CN103444146B - 一种基于ofdm的数据传输方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OFDM的数据传输方法，用于中短距离无线通信系统上行数据传输，预先将系统的可用频带等分成N个基本子频带，该方法包括:发射站点采用单个子频带或M个子频带组合向接收站点发送数据，其中M=2ⁿ；发射站点采用基带样本采样速率fs或M*fs；接收站点在可用频带内接收从一个或多个发射站点发送的数据;接收站点采用基带样本采样速率为N*fs。本发明还提供了一种基于OFDM的数据传输系统。本发明基于OFDM技术和子频带组合使用，允许无线通信系统中的发射站点与接收站点有不同的带宽配置，发射站点可采用较低的配置降低硬件成本，接收站点则可采用较高的配置来提高效率:频谱利用率、吞吐率等，且可实现多个用户站点同时与接入点进行通信。

Description

一种基于OFDM的数据传输方法和系统

本申请要求申请日为2011年3月25日，申请号为201110074380.X，发明名称为一种基于OFDM的数据传输方法和系统的在先申请的优先权，该在先申请的全部内容均已在本申请中体现。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体地说，涉及一种基于OFDM的数据传输方法和系统。

背景技术

在基于802.11系列标准的无线局域网WLAN技术中，通过载波侦听多址接入(CSMA，Carrier Sense Multiple Access)实现多用户传输，即多个站点STA不能同时接入接入点AP，只能分时接入，即使AP有空闲频谱资源STA也不能利用。比如，在802.11n的系统中，AP可占有40MHz带宽资源，并且可分成2个20MHz子带，STA只能利用整个40MHz带宽或者其中一个20MHz子带与AP通信，但两个支持20MHz带宽的STA不能分别占用其中一个20MHz子带同时与AP通信，只能在不同的时间段上用40MHz带宽中的主信道与AP通信，而20MHz从信道空闲，这就造成了频谱资源的浪费。

正交频分多址(OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access)是移动通信系统中采用的一种多址接入方式，多个移动终端(MS)占用可用带宽中不同的子载波组与基站(BS)同时进行通信，可提高频谱利用率。

现有的WLAN中，STA与AP通信时必须两者都采用相同的带宽配置，比如在802.11n的系统中，STA和AP通信时要么采用40MHz的带宽要么采用20MHz的带宽，如果一个WLAN网络中AP支持40MHz带宽，有两个20MHz的STA，那AP只能采用20MHz的带宽配置与竞争到主信道资源的STA通信，因此造成20MHz频谱资源浪费。在未来的无线局域网技术中，AP可用的带宽可能达到80MHz甚至更多，如果继续沿用上述的带宽配置方案，则将造成更多频谱资源的浪费。

OFDMA机制中，虽然多个终端可占用不同的子载波同时与基站通信，但接收端和发射端需要支持同样的带宽配置，即发射端逆快速傅里叶变换(IFFT，Inverse Fast FourierTransform)模块与接收端快速傅里叶变换(FFT，Fast Fourier Transform)模块的FFT点数必须相同。另外上行正交频分多址接入OFDMA的多址接入方式对同步要求较高。在时间域，多个移动终端(MS)发射的信号需要同时到达基站(BS)才不会造成符号间干扰和用户间干扰；在频率域，由于多个MS发射机的载波晶振频率精度不同，与BS载波晶振频率的偏差也不同，因此到达BS的各MS的信号的频率偏移也不同，而OFDM调制本身对频偏敏感，必须要校正来自各MS信号的频偏才能正确解调，否则会造成多用户干扰。因此，在OFDMA系统中，时间同步和频率同步是关键问题，需要复杂的同步算法。在无线局域网系统中，如果为了提高频谱效率而采用OFDMA的多址接入方式将增加设备成本。

