用于sc-fdma发射分集的系统和方法
【专利摘要】本申请提供在单载波频分多址(SC-FDMA)调制的上行链路中缓解来自发射分集的峰均功率比(PAPR)的增加的方法、设备和发射机。提供了利用循环移位延迟的PAPR保持预编码矩阵跳跃方法以及基于子带的发射分集方案。本申请还提供了放宽与LTE标准中的上行链路调度相关联的调度约束的方法、设备和发射机。
【专利说明】用于SC-FDMA发射分集的系统和方法
[0001]本申请是中国专利申请200980131233.2 “用于SC-FDMA发射分集的系统和方法”的分案申请。
[0002]相关申请的交叉引用
[0003]本申请要求于2008年6月12日提交的在先美国临时申请号61/061，013的优先权，该申请在此通过引用被完全并入。
【技术领域】
[0004]本申请涉及无线通信，并且更具体地涉及用于单载波频分多址(SC-FDMA)中的上行链路通信的方法和系统。
【背景技术】
[0005]第三代合作伙伴项目(3GPP)已经采用正交频分多址(OFDMA)以获得较高比特率。
[0006]在蜂窝应用中，OFDMA的一个优点是其在存在多径信号传播时的鲁棒性。对多径的抗扰度源于OFDMA系统在M个正交频率载波上发射信息的事实，每个正交频率载波以I/M乘以信息信号的比特率运行。然而，OFDMA波形呈现非常明显的包络波动，产生高峰均功率比(PAPR)。具有高PAPR的信号要求高度线性的功率放大器以避免过多的互调失真。为了获得该线性性，以从放大器的峰值功率退避所得的功率来操作放大器。结果导致低功率效率，这为便携式无线终端带来显著的负担。
[0007]蜂窝上行链路传输中OFDMA的另一问题在于同时进行发射的不同终端之间的频率基准的不可避免的偏移。频率偏移破坏传输的正交性，由此引入多址干扰。为了克服这些缺点，3GPP已经在蜂窝系统的“长期演进(LTE) ”中采用了用于上行链路传输的OFDMA的修改形式。OFDMA的修改版本被称为单载波FDMA (SC-FDMA)。
[0008]如在OFDMA中，SC-FDMA系统中的发射机使用不同的正交频率(子载波)来发射信息符号。然而，它们顺序地而不是并行地发射子载波。相对于0FDMA，该方案大大减少了发射波形中的包络波动。因此，相比OFDMA信号，SC-FDMA信号具有固有地较低PAPR。然而，在具有严重多径传播的蜂窝系统中，SC-FDMA信号带有大量符号间干扰到达基站。
[0009]因此，在尝试接收SC-FDMA传输时，基站通常采用自适应频域均衡以抵消该干扰。该方案在蜂窝系统中具有意义，因为其以基站处的复信号处理(频域均衡)为代价减少了便携式用户设备(UE)中的线性放大负担。
[0010]低PAPR是SC-FDMA的独特属性，其使SC-FDMA非常适于用在LTE上行链路接入方法中。由于低PAPR，与例如OFDMA相比，SC-FDMA能够潜在地提供较大覆盖、消耗较少功率放大器(PA)的功率、且花费更少。
[0011]当前LTE标准在物理上行链路同步信道中采用SC-FDMA进行上行链路中的数据传输。然而，为了保持低PAPR属性，指配到UE用于SC-FDMA的子载波需要均匀地分布或者基于子带，即连续子载波的子带。当前LTE标准已经采用了基于子带的方法，使得UE在LTE上行链路中被指配到连续子载波的子带以用于数据传输。对于LTE UL控制信道PUCCH(物理上行链路控制信道)，通过发射频域低PAPR序列，即在IFFT之后的具有低PAPR的序列，来实现低PAPR性能。
[0012]先前对SC-FDMA的研究和结果，LTE上行链路(UL)大体上仅仅集中在一个发射天线的使用。然而，现在清楚的是，对于高级LTE，其是LTE标准的进程的下一步骤，为了潜在地改善覆盖和吞吐量，在UE将支持多于一个的天线。
[0013]尽管由于OFDMA (其用于LTE下行链路(DL)中)认真研究了发射分集，DL中的为OFDMA而研发的技术不能直接转移到UL中的SC-FDMA。这通常因为以下事实:为了保持UL中的SC-FDMA的低PAPR属性，在上行链路中采用的发射分集技术必须被设计成保持低PAPR，其不是对于为OFDMA DL而研发的分集技术的而言的，因为OFDMA不具有低PAPR。
