無線通信系統以及其中使用的通信方法、中間裝置的製作方法
2023-05-08 01:57:06 2
專利名稱：無線通信系統以及其中使用的通信方法、中間裝置的製作方法
技術領域：
當前，存在著對在基於分組的無線電通信系統和其他通信系統中使用多跳技術的 濃厚興趣，據稱，該技術將既能夠擴大覆蓋範圍又能夠增加系統容量(吞吐量)。
背景技術：
在多跳通信系統中，在沿著從源裝置經由一個或更多個中間裝置到目的地裝置的 通信路徑的通信方向上發送通信信號。圖1例示了包括基站BS(在3G通信系統語境中公 知為"節點B(node-B) "NB)、中繼節點RN(也公知為中繼站RS)以及用戶裝置UE(也公知為 移動站MS或用戶站SS ;下文中，縮略語MS/SS被用來指示這些類型的UE中的任一個)的 單小區兩跳無線通信系統。在信號在從基站經由中繼節點(RN)到目標用戶裝置(UE)的下 行鏈路(DL)上傳輸的情況下，所述基站包括源站(S)而所述用戶裝置包括目標站(D)。在 通信信號在從用戶裝置(UE)經由中繼節點到基站的上行鏈路(UL)上傳輸的情況下，所述 用戶裝置包括源站而所述基站包括目標站。後一種形式的通信包括作為入網程序(network entry procedure)的一部分的由用戶裝置向基站(進而向網絡)傳輸表示該用戶裝置自身 的信號。這與下面將解釋的本發明具體相關。
中繼節點是中間裝置的示例並且包括可操作以從源裝置接收數據的接收機；以 及可操作以將該數據或其派生物(derivative)發送到目的地裝置的發射機。
簡單的模擬中繼器或數字中繼器已經被用作中繼，以改善或者提供對盲點(dead spot)的覆蓋。它們或者可以以與源站不同的傳輸頻帶操作以防止源傳輸和中繼器傳輸之 間的幹擾，或者可以在不存在來自源站的傳輸的時候進行操作。 圖2圖示了中繼站的多個應用。對於固定基礎設施，中繼站提供的覆蓋可以是"內 部填充式的(in-fill)"，以允許這樣的移動站對通信網絡進行訪問，所述移動站本來受其 他物體的強烈影響，或者本來儘管位於基站的正常範圍內但是不能從所述基站接收足夠強 度的信號。"範圍延伸"也被示出，其中當移動站在基站的正常數據發射範圍外時中繼站仍 允許訪問。圖2a的右上角示出的內部填充式的一個示例，該示例定位遊動中繼站，以允許 覆蓋滲透建築(可以在地平面之上或之下)內部。 其他應用是起臨時覆蓋作用的遊動中繼站，在大事或者緊急事件/災難期間提供 接入。圖2b的右下角示出了最後一個應用，該應用使用定位在交通工具上的中繼來提供對 網絡的接入。 還可以結合高級傳輸技術來使用中繼，以增強通信系統的增益，下面將進行解釋。
眾所周知，由於在無線電通信穿過空間傳播時被散射和吸收而發生的傳播損耗或 "路徑損耗"導致信號強度降低。影響發射機和接收機之間的路徑損耗的因素包括發射機 天線高度、接收機天線高度、載波頻率、雜波(clutter)類型(城市、城市邊緣、鄉村)、形態
4(例如高度、密度、間距(s印aration))、地形(丘陵、平地)的細節。發射機和接收機之間 的路徑損耗L(dB)可以用下式來建模
L = b+10nlogd (A) 其中d(米)是發射機和接收機的間距，b(db)和n是路徑損耗參數，而絕對路徑 損耗由1二10^油給出。 間接鏈路SI+ID上所經歷的絕對路徑損耗的和可能小於直接鏈路SD上所經歷的
