CN1893410A - 实现正交频分复用系统的频率复用、调制方法及接入设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了实现相邻小区频率复用的方法，各小区为OFDM系统，各小区基站发送数据进行OFDM操作时，包括步骤：将输入的串行数据流转换为多路并行子数据流；各路子数据流乘上一个用于对所映射的子载波进行功率调整的功率系数，所述各路功率系数被控制有各自的功率系数门限，并控制一部分子数据流所乘的功率系数门限高于其他子数据流的功率系数门限；将各路子数据流作傅立叶反变换到各路子载波上；将傅立叶反变换的各路子载波并串转换为一路输出；其中，不同相邻小区对应功率系数门限高的子数据流映射的子载波互不重叠。还相应提供了实现OFDM个子载波功率可控下的可调整方法及设备。使用本发明，可实现OFDM下相邻小区的频率复用。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术，特别是指实现OFDM系统的频率复用、调制方法及接入设备。
背景技术
正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是正交频率多路传输分割复用传输技术。OFDM传输技术是一种高效的数据传输方式，其基本实现方式是在频域内将给定信道分成多个正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，虽然总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道都是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道带宽，因此，可以大大消除信号波形间的干扰。与一般多载波传输技术相比，OFDM传输技术的不同之处在于允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间相互正交，就能够将数据信号从重叠的子载波上分离出来。由于OFDM传输技术允许子载波频谱重叠，因此其频谱效率可大大提高，因而OFDM传输技术是一种高效的调制方式。
OFDM传输技术在二十世纪六十年代中期被首次提出，但在此后相当长的一段时间，OFDM技术一直没有形成大规模的应用。当时OFDM传输技术的发展遇到了很多难于解决的问题，首先，OFDM传输技术要求各个子载波之间相互正交，尽管理论上通过快速傅立叶变换(FFT)可很好地实现这种调制方式，但在实际应用中，根据当时提供的技术手段，如此复杂的实时傅立叶变换设备是根本无法实现的。此外，发射机振荡器和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素也成为实现OFDM传输技术的制约条件。二十世纪八十年代以来，大规模集成电路技术的发展解决了FFT的实现问题，随着数字信号处理(DSP)技术的发展，格栅编码(TrellisCode)技术、软判决(Soft Decision)技术、信道自适应技术等的应用，OFDM传输技术开始从理论向实际应用转化。
图1示出了OFDM技术中用户数据传输过程示意图，如图1所示，用户数据首先经过信道编码和交织处理，并采用一些调制方法、如二相制相移键控信号(BPSK)调制、四相制相移键控信号(QPSK)调制、正交幅度调制(QAM)等形成数据信元，然后经过OFDM操作调制到射频上。在OFDM操作中，首先将待发送的数据信元进行串行/并行转换，形成n路低速并行的子数据流，每个子数据流将占用一个子载波；子数据流到子载波的映射(即将频域信号转换到时域)可通过傅立叶反变换实现，如可以是离散傅立叶反变换(IDFT)或快速傅立叶反变换(IFFT)；同时OFDM技术使用循环前缀(CP)作为保护间隔，大大减少甚至消除了码间干扰，并且保证了各信道之间的正交性，从而大大减少了信道间的相互干扰。
