АДАПТИВНАЯ ФОРМА СИГНАЛА РАДИОИНТЕРФЕЙСА Российский патент 2008 года по МПК H04L1/00 

Настоящее изобретение относится к беспроводной связи, в частности к адаптивной форме сигнала радиоинтерфейса.

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Современные системы беспроводной связи не вполне гибко подстраиваются к динамическим изменениям спектра электромагнитных волн. В результате эти системы обычно предоставляют услуги по передаче данных относительно низкого качества. Эта проблема, по всей вероятности, будет приобретать все большую остроту по мере увеличения спроса на широкополосные услуги связи.

Предшествующие попытки, направленные на повышение возможностей систем беспроводной связи гибко реагировать на динамические изменения спектра электромагнитных волн, главным образом, были сосредоточены на адаптации к подмножеству размерностей (характеристик), доступных в конкретный момент времени. Скорости передачи данных и коэффициенты расширения спектра частот сигнала (базы импульсного сигнала) были модифицированы в целях адаптации специфических форм сигнала, например модулированных сигналов расширения спектра, к конкретному состоянию канала связи. К конкретному выделению частот были применены различные способы кодирования с исправлением ошибок с различными параметрами. В высокочастотных диапазонах также использовались способы самонастройки (адаптации) частоты. Способы самонастройки частоты также использовались в системах связи, например в беспроводных локальных вычислительных сетях (WLAN), в которых открытая частота выбирается после относительно медленного поиска открытой частоты.

Обычно системы сотовой связи работают на выделенных рабочих частотах канала связи. При медленном выделении могут использоваться методы множественного доступа с разделением частот (FDMA). Были изучены способы адаптивной модуляции, но они в большей или меньше степени ограничены изменением одного или нескольких параметров в конкретной схеме модуляции. В различных странах использование спектра имеет свои существенные отличия, в результате чего возникает необходимость в сложном процессе выделения спектра частот. Для перераспределения полосы частот в результате расширения рынка коммерческой беспроводной связи в будущем мог бы потребоваться еще более сложный процесс выделения спектра частот. В современных системах беспроводной связи одна или несколько частот статически выделены для системы связи и обнаружения (например, радиолокационные системы) без перекрывания частот между системой связи и обнаружения и одной или несколькими другими системами связи и обнаружения и при большом пространственном разнесении с целью избежания недопустимых помех между системой связи и обнаружения и одной или несколькими другими системами связи и обнаружения.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Конкретные примеры осуществления настоящего изобретения позволяют сократить или устранить недостатки и проблемы, связанные с беспроводной связью.

В одном примере осуществления настоящего изобретения способ для генерирования адаптивной формы сигнала радиоинтерфейса включает генерирование формы сигнала, содержащего переменную частоту несущей и сигнал с переменой полосой частот. Сигнал с переменной полосой частот включает одну или несколько поднесущих, с возможностью динамического расположения по диапазону частот, и каждая поднесущая отдельно модулируется в соответствии с методом расширения спектра частот сигналов в прямой последовательности. Форма сигнала имеет вложенный контрольный сигнал, используемый для оптимизации одной или более спектральных эффективностей (эффективностей использования спектра) формы сигнала. Совокупность модуляций, скорость передачи кода и длина кода генерированной формы сигнала адаптируются в соответствии с доступным спектром частот и одним или несколькими состояниями поднесущих.

В соответствии с конкретными примерами осуществления настоящего изобретения предлагается одно или несколько преимуществ. В конкретных примерах осуществления динамическая адаптация многочисленных параметров обеспечивает один или несколько вариантов пропускной способности (рабочих характеристик) для систем беспроводной связи. В конкретных примерах осуществления изобретения многочисленные параметры включают адаптацию времени, адаптацию мощности, переменную полосу частот, переменную скорость передачи данных, переменную модуляцию и кодирование и пространственную адаптацию.

В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения предлагается форма сигнала, способная адаптироваться к среде по многочисленным размерностям (характеристикам) доступного пространства сигнала. Например, в конкретных вариантах осуществления изобретения пространство сигнала включает частоту, время, мощность, модуляцию, код и пространственный интервал. В конкретных примерах осуществления изобретения предлагается форма сигнала и механизм для выбора одного или нескольких параметров формы сигнала и изменения формы сигнала в целях адаптации к одной или нескольким сетям связи, одному или нескольким каналам связи, либо одному или нескольким требованиям абонентов. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения предлагается «интеллектуальный» выбор многочисленных размерностей (характеристик) пространства адаптации, которое может включать частоту, схему модуляции и связанные с ней параметры, схему кодирования и связанные с ней параметры, а также скорости передачи данных. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения предлагается форма сигнала, оптимизированная в соответствии с одним или несколькими состояниями канала связи. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения схема модуляции способна формировать многочисленные совокупности (комплексы) и пространственно адаптироваться ко времени передачи (распространения). В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения при модуляции используется схема множественного доступа с кодовым разделением каналов с несколькими несущими, в соответствии с которой одна или несколько несущих независимо модулируются и кодируются на основе адаптации отдельных несущих к одному или нескольким каналам связи. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения адаптация к каналу связи в большей или меньшей степени зависит от одного или нескольких требований, связанных с изменением скоростей передачи данных и частоты во времени. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения одна или несколько частот могут быть блокированы или предыскажены (обеспечивая эффективный контроль мощности на каждой частоте), что позволит использовать независимые частотные поддиапазоны. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения конкретная схема модуляции и кодирования выбирается для конкретного поддиапазона. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения гетероморфная форма сигнала может быть преобразована (сформирована) в один или несколько ресурсов беспроводной связи (например, один или несколько диапазонов частот). В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения частота, тип модуляции и связанный с ними параметр, тип кодирования и связанный с ним параметр, время, пространство, мощность, полоса частот и обработка подвергаются анализу с целью обеспечения относительно быстрой адаптации к изменяющимся во времени состояниям канала.

