CN101267414B - 一种正交频分多址下行通信系统及通信方法 - Google Patents

Abstract

一种正交频分多址下行通信系统及通信方法，其在发射端将要发送给各用户的通信信息进行较大点数的IFFT变换及数模转换等各项处理以得到宽带模拟正交频分复用信号，而在多个接收端将接收的射频信号进行各项处理以使各接收端得到各自对应的用户窄带离散信号，并对所述用户窄带离散信号进行包括模数转换、频谱搬移及滤波在内的各项处理后以得到各离散窄带基带信号，再对其进行较小点数的FFT变换以获得相应的通信信息，由此可以使宽带通信系统的无线资源灵巧地适配多用户的不同业务需求和终端处理能力，从而减小移动终端的实现复杂度和功耗。

Description

一种正交频分多址下行通信系统及通信方法

技术领域

本发明涉及一种正交频分多址下行通信系统及通信方法。 

背景技术

在无线通信系统中，尤其在宽带移动通信系统中，空中信号传输技术正成为研究的焦点。为使宽带移动通信系统获得较高的频谱效率，例如高达10bps/Hz的频谱效率，使其支持多种场景的通信需求及支持各种自适应控制技术，其信号传输技术必须具有比以往任何一种同类技术更好的性能，同时可维持能控制的实现复杂度。 

而目前的宽带移动通信的信号传输技术主要以码分多址(CDMA)为代表的单载波多址技术和以正交频分复用(OFDM)为代表的多载波多址技术。在宽带无线通信环境下，为补偿信道衰落的影响，基于CDMA的单载波传输系统的接收端均衡器日益复杂，从而限制了该项技术的应用。而以OFDM为代表的多载波多址系统，因其具有支持灵活的频域资源调度、简单的接收端均衡算法以及易于与多天线技术相结合等诸多优点，使其日益成为未来宽带无线通信系统的主要多址技术解决方案之一。 

在现有的传输系统如WiMAX，WiBro等中，下行链路移动终端发射机和基站接收机采用了对称结构，即发射机采用的傅立叶逆变换(IFFT)的点数和接收机采用的傅立叶变换(FFT)点数相同。而在未来宽带移动通信系统中，随着系统运行带宽越来越宽以及多速率、多媒体业务的发展，下行链路单用户占用带宽将会与系统带宽越来越不对称。此时，若采用现有的系统传输方案，对于只支持低速率业务的终端，其为解调承载低速率业务的OFDM符号，也必须支持和进行较大点数的FFT变换，这样，其实现复杂度和成本难以控制。 

因此，如何解决现有OFDM技术中存在的问题实已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种正交频分多址下行通信系统及通信方法，以使宽带通信系统的无线资源灵巧地适配多用户的不同业务需求和终端处理能力，进而减小移动终端的实现复杂度和功耗。 

为了达到上述目的及其他目的，本发明提供一种正交频分多址下行通信系统及通信方法， 其中，所述灵巧的正交频分多址下行通信系统包括：发射端，其用于将要发送给各用户的通信信息进行各项处理以获得宽带模拟正交频分复用基带信号，并根据预设载频对所述宽带模拟正交频分复用基带信号进行频率变换以得到射频信号，并将所述射频信号以及所述要发送给各用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号中的子载波分配信息予以发射，其中，对要发射给各用户的信息进行的各项处理包括子载波映射处理、预设第一点数的傅立叶逆变换及按照预设第一采样间隔进行数模转换；以及多个接收端，其用于接收所述发射端所发射至的射频信号及各用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号中的子载波分配信息，并对接收的射频信号进行各项处理以使各接收端得到各自对应的用户窄带离散基带信号，并对所述用户窄带离散基带信号进行各自预设第二点数的傅立叶变换后再根据所述子载波分配信息提取相应的各用户通信信息，其中，对所述接收的射频信号进行的各项处理包括各接收端根据接收的各用户的信息在宽带模拟正交频分复用信号中的子载波分配信息、预设处理带宽和预设载频进行频率变换、滤波及模数转换。 

