用於傳送數據幀的方法及系統的製作方法
2023-06-04 02:09:16
專利名稱：用於傳送數據幀的方法及系統的製作方法
技術領域：
一般而言，本發明涉及無線通信，更具體而言，涉及一種用於發送和接收如下數據幀的方法及系統所述數據幀具有用於諸如信道估計前導碼這樣的預定數據類型的數據欄位的增強功率。
背景技術：
在多輸入多輸出(MIMO)通信系統中，通過同時使用多個發送器天線和接收器天線，數據被高速傳送而不用增加帶寬。發送器天線通過多個信道同時發送不同的數據。這樣的被發送信號在接收器的每個接收器天線中被混合和接收，其中所述接收器使用信道估計來分離所述被發送信號。
圖1是說明一般MIMO通信系統的方框圖。參照圖1，該MIMO通信系統包括帶有三個發送器天線102、104和106的發送器100，以及帶有四個接收器天線112、114、116和118的接收器110。此處的發送器天線和接收器天線的數目僅僅是示例性的。
進一步參照圖1，在MIMO通信系統內傳送的信號，通過在發送器天線102、104和106與接收器天線112、114、116和118之間的發送信道特徵被變換。另外，噪聲也被添加到所變換的信號中。隨後，該信號在接收器內被接收。
假設由發送器天線102、104和106中的每一個發送的信號分別為x1、x2和x3。另外，假設由接收器天線112、114、116和118中的每一個接收的信號分別為y1、y2、y3和y4。另外，假設在發送器天線102、104和106中的一個天線與接收器天線112、114、116和118中的一個天線之間的信道特徵為Hnm(n為發送器天線的序號，n＝1、2或3；m為接收器天線的序號，m＝1、2、3或4)。在該情況下，由發送器天線102、104和106發送的信號與由接收器天線112、114、116和118接收的信號之間的關係，可以用下面的數學方程1來表示方程1
y1＝H11·x1+H21·x2+H31·x3+噪聲y2＝H12·x1+H22·x2+H32·x3+噪聲y3＝H13·x1+H23·x2+H33·x3+噪聲y4＝H14·x1+H24·x2+H34·x3+噪聲從而，由接收器天線112、114、116和118分別接收到的信號y1、y2、y3和y4的每一個均由分別從發送器天線102、104和106發送的信號x1、x2和x3的組合構成。信號y1、y2、y3和y4的每一個都可由接收器110來測量。如果將噪聲從公式1中消除，則可以從具有已知的x1、x2、x3、y1、y2、y3和y4的一階方程1來確定信道特徵Hnm。
另外，即使帶有噪聲，可以確定使用矩陣的最小均方誤差(MMSE)，以便可以從所測量的信號y1、y2、y3和y4中來確定所發送的信號x1、x2和x3。在任何情況下，對於圖1的MIMO通信系統的性能，信道特徵(即信道係數)Hnm的估計是基本的。
進一步地，在圖1的MIMO通信系統中，按照IEEE 802.11a標準的正交頻分復用(OFDM)格式來發送和接收數據幀。在這樣的標準中，使用作為每個發送器天線的數據幀的一部分而被發送的前導碼來執行信道估計。
圖2示出由圖1的每個發送器天線102、104和106(分別為Tx_ANT1、Tx_ANT2和Tx_ANT3)發送的、按照OFDM格式的數據幀。參照圖2，每個數據幀包括包含短前導碼和長前導碼的前導欄位、報頭欄位和有效負載欄位。
依據IEEE 802.11a標準，短前導碼和長前導碼的每一個都包括多個迭代訓練序列。因此，短前導碼包括被迭代十次的短訓練序列，而長前導碼包括被迭代兩次的長訓練序列。
短前導碼用於接收器中的自動增益控制(AGC)會聚(convergence)、定時同步和粗頻率同步。長前導碼用於接收器中的信道估計和精頻率同步。從而，長前導碼在後文中也被稱為「信道估計前導碼」。報頭欄位包括信號欄位信息(RATE、LENGTH)，用於解碼在包括所發送數據的有效負載欄位中的數據。這樣的數據欄位分別被本領域技術人員所熟知。
進一步參照圖2，發送器天線(Tx_ANT1、Tx_ANT2和Tx_ANT3)同時發送不同的數據(Data1、Data2和Data3)。另一方面，發送器天線(Tx_ANT1、Tx_ANT2和Tx_ANT3)以時間正交方式來發送信道估計前導碼(long1、long2和long3)。這樣，使用時間遲延(time lags)(空時間段)，以便信道估計前導碼(long1、long2和long3)的發送不會重疊。例如，當由第一發送器天線102(Tx_ANT1)發送信道估計前導碼(long1)時，第二和第三發送天線104和106(Tx_ANT2和Tx_ANT3)處於空時間段而無數據發送。
