在按需分配带宽的系统中的跳频 背景
本发明涉及到空中接口的设计，特别是在按需分配带宽的系统中使用跳频技术。
在正交频分多址(OFDM)系统中，无线频带被划分成多个较窄的正交子频带(或称为信道)。在这样的系统中，可以通过为每个用户指定与他或她所需要的一样多的信道来对带宽需求进行定制，从而使得适合各个单独的用户(“按需分配带宽”)。
在未颁发许可证的频带或者在没有协调好信道分配的情形下，一个或者更多的信道可能会被其他系统或者没有协调好的用户所阻塞。一种减小这种干扰的影响的方法就是使用跳频(FH)技术，其中频繁地变换载频，从而避免被持续地阻塞。接着就可以采用众所周知地编码、交织和/或重发技术来减小干扰的问题。
把OFDM和跳频技术相结合将有希望提供按需分配带宽以及抵御阻塞的能力。然而，当大量的可用带宽被分配给一个用户或者仅仅是少数几个用户的时候，将没有未动用的频率可以用于跳频。因此，在这些场合下跳频将是效率低下的。举例来说，如果这些信道中有一半被按一组的形式分配给了一个用户，那么就只有另一组可以用于跳频了。类似的，如果有四分之一的信道被按一组的形式进行分配，那么在下一次跳频时就只能从三个没有用过的频率组中进行选择了。
因此就需要一种技术，使得OFDM和其他调制方案能够提供与有效的跳频技术相结合的按需分配带宽的能力。
发明概要
根据本发明的一个方面，在一些对无线通信系统进行运作的方法和设备中实现了前述的目的以及其他目的，其中所使用的可用的频谱划被分成多个由该无线通信系统来使用的信道。在一种实施方案中，在第一个跳频周期内，分配了多个(n个)信道同时用于与无线通信系统中的某个用户进行通信，其中所分配的信道占据了可用频谱的相邻频带，而数字n大于1。接着，在第二个跳频周期内，又分配了n个信道同时用于与无线通信系统中的该用户进行通信。在第二个跳频周期内被分配来予以使用的n个信道也占据了可用频谱的相邻频带。而且，在第二个跳频周期内被分配来予以使用的n个信道中至少有一个信道与第一个跳频周期内被分配来予以使用的n个信道中的至少一个是相同的；并且，在第二个跳频周期内被分配来予以使用的n个信道中至少有一个信道和第一个跳频周期内被分配来予以使用的所有信道都是不同的。这样一来，就允许使用非正交跳频。
在本发明的另一个方面，第一个和第二个跳频周期可以是连续发生的跳频周期。
在本发明的另外一个方面，在第三个跳频周期分配了n个信道，以便同时用来和无线通信系统中第一个用户进行通信。在这里，在第三个跳频周期内被分配来予以使用的n个信道也占据了可用频谱的相邻频带；而且，在第三个跳频周期内被分配来予以使用的n个信道中没有任何一个是和第一个和第二个跳频周期内被分配来予以使用的n个信道中的任何一个是相同的。也就是说，在系统中也允许使用正交跳频，其中某个用户有时候进行非正交跳频，而在别的时候进行正交跳频。
此外在本发明的另外的一个方面，在第一个跳频周期分配了第二数量的(m个)信道，以便同时用来和无线通信系统中另一个用户进行通信，其中被分配给第二个用户来使用的信道占据了可用频谱的相邻频带。接着，在第二个跳频周期内，又分配了m个信道同时用于与无线通信系统中的第二个用户进行通信。在此处，在第二个跳频周期内被分配给第二个用户来使用的m个信道也占据了可用频谱的相邻频带；而且，数量m和数量n是不一样的。由于分配给不同用户的信道的数量不必是相同的，因而提供了一种按需分配频率的系统。
在本发明的另外的一个方面，在第二个跳频周期内被分配给第二个用户来使用的m个信道中至少有一个信道与第一个跳频周期内被分配给第二个用户来使用的m个信道中的至少一个是相同的；并且，在第二个跳频周期内被分配给第二个用户来使用的m个信道中至少有一个信道与第一个跳频周期内被分配给第二个用户来使用的所有信道都是不同的。这样一来，也就允许第二个用户使用非正交跳频。
在一种可替换的实施方案中，在第二个跳频周期内被分配给第二个用户来使用的m个信道中没有一个信道与第一个跳频周期内被分配给第二个用户来使用的所有m个信道是相同的。也就是说，可以让一些用户进行正交跳频，而同时也允许其他用户使用非正交跳频。
