CN101111047B - 利用中继基站进行通信的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用中继基站进行通信的方法，其特征在于，在无线通信网络中接入一个或多个级连的中继基站，与服务基站无线连接，当服务基站通过中继基站与用户终端通信时，执行步骤：服务基站或用户终端发送数据到所述中继基站；所述中继基站将服务基站发送的数据发送到用户终端，将用户终端发送的数据发送到服务基站。采用本发明方法，可降低基站的建设成本，并且提高无线通信系统布网的灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种利用中继基站进行通信的方法和含有中继基站的通信系统。
背景技术
当前的无线蜂窝网络和无线城域网，如全球移动通信系统(Global SystemMobile，GSM)、通用移动通信系统(Universal Mobile TelecommunicationsSystem，UMTS)和无线城域网络(Worldwide Interoperability for MicrowaveAccess，WiMAX)等，是由许多实体、接口组成的复杂的系统。
模拟蜂窝系统被称为第一代蜂窝通信系统。
参见图1，为现有技术中典型的无线蜂窝网络模型示意图。终端用户(如手机、PDA和笔记本电脑等)通过无线电空口与基站连接，基站通过线缆与连接服务网(Connection Service Network，CSN)连接，将数据传送到核心网络中。
当前应用的数字通信系统，如GSM、个人数字通信(Personal DigitalCommunication，PDC)、码分多址系统cdmaOne(IS-95)和时分多址系统US-TDMA(IS-136)是第二代通信系统，这些系统将无线语音通信用于主导市场中。GSM系统支持8个时隙的用户，每一个是200kHz无线电信道。它在蜂窝网和个人通信网(Personal Communication System，PCS)中被欧洲、亚洲、澳大利亚、南美和美国部分地区的服务提供商广泛应用。
由于第二代通信系统的处理能力受限，需要第三代通信系统来提供高比特率服务，用来收发高质量的图像和视频，第三代系统要求用于多媒体通信中。
UMTS网络和WiMAX系统是第三代移动技术。UMTS网络可以用高达 2Mbps的速率传递数据。除了传递语音和数据，UMTS通过固定、无线和卫星系统，传递音频和视频到世界任何一个地方的无线设备上。
基于IEEE802.16空口标准的WiMAX技术在宽带无线城域网中起重要作用。2005年11月，IEEE批准了802.16e对于802.16标准的修正，这个修正增加了对移动特性的支持，因此基于802.16e空口的WiMAX也具有了移动性。除了定义空口，WiMAX论坛也定义了端到端的移动WiMAX系统的必要网络结构。
参见图2，为现有技术中WiMAX网络参考模型。WiMAX网络由终端、接入服务网(Access Service Network，ASN)、连接服务网(Connectivity ServiceNetwork，CSN)，还有一些接口组成。
ASN定义了一个逻辑边界，用一个比较便利的方式来描述功能模块的集合和与接入服务相对应的消息流。例如UMTS网络中的基站(NodeB)和无线网络控制器(RNC)，GSM网络中的基站(BTS)和基站控制器(BSC)。
CSN被定义为一组提供IP连接服务的网络功能。CSN可以由路由器、认证、授权和计费(Authentication，Authorization and Accounting，AAA)服务器、用户数据库和因特网网关等设备的网络元件组成。
从图1和图2中可以看出，ASN和用户终端之间的通信由基站转发，基站与ASN之间通过线缆连接，因此，在现有的无线蜂窝网络和无线城域网中建设基站主要有以下缺点：
(1)搭建线缆成本高。由于通信负载非均匀分布(如城市、郊区和乡村通信负载分布不均匀)，因此需要在负载较大的地区设置较多的基站，每个基站与ASN通过线缆连接，将会导致建站的线缆成本提高。
(2)容错(Fault Tolerant)服务很难。为了保证用户业务的正常进行，每个基站都要进行容错设置，如通过冗余设备、backhaul回程、备份功率实现容错，容错设备的造价较高。因此，当负载大的地区需要搭建较多基站时，容错成本将十分昂贵。
(3)布网不够灵活，不能保证用户业务的正常使用。由于基站的安装受地理、地势的影响，导致基站的覆盖范围会受到环境的影响，如建筑物的山谷地区、地下铁路和室内环境等原因造成覆盖空洞，导致该地区的用户无法正常使用无线业务。
本发明还涉及到网络结构的OSI模型以及WiMAX OFDMA帧结构，下面对这两项技术进行简单介绍。
参见图3，为现有蜂窝通信网络和无线城域网的OSI模型结构示意图。
为了描述数据在网络中的传递过程，定义了现有蜂窝网络和无线城域网络的开放系统互联(Open System Interconnect Reference Mode，OSI)模型。OSI模型结构通常也被称为协议栈结构。OSI模型定义了七层结构，用以描述各种应用是如何在可以互相通信的网络设备上工作的。这七层分别为物理层(PHY)、媒体接入控制层(MAC)、网络层(Network)、传输层(Transport)、会话层(Session)、描述层(Description)和应用层(Application)，但是现在的网络中通常将这个模型简化为如图3所示的五层模型。
层1是物理层，它定义了网络的物理和电子特性；层2是MAC层(或数据链路层)，它定义了分享物理媒体的接入方式，包括数据连接和媒体接入等方面；层3是网络层，它提供通信开放系统以建立、保持和完成网络连接的方式，IP协议在这一层中，还有一些路由协议，所有的路由器都在这一层中；层4是传输层，TCP在这层中，这一层替换了会话层来保证数据的可靠性和集成性，这一层只需要软件操作；最后是应用层，在这里有最终的用户和最终的应用协议，例如telnet、ftp和mail。图3中，将网络层、传输层和应用层用上层(UpperLayer)表示。
