ПЕРЕМЕННОЕ КОДИРОВАНИЕ И МОДУЛИРОВАНИЕ ПОДКАНАЛА МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ С ОРТОГОНАЛЬНЫМ ЧАСТОТНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ
VARIABLE ORTHOGONAL FREQUENCY-DIVISION MULTIPLEXING SUBCHANNEL CODING AND MODULATION

Область техники
Изобретение относится главным образом к беспроводной связи и более конкретно к системам для эффективного использования OFDM подканалов.
Обсуждение соответствующего уровня техники
Мультиплексирование с частотным разделением каналов (FDM) - это хорошо известный процесс, с помощью которого множество сигналов модулируется на различных частотах несущих волн. FDM использовалось десятилетия в радио- и телевизионном вещании. Радио- и телевизионные сигналы посылаются и принимаются на разных частотах, каждая соответствует разному «каналу».
Мультиплексирование с Ортогональным Разделением Частот (OFDM) также было известно в технике, по меньшей мере, с конца 1960-х годов. В OFDM единственный передатчик передает одновременно на многих разных ортогональных частотах. Ортогональные частоты являются частотами, которые являются независимыми относительно соответствующего фазового соотношения между частотами. В OFDM доступная полоса частот подразделяется на некоторое число одинаковых полос «подканалов». Мультиплексирование с Ортогональным Разделением Частот выгодно для беспроводной связи, потому что оно уменьшает взаимные помехи или перекрестные помехи между передачами сигналов, в конечном итоге разрешая передачу данных при более высокой пропускной способности с меньшими ошибками. Мультиплексирование с Ортогональным Разделением Частот также известно как Цифровая Многоканальная Тональная Модуляция (DMT). OFDM применяется во многих стандартах, используемых сегодня для беспроводной связи. Например, оба стандарта: стандарт IEEE 802.11а беспроводной LAN и стандарт 802.11g беспроводной LAN опираются на применение OFDM для передачи сигнала. Одна из ранних ссылок, описывающая OFDM, - это Р.У. Чанг, Синтез ортогональных сигналов с ограниченной полосой для многоканальной передачи данных, Bell System Technical Journal (46), 1775-1796 (1966).
OFDM таким образом функционирует с помощью разбиения одного высокоскоростного информационного потока на несколько низкоскоростных информационных потоков, которые затем передаются параллельно (т.е. синхронно). Каждый низкоскоростной поток используется, чтобы модулировать поднесущую. Это создает «многонесущую» передачу путем разделения широкой частотной полосы (или канала) на несколько узких полос частот (или подканалов), каждая из которых модулирована сигнальным потоком. Посылая множество сигнальных потоков одновременно, каждый на низкой скорости, помехи, такие как многолучевое распространение или релеевское затухание, могут быть ослаблены или исключены без уменьшения полной скорости передачи.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Эта сущность обеспечивает иллюстрированный контекст для аспектов изобретения в упрощенной форме. Она не предназначена, чтобы быть использованной для определения объема заявленного предмета изобретения. Аспекты изобретения описаны более полно ниже в подробном описании.
Описанные здесь системы и способы для выбора схемы модуляции и схемы кодирования коррекции ошибок для каждого подканала в системе OFDM основаны на энергии, определяемой на этом подканале.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сопровождающие чертежи не претендуют, чтобы быть начерченными в масштабе. В чертежах каждый одинаковый или почти одинаковый компонент, который приведен на различных фигурах, представлен с помощью одинаковых номеров. С целью большей ясности не каждый компонент может быть пронумерован на каждом чертеже. На чертежах:
Фиг.1 - это диаграмма спектра, показывающая подразделение полосы частот канала на несколько подканалов одинаковой ширины.
Фиг.2 - это блок схема системы цифровой связи OFDM со многими несущими.
На фиг.3 представлена блок-схема, иллюстрирующая один вариант осуществления.
На фиг.4 представлена диаграмма системы, которая осуществляет некоторые аспекты изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Это изобретение охватывает новое использование OFDM подканалов. В соответствии с заявленным изобретением каждый OFDM подканал может быть модулирован различными схемами модуляции и/или схемами кодирования коррекции ошибок, специально подобранными для характеристик этого подканала. Изобретение может быть осуществлено в аппаратном или программном обеспечении или какой-либо их комбинации. Осуществления включают в себя систему, способ и команды, хранящиеся на машиночитаемых носителях.
