CN101300751A - 用于在无线通信系统中中继信号的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信网络中的通信，其中小区包括具有不同地形的区域，例如室内和室外区域之间的区域。借助于用在固定无线宽带通信系统中使用的中继器来优化通信，所述中继器包括用于从基站接收下行链路信号的接收装置，用于处理下行链路信号以产生输出信号的信号处理装置，以及用于传送输出信号的传送装置，所述中继器的特征在于，它包括用于在输出信号中产生分集的装置。

Description

用于在无线通信系统中中继信号的方法和设备

技术领域

本发明涉及如在权利要求1的前序部分中限定的在无线通信系统使用的中继器(repeater)，涉及如分别在权利要求10和20的前序部分中限定的通信方法，以及涉及如在权利要求18的前序部分中限定的无线通信系统。

背景和现有技术

中继器是用于增加无线通信系统的覆盖的成本有效的方式。可以在特定基站的覆盖范围内放置若干中继器节点。所述中继器节点通过转送(retransmit)从基站接收的信号来扩展基站的有效覆盖，即，小区的大小。

中继器有时被用于从室外基站提供室内覆盖。墙壁中的衰减的数量级是10-20dB，这意味着，如果没有中继器，则室内终端所经历的信号强度会很小。可以用简单的中继器来放大信号并产生适当水平的室内信号强度。

频率和时间分集是通信系统的基本部分。

建筑物内部无线通信的条件常常与室外的条件相差甚远。

项分集增益指的是小区中信号场强度的增加，其能够借助于分集(例如，频率或时间分集)来实现。分集增益能够借助于时域和频域中的编码和交织(interleaving)来实现。分集增益还能够借助于调度来实现。在这种情况下，测量每个用户的信道质量，并且调度器(scheduler)只向拥有良好信道条件的用户分配数据。如果在某一时间所有用户的信道条件都是良好的，那么每个用户在其信道条件良好时都能够接收数据。采用这种方式，诸如发射功率之类的系统资源的浪费得以最小化。

在存在大的延迟扩展(delay spread)的情况下会遇到频率选择性衰落。在大的宏小区中常常如此。相比之下，室内场合常常在频域中具有近似平坦的衰落。因此，在室内场合中频域编码和调度的增益是有限的。

同样可以认为，例如室内和室外小区之间的时域选择性(timeselectivity)可能截然不同。这是因为室内用户和他们的周围环境是相对静止的，而室外用户更有可能移动。另外，周围的物体(例如汽车)也会引起时间选择性。时间选择性的速率在系统设计中很重要，原因在于这与诸如时隙长度(slot length)、导频密度(pilot density)之类的系统参数有关。

而且，因为来自小区不同区域的需求可以很不同，所以不可能为小区中的所有用户优化系统参数。特别地，来自室外和室内用户的需求常常会很困难。如果小区覆盖包括具有截然不同的地形的区域的室外小区，则会出现类似的问题。

发明目的

本发明的目的是优化无线通信网络中的通信，在所述无线通信网络中，小区包括具有不同地形的区域，例如室内和室外区域之间的区域。

发明简述

根据本发明通过在无线通信系统使用的中继器来实现该目的，所述中继器包括用于接收来自通信系统中的通信单元的通信信号的接收装置，用于处理所述通信信号以产生输出信号的信号处理装置，以及用于传送输出信号的传送装置，所述中继器的特征在于，它包括用于在输出信号中产生分集的装置。

所述目的还通过在无线通信系统使用的、用于中继由无线网络中的通信单元传送的信号的通信方法来实现，该方法包括步骤：

-在中继器中接收来自通信单元的通信信号，

-处理通信信号以从中继器产生输出信号，

-从中继器传送该输出信号，以便产生分集。

所述目的还通过包括被安排成彼此传送通信信号的至少一个基站和至少一个用户终端的无线通信系统来实现，所述系统还包括如上所定义的中继器，所述中继器被安排成从基站或用户终端接收所述通信信号，处理信号以便产生分集并且把经处理的信号分别传送至用户终端或基站。

