传输信号的方法及实现该方法的蜂窝系统
技术领域
本发明主要涉及正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing,OFDM)系统,尤其涉及在OFDM系统中传输信号的方法以及实现该方法的蜂窝系统。
背景技术
未来移动通信的趋势是要达到高达几百兆bps的传输速度,这需要采用宽带传输方案,从而使得未来移动通信系统的带宽达到几十兆Hz甚至上百兆Hz。巨大的带宽需求为系统应用提出了新的要求。
由于OFDM技术可以在特别计算的正交频率上同时发送多路高速信号,从而单个载波间无需保护频带,使得可用频谱的使用效率更高。另外,OFDM技术可动态分配在子信道上的数据,即为获得最大的数据吞吐量,多载波调制器可以智能地分配更多的数据到噪声小的子信道上。因此,具有高频谱利用率和高数据吞吐量的OFDM技术已被认为是用于下一代移动通信系统的最有潜力的空中接口调制传输技术。
目前,在适用于移动通信的6GHz带宽内,大多数频段已经被分配给各种无线通信系统,因此频谱资源非常有限,这使得未来通信系统将难以获得大量的宽带的频谱。在这样的情况下,运营商非常希望在未来系统应用中采用频率重用因子为1的网络方案。这种方案意味着在蜂窝网络中,所有的小区、扇区将工作在相同的频段上,系统带宽上的所有频率将为所有相邻小区所使用。对于OFDM系统,这种方案意味着OFDM的子载波将为所有相邻小区所使用。这样的频率使用方式将给相邻小区、尤其给小区边缘的用户,带来严重的干扰。如果不能很好的解决小区间干扰的问题,频率重用因子为1的组网方案将会导致非常差的系统性能,而小区边缘的用户也只能获得非常低的传输效率。
因此,解决OFDM系统中的相邻小区干扰,将OFDM技术应用于蜂窝移动通信系统,从而充分发挥OFDM技术的优势,成为下一代移动通信系统研究中的一个重要问题。
目前,针对OFDM系统中的相邻小区干扰问题,主要有三种解决方案:
(1)采用频率重用因子大于1的蜂窝系统。在这种方案中相邻小区工作在不同的频点,这样就避免了相邻小区的同频干扰。
(2)OFDM与跳频技术的结合。在这种方案中,每个小区按照其特定的跳频序列,选择OFDM子载波进行传输。当相邻小区的跳频图案正交时,相邻小区采用不同的OFDM子载波传输,从而避免了同频干扰。该技术已被美国Flarion公司用在其名为Flash-OFDM的移动通信系统中。
(3)OFDM与CDMA技术的结合。CDMA系统由于采用扩频和码分多址技术可以非常容易实现频率重用因子为1的蜂窝系统,这是CDMA系统的优势之一。将CDMA与OFDM相结合,如MC-CDMA和NTTDoCoMO公司提出的VSF-OFCDM方案,在OFDM调制前对信号进行时频域的扩频和加扰处理,通过扩频码和系统扰码区分小区,可以实现同频的组网方式。
然而,以上三种方案均有其各自的缺点:
(1)采用频率重用因子大于1的蜂窝系统需要更多频段,相对频率重用为1的方案,其对频谱资源的需求更大,从而很难满足运营商的要求;
(2)OFDM与跳频技术结合的方案当小区都不工作在满负荷状态下是可行的,此时每个小区只需要使用部分OFDM子载波进行传输,因此能够找到相互正交的跳频图案以避免小区采用相同的子载波。但当小区负荷超过50%,相邻小区采用正交子载波进行工作将不再可能,这时小区间的同频干扰将影响系统的性能。当小区都处在满负荷状态下,同频干扰将非常严重,跳频技术已经完全失去了意义。
(3)在OFDM与CDMA技术结合的方案中,由于CDMA是干扰受限系统,因此在移动无线环境下的多径传输将会破坏信道化码的正交性,从而带来码间串扰影响系统性能。将OFDM与CDMA技术相结合,仍然会存在这个问题,从而造成系统容量的下降。为了解决这个问题,必须在接收机处采用复杂、先进的信号处理技术,而这必然会提高接收机的复杂度,使得单纯OFDM系统中接收机复杂度很低的优势不复存在。
