移動通信中層次多維頻率的傳輸方法

專利名稱：移動通信中層次多維頻率的傳輸方法
技術領域：
本發明是一種利用層次多維頻率方法，經過重復的層次調制將多個待調制的數據(信號頻率)分別調制到指定的頻率軸、頻率層次和指定頻率上，經過線性疊加，構成層次多維頻率調制波，以模擬或數字方式，經過無線傳輸，再經過線性分支，選頻放大、檢波濾波，將各個數據分離出來全新的移動通信方法。
信息時代的到來，人們對通信的要求越來越高，移動通信作為現代通信的重要方面，受到人們的高度重視，已經成為信息基礎設施不可缺少的組成部分。
自從20世紀70年代蜂窩網通信出現以來，世界各地移動通信行業得到了迅猛的發展，1997年GSM系統擁有的用戶就達到了1億多用戶，預計2002年用戶數將增加到3.5億，占所有移動用戶的50％以上。1998年世界銀行的統計數據表明移動通信系統在不同國家和地區的滲透率，最高的為芬蘭，達到40％。高的滲透率意味著需要高容量的系統和大量的頻率。對更高比特率數據業務和更好的頻譜利用率的要求是推動第三代移動無線通信系統(IMT-2000)發展的動力。
移動通信業的發展的同時，蜂窩網技術本身也得到了長足的進步。就多址接入的方式而言，20世紀80年代出現了時分多址(TDMA)數字蜂窩網，以GSM為代表的數字蜂窩移動通信系統在國內外得到了廣泛的應用。20世紀90年代又出現了碼分多址(CDMA)蜂窩網移動通信系統。由于CDMA通信容量是GSM系統的4倍，模擬蜂窩通信系統的20倍，因此，不少專家認為21世紀將是CDMA廣泛應用的時代。
CDMA蜂窩網移動通信系統是在頻分多址(FDMA)模擬蜂窩望網和時分多址(TDMA)數字蜂窩網基礎上發展起來的。多址接入是移動通信的核心，在FDMA情況下，整個系統帶寬被分成頻率信道安排給每個用戶。在TDMA情況下，每個頻率信道被分成時隙，每個用戶安排在各自的時隙中。在CDMA的情況下，實現的是給每一個用戶安排一個具有良好的自動和弱相關特性的偽隨機碼。此碼用來將用戶的信號轉換成寬帶擴頻信號。接收機再將此寬頻信號轉換成使用相同偽隨機碼的原始帶寬信息。CDMA利用FDMA將頻帶分成較小的頻率信道，然后再對其進行碼分處理。使用FDMA技術為正交頻分多路技術(OFDM)。OFDM、TDMA與CDMA共同采用以獲得多路接入的能力。
雖然，世界無線電管理大會(WARC’92)規定將全部的230MHz用于IMT-2000，但是，頻率在不同的國家和地區具有不同的分配方式。在美國，一部分分配給IMT-2000的頻率已經為PCS系統所占用，另外，WARC’92分配的高端頻帶在美國也不使用。在日本和歐洲，除了PHS頻譜分配與UMTS TDD頻譜分配有重疊外，其他都可以使用。目前，頻率分配對技術選擇和空中接口設計都有重要影響，頻率的許可決定了IMT-2000對頻譜的使用。頻譜許可證的發放將會對市場產生重大影響。在美國PCS頻譜是拍賣的，因此導致在實際運營之前就要進行大量的投資。由此可見，頻率資源的問題是制約通信發展的最大的問題。
本發明的目的是提出一種利用層次多維頻率(信道)技術開發和利用頻率資源，在給定的使用波段的范圍內，在保持一定帶寬和傳輸速率的前提下，提高單信道的傳輸能力，使得在一個頻率上能夠傳輸若干個多節目，增加基帶的寬度，從而提高信息的傳輸速度的移動通信中層次多維頻率傳輸方法。
本發明的方案是采用層次調制的方法，經過重復的層次調制將多個待調制的數據(信號頻率)分別調制到指定的頻率軸、頻率層次和指定頻率上。這個指定的頻率就是一個載波，這樣一個經過多層次調制的載波就不再是一個頻率的概念了，而是層次多維頻率的概念，即一個載波可以對應有很多層次多維的頻率，他在頻道一定和帶寬一定的情況下，經過多層次和多維的頻率利用，傳輸的信息量將是十分巨大的。通過無線的發送與接收，再通過線性分支器，選頻放大器和檢波濾波器，將各個數據還原出來。
