OFDMA ДОСТУП, ОСНОВАННЫЙ НА КОГНИТИВНОМ РАДИО
OFDMA ACCESS BASED ON COGNITIVE RADIO

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение, в целом, относится к беспроводной связи и, более конкретно, к системе для эффективного использования подканалов OFDM.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Мультиплексирование с частотным разделением (FDM) представляет собой хорошо известный процесс, посредством которого множество сигналов модулируются на несущих волнах с разными частотами. Метод FDM использовался в радио и телевещании на протяжении десятилетий. Радио и телевизионные сигналы посылаются и принимаются на различных частотах, каждая из которых соответствует различному каналу.
Метод мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (OFDM) также хорошо известен в уровне техники, по меньшей мере, с конца 1960-х гг. В методе OFDM один передатчик осуществляет передачу на многих различных ортогональных частотах одновременно. Ортогональные частоты представляют собой частоты, которые являются независимыми относительно фазового соотношения между частотами. В методе OFDM доступная ширина полосы пропускания делится на несколько подканалов с равной шириной полосы. Метод OFDM является выгодным в беспроводной связи, поскольку он снижает взаимные помехи и перекрестные помехи между передачами сигналов, обеспечивая, в конечном счете, возможность передачи данных с более высокой пропускной способностью и меньшим количеством ошибок. Метод OFDM известен также в качестве дискретной мультитональной модуляции (DMT). Метод OFDM применяется во многих стандартах, используемых в настоящее время для беспроводной связи. Например, и стандарт беспроводных локальных сетей (LAN) IEEE 802.11a, и стандарт беспроводных LAN IEEE 802.11 g основаны на реализации метода OFDM для передачи сигналов. Одной из ранних ссылок, описывающих OFDM метод, является R.W. Chang, Synthesis of band-limited orthogonal signals for multi-channel data transmission. Bell System Technical Journal (46), 1775-1796 (1966).
Таким образом, метод OFDM функционирует, разбивая один высокоскоростной поток данных на несколько потоков данных с более низкой скоростью, которые затем передаются параллельно (то есть, одновременно). Каждый поток с более низкой скоростью используется для модуляции поднесущей. Тем самым создается «многочастотная передача» посредством деления широкой полосы частот (или канала) на несколько более узких полос частот (или подканалов), каждая из которых модулирована потоком сигналов. Посылая множество потоков сигналов одновременно, каждый с более низкой скоростью, можно ослабить или устранить помехи, такие как замирание вследствие многолучевого распространения или рэлеевское затухание, не уменьшая полную скорость передачи.
Множественный доступ с ортогональным частотным разделением (OFDMА) является усовершенствованным методом OFDM. В методе OFDMA различным пользователям присваиваются различные наборы подканалов. Метод OFDMA применяется сегодня в DVB-RCT спецификациях для наземных интерактивных телевизионных сетей и в IEEE 802.16a спецификациях для сетей широкополосного беспроводного доступа. Метод OFDMA описан в публикации H. Sari and G. Karam, "Orthogonal Frequency-Division Multiple Access and its Application to CATV Networks," European Transactions on Telecommunications & Related Technologies (ETT), Vol. 9, No. 6, pp. 507-516, November-December 1998. Метод OFDMA также известен как многопользовательский метод OFDM.
Когнитивное радио представляет собой систему, используемую для беспроводной связи, в которой передатчики и приемники могут изменять параметры связи, основываясь на различных факторах. Неисключительный список этих факторов включает в себя характер передаваемого сообщения, доступность разрешенных и неразрешенных частот, поведение пользователя, состояние сети, шум или другие помехи на конкретных частотах и обнаружение других пользователей ширины полосы. Когнитивное радио в общем обсуждается в публикации J. Mitola, III and G.Q. Maguire, Jr., "Cognitive Radio: Making Software Radios More Personal," IEEE Personal Communications, 6(4): 13-18, August 1999.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Раздел «Сущность изобретения» обеспечивает иллюстративный контекст для аспектов изобретения в упрощенной форме. Он не должен использоваться для определения объема заявленного изобретения. Аспекты изобретения описаны более полно ниже в подробном описании.
