CN102089991B - 多频带数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多频带数据传输方法，该方法可以用来通过同时使用多于一个的传输频带(9a，9b)(其中频带为连续频率范围)来传输数据以便增加可以在传输系统中使用的带宽并且因而增加其总传输容量。该方法支持所述带宽的使用而不增加与数字实现关联的难度，简化了用于分离不同频带(9a，9b)的模拟滤波器(7)的规定。

Description

多频带数据传输方法

技术领域

如在本说明书中陈述的那样，本发明涉及一种多频带数据传输方法，该方法允许在实施它的系统中使用较大带宽、根据通信中使用的信道来利用各种频带并且同步各种频带。

本发明的主要优点在于：当使用多个频带时系统带宽得以增加并且同样可传输信息量得以增加，而当同步这样的频带时实现更容易的数字实施方式并且简化模拟滤波器的规定(specification)，这允许低成本地增加传输容量。

即使本发明的方法可以用于任何通信系统而无论传输装置如何，但是它在暴露于某些频率的噪声或者干扰的装置中尤为有用或者在最大可注入(injectable)功率谱密度与用作通信信道的电力网的情况一样由于标准或者代码而随频率变化的装置中尤为有用，因为该方法可以使用与受噪声或者干扰影响的频率未重合的频带并且可以使各频带的特性适应标准或者代码允许注入的功率谱密度。

背景技术

在多数通信系统中，增加带宽转化为较大传输容量。问题在于物理装置或者通信信道往往具有一些如下频率变量，利用这些频率变量不可能使用比某些频率分段或者频带更多的频率分段或者频带。例如在电力网上，可以从30MHz注入的功率，由于现有代码，相对于有可能在30MHz以下的频率注入的功率而言变化。此外，电力网具有作为传输装置而较不希望的其它特性：在调制频率无线电频带(从88.5至108MHz)中有高噪声电平、噪声基础随频率减少并且衰减随频率增加。

这样，为了提高通信容量，通信系统必须使用某些频带(也就是频率范围)，这意味着包括不同滤波器以分离各频带并且所考虑的系统的最终成本增加。本发明方法消除这一不便并且通过同步所用各种频带(这简化这样的滤波器并且降低它们的成本而且减少系统的最终成本)来允许实施它的系统是成本减少的系统。

在现有技术中，有与多频带传输关联的各种技术。例如在专利WO2004/100392中示出了一种具有各种如下重叠子频带的系统，针对这些子频带通过数字滤波器组以数字方式进行分离。在本发明中，对频带进行同步并且进行模拟分离，因而简化模拟前端(AFE)以及转换器的设计，因为必须支持各频带的动态范围与如果将频带视为单个模拟频带而将必须支持的动态范围相比有所减少。此外，它允许针对各频带在模拟前端(AFE)的增益和噪声基础方面的优化设计。

用于使用较高频带的方法为业界所知并且已有多种实现成为可能，比如在专利US6985715和US2002/0010870中示出的实现。在任何情况下，这些专利仅示出了如何在频率上增长以使用另一频带，并且它们并未同时使用这样的频带，从而它们并未预见本发明的方法、也不能根据它们得出该方法。

另一方面，在专利WO2007039723中提出对如下不同频带操作的各种独立和不同系统，这些频带具有对于各频带而言不同的物理部分(PHY)和装置接入部分(MAC)。这样做的不便在于：必须复制在数字水平的传输和接收链、模拟分离滤波器的成本较高并且在不同系统之间的防护组较大，本发明的方法利用在各种频带之间的同步解决了这一不便。

可以提到其它专利，比如US2008006310，其中出现可变符号时间概念、但是并非在多个频带中同时使用它的概念，这是不能根据这样的描述来推断的特征。

发明内容

为了实现目的并且避免在先前章节中指出的不便，本发明包括其中同时使用两个或者更多传输频带的多频带数据传输方法、也就是用于传输和接收信号的连续频率范围；模拟装置也在接收时分离不同频带并且使用多载波调制。该系统的特征在于同步实现在不同频带中的传输和接收，也就是说，所有频带同时传输并且所有频带同时接收；并且用于每个频带的符号时间是用于不同频带的符号时间的最小符号时间一半的整数倍。因此使系统的数字实现容易；简化各种模拟滤波器的规定并且允许重用硬件。

