CN101145828A

CN101145828A - 一种基于最小覆盖的数据传输方法及装置

Info

Publication number: CN101145828A
Application number: CNA2006101520973A
Authority: CN
Inventors: 张佳胤; 王艺
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2026-09-11
Also published as: CN101145828B

Abstract

本发明公开了一种基于最小覆盖的数据传输方法及装置，用于在实现均匀变化频谱资源的OFDM调制的同时降低计算复杂度。所述方法包括：发送端将所有待发送的子载波按最小子频带覆盖分割为若干个子频带；对每个子频带进行正交频分复用调制；将调制结果融合为模拟信号并发送；接收端将接收到的模拟信号恢复为对应的子频带并分别对其进行解调；将解调结果重新组合成为原发送的序列。本发明还相应地提供数据传输装置。本发明可以有效地降低计算的复杂度。

Description

一种基于最小覆盖的数据传输方法及装置

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种基于最小覆盖的数据传输方法及装置。

背景技术

随着通信技术的发展，正交频分复用(OFDM，Orthogonal FrequencyDivision Multiplex)已经在数字音频广播(DAB，Digital Audio Broadcast)、数字视频广播(DVB，Digital Video Broadcast)、基于IEEE802.11标准的无线局域网(WLAN，Wireless Local Area Network)等系统中得到广泛的应用。

OFDM系统的主要特点是通过保护间隔克服了符号间干扰，同时频率正交，保证系统性能高；由于引入快速逆傅立叶变换(IFFT，Inverse Fast FourierTransform)做调制，可以并行传送数据，因此用很小的复杂度就能实现高速率的传输，是现有宽带无线通信系统和未来无线通信系统所主要采用的调制技术。

当前在为不同无线系统分配频谱资源时，采用的是一种集中的、静态的固定频谱分配方法(FSA，Fixed Spectrum Allocation)。这种方法是将一段固定大小的频谱资源分配给特定的无线接入网标准(例如全球移动通信系统(GSM，Global System for Mobile communications))使用。该频段还可以再进行分割以供各个运营商(使用相同的无线接入技术(RAT，Radio Access Technology)的多个无线接入网(RAN，Radio Access Network))分别使用。现有的OFDM数据传输方法通常都是针对这些事先确定带宽的频谱资源进行设计的。

现有技术中一种OFDM数据传输方法为：根据IEEE 802.16e WirelessMAN OFDMA协议中设计的OFDM参数进行调制，并在接收端进行相应地解调。

其中，IEEE 802.16e Wireless MAN OFDMA协议中对不同带宽的信道总共设计了4套OFDM参数，如下表所示：

表1

参数	取值
参数	取值				系统信道带宽(MHz)	1.25	5	10	20
采样频率(MHz)	1.4	5.6	11.2	22.4	系统信道带宽(MHz)	1.25	5	10	20
采样频率(MHz)	1.4	5.6	11.2	22.4	子载波个数	128	512	1024	2048
子载波间隔(KHz)	10.94				子载波个数	128	512	1024	2048

如表1所示，IEEE 802.16e Wireless MAN OFDMA可以工作于4种带宽下：1.25MHz、5MHz、10MHz和20MHz。由于对于各种带宽，其子载波间隔固定为10.94KHz。所以与这4种带宽相对应的子载波个数分别为128、512、1024和2048。

但上述OFDM数据传输方法的可用带宽只能为1.25MHz、5MHz、10MHz和20MHz等四种情况，而这四种情况的带宽呈指数变化，即分别是1.25MHz的带宽的1倍、4倍、8倍以及16倍，从而无法适应频谱共享中需要的均匀变化频谱资源。例如，系统原有10MHz的可用带宽，现在通过侦测获知临近的1.25MHz未被占用。由于11.25MHz不在表1所列的4种带宽模式之内，所以这1.25MHz的频谱就难以使用，从而造成了频谱资源的浪费。