发明内容

本发明提供一种基于正交频分复用OFDM的数据传输方法和系统，可实现多个发射站点同时与接收站点进行通信，且复杂度低，可提高频谱利用率、系统吞吐率。

本发明提供的一种基于OFDM的数据传输方法，用于中短距离无线通信系统上行数据传输，预先将系统的可用频带等分成N个基本子频带，该方法包括：

发射站点采用单个子频带或M个子频带组合向接收站点发送数据，其中M＝2ⁿ，n＝0，1，2，...，且M≤N，N、M为正整数；

发射站点采用基带样本采样速率fs或M*fs；

接收站点在所述可用频带内接收从一个或多个发射站点发送的数据；接收站点采用基带样本采样速率为N*fs。

本发明提供的一种基于正交频分复用OFDM的数据传输系统，用于中短距离无线通信，该系统的可用频带等分成N个基本子频带，该系统包括：

至少两个发射站点，分别采用单个子频带和/或M子频带组合向接收站点发送数据，其中M＝2ⁿ，n＝0，1，2，...，且M≤N，N、M为正整数；各发射站点采用基带样本采样速率fs或M*fs；

接收站点，在所述可用频带内接收从所述各发射站点发送的数据；采用的基带样本采样速率为N*fs。

更适宜地，所述发射站点包括：

子载波产生单元，用于在所述各子频带的两端设置虚拟子载波，以在所述子频带边缘设置保护频带。

综上所述，本发明提供的技术方案，基于OFDM技术和子频带组合使用，允许无线通信系统中的发射站点STA与接收站点AP有不同的带宽配置，发射站点STA可采用较低的配置降低硬件实现成本，接收站点AP则可采用较高的配置来提高效率：频谱利用率、吞吐率等，且可实现多个STA同时与AP进行通信。另外，在子频带的边缘增加了保护频带即虚载波，可以避免子频带间干扰，各个子频带可独立做成型滤波，而接收端只需做整个频带上的匹配滤波，无需多个基带接收机针对不同的子频带做匹配滤波；扩展了循环前缀(CP)，降低时间同步的要求。接收端基带样本采样速率是基本子频带样本采样速率的N倍，保证基本子频带上只需N1点的IFFT/FFT模块，接收端用N2＝N*N1点的IFFT/FFT模块，而不需要多个并行的N1点IFFT/FFT模块来解调各个子频带的信息。这样既可提高频谱利用率、系统吞吐率，可实现多个STA同时与AP进行通信，且不必增加系统及用户站点设备的成本。

附图说明

图1为现有技术中无线通信系统架构示意图；

图2为本发明实施例中多频带OFDM发射端和接收端基带部分模块框图；

图3(a)、(b)、(c)和(d)分别为本发明实施例中的几种子频带划分示意图；

图4(a)和4(b)为图3(b)中另两种子频带划分示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本发明提出一种用于中短距离无线通信的多用户数据传输方案，采用类似于正交频分多址OFDMA的多用户接入方式，基于OFDM及相应的同步机制，将系统的可用频带等分成N个基本子频带，发送端(STA)收发机的带宽可以是基本子频带或子频带组合的频带，而根据具体情况接收站点(AP)收发机带宽可以为N个基本子频带，假定，基本子频带为20MHz，接收站点(AP)收发机带宽可以为20MHz、40MHz、80MHz，即对于只支持20MHz带宽的STA接收机也可收发80MHz带宽的AP的信号，这样，本发明基于OFDM调制技术可实现多个STA利用不同的子频带资源与AP通信，并且降低了OFDMA系统所需的时频同步要求和同步精度。

本发明提供的一种基于OFDM的数据传输方法，用于中短距离无线通信系统上行数据传输，将系统的可用频带等分成N个基本子频带，该方法包括：

发射站点采用单个子频带或M个子频带组合向接收站点发送数据，其中M＝2ⁿ，n＝0，1，2，...，且M≤N，N、M为正整数；

发射站点采用基带样本采样速率fs或M*fs；

若基带部分采用逆快速傅里叶变换IFFT/快速傅里叶变换FFT进行处理，此处基带样本采样速率指逆快速傅里叶变换IFFT/快速傅里叶变换FFT模块输入端口的样本采样速率；

