寬帶tdd系統使用高效高性能幀結構進行無線傳輸的方法
2023-06-13 18:43:51 1
專利名稱：寬帶tdd系統使用高效高性能幀結構進行無線傳輸的方法
技術領域：
本發明涉及寬帶時分雙工(TDD)移動通信系統技術，更確切地說是涉及時分同步碼分多址(TD-SCDMA)移動通信系統在更寬頻帶下工作時，使用一種高效率和高性能的幀結構實現無線傳輸的方法。
背景技術：
目前第三代時分雙工方式的移動通信系統標準(參見3GPP相關標準文件)，規定了兩種寬帶載波的系統。一種是高碼片速率(HCR)的UTRA TDD(全球陸地無線接入時分雙工)系統，速率為3.84Mcps；另一種是低碼片速率(LCR)的TD-SCDMA系統，速率為1.28Mcps。TD-SCDMA系統，由於使用了智能天線技術，具有頻譜利用率高等優點，已經得到普遍承認，並將在未來一兩年內獲得廣泛應用，而UTRA TDD系統，則在全世界已經基本處於產品停止開發的狀態。
為了滿足高密度應用環境的需要，採用「多載波時分雙工移動通信系統」，在該系統中，將基站設計為多載波工作，多個載波服務於一個扇區或小區。時分雙工移動通信系統由於在一個小區或扇區內使用多個載波頻率，因而具有頻譜使用靈活、上下行電波傳播特性相同等突出優點，特別適合支持不對稱業務，必然會成為後三代(Beyond 3G)移動通信系統首選的雙工方式。
將時分雙工技術應用於公眾移動通信系統是第三代移動通信國際標準的一個創新，也正因為是一種創新性的標準，故不僅對於高碼片速率的UTRA TDD系統，在無線傳輸技術設計上存在嚴重缺陷，就是對於低碼片速率的TD-SCDMA系統，雖然使用了大量新技術，具有明顯的優點，在其無線傳輸技術設計上也有不少不盡人意之處。它們的明顯缺點在於對於高碼片速率的UTRA TDD系統來說，其無線幀結構是將一10ms的幀長均勻分為15個時隙，時隙之間的保護間隔非常小，由於時隙均勻分配，因而無法支持較大半徑的小區，難以實現同步CDMA；由於使用與碼分多址頻分雙工(CDMA FDD)相同的小區搜索技術，沒有考慮系統在上、下行是採用相同載波頻率的問題，故在蜂窩結構的移動通信系統中無法實現小區搜索，也就是說，這種小區搜索技術只能在單小區中使用；UTRA TDD系統的幀結構限制了在系統中使用智能天線等新技術，導致頻譜利用率比較低；上述問題還帶來了系統成本高的缺點。
對於低碼片速率TD-SCDMA系統的無線傳輸來說，目前中國標準對CDMA TDD(LCR)移動通信系統規定為多載波工作，如載波1、載波2、載波3，基站在分配信道時所採用的幀結構如圖1所示，其幀結構由7個主時隙TS0至TS6和3個特殊時隙下行導引時隙DwPTS、上下行保護時隙G和上行導引時隙UpPTS構成(圖1中只畫出下行導引時隙DwPTS)，由基站對主時隙TS1至TS6進行上、下行時隙配置。由於碼片速率較低，每個載波上的無線資源有限，在傳輸超過2Mbps以上速率的業務時，必須將多個載波組合起來使用，導致終端設備複雜，成本高；在蜂窩結構的移動通信系統中，終端可能會移動至距離3-6個基站都接近的位置處，此時，在圖1所示的由每個載波所服務的每個小區中，終端在每個載波的DwPTS上都可能接收到不同碼，其數量可能與基站數量相同，如3-6個不同碼，造成終端在越區切換時難以處理。
上述低碼片速率TD-SCDMA系統與高碼片速率的UTRA TDD系統的共同缺點是擾碼長度和擴頻碼為16時的碼長度相同，由於擾碼長度太短，會造成非常大的峰值信號功率與非常差的帶內幅頻特性，從而導致射頻部件的成本增加；沒有充分考慮每小區多載波工作和蜂窩組網的有關問題；沒有充分考慮數據傳輸速率超過2Mbps時的傳輸問題。
綜上所述，目前第三代移動通信標準中的TOD系統，其相關技術還需要進一步發展與完善，才能滿足後三代(3G後)及更長期的移動通信業務的需要。
發明內容
時分雙工是一種主要的雙工方式，並在第三代移動通信系統中獲得應用。本發明給出此系統在後三代的一種發展方向，即在每個載波頻率寬度比較寬時，一個小區或者扇區內實現單載波或者多載波工作時，使用一種高效率和高性能的幀結構進行無線傳輸的方法。
