СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПЕКТРА В МНОГОПОЛОСНОЙ СИСТЕМЕ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ НА ОСНОВЕ ОРТОГОНАЛЬНОГО ЧАСТОТНОГО УПЛОТНЕНИЯ
METHOD TO INCREASE EFFICIENCY OF SPECTRUM USE IN MULTIBAND WIRELESS COMMUNICATION BASED ON ORTHOGONAL FREQUENCY MULTIPLEX

Изобретение относится в целом к дальней связи, более конкретно беспроводной связи.
Используемая в беспроводной дальней связи, такой как сотовая телефония, типичная система 100, такая как показана на фиг.1, имеет множество базовых станций 130 (например, узлов В), распределенных по зоне, обслуживаемой системой. Расположенные в зоне обслуживания различные терминалы 120 доступа (ТД, также известные как абонентская аппаратура (АА), мобильные устройства и т.п.) могут получать доступ к системе и тем самым к другим взаимосвязанным системам дальней связи, таким как коммутируемая телефонная сеть 160 общего пользования (КТСОП или PSTN, от английского - public switched telephone network) и сеть 125 передачи данных посредством одной или нескольких из базовых станций 130. При движении ТД 120 через зону обслуживания он обычно поддерживает связь с системой 100 посредством связи с той или иной базовой станцией 130 по мере своего перемещения. ТД 120 способен поддерживать связь с ближайшей базовой станцией 130, базовой станцией 130, передающей самый сильный сигнал, базовой станцией 130 с достаточной пропускной способностью для осуществления связи и т.д. Базовые станции 130 в свою очередь поддерживают связь с контроллером 138 радиосети (КРС или RNC, от английского - radio network controller), который связан с базовой сетью 165. Каждый КРС 138 способен поддерживать множество базовых станций 130.
В системах с применением универсальной системы мобильной связи (UMTS, от английского - Universal Mobile Telephone System) с перспективой развития (LTE, от английского - long term evolution) предложено использовать многостанционный доступ с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA, от английского - Orthogonal Frequency Division Multiple Access) в схеме многостанционного доступа по восходящим и нисходящим каналам. OFDMA имеет боковые лепестки с очень высокой амплитудой из-за использования дикретного преобразования Фурье в качестве ортогонального множества для модуляции в частотной области или управления многостанционным доступом. Эти боковые лепестки с высокой амплитудой преимущественно ослабляют внеполосное излучение (ООВЕ, от английского - Out Of Band Emissions) и паразитное излучение, что очень благоприятно в системе с LTE.
rd
Хотя формирующий фильтр передаваемой мощности, такой как фильтр в соответствии с техническим стандартом TS 25.104 "Base Station (BS) Radio Transmission and Reception" (Радиопередача и прием посредством базовых станций) (FDD, дуплексная связь с частотным разделением каналов, от английского - frequency division duplex), 3GPP (Проект сотрудничества третьего поколения, от английского - 3 Generation Partnership Project) способен отвечать требованию R1-051203 к спектру излучения "Windowing and spectral containment for OFDM downlink" (Обработка методом окна и ограничение использования радиочастотного спектра для нисходящего канала OFDM), версия LTE, тем не менее, компанией Лусент Текнолоджиз установлено, что более эффективной альтернативой является функция обработки методом окна. Вместо фильтрации передаваемого сигнала, т.е. свертывания во временной области, при обработке методом окна усиливают передаваемый сигнал с использованием хорошо сконструированной временной последовательности. Каждый символ OFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов, от английского - orthogonal frequency division multiplexing) плюс присоединенный циклический префикс (СР, от английского - cyclic prefix) поточечно умножают на формирующую последовательность (обработка методом окна). Эту формирующую функцию выбирают таким образом, чтобы она имела короткий переходный период в начале и конце и оставалась постоянной в середине. Тем самым ценой небольших затрат на эффективное уменьшение СР ослабляется ООВЕ. Этот способ проиллюстрирован на фиг.2.
