ПЕРЕДАЧА С МНОЖЕСТВОМ НЕСУЩИХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОЖЕСТВА РАЗМЕРОВ СИМВОЛОВ OFDM
TRANSMISSION WITH MULTIPLE CARRIERS USING MULTIPLE SIZES OF OFDM SYMBOLS

Настоящая заявка на патент притязает на приоритет предварительной заявки на патент №60/421309, озаглавленной “MIMO WLAN System”, поданной 25 октября 2002 г., и предварительной заявки на патент №60/438601, озаглавленной “Pilot Transmission Schemes for Wireless Multi-Carrier Communication Systems”, поданной 7 января 2003 г., права на которые принадлежат правообладателю настоящей заявки на патент и которые включены в настоящее описание во всей своей полноте в качестве ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в общем случае к обмену данными, а более точно, к коммуникационным системам с мультиплексированием с ортогональным делением частот (OFDM) и способам для обеспечения размеров OFDM символов для увеличения эффективности беспроводной связи.
Уровень техники
S
Беспроводные коммуникационные системы широко применяются для обеспечения различных типов коммуникационных услуг, таких как передача речи, пакетных данных и т.д. Такие системы могут использовать OFDM, который представляет собой способ модуляции, разработанный с возможностью обеспечения высокой производительности для определенных типов состояний беспроводной сети. OFDM эффективно разделяет полосу пропускания системы на несколько (N) ортогональных поддиапазонов, которые также называют тонами, бинами и частотными подканалами. В случае OFDM каждый поддиапазон связан с соответствующей несущей, которая может быть модулирована данными.
S
S
S
S
S
S
В случае OFDM поток информационных битов преобразуют в последовательности символов модуляции частотного домена. Один символ модуляции может быть передан в каждом из N поддиапазонов в каждый период OFDM символа (описанный ниже). Символы модуляции, предназначенные для передачи в N поддиапазонах в каждый период OFDM символа, преобразуют во временной домен, используя обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT) для получения “преобразованного” символа, который содержит N выборок. Входным сигналом для N-точечного IFFT являются N значений частотного домена, а выходной сигнал IFFT представляет собой N выборок временного домена. Количество поддиапазонов определено размером IFFT. Увеличение размера IFFT увеличивает количество поддиапазонов и также увеличивает количество выборок для каждого преобразованного символа, что соответственно увеличивает время, необходимое для передачи символа.
ср
S
cp
S
cp
Для противодействия частотно-селективному замиранию в беспроводном канале, используемом для передачи данных (описанном ниже), часть каждого передаваемого символа обычно повторяют перед передачей. Повторяемую часть часто называют циклическим префиксом, и она имеет длину N выборок. Длина циклического префикса обычно выбирается, основываясь на разбросе задержек в системе, как описано ниже, и не зависит от длины преобразованного символа. OFDM символ содержит преобразованный символ и его циклический префикс. Каждый OFDM символ содержит N+N выборок и имеет длительность N+N периодов выборок, что составляет один период OFDM символа.
Размер циклического префикса по отношению к размеру OFDM символа может оказывать сильное влияние на эффективность OFDM системы. Циклический префикс должен передаваться с каждым OFDM символом для упрощения обработки в приемнике в случае среды с многолучевым распространением, но не несет дополнительной информации. Циклический префикс можно рассматривать как полосу пропускания, которая расходуется непроизводительно в качестве цены за работу в среде с многолучевым распространением. Доля непроизводительно расходуемой полосы пропускания в этом случае может быть вычислена с использованием формулы .
ср
S
S
S
Например, если N составляет 16 выборок, и N составляет 64 выборки, то 20% полосы пропускания теряется на служебную информацию, связанную с циклическим префиксом. Эта доля может быть уменьшена с использованием относительно большего значения N. К сожалению, использование больших значений N также может приводить к неэффективности, особенно если размер информационной единицы или пакета, предназначенного для передачи, много меньше, чем емкость OFDM символа. Например, если каждый OFDM символ может переносить 480 информационных битов, а обычный пакет содержит 96 битов, то эффективность упаковки будет очень малой, и большая часть емкости OFDM символа при посылке такого пакета будет тратиться непроизводительно.
Множественный доступ с ортогональным делением частот (OFDMA) может снизить неэффективность, являющуюся следствием избыточной емкости, появляющейся в результате использования больших OFDM символов. В случае OFDMA множество пользователей совместно используют большой OFDM символ, используя мультиплексирование в частотном домене. Это достигается путем резервирования набора поддиапазонов для сигнализации и назначения различных непересекающихся наборов поддиапазонов различным пользователям. Однако передача данных с использованием OFDMA может осложняться различными факторами, такими как, например, различные требования к мощности, задержке распространения, доплеровские сдвиги частоты и/или тайминги для различных пользователей, совместно использующих большой OFDM символ.
В существующих системах OFDM обычно выбирают размер одного OFDM символа, который является компромиссом различных факторов, что может включать в себя минимизацию служебной информации, связанной с циклическим префиксом, и максимизацию эффективности пакетирования. Использование такого размера одного OFDM символа приводит в результате к неэффективности вследствие избыточной емкости при передаче пакетов различных размеров. Таким образом, в данной области техники существует потребность в системе OFDM, эффективно работающей при передаче пакетов с меняющимися размерами.
Раскрытие изобретения
В настоящем описании предлагаются способы использования OFDM символов различных размеров для достижения большей эффективности OFDM систем. Указанные способы могут решить как задачу минимизации служебной информации, связанной с циклическим префиксом, так и задачу максимизации эффективности пакетирования. Размеры символов OFDM могут выбираться, основываясь на ожидаемых размерах различных типов полезной нагрузки, предназначенной для передачи в OFDM системе. Трафик системы может быть разделен на различные категории. Для каждой категории может быть выбран для использования один или несколько OFDM символов подходящих размеров, основываясь на ожидаемом размере полезной нагрузки для трафика в этой категории.
Например, трафик системы может быть разделен на управляющие данные, пользовательские данные и пилотные данные. Управляющие данные могут передаваться, используя OFDM символ первого размера, пользовательские данные могут передаваться, используя OFDM символ второго размера и OFDM символ первого размера, и пилотные данные могут передаваться, используя OFDM символ третьего размера (или первого размера). Пользовательские данные дополнительно могут быть разделены на подкатегории, такие как, например, голосовые данные, пакетные данные, данные обмена сообщениями и т.д. При этом для каждой подкатегории пользовательских данных может быть выбран OFDM символ конкретного размера. В качестве альтернативы или дополнения данные для каждого пользователя могут передаваться, используя OFDM символ конкретного размера, выбранного для данного пользователя. Для улучшения эффективности пакетирования для пакета данных данного пользователя могут быть использованы OFDM символы различных размеров для лучшего соответствия емкости OFDM символов полезной нагрузки пакета.
В общем случае в OFDM системе может быть использовано любое количество размеров OFDM символов, и для использования может быть выбран любой конкретный размер OFDM символа. В одном из иллюстративных вариантов исполнения используют комбинацию двух размеров OFDM символов таким образом, чтобы максимизировать эффективность пакетирования. В данном иллюстративном варианте исполнения для пилотных данных и управляющих данных используется размер маленького или короткого OFDM символа (например, 64 поддиапазона). Пользовательские данные могут передаваться в нескольких (включая ноль и один) OFDM символах, имеющих размер большого или длинного OFDM символа (например, 256 поддиапазонов), и нескольких (включая ноль и один) OFDM символах, имеющих размер маленького OFDM символа, в зависимости от размера полезной нагрузки.
Обработка в передатчике и приемнике (например, кодирование, перемежение, отображение символов и пространственная обработка) может выполняться способом, учитывающим использование OFDM символов различных размеров, как описано ниже. Различные аспекты и варианты осуществления настоящего изобретения также более подробно описаны ниже.
Краткое описание чертежей
Отличительные особенности, сущность и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из приведенного ниже подробного описания в сочетании с чертежами, на которых одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые элементы, и на которых:
на фиг.1 показана блок-схема OFDM модулятора;
на фиг.2 показаны OFDM символы различных размеров и служебная информация, связанная с циклическим префиксом;
на фиг.3А и 3В показано использование OFDM символов различных размеров для передачи различных типов данных;
на фиг.4 показан блок IFFT с S каскадами для генерации OFDM символов различных размеров;
на фиг.5 показана иллюстративная MIMO-OFDM система;
на фиг.6 показана структура кадра для TDD MIMO-OFDM системы;
на фиг.7 показана структура пакета данных и PHY кадра;
на фиг.8 показана блок-схема точки доступа и двух пользовательских терминалов;
на фиг.9А показана блок-схема блока передатчика, который может быть использован в точке доступа и пользовательском терминале; и
на фиг.9В показана блок-схема модулятора в блоке передатчика.
Осуществление изобретения
Слово “иллюстративный” используется в настоящем описании, как обозначающее “служащий в качестве примера, образца или иллюстрации”. Любые варианты осуществления, изложенные в настоящем описании как “иллюстративные”, не следует рассматривать как предпочтительные или имеющие преимущества перед другими вариантами осуществления.