接收站点在所述整个频带内接收从一个或多个发射站点发送的数据；接收站点采用基带样本采样速率为N*fs。

本发明提供的数据传输方法中，基带部分采用逆快速傅里叶变换IFFT/快速傅里叶变换FFT进行处理，则接收站点采用与发射站点不同的FFT长度：

若基本子频带用K点IFFT/FFT模块，发射站点如果占用M个基本子频带，发射站点的IFFT/FFT模块长度为M*K点，接收站点的IFFT/FFT模块长度为N*K点。

如果发射站点和接收站点支持相同的带宽，则发射站点和接收站点的IFFT/FFT子载波数、采样速率均相同；

如果系统中有多个发射站点，各个发射站点支持的带宽不同，在满足带宽配置要求的前提下，多个发射站点可在接收站点支持的带宽范围内用各自的带宽配置向接收站点发送数据。

所述的数据传输方法，还包括：在子频带边缘设置保护频带，具体为：

在所述各子频带的两端设置虚拟子载波。

本发明实施例提供的数据传输方法中，当有多个发射站点发送数据，则为各发射站点分别设置载波频率偏置，以确定各发射站点的载波中心频率。

本发明实施例提供的数据传输方法中，当有多个发射站点发送数据，设置该无线通信系统的循环前缀CP长度T_CP满足如下条件：

T_CP≥2δ+τ_m

其中2δ为信号从发射站点到达允许的最大覆盖半径所经历的双向传播延迟，τ_m多径延迟扩展。

本发明实施例中，子频带宽带为20MHz；和/或M＝1，2，4；和/或K＝256；和/或基带样本采样速率fs＝20MHz。

为使本发明的原理、特性和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。

图1是发射端和接收端的示意框图，本发明实施例仅涉及发射端和接收端中基带的部分模块，因此，图1所示的信源、射频、信宿及基带部分中本发明未涉及的模块在此不再赘述。

首先，将系统的整个频带等分成N个基本子频带，供系统中各STA站点使用。

本实施例中，系统的整个频带带宽为W＝80MHz，将其等分成N＝4个基本子频带，每个基本子频带带宽B＝20MHz，假定每个基本子频带只能被一个发射站点STA单独占用，而一个STA可以使用一个或多个基本子频带向AP传输数据。STA支持20MHz、40MHz和80MHz带宽，AP支持20MHz、40MHz和80MHz带宽，当AP具有80MHz带宽接收能力时，可同时接收任意子频带组合传输的数据。图2所示为4个20MHz带宽的站点STA1～STA4分别占用不同的子频带向一个80MHz带宽的AP传输数据时的基带部分模块框图。

图2中所示有4个STA向AP发送数据，用STA1～STA4表示，每个STA占用一个基本子频带即20MHz带宽，X1～X4表示来自对应STA的数据。图2中仅示出了实现多带OFDM传输时与IFFT/FFT密切相关的模块，其它不涉及也不影响一个完整收发机中的模块，比如编码、星座点映射、流解析、信道估计、MIMO检测、译码等在此不再赘述。

本发明实施例中的子频带划分如图3(a)所示。

图3为子频带划分的等效基带示意图，为方便起见，可沿用802.11n标准使用的负频率概念；将负频率的频谱搬移到正频率，但两者在本质上并无差异。AP使用[-40MHz，40MHz]频段共80MHz带宽，中心频率f0＝0。图3中仅示意了STA单天线的情况，同样也适用于STA和AP为多天线独占子频带以及多个STA通过空分复用共享子频带的情况。