Машиночитаемые носители могут быть любыми доступными носителями, которые могут быть доступны с помощью компьютера. К примеру, но без ограничения, машиночитаемые носители могут содержать компьютерный носитель и средство связи. Компьютерный носитель включает в себя энергозависимые и энергонезависимые, съемные и несъемные носители, выполненные с помощью способа или технологии для хранения информации, таких как машиночитаемые команды, структуры данных, программные модули или другие данные. Компьютерные носители включает в себя, но не ограничиваются ими, RAM, ROM, EEPROM, флэш-память или другие технологии памяти, СD-RОМ, универсальные цифровые диски (DVD) или другие оптические запоминающие устройства, магнитные кассеты, магнитные ленты, магнитные запоминающие диски или другие магнитные запоминающие устройства, другие типы энергозависимой или энергонезависимой памяти, любые другие средства, которые могут быть использованы, чтобы хранить нужную информацию, и которые доступны для компьютера, и любые подходящие комбинации вышеупомянутых устройств.
Машиночитаемые носители могут быть переносными, так что хранящиеся в них команды могут быть загружены в любой ресурс подходящей компьютерной системы, чтобы выполнить аспекты настоящего изобретения, обсуждаемого здесь. Дополнительно, следует понимать, что команды, хранящиеся на машиночитаемых носителях, описанных выше, не ограничиваются командами, выполненными как часть прикладной программы, установленной на главном компьютере. Скорее команды могут быть выполнены в виде компьютерного кода любого вида (например, машинного кода или микрокода), которые могут быть реализованы, чтобы запрограммировать процессор для выполнения аспектов настоящего изобретения, рассматриваемого ниже.
Это изобретение не ограничивается его применением для элементов конструкции и схемы компонентов, установленных далее в последующем описании или проиллюстрированных в чертежах. Изобретение допускает другие осуществления и может быть осуществлено или выполнено другими способами. Также фразеология и терминология, используемые здесь, приведены для описания и не должны рассматриваться как ограничительные. Использование здесь «включающий», «содержащий», «имеющий» или «затрагивающий» и их вариантов предназначено для охватывания понятий, перечисленных после, и их эквивалентов, так же как и дополнительных понятий.
Как показано на фиг.1, в OFDM доступный канал с шириной W полосы частот делится на число подканалов с полосами частот одинаковой ширины. Каждый подканал достаточно узок, так что частотные ответные характеристики подканала близки к идеальным. Число подканалов - это общая доступная полоса частот, разделенная с помощью полосы частот каждого подканала. Число подканалов К может таким образом быть выражено как:
Каждый подканал k имеет соответствующую несущую волну. Эта несущая волна может быть выражена как:
k
k
Х(t)= sin2πft
k
k
Где Х(t) - это несущая волна для подканала k как функция времени t. f- это средняя частота подканала k, и k находится в диапазоне от 0 до К-1.
Скорость передачи символов 1/Т установлена для каждого подканала равной разделению ∆f смежных поднесущих. Поднесущие будут, таким образом, ортогональны через интервал Т символа независимо от соответствующего фазового соотношения между поднесущими. Это соотношение может быть выражено как:
k
j
k
j.
Где f-f= n/T = 1,2, …, не зависят от значений фазы ϕи ϕ
В OFDM скорость передачи символов в каждом подканале может быть уменьшена относительно скорости передачи символов в системе единственной несущей, которая использует целую полосу W пропускания и передает данные на той же самой скорости, что и OFDM система. Отсюда интервал символов Т (инверсия скорости передачи символов) в OFDM системе может быть выражена как:
S
Т = КТ
S
Где Т - это интервал символов системы с единственной несущей, использующей целую полосу W пропускания и передающую данные на той же самой скорости, что и OFDM система. Например, если скорость передачи символов через целую полосу частот для одного канала составляет 72 миллиона символов в секунду, а канал разделен на 48 подканалов, то каждому подканалу нужно передать 1,5 миллиона символов за секунду, чтобы достигнуть одной и той же полной скорости передачи данных. Эта низшая скорость передачи символов уменьшает межсимвольные помехи и таким образом ослабляет воздействие многолучевого затухания. Соответственно OFDM обеспечивает превосходное качество связи и надежность соединения.
