CN101640936B - 用于移动无线系统的基于ofdma争用的随机接入信道设计 - Google Patents

Abstract

在基于OFDM的网络中在随机接入信道内使用短扩展来扩展数据以供通过该信道传输。随机接入信道的资源分配在频率、时间、或频率和时间两者上被划分成多个资源块。每一个资源块的尺寸仅为资源分配的总大小的一部分。在争用期间，随机选择的短扩展码可被用于在随机选择的资源块内提供数据扩展。

Description

用于移动无线系统的基于OFDMA争用的随机接入信道设计

技术领域

本发明一般涉及无线通信，尤其涉及用于在无线系统中实现随机接入信道的技术。

背景技术

在无线网络中，上行链路随机接入信道是用以使不定数目的移动站能使用基于争用的办法来发送信息的高效率途径。然而，过去用以在无线网络中实现随机接入信道的技术在许多实例中表现很差。需要用以在无线网络中实现随机接入信道的增强型技术。

附图说明

图1是示出可纳入本发明特征的示例无线网络安排的示图；

图2、3和4是示出使用长扩展的随机接入信道的各种示例资源分配的示图；

图5、6和7是示出根据本发明实施例的使用短扩展的随机接入信道的各种示例资源分配的示图；

图8是示出根据本发明实施例的用于取得对使用短扩展的随机接入信道的接入的方法的流程图；以及

图9是示出根据本发明实施例的示例移动设备的框图。

具体实施方式

在以下详细说明中，对以例示说明的方式示出本发明可在其中实践的具体实施例的附图进行参考。这些实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实践本发明。应理解本发明的各种实施例尽管不同，但并不必是互斥的。例如，本文中结合一个实施例所描述的特定特征、结构、或特性可以实现在其他实施例中而不脱离本发明的精神和范围。此外应理解，每个所公开实施例中的个体要素的定位或安排可以被修改而不脱离本发明的精神和范围。因此，以下详细描述不应被视为限制，并且本发明的范围仅由恰适地解读的所附权利要求连同权利要求被授予的等效方案的全部范围来定义。在附图中，相同的附图标记贯穿若干视图指示相同或相似的功能。

图1是示出可纳入本发明特征的示例无线联网布置10的示图。如图所示，多个无线移动站12、14、16经由无线介质与无线基站18通信。在这样的布置中，从基站18至移动站12、14、16中的一个或多个的通信被称为下行链路通信，而从移动站12、14、16至基站18的通信被称为上行链路通信。在一些网络中，下行链路通信和上行链路通信在称为时分双工的技术中可在时间上分开(例如，在使用下行链路子帧和上行链路子帧的基于IEEE 802.16的网络中)。存在用于使移动站12、14、16能共享上行链路信道的可用通信资源的各种方案。这各种方案可以是基于争用的或无争用的。基于争用的多址方案是允许在信道内发生通信冲突(即，各设备争用或竞争信道)的方案，而无争用方案是不允许发生冲突的方案。网络在网络操作期间可利用基于争用的通信和无争用通信两者来执行不同的通信功能。

无线网络中所使用的一类基于争用的通信技术是随机接入信道。在随机接入信道中，需要传送数据的无线设备随机地选择所分配通信资源的一部分并在选定资源部分内传送。如果没有其他设备同时在选定资源部分内传送，则争用被认为成功。随机接入信道是无线网络中使不定数目的移动站能共享上行链路信道的高效技术。可使用随机接入信道的一些无线网络功能包括例如：(a)在移动站刚进入网络并希望从基站获得带宽分配的情况下的初始测距功能；(b)在移动站有上行链路数据要传送给相关联基站但没有足够获分配带宽来执行该传递的情况下的带宽请求(BW-REQ)功能；以及(c)在反馈数据的准确性并不太重要且由此可容忍基于争用的通信的情况下的一些反馈信道功能。随机接入信道也可存在其他无线联网功能。

在使用随机接入信道的无线网络中，网络资源的预定分配将通常被定义为供随机接入信道使用。在基于正交频分多址(OFDMA)的系统中，此资源分配可包括例如预定数目的正交频分复用(OFDM)码元周期上的预定数目的OFDM频调。码分多址(CDMA)技术也可用于实现随机接入信道。在一种办法中，例如“长扩展”码被用于跨随机接入信道的整个资源分配来扩展信息。此长扩展码技术可在频域、时域、或频率与时间的组合中实现。

