CN101433046B - 基于认知无线电的ofdma通信的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

描述了允许多个用户、用户组、或载波共享一个或多个信道的多用户模式。在本发明中，根据标准OFDM惯例将可用信道带宽细分成多个等带宽的子信道。应用程序通知发射机其需要以特定速率发射数据。发射机确定达到该数据率所需的最小子信道数和每一子信道的最大能量(或噪声)阈值并选择匹配那些要求的一组子信道。这些子信道在频谱中不必是毗邻的或属于同一信道。一旦发射机选择了所要求数目的子信道，其则在那些子信道上、在那些子信道使用的整个带宽上同时开始发射。

Description

基于认知无线电的OFDMA通信的方法和系统
发明背景 
1.发明领域 
本发明一般涉及无线通信，且更具体地涉及高效地共享OFDM子信道的系统。 
2.相关技术的讨论 
频分多路复用(FDM)是在不同频率的载波上调制多个信号的公知过程。FDM在无线电和电视广播中已经使用了几十年。在不同的频率上发送和接收无线电和电视信号，每一频率都对应于一个不同的“信道”。 
至少自20世纪60年代晚期起，本领域内也已经知晓正交频分多路复用(OFDM)。在OFDM中，单个发射机同时在多个不同的正交频率上进行发射。正交频率是关于这些频率之间的相对相位关系独立的频率。在OFDM中，可用带宽被细分为多个等带宽的“子信道”。OFDM对于无线通信是有利的，因为其减少信号传输之间的干扰或串扰，从而最终准许以具有更少误差的更高吞吐量进行数据传输。OFDM也被称为离散多音调制(DMT)。现今用于无线通信的许多标准中都利用了OFDM。例如，IEEE802.11a无线局域网标准和802.11g无线局域网标准两者都依赖于OFDM的实现来进行信号传输。描述OFDM的一个早期参考文献是R.W.Chang的Synthesis of band-limited orthogonal signals for multi-channel datatransmission，Bell System Technical Journal(46)，1775-1796(1966)(R.W.Chang，用于多信道数据传输的带宽受限正交信号合成，贝尔系统技术期刊(46)，1775-1796(1966))。 
OFDM由此通过将一个高速数据流分解成随后被并行地(即，同时地)发送的多个较低速的数据流来工作。每一较低速的流都被用来调制一个副载波。这通过将宽频带(或信道)分为各自都用一信号流来调制的多个较窄的频带(或子信道)创建了“多载波”传输。通过同时发送各自都处于较低速率的多个信号流，可以削弱或消除诸如多径或Raleigh衰落等干扰，而不降低总的传输速率。
正交频分多址(OFDMA)是OFDM的改进。在OFDMA中，不同的子信道组被分配给不同的用户。现今，OFDMA被用在用于陆地交互式电视网络的DVB-RCT规范中和用于宽带无线接入网络的IEEE802.16a规范中。OFDMA在H.Sari和G.Karam的“Orthogonal Frequency-DivisionMultiple Access and its Application to CATV Networks(正交频分多址及其在CATV网络的应用)”，European Transactions on Telecommunications &Related Technologies(欧洲电信及其相关技术学报)(ETT)，第9卷，第6册，第507-516页，1998年11月-12月中描述。OFDMA也被称为多用户OFDM。 
认知无线电是用于无线通信的、其中发射机和接收机可以基于各种因素来更改通信参数的系统。这些因素的非独占性列表包括要发射的讯息的本质、许可的或未许可的频率的可用性、用户行为、网络状态、特定频率处的噪声或其它干扰、和对带宽的其它用户的检测。认知无线电在J.Mitola，III和小G.Q.Maguire的“Cognitive Radio：Making Software Radios MorePersonal(认知无线电：使软件无线电更个人化)”，IEEE PersonalCommunications(IEEE个人通信)，6(4)：13-18，1999年8月中描述。 
概述 
本概述以简化的形式提供了本发明各方面的说明性上下文。其并不旨在用于确定所要求保护的主题的范围。本发明的各方面将在以下详细描述中更完整地描述。 
在所要求保护的本发明中，以一种新颖的方式组合OFDMA和认知无线电的各方面来创建更高效地使用OFDM子信道以进行无线通信的系统。 