快跳频的OFDM无线传输技术将频谱资源划分成时间一频率栅格，每一条物理信道对应一个时间—频率栅格的图样。在一个小区内，不同物理信道对应的时间—频率栅格是相互正交的，以此来避免一个小区内物理信道间的相互干扰。而且，一个物理信道在不同时间占据不同的频率，可以克服频率选择性衰落。如图2所示OFDM基本时间—频率图样示意图，该时间—频率图样是根据长度为15的COSTA序列产生的，其他不同小区的时间—频率图样都是从这个基本时间—频率图样在频率域通过循环移位得到的。
快跳频的OFDM传输技术通过时间—频率图样的设计来平均相邻小区间的相互干扰，但是，在同频组网(即不同小区采用相同的频谱资源)的情况下，当小区的负荷增加时，一条物理信道受到相邻小区的同频干扰也会增加。在一个小区使用了所有的频率资源，该小区的相邻小区无论如何跳频都会受到干扰。如果受到干扰的终端与其所在小区的天线距离比较近，则该终端仍然具有比较高的信噪比，仍然能够达到比较小的错误概率；如果受到干扰的终端位于其所在小区的边缘，则由于距离的差别该终端将会出现比较高的错误概率。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供了一种OFDM频率复用的方法，以降低相邻小区间的相互干扰，提高无线通信系统的资源利用率。
本发明还提供了一种OFDM调制方法及OFDM接入设备，以实现OFDM各个子载波的功能可控制下的调整。
本发明提供的实现正交频分复用系统频率复用的方法，各个小区基站采用OFDM系统，相邻小区采用相同的频谱资源，在各个小区基站发送数据过程中，在进行OFDM操作时，包括以下步骤：
将输入的串行数据流转换为多路并行子数据流；
各路子数据流乘上一个用于对所映射的子载波进行功率调整的功率系数，所述各路功率系数被控制有各自的功率系数门限，并控制一部分子数据流所乘的功率系数的门限高于其他子数据流功率系数的门限；
将各路子数据流作傅立叶反变换(可以是IFFT/IDFT)变换到各路的子载波上；
将傅立叶反变换后的各路子载波并串转换为一路输出；
其中，不同相邻小区对应功率系数门限高的子数据流映射的子载波互不重叠。
其中，所述各路功率系数门限根据时间的变化进行变化。
其中，进一步包括：当采用蜂窝网方式组网时，两两相邻的三个小区中，所述三个小区分别对应的功率系数门限高的子数据流路数之和，与所述多路子数据流总路数相同。
其中，在将输入的串行数据流转换为多路并行子数据流后，或将各路子数据流作傅立叶反变换前，进一步包括：对各路子数据流进行交织排列操作。
其中，将傅立叶反变换后的各路子载波并串转换为一路之前，进一步包括：各路子载波加循环前缀。
本发明提供的正交频分复用调制方法，包括以下步骤：
将输入的串行数据流转换为多路并行子数据流；
各路子数据流乘上一个用于对所映射的子载波进行功率调整的功率系数，所述各路功率系数被控制有各自的功率系数门限；
将各路子数据流作傅立叶反变换到各路的子载波上；
将傅立叶反变换后的各路子载波并串转换为一路输出。
本发明提供的正交频分复用接入设备，包括：
串并变换器，用于将输入的数据串并转换为多路并行子数据流输出；
傅立叶反变换变换器，用于接收所述多路数据流进行傅立叶反映射到对应的多路子载波上；
并串变换器，用于接收傅立叶反变换变换器输出的多路子载波，并串变换为一路输出；其特征在于，还包括：
子载波功率系数调节器，用于将串并变换器输出的多路并行子数据流在由傅立叶反变换接收之前，对各路并行子数据流分别乘上一个功率系数，该功率系数用于对各路子数据流所映射的子载波功率进行调整；
子载波功率门限控制逻辑器，用于对所述各路子数据流所乘的功率系数的门限进行控制。
其中，进一步包括：交织排列器，用于将傅立叶反变换变换器要接收的数据流进行交织排列。
其中，进一步包括：加循环前缀单元，用于将并串变换器要转换的每一路子载波加入循环前缀。