В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения предлагается адаптируемая форма сигнала для многочисленных беспроводных приложений, например приложений для выбора многочисленных размерностей (характеристик) пространства адаптации и приложений для оценки характеристик канала. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения мощность регулируется на частотах в форме/сигнала. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения производится генерирование несмежных частотных поддиапазонов. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения производится определение предпочтительной организации канала и ее выбор. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения производится выбор предпочтительных методов модуляции и кодирования в соответствии с одним или несколькими требованиями, связанными со скоростью передачи данных и качеством и классом предоставляемых услуг передачи данных.

В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения гетероморфная форма сигнала, содержащая информацию о спектре, динамически адаптирующаяся с целью использования мертвых зон в спектре, определяемых частотой, пространством и временем, обеспечивает коллективное использование общих спектров. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения одновременная адаптация многочисленных параметров формы сигнала обеспечивает в большей или меньшей степени гарантированную связь, подавляя при этом недопустимые взаимные помехи. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения предлагаются способы динамического спектрального распределения, обеспечивающие двадцатикратное повышение использования спектра.

В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения предлагается оперативно реагирующая адаптивная реорганизация с несколькими несущими, в которой используются одна или несколько приемлемых доступных частот. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения предлагается структура сигнала, включающая контрольный сигнал для оценки канала поднесущей в реальном времени с целью оптимизации с большей или меньшей степени параметров формы сигнала, а также включает оперативное обнаружение сигнала для пакетной передачи. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения предлагаются одна или несколько адаптивных схем кодирования и модуляции с эффективным использованием полосы частот с более или менее одновременной многоразмерной изменяемостью в отношении нескольких поднесущих. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения предлагаются возможности быстрой обратной связи для оперативного прекращения использования канала и динамической реконфигурации гибридных способов многожественного доступа.

В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения предлагается единичная адаптируемая форма сигнала, способная работать в таких многочисленных приложениях, как беспроводные локальные вычислительные сети и сотовая техника. В конкретных примерах осуществления настоящего изобретения предлагается удобный радиоинтерфейс, работающий в гетерогенных сетях и способный функционировать при скоростях передачи данных в диапазоне приблизительно от 100 Мб/сек до 1 Гб/сек. Сетевая среда могла бы включать сотовую макросреду, микро-, пико- сотовую среду, WLAN или аналогичную среду. Сетевая среда могла бы включать одну или несколько гибких архитектур, например сотовые, централизованные, специальные и гибридные архитектуры. Конкретные примеры осуществления настоящего изобретения поддерживают услуги и приложения, обладающие относительно высокими скоростями передачи данных. Конкретные примеры осуществления настоящего изобретения автоматически работают в мертвых зонах при использовании спектра. Мертвая зона может включать несколько размерностей (характеристик), например, время, частоту и пространство.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

С целью обеспечения более полного понимания настоящего изобретения, его особенностей и преимуществ ниже приведено описание со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 - блок-схема функции гетероморфной формы сигнала в соответствии с настоящим изобретением в рамках приложения следующего поколения (XG);

Фиг.2 - гетероморфная форма сигнала с перестраиваемой частотой, адаптирующаяся для заполнения доступных мертвых зон частотно-временного спектра;

Фиг.3 - гетероморфная форма сигнала, адаптирующаяся к многочисленным переменным величинам с целью оптимизации эффективности использования спектра;

Фиг.4 - организация с несколькими несущими, передача сигналов и многоуровневые кодирование и модуляция с эффективной полосой частот для оптимизации данных оценки каналов;

Фиг.5А-5D - частота/время/кодирование гетероморфной формы сигнала в соответствии с настоящим изобретением; и

Фиг.6 - блок-схема многоуровневой конфигурации схемы кодированной модуляции, основанной на коде с контролем четности низкой плотности (LDPC).

ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение представляет собой гетероморфную форму сигнала, динамически адаптирующуюся к частоте, времени, модуляции, коду, скорости передачи данных, мощности, передаче сигналов и организации с несколькими несущими. Форма сигнала позволит повысить эффективность использования спектра путем экономичного, своевременного и коллективного использования спектра. Она реагирует на канал, изменяющийся во времени и условия использования путем занятия временных/частотных/пространственных «мертвых зон» и использования наиболее эффективного кодирования, модуляции, передачи сигналов и организации с несколькими несущими, соответствующими связи без помех. Гетероморфная форма сигнала в соответствии с настоящим изобретением подразделяется на два основных компонента:

-Адаптивная организация с несколькими несущими и передача сигналов, обеспечивающие конфигурирование переменной частоты несущей и сигнала с переменной полосой частот в одну или несколько поднесущих, динамически располагающихся по диапазону до 250 МГц, с целью избежания или снижения до минимума помех с передачами существующих пользователей спектра. Каждая поднесущая независимо модулируется путем метода расширения спектра частот сигналов в прямой последовательности для переменного расширения и эффективности кодирования по отношению к коллективным, неколлективным сигналам и сигналам опасности. В форму сигнала вложен контрольный сигнал времени/кода для обеспечения оптимизации, основанной на оценках канала поднесущей. Форма сигнала поддерживает широкий диапазон адаптивных/гибридных схем многожественного доступа, включающих сочетания CDMA (множественный доступ с кодовым разделением каналов), TDMA (множественный доступ с временным уплотнением каналов), FDMA (множественный доступ с частотным разделением каналов) и FHMA (множественный доступ со скачкообразной перестройкой частоты).

- Адаптивные многоуровневые кодирование и модуляция с эффективной полосой частот (ВЕСМ) образуют группу схем ВЕСМ, включающих как модуляцию с множественной совокупностью, так и кодирование с прямым исправлением ошибок. Группа кодированной модуляции кода с контролем четности низкой плотности (LDPC) будет использована для повышения современного уровня эффективности полосы частот и возможностей адаптации. Адаптация совокупности модуляций, скорости передачи кода и длины кода с целью их соответствия доступному спектру и условиям поднесущих позволит максимально повысить эффективность использования спектра, удовлетворяя при этом требования по качеству и классу предоставляемых услуг передачи данных и скорости передачи данных.

Общая эффективность использования спектра зависит от сочетания частотной, пространственной и временной эффективности использования спектра. Поскольку эти факторы тесно взаимозависимы, повышение эффективности в одной зоне нередко снижает эффективность в другой.

