专利名称：Ofdma系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种在相同频率无线蜂窝网络中用于同步和信道估计的系统和方法。
相关申请的交叉引证当前申请与在以色列2003年6月19日提交的专利申请号为No.156540的题为“OFDMA系统和方法”的专利申请相关，并要求其优先权。
背景技术：
本发明解决在使用正交频分多址(OFDMA)的网络中，在一个用户单元(SU)由其它基站(BS)传输导致的干扰问题。
当多个BS发射机为下行链路和/或上行链路传输使用相同频率信道时，一些SU可能受到严重的干扰。
其发生是因为这些SU从一个以上的BS以可比较的功率电平接收下行链路传输。图1描述了这样的情形，其中位于重叠区域12，13中的一个的SU 11可以从一个以上的BS 14，15(或者分别从14，16)以可比较的功率电平接收下行链路传输。
该干扰问题在OFDMA系统中更难以解决，其中相邻基站使用整个信道。在以前的FDMA系统(见图2)中，信道被分成不相交的子信道，本例子中为四个。在频域中这包括信道C1、C2、C3、C4并可以独立分配，其中每个分配只有部分带宽被使用。随着为每个BS的不同信道分配，滤波可用于减少干扰。
解决蜂窝无线网络中各种问题是本发明的一个目的。
发明内容
依照本发明，提供一种用于无线OFDMA的系统和方法。
在OFDMA系统中(例如，如IEEE 802.16a或者EN-301-958中说明的)，信道被分成子信道，例如图3中示出的信道C1、C2、C3、C4，其中每个子信道均覆盖整个带宽。该方案获得改善的频率分集和信道使用率(子信道之间不需要频率区分)。
例如，在一种依照IEEE 802.16用于移动应用的系统中，基础同步序列是以预先确定的调制副载波子集的数据序列为基础的，见图4。属于该子集的副载波被称作导频并且被分为两组。
一个组具有固定的位置导频和另一个具有变化的位置导频。每12个副载波具有一个变化的位置导频，并且以重复每四个OFDMA符号的周期改变每个OFDMA符号的位置。图4示出IEEE 802.16a的一个OFDMA基础同步序列。
OFDMA中的导频用于同步以及用于信道估计，因此为了实现一个高性能的下行链路，阻止或者减少这些副载波中的干扰是必不可少的。
一个PMP扇形包括一个基站(BS)和多个用户单元(SU)。网络拓扑应该包括多个BS，在相同频带之内操作。从BS到SU的传输被称为下行链路，并且从SU到BS的传输被称为上行链路。
通过使用具有大量FFT的正交频分多址(OFDMA)技术，本发明提供装置用于A.降低SU由于从一个以上BS接收传输而受到的干扰。
B.通过将信道划分成子信道，有效使用频率重用因数为1的射频信道，和使用集中\分布判定机制分配子信道给不同的BS。
C.协调BS之间子信道的分配和用于有效切换(HO)机制的数据传输。
D.依照具体的应用情况静态子信道分配，或者动态子信道分配，或者用于负载均衡。
E.使用前向自动功率控制(FAPC)以自适应方式增加每个子信道的SNR。
本发明涉及OFDMA PHY层和蜂窝点到多点(PMP)网络。两者都适用于固定的和移动的环境。其提供一种使用在局部重叠区域中操作的多个BS发射机的方法，为所有的BS/扇区的下行链路传输使用单一频率信道。
在本发明的一个实施例中，涉及其中每个OFDMA符号的持续时间为50微秒以上并可以依赖于信道带宽的OFDMA系统。这可以直接影响OFDMA系统中FFT点的数量。
干扰电平通过下列方式可以被显著的降低
1.从每个BS传输一个修改的同步序列，来启动每个小区中每个SU的清晰的同步。BS假定共享一种共用的频率/时间参考，典型的从全球定位系统获得，但是其它技术同样可以被使用。
