利用中繼基站進行通信的方法及系統的製作方法

2023-12-03 16:27:41

專利名稱：利用中繼基站進行通信的方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及無線通信領域，尤其涉及一種利用中繼基站進行通信的方法和 含有中繼基站的通信系統。條狄當前的無線蜂窩網絡和無線城域網，如全球移動通信系統(Global System Mobile, GSM)、通用移動通信系統(Universal Mobile Telecommunications System, UMTS)和無線城域網絡(Worldwide Interoperability for Microwave Access, WiMAX)等，是由許多實體、接口組成的複雜的系統。模擬蜂窩系統被稱為第 一代蜂窩通信系統。參見圖1,為現有技術中典型的無線蜂窩網絡模型示意圖。終端用戶(如 手機、PDA和筆記本電腦等)通過無線電空口與基站連接，基站通過線纜與連 接服務網(Connection Service Network, CSN)連接，將數據傳送到核心網絡 中。當前應用的悽t字通信系統，如GSM、 個人數字通信(Personal Digital Communication, PDC )、碼分多址系統cdmaOne (IS-95 )和時分多址系統 US-TDMA(IS-136)是第二代通信系統，這些系統將無線語音通信用於主導市 場中。GSM系統支持8個時隙的用戶，每一個是200kHz無線電信道。它在蜂 窩網和個人通信網(Personal Communication System, PCS)中被歐洲、亞洲、 澳大利亞、南美和美國部分地區的服務提供商廣泛應用。由於第二代通信系統的處理能力受限，需要第三代通信系統來提供高比特 率服務，用來收發高質量的圖像和視頻，第三代系統要求用於多媒體通信中。UMTS網絡和WiMAX系統是第三代移動技術。UMTS網絡可以用高達2Mbps的速率傳遞數據。除了傳遞語音和數據，UMTS通過固定、無線和衛星 系統，傳遞音頻和視頻到世界任何一個地方的無線設備上。基於IEEE802.16空口標準的WiMAX技術在寬帶無線城域網中起重要作 用。2005年11月，IEEE批准了 802.16e對於802.16標準的修正，這個^奮正增 加了對移動特性的支持，因此基於802.16e空口的WiMAX也具有了移動性。 除了定義空口， WiMAX論壇也定義了端到端的移動WiMAX系統的必要網絡 結構。參見圖2，為現有技術中WiMAX網絡參考4莫型。WiMAX網絡由終端、 接入月艮務網(Access Service Network, ASN )、連接月良務網(Connectivity Service Network, CSN)，還有一些接口組成。ASN定義了 一個邏輯邊界，用一個比較便利的方式來描述功能模塊的集合 和與接入服務相對應的消息流。例如UMTS網絡中的基站(NodeB)和無線網 絡控制器(RNC), GSM網絡中的基站(BTS)和基站控制器(BSC)。CSN被定義為一組提供IP連接服務的網絡功能。CSN可以由路由器、認 證、授權和計費(Authentication, Authorization and Accounting, AAA)月良務器、 用戶資料庫和網際網路網關等設備的網絡元件組成。從圖1和圖2中可以看出，ASN和用戶終端之間的通信由基站轉發，基站 與ASN之間通過線纜連接，因此，在現有的無線蜂窩網絡和無線城域網中建 設基站主要有以下缺點(1) 搭建線纜成本高。由於通信負栽非均勻分布(如城市、郊區和鄉村 通信負載分布不均勻)，因此需要在負栽較大的地區設置較多的基站，每個基 站與ASN通過線纜連接，將會導致建站的線纜成本提高。(2) 容錯(FaultTolerant)服務很難。為了保證用戶業務的正常進行，每 個基站都要進行容錯設置，如通過冗餘設備、backhaul回程、備份功率實現容 錯，容4^殳備的造價較高。因此，當負載大的地區需要搭建較多基站時，容錯 成本將十分昂貴。
(3)布網不夠靈活，不能保證用戶業務的正常^(吏用。由於基站的安裝受 地理、地勢的影響，導致基站的覆蓋範圍會受到環境的影響，如建築物的山谷 地區、地下鐵路和室內環境等原因造成覆蓋空洞，導致該地區的用戶無法正常 ^^用無線業務。本發明還涉及到網絡結構的OSI模型以及WiMAX OFDMA幀結構，下面 對這兩項技術進行簡單介紹。參見圖3，為現有蜂窩通信網絡和無線城域網的OSI才莫型結構示意圖。為了描述數據在網絡中的傳遞過程，定義了現有蜂窩網絡和無線城域網絡 的開放系統互聯(Open System Interconnect Reference Mode, OSI)模型。OSI 模型結構通常也被稱為協議棧結構。OSI模型定義了七層結構，用以描述各種 應用是如何在可以互相通信的網絡設備上工作的。這七層分別為物理層 (PHY)、媒體接入控制層(MAC)、網絡層(Network)、傳輸層(Transport)、 會話層(Session )、描述層(Description)和應用層(Application),但是現在 的網絡中通常將這個模型簡化為如圖3所示的五層模型。層l是物理層，它定義了網絡的物理和電子特性；層2是MAC層(或數 據鏈路層)，它定義了分享物理媒體的接入方式，包括數據連接和媒體接入等 方面；層3是網絡層，它提供通信開放系統以建立、保持和完成網絡連接的方 式，IP協議在這一層中，還有一些路由協議，所有的路由器都在這一層中；層 4是傳輸層，TCP在這層中，這一層替換了會話層來保證數據的可靠性和集成 性，這一層只需要軟體操作；最後是應用層，在這裡有最終的用戶和最終的應 用協議，例如telnet、 ftp和mail。圖3中，將網絡層、傳輸層和應用層用上層 (UpperLayer)表示。如圖3所示，終端(SS/MS)發送的數據包從應用層下來到達物理層，物 理層通過空口 Rl與基站(BS)的物理層連接，通過MAC層進行媒體接入控 制；基站通過線纜將數據傳輸到ASN-GW中；在ASN-GW中，數據再由物理 層上升到高層中。
