CN103081424B - 通信网络和操作通信网络的方法 - Google Patents

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Abstract

一种通信网络，其中，所述网络包括用作发射机和/或接收机的多个通信单元，具体为基站和与至少一个所述基站相关联的操作节点，其中，通过基于具有载频fc附近的N个子载波的多载波调制来产生和发送信号，执行所述发射机和所述接收机之间的通信，所述子载波的数目可以针对每个接收机单独协商，并且优选地为2的幂。

Description

通信网络和操作通信网络的方法
技术领域
本发明涉及通信网络以及操作通信网络的方法，其中，所述网络包括用作发射机和/或接收机的多个通信单元，具体为基站和与至少一个所述基站相关联的操作节点，其中，通过基于具有载频fc附近的N个子载波的多载波调制来产生和发送信号，执行所述发射机和所述接收机之间的通信。
背景技术
现代通信网络，例如下一代移动无线网络(MRN)，将必须支持更多数目的能量受限节点，如自主(甚至可能是能量自给)操作节点。以下，为了将这种操作节点区别于“传统”移动通信节点，将其称为M2M(机器到机器)节点。由于MRN必须支持与这种能量受限的M2M节点的通信以及“传统”服务，很可能两种服务将共享相同的频谱资源，因为针对传统和M2M通信具有单独的频谱资源是不经济的。这些资源将根据负载、QoS和其他度量来分配。
M2M服务的主要部分需要M2M节点执行低复杂度的任务，例如温度或其他环境测量，并时常报告结果。基本上，这种M2M节点大多在无外部电源或仅使用再生能源(如太阳能或热能)的情况下，长时间自主工作。这意味着明显需要较高能效的接收机硬件。当前部署的系统是基于QoS需要并且被设计为支持提供高数据速率用户接口的移动终端。对于M2M通信，这一点改变了，因为大多数这种节点是非移动的(可移动但不移动)，自主传送数据(可能基于规则调度)，需要低优先级和低数据速率服务，并且可能更零星地利用现有资源。因此，当前部署的系统提供的系统接口很可能不满足M2M通信的需要。
发明内容
因此，本发明的目的是提供并进一步改进一种通信网络以及操作上述类型的通信网络的方法，使得具有不同能力和/或复杂度需求的接收机可以以高能效的方式使用相同系统的资源和规范来操作。
根据本发明，上述目的是通过包括权利要求1的特征的通信网络来实现的。根据该权利要求，这种网络的特征在于：所述通信单元被配置为，在接收到发送信号时，对接收信号执行子采样，其中，只有所述载频fc附近预定数目的最内侧子载波用于数据重构。
此外，上述目的是通过包括权利要求21的特征的方法来实现的。根据该权利要求，这种方法的特征在于：所述通信单元被配置为，在接收到发送信号时，对接收信号执行子采样，其中，只有所述载频fc附近预定数目的最内侧子载波用于数据重构。
根据本发明，已经认识到，在相同频谱内支持M2M和传统服务的需求意味着必须改变现有系统。由于需要M2M和传统服务之间非常快的切换，看来具有在能够支持M2M和传统服务的一个频谱内操作的一个系统是优选的。为此，本发明提出了一种配置，根据这种配置，在通信单元接收到发送信号时，通信单元不在整个子载波上获得采样，而是对接收信号执行(时间)子采样。更具体地，仅获取载频附近预定数目的最内侧子载波并用于数据重构。
根据本发明的层级方案允许多个终端具有对随时间采样的数目线性增加的检测器和解码器复杂度的不同需求。此外，重要的是注意到，模数转换(ADC)以及快速傅立叶变换(FFT)消耗大部分接收机能量。由于根据本发明，接收机只需要N长度多载波信号的全部可用时间采样的子集，将显著降低与ADC和FFT相关的复杂度。因此，通过对接收信号应用有意的子采样，与使用多载波系统内的所有可用子载波的传统接收机相比，实现了在接收机处的超线性复杂度降低。
