专利名称：率分多路访问方案的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及用于在包括多个用户设备和接入点设备的多用户通信系统中经由传送信号而通信的方法和系统。也被称为率分多路访问(Rate DivisionMultiple Access，RDMA)信号的传送信号允许有效率的多用户通信、识别、感测或定位系统和网络的实现。此外，提供了生成用于多用户通信的传送信号的方法。RDMA信号的特定集合允许使用超宽带(UMB)(例如，3.1GHz和10.6GHz之间的频带中)无线电信道的新类型的多用户系统和网络的构造。
背景技术：
无线局域网(WLAN)空间以及无线个人和体域网(WPAN和WBAN)中的近程(short-range)无线技术不断迅速地发展。类似地，链接各种传感器和/或识别标签的有线和无线以及混合网络正在开始展现出前所未有的市场潜力。典型地，这些传统系统在很窄且被指定的无线电频带内无许可地工作。为考虑迅速增长的用户和设备总数而减轻将来频谱范围短缺的威胁、以及允许基于无线数据传送和资源(asset)定位和跟踪的新应用，近来，在美国，在3.1至10.6GHz的范围中，超宽带(UMB)无线电信道形式的附加无线电频谱可供使用。
类似地，光通信和传感器网络不断发展，此外，还移入到新颖的应用领域，如智能传输系统。典型地，光信道是极宽的频带，并且，光通信系统使用某种脉冲调制来传送信息。由此，潜在地，还可使用脉冲调制光信号来提供多用户访问机制、或感测和定位能力。
在极宽的无线电或光频率信道上操作的将来的射频或光通信系统的发展中的重要方面是用来支持极大量的同时活动设备的信道固有能力。由此，多用户通信对于所述两类信道来说是极为重要的，从而产生对比目前已知的方法更有效率的多用户信道访问方法的需要。
基于超宽带无线电技术(UWB-RT)的通信、识别或定位系统和网络的设计者们面临选择最佳的可能的多用户访问方法的问题，该方法不仅支持(leverage)UWB-RT的好处，还满足规定的条件。存在出现多用户问题的两种不同情形a)对被(部分地)共同定位的类似网络(例如，所谓的微微网(piconet))、以及在所述类似网络之间的用户访问；以及b)在单个小区(cell)网络(例如，个人区域)内的多用户或设备访问。全部这些情形需要有效率的信道访问方法。典型地，系统设计者们利用四种已知的多路访问(MA)方法中的一个或两个的组合。在下文中简述这些已知方法，列出它们在应用于具有基于UWB-RT的终端的网络时的已知特征和适用性。
频分多路访问(FDMA)FDMA将不同频带分配到参与用户或终端，其中，它们可传送和接收对应的无线电信号。在终端需要访问不同的重叠微微网时，FDMA需要很高的实现复杂度(例如，每个终端需要多个脉冲发生器和滤波器)。不良的信道隔离产生了相邻频带之间的频谱旁瓣重叠，其潜在地降低了系统性能。另外，多频带的引入导致与最初由FCC推进的单频带方法相比的所需功率的减少(例如，相对于单频带系统，三个频带的使用导致传送功率减小5dB，其中，可使用高达7.5GHz的带宽)；此功率减小削弱了UWB-RT的关键优势，如多路径情况中的健壮性。
时分多路访问(TDMA)TDMA将不同的时隙分配到参与用户或终端，其中，它们可传送和接收对应的无线电信号；可在分组级别上(即，连续的保留时隙保持全部数据分组)、或在码元级别上(即，交织的保留时隙仅保持全部脉冲)出现时分(timedivision)。在分组级别上，可实现无竞争或基于竞争(CSMA，即载波感测多路访问)的方案；类似地，通过交织的TDMA，存在时隙的同步或异步分配之间的选择。尽管在同步或基于竞争的系统内操作的终端需要共用的时基(timebase)，但在异步或无竞争的系统内的终端可能要经受增加的信号冲突开销。尽管TDMA允许在单个微微网内操作的终端的相对容易的协调，但由于需要这些网络之间的增加的协调，所以对于不同微微网来说，此方法不被视为好的选择。最后，不利地，TDMA与增加的终端数目成比例。
码分多路访问(CDMA)CDMA基于编码的序列，以允许在网络内、或跨越微微网的同时的多用户访问。通常，针对于最优互相关和自相关属性而设计码序列，并用来控制所发出的信号频谱的形状。通常，由于CDMA在使用相对高的占空比的周期信号时可与低电压集成电路(IC)处理技术兼容(即，得到很低的峰值对平均功率比)，所以，对于基于UWB-RT的设备来说，CDMA是好的选择。在存在多路访问干扰(MAI)或等价的信道间干扰(ICI)的情况下，CDMA实现良好的性能。CDMA允许很高的总计数据速率，并趋向于通过高码片速率(chip rate)而操作，由此，还由于每数据码元多个脉冲(也被称为“码片(chip)”)的使用而产生优点。然而，在要得到高数据速率时，对于每码元传送多个脉冲、以实现高处理增益的这种绝对需要是个缺点。因为对于充分长的码来说，ICI呈现为高斯过程，而基于交织的TDMA信号的ICI在高数据速率下不象高斯形式，所以，CDMA提供总计数据速率的良好的可缩放性。
美国专利6,088,347描述了一种方法，其用于通过低互相关性的相应的第一码而调制第一输入信号、以得到第一码片速率的第一组调制信号，而在共用通信链路上传递多个信号。第二输入信号具有比第一输入信号高的数据速率，并且，第二码具有比第一码大的维度(dimension)。通过彼此低相关且与第一码具有低互相关性的相应的第二码来调制一个或多个第二输入信号，从而产生第二码片速率的第二组调制信号，使得在第一和第二组调制信号之间存在频谱重叠。优选地，通过不同的噪声信号来调制第一和第二组调制信号，以扩展其各自的频谱。在实施例中，第一和第二码是不同维度的沃尔什码。此专利描述了改进的CDMA系统，其削弱了在其配置上仅具有非常有限数目的带有良好正交性的码的传统CDMA系统的缺点。然而，在此专利中描述的方法有着和普通CDMA相同的基本缺点，即在要得到高数据速率时，对于每码元传送多个脉冲以实现高处理增益的需要是个缺点。