所述目的还通过在无线通信系统使用的通信方法来实现，该方法包括步骤：

-从系统中的第一通信单元传送旨在送到(intended for)系统中的

第二通信单元的通信信号，

-在中继器中接收所述通信信号，

-处理所述通信信号以从中继器产生输出信号，

-从中继器传送该输出信号，以便产生分集。

根据本发明，能够通过中继器产生人工的(artificial)时域和频域衰落。

所述通信单元可以是，例如，无线通信网络中的用户终端或基站。所述通信信号可以是下行链路或上行链路信号。

相比之下，如上所述，当前在无线通信系统中产生的分集要么是由基站产生，要么是由小区中物体反射所引起。在前一种情况下，分集在整个小区中是相同的。在后一种情况下，分集无法被控制，并且会在小区的不同部分之间根据它们的地形而变化。特别地，它们将在具有高分集的室外环境和其中存在非常少分集的室内环境之间变化。

该创造性的解决方案通过使系统的分集能够被控制来实现上述目的。特别地，一个小区的不同部分中的分集能够被彼此独立地控制。这实现在所述小区不同部分中产生最优的时间和频率选择性。当室内场合由室外基站覆盖时，这尤其有用。

传送装置可以包括一个天线和用于控制天线以便产生分集的控制单元。

可替换地，传送装置可以包括两个或更多天线和用于控制所述天线以便产生分集的控制单元。

接收装置还可以包括一个天线，或可替换地，包括至少两个天线。在后一种情况下，信号处理装置可以被安排成滤出下行链路信号的一部分。这可以在空间域中通过产生波瓣(lobe)来实现，或通过在时域和/或频域中的共同滤波(common filtering)来实现。在中继器沿着不同的路径(路径分集)从基站接收信号的情况下，这是尤其有用的。在这种情况下，最强的信号，通常是从基站最直接地接收的信号，能够被保留，而其他信号则被滤出。

控制单元可以被安排成产生时间、频率或相位分集。如果传送装置包括两个或更多天线，则控制单元可以被安排成产生时间、频率或相位分集，以及空间分集和图案分集(pattern diversity)。

如果使用中继器与系统之间的通信链路，则中继器就能够测量某些信道参数并将它们反馈回系统。在这种情况下，中继器还可以包括用于测量与下行链路信号相关的参数的测量单元和用于传送所述参数至基站的传送装置。系统于是能够以关于中继器中的可调参数的最优设置来响应，所述可调参数例如时延、频移和相位旋转角，也就是会在不同传送支路之间变化的参数。这样就可以使中继器节点中的延迟和/或相位旋转适合于当前的业务量(traffic)负载和任何给定时间的其他参数。

所述通信系统可以是其中使用了中继器的任意类型的无线系统，例如固定的无线宽带通信系统。

附图简要描述

下面参照附图对本发明进行更加详细的描述，在附图中：

图1示出其中应用了本发明的蜂窝网络。

图2图示了根据本发明的中继器。

图3图示了包括根据本发明的中继器的蜂窝网络。

图4a-4c示意性地图示出时延和所得到的频谱。

图5是根据本发明的基本方法的流程图。

实施例的详细描述

图1示出在其中能够有利地应用根据本发明方法和设备的网络。在蜂窝网络中，基站1位于室外。基站1通过无线电接口与在基站1的小区中位于室外的多个用户终端3进行通信。对于这些用户终端3中的每一个，来自周围环境的反射保证了分集，原因在于每个终端3都通过若干路径接收相同的信号，所述路径常常是来自基站1的直接路径以及包括来自建筑物或位于基站1和用户终端3之间的其他结构的反射的一个或多个路径。这提供了分集增益。

在基站1的小区中，还存在用户终端7位于其中的建筑物5。由于建筑物5的墙壁中的衰减，为了使建筑物内部的用户终端7受益，将中继器9放置在墙壁上以用于放大信号。根据本发明，为了增加建筑物内部的分集，中继器被安排成在建筑物内部传送信号，以便产生分集。这将在与建筑物5内部的终端7的通信中提供分集。