實現本發明目的的技術方案是一種寬帶TDD系統使用高效高性能幀結構進行無線傳輸的方法，其將一個子幀劃分為若干個基本時隙和若干個特殊時隙，利用其中一個基本時隙傳輸小區廣播或尋呼信息，其餘基本時隙傳輸業務信息，其特徵在於所述傳輸業務信息的基本時隙可以部分合併為若干個擴充時隙來進行業務傳輸。
進一步地，實現本發明目的的技術方案是一種寬帶TDD系統使用高效高性能幀結構進行無線傳輸的方法，包括將一個固定時長的子幀劃分為N+1個基本時隙和3個特殊時隙，其中利用一個基本時隙下行傳輸小區廣播或尋呼信息，用N個基本時隙上行傳輸與下行傳輸業務信息；在需要提高單時隙的傳輸速率能力時，將N個基本時隙中的若干基本時隙合併為擴充時隙，用該擴充時隙傳輸與擴充時隙長度相匹配的高速業務，N為正整數。
所述基本時隙或擴充時隙，包括一個中間碼部分，該中間碼部分用於傳輸鏈路估值和同步保持的信息，位於該中間碼兩邊的各一個業務數據區，用於傳輸業務數據，和一個間隔區，用於基本時隙、擴充時隙間的保護。
所述基本時隙中的間隔區與所述擴充時隙中的間隔區具有相同的長度。
所述N+1個基本時隙中的每個基本時隙的長度可以相同也可以不相同，甚至可以讓部分基本時隙的長度相同，另外一些基本時隙的長度不相同。
所述的3個特殊時隙，包括下行導引時隙DwPTS、上、下行保護時隙G和上行導引時隙UpPTS。
進一步地，本發明方法確定N，以決定所述基本時隙長度、合併基本時隙成擴充時隙，和在不同基本時隙、擴充時隙內採用不同的調製方式、糾錯編碼方式與擴頻係數，以提供不同傳輸速率及不同傳輸質量要求的業務的無線傳輸。
進一步地，本發明方法在固定N的條件下，對應某一調製方式，調整擴頻係數和組成擴充時隙的基本時隙的倍數，能同時滿足系統帶寬分別為5MHz、10MHz、20MHz時，系統對100Mbps內各種速率數據傳輸能力的要求。
所述的N＝10，所述擴充時隙的長度為2至9倍基本時隙的長度。
本發明給出寬帶CDMA TDD移動通信系統的一種高效率及高性能的幀結構。將一個5ms子幀分成N+1個基本時隙和3個特殊時隙。其中，一個基本時隙TS0是為小區廣播或者尋呼安排的下行時隙，其後為3個特殊時隙，然後為N個供傳輸業務信息的N個基本時隙TS1至TSN，這N個基本時隙也可以統稱為業務時隙。N為正整數，從理論上說N可任意取值，但在具體選取時，還是受限的，例如一般不超過20。這N+1個基本時隙的長度可以相同，也可以不相同，甚至可以合併成各種長度不同的擴充時隙使用，用於傳輸高速數據。這N個業務時隙可以安排為上行時隙，也可以安排為下行時隙。每個基本時隙或擴充時隙由4部分構成供鏈路估值和同步保持的中間碼、中間碼兩邊的業務數據區、以及基本時隙與擴充時隙之間的保護間隔。基本時隙中的保護間隔與擴充時隙中的保護間隔的長度可以相同，但基本時隙中的中間碼及業務數據區的長度將不同於擴充時隙中的中間碼及業務數據區的長度。
使用本發明的幀結構作無線傳輸時，只需要改變基本時隙寬度、利用基本時隙合併成不同倍的擴充時隙，和採用不同的調製方式、擴頻係數，就可在提供不同數據速率的業務。
本發明在寬帶CDMA TDD移動通信系統中，使用一種高效率及高性能的幀結構進行無線傳輸，此幀結構和TD-SCDMA系統的幀結構類似，因而充分利用了目前第三代移動通信TDD(LCR)系統的基礎技術。使用本發明的幀結構，所帶來的有益效果包括以下幾個方面可以使用多種帶寬，如每載波帶寬可以為5MHz、10MHz及20MHz；可滿足使用各種新技術時的需要，例如除了使用在TD-SCDMA系統中已經使用的智能天線、同步CDMA、聯合檢測、接力切換等新技術外，還可以使用多天線收發(MIM0)技術等；可支持可變擴頻係數，如擴頻係數為1至64或至128；可支持可變時隙寬度，滿足不同上下行業務比例的需要，如上下行比例為1∶10或者10∶1；支持長擾碼，擾碼長度至少為擴頻係數的2至4倍；支持自適應多種調製方式，如QPSK、16QAM、64QAM等；支持多載波工作等。