此处描述的是用于允许多个用户、用户组、或载波共享一个或多个信道的多用户模式的实现的系统和方法。在本发明中，可用信道带宽根据标准OFDM惯例被细分为多个等带宽的子信道。应用程序通知发射机其需要以特定速率发射数据。发射机确定达到该数据率所需的最小子信道数和每一子信道的最大能量(或噪声)阈值并选择匹配那些要求的一组子信道。这些子信道在频谱中不必是毗邻的或属于同一信道。一旦发射机选择了所要求数目的子信道，其则在那些子信道上、在那些子信道使用的整个带宽上 同时开始发射。 
在本发明的一实施例中，发射机使用傅立叶逆变换算法将从应用程序接收到的频域中的信号转换到时域以供无线传输。较佳地，使用快速傅立叶变换算法。在所选子信道使用的整个带宽上执行傅立叶逆变换。 
向接收机提供各种方法来确定正使用哪些子信道。在一实施例中，接收机使用传统傅里叶变换算法，较佳地使用快速傅里叶变换来恢复数据。类似地，在所选子信道使用的整个带宽上执行快速傅立叶变换。 
附图简述 
附图不旨在按比例绘制。在附图中，各个附图中示出的每一完全相同或近乎完全相同的组件由同样的标号表示。为清楚起见，不是每个组件在每张附图中均被标号。在附图中： 
图1是示出将要使用的信道带宽细分成若干等带宽的子信道的的频谱图。 
图2是多载波OFDM数字通信系统的框图。 
图3是示出本发明的一实施例的流程图。 
图4是实现本发明的一些方面的系统的图。 
详细描述 
本发明涉及认知无线电原理在OFDMA传输中的新用途。根据所要求保护的本发明，该系统只选择具有低噪声等级的那些OFDM子信道。该系统随后在所选子信道占据的整个频谱上使用傅立叶逆变换算法，在所选子信道上发射数据。由此，若干用户或用户组可以高效地共享同一带宽。本发明能以硬件或软件、或其某种组合来实现。各实施例包括系统、方法、和存储在计算机可读介质中的指令。 
计算机可读介质可以是可由计算机访问的任何可用介质。作为示例而非局限，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据等信息的任意方法或技术来实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机存储介质包括但不限于，RAM、ROM、EEPROM、闪存或其它存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其它光盘存储、 磁盒、磁带、磁盘存储或其它磁存储设备、其它类型的易失性和非易失性存储器、可以用来储存所期望的信息并可由计算机访问的任何其它介质、以及上述的任何适当的组合。 
计算机可读介质可以是可转移的，使得储存在其上的指令可被加载到任何合适的计算机系统资源中以实现此处所讨论的本发明的各方面。另外，应当理解，上述储存在计算机可读介质上的指令不限于作为运行在主计算机上的应用程序的一部分来体现的指令。相反，指令可作为可用于对处理器编程以实现本发明的以下讨论的各方面的任何类型的计算机代码(例如，软件或微码)来体现。 
本发明不将其应用程序限于以下描述中阐明的或附图中示出的构造细节和组件的安排。本发明能够使用其它实施例且能够以多种方式来实践或实施。同样，此处所用的短语和术语是出于描述的目的而不应被认为是限制。此处对“包括”、“包含”、或“具有”、“含有”、“涉及”及其变型的使用旨在包括其后所列的项目及其等效物以及其它项目。 
如图1所示，在OFDM中，可用信道带宽W被细分为多个等带宽的子信道。每一子信道都足够狭窄以使该子信道的频率响应特性几乎是理想化的。子信道的数目是总的可用带宽除以每一子信道的带宽。由此，子信道的数目K可表达为： 
K = W Δf
每一子信道k都具有相关联的载波。该载波可表达为： 
xk(t)＝sin2πfkt 
其中，xk(t)是作为时间t的函数的子信道k的载波。fk是子信道k的中频，且k的范围从0到K-1。 
对于每一子信道，码元速率1/T都被设置为等于相邻副载波的间距Δf。副载波由此在码元间隔T上正交，从而独立于副载波之间的相对相位关系。这一关系可如下表达为： 
∫ 0 T sin ( 2 π f k t + φ k ) sin ( 2 π f j t + φ j ) dt = 0
其中，fk-fj＝n/T，n＝1，2，...，独立于相位Φk和Φj的值。
在OFDM系统中，可以相对于利用整个带宽W并以与OFDM系统相同的速率传输数据的单载波系统上的码元速率来降低每一子信道上的码元速率。因此，OFDM系统中的码元间隔T(码元速率的倒数)可被表达为： 
T＝KTs
