CN101529756B - 在多跳中继宽带无线接入网络中设计与移动台(ms)切换有关的新mac消息交换过程的框架 - Google Patents

在多跳中继宽带无线接入网络中设计与移动台(ms)切换有关的新mac消息交换过程的框架 Download PDF

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Abstract

一种用于MR网络中的MS切换的协议框架包括新消息和这些消息的优化流。一种在MR网络的多跳拓扑中使用的框架优化切换性能。对于用于MS切换的新控制消息交换过程的设计，该框架可适用并可扩展。

Description

在多跳中继宽带无线接入网络中设计与移动台(MS)切换有关的新MAC消息交换过程的框架
多个不同数字技术的发展大大增加了跨网络将数据从一个装置传送到另一系统的需要。技术的发展允许对可从膝上型计算机和其它数字设备传输到网络内其它装置的大量话音、视频、成像和数据信息进行数字化和压缩。数字技术的这些发展刺激了向这些处理单元输送和供应数据的需要。
使用无线网络中的无线节点作为中继点以延伸范围和/或降低无线网络的成本，这正变得越来越有吸引力。多跳中继(MR)网络可使用固定和/或移动台作为中继点以优化通信和提高传输效率。一个值得注意的问题是如何使用新协议和架构协调最佳传输路径的选择，以及降低与这些网络相关联的成本。
附图说明
在说明书的结论部分专门指出并清楚地声明了与本发明有关的主题。然而，通过参照结合附图阅读的下面的详细说明，可最好地理解本发明及其操作的方法和组织、目的、特征和优势，其中：
图1是示出根据本发明的一个实施例、在示例无线网络中用于传输多跳链路信息的无线节点的布置的图；
图2是在为由两个宏小区组成的多跳中继(MR)网络描述的实施例中七种不同切换情形的图；以及
图3-7示出在称为情形1、情形2、情形3、情形5、情形6和情形7的六种情形中用于切换的控制消息交换和直接通信路径。
将理解，为简明和清晰起见，图中所示单元不一定按比例画出。例如，为清晰起见，一些单元的尺寸相对其它单元可能显得过大。此外，在认为视当之处，标号已在图之间重复以指示对应或类似的单元。
具体实施方式
在下面的详细说明中，为提供本发明的详尽理解而陈述了多个特定的细节。然而，本领域的技术人员将理解，没有这些特定细节也可实行本发明。在其它情况下，熟知的方法、过程、组件和电路未详细描述以免混淆本发明。
无线多跳中继系统已成为几个当前标准化工作的中心。例如，对于WLAN，电气与电子工程师协会(IEEE)802.11s网状任务组(TG)正积极研究用于WLAN网状连网的标准解决方案。另外，IEEE 802.16j多跳中继(MR)任务组也在评估在促进无线宽带接入(WBA)网络的IEEE 802.16j项目核准需求中用于标准化的解决方案。
多跳中继系统为多媒体业务增大范围提供了具成本效益的方式。中继站(RS)通过现有网络提供延伸的覆盖，并且MR系统是适应许多移动用户的具成本效益并建立广域覆盖和提供更高数据率的解决方案。因此，多跳中继系统增强了802.16系统的吞吐量和容量，并使得能够快速部署，这降低了系统操作的成本。
MR中继站由于将与现有802.16e用户台无缝操作，因而预期是完全后向兼容的。802.16的下一阶段预期是引入设计在MR网络中使用的WBA用户台和增强中继。虽然本文所述的实施例可涉及有时称为WiMAX(WiMAX是代表微波接入全球互操作性的缩写，它是产品通过IEEE 802.16标准的符合性和互操作性测试的认证标记)的802.16无线宽带接入网络，但它们并不限于此，并且可适用于WLAN、其它类型网状网或甚至不同网络的组合。多跳中继技术可应用于其它新兴的标准，如用于长期演进(LTE)的第三代合作伙伴项目(3GPP)。
图1是示出根据本发明的一个实施例、在示例无线网络中用于传输多跳链路信息的无线节点布置的图。多跳中继(MR)网络100可以是在符合IEEE 802.16/16e的移动台(MS)与能够经至少一些在空中(0TA)射频(RF)链路发射和/或接收信息的基站(MR-BS)之间引入中继站(RS)的任何系统。例如，在一个实施例中，MR网络100的拓扑可包括提供对多个移动台(MS)120和130的直接接入的MR基站(MR-BS)110。MR基站110也连接到在图中示为中继站(RS)140和150的多个非有线的(unwired)中继节点。RS在MR-BS 110与MS之间经多跳中继路径中继数据。可支持多条路径以便提供冗余和业务负载平衡。