總之，使用此幀結構進行無線傳輸，不僅可以高效率的提供各種速率的話音業務，還可以大大提高數據，特別是包交換數據的傳輸速率和效率，以滿足三代後移動多媒體的需求。
本發明方案是對現有TD-SCDMA系統的一種重大改進與完善，本發明技術方案與目前標準的TD-SCDMA系統的技術方案相比較，本發明的幀結構在今後系統傳輸速率提高時，也可支持其要求，即能滿足三代後高速數據傳輸的需要，既克服了現有幀結構的缺點，又不增加額外的成本和複雜度。
圖1是目前3GPP標準TDD系統多載波基站信道分配示意圖；圖2是本發明為寬帶TD-SCDMA移動通信系統的無線傳輸設計的幀結構示意圖；圖3是本發明在每載波帶寬為5MHz、10MHz及20MHz時，TDD移動通信系統的幀結構示意圖；圖4是對圖3中擴充時隙的結構設計示意圖。
具體實施例方式
本發明為寬帶時分雙工移動通信系統設計了一種高效率與高性能的幀結構，使用這種幀結構進行無線傳輸，可以滿足三代後高速數據傳輸的需要。
參見圖2，是本發明為寬帶TDD系統設計的幀結構。一個Supper幀的長度為720ms，含72個無線幀，每個無線幀的長度為10ms，由2個子幀組成，每個子幀的長度是5ms。每一個5ms子幀，分為N+1個基本時隙和3個特殊時隙，其中一個基本時隙TS0是為小區廣播或者尋呼安排的下行時隙，其後為3個特殊時隙下行導引時隙(DwPTS)、上下行保護時隙G和上行導引時隙(UpPTS)，然後是N個基本時隙TS1至TSN，供傳輸業務信息的，也可總稱為業務時隙。
N+1個基本時隙的長度可以相同，也可以不相同，甚至有些相同有些不相同；N個基本時隙可以單獨使用也可以合併使用；N個基本時隙可以安排為上行時隙，也可以安排為下行時隙。
當傳輸高速數據時，可以將多個(2個及2個以上)基本時隙合併使用，組成各種長度不同的擴充時隙。如圖2中由基本時隙TS1與TS2合併成的擴充時隙。
每個基本時隙或者擴充時隙都由4個部分構成中間碼部分，供傳輸用於鏈路估值和同步保持的信息，中間碼兩邊的業務數據區，供傳輸業務數據，以及基本時隙、擴充時隙之間的保護間隙區g。當存在擴充時隙時，除擴充時隙最後邊的保護間隙區g可以和基本時隙中的保護間隔區g長度相同外，中間碼和業務數據區的長度都將隨之改變。
使用此幀結構，在提供不同數據速率的業務時，只需要改變時隙長度、調製方式、擴頻係數等參數。這樣，上述改變或者調整都可以用軟體定義的方式來完成，使系統有很高的靈活性。當系統升級，如由帶寬5MHz增加為10MHz或者20MHz時，在滿足硬體平臺有足夠處理能力的條件下，只需要升級軟體就可完成系統升級，為適應後三代發展提供了方便。
下面，結合圖3、圖4所示的實例詳細說明本發明方案的具體應用。
圖3所示是帶寬為5/10/20MHz時的幀結構。第三代移動通信系統的發展方向之一就是提高每載波的傳輸速率，為此，必須增加每載波的帶寬和頻譜效率。
本發明設計了圖3、圖4所示的幀結構每個5ms子幀由11個基本時隙TS0至TS10和3個特殊時隙構成，N＝10。為描述簡單起見，設每個基本時隙的長度相同，均為425μs。基本時隙的中間碼佔66.67μs，每個數據區各佔175μs，保護間隙區佔8.33μs。
可以利用圖3所示結構構成2倍擴充時隙，以支持單時隙較高傳輸速率的能力，如由基本時隙TS1和TS2合併成的擴充時隙，長度為2×425μs。此2倍時隙佔用850μs，其中，中間碼佔133.34μs，每個數據區佔354.165μs，保護間隙佔8.33μs，133.34+354.165+354.165+8.33＝850μs。具體數據可參見圖4中所示的2倍時隙結構。
還可以用圖4所示結構構成9倍擴充時隙，以支持單時隙更高傳輸速率的能力，如用於傳輸包交換數據。該9倍擴充時隙佔用9×425＝3,825μs，其中，中間碼佔66.67μs，每個數據區佔1,875μs，保護間隙佔8.33μs，66.67+1875+1875+8.33＝3,825μs。
