多載波通信方法

2023-06-08 08:42:26 2

專利名稱：多載波通信方法
技術領域：
本發明涉及一種用於在應用至少一個被劃分成多個子頻帶的頻帶的情況下在無線電通信系統的無線電站之間進行通信的方法和一種用於在無線電通信系統中的發射機和接收機之間傳輸數據的方法，其中該數據在被劃分成子頻帶的頻帶的多個子頻帶上被傳輸。
此外，本發明涉及一種用於確定將頻帶劃分成子頻帶的無線電通信系統中的設備，以及無線電通信系統中的一種用於發送數據的設備和一種用於接收數據的設備。
在無線電通信系統中，藉助電磁波通過進行發射的無線電站和進行接收的無線電站之間的無線電接口來傳輸信息(例如語音、圖像信息、視頻信息、SMS(短消息業務(Short Message Service))或者其他數據)。在此，以載波頻率來實現電磁波的輻射，該載波頻率位於針對各個系統所規定的頻帶中。在這種情況下，無線電通信系統可包含如用戶站的無線電站(例如移動站)和基站(例如節點B的無線電接入設備或其他無線電接入設備)，以及必要時包含其他的網絡側設備。
無線電站對傳輸介質的共同的無線電資源的訪問在無線電通信系統中通過多路存取方法(Multiple Access，MA)來調節，該無線電資源諸如時間、空間、頻率、編碼、功率。
為了保證儘可能有效地傳輸數據，將整個可供使用的頻帶拆分成多個子頻帶(多載波方法)。多載波系統所基於的想法是，傳輸寬帶信號的輸出問題轉化為傳輸多個窄帶信號。此外，這有以下優點，即在接收機上的必要的複雜性可被減小。此外，鑑於將待傳輸的數據分配到不同的子頻帶上，將可支配的帶寬劃分成多個窄帶的子頻帶使得數據傳輸的明顯較高的粒度(Granularitaet)成為可能，也就是無線電資源可以大的細度被分配到待傳輸的數據上或被分配到接收機上。特別是在以可變的數據率進行傳輸時或在進行短脈衝串式的數據通信時，可通過將多個子頻帶分配給不同的接收機來有效地充分利用可支配的帶寬。
在OFDM(正交頻分復用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing))中，將在時間上近似的矩形的脈衝形狀用於子頻帶。該子頻帶的頻率間距這樣被選擇，使得，在其中分析利用於頻帶的信號的那個頻率處的頻率空間中，其他子頻帶的信號具有過零點。因此，子頻帶是彼此正交的。允許子頻帶的頻譜疊加和由此得到的子頻帶的高排列密度，因為正交性確保單個子頻帶的可區分性。因而，比在簡單的FDM(頻分復用(Frequency Division Multiplexing))中達到更好的頻譜效率，在該簡單的FDM中不考慮子頻帶的正交條件，並且因此，為了避免單個頻帶子頻帶之間的可能的負面影響傳輸質量的幹擾，較大的子頻帶間距是必要的。通過大多很小的子頻帶的間距和在單個子頻帶上傳輸的信號的窄帶性，在OFDM中應保證，在單個子頻帶內的傳輸通常不是頻率選擇(frequenzselektiv)的。在接收機處，這簡化了信號校正。
在OFDM系統中，相對於缺少時間和頻率同步，以及相對於由無線電站的運動引起的都卜勒效應，其高靈敏性是不利的。這些不利的現象首先在上行方向中、也就是在從用戶側無線電站到網絡側設備的數據傳輸中引人注意，其中不同用戶側無線電站的數據在FDMA(頻分多址(Frequency Division Multiple Access))的意義上被分配到不同的子頻帶上。在這種情況下，上述效應可引起子頻帶之間的幹擾以及因此也引起各種進行傳輸的用戶側無線電站之間的幹擾。
本發明基於以下任務，即闡明用於在多載波無線電通信系統中進行通信的有效的、相對傳統的多載波方法被改善的方法，以及用於支持該方法的網絡側設備和用於執行該方法的發射機和接收機。
該任務鑑於該方法通過具有權利要求1所述的特徵的方法來解決。
有利的改進方案和擴展方案是從屬權利要求的主題。