Выгода функции обработки методом окна состоит не только в простоте ее реализации, но также в том, что она имеет уменьшенную защитную полосу частот в соответствии с требованием к внеполосному излучению. За счет уменьшенной защитной полосы частот повышается эффективность использования спектра, в особенности, в системе с более широкой полосой пропускания. На фиг.3 показаны системы OFDMA с полосой пропускания 5 МГц, 10 МГц и 20 МГц, в которых использование функции обработки методом окна в пределах около 3,6% обеспечивает величину защитной полосы частот согласно требованиям UMTS.
Следует отметить, что с увеличением полосы пропускания требуемая защитная полоса частот не увеличивается при таком же объеме обработки методом окна. Таким образом, с учетом затрат на уменьшение СР, непроизводительные издержки в связи с ограничением использования радиочастотного спектра для систем OFDMA с полосой пропускания 5 МГц, 10 МГц и 20 МГц составляют около 13,2%, 8,4% и 6,0%.
Это выгодно отличается от типичных непроизводительных издержек в размере 25% для системы многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA, от английского - code division multiple access) и передачей на одной несущей и обеспечивает значительное преимущество в эффективности использования спектра. На фиг.4 показан спектр типичной системы CDMA.
Следует отметить, что обработка методом окна эффективно действует в широкополосных системах, но в случае более узких полос пропускания, например в системе с полосой пропускания 1,25 МГц, недостаточно одной обработки методом окна. Для формирования спектра может потребоваться дополнительная фильтрация.
Хотя такая функция обработки методом окна позволяет уменьшить защитную полосу частот и тем самым повысить эффективность использования спектра на передающей стороне, она не предъявляет значительных требований к конструкции приемника, в основном, с точки зрения требуемой избирательности по каналу. Избирательностью по каналу является способность приемника выделять сигнал, принимаемый в собственной полосе частот, и подавлять сигнал в соседней полосе частот. В результате уменьшения защитной полосы частот на передающей стороне не только происходит приближение мешающей мощности соседней полосы к собственной полосе приемника, но, кроме того, приемник должен расширять полосу пропускания своего фильтра, а также настраиваться на расширенную информационную полосу частот передатчика. Таким образом, применительно к фильтру приемника не только усиливается требование к ослаблению (хотя и в умеренной степени), но также значительно сужается разрешенная переходная полоса. Это создает значительные сложности при конструировании фильтра, в особенности, для чувствительных к изменению затрат мобильных устройств.
В основу настоящего изобретения положена задача устранения влияний одного или нескольких из упомянутых выше недостатков. Далее в упрощенной форме кратко изложена сущность изобретения с целью обеспечения общего понимания некоторых особенностей изобретения. Это краткое изложение является представлением идей изобретения в упрощенной форме в качестве вступления к более подробному описанию, которое следует далее.
В настоящем изобретении предложен способ управления радиоресурсами. При осуществлении способа устанавливают полосу пропускания для передачи сигналов радиоресурсами, при этом полоса пропускания состоит из краевой полосы и центральной полосы, охваченной этими краевыми полосами. Узкополосному радиоресурсу выделяют часть полосы пропускания, которая по меньшей мере частично находится в пределах краевой полосы.
Более конкретно, в настоящем изобретении предлагается способ управления радиоресурсами системы беспроводной связи с многостанционным доступом с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA), сконфигурированной с возможностью обеспечения беспроводной связи с множеством мобильных устройств, поддерживающих связь с использованием различных полос пропускания, причем способ включает:
выделение радиоресурсов по меньшей мере одному первому мобильному устройству в по меньшей мере одной из двух краевых полос, когда пропускная способность упомянутого по меньшей мере одного первого мобильного устройства меньше или приблизительно равна полосе пропускания краевых полос; и
выделение радиоресурсов по меньшей мере одному второму мобильному устройству в центральной полосе, когда ее полоса пропускания достаточно велика для поддержки пропускной способности по меньшей мере одного второго мобильного устройства, а полоса пропускания краевых полос неэффективна для поддержки пропускной способности по меньшей мере одного второго мобильного устройства, поскольку пропускная способность по меньшей мере одного второго мобильного устройства больше полосы пропускания краевых полос.
