CN101035104A

CN101035104A - 扩频正交频分复用混合系统

Info

Publication number: CN101035104A
Application number: CNA2006100586475A
Authority: CN
Inventors: 郑若滨
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2006-03-06
Filing date: 2006-03-06
Publication date: 2007-09-12
Also published as: WO2007101382A1

Abstract

本发明提供了一种扩频正交频分复用混合系统，该系统主要包括：OFDM(正交频分复用)和扩频混合发射机：包括扩频通信信道单元和OFDM通信信道单元，将信令信号通过扩频通信信道单元进行处理，将通信数据通过OFDM通信信道单元进行处理，将处理后的信令信号、通信数据发送出去；OFDM和扩频混合接收机：包括扩频通信信道单元和OFDM通信信道单元，将接收到的信号通过扩频通信信道单元处理后获得所述信令信号，将接收到的信号通过OFDM通信信道单元处理后获得所述通信数据。利用本发明，可以使信令信号和通信数据并行传输，避免了信令信号占用基站系统的稀缺的无线通信资源。

Description

扩频正交频分复用混合系统

技术领域

本发明涉及通讯领域，尤其涉及一种扩频OFDM(正交频分复用)混合系统。

背景技术

扩频通信(SS：Spread Spectrum)是指将原始信息频带展宽，使其在更宽的频带内传输，而在接收端通过相关接收技术来恢复原始信息带宽的一种技术。扩频通信的方法主要包括：直接序列扩频(DS：Direct SequenceSpread Spectrum，简称直扩)、跳频扩频(FH：Frequency Hopping)、跳时(TH：Time Hopping)、线性调频(Chirp)。

上述直接序列扩频就是直接用高速率的伪随机扩频码PN序列在发送端扩展原始信息信号的频谱，在接收端用相同的扩频码PN序列对接收到的扩频信号进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。接收机解扩实际上是对干扰信号进行频谱展宽，把干扰信号变成功率谱密度很低而频谱很宽的信号，经窄带滤波器滤除后，使落到带内的干扰信号能量很小，而有用的数字信号被压缩还原成窄带信号，顺利通过滤波器。因此，上述直接序列扩频的系统具有很强的抗干扰能力，该系统中的一种扩频调制的方法是把信息序列和伪随机序列直接作模2加或相乘，产生一个速率与伪随机序列码速相同的扩频序列。

扩频通信具有如下优点：(1)频谱密度低，对其它系统的电磁干扰小；(2)抗干扰性强，误码率低；(3)具有信息保密性；(4)可以实现码分多址。例如，一个扩频系统的可用带宽扩展因子为1000，则处理增益为10lg1000＝30dB，要求误码率小于10-6的信息数据BPSK解调的最小的比特输出信噪比＜10.5dB，系统损耗Ls＝3dB，则干扰容限＝30-(10.5+3)＝16.5dB。说明该系统能在干扰输入功率电平比扩频信号功率电平高16.5dB的范围内正常工作，也就是该系统能够在接收输入信噪比大于或等于-16.5dB的环境下正常工作。该干扰容限是用未编码的DS扩频系统获得的，故还可利用信息序列编码增加此容限。

OFDM(正交频分复用)的基本原理是将编码后的串行数据转换为并行数据，然后，采用频率上等间隔的N个载波分别对并行数据进行调制，再将调制后的N个子载波的信号相加后同时发送，这样每个符号的频谱只占可用信道带宽的一小部分。通过选择载波间隔，使这些子载波在整个符号周期上保持频谱的正交性，各子载波上的信号在频谱上相互重叠，接收端利用载波之间的正交性可以无失真的恢复发送信息。OFDM可通过IFFT(InversedFast Fourier Transform，快速傅立叶逆变换变换)/FFT(Fast FourierTransform，快速傅立叶变换)对来实现。

