CN101647212A - 多跳上举器 - Google Patents

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Abstract

公开了双向无线转发器和上举器系统和方法。该系统和方法提高了在非许可频带(ISM和/或UNII)中操作并且支持蜂窝(或无线)网络通信信道的在用户和网络单元之间的三跳转发器的中间跳跃的信号质量和强度。对于非许可频带中的给定通信带宽，该系统和方法使得能够支持更宽的转发频谱或带宽。

Description

多跳上举器
相关申请的交叉引用
本专利申请要求以在2007年1月16日提交的、题为“Multi-Hop Booster”的美国临时专利申请序列号No.60/885,195在35U.S.C.§119下的优先权，其全部公开通过引用合并于此。
技术领域
本文档描述了新颖的双向无线转发器和上举器(booster)。
背景技术
大多数3G和所谓的4G系统(4G系统大部分基于正交频分复用调制(OFDM))支持高数据率，并且因此相比于诸如GSM的2G系统，具有带宽(BW)更大的通信信道。例如，5MHz的宽带码分多址(WCDMA)信道是GSM 200kHz信道的25倍，同时WiMax信道BW大于50倍或更多。
当前述操作关于单一通信信道是真实的时，全球移动系统(GSM)跳频(FH)特性使得GSM设备能够在全部的分配的频带内跳跃，意味着在会话期间，单一GSM信道将在比静态的WCDMA或WiMax信道宽得多的BW上操作。这实际上表示：不具有遵从FH算法能力的转发器或上举器设备，不得不“穿过”允许GSM通信信道跳跃的整个频谱，该频谱通常是给给定运营商的整个分配频谱。
另外，给特定运营商分配GSM频谱可能是或者可能不是连续的。同时，期望转发器或上举器设备仅仅在“预期的”网络运营商的许可频率上操作，避免在“预期的”运营商许可频谱之外的信道内的任何操作。这个要求意味着：转发器(或者上举器)不得不被设计为仅仅利用可能是或可能不是连续的一组特定信道来操作。图2说明了这种场景的例子，其中在给定区域内的给定运营商具有三个10MHz的非连续频带，总共30MHz(15MHz上行链路和15MHz下行链路)，并且其中GSM派生网络(derived network)能够在任何75个可用信道上跳频。理想地，图2所示的转发器将仅仅选择、上举和转发感兴趣的信道，如图所示。
更进一步地，因为在给定方向上转发的频谱现在是15MHz，所以网络和用户单元之间的数字链路将要求大得多的操作BW(一个方向15×2×2×10＝600Mbs/s)，尽管有可能，但是对于小的消费者设备其可能是不实际的。如果大部分频谱被同时使用，那么可能还很难满足频谱规范以及诸如动态频率选择(DFS)和非许可频带中的频率发射掩模的管理要求。因此，对于在网络和用户设备之间的中间跳跃，基于OFDM的链路(或者任何其它数字调制的链路)可能不是最合适的方案。
发明内容
本文件公开了对于在非许可频带(ISM和/或UNII)中操作并且支持蜂窝(或无线)网络通信信道的用户和网络单元(图1)之间的中间跳跃(图1中的跳跃2)的新颖的双向通信系统和方法。对于非许可频带(图1中的跳跃2)中的给定通信带宽，该系统和方法使得能够支持更宽的转发频谱(带宽)。同时，公开了使得上举器能够进行“网络友好”操作的信道和频谱选择算法，这意味着上举器将不操作并且不转发其它第三方网络频率。这有效地消除了由其它第三方网络中的转发器操作引起的任何不想要的损害。最后，对于允许每个协议层(包括物理和MAC层)上的消息在转发器(上举器)和运营网络之间交换的转发器，定义了控制和数据通信信道和机制。
在附图和以下说明书中阐述了一个或多个实施例的细节。根据说明书和附图，并根据权利要求，将清楚其他特征和优点。
附图说明
现在将参考以下附图，详细描述这些和其它方面。
图1示出了三跳上举器系统。
图2说明了新的转发器或上举器要求。
图3示出了网络单元下行链路数据通路。