中继站(RS)140和150使用与用于WMAN的标准和/或用于WPAN的各种802无线标准中一个或多个标准兼容的无线协议和/或技术在MR网络100中以无线方式传送和中继消息，但发明实施例在此方面不受限制。如图所示，中继站(RS)140和150提供对移动台130和180的接入以及代表其它RS的中继数据。在发明实施例的某些非限制性示例实现中，所示拓扑类似于网状以提供多个通信路径或链路。接入链路支持在MR-BS与MS之间的直接通信路径，如在MR-BS110与移动台120之间的链路，或在RS与MS之间的直接通信路径，如在RS 140与移动台130之间的链路。中继链路支持在MR-BS与RS之间的直接通信路径，如在MR-BS 110与中继站140之间的链路。
MR网络100利用一种允许多条中继链路共享信道的帧结构(frame structure)，并且因此多条PMP链路可在同一信道上得到支持。在多条PMP链路共享信道时，参与链路的站将同步，并且数据被发射以将干扰降到最低。帧结构可配置成优化拓扑和部署要求，并在利用时分复用(TDM)和空间再使用的组合的同时，允许多条PMP链路共享信道。
图2是由两个宏小区组成的多跳中继(MR)网络100的示例，每个宏小区一般可由一个基站和多个中继站RS组成，中继站分散在每个宏小区内并与基站组合工作以向客户台提供完整覆盖范围。在图中所示的示例实施例中，在MR-BS与RS之间可以有k跳(k≥1)中继路径，如在MR-BS 200与中继站210之间k跳中继链路和在MR-BS 200与中继站220之间的k跳中继路径。在MR-BS与RS之间的多跳拓扑可视为点到多点(PMP)链路。每条PMP链路依靠站以维护经下行链路(DL)前同步码的接收和广播而执行的时间和频率同步，而上行链路(UL)同步通过测距过程执行。
图2还示出在MR网络100中所述实施例中的七个不同切换情形。七个切换情形可分成两个主要切换类别。第一个类别涉及在由同一MR-BS控制的两个RS之间或在MR-BS与其附属RS之一之间的切换。切换的此第一类别称为MR-BS内切换。第二类别涉及在各自由不同MR-BS控制的两个RS之间或在MR-BS与由不同MR-BS控制的RS之间的切换。切换的此第二类别称为MR-BS间切换。通过对接入和服务站而不是中间RS计数，可有两到四个直接涉及MS切换的基础设施站。注意，这不包括可选的切换特征，如IEEE 802.16e-2005中的快速基站交换(FBSS)和宏分集切换(MDHO)。还要注意的是站(MR-RS和RS)之间的信令通过无线链路及通过有线骨干发生。
图中，第一切换情形标记为情形1，并且示出从MR-BS 200到RS220的切换。第二切换情形(标记为情形2)示出从RS 210到MR-BS200的切换。第三切换情形(标记为情形3)示出从RS 210到RS 220的切换。如上所述，情形1、情形2和情形3是称为MR-RS内切换的第一类别。第四切换情形(标记为情形4)示出从MR-BS 200到MR-BS250的切换。第五切换情形(标记为情形5)示出从MR-BS 250到RS220的切换。第六切换情形(标记为情形6)示出从RS 220到MR-BS250的切换。图中所示的第七切换情形(标记为情形7)示出从RS 220到RS 260的切换。也如前面所述，情形4、情形5、情形6和情形7是称为MR-BS间切换的第二类别。
对于情形1、情形2和情形4，只有两个基础设施站涉及MS切换。另一方面，对于情形3，涉及三个基础设施站，其中RS 210为当前接入站，RS 220为目标接入站，并且MR-BS 200为服务站。MR-BS 200在切换后保持作为服务站。类似地，对于情形5，涉及三个基础设施站，其中MR-BS 250为当前服务和接入站，RS 220为目标接入站，并且MR-BS 200为目标服务站。情形6涉及的三个基础设施站包括为当前服务MR-BS的MR-BS 200，为当前接入站的RS 220，以及为目标服务和接入站的MR-BS 250。最后，情形7涉及四个站，其包括为当前服务站的MR-BS 200、为当前接入站的RS 220、为目标服务站的MR-BS 250及为目标接入站的RS 260。
