = 10MHz
在这种情况下，10MHz的相干带宽将与90%或更大的频率相关有 关。本领域技术人员应认识到，如果使用了归一化的相关函数，则所 应用的阈值的范围可以从0到1，或者，可以是根据特定相关函数的 特性的任意范围。
RMS延迟计算模块430计算与所标识的相干带宽相关联的RMS 延迟。这种计算将后续信号处理从频域有效地变换到时域。RMS延迟 是从RMS信道冲击响应中推导出的，并表示多径信号的幅度和时延。 RMS延迟(DR)与信号的相干带宽成反比，从而
其中，Be是相干带宽，DR是信号的对应RMS延迟，X是比例因子。
通过使用这一关系，RMS延迟计算模块430能够从其先前所选择 的相干带宽推导出OFDM信道的RMS延迟。具体地说，统计关系(包 括比例因子X)可以用于根据所计算出的相干带宽来估计RMS延迟。 例如，在上述示例中，其中，计算10MHz相干带宽，X等于5，其导 致对于对应的RMS延迟的.5ps的估计。本领域的技术人员应认识到， 可以使用各种方法来将相干带宽与RMS延迟联系；所有这些方法均 落入本发明的范围内。在"Mobile Radio Communications" Steele, R" IEEE Press (1994)中提供了对RMS延迟与相干带宽之间的关系的这一
描述o
保护间隔选择器440基于所计算出的RMS延迟来选择适当的保 护间隔长度。因为RMS延迟是从OFDM信道冲击响应中推导的，所 以可以从RMS延迟中确定适当的保护间隔长度，以补偿信道内的多 径效应。
如上所述，保护间隔防止了时域内的码元拖尾。随着RMS延迟 扩展增加，信号衰落量在需要较长保护间隔的频率之间更广泛地波动。
在本发明的一个实施例中，设置保护间隔的最小长度，使得RMS 延迟扩展比保护间隔长度小。具体地说，可以执行对OFDM信道的 RMS延迟的分析，以标识由多径信号所导致的延迟量，并选择解决这 种多径失真的适当的保护间隔长度。
保护间隔长度的选择还可以取决于其它因素。例如，可以存在预 定的保护间隔长度。所提出的IEEE 802.11n可以定义可以为了用于 OFDM信道内而选择的多个可能的保护间隔长度。根据这个将来标准 的建议，可以选择.8ps或.4^is的保护间隔长度。在上述示例中，RMS 延迟可以近似为.5ps。在这种情况下，因为.4ps的保护间隔长度比近 似后的RMS延迟小，所以将选择.8]Lis的保护间隔长度。
在一个实施例中，可以在接收机处执行对保护间隔长度的选择， 并将其提供给发送机。在另一实施例中，发送机可以假设时分双工 ("TDD")系统中的信道互惠，并选择保护间隔长度。
可以在这两个无线通信设备处执行对保护间隔长度的选择。在不
同的实施例中，对无线通信的设备中的一个执行保护间隔的计算和选 择，而另一设备从其在无线信道上接收到的信号中推导保护间隔长度。
具体地说，接收OFDM信号的设备可以分析其所接收到的保护间隔， 并将该保护间隔长度应用于其在OFDM信道上的传输。
C.选择保护间隔长度的方法
图6示出了根据本发明的一个实施例的用于独立于结构地选择保 护间隔长度的方法。无线设备接收610 OFDM信号，并将该信号变换 620到频域。 一种可以执行变换的方法是通过对信号施加傅立叶变换。
针对OFDM信号，确定630相干带宽。在一个实施例中，可以使 用OFDM信号内的频率相关特性来确定相干带宽。使用已确定的相干 带宽来计算640RMS延迟，其后将信号处理有效地变换到时域。RMS 延迟与相干带宽成反比，并且可以从中统计地估计。在这种估计中， 比例因子是必须的。
使用RMS延迟来标识650保护间隔长度。具体地说，根据信号 RMS延迟来确定最小保护间隔长度。其后，选择与该最小长度长的适 当的保护间隔长度，并将其用于OFDM信道中。
尽管己经参考特定实施例描述了本发明，然而本领域的技术人员 应认识到，可以提供各种修改。本发明提供了对于实施例的各种变化 和修改，本发明仅由所附权利要求所选定。