光码分多路访问(OCDMA)如在论文“Optical code division multiple accesschallenges and solutions(光码分多路访问挑战和解决方案)”by L.R.Chen and published in Proc.SPIE-Int.Soc.Opt.Eng.(USA)Vol.4833，2002，pages 1159-68，of the Int.Conf.onApplications of Photonic Technology，Quebec City，Que.，Canada，1-6 June，2002中所指出的，OCDMA是非常适于在局部访问网络中提供光子连通性的技术。然而，尽管OCDMA的原理已被公知了多年，但它未曾按照其潜力而产生。该论文描述了已妨碍OCDMA成功的关键挑战和阻碍。作者提出了解决方案，其包括多维码的使用，如通过差异检测(differential detection)而组合的二维波长-时间码，以允许具有大量数目用户的高性能OCDMA系统以高总计容量而操作。然而，尽管这些解决方案提供了期望的性能改进，但它们导致相当复杂且昂贵的光学访问网络。事实上，OCDMA系统设计者们必须处理类似于在设计CDMA无线电系统时遇到的那些问题。
在上面概述的四个多路访问技术之中，基于CDMA的方法经常优选用于基于UWB-RT的系统。例如，在CDMA方式下，可相对独立地操作多个微微网。在文献中大量讨论的用于允许多用户通信的UWB脉冲无线电(UWB-IR)的调制方案是跳时(time-hopping，TH)脉冲位置调制(PPM)，下文中将其简称为TH-PPM。这些信号由位于沿时间轴的特定位置的脉冲组成，其中，特定脉冲位置取决于用户的有效负载数据和特定用户的伪随机序列(PRS)。PRS的目的在于使用户相区别、以及使发射信号频谱白化(whiten)。TH-PPM的附加特征在于，单个数据码元可确定N个连续脉冲的位置，由此引入一种N重(N-fold)重复编码。此方法提供了这样的优点，即接收器可增加每数据码元的对应接收信号能量，以实现改进的误码率性能；典型地，已提出了上千或更大的用于N的值。然而，减小的可实现数据速率是此版本的TH-PPM的所认识到的缺点。
近来，例如，在论文by M.Z.Win and R.A.Scholtz with the title“Ultra-Wide Bandwidth Time-Hopping Spread-Spectrum Impulse Radio forWireless Multiple Access Communications(用于无线多路访问通信的超宽带宽跳时扩频脉冲无线电)”and published in IEEE Transaction on Communications，April 2000中，已广泛地描述并分析了现有技术的TH-PPM。这种所谓的振动(dithered)TH-PPM方案允许通过分配特定用户的伪随机TH序列(PR-THS)，而使不同的传送用户在接收器处相区别。结果，仅可在假定接收器电路被锁定到对应的PR-THS的情况下，能够实现在对应的接收器处的传送方数据的正确检测。由此，TH-PRS的同步的获取和维持在本质上是复杂的过程，其在实现快速同步过程时可产生显著的处理延迟和/或不适当的硬件需求。此外，前述振动TH-PPM信号的定时相位的获取可能需要很长的前同步码，并且，在使用高脉冲频率时，在数据检测期间的定时相位的跟踪可能变得困难或不可靠。
长极性随机化码的使用消除了振动TH-PPM的谱线，并且，确保复合信号的频谱等同于基本脉冲的频谱。然而，在设计用于多路访问目的的UWB无线电信号时，所传送的信号的频谱属性不是唯一标准。尽管长码字或扩展序列的使用可简化频谱设计，但它也使基于CDMA的系统内的很多组件的设计复杂化，如均衡器、码获取和跟踪、以及多用户检测的设计(仅举几个例子)。
由上可知，在本技术领域中，仍然存在对改进多用户通信的需要。信令(signaling)方案应允许有效率的多路用户访问或通信系统的实现。
发明内容
下面，使用在这里也被称为率分多路访问(RDMA)信号的传送信号而呈现用于改进的多用户通信的多用户访问方法和系统。下文中，将基于速率维度(rate dimension)的一般多路访问方案表示为率分多路访问(RDMA)。
根据本发明，提供了一种方法，用于在包括多个用户设备和接入点设备的多用户通信系统中经由传送信号um(t)而通信。每个传送信号具有定义的脉冲频率1/Tm，其中Tm为脉冲周期，且m＝1，2，3，...，M。该方法包括以下步骤使用用于第一用户设备的第一脉冲频率1/T1来与接入点设备通信；以及对于每个另外的用户设备，使用与使用中的每个其它脉冲频率1/Tm不同的另一个脉冲频率1/Ti来与接入点设备通信，其中i＝1，2，3，...，M，且m≠i。M对应于用户设备的最大数目。
在一个实施例中，通过至少三个用户设备而经由传送信号um(t)的多用户通信可包括以下步骤对于第一用户设备而选择第一脉冲频率1/T1；对于第二用户设备而选择第二脉冲频率1/T2，其中，第二脉冲频率1/T2与第一脉冲频率1/T1不同，并且，对于每个另外的用户设备，选择与所选的脉冲频率不同的另一个脉冲频率。
