CN100473196C - 一种分层无线接入网和实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种分层无线接入网结构和实现方法，其包括实现无线接入的无线接入子网、实现对无线接入子网综合管理和控制的管理控制子网两大部分。所述实现方法包括以下步骤：处于上层的无线数字广播层向处于中间层的宽带无线支撑层、处于底层的移动通信层，以及存在于这些层面覆盖范围内、可以与这些层面中的一个或多个层面配合工作的各种终端广播同步和控制信息；所述网络进行同步测量和调整；所述的移动通信层中实现观测到达时间差测量的方法通过定位时隙来实现；根据所述时隙定位实现频谱动态分配和复用；对移动台实现定位。本发明所给出的分层无线接入网具有结构简洁、组网灵活的特点，而且易于实现数字广播、移动通信和移动台定位业务的融合。

Description

一种分层无线接入网和实现方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及分层无线接入网结构及其实现方法。

背景技术

无线数字广播(DVB，DAB)业务与无线通讯(蜂窝和非蜂窝)业务和移动互联网(INTERNET)业务的融合可以更加灵活地提供业务、更加高效地利用频谱，具有巨大的市场前景。而业务的融合必将导致网络的融合和频谱的融合，即频谱复用方式和频谱分配方式的改变。

业务融合主要集中在欧盟IST(Information Society Technologies)项目下的一些子项目中，如代号为CISMUNDUS(Convergence of IP-basedServices for Mobile Users and Networks in DVB-T and UMTS Systems)的IST项目对DVB与UMTS/GPRS/WLAN的业务融合做了大量研究ISTProjectCISMUNDUS-Deliverable 9 IST-2000-29255 Field Test Results andDemonstration)。业务融合的研究重点集中在如下两个方面：

1)扩展无线数字广播网络DVB-T的移动通讯能力，如为DVB-T系统增加移动切换能力，为DVB-T增加数据广播的能力，为DVB-T增加面向移动终端的广播能力，为DVB-T增加反向信道等，借助UMTS、GPRS、WLAN来实现；

2)扩展UMTS的多媒体广播能力，如为UMTS增加面向多点的广播能力，为UMTS增加面向区域的广播能力。

对上述业务融合的研究直接导致网络融合技术和频谱融合技术，即频谱复用方式和频谱分配方式的改变的提出。实现蜂窝和数字广播业务融合主要涉及到新型网络结构、频谱复用技术、频谱动态分配技术。这些技术的现状如下：

1)现有实现业务融合的网络结构

欧盟第五框架(FP5)支持的信息化社会技术(IST)研究中，集中体现了欧洲在DVB与无线通讯网络融合的研究结果：如代号为SAMBITS(Advanced Multimedia Broadcast and IT Services)、FLOWS(FlexibleConvergence of Wireless Standards and Services)、OverDRiVE(Spectrumefficient uni-and multicast services Over Dynamic multi-Radio networks)等项目对如何将数字广播(特别是DVB)与互联网/WLAN/UMTS/GPRS/4G/5G融合的相关问题做了较为全面的讨论，如项目OverDRiVE对实现多网融合的网络结构给出的几种方案，见IST-2001-35125(OverDRiVE)D09 Concepts for Mobile Multicast in HybridNetworks。这些网络结构都是从实现DVB与无线通讯网络在功能互补的角度提出的，如利用UMTS作为DVB的反向信道来扩展DVB的业务能力，UMTS用于传送部分DVB内容；DVB作为UMTS多点广播业务的扩充等，而且这些结构的一个共同特点是侧重于实现UMTS的核心网与DVB的码流配送网之间的组合，缺少对空中接口融合问题的考虑。

图1中a～c是目前三种典型的实现数字广播与蜂窝移动通讯结合的网络结构。

图1中a是一种利用附加网络(OverDRiVE network)实现不同网络间互操作的结构，OverDRiVE network作为末端服务提供商，服务内容提供商将内容目录提供给OverDRiVE network，对于用户来说，OverDRiVE network是服务提供商，OverDRiVE network起到中介的作用，对末端用户来说OverDRiVE network是唯一的接入点。

附加网络方案实现不同网络间的松散耦合，运营商和网络结构都具有较强的独立性。

图1中b的网络结构是实现数字广播与蜂窝移动通讯结合的紧耦合方式，该结构集成所有的无线系统，而不需要第三方网络。该方式适用于一个运营商拥有多个不同的无线网络或有良好合作的伙伴关系。一种紧耦合结构是DVB-T位于UMTS中，DVB-T作为一个附加的单向下行RAN连接到UMTS的核心网上。用户并不决定选择是否使用DVB-T，而由核心网根据用户请求的QoS决定。

在图1中b，SGSN带有几个DVB-T-IP网关，为DVB-T执行控制和数据处理。一个广播小区带有一个DVB-T-IP网关，每个SGSN可服务多个广播小区。HLR包括要求的DVB-T参数，GGSN必须知晓广播小区可用的带宽。这种结构的主要优点是：多数群组管理(GroupManagement)所要求的输入由UMTS提供，特别由HLR和SGSN提供。Group Management可以容易地集成到系统中，不需要复制资源，如同时设有USR(User and Services Register：存储用户和业务的相关信息)和HLR数据库。

图1中c是一种在a所示的松散型结构和b所示的紧凑型结构进行折中的平衡型结构，在平衡耦合架构中，加入了interworking(IW)功能，作为不同接入网络的联络。所有的接入系统均与IW打交道，IW可以看作为IP服务器用作系统间的信息交互。在下图的结构中，IW必须支持DVB-T小区间的移动功能。

IW或者需要所有的运营商控制和监控或者由第三方控制和监控，平衡耦合架构因为其灵活性和可扩展性，增加新系统不会对现有系统造成影响，故而可视为最好的结构。但是，这种结构需要接入网运营商共享一个共同的数据库，丧失了一些独立性，适合一个运营商拥有多个不同的接入网，或不同运营商间有牢靠的合作关系。

综上，松耦合的特点是：(1)保持独立性；(2)需要复制一些网络资源；(3)依靠第三方作为不同接入网的中介；(4)效率不高，但保持独立性和灵活性。

紧耦合和平衡耦合的特点是：(1)需要运营商间的牢靠合作关系；(2)提供有效的资源利用率，但丧失一些灵活性；(3)平衡耦合的IW独立于各接入网，增加了一些独立性。

2)现有频谱融合方法

在ETSI和3GPP对DVB与蜂窝移动通讯的融合的研究中，讨论主要集中在基于网络共存即抑制邻信道干扰的频谱融合。这方面的讨论参见：

欧洲电信标准协会(ETSI：European Telecommunications StandardsInstitute)与1997年8月颁布的陆地数字视频广播标准中的EN 300 744号协议(ETSI，EN 300 744 Digital Video Broadcasting(DVB)；Framing structure，channel coding and modulation for digital terrestrial television，EuropeanStandard，August 1997；)

第三代移动通信标准组织3GPP(3G Partnership Project)给出的技术规范(，TS 25.101 Technical Specification Group Radio Access Networks；UERadio Transmis sion and Reception(FDD)，Technical Specification，March2001-06-29；3GPP，TS 25.104 Technical Specification Group Radio AccessNetworks；UTRA(BS)FDD；Radio transmission and Reception，TechnicalSpecification，March 2001-06-29；)

这些讨论只是要解决DVB广播网络与UMTS网络间的干扰问题，其前提是这些网络工作在不同的频带或相邻的频带，如图2所示，也就是讨论如何在相邻的频带之间安排不同的业务传输，在保障信道互补干扰的前提下，简化系统设计。

现有技术还有从频率复用的角度对DVB与蜂窝移动信的融合进行了研究，提出了如图3所示的蜂窝移动通讯复用数字广播频谱的方法，其基本思路是在同频数字广播小区连成的等边三角形中心位置是受该频点干扰最小的区域，在这个区域内复用该广播频点可以得到较高的频谱效率。

3)现有频谱动态分配技术

现有动态频谱分配技术的基本思路是：提供不同业务的网络对频谱的需求在时间上和空间上是不同的，利用不同网络对频谱需求的差异，在不同业务网络之间进行动态频谱调配，即把某种网络暂时多余的带宽调配给频谱紧张的网络使用，以此达到对频谱资源的充分利用。

如图4所示表明了DVB-T和UMTS之间进行动态频谱分配的情况，在T1～T3之间的时间段，UMTS业务不断增加，而DVB-T业务不断减少，在这段时间内，把DVB-T剩余的频谱不断地调配给UMTS系统使用；在时间段T4～T5，UMTS业务不断减少，而DVB-T业务不断增加，在这段时间内，把UMTS剩余的频谱不断地调配给DVB-T系统使用。