为了适应更大范围的工作带宽，现有技术中另一种OFDM数据传输方法为：根据IEEE 802.20协议中设计的OFDM参数进行调制，并在接收端进行相应地解调。

其中，IEEE 802.20协议中设计的3种OFDM参数如下表所示：

表2

参数	取值
参数	取值			统信道带宽(MHz)	<5	<10	<20
采样频率(MHz)	4.9152	9.8304	19.6608	统信道带宽(MHz)	<5	<10	<20
采样频率(MHz)	4.9152	9.8304	19.6608	子载波个数	5 12	1024	2048
子载波间隔(KHz)	9.6			子载波个数	5 12	1024	2048

由表2可知，针对所有带宽≤5MHz的可用频谱，系统采用子载波间隔为9.6KHz的512个子载波。对于所有带宽在5MHz至10MHz的之间可用频谱，系统采用了子载波间隔为9.6KHz的1024个子载波。而对于所有带宽在10MHz至20MHz的之间可用频谱，系统采用子载波间隔为9.6KHz的2048个子载波。对于不同的可用频谱，IEEE802.20系统调整保护子载波数，即在可用带宽外的子载波上填“0”的方法，来实现不对工作于临近频段的设备产生干扰。

但是，在IEEE802.20协议中将OFDM调制子载波个数限定在2的幂次方(N＝2^k)这些数字上，并且通过调整可用载波个数(在高频位置补“0”)来适应均匀变化频谱求。这种方法在快速傅立叶变换(FFT，Fast Fourier Transform)点数少的时候可以获得很好的运算效率，但是当FFT点数上升的时候，补“0”的数目也会急剧上升，从而会导致计算复杂度的上升。这种方法的本质是牺牲计算复杂度，利用针对指数变化频谱设计的方法来适应均匀变化频谱资源的OFDM调制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于最小覆盖的数据传输方法及装置，用于在实现均匀变化频谱资源的OFDM调制的同时降低计算复杂度。

本发明提供的基于最小覆盖的数据传输方法，包括：发送端将所有待发送的子载波按最小子频带覆盖分割为若干个子频带；对每个子频带进行正交频分复用调制；将调制结果融合为模拟信号并发送；接收端将接收到的模拟信号恢复为对应的子频带并分别对其进行解调；将解调结果重新组合成为原发送的序列。

可选地，将所有待发送的子载波按最小子频带覆盖分割为若干个子频带的步骤包括：将系统最大允许使用的频谱资源按照频谱资源变化的颗粒度分割成若干个子信道并对每一个子信道进行编号；根据所述分割与编号，将可用频谱占用的子信道数转换为二进制表达式；对所述二进制表达式进行计算获得最小个数的已设计带宽的子频带的覆盖；将子信道中所有待发送的子载波按照所述最小个数的已设计带宽的子频带的覆盖进行分割。

可选地，在对每个子频带进行正交频分复用调制之前进一步包括：对每个子频带，利用Cooley-Tukey方法进行快速逆傅立叶变换；对每个子频带，经过所述快速逆傅立叶变换之后，将并行序列转换成为临时串行序列；对每个子频带，在所述临时串行序列之前增加循环前缀形成串行序列。

可选地，将每个子频带上的串行序列进行数/模转换后得到的模拟波形的持续时间为子载波间隔。

可选地，接收端将接收到的模拟信号恢复为对应的子频带并分别对其进行解调的步骤包括：将接收到的模拟信号经过滤波器组恢复成为发送端发送的子频带；对每个子频带的模拟波形进行采样，量化以及编码形成数字信号。

可选地，所述采样率为每个子频带包含的子载波数目与子载波间隔的乘积。

可选地，在发送端将所有待发送的子载波按最小子频带覆盖分割为若干个子频带之后进一步包括：对各子频带的带宽进行比较；将带宽小的子频带放置于低频位置，将带宽大的子频带放置于高频位置。

本发明提供的数据传输装置，包括：发送端以及接收端；所述发送端用于将所有待发送的子载波按最小子频带覆盖分割为若干个子频带，对每个子频带进行正交频分复用调制并将调制结果融合为模拟信号并发送；接收端用于将接收到的模拟信号恢复为对应的子频带，分别对其进行解调，并将解调结果重新组合成为原发送的序列。