參見圖4,為現有技術中WiMAXOFDMA幀結構示意圖。 IEEE 802.16標準支持時分雙工(Time division duplex, TDD)、頻分雙工 (Frequency division duplex, FDD )和半頻分雙工(H-FDD )才莫式，在TDD才莫 式下點到多點(Point to Multipoint, PMP )的正交頻分多址(Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access, OFDMA)幀(frame)結構:i口圖4所示。在WiMAX OFDMA幀中，每一個幀被分為上行和下行子幀，在每一個幀 中，發收間隔(TTG)被插入到下行和上行之間，表示基站在發送和接收狀態 之間的轉換；收發間隔(RTG)被插在每一個上行子幀之後，下一幀之前，表 示基站在接收和發送狀態之間的轉換，同時用來避免上行和下行中的傳輸衝 突。下行傳輸幀由前導(Preamble)開始，用於終端的初始同步，是幀中的第 一個OFDMA符號；幀控制頭(Frame Control Header, FCH)提供幀的配置信 息，例如下行MAP (DL-MAP)長度、編碼方式和可用子信道等；下行/上行 MAP ( DL/UL-MAP)給出了子信道分配和其它下行/上行子幀的控制信息； 下行子幀中的突發(burst)用來給用戶發送數據；上行子幀中的burst是由用 戶發送給基站的數據；上行確認(UL ACK)分配給終端用作對混合自動重複 請求(Hybrid Automatic Repeat Request, HARQ)確認的反饋；上行鏈路質量 反饋信息信道(UL CQICH)是終端用來反饋信道狀況信息的；測距(Ranging) 子信道分配給終端用來執行閉環時間、頻率、能量，以及帶寬調節。發明內容本發明提供一種利用中繼基站進行通信的方法，用以解決現有技術中無線 通信系統基站建設成本高、布網不靈活的問題，以及用戶終端和基站間的通信 得不到有效保證得問題。本發明另提供一種含有中繼基站的通信系統。本發明方法包括步驟在無線通信網絡中接入一個或多個級連的中繼基站，與服務基站和用戶終
端無線連接，服務基站通過中繼基站與用戶終端通信時，執行步驟 服務基站或用戶終端發送數據到所述中繼基站；所述中繼基站將服務基站發送的數據發送到用戶終端，將用戶終端發送的 數據發送到服務基站。根據本發明的上述方法，所述中繼基站從直接與服務基站連接的中繼基站 開始逐級接入網絡。所述中繼基站逐級接入網絡，包括步驟所述中繼基站與其上一級基站建立同步後，向其發起註冊請求，攜帶自身 標識；其上一級基站收到註冊請求後記錄所述中繼基站的標識，並 若收到註冊請求的基站為服務基站，則向網絡側轉發所述註冊請求，對發起註冊請求的中繼基站進行註冊；若收到註冊請求的基站為中繼基站，則通過至少一級中繼基站將所述註冊請求轉發到服務基站，並由服務基站轉發所述注 冊請求到網絡側，對發起註冊請求的中繼基站進行註冊。所述中繼基站根據預設的頻率列表掃描下行信道，與對應的服務基站或其 上一級的中繼基站建立同步。根據本發明的上述方法，服務基站向用戶終端發送包含終端標識的下行數據時，將下行數據發送到與該終端標識對應的用戶終端或中繼基站；所述中繼基站根據該終端標識，通過至少一級中繼基站將下行數據發送到 對應的用戶終端。上述方法中，所述服務基站或中繼基站通過查詢其終端標識列表，將下行 數據發送到對應的中繼基站或用戶終端。服務基站或中繼基站的終端標識列表的建立過程為所述服務基站或中繼基站為其所轄的用戶終端分配終端標識並記錄在服 務基站或中繼基站的終端列表中；或接收其下級中繼基站發送的終端標識，記錄在其終端列表中，並與發送該
終端標識的中繼基站的標識相對應。當服務基站、中繼基站或終端標識改變時，更新所述終端標識列表。 根據本發明的上述方法，用戶終端通過中繼基站向服務基站發送上行數據時，管轄所述用戶終端的中繼基站接收該上行數據，並通過至少一級中繼基站將該上行數據發送到服務基站。根據本發明的上述方法，當所述通信網絡為蜂窩網絡，並採用時分雙工與半頻分雙工相結合的雙工方式發送上/下4於子幀時，執行步驟在服務基站的幀頭前導，服務基站發起和與其直接連接的中繼基站的同 步，並由該中繼基站通過至少一級中繼基站完成各中繼基站與其下一級中繼基 站的同步；服務基站發送下行數據突發，並通過至少一級中繼基站將其發送到對應的 用戶終端。上述方法中，服務基站和中繼基站發送長度固定的通信幀頭完成與其下一 級中繼基站的同步。上述方法中，在服務基站發送下行數據突發前，服務基站和各中繼基站發 起與各自所轄的用戶終端的同步。根據本發明的上述方法，當所述通信網絡為蜂窩網絡，並採用時分雙工與 半頻分雙工相結合的雙工方式發送上/下行子幀時，執行步驟在服務基站的幀頭前導，服務基站發起和與其直接連接的中繼基站的同 步，並向其發送下行數據突發；與服務基站直接連接的中繼基站發送幀頭給其下一級中繼基站進行同步， 並向其發送下行數據突發。上述方法中，所述中繼基站根據接收到的通信幀頭計算與其所轄的用戶終 端進行同步的通信幀頭。本發明提供的通信系統，包括用戶終端、接入服務網和連接服務網；所述接入服務網包括服務基站，還