也有一些技术来解决更多系统(UMTS，GSM，DVB-T，DAB-T，GPRS)之间的频谱动态分配，其基本思路和图4所示相同。

4)现有和本专利相关的分层网络结构

美国专利申请，申请号20010022781A1的文献给出了一种综合实现无线数字广播和内容点播相结合的分层网络结构，该结构如图5所示。在该专利申请给出的网络结构中，包含有区域发射机(或主发射机)，局域发射机(或辅发射机)1～3，移动终端1～2，提供广播和点播内容的服务器组成。

主发射机覆盖面积大于辅发射机，在一个主发射机覆盖的范围内，存在若干个辅发射机。主发射机和辅发射机共用一个频率，在主发射机发送的复合帧中的同步信息控制下，主发射机、辅发射机以及移动台按照划分的时隙协同工作。辅发射机通过主发射机发送的复合帧中的控制和识别信息来确定自己的工作时隙、辅发射机可以提供面向小区和面向终端的广播业务，面向小区和面向终端的广播业务对应不同的时隙，这两种不同业务的时隙位置依靠辅发射机发射的数据帧中的控制和识别信息确定。主发射机通过其复合帧中发送的控制和识别信息来协调主发射机与辅发射机之间的工作时隙、协调终端的工作时隙；辅发射机发送的控制和识别信息指示移动终端在特定的时隙里去接收其所需要的业务内容。

主发射机、辅发射机之间采用卫星定位信号来实现同步，也可以通过有线网络传送的同步信号实现同步。移动台根据自己接收到的辅发射机发送的区域标志信号——和区域对应的特定的码字来确定自己的位置和为其提供服务的辅发射机。当移动台需要接收其他频点上的业务时，需要在卫星定位，如GPS辅助下和那个频点上的网络建立同步。

移动台可以通过有线或无线的方式与内容提供商1～2的服务器之间建立通馈信道，向服务器发出业务请求。主发射机、辅发射机、移动台通过IP协议中采用的地址方式来确定自己的标识地址，以便实现业务传送中的寻址。

为了避免不同辅发射机发射的业务之间的干扰，该发明指出，各个辅发射机之间的距离必须保持足够大，如图5所示的那样，各个辅发射机的覆盖范围不能重叠。

该专利强调了业务请求信号可以通过无线网或有线网送到业务提供服务器，但是，没有给出具体的实现方法。

5)现有网络同步技术

蜂窝移动通信中的网络同步技术分为两大类，一类是GPS同步技术，这种技术在GSM/IS95等通信系统中广泛使用；一类是利用有线网络实现同步，如WCDMA(FDD)采用了这种技术实现基站间的粗略同步。

数字广播目前普遍使用GPS同步在实现单频组网时不同广播发射机之间的同步。

在TDD通信系统中，如，TD-SCDMA，为了减小保护时隙从而保障系统的频谱效率，要求下行传输时相邻的不同基站之间，以及上行时不同终端之间保持良好的同步。在TD-CDDMA系统中，基站之间的同步采用的是GPS技术，移动台之间的同步采用的是基于RTT(Round Trip Time)测量技术。

6)现有移动台定位技术

现有技术的蜂窝移动通信中采用的移动台定位技术主要有4种：1)小区ID技术，这种定位技术的特点是方法简单，易于实现，但是定位精度很差，只能知道移动台是处于哪个小区，很难进一步提高精度；2)AGPS定位技术，也就是利用蜂窝网向安装在移动台内的GPS接收机传送GPS定位需要的辅助信息，如卫星信号的搜索窗等，辅助移动台上的GPS接收机快速实现定位，这种定位方法的特点是定位精度高，大多数情况下误差半径在30米以内，但是这种方法很难应用于室内移动台的定位；3)TDOA定位技术，也就是移动台在网络侧的辅助下，通过把移动台获取的OTDOA和网络侧获取的不同基站间的RTD测量相结合，计算出服务基站和相邻小区基站之间的到达时间差(TDOA)，然后利用双曲线定位原理实现对移动台的位置估计，这种定位方法的特点是精度适中，大多数情况下定位精度可以在70米以内，而且既适用于室外定位，也适用于室内定位；4)智能天线定位，通过阵列天线实现对移动台方位角度的估计，通过RTT测量获取移动台到服务基站的距离，两者结合来确定移动台的位置，这种方法的特点是可以实现单基站定位，但在非可视环境下定位精度很难保障。

上述方法1)、2)、3)是WCDMA协议中规定的定位方法，方法4)是TD-SCDMA协议中规定的方法。

对于业务融合涉及到的三个主要方面：网络结构融合、频谱融合、频谱动态分配，现有技术都存在各自的不足。

现有网络结构融合技术最主要的缺点是：只注重适合业务融合的核心网结构的讨论，没有综合考虑到无线接入网融合涉及到的问题，如没有讨论业务融合导致的无线接入网结构的改变、没有讨论业务融合导致的频谱融合问题。

现有频谱融合技术的缺点是：只着重讨论频谱的频分融合涉及到的技术问题，如UMST与DVB-T在数字广播和无线通信分别使用不同频段时的共存问题和UMTS对DVB-T频率的空间复用问题，对于更为灵活和可能更具频谱效率的时分频谱融合问题缺少讨论。频分融合的一个主要缺点是需要额外的保护带开销，造成了频谱浪费。ERISSON提出的DVB与蜂窝重复使用频谱的方法虽然可以进一步提高频率复用效果，但是所述方法的复用系数仍然较低，只有(1/7)×2，而且网络规划复杂；

现有动态频谱分配技术的缺点是：现有动态频谱分配是针对频分系统下，分频带实现数字广播和无线通信之间的频谱动态分配，这种不同系统按照频分工作的模式，不便于实现频谱的动态分配，这也就限制了频谱的使用效率。

美国专利申请申请号20010022781A1给出的一种综合实现无线数字广播和内容点播相结合的分层网络结构，从其目的和技术方案上看，只是一种解决广播网中业务点播的问题，无法解决移动通信与数字广播的融合面临的问题，如，1)该发明只是对发射机进行讨论，发射机无法实现移动通信需要的双向链路；2)通信与广播的融合需要实现无线接入点对区域的连续覆盖，本发明给出的发射机方案无法实现连续覆盖；3)通信与广播的融合需要更加严格的各个接入点(或基站)间的空中接口上的上下行链路同步，该发明无法实现；4)通信与广播的融合需要空中接口采用更加高频谱效率的技术，只有这样才可以在现有广播频谱里面既不降低用于广播业务的容量(或者还可以提高)的前提下发掘出供移动通信使用的容量。

因此，现有技术还存在缺陷，而有待于改进和发展。

发明内容

本发明目的在于提供一种分层无线接入网结构和实现方法，针对网络业务融合涉及到的主要技术层面，网络结构融合、频谱融合、频谱动态分配中存在的上述现有技术问题，给出一个综合解决业务融合、网络融合、频谱融合、频谱动态分配问题的方案，其给出一种综合实现数字广播与移动通信业务融合的分层接入网结构；给出一种基于该接入网结构的频谱复用方法；给出一种基于该接入网结构的频谱动态分配的方法；给出一种基于该接入网结构的空中接口同步测量和调整方法；给出一种基于该接入网结构的移动台定位方法。

本发明的技术方案如下：

一种分层无线接入网，其中，其包括实现无线接入的无线接入子网、实现对无线接入子网综合管理和控制的管理控制子网两大部分。

所述的分层无线接入网，其中，所述无线接入子网由处于上层的无线数字广播层、处于中间层的宽带无线支撑层、处于底层的移动通信层，以及存在于这些层面覆盖范围内、可以与这些层面中的一个或多个层面配合工作的各种终端组成；

所述的管理控制子网至少包含：一广播业务服务质量监测单元、一广播业务频谱需求计算单元、一业务和频谱协调单元、一接入网综合控制单元、一网络同步质量监测和协调单元、一无线负载综合检测单元、若干个数据库、若干个路由器、若干个媒体网关；

所述广播业务服务质量监测单元用于搜集、处理由网络节点采集来的网络服务质量信息；

所述广播业务频谱需求计算单元根据需要数字广播发射站发射的广播业务的流量来计算数字广播发射站需要的带宽，这个带宽作为在数字广播系统和移动通信系统之间分配频谱的一个依据；

所述的业务和频谱协调单元实现数字广播系统和移动通信系统之间的业务和频谱协调；

所述接入网综合控制单元根据业务和频谱协调单元给出的业务和频谱协调结果，在所述无线接入子网的不同层面之间、在同一个层面内的不同工作模式之间执行工作进程协调和无线资源调度；

所述网络同步质量监测和协调单元用于接收和处理由无线接入子网送来的无线数字广播层中相邻数字广播发射站之间的相关时间差数据、移动通信层中相邻基站间的相关时间差数据、宽带无线支撑层中相邻基站间的相关时间差数据、以及由无线接入子网中的基站或终端送来的上行同步质量信息，对网络的同步状态进行调整；