根据优选实施例，多载波调制可以以正交频分多址(OFDMA)的形式实现。例如，这种OFDMA系统可以具有带宽B和符号长度T，其中子载波置于彼此之间1/T的频率距离之内。间隔1/T以下称为子载波间隔。在这种系统中，总共N＝BT个子载波可用，例如，在WiMAX的情况下，N典型大小为1028或2048(在10MHz及20MHz处)。然而，应用于其他多载波系统也是可能的，如3GPPLTE、IEEE802.11，其中参数T、B和N可能不同。
根据有利实施例，所采用的频带可以划分为预定数目K个类别，以下称为接收机类别。每个接收机类别1＜k＜K可以配置为使其跨越载频fc附近k个最内侧子载波Mk。因此，在频带的这种层级组织中，保持M1＜M2＜...＜MK。
基于上述频带的层级组织和划分为不同接收机类别，还可以提出每个接收机终端操作于特定接收机类别k。例如，属于类别k的每个接收机终端可以被配置为仅获得总共Mk个采样，即其仅获取发送信号的每第N/Mk个采样。这Mk个采样可以用于重构频域信号的前Mk个子载波。这是可能的，因为以N/Mk个可能时间采样的步长获得的时间采样的向量足以重构最内侧Mk个子载波。在OFDMA的情况下，只要假定至少每1/B(B指带宽)对发送信号进行采样，就能满足OFDM的正交性约束。
关于系统的功能操作，可以提出，每个接收机向位于其覆盖区域内的可能发射机通知其所操作于的特定接收机类别。例如，可以提出，节点在与基站相关联时，向基站通知其所操作于的特定类别。根据特定实施例，该信息可以以类别ID的形式提供。然而，对本领域技术人员显而易见地，其他实现也是可能的。例如，在仅具有两个类别的系统中，采用简单标记可能是有利的。
为了使得发射机能够提供对不同接收机类别的最优支持，可以提出，发射机在其调度算法中适应不同接收机类别。基于该信息，使得发射机能够例如通过限制向特定子载波分配资源或通过避免将逻辑子载波扩散至整个频谱来适配其传输特性。此外，发射机的调度算法可以被配置为考虑长期目的和需求。例如，可以处理高等待时间和高延迟的接收机终端不需要在高业务量时间期间被调度。这意味着例如应当尽可能避免日间计量数据，因为需要可用带宽来满足例如蜂窝电话用户的高数据速率要求。
根据另一优选实施例，可以提出，根据操作节点的复杂度和/或能力将其分组，其中，特定组的操作节点使用特定接收机类别来操作。该实现将允许将这些组集成到现有系统中而无需协调现有标准或使用非标准方法(例如关于调制、编码等等)。因此，根据终端的各自复杂度/能力将终端分组是一种适应不同终端类别的灵活方法。
在特定实施例中，可以仅实现两个类别，即所采用的频带可以分为两个接收机类别，称为接收机类别0和1。更多数目的类别将实现更高颗粒度，即对不同接收机复杂度的更细适配；然而，该优点的代价是具有更多信令开销的更高管理成本。
在两个接收机类别的情况下，可以提出，能量受限的M2M操作节点采用两个类别中的第一类别-接收机类别0，其中，其他(“传统”)移动通信节点(具体具有QoS需求)采用两个类别中的第二类别-接收机类别1。更具体地，可以提出，接收机类别0的能量受限的M2M操作节点被配置为通过仅获取发送信号的每第8或16个采样来对接收信号执行子采样。另一方面，具有QoS需求的“传统”移动通信节点(比M2M操作节点复杂得多，并且将提供增强的能力和具有对电池和处理功率的较宽松需求)可以被配置为获取发送信号的每个采样。