В OFDM системе передатчик принимает входные данные в частотном интервале и преобразовывает его в сигнал временного интервала. Несущая волна модулируется с помощью сигнала временного интервала для беспроводной передачи. Приемник принимает сигнал, демодулирует волну и преобразовывает сигнал обратно в частотный интервал для дальнейшей обработки.
Упрощенная OFDM система показана на фиг.2. В иллюстрируемом осуществлении поток 201 входящих данных получен с помощью приложения к OFDM передатчику 200. В стандарте связи стека ТСР/IT эти данные могут быть приняты на физическом уровне или уровне канала данных, однако изобретение не ограничено любым отдельным источником данных или механизмом предоставления данных передатчику и может быть воплощено в аппаратном или программном обеспечении, и на различных уровнях сетевого стека. Входящий поток 201 данных принимается буфером 202 последовательно-параллельного преобразования. Буфер 202 последовательно-параллельного преобразования разбивает поток последовательных данных на несколько параллельных потоков данных. Число параллельных потоков данных равно числу подканалов, доступных для OFDM широковещания, или К, как использовано выше.
f
f
i
В одном варианте осуществления буфер 202 последовательно-параллельного преобразования делит принятую информационную последовательность из входящих данных 201 в кадры из B бит. B битов в каждом кадре анализируется в К группах, где i-й группе присвоено b битов. Это отношение может быть выражено как:
Каждый из параллельных потоков данных, принятых с помощью буфера 202 последовательно-параллельного преобразования, затем посылается на модулятор 203 множества несущих. Модулятор 203 множества несущих модулирует каждую OFDM поднесущую каждым из параллельных потоков данных. Модулятор 203 множества несущих может быть эффективно выполнен, используя алгоритм Обратного Быстрого Преобразования Фурье, чтобы вычислить сигнал временного интервала, хотя может быть использован любой алгоритм для преобразования сигнала частотного интервала в сигнал временного интервала.
Модулятор 203 множества несущих может использовать любую схему модуляции, чтобы модулировать каждый из входящих потоков данных. В предпочтительном варианте осуществления сигналы модулируются квадратурной амплитудной модуляцией (QAM). Любая совокупность QAM может быть использована. Например, модулятор может использовать 16-QAM, 128-QAM или 256-QAM. Схема модуляции может быть выбрана на основании требуемой скорости данных, доступных подканалов, шума в каждом канале или других факторов. Каждый подканал может использовать разную совокупность, зависящую, например, от шума на этом подканале. Новая заявленная система для выбора другой схемы модуляции и схема коррекции ошибок, заявленная в этом патенте, обсуждаются ниже.
В этом примере модулятор 203 множества несущих таким образом генерирует К независимых QAM подканалов, в которых скорость символов для каждого подканала равна 1/Т и сигнал в каждом подканале имеет отдельную QAM совокупность. В соответствии с этим примером число сигнальных точек для подканала может быть выражено как:
k
k
k
Комплексно-значные сигнальные точки, соответствующие информационным сигналам по каждому из К подканалов, могут быть представлены как X, где k = 0,1, …, К-1. Эти символы X представляют значения Дискретного Преобразования Фурье OFDM сигнала x(t) со многими несущими, где модуляция на каждой несущей это QAM. Поскольку x(t) должно быть действительнозначным сигналом, его N-точечное Дискретное Преобразование Фурье X должно удовлетворять свойствам симметрии. Поэтому система создает N=2K символов из К информационных символов путем определения:
0
K
n
'
Здесь X разделен на две части, обе из которых действительные. Новая последовательность символов может быть выражена как X , где k=0,1,…,N-1. N-точечное Инверсное Дискретное преобразование Фурье для каждого подканала x может таким образом быть выражено как:
<img file="00000008.tif" he="11" wi="53" img-content="undefined" img-format="tif" />
n=0,1,…,N-1
n
В этом уравнении  - это признак масштабирования. Последовательность x, где 0≤n≤N-1, таким образом соответствует выборкам многонесущего OFDM сигнала x(t), состоящего из К поднесущих.