包括一個或多個級連的中繼基站，與服務基站和用戶終端無線連接；所述中繼基站接收所述服務基站發送的下行數據，並發送到所述用戶終 端；或接收所述用戶終端發送的上行數據，並發送到所述服務基站。 上述系統中，所述中繼基站包括一終端標識存儲單元，存儲該中繼基站為 用戶分配的終端標識，或/和與該中繼基站的下一級中繼基站標識對應的終端標識；當所述中繼基站接收到其下一級中繼基站發起的網絡接入註冊請求後，在所述終端標識存儲單元存儲該下 一級中繼基站的標識；當所述中繼基站接收到其下一級中繼基站發送的終端標識後，在所述終端 標識存儲單元存儲該終端標識，並與發送該終端標識的中繼基站的標識相對應；當所述中繼基站接收到包含終端標識的下行數據後，通過查詢所述終端標 識存儲單元，將下行數據發送到對應的中繼基站或對應的用戶終端。所述中繼基站包4舌一終端標識分配單元，根據用戶終端的請求分配終端標 識並存儲到所述終端標識存儲單元。上述系統中，所述中繼基站包括一頻率掃描單元；當所述中繼基站接入網絡時，所述頻率掃描單元根據其中預設的頻率列表 掃描下行信道，並與相應的服務基站或其上一級中繼基站建立同步。上述系統中，所述服務基站包括一終端標識存儲單元，存儲該服務基站為 用戶終端分配的終端標識，或/和與該服務基站的下一級中繼基站標識對應的終 端標識；當服務基站接收到與其直接連接的中繼基站發起的網絡接入註冊請求後， 在所述終端標識存儲單元存儲該中繼基站的標識；當服務基站接收到與其直接連接的中繼基站發送的終端標識後，在所述終 端標識存儲單元存儲該終端標識，並與發送該終端標識的中繼基站的標識相對 當服務基站向用戶終端發送包含終端標識的下行數據時，查詢所述終端標 識存儲單元，將下行數據發送到對應的中繼基站或對應的用戶終端。上述系統中，所述服務基站和其下一級中繼基站還各包括一資源分配單元；所述服務基站中的資源分配單元分別為其下一級中繼基站和該服務基站所轄的用戶終端分配通信資源；所述中繼基站中的資源分配單元分別為其下一級中繼基站和該中繼基站 所管轄的用戶終端分配通信資源。本發明的有益效果如下(1) 本發明是在現有通信系統中引入中繼基站，從而降低基站的建設成 本，並且提高布網的靈活性，有效保證用戶終端和基站間的通信。(2) 本發明提供的含有中繼基站的通信系統能夠與現有蜂窩網絡和無線 城域網絡系統相兼容。(3) 本發明在現有通信系統中引入中繼基站後，由於終端離中繼基站的 距離比普通基站近，比較可能形成直視信號，從而減小傳輸損耗，因此，能夠 減小終端發射功率，從而延長終端電池壽命。


圖1為現有技術中典型的無線蜂窩網絡^^莫型示意圖；圖2為現有技術中WiMAX網絡參考模型；圖3為現有蜂窩通信網絡和無線城域網的OSI模型結構示意圖；圖4為現有技術中WiMAXOFDMA幀結構示意圖；圖5為本發明引入中繼基站的蜂窩網絡系統結構示意圖；圖6為本發明引入中繼基站的協議棧結構示意圖；圖7為本發明中繼基站接入網絡的過程示意圖8為本發明RBS與ASN-GW數據傳輸方式示意圖；圖9為本發明的通信系統中的中繼基站結構示意圖；圖IO為本發明的通信系統中的服務基站結構示意圖；圖11為本發明WiMAX系統引入中繼基站的幀結構示意圖之一；圖12為本發明WiMAX系統引入中繼基站的幀結構示意圖之二；圖13為本發明小區中一個服務基站帶有6個中繼基站的示意圖。
具體實施方式
本發明是在現有蜂窩通信系統中引入中繼基站(Relay Base Station, RBS )， 從而降低基站的建設成本，並且提高布網的靈活性。中繼基站的功能與普通基站(為了與傳統的基站相區別，在此將傳統的基 站稱為普通基站，以下同)的功能類似，不同之處在於中繼基站通過無線接口 與普通基站連接，並通過普通基站轉發它與ASN-GW之間的數據。轉發中繼 基站和ASN-GW之間數據通信的普通基站稱為服務基站(Serving Base Station, SBS )。參見圖5，為本發明引入中繼基站的通信網絡系統結構示意圖。圖5所示 的通信網絡可以是蜂窩網絡系統或無線城域網系統，包括用戶終端、接入服務 網ASN和連接服務網CSN。其中，ASN包括服務基站和中繼基站，服務基站 與ASN-GW通過線纜連接，中繼基站與用戶終端和服務基站之間無線連接。 系統支持多跳(multi-hop)的基站連接，即服務基站下連接有一級或級連多級 中繼基站，每級包含一個或多個中繼基站。服務基站和中繼基站與各自管轄區 域內的用戶終端無線連接。上述系統適用於採用時分雙工、頻分雙工以及半頻分雙工的方式通信。當 採用頻分雙工方式時，服務基站和與其直接連接的中繼基站間採用一專用的頻 帶(文中所提到的頻帶，也可以是載頻，以下同)進行通信。各基站(包括普 通基站與中繼基站)為終端提供服務時，可以採用相同的頻帶，也可以採用不
同的頻帶，由運營商根據網絡規劃確定。如果終端位於普通基站的覆蓋範圍內，則它與普通基站直接通信；如果終 端在中繼基站覆蓋範圍內，它與中繼基站和普通基站的通信方式完全相同，只 不過中繼基站需要再與服務基站進行無線通信，通過服務基站與ASN-GW進 行通信。由於系統引入中繼基站，需要對原有協議棧結構進行修改。參見圖6，為本發明引入中繼基站的協議棧結構示意圖。此系統中將延用 原正EE 802.16協議中的終端，終端與基站或者中繼基站之間的接口保持一致。 服務基站與中繼基站通過空口連接，並通過MAC層進行接入控制。服務基站 和中繼基站都包含了物理層和RBS-MAC層。服務基站和ASN-GW之間的接 口和協議棧結構保持不變。終端與中繼基站的通信協議與現有協議相同。當用戶終端與中繼基站通信 時，中繼基站將數據通過空口傳給服務基站，服務基站將中繼基站和該服務基 站自身的數據通過線纜傳輸給ASN-GW,再到核心網中進行下一步處理。中繼基站是新引入的設備，它通過無線鏈路經服務基站接入網絡，其接入 網絡的過程如圖7所示。參見圖7，為本發明中繼基站接入網絡的過程示意圖，具體步驟包括a、 中繼基站按照預先定義好的頻率列表掃描下行信道，與相應的服務基 站建立同步。中繼基站通常應用 一個或幾個配置好的普通基站作為其服務基站，並將這 些普通基站的無線電頻率以頻率列表形式保存。這些普通基站中預先給定一組 操作參數，用於與中繼基站建立連接。當中繼基站按照頻率列表掃描下行信道 時，中繼基站根據信道情況，選擇一個基站作為其服務基站。b、 中繼基站找到下行信道，並且在物理級上同步後，中繼基站的MAC 層尋找下行信道描述符(DL Channel Descriptor, DCD)和上行信道描述符(UL Channel Descriptor, UCD )，用以獲得調製參數和其它上下行參數，其中，FC