路徑損耗。換言之可能有 L(SI)+L(ID) < L(SD) (B) 因而，將單條傳輸鏈路分成兩條(或更多條)更短的傳輸段可以利用路徑損耗與 距離之間的非線性關係。根據使用等式(A)對路徑損耗進行簡單的理論分析，可以意識到 如果將信號經由中間裝置(一個或更多個中繼節點)從源裝置發送到目的地裝置而不是將 信號直接從源裝置發送到目的地裝置，可以實現總損耗的降低(從而改善或增加信號的強 度以及數據吞吐量)。如果正確地進行實現，則多跳通信系統可以允許降低發射機的發射功 率，這將便於無線傳輸，導致幹擾程度的下降以及減少電磁輻射曝露量。另選地，整個路徑 損耗的降低可以被利用來改善在接收機處接收到的信號的質量，而無需增加運送該信號所 要求的總發射傳輸功率。 多跳系統適合與多載波傳輸一起使用。在多載波傳輸系統(例如FDM(頻分復 用)、OFDM(正交頻分復用)或者匿T(離散多音))中，單個數據流被調製到N個並行的子載 波上，各子載波信號具有自己的頻率範圍。這允許將整個帶寬(即給定時間間隔內要發送 的數據量)劃分到多個子載波上，從而增加了各數據符號的持續時間。因為各子載波具有 更低的信息速率，所以與單載波系統相比，多載波系統可增強對信道引入的失真的抗擾性， 並從而受益。通過保證傳輸速率並由此各子載波的帶寬小於信道的相干帶寬(coherence bandwidth)使這成為可能。所以，在信號子載波上經歷的信道失真是與頻率無關的並且因 此可以通過簡單的相位和幅度因子來糾正。所以，當系統帶寬超過了信道的相干帶寬時， 相對於單載波接收機中對應的實體，多載波接收機中的信道失真糾正實體的複雜度明顯降 低。 正交頻分復用(OFDM)是基於FDM的調製技術。OFDM系統使用數學意義上正交的多 個子載波頻率，從而由於這些子載波頻率實際上相互獨立所以子載波的頻譜可以無幹擾地 重疊。OFDM系統的正交性消除了對保護帶頻率的需要，從而增加了系統的頻譜效率。OFDM 已經被提出並為許多無線系統所採用。它現在被用在非對稱數字用戶線路(ADSL)連接、一 些無線LAN應用(例如基於IEEE 802. 11a/g標準的WiFi設備)以及(和本發明具體相關 的)無線MAN應用(例如WiMAX(基於IEEE802. 16標準))中。OFDM經常結合信道編碼、 糾錯技術來使用，以創建編碼的正交F匿或C0FDM。 C0F匿現在被廣泛用於數字電信系統 中，以改善在多徑環境中基於OF匿系統的性能，在所述多徑環境中可以看到信道失真中的 變化貫穿於頻域中的子載波和時域中的符號。已經發現該系統用於視頻和音頻廣播(例如 DVB和DAB)以及某些類型的計算機網絡技術中。 在0F匿系統中，通過使用離散傅立葉逆變換或快速傅立葉逆變換(IDFT/IFFT)算 法將一組N個調製後的並行數據源信號映射到N個正交的並行子載波上，以在發射機處形 成公知為時域中"0F匿符號"的信號。所以，"0F匿符號"是所有N個子載波信號的合成信號。OF匿符號可以在數學上表示為 柳=~^&V一 ， os"7; (1) 其中，Af是以Hz為單位的子載波間距，Ts = 1/Af是以秒為單位的符號時間間 隔，而 是調製後的源信號。各源符號被調製到其上的式(1)中的子載波向量c G Cn，c = (c。， cvcN—》是來自有限星座圖的N個星座圖符號的向量。在接收器側，通過應用離散傅 立葉變換(DFT)或快速傅立葉變換(FFT)算法將接收到的時域信號轉換回頻域。
OFDMA(正交頻分多址)是OF匿的多址變體。它通過將子載波的子集賦給單獨用 戶來工作。這允許從幾個用戶同時傳輸，而獲得更好的頻譜效率。然而，仍然存在允許無幹 擾的雙向通信(即在上行鏈路方向和下載方向上)的問題。 為了支持兩個節點之間的雙向通信，存在兩種熟知的不同方法來使兩條(正向或 者下載，以及反向或者上行鏈路)通信鏈路雙工運行，以克服設備不能在相同資源介質上 同時發射和接收的物理限制。第一種方法(頻分雙工(FDD))涉及將傳輸介質細分成兩個 不同的頻帶(一個用於正向鏈路通信而另一個用於反向鏈路通信)來在不同頻帶上同時操 作兩條鏈路。第二種方法(時分雙工(TDD))涉及在相同頻帶上操作兩條鏈路，但是在時 間上細分對介質的訪問，從而在任意一個時間點只有正向鏈路或只有反向鏈路將利用該介 質。