- Сократите использование спектра на вызов/соединение;

- повысьте эффективность модуляции (битов/сек/Гц);

- повысьте эффективность кодирования с исправлением ошибок;

- уплотните источник информации;

- используйте адаптивный (т.е. гибридный) метод множественного доступа с «гибкими» пределами пропускной способности (например, множественный доступ с кодовым разделением каналов с несколькими несущими, где возможен FDMA (множественный доступ с частотным разделением каналов)/СОМА (множественный доступ с кодовым разделением каналов)).

- Увеличьте пространственное повторное использование полосы частот;

- повысьте эффективность мощности модуляции (минимум Е_b/N_o с целью достижения достаточной частоты ошибок по битам (BER));

- используйте оперативную адаптацию к регулированию мощности;

- уменьшите чувствительность к помехам на основе структуры формы сигнала;

- передайте более «дружественную к помехам» форму сигнала;

- расширьте информацию сигнала по более широкой полосе частот;

- повысьте направленное коллективное использование полосы частот.

- Повысьте временное коллективное использование полосы частот;

- скоординируйте время использования спектра (например, используя способ множественного доступа);

- займите временные «мертвые зоны» при использовании спектра по мере того, как они становятся доступными (например, быстрое обнаружение сигнала, адаптация по пакетам сигналов).

Многие из этих стратегий вступают во взаимный конфликт - с повышением эффективности модуляции происходит снижение эффективности мощности. Точная оценка общей эффективности использования спектра требует рассмотрения сложного взаимодействия частоты/времени/пространства при повторном использовании спектра электромагнитных волн.

На Фиг.1 показана функция гетероморфной формы сигнала, которая динамически «трансформируется» для заполнения неиспользованных «мертвых зон» спектра с целью существенного повышения использования спектра. Общая адаптация формы сигнала может рассматриваться как иерархическое сочетание «внутренних» и «внешних» множеств функций, характеристик и параметров, определяющих окончательную переданную форму сигнала. «Внешнее» множество обеспечивает определение эффективности и временных возможностей вместе с другими характеристиками среды. Определение «внутреннего» множества позволяет выявить, каким образом форма сигнала «реагирует» в рамках своего общего интервала полосы частот в целях реализации стратегий, оптимизирующих параметры формы сигнала для максимального повышения эффективности использования спектра, согласующейся с локальными условиями канала, взаимным избежанием помех и требованиями низкой вероятности перехвата/детектрирования (LPI/LPD).

Форма сигнала в соответствии с настоящим изобретением представляет собой сложную широкополосную многосовокупную многоскоростную форму сигнала с расширением спектра в прямой последовательности с несколькими несущими, быстро адаптируемую ко времени, частоте, мощности, типу модуляции, скорости передачи, коду, организации с несколькими несущими и способу доступа. Адаптируемый интерфейс позволяет использовать большое разнообразие способов доступа и регулирования и адаптироваться к другим сетям в той же самой полосе распределения частот и физическом пространстве, а также к изменяющемуся во времени состоянию канала, угрозам и потребностям абонентов. Форма сигнала использует доступные кратковременные (миллисекунды) временные сегменты на пакетной основе, освобождая каналы для других сетей по мере того, как они становятся активными, и занимая другие каналы на основе прогнозируемой доступности.

Быстрая перестройка частоты достигается на основе использования нескольких способов. При первом несущая частота и радиочастотная полоса частот формы сигнала может изменяться для того, чтобы занять различные частотные каналы по мере изменения использования этих каналов во времени. Это проиллюстрировано на Фиг.2, на котором показано использование спектра для четырех частотных каналов в зависимости от времени. Существующие зоны абонентов указывают на передачу от существующих не-XG пользователей (не следующего поколения), в то время как свободные зоны спектра указывают на «мертвые зоны» в частотно-временном использовании спектра. Рассмотрим передачу (XG) следующего поколения, как показано, с использованием первой доступной «мертвой зоны» на частотном канале F1. В пункте А форма сигнала демонстрирует макроскопическую быструю перестройку частоты путем «трансформирования» своей несущей частоты и интервала полосы частот с целью кратковременного занятия как частотного канала F1, так и F2 до трансформирования снова в канал F2. В пункте В как передача не-XG, так и XG занимают частотный канал F2. Передача не-XG занимает только часть частотного канала F2. В рамках полного диапазона передачи XG форма сигнала организует свои поднесущие для занятия некоторой подсовокупности полного диапазона. Следовательно, занятая полоса частот формы сигнала будет меньше полного диапазона полосы частот или равна ему. Такая микроскопическая быстрая перестройка частоты используется в целях предотвращения занятия частей частотного канала сигналами не-XG. Отсутствие мощности или наличие мощности в рамках приемлемого значения (SIR) отношения сигнал-помеха для сигналов не-XG передается на этих неиспользованных поднесущих с целью избежания помех с другими передачами. Такое сочетание макроскопической и микроскопической быстрой перестройки частоты позволяет максимально повысить эффективность использования спектра XG путем занятия доступных мертвых зон в частоте/пространстве/времени, освобождая при этом требуемый спектр как для установления связи, так и для обнаружения (например, радиолокация).

На Фиг.3 показан вид формы сигнала в двумерном представлении - слева - и в трехмерном представлении - справа. С помощью условных обозначений в центральной части чертежа выделены зоны нерасширенной модуляции на основе метода доступа с очередями (QAM), свободного спектра, исключенного спектра и модуляции, основанной на расширении спектра в прямой последовательности. Исключенный спектр представляет собой сочетание частотно-временных мертвых зон, являющихся недоступными для использования формы сигнала в соответствии с контролируемыми извне функциями в рамках радиосвязи XG. Форма сигнала демонстрирует микроскопическую быструю перестройку частоты и организует энергию сигнала с целью предотвращения таких зон исключения, динамически трансформируясь с целью принятия переменных форм в трех измерениях (частота, время, мощность). Следует отметить, что зоны исключения показаны как «заретушированные» в трехмерном представлении; на таких частотно-временных комбинациях мощность не передается. На других поднесущих форма сигнала использует сочетание модуляции на основе метода доступа с очередями и как единичную несущую, так и расширенный спектр в прямой последовательности с несколькими несущими, сосуществующими во времени на различных частотных каналах поднесущей с изменяющейся во времени модуляцией на данном канале поднесущей. Схемы кодирования и модуляции с эффективной полосой частот (ВЕСМ) и организация поднесущей также постоянно адаптируются для максимального повышения общей эффективности использования спектра. Исходя из оптимизации сигнала и требований скорости передачи данных, форма сигнала XG может привести к тому, что ряд доступных частотно-временных мертвых зон окажется свободным.