此外在本发明的另一个方面，得到了一种表征连接质量的度量。接着用这种度量来调整数量n(也就是说，分配给第一个用户来同时使用的相邻信道的数量)的数值。在一种实施方案中，该度量是误比特率。在一种可替换的实施方案中，该度量是误帧率。而在另一种可替换的实施方案中，该度量是载干比(C/I)。
对附图的简单描述
通过连同附图一起来阅读下文的详细描述可以理解本发明的目的和优点，这些附图中：
附图1阐明了一种使用了本发明技术的示例性的蜂窝系统的布局；
附图2阐明了一种根据现有技术的用于四个用户的跳频序列；
附图3阐明了一种根据本发明的用于四个用户的示例性的跳频序列；
附图4是一幅流程图，描述了根据本发明的一个方面的示例性的连接管理技术；
附图5是一种和本发明一起使用的示例性的OFDM发射机的模块图；
附图6是一种用于示例性的OFDM发射机的快速傅立叶逆变换调制模块的示例性实现的模块图；
附图7是一种和本发明一起使用的示例性的OFDM接收机的模块图；以及
附图8是一种和本发明一起使用的示例性的非OFDM接收机的模块图。
详细描述
现在将参考附图来描述本发明的各种特点，其中相仿的部分是用相同的参照字符来标识的。
附图1展示了一种示例性的蜂窝移动无线系统中的十个蜂窝C1到C10。对于从C1到C10的每一个蜂窝而言都有一个相应的基站，用B1到B10来表示。显示出来的还有十个移动站，M1到M10。它们可以是小巧的手持机或者车载机。移动站可以在蜂窝内移动，也可以从一个蜂窝移动到另一个蜂窝。移动交换中心(缩写成MSC)通过电缆或者其他固定设备(诸如无线链路或者光纤链路)连接到了所有的基站。为了简洁因而在附图1中省略了这些电缆中的一部分。MSC也通过电缆或链路连接到公用电话网络或者类似的固定通信网(未画出)。
在运行期间，移动站将通过向不同的基站发送无线信号，并从不同的基站接收无线信号，从而与系统的固定部分进行联系。在系统中的一个移动站和另一个移动站之间可以建立电话呼叫、数据通信链路或者其他通信路径。还可以与另一个系统中的移动站或者固定网络中的用户建立呼叫。出于此处讨论的目的，把所有这些情形都称为连接，而无论是由移动站发起的还是移动站收到的。
当然，附图1的示例性的系统是一种简化，因为通常系统要包含更多的蜂窝和基站。举例来说，他们可以是伞状蜂窝，每一个都覆盖了一个被一组微蜂窝所覆盖的区域。而移动站的数量通常也要大得多。位于蜂窝边界附近并采用了扇区天线的基站也是常见的。一些蜂窝可以由多于一个的基站来提供服务。通常也存在一些另外的连接了基站的MSC，而移动站通常可以通过这些另外的MSC自由进行通信。
在蜂窝无线系统中使用的移动站和基站(诸如附图1中所示的)是众所周知的，而对传统跳频技术的实现也是一样。颁布给Persson等人的美国专利No.5,537,434以及颁布给Dent的美国专利No.5,425,049阐明了在无线通信系统中运用跳频的已知硬件和技术，因而在这里作为参考而包含在这里。
在美国专利No.5,537,434和5,425,049作为举例的系统中，在每一次跳跃中，每个用户都分配了一个频带(信道)。因此，每个用户都承担了相同数量的用于进行通信的频谱带宽。根据本发明的一个方面，可以通过为每个用户分配多个频率来为各个单独的用户配给额外的容量，其中对所分配的每一个频率采用了同时多重跳频序列。而分配给一个用户的同时使用的频率的数量可以是和其他用户不一样的，并且通常可以是各个用户所需求的带宽的函数。这样一来，根据不同用户的需要为他们分配不等数量的频率的方式就提供了一种按需分配频带的系统。
当为任意一个用户在每次跳跃时分配多于一个的频带(信道)时，就产生了如何确定用于每次所分配的频率的跳频序列的问题。可以通过对跳频序列进行安排，使得序列在相应的同一时间的跳频占据相应数量的相邻频带或信道，从而简化这一复杂度。
在传统的系统中采用了正交跳频，其中是通过从一个频带(或者一组频带)到另一个不同的频带(或不重叠的一组频带)来进行跳频的。于是，正如在背景一节中所述，当大量的可用频带仅被分配给一个或少数几个用户时，将只有少数一些(如果还有的话)频率能够用于跳频。现有技术的这一问题阐明于附图2中。在这一简单的范例中提供了十二个频带(用f1到f12来指示)。第一个和第二个用户(分别用用户1和用户2来指示)在每跳分配了四个频带。第三个和第四个用户(分别用用户3和用户4来指示)在每跳分配了两个频带。可以意识到，一般说来，频带的数量和用户的数量要比这里只是用于阐述的目的而用到的数量大得多。
