CN1267151A

CN1267151A - 基于正交频分复用技术的扩频多址

Info

Publication number: CN1267151A
Application number: CN00103868A
Authority: CN
Inventors: 雷基夫·拉罗阿; 厉隽怿; 米切拉·C·范德文
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 1999-03-11
Filing date: 2000-03-10
Publication date: 2000-09-20
Anticipated expiration: 2020-03-10
Also published as: ES2189725T3; KR100804854B1; AU1956600A; DE60001081D1; DE60001081T2; CA2298361C; JP3703003B2; EP1039684A1; ID26302A; CA2298361A1; EP1039684B1; JP2000299681A; ATE230533T1; BR0000988A; US6711120B1; AU770983B2; KR20000062825A; CN1235358C

Abstract

公开一种利用小区之间偏移的基于正交频分复用技术的扩频多址系统,特别是,利用音调偏移和时间偏移。更具体地说,确定一个小区音调组的频率与确定至少一个相邻小区音调组的频率之间有偏移。换句话说,若第一基站利用一段频带内的音调F₁,F₂,…,F_N,则与第一基站相邻的第二基站利用相同频带内的音调F₁+△f,F₂+△f,…,F_N+△f。此外,一个小区中基站的符号时间标记可以与相邻小区中基站的符号时间标记有偏移。

Description

基于正交频分复用技术的扩频多址

本发明涉及基于正交频分复用技术(OFDM)的扩频多址，例如，可以用在无线通信系统和其他的通信系统中。

我们希望，无线通信系统有尽可能高的效率，可以使a)服务的用户数目，和b)数据速率(若有数据服务)都最大。无线系统是共用媒体系统，即，有固定的可利用带宽，所有的系统用户一定共享此带宽。这些系统往往是所谓的“蜂窝式”系统，其中覆盖的地区被分割成独立的小区，每个小区由一个基站提供服务。

本领域内众所周知，蜂窝式无线系统中两个特别理想的特征是：1)小区内干扰，即，一个用户经受与该用户相同小区内其他用户的干扰，是尽可能地小；和2)小区间干扰，即，一个用户经受与该用户不同的小区内其他用户的干扰，是相邻小区内全部用户所受干扰的平均。大部分现有技术的数字蜂窝式系统是时分多址(TDMA)系统，例如，基于移动通信特别研究组(GSM)的系统，基于中间标准(IS)-136的系统，或基于IS-54的系统，或它们是码分多址(CDMA)系统，例如，基于IS-95的系统。

在现有技术窄带TDMA系统中，相邻基站利用频谱中的不同部分，例如，非重叠的频谱。然而，互相之间远离以避免它们之间干扰的诸基站，即，非相邻的诸基站，可以利用频谱中的相同部分。尽管这个频谱被复用，但每个小区内使用的频谱只是全部可利用频谱的一小部分。小区内的每个用户有其自己唯一的频带和时隙组合，因此，TDMA系统没有小区内干扰，即，这些系统有蜂窝式无线系统的第一理想特征。然而，TDMA系统没有第二理想特征，给定用户只与小区外少量用户干扰，所以，频谱复用是基于最差情况下的干扰，而不是基于平均干扰。其结果是，该系统有低的“频谱”效率。

在现有技术直接序列(DS)-CDMA系统中，整个带宽被每个基站利用，但每个基站利用不同的扩展码。这种CDMA系统比窄带TDMA系统有较高的频谱效率。因此，CDMA系统有蜂窝式无线系统的第二理想特征。然而，CDMA系统没有蜂窝式无线系统的第一理想特征，其原因是，虽然从小区内基站发射的诸信号是正交的，由于信道色散，接收机中接收到的诸信号不一定是正交的。这就导致相同小区内诸用户之间的干扰。

建议的现有技术跳频(FH)-CDMA系统非常类似于窄带TDMA系统，不同的是，它们采用跳频技术以得到蜂窝式无线系统的第二理想特征。尤其是，每个发射机发射窄带信号，周期性地改变载频以获得跳频。然而，不利的是，这种跳频相对而言较慢，减小了系统能够容许的传输路径上给定延迟可以获得的平均量。

1995年4月25日给Roche等人授权的美国专利No.5,410,538公开一种多音调CDMA系统。这种系统基本上是一个OFDM系统，通过确保小区内接收到的诸信号是正交的，以消除小区内干扰。因此，Roche等人的系统具有蜂窝式无线系统的两个理想特征。然而，Roche等人的系统把频谱分成大量的音调，使该系统对移动系统中的多普勒(Doppler)频率漂移十分灵敏。此外，由于每个移动用户在大量音调上发射，移动发射机的峰值对平均值比率非常高，导致移动台中很差的功率效率，功率往往是移动台中一个受限制的资源，这一点是很不利的。

