CN104813601A

CN104813601A - 促进时分双工系统中的定时恢复的机制

Info

Publication number: CN104813601A
Application number: CN201380058900.5A
Authority: CN
Inventors: 马西莫·索巴拉; 威廉·爱德华·基斯利尔; 彼得·凯勒
Original assignee: Yi Kanuosi Communication Common Carrier
Current assignee: Yi Kanuosi Communication Common Carrier
Priority date: 2012-10-29
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2015-07-29
Also published as: US20140119250A1; JP2016507913A; EP2912792A4; WO2014070728A1; EP2912792A1; KR20150080549A; WO2014070728A8

Abstract

总体来说，本发明涉及在传输周期之间具有不活动的显著变化间隔的TDD通信系统中促进定时恢复和环路定时操作的系统和方法。根据某些方面，为了促进定时恢复，本发明的实施方案定义每个传输模式的最大不活动周期以及传输期间和/或之间的有助于接收器中的定时恢复功能的相关联“定时保活”信号。在实施方案中，接收器选择“定时保活”信号的所需格式。根据其它方面，本发明的定时恢复机制维持G.fast的功率节省目标，其中功率耗散随着通信量要求接近线性地变化。

Description

促进时分双工系统中的定时恢复的机制

相关申请的交叉引用

本申请依据专利法要求2012年10月29日提交的美国临时专利申请号61/719,784的优先权，所述申请的内容以全文引用并入本文。

技术领域

通常，本发明涉及数据通信，并且更具体地说涉及在时分双工传输系统中促进定时恢复和环路定时操作的系统和方法。

发明背景

在G.fast中，目标是以允许收发器功率耗散随着通信量要求接近线性地调整的方式来定义使用同步时分双工(TDD)格式的数据传输。为了促进此目标，定义多个传输状态。首先，在此被称为L0状态的正常数据模式在每个TDD帧中传输数据。低功率状态被称为L2.x状态，其中x指示数据发送频率(例如L.2.1可为在每两个TDD帧中的一个中发送数据的状态并且L.2.2可为其中每四个TDD帧发送数据的状态)。可定义几个不同低功率状态，每个状态指定换取功率耗散节省的数据传输水平。具有数据传输不活动的这类变化间隔的TDD操作中的难题是在从较长不活动周期中恢复传输时保持接收器中的精确定时恢复。

发明内容

总体来说，本发明涉及在传输周期之间具有不活动的显著变化间隔的TDD通信系统中促进定时恢复和环路定时操作的系统和方法。根据某些方面，为了促进定时恢复，本发明的实施方案定义每个传输模式的最大不活动周期和传输期间和/或之间的有助于接收器中的定时恢复功能的相关联“定时保活”信号。在实施方案中，接收器选择“定时保活”信号的所需格式。根据其它方面，本发明的定时恢复机制维持G.fast或任何类似TDD传输系统的功率节省目标，其中功率耗散随着通信量要求接近线性地变化。

根据这些和其它方面，在根据本发明实施方案的时分双工(TDD)通信系统中促进接收器的定时恢复的方法包括定义TDD帧中的下游传输的最大不活动周期，指定定时保活信号，并且在下游传输期间将指定定时保活信号下游传输至接收器。

