CN102340830B - 无线接入技术间的动态频谱使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线接入技术间的动态频谱使用方法，该方法包括以下步骤：步骤一，在第一系统的空闲频带上产生凹陷，形成频域上的凹陷；步骤二，第二系统使用所述第一系统的频域上的凹陷位置处的频带。本发明可以在不改变现有接入技术的情况下有效地聚合多种接入技术下的非连续带宽，通常称为“带宽聚合”，达到有效使用频谱的目的，而且方法的复杂度也未大幅增加。此外，本发明可使多种无线接入系统的频谱资源得到有效共享。

Description

无线接入技术间的动态频谱使用方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及一种无线接入技术间的动态频谱使用方法。

背景技术

频谱是一种非常稀缺的资源，必须得到高效的使用，否则无法满足日益增长的需求。目前频谱使用方法为：为每一种新服务提供一段固定的频谱资源块。随着基于频谱的服务和设备的快速增长，频谱资源即将耗尽。此外，为某些应用保留的频谱资源很少得到使用，而与此同时使用率较高的频谱资源却很紧张。随着数据业务量的增加，如何更高效地使用频谱成为一个急需解决的问题。近些年，灵活频谱使用这一课题在研究领域受到了相当程度上的重视，对频谱管理技术的研究已经持续了十多年，并产生了从动态信道分配到动态频谱分配等多种不同的频谱资源分配方式，如软件无线电和认知无线电等。但为某些应用保留的很少得到使用的频谱资源仍是一种浪费，也没有被充分利用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种无线接入技术间的动态频谱使用方法，该方法能有效地聚合多种接入技术下的非连续带宽。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种无线接入技术间的动态频谱使用方法包括以下步骤：

步骤一，在第一系统的空闲频带上产生凹陷，形成频域上的凹陷；

步骤二，第二系统使用所述第一系统的频域上的凹陷位置处的频带。

作为本发明的一种优选方案，所述第一系统的频域上的凹陷的产生方法为：将所述第一系统的空闲频带上的子载波置零，形成频域上的凹陷。

作为本发明的另一种优选方案，所述第一系统的频域上的凹陷的产生方法为：利用凹陷脉冲成形滤波器对所述第一系统进行频域滤波，形成频域上的凹陷。

作为本发明的再一种优选方案，所述第一系统的频域上的凹陷的产生方法为：

首先将所述第一系统的空闲频带上的子载波置零；

再利用凹陷脉冲成形滤波器对所述置零的子载波进行滤波。

作为本发明的再一种优选方案，所述凹陷脉冲成形滤波器为：

$g_{\mathrm{bi}}\left(n\frac{T}{M}\right)=g_{\mathrm{bi}}\left[n\right]=\mathrm{IFFT}\left(\mathrm{Win}\right[k]\×\frac{R_{\mathrm{HG}}\left[k\right]}{H\left[k\right]}),0\≤n,k\≤\mathrm{\γM}-1$

其中， $H\left[k\right]=\mathrm{FFT}\left(h_{\mathrm{bi}}\right[n\left]\right)=\underset{n=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(n\frac{T}{M}\right)e^{-\frac{j2\mathrm{\πnk}}{\mathrm{\γM}}},0\≤n\≤L-\mathrm{1,0},k\≤\mathrm{\γM}-1;$

$R_{\mathrm{HG}}\left[k\right]=R_{\mathrm{HG}}\left(f\right){|}_{f=k\frac{1}{\mathrm{\γM}}\frac{M}{T}},0\≤k\≤\mathrm{\γM}-1;$

