正交时频移位和频谱整形通信方法技术

一种无线组合时间、频率和频谱整形通信方法，该方法传输NxN(N2)的卷积单元矩阵(数据帧)，其中通常在N个时扩间隔(每个时扩间隔由N个时间片组成)上接收所有N2个数据符号，或一个都不接收。为了进行传输，N2大小的数据帧矩阵乘以第一NxN时频移位矩阵，置换，然后乘以第二NxN频谱整形矩阵，从而在整个所得的NxN矩阵(TFSSS数据矩阵)上混合每个数据符号。对该N2TFSSS数据矩阵的列每时间片一个元素地进行选择、调制并传输。在接收器上，对副本TFSSS矩阵进行重构并解卷积，从而使数据显示出来。该方法可以立即容纳多个用户，可以适应变化的信道条件，并且对处理信道损害(例如多普勒移位)尤其有利。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及通信协议和方法的一般领域，更具体地涉及无线通信协议和方法。
技术介绍
随着无线通信技术的进步，每个人都想通过范围有限的可利用无线电频谱发送或接收越来越多的数据，容纳越来越多的用户成为了普遍问题。当今，正在使用大量的具有无线功能的不同便携式手持装置。这些便携式无线装置(例如移动电话、便携式计算机等)一般是由小电量电池供电，用户通常希望在为电池重新充电之前这些装置能长时间工作。为了满足这些用户期望，这些装置上的无线发射器必须利用很小的功率来输出无线信号，因而难以在背景噪声上区分无线电信号。另一个问题是，这些装置中的很多是在移动交通工具上承载的，例如汽车、飞机等。这产生了额外的复杂情况，因为这些装置传输的低功率无线信号还可能受到各种失真的影响，例如变化的并且不可预知的多普勒移位、以及经常由建筑物或其他结构体的变化的无线电反射所产生的不可预测的多径效应。面对所有这些问题，各种无线信道的噪声背景随着产生噪声的电子装置的激增而变得更高。其他无线装置增加也加剧了背景噪声。为了解决这些问题，很多现有技术无线电传输方法，包括时分多址(TDMA)、全球移动通信系统(GSM)、码分多址(CDMA)、频分多址(FDMA)、正交频分多址(OFDM)、以及其他无线协议已经变得十分普及。每种方法都试图以略微不同的方式解决以上一系列问题。最简单，也是高度受欢迎的一种无线通信方案是TDMA，在TDMA中，多个用户可以共享一个单一载频，并且为每个用户分配了他们自己的特定时隙，接着该特定时隙与预留给其他用户的时隙进行交错。TDMA构成了更为先进的GSM方法的基础，该方法组合了跳时和跳频，并且在当今世界中是最受欢迎的移动电话协议。GSM分配了很多不同频率或波长以供使用，并且每个波长被分成小的时隙，持续时间常常只有几毫秒。因此，每个波长可以与大约8个到16个其他用户共享。相比之下，CDMA是更为复杂的协议。CDMA是一种扩频协议，该协议为每个发射器分配一个不同的扩频码。这种扩频码通常是运行在“码片”速率(码片通常是短的矩形脉冲，具有+1或-1的幅度)上的伪随机数或码，该速率远高于用户希望传输的底层数据信号的速率。CDMA的工作方式是以高速伪随机扩频码来调制(在传输结果之前，通常是经过独有的或(异或)处理)用户的数据信号。这种高速扩频码在更宽的波长频谱上分配用户的数据，并且还为接收器提供方便的途径以“调谐”至信号中并将信号与背景噪声分开。利用不同的伪随机数，很多不同的用户可以使用不同的扩频码，并且所有用户同时在相同的频带上进行传输。在接收端，已知这种适合的伪随机扩频码的接收器可以“调谐”至所需的发射器，并忽略其他信号。利用相同频带上的不同扩频码的其他用户传输的效应是最小的，因为他们的不同扩频码只在该信道上引起少量的背景噪声。的确，因为扩频码在更宽的频谱范围上对数据进行扩展，扩频方法(例如CDMA)被认为是相对抗噪声的。相比之下，替代的FDMA协议工作方式是将可利用的频谱细分为很多窄带信道。在每个通信会话过程中，为每个用户分配一个唯一的频率或波长(唯一的窄带)。