兩種方法(TDD以及FDD)都具有它們相對的優點，並且對於單跳有線和無線通信系統都 是被很好使用的技術。例如，IEEE 802. 16標準既包括FDD模式又包括TDD模式。因而，通 過引用將IEEE標準802. 16-2004"Air Interface for Fixed BroadbandWireless Access Systems"的全部內容併入本文中。 在MS/SS和BS之間直接進行通信的單跳通信系統中，MS/SS和BS —起遵循入網 程序。然而，對於BS和MS/SS之間的通信通過一個或更多個中繼站RS進行的多跳系統，公 知的入網程序是不能勝任的。所以需要可以應用在這種情況下的改善了的入網程序。
發明內容
根據本發明的第一方面，提供了一種在無線通信系統中使用的傳輸方法，所述系 統包括源裝置、目的地裝置、和中間裝置，所述源裝置和目的地裝置被構成為通過所述中 間裝置發送和接收信息，至少所述源裝置被構成為執行包括測距進程在內的入網程序，以 連接至所述系統，所述方法包括在所述中間裝置中，在滿足閾值之前，管理所述中間裝置 和所述源裝置之間的所述測距進程。 根據本發明的另一方面，提供了一種無線通信系統，所述無線通信系統包括源裝 置、目的地裝置、和中間裝置，所述源裝置和所述目的地裝置被構成為通過所述中間裝置發 送和接收信息，至少所述源裝置被構成為執行包括測距進程在內的入網程序，以連接至所 述系統，其中所述中間裝置包括管理裝置，在滿足閾值之前，該管理裝置用於進行與所述 源裝置的所述測距進程。 根據本發明的再一方面，提供了一種在無線通信系統中使用的中間裝置，所述系 統具有構成為通過所述中間裝置發送和接收信息的源裝置和目的地裝置，所述系統需要至 少所述源裝置執行包括測距進程在內的入網程序，以連接至所述系統，其中，所述中間裝置 包括管理裝置，其在滿足閾值之前，用於進行與所述源裝置的所述測距進程。
本發明還定義在現在要引用的獨立權利要求中。在從屬權利要求中提供了有優勢的實施方式。 本發明的實施方式提供了通信方法、通信系統、中間裝置(例如中繼站RS)，採用新穎的協議作為BS和RS遵循的入網程序，使得傳統的MS或SS可以進入支持中繼的通信網絡。該協議涉及RS可以管理整個過程的分散式控制。該協議可以基於對遵循IEEE802. 16標準的當前入網程序的改進，並具體針對RS發送同步並廣播控制信息(即前同步碼(preamble)和MAP)的情況設計。 本發明還包括用於在RS上或在用作RS的MS/SS上執行該新穎的協議的計算機軟體(其可以存儲在計算機可讀記錄介質上)。
現在將參照附圖以實施例的方式描述本發明的優選特徵，在附圖中
圖1示出了單小區兩跳無線通信系統；
圖2示出了中繼站RS的應用；
圖3示出了標準MS入網程序；以及 圖4示出了實施本發明的在支持中繼的網絡中在MS測距過程中的RS管理過程。
具體實施例方式
在傳統的單跳系統(例如802. 16-2004和802. 16e_2005)中，已經存在標準入網程序以支持MS或SS進入通信網絡。然而，當網絡被修改成支持傳統的MS或SS所不了解的中繼功能時，從網絡角度看，需要修改入網程序，以便快速和有效地支持MS/SS入網。
本發明提供了從網絡角度看旨在被用作修改的入網程序(即用在RS和BS中)的協議。具體地，這種協議被設計為意在能夠應用IEEE802. 16標準，並且從MS或SS的角度看，無須改變程序。這種協定也設計為用於非透明中繼的情況，在這種情況中，RS能夠傳輸前同步碼和廣播控制信息，並且由此具有在本地管理進程的能力(即，分散控制)，並且由此最小化等待時間(否則等待時間將與中繼相關聯)。 圖3圖示了在IEEE 802. 16標準中描述的入網程序，所述IEEE 802. 16標準支持MS或SS入網到單跳通信系統中。 這裡，假設網絡已經知道入網程序期間MS正在與之通信的任意RS(附帶地，在本說明書中，術語"網絡"和"系統"被可交換地使用)。例如，在單獨的程序(例如在這裡通過引用包括其公開的英國申請第0616475. 0號中描述的一個程序)之後，RS可能已經完成了網絡的進入。還假設由於要求網絡支持傳統用戶，所以MS或SS從它的角度看仍然遵循與圖3中所圖示的相同的入網程序。然而，RS遵循的程序在這裡被定義，而BS遵循的程序則從對在單跳網絡的情況下遵循的程序進行修改得到。為了便於解釋，將考慮圖1中的兩跳結構，儘管本發明不限於此。