圖3說明了圖2的數據幀的信號功率。一般而言，圖1的發送器100具有有限的總可用功率。在圖1的現有技術的MIMO通信系統中，每個發送器天線(Tx_ANT1、Tx_ANT2和Tx_ANT3)使用被劃分的功率，所述被劃分的功率為發送器100的總可用功率除以發送器天線102、104和106的數目。
參照圖2和圖3，由於以時間正交方式來發送信道估計前導碼(long1、long2和long3)，所以在用於發送信道估計前導碼的發送器天線102、104和106之一中使用的發送功率僅僅是發送器100的總可用功率的三分之一。因此，在現有技術中，發送器100的總可用功率的三分之二在信道估計前導碼(long1、long2和long3)的發送期間被浪費了。
發明內容
因此，發送器的總可用功率被有效地用於發送諸如信道估計前導碼這樣的預定數據類型的數據欄位。
依據本發明的一般方面，在傳送數據幀的方法和系統中，從發送器的多個發送器天線中的每一個發送各自的數據幀。另外，作為在各自的數據幀內的預定數據類型的任意數據欄位的功率被增強到發送器的最大可用功率。
在本發明的一個示例性實施例中，預定數據類型用於信道估計前導碼。在這種情況下，接收由發送器天線發送的各自的數據幀，用於從信道估計前導碼來確定信道係數。該信道係數用於確定是否任意信道估計前導碼被增強，如果任意信道估計前導碼被增強則調整信道係數。使用信道係數來解碼各自的數據幀的有效負載欄位。
在本發明的另一實施例中，當任意信道估計前導碼被增強時信道係數被增大。因此，為確定是否任意信道估計前導碼被增強，使用信道係數來確定數據幀的報頭欄位中的碼元的信號功率。然後將該信號功率與閾值比較，如果信號功率低於閾值則確定信道估計前導碼已被增強。
在本發明的進一步實施例中，生成非預定數據類型的數據欄位，所述非預定數據類型的數據欄位具有劃分的功率，所述劃分的功率是發送器的總可用功率除以發送器天線的數目。
在本發明的一個示例性實施例中，在發送器天線的各自的數據幀內的預定數據類型的數據欄位具有時間正交性。
對於使用IEEE 802.11a標準的幀結構的MIMO通信系統，本發明的使用可能具有獨特優點。以此種方式，信道估計前導碼以對於高信噪比的增強功率被發送，從而信道係數可以被更精確地確定。
當參照附圖對本發明的示例性實施例詳細描述時，本發明的上述和其它特徵以及優點將變得更加清楚，其中圖1示出根據現有技術的、具有多個天線的MIMO通信系統；圖2示出根據現有技術的、由圖1的發送器天線發送的數據幀；圖3示出根據現有技術的、在圖2的數據幀中的數據欄位的信號功率；圖4示出根據本發明一個實施例的、由圖11的發送器天線所發送的、帶有增強功率的信道估計前導碼的數據幀；圖5示出根據本發明一個實施例的、圖4的數據幀中的數據欄位的信號功率；圖6示出根據本發明一個實施例的、用於確定被應用到數據幀的有效負載欄位的信道係數的步驟的流程圖；圖7圖解了具有增強功率對無增強功率的信道估計前導碼的星座點(constellation point)的對照；圖8示出根據本發明一個實施例的、用於確定信道估計前導碼是否具有被增強的功率的步驟的流程圖；圖9示出由具有增強功率的信道估計前導碼與具有未增強的功率的信道估計前導碼得到的仿真信道估計結果；圖10A圖解了對於QPSK調製的數據幀，由具有增強功率的信道估計前導碼與具有未增強的功率的信道估計前導碼得到的誤碼率；圖10B圖解了對於16QAM調製的數據幀，由具有增強功率的信道估計前導碼與具有未增強的功率的信道估計前導碼得到的誤碼率；圖10C圖解了對於64QAM調製的數據幀，由具有增強功率的信道估計前導碼與具有未增強的功率的信道估計前導碼得到的誤碼率；圖11示出根據本發明的一個實施例的、具有用於增強發送的信道估計前導碼的功率的部件的MIMO通信系統。
在此引用的附圖是為說明的清楚而繪製的，並且不必依照比例來繪製。在圖1、2、3、4、5、6、7、8、9、10A、10B、10C和11中具有相同參考數字的單元是指具有類似結構和/或功能的單元。