OFDM(也称为离散多音音调制或DMT)协议还将可利用的频谱分为很多窄带信道或音调或谱形，每个信号通过最小的频率或波长间隔彼此隔开。这些窄带音调或谱形信道可以承载正交调幅(QAM)信号或相移键控信号，这些信号被设计用于与相邻窄带信道承载的相似信号最低限度地重叠(与其正交)本质上OFDM方案标出有限的时频网格，这样每个 传输的符号被分配至特定的时间和频率坐标。因为OFDM方案使用非常紧密堆积的信道以及载波调制方案(该方案被选择用于使这些很多紧密堆积的音调或谱形信道之间产生最小重叠)，该方法可以获得相对较高的数据传输速率。尽管OFDM方案相当高效地使用可利用的频谱，并因此受到有线和无线宽带数字通信的欢迎，但这种方法需要接收器和发射器之间非常精确的频率同步。因此，OFDM协议对多普勒移位导致的问题相对敏感，并且当建筑物和其他结构体的反射产生多径效应时，这些问题还会变的更严重。
技术实现思路
有鉴于在现代世界中越来越多的人使用无线装置，因此对通信协议仍然存在未满足的需求，这些通信协本质上能够利用少量功率承载宽带通信，还对多普勒移位、多径反射以及背景噪声比以前的通信协议更具有抵抗性。本专利技术是用于实现这些目标的一种新的通/[目方法。尽管将在本专利申请全文中使用一些无线实例，但需要注意的是有线通信也具有这些问题中的很多。因此，除非另有说明，在此披露的方法用于涵盖有线通信方法以及无线通 目方法。本专利技术方法的操作方式是，利用新的时频移位和频谱整形码将数据扩散在时间、频谱、波形或音调或谱形调制上，新的时频移位和频谱整形码在比以前方法更大的程度上利用时移、频移和频谱整形。本专利技术的方法结合时移技术、频移技术和频谱整形技术，在一些退化情况下该方法类似于TDMA，在其他退化情况下类似于CDMA，而在其他退化情况下类似于0FDM，但在预期的使用模式中是其自己的唯一方法，这里称为正交时频移位和频谱整形(0TFSSS，或可替代地0TFS3)方法。如将要讨论的，这种OTFSSS方法可以高速率地传输数据，通常对多普勒移位、多径效应和背景噪声导致的问题仍具有抵抗性。本专利技术操作的方式通常是采用比以前方法更大的“块”或帧来发送数据。也就是说，尽管现有技术的CDMA或OFDM方法可能在通信链路的一组时间间隔上对N个符号进行编码并发送，但本专利技术通常将在更长的时段上对最少N2个符号进行编码，并且相比于现有技术方法的情况，传输的每个数据符号或元素都在更大程度上扩散在时间、频率和谱形空间上。因此，相对于先前方法，N2个符号在更长的时段上进行组合，并且花费更长的时间开始求解任意给定数据符号的值，因为这种符号必须是在较长时段上逐渐组合或累积的。更具体地，在传输处理过程中，本专利技术将在一系列时扩间隔的循环变化的频率范围上对每个数据元素进行细分并传输。相对于替代的通信协议，这常常会要求每个数据元素或符号在实质上更长的时段上进行传输。然而，为了避免使数据速率降至不可接受的缓慢水平，基于在此讨论的各种卷积和解卷积方案，本专利技术还利用复杂的多路复用方法，以便将相当多的信息封装到每个信号(该信号在循环变化的频率范围上并且在一系列时扩间隔上发送)中。为了恰当地选择卷积和解卷积方案，较慢的数据速率·(由于将一个单一数据元素和符号拆分在N个时扩间隔上而导致)可以通过适合的卷积和解卷积方案来补偿，这些方案在由N2个数据符号或元素组成的数据帧或数据矩阵[D]中来发送数据。因为每个数据符号被细分并在多个信号上发送，在传输和接收过程中这些信号中的一些的损耗不会导致数据符号丢失，因为使用了不同信号处理方案来补偿这些信号中的一些的损耗。同时，可以更容易地补偿由公共无线通信链路损害导致的损耗，例如多普勒移位和多径效应。例如，对于现有技术，如果偶然由第一发射器的一个无线信号导致的多普勒效应如同第一或第二发射器的另一个信号一样影响了相同的频率(对于多径效应，移动的第一或第二发射器的信号撞击相对于接收器成任意角度的目标可以产生该第一或第二发射器的多普勒失真反射或回声信号，该回声信号也到达接收器)，这可能导致混乱、歧义和数据丢失。