图3(a)所示为图2中的4个STA所占用频带的示意图，其中，f0＝0，STA1使用[-40MHz，-20MHz]频段，中心频率f1＝-30MHz，STA2使用[-20MHz，0MHz]频段，中心频率f2＝-10MHz，STA3使用[0MHz，20MHz]频段，中心频率f3＝10MHz，STA4使用[20MHz，40MHz]频段，中心频率f4＝30MHz。

图3(a)所示的子频带划分的信号模型描述如下。要并行发送4路20MHz信号，可在频域对各路信号进行分离保证正交，即分别调制到不重叠的频段上。子载波数Nfft(IFFT/FFT变换的点数)、采样间隔T_S以及采样频率f_S之间的对应关系如下式：

Tu表示OFDM符号的持续时间。基带信号中心频率f_c＝0，其子载波间隔为ΔF＝78.125kHz时，本实施例中采用的子载波数Nfft(IFFT/FFT变换的点数)、采样间隔T_S以及采样频率f_S之间的对应关系如表1所示。

表1

带宽B	子载波数Nfft	采样间隔TS	采样频率fs
				20MHz	256	50ns	20MHz
40MHz	512	25ns	40MHz
				80MHz	1024	12.5ns	80MHz

表1中的采样频率fs为最低采样速率，可调整采用大于表1中所示的值。

本实施例中，4路信号的中心频率分别为f₁＝-30MHz，f₂＝-10MHz，f₃＝10MHz，f₁＝30MHz，正好占据一段连续的80MHz信道，各路信号中心频率对应的子载波偏移值分别为：-384ΔF，-128ΔF，128ΔF，384ΔF。

参照图2和图3(a)，本实施例中，各个STA的数据首先经过Nfft1＝256点(子载波数)的IFFT变换，基带样本的采样间隔(IFFT模块输入样本点的采样间隔)是50ns，然后经过D/A(D/A部分包含低通滤波)，再进行频谱搬移，中心频率分别为f1～f4，其中f1＝f0-30，f2＝f0-10，f3＝f0+10，f4＝f0+30，单位均为MHz，通过基带其它模块处理、射频通道及信道后被AP接收，AP接收的数据首先也经过射频通道和基带其它模块的处理，AP的基带样本点采样间隔是12.5ns，经过Nfft2＝1024点的FFT变换，即可从对应频段取出不同STA的数据进行后续处理。

不考虑时间偏差、频率偏差、干扰噪声的情况下，假设接收端基带收到不同载频的连续信号如下：

对信号采样，取t＝nT_s

对r(n)做1024点FFT变换即可解调得到信号W、X、Y、Z。

为保证信号周期一致，对不同带宽的信号，FFT模块输入数据的采样速率不同。在20MHz带宽下，256点FFT，采样周期应为50ns；而80MHz带宽下，1024点FFT，采样周期为12.5ns。

本发明实施例中，子频带组合起来供各站点使用，比如，可以两个子频带合成一个使用，或所有子频带组合成一个频带使用。本实施例中的子频带组合方式如图3(b)、图3(c)和图3(d)所示。

图3(b)所示为两个20MHz带宽的STA与一个40MHz带宽的STA共用80MHz频谱的子频带划分示意，三个子频带的中心频率分别为f1＝-30MHz，f2＝0，f3＝30MHz。另，图3(b)还有两种变形，如图4所示。

图3(c)所示为两个40MHz带宽的STA共用80MHz频谱的子频带划分示意，两个子频带的中心频率分别为f1＝-20MHz，f2＝20。

图3(d)所示为一个80MHz带宽的STA占用所有80MHz频谱的子频带划分示意，子频带中心频率为f1＝0。

其中，图3(b)所示为两个20MHz带宽的STA与一个40MHz带宽的STA共用80MHz频谱的情形，频带分布还可变换，具体如图4所示。

当AP配置为40MHz或80MHz带宽时，允许在其频谱内有空闲基本子频带或基本子频带组合。

如果发射站点和接收站点支持相同的带宽，则发射站点STA和接收站点的IFFT/FFT子载波数、采样速率均相同；

如果系统中有多个发射站点，各个发射站点支持的带宽不同，在满足带宽配置要求的前提下，多个发射站点可在接收站点支持的带宽范围内用各自的带宽配置向接收站点发送数据。

例如，若系统带宽可用带宽为40MHz，则AP支持40MHz，STA支持20MHz或40MHz，AP支持两个STA同时传输。若系统可用带宽为20MHz，也可将该频带继续划分，每个STA使用频带内的一部分资源，但各STA的中心频率都与AP相同，不再额外做频谱搬移(中心频率偏置)。