如图3所示，终端(SS/MS)发送的数据包从应用层下来到达物理层，物理层通过空口R1与基站(BS)的物理层连接，通过MAC层进行媒体接入控制；基站通过线缆将数据传输到ASN-GW中；在ASN-GW中，数据再由物理层上升到高层中。
参见图4，为现有技术中WiMAX OFDMA帧结构示意图。
IEEE 802.16标准支持时分双工(Time division duplex，TDD)、频分双工(Frequency division duplex，FDD)和半频分双工(H-FDD)模式，在TDD模式下点到多点(Point to Multipoint，PMP)的正交频分多址(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing Access，OFDMA)帧(frame)结构如图4所示。
在WiMAX OFDMA帧中，每一个帧被分为上行和下行子帧，在每一个帧中，发收间隔(TTG)被插入到下行和上行之间，表示基站在发送和接收状态之间的转换；收发间隔(RTG)被插在每一个上行子帧之后，下一帧之前，表示基站在接收和发送状态之间的转换，同时用来避免上行和下行中的传输冲突。下行传输帧由前导(Preamble)开始，用于终端的初始同步，是帧中的第一个OFDMA符号；帧控制头(Frame Control Header，FCH)提供帧的配置信息，例如下行MAP(DL-MAP)长度、编码方式和可用子信道等；下行/上行MAP(DL/UL-MAP)给出了子信道分配和其它下行/上行子帧的控制信息；下行子帧中的突发(burst)用来给用户发送数据；上行子帧中的burst是由用户发送给基站的数据；上行确认(UL ACK)分配给终端用作对混合自动重复请求(Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ)确认的反馈；上行链路质量反馈信息信道(UL CQICH)是终端用来反馈信道状况信息的；测距(Ranging)子信道分配给终端用来执行闭环时间、频率、能量，以及带宽调节。
发明内容
本发明提供一种利用中继基站进行通信的方法，用以解决现有技术中无线通信系统基站建设成本高、布网不灵活的问题，以及用户终端和基站间的通信得不到有效保证得问题。
本发明另提供一种含有中继基站的通信系统。
本发明方法包括步骤：
在无线通信网络中接入一个或多个级连的中继基站，与服务基站和用户终 端无线连接，服务基站通过中继基站与用户终端通信时，执行步骤：
服务基站从接入服务网网关接收包含终端标识的下行数据，根据所述终端标识查询其保存的终端标识列表，若从列表中查询到与该终端标识对应的中继基站标识，将所述下行数据发送至与该终端标识对应的中继基站；接收所述下行数据的中继基站，根据该终端标识，通过至少一级中继基站将下行数据发送至对应的用户终端；
若从列表中查询到该终端标识没有对应的中继基站标识，将所述下行数据发送至所述终端标识对应的用户终端；
中继基站接收其管辖的用户终端的发送的上行数据；
中继基站通过至少一级中继基站将上行数据发送到服务基站。
根据本发明的上述方法，所述中继基站从直接与服务基站连接的中继基站开始逐级接入网络。
所述中继基站逐级接入网络，包括步骤：
所述中继基站与其上一级基站建立同步后，向其发起注册请求，携带自身标识；
其上一级基站收到注册请求后记录所述中继基站的标识，并
若收到注册请求的基站为服务基站，则向网络侧转发所述注册请求，对发起注册请求的中继基站进行注册；若收到注册请求的基站为中继基站，则通过至少一级中继基站将所述注册请求转发到服务基站，并由服务基站转发所述注册请求到网络侧，对发起注册请求的中继基站进行注册。
所述中继基站根据预设的频率列表扫描下行信道，与对应的服务基站或其上一级的中继基站建立同步。
服务基站或中继基站的终端标识列表的建立过程为：
所述服务基站或中继基站为其所辖的用户终端分配终端标识并记录在服务基站或中继基站的终端列表中；或
接收其下级中继基站发送的终端标识，记录在其终端列表中，并与发送该 终端标识的中继基站的标识相对应。
当服务基站、中继基站或终端标识改变时，更新所述终端标识列表。
根据本发明的上述方法，当所述通信网络为蜂窝网络，并采用时分双工与半频分双工相结合的双工方式发送上/下行子帧时，执行步骤：
在服务基站的帧头前导，服务基站发起和与其直接连接的中继基站的同步，并由该中继基站通过至少一级中继基站完成各中继基站与其下一级中继基站的同步；
服务基站发送下行数据，并通过至少一级中继基站将其发送到对应的用户终端。
上述方法中，服务基站和中继基站发送长度固定的通信帧头完成与其下一级中继基站的同步。
上述方法中，在服务基站发送下行数据突发前，服务基站和各中继基站发起与各自所辖的用户终端的同步。
根据本发明的上述方法，当所述通信网络为蜂窝网络，并采用时分双工与半频分双工相结合的双工方式发送上/下行子帧时，执行步骤：
在服务基站的帧头前导，服务基站发起和与服务基站直接连接的中继基站的同步，并向所述与服务基站直接连接的中继基站发送下行数据突发；
所述与服务基站直接连接的中继基站发送帧头给其下一级中继基站进行同步，并向所述下一级中继基站发送下行数据。
上述方法中，所述中继基站根据接收到的通信帧头计算与其所辖的用户终端进行同步的通信帧头。
本发明提供的通信系统，包括：
用户终端、接入服务网和连接服务网；所述接入服务网包括服务基站，还包括一个或多个级连的中继基站，与服务基站和用户终端无线连接；
