正交時頻移位和頻譜整形通信方法
【專利說明】
[0001] 本申請是申請日為2011年5月27日、申請?zhí)枮?01180034699. 8、名稱為"正交時 頻移位和頻譜整形通信方法"的發(fā)明的分案申請。 陽00引發(fā)明背景
[0003] 本專利申請要求2010年5月28日提交的美國臨時專利申請61/349, 619 "正交 時頻移位和頻譜整形通信方法（ORTHONORMALTIME-FREQ肥NCY甜IFTINGANDS陽CTRAL SHAPINGCOMMUNICATIONSMETHOD)"的優(yōu)先權(quán)，發(fā)明人是SelimSilomoRakib和Ronny 化dani，該專利申請的內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明設及通信協(xié)議和方法的一般領(lǐng)域，更具體地設及無線通信協(xié)議和方法。
【背景技術(shù)】
[0005] 隨著無線通信技術(shù)的進步，每個人都想通過范圍有限的可利用無線電頻譜發(fā)送或 接收越來越多的數(shù)據(jù)，容納越來越多的用戶成為了普遍問題。
[0006] 當今，正在使用大量的具有無線功能的不同便攜式手持裝置。運些便攜式無線裝 置（例如移動電話、便攜式計算機等）一般是由小電量電池供電，用戶通常希望在為電池重 新充電之前運些裝置能長時間工作。為了滿足運些用戶期望，運些裝置上的無線發(fā)射器必 須利用很小的功率來輸出無線信號，因而難W在背景噪聲上區(qū)分無線電信號。
[0007] 另一個問題是，運些裝置中的很多是在移動交通工具上承載的，例如汽車、飛機 等。運產(chǎn)生了額外的復雜情況，因為運些裝置傳輸?shù)牡凸β薀o線信號還可能受到各種失真 的影響，例如變化的并且不可預知的多普勒移位、W及經(jīng)常由建筑物或其他結(jié)構(gòu)體的變化 的無線電反射所產(chǎn)生的不可預測的多徑效應。
[0008] 面對所有運些問題，各種無線信道的噪聲背景隨著產(chǎn)生噪聲的電子裝置的激增而 變得更高。其他無線裝置增加也加劇了背景噪聲。
[0009] 為了解決運些問題，很多現(xiàn)有技術(shù)無線電傳輸方法，包括時分多址（TDMA)、全球移 動通信系統(tǒng)（GSM)、碼分多址（CDMA)、頻分多址（抑MA)、正交頻分多址（(FDM)、化及其他無 線協(xié)議已經(jīng)變得十分普及。每種方法都試圖W略微不同的方式解決W上一系列問題。
[0010] 最簡單，也是高度受歡迎的一種無線通信方案是TDMA，在TDMA中，多個用戶可W 共享一個單一載頻，并且為每個用戶分配了他們自己的特定時隙，接著該特定時隙與預留 給其他用戶的時隙進行交錯。 W11] TDMA構(gòu)成了更為先進的GSM方法的基礎，該方法組合了跳時和跳頻，并且在當今 世界中是最受歡迎的移動電話協(xié)議。GSM分配了很多不同頻率或波長W供使用，并且每個波 長被分成小的時隙，持續(xù)時間常常只有幾毫秒。因此，每個波長可W與大約8個到16個其 他用戶共享。
[0012] 相比之下，CDMA是更為復雜的協(xié)議。CDMA是一種擴頻協(xié)議，該協(xié)議為每個發(fā)射器 分配一個不同的擴頻碼。運種擴頻碼通常是運行在"碼片"速率（碼片通常是短的矩形脈 沖，具有+1或-I的幅度）上的偽隨機數(shù)或碼，該速率遠高于用戶希望傳輸?shù)牡讓訑?shù)據(jù)信號 的速率。CDM的工作方式是W高速偽隨機擴頻碼來調(diào)制（在傳輸結(jié)果之前，通常是經(jīng)過獨 有的或（異或）處理）用戶的數(shù)據(jù)信號。運種高速擴頻碼在更寬的波長頻譜上分配用戶的 數(shù)據(jù)，并且還為接收器提供方便的途徑W"調(diào)諧"至信號中并將信號與背景噪聲分開。
