CN101141809B - 通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通信系统，在该通信系统中，移动站(MS/SS)和基站(BS)之间的传输经由至少一个中继站(RS)中继。所述中继站确定所述移动站是否已经发出测距码，并且如果是，则向所述基站通告此事。所述基站检测直接接收到的或从所述中继站通告的任何测距码，并且使用所有这样的检测来决定如何向所述移动站响应。以这种方式，对已有BS作出最小限度的修改，就可以在多跳无线通信系统中支持现存的BS和传统的MS/SS。所述系统可以在其他方面遵照用于单跳无线通信的IEEE 802.16标准。

Description

通信系统
技术领域
当前，存在着对在基于分组的无线电通信系统和其他通信系统中使用多跳技术的浓厚兴趣，据称，该技术将既能够扩大覆盖范围又能够增加系统容量(吞吐量)。
背景技术
在多跳通信系统中，在沿着从源装置经由一个或更多个中间装置到目的地装置的通信路径的通信方向上发送通信信号。图1图示了包括基站BS(在3G通信系统环境中公知为“节点B(node-B)”NB)、中继节点RN(也公知为中继站RS)以及用户装置UE(也公知为移动站MS或用户站SS；下文中，术语MS/SS被用来指示这些类型的UE中的任一个)的单蜂窝两跳无线通信系统。在信号在从基站经由中继节点(RN)到目标用户装置(UE)的下行链路(DL)上传输的情况下，所述基站包括源站(S)而所述用户装置包括目标站(D)。在通信信号在从用户装置(UE)经由中继节点到基站的上行链路(UL)上传输的情况下，所述用户装置包括源站而所述基站包括目标站。后一种形式的通信包括作为入网程序(network entry procedure)的一部分的由用户装置向基站(进而向网络)传输表示该用户装置自身的信号。这与下面将解释的本发明具体相关。
中继节点是中间装置的示例并且包括：可操作以从源装置接收数据的接收机；以及可操作以将该数据或其派生物(derivative)传送到目的地装置的发射机。
简单的模拟中继器或数字中继器已经被用作中继，以改善或者提供对盲点(dead spot)的覆盖。它们或者可以以与源站不同的传输频带操作以防止源传输和中继器传输之间的干扰，或者可以在不存在来自源站的传输的时候进行操作。
图2图示了中继站的多个应用。对于图2a的固定基础设施，中继站提供的覆盖可以是“内部填充式的(in-fill)”，以允许这样的移动站对通信网络进行访问，所述移动站本来受其他物体的强烈影响，或者本来尽管位于基站的正常范围内但是不能从所述基站接收足够强度的信号。“范围延伸”也被示出，其中当移动站在基站的正常数据发射范围外时中继站仍允许访问。图2b的右上角示出的内部填充式的一个示例，该示例定位游动中继站，以允许覆盖渗透建筑(可以在地平面之上或之下)内部。其他应用是起临时覆盖作用的游动中继站，在大事或者紧急事件/灾难期间提供接入。图2b的右下角示出了最后一个应用，该应用使用定位在交通工具上的中继来提供对网络的接入。
还可以结合高级传输技术来使用中继，以增强通信系统的增益，下面将进行解释。
众所周知，在由于无线电通信传播穿过空间时被散射和吸收而发生的传播损耗或“路径损耗”导致信号强度降低。影响发射机和接收机之间的路径损耗的因素包括：发射机天线高度、接收机天线高度、载波频率、杂波(clutter)类型(城市、城市边缘、乡村)、形态(例如高度、密度、间距(separation))、地形(丘陵、平地)的细节。发射机和接收机之间的路径损耗L(dB)可以用下式来建模：
L＝b+10nlogd           (A)
其中d(米)是发射机和接收机的间距，b(db)和n是路径损耗参数，而绝对路径损耗由l＝10(L/10)给出。
间接链路SI+ID上所经历的绝对路径损耗的和可能小于直接链路SD上所经历的路径损耗。换言之可能有：
L(SI)+L(ID)＜L(SD)     (B)