Циклический префикс, который выступает охранным интервалом, добавляется к каждой из модулированных параллельных волн в блоке 204. Этот охранный интервал гарантирует, что подканалы останутся ортогональными, даже если многолучевое затухание становится причиной того, что поднесущие поступают на приемник с некоторой задержкой распространения. Параллельные потоки с циклическим префиксом объединяются затем в единый серийный поток в блоке 204. Окончательно поток цифровых данных преобразуется в аналоговый сигнал 205 и поступает на выход для беспроводной передачи.
Переданный сигнал может быть принят приемником 210 и обработан, чтобы получить поток первоначальных данных. Сначала аналоговый сигнал преобразуется обратно в цифровой сигнал с помощью аналогово-цифрового преобразователя 211. Циклический префикс удаляется, и отдельные поднесущие преобразуются обратно в отдельные потоки в блоке 212. Каждый поток параллельных данных демодулируется с помощью демодулятора 213 множества несущих, желательно с помощью алгоритма Быстрого Преобразования Фурье. Окончательно на 214 параллельные потоки снова собираются в единый последовательный поток и поступают на выход приемного устройства 215.
Ключевой изобретательский аспект этой системы, что будет понятно любым обычным специалистам в этой области техники, заключается в способе для раздельного выбора схемы модуляции и схемы кодирования коррекции ошибок, которые используются на каждом подканале. Один пример этого способа показан на фиг.3.
Фиг.3 показывает блок-схему, иллюстрирующую один предпочтительный вариант осуществления изобретения. Фиг.3 иллюстрирует процесс, который может быть использован передатчиком для выбора схемы модуляции и схемы кодирования коррекции ошибок, которые используются на каждом подканале. Этот процесс может быть осуществлен в аппаратном и программном обеспечении.
Прикладная или операционная система запрашивает особенной скорости передачи данных для передачи в блоке 301. В этом варианте осуществления система 300 придерживается тогда нескольких этапов для выбора оптимальной схемы модуляции и схемы кодирования коррекции ошибок, чтобы достичь этой требуемой скорости передачи данных.
Система стартует с порогового вектора, который коррелирует схему модуляции и схему кодирования коррекции ошибок с определенным отношением сигнал/шум. Этот вектор может быть выражен как:
Каждое значение в Θ векторе представляет собой отношение сигнал/шум (или энергетический уровень) и соответствующую схему модуляции и схему кодирования коррекции ошибок. В качестве иллюстрации  может быть установлено в +20 дБ,  может быть установлено в 0 дБ, а  может быть установлено в -20 дБ. Пороговый вектор устанавливает разные схемы модуляции и схемы кодирования коррекции ошибок, чтобы соответствовать каждому из этих отношений сигнал/шум. Схема модуляции может быть любой схемой модуляции, включая в себя, например, хорошо знакомые схемы квадратурной амплитудной модуляции (QAM), квадратурной фазовой манипуляции (QPSK), двоичной фазовой манипуляции (BPSK), или любой другой схемой. Также схема кодирования коррекции ошибок не ограничивается любой конкретной схемой кодирования, но может включать в себя кодирование Рида-Соломона, сверточное кодирование, кодирование Витерби или любое другое кодирование. Вектор будет оптимизирован так, что схема модуляции и схема кодирования коррекции ошибок будут соответствовать соответствующему отношению сигнал/шум.
В одном варианте осуществления изобретения базовая схема кодирования коррекции ошибок может быть выбрана, чтобы можно было ее применить ко всем OFDM подканалам. Коды высокой скорости ошибок затем выкалываются из базового кода и могут быть выбраны для каждого подканала на основании шума, определенного на этом подканале. Выкалывание - это процесс удаления некоторой части битов после применения кода коррекции ошибок. Из-за того что существует наименьшая избыточность с некоторыми равными удаленными битами, выкалывание имеет тот же самый эффект, как и кодирование с кодом высокой скорости коррекции ошибок. Выкалывание позволяет использовать один и тот же декодер невзирая на то, как много бит было выколото, и таким образом значительно повышает гибкость системы без значительного повышения ее сложности.