在接入点设备上，多用户设备的传送信号可基于接收的传送信号si(t)的脉冲频率1/Ti而被区别。这具有这样的优点，即即使在接收或了解设备的地址之前，也可检测并识别各种用户设备。
这在选择脉冲周期Tm(其中，脉冲周期Tm为基本周期T和整数值Nm的积)使得整数值Nm包括至少一个在任意其它周期数Ni(其中i≠m)的素数因子集合之中唯一的素数因子时是有优势的，并且，在这里还将整数值Nm称为周期数Nm。这是因为这确保了任意传送信号与另一个期望的传送信号冲突的有限最大概率。
每个整数值Nm可包括一组素数因子(PF)，其中，至少两组素数因子的交集为空。这导致了甚至更低的在期望信号之中冲突的最大概率。
在另一个实施例中，可通过将任意新的整数Nm的素数因子选择为与更新的素数因子列表(LPF)中的素数因子不同，而生成所述任意新的整数Nm的素数因子。这可通过用来生成互质数Nm、并由此生成适当的脉冲周期Tm＝NmT的算法来实现，这允许设计有效率的率分多路访问系统(RDMA)。
根据本发明的另一个方面，提供了一种方法，用于生成用于多用户通信的传送信号um(t)。每个传送信号具有定义的脉冲频率1/Tm，其中Tm为脉冲周期，且m＝1，2，3，...，M该方法包括以下步骤为第一用户设备生成包括第一脉冲频率1/T1的第一传送信号u1(t)；以及对于每个另外的用户设备，生成包括与使用中的每个其它脉冲频率1/Tm不同的另一个脉冲频率1/Ti的另一个传送信号ui(t)，其中i＝1，2，3，...，M，且m≠i。
通过至少两个不同的脉冲频率(例如，通过1/Tm，1、1/Tm，2)而为每个用户设备生成传送信号um(t)也是有优势的。由此，由于同等的原因，平均数据速率或者吞吐量应当对于每个用户设备而近似相同。
根据本发明的另一个方面，提供了一种接入点设备，用于从多个用户设备接收传送信号um(t)，每个传送信号具有定义的脉冲频率1/Tm，其中Tm为脉冲周期，且m＝1，2，3，...，M。该接入点(AP)设备包括接收器，其从所接收的传送信号sm(t)中检测使用第一脉冲频率1/T1的第一用户设备、以及使用与使用中的每个其它脉冲频率1/Tm不同的另一个脉冲频率1/Ti的每个另外的用户设备，其中i＝1，2，3，...，M，且m≠i。此外，该接入点设备(AP)可包括发送器，用于生成各个脉冲频率1/Tm，以与每个各自的用户设备通信。这允许接入点设备(AP)和使用特定用户设备的脉冲频率的每个各自的用户设备之间的双向通信。
发送器还有可能生成具有共用脉冲频率1/TAP的传送信号，其可由具有所实现的接收装置的多个用户设备中的每个接收。这会允许一广播模式，其中，可到达所有用户设备。
根据另一个方面，用户设备Um生成并发送传送信号um(t)。该传送信号具有各自的脉冲频率1/Tm，其中Tm为各个脉冲周期，且m＝1，2，3，...，M中的元素。该设备包括发送器，其生成各个脉冲频率1/Tm，以与接入点(AP)设备通信。接入点(AP)设备适于从所接收的传送信号sm(t)中检测使用各个脉冲频率1/Tm的用户设备Um、以及使用与使用中的每个其它脉冲频率1/Tm不同的另一个脉冲频率1/Ti的每个另外的用户设备Ui，其中i＝1，2，3，...，M，且m≠i。
根据本发明的另一个方面，提供了一种多用户通信系统，用于经由传送信号um(t)而通信。该系统包括接入点设备，用于从多个用户设备接收传送信号um(t)，由此，每个传送信号具有定义的脉冲频率1/Tm，其中Tm为脉冲周期，且m＝1，2，3，...，M。该系统还包括使用第一脉冲频率1/T1以便与接入点设备通信的第一用户设备；以及使用与使用中的每个其它脉冲频率1/Tm不同的另一个脉冲频率1/Ti以便与接入点设备通信的每个另外的用户设备，其中i＝1，2，3，...，M，且m≠i。接入点设备基于所接收的传送信号si(t)的脉冲频1/Ti而区分第i个用户设备。
该多用户通信系统可用于通信、识别、或定位，并且，尤其用于与应用UWB-RT的原理的超宽带(UWB)无线电系统、或应用红外技术的原理的红外(IR)通信系统相关联的情况。
该系统提供改进的特征，其减轻了基于FDMA、TDMA和CDMA方法的已知系统的某些关键缺点。用于RDMA信号的通信和生成的本方法和系统良好地适于在UWB无线电信道上的RDMA信号的传送和接收。例如，基于此类RDMA信号，每个用户设备传送优选具有低占空比周期的二值对映信号，其可通过适当且唯一地选择特定用户的脉冲频率、或至少两个特定用户的脉冲频率的组合，而在目的接收器处区分。
在某些应用中，将RDMA的特征和好处与已知的上述多路访问方法相组合可能是有优势的。
假定多路访问干扰(MAI)或等价的信道间干扰(ICI)的某个恒定级别，并且，倘若相应地选择了RDMA脉冲频率，那么，在特定接收器位置上由不同用户发出的RDMA信号冲突并由此相互干扰的平均概率可显示出在数值上与在同样条件下发出和接收的现有技术的TH-PPM信号的冲突概率相同。基于这些冲突概率对与预定义的特定用户脉冲频率的偏差的敏感度的测定，发现RDMA是足够健壮的。此外，取决于特定应用或规定的要求，可在有或无功率控制的情况下，实现基于RDMA方法的多用户无线系统。