$R_{\mathrm{HG}}\left(f\right)=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{if}\left|f\right|\&le;(1-\mathrm{\&alpha;})/2T\\ \frac{1}{2}[1+\cos \left(\frac{\mathrm{\&pi;}\left(2T\right|f\left|\right)-1+\mathrm{\&alpha;}}{2\mathrm{\&alpha;}}\right)],\mathrm{if}(1-\mathrm{\&alpha;})\\ 0,\mathrm{if}\left|f\right|>(1+\mathrm{\&alpha;})/2T\end{array}/2T<\left|f\right|\&le;(1+\mathrm{\&alpha;})/2T\right.$

f表示频率，α表示滚降系数，T表示调制间隔周期，M表示子信道数，n表示时域采样点序号，k表示频域采样点序号，γ是一个系数，L表示滤波器长度。

作为本发明的再一种优选方案，所述第一系统为GSM系统，第二系统为LTE系统。

本发明的有益效果在于：本发明可以在不改变现有接入技术的情况下有效地聚合多种接入技术下的非连续带宽，通常称为“带宽聚合”，达到有效使用频谱的目的，而且方法的复杂度也未大幅增加。

本发明的另一有益效果在于：本发明可使多种无线接入系统的频谱资源得到有效共享。

附图说明

图1为LTE系统与GSM系统共存的场景示意图；

图2为热点地区的LTE系统与GSM系统的流量示意图；

图3为LTE系统与GSM系统之间的动态频谱使用示意图；

图4为GSM频段内1个块设定为零，形成频率凹陷的示意图；

图5为GSM频段内2个块设定为零，形成频率凹陷的示意图；

图6为GSM频段内1个块设定为零，并使用凹陷脉冲成形滤波器，形成频率凹陷的示意图；

图7为GSM频段内6个子载波设定为零，并使用凹陷脉冲成形滤波器，形成频率凹陷的示意图；

图8为将传统的脉冲成形滤波器用于排列后的LTE未使用的子载波的示意图；

图9为将凹陷成形滤波器用于排列后的LTE未使用的子载波的示意图；

图10为凹陷脉冲成形滤波器的幅频响应曲线图；

图11为发送滤波器、接收滤波器和升余弦滤波器的频率响应曲线图；

图12为发射滤波脉冲响应和接收脉冲响应的交叉相关曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

本发明通过使用新的脉冲成形滤波器和空出OFDM子载波，在频域上产生凹陷，以此来达到带宽聚合的目的；同时，本发明也可应用于特定多载波(OFDMA)系统，增强最终聚合的性能。本发明可以应用于2G、3GPP长期演进(Long-TermEvolution，LTE)和LTE增强型(LTE-advanced)等系统。

本发明的使用环境阐述如下：

GSM(工作在900MHz频段)和LTE(工作在2GHz频段)旨在为大范围地区提供信号覆盖。随着LTE用户数量的增加，LTE系统的流量负荷越来越重，尤其在一些热点区域。而与此同时，由于GSM系统用户往LTE系统转移，因此GSM系统的频谱使用率下降。

本发明提出的动态频谱使用方法能提升LTE系统在热点区域服务质量。本发明提出，在热点区域，LTE系统可在使用原有频谱资源外使用GSM系统的部分频段，此时GSM仍可使用剩余的频段。仿真结果表明，LTE系统在使用本发明提出的方法后，能够简单且有效地将GSM频段用于LTE系统。本发明所提出的动态频谱使用方案能够直接应用于OFDM系统，使用包括GSM900MHz在内的注册或未注册的频段，如WCDMA频段。

如图1所示，LTE系统与GSM系统共存，浅色表示分配给LTE的频段，深色表示分配给GSM的频段。LTE的工作频段位于2GHz附近，GSM的工作频段位于900MHz附近。LTE系统和GSM系统都为这片区域提供信号覆盖。可以预期到，未来将有越来越多的用户青睐LTE系统，而不是GSM系统，因为LTE能带给用户更好的用户体验。因此随着GSM用户不断往LTE系统迁移，LTE的流量越来越大，而GSM系统的流量越来越小，这将导致GSM频段的使用负荷小，而LTE频段的使用负荷大。

