一种提高无线通信系统边缘性能的方法 【技术领域】
本发明涉及无线通信系统中提高小区边缘区域接收性能方法，用以实现小区中心区域与小区边缘区域用户吞吐量均衡。
背景技术
伴随GSM等移动网络在过去的二十年中的广泛普及，全球语音通信业务获得了巨大的成功。目前，全球的移动语音用户已超过了18亿。同时，我们的通信习惯也从以往的点到点(Place to Place)演进到人与人。个人通信的迅猛发展极大地促使了个人通信设备的微型化和多样化，结合多媒体消息、在线游戏、视频点播、音乐下载和移动电视等数据业务的能力，大大满足了个人通信和娱乐的需求。
目前，无线移动通信系统正在向宽带、便携方向发展，对通信终端提出了高数据带宽、低复杂度、低电池功耗，以及高频谱效率的要求。OFDM/OFDMA技术的使用，降低了宽带通信系统的实现复杂度.
正交频分复用技术，即OFDM技术，已经被公认为超三代和第四带无线宽带移动通信的首选传输技术。在OFDM的基础上进行频域复用多址(Frequency division multiplex access，FDMA)，就构成了正交频分复用多址技术，即OFDMA技术。在通常的OFDMA技术中，整个通信带宽被划分成许多子载波，每个子载波可以单独分配给某个发信机-收信机对，可以用于点对多点(point to multipoint，PMP)或点对点(point to point，P2P)通信系统。通常的蜂窝通信系统是一个点对多点通信系统，单个发信机(比如基站)可以同时向一个或多个收信机(比如手机)传输信息，一个或多个发信机(比如手机)也可以同时向单个收信机(比如基站)传输信息，其中多个收信机或者多个发信机分别占用频域上彼此正交的不同的子载波分配，成为OFDM/OFDMA系统。典型的应用如3GPP的长期演进(Long term evolution，LTE)系统的下行链路。
目前典型的无线通信系统的小区占用的频率-时间资源是一致的。
移动通信迄今为止已经发展了3代系统，第1代为采用频分多址(FDMA)的模拟移动通信系统，该系统采用很低的频率复用系数，即复用系数远小于1，如7小区频率复用，复用系数为1/7；第2代为数字移动通信系统，其中采用时分多址(TDMA)的数字移动通信系统，如全球移动通信系统(GSM)，其频率复用系数较第1代有了很大的提高，可以达到1/4～1/3；第2代码分多址(CDMA)[1]系统及第3代数字移动通信系统，如宽带码分多址(WCDMA)系统，其频率复用系数可以达到1，这提高了频谱利用率，降低了网络部署的成本，因此对于未来的3G增强(E3G)、第4代(4G)移动通信系统，人们仍然希望采用频率复用系数为1或者较高的频率复用系数。
随着对新一代技术如正交频分复用(OFDM)、多输入多输出(MIMO)等技术的深入研究，MIMO以其高通信容量等优势将成为E3G、4G的基本技术。正交频分多址(OFDMA)也以其频谱效率高等优点被业界认可，并有可能成为E3G、4G采用的基本多址技术。国际标准化组织第3代移动通信合作长期演进计划(3GPP LTE)已经明确了在E3G系统中下行链路的多址技术将采用OFDMA。同时，大量研究机构表明不再使用CDMA作为基本的多址技术，转而使用OFDMA作为多址技术。而OFDMA这种基于频分多址的多址技术带来了关于频率复用技术新的挑战，如果不能有效解决采用OFDMA技术的系统中多小区间干扰问题以及同频组网、提高频率利用率的问题，以OFDMA技术为基础的E3G、4G系统必将面临应用上的困难。
小区之间采用相同频率-时间资源的网络称为同频网络，一个典型的例子如图1所示。其中，小区0采用频率-时间资源0，小区1、3和5采用频率-时间资源1，小区2、4和6采用频率-时间资源2。在这种频率规划方式下，频率资源不能够完全利用，整体系统的频谱利用率为单小区系统频谱利用率的频谱复用率(为小于1的正数)，即整体系统的频谱利用率会有很大的降低。