B
На фиг.1 показана блок-схема OFDM модулятора 100, который может быть использован в OFDM системе. Данные, предназначенные для передачи (т.е. информационные биты), как правило, сначала кодируются в кодере (не показан) с использованием конкретно схемы кодирования для генерации кодированных битов. Например, кодер (не показан) может использовать код с прямой коррекцией ошибок (FEC), такой как блочный код, сверточный код или турбо код. Затем кодированные биты группируются в В-битные двоичные значения, причем B≥1. Затем каждое В-битное значение отображают на определенный символ модуляции, основываясь на конкретной схеме модуляции (например, M-PSK или M-QAM, где M=2). Каждый символ модуляции представляет собой комплексное значение в сигнальном созвездии, соответствующем схеме модуляции, используемой для данного символа модуляции.
S
S
S
Для каждого периода OFDM символа может быть передан один символ модуляции в каждом поддиапазоне, используемом для передачи данных, а для каждого неиспользуемого поддиапазона обеспечивают нулевое значение сигнала. Блок 110 обратного быстрого преобразования Фурье (IFFT) преобразует N символов модуляции и нулей для всех N поддиапазонов в каждом периоде OFDM символа во временной домен, используя обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT) для получения преобразованного символа, содержащего N выборок.
S
cp
cp
Затем генератор 120 циклического префикса повторяет часть каждого преобразованного символа для получения соответствующего OFDM символа, который содержит N+N выборок. Циклический префикс используется для противодействия частотно-селективному замиранию (т.е. частотному отклику, который изменяется по полосе пропускания системы), причиной чего является разброс задержек в системе. Разброс задержек для передатчика представляет собой разницу между самым ранним и самым поздним моментами прибытия экземпляров сигнала в приемник для сигнала, переданного этим передатчиком. Разброс задержек в системе представляет собой ожидаемый наихудший случай разброса задержек для всех передатчиков и приемников в системе. Частотно-селективное замирание является причиной межсимвольной интерференции (ISI), которая представляет собой явление, при котором каждый символ в принятом сигнале является искажающим для последующих символов в принятом сигнале. ISI искажение ухудшает производительность, влияя на способность верного обнаружения принятых символов. Для эффективного противодействия ISI длину циклического префикса, как правило, выбирают, основываясь на разбросе задержек в системе таким образом, чтобы циклический префикс включал в себя значительную часть энергии всех многолучевых компонентов. Циклический префикс представляет фиксированную служебную информацию из N выборок для каждого OFDM символа.
На фиг.2 показаны OFDM символы различных размеров, включающие в себя фиксированную служебную информацию, связанную с циклическим префиксом. Для данной полосы пропускания системы, составляющей W мегагерц, размер или продолжительность OFDM символа зависит от количества поддиапазонов. Если полоса пропускания системы разделена на N поддиапазонов с использованием N-точечного IFFT, то результирующий преобразованный символ содержит N выборок и длится N периодов выборок или N/W микросекунд. Как показано на фиг.2, полоса пропускания системы также может быть разделена на 2N поддиапазона с использованием 2N-точечного IFFT. В этом случае результирующий преобразованный символ содержит 2N выборок, длится 2N периодов выборок и имеет приблизительно удвоенную емкость переноса данных по сравнению с преобразованным символом, содержащим N выборок. Аналогично, на фиг.2 также показано, как полоса пропускания системы может быть разделена на 4N поддиапазона с использованием 4N-точечного IFFT. Результирующий преобразованный символ при этом содержит 4N выборки и имеет приблизительно учетверенную емкость переноса данных по сравнению с преобразованным символом, содержащим N выборок.
Как показано на фиг.2, поскольку циклический префикс представляет собой фиксированную служебную информацию, он составляет меньшую долю OFDM символа при возрастании размера символа. При другом подходе только один циклический префикс требуется для данного преобразованного символа размером 4N, тогда как для эквивалентных четырех преобразованных символов размера N требуется четыре циклических префикса. Объем служебной информации для циклических префиксов может быть уменьшен на 75% при использовании больших OFDM символов размера 4N. (Для OFDM символов термины “большой” и “длинный” используются в настоящем описании взаимозаменяемо, и термины “маленький” и “короткий” также используются взаимозаменяемо.) Из фиг.2 видно, что может быть достигнута улучшенная эффективность (с точки зрения использования циклического префикса) при использовании OFDM символа наибольшего возможного размера. Наибольший OFDM символ, который может быть использован, как правило, ограничен временем когерентности беспроводного канала, которое представляет собой время, в течение которого беспроводной канал является, по существу, неизменным.
Использование наибольшего возможного OFDM символа может быть неэффективным с других точек зрения. В частности, если емкость переноса данных OFDM символа много больше, чем размер полезной нагрузки, предназначенной для передачи, то оставшаяся избыточная емкость OFDM символа не будет использована. Такая избыточная емкость OFDM символа является неэффективной. Если OFDM символ является слишком большим, то неэффективность вследствие избыточной емкости может превышать неэффективность вследствие циклического префикса.
В иллюстративной OFDM системе оба типа неэффективности минимизируют путем использования OFDM символов различных размеров. Размеры OFDM символов, используемые для передачи единицы данных, могут быть выбраны из набора доступных размеров OFDM символов, которые, в свою очередь, могут быть выбраны, основываясь на предполагаемых размерах различных типов полезной нагрузки, предназначенной для передачи в OFDM системе. Трафик системы может быть разделен на различные категории. Для каждой категории для использования могут быть выбраны один или несколько OFDM символов подходящих размеров, основываясь на ожидаемом размере полезной нагрузки для трафика в данной категории и возможно других факторах (например, сложности осуществления). OFDM символ может рассматриваться в качестве контейнера, используемого для передачи данных. Один или несколько контейнеров подходящих размеров могут быть выбраны для каждой категории данных в зависимости от объема данных, ожидаемого для передачи в этой категории. Единица данных может быть передана с использованием множества контейнеров, имеющих одинаковые размеры или имеющих различные размеры. Например, если единица данных занимает 2,1 емкости “большого” контейнера, тогда единица данных может быть передана с использованием двух “больших” контейнеров и одного “маленького” контейнера.
В качестве примера трафик системы может быть разделен на три основные категории: управляющие данные, пользовательские данные и пилотные данные. Как правило, управляющие данные составляют небольшую долю (например, менее чем 10%) от общего трафика системы и обычно передаются в маленьких блоках. Пользовательские данные составляют основную часть трафика системы. Для минимизации служебной информации, связанной с циклическим префиксом, и максимизации эффективности пакетирования для передачи управляющих данных и пилотных данных может быть использован короткий OFDM символ, а для передачи пользовательских данных может быть использована комбинация длинных OFDM символов и коротких OFDM символов.
На фиг.3А показано применение OFDM символов различных размеров для передачи различных типов данных в OFDM системе. Для простоты для каждой категории и типа данных на фиг.3А используется только один размер OFDM символа. В общем случае для каждой категории и типа данных может использоваться любое количество размеров OFDM символов.
Sa
Sb
Как показано на фиг.3А, пилотные данные могут передаваться, используя OFDM символ размера N, управляющие данные могут передаваться, используя OFDM символ размера N, и различные типы пользовательских данных (или данных различных пользователей) могут передаваться, используя OFDM символы размеров
Sc
Sq
N-N. Пользовательские данные могут быть дополнительно разделены на подкатегории, такие как, например, голосовые данные, пакетные данные, данные обмена сообщениями и т.д. При этом для каждой подкатегории пользовательских данных может быть выбран подходящий размер OFDM символа. В качестве альтернативы, данные каждого пользователя могут передаваться, используя OFDM символ размера, подходящего для этого пользователя. Размер OFDM символа для конкретного пользователя может быть выбран, основываясь на различных факторах, таких как, например, объем данных, предназначенных для передачи, время когерентности беспроводного канала для данного пользователя и т.д.
В общем случае для FDM системы может быть использовано любое количество размеров OFDM символов, и для использования может быть выбран любой конкретный размер OFDM символа. Как правило, минимальный размер OFDM символа определяется служебной информацией, связанной с циклическим префиксом, а максимальный размер символа OFDM определяется временем когерентности беспроводного канала. С практической точки зрения обычно для использования используют размеры OFDM символов, которые представляют собой степени 2 (например, 32, 64, 128, 256, 512 и т.д.), вследствие простоты преобразования между временными и частотными доменами при операциях IFFT и быстрого преобразования Фурье (FFT).