可选地，所述发送端包括：频谱分割单元，用于将所有待发送的子载波按最小子频带覆盖分割为若干个子频带；子频带调制单元，用于对所述每个子频带进行正交频分复用调制；融合单元，用于将所述对每个子频带的调制结果融合为模拟信号并发送。

可选地，所述接收端包括：解融合单元，用于将接收到的模拟信号恢复成为对应的子频带；子频带解调单元，用于对所述每个子频带进行解调；组合单元，用于将解调后的各子频带数字信号组合为原发送的序列。

本发明提供的数据发送装置，包括：频谱分割单元，用于将所有待发送的子载波按最小子频带覆盖分割为若干个子频带；子频带调制单元，用于对所述每个子频带进行正交频分复用调制；融合单元，用于将所述对每个子频带的调制结果融合为模拟信号并发送。

可选地，所述子频带调制单元包括：快速逆傅立叶变换单元，用于对每个子频带上的并行序列进行快速逆傅立叶变换，并将变换完成后的并行序列发送至并串转换单元；并串转换单元，用于将接收到的每个子频带上的并行序列转换为每个子频带上对应的临时串行序列，并将所述临时串行序列发送至添加处理单元；添加处理单元，用于对接收到的临时串行序列添加循环前缀形成串行序列。

本发明提供的数据接收装置，包括：解融合单元，用于将接收到的模拟信号进行恢复为对应的子频带；子频带解调单元，用于对所述每个子频带进行解调；组合单元，用于将解调后的各子频带数字信号组合为原发送的序列。

可选地，所述子频带解调单元包括：消除处理单元，用于对每个子频带上的串行序列去除循环前缀形成临时串行序列并发送至串并转换单元；串并转换单元，用于将接收到的每个串行序列转换为对应的并行序列并发送至快速傅立叶变换单元；快速傅立叶变换单元，用于对接收到的每个并行序列进行快速傅立叶变换。

以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

首先，本发明将子载波按最小子频带覆盖分割为若干个子频带并对每个子频带进行OFDM调制，在进行IFFT转换时，将原先的长序列分割为若干个短序列分别进行IFFT转换，所以数字运算能力以及存储能力的要求比较低，进而降低了计算复杂度；

其次，本发明对每个子频带都进行独立的OFDM调制，由于每个子频带的调制相对独立，所以本发明可以和已有系统充分兼容，提高了本发明方法的兼容性。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明实施例一中频带分割与编号示意图；

图3为本发明实施例一中最小个数子信道覆盖示意图；

图4为本发明实施例一中OFDM发送与接收示意图；

图5为本发明实施例二数据传输装置结构示意图；

图6为本发明实施例三数据发送装置结构示意图；

图7为本发明实施例四数据接收装置结构示意图；

图8为本发明方法方案与现有技术方案IFFT的计算复杂度比较示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于最小覆盖的数据传输方法及装置，用于在实现均匀变化频谱资源的OFDM调制的同时降低计算复杂度。

请参阅图1，本发明方法流程包括：

101、将所有待发送的子载波分割成为子频带；

其中，发送端将所有待发送的子载波按最小子频带覆盖分割为若干个子频带。

102、进行正交频分复用调制；

其中，对每个子频带进行正交频分复用调制。

103、融合并发送；

其中，将调制结果融合为模拟信号并发送。

104、恢复子频带并解调；

其中，接收端将接收到的模拟信号恢复为对应的子频带并分别对其进行解调。

105、重新组合为原发送的序列。

其中，将解调结果重新组合成为原发送的序列。

下面结合实施例对本发明数据传输方法及装置进行详细描述：

实施例一：

请参阅图4，图4为完整的使用最小个数子频带覆盖OFDM发送与接收过程，下面分为发送和接收两个流程进行描述：

发送端：

1、将待发送序列通过串并转换分配在N个子载波上；

2、将上述N个子载波通过最小子频带覆盖方法分割成K个子频带，每个子频带中包含M_k＝2ⁿ个子载波；

其中，将N个子载波分割成K个子频带的方法如下所述：

21)将系统最大允许使用的频谱资源按照频谱资源变化的颗粒度，分成若干个子信道，并对每一个子信道进行编号。通过参数设计，使每个子信道中的子载波数目为2的幂次方个(表示为SC_N＝2^c)；