中分配的子信道是專門分配給該中繼基站，用作該中繼基站和服務基站之間的 通信。c、 中繼基站與服務基站的下行信道同步，並且獲得一幀的DL/UL-MAP 後，該中繼基站開始進行初始Ranging。初始Ranging的過程與普通終端的初始Ranging過程類似，需要說明的是， 此過程中對中繼基站調節的傳輸功率、時間糾正等參數只用於它與服務基站之 間在特定頻帶上的連接，而不是用於它與終端之間的連接。d、 當成功完成初始Ranging後，中繼基站與服務基站進行基本能力協商。 中繼基站發送能力請求消息描述它所能支持的調製級別、編碼方式/速率、和雙 工方式等，服務基站是否接受這個中繼基站取決於中繼基站的能力。e、 中繼基站獲得授權和密鑰交換，中繼基站被要求進行周期性的鑑權和 密鑰交換。f、 在成功完成鑑權後，中繼基站在網絡中註冊。中繼基站發送註冊請求消息給服務基站，並在消息中說明其為中繼基站。 在中繼基站發送給服務基站的註冊請求消息中，需要加入如下內容，如下表l 所示表1:欄位欄位長度(bit)欄位含義RBSID48中繼基站標識服務基站記錄中繼基站的標識，以便創建和更新中繼基站標識與終端標識ID的列表，然後，服務基站發送註冊響應消息。中繼基站標識是在網絡規劃初 期分配給中繼基站的。註冊交換還包括中繼基站所支持的IP版本、自動重傳 請求(Automatic Repeat Request, ARQ)參數、循環冗餘校驗CRC支持和流 控制等。同時ASN-GW也記錄中繼基站的標識，用於控制基站之間的切換等。 每一個ASN-GW可以管理多個基站(普通基站、服務基站和中繼基站)。ASN-GW保留各基站的無線電頻率，處理基站之間、基站與中繼基站之間和中 繼基站之間的切換，4丸行對終端的尋呼、功率控制和擁塞控制等。g、 中繼基站啟用動態主機配置協議(Dynamic Host Configuration Protocol, DHCP)獲得IP位址和其它參數來建立IP連接，獲取時間和傳輸操作參數；h、 中繼基站與服務基站產生連接；i、 中繼基站進行周期Ranging,此過程類似於終端與普通基站之間的周期 Ranging,用來調節中繼基站和服務基站之間通信的參數。上述流程描述了與服務基站連接的中繼基站的網絡接入過程，當中繼基站 為多跳連接時，這些多跳連接的中繼基站從與服務基站距離最近的一跳開始， 逐級接入到網絡，其網絡接入過程與上述流程類似，區別在於，中繼基站根據 預設的掃描頻率列表中掃描下行信道，與其上一跳中繼基站同步，並向其發起 註冊請求；該中繼基站收到註冊請求後，記錄發起註冊請求的中繼基站的標識， 並將註冊請求轉發到其上一跳的中繼基站，經過多跳轉發後，將註冊請求轉發 到服務基站，由服務基站將該註冊請求發送到網絡側，對發起註冊請求的中繼 基站進行鑑權註冊處理。中繼基站接入網絡後，與服務基站直接連接的中繼基站和服務基站之間的 連接與數據傳輸由服務基站管理。多跳級連的中繼基站中，上一跳的中繼基站 管理其下一跳中繼基站的連接和數據傳輸。在網絡規劃初期，系統為中繼基站 分配與其所轄終端之間的數據傳輸頻帶，並可在之後的通信過程中根據負載需 要靈活動態分配。中繼基站與服務基站之間在不同時間使用不同頻帶進行通信 (TDD時分雙工模式)，也可以在相同時間用不同頻帶通信(FDD頻分雙工模 式)。中繼基站在對終端傳輸下行/上行數據過程中，可以單獨進行資源管理，對 終端進行連接控制，而無需服務基站為中繼基站覆蓋範圍內的終端提供網 入。參見圖8，為本發明中繼基站與ASN-GW數據傳輸方式示意圖。服務基 站中存儲並維護一個其管轄的所有中繼基站(即下一跳的中繼基站)的列表， 列表中包含中繼基站標識，並且列出每個中繼基站標識所對應的終端標識，如業務流標識(SFID)或連接標識(CID)。業務流是在一個連接上的由媒體接 入控制業務數據單元(Service Data Unit, SDU)組成的一個單向的流，並且提 供了特殊的服務質量(Quality of Service, QoS )，如延遲、抖動等。業務流標 識唯一地標識了對一個終端和其所屬基站的業務流， 一個業務流至少有一個業 務流標識。終端在空口建立連接時，也會收到基站或中繼基站發給它的連接標 識。因此每一個終端都會對應若干SFID和CID，因此，可以用SFID和CID 唯一標識用戶終端。當連接或者業務變化時，這些標識可能跟著變化。數據傳 輸過程中將用這些標識來查找對應的終端。若中繼基站還級連有下一跳中繼基 站，則該中繼基站存儲並維護其所管轄的下一跳中繼基站的標識以及每個中繼 基站標識所對應的終端標識列表。服務基站和各中繼基站中還保存該基站所轄 的用戶終端的終端標識。服務基站和中繼基站依靠其各自存儲並維護的終端標 識列表，形成路由路徑。上述終端列表中的中繼基站標識，是在中繼基站接入網絡過程中記錄的， 列表中的終端標識則在用戶終端建立連接或請求業務時，由管轄其的基站分配 的。中繼基站為終端請求的每條業務分配終端標識(ID)，並逐級上報到服務 基站。在服務基站和經過的每個中繼基站，都要記錄該ID,並與其保存的發送 該業務請求的中繼基站的標識相對應，由此建立路由關係，其具體過程包括步 驟1、 某中繼基站所轄的用戶終端發起業務請求；2、 中繼基站收到該業務請求，為用戶請求的每條業務分別分配ID,並創 建ID列表，並將分配的ID記錄在列表中；3、 該中繼基站向其上一跳基站轉發業務請求，攜帶分配的ID;4、 所述上一跳的基站收到轉發的業務請求後，在其保存的中繼基站標識 中找到轉發該業務請求的中繼基站的標識，並在該標識下記錄業務請求中攜帶