因而，将单条传输链路分成两条(或更多条)更短的传输段可以利用路径损耗与距离之间的非线性关系。根据使用等式(A)对路径损耗进行简单的理论分析，可以意识到如果将信号经由中间装置(例如中继节点)从源装置发送到目的地装置而不是将信号直接从源装置发送到目的地装置，可以实现总损耗的降低(从而改善或增加信号的强度以及数据吞吐量)。如果正确地进行实现，则多跳通信系统可以允许降低发射机的发射功率，这将便于无线传输，导致干扰程度的下降以及减少电磁辐射曝露量。另选地，整个路径损耗的降低可以被利用来改善在接收机处接收到的信号的质量，而无需增加运送该信号所要求的总发射传输功率。
多跳系统适合于与多载波传输一起使用。在多载波传输系统(例如FDM(频分复用)、OFDM(正交频分复用)或者DMT(离散多音))中，单个数据流被调制到N个并行的子载波上，各子载波信号具有自己的频率范围。这允许整个带宽(即给定时间间隔内要发送的数据量)被划分到多个子载波上，从而增加了各数据符号的持续时间。因为各子载波具有更低的信息速率，所以与单载波系统相比，多载波系统可增强对信道引入的失真的抗扰性，并从而受益。通过保证传输速率并由此各子载波的带宽小于信道的相干带宽(coherence bandwidth)使这成为可能。所以，在信号子载波上经历的信道失真是与频率无关的并且因此可以通过简单的相位和幅度因子来纠正。所以，当系统带宽超过了信道的相干带宽时，相对于单载波接收机中对应的实体，多载波接收机中的信道失真纠正实体的复杂度明显降低。
正交频分复用(OFDM)是基于FDM的调制技术。OFDM系统使用数学意义上正交的多个子载波频率，从而由于这些子载波频率实际上相互独立所以子载波的频谱可以无干扰地重叠。OFDM系统的正交性消除了对保护带频率的需要，从而增加了系统的频谱效率。OFDM已经被提出并为许多无线系统所采用。它现在被用在非对称数字用户线路(ADSL)连接、一些无线LAN应用(例如基于IEEE 802.11a/g标准的WiFi设备)以及(和本发明具体相关的)无线MAN应用(例如WiMAX(基于IEEE802.16标准))中。OFDM经常结合信道编码、纠错技术来使用，以创建编码的正交FDM或COFDM。COFDM现在被广泛用于数字电信系统中，以改善在多径环境中基于OFDM系统的性能，在所述多径环境中可以看到信道失真中的变化贯穿于频域中的子载波和时域中的符号。已经发现该系统用于视频和音频广播(例如DVB和DAB)以及某些类型的计算机网络技术中。
在OFDM系统中，通过使用离散傅立叶逆变换或快速傅立叶逆变换(IDFT/IFFT)算法将一组N个调制后的并行数据源信号映射到N个正交的并行子载波上，以在发射机处形成公知为时域中“OFDM符号”的信号。所以，“OFDM符号”是所有N个子载波信号的合成信号。OFDM符号可以在数学上表示为：
x ( t ) = 1 N Σ n = 0 N - 1 c n · e j 2 πnΔft , 0≤t≤Ts               (1)
其中，Δf是子载波频率间距(Hz)，Ts＝1/Δf是符号时间间隔(秒)，而cn是调制后的源信号。各源符号被调制到其上的式(1)中的子载波向量c∈Cn，c＝(c0，c1…cN-1)是来自有限星座图的N个星座图符号的向量。在接收器侧，通过应用离散傅立叶变换(DFT)或快速傅立叶变换(FFT)算法将接收到的时域信号转换回频域。
OFDMA(正交频分多址)是OFDM的多址变体。它通过将子载波的子集赋给单独用户来工作。这允许从几个用户同时传输，而获得更好的频谱效率。然而，仍然存在允许无干扰的双向通信(即在上行链路方向和下载方向)的问题。
为了支持两个节点之间的双向通信，存在两种熟知的不同方法来使两条(正向或下载以及反向或上行链路)通信链路双工运行，以克服设备不能在相同资源介质上同时发射和接收的物理限制。第一种方法(频分双工(FDD))涉及将传输介质细分成两个不同的频带(一个用于前向链路通信而另一个用于后向链路通信)来在不同频带上同时操作两条链路。第二种方法(时分双工(TDD))涉及在相同频带上操作两条链路，但是在时间上细分对介质的访问，从而在任意一个时间点只有前向链路或只有后向链路将利用该介质。两种方法(TDD以及FDD)都具有它们相对的优点，并且对于单跳有线和无线通信系统都是被很好使用的技术。例如，IEEE 802.16标准既包括FDD模式又包括TDD模式。因而，通过引用将IEEE标准802.16-2004“Air Interface for Fixed Broadband WirelessAccess Systems”的全部内容并入本文中。