所述发射端包括：用于将经过调制的所述要发送给各用户的通信信息映射至各相应的子载波上的子载波映射模块、用于对所述各子载波进行所述第一点数的傅立叶逆变换的傅立叶逆变换模块、用于根据预设的规则添加前缀于经过傅立叶逆变换的信号的循环前缀添加模块、用于将所述循环前缀添加模块输出的信号以所述第一采样间隔进行数模转换以获得宽带模拟正交频分复用基带信号的数模转换模块、用于将所述宽带模拟正交频分复用基带信号以预设载频进行频率变换以得到射频信号的上变频模块，所述多个接收端中的任意一个接收端包括：用于根据预设载频及接收到的相应用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号中的子载波分配信息对接收的所述射频信号进行相应的频率变换以得到相应有频偏的第一宽带模拟基带信号的第一下变频模块、用于根据预设的相应用户的处理带宽将所述有频偏的第一宽带模拟基带信号进行模拟低通滤波以得到对应的用户窄带模拟基带信号的第一低通滤波模块、用于根据预设的相应用户的处理带宽对所述用户窄带模拟基带信号以第二采样间隔进行模数转换以获得所述用户窄带离散基带信号的第一模数转换模块、用于根据预设的规则去除所述用户窄带离散基带信号的前缀的第一前缀去除模块、用于将去除前缀的用户窄带离散基带信号进行第二点数的傅立叶变换的第一傅立叶变换模块、用于根据接收的子载波分配信息从所述第一傅立叶变换模块输出的信号中获得各用户占用子载波上的信号的第一子载波解映射模块、用于将所述第一子载波解映射模块输出的信号进行频域均衡处理的第一信道均衡模块，此外，所述多个接收端中的任意一个接收端还可包括：用于根据预设载频对接收的所述射频信号进行相应的频率变换以得到第二宽带模拟基带信号的第二下变频模块、用于根据预设的 相应用户的处理带宽以第一采样间隔对所述第二宽带模拟基带信号进行模数转换以得到第一宽带离散基带信号的第二模数转换模块、用于根据接收到的相应用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用信号中的子载波分配信息对所述第一宽带离散基带信号进行相应的频谱搬移以获得有频偏的第二宽带离散基带信号的频谱搬移模块、用于根据预设的相应用户的处理带宽对所述有频偏的第二宽带离散基带信号进行相应的滤波以获得相应用户过采样的窄带离散基带信号的第二低通滤波模块、用于根据预设的宽带模拟正交频分复用基带信号的带宽及预设的相应用户的处理带宽对所述用户过采样的窄带离散基带信号进行相应的下采样以获得临界采样的用户窄带离散基带信号的下采样模块、用于根据预设的规则去除所述用户窄带离散基带信号的前缀的第二前缀去除模块、用于根据预设的相应用户的处理带宽将去除前缀的用户窄带离散基带信号进行第二点数的傅立叶变换的第二傅立叶变换模块、用于根据接收的子载波映射规则信息，从所述第二傅立叶变换模块输出的信号中获得各用户占用子载波上的信号的第二子载波解映射模块、用于将所述第二子载波解映射模块输出的信号进行频域均衡处理的第二信道均衡模块，其中，所述多个接收端各自采用的傅立叶变换的第二点数分别小于或等于所述发射端采用的傅立叶逆变换的第一点数，当所述多个接收端各自采用的傅立叶变换的第二点数分别为N₁，N₂…N_n，各自采用的第二采样间隔分别为T₁，T₂…T_n，所述发射端采用的傅立叶逆变换的第一点数为N，其采用的第一采样间隔为T，则满足条件：N_kT_k＝NT，k＝1，2…n，n为下行接收端数目，所述子载波分配信息包括各用户的频偏位置信息和子载波映射规则。 

所述正交频分多址下行通信方法包括步骤：1)将要发送给各用户的通信信息于预处理后进行相应子载波映射处理；2)将经过子载波映射处理的通信信息进行预设第一点数的傅立叶逆变换；3)根据预设规则添加前缀于经过所述傅立叶逆变换的所述要发送给各用户的通信信息；4)将已添加前缀的信息以预设的第一采样间隔进行数模转换以形成宽带模拟正交频分复用基带信号；5)根据预设载频对所述宽带模拟正交频分复用基带信号进行变频处理以获得射频信号；6)发送所述射频信号及所述要发送给各用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号中的子载波分配信息；7)接收所发送至的射频信号及所述要发送给各用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号中的子载波分配信息，并根据所述子载波分配信息、预设的各用户处理带宽及所述预设载频将所述射频信号转换为各用户窄带离散基带信号；8)根据预设规则去除所述各用户窄带离散基带信号的前缀；9)将去除前缀的各用户窄带离散信号根据预设的各用户的处理带宽进行相应的各预设第二点数的傅立叶变换；10)根据所述子载波 分配信息自经过傅立叶变换的信号中提取各用户的通信信号，并将所述通信信号进行均衡处理以获取相应的各用户通信信息。 

其中，所述预处理包括信道编码及数字调制，所述第二点数小于或等于所述第一点数，所述步骤7)还包括步骤：(1)根据所述子载波分配信息及预设载频将所述射频信号转换为各有频偏的第一宽带模拟基带信号；(2)根据预设的各用户的处理带宽将所述有频偏的宽带模拟基带信号经过模拟低通滤波以得到用户窄带模拟基带信号；(3)根据预设的各用户的处理带宽以各自预设的第二采样间隔分别对所述用户窄带模拟基带信号进行模数转换以得到对应的各用户窄带离散基带信号，且各自所述第二点数与对应的第二采样间隔的乘积等于所述第一点数与所述第一采样间隔的乘积，此外，所述步骤7)还可包括步骤：(1)根据预设载频将所述射频信号转换为第二宽带模拟基带信号，所述第二宽带模拟基带信号的中心频率为零；(2)根据预设的宽带模拟正交频分复用基带信号带宽以第一采样间隔对所述第二宽带模拟基带信号进行模数转换以得到第一宽带离散基带信号；(3)根据接收到的各用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号中的子载波分配信息对所述第一宽带离散基带信号进行相应的频谱搬移以获得各有频偏的第二宽带离散基带信号；(4)根据预设的各用户的处理带宽对所述有频偏的第二宽带离散基带信号进行相应的数字低通滤波以获得过采样的窄带离散基带信号；5)根据预设的宽带模拟正交频分复用基带信号的带宽及各用户的处理带宽对所述各过采样的窄带离散基带信号进行相应的下采样以获得各临界采样的用户窄带离散基带信号，所述第一点数与所述第一采样间隔的乘积等于所述第二点数与所述第二采样间隔的乘积，所述子载波分配信息包括各用户的频偏位置信息和子载波映射规则。 

综上所述，本发明正交频分多址下行通信系统及通信方法由于接收端的FFT变换点数(子载波数)可以小于或等于发射端的IFFT变换点数(子载波数)，因此本发明可以使宽带通信系统的无线资源灵巧地适配多用户的不同业务需求和终端处理能力，从而减小移动终端的实现复杂度和功耗。 

附图说明

图1为本发明的灵巧的正交频分多址下行通信系统的基本架构示意图。 

具体实施方式

请参阅图1，本发明的灵巧的正交频分多址下行通信系统至少包括：发射端和多个接收端， 为简化图示，图1中仅图示了两个接收端，即第一接收端和第二接收端，然并非以本图示为限。 