OFDM通信具有如下优点：(1)频谱利用率高，理论上可以达到Shannon信息论的极限；(2)能有效地克服ISI(符号间干扰)；(3)能有效地抵抗信道衰落，OFDM技术把频率选择性衰落信道划为多个并行的相关的平坦衰落信道，因此采用简单的信道均衡技术就能满足系统性能要求，不需要采用复杂的自适应均衡技术；(4)抗噪声干扰，OFDM对信道噪声干扰的克服是通过子信道分配来实现的。(5)适合高速数据传输。

OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。另外，OFDM加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。因此，OFDM技术非常适合高速数据传输。

相比之下，CDMA(码分多址接入)的RF频宽要求比数据速率大很多，以保证有足够的处理增益对抗干扰。对于11GHz以下频段的宽带无线通信，用CDMA传送高速数据显然较不现实，例如，为了使数据速率达到70Mbps，RF频宽需要超过200MHz，以维持足够的处理增益和NLOS(非视距传播)通信性能。

目前宽带无线接入技术正在蓬勃发展，利用无线资源开展宽带城域接入的技术具有很强的生命力和市场空间。与此同时，无线的频谱资源非常宝贵，特别是在没有很好规划的区域或没有许可的频段，往往会在相同的信道上有多个基站运行，导致多个基站的所属系统之间相互干扰。为了协调同频段下各基站之间的共存，尤其是免许可频段的基站共存，相邻基站之间需要相互进行协商以解决同频段或邻频段下工作共存问题。

现有技术中一种解决基站之间共存问题的方法为：在原有基站系统的帧格式的下行子帧中定义一个“共存协商专用时间片”，相邻基站之间利用该“共存协商专用时间片”进行协商以解决同频段或邻频段下工作共存问题。

上述解决基站之间共存问题的方法的缺点为：

1、上述“共存协商专用时间片”必须全网统一、跨网统一、跨地区统一，这种强制性要求通常必须由政府部门以政策形式推行，难度较大；

2、在原有基站系统的帧格式中划分“共存协商专用时间片”，在一定程度上占用了基站系统的稀缺的无线通信资源，在该时间片上基站系统不能做正常的业务通信，在协商信令流量大时问题尤为突出。

发明内容

本发明的目的是提供一种扩频正交频分复用混合系统，从而可以使信令信号和通信数据并行传输，避免了信令信号占用基站系统的稀缺的无线通信资源。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种扩频正交频分复用混合系统，包括：

正交频分复用OFDM和扩频混合发射机：包括扩频通信信道单元和OFDM通信信道单元，将信令信号通过扩频通信信道单元进行处理，将通信数据通过OFDM通信信道单元进行处理，将处理后的信令信号、通信数据发送出去；

OFDM和扩频混合接收机：包括扩频通信信道单元和OFDM通信信道单元，将接收到的信号通过扩频通信信道单元处理后获得所述信令信号，将接收到的信号通过OFDM通信信道单元处理后获得所述通信数据。

所述OFDM和扩频混合发射机、OFDM和扩频混合接收机中的扩频通信信道单元和OFDM通信信道单元在通信频段上可以重叠、并行工作。

所述的信令信号包括相邻基站间共存协商信令信号。

所述的OFDM和扩频混合发射机包括：直序扩频通信信道单元、OFDM通信信道单元、上变频器和功放单元和发射天线，其中：

直序扩频通信信道单元：将接收到的信令信号进行信道编码，通过扩频码序列进行调制，再进行数字调制处理后，将信令信号发送给上变频器和功放单元；

OFDM通信信道单元：将接收到的通信数据进行数字调制、串并转换处理或串并转换、数字调制处理后转化为数据序列，通过快速傅立叶逆变换将该数据序列转化为时域序列，在该时域序列中插入循环前缀，再经过并串转换后，将该时域序列发送给上变频器和功放单元；

上变频器和功放单元：将接收到的直序扩频通信信道单元发送过来的信令信号和OFDM通信信道单元发送过来的通信数据，进行上变频和功率放大处理后，将处理后的信号发送给发射天线；