所述无线负载综合检测单元用于获取宽带无线支撑层中各个基站、移动通信层中各个基站送来的无线负载信息，这些信息用于对接入网进行综合控制使用。

所述的分层无线接入网，其中，所述无线数字广播层包含至少一个数字广播发射站；所述宽带无线支撑层包含至少一个无线接入基站；所述移动通信层包含若干个成连续覆盖状态的移动通信基站，或者包含若干个成蜂窝分布的移动通信基站和若干个无线广域网基站；所述的终端包括无线路由器和网关、数字广播接收机、移动或固定终端。

所述的分层无线接入网，其中，所述终端采用单天线单通道接收机和发射机结构，并且所述数字广播发射站采用多通道多天线发射机，构成多输入单输出系统。

所述的分层无线接入网，其中，所述终端采用多天线多通道接收机和发射机结构，并且所述数字广播发射站采用多通道多天线发射机，构成多输入多输出系统。

所述的分层无线接入网，其中，所述数字广播发射站采用单通道单天线发射机。

所述的分层无线接入网，其中，所述无线接入基站由发射机和接收机两部分组成，发射机和接收机分别用于实现通信系统的下行链路和上行链路；所述无线接入基站的发射机和接收机均采用多天线多通道结构，与所述采用多天线多通道发射机和接收机结构的所述终端相配合，构成多输入多输出系统；与所述采用单天线单通道发射机和接收机结构的所述终端相配合，构成多输入单输出系统。

所述的分层无线接入网，其中，所述移动通信基站由发射机和接收机两部分组成，发射机和接收机分别用于实现通信系统的下行链路和上行链路；所述发射机和接收机均采用多天线多通道结构，与所述采用多天线多通道发射机和接收机结构的所述终端相配合，构成多输入多输出系统；与所述采用单天线单通道发射机和接收机结构的所述终端相配合，构成多输入单输出系统。

所述的分层无线接入网，其中，所述多输入多输出系统和多输入单输出系统采用空时处理技术、分层编码技术来提高数字广播系统的频谱效率。

所述的分层无线接入网，其中，所述空时处理技术包括Alamouti算法的空时编码技术和V-BLAST算法的空间复用技术。

所述的分层无线接入网，其中，所述业务和频谱协调单元根据数字广播系统需要承载的业务量、广播业务服务质量监测单元提供的数字广播网的服务质量，确定需要由移动通信网承载的针对特定区域或特定用户群的广播业务，需要由移动通信网承载的点播业务，以及在相应的业务分配情况下，根据数字广播系统和移动通信系统之间的业务比例和广播业务频谱需求计算单元的计算结果，确定两个系统之间的频谱分配比例和数量。

所述的分层无线接入网，其中，所述业务和频谱协调单元在广播业务下降的时段，把更多的频谱分配给通信业务；在广播业务上升的时段，把更多的频谱分配给广播业务。

所述的分层无线接入网，其中，所述服务质量信息包括衡量广播信号的覆盖情况的信息，包括信干比、和信干比对应的位置和时间信息。

所述的分层无线接入网，其中，所述工作进程协调和无线资源调度包括：向无线接入子网的宽带无线支撑层、移动通信层发出指定其时隙宽度的指令、发出指定其进行小区呼吸的指令、发出指定其上下行时隙分配方式的指令。

所述的分层无线接入网，其中，所述对网络的同步状态进行调整包括：1)对数字广播发射站之间同步的调整；2)对宽带无线支撑层中相邻基站间的相关时间差的调整；3)对移动通信层中相邻基站间的相关时间差的调整。

所述的分层无线接入网，其中，所述对网络的同步状态进行调整的方法还包括：以数字广播发射站上的卫星定位系统GPS时间为参考，按照测量得到的两个相邻数字广播发射站之间的相关时间差值的大小，按照预定的步长，通过增加处于提前发射状态的数字广播发射站的时延，或通过减小处于滞后发射的数字广播发射站的时延，逐步调整到相关时间差小于要求的范围内。

所述的分层无线接入网，其中，所述各功能单元可以以独立的实体存在于网络之中，也可以分解到各个网络实体中实现。

一种分层无线接入网的实现方法，其包括以下步骤：

a)处于上层的无线数字广播层向处于中间层的宽带无线支撑层、处于底层的移动通信层，以及存在于这些层面覆盖范围内、可以与这些层面中的一个或多个层面配合工作的各种终端广播同步和控制信息；

b)所述网络同步测量和调整方法包括如下步骤：b1)观测到达时间差测量；b2)相关时间差计算；b3)相关时间差调整；

c)所述的移动通信层中实现观测到达时间差测量的方法通过定位时隙来实现，包括定位时隙构造、定位时隙插入、定位时隙空间复用；

d)根据所述时隙定位实现频谱动态分配和复用；

e)对移动台定位方法采用如下步骤：e1)移动台进行观测到达时间差测量；e2)进行移动台位置估计。

所述的实现方法，其中，所述同步和控制信息包括：1)数字广播发射站的代码，用于识别数字广播发射站和不同数字广播发射站间的相关时间差测量；2)给不同层分配的工作时隙的长度和这些时隙的排列顺序，用于控制无线数字广播层、宽带无线支撑层、移动通信层的工作顺序和工作时隙。

所述的实现方法，其中，所述处于上层的无线数字广播层、处于中间层的宽带无线支撑层、处于底层的移动通信层使用卫星定位信号或地面网络传送信号实现层内同步，并通过相关时间差测量和协调来实现层内不同发射机间的天线口面处的同步。

所述的实现方法，其中，为了实现无线接入基站与移动通信基站或移动通信基站与移动通信基站之间的上下行链路同步，所述无线接入基站或移动通信基站在层间同步信息广播的自己的工作时隙内发送标识信息和控制信息。

所述的实现方法，其中，所述标识信息和控制信息包括：发送标识自己的识别信息；发送上下行时隙的位置信息；发送时隙长度信息。

所述的实现方法，其中，所述无线接入子网中，为了实现移动通信基站与所述终端之间的上下行通信链路的同步，移动通信基站在层间同步信息广播的自己的工作时隙内，向自己的服务区域内发送标识信息和控制信息，包括发送标识自己的识别信息及发送上下行时隙的位置信息。

所述的实现方法，其中，所述定位时隙构造方法包括：把一个定位时隙的开头部分用于发射表示发射基站代码信号，把定位时隙的其余部分用于发射通信数据。

所述的实现方法，其中，所述定位时隙构造方法是：把定位时隙与其它业务时隙拼接在一起构成一个复合帧；若干个复合帧构成一个超帧。

所述的实现方法，其中，由7个复合帧构成一个超帧。

所述的实现方法，其中，所述定位时隙空间复用方法是：把一个超帧中包含的7个定位时隙的开启时刻看作七个被空间复用的频点，按照蜂窝网对频率复用的方式复用这7个定位时隙的开启时刻。

所述的实现方法，其中，所述定位时隙空间复用方法中定位时隙的开启是指在定位时隙内既不发送基站代码信号，也不发送业务信号，而用于本基站覆盖范围内的终端对相邻基站的代码信号进行测量，以获取观测到达时间差。

所述的实现方法，其中，所述定位时隙空间复用方法中定位时隙的开启是在同一套发射系统发射的覆盖其服务的小区的超帧中包含的若干定位时隙在任何时刻只能有一个处于开启状态。

所述的实现方法，其中，所述频谱复用的步骤包括：1)确定需要时分复用同一个频带的子系统的个数，系统中的每一层当作一个子系统处理，即处于同一层的多个子系统当作一个子系统处理；2)估算每个子系统需要的初始带宽，把业务量、背景干扰、传输模式的因素综合考虑后进行频谱计算；3)确定时隙结构形式和参数，根据复用同一个频带的子系统的个数、业务量大小和业务的QOS要求，来确定时隙结构的形式和参数。

所述的实现方法，其中，所述实现频谱动态分配的步骤为：1)业务监测，所述广播业务频谱需求计算单元实时地计算出数字广播发射站发射广播业务需要的带宽，并与预先分配的带宽进行比较；所述无线负载综合监测单元实时地搜集无线接入基站的无线负载和移动通信层的无线负载，并与预先分配的带宽进行比较；当所述广播业务频谱需求计算单元或无线负载综合监测单元在比较中发现其监测的负载大于预定门限时，请求所述业务和频谱协调单元进行频谱协调和调整；

2)时隙长度调整：缩短空闲子系统占用的时隙长度，加大繁忙子系统占用的时隙长度。

所述的实现方法，其中，所述步骤b1)为在数字广播发射站工作时隙期间，使用无线接入基站和移动通信基站对数字广播发射站进行观测到达时间差测量，获取一组观测到达时间差测量量；

所述步骤b2)为利用测量得到的观测到达时间差测量量，和已知的无线接入基站和移动通信基站与被其测量的数字广播发射站之间的距离，计算出不同数字广播发射站之间的相关时间差；