所述发射端用于将要发送给各用户的通信信息进行各项处理以获得宽带模拟正交频分复用基带信号，并根据预设载频对所述宽带模拟正交频分复用基带信号进行频率变换以得到射频信号，并将所述射频信号以及所述要发送给各用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号中的子载波分配信息予以发射，其中，对要发射给各用户的信息进行的各项处理包括子载波映射处理、预设第一点数的傅立叶逆变换及按照预设第一采样间隔进行数模转换，所述子载波分配信息包括各用户的频偏位置信息和子载波映射规则。 

所述发射端主要包括：一个信道编码模块、一个调制模块、一个子载波映射模块、一个傅立叶逆变换模块、一个循环前缀添加模块、一个数模转换模块、一个上变频模块以及一个发射模块。 

所述信道编码模块用于对要发送给各用户的原始比特信息进行编码，其编码方式已为本领域技术人员所知悉，在此不再予以赘述。 

所述调制模块用于对要发送给各用户的经过编码的比特信息进行数字调制，其调制方式已为本领域技术人员所知悉，在此不再予以赘述。 

所述子载波映射模块用于将经过调制的所述要发送给各用户的信息符号按特定映射规则映射至各相应的子载波上传输，由于没有占用的子载波传输零，设经过调制的各信息符号为  $\{{\tilde{a}}_k\left(m\right),m=\mathrm{0,1},...,N_k-1\}$ ，其经过子载波映射后输出为并行符号数据块{a_k(m)，m＝0，1，...，N-1}，假设经过子载波映射后，调制的N_k个信息符号占用的OFDM符号子载波序号集为Ω，并且该组N_k个子载波的在OFDM符号所有子载波中的频率偏移量为ε_k个子载波，需注意的是，所述特定映射规则为本领域人员所知悉，在此不再赘述。 

所述傅立叶逆变换模块用于对所述各子载波进行所述第一点数的傅立叶逆变换，例如，对并行符号数据块{a_k(m)，m＝0，1，...，N-1}进行N点IFFT变换后形成相应的数据块序列{b_k(m)，m＝0，1，...，N-1}，相互之间的关系服从  $b_k\left(n\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\left(m\right)\exp (j2\mathrm{\πmn}/N),$ 这里，{b_k}也表示一个元素数量，其为IFFT变换大小N一样的列向量。 

所述循环前缀添加模块用于根据预设的规则添加前缀于经过傅立叶逆变换的信号，通常在IFFT变换输出的并行数据块的头部添加一个特定长度的保护间隔，用于减少信道间干扰(优 选地，该保护间隔的长度应大于信道最大时延扩展长度)。例如，将所述IFFT变换输出的数据块尾部的一部分复制到其的前端，形成最终的带循环前缀的数据块符号，即将数据序列{b_k(n)，n＝0，1，...，N-1}变换成完整的OFDM符号数据序列{c_k(n)，n＝-C，...，-1，0，1，...，N-1}，其中，C为循环前缀长度，显然，  $c_k\left(n\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\left(m\right)\exp (j2\mathrm{\πmn}/N),$ n＝-C，...，-1，0，1，...，N-1。 

所述数模(D/A)转换模块用于将所述循环前缀添加模块输出的信号以所述第一采样间隔进行数模转换以获得模拟信号，即将离散的数据序列{c_k(n)，n＝-C，...，-1，0，1，...，N_k-1}以第一采样间隔T进行数模转换得到连续的OFDM符号波形s_k(t)，并且  $s_k\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{NT}}}\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\left(m\right)\exp \left(j2\mathrm{\πm\ΔFt}\right),$ t＝[-CT，NT)，ΔF为基站发射的OFDM符号子载波间隔。 

所述上变频模块用于将所述模拟信号以预设载频进行频率变换以得到射频信号，即将模拟信号s_k(t)变换成射频信号  ${\tilde{s}}_k\left(t\right)=R_e\left[s_k\left(t\right)\exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_{c}t\right)\right],$ 其中R_e[·]表示取实部，f_c为所述发射端发射信号的载波频率。 

所述发射模块用于发送所述射频信号以及所述要发送给各用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号中的子载波分配信息(此处假设频偏位置为ε_k个子载波)。此处假设第k个用户的处理带宽的为N_k个子载波的占用带宽，根据子载波映射规则的不同，处理带宽可以大于占用带宽。 

所述多个接收端，分别用于接收所述发射端所发送至的射频信号及各用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号中的子载波分配信息(其包括各用户的频偏位置信息和子载波映射规则)，并对接收的射频信号进行各项处理以使各接收端得到各自对应的用户窄带离散基带信号，再对所述用户窄带离散基带信号进行各自预设第二点数的傅立叶变换后，接着根据所述子载波分配信息提取相应的各用户通信信号，最后通过信道均衡后，获得相应的各用户通信信息，对所述接收的射频信号进行的各项处理包括各接收端根据接收的各用户的信息在宽带模拟正交频分复用信号中的子载波分配信息、预设的处理带宽和预设载频进行频率变换、滤波及模数转换等。需注意的是，所述多个接收端各自采用的傅立叶变换的第二点数分别小于或等于所述发射端采用的傅立叶逆变换的第一点数，若所述多个接收端各自采用的傅立叶变换的第二点数分别为N₁，N₂...N_n，各自采用的第二采样间隔分别为T₁，T₂...T_n，所述 发射端采用的傅立叶逆变换的第一点数为N，其采用的第一采样间隔为T，则满足条件：N_kT_k＝NTK＝1，2...n 

若所述多个接收端均采用所述第一接收端的结构，则每一接收端至少包括：一个第一接收模块、一个第一下变频模块、一个第一低通滤波模块、一个第一模数转换模块、一个第一前缀去除模块、一个第一傅立叶变换模块、一个第一子载波解映射模块以及一个第一信道均衡模块。 