发射天线：将接收到的上变频器和功放单元发送过来的信号通过无线信道发送出去。

所述的OFDM和扩频混合接收机包括：接收天线、低躁放大器和下变频器单元、直序扩频通信信道单元和OFDM通信信道单元，其中：

接收天线：将从无线信道上接收到的信号发送给低躁放大器和下变频器单元；

低躁放大器和下变频器单元：将接收天线发送过来的信号进行放大和下变频处理后，发送给直序扩频通信信道单元和OFDM通信信道单元；

直序扩频通信信道单元：将低躁放大器和下变频器单元发送过来的信号进行数字解调，通过扩频码序列进行扩频解调，再将扩频解调后的信号进行窄带滤波、信道解码处理后，获得所述低躁放大器和下变频器单元发送过来的信号中携带的信令信息；

OFDM通信信道单元：将低躁放大器和下变频器单元发送过来的信号进行串并转换、删除循环前缀处理后，对信号进行快速傅立叶变换后得到频域信号，对该频域信号进行数字解调、并串转换处理或并串转换、数字解调处理后，再通过信道解码处理获得所述低躁放大器和下变频器单元发送过来的信号中携带的通信数据信息。

所述的OFDM和扩频混合接收机包括：

信道估计单元：用于估计OFDM和扩频混合接收机的无线信道的时域和频域特性，将获得的时域和频域的信道估计值传递给OFDM通信通道单元，将获得的时域和/或频域的信道估计值传递给扩频通信信道单元。

所述的OFDM和扩频混合发射机的直序扩频通信信道单元进行扩频调制的扩频码序列和所述OFDM和扩频混合接收机的直序扩频通信信道单元进行扩频解调的扩频码序列相同。

所述的扩频码序列包括伪随机PN码序列。

所述的OFDM和扩频混合接收机中采用全球定位系统GPS接收机作为OFDM通信通道单元和直序扩频通信通道单元的时间同步参考信号。

所述的OFDM和扩频混合发射机包括：跳频扩频通信信道单元、OFDM通信信道单元、上变频器和功放单元和发射天线，其中：

跳频扩频通信信道单元：包括信道编码单元、数字调制器、混频器、扩频码发生器和频率合成器，将接收到的信令信号进行信道编码，经过数字调制器进行调制处理，再通过混频器将数字调制器输出的信号和由扩频码发生器产生的扩频码序列控制的频率合成器的输出频率进行混频，将混频处理后的信号发送给上变频器和功放单元；

上变频器和功放单元：将接收到的跳频扩频通信信道单元发送过来的信令信号和OFDM通信信道单元发送过来的通信数据，进行上变频和功率放大处理后，将处理后的信号发送给发射天线；

所述的OFDM和扩频混合接收机包括：接收天线、低躁放大器和下变频器单元、跳频扩频通信信道单元和OFDM通信信道单元，其中：

低躁放大器和下变频器单元：将接收天线发送过来的信号进行放大和下变频处理后，发送给跳频扩频通信信道单元和OFDM通信信道单元；

跳频扩频通信信道单元：包括混频器、扩频码发生器、频率合成器，通过混频器将低躁放大器和下变频器单元发送过来的信号和由本地扩频码发生器产生的扩频码序列控制的频率合成器的输出频率进行混频，将混频处理后的信号进行数字解调、信道解码，获得所述低躁放大器和下变频器单元发送过来的信号中携带的信令信息；

所述的OFDM和扩频混合接收机包括：

所述的OFDM和扩频混合接收机中采用GPS接收机作为OFDM通信通道单元和跳频扩频通信通道单元的时间同步参考信号。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明通过将OFDM和扩频通信技术相结合，将信令信号通过扩频通信通道进行处理，将正常的通信数据通过OFDM通信通道进行处理。和现有技术相比，具有如下优点：