所述服务基站，用于从接入服务网网关接收包含终端标识的下行数据，根据所述终端标识查询其保存的终端标识列表，若从列表中查询到与该终端标识 对应的中继基站标识，将所述下行数据发送至与该终端标识对应的中继基站；若从列表中查询到该终端标识没有对应的中继基站标识，将所述下行数据发送至所述终端标识对应的用户终端；
所述中继基站，用于根据该终端标识，通过至少一级中继基站将下行数据发送至对应的用户终端；以及接收其管辖的用户终端的发送的上行数据，通过至少一级中继基站将上行数据发送到服务基站。
上述系统中，所述中继基站包括一终端标识存储单元，存储该中继基站为用户分配的终端标识，或/和与该中继基站的下一级中继基站标识对应的终端标识；
当所述中继基站接收到其下一级中继基站发起的网络接入注册请求后，在所述终端标识存储单元存储该下一级中继基站的标识；
当所述中继基站接收到其下一级中继基站发送的终端标识后，在所述终端标识存储单元存储该终端标识，并与发送该终端标识的中继基站的标识相对应；
当所述中继基站接收到包含终端标识的下行数据后，通过查询所述终端标识存储单元，将下行数据发送到对应的中继基站或对应的用户终端。
所述中继基站包括一终端标识分配单元，根据用户终端的请求分配终端标识并存储到所述终端标识存储单元。
上述系统中，所述中继基站包括一频率扫描单元；
当所述中继基站接入网络时，所述频率扫描单元根据其中预设的频率列表扫描下行信道，并与相应的服务基站或其上一级中继基站建立同步。
上述系统中，所述服务基站包括一终端标识存储单元，存储该服务基站为用户终端分配的终端标识，或/和与该服务基站的下一级中继基站标识对应的终端标识；
当服务基站接收到与其直接连接的中继基站发起的网络接入注册请求后，在所述终端标识存储单元存储该中继基站的标识；
当服务基站接收到与其直接连接的中继基站发送的终端标识后，在所述终端标识存储单元存储该终端标识，并与发送该终端标识的中继基站的标识相对应；
当服务基站向用户终端发送包含终端标识的下行数据时，查询所述终端标识存储单元，将下行数据发送到对应的中继基站或对应的用户终端。
上述系统中，所述服务基站和其下一级中继基站还各包括一资源分配单元；
所述服务基站中的资源分配单元分别为其下一级中继基站和该服务基站所辖的用户终端分配通信资源；
所述中继基站中的资源分配单元分别为其下一级中继基站和该中继基站所管辖的用户终端分配通信资源。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明是在现有通信系统中引入中继基站，从而降低基站的建设成本，并且提高布网的灵活性，有效保证用户终端和基站间的通信。
(2)本发明提供的含有中继基站的通信系统能够与现有蜂窝网络和无线城域网络系统相兼容。
(3)本发明在现有通信系统中引入中继基站后，由于终端离中继基站的距离比普通基站近，比较可能形成直视信号，从而减小传输损耗，因此，能够减小终端发射功率，从而延长终端电池寿命。
附图说明
图1为现有技术中典型的无线蜂窝网络模型示意图；
图2为现有技术中WiMAX网络参考模型；
图3为现有蜂窝通信网络和无线城域网的OSI模型结构示意图；
图4为现有技术中WiMAX OFDMA帧结构示意图；
图5为本发明引入中继基站的蜂窝网络系统结构示意图；
图6为本发明引入中继基站的协议栈结构示意图；
图7为本发明中继基站接入网络的过程示意图；
图8为本发明RBS与ASN-GW数据传输方式示意图；
图9为本发明的通信系统中的中继基站结构示意图；
图10为本发明的通信系统中的服务基站结构示意图；
图11为本发明WiMAX系统引入中继基站的帧结构示意图之一；
图12为本发明WiMAX系统引入中继基站的帧结构示意图之二；
图13为本发明小区中一个服务基站带有6个中继基站的示意图。
具体实施方式
本发明是在现有蜂窝通信系统中引入中继基站(Relay Base Station，RBS)，从而降低基站的建设成本，并且提高布网的灵活性。
中继基站的功能与普通基站(为了与传统的基站相区别，在此将传统的基站称为普通基站，以下同)的功能类似，不同之处在于中继基站通过无线接口与普通基站连接，并通过普通基站转发它与ASN-GW之间的数据。转发中继基站和ASN-GW之间数据通信的普通基站称为服务基站(Serving Base Station，SBS)。
参见图5，为本发明引入中继基站的通信网络系统结构示意图。图5所示的通信网络可以是蜂窝网络系统或无线城域网系统，包括用户终端、接入服务网ASN和连接服务网CSN。其中，ASN包括服务基站和中继基站，服务基站与ASN-GW通过线缆连接，中继基站与用户终端和服务基站之间无线连接。系统支持多跳(multi-hop)的基站连接，即服务基站下连接有一级或级连多级中继基站，每级包含一个或多个中继基站。服务基站和中继基站与各自管辖区域内的用户终端无线连接。
上述系统适用于采用时分双工、频分双工以及半频分双工的方式通信。当采用频分双工方式时，服务基站和与其直接连接的中继基站间采用一专用的频 带(文中所提到的频带，也可以是载频，以下同)进行通信。各基站(包括普通基站与中继基站)为终端提供服务时，可以采用相同的频带，也可以采用不同的频带，由运营商根据网络规划确定。
如果终端位于普通基站的覆盖范围内，则它与普通基站直接通信；如果终端在中继基站覆盖范围内，它与中继基站和普通基站的通信方式完全相同，只不过中继基站需要再与服务基站进行无线通信，通过服务基站与ASN-GW进行通信。
由于系统引入中继基站，需要对原有协议栈结构进行修改。
参见图6，为本发明引入中继基站的协议栈结构示意图。此系统中将延用原IEEE 802.16协议中的终端，终端与基站或者中继基站之间的接口保持一致。服务基站与中继基站通过空口连接，并通过MAC层进行接入控制。服务基站和中继基站都包含了物理层和RBS-MAC层。服务基站和ASN-GW之间的接口和协议栈结构保持不变。