所述第一接收模块用于接收发送至的射频信号通常通过天线进行信息接收，所述各用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号中的频偏位置信息和子载波映射规则信息可在系统中按最小配置用户的接收能力设计特定的信令信道予以传输和接收，此项技术已为本领域技术人员所知悉，在此不再赘述。 

所述第一下变频模块用于根据预设载频及接收到的相应用户的信息在宽带模拟正交频分复用基带信号中的频偏位置信息对接收的所述射频信号进行相应的频率变换以得到相应有频偏的第一宽带模拟基带信号，其中，所述有频偏的第一宽带模拟基带信号的中心频率为对应用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号中的频偏的负值，设所述载频为f_c，其与所述发射端的载频相同，所述用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号中的频偏位置信息通常以载波偏移量来表示，例如第k个接收端特定的载波偏移量设为Δf_k，其为接收端OFDM调制子载波间隔的整数倍，即Δf_k＝ε_kΔF，所述下变频模块将接收的射频信号

移频-(f_c+Δf_k)，使其变换为有频偏的第一宽带模拟基带信号r_k(t)，若假定第k个接收端所接收的信号为经过准静态多径信道传送至的信号，因此信号在该信道传输的时间范围内，该信道的等效基带冲击响应可以表示为  $h_k\left(t\right)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{\τ}}_l){\mathrm{\α}}_l,$ n＝0，…，τ_max-1，其中L为信道路径总数，α_l为第l条路径的复衰减因子，τ_l为第l条路径的时延扩展，τ_max为所有路径的最大时延扩展，为分析简便，若进一步假设接收端理想同步，并且省略噪声项，则第k个用户有频偏的第一宽带模拟基带信号r_k(t)可以表示为 

$r_k\left(t\right)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k(t-{\mathrm{\τ}}_l){\mathrm{\α}}_l\exp (-j2\mathrm{\π\Δ}{f}_{k}t)$

$=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{NT}}}\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\left(m\right){\mathrm{\α}}_l\exp \left(j2\mathrm{\πm\ΔF}(t-{\mathrm{\τ}}_l)\right)\exp (-j2\mathrm{\π\Δ}{f}_{k}t).$

所述第一低通滤波模块用于根据预设的相应用户的处理带宽将所述有频偏的第一宽带模拟基带信号进行模拟低通滤波以得到对应的用户窄带模拟基带信号，对第k个用户有频偏的第一宽带模拟基带信号r_k(t)进行低通滤波可滤除接收信号的带外干扰信号，假设低通滤波可以完全滤除带外信号，则第k个用户窄带模拟基带信号可表示为： 

$\stackrel{\‾}{r_k}\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{NT}}}\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m\∈\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\Σ}}{a}_k\left(m\right){\mathrm{\α}}_l\exp \left(j2\mathrm{\πm\ΔF}(t-{\mathrm{\τ}}_l)\right)\exp (-j2\mathrm{\π\Δ}{f}_{k}t),$ Ω为包含有用信号的子载波集。 

所述第一模数(A/D)转换模块用于根据预设的相应用户的处理带宽对所述用户窄带模拟基带信号以第二采样间隔进行模数转换以获得所述用户窄带离散基带信号，对第k个用户窄带模拟基带信号以第二采样间隔Tk进行采样，若设定经过A/D转换用户窄带模拟基带信号

变换为离散的基带信号{d_k(n)}，则在nT_k时刻的采样值可以表示为： 

$d_k\left(n{T}_k\right)=\frac{1}{\sqrt{N_k{T}_k}}\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m\∈\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\Σ}}{a}_k\left(m\right){\mathrm{\α}}_l\exp \left(j2\mathrm{\πm\ΔF}(n{T}_k-{\mathrm{\τ}}_l)\right)\exp (-j2\mathrm{\π\Δ}{f}_{k}n{T}_k),$ 相应的，A/D转换输出的第k个用户窄带离散基带信号可以表示为： 

$d_k\left(n\right)=\frac{1}{\sqrt{N_k}}\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m\∈\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\Σ}}{a}_k\left(m\right){\mathrm{\α}}_l\exp (j2\mathrm{\πm}(n-{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_l)/N_k)\exp (-j2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_{k}n{/N}_k),$ 其中

为采样间隔T_k归一化的第l条路径的时延扩展，ε_k为接收端OFDM解调子载波间隔归一化的第k个移动终端特定的载波偏移量，即ε_k＝Δf_k/ΔF，并且ε_k为整数。 

所述第一前缀去除模块用于根据预设的规则去除所述用户窄带离散基带信号的前缀，例如，将A/D转换输出的第k个用户窄带离散信号序列{d_k(n)}中的前C个采样值舍去，取其后的N个采样值形成长度为N_k的并行数据序列{e_k(n)，n＝0，1，2，...，N_k-1}，并且e_k(n)＝d_k(n+C+1)，n＝0，1，2，...，N_k-1。 

所述第一傅立叶变换模块用于将去除前缀的用户窄带离散基带信号进行第二点数的傅立叶变换，即对并行数据序列{e_k(n)，n＝0，1，2，...，N_k-1}进行Nk点FFT变换，经过FFT变换，并行的数据序列变换成相应的并行数据序列{g_k(m)，m＝0，1，2，...，N_k-1}，相互之间的关系服从 $g_k\left(m\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{n=0}{\overset{N_k-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}_k\left(n\right)\exp (-j2\mathrm{\πmn}/N_k).$

事实上， 

$g_k\left(m\right)=\frac{1}{N}\underset{m\′\∈\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\Σ}}{H}_k(m\′)a_k(m\′)\underset{n=0}{\overset{N_k-1}{\mathrm{\Σ}}}\exp (j2\mathrm{\π}(m\′-m-{\mathrm{\ϵ}}_k)n/N_k)$

