CN101136894A - 可扩展的ofdm及ofdma带宽分配的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可扩展的OFDM及OFDMA带宽分配的方法,由于可扩展的单个或多载波带宽分配的特性,其具有改进了的频谱效率以及增强了的灵活性和适应性的优点。本发明还公开了一种OFDM和OFDMA系统中频谱带宽分配的发射机和系统。根据本发明,保护频带和保护子载波可以减少或删除,以改进频谱效率,同时具备带宽可扩展性。
Description
技术领域
本发明涉及数字通信,尤其是涉及一种可扩展的OFDM(正交频分复用)及OFDMA(正交频分多址)带宽分配的方法和系统。
背景技术
由于网络频谱难以获得或拥挤,传统的无线蜂窝网络容量或数据吞吐量可能会降低。由于有意或无意的电磁发射的激增,已分配的频带被期望和不期望的信号充满而变得越来越拥挤。拥挤的频谱导致了低功率和高功率信号的结合,这些信号同时被接收器的天线或天线阵列检测到。因此,由于被淹没在更强的干扰信号群中,期望的信号变得不明显和无法检测到。
在利用频谱的不同技术中,正交频分复用(OFDM)是一项用于多载波数据传输的技术,已经作为几种无线网络物理层的标准。OFDM技术的主要原则是将可分配的信道划分为多个正交的子信道。每个子信道具有相等的带宽并由唯一的一组子载波信号组成。这些子载波信号是正交的,即任何两个子载波的内积等于零。正交的子载波信号的频率是按照最小等间隔排列,因而子载波信号的数据调制有利于达到最佳的带宽效率。相比之下,用于多载波数据传输的频分复用使用非正交的子载波信号,为了分隔子载波信号频谱而浪费了可分配信道带宽中很大的频段。
正交频分多址(OFDMA)是OFDM技术的多用户版本。其通过将正交子载波的子集分配给单独的用户终端来实现OFDMA中的多址。OFDMA可以描述为频域多址和时域多址的结合,无线资源在时间-频率空间中分割,网络用户数据突发可以根据OFDM符号索引或OFDM子载波索引来分配。OFDMA已为多种标准组织广泛采用。
在频域中,OFDM或OFDMA信号由正交子载波组成,子载波的数目决定了所使用的FFT(快速傅立叶变换)的点数NFFT。我们假定Δf是子载波的间隔,采样频率fs可由下列公式计算:
fs=Δf×NFFT
对于给定的标称信道带宽BW,只有NFFT的子载波子集NSIG被信号占用,称为信号带宽BWSIG。NSIG可以包括没有数据传输的DC(直流)子载波。未被利用的余下的子载波作为保护子载波。保护子载波的作用是使得信号能够自然衰减并生成FFT的“砖墙(brick wall)”形。图1说明了OFDMA的带宽定义。选择FFT点数的经验法则(rule of thumb)是选择比NSIG大的2的最小幂次。
傅立叶逆变换生成OFDM或OFDMA的波形,该段时间称为有效符号时间TIFFT。最后一段有效符号时间的复制,称为循环前缀(cyclic prefix,CP)TG,用于在保持子载波正交性的同时收集多路径(collect multipath)信号。另外,在CP之前和符号时间末端两个位置可选择性地加上一个小的窗(windowing period)。加入窗有助于降低信号的带内和带外发射干扰。总的信号时间TSYM包括附加CP时间TG和可选择的加窗时间TWIN,即TSYM=TG+TIFFT+TWIN。图2说明了OFDM或OFDMA信号的时域符号结构。使用循环扩展后,在接收端实现FFT所需要的采样(samples)可以从延展符号长度的任意处选取。这提供了抗多径干扰和符号(symbol time)同步容错能力。
在OFDM或OFDMA符号结构的传统定义中,正如在WiMAX、UMB、和LTE中描述的,定义了保护子载波使信号能够自然衰减和生成“砖墙(brick wall)”形,以避免对相邻OFDM或OFDMA信道的干扰。图3说明了典型的多载波OFDM或OFDMA带宽分配的例子。从图中可以看出,保护子载波占用稀有的频带而不传送有用的信号和信息,降低了频谱效率。保护频带通常也为其它技术所共用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种可扩展的OFDM和OFDMA带宽分配的方法和系统,不使用保护频带,可以提高整个频谱的频谱效率。
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种频谱带宽分配的方法,应用于OFDM或OFDMA系统,包括:
选择采样频率,所述采样频率等于或大于给定的标称信道带宽;
在一个标称信道上发送信号,该标称信道选择相同的子载波间隔;
在给定标称信道带宽范围内,除直流子载波外的所有子载波用于信号发射。
进一步地,所述频谱带宽分配用于频分双工FDD模式或时分双工TDD模式的有线或无线装置和系统
进一步地,所述带宽分配用于包含基站、中继站和用户站的混合系统,在所述混合系统中,下行链路和上行链路有不同的带宽。
为了解决上述技术问题,本发明提供一种频谱带宽分配的方法,应用于OFDM或OFDMA系统,包括:
在多个标称信道上发送信号,所述多个标称信道彼此相邻分配,其间没有保护频带;
为所述多个标称信道选择一个相同的子载波间隔,且所有子载波排列间隔在跨标称信道时依然保持一致;
选择系统中设备的采样频率,所述采样频率等于或大于设备使用的一个或多个标称信道带宽。
进一步地,在给定标称信道带宽或多个信道带宽范围内,除直流子载波外的所有子载波用于信号发射;或者,除直流子载波和整个频带边缘设置的保护子载波外的所有子载波用于信号发射。
进一步地,所述多个标称信道具有相同或不同的带宽,自相同的发射机或不同的发射机发出;当所述多个信道自不同的发射机发出时,所有发射机的频率同步。
进一步地,所述带宽分配仅用于下行信道的发射、或仅用于上行信道的发射、或用于上、下行信道的发射。
进一步地,所述频谱带宽分配用于FDD或TDD模式的有线或无线装置和系统。
进一步地,所述带宽分配用于混合系统,在所述混合系统中,下行链路和上行链路有相同或不同带宽,来自中继站、用户站的上行信道工作于其中的一个或多个标称信道带宽。
为了解决上述技术问题,本发明提供一种可扩展的带宽分配的发射机,所述发射机在一个标称信道中的间隔相同的子载波上发射信号,其采样频率等于或大于给定的标称信道带宽;在给定标称信道带宽范围内,所述发射机将除直流子载波外的所有子载波用于信号发射。
进一步地,所述发射机使用FDD模式或TDD模式发射信号。
为了解决上述技术问题,本发明提供一种可扩展的带宽分配的系统,包括基于OFDM或OFDMA技术的至少一个接入设备和至少一个终端设备,
所述系统在多个标称信道上传输信号,系统中设备的采样频率等于或大于该设备使用的一个或多个标称信道带宽;所有标称信道使用相同的子载波间隔,且所有子载波排列间隔在跨标称信道时依然保持一致,多个标称信道彼此相邻分配,其间没有保护频带。
进一步地,所述系统在给定标称信道带宽或多个信道带宽范围内,除直流子载波外的所有子载波用于信号发射;或者除直流子载波和整个频带边缘设置的保护子载波外的所有子载波用于信号发射。
进一步地,所述接入设备通过一个或多个发射机在相同或不同的带宽上发送信号;当使用多发射机发送信号时,所有发射机的频率同步。
进一步地,所述系统仅在下行信道发射信号、或仅在上行信道发射信号、或在上、下行信道上发送信号。
进一步地,所述系统为有线或无线系统,采用FDD模式或TDD模式。
进一步地,所述系统为混合系统,所述接入设备包括基站、中继站,所述终端设备为用户站,在所述混合系统中,下行链路和上行链路有相同或不同带宽,且来自中继站、用户站的上行信道工作于其中的一个或多个标称信道带宽。
本发明公开了一种更具创新的方法以加强频谱利用的效率。可用于在诸如OFDM和OFDMA系统的无线通信系统中去除分配的频谱带宽中不必要的保护频带的方法和装置。不使用保护频带,可以提高整个频谱的频谱效率。
附图说明
图1显示了已有的OFDM或OFDMA信号频域定义的示例;
图2显示了已有的OFDM或OFDMA信号时域结构的示例;
图3显示了现有的多载波OFDM或OFDMA技术信号频域分配的示例;
图4显示了本发明的可扩展OFDM或OFDMA信号频域定义的示例;
图5显示了本发明的多载波可扩展OFDM或OFDMA带宽分配的示例;
图6显示了本发明的多载波可扩展OFDM或OFDMA带宽分配的一个示例;
图7显示了本发明具有边界保护频带的多载波可扩展OFDM或OFDMA带宽分配的一个示例;
图8说明了多载波可扩展OFDM或OFDMA系统的一个例子,其包括一个基站、一个中继站、和5个用户站;
图9显示了多载波可扩展OFDM或OFDMA混合带宽分配方案。
具体实施方式
在典型的OFDM或OFDMA部署中,相邻的射频(RF)信道也使用相同或近似的OFDMA技术。因此,可以设置多个RF信道,将一个RF信道对相邻RF信道的干扰降至最低。