由上述方法可以看出，本发明通过在子载波上乘上一个系数，可以调整不同子载波上的发射功率，并且各路子载波进行不同的功率门限控制。功率门限高的子载波组作为本小区的主子载波，应用于小区边缘和小区内部的数据传输；功率门限低小的子载波组作为附子载波，只应用于小区内部的数据传输。其中，相邻小区的主子载波所在子载波组互不重叠，不会出现主子载波间的同频干扰，从而降低了相邻小区间的相互干扰，而副子载波的发射功率相对较低，也降低了对相邻小区的干扰。从而提高通信质量，并且可以实现单频组网，提高了频谱的利用效率。
附图说明
图1示出了OFDM传输过程示意图；
图2示出了OFDM基本时间—频率图样示意图
图3示出了现有OFDM频率分组划分形成的组网干扰示意图；
图4示出了本发明OFDM实现的频率复用方式组网示意图；
图5示出了本发明OFDM频率分组划分形成的组网图；
图6示出了本发明OFDM传输过程示意图。
具体实施方式
首先针对现有技术小区干扰的情况进行分析，如图3示出现有OFDM频率分组划分形成的组网，现有技术中OFDM系统中各子载波的发射功率门限相同，这样，由于各子载波的覆盖范围相同，因此在各相邻小区的边缘区域，处于同频的子载波之间就会产生比较强的干扰。
鉴于此，本发明中，将OFDM系统所有子载波划分成N组，不同的相邻小区选择不同组的子载波作为本小区的主子载波，其他子载波作为本小区的副子载波，对各小区的主子载波和副子载波设置不同的发射功率门限，且主子载波的发射功率门限高于副子载波的发射功率门限，以主子载波的覆盖范围确定小区边界。这样，对于小区内部，主要采用低功率副子载波传输数据，由于离基站比较近，终端可以接收到本小区清晰的信号，并且由于副子载波功率小，对相邻小区的干扰比较小；而在各相邻小区边缘区域，采用高功率主载波传输数据，处于边缘区域的终端主要接收到的是不同相邻小区的主子载波，由于不同相邻小区的主子载波不相重叠不处于同频上，处于正交，因此相互干扰就会大大降低。
具体可以参见图4示出的本发明中频率复用方式下组网示意图，基站1管辖终端11和终端12，终端11位于基站1管辖区域的内部，如位于以基站1为中心的小区半径的30％处，终端12位于基站1管辖区域的边界，如位于以基站1为中心的小区半径的90％处；同样的，基站2管辖终端21和终端22；基站3管辖终端31和终端32。以基站1来说，发射的子载波中，灰色表示的是主子载波，其功率较大；斜划线表示的是副子载波，发射功率较小，并且不同的基站采用的主子载波不同。这样，位于小区边界的终端11接收基站1的主子载波时，虽然会收到基站2、基站3的主子载波的干扰，但由于接收的不同基站的主子载波并不在同频上且互为正交，因此可避免同频干扰。位于基站1的小区内部的终端12来说，由于各个基站通过对发射功率的限制，不会受到相邻基站信号的干扰，或者干扰很小。
另外，子载波的分组以及主子载波和副子载波的划分可固定不变，也可根据时间进行动态变化，即子载波的分组以及主子载波和副子载波的划分可随意变化，只要保证在同一时间内相邻小区没有同时使用同一子载波即可。例如，有6个子载波，相应标识分别为1、2、3、4、5和6，在一个时间段内，将标识为1和2的子载波划分为一组子载波，将标识为3和5的子载波划分为一组子载波，将标识为4的子载波划分为一组子载波，将标识为6的子载波划分为一组子载波，小区1以标识为1和2的这组子载波作为本小区的主子载波，其余子载波作为本小区的副子载波，相邻小区2以标识为4的这组子载波作为本小区的主子载波，其余子载波作为本小区的副子载波；一段时间后，可将这5个子载波重新分组，将标识为2和5的子载波划分为一组子载波，将标识为4和6的子载波划分为一组子载波，将标识为1的子载波划分为一组子载波，将标识为3的子载波划分为一组子载波，小区1以标识为4和6的这组子载波作为本小区的主子载波，其余子载波作为本小区的副子载波，相邻小区2以标识为3的这组子载波作为本小区的主子载波，其余子载波作为本小区的副子载波。