图2是示出在频域中使用长扩展的随机接入信道的示例资源分配20的示图。在该附图中，纵轴代表OFDM频调(或副载波)形式的频率，以及横轴代表OFDM码元周期形式的时间。如图所示，资源分配20包括对应单个OFDM码元周期的多个OFDM频调。图2中使用交叉阴影来表示数据元素在资源分配20内被扩展的范围。由于正在使用长扩展，因此该扩展在频域中在整个资源分配上延伸。长扩展码被设计成将提供正交或准正交长码字或序列，正交或准正交长码字或序列可被移动设备用来接入具有资源分配20的随机接入信道。希望在随机接入信道内传送的每一移动设备随机地从码字集中选择长码字并使用它来扩展相应数据。来自所有发射方移动站的扩展数据随后可在同一随机接入信道内传送。由于码字是正交的，因此在该随机接入信道内传送的各种数据信号在接收基站内将是可分离的(例如，通过执行关联操作或其他分离处理)。然而如果有两个或多个移动站随机地选择了同一码字，则将发生冲突并且所传送的数据可能丢失。

图3是示出在时域中使用长扩展的随机接入信道的示例资源分配30的示图。如图所示，资源分配30包括在多个OFDM码元周期上延伸的单个OFDM频调。再次使用交叉阴影来表示数据元素在资源分配30内被扩展的范围。由于再次正在使用长扩展，因此该扩展在时域中在整个资源分配30上延伸。开发了用于执行长扩展的恰适代码。像先前那样，移动站随机地选择长码字并使用它来扩展相应数据以供在随机接入信道内传输。来自多个移动站的交迭信号随后可在接收机中被分离开。

图4是示出在频率和时间两者上使用长扩展的随机接入信道的示例资源分配40的示图。资源分配40包括在多个OFDM码元周期上延伸的多个OFDM频调。再次使用交叉阴影来表示跨资源分配40扩展的范围。长码被开发成在整个随机接入信道资源分配40上在频率和时间两者上扩展数据。再一次，移动站随机地选择长码并使用它来扩展相应数据以供在随机接入信道内传输。来自多个移动站的交迭信号随后可在接收机中被分离开。

在构思本发明时领会到在随机接入信道中使用长扩展可导致接收设备中检测分辨率和性能的下降。这是因为宽带无线信道可经历频域中归因于多径效应的频率选择性衰落和时域中归因于移动性的快速衰落两者。频率选择性衰落会降低用于在频域中执行扩展的长码字的正交性，而快速衰落会降低用于在时域中执行扩展的长码字的正交性。这种正交性的损耗通常将导致接收机中检测分辨率的下降。在本发明的一方面中，在随机接入信道的资源分配内提供了短扩展来代替长扩展，从而克服长扩展中固有的问题。即，资源分配被划分成可被网络中的移动站用来接入随机接入信道的多个“资源块”。随后设计了将数据扩展到资源块大小的短码，资源块的大小远小于资源分配的全程。资源块可分布在频域中、时域中、或频率和时间两者中。由于短码字显著地短于长码字，因此码字的正交性受到信道中的频率选择性衰落和/或快速衰落的影响要少得多。然而应使短码字的长度足以达成使用数据扩展的可靠性益处。在至少一个实施例中，使得各个资源块的频率跨度(即，扩展宽带)约等于或小于信道的相干带宽。

图5是示出根据本发明实施例的在频域中使用短扩展的随机接入信道的示例资源分配50的示图。与图2中一样，资源分配50包括对应单个OFDM码元周期的多个OFDM频调。然而与图2不同的是，图5的资源分配50在频域中被划分成多个预定义资源块52、54、56、58、60。短扩展码被设计成在较短的资源块52、54、56、58、60内而非跨整个资源分配50扩展数据。图5中使用交叉阴影来表示在资源分配的每个资源块52、54、56、58、60内扩展的范围。由于使用了较短代码，因此随机接入信道中的频率选择性衰落对码字的正交性的影响与其对单个长码本应有的影响相比就更小。即，小的序列长度增大了跨扩展带宽的信道相干似然性，即使在频率选择性衰落信道中亦然。然而需要使短码的长度足以在存在背景热噪声和随机干扰的情况下达成扩展的合需可靠性益处。

