用于在ofdm通信模式间切换的方法和装置的制作方法

专利名称：用于在ofdm通信模式间切换的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及一种通信系统，特别涉及一种用于在多载波通信模式间进行切换的方法和装置。
背景技术：
正交频分复用(OFDM)是公知的在数种无线系统标准中使用的多载波调制方法。使用OFDM的一些系统包括5 GHz的高数据速率无线局域网(IEEE802.11a、 HiperLan2、 MMAC)、欧洲的数字音频及数字视频广播(分别为DAB和DVB-T)、诸如IEEE802.16a的宽带固定无线系统、以及宽带移动无线系统IEEE802.16e及IEEE802.20。 OFDM系统，或者更具体的正交频分多址(OFDMA)系统可将可用的带宽划分为非常多的窄频带(子载波)，数据在该子载波上被并行发射。每个子载波利用所占用频带的不同部分。以下，交替使用"OFDM"和"OFDMA"。
也可将扩展应用到OFDM系统中的数据以提供多种形式的多载波扩展频谱。该扩展OFDM系统通常称为扩展OFDM (S-OFDM)、多载波CDMA (MC-CDMA)、或正交频分与码分复用(OFCDM)，且在此通常称为S-OFDM。在一个特定的扩展OFDM， DFT扩展OFDMA中，不同的用户被分配正交音调，在分配给每个用户的音调上的数据符号上执行频率扩展。以及使用傅立叶变换矩阵来执行无冗余的频率扩展。可选地，使用截短的傅立叶变换矩阵来执行频率扩展。对于采用MC-CDMA的系统，可在频率维度内应用扩展，并且多个信号(用户)可通过使用不同的扩展码占用同一子载波集合。对于OFCDM，不同的用户被分配不同的相互正交的扩展码。可在频率维度或时间维度内应用扩展，或者可使用时间和频率扩展的组合。在任何情况下，诸
4如沃尔什码或傅立叶变换的正交码被用于扩展功能，以及多个数据符号可被多码复用到不同的沃尔什码或傅立叶变换序列上(即多码传输)。
通常，可进行以下观察
首先，就信道容量而言，如果接收机被限制为MMSE (最小均方
误差)型均衡器，则S-OFDM具有比用于许多信道类型的OFDM更小的容量。即使S-OFDM的截止率可能会比用于某些信道类型的OFDM要高。因而，当结合简单的接收机使用某些接近信道编码方案的容量时，S-OFDM具有比用于许多信道类型的OFDM更低的容量或吞吐量。
其次，OFDM传输的峰均功率比(PAPR)通常高于类似的DFTS-OFDM传输的PAPR，即给定相同的信道编码方案(例如半速率turbo码)、调制方案(例如QAM16)、相同数目的音调以及相同的传输间隔，OFDM传输的PAPR更高。较高的PAPR的结果可包括在功率放大器上的较高的电流消耗、较多的热耗散、较大的波形系数、较难以满足由诸如FCC这样的标准机构规定的要求、用于手机的较高的成本等等。较高的PAPR还可导致下述情况，其中小区边缘处的终端不能承受最小速率的反向链路，因为频谱屏蔽、线性要求等限制了最大发射功率。
从而，可见S-OFDM和OFDM提供了不同的解决方案来平衡功率损耗、PAPR和吞吐量，没有系统在所有条件下提供最佳解决方案。
因此，需要一种能够根据操作条件和参数选择最佳的OFDM通信模式的方法和装置，以及一种用于在所述选择的OFDM模式间进行切换的技术。


在所附权利要求中的特别阐述了被认为是新颖的本发明的特征。通过参考以下描述及结合附图，可最好地理解本发明及其进一步的目的和优点，在该多幅附图中，相同的参考数字代表相同的元素，其中
图1例示了根据本发明的基于OFDM的通信模式；
图2是显示图l系统的操作的流程图3显示了各种OFDM系统的仿真性能比较的第一图形表示；以
及
图4显示了各种OFDM系统的仿真性能比较的第二图形表示。
本领域技术人员应认识到，在商业上可行的实施例中有用或必须的普通但公知的元件典型地不被描绘或描述，以便有助于较少地阻碍对本发明这些不同实施例的观察。