图4示出了替代的网络单元下行链路数据通路。
图5示出了用户单元的下行链路数据通路。
在各个附图中相似的附图标记表示相似的元素。
具体实施方式
以下说明基于在PCS带上操作的北美的GSM派生网络。采用很小的改动，下述系统和技术可应用于GSM/GPRS/EDGE、cdma2000、WCDMA、WiMax以及任何其它蜂窝和/或无线通信系统。标题均为“Short-RangeBooster”由Mohebbi于2003年9月3日提交的专利申请WO2005025078和2004年1月12日提交的专利申请WO2005069249(其内容为了全部目的通过引用结合于此)描述了三跳短距离上举器或转发器。
图3是示出网络单元的下行链路数据通路300的框图。数据通路是复数(complex)格式。用户单元的相关的复数下行链路数据通路如图5所示。在下行链路数据通路300中，转发器(上举器)对所分配的PCS频带的整个下行链路频谱进行下转换(在RF FE中)，并使用模数转换器(ADC)302对它进行数字化。也有可能对PCS频谱的连续部分进行下转换和数字化，该频谱上用于给定运营商的系统预期是跳频的。在一些情况下，可能更实际的是，并行使用几个RF收发器来覆盖频谱的感兴趣的块。
回到图2，只对PCS频谱的E、F和C-4块感兴趣，而在上举器数据通路中避免所有其它块。为了选择感兴趣的频带，同时阻止其它信道，200kHz信道化滤波器(优选的是后接FFT块306的多相滤波器304)可连接到ADC302。在FFT块306的输出处，根据原始的频谱BW，将有多个200KHz信道。例如，如果只对E、F和C块进行数字化(如25MHz)，则会有125个信道，其中只有75个应该被选择并传递给用户单元。尽管频谱的信道化和信道选择也可以在用户单元处进行，但优选的是，这些任务在网络单元处执行，因为它还将信号BW从125个信道减少到75个信道，降低了UNII信道的BW要求。
在频谱的信道化之后，在“FCC&SCH&BCCH检测”模块308处测量和记录每个信道(频率控制信道(FCCH)、同步控制信道(SCH)和广播控制信道(BCCH))的平均接收信号强度指示符(RSSI)，并且基于对这些RSSI读数，识别来自于所选择信道的最强的可能BCCH载波。在最强信道的选择之后，使用FCCH来将参考频率输出给“时钟生成器”模块310和本地振荡器(LO)312，其中所生成的参考频率被用来纠正本地振荡器频率误差，将LO 312和时钟锁定到BTS频率参考值。
在此操作之后，检测同步信道(SCH)，并且解码BCCH消息以提取移动网络代码(MNC)和位置区域标识(LAI)，以及其它系统广播信息。如果解码的MNC属于期望的PLMN，则使用LAI确定在给定区域中必须由转发器(上举器)支持的活动信道(在此例子中为75个)的列表。期望的信道的列表被传递给“信道选择&复用”模块314，该模块314选择信道并将它们接连调制到间隔200kHz的载波上，同时增加采样率并支持15MHz总BW。应遵守信道到达时的顺序，因为频率规划被用来避免相同小区中的相邻信道，使得相邻信道不互相干扰。
在不连续的频谱边界，如果两个强信道碰巧接连着结束，那么信道分配顺序必须通过具有低RSSI的信道来改变，或者需要在两个强信道之间插入“哑”信道。还应注意确保最终波形不违背UNII带的频谱发射掩模(mask)。在这点的波形将至少包括所有(75)GSM信道，即使波形与进入小区RF FE的下行链路信号的波形不同。在从BTS(以及上行链路上的MS)发送的原始信号中，存在81/4码元持续期(-30微秒)的功率斜坡间隙(power-rampinggap)，其中没有信息被发送。
可通过从SCH提取的TS定时来检测时隙(TS)边界以及间隙的开始，并且用于两个目的：
1)前同步码和控制信道码元的插入-由“插入前同步码&CCH”模块316执行此任务。前同步码可类似于802.11a前同步码的长码元，但可使用一个、两个或更多个码元。CCH码元还可类似于802.11a的OFDM码元，承载从网络到用户单元的系统信息。注意，类似的链路存在于用户和网络单元之间的上行链路中。