在至少一个实施例中，当移动站希望接入具有图5的资源分配50的随机接入信道时，该设备首先随机地选择预定义资源块52、54、56、58、60之一。一旦已选择了一个块，该移动设备随后就可从预定短码字集中选择一码字以用于在选定资源块内扩展相应数据。移动站随后可使用选定代码来在选定块内传送数据。

图6是示出根据本发明实施例的在时域中使用短扩展的随机接入信道的示例资源分配70的示图。资源分配70包括在多个OFDM码元周期上延伸的单个OFDM频调。如图所示，图6的资源分配70在时域中被划分成多个预定义资源块72、74、76、78、80、82。短扩展码被设计成在较短的资源块72、74、76、78、80、82内而非跨整个资源分配70扩展数据。由于使用了较短代码，因此随机接入信道中的快速衰落对码字的正交性的影响与其对单个长码本应有的影响相比就更小。即，小的序列长度增大了跨扩展时间跨度的信道相干似然性，即使在高移动性条件下亦然。与先前一样，需要使短码的长度足以在存在背景热噪声和随机干扰的情况下达成扩展的合需可靠性益处。

图7是示出根据本发明实施例的在频率和时间两者上使用短扩展的随机接入信道的示例资源分配90的示图。资源分配90包括在多个OFDM码元周期上延伸的多个OFDM频调。如图所示，图7的资源分配90在频率和时间两者上被划分成多个预定义资源块92、94、96、98、100、102、104、106、108、110(即，两维块)。短扩展码被设计成在频率和时间上在资源块92、94、96、98、100、102、104、106、108、110内扩展数据。

应领会，图5、6和7的资源分配和短扩展块图案仅仅是可根据本发明实施例来安排的分配的不同方式的示例。可替换地使用许多其他分配方案和块图案，包括使用例如不同的资源分配大小和不同的块大小。在使用两维块的一些实现中，短扩展可首先在时域中执行并随后在频域中执行。在其他实现中，短扩展可并发地在时域和频域中执行。

可使用多种不同编码类型中的任一种来设计供在资源块内使用的短码。例如，可能的替换方案包括：(a)使用沃尔什(Walsh)码或柴道尔夫-周(Zadoff-Chou)序列的全正交扩展，(b)使用最大伪随机噪声(PN)序列的准正交扩展，(c)可便于具有良好检测性的简单差分编码/解码的交叉正交码，等等。本发明的特征可被纳入到任何利用随机接入信道的基于OFDM的无线网络中，包括例如遵循IEEE802.16标准族的网络、遵循所提议的3GPP长期演进(LTE)标准的网络、遵循IEEE802.20超移动宽带(UMB)标准的网络、和/或其他网络。

图8是示出根据本发明实施例的用于接入被划分成多个短扩展资源块的随机接入信道的方法120的流程图。方法120可结合图5、6和7的资源分配方案中的任一个以及还可结合其他方案来使用。移动站首先作出有数据需要经由具有多个短扩展资源块的随机接入信道传送给远程无线实体的确定(框122)。这些资源块可短于在或者时域或者频域中，或这两者中随机接入信道的整个资源分配。在作出确定之后，移动站随机地选择这些短扩展资源块之一以便将数据运送至远程无线实体(框124)。移动站随后随机地选择多个可用短扩展码字或序列之一以便在选定短扩展资源块内扩展数据(框126)。选定码字随后被用来在选定资源块内传送数据。进行争用的其他移动站(若有)将基本上遵循相同的过程。

可在以上描述的方法120中替换地使用更先进的诸如举例而言“粘性争用”之类的争用管理办法来代替对短扩展资源块和短扩展码字的随机选择。粘性争用是于2006年12月29日提交的共同待审美国专利申请S/N.11/618,642的主题，该申请为与本发明相同的受让人所拥有并通过援引纳入于此。在使用短扩展的随机接入信道中对粘性争用的使用可导致低负荷状况中性能的改善。

在物理层上，当使用频带AMC时，短扩展也可通过选择具有良好信道条件的争用隙来利用频率分集。这是基于对下行链路信道状况的总是可用的知晓以及对下行链路/上行链路信道互易性的假定的。每个争用者挑选它在其中很可能享有良好信道的争用隙，良好信道有效地为争用传输提供SNR增益。另一方面，这无法用于长扩展办法。