尽管可以通过任何传输装置在通信系统中使用该方法，但是用于增加传输容量的最充分(adequate)装置为电力网、同轴线缆和编织线对(braided pair)。

对于优选实施方式，为了最大化该方法的增益，频带的大小或者连续频率范围具有等于或者大于20MHz的带宽。

另一方面，该方法可以利用时间和频率转换装置在所使用的每个频带中使用点数相同的直接离散傅里叶变换(DFT)和逆离散傅里叶变换(IDFT)。

一种用于通过与基带不同的频带传输的简单形式包括起初生成基带信号并且随后将其在频率上移动直至将其置于充分频带中。

使用本发明方法的系统可以使用模拟前端或者AFE作为用于所有频带的共同传输或者以别的方式对于每个频带而言不同的传输。两种实施方式均有可能并且将取决于应用。

为了处理结果的最大优化，自动增益控制必须对于所使用的每个频带是独立的，从而在一个频带上的增益不会预先安排用于其余频带的增益。

另一方面，没有必要使用所有频带来实现该系统与网络上的其它系统的同步任务。实施该方法的系统同步可以仅使用系统的多个频带之一来实现，其中这样的频带优选为使用的频带之中的频率较低的频带，因为就许多通信信道而言，这一频带是实现较大覆盖的频带，因为它具有比较高频率更少的衰减。

为了减少系统成本，可以将频域内和在时间与频率之间的转换、直接离散傅里叶变换(DFT)和逆傅里叶变换(IDFT)的处理装置重用于处理两个或者更多频带。

另外，为了实施该方法，时间处理装置可以重用于处理两个或者更多频带，或者可以组合频域处理装置、时域处理装置以及时间和频率转换装置的重用。

在使用该方法时也可以将信道划分成其中同时使用频带(也就是说，通过所有频带同时传输或者接收)的时段和其中独立或者异步使用频带从而多频带数据传输系统可以与异步使用频带的其它系统共享信道的时段。为了向多个用户传输，该方法可以对每个用户使用不同频带，对每个用户使用一组载波，或者在时间上执行复用以向每个用户传输。

当多载波调制是OFDM(正交频分复用)时，该方法可以通过向不同用户指派不同载波组或者不同频带来应用正交频分多址技术(OFDMA)。

最终，多频带传输方法可以包括MIMO(多输入多输出)处理技术。这允许通过频分、空分或者二者的组合来复用频带。

下文为了便于更好地理解本说明书并且形成其完整一部分而提供体现本发明目的、出于信息目的而无限制性的一些附图。

附图说明

图1以框图形式示出了该方法的一种实施方式。

图2示出了在该方法中使用的各种频带之间的时间关系。

图3示出了针对两个频带在频率载波之间的间隔与符号持续时间之间的比率。

图4表示针对电力网上的一种实施方式在各种频带中注入的功率。

图5示出了当使用电力线作为通信装置时在注入的功率谱密度与背景噪声之间的比率。

图6示出了当通过电力网进行通信时可以用于本发明的各种频带。

图7表示如下实施例，其中通过串行处理各种频带来完成所述频带的数字部分中的处理。

图8示出了用于产生同步和异步使用频带的兼容系统的形式。

图9示出了用于使用两个不同频带来执行向两个用户传输信息的三种不同情况。

图10表示用于在本发明的方法中执行模拟前端的三种形式。

图11示出了当向本发明的方法添加MIMO处理时可用频带和信道的各种例子。

具体实施方式

下文参照在附图中采用的编号系统来描述用于实施本发明的各种例子。

对于下文将表示的实施方式的不同例子，已经选择低电压电力网作为通信方式。这一方式由于存在噪声和它取决于频率的性能而不利于较大部分的通信，利用该方式，本发明方法可以用来实现较大带宽并且利用其可以在没有高成本的情况下实现较大传输容量。

