CN101730981B - 通信系统中可伸缩ofdm和ofdma带宽分配 - Google Patents
通信系统中可伸缩ofdm和ofdma带宽分配 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了在诸如OFDM,OFDMA,或SC-FDMA系统的通信系统中带宽分配的技术,其用于改善频谱效率以及增加灵活性和适应性,其具有可伸缩单载波或多载波带宽分配特征。
Description
优先权要求和相关专利申请
本申请要求2007年3月23日提交的标题为“SCALABLEOFDM AND OFDMA BANDWIDTH ALLOCATION INCOMMUNICATION SYSTEMS”的第60/896,859号美国临时申请的权益,其以引用的方式包括在此,作为本申请说明书的一部分。
技术领域
本申请涉及有线和无线通信,包括基于OFDM(正交频分复用),OFDMA(正交频分多址),和SC-FDMA(单载波频分多址)系统的通信。
背景技术
在多种无线蜂窝网络中,通信容量和数据通吐量可能会由于没有可用的或拥堵的网络频谱而恶化。由于有意和无意电磁辐射的激增,想要的和不想要的信号导致分配的谱带日渐拥堵。这样的拥堵谱可导致信号恶化和干扰。例如,低功率信号和高功率信号可同时被接收器天线或天线阵列观察到。在这样的条件下,所需的信号可被模糊化且不可检测到,因为它们可掩埋在强得多的干扰信号簇下。
在可利用频谱的不同技术中,正交频分复用(OFDM)是已经为几种无线网络物理层标准化的多载波(multicarrier)数据传输技术。在OFDM中,分配的信道被分成大量正交子信道。每个子信道具有同样的带宽并由唯一组的子载波(subcarrier)信号形成。子载波信号是正交的,因为任意两个子载波的内积等于零。正交子载波信号的频率被等距离且最小限度地隔开,因此子载波信号的数据调制促进最佳的带宽效率。相比,多载波数据传输的频分复用利用非正交子载波信号并使用多段分配的信道带宽来隔离子载波信号频谱。
正交频分多址(OFDMA)是多用户形式的OFDM技术。多址是在OFDMA中通过分配正交子载波子集给各用户站(subscriberstation)实现的。OFDMA可当作频域多址和时域多址的组合,其中射频资源是在时间-频率空间(time-frequency space)内划分的,且网络用户数据突发是根据OFDM符号索引(OFDM symbol index)和OFDM子载波索引(OFDM sub-carrier index)分配的。OFDMA被多个标准体采用。
单载波频分多址(SC-FDMA)可当作线性预编码的OFDMA方案或单载波多址方案。SC-FDMA相对传统OFDMA的一个优点是SC-FDMA信号具有较低的峰值与平均功率比(PAPR),这是由于其固有的信号载波调制方法。SC-FDMA也可当作OFDMA的替换,特别对于上行链路通信,在上行链路通信中较低的PAPR有益于移动终端的功率效率。SC-FDMA已经在3GPP长期演进(LTE)或演进的UTRA中用于上行链路多址方案。
在频域中,OFDM或OFDMA信号由正交子载波构成,其数目决定快速傅立叶变换(FFT)的大小,NFFT。图1A示出OFDMA带宽定义。假定Δf是子载波间隔(subcarrier spacing),采样频率fs可以用下面的公式计算:
fs=Δf×NFFT
对于给定的标称信道带宽BW,NFFT中仅子载波子集NSIG被信号占据,称为信号带宽BWSIG。NSIG可包括常不含数据的DC子载波。不用于传输数据和信息的其余子载波用作保护子载波(guardsubcarrier)。保护子载波用来使信号自然衰减并产生FFT“砖墙(brickwall)”形状。选择FFT尺寸的经验法则是选择大于NSIG的两个中的最小功率。如图所示,正常信道带宽BW大于信号带宽,这是由于保护子载波存在于携带信号子载波(signal-carrying subcarriers)的两侧。选择采样频率fs大于正常信道带宽。
