CN101163285A - 无线通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线通信系统。一种其中多个用户站(MS)分别可操作用于与基站(BS)通信的系统中的无线通信方法，该系统例如为WiMAX系统，该基站能够通过交换分别符合所述系统的分层协议的信息包来同时执行与所述多个用户站的同时通信。所述信息包具有用于限定物理层参数的PHY头部和用于限定介质访问层参数的MAC PDU。用户站和基站之间的通信使通过至少一个中继站(RS1#)来进行的，该中继站从所述多个用户站(MS)接收多个信息包，并检测所述信息包中的每一个的MAC PDU。该中继站随后组合检测到的MAC PDU以形成至少一个新信息包的MAC PDU，并且将新信息包发送给基站(BS)。这样，节约了从中继站到基站的上行链路上的带宽。

Description

无线通信系统
技术领域
本发明涉及无线通信系统，更具体地说，涉及基于信息包(packet)的系统，其中基站(BS)与多个固定或移动用户站(SS)通信。
背景技术
近来，制定了多种标准以用于通过宽带无线链路进行的数据通信。在IEEE802.16规范中阐述了一个这样的标准，通常称为WiMAX。该规范包括IEEE802.16-2004，其主要旨在用于具有固定用户站的系统，还包括增强的规范IEEE802.16e-2005，其主要是为移动用户站提供的。在以下说明中，术语用户站(SS)适用于固定站和移动站(SS/MS)。
这里通过引用并入IEEE标准802.16-2004“Air Interface for FixedBroadband Wireless Access Systems”的全部内容。IEEE802.16设想了单跳系统，其中用户站与基站在一定范围内直接通信，基站的范围限定了“小区”。通过在给定地理区域中的适当位置配置多个基站，可以创建连续的小区组，以形成广域网。在该规范中，可以等效地使用术语“网络”和“系统”。
在上述类型的系统中，通过用户站和基站之间的信息包交换来进行数据通信，同时保持它们之间的连接(管理连接或传输连接)。从用户站到基站的信息包传输方向被称为上行链路，而从基站到用户站的方向被称为下行链路。信息包具有遵循分层协议的限定格式，该分层协议应用于该系统及其无线设备组件。与这种信息包相关的协议层为所谓的物理层(PHY)和介质访问层(MAC)。在IEEE802.16-2004规范中，这些协议层构成了如图1所示的协议“栈”。顺便提及，图1还以服务接入点(SAP)的形式示出了协议层之间的接口，尽管这些与本发明无关。
介质访问层负责处理网络接入、带宽分配、以及保持连接。这包括以“帧”为基础控制BS和SS到网络的接入，所述“帧”被分为多个时隙。在MAC对等实体之间交换数据，换句话说，在用户站和基站之间交换数据，以协议数据单元(PDU)为单位，使用多个时隙将PDU传输通过PHY层。MAC被分为多个子层，该多个子层包括安全子层(参见图1)，用于使得能够进行认证、密钥交换和PDU加密。
根据可用频率范围和应用，在IEEE802.16网络中可以实施不同的物理层；例如，可以实施时分双工(TDD)模式(其中上行链路和下行链路传输在时间上分离，但可以共享相同的频率)和频分双工(FDD)模式(其中上行链路和下行链路传输可以同时但在不同频率上进行)。PHY层也限定了传输技术，例如OFDM(正交频分复用)或OFDMA(正交频分多址)。基站和用户站之间(更精确地说，在那些设备(所谓的对等实体)中的MAC层之间)的连接分配有连接ID(CID)，基站记住CID以管理基站的有效连接。
为了使得能够提供宽范围的服务，在无线通信系统中采用了服务质量(QoS)的概念。在与用户站的通信过程中，基站根据用户站请求的服务的类型和可用带宽来分配QoS等级，应该记住，基站通常同时与多个用户站通信。在用户站接入网络时的网络登录(entry)过程期间首先分配QoS，并且随后可以在保持连接的同时由用户站请求基站修改该QoS。
图2中示出了QoS和CID/SFID之间的关系。为了易于理解图2，应该注意“服务流”指的是在具有特定QoS的连接上沿给定方向(上行链路或下行链路)的数据传输。该连接的QoS由服务流标识符(SFID)限定，该SFID与连接ID具有一对一的关系。