从监管要求而言，移动站具有其可发射的特定功率包络。在短扩展情形下，每个争用者具有较少频调(或副载波)来分布总发射功率。因此，在使用短扩展时可允许特定水平的功率上升。这直接使得争用传输有SNR增益并助益于检测性能。

在随机接入信道中使用短扩展序列的另一益处涉及功率控制。即，使用具有预定义资源块的短扩展放宽了功率控制要求。在不执行干扰消去时，在CDMA多址的上行链路中需要恰当的功率控制。在使用长扩展时，每种争用代码将把所有其他争用代码视为干扰。为了处置大量争用者，功率控制必需是精确的。这在实际扩展增益因正交性损耗而显著小于理论值时尤其如此。另一方面，在短扩展的情况下，由于争用者分布在不同争用块当中，因此给定块中的每种争用代码会看见数目少很多的其他争用代码。由于实际扩展增益比得上长扩展情形，因此有效地降低了对功率控制的严格要求。

在随机接入信道中使用短扩展的又一益处在于其使相继干扰消去能够执行。这是因为在使用短扩展时频域和/或时域中有更好的信道相干性。接收机中最先检测到的序列(例如，对应于最大相关)可用于估计相位和振幅，并随后从收到信号中减去。随后在给定复杂度和延迟阈值的情况下可迭代地执行此过程。

短扩展还使得能对随机接入信道使用自适应资源分配。基站可基于对争用负荷的知识来确定应分配多少争用隙。例如，当基站看到有大量争用时，其可在下一轮中分配更多的争用隙，从而确保随机接入信道的稳定性和服务质量(QoS)保证。

图9是示出根据本发明实施例的示例移动设备130的框图。如图所示，移动设备130包括：无线收发机132、基带处理器134和信道接入单元136。无线收发机132可被耦合至一个或多个天线138以便于与远程实体通信。无线收发机132可用于对信号执行射频处理以支持与远程实体的无线通信。基带处理器134可执行基带操作以支持通信。在接收操作期间，无线收发机132可接收来自无线介质的无线信号并处理这些信号以在其输出处生成基带信号。基带信号随后可进一步由基带处理器处理，然后被递送给用户或另一个处理器。在发射操作期间，无线收发机132可接收来自基带处理器134的基带信号并使用这些信号来生成无线信号以供传送到无线信道中。

信道接入单元136可用于管理涉及诸如以上所描述的那些使用短扩展技术的随机接入信道的接入操作。在至少一个实施例中，例如，信道接入单元136可被配置成执行图8的方法120。在例如移动设备130刚进入无线网络并希望在经由随机接入信道的测距操作中从基站获得带宽分配之际可调用信道接入单元136。类似地，在移动设备130需要附加分配带宽并由此希望经由随机接入信道传送带宽请求之际可调用信道接入单元136。可替换地使用许多其他应用。当信道接入单元136确定需要随机接入信道内的通信时，其可随机地选择随机接入信道分配的短扩展资源块之一。信道接入单元136随后可从多个可用码字中选择一短码字以用于在选定块内扩展数据。信道接入单元136随后可将选定块和码字通知给基带处理器134和无线收发机132。基带处理器134和无线收发机132随后可在合需块内传送扩展数据。信道接入单元136可为一独立单元或由基带处理器134来实现。在至少一个实施例中，无线收发机132、基带处理器134和信道接入单元136都被实现在共同的数字处理设备内。数字处理设备可包括例如通用微处理器、数字信号处理器(DSP)、精简指令集计算机(RISC)、复杂指令集计算机(CISC)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、微控制器、和/或其他设备。可使用硬件、软件、固件和混合实现。

本发明的技术和结构可以用多种各样的不同形式中的任一种来实现。例如，本发明的特征可在具有无线能力的膝上型计算机、掌上型计算机、台式机、和平板计算机、具有无线能力的个人数字助理(PDA)、蜂窝电话和其他手持无线通信器、寻呼机、卫星通信器、具有无线能力的相机、具有无线能力的音频/视频设备、网络接口卡(NIC)和其他网络接口结构、基于移动交通工具的通信器、基站、无线接入点、集成电路内实施，作为编码在计算机可读介质上的指令和/或数据结构、和/或以其他格式来实现。可以使用的不同类型的计算机可读介质的示例包括软盘、硬盘、光盘、紧致盘只读存储器(CD-ROM)、数字视频盘(DVD)、蓝光碟、磁光盘、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可擦除可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、磁卡或光卡、闪存、和/或适于存储电子指令或数据的其他类型的介质。