在OFDMA物理层中,定义了资源网格(resource grid)和基本资源块(resource block)。根据定义的资源网格,频域中一个或多个基本块为一组在某些标准中被定义为子信道。NSIG可含多个子信道或基本资源块,每个都由NSG个子载波构成。在本文献中子信道被用作最小信道带宽划分单元,且每个子信道具有NSG个子载波。
逆快速傅立叶变换(IFFT)建立OFDM或OFDMA波形,且相关时间段被称为有效符号时间(useful symbol time)TIFFT。图1B示出OFDM或OFDMA信号的时域符号结构。最后的有效符号周期的副本被称为循环前缀(CP)TG并被用来收集多路径,同时保持音调(tone)的正交性。此外,在符号时间终点的时隙和CP前小开窗周期可以被可选地加到时隙上。添加开窗周期可减小信号带内发射和信号带外发射。总符号时间TSYM包括额外的CP时间TG,和可选开窗时间TWIN,TSYM=TG+TIFFT+TWIN。使用周期扩展,要求在接收器执行FFT的样点可在扩展符号的长度上任何位置提取。这提供了多径免疫(multipath immunity)以及符号时间同步误差的容许量。
发明内容
本申请说明OFDM(正交频分复用)、OFDMA(正交频分多址)、和SC-FDMA(单载波频分多址)带宽分配技术,从而减少,并在某些情形中消除保护子载波。在不同实施中,所述技术可用来增强频谱使用的谱效率。
在一个方面,为正交频分复用(OFDM)或正交频分多址(OFDMA)系统分配频谱带宽的方法被描述为包括:为正交子载波选择公用子载波间隔(common subcarrier spacing);选择等于或大于载波的给定标称信道带宽的采样频率;以及将给定标称信道带宽内的子载波用于信号传输而不分配子载波作为载波给定标称信道带宽两端的保护子载波。
在另一个方面,为正交频分复用(OFDM)和正交频分多址(OFDMA)系统分配频谱带宽被描述为包括分配多个不同标称信道使其在频率上彼此连续而其间无保护频带;分配多个不同标称信道中所有子载波以使在两个相邻子载波间具有公用子载波间隔,以及在多个不同标称信道上对准(aligned);选择等于或大于给定标称信道带宽或多个标称信道带宽的采样频率;以及将给定标称信道带宽或多个信道带宽内的子载波用于信号传输,而不为多个不同标称信道的每个信道分配子载波作为标称信道带宽两端的保护子载波。
在另一方面,为正交频分复用(OFDM)、正交频分多址(OFDMA)系统、或单载波频分多址(SC-FDMA)分配频谱带宽的方法包括将频带分为多个具有正常信道带宽的信道;划分每个信道为多个子信道,每个子信道都包括多个子载波;以及选择标称信道带宽,以便每个标称信道带宽被均匀分成多个子信道。
在又一个方面,为正交频分复用(OFDM)、正交频分多址(OFDMA)、或单载波频分多址(SC-FDMA)系统分配频谱带宽的方法包括选择部署中两个相邻载波间的载波距离,以便属于两个不同载波的边缘子载波(edge subcarrier)彼此正交从而减少或消除载波间干扰。
在又一个方面,为正交频分复用(OFDM)、正交频分多址(OFDMA)、或单载波频分多址(SC-FDMA)系统分配频谱带宽的方法包括选择正交子载波的公用子载波间隔以均匀划分标称载波带宽。
在又一个方面,为正交频分复用(OFDM)、正交频分多址(OFDMA)、或单载波频分多址(SC-FDMA)系统分配频谱带宽的方法包括选择正交子载波的公用子载波间隔,其可将多个标称信道带宽均匀划分为多个载波系统。
这些和其他例子以及实施在附图、详细说明书和权利要求中更详细说明。
附图说明
图1A和1B分别示出频域和时域中示例性OFDM或OFDMA信号定义。
图2A示出,即使对于典型的同一OFDM技术部署,两个相邻OFDM系统间的载波距离也不能由子载波间隔均匀划分,不能跨两个载波边界保持子载波间隔,这会在边缘子载波处引起彼此间强烈的载波间干扰。
图2B示出保护子载波(无信号传输)和滤波被用来减少图2A中所述的载波间干扰。