1、由于扩频通信通道的信号频谱带宽远大于所传的信令信息带宽，所以扩频通信通道的扩频信号的功率谱密度可以远远小于OFDM通信通道的信号功率谱密度。在发送端，扩频通信通道可以以远低于OFDM通信通道的功率发送信令信号，从而使扩频通信通道信号不至于干扰OFDM通信通道信号；在接收端，扩频通信通道甚至可以在信号完全淹没在噪声的情况下工作，即当接收到的扩频通信通道的扩频信号的功率谱密度低于信道噪声(包括接收机的前端热噪声和信道中的加性噪声)功率谱密度时，扩频通信通道接收机仍可正常工作，扩频技术的抗干扰能力使得扩频通信通道可以抵抗OFDM通信通道信号的干扰。实现了信令信号和通信数据并行传输。

2、无须定义“共存协商专用时间片”，信令的扩频通信通道可以和正常通信数据的OFDM通信通道在同频段上并行工作，所以避免了信令信号占用基站系统的稀缺的无线通信资源；

3、扩频信号淹没在噪声中，很难进行监视、截获，更难进行测向，使得系统信令信道天然地具有很好的保密特性；

4、由于避免了全网统一、跨网统一、跨地区统一的“共存协商专用时间片”，极大地降低了政府部门的政策干预程度。

附图说明

图1为本发明所述OFDM和直序扩频混合发射机的实施例的结构示意图；

图2为本发明所述OFDM和直序扩频混合接收机的实施例的结构示意图；

图3为在本发明所述OFDM和直序扩频混合接收机中，扩频通信通道的基带处理部分的接收端收到的含有噪声的宽带信息信号示意图；

图4为在本发明所述OFDM和直序扩频混合接收机中，进行了扩频解调处理后的信号功率谱示意图；

图5为在本发明所述OFDM和直序扩频混合接收机中，经过窄带滤波器处理后的信号功率谱；

图6为本发明所述OFDM和跳频扩频混合发射机的实施例的结构示意图；

图7为本发明所述OFDM和跳频扩频混合接收机的实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种扩频正交频分复用混合系统，本发明的核心为：信令(包括相邻基站间共存协商信令)信号由于传输速率较低，通过扩频通信通道进行处理，正常的通信数据由于传输速率较高，通过OFDM通信通道进行处理，扩频通信通道和OFDM通信通道在通信频段可以互相重叠，并行工作。

下面结合附图来详细描述本发明，本发明提供了本发明所述系统的两个实施例，下面分别介绍该两个实施例。

实施例1由OFDM和直序扩频混合发射机和OFDM和直序扩频混合接收机组成。

OFDM和直序扩频混合发射机的结构如图1所示。扩频通信通道的基带处理部分由信道编码单元、扩频调制单元、扩频码产生器和数字调制器组成；OFDM通信通道的基带处理部分由信道编码单元、数字调制单元、串并变换、IFFT单元、并串变换和插入循环前缀单元组成；扩频通信通道的基带处理部分输出的通信数据和OFDM通信通道的基带处理部分输出的信令(包括相邻基站间共存协商信令)信号通过上变频器和功放单元处理后，通过发射天线发送出去。

在上述OFDM和直序扩频混合发射机中，扩频通信通道的基带处理部分采用直序扩频方式，在该方式中频谱的扩展是直接由高码率的扩频码序列进行调制而得到的。在扩频通信通道上输入的信令的二进制信息，比如共存协商信令的二进制信息，经信道编码后，由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制以展宽信令信号的频谱，再经过数字调制器进行调制处理后，送往上变频器和功放单元进行处理。上述扩频码序列采用伪随机码(PN码)序列，该序列有较优良的自相关和互相关特性。最后通过发射天线发送出去。