要指出的是，IEEE 802.16e中定义的切换协议可用于支持在切换情形4中存在的两个MR-BS之间的MS切换。然而，其它六个情形，即情形1、情形2、情形3、情形5、情形6和情形7未包括在IEEE 802.16e中，并且这些情形需要新的控制消息。此外，用于这些特定情形的RS和MR-BS的对应信令过程需要被定义以支持符合IEEE 802.16e的MS的无缝切换。因此，根据本发明，提供用于基础设施站(即，MR-BS和RS)的协议以支持情形1、情形2、情形3、情形5、情形6和情形7定义的切换情形。
新协议包括新消息和在基础设施站之间这些消息的优化流。MR网络中的基础设施站实现该新协议以无缝支持此切换。新协议框架适用于诸如网络拓扑通告、扫描MS小区重新选择、切换决定和启动，以及包括网络进入/重新进入和终止当前接入站的切换运行等阶段。因此，新协议提供用于在每个阶段中交换控制消息的结构化框架，旨在实现正确的协议操作和切换性能优化。
表1定义在802.16j网络中在中继链路上的新信令管理消息及其相关于802.16e MS MAC切换过程的每个阶段的功能性。MR-BS与RS站之间的消息交换通过802.16j网络中的无线链路及有线骨干发生。当消息通过有线骨干输送时，消息的格式可更改为用于有线骨干的格式。
 新控制消息   相关RS切换阶段   功能性
 ST_SCN-REQ，ST_SCN-RSP   相邻站的MS扫描   这些消息用于为在目标接入站的MS协调关联。
 HO_INFO-REQ，HO_INFO-RSP   切换决定和启动   这些消息用于将潜在目标接入站的切换有关信息传递到当前接入站。
  MS_INFO-REQ/MS_INFO-RSP   切换运行   在目标接入站与MS之间执行实际切换时，这些消息用于将MS信息传递到目标(即，新的)接入和目标服务站。
  HO_CPL   切换终止   此消息用于向当前接入和服务站及目标服务站通知切换成功。
表1
表2列出用于基础设施站的MAC切换协议和新协议中每个控制消息的可能源和目的地对。在表中，“S”表示消息源，“D”表示消息目的地。表2中所示的列出消息交换根据基础设施站内共处的功能、基础设施站之间的可用路径和消息的内容来选择使用。例如，如果MR-BS既是当前接入站又是当前服务站(参阅情形1和情形5)，则不使用表2中所列的消息交换“1-2”。此外，例如，如果如情形1、情形2和情形3(即，MR-BS内切换)中一样，MR-BS既是当前服务站又是目标服务站，则表2中所列的消息交换“1-3”是不必要的。
Figure G2007800404910D00061
表2
下面参照图3-7，进一步描述用于图1所示六个切换情形、即情形1、情形2、情形3、情形5、情形6和情形7的协议说明。在这些图中，实箭头线表示MA切换方向，虚箭头线表示用于控制消息交换的路径。
情形1和情形2
图3示出用于切换情形1的在当前服务、当前接入、目标服务MR-BS与目标接入RS之间的直接通信路径和控制消息交换。该图也示出用于情形2的在当前服务、当前接入、目标服务MR-BS与当前接入RS之间的控制消息交换。在此图中，涉及MS切换的两个基础设施站与站之间的k跳中继路径一起示出。所有新控制消息通过k跳中继路径交换。
情形3
图4示出用于情形3的控制消息交换，交换在作为当前接入站的RS 402与作为目标接入站的RS 404之间。在此MR网络中，MR-BS406是当前和目标服务站，并且RS 402和RS 404是其附属。如果在RS 402与RS 404之间存在直接1跳中继链路(图中示为路径1)，则诸如ST_SCN-REQ/ST_SCN-RSP、HO_INFO-REQ/HO_INFO-RSP和MS_INFO-REQ/MS_INFO-RSP等控制消息可经此路径交换。这些控制消息在表2中示为消息“1-1”和消息“2-1”。注意，在路径1存在时，为HO_CPL消息选择消息“2-1”和消息“2-2”。