相比之下，根据本专利技术，通过循环移位频率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.05.28 US 61/349,6191.一种在通信链路上传输并接收至少一个数据帧([D])的方法，所述数据帧包括具有多达N2个数据元素的一个矩阵，N大于I，所述方法包括 创建一个正交矩阵集， 所述正交矩阵集包括一个第一 NxN矩阵([U1])和一个第二 NxN矩阵([U2])； 其中所述通信链路和所述正交矩阵集被选择为能够在一个时扩间隔上传输所述第一NxN矩阵([UJ)、一个数据帧([D])和所述第二 NxN矩阵([U2])的矩阵乘积的至少N个元素； 所述时扩间隔由至少N个时间片组成； 形成所述第一 NxN矩阵([U1])和所述数据帧([D]) —个第一矩阵乘积； 通过可逆置换运算P来置换所述第一矩阵乘积，从而形成一个置换的第一矩阵乘积P ([U1] [D])； 形成所述置换的第一矩阵乘积P([U1] [D])和所述矩阵([U2])的一个第二矩阵乘积，以形成一个卷积的数据矩阵； 通过以下步骤在所述通信链路上传输并接收所述卷积的数据矩阵 1:对于每个单一时扩间隔，选择所述卷积的数据矩阵的N个不同元素； 2:在所述时扩间隔的不同所述时间片上，从所述卷积的数据矩阵的所述N个不同元素中选择一个元素，调制所述一个元素，并传输所述一个元素，以便每个所述一个元素占据它自己的时间片； 3:在所述时扩间隔的不同所述时间片上接收所述卷积的数据矩阵的所述N个不同元素； 4:解调制所述卷积的数据矩阵的所述N个不同元素； 重复步骤1、2、3和4总共N次，从而在该接收器上重新组合所述卷积的数据矩阵的一个副本； 使用所述第一 NxN矩阵([U1])和所述第二 NxN矩阵([U2])从所述卷积的数据矩阵来重构所述数据帧([D]);并且 其中直到已经恢复了所述整个卷积的数据矩阵才能保证以满精度重构一个任意数据帧([D])的一个任意数据元素。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述矩阵([U1])和所述矩阵([U2])从以下群组中选择，该群组由以下内容构成1:所述矩阵([U1])是DFT矩阵并且所述矩阵([U2])是Hadamard矩阵，2 :所述矩阵([U1])是DFT矩阵并且所述矩阵([U2])是啁啾矩阵，3 :所述矩阵([U1])是DFT矩阵并且所述矩阵([U2])是DFT矩阵。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一NxN矩阵([U1])是时频移位矩阵([U1]),并且所述第二 NxN矩阵([U2])是频谱整形矩阵([U2])。4.根据权利要求1所述的方法，其中在形成所述第一NxN矩阵([Ul])和所述数据帧([D])的第一矩阵乘积并通过可逆置换运算来置换所述第一矩阵乘积，从而形成一个置换的第一矩阵乘积P ([Ul] [D])，后续步骤进一步包括 在所述发射器上，使用一个第三酉NxN矩阵([U3])来矩阵乘所述置换的第一矩阵乘积P ([Ul] [D])，该第三酉NxN矩阵是DFT矩阵或IDFT矩阵；并且 在所述接收器上，使用所述第三酉矩阵([U3])重构所述数据帧([D])。5.