所述步骤b3)为在所述相关时间差大于允许的误差范围时，就对相应数字广播发射站的发射时间进行调整，使其相关时间差保持在误差范围内，具体调整方法是：迟滞处于相对提前状态的数字广播发射站的信号发送时间，或者提前处于相对之后状态的数字广播发射站的信号发送时间。

所述的实现方法，其中，所述步骤b1)为在移动通信基站工作时隙期间，或者在各个移动通信基站向无线接入基站进行BACKHAUL数据传送期间，无线接入基站对移动通信基站进行观测到达时间差测量，获取观测到达时间差测量量；

所述步骤b2)为利用测量得到的观测到达时间差测量量和已知的移动通信基站与无线接入基站之间的距离，计算出不同移动通信基站之间的相关时间差；

所述步骤b3)为这些相关时间差被送到位于管理和控制子网中的移动台定位中心和网络同步质量监测和协调单元，用于移动台定位和网络同步调整，具体调整方法：迟滞处于相对提前状态的移动通信基站的信号发送时间，或者提前处于相对之后状态的移动通信基站的信号发送时间。

所述的实现方法，其中，所述步骤b1)为在无线接入基站工作时隙期间，移动通信基站对无线接入基站进行观测到达时间差测量，获取观测到达时间差测量量；

所述步骤b2)为利用测量得到的观测到达时间差测量量和已知的移动通信基站与无线接入基站之间的距离，计算出不同无线接入基站之间的相关时间差；

所述步骤b3)为将这些相关时间差被送到位于管理和控制子网中的移动台定位中心和网络同步质量监测和协调单元，用于移动台定位和网络同步调整，具体调整方法为：迟滞处于相对提前状态的无线接入基站的信号发送时间，或者提前处于相对之后状态的无线接入基站的信号发送时间。

所述的实现方法，其中，所述步骤b1)测量时可以使用数字广播发射站的台标信号，也可以使用数字广播发射站发送的数字广播中插入的专为观测到达时间差测量设计的编码信号。

所述的实现方法，其中，所述定位方法的步骤e1)可由网络侧发起，也可由移动台发起，可连续测量，也可突发测量，当某个小区需要进行一次定位用的观测到达时间差测量时，就使该小区发送的超帧中的特定定位时隙进入定位状态，该小区与该定位时隙同步的定位时隙保持通信状态。

所述的实现方法，其中，所述步骤e1)为在一个超帧组内进行多次定位时，在该超帧组内选出多个超帧，启动这些超帧中的定位时隙使其处于定位状态。

所述的实现方法，其中，所述步骤e2)包括：首先利用主基站测量的到副基站之间的相关时间差和移动台测量的观测到达时间差来计算出到达时间差，然后利用双曲定位获取移动台的位置估计量。

所述的实现方法，其中，所述定位方法得到的位置估计结果进一步地与使用到达方向获得的位置结果、与卫星定位获取的定位结果相融合。

本发明的所述分层无线接入网结构和实现方法提出的网络结构简洁地实现了数字广播业务、移动通信业务、移动台定位业务、网络、频谱的融合和频谱动态分配，该网络结构易于实现现有数字地面广播系统DVB-T、ISDB、ATSC标准)和3G移动通信系统TD-SCDMA系统)的融合，该网络结构易于实现未来数字地面广播与移动通信系统的融合。

本发明提出的TDD模式下的同步测量和同步调整方法可以实现传统同步方法无法实现的严格同步(同步到天线口面)；使用具有卫星定位定时能力的无线路由器和网关作为移动终端与基站(或无线接入电)的通信中继器，可以显著改善TDD模式下网络的上行同步质量，同时降低终端的发射功率。

本发明提出的TDD模式下移动台定位时隙的插入和定位时隙处于定位状态的空间复用方法很简洁地解决了定位与通信的融合，以最小的频谱开销实现了定位系统与通信系统的统一，本发明给出的网络结构易于布设，易于扩容。

附图说明

图1为现有技术DVB-T与UMTS的网络结构融合方法示意图；

图2为现有技术的FDD方式频谱共享的保护频带示意图；

图3为一种现有技术中的频谱复用方法示意图；

图4为一种现有技术中动态频谱分配方法示意图；

图5为一种现有技术的实现内容点播的网络结构示意图；

图6为本发明的一种综合实现数字广播和移动通信的分层网络结构示意图；

图7为本发明的一种无线接入子网的空间布局示意图；

图8为本发明的一种三系统分时共享频谱的时隙分配示意图；

图9为本发明的一种TDD系统中时隙的基本结构、定位时隙的插入和定位时隙空间复用示意图。

具体实施例

以下结合附图，通过对本发明的较佳实施例的详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。

本发明的一种分层无线接入网结构，其网络的组成和工作原理如图6所示的，为一种综合实现数字广播业务与移动通信业务融合的分层接入网结构，其由无线接入子网102以及管理和控制子网101两大部分组成。

所述无线接入子网102的组成为：

所述无线接入子网102由无线数字广播层112、宽带无线支撑层113、移动通信层114，以及存在于这些层面覆盖范围内、可以与这些层面中的一个或多个层面配合工作的各种终端：即图6中的无线路由器和网关122、数字广播接收机123、移动或固定终端124组成。

无线数字广播层112由1个或多个数字广播发射站201组成；宽带无线支撑层113由1个或多个无线接入基站202组成；移动通信层114由若干个移动通信基站203或者由若干个移动通信基站203与若干个广域网接入点207混合组成，其一种可能的空间布局如图7所示。其中，数字广播发射站201的覆盖范围204大于宽带无线支撑层113的覆盖范围205，宽带无线支撑层113的覆盖范围205大于移动通信基站203的覆盖范围206和广域网接入点207的覆盖范围208。

数字广播发射站201由发射机组成，数字广播发射站201表示的发射机由两种类别，一类是单通道单天线发射机；一类是多通道多天线发射机。当采用多通道多天线发射机时，数字广播发射站201与采用多天线多通道接收机和发射机的路由器和网关122、数字广播接收机123、移动或固定终端124构成多输入多输出(MIMO)系统，与采用单天线单通道接收机和发射机的路由器和网关122、数字广播接收机123、移动或固定终端124构成多输入单输(MISO)出系统。通过采取恰当的空时处理技术，如V-BLAST算法、Alamouti算法等，以及采取将空时编码与信源编码，如分层信源编码相结合，这种MIMO或MISO数字广播系统和传统的SISO数字广播系统比较，可以有效地提高数字广播系统的频谱效率。这种频谱效率的提高可以在保证数字广播所需要的信道容量的前提下，显著地降低数字广播业务占用的带宽，把节约的带宽供移动通信使用。

无线接入基站202、移动通信基站203均由发射机和接收机两部分组成，发射机和接收机分别用于实现通信系统的下行链路和上行链路。无线接入基站202、移动通信基站203中的发射机和接收机均采用多天线多通道结构，这种多天线多通道接收机和发射机结构与采用多天线多通道发射机和接收机结构的路由器和网关122、数字广播接收机123、移动或固定终端124相配合，构成多输入多输出(MIMO)系统；这种多天线多通道接收机和发射机结构与采用单天线单通道发射机和接收机结构的路由器和网关122、数字广播接收机123、移动或固定终端124相配合，构成多输入单输出(MISO)系统。通过采取恰当的空时处理技术，如V-BLAST算法、Alamouti算法，这种MIMO或MISO通信系统和传统的SISO通信系统比较，可以有效地提高通信系统的频谱效率。

采用多天线多通道系统来实现数字广播和通信系统是实现数字广播业务与移动通信业务共享频谱的一个关键。通过MIMO、MISO技术有效地提高数字广播系统和移动通信系统的频谱效率后，可以实现同样的带宽被两个系统使用后，不但不影响其中一个的系统容量，反而有可能增加其容量。比如，在平均频谱效率为1bit/s/hz的时候，40MHz宽的频带只可以传送40Mbps的数字广播信号，如果通过MIMO、MISO系统结构和空时处理技术将平均频谱效率提高到4bit/s/hz，就可以得到160Mbps的系统容量，如果在数字广播和移动通信之间平均分配这个容量，每个系统可以得到80Mbps的容量，两个系统通过采用提高频谱效率的技术，在复用同一段频谱后，各自的容量比原来提高了一倍。

数字广播发射站201、无线接入基站202、移动通信基站203使用IP(Internet Protocal)协议来实现其与网络的其他单元和节点之间的数据的传输，IPV6、MIPV6和其改进型，是数字广播发射站201、无线接入基站202、移动通信基站203实现移动管理和无线资源管理的基本协议。