1996年8月20日给Brajal等人授权的美国专利No.5,548,582公开一种基于一般宽带正交频分复用技术(OFDM)的扩频多址。

我们已确认，在美国专利申请序列号(Laroia 9-1-1案)中，Brajal等人的系统在蜂窝式系统中使用不是最佳的，其中没有说明如何优化a)跳频图，b)音调分配，或c)带宽复用。我们还确认，单独地和/或集体地优化这些因素，对于得到频谱高效的系统是重要的，即，这种系统具有蜂窝式无线系统中两个特别理想的特征。特别是，我们在美国专利申请序列号(Laroia 9-1-1案)中公开，把整个带宽分成若干个正交音调，在每个小区中复用所有的正交音调。为了减小移动发射机中的峰值对平均值比率，最好给低位速率用户(例如，话音用户)分配单个正交音调，但不大于非常小数目的正交音调用于与基站的通信。类似地给数据用户分配用于数据通信的音调。然而，分配给每个数据特定用户的音调数目是该用户数据速率的函数。对给定用户的音调分配在可利用的频带内不总是相同的，对每个用户分配的音调随时跳频。

公开一种跳音调图(tone hopping pattern)，例如，利用为互相正交拉丁方的函数的图形，获得最大的频率分集和对小区间干扰取平均。更具体地说，在下行链路，即，在从基站到移动台的信道上，分配给每个用户的音调变化相对地较快，例如，从符号到符号，即，用户快速地从一种音调“跳”到另一种音调。然而，在上行链路，即，在从移动台到基站的信道上，虽然快速地跳跃是可能的，最好采用慢速跳跃，可以有效地调制上行链路信号。然而，在上行链路采用慢速跳跃时，必须利用附加的技术，例如，间插(interleaving)，以补偿小区间干扰平均效应的下降。

我们已确认，虽然以上的进步和改进对于获得频谱效率高的系统还是必需的，这种系统具有蜂窝式无线系统两个特别理想的特征。按照本发明的原理，一种改进是利用小区之间的偏移，特别是利用音调偏移和时间偏移。更具体地说，按照本发明的一个方面，确定一个小区音调组的频率与确定至少一个相邻小区音调组的频率之间有偏移。换句话说，若第一基站利用一段频带内的音调F₁，F₂，…，F_N，则与第一基站相邻的第二基站利用相同频带内的音调F₁+Δf，F₂+Δf，…，F_N+Δf。按照本发明的另一个方面，一个小区基站中符号的时间标记偏移相邻小区基站中符号的时间标记。因此，若第一基站中相继的符号是在时间T1，T2，和T3开始，则与第一基站相邻的第二基站中各个对应的相继符号是在时间T1+Δt，T2+Δt，和T3+Δt开始。例如，在具有六边形小区的蜂窝式系统中，两个相邻小区音调组偏移1/3的相邻音调间隔，两个相邻小区的符号时间标记偏移1/3的符号周期。有利的是，小区间干扰是更均匀地分布到小区中的各个用户。

在以下附图中：

图1表示在带宽W内一个小区可利用的正交音调实例，其中频率间隔为Δ；

图2表示符号传输中的符号周期T和传输循环前缀所需的附加时间T_C的时域图；

图3表示OFDM发射机实例的方框图；

图4表示OFDM接收机实例的方框图；

图5表示基站中图3所示数据音调应用器(data-to-tone applier)305的详细实施装置；

图6表示第一小区内利用的第一音调组，其中各个音调之间的间隔为Δ，按照本发明的原理，第一音调组的每个音调与相邻第二小区中第二音调组的每个音调有偏移Δf，和

图7表示第一小区内利用的相继符号开始时间，按照本发明的原理，它与相邻第二小区中利用第二相继符号开始时间的每个对应相继符号开始时间有偏移Δt。

以下仅仅举例说明本发明的原理。因此，可以理解，专业人员能够设计出各种装置，虽然此处没有明确地描述或展示这些装置，但是体现本发明的原理并包含在其精神和范围内。此外，此处叙述的所有例子和条件语言主要是用于教育，帮助读者了解本发明的原理和发明者提出的概念以加深理解，应当不受这些特定叙述的例子和条件的限制。而且，此处叙述的有关本发明原理，观点和实施例的说明以及具体的例子应当包括其结构和功能两方面相当的内容。此外，我们认为，这些相当的内容包含当前已知的和未来发展的，即，完成相同功能而发展的任何其他方面，它与结构无关。