例如，IEEE802.16规范提供了如下4个QoS级别或等级：
(i)主动授予服务(UGS)：
该服务支持由以周期性间隔发出的固定大小的信息包组成的实时数据流，例如语音呼叫(VoIP)。
(ii)实时轮询服务(rtPS)：
该实时轮询服务支持由以周期性间隔发出的可变大小的信息包组成的实时数据流，例如MPEG视频。
(iii)非实时轮询服务(nrtPS)：
旨在支持由需要最低传输速率的可变大小的信息包组成的容延迟数据流的服务级别，例如FTP(文件传输协议)。
(iv)尽力传输服务(Best Effort)(BE)
该最低服务级别用于没有具体服务要求的数据流。在可获得带宽时处理信息包。
不论针对可用频率的利用/再利用而采用的通信方案如何有效，由于多个用户站通常同时访问同一基站，所以在来自用户站的访问之间存在“冲突”的可能性。因此采用了一种基于竞争的方案，其中QoS被用于在所连接的用户站之间分配带宽。
如已经提到的，信息包涉及PHY和MAC协议层。更具体地说，图3示出了一种信息包格式，该信息包格式具有两个部分，PHY头部和MACPDU。该MAC PDU进而由MAC头部、可选的有效载荷、和可选的纠错码(循环冗余码或CRC)组成。该PHY头部包括训练序列、频带分配信息、以及与物理层参数相关的其他信息。在MAC PDU中，MAC头部通常提供用于介质访问的重要参数，例如PDU的类型、MAC地址、以及MAC信令的类型等。MAC PDU中的CRC是可选的，并且可以用于校验所接收的MAC PDU。MAC PDU中的有效载荷也是可选的。例如，一些控制消息(例如带宽请求或ACK消息)没有有效载荷。有效载荷可以是来自更高层的数据，或者是可以提供附加MAC信息的子MAC头部。
为了支持寻址和QoS控制，一些无线通信系统将连接标识符(CID)设置在MAC头部中。例如，在WiMAX中，可以在网络登录过程期间或者通过动态服务流过程来创建并激活SS/MS和BS之间的服务流。如上所述，服务流ID(SFID)将被分配给每一个现有的服务流，并且每一个服务流还与特定的QoS要求(demand)相关联。服务流具有至少一个SFID和相关联的方向。传输连接的连接ID(CID)仅在服务流被允许或有效时才存在。SFID和传输CID之间的关系是唯一的，这意味着一个SFID决不会与一个以上的传输ID相关联，并且传输CID也决不会与一个以上的SFID相关联。
图4示出了一种在IEEE802.16-2004中规定的普通MAC头部格式，其包括16位的CID。
在单跳无线通信系统(例如，如上所述的IEEE802.16-2004和IEEE802.16e-2005)中，各个用户站(SS或MS)可以与基站(BS)直接通信。近年来，进行了努力以将IEEE802.16扩展为多跳结构，其中BS和SS之间的通信经由一个或更多个中继站(RS)进行路由，而不是直接传输。图5示出了这种结构的示例，其具有两个被标识为RS1#和RS2#的中继站。通常，如果把网络修改为支持图5所示的中继功能，则中继站(RS)会将来自其覆盖范围内的无线设备(SS或其它RS)的所有信息包中继给BS。
该协议的问题在于，RS还需要中继每个实例中的PHY头部，这会占用RS和BS之间的大量带宽。特别地，当存在多个RS在BS和SS之间形成链接时，在BS和其最近的RS(例如图5中的RS1#)之间的PHY系统开销(overhead)将会累积，并且将要使用更多带宽以用于PHY信令的系统开销。这是一个特殊问题，因为带宽通常在上行链路比在下行链路中更受约束。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种其中多个用户站分别可操作用于与基站通信的系统中的无线通信方法，所述基站能够通过交换信息包(这些信息包分别符合所述系统的分层协议)同时执行与多个用户站的同时通信，所述信息包包括用于限定物理层(PHY)参数的第一部分和用于限定介质访问层(MAC)参数的第二部分，用户站和基站之间的通信全部或部分地通过至少一个中继站来进行，所述方法包括以下步骤，在中继站中：从所述用户站接收多个信息包；检测所述多个信息包中的每一个的第二部分；组合检测到的第二部分以形成至少一个新信息包的第二部分；以及将所述新信息包发送给所述基站。
