專利名稱：用于uwb通信系統(tǒng)的空閑信道評估的制作方法
對無線LAN這類通信系統(tǒng)來說，為其提供空閑信道評估的處理已經(jīng)是眾所周知的，在這種評估處理中則使用了載波偵聽多址接入/沖突檢測來控制無線介質(zhì)接入。這些方法通常以能量檢測方法(例如具有恰當(dāng)閾值電平的接收信號強度指示符)為基礎(chǔ)。此外，其他的方法同樣是已知的，例如通過互相關(guān)來尋找特定的碼字(例如用在802.11b中的Barker-11碼字)。
對能量檢測方案來說，這些方案并不是很適合那些被設(shè)計成在低于個人計算機和電吹風(fēng)之類的附加輻射器所允許的能級上發(fā)射能量的超寬帶系統(tǒng)。事實上，所給出的低能級能量并不是適于表明存在精密超寬帶信號的良好指示。并且所需要的是某些區(qū)別更為顯著的指示。
對多波段OFDM(MB-OFDM)來說，所關(guān)注的UWB信號使用的是在頻域中對信息進行編碼的OFDM；由此在可用于通過碼字相關(guān)來確定信號存儲的傳輸凈荷部分中是不存在常規(guī)的時域特征的?？梢圆捎眠@種方式使用的唯一一部分突發(fā)是前同步碼，但是這種突發(fā)很少出現(xiàn)(在每一個突發(fā)的開端)，并且不與在短時段內(nèi)執(zhí)行CCA評估的需求相一致。
由此需要并由本發(fā)明提供的是一種用于檢測UWB信號的主凈荷部分存在的機制，這種機制不需要首先與信號同步，并且不需要解調(diào)信號以及解碼信號內(nèi)容。
本發(fā)明使用了MB-OFDM信號包絡(luò)結(jié)構(gòu)來實施空閑信道評估。
對所推薦的方法來說，其通用途徑是將接收信號包絡(luò)與頻率等于OFDM傳輸系統(tǒng)符號速率的矩形波或正弦波相關(guān)。對矩形參考信號來說，這可以等價地描述成是OFDM信號長度(128個采樣)上的信號包絡(luò)的移動平均值。
本發(fā)明還可以從以下結(jié)合附圖的描述中得到進一步的理解。在附圖中

圖1是顯示以固定的本地振蕩器頻率接收的UWB信號的信號圖。
圖2是顯示10dB SNR系統(tǒng)中的歸一化接收功率的移動平均值的信號圖。
圖3是顯示0dB SNR系統(tǒng)中的歸一化接收功率的移動平均值的信號圖。
圖4是顯示6dB SNR系統(tǒng)中的歸一化接收功率的移動平均值的信號圖。
圖5是顯示在由多音調(diào)接收機執(zhí)行了下變換并由信道濾波器濾波之后的接收UWB信號幅度的信號圖。
圖6是顯示10dB SNR系統(tǒng)中的接收UWB信號及其與本地生成信號(例如正弦波)的互相關(guān)的信號圖。
圖7是顯示0dB SNR系統(tǒng)中的接收UWB信號及其與本地生成信號(例如正弦波)的互相關(guān)的信號圖。
圖8是顯示-6dB SNR系統(tǒng)中的接收UWB信號及其與本地生成信號(例如正弦波)的互相關(guān)的信號圖。
圖9是描述UWB信號結(jié)構(gòu)的圖示。
圖10是描述第一空閑信道評估電路的框圖。
圖11是描述第二空閑信道評估電路的框圖。
在圖9中顯示了MB-OFDM信號包絡(luò)結(jié)構(gòu)的例圖。如所示，在每個OFDM信號之前都具有一個60.6ns的零前綴部分，其后則跟隨了一個9.5ns的保護間隔。在可能存在的315.5ns中，其中只有242ns是包含信號能量的。
除此之外，在這里還引入了一個跳變圖案，以便在相鄰的528MHz波段上進一步擴展頻譜能量。不同的跳變圖案可以應(yīng)用于不同的微微網(wǎng)，以便將其間不必要的交互作用減至最小。
但是，對本公開來說，其重要的特征是OFDM符號流的幅度加權(quán)函數(shù)，并且該函數(shù)是由下文的等式1給出的w(t)=00≤t<Tzp1Tzp≤t<T-TGI0T-TGI≤t<T---(1)]]>在這里，TZP是零填充的持續(xù)時間，TGI是保護間隔的持續(xù)時間。在假設(shè)了奈圭斯特采樣速率(528Msps)的情況下，每個UWB符號都是165個采樣，并且每個OFDM符號都是128個采樣。