Конструкция формы сигнала подразделяется на два основных функциональных компонента, описанных ниже.

- Адаптивная организация с несколькими несущими и передача сигналов обеспечивают конфигурирование канала с диапазоном полосы частот до 250 МГц в одну или несколько поднесущих с переменной шириной, независимо модулируемых методом расширения спектра частот сигналов в прямой последовательности для переменной эффективности кодирования. Форма сигнала поддерживает широкий диапазон способов многожественного доступа, включающих CDMA (множественный доступ с кодовым разделением каналов), TDMA (множественный доступ с временным уплотнением каналов), FDMA (множественный доступ с частотным разделением каналов), FHMA (множественный доступ со скачкообразной/перестройкой частоты), протокол CSMA/CA (множественный доступ с контролем несущей и предотвращением конфликтов) и RTS (готовность к передаче)/CTS готовность к приему). Несколько абонентов обслуживаются одновременно и однозначно при изменяющихся скоростях передачи данных на каналах поднесущих, содержащихся в рамках диапазона полосы частот до 250 МГц.

- Адаптивные многоуровневые кодирование и модуляция с эффективной полосой частот (ВЕСМ) образуют группу схем ВЕСМ, включающих как модуляцию с множественной совокупностью (созвездие), так и кодирование с прямым исправлением ошибок, оптимизируемое для условий канала поднесущей. В базовой конструкции используется код с контролем четности низкой плотности (LDPC), которому в настоящее время отдается предпочтение при проводимых исследованиях ВЕСМ, как основы для технологии кодированной модуляции.

Адаптация в нескольких размерностях необходима для повышения эффективности использования спектра путем использования мертвых зон в частоте/пространстве/времени. Гетероморфная форма сигнала является одновременно адаптивной по многим различным размерностям, как показано в обобщенном виде в таблице 1. Частота поднесущей, диапазон полосы частот и занимаемая полоса частот являются изменяемыми, обеспечивая передаче XG требуемую макроскопическую быструю перестройку частоты для «перескакивания» с одного канала на другой при необходимости. Возможности адаптивной организации с несколькими несущими и передачи сигналов позволяют встраивать диапазон ширины полосы частот до 250 МГц в одну или несколько поднесущих с переменной шириной с целью поддержания микроскопической быстрой перестройки частоты и предотвращения передачи в рамках полосы частот формы сигнала. Результирующая занятая полоса частот будет зависеть от сочетания требований скорости передачи пользовательских данных, состояний канала поднесущей и возможностей обработки платформы XG. При адаптивных многоуровневых кодировании и модуляции с эффективной полосой частот (ВЕСМ) используется оценка канала, разрешенная элементами контрольного символа, вложенными в форму сигнала, с целью выбора кодов с исправлением ошибок и совокупности модуляции, оптимизирующих пропускную способность по каналам поднесущей. Дополнительно к схемам регулирования мощности, используемым для минимизации помех множественного доступа, форма сигнала обладает возможностями регулирования мощности «быстрой адаптации» по единичным пакетам для оперативного прекращения использования отдельной поднесущей или всей занятой полосы частот, как указано внешним контрольным сигналом в ответ на обнаружение не-XG сигналов, совпадающих по времени/частоте/пространству.

Таблица 1Гетероморфная форма сигнала, одновременно адаптируемая в нескольких размерностях для повышения эффективности использования спектраВозможности адаптацииМотивацияОбсуждениеЧастота несущейМакроскопическая быстрая перестройка частотыОбеспечивается использование частотных/пространственных/временных «мертвых зон» по всему рабочему диапазону частотДиапазон полосы частотМакроскопическая быстрая перестройка частотыОбеспечивается использование различных частотных/пространственных/временных «мертвых зон» различной шириныОрганизация поднесущей и передача сигнала (занятая полоса частот)Микроскопическая быстрая перестройка частотыПредотвращаются помехи и преднамеренные помехиКодирование и модуляция с эффективной полосой частот с поднесущей (ВЕСМ)Оптимизированные скорости передачи данных с поднесущейОбеспечивается сопоставление пропускной способности XG с условиями каналаБыстрое адаптивное регулирование мощностиЭффективность мощностиОбеспечивается пространственное повторное использование путем сокращения помех для других абонентовБыстрое обнаружение/контрольные символыБыстрое занятие/разблокировка и оценка каналаОбеспечивается использование кратковременных частотных/пространственных/временных «мертвых зон»

На Фиг.4 показана функция адаптации формы сигнала, являющаяся резидентной в радиосвязи XG. Секция адаптивной организации с несколькими несущими и передачи сигналов определяет преамбулу и контрольные сигналы, распределяет расположение поднесущих и пропускную способность и применяет любое необходимое псевдошумовое расширение, временное разнесение и разделение на каналы к пользовательским данным. Секция адаптивных многоуровневых кодирования и модуляции с эффективной полосой частот кодирует и соотносит кодированные данные с выделенными поднесущими. Далее сигнал адаптивно регулируется по мощности, в результате чего достигается полная полоса частот гетероморфной формы сигнала, находящаяся в диапазоне до 250 МГц. Производится оценка канала по полученным данным с использованием двунаправленных контрольных символов, вложенных в форму сигнала, по каждой передаче с целью оценки изменяющихся в широких пределах характеристик канала поднесущей между любой парой XG узлов. Декодированная преамбула содержит информацию об оценке канала с другого конца канала связи. Данные об оценке канала передаются каждому блоку адаптации для оптимизации пропускной способности поднесущей. Благодаря этому оценки канала определяют (стимулируют) адаптацию организации с несколькими несущими и передачи сигналов и многоуровневых кодирования и модуляции с эффективной полосой частот. Описание структуры контрольного символа для оценки канала приведено ниже.