无线路由器和网关122具有多模或软件无线电技术实现的空中接口，具有与本发明所述无线接入子网中的一个或多个层面进行接入的能力，也具有通过软件无线电或多模技术和其他类型的无线网络，如WLAN、UWB、蓝牙等网络进行通信的能力，支持多模式空中接口同时工作，如，在和本发明所述网络进行通信的同时，可以与其他网络通信。通过软件无线电或多模技术，无线路由器和网关122还可以具有如下一种或多种能力：1)有多种工作模式，如FDD/TDD、多种编码调制方式；2)通过软件无线电或多模技术，无线路由器和网关122具有频谱监测的能力，即根据需要，对其工作频带和工作频带之外的信号质量或干扰环境进行监测；3)无线路由器和网关122在其网络管理程序的支持下，可以支持多种无线链路拓扑结构，如AD HOC；4)可以和有线局域网，如车载网、机载网、舰载网相连；4)无线路由器和网关122具有卫星定位，如GPS或AGPS定位/定时功能。小型化的无线路由器122可以是一个移动终端的组成部分。无线路由器和网关122分为两大类，一类是移动式的，这类移动式路由器和网关可以用于各种移动平台和用于个人携带；另一类是固定式的，这类路由器和网关可以用于家庭、办公室等场合，固定型可以是家庭信息采集和发送的传感网通信节点，也可以是某个固定位置的监测、传感信息通信节点，如公共交通管理站的一个通信节点、水文监测站的通信节点。

具有卫星定位定时能力的无线路由器和网关122作为移动终端与基站或无线接入点的通信中继器，这种应用模式可以显著改善TDD模式下网络的上行同步质量，同时降低终端的发射功率。无线路由器和网关122作为中继器时，可以对上下行链路都进行中继，也可以只对上行链路进行中继。

数字广播接收机123除了具有传统的广播接收功能之外，也具有无线通信能力，可以通过特定的空中接口，如图6中的无线局域网126，该无线局域网由更小的无线局域网、无线个人域网、无线路由器和网关122组成，和有线网络，如图6中的互联网127与本发明中所述的管理和控制子网101中的功能单元，如广播业务质量监测单元103进行通信。

移动或固定终端124具有和无线数字广播层112、宽带无线支撑层113、移动通信层114中的一个或多个层面配合工作的能力。移动或固定终端124的另一种实现是除了具有和无线数字广播层112、宽带无线支撑层113、移动通信层114中的一个或多个层面配合工作的能力之外，同时也具有和无线局域网126进行通信的能力。移动或固定终端124的移动型可以是个人助理、笔记本电脑、手机等；移动或固定终端124的固定型可以是家庭信息采集和发送的传感网通信节点，也可以是某个固定位置的监测、传感信息通信节点，如公共交通管理站的一个通信节点、水文监测站的通信节点等。

无线路由器和网关122、数字广播接收机123、移动或固定终端124可以是单天线单通道系统，也可以是多天线多通道系统。但是，无线路由器和网关122、数字广播接收机123、移动或固定终端124在采用多天线多通道系统结构并配合相应的空时处理后，可以获得更好的通信效果。

无线路由器和网关122、数字广播接收机123、移动或固定终端124一种地址方式是采用IP协议，如IPV6的地址方式来表示自己。采用IP协议时，均支持移动IP协议，如MIPV6或其改进版本。

所述无线接入子网102的工作原理为：

A.无线接入子网的同步

所述无线接入子网102的同步分为层内同步即各个基站或发射机之间的同步、层间同步即不同层按照严格的时隙分配进行工作、上下行链路同步即无线接入基站202、移动通信基站203、无线路由器和网关122、数字广播接收机123、移动或固定终端124发射时刻的同步三个主要方面。

层内同步：网络无线接入子网102包含的无线数字广播层112、宽带无线支撑层113、移动通信层114内包含的数字广播发射站201、无线接入基站202、移动通信基站203的定时和同步可以由多种方法实现，如使用卫星定位，GPS接收机实现，或者通过地面网络传送的同步信号实现。

为了进一步提高网内同步的精度，需要采取RTD测量和调整措施。数字广播发射站201之间、无线接入基站202之间、移动通信基站203之间的同步测量和调整靠下面描述的RTD测量来实现，RTD测量可以校正由于射频通道的离散性引入的随机时延，可以在卫星定位，如GPS同步的基础上，进一步提高数字广播发射站201之间、无线接入基站202之间、移动通信基站203之间的同步性能，使同步控制在信号离开天线口面的时间，从而进一步提高了无线接入系统的同步性能，改善了系统的稳定性。

层间同步：无线数字广播层112向宽带无线支撑层113、移动通信层114发送层间以及无线路由器和网关122、数字广播接收机123、移动或固定终端124发送层间同步信息115。这种层间同步信息115由无线数字广播层112内的数字广播发射站201向宽带无线支撑层113、移动通信层114内的基站202、203发送。

层间同步信息115包括实现层间按照规定的时隙有序工作和移动台即无线路由器和网关122、数字广播接收机123、移动或固定终端124捕获所需时隙所需要的引导信号，如，层间同步信息115包括：1)数字广播发射站201的代码，该代码可用于测量不同数字广播发射站之间的RTD时识别特定的高数字广播发射站；2)给不同层分配的工作时隙的长度和这些时隙的排列顺序，这个信息可用于宽带无线支撑层113、移动通信层114确定自己工作的时隙位置和时隙长度，这个信息同时被无线路由器和网关122、数字广播接收机123、移动或固定终端124接收，用于确定自己的工作时隙和工作模式，无线路由器和网关122、数字广播接收机123、移动或固定终端124可以在特定的时隙内与其它网络，如图6中的无线局域网126建立通信联系。无线数字广播层112向宽带无线支撑层113、移动通信层114之间的频谱分配进行调整时，层间同步信息115也相应地发生变化，如时隙长度和时隙顺序的调整，以适应动态频谱分配的需要。

上下行链路同步分为：1)无线接入基站202与移动通信基站203之间的上下行链路同步。这种链路用无线接入基站202与移动通信基站203之间的BACKHAUL传输、移动通信基站203之间的RTD测量、无线接入基站202和无线路由器和网关122、移动或固定终端124之间的通信链接；2)移动通信基站203和移动通信基站203之外的基站之间的上下行链路同步，这种同步用于移动通信基站203与移动通信基站203之外的基站之间实现AD HOC通信链接；3)移动通信基站203与无线路由器和网关122、数字广播接收机123、移动或固定终端124之间的上下行通信链路的同步。

宽带无线支撑层113中的无线接入基站202除了上述工作方式之外，在分配给移动通信层114的时隙中，也可以按照移动通信层114中的基站的工作方式进行工作。

为了实现无线接入基站202与移动通信基站之间的上下行链路同步，需要无线接入基站202在层间同步信息115广播的自己的工作时隙内发送标识信息和控制信息，如，发送标识自己的识别信息；发送上下行时隙的位置信息；发送时隙长度信息。为了实现移动通信基站与移动通信基站203之间的上下行链路同步，需要移动通信基站203在层间同步信息115广播的自己的工作时隙内发送标识信息和控制信息，如，发送标识自己的识别信息；发送上下行时隙的位置信息；发送时隙长度信息。为了实现移动通信基站203与无线路由器和网关122、数字广播接收机123、移动或固定终端124之间的上下行通信链路的同步，需要移动通信基站203在层间同步信息115广播的自己的工作时隙内，向自己的服务区域内发送标识信息和控制信息，如，发送标识自己的识别信息；发送上下行时隙的位置信息；发送时隙长度信息。在实际系统工作中，还需要在上下行链路时隙内发送用于辅助信道估计的信息以提高上下行链路的传输效率。

在完成了上述层内同步、层间同步、上下行链路同步之后，在下述管理和控制子网101的配合下，无线接入网102即可以有序地协调工作。

B.无线接入子网中的通信关系

如图6中所示的广播信号流116表示无线数字广播层112发送给无线路由器和网关122、数字广播接收机123、移动或固定终端124的广播信号，包括业务信号和控制、识别信号；通信链接120表示宽带无线支撑层113与无线路由器和网关122、移动或固定终端124之间的通信链接，通过这个通信链接120，宽带无线支撑层113发出业务信号和控制、识别信号；通信链接117是宽带无线支撑层113与移动通信层114之间的通信链接，通过这个通信连接实现宽带无线支撑层113与移动通信层114之间的业务数据传送和RTD测量；通信链接118是移动通信层114与无线路由器和网关122、移动或固定终端124之间的通信链接。广播信号流119表示数字广播接收机123从移动通信层114接收数字广播信号，本发明给出的无线接入子系统从原理上也支持数字广播接收机123与移动通信层114建立双向通信联系。

C.无线接入子网对测量的支持

图9给出了本发明提出的一种适用于TDD系统的时隙的基本结构、定位时隙的插入和定位时隙空间复用原理图。图中的无线数字广播层112的工作时隙407、宽带无线支撑层113的工作时隙408、移动通信层114的工作时隙406、定位时隙405A～G构成了一个复合帧401，若干个复合帧401构成一个超帧402、403，若干个超帧组成一个超帧组404。