然而，如果RS无法建立路径1(即，它们之间的直接1跳中继链路)，则当前接入RS 402和目标接入RS 404经备选路径通信。这些备选路径在图中示为路径2和路径3。利用适当的用于通信的备选路径，可使用表2中所述的消息“1-2”、“1-4”、“2-2”和“2-4”。然而，如果路径1不存在，则HO_CPL使用消息“2-2”和消息“2-4”经路径2和路径3交换。使用路径2和路径3时，与使用路径1相比，等待时间和开销均增加大约(k1+k2)倍。
情形5和情形6
图5示出MS切换是从MR-BS到不同MR小区中RS的切换情形5的控制消息交换。图6示出切换是从RS到不同MR小区中MR-BS的切换情形6的控制消息交换。在情形5和情形6两者中，所有控制消息使用路径1(即，k跳中继路径)和路径2(即，有线骨干)输送。具体而言，包括ST_SCN-REQ/RSP、HO_INFO-REQ/RSP、MS_1NFO-REQ/RSP和HO_CPL消息的所有控制消息沿路径1和路径2交换。注意，表2的消息“1-3”、消息“1-4”、消息“2-2”和消息“2-3”选择用于情形5。还要注意的是，表2的消息“1-2”、消息“1-3”、消息“2-3”和消息“2-4”选择用于情形6。
备选地，多跳中继路径可与路径1和路径2一起在当前服务/接入MR-BS(当前接入RS)与目标接入RS(目标服务/接入MR-BS)之间建立。然而，为发现它们之间的中继路径，这产生了附加的协议开销和等待时间。另外，由于RS不属于目标MR-BS的MR小区，因此，在目标接入RS(当前接入RS)与当前MR-BS(目标MR-BS)之间的中继路径成本极可能大于路径1的成本。因此，使用路径1和路径2能够降低开销及相关联的延迟。
情形7
图7示出MS切换是从RS到不同MR小区中另一RS的切换情形7的控制消息交换。通过路径4(即，1跳中继链路)交换包括ST_SCN-REQ/RSP、HO_INFO-REQ/RSP的控制消息，并且选取消息“1-1”和消息“2-1”。
备选地，可使用图中示为路径1-路径3-路径2的路径，但此组合路径的无线资源消耗和延迟将是路径4的许多倍。也可能在当前接入RS与目标服务MR-BS之间和/或在目标接入RS与当前服务MR-BS之间找到多跳路径，然后结合路径1和/或路径2使用发现的路径等。
控制消息交换MS_INFO-REQ可使用路径4、路径1和路径3输送。注意，选择表2的消息“2-1”、消息“2-2”、消息“2-3”、消息“1-1”和“消息1-3”。可使用路径4、路径1和路径3为消息“2-1”、消息“2-2”和消息“2-3”(见表2)输送控制消息交换HO_CPL。注意，如果无法建立路径4，则选择消息“1-2”、消息“1-3”、消息“1-4”、消息“2-2”、“消息2-3”和消息“2-4”，并选择路径1、路径3和路径2用于所有情形。
至此，应明白包括新消息和这些消息的优化流的用于MR网络中MS切换的协议框架已陈述。根据本发明，在MR网络的多跳拓扑中使用的框架优化了切换性能。另外，对于用于MS切换的新的控制消息交换过程的设计，框架可适用并可扩展。
虽然本文中已示出和描述本发明的某些特征，但本领域的技术人员现在将明白许多修改、替代、更改和等效物。因此，要理解所附权利要求旨在涵盖属于本发明真正精神的所有此类修改和更改。

Claims (2)

1.一种定义基础设施站之间的通信协议以支持多跳无线系统中的未能包括在IEEE 802.16e中的MS切换情形的方法，包括：
协调MS切换中涉及的当前与目标基础设施站之间的MS扫描区域；
请求和接收所述MS切换中涉及的当前和目标基础设施站之间的切换信息；
请求和接收所述MS切换中涉及的当前和目标基础设施站之间的MS信息；以及
通知所述基础设施站在目标接入站的MS切换完成。
2.如权利要求1所述的方法，其中，
协调步骤借助控制消息ST_SCN-REQ和ST_SCN-RSP来执行；
请求和接收切换消息的步骤借助控制消息HO_INFO-REQ和HO_INFO-RSP来执行；
请求和接收MS信息的步骤借助控制消息MS_INFO-REQ和MS_INFO-RSP来执行；以及
通知步骤借助控制消息HO_CPL来执行。
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