CN1909546A - 宽带无线多媒体系统的物理层下行链路帧的发射方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于宽带无线多媒体系统的数字信息技术领域，其特征在于：用大基站发射广播业务，用小基站发射通信业务；通信帧使用由1个N点IFFT数据块和1个L点的由PN序列填充的保护间隔组成OFDM符号，广播帧使用由1个4N点的IFFT数据块和1个4L点的由PN序列填充的保护间隔组成的OFDM符号；通信帧由8个OFDM符号组成，广播帧由2个OFDM符号组成；对于4N点的IFFT或FFT采用先对4N个数据进行顺序重排，然后对重排得到的序列进行基4蝶形变换的方法。本发明支持广播和通信业务最大限度地使用同一交织器和编解码器，能灵活适应1.25MHz，2.5MHz，5MHz，10MHz，15MHz，20MHz不同带宽的需求。

Description

宽带无线多媒体系统的物理层下行链路帧的发射方法

技术领域

本发明属于宽带无线多媒体系统的数字信息技术领域，尤其涉及一种宽带无线多媒体系统的物理层下行链路帧的发射方法。

背景技术

电信网、广播电视网、计算机网三大网络通过技术改造，能够提供包括语音、数据、图像等综合多媒体业务。这就是所谓的三网融合。三网融合是未来网络发展的基本方向。

宽带无线多媒体系统(BWM)是一个广播和通信融合的系统，同时支持广播业务和通信业务。

BWM具有以下几点特征：

1.BWM能够支持6种带宽1.25MHz，2.5MHz，5MHz，10MHz，15MHz，20MHz。

2.BWM运营时支持两种不同的运营模式：

◆大基站和小基站模式(如图1)

大基站发射广播业务，小基站发射通信业务，这样可以降低建设基站成本，而且可以比较充分地利用现有设备。

◆全小基站模式(如图2)

无论是广播业务还是通信业务都采用小基站(传统蜂窝基站)发射。

3.采用正交频分复用(OFDM)技术。

在大小基站模式的网络架构下，系统主要有以下几点特征：

1.广播网基站覆盖范围大(15km～30km)，相应的多径时延大。

2.广播业务和通信业务分别在大小基站发送。

综合考虑以上几点特征，融合广播与通信的物理层下行方案需要考虑以下几个方面：

1.基于OFDM技术。

2.对于广播业务，由于其多径时延较大，为了防止OFDM符号间干扰，所需要保护间隔较长；而对于通信业务，由于其覆盖范围小，多径时延小，需要的保护间隔较小。

3.对于广播和通信，希望两者的保护间隔占用效率相近。

4.基于2、3两点的考虑，广播网需要的OFDM符号长度要比通信网需要的OFDM符号长度要大。

5.由于广播业务和通信业务分别由大、小基站发送，大基站上不会有通信业务，小基站上不会有广播业务，所以在物理层广播业务和通信业务是相对独立的，也就是说在使用同一交织器和信道编码的数据帧里面不可能同时含有广播数据和通信数据。但是为了降低终端复杂度，使其不至于需要两套设备分别接收广播和通信业务，广播和通信业务需要最大限度的共享设计方案和实现方式。

6.灵活适应1.25MHz，2.5MHz，5MHz，10MHz，15MHz，20MHz等不同带宽的需求。

目前还没有基于这种网络架构和适应以上需求的物理层下行链路帧结构及相应的发射方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽带无线多媒体系统的物理层下行链路帧的发射方法，使其能供解决在宽带无线多媒体系统中广播网与通信网在物理层的融合问题。

本发明的特征在于：

该方法是按照大基站和小基站的模式分别在数字集成电路芯片中按以下步骤实现的：

步骤(1)、基站把需要发送的数据分为广播业务和通信业务，并把广播业务发往使用4N点长度OFDM的大基站，把通信业务发往使用N点长度OFDM的小基站；

步骤(2)、小基站按以下步骤形成通信帧：

步骤(2.1)、小基站对于第一个OFDM符号，填写系统信息，所述系统信息是指包括符号映射方式、LDPC编码的码率、交织模式、帧体信息模式、下一帧或下几帧的广播帧信息在内的终端接收每个数据时所要了解的必要的解调和解码信息；