2.降低BS传输之间的冲突电平，通过下列方式任一a.通过其管理接口同步BS传输b.保持每个BS的传输负载电平足够的低，使得导致的冲突可以被忍受或者在协议栈的更高层中校正c.分配不同子信道给不同BS以便实现BS之间子信道分离(载波分离)。
3.使用下游自适应传输和FAPC在OFDMA系统中，BS将包括用于在下游的专用子信道中发送信息给特定SU或者一组SU的装置。
这些装置提供用于提高BS的特定子信道的载波功率而降低其它子信道的功率的手段。
此性能将增加系统的总的链接预算，允许与远距离或者具有非常低接收信噪比(SNR)的SU通信。
在OFDMA系统中，在下行链路方向，每个子信道可以使用不同的调制方案和编码速率被传输。
BS可以选择不在所有可用的子信道进行传输。BS可以使用可用子信道的子集用于下游数据传输，例如在一半的子信道中传输同时提高他们的功率3dB。这将给系统增加功率增益，因为功率将用来在部分信道传输而不必用于整个信道。
4.BS之间的同步。
依照本发明又一个方面，每个小区中每个SU的清晰同步可以通过一种新颖的系统完成，其中所有BS在频率和时间上同步，具有相同帧数和时隙序号，以及相同参考时钟，如GPS或者其它外部同步机构，其创建一种宏观的同步系统以用于控制。
此外，分集信道的改善是在使用与一个以上基站的并行通信的系统和方法中被完成，来改善通信质量和/或增加特定用户的瞬时带宽，这在给定时刻是需要的。
这些干扰抑制装置在下文参考附图被进一步详细描述。
对本领域技术人员来说，根据阅读下文所公开阐述的内容，本发明的进一步目的、优点和其它特征将变得显著。
图1示出无线蜂窝系统中来自相邻基站的干扰。
图2示出在FDMA中定义的信道(现有技术)。
图3示出在OFDMA中定义的信道(现有技术)。
图4详细说明OFDMA中基础同步序列(现有技术)。
图5示出一种使用副载波分配的同步方法。
图6示出相邻基站间共享副载波。
具体实施例方式
现在，本发明的一个优选实施例将以举例的方式并参考附图来描述。
依照本发明，每个小区中每个SU的清晰同步可以通过一种新的系统完成，其中所有BS在频率和时间上同步，具有相同帧数和时隙序号，以及相同参考时钟，如GPS或者其它外部同步机构，其创建一种宏观的同步系统以进行控制。
这样一个OFDMA系统可以使用不同BS之间共享子信道这一属性。
此外，大量FFT(长OFDM符号，具有至少4倍于小区半径电磁传播时间的持续时间)能被使用，来产生一种足够大的保护时隙(GI)，其提供了当为所有BS使用同样RF接收机和同样FFT时能够实现从若干BS并行接收信息的能力。
每个小区中每个SU的清晰同步可以通过一种包括从每个BS传输一种修改的同步序列的方法被完成。
BS共享一种共用频率/时间参考，例如从GPS获得，尽管其它技术同样可以被使用。
一种用于干扰抑制的方法现在将被详细描述，其可以有益的用于改善例如IEEE 802.16的移动应用的性能。
见图5和6，一个实施例涉及四个基站。如上文所介绍的关于OFDMA导频可以被共享。
在一个优选实施例中，导频保持其如在IEEE 802.16a规范中所规定的位置。
用于干扰抑制的方法下面是一种用于干扰抑制的方法的一个实施例，其可以被用于IEEE 802.16或者其它技术。
1.将BS符号序号同步于一个公共参考。例如，一个全球性参考可以被使用，比如GPS。当使用GPS时，每个BS假定符号序号0已经在过去的一个预定时间出现(例如在1-1-1990，00:00.00)。相同的OFDMA符号长度必须用于所有BS。在另一实施例中，一个局部参考可以被使用，只是为一个特定的网络的基站所共用。
