CN1953437B - 基于子载波宽度不变的可扩展ofdm系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种基于子载波宽度不变的可扩展OFDM方法，包括：预处理步骤，用于对原始数据进行编码和调制处理；串并转换步骤，用于对原始数据进行从串行到并行的转换；子载波分配步骤，用于按照用户级别来划分不同级别的用户所属的子载波分配区域；功率补偿步骤，用于对低级别的终端用户进行传输功率的补偿处理；功率与子载波分配步骤，用于给出传输功率与子载波分配算法；IFFT处理步骤，用于对整个带宽上的所有子载波进行正交化处理，并完成从频域到时域上的转换；插入保护间隔步骤，用于插入保护间隔以防止符号间的串扰；并串转换步骤，用于对并行数据的串行恢复操作。根据本发明，无线资源的使用效率可以达到最优，OFDM符号的效率没有改变。

Description

基于子载波宽度不变的可扩展OFDM系统和方法

技术领域

本发明涉及基于OFDM(正交频分复用)技术的后第三代移动通信系统，特别涉及基于子载波宽度不变的可扩展OFDM系统和方法。

背景技术

在目前的诸如IEEE(电子与电气工程师协会)802.11以及IEEE802.16等通信协议中，并没有规定和说明如何设计可扩展的OFDM系统。此外，到目前为止并没有发现为解决该问题而公开的专利申请。

移动用户对更高速率业务的需求不断激励着现有的网络系统向下一代系统演进和升级。与此同时，对于OFDM系统来说为了不断提升系统容量以及满足用户日益增长的业务需求，就要求系统必须具备其工作带宽能够不断升级的能力。鉴于此，这就要求基于OFDM技术的各种系统应当是可扩展的。

另一方面，由于在移动通信中可用频谱的日益匮乏，无线频谱效率的优化技术变得日渐重要。因而，现代移动通信系统要求小区之间共享(原有小区和升级后的小区)工作频带资源。鉴于此，作为一个重要的扩展模式，基于频率重叠的可扩展OFDM系统就值得去考虑并给予更高的优先级。

现有技术问题中急需改善的地方在于在频率重叠条件下给出可扩展OFDM的基本结构(SOFO(频率重叠下可扩展的OFDM))，然后给出该基本结构中各种关键技术的具体算法。

一个重要并且无法回避的问题是，无论SOFO采用何种结构，其基于频率的扩展后系统对不同级别终端的后向兼容问题。这是由于，对于一个合理的SOFO结构，其新的性能增益必须建立在保证原有性能不受侵犯的基础上。图1给出了描述SOFO兼容性的典型示例。假设系统中小区的初始带宽为20MHZ，在系统扩展后该小区的工作带宽升级到了40MHZ。此外，定义支持20M带宽的终端为低级终端，而支持40M带宽为高级终端。

从图1可以明显地看出，在SOFO系统升级后，小区的工作带宽相互交错。随后，支持不同频率带宽的终端应当能够在这些小区中完成接入、运行以及自由漫游等移动通信必备的功能。因此，SOFO系统的后向兼容问题就成为带宽扩展中一个相当重要的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于子载波宽度不变的可扩展OFDM系统和方法。

为实现上述目的，一种基于子载波宽度不变的可扩展OFDM方法，包括：

预处理步骤，用于对原始数据进行编码和调制处理；

串并转换步骤，用于对预处理后的数据进行从串行到并行的转换；

子载波分配步骤，用于按照用户级别来划分不同级别的终端用户所属的子载波分配区域，其中，对于高级终端用户的子载波的分配在整个带宽内进行，对低级终端用户子载波的分配仅在指定区域内进行，以消除原有带宽与扩展带宽频谱交叠；

功率补偿步骤，用于对低级别的终端用户进行传输功率的补偿处理；

功率与子载波分配步骤，用于给出传输功率与子载波分配算法；

IFFT处理步骤，用于对整个带宽上的所有子载波进行正交化处理，并完成从频域到时域上的转换；

插入保护间隔步骤，用于插入保护间隔以防止符号间的串扰；

并串转换步骤，用于对并行数据的串行恢复操作。

根据本发明，无线资源的使用效率(包括频率资源、时隙资源等)可以达到最优，OFDM符号的效率没有改变。本发明对系统与终端的改变都很小，对于本发明给出的SOFO结构来说，其扩展可延续。

附图说明

图1为SOFO系统后向兼容问题的典型示例；

图2为SOFO系统带宽扩展的两种基本模式；

图3为模式1的简化处理模型；

图4为低级终端的基带接收序列；

图5为用于消除带宽间频谱交叠的子载波分配方案；

图6为基于IEEE802.16的实施例方案；

图7为本发明中给出的SOFO发射端的装置设计；

图8为仿真验证中子载波的分配示意图；

图9为基于Kaiser窗的带通滤波器的频率响应；

图10到图12为仿真结果，用于同仿真列表中的模拟数据进行比较和分析。

具体实施方式

如图2所示，在SOFO的带宽扩展中可以有两种模式。也就是说，或者子载波宽度保持不变，或者子载波个数保持不变。本发明根据第一种模式(蓝色模式)给出SOFO的后向兼容结构。具体来说，第一种模式的基本特征为子载波宽度保持不变。因此，在频率扩展后子载波的数量从N转化为2N。当然，当这种频率扩展逐渐延续下去时，子载波数量为M·N，其中M为扩展的次数。

