CN1960351A - 一种无线通信系统中终端信息发射方法及终端发射机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线通信系统中终端信息发射方法及相应的终端发射机。包括以下步骤：A.终端获取当前发射状态信息(主要包括终端的发射平均功率，终端距离基站远近，终端传输数据的速率及误码率性能要求等)，并根据所述发射状态信息，确定本次发射可用的峰均比；B.根据本次发射可用的峰均比，调整用于改善终端峰均比特性的扩展频带带宽，并执行本次信息发射。本发明既能够保证系统具有很好的峰均比特性，又能够合理调整扩展频带带宽，大大提高频谱的利用率。

Description

一种无线通信系统中终端信息发射方法及终端发射机

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种无线通信系统中终端信息发射方法及终端发射机。

背景技术

在无线移动通信系统中，峰均比(PAPR)的问题受到人们越来越多的关注，这主要是因为如果PAPR较大的话，对于系统就要求发射机的瞬时值有很大的波动，要求功放、模/数转换(A/D)等器件设备具有很大的线性动态范围；同时，这些部件的非线性特性也会对动态范围较大的信号产生非线性的失真，对系统的性能会有很大的影响。所以，高峰均比会对系统实现的难度和成本大大增加。在目前的3GPP长期演进项目的研究中，各厂商都倾向于采用PAPR比较低的单载波调制技术，以降低终端(UE)的成本和功耗。

在现有技术中，有一种典型的PAPR比较低的单载波调制技术方案：基于频域操作的DFT-S-OFDM，DFT-S-OFDM基本原理和IFDMA(3GPPTSGRAN1，R1-050584，EUTRA Uplink Numerology and Design，Motorola，Jun.2005(下称【1】)；U.Sorger，I.D.Broeck and M.Schnell，Interleaved FDMAIFDMA-A new spread-spectrum multiple-access scheme，in Proc.Of IEEEICC’98，pp.1013-1017，1998(下称【2】))基本相同，只是在频域除了实现分布式频分复用(Distributed FDMA)还可以实现集中式频分复用(LocalizedFDMA)。DFT-S-OFDM的实现过程分别如图1所示。这里假设一个DFT-S-OFDM符号块大小为Nc(Nc个子载波)，某用户在DFT-S-OFDM块中占用Nu个子载波，Nu＜＝No＜＝Nc。首先对输入的时域信号进行Nu点的傅立叶变换(FFT)，将信号从时域映射到频域。然后通过相应的扩展频带带宽的方法将Nu个数据点映射到No个数据点上。通常在频域上扩展频带带宽的方法有RRC(root raised cosin根升余弦)成形滤波或其他的方法3GPP R1-051092，“Improved SC-FDMA PAPR reduction by non root-raised cosine spectrum-shapingfunctions”，Huawei，Oct.2005(下称【3】)。子载波分配映射模块完成用户的子载波在所有子载波上的复用，复用的方式可以为Localized FDMA(Nu点的信号集中映射到Nc个子载波上的连续的Nu个子载波上，此时DFT-s-OFDM就完全等价于交织频分多址接入(IFDMA))或Distributed FDMA(Nu点的信号等间隔地映射到Nc个子载波中离散的Nu个子载波上，在频域上形成梳状谱上发送)。映射到整个子载波空间上的频率信号就按照一般的OFDM调制方式，先经过反傅立叶变换(IFFT)，再插入循环前缀消除多径干扰，然后在时域加窗进行发射。

在DFT-S-OFDM中同样可以通过脉冲成型滤波或其他扩展频带的方法来降低PAPR，但是这样会降低系统的频谱利用率。

前述现有技术，如果不考虑采用加窗等扩展频带的方法来改善峰均比性能，则峰均比相对IFDMA较高；如果考虑采用加窗等扩展频带的方法来改善峰均比时，扩展频带会引起频谱利用率的下降，而且频带扩展的大小若保持不变，不能适应不同的应用场景对PAPR的不同需求，频谱的利用率会进一步降低。