$=H_k(m+{\mathrm{\ϵ}}_k)a_k(m+{\mathrm{\ϵ}}_k),$

0≤m≤N_k-1，m+ε_k∈Ω 

其中，  $H_k(m\′)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_l\exp (-j2\mathrm{\πm}\′{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_l/N_k),$ 为第k个接收端第m′个子载波上的信道频率响应。需要注意的是，为保证各接收端解调OFDM符号的子载波带宽与发射的OFDM符号的子载波带宽相同，各接收端接收的OFDM符号有效部分(不包括循环前缀)的持续时间必须与基站发射的OFDM符号的有效部分的持续时间相同，亦即N_kT_k＝NT，其中，T_k为第k个接收端的A/D转换模块采用的第二采样间隔，N_k为第k个接收端的FFT变换模块中FFT变换的第二点数，N为发射端IFFT变换模块中IFFT变换的第一点数，T为发射端D/A转换模块中D/A转换的第一采样间隔。 

所述第一子载波解映射模块用于根据接收子载波分配信息自经过傅立叶变换的信号中提取各用户在相应子载波上的通信信号，由傅立叶变换的输出信号g_k(m)＝H_k(m+ε_k)a_k(m+ε_k)，0≤m≤N_k-1，m+ε_k∈Ω可见，子载波解映射输出的第m个通信信号为发送的信号在第m+ε_k个子载波上传输的数据符号。 

所述第一信道均衡模块用于将所述子载波解映射输出的相应子载波上传输的通信信号进行频域均衡处理，对于迫零(ZF)均衡，并采用理想信道估计，设定输出的信号矢量为{y_k(m)}，则 

y_k(m)＝g_k(m)/H_k(m+ε_k)，m＝0，...，N_k-1，m+ε_k∈Ω，其中H_k(m+ε_k)为第k个用户在第m+ε_k个子载波上的信道频率响应。 

若所述多个接收端均采用所述第二接收端的结构，则每一接收端至少包括：第二接收模块、第二下变频模块、第二模数转换模块、频谱搬移模块、第二低通滤波模块、下采样模块、第二前缀去除模块、第二傅立叶变换模块、第二子载波解映射模块以及第二信道均衡模块。 

所述第二接收模块用于接收发送至的通信信息，所述第二下变频模块用于根据预设载频 对接收的所述射频信号进行相应的频率变换以得到第二宽带模拟基带信号，其中，所述第二宽带模拟基带信号的中心频率为0，所述第二模数转换模块用于根据预设的各用户的处理带宽以第一采样间隔对所述第二宽带模拟基带信号进行模数转换以得到第一宽带离散基带信号，所述频谱搬移模块用于根据接收到的相应用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号的频偏位置信息对所述第一宽带离散基带信号进行相应的频谱搬移以获得相应有频偏的第二宽带离散基带信号，其中，所述有频偏的第二宽带离散基带信号的中心频率为对应用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号中的频偏的负值，所述第二低通滤波模块用于根据预设的相应用户的处理带宽对所述有频偏的第二宽带离散基带信号进行相应的低通滤波以获得过采样的窄带离散基带信号，所述下采用模块用于根据预设的宽带模拟正交频分复用基带信号的带宽及相应用户的处理带宽对所述过采样的窄带离散基带信号进行相应的下采样以获得临界采样的用户窄带离散基带信号，所述第二前缀去除模块用于根据预设的规则去除所述用户窄带离散基带信号的前缀，所述第二傅立叶变换模块用于根据预设的相应用户的处理带宽将去除前缀的用户窄带离散基带信号进行第二点数的傅立叶变换，所述第二载波解映射模块用于自经过傅立叶变换的信号中提取各用户在相应子载波上的通信信号，所述第二信道均衡模块用于将所述子载波解映射输出的通信信号进行频域均衡处理，其中，所述第一点数与所述第一采样间隔的乘积等于所述第二点数与所述第二采样间隔的乘积，由上述可知，第二接收端的结构与第一接收端的结构不同仅在于其在离散域完成射频信号的频谱搬移和低通滤波，故在此不再对其各模块的内部结构进行详细叙述。 

此外，所述多个接收端也可采用不同的结构，例如，一部分接收端采用第一接收端的结构，另一部分接收端采用第二接收端的结构，在此不再赘述。 

本发明的灵巧的正交频分多址下行通信方法主要包括以下步骤： 

1)将要发送给各用户的通信信息于预处理后进行相应子载波映射。 

2)将经过子载波映射的通信信息进行预设第一点数的傅立叶逆变换，其中，所述预处理包括对通信信号的信道编码及数字调制等，本领域的技术人员也可根据实际需要对通信信号进行不同的预处理，设经过调制的各信息为并行符号数据块{a_k(m)，m＝0，1，...，N-1}，其进行N点IFFT变换后形成相应的数据块序列{b_k(m)，m＝0，1，...，N-1}，相互之间的关系服从： 

$b_k\left(n\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\left(m\right)\exp (j2\mathrm{\πmn}/N)\{{\tilde{a}}_k\left(m\right),m=\mathrm{0,1},...,N_k-1\}.$

3)根据预设规则添加前缀于经过所述傅立叶逆变换的所述要发送给各用户的通信信息，通常是将经过傅立叶逆变换后所得到的信号的尾部一定长度的符号复制至其前端形成循环前缀，例如对将所述IFFT变换输出的数据块尾部的一部分复制到其的前端，形成最终的带循环前缀的数据块符号，即将数据序列{b_k(n)，n＝0，1，...，N-1}变换成完整的OFDM符号数据序列{c_k(n)，n＝-C，...，-1，0，1，...，N-1}，其中，C为循环前缀长度，显然，  $c_k\left(n\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\left(m\right)\exp (j2\mathrm{\πmn}/N),$ n＝-C，...，-1，0，1，...，N-1。 

