用于前传接口的频域压缩的制作方法

本申请要求于2016年8月5日提交的题为“用于前传接口的频域压缩”的美国申请no.15/229834的权益，其全部内容在此通过引用并入本文。

本发明一般涉及无线前传接口压缩，更具体地，涉及用于在以太网上传输频域数据的无线前传接口压缩。

背景技术：

本部分旨在提供以下公开的本发明的背景或上下文。在此的描述可以包括可追求的概念，但并非是先前已经构思、实现或描述的概念。因此，除非在此另有明确说明，否则在本部分中描述的内容不是针对本申请中的描述的现有技术，并且不因包括在本部分中而被认为是现有技术。在详细说明部分的主要部分之后，可以在说明书和/或附图中发现的缩写词在下面定义。

前传(fronthaul)用于将基带数据从基带单元(bbu)传送到远程无线单元(rru)。前传功能使基带单元能够无缝连接到远程无线单元，而不会影响无线性能。在现代蜂窝架构中，基带单元和远程无线单元不再是简单的一对一关系。例如，集中式基带单元可以支持地理上分开的多个远程无线单元。然而，例如，将单独的光纤运行到每个无线单元是不经济的。因此，在地理上彼此靠近的若干无线单元(无线单元簇)的基带数据可以在单个光纤中一起发送。沿着相同的线路，可以使用单个光纤将若干无线单元簇的基带数据传送到地理上中立的位置(或hub)，然后将基带数据分成单独的光纤电缆中的不同无线单元簇。

由于其成本效率和扩展灵活性，基于以太网的无线电最近获得了很多关注。在以太网上的频域天线数据现在被认为是5g技术进入云ran架构的3gpp标准的首选起始点。3gpp和其它标准主体如ieeengfiwg(下一代前传接口工作组--由各种运营商和设备供应商代表)也在积极寻求基于以太网的无线电的标准化。

在诺基亚的云ran路线图中，一种方法是所谓的l1’分割，其是在以太网上传输频域数据，如图3中所示。

在该架构中，频域数据通过前传传输到无线单元(其可以是或可以不是远程的)，其中，它们通过ifft被转换到时域，在通过空中接口传送之前信号被插入循环前缀并且被发送到rf模块以进行附加的信号处理。前传是基带控制器与独立射频头之间的串行连接。前传长度例如可以在小于几米至40或更多千米范围内。如果射频头是远程的，则基带控制器与无线单元分开，但并非在地理上很远。

为了带宽有效，对频域数据使用压缩。一种典型的压缩算法是u-law压缩。压缩算法的共同点是使用更少量的比特来表示需要更多比特的原始数据。为了改进性能，希望减小将要压缩的数据的动态范围。

然而，在传统的lte实现中，频域信号的动态范围可以由于以下原因而显著变化：

(1)对于下行链路的控制信道符号区域，由于功率控制和非连续资源分配，频域功率可以变化很大。在承载pdcch的符号中，一些reg(资源元素组)可以具有用于小区边缘用户的很大的值，而相邻reg可以具有用于小区中心用户的低得多的值，或者某些reg可以保持未使用。对于phich也是如此，其中，由于用户复用以及功率控制，动态范围可以很大。

(2)对于下行链路的共享用户业务区域，由于预编码，频域功率的动态范围也可以很大，但由于更高阶调制(例如，qam256)而程度较轻。

(3)下行链路上的任何导频增强都可以影响用于压缩的频域数据的动态范围。此外，在3gpp5g初步规范(5g_211、5g_213)中，提出了一种新的下行链路功率增强的概念。该功率增强方法建议增加用于小区边缘用户的资源块(rb)上的下行链路功率，同时降低用于近端用户的资源块上的下行链路功率。

作为降低papr的示例，用于lte的上行链路sc-ofdm利用lte中的sc-ofdm来降低papr以用于节省功率的目的。但是该sc-ofdm基于每个ue，并且仅用在pusch资源块的部分上。