发明内容

本发明提供一种无线通信系统中终端信息发射方法及终端发射机，用以解决现有技术中存在的终端发射数据过程中，不能及时调整扩展带宽，造成频谱利用率低的问题。

本发明方法包括：

一种无线通信系统中终端信息发射方法，由终端向基站发射信息，其特征在于，包括以下步骤：

A、终端根据当前发射状态信息，确定本次发射峰均比；

B、根据本次发射峰均比，调整用于改善终端峰均比特性的扩展频带带宽，并执行本次信息发射。

所述的当前发射状态信息，包括以下信息之一或者任意组合：终端的发射平均功率，终端与基站距离，终端传输数据的速率及误码率性能要求。

所述的确定发射可用的峰均比，包括以下内容：

将峰均比按照相应规则分级；

确定本次发射峰均比的级别。

所述的确定本次发射峰均比需求级别，采用如下公式：

$D=\mathrm{floor}(\frac{P_s}{P_p}\·Q),$ 其中D为本次发射峰均比级别，Ps为终端发射平均功率，Pp为终端发射的最大功率，Q为终端发射最大功率时，可用峰均比的最大级别，函数floor()为下取整运算。

所述的步骤B中，所述的扩展频带带宽调整，为调整扩展频带带宽扩展因子，采用如下公式：

α＝f(D)，其中D为扩展因子，f()为用于改善终端峰均比性能的扩展频谱函数，随D的增加，频带带宽扩展因子α增加。

所述的扩展频带带宽调整，包括增加扩展频带带宽或减少扩展频带带宽。

所述的方法，还包括步骤：

C、终端将所述的扩展频带带宽调整结果通知基站。

所述的方法，还包括步骤：

D、根据扩展频带带宽调整内容，调整终端频率资源使用状况。

所述的步骤D中，当减少扩展频带带宽时，将富余频带资源用于：

由基站将富余频带资源调配给其他终端，或

增加当前终端发射的编码冗余。

所述的步骤D中，当增加扩展频带带宽时，包括：

增加终端的发射平均功率。

所述的方法，调整用于改善终端峰均比特性的扩展频带带宽的周期与上行功率控制的周期一致。

本发明的终端发射机包括：

一种终端发射机，包括傅立叶变换模块、扩展频带带宽模块、子载波分配映射模块、反傅立叶变换模块、插入循环前缀模块和时域加窗模块；

所述的傅立叶变换模块对输入的信号进行傅立叶变换，将信号从时域映射到频域；所述的扩展频带带宽模块将Nu个数据点映射到No个数据点上；所述子载波分配映射模块将用户的子载波在所有子载波上按照集中或分布的规则进行复用；所述的反傅立叶模块对数据进行反傅立叶变换，并通过插入循环前缀模块插入循环前缀后，经所述时域加窗模块发射；

其特征在于，所述的终端发射机还包括扩展频带带宽控制模块，根据发射可用的峰均比，控制所述的扩展频带带宽模块调整扩展带宽。

所述的扩展频带带宽控制模块，包括：

峰均比确定模块，用于根据当前发射状态信息，确定发射峰均比；

扩展频带带宽调整确定模块，用于根据发射峰均比，确定扩展频带带宽调整内容。

所述的扩展频带带宽控制模块，还包括：

扩展频带带宽调整通知模块，用于将扩展频带带宽调整内容通知基站。

本发明既能够保证系统具有很好的峰均比特性，又能够合理调整扩展的带宽，大大提高频谱的利用率。

附图说明

图1为现有技术中DFT-S-OFDM系统结构图；

图2为本发明的终端发射机结构示意图；

图3为本发明扩展频带带宽控制模块的具体结构示意图；

图4为本发明的主流程图；

图5——图8为本发明原理说明示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图来说明本发明的具体实施方式。

如图2所示，是本发明终端发射机的结构示意图，从图中可见，其包括FFT变换模块、扩展频谱模块、子载波分配映射模块、IFFT变换模块、插入循环前缀模块和时域加窗模块；

所述的FFT变换模块对输入的信号进行FFT变换，将信号从时域映射到频域；所述的扩展频谱模块将Nu个数据点映射到No个数据点上；所述子载波分配映射模块将用户的子载波在所有子载波上的复用；所述的IFFT模块对数据进行IFFT变换，并通过插入循环前缀模块插入循环前缀后，经所述时域加窗模块发射；