【发明内容】
[0014]根据一个较宽方面，本申请提供一种在具有Na个天线(Na ^ 2)的无线通信设备中用于单载波频分多址(SC-FDMA)上行链路发射分集的方法，该方法包括:对于N个已调制数据符号的组:对所述N个已调制数据符号执行N点离散傅里叶变换(DFT)以生成所述N个已调制数据符号的N个频域分量的集合；将所述N个已调制数据符号的N个频域分量映射到M个子载波宽(M>N)的子带中的N个子载波以生成M个复子载波振幅的集合；对所述M个复子载波振幅的集合执行M点离散傅里叶逆变换(IDFT)以生成M个离散时域值的基准序列；生成M个离散时域值的基准序列的Na-1个循环移位延迟版本；使用离散时域值的基准序列在Na个天线的第一个上发射SC-FDMA信号；以及对于每个其他天线，发射使用所述M个离散时域值的基准序列的Na-1个循环移位延迟版本中相应的一个生成的相应SC-FDMA信号。
[0015]在一些实施例中，Na=2并且生成M个离散时域值的基准序列的Na-1个循环移位延迟版本包括:生成相对于基准序`列被循环移位M/4的M个离散时域值的基准序列的循环移位延迟版本。
[0016]在一些实施例中，Na=4并且生成M个离散时域值的基准序列的Na-1个循环移位延迟版本包括:生成相对于基准序列被分别循环移位M/4、-M/4和M/2的M个离散时域值的基准序列的三个循环移位延迟版本。
[0017]根据本发明的另一较宽方面，本申请提供一种无线发射机，包括:离散傅里叶变换器，其被配置为对N个已调制数据符号执行N点离散傅里叶变换(DFT)以生成N个已调制数据符号的N个频域分量的集合；子载波映射器，其被配置为将所述N个已调制数据符号的N个频域分量映射到M个子载波宽(M>N)的子带中的N个子载波(M>N)以生成M个复子载波振幅的集合；离散傅里叶逆变换器，其被配置为对所述M个复子载波振幅的集合执行M点离散傅里叶逆变换(IDFT)以生成M个离散时域值的基准序列；循环移位延迟器，其被配置为生成M个离散时域值的基准序列的Na-1个循环移位延迟版本；以及RF发射机，其被配置为:对于第一天线，使用离散时域值的基准序列顺序地调制子带的M个子载波以在第一天线上发射SC-FDMA信号；以及，对于至少一个其他天线的每一个，使用M个离散时域值的基准序列的Na-1个循环移位延迟版本中相应的一个顺序地调制所述子带的M个子载波以在所述天线上发射SC-FDMA信号。
[0018]在一些实施例中，至少一个其他天线包括第二天线，并且循环移位延迟器被配置为生成相对于基准序列被循环移位M/4的M个离散时域值的基准序列的循环移位延迟版本以用于第二天线上的发射分集。
[0019]在一些实施例中，至少一个其他天线包括三个其他天线，并且所述循环移位延迟器被配置为生成相对于基准序列被分别循环移位M/4、-M/4和M/2的M个离散时域值的基准序列的三个循环移位延迟版本。
[0020]根据本申请的另一个较宽方面，提供了一种无线设备，其包括根据第一较宽方面的无线发射机。
[0021]根据本申请的另一个较宽方面，提供了一种用于基于单载波频分多址(SC-FDMA)子带的发射分集的方法，该方法包括:将带宽划分为多个子带；将每个子带指配到多个天线中的相应天线；以及利用被指配到子带的相应天线发射每个子带中的SC-FDMA信号。
[0022]在一些实施例中，多个子带中的子带均具有相同大小。
[0023]根据本申请的另一个较宽方面，提供了一种用于基于单载波频分多址(SC-FDMA)子带的发射分集的无线发射机，其被配置为生成用于在多个邻接(contiguous)子带的每一个中发射的SC-FDMA信号。
[0024]在一些实施例中，无线发射机包括用于每个子带的相应信号处理路径，每个信号处理路径包括相应的离散傅里叶变换器(DFT)。
[0025]在一些实施例中，每个信号处理路径在DFT之后包括子载波映射器，所述子载波映射器之后是的离散傅里叶逆变换器。