最内侧Mk个子载波的子采样可能意味着混叠效应，导致对最内侧Mk个子载波的干扰。避免或至少减少混叠导致的载波间干扰的有效手段是低通滤波。例如，可以提出，每个类别k接收机应用低通滤波器，以抑制源自混叠的对前Mk个子载波的干扰，否则混叠将限制最大性能。
关于在接收机侧应用低通滤波器，备选地或附加地，可以在发射机侧采取各种措施来减小混叠效应。例如，可以提出，发射机对发送信号执行预编码，使得对预期干扰进行成形。执行这种预编码的合适机制在M.Costa(May1983)，“Writingondirtypaper”，IEEETrans.InformationTheory29：439-441中描述，其公开通过引用并入此处。此外，可以例如通过将空闲资源置于低通滤波器不提供所需干扰抑制的那些子载波上，来应用实现合适调度的机制。附加地或备选地，可以应用保护间隔和功率控制技术。例如，针对位于接近发射机的接收机的信息可以置于低通滤波器的不充分干扰抑制的区域内，可以减小发送该信息的相应功率。在特定情形中采用的相应方法高度取决于相应场景。例如，在高业务量时间期间，优选地不使用保护间隔，而在系统未满载的情况下可以使用保护间隔。
关于实现操作一致性，对信令和/或控制信息进行层级组织证明是有利的。这意味着，在接收机类别k可以充分操作而无需在该接收机类别中不包括的资源中发送的信息的意义上，每个接收机类别内的信令和/或控制信息和数据是一致的。信令和/或控制信息的这种组织被称为带内信令。重要的是注意到，每个接收机类别可以支持的功能的集合随着索引k的增加而增加。由于大多数节点，尤其是M2M操作节点，能够以非常有限的功能集合来工作，可以将例如与切换管理(对于每个M2M操作节点不太重要)相关的信令信息置于更外侧的子载波上，并且从而不被操作在低接收机类别的节点所获取。
另一方面，发射机可以在最低现有接收机类别之外的一个或多个子载波中发送信令和/或控制信息。对此，例如与基站相关联的任一操作节点所指示的接收机类别可以用作参考。这种信令称为带外信令。然而，在当前所选类别之外的子载波中发送部分或全部信令意味着相应接收机类别的接收机支持较高采样速率以正确接收和解调较宽的载波频谱，这导致更高的硬件成本。优选地，以TDMA(时分多址)方式发送带外信令数据，使得操作于低接收机类别的接收机终端(例如M2M设备)能够在预定的或信号通知的时刻在较高和较低采样速率之间切换。因此，维持了较低能耗的益处，但是不如带内信令系统那样高。该方法将允许将低采样M2M接收机类别集成入现有或新兴技术，如IEEE802.16m、LTE(长期演进)和LTE-Advanced。一般地，注意到，以发送尽可能少的带外数据以尽可能多地降低能耗为目的，带外和带内信令的组合是可能的。
附图说明
关于如何以有利方式设计和进一步改进本发明的教导，存在多种方式。为此，一方面应参照从属于独立权利要求1和21的专利权利要求，另一方面应参照附图示意的本发明的实施例的优选示例的以下解释。结合借助附图对本发明实施例的优选示例的解释，将解释本教导的总体优选实施例和进一步改进。在附图中：
图1是示意了根据现有技术的OFDMA信号的时间和频率表示的图，
图2是示意了根据本发明实施例的OFDMA子系统的时间和频率表示的图，
图3是示意了根据本发明的另一实施例将OFDMA系统分为K个子系统的图，
图4是示意了根据现有技术的OFDMA系统中的收发机链的框图，
图5是示意了根据本发明实施例的OFDMA系统中的接收机的初始化过程的图，以及
图6是示意了根据本发明实施例的OFDMA系统中的接收机和发射机之间的基本能力的协商过程的图。
具体实施方式