的ID，形成中繼基站標識與對應ID的列表；若接收該業務請求的基站為服務基站，則服務基站還要將業務請求發送到 系統網絡側，進4亍相關處理(處理過程不在本發明保護範圍內)；若接收該業務請求的基站為中繼基站，則中繼基站還要將業務請求繼續向 其上一跳基站轉發，其上一跳基站在其對應的中繼基站標識中記錄該業務請求 所攜帶的ID,直到將業務請求轉發到服務基站，由服務基站將業務請求發送到 網絡側，執行相關處理。當服務基站、中繼基站或業務流、連接改變時，服務基站和所涉及到的各 中繼基站中的ID列表進行更新。ASN-GW根據用戶的業務請求，向用戶終端發送包含終端標識的下行數據 時，將依據上述終端標識分配流程中所創建的路由路徑，將下行數據發送到對 應的用戶終端，其下行數據的傳輸過程包括步驟1、 服務基站從ASN-GW接收到包含終端標識的下行數據後，根據下行數 據的所包含的終端標識查詢其保存的終端標識列表，從列表中查詢到與該終端 標識對應的中繼基站標識，確定下一跳的中繼基站，並向該中繼基站發送該下 行數據。若列表中的該終端標識未與任何中繼基站標識對應，則表明該終端標識對 應於服務基站所轄的用戶，此時，服務基站將下行數據發送到對應的用戶終端。2、 中繼基站收到下行數據後，查詢其終端標識列表，若該終端標識沒有 與其對應的中繼基站的標識，表明該下行數據屬於該中繼基站所轄的用戶，則 該中繼基站向該終端標識對應的用戶終端發送該下行數據；若查詢到該終端標識對應的下一跳中繼基站的標識，則向其發送該下行數 據，並由該中繼基站根據終端標識，將下行數據發送到其下一跳的中繼基站， 如此經過多跳轉發後，將該下行數據轉發到對應的用戶終端。例如，在如圖8所示的數據傳輸過程中，ASN-GW要發送數據到ID6的終 端上，服務基站SBS1收到包含ID6的數據後，查詢其ID列表，發現ID6與
其下一跳的中繼基站標識RBSID2對應，則傳送數據到中繼基站RBS2; RBS2 查詢其ID列表，發現ID6與RBSID4對應，則將數據發到中繼基站RBS4; RBS4收到數據後，查詢其ID列表，發現ID6不與任何中繼基站標識對應，則 根據ID6將數據發送到對應的用戶終端MS5。在本發明的通信系統中，當用戶終端向服務基站發送上行數據時，其上行 數據的傳輸流程具體步驟包括1、 某中繼基站覆蓋區內的用戶終端發送上行數據；2、 該中繼基站接收到上行數據後，向其上一跳基站(可能是服務基站， 也可能是中繼基站)發送上行數據。該中繼基站將收到的上行數據和該中繼基站自身的數據一起發送到其上 一跳的基站。由於每個中繼基站唯一與一個上級基站連接，並且已分配與其上 級基站通信的頻帶，該中繼基站在分配的頻帶上與其上一級基站進行通信。3、 若接收到上行數據的基站為中繼基站，則該中繼基站繼續向其上一跳 基站轉發該上行數據，直到轉發到服務基站；若接收到上行數據的基站為服務基站，則該服務基站通過線纜將上行數據 轉發到ASN-GW,並繼續轉發到核心網進行處理。本發明的通信系統中，由於引入中繼基站，其下行/上行數據幀結構需要重 新定義。下面以在WiMAX系統中，採用時分雙工TDD與半頻分雙工H-FDD 相結合的雙工方式，點到多點PMP的OFDM幀結構為例，對下行/上行數據幀 結構進行描述。參見圖9,為本發明WiMAX系統引入中繼基站的幀結構示意圖，具體為 服務基站和與其直接通信的中繼基站之間的連接為第一跳，如SBS1和 RBS1， SBS1和RBS2之間的連接。在第一跳內的服務基站的幀頭前導所對應 的時刻，服務基站在頻帶fD內發送幀頭Ox給其所轄中繼基站(RBS1，RBS2)。 每次幀同步時，服務基站發送的通信幀頭Ox的長度固定。該幀頭0x包括前導 (Preamble)、 FCH、 DL-MAP和UL-MAP，其中前導用於服務基站與它所帶
的中繼基站之間的同步；FCH包含服務基站使用的在fO頻帶內的子信道信息， 指明服務基站對中繼基站突發的模式和下行突發的長度，以及DL-MAP的參 數等信息，如，DL-MAP、 UL-MAP、下行信道描述符DCD、上行信道描述符 UCD和其它的廣播消息用來描述幀中的內容；DL-MAP給出服務基站與中繼 基站(RBS1， RBS2 )之間下行突發的參數以及包含的用戶數據標識(用戶數據 標識中還包含終端標識)等，中繼基站根據該信息判斷相應突發中是否有屬於 自己的數據；UL-MAP給出中繼基站到服務基站的上行突發參數，以及給它們 分配的時頻資源信息；第一跳的下行子幀的剩餘部分由給中繼基站的數據突發 組成，每一個數據突發由整數個OFDMA符號組成，並且規定了在這個突發中 傳輸的數據的編碼算法、碼率和調製級；第一跳的上行子幀包含給初始Ranging 的基於竟爭的區間和帶寬分配，還有從不同中繼基站收到的物理協議數據單元 (PDUs )。第一跳的中繼基站和其它在它覆蓋範圍內的中繼基站之間的連接，稱為第 二跳。如圖9所示，在第二跳內，中繼基站RBS2發送數據給RBS3。 RBS2接 收到SBSl發送的通信幀頭Ox後，在頻帶f2內發送幀頭2x給RBS3，同樣包 含前導、FCH、 DL-MAP和UL-MAP; FCH包含RBS2使用的在f2頻帶內的 子信道信息，指明RBS2對RBS3突發的模式和下行突發的長度，以及DL-MAP 的參數等信息；DL-MAP給出RBS2與RBS3之間下行突發的參數以及包含的 用戶數據標識等，RBS3根據該信息判斷相應突發中是否有屬於自己的數據； UL-MAP給出RBS3到RBS2的上行突發參數，以及給它分配的時頻資源信息。 第二跳的下行子幀的剩餘部分由RBS2給RBS3的數據突發組成；第二跳的上 行子幀包含從中繼基站RBS3收到的協議數據單元(PDUs)。圖9中所標出的區間A，為服務基站和中繼基站，以及中繼基站之間的同 步過程，這段區間又被分為接收和發送兩部分。對於系統中的中繼基站連接大 於兩跳的多跳情況，中繼基站與其上一跳基站的通信過程與圖中第一跳和第二 跳過程類似，不同之處在於，該中繼基站要根據其上一跳的基站在幀頭部分的