在上述OFDM和直序扩频混合发射机中，OFDM通信通道的基带处理部分的处理过程主要为：在OFDM通信通道上输入的正常通信数据的二进制信息经信道编码后，首先进行数字调制、串并转换(或先进行串并转换，再数字调制)，变为N路并行传输的数据序列{X(k)}，k＝0，1，...N-1(N为子载波个数)。IFFT单元将该数据序列转化为时域序列{x(n)}，n＝0，1，...N-1。随后在该时域序列中插入CP(循环前缀)，再经过并串转换后，将该时域序列送往上变频器和功放单元进行处理。最后通过发射天线发送出去。

上述OFDM和直序扩频混合接收机的结构如图2所示。扩频通信通道的基带处理部分由信道解码单元、扩频解调单元、扩频码产生器、窄带滤波器和数字解调器组成；OFDM通信通道的基带处理部分由信道解码单元、数字解调单元、并串变换、FFT单元、删除循环前缀单元和串并变换组成；从接收天线接收到的信号经低躁放大器放大和下变频器下变频处理后，送往扩频通信通道的基带处理部分和OFDM通信通道的基带处理部分做进一步处理。

在上述OFDM和直序扩频混合接收机中，扩频通信通道的基带处理部分的接收端收到的含有噪声的宽带信息信号示意图如图3所示。从图3可以看出，信令信号的功率低于白噪声的功率，远远低于OFDM信号的功率。上述接收端收到的含有噪声的宽带信息信号先经过数字解调，然后通过本地扩频码产生器产生的与发送端相同的扩频码序列进行扩频解调处理，进行了扩频解调处理后的信号功率谱示意图如图4所示。上述宽带信息信号中含有的噪声和OFDM通信通道信号经过扩频解调处理后，频谱扩展，功率密度不变，而宽带信息信号中含有的携带共存协商信令的信号，经过扩频解调处理后，其能量按扩频码位积累，功率密度增大。

上述进行了扩频解调处理后的信号再经过窄带滤波器、信道解码，恢复出宽带信息信号中携带的共存协商信令的二进制信息。经过窄带滤波器后的信号功率谱示意图如图5所示，经过窄带滤波处理后可得到被积累后而突出的携带共存协商信令的信号，而排除上述宽带信息信号中含有的外部干扰、噪音和其它用户的通信影响。

在上述OFDM和直序扩频混合接收机中，OFDM通信通道的基带处理部分的处理过程主要为：在接收端，从接收天线接收到的信号经低躁放大器放大和下变频器下变频处理后，经过删除循环前缀和串并转换后、信号表示为{y(n)}，n＝0，1，...N-1，再对信号进行FFT操作后得到频域信号{Y(k)}，k＝0，1，...N-1。然后，对该频域信号做数字解调和并串转换(或先进行并串转换、再做数字解调)，最后进行信道解码处理后得到正常通信数据的二进制信息。

上述OFDM和直序扩频混合接收机中的信道估计单元用于估计无线信道的时域和频域特性，以抵消信号在无线信道上传输时所产生的信道畸变。信道估计单元以OFDM解调器FFT单元的输出作为输入，进行二维(时域和频域)的信道估计，信道相应估计值可为智能天线波束成形器、空时解码器、分集合并、均衡器、数字解调单元和信道解码单元所使用；对于OFDM通信通道，需要使用二维信道估计值，而二维信道估计值可以退化为一维信道估计值，为扩频通信通道所使用。

在上述OFDM和直序扩频混合接收机中采用GPS(全球定位系统)接收机作为OFDM通信通道和扩频通信通道的时间同步参考信号。

实施例2由OFDM和跳频扩频混合发射机和OFDM和跳频扩频混合接收机组成。

OFDM和跳频扩频混合发射机的结构如图6所示，扩频通信通道的基带处理部分采用跳频扩频方式，由信道编码单元、混频器、频率合成器、扩频码产生器和数字调制器组成。

在上述OFDM和跳频扩频混合发射机中，在扩频通信通道输入的信令的二进制信息，比如共存协商信令的二进制信息，经信道编码后，再经过数字调制器进行调制处理。然后，通过混频器将数字调制器输出的信号和由扩频码发生器产生的扩频码序列控制的频率合成器的输出频率进行混频，以展宽信号的频谱，将混频处理后的信号发送给上变频器和功放单元进行处理，最后通过发射天线发送出去。扩频码序列可采用伪随机码(PN码)序列，该序列有较优良的自相关和互相关特性。