中继器9可以是简单的中继器，其仅对从基站1和终端7接收的信号进行放大和转发(forward)。它也可以是用于滤出期望的频带并且只放大和转发该频带的稍微复杂一些的中继器。有源(active)中继器也能够被使用，所述有源中继器解调信号、选择旨在送到特定用户的数据以及调制和转发这些数据。

中继器9包括至少一个用于与基站1通信的室外天线和至少一个用于与建筑物内部的终端7(或多个终端)通信的室内天线。图2示出包括一个室外天线11和室内天线13的中继器。在室外天线11和室内天线13之间存在着信号处理装置15，其最简单的形式就是放大器。根据本发明，通过控制装置17控制室内天线13，以便向信号提供分集。可以提供若干类型的分集，包括：

-时间分集：在不同的时间点，传送信号一次以上

-频率分集：以一个以上频率传送信号

-相位旋转分集：改变信号的相位

上述所有类型的分集能够通过使用一个以适当方式控制的天线来实现。

另外，如果使用两个或更多室内天线，那么就可以实现空间分集和图案分集。在空间分集中，天线被安排成以至少两个不同的方向传送信号。在图案分集中，从具有不同辐射图案的至少两个天线传送信号。两个或更多天线还可以被用于产生相位旋转分集的频率分集、时间分集。

术语室内天线和室外天线被用于把与基站通信的天线和与室内用户终端通信的天线区别开来。尽管在优选实施例中它们是相关的，但是根据情况，所有天线都可以位于室外或室内。

可替换地，或者除上述功能之外，所述中继器还可以包括用于在上行链路中产生分集的装置(未示出)。在这种情况下，用于产生分集的装置控制从室外天线的传输。因而，本发明适用于在中继器从系统中任何通信单元(例如基站或用户终端)接收的通信信号中产生分集。因此，所述通信信号可以是上行链路信号或下行链路信号，或者是这二者。

如本领域中所公知的，移动终端3、7测量信道参数并将它们反馈回基站。这样基站1就能够通过改变参数设置以改善通信信道来进行响应。就简单的中继器而言，其仅将来自基站1的信号转发至用户终端7并且反之亦然，基站1不知道使用了中继器，或不知道终端7位于室外，因此不能以最优的方式调节参数。因此根据本发明的优选实施例，中继器包括测量单元19，所述测量单元19被安排成测量诸如延迟扩展、相干带宽和相干时间之类的某些信道参数并通过室外天线11将它们反馈回基站1，所述信道参数与中继器9和基站1之间和/或中继器9和用户终端7之间的通信有关。可替换地，所述反馈可以通过另一通信系统，该通信系统可以是无线或接线的(wire-bound)。这样基站1将具有关于到用户终端7的整个通信路径质量的以及关于基站1和中继器9之间通信路径质量的信息。于是，系统就能够以中继器9中可调参数的最优设置来进行响应。在这种情况下，基站可以设置参数，用于控制中继器应该如何产生分集以优化与用户终端7的通信。

中继器能够被提供以控制装置21，用于控制中继器9和基站1之间以及中继器和用户终端7之间的通信。

在任一情况下，中继器9和与中继器通信的任何用户终端之间的通信都能够被优化。如果在小区中存在着若干中继器，那么每个中继器能够根据它经受的条件以它自己的方式产生分集。因而，一个小区内的灵活性被增加，原因在于可以根据每个部分中的条件对用于小区不同部分的参数进行独立地设置。

如上所述，中继器可以具有一个或多个室外天线，即与基站1通信的天线。例如，如图3所示，在分集的情况下，使用一个以上室外天线是有利的。图3图示了与图1中所示系统相似的系统，其中基站1发送信号，该信号被中继器29接收。该信号沿两条路径到达中继器29，一个是图3中标记为A的直接路径，一个是标记为B的由小区内的结构反射的路径。这产生了时间分集。直接信号A常常会强于反射信号B。如果中继器只有一个室外天线，那么喜好A和B这二者都必须转发至用户终端。如果中继器包括一个以上天线，如图3所示，则该中继器能够产生波瓣31，在其中反射信号B被滤出，只保留直接信号A。这可以例如通过连接在室外11和室内天线13之间的信号处理装置33来实现。