4)将已添加前缀的信息以预设的第一采样间隔进行数模转换以形成宽带模拟正交频分复用基带信号，例如将离散的数据序列{c_k(n)，n＝-C，...，-1，0，1，...，N_k-1}以第一采样间隔T进行数模转换得到连续的OFDM符号波形s_k(t)，则： 

$s_k\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{NT}}}\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\left(m\right)\exp \left(j2\mathrm{\πm\ΔFt}\right),$ t＝[-CT，NT)，ΔF为基站发射的OFDM符号子载波间隔。 

5)根据预设载频对所述宽带模拟正交频分复用基带信号进行变频处理以获得射频信号，在本实施例中，预设载频为f_c，即将模拟信号s_k(t)变换成射频信号  ${\tilde{s}}_k\left(t\right)=R_e\left[s_k\left(t\right)\exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_{c}t\right)\right],$ 其中R_e[·]表示取实部，f_c为所述发射端发射信号的载波频率。 

6)发送所述射频信号及所述要发送给各用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号中的子载波分配信息，其中，所述子载波分配信息包括各用户的频偏位置信息和子载波映射规则信息。 

7)接收所发送至的射频信号及所述要发送给各用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号中的子载波分配信息(即各用户的频偏位置信息和子载波映射规则信息)，并根据所述各用户频偏位置信息和处理带宽及所述预设载频将所述射频信号转换为各用户窄带离散基带信号，若在模拟域对所述射频信号进行频率变换处理，则所述步骤7)进一步还包括步骤： 

(1)根据所述各用户频偏位置信息及预设载频将所述射频信号转换为各有频偏的第一宽带模拟基带信号，其中，所述各有频偏的第一宽带模拟基带信号的中心频率为对 应用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号中的频偏的负值，例如，对于第K个接收端，其对接收的射频信号

移频-(f_c+Δf_k)，使其变换为有频偏的宽带模拟基带信号r_k(t)，在理想同步状态并且省略噪声项的情形下，第k个有频偏的宽带模拟基带信号r_k(t)可以表示为 

$r_k\left(t\right)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k(t-{\mathrm{\τ}}_l){\mathrm{\α}}_l\exp (-j2\mathrm{\π\Δ}{f}_{k}t)$

$=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{NT}}}\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\left(m\right){\mathrm{\α}}_l\exp \left(j2\mathrm{\πm\ΔF}(t-{\mathrm{\τ}}_l)\right)\exp (-j2\mathrm{\π\Δ}{f}_{k}t).$

(2)根据预设的各用户的处理带宽分别将所述各有频偏的第一宽带模拟基带信号经过模拟低通滤波以得到对应的各用户窄带模拟基带信号，例如，对第k个有频偏的第一宽带模拟基带信号r_k(t)进行低通滤波可滤除接收信号的带外干扰信号，假设低通滤波可以完全滤除带外信号，则第K个用户窄带模拟基带信号可表示为： 

$\stackrel{\‾}{r_k}\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{NT}}}\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m\∈\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\Σ}}{a}_k\left(m\right){\mathrm{\α}}_l\exp \left(j2\mathrm{\πm\ΔF}(t-{\mathrm{\τ}}_l)\right)\exp (-j2\mathrm{\π\Δ}{f}_{k}t),$ Ω为包含有用信号的子载波集。 

(3)根据预设的各用户的处理带宽以预设的第二采样间隔对所述各用户窄带模拟基带信号进行模数转换以得到用户窄带离散基带信号，例如模拟基带信号r_k(t)进行A/D转换后输出的第k个用户窄带离散信号可以表示为： 

$d_k\left(n\right)=\frac{1}{\sqrt{N_k}}\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m\∈\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\Σ}}{a}_k\left(m\right){\mathrm{\α}}_l\exp (j2\mathrm{\πm}(n-{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_l)/N_k)\exp (-j2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_{k}n{/N}_k),$ 其中

为采样间隔T_k归一化的第l条路径的时延扩展，ε_k为接收端OFDM解调子载波间隔归一化的第k个移动终端特定的载波偏移量，即ε_k＝Δf_k/ΔF，并且ε_k为整数。 

而若在离散域对所述射频信号进行频谱搬移，则所述步骤7)包括步骤： 

(1)根据预设载频将所述射频信号转换为第二宽带模拟基带信号，所述第二宽带模拟基带信号的中心频率为零； 

(2)根据预设的宽带模拟正交频分复用基带信号带宽以第一采样间隔对所述第二宽带模拟基带信号进行模数转换以得到第一宽带离散基带信号；

(3)根据接收到的各用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号中的频偏位置信息对所述第一宽带离散基带信号进行相应的频谱搬移以获得有频偏的第二宽带离散基带信号，所述有频偏的第二宽带离散基带信号的中心频率为各用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号中的频偏的负值； 

(4)根据预设的各用户的处理带宽对所述有频偏的第二宽带离散基带信号进行相应的数字低通滤波以获得过采样的窄带离散基带信号； 

(5)根据预设的宽带模拟正交频分复用基带信号的带宽及各用户的处理带宽对所述用户过采样的窄带离散基带信号进行相应的下采样以获得临界采样的用户窄带离散基带信号。 

8)根据预设规则去除所述各用户窄带离散基带信号的前缀，通常将所述各用户窄带离散基带信号的循环前缀去除，例如将第k个用户窄带离散信号序列{d_k(n)}中的前C个采样值舍去，取其后的N个采样值形成长度为N_k的并行数据序列{e_k(n)，n＝0，1，2，...，N_k-1}，则e_k(n)＝d_k(n+C+1)，n＝0，1，2，...，N_k-1 