小区之间采用相同频率-时间资源的网络称为同频网络，一个典型的例子如图2A所示。其中，小区0-6采用相同的频率-时间资源。这种情况下，其他小区非服务发射的信号相对与服务小区的有用数据传输而言均为干扰。考虑两个小区0和1的情况(如图2B)，设小区0为服务小区发射有用数据的传输，小区1为相邻地非服务小区在0的有用数据的相同频率资源上发射干扰信号。根据信号传输理论，接收信号与发射信号之间差(路径损失)与传输距离成次方的反比关系，即距离越大，路径损失也越大。对于距离基站较近的小区中心用户(A)，其距离服务基站距离近，路径损失小，接受到的有用信号能量强；其距离非服务基站距离远，路径损失大，接受到的干扰信号能量弱；总之，该用户接收有用信号的性能(用有用信号与干扰信号的功率比、信噪比表示)好。同时，对于距离基站较近的小区中心用户(B)，其距离服务基站距离远，路径损失大，接受到的有用信号能量弱；其距离非服务基站距离近，路径损失小，接受到的干扰信号能量强；总之，该用户接收有用信号的性能差。根据通信理论，用户的信道容量与接收有用信号的性能成正比关系。所以，在这种小区规划方案下，小区中心用户与小区边缘用户的容量会存在很大的差异。
软分数频率复用方案的被提出，提供了一种解决新一代移动通信系统频率复用的途径。其基本思想为：将现行小区分解为中心区域与边缘区域两个部分，对于中心区域采用全部频率进行信号传输，而对于边缘区域仅采用部分频率进行信号传输并且相邻的边缘区域采用的频率资源不同。图3示出为这种方案的一个例子，两个小区的中心区域01和11采用全部频率进行信号传输，边缘区域02和12仅采用部分频率进行信号传输并且相邻的边缘区域采用的频率资源不同。如此，可以获得接近于1的频率复用率，提高整体系统的频谱利用率。同时，由于边缘用户的干扰很小，提高了其有用信号的性能，达到了小区中心用户和小区边缘用户的吞吐率大致均衡。
但是，由于边缘区域采用不同的部分频率规划方式，总会降低一定的系统容量，所以整体系统还是无法达到理想的单频网络技术的频谱利用率。
传统通信系统是单层传输系统，在系统的每个自由度上只传输一路信号，比如一般的单载波调制复基带信号是由实部和虚部构成的两个自由度的传输系统，每个自由度上只传输一路信号；这两个自由度可以合起来称为一个复自由度。
在OFDMA、SC-FDMA以及多带正交频分复用/多址(Multi-bandorthogonal frequency division multiple/access，MB-OFDM/A)系统中，系统资源被划分为时频资源块，待传输信息经过编码调制后分配到这些时频资源块中。接收端收到指定的时频资源块后，通常会从中取出导频信息，然后进行相干解调/信道译码等得到传送的数据信息。
在上述信息传送方式中，通常在指定的时频资源块上只传送一路数据，称为单层传输。
图4A～图4c给出了传统的单层通信系统时频资源划分原理图，其中，整个时频域被划分成许多时频格点。图4A表明在OFDMA通信方式下，每个时频格点都可以被单独调度。图4B表明在MB-OFDMA方式下，系统在频域划分成两个子带。图4C表明在SC-FDMA方式下频域信号位于一个子带中。这里，每个时频点对应着一个复数自由度。
从图4A～图4c中可以看出，传统的通信系统中每个复数自由度上只传送一路信号，又称为一个自由度。在高SNR(signal noise ratio)情况下，这种单层传输方式工作在信道容量的高SNR工作点，每增加单位SNR能得到的容量增量很少。
【发明内容】
为此，本发明提出一种提高无线通信系统边缘性能的方法，通过提高小区边缘区域的系统容量和频谱效率来解决小区中心区域和边缘区域的吞吐量不平衡的问题。
本发明提出一种提高无线通信系统边缘性能的方法，包括以下步骤：
将无线通信网络中的各小区分别划分为一中心区域与多个边缘区域，其中两相邻的小区在各自的一边缘区域相邻；
选用可用频段中的全部频率与位于各小区中的中心区域的用户终端进行信号传输；
选用可用频段中的部分频率与位于各小区中的边缘区域的用户终端进行信号传输，其中任意两相邻小区的两相邻边缘区域选用的频率不同，并且与位于该边缘区域的用户终端之间所传输的信号在同一时间和同一频率内包含了多层数据。