考虑到系统的容量、频谱效率等宏观问题，如图5示出的OFDM频率分组划分形成的组网图，分组的典型值可取3，此时的组网形式也即为蜂窝网(每三个小区两两相邻)，这种形式蜂窝网可使得系统容量达到最大，频谱效率达到最高。不难理解，若要使频谱效率达到最高，对于子载波分为3组，由相邻的小区分别采用不同的子载波组。另外，N也可取其他值，如4、5、6、7、8等等。
下面参见图6，对本发明正交频分复用调制方法来实现对各个子载波功率控制、以及进而实现本发明OFDM系统频率复用的方法进行说明。
在OFDM的信号发送方法中，OFDM的调制过程包括以下步骤：
步骤1：经过调制后的用户数据信元进行OFDM操作时，首先进行串并变换，将输入的串行数据信元转换为n路并行子数据流，设n路并行子数据流为f(1)，f(2)...f(n)；。
步骤2：经过串并变换后的n路子数据流分成N个组，N的取值从1到最大子载波数；(分为N个组，每组可以包括m个子载波，m＜＝N＜＝n)，设这N个组记为：g(1)，g(2)...g(N)。
步骤3：每个组的各个子数据流乘上一个功率系数，用于调整所映射的各个子载波的发射功率，这可以由子载波功率系数调节器实现。不同组可以采用不同的功率系数门限。
并且，所述各路功率系数被控制有各自的功率系数门限，这可以由子载波功率门限控制逻辑器实现。其中，可以控制一部分组的子数据流所乘的功率系数的门限高于其他组子数据流的功率系数门限，如，将功率系数门限分为两部分，一部分功率系数门限为G1，另一部分为G2，且G1＞G2。可以将G1所对应的子载波组作为本小区的主子载波，G2对应的子载波组作为副子载波。这样当不同小区选用不同主子载波时，便可实现本发明的OFDM系统的频率复用方式。
例如，参考图4，当小区1采用了子载波g(1)组功率门限为G1，其他子载波组功率门限为G2；相邻小区2采用了g(2)组功率门限为G1，其他子载波组功率门限为G2；相邻小区3采用了g(3)组功率门限为G1，其他子载波组功率门限为G2，就可以实现图4所示的OFDM频率复用。
需要说明的是，要实现图4的蜂窝网(每三个小区两两相邻)中频谱使用率最高，需要将子载波分为3组，由两两相邻的三个小区分别采用不同的子载波组，要实现这样的子载波分配，就需要所述三个小区分别对应的功率系数门限高的子数据流路数的和与所述多路子数据流总路数相同。
步骤4：n路并行数据流根据一定的方式进行交织和排列，交织排列的方式决定了子载波的映射方式。
步骤5：交织排列后的并行数据流进行傅立叶反变换(可以是IFFT/IDFT)，映射为n路数据对应的n个子载波。
步骤6：每个子载波加循环前缀CP，用于克服符号间串扰，然后进行并串变换为一路，完成OFDM操作。
其中，对应步骤4的交织排列、步骤6的加循环前缀是可选的步骤，另外，步骤4所述的交织排列也可以在步骤1之后。
为了实现各个子载波功率被控下可调整，还相应的提供了设备，参见图6，包括：串并变换器，用于将输入的数据串并转换为多路并行数据输出；子载波功率系数调节器，用于将串并变换器输出的多路并行数据流在由傅立叶反变换接收之前，对各路并行数据流乘上一个功率系数，该功率系数用于对各路数据流所映射的子载波功率的调整；子载波功率门限控制逻辑器，用于对所述各路子载波功率系数的门限进行控制，具体来说，子载波功率门限控制逻辑器为每一路子载波所乘的功率系数分别提供一个门限，限制功率系数只能在其门限内进行变化，具体可参见上述步骤3提到的使用功率系数门限的例子，此处不再赘述；傅立叶反变换变换器，用于接收所述多路数据流进行傅立叶反变换后映射到对应的多路子载波上；并串变换器，用于接收傅立叶反变换变换器输出的多路子载波，并串变换为一路输出。如图，还可包括，用于将傅立叶反变换变换器要接收的数据流进行交织排列的交织/排列单元、用于将并串变换器要转换的每一路子载波加入循环前缀的加循环前缀单元。
使用本发明方法来承载无线信道时，针对全覆盖类型信道，如广播信道、公共控制信道等，可设置这些信道只使用本小区的主子载波，采用较高的发射功率，相邻小区的覆盖区域虽有重叠，但相互间干扰比较低，有利于终端的小区选择、切换和正确接收公共控制信息。另外为了保证信令的可靠性，也可只使用主子载波承载信令。