在MS/SS和BS之间直接进行通信的单跳通信系统中，MS/SS和BS一起遵循入网程序。然而，对于BS和MS/SS之间的通信通过一个或更多个中继站RS进行的多跳系统，公知的入网程序是不能胜任的。所以需要可以应用在这种情况下的改善了的入网程序。
发明内容
本发明鉴于现有技术的上述问题提出，用以解决现有技术中存在的一种或更多种问题，至少提供一种有益的选择。
根据本发明的一个方面，提供了一种在无线通信系统中使用的传输方法，所述无线通信系统具有源装置和目的地装置，至少从所述源装置到所述目的地装置的传输是通过中间装置进行的，所述源装置被设计为向所述系统传送测距码，所述方法包括：从所述源装置发送测距码；在所述中间装置中，确定是否接收到了来自所述源装置的测距码，并且如果是，则通过发送码索引信息来代替测距码而向所述目的地装置通知接收到了所述测距码；以及在所述目的地装置中，检测在所述目的地装置处从所述源装置直接接收到的测距码，并检测所述中间装置是否已经通知所述目的地装置接收到了所述测距码。
根据本发明的另一个方面，提供了一种无线通信系统，该无线通信系统具有源装置、目的地装置以及至少一个中间装置，至少从所述源装置到所述目的地装置的传输是通过所述中间装置进行的，所述源装置被设计为向所述系统传送标识其自身的测距码，其中：所述源装置能够发送测距码；所述中间装置包括这样的设备，该设备用于来确定是否接收了来自所述源装置的测距码，并且如果是，则通过发送码索引信息代替所述测距码而通知所述目的地装置接收到了所述测距码；并且所述目的地装置包括检测设备该检测设备用来检测在所述目的地装置处从所述源装置直接接收到的任何测距码并检测所述中间装置是否已经通知了所述目的地装置接收到了所述测距码。
根据本发明的再一个方面，提供了一种无线通信系统，所述无线通信系统包括用户站和基站，所述用户站和所述基站的每一个都被设计为传送和接收信息，并且至少在从所述用户站到所述基站的上行链路中插入有一个或更多个中继站，所述用户站向所述系统传送测距码以标识其自身，其中：所述用户站能够发送测距码；各中继站包括这样的设备，该设备用以确定是否从所述用户站或从下游中继站接收到了测距码，并且如果是，则通过发送码索引信息代替所述测距码而向所述基站或者上游中继站通知接收到了所述测距码；并且所述基站包括检测设备和决定设备，所述检测装置检测从所述用户站直接接收到的测距码，并检测是否有任意一个中继站已经通知该检测装置已经接收到了源自所述用户站的测距码。
根据本发明的又一个方面，提供了一种中间装置，所述中间装置通过在无线通信系统中形成从源装置延伸到中间装置的通信路径和从所述中间装置延伸到目的地装置的通信路径来方便所述源装置和所述目的地装置之间信息的传送和接收，并且所述中间装置被操作以接收并处理所述源装置向所述系统发出的包括标识所述源装置的测距码的信息，其中：所述中间装置包括这样的设备，该设备确定是否接收到了来自所述源装置的测距码，并且如果是，则通过发送所述测距码的码索引向所述目的地装置通知接收到了所述测距码。
根据本发明的又另一个方面，提供了一种基站，与用户站和至少一个中继站一起形成通信系统，所述基站、用户站和中继站都被设计为传送和接收信息，所述用户站还被设计为向系统传送测距码以标识其自身，并且所述中继站还被设计为通过发送码索引信息来通知所述基站接收到了这样的测距码，其中：所述基站包括检测设备，所述检测设备检测从所述用户站直接接收到的任何测距码、检测是否中继站已经通知所述目的地装置已经接收到了所述测距码。