终端与中继基站的通信协议与现有协议相同。当用户终端与中继基站通信时，中继基站将数据通过空口传给服务基站，服务基站将中继基站和该服务基站自身的数据通过线缆传输给ASN-GW，再到核心网中进行下一步处理。
中继基站是新引入的设备，它通过无线链路经服务基站接入网络，其接入网络的过程如图7所示。
参见图7，为本发明中继基站接入网络的过程示意图，具体步骤包括：
a、中继基站按照预先定义好的频率列表扫描下行信道，与相应的服务基站建立同步。
中继基站通常应用一个或几个配置好的普通基站作为其服务基站，并将这些普通基站的无线电频率以频率列表形式保存。这些普通基站中预先给定一组操作参数，用于与中继基站建立连接。当中继基站按照频率列表扫描下行信道时，中继基站根据信道情况，选择一个基站作为其服务基站。
b、中继基站找到下行信道，并且在物理级上同步后，中继基站的MAC 层寻找下行信道描述符(DL Channel Descriptor，DCD)和上行信道描述符(UL Channel Descriptor，UCD)，用以获得调制参数和其它上下行参数，其中，FCH中分配的予信道是专门分配给该中继基站，用作该中继基站和服务基站之间的通信。
c、中继基站与服务基站的下行信道同步，并且获得一帧的DL/UL-MAP后，该中继基站开始进行初始Ranging。
初始Ranging的过程与普通终端的初始Ranging过程类似，需要说明的是，此过程中对中继基站调节的传输功率、时间纠正等参数只用于它与服务基站之间在特定频带上的连接，而不是用于它与终端之间的连接。
d、当成功完成初始Ranging后，中继基站与服务基站进行基本能力协商。中继基站发送能力请求消息描述它所能支持的调制级别、编码方式/速率、和双工方式等，服务基站是否接受这个中继基站取决于中继基站的能力。
e、中继基站获得授权和密钥交换，中继基站被要求进行周期性的鉴权和密钥交换。
f、在成功完成鉴权后，中继基站在网络中注册。
中继基站发送注册请求消息给服务基站，并在消息中说明其为中继基站。在中继基站发送给服务基站的注册请求消息中，需要加入如下内容，如下表1所示：
表1：
| 字段 | 字段长度(bit) | 字段含义 |
| RBSID | 48 | 中继基站标识 |
服务基站记录中继基站的标识，以便创建和更新中继基站标识与终端标识ID的列表，然后，服务基站发送注册响应消息。中继基站标识是在网络规划初期分配给中继基站的。注册交换还包括中继基站所支持的IP版本、自动重传请求(Automatic Repeat Request，ARQ)参数、循环冗余校验CRC支持和流 控制等。同时ASN-GW也记录中继基站的标识，用于控制基站之间的切换等。每一个ASN-GW可以管理多个基站(普通基站、服务基站和中继基站)。ASN-GW保留各基站的无线电频率，处理基站之间、基站与中继基站之间和中继基站之间的切换，执行对终端的寻呼、功率控制和拥塞控制等。
g、中继基站启用动态主机配置协议(Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP)获得IP地址和其它参数来建立IP连接，获取时间和传输操作参数；
h、中继基站与服务基站产生连接；
i、中继基站进行周期Ranging，此过程类似于终端与普通基站之间的周期Ranging，用来调节中继基站和服务基站之间通信的参数。
上述流程描述了与服务基站连接的中继基站的网络接入过程，当中继基站为多跳连接时，这些多跳连接的中继基站从与服务基站距离最近的一跳开始，逐级接入到网络，其网络接入过程与上述流程类似，区别在于，中继基站根据预设的扫描频率列表中扫描下行信道，与其上一跳中继基站同步，并向其发起注册请求；该中继基站收到注册请求后，记录发起注册请求的中继基站的标识，并将注册请求转发到其上一跳的中继基站，经过多跳转发后，将注册请求转发到服务基站，由服务基站将该注册请求发送到网络侧，对发起注册请求的中继基站进行鉴权注册处理。
中继基站接入网络后，与服务基站直接连接的中继基站和服务基站之间的连接与数据传输由服务基站管理。多跳级连的中继基站中，上一跳的中继基站管理其下一跳中继基站的连接和数据传输。在网络规划初期，系统为中继基站分配与其所辖终端之间的数据传输频带，并可在之后的通信过程中根据负载需要灵活动态分配。中继基站与服务基站之间在不同时间使用不同频带进行通信(TDD时分双工模式)，也可以在相同时间用不同频带通信(FDD频分双工模式)。
中继基站在对终端传输下行/上行数据过程中，可以单独进行资源管理，对终端进行连接控制，而无需服务基站为中继基站覆盖范围内的终端提供网络接 入。
参见图8，为本发明中继基站与ASN-GW数据传输方式示意图。服务基站中存储并维护一个其管辖的所有中继基站(即下一跳的中继基站)的列表，列表中包含中继基站标识，并且列出每个中继基站标识所对应的终端标识，如业务流标识(SFID)或连接标识(CID)。业务流是在一个连接上的由媒体接入控制业务数据单元(Service Data Unit，SDU)组成的一个单向的流，并且提供了特殊的服务质量(Quality of Service，QoS)，如延迟、抖动等。业务流标识唯一地标识了对一个终端和其所属基站的业务流，一个业务流至少有一个业务流标识。终端在空口建立连接时，也会收到基站或中继基站发给它的连接标识。因此每一个终端都会对应若干SFID和CID，因此，可以用SFID和CID唯一标识用户终端。当连接或者业务变化时，这些标识可能跟着变化。数据传输过程中将用这些标识来查找对应的终端。若中继基站还级连有下一跳中继基站，则该中继基站存储并维护其所管辖的下一跳中继基站的标识以及每个中继基站标识所对应的终端标识列表。服务基站和各中继基站中还保存该基站所辖的用户终端的终端标识。服务基站和中继基站依靠其各自存储并维护的终端标识列表，形成路由路径。