可设置终端位于所在小区边缘区域时，业务信道只使用主子载波，由于相邻小区的主子载波互不重叠，能够降低相邻小区间的相互干扰，提高通信质量。小区边缘区域可预先定义，如将基站覆盖范围的75％以外视为小区的边缘区域。
可设置终端距离基站较近时，同时使用主子载波和副子载波，实现高速数据和多媒体业务的传输。由于副子载波的发射功率相对较低，降低了对相邻小区的干扰，提高了频谱的利用效率。该距离可为设定的范围，如小区覆盖区域的75％之内，如果终端与基站的距离在设定范围内，则均可视为终端与基站相距较近。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1、一种实现正交频分复用OFDM系统频率复用的方法，各个小区基站采用OFDM系统，相邻小区采用相同的频谱资源，其特征在于，各个小区基站发送数据过程中，在进行OFDM操作时，包括以下步骤：
将输入的串行数据流转换为多路并行子数据流；
各路子数据流乘上一个用于对所映射的子载波进行功率调整的功率系数，所述各路功率系数被控制有各自的功率系数门限，并控制一部分子数据流所乘的功率系数的门限高于其他子数据流功率系数的门限；
将各路子数据流作傅立叶反变换映射到各路对应的子载波上；
将傅立叶反变换后的各路子载波并串转换为一路输出；
其中，不同相邻小区对应功率系数门限高的子数据流映射的子载波互不重叠。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各路功率系数门限根据时间的变化进行变化。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：当采用蜂窝网方式组网时，两两相邻的三个小区中，所述三个小区分别对应的功率系数门限高的子数据流路数之和，与所述多路子数据流总路数相同。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在将输入的串行数据流转换为多路并行子数据流后，或将各路子数据流作傅立叶反变换前，进一步包括：对各路子数据流进行交织排列操作。
5、根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于：将傅立叶反变换后的各路子载波并串转换为一路之前，进一步包括：各路子载波加循环前缀。
6、一种正交频分复用调制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
将输入的串行数据流转换为多路并行子数据流；
各路子数据流乘上一个用于对所映射的子载波进行功率调整的功率系数，所述各路功率系数被控制有各自的功率系数门限；
将各路子数据流作傅立叶反变换映射到各路对应的子载波上；
将傅立叶反变换后的各路子载波并串转换为一路输出。
7、一种正交频分复用接入设备，包括：
串并变换器，用于将输入的数据串并转换为多路并行子数据流输出；
傅立叶反变换变换器，用于接收所述多路数据流进行傅立叶反变换映射到对应的多路子载波上；
并串变换器，用于接收傅立叶反变换变换器输出的多路子载波，并串变换为一路输出；其特征在于，还包括：
子载波功率系数调节器，用于将串并变换器输出的多路并行子数据流在由傅立叶反变换变换器接收之前，对各路并行子数据流分别乘上一个功率系数，该功率系数用于对各路子数据流所映射的子载波功率进行调整；
子载波功率门限控制逻辑器，用于对所述各路子数据流所乘的功率系数的门限进行控制。
8、根据权利要求7所述的设备，其特征在于，进一步包括：交织排列器，用于将傅立叶反变换变换器要接收的数据流进行交织排列。
9、根据权利要求7或8所述的设备，其特征在于，进一步包括：加循环前缀单元，用于将并串变换器要转换的每一路子载波加入循环前缀。
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