2)从Tx到Rx以及从Rx到Tx切换UNII频带收发机-雷达检测要求此操作，并且通过如下来执行：在将发送切换到用于下个发送周期(例如，1.154毫秒)的第二信道和将第一信道上的收发机切换到Rx模式之前在短期内(例如，1.154毫秒)在UNII信道上发送，接收反向链路传输以及检测雷达脉冲。在缺少上行链路传输的情况下，收发机切换基于下行链路TS边界。然而，一旦MS开始在上行链路上传输，就建立TS传输时间并用来移动切换时间，以避免在任何上行链路时隙期间进行切换，但是在下行链路时隙边界之一处继续切换。
在数模转换器(DAC)320之前的低通滤波器(LPF)318确保无论合成的模拟波形频谱形状是什么，都符合UNII频带的频谱发射掩模。在很大程度上，图5所示的接收机侧能够均衡LPF 318的效果。
图4中示出了网络单元下行链路数据通路的替代实现方式。在该实现方式中，取代图3的作为GSM基带(BB)算法的子集的“FCC&SCH&BCCH检测”模块308，与MAC一起使用完全GSM手持机BB模块408，使得网络单元能够解码业务(TCH)和其它系统信道，以及所有前述信道。这些附加信道的解码使得网络单元能够从网络接收“专用”消息。另外，包括进“GSMBB&MAC”模块408和“上举器应用”模块410，这使得网络单元能够与PLMN网络建立专用的双向通信链路，在转发器(上举器)和网络之间交换控制和信息(以及物理层消息)。这些消息可属于从应用到物理层的任何层。
图5示出了用户单元的下行链路数据通路。因为第二跳的衰落削减对于可接受的性能是重要的，所以尽管在Rx SNR足够高的情况下可能使用单一分支接收机(没有分集)来操作，但是优选地，用户单元UNII信道接收机至少具有两分支天线分集方案，如最大比合并(MRC)。
连接到每个收发机的ADC 506依次连接到三个模块：雷达检测模块508、信道估计模块510和均衡器512。雷达检测模块508执行雷达检测算法以检测雷达脉冲。该算法可基于简单RSSI和期望阈值，因为GSM要求在整个链路中保持最小9dB的SNR。闭环功率控制可用于保持UNII频带中的GSM信道的要求的SNR，使得能够进行雷达检测。
因为信号在时间弥散信道中，所以在任何分集合并之前对接收机的每个分支使用均衡器512是重要的。在每个新传输期的开始时发送的前同步码用于均衡器的训练。由信道估计模块510提取该前同步码。如果给定前同步码的长度不够，则可以使用来自之前存储的传输期的前同步码历史以获得更大的前同步码。还可以使用在操作开始时的长的前同步码，以收敛到一组均衡器权重，从而使用更短的当前的前同步码，跟踪并收敛到在各传输期之间的短时间内经历的微小的权重改变。另外，因为每个GSM TS大约是577gsec，考虑到传输持续期大于几个TS，所以在一个传输期(比如11.54毫秒)中可能传输几个(比如10个)前同步码。信道均衡器512可基于简单迫零(Zero-Forcing)算法，或者为了低SNR的更好的噪声性能，可使用最小均方误差(MMSE)算法。也可使用其他均衡技术。均衡器512去除时间弥散(dispersion)，改善SNR并且为相关合并纠正每个分支的相位。
在相关合并之后，控制信道(CCH)解码器514解码控制信道，并且消息被用于配置多相滤波器516、FFT模块518和“解复用&信道选择”模块520。这些模块的任务是：将输入的信号信道化为200MHz信道，改变采样率和将输入信道解调到它们原始的位置，并最终增加采样率以支持新信号BW。用在网络单元中以提取参考频率信号的相同FCCH信道可被用在用户单元中，以提取参考频率，如由FCCH检测模块522检测。否则，前同步码和/或CCH可用于频率锁定两个网络和用户单元。用于切换UNII收发机的时间同步还可基于前同步码和/或CCH码元定时，和/或类似的SCH检测块(未在图5中示出)。输出波形被发送给小区收发机以经由DAC传输。