9)将去除前缀的各用户窄带离散基带信号根据预设的各用户的处理带宽进行相应的各预设第二点数的傅立叶变换以获取相应的通信信息，当然为获得相应的通信信息，还需要对经过傅立叶变换的信号进行频域均衡处理等，此为本领域技术人员所知悉的技术，在此不再予以详述，例如，对并行数据序列{e_k(n)，n＝0，1，2，...，N_k-1}进行Nk点FFT变换得到相应的并行数据序列{g_k(m)，m＝0，1，2，...，N_k-1}，则： 

$g_k\left(m\right)=\frac{1}{N}\underset{m\′\∈\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\Σ}}{H}_k(m\′)a_k(m\′)\underset{n=0}{\overset{N_k-1}{\mathrm{\Σ}}}\exp (j2\mathrm{\π}(m\′-m-{\mathrm{\ϵ}}_k)n/N_k)$

$=H_k(m+{\mathrm{\ϵ}}_k)a_k(m+{\mathrm{\ϵ}}_k),$

0≤m≤N_k-1，m+ε_k∈Ω 

其中，  $H_k(m\′)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_l\exp (-j2\mathrm{\πm}\′{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_l/N_k),$ 为第k个接收端第m′个子载波上的信道频率响应。 

10)根据接收子载波分配信息自经过傅立叶变换的信号中提取各用户在相应子载波上的通信信号。 

11)将所述子载波解映射输出的相应子载波上传输的通信信号进行频域均衡处理。 唯需注意的是，为保证各接收端解调OFDM符号的子载波带宽与发射的OFDM符号的子载波带宽相同，各接收端接收的OFDM符号有效部分(不包括循环前缀)的持续时间必须与基站发射的OFDM符号的有效部分的持续时间相同，亦即N_kT_k＝NT，其中，T_k为第k个接收端的A/D转换模块采用的第二采样间隔，N_k为第k个接收端的FFT变换模块中FFT变换的第二点数，N为发射端IFFT变换模块中IFFT变换的第一点数，T为发射端D/A转换模块中D/A转换的第一采样间隔，由此可见所述灵巧的正交频分多址下行通信方法中的傅立叶变换的第二点数小于或等于傅立叶逆变换的第一点数。 

综上所述，本发明的灵巧的正交频分多址下行通信系统及通信方法通过在发射端采用较高的采样频率和较大点数的IFFT变换，形成宽带OFDMA信号，而在各接收端则通过频率变换及滤波以得到各用户窄带基带信号，并采用较小点数的FFT变换解调出各用户的信息符号，可以使宽带通信系统的无线资源灵巧地适配多用户的不同业务需求和终端处理能力，进而减小移动终端的实现复杂度和功耗。

Claims (14)

1.一种正交频分多址下行通信系统，其特征在于包括：

发射端，用于将要发送给各用户的通信信息进行各项处理以获得宽带模拟正交频分复用基带信号，并根据预设载频对所述宽带模拟正交频分复用基带信号进行频率变换以得到射频信号，再将所述射频信号以及所述要发送给各用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号中的子载波分配信息予以发射，其中，对要发射给各用户的信息进行的各项处理包括子载波映射处理、预设第一点数的傅立叶逆变换及按照预设第一采样间隔进行数模转换；

多个接收端，分别用于接收所述射频信号及各用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号中的子载波分配信息，并对接收的射频信号进行各项处理以使各接收端得到各自对应的用户窄带离散基带信号，并对所述用户窄带离散基带信号进行以各自预设第二点数的傅立叶变换后再根据所述子载波分配信息提取相应的各用户通信信息，其中，对所述接收的射频信号进行的各项处理包括各接收端根据接收的各用户的信息在宽带模拟正交频分复用信号中的子载波分配信息、预设的处理带宽和预设载频进行频率变换、滤波及模数转换。

2.如权利要求1所述的正交频分多址下行通信系统，其特征在于：所述多个接收端各自采用的傅立叶变换的第二点数小于或等于所述发射端采用的傅立叶逆变换的第一点数。

3.如权利要求1所述的正交频分多址下行通信系统，其特征在于：所述多个接收端各自采用的傅立叶变换的第二点数分别为N₁，N₂...N_n，各自进行模数转换所采用的预设的第二采样间隔分别为T₁，T₂...T_n，所述发射端采用的傅立叶逆变换的第一点数为N，其采用的第一采样间隔为T，则满足条件：N_kT_k＝NT，k＝1，2...n，n为下行接收端数目。

4.如权利要求1所述的正交频分多址下行通信系统，其特征在于所述发射端包括：

子载波映射模块，用于将经过调制的所述要发送给各用户的通信信息映射至各相应的子载波上；

傅立叶逆变换模块，用于对所述各子载波进行所述第一点数的傅立叶逆变换；

循环前缀添加模块，用于根据预设的规则添加前缀于经过傅立叶逆变换的信号；

数模转换模块，用于将所述循环前缀添加模块输出的信号以所述第一采样间隔进行数模转换以获得宽带模拟正交频分复用基带信号；

上变频模块，用于将所述宽带模拟正交频分复用基带信号以预设载频进行频率变换以得到射频信号。

5.如权利要求1所述的正交频分多址下行通信系统，其特征在于所述多个接收端的任意一个接收端包括：

第一下变频模块，用于根据预设载频及接收到的相应用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号中的子载波分配信息对接收的所述射频信号进行相应的频率变换以得到有频偏的第一宽带模拟基带信号；