具体实施例方式
为了满足上述需要，在此描述了一种方法和装置，该方法和装置可根据操作条件和参数选择最佳的OFDM通信模式，以及一种用于在所述选择的OFDM模式间进行切换的技术。特别地，本发明在OFDM模式和S-OFDM模式间进行选择。尽管关于DFT S-OFDM描述了本发明，但应当认识到，本发明还应用于任何其它扩展OFDM系统。
OFDM和S-OFDM系统的每一个都提供了其自身的益处。当使用低复杂度的接收机时，OFDM具有比S-OFDM系统更高的容量。结果，当路径损耗小和/或仅使用了少数的数据音调和/或终端具有相当大的功率放大器或功率储备时，终端使用OFDM用于反向链路通信是有益的。S-OFDM具有较低的峰均功率比(PAR)，因此通常具有比OFDM更低的功率损耗。结果，当路径损耗高和/或使用了许多数据音调用于反向链路通信和/或终端具有低功率的功率放大器或低的功率储备时，终端使用S-OFDM用于反向链路通信是有益的。本发明提供了一种用于终端或基站在这些系统间进行切换的切换程序，从而可以在最适宜的时候利用OFDM及S-OFDM系统两者的益处。因此，在支持OFDM
6和S-OFDM两者的通信系统中，如下所述，终端基于数种因素确定何时及如何从一种传输方案切换到另一种传输。可选地，该切换决定可以在基站方向上被满足。
参考图1，显示了具有终端IO和基站12的OFDM多载波通信系统。该终端可以是固定终端或移动终端。基站还可以是接入节点。终端10包括处理器14和收发信机18。基站还包括处理器16和收发信机20。终端10在反向链路22上向接收基站12发射。终端10在前向链路24上从发射基站12接收。在多载波系统中，来自一个实体的数据在多个子载波上被发射。数据另外在频域或时域中被扩展。
在第一实施例中，终端10在操作中在第一和第二正交频分复用(OFDM)通信模式间进行切换。该终端包括可操作以使用调制方案的收发信机18以及处理器14。处理器14可操作以估计第一通信模式中用于调制方案的第一性能因素，以及第二通信模式中用于调制方案的第二性能因素，将该第一和第二性能因素与至少一种选择准则进行比较；以及响应于选择准则和调制方案选择通信模式，其中收发信机与基站进行通信以切换到所选择的通信模式，并使用该调制方案在所选择的通信模式的反向链路上进行发射。
在第二实施例中，基站12在操作中在第一和第二正交频分复用(OFDM)通信模式间进行切换。基站12包括可操作以使用调制方案的收发信机20以及处理器16。处理器16可操作以估计第一通信模式中用于调制方案的第一性能因素，以及第二通信模式中用于调制方案的第二性能因素，将该第一和第二性能因素与至少一种选择准则进行比较；以及响应于该选择准则和调制方案选择通信模式，其中收发信机与终端进行通信以切换到所选择的通信模式，并使用该调制方案在所选择的通信模式的反向链路上进行发射。
实际上，所发射的信息可被扩展在许多频率子载波上，要求为每
7个子载波生成导频音调，以及/或者该信息可被扩展在较少的频率子载 波上，同时在许多个时隙上扩展该信息(即延长持续时间)以携带信 息。使用较多的频率子载波要求较多的处理能力，但是迅速地发射信 息，而使用较少的频率子载波较简单，但是要求较多的时间(时隙) 来发射信息，导致较慢的容量。
使用标准的扩展过程对数据流进行扩展，在子载波上产生多个复 用的码片(Chip)流。例如，在其中数据及扩展码是二进制的情景中， 通过对数据符号的正交码(例如8码片沃尔什码)模2加法来执行扩
展。在8码片扩展中，根据数据符号是0或1，数据符号的每一个被8 码片扩展码或其倒数替换。更普遍地，扩展码被例如从M-aryQAM或 M-aryPSK星座中选择的复杂的数据符号调制。扩展码优选地对应于傅 立叶变换矩阵的列或行。可选地，扩展码对应于来自Hadamard矩阵的 沃尔什码，其中沃尔什码是矩阵的单个的行或列。因此，每个数据流
