CN101682923B - 正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法及无线装置 - Google Patents

正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法及无线装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法及无线装置。其中正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法，其特征在于，包括：(a)在正交频分复用无线网络中，由移动台通过利用主要载波执行共用入网程序；(b)由所述移动台与基站交换多载波能力；以及(c)若所述移动台和所述基站均支持多载波能力，则使能通过多个频道的多载波传输。本发明通过移动台与基站交换多载波能力提供一种统一的入网程序，从而可使能OFDM多载波系统的运作。

Description

正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法及无线装置
技术领域
本发明有关于无线网络通信，尤其是有关于正交频分复用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM)多载波系统中的入网(network entry)方法及无线装置。
背景技术
在当前无线通信系统中，通常利用5MHz～10MHz的无线电带宽以最多达到100Mbps的峰值(peak)传输率。下一代无线通信系统将采用更高的峰值传输率。举例来说，国际无线通信咨询委员会(ITU-R)要求高级国际移动通信(称之为IMT-Advanced，如第四代行动通信系统)有1Gbps的峰值传输率。然而，当前的传输技术难以执行100bps/Hz的传输频谱效率(spectrumefficiency)。可预见在今后的几年也仅能达到15bps/Hz的传输频谱效率。因此，下一代无线通信系统将需要更大的无线电带宽(即至少40MHz)以实现1Gbps的峰值传输率。
OFDM是高效复用协议，用以在频率选择信道执行高传输率，而不受载波间干扰(inter-carrier interference)的扰乱。OFDM已被IEEE 802.16m和长期演进技术(Long-Term Evolution，LTE)标准草案所采纳，且OFDM预作为下一代无线通信系统的基础。基于OFDM，已开发各式各样的多个访问方案(如OFDMA、OFDM/CDMA及OFDM/TDMA)且已应用在多用户(multi-user)无线系统中。
图1(先前技术)是对OFDM系统利用更大无线电带宽的两个典型架构示意图。在传统OFDM系统中，单射频(Radio Frequency，RF)载波用于运载一个宽带(wideband)无线电信号，而在OFDM多载波系统中，多个RF载波用于运载多个窄带无线电信号。在图1的示例中，传统OFDM系统1利用单RF载波#1运载宽带无线电信号#1，其中宽带无线电信号#1通过一个频道(frequency channel)#1(即40MHz带宽，4096FFT)传输。另一方面，OFDM多载波系统11利用四个RF载波#1～#4运载四个窄带无线电信号#1～#4，其中每个窄带无线电信号#1～#4通过相应的10MHz频道#1～#4(即10MHz带宽，1024FFT)传输。
相较于传统OFDM系统，OFDM多载波系统具有多个优势。首先，由于对每个载波具有更小的FFT大小(size)，因此OFDM多载波系统对上行链路(uplink)传输具有更低的峰值平均功率比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)。其次，OFDM多载波系统更易于支持旧式(legacy)OFDM系统的后向兼容性(backward compatibility)。例如，OFDM多载波系统中的频道划分为10MHz带宽以适应旧式WiMAX系统。再次，相同的频道带宽和参数可以更好的再利用(reuse)当前的硬件设计，如旧式物理(physical，PHY)层设计。最后，在OFDM多载波系统中，于移动台(Mobile Stations，MSs)中可更灵活的支持不同数目的载波及执行不同等级的服务能力(service capabilities)。鉴于这些优势，OFDM多载波系统已成为IEEE 802.16m和进阶长期演进技术(LTE-Advanced)标准草案中的基线(baseline)系统架构，以满足高级国际移动通信的需求。因此期望提供一种统一的入网程序(procedure)以使能OFDM多载波系统的运作。