22)由2的幂次方(表示为SB_N＝2^b)个连续的子信道构成一个子频带，任意个数连续的子频带又构成一个频带。一个频带可以使用一个有序数对表示：(子信道起始点，占用子信道数)

例如，如图2所示，系统中频谱变化的颗粒度为1.25MHz，则可以定义一个子信道的带宽为1.25MHz。假设对每个子信道的采样率为1.92MHz，并且子载波间隔为30KHz，则每个子信道中包含有64个子载波。同时假设最大允许使用的频谱资源为100MHz。则可以将这段频谱量化为80个1.25MHz子信道，总共5120个子载波。其中系统可用的45MHz频带可以用有序数对(5，36)表示。

23)经过对频谱的分割与编号，可用频谱资源的频带宽度就可以通过“占用子信道数”BW_N表示，将其表示成二进制形式如下式：

BWN＝(d_N，d_N-1，d₁，d₀)₂

式中非“0”的数据位组成的集合{d_i}可以完全表现出整个可用频带的分割情况。集合中元素的个数表示整个可用带宽可以分成的子频带数，而每个表示非‘0’数据位K则表示该子频带的频带宽度为2^K。例如在图2中，45MHz的可用频带可以表示成下式。

BWN＝(36)₁₀＝(1，0，0，1，0，0)₂＝45MHz

其中的2个非“0”位说明可以将带宽为45MHz的可用频带分为2个子频带。其位置分别对应带宽为2⁵＝32(40MHz)的子信道和2²＝4(5MHz)的子信道。

同时可以制定一个默认的子频带分配方式，例如带宽小的子频带放在低频的位置，以便于广播信道(BCH，Broadcast Channel)信息的传递，而将高带宽的子频带放置在高频位置，以提高数据业务的传输效率，其示意图如图3所示。

3、在每一个子频带上，使用文献《Digital Signal Processing：Principle，Algorithms，and Applications(Third Edition)》中Cooley-Tukey方法计算M_k点IFFT；

4、在每一个子频带上，将经过IFFT处理之后的M_k点并行序列转换成临时串行序列；

5、在每一个子频带上，在长度为M_k点的临时串行序列前加入循环前缀形成串行序列；

6、将每一个子频带上串行序列进行数/模变换变成模拟波形；

其中，每一个子频带上的串行序列经过数/模变换之后的波形具有相同的持续时间1/Δf，其中Δf为子载波间隔。

7、将每一个子频带上的模拟波形按其子频带带宽进行成形滤波；

8、将每一个子频带上的模拟信号通过模拟中频调制分别调制到各自子频带的频点上(例如各子频带的起始频率)；

9、将整个频带调制到射频，通过天线发送。

接收端：

10、通过天线接收信号，将接收到的信号通过接收滤波器进行滤波恢复成为发送端发送的若干个子频带；

11、对不同的子频带进行相应地模/数转换；

其中，对于经过接收滤波器组之后每个子频带上的模拟波形需要采用不同的采样率进行采样，其采样频率与子载波间隔具有如下的关系：

F_sk＝M_k*Δf。

在本发明的OFDM数据传输过程中，用于FFT的计算资源可以估计如下：

假设输入信号有

N = Σ_{K = 1}^{K} M_{K}

点，则整个OFDM调制可以分成K个Mk点的FFT组成，所以其所需的复数乘法和加法分别为下式所示：

N_{addition} = Σ_{i = 1}^{K} (M_{i} * \log_{2} M_{i});

N_{multiplication} = Σ_{i = 1}^{K} (\frac{M_{i}}{2} * \log_{2} M_{i}) .