图1示出了在该实施例的例子的不同块之间的数据路由，其中使用多频带过程的系统准确地使用两个频带。在传输器中有数据分离器(1)、继而是装置接入控制块(2)。随后，各频带由物理充分块(3)和模拟前端(4)单独地处理。最终通过信号组合块(5)组合信号并且向通信信道(6)中引入它们。在接收器处，从信道(6)获得信号并且通过信号分离滤波器(7)分离信号。用模拟前端(4)和不同物理充分块(3)处理各频带，并且最终将数据移向装置接入块(2)并且通过数据组合块(8)组合数据。

本发明是基于在不同频带上的同步传输和接收并且在各频带上使用如下符号时间，这些符号时间是在不同频带上使用的最小符号一半的倍数，这允许使用信号装置接入控制块(2)来控制向装置的接入。通信装置和不同频带的大小无关紧要，但是在将使用至少20MHz的带宽的电力网、同轴线缆和编织线缆用作传输装置的系统中获得最佳结果，因为这样可以避免具有大量噪声或者干扰的频带或者频率范围。

在同步地传输和接收(也就是通过所有频带同时传输或者通过所有频带同时接收)时，如果频带独立则模拟滤波器的规定较为放松，因为避免了必须接收很低的输出信号而又在相邻频带上传输功率大得多的信号。也减少了对频带之间防护频带大小的需要而且处理块可以针对用于串行处理频带的传输和接收块重用。

即使在一种实施方式中有可能使用相等频带，但是这并非严格要求。仅需不同频带的符号时间为各频带中使用的符号时间之中的最小时间一半的整数倍。

可以在图2中观察这一点，其中实施例的第一例子(9)示出了两个频带的系统(9a，9b)中的比率，其中在具有最小频率的频带(9a)传输一个符号的时间内，最大频带传输两个符号(9b)。在这一例子中，如果快速傅里叶变换块(FFT)用来在时间与频率之间进行转换并且所述FFT重用于所有频带，则它首先将处理具有最低频率的频带的符号并且随后处理另一频带的两个符号，如此类推，而又以类似方式分发数据。在下一例子(10)中使用三个频带(10a，10b，10c)，其中在第一频带(10a)传输一个符号的时间段中，第二频带(10b)传输两个符号而第三频带(10c)传输三个符号。最后例子(11)使用两个频带(11a，11b)，其中比率为使用最小符号的频带符号一半的三倍。

使用一个符号大小还是另一个依赖于通信信道的特性。例如在低电压电力网的情况下，已知发生以下失真，该失真由于存在多个路径而相同信号在不同时间到达接收器所引起(延迟扩展)。这一效果随频率增加而减少，从而将优选使用短符号。

为了获得更有利的系统，在实施例的另一例子中，可以在所有频带上使用相同数目的点，从而时间和频率转换装置将在各频带中具有相同数目的点并且频率处理将相同结构用于各频带。在图1中可以观察到的物理充分块(3)中包括时间和频率转换装置以及频率处理。

在这一情况下，有可能改变载波之间的间隔，以使得生成的符号具有较长或者较短持续时间。可以在图3中观察例子。在所述图中有两个频带(26)和(27)的频率表示(29)和另一时间表示(30)，其中标记了频率轴(13)和时间轴(28)。在这一图中可以看出，如果复制载波之间的间隔，则当使用相同数目的载波时符号持续时间将减半而覆盖的频带宽度将加倍。直接傅里叶变换和逆傅里叶变换(DFT/IDFT)的各点将对应于活跃或者不活跃载波，这在使系统适应可用带宽时给予较大灵活性。在各频带中注入的功率可能不同，因为必须符合现有代码或者标准，而且必须在同时考虑到信道中的这些频率处的噪声来计算它。图4示出了在用于电力网和具有三个频带的系统的例子中的可注入功率谱密度的图表。基于频率(13)，注入信号(12)的最大功率谱密度针对系统的三个频带中各频带而言是不同的。图5示出了基于频率(13)的注入功率谱密度(14)和背景噪声(15)的限制。就这一信道性能而言，推荐将0至200MHz频率范围划分成三个频带：0-30MHz、30-88MHz和108-200MHz。进行第一划分以符合注入功率谱密度，而进行第二划分以避免高噪声频带(被调制的频率无线电频带)。