作为频域转换的示例，已知将fft应用于时域信号以将其转换到频域，并在前传接口上传输频域数据的方法。在该情况下，fft被应用于整个信号。

总之，由于数据块中的大动态范围，直接对频域数据进行块压缩/解压缩通常不是最优的。因此，需要降低动态范围以改进压缩/解压缩性能。

技术实现要素：

本部分旨在包括示例而非旨在进行限制。

根据示例性实施例，一种方法，包括：对在频率带宽中包含的频域数据应用逆离散傅里叶变换(idft)，以在时域中生成时域输出信号。压缩时域输出信号以生成压缩时域输出信号。压缩时域输出信号在前传接口上发送到远程单元。压缩时域输出信号在远程单元处能够被解压缩以生成解压缩时域输出信号。在远程单元处对解压缩时域输出信号应用离散傅里叶变换(dft)以恢复频域数据。

根据另一个示例性实施例，一种方法，包括：接收压缩时域输出信号。压缩时域输出信号通过对在频率带宽中包含的频域数据应用idft以在时域中生成时域输出信号并压缩时域输出信号来生成。压缩时域输出信号被解压缩，并对解压缩时域输出信号应用dft以恢复频域数据。

根据另一个示例性实施例，一种装置，包括：至少一个处理器；包括计算机程序代码的至少一个存储器，至少一个存储器和计算机程序代码被配置为与至少一个处理器一起使装置至少执行以下操作：对在频率带宽中包含的频域数据应用逆离散傅里叶变换，以在时域中生成时域输出信号；压缩时域输出信号以生成压缩时域输出信号；在前传接口上向远程单元发送压缩时域输出信号，其中，压缩时域输出信号在远程单元处能够被解压缩以生成解压缩时域输出信号，并且其中，在远程单元处对解压缩时域输出信号应用离散傅里叶变换来恢复频域数据。

根据另一个示例性实施例，一种计算机程序产品，包括计算机可读介质，该计算机可读介质承载具体化在其中的用于与计算机一起使用的计算机程序代码，该计算机程序代码包括：用于对在频率带宽中包含的频域数据应用逆离散傅里叶变换，以在时域中生成时域输出信号的代码；用于压缩时域输出信号以生成压缩时域输出信号的代码；用于在前传接口上向远程单元发送压缩时域输出信号的代码，其中，压缩时域输出信号在远程单元处能够被解压缩以生成解压缩时域输出信号，并且其中，在远程单元处对解压缩时域输出信号应用离散傅里叶变换来恢复频域数据。

根据另一个示例性实施例，一种装置，包括：至少一个处理器；包括计算机程序代码的至少一个存储器，至少一个存储器和计算机程序代码被配置为与至少一个处理器一起使装置至少执行以下操作：接收压缩时域输出信号，其中，压缩时域输出信号通过对在频率带宽中包含的频域数据应用逆离散傅里叶变换以在时域中生成时域输出信号并压缩时域输出信号来生成；解压缩压缩时域输出信号；以及对解压缩时域输出信号应用离散傅里叶变换以恢复频域数据。

根据另一个示例性实施例，一种计算机程序产品，包括计算机可读介质，该计算机可读介质承载具体化在其中的用于与计算机一起使用的计算机程序代码，该计算机程序代码包括：用于接收压缩时域输出信号的代码，其中，压缩时域输出信号通过对在频率带宽中包含的频域数据应用逆离散傅里叶变换以在时域中生成时域输出信号并压缩时域输出信号来生成；用于解压缩压缩时域输出信号的代码；以及用于对解压缩时域输出信号应用离散傅里叶变换以恢复频域数据的代码。

附图说明

在附图中：

图1是可以实施示例性实施例的一种可能的和非限制性的示例性系统的框图；

图2(a)和图2(b)是用于前传接口的频域压缩的逻辑流程图，并且示出示例性方法的操作、具体化在计算机可读存储器上的计算机程序指令的执行结果、由在硬件中实现的逻辑执行的功能、和/或用于执行根据示例性实施例的功能的互连装置。