因此，例如，专业人员可以理解，此处的方框图代表体现本发明原理的所述电路原理图。同样地，可以理解，任何的流程图，状态转换图，伪码，等等代表各种过程，这些过程基本上可以表示在计算机可读的媒体中并由计算机或处理器来执行，不管此处是否明确地画出这种计算机或处理器。

图中表示的各个单元功能，包括用“处理器”标记的功能块，可以通过利用专用硬件和能够执行软件的硬件与恰当软件的结合而实现。在有处理器的情况下，其功能可以由单个专用处理器，单个共用处理器，或多个单独处理器实现，其中一些处理器可以共用。此外，明确使用的术语“处理器”或“控制器”不应当认为是专门指能够执行软件的硬件，可以隐含地包括(不受此限制)：数字信号处理器(DSP)硬件，用于存储软件的只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)，和非易失性存储器。还可以包括其他普通的和/或定制的硬件。类似地，图中画出的开关只是原理性的。它们的功能可以这样来实现，通过运行程序逻辑，通过专用逻辑，通过程序控制与专用逻辑的相互作用，或者甚至用手动方式，能够从上下文中更具体地了解执行者可以选择的具体方法。

在权利要求书中，表示为完成特定功能装置的任何单元，可以包括完成该功能的任何方法，例如，包括：a)完成该功能的电路单元的组合或b)包括固件，微码等在内的任何形式软件，与适当电路的组合，用于执行完成该功能的那个软件。权利要求书中确定的本发明是基于这样的事实，各种列举装置给出的功能是按照权利要求书中要求的方式组合在一起。因此，申请人把能够提供那些功能的任何装置相当于此处所提到的一些装置。

在描述本发明之前，需要大致明白本发明运行的环境，即，正交频分复用(OFDM)系统。

正交频分复用(OFDM)系统利用一段频率带宽内若干个正交音调从不同的用户同时发射数据。特别是，对于任何特定的用于符号传输的符号周期T和给定的带宽W，可利用的正交音调数目N是由WT给出。按照本发明的一个方面，相同的带宽W在每个小区中复用。正交音调之间的间隔为Δ，它是由1/T给出。除了用于符号传输的符号周期T以外，需要附加的时间T_C用于传输循环前缀，它是添加在每个符号周期上，用于补偿信道响应和发射机中脉冲整形滤波器引入的色散。因此，虽然利用了总的周期T+T_C，仅仅T是用在用户的数据传输。

图1表示在带宽W内一个小区可利用的正交音调实例，其中频率间隔为Δ。图2表示符号传输中的符号周期T和传输循环前缀所需的附加时间T_C的时域图。注意，在每个符号周期T内，数据可以基本上同时送到每个音调上。而且，数据符号周期T的最后部分往往用作图2所示方式的循环前缀。

图3表示OFDM发射机301实例的方框图。由于它的高水平，图3的方框图代表现有技术的OFDM发射机或按照本发明原理的OFDM发射机取决于图3中各个部件的具体实施方案。此外，OFDM发射机301可以用在基站中作为下行链路发射机或用在移动台中作为上行链路发射机。以下要更充分地描述任何一种应用中所需的具体实施例。

OFDM发射机301包括：a)编码器303，b)数据音调应用器305，c)音调分配单元307，和d)循环前缀预加器(prepender)309。

编码器303从源接收到用于传输的整体信息流，并按照特定的编码方案给以编码。这种整体信息流通常包含代表多于一个用户产生的信息流(若OFDM发射机301用于基站中)和只包含一个用户的信息流(若OFDM发射机301用于移动台中)。编码方案可以变化，不管特定信息流中传输的信息是话音或数据。一般专业人员能够1)选取，例如，传统的卷积编码或分组编码，或2)设计合适的编码方案，它作为干扰环境模型的函数，在该环境中部署OFDM系统。

数据音调应用器305调制从编码器303输出的整体编码信息流到各个可利用的音调上。对于整体编码信息流内的每个特定编码信息流，音调分配单元307至少分配一个音调，该音调用于调制从编码器303接收到的特定编码信息流。若特定编码信息流是话音，则按照本发明的一个方面，最好分配单个正交音调给特定编码信息流，但不可大于非常小数目的正交音调。若特定编码信息流是数据，则按照本发明的一个方面，分配给特定编码信息流的正交音调数目是该特定编码信息流用户的数据速率的函数。

