CN1941762A - 一种分配正交多路频分复用系统中保护子载波的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分配正交多路频分复用系统中保护子载波的方法，该方法首先根据频谱模板的要求确定在频带两端预留的保护频带宽度；之后根据正交多路频分复用系统OFDM所支持的移动速度和时延扩展得到子载波间隔；然后再根据所确定的保护频带宽度和子载波间隔确定两端的保护子载波个数。本发明解决了现有的保护子载波分配方案浪费高系统带宽的频谱资源、可能使低系统带宽不能满足频谱模板要求的问题。本发明方案使得所有系统带宽都能满足频谱模板的要求，并能有效提高频带的利用率、增加系统容量。

Description

一种分配正交多路频分复用系统中保护子载波的方法

技术领域

本发明涉及正交多路频分复用系统(OFDM)，更确切地说是涉及一种分配OFDM系统中保护子载波的方法。

背景技术

OFDM技术是近年来受到广泛关注的一种无线通信技术，其主要特点是将数据分散在一组正交子载波上并行传输。由于子载波之间的间隔只有子载波带宽的一半，因此OFDM技术能够提供比传统频分复用技术更好的频谱利用率，并且系统的带宽越高、子载波数目越多，频谱利用率的提升效果就越明显。所以OFDM技术越来越多地应用在宽带无线数据传输中，比如，现已运用于无线城域网(WMAN)、数字音频广播(DAB)、数字音频广播(DVB)、无线局域网(WLAN)等中。

OFDM系统具体是通过快速傅立叶变换(FFT)运算实现OFDM调制的，根据FFT点数大小，一个OFDM符号分成FFT点数个子载波。这些子载波中包含用于传输数据信息的数据子载波、用于辅助接收方信道估计或用于时频同步的导频子载波，以及用于减小临频干扰的保护子载波和直流子载波，其中，数据子载波、导频子载波及直流子载波合称为有用子载波。之所以设置保护子载波，是因为：为减少相邻频带系统之间的干扰和影响，系统在设计时需要满足一定的频谱模板要求，频谱模板通常要求频点在距离一定带宽后才开始衰减，因此OFDM系统在频带两端预留一部分子载波，即保护子载波，通过这些不传送任何信号的保护子载波来减少带外辐射，以满足频谱模板的要求。

另外，为满足不同频带和系统带宽的需求，目前的OFDM系统通常将带宽定义成一个范围，并且通常为几兆到几十兆，比如，IEEE 802.16e系统的OFDMA物理层中定义的系统带宽范围为1.25MHz～20MHz。考虑到不同带宽下多普勒平移以及时延扩展对系统造成的影响，并保证不同的带宽具有相同的移动性能，在IEEE 802.16标准中定义了SOFDMA(Scalable OFDMA)的概念，即通过调整FFT点数来适应不同带宽的大小，以保证不同带宽下诸如子载波间隔、有用符号时间之类的OFDM符号参数相同。

在当前IEEE 802.16e的OFDMA物理层中，在不同带宽，即FFT点数不同的情况下，用于传输数据信息的数据子载波个数与总子载波个数保持了相同的固定比例，比如，数据子载波个数为总子载波个数的3/4，同样，导频子载波及直流子载波的个数也是按照固定比例设置的，因此保护子载波的个数与总子载波数也是成固定比例的。具体来说，如图1所示，有效子载波的带宽Bf通常为系统带宽的4/5，因此剩余1/5系统带宽属于对应的保护子载波，预留的保护子载波个数则为1/5×系统总子载波的个数。

以IEEE 802.16e OFDMA物理层中FUSC模式的要求为例，系统带宽定义范围为1.25MHz～20MHz，不同带宽下总子载波个数与保护子载波个数如下表所示。

系统带宽	载波个数	子载波间隔	保护子载波	保护载波带宽
					5MHz	512	9.765625KHz	86	0.84MHz
10MHz	1024	9.765625KHz	173	1.69MHz
					20MHz	2048	9.765625KHz	345	3.37MHz

                            表1

从表1可以看出，通过在不同带宽大小下使用不同的FFT点数，使得不同带宽下子载波间隔是一致的，均为9.765625KHz，但如果采用固定比例的方式来预留保护子载波，则会导致高FFT点数下的保护子载波个数较大。如表1所示，按照目前IEEE 802.16e OFDMA物理层里以固定比例预留保护子载波个数的方式，在20MHz的系统带宽、2048个FFT点的情况下，保护子载波的个数为345个，保护子载波所占带宽为3.37MHz，而在5MHz的系统带宽、512个FFT点的情况下，保护子载波的个数只有86个，保护子载波所占带宽只有0.84MHz。