图3示出用于telcocloud的频域边界处的层1分割；

图4示出用于前传压缩的数据子载波上的idft扩展(spead)；

图5示出使用idft扩展的多载波前传压缩；

图6示出用于使用idft扩展的多跳前传压缩的hub实现；

图7是用于多跳前传网络的示例性网络拓扑；

图8示出其中evm＝0.87％的模拟实例；

图9示出其中evm＝0.64％的模拟实例，并且比较图8中不具有和具有idft扩展的9比特u-law压缩的evm差；

图10示出其中evm＝1.53％的模拟实例；

图11示出其中evm＝0.89％模拟实例，并且比较图10中不具有和具有idft扩展的8比特u-law压缩的evm差。

具体实施方式

在本文中使用的词语“示例性”意思是“用作示例、实例或说明”。在本文中描述为“示例性”的任何实施例不必被解释为比其它实施例优选或有利。在此具体实施方式中描述的所有实施例是使本领域的技术人员能够制造或使用本发明而不是限制由权利要求限定的本发明的范围而提供的示例性实施例。

在本文中的示例性实施例描述了用于前传接口的频域压缩的技术。在描述在其中可以使用示例性实施例的系统之后，呈现这些技术的附加描述。

转向图1，该附图示出了可以实践示例性实施例的一种可能的和非限制性的示例性系统的框图。

图1是用于例如在以太网上传输频域数据的前传接口的频域压缩的示例性实施例的框图。以太网是在前传上运行的数据协议的一个示例，然而，还可以在idft扩展之后，使用cpri或obsai协议的扩展来传输天线信号。在使用以太网前传接口的情况下，可能需要考虑附加要求，诸如高数据速率、低延迟、小协议开销和非常精确的时钟。

块idft对在频率带宽中包含的频域数据应用idft，以在时域中生成时域输出信号。时域输出信号由块压缩器压缩以生成压缩时域输出信号。压缩时域输出信号在块前传接口上发送到包括块接收机的远程单元(未示出)。在远程单元处接收压缩时域输出信号以生成解压缩时域输出信号。块dft在远程单元处对解压缩时域输出信号应用dft以恢复频域数据。

在图1中所示的块的组件可以包括：通过一个或多个总线互连的一个或多个处理器、一个或多个存储器、以及一个或多个收发机。一个或多个总线可以是地址、数据或控制总线，并且可以包括任何互连机制，诸如主板或集成电路上的一系列线路、标准双绞线电缆、光纤或其它光通信设备等。一个或多个存储器可以包括计算机程序代码。前传接口可以例如包括用于发送时域输出信号的以太网、cpri或obsai连接。前传可以使用标准或5、6、6e类铜双绞线电缆。

如在本文中更详细描述的，根据图1中所示的非限制性示例性实施例，仅需要对数据载波承载的数据执行压缩，同时实现了减小动态范围以进行更好压缩的目标。为了减小频域信号的动态范围，在块压缩器之前，对所有用户rb和控制rb以及甚至未使用的rb应用idft，这意味着在前传接口上例如基站的所有用户只需要一个单个idft过程。同样如在下面更详细描述的，动态缩放可用于最大化压缩动态范围和性能。此外，通过在多个小区的多个载波上应用idft，可以使用大小m1+m2+...mkidft以在执行压缩之前在多个载波上扩展频域数据。如此，可以使用idft以在多个载波上进行“负载平衡”，以使得轻负载小区(例如，具有未使用的rb的小区)可以通过减小重负载小区的动态范围来“帮助”重负载小区。

图2(a)是用于前传接口的频域压缩的逻辑流程图。该附图进一步示出了示例性方法的操作、具体化在计算机可读存储器上的计算机程序指令的执行结果、由硬件中实现的逻辑执行的功能、和/或用于执行根据示例性实施例的功能的互连装置。对在频率带宽中包含的频域数据应用idft(步骤1)，以在时域中生成时域输出信号(步骤2)。压缩时域输出信号以生成压缩时域输出信号(步骤3)。压缩时域输出信号在前传接口上发送到远程单元(步骤4)。压缩时域输出信号在远程单元处能够被解压缩以生成解压缩时域输出信号。在远程单元处对解压缩时域输出信号应用dft以恢复频域数据。

