CN1879374A - 无线系统的重复编码 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于通过无线通道传输数据的系统和方法。在一些实施例中，传输数据包括接收卷积编码数据，并通过进一步重复编码该数据来增强数据的传输。

Description

无线系统的重复编码

技术领域

本发明一般涉及用于无线通信系统的数据传输方案。更具体地说，公开了用于无线系统的重复编码方案。

背景技术

通过引用由此结合的IEEE 802.11a、802.11b和802.11g标准规定无线通信系统的频带在2.4GHz和5GHz。出于示例的目的，本文将反复引用写为802.11a/g标准的802.11a和802.11g标准的组合。应当注意，所描述的技术在适当地方也可适用于802.11b标准。如果可以开发用于在扩充范围或在噪声环境中通信的备选系统，那么将会非常有用。这里将这种通信共同称为扩充范围通信。IEEE 802.11a/g标准规定包括纠错的强壮数据编码方案。但是，对于扩充范围通信来说，需要一种降低数据速率的更强壮数据传输方案。

附图说明

通过下面与附图相结合的详细说明将更容易理解本发明，其中相同标号表示相同的结构单元，并且其中：

图1A是说明常规802.11a/g OFDM包的数据部分的图示。

图1B是说明修改的802.11a/g OFDM包的数据部分的图示，其中每个符号重复两次(r＝2)。

图2A是说明具有放在诸如在IEEE 802.11a/g规范中规定的交织器输出之后的重复编码器的发送器系统图示。

图2B是说明用于接收由图2A所示发送器系统发送的信号的接收器系统图示。

图3A是说明具有放在诸如下述设计用于处理重复编码位的交织器输入之前的重复编码器的发送器系统图示。

图3B是说明用于接收由图3A所示发送器系统发送的信号的接收器系统图示。

图4A-4C是说明交织器的表格。

具体实施方式

应当理解，本发明可以许多方式实现，包括过程、设备、系统或诸如计算机可读存储介质的计算机可读介质或者其中程序指令通过光或电通信链路发送的计算机网络。应当注意，所公开过程的步骤顺序可在本发明范围内改变。

下面结合通过示例方式说明本发明原理的附图，提供本发明一个或多个实施例的详细描述。虽然结合这些实施例描述本发明，但是应当知道，本发明并不限于任何实施例。相反，本发明的范围只由所附权利要求书限制，并且本发明包括很多备选、修改和等价物。出于示例的目的，在下面描述中阐明大量具体细节，以便提供本发明的全面理解。在没有一些或全部这些具体细节的情况下，本发明可根据权利要求来实践。为了清晰起见，并未详细描述在技术领域已知的与本发明相关的技术材料，以使本发明不被不必要地模糊。

在如下所述的典型系统中，对表示要进行传送的数据集的位进行卷积编码，否则转换为值。可使用诸如BPSK、QPSK、16QAM或32QAM等各种调制类型。在此进一步描述的BPSK情况中，每个BPSK符号可具有两个值之一，且每个BPSK符号对应一位。OFDM符号包含在不同子通道上发送的48个值。为提供扩充范围，发送器将发送的每个值重复几次。在一个实施例中，利用与IEEE 802.11a/g标准规定的编码方案相同的编码方案，对位进行卷积编码。重复和发送每个编码值。最好在频域内重复该值，不过也可在时域内重复该值。在一些实施例中，在交织之前实现重复编码，并使用专门设计的交织器处理重复值。另外，可在OFDM符号上叠加伪随机代码，以将峰值降低到所发送信号的平均比率。

接收器组合对应重复编码值的每一个信号，并然后使用组合信号恢复这些值。在频域中组合这些值的实施例中，信号与对于不同子通道传递函数和相位偏移误差所作的校正相关地组合。对本说明书和权利要求书来说，“相关地”组合不应解释为表示最好相关地组合信号，而仅表示实现一些相位校正。根据每个子通道的质量，对来自不同子通道的信号进行加权。将组合的子通道加权提供给维特比检测器，以便于确定最可能的发送序列。