在用於在應用至少一個被劃分成多個子頻帶的頻帶的情況下在無線電通信系統的無線電站之間進行通信的方法中，根據本發明，將至少一個頻帶劃分成子頻帶的方式隨時間變化。
根據被劃分成多個子頻帶的頻帶的應用，無線電通信系統涉及多載波系統，其中可能暫時將頻帶劃分成僅僅一個子頻帶；進行通信的無線電站例如可以涉及移動站和基站，通信不僅可涉及上行方向而且可涉及下行方向。優選地，在一個或者在多個無線電通信系統的無線電小區中採用該方法。將頻帶劃分成子頻帶不是諸如在通過無線電網絡規劃規定的劃分中的情況那樣是恆定的，而是隨時間變化。該時間變化通常不是連續發生，而是作為對無線電小區內的變化的條件的反應來發生的。劃分的變化不僅可在兩個無線電站之間進行通信期間發生，而且可在該通信結束之後或在其他通信開始之前發生。劃分為子載波的變化特別是通過適當的網絡側設備來決定和被布置。
在本發明的擴展方案中，該變化涉及頻帶的子頻帶的數量和/或至少兩個子頻帶的頻寬。在等距的子頻帶中，子頻帶的數量的變化也自動包含所有子頻帶的頻寬。可是，一些或所有子頻帶的頻寬的變化也是可能的，而無須改變子頻帶的總數量。通常，所進行的劃分成子頻帶的所有變化是可應用的。
有利地，用於在子頻帶上進行數據傳輸的濾波函數除了改變劃分成子頻帶的方式以外還隨時間變化。在這種情況下，濾波函數是頻域中或(通過傅立葉變換可得到的)時域中的濾波。濾波函數的變化涉及至少一個由發射機所應用的濾波函數，但是也可以涉及多個、由多個發射機所應用的濾波函數。例如，可能的是，由劃分方式的變化所涉及的子頻帶的所有濾波函數被改變。特別是，濾波函數的變化可被理解為匹配所改變的頻帶的劃分，濾波函數的帶寬可通過改變數據流的採樣率來改變。當通過選擇數據流的採樣率以相同的程度來改變所有濾波函數的帶寬和因此疊加相鄰的子頻帶時，特別是花費不多的。
此外，花費不多的實施方案在於每個子頻帶應用相同的濾波函數。
可能的是，至少暫時相互區分至少兩個在子頻帶上所應用的濾波函數。由此，可彼此獨立地改變濾波函數，由此可結合相對小的濾波器實現的複雜性通過選擇適當的濾波器來實現短缺的無線電資源的有效使用。
在本發明的改進方案中，劃分的方式的變化和必要時也是濾波函數的變化根據諸如通過多路傳播所引起的效應的無線電信道特性和/或根據至少一個無線電站的參數、諸如根據進行發射的無線電站的移動度和/或根據所期望的數據傳輸的粒度來實現。當多個無線電站想要同時進行通信時，高粒度例如被期望或是必要的，以致多個子頻帶是有利的。高粒度要求將可供使用的無線電資源精細地劃分成子頻帶。該所期望的粒度例如通過進行通信的無線電站的數量和待傳輸的數據的特性被影響。
此外，通過具有權利要求7所述的特徵的方法來解決鑑於該方法的上述任務。
在用於在無線電通信系統中的發射機和接收機之間傳輸數據的方法中，其中在被劃分成子頻帶的頻帶的多個子頻帶上傳輸該數據，根據本發明，在發射機側用於傳輸的、該多個子頻帶中的至少一個子頻帶的頻寬(Frequenzbreite)變化，以及必要時該子頻帶的數量在傳輸數據期間附加地變化。
在這種情況下，觀察發射機和接收機之間的數據量的傳輸過程。在該傳輸期間，為此在發射機側所應用的、子頻帶形式的無線電資源在時間上不是恆定的。這樣例如可能的是，具有第一頻寬的第一子頻帶上的第一位和在時間上隨後發送的具有區別於第一頻寬的第二頻寬的第二子頻帶上的第二位被發送。在這種情況下，第二子頻帶的中心的頻率位置可與第一子頻帶的那個中心的頻率位置一致或相對該第一子頻帶的那個中心的頻率位置偏移。
上述任務鑑於無線電通信系統中的設備通過具有權利要求8所述的特徵的設備來解決。
根據本發明的無線電通信系統中的設備具有用於這樣確定至少一個用於在無線電站之間進行通信的頻帶被劃分成子頻帶的裝置，使得頻帶被劃分成子頻帶的方式隨時間變化。