输出由当前输入数据符号值所调制的傅立叶变换序列或沃尔什码。导 频信号被插入在数据传输之间，提供信道估计以在随后对发射的信号 的解调及解复用中提供帮助。应当注意，在本发明的可选实施例中， 附加的扩展或其它操作可能在扩展中发生。例如，如前面的等式中显 示的，可进行功率控制和/或数据加扰。
图2是根据本发明的优选实施例，显示图1系统的操作的流程图。 本发明最好与反向链路通信联合使用。该逻辑流程在步骤30开始，其 中建立了操作的调制方案。该调制方案可以是相对简单的BPSK或 QPSK调制方案，或者是较复杂的M-ary QAM或M-ary PSK，例如 QAM16或8PSK。具有应对较高阶调制方案的技巧的终端及基站可最 好使用S-OFDM系统以取得优势，如以下将详述的。
在步骤32，估计在第一通信模式中用于调制方案的第一性能因素 以及在第二通信模式中用于调制方案的第二性能因素。在操作中，第 一通信模式是OFDM或OFDMA系统，以及第二通信模式是扩展OFDM系统，例如DFTS-OFDM。该性能因素包括单独的以下因素或其组合 反向链路中的功率耗散(即路径损耗/导频强度)、反向链路调制方案、 用于反向链路传输的音调数、用于两种传输模式或任一传输模式的功 率降额估计、终端的电池使用策略、终端的剩余电池、终端是电力(AC) 供电还是电池(DC)供电、所使用的音调数目及传输的持续时间、PAPR 减小区域的存在、频谱屏蔽要求、终端的功率类别、以及基站的接收 机能力，如以下将详述的。
在步骤34，将第一和第二性能因素与至少一个选择准则进行比较。 该选择准则对于每个性能因素是不同的，且典型地包括在优选通信模 式的选择中使用的阈值，如下所述。
在步骤36，响应于该选择准则及调制方案选择通信模式。最后， 在步骤38,使用该调制方案在所选择的通信模式上发生传输。
在一个优选实施例中，在终端中执行上述步骤，因为预想到未来 将存在不同终端类型，因此基站将不大能够跟踪所有这些变化与每个 终端关于其能力已经知晓了什么、哪些可以被传送到基站。然而，在 可选实施例中，该建立、估计、比较和选择步骤在基站内被执行，其 结果被传送到终端用于在反向链路上发射。
在其中反向链路支持OFDM和S-OFDM两者的通信模式中，平衡 数据吞吐量和电池寿命是必须的。在一个示例中，如果终端在小区边 缘，则它可能必须使用DFT S-OFDMA来支持最小速率链路，因为其 发射功率受到限制。另一方面，如果终端在基站附近，则它不需要大 的发射功率来向基站发送高均比信号，且它可以承担使用OFDMA。在 一个示例中，如802.16e中所定义的PAPR减小区域的存在将使OFDMA 传输的峰均比较小，从而可在比先前更多的位置上使用OFDMA。可见， OFDMA或S-OFDMA是否为优选的传输手段依赖于许多因素，这些因 素包括从终端到基站的路径损耗、期望的吞吐量、调制方案等等。在一个实施例中，性能因素是反向链路中的功率衰减(例如路径 损耗/导频强度)，以及选择准则包括反向链路中的功率衰减阈值。实 际上，如果存在较少的功率衰减，则表示终端在基站附近或高功率电
平，则将选择OFDM模式而不是S-OFDM模式，因为它具有较高的容 量。然而，如果存在较多的功率衰减，则表示终端远离基站或低功率 电平，则将选择S-OFDM系统而非OFDM系统，因为它受益于低PAR。
在另一实施例中，性能因素是用于反向链路传输的导频音调数目， 以及所述选择准则是音调的阈值数目。实际上，对于S-OFDMA和 OFDMA，较多的音调产生较高的PAR。然而，与OFDMA相比，用于 S-OFDMA的PAPR随着音调的数目增加较慢。通常音调越多，OFDMA 和DFTS-OFDMA间的PAPR差异越大。因此，如果存在较多的音调， 表示高PAPR用于OFDMA，则将选择S-OFDM系统而非OFDM系统。