图2(b)是用于前传接口的频域压缩的逻辑流程图。该图进一步示出了示例性方法的操作、具体化在计算机可读存储器上的计算机程序指令的执行结果，由硬件中实现的逻辑执行的功能、和/或用于执行根据示例性实施例的功能的互连装置。接收压缩时域输出信号，其中，压缩时域输出信号通过对在频率带宽中包含的频域数据应用idft以在时域中生成时域输出信号并压缩时域输出信号来生成(步骤1)。压缩时域输出信号被解压缩(步骤2)。对解压缩时域输出信号应用dft(步骤3)，频域数据被恢复(步骤4)。

为了改进压缩/解压缩性能，根据示例性实施例，可以在压缩之前在整个带宽上对频域数据应用idft，压缩数据通过前传被发送到远程单元，其中，在解压缩之后，对解压缩数据应用dft以恢复频域数据。

如图4中所示，根据示例性非限制性实施例，作为示例，对于20mhz频率带宽，将存在1200个数据载波。因此，根据该示例性实施例的示例，idft大小将是1200。相反，通过2048fft生成的lte下行链路ofdm信号包括全部2048个载波(1200个数据载波和848个空载波)。

在对频域数据应用idft之后，输出信号处于时域中。频域数据可以包含在频率带宽中，并且可以在整个频率带宽上对频域数据应用idft。可以在除了保护频带和直流载波(如果存在)以外的整个频率带宽上对频域数据应用idft。频域数据的动态范围将减小，因为具有较大频域功率的子载波将跨所得到的时域数据的时间间隔分布。然后可以压缩该较小动态范围的数据并通过前传发送。在前传的远端，远程rf单元(rru)解压缩数据，并执行1200个宽度的dft以恢复频域数据。

随后，1200个频域数据将用保护频带来增强，其中在频谱的两侧有847个总空载波，在中间有一个空dc载波，并且应用完整的2048个宽度的ifft。在将信号发送到rf模块以通过空中接口发送之前插入循环前缀。

保护频带、空dc载波和循环前缀是被包括以改进对所发送信号的检测的信号的标准特定扩展。它们不向信号添加任何信息，并且可以在前传通信中省略。

作为示例，为了无线发送基带信号，lte标准规定在远程无线单元中：

获取所恢复的1200个数据子载波。

将总共847个空子载波的保护频带添加到频谱中的数据子载波的两侧，以形成总共2048个子载波。

向这些2048个子载波执行大小2048的ifft以将数据变换到时域，从而产生2048个时域样本。

附加循环前缀，它是来自步骤(3)的2048个时域样本的最后160或144个样本。

通过空中接口顺序发送这些时域样本。

然而，通常前传基带数据不是无线发送的，因此前传不必例如符合lte标准。根据非限制性示例性实施例，在前传接口上使用1200个数据子载波。执行大小1200的idft将产生1200个时域样本，这远小于在全部数据加上空子载波上执行idft所需的2048个时域样本，从而节省了前传上的带宽。

前传可以是将远程无线电与集中式基带单元相连接的网络。除了已有的集中式网络架构，该前传网络还适用于5g无线云，其中，远程射频头经由以太网连接到运行虚拟机的通用处理器(gpp-例如，intelx86处理器)。非限制性示例性实施例还适用于传感器网络和感知无线电，其中，期望更好的压缩以更有效地使用前传接口。

根据非限制性示例性实施例，在解压缩压缩时域输出信号之后，可以用至少一个保护频带和一个空dc载波来增强频域数据。在发送之前，可以在压缩时域输出信号中插入循环前缀。至少一个保护频带可以位于频率带宽的任一侧，而空dc载波可以基本上位于频率带宽的中间。

动态范围减少的量与频域数据能量分布有关。在1200个数据载波中，当存在更低的能量值(其中实部或虚部分量或者两者接近零轴)时，或者当一些数据载波未被分配因此具有零能量时，动态范围减小可以更显著。

缩放被应用于idft输出以利用压缩的完整动态范围。idft输出包含实部和虚部。在某些实施例中，可以单独缩放实部和虚部，因为它们可以具有不同的动态范围。然后，在执行压缩之前，经由缩放因子将这些动态范围缩放到压缩方案的完整动态范围。缩放因子(一个用于实部，一个用于虚部)是常数，并且可以在前传接口上作为压缩时域输出信号的带内传输，或者例如作为在分组报头字段中的带外传输而发送到rru。