第一低通滤波模块，用于根据预设的相应用户的处理带宽将所述有频偏的第一宽带模拟基带信号进行模拟低通滤波以得到对应的用户窄带模拟基带信号；

第一模数转换模块，用于根据预设的相应用户的处理带宽对所述用户窄带模拟基带信号以第二采样间隔进行模数转换以获得对应的用户窄带离散基带信号；

第一前缀去除模块，用于根据预设的规则去除所述用户窄带离散基带信号的前缀；

第一傅立叶变换模块，用于将去除前缀的所述用户窄带离散基带信号进行第二点数的傅立叶变换；

第一子载波解映射模块，用于根据接收的所述子载波分配信息，从所述第一傅立叶变换模块输出的信号中获得各用户占用子载波上的信号；

第一信道均衡模块，用于将所述第一子载波解映射模块输出的信号进行频域均衡处理。

6.如权利要求1所述的正交频分多址下行通信系统，其特征在于所述多个接收端的任意一个接收端包括：

第二下变频模块，用于根据预设载频对接收的所述射频信号进行相应的频率变换以得到第二宽带模拟基带信号，其中，所述第二宽带模拟基带信号的中心频率为零；

第二模数转换模块，用于根据预设的相应用户的处理带宽以第一采样间隔对所述第二宽带模拟基带信号进行模数转换以得到第一宽带离散基带信号；

频谱搬移模块，用于根据接收到的相应用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号中的子载波分配信息对所述第一宽带离散基带信号进行相应的频谱搬移以获得有频偏的第二宽带离散基带信号；

第二低通滤波模块，用于根据预设的相应用户的处理带宽对所述有频偏的第二宽带离散基带信号进行相应的数字低通滤波以获得相应过采样的窄带离散基带信号；

下采样模块，用于根据预设的宽带模拟正交频分复用基带信号的带宽及相应用户的预设的处理带宽对所述过采样的窄带离散基带信号进行相应的下采样以获得临界采样的用户窄带离散基带信号；

第二前缀去除模块，用于根据预设的规则去除所述用户窄带离散基带信号的前缀；

第二傅立叶变换模块，用于根据预设的相应用户的处理带宽将去除前缀的所述用户窄带离散基带信号进行第二点数的傅立叶变换；

第二子载波解映射模块，用于根据接收的子载波分配信息，从所述第二傅立叶变换模块输出的信号中获得各用户占用子载波上的信号；

第二信道均衡模块，用于将所述第二子载波解映射模块输出的信号进行频域均衡处理。

7.如权利要求1所述的正交频分多址下行通信系统，其特征在于：所述子载波分配信息包括各用户的频偏位置信息和子载波映射规则。

8.一种正交频分多址下行通信方法，其特征在于包括步骤：

1)将要发送给各用户的通信信息于预处理后进行子载波映射处理；

2)将经过子载波映射处理的通信信息进行预设第一点数的傅立叶逆变换；

3)根据预设规则添加前缀于经过所述傅立叶逆变换的所述要发送给各用户的通信信息；

4)将已添加前缀的信息以预设的第一采样间隔进行数模转换以形成宽带模拟正交频分复用基带信号；

5)根据预设载频对所述宽带模拟正交频分复用基带信号进行变频处理以获得射频信号；

6)发送所述射频信号及所述要发送给各用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号中的子载波分配信息；

7)接收所发送至的射频信号及所述要发送给各用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号中的子载波分配信息，并根据所述子载波分配信息、预设的处理带宽及所述预设载频将所述射频信号转换为各用户窄带离散基带信号；

8)根据预设规则去除所述各用户窄带离散基带信号的前缀；

9)将去除前缀的各用户窄带离散信号根据预设的各用户的处理带宽进行相应的各预设第二点数的傅立叶变换；

10)根据所述子载波分配信息自经过傅立叶变换的信号中提取各用户的通信信号，并将所述通信信号进行均衡处理以获取相应的各用户通信信息。

9.如权利要求8所述的正交频分多址下行通信方法，其特征在于：所述预处理包括信道编码及数字调制。

10.如权利要求8所述的正交频分多址下行通信方法，其特征在于：所述第二点数小于或等于所述第一点数。

11.如权利要求8所述的正交频分多址下行通信方法，其特征在于所述步骤7)还包括步骤：

(1)根据所述子载波分配信息及预设载频将所述射频信号转换为各有频偏的第一宽带模拟基带信号；

(2)根据预设的各用户的处理带宽分别将所述各有频偏的第一宽带模拟基带信号经过模拟低通滤波以得到对应的各用户窄带模拟基带信号；

(3)根据预设的各用户的处理带宽以各自预设的第二采样间隔分别对所述各用户窄带模拟基带信号进行模数转换以得到对应的各用户窄带离散基带信号。

12.如权利要求8所述的正交频分多址下行通信方法，其特征在于所述步骤7)还包括步骤：

(1)根据预设载频将所述射频信号转换为第二宽带模拟基带信号，所述第二宽带模拟基带信号的中心频率为零；

(2)根据预设的宽带模拟正交频分复用基带信号带宽以第一采样间隔对所述第二宽带模拟基带信号进行模数转换以得到第一宽带离散基带信号；

(3)根据接收到的各用户的信息在所述宽带模拟正交频分复用基带信号中的子载波分配信息分别对所述第一宽带离散基带信号进行相应的频谱搬移以获得各有频偏的第二宽带离散基带信号；

(4)根据预设的各用户的处理带宽分别对各所述有频偏的第二宽带离散基带信号进行相应的数字低通滤波以获得各过采样的窄带离散基带信号；

(5)根据预设的宽带模拟正交频分复用基带信号的带宽及各用户的处理带宽分别对所述各过采样的窄带离散基带信号进行相应的下采样以获得各临界采样的用户窄带离散基带信号。

13.如权利要求11所述的正交频分多址下行通信方法，其特征在于：所述第一点数与所述第一采样间隔的乘积等于所述第二点数与所述第二采样间隔的乘积。

14.如权利要求8所述的正交频分多址下行通信方法，其特征在于：所述子载波分配信息包括各用户的频偏位置信息和子载波映射规则。

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