附图说明

对于本领域一般技术人员来说，在阅览下文结合附图而对本发明具体实施方案所做的描述之后，本发明的这些和其它方面和特征将变得显而易见，其中：

图1(A)至图1(C)是示出根据本发明实施方案的正常数据模式中的G.fast定时恢复的示例性实行方案的定时图；

图2是示出根据本发明实施方案的G.fast接收器中的示例性定时恢复区块的方框图；

图3(A)和图3(B)是示出恢复时钟的剩余相位误差的定时图；

图4(A)至图4(D)是示出根据本发明实施方案的各种低功率模式的调适的定时图；以及

图5是示出实施根据本发明的实施方案的定时恢复机制的示例性系统的方框图。

具体实施方式

现在将参考附图详细地描述本发明，所述附图作为本发明的说明性示例来提供，以使本领域技术人员能够实践本发明。明显地，下文的示图和示例并不意在将本发明的范围限制到单个实施方案，而是通过与所描述或所示出要素中的一些或全部进行互换的方式，其他实施方案也是可能的。此外，在本发明的某些要素可以使用已知部件来部分或完全实施的情况下，此类已知部件中只有对理解本发明来说是必要的那些部分才会加以描述，而此类已知部件的其他部分的详细描述则会省略，从而不至于使本发明模糊不清。描述为以软件实施的实施方案不应受其限制，而是可包括以硬件，或软件与硬件的组合实施的实施方案，并且反之亦然，如本领域技术人员显而易知，除非本文另外规定。在本说明书中，展示单个部件的实施方案不应认为具有限制性；实际上，本发明意欲包括包含多个相同部件的其它实施方案，并且反之亦然，除非在本文中另外明确说明。此外，申请人并不意在将本说明书或权利要求书中的任何术语归结为具有不寻常或特殊的含义，除非就此明确陈述。另外，本发明涵盖本文中通过实例而提及的已知部件的目前和将来的等效物。

通常，以下描述的本发明的实施方案在其中在传输之间存在较长不活动周期的通信系统接收器中实现改进定时恢复。实施方案在下文结合不同G.fast通信模式的具体适用应用来描述。然而，本发明不限于此实例，并且可适用于在传输之间具有较长不活动周期的任何类似TDD或其它通信方案。本发明的方面包括在传输期间或之间使用定时“保活”信号。在以下描述的本发明的实施方案中，这些“保活”信号使用导频音调和/或导频符号来实施。然而，本发明不限于此实例。

正常数据(L0)模式中的操作

正常数据模式(L0)以完全服务质量(QoS)和最大数据处理量来操作。在与使用间歇操作的各种低功率(L2.x)模式中的预期较大不活动周期相比，预期L0模式提供最小不活动周期。

图1(A)是示出在正常(L0)数据模式期间传输的下游OFDM符号的定时图。在TDD帧周期(T_F)中，下游传输的最大持续时间(T_DS)通过提供不对称比率来设定。定义最小下游传输时间的值定义TDD帧期间的不活动最大持续时间(T_不活动)(即，T_不活动＝T_F-T_DS)。当数据下游传输时，接收器可精确地恢复信号时钟并且以良好精确度来跟踪相位。因此，在数据传输周期期间围绕标称频率的稳态rms抖动被识别为图1(B)和图1(C)中的时钟恢复中的可实现精确度是实行方案特定的。然而，如图1(B)和图1(C)进一步示出，在下游不活动周期期间，恢复时钟相位漂移至与不活动周期成比例的值(T_不活动)。

对于上游传输，系统总体上还使用下游接收器中的恢复时钟作为上游发射器的传输时钟(此被称为环路定时)。在上游传输的周期106(即，图1(A)中的Tus、Tg1和Tg2)期间，下游接收器中的定时恢复功能未接收任何相位更新因此下游接收器中的上游传输时钟(即下游接收时钟)在上游数据传输期间漂移。此周期在图1(C)中展示为T_{不活动，us}。当下游传输在下一个TDD帧中恢复时，下游接收时钟相位，以及由此上游传输时钟相位得以恢复。

应当指出的是G.fast的目标是当数据处理量减少时使收发器功率消耗减少，意味着如果没有数据可获得，则没有数据符号在下游传输周期期间发送。在图1(A)中，这由下游传输周期中T_DS的周期102来指示。如果在此间隔期间线上没有信号能量，则增加下游不活动周期，从而导致恢复时钟的额外漂移。

然而，本发明人认识到，如果在“无数据”周期期间存在一些最小能量，那么下游接收器中的定时恢复功能可在指定DS传输时间的整个持续时间中接收相位更新并且所得相位漂移可保持为对于所定义T_不活动周期的预期漂移。

为了在传输数据时促进下游定时恢复，本发明的实施方案在所有带有数据的OFDM符号104中包括若干导频音调，其中特定导频音调的指标可在初始化期间议定。总体上，接收器基于定时恢复功能的实行方案来选择所需导频音调指标。可定义最大数量的导频音调和相应指标。对于不含有数据的OFDM符号时隙(即图1(A)中的周期102)，上游发射器将下游OFDM符号只负载导频音调并且所有其它信号音调归零。对于这些特殊符号周期，传输信号功率相应地减少并且可仍然根据G.fast实现功率节省，所述功率节省是实行方案特定的。

因此，在本发明的实施方案中，在下游符号传输的整个周期，即在图1(A)的T_DS周期期间，接收器精确地恢复信号时钟，只要接收到足够符号。在此周期期间，在每个OFDM符号中提供一个或多个导频音调促进传输信号时钟的精确恢复。