每个STA所占的子频带都有各自的虚拟子载波，设置在子频带的边缘(两端)，用于作为保护频带。每个STA只需单独做其所支持的带宽上的成型滤波，而不是整个W上的成型滤波。而AP做整个带宽W上的成型滤波，因此AP可以灵活地支持不同带宽配置的STA。

为了消除或最大限度地减小产生符号间干扰(ISI，Inter-Symbol Interference)和多用户干扰，系统中需要设计合理的同步机制，具体地说，引入循环前缀(CP，CyclicPrefix)，而循环前缀CP的长度随着传输模式、帧结构以及相应的协议而改变，需要设计满足要求的系统中循环前缀CP的长度。本发明实施例中，发射站点STA在收到接收站点AP发来的下行帧时，可根据下行帧的同步前导确定一个时间点t₀，各STA以各自估计的时间点为基准计算上行传输时刻，设计系统中的CP长度保证覆盖了距离最远的STA到AP的双向传播延迟2δ及多径延迟扩展τ_m，再考虑时间同步误差，则所有STA的多径信号都可在CP范围内到达STA，不至于产生符号间干扰(ISI)和多用户干扰。

本发明实施例中，当有多个发射站点发送数据，设置该无线通信系统的循环前缀CP长度T_CP需满足如下条件：

T_CP≥2δ+τ_m。

本发明实施例还提供一种基于OFDM的数据传输系统，用于中短距离无线通信，该系统的可用频带等分成N个基本子频带，该系统包括：

至少两个发射站点，分别采用单个子频带和/或M子频带组合向接收站点发送数据，其中M＝2ⁿ，n＝0，1，2，...，且M≤N，N、M为正整数；各发射站点采用基带样本采样速率fs或M*fs；

接收站点，在所述系统整个频带内接收从所述各发射站点发送的数据；采用的基带样本采样速率为N*fs。

更适宜地，其中所述发射站点包括：

子载波产生单元，用于在所述各子频带的两端设置虚拟子载波，以在所述子频带边缘设置保护频带。

本发明实施例中，所述子频带宽带为20MHz；和/或M＝1，2，4；和/或K＝256；和/或基带样本采样速率fs＝20MHz。

如果发射站点和接收站点支持相同的带宽，则发射站点STA和接收站点的IFFT/FFT子载波数、采样速率均相同；

如果系统中有多个发射站点，各个发射站点支持的带宽不同，在满足带宽配置要求的前提下，多个发射站点可在接收站点支持的带宽范围内用各自的带宽配置向接收站点发送数据。

综上所述，本发明提供的技术方案，基于OFDM技术和子频带组合使用，允许无线通信系统中的发射站点STA与接收站点AP有不同的带宽配置，发射站点STA可采用较低的配置降低硬件实现成本，接收站点AP则可采用较高的配置来提高效率：频谱利用率、吞吐率等，且可实现多个STA同时与AP进行通信。另外，在子频带的边缘增加了保护频带即虚载波，可以避免子频带间干扰，各个子频带可独立做成型滤波，而接收端只需做整个频带上的匹配滤波，无需多个基带接收机针对不同的子频带做匹配滤波，扩展了循环前缀(CP)，降低时间同步的要求。接收端基带样本采样速率是基本子频带样本采样速率的N倍，保证基本子频带上只需N1点的IFFT/FFT模块，接收端用N2＝N*N1点的IFFT/FFT模块，而不需要多个并行的N1点IFFT/FFT模块来解调各个子频带的信息。这样既可提高频谱利用率系统吞吐率，可实现多个STA同时与AP进行通信，且不必增加系统及用户站点设备的成本。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的实质和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种基于OFDM的数据传输方法，用于中短距离无线通信系统上行数据传输，其特征在于，将系统的可用频带等分成N个基本子频带，该方法包括：