[0026]根据本申请的另一个较宽方面，提供了一种在SC-FDMA调制的上行链路中用于上行链路自适应子信道化的方法，该方法包括:基于所述无线设备的操作功率上升空间(headroom)为无线设备指配用于SC-FDMA调制的上行链路传输的多个非邻接子带。
[0027]在一些实施例中，该方法进一步包括:确定无线设备在其上具有衰落峰值的子载波，其中为无线设备指配多个非邻接子带包括:基于所述无线设备的操作功率上升空间以及所述无线设备在其上具有衰落峰值的子载波为所述无线设备指配用于SC-FDMA调制的上行链路传输的多个非邻接子带。
[0028]根据本申请的另一个较宽方面，提供了一种在基站中用于适配具有MIMO功能的(MIMO-capable)无线设备的SC-FDMA调制的上行链路连接的方法，包括:监视所述无线设备的操作功率上升空间；当所述无线设备具有充足操作功率上升空间时，基于信道强度调度多码字秩-1传输或至少秩-2传输。
[0029]根据本申请的另一个较宽方面，提供了一种用于在SC-FDMA调制的上行链路信道上的发射分集的方法，包括:对于多个天线中的每一个:基于通过对于每个天线不同的时域预编码矢量的跳跃来预编码SC-FDMA已调制符号的序列，以及发射所述多个预编码的SC-FDMA调制的符号。
[0030]在一些实施例中，预编码矢量的元素包括{1}和{j}。
[0031]在一些实施例中，多个天线包括两个天线，并且预编码矢量包括{I, I}, {1,-1}, {I, j}和
[0032]在一些实施例中，SC-FDMA调制的上行链路信道包括前向纠错编码数据。
[0033]在一些实施例中，SC-FDMA调制的上行链路信道包括长期演进(LTE)上行链路随机接入信道(RACH)。[0034]对于本领域技术人员，在阅览了本申请的特定实施例的以下描述后，本申请的实施例的其他方面和特征将变得明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]现在仅通过示例方式参考附图来描述本申请的实施例，其中:
[0036]图1A是SC-FDMA发射机的框图；
[0037]图1B是SC-FDMA接收机的框图；
[0038]图2是将由已经将预编码矢量跳跃应用到第二天线的符号的两个天线发射的已调制数据符号的列表；
[0039]图3是SC-FDMA发射机的框图，其将循环移位延迟分集(OTD)用于两个天线上的上行链路发射分集；
[0040]图4是用于两个天线的SC-FDMA符号的时域表示，其中循环移位延迟被应用到天线之一的SC-FDMA符号；
[0041]图5A是带宽分配图，其图示了对于具有两个发射天线的UE如何可以实现子带发射分集的示例；
[0042]图5B是将SBTD用于两个发射天线上的发射分集的SC-FDMA发射机的框图；
[0043]图6是蜂窝通信系统的框图；
[0044]图7是可以用于实现本申请的一些实施例的示例基站的框图；
[0045]图8是可以用于实现本申请的一些实施例的示例无线终端的框图；
[0046]图9是可以用于实现本申请的一些实施例的示例中继站的框图；
[0047]图10是可以用于实现本申请的一些实施例的示例OFDM发射机架构的逻辑分解的框图；以及
[0048]图11是可以用于实现本申请的一些实施例的示例OFDM接收机架构的逻辑分解的框图。
【具体实施方式】
[0049]为了保持SC-FDMA的低PAPR属性，同时也利用多天线发射分集的潜在益处，人们可以寻找采用具有以下属性中的许多(即使不是全部)的SC-FDMA上行链路发射分集方案:
[0050].保持 SC-FDMA 的低 PAPR 属性；
[0051].在一个SC-FDMA符号内提供全分集循环(在每个SC-FDMA符号中存在码本中的所有条目)；
[0052].提供与用户设备(UE)速度无关的一致性性能；
[0053].提供多级别信道组合；以及
[0054].为了成本效率的目的相对容易地实施。
[0055]尽管前面的内容提及考虑到基于DFT的SC-FDMA数据信道中的发射分集，诸如在LTE UL中使用的那些，但这样的考虑也适用于其他低PAPR信号传输(signaling)方案，诸如LTE上行链路中的基于频域低PAPR序列的控制信道以及其他多址信号传输技术，诸如码相移键控(CPSK) OFDMA。