Структура с несколькими несущими гетероморфной формы сигнала позволяет независимо применять технологию пространственной обработки по различным поддиапазонам. Следовательно, форма сигнала будет не только совместима с текущей и будущей пространственной обработкой, но также позволит повысить характеристики по сравнению с методами, дающими одно решение по полной полосе частот. Это включает как формирование луча и равносигнальной зоны луча, так и системы обработки пространственного/направленного разнесения, использование подавления повышенных помех и более высоких коэффициентов скоростей передачи данных, достигнутых во многих областях техники, с целью повышения эффективности использования спектра.

На Фиг.5А-5D приведено несколько трехмерных представлений частоты/времени/мощности формы сигнала. Плоскость х-y на Фиг.5 показывает частотно-временное сопоставление формы сигнала. Пользовательские данные сопоставляются вплоть до нескольких поднесущих с переменной шириной К. Несколько поднесущих могут быть сгруппированы для формирования поддиапазонов с переменной шириной в рамках общей радиочастотной полосы частот. Реализация на основе быстрого преобразования Фурье (FFT) используется со временем интегрирования переменной длительности. Уровень мощности каждой поднесущей, представляющей собой зависимость частоты от времени, может быть произвольно сокращен с целью предотвращения перекрытия с другими передачами в среде. Форма сигнала одновременно поддерживает несколько длительностей уширения и форматов модуляции на различных поднесущих.

Иллюстрация верхней части Фиг.5 показывает условный вид одного из способов, с помощью которого форма сигнала поддерживает нескольких пользователей через CDMA (множественный доступ с кодовым разделением каналов). На фиг.5 одна поднесущая выделена для единичного пользователя путем выделения единичного более короткого кода расширения псевдошума (PN) для этого пользователя с целью повышения скорости передачи данных, в то время как на другой поднесущей несколько пользователей переменной скорости получают доступ к каналу с различной длиной кодов псевдошума. Это далее показано на чертеже с пометкой «CDMA Mode» (режим CDMA), при этом мощность кодов пользователей С_А, С_В И С_С комбинируется для образования совокупной мощности. В противоположном случае один пользователь может сконцентрировать свои данные для того, чтобы занять всю поднесущую, используя модуляцию, основанную на фазовой манипуляции (PSK)/доступе с очередями (QAM). Форма сигнала также поддерживает гибридный режим, при котором различные части пользовательских данных кодируются в различные форматы модуляции, как показано в нижнем правом углу фиг.5. Рассмотрим не-XG передачу, занимающую верхнюю и нижнюю части диапазона частот.

На основании оценок канала, представленных формой сигнала, показанная передача далее преобразовывается на две части. Часть 1 распространяет пользовательские данные по всей полосе частот с целью сокращения спектральной плотности мощности ниже уровня, являющегося недопустимым для передачи не-XG; часть 2 концентрирует остальные данные в незанятой полосе частот.

По всей полосе частот широкополосного сигнала у некоторых частот произойдет существенное усиление канала, в то время как у других происходит глубокое замирание. Как единичная несущая, так и расширение спектра частот сигналов в прямой последовательности с несколькими несущими (MC-DS SS) направлены против узкополосных помех и изменяющегося по времени частотно-селективного замирания, вызванных многолучевым распространением радиоканала. В случае с единичной несущей, когда ширина полосы частот несущей превышает когерентную ширину полосы частот (Вс) канала, необходимы множество «зубцов» гребенки приемника для разрешения (различения) отдельных многолучевых компонентов и захвата достижимого коэффициента усиления при приеме на разнесенные антенны. Количество компонентов, которые могут быть разрешены и, следовательно, количество необходимых гребенок приемников является отношением ширины полосы несущей к когерентной ширине полосы частот. Альтернативный поход заключается в разделении общей полосы частот В на N несколько поднесущих с более узкой полосой частот b=B/N, при этом каждая приблизительно равна когерентной полосе частот (b≈Вс). При нескольких несущих частотное разнесение начальной широкой полосы частот удерживается разнесением, сочетающим в себе несколько независимых несущих в частотной области вместо нескольких зубцов гребенки единичной несущей во временной области. Величина коэффициента усиления при частотном разнесении может быть пожертвована в пользу скорости передачи данных в этом типе структуры формы сигнала путем передачи/символа данных по нескольким поднесущим (то есть расширение по частоте) и путем сочетания тестовой статистики от этих поднесущих до принятия окончательного решения по данным. В пределе по мере того, как каждая поднесущая модулируется данными, независимыми от других поднесущих, общая скорость передачи максимизируется, и каждый символ отсылается без частотного разнесения.

Было продемонстрировано, что характеристики формы сигнала при расширении спектра частот сигналов в прямой последовательности с единичной несущей (DS SS) с гребенкой приемника и формы сигнала эквивалентной структуры при расширении спектра частот сигналов в прямой последовательности с несколькими несущими (MC-DS SS) являются аналогичными.

Когда доступная полоса частот (и скорость передачи данных) намного превышают когерентную полосу частот, то в этом случае требуется большое количество зубцов гребенки, в результате чего существенно повышается сложность приемника. Вместо N(=В/Вс) зубцов, каждый из которых обрабатывает сигнал ширины полосы частот В для формы сигнала расширения спектра частот сигналов в прямой последовательности с единичной несущей (DS SS), форма сигнала при расширении спектра частот сигналов в прямой последовательности с несколькими несущими (MC-DS SS) требует N зубцов (один на поднесущую), каждый из которых обрабатывает сигнал полосы частот b(=B/N), в результате чего снижается сложность приемника. Это происходит ввиду того, что продолжительность элементарного сигнала на поднесущих в М раз дольше, чем продолжительность элементарного сигнала системы с единичной несущей, в результате чего снижается объем расчетов, необходимых для успешной демодуляции сигнала. В том случае, когда требуется более трех-четырех зубцов гребенки, реализация нескольких несущих является более эффективной.