构成一个超帧402、403较佳的复合帧401的个数是7个，原因是这样便于在空间上复用超帧中的定位时隙405A～G。定位时隙405A～G由标识小区号的导频信号或基站标识符号子时隙和紧跟这个导频信号的子时隙两部分组成，定位时隙有两种工作状态：1)定位状态；2)通信状态。定位状态是指在这个定位时隙内，既不发送导频信号，也不发送业务信号，仅仅作为本小区服务的终端对邻小区进行OTDOA测量的时隙；在定位时隙的通信状态，定位时隙内可以传送QOS要求较低的业务，如发送图片、短信这种时延不敏感的业务。需要强调的是，在一个超帧内的7个定位时隙中，只能有一个时隙处于定位状态，其它六个时隙都要处于通信状态。导频信号子时隙内发送的导频信号既可以用于本小区的通信目的，也可以用于其他小区定位时的OTDOA测量。

一个超帧内7个定位时隙405A～G的空间复用方法和蜂窝结构的频率空间复用方法是类似的：图9(a)中一个超帧内的定位时隙405A、405B、405C、405D、405E、405F、405G处于定位状态的排列如图9(b)所示，即7个蜂窝布局的小区A、B、C、D、E、F、G分别对应定位时隙405A、405B、405C、405D、405E、405F、405G处于定位状态。

无线接入基站202和移动通信基站203通过其采用的阵列天线结构实现到达方向DOA(Direction Of Arrival)测量功能，DOA测量量和RTT(Round Trip Time)测量量相结合实现对无线路由器和网关122、移动或固定终端124的定位；无线路由器和网关122、移动或固定终端124除了完成通信、广播接收功能之外，还需要支持对服务基站包括无线接入基站202和移动通信基站203与其它基站之间的观测到达时间差OTDOA(Observed Time Difference Of Arrival)测量功能，OTDOA测量量和RTD测量量相结合作为双曲线定位的基础。图6所示的接入网可以单独使用DOA定位、TDOA定位或AGPS定位，或者也可以综合使用DOA定位、TDOA定位和AGPS定位中的一个或多个得到更为准确的移动台的位置、移动速度信息，利用这些信息实现准确的上行同步，或利用这些信息确定最优的传输方式。

所述管理和控制子网的组成和工作原理：

管理和控制子网101由图6所示的广播业务服务质量监测单元103、广播业务频谱需求计算单元104、业务和频谱协调单元105、接入网综合控制单元106、网络同步质量监测和协调单元107、无线负载综合检测单元108、若干个数据库109A、109B、若干个路由器110A、110B、110C若干个媒体网关111组成。

广播业务服务质量监测单元103用于搜集、处理由网络节点即无线路由器和网关122、数字广播接收机123、移动或固定终端124和无线接入基站202、移动通信基站203等采集来的网络服务质量信息，服务质量信息主要包括衡量广播信号的覆盖情况的信息，如信干比、和信干比对应的位置和时间等。广播业务服务质量监测单元103对数字广播发射站201覆盖范围内的数字广播信号的覆盖质量进行全天候监测，并把检测结果作为网络维护和网络资源调度的依据之一。比如，当某个区域大范围长时间出现广播信号质量低于正常门限时，就要进行网络覆盖的修正，或者使用底层的无线接入基站202、移动通信基站203对这个覆盖不好的区域发射数字广播发射站201的业务进行补救(假设此时底层的无线接入基站202或移动通信基站203对这个区域有良好的覆盖并有富裕的容量)。

广播业务频谱需求计算单元104根据需要数字广播发射站201发射的广播业务的流量来计算数字广播发射站201需要的带宽，这个带宽作为业务和频谱协调单元105在数字广播系统和移动通信系统之间分配频谱(对于本发明就是在数字广播系统和移动通信系统之间分配时隙宽度)的一个依据。

业务和频谱协调单元105实现数字广播系统和移动通信系统之间的业务和频谱协调，如，根据数字广播系统需要承载的业务量、广播业务服务质量监测单元103提供的数字广播网的服务质量，确定需要由移动通信网承载的针对特定区域或特定用户群的广播业务，需要由移动通信网承载的点播业务，以及在相应的业务分配情况下，根据数字广播系统和移动通信系统之间的业务比例和广播业务频谱需求计算单元104的计算结果，确定两个系统之间的频谱分配比例和数量(即分配时隙宽度)。业务和频谱协调单元105的一个基本作用是：在广播业务下降的时段，把更多的频谱(时隙数量)分配给通信业务，在广播业务上升的时段，把更多的频谱(时隙数量)分配给广播业务，业务和频谱协调单元105是实现不同子网络之间业务和频谱分配的核心功能单元；

接入网综合控制单元106根据业务和频谱协调单元105给出的业务和频谱协调结果，在图6给出的无线接入子网102的不同层面之间、同一个层面内的不同工作模式之间的工作进程协调和无线资源调度，如，接入网综合控制单元106向无线接入子网102的宽带无线支撑层113、移动通信层114发出指定其时隙宽度的指令、发出指定其进行小区呼吸的指令、发出指定其上下行时隙分配方式的指令等。

网络同步质量监测和协调单元107接收和处理由无线接入子网102送来的无线数字广播层112中相邻数字广播发射站201之间的相关时间差RTD(Relative Time Difference)数据、移动通信层114中相邻基站间的RTD(Relative Time Difference)数据、宽带无线支撑层113中相邻基站间的RTD(Relative Time Difference)数据、以及由无线接入子网102中的某些节点(终端或基站)送来的上行同步质量信息，对网络的同步状态进行调整。对数字广播发射站之间同步的调整方法是：以数字广播发射站上的卫星定位，如GPS时间为参考，按照测量得到的两个相邻数字广播发射站之间的RTD值的大小，按照预定的步长，通过增加处于提前发射状态的数字广播发射站的时延，或通过减小处于滞后发射的数字广播发射站的时延，逐步调整到RTD小于要求的范围内。对移动通信层114中相邻基站间的RTD的调整、宽带无线支撑层113中相邻基站间的RTD的调整采取同样的方法。对于出现上行同步质量差的区域，可以采取多种方法来解决上行同步问题，如，通过接入网综合控制单元106调整上下行间的保护时隙来解决，如果是由高速导致的上行同步差，就把高速移动的终端切换到宽带无线支撑层113，利用该层为支持高速移动特别设计的时隙来改善上行同步。

无线负载综合检测单元108获取宽带无线支撑层113中各个基站、移动通信层114中各个基站送来的无线负载信息，这些信息提供给接入网综合控制单元106使用。接入网综合控制单元106根据无线负载综合检测单元108采集的不同基站上的负载情况，执行相应的控制，如，当移动通信层114中相邻基站中某个基站的负载过重而其周围的接入点负载较轻时，负载综合检测单元108就向负载重的基站和其周围负载较轻的基站发出小区呼吸命令，减小负载重的基站的覆盖范围，扩大负载轻的基站的覆盖范围。

为了边缘描述，上述广播业务服务质量监测单元103、广播业务频谱需求计算单元104、业务和频谱协调单元105、接入网综合控制单元106、网络同步质量监测和协调单元107、无线负载综合检测单元108是按照在管理控制子网中集中实现的方式给出的，也可以把这些功能的全部或部分地分布到无线接入子网中的各个节点、基站、终端中实现。

所述数据库109A、109B用于提供用户数据、用户需要的业务数据、网络管理数据等；所述路由器110A、110B、110C用于实现基于IP协议的，特别是IPV6/MIPV6的带有QOS保障的路由功能；所述媒体网关111用于实现多媒体数据流的传输格式的转换，如对MEPG系列码流、H.26X码流的IP打包封装和拆封装。

本发明给出的时分复用频谱的方法具体描述如下：

第一步：确定需要时分复用同一个频带的子系统的个数

在计算复用同一个频带的子系统个数时，处于同一层的多个子系统当作一个子系统处理，如，移动通信层114中可以只包含若干个移动通信基站203，也可以包含若干个移动通信基站203与若干个广域网接入点207，当移动通信层114包含若干个移动通信基站203与若干个广域网接入点207时，由于若干个移动通信基站203与若干个广域网接入点207处于同一层，在频谱分配时，把移动通信基站203与广域网接入点207当作一个系统对待。

在图6所示的系统中，无线接入子网102由无线数字广播层112、宽带无线支撑层113、移动通信层114组成，这是一个在三个子系统间时分频谱的问题。

第二步：估算每个子系统需要的初始带宽

1)估算每个子系统的业务量，把业务量、背景干扰、传输模式等因素综合考虑后进行频谱计算。如果限定的带宽满足业务量之和所需要的带宽，就进入时隙宽度分配，否则降低业务量或增加带宽；