[0056]现在参考图1A和IB讨论SC-FDMA信号传输的各个方面,其提供用于单输入单输出(SISO)通信的常规SC-FDMA发射机和接收机的示例。在SISO中，移动站在一个天线上进行发射，并且基站和/或中继站在一个天线上进行接收。图1A和IB图示用于常规LTESC-FDMA上行链路的在发射机和接收机处使用的基本信号处理步骤/块。
[0057]图1A中图示的SC-FDMA发射机250包括信号处理路径，该信号处理路径包括N点DFT200、子载波映射器202、M点IDFT204、循环前缀(CP)添加器206、数模转换器和射频(RF)无线电装置(radio) 208和发射天线210。
[0058]图1B中图示的SC-FDMA接收机260包括信号处理路径，该信号处理路径包括接收天线212、RF无线电及模数转换器214、循环前缀除去器(remover) 216、M点DFT218、子载波解映射器/均衡器220、N点IDFT222和检测器224。
[0059]SC-FDMA是为3GPP长期演进(LTE)宽带无线第4代(4G)空中接口标准等的上行链路引入的调制和多址方案。SC-FDMA可以被视为离散傅里叶变换(DFT)预编码OFDMA方案，或其也可以被视为单载波(SC)多址方案。在SC-FDMA和OFDMA的整个收发机处理过程中存在若干类似性。然而，因为已调制的符号的DFT预编码和解调的符号的对应IDFT，SC-FDMA明显地不同于OFDMA。因为该预编码，SC-FDMA子载波不像OFDMA子载波的情况那样被独立地调制。结果，SC-FDMA信号的峰均功率比(PAPR)低于OFDMA信号的PAPR。较低的PAPR在发射功率效率方面使移动终端大大受益。
[0060]SC-FDMA系统的发射机将二进制输入信号转换为已调制子载波的序列。为了完成这点，其利用了图1A中所示的信号处理块。信号处理在一些不同的时间间隔内重复。资源指配在发射时间间隔(TTI)内发生。在3GPP LTE中，典型的TTI是0.5ms。TTI被进一步划分为称为块的时间间隔。块是用于一次发射所有子载波的时间。
[0061]在发射机250的输入端，基带调制器(未示出)以包括二进制相移键控(BPSK)、四进制PSK(QPSK)、16级正交调幅(16-QAM)和64-QAM的若干可能调制格式之一将二进制输入变换为复数xn的多级序列。系统可以调整调制格式,并由此调整传输比特率以匹配每个终端的当前信道条件。
[0062]发射机接下来将调制符号Xn编组成块，每个块都包含N个符号。调制SC-FDMA子载波中的第一步骤是用N点DFT200执行N点离散傅里叶变换(DFT)，以产生输入符号的频域表示Xk。子载波映射器202然后将N个DFT输出中的每一个映射到能够被发射的M(M>N)个正交子载波之一。
[0063]如在OFDMA中，M的典型值是256个子载波，并且N=M/Q是M的整数约数。Q是符号序列的带宽扩展因数。如果所有终端每块发射N个符号，则系统能够潜在地在没有
共信道干扰的情况下处理Q个同时的传输。子载波映射的结果是复子载波振幅的集合足
(1=0，1，2，...，M-1)，其中振幅中的N个是非零的。如在OFDMA中，M点逆DFT(IDFT)将子
载波振幅变换为复时域信号。
[0064]CP添加器206将称为循环前缀(CP)的符号集合添加到复时域符号K的序列，以提供保护时间以防止由于多径传播引起的块间干扰(IBI)。
[0065]DAC/RF块208然后使用每个I (以及CP)来调制单频率载波。并且，所有已调制符号经由发射天线210被顺序地发射。
[0066]SC-FDMA接收机260经由接收天线212接收SC-FDMA调制符号，解调接收到的符号，并且利用RF/ADC214将其从模拟转换为数字，并且利用CP除去器216除去循环前缀。一旦CP已经被除去，M点DFT218就执行M点DFT，并且由子载波解映射器220对M点DFT218的输出中的频域分量执行解映射(且在一些情况下执行均衡)。N点IDFT222对解映射的频域分量执行N点IDFT以生成复时域信号，检测器224从该复时域信号中提取二进制输出。