В частных вариантах осуществления выделение радиоресурсов упомянутому по меньшей мере одному второму мобильному устройству включает предоставление ему путем планирования по меньшей мере одной частоты в пределах центральной полосы, которое может включать выделение ему субкадра или тонального сигнала в центральной полосе.
Выделение радиоресурсов упомянутому по меньшей мере одному первому мобильному устройству включает предоставление ему путем планирования по меньшей мере одной частоты в пределах краевой полосы, которое может включать выделение ему субкадра или тонального сигнала в краевой полосе.
Выделение радиоресурсов упомянутому по меньшей мере одному первому мобильному устройству и по меньшей мере одному второму мобильному устройству может включать по меньшей мере одно из следующего: прямое отображение пользовательских данных в субкадрах или тональных сигналах, предварительное кодирование пользовательских данных до осуществления обратного быстрого преобразование Фурье и отображение пользовательских данных в субкадрах или тональных сигналах, или раздельное мультиплексирование методом обратного быстрого преобразование Фурье пользовательских данных и отображение пользовательских данных в субкадрах или тональных сигналах.
Ширина краевых полос предпочтительно составляет приблизительно 1,25 МГц и выделение радиоресурсов упомянутому по меньшей мере одному первому мобильному устройству в по меньшей мере одной из двух краевых полос включает выделение радиоресурсов по меньшей мере одному первому мобильному устройству, когда его пропускная способность составляет приблизительно 1,25 МГц. При этом ширина центральной полосы больше или равна 10 МГц и выделение радиоресурсов упомянутому по меньшей мере одному второму мобильному устройству в центральной полосе включает выделение радиоресурсов по меньшей мере одному второму мобильному устройству, когда оно имеет пропускную способность более 1,25 МГц.
Для обеспечения понимания настоящего изобретения далее приведено его подробное описание со ссылкой на приложенные чертежи, на которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями и на которых:
на фиг.1 показана блок-схема известной из уровня техники системы связи, такой как универсальная система мобильной связи (UMTS) согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения,
на фиг.2 - стилизованное представление символа OFDM с циклическим префиксом и формы его колебаний,
на фиг.3 - наглядное представление защитных полос, которые необходимы для систем с полосой пропускания 5 МГц, 10 МГц и 20 МГц, чтобы соответствовать стандарту UMTS на внеполосное излучение,
на фиг.4 - наглядное представление спектра типичной системы CDMA,
на фиг.5 - наглядное представление полосы пропускания, используемой конкретной категорией ТД, при этом полоса пропускания разделена на краевую полосу и центральную полосу,
на фиг.6 - блок-схема альтернативных способов, используемых базовой станцией для осуществления обработки методом быстрого преобразования Фурье (БПФ),
на фиг.7 - наглядное представление способа выделения краевой полосы узкополосным ТД и применение существенно более точно настроенного фильтра приемника для подавления помех, создаваемых соседними полосами,
на фиг.8 - наглядное представление, иллюстрирующее, что в известных из уровня техники системах необходим фильтр приемника базовой станции, охватывающий всю полосу пропускания, и
на фиг.9 - наглядное представление, иллюстрирующее, что в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения существенно уменьшен фильтр приемника базовой станции, охватывающий не всю полосу пропускания.
Хотя изобретение допускает различные усовершенствования и альтернативные формы, на чертежах в порядке примера представлены и в описании подробно рассмотрены конкретные варианты его осуществления. Вместе с тем, подразумевается, что описание конкретных вариантов осуществления имеет целью не ограничить изобретение частными раскрытыми формами, а напротив, охватить все усовершенствования, эквиваленты и альтернативы, входящие в пределы сущности и объема изобретения, охарактеризованного в приложенной формуле изобретения.
Далее описаны наглядные варианты осуществления изобретения. Для ясности в настоящем описании рассмотрены не все признаки действительной реализации. Разумеется, подразумевается, что при разработке любой такой действительной реализации может быть принято множество зависящих от реализации решений с целью достижения конкретных целей разработчика, таких как соблюдение системных и деловых ограничений, которые могут меняться в зависимости от реализации. Кроме того, подразумевается, что такая разработка может являться сложной и трудоемкой, но, тем не менее, типовой задачей для специалистов в данной области техники, ознакомившихся с настоящим описанием.