图3A示出示例性OFDM或OFDMA信号,其中标称载波带宽被子载波间隔均匀划分。在某些应用或部署中无需保护子载波。
图3B示出示例性多载波OFDM或OFDMA部署,其中3个载波间不需要保护子载波且所有子载波彼此正交。
图3C示出如何生成多载波信号的例子。在该例子中,使用3个10MHz载波,子载波的数目不是精确的且仅用于图示的目的。应用本发明的方法,3个10MHz载波可并排部署且其间无保护带。
图4A示出多载波可伸缩OFDM或OFDMA带宽分配例子的变体。
图4B示出不在边缘子载波传输的可能选项,以便满足某些部署中要求的频谱屏蔽。
图5A示出可伸缩多载波OFDM或OFDMA网络的例子,其包括基站,中继站,和5个子载波站。
图5B展示多载波可伸缩OFDM和OFDMA混合带宽分配方案,其中中继站(RS)也支持混合的多载波部署。部署中载波信道带宽可分成多个不同的更小载波信道带宽。每个信道带宽能够独立支持其子载波站类,包括初始同步化过程。
图6A示出可伸缩多载波OFDM,OFDMA或SC-FDMA网络的例子,其中40MHz载波信道带宽可分成多个20MHz、10MHz、和5MHz载波信道带宽。
图6B示出动态多载波部署,其中不同的多载波信道带宽是实时动态支持的。
图6C示出部署中10MHz载波带宽如何能够分成两个5MHz载波信道的例子。
图7A和7B示出3x 10MHz信道带宽的多载波部署例子。
具体实施方式
不同通信系统定义OFDM,OFDMA或SC-FDMA符号结构从而包括保护子载波使得信号自然衰减并建立FFT“砖墙”形状,以便减少相邻信道间不必要的干扰。例子包括基于IEEE 802.16或WiMAX,超移动宽带(UMB),以及长期演进(LTE)系统的通信系统。
多种OFDM或OFDMA系统中具有保护子载波的符号结构可导致子载波间隔的变化。因此,不再保持两个邻近子载波的正交性,且该条件引起邻近符号间的符号间干扰。
图2A示出这样的例子,其中在同一OFDM技术部署中,两个相邻OFDM系统间的载波距离不能被子载波间隔均匀划分,且子载波间隔不能跨两个载波的边界维持恒定。子载波间隔中的变化引起在边缘子载波处载波间彼此强烈的干扰。
图2B示出典型的具有保护子载波的多载波OFDM或OFDMA带宽分配的例子。保护子载波占据频带而不传输有用信号和信息。基带滤波器的信号滤波被用来减少载波间干扰。这样的保护带也通常被其他技术利用。虽然对于减少无效信号干扰有用,但这样的保护带的存在减少正常信号带宽内传输数据和信息的可用子载波,并因此减少分配的频带内宝贵的频谱资源的利用。
本申请包括分配具有恒定子载波频率间隔的子载波频率和信号带宽以减少或消除无线通信系统(诸如OFDM和OFDMA系统)的频谱带宽分配中不必要的保护带的方法和设备的例子及实施。不同载波间的保护带可被消除并且增加整个频谱的频谱效率。在大多数开发的OFDM和OFDMA标准技术中,子载波间隔不能均匀划分标称RF载波带宽,这导致用于资源规划的可用子载波的数目不规则。通过选择最小尺寸的资源块,边缘子载波变得不能用于数据传输,并且它们通常称为保护子载波。频率效率常会由于不必要的保护子载波的存在而减小。
基于典型遗产16e设计的数字学(numerology)可在IEEE802.15e 2005中找到。10MHz标称载波带宽的子载波间隔被定义为10.9375KHz。落在10MHz带宽内的914个子载波中,仅840个子载波可用来传输信息;其余边缘子载波成为不用于传输信号的保护子载波;约8.8%的带宽被浪费。如果保护子载波可用于数据传输,则频率效率可提高8.8%。
最大频率效率可由下面的等式计算:
其中RModulation是调制率(如对于16QAM为4),nUsedSubcarriers是标称系统带宽内使用的子载波数量,Tsymbol是符号周期,而BWSystem是标称系统带宽。假定CP=0来计算系统最大nEfficiency
其中Δf是子载波间隔。
BWSystem≥nMaximumSubcarriers×Δf (等式3)