2004年6月的WWRF会议上,贝尔实验室的A.Alexiou等人提出了一种不同于传统TDD和FDD的新的双工方式——频段转换双工(BandSwitching Duplexing)方式,如图1所示。图1中给出一对频谱f1和f2。不同于固定一段频谱用于下行传输、另一段频谱用于上行传输的传统FDD方式,在贝尔实验室提出的频段转换双工方式中,这两段频谱以时间T为周期交替用于上行传输和下行传输。也就是说,在前一周期T,第一频段f1用于上行传输,第二频段f2用于下行传输,而在后一周期T,改变为第一频段f1用于下行传输,第二频段f2用于上行传输。
这种频段转换双工方式兼有TDD和FDD的特点:对其中一个频段而言,一半时间工作在下行,一半时间工作在上行,为TDD方式;在某个时间点上,上下行分别工作在不同的频点,为FDD方式,从而有效地实现了同频全双工的特性。
发明内容
为了抑制OFDM系统中相邻小区间的同频干扰,本发明将上述频段转换双工方式应用在OFDM系统中,从而提出了一种新的信号传输方法。该方法包括如下步骤:
第一传输时间间隔步骤,用于在第一传输时间间隔,由第一小区的基站利用第一频段向第一小区内的移动台发送信号,而与第一小区相邻的第二小区的基站利用第一频段接收第二小区内的移动台发送的信号,同时,第一小区的基站利用第二频段接收第一小区内移动台发送的信号,而相邻的第二小区的基站利用第二频段向第二小区内的移动台发送信号;以及第二传输时间间隔步骤,用于在第二传输时间间隔,由第一小区的基站利用第一频段接收第一小区内移动台发送的信号,而与第一小区相邻的第二小区的基站利用第一频段向第二小区内的移动台发送信号,同时,第一小区的基站利用第二频段向第一小区内的移动台发送信号,而相邻的第二小区的基站利用第二频段接收第二小区内的移动台发送的信号。
利用根据本发明的方法,在OFDM系统中实现了频率重用因子为1的信号传输,有效解决了小区间干扰的问题。
本发明还提出了一种信号传输方法,可以更好地避免干扰。该方法包括如下步骤:
第一传输时间间隔步骤,用于在第一传输时间间隔,由第一小区的基站利用针对第一频段的第一无线调度资源向第一小区内的移动台发送信号,而与第一小区相邻的第二小区的基站利用针对第一频段的第二无线调度资源接收第二小区内的移动台发送的信号,同时,第一小区的基站利用针对第二频段的第一无线调度资源接收第一小区内移动台发送的信号,而相邻的第二小区的基站利用针对第二频段的第二无线调度资源向第二小区内的移动台发送信号;以及第二传输时间间隔步骤,用于在第二传输时间间隔,由第一小区的基站利用针对第一频段的第一无线调度资源接收第一小区内移动台发送的信号,而与第一小区相邻的第二小区的基站利用针对第一频段的第二无线调度资源向第二小区内的移动台发送信号,同时,第一小区的基站利用针对第二频段的第一无线调度资源向第一小区内的移动台发送信号,而相邻的第二小区的基站利用针对第二频段的第二无线调度资源接收第二小区内的移动台发送的信号,其中,针对第一频段的第一无线调度资源和第二无线调度资源是经无线网络控制器针对第一频段无线资源调度后得到的,针对第二频段的第一无线调度资源和第二无线调度资源是经无线网络控制器针对第二频段无线资源调度后得到的。
同时,本发明提供了一种为实现上述第一种信号传输方法由至少两个小区组成的蜂窝系统,其中每个小区有各自的基站,各个小区范围内有移动台。
在该蜂窝系统中,每两个相邻的小区中的基站和移动台按照如下方式工作:在第一传输时间间隔,由第一小区的基站利用第一频段向第一小区内的移动台发送信号,而与第一小区相邻的第二小区的基站利用第一频段接收第二小区内的移动台发送的信号,同时,第一小区的基站利用第二频段接收第一小区内移动台发送的信号,而相邻的第二小区的基站利用第二频段向第二小区内的移动台发送信号;以及在第二传输时间间隔,由第一小区的基站利用第一频段接收第一小区内移动台发送的信号,而与第一小区相邻的第二小区的基站利用第一频段向第二小区内的移动台发送信号,同时,第一小区的基站利用第二频段向第一小区内的移动台发送信号,而相邻的第二小区的基站利用第二频段接收第二小区内的移动台发送的信号。
本发明还提供了一种为实现上述第二种信号传输方法由至少两个小区组成的蜂窝系统,其中每个小区有各自的基站,各个小区范围内有移动台。