На фиг.3А показана передача различных типов данных в различных временных сегментах при способе мультиплексирования с временным разделением (TDM). Каждый кадр (который имеет определенную продолжительность) разделен на множество временных сегментов. Каждый временной сегмент может быть использован для передачи данных конкретного типа. Различные типы данных также могут передаваться другими способами, и это находится в пределах объема настоящего изобретения. Например, пилотные данные и управляющие данные могут передаваться в различных наборах поддиапазонов в одном и том же временном сегменте. В качестве другого примера все пользовательские данные могут передаваться для каждого кадра в одном временном сегменте.
a priori
В случае структуры TDM кадра, такого как показан на фиг.3А, конкретный размер OFDM символа для использования в каждом временном сегменте может быть определен различными способами. В одном из вариантов осуществления размер OFDM символа для использования в каждом временном сегменте является фиксированным и известным  как для передатчиков, так и для приемников в OFDM системе. В другом варианте осуществления размер OFDM символа для каждого временного сегмента может быть конфигурируемым и указывается, например, сигнализацией, передаваемой в каждом кадре. В еще одном варианте осуществления размеры OFDM символов для некоторых временных сегментов (например, для пилотных данных и управляющих данных) могут быть фиксированными, а размеры OFDM символов для других временных сегментов (например, для пользовательских данных) могут быть конфигурируемыми. В случае последнего варианта конфигурации передатчик может использовать канал управляющих данных с фиксированным размером символа для передачи размеров OFDM символа, предназначенного для использования в последующих OFDM символах пользовательских данных.
На фиг.3В показано использование двух различных размеров символов OFDM, N и 4N, для различных типов данных. В этом варианте осуществления каждый кадр разделен на три временных сегмента для пилотных данных, управляющих данных и пользовательских данных. Пилотные данные и управляющие данные передаются с использованием OFDM символа размера N, а пользовательские данные передаются с использованием OFDM символа размера 4N и OFDM символа размера N. В каждом из временных сегментов для пилотных данных и управляющих данных могут быть переданы один или несколько OFDM символов размера N. Во временном сегменте для пользовательских данных могут быть переданы ноль или несколько OFDM символов размера 4N и ноль или несколько OFDM символов размера N.
2
max
max
max
На фиг.4 показан вариант осуществления блока 400 IFFT с переменным размером, выполненного с возможностью генерации OFDM символов различных размеров. Блок 400 IFFT включает в себя S каскадов, где S=logN, и N представляет собой размер наибольшего генерируемого OFDM символа. Символы модуляции для каждого периода OFDM символа предоставляются в блок 410 введения нулей и сортировки, который сортирует символы модуляции, например, в порядке, инвертированном по разрядам, и вставляет требуемое количество нулей при генерации маленького OFDM символа. Блок 400 предоставляет N сортированных символов модуляции и нулей в первый каскад 420а “бабочка”, который выполняет набор сходящихся вычислений для двухточечных обратных дискретных преобразований Фурье (DFT). Выходные сигналы из первого каскада 420a “бабочка” обрабатываются в каждом из последующих каскадов 420b-420s “бабочка”. Каждый каскад 420 “бабочка” выполняет набор сходящихся вычислений с набором коэффициентов, подходящих для этого каскада, как известно в данной области техники.
max
max
max
max
max
max
Выходные сигналы из последнего каскада 420s “бабочка” предоставляются в блок 430 селектора, который предоставляет выборки временного домена для каждого OFDM символа. Для выполнения N-точечного IFFT задействуются все каскады “бабочка”, и блоком 430 селектора предоставляется N выборок. Для выполнения N/2 точечного IFFT задействуются все, кроме последнего каскада 420s “бабочка”, и блоком 430 селектора предоставляется N/2 выборок. Для выполнения N/4 точечного IFFT задействуются все, кроме последних двух каскадов 420r и 420s “бабочка”, и блоком 430 селектора предоставляется N/4 выборок. Блок 440 управления принимает указание на конкретную длину OFDM символа для текущего периода OFDM символа и предоставляет сигналы управления в блоки 410 и 430 и каскады 420 “бабочка”.
max
Блок 400 IFFT может реализовывать алгоритм IFFT с прореживанием по времени или прореживанием по частоте. Помимо этого, блок 400 IFFT может реализовывать IFFT с основанием 4 или основанием 2, хотя IFFT с основанием 4 может быть более эффективным. Блок 400 IFFT может быть выполнен как содержащий один или несколько блоков сходящихся вычислений. В качестве крайних вариантов один блок сходящихся вычислений может быть использован для реализации IFFT с разделением времени, и N/основание блоков сходящихся вычислений могут быть использованы для полностью параллельной реализации IFFT. Как правило, количество требуемых блоков сходящихся вычислений определяется тактовой частотой этих блоков, частотой следования OFDM символов и максимальным размером IFFT. Подходящее управление указанными блоками сходящихся вычислений в сочетании с управлением памятью обеспечивает возможность управления IFFT с различными размерами, используя один блок IFFT.
Как показано на фиг.1, генератор 120 циклического префикса повторяет часть каждого преобразованного символа, выдаваемого блоком 430 селектора, для обеспечения циклического префикса для каждого OFDM символа. Одна и та же длина циклического префикса может быть использована для OFDM символов различных размеров и может выбираться, основываясь на разбросе задержек в системе, как описано выше. Длина циклического префикса также может быть конфигурируемой. Например, длина циклического префикса, используемая в каждом приемнике, может быть выбрана, основываясь на разбросе задержек для данного приемника, что может быть меньше, чем разброс задержек для системы. Конфигурируемая длина циклического префикса может передаваться в приемник в виде сигнализации или при помощи других известных средств.
OFDM символы различных размеров могут быть преимущественно использованы в различных типах OFDM систем. Например, множество размеров OFDM символов может быть использовано для (1) OFDM систем с одним входом и одним выходом, которые используют одну антенну для передачи и приема, (2) OFDM систем с множеством входов и одним выходом, которые используют множество антенн для передачи и одну антенну для приема, (3) OFDM систем с одним входом и множеством выходов, которые используют одну антенну для передачи и множество антенн для приема, и (4) OFDM системы с множеством входов и множеством выходов (т.е. MIMO-OFDM системы), которые используют множество антенн для передачи и приема. Множество размеров OFDM символов также может быть использовано для (1) OFDM систем дуплексной связи с частотным разделением каналов (FDD), которые используют различные полосы частот для нисходящей линии и восходящей линии, и (2) OFDM систем дуплексной связи с временным разделением каналов (TDD), которые используют одну полосу частот как для нисходящей линии, так и для восходящей линии, используя разделение по времени.
Использование OFDM символов различных размеров в иллюстративной TDD MIMO-OFDM системе описано ниже.
I. TDD MIMO-OFDM система
На фиг.5 показана иллюстративная MIMO-OFDM система 500 с несколькими точками 510 доступа (AP), которые поддерживают обмен данными с несколькими пользовательскими терминалами (UT) 520. Для простоты на фиг.5 показаны только две точки 510а и 510b доступа. Точка доступа в общем случае представляет собой неподвижную станцию, которая используется для связи с пользовательскими терминалами и также может называться базовой станцией или каким-либо другим термином. Пользовательский терминал также может называться терминалом доступа, мобильной станцией, устройством пользователя (UE), беспроводным устройством или каким-либо другим термином. Пользовательские терминалы 520 могут быть распределены по всей системе. Каждый пользовательский терминал может представлять собой неподвижный или мобильный терминал, который может обмениваться данными с одной или, возможно, с множеством точек доступа по нисходящей или восходящей линиям в любой данный момент. Нисходящая линия (т.е. прямая линия) относится к передаче от точки доступа в пользовательский терминал, а восходящая линия (т.е. обратная линия) относится к передаче от пользовательского терминала в точку доступа.
На фиг.5 точка 510а доступа осуществляет связь с пользовательскими терминалами 520а-520f, и точка 510b доступа осуществляет связь с пользовательскими терминалами 520f-520k. Контроллер 530 системы подсоединен к точкам 510 доступа и может быть выполнен с возможностью осуществления множества функций, таких как (1) координация и управление точками доступа, подсоединенными к нему, (2) маршрутизация данных между этими точками доступа и (3) управление доступом и связью.
На фиг.6 показана иллюстративная структура кадра, которая может быть использована для MIMO-OFDM системы 500. Передача данных происходит блоками в виде TDD кадров, причем каждый из них имеет конкретную длительность (например, 2 мкс). Каждый TDD кадр разделен на фазу нисходящей линии и фазу восходящей линии, и каждая фаза нисходящей линии или восходящей линии дополнительно разделена на множество сегментов для множества транспортных каналов. В варианте осуществления, показанном на фиг.6, нисходящие транспортные каналы включают в себя широковещательный канал (BCH), прямой канал управления (FCCH), прямой канал (FCH), и восходящие транспортные каналы включают в себя обратный канал (RCH) и канал произвольного доступа (RACH).
