专利名称：可变ofdm子信道编码与调制的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及无线通信，且更具体涉及高效使用OFDM子信道的系统。 相关技术的讨论
频分多路复用(FDM)是在不同的频率载波上调制多个信号的一个周知 的过程。FDM已经在无线电和电视广播方面使用了数十年。无线电和电视信 号在不同频率上收发，每个信号对应于不同的"信道"。
正交频分多路复用(OFDM)至少从1960年代晚期起在本领域中也己知 了。在OFDM中，单个发送器在许多不同的正交频率上同时发送。正交频率 是对于这些频率之间的相对相位关系而言无关的频率。在OFDM中，可用的 带宽被细分成多个等带宽的"子信道"。OFDM有益于无线通信，因为它减少 了信号传输之间的干扰或串话，最终允许以较高的吞吐量且较少的差错地进行 数据传输。OFDM也称为离散多音频调制(DMT)。在当今用于无线通信的 许多标准中使用OFDM。例如，IEEE 802.11a无线LAN标准和802.1 lg无线 LAN标准都依赖于信号传输的OFDM实现。 一个较早描述OFDM的参考资料 是R.W.Chang在贝尔系统技术期刊(Bell System Technical Journal)(46)， 1775-1796(1966)发表的 Synthesis of band-limited orthogonal signals for multi-channel data transmission(对用于多信道数据传输的限带正交信号的合 成)。
OFDM因而通过将一个高速数据流分解成多个较低速数据流来工作，这 些低速数据流然后并行(即同时)发送。每个较低速流用于调制一个副载波。 这通过将宽频带(即信道)划分成多个较窄的频带(即子信道)来创建"多载 波(multi-carrier)"传输，其中每一个较窄的频带用一个信号流调制。通过同时 以较低速率发送多个信号流，诸如多径或瑞利衰落(Raleigh fading)的干扰被削弱或消除而不降低传输的总速率。 发明概述
本概述以简化形式提供本发明的各方面的说明性上下文。它旨在用于确定 要求保护主题的范围。本发明的各方面在下面的详细描述中更完整地描述。
本文描述的是用于基于在OFDM系统中每一个子信道上检测到的能量为 该子信道选择调制方案和纠错编码方案的系统和方法。
附图简述
附图不必按比例绘制。在这些附图中，各附图例示的每一相同或近乎相同 的组件由相同的标号表示。为了清楚起见，不是每一组件在每一附图中都加了 标签。在附图中
图1是示出将要使用的信道带宽细分成若干等宽的子信道的频谱图。
图2是多载波OFDM数字通信系统的框图。 图3是例示本发明的一个实施例的流程图。 图4是实现本发明一些方面的系统的示意图。
详细描述
本发明论及OFDM子信道的新颖用法。按照要求保护的本发明，可用特 别适于每个OFDM子信道的特性的不同调制方案和/或纠错编码方案来调制每 个OFDM子信道。本发明可用硬件或软件或者它们的某种组合来实现。实施 例包括系统、方法和存储在计算机可读介质中的指令。
计算机可读介质可以是可由计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限 制，计算机可读介质可包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括 易失性与非易失性、可移动与不可移动介质，它们以任何用于存储诸如计算机 可读指令、数据结构、程序模块或其它数据的信息的方法或技术来实现。计算 机存储介质包括但不限于，RAM、 ROM、 EEPROM、闪存或其它存储器技术、 CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其它光存储、磁带盒、磁带、磁盘存储或 其它磁存储设备、其它类型的易失性与非易失性存储器、任何其它可用于存储所需信息并可由计算机访问的介质，以及上述诸项的任何合适组合。
计算机可读介质是可运输的，使得存储在其上的指令可加载到任何合适的
计算机系统资源上以实现本文讨论的本发明的诸方面。另外，应当了解，上述 存储在计算机可读介质上的指令不限于体现为在主机计算机上运行的应用程 序部分的指令。相反，这些指令可体现为任何类型的可用于对处理器编程以实 现下述本发明的诸方面的计算机代码(例如软件或微码)。
本发明在其应用时不限于在下面的描述中阐述或者在附图中例示的构造 细节和组件安排。本发明能够实现其它实施例并且可用各种方式来实践或者实 现。而且，本文使用的措辞和术语是为了描述的目的而不应视为限制。本文中 使用的"包括"、"包含"或"具有"、"含有"、"涉及"及其变体指涵盖 其后列出的各项目和其等效项目及其他项目。
如图l所示，在OFDM中，可用信道带宽『被细分成多个等带宽的子信