12、将数字信号去除循环前缀；

13、将数字串行序列转换为并行序列；

14、对不同的并行序列进行FFT；

15、将变换完成的并行序列组合转换为串行序列输出。

实施例二：

请参阅图5，本发明数据传输装置，包括：发送端501以及接收端502；发送端501用于将所有待发送的子载波按最小子频带覆盖分割为若干个子频带，对每个子频带进行正交频分复用调制并将调制结果融合为模拟信号并发送；接收端502用于将接收到的模拟信号恢复为对应的子频带，分别对其进行解调，并将解调结果重新组合成为原发送的序列。

其中，发送端501包括：频谱分割单元5011，用于将所有待发送的子载波按最小子频带覆盖分割为若干个子频带；子频带调制单元5012，用于对所述每个子频带进行正交频分复用调制；融合单元5013，用于将所述对每个子频带的调制结果融合为模拟信号并发送。

其中，接收端502包括：解融合单元5021，用于将接收到的模拟信号恢复成为对应的子频带；子频带解调单元5022，用于对所述每个子频带进行解调；组合单元5023，用于将解调后的各子频带数字信号组合为原发送的序列。

实施例三：

请参阅图6，本发明数据发送装置600包括：频谱分割单元5011，用于将所有待发送的子载波按最小子频带覆盖分割为若干个子频带；子频带调制单元5012，用于对所述每个子频带进行正交频分复用调制；融合单元5013，用于将所述对每个子频带的调制结果融合为模拟信号并发送。

其中，子频带调制单元5012包括：快速逆傅立叶变换单元601，用于对每个子频带上的并行序列进行快速逆傅立叶变换，并将变换完成后的并行序列发送至并串转换单元602；并串转换单元602，用于将接收到的每个子频带上的并行序列转换为每个子频带上对应的临时串行序列，并将所述临时串行序列发送至添加处理单元603；添加处理单元603，用于对接收到的临时串行序列添加循环前缀形成串行序列。

实施例四：

请参阅图7，本发明数据接收装置700包括：解融合单元5021，用于将接收到的模拟信号进行恢复为对应的子频带；子频带解调单元5022，用于对所述每个子频带进行解调；组合单元5023，用于将解调后的各子频带数字信号组合为原发送的序列。

其中，子频带解调单元5022包括：消除处理单元701，串并转换单元702以及快速傅立叶变换单元703；消除处理单元701用于对每个子频带上的串行序列去除循环前缀形成临时串行序列并发送至串并转换单元702；串并转换单元702将接收到的每个串行序列转换为对应的并行序列并发送至快速傅立叶变换单元703；快速傅立叶变换单元703对接收到的每个并行序列进行快速傅立叶变换。

图8为本发明与现有技术IFFT的计算复杂度试验结果比较示意图，从该图中可以看出，与调整子载波数来匹配频谱带宽(现有技术中补“0”)的方法相比，本发明将一个长序列的IFFT转换为若干个短序列的IFFT之后，数字运算能力以及存储能力的要求降低，本发明降低了计算复杂度，有利于提高采用OFDM的数据传输效率。如图8，图中黑色实线表示本发明所需的用于计算IFFT的计算量，虚线为现有技术补“0”算法的计算复杂度。

以上对本发明所提供的一种基于最小覆盖的数据传输方法及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种基于最小覆盖的数据传输方法，其特征在于，包括：