Преимущество реализации модуляции с несколькими несущими еще более подчеркивается в том случае, когда присутствуют узкополосные источники помех, так как для системы с несколькими несущими не требуется постоянный диапазон частот. Для применения в XG системах несколько несущих налагаются на существующую совокупность узкополосных сигналов, оставляя при этом соответствующие мертвые зоны в размещении нескольких поднесущих. Такая адаптивная «перемаршрутизация» размещения поднесущих с целью избежания источников помех может быть выполнена без потери эффективности относительно смежных поднесущих с одной и той же общей занятой полосой частот. Сигнал с единичной поднесущей должен реализовать адаптивные узкополосные режекторные фильтры, достигаемая глубина канавки и ширина полосы частот канавки которых соотносимы по сложности.

Преимущество гибкости формы сигнала при расширении спектра частот сигналов в прямой последовательности с несколькими несущими (MC-DS SS) заключается в использовании различных скоростей передачи данных в некоторых или во всех поднесущих с целью пересылки большего объема данных на «сильных» поднесущих, при этом пересылая меньший объем данных на «слабых» поднесущих. Возможность воспользоваться преимуществами такой гибкости зависит от того, насколько точно система оценивает состояние замирания различных поднесущих. Контрольный сигнал проводит такую оценку канала, при которой способность точной оценки замирания зависит от многих параметров системы, включая отношение сигнал-шум, отношение сигнал-помеха, доплеровское расширение и прямое исправление ошибок.

Форма сигнала в соответствии с настоящим изобретением включает возможности проведения оценки канала для управления адаптацией организации с несколькими несущими и передачи данных и кодирования и модуляции с эффективной шириной полосы частот на основе поднесущих с целью оптимизации эффективности использования спектра. Основой для оценки канала является гибридный контрольный сигнал CDMA/TDMA, состоящий из кода расширения, вложенного в преамбулу пакета данных. Эти контрольные символы логически эквиваленты обучающей последовательности для адаптивного корректора (эквалайзера). Использование контрольного сигнала обеспечивает когерентную демодуляцию, повышая тем самым эффективность мощности. Расширение пилотного сигнала позволяет снизить вероятность обнаружения и перехвата. Создается помехоустойчивость для обеспечения того, чтобы контрольный сигнал распространялся по меньшей мере настолько, насколько распространяются данные, что не позволило бы станции помех легко разрушить форму сигнала, сосредоточив усилия только на контрольном сигнале.

Использование пилотного сигнала также обеспечивает «моментальный снимок» (измерительный сеанс) замирания поднесущей, который может быть использован для оценки когерентной полосы частот канала. Эта оценка используется в качестве основы для адаптации ширины (длительности) поднесущей и размещения в зависимости от ограничений доступности мертвых зон спектра. Аналогично тому, как ширина (длительность) поднесущей задается когерентной полосой частот канала, скорость изменения замирания задается временем когерентности канала. Время когерентности представляет собой критерий для определения того, насколько долго остаются действительными оценки канала, и оно является обратно пропорциональным доплеровскому сдвигу частоты. Например, транспортное средство, движущееся со скоростью 50 миль в час и предающее сообщение на частоте 2,5 ГГц, имеет доплеровский сдвиг 186 Гц, указывающий на то, что оценки канала и последующая многомерная адаптация подлежат обновлению каждые 5,4 мсек. Данные будут отсылаться на каждой поднесущей с той же самой скоростью, когда оценки канала либо отсутствуют, либо их возраст превысил время когерентности канала.

Использование сигнала с несколькими несущими в качестве основы для организации с несколькими несущими и передачи данных создает широкий ряд компромиссных решений структуры для максимального повышения эффективности использования спектра. Многочисленные комбинации различных параметров формы сигнала обеспечивают эквивалентную скорость передачи данных с полезной пользовательской загрузкой. Эффективность адаптации к многочисленным переменным величинам включает следующее.

- Переменная полоса частот; изменение интервала полосы частот и занятой полосы частот позволяет согласовать форму сигнала с доступной полосой частот. Более широкие полосы частот обеспечивают большую исходную пропускную способность, которая может быть достигнута за счет разнесения, кодирования, усиления расширения и т.д. Более узкая полоса частот создает структуру, обеспечивающую функционирование формы сигнала при доступности незначительного количества спектра.

- Переменное количество поднесущих: за счет изменения количества поднесущих может быть организована доступная полоса частот с целью избежания узкополосных помех/преднамеренных помех на выбранных поднесущих. Если используется только одна поднесущая, форма сигнала преобразуется в форму сигнала с единичной несущей (например, DS SS, стандартная квадратурная фазовая модуляция (QPSK) и т.д.).

- Переменная организация поднесущих: распределение пользовательских данных по различным комбинациям поднесущих позволяет применять различные типы усилений системы к сигналу с целью предотвращения замирания и помех. Усиление расширения и частотный коэффициент усиления при приеме на разнесенные антенны могут быть применены по смежным поднесущим, и переменные величины усреднения помех могут быть достигнуты путем распределения данных по несмежным поднесущим.

- Переменная скорость передачи данных с поднесущей: мониторинг состояния каждой поднесущей и использование модуляции высшего порядка в тех случаях, когда это позволяет состояние канала, обеспечивают оптимизацию скорости передачи данных в каждой поднесущей.

- Переменное частотное разнесение: путем параллельной передачи нескольких битов на различных поднесущих (распределение нагрузки с несколькими несущими), скоростью передачи данных жертвуют в пользу частотного разнесения.

Ввиду высокой чувствительности любой системы DS SS по отношению к ближне-дальней проблеме одно или несколько средств ослабления должны являться частью структуры системы. Для специальных систем беспроводной связи решение коммерческого сотового CDMA в отношении регулирования мощности, ориентированное на центральную станцию, требует централизованного контроля за всеми передатчиками. Альтернативные пути повышения устойчивости формы сигнала к ближне-дальним помехам (от ближней-дальней станции) включают следующее.