В заявленном изобретении аспекты метода OFDMA и когнитивного радио объединены новым способом для создания системы для более эффективного использования подканалов OFDM для беспроводной связи.
Здесь описаны системы и способы для внедрения многопользовательской схемы, позволяющей нескольким пользователям, группам пользователей или несущим совместно использовать один или несколько каналов. В изобретении доступная ширина полосы канала подразделяется на несколько подканалов с равной шириной полосы пропускания согласно стандартной практике OFDM. Передатчик информируется прикладной программой о том, что ему необходимо передавать данные с конкретной скоростью передачи. Передатчик определяет минимальное число подканалов и максимальный порог энергии (или шума) для каждого подканала, необходимые для достижения этой скорости передачи данных, и выбирает набор подканалов, удовлетворяющих указанным требованиям. Не требуется, чтобы подканалы были смежными в спектре или принадлежали одному и тому же каналу. Как только передатчик выбрал требуемое число подканалов, он начинает передавать одновременно на этих подканалах по всей ширине полосы, используемой этими подканалами.
В одном варианте осуществления изобретения передатчик использует алгоритм обратного преобразования Фурье для преобразования сигналов, принятых в частотной области от прикладной программы, во временную область для беспроводной передачи. Предпочтительно используется алгоритм обратного быстрого преобразования Фурье. Обратное быстрое преобразование Фурье выполняется по всей ширине полосы, используемой выбранными подканалами.
Чтобы приемник мог определять, какие подканалы используются, обеспечиваются различные способы. В одном варианте осуществления приемник использует известный алгоритм преобразования Фурье, предпочтительно быстрого преобразования Фурье, для восстановления данных. Быстрое преобразование Фурье подобным образом выполняется по всей ширине полосы, используемой выбранными подканалами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его осуществления со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых каждый идентичный или почти идентичный компонент, который иллюстрируется на различных фигурах, обозначен одинаковой ссылочной позицией, на которых:
фиг.1 - спектральная диаграмма, показывающая подразделение используемой ширины полосы канала на несколько подканалов равной ширины,
фиг.2 - блок-схема многочастотной OFDM цифровой системы связи,
фиг.3 - блок-схема, иллюстрирующая один вариант осуществления изобретения, и
фиг.4 - схема системы, которая осуществляет некоторые аспекты изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Настоящее описание относится к новейшему использованию принципов когнитивного радио в передаче OFDMA. Согласно заявленному изобретению система выбирает только те подканалы OFDM, которые имеют низкий уровень шума. Затем система передает данные на выбранных подканалах, используя алгоритм обратного преобразования Фурье по всему спектру, занятому выбранными подканалами. Таким образом, несколько пользователей или групп пользователей могут эффективно совместно использовать одну и ту же ширину полосы. Изобретение может быть реализовано в виде аппаратных средств, или программного обеспечения, или некоторой их комбинации. Варианты осуществления включают в себя систему, способ и инструкции, хранимые в считываемом компьютером носителе.
Считываемые компьютером носители могут включать в себя любые доступные носители, к которым может получать доступ компьютер. Например, считываемые компьютером носители могут содержать носители данных и средства связи, но не ограничиваются ими. Компьютерные носители данных включают в себя как энергозависимые, так и энергонезависимые носители, как съемные, так и несъемные носители, осуществляемые любым способом или технологией для хранения информации, как, например, считываемые компьютером инструкции, структуры данных, программные модули или другие данные. Считываемые компьютером носители включают в себя запоминающее устройство с произвольной выборкой (RAM, ЗУПВ), постоянное запоминающее устройство (ROM, ПЗУ), электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EEPROM), флэш-память или любую другую технологию памяти, постоянное запоминающее устройство на компакт-диске (CD-ROM), цифровые многофункциональные диски (DVD) или другие оптические запоминающие устройства на дисках, магнитные кассеты, накопители на магнитных дисках или любые другие магнитные запоминающие устройства, другие типы энергозависимой и энергонезависимой памяти или любой другой носитель, который может быть использован для сохранения желательной информации, к которым может иметь доступ компьютер, и любую подходящую комбинацию вышеперечисленных носителей без ограничения указанным.