上述终端列表中的中继基站标识，是在中继基站接入网络过程中记录的，列表中的终端标识则在用户终端建立连接或请求业务时，由管辖其的基站分配的。中继基站为终端请求的每条业务分配终端标识(ID)，并逐级上报到服务基站。在服务基站和经过的每个中继基站，都要记录该ID，并与其保存的发送该业务请求的中继基站的标识相对应，由此建立路由关系，其具体过程包括步骤：
1、某中继基站所辖的用户终端发起业务请求；
2、中继基站收到该业务请求，为用户请求的每条业务分别分配ID，并创建ID列表，并将分配的ID记录在列表中；
3、该中继基站向其上一跳基站转发业务请求，携带分配的ID；
4、所述上一跳的基站收到转发的业务请求后，在其保存的中继基站标识中找到转发该业务请求的中继基站的标识，并在该标识下记录业务请求中携带的ID，形成中继基站标识与对应ID的列表；
若接收该业务请求的基站为服务基站，则服务基站还要将业务请求发送到系统网络侧，进行相关处理(处理过程不在本发明保护范围内)；
若接收该业务请求的基站为中继基站，则中继基站还要将业务请求继续向其上一跳基站转发，其上一跳基站在其对应的中继基站标识中记录该业务请求所携带的ID，直到将业务请求转发到服务基站，由服务基站将业务请求发送到网络侧，执行相关处理。
当服务基站、中继基站或业务流、连接改变时，服务基站和所涉及到的各中继基站中的ID列表进行更新。
ASN-GW根据用户的业务请求，向用户终端发送包含终端标识的下行数据时，将依据上述终端标识分配流程中所创建的路由路径，将下行数据发送到对应的用户终端，其下行数据的传输过程包括步骤：
1、服务基站从ASN-GW接收到包含终端标识的下行数据后，根据下行数据的所包含的终端标识查询其保存的终端标识列表，从列表中查询到与该终端标识对应的中继基站标识，确定下一跳的中继基站，并向该中继基站发送该下行数据。
若列表中的该终端标识未与任何中继基站标识对应，则表明该终端标识对应于服务基站所辖的用户，此时，服务基站将下行数据发送到对应的用户终端。
2、中继基站收到下行数据后，查询其终端标识列表，若该终端标识没有与其对应的中继基站的标识，表明该下行数据属于该中继基站所辖的用户，则该中继基站向该终端标识对应的用户终端发送该下行数据；
若查询到该终端标识对应的下一跳中继基站的标识，则向其发送该下行数据，并由该中继基站根据终端标识，将下行数据发送到其下一跳的中继基站，如此经过多跳转发后，将该下行数据转发到对应的用户终端。
例如，在如图8所示的数据传输过程中，ASN-GW要发送数据到ID6的终端上，服务基站SBS1收到包含ID6的数据后，查询其ID列表，发现ID6与其下一跳的中继基站标识RBSID2对应，则传送数据到中继基站RBS2；RBS2查询其ID列表，发现ID6与RBSID4对应，则将数据发到中继基站RBS4；RBS4收到数据后，查询其ID列表，发现ID6不与任何中继基站标识对应，则根据ID6将数据发送到对应的用户终端MS5。
在本发明的通信系统中，当用户终端向服务基站发送上行数据时，其上行数据的传输流程具体步骤包括：
1、某中继基站覆盖区内的用户终端发送上行数据；
2、该中继基站接收到上行数据后，向其上一跳基站(可能是服务基站，也可能是中继基站)发送上行数据。
该中继基站将收到的上行数据和该中继基站自身的数据一起发送到其上一跳的基站。由于每个中继基站唯一与一个上级基站连接，并且已分配与其上级基站通信的频带，该中继基站在分配的频带上与其上一级基站进行通信。
3、若接收到上行数据的基站为中继基站，则该中继基站继续向其上一跳基站转发该上行数据，直到转发到服务基站；
若接收到上行数据的基站为服务基站，则该服务基站通过线缆将上行数据转发到ASN-GW，并继续转发到核心网进行处理。
本发明的通信系统中，由于引入中继基站，其下行/上行数据帧结构需要重新定义。下面以在WiMAX系统中，采用时分双工TDD与半频分双工H-FDD相结合的双工方式，点到多点PMP的OFDM帧结构为例，对下行/上行数据帧结构进行描述。
参见图9，为本发明WiMAX系统引入中继基站的帧结构示意图，具体为：
服务基站和与其直接通信的中继基站之间的连接为第一跳，如SBS1和RBS1，SBS1和RBS2之间的连接。在第一跳内的服务基站的帧头前导所对应的时刻，服务基站在频带f0内发送帧头0x给其所辖中继基站(RBS1，RBS2)。 每次帧同步时，服务基站发送的通信帧头0x的长度固定。该帧头0x包括前导(Preamble)、FCH、DL-MAP和UL-MAP，其中前导用于服务基站与它所带的中继基站之间的同步；FCH包含服务基站使用的在f0频带内的子信道信息，指明服务基站对中继基站突发的模式和下行突发的长度，以及DL-MAP的参数等信息，如，DL-MAP、UL-MAP、下行信道描述符DCD、上行信道描述符UCD和其它的广播消息用来描述帧中的内容；DL-MAP给出服务基站与中继基站(RBS1，RBS2)之间下行突发的参数以及包含的用户数据标识(用户数据标识中还包含终端标识)等，中继基站根据该信息判断相应突发中是否有属于自己的数据；UL-MAP给出中继基站到服务基站的上行突发参数，以及给它们分配的时频资源信息；第一跳的下行子帧的剩余部分由给中继基站的数据突发组成，每一个数据突发由整数个OFDMA符号组成，并且规定了在这个突发中传输的数据的编码算法、码率和调制级；第一跳的上行子帧包含给初始Ranging的基于竞争的区间和带宽分配，还有从不同中继基站收到的物理协议数据单元(PDUs)。