发明内容
有鉴于此，本发明提供正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法及无线装置。
本发明提供一种正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法，其特征在于，包括：(a)在正交频分复用无线网络中，由移动台通过利用主要载波执行共用入网程序；(b)由所述移动台与基站交换多载波能力；以及(c)若所述移动台和所述基站均支持多载波能力，则使能通过多个频道的多载波传输。
本发明提供一种一种无线装置，其特征在于，包括：第一传输模块，通过第一频道运作于第一射频载波；第二传输模块，通过第二频道运作于第二射频载波；以及可适性多载波控制器，在正交频分复用无线网络中选择所述第一射频载波以通过基站执行共用入网程序，其中所述无线装置与所述基站交换多载波能力，若所述基站支持多载波能力，则使能所述第二射频载波以通过所述第二频道进行数据传输。
本发明提供一种正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法，其特征在于，包括：(a)在正交频分复用无线网络中，由基站从移动台接收主要载波的入网请求；(b)由所述基站与所述移动台交换多载波能力；以及(c)若所述移动台和所述基站均支持多载波能力，则通过多个频道接收数据信号。
本发明通过移动台与基站交换多载波能力提供一种统一的入网程序，从而可使能OFDM多载波系统的运作。
其它实施例及其优势详述如下。此处并无意图限制本发明，本发明由所附权利要求内容所界定。
附图说明
下列图示用于说明本发明实施例，其中相同的标号代表相同的组件。
图1(先前技术)是对OFDM系统利用更大无线电带宽的两个典型架构示意图。
图2是根据一个新颖方面说明OFDM无线网络的入网程序的示意图。
图3是根据一个新颖方面在OFDM多载波系统中入网程序的方法流程图。
图4是多载波基站的简化方块示意图。
图5是多载波移动台的简化方块示意图。
图6是在没有入网允许指标的共用入网程序期间的例子示意图。
图7是在有入网允许指标的共用入网程序期间的例子示意图。
图8是在共用入网程序期间选择主要RF载波以避免子载波失准运作的例子示意图。
图9是表明在单载波基站、多载波基站、单载波移动台及多载波移动台间的入网能力示意图。
图10是在OFDM无线系统中执行附加入网和使能多载波传输的例子示意图。
图11是在OFDM无线系统中激活次要载波以同时支持多载波的数据传输的示意图。
图12是OFDM无线系统中在激活用于数据传输的次要RF载波之前的具有测距程序的附加入网示意图。
具体实施方式
如下详述本发明的一些实施例，并参阅相关附图说明。
图2是根据一个新颖方面说明OFDM无线网络20的入网程序的示意图。OFDM无线网络20是多载波通信系统，其包括多载波基站BS22(图中标识为22)及多载波移动台MS24(图中标识为24)。且多载波基站BS22及多载波移动台MS24均支持四个RF载波#1～#4。为了访问无线网络，多载波移动台MS24需要通过多载波基站BS22执行入网程序以与多载波基站BS22同步时间和频率，且协定其它网络能力和参数。如图2所示，入网程序分为两个阶段：第一阶段为共用(common)入网程序；第二阶段为附加(additional)入网程序。在共用入网程序期间，多载波移动台MS24首先选择一个RF载波(如图2中所示的RF载波#2)作为主要(primary)RF载波执行入网。多载波移动台MS24向多载波基站BS22发送入网请求。在共用入网程序期间多载波移动台MS24还与多载波基站BS22交换多载波能力。在附加入网程序期间，多载波移动台MS24可通过次要(secondary)RF载波(如图2中所示的RF载波#3)选择性地执行附加测距(ranging)程序。成功完成测距程序之后，多载波移动台MS24接着使能多载波传输，以便RF载波#2与RF载波#3同时支持数据传输。