Элементы настоящего изобретения и соответствующее подробное описание могут включать термины программного обеспечения или алгоритмов и символических записей операций с битами данных в компьютерной памяти. Это описание и записи, которые используют специалисты в данной области для эффективного доведения сущности работы до сведения других специалистов в данной области техники. Подразумевается, что термин "алгоритм" в том смысле, в котором он используется в настоящем описании, и в общепринятом смысле означает самосогласованную последовательность шагов, ведущих к достижению желаемого результата. Шагами являются шаги, требующие физических манипуляций физическими величинами. Обычно, хотя и необязательно, эти величины выражены в виде оптических, электрических или магнитных сигналов, допускающих хранение, передачу, объединение, сравнение и иные манипуляции. Иногда, в основном, исходя из обычного использования, эти сигналы удобно называть битами, величинами, элементами, символами, знаками, членами, числами и т.п.
Вместе с тем, следует иметь в виду, что все эти и подобные термины должны быть связаны с соответствующими физическими величинами и являются лишь удобными обозначениями, применяемыми к этим величинам. Если только конкретно не указано или из описания не явствует иное, такие термины, как "обработка", или "вычисление", или "расчет", или "определение", или "отображение" и т.п., относятся к работе и процессам, выполняемым компьютерной системой или аналогичным электронным вычислительным устройством, которое осуществляет манипулирование и преобразование данных, представленных в виде физических, электронных величин в регистрах и запоминающих устройствах компьютерной системы, в другие данные, которые аналогичным образом представлены в виде физических величин в запоминающих устройствах или в регистрах компьютерной системы или в иных таких устройствах для хранения, передачи или отображения информации.
Также отмечаем, что программно реализованные особенности изобретения обычно закодированы в запоминающем устройстве какого-либо рода для хранения программ или реализованы в передающей среде какого-либо типа. Запоминающим устройством для хранения программ может являться магнитное (например, накопитель на гибких дисках или накопитель на жестких дисках) или оптическое (например, постоянное запоминающее устройство на компакт-диске или ПЗУ на компакт-диске) устройство, которое может быть доступным только для чтения или с произвольным доступом. Аналогичным образом, передающей средой могут являться витые пары, коаксиальный кабель, оптическое волокно или какая-либо иная применимая передающая среда, известная из уровня техники. Изобретение не ограничено этими особенностями какой-либо заданной реализации.
Далее настоящее изобретение описано со ссылкой на приложенные чертежи. Различные структуры, системы и устройства схематически представлены на чертежах лишь с целью пояснения и таким образом, чтобы не перегрузить описание настоящего изобретения подробностями, которые хорошо известны специалистам в данной области техники. Приложенные чертежи используются для описания и пояснения наглядных примеров настоящего изобретения. Используемые в описании слова и обороты следует понимать и интерпретировать в смысле, в котором эти слова и обороты понимают специалисты в соответствующей области техники. Подразумевается, что используемые в настоящем описании термины или обороты не имеют особого толкования, т.е. толкования, отличающегося от обычного и привычного значения в понимании специалистов в данной области техники. Если какой-либо термин или фраза имеет особый смысл, т.е. смысл, помимо того, в котором их понимают специалисты в данной области техники, такое особое толкование в прямой форме приведено в описании в виде определения, дающего прямое и недвусмысленное толкование такого термина или фразы.