2)计算限定带宽下每个子系统需要占用的时间宽度；

第三步：确定时隙结构形式和参数

根据复用同一个频带的子系统的个数、业务量大小和业务的QOS要求时延，来确定时隙结构的形式和参数。

图8是一种三系统分时共享频谱的基本时隙结构形式，图中的数字广播时隙301、BACKHAUL时隙302和无线通信时隙303共同构成一个复合时隙，在无线接入子网102周期性地循环出现。在一个复合时隙的组合周期内循环依次发送数字广播时隙301、BACKHAUL时隙302和无线通信时隙303，所述数字广播时隙301依次细分为和数字广播信道对应的子时隙，所述无线通信时隙303依次细分为和无线通信信道对应的子时隙。

本发明给出的实现频谱动态分配的方法为，其包括如下步骤：

第一步：业务监测

对数字广播业务需要频谱和移动通信、无线支撑等业务需要的频谱进行综合监测。

在本发明给出的如图6所示的系统中，广播业务频谱需求计算单元104实时地计算出数字广播发射站201发射广播业务需要的带宽，并与预先分配的带宽进行比较；无线负载综合监测单元108实时地搜集无线接入基站202的无线负载和移动通信层114的无线负载，并与预先分配的带宽进行比较。当广播业务频谱需求计算单元104或无线负载综合监测单元108在比较中发现其监测的负载大于预定门限时，就请求业务和频谱协调单元105进行频谱协调和调整；

第二步：时隙长度调整

时隙调整的原则是：缩短空闲子系统占用的时隙长度，加大繁忙子系统占用的时隙长度。

比如，当广播业务频谱需求计算单元104计算出的需要数字广播发射站201发射的广播业务的流量降低，同时无线负载综合监测单元108搜集的无线负载数据表明移动终端通信流量加大时，就通过业务和频谱协调单元105把广播发射站201占用的时隙宽度降低，把无线通信时隙303加大；如果是数字广播发射站201发射的广播业务的流量降低，移动终端通信流量不变，只是无线接入基站202的负载加大，就降低数字广播时隙301，加大BACKHAUL时隙302。

本发明还给出一种基于该接入网结构的层内同步测量和调整方法，其对数字广播发射站间的同步测量方法包括以下步骤：

第一步：在数字广播发射站工作时隙407期间，使用无线接入基站202和移动通信基站203对数字广播发射站进行OTDOA测量，获取一组OTDOA测量量。测量时可以使用数字广播发射站的台标信号，也可以使用数字广播发射站发送的其它形式的信号，如数字广播中插入的专为OTDOA测量设计的编码信号；

第二步：利用第一步测量得到的OTDOA测量量，和已知的无线接入基站202和移动通信基站203与被其测量的数字广播发射站之间的距离，该距离可以预先进行测量标定，计算出不同数字广播发射站之间的RTD；

RTD大于允许的误差范围时，就对相应数字广播发射站的发射时间进行调整，使其RTD保持在误差范围内。具体调整方法是：迟滞处于相对提前状态的数字广播发射站的信号发送时间，或者提前处于相对之后状态的数字广播发射站的信号发送时间。

本发明所述的对移动通信基站间的同步测量方法包括以下步骤：

第一步：在移动通信基站工作时隙406期间，或者在各个移动通信基站向无线接入基站202进行BACKHAUL数据传送期间，无线接入基站202对移动通信基站进行OTDOA测量，获取OTDOA测量量；

第二步：利用测量得到的OTDOA测量量和已知的移动通信基站与无线接入基站202之间的距离，该距离可以预先进行测量标定，计算出不同移动通信基站之间的RTD；

这些RTD被送到位于管理和控制子网101中的移动台定位中心和网络同步质量监测和协调单元107，用于移动台定位和网络同步调整，调整方法：迟滞处于相对提前状态的移动通信基站的信号发送时间，或者提前处于相对之后状态的移动通信基站的信号发送时间。

本发明所述的对无线接入基站间的同步测量方法包括以下步骤：

第一步：在无线接入基站工作时隙408期间，移动通信基站对无线接入基站202进行OTDOA测量，获取OTDOA测量量；

第二步：利用测量得到的OTDOA测量量和已知的移动通信基站与无线接入基站202之间的距离，该距离可以预先进行测量标定，计算出不同无线接入基站之间的RTD；

这些RTD被送到位于管理和控制子网101中的移动台定位中心和网络同步质量监测和协调单元107，用于移动台定位和网络同步调整，调整方法：迟滞处于相对提前状态的无线接入基站的信号发送时间，或者提前处于相对之后状态的无线接入基站的信号发送时间。

上述RTD除了用于同步性能的监测、移动台位置估计，进一步地，还用于辅助移动终端或数字广播接收机进行快速小区搜索和快速多经搜索。

本发明给出的移动台定位方法包括以下步骤：

第一步：移动台进行OTDOA(Observed Time Difference of Arrival)测量，根据图7给出的网络空间布局，按照图9(b)描述的定位测量时隙的空间分布，移动台进行定位需要的OTDOA测量。

这种测量可以由网络侧发起，也可以由移动台发起，可以是连续测量，也可以是突发测量；

当小区A需要进行一次定位用的OTDOA测量时，就使小区A发送的超帧中的定位时隙405A进入定位状态，其他超帧中的其他定位时隙保持通信状态；当小区C需要进行一次定位用的OTDOA测量时，就使小区C发送的超帧中的定位时隙405C进入定位状态，其他超帧中的其他定位时隙保持通信状态。

如果需要在一个超帧组内进行多次定位，就在超帧组内选出多个超帧，启动这些超帧中的定位时隙使其处于定位状态。如，一个超帧组对应1秒时间，在1秒内包含10个超帧，当需要进行每秒中5次定位时，即需要每秒测量5次OTDOA量，就从这10个超帧中选出5个超帧，分别启动其中正确的定位时隙，就可以实现1秒内进行5次OTDOA测量。

第二步：进行移动台位置估计

首先利用主基站测量的到副基站之间的RTD和移动台测量的OTDOA来计算出TDOA，然后利用双曲定位获取移动台的位置估计量。

进一步地，使用TDOA双曲定位获取的结果与使用DOA(DOA+RTT或者多个基站的DOA)获得的位置结果、与卫星定位，如GPS或AGPS获取的定位结果进行融合，可以得到更好的移动台位置估计。

以下是针对各实施例详细描述本发明所述分层无线接入网结构和实现方法的技术构思。

实施例1：

如图7所示是一个本发明给出的同频三层无线接入子网的空间布局。图中的数字广播发射机201作为图6的无线数字广播层112，实际应用中可以有多个数字广播发射机以单频组网的方式工作。数字广播发射机覆盖由若干个无线接入基站202组成的宽带无线支撑层113、若干个移动通信基站203组成的移动通信层114。

网络通过GPS定位系统实现数字广播发射机、无线接入基站、移动通信基站的定时与层内初步同，并通过RTD测量和RTD调整实现层内各个发射机、基站之间的天线口面处的同步。

宽带无线支撑层113、移动通信层114在数字广播发射机发射的同步信息115的控制下，按照同步信息中给出的时隙顺序和长度协调工作。

数字广播发射机201，采用多天线多通道方式，与无线路由器和网关122、数字广播接收机123、移动或固定终端124构成MIMO信道或MISO信道，通过空时处理来显著提高信道频谱效率。数字广播发射机201向其覆盖的区域内发送IP多媒体码流，如经过IP打包的MPEG-2码流；宽带无线支撑层113，由类似于WiMAX的系统组成，实现对移动通信基站回程(BACKHAUL)高速数据链，并实现对移动通信基站的RTD测量；移动通信基站用于支持移动通信终端的通信业务和部分广播业务。

无线路由器和网关122、数字广播接收机123、移动或固定终端124根据自己的业务需求和支持的功能，分别和接收来自宽带无线支撑层113、移动通信层114、无线数字广播层112建立相应的联系。如，无线路由器和网关122作为移动或固定终端124的中继，把移动或固定终端124与远端的基站建立通信联系以提高信道容量和节省移动或固定终端124的发射功率；数字广播接收机123接收数字广播发射机201发送的MPEG-2码流并通过其周围存在的网络，如无线局域网126，把广播信道的质量、对广播界目的反馈等信息发送给管理和控制子网101中的相应单元，如103。

无线路由器和网关122、数字广播接收机123、移动或固定终端124周期地进行OTDOA测量，如每秒1次，并把测量结果上报到网络侧的移动台定位中心，由移动台定位中心计算出移动台的位置，或者移动台根据自己测量的OTDOA和网络广播的和其测量的OTDOA对应的RTD数据，移动台实时地估计自己的位置，并利用这个位置估计结果，或者和DOA定位结果、卫星定位结果相结合来确定自己的发射时间，从而保证不同位置上的移动台发送的信号可以同步到达基站。