本发明在上述终端发射机结构基础上，增加了扩展频带带宽控制模块，根据发射可用的峰均比，控制所述的扩展频谱模块调整扩展带宽。

如图3所示，所述的扩展频带带宽控制模块进一步包括：

峰均比确定模块，用于根据当前发射状态信息，确定发射峰均比；

扩展频带带宽调整确定模块，用于根据发射峰均比，确定扩展频带带宽调整内容。

所述的扩展频带带宽控制模块，还可以包括：

扩展频带带宽调整通知模块，用于通过信令将扩展频带带宽调整内容通知基站。

如图4所示，是本发明的流程示意图，从图中可见，本发明无线通信系统中终端信息发射方法包括以下步骤：

S1、UE获取当前发射状态信息，并根据所述发射状态信息，确定本次发射所需PAPR。

该步骤中，UE获取当前的发射状态信息，该发射状态信息包括当前终端的发射平均功率，终端与基站距离，终端传输数据的速率及误码率性能要求。根据上述信息，即可确定对本次发射所需的PAPR。

这里，确定对本次发射所需的PAPR可以采用如下方案：

UE首先根据当前传输速率，距离基站远近等因素决定发送的平均功率Ps，然后将Ps按照以下方法进行均匀的幅值量化：

假设UE在通信初始阶段，UE发射的最大功率Pp，终端发射最大功率时，可用峰均比的最大级别为Q，则本次发射PAPR需求级别D可以表示如下：

$D=\mathrm{floor}(\frac{P_s}{P_P}\·Q)$

其中，函数floor(x)表示对x进行下取整。

根据UE对PAPR的需求D，决定扩展频带带宽扩展因子α，

α＝f(D)，

其中f()为增函数，一般假设当D增加时α也增加。

f()的确定关系跟扩展带宽的实现方式有关，具体可参考【3】和3GPPR1-051038，“Spectrum shaping filtering in DFT-spread OFDM”，Samsung，Oct.2005(下称【4】)

S2、根据本次发射所需PAPR，调整扩展频带带宽。

根据上述过程中确定的带宽扩展因子α，调整本次发射的扩展频带带宽。

S3、UE将所述的扩展频带带宽调整结果通知基站。

上述调整中，可以将调整后的带宽扩展因子α，通过信令的方式通知给基站。

S4、根据扩展频带带宽调整内容，调整UE频率资源使用状况。

如果UE对PAPR性能的需求较低，即PAPR值可以较高，则表示带宽扩展的富余度较高，利用的频率资源可以较少。因此可以减少原来利用的频率资源，而获得部分富余的频率资源。此时也意味着通过调整频带带宽扩展因子而获得的富余的频率资源可以将可富余的频率资源通知BS，由BS统一调配给其他用户。另外还可以用于提高当前用户的编码速率，从而提高系统性能。

如果UE对PAPR性能的需求较高，即PAPR值必须较低，则表示带宽扩展的富余度较低，利用的频率资源也较多。此时意味着可以通过增加频率资源来调整频带带宽扩展因子，获得较小的PAPR从而可以允许用户在一定范围内提高当前平均发送功率，从而提高系统的误码率性能。

与上述发射过程相对应的接收过程中，当BS接收到UE发送的信号时，可以根据信令预先通知的带宽扩展因子α来决定接收滤波器的参数，进行正确的解调。或者为了减少上行的信令量，不发送带宽扩展因子α的信息，通过盲估计的方法来解调。

在上述过程中，为了减少基站与终端的交互信令开销，调整扩展频带带宽的周期与上行功率控制的周期可以保持一致。

本发明方案既能够保证系统具有很好的PAPR特性，又能够合理调整扩展的带宽，大大提高频谱的利用率。

本发明提供的方法可以利用不同的扩展频带带宽的方法(例如经典的RRC滤波器，或其他方式)来获得较好的PAPR性能，同时又可以自适应地根据用户UE对PAPR需求来调整这部分用于改善PAPR性能所需的扩展频带带宽。

在UE发射机根据系统中的某一用户处于不同的情况，如距离小区BS远近不同、数据速率不同、为达到相同误码率性能所需发射的平均功率等因素，对当前UE所需的PAPR的需求进行判断，从而对用于改善PAPR性能所需的扩展频带带宽进行自适应的调整。