使用结合在IEEE 802.11a/g标准中的调制和编码方案，所需信噪比随数据速率线性地减小，假定不改变相同调制技术和基码率，并使用重复编码。可通过使用更好的代码或外部代码获得一些更多的增益。不过，在能够实现IEEE 802.11a/g标准和扩充范围方式的双模系统中，由那些技术引入的复杂性对于可获得的受限增益可能是不值得。在一些情况中，相比较来说，实现值的重复更简单并且更有效。

可以在时域或频域内实现重复编码。对于时域重复，将时域中(IFFT操作之后)的OFDM符号重复期望的次数，取决于数据速率。由于在时域内重复r次的OFDM符号仅需要一个保护间隔，因此该方案在效率方面具有优势。

图1A是说明常规802.11a/g OFDM包的数据部分的图示。每个OFDM符号102由保护带104分隔。图1B是说明修改的802.11a/gOFDM包的数据部分的图示，其中每个符号重复两次(r＝2)。重复符号集112的每个由单个保护带104分隔。重复符号之间不需要保护带。

OFDM符号也可在频域中(在IFFT之前)重复。该方案的缺点是，由于具有频域重复的OFDM符号不是周期性的，所以在时域中每个OFDM符号之间必须插入一个保护间隔。然而，如果在频域内将重复模式(pattern)配置为实现频率分集，那么在频域内的重复可以获得更好的多路径性能。

在信号在发送器和接收器之间反射一次或多次的典型环境中，有可能在接收器处某些反射和直接信号将趋于抵消，这是因为路径之间的相位差可能接近180度。对于不同的频率，路径之间的相位差将有所不同，因此在不同频率之间扩展(spread)重复值以实现频率分集可确保至少一些值将到达接收器，其中足够的信号强度将被组合并读出。为了最大化频率分集的好处，最好在与可实践的一样的宽度间隔的子通道上重复这些值，因为相邻子通道之间的相位差小。

图2A是说明具有放在诸如IEEE 802.11a/g规范中规定的交织器输出之后的重复编码器的发送器系统图示。在该示例系统中，实现BPSK调制，并且重复编码器和交织器描述为按位操作，这相当于对相应值进行操作。在其他实施例中，可使用其他调制方案，并且可重复和交织这些值。交织器包含在IEEE 802.11a/g发送器规范中，目的是改变所发送位的顺序，以去除由卷积编码器引入的连续位之间的相关性。输入数据由卷积编码器202进行卷积编码。卷积编码器202的输出由IEEE 802.11a/g交织器204进行交织。重复编码器206重复这些位，并且伪随机掩码(mask)组合器208将重复编码器206的输出与伪随机掩码组合起来，以将峰值降低到信号的平均比率，这在下面将描述。然后信号在发送之前由IFFT处理器210对其进行处理。

图2B是说明用于接收由图2A所示发送器系统发送的信号的接收器系统图示。FFT处理器220处理所接收的信号。将FFT处理器220的输出输入到去除伪随机掩码的掩码去除器218。数据组合器216将重复编码的数据组合成非重复数据流。下面将进一步详述数据组合器216的操作。IEEE 802.11a/g去交织器214对数据去交织，并且维特比解码器212确定原来输入到发送系统的最可能的数据序列。

图2A和2B中描述的系统可使用与常规802.11a/g系统相同的交织器和去交织器，并且还在设计重复模式方面具有灵活性，这是因为重复编码器就放在IFFT块之前。不过，这也具有某些缺点。在发送器处需要进行数据填充，并在接收器处需要进行数据缓冲。根据要发送的字节数和数据速率必须填充位。填充的位数由一个OFDM符号能携带多少位来确定。因为对于BPSK调制来说，802.11a/g交织器作用于48个编码位，所以需要填充的位使得编码位的数量是48的倍数。因为重复编码器放在交织器之后，所以可能有必要通过添加不必要的位来填充数据以使数据速率低于6Mbps。

例如，一个OFDM符号将以1/4Mbps的数据速率正好携带1个未编码的重复位。因为OFDM符号可从该一个位中产生，所以将决不需要添加额外未编码的位，因此原则上将没必要进行填充。然而，由于802.11a/g交织器的特殊结构，在交织器之前将需要填充几个位，以使编码位的数量是48的倍数。所填充的位不传送任何信息，并增加发送的开销，使其效率更加低下。