掃描下行鏈路信道 在本階段期間，MS/SS掃描前同步碼傳輸(前同步碼可能源自BS或RS)。 一旦檢測到所有潛在的前同步碼，則MS將按照標準程序從可獲得的信道集中選擇它希望使用的信道。然後MS將它的接收機與發射機同步。
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注意，這裡不需要超過現存單跳系統中的操作的額外操作。
獲得上行鏈路參數 在本階段期間，MS/SS獲得上行鏈路參數，所述上行鏈路參數包括MS/SS將在下一階段中使用的上行鏈路控制信息傳輸區域的位置。該信息將由MS/SS試圖連接的BS或RS產生。 測距和自動調整 MS/SS將如IEEE 802. 16標準中定義的那樣向網絡發送測距碼或測距消息，作為一種標識自身的標識消息。(附帶地，儘管在使用0F匿時，術語"測距消息"更準確而"測距碼"更適合於OFDMA，但是在下面的描述中都使用"測距碼")。在多跳網絡中可能有多個接收機接收該傳輸。這種碼將基於所選擇的下行鏈路信道被引向優選的接收器。
隨後，測距碼的接收器一般將試圖獨立地檢測所述測距碼，RS對MS的表現與BS對MS的表現一樣。然而，由於RS可能需要確保BS以及BS至RS的空中接口能夠支持這種新的連接，在該系統中需要一些機制來促成。三種可選的機制為 1.測距請求從RS中繼回BS，相應地設定傳輸功率；或者在RS中執行檢測，而將檢測信息中繼至BS。然而，由於與這種類型的系統關聯的框架結構和任何響應消息均需要經由RS這樣的事實，從MS/SS的角度看，這兩種情況均將引起額外的等待時間。因此，從執行的角度來看，這種方法並非優選的，然而，這種方法保持RS的複雜性最小，從而在這一點上是有利的。 2. BS向RS通知檢測閾值，並且在滿足該閾值之前RS管理測距進程，在本地產生反饋信息。然而，該整個方法最後的測距響應仍然必須從BS中繼，這將產生一些額外等待時間。與1中提出的機制相比，這種方法提供了較低的等待時間方案，但是需要增加複雜性。
3.(優選機制)RS完全本地管理測距進程。然而，為了確保BS能夠支持這種連接，一旦RS通過檢測測距碼第一次得知了 MS試圖入網，就向BS通知用戶正在試圖入網。這種機制在RS管理測距進程的同時，有效地、並行地在RS至BS的鏈路上，用管道輸送涉及該連接的第二"測距進程"，從而使等待時間最小化。該第二"測距進程"為由RS代表MS與BS進行的進程，並且不需要其自身的測距碼。BS隨後將向RS通知這種連接是否能夠被支持，並且還向RS通知有關於可以在複合鏈路上提供的連接類型、服務等級等的任何特定信息。隨後，RS可以解釋所述信息，向MS/SS傳遞相關內容，或利用所述信息確定是否繼續測距進程。RS還可以向BS要求在其成功測距消息或任何繼續測距消息中要求包含的特定信息。由於第三種機制通過獨立地在兩個鏈路上運行測距進程和入網程序而提供最高的效率的事實，因此第三種機制在網絡性能方面是優選的。然而，這種方法需要RS的最高的複雜性。 圖4例示了在段落3中描述的程序。這裡，(100)表示通過試圖通過RS進入網絡的MS或SS發送至RS(或BS)的第一消息。如果RS檢測到(100)則在同一幀中(或者稍後的時刻)向BS發送消息(200)，以請求支持這種進程所需的任何信息，並且還向BS通知(100)的到達。RS隨後將利用適當的消息(300)來響應MS/SS，所述適當的消息(300)可以為例如繼續消息，並且包括至MS/SS的信息(諸如對其下一次傳輸的調整)。BS還將響應於(200)，以確認並提供(200)中所請求的信息，如通過(400)示出的。