本发明的实施方式提供了通信方法、通信系统、中间装置(例如中继站RS)和基站(BS)，采用新颖的协议作为BS和RS遵循的入网程序，使得传统的MS或SS可以进入支持中继的通信网络。该协议允许对整个处理进行集中控制。该协议可以被实现为在IEEE802.16标准中遵循的当前入网程序的改进，并主要针对透明型中继的情况设计(即，中继不广播诸如前同步码(preamble)或MAP的控制信号)。本发明还包括用于在BS或RS上执行该新颖的协议的计算机软件。
附图说明
现在将参照附图以实施例的方式描述本发明的优选特征，在附图中：
图1示出了单蜂窝两跳无线通信系统；
图2示出了中继站的应用；
图3示出了标准MS入网程序；以及
图4示出了实施本发明的支持中继的网络中的BS测距码检测过程。
具体实施方式
在传统的单跳系统(例如802.16-2004和802.16e-2005)中，已经存在标准入网程序以支持MS或SS进入通信网络。然而，当网络被修改成支持传统的MS或SS所不了解的中继功能时，从网络角度看，要求修改入网程序，以便快速和有效地支持MS/SS入网。
本发明涉及从网络角度看旨在被用作修改的入网程序(即用在RS和BS中)的协议。具体地，该协议在设计上考虑了针对IEEE 802.16的应用，并且要求从MS或SS角度看程序没有改变。该协议还针对透明中继的情况进行设计，在所述情况下假设主要以集中式方式(即在BS中，使用有限的来自RS的帮助)执行入网控制。
图3图示了在IEEE 802.16标准中描述的入网程序，所述IEEE 802.16标准支持MS或SS入网到单跳通信系统中。
这里，假设网络已经知道入网程序期间MS正在与之通信的任意RS(附带地，在本说明书中，术语“网络”和“系统”被可交换地使用)。例如，在单独的程序(例如在这里通过引用包括其公开的英国申请第0616475.0号中描述的一个程序)之后，RS可能已经完成了网络的进入。还假设由于要求网络支持传统用户，所以MS或SS从它的角度仍然遵循与图3中所图示的相同的入网程序。然而，RS遵循的程序在这里被定义，而BS遵循的程序则从对在单跳网络的情况下遵循的程序进行修改得到。为了便于解释，将考虑图1中的两跳结构，尽管本发明不限于此。
参照图3，在识别阶段发生以下的操作。
扫描下行链路信道
本阶段期间，MS/SS扫描BS前同步码传输(注意在这种情况下，RS将不传送前同步码)。一旦检测到所有潜在的前同步码，MS将按照标准程序从可获得的信道集中选择它希望使用的信道。然后MS将它的接收机与发射机同步。
注意，在网络侧不要求新的操作。
获得上行链路参数
本阶段期间，MS/SS获得上行链路参数，所述上行链路参数包括MS/SS将在下一阶段中使用的上行链路控制信息传输区域的位置。注意，根据针对该操作模式的框架结构，BS广告的上行链路参数必需对于MS到RS的上行链路是通用的。
注意，在网络侧不要求新的操作。
测距和自动调整
MS/SS将如IEEE 802.16标准中那样定义的那样向网络传送测距码或测距消息，作为一种标识自身的标识消息。(附带地，尽管在使用OFDM时，术语“测距消息”更准确而“测距码”更适合于OFDMA，但是在下面的描述中都使用“测距码”)。在多跳网络中可能有多个接收机接收该传输。
在本阶段期间，BS尝试检测传输的测距码。然而，如果MS/SS使用的传送功率太低，则可能检测不到什么。此外，如果BS检测到该码但是接收到的信号功率太低，则BS可能忽略该信号或请求MS/SS继续进行测距，从而使用更高的传输功率进行重发或者将一些其他调整应用到传输操作，来使检测更加可靠。在标准程序中，一旦BS成功地检测到该码并且满足传输参数设置(同步、接收到的信号功率等等)，则BS将通知MS/SS测距处理完成。然后，MS和BS以公知的方式继续入网程序剩下的部分。
现在参见图4，在支持中继的系统中，如前文所描述的，要求对网络侧的操作作出一些修改。因为BS知道RS存在，所以在决定是否将与测距码相关的响应传送到MS之前，BS将不仅检查从MS接收的测距码，还将检查RS处检测到的测距码。这是本发明的首要特征。
可以采用下面三个不同机制中的任一个来向BS通知在RS处接收到了测距码。这些机制形成了本发明的另外的特征。