图3是详细描述在OFDM无线网络20中入网程序的方法流程图。多载波移动台MS24于第一阶段的共用入网程序开始，其中共用入网程序可应用于单载波移动台或多载波移动台。在步骤30，多载波移动台MS24扫描也许可用于执行入网的所有下行链路(downlink)载波。在步骤31，多载波移动台MS24接着与下行链路载波建立同步。在步骤32，多载波移动台MS24接收来自多载波基站BS22的信息，该信息有关于是否允许已同步下行链路载波执行入网。若不允许，则多载波移动台MS24返回至步骤31，继续下一可用(available)载波。若允许，则多载波移动台MS24选择该载波作为主要载波且进行步骤33以获得该主要载波的上行链路参数。在步骤34，多载波移动台MS24对该主要载波执行测距。在共用入网程序期间，于步骤35，多载波移动台MS24也与多载波基站BS22交换基本能力和多载波能力。于步骤35中交换的信息包括多载波基站BS22与多载波移动台MS24是否支持单载波及/或多载波能力、天线数目及/或多载波基站BS22与多载波移动台MS24所支持的RF载波数目。
于共用入网程序中成功完成测距后，在步骤36，多载波移动台MS24则通过主要载波与多载波基站BS22建立初始连线。接着，多载波移动台MS24进入第二阶段的附加入网程序。在与多载波基站BS22交换了多载波能力后，在步骤37，多载波移动台MS24首先确定是否使能多载波传输。若否(如多载波基站BS22不支持多载波能力)，则多载波移动台MS24进行步骤40并通过主要载波开始运作及传输数据。若是，则多载波移动台MS24与多载波基站BS22交换信息以决定将使用的次要载波，其中次要载波是多载波移动台MS24通过多载波基站BS22不执行入网操作的载波。随后则在步骤38，多载波移动台MS24接收来自多载波基站BS22的次要载波的参数。在步骤39，多载波移动台MS24对次要载波执行测距。对次要载波成功完成测距后，则于步骤40，多载波移动台MS24使能多载波传输，且多载波移动台MS24能够同时通过主要载波和次要载波传输数据。
图4是多载波基站BS22的简化方块示意图。多载波基站BS22包括共用介质访问控制(MediaAccess Control，MAC)模块42、可适性多载波控制器44、多个物理层模块(如所示PHY1～PHY4)、多个RF收发器(如所示RF1～RF4)、多个天线及复用器46，其中复用器46连接PHY模块及RF收发器。每个PHY模块、RF收发器及天线形成如图4所示的一个传输模块。例如，PHY1、RF1及天线构成第一传输模块，PHY2、RF2及天线构成第二传输模块。每个传输模块对应一个RF载波的运作，比如第一传输模块通过频道(即第一频道)运作于第一RF载波(即主要RF载波)，第二传输模块通过另一频道(即第二频道)运作于第二RF载波(即次要RF载波)。共用MAC模块42耦接于可适性多载波控制器44及多个传输模块。通过利用共用MAC模块，MAC层设计可适用于不同的RF载波和天线组态。多载波基站的统一收发器架构尤其适用于上述图2和图3所说明的统一入网程序。
图5是多载波移动台MS24的简化方块示意图。相似于图4中所示的多载波基站BS22，多载波移动台MS24包括共用MAC模块52、可适性多载波控制器54、多个PHY模块(如所示PHY1～PHY4)、多个RF收发器(如所示RF1～RF4)、多个天线及复用器56，其中复用器56连接PHY模块及RF收发器。再次通过利用共用MAC模块，多载波移动台MS24的MAC层设计可适用于不同的RF载波和天线组态。根据本发明多载波移动台的统一收发器架构尤其适用于统一入网程序。
在一新颖方面，于共用入网程序期间，基站可传输入网允许(allowance)指标至移动台以协助移动台作出更好的主要载波选择。图6是表明在共用入网程序期间选择主要RF载波的一个实施例的示意图。如图6所示，五个多载波移动台MS1～MS5扫描可用RF载波，之后选择一个RF载波作为主要RF载波以通过多载波基站BS62(图中标识为62)执行入网。多载波基站BS62为移动台提供四个可用载波#1～#4以执行入网，但是多载波基站BS62并不提供其中哪个载波更优或哪个并非更优的附加信息。于是，每个移动台随机选择一个载波作为其主要载波。在图6所示的例子中，多载波移动台MS1选择载波#4，多载波移动台MS2选择载波#2，多载波移动台MS3和MS4各选择载波#3，多载波移动台MS5选择载波#1。若如此随机选择主要载波导致负载不平衡(load unbalance)，那么多载波基站BS62不得不利用网络小区内切换(intra-cell handover)程序以切换移动台的主要载波。