在隨後某個時間點，MS/SS可能傳輸又一消息(500)。如果從RS的角度看這仍然是不足的，則RS可以響應以諸如(300)之類的又一繼續和調整消息。然而，當RS最終接收到充分的消息(500)時，RS將結束測距進程。此時，將利用消息(600)通知BS，並且還可以在又一消息(700)中請求隨後的入網階段所需的信息。RS隨後將通過又一消息(800)通知MS/SS測距進程成功完成。 應注意，從RS的角度看，在來自MS/SS的第一傳輸(100)充分的情況下，RS和BS之間的消息仍將進行交換(即(200) (400) (600) (700))，然而RS和MS顯然將跳過消息(300)和(500)。 另選的是，在多跳架構中，可以將多個RS穿插在MS/SS和BS之間的通信路徑中。在這種情況下，上述程序被修改為包括一個RS，該RS從/向另一個RS接收和/或中繼測距碼或檢測信息，這樣將並行發生由相應的RS獨立管理的兩個以上的進程。
在上述說明中，假定網絡可以包括一些傳統BS( S卩，遵從現有協議操作的基站)和一些支持中繼的BS(即，根據本發明操作的基站)。還假定支持中繼的BS可以在傳統模式下操作，直到從RS接收到其要進入網絡的請求。BS可以以這種模式操作的原因是為了當不存在受益於這種傳輸的中繼器時，通過並不必廣播中繼專用信息來保護傳輸資源。
其餘入網進程 當RS獲知MS進入網絡時，RS可以完全地管理入網進程中的其餘步驟。隨後，以在未引入額外等待時間的情況下RS和MS之間的進程最優的方式，RS可以尋找信息的來源，或者向BS通知該入網程序的狀態。 例如，假定RS已經通過BS授權，則RS能夠在本地管理授權進程，向BS通知狀態，以及根據需要尋找來自任何中心定位的伺服器(所述伺服器管理網絡中的授權)的中心存放的信息。 如上所述，本發明可以提供以下效果 o定義了測距和入網程序，所述程序有效地包括並行地發生的兩個或更多個(根
據鏈路的數量)進程，並且由該連接所要求的RS獨立地管理； o由於進程的本地管理，能夠最小化與入網伴生的等待時間； o提供可升級方案，其能夠使系統支持可能的大量的跳，而對入網性能不存在顯著的或非常不利的限制性影響。 因此，本發明的實施方式可以提供一種在無線通信系統中使用的傳輸方法，所述系統包括用戶站、基站和形式為一個或更多個中繼站的中間裝置。用戶站和基站被設置為通過中間裝置發送和接收信息，至少所述用戶站被要求執行入網進程以連接至所述系統，所述方法包括在中間裝置中，例如通過接收來自用戶站的測距碼，來確定用戶站是否已經啟動了與中間裝置的入網進程。根據這種確定，中間裝置向基站通知該事實，同時繼續進行與用戶站的入網進程。基站利用到中間裝置的返回消息來響應於這種通知，這種返回消息是所執行的從基站至中間裝置的引導進程的一部分，這樣中間裝置能夠管理整個入網進程。這種方法尤其涉及基於諸如IEEE802. 16標準的多跳無線系統。 本發明的實施方案可以用硬體、或者運行在一個或更多個處理器上的軟體模塊、或者它們的組合來實現。即，本領域技術人員將意識到微處理器或數位訊號處理器(DSP)可以在實際中被用來實現具體實施本發明的發射機的一些或全部功能。本發明還可以被實施為一個或更多個設備或裝置程序(例如電腦程式和電腦程式產品)，來實行本文描
9述的任意方法的部分或全部。實施本發明的這些程序可以被存儲在計算機可讀介質上，或者例如可以是一個或更多個信號的形式。這些信號可以是可以從網際網路網站下載的數據信號、或者可以被提供在載波信號上，或者可以是任意的其他形式。 實施本發明的程序還可以將上面描述的RS的功能添加到具有合適硬體的MS/SS中。