在前述详细描述中，本发明的各种特征出于使本公开流线化的目的在一个或更多个实施例中被编组在一起。这种公开方法并不被解读为反映所要求保护的本发明需要比每项权利要求中所明确记载的更多特征的意图。相反，如所附权利要求反映的，各发明方面可以存在比每个所公开实施例的全部特征更少的特征。

尽管已联合特定实施例描述了本发明，但如本领域技术人员容易理解的，可以诉诸修改和变型而不会脱离本发明的精神和范围。此类修改和变型被视为落在本发明和所附权利要求的范畴和范围之内。

Claims (15)

1.一种在基于正交频分复用(OFDM)的网络中使用的方法，包括：

在基于正交频分复用(OFDM)的系统中确定有数据需要经由具有资源分配的随机接入信道被传送给远程无线实体，所述资源分配被划分成分布在频率和时间中的至少一者上的多个资源块；

响应于确定随机地从所述多个资源块中选择资源块来将所述数据运送至所述远程无线实体；以及

随机地选择多个可用短扩展码字之一以在所述选定资源块内扩展所述数据。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述随机接入信道的所述资源分配包括分布在频率上的多个资源块，其中所述资源块中的每一个包括多个OFDM频调。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述随机接入信道的所述资源分配包括分布在时间上的多个资源块，其中所述资源块中的每一者包括多个OFDM码元周期。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述随机接入信道的所述资源分配包括分布在频率和时间上的多个资源块，其中所述资源块中的每一个包括多个OFDM频调和多个OFDM码元周期。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述多个资源块中的每一个资源块具有大致等于所述随机接入信道的相干带宽的扩展带宽。

6.一种在基于正交频分复用(OFDM)的网络中使用的装置，所述装置包括：

无线收发机；

基带处理器；以及

信道接入单元，所述信道接入单元用于确定何时有数据需要经由具有资源分配的随机接入信道被传送给远程无线实体，所述资源分配被划分成分布在频率和时间中的至少一个上的多个资源块，随机地从所述多个资源块选择资源块来将所述数据运送至所述远程无线实体，以及随机地选择多个可用短扩展码字之一以在所述选定资源块内扩展所述数据。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述随机接入信道的所述资源分配包括分布在频率上的多个资源块，其中所述资源块中的每一个包括多个OFDM频调。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述随机接入信道的所述资源分配包括分布在时间上的多个资源块，其中所述资源块中的每一个包括多个OFDM码元周期。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述随机接入信道的所述资源分配包括分布在频率和时间上的多个资源块，其中所述资源块中的每一个包括多个OFDM频调和多个OFDM码元周期。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述多个资源块中的每一个资源块具有大致等于所述随机接入信道的相干带宽的扩展带宽。

11.一种在基于正交频分复用(OFDM)的网络中使用的设备，包括：

用于在基于正交频分复用(OFDM)的系统中确定有数据需要经由具有资源分配的随机接入信道被传送给远程无线实体的装置，所述资源分配被划分成分布在频率和时间中的至少一者上的多个资源块；

用于响应于所述确定随机地从所述多个资源块中选择资源块来将所述数据运送至所述远程无线实体的装置；以及

用于随机地选择多个可用短扩展码字之一以在所述选定资源块内扩展所述数据的装置。

12.如权利要求11所述的设备，其特征在于：

所述随机接入信道的所述资源分配包括分布在频率上的多个资源块，其中所述资源块中的每一个包括多个OFDM频调。

13.如权利要求11所述的设备，其特征在于：

所述随机接入信道的所述资源分配包括分布在时间上的多个资源块，其中所述资源块中的每一个包括多个OFDM码元周期。

14.如权利要求11所述的设备，其特征在于：

所述随机接入信道的所述资源分配包括分布在频率和时间上的多个资源块，其中所述资源块中的每一个包括多个OFDM频调和多个OFDM码元周期。

15.如权利要求11所述的设备，其特征在于：

所述多个资源块中的每一个资源块具有大致等于所述随机接入信道的相干带宽的扩展带宽。

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