这里,nMaximumSubcarriers是标称系统带宽可具有的最大数目的子载波。
将等式2和等式3代入等式1得到下式:
因此,频率效率与载波标称带宽内最大数目的子载波上使用的子载波的数目成比例。
在3GPP2(第三代伙伴计划2)标准的UMB(超移动宽带)下,子载波间隔是9.6KHz,且不能被标称载波带宽如1.25MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz、或20MHz均匀划分。结果,某些边缘子载波留作不传输信号的保护子载波。该条件导致较低的频谱利用率或谱效率。在3GPP2(第三代伙伴计划2)标准的LTE(长期演进)下,子载波间隔是15KHz或7.5KHz,且不能被标称载波带宽如1.25MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz、或20MHz均匀划分。某些边缘子载波留作不传输信号的保护子载波。类似于UMB,LET中该条件导致较低的频谱利用率或谱效率。
一种减少或消除保护带的方法是选择能够均匀划分两个相邻载波的载波距离的正交子载波的公用子载波间隔(Δf)。在载波距离不能被子载波间隔均匀划分时,该技术可减少两个相邻载波引起的干扰,如图2A所示。
上述方法的一个实施是选择能够均匀划分给定标称信道带宽的正交子载波的公用子载波间隔(Δf)。12.5KHz和10KHz的子载波间隔(Δf)分别在表1和表2中给出作为OFDMA系统的实施例子。在表1中,12.5KHz的子载波间隔(Δf)可划分所有标称载波带宽。为每个载波带宽使用的子载波的数目可计算并在表1中示出。类似地,10KHz的子载波间隔(Δf)可均匀划分所有标称载波带宽。为每个载波带宽使用的子载波的数目可计算并在表2中示出。
表1示出12.5KHz的示例性子载波间隔和20个子载波的子信道。可替换地,16个子载波的子信道也可用于系统部署。
表2示出10KHz的示例性子载波间隔和20个子载波的子信道。
在典型OFDM或OFDMA部署中,相邻射频(RF)载波也用于相同或类似OFDMA技术。因此,可设置多个RF载波以便相邻RF载波间干扰被减小到最小。在一个实施中,子载波间隔可均匀划分所有标称载波带宽,示例性子载波间隔,如12.5MHz和10KHz在表1和表2中示出。在另一个OFDM,OFDMA或SC-FDMA实施中,给定标称信道带宽内不需要保护子载波。带外发射与相邻OFDM或OFDMA子载波正交或直接被数字和/或RF滤波器滤除。
图3A示出在一个实施中信号带宽可等于标称信道带宽。谱效率可以得到改善而不在不必要的保护子载波上浪费频谱带宽。
在另一个OFDM,OFDMA,或SC-FDMA实施中,如果所有信道的子载波间隔是均匀的且所有子载波在信道间对准,则多个OFDM或OFDMA信道可彼此相邻设置。谱效率可以得到改善而不在不必要的保护子载波上浪费频谱带。
图3B示出示例性多载波OFDM或OFDMA带宽分配。在图中,子载波间隔保持不变以及为跨标称带宽分配指示的两个相邻载波的带宽边界对准的频率。因为所有子载波彼此正交,对相邻RF载波的干扰被减小到最小。
在另一实施中,子载波间隔不能均匀划分所有标称载波带宽,其也可划分特殊RF频带的信道栅格,如250KHz。正交子载波的公用子载波间隔可以是在所述RF频带中所有邻近载波带宽分配的边界间对准的频率,从而减小或消除载波间干扰。这类实施的例子在图3C中示出。当OFDM,OFDMA,或SC-FDMA系统被设计来支持多载波时,该实施特别重要。
在一个实施中,子载波间隔均匀划分所有标称载波带宽和不同RF频带的多个信道栅格,如250KHz和200KHz。正交子载波的公用子载波间隔可以是在所述RF频带内多个RF频带中每个频带中所有邻近载波带宽分配的边界间对准的频率,从而减小或消除所述RF频带内载波间干扰。当OFDM,OFDMA,或SC-FDMA系统被设计来支持多载波和全球漫游时,该实施特别重要。
在另一实施中,多载波系统带宽可由不同大小的标称带宽组成。图4A示出具有非均匀带宽的多载波的示例性应用。只要基站是频率同步的,子载波保持彼此正交。不需要保护子载波。