該設備適於根據用於在無線電站之間進行通信的方法來執行上述方法步驟和為此可具有其他裝置。該設備在結構上可與其他網絡側設備、諸如基站或者用於無線電接入控制的設備連接。優選地，針對準確的一個或者也針對無線電通信系統的多個無線電小區執行設備的劃分的確定。
上述任務鑑於用於發送數據的設備通過具有權利要求9所述的特徵的設備來解決。
無線電通信系統中的用於發送數據的設備具有用於在被劃分成子頻帶的多個子頻帶上發送數據的裝置。該裝置這樣來構造，使得由該設備所應用的該多個子頻帶中的至少一個子頻帶的頻寬隨時間變化以及必要時所應用的子頻帶的數量附加地隨時間變化。在這種情況下，不僅在發送數據給接收機期間而且在不同的數據發送之間可進行該變化。
上述任務鑑於用於接收數據的設備通過具有權利要求10所述的特徵的設備來解決。
無線電通信系統中的用於接收數據的設備具有用於接收數據的裝置，該數據在被劃分成子頻帶的頻帶的、具有至少部分隨時間變化的頻寬的、數量必要時在時間上變化的子頻帶上被傳輸。
以下根據實施例進一步說明本發明。在此，

圖1示出無線電通信系統的無線電小區的部分，圖2示出被劃分成子頻帶的頻帶，圖3示出用於執行方法的發射機側的裝置。
圖1示出無線電通信系統的無線電小區，該無線電小區包含基站BS和兩個移動站MS1和MS2。該基站BS與網絡側設備NE連接，其中該連接也可通過多個其他設備來建立。此外也可能的是，網絡側設備NE描述了基站BS的一部分。
以下應觀察在兩個移動站MS1和MS2與基站BS之間通過無線電的數據傳輸。為此，在無線電小區中使用在圖2中說明的頻帶F。該頻帶例如可以涉及針對FDMA系統的上行方向的帶。該頻帶被劃分成子頻帶。窄帶子頻帶的應用具有這樣的優點，即該子頻帶比寬的頻帶F擁有更小的頻率選擇性。該頻率選擇性通過在發射機和接收機之間多路傳播信號得到實現。儘管整個頻帶F上的頻率選擇性，在適當選擇子頻帶的寬度時達到，單個傳輸信道在子頻帶上不是頻率選擇的，也就是具有恆定的傳遞函數。子頻帶越窄，子頻帶的傳遞函數在頻域中是恆定的概率就越大。通常接收機必須基於多路傳播來執行的校正上的花費因此可通過適當選擇子頻帶帶寬基本上被減少。
如果在發送無線電信號期間兩個移動站MS1和MS2運動，則分別得到基於都卜勒效應的頻率偏移。這可導致，不同的(無需都卜勒效應分開的)子頻帶疊加和因此幹擾該子頻帶的信號(ICI，載波間幹擾(Inter Carrier Interference))。由此，在不同子頻帶上傳輸的符號在接收機中不再明確地被區分或在不同子頻帶上傳輸的符號的接收通過相互的幹擾被幹擾。為了減少運動的移動站MS1和MS2中的基於都卜勒效應的這樣的幹擾，有利的是，儘可能應用寬帶子頻帶。
根據本發明，頻帶F被劃分成子頻帶的方式隨時間變化。圖2示出三種不同的頻帶F被劃分成子頻帶的方式。在圖2的上方圖示中，頻帶F被劃分成四個同樣寬的子頻帶SB1、SB2、SB3和SB4。這些子頻帶SB1、SB2、SB3和SB4被分配給用於與基站BS進行通信的移動站MS1和MS2。例如，移動站MS1可應用兩個子頻帶SB1和SB2用於通信，而移動站MS2可應用兩個子頻帶SB3和SB4用於通信。圖2的中間圖示示出一種其他的將頻帶F劃分成子頻帶。該頻帶F在這種情況下被劃分成三個子頻帶SB1、SB2和SB3，這三個子頻帶SB1、SB2和SB3分別具有相同的頻寬。在圖2的下方圖示中，頻帶F同樣被劃分成三個子頻帶SB1、SB2和SB3，這些子頻帶SB1、SB2和SB3在其頻寬方面彼此不同。
可是，一次實現的頻帶F被劃分成子頻帶不是恆定的，而是隨時間變化。通過圖1的網絡側設備NE來布置這樣的變化，該網絡側設備NE為此具有適當的裝置M1。該改變可與多個影響量有關地來實現。對此的例子是信道特性以及移動站的移動度，該信道特性諸如是作為信道的頻率選擇性的量度的最大延遲或相干帶寬。以下在頻率為5.5GHz處的帶寬為20MHz的頻帶作為例子來觀察。