在用于非同步用户的当前RDMA的原理下设计的多用户(Multi-user或Multiple-user)通信系统和网络具有下文中所述的特定利益，其中，每个所述非同步用户通过特定用户脉冲频率而传送二值对映脉冲调制信号。倘若根据当前RDMA而选择了每个用户设备的脉冲频率，那么，与用户设备之间的同步状态无关地，在特定接收器位置上由不同用户发出的RDMA信号冲突的概率将在优化的意义上最小化。RDMA原理简化到单个用户会产生基于二值对映信令的点到点通信链路，所述二值对映信令也被称为二值移相键控(BPSK)。只要调制数据序列不相关，这样的信号的功率谱密度(PSD)便不包含谱线，其中，所述调制数据序列不相关是通过使用适当的数据扰码器或随机数发生器、总是可在实践中在任意程度上实现的条件。
通常，在解决涉及在共同定位(co-located)但是类似网络(例如，所谓的微微网)中、或在单个小区网络(例如，个人区域)内的多用户访问的问题时，相对于现有技术，所提出的RDMA提供了以下特征和优点。
与已知FDMA方案相反，尤其是在用户终端需要到不同微微网的访问的情况中，RDMA方案导致减小的实现复杂度(例如，通过FDMA，每个终端需要多个脉冲发生器和滤波器)。
为RDMA系统设计的单频带UWB发送器可潜在更好地利用由FCC推进的传送功率电平(例如，通过FDMA，相对于单频带系统，三个频带的使用导致减小5dB的传送功率，其中，可使用高达7.5Ghz的带宽)尽管TDMA系统仅在使用共用时间基准的严格同步或基于竞争的访问机制下最优地执行，但基于RDMA的系统在不需要共用时基、且与用户之间的同步状态无关的情况下提供最优的冲突概率特征。
与TDMA系统相反，RDMA方案同样良好地适于基于单个小区网络和重叠的多个微微网的应用。
类似于CDMA系统，RDMA方案还良好地适于支持在单个小区网络内、或跨越重叠微微网的多用户访问。然而，尤其是对于接收信号的获取、同步和跟踪，基于RDMA的系统通过潜在地较不复杂的电路实现而实现此性能。
类似于CDMA设备，特别是在使用相对高的占空比的循环信号时(例如，以得到很低的峰值对平均功率比)，基于RDMA的设备也与低电压集成电路(IC)处理技术相兼容。然而，与CDMA相反，RDMA不一定需要每码元传送多个脉冲，由此，通过与对应的CDMA的码片速率相比较低的脉冲频率而提供较高的数据速率。
使用RDMA信号组以得到总体上改进的多路访问(MA)方案的概念可与上面概述的任意MA技术相组合。对于基于UWB-RT的MA系统和设备来说，将基本RDMA原理与PRS或CDMA型序列相组合尤其呈现出好处。例如，如果相对低的数据速率足够支持应用，那么，可通过RDMA信号来提供基本的MA机制，同时可利用重叠PRS或CDMA型序列，以在MAI或ICI健壮的范围中增加进一步的改进。
与其中TH-PRS的获取和定时同步在本质上复杂(即，需要大型电路和所关联的大功耗)的TH-PPM方案相比，可对于高脉冲频率而实现较小复杂度且具有更佳性能的基于RDMA的MA方案。
尽管可使所传送的RDMA信号的频谱属性在原理上等同于CDMA信号的频谱属性，但与CDMA系统相比，基于RDMA的系统内的很多组件的设计明显的较不复杂。
取决于特定应用需求，可在有或无功率控制的情况下实现基于RDMA方案的多用户无线系统。
下面通过参照以下示意图、仅通过例子而详细描述本发明的优选实施例。
图1图解了在单个通信小区内操作的典型的多用户通信网络，所述小区包括M个用户终端，所述用户终端的发送器向单个接入点(AP)发送信号，其中，接收器能够接收并区分M个用户中的任一个，例如，用户i(Ui)。
图2示出了用于在如图1所示的典型的多用户通信小区内的用户到AP(user-to-AP)(上行流)传送的框图模型，所述小区包括M个用户终端(发送器)和单个接入点(接收器)，其中，所述接入点能够接收并区分M个用户中的任一个，例如，用户i。
图3示出了在用于期望用户2的接收器滤波器的输出处由用户1、2和3发起的三个理想化的脉冲RDMA信号的例子。
图4示出了用于常规用户m的脉冲RDMA信号的生成的设备的优选实施例的框图，其中，所述设备生成用户的特定周期(互质)数Nm。
图5示出了由用户1和2发起并由图6示出的设备产生的两个恒定或接近恒定的平均速率RDMA信号的例子，其中，每个信号基于在预定数目的脉冲之后(在此例子中是在7个脉冲之后)交替改变的两个匹配周期数。
图6示出了用于常规用户m的恒定或接近恒定的平均速率RDMA信号的生成的设备的优选实施例的框图，其中，所述设备生成用户的周期数的特定匹配对{Nm，1；Nm，2}。
图7示出了定义用来生成互质数(也被称为周期数)的基本集合{Nm，m＝1，2，...，M}的方法(算法)的逻辑流程图。
图8示出了定义用来生成互质数(也被称为周期数)的匹配对的集合{(Nm，1；Nm，2)，m＝1，2，...，M}的方法(算法)的逻辑流程图。
图9示出了双向操作的典型的多用户通信网络，其中，接入点(AP)设备包括收发器，其用于i)接收并区分M个用户中的任一个；以及ii)向M个用户中的任一个或各个用户进行传送。
具体实施例方式
下面，针对于射频的使用而描述具有率分多路访问(RDMA)信号的多用户访问系统。为了简化的原因，仅针对于使用UWB无线电信道的系统给出描述，然而，该系统也可被应用于光(红外)信号。