在另一实施例中，性能因素是用于反向链路传输的数据音调的数 目以及传输的持续时间，以及所述选择准则是该传输的功率消耗。用 于反向链路传输的音调数目确定变换的PAPR，以及持续时间确定当功 率放大器、基带电路、调制器及频率合成器等必须工作时的时间。同 样，当在基站侧使用简单的接收机时，例如用于DFT S-OFDMA的 MMSE频域均衡器，在OFDMA和DFT S-OFDMA间存在性能差异。 更具体地，当使用HARQ时，如果要求所有的DFT S-OFDMA和 OFDMA传输在同一输出功率上操作，则平均起来DFT S-OFDMA可需 要比OFDMA更多的重传。从而，可对DFT S-OFDMA和OFDMA计 算功率消耗预期，以及选择导致较少功率消耗的重传方案。
在另一实施例中，估计步骤包括作为用于两种模式的性能因素的 功率降额估计，以及选择准则包括阈值电平。对于每种模式的功率降
额计算可根据音调数目、调制方案以及功率放大器依赖的参数来进行。 在另一实施例中，性能因素是终端的电池使用策略，以及选择准则包括该使用策略促进了高功率使用还是低功率使用。如果该终端策略是
使用最大可用功率，则将选择OFDM系统而非S-OFDM系统。然而， 如果该终端在"功率节约"模式下操作，则将选择S-OFDM系统而非 OFDM系统，因为它受益于较低的功率使用。
在另一实施例中，性能因素包括终端的剩余电池寿命，以及选择 准则包括电池寿命的时间或功率电平阈值。如果电池寿命当前没有限 制，则选择OFDM系统而非S-OFDM系统。然而，如果终端具有有限 的电池寿命，则选择S-OFDM系统而非OFDM系统，因为它受益于较 低的功率使用。
在另一实施例中，性能因素是终端的功率类别，以及选择准则包 括该功率类别是促进高功率使用还是低功率使用。如果该终端是手持
移动设备，则它典型地受限于电池功率，而如果终端是固定终端，则 它将典型地具有电力供电功率。因此，低功率类别的终端可使用 S-OFDM系统，而高功率类别的终端可使用OFDM系统。
在另一实施例中，性能因素包括终端的供电模式，以及选择准则 包括确定移动台操作于有限的电池(DC)供电上还是非受限的电力 (AC)供电上。如果使用电力供电，则选择OFDM系统而非S-OFDM 系统。然而，如果终端使用电池供电，则可选择S-OFDM系统而非 OFDM系统，因为它受益于较低的功率使用。
在另一实施例中，性能因素包括在PAPR减小区域内的操作因素， 以及选择准则包括终端是否操作在PAPR减小区域内。如果终端操作 在PAPR减小区域，则优选在OFDM系统内的操作。该选择准则还可 包括所使用的音调数目，较少的音调也可选择OFDM系统。
在另一实施例中，性能因素包括寄生频率的生成，以及选择准则 包括频谱屏蔽要求。如果存在寄生频率的问题，或者存在频谱屏蔽要求，则选择S-OFDM而非OFDM系统，因为在寄生频率的环境下 S-OFDM执行的更好。
在另一实施例中，确定步骤包括确定与调制方案和通信模式相关 联的基站接收机能力，以及其中响应于该基站接收机能力执行估计和 选择步骤。如果基站具有高处理能力的接收机，则这可在S-OFDM系 统中更有利的使用。实际上，可使用查找表来选择最好的OFDM系统， 该查找表列出了在特定通信模式内关于各种调制方案的PAR,并且包 括基站接收机能力。
在另一实施例中，选择准则包括turbo均衡器的使用，其中如果 turbo均衡器正使用在基站接收机中，这表示接收机具有高处理能力， 其中选择步骤选择S-OFDM通信模式。
在另一实施例中，选择准则包括错误率及在基站接收机内是否正 使用频域均衡器，其中如果调制方案是16阶的正交幅度调制(QAM) 方案(QAM16)或更高阶的正交幅度调制方案，且错误率高于预定阈 值，例如块错误率与分组错误率比(BLER/PER)阈值为0.01，则选择 步骤选择第一通信模式。
应当理解，可通过计算、预存储表查找、终端上的测量电路，例 如峰值检测器来获得性能因素。