其中，Ts是利用整个带宽W并以与OFDM系统相同的速率传输数据的单载波系统的码元间隔。例如，如果一个信道的整个带宽上的码元速率是每秒7200万个码元，且信道被分为48个子信道，则每个子信道每秒只需要承载每秒150万个码元就可达到相同的总数据率。这一较低的码元速率降低了码元间干扰并且因而减轻多径衰落的影响。因此，OFDM提供优良的链路质量和通信的稳健性。 
在OFDM系统中，发射机接收频域中的输入数据并将其转换成时域信号。该时域信号调制载波以供无线传输。接收机接收该信号，解调载波，并将该信号转换回频域以供进一步处理。 
图2中示出了简化的OFDM系统。在所示实施例中，应用程序向OFDM发射机200提供输入数据流201。在标准TCP/IP通信栈中，该数据将在物理层或数据链路层接收；然而，本发明不限于任何特定数据源或向发射机提供该数据的机制，且能以硬件或软件以及在网络栈的各层处实现。输入数据流201由串并转换缓冲区202接收。串并转换缓冲区202将串行数据流分解为若干并行数据流。并行数据流的数目等于为OFDM广播所选的子信道的数目，或等于以上所使用的K。下面讨论本专利中要求保护的选择用于OFDM广播的信道的新颖过程。 
在一实施例中，串并转换缓冲区202将从输入数据201接收到的信息序列分为Bf比特大小的帧。每一帧中的Bf个比特都被解析为K组，其中向第i组分配bi个比特。这一关系可如下表达为： 
Σ i = 1 K b i = B f
串并转换缓冲区202所生成的并行数据流的每一个随后都被发送到多载波调制器203。多载波调制器203用并行数据流的每一个来调制每个所选副载波。尽管可以使用将频域信号转换成时域信号的任何算法，但通过使用快速傅立叶逆变换算法可以高效地实现多载波调制器203来计算时域信 号。 
多载波调制器203可以使用任何调制方案来调制每个传入的数据流。在一较佳实施例中，用正交幅度调制(QAM)来调制信号。可以使用任何QAM星座图。例如，调制器可以使用16-QAM、64-QAM、128-QAM或256-QAM。可以基于所要求的数据率、可用子信道、每一子信道上的噪声、或其它因素来选择调制方案。 
在该示例中，多载波调制器203由此生成K个独立的QAM子信道，其中每一子信道的码元速率是1/T且每一子信道中的信号都具有不同的QAM星座图。根据该示例，第i个子信道的信号点的数目可被表达为： 
Figure G2007800151724D00061
对应于K个子信道的每一个上的信息信号的复数值信号点可被表示为Xk，其中k＝0，1，...，K-1。这些码元Xk表示多载波OFDM信号x(t)的离散傅里叶变换，其中每一副载波上的调制都是QAM。由于x(t)一定是实数值信号，所以其N点离散傅里叶变换Xk一定满足对称性质。因此，系统通过如下定义从K个信息码元中创建N＝2K个码元： 
X N - K = X K * , k = 1,2 , . . . , K - 1
X 0 ′ = Re ( X 0 )
XN＝Im(Xo) 
在此，X0被分为两部分，其两者都是实数。新的码元序列可被表达为 
Figure G2007800151724D00064
其中k＝0，1，...，N-1。每一子信道xn的N点离散傅立叶逆变换从而可被表达为： 
x n = 1 N Σ k = 0 N - 1 X k ′ exp ( j 2 πnk / N ) n = 0,1 , . . . , N - 1
在该等式中，
Figure G2007800151724D00066
是比例因子。其中0<＝n<＝N-1的序列xn从而对应于包括K个副载波的多载波OFDM信号x(t)的各个样本。 
在204，向并行的已调制载波的每一个添加作为保护间隔的循环前缀。该保护间隔确保子信道维持正交，即使多径衰落使得副载波以某些延迟扩展到达接收机。随后在204将具有循环前缀的并行流合并回单个串行流。最后，数字数据流被转换成模拟信号205，并输出以供无线传输。 
所发射的信号可由接收机210接收并被处理以恢复原始数据流。首先， 模数转换器211将模拟信号转换回数字信号。在212，移除循环前缀并将各分离的副载波转换回各分离的流。多载波解调器213较佳地使用快速傅里叶变换算法解调每一并行数据流。最后，在214将并行流重新组装成单个串行流中并输出到接收设备215。 
本领域普通技术人员将认识到的该系统的关键发明性方面是用于选择要使用的子信道的方法。该方法将认知无线电原理应用于OFDMA。图3中示出了该方法的一个示例。 
图3描绘示出可由发射机利用来选择要使用的子信道的过程的流程图。该过程能以硬件或软件来实现。 
首先，应用程序301请求特定数据率以供传输。该数据率通常取决于要传输的数据类型，但出于本发明的目的，可以请求任何任意数据率。 
在302，发射机计算达到所请求的数据率所需的最小子信道数和每一子信道的最大能量(或噪声)阈值。 