图2是示出根据本发明实施方案的示例性定时恢复区块的方框图，所述方框图还有助于G.fast中的关键定时恢复参数的论述。如图2中示出，总体结构是一般锁相环路200。接收器对于与传输时钟(f_in)同步的接收OFDM信号进行操作。锁相环路200构建接收时钟(f_o)以使频率和相位锁定至传输时钟f_in。为了实现此目标，相位检测器202通过根据本发明实施方案处理所接收的OFDM符号中的导频音调来计算两个时钟之间的相位误差的估计值。

环路滤波器204移除任何高频率相位变化，并且它的输出(由图2中的数字N_o表示)控制本机振荡器206的频率(通常经由使用电压或数控振荡器208)以便跟踪随着传输时钟频率的频率和相位变化。当锁相环路锁定至传输时钟频率(f_in)时，环路滤波器204输出N_o具有与它相关联的两个分量：(1)长期平均值，其为相应发射器和接收器本机振荡器之间的标称偏移的度量，和(2)关于长期平均值的变化，代表两个时钟之间的所得相位抖动。

抖动表达为均方根(rms)频率偏差Δf与参考频率f₀的比率，即

{Δφ}_{rms} = {(\frac{Δf}{f_{0}})}_{ppm}

其中数量通常以百万分率为单位来表达。在连续接收OFDM符号时此剩余相位误差(即抖动)的可实现值是实行方案特定的(例如接收器中的具体时钟晶体精确度)。

图3(A)和图3(B)是示出以上描述关系的定时图。图3(A)示出传输符号时钟的定时。图3(B)示出接收符号时钟的定时，将相位误差项展示为恢复时钟上的相位抖动302。

如前所述，在任何不活动周期(T_不活动)期间，数据传输周期结束时的剩余相位误差漂移与不活动周期的持续时间成比例的量(以秒为单位)。此数量被称为相位漂移其通过以下表达以秒为单位给出；

或者，相对于给定参考频率f_o的相位漂移可以弧度为单位来表达

或通过下式以角度为单位来表达

在以上表达中，应当指出的是不活动的最大持续时间(T_不活动)可指定为PMD层中的TDD帧定义的一部分。应进一步注意所得相位漂移对于具有较高位负载的较高频率音调和群集具有较大影响。因此指定T_不活动的最大值使实施者基于其定时恢复电路实行方案知道预期相位漂移。

为了简要地评估相位漂移的影响，对于12位/符号(64×64点)群集，大约1度(17.5mrad)相位旋转导致群集的最外部点到达判定边界。最高频率音调(大约106MHz)对于相位漂移是最敏感的。角度旋转阈值(用于群集点到达判定边界)随着副载波频率减少和群集大小减少而增加。如由以上方程(1)至(3)描述，影响相位漂移期间的参数是不活动周期的长度(T_不活动)和不活动周期开始的rms相位抖动水平。

为了帮助了解相位抖动和不活动间隔的水平，考虑以下实例：具有51.75kHz副载波间隔的2048副载波系统(带宽约MHz)。如果存在400μsec不活动周期和106MHz的参考副载波频率，对于不活动周期开始的给定rms相位抖动，以下表1根据方程(3)给出不活动结束时的相位漂移水平。

表1

根据上表，为了确保信号群集未横越任何判定边界(即最高副载波频率下的12位群集为最坏情况)，可发现需要实现好于65ppb的相位同步精确度。根据表1，≤2mrad的甚至较高相位漂移目标需要好于10ppb的rms相位同步精确度。另外，应注意可实现rms相位精确度(和相应采集时间)是实行方案依赖性的。

与各种低功率(L2,x)模式相比，预期正常数据(L0)模式含有最短不活动周期。应了解，根据G.fast，如果没有数据可用于任何TDD帧期间的传输，不传输带有数据的OFDM符号以便减少传输功率和相应地减少功率耗散。

因此，本发明的实施方案在L0状态期间执行以下任务以促进保持环路定时：

(1)系统定义TDD帧内的下游不活动的最大周期T_不活动。此周期可基于提供对应于下游数据传输的最短间隔T_DS的不对称比率。

(2)如果没有数据可用于任何符号周期T_DS的下游传输，发射器将T_DS的其余部分填充只含有导频音调的OFDM符号并且所有其它副载波符号归零。此机制保证在每个TDD帧中在线上存在一些最小能量以保持环路定时正确地操作。应当指出的是在一些实施方案中，在L0期间，导频音调也可包含于带有数据的符号中。