无线路由器和网关122采用卫星定位，如GPS定位和定时功能，对于高速移动平台上的终端，均通过无线路由器和网关122和基站建立双跳链路，这样就显著缓解了TDD在远距离通信和高速移动环境下通信的相对于FDD的劣势。

无线数字广播层112、宽带无线支撑层113、移动通信层114按照时分方式工作于同一个频带内，从原理上讲，图6、图7给出的分层结构适用于任何频段，但是，为了达到好的信号传播效果，这个被各层时分复用的同一段频带位于3GHz以下的某个频率区间内，较好的选择方式是400MHz～1GHz之间的某个频率区间，如果考虑到天线尺寸和传播性能的折中，更好的选择是工作在650MHz～800MHz之间。

实施例2：

本发明同样适用于和多频网MFN(Multi-Frequency Network)一起组网，通过图3所示的频率复用方式，实现本发明所述网络的布设。

在图3所示的频率复用方式下，只要把图7给出的网络应用于具有相同字母CCCCCCC的区域内即可实现本发明所述同频分层网络的布设，在这种情况下，上层的数字广播仍然作为独立的广播系统，本发明所述的网络作为数字广播与移动通信相融合的系统，这两个系统可以互补工作。

本发明所给出的一种分层无线接入网结构和工作方法，该无线接入网的上层是无线数字广播层，中间层是无线支撑层，底层是移动通信层。同时还给出了适用于这种同频三层结构的业务融合方法、频谱共享方法、频谱动态分配方法、网络同步方法、移动台定位方法。本发明所给出的分层无线接入网具有结构简洁、组网灵活的特点，而且易于实现数字广播、移动通信和移动台定位业务的融合，易于实现频谱共享、频谱动态分配，易于实现网络同步。

综上，为本发明的所述分层无线接入网结构和实现方法，该网络结构易于实现未来数字地面广播与移动通信系统的融合，并可以显著改善TDD模式下网络的上行同步质量，同时降低终端的发射功率，易于布设，易于扩容。

同时，本发明的上述针对具体实施例的描述较为具体，并不能因此而理解为对本发明的专利保护范围的限制，其专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (18)

1、一种分层无线接入网，其特征在于，其包括实现无线接入的无线接入子网、实现对无线接入子网综合管理和控制的管理控制子网两大部分；

所述无线接入子网由处于上层的无线数字广播层、处于中间层的宽带无线支撑层、处于底层的移动通信层，以及存在于这些层面覆盖范围内、可以与这些层面中的一个或多个层面配合工作的各种终端组成；

所述的管理控制子网至少包含：一广播业务服务质量监测单元、一广播业务频谱需求计算单元、一业务和频谱协调单元、一接入网综合控制单元、一网络同步质量监测和协调单元、一无线负载综合检测单元、若干个数据库、若干个路由器、若干个媒体网关；

所述广播业务服务质量监测单元用于搜集、处理由网络节点采集来的网络服务质量信息；

所述广播业务频谱需求计算单元根据需要数字广播发射站发射的广播业务的流量来计算数字广播发射站需要的带宽，这个带宽作为在数字广播系统和移动通信系统之间分配频谱的一个依据；

所述的业务和频谱协调单元实现数字广播系统和移动通信系统之间的业务和频谱协调；

所述接入网综合控制单元根据业务和频谱协调单元给出的业务和频谱协调结果，在所述无线接入子网的不同层面之间、在同一个层面内的不同工作模式之间执行工作进程协调和无线资源调度；

所述网络同步质量监测和协调单元用于接收和处理由无线接入子网送来的无线数字广播层中相邻数字广播发射站之间的相关时间差数据、移动通信层中相邻基站间的相关时间差数据、宽带无线支撑层中相邻基站间的相关时间差数据、以及由无线接入子网中的基站或终端送来的上行同步质量信息，对网络的同步状态进行调整；

所述无线负载综合检测单元用于获取宽带无线支撑层中各个基站、移动通信层中各个基站送来的无线负载信息，这些信息用于对接入网进行综合控制使用。

2、根据权利要求1所述的分层无线接入网，其特征在于，所述无线数字广播层包含至少一个数字广播发射站；所述宽带无线支撑层包含至少一个无线接入基站；所述移动通信层包含若干个成连续覆盖状态的移动通信基站，或者包含若干个成蜂窝分布的移动通信基站和若干个无线广域网基站；所述的终端包括无线路由器和网关、数字广播接收机、移动或固定终端。

3、根据权利要求2所述的分层无线接入网，其特征在于，所述终端采用单天线单通道接收机和发射机结构，并且所述数字广播发射站采用多通道多天线发射机，构成多输入单输出系统。

4、根据权利要求2所述的分层无线接入网，其特征在于，所述终端采用多天线多通道接收机和发射机结构，并且所述数字广播发射站采用多通道多天线发射机，构成多输入多输出系统。

5、根据权利要求2所述的分层无线接入网，其特征在于，所述数字广播发射站采用单通道单天线发射机。

6、根据权利要求2所述的分层无线接入网，其特征在于，所述无线接入基站由发射机和接收机两部分组成，发射机和接收机分别用于实现通信系统的下行链路和上行链路；所述无线接入基站的发射机和接收机均采用多天线多通道结构，与采用多天线多通道发射机和接收机结构的所述终端相配合，构成多输入多输出系统；与采用单天线单通道发射机和接收机结构的所述终端相配合，构成多输入单输出系统。

7、根据权利要求2所述的分层无线接入网，其特征在于，所述移动通信基站由发射机和接收机两部分组成，发射机和接收机分别用于实现通信系统的下行链路和上行链路；所述发射机和接收机均采用多天线多通道结构，与采用多天线多通道发射机和接收机结构的所述终端相配合，构成多输入多输出系统；与采用单天线单通道发射机和接收机结构的所述终端相配合，构成多输入单输出系统。

8、根据权利要求3或6或7所述的分层无线接入网，其特征在于，所述多输入单输出系统采用空时处理技术、分层编码技术来提高数字广播系统的频谱效率。

9、根据权利要求4或6或7所述的分层无线接入网，其特征在于，所述多输入多输出系统采用空时处理技术、分层编码技术来提高数字广播系统的频谱效率。

10、根据权利要求8所述的分层无线接入网，其特征在于，所述空时处理技术包括Alamouti算法的空时编码技术和V-BLAST算法的空间复用技术。

11、根据权利要求9所述的分层无线接入网，其特征在于，所述空时处理技术包括Alamouti算法的空时编码技术和V-BLAST算法的空间复用技术。

12、根据权利要求1所述的分层无线接入网，其特征在于，所述业务和频谱协调单元根据数字广播系统需要承载的业务量、广播业务服务质量监测单元提供的数字广播网的服务质量，确定需要由移动通信网承载的针对特定区域或特定用户群的广播业务，需要由移动通信网承载的点播业务，以及在相应的业务分配情况下，根据数字广播系统和移动通信系统之间的业务比例和广播业务频谱需求计算单元的计算结果，确定两个系统之间的频谱分配比例和数量。

13、根据权利要求12所述的分层无线接入网，其特征在于，所述业务和频谱协调单元在广播业务下降的时段，把更多的频谱分配给通信业务；在广播业务上升的时段，把更多的频谱分配给广播业务。

14、根据权利要求1所述的分层无线接入网，其特征在于，所述服务质量信息包括衡量广播信号的覆盖情况的信息，包括信干比、和信干比对应的位置和时间信息。

15、根据权利要求1所述的分层无线接入网，其特征在于，所述工作进程协调和无线资源调度包括：向无线接入子网的宽带无线支撑层、移动通信层发出指定其时隙宽度的指令、发出指定其进行小区呼吸的指令、发出指定其上下行时隙分配方式的指令。

16、根据权利要求1所述的分层无线接入网，其特征在于，所述对网络的同步状态进行调整包括：1)对数字广播发射站之间同步的调整；2)对宽带无线支撑层中相邻基站间的相关时间差的调整；3)对移动通信层中相邻基站间的相关时间差的调整。

17、根据权利要求16所述的分层无线接入网，其特征在于，所述对网络的同步状态进行调整的方法还包括：以数字广播发射站上的卫星定位系统GPS时间为参考，按照测量得到的两个相邻数字广播发射站之间的相关时间差值的大小，按照预定的步长，通过增加处于提前发射状态的数字广播发射站的时延，或通过减小处于滞后发射的数字广播发射站的时延，逐步调整到相关时间差小于要求的范围内。

18、根据权利要求12～17任一项所述的分层无线接入网，其特征在于，所述广播业务服务质量监测单元、广播业务频谱需求计算单元、业务和频谱协调单元、接入网综合控制单元、网络同步质量监测和协调单元、无线负载综合检测单元以独立的实体存在于网络之中，或分解到各个网络实体中实现。

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