作为第一个例子，考虑如图1所示的多用户通信系统1包括M个发送器10，在这里也将每个所述发送器称为“用户”或用户设备10；以及单个接入点设备16，下文中也被称为“接收器”或单个接入点接收器16，其能够接收M个不同用户中的任一个。通常，任意选择每个用户的传送开始的时间瞬间，并且，不以任何方式进行调整；此操作模式也被称为“非同步”操作。由M个不同用户传送的数据序列被认为在统计上是独立的。通过数m∈M＝{1，2，...，M}而对用户做出索引，并且，通过索引m＝i而标识期望用户。由不同用户发出的信号携带独立的数据序列，并在用户的发送器天线13(的馈送点)和接收器天线14(馈送点)之间定义的各个空中接口(air interface)信道12上传播，其中，对所有接收的信号进行叠加(相加)。接收器的任务是检测并再现由期望用户传送的数据序列，例如，由如图1所指示的用户i传送的数据。后面图解了在单个通信小区4内操作、并包括M个用户(发送器)和接入点接收器16的典型的多用户通信网络2，所述接入点接收器16也被标记为AP，其能够接收M个用户中的任一个。
在本描述之内，相同的附图标号或标记用来表示相同的部分等。
图2示出了多用户通信系统1的更为正规的框图，其在下文中将被用来描述RDMA方案。
用户m将数据序列am，k∈{-1，+1}调制到生成信号的delta脉冲序列上um(t)=EptΣkm=-∞∞am,kδ(t-kmTm-τm)···(1)]]>其中，Tm为确定脉冲频率1/Tm的第m用户的脉冲周期，其使接收器能够区分由用户m传送的数据序列。在不失一般性的情况下，将特定用户脉冲周期的排序定义为T1≤T2≤...≤TM。也被称为异步延迟的时间偏移τm说明了用户m开始其传送的瞬间和用户i开始其传送的时间瞬间之间的相对延迟时间，由此，τi＝0。考虑到最坏情形、并为了简化起见，应假定异步延迟τm(m≠i)为在区间
]>其中，αm＝‖bm(t)‖为第m信道的增益。
在接收器天线的馈送点，叠加信号sm(t)＝hm(t)*um(t)，其中m＝1，2，...，M，并加入具有双边功率谱密度N0/2的高斯噪声信号n(t)，其中，hm(t)为所接收的脉冲形状hm(t)＝bm(t)*g(t)，而“*”为卷积运算符。由此，通过以下表达式而给出有噪声的接收信号y(t)=Σm=1Msm(t)+n(t)···(2)]]>接收器包含具有根据单位能量的冲激响应fi(t)的接收器滤波器，其输出信号qi(t)＝fi(t)*y(t)在时刻t＝kiTi(假定τi＝0)处通过脉冲频率1/Ti而被采样，并且其中，ki为整数。假定采样单位与对应的用户信号完美地同步。为了方便起见，定义简略(short-hand)表示qi,ki=qi(kiTi),]]>其可被表示为和qi,ki=q‾i,ki+wi,ki+zi,ki···(3)]]>所述和由以下项组成，即采样的期望信号q‾i,ki=fi(t)*si(t)|t=kiTi···(4)]]>用户之间(co-user)的干扰项wi,ki=Σm=1,m≠1Mqi,m(t)|t=kiTi···(5)]]>其中，qi，m(t)＝fi(t)*sm(t)，以及加性噪声项zi,ki=fi(t)*n(t)|t=kiTi···(6)]]>如果接收器滤波器冲击响应fi(t)的维持(support)小于Ti，则序列项{zi，ki}是不相关的。将采样信号qi，ki馈送到生成二值判定a^i,ki=sgn(qi,ki)]]>的阈值检测器(也被称为“限幅器(slicer)”)。注意，仅在多用户干扰项{wi，ki}不相关且为高斯分布的情况下，接收器滤波器fi(t)才等价于匹配滤波器hi(-t)。可显示出，通常决不是这样的情况，尤其是在缺少功率控制的情形中。
给定假定的用户数M，在定义对应的RDMA系统的操作时的相关因素是一组最优的脉冲频率{1/Tm，m＝1，2，...，M}或等价的脉冲周期{Tm，m＝1，2，...，M}的生成，这在接收器检测用户i时，允许具有最小可能的位误差概率(BEP)的多用户通信。通过在采样瞬间t＝kiTi的多用户干扰项{wi，ki}的统计而确定BEP。可从等式(1)和(5)中导出，它们的统计取决于系统参数中关于接收脉冲形状hm(t)的很多系统参数。由于从接收器到发送器(用户)可能缺少的反馈信道，所以，假定仅有先验的已知系统属性可影响到用于确定一组最优的脉冲频率的过程。这意味着，可能适用于当前接收的脉冲形状的接收脉冲形状{hm(t)}和接收器滤波器的冲激响应fi(t)不能被直接考虑用来优化特定用户的脉冲频率。
由单个用户引起的冲突用于查找最优的特定用户的脉冲频率的优选方法进行以下步骤i)假定脉冲 具有固定的维持Δm，使得对于-Δm/2≤t＜Δm/2的情况 而对于其它情况其为0；以及ii)使期望用户i和至少一个干扰用户j≠i的信号之间在时刻t＝kiTi冲突的概率PC(i)最小化；当且仅当用户j的信号在时间瞬间t＝kiTi为非0时才出现这样的冲突。除了在时间瞬间t＝kiTi具有最小冲突概率之外，还期望用户j在随后的采样瞬间(ki+1)Ti也不与用户i冲突，即，冲突不应以群集(clusters)出现；这意味着应满足下面的条件∀i≠ji,j∈M|Ti-Tj|≥Δj···(7)]]>其中，M表示整数{1，2，3，...，M}。基于这些假定并使用概率分析，显现出用于确定脉冲周期{Tj}的以下设计步骤步骤1选择作为实数且尽可能短的时基周期T；在实践中，T的最小值受到可用技术约束(例如，最小可用时钟周期)；步骤2给定整数N1，选择整数Nj，使得它们互质，且|Nj-Ni|≥Δj/T，其中，i≠j且i、j∈M；步骤3将脉冲周期的集合确定为{Tj＝NjT，j∈M}。
这些设计规则产生以下系统属性1)最大冲突概率 被最小化；2)冲突概率相对于异步延迟τm和脉冲维持持续时间Δm的变化(容限)来说是健壮(robust)的；
3)不出现冲突群集。