2.在范围0到N中分配给每个BS一个序号。
3.分配同步序列的一个子集给每个BS。每个BS将使用它的序号来确定哪个子集被传输。该传输是与其它基站同步的，如同所有基站同步于一个公共参考。
这些子集被预先定义并且被所有BS和SU共知。
每个BS可以广播该网路拓扑给所有SU，这样的信息包含关于相邻小区/扇区的细节，在相邻小区哪些其它频率在使用，或者哪个资源(如子信道)空闲将要被使用(例如在切换过程中)。
4.同步序列的子集可以不相交。
5.在时间维度中也可以存在共享，如果若干BS传输一个同步序列具有频域重叠，但是从不在同一个OFDMA符号上共享。
6.在SU中允许在每一子集上同步。这是可能的，只要Npilots_in_subset/(Subcarrier_Spacing_NFFT)＞Tchannel_delay，方法结束。
7.降低BS传输之间冲突电平可以通过如下方式被完成a.通过其管理接口同步BS传输b.保持每个BS传输负载电平足够的低，使得导致的冲突可以被忍受或者在协议栈的更高层中校正c.为了实现BS之间频率正交，分配不同子信道给不同BS。
采用如上所述的过程，每个SU能够与每个BS同步而没有来自其它BS的干扰，或者能够处于一个降低电平的干扰。在数据传输本身中仍具有干扰。
假如OFDMA的前向APC特征被使用，下行链路交换被采用而且每个BS的传输负载维持在足够低，则即使没有采取任何特殊防护这样的干扰可以被忍受。在此情况中，那些已经导致传输误差的干扰事件将通过协议栈中较高的层在不严重地降低网络性能的情况下被维护。
为了进一步提高网络的性能，BS的传输可以被协调。如同BS共享一个公共的主干网基础设施，对它们来说彼此通信并且协调它们的传输是可能的。该协调可以关于所有BS共用的OFDMA帧号进行。该协调可以在时间域中(例如BS#1使用OFDMA帧的第一个一半，而BS#2使用第三个四分之一)完成。
该协调可以按分布或者集中的方式通过BS管理接口被执行，并且不影响空中接口。
不同BS之间子信道共享的属性和BS之间的协调可以用于实现以下功能a.根据BS中具体负载动态分配子信道给BS。
在蜂窝系统中，每个小区中活动用户的数量，和每个呼叫的业务量曲线可以随时间变化，尤其是在移动系统中。BS将以协调的方式执行资源分配，以便能够给具有高活动性的BS提供更多资源(即子信道)，以具有低活动性的BS为代价。
b.通过以低交叉干扰特性分配子信道给BS进行干扰避免。
c.对于在两BS之间移动的移动SU，相同数据可以通过两BS被传输给SU，来实现从一个BS到另一个的平滑移动(切换)而没有数据损失。该SU可以使用不同方法数字合成数据，例如1)两个BS使用相同子信道传输相同数据给SU。信道合并所述数据，该数据在每个BS传输下不相干并且可被认为是多路径的。这可以提供良好的接收分集，同时使SU以相干方式解调被合并的数据。
2)两个BS可以使用不同子信道传输相同数据给SU。
SU相干地解调信号并且使用例如最大比合并方法合并他们。
依照本发明的又一个方面，干扰电平可以通过使用下游自适应传输和FAPC进一步被降低。
在OFDMA系统中，BS将具有在下游的一个或者多个专用子信道中发送信息给一个特定SU或者一组SU的能力。
在此情况中，BS可以具有提高特定子信道的载波功率而降低其它子信道的功率的能力。
该属性将增加系统总的链路预算，允许与远程的或者具有很低接收信噪比(SNR)的SU一起工作。
在OFDMA系统中，在下行链路方向，每个子信道可以使用不同的调制方案和编码速率传输。
BS可以选择不在所有可用的子信道中传输。BS可以为下游数据传输使用可用子信道的一个子集，例如在子信道的一半中传输，同时提高其功率3dB。