第一種情形描述了農村的環境，其中可能出現直至250km/h的移動無線電用戶的速度。移動無線電信道在農村的環境中通常具有基於例如2.5μs的多路傳播的低延遲，該延遲對應於大約1.52MHz的相干帶寬。所給出的最大速度中的最大都卜勒偏移得出達1.27kHz。在農村的情形中，20MHz頻帶的劃分方式可這樣來確定，使得僅僅存在16個具有1.25MHz的頻率間距的子頻帶。儘管子頻帶的寬度，仍存在相對小的頻率選擇性。另一方面，頻帶也可被劃分成128個等距的子頻帶，其中在這種情況下儘管子頻帶的數量高，仍具有少於子頻帶間距的百分比一的最大都卜勒偏移。
城市環境應作為第二種情形來觀察，其中此處基於強的多路傳播可假設10μs的最大延遲，以及不高於60km/h的移動無線電用戶的最大速度。因此，相干帶寬為380kHz而最大都卜勒偏移為305Hz。對此，將頻帶劃分成例如頻率間距為312kHz的64個子頻帶是可能的，或者劃分成512個子頻帶是可能的，其中在這種情況下都卜勒偏移再次小於512個子頻帶的頻率間距的百分比一。
基於可變的將頻帶劃分成子頻帶，在由都卜勒效應引起的單個子頻帶的相互幹擾和基於多路傳播的時間延遲之間可找到折衷。該折衷由此成為可能，即，在關於將頻帶劃分成子頻帶的決定中，傳播條件、也就是信道特性和移動情形被共同包含在所觀察的移動無線電小區中。
圖3示出根據濾波器組多載波(Filter-Bank-Multi-Carrier)方法的用於發送數據的裝置，該濾波器組多載波方法可被用於執行上述方法的發射機側的方法步驟。數據a1、a2等至aN被分配到單個子頻帶SB1、SB2等至SBN上，其中所應用的頻帶被劃分成子載波SB1、SB2等至SBN隨時間不是恆定的。以速率M來採樣數據流，也就是數據流的每位被採樣M次。於是，在每個子頻帶上分別應用濾波函數H1、H2等HN，其中針對單個子頻帶的濾波函數彼此可不同。這樣例如針對由快速運動的移動站所應用的子頻帶有利的是，應用被強烈定位在頻域中的濾波函數，以便產生與相鄰的子頻帶的好的頻譜分離。反之，關於緩慢運動的移動站的子頻帶，頻域中的濾波函數的強烈的頻譜限制意味著可供使用的帶寬的損耗，和因此不是有效地充分利用可供使用的無線電資源。此外，接收機側的信號處理花費越大，頻域中的濾波函數就越窄。在數據流上應用濾波函數之後，在各個子頻帶SB1、SB2等至SBN上進行數據流的調製。所合計的信號於是被傳輸給接收機。
在所說明的多載波方法中，採樣率M可不同地來調節。如果採樣率M超過子頻帶的數量N，那么子頻帶之間的間距為M/(N·T)，其中T描述數據a1、a2等至aN的一位的持續時間。由此，附加地可根據信道特性和用戶移動性來改善或必要時來減少子頻帶的可支配的帶寬的實際利用。
如果對於所有濾波函數H1、H2等至HN應用相同的函數，那麼在採樣率對應於子頻帶的數量的情況下，所說明的方法在將指數函數用作頻域中的濾波函數或時城中的矩形函數時可被實現為OFDM方法。此外，在應用任意的但相同的濾波函數H1、H2等至HN時，根據本發明的多載波傳輸方法的花費不多的實施方案被實現，其方式是或者只有一個濾波器被實施並且所有要在不同的子頻帶上傳輸的濾波過的數據流被調製到不同的子載波上，或者其方式是通過單個在頻域中偏移的原型濾波器來實現濾波。採樣率M的變化接著應針對所有子頻帶是相同的以及因此相應地也同樣地在所有子頻帶上發生作用。在這種情況下，應用開方升餘弦(rrcos，Root Raised Cosine)濾波器證明為特別有利的。這導致特別有效的頻帶利用。
給移動站不僅可分配單個子頻帶用於通信，而且也可分配多個的子頻帶。由此可能的是，在無線電小區中不僅簡單的移動站而且複雜的移動站可同時進行通信，該簡單的移動站僅僅可在單個子頻帶上進行通信，該複雜的移動站可在多個子頻帶上進行通信。
權利要求