(a)RS仅接收测距码并将其转发到BS。这样做时，假设了RS可保证该RS处的传输功率是合理的。例如，BS处接收到的测距码上的载波干扰噪声比(CINR)应该与在RS处接收到的测距码上的CINR类似。如果应用了申请号为05253783.4的欧洲申请(本文通过引用包括了其公开)中的发明，则该情境自动发生。如果不能保证这种情境，则检测概率将不会正确地表示RS接收机处的状况。如果BS处已经知道这种情境(即缺少CINR平衡)，这可以是刚提及的英国申请中描述的情况，则BS可以通过适当调整观察到的CINR来校正检测用的知识(knowledge)。接收到的信号强度(RSSI)可以用作CINR的替换。
(b)RS检测该码而不是传送该码，而是将检测信息传送(forward)到BS。检测信息可以包括(但不限于)发射机使用的码索引和RS处接收到的CINR。所述检测信息还可以包括与从MS接收到的信号的时间或频率精度有关的信息。
(c)另选地，BS向RS通知测距接受阈值(即必须观测到的CINR水平)，并且RS仅当已经检测到用户时通知BS。
一旦BS通过上面详述的机制中的一种获得了来自RS的正确信息，则BS在正常上行链路测距传输间隔期间将有关于码检测的中继信息与BS处的有关于直接码检测的任何信息相组合。注意，因为BS可能从多个中继接收中继检测信息，所以它实际上可以具有多于两个的信息集，而要进行仲裁(arbitrate)。这些中继可以是从MS/SS并行接收相同测距码的多个RS。
另选地，在多跳结构中，多个RS可以被插入到MS/SS和BS之间的通信路径中。在这种情况下，上面的程序被修改为包括一个RS从另一个RS接收测距码或检测信息，和/或将测距码或检测信息中继到另一个RS的操作。
在图4中图示了在BS中管理该处理的过程。
一旦测距完成，BS和MS遵循现存入网程序剩下的部分，而数据的流动通过选择的路线发生。上行链路和下行链路之间的传输路线可以不同；具体地，对于下行链路上的信息可以不需要经由RS中继，从而来自BS的响应可以直接传输到MS。另选地，上行链路中可以包括多个RS，而下行链路中可以包括更少的RS或不包括RS。
简言之，本发明定义了使网络支持传统的MS或SS进入支持中继的通信网络的初始测距程序。仅要求在BS中对传统入网程序进行最小限度的修改。本发明的实施方式提供了三种不同的方法来在RS处向BS中继MS检测信息，从而可能选择最适合于要采用该技术的系统的技术(即信令开销、RS复杂性、BS复杂性、协议可靠性)。
在上面的描述中，假设网络可以由一些传统BS(即遵循现有协议操作的基站)和一些支持中继的BS(即被修改为可以根据本发明进行操作的基站)组成。还假设支持中继的BS可以在传统模式下操作，直到从RS接收关于它进入网络的请求。BS可以操作在该模式下的原因在于当不存在受益于传输的中继时因不必广播中继特有的信息来保护传输资源。
本发明的实施方案可以用硬件、或者运行在一个或更多个处理器上的软件模块、或者它们的组合来实现。即，本领域技术人员将意识到微处理器或数字信号处理器(DSP)可以在实际中被用来实现具体实施本发明的发射机的一些或全部功能。本发明还可以被实施为一个或更多个设备或装置程序(例如计算机程序和计算机程序产品)，来实行本文描述的任意方法的部分或全部。实施本发明的这些程序可以被存储在计算机可读介质上，或者例如可以是一个或更多个信号的形式。这些信号可以是可以从因特网网站下载的数据信号、或者可以被提供在载波信号上，或者可以是任意的其他形式。
实施本发明的程序还可以将上面描述的RS的功能添加到具有合适硬件的MS/SS中。

Claims (14)

1.一种在无线通信系统中使用的传输方法，所述无线通信系统具有源装置和目的地装置，至少从所述源装置到所述目的地装置的传输是通过中间装置进行的，所述源装置被设计为向所述系统传送测距码，所述方法包括：
从所述源装置发送测距码；
在所述中间装置中，确定是否接收到了来自所述源装置的测距码，并且如果是，则通过发送码索引信息来代替测距码而向所述目的地装置通知接收到了所述测距码；以及