在整个下游传输中包含导频音调，并且最坏情况不活动已知的情况下，可在L0状态期间、在必要精确度内执行定时恢复，如以上阐明。

低功率(L2.x)模式中的操作

对于各种低功率模式的实行方案，存在无数据传输的极长周期和实际上传输数据的较少周期的可能性。在无最终用户数据传送的延长周期期间，相位可漂移较大程度以致于可能耗费若干OFDM符号周期以在下游接收器中正确地重新调整定时相位。在以下，描述根据本发明实施方案的解决此问题的示例性方法。

图4中的定时图给出正常数据模式L0和各种低功率模式的线活动的实例；画有阴影的时隙402指示下游传输的周期并且画有阴影的时隙404指示上游传输的周期。

如图4(A)中示出，在L0状态，数据在所有TDD帧中传输；如图4(B)中示出，在L2.1中，数据在交替帧中传输；如图4(C)中示出，在L2.2中，数据每4个帧传输；如图4(D)中示出，在L2.3中，数据每8个帧传输等。

以下是根据本发明实施方案的辅助低功率模式中的定时恢复的机制：

(1)当数据传输在指定帧周期中恢复时，在帧中发送带有数据的符号之前，分配一个或多个符号作为导频符号406。取决于实行方案，接收器可在初始化期间选择导频符号的数目，所述导频符号设置于每个低功率状态的数据传输间隔的开始处。对于每个功率状态，可定义不同配置。

(2)另外或替代地，在数据传输之前的TDD帧期间，在每个符号周期中，下游传输间隔408用指定导频音调填充并且所有其它副载波归零。

示例性实行方案

图5是实施如上所述的G.fast的各种模式的定时恢复机制的系统的方框图。

如示出，系统包括例如CO中的上游调制解调器502，和例如客户终端(即CPE)中的下游调制解调器504。调制解调器502和504可为与G.fast或类似TDD技术相容的任何DSL调制解调器，如包括DSL调制解调器芯片组和IkanosCommunications，Inc提供的相关联软件/固件的DSL调制解调器。本领域技术人员了解如何在由本公开教导之后用本发明的定时恢复机制调适这类调制解调器。

如图5的示例性实行方案中示出，上游调制解调器502的符号发生器514被调适成如通常完成的那样使用数据516以及存储器506中的导频音调信息来形成符号。下游调制解调器504中的接收器520被调适成使用导频音调和导频符号、使用PLL 522来更新接收时钟524，如上所述。显然在上游调制解调器502中示出的类似功能可包含于下游调制解调器504中，并且反之亦然。另外显然调制解调器502和504可包括图5中未示出的额外部件和功能。

以下进一步描述与上述定时恢复框架的实行方案相关的项目：

(1)为了最大化功率耗散的节省，由符号发生器514形成只带有导频音调的符号可使用上游调制解调器502中的存储器506(RAM或ROM)查找技术来实施，其中执行正常传输和接收功能的DSP可停用。

(2)对于正常数据(L0)状态，

(a)在初始化期间，上游(即CO)调制解调器502和下游(即CPE)调制解调器504以标准或互用性规范来指定TDD帧中的下游不活动间隔的最大持续时间(即T_不活动)。举例来说，在初始化期间，下游接收器可指定在不活动周期期间为了保持定时恢复每个TDD帧所需要的导频符号的数目。下游接收器还可指定下游发射器中与不活动周期相称的位负载，以确保在存在延长定时漂移时没有误差的传输。

(b)另外在初始化期间，下游调制解调器504选择包含于下游数据符号中的用于上游调制解调器502的若干导频音调，以及其指标，并且将其传达至上游调制解调器502。

(c)在任选实施方案中，定时恢复的稳健性可在L0模式期间增强，方法是在TDD帧的下游传输部分中传输数据符号之前使用一个或多个导频符号。下游调制解调器504可在初始化时将优选导频音调和若干符号传达至上游调制解调器502。

(3)对于每个低功率L2.x状态，带有数据的符号的传输(上游和下游)提供于指定TDD帧中；中间帧不携带任何带有数据的符号。

(4)以下定时恢复辅助机制的任何组合可在初始化期间配置。注意每个低功率状态可用不同定时恢复辅助方法来配置；选择可基于用于下游调制解调器504中的实际定时恢复功能的实行方案和带有数据的帧之间的无数据(即中间)TDD帧的数目。