该方法通过对扩展频带带宽的调整，当扩展频带带宽减少时，通过对频率资源的调整会产生一部分可以用作其他用途的富余的频率资源。该富余频率资源可以用于增加当前用户的编码冗余(降低编码速率)，提高该用户的性能；或者由BS统一调度给其他用户，增加系统容量。该方法通过对扩展频带带宽的调整，当扩展频带带宽增加时，PAPR的性能会降低，从而UE可以提高发射的平均功率，提高系统性能。

下面再结合具体实施方式，详细说明一下本发明的技术效果。

在目前的3GPP长期演进(LTE)研究中，各厂商都倾向于采用PAPR比较低的单载波调制技术，以降低UE的成本和功耗。目前有两种比较典型的两种方案是：基于时域操作的IFDMA和基于频域操作的DFT-s-OFDM。相对于IFDMA来说，DFT-s-OFDM具有频谱效率高等优点(见【1】)，但是由于最初脉冲成型(Pulse Shaping)只用于IFDMA，所以DFT-S-OFDM的PAPR比IFDMA高(见【1】)。因此后来技术人员也在DFT-s-OFDM系统中通过频域加窗的成形滤波或其他方式(见【2】)以降低PAPR。

当用非理想的低通滤波器对频域信号加窗时，由于对信号的频谱进行了平滑，所以对应缩短了时域滤波器的冲激响应长度，也就是缩短了时域成型脉冲的长度。滤波器的输出是其冲激响应与输入信号的卷积，成型脉冲的长度越短，每个输出中包含的信号个数也越少，因而减小了信号功率的变化范围，进而可以降低PAPR。

而且选择不同带宽扩展因子α(对于RRC滤波器就为滚降因子)的滤波器对频域信号加窗，5——8所示其中Nu为数据信号带宽，No为降低PAPR处理后的扩展带宽，不同带宽扩展因子α对应不同的带宽利用率，该带宽利用率对于PAPR的影响也是不同的。我们考虑两种情况：

当No保持不变时，对比可以看出，当可以降低PAPR的性能需求时，即可减少带宽扩展因子α，利用的频率资源减少，对于原有数据占用的带宽就可以得到扩展，这部分富余的带宽可以用于其他用途，例如增加数据的编码冗余，从而提高系统的误码率性能等。

当Nu保持不变时，对比图7与图8可以看出，当可以降低PAPR的性能需求时，即可减少带宽扩展因子α，利用的频率资源减少，对于原有数据占用的带宽保持不变，但是该用户占用的频率带宽可以减少，在FDMA的系统中，这部分富余的频率资源可以用于其他用户，提高系统的频谱利用率。

总之，当带宽扩展因子α增加时，带宽利用率降低，PAPR也会降低；反之亦然。也就是说，频域加窗虽然降低了PAPR，但是占用了的带宽，会造成频谱利用率的下降。因此可以通过调节PAPR来改变带宽利用率，从而调整利用的频率资源。

另外一方面，考察实际的应用环境，我们会发现当UE处于小区中距离中心BS较远(小区边沿)或者数据速率较高时为获得相同的误码率性能UE发送的平均功率较大；但是当UE处于小区中距离中心BS较近(小区中心)或数据速率较低时UE为获得相同的误码率性能UE发送的平均功率较大。因此当UE发送机(包括发送机前端RF放大器最大工作范围等)都已经确定的情况下，此时同一UE处于小区中心或者数据速率较低时时PAPR的富余度(峰值功率与平均功率的差别)比同一UE处于小区边沿或者数据速率较高时的富余度大。也就是说，同一UE处于小区中心区域或者数据速率较低时对PAPR的要求较低，此时PAPR可以较大，这样就可以只需要较少的频率资源，从而增加富余的频率资源带宽；相反，同一UE处于小区中心区域或者数据速率较高时对PAPR的要求较高，此时PAPR较小，这样就必须利用较多的频率资源。