在第一跳(跳=1)，用户1分配到了频带f1到f4，用户2分配到了频带f5到f8，用户3分配到了频带f9到f10，用户4分配到了频带f11到f12。
在传统的技术中，对正交性的要求限制了能够用于确定跳频序列的选择项的数量。在本例中，在第二跳(跳=2)，不能为用户1分配包含从f1到f4中的任何一个频带的任何一组频带。从f5到f8的频带是允许的选择，因此被分配给了用户1。这一分配约束了用户2所能进行的选择：要么可以分配给他频带f1到f4，要么变通地分配给他频带f9到f12。在这个范例中，把频带f1到f4分配给了用户2。这进一步约束了用户3和用户4所能进行的选择，由此只能把频带f11到f12分配给用户3，只能把频带f9到f10分配给用户4。
在第三跳(跳=3)，只能把频带f1到f4或者变通地把频带f9到f12分配给用户1。如果选择了前者，那么用户1就将使用了仅仅两次跳跃之前所使用的完全一样的频率集合。因此，决定把频带f9到f12分配给用户1。因为用户2不能再继续使用频带f1到f4，于是就把频带f5到f8分配给他。可以发现用户2现在将使用仅仅两次跳跃之前所使用的相同的频率集合，因此用户1所避开的问题现在强加给了用户2。而接下来用户3和用户4将使用用户2所空出来的那些频带。在这个范例中，这就意味着把频带f1到f2分配给用户3，而把频带f3到f4分配给用户4。
根据本发明的另一个方面，可以通过去除在确定蜂窝中用户所使用的跳频序列时对正交性的要求来规避与传统跳频技术相关联的这个问题。也就是说，每跳为用户所分配的多个频带可以使用这样的跳频序列：把某一次跳跃与后续的跳跃相比较时，分配的频率中一些甚至全部都可以是一样的。当然，也允许在任一次给定的跳跃时所分配的频带是不同于早先的跳跃时所分配的那些频带的；然而，这不是一个要求。总的来说，即使可以把信道分组组成“库”(也就是，连续的频带组)，却也并不需要基于从库到库来进行跳频。相反，仍然是基于从频带到频带来进行跳频的，从而使得在任一次给定的跳跃时，完全重叠、部分重叠或者不重叠的库都是可以存在的，而这些库中的任何一个都可能出现在前一跳跃中。
在附图3中阐明了根据本发明的一个示例性的跳频序列。在这一简单范例中提供了十一个频带(用f1到f11来指示)。第一个用户(用用户1来指示)在每跳分配了四个频带。第二个用户(用用户2来指示)在每跳分配了两个频带。第三个用户(用用户3来指示)在每跳分配了三个频带，而第四个用户(用用户4来指示)在每跳分配了两个频带。可以意识到，一般说来，频带的数量和用户的数量要比这里只是用于阐述的目的而用到的数量大得多。
在第一跳(跳=1)，用户1分配到了频带f1到f4，用户2分配到了频带f5到f6，用户3分配到了频带f7到f9，用户4分配到了频带f10到f11。
在第二跳(跳=2)(可以是，也可以不是紧接着第一跳的)，本发明的技术允许用户1使用任何一组频带。尽管采用使得至少有一个频带没有在第一次跳跃中同样也被使用过的方式来分配频带是优选的，但这并不是一个要求。在这个范例中，把频带f3到f6是分配给了用户1。注意到在第一跳中f3和f4也是被分配给了用户1的，但是因为本发明的分配技术并没有强加上从一次跳跃到另一次跳跃或者不衔接的跳跃之间哪些频带能够分配给用户的限制，所以这是允许的。
同样在第二跳中，决定把频带f9到f11分配给用户3。又一次，在第一跳和第二跳之间具有对频带的重叠使用(也就是说，在第一跳和第二跳都把f9分配给了用户3)，但这是允许的。
为了完成第二跳的分配，把频带f1到f2分配给了用户2，把频带f7到f8分配给了用户4。对于这些用户中的每一个，在第一跳和第二跳之间都具有完全正交的频带分配。
在第三跳(跳=3)(可以是，也可以不是紧接着第二跳的)，把频带f4到f7分配给了用户1。尽管在第二跳中也把频带f4到f6分配给了用户1使用，但是因为本发明的技术并没有强加上在跳频序列中的任何跳跃之间需要有正交性的限制，所以这是允许的。