第一跳的中继基站和其它在它覆盖范围内的中继基站之间的连接，称为第二跳。如图9所示，在第二跳内，中继基站RBS2发送数据给RBS3。RBS2接收到SBS1发送的通信帧头0x后，在频带f2内发送帧头2x给RBS3，同样包含前导、FCH、DL-MAP和UL-MAP；FCH包含RBS2使用的在f2频带内的子信道信息，指明RBS2对RBS3突发的模式和下行突发的长度，以及DL-MAP的参数等信息；DL-MAP给出RBS2与RBS3之间下行突发的参数以及包含的用户数据标识等，RBS3根据该信息判断相应突发中是否有属于自己的数据；UL-MAP给出RBS3到RBS2的上行突发参数，以及给它分配的时频资源信息。第二跳的下行子帧的剩余部分由RBS2给RBS3的数据突发组成；第二跳的上行子帧包含从中继基站RBS3收到的协议数据单元(PDUs)。
图9中所标出的区间A，为服务基站和中继基站，以及中继基站之间的同步过程，这段区间又被分为接收和发送两部分。对于系统中的中继基站连接大 于两跳的多跳情况，中继基站与其上一跳基站的通信过程与图中第一跳和第二跳过程类似，不同之处在于，该中继基站要根据其上一跳的基站在帧头部分的收发情况来确定自己的收发状态，即，如果上一跳基站是先收后发的顺序，那么该中继基站就是先发后收的顺序，以保证能够收到上一跳基站发给它的帧头。
之后，SBS1和RBS1，RBS2，RBS3同时发送帧头0～3给它们各自的终端，用于终端和各个基站之间的同步，基站与终端通信所使用的子信道信息和上/下行参数等。服务基站和中继基站在他们各自的频带(f1-fn)内向各自所辖的终端发送通信帧头(帧头0-n)，包括前导、FCH、DL-MAP和UL-MAP，其中前导用于各个基站与它覆盖范围内的终端之间的同步，从而使得整个网络同步；FCH包含各个基站(服务基站、中继基站和普通基站)使用的在f1～fn频带内的子信道信息，指明基站对终端突发的模式和下行突发的长度，以及DL-MAP的参数等信息；DL-MAP给出基站与终端之间下行突发的参数以及包含的用户数据标识等，终端根据该消息判断相应突发中是否有属于自己的数据；UL-MAP给出终端到基站的上行突发参数，以及给终端分配的时频资源信息。各个基站到终端的下行子帧的剩余部分由基站给终端的数据突发组成；终端到基站的上行子帧包含从终端收到的协议数据单元(PDUs)。
中继基站向用户终端发送的帧头是由中继基站根据其与其它基站之间通信的帧头(～x)计算出来的，除了中继基站和服务基站之间的通信，其它时间都用作终端与中继基站之间的通信。中继基站和终端之间的通信是在中继基站接入网络时由系统分配给它的频带(f1-fn)上进行的，中继基站根据分配的频带自行产生发送给它覆盖区域内终端的管理信息(包含在帧头中)。
服务基站与中继基站之间的数据通信将在服务基站的一部分频带(f0)上进行。该频带为服务基站与其所管辖的中继基站之间通信的专用频带，在这个频带内，中继基站作为服务基站的终端来与服务基站进行上行和下行的通信。服务基站分配给每一个中继基站的f0频带内的子信道是每一个帧头0x中，由 服务基站分配给中继基站的，以用于上行和下行的数据传输，这种方式下，信道带宽是可以根据特定中继基站的需求而变化的，比较灵活，可以有效利用频谱资源。
由于各个中继基站采用HFDD双工模式，不能同时用不同的频率收发信息，因此，收发数据将在不同时间的不同频率上切换；终端将在不同频段上与不同的中继基站或普通基站连接进行通信。
另一种在WiMAX系统引入中继基站，采用时分双工TDD与半频分双工H-FDD相结合的双工方式，点到多点PMP的OFDM的帧结构如图10所示。
参见图10，为本发明WiMAX系统引入中继基站的帧结构示意图，在这种帧结构中，服务基站和各中继基站同时向各自所辖的用户终端发送通信帧头，实现服务基站和其所辖用户终端间的同步和资源指配，以及各中继基站与其所辖用户终端间的同步和资源指配。之后，在服务基站的帧头前导所对应的时刻以及其后的一固定接收和发送区间内，服务基站向直接与其连接的中继基站发送基站间通信帧头和下行突发。在该固定接收和发送区间外(即服务基站的帧头及下行数据突发后)，与服务基站直接连接的中继基站将帧头和下行突发发送到其下一跳中继基，并经过如此多跳发送后，最终将下行突发发送到对应的用户终端。这种将下行的帧头放在下行突发的前面的帧结构，可以避免服务基站不断地在不同频带之间的转换(这样服务基站只需要在两个频带中作一次转换)。
采用这种帧结构，每次基站间进行同步和资源指配所发送的的帧头～x长度是可变的，从而更有效的利用资源来进行数据传输。如果对某一个中继基站传输的数据多，则分配较多的时频资源，反之则分配较少的时频资源，不必固定中继基站与服务基站传输的上行和下行的区域。中继基站在基站的上/下行子帧中的发送和接收顺序可调换，可根据帧头中分配的时频资源，进行数据的发送或接收。但是，由于固定了中继基站的接收和发送区间，当中继基站没有接收或发送信息时，它也不得不在这种状态下尝试接收帧头，如果没有发送给它的 帧头，它就与终端进行通信，同时等待下一个区间的到来，这样不但对系统造成延时，而且浪费系统资源。
如果系统为单跳的，这种帧结构与图9所示的帧结构没有很大区别，只不过改变了中继基站和服务基站通信的帧头位置；如果系统的跳数比较多，那么上行和下行将会被分成更多区域，降低每一跳传输的效率。如果中继基站在收发状态之间转换不是非常灵活，或者它可能在同一帧中接收很多发自基站的突发时，建议使用这种方法。
本发明还提供了一种基于中继基站的无线通信系统，如图5所示。在本发明的系统中，需要对普通基站进行修改，增加其对中继基站的支持和对多个中继基站的集成。本发明的系统与现有的蜂窝网络或无线城域网相兼容。由于中继基站在为其覆盖范围内的终端提供服务的过程与普通基站是完全一致的，因此，对现有终端无需作任何改变。
参见图11，为本发明的通信系统中的中继基站结构示意图。中继基站通过无线接口1与其上一跳基站(中继基站或服务基站)连接，通过无线接口2与其下一跳中继基站连接，通过无线接口3与用户终端连接。中继基站中包括普通基站的常规功能模块，用以完成用户终端的网络接入和控制等功能；还包括频率扫描单元、终端标识分配单元、终端标识存储单元和资源分配单元。