為了描述所提出的算法，在這里提出了下列符號。
UWB信號的第n個符號可以表示為s(t)=d(t)w(t)ej2πfnct,(n-1)T≤t<nT---(1)]]>其中T是幀中的一個UWB符號的持續(xù)時間。fnc是第n個符號的RF載波頻率。在UWB系統(tǒng)中，載波頻率是隨符號改變的。TFI碼將會確定特定符號的RF載波頻率。d(t)則是OFDM信號，d(t)=Σm=-N/2N/2-1cn,mej2πmft(n-1)T≤t<nT---(2)]]>cn，m∈CM是第n個符號的第m個子載波的復(fù)合符號。CM是用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)腗元復(fù)合符號的集合。在UWB系統(tǒng)中，M＝4。N是子載波總數(shù)并且N＝128；大小等于4.124MHz的f則是子載波間隔。w(t)是零填充(ZP)和保護間隔(GI)引入的窗口函數(shù)。
w(t)=00≤t<Tzp1Tzp≤t<T-TGI0T-TGI≤t<T---(3)]]>在這里，TZP是零填充的持續(xù)時間，TGI是保護間隔的持續(xù)時間。為了便于說明，在下文的描述中，標(biāo)記UWB被用于標(biāo)引s(t)，標(biāo)記OFDM則被用于標(biāo)引s(t)的非零部分；此外，除非以別的方式加以說明，否則將會為數(shù)據(jù)處理使用奈圭斯特速率(528Msps)，由此確保恰當(dāng)?shù)赝瓿上伦儞Q處理。由此，每個UWB符號都具有165的采樣，并且每個OFDM符號都具有128個符號。
由于所提出的UWB信號使用的是符號間跳頻方案，因此時間同步對恰當(dāng)檢測信號而言是非常重要的。如果用于下變換的本地振蕩器(LO)頻率是在不恰當(dāng)?shù)臅r刻切換的，那么預(yù)期信號將被鉆換到528(或1056)MHz的中心頻率。然后，信道濾波器將會拒絕預(yù)期信號，并且所接收的信號僅僅是噪聲。經(jīng)過思考，所提出的是一種用于不具有跳變同步信息的系統(tǒng)的CCA方案(尤其是在接收機有可能遺漏同步符號的情況下)。如果接收機僅僅將固定的LO頻率用于下變換處理，假定是信道2(3960MHz)，那么接收信號可以被視為是OFDM信號與占空比為128/(165*3)的窗口函數(shù)的乘積。圖1顯示的是一個具有固定的LO頻率的接收UWB信號的實例。該圖中的上方曲線是處于天線輸入端的信號，其中不同的符號是在不同的載波頻率上調(diào)制的。而下方的曲線則是在用LO執(zhí)行了下變換處理和信道濾波之后的輸出信號。如所示，本描述集中于始終執(zhí)行信道跳變的模式。對固定頻率模式來說，所需要的是一種不同的算法。
由于OFDM信號可以被看作是時域中的WGN信號(當(dāng)N＞＞1時)，因此，接收信號可以被視為r(t)=n(t)t0≤t<t0+Tdns(t)+n(t)Td+t0≤t<t0+Td+T-TZP-TGIn(t)Td+T-TZP-TGI+t0≤t<t0+3T---(5)]]>在這里，t0是接收機的隨機啟動時刻。Td是接收開端到將有效OFDM符號下變換到DC周圍的啟動時刻之間的時間差，n(t)則是WGN，并且ns(t)是ns(t)=Σm=-N/2N/2-1cn,mhn,mej2πmft(n-1)T≤t<nT---(6)]]>hn，m是第n個符號的第m個子載波上的復(fù)合信道響應(yīng)。根據(jù)Parseval定理，對周期信號來說1T∫(n-1)TnTns(t)ns*(t)dt=Σm=-N/2N/2-1|cn,mhn,m|2---(7)]]>等式(7)的左邊是時域信號在一個周期(128個采樣)上功率的移動平均值(MA)，而右邊則是頻域信號的最大比合并(MRC)。