[0013] 利用不同的偽隨機數(shù)，很多不同的用戶可W使用不同的擴頻碼，并且所有用戶同 時在相同的頻帶上進行傳輸。在接收端，已知運種適合的偽隨機擴頻碼的接收器可W"調(diào) 諧"至所需的發(fā)射器，并忽略其他信號。利用相同頻帶上的不同擴頻碼的其他用戶傳輸?shù)男?應是最小的，因為他們的不同擴頻碼只在該信道上引起少量的背景噪聲。的確，因為擴頻碼 在更寬的頻譜范圍上對數(shù)據(jù)進行擴展，擴頻方法（例如CDMA)被認為是相對抗噪聲的。
[0014] 相比之下，替代的抑MA協(xié)議工作方式是將可利用的頻譜細分為很多窄帶信道。在 每個通信會話過程中，為每個用戶分配一個唯一的頻率或波長（唯一的窄帶）。
[0015] (FDM(也稱為離散多音音調(diào)制或DMT)協(xié)議還將可利用的頻譜分為很多窄帶信道 或音調(diào)或譜形，每個信號通過最小的頻率或波長間隔彼此隔開。運些窄帶音調(diào)或譜形信道 可W承載正交調(diào)幅（QAM)信號或相移鍵控信號，運些信號被設計用于與相鄰窄帶信道承載 的相似信號最低限度地重疊（與其正交）本質(zhì)上0抑M方案標出有限的時頻網(wǎng)格，運樣每個 傳輸?shù)姆柋环峙渲撂囟ǖ臅r間和頻率坐標。因為CFDM方案使用非常緊密堆積的信道W 及載波調(diào)制方案（該方案被選擇用于使運些很多緊密堆積的音調(diào)或譜形信道之間產(chǎn)生最 小重疊），該方法可W獲得相對較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。
[0016] 盡管OFDM方案相當高效地使用可利用的頻譜，并因此受到有線和無線寬帶數(shù)字 通信的歡迎，但運種方法需要接收器和發(fā)射器之間非常精確的頻率同步。因此，OFDM協(xié)議 對多普勒移位導致的問題相對敏感，并且當建筑物和其他結(jié)構(gòu)體的反射產(chǎn)生多徑效應時， 運些問題還會變的更嚴重。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 有鑒于在現(xiàn)代世界中越來越多的人使用無線裝置，因此對通信協(xié)議仍然存在未滿 足的需求，運些通信協(xié)本質(zhì)上能夠利用少量功率承載寬帶通信，還對多普勒移位、多徑反射 W及背景噪聲比W前的通信協(xié)議更具有抵抗性。本發(fā)明是用于實現(xiàn)運些目標的一種新的通 信方法。
[0018] 盡管將在本專利申請全文中使用一些無線實例，但需要注意的是有線通信也具有 運些問題中的很多。因此，除非另有說明，在此披露的方法用于涵蓋有線通信方法W及無線 通信方法。
[0019] 本發(fā)明方法的操作方式是，利用新的時頻移位和頻譜整形碼將數(shù)據(jù)擴散在時間、 頻譜、波形或音調(diào)或譜形調(diào)制上，新的時頻移位和頻譜整形碼在比W前方法更大的程度上 利用時移、頻移和頻譜整形。本發(fā)明的方法結(jié)合時移技術(shù)、頻移技術(shù)和頻譜整形技術(shù)，在一 些退化情況下該方法類似于TDM，在其他退化情況下類似于CDM，而在其他退化情況下類 似于(FDM，但在預期的使用模式中是其自己的唯一方法，運里稱為正交時頻移位和頻譜整 形（0TFSSS，或可替代地OTFS3)方法。如將要討論的，運種OTFSSS方法可W高速率地傳輸 數(shù)據(jù)，通常對多普勒移位、多徑效應和背景噪聲導致的問題仍具有抵抗性。