实施例一

本实施例提供一种无线接入技术间的动态频谱使用方法，如图2和图3所示。假设某些小区(如LTE热点地区)的LTE的流量负荷很大，LTE的可使用频段很难满足所有LTE用户的需求。在这种情况下，LTE可使用GSM频段，作为LTE原有频段的补充。在图2和图3(A)中，LTE扩展频段用深色表示，在这些小区中(如LTE的热点地区)，GSM剩余的频段仍由GSM系统使用；GSM剩余的频段用浅色表示。在热点地区之外的其它小区仍维持原有的频谱分配不变，如图2和图3(B)所示。图3(A)表示LTE热点地区的频谱使用情况，图3(B)表示除LTE热点地区之外的其他小区的频谱使用情况。LTE在热点地区使用GSM的部分频段时，LTE的可使用频段是非连续的，如一部分位于2GHz，而一部分位于900MHz。如图3所示，在GSM的900MHz频带内，LTE和GSM信号的复用方式应为频分复用(FDM)。

为了在同一段频带内达到共存的目的，本实施例所述的无线接入技术间的动态频谱使用方法包括以下2个步骤。

第一步：LTE系统空出一些子载波，并将空出的子载波置零，形成凹陷。

显然，LTE中未被占用的OFDM子载波能通过合理的规划形成频域上的凹陷，如图4和图5所示。图4和图5给出了两种仿真结果，即在发射端分别将12和24个OFDM子载波(即分别为1个和2个资源块，包括直流分量)设定为零后，形成了-5.5dB和-9.5dB的频域凹陷。这两个凹陷所需带宽分别为195KHz和375KHz。此时，GSM信号就可以在LTE的频率凹陷的频带内发送。

假设这个热点小区只使用一个GSM子载波(200KHz)，并且这个GSM子载波位于900MHz的中心位置，如图3(A)所示，那么这个热点小区不但可以使用全部LTE子载波(2GHz)，还可以将其余GSM子载波(除200KHz外的900MHz)频段给LTE系统使用。

第二步：在凹陷位置处采用凹陷脉冲成形滤波器。

让LTE在凹陷位置处使用一种凹陷脉冲成形滤波器，这将在凹陷位置处带来额外的增益，如图6所示，此方案可以避免不同系统间产生干扰。在图6中，同时将未占用子载波置零，并采用了凹陷脉冲成形，凹陷带宽固定为195KHz。为了产生近-10dB的频率衰落，需要同时使用12个未占用子载波和凹陷脉冲成形，如图6所示。为了产生近-5.5dB的频率衰落，需要同时使用6个未占用子载波和凹陷脉冲成形，如图7所示。

将图4、图5与图6相比较，很容易发现凹陷滤波成形能获得额外的衰落增益。如需得到-10dB的频率衰落，使用凹陷脉冲成形时，只需要在900MHz频段获得12个LTE子载波，这将使LTE在900MHz频段的可使用扩展频谱的使用率从68.42％提高至84.21％，如表1所示。如需得到-5.5dB的频率衰落，使用凹陷脉冲成形时，只需要在900MHz频段获得6个LTE子载波，这将使LTE在900MHz频段的可使用扩展频谱的使用率从84.21％提高至92.11％，如表2所示。显然，同时使用凹陷脉冲成形和OFDM子载波置零可获得更好的频率衰落，并得到更高的频谱利用率。

表1：凹陷生成的性能分析(频率衰落≈-10dB)

表2：凹陷生成的性能分析(频率衰落≈-5.5dB)

只要将GSM频段内的某些子载波设定为零，LTE就能较方便地实现未占用的子载波的排列。这些被设定为零的子载波的数量由GSM的带宽决定。

发射端频谱特性最终受脉冲成形滤波器的制约，如图8和图9所示。图8和图9分别使用了传统的平方根升余弦滤波器和凹陷脉冲成形滤波器。若将传统的升余弦脉冲成形滤波器演进成频域上存在凹陷的FIR滤波器，则可与图9一样得到较高的衰落增益。可以通过对传统FIR滤波器的设计获得这种脉冲成形滤波器，如图10所示。用升余弦脉冲可以产生图11所示的接收滤波器。