Способность XG «преобразования» сигнала как такового по частоте/в пространстве/во времени обеспечивает определенную собственную устойчивость к ближне-дальним помехам. Стратегии адаптации для организации с несколькими несущими и передачи, данных, и кодированию, и модуляции с эффективной полосой частот учитывают воздействие ближне-дальних помех многожественного доступа (MAI).

Для того чтобы воспользоваться возможностями спектра и отказаться от них, данные организуются в переменные по длине пакеты. Это, естественно, создает возможности для мультиплексирования пользователей, основанного на времени поступления пакетов. Следовательно, TDMA (множественный доступ с временным уплотнением каналов) может поддерживаться формой сигнала для организации специальной сети подвижной связи.

В целях поддержки FHMA (множественный доступ со скачкообразной перестройкой частоты) с почти ортогональной структурой скачкообразной перестройки частоты могут быть организованы временные интервалы поднесущих, благодаря чему ближне-дальние сигналы обычно занимают различные поднесущие в любой момент времени.

В рамках специальной сети группы абонентов организуются в подсети, повышая тем самым эффективность контроля стандартной мощности.

В тех случаях, когда LPI не требуется, может быть использован метод подавления помех многожественного доступа (MAI) единичного абонента, основанный на приемнике, предназначенном для минимизации среднеквадратической ошибки. Такой приемник в полной мере подходит для специальной сети, поскольку для него не требуется предварительная информация о параметрах любого из абонентов в системе. Тем не менее, используются краткие последовательности расширения (то есть последовательности, период которых равен длительности идентификатора данных).

При доступности пространственная обработка обеспечивает дополнительную ближне-дальнюю устойчивость с соответствующим лучеобразованием (формирование диаграммы направленности). В частности, ожидается лучеобразование (формирование диаграммы направленности) поддиапазона с целью повышения подавления ближне-дальних помех.

Гетероморфная форма сигнала, описанная в настоящем патенте, позволяет найти решение ближне-дальней задачи путем сочетания нескольких методов распределения адаптивной частоты и (или) времени, скачкообразной перестройки частоты, регулирования мощности и пространственных матриц. Таким образом, форма сигнала будет совместима с TDMA (множественный доступ с временным уплотнением каналов), TSMA (множественный доступ с разделением во времени), FDMA (множественный доступ с частотным разделением каналов), CDMA (множественный доступ с кодовым разделением каналов) и FHMA (множественный доступ со скачкообразной перестройкой частоты) и другими обычно используемыми дополнительными способами регулирования, например протоколом CSMA/CA (множественный доступ с контролем несущей и предотвращением конфликтов) и RTS (готовность к передаче)/CTS (готовность к приему). Для интегрирования в качестве решения приложения форма сигнала, при необходимости, использует схему многожественного доступа базовой радиосистемы, либо адаптирует ее, если на это имеется разрешение. Гибридные схемы многожественного доступа могут использоваться в целях обеспечения динамического соответствия формата многожественного доступа местным характеристикам использования спектра, способствующего дальнейшему повышению коэффициента использования спектра.

Как известно, коды с исправлением ошибок позволяют значительно повысить эффективность мощности при незначительном (либо нулевом) снижении эффективности полосы частот за счет повышения сложности. Базовое кодирование с исправлением ошибок и структура модуляции основаны на совокупности кодов адаптивной модуляции с низкой плотностью кодирования с контролем четности (LDPC), которая наиболее приемлема для использования в XG системах.

Коды LDPC представляют собой линейные двоичные блоковые коды, матрица Н с контролем четности которых обладает низкой плотностью единиц (то есть она практически состоит из нулей). Эти характеристики наделяют коды улучшенным весовым спектром и простым почти оптимальным алгоритмом декодирования. Алгоритм декодирования является итеративным, в значительной степени схожим с турбо-решетчатым алгоритмом декодирования, однако алгоритм LDPC повторяется (итерирует) по графу, а не между двумя решетками. Следует отметить, что хотя две решетки могут быть представлены в виде графа для ТТСМ, граф является более сложным, чем граф LDPC. Описанное семейство модуляций LDPC обеспечивает быструю адаптацию с помощью следующих способов.

- Использование многоуровневой структуры кодирования, являющейся естественной архитектурой для многоскоростного кодирования.

- Реализация простого раздельного генератора кода через простые цепи на сдвиговом регистре с использованием циклических и квазициклических кодов LDPC.

Гетероморфная форма сигнала в соответствии с настоящим изобретением включает диапазон длин кода и скоростей передачи кода с целью оптимизации рабочих характеристик, основанных на доступности спектра и состоянии канала поднесущей.

На Фиг.6 показаны двоичные коды LDPC, скомпонованные в многоуровневую конфигурацию, состоящую из N компонент кодов и преобразователь (модулятор). На основании этого подхода эффективность полосы частот и полоса частот могут изменяться в широких пределах путем изменения скоростей передачи кодов компонент кодов и/или размера группы преобразователя. Такая многоуровневая конфигурация обеспечивает характеристики ближней пропускной способности. Количество уровней обычно согласуется с размером совокупности. Для 2^N-й совокупности будет иметься N генераторов кода.

Генераторы кода для циклических кодов LDPC могут быть построены с использованием хорошо известных цепей на сдвиговом регистре, используемых для кодирования кодов ВСН. Номинальная длина кодового слова составляет n, а номинальная длина слова данных составляет k, в результате чего номинальная скорость передачи кода составляет k/n, при этом эти параметры легко изменяются. Для адаптации с коротким временем ожидания потребуется интервал длин кодов.

Использование семейств кодов LDPC в качестве основы кодирования с эффективной полосой частот и модуляции создает широкий массив компромиссов для максимального повышения эффективности использования спектра. Многочисленные комбинации совокупности модуляции и скорости передачи кода обеспечивают эквивалентную скорость передачи данных с пользовательской нагрузкой, в то время как длина кода также окажет воздействие на характеристики ошибок. Эффективность адаптации к множественным переменным величинам включает следующее.