进一步地，通过对上述表1的子载波分配情况进行分析，可以得到图2所示的各种带宽情况下的保护子载波分配情况与带外辐射模板的匹配关系。从图2可以看出，5MHz带宽下预留的0.84MHz的保护子载波，与10MHz和20MHz带宽下预留的1.69MHz和3.37MHz的保护子载波，都能满足频谱模板的要求。其中，5MHz带宽下预留的0.84MHz的保护子载波带宽，刚好可以满足系统规定的频谱模板的要求，即恰好在要求的频谱模板的范围内；而在10MHz和20MHz的情况下，由于是按照固定比例预留保护子载波，所预留的保护子载波的带宽分别为1.69MHz和3.37MHz，显然远远在要求的频谱模板的范围内。因此，从上述分析可以看出，按照目前的保护子载波分配方式，会导致高带宽情况下保护子载波占用较多的带宽，显然这在高带宽情况下会浪费宝贵的频谱资源。

另外，目前预留保护子载波主要都是从带宽范围中选择一个中间带宽，在确定该中间带宽的子载波比例后，其它带宽也根据该比例进行子载波的设置。这种方案虽然实现起来非常简单，且能保证比中间带宽更高的带宽满足频谱模板的要求，但却可能导致比中间带宽更低的带宽无法满足频谱模板的要求。还有一种方案是按照最小带宽的要求得到子载波比例，对于这种方案来说，虽然能保证所有带宽都满足频谱模板的要求，但显然会给比该最小带宽大的其它带宽带来较大的带宽浪费。

综上所述，目前的保护子载波分配方案往往在高系统带宽情况下会浪费宝贵的频谱资源，在低系统带宽情况下则可能出现分配后的子载波不能满足频谱模板要求的情况。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的主要问题在于提供一种分配正交多路频分复用系统中保护子载波的方法，以在保证系统带宽满足频谱模板要求的同时，尽可能地提高系统带宽的利用率。

为解决上述问题，本发明提供了以下技术方案：

一种分配正交多路频分复用系统中保护子载波的方法，该方法包括以下步骤：

a.根据频谱模板的要求确定在频带两端预留的保护频带宽度；

b.根据正交多路频分复用系统OFDM所支持的移动速度和时延扩展得到子载波间隔；

c.根据所确定的保护频带宽度和子载波间隔确定两端的保护子载波个数。

所述步骤a为：根据频谱模板中带外辐射的要求确定在频带两端预留的保护频带宽度。

所述步骤b包括：根据OFDM系统所支持的移动速度和时延扩展得到子载波间隔的范围，再从所得的范围中选择一个作为当前的子载波间隔。

所述步骤b中，所述根据OFDM系统所支持的移动速度和时延扩展得到子载波间隔的范围为：

根据系统所支持的移动速度及系统频点确定对应的多普勒频移，根据该多普勒频移得到相关时间，之后根据OFDM符号长度与相关时间的关系得到OFDM符号长度的最大值，再对OFDM符号长度的最大值取倒数，得到子载波间隔的最小值；

根据时延扩展得到相关带宽，再根据相关带宽与子载波间隔的关系得到子载波间隔的最大值。

所述OFDM符号长度与相关时间的关系为：OFDM符号长度小于相关时间的1/10～1/20。

所述相关时间取最小值。

所述相关带宽与子载波间隔的关系为：子载波间隔小于相关带宽的1/10～1/20。

所述相关带宽取最小值。

所述从所得范围中选择一个作为当前的子载波间隔为：

直接从所得子载波间隔的范围中选择一个作为当前的子载波间隔；

或者根据所得子载波间隔的范围确定系统带宽下的子载波个数范围，再根据FFT运算从子载波个数范围中确定该系统带宽下的当前子载波个数，并根据该当前子载波个数得到相应的子载波间隔，将该子载波间隔作为当前选定的子载波间隔。

本发明方案根据频谱模板的要求，采用固定保护带宽预留保护子载波，使得所有系统带宽均能满足频谱模板的要求，并且在满足频谱模板的要求的前提下，还能有效地提高频带的利用率，增加系统容量。