具體實施例方式
圖11示出依據本發明的一個實施例的MIMO通信系統200的方框圖。該系統200包括發送器201，帶有多個發送器天線202、204和206(分別為Tx_ANT1、Tx_ANT2和Tx_ANT3)。另外，系統200包括接收器211，帶有多個接收器天線212、214、216和218(分別為Rx_ANT1、Rx_ANT2、Rx_ANT3和Rx_ANT4)。
此外，發送器201包括數據源222、編碼器224、以及調製器226。接收器211包括解調器232、帶有存儲設備236和數據處理器238的解碼器234、以及數據接收器(data sink)240。
數據源222生成將由發送器201發送的數據。該數據由編碼器224編碼為具有IEEE 802.11a標準的幀結構的數據幀。調製器226將該數據幀調製到載波信號上，用於由發送器天線202、204和206發送。
依據本發明的一個實施例，圖4說明了來自調製器226的、具有增強功率的信道估計前導碼的數據幀。參照圖4和圖11，調製器226增強由發送器天線202、204和206發送的每個信道估計前導碼(long1、long2和long3)的發送功率。圖5示出圖4的數據幀的數據欄位的信號功率。
依據本發明的一個實施例，調製器226將每個信道估計前導碼(long1、long2和long3)的功率增強到發送器201的最大可用功率。參照圖4，注意以時間正交方式從發送器天線202、204和206發送信道估計前導碼(long1、long2和long3)。
這樣，當第一發送器天線202發送相應的信道估計前導碼long1時，第二和第三發送器天線204和206處於空狀態且不發送數據。類似地，當第二發送器天線204發送相應的信道估計前導碼long2時，第一和第三發送器天線202和206處於空狀態且不發送數據。最後，當第三發送器天線206發送相應的信道估計前導碼long3時，第一和第二發送器天線202和204處於空狀態且不發送數據。
這樣，參照圖5和圖11，當在一個時刻發送器天線202、204和206中的任意一個正在發送信道估計前導碼(long1、long2和long3)之一時，該信道估計前導碼的功率被增強到發送器201的總可用功率。另一方面，由每一發送器天線(Tx_ANT1、Tx_ANT2和Tx_ANT3)發送的其它數據欄位，諸如短前導碼、報頭欄位和有效負載欄位的發送功率是發送器201的總可用功率的三分之一。
採用這樣的用於發送信道估計前導碼(long1、long2和long3)的增強功率，該數據的傳送的信噪比(SNR)被提高了。這樣，在接收器211內使用這樣的前導碼(long1、long2和long3)的信道估計更加精確。
接收器211經由接收器天線212、214、216和218(Rx_ANT1、Rx_ANT2、Rx_ANT3和Rx_ANT4)接收圖4中的數據幀。該接收器211使用短前導碼執行AGC、符號邊界檢測(SBD)、以及粗頻率同步。另外，接收器211使用信道估計前導碼(long1、long2和long3)執行信道估計和精頻率同步。
這樣的信道估計用於確定應用於報頭欄位的信道係數，用於提取進一步的信息，諸如數據幀的碼率和長度，以及用於解碼有效負載欄位的數據。然而，從帶有增強功率的信道估計前導碼中確定的信道係數被相應地增加到與乘以發送器天線數目的平方根一樣大。該增大的信道係數導致解碼錯誤。
因此，在本發明的一個實施例中，若信道估計前導碼具有增強的功率，則如圖6的步驟所描述的那樣調整信道係數。參照圖6，接收器211使用信道估計前導碼確定信道係數(圖6的步驟S602)。通過將該信道係數應用於報頭欄位，提取信息(諸如數據幀的碼率和長度)(圖6的步驟S604)。
進一步參照圖6，接收器211確定信道估計前導碼的功率是否被增強(圖6的步驟S606)。若信道估計前導碼的功率被增強，則相應於該增強的功率調整信道係數(圖6的步驟S608)，且將所調整的信道係數用於解碼有效負載欄位(圖6的步驟S610)。另一方面，若信道估計前導碼的功率未被增強，則步驟S602中確定的信道係數被用於解碼有效負載欄位(圖6的步驟S610)而不需要步驟S608。
在本發明的一個示例性實施例中，通過檢測報頭欄位中的碼元的信號功率來執行對信道估計前導碼的功率是否被增強的確定。圖7說明了使用為具有四個發送器天線和四個接收器天線的MIMO通信系統所估計的信道係數的報頭欄位的星座點(constellation point)。