图7是表明在共用入网程序期间选择主要RF载波的另一个实施例示意图。如图7所示的例子中，多载波基站BS62传输入网允许指标72至移动台MS1～MS5。入网允许指标72可包括优选一个或多个可用载波的信息或加载一个或多个可用载波的信息，例如本实施例中入网允许指标72包括诸如将特定载波作为主要载波是否更优的信息。这种优选基于负载平衡及其它网络参数。在图7所示的例子中，载波#1具有最轻的负载且首选作为主要载波。通过经由入网允许指标72从多载波基站BS62接收如此信息，在入网程序的初始阶段(initial stage)，多载波移动台MS1～MS5能够选择RF载波#1作为其主要载波且实现负载平衡。除了初始入网，所提出的允许指标也可用于切换再进入(reentry)程序(即切换再入网)。
图8是在共用入网程序期间选择一主要RF载波以避免子载波失准(misalignment)运作的例子示意图。除达到负载平衡外，入网允许指标可作为其它目的以协助主要载波的选择。在一个OFDM系统中，有时通过每个频道所传输的无线电信号的中心频率(center frequency)不同于OFDM系统中的定义。如图8所示，多载波基站BS82(图中标识为82)支持两个RF载波：载波#1与载波#2，且载波#1相邻于载波#2。载波#1运载无线电信号#1且由频道#1传输。载波#2运载无线电信号#2且由频道#2传输。无线电信号#1的中心频率与频道#1的预定义中心频率一致，而无线电信号#2的中心频率与频道#2的中心频率相比则发生了偏移，在使能载波#2之前转换用于数据传输的中心频率。结果，由于在初始阶段未知中心频率，因此多载波移动台MS84可能无法通过频道#2与多载波基站BS82连接。在图8所示的例子中，多载波基站BS82传输入网允许指标86至多载波移动台MS84(图中标识为84)，以引导多载波移动台MS84选择载波#1作为主要载波。由此，多载波移动台MS84将不会浪费额外的时间扫描难于与其建立连接的剩余载波。
在另一个新颖方面，于共用入网程序期间，移动台和基站也可交换多载波能力，以使统一的两阶段(two-stage)入网程序在单载波基站、多载波基站、单载波移动台及多载波移动台之间是兼容的。图9是表明在OFDM无线系统90中单载波基站、多载波基站、单载波移动台及多载波移动台间的入网能力示意图。OFDM无线系统90包括单载波基站、多载波基站、单载波移动台及多载波移动台的混合，例如单载波基站BS92(图中标识为92)、多载波基站BS96(图中标识为96)、多载波移动台MS94(图中标识为94)及单载波移动台MS98(图中标识为98)。在第一情境(scenario)中，多载波移动台MS94通过单载波基站BS92执行入网，其中单载波基站BS92仅支持RF载波#1。在新颖的两阶段入网程序下，在第一阶段的共用入网期间，多载波移动台MS94首先选择载波#1作为主要载波且执行测距。由于单载波基站BS92不支持多载波能力，因此不再需要第二阶段的附加入网。在第二情境中，单载波移动台MS98通过多载波基站BS96执行入网。单载波移动台MS98仅支持RF载波#1，而多载波基站BS96支持四个RF载波#1～#4。在新颖的两阶段入网程序下，单载波移动台MS98在第一阶段的共用入网期间选择载波#1作为主要载波且执行测距。由于单载波移动台MS98不支持多载波能力，因此不再需要第二阶段的附加入网。由此，统一的两阶段入网程序与OFDM无线系统90中的单载波基站、多载波基站、单载波移动台及多载波移动台兼容。
若基站和移动台均支持多载波能力，那么可在选择主要载波和交换多载波能力之后，执行第二阶段的附加入网程序。图10是在OFDM无线系统100中执行附加入网和使能多载波传输的例子示意图。OFDM无线系统100包括多载波基站BS102(图中标识为102)与多载波移动台MS104(图中标识为104)。多载波基站BS102支持通过系统运营商(operator)所指定的四个10MHz载波#1～#4传输无线电信号，多载波移动台MS104支持通过20MHz载波(利用2048FFT)传输。如图10所示，对于初始入网，多载波移动台MS104选择载波#1作为主要载波且开启中心1024FFT以支持10MHz的载波#1。通过无效(null)中心1024点外的FFT，多载波移动台MS104仅传输10MHz的波形无线电信号。多载波移动台MS104控制其频率合成器(frequency synthesizer)调整中心频率以扫描传输自多载波基站BS102的下行链路信号。多载波移动台MS10与通过载波#1且传输自多载波基站BS102的下行链路信号同步。结果，多载波移动台MS104的中心频率与载波#1相同。