图3所示的中继器包括一个室内天线13和控制单元35，所述室内天线13即用于与用户终端通信的天线，所述控制单元35被安排成在相同信号两次传输之间提供所期望的时延Δτ以产生时间分集。可以选择信号的定时(timing)，以便优化网络资源的使用。如上所述，也可以使用两个或更多室内天线。

在在信号中产生期望的分集时，中继器能够借助于控制单元来安排信号，以便优化网络资源的使用。特别地，在产生时间分集时，两个信号之间的延迟能够被调节成使得频率f_min在不同用户之间变化，在f_min处，在频谱中产生了深零点(deep null)。这样就能够通过使用知晓频域中的链路质量的调度器来增加系统中的总容量。

可以对其他类型的分集应用相似的程序。例如可以根据终端的位置或某一其他参数来调节两个天线之间的相位差，以便优化信道和中继器的效果总和。

图4a-4c示意性地图示出时间分集和所得到的频谱。如果信号是通过两个不同的路径来接收的，如图3所示，那么两个峰A和B将被接收，其中它们之间的时延为Δτ，如图4a所示。在这种情况下，如果中继器只包括一个室外天线，即用于与基站通信的天线，那么它必须以相同的延迟Δτ将两个信号A和B转发至用户终端7。另一方面，如果存在一个以上室外天线，那么信号B就可以被滤出以使只有信号A被转发。于是能够自由地选择将被应用于信号A的时间分集或其他形式的分集。在图4b中示出了在这种情况下所得到的频谱的例子。信号强度在整个频谱范围内变化，并且对于谱中某处的某一频率f_min具有最小值。如果不存在分集，即只传送和接收一个射束(beam)，那么频谱基本上将是平坦的，如图4c中所示。特别地，这就是室内的情况。

图5是根据本发明的方法的流程图。

在步骤S1中，基站以本领域公知的方式传送下行链路信号至用户终端。

在步骤S2中，在中继器中接收下行链路信号。

在步骤S3中，中继器中的信号处理单元对下行链路信号进行处理以产生中继器输出信号。

在步骤S4中，中继器传送输出信号，以便产生分集。

在用户终端中接收具有分集的中继器输出信号。

如上所述，在步骤S4中中继器可以在由控制单元控制的一个或多个输出天线上传送输出信号。

也可以在相反方向上执行本方法，即中继器可以被用于在从用户终端到基站的上行链路信号中产生分集。

在步骤S2中，中继器可以在一个输入天线上接收下行链路信号。可替换地，中继器可以在至少两个输入天线上接收下行链路信号。在这种情况下，步骤S3中的处理可以包括滤出下行链路信号的波瓣。这使得，在例如沿着来自基站的不同路径接收到相同信号的情况下，能够选择出强信号并滤出较弱的信号。

中继器还可以被安排成测量与下行链路信号相关的参数并传送所述参数至基站。

在信道变化较小的情形中，例如室内，依赖于信道的调度作用很小，原因在于信道是稳定的。通过引起信道的变化，增强了依赖于信道的调度的作用。因而，系统能够选择以向在给定时间点具有最优信道的用户终端进行传送。

在室内，信道特征更加稳定，并且更长的时隙将是可能的。一方面，衰落是希望的，因为其产生分集。另一方面，太多的衰落也不好，因为它使信道不那么稳定。如果多普勒频移(Doppler shift)小于系统设计所针对的，则可以引入相位分集以对其进行补偿，如果信道非常稳定，例如，在小区的某些部分中，例如室内。

在相同的信号经由不同路径到达并具有不同时延时所出现的接收信号的展开或“拖尾效应(smearing)”被称为延迟扩展。信道长度与延迟扩展相等。例如，在OFDM系统中，可以使用循环前缀来保持系统中的正交性。循环前缀应该具有与信道脉冲响应至少相同的长度以便保持正交性。这意味着，对于绝大部分小区而言，它比所必要的长度更长。长的循环前缀增加了系统中的信令(signalling)开销。本发明可以用于使信道长度在整个小区上大致相等。