- Совокупность модуляции: изменение совокупности модуляций создает возможности для изменения скорости передачи исходных данных для эффективности мощности. Небольшие совокупности модуляции обеспечивают работу при более низких уровнях мощности приема с целью расширения зоны обслуживания. Более крупные совокупности модуляции (до 64 QAM) создают большую исходную пропускную способность, которой далее можно пожертвовать в пользу эффективности кодирования для соответствия состоянию канала поднесущей.

- Скорость передачи кода: изменение скорости передачи кода обеспечивает дополнительную степень свободы для соответствия интенсивности кода локальным условиям канала. Коды с низкой скоростью передачи позволяют расширить энергетический запас линии связи, а коды с высокой скоростью передачи повысят на соответствующую величину эффективность кодирования, увеличивая при этом до максимального уровня скорость передачи пользовательских данных.

- Длина кода: переменная длина кода необходима для эффективного сопоставления пользовательских данных с широким диапазоном пропускной способности поднесущей. Длинные коды будут использоваться для режима работы почти у предела пропускной способности, когда в спектре будут присутствовать длинные временные «мертвые зоны». Короткие коды будут использоваться для удовлетворения требований с короткой задержкой, будут обеспечивать быструю адаптацию и позволят форме сигнала занять короткие/небольшие мертвые зоны спектра.

- Многоуровневое кодирование: использование многоуровневого кодирования упрощает архитектуру кодирования и декодирования и естественно подходит для поддержания адаптивных стратегий кодирования путем «предварительного заполнения» нескольких блоков пользовательских данных таким образом, чтобы они были готовы для немедленной передачи после того, как будут доступны данные оценки канала, которыми руководствуются при выборе кода.

Сочетание широкополосной структуры формы сигнала MC-DS SS, которая в состоянии изменить частоту несущей, полосу частот и организацию поднесущей и передачу сигналов с кодированием и модуляцией с эффективной полосой частот, используется для создания гетероморфной формы сигнала. Архитектура формы сигнала была структурирована для принятия инновационного решения, превосходящего существующий уровень техники в области беспроводной связи и исследований по теории информации. Настоящее изобретение расширяет границы путем адаптации, позволяющей заполнить доступные «мертвые зоны» спектра, и путем оптимизации скорости передачи пользовательских данных на доступных поднесущих, используя одновременную многомерную адаптацию параметров формы сигнала.

Несмотря на то, что предпочтительный пример осуществления настоящего изобретения был проиллюстрирован со ссылкой на прилагаемые чертежи и его описание было приведено выше, понятно, что настоящее изобретение не ограничивается этими описанными примерами, и в отдельные части и элементы могут быть внесены многочисленные изменения и дополнения, которые не выходят за пределы существа изобретения.

Изобретение относится к системам беспроводной связи. Технический результат заключается в повышении качества передачи данных. В одном примере осуществления изобретения способ для генерирования адаптивной формы сигнала радиоинтерфейса включает генерирование формы сигнала, включающей переменную несущую частоту и сигнал с переменной полосой частот. Сигнал с переменной полосой частот включает одну или несколько поднесущих, с возможностью динамического расположения по диапазону частот, и каждая поднесущая отдельно модулируется в соответствии с методом расширения спектра частот сигналов в прямой последовательности (последовательность для непосредственной модуляции несущей). Форма сигнала имеет вложенный контрольный сигнал, используемый для оптимизации одной или более спектральных эффективностей (эффективностей использования спектра) формы сигнала. Совокупность модуляций, скорость передачи кода и длина кода генерированной формы сигнала адаптируются в соответствии с доступным спектром частот и одним или несколькими состояниями поднесущих. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Система для генерирования адаптивной формы сигнала радиоинтерфейса, включающая:

адаптивную структуру с несколькими несущими и сигнальную компоненту, предназначенные для генерирования формы сигнала, имеющего структуру с несколькими несущими, содержащую сигнал с переменной частотой несущей и переменной полосой частот, включающий одну или несколько поднесущих, динамически размещаемых по диапазону частот, при этом каждая поднесущая модулируется отдельно в соответствии методом модуляции широкополосных сигналов (SS) с применением прямой последовательности (DS), при этом форма сигнала имеет вложенный контрольный сигнал, используемый для оптимизации одной или нескольких спектральных эффективностей формы сигнала; и компонент адаптивного многоуровневого кодирования и модуляции с эффективной полосой частот (ВЕСМ), принимающий форму сигнала из адаптивной структуры с несколькими несущими и сигнальный компонент, причем компонент модуляции с эффективной полосой частот (ВЕСМ) предназначен для адаптации совокупности модуляций, скорости передачи кода и длины кода формы сигнала в соответствии с доступным спектром частот и одним или несколькими изменяющимися состояниями поднесущих для обеспечения формы сигнала как адаптивной формы сигнала радиоинтерфейса.

один или несколько способов модуляции множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA);

один или несколько способов модуляции (TDMA) множественного доступа с временным уплотнением каналов;

один или несколько способов модуляции (FDMA) множественного доступа с частотным разделением каналов;

один или несколько способов модуляции (FHMA) множественного доступа со скачкообразной перестройкой частоты.

генерирование формы сигнала, имеющей структуру с несколькими несущими, содержащей переменную частоту несущей и переменный сигнал полосы частот, включающий одну или несколько поднесущих, динамически размещаемых по диапазону частот, при этом каждая поднесущая модулируется отдельно в соответствии с методом модуляции расширения спектра частот сигналов в прямой последовательности (DS) (SS), при этом форма сигнала имеет вложенный контрольный сигнал, используемый для оптимизации одной или нескольких эффективностей использования спектра формы сигнала; и

адаптацию совокупности модуляции, скорости передачи кода и длины кода формы сигнала в соответствии с доступным спектром и одним или несколькими изменяющимися состояниями поднесущих для обеспечения формы сигнала как адаптивной формы сигнала радиоинтерфейса.

один или несколько способов модуляции множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA);

один или несколько способов модуляции множественного доступа с временным уплотнением каналов (TDMA);

один или несколько способов модуляции множественного доступа с частотным разделением каналов (FDMA);

один или несколько способов модуляции множественного доступа со скачкообразной перестройкой частоты (FHMA).