模式1可以简化成如图3所示的处理模型。如图3所示，发射端在301(原有带宽)和302(扩展带宽)处将需要发送的信息装载在指定工作带宽的子载波上；发射端在303处用扩展后的IDFT(逆离散傅立叶变换)装置(处理点数为2N)做子载波的正交化处理；接收端在304处接收到回波数据；而接收端在305处对接收的OFDM符号进行DFT(离散傅立叶变换)处理(处理点数可能为2N，可能为N)；在306处接收端将恢复子载波中承载的信息。

需要指出的是，所有级别的终端都需要正确、成功地接入到SOFO系统中。显然对于高级终端来说，其处理方式将与原有方式无异。而对于低级终端来说，其接入与处理方式则应当给予相应的改进。

假设，传输给低级终端的数据分配在原有带宽的子载波上。图3中各处标签的闭式数学表达式可以完全给出。首先，在“301”出原有带宽的子载波数据可以定义为

                X₁(k)，k＝0，1，…，N-1            (1)

其中，N为子载波数目，而部分或全部的子载波被分配给了一个低级终端。而“302”处可以表达为

                X₂(k)，k＝0，1，…，N-1            (2)

其中，全部的子载波都将分配给高级终端。

那么在“303”处，所有带宽上的子载波可以表示为

$X\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}{X}_1\left(k\right)& k=\mathrm{0,1},\·\·\·,N-1\\ X_2(k-N)& k=N,N+1,\·\·\·2N-1\end{array}\right.---\left(3\right)$

在“304”处，一个OFDM符号可以表达为

$x\left(m\right)=\frac{1}{\sqrt{2\·N}}\·\underset{k=0}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left(k\right)\·e^{j\·\frac{2\mathrm{\π}}{2\·N}\·k\·m}$

$=\frac{1}{\sqrt{2\·N}}\·(\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1\left(k\right)\·e^{j\·\frac{2\mathrm{\π}}{2\·N}\·k\·m}+\underset{k=N}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_2(k-N)\·e^{j\·\frac{2\mathrm{\π}}{2\·N}\·k\·m})$

$=\frac{1}{\sqrt{2\·N}}\·(\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1\left(k\right)\·e^{j\·\frac{2\mathrm{\π}}{2\·N}\·k\·m}+\underset{k=N}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_2\left(k\right)\·e^{j\·\frac{2\mathrm{\π}}{2\·N}\·k\·m}\·e^{j\·2\mathrm{\π}\·\left(\frac{m}{2}\right)})---\left(4\right)$

$=\frac{1}{\sqrt{2\·N}}\·\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(X_1\left(k\right)+X_2\left(k\right)\·e^{j\·2\mathrm{\π}\·\left(\frac{m}{2}\right)})\·e^{j\·\frac{2\mathrm{\π}}{N}\·k\·\left(\frac{m}{2}\right)}---\left(4\right)$

在低级终端的接收机处，其基带信号处理的采样率只有高级终端的一半，这是由于其处理带宽只有高级终端的一半所致。因此，其接收到的数据序列可由图4描述。

则在“305”处，低级终端对OFDM符号的处理可以描述为

$\tilde{X}\left(k\right)=\underset{l=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\tilde{x}\left(l\right)\·e^{-j\·\frac{2\mathrm{\π}}{N}\·m\·l},m=\mathrm{0,1},\·\·\·,N-1---\left(5\right)$

$=\underset{m=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(2m\right)\·e^{-j\·\frac{2\mathrm{\π}}{N}\·k\·\left(2m\right)},m=\mathrm{0,1},\·\·\·,N-1$

因此在“306”处，低级终端的子载波就被恢复成为

$\tilde{X}\left(k\right)=\frac{1}{\sqrt{2}}\·[X_1\left(k\right)+X_2\left(k\right)]---\left(6\right)$

这时，我们就可以发现低级终端恢复的子载波信息为原有带宽与扩展带宽的交叠，且幅度发生了变化。因而，在低级终端接入到SOFO系统时，这种频谱重叠及其幅度变化应当被有效地给予消除。

图5给出了消除频谱交叠的基本原理图。在低级终端的接收端，接收机的中频滤波器会滤除大部分的扩展带宽，而特殊的子载波分配方案则能够彻底地消除不同带宽之间的频谱交叠。具体地说，图5中描述了详细的子载波分配方案。