在rru处，在对所接收的数据执行解压缩之后，应当应用缩放因子的倒数以恢复数据的实部和虚部的原始动态范围。最后，dft用于恢复频域数据。

根据非限制性示例性实施例，时域输出信号可以包含实部和虚部。可以单独缩放实部和虚部。实部的实部动态范围可以与虚部的虚部动态范围不同。在压缩时域输出信号之前，可以将实部缩放因子应用于实部，并将虚部缩放因子应用于虚部。实部缩放因子和虚部缩放因子可以是在频带中作为压缩时域输出信号的一部分或者是在带外例如在分组报头字段中发送的常数。在解压缩之后，可以应用实部缩放因子的倒数和虚拟缩放因子的倒数以在所恢复的频域数据中恢复实部的实部动态范围和虚部的虚部动态范围。

利用例如16比特到9比特的固定压缩比，输入信号的动态范围降低，可以提高压缩的精度。相反，在输入信号的动态范围降低的情况下，还可以增加压缩比，例如，使用16比特到8比特压缩，并且仍然实现目标性能。结果，通过确定由于idft扩展而导致的动态范围减小，可以自适应地选择压缩比以满足性能目标并且同时有效地使用前传。

根据非限制性示例性实施例，可以确定由于将逆离散傅里叶变换应用于频域数据而导致的动态范围减小，并且可以根据动态范围减小来选择压缩时域输出信号的压缩比。

另一个非限制性示例性实施例可以用于多载波传输。使用idft扩展的多载波系统的框图在图5中示出。

载波1至载波k每个分别具有大小m1至mk个数据子载波，其中，m1、m2、......mk不必彼此相等。载波1至载波k的子载波总数分别是n1、n2、......nk个总子载波。根据非限制性示例性实施例，可以使用大小m1+m2+...mk的idft以在执行压缩之前在多个载波上扩展频域数据。在远程rf单元处，在解压缩之后，执行大小m1+m2+...+mk的dft以恢复每个单独的载波的数据子载波。随后，在每个载波，在添加它们相应的保护和空dc子载波之后，在将信号发送到rf模块之前执行大小n1、n2、...nk的ifft。

根据非限制性示例性实施例，频率带宽可以包括多个数据子载波，并且频域数据在多个载波中扩展。在解压缩之后，可以针对多个载波中的每个载波，恢复数据子载波。

本发明的另一个实施例是用于集线器(hub)，其中多跳前传传输成为可能。示出具有三个载波的示例的框图在图6中示出。

图6示出了在前传传输中提供一跳的集线器的示例性非限制性实施例。使用在本实施例中提出的方法，将载波1、2、3的频域数据聚合在一起并发送到hub，其中，频域数据被恢复并被重新打包成用于ru1和ru2的两个单独的流。本发明支持多个跳数。

图7是用于多跳前传网络的示例性网络拓扑，示出了随着数据流的树的演进可以级联hub。根据非限制性示例性实施例，频率带宽包括多个数据子载波。频域数据在多个载波中扩展。频域数据可以被恢复并随后被重新组合成载波子集并在子集内重新扩展，从而使能前传分割功能，其中，多个载波的子集可以与位于不同位置的不同定位的远程无线单元相连接。可以重复使用该相同的方案以形成多跳前传传输。因此，如图7中所示，多个hub可以以星形拓扑的层次化结构来排列，以将来自bu的频域信号连接到远程无线单元。例如，对于从基带单元到达rru3的频域数据，将需要利用3个集线器(hub1、hub2和hub4)的4个前传跳。在每个hub处，来自bu或上游hub的输入压缩时域信号被恢复并被分割成多个时域信号，其中，在数据子载波的每个子集之前应用idft。