这将增加系统的功率增益，因为功率将用来在部分信道传输而不必用于整个信道。
BS为每个SU，或者通常为下游信道对具有低SNR和具有高SNR值的副载波保持跟踪。根据该信息，BS可以完成以下功能之一a.不调制具有低SNR的载波上的信息b.考虑好的载波量而提高衰减的载波功率(根据用户基础完成)。
SU的接收机可以从导频获知信道特性，因而知道哪些载波被提高，这可以使得它精确地重建该信息。
为若干SU同时操作上述过程，其中每个具有不同的信道行为，这将完成更有效率的功率传输，因为该方案解决了子信道之间相互适配，即扩展至全频带的较少数目的副载波，该传输被优化成任何信道时延扩展行为。
当在上行链路中传输信息给BS时，SU可以执行如上所述的操作过程。
接收机和发射机可以采用一种闭环处理过程，其中接收机取样信道并发送消息给发射机。发射机传输数据给接收机时，使用由接收机提供的信道信息参数来执行上述操作。
由接收机发送到发射机的消息可以具有如下格式，即包括a.有效时间b.样值的数量c.信道信息这时有效时间-发送消息的有效时间，应该基于双方(接收机和发射机)共知的公共的参考。
样值的数量-在如下领域中元素的数量，该值应当是访问扩展时间的函数。
信道信息-接收信道的均等间隔的样值。
闭环处理过程是一种选择过程，其中接收机判定什么时候和根据什么标准发送信道测量消息。
在用于移动环境的OFDMA PMP系统中，上行链路和下行链路信道通过使用一上行链路和/或下行链路映射消息被分配a.SU可符合BS的休眠间隔，这规定了SU不解调任何下游信息的时间间隔。
b.如果BS有给SU的信息，其可以放弃该消息、或者将其缓存并将在下一个唤醒的点(下一个休眠间隔计时的终了)发送该消息到SU。
c.在唤醒时间，BS可以为同步目的给SU指定一种特定的分配。
d.SU将在唤醒帧之后的帧恢复正常操作模式。
分集信道的改善可以通过使用与一个以上基站并行通信的系统和方法被完成，以改善通信质量和/或增加具体用户的瞬时带宽，如在一给定时刻所确实需要的。
用户进一步远离基站会经受更高传播损耗，以及来自另一基站的干扰。
通常，这将恶化与该用户的通信性能。
使用一种新颖的方法，前述的缺点可用于我们的效益在下行链路，用于特定用户11的相同的信息被提供给两个或更多基站比如14，15，其与用户11保持联系。这两个基站传输信息给该用户，因而减低误码率并增加信息吞吐量。可替换的，该信息的各个部分通过两个或更多BS被发送给相同用户，因而增加信道容量。
而且，该分集可同样被用于上行链路。因而，新系统能够通过使用两个不同的子信道同时从一个SU并行传输到两个不同的BS。在子信道上到BS的传输，每个BS具有不同的APC。
在OFDMA系统中执行BS之间切换的方法a.使用相同子信道从不同BS传输相同信息给相同SU，来完成分集性能，这使BS之间的转换能够无信息丢失。
b.使用不同子信道从不同BS传输相同信息给相同SU，来完成分集性能，这使BS之间的转换能够无信息丢失。
方法结束。
自适应分配方法在所提出发明的一个实施例中，以下自适应分配方法被使用1.协调BS之间子信道分配，对BS的子信道的分配(子信道的数量)根据BS中的使用负载和业务量曲线而确定。
2.协调BS之间哪个子信道分配给哪个BS。用于更有效的切换过程。
3.数据和导频组织到子信道a.当随着时间转换时取得变化的导频和执行分配方案。
b.固定导频在基站之间等分并一直被传输。
4.在频域中分配变化的导频。
5.通过在每个基站导频上使用不同的伪随机噪声序列来区分不同基站。
6.在下游方向上使用前向自动功率控制(FAPC)。
7.OFDMA系统中下行链路自适应调制。