分配到每个编码信息流的音调是由音调分配单元307分配的，它把该分配方案传递给数据音调应用器305。给定用户的音调分配在可利用的波段内不总是相同的，而是由音调分配单元307对分配给每个用户的音调随时跳频。

如上所述，循环前缀预加器309添加循环前缀到每个符号周期。添加的循环前缀只是给OFDM发射机301所用的音调。因此，例如，若OFDM发射机301是在利用所有音调的基站中，则循环前缀利用带宽W内所有的正交音调。若OFDM发射机301是在仅仅利用单个音调的移动台中，则循环前缀只利用那个特定的单个音调。有利的是，利用循环前缀避免了接收机所需要的均衡作用。

图4表示OFDM接收机401实例的方框图。与图3相同，由于它的高水平，图4的方框图表示现有技术的OFDM接收机或按照本发明原理的OFDM接收机取决于图4中各个部件的具体实施方案。此外，如图所示，OFDM接收机401可以用在基站中作为下行链路接收机或用在移动台中作为上行链路接收机。以下要更充分地描述任何一种应用中所需的具体实施例。

OFDM接收机401包括：a)循环前缀移去器409，b)音调数据提取器(tone-to-data extractor)405，c)音调分配单元407，和d)解码器403。

在OFDM接收机401中接收到的信号，例如，由天线和放大器装置(未画出)提供给循环前缀移去器(remover)409。循环前缀移去器409从接收信号的每个总周期中去掉循环前缀。留下的具有周期T的信号提供给音调数据提取器405。

音调数据提取器405提取OFDM接收机401所用各个音调上接收到的每个信息流，得到一个整体重建数据流。给OFDM接收机401使用的音调是由音调分配单元407分配的，它把该分配方案传递给音调数据提取器405。给定用户的音调分配在可利用的波段内不总是相同的，而是由音调分配单元407对分配给每个用户的音调随时跳频。所以，OFDM发射机301的音调分配单元307与相关OFDM接收机401的音调分配单元407之间的对应关系是必需的。这种对应关系通常是通过事先的安排获得的，例如，在建立呼叫之后。

解码器403从音调数据提取器405接收传输的整体信息流，并把它解码得到整体的输出信息流。解码过程往往是按照编码该信息流的逆过程完成的。然而，考虑到信道和其他的效应，可以对解码过程作改动以得到比直接利用逆编码过程更可靠的解码输出。或者，考虑到信道响应，干扰，和其他的效应，可以研制专门的算法，用于解码接收到的信号。这种整体输出信息流通常包含代表多于一个用户产生的信息流(若OFDM接收机401用于基站中)和只包含一个用户的信息流(若OFDM接收机401用于移动台中)。

形成的整体输出信息流提供给目的地作进一步的处理。例如，若信息流是话音和OFDM接收机401是在移动台中，则提供的该信息流转变成用户可以重放的音响信号。若信息流是话音和OFDM接收机401是在基站中，则该话音信息可以分开，传输到最后的目的地，例如，经无线网。

图5表示基站中图3所示数据音调应用器305的详细实施装置。每个乘法器501把特定的信息流乘以正弦波形，该正弦波形是一种正交音调，由音调发生器503产生。然后，加法器505对形成的调制信号求和。通常，数据音调应用器305是数字式的，例如，完成乘法器501，音调发生器503，和加法器505功能的处理器，该加法器采用正交音调的数字表示。

与图5所示相同的总体结构可用于实现移动台中的数据音调应用器305。然而，取代有N个乘法器的基站覆盖小区内N个正交音调的整个范围，只有使用最大数目正交音调的移动台需要有可利用的乘法器。由于许多移动台仅仅限于话音，所以，只需提供一个乘法器。然而，以下要更详细地描述的，由于给每个用户的音调分配是变化的，要求移动台中的音调发生器能够产生全部N个正交音调的范围。此外，若只使用一种音调，则可以省去加法器505。