一种在通信链路上传输并接收至少一个数据帧([D])的方法，所述数据帧包括具有多达N2个数据元素的一个矩阵，N大于I，所述方法包括 创建一个正交时频移位和频谱整形矩阵集， 所述正交时频移位和频谱整形矩阵集包括一个第一 NxN时频移位矩阵([U1])和一个第二 NxN频谱整形矩阵([U2])； 其中所述通信链路和所述正交时频移位和频谱整形矩阵集被选择为能够在一个时扩间隔上传输所述第一 N X N时频移位矩阵([U1])、一个数据帧([D])和所述第二 NxN频谱整形矩阵([U2])的一个矩阵乘积的至少N个元素； 所述时扩间隔由至少N个时间片组成； 形成所述第一 NxN时频移位矩阵([U1])和所述数据帧([D])的第一矩阵乘积； 通过可逆置换运算P来置换所述第一矩阵乘积，从而形成一个置换的第一矩阵乘积P ([U1] [D])； 形成所述置换的第一矩阵乘积P([U1] [D])和所述矩阵([U2])的一个第二矩阵乘积，以形成一个时频移位频谱整形数据矩阵(TFSSS数据矩阵)； 通过以下步骤在所述通信链路上传输并接收所述TFSSS数据矩阵 1:对于每个单一时扩间隔，选择所述TFSSS数据矩阵的N个不同元素； 2:在所述时扩间隔的不同所述时间片上，从所述TFSSS数据矩阵的所述N个不同元素中选择一个元素，调制所述一个元素，并传输所述一个元素，以便每个所述一个元素占据它自己的时间片； 3:在所述时扩间隔的不同所述时间片上接收所述TFSSS数据矩阵的所述N个不同元素； 4:解调制所述TFSSS数据矩阵的所述N个不同元素； 重复步骤1、2、3和4总共N次，从而在该接收器上重新组合所述TFSSS数据矩阵的一个副本； 使用所述第一 NxN时频移位矩阵([U1])和所述第二 N X N频谱整形矩阵([U2])从所述TFSSS数据矩阵来重构所述数据帧([D]);并且 其中直到已经恢复了所述整个TFSSS数据矩阵才能保证以满精度重构任意数据帧([D])的一个任意数据元素。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一NxN时频移位矩阵([U1])是离散傅立叶变换(DFT)矩阵，并且所述所述第二 NxN频谱整形矩阵([U2])由循环移位的勒让德符号组成。7.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一NxN时频移位矩阵([U1])由循环移位的勒让德符号组成，并且所述第二 NxN频谱整形矩阵([U2])由是离散傅立叶变换(DFT)矩阵。8.根据权利要求5所述的方法，其中所述时频移位矩阵([Ul])和所述频谱整形矩阵([U2])从以下群组中选择，该群组由以下内容构成1 :所述时频移位矩阵([Ul])是DFT矩阵，并且所述频谱整形矩阵([U2])是Hadamard矩阵，2:所述时频移位矩阵([Ul])是DFT矩阵，并且所述频谱整形矩阵([U2])是啁啾矩阵，3:所述时频移位矩阵([Ul])是DFT矩阵，并且所述频谱整形矩阵([U2])是DFT矩阵。9.根据权利要求5所述的方法，其中基于通信链路条件选择所述正交时频移位和频谱整形矩阵集。10.根据权利要求5所述的方法，其中多个不同的发射器可以各自通过选择所述数据帧的不同或非重叠数据元素在所述通信链路上进行通信以用于传输或接收它们各自的数据。11.根据权利要求10所述的方法，其中选择所述第一NxN时频移位矩阵([U1])和所述NxN频谱整形矩阵([U2])以便最小化一个异常发射器对所述异常发射器所占据的所述TFSSS数据矩阵的元素的影响，该异常发射器受到相邻元素上的多普勒移位或频移的影响。12.根据权利要求10所述的方法，其中受到多普勒移位或频移影响的一个发射器由至少一个接收器来检测并被指令对所述多普勒移位或所述频移进行校正。13.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一NxN时频移位矩阵([Ul])是正交频分复用(OFDM)扩频码的矩阵，并且所述第二 NxN频谱整形矩阵([U2])是码分多址(CDMA)扩频码的矩阵。14.根据权利要求5所述的方法，其中所述置换运算P是一种恒等...

【专利技术属性】
技术研发人员：塞利姆·什洛莫·拉基布，龙尼·哈达尼，
申请(专利权)人：塞利姆·什洛莫·拉基布，龙尼·哈达尼，
类型：
国别省市：