在该蜂窝系统中,每两个相邻的小区中的基站和移动台按照如下方式工作:在第一传输时间间隔,由第一小区的基站利用针对第一频段的第一无线调度资源向第一小区内的移动台发送信号,而与第一小区相邻的第二小区的基站利用针对第一频段的第二无线调度资源接收第二小区内的移动台发送的信号,同时,第一小区的基站利用针对第二频段的第一无线调度资源接收第一小区内移动台发送的信号,而相邻的第二小区的基站利用针对第二频段的第二无线调度资源向第二小区内的移动台发送信号;以及在第二传输时间间隔,由第一小区的基站利用针对第一频段的第一无线调度资源接收第一小区内移动台发送的信号,而与第一小区相邻的第二小区的基站利用针对第一频段的第二无线调度资源向第二小区内的移动台发送信号,同时,第一小区的基站利用针对第二频段的第一无线调度资源向第一小区内的移动台发送信号,而相邻的第二小区的基站利用针对第二频段的第二无线调度资源接收第二小区内的移动台发送的信号,其中,针对第一频段的第一无线调度资源和第二无线调度资源是经无线网络控制器针对第一频段无线资源调度后得到的,针对第二频段的第一无线调度资源和第二无线调度资源是经无线网络控制器针对第二频段无线资源调度后得到的。
根据本发明的蜂窝系统可以避免相邻小区间的同频干扰。
附图说明
图1示出现有技术中的频段转换双工方法的示意图;
图2示出本发明的信号传输方法在OFDM系统中应用的示意图;
图3示出本发明的信号传输方法中频段转换的示意图;
图4示出根据本发明的信号传输方法中以频分方式进一步避免干扰的子带分配示意图;
图5示出根据本发明的信号传输方法的流程图;以及
图6示出实现本发明信号传输方法的蜂窝系统的示意图。
具体实施方式
下面将参照示出本发明实施方式的附图描述本发明。
图2示出本发明的信号传输方法在OFDM系统中应用的示意图。在根据本发明的信号传输方法中,如图2所示,小区1的基站在传输时间间隔t1中利用频段f1向小区1内的移动台11发送信号,而相邻小区2的基站在同一个频段f1上接收小区2内的移动台22发送的信号。同时,小区1的基站在传输时间间隔t1中利用频段f2接收小区1内的移动台11发送的信号,而相邻小区2的基站利用频段f2向小区2内的移动台22发送信号。而在传输时间间隔t2中进行频段转换,即与图2所示频段使用的情况相反,小区1的基站在传输时间间隔t2中利用频段f2向小区1内的移动台11发送信号,而相邻小区2的基站在同一个频段f2上接收小区2内的移动台22发送的信号。同时,小区1的基站利用频段f1接收小区1内的移动台11发送的信号,而相邻小区2的基站利用频段f1向小区2内的移动台22发送信号。依此类推,之后的信号传输在后续传输时间间隔中不断以上述方式重复进行频段的转换。
应当注意,上述传输时间间隔t1、传输时间间隔t2以及后续的每个传输时间间隔为最小传输单位——时隙的整数倍,并可以由无线网络控制器根据传输情况,如业务需求情况、小区的负载情况等动态进行调整。
图3示出本发明的信号传输方法中频段转换的示意图。如图3所示,传输时间间隔t1中,小区1利用频段f1进行上行传输,频段f2用于下行传输,同时,与小区1相邻的小区2利用频段f1进行下行传输,利用频段f2进行上行传输。经过传输时间间隔t1的传输后,在传输时间间隔t2,进行频段转换,即小区1利用频段f1进行下行传输,频段f2用于上行传输,同时相邻小区2利用频段f1进行上行传输,利用频段f2进行下行传输。
由图2及上述描述可以看出,在传输时间间隔t1中的同一个频段f2上,小区1的基站会同时收到本小区移动台11和相邻小区2的基站发送的信号,但综合考虑小区下行发射功率以及小区间距离所带来的信号衰减可以认为,相邻小区2的基站发送的信号到达小区1的基站时,功率已经非常小。同理,在频段f1上,小区2的基站所收到的小区1的基站发出的信号功率也非常小。因此,相邻小区基站间的干扰完全可以忽略不计,而不会影响到小区基站的收发性能。
下面,将着重关注在上述信号传输方法中,如何保证处于小区边缘的移动台的性能。