如果在相邻RF信道中的所有子载波位于相同子载波间隔(subcarrierspacing)的扩展范围内,则中间段RF信道上的所有子载波与相邻RF信道上子载波正交。因此,对相邻子载波的干扰降至最小。
本发明的优选实施方式包含利用正交频分复用、正交频分多址、频分双工和时分双工模式来操作。在此部分中描述的这些技术适用于有线和无线的实现。
在一种OFDM或OFDMA的实现中,基站的发射机在一个标称信道上发送信号,设置该信道中的各子载波间隔相同,在给定的标称信道带宽不需要保护子载波。因为子载波间隔相等,即使有频带发射的泄漏,其也会与相邻的OFDM或OFDMA子载波正交或接近正交,或者简单地就由数字和/或RF滤波器移除。在加了循环前缀后,会对带内以及相邻带外信号有干扰,需要加窗(windowing period),以及利用滤波器对频带发射的泄漏进行移除。所述发射机的采样频率应等于或大于给定的标称信道带宽;在给定标称信道带宽范围内,除直流子载波外的所有子载波用于信号发射。图4说明了信号带宽可以与标称信道带宽相等。在不把频谱带宽浪费于不必要的保护子载波的情况下,改进了频谱效率。此应用也适用于中继站的发射机,应用于包含基站、中继站和用户站的混合系统,在所述混合系统中,下行链路和上行链路可以有不同的带宽。
在另一种OFDM或OFDMA的实现中,基站的发射机在多个标称信道上发送信号,所有信道的子载波间隔统一设置:多个OFDM或OFDMA信道的频带彼此相邻的放置,各信道所有子载波间隔相等,跨越信道间的子载波都处于彼此的以子载波间隔为单位延伸(间隔倍数)的位置。因为不需要把频谱带宽浪费于两个相邻信道之间的不必要的保护子载波,可改进频谱效率。图5说明了多载波OFDM或OFDMA带宽分配的一个示例。图中,子载波间隔在两个相邻信道的带宽边界之间保持不变,其由标称带宽分配示出。由于所有的子载波彼此正交,彼此间的干扰降至最小。
可以自相同或不同的基站在上述多个OFDM或OFDMA相邻信道上发射信号。系统中设备的采样频率,等于或大于设备使用的一个或多个标称信道带宽。当自不同的基站发射时,只要基站频率同步,子载波保持彼此正交,不需要保护子载波。在给定的多个信道带宽范围内,在除直流子载波外的所有子载波上发送信号。此应用适用于FDD(频分双工)和TDD(时分双工)模式。此应用也适用于中继站,中继站频率也需要跟基站同步。当使用多信道传输信号时,可能使用多个发射机共同发射信号,这时,需要所有发射机的发射频率同步。
所述发射机可以仅用于系统的下行信道的发射,如系统只有下行发射机或只在下行发射时使用本发明方法,比如广播业务;或仅用于系统的上行信道的发射,如系统只有上行发射机或只在上行发射时使用本方法,比如无线监视系统;或用于系统的上、下行信道的发射,比如常见的无线通信系统。
对于用户站的发射机来说,会根据下行信号同步后,用户站发射机才会发上行信号。
在另一种OFDM或OFDMA的实现中,多个OFDM或OFDMA相邻信道自相同或不同的基站发射出去。这些信道由不同的标称带宽(标称带宽也可以相同)组成。图6说明了具有不相同标称带宽的多载波的典型应用。只要基站频率同步,子载波保持彼此正交,不需要保护子载波。此应用适用于FDD和TDD模式。图7说明了具有边界保护频带的多载波典型应用,在多个载波(载波可包含一个或多个信道,每个信道包含各自独立的一组个子载波)中处于最外侧的两个载波位于整个频带边缘的部分设置了一个或多个保护子载波,以与其它技术共存。此时,在除直流子载波和整个频带边缘的保护子载波外的所有子载波上发送信号。
在另一种OFDM或OFDMA的实现中,上行链路和下行链路可以是不同的。来自基站的下行信道可以是一个多载波系统,如图8所示,包括基站、中继站等接入设备,以及用户站和中继站等终端设备(中继站对于基站来说也是一种终端设备)。来自中继站(RS)、用户站(SS)(固定、游牧(nomadic)、或移动站)的上行信道可工作于其中的一个或多个标称信道带宽。图9说明了在基站、中继站和用户站的混合带宽分配模式。本发明适用于FDD和TDD模式。此应用不同于FDD模式中的传统的混合配置,在传统的混合配置中,下行信道通常有与成对的上行信道不同(通常是更大)的带宽。基站和用户站的传统设计都是使用该下行链路和上行链路的全部标称信道带宽(通常只含一个标称信道)。而本发明还适应于只对下行或上行其中的部分标称信道带宽的使用(不一定用满)。通常TDD模式中,上下行带宽是一致的。一般上下行带宽不对称的系统是不用于TDD模式中的,而本发明是适应于TDD模式应用。