图11是在OFDM无线系统100中激活次要载波以同时支持多载波的数据传输的示意图。在图11所示的例子中，多载波移动台MS104激活载波#2作为多载波传输的次要载波。当激活次要载波时，多载波移动台MS104不得不变换其中心频率位置以确保其2048FFT能够覆盖载波#1和载波#2的带宽。因此，多载波移动台MS104则需要一些时间以重新配置其RF频率合成器及基带硬件。此外，多载波移动台MS104还需要使能软件控制实体(entity)以通过次要载波处理发送信令(signaling)。于是，在使能多载波传输之前需要保留一短时间段以用于多载波移动台MS104进行重新配置并且接着执行测距。
图12是OFDM无线系统中在激活用于数据传输的次要RF载波之前的具有测距程序的附加入网示意图。在图12所示的例子中，通过多个频道使能多载波传输，主要载波用于通过频道#1运载无线电信号，次要载波用于通过频道#2运载无线电信号。在已为初始测距选择主要载波并为了数据传输连接主要载波后，移动台对次要载波执行附加测距程序。移动台分别利用测距信道126和128传输测距请求(ranging request)122和124。典型地，基站可通过次要载波(即第二RF载波)回复测距响应(ranging response)。然而，如图12所示，基站可通过主要载波中存在的连接回复测距响应130，即频道#1对次要载波(即第二RF载波)接收测距响应130。因此，当移动台通过次要载波执行测距时，将不会中断主要载波的通信。
虽然本发明已就较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的变更和润饰。因此，本发明的保护范围当视之前的权利要求书所界定为准。

Claims (28)

1.一种正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法，其特征在于，包括：
(a)在正交频分复用无线网络中，由移动台通过利用主要载波执行共用入网程序；
(b)由所述移动台与基站交换多载波能力；以及
(c)若所述移动台和所述基站均支持多载波能力，则使能通过多个频道的多载波传输。
2.如权利要求1所述的正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法，其特征在于，更包括：
(d)根据接收自所述基站的入网允许指标获得所述主要载波以执行所述共用入网程序。
3.如权利要求2所述的正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法，其特征在于，步骤(d)中获得所述主要载波系根据所述入网允许指标扫描多个载波且选择所述多个载波中的一个载波作为所述主要载波，以执行所述共用入网程序。
4.如权利要求3所述的正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法，其特征在于，所述入网允许指标包括优选一个或多个可用载波的信息。
5.如权利要求3所述的正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法，其特征在于，所述入网允许指标包括加载一个或多个可用载波的信息。
6.如权利要求1所述的正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法，其特征在于，步骤(a)中的所述执行包含获得所述主要载波的上行链路参数及对所述主要载波执行测距。
7.如权利要求1所述的正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法，其特征在于，所述共用入网程序包括支持初始入网或切换再入网的运作。
8.如权利要求1所述的正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法，其特征在于，步骤(b)中交换的所述多载波能力包括所述移动台和所述基站是否支持多载波运作的信息。
9.如权利要求1所述的正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法，其特征在于，步骤(b)中交换的所述多载波能力包括所述移动台和所述基站同时支持的天线数目或载波数目的信息。
10.如权利要求1所述的正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法，其特征在于，更包括：
(d)在使能多载波传输之前利用次要载波执行测距；以及
(e)接收所述次要载波的测距响应。