以位于小区1边缘的移动台11为例进行分析。如图2所示,当处于小区1和小区2边缘的移动台11通过频段f1从小区1的基站接收信号时,相邻小区2的基站正利用另外的频段f2进行下行发送。由此可见,该信号传输方法可以完全避免来自相邻小区2的基站下行信号的干扰。
然而,由于相邻小区2中的移动台22同时在利用频段f1进行上行传输,这就会对移动台11的接收造成干扰。也就是说,此时移动台11会同时接收到来自小区1基站的信号和来自小区2的移动台22发出的信号。在这种情况下,对小区边缘移动台11下行接收的干扰主要来自于相邻小区2的移动台22的发射信号,而不是象传统组网方式下干扰主要来自于相邻小区基站的发射信号。
利用本发明的信号传输方法所导致的上述干扰源的变化——从相邻基站改变为相邻小区的移动台的变化——将使得抑制相邻小区的干扰成为可能,原因如下:
1)由于移动台上行传输数据率较低,上行信道使用率比下行信道小、突发性强,而且移动台发射功率远低于基站,因此来自相邻小区移动台的干扰将远远小于来自相邻小区基站的干扰,从而使得与传统信号传输方法相比,根据本发明的信号传输方法对系统下行容量的影响要小得多;
2)移动台之间的干扰可以通过跨小区无线资源调度来尽量减小甚至避免。
为此,本发明针对上述OFDM系统中的信号传输方法进行了进一步的改进,该改进通过跨小区无线资源的调度,进一步减小了移动台之间的干扰。
上述跨小区无线资源的调度可以由无线网络控制器(RNC)通过频分、时分以及码分的方式实现。下面详细说明通过频分、时分以及码分的方式,获得相互正交且不会重叠的无线调度资源并利用这样的无线调度资源分别进行传输,从而避免干扰的情况。
图4示出以频分方式避免相邻小区移动台同频干扰的示意图。如图4所示,尽管图2中移动台11的下行接收和移动台22的上行发送都工作在同一个频段f1上,但在OFDM系统中,通过无线资源频分调度,可以获得相互正交的无线调度资源,即由一个子载波构成的子带或者由多个连续或不连续的子载波构成的子带,从而令移动台11的下行接收和移动台22的上行发送分别占用不同的子带进行传输,这样就在同一个频段内部,以频分的方式避免了相邻小区移动台间的同频干扰。
上述子带的分配可以是固定分配的,如图4所示,即分配给移动台11的下行子带和分配给移动台22的上行子带的频率相对于整个频段而言是固定的,如移动台11的下行接收固定使用f1-1的子带,而移动台22的上行发送固定使用f1-2的子带。
然而,子带的分配也可以采用令移动台11的下行传输和移动台22的上行传输分别使用不同的跳频图案的方式,当跳频图案相互正交时,同频干扰得以避免。
还可以利用时分的方式对无线资源进行调度。即,虽然图2中移动台11的下行接收和移动台22的上行发送都工作在同一个频段f1上,但是通过资源调度,上述两者可以在时间上错开。也就是说,令移动台11的下行接收和移动台22的上行发送分别在不同的时隙段内利用频段f1进行工作,从而使得相邻小区移动台间的同频干扰以时分的方式得以抑制。上述不同的时隙段是RNC对无线资源进行时分调度所获得的无线调度资源,RNC根据传输情况可以动态调整所分配的时隙段。时隙段由一个时隙构成或者由多个连续或者不连续的时隙构成。
与上述频分和时分方式相类似,可以使用码分方式进行无线资源调度,获得无线调度资源扩频码。令移动台11的下行接收和移动台22的上行发送针对频段f1分别使用不同的扩频码进行工作,从而避免干扰。
通过上述分析,图5中示出根据本发明的信号传输方法的流程图。图5的流程开始于步骤501。在步骤502的第一传输时间间隔t1中,小区1的基站利用频段f1向小区1内的移动台11发送信号,而相邻小区2的基站在同一个频段f1上接收小区2内的移动台22发送的信号。同时,小区1的基站在传输时间间隔t1中利用频段f2接收小区1内的移动台11发送的信号,而相邻小区2的基站也利用同一个频段f2向小区2内的移动台22发送信号。而在步骤503的传输时间间隔t2中进行频段转换,即小区1的基站在传输时间间隔t2中利用频段f2向小区1内的移动台11发送信号,而相邻小区2的基站在同一个频段f2上,接收小区2内的移动台22发送的信号。同时,小区1的基站利用频段f1接收小区1内的移动台11发送的信号,而相邻小区2的基站利用该频段f1向小区2内的移动台22发送信号。之后,图5所示流程进入步骤504。在步骤504,判断是否需要继续传输信号。当在步骤504经判断需要继续进行传输时,图5所示流程返回步骤502,按照步骤502中对频段的利用方式执行下一个传输时间间隔的传输,否则,流程结束于步骤505。在图5所示的方法中,每个传输时间间隔的长短均可由RNC根据具体传输情况动态确定,并且传输时间间隔为传输最小单位——时隙的整数倍。