[0020] 本發(fā)明操作的方式通常是采用比W前方法更大的"塊"或帖來發(fā)送數(shù)據(jù)。也就是 說，盡管現(xiàn)有技術(shù)的CDMA或(FDM方法可能在通信鏈路的一組時間間隔上對N個符號進行 編碼并發(fā)送，但本發(fā)明通常將在更長的時段上對最少N2個符號進行編碼，并且相比于現(xiàn)有 技術(shù)方法的情況，傳輸?shù)拿總€數(shù)據(jù)符號或元素都在更大程度上擴散在時間、頻率和譜形空 間上。因此，相對于先前方法，N2個符號在更長的時段上進行組合，并且花費更長的時間開 始求解任意給定數(shù)據(jù)符號的值，因為運種符號必須是在較長時段上逐漸組合或累積的。
[0021] 更具體地，在傳輸處理過程中，本發(fā)明將在一系列時擴間隔的循環(huán)變化的頻率范 圍上對每個數(shù)據(jù)元素進行細分并傳輸。相對于替代的通信協(xié)議，運常常會要求每個數(shù)據(jù)元 素或符號在實質(zhì)上更長的時段上進行傳輸。然而，為了避免使數(shù)據(jù)速率降至不可接受的緩 慢水平，基于在此討論的各種卷積和解卷積方案，本發(fā)明還利用復雜的多路復用方法，W便 將相當多的信息封裝到每個信號（該信號在循環(huán)變化的頻率范圍上并且在一系列時擴間 隔上發(fā)送）中。為了恰當?shù)剡x擇卷積和解卷積方案，較慢的數(shù)據(jù)速率（由于將一個單一數(shù) 據(jù)元素和符號拆分在N個時擴間隔上而導致）可W通過適合的卷積和解卷積方案來補償， 運些方案在由N2個數(shù)據(jù)符號或元素組成的數(shù)據(jù)帖或數(shù)據(jù)矩陣巧]中來發(fā)送數(shù)據(jù)。
[0022] 因為每個數(shù)據(jù)符號被細分并在多個信號上發(fā)送，在傳輸和接收過程中運些信號中 的一些的損耗不會導致數(shù)據(jù)符號丟失，因為使用了不同信號處理方案來補償運些信號中的 一些的損耗。同時，可W更容易地補償由公共無線通信鏈路損害導致的損耗，例如多普勒移 位和多徑效應。
[0023] 例如，對于現(xiàn)有技術(shù)，如果偶然由第一發(fā)射器的一個無線信號導致的多普勒效應 如同第一或第二發(fā)射器的另一個信號一樣影響了相同的頻率（對于多徑效應，移動的第一 或第二發(fā)射器的信號撞擊相對于接收器成任意角度的目標可W產(chǎn)生該第一或第二發(fā)射器 的多普勒失真反射或回聲信號，該回聲信號也到達接收器），運可能導致混亂、歧義和數(shù)據(jù) 丟失。相比之下，根據(jù)本發(fā)明，通過循環(huán)移位頻率并將數(shù)據(jù)元素在多個時間間隔上發(fā)送，基 本上最小化了多普勒"碰撞"的影響一最多將存在一種瞬時效應，它只會導致用于傳輸特定 數(shù)據(jù)符號或元素的多個信號中的一個的損耗。其他通信鏈路損害的效應（例如多徑效應） 也可W最小化，因為循環(huán)頻移還提供了另一種補償多徑效應的方式。