Далее со ссылкой на соответствующие фигуры описан один из вариантов осуществления работы имеющей множество полос пропускания системы OFDMA, позволяющий повысить эффективность использования полосы пропускания за счет обработки методом окна без оказания значительного влияния на базовую физическую конструкцию фильтров приемника. Настоящее изобретение в целом применимо в системе OFDMА с полосой пропускания 10 МГц, 20 МГц или более. Тем не менее, для наглядности изобретение описано применительно к системе OFDMA с полосой пропускания около 20 МГц. Беспроводная система 100 поддерживает множество ТД 120, одновременно действующих по всей полосе пропускания. Эти ТД 120 могут относиться к различным классам и использовать, возможно, различные полосы пропускания. Например, ТД 120 высшего класса А может быть способен действовать в широкой полосе пропускания, например, 10 МГц или 20 МГц, а ТД 120 класса Б, представляющий собой недорогой терминал с низкой скоростью передачи данных и речи, может действовать только в узкой полосе частот, например, 1,25 МГц. Беспроводная система 100 обычно предоставляет ТД 120 различные частоты путем планирования. В описанном примерном варианте осуществления настоящего изобретения может применяться система дуплексной связи с частотным разделением каналов (FDD), в которой восходящий канал (ВК), используемый для передачи данных ТД 120 базовой станции 130, спарен с нисходящим каналом (НК) для передачи данных базовой станцией 130 ТД 120.
Для системы с полосой пропускания в 20 МГц базовая станция 130 применяет функцию обработки методом окна (~3,6% по времени) в нисходящем канале и небольшую защитную полосу (~2,5% по частоте). Как указано выше, внеполосное излучение (ООВЕ) такой системы обеспечивает размер защитной полосы частот согласно требованиям UMTS.
Как показано на фиг.5, полоса пропускания разделена на две категории: краевую полосу 505 и центральную полосу 510. Следует учесть, что существует две краевые полосы 505, расположенные с обоих концов полосы пропускания. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения каждая из краевых полос 505 имеет ширину, приблизительно соответствующую ширине наименьшей полосе пропускания, поддерживаемой ТД 120, например 1,25 МГц в описываемом примерном варианте осуществления. Хотя субгармонические частоты (или тональные сигналы) в центральной полосе 510 могут быть выделены для ТД 120 со всеми возможностями доступа, субкадры (или тональные сигналы) в краевой полосе 505 могут быть выделены только для ТД 120 с наименьшей возможностью доступа (например, для ТД 120, который способен действовать только в полосе 1,25 МГц). Деление проиллюстрировано далее.
Как показано на фиг.6, базовая станция 130 использует соответствующую обработку методом быстрого преобразования Фурье (БПФ), например, путем (1) прямого отображения 600 пользовательских данных в каждом тональном сигнале, (2) предварительного кодирования 605 до осуществления обратного быстрого преобразование Фурье (ОБПФ) или (3) раздельного мультиплексирования 610 методом ОБПФ. Такая операция мультиплексирования множества полос пропускания может быть преимущественно осуществлена в цифровой области полосы модулирующих частот с небольшими дополнительными расходами или без них.
При такой схеме базовая станция 130 может использовать всю полосу пропускания в 20 МГц за исключением двух небольших защитных полос (на которые приходится лишь ~6% всей полосы пропускания). Таким образом, базовая станция 130 имеет показатель эффективности использования спектра 94%.
Эта схема не предусматривает более жестких требований к фильтру приемника. Как показано на фиг.7, это объясняется тем, что узкополосным ТД 700 выделяют краевую полосу и применяют существенно более точно настроенный фильтр приемника для подавления помех, создаваемых соседними полосами. Другие части, включая R/аналоговые компоненты, также не затрагиваются.
В случае системы FDD для восходящего канала используют полосу, спаренную с нисходящим каналом с постоянным частотным разделением, частотным разделением, например, 80 МГц в UMTS. Обычно ТД 120 конструируют, исходя в целом из постоянного разделения, например, если его нисходящий канал использует частоту f, восходящий канал должен будет использовать частоту f+f_разделение. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения такой ТД 120 с разделением НК/ВК создает значительные трудности при конструировании приемника базовой станции 130. Это проиллюстрировано на фиг.8, на которой наглядно показано, что необходимый фильтр 800 приемника базовой станции охватывает всю полосу пропускания. Такое жесткое требование является чрезмерным даже для базовой станции 130, которая может допускать относительно высокие затраты и сложность.
В одном из альтернативных вариантов осуществления настоящего изобретения система 100 может динамически обеспечивать разделение частот НК/ВК на величину, кратную заданной единице полосы пропускания, например, для пользователя полосы пропускания 1,25 МГц частота ВК = частота НК+/-k* 1,25 МГц. Таким образом, пользователям может предоставляться восходящий канал, как это описано далее.