总的来说，OFDMA强于S-OFDMA的一个可能的优势在于当SNR 高且在基站侧使用简单的估计方法时，它需要较低的SNR来达到一定 的PER。 DFT S-OFDMA需要类似的SNR或者甚至比OFDMA更低的 SNR来达到相同的PER。因此，DFT S-OFDMA及OFDMA的优点依 赖于许多因素。结果，基于性能因素及选择准则选择通信模式的混合 系统比现有技术更有优势。
12仿真结果
以下，基于SNR要求、编码调制方案及基站接收机能力来进行
OFDM系统比较，以例示传输手段选择。
图3显示了一种系统，其中基站接收机使用频域均衡，并且编码 速率是1/2 (turbo编码)。该图显示了当使用QPSK时DFT-OFDMA 的性能接近于OFDMA的性能。以及当使用QAM16时，OFDMA比 DFT S-OFDMA享有多于1 dB的优势。
图4显示了一种系统，其中基站接收机使用turbo均衡器而非频域 均衡器，使用多种调制方案及编码速率。如可见的，性能差距是关闭 的，甚至有时是相反的即DFT S-OFDMA需要比OFDMA更低的SNR 来达到相同的PER。
从这些图，可得出以下结论
a) 当使用频域均衡器，且使用达到0.01的BLER/PER所要求的 SNR作为选择准则时，对于QAM16及更高的编码速率，OFDMA应当 是优选的传输手段；
b) 对于QPSK及更低的编码速率，S-OFDMA及OFDMA要求相 似的SNR;
c) 当使用turbo均衡器时，DFT S-OFDMA应始终是优选的传输 手段；以及
d) 在混合系统中，基站或终端可根据编码调制方案及基站接收机 能力进行传输手段选择。
可以想象，终端可向基站反馈回所有所需的操作参数信息，因而 基站可进行任何传输方案上的选择(即OFDMA或S-OFDMA)。然而， 更似乎合理的是，将存在很多类型的具有不同使用需求的(高吞吐量、 长电池寿命、移动/便携/固定等)接入终端，在基站侧建立良好的传输 手段选择器可以是非常困难的。同样，新类型的接入终端可以比基站
13软件发布更快地被设计或部署，这使得基站传输选择器难以随着新类 型的接入终端出现而更新。因此，优选的是决策者(或者至少建议者) 存在于终端侧。
终端可向基站发送建议的传输手段(在这种情况下，终端在发送 建议之前需要知道计划的反向资源分配(音调数目、调制、持续时间 等)，这是困难的，或者在基站允许时直接使用所选择的传输手段。
在后一情况下，终端需要向基站指示传输手段(OFDMA或DFT S-OFDMA)。该指示可以连同反向链路传输格式一起或分别地被发信 号通知到基站。
本发明可以任何合适的形式实施，包括硬件、软件、固件或其任 何组合。本发明可选的可部分实施为在一个或多个数据处理器和/或数 字信号处理器上运行的计算机软件。本发明实施例的元件及部件可以 任何合适的方式物理地、功能地或逻辑地实施。事实上，该功能可在 单个单元中、在多个单元中或作为其它功能单元的一部分被实施。这 样，本发明可在单个单元中实施，或者可被物理地或功能地分布在不 同单元和处理器之间。
尽管已经结合某些实施例描述了本发明，但不期望限制于在此所 述的特定形式。相反，本发明的范围仅由所附的权利要求限制。此外， 尽管特征可能看来是结合特定实施例所述的，但本领域技术人员应认 识到，所述实施例的各种特征可根据本发明被组合。在权利要求中， 术语包括不排除其它元件或步骤的存在。
虽然已经参考特定的实施例特别地显示和描述了本发明，但本领 域技术人员应理解，在不偏离本发明精神和范围的前提下可进行形式 及细节上的各种变化。例如，尽管给出的上述说明主要包括OFDM调 制，但本领域技术人员应认识到，也可利用其它多载波及扩展调制技 术。此外，尽管上述实施例分别处理时间及频率扩展，但本领域技术人员应认识到，也可同时利用上述时间及频率扩展的组合。期望的是 这些改变落在以下权利要求的范围之内。
此外，权利要求中特征的顺序不暗示任何具体的特征必须工作的
顺序，特别是方法权利要求中各个步骤的顺序不暗示这些步骤必须以
该顺序执行。相反，这些步骤可以任何合适的顺序执行。此外，单数