其具體方案是采用層次調制的方法將多個待傳輸的信號頻率經過重復的逐層調制，分別調制到指定的頻率軸、指定的頻率層次和指定的頻率上，再將被調制的載波直接或數字化后通過無線電發射與接收，在接收端，利用“剝離器”，采用線性接收，帶通濾波器(如選頻放大器)，逐層將層次多維頻率剝離出來，最后經檢波濾波還原出原數據(信息)。采用層次調制方法將許多待調制的頻率分別調制到指定的調制層次和指定的頻率上形成(f1→f2→f3→……fn)，即將若干個待調制的頻率f1(1)至f1(k1)用調制器將它們逐個調制在分別對應指定的任一個頻率上，形成第一層調制的f2(1)至f2(k2)，再將分別調制后的頻率f2(1)至f2(k2)經過調制器將它們再次逐個調制在分別對應指定的任一個頻率上，形成第二層調制的f3(1)至f3(k3)，以此類推經過n-1次的層次調制形成第n層調制的fn(1)至fn(kn)。調制后的頻率fn(jn)大于等于調制前被調制頻率fn-1(jn-1)的3倍即fn(jn)≥3fn-1(jn-1)。其中待調制的頻率有“k”個，即f1(1)至f1(k)，在1至k個頻率中的第j個頻率是f1(j)。相對原頻率第n層調制的頻率即為fn(1)至fn(k)，第j個頻率在n層的調制結果fn(j)。采用的調制器為調幅波調制器或調頻波調制器或調相調制器或頻率幅度兼調調制器。系統的接收采用剝離器，即采用線性接收，帶通濾波，檢波濾波，分層剝離。本發明的優點在于這一方法使層次多維頻率同時使用在一個給定的頻率上，使頻率資源得到極大的開發，使通信的衛星的容量、基站的容量大幅度地提高，從而減少基站的數量，減少通話中轉換頻道的次數，降低對控制交換功能的要求。
這一方法完全不同于一般意義上的頻分復用的概念，使用這一方法可以在保持一定帶寬和一定傳輸速率的前提下，大幅度提高信息的傳輸能力，特別是在解決單信道中大幅度提高信息傳輸能力的前提下，可以使給定的一個傳輸通道傳輸很多路的數據，使得只需要有限的通道就可以滿足人們對寬帶、網絡速度的需求。
采用調制(解調)、復用(解復用)技術，在目前的條件下，器件比較便宜，性能也而且可靠，電濾波器可以設計為高效的、近乎理想的多點濾波器。整個設計方法，電路簡單。
由于本發明極大地增加了頻率資源，在現有的900MHz頻帶內，在二維或三維情況下，不需要時分復用和碼分復用，全球60億人口每人都可以獲得一個以上的頻率(25-30KHz)資源。頻率資源的極大豐富，使我們可以擴大信道的帶寬，從而提高信息傳輸的速度，從更高層次上提高移動通信的使用效率，滿足多媒體寬帶網接入的要求，安排足夠的上行與下行通道的頻帶寬度，使得交互式實時視頻點播、可視電話、視頻會議、遠程教育等業務。
實施這一技術，可以大大降低通信領域基礎設施建設的強度和資金的投入，對形成全新的移動通信系統，對加速信息化進程和推進信息產業的發展將是一個重大的突破。更重要的是在當今全球都在爭奪Internet高速接入的情況下，實現移動通信的高速Internet接入，形成我國的特式和優勢，將形成一個巨大的市場。


圖1為采用多車道、立體交通和多層次車輛來說明移動通信中層次多維頻率的傳輸方法的原理。
圖1a表示傳統的移動通信雙工通道。
圖1b表示當前移動通信接入Internet的解決方法與問題示意圖。
圖1c表示層次多維頻率方法處理用戶與基站、基站與移動交換中心、基站與衛星地面信關站、移動交換中心與衛星信關站之間關系的示意圖。
圖1d表示層次多維的立體信道。
圖2為移動通信系統組成的示意圖。
圖3為衛星移動通信組成的示意圖。
圖4為層次多維頻率構造示意圖。
圖5為m條頻率軸中第k一條頻率軸上的載波fa、fb……fn同時對data1、data2、……datan進行處理和模擬傳輸的示意圖1。
圖6為m條頻率軸中第k一條頻率軸上的載波fa、fb……fn同時對data1、data2、……datan進行處理和模擬傳輸的示意圖2。
圖7為m條頻率軸中第k一條頻率軸上的載波fa、fb……fn同時對data1、data2、……datan進行處理和數字傳輸的示意圖。