Такое гибкое требование разделения НК/ВК может влиять на конструкцию приемопередатчика базовой станции 130. На фиг.8 показано, что в случае фиксированного разделения НК/ВК фильтр 800 приемника базовой станции 130 имеет относительно резкий переход. С другой стороны, на фиг.9 показано, что в случае гибкого разделения НК/ВК фильтр 900 приемника имеет относительно плавный переход. Чем более резким является переход фильтра, тем выше расходы и длительнее задержка.
По существу, при предлагаемой схеме восходящий канал сохраняет такой же показатель эффективности использования спектра, как в стандартной системе с передачей на одной несущей. Иными словами, выигрыш в эффективности использования спектра получают в нисходящем канале. Это не имеет большого значения, поскольку предполагается, что нисходящий канал будет являться преобладающим каналом в системе, имеющей единое хранилище данных.
Таким образом, эта схема обеспечивает выигрыш в 16% (непроизводительные издержки 6% против 22%) по сравнению со стандартной системой CDMA с передачей на одной несущей с небольшими дополнительными расходами или без них. Даже в случае возможно более жесткого требования к фильтру системы OFDMA, предлагаемые согласно стандарту LTE, имеют непроизводительные издержки (14%) даже при полосе пропускания 20 МГц. Эта предлагаемая схема обеспечивает значительное преимущество с точки зрения эффективности использования спектра.
Для специалистов в данной области будет ясно, что различные уровни, стандартные программы или модули системы, проиллюстрированные в различных вариантах осуществления, могут представлять собой исполнительные блоки управления. Контроллеры могут иметь микропроцессор, микроконтроллер, цифровой процессор сигналов, процессорную карту (включая один или несколько микропроцессоров или контроллеров) или другие управляющие или вычислительные устройства. Упоминаемые в описании запоминающие устройства могут иметь один или несколько машиночитаемых носителей для хранения данных и команд.
Носители могут иметь память различных форм, включая полупроводниковые запоминающие устройства, такие как динамические или статические запоминающие устройства с произвольной выборкой (ДЗУПВ или СЗУПВ), стираемые программируемые постоянные запоминающие устройства (СППЗУ), электрически стираемые программируемые постоянные запоминающие устройства (ЭСППЗУ) и флэш-память; магнитные диски, такие как несъемные, гибкие, съемные диски; другие магнитные носители, включая магнитную ленту; и оптические носители, такие как компакт-диски (CD, от английского - compact disks) или цифровые видеодиски (DVD, от английского - digital video disks). В соответствующих запоминающих устройствах могут храниться команды, образующие различные слои, системные программы или модули программного обеспечения различных систем. При выполнении команд контроллерами соответствующая система осуществляет запрограммированные действия.
Раскрытые частные варианты осуществления являются лишь пояснительными, поскольку изобретение может быть усовершенствовано и реализовано на практике отличающимися, но эквивалентными способами, очевидными для специалистов в данной области техники, ознакомившихся с идеями настоящего изобретения. Кроме того, подразумевается, что подробности описанной в изобретении конструкции или замысла не ограничены чем-либо помимо следующей далее формулы изобретения. Следовательно, способ, система и части описанного способа и системы могут быть реализованы в различных объектах, таких как беспроводное устройство, базовая станция, контроллер базовой станции и(или) центр коммутации мобильной связи. Помимо этого, схемы обработки, необходимые для реализации и применения описанной системы, могут быть реализованы в специализированных интегральных микросхемах, программно-управляемых схемах обработки, аппаратно реализованном программном обеспечении, программируемых логических устройствах, аппаратном обеспечении, дискретных компонентах или структурах упомянутых компонентов, известных специалистам в данной области техники, ознакомившимся с настоящим описанием. В связи с этим очевидно, что раскрытые частные варианты осуществления могут быть изменены или усовершенствованы в пределах объема и сущности изобретения. Соответственно, испрашиваемая в изобретении охрана ограничена только следующей далее формулой изобретения.