的引用不排除多个。因此对"一个"、"第一"、"第二"等的引用不排除多 水
权利要求
1. 一种用于在第一和第二正交频分复用(OFDM)通信模式间进行切换的方法，该方法包括以下步骤建立操作的调制方案；估计用于所述第一通信模式中的所述调制方案的第一性能因素，以及用于所述第二通信模式中的所述调制方案的第二性能因素；将所述第一和第二性能因素与至少一个选择准则进行比较；响应于所述选择准则及所述调制方案来选择所述通信模式；以及使用所述调制方案，在所述选择的通信模式上进行发射。
2. 如权利要求1所述的方法，其中所述第一通信模式是OFDM通 信模式，以及所述第二通信模式是S-OFDM通信模式，其中所述确定 步骤包括确定与所述调制方案和通信模式相关联的基站接收机能力， 并且其中响应于所述基站接收机能力执行所述估计和选择步骤。
3. 如权利要求2所述的方法，其中所述选择准则是在所述基站接 收机中是否正在使用turbo均衡器，其中所述选择步骤选择所述第二通 信模式。
4. 如权利要求3所述的方法，其中所述选择准则包括错误率以及 在所述基站接收机中是否正在使用频域均衡器，其中如果所述调制方 案是16阶正交幅度调制(QAM)方案(QAM16)或更高阶的正交幅 度调制方案，则所述选择步骤选择所述第一通信模式。
5. 如权利要求l所述的方法，其中所述性能因素以及选择准则是 从以下组中选择的一个所述性能因素包括所述反向链路中的功率衰减，以及所述选择准 则包括所述反向链路中的功率衰减阈值，所述性能因素包括用于反向链路传输的导频音调的数目，以及所述选择准则是音调的阈值数目，所述性能因素包括终端的电池使用策略，以及所述选择准则包括 所述使用策略是促进高功率使用还是低功率使用，所述性能因素包括终端的剩余电池寿命，以及所述选择准则包括 电池寿命的阈值，所述性能因素包括终端的供电模式，以及所述选择准则包括确定 移动台是操作于电池供电还是AC (交流)供电上，所述性能因素包括PAPR减小区域的指示，以及所述选择准则包 括所述终端是否操作于所述PAPR减小区域，所述性能因素包括寄生频率生成，以及所述选择准则包括频谱屏 蔽要求，以及所述性能因素包括终端的功率类别，以及所述选择准则包括所述 功率类别是促进高功率使用还是低功率使用。
6. 如权利要求1所述的方法，其中所述估计步骤包括作为用于两种 调制方案的性能因素的功率降额估计，其中所述选择准则包括阈值电平。
7. 如权利要求l所述的方法，其中所述选择准则包括所述传输 的功率消耗、用于传输的音调数目、以及传输的持续时间。
8. —种在操作中在第一和第二正交频分复用(OFDM)通信模式 间进行切换的装置，所述基站包括收发信机，在操作中用于使用调制方案；以及处理器，所述处理器在操作中用于估计用于所述第一通信模式 中的所述调制方案的第一性能因素，以及用于所述第二通信模式中的 所述调制方案的第二性能因素；将所述第一和第二性能因素与至少一 个选择准则进行比较；以及，响应于所述选择准则及所述调制方案来 选择所述通信模式，其中所述收发信机与终端进行通信以切换到所选 择的通信模式，以及使用所述调制方案在所述选择的通信模式的反向 链路上进行发射。
全文摘要
一种用于在第一和第二正交频分复用(OFDM)通信模式间进行切换的装置和方法，包括第一步骤确定操作的调制方案。下一步骤包括估计第一通信模式中用于调制方案的第一性能因素，以及第二通信模式中用于调制方案的第二性能因素。下一步骤包括将所述第一和第二性能因素与至少一个选择准则进行比较。下一步骤包括响应于该选择准则以及调制方案选择通信模式。下一步骤包括使用该调制方案在所选择的通信模式上进行发射。
文档编号H04J11/00GK101467374SQ200780022138
公开日2009年6月24日 申请日期2007年5月23日 优先权日2006年6月15日
发明者凯文·L·鲍姆, 布赖恩·K·克拉松, 杨维东, 维贾伊·南贾, 钧 谭 申请人:摩托罗拉公司