Считываемые компьютером носители могут быть переносными, так что инструкции, хранимые на них, могут загружаться в любой подходящий ресурс компьютерной системы для осуществления аспектов настоящего изобретения, обсуждаемых здесь. Кроме того, должно быть понятно, что инструкции, хранимые на считываемом компьютером носителе, обсуждаемом выше, не ограничиваются инструкциями, воплощаемыми в виде части прикладной программы, работающей на главном компьютере. Скорее, инструкции могут воплощаться в виде компьютерного кода любого типа (например, программного обеспечения или микрокода), которые могут быть использованы, чтобы программировать процессор для выполнения аспектов настоящего изобретения, обсуждаемых ниже.
Настоящее изобретение не ограничивается в своем описании деталями конструкции и расположением компонентов, изложенных в последующем описании или иллюстрируемых на чертежах. Изобретение может иметь другие варианты осуществления и может осуществляться на практике или выполняться различными путями. Также фразеология и терминология используются здесь для цели описания и не должны рассматриваться как ограничивающие. Использование терминов «включающий в себя», «содержащий» или «имеющий», «охватывающий», «включающий» и их вариации предназначено, чтобы охватить элементы, перечисленные после них и их эквиваленты, а также дополнительные элементы.
K
Как показано на фиг.1, в методе OFDM доступная ширина полосы пропускания подразделяется на несколько подканалов с равной шириной полосы. Каждый подканал является достаточно узким, чтобы характеристики частотного отклика подканала были почти идеальными. Число подканалов в целом равно доступной ширине полосы, деленной на ширину полосы каждого подканала. Число  подканалов может быть выражено как:
k
Каждый подканал  имеет ассоциированную несущую волну. Эта несущая волна может быть выражена как:
x
(t)
k
t
f
K
k
k
где - несущая волна для подканала  как функция времени .  - средняя частота подканала и находится в диапазоне от 0 до -1.
T
Δf
T
Частота следования символов 1/ устанавливается для каждого подканала, равной разнесению  смежных подканалов. Таким образом, поднесущие будут ортогональными по всему межсимвольному интервалу , независимо от фазового соотношения между поднесущими.
Упомянутое соотношение может быть выражено как:
f
-f
= n/T, n
Φ
Φ
k
j
k
j
где  = 1,2,…, независимо от значений фаз и .
T
В системе OFDM частота следования символов на каждом подканале может быть снижена относительно частоты следования символов на одной несущей в системе, которая применяет всю ширину полосы W и передает данные на той же скорости передачи данных, как в системе OFDM. Следовательно, межсимвольный интервал  (величина, обратная частоте следования символов) в системе может быть выражен как:
T
s
где - межсимвольный интервал системы с одной несущей, которая применяет всю ширину полосы пропускания W и передает данные на той же скорости передачи данных, как в системе OFDM. Например, если частота следования символов по всей ширине полосы для одного канала равна 72 миллионам символов в секунду, и канал делится на 48 подканалов, то каждому подканалу необходимо переносить только 1,5 миллиона символов в секунду для достижения той же самой полной скорости передачи данных. Эта более низкая частота следования символов уменьшает помехи между символами и, таким образом, подавляет эффекты замирания вследствие многолучевого распространения. Соответственно OFDM обеспечивает более высокое качество связи и надежность коммуникации.
В системе OFDM передатчик принимает входные данные в частотной области и преобразует их в сигнал временной области. Несущая волна модулируется сигналом временной области для беспроводной передачи. Приемник принимает сигнал, демодулирует волну и преобразует сигнал обратно в частотную область для дальнейшей обработки.