由于MRC具有最大SNR，因此一個周期上的功率移動平均值與關(guān)于OFDM符號存在的MRC檢測是等價的。在這里可以使用一個預(yù)定的閾值來與MA輸出相比較，以便推導(dǎo)出CCA判定。圖2、圖3和圖4顯示了衰落信道中具有不同SNR的MA輸出。這其中的x軸是采樣數(shù)量，y軸則是歸一化MA輸出。峰值是在達到最大SNR的時候出現(xiàn)的。而周期性則是因為如下事實造成的，其中接收機LO停留在一個固定的頻率上，并且輸入是在三個不同LO頻率上依照一個信號跳變圖案來進行的。由此，該峰值每隔三個符號(在這里則是495個采樣)出現(xiàn)一次。
根據(jù)分析結(jié)果以及附圖，在這里為不具有跳頻同步信息的系統(tǒng)提出了下列CCA算法。
1.將LO頻率固定到預(yù)定信道頻率。
2.將峰值計數(shù)器設(shè)置成0。
3.計算495個采樣(3個連續(xù)符號)的平均功率(Pmean)4.計算128個采樣的歸一化(歸一化到Pmean)移動平均功率。
5.將MA輸出(MAO)與預(yù)定閾值(Pth)相比較，啟動峰值搜索，并且找出本地峰值。當(dāng)MA輸出低于該閾值時(MA＜Pth)，這時則凍結(jié)本地峰值，記錄峰值位置，并且將峰值計數(shù)器加1。
6.以與第一個峰值相同的方式而開始搜索下一個峰值，直至將它的值凍結(jié)(frozen)。如果相鄰峰值的峰值位置差值小于預(yù)定值，則丟棄最近的峰值，并且不遞增峰值計數(shù)器；否則遞增該峰值計數(shù)器。
7.重復(fù)步驟6，直至CCA定時器結(jié)束。如果發(fā)現(xiàn)了一個以上的峰值，則聲明CCA(信道忙)。
閾值Pth可以被調(diào)諧，以便調(diào)整假警率和檢測比例(和幀缺失率)。從圖2中可以注意到的是，所述周期性還可以用于控制假警和檢測比例。在步驟6中，其中將會設(shè)置一個檢測窗口來提高假警性能。如果兩個峰值之間的距離不大于大小為495(采樣)的窗口，則改成將這個“峰值”辨認(rèn)為噪聲，并且不會將其作為有效峰值來計數(shù)。通過恰當(dāng)設(shè)置Pth和窗口大小，可以優(yōu)化假警率和檢測比值。
參考圖10，該圖顯示的是根據(jù)前述方法來執(zhí)行空閑信道評估的電路的框圖。無線電前端(RFE)電路1001產(chǎn)生信號采樣，這些信號采樣則被用于受控制電路1005控制的峰值搜索電路1003?？刂齐娐?005根據(jù)前述算法來執(zhí)行操作，由此使用一個峰值計數(shù)器1007來記錄所發(fā)現(xiàn)的峰值的數(shù)量。根據(jù)峰值數(shù)量，控制電路1005產(chǎn)生空閑信道評估信號CCA。
從等式(1)可以看出，如果接收機可以粗略地得到跳變同步信息(信道切換時刻)，那么所有符號都可以恰當(dāng)?shù)叵伦儞Q到DC周圍，并且UWB符號可以被視為是OFDM信號與占空比為128/165的3.2MHz方波時鐘信號的乘積。圖5顯示的是由多音調(diào)接收機執(zhí)行下變換處理并由信道濾波器濾波之后的接收UWB信號的幅度。在該曲線圖中可以清楚看到周期性的選通效應(yīng)。
如果首先執(zhí)行的是包絡(luò)檢測，并且隨后執(zhí)行的是與3.2MHz正弦波的互相關(guān)，那么歸一化相關(guān)輸出同樣可以用作CCA判決的量度。也就是說，假設(shè)e(t)是信號的瞬時功率，e(t)＝r(t)·r(t)*(8)通過計算瞬時功率，可以移除頻率偏移索引如的相位旋轉(zhuǎn)。由于e(t)具有很強的DC分量，因此它會在相關(guān)器輸出端產(chǎn)生其他頻率分量的靈敏度。DC分量將會從信號包絡(luò)中減去，由此將會增強用以檢測3.2MHz頻率分量的靈敏度。