发射机随后开始选择子信道的迭代过程来满足所要求的准则。在303，发射机从对其可用的频谱范围内调谐到一个子信道。在304，发射机检测该信道上的能级。在305，发射机将所检测的能级与该信道的阈值进行比较。如果能级超出阈值，则丢弃该子信道306。如果其低于阈值，则保留该子信道307。 
在308系统随后检查其是否已经标识了足够数目的子信道以满足要求。如果子信道不足够，则在309系统检查是否有可用于测试的更多子信道。如果其它子信道是可用的，则系统将返回到303并测试下一可用子信道。如果没有其它子信道可用，则在311系统向应用程序发信号指示所请求的数据率是不可能的。 
一旦系统标识了足够数目的子信道，则在310其随后将在那些所选的子信道上开始传输。在一较佳实施例中，在所选子信道使用的整个带宽上执行傅立叶逆变换。 
例如，IEEE802.11a标准在频谱的5GHz带处提供无线通信。在美国，关于802.11a标准的允许室内使用的可用频谱大约是5.180GHz到5.340GHz，或160MHz宽。该160MHz的频谱被分为八个不重叠的信道，每一 信道都是20MHz宽。每一20MHz信道都可以根据OFDM原理被分为52个子信道，其中每一子信道都大约是300KHz宽。在该示例中，因而将有416个可被用于传输的窄带子信道。为达到所要求的数据率，发射机可以选择不超过特定噪声或干扰阈值的20个子信道。如果那些子信道分布在前三个20MHz信道中，则发射机将对在整个60MHz带宽上的信号执行傅立叶逆变换算法。注意，本发明不限于频谱的任何部分、任何数目的子信道、或任何通信标准。 
在本发明的另选实施例中，并非如图3所述个别地检查每一子信道上的能级，而是系统可以一次检查若干子信道，或一次检测整个可用频谱中的所有子信道上的能量，并随后丢弃超出能量域的子信道。 
接收机可以使用各种方法来确定所使用的子信道。在一实施例中，接收机执行与发射机相同的能量检测来标识正确的子信道。在另一实施例中，接收机从发射机接收已知频率上的指示选择哪些子信道来传输的信号。在这些实施例的任一个中，接收机都可以执行传统快速傅里叶变换来恢复数据。如同发射机一样，接收机将在所有所选子信道使用的整个带宽上执行快速傅里叶变换。 
在本发明的另一实施例中，如果两个或更多发射机在给定子信道上互相干扰，则每一发射机都可以将一随机定时器与该子信道进行关联。每一发射机随后在再一次检查该子信道上的能级之前都等待该子信道上的随机定时器结束。如果发射机在该子信道上检测到噪声，则其将丢弃该子信道。如果其检测到该子信道是干净的，则其将保留该子信道。因为每一发射机在再一次检测能级之前都等待不同长度的时间，所以除一个之外的其它全部发射机都将丢弃该子信道。在该实施例中，两个或更多发射机可以选择可用子信道的不同的子集。 
图4示出本发明的另一实施例。该图示出从应用程序401接受数据率并向OFDM发射机404提供关于其将如何传输数据的信息的系统400。系统400包括子信道确定模块402和噪声检测模块403。子信道确定模块402确定要达到应用程序401所请求的数据率所需的OFDM子信道的总数和那些子信道的噪声阈值。噪声检测模块403测试每一可用OFDM子信道上的 噪声等级、选择一组子信道以使所选子信道的总数满足子信道确定模块402所确定的要求。系统400随后向发射机405提供所选子信道的身份，发射机405随后可以在所选子信道占用的整个带宽上使用傅立叶逆变换算法通过OFDM开始传输。在一另选实施例中，一独立模块依赖于噪声检测模块提供的数据来选择满足子信道确定模块所确定的要求的一组子信道。 
而在另一实施例中，本发明涉及具有用于执行各步骤的计算机可执行指令的计算机可读介质。这些步骤包括计算达到所请求的数据率所需的OFDM子信道的数目和每一子信道的噪声阈值，以及选择那些噪声等级小于噪声阈值的OFDM子信道。 
至此描述了本发明的至少一个实施例的若干方面，可以理解，本领域的技术人员可容易地想到各种更改、修改和改进。这样的更改、修改和改进旨在是本公开的一部分，且旨在处于本发明的精神和范围内。从而，前述描述和附图仅用作示例。

Claims (20)

1.一种在两个或多个设备之间以最小数据率进行无线通信的方法，所述方法包括以下动作：
a)确定达到所述最小数据率所需的OFDM子信道的最小数目和每一子信道的能量阈值；以及
b)将发射机调谐到一组一个或多个子信道；以及
c)在来自所述一组子信道的一个或多个子信道上执行能量检测；以及
d)从所述一组子信道中丢弃能级超出阈值的任何子信道；以及
e)对于被丢弃的每一子信道，向所述一组子信道添加一个或多个子信道；以及