一种用于在各频带中生成信号的形式包括在基带中生成它并且随后将它移向充分频率。对于实施例的前例，当将2048点FFT以及50MHz的采样频率用于0至30MHz频带时，可以以100MHz将相同的2048点FFT用于30至88MHz频带，并且可以将类似FFT用于108至200MHz频带。如果在30至88MHz频带中包括防护频带，则通过减少它的大小直至频带为36至82MHz，可以通过应用50MHz的2048点FFT来生成这样的减少频带。在图6中示出了可以在实施例的各种例子中使用的频带。第一划分(16)使用两个频带：一个为0至30MHz而另一个为36至82MHz。第二划分(17)使用三个频带：从0至30MHz、从36至82MHz和从108至208MHz。第三划分(17)使用从0至30、36至82和108至308MHz的频带。第四划分(18)使用从0至30MHz和36至236MHz的频带。为了减少系统实施方式的成本，可以在处理不同频带的信号时重用若干块。可以在图7的例子中观察到这一点，其中已经从具有用于处理位于较高频率的频带的块(20)和用于处理较低频率的块(21)变成具有用于处理频率信号的共同块(22)、用于通过两个频带传输的信号的频率到时间转换的共同块(23)和用于在时间上处理传输的信号的共同块(24)。在接收期间进行逆过程。可以重用或者非独立地使用各种块，换而言之，可以重用频率过程和频率到时间转换，并且可以执行用独立块针对各频带在时间上的处理。在本发明方法中，总是在接收期间在模拟部分(理解为模拟前端-AFE-和转换器)中在各频带中进行单独过程。另一方面，模拟前端(AFE)在传输时可以对所有频带都是共用的或者可以对各频带而言不同。在使用自动增益控制(AGC)的情况下，所述控制也可以对于各频带而言独立。在图10中针对用于在应用本发明方法的系统中的传输的模拟前端(AFE)示出了三种实施例形式。在第一实施例(40)中，所有频带将单个AFE链用于传输，这意味着已经在数字模拟转换器(DAC 44)前面以数字方式(43)添加它们(二者均包含在物理充分块(3)中)、然后过滤(45)它们并且最终在模拟前端(4)中放大(线驱动器46)它们。在第二实施例(41)中，各频带用它自己的数字模拟转换器(44)和它自己的滤波器(45)来单独地处理，此后组合(47)信号并且最终放大(46)组合的结果。在第三实施例(42)中，各频带用它自己的数字模拟转换器(44)、它自己的滤波器(45)和它自己的放大器(46)来单独地处理，此后组合(47)各种信号。