传统的升余弦脉冲成形滤波器为：

$R_{\mathrm{HG}}\left(f\right)=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{if}\left|f\right|\&le;(1-\mathrm{\&alpha;})/2T\\ \frac{1}{2}[1+\cos \left(\frac{\mathrm{\&pi;}\left(2T\right|f\left|\right)-1+\mathrm{\&alpha;}}{2\mathrm{\&alpha;}}\right)],\mathrm{if}(1-\mathrm{\&alpha;})\\ 0,\mathrm{if}\left|f\right|>(1+\mathrm{\&alpha;})/2T\end{array}/2T<\left|f\right|\&le;(1+\mathrm{\&alpha;})/2T\right.$

其中，f表示频率，α表示滚降系数，T表示调制间隔周期。

由传统的升余弦脉滤波器演变成的频域上存在凹陷的FIR滤波器(即凹陷脉冲成形滤波器)为：

$g_{\mathrm{bi}}\left(n\frac{T}{M}\right)=g_{\mathrm{bi}}\left[n\right]=\mathrm{IFFT}\left(\mathrm{Win}\right[k]\&times;\frac{R_{\mathrm{HG}}\left[k\right]}{H\left[k\right]}),0\&le;n,k\&le;\mathrm{\&gamma;M}-1$

其中，Win[k]为窗函数，h为冲击响应函数；M表示子信道数，n表示时域采样点序号，k表示频域采样点序号，γ是一个系数，L表示滤波器长度。

此时，发送滤波器和接收滤波器在时域上的转换正交性得到保留。图12描述了发射滤波器的脉冲响应和接收滤波器的脉冲响应间的交叉相关。尽管发射滤波器和接收滤波器有着不同的脉冲响应，但其转换正交性足以限制符号间的干扰(Inter-SymbolInterference，ISI)。

本发明可以在不改变现有接入技术的情况下有效地聚合多种接入技术下的非连续带宽，通常称为“带宽聚合”，达到有效使用频谱的目的，而且方法的复杂度也未大幅增加。此外，本发明可使多种无线接入系统的频谱资源得到有效共享。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。

Claims (3)

1.一种无线接入技术间的动态频谱使用方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一，在第一系统的空闲频带上产生凹陷，形成频域上的凹陷；所述第一系统的频域上的凹陷的产生方法为：利用凹陷脉冲成形滤波器对所述第一系统进行频域滤波，形成频域上的凹陷；所述凹陷脉冲成形滤波器为：

$g_{bi}\left(n\frac{T}{M}\right)=g_{bi}\&lsqb;n\&rsqb;=IFFT(Win\&lsqb;k\&rsqb;\&times;\frac{R_{HG}\&lsqb;k\&rsqb;}{H\&lsqb;k\&rsqb;}),$ 0≤n,k≤γM-1

其中，0≤n≤L-1,0≤k≤γM-1；Win[k]为窗函数，h为冲击响应函数；0≤k≤γM-1；

$R_{HG}\left(f\right)=\left\{\begin{array}{c}1,if\left|f\right|\&le;(1-\mathrm{\&alpha;})/2T\\ \frac{1}{2}\&lsqb;1+cos\left(\frac{\mathrm{\&pi;}\left(2T\right|f\left|\right)-1+\mathrm{\&alpha;}}{2\mathrm{\&alpha;}}\right)\&rsqb;,if(1-\mathrm{\&alpha;})/2T<\left|f\right|\&le;(1+\mathrm{\&alpha;})/2T\\ 0,if\left|f\right|>(1+\mathrm{\&alpha;})/2T\end{array}\right.$

f表示频率，α表示滚降系数，T表示调制间隔周期，M表示子信道数，n表示时域采样点序号，k表示频域采样点序号，γ是一个系数，L表示滤波器长度；

步骤二，第二系统使用所述第一系统的频域上的凹陷位置处的频带。

2.根据权利要求1所述的无线接入技术间的动态频谱使用方法，其特征在于：所述第一系统的频域上的凹陷的产生方法为：

首先将所述第一系统的空闲频带上的子载波置零；

再利用凹陷脉冲成形滤波器对所述置零的子载波进行滤波。

3.根据权利要求1至2任意一项所述的无线接入技术间的动态频谱使用方法，其特征在于：所述第一系统为GSM系统，第二系统为LTE系统。