另一方面，如果重复编码器放在交织器之后，那么从48个交织位中产生的重复编码位就分布在多个OFDM符号中。因此，在可以进行数据去交织之前，接收器将需要处理多个OFDM符号。因此，附加的缓冲器将有必要存储频域数据。

通过重新设计交织器以使其对从重复编码器输出的位进行操作，可以改进该系统，并且可以不需要在发送器处进行数据填充以及在接收器处进行数据缓冲。

图3A是说明具有放在诸如下述设计用于处理重复编码位的交织器输入之前的重复编码器的发送器系统图示。输入数据由卷积编码器302进行卷积编码。卷积编码器302的输出由重复编码器304进行重复编码。交织器306对重复编码位进行交织。设计交织器306使得不需要进行数据填充并降低重复级别，对这些位进行交织，使得分隔开重复位。伪随机掩码组合器308将交织器306的输出与伪随机掩码组合起来，以将峰值降低到信号的平均比率，如下所述。然后信号在发送之前由IFFT处理器310对其进行处理。

图3B是说明用于接收由图3A所示发送器系统发送的信号的接收器系统图示。由FFT处理器320处理所接收信号。将FFT处理器320的输出输入到去除伪随机掩码的掩码去除器318。去交织器316对数据进行去交织。数据组合器314将重复编码的数据组合成非重复数据流。下面将进一步详述数据组合器314的操作。维特比解码器312确定原来输入到发送系统的最可能的数据序列。

最好将交织器306设计成使得在频域内良好分隔地发送相同的(重复)数据，以获得完整的频率分集。例如，在一个实施例中，对于1Mbps方式来说频域内的重复模式将每位重复6次。在频域内将数据表示为d₁，d₂，...，d₈，数据的重复序列给出如下：

d₁ d₁ d₁ d₁ d₁ d₁ d₂ d₂ d₂ d₂ d₂ d₂...d₈ d₈ d₈ d₈ d₈ d₈

相同的数据以分组形式放置，因为容易在接收器处组合那些数据。注意，仅在可得到r(此例中为6)个数据之后才可组合重复数据。

上述示例中的重复模式不提供最大可能的频率分集，因为相邻子通道上发送的相同数据之间的间隔可能不够大，并且对应于相同数据的子通道并不完全独立。对于具有大延迟扩展的多路径通道，将特别期望更大的频率分集。因此，将交织器306设计成在频域内扩展重复的数据，从而获得与实践一样多的频率分集。

在一个实施例中，对于数据速率大于1Mbps(重复数＜＝6)来说，将交织器设计成使交织器提供的频率分集最优化。对于较低数据速率1/2和1/4Mbps来说，即使使用相邻子通道也有足够的重复覆盖充分的子通道，以提供频率分集。在下述优选交织器中，至少由8个子通道分隔重复的位，并且至少由3个子通道分隔来自卷积编码器的连续编码位。根据下列步骤设计交织器：

1.产生如图4A所示的6×8表格，以满足规定至少由8个子通道分隔位的第一规则。

2.如图4B所示，交换列，以满足规定至少由3个子通道分隔连续编码位的第二条规则。

3.如图4C所示，通过交换行来增加重复位之间的间隔。在所示例子中，对于3Mbps来说，由至少16个仓(bin)分隔重复位(对于3Mbps来说重复数＝2，因此每位重复一次)。对于所示示例交织器来说，如果到交织器的输入是{1，2，3，...，48}，那么输出将是：{1，19，37，7，25，43，13，31，4，22，40，10，28，46，16，34，2，20，38，8，26，44，14，32，5，23，41，11，29，47，17，35，3，21，39，9，27，45，15，33，6，24，42，12，30，48，18，36}。