图4B示出具有边缘保护载波的多载波的示例性应用,使得其可与其他技术共存。
在另一OFDM或OFDMA实施中,下行链路和上行链路带宽可不同。来自基站的下行链路可以是多载波系统,且来自中继站(RS)用户站(SS)(固定的,游牧式的,或移动站)的上行链路可仅工作于一个或某些标称信道带宽。图5A示出示例性多址网络。图5B示出基站和用户站间混合带宽分配情形。在图示中,基站可同时支持具有不同接入载波带宽的多个用户站。在同一图示中,中继站也可同时支持具有不同接入载波带宽的多个用户站。
该特征可应用到FDD和TDD模式。这与FDD模式中传统混合部署不同,在FDD模式中下行链路信道具有与配对的上行链路信道(paired uplink channel)不同(通常较大)的带宽。基站和用户站都必须利用下行链路和上行链路带宽,且其通常不用在TDD模式中。
在一个实施中,本申请中所述的通信系统可用正交频分复用(OFDM),正交频分多址(OFDMA),频分双工(FDD),和时分双工(TDD)操作。本节描述的这些技术可用于有线(wireline)和无线实施。
多个OFDM或OFDMA信道可从相同或不同基站传输的。只要基站是频率同步的,子载波保持彼此正交。不需要保护子载波。本申请可用于FDD和TDD模式。本申请可用于中继站。
在另一OFDM或OFDMA实施中,多个OFDM,OFDMA,SC-FDMA载波可从相同或不同基站传输。
图6A示出可伸缩多载波OFDM,OFDMA,或SC-OFDMA网络的例子,其中40MHz载波信道带宽可分成多个20MHz、10MHz、和5MHz载波信道带宽。在适当选择子载波间隔后,比如12.5KHz或10KHz,每个较小载波信道带宽与频带RF信道栅格位置频率对准,因此用户站可能潜在与较小载波,也就是5MHz、10MHz、或20MHz信道独立关联,而无需解码全部40MHz带宽。
图6B示出动态多载波部署,其中不同的多载波信道带宽是实时动态支持的。在该例子中,5MHz、6MHz、7MHz、10MHz、12MHz、14MHz、20MHz可在部署中同时由多载波系统支持。
图6C示出部署中10MHz载波带宽如何被分成两个5MHz载波信道的例子。20个子载波的子信道被用来解释子信道是如何被适当地定义从而支持多载波部署。
图7A和7B示出3x10MHz信道带宽的多载波部署例子。在图7A中,不需要保护子信道来满足频谱屏蔽要求。在图7B中,边缘子信道被分配为不用于传输信号的保护子信道,以便满足频谱屏蔽要求。当子载波间隔为12.5MHz且子信道由20个子载波组成时,子信道带宽为250KHz,多个子信道(每个250KHz)可用于保护子信道。
虽然该说明书包含许多细节,但这些细节不能解读为对发明范围或权利要求范围的限制,而是特殊实施例的特定特征的说明。在独立实施例情景中本说明书中描述的某些特征也可结合单个实施例实施。相反,单个实施例情形中说明的不同特征也可在多个实施例中独立地实施或以任何合适的子组合实施。而且,虽然上述特征可在某些组合中作用,甚至初始要求的那样,所要求组合的一个或多个特征在某些情形中可从组合中剔除,且所要求的组合可旨在子组合或子组合的变体。类似地,虽然在图中说明的操作是以特定的顺序,但这不能理解为要求这类操作是以所示的特定顺序或连续顺序执行的,或所有所示的操作可执行从而实现所需的结果。
仅说明了一些实施和例子,根据所做的说明,所述实施和例子以及其其他实施的变化和增强是可能的。其他实施例在权利要求的范围内。
Claims (24)
1.一种为正交频分复用(OFDM)、正交频分多址(OFDMA)、或单载波频分多址(SC-FDMA)系统分配频谱带宽的方法,包括:
选择正交子载波的公用子载波间隔,以均匀划分给定标称载波带宽。
2.一种为正交频分复用(OFDM)、正交频分多址(OFDMA)、或单载波频分多址(SC-FDMA)系统分配频谱带宽的方法,包括:
选择在多载波系统中均匀划分多个标称信道带宽的正交子载波的公用子载波间隔。