在本发明的改进方法中,根据RNC针对频段f1和f2分别进行的无线资源调度,分别获得针对各个频段的相互正交的无线调度资源,进而利用这些无线调度资源进行传输,从而进一步减小干扰。这样,在上述步骤502的第一传输时间间隔t1中,小区1的基站利用针对f1的一个无线调度资源向小区1内的移动台11发送信号,而相邻小区2的基站利用针对f1的另一个无线调度资源接收小区2内的移动台22发送的信号。同时,小区1的基站在传输时间间隔t1中利用针对f2的一个无线调度资源接收小区1内的移动台11发送的信号,而相邻小区2的基站利用针对f2的另一个无线调度资源向小区2内的移动台22发送信号。而在步骤503的传输时间间隔t2中进行频段转换,即小区1的基站在传输时间间隔t2中利用针对f2的一个无线调度资源向小区1内的移动台11发送信号,而相邻小区2的基站利用针对f2的另一个无线调度资源接收小区2内的移动台22发送的信号。同时,小区1的基站利用针对f1的一个无线调度资源接收小区1内的移动台11发送的信号,而相邻小区2的基站利用针对f1的另一个无线调度资源向小区2内的移动台22发送信号。
应当理解,本发明的信号传输方法并不限于两个小区之间,事实上,只要在每两个相邻小区之间按照本发明的信号传输方法进行频段分配,就能有效避免相邻小区间的同频干扰。有关实现本发明信号传输方法的蜂窝系统将结合图6进行详细说明。
本发明还提供了一种由多小区构成的蜂窝系统,该蜂窝系统实现了根据本发明的信号传输方法,可以有效抑制相邻小区间的同频干扰。
图6是上述蜂窝系统的示意图。为不失普遍性,以7个六边形小区构成蜂窝系统为例进行说明。
如图6所示,在本蜂窝系统中,为了提高系统容量,每小区采用6扇区结构,每个相邻扇区间的频段转换模式相互正交。即,深色扇区采用如下方式进行频段转换:在第一传输时间间隔中,利用频段f1或者针对频段f1的一个无线调度资源f1-1作为上行传输的频段,利用频段f2或者针对频段f2的一个无线调度资源f2-1作为下行传输的频段,在第二传输时间间隔中,利用频段f1或者针对频段f1的一个无线调度资源f1-1作为下行传输的频段,利用频段f2或者针对频段f2的一个无线调度资源f2-1作为上行传输的频段。同时,浅色扇区采用如下方式进行频段转换:在第一传输时间间隔中,利用频段f1或者针对频段f1的另一个无线调度资源f1-2作为下行传输的频段,利用频段f2或者针对频段f2的另一个无线调度资源f2-2作为上行传输的频段,在第二传输时间间隔中,利用频段f1或者针对频段f1的另一个无线调度资源f1-2作为上行传输的频段,利用频段f2或者针对频段f2的另一个无线调度资源f2-2作为下行传输的频段。
同样,也可以利用时分的方式,使得同一传输时间间隔中利用同一频段进行上行或者下行传输的基站或者移动台在不同的时隙内使用该同一频段,从而有效避免了干扰。码分方式与上述改进方法的不同只是采用不同的扩频码避免干扰。
在这样的蜂窝系统中,结合频分、时分或者码分方式的资源调度,小区间的同频干扰得以有效抑制甚至被完全避免,从而有效地提高了系统吞吐量。
利用根据本发明的信号传输方法及实现该方法的蜂窝系统,可以有效避免相邻小区间的同频干扰,提高了OFDM系统的性能。
尽管已经参照当前被认为是实施方式的内容描述了本发明,但是应当理解,本发明不限于所公开的实施方式。相反,本发明要覆盖包含在所附权利要求的构思和范围内的各种变型和等价方案。权利要求的范围要记录最宽的解释,从而包含所有这样的变型和等价结构及功能。