道。每个子信道足够窄，使得子信道的频率响应特性近乎理想。子信道的数量
是总可用带宽除以每个子信道的带宽。子信道的数量^因而可表示为
『
每个子信道A:具有相关联的载波。该载波可以表示为
其中^w是作为时间z的函数的子信道*的载波。a是子信道a的中频，
其中a的范围是0至《-1。
对每个子信道将码元速率1/r设置为等于相邻副载波的间隔4/;副载波因 而在符号区间r上是正交的，与副载波之间的相对相位关系无关。该关系可以
表示为
r
J"sin(2《"&) sin(2《f+^) & = 0
o
其中力-力="/ ;" = 1,2,…，与相位值0*和^无关。
在OFDM系统中，每个子信道上的码元速率相对于使用整个带宽『并且 以与OFDM系统相同的速率发律数据的单载波系统上的码元速率可以减少。 因此，OFDM系统中的码元区间r (码元速率的倒数)可以表示为
r =尺r,其中r,是使用整个带宽『且以与OFDM系统相同的速率发送数据的单载 波系统的码元区间。例如，如果一个信道的整个带宽上的码元速率是每秒7千 2百万码元，而信道划分成48个子信道，则每个子信道将只需每秒传送1.5百 万码元来达到相同的总数据速率。该较低的码元速率减少了码元间的干扰并且 因此减轻了多径衰落的影响。因此，OFDM为通信提供了优越的链路质量和鲁 棒性。
在OFDM系统中，发送器接收频域中的输入数据并将它转换成时域信号。 载波由时域信号调制用于无线传输。接收器接收该信号，对波解调，并将信号 转换回频域供进一步处理。
简化的OFDM系统示于图2。在例示的实施例中，输入数据流201是由 应用程序提供给OFDM发送器200的。在标准的TCP/IP通信栈中，该数据可 在物理层或数据链路层处接收；然而，本发明不限于任何特定的数据源或用于 将数据提供给发送器的机制，并且可用硬件或软件，并且可在网络栈的各层处 实现。输入数据流201由串行至并行缓冲器202接收。串行至并行缓冲器202 将串行数据流分解到若干并行数据流。并行数据流的数量等于可用于OFDM 广播的子信道的数量，即上面使用的尺。
在一个实施例中，串行至并行缓冲器202将从输入数据201收到的信息序 列划分成A个比特的帧。每一帧中的^个比特被解析到《个组中，其中第/ 个组被分配6,个比特。该关系可表示为
由串行至并行缓冲器202生成的每一并行数据流随后被送至多载波调制 器203。多载波调制器203用每一并行数据流调制每一 OFDM副载波。多载波 调制器203可以通过使用快速傅立叶反变换算法计算时域信号来高效实现，尽 管可使用任何将频域信号转换成时域信号的算法。
多载波调制器203可使用任何调制方案来调制每一传入的数据流。在优选 实施例中，信号是用正交调幅(QAM)调制的。可使用任何QAM星座图。例 如，调制器可使用16-QAM、 64-QAM、 128-QAM或256-QAM。调制方案可 基于所要求的数据速率、可用的子信道、每一子信道上的噪声或者其它因素来 选择。每一子信道可使用不同的星座图，例如取决于该子信道上的噪声。下面讨论本专利中要求保护的、用于选择不同调制方案和纠错方案的新颖的要求保 护的系统。
在该示例中，多载波调制器203因而生成《个独立的QAM子信道，其中 用于每个子信道的码元速率是1/r，而每个子信道中的信号具有独特的QAM
星座图。按照该示例，用于第i个子信道的信号点的数量可以表示为
M, = 26'
对应于《个子信道每一个上的信息信号的复数值信号点可以表示为Zp
其中々=0, 1,尺-1 。这些码元&表示多载波OFDM信号x(^的离散傅立叶
变换的值，其中在每个副载波上的调制是QAM。由于x^必须是实数值信号，
其W点离散傅立叶变换^^必须满足对称性质。因此，系统通过定义以下公式
从《个信息符号创建= 2〖个码元 一
"H 1
JT0=Re(Z0) A=Im(%。)
这里Z。分成两部分，每个部分均是实数。新的码元序列可以表示为^'， 其中A = 0, 1, ...,iV-l。每个子信道x"的W点直接傅立叶反变换因而可以表示 为
1 W-l
在该等式中，^是比例因子。序列x"(其中0<="<=^-1)因而对应
于由《个副载波组成的多载波OFDM信号V"的样本。
在204，用作保护区间的循环前缀被添加至每一并行调制的波。该保护区 间确保子信道将保持正交，即使多径衰落使得副载波在某种延迟传播情况下到 达接收器。在204，具有循环前缀的并行流随后被合并回单个串行流。最后， 数字数据流被转换成模拟信号205并被输出用于无线传输。
发送的信号可以由接收器210接收并被处理以恢复原始的数据流。首先， 模拟信号由模数转换器211转换回数字信号。在212，移除循环前缀并将分离 的副载波转换回分离的流。每一并行数据流由多载波解调器213解调，优选地 用快速傅立叶变换算法。最后在214，并行流被重新组装成单个串行流并输出至接收设备215。