K
На фиг.2 иллюстрируется упрощенная система OFDM. В иллюстрируемом варианте осуществления поток 201 входных данных подается посредством прикладной программы в OFDM передатчик 200. В стандартном стеке протоколов связи TCP/IP эти данные могут приниматься на физическом уровне или уровне управления передачей данных; изобретение не ограничивается каким-либо конкретным источником данных или механизмом для обеспечения передачи данных в передатчик и может воплощаться в аппаратных средствах или в программном обеспечении и на различных уровнях сетевого стека протоколов. Поток 201 входных данных принимается буфером 202 преобразования последовательного кода в параллельный. Буфер 202 преобразования последовательного кода в параллельный разбивает последовательный поток данных на несколько параллельных потоков данных. Число параллельных потоков данных равно числу подканалов, выбранных для OFDM радиопередачи, или как используется выше . Ниже обсуждается новый процесс выбора каналов для OFDM радиопередачи, заявленный в этой заявке на патент.
B
B
K
i-
b
f
f
i
В одном из вариантов осуществления буфер 202 преобразования последовательного кода в параллельный делит последовательность информации, принимаемой из входных данных 201, на кадры из  битов.  битов в каждом кадре разбираются на  групп, где й группе присваивается  битов. Упомянутое соотношение может быть выражено как:
Затем каждый из параллельных потоков данных, генерируемых буфером 202 преобразования последовательного кода в параллельный, посылается в модулятор 203 на множестве несущих. Модулятор 203 на множестве несущих модулирует каждый выбранный подканал каждым из параллельных потоков данных. Модулятор 203 на множестве несущих может быть эффективно реализован с использованием алгоритма обратного быстрого преобразования Фурье для вычисления сигнала временной области, хотя может быть использован любой алгоритм, который преобразует сигнал частотной области в сигнал временной области.
Модулятор 203 на множестве несущих может использовать любую схему модуляции для модуляции каждого из входящих потоков данных. В предпочтительном варианте осуществления сигналы модулируются с помощью квадратурной амплитудной модуляции (QAM). Может быть использована любая группа QAM. Например, модулятор может использовать 16-QAM (шестнадцатеричную), 64-QAM, 128-QAM или 256-QAM. Схема модуляции может быть выбрана на основе требуемой скорости передачи данных, доступных подканалов, шума на каждом подканале или других факторов.
K
T
i-
В приведенном примере модулятор 203 на множестве несущих, таким образом, генерирует  независимых QAM подканалов, где частота следования символов для каждого подканала составляет 1/, и сигнал в каждом подканале имеет отличающееся созвездие QAM группу. Согласно этому примеру число сигнальных точек для го подканала может быть выражено как:
K
X
k=
K -
X
x(t)
x(t)
N
X
N=2K
K
k
k
k
Затем сигнальные точки с комплексными значениями, соответствующие информационным сигналам на каждом из  подканалов, могут быть выражены как , где 0, 1,..., 1. Эти символы  представляют значения дискретного преобразования Фурье сигнала на множестве несущих OFDM , где модуляция на каждой поднесущей представляет собой QAM модуляцию. Поскольку  должен быть сигналом с действительным значением, его -точечное дискретное преобразование Фурье  может удовлетворять свойству симметрии. Следовательно, система создает символов из  информационных символов, задавая:
X
X
k=
N -
N
x
0
k
n
Здесь расщепляется на две части, каждая из которых является действительной. Новая последовательность символов может быть выражена как ', где 0, 1,..., 1. Таким образом, -точечное обратное дискретное преобразование Фурье для каждого подканала  может быть выражено как:
x
x(t)
K
n
В упомянутом уравнении  - масштабный множитель. Таким образом, последовательность , где 0<=n<=N-1, соответствует выборкам сигнала на множестве несущих OFDM , состоящего из  поднесущих.