优选的是，所述方法还包括，在中继站中：对所接收的信息包的检测到的第二部分进行分类，并在所述组合步骤中针对各个分类形成新信息包。所述分类步骤可以基于包含在所接收信息包的各个第二部分中的类型或服务级别信息来执行。
根据本发明的第二方面，提供了一种在其中多个用户站分别可操作用于与基站通信的系统中的无线通信方法中使用的中继站，所述基站能够通过交换信息包(这些信息包分别符合所述系统的分层协议)同时执行与多个用户站的同时通信，所述信息包包括用于限定物理层(PHY)参数的第一部分和用于限定介质访问层(MAC)参数的第二部分，用户站和基站之间的通信全部或部分地通过所述中继站来进行，所述中继站包括：用于从所述用户站接收多个信息包的装置；用于检测所述信息包中的每一个的第二部分的装置；用于组合检测到的第二部分以形成至少一个新信息包的第二部分的装置；以及用于将所述新信息包发送给所述基站的装置。
本发明的其他方面提供了一种无线通信系统、基站、计算机程序(其可以存储在计算机可读记录介质中)、以及如附加独立权利要求中所述的信息包格式。
附图说明
仅以示例的方式参照附图，在附图中：
图1示出了根据IEEE802.16的协议分层；
图2示出了在IEEE802.16网络中CID、SFID以及QoS之间的关系；
图3示出了能够在IEEE802.16网络中使用的信息包格式；
图4示出了如IEEE802.16规范中所述的信息包的普通MAC头部；
图5示出了多跳无线通信系统中的一种简单中继协议；
图6示出了在本发明中采用的中继协议；
图7是RS中的用于组合MAC PDU的处理的流程图；
图8示出了用于组合MAC PDU的第一种方法；
图9示出了用于组合MAC PDU的第二种方法；
图10示出了用于组合MAC PDU的第三种方法；以及
图11是BS中的处理的流程图。
具体实施方式
现将参照附图6-11，使用IEEE802.16网络作为示例描述本发明的实施方式。
在本发明中，提出了一种算法，通过该算法，RS可以组合从与它自己连接的通信设备接收的信息包，从而形成一个或更多个新信息包(组合信息包)，并将组合信息包发送给BS(或发送给上游RS)，由此减少信息包传输中的系统开销和冲突。图6中示意性地示出了这种中继协议。如现在要说明的，还存在多种可能的组合接收到的信息包的方式。
1.RS中的操作
参照图7，在RS从所连接的无线装置接收多个信息包之后，在RS侧发生以下操作。
(i)RS从接收到的信息包中分离MAC PDU。如果在MAC PDU中CRC有效，则RS将校验该CRC并丢弃具有CRC错误的MAC PDU。
(ii)RS随后根据所接收的MAC PDU的类型或QoS级别，对正确接收的MAC PDU进行分类。该步骤的目的在于通过组合MAC PDU进一步减少系统开销，并使QoS管理在RS中变得方便。例如，所接收的信息包可以包括带宽请求；RS可以对这些带宽请求进行分组，并随后向BS发送一个带宽请求MAC PDU，作为用于所有接收到的请求的集合(aggregation)带宽请求。RS还可以使用相同的潜在要求(QoS)对MACPDU进行分组，然后该RS可以确定什么时候发送经分组的PDU。由于RS也可以在不考虑所接收的MAC PDU的类型的情况下组合所有接收到的MAC PDU，所以该步骤是可选的。
(iii)RS将MAC PDU组合在相同分类中，然后将其MAC头部和CRC添加到组合MAC PDU中。如图8所示，一种组合方法首先去除所接收的MAC PDU中的CRC序列，然后链接各个MAC PDU。如图9所示，另一种方法使用新的MAC PDU来替代经分组的MAC PDU。例如，在OFDMA无线系统中，RS可以使用一个带宽请求来请求一组设备的带宽。另一种方法首先从所接收的MAC PDU中提取有效载荷，然后在新的MAC PDU中组合这些有效载荷，如图10所示。在这种情况下，该新的MAC头部应该描述如何组合这些有效载荷。在所有上述方法中，如果必要，可以将用于识别RS和BS之间的连接的预先设定的CID以及其他信息添加到该新的MAC PDU中。
(iv)最后，RS将MAC PDU传送给PHY层以添加PHY头部和其他信息，并发送该MAC PDU。
2.BS中的操作
参照图11，在BS从RS接收到具有组合MAC PDU的新信息包之后，在BS侧发生以下操作。