本领域普通技术人员将了解到该系统的关键发明方面是分开选择要在每
个子信道上使用的调制方案和纠错编码方案的方法。该方法的一个示例在图3 中例示。
图3描绘本发明的一个优选实施例的流程图。图3例示发送器可使用的来 选择要用于每个子信道的调制方案和纠错编码方案的过程。该过程可用硬件或 软件实现。
在301，应用程序或操作系统请求特定数据速率用于传输。在该实施例中， 系统300随后遵循选择最佳调制方案和纠错编码方案的若干步骤以实现该请求 的数据速率。
系统以将调制方案和纠错编码方案与检测到的信噪比相关的阈值向量开 始。该向量可以表示为
= {《，《，.."6>」
0向量中的每个值是信噪比(或能级)以及相应的调制方案和纠错编码方 案。作为说明，9!可设置在+20dB处，02可设置在OdB处，而e3可设置在-20dB 处。阈值向量设置不同的调制方案和差错编码方案以对应于这些信噪比中的每 一个。调制方案可以是任何调制方案，例如包括正交调幅(QAM)方案、正 交相移键控(QPSK) 、 二进制相移键控(BPSK)或者任何其它方案。同样， 差错编码方案不限于任何特定的编码方案，而是可包括里德-所罗门 (Reed-Solomon)编码、巻积编码、维特比(Viterbi)编码或者任何其它编码方案。 向量将被优化，使得调制方案和纠错编码方案将适合相应的信噪比。
在本发明的一个实施例中，可选择基本纠错编码方案来应用于所有的 OFDM子信道。较高的差错率码随后从基码中穿孔，并且可基于在每个子信道 上检测到的噪声为每个子信道进行选择。穿孔是在已经应用了纠错码之后移除 部分奇偶检验位的过程。因为在移除部分奇偶检验位时减少了冗余，所以穿孔 具有与用较高码率的纠错码编码相同的效果。无论已经对多少比特穿孔，穿孔 都允许使用相同的解码器，因此在没有显著增加系统复杂性的情况下，相当程 度上增加了系统的灵活性。
在302，选择要使用的可用频谱的第一子信道。可任选地带有来自接收器反馈的发送器，在303检测该子信道上的能级。发送器随后在304通过将检测
到的能级与阈值向量中的值比较来选择所选择的子信道的调制方案和纠错方 案。如果检测到的能级落在阈值向量中的两个值之间，则选择较低阈值的相应
的调制方案和纠错编码方案。在数学上表示为如果^<五,<%+1，则选择调
制方案m,和纠错编码率i>发送器随后在305选择下一个子信道用于测试。该 过程从303至305重复，直至所有子信道有了基于每个子信道的信噪比的相关 联的调制方案和纠错编码方案。
一旦已经为每一 OFDM子信道选择了调制方案和纠错编码方案，就有可 能计算全部子信道上的总数据速率。系统随后可在306检查总数据速率是否超 过由应用程序提供的所需速率。如果是，则系统具有两个非排它的选择。它可 以在307为一个子信道选择较低阶的调制方案，或者可以在308为一个子信道 选择较低码率的纠错编码方案。如果系统选择较低阶的调制方案，则它可以为 具有最高阶调制方案或者具有最高信噪比的子信道选择该方案，或者可选择任 何任意子信道。同样，系统可为噪声最大的子信道或任何其它子信道选择较低 码率的纠错编码方案。然后重新计算新的调制方案或纠错编码方案的总数据速 率，并且重复步骤306至308直至总速率等于所需的速率。
另一方面，如果在309所需的速率超过计算出的总传输速率，则系统必须 在310调整阈值向量，使得为每个噪声级别选择的调制方案和纠错编码方案将 提供较快速率的传输。随后用新的阈值向量重复从302至305的过程。
图4例示本发明的另一个实施例。该图示出从应用程序401接受数据速率 并向OFDM发送器405提供有关如何发送数据的信息的系统400。系统400包 括能量检测模块402、调制选择方案模块403和纠错编码方案模块404。能量 检测模块402检测每个OFDM子信道上的噪声级别。由能量检测模块402收 集的数据被提供给调制选择方案模块403以及纠错编码方案模块404，它们或 者独立地或者共同地分别选择调制方案和纠错编码方案。所选的方案随后由系 统400提供给发送器405，后者随后可使用这些方案开始通过OFDM发送。
在又一个实施例中，本发明涉及具有用于执行各步骤的计算机可执行指令 的计算机可读介质。这些步骤包括测量每个OFDM子信道上的信噪级别并基 于对每个OFDM子信道测量到的信噪级别使用纠错编码方案和调制方案对每个OFDM子信道上的经调制信号编码。
因此已经描述了本发明至少一个实施例的若干方面，可以理解，本领域技 术人员很容易想到各种变更、修改和改进。这样的变更、修改和改进旨在作为 本公开的一部分，并且旨在落入本发明的精神与范围之内。因此，上述描述和 附图仅作为示例。
权利要求