发送端将所有待发送的子载波按最小子频带覆盖分割为若干个子频带；

对每个子频带进行正交频分复用调制；

将调制结果融合为模拟信号并发送；

接收端将接收到的模拟信号恢复为对应的子频带并分别对其进行解调；

将解调结果重新组合成为原发送的序列。

2.根据权利要求1所述的基于最小覆盖的数据传输方法，其特征在于，将所有待发送的子载波按最小子频带覆盖分割为若干个子频带的步骤包括：

将系统最大允许使用的频谱资源按照频谱资源变化的颗粒度分割成若干个子信道并对每一个子信道进行编号；

根据所述分割与编号，将可用频谱占用的子信道数转换为二进制表达式；

对所述二进制表达式进行计算获得最小个数的已设计带宽的子频带的覆盖；

将子信道中所有待发送的子载波按照所述最小个数的已设计带宽的子频带的覆盖进行分割。

3.根据权利要求1或2所述的基于最小覆盖的数据传输方法，其特征在于，在对每个子频带进行正交频分复用调制之前进一步包括：

对每个子频带，利用Cooley-Tukey方法进行快速逆傅立叶变换；

对每个子频带，经过所述快速逆傅立叶变换之后，将并行序列转换成为临时串行序列；

对每个子频带，在所述临时串行序列之前增加循环前缀形成串行序列。

4.根据权利要求1或2所述的基于最小覆盖的数据传输方法，其特征在于，将每个子频带上的串行序列进行数/模转换后得到的模拟波形的持续时间为子载波间隔。

5.根据权利要求1所述的基于最小覆盖的数据传输方法，其特征在于，接收端将接收到的模拟信号恢复为对应的子频带并分别对其进行解调的步骤包括：

将接收到的模拟信号经过滤波器组恢复成为发送端发送的子频带；

对每个子频带的模拟波形进行采样，量化以及编码形成数字信号。

6.根据权利要求5所述的基于最小覆盖的数据传输方法，其特征在于，所述采样率为每个子频带包含的子载波数目与子载波间隔的乘积。

7.根据权利要求1、3、5或6中任一项所述的基于最小覆盖的数据传输方法，其特征在于，在发送端将所有待发送的子载波按最小子频带覆盖分割为若干个子频带之后进一步包括：

对各子频带的带宽进行比较；

将带宽小的子频带放置于低频位置，将带宽大的子频带放置于高频位置。

8.一种数据传输装置，其特征在于，包括：发送端以及接收端；所述发送端用于将所有待发送的子载波按最小子频带覆盖分割为若干个子频带，对每个子频带进行正交频分复用调制并将调制结果融合为模拟信号并发送；接收端用于将接收到的模拟信号恢复为对应的子频带，分别对其进行解调，并将解调结果重新组合成为原发送的序列。

9.根据权利要求8所述的数据传输装置，其特征在于，所述发送端包括：

频谱分割单元，用于将所有待发送的子载波按最小子频带覆盖分割为若干个子频带；

子频带调制单元，用于对所述每个子频带进行正交频分复用调制；

融合单元，用于将所述对每个子频带的调制结果融合为模拟信号并发送。

10.根据权利要求8或9所述的数据传输装置，其特征在于，所述接收端包括：

解融合单元，用于将接收到的模拟信号恢复成为对应的子频带；

子频带解调单元，用于对所述每个子频带进行解调；

组合单元，用于将解调后的各子频带数字信号组合为原发送的序列。

11.一种数据发送装置，其特征在于，包括：

12.根据权利要求11所述数据发送装置，其特征在于，所述子频带调制单元包括：

快速逆傅立叶变换单元，用于对每个子频带上的并行序列进行快速逆傅立叶变换，并将变换完成后的并行序列发送至并串转换单元；

并串转换单元，用于将接收到的每个子频带上的并行序列转换为每个子频带上对应的临时串行序列，并将所述临时串行序列发送至添加处理单元；

添加处理单元，用于对接收到的临时串行序列添加循环前缀形成串行序列。

13.一种数据接收装置，其特征在于，包括：

解融合单元，用于将接收到的模拟信号进行恢复为对应的子频带；

子频带解调单元，用于对所述每个子频带进行解调；

14.根据权利要求13所述的数据接收装置，其特征在于，所述子频带解调单元包括：消除处理单元，用于对每个子频带上的串行序列去除循环前缀形成临时串行序列并发送至串并转换单元；串并转换单元，用于将接收到的每个串行序列转换为对应的并行序列并发送至快速傅立叶变换单元；快速傅立叶变换单元，用于对接收到的每个并行序列进行快速傅立叶变换。