(i)BS校验从RS接收的信息包的CRC(如果有的话)。BS将丢弃具有CRC错误的信息包；
(ii)BS校验从RS接收的信息包的CID(如果有的话)。BS将丢弃具有未知CID的信息包；
(iii)BS对MAC PDU进行解码，或者对经链接的MAC PDU(如果存在的话)(图8)进行分段并对它们进行解码。
尽管上述描述涉及单个RS和BS中的处理，但是在网络中还可以存在其他RS。在这种情况下，对于各个其他RS，第一个RS可以如以上说明中的BS那样动作。各个其他RS将服务于它自己的一组SS，并且以与以上针对第一RS所述相同的方式组合从那些SS接收的信息包。
本发明的实施方式可以提供如下效果：
-为RS限定用于处理所接收的信息包的协议。
-通过在RS中对所接收的信息包进行分类和组合，来使PHY系统开销最小化。
-减少RS和BS之间的竞争型信息包的冲突概率。
本发明的实施方式可以实现为硬件，或者实现为在一个或更多个处理器中运行的软件模块，或者实现为它们的组合。也就是说，本领域的技术人员将理解，在实践中可以使用微处理器或数字信号处理器(DSP)来实现本发明中的RS或BS的一些或全部功能。还可以为各个SS提供RS的一些或全部功能。本发明还可以实施为一个或更多个装置或设备程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)，用于执行这里所述的任一方法的部分或全部。实施本发明的这些程序可以存储在计算机可读介质中，或者例如可以是一个或更多个信号的形式。这些信号可以是可从互联网网站下载的数据信号，或者在载波信号中提供，或者是任何其他形式。

Claims (42)

1.一种其中多个用户站分别可操作用于与基站通信的系统中的无线通信方法，所述基站能够通过交换分别符合所述系统的分层协议的信息包，来同时执行与所述多个用户站的同时通信，所述信息包包括用于限定物理层(PHY)参数的第一部分和用于限定介质访问层(MAC)参数的第二部分，所述用户站与所述基站之间的通信全部或部分地通过至少一个中继站来进行，所述方法包括以下步骤，在所述中继站中：
从所述用户站接收多个信息包；
检测所述多个信息包中的每一个的所述第二部分；
组合检测到的第二部分以形成至少一个新信息包的第二部分；以及
将所述新信息包发送给所述基站。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，各个信息包的所述第二部分包括错误校验信息，并且所述检测步骤包括：
对从所述用户站接收到的信息包的错误校验信息进行校验，并丢弃由此发现的未正确接收的任何信息包。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述组合步骤包括：
从各个所接收的信息包的所述第二部分中去除所述错误校验信息，并且链接各个第二部分的剩余部分以形成所述新信息包的第二部分。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述组合步骤包括：
使用代表所接收的信息包的第二部分的集中内容的新的第二部分来形成所述新信息包。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述组合步骤包括：
如果存在有效载荷，则从各个所接收的信息包的第二部分中提取有效载荷，并且将这样提取的有效载荷组合到所述新信息包的新的第二部分中。
6.根据任一前述权利要求所述的方法，该方法还包括，在中继站中：对所接收的信息包的检测到的第二部分进行分类，并且在所述组合步骤中针对各个分类形成新信息包。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述分类步骤是基于包含在所接收的信息包的各个第二部分中的类型或服务级别信息来执行的。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述类型信息包括将所述信息包指定为从用户站到基站的带宽请求的指定。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，具有相同服务级别信息的所接收的信息包被分类在一起，以形成新的信息包。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述发送步骤包括：