8.子信道和导频在下游信道中的选择性传输，而不使用整个频段。
9.TDD系统中子信道(下游)中副载波的选择性传输a.不调制具有低SNR的载波上的信息b.考虑好的载波量而提高衰减的载波功率-根据用户基础完成。
10.TDD系统中子信道(上游)中副载波的选择性传输。在上行链路方向传输信息给BS时SU执行步骤9a和9b。
11.通过使用闭环操作，在TDD或者FDD系统中下游或者上游的子信道中的副载波的选择性传输。
12.在用于移动环境的OFDMA PMP系统中，上行链路和下行链路信道通过使用一上行链路和/或下行链路映射消息而被分配a.SU可符合BS的休眠间隔，这规定了SU不解调任何下游信息的时间间隔。
b.如果BS有给SU的信息，其可以放弃该消息、或者将其缓存并在下一个唤醒的点(下一个休眠间隔计时的终了)发送该消息到SU。
c.在唤醒时间，BS可以为同步目的给SU指定一种具体的分配。
SU可以在唤醒帧之后的帧恢复正常操作模式。
13.在OFDMAPHY层上采用移动IP协议。
在OFDMA或者OFDM系统中，可能有高的峰-均值。在标准功率放大器中，线性放大器的电源在峰值和低信号期间提供连续地电流，其与发送信号的峰值成正比。
一种方法被提出为当信号为低时减少功率放大器的功率。在OFDMA\OFDM信号(在任何置换(permutation)，群，组或者扩展的副载波)的发射机中，预先检测发送信号的包络以及发送信号到放大器的电源，其相应地改变功率放大器晶体管的工作点。当信号为高时，更多功率被使用，以及当信号为低时，更少功率被使用。
用于降低功率放大器功率的方法该方法可被用于当信号为低时降低功率放大器的功率a.在OFDMA\OFDM信号(在任何置换，群，组或者扩展的副载波)的发射机中，预先检测发送信号的包络b.发送表示所述包络的信号到放大器的电源c.相应地在电源中，改变功率放大器晶体管的工作点。当信号为高，更多的功率被使用，以及当信号为低时，更少的功率被使用。
方法结束。
新的系统和方法都适用于TDD和FDD。
将要被说明的是，上述内容仅是本发明范围内的装置和方法的一个例子，本领域技术人员基于如上所公开的内容可以得出不同的修改方案。
权利要求
1.一种使用单一频率OFDMA信道的蜂窝无线系统，其中基站包括为控制目的而用于在频率和时间上同步的装置，
2.如权利要求1所述的无线系统，其中同步装置包括相同帧数和时隙序号以及相同参考时钟。
3.如权利要求2所述的无线系统，其中相同参考时钟包括GPS或者另一外部公共信号。
4.如权利要求1所述的无线系统，其中OFDM子信道在不同的基站(BS)之间共享。
5.如权利要求1所述的无线系统，进一步包括大量的FFT以生成足够大的保护时隙(GI)，用于从若干BS接收并发信息同时对所有BS使用公共RF接收机和公共FFT。
6.如权利要求5所述的无线系统，其中FFT具有至少4倍于小区半径电磁传播时间的持续时间。
7.如权利要求5所述的无线系统，其中在移动系统中使用子信道用于a.执行BS之间的切换；b.使用相同子信道从不同BS传输相同信息给相同SU，以实现分集性能，使BS之间转换能够无信息丢失；c.使用不同子信道从不同BS传输相同信息给相同SU，以实现分集性能，使BS之间转换能够无信息丢失。
8.如权利要求1所述的无线系统，进一步包括用于使用两个不同子信道从一个用户单元(SU)向两个不同BS并行传输的装置，在子信道上到BS的传输中每个BS具有不同的APC。
9.如权利要求1所述的无线系统，进一步包括用于协调BS之间子信道分配的装置，对给BS的子信道的分配(子信道的数量)根据BS中的使用负载和业务量概况而确定。