同样在第三跳中，把频带f1到f3分配给用户3，把频带f8到f9分配给了用户4，把频带f10到f11分配给了用户2。对于用户4来说，在第二跳和第三跳所做的分配之间存在一些重叠(也就是频带f8)。然而对于用户3和用户2而言，是具有完全正交性的。
在第四跳(跳=4)(可以是，也可以不是紧接着第三跳的)，决定把频带f8到f11分配给了用户1，把频带f1到f2分配给了用户2，把频带f3到f5分配给了用户3，把频带f6到f7分配给了用户4。对于用户1、用户2和用户4而言，在第三跳中分配的频带和第四跳中所分配的频带之间是具有完全正交性的。然而对于用户3，是有一些重叠的：在两次中都分配了f3。然而，在第四跳把频带f4到f5分配给了用户3防止了用户3在连续的跳跃中使用完全一样的频谱。
可以注意到，通过允许使用非正交跳频，大量的跳频序列能够得以使用了。因此在附图3的范例中，每个用户都能够完成所示的四次跳频却不多于一次地使用完全相同的频谱部分。然而，在其他可能的跳频序列中，用户多于一次地使用频谱带宽完全相同的部分是完全可能的。
通过以信道作为跳频的分解度，而不是信道组(也就是“库”)，能够使用一个固定的跳频序列集合而不依赖于所分配的信道的数目。因此，跳频技术的所有优点都可以保留下来，即使当许多信道是被分配到一个或多个组里的。
当有一些用户是同时活跃的时候，并不需要复杂的跳频序列。所有的用户都基于单个信道来进行跳频。如果绝大部分的频谱容量都已经被分配掉了，那么用户将发觉容量上的恶化。在这种情形下，系统可以过载，而用户所分配的频率组是可以部分重叠或者完全重叠的，但是他们仍然具有一些对干扰的抵御力。对于没有协调好的跳频系统而言这是常见的。
在友好的环境下，完全协调好了的跳频序列将导致更高级别的性能。然而，在恶劣的环境下，有一些用户将一直被阻塞。在这种情形下，基于单个信道的跳频将使得阻塞随机化。而一些跳频可能会(非恶意地)造成用户频率组的重叠并由此使得其互相阻塞，这是不可避免的，却也是相对温和的。
在本发明的另一个方面，通过获取一种代表连接的质量的度量，并使用这种度量来控制应该分配给该连接的带宽的数量，使得阻塞的数量保持在一个可以接受的水平上。(分配给一个连接的带宽的数量是和阻塞的可能性直接成比例的。)现在将参考附图4的流程图中所示的示例性的连接管理技术来阐述这一方面。该范例是从两个单元之间建立连接开始的(步骤401)。这些单元可以是移动终端站和基站、移动终端站和另一个移动终端站，或者任意两个能够采用这里所描述跳频技术的无线通信设备。连接的建立是根据常规技术来实现的，在这里不再讨论更多的细节。
假设在这里的情形中是一个移动终端站正在和基站进行通信，在连接建立之后，发起呼叫的单元将试图为连接分配一定的带宽(BW)。如果是终端站发起的呼叫，它可能并不知道已存在的业务水平，并可能试图获得与它认为自己所需要的一样多的带宽。基站可能对已有的业务水平比较清楚，并且有可能(在启动点)把带宽降低到它认为是合理的水平(步骤403)。然而，在一种变通的实施方案中，单元们可以从一个预设的带宽开始并稍后对其进行调整。
在协商好了初始带宽之后，通信开始了(步骤405)。两个单元都将被同步，并使用相同的伪随机数(PN)序列来选择要在任意给定时刻使用的相互连接的OFDM载波的集合。把PN序列的数值进行映射时必须既要确保带宽是停留在OFDM信道内的(当使用了可变带宽滤波器/检测器接收机的时候--见下文)，又要确保起始频率是在OFDM信道内的，而后续的子载波围绕着OFDM信道(当采用了FFT接收机的时候--见下文)。这将保证OFDM信道内部所有的子载波都被以随机的方式予以使用。
每隔一定时间，通信单元就将获取一个代表连接质量的度量。举例来说，可以通过观测误比特率(BER)或者误帧率(FER)来衡量链路质量。同样也可以使用与质量相关的度量，诸如载干比(C/I)。如果误码率或者干扰电平过高(从判决模块407出来的“是”路径)，那么所需要的带宽就将降低(但是不能少于一个子载波)(步骤409)，而当通信继续(步骤411)之前，将对这一新的带宽数值进行协商。
如果误码率比较低，而所使用的带宽少于所需要的(从判决模块413出来的“否”路径)，那么将请求(步骤415)并协商(步骤411)更高的带宽。