1.用於在應用至少一個被劃分為多個子頻帶(SB1，SB2，SB3，SB4)的頻帶(F)的情況下在無線電通信系統的無線電站(MS1，MS2，BS)之間進行通信的方法，其特徵在於，該至少一個頻帶(F)被劃分成子頻帶(SB1，SB2，SB3，SB4)的方式隨時間變化。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述變化涉及所述頻帶(F)的所述子頻帶(SB1，SB2，SB3，SB4)的數量。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述變化涉及至少兩個子頻帶(SB1，SB2，SB3，SB4)的頻寬。
4.根據權利要求1至3之一所述的方法，其特徵在於，用於在子頻帶(SB1，SB2，SB3，SB4)上進行數據傳輸的濾波函數(H1，H2，HN)隨時間變化。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，至少兩個在子頻帶(SB1，SB2，SB3，SB4)上所應用的濾波函數(H1，H2，HN)至少暫時彼此不同。
6.根據權利要求1至5之一所述的方法，其特徵在於，所述劃分的方式的變化和必要時所述濾波函數(H1，H2，HN)的變化根據無線電信道特性和/或至少一個無線電站(MS1，MS2)的參數和/或所期望的數據傳輸的粒度來實現。
7.用於在無線電通信系統中的發射機(MS1，MS2)和接收機(BS)之間傳輸數據(a1，a2，aN)的方法，其中，該數據(a1，a2，aN)在被劃分成子頻帶(SB1，SB2，SB3，SB4)的頻帶(F)的多個子頻帶(SB1，SB2，SB3，SB4)上被傳輸，其特徵在於，在發射機側用於傳輸所應用的、該多個子頻帶(SB1，SB2，SB3，SB4)中的至少一個子頻帶(SB1，SB2，SB3，SB4)的頻寬變化和必要時該子頻帶(SB1，SB2，SB3，SB4)的數量在傳輸該數據(a1，a2，aN)期間附加地變化。
8.無線電通信系統中的設備(NE)，其具有用於這樣確定至少一個用於在無線電站(MS1，MS2，BS)之間進行通信的頻帶(F)被劃分成子頻帶(SB1，SB2，SB3，SB4)的裝置(MI)，使得該頻帶(F)被劃分成子頻帶(SB1，SB2，SB3，SB4)的方式隨時間變化。
9.無線電通信系統中的用於發送數據(a1，a2，aN)的設備(MS1，MS2)，其具有用於這樣在被劃分成子頻帶(SB1，SB2，SB3，SB4)的頻帶(F)的多個子頻帶(SB1，SB2，SB3，SB4)上發送數據(a1，a2，aN)的裝置(M2)，使得由該設備(MS1，MS2)所應用的、該多個子頻帶(SB1，SB2，SB3，SB4)中的至少一個子頻帶(SB1，SB2，SB3，SB4)的頻寬隨時間變化和必要時所應用的子頻帶(SB1，SB2，SB3，SB4)的數量附加地隨時間變化。
10.無線電通信系統中的用於接收數據(a1，a2，aN)的設備(BS)，其具有用於接收數據(a1，a2，aN)的裝置(M3)，該數據在被劃分成子頻帶(SB1，SB2，SB3，SB4)的頻帶(F)的、具有至少部分隨時間變化的頻寬的、數量必要時在時間上變化的子頻帶(SB1，SB2，SB3，SB4)上被傳輸。
全文摘要
本發明涉及一種用於在應用至少一個被劃分為多個子頻帶(SB1，SB2，SBN)的頻帶的情況下在無線電通信系統的無線電站之間進行通信的方法。根據本發明，至少一個頻帶被劃分成子頻帶(SB1，SB2，SBN)的方式隨時間變化。此外，本發明涉及一種用於將頻帶劃分成子頻帶的設備，以及一種用於根據本發明的方法發送數據的設備和用於根據本發明的方法接收數據的設備。
文檔編號H04L27/26GK1792072SQ200480013305
公開日2006年6月21日 申請日期2004年4月1日 優先權日2003年5月15日
發明者E·科斯塔, J·艾欣格, E·舒爾茨, M·維克勒 申請人:西門子公司