尽管本发明总体上适用于任何多载波系统，但是以下本发明的优选实施例的描述涉及具有带宽B和OFDM符号长度T的基于OFDMA(正交频分多址)的系统(如MRN(移动无线网络))。图1的上图是具有幅度|h|的典型OFDMA信号的时间表示。在时域中，子载波置于彼此之间1/B的时间距离之内。图1的下图涉及与上图相同的OFDMA信号，然而这次在频域中示意。子载波置于彼此之间1/T的频率距离之内。间隔1/T以下称为子载波间隔。在图1所示的OFDMA系统中，存在总共N＝BT个子载波。
根据本发明的实施例，可以分层级地组织频带，使其划分为K个类别，如图3所示。以下将这些类别称为接收机类别。每个接收机类别1＜k＜K使用载频fc附近前(或最内侧)Mk个子载波，其中，M1＜M2＜...＜MK。每个Mk是2的幂。属于接收机类别k的每个接收机终端可以被配置为仅获得总共Mk个采样，即其仅获取发送OFDMA信号的每第N/Mk个采样。这在图2中由虚线示出。这Mk个采样用于重构频域信号的前Mk个子载波。这是可能的，因为以N/Mk个可能时间采样的步长获得的时间采样的向量足以重构最内侧Mk个子载波。
层级方案允许多个终端具有对随时间采样的数目线性增加的检测器和解码器复杂度的不同需求。此外，模数转换(ADC)以及快速傅立叶变换(FFT)消耗大部分接收机能量。由于接收机只需要N长度OFDM系统的全部时间采样的Mk/N，将与模数转换(ADC)和快速傅立叶变换(FFT)相关的复杂度分别降低因子N/MK和N*log(N)/MK*log(MK)(见参考文献Cooley等，1965，“AlgorithmforthemachinecalculationofcomplexFourierseries，”Math.Comput.19：297-301)。
图4是典型OFDM系统的框图，示意性示出了一般OFDMA发射机和接收机的收发机链。从图4可以看到，要发送的数据馈送入编码器，如卷积编码器。编码器将编码比特转发至调制器，如M-QAM(多级正交幅度调制器)。调制器将接收比特映射至星座点，然后通过S/P转换器并行化并通过IFFT(反快速傅立叶变换)变换至时域。对本领域技术人员而言显而易见地，编码器和调制器也可以置于S/P转换器之后，使得采用N个并行的调制器/编码器。
然后，通过P/S转换器将IFFT的输出串行化。在下一步，添加循环前缀。备选地，可以预先考虑循环前缀或可以包括保护间隔。最终，得到的时域序列从数字域转换至模拟域，上变频至载频，并最终通过无线信道(或在DSL的情况下通过有线线路)发送。对所接收的信号下变频并通过低通滤波器滤波。在低通滤波之后，信号从模拟域转换至数字域，移除循环前缀、并对数字时域信号进行并行化。然后，使用FFT(快速傅立叶变换)将并行信号变换至频域，FFT一般是DFT(离散傅立叶变换)。然后，对所获得的信号再次串行化、解调和解码。最后两步-解调和解码-可以循环执行，如turbo解码器一样。
如上所述，本发明的重点在于M2M通信的下行链路，其中基站具有发射机的作用，移动终端具有接收机的作用。尽管本发明可以容易地应用于系统的上行链路，其节能和复杂度降低能力对于移动台能量受限且必须处理低复杂度和低成本硬件的下行链路尤其有利。然而，这不排除本发明也应用于上行链路。
可以针对特定服务(如计量或观察)来优化一个接收机类别内的终端，因此，这些终端基于特定目的。因此，每个接收机类别采用的DFT大小不同，一个接收机类别内的终端不必须利用其接收机类别内的所有可用子载波。而是，终端可以与其所分配的基站BS协商实际将占用多少子载波。可以使用BS的广播信道来进行该协商，广播信道通知BS能力(例如是否仅支持有限子载波集合内的传输)。然后，必须在所有终端可检测的子载波中包括信令和控制。关于所使用的子载波的实际协商可以包括在系统的标准过程中，以协商UE(用户设备)的能力。例如在IEEE802.16m中，UE发送SBC(支持基本能力)-REQ消息。