參照圖7，使用二進位相移鍵控(BPSK)調製和發送依據IEEE 802.11a標準構成的報頭欄位。因而，當從不具有增強功率的信道估計前導碼中確定信道係數時，包括在報頭欄位內的每個碼元的星座點均處於1或-1。相反地，當信道估計前導碼具有增強的功率時，信道係數被增大，每個碼元的星座點均相應地降低到1/(增強的功率)/和-1/(增強的功率)。
因而，使用由具有增強功率的信道估計前導碼所估計出的信道係數而提取出的報頭欄位碼元的信號功率比較小。因此，為了確定信道估計前導碼是否已被增強，比較該信號功率和閾值(Th)，如圖8所示。參照圖8，確定包含在報頭欄位內的碼元的信號功率(Hsp)(圖8的步驟S802)。
比較該信號功率(Hsp)和閾值(Th)(圖8的步驟S804)。該閾值(Th)可能為當信道估計前導碼不具有增強功率時檢測到的信號功率。當該信號功率(Hsp)低於該閾值(Th)時，信道估計前導碼的功率被確定為被增強(圖8的步驟S806)。否則，信道估計前導碼的功率被確定為未被增強(圖8的步驟S808)。
在本發明的一個示例性實施例中，接收器211的解碼器234內的存儲設備236在其內部存儲了指令序列。該指令序列由解碼器234內部的數據處理器238來運行以執行圖6和圖8中的步驟。接收器天線212、214、216和218以及解調器232接收圖4的所發送的數據幀，且解碼器234處理該接收到的數據幀以執行圖6和圖8的步驟。
圖9、圖10A、圖10B和圖10C說明了仿真結果，該仿真結果指示當信道估計前導碼的功率被增強時的MIMO通信系統的增強的性能。例如，圖9說明了在具有四個發送器天線和四個接收器天線的MIMO通信系統內的信道估計的仿真結果。
參照圖9，粗實線代表在理想情況下的實際信道特徵，虛線代表從不具有增強功率的信道估計前導碼中估計的信道特徵，細實線代表從依據本發明的帶有增強功率的信道估計前導碼中估計的信道特徵。圖9說明細實線更接近粗實線，即從帶有增強功率的信道估計前導碼中可得更準確的信道估計。
另外，MIMO通信系統內的更多數量的發送天線導致信道估計的更高的精確度。這是因為對於更多數目的發送天線，信道估計前導碼的功率被以更高的功率比增強。換言之，信道估計前導碼的數據欄位的功率與其它類型數據的數據欄位的功率的比值為發送天線的數目。
對於各種調製方法，這種信道估計的更高精度帶來了與信噪比相比的降低的誤碼率(BER)。圖10A、圖10B和圖10C示出了對於不同調製方法，具有增強功率和不具有增強功率的信道估計前導碼的誤碼率與信噪比的特徵關係曲線。
圖10A、圖10B和圖10C的仿真結果來自具有四個發送器天線和四個接收器天線的MIMO通信系統的MATLAB(公知的仿真應用程式)。另外，該仿真用於不採用卷積編碼器的未編碼系統。更合適地，採用在具有50納秒的延遲擴展的指數信道環境中的viterbi解碼器。此外，採用IEEE 802.11a標準的幀結構對單獨的1024位元組的數據幀重複進行仿真1000次。
圖10A示出依據四相移鍵控(QPSK)調製所調製的數據幀的仿真特徵曲線，圖10B示出依據16QAM(正交幅度調製)調製的數據幀的仿真特徵曲線，圖10C示出依據64QAM調製的數據幀的仿真特徵曲線。對於本領域技術人員來說，這樣的QPSK、16QAM和64QAM分別是公知的。
如圖10A、圖10B和圖10C所示，當信道估計前導碼的功率被增強時，對於圖10A、圖10B和圖10C的每一種調製方法，誤碼率均被降低。如圖所示，對於QPSK調製約有1.5dB的改進，對於16QAM調製有2dB至2.5dB的改進，對於64QAM調製約有1.5dB的改進。
雖然已參照本發明的示例性實施例對本發明進行了具體的展示和描述，但是本技術領域人員應該理解在不脫離如所附權利要求書所限定的本發明的精神和範圍的情況下，可以在形式與細節上進行各種改變。
因此，前述僅僅是作為示例，而並非受限於此。例如，儘管本發明被採用增強信道估計前導碼的功率來進行描述，但是也可以增強具有其它預定的數據類型的數據欄位的功率，特別是在MIMO通信系統中，以時間正交方式從從多個發送器天線發送多個數據幀中的這樣的數據欄位時。另外，在此描述和說明的任何元件的數量都僅僅是舉例。