至少两个发射站点分别采用N个基本子频带中的不同子频带，组合向接收站点发送数据，各发射站点所使用的子频带的数量M满足：M＝2ⁿ,n＝0,1,2,...,且M≤N，N、M为正整数；

发射站点采用采样速率M*fs，fs为基本子频带样本采样速率；

接收站点在所述可用频带内接收从至少两个发射站点发送的数据；接收站点采用采样速率为N*fs；

其中，发射站点在收到接收站点发来的下行帧时，根据下行帧的同步前导确定一个时间点，各发射站点以各自估计的时间点为基准计算上行传输时刻，确定系统中的循环前缀CP长度以保证所有发射站点的多径信号都在循环前缀CP范围内到达接收站点。

2.如权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，基带部分采用逆快速傅里叶变换IFFT/快速傅里叶变换FFT进行处理，则接收站点采用与发射站点不同的FFT长度：

若基本子频带用K点IFFT/FFT模块，发射站点如果占用M个基本子频带，发射站点的IFFT/FFT模块长度为M*K点，接收站点的IFFT/FFT模块长度为N*K点。

3.如权利要求2所述的数据传输方法，其特征在于，

各个发射站点支持的带宽不同，在满足带宽配置要求的前提下，发射站点在接收站点支持的带宽范围内用各自的带宽配置向接收站点发送数据。

4.如权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，还包括：在子频带边缘设置保护频带，具体为：

在所述子频带的两端设置虚拟子载波。

5.如权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，为各发射站点分别设置载波频率偏置，以确定各发射站点的载波中心频率。

6.如权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，所述确定系统中的循环前缀CP长度具体为，设置该无线通信系统的循环前缀CP长度T_CP满足如下条件：

T_CP≥2δ+τ_m

其中2δ为信号从发射站点到达允许的最大覆盖半径所经历的双向传播延迟，τ_m为多径延迟扩展。

7.如权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，所述子频带带宽为20MHz；所述fs＝20MHz。

8.一种基于OFDM的数据传输系统，用于中短距离无线通信，其特征在于，该系统的可用频带等分成N个基本子频带，该系统包括：

至少两个发射站点，分别采用N个基本子频带中的不同子频带，组合向接收站点发送数据，各发射站点所使用的子频带的数量M满足：M＝2ⁿ,n＝0,1,2,...,且M≤N，N、M为正整数；各发射站点采用采样速率M*fs，fs为基本子频带样本采样速率；

接收站点，在所述可用频带内接收从所述至少两个发射站点发送的数据；采用的采样速率为N*fs；

其中，发射站点在收到接收站点发来的下行帧时，根据下行帧的同步前导确定一个时间点，各发射站点以各自估计的时间点为基准计算上行传输时刻，确定系统中的循环前缀CP长度以保证所有发射站点的多径信号都在循环前缀CP范围内到达接收站点。

9.如权利要求8所述的数据传输系统，其特征在于，所述发射站点包括：

子载波产生单元，用于在所述子频带的两端设置虚拟子载波，以在所述子频带边缘设置保护频带。

10.如权利要求8或9所述的数据传输系统，其特征在于，所述子频带带宽为20MHz；所述fs＝20MHz。

11.如权利要求8所述的数据传输系统，其特征在于，

各个发射站点支持的带宽不同，在满足带宽配置要求的前提下，发射站点在接收站点支持的带宽范围内用各自的带宽配置向接收站点发送数据。