В случае нисходящей линии BCH сегмент 610 используется для передачи одного блока данных протокола BCH (PDU) 612, который включает в себя часть 614 для маяка пилот-сигнала, часть 616 для MIMO пилот-сигнала и часть 618 для BCH сообщения. BCH сообщение содержит системные параметры для пользовательских терминалов в системе. FCCH сегмент 620 используется для передачи одного FCCH PDU, который содержит назначения ресурсов нисходящей линии и восходящей линии и другую сигнализацию для пользовательских терминалов. FCH сегмент 630 используется для передачи одного или нескольких FCH PDU 632 по нисходящей линии. Могут быть определены различные типы FCCH PDU. Например, FCCH PDU 632а включает в себя часть 634а для пилот-сигнала (например, для направленного опорного сигнала) и часть 636а для пакета данных. Часть пилот-сигнала также называется “преамбула”. FCCH PDU 632b включает в себя одну часть 636b для пакета данных. Различные типы пилот-сигналов (маяк пилот-сигнала, MIMO пилот-сигнал и направленный опорный сигнал) описаны в вышеупомянутой предварительной заявке на патент США №60/421309.
В случае восходящей линии RCH сегмент 640 используется для передачи одного или нескольких RCH PDU 642 по восходящей линии. Также могут быть определены различные типы RCH PDU. Например, RCH PDU 642а включает в себя одну часть 646а для пакета данных. RCH PDU 642b включает в себя часть 644b для пилот-сигнала (например, направленного опорного сигнала) и часть 646b для пакета данных. RACH сегмент 650 используется пользовательскими терминалами для получения доступа в систему и для отправки коротких сообщений по восходящей линии. RACH PDU 652 может быть отправлен в RACH сегменте 650 и включает в себя часть 654 для пилот-сигнала (например, направленного опорного сигнала) и часть 656 для сообщения.
Продолжительность частей и сегментов на фиг.6 показана не в реальном масштабе. Структура кадра и транспортные каналы, показанные на фиг.6, подробно описаны в вышеупомянутой предварительной заявке на патент США №60/421309.
Поскольку различные транспортные каналы могут быть связаны с различными типами данных, для каждого транспортного канала может быть выбран для использования подходящий размер OFDM символа. Если по данному транспортному каналу предполагается передача больших объемов данных, тогда в этом транспортном канале может использоваться большой OFDM символ. При этом циклический префикс составляет малую долю большого OFDM символа, и при этом может быть достигнута большая эффективность. Напротив, если по данному транспортному каналу предполагается передача малых объемов данных, то для этого транспортного канала может быть использован маленький OFDM символ. Несмотря на то что циклический префикс составляет большую долю от маленького OFDM символа, большая эффективность все же может быть достигнута снижением объема избыточной емкости.
Таким образом, для достижения более высокой эффективности размер OFDM символа для каждого транспортного канала может выбираться таким образом, чтобы соответствовать ожидаемому размеру полезной нагрузки для типа данных, передаваемых по этому транспортному каналу. Для различных транспортных каналов могут быть использованы различные размеры OFDM символов. Помимо этого, для данного транспортного канала может использоваться множество размеров OFDM символов. Например, каждый тип PDU для FCH и RCH может быть связан с подходящим размером OFDM символа для этого типа PDU. Большие OFDM символы могут использоваться для типов FCH/RCH PDU большого размера, а маленькие OFDM символы могут быть использованы FCH/RCH PDU малого размера.
S1
S2
S3
Для простоты ниже описан иллюстративный вариант осуществления, использующий маленький OFDM символ размера N=64 и большой OFDM символ размера N=256. В этом иллюстративном варианте осуществления BCH, FCCH и RACH используют маленький OFDM символ, а FCH и RCH используют как маленький, так и большой OFDM символы, в зависимости от ситуации. Другие размеры OFDM символов также могут быть использованы для транспортных каналов, и это находится в пределах объема настоящего изобретения. Например, большой OFDM символ размера N=128 может быть использован в качестве альтернативы или дополнения для FCH и RCH.
В данном иллюстративном варианте осуществления 64 поддиапазонам для маленьких OFDM символов присвоены индексы от -32 до +31. Из этих 64 поддиапазонов 48 поддиапазонов (например, с индексами ±{1, …, 6, 8, …, 20, 22, …,26}) используются для данных и называются поддиапазонами данных, 4 поддиапазона (например, с индексами ±{7, 21}) используются для пилот-сигнала и, возможно, для сигнализации, DC поддиапазон (с индексом 0) не используется, и оставшиеся поддиапазоны также не используются и служат в качестве охранных поддиапазонов. Такая структура поддиапазонов OFDM описана в вышеупомянутой предварительной заявке на патент США №60/421309.
256 поддиапазонам для больших OFDM символов назначены индексы от -128 до +127. Поддиапазоны для маленьких OFDM символов могут быть отображены на поддиапазоны для больших OFDM символов следующим образом:
<img file="00000002.tif" he="4" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
уравнение (1)
где k представляет собой индекс для поддиапазонов с коротким OFDM символом (k=-32, …,+31);
i представляет собой смещение индекса в пределах i=0, 1, 2, 3; и
представляет собой индекс для поддиапазонов с длинным OFDM символом (=-128, …,+127).
cp1
cp2
os1
cp2
os2
Для данного иллюстративного варианта осуществления ширина полосы системы составляет W=20 МГц, циклический префикс составляет N=16 выборок для BCH, FCCH и RACH, и циклический префикс является конфигурируемым с N=8 или 16 для FCH и RCH. Маленький OFDM символ, используемый для BCH, FCCH и RACH, при этом имеет размер N=80 выборок или 4,0 мкс. Если для использования выбран N=16, то большой OFDM символ, используемый для FCH и RCH, имеет при этом размер N=272 выборки или 13,2 мкс.
Для данного иллюстративного варианта осуществления BCH сегмент имеет фиксированную длительность 80 мкс, и каждый из оставшихся сегментов имеет переменную длительность. Для каждого TDD кадра начало каждого PDU, посылаемого по FCH и RCH, относительно начала FCH и RCH сегментов и начало RACH сегмента относительно начала TDD кадра предоставляют в FCCH сообщении, посылаемом в FCCH сегменте. Различные размеры OFDM символов связаны с различной длительностью символов. Поскольку различные размеры OFDM символов используют для различных транспортных каналов (и различные размеры OFDM символов также могут быть использованы в одном и том же транспортном канале), смещения для FCH PDU и RCH PDU определяют с соответствующим временным разрешением. Для иллюстративного варианта осуществления, описанного выше, временное разрешение может представлять собой длину циклического префикса 800 нс. Для TDD кадра 2 мс может быть использовано 12-битное значение для указания начала каждого FCH/RCH PDU.
На фиг.7 показана иллюстративная структура пакета 636х данных, который может передаваться в FCH PDU или RCH PDU по FCH и RCH. Пакет данных передают, используя целое количество PHY кадров 710. Каждый PHY кадр 710 включает в себя поле 722 полезной нагрузки, содержащее данные PHY кадра, CRC поле 724, содержащее CRC значения для PHY кадра, и поле 726 оконечных битов для набора нулей, используемых для приведения кодера в исходное состояние. Первый PHY кадр 710а для пакета данных дополнительно включает в себя поле 720 заголовка, которое указывает тип и длительность сообщения. Последний PHY кадр 710m пакета данных дополнительно включает в себя поле 728 битов заполнения, которое содержит нулевые биты заполнения в конце полезной нагрузки для заполнения оставшейся части PHY кадра. Такая структура PHY более подробно описана в вышеупомянутой предварительной заявке на патент США №60/421309. Если для передачи данных используется одна антенна, тогда каждый PHY кадр 710 может быть обработан для получения одного OFDM символа 750.
Такая же структура PHY кадра может использоваться для сообщения, передаваемого по BCH или FССH. В частности, BCH/FССH сообщение может быть передано с использованием целого числа PHY кадров, причем каждый из них может быть обработан для получения OFDM символа. Для BCH/FCCH сообщения может быть передано множество OFDM символов.
S1
S2
Для варианта осуществления, показанного на фиг.7, в каждом OFDM символе передают один PHY кадр данных. Различные размеры PHY кадров могут использоваться для различных размеров OFDM символов. Каждый PHY кадр данных может быть кодирован, основываясь на конкретной схеме кодирования, и может дополнительно включать в себя CRC значение, которое позволяет проверять отдельные PHY кадры и выполнять их повторную передачу в случае необходимости. Количество информационных битов, которые могут быть переданы в каждом PHY кадре, зависит от схем кодирования и модуляции, выбранных для использования в этом PHY кадре. В таблице 1 приведены скорости, которые могут быть использованы в MIMO-OFDM системе, и для каждой скорости приведены различные параметры для двух размеров PHY кадров для двух размеров OFDM символов N=64 и N=256.