在频域内重复值倾向于在时域内产生峰值，特别对于非常低的数据速率(即，对于大的重复数)。大的峰均比(PAR)给系统、尤其是发射功率放大器带来问题。可通过对在不同频率上发送的值进行加扰或掩蔽(masking)以使它们不全相同，来改善该问题。只要掩蔽方案已知，那么在接收器处就可取消加扰。在一个实施例中，频域数据乘以根据PAR仔细设计的802.11a/g长符号。如图2中可看到的，就在IFFT操作之前执行掩码操作。通常情况下，可使用任何掩蔽序列使得重复的值不同得足以适当降低PAR。例如，在一些实施例中使用伪随机码。

在接收器处，解码包括：(1)掩码去除、(2)去交织、(3)数据组合、(4)通道校正、(5)维特比解码。应当注意，在一些实施例中，步骤顺序可以适当改变。

在使用频率重复的实施例中，发送器最好对频域信号进行掩蔽，以降低时域内的峰均比(PAR)。接收器去除由发送器所加的掩码。如上例所示，如果发送器使用的掩码包括+/-ls，那么通过改变接收器中FFT输出的符号来去除掩码。在去除掩码之后，根据发送器处的交织模式对数据进行去交织。

在接收器处在频域内组合重复的信号，以增加重复信号的SNR，使其超过信号没被重复的SNR。通过倍增通道响应的复共轭来增加SNR，如下所示：

$Y_c=\underset{j{\∈S}_c}{\mathrm{\Σ}}{H}_j^{*}{Y}_j$

$H_c=\underset{j{\∈S}_i}{\mathrm{\Σ}}{\left|H_j\right|}^2$

其中Y_j是子通道j中的信号，H_j是子通道j的响应，Y_c是组合信号，H_c是组合通道，而S_c是对应于包括相同数据的频率子通道的索引集。

在数据输入到维特比解码器之前最好去除通道效应，以使维特比解码器能够不考虑实际通道响应而使用相同的软判决单元。在扩充范围方式中，在通道校正单元使用组合的通道。

为了在软判决维特比解码器中计算路径量度，对频域信号进行加权，并通过相应的SNR确定最佳加权。

组合信号的结果SNR变成：

$\mathrm{SNR}=\underset{j{\∈S}_i}{\mathrm{\Σ}}{\left|H_j\right|}^2\frac{E_x}{{\mathrm{\σ}}_j^2}$

其中E_x是信号功率，而σ_j ²是子通道j的噪声功率。组合的SNR用于估算维特比加权。

802.11a/g标准规定，在每个OFDM符号中包括四个导频信号，以估计802.11a/g信号中的定时偏移和频率偏移，并跟踪相位噪声。802.11a/g系统假定，这四个导频信号足够可靠以估计相位信息。该假定对于具有非常低SNR的系统来说可能不对。采用存在于频域信号内的冗余来帮助导频信号估计和跟踪相位。

从频域数据估计相位信息方法如下：

1.在频域内组合重复的信号，以增加SNR，其中由长符号的前置序列和估计的斜率确定通道估计，其捕获了定时偏移效应。

2.在去除从前一符号估计的相位偏移之后，对每个组合信号作出硬判决。

3.组合信号乘以它们自己的硬判决。使用硬判决校正信号的平均来估算角度，以估计当前符号的相位偏移。

对估计的相位偏移应用滤波器，以降低噪声效应。在一个实施例中，使用非线性中值滤波器。非线性中值滤波器有效地检测和校正相位偏移中可能由硬判决误差而引起的突变。

已经公开了用于无线系统的编码和解码方案。最好在频域内使用重复编码。已经描述了提供频率分集的交织器。在各种实施例中，根据特定系统需求，可组合或单独使用所描述的技术。

尽管出于清楚理解的目的已经详细地描述了上述发明，但是要明白的是，在所附权利要求书范围内可实践某些变化和修改。应当注意，存在许多实现本发明过程和设备的备选方式。因此，这些实施例将解释为示意说明性而不是限制性的，且本发明不限于这里给出的细节，而是可在所附权利要求书范围和等价物内进行修改。

Claims (27)