(a)指定数据传输帧中的所有下游符号可被配置成具有或不具有导频音调的带有数据的符号。这可为与正常数据(L0)状态相同的配置。选择可在初始化期间通过下游调制解调器504进行。

(b)在指定用于数据传输的TDD帧的开始处，在传输带有正常数据的数据符号之前，一个或多个导频符号由调制解调器502下游传输。导频符号可带有数据并且被配置成具有与正常数据(L0)状态下的数据符号相等或更大数目的导频音调。或者，导频符号可被配置来只含有导频音调直至可获得信号音调的最大数目。配置可在初始化期间由下游调制解调器504选择。

(c)在紧邻带有指定数据的帧之前的中间TDD帧中，上游调制解调器502在下游传输时间时隙中传输导频音调。在此配置中，可能不需要在指定数据传输帧中配置导频符号。

(5)在正常和/或低功率状态下，为了促进上游调制解调器502中的定时恢复操作，导频音调可由下游调制解调器504在上游方向传输。上游导频音调和/或导频符号的使用取决于上游调制解调器502中的定时恢复功能的实行方案，因此上游导频音调和/或导频符号的使用和配置可在初始化期间由上游调制解调器502配置。

(6)另外，如果导频音调和/或导频符号在上游方向使用，除了常规DSL通道510以外，可提供到下游调制解调器504(即CPE设备)的逻辑低速通信信道508来传达所接收上游TDD帧中的上游积聚相位漂移来供下游调制解调器502的定时电路使用。通道508可通过将第一下游符号内的信息插入例如下一个专用数据传输帧中来实施。

尽管已参考本发明的优选实施方案而对本发明详细地加以描述，但是对于本领域一般技术人员来说应该显而易见的是，可以在不背离本发明精神和范围的情况下做出形式和细节上的变化和更改。预期所附权利要求书涵盖这类变化和更改。

Claims

1.一种在时分双工(TDD)通信系统中促进接收器的定时恢复的方法，其包括：

定义TDD帧中的下游传输的最大不活动周期；

指定定时保活信号；以及

在所述下游传输期间将所指定定时保活信号下游传输至所述接收器。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述定时保活信号包括导频音调。

3.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括将所述导频音调插入带有数据的符号中。

4.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括将所述导频音调插入带有非数据的符号中。

5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括使用所传输定时保活信号来更新所述接收器处的接收时钟。

6.根据权利要求5所述的方法，其中更新是使用锁相环路来执行。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述最大不活动周期基于所述接收器处的最大允许相位漂移来定义。

8.根据权利要求7所述的方法，其中T_不活动是所述最大不活动周期并且其中是所述最大允许相位漂移，并且其中T_不活动根据下式来确定

其中Δf是参考频率f_o的均方根频率偏差。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述TDD通信系统是根据G.fast。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述TDD帧处于L0状态。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述TDD帧处于L.2.x状态。

12.一种时分双工(TDD)通信系统，其包括：

上游发射器；以及

下游接收器，

其中所述下游接收器适于定义TDD帧中的下游传输的最大不活动周期并且指定定时保活信号。

并且其中所述发射器适于在所述下游传输期间将所指定定时保活信号下游传输至所述接收器。

13.如权利要求12所述的TDD通信系统，其中所述定时保活信号包括导频音调。

14.如权利要求13所述的TDD通信系统，其中所述发射器适于将所述导频音调插入带有数据的符号中。

15.如权利要求13所述的TDD通信系统，其中所述发射器适于将所述导频音调插入带有非数据的符号中。

16.如权利要求12所述的TDD通信系统，其中所述接收器适于使用所传输定时保活信号来更新所述接收器处的接收时钟。

17.如权利要求16所述的TDD通信系统，其中更新使用所述接收器处的锁相环路来执行。

18.如权利要求12所述的TDD通信系统，其中所述最大不活动周期基于所述接收器处的最大允许相位漂移来定义。

19.如权利要求18所述的TDD通信系统，其中T_不活动是所述最大不活动周期并且其中是所述最大允许相位漂移，并且其中T_不活动根据下式来确定

其中Δf是参考频率f_o的均方根频率偏差。

20.如权利要求12所述的TDD通信系统，其中所述TDD通信系统是根据G.fast。