基于所述服务级别信息，按照优先级的顺序将各个新信息包发送到基站。
11.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述第一部分是PHY头部，而所述第二部分是包括MAC头部的MAC协议数据单元(PDU)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述组合步骤包括：
将用于识别所述中继站的MAC头部提供给所述新信息包。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述组合步骤包括：
形成所述新信息包的MAC PDU，并将其传送给所述中继站的PHY层，以添加到所述PHY头部。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述基站通过监测与用户站和中继站的有效连接来进行通信，每一个这种连接都具有连接ID，并且所述中继站将其与所述基站的连接的连接ID包括在所述新信息包的MAC头部内。
15.根据任一前述权利要求所述的方法，该方法还包括，在所述基站中：
接收从所述中继站发送的所述或各个新信息包，并对其第二部分进行解码。
16.根据权利要求15所述的方法，当从属于权利要求2时，该方法还包括，在所述基站中：
对从所述中继站发送的所述或各个新信息包的错误校验信息进行校验，并丢弃所发现的未正确接收的任何信息包。
17.根据权利要求14所述的方法，该方法还包括，在所述基站中：
对所接收的信息包的连接ID进行校验，并丢弃具有未知连接ID的任何信息包。
18.根据权利要求15到17中的任何一个所述的方法，当从属于权利要求3时，其中，所述基站中的所述解码步骤包括：对包含在从所述中继站发送的所述新信息包中的经链接的第二部分进行分段。
19.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述系统包括被设置为与所述中继站通信的另外的中继站，该另外的中继站对另外的用户站执行与所述中继站相同的步骤，所述中继站中的接收步骤包括从所述另外的中继站接收一个或更多个信息包。
20.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述用户站中的至少一些是移动站。
21.一种无线通信系统，其中多个用户站分别可操作用于与基站通信，所述基站能够通过交换分别符合所述系统的分层协议的信息包，来同时执行与所述多个用户站的同时通信，所述信息包包括用于限定物理层(PHY)参数的第一部分和用于限定介质访问层(MAC)参数的第二部分，所述用户站和所述基站之间的通信全部或部分地通过至少一个中继站来进行，其中所述中继站包括：
用于从所述用户站接收多个信息包的装置；
用于检测所述信息包中的每一个的第二部分的装置；
用于组合检测到的第二部分以形成至少一个新信息包的第二部分的装置；以及
用于将所述新信息包发送给所述基站的装置。
22.一种在其中多个用户站分别可操作用于与基站通信的系统中的无线通信方法中使用的中继站，所述基站能够通过交换分别符合所述系统的分层协议的信息包，来同时执行与多个用户站的同时通信，所述信息包包括用于限定物理层(PHY)参数的第一部分和用于限定介质访问层(MAC)参数的第二部分，用户站和基站之间的通信全部或部分地通过所述中继站来进行，所述中继站包括：
用于从所述用户站接收多个信息包的装置；
用于检测所述信息包中的每一个的第二部分的装置；
用于组合检测到的第二部分以形成至少一个新信息包的第二部分的装置；以及
用于将所述新信息包发送给所述基站的装置。
23.根据权利要求22所述的中继站，其中，各个信息包的所述第二部分包括错误校验信息，并且所述检测装置包括用于对从所述用户站接收的信息包的错误校验信息进行校验并丢弃由此发现的未正确接收的任何信息包。
24.根据权利要求22所述的中继站，其中，所述组合装置可操作用于从各个所接收的信息包的第二部分中去除所述错误校验信息，并且链接各个第二部分的剩余部分以形成所述新信息包的第二部分。
25.根据权利要求22或23所述的中继站，其中，所述组合装置可操作用于使用代表所接收的信息包的第二部分的集中内容的新的第二部分来形成所述新信息包。