步骤(2.2)、小基站对要发送的通信数据块做补零处理，然后做N点的IFFT运算；

步骤(2.3)、根据IFFT的点数N和系统要求的保护间隔占用比例(Tg/Tb)按下式确定保护间隔的长度L，

                            L＝N*Tg/Tb

其中Tb为IFFT数据块持续时间，Tg为保护间隔持续时间，然后生成由PN序列填充的保护间隔；

步骤(2.4)、按以下方式生成通信帧：用一个保护间隔和一个IFFT数据块组成一个N点的OFDM符号，用8个OFDM符号组成一个通信帧，其中第2到第8个符号作为逻辑上的数据专用通道，专门用于传送通信数据信息；

步骤(2.5)、成帧过程结束后执行步骤(4)；

步骤(3)、大基站按以下步骤形成广播帧：

步骤(3.1)、大基站对要发送的广播数据块做补零处理，然后做4N点的IFFT运算；

步骤(3.2)、根据IFFT的点数4N和系统要求的保护间隔占用比例(Tg/Tb)按下式确定保护间隔的长度4L，

                                4L＝4N*Tg/Tb

其中Tb为IFFT数据块持续时间，Tg为保护间隔持续时间，然后生成由PN序列填充的保护间隔；

步骤(3.3)、按以下方式生成广播帧：用一个保护间隔和一个IFFT数据块组成一个4N点的OFDM符号，再用2个OFDM符号组成一个广播帧；

步骤(3.4)、成帧过程结束后执行步骤(4)；

步骤(4)、把数据发送到广义信道；

上述步骤(3.1)所述的4N点IFFT运算所对应的FFT运算按以下步骤进行：

步骤(3.1.1)、对接收到的4N个数据进行顺序重排，顺序重排方案如下：

                    x′(k)＝x(4k)

                    x′(N+k)＝x(4k+2)

                    x′(2N+k)＝x(4k+1)

                    x′(3N+k)＝x(4k+3)

其中k＝0，1，2，…，N-1；

步骤(3.1.2)、将{x′(k)}，{x′(N+k)}，{x′(2N+k)}，{x′(3N+k)}4组数据(其中k＝0，1，2，…，N-1)按顺序送入N点FFT计算模块，进行FFT计算，计算结果为x″(n)；

步骤(3.1.3)、对序列x″(n)进行基4的蝶形变换，得到4N点FFT结果。变换方法如下：

$X\left(k\right)=x^{\′\′}\left(k\right)+x^{\′\′}(N+k)W_{4N}^{2k}+(x^{\′\′}(2N+k)+x^{\′\′}(3N+k)W_{4N}^{2k})W_{4N}^k$

$X(N+k)=x^{\′\′}\left(k\right)-x^{\′\′}(N+k)W_{4N}^{2k}+(x^{\′\′}(2N+k)-x^{\′\′}(3N+k)W_{4N}^{2k})W_{4N}^{N+k}$

$X(2N+k)=x^{\′\′}\left(k\right)+x^{\′\′}(N+k)W_{4N}^{2k}-(x^{\′\′}(2N+k)+x^{\′\′}(3N+k)W_{4N}^{2k})W_{4N}^k$

$X(3N+k)=x^{\′\′}\left(k\right)-x^{\′\′}(N+k)W_{4N}^{2k}-(x^{\′\′}(2N+k)-x^{\′\′}(3N+k)W_{4N}^{2k})W_{4N}^{N+k}$

其中k＝0，1，2，…，N-1， $W_N^k=e^{-j\frac{2\mathrm{k\π}}{N}};$

IFFT按照上述步骤进行反向操作来实现。

本发明同时支持多种长度的OFDM模式和多种资源占用率的保护间隔填充模式，从而适应不同的带宽和不同的系统需求。

附图说明

图1.BWM系统大小基站模式的网络架构；

图2.BWM全小基站模式(蜂窝网络)；

图3.下行通信数据帧结构；

图4.下行广播数据帧结构；

图5.N点OFDM符号和4N点OFDM符号；

图6.数据发送的流程图；

图7.4N点FFT实现方案；

图8.4N点FFT实现流程图。

具体实现方案

在本发明中，帧是按以下方法实现的：

1.通信网使用N点长度的OFDM，而广播网使用4N点的OFDM；

2.使用PN序列填充OFDM符号的保护间隔；

3.通信数据的数据帧含有8个OFDM符号，广播数据的数据帧含有2个OFDM符号，从而使两者的帧长相同；

4.通信帧中OFDM符号的保护间隔长度为L，广播帧中的保护间隔长度为4L。由于广播帧中的OFDM符号长度是通信帧中OFDM符号长度的4倍，所以保证了两者有相同的保护间隔占用比例，同时解决了广播网需要的保护间隔比通信网的保护间隔大的问题；