频率扫描单元中预设扫描频率表，表中存储有其上级的中继基站的扫描频率或服务基站的扫描频率，当该中继基站接入网络时，该中继基站的频率扫描单元根据其中的频率列表扫描下行信道，与对应的上一跳中继基站或服务基站建立同步。
终端标识分配单元与终端标识存储单元连接，根据中继基站所辖的用户终端的请求，分配终端标识并存储到终端标识存储单元。
终端标识存储单元中还存储有该中继基站的下一跳中继基站的标识和该标识对应的终端标识。其中，下一跳中继基站的标识是在该下一跳中继基站接入网络过程中记录在其终端标识存储单元中的；终端标识是在用户请求业务或 接入系统过程中，由中继基站分配的，并记录在其终端标识存储单元中。当中继基站接收到下行数据时，查询其终端标识存储单元，向对应的用户终端发送下行数据；或向对应的中继基站发送所述下行数据。
中继基站的资源分配单元分别为其下一跳中继基站和该中继基站所管辖的用户终端分配通信资源。
参见图12，为本发明的通信系统中的服务基站结构示意图。服务基站中包括基站的常规功能模块，用以完成用户终端的网络接入和控制等功能；还包括一个终端标识存储单元和资源分配单元。
服务基站的终端标识存储单元存储有其下一跳中继基站的标识和对应的终端标识，还存储有该服务基站为所辖的用户终端分配的终端标识。当服务基站接收到与其直接连接的中继基站发起的网络接入注册请求时，在其终端标识存储单元存储该中继基站的标识；当服务基站接收到与其直接连接的中继基站发送或转发的业务请求或接入请求时，在其终端存储单元存储请求中携带的终端标识，并与发送或转发请求的中继基站的标识相对应；当服务基站向用户终端发送包含终端标识的下行数据时，查询其终端标识存储单元，并将下行数据发送到对应的用户终端或对应的中继基站。
服务基站中的所述资源分配单元分别为其下一跳中继基站和该服务基站所辖的用户终端分配通信资源。
服务基站中的资源分配单元为其所辖的用户终端分配的频带与中继基站中的资源分配单元为其所辖的用户终端分配的频带可以相同，也可以不同。
本发明中，由于中继基站在为其辖终端提供服务的过程与普通基站是完全一致的，即终端将中继基站当作普通基站进行通信，因此，对现有终端无需作任何改变即可接入本发明的网络结构中。
网络的结构可以模块化，并且可以灵活的应用于很多的可选的铺设方式中，例如可以用于从小型到大型的网络(稀疏到密集的无线电覆盖范围和容量)；城市、郊区和乡村无线传输环境；可用于授权和非授权的频带；可以用 于层次化的、平坦的和Mesh结构中。
中继基站可以是固定、游牧或移动的；中继基站可以在不同的服务基站之间进行切换，类似于IEEE802.16中终端在不同基站之间的切换；中继基站的参数(如功率、速率和信干噪比等)可以根据环境和信道情况进行调节；中继基站的覆盖范围可以根据负载情况进行调节；系统可以根据需要分配一定的带宽给每一个中继基站；对于每一个服务基站可以携带的中继基站个数，取决于小区的频谱利用情况和负载的大小；如果中继基站的处理速度够快，它可以根据从服务基站(或者上一跳基站)收到的帧头，来管理它在这一帧中的数据传输，这样通信在一个帧里被管理，缩短多跳延迟。
中继基站可以用于代替原有低速率、不可靠的连接，放置的位置比较灵活(不受地理、地势的影响)，例如对建筑物阴影区和非覆盖地区的覆盖、室内环境的通信，如放置在小区边缘，可以增强对低信噪比地区的覆盖；由于无需线缆，中继基站的建设成本比普通基站低；基站和中继基站采用不同频段进行非集中管理，系统更加灵活，提高频谱效率(由于小区边缘终端与基站距离拉近，终端可以使用高阶调制)；增加系统吞吐量和系统容量；减小终端发射功率，延长终端电池使用寿命。
下面以一个实例说明通信系统引入中继基站后，如何改善原有通信系统的性能。
参见图13，为本发明小区中一个服务基站带有6个中继基站的示意图。
每个中继基站所用的频带(f1-f6)是不同的，服务基站可以和每一个中继基站在频带f0上直接通信，从而使得中继基站可以和有线网络相连接。每一个中继基站的覆盖范围是相同的，加入中继基站后，服务基站和中继基站所覆盖范围是一个服务基站的 
倍。由于中继基站和终端的距离比服务基站到终端的距离更近，终端可以采用高阶调制方式，增加了频谱效率。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及 其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (17)
1.一种利用中继基站进行通信的方法，其特征在于，在无线通信网络中接入一个或多个级连的中继基站，与服务基站和用户终端无线连接，服务基站通过中继基站与用户终端通信时，执行步骤：
服务基站从接入服务网网关接收包含终端标识的下行数据，根据所述终端标识查询其保存的终端标识列表，若从列表中查询到与该终端标识对应的中继基站标识，将所述下行数据发送至与该终端标识对应的中继基站；接收所述下行数据的中继基站，根据该终端标识，通过至少一级中继基站将下行数据发送至对应的用户终端；
若从列表中查询到该终端标识没有对应的中继基站标识，将所述下行数据发送至所述终端标识对应的用户终端；
中继基站接收其管辖的用户终端的发送的上行数据；
中继基站通过至少一级中继基站将上行数据发送到服务基站。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中继基站从直接与服务基站连接的中继基站开始逐级接入网络。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述中继基站逐级接入网络，包括步骤：
所述中继基站与其上一级基站建立同步后，向其发起注册请求，携带自身标识；
其上一级基站收到注册请求后记录所述中继基站的标识，并