以下結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。
我們可以將WARC’92給定的900MHz，和1850MHz-2200MHz頻帶看成兩條高速公路，過去在這兩條公路上所能設置的車道數是有限的，每條車道上的業務也是有限的，僅僅用于通信，而今，人們寄希望利用手機觀看電視節目，利用手機進行定位與導航，利用手機舉辦視頻會議等。因此按照頻譜的分配，在這條公路上可以設置多條車道。對于每一條車道其主要職能有所分工，可以分為上行通道、數字廣播電視業務、數字通信、個人通信等，我們將這些通道上的業務用不同顏色的汽車表示。由于公路的寬度有限，在這有限的路寬上能夠劃分出來的通道就非常有限，劃分的通道越多，單個通道的寬度就越窄，傳輸速度越低。
圖1所示，1a表示傳統的利用電力線進行的雙工通信。圖1b表示當前在某一個頻段分區范圍內，特別是在寬帶網接入方面，由于很多用戶共享有限的帶寬資源，當同時使用的用戶激增的時候，各種業務都在爭搶著進入信息通道，在這條通道上業務十分繁忙，常常會出現信息阻塞。隨著視頻會議、可視電話、遠程教育等業務的開展，對帶寬的分配和要求越來越高，雖然采用動態頻率分配的智能調制解調器，動態分配各種業務需要的頻率，但在現性情況下頻率資源仍然是十分有限的。因此，只有通過多址分配技術來進行頻道資源的分配與管理，這樣嚴重地限制人們使用信息通道。
圖1c表示我們在基站和衛星地面信關站，將各基站上行的信息(或載波)利用層次多維頻率技術通過調制和線性疊加，進入上一層次。即將小汽車全部搭上運輸小汽車的運輸車上，這樣在中繼線上就不會因為小汽車太多，造成擁擠和阻塞。下行的汽車我們利用層次多維頻率技術將表示各種業務的小汽車分別搭載在專門運輸小汽車的運輸車上，到各基站，小汽車下車自己運行。
圖1d表示，當我們將層次多維頻率資源技術應用到移動通信，使得原來單一的信息通道變成了立體信息通道，在每一條信息通道上的汽車變成了多層次的立體汽車，表示了在一個信息通道的某一個頻率上可以同時進行通信、數字電視、數字廣播、視頻會議、定位導航、數據傳輸等業務。
移動通信系統一般由移動臺(MS)、基站(BS)、移動業務交換中心(MSC)以及與市話網(PSTN)相連接的中繼線、衛星地面信關站等組成(圖2、圖3)。基站和移動臺設有收、發信機和天線等設備。每一個基站都有一個可靠的通信服務范圍，稱為無線小區。無線小區的大小，主要發射功率和基站天線的高度決定。移動業務交換中心主要用來處理信息的交換和整個系統的集中控制管理。衛星地面信關站負責向衛星或接收由衛星發來的信息。
大容量移動通信系統可以由多個基站構成一個移動通信網。如圖2所示，通過基站、移動業務交換中心就可以實現整個服務區內任意兩個移動用戶之間的通信；也可以經過中繼線與市話局連接，實現移動用戶與市話用戶之間的通信，從而構成了有線、無線及衛星相結合的通信系統。
一般說來，移動通信網的服務區覆蓋方式可以分為兩類，一類是小容量的大區制，一類是大容量的小區制。在大區制中，在服務區內的所有頻道(包括發射f1和接收一對頻率f2)的頻率都不能重復。如移動臺MS1使用了頻率f1、f2，那么另一個移動臺就不能再使用這對頻率了，否則將產生嚴重的相互竄擾。因而這種體制的頻率利用率及通信的容量都受到限制，滿足不了用戶數量急劇增長的需要。而小區制則是把整個服務區劃分為若干個小區，每個小區分別設置基站，負責小區內的移動通信聯絡和控制。同時又可在移動業務交換中心的統一控制下，實現小區之間移動用戶通信的轉接，以及移動用戶與市話用戶的聯系。對每個小區設置小功率的基站，這樣小區服務范圍不相重疊的小區就可以使用相同的發射和接收一對頻率，從而增加對頻率的使用。這種體制，在移動臺通話過程中，從一個小區轉入另一個小區的概率增加了，移動臺需要經常更換工作頻道。無線小區的范圍越小，通話中轉換頻道的次數就越多，這樣對控制臺交換功能的要求就提高了，再加上基站數量的增加，建網的成本就提高了。