综合上述两个方面的问题来看，如果在系统中采用基于频域操作的单载波调制上行技术(DFT-s-OFDM)，并且采用脉冲成型滤波器以降低PAPR。假设该滤波器对信号处理的过程图5和图6所示。设原始信号带宽为Nu，通过滤波后的扩展带宽为No＝Nu(1+α)。其中α为带宽扩展因子。如果增大α则PAPR性能提高但是系统的频谱利用率降低，利用的频率资源增加；反之如果减少α则PAPR性能降低但是系统的频谱利用率提高，利用的频率资源减少。所以扩展带宽的程度会影响PAPR性能、利用的频率资源，这几者间的性能之间有着密切的关系。

但是对于同一UE当处于不同的环境时，如距离BS远近不同、数据速率不同时，按照前面的分析其对PAPR的需求是不同的，因此此时的利用的频率资源也是不同的。但如果扩展因子保持不变的话，这样就不可能最有效的利用频率资源。所以为了最大化地利用频带资源，需要对滤波器的频带带宽扩展因子进行灵活的处理，也就是频带带宽扩展因子需要根据UE的环境自适应地进行调整。例如在【4】中，如果PAPR的性能需求降低1.4dB的话，可以至少获得20％的富余频率资源，如果将这部分资源用于其他数据的转送就可以大大提高系统的频谱利用率。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (14)

1、一种无线通信系统中终端信息发射方法，由终端向基站发射信息，其特征在于，包括以下步骤：

A、终端根据当前发射状态信息，确定本次发射峰均比；

B、根据本次发射峰均比，调整用于改善终端峰均比特性的扩展频带带宽，并执行本次信息发射。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的当前发射状态信息，包括以下信息之一或者任意组合：终端的发射平均功率，终端与基站距离，终端传输数据的速率及误码率性能要求。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的确定发射峰均比，包括以下内容：

将峰均比按照相应规则分级；

确定本次发射峰均比的级别。

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的确定本次发射峰均比需求级别，采用如下公式：

$D=\mathrm{floor}(\frac{P_s}{P_p}\·Q),$ 其中D为本次发射峰均比级别，Ps为终端发射平均功率，Pp为终端发射的最大功率，Q为终端发射最大功率时，可用峰均比的最大级别，函数floor()为下取整运算。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的步骤B中，所述的扩展频带带宽调整，为调整扩展频带带宽扩展因子，采用如下公式：

α＝f(D)，其中D为扩展因子，f()为用于改善终端峰均比性能的扩展频谱函数，随D的增加，频带带宽扩展因子α增加。

6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的扩展频带带宽调整，包括增加扩展频带带宽或减少扩展频带带宽。

7、如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤：

C、终端将所述的扩展频带带宽调整结果通知基站。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括步骤：

D、根据扩展频带带宽调整内容，调整终端频率资源使用状况。

9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的步骤D中，当减少扩展频带带宽时，将富余频带资源用于：

由基站将富余频带资源调配给其他终端，或

增加当前终端发射的编码冗余。

10、如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的步骤D中，当增加扩展频带带宽时，包括：

增加终端的发射平均功率。

11、如权利要求1所述的方法，其特征在于，调整用于改善终端峰均比特性的扩展频带带宽的周期与上行功率控制的周期一致。

12、一种终端发射机，包括傅立叶变换模块、扩展频带带宽模块、子载波分配映射模块、反傅立叶变换模块、插入循环前缀模块和时域加窗模块；

所述的傅立叶变换模块对输入的信号进行傅立叶变换，将信号从时域映射到频域；所述的扩展频带带宽模块将Nu个数据点映射到No个数据点上；所述子载波分配映射模块将用户的子载波在所有子载波上按照集中或分布的规则进行复用；所述的反傅立叶模块对数据进行反傅立叶变换，并通过插入循环前缀模块插入循环前缀后，经所述时域加窗模块发射；

其特征在于，所述的终端发射机还包括扩展频带带宽控制模块，根据发射峰均比，控制所述的扩展频带带宽模块调整扩展带宽。

13、如权利要求12所述的终端发射机，其特征在于，所述的扩展频带带宽控制模块，包括：

峰均比确定模块，用于根据当前发射状态信息，确定发射峰均比；

扩展频带带宽调整确定模块，用于根据发射峰均比，确定扩展频带带宽调整内容。

14、如权利要求13所述的终端发射机，其特征在于，所述的扩展频带带宽控制模块，还包括：

扩展频带带宽调整通知模块，用于将扩展频带带宽调整内容通知基站。

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