p(t)=e(t)-∫t0t0+Te(t)dt---(9)]]>由此，相關(guān)器輸出可以如下計算corr=2∫t0t0+Tp(t)cos(2πf0t)dt∫t0t0+T|p(t)|2dt---(10)]]>在圖6中，噪聲處于UWB信號之前，并且持續(xù)大約4000個采樣，其后則再次跟隨的則是純粹的噪聲。很明顯，在接收UWB信號時，互相關(guān)輸出要遠遠高于只具有噪聲的互相關(guān)輸出。圖7和圖8顯示的是與圖6相似的情況，但是其中SNR很低，并且UWB信道到達也不是那么明顯，而相關(guān)器輸出則仍舊顯示了一個相當(dāng)大的差值。所有這三個圖都是UWB信號在具有200kHz偏移的衰落信道產(chǎn)生的結(jié)果，并且其中使用了3階反向Chebychev濾波器作為信道濾波器。
根據(jù)該結(jié)果，在這里提出了基于下列符號的檢測方案。通過使用預(yù)定閾值，如果相關(guān)器輸出大于該閾值，則聲明一個繁忙介質(zhì)。詳細(xì)的檢測方案則如下所述1.捕獲165個采樣(一個符號數(shù)據(jù))，以等式(10)的方式計算互相關(guān)，并且將結(jié)果保存在緩存器中。
2.將步驟1重復(fù)N次(N個符號)并且求取N個相關(guān)器結(jié)果的平均值。
3.將2中的結(jié)果與預(yù)定閾值相比較；如果它大于該閾值，則報告CCA繁忙。
4.如果該結(jié)果＜閾值，則重復(fù)步驟1和2，但是只在最近的N個相關(guān)器輸出上求取平均值。也就是說Xcorr(k)=1N[N·Xcorr(k-1)-corr(k-N)+corr(k)]---(11)]]>在這里，corr(n)是在使用了等式(10)的情況下的第n個符號的互相關(guān)輸出。并且Xcorr(k)是互相關(guān)的N符號移動平均值的第k個輸出。上述算法非常簡單，并且用于平均計算的符號數(shù)量(參數(shù)N)將會確定可靠性。此外，在這里也可以使用增強的算法來提高假警和丟失幀性能。例如，在這里可以使用計數(shù)器來查看是否有兩個和多個連續(xù)輸出大于該閾值。
參考圖11，其中顯示的是根據(jù)前述方法來執(zhí)行空閑信道評估的電路的框圖。無線電前端(RFE)電路1101產(chǎn)生信號采樣，這些信號采樣則被用于受控制電路1105控制的峰值搜索電路1103。控制電路1105根據(jù)前述算法來執(zhí)行操作，由此使用一個峰值計數(shù)器1107來記錄所發(fā)現(xiàn)的峰值的數(shù)量。根據(jù)峰值數(shù)量，控制電路1105產(chǎn)生空閑信道評估信號CCA。
在這里已經(jīng)提出了兩種方法來使用MB-OFDM信號包絡(luò)的周期性，從而執(zhí)行空閑信道評估。此外，目前已經(jīng)對這兩種方法進行了詳細(xì)的仿真。其結(jié)果顯示移動平均和互相關(guān)算法都能夠牢固地對抗多徑信道狀態(tài)，并且顯示了用于SNR-2dB的高檢測(＞90％)性能。此外，根據(jù)盈盈需求，假警率和檢測速率還可以進一步優(yōu)化，以便取得良好的平衡。而這兩種算法則都能牢固地對抗不完全的跳變同步。MA具有較為低下的微微網(wǎng)(piconet)表示能力，而CC則具有較低的SOP(同時運作的微微網(wǎng))容錯度。在通常的SOHO/CE環(huán)境中，其中SOP問題可以通過恰當(dāng)?shù)膮f(xié)議定義來緩解，這時CC算法將是優(yōu)選的。
本發(fā)明適用于任何一種用已知的周期性信號包絡(luò)表征的無線電通信系統(tǒng)，其中該周期性間隔要遠遠短于所需要的檢測時間。
對使用了MB-OFDM UWB的高速率數(shù)據(jù)通信來說，通過提供這種CCA機制，可以極大地提高其吞吐量效率。