在所述目的地装置中，检测在所述目的地装置处从所述源装置直接接收到的测距码，并检测所述中间装置是否已经通知所述目的地装置接收到了所述测距码。
2.根据权利要求1所述的传输方法，其中所述中间装置在通告消息中向所述目的地装置发送码索引信息，所述通告消息包括与接收到的测距码的质量有关的信息，并且所述目的地装置将直接接收到的任何测距码以及来自所述中间装置的通告中的所述信息与接受准则进行比较。
3.根据权利要求2所述的传输方法，其中，如果所述比较的结果是未接收到满足所述接受准则的测距码，则所述目的地装置传送用于请求重传所述测距码的请求。
4.根据前述权利要求1或2所述的传输方法，其中存在多个所述中间装置，各所述中间装置能够从所述源装置接收所述测距码，所述方法还包括，在所述目的地装置中，在多个检测间进行仲裁以决定如何向所述源装置发送响应。
5.根据前述权利要求1或2所述的传输方法，其中存在多个设置在所述源装置和所述目的地装置之间的以多跳结构设置的所述中间装置，所述通知步骤包括向另一个中间装置通知接收到了所述测距码。
6.根据前述权利要求1或2所述的传输方法，其中所述目的地装置响应于所述测距码的接收而发送测距响应。
7.根据前述权利要求1或2所述的传输方法，其中所述源装置是移动终端。
8.根据前述权利要求1或2所述的传输方法，其中所述目的地装置是基站。
9.根据前述权利要求1或2所述的传输方法，其中该个或各个中间装置是中继站。
10.根据前述权利要求1或2任一项所述的传输方法，其中所述系统是OFDM或OFDMA系统。
11.一种无线通信系统，该无线通信系统具有源装置、目的地装置以及至少一个中间装置，至少从所述源装置到所述目的地装置的传输是通过所述中间装置进行的，所述源装置被设计为向所述系统传送标识其自身的测距码，其中：
所述源装置能够发送测距码；
所述中间装置包括这样的设备，该设备用于来确定是否接收了来自所述源装置的测距码，并且如果是，则通过发送码索引信息代替所述测距码而通知所述目的地装置接收到了所述测距码；并且
所述目的地装置包括检测设备该检测设备用来检测在所述目的地装置处从所述源装置直接接收到的任何测距码并检测所述中间装置是否已经通知了所述目的地装置接收到了所述测距码。
12.一种无线通信系统，所述无线通信系统包括用户站和基站，所述用户站和所述基站的每一个都被设计为传送和接收信息，并且至少在从所述用户站到所述基站的上行链路中插入有一个或更多个中继站，所述用户站向所述系统传送测距码以标识其自身，其中：
所述用户站能够发送测距码；
各中继站包括这样的设备，该设备用以确定是否从所述用户站或从下游中继站接收到了测距码，并且如果是，则通过发送码索引信息代替所述测距码而向所述基站或者上游中继站通知接收到了所述测距码；并且
所述基站包括检测设备和决定设备，所述检测装置检测从所述用户站直接接收到的测距码，并检测是否有任意一个中继站已经通知该检测装置已经接收到了源自所述用户站的测距码。
13.一种中间装置，所述中间装置通过在无线通信系统中形成从源装置延伸到中间装置的通信路径和从所述中间装置延伸到目的地装置的通信路径来方便所述源装置和所述目的地装置之间信息的传送和接收，并且所述中间装置被操作以接收并处理所述源装置向所述系统发出的包括标识所述源装置的测距码的信息，其中：
所述中间装置包括这样的设备，该设备确定是否接收到了来自所述源装置的测距码，并且如果是，则通过发送所述测距码的码索引向所述目的地装置通知接收到了所述测距码。
14.一种基站，与用户站和至少一个中继站一起形成通信系统，所述基站、用户站和中继站都被设计为传送和接收信息，所述用户站还被设计为向系统传送测距码以标识其自身，并且所述中继站还被设计为通过发送码索引信息来通知所述基站接收到了这样的测距码，其中：
所述基站包括检测设备，所述检测设备检测从所述用户站直接接收到的任何测距码、检测是否中继站已经通知所述目的地装置已经接收到了所述测距码。
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