[0024] 注意的是，存在至少兩種基本途徑來分隔循環(huán)頻移的時間范圍上的數(shù)據(jù)元素和符 號，因此構(gòu)成了本發(fā)明的兩種基本形式。在本發(fā)明的第一形式中，單一符號的數(shù)據(jù)在多個時 間片上進行卷積和分隔，并最終作為一系列時間片W每時間片為基礎進行傳輸，運在某種 程度上讓人回憶起TDMA方案（盡管十分不同于它），并且利用運種傳輸方案在多個時擴間 隔上實現(xiàn)循環(huán)頻移。因此，對于本發(fā)明的第一形式，數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締卧猈時間片為基礎進 行操作。
[0025] 在本發(fā)明的第二形式中，數(shù)據(jù)最終作為具有特征頻率的一系列波形來傳輸，其中 每個波形持續(xù)一個時擴間隔（通常包括N個時間片），并且貫穿運種傳輸方案的是在多個時 擴間隔上實現(xiàn)循環(huán)頻移。因此，對于本發(fā)明的第二形式，數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締卧诟L的時擴 間隔上操作，通?？蒞將該更長時擴間隔視為由N個時間片組成。除非另有所指，通常貫穿 本披露的是，討論將集中在本發(fā)明的第一面向時間片的形式。
[00%] 返回至本發(fā)明的第一基本形式的討論，在一個實施方案中，該方法通過W下操作 產(chǎn)生作用：形成妒個符號或元素的NXN數(shù)據(jù)帖矩陣，該數(shù)據(jù)帖與第一NXN時頻移位矩陣 相乘，選擇性地對該結(jié)果進行置換，然后將該結(jié)果與第二NXN頻譜整形矩陣相乘。因此， 本質(zhì)上數(shù)據(jù)帖中的N2個數(shù)據(jù)元素混合或分布在所得的整個NXN矩陣乘積中，運里稱為"時 頻移位和頻譜整形"數(shù)據(jù)矩陣或"TFSSS數(shù)據(jù)矩陣"。因此，例如NXN數(shù)據(jù)帖的第一行第一 列中的一個單一符號或元素最終分布在所得的NXNTFSSS數(shù)據(jù)矩陣的所有行和列上。
[0027] 然后可W選擇、調(diào)制并傳輸運種TFSSS數(shù)據(jù)矩陣的內(nèi)容（即獨立元素）。通常每次 選擇該TFSSS數(shù)據(jù)矩陣的N個元素（常常是該TFSSS數(shù)據(jù)矩陣的列）在一個時擴間隔上進 行發(fā)送，因此經(jīng)常需要N個時擴間隔來傳輸該TFSSS數(shù)據(jù)矩陣的全部內(nèi)容。運種時擴間隔 通常由至少N個時間片組成。在每個時間片中，選擇、調(diào)制并傳輸最新選擇的N個元素（例 如，TFSSS數(shù)據(jù)矩陣的所選列）中的一個元素。
[0028] 在接收端，處理過程通常逆向地操作。TFSSS數(shù)據(jù)矩陣的獨立元素在不同的時間片 和不同的時擴間隔上接收，從而允許接收器重新組合原始的TFSSS數(shù)據(jù)矩陣的副本（由于 通信鏈路損害影響，該副本可能不是一個完美的副本）。利用它的關(guān)于第一NXN時頻移 位矩陣、可選擇的置換處理、第二NXN頻譜整形矩陣和用于選擇TFSSS數(shù)據(jù)矩陣的不同元 素的選擇處理W及克服損害效果的各種降噪或補償技術(shù)的知識，然后接收器將重構(gòu)N2個符 號或元素的原始NXN數(shù)據(jù)帖矩陣。因為原始數(shù)據(jù)帖的每個數(shù)據(jù)符號或元素常常擴散于整 個TFSSS數(shù)據(jù)矩陣上，TFSSS矩陣的大部分或所有通常需要進行重構(gòu)W求解原始的數(shù)據(jù)符 號或元素。然而，通過使用降噪和補償技術(shù)，常?？蒞補償傳輸過程中的