[0067]在一些情况下，CP是块的最后部分的副本，其被添加以充当接连块之间的保护时间并且将离散时间线性卷积转换成离散时间循环卷积。因此，所发射的数据通过信道传播能够被建模为信道脉冲响应与所发射的数据块之间的循环卷积，其在频域中是DFT频率样本的逐点相乘。那么，为了除去信道失真，接收的信号的DFT能够被信道脉冲响应逐点的DFT简单地除，或者可以使用更复杂的频域均衡技术。
[0068]在LTE DL中，当前将空频块编码(SFBC)用于从基站或中继器到UE的发射分集。然而，需要注意的是在 3GPP TSG RAN WGl Meeting#47Rl_063178“ST/SF Coding and MappingSchemes of the SC-FDMA in E-UTRA Uplink”中(拉脱维亚，里加，2006 年 11 月 6 日至 10日)(其在此通过引用被完全并入)，SFBC不保持SC-FDMA的低PAPR属性。
[0069]空时块编码(STBC)已经在3GPP TSG RAN WG1#47R1-063179 “Performanceevaluations of STBC/SFBC schemes in E-UTRA Uplink”(拉脱维亚,里加，2006 年 11 月 6日至 10 日)以及 3GPP TSG RAN WGl Meeting#47bis Rl-070174“Performance Evaluationof SC-FDMA with STBC in E-UTRA Uplink”(意大利，索伦托，2007 年 I 月 15 日至 19 日)中被提出，其在此通过引用被完全并入。然而，当UE快速移动时，STBC可能易受信道迟滞(channel aging)影响。例如，LTE支持达到350km/h，其中fc=2GHz，最大多普勒将是648.2Hz。这意味着，在I个时隙(即7个SC-FDMA符号)内，最大信道相位改变能够是大约 116。。
[0070]此外，STBC要求偶数数目的SC-FDMA符号，其在LTE中得不到保证。例如，上行链路控制信道PUCCH格式2、2a和2b具有奇数数目的符号。
[0071]预编码矢量跳跃是公知发射分集方案，其中每个符号乘以常数，这将不影响SC-FDMA的低PAPR属性。
[0072]图2图示可以如何将预编码矢量跳跃应用到用于两天线UE的发射分集的SC-FDMA的示例。图2示出了在4个接连符号周期上跳过预编码矢量的序列[1，1]T、[1，-1]_T、[1，j]7和[l，_j]T*表示的N个调制符号的块。注意到，4个预编码矢量对应于为LTE下行链路定义的码本矢量。也就是说，预编码矢量的元素等于±1或土 j。也应当注意到，S1,...SN_J在不同的时间承载不同的调制数据。
[0073]如在图2中能够看出的，预编码矢量跳跃涉及不同的矢量上的跳跃以实现空间分集，这意味着原始信号一定在时间方向上被进行前向纠错(FEC)编码(冗余)，并且所发射的符号需要跳过矢量集合以实现分集。
[0074]该跳跃要求可能潜在地引起UL控制信道PUCCH的严重问题，因为其不是在时间上编码FEC，这意味着代替分集，可能从一个SC-FDMA符号到另一个SC-FDMA符号发生破坏性组合，这可能导致不可靠的性能。
[0075]循环移位延迟分集(OTD)已经被认为是用于OFDMA的发射分集技术。然而，由于其相对于用于OFDMA应用的SFBC的典型较弱性能，其通常不用作发射分集的手段。
[0076]在CDD中，时域中的表明频域中的相角改变的循环移位延迟，在传输之前被应用到时域中的符号。在OFDMA应用中，在完成OFDM调制(其典型地包括前向纠错(FEC)编码、交织、调制和M点IDFT)之后实施⑶D。在IDFT之后，信号被分割为Na个天线分支。第一天线的循环移位被设置为零，而在其他分支中，信号以天线特定循环移位δ n，n=l，...，Na-1进行循环移位。被称作相位分集(PD)的频域中的等同表示能够直接从M点IDFT计算出，并且对应于:
【权利要求】