收發情況來確定自己的收發狀態，即，如果上一跳基站是先收後發的順序，那 麼該中繼基站就是先發後收的順序，以保證能夠收到上一跳基站發給它的幀 頭。之後，SBS1和RBS1， RBS2, RBS3同時發送幀頭0~3給它們各自的終端， 用於終端和各個基站之間的同步，基站與終端通信所使用的子信道信息和上/ 下行參數等。服務基站和中繼基站在他們各自的頻帶(fl-fo)內向各自所轄的 終端發送通信幀頭(幀頭0-n),包括前導、FCH、 DL-MAP和UL-MAP,其中 前導用於各個基站與它覆蓋範圍內的終端之間的同步，從而使得整個網絡同 步；FCH包含各個基站(服務基站、中繼基站和普通基站)使用的在fl fo 頻帶內的子信道信息，指明基站對終端突發的模式和下行突發的長度，以及 DL-MAP的參數等信息；DL-MAP給出基站與終端之間下行突發的參數以及包 含的用戶數據標識等，終端根據該消息判斷相應突發中是否有屬於自己的數 據；UL-MAP給出終端到基站的上行突發參數，以及給終端分配的時頻資源信 息。各個基站到終端的下行子幀的剩餘部分由基站給終端的數據突發組成；終 端到基站的上行子幀包含從終端收到的協議數據單元(PDUs )。中繼基站向用戶終端發送的幀頭是由中繼基站根據其與其它基站之間通 信的幀頭(~x)計算出來的，除了中繼基站和服務基站之間的通信，其它時間 都用作終端與中繼基站之間的通信。中繼基站和終端之間的通信是在中繼基站 接入網絡時由系統分配給它的頻帶(fl-fn)上進行的，中繼基站根據分配的頻 帶自行產生發送給它覆蓋區域內終端的管理信息(包含在幀頭中)。服務基站與中繼基站之間的數據通信將在服務基站的一部分頻帶(fD)上 進行。該頻帶為服務基站與其所管轄的中繼基站之間通信的專用頻帶，在這個 頻帶內，中繼基站作為服務基站的終端來與服務基站進行上行和下行的通信。 服務基站分配給每一個中繼基站的fD頻帶內的子信道是每一個幀頭0x中，由 服務基站分配給中繼基站的，以用於上行和下行的數據傳輸，這種方式下，信 道帶寬是可以根據特定中繼基站的需求而變化的，比較靈活，可以有效利用頻由於各個中繼基站採用HFDD雙工模式，不能同時用不同的頻率收發信 息，因此，收發數據將在不同時間的不同頻率上切換；終端將在不同頻段上與 不同的中繼基站或普通基站連接進行通信。另一種在WiMAX系統引入中繼基站，採用時分雙工TDD與半頻分雙工 H-FDD相結合的雙工方式，點到多點PMP的OFDM的幀結構如圖IO所示。參見圖10，為本發明WiMAX系統引入中繼基站的幀結構示意圖，在這種 幀結構中，服務基站和各中繼基站同時向各自所轄的用戶終端發送通信幀頭， 實現服務基站和其所轄用戶終端間的同步和資源指配，以及各中繼基站與其所 轄用戶終端間的同步和資源指配。之後，在服務基站的幀頭前導所對應的時刻 以及其後的一 固定接收和發送區間內，服務基站向直接與其連接的中繼基站發 送基站間通信幀頭和下行突發。在該固定接收和發送區間外(即服務基站的幀 頭及下行數據突發後)，與服務基站直接連接的中繼基站將幀頭和下行突發發 送到其下一跳中繼基，並經過如此多跳發送後，最終將下行突發發送到對應的 用戶終端。這種將下行的幀頭放在下行突發的前面的幀結構，可以避免服務基 站不斷地在不同頻帶之間的轉換(這樣服務基站只需要在兩個頻帶中作一次轉 換)。採用這種幀結構，每次基站間進行同步和資源指配所發送的的幀頭 x長度 是可變的，從而更有效的利用資源來進行數據傳輸。如果對某一個中繼基站傳 輸的數據多，則分配較多的時頻資源，反之則分配較少的時頻資源，不必固定 中繼基站與服務基站傳輸的上行和下行的區域。中繼基站在基站的上/下行子幀 中的發送和接收順序可調換，可根據幀頭中分配的時頻資源，進行數據的發送 或接收。但是，由於固定了中繼基站的接收和發送區間，當中繼基站沒有接收 或發送信息時，它也不得不在這種狀態下嘗試接收幀頭，如果沒有發送給它的 幀頭，它就與終端進行通信，同時等待下一個區間的到來，這樣不但對系統造 成延時，而且浪費系統資源。如果系統為單跳的，這種幀結構與圖9所示的幀結構沒有很大區別，只不 過改變了中繼基站和服務基站通信的幀頭位置；如果系統的跳數比較多，那麼 上行和下行將會被分成更多區域，降低每一跳傳輸的效率。如果中繼基站在收 發狀態之間轉換不是非常靈活，或者它可能在同一幀中接收很多發自基站的突 發時，建議使用這種方法。本發明還提供了一種基於中繼基站的無線通信系統，如圖5所示。在本發 明的系統中，需要對普通基站進行修改，增加其對中繼基站的支持和對多個中 繼基站的集成。本發明的系統與現有的蜂窩網絡或無線城域網相兼容。由於中 繼基站在為其覆蓋範圍內的終端提供服務的過程與普通基站是完全一致的，因 此，對現有終端無需作任何改變。參見圖11,為本發明的通信系統中的中繼基站結構示意圖。中繼基站通過 無線接口 1與其上一跳基站(中繼基站或服務基站)連接，通過無線接口 2與 其下一跳中繼基站連接，通過無線接口3與用戶終端連接。中繼基站中包括普 通基站的常規功能模塊，用以完成用戶終端的網絡接入和控制等功能；還包括 頻率掃描單元、終端標識分配單元、終端標識存儲單元和資源分配單元。頻率掃描單元中預設掃描頻率表，表中存儲有其上級的中繼基站的掃描頻率或服務基站的掃描頻率，當該中繼基站接入網絡時，該中繼基站的頻率掃描 單元根據其中的頻率列表掃描下行信道，與對應的上一跳中繼基站或服務基站 建立同步。