利用总是通过所有频带同时传输，有可能使用系统的多个频带中的仅一个来同步系统。由于频率最低的频带通常是大距离衰减最少的频带，所以最低频率的频带将在实施例的另一例子中用来执行这样的同步。另一方面，图8示出了如何可以使同步使用频带的系统(比如在本发明方法中使用的系统)与异步使用频带的其它系统兼容。所述图参照时间轴(28)和频率轴(13)示出了频带的使用。起初，同步使用带宽(31)，然后有两个异步频带(32)，并且最终再次同步使用带宽(31)。网络协调器可以通过接入指派消息向装置传达各种时段的持续时间和时间位置。在任何情况下，并非必须使用整个频带来与单个用户通信。在图9中，针对使用两个不同频带(33)和(34)的三种不同情况示出了在时间(28)和频率(13)上的表示。在第一情况(35)下，各频带用来向不同用户(38)和(39)传输数据。在第二情况(36)下，存在被定向到用户(38)的用于第一频带(33)的载波和被定向到另一用户(39)的相同频带(33)的载波(也使用第二频带(34)的所有载波)。在第三情况(37)下，每个用户(38)和(39)在不同时间使用两个完整频带。类似方案可以用来通过OFDMA技术从若干用户向相同接收器传输数据。例如若干传输器可以同时使用不同频带或者载波组来向同一节点传输。如果向实施本发明方法的系统添加MIMO处理块(为现有技术所知)，则有可能如前所述在空间上以及在频率上复用频带。可以在图11中观察这一点，其中X轴(48)对应于若干空间信道、Y轴(49)对应于频率而Z轴(50)对应于可注入功率谱密度。在这一系统中，频带可以在不同频率进行传输而不使用MIMO处理(51)，或者可以通过空间上不同的信道在相同频带上传输它们并且使用MIMO处理以分离各种频带(52)的信息。也有可能如在第三种情况(53)下那样同时进行二者。

Claims (13)

1.一种多频带数据传输方法，其中同时使用两个或者更多个传输频带；其中所述两个或者更多个传输频带在接收时由模拟前端分离，并且其中使用多载波调制；其特征在于：

-在所有所述传输频带中的数据被组合成单个信号，以用于在所述两个或者更多个传输频带上同时传输；

-所述方法包括在所有所述频带上同时传输经组合的信号以及在所有所述频带上同时接收信号；以及

-在所述频带的每个频带中使用的符号时间是用于所述频带的符号时间之中的最小符号时间一半的整数倍。

2.根据权利要求1所述的多频带数据传输方法，其特征在于实施所述方法的系统使用从电力网、同轴线缆和编织线对之中选择的传输装置。

3.根据权利要求1所述的多频带数据传输方法，其特征在于所述频带具有等于或者大于20MHz的带宽。

4.根据权利要求1所述的多频带数据传输方法，其特征在于它包括：在所使用的所述频带中的每个频带中使用点数相同的直接离散傅里叶变换(DFT)和逆离散傅里叶变换(IDFT)以执行在时间与频率之间的转换。

5.根据权利要求1所述的多频带数据传输方法，其特征在于在传输中，所述模拟前端对于所有频带是共用的。

6.根据权利要求1所述的多频带数据传输方法，其特征在于在传输中，所述模拟前端对于所述频带中的每个频带是不同的。

7.根据权利要求1所述的多频带数据传输方法，其特征在于它包括：针对实施所述方法的系统所使用的所述频带中的每个频带，使用独立的自动增益控制。

8.根据权利要求1所述的多频带数据传输方法，其特征在于在实施所述方法的系统中所使用的频带同步仅通过使用所述系统的多个频带之一来进行，其中所述多个频带之一是所使用的频带中频率最低的频带。

9.根据权利要求1所述的多频带数据传输方法，其特征在于针对两个或者更多传输频带而复用频域中的处理、时域中的处理、时间和频率转换或其组合。

10.根据权利要求9所述的多频带数据传输方法，其特征在于所述时间和频率转换包括直接傅里叶离散变换和逆傅里叶离散变换。

11.根据权利要求1所述的多频带数据传输方法，其特征在于按时段划分信道，在这些时段中一个时段在所有频带上同时传输和接收，并且按时段划分信道，在这些时段中使用所述频带使得多频带数据传输可以与异步使用所述频带的其它系统共享所述信道。

12.根据权利要求1所述的多频带数据传输方法，其中多载波调制是OFDM，其特征在于它包括通过向不同用户有选择地指派不同载波组或者频带来使用正交频分多址技术(OFDMA)。

13.根据权利要求1所述的多频带数据传输方法，其特征在于它包括MIMO(多输入多输出)处理技术，以执行从所述频带的频率复用、所述频带的空间复用和上述复用的组合之中选择的复用。