在不以任何方式限制在下面出现的权利要求的范围、解释或应用的情况下，在本文中公开的一个或多个示例性实施例的技术效果是：

1)提供其中压缩直接应用于频域数据的传统压缩技术中的性能劣化问题的解决方案。如前所述，下行链路控制区域中的功率控制、高阶调制和预编码、导频/rb增强等显著地增加了数据的动态范围并使已有的压缩技术效率降低。

2)在轻负载小区内，其中存在未使用的资源块，在整个数据子载波带宽上的idft扩展还可以允许所使用的子载波的压缩误差“渗透到(bleedinto)”未使用的数据子载波中，从而进一步减少输出信号的动态范围。这允许用更少的比特来更有效地进行压缩。

3)如果在若干载波上应用idft扩展，则重负载小区可以“渗透”到轻负载载波中，以使得减小重负载小区的动态范围。净效果是压缩带宽效率更高。

4)使用示例性实施例可获得多跳多载波传输的支持。

5)由于简单性和可扩展性，示例性实施例对于前传传输的标准也可以是更可接受的(例如，因为fft已经是lte实现的一部分)。示例性实施例不需要更新类型的硬件加速器，并且可以被标准主体和设备供应商容易地接受。

两个测试实例的模拟结果总结如下：

1)模拟实例1(图8和图9)比较15比特到9比特u-law压缩，其中全部1200个载波作为256qam测试实例。结果表明，在压缩之前加入idft扩展，恢复信号的evm为0.64％。在不进行idft扩展的情况下，恢复信号的evm为0.87％。因此，该模拟示出了示例性实施例可以提供约1.3db(10log(0.87％/0.64％))的改进，这是由于在相同压缩比下的动态范围减小(注意，在图8-11中，圆圈是原始频域数据，十字是在压缩之后所恢复的频域数据)。

2)模拟实例2(图10和图11)比较轻负载小区的情况，其中600个载波作为256qam而其它600个载波未被分配(零功率)。结果表明，在压缩之前加入idft扩展，可以在15比特到8比特压缩下实现0.89％的恢复信号的evm。在没有idft的情况下，在15到8比特的压缩下，evm为1.53％，这使得来自其它信号处理块的evm贡献的空间显著减小，尤其是对于256qam的高阶调制方案。在模拟实例1和模拟实例2两者中，利用idft扩展，evm结果更好。

在本文中的实施例可以用软件(由一个或多个处理器执行)、硬件(例如，专用集成电路)、或软件和硬件的组合来实现。在示例性实施例中，软件(例如，应用逻辑、指令集)被维护在各种传统计算机可读介质中的任何一个上。在本文档的上下文中，“计算机可读介质”可以是能够包含、存储、通信、传播或传输指令以供指令执行系统、装置或设备(诸如计算机，所描述和示出的计算机的一个示例)使用或与之结合使用的任何介质或装置。计算机可读介质可以包括计算机可读存储介质，其可以是能够包含、存储和/或传输指令以供指令执行系统、装置或设备(诸如计算机)使用或与之结合使用的任何介质或装置。计算机可读存储介质不包括传播信号。

如果需要，在本文中讨论的不同功能可以采用不同顺序执行和/或彼此同时执行。此外，如果需要，上述功能中的一个或多个功能可以是可选的或者可以组合。

虽然在独立权利要求中阐述了本发明的各个方面，但是本发明的其它方面包括来自所描述的实施例和/或从属权利要求的特征与独立权利要求的特征的其它组合，而不仅仅是权利要求中明确阐述的组合。

在此还应注意，虽然以上描述了本发明的示例性实施例，但是这些描述不应被视为具有限制性意义。而是，在不背离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以进行若干变形和修改。

可以在说明书和/或附图中发现的以下缩写词定义如下：

bu基带单元

cpri通用公共无线接口

dc直流电

dft离散傅里叶变换

enb(或enodeb)演进型节点b(例如，lte基站)

evm误差矢量幅度

idft逆离散傅里叶变换

i/f接口

iot物联网

lte长期演进

lte-alte演进

lte-m用于机器类型通信的lte

obsai开放式基站架构倡议

mme移动性管理实体

nce网络控制元素

n/w网络

rrh远程射频头

rx接收机

sgw服务网关

tx发射机

ue用户设备(例如，无线、通常移动设备)