当给定的RDMA系统的特定用户脉冲频率的集合(即，集合{1/Tm，m＝1，2，...，M})需要对于所有脉冲频率而可按任意因子x缩放时，那么，通常需要先前也被称为周期数的新的一组互质数{Nm}，用于给定的缩放因子x。因为由于按照设计规则的步骤1，T已经被设计为尽可能的小而造成通常不能使T更小，所以出现此条件。由此，通常仅仅可用于修改脉冲频率的参数是互质数{Nm}。然而，在x＞1且x为实数的情况下，比提供新的一组互质数{Nm}更优异的解决方案是用缩放后的时基T′＝xT来替代时基T。为此，要求T尽可能小的第一设计规则不再维持。随之，通过以下等式而将所得到的相对最大冲突概率取上界 其中，PC(i，j)和 分别为所有异步延迟上的平均和最大冲突概率。随之，脉冲频率越低，或者等价地，x越大，那么，冲突概率就变得越依赖于异步延迟τj；然而，只要x远小于Dj，则此影响可忽略不计。
由多用户引起的冲突前面的段落阐述了从仅具有两个用户的MA系统引起的冲突概率，其被表示为PC(i，j)。下面，给出对于常规MA系统的冲突概率PC(i)，其中，至少一个用户j∈M(j≠i)的信号与期望用户 i的信号冲突。利用用户j和用户j′(j≠j′，j、j′∈M，并且，j、j′≠i)与用户i冲突的事件在统计上独立的事实而简化分析。基于此属性，并且在大量进一步的分析之后，可导出通过以下表达式而给出冲突的平均概率PC(i)P‾C(i)=1-ΠMj=ij≠i(1-ΔjTj)···(9)]]>具有用户独立的吞吐量的RDMA如上所述的RDMA的特定特征是m∈M用户中的每个通过不同脉冲频率1/Tm(其中，m＝1，2，...，M)、或者等价的脉冲周期Tm(其中，m＝1，2，...，M)而进行传送，以便在接收器处区分它们的信号。由此，取决于用户的吞吐量需要，可在无用户对可通过相同的脉冲频率而操作的约束下，将匹配脉冲频率分配给每个用户。然而，在某些应用中，可期望得到相等(或至少接近相等)的所有用户的平均脉冲频率。下面，公开用来实现相等(或近似相等)的每个用户m的平均吞吐量的方法。
用来使每一个用户的平均吞吐量近似相同的一种方法是将数据序列(也被称为“分组”)划分为块，并分别通过较低和较高的脉冲频率来传送奇数和偶数块，使得对于每个用户来说，所得到的平均脉冲频率变为相等(或接近相等)。通过分别使用数Nm，1和Nm，2而得到低和高的脉冲频率，其中，Nm，2＞Nm，1。由于数Nm，1和Nm，2服从特定约束，所以，通过对应的对于奇数块而选择块大小Bm，1、且对于偶数块而选择Bm，2，来得到相等的平均脉冲频率，使得对于用户m的平均脉冲频率PR(m)变为PR‾(m)=Bm,1+Bm,2Nm,1TBm,1+Nm,2TBm,2···(10)]]>基于在适当分组报头中发送的信息，接收器将获知先验周期数Nm，1和Nm，2、以及对应的块大小Bm，1和Bm，2，使得接收器的同步单元可确知正确的采样实例。对冲突概率的一种影响是它在大量用户通过高速率传送期间较高，并且反之亦然；因此，冲突概率将随时间而变化。然而，当大量用户处于活动状态、并且这些用户未被同步时，将出现平均影响，并且，冲突概率将在时间范围上接近恒定。如果使用较短的块长度，那么，从一个脉冲频率到另一个的切换会更经常地出现，并且，在脉冲频率转换期间出现的影响可能会变得相关。在一个极端情况中，其中，数据块仅由单个位组成，对于所有用户来说，具有奇数或偶数索引的脉冲之间的距离几乎相同，这是因为它们具有全部大致相同的平均脉冲频率。此极端情形不会产生适当的RDMA信号集合，并且由此，应在任何实践系统设计中避免。较大的块长度或大小产生可期望的不频繁的脉冲频率改变，并且因此，可避免过多的冲突。应注意，排它地采用特定用户的周期数Nm，1和Nm，2(即，它们在一组周期数内的多重性(multiplicity)为1)，因此，它们可具有任意大的公约数，同时，它们不应与另一个用户的任何周期数Nm，x共享公约数。第二个操作的极端情况要求对于由用户m连续传送的分组的不同周期数的交替使用，例如，可通过使用周期数Nm，1来传送奇数分组，而偶数分组使用周期数Nm，2。
图3示出了三个理想化的、脉冲的RDMA信号q2，1(t)、q2，2(t)、以及q2，3(t)的例子，所述信号是如恰好于采样之前在接入点接收器16内得到的、与用户2相关联的信号q2(t)的分量；在此例子中，从第二用户发起的信号被视为参考信号(τ2＝0)。
图4示出了生成导致如图3所示的对应的接收信号的该类发送器信号的设备40的优选实施例，并且，其中，所述设备40包含用于用户的特定周期(互质)数Nm的源。该设备40包括连接到多路复用器44的控制器41、前同步/帧数据源单元43、以及周期数源单元45。有效负载数据源单元42接收作为输入的用户数据{am}。多路复用器44被控制器41控制，并将从前同步/帧数据源单元43或有效负载数据源单元42接收的输入切换到其输出，其输出被转发到脉冲发生器和调制器50。振荡器49将其频率f＝1/T提供到控制器41和循环计数器48。周期数源单元45连接到用于选择用户的特定周期(互质)数Nm的选择器单元46。如图所示的特定周期(互质)数Nm被转发到模计算器47，该模计算器47还从循环计数器48接收输入，并计算Nm的模(mod Nm)。模计算器47的输出信号被反馈到循环计数器48，并被脉冲发生器和调制器50用来生成传送信号um(t)。