5.通信帧中的第一个OFDM符号可用系统信息来填充。为提高利用率，在其中也可以填充要传送的数据信息；

所提到的系统信息是指终端接收每个数据帧时所要了解的必要的解调和解码信息，包括符号映射方式、LDPC编码的码率、交织模式信息、帧体信息模式、下一帧或几帧的广播帧信息等；

基于本发明提出的帧结构的传输方法如下：

1.在基站根据需要发送的数据确定帧的类型；

2.根据帧类型选择IFFT点数，对要发送的数据进行该点数下的IFFT运算。其中广播帧所采用的4N点IFFT可以通过对4N点顺序重排和4次N点的IFFT和FFT来实现，从而降低复杂度。

3.根据帧的类型和系统要求生成由PN序列填充的保护间隔；

4.根据帧的类型组成帧；

5.发送到广义信道；

本发明提出的基于BWM系统的物理层下行帧的实现、传输与处理方法可以实现BWM系统中广播网与通信网的融合。它的数据帧分为两种格式：通信数据帧和广播数据帧。这两种数据帧按如下方式构成：

◆下行通信数据帧：

如图3所示，该帧由8个N点的OFDM符号构成，其中第1个符号作为逻辑上的公共物理信道，主要用来传送系统信息，当没有需要传送的系统信息或需要传送的系统信息不能将第1个符号填满时，也可以用它来传送数据信息；第2到第8个符号作为逻辑上的数据专用信道，专门用来传送通信数据信息。

其中系统信息是指终端接收每个数据帧时所要了解的必要的解调和解码信息，包括符号映射方式、LDPC编码的码率、交织模式信息、帧体信息模式、下一帧或几帧的广播帧信息等。

◆下行广播数据帧：

如图4所示，该帧有2个4N点的OFDM符号构成，其中的2个OFDM信号全部用来传送广播数据信息。

上文中提到的OFDM符号按图5所示的结构组成：

◆N点OFDM符号

由L点长度的循环PN序列和N点长度的反傅立叶变换(IFFT)序列构成，其中PN作为OFDM符号的头部，起到填充保护间隔的作用，同时可以用来满足恢复时钟、恢复载波和信道估计的需要。

◆4N点OFDM符号

结构与N点OFDM符号相同，只是其由PN序列填充的保护间隔的长度和IFFT的点数均为N点OFDM符号的4倍。

本发明能够支持多种长度的OFDM点数。表1列出了本发明中的OFDM符号针对BWM系统所支持的1.25MHz，2.5MHz，5MHz，10MHz，15MHz，20MHz等6种带宽可以选择的参数：

                        表1OFDM符号参数

参数	取值
		子载波束N	128，256，512，1024，2048，4096，8192
采样频率	1.12倍带宽
		有用子载波束	100，200，400，800，1600，3200，6400
保护子载波的数目	28，56，112，224，448，896，1792
		保护间隔占用比例(Tg/Tb)	1/4，1/8，1/16，1/32

表2和表3是在20M带宽情况下，采用2048点和8192点OFDM模式，采用1/8保护间隔比例时，本发明所提出的帧结构的参数：

    表220M带宽下行通信帧参数

带宽(MHz)	20
		采样频率(MHz)	22.4
OFDM符号个数	8
		数据专用OFDM符号个数	7
公共物理信道OFDM符号个数	1
		FFT长度	2048
载波频率(kHz)	10.94
		FFT符号周期(us)	91.43
PN长度(采用1/8模式)	256
		PN时长(us)	11.43
OFDM符号周期(us)	102.86
		帧长(ms)	0.8229

   表3 20M带宽下行广播帧参数

带宽(MHz)	20
		采样频率(MHz)	22.4
OFDM符号个数	2
		数据专用OFDM符号个数	2

公共物理信道OFDM符号个数	0
		FFT长度	4*2048
载波频率(kHz)	2.734
		FFT符号周期(us)	365.7
PN长度(采用1/8模式)	1024
		PN时长(us)	45.71
OFDM符号周期(us)	411.4
		帧长(ms)	0.8229