綜上所述，一切的問題都來自頻率資源的有限性，我們采用層次多維頻率方法，即采用層次調制方法將許多待調制的頻率分別調制到指定的調制層次和指定的頻率上形成(f1→f2→f3→……fn)，即將若干個待調制的頻率f1(1)至f1(k1)用調制器將它們逐個調制在分別對應指定的任一個頻率上，形成第一層調制的f2(1)至f2(k2)，再將分別調制后的頻率f2(1)至f2(k2)經過調制器將它們再次逐個調制在分別對應指定的任一個頻率上，形成第二層調制的f3(1)至f3(k3)，以此類推經過n-1次的層次調制形成第n層調制的fn(1)至fn(kn)。調制后的頻率fn(jn)大于等于調制前被調制頻率fn-1(jn-1)的3倍即fn(jn)≥3fn-1(jn-1)。其中待調制的頻率有“k”個，即f1(1)至f1(k)，在1至k個頻率中的第j個頻率是f1(j)。相對原頻率第n層調制的頻率即為fn(1)至fn(k)，第j個頻率在n層的調制結果fn(j)(圖4)。
較早的移動通信主要使用甚高頻(VHF)105MHz和特高頻(UHF)450MHz頻段。我國在VHF頻段已有安排12個頻道，UHF頻段安排了36個頻道，所以移動通信只能占用這些頻道之間的空隙進行通信。在用戶少的情況下，尚可以滿足要求，隨著用戶數量的增加，這兩個頻段已經處于飽和狀態。70年帶以來，大量的移動通信均使用新開發的900MHz頻段(表1)。WARC’92規定將全部的1850MHz-2200MHz用于IMT-2000。
表1模擬蜂窩系統頻率資源配置
由表1可見，層次多維頻率的構造使得頻率資源得到了極大幅度的提高，在三維的情況下，可以給全球每人配置一個手機。在1850MHz-2200MHz用于IMT-2000時，頻率資源可以講是用不完。
圖5為我們方案的構架之示意1。
(1)振蕩器A與隔離器1、隔離器2、……隔離器n組成了一個載波。
(2)振蕩器1與視頻信號或語音信號組成了調制器1，調制器1的輸出與振蕩器A又組成了調制器2，振蕩器2與視頻信號或語音信號組成了調制器3，調制器3的輸出與振蕩器A又組成了調制器4，……。
(3)將調制器2、調制器4、……，調制器n的輸出頻率進行線性疊加。
需要滿足的條件為振蕩器A的振蕩頻率應大于等于3倍的調制器1、調制器2、……，調制器n中輸出的最高頻率。
(4)將若干個載頻經過線性疊加，經過無線發射、傳輸與接收，進入與線性疊加相對應的線性分支器，將線性疊加的語音信號分路處理。
(5)選頻放大器1、選頻放大器3、……、選頻放大器m，進行第一次選頻，選頻放大器2、選頻放大器4、……選頻放大器n進行第二次選頻，兩次選頻放大的目的就是增加選頻放大的效果。
(6)經過檢波濾波器還原出視頻信號或語音信號。
圖6為我們方案的構架之示意2，表示了在m條頻率軸中的某一頻率軸上的某一個頻率上的n個層次的頻率資源層次的的復用方法。這樣我們可以形象化地認為是利用一個載波同時傳輸data1、data2、……、datan，也可以利用其他頻率的載波同時傳輸視頻信號或語音信號1、視頻信號或語音信號2、……視頻信號或語音信號n。
如圖7所示，對于data1、data2、……、datan在可以是模擬信息，也可以是數字數據。如果data1、data2、……、datan是模擬信息，可以經過模數轉換轉換成數字數據。圖示的虛框第一部分增加層次多維頻率形成部分，將載波fa、fb……fk數字化，即經過模數轉換，這種模數/數模轉換方式有多種，技術比較成熟。再將經過模數轉換得到的數字信息通過天線發射。在接收端，在虛框的第二部分，經過數模變換，再經過分支器進行層層剝離，或最后在用戶處進行層層剝離，檢波濾波，進行信息還原。
本發明的接收系統的關鍵點是在接收端利用“剝離器”，對層次多維頻率調制波采用線性接收，帶通濾波器(如選頻放大器)，逐層將層次多維頻率剝離出來，最后經檢波濾波取出數據(信息)。具體的實施例如下為了證明上述的設計方案，我們進行了m條頻率軸中第k一條頻率軸上的載波fa同時對data1、data2、……、datan進行處理和傳輸樣機研制。