在上述OFDM和跳频扩频混合发射机中，OFDM通信通道的基带处理部分的结构和处理过程与上述OFDM和直序扩频混合发射机的结构和处理过程相同。

OFDM和跳频扩频混合接收机的结构如图7所示，扩频通信通道的基带处理部分由信道解码单元、频率合成器、扩频码产生器、混频器和数字解调器组成。

在上述OFDM和跳频扩频混合接收机中，先通过混频器将接收端收到的含有噪声的宽带信息信号，和由本地扩频码发生器产生的扩频码序列控制的频率合成器的输出频率进行混频，再将混频处理后的信号进行数字解调、信道解码，恢复出所述宽带信息信号中携带的共存协商信令的二进制信息。

在上述OFDM和跳频扩频混合接收机中，OFDM通信通道的基带处理部分和信道估计单元的结构和处理过程与上述OFDM和直序扩频混合接收机相同。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1、一种扩频正交频分复用混合系统，其特征在于，包括：

2、根据权利要求1所述的扩频正交频分复用混合系统，其特征在于，所述OFDM和扩频混合发射机、OFDM和扩频混合接收机中的扩频通信信道单元和OFDM通信信道单元在通信频段上可以重叠、并行工作。

3、根据权利要求2所述的扩频正交频分复用混合系统，其特征在于，所述的信令信号包括相邻基站间共存协商信令信号。

4、根据权利要求1、2或3所述的扩频正交频分复用混合系统，其特征在于，所述的OFDM和扩频混合发射机包括：直序扩频通信信道单元、OFDM通信信道单元、上变频器和功放单元和发射天线，其中：

5、根据权利要求4所述的扩频正交频分复用混合系统，其特征在于，所述的OFDM和扩频混合接收机包括：接收天线、低躁放大器和下变频器单元、直序扩频通信信道单元和OFDM通信信道单元，其中：

6、根据权利要求5所述的扩频正交频分复用混合系统，其特征在于，所述的OFDM和扩频混合接收机包括：

7、根据权利要求5所述的扩频正交频分复用混合系统，其特征在于，所述的OFDM和扩频混合发射机的直序扩频通信信道单元进行扩频调制的扩频码序列和所述OFDM和扩频混合接收机的直序扩频通信信道单元进行扩频解调的扩频码序列相同。

8、根据权利要求7所述的扩频正交频分复用混合系统，其特征在于，所述的扩频码序列包括伪随机PN码序列。

9、根据权利要求5所述的扩频正交频分复用混合系统，其特征在于，所述的OFDM和扩频混合接收机中采用全球定位系统GPS接收机作为OFDM通信通道单元和直序扩频通信通道单元的时间同步参考信号。

10、根据权利要求1、2或3所述的扩频正交频分复用混合系统，其特征在于，所述的OFDM和扩频混合发射机包括：跳频扩频通信信道单元、OFDM通信信道单元、上变频器和功放单元和发射天线，其中：

11、根据权利要求10所述的扩频正交频分复用混合系统，其特征在于，所述的OFDM和扩频混合接收机包括：接收天线、低躁放大器和下变频器单元、跳频扩频通信信道单元和OFDM通信信道单元，其中：

12、根据权利要求11所述的扩频正交频分复用混合系统，其特征在于，所述的OFDM和扩频混合接收机包括：

13、根据权利要求11所述的扩频正交频分复用混合系统，其特征在于，所述的OFDM和扩频混合接收机中采用GPS接收机作为OFDM通信通道单元和跳频扩频通信通道单元的时间同步参考信号。