图5和6针对IEEE802.16的情况示意了BS处的UE初始化和基本能力的协商的过程。需要适配当前标准的步骤由虚线框指示。例如，在步骤图5中示意的初始化过程的步骤“协商基本能力”中，需要改变，这由框A来指示。使用该步骤，UE和BS协商支持哪些子载波。在特定实现中，可以通过引入附加标记或比特(例如用于交换二进制信息)来实现子载波支持的协商。框B和C指示图6中示意的进一步适配。如框B所示，UE向其服务BS发送的SBC-REQ消息改变为使其包括关于所支持的子载波集合的信息。此外，如框C所示，采用步骤“启用/禁用能力”来通知UE其是否被允许仅使用特定子载波集合。一般地，应注意，协商所使用子载波的附加灵活性允许在UE/终端处的进一步节能以及UE/终端的更简单分类。
发射机和接收机可以使用相同的标准化调制和编码方案(MCS)，因为它们是针对根据当前标准的现有系统而定义的。此外，实现标准收发机链。然而，接收机必须通知发射机其仅操作于受限子载波集合，这意味着两个节点之间的附加信令。
由于资源的受限分配以及不能将逻辑子载波扩展至整个频谱，发射机在其调度算法中适应附加接收机类别。此外，调度器可以考虑长期目的和需求。例如，可以处理高等待时间和高延迟的接收机终端不需要在高业务量时间期间被调度。这意味着例如应当尽可能避免日间计量数据，因为需要可用带宽来满足例如蜂窝电话用户的高数据速率要求。
传统实现可以将与类别k相关的信息嵌入原本由系统用于数据传输的资源中。同步仍是可能的，因为前同步码和导频分布在全部频率资源上，并且因此也能够被较低接收机类别使用。在同步之后，M2M接收机可以在原本由系统用于数据传输的资源中接收所有相关信息。然而，这不是最优方案，因为部分冗余的信息是针对传统接收机和M2M节点发送的。
传统实现的示例是3GPPLTE、IEEE802.16和IEEE802.11，它们依赖于OFDM(至少在下行链路)并(将)被广泛部署。这些系统可以嵌入附加M2M服务，使得现有部署在软件升级(而不是高成本的硬件更新)之后提供M2M通信的可能性。
为了避免信令和控制结构中的冗余，可以调整未来的系统，使其信令和控制信息以层级方式组织。这意味着例如影响物理至逻辑资源映射，因为与接收机类别k相关的所有信息必须包含在前Mk个子载波中。此外，可以影响分布式资源单元的排列，并应当将其限于前Mk个子载波。示例实现可以由两个类别组成，其中类别0用于M2M通信。实现可以调制例如IEEE802.16中的PRU(物理资源单元)分配，使得前M0个子载波是小频带分区的一部分。在该小频带分区内，创建包括全部M0个子载波的频率分区。在该频率分区内，现在可以发送针对类别0的完整信令和控制数据。
备选地，可以保持排列不受影响，这需要非常选择性地将控制/信令消息分配至资源单元，从而改变信令/控制结构。另一种可能性是定义M2M时区，其中M2M设备切换至低速率采样模式。对于特定广播系统参数的接收，根据技术，M2M必须切换至标准采样速率。
如上所述，与能量受限的接收机的通信不仅影响接收机设计，还影响发射机设计。然而，本发明涉及在发射机处的很小改变(最可能是基站处的软件更新)，以避免高成本的硬件更新，并且涉及新的低复杂度的接收机硬件，这允许更高能效的操作(主要是能量受限的移动终端)，导致能量受限节点的寿命增加。
受益于上述描述和相关联附图中呈现的教导的本发明所述领域的技术人员将想到这里阐述的本发明的许多修改和其他实施例。因此，应理解，本发明不限于所公开的具体实施例，修改和其他实施例应当包括在所附权利要求的范围内。尽管这里采用具体术语，但是它们以一般和描述性意义来使用，并且不具有限制作用。