1.一种通过无线通道发送数据的方法，包括：

接收卷积编码的数据；以及

通过进一步重复编码所述数据来增强所述数据的发送。

2.如权利要求1所述的通过无线通道发送数据的方法，其中所述数据在频域内重复。

3.如权利要求1所述的通过无线通道发送数据的方法，其中所述数据在时域内重复。

4.如权利要求2所述的通过无线通道发送数据的方法，还包括对所述数据进行掩蔽，以将其峰值降到平均比率。

5.如权利要求1所述的通过无线通道发送数据的方法，还包括通过加伪随机序列对所述数据进行掩蔽。

6.如权利要求1所述的通过无线通道发送数据的方法，其中利用IEEE 802.11a/g编码器对所述数据进行编码。

7.如权利要求1所述的通过无线通道发送数据的方法，其中在重复编码之后对所述数据进行交织，由此减少了在交织之前填充所述数据的需要。

8.一种通过无线通道接收数据的方法，包括：

接收卷积编码和重复编码的数据；

组合所述重复编码数据，以产生组合数据；以及

对所述组合数据进行解码。

9.如权利要求8所述的通过无线通道接收数据的方法，其中利用维特比解码器对所述组合数据进行解码。

10.如权利要求8所述的通过无线通道接收数据的方法，其中所述重复编码数据在时域内重复。

11.如权利要求8所述的通过无线通道接收数据的方法，其中所述重复编码数据在频域内重复。

12.如权利要求8所述的通过无线通道接收数据的方法，其中接收的数据进一步通过伪随机掩码进行编码，所述方法还包括去除所述伪随机掩码。

13.如权利要求8所述的通过无线通道接收数据的方法，其中所述卷积编码符合IEEE 802.11a/g标准卷积编码。

14.如权利要求8所述的通过无线通道接收数据的方法，还包含在组合所述数据之前对所述数据去交织。

15.如权利要求8所述的通过无线通道接收数据的方法，其中所述重复编码数据在子通道上在所述频域内重复，并且其中组合所述重复编码数据以产生组合数据包括补偿每个子通道效应。

16.如权利要求8所述的通过无线通道接收数据的方法，其中所述重复编码数据在子通道上在所述频域内重复，并且其中组合所述重复编码数据以产生组合数据包括根据所述子通道质量对在不同子通道上接收的数据进行加权。

17.如权利要求8所述的通过无线通道接收数据的方法，其中所述重复编码数据在子通道上在所述频域内重复，并且其中对包含在所述组合数据中的位进行总通道质量估计，且其中所述维特比使用所述总通道质量估计来确定最大可能发送的数据序列。

18.如权利要求8所述的通过无线通道接收数据的方法，还包括使用接收的重复编码数据来估计相位偏移。

19.如权利要求8所述的通过无线通道接收数据的方法，还包括通过作出硬判决并确定硬判决校正信号而使用所述接收的重复编码数据来估计相位偏移。

20.如权利要求8所述的通过无线通道接收数据的方法，还包括：

通过作出硬判决并确定硬判决校正信号而使用所述接收的重复编码数据来估计相位偏移；以及

使用中值滤波器对估计的相位偏移进行滤波。

21.一种用于对数据进行编码以通过无线通道发送的系统，包括：

卷积编码器，配置为对数据进行卷积编码；以及

重复编码器，配置为通过进一步对所述数据重复编码来增强卷积编码数据的发送。

22.如权利要求21所述的对数据进行编码的系统，还包括交织器。

23.如权利要求21所述的对数据进行编码的系统，还包括配置为在所述重复编码数据上叠加伪随机掩码的掩蔽处理器。

24.一种用于通过无线通道接收数据的系统，包括：

接收器，配置为接收卷积编码和重复编码的数据；

数据组合器，配置为组合所述重复编码数据以产生组合数据；及

解码器，配置为对所述组合数据进行解码；

25.如权利要求24所述的用于接收数据的系统，还包括配置为对所述组合数据去交织的去交织器。

26.如权利要求24所述的用于接收数据的系统，其中所述解码器是维特比解码器。

27.如权利要求24所述的用于接收数据的系统，还包括掩码去除器。

如权利要求24所述的用于接收数据的系统，还包括相位偏移处理器，所述相位偏移处理器配置为通过作出硬判决并确定硬判决校正信号来确定相位偏移。

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