權利要求
一種在無線通信系統中使用的傳輸方法，所述系統包括源裝置、目的地裝置、和中間裝置，所述源裝置和目的地裝置被構成為通過所述中間裝置發送和接收信息，至少所述源裝置被構成為執行包括測距進程在內的入網程序，以連接至所述系統，所述方法包括在所述中間裝置中，在滿足閾值之前，管理所述中間裝置和所述源裝置之間的所述測距進程。
2. 根據權利要求1所述的傳輸方法，其中，從所述中間裝置向所述源裝置發送與所述測距進程有關的反饋信息。
3. 根據權利要求1所述的傳輸方法，其中，所述中間裝置將來自所述目的地裝置的最後的測距響應中繼至所述源裝置。
4. 根據權利要求1所述的傳輸方法，其中，所述測距進程包括從所述源裝置到所述中間裝置的一個或更多個測距嘗試。
5. 根據權利要求4所述的傳輸方法，其中，在成功的測距嘗試之後，所述中間裝置管理與所述源裝置的所述入網程序的其餘部分。
6. 根據權利要求1所述的傳輸方法，其中，所述源裝置為用戶站。
7. 根據權利要求1所述的傳輸方法，其中，所述目的地裝置為基站。
8. 根據權利要求1所述的傳輸方法，其中，所述中間裝置為設置在所述源裝置和所述目的地裝置之間以雙跳架構布置的中繼站。
9. 根據權利要求1所述的傳輸方法，其中，所述中間裝置由設置在所述源裝置和所述目的地裝置之間的以多跳架構布置的多個中繼站構成，第一個所述中繼站檢測所述源裝置啟動的所述入網程序，並且將所述通知中繼至另一中繼站，以轉發至所述目的地裝置。
10. —種無線通信系統，所述無線通信系統包括源裝置、目的地裝置、和中間裝置，所述源裝置和所述目的地裝置被構成為通過所述中間裝置發送和接收信息，至少所述源裝置被構成為執行包括測距進程在內的入網程序，以連接至所述系統，其中所述中間裝置包括管理裝置，在滿足閾值之前，該管理裝置用於進行與所述源裝置的所述測距進程。
11. 根據權利要求io所述的系統，其中，所述中間裝置被構成為向所述源裝置發送與所述測距進程有關的反饋信息。
12. 根據權利要求IO所述的系統，其中，所述中間裝置被構成為將從所述目的地裝置接收的最後的響應中繼至所述源裝置。
13. 根據權利要求10所述的系統，其中，所述測距進程包括從所述源裝置到所述中間裝置的一個或更多個測距嘗試。
14. 根據權利要求13所述的系統，其中，所述中間裝置的所述管理裝置響應於成功的測距嘗試而管理與所述源裝置的所述入網程序的其餘部分。
15. —種在無線通信系統中使用的中間裝置，所述系統具有構成為通過所述中間裝置發送和接收信息的源裝置和目的地裝置，所述系統需要至少所述源裝置執行包括測距進程在內的入網程序，以連接至所述系統，其中，所述中間裝置包括管理裝置，其在滿足閾值之前，用於進行與所述源裝置的所述測距進程。
16. —種記錄有電腦程式的計算機可讀介質，該電腦程式在由無線通信系統中的中間裝置執行時為所述中間裝置提供以下功能在滿足閾值之前，管理所述中間裝置和所述源裝置之間的所述測距進程，其中所述無線通信系統具有構成為通過所述中間裝置發送和接收信息的用戶站和基站，並且需要至少所述用戶站執行包括測距進程的入網程序以連接至所述系統。
全文摘要
本發明公開了無線通信系統以及其中使用的通信方法和中間裝置，所述無線通信系統包括源裝置、目的地裝置、和中間裝置，所述源裝置和目的地裝置被構成為通過所述中間裝置發送和接收信息，至少所述源裝置被構成為執行包括測距進程在內的入網程序，以連接至所述系統，該在無線通信系統中使用的傳輸方法包括在所述中間裝置中，在滿足閾值之前，管理所述中間裝置和所述源裝置之間的所述測距進程。
文檔編號H04B7/26GK101730116SQ20091022459
公開日2010年6月9日 申請日期2007年9月6日 優先權日2006年9月8日
發明者周躍峰, 麥可·約翰·比默斯·哈特 申請人:富士通株式會社