當帶寬為5MHz時，基本時隙可以這樣配置中間碼為256bit，在擴頻係數為16時，每碼道數據區為84個符號(symbol)，或者說在QPSK調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為33.6kbps，可以傳輸一路編碼速率為12.2kbps的話音。
而每基本時隙可傳輸1,344個符號(symbol)，或者說在QPSK調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為537.6kbps；在16QAM調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為1.0752Mbps；在64QAM調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為2.1504Mbps。
當將兩個基本時隙合併為一個2倍擴充時隙，其配置如圖4中所示，在擴頻係數為16時，每碼道數據區為170個符號(symbol)，每基本時隙可傳輸2,720個符號，或者說在QPSK調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為1.088Mbps；在16QAM調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為2.176Mbps；在64QAM調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為4.352Mbps。
當將9個基本時隙合併為一個9倍擴充時隙，其配置如圖4中所示，在擴頻係數為16時，每碼道數據區為1,028個符號，每基本時隙可傳輸16,448個符號，或者說在QPSK調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為6.5792Mbps；在16QAM調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為13.1584Mbps；在64QAM調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為26.3168Mbps。
當帶寬為10MHz時，基本時隙可以這樣配置中間碼為512bit，在擴頻係數為32時，每碼道數據區為84個符號，或者說在QPSK調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為33.6kbps，可以傳輸一路編碼速率為12.2kbps的話音。而每基本時隙可傳輸2,688個符號，或者說在QPSK調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為1.0752Mbps；在16QAM調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為2.1504Mbps；在64QAM調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為4.3004Mbps。
當將兩個基本時隙合併為一個2倍擴充時隙，該2倍時隙可以這樣配置中間碼為1024bit，在擴頻係數為32時，每碼道數據區為170個符號，每基本時隙可傳輸5,440個符號，或者說在QPSK調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為2.176Mbps；在16QAM調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為4.352Mbps；在64QAM調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為8.704Mbps。