除了如下的区别，上行链路数据通路类似于下行链路数据通路。在用户单元中，不需要“FCC&SCH&BCCH检测”模块。替代地，RSSI估计模块被用于寻找上行链路传输的电平和定时。定时和RSSI电平信息被发送给网络单元，用于选择UNII链路上的最佳切换时间。在网络单元中，不需要“FCCH检测”模块，因为通过下行链路数据通路，两个单元完全同步于BTS。
尽管上面已经详细描述了一些实施例，但是其它改动是可能的。其它实施例可落入以下权利要求的范围内。

Claims (7)

1.一种无线转发器，包括：
网络单元，具有用于与基收发机系统通信的第一收发机和用于与用户单元通信的第二收发机，所述网络单元包括：
模数转换器，对来自所述第一收发机的射频信号进行数字化；
多相滤波器模块，用于对来自所述模数转换器的数字化的射频信号进行滤波；
快速傅立叶变换模块，用于对滤波的、数字化的射频信号执行FFT运算；
信道选择和复用模块，用于信道化和复用所述快速傅立叶变换模块的输出；以及
FCCH、SCH和BCCH检测模块，用于从所述快速傅立叶变换模块的信道化的输出中检测和选择每个频率控制信道、同步控制信道和广播控制信道中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的无线转发器，其中所述FCCH、SCH和BCCH检测模块从所选择的控制信道中选择最强的BCCH载波信号。
3.根据权利要求1所述的无线转发器，还包括前同步码和控制信道插入模块，用于将前同步码和控制信道插入信道化和复用的所述快速傅立叶变换模块的输出。
4.根据权利要求3所述的无线转发器，还包括：
低通滤波器，用于对所述前同步码和控制信道插入模块的输出进行滤波；以及
数模转换器，用于将数字化的、滤波的所述前同步码和控制信道插入模块的输出转换为模拟输出信号。
5.根据权利要求5所述的无线转发器，其中所述模拟输出信号是UNII频带中的无线信号。
6.一种无线转发器，包括：
网络单元，具有用于与基收发机系统通信的第一收发机和用于与用户单元通信的第二收发机，所述网络单元包括：
模数转换器，用于对来自所述第一收发机的射频信号进行数字化；
多相滤波器模块，用于对来自所述模数转换器的数字化的射频信号进行滤波；
快速傅立叶变换模块，用于对滤波的、数字化的射频信号执行FFT运算；
信道选择和复用模块，用于信道化和复用所述快速傅立叶变换模块的输出；以及
GSM BB和MAC模块，用于与用户单元建立专用的双向通信网络。
7.一种多跳上举器系统，包括：
与无线基收发机站通信的网络单元，以及在所述网络单元和用户设备之间通信的用户单元，所述网络单元包括：
模数转换器，用于对来自第一收发机的射频信号进行数字化；
多相滤波器模块，用于对来自所述模数转换器的数字化的射频信号进行滤波；
快速傅立叶变换模块，用于对滤波的、数字化的射频信号执行FFT运算；
信道选择和复用模块，用于信道化和复用所述快速傅立叶变换模块的输出；以及
数模转换器，用于将数字化的射频信号转换为一个或多个信道上的模拟输出信号；以及
对于所述一个或多个信道中的每一个，所述用户单元包括：
模数转换器，用于对来自所述网络单元的所述模拟输出信号进行数字化；
信道估计器，用于估计在其上接收所述模拟输出信号的、一个或多个信道中的所选择的信道；以及
均衡器，用于均衡所选择的信道上的任何时间弥散；以及
所述用户单元还包括：
相关合并器，用于合并所述均衡器的输出；
多相滤波器模块，用于对合并的所述均衡器的输出进行滤波；
快速傅立叶变换模块，用于对滤波的、合并的所述均衡器的输出执行FFT运算；
信道选择和解复用模块，用于信道化和解复用滤波的、合并的所述均衡器的输出；以及
模数转换器，用于对滤波的、合并的所述均衡器的输出进行数字化，以产生用于用户设备的上举输出信号。
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