如上所述，分配给任何特定信息流的音调是周期性地变化，这在专业上一般称之为跳频，此处更确切地称之为跳音调。

利用小区之间的偏移，例如，音调偏移和/或时间偏移，改进干扰效应的平均作用，即，干扰功率方差减小。更具体地说，按照本发明的一个方面，确定一个小区音调组的频率与确定至少一个相邻小区音调组的频率之间有偏移。换句话说，若第一基站利用一段频带内的音调F₁，F₂，…，F_N，则与第一基站相邻的第二基站利用相同频带内的音调，F₁+Δf，F₂+Δf，…，F_N+Δf。这表示在图6中，其中第一小区内利用的音调组601互相之间的偏移为Δ，按照本发明的原理，音调组601中每个音调与相邻第二小区音调组603中每个音调有偏移Δf。在一个说明性的实例中，在具有六边形小区的蜂窝式系统中，两个相邻小区的音调组之间的偏移为相邻音调之间间隔Δ的1/3。

按照本发明的另一个方面，一个小区中基站的符号时间标记与相邻小区中基站的符号时间标记之间有偏移。因此，若第一基站中相继的符号是在时间T1，T2，和T3开始，则与第一基站相邻的第二基站中各个对应的相继符号是在时间T1+Δt，T2+Δt，和T3+Δt开始。这表示在图7中，按照本发明的原理，其中第一小区内利用的相继符号开始时间组701与相邻第二小区的相继符号开始时间组703中每个对应的相继开始时间有偏移Δt。在一个说明性的实例中，在具有六边形小区的蜂窝式系统中，两个相邻小区中符号时间标记的偏移为符号周期的1/3。有利的是，小区间干扰是更均匀地分布到小区的各个用户。

甚至在不采用跳频的情况下，本发明原理产生的性能提高超过现有技术。

Claims

1.一种运行基于蜂窝式正交频分复用技术(OFDM)的扩频多址无线系统的方法，其中每个基站在相同的频带内建立其自己的音调组，包括以下步骤：

在第一基站中，分配第一组正交音调，所述正交音调用于所述第一基站与被所述第一基站服务的移动单元之间的通信；

在第二基站中，分配第二组正交音调，所述正交音调用于所述第二基站与被所述第二基站服务的移动单元之间的通信；

其中所述第二组正交音调位于所述频带内，在与所述第一组正交音调相同的点，但有一个固定的偏移。

2.一种运行基于蜂窝式正交频分复用技术(OFDM)的扩频多址无线系统的方法，其中每个基站建立其自己的符号开始时间，包括以下步骤：

在第一基站中，分配第一符号开始时间；

在第二基站中，分配第二符号开始时间，它与所述第一符号开始时间有偏移，但发生在所述第一符号开始时间与所述第一符号周期结束之间的持续时间内。

3.一种运行基于蜂窝式正交频分复用技术(OFDM)的扩频多址无线系统的方法，其中每个基站在相同的频带内建立其自己的音调组，包括以下步骤：

在第一基站中，分配第一组正交音调，F₁，F₂，…，F_N，其中N是分配在所述第一组正交音调中的音调数目，所述正交音调用于所述第一基站与被所述第一基站服务的移动单元之间的通信；

在第二基站中，分配第二组正交音调，F₁+Δf，F₂+Δf，…，F_N+Δf，所述正交音调用于所述第二基站与被所述第二基站服务的移动单元之间的通信，Δf是固定的频率偏移。

4.一种运行基于蜂窝式正交频分复用技术(OFDM)的扩频多址无线系统的方法，其中每个基站在相同的频带内建立其自己的音调组，包括以下步骤：

在第一基站中，分配第一组参量，用于所述第一基站与被所述第一基站服务的移动单元之间的通信；

在第二基站中，分配第二组参量，用于所述第二基站与被所述第二基站服务的移动单元之间的通信；

其中所述第二组参量与所述第一组参量中对应的参量有偏移。

5.按照权利要求4的发明，其中所述偏移在所述第一组参量和所述第二组参量的所有成员中是一致的。

6.按照权利要求4的发明，其中所述第一组参量和所述第二组参量是音调，用于所述第一小区和所述第二小区中的OFDM通信。

7.按照权利要求4的发明，其中所述第一组参量和所述第二组参量是符号开始时间，用于所述第一小区和所述第二小区中的OFDM通信。

8.一种运行基于蜂窝式正交频分复用技术(OFDM)的扩频多址无线系统的方法，其中每个基站建立其自己的符号开始时间，包括以下步骤：

在第一基站中，分配每个相继符号的开始时间；

在第二基站中，分配每个相继符号的开始时间，它与所述第一基站中对应符号的所述开始时间有偏移，该偏移为Δt，它是一个固定的时间偏移，大于零和小于一个符号的持续时间。