10.如权利要求9所述的无线系统，进一步包括用于协调BS之间哪个子信道分配给哪个BS的装置，用于完成更有效的切换和/或降低干扰。
11.在一种使用单一频率OFDMA信道的蜂窝无线系统中，其中基站包括为控制目的而用于在频率和时间上同步的装置，一种用于将数据和导频组织到子信道的方法包括在BS当中分配导频。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括随着时间变化而取得可变的导频和执行分配。
13.如权利要求11所述的方法，其中固定导频在基站之间均等地扩展并且一直被传输。
14.如权利要求11所述的方法，进一步包括在频域中分配可变的导频。
15.如权利要求11所述的方法，进一步包括通过为每个基站的导频上使用不同伪随机噪声序列而区分不同的基站。
16.如权利要求11所述的方法，进一步包括在下游方向使用前向自动功率控制(FAPC)。
17.如权利要求11所述的方法，进一步包括在OFDMA系统中下行链路自适应调制。
18.如权利要求11所述的方法，进一步包括下游信道中导频和子信道的选择性传输，而不使用整个频段。
19.如权利要求11所述的方法，进一步为TDD系统的子信道(下游)中使用副载波的选择性传输。
20.如权利要求19所述的方法，其中选择性传输包括a.不调制具有低SNR的载波上的信息；b.考虑好的载波量而提高衰减的载波的功率，根据用户基础完成。
21.如权利要求11所述的方法，进一步使用为TDD系统的子信道(上游)中副载波的选择性传输，并且其中在上行链路方向传输信息给BS时SU执行操作13a和13b。
22.如权利要求11所述的方法，进一步在TDD或者FDD系统的下游或者上游中，通过使用闭环操作，使用子信道中副载波的选择性传输。
23.在用于移动环境的OFDM PMP系统中，一种为了节省SU功率通过使用上行链路和/或下行链路映射消息来分配上行链路和下行链路信道的方法，包括a.SU符合BS的休眠间隔，这规定了SU不解调任何下游信息的时间间隔；b.如果BS有给SU的信息，其可以放弃该消息、或者将其缓存并在下一个唤醒的点发送该消息到SU；c.在唤醒时间，BS为同步目的而给SU指定一种具体的分配；d.SU可以在唤醒帧之后的帧恢复到休眠模式或者正常操作模式。
24.如权利要求23所述的方法，进一步在OFDMA PHY层上采用移动IP协议。
25.如权利要求23所述的方法，其中所述下一个唤醒点相应于下一休眠间隔计时器的终止。
26.如权利要求23所述的方法，其中变化的持续休眠间隔是根据BS和SU之间已知的改变方案在SU和BS中被预先确定。
27.在无线蜂窝系统中，一种当信号为低时用于降低功率放大器的功率的方法，包括a.在OFDMA\OFDM信号(在任何置换，群，组或者扩展的副载波)的发射机中，预先检测发送信号的包络；b.发送表示所述包络的信号到所述放大器的电源；c.在所述电源中，相应地改变功率放大器晶体管的工作点；当信号为高时，更多的功率被使用，以及当信号为低时，更少的功率被使用。
全文摘要
一种使用单一频率OFDMA信道的蜂窝无线系统。其中基站包括为了控制目的用于在频率和时间上同步的装置。同步装置包括相同帧数和时隙序号以及相同参考时钟。在一种使用单一频率OFDMA信道的蜂窝无线系统中，其中基站包括为了控制目的用于在频率和时间上同步的装置，一种用于将数据和导频组织到子信道的方法包括在BS当中分配导频。该方法可以进一步包括随着时间变换而取得可变的导频和执行分配。
文档编号H04BGK1922810SQ200480023541
公开日2007年2月28日 申请日期2004年6月20日 优先权日2003年6月19日
发明者蔡恩·哈达德 申请人:蔡恩·哈达德