本發明僅被限制為如在所附權利要求及其等價物中所限定。
本申請要求於2004年8月13日在韓國知識產權局提交的韓國專利申請第2004-63857號的優先權，其公開內容通過引用方式在此被整體包含。
權利要求
1.一種傳送數據幀的方法，包括從發送器的多個發送器天線中的每一個發送各自的數據幀；以及將作為各自數據幀中的預定數據類型的任意數據欄位的功率增強到發送器的最大可用功率。
2.根據權利要求1所述的方法，其中預定數據類型用於信道估計前導碼。
3.根據權利要求2所述的方法，還包括接收由發送器天線發送的各自的數據幀；從接收到的數據幀的信道估計前導碼確定信道係數；使用信道係數來確定任意信道估計前導碼是否被增強；以及如果任意信道估計前導碼被增強，則調整信道係數。
4.根據權利要求3所述的方法，還包括使用信道係數解碼各自的數據幀的有效負載欄位。
5.根據權利要求3所述的方法，其中當任意信道估計前導碼被增強時，信道係數增加。
6.根據權利要求5所述的方法，其中確定任意信道估計前導碼是否被增強包括使用信道係數確定數據幀的報頭欄位中的碼元的信號功率；將該信號功率與閾值比較；以及如果信號功率低於閾值，則確定信道估計前導碼被增強。
7.根據權利要求1所述的方法，還包括生成帶有劃分的功率的、非預定數據類型的數據欄位，所述劃分的功率是將發送器的總可用功率除以發送器天線的數目。
8.根據權利要求7所述的方法，其中不是預定數據類型的數據幀的數據欄位包括短前導碼、報頭欄位、以及有效負載欄位。
9.根據權利要求1所述的方法，其中發送器天線的各自的數據幀內的預定數據類型的數據欄位具有時間正交性。
10.根據權利要求1所述的方法，其中發送器天線的各自的數據幀每一個均具有IEEE 802.11a標準的幀結構。
11.一種傳送數據幀的方法，包括接收從發送器的多個發送器天線中的每一個發送的各自的數據幀；從接收到的數據幀的信道估計前導碼確定信道係數；使用信道係數來確定是否任意信道估計前導碼被增強；以及如果任意信道估計前導碼被增強，則調整信道係數。
12.根據權利要求11所述的方法，其中信道係數用於解碼數據幀的有效負載欄位。
13.根據權利要求11所述的方法，其中當任意信道估計前導碼被增強時信道係數增大。
14.根據權利要求13所述的方法，其中確定任意信道估計前導碼是否被增強包括使用信道係數來確定數據幀的報頭欄位中的碼元的信號功率；將該信號功率與閾值比較；以及如果信號功率低於閾值則確定信道估計前導碼已被增強。
15.一種用於傳送數據幀的系統，包括發送器，用於從多個發送器天線中的每一個發送各自的數據幀；和發送器內的調製器，用於將作為各自的數據幀內的預定數據類型的任意數據欄位的功率增強到發送器的最大可用功率。
16.根據權利要求15所述的系統，其中預定數據類型用於信道估計前導碼。
17.根據權利要求16所述的系統，還包括接收器，用於接收由發送器天線發送的各自的數據幀；和接收器內的解碼器，該解碼器具有存儲設備，指令序列被存儲在其中，其中由解碼器對指令序列的執行導致解碼器執行以下步驟從接收到的數據幀的信道估計前導碼來確定信道係數；使用信道係數來確定是否任意信道估計前導碼被增強；以及如果任意信道估計前導碼被增強則調整信道係數。
18.根據權利要求17所述的系統，其中由解碼器對指令序列的執行導致解碼器進一步執行步驟使用信道係數解碼各自的數據幀的有效負載欄位。
19.根據權利要求17所述的系統，其中當任意信道估計前導碼被增強時信道係數增大。
20.根據權利要求19所述的系統，其中由解碼器對指令序列的執行導致解碼器進一步執行步驟使用信道係數來確定數據幀的報頭欄位中的碼元的信號功率；將該信號功率與閾值比較；以及如果信號功率低於閾值，則確定信道估計前導碼已被增強。
全文摘要
為了傳送數據幀，從發送器的多個發送器天線中的每一個發送各自的數據幀。另外，作為在各自的數據幀內的預定數據類型的任意數據欄位的功率被增強到該發送器的最大可用功率。因此，發送器的總可用功率被有效地用於發送以時間正交方式發送的諸如信道估計前導碼的預定數據類型的數據欄位。
文檔編號H04L25/02GK1734995SQ20051009146
公開日2006年2月15日 申請日期2005年8月12日 優先權日2004年8月13日
發明者李政澤 申請人:三星電子株式會社