因此，可以通过引入时间扩散(time dispersion)且同时保持系统中的正交性来产生更多的分集。在这种情况下，时间扩散和延迟分集必须小于系统设计所针对的循环前缀。这在室内环境中尤其有用。

本发明能够被应用于其中使用了中继器的任何类型的无线通信系统，例如包括诸如S3G、802.11、802.16(WiMAX)之类的OFDM系统以及诸如hiperlan/access(接入)之类的其他WLAN/FWA(无线局域网/固定无线接入)标准。

Claims (20)

1.一种在无线通信系统中使用的中继器(9；29)，包括通过空中接口从通信系统中的通信单元(1，7)接收通信信号的接收装置(11)，用于处理通信信号以产生输出信号的信号处理装置(15)，以及用于传送输出信号的传送装置(13)，所述中继器的特征在于，它包括用于在输出信号中产生分集的装置(13，17；33)。

2.根据权利要求1所述的中继器(9；29)，其中接收装置(11)被安排成从基站(1)接收下行链路信号作为通信信号。

3.根据权利要求1所述的中继器(9；29)，其中接收装置(11)被安排成从移动终端(3)接收上行链路信号作为通信信号。

4.根据前面权利要求中任何一项所述的中继器，其中传送装置包括一个天线(13)和用于控制天线(13)以便产生分集的控制单元(33)。

5.根据权利要求1-3中任何一项所述的中继器，其中传送装置包括至少两个天线(13)和用于控制天线以便产生分集的控制单元(17)。

6.根据上述权利要求中任何一项所述的中继器，其中接收装置包括至少两个天线(11)，并且信号处理装置(33)被安排成滤出下行链路信号的一部分。

7.根据权利要求6所述的中继器，其中信号处理装置(33)被安排成通过产生波瓣来滤出所述部分。

8.根据前面权利要求中任何一项所述的中继器，其中控制单元(17；33)被安排成产生时间、频率、相位或空间分集。

9.根据前面权利要求中任何一项所述的中继器，包括用于测量与下行链路信号相关的参数的测量单元(19)和用于传送所述参数至基站(1)的传输装置(13)。

10.一种在无线通信系统中使用的、用于中继由无线网络中的通信单元(1，3)传送的信号的通信方法，包括步骤：

-在中继器中接收来自通信单元的通信信号，

-对通信信号进行处理以从中继器产生输出信号，

-从中继器传送输出信号，以便产生分集。

11.根据权利要求10所述的方法，其中通信信号是来自基站(1)的下行链路信号。

12.根据权利要求10或11所述的中继器(9；29)，其中通信信号是来自用户终端(3)的上行链路信号。

13.根据权利要求10-12中任何一项所述的方法，其中通过使用由控制单元控制的一个输出天线来传送输出信号以产生分集。

14.根据权利要求10-12中任何一项所述的方法，其中通过使用由控制单元控制的至少两个输出天线来传送输出信号以产生分集。

15.根据权利要求10-14中任何一项所述的方法，其中在至少两个输入天线上接收通信信号，并且信号处理装置中的处理包括滤出通信信号的一部分。

16.根据权利要求15所述的方法，包括步骤：滤出通信信号的一部分包括产生波瓣。

17.根据权利要求10-16中任何一项所述的方法，进一步包括在中继器中测量与通信信号相关的参数并且传送所述参数至基站。

18.一种无线通信系统，包括被安排成彼此传送通信信号的至少一个基站(1)和至少一个用户终端(7)，所述系统还包括根据权利要求1-6中任何一项所述的中继器(9，29)，所述中继器被安排成从基站(1)和/或用户终端(7)接收所述通信信号，处理所述信号以便产生分集并且传送经处理的信号至用户终端(7)和/或基站(1)。

19.根据权利要求17所述的无线通信系统，它是固定无线宽带通信系统。

20.一种在无线通信系统中使用的通信方法，包括步骤：

-从系统中的第一通信单元(1，7)传送旨在送到系统中的第二通信单元(1，7)的通信信号，

-在中继器中接收通信信号

-对通信信号进行处理以从中继器产生输出信号，

-从中继器传送输出信号，以便产生分集。

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