在上述的方法中，所述的信号在同一时间和同一频率内所包含的多层数据具有不同的信噪比。
在上述的方法中，所述的信号在同一时间和同一频率内所包含的多层数据具有不同的编码方式、调制方式或功率。
在上述的方法中，还包括在一发送端产生所述的在同一时间和同一频率内包含多层数据的信号，产生的步骤包括：
使传输数据随机化；
将传输数据分为多个层；
对每一层传输数据单独进行编码调制，其中各层传输数据使用不同的编码方式、调制方式或功率；
加权累加编码调制后的各层传输数据；
对累加后的数据依照时频资源映射产生时频数据；以及
生成时域信号。
在上述的方法中，还包括在一接收端恢复所述的在同一时间和同一频率内包含多层数据的信号，恢复的步骤包括：
接收时域信号；
依照时域信号生成时频数据；
对该时频数据进行分层解调排序；
执行一分层步骤，以获得至少一层数据；
将所述的至少一层数据合路；
对合路后的数据去随机化，获得最终数据信息。
在上述的方法中，执行分层步骤的方法包括串行干扰抵消。
在本发明的方法中，信号传输的方式包括OFDMA、MB-OFDMA或SC-FDMA。
因此，本发明所提出一种提高无线通信系统边缘性能的方法，通过在同一时频资源上传输多层数据，在有效利用系统频率资源的同时，解决了小区中心用户和小区边缘用户吞吐量不平衡问题，并且获得了与同频网相似的频谱利用率。
【附图说明】
图1是现有一种采用相同频率-时间资源的同频网络示意图。
图2A是现有另一种采用相同频率-时间资源的同频网络示意图。
图2B是现有同频网络中的小区中心与边缘的容量差异示意图。
图3是现有一种软分数频率复用方案示意图。
图4A～4C是传统的单层通信系统时频资源划分示意图。
图5A～5C是根据本发明的多层通信系统时频资源划分示意图。
图6是根据本发明实施例的多层传输发射端结构框图。
图7是根据本发明实施例的多层传输接收端结构框图。
【具体实施方式】
本发明是在软分数频率复用方案的基础上，为了提高系统容量和频谱利用率而提出的一种技术。现仍然参照图3所示，在一种软分数频率复用方案中，无线通信网络按照蜂窝状分为多个小区，图中仅示出其中的2个相邻的小区0、1。但容易理解的是小区0的周围还可有其他相邻小区，一个例子可参照图2A所示。
根据本发明的一个步骤，各小区分别划分为一中心区域与多个边缘区域。举例来说，小区0可被划分为一个中心区域01及多个边缘区域(图中仅标示中其中一个区域02)。类似地，小区1被划分为一个中心区域11及多个边缘区域(图中仅标示中其中一个区域12)。两相邻小区0、1在各自的边缘区域02、12处相邻。小区0还可在其他未标示的边缘区域与其他相邻小区的边缘区域相邻。
根据本发明的另一个步骤，无线通信网络选用可用频段中的全部频率与位于各小区中的中心区域的用户终端进行信号传输。举例来说，当用户A位于小区0的中心区域01时，无线通信网络会使用整个可用频段与用户A进行信号传输，以达到最大的频率复用率。
根据本发明的又一个步骤，无线通信网络只选用可用频段中的部分频率与位于各小区中的边缘区域的用户终端进行信号传输，其中任意两相邻小区的两相邻边缘区域选用的频率不同。假设网络的可用频段可被分为频段G、F，在一个实施例中，位于边缘小区02内的用户(如用户B)可使用频段G中的部分或全部频段，而位于边缘小区12内的用户可使用频段F中的部分或全部频段。因此，可以保证这两个相邻区域所采用的频率资源不同。更为关键的簧丝，由于在边缘区域02中的信噪比较低，因而当网络与在位于该边缘区域02的用户终端(如用户B)之间所传输的信号可采用多层传输方案。也就是说，信号在同一时频资源(即同一时间和同一频率)内包含了多层数据。
下面结合图5A～5C的新的多层通信系统时频资源划分示意图来详细说明。