权利要求
1. 一种用于为多径信道选择保护间隔长度的装置，所述装置包括天线接口，耦合至天线，以接收并发送信号；频率协方差模块，耦合为接收频域中的信号，以标识所述信号的相干带宽；RMS延迟计算模块，耦合为与所述频率协方差模块进行通信，以估计与信号的所述相干带宽相关联的RMS延迟；以及保护间隔选择器，耦合为与所述RMS延迟计算模块进行通信，以基于信号的所述RMS延迟来选择保护间隔长度。
2. 如权利要求1所述的装置，其中，使用傅立叶变换将所述信 号变换到频域。
3. 如权利要求1所述的装置，其中，所述频率协方差模块使用 协方差函数来标识信道载波频率与对应幅度之间的关系。
4. 如权利要求3所述的装置，其中，所述频率协方差模块通过 将1与O之间的阈值应用于所述协方差函数来标识所述相干带宽。
5. 如权利要求4所述的装置，其中，所述相干带宽被选择为.9， 并且定义了频率带宽。
6. 如权利要求4所述的装置，其中，所述RMS延迟计算模块标 识与所标识的相干带宽关联的RMS延迟。
7. 如权利要求6所述的装置，其中，所述RMS延迟与所标识的 相干带宽彼此成反比，并且通过比例因子而联系。
8. 如权利要求1所述的装置，其中，所述装置位于无线接收机 中，并且经由反馈连接向发送机提供所述保护间隔长度。
9. 如权利要求1所述的装置，其中，所述装置位于无线发送机 中，并且通过假设在所述发送机操作于其中的时分双工系统中的信道 互惠来选择所述保护间隔长度。
10. —种用于在无线信道内选择保护间隔的长度的方法，所述方 法包括 接收多径信号；将所述多径信号从时域变换到频域；使用所述信号内的频率之间的相关来确定所述多径信号的相干带宽；使用所确定的相干带宽来计算所述时域内的RMS延迟；以及 基于所述计算出的RMS延迟来标识多径通信信道的保护间隔长度。
11. 如权利要求IO所述的方法，其中，所述多径信号是正交频 分复用信号。
12. 如权利要求10所述的方法，还包括步骤计算所述多径信 号的协方差函数，其中描述了频率和对应幅度。
13. 如权利要求12所述的方法，其中，通过将卯％的阈值应用 于从所述协方差函数中推导出的频率相关函数来确定所述相干带宽。
14. 如权利要求13所述的方法，其中，所述RMS延迟与所述相 千带宽成反比，并且通过比例因子5而联系。
15. 如权利要求IO所述的方法，其中，将所述保护间隔长度选 择为比从所述RMS延迟中导出的最小保护间隔长度长。
16. —种在计算机可读介质上具体实现的计算机程序产品，用于 选择保护间隔的长度，所述计算机程序产品包括用于执行以下步骤的 计算机指令接收多径信号；将所述多径信号从时域发送变换到频域；使用所述信号内的频率之间的相关来确定所述多径信号的相干带宽；使用所确定的相干带宽来计算所述时域内的RMS延迟；以及 基于所述计算出的RMS延迟来标识多径通信信道的保护间隔长度。
17. 如权利要求16所述的计算机程序产品，还包括用于计算所 述多径信号的协方差函数的计算机指令，在所述协方差函数中描述频 率和对应幅度。
18. 如权利要求17所述的计算机程序产品，其中，通过将90% 的阈值应用于从所述协方差函数中推导出的频率相关函数来确定所述 相干带宽。
19. 如权利要求16所述的计算机程序产品，其中，将所述计算机指令存储在无线通信设备的计算机内的存储器中。
20. 如权利要求16所述的计算机程序产品，其中，将所述保护 间隔长度选择为比从所述RMS延迟中推导出的最小保护间隔长度长。
全文摘要
描述了一种为多径通信信道选择保护间隔长度(345)的系统、装置和方法。在一个实施例中，基于所选择的相干带宽(335)与该通信信道的RMS延迟(340)之间的关系来选择保护间隔长度。
文档编号H04L27/26GK101395877SQ200780007183
公开日2009年3月25日 申请日期2007年2月24日 优先权日2006年3月1日
发明者鹏·李 申请人:Nxp股份有限公司