26.根据权利要求22或23所述的中继站，其中，所述组合装置被设置为在存在有效载荷的情况下，从各个所接收的信息包的第二部分中提取有效载荷，并且将如此提取的有效载荷组合在所述新信息包的新的第二部分中。
27.根据权利要求22至26中的任何一个所述的中继站，该中继站还包括用于对所接收的信息包的检测到的第二部分进行分类的装置，所述组合装置针对各个分类形成新信息包。
28.根据权利要求27所述的中继站，其中，所述分类装置响应于包含在所接收的信息包的各个第二部分中的类型或服务级别信息。
29.根据权利要求28所述的中继站，其中，所述类型信息包括将所述信息包指定为从用户站到基站的带宽请求的指定。
30.根据权利要求28所述的中继站，其中，具有相同服务级别信息的所接收的信息包被分类在一起以形成新的信息包。
31.根据权利要求31所述的中继站，其中，所述发送步骤包括：基于所述服务级别信息，按照优先级顺序将各个新信息包发送给所述基站。
32.根据权利要求22至30中的任何一个所述的中继站，其中，各个信息包的所述第一部分是PHY头部，而所述第二部分是包括MAC头部的MAC协议数据单元(PDU)。
33.根据权利要求32所述的中继站，其中，所述组合装置被设置为将用于识别所述中继站的MAC头部提供给所述新信息包。
34.根据权利要求33所述的中继站，其中，所述基站通过监测与所述用户站和所述中继站的有效连接来进行通信，每一个这种连接都具有连接ID，并且所述组合装置被设置为将所述中继站与所述基站的连接的连接ID包括在所述新信息包的MAC头部内。
35.一种用于存储计算机程序的计算机可读记录介质，该计算机程序在由无线通信系统的中继站执行时提供根据权利要求22至34中的任何一个所述的中继站。
36.一种在其中多个用户站分别可操作用于与基站通信的系统中的无线通信方法中使用的基站，所述基站能够通过交换分别符合所述系统的分层协议的信息包，来同时执行与所述多个用户站的同时通信，所述信息包包括用于限定物理层(PHY)参数的第一部分和用于限定介质访问层(MAC)参数的第二部分，用户站和基站之间的通信全部或部分地通过至少一个中继站来进行，所述中继站从所述用户站接收多个信息包，检测所述信息包中的每一个的第二部分，组合检测到的第二部分以形成至少一个新信息包的第二部分，并且将所述新信息包发送给所述基站，其中所述基站包括：
用于接收从所述中继站发送的所述或各个新信息包的装置；以及
用于对所述新信息包的第二部分进行解码的装置。
37.根据权利要求36所述的基站，其中，各个信息包的所述第二部分包括错误校验信息，并且所述解码装置包括用于对从所述中继站发送的所述或各个新信息包的错误校验信息进行校验并且丢弃所发现的未正确接收的任何信息包的装置。
38.根据权利要求36或37所述的基站，其中，每一个信息包的所述第二部分都包含用于识别系统中的有效连接的连接ID，并且所述基站包括用于监测其自己的有效连接的连接ID的监测装置。
39.根据权利要求38所述的基站，其中，所述解码装置包括用于对所接收的信息包的连接ID进行校验并丢弃具有未知连接ID的任何信息包的装置。
40.根据权利要求36至39中的任何一个所述的基站，其中，从所述中继站发送的新信息包包括从所述多个用户站接收的信息包的经链接的第二部分，并且所述解码装置包括用于对所述经链接的第二部分进行分段的装置。
41.一种用于存储计算机程序的计算机可读记录介质，该计算机程序在由无线通信系统的基站执行时提供根据权利要求36至40中的任何一个所述的基站。
42.一种由中继站在根据权利要求1到20中的任何一个所述的无线通信方法中使用的信息包格式，所述信息包格式包括：
用于限定所述无线通信系统的物理层(PHY)参数的PHY头部；以及
用于限定所述系统的介质访问层(MAC)参数的介质访问层协议数据单元(PDU)，其包括具有可选的有效载荷和纠错码的至少一个MAC头部；其中
在所述信息包格式中，所述MAC PDU组合了所述中继站从多个用户站接收的信息包中的各个MAC PDU，该各个MAC PDU包括其MAC头部和任何载荷，但不包括其任何纠错码。
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