在未來還可以發(fā)現(xiàn)那些使用采用了零前綴的OFDM的非UWB應(yīng)用。相關(guān)的實例包括使用了OFDM的未來認(rèn)知的無線電系統(tǒng)以及4G蜂窩系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種對通信介質(zhì)實施空閑信道評估的方法，其中該通信介質(zhì)預(yù)期會在某些時候傳送指定的通信信號，該方法包括嘗試接收指定的通信信號，以便產(chǎn)生接收信號；從接收信號中推導(dǎo)出用于表示接收信號功率的功率信號；將功率信號與本地產(chǎn)生的信號互相關(guān)，以便獲取互相關(guān)結(jié)果；合并多個互相關(guān)結(jié)果，以便獲取合并的互相關(guān)結(jié)果；將合并的互相關(guān)結(jié)果與一個閾值相比較；以及根據(jù)所述比較，產(chǎn)生空閑信道評估結(jié)果。
2.權(quán)利要求1的方法，其中指定的通信信號是多波段OFDM超寬帶信號。
3.一種對通信介質(zhì)實施空閑信道評估的方法，其中該通信介質(zhì)預(yù)期會在某些時候傳送指定的通信信號，該方法包括嘗試接收指定的通信信號，以便產(chǎn)生接收信號；確定接收信號的移動平均功率，以便產(chǎn)生移動平均輸出信號；對所述移動平均輸出信號執(zhí)行峰值檢測，其中包括確定可疑的峰值是否有效；以及根據(jù)所檢測的有效峰值數(shù)量，產(chǎn)生空閑信道評估結(jié)果。
4.權(quán)利要求3的方法，其中指定的通信信號是多波段OFDM超寬帶信號。
5.一種對通信介質(zhì)實施空閑信道評估的設(shè)備，其中該通信介質(zhì)預(yù)期會在某些時候傳送指定的通信信號，該設(shè)備包括用于嘗試接收指定的通信信號，以便產(chǎn)生接收信號的裝置；用于從接收信號中推導(dǎo)出用于表示接收信號功率的功率信號的裝置；用于將功率信號與本地產(chǎn)生的信號互相關(guān)，以便獲取互相關(guān)結(jié)果的裝置；用于合并多個互相關(guān)結(jié)果，以便獲取合并的互相關(guān)結(jié)果的裝置；用于將合并的互相關(guān)結(jié)果與一個閾值相比較的裝置；以及用于根據(jù)所述比較來產(chǎn)生空閑信道評估結(jié)果的裝置。
6.權(quán)利要求5的設(shè)備，其中指定的通信信號是多波段OFDM超寬帶信號。
7.一種對通信介質(zhì)實施空閑信道評估的設(shè)備，其中該通信介質(zhì)預(yù)期會在某些時候傳送指定的通信信號，該設(shè)備包括用于嘗試接收指定的通信信號，以便產(chǎn)生接收信號的裝置；用于確定接收信號的移動平均功率，以便產(chǎn)生移動平均輸出信號的裝置；用于對所述移動平均輸出信號執(zhí)行峰值檢測的裝置，其中包括確定可疑的峰值是否有效；以及用于根據(jù)所檢測的有效峰值數(shù)量來產(chǎn)生空閑信道評估結(jié)果的裝置。
8.權(quán)利要求7的設(shè)備，其中指定的通信信號是多波段OFDM超寬帶信號。
全文摘要
在超寬帶(UWB)系統(tǒng)中，空閑信道評估(CCA)是非常重要的。有效地CCA機制會對通信系統(tǒng)的總的吞吐量產(chǎn)生很大的影響。本發(fā)明則公開了一種用于CCA的方法，該方法非常適合檢測使用了零前綴和零后綴作為OFDM符號定義的一部分的多波段OFDM信號。發(fā)射信號中的這些零能量部分提供了一種周期性，這種周期性可以用于檢測信號是否存在。本發(fā)明則描述了用于利用幅度周期性的思想以及某些用于實現(xiàn)這些思想的優(yōu)選方法。
文檔編號H04B1/69GK101048948SQ200580036656
公開日2007年10月3日 申請日期2005年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月25日
發(fā)明者查爾斯·拉澤, 張益峰 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司