j
j
На 302 выбирается первый подканал из доступного спектра, чтобы быть использованным. Передатчик, необязательно с обратной связью от приемника, определяет энергетический уровень на этом подканале на 303. Затем передатчик выбирает схему модуляции и схему кодирования коррекции ошибок для выбранного подканала путем сравнения определенного энергетического уровня со значениями в пороговом векторе на 304. Если определенный энергетический уровень попадает между двумя значениями в пороговом векторе, то соответствующая схема модуляции и схема кодирования коррекции ошибок выбирается для низшего порогового значения. Выражено математически: если , тогда выбираются схема модуляции m и скорость кодирования коррекции ошибок r. Затем передатчик выбирает следующий подканал для проверки в блоке 305. Этот процесс повторяется от 303 до 305, пока у всех подканалов не будет соответствующей схемы модуляции и схемы кодирования коррекции ошибок, основанных на отношении сигнал/шум каждого подканала.
Однажды выбрав схему модуляции и схему кодирования коррекции ошибок для каждого OFDM подканала, возможно подсчитать полную скорость данных по всем подканалам. Система затем может проверить в блоке 306, превышает ли полная скорость данных требуемую скорость, обеспечиваемую приложением. Если нет, система имеет два неисключительных выбора. Она может выбрать схему модуляции низшего порядка для одного подканала в блоке 307, или она может выбрать схему с низшей скоростью кодирования коррекции ошибок для одного подканала в блоке 308. Если система выбирает схему модуляции низшего порядка, она может выбрать ту схему для подканала, которая имеет схему модуляции наивысшего порядка или которая имеет наивысшее отношение сигнал/шум, или может выбрать любой случайный подканал. Подобным образом система может выбрать схему кодирования коррекции ошибок с самой низкой скоростью для подканала с самым большим шумом или любой другой подканал. Полная скорость передачи данных с новой схемой модуляции или схемой кодирования коррекции ошибок затем повторно вычисляется, и этапы с 306 по 308 повторяются, пока полная скорость не будет равна требуемой скорости.
Если, с другой стороны, требуемая скорость превышает полную вычисленную скорость передачи в блоке 309, система должна отрегулировать пороговый вектор в блоке 310, так что схемы модуляции и схемы кодирования коррекции ошибок, выбранные для каждого уровня шума, будут обеспечивать быстрейшую скоростную передачу. Процесс с 302 до 305 затем повторяется с новым пороговым вектором.
Фиг.4 иллюстрирует другой вариант осуществления изобретения. Этот чертеж показывает систему 400, которая принимает скорость данных от приложения 401 и обеспечивает информацию для OFDM передатчика 405 о том, как она будет передавать данные. Система 400 содержит модуль 402 определения энергии, модуль 403 схемы выбора модуляции и модуль 404 схемы кодирования коррекции ошибок. Модуль 402 определения энергии определяет уровень шума на каждом OFDM подканале. Данные, собранные модулем 402 определения энергии, предназначены для модуля 403 схемы выбора модуляции так же, как для модуля 404 схемы кодирования коррекции ошибок, которые или независимо, или во взаимодействии выберут схему модуляции и схему кодирования коррекции ошибок соответственно. Выбранные схемы затем предоставляются системой 400 передатчику 405, который может тогда начать передачу по OFDM, используя эти схемы.
В еще одном варианте осуществления изобретение относится к машиночитаемым носителям, снабженным машиноисполняемыми командами для выполнения этапов. Этапы включают в себя измерение уровня сигнал/шум на каждом OFDM подканале и кодирование модулированного сигнала на каждом OFDM подканале, используя схему кодирования коррекции ошибок и схему модулирования на основании измеренного уровня сигнал/шум для каждого OFDM подканала.
Имея, таким образом, некоторые описанные аспекты, по меньшей мере, одного варианта осуществления этого изобретения, понятно, что различные изменения, модификации и усовершенствования будут легко выполняться специалистами в этой области техники. Такие изменения, модификации и усовершенствования предназначены, чтобы быть частью этого раскрытия, и предназначены, чтобы быть в духе и в объеме этого изобретения. Соответственно, упомянутые описание и чертежи являются только примером.