3.根据权利要求2所述的方法,包括:
在同一频带中将多个载波分配为彼此相邻作为一组,而各组之间保护带减少或没有保护带。
4.根据权利要求3所述的方法,其中:
所述多个载波具有相同或不同的标称带宽。
5.根据权利要求3所述的方法,其中:
所述多个载波具有不同的标称带宽。
6.根据权利要求3所述的方法,其中:
所述多个载波具有被实时、逐个时隙或逐个符号地动态支持的不同多载波信道带宽。
7.根据权利要求3所述的方法,其中:
正交子载波的公用子载波间隔在相邻载波的边界间在频率上被对准,从而减小或消除载波间干扰。
8.根据权利要求7所述的方法,其中:
将多个不同的标称载波在频率上分配为并排彼此相邻,以允许利用全部载波带宽而所述全部载波带宽间无保护带。
9.根据权利要求7所述的方法,其中:
所述公用子载波间隔被选择为均匀划分频带的所述信道栅格频率。
10.根据权利要求7所述的方法,其中:
所述公用子载波间隔均匀划分多个频带中多个不同信道栅格频率中的每一个。
11.根据权利要求9所述的方法,其中:
所述公用子载波间隔是12.5KHz,12.5KHz的所述公用子载波间隔划分250KHz和200KHz的所述RF信道栅格以提供多载波混合的带宽部署。
12.根据权利要求9所述的方法,其中:
所述公用子载波间隔是10KHz,10KHz的所述公用子载波间隔划分250KHz和200KHz的所述RF信道栅格以提供多载波混合的带宽部署。
13.根据权利要求9所述的方法,其中:
所述公用子载波间隔被选择为多次均匀划分信道栅格频率。
14.一种为正交频分复用(OFDM)、正交频分多址(OFDMA)、或单载波频分多址(SC-FDMA)系统分配频谱带宽的方法,包括:
将频带划分为具有正常信道带宽的多个信道;
将每个信道划分为多个子信道,每个所述子信道均包括多个子载波;以及
选择所述标称信道带宽,使得每个所述标称信道带宽被均匀划分为多个子信道。
15.根据权利要求14所述的方法,其中:
每个子信道配置为包括20个子载波用于系统部署。
16.根据权利要求14所述的方法,其中:
每个子信道配置为包括16个子载波用于系统部署。
17.根据权利要求14所述的方法,包括:
使用位于信道的频谱端部的一个或多个边缘子信道作为保护子信道而不传输信号,从而减小带外发射。
18.根据权利要求14所述的方法,包括:
在子信道中的所述载波带宽的中央提供DC子载波用于系统部署。
19.根据权利要求18所述的方法,包括:
使用所述DC子载波来运载和传输数据。
20.根据权利要求17所述的方法,其中:
在多个载波上将子信道分配为并排彼此相邻,而没有任何未分配的子载波组。
21.根据权利要求14所述的方法,包括:
使用公用发射器来传输所述信道。
22.根据权利要求14所述的方法,包括:
分别使用多个不同的发射器来传输所述多个信道,其中所述发射器在频率上是同步的。
23.一种为正交频分复用(OFDM)、正交频分多址(OFDMA)、或单载波频分多址(SC-FDMA)系统分配频谱带宽的方法,、包括:
为所有正交子载波选择公用子载波间隔;
选择等于或大于载波给定标称信道带宽的采样频率;以及
将所述给定标称信道带宽内的子载波用于信号传输,而不在所述载波的所述给定标称信道带宽的两端将子载波分配为保护子载波。
24.一种为正交频分复用(OFDM)、正交频分多址(OFDMA)、或单载波频分多址(SC-FDMA)系统分配频谱带宽的方法,包括:
将多个不同的标称信道在频率上分配为顺序彼此相邻,而在所述多个不同的标称信道间无保护带;
将所述多个不同的标称信道中的所有子载波分配为在两个邻近子载波间具有公用子载波间隔并且在所述多个不同的标称信道上被对准;
选择等于或大于给定标称信道带宽或多个标称信道带宽的采样频率;
将给定标称信道带宽或多个信道带宽内的子载波用于信号传输,而不是在用于每个所述多个不同标称信道的所述标称信道带宽的两端将子载波分配为保护子载波。
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