終端標識分配單元與終端標識存儲單元連接，根據中繼基站所轄的用戶終 端的請求，分配終端標識並存儲到終端標識存儲單元。終端標識存儲單元中還存儲有該中繼基站的下一跳中繼基站的標識和該 標識對應的終端標識。其中，下一跳中繼基站的標識是在該下一跳中繼基站接 入網絡過程中記錄在其終端標識存儲單元中的；終端標識是在用戶請求業務或 接入系統過程中，由中繼基站分配的，並記錄在其終端標識存儲單元中。當中 繼基站接收到下行數據時，查詢其終端標識存儲單元，向對應的用戶終端發送 下行數據；或向對應的中繼基站發送所述下行數據。中繼基站的資源分配單元分別為其下一跳中繼基站和該中繼基站所管轄的用戶終端分配通信資源。參見圖12，為本發明的通信系統中的服務基站結構示意圖。服務基站中包 括基站的常規功能模塊，用以完成用戶終端的網絡接入和控制等功能；還包括 一個終端標識存儲單元和資源分配單元。服務基站的終端標識存儲單元存儲有其下一跳中繼基站的標識和對應的 終端標識，還存儲有該服務基站為所轄的用戶終端分配的終端標識。當服務基 站接收到與其直接連接的中繼基站發起的網絡接入註冊請求時，在其終端標識 存儲單元存儲該中繼基站的標識；當服務基站接收到與其直接連接的中繼基站 發送或轉發的業務請求或接入請求時，在其終端存儲單元存儲請求中攜帶的終 端標識，並與發送或轉發請求的中繼基站的標識相對應；當服務基站向用戶終 端發送包含終端標識的下行數據時，查詢其終端標識存儲單元，並將下行數據 發送到對應的用戶終端或對應的中繼基站。服務基站中的所述資源分配單元分別為其下一跳中繼基站和該服務基站 所轄的用戶終端分配通信資源。服務基站中的資源分配單元為其所轄的用戶終端分配的頻帶與中繼基站 中的資源分配單元為其所轄的用戶終端分配的頻帶可以相同，也可以不同。本發明中，由於中繼基站在為其轄終端提供服務的過程與普通基站是完全 一致的，即終端將中繼基站當作普通基站進行通信，因此，對現有終端無需作 任何改變即可接入本發明的網絡結構中。網絡的結構可以^f莫塊化，並且可以靈活的應用於很多的可選的鋪設方式 中，例如可以用於從小型到大型的網絡(稀疏到密集的無線電覆蓋範圍和容 量)；城市、郊區和鄉村無線傳輸環境；可用於授權和非授權的頻帶；可以用 於層次化的、平坦的和Mesh結構中。中繼基站可以是固定、遊牧或移動的；中繼基站可以在不同的服務基站之 間進行切換，類似於正EE802.16中終端在不同基站之間的切換；中繼基站的參數(如功率、速率和信幹噪比等)可以根據環境和信道情況進行調節；中繼 基站的覆蓋範圍可以根據負載情況進行調節；系統可以根據需要分配一定的帶 寬給每一個中繼基站；對於每一個服務基站可以攜帶的中繼基站個數，取決於 小區的頻語利用情況和負載的大小；如果中繼基站的處理速度夠快，它可以才艮 據從服務基站(或者上一跳基站)收到的幀頭，來管理它在這一幀中的數據傳 輸，這樣通信在一個幀裡被管理，縮短多跳延遲。中繼基站可以用於代替原有低速率、不可靠的連接，放置的位置比較靈活 (不受地理、地勢的影響)，例如對建築物陰影區和非覆蓋地區的覆蓋、室內 環境的通信，如放置在小區邊緣，可以增強對低信噪比地區的覆蓋；由於無需 線纜，中繼基站的建設成本比普通基站低；基站和中繼基站採用不同頻段進行 非集中管理，系統更加靈活，提高頻譜效率(由於小區邊緣終端與基站距離拉 近，終端可以使用高階調製)；增加系統吞吐量和系統容量；減小終端發射功 率，延長終端電池使用壽命。下面以 一個實例說明通信系統引入中繼基站後，如何改善原有通信系統的 性能。參見圖13,為本發明小區中一個服務基站帶有6個中繼基站的示意圖。 每個中繼基站所用的頻帶(fl-傷)是不同的，服務基站可以和每一個中繼 基站在頻帶f0上直接通信，從而使得中繼基站可以和有線網絡相連接。每一 個中繼基站的覆蓋範圍是相同的，加入中繼基站後，服務基站和中繼基站所覆 蓋範圍是一個服務基站的V^倍。由於中繼基站和終端的距離比服務基站到終端 的距離更近，終端可以採用高階調製方式，增加了頻語效率。明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及 其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1、一種利用中繼基站進行通信的方法，其特徵在於，在無線通信網絡中接入一個或多個級連的中繼基站，與服務基站和用戶終端無線連接，服務基站通過中繼基站與用戶終端通信時，執行步驟服務基站或用戶終端發送數據到所述中繼基站；所述中繼基站將服務基站發送的數據發送到用戶終端，將用戶終端發送的數據發送到服務基站。
2、 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述中繼基站從直接與服務 基站連接的中繼基站開始逐級接入網絡。
3、 如權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述中繼基站逐級接入網絡， 包括步驟所述中繼基站與其上一級基站建立同步後，向其發起註冊請求，攜帶自身 標識；其上一級基站收到註冊請求後記錄所述中繼基站的標識，並 若收到註冊請求的基站為服務基站，則向網絡側轉發所述註冊請求，對發 起註冊請求的中繼基站進行註冊；若收到註冊請求的基站為中繼基站，則通過 至少一級中繼基站將所述註冊請求轉發到服務基站，並由服務基站轉發所述注 冊請求到網絡側，對發起註冊請求的中繼基站進行註冊。
4、 如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述中繼基站根據預設的頻 率列表掃描下行信道，與對應的服務基站或其上一級的中繼基站建立同步。