随着上述的对动态带宽的协商，在终端站和基站之间，或者在对等连接的终端站之间，可以采用局部的策略来优化频带的使用。这种方法的一个优点就是在高业务量时，每个通信链路都将占用较少的子信道，而有更多的连接是激活的。当通信量较低的时候，在不牵涉到一种集中式的控制的条件下，高速链路就可以使用更多的子载波了。
对于因频带受限(也就是说，能够用于不同的基站的只有少数一些OFDM信道)而使得同信道干扰可能成为问题的系统，这一动态分配方案也工作得很好。跳频技术将使得干扰随机化，而可变的带宽将有效地产生更多的子信道，它们降低了同信道干扰。
现在参考附图5来描述一种示例性的用于本发明的OFDM发射机。把发射(TX)数据提供给快速逆傅立叶变换(IFFT)调制模块501，在这里采用m进制(m-ary)调制方法把mxN个比特调制到N个子载波上去。而调制产生了将要以标准方式来组合和上变频的I和Q信号。
现在要参考附图6来描述IFFT调制模块501的一种可能的实现方法。TX数据被送到数据格式化器601中并在此生成N个并行的m比特的数据流。带宽是由选择器603来决定的，它从数据格式化器601接收到N个并行的m比特的数据流，并每次输出选定数量的这些m比特流。每个这样选出来的m比特的数据流都在环行移位器中进行移位从而实现跳频，而相应的N个OFDM子载波是用标准的m进制调制方式来调制的。直到此处为止，数据都是在频域之中的。逆FFT模块607完成这个最后的变换而生成时域的I和Q信号，它们可以用标准方法进行利用。通过改变子载波的数量N，信号的带宽是可以调节的。举例来说，24比特可以被划分成八个3比特的数据流。每个3比特的数据流将要在频域以8PSK来调制一个子载波，而逆FFT模块607把八个子载波组合起来并转换成时域的I和Q信号。在调制子载波的时候也可以选择GMSK(N=1)或者别的方案。
如同附图7所示，本发明的OFDM实施方案的一种示例性的接收机是发射机的反转。从天线701接收到的信号要经过天线滤波器703以及低噪声放大器(LNA)705。LNA705的输出与来自本地振荡器709的信号进行混频(在第一混频器707中)。混频信号通过带通滤波器711。滤波输出的信号又接着和来自第二本地振荡器715的信号进行混频(在第二混频器713中)。第二混频器713的输出送到了FFT模块717，由它把时域信号转换成频域的子载波信息。通过对子载波的解调并对它们解复接，可以恢复出原先传送的数据流。而带宽和跳频又一次是通过把子载波映射到数据流来实现的。
OFDM是子带调制的一种特殊情形。采用结合了任意一种调制方式(譬如GMSK、QPSK、以及类似的方式)的正规的FDMA也是可能的。还可能采用一种基于CDMA的系统，其中CDMA的中心频率是跳频的而用户带宽是根据数据率而变化的。(除非应用功率控制，否则后一种方案可能是不可行的。)
因此，在变通的实施方案中，这个本发明的跳频技术可以应用在非OFDM系统中。在这样的场合，可能需要改变发射机和接收机的结构。在附图8中描述了一个用于本发明的示例性的非OFDM接收机的模块图。在这里，跳频控制了第二本地振荡器815(尽管在变通的实施方案中也可以使用第一本地振荡器809)，而可变带宽信道滤波器817设定了带宽。举例来说，现在检测器819可以看到一个正规的单载波信号并对此进行检测。采样率和其他定时信号可以根据实际应用的方法和所需要的实现来设定。发射机可以改变符号速率和中心频率来实现可变带宽和跳频。
通过参考一个特定的实施方案，已经对本发明进行了描述。然而，对于本领域的技术人员而言，非常明显是可能以特定的不同于上述优选的实施方案的形式来实施本发明的。而且可以在并不偏离本发明的精神的条件下完成这点。
举例来说，本发明是通过联系OFDM来描述的。然而，通过使用比信道带宽(或者信道块)更为精细的跳频分解度，本发明的跳频技术甚至可以用在分配给用户的带宽大于所使用的频带的情形。
优选的实施方案仅仅是阐述性的，而无论如何不应该被当做是约束性的。本发明的范畴是由附属的权利要求而不是前面的描述来给定的，而所有落入权利要求的范围的改动和等同物都是打算包含在其中的。