确立了具有以上特征的数据帧结构后，便可以利用相应的数据帧进行数据的下行传输，如图6所示。具体过程如下：

步骤1：在基站根据需要发送的数据进行业务分类，并确定帧的类型。如果是通信数据，执行步骤2，如果是广播数据，执行步骤6；

步骤2：如果是第一个OFDM符号，需要进行系统信息填写；

步骤3：对要发送的通信数据块作补零处理，然后进行N点的IFFT运算。

步骤4：根据IFFT的点数N和系统要求的保护间隔占用比例(Tg/Tb)按下式确定保护间隔的长度，

                                L＝N*Tg/Tb

其中Tb为IFFT数据块持续时间，Tg为保护间隔持续时间，然后生成由PN序列填充的保护间隔；

步骤5：成帧。过程为一个保护间隔和一个IFFT数据块组成一个OFDM符号，由8个OFDM符号组成一个通信帧。成帧过程结束后执行步骤9；

步骤6：对要发送的广播数据块作补零处理，然后进行4N点的IFFT运算。

步骤7：根据IFFT的点数4N和系统要求的保护间隔占用比例(Tg/Tb)按下式确定保护间隔的长度，

                                4L＝4N*Tg/Tb

其中Tb为IFFT数据块持续时间，Tg为保护间隔持续时间，然后生成由PN序列填充的保护间隔；

步骤8：成帧。过程为一个保护间隔和一个IFFT数据块组成一个OFDM符号，由2个OFDM符号组成一个广播帧。成帧过程结束后执行步骤9；

步骤9：将数据帧发送到广义信道；

步骤6中广播帧所采用的4N点IFFT和FFT可以通过对4N点顺序重排和4次N点的IFFT和FFT来实现，从而降低终端复杂度，并使终端在处理两种帧时能在最大程度上共享处理方案。4N点FFT可以按照图7所示的原理实现。如图8所示，实现过程如下：

步骤10.对接收到的4N数据进行顺序重排。顺序重排方案如下：

        x′(k)＝x(4k)

        x′(N+k)＝x(4k+2)

        x′(2N+k)＝x(4k+1)

        x′(3N+k)＝x(4k+3)

其中k＝0，1，2，…，N-1；

步骤11.将{x′(k)}，{x′(N+k)}，{x′(2N+k)}，{x′(3N+k)}4组数据(其中k＝0，1，2，…，N-1)按顺序送入N点FFT计算模块，进行FFT计算，计算结果为x″(n)；

步骤12.对序列x″(n)进行基4的蝶形变换，得到4N点FFT结果。变换方法如下：

$X\left(k\right)=x^{\′\′}\left(k\right)+x^{\′\′}(N+k)W_{4N}^{2k}+(x^{\′\′}(2N+k)+x^{\′\′}(3N+k)W_{4N}^{2k})W_{4N}^k$

$X(N+k)=x^{\′\′}\left(k\right)-x^{\′\′}(N+k)W_{4N}^{2k}+(x^{\′\′}(2N+k)-x^{\′\′}(3N+k)W_{4N}^{2k})W_{4N}^{N+k}$

$X(2N+k)=x^{\′\′}\left(k\right)+x^{\′\′}(N+k)W_{4N}^{2k}-(x^{\′\′}(2N+k)+x^{\′\′}(3N+k)W_{4N}^{2k})W_{4N}^k$

$X(3N+k)=x^{\′\′}\left(k\right)-x^{\′\′}(N+k)W_{4N}^{2k}-(x^{\′\′}(2N+k)-x^{\′\′}(3N+k)W_{4N}^{2k})W_{4N}^{N+k}$

其中k＝0，1，2，…，N-1， $W_N^k=e^{-j\frac{2\mathrm{k\π}}{N}};$

IFFT按照上述步骤进行反向操作来实现。

Claims (2)