参照图5A～5C，所示出的三种传输方式分别对应OFDMA(正交频分多址)、MB-OFDMA(多带正交频分多址)和SC-FDMA(单载波频分多址)传输方式。对照图4A～4C可知，本发明可在同一时频资源上传输多层数据。以图5A为例，其示例性示出了三层传输，实际中可以有更多的层，也可以只有两层或一层传输。当进行传输时，数据需要在发送端(如网络侧或终端侧)转换成符合图5A～图5C中任意一种模型的信号。生成此信号的步骤大致包括：需要传输的信息数据经过随机化之后进行分路，分路到每个层的数据要分别编码，然后调制，并映射到指定的层。值得指出的是，每个层在传输过程中工作在不同的信噪比(SNR)水平上，即工作在信道容量的不同SNR工作点上。总体说来，这些SNR工作点会小于只有一层传输时的SNR工作点。通过降低SNR工作点，同时增加传输层数，系统能在每个复自由度上传送多层数据，大大增加了系统容量和频谱效率。
另外，每层的数据是独立编码调制。编码调制过程可以采用不同的码率、不同的调制方式，或者采用不同的功率，从而决定每一层的SNR工作点和接收端解调译码的顺序。
在接收端(如终端侧或网络侧)，信号需要恢复为原始的数据信息。恢复的过程大致包括：在接收到指定的时频资源块后，取出每一层对应的导频信号，然后按照导频的强弱或者根据发送机指定的顺序解调译码每一层数据。在解调第一层数据时，把其余层的数据视为干扰；在解调出第一层数据后，重新编码调制恢复第一层的接收信号，然后从总的接收信号中去除此恢复信号。然后解调第二层数据，以此类推，直到所有层的数据均被解调译码出来。
根据本发明的分层传输方式可以用在点对点复用传输中，也可以用在单点对多点的复用传输中，也可以用在多点对单点的接入传输中。
下面以点对点复用传输为例，在发送端和接收端的分层传输实现方案。
图6给出了多层传输方案的发送端实现框图。参照图6，发送端内有一发送控制模块301，负责发送端内各模块的控制和协调。
首先，信息数据通过数据随机化模块302，以将传输数据随机化。
之后，随机化的数据进入数据分层模块303进行分层。
分层后的数据会分别进入独立的编码调制模块304，每一层数据会单独进行编码调制，其中各层数据可以使用不同的编码方式、调制方式或功率。
之后各路编码调制数据会在加权累加模块305进行加权累加。累加后的数据会跟导频插入模块308所插入的导频信号一起在时频资源映射模块306进行时频资源映射。然后通过时域信号生成模块307经过频域到时域的变换等步骤进行时域信号生成。最后信号被发送出去，进入传输信道340。
图7示出了多层传输方案的接收端实现框图。图7中，接收端内有一接收控制模块401，负责接收端内各模块的控制和协调。
首先，来自信道340的空中信号通过时域信号接收模块402进行接收。
然后，接收的时域信号会在时频数据接收模块403被变换到频域而形成时频数据。
接着，导频提取模块404会从中提取导频。分层解调排序模块405会对时频数据进行分层解调排序。
之后，在分层模块540进行一分层步骤。一种实现分层的例子是串行干扰抵消。首先，接收信号S1通过解调译码模块4071得到第一层数据D1，然后S1通过干扰抵消模块4061去除D1的影响得到S2。然后信号S2通过解调译码4072得到第二层数据D2，然后S2通过干扰抵消模块4062去除D2的影响得到S3。以此类推，通过N-1次解调译码407N-1和干扰抵消模块406N-1，直到得到只包含第N层数据的信号SN，通过解调译码模块407N得到第N层数据DN。
在所有的数据层解调之后进入数据合路模块408进行合路，然后在数据去随机化模块409去随机化，得到最终的数据信息。
应当指出的是，上述的解调译码模块407和干扰抵消模块406及其多次调用操作只是实现分层模块410的一个例子。本发明也可以采用其他的结构。
还应指出的是，在实际传输中，接收机可以只接收多层传输中的一层或几层。特别的，对于不具有复杂接收能力的终端，可以只接收第一层数据，而不使用干扰抵消功能来获得其他层数据。而其他具有复杂接收能力的终端可以在另外几层上传输(发送和/或接收)数据。
以上所揭示的只是本发明的较佳实施例，但是这些实施例并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内所作的各种等效修改和变化，均应包含在当以权利要求书所界定的专利范围内。