1. 一种在两个或多个设备之间以最小数据速率进行无线通信的方法，所述方法包括下列动作a)检测一个或多个子信道上的能级；以及b)基于对每一个所述子信道检测到的能级为每一个所述子信道选择调制方案。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括基于对每一个所述子信 道检测到的能级为每一个所述子信道选择纠错编码方案。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括 C)基于所选调制方案和所选纠错编码方案计算总传输速率；以及 d)如果所述最小数据速率超过所述总传输速率，则在一个子信道上选择较高阶的调制方案。
4. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括 C)基于所选调制方案和所选纠错编码方案计算总传输速率；以及 d)如果所述最小数据速率超过所述总传输速率，则在一个子信道上选择具有较高纠错率的纠错编码方案。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调制方案是正交调幅。
6. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，每一个所述子信道的调制方案 是从16-QAM、 64-QAM、 128-QAM、 256-QAM、 512-QAM和1024-QAM中 选择的。
7. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括c) 使用正交频分多路复用在所述子信道上传输数据。
8. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述纠错编码方案是巻积编码 方案。
9. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述纠错编码方案是块编码方案。
10. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述纠错编码方案是从一系 列编码方案中选择的，使得每一个编码方案是从基本编码方案穿孔的。
11. 一种用于以请求的速率传输数据的无线通信系统，所述系统包括多个 通信设备，所述系统包括-a) 用于检测一个或多个OFDM子信道上的噪声级别的能量检测模块；以及b) 用于基于对每一个OFDM子信道检测到的能级为所述OFDM子信道选 择调制方案的调制选择方案模块。
12. 如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用于基于对 每一个OFDM子信道检测到的能级为所述OFDM子信道选择纠错方案的纠错 选择方案模块。
13. 如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述调制选择方案模块选择 正交调幅方案。
14. 如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述正交调幅方案是从 16-QAM、 64-QAM、 128-QAM、 256-QAM、 512-QAM和1024-QAM中选择的。
15. 如权利要求ll所述的系统，其特征在于，所述能量检测模块是一发送 器的一部分。
16. 如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述能量检测模块使用来自 接收器的反馈检测所述噪声级别。
17. —种其上存储定义指令的计算机可读信号的计算机可读介质，所述指 令作为由计算机执行的结果，指示所述计算机执行以请求的数据速率进行无线 通信的方法，所述方法包括a) 测量每一个OFDM子信道上的信噪级别；以及b) 使用基于对每一个OFDM子信道测量的信噪级别的纠错编码方案在每 一个所述OFDM子信道上对经调制的信号编码。
18. 如权利要求15所述的计算机可读介质，其特征在于，所述方法还包括 用基于对每一个OFDM子信道测量的信噪级别的调制方案对每一个所述 OFDM子信道上的信号进行调制。
19. 如权利要求16所述的计算机可读介质，其特征在于，所述调制方案是 从正交调幅、正交相移键控和二进制相移键控中选择的。
20. 如权利要求15所述的计算机可读介质，其特征在于，所述纠错编码方案是从巻积编码方案和块编码方案中选择的。
全文摘要
一种基于在OFDM系统中每一个子信道上检测到的能量为该子信道选择调制方案和纠错编码方案的系统。
文档编号H04L1/00GK101433045SQ200780015143
公开日2009年5月13日 申请日期2007年4月25日 优先权日2006年4月25日
发明者A·A·哈萨恩, A·阿布里什克, C·休特玛, D·吴, T·库纳尔 申请人:微软公司