11.如权利要求10所述的正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法，其特征在于，所述次要载波是所述移动台通过所述基站不执行入网运作的载波。
12.如权利要求10所述的正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法，其特征在于，所述次要载波的所述测距响应通过所述主要载波回复。
13.如权利要求1所述的正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法，其特征在于，对多载波传输使能次要载波，且其中步骤(c)中的所述使能包含转换所述移动台的中心频率及重新配置硬件。
14.如权利要求1所述的正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法，其特征在于，所述移动台支持单载波运作或多载波运作，且其中所述基站支持单载波运作或多载波运作。
15.一种无线装置，其特征在于，包括：
第一传输模块，通过第一频道运作于第一射频载波；
第二传输模块，通过第二频道运作于第二射频载波；以及
可适性多载波控制器，在正交频分复用无线网络中选择所述第一射频载波以通过基站执行共用入网程序，其中所述无线装置与所述基站交换多载波能力，若所述基站支持多载波能力，则使能所述第二射频载波以通过所述第二频道进行数据传输。
16.如权利要求15所述的无线装置，其特征在于，所述可适性多载波控制器根据所述基站提供的入网允许指标选择所述第一射频载波。
17.如权利要求15所述的无线装置，其特征在于，使能所述第二射频载波以进行数据传输之前，所述无线装置对所述第二射频载波执行测距。
18.如权利要求17所述的无线装置，其特征在于，所述无线装置通过所述第一频道对所述第二射频载波接收测距响应。
19.如权利要求15所述的无线装置，其特征在于，所述第二射频载波相邻于所述第一射频载波，且其中在使能所述第二射频载波之前转换用于数据传输的中心频率。
20.如权利要求15所述的无线装置，其特征在于，更包括：
共用介质访问控制层，耦接于所述第一传输模块与所述第二传输模块，其中所述共用介质访问控制层还耦接于所述可适性多载波控制器。
21.一种正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法，其特征在于，包括：
(a)在正交频分复用无线网络中，由基站从移动台接收主要载波的入网请求；
(b)由所述基站与所述移动台交换多载波能力；以及
(c)若所述移动台和所述基站均支持多载波能力，则通过多个频道接收数据信号。
22.如权利要求21所述的正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法，其特征在于，更包括：
(d)提供入网允许指标给所述移动台。
23.如权利要求22所述的正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法，其特征在于，所述入网允许指标包括优选一个或多个射频载波的信息。
24.如权利要求21所述的正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法，其特征在于，步骤(b)中交换的所述多载波能力包括所述移动台及所述基站是否支持多载波运作的信息。
25.如权利要求21所述的正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法，其特征在于，步骤(b)中交换的所述多载波能力包括所述移动台及所述基站同时支持的天线数目或载波数目的信息。
26.如权利要求21所述的正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法，其特征在于，更包括：
(d)通过次要载波接收数据信号之前，对所述次要载波接收测距请求；以及
(e)传输所述次要载波的测距响应。
27.如权利要求26所述的正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法，其特征在于，所述次要载波的所述测距响应系通过所述主要载波回复。
28.如权利要求21所述的正交频分复用多载波无线通信系统中入网方法，其特征在于，所述移动台支持单载波运作或多载波运作，且其中所述基站支持单载波运作或多载波运作。
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