5、 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，服務基站向用戶終端發送包 含終端標識的下行數據時，將下行數據發送到與該終端標識對應的用戶終端或 中繼基站；所述中繼基站根據該終端標識，通過至少一級中繼基站將下行數據發送到 對應的用戶終端。
6、 如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述月l務基站或中繼基站通 過查詢其終端標識列表，將下行數據發送到對應的中繼基站或用戶終端。
7、 如權利要求6所述的方法，其特徵在於，服務基站或中繼基站的終端 標識列表的建立過程為所述服務基站或中繼基站為其所轄的用戶終端分配終端標識並記錄在服 務基站或中繼基站的終端列表中；或接收其下級中繼基站發送的終端標識，記錄在其終端列表中，並與發送該 終端標識的中繼基站的標識相對應。
8、 如權利要求7所述的方法，其特徵在於，當服務基站、中繼基站或終 端標識改變時，更新所述終端標識列表。
9、 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，用戶終端通過中繼基站向服 務基站發送上行數據時，管轄所述用戶終端的中繼基站接收該上行數據，並通 過至少 一級中繼基站將該上行數據發送到服務基站。
10、 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，當所述通信網絡為蜂窩網絡，驟在服務基站的幀頭前導，服務基站發起和與其直接連接的中繼基站的同 步，並由該中繼基站通過至少一級中繼基站完成各中繼基站與其下一級中繼基 站的同步；服務基站發送下行數據突發，並通過至少一級中繼基站將其發送到對應的 用戶終端。
11、 如權利要求10所述的方法，其特徵在於，服務基站和中繼基站發送 長度固定的通信幀頭完成與其下一級中繼基站的同步。
12、 如權利要求10所述的方法，其特徵在於，在服務基站發送下行數據 突發前，服務基站和各中繼基站發起與各自所轄的用戶終端的同步。
13、 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，當所述通信網絡為蜂窩網絡，驟在服務基站的幀頭前導，服務基站發起和與其直接連接的中繼基站的同 步，並向其發送下行數據突發；與服務基站直接連接的中繼基站發送幀頭給其下一級中繼基站進行同步， 並向其發送下行數據突發。
14、 如權利要求10或13所述的方法，其特徵在於，所述中繼基站根據接 收到的通信幀頭計算與其所轄的用戶終端進行同步的通信幀頭。
15、 一種含有中繼基站的通信系統，包括用戶終端、接入服務網和連接服 務網，所述接入服務網包括服務基站，其特徵在於，還包括一個或多個級連的 中繼基站，與服務基站和用戶終端無線連接；所述中繼基站接收所述服務基站發送的下行數據，並發送到所述用戶終 端；或接收所述用戶終端發送的上行數據，並發送到所述服務基站。
16、 如權利要求15所述的系統，其特徵在於，所述中繼基站包括一終端 標識存儲單元，存儲該中繼基站為用戶分配的終端標識，或/和與該中繼基站的 下一級中繼基站標識對應的終端標識；當所述中繼基站接收到其下一級中繼基站發起的網絡接入註冊請求後，在 所述終端標識存儲單元存儲該下一級中繼基站的標識；當所述中繼基站接收到其下一級中繼基站發送的終端標識後，在所迷終端 標識存儲單元存儲該終端標識，並與發送該終端標識的中繼基站的標識相對應；當所述中繼基站接收到包含終端標識的下行數據後，通過查詢所述終端標 識存儲單元，將下行數據發送到對應的中繼基站或對應的用戶終端。
17、 如權利要求16所述的系統，其特徵在於，所述中繼基站包括一終端 標識分配單元，才艮據用戶終端的請求分配終端標識並存儲到所述終端標識存儲 單元。
18、 如權利要求15所迷的系統，其特徵在於，所述中繼基站包括一頻率 掃描單元；當所述中繼基站接入網絡時，所述頻率掃描單元根據其中預設的頻率列表 掃描下行信道，並與相應的服務基站或其上一級中繼基站建立同步。
19、 如權利要求15所述的系統，其特徵在於，所述服務基站包括一終端 標識存儲單元，存儲該服務基站為用戶終端分配的終端標識，或/和與該服務基 站的下一級中繼基站標識對應的終端標識；當服務基站接收到與其直接連接的中繼基站發起的網M入註冊請求後， 在所述終端標識存儲單元存儲該中繼基站的標識；當服務基站接收到與其直接連接的中繼基站發送的終端標識後，在所述終 端標識存儲單元存儲該終端標識，並與發送該終端標識的中繼基站的標識相對 應；當服務基站向用戶終端發送包含終端標識的下行數據時，查詢所述終端標 識存儲單元，將下行數據發送到對應的中繼基站或對應的用戶終端。
20、 如權利要求15所述的系統，其特徵在於，所述服務基站和其下一級 中繼基站還各包括一資源分配單元；所述服務基站中的資源分配單元分別為其下一級中繼基站和該服務基站 所轄的用戶終端分配通信資源；所迷中繼基站中的資源分配單元分別為其下一級中繼基站和該中繼基站 所管轄的用戶終端分配通信資源。
全文摘要
本發明公開了一種利用中繼基站進行通信的方法，其特徵在於，在無線通信網絡中接入一個或多個級連的中繼基站，與服務基站無線連接，當服務基站通過中繼基站與用戶終端通信時，執行步驟服務基站或用戶終端發送數據到所述中繼基站；所述中繼基站將服務基站發送的數據發送到用戶終端，將用戶終端發送的數據發送到服務基站。採用本發明方法，可降低基站的建設成本，並且提高無線通信系統布網的靈活性。
文檔編號H04W52/46GK101111047SQ20061009943
公開日2008年1月23日 申請日期2006年7月18日 優先權日2006年7月18日
發明者政 尚, 張愛民, 江 李, 王媛媛 申請人:華為技術有限公司