图5图解了可如何组合RDMA信号、以得到恒定或接近恒定的平均速率的RDMA信号。所示出的例子适于两个用户信号u1(t)和u2(t)，其中，为了说明性的目的，每个数据块由7个脉冲组成(例如，对于二值调制的脉冲，这对应于7位)，即，B1，1＝B2，1＝B1，2＝B2，2＝7。第一用户u1的两个周期数为{N1，1，N2，1}＝{10，20}，而对于第二用户u2来说，它们为{N1，2，N2，2}＝{13，17}。在此例子中，所述两个用户实现了相同的平均脉冲频率，即，PR(1)＝PR(2)＝1/(15T)，这是因为块长度或大小相等，并且，匹配的周期数和的相应的和相等，即N1，1+N2，1＝N1，2+N2，2＝30。
图6示出了生成图5的那类信号的设备60的优选实施例，其中，所述设备包含用于生成用户的周期数的特定匹配对{Nm，1；Nm，2}的源。设备60的配置等同于参照图4对于设备40而描述的配置，所具有的差异在于修改的选择器单元66，其将基于所提供的块大小(Bm，1；Bm，2)的用户的周期数的特定匹配对{Nm，1；Nm，2}提供到修改的模计算器67。修改的模计算器67计算Nm，x的模(modNm，x)，其中，x＝1、2。
生成用于RDMA系统的互质数的方法适当的一组周期数(例如，用于支持多达M个用户的集合{Nm，m＝1，2，...，M})的可用性是使RDMA系统适当地工作的基础。
图7中通过流程图示出了用来生成基本的一组互质数Nm的优选算法。如框70所示，选择第一(最小)周期数N1、最小距离Dmin、以及数M。此外，初始化m＝1，并且，将第一周期数N1分解为素数因子(PF)。在具有单元多重性的素数因子列表(LPF)中列出素数因子(PF)。框71指示了以下更新1)m←m+1；2)Nm←Nm-1+Dmin。随后，如框72所示，确定Nm的素数因子(PF)，并将其与当前的素数因子列表(LPF)中的素数因子相比较。如判定框73的旁边所示，比较结果为“是”或“否”。如果结果为“是”，那么，如框74所示，将Nm加1，并且，算法转回到框72。否则，如框75所示，在具有单元多重性的当前素数因子列表(LPF)中列出Nm的素数因子(PF)。如判定框76所示，比较数m和M，并且，如果m＝M，那么，算法停止，否则，算法转回到框71。此计算方法生成升序的M个互质数Nm，使得N1＜N2＜...＜Nm＜Nm+1＜...＜NM，且Nm+Dmin≤Nm-1，其中，对于所有m，连续数之间的差(也被称为距离)Nm+1-Nm在Nm-1-Nm≥Dmin的约束下最小化。最小周期数N1和最小距离Dmin是对如图7所示的算法的输入参数。
生成用于恒定或接近恒定的平均速率RDMA系统的互质数的方法使用两组相关的周期数，即{Nm，1，m＝1，2，...，M}和{Nm，2，m＝1，2，...，M}，用于使恒定或接近恒定的平均速率RDMA系统适当地工作。
图8中通过流程图示出了用来生成适当组周期数的优选计算方法。如框80所示，平均周期数N、最小距离Dmin、以及用户数M是该算法的输入参数。此外，m＝1；初始化Nm，1＝Nm，2＝N，并且，将Nm，1分解为素数因子(PF)。在具有单元多重性(multiplicity)的素数因子列表(LPF)中列出素数因子(PF)。框81指示了以下更新1)m←m+1；2)Nm，1←Nm-1，1-Dmin；3)Nm，2←Nm-1，2+Dmin。随后，如框82所示，确定Nm，1的素数因子(PF)，并将其与当前的素数因子列表(LPF)中的素数因子相比较。如判定框83的旁边所示，比较结果为“是”或“否”。如果结果为“是”，那么，如框84所示，将Nm，1更新为Nm，1←Nm，1-1，并且，算法转回到框82。否则，如框85所示，确定Nm，2的素数因子(PF)，并将其与当前的素数因子列表(LPF)中的素数因子相比较。如判定框86的旁边所示，比较结果为“是”或“否”。如果结果为“是”，那么，如框87所示，将Nm，2更新为Nm，2←Nm，2+1，并且，算法转回到框85。否则，如框88所示，在具有单元多重性的当前素数因子列表(LPF)中列出Nm，1和Nm，2的素数因子(PF)。如判定框89所示，比较数m和M，并且，如果m＝M，那么，算法停止，否则，算法转回到框81。这里，该计算方法生成降序的值序列{Nm，1，m＝1，2，...，M}和升序的值序列{Nm，2，m＝1，2，...，M}，其各自由M个互质数Nm组成，并具有初始化值N1，1＝N1，2＝N，其中，N(近似)对应于平均周期数。除了具有相同索引m的元素之外，通过此算法生成的升序和降序两者的元素不共享任何共用质数。由于在不同时刻交替使用具有相同索引m的脉冲频率，所以，这遵从用于确定周期数的设计规则。周期数序列中的两个连续元素之间的距离至少为Dmin。理想地，Nm，1+Nm，2≈2N不取决于m，并且，在Dm，1＝Dm，2时，此属性会对平衡的数据块大小确保恒定的平均脉冲频率。平均周期数N、最小距离Dmin、以及用户数M是如图8所示的算法的输入参数。
图9图解了与通过参照图1而描述的系统类似的多用户通信系统。如所图解的，接入点(AP)设备16除了用RX标记的接收器17之外还包括用TX标记的发送器18，它们一起形成收发器。接收器17允许接收和区分M个用户中的任一个。发送器18可生成各个脉冲频率1/Tm，以便与每个各自的用户M通信。这意味着每个各自的用户设备10可由接入点(AP)设备16通过使用特定用户的脉冲频率而被寻址或到达，从而允许通过具有特定用户的脉冲频率的传送信号而进行双向操作或通信。在另一个实施例中，发送器18生成具有共用脉冲频率1/TAP的传送信号，其可由多个用户设备10接收。假定用户设备10具有实现的接收装置，即，用户设备接收器适于接收并解释具有共用脉冲频率1/TAP的信号。这允许经由信道12而到所有各自的用户设备10的广播，同时，接入点(AP)设备16可经由具有特定用户的脉冲频率的传送信号而到达每个各自的用户设备10。在另一个实施例中，各个用户设备10在它们的特定脉冲频率上相互通信。在再一个实施例中，接入点(AP)设备16控制特定用户的脉冲频率，并将其分配到各个用户设备10。