f)重复动作c)到e)，直到选择了所述最小数目的能量低于所述阈值的子信道为止。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，动作b)中的所述任意一组子信道至少包括达到所述最小数据率所需的所述最小数目的子信道。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，动作c)中的所述能量检测是在动作b)中所选的整个一组子信道上执行的。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，接收机通过执行动作a)到f)来确定要被使用的所述一组子信道。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射机向接收机发送指示所述发射机已经选择的一组子信道的信号。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所选子信道上开始传输的动作。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述传输通过傅立叶逆变换算法来实现。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在预定频率上向接收机传输所选子信道的身份的动作。
9.一种用于以所请求的速率传输数据的、包括多个通信设备的无线通信系统，所述系统包括： 
a)确定以所述所请求的速率进行传输所需要的OFDM副载波的数目和每一OFDM副载波的能量阈值的子信道确定模块；
b)信噪等级检测模块，所述信噪等级检测模块检测每一OFDM副载波上的信噪等级，通过确定OFDM副载波上的信噪等级是否低于所述能量阈值来确定该OFDM副载波是否可用，以及选择一组可用副载波；以及
c)发射机，当该组的可用副载波的数目满足所述子信道确定模块所确定的OFDM副载波的数目时，所述发射机在所述一组可用副载波上进行传输，
其中当该组的可用副载波的数目不满足所述子信道确定模块所确定的OFDM副载波的数目时，提供关于所请求的速率不能实现的指示。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述发射机循序地测试每一可用的OFDM副载波。
11.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述发射机同时测试所有可用的OFDM副载波。
12.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述信噪等级检测模块是所述发射机的一部分。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述信噪等级检测模块依赖于来自接收机的反馈。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述发射机向接收机发送指示要使用的副载波的列表的信号。
15.一种以所请求的数据率进行无线通信的方法，所述方法包括：
a)计算达到所请求的数据率所需的OFDM子信道的数目和每一子信道的噪声阈值；
b)当具有小于所述噪声阈值的噪声等级的OFDM子信道的数目大于计算出的OFDM子信道的数目时，选择噪声等级小于所述噪声阈值的一组OFDM子信道；以及
c)当具有小于所述噪声阈值的噪声等级的OFDM子信道的数目小于计算出的OFDM子信道的数目时，提供关于所请求的数据率不能实现的指示。 
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使用快速傅立叶逆变换算法在所选的OFDM子信道所使用的整个带宽上传输数据。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使用快速傅立叶变换算法在所选的OFDM子信道所使用的整个带宽上接收数据。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括向接收机传输所选子信道的身份。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，对所选子信道的身份的传输发生在与传输数据所使用的频率不同的频率处。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述无线通信传输以正交幅度调制来调制的数据。 
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