Таблица 1
Маленький PHY кадр
Большой PHY кадр
Спектральная эффективность (бит/с/Гц)
Скорость кодирования
Схема модуляции
Информационные биты/PHY кадр
Кодированные биты/PHY кадр
Информационные биты/PHY кадр
Кодированные биты/PHY кадр
0,25
1/4
BPSK
12
48
48
192
0,5
1/2
BPSK
24
48
96
192
1,0
1/2
QPSK
48
96
192
384
1,5
3/4
QPSK
72
96
288
384
2,0
1/2
16 QAM
96
192
384
768
2,5
5/8
16 QAM
120
192
480
768
3,0
3/4
16 QAM
144
192
576
768
3,5
7/12
64 QAM
168
288
672
1152
4,0
2/3
64 QAM
192
288
768
1152
4,5
3/4
64 QAM
216
288
864
1152
5,0
5/6
64 QAM
240
288
960
1152
5,5
11/16
256 QAM
264
348
960
1152
6,0
3/4
256 QAM
288
384
1152
1536
6,5
13/16
256 QAM
312
384
1248
1536
7,0
7/8
256 QAM
336
384
1344
1536
L
SM
L
SM
SM
L
Для иллюстративного варианта осуществления, описанного выше, маленький PHY кадр и маленький OFDM символ используют для BCH и FCCH. Как маленький, так и большой PHY кадры и маленький и большой OFDM символы могут использоваться для FCH и RCH. В общем случае пакет данных может быть передан с использованием любого количества больших OFDM символов и небольшого количества маленьких OFDM символов. Если большой OFDM символ в четыре раза превосходит по размеру маленький OFDM символ, то пакет данных может быть передан, используя N больших OFDM символов и N маленьких OFDM символов (где N≥0 и 3≥N≥0). N маленьких OFDM символов в конце N больших OFDM символов уменьшает величину неиспользуемой емкости. Таким образом, OFDM символы различных размеров могут быть использованы для лучшего соответствия емкости OFDM символов полезной нагрузке пакета для максимизации эффективности пакетирования.
Размеры OFDM символов, используемые для передачи данных, могут быть предоставлены в приемник различными способами. В одном из вариантов осуществления FCCH предоставляет начало каждого пакета данных, передаваемого по FCH и RCH, и скорость передачи пакета. Также в приемник в виде сигнализации может быть передана другая эквивалентная информация. При этом приемник получает возможность определить размер каждого передаваемого пакета данных, количество длинных и коротких OFDM символов, используемых для этого пакета данных, и начало каждого OFDM символа. Затем эта информация используется приемником для определения размера FFT, которое должно быть выполнено для каждого OFDM символа, и для выравнивания соответствующим образом таймирования FFT. В другом варианте осуществления начало каждого пакета данных и его скорость не передаются в виде сигнализации в приемник. В этом случае может быть использовано “слепое” принятие решения, и приемник может выполнить FFT для каждых 16 выборок (т.е. длины циклического префикса) и определить, был ли послан PHY кадр при помощи проверки CRC значения, входящего в PHY кадр.
ap
ut
C
C
ap
ut
C
C
C
C
Для данного спаривания точки доступа и пользовательского терминала в MIMO-OFDM системе 500 MIMO канал формируется N антеннами в точке доступа и N антеннами в пользовательском терминале. MIMO канал может быть разложен на N независимых каналов с N≤min{N, N}. Каждый из N независимых каналов также называется собственной модой MIMO канала, причем “собственная мода” обычно относится к теоретической конструкции. По N независимым модам MIMO канала может быть передано одновременно до N независимых потоков данных. MIMO канал также может рассматриваться как включающий в себя N пространственных каналов, которые могут быть использованы для передачи данных. Каждый пространственный канал может соответствовать или может не соответствовать собственной моде в зависимости от того, была ли успешной пространственная обработка в передатчике для ортогонализации потоков данных.
MIMO-OFDM система может быть выполнена с возможностью поддержки нескольких режимов передачи. В таблице 2 приведены режимы передачи, которые могут использоваться для нисходящей линии и восходящей линии в пользовательском терминале, оборудованном множеством антенн.
Таблица 2
Режимы передачи
Описание
Разнесение
Данные передают с избыточностью через множество передающих антенн и поддиапазонов для обеспечения разнесения
Формирование луча
Данные передают по одному (наилучшему) пространственному каналу с полной мощностью, используя информацию для управления фазой, основанной на основных собственных модах канала MIMO
Пространственное мультиплексирование
Данные передают по множеству пространственных каналов для достижения более высокой спектральной эффективности
T
T
В режиме формирования луча один PHY кадр с выбранной скоростью может генерироваться для каждого периода OFDM символа для передачи по лучшему пространственному каналу. Такой PHY кадр сначала обрабатывают для получения набора символов модуляции, который затем подвергают пространственной обработке для получения N наборов символов передачи N передающих антенн. Набор символов передачи для каждой антенны дополнительно обрабатывают для получения OFDM символа для этой антенны.
C
C
C
C
T
T
Для режима пространственного мультиплексирования до N PHY кадров с одинаковой или различными скоростями может быть сгенерировано для каждого периода OFDM символа для передачи по N пространственным каналам. До N PHY кадров сначала обрабатывают для получения до N наборов символов модуляции, которые затем подвергают пространственной обработке для получения N наборов символов передачи для N передающих антенн. Набор символов передачи для каждой антенны дополнительно обрабатывают для получения OFDM символа для этой антенны.
Обработка в передатчике и приемнике для режимов формирования луча и пространственного мультиплексирования подробно описана в вышеупомянутой предварительной заявке на патент США №60/421309. Пространственная обработка для режимов формирования луча пространственного мультиплексирования является, по существу, одинаковой как для коротких, так и для длинных OFDM символов, за исключением большего количества поддиапазонов для длинного OFDM символа. Режим разнесения описан ниже.
В одном из вариантов осуществления режим разнесения использует пространственно-временное разнесение при передаче (STTD) для двойного разнесения при передаче для каждого поддиапазона. STTD поддерживает одновременную передачу независимых потоков символов по двум передающим антеннам, поддерживая в то же время ортогональность в приемнике.
1
2
*
T
Схема STTD работает следующим образом. Предположим, что два символа модуляции, обозначенные s и s, должны быть переданы в данном поддиапазоне. Передача генерирует два вектора или STTD символа  и , где каждый STTD символ включает в себя два элемента, “” обозначает комплексное сопряжение, и “” обозначает транспонирование. В качестве альтернативы передатчик может генерировать два STTD символа  и . В любом случае два элемента в каждом STTD символе, как правило, передают последовательно в двух периодах OFDM символов через соответствующую передающую антенну (т.е. STTD символ  передают через антенну 1 в двух периодах OFDM символов и STTD символ  передают через антенну 2 в тех же самых двух периодах OFDM символов). Длительность каждого STTD символа составляет два периода OFDM символов.
1
2
Желательно минимизировать задержку обработки и буферизацию, связанные с STTD обработкой для большого OFDM символа. В одном варианте осуществления два STTD символа  и  передаются одновременно в двух поддиапазонах через две антенны для двух STTD символов  и , два элемента s и s для STTD символа  могут передаваться по поддиапазону k через две антенны, и два элемента  и  для STTD символа  могут передаваться в поддиапазоне k+1 через те же самые две антенны.
Если передатчик включает в себя множество антенн, то различные пары антенн могут быть выбраны для использования в каждом поддиапазоне данных в режиме разнесения. В таблице 3 перечислены иллюстративные схемы назначения поддиапазон-антенна для STTD схемы, использующей четыре передающие антенны.
Для варианта осуществления, показанного в таблице 3, передающие антенны 1 и 2 используются для короткого OFDM поддиапазона с индексом -26, передающие антенны 3 и 4 используются для короткого OFDM поддиапазона с индексом -25 и т.д. Назначение поддиапазон-антенна выполнено таким образом, что (1) каждое из шести возможных спариваний антенн с четырьмя передающими антеннами используется для восьми поддиапазонов данных, которые равномерно распределены по 48 поддиапазонам данных, и (2) назначение спаривания антенн поддиапазону является таким, что различные антенны используются для смежных поддиапазонов, что может обеспечить лучшее частотное и пространственное разнесение. Схема назначения поддиапазон-антенна, приведенная в таблице 3, также может использоваться для длинного OFDM символа, основываясь на отображении, определенном уравнением (1) между индексами поддиапазонов для коротких и длинных OFDM символов. Например, передающие антенны 1 и 2 могут использоваться для длинных OFDM поддиапазонов с индексами {-104, -103, -102, -101}, которые связаны с коротким OFDM поддиапазоном с индексом -26.
Обработка в передатчике и приемнике для режима разнесения подробно описана в вышеупомянутой предварительной заявке на патент США №60/421309.1.
1. Обработка на физическом уровне.
На фиг.8 показана блок-схема варианта осуществления точки доступа 510х и двух пользовательских терминалов 520x и 520y в MIMO-OFDM системе 500.