若收到注册请求的基站为服务基站，则向网络侧转发所述注册请求，对发起注册请求的中继基站进行注册；若收到注册请求的基站为中继基站，则通过至少一级中继基站将所述注册请求转发到服务基站，并由服务基站转发所述注册请求到网络侧，对发起注册请求的中继基站进行注册。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述中继基站根据预设的频 率列表扫描下行信道，与对应的服务基站或其上一级的中继基站建立同步。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，服务基站或中继基站的终端标识列表的建立过程为：
所述服务基站或中继基站为其所辖的用户终端分配终端标识并记录在服务基站或中继基站的终端列表中；或
接收其下级中继基站发送的终端标识，记录在其终端列表中，并与发送该终端标识的中继基站的标识相对应。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，当服务基站、中继基站或终端标识改变时，更新所述终端标识列表。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述通信网络为蜂窝网络，并采用时分双工与半频分双工相结合的双工方式发送上/下行子帧时，执行步骤：
在服务基站的帧头前导，服务基站发起和与其直接连接的中继基站的同步，并由该中继基站通过至少一级中继基站完成各中继基站与其下一级中继基站的同步；
服务基站发送下行数据，并通过至少一级中继基站将其发送到对应的用户终端。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，服务基站和中继基站发送长度固定的通信帧头完成与其下一级中继基站的同步。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在服务基站发送下行数据前，服务基站和各中继基站发起与各自所辖的用户终端的同步。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述通信网络为蜂窝网络，并采用时分双工与半频分双工相结合的双工方式发送上/下行子帧时，执行步骤：
在服务基站的帧头前导，服务基站发起和与服务基站直接连接的中继基站的同步，并向所述与服务基站直接连接的中继基站发送下行数据；
所述与服务基站直接连接的中继基站发送帧头给其下一级中继基站进行同步，并向所述下一级中继基站发送下行数据。
11.如权利要求7或10所述的方法，其特征在于，所述中继基站根据接收到的通信帧头计算与其所辖的用户终端进行同步的通信帧头。
12.一种含有中继基站的通信系统，包括用户终端、接入服务网和连接服务网，所述接入服务网包括服务基站，其特征在于，还包括一个或多个级连的中继基站，与服务基站和用户终端无线连接；
所述服务基站，用于从接入服务网网关接收包含终端标识的下行数据，根据所述终端标识查询其保存的终端标识列表，若从列表中查询到与该终端标识对应的中继基站标识，将所述下行数据发送至与该终端标识对应的中继基站；若从列表中查询到该终端标识没有对应的中继基站标识，将所述下行数据发送至所述终端标识对应的用户终端；
所述中继基站，用于根据该终端标识，通过至少一级中继基站将下行数据发送至对应的用户终端；以及接收其管辖的用户终端的发送的上行数据，通过至少一级中继基站将上行数据发送到服务基站。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述中继基站包括一终端标识存储单元，存储该中继基站为用户分配的终端标识，或/和与该中继基站的下一级中继基站标识对应的终端标识；
当所述中继基站接收到其下一级中继基站发起的网络接入注册请求后，在所述终端标识存储单元存储该下一级中继基站的标识；
当所述中继基站接收到其下一级中继基站发送的终端标识后，在所述终端标识存储单元存储该终端标识，并与发送该终端标识的中继基站的标识相对应；
当所述中继基站接收到包含终端标识的下行数据后，通过查询所述终端标识存储单元，将下行数据发送到对应的中继基站或对应的用户终端。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述中继基站包括一终端 标识分配单元，根据用户终端的请求分配终端标识并存储到所述终端标识存储单元。
15.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述中继基站包括一频率扫描单元；
当所述中继基站接入网络时，所述频率扫描单元根据其中预设的频率列表扫描下行信道，并与相应的服务基站或其上一级中继基站建立同步。
16.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述服务基站包括一终端标识存储单元，存储该服务基站为用户终端分配的终端标识，或/和与该服务基站的下一级中继基站标识对应的终端标识；
当服务基站接收到与其直接连接的中继基站发起的网络接入注册请求后，在所述终端标识存储单元存储该中继基站的标识；
当服务基站接收到与其直接连接的中继基站发送的终端标识后，在所述终端标识存储单元存储该终端标识，并与发送该终端标识的中继基站的标识相对应；
当服务基站向用户终端发送包含终端标识的下行数据时，查询所述终端标识存储单元，将下行数据发送到对应的中继基站或对应的用户终端。
17.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述服务基站和其下一级中继基站还各包括一资源分配单元；
所述服务基站中的资源分配单元分别为其下一级中继基站和该服务基站所辖的用户终端分配通信资源；
所述中继基站中的资源分配单元分别为其下一级中继基站和该中继基站所管辖的用户终端分配通信资源。
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