振蕩器產生的振蕩頻率為1.4MHz，振蕩器1、振蕩器2、振蕩器3、振蕩器4產生的振蕩頻率分別為100KHz、150KHz、200KHz、250KHz。data1、data2、data3、data4為可以為視頻信號也可以為音頻信號。
data1調制在100KHz上形成的調制波再調制在1.4MHz上；data2調制在150KHz上形成的調制波再調制在1.4MHz上；data3調制在200KHz上形成的調制波再調制在1.4MHz上；data4調制在250KHz上形成的調制波再調制在1.4MHz上；1.4MHz調制波都滿足100KHz、150KHz、200KHz、250KHz調制波中的最大值的3倍。
再將data1調制在100KHz上形成的調制波再調制在1.4MHz上形成的調制波與data2調制在150KHz上形成的調制波再調制在1.4MHz上形成的調制波，data3調制在200KHz上形成的調制波再調制在1.4MHz上形成的調制波，以及data4調制在250KHz上形成的調制波再調制在1.4MHz上形成的調制波進行線性疊加。
經過線性疊加的調制波通過天線發射，進行無線傳輸，接收端利用線性系統接收處理。
在接收端，選頻放大器1和選頻放大器2分別進行兩次選頻選出100KHz的頻率；選頻放大器3和選頻放大器4分別進行兩次選頻選出150KHz的頻率，選頻放大器5和選頻放大器6分別進行兩次選頻選出200KHz的頻率；選頻放大器7和選頻放大器8分進行兩次選頻選出250KHZ的頻率。
經過100KHz的頻率、150KHz的頻率、200KHz的頻率和250KHz的頻率的檢波濾波分別還原出data1、data2、data3和data4。
權利要求
1．一種移動通信中層次多維頻率的傳輸方法，其特征在于采用層次調制的方法將多個待傳輸的信號頻率經過重復的逐層調制，分別調制到指定的頻率軸、指定的頻率層次和指定的頻率上，再將被調制的載波直接或數字化后通過無線發射與接收，在接收端，利用“剝離器”，采用線性接收，帶通濾波器，逐層將層次多維頻率剝離出來，最后經檢波濾波還原出原數據。
2．根據權利要求1所述的移動通信中層次多維頻率的傳輸方法，其特征在于層次調制的方法，即采用層次調制方法將許多待調制的頻率分別調制到指定的調制層次和指定的頻率上形成(f1→f2→f3→……fn)，即將若干個待調制的頻率f1(1)至f1(k1)用調制器將它們逐個調制在分別對應指定的任一個頻率上，形成第一層調制的f2(1)至f2(k2)，再將分別調制后的頻率f2(1)至f2(k2)經過調制器將它們再次逐個調制在分別對應指定的任一個頻率上，形成第二層調制的f3(1)至f3(k3)，以此類推經過n-1次的層次調制形成第n層調制的fn(1)至fn(kn)，調制后的頻率fn(jn)大于等于調制前被調制頻率fn-1(jn-1)的3倍即fn(jn)≥3fn-1(jn-1)。
3．根據權利要求1或2所述的移動通信中層次多維頻率的傳輸方法，其特征在于采用的調制器為調幅波調制器或調頻波調制器或調相調制器或頻率幅度兼調調制器。
4．根據權利要求1所述的移動通信中層次多維頻率傳輸方法其特征在于采用剝離器，即采用線性接收，帶通濾波，檢波濾波，分層剝離。
全文摘要
移動通信中層次多維頻率的傳輸方法是一種通信信號的傳輸方法,該方法的特征在于采用層次調制的方法將多個待傳輸的信號頻率經過重復的逐層調制,分別調制到指定的頻率軸、指定的頻率層次和指定的頻率上,再將被調制的載波直接或數字化后通過無線發射與接收,在地面接收端,利用“剝離器”,采用線性接收,帶通濾波器(如選頻放大器),逐層將層次多維頻率剝離出來,最后經檢波濾波還原出原數據(信息)。
文檔編號H04B7/00GK1305321SQ0110801
公開日2001年7月25日 申請日期2001年1月5日 優先權日2001年1月5日
發明者閭國年, 朱燦生, 袁惠仁, 葉春, 吳平生 申請人:南京師范大學, 朱燦生, 袁惠仁, 吳平生