1、宽带无线多媒体系统的物理层下行链路帧的发射方法，其特征在于：该方法是按照大基站和小基站的模式分别在数字集成电路芯片中按以下步骤实现的：

步骤(1)、基站把需要发送的数据分为广播业务和通信业务，并把广播业务发往使用4N点长度OFDM的大基站，把通信业务发往使用N点长度OFDM的小基站；

步骤(2)、小基站按以下步骤形成通信帧：

步骤(2.1)、小基站对于第一个OFDM符号，填写系统信息，所述系统信息是指包括符号映射方式、LDPC编码的码率、交织模式、帧体信息模式、下一帧或下几帧的广播帧信息在内的终端接收每个数据时所要了解的必要的解调和解码信息；

步骤(2.2)、小基站对要发送的通信数据块做补零处理，然后做N点的IFFT运算；

步骤(2.3)、根据IFFT的点数N和系统要求的保护间隔占用比例按下式确定保护间隔的长度L，

                                  L＝N*Tg/Tb

其中Tb为IFFT数据块持续时间，Tg为保护间隔持续时间，然后生成由PN序列填充的保护间隔；

步骤(2.4)、按以下方式生成通信帧：用一个保护间隔和一个IFFT数据块组成一个N点的OFDM符号，用8个OFDM符号组成一个通信帧，其中第2到第8个符号作为逻辑上的数据专用通道，专门用于传送通信数据信息；

步骤(2.5)、成帧过程结束后执行步骤(4)；

步骤(3)、大基站按以下步骤形成广播帧：

步骤(3.1)、大基站对要发送的广播数据块做补零处理，然后做4N点的IFFT运算：

步骤(3.2)、根据IFFT的点数4N和系统要求的保护间隔占用比例按下式确定保护间隔的长度4L，

                                4L＝4N*Tg/Tb

其中Tb为IFFT数据块持续时间，Tg为保护间隔持续时间，然后生成由PN序列填充的保护间隔；

步骤(3.3)、按以下方式生成广播帧：用一个保护间隔和一个IFFT数据块组成一个4N点的OFDM符号，再用2个OFDM符号组成一个广播帧；

步骤(3.4)、成帧过程结束后执行步骤(4)；

步骤(4)、把数据发送到广义信道；

上述步骤(3.1)所述的4N点IFFT运算所对应的FFT运算按以下步骤进行：

步骤(3.1.1)、对接收到的4N个数据进行顺序重排，顺序重排方案如下：

                                         x′(k)＝x(4k)

                                         x′(N+k)＝x(4k+2)

                                         x′(2N+k)＝x(4k+1)

                                         x′(3N+k)＝x(4k+3)

其中k＝0，1，2，…，N-1；

步骤(3.1.2)、将{x′(k)}，{x′(N+k)}，{x′(2N+k)}，{x′(3N+k)}4组数据(其中k＝0，1，2，…，N-1)按顺序送入N点FFT计算模块，进行FFT计算，计算结果为xn(n)；

步骤(3.1.3)、对序列x″(n)进行基4的蝶形变换，得到4N点FFT结果。变换方法如下：

$X\left(k\right)=x^{\′\′}\left(k\right)+x^{\′\′}(N+k)W_{4N}^{2k}+(x^{\′\′}(2N+k)+x^{\′\′}(3N+k)W_{4N}^{2k})W_{4N}^k$

$X(N+k)=x^{\′\′}\left(k\right)-x^{\′\′}(N+k)W_{4N}^{2k}+(x^{\′\′}(2N+k)-x^{\′\′}(3N+k)W_{4N}^{2k})W_{4N}^{N+k}$

$X(2N+k)=x^{\′\′}\left(k\right)+x^{\′\′}(N+k)W_{4N}^{2k}-(x^{\′\′}(2N+k)+x^{\′\′}(3N+k)W_{4N}^{2k})W_{4N}^k$

$X(3N+k)=x^{\′\′}\left(k\right)-x^{\′\′}(N+k)W_{4N}^{2k}-(x^{\′\′}(2N+k)-x^{\′\′}(3N+k)W_{4N}^{2k})W_{4N}^{N+k}$

其中k＝0，1，2，…，N-1， $W_N^k=e^{-j\frac{2\mathrm{k\π}}{N}};$

IFFT按照上述步骤进行反向操作来实现。

2、根据权利要求1所述的宽带无线多媒体系统的物理层下行链路帧的发射方法，其特征在于：所述通信帧中的第一个OFDM符号是一个在系统信息不能把该符号填满时而使用的数据辅助信道。

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