并且本发明方案不会出现现有技术中根据中间带宽确定子载波比例，使得一部分系统带宽可能无法满足频谱模板要求、而另一部分系统带宽则存在带宽浪费的问题；也不会出现现有技术中根据最小带宽确定子载波比例，使得其它系统带宽普遍存在带宽浪费的问题。

附图说明

图1为目前的系统带宽中各种子载波的分配示意图；

图2为目前的系统保护子载波分配方案的带外辐射模板示意图；

图3为本发明方案的实现流程图；

图4为本发明的系统带宽中各种子载波的分配示意图；

图5为本发明实施例中的保护子载波分配方案的带外辐射模板示意图。

具体实施方式

从中射频角度看，在不同带宽情况下预留同一固定大小的保护带宽对频谱模板的满足是一致的，也就是说，在不同带宽情况下，对保护带宽的预留可以是一样的，并且都能满足频谱模板的要求。因此，本发明方案主要是根据系统或标准的频谱模板的指标要求确定频带两端应预留的保护频带宽度，然后根据OFDM系统所支持的移动速度和时延扩展定义子载波间隔，该子载波间隔可以通过确定不同带宽下的FFT点数实现，之后再根据所定义的子载波间隔和预留的保护频带宽度确定两端的保护子载波个数。

下面再结合附图及具体实施例对本发明方案作进一步详细的说明。

本发明方案的实现流程如图3所示，对应以下步骤：

步骤301、根据频谱模板的要求确定在频带两端预留的保护频带宽度。

一段频谱分配好后，相应的频谱模板也就定好了，并且不同带宽的频谱模板的带外辐射要求基本相同。因此可以根据频谱模板带外辐射的要求初步估计出频带两端所预留的保护频带宽度ΔB。

比如，假设频谱模板要求在距离最大带宽为0.84MHz的频点才开始衰减，因此可以确定ΔB＝0.84MHz。由此可以要求系统带宽无论是5MHz、10MHz，还是20MHz，在频带两端保留的保护带宽都要有0.84MHz。也就是说，本发明所设置的ΔB在不同带宽下是相同的。

而假如是按照现有方案通过固定比例确定保护带宽，则对于5MHz带宽来说，其预留的保护带宽为0.84MHz，正好满足频谱模板的要求。而对于10MHz、20MHz的带宽来说，其预留的保护带宽则大于0.84MHz，显然造成了带宽的浪费。但如果带宽小于5MHz，则其所对应的保护带宽也必然小于0.84MHz，因此无法满足当前频谱模板的要求。

步骤302、根据OFDM系统所支持的移动速度和时延扩展，得到子载波间隔Δf。

在设计OFDM系统时，OFDM符号的长度要小于相关时间的1/10～1/20，而Δf与符号长度成反比，即Δf＝1/符号长度，因此可得Δf＞(10～20)/相关时间，由此可见，在确定OFDM符号的长度后，就能确定Δf的最小值了。当然，相关时间可以由多普勒频移得到——相关时间是多普勒频移的倒数。而多普勒频移可以根据系统所支持的移动速度与该系统的频点确定。

Δf还要小于相关带宽的1/10～1/20，从而确定Δf的最大值。其中，相关带宽可以根据时延扩展得到——相关带宽为时延扩展的均方差的倒数。

另外，在确定Δf的最小值时，由于相关时间与移动速度成反比，为支持一定的移动速度，应确定较小的相关时间。而在确定Δf的最大值时，由于相关带宽与时延扩展成反比，为支持一定的时延扩展，应确定较小的相关带宽值，之后再根据该带宽值确定Δf的最大值。

根据这两个值即可确定Δf的取值范围了。之后再从该取值范围中选择一个值作为当前的Δf。在取值时，可以直接从所得Δf的范围中选择一个作为当前的Δf；也可以根据该Δf的范围确定某个系统带宽下的子载波个数的范围，由于要进行FFT运算，因此可以从该个数范围中选出一个便于FFT运算的数值，并根据该数值得到相应的Δf，将该Δf作为当前选定的Δf。