當將9個基本時隙合併為一個9倍擴充時隙，該9倍擴充時隙可以這樣配置中間碼為512bit，在擴頻係數為32時，每碼道數據區為1,028個符號(symbol)，每基本時隙可傳輸32,896個符號(symbol)，或者說在QPSK調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為13.1584Mbps；在16QAM調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為26.3168Mbps；在64QAM調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為52.6336Mbps。
當帶寬為20MHz時，基本時隙可以這樣配置中間碼為1024bit，在擴頻係數為64時，每碼道數據區為84個符號，或者說在QPSK調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為33.6kbps，可以傳輸一路編碼速率為12.2kbps的話音。每基本時隙可傳輸5,376個符號，或者說在QPSK調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為2.1504Mbps；在16QAM調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為4.3008Mbps；在64QAM調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為8.6016Mbps。
當將兩個基本時隙合併為一個2倍擴充時隙時，該2倍擴充時隙可以這樣配置中間碼為2048bit，在擴頻係數為64時，每碼道數據區為170個符號，每基本時隙可傳輸10,880個符號(symbol)，或者說在QPSK調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為4.352Mbps；在16QAM調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為8.704Mbps；在64QAM調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為17.408Mbps。
當將9個基本時隙合併為一個9倍擴充時隙時，該9倍擴充時隙可以這樣配置中間碼為1024bit，在擴頻係數為64時，每碼道數據區為1028個符號，每基本時隙可傳輸65,792個符號，或者說在QPSK調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為26.3168Mbps；在16QAM調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為52.6336Mbps；在64QAM調製下的最大傳輸能力(業務數據加信令，未計糾錯編碼)為105.2672Mbps。
通過上述舉例可以看出，當使用本發明的幀結構，並配合使用不同的基本時隙與擴充時隙長度、不同的調製方式及不同的擴頻係數時，將TDD系統每信道(一個時隙中一個碼道)的傳輸能力列在下表中，表中基本時隙的長度按N＝10確定
從上述表格所列參數可以看出，當確定N，決定所述基本時隙長度、合併基本時隙成擴充時隙，和在不同時隙內採用不同的調製方式、糾錯編碼方式與擴頻係數，可以提供不同傳輸速率及不同傳輸質量要求的業務的無線傳輸；在固定N＝10的條件下，通過採用調整調製方式，調整擴頻係數和組成擴充時隙(基本時隙的倍數)的方法，能同時滿足系統帶寬分別為5MHz、10MHz、20MHz時，系統對一個時隙中一個碼道傳輸至100Mbps時各種傳輸速率能力的要求。