В случае нисходящей линии в точке доступа 510x передающий (TX) процессор 810 данных принимает пользовательские данные (т.е. информационные биты) из источника 808 данных и управляющие данные и другие данные из контроллера 830 и, возможно, из планировщика 834. Функции контроллера 830 и планировщика 834 могут выполняться одним процессором или множеством процессоров. Указанные различные типы данных могут передаваться по различным транспортным каналам. TX процессор 810 данных обрабатывает различные типы данных, основываясь на одной или нескольких схемах кодирования и модуляции, и предоставляет поток символов модуляции для каждого пространственного канала, используемого при передаче данных. TX пространственный процессор 820 принимает один или несколько потоков символов модуляции из TX процессора 810 данных и выполняет пространственную обработку символов модуляции для предоставления одного потока символов “передачи” для каждой передающей антенны. Обработка в процессорах 810 и 820 описывается ниже.
ap
ap
Каждый модулятор (MOD) 822 принимает и обрабатывает соответствующий поток символов передачи для предоставления соответствующего потока OFDM символов, который дополнительно обрабатывается для обеспечения соответствующего сигнала нисходящей линии. Сигналы нисходящей линии из N модуляторов 822a-822ap затем передают через N антенны 824a-824ap соответственно.
В каждом пользовательском терминале 520 одна или множество антенн 852 принимают переданные сигналы нисходящей линии, и каждая антенна предоставляет входной сигнал приемника в соответствующий демодулятор (DEMOD) 854. Каждый демодулятор 854 выполняет обработку, комплементарно выполняемую в модуляторе 822, и предоставляет “принятые” символы. Затем приемный (RX) пространственный процессор 860 выполняет пространственную обработку принятых символов от всех демодуляторов 854 для обеспечения “восстановленных” символов, которые представляют собой оценки символов модуляции, переданных точкой доступа.
RX процессор 870 данных принимает и демультиплексирует восстановленные символы в их соответствующие транспортные каналы. Восстановленные символы для каждого транспортного канала могут подвергаться обработке для обеспечения декодированных данных для этого транспортного канала. Декодированные данные для каждого транспортного канала могут включать в себя восстановленные пользовательские данные, управляющие данные и т.д., которые могут предоставляться в потребитель 872 данных для сохранения и/или контроллер 880 для дальнейшей обработки.
Обработка в точке доступа 510 и терминале 520 для нисходящей линии более подробно описывается ниже и в вышеупомянутой предварительной заявке на патент США №60/421309. Обработка в случае восходящей линии может быть такой же или отличной от обработки в случае нисходящей линии.
В случае нисходящей линии в каждом активном пользовательском терминале 520 RX пространственный процессор 860 дополнительно выполняет оценку нисходящего канала и предоставляет информацию о состоянии канала (CSI). CSI может включать в себя оценки отклика канала, ОСШ при приеме и т.д. RX процессор 870 данных может также предоставлять статус каждого пакета/кадра, принятого по нисходящей линии. Контроллер 880 принимает информацию о состоянии канала и статус пакета/кадра и определяет информацию обратной связи, предназначенную для передачи в точку доступа. Контроллер 880 может дополнительно обрабатывать оценки нисходящего канала для получения направляющих векторов, которые используются для передачи направленного опорного сигнала в точку доступа и для пространственной обработки при приеме данных по нисходящей линии и передачи данных по восходящей линии. Информация обратной связи и данные обратной линии обрабатываются в TX процессоре 890 данных, мультиплексируются с пилотными данными и подвергаются пространственной обработке в TX пространственном процессоре 892 (если он присутствует), дополнительно обрабатываются в одном или нескольких модуляторах 854 и передаются через одну или несколько антенн 852 в точку доступа.
В точке 510 доступа переданный сигнал(сигналы) восходящей линии принимается антеннами 824, демодулируется в демодуляторах 822 и обрабатывается в RX пространственном процессоре 840 и RX процессоре 842 данных способом, комплементарным выполняемому в пользовательском терминале. Затем восстановленная информация обратной связи предоставляется в контроллер 830 и планировщик 834. Планировщик 834 может использовать информацию обратной связи для выполнения нескольких функций, таких как (1) выбор набора пользовательских терминалов для передачи данных по нисходящей линии и восходящей линии, (2) выбор скоростей для выбранных пользовательских терминалов и (3) назначение доступных ресурсов FCH/RCH выбранным терминалам. Контроллер 830 может дополнительно использовать информацию (например, направляющие вектора), полученную из передачи по восходящей линии, для обработки передачи по нисходящей линии, как описано ниже.
Контроллеры 830 и 880 управляют работой различных блоков обработки в точке доступа и пользовательском терминале соответственно. Например, контроллер 830 может определять размер полезной нагрузки каждого пакета данных, передаваемого по нисходящей линии, и выбирать OFDM символы подходящих размеров для каждого пакета данных, передаваемого по нисходящей линии. Соответственно контроллер 880 может определять размер полезной нагрузки каждого пакета данных, передаваемого по восходящей линии, и выбирать OFDM символы подходящих размеров, передаваемых по восходящей линии.
Выбор размера OFDM символа может производиться для нисходящей линии и восходящей линии различными способами. В одном из вариантов осуществления контроллер 830 и/или планировщик 834 определяет конкретный размер символа OFDM для использования как в нисходящей линии, так и в восходящей линии. В другом варианте осуществления контроллер в передатчике определяет конкретные размеры OFDM символов для использования при передаче. Выбор размера OFDM символа может быть передан в приемник (например, при помощи сигнализации по служебному каналу или сигнализации во время самой передачи). Еще в одном варианте осуществления контроллер в приемнике определяет конкретные размеры OFDM символов для использования при передаче, и выбор размера OFDM символа предоставляется в передатчик. Выбор размера OFDM символа может быть предоставлен различными способами. Например, конкретные размеры OFDM символов для использования в данной передаче могут быть выведены из информации планировщика для это передачи, которая может включать в себя, например, режим передачи, пространственные каналы, скорость и временной интервал для использования при передаче. Информация планировщика может генерироваться контроллером 830 и/или планировщиком 834, контроллером в передатчике или контроллером в приемнике.
SM
L
SM
L
P
m
Как для нисходящей линии, так и для восходящей линии конкретная комбинация больших и маленьких OFDM символов для использования в каждом пакете данных зависит от размера полезной нагрузки пакета и емкости OFDM символа для каждого из доступных размеров OFDM символов. Для каждого пакета данных контроллер может выбирать столько больших OFDM символов, сколько необходимо, и, при необходимости, выбирать один или несколько маленьких OFDM символов для пакета данных. Выбор может выполняться следующим образом. Предположим, что используются два размера OFDM символов (например, 64 поддиапазона и 256 поддиапазонов), емкость переноса данных маленького OFDM символа составляет T=48 символов модуляции, и емкость большого OFDM символа составляет T=192 символов модуляции. Схема модуляции и кодирования дает возможность передачи М информационных битов на один символ модуляции. Емкость маленького OFDM символа при этом составляет C=48·M информационных битов, и емкость большого OFDM символа составляет C=192·M информационных битов. Предположим, что пакет данных имеет длину N битов. Контроллер вычисляет два промежуточных значения, ,  следующим образом:
<img file="00000017.tif" he="6" wi="31" img-content="undefined" img-format="tif" />
уравнение (2)
<img file="00000018.tif" he="6" wi="61" img-content="undefined" img-format="tif" />
уравнение (3)
m
m
где операция “int” для а дает целую часть а, а операция “ceiling” для b дает следующее за b целое значение. Если <4, то количество больших OFDM символов для использования в пакете данных составляет , и количество маленьких OFDM символов составляет . В противном случае, если =4, то количество больших OFDM символов для использования в пакете данных составляет , и количество маленьких OFDM символов составляет .
Контроллеры 830 и 880 предоставляют сигналы управления размером OFDM символа в модуляторы/демодуляторы 822 и 854 соответственно. В точке доступа сигнал управления размером OFDM символа используется модуляторами для определения размера операций IFFT для передачи по нисходящей линии и также используется демодуляторами для определения размера операций FFT для передачи по восходящей линии. В пользовательском терминале сигнал управления размером OFDM символа используется демодулятором (демодуляторами) для определения размера операций FFT для передачи по нисходящей линии и также используется модулятором (модуляторами) для определения размера операций IFFT для передачи по восходящей линии. Запоминающие устройства 832 и 882 хранят данные и коды программ, используемые контроллерами 830 и 880, соответственно.
На фиг.9А показана блок-схема варианта осуществления блока 900 передатчика, который может использоваться в качестве передающего компонента точки доступа и пользовательского терминала. В TX процессоре 810 данных блок 910 разбиения на кадры выполняет “покадровое” разбиение данных для каждого пакета, предназначенного для передачи по FCH или RCH. Разбиение на кадры может выполняться, как показано на фиг.7, для обеспечения одного или нескольких PHY кадров для каждого пакета данных пользователя. Разбиение на кадры может быть опущено для других транспортных каналов. Затем скремблер 912 выполняет скремблирование разбитых на кадры/не разбитых на кадры данных для каждого транспортного канала для рандомизации данных.