下面的表1提供了具有A)不同用户脉冲频率以及B)接近恒定的(平均)脉冲频率的RDMA系统的数字例子，其针对于以下设计参数·用户数M＝32；时基T＝1ns；所接收的滤波后的脉冲的维持对于所有m来说，Δm＝Δ＝50ns；最小距离Dmin＝Δ/T＝50；1/T1＝200′000脉冲/秒；N1＝T1/T＝5′000。
表1
所公开的任何实施例可与所示出和/或描述的其它实施例中的一个或几个相组合。这对于实施例中的一个或多个特征来说也是可能的。本发明可以硬件、软件、或硬件和软件的组合的方式实现。
权利要求
1.一种方法，用于在包括多个用户设备(10)和接入点设备(16)的多用户通信系统(1)中经由传送信号(um(t))而通信，每个传送信号具有定义的脉冲频率1/Tm，其中Tm为脉冲周期，且m＝1，2，3，...，M，该方法包括以下步骤使用用于第一用户设备(U1)的第一脉冲频率1/T1来与接入点设备(16)通信；以及对于每个另外的用户设备(Ui)，使用与使用中的每个其它脉冲频率1/Tm不同的另一个脉冲频率1/Ti来与接入点设备(16)通信，其中i＝1，2，3，...，M，且m≠i。
2.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤在接入点设备(16)上，基于接收的传送信号(si(t))的脉冲频率(1/Ti)而区分多个用户设备(10)的传送信号。
3.如前述任一权利要求所述的方法，还包括以下步骤选择脉冲周期Tm，其中，脉冲周期Tm为基本周期T和整数值Nm的积，使得整数值Nm包括至少一个在任意其它整数值Nm的素数因子集合之中唯一的素数因子。
4.如权利要求3所述的方法，其中，每个整数值Nm包括一组素数因子(PF)，并且至少两组素数因子的交集为空。
5.如权利要求3或4所述的方法，其中，通过将任意新的整数Nm的素数因子选择为与更新的素数因子列表(LPF)中的素数因子不同，而生成所述任意新的整数Nm的素数因子。
6.一种用于生成用于多用户通信的传送信号(um(t))的方法，每个传送信号具有定义的脉冲频率1/Tm，其中Tm为脉冲周期，且m＝1，2，3，...，M，该方法包括以下步骤生成包括用于第一用户设备(U1)的第一脉冲频率(1/T1)的第一传送信号(u1(t))；以及对于每个另外的用户设备(Ui)，生成包括与使用中的每个其它脉冲频率1/Tm不同的另一个脉冲频率1/Ti的另一个传送信号(ui(t))，其中i＝1，2，3，...，M，且m≠i。
7.如权利要求6所述的方法，还包括以下步骤选择脉冲周期Tm，其中，脉冲周期Tm为基本周期T和整数值Nm的积，使得整数值Nm包括至少一个在任意其它整数值Nm的素数因子集合之中唯一的素数因子。
8.如权利要求7所述的方法，其中，每个整数值Nm包括一组素数因子(PF)，并且至少两组素数因子的交集为空。
9.如权利要求6至8中的任一个所述的方法，还包括通过至少两个不同的脉冲频率(1/Tm，1、1/Tm，2)而为每个用户设备(Um)生成传送信号(um(t))。
10.一种用于经由传送信号(um(t))通信的多用户通信系统(1)，包括接入点设备(16)，用于从多个用户设备(10)接收传送信号(um(t))，每个传送信号具有定义的脉冲频率1/Tm，其中Tm为脉冲周期，且m＝1，2，3，...，M；第一用户设备(U1)，其使用第一脉冲频率1/T1以便与接入点设备(16)通信；以及每个另外的用户设备(Ul)，其使用与使用中的每个其它脉冲频率1/Tm不同的另一个脉冲频率1/Ti以便与接入点设备(16)通信，其中i＝1，2，3，...，M，且m≠i，其中，接入点设备(16)基于所接收的传送信号(si(t))的脉冲频率1/Ti而区分多个用户设备(10)。
11.一种包括如权利要求10所述的多用户通信系统的超宽带(UWB)无线电系统。
12.一种包括如权利要求10所述的多用户通信系统的红外(IR)通信系统。
13.一种用于从多个用户设备(10)接收传送信号(um(t))的接入点设备(16)，每个传送信号具有定义的脉冲频率1/Tm，其中Tm为脉冲周期，且m＝1，2，3，...，M，该接入点设备包括接收器(17)，其从所接收的传送信号(sm(t))中检测使用第一脉冲频率1/T1的第一用户设备(U1)、以及使用与使用中的每个其它脉冲频率1/Tm不同的另一个脉冲频率1/Tl的每个另外的用户设备(Ul)，其中i＝1，2，3，...，M，且m≠i。
14.如权利要求13所述的接入点设备(16)，还包括发送器(18)，用于生成各个脉冲频率1/Tm，以与每个各自的用户设备(10)通信。
15.如权利要求14所述的接入点设备(16)，其中，发送器(18)生成具有共用脉冲频率(1/TAP)的传送信号，其可由具有所实现的接收装置的多个用户设备(10)接收。
全文摘要
本发明涉及用于在包括多个用户设备和接入点设备的多用户通信系统中经由传送信号来通信的方法和系统。也被称为率分多路访问(RDMA)信号的传送信号允许有效率的多用户通信、识别、感测或定位系统和网络的实现。一种用于经由传送信号u
文档编号H04B1/69GK1833410SQ200480022831
公开日2006年9月13日 申请日期2004年7月8日 优先权日2003年8月19日
发明者沃尔特·赫特, 马丁·韦森霍恩 申请人:国际商业机器公司