作为一个实施例，首先给出一个基于IEEE802.16的可扩展OFDM系统的解决方案，如图6所示。

由于终端优良的频率选择性以及系统提供的“MASK”对可用子载波的限制，相邻带宽(原有带宽与扩展带宽)的频率交叠可以基本被消除。子载波的分配只需按照图6中给出的示例即可完全消除频率交叠对子载波的干扰。这样，对于低级终端来说，在发射端其子载波的分配在指定的区域之内，而对于高级终端来说，其子载波的分配可以在整个带宽内进行。因此，无论是低级还是高级终端，均可以正确地得到其子载波上承载的信息。此外，系统经过扩展后对分配给低级终端的子载波功率亦应当给予补偿。在此实施例中补偿系数为

而当扩展系数为M时，该补偿系数为

进而，整个处理装置的设计如图7所示。数据信息从701处进入到该装置中；在702处，数据信息做诸如编码和调制等前端处理工作；703为数据串并转换处理；用于划分用户级别的子载波分配步骤为704，用于按照用户级别来划分不同级别的用户所属的子载波分配区域；功率补偿步骤为705，用于对低级别的终端用户进行传输功率的补偿处理；传统的功率与子载波分配步骤为706，用于给出传统意义上的传输功率与子载波分配算法；IFFT处理步骤为707，用于对整个带宽上的所有子载波进行正交化处理，并完成从频域到时域上的转换；插入保护间隔步骤为708，用于插入保护间隔以防止符号间的串扰；并串转换步骤为709，用于对并行数据的串行恢复操作；

为了验证本发明给出的SOFO结构的有效性，采用一个根据该模式简化模型的仿真来对该发明进行验证。

首先，假设三个用户按照图8的方式进行子载波的分配，其中用户1和用户2为低级终端，而用户3为高级终端。而没有被分配的子载波为空闲子载波。

更加详细的仿真条件则如表1所示。

表1

所需的带通滤波器设计如下。

通带为ω_p＝0.3π，阻带起始位置为ω_s＝0.36π，通带与阻带内的起伏均为δ＝0.05。因此基于Kaiser窗的带通滤波器参数为：

频率截止点为ω_c＝0.33π；

过渡带宽为Δω＝0.06π；

滤波器系数M＝25；

Kaiser窗参数β＝1.5099；

因此，该滤波器的频率响应如图9所示。

最后，各个用户终端恢复的各自的符号信息如图10到12所示。

从仿真结果我们可以看出，低级用户和高级用户均很好地恢复了自己的符号信息，从而说明了本发明的有效性。

Claims (5)

1.一种基于子载波宽度不变的可扩展OFDM方法，包括：

预处理步骤，用于对原始数据进行编码和调制处理；

串并转换步骤，用于对预处理后的数据进行从串行到并行的转换；

子载波分配步骤，用于按照用户级别来划分不同级别的终端用户所属的子载波分配区域，其中，对于高级终端用户的子载波的分配在整个带宽内进行，对低级终端用户子载波的分配仅在指定区域内进行，以消除原有带宽与扩展带宽频谱交叠；

功率补偿步骤，用于对低级别的终端用户进行传输功率的补偿处理；

功率与子载波分配步骤，用于给出传输功率与子载波分配算法；

IFFT处理步骤，用于对整个带宽上的所有子载波进行正交化处理，并完成从频域到时域上的转换；

插入保护间隔步骤，用于插入保护间隔以防止符号间的串扰；

并串转换步骤，用于对并行数据的串行恢复操作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的子载波分配包括：

低级别终端用户只能分配扩展前带宽中的子载波。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的功率补偿按照下式对低级别的终端用户给予传输功率的补偿：

$\tilde{X}\left(k\right)=\frac{1}{\sqrt{2}}\·[X_1\left(k\right)+X_2\left(k\right)]$

其中，k为子载波序号，X1(k)是低级别终端子载波数据，X2(k)是高级别终端子载波数据。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的IFFT处理包括：IFFT处理点数应当为2N，而随着SOFO频率重叠下可扩展的OFDM扩展的不断进行，其处理点数相应地扩展为M·N，其中M为扩展的系数，N为扩展前子载波的数量。

5.一种基于子载波宽度不变的可扩展OFDM系统，包括：

预处理模块，用于对原始数据进行编码和调制处理；

串并转换模块，用于对预处理模块处理后的数据进行从串行到并行的转换；

子载波分配模块，用于按照用户级别来划分不同级别的终端用户所属的子载波分配区域，其中，对于高级终端用户的子载波的分配在整个带宽内进行，对低级终端用户子载波的分配仅在指定区域内进行，以消除原有带宽与扩展带宽频谱交叠；

功率补偿模块，用于对低级别的终端用户进行传输功率的补偿处理；

功率与子载波分配模块，用于给出传输功率与子载波分配算法；

IFFT处理模块，用于对整个带宽上的所有子载波进行正交化处理，并完成从频域到时域上的转换；

插入保护间隔模块，用于插入保护间隔以防止符号间的串扰；

并串转换模块，用于对并行数据的串行恢复操作。

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