虽然此说明书包括很多详细说明,但这不意味着对任何发明或权利要求范围的局限,而是对特定实施方式的特定性质的描述。在此说明书的不同实施方式内容中描述的一些特征也可结合到另一个实施方式中实施,反之亦然。
因此,已经描述了特定的实施方式。其它实施方式包含在下列权利要求的范围内。
Claims (17)
1.一种频谱带宽分配的方法,应用于OFDM或OFDMA系统,包括:
选择采样频率,所述采样频率等于或大于给定的标称信道带宽;
在一个标称信道上发送信号,该标称信道选择相同的子载波间隔;
在给定标称信道带宽范围内,除直流子载波外的所有子载波用于信号发射。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述频谱带宽分配用于频分双工FDD模式或时分双工TDD模式的有线或无线装置和系统
3.如权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述带宽分配用于包含基站、中继站和用户站的混合系统,在所述混合系统中,下行链路和上行链路有不同的带宽。
4.一种频谱带宽分配的方法,应用于OFDM或OFDMA系统,包括:
在多个标称信道上发送信号,所述多个标称信道彼此相邻分配,其间没有保护频带;
为所述多个标称信道选择一个相同的子载波间隔,且所有子载波排列间隔在跨标称信道时依然保持一致;
选择系统中设备的采样频率,所述采样频率等于或大于设备使用的一个或多个标称信道带宽。
5.如权利要求4所述的方法,其特征在于,在给定标称信道带宽或多个信道带宽范围内,除直流子载波外的所有子载波用于信号发射;或者,除直流子载波和整个频带边缘设置的保护子载波外的所有子载波用于信号发射。
6.如权利要求4所述的方法,其特征在于,所述多个标称信道具有相同或不同的带宽,自相同的发射机或不同的发射机发出;当所述多个信道自不同的发射机发出时,所有发射机的频率同步。
7.如权利要求4所述的方法,其特征在于,所述带宽分配仅用于下行信道的发射、或仅用于上行信道的发射、或用于上、下行信道的发射。
8.如权利要求4所述的方法,其特征在于,所述频谱带宽分配用于FDD或TDD模式的有线或无线装置和系统。
9.如权利要求4所述的方法,其特征在于,所述带宽分配用于混合系统,在所述混合系统中,下行链路和上行链路有相同或不同带宽,来自中继站、用户站的上行信道工作于其中的一个或多个标称信道带宽。
10.一种可扩展的带宽分配的发射机,其特征在于,所述发射机在一个标称信道中的间隔相同的子载波上发射信号,其采样频率等于或大于给定的标称信道带宽;在给定标称信道带宽范围内,所述发射机将除直流子载波外的所有子载波用于信号发射。
11.如权利要求10所述的发射机,其特征在于,所述发射机使用FDD模式或TDD模式发射信号。
12.一种可扩展的带宽分配的系统,包括基于OFDM或OFDMA技术的至少一个接入设备和至少一个终端设备,其特征在于,
所述系统在多个标称信道上传输信号,系统中设备的采样频率等于或大于该设备使用的一个或多个标称信道带宽;所有标称信道使用相同的子载波间隔,且所有子载波排列间隔在跨标称信道时依然保持一致,多个标称信道彼此相邻分配,其间没有保护频带。
13.如权利要求12所述的系统,其特征在于,所述系统在给定标称信道带宽或多个信道带宽范围内,除直流子载波外的所有子载波用于信号发射;或者除直流子载波和整个频带边缘设置的保护子载波外的所有子载波用于信号发射。
14.如权利要求12所述的系统,其特征在于,所述接入设备通过一个或多个发射机在相同或不同的带宽上发送信号;当使用多发射机发送信号时,所有发射机的频率同步。
15.如权利要求12所述的系统,其特征在于,所述系统仅在下行信道发射信号、或仅在上行信道发射信号、或在上、下行信道上发送信号。
16.如权利要求12所述的系统,其特征在于,所述系统为有线或无线系统,采用FDD模式或TDD模式。
17.如权利要求12所述的系统,其特征在于,所述系统为混合系统,所述接入设备包括基站、中继站,所述终端设备为用户站,在所述混合系统中,下行链路和上行链路有相同或不同带宽,且来自中继站、用户站的上行信道工作于其中的一个或多个标称信道带宽。
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