Claims (19)

1.一种通信网络，其中，所述网络包括用作发射机和/或接收机的多个通信单元，具体为基站和与至少一个所述基站相关联的操作节点，其中，通过基于具有载频fc附近的N个子载波的多载波调制产生和发送信号，来执行所述发射机和所述接收机之间的通信，
所述通信单元被配置为：在接收到发送信号时，对接收信号执行子采样，其中，只采用所述载频fc附近的预定数目的最内侧子载波进行数据重构，
所采用的频带划分为预定数目K个接收机类别，以及根据操作节点的复杂度和/或能力对所述操作节点进行分组，其中，特定组中的操作节点使用特定接收机类别来操作。
2.根据权利要求1所述的网络，其中，所述多载波调制以正交频分多址OFDMA的形式实现。
3.根据权利要求1或2所述的网络，其中，每个所述接收机类别1＜k＜K跨越所述载频fc附近的Mk个最内侧子载波。
4.根据权利要求1或2所述的网络，其中，每个所述接收机操作于特定接收机类别k。
5.根据权利要求3所述的网络，其中，操作于接收机类别k的接收机被配置为通过仅获取发送信号的每第N/Mk个采样，来对接收信号执行子采样。
6.根据权利要求1或2所述的网络，其中，接收机向发射机通知关于其所操作于的特定接收机类别的信息。
7.根据权利要求6所述的网络，其中，所述信息以类别ID的形式提供。
8.根据权利要求1或2所述的网络，其中，发射机在其调度算法中适应现有接收机类别。
9.根据权利要求1或2所述的网络，其中，所采用的频带分为两个接收机类别0和1。
10.根据权利要求9所述的网络，其中，能量受限的M2M操作节点采用所述两个类别中的第一类别-接收机类别0，以及其中其他移动通信节点采用所述两个类别中的第二类别-接收机类别1。
11.根据权利要求10所述的网络，其中，接收机类别0的所述能量受限的M2M操作节点被配置为对接收信号执行子采样，以及其中其他移动通信节点被配置为获取接收信号的每个采样。
12.根据权利要求1或2所述的网络，其中，接收机类别k的接收机被配置为针对接收信号的前Mk个子载波应用低通滤波器。
13.根据权利要求1或2所述的网络，其中，所述发射机对发送信号执行预编码。
14.根据权利要求1或2所述的网络，其中，所述发射机采用保护间隔和/或功率控制技术。
15.根据权利要求1或2所述的网络，其中，信令和/或控制信息是以层级方式组织的。
16.根据权利要求1或2所述的网络，其中，发射机在最低现有接收机类别之外的一个或多个子载波中发送信令和/或控制信息。
17.根据权利要求16所述的网络，其中，所述信令和/或控制信息以TDMA方式发送。
18.根据权利要求1或2所述的网络，其中，所述接收机配备有使得所述接收机能够在预定的或信号通知的时刻在不同采样速率之间切换。
19.一种操作通信网络的方法，所述通信网络具体为根据权利要求1至18中任一项所述的通信网络，其中，所述网络包括用作发射机和/或接收机的多个通信单元，具体为基站和与至少一个所述基站相关联的操作节点，其中，通过基于具有载频fc附近的N个子载波的多载波调制产生和发送信号，来执行所述发射机和所述接收机之间的通信，
所述通信单元被配置为：在接收到发送信号时，对接收信号执行子采样，其中，只采用所述载频fc附近的预定数目的最内侧子载波进行数据重构，
所采用的频带划分为预定数目K个接收机类别，以及根据操作节点的复杂度和/或能力对所述操作节点进行分组，其中，特定组中的操作节点使用特定接收机类别来操作。
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