Циклический префикс, который действует как защитный интервал, добавляется к каждой из параллельных модулированных волн на этапе 204. Указанный защитный интервал гарантирует, что подканалы будут оставаться ортогональными, даже если за счет замирания вследствие многолучевого распространения поднесущие достигают приемника с некоторым разбросом задержки. Затем параллельные потоки с циклическим префиксом объединяются обратно в один последовательный поток на этапе 204. Наконец, поток цифровых данных преобразуется в аналоговый сигнал 205 и выводится для беспроводной передачи.
Переданный сигнал может приниматься приемником 210 и обрабатываться, чтобы восстановить исходный поток данных. Сначала аналоговый сигнал преобразуется обратно в цифровой сигнал аналого-цифровым преобразователем 211. Циклический префикс удаляется, и отдельные поднесущие преобразуются обратно в отдельные потоки на этапе 212. Каждый параллельный поток данных демодулируется демодулятором 213 на множестве несущих, предпочтительно с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье. Наконец, на этапе 214, параллельные потоки данных снова собираются в один последовательный поток и выводятся в приемное устройство 215.
Ключевой изобретательский аспект описанной системы, который должен быть понятен специалистам, состоит в способе выбора подканалов для использования. Указанный способ применяет принципы когнитивного радио к методу OFDMA. Один пример этого способа иллюстрируется на фиг.3.
Фиг.3 изображает блок-схему, иллюстрирующую процесс, который может быть использован передатчиком для выбора подканалов для использования. Такой процесс может быть реализован в аппаратных средствах или в программном обеспечении.
Сначала прикладная программа 301 запрашивает скорость передачи данных для передачи. Эта скорость передачи данных в основном будет зависеть от типа передаваемых данных, но для целей настоящего изобретения может запрашиваться любая произвольная скорость передачи данных.
На этапе 302 передатчик вычисляет минимальное число подканалов OFDM и максимальный порог энергии (или шума) для каждого подканала, необходимые для достижения запрошенной скорости передачи данных.
Затем передатчик начинает итерационный процесс выбора подканалов, чтобы удовлетворять требуемым критериям. На этапе 303 передатчик настраивается на один подканал из спектрального диапазона, доступного для него. На этапе 304 передатчик детектирует уровень энергии на этом подканале. На этапе 305 передатчик сравнивает продетектированный уровень энергии с порогом для этого подканала. Если уровень энергии превышает порог, то подканал отбрасывается на этапе 306. Если он ниже порога, то подканал остается на этапе 307.
Затем на этапе 308 система проверяет, идентифицировано ли достаточное число подканалов, чтобы удовлетворить требованиям. Если подканалов недостаточно, то на этапе 309 система проверяет, есть ли еще подканалы, доступные для тестирования. Если имеются другие доступные подканалы, то система возвращается к этапу 303 и проверяет следующий доступный подканал. Если нет других доступных каналов, то на этапе 311 система уведомляет прикладную программу о том, что запрошенная скорость передачи данных невозможна.
Как только система идентифицировала достаточное число подканалов, она начинает передачу на упомянутых выбранных подканалах на этапе 310. В предпочтительном варианте осуществления обратное преобразование Фурье выполняется на всей ширине полосы, используемой выбранными подканалами.
Например, стандарт IEEE 802.11 обеспечивает беспроводную связь в спектральной полосе 5 ГГц. Доступный спектр, разрешенный для внутреннего использования в США для стандарта 802.11a, составляет приблизительно от 5180 до 5340 ГГц, или шириной 160 МГц. Указанные 160 МГц спектра делятся на восемь неперекрывающихся каналов каждый шириной 20 МГц. Каждый канал 20 МГц делится на 52 подканала согласно OFDM принципам, где каждый подканал имеет ширину приблизительно 300 КГц. Таким образом, в этом примере для передачи может быть использовано 416 узкополосных подканалов. Для достижения требуемой скорости передачи данных передатчик может выбирать 20 подканалов, у которых шум или помехи не превышают некоторого порога. Если эти подканалы охватывают первые три канала по 20 МГц, то передатчик будет выполнять алгоритм обратного преобразования Фурье на сигналах по всей этой ширине полосы в 60 МГц. Заметим, что изобретение не ограничивается какой-либо частью спектра, каким-либо числом каналов или каким-либо стандартом связи.