Затем кодер 914 выполняет кодирование скремблированных данных в соответствии с выбранной схемой кодирования для предоставления кодированных битов. Кодирование увеличивает надежность передачи данных. Затем блок 916 повторения выкалывания либо повторяет, либо выкалывает (т.е. удаляет) некоторые из кодированных битов для получения требуемой скорости кодирования для каждого PHY кадра. В иллюстративном варианте осуществления кодер 914 представляет собой двоичный сверточный кодер со скоростью кодирования 1/2 и с постоянной длиной 7. Скорость кодирования 1/4 может быть получена путем однократного повторения каждого кодированного бита. Скорости кодирования, большие, чем 1/2, могут быть получены путем удаления некоторых из кодированных битов из кодера 914.
Затем перемежитель 918 выполняет перемежение (т.е. меняет порядок следования) кодированных битов из блока 916, основываясь на конкретной схеме перемежения. Перемежение обеспечивает временное, частотное и/или пространственное разнесение для кодированных битов. В одном из вариантов осуществления для каждой группы из 48 последовательных кодированных битов, предназначенных для передачи по данному пространственному каналу, выполняет перемежение по 48 поддиапазонам данных для короткого OFDM символа для обеспечения частотного разнесения. Для перемежения 48 кодированным битам в каждой группе могут быть назначены индексы от 0 до 47. Каждый индекс кодированного бита связан с соответствующим коротким OFDM поддиапазоном. В таблице 3 показано иллюстративное назначение кодированный бит - поддиапазон, которое может быть использовано для перемежения. Все кодированные биты с конкретными индексами передаются в связанном поддиапазоне. Например, первый кодированный бит (с индексом 0) в каждой группе передается в коротком OFDM поддиапазоне -26, второй кодированный бит (с индексом 1) передается в поддиапазоне 1 и т.д.
k
В случае длинного OFDM символа для каждой группы из 192 последовательных кодированных битов, предназначенных для передачи по данному пространственному каналу, выполняют перемежение по 192 поддиапазонов данных для длинного OFDM символа. В частности первая подгруппа из 48 кодированных битов с индексами от 0 до 47 может передаваться в 48 поддиапазонах данных с индексами , где =±{1 … 6, 8 … 20, 22… 26}, вторая подгруппа из 48 кодированных битов с индексами от 48 до 95 может передаваться в поддиапазонах с индексами , третья подгруппа из 48 кодированных битов с индексами от 96 до 143 может передаваться в поддиапазонах с индексами , и последняя подгруппа из 48 кодированных битов с индексами от 144 до 191 может передаваться в поддиапазонах с индексами . Таким образом, одинаковая схема перемежения, по существу, используется и для коротких, и для длинных OFDM символов.
Затем блок 920 отображения символов отображает данные, подвергнутые перемежению в соответствии с одной или несколькими схемами модуляции для обеспечения символов модуляции. Как показано в таблице 1, конкретная схема модуляции для использования зависит от выбранной скорости. В режиме разнесения для всех поддиапазонов данных используется одинаковая схема модуляции. В режиме пространственного мультиплексирования для каждого пространственного канала могут использоваться различные схемы модуляции. Отображение символов может быть выполнено посредством (1) группировки наборов из В битов для формирования В-битных двоичных значений, причем B≥1, и (2) отображения каждого В-битного двоичного значения в точку сигнального созвездия, соответствующего выбранной схеме модуляции. Блок 920 отображения символов предоставляет поток символов модуляции в TX пространственный процессор 820.
Иллюстративный вариант осуществления блока 910 разбиения на кадры, скремблера 912, кодера 914, блока 916 повторения/выкалывания, перемежителя 918 и блока 920 отображения символов описан в вышеупомянутой предварительной заявке на патент США №60/421309. Скремблирование, кодирование и модуляция могут выполняться, основываясь на сигналах управления, предоставляемых контроллером 830.
ap
TX пространственный процессор 820 принимает символы модуляции из TX процессора 810 данных и выполняет пространственную обработку для режимов пространственного мультиплексирования, формирования луча или разнесения. Пространственная обработка описана в вышеупомянутой предварительной заявке на патент США №60/421309. TX пространственный процессор 820 предоставляет один поток символов передачи в каждый из N модуляторов 822а-822ap.
На фиг.9В показана блок-схема варианта осуществления модулятора 822х, который может быть использован в качестве любого из модуляторов 822a-822ap по фиг.9А. Модулятор 822x включает в себя OFDM модулятор 930, соединенный с блоком 940 передатчика (TMTR). OFDM модулятор 930 включает в себя блок 932 IFFT с переменным размером, соединенный с генератором 934 циклического префикса. Блок 932 IFFT может быть реализован в виде блока 400 IFFT, показанного на фиг.4. Блок 932 IFFT выполняет N-точечное IFFT для потока символов передачи, предоставляемых в модулятор 822х, где N является переменным и определяется сигналом управления размером OFDM символа, предоставляемым контроллером 830. Например, контроллер 830 может выбрать размер маленького OFDM символа для BCH и FCCH сегментов (как показано на фиг.6) и может выбрать комбинацию размеров маленького и большого OFDM символа для FCH сегмента, как описано выше. Генератор 934 циклического префикса добавляет циклический префикс к каждому преобразованному символу из блока 932 IFFT. Выходной сигнал генератора 934 циклического префикса представляет собой поток OFDM символов, имеющих меняющиеся размеры, определяемые контроллером 830. Блок 940 передатчика преобразует поток OFDM символов в один или несколько аналоговых сигналов и дополнительно усиливает, фильтрует и повышает частоту аналоговых сигналов для генерации аналогового сигнала, подходящего для передачи через связанную антенну 824.
2. Пилот-сигнал.
Различные типы пилот-сигналов могут передаваться для поддержания различных функций, таких как извещение о тайминге и частоте, оценка канала, калибровка и т.д. В таблице 4 перечислены четыре типа пилот-сигналов и их краткое описание.
Таблица 4
Тип пилот-сигнала
Описание
маяк пилот-сигнала
пилот-сигнал, передаваемый через все передающие антенны и используемый для получения данных о тайминге и частоте
MIMO пилот-сигнал
пилот-сигнал, передаваемый через все передающие антенны с различными ортогональными кодами и используемый для оценки канала
направленный опорный сигнал
пилот-сигнал, передаваемый через определенные собственные моды MIMO канала для определенного пользовательского терминала и используемый для оценки канала и, возможно, управления скоростью
пилот-сигнал несущей
пилот-сигнал, используемый для отслеживания фазы несущей
k
MIMO пилот-сигнал может передаваться передатчиком (например, точкой доступа) с коротким OFDM символом и используется приемником (например, пользовательским терминалом) для оценки матриц  откликов каналов для индексов поддиапазонов ∈K, где K=±{1 … 26}. При этом приемник может выполнить разложение по сингулярным значениям матрицы  отклика канала для каждого поддиапазона следующим образом:
<img file="00000028.tif" he="7" wi="42" img-content="undefined" img-format="tif" />,
для<i> k</i>∈K уравнение (4)
T
R
где  представляет собой (N×N) унитарную матрицу левых собственных векторов ;
R
T
представляет собой (N×N) диагональную матрицу сингулярных значений ;
T
T
представляет собой (N×N) унитарную матрицу правых собственных векторов ; и
H
T
R
“” обозначает транспонирование с комплексным сопряжением, N обозначает количество передающих антенн, и N обозначает количество приемных антенн.
Унитарная матрица  характеризуется свойством , где  представляет собой единичную матрицу. Сингулярные значения в каждой диагональной матрице  могут быть упорядочены от наибольшего к наименьшему, и столбцы в матрицах  и  могут быть упорядочены соответственно.
m
m
“Широкополосная” собственная мода может быть определена как набор собственных мод всех поддиапазонов с одинаковым порядковым номером после упорядочивания. Таким образом, широкополосная собственная мода  включает в себя собственные моды  всех поддиапазонов. Каждая широкополосная собственная мода связана с соответствующим набором собственных векторов для всех поддиапазонов. “Главная” широкополосная собственная мода является собственной модой, связанной с наибольшим сингулярным значением каждой матрицы  после упорядочивания.
Если одна полоса частот используется как для нисходящей линии, так и для восходящей линии, то матрица отклика канала для одной линии представляет собой результат транспонирования матрицы отклика канала для другой линии. Для учета различий в частотных откликах передающих/приемных цепей в точке доступа и пользовательском терминале может быть выполнена калибровка. Направленный опорный сигнал может передаваться передатчиком, используется приемником для оценки собственных векторов, которые могут использоваться для пространственной обработки при приеме и передаче данных.
m
Направленный опорный сигнал может передаваться передатчиком (например, пользовательским терминалом) для широкополосной собственной моды  следующим образом:
<img file="00000035.tif" he="5" wi="35" img-content="undefined" img-format="tif" />,
для<i> k</i>∈K уравнение (5)
T
k
m
где  представляет собой (N×1) вектор передачи для поддиапазона  широкополосной собственной моды ;
k
m
m
представляет собой направляющий вектор для поддиапазона  широкополосной собственной моды  (например, -й столбец матрицы ); и
k
представляет собой пилотный символ для поддиапазона .
T
T
k
Вектор  включает в себя N символов передачи, предназначенных для передачи через N передающих антенн для поддиапазона .