在确定了具体的Δf值后，可以通过对不同的带宽设置不同的FFT点数来保证不同带宽下的Δf相同，从而可以保证不同带宽粒度下具有相同的移动性能。

步骤303、根据所确定的保护频带宽度ΔB及子载波间隔Δf确定两端的保护子载波个数。

通过上述步骤即可实现保护子载波的分配。且对于任意带宽来说，所确定的保护子载波个数都是相同的。且基于本发明方案进行带宽分配的示意图如图4所示。

下面再以具体实施例，对本发明方案做进一步详细的说明。

由于802.16系统中频谱模板的带外辐射要求在0.84MHz之外的频点才能开始衰减，因此可以确定ΔB为0.84MHz。

然后再根据系统的设计能力、支持的移动速度和时延扩展情况确定子载波间隔Δf。

首先确定Δf的最小值：假设系统支持移动速度为120Km/h，且系统频点在3.5GHz，则对应的多普勒频移为388.89Hz，而相关时间与多普勒频移成反比，则系统的相关时间为1/388.89Hz＝2571us；而符号长度通常要小于相关时间的1/10～1/20，这里取1/20，则符号长度要小于128.57us；由于Δf与符号长度成反比，因此Δf＝1/符号长度＝1/128.57us＝7.78KHz，则Δf的最小值是7.78KHz。

然后确定Δf的最大值：按照系统应用场景，假设系统支持典型城市环境，通常认为对应的时延扩展的均方差为3us，对应的相关带宽为1/3us＝333.33KHz，而Δf要小于相关带宽的1/10～1/20，这里取1/20，则Δf＜333.33KHz/20＝16.67KHz，由此可得Δf的最大值为16.67KHz。

由此可得Δf的范围为7.78KHz＜Δf＜16.67KHz。假如系统带宽为5MHz，则可得对应的子载波个数为300～643。为便于FFT运算，可以取子载波个数为512个。因此可得对应的Δf为9.765KHz。

由于已得到ΔB＝0.84MHz，因此保护子载波的个数为0.84MHz/9.765KHz＝86个。也就是说，系统在满足频谱模板的情况下，两侧各预留86个保护子载波即可，而不用去管系统带宽是5MHz、10MHz或20MHz。

表2提供了本发明方案与现有方案的相关数据对比，由此可以看出，本发明方案使得大多数系统带宽的保护子载波数目及其所占用的带宽大大减少，并使得有效带宽大大增大。

		保护载波带宽(MHz)		保护子载波个数		有效带宽(MHz)
								带宽	载波个数	现有方案	本发明方案	现有方案	本发明方案	现有方案	本发明方案
5MHz	512	0.84	0.84	86	86	4.16	4.16
								10MHz	1024	1.69	0.84	173	86	8.31	9.16
20MHz	2048	3.37	0.84	345	86	16.63	19.16

                                  表2

图5则是本发明方案的带外辐射模板，可以看出，不同系统带宽下带外辐射模板基本类似，都能够满足频谱模板的要求。

以上所述仅为本发明方案的较佳实施例，并不用以限定本发明的保护范围。

Claims (9)

1、一种分配正交多路频分复用系统中保护子载波的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a.根据频谱模板的要求确定在频带两端预留的保护频带宽度；

b.根据正交多路频分复用系统OFDM所支持的移动速度和时延扩展得到子载波间隔；

c.根据所确定的保护频带宽度和子载波间隔确定两端的保护子载波个数。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a为：根据频谱模板中带外辐射的要求确定在频带两端预留的保护频带宽度。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b包括：根据OFDM系统所支持的移动速度和时延扩展得到子载波间隔的范围，再从所得的范围中选择一个作为当前的子载波间隔。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述步骤b中，所述根据OFDM系统所支持的移动速度和时延扩展得到子载波间隔的范围为：

根据系统所支持的移动速度及系统频点确定对应的多普勒频移，根据该多普勒频移得到相关时间，之后根据OFDM符号长度与相关时间的关系得到OFDM符号长度的最大值，再对OFDM符号长度的最大值取倒数，得到子载波间隔的最小值；

根据时延扩展得到相关带宽，再根据相关带宽与子载波间隔的关系得到子载波间隔的最大值。

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述OFDM符号长度与相关时间的关系为：OFDM符号长度小于相关时间的1/10～1/20。

6、根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述相关时间取最小值。

7、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述相关带宽与子载波间隔的关系为：子载波间隔小于相关带宽的1/10～1/20。

8、根据权利要求4或7所述的方法，其特征在于，所述相关带宽取最小值。

9、根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述从所得范围中选择一个作为当前的子载波间隔为：

直接从所得子载波间隔的范围中选择一个作为当前的子载波间隔；

或者根据所得子载波间隔的范围确定系统带宽下的子载波个数范围，再根据FFT运算从子载波个数范围中确定该系统带宽下的当前子载波个数，并根据该当前子载波个数得到相应的子载波间隔，将该子载波间隔作为当前选定的子载波间隔。

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