В альтернативном варианте осуществления изобретения система может не проверять уровень энергии на каждом подканале отдельно, как показано на фиг.3, а проверять несколько подканалов сразу, или детектировать энергию на всех подканалах во всем доступном спектре сразу, и затем отбрасывать подканалы, которые превышают порог энергии.
Для определения используемых подканалов приемником могут быть использованы различные способы. В одном из вариантов осуществления для идентификации соответствующих подканалов приемник выполняет такое же детектирование энергии, как передатчик. В другом варианте осуществления приемник принимает от передатчика сигнал на известной частоте, показывающий, какие подканалы были выбраны для передачи. В любом из указанных вариантов осуществления приемник может выполнять известное быстрое преобразование Фурье для восстановления данных. Как в случае передатчика, приемник может выполнять быстрое преобразование Фурье на всей ширине полосы пропускания, используемой всеми выбранными подканалами.
В другом варианте осуществления изобретения, если два или несколько передатчиков имеют взаимные помехи друг с другом на заданном подканале, то каждый передатчик может связывать с этим подканалом сигнал стохастического таймера. Затем каждый передатчик ожидает окончания сигнала стохастического таймера на подканале перед проверкой уровня энергии в этом подканале снова. Если передатчик обнаруживает шум в подканале, то он будет отбрасывать такой подканал. Если он обнаруживает, что подканал чистый, то он оставит упомянутый подканал. Поскольку каждый передатчик ожидает период времени различной длительности перед повторной проверкой уровня энергии, все кроме одного из передатчиков будут отбрасывать подканал. В данном варианте осуществления два или несколько передатчиком могут выбирать различный поднабор доступных подканалов.
Фиг.4 иллюстрирует другой вариант осуществления настоящего изобретения. На фиг. 4 показана система 400, которая получает скорость передачи данных из прикладной программы 401 и выдает информацию в передатчик OFDM 404 о том, как она будет передавать данные. Система 400 содержит модуль 402 определения подканалов и модуль 403 детектирования шума. Модуль 402 определения подканалов определяет полное число подканалов OFDM и порог шума для тех подканалов, которые необходимы для достижения скорости передачи данных, запрашиваемой прикладной программой 401. Модуль 403 детектирования шума проверяет уровень шума на каждом доступном подканале OFDM, выбирая набор подканалов так, чтобы полное число выбранных подканалов удовлетворяло требованиям, заданным модулем 402 определения подканалов. Затем система 400 выдает идентификаторы выбранных подканалов в передатчик 405, который может затем начать передачу в системе OFDM, используя алгоритм обратного преобразования Фурье на всей ширине полосы, занятой выбранными подканалами. В альтернативном варианте осуществления отдельный модуль выбирает набор подканалов, удовлетворяющих требованиям, определяемым модулем определения подканалов, основываясь на данных, обеспеченных модулем детектирования шума.
Еще в одном варианте осуществления изобретение относится к считываемому компьютером носителю, имеющему выполняемые компьютером инструкции для выполнения этапов. Эти этапы включают в себя вычисление числа подканалов OFDM и порога шума для каждого подканала, необходимого для достижения запрошенной скорости передачи данных и для выбора тех подканалов OFDM, для которых уровень шума меньше, чем указанный порог шума.
Таким образом, на основе нескольких описанных аспектов, по меньшей мере, одного варианта осуществления настоящего изобретения должны быть понятны различные изменения, модификации и усовершенствования, которые могут быть осуществлены специалистами в данной области техники. Такие изменения, модификации и усовершенствования должны являться частью этого описания и находятся в пределах объема изобретения. Соответственно, предшествующее описание и чертежи даны только для примера.