顯然，本發明方法是對TD-SCDMA系統的重大改進和提高，在不增加現有系統複雜性的前提下，大大提高了系統的數據傳輸速率，滿足了三代後移動多媒體的需求。
本發明的方法也可以在簡單修改後，使用到其它無線系統，例如無線用戶環路及無線本地網(WLAN)等等系統中。
權利要求
1.一種寬帶TDD系統使用高效高性能幀結構進行無線傳輸的方法，其將一個子幀劃分為若干個基本時隙和若干個特殊時隙，利用其中一個基本時隙傳輸小區廣播或尋呼信息，其餘基本時隙傳輸業務信息，其特徵在於所述傳輸業務信息的基本時隙可以部分合併為若干個擴充時隙來進行業務傳輸。
2.根據權利要求1所述的使用高效高性能幀結構進行無線傳輸的方法，其特徵在於所述基本時隙或擴充時隙，包括一個中間碼部分，該中間碼部分用於傳輸鏈路估值和同步保持的信息，位於該中間碼兩邊的各一個業務數據區，用於傳輸業務數據，和一個間隔區，用於基本時隙、擴充時隙間的保護。
3.根據權利要求2所述的使用高效高性能幀結構進行無線傳輸的方法，其特徵在於所述基本時隙中的間隔區與所述擴充時隙中的間隔區具有相同的長度。
4.根據權利要求1所述的使用高效高性能幀結構進行無線傳輸的方法，其特徵在於所述若干個基本時隙中的每個基本時隙的長度是相同的。
5.根據權利要求1所述的使用高效高性能幀結構進行無線傳輸的方法，其特徵在於所述若干個基本時隙中的每個基本時隙的長度是不相同的。
6.根據權利要求1所述的使用高效高性能幀結構進行無線傳輸的方法，其特徵在於所述若干個特殊時隙，包括下行導引時隙DwPTS、上、下行保護時隙G和上行導引時隙UpPTS。
7.根據權利要求1所述的使用高效高性能幀結構進行無線傳輸的方法，其特徵在於進一步包括確定所述基本時隙的個數，以決定所述基本時隙長度、合併基本時隙成擴充時隙，和在不同基本時隙、擴充時隙內採用不同的調製方式、糾錯編碼方式與擴頻係數，以提供不同傳輸速率及不同傳輸質量要求的業務的無線傳輸。
8.根據權利要求7所述的使用高效高性能幀結構進行無線傳輸的方法，其特徵在於在固定所述基本時隙個數的條件下，對應某一調製方式，調整擴頻係數和組成擴充時隙的基本時隙的倍數，能同時滿足系統帶寬分別為5MHz、10MHz、20MHz時，系統對100Mbps內各種速率數據傳輸能力的要求。
9.根據權利要求1所述的使用高效高性能幀結構進行無線傳輸的方法，其特徵在於所述基本時隙的個數為11，所述擴充時隙的長度為2至9倍基本時隙的長度。
10.根據權利要求9所述的使用高效高性能幀結構進行無線傳輸的方法，其特徵在於所述基本時隙的長度為425μs，其中，中間碼部分的長度為66.67μs，中間碼兩邊各一個數據區的長度為175μs，間隔區的長度為8.33μs；所述2倍基本時隙的擴充時隙的長度為850μs，其中，中間碼部分的長度為133.34μs，中間碼兩邊各一個數據區的長度為354.165μs，間隔區的長度為8.33μs；所述9倍基本時隙的擴充時隙的長度為3825μs，其中，中間碼部分的長度為66.67μs，中間碼兩邊各一個數據區的長度為1875μs，間隔區的長度為8.33μs。
全文摘要
本發明涉及寬帶TDD系統使用高效高性能幀結構進行無線傳輸的方法，包括將一個固定時長的子幀劃分為若干個基本時隙和若干個特殊時隙，其中利用一個基本時隙下行傳輸小區廣播或尋呼信息，用其餘個基本時隙上行與下行傳輸業務信息；在需要提高單時隙的傳輸速率能力時，將部分基本時隙合併為若干擴充時隙，用擴充時隙傳輸與擴充時隙長度相匹配的高速業務。本發明給出TDD系統在後三代的一種發展方向，通過使用該種幀結構進行無線傳輸，只需改變基本時隙長度、利用基本時隙合併成不同倍的擴充時隙，和採用不同的調製方式、擴頻係數，就可提供不同數據速率的業務，能同時滿足系統帶寬分別為5、10、20MHz時對100Mbps內各種速率數據傳輸能力的要求。
文檔編號H04B1/707GK1832378SQ200510053780
公開日2006年9月13日 申請日期2005年3月11日 優先權日2005年3月11日
發明者李世鶴 申請人:大唐移動通信設備有限公司