1.一种用于基于单载波频分多址(SC-FDMA)子带的发射分集的方法，所述方法包括: 将带宽划分为多个子带； 将每个子带指配到多个天线中的相应天线；以及 用被指配到子带的相应天线发射每个子带中的SC-FDMA信号。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述多个子带中的子带均具有相同大小。
3.一种用于基于单载波频分多址(SC-FDMA)子带的发射分集的无线发射机，其被配置为生成用于在多个邻接子带中的每一个中发射的SC-FDMA信号。
4.如权利要求3所述的无线发射机，包括用于每个子带的相应信号处理路径，每个信号处理路径包括相应离散傅里叶变换器(DFT)。
5.如权利要求4所述的无线发射机，其中每个信号处理路径在DFT之后包括子载波映射器，所述子载波映射器之后是离散傅里叶逆变换器。
6.一种在SC-FDMA调制的上行链路中用于上行链路自适应子信道化的方法，该方法包括: 基于无线设备的操作功率上升空间为无线设备指配用于SC-FDMA调制的上行链路传输的多个非邻接子带。
7.如权利要求6所述的方法，进一步包括: 确定所述无线设备在其上具 有衰落峰值的子载波，其中为无线设备指配多个非邻接子带包括:基于所述无线设备的操作功率上升空间以及所述无线设备在其上具有衰落峰值的子载波为所述无线设备指配用于SC-FDMA调制的上行链路传输的多个非邻接子带。
8.一种在基站中用于适配具有MMO功能的无线设备的SC-FDMA调制的上行链路连接的方法，包括: 监视所述无线设备的操作功率上升空间； 当所述无线设备具有充足操作功率上升空间时，基于信道强度调度多码字秩-1传输或至少秩-2的传输。
9.一种用于SC-FDMA调制的上行链路信道上的发射分集的方法，包括: 对于多个天线中的每一个: 基于跳过时域预编码矢量来预编码SC-FDMA调制的符号序列，其中所述时域预编码矢量对于每个天线是不同的，以及 发射所述多个预编码的SC-FDMA调制符号。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述预编码矢量的元素包括{1}和{j}。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述多个天线包括两个天线，并且所述预编码矢量包括{I, I}, {1,-1}, {I, j}和
12.如权利要求9至11中任何一项所述的方法，其中所述SC-FDMA调制的上行链路信道包括前向纠错编码数据。
13.如权利要求9至11中任何一项所述的方法，其中所述SC-FDMA调制的上行链路信道包括长期演进(LTE)上行链路随机接入信道(RACH)。
14.一种用于基于单载波频分多址(SC-FDMA)子带的发射分集的设备，包括: 用于将带宽划分为多个子带的装置； 用于将每个子带指配到多个天线中的相应天线的装置；以及用于使用被指配到子带的相应天线发射每个子带中的SC-FDMA信号的装置。
15.如权利要求14所述的设备，其中所述多个子带中的子带均具有相同大小。
16.一种用于基于单载波频分多址(SC-FDMA)子带的发射分集的设备，包括: 用于生成在多个邻接子带中的每一个中被发射的SC-FDMA信号的装置； 用于使用多个天线中的被指配到子带的相应天线发射各个子带中的SC-FDMA信号的装直。
17.如权利要求16所述的设备，包括: 用于为所述多个相邻子带中的各个子带所产生的各个SC-FDMA信号执行唯一的离散傅里叶变换(DFT)的装置。
18.如权利要求17所述的设备，包括: 用于在每个DFT之后唯一地映射每个产生的SC-FDMA信号的装置；以及 用于在每个被映射的信号上执行唯一的逆离散傅里叶变换的装置。
【文档编号】H04J11/00GK103490806SQ201310426160
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2009年6月12日 优先权日:2008年6月12日
【发明者】贾明, 马江镭, 朱佩英, 童文, H·徐, 张航 申请人:苹果公司