Принятый направленный опорный сигнал в приемнике (например, в точке доступа) может быть выражен как:
<img file="00000039.tif" he="6" wi="53" img-content="undefined" img-format="tif" />
для<i> k</i>∈K уравнение (6)
k
m
где  представляет собой принятый вектор для поддиапазона  широкополосной собственной моды ;
k
представляет собой направляющий вектор для поддиапазона  широкополосной собственной моды m (например, m-й столбец матрицы ); и
k
m
представляет собой сингулярное значение для поддиапазона  широкополосной собственной моды ; и
представляет собой шум.
Как показано в уравнении (6), в приемнике принятый направленный опорный сигнал (при отсутствии шума) приблизительно представляет собой . Таим образом, приемник может получить оценки  и  для поддиапазона k, основываясь на направленном опорном сигнале, принятом в этом поддиапазоне, как описано в вышеупомянутой предварительной заявке на патент США №60/421309.
C
Направленный опорный сигнал передается для одной широкополосной собственной моды в каждом периоде OFDM символа (без мультиплексирования поддиапазонов) и может, в свою очередь, быть использован для получения оценки одного собственного вектора  для каждого поддиапазона этой широкополосной собственной моды. Поскольку оценки множества собственных векторов для унитарной матрицы  получают в разные периоды символов OFDM и вследствие шума и других источников искажений в беспроводном канале, оцененные собственные векторы для унитарной матрицы (которые выводятся отдельно) возможно не являются ортогональными по отношению друг к другу. Для улучшения производительности N оцененных собственных векторов  каждой унитарной матрицы  могут быть ортогонализированы с использованием QR факторизации или какого-либо другого способа ортогонализации, как описано в вышеупомянутой предварительной заявке на патент США №60/438601.
Направленный опорный сигнал может быть передан с использованием короткого OFDM символа. Приемник может выполнить обработку принятого направленного опорного сигнала для получения направляющего вектора для каждого короткого OFDM поддиапазона, который использовался для передачи направленного опорного сигнала. В приведенном выше иллюстративном варианте осуществления каждый короткий OFDM поддиапазон связан с четырьмя длинными OFDM поддиапазонами. Если направленный опорный сигнал передают, используя короткий OFDM символ, то направляющие вектора для длинных OFDM поддиапазонов могут быть получены различными способами.
k,
В одном из вариантов осуществления направляющий вектор, полученный для короткого OFDM поддиапазона  используют для длинных OFDM поддиапазонов от  до . Этот вариант осуществления обеспечивает хорошую производительность при ОСШ от низкого до умеренного. Для высоких ОСШ наблюдается некоторая деградация, если когерентная ширина полосы канала мала. Когерентная ширина полосы представляет собой ширину полосы, для которой канал является, по существу, постоянным или плоским.
В другом варианте осуществления направляющие вектора  для коротких OFDM поддиапазонов интерполируют для получения направляющих векторов  для длинных OFDM поддиапазонов. Интерполяция может выполняться таким способом, что направляющие вектора  не приобретают, по существу, большей изменчивости от поддиапазона к поддиапазону, чем первоначальная матрица  отклика канала. Один источник изменчивости представляет собой неопределенность фазы для левого и правого собственных векторов , что является следствием того факта, что левый и правый собственные вектора  определены с точностью до единичной комплексной константы. В частности, для любой пары единичных векторов  и , которые удовлетворяют следующему уравнению,
<img file="00000049.tif" he="5" wi="42" img-content="undefined" img-format="tif" />,
уравнение (7)
любая другая пара векторов  и  также удовлетворяет этому уравнению.
Неопределенность фазы можно избежать, предпринимая некоторые меры при вычислении разложения  по сингулярным значениям. Это может быть достигнуто путем ограничения решения разложением по сингулярным значениям таким, что первый элемент в каждом столбце  является неотрицательным. Такое ограничение устраняет случайные сдвиги фазы от поддиапазона к поддиапазону при плавных изменениях собственных векторов при прочих равных условиях и величине первых элементов собственных векторов, не очень близких к нулю. Это ограничение может быть введено путем умножения справа диагональной матрицы  на каждую из унитарных матриц  и , которые могут быть получены обычным способом и могут содержать произвольные сдвиги фаз. Диагональные элементы  матрицы  могут быть выражены как:
<img file="00000056.tif" he="7" wi="29" img-content="undefined" img-format="tif" />
уравнение (8)
где  представляет собой i-й столбец , и
Ограниченные собственные вектора в  затем могут быть использованы для направленного опорного сигнала, как показано в уравнении (5). В приемнике принятый вектор  может быть обработан для получения оценок для  и , которые могут быть интерполированы для получения оценок  и  соответственно.
Использование короткого OFDM символа для MIMO пилот-сигнала и направленного опорного сигнала уменьшает загрузку при обработке, связанную с разложением по сингулярным значениям матрицы  отклика канала. Помимо этого, можно показать, что интерполяция с ограничением, описанным выше, для устранения случайного сдвига фазы от поддиапазона к поддиапазону может уменьшить величину деградации производительности вследствие интерполяции направляющих векторов, основываясь на передаче направленного опорного сигнала не по всем поддиапазонам, используемым для передачи данных.
Пилот-сигнал несущей может передаваться точкой доступа, используется пользовательскими терминалами для отслеживания сигнала несущей. Для короткого OFDM символа пилот-сигнал несущей может передаваться по четырем коротким OFDM поддиапазонам с индексами ±{7, 21}, как показано в таблице 3. Для длинного OFDM символа пилот-сигнал несущей может передаваться по 16 соответствующим длинным OFDM поддиапазонам с индексами ±{28+i, 84+i}, для i=0, 1, 2, 3. В качестве альтернативы пилот-сигнал несущей может передаваться по четырем длинным OFDM поддиапазонам с индексами ±{28, 84}, и в этом случае другие 12 длинных OFDM поддиапазонов могут использоваться для передачи данных или для других целей.
Различные типы пилот-сигналов и их обработка в передатчике и приемнике подробно описаны в вышеупомянутой предварительной заявке на патент США №60/421309.
Для простоты способы использования OFDM символов с различными размерами были описаны для нисходящей линии. Эти способы также могут быть использованы для восходящей линии. Фиксированный размер OFDM символа может быть использован для некоторых передач по восходящей линии (например, для сообщений, передаваемых по RACH), и OFDM символы различных размеров могут быть использованы для других передач по восходящей линии (например, для пакетов данных, передаваемых по RCH). Конкретная комбинация больших и маленьких OFDM символов для использования в каждом пакете данных восходящей линии может зависеть от размера полезной нагрузки пакета и может определяться контроллером 880 (например, основываясь на информации планировщика, генерируемой контроллером 880 или предоставляемой контроллером 830 и/или планировщиком 834, как описано выше).
Способы использования OFDM символов различных размеров в OFDM системах, изложенные в настоящем описании, могут быть реализованы при помощи различных средств. Например, эти способы могут быть реализованы в виде аппаратных средств, программных средств или их комбинации. В случае реализации в виде аппаратных средств элементы, используемые для реализации любого одного или комбинации способов, могут быть реализованы в одной или нескольких ориентированных на приложение интегральных схемах (ASIC), цифровых сигнальных процессорах (DSP), цифровых сигнальных процессорных устройствах (DSPD), программируемых логических устройствах (PLD), внутрисхемно программируемых вентильных матрицах (FPGA), процессорах, контроллерах, микроконтроллерах, других электронных блоках, выполненных с возможностью выполнения функций, изложенных в настоящем описании, или их комбинации.
В случае осуществления в виде программных средств способы, изложенные в настоящем описании, могут быть реализованы при помощи модулей (например, процедур, функций и т.д.), которые выполняют функции, изложенные в настоящем описании. Программные коды могут храниться в запоминающем устройстве (например, запоминающем устройстве 832 и 882 по фиг.8) и исполняться процессором (например, контроллерами 830 и 880). Запоминающее устройство может быть выполнено в процессоре или как внешнее по отношению к процессору, причем в этом случае оно может быть соединено с возможностью обмена данными с процессором при помощи различных средств, известных в данной области техники.
Заголовки включены в настоящее описание для ссылки и для помощи в поиске определенных разделов. Указанные заголовки не следует рассматривать как ограничивающие объем концепций в озаглавленных ими разделах, и эти концепции могут применяться в других разделах по всему описанию.
Приведенное выше описание раскрытых вариантов осуществления представлено для того, чтобы дать возможность любому специалисту в данной области техники использовать настоящее изобретение. Различные модификации в отношении указанных вариантов осуществления должны быть очевидны для специалистов в данной области техники, и общие принципы, изложенные в настоящем описании, применимы к другим вариантам осуществления без отступления от сущности и объема настоящего изобретения, таким образом, настоящее изобретение не следует ограничивать вариантами осуществления, раскрытыми в настоящем описании, но напротив, соответствует самому широкому объему, совместимому с принципами и новыми отличительными особенностями, раскрытыми в настоящем описании.