CN102057714A - 用于无线中继帧结构、协议以及操作的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种在无线通信系统中使用的中继站。该无线通信系统包括多个与回程网络可通信地耦合的基站以及至少一个移动站。该中继站由至少一第一基站和一第二基站共享。该中继站包括收发器、控制器和中继电路。该收发器用于向基站和移动站发送信号，以及接收来自基站和移动站的信号。发送至基站的信号包括一单个的前同步信号、MAP和FCH。该控制器与该收发器电连接，并且该控制器用于测量当该移动站连接至该第一基站时该移动站的信号质量。该中继电路与该控制器电连接，并且该中继电路用于基于该信号质量执行从该第一基站至该第二基站的分阶段切换。

Description

用于无线中继帧结构、协议以及操作的系统和方法
技术领域
本发明总地涉及一种无线通信系统和方法，特别是涉及一种适合802.16m的无线中继帧结构、协议以及操作的系统和方法。
背景技术
目前美国电气和电子工程师协会(IEEE)正在讨论确定一种新的用于宽带通信的增强型空中接口标准，以802.16m表示。其中一个需要在802.16m下解决的议题为在无线通信系统中使用中继站(RS)。
当一移动通信设备或者移动站(MS)从由一基站(BS)覆盖的小区或区域移动至由一个不同的基站覆盖的小区时，便可能会出现信号质量衰减、暂时干扰甚至是呼叫中断。当在该系统中引入中继来增加覆盖时，在小区边界处仍有必要从一个BS切换至另一BS。切换甚至还有可能发生在从一RS、即RS1切换至另一RS2的过程中，其中该RS1与第一BS、即BS1相连，而该RS2则与BS2相连。这种额外的过程所导致的额外的延迟将会加剧上述的服务中断的严重程度。多个BS之间可以共享特定的多个RS，即该RS可以相同的帧或者在相同的时刻下与两个BS通信。
过去针对切换业已提出了软切换技术和快速小区切换技术。然而，软切换要求额外的资源以及极需经验的基站内协调。由于这些挑战的存在，即使是设计用于根据IEEE标准的802.16e协议操作的全球微波互联接入(WiMAX)产品也未实现软切换。另外，快速小区切换需要BS之间良好的协调。目前由于快速小区切换所涉及的复杂性，没有任何包括在802.16标准中的方法采用了两个中继之间的快速小区切换。
此外，也不存在允许将RS用作为一接口转换器的协议，例如采用802.16作为回程链路(backhaul)，以提供与其他任何网络之间的连接，所述网络例如是基于IEEE标准802.11、802.15和802.16协议运行的。
此外，在灾难情况中当一基站从网络断开后，该BS便无法迅速、暂时地通过其他BS重新建立必要的通信。于灾难情况下的服务中断，对回程的修复需要几天甚至几周的时间。
最后，在采用多载波的情况下，目前的802.16j标准具有支持以下通信的帧结构：采用相同的频率f1同时进行从该BS至多个MS的通信以及从该BS至该RS的通信，并且采用一第二频率f2进行从该RS至其多个MS的通信以及从该RS至一第二跳(hop)RS的通信。然而，该中继以频率f1进行的从该BS的接收，以及从中继至其多个MS及至多个下级RS的发送是在不同的时刻下通过当前帧结构实现的，这将导致发送消息所需的资源量彻底加倍。
因此，亟需一种能够解决应用于IEEE标准802.16m下的通信时存在的上述缺陷的无线中继帧结构、协议以及操作功能。
发明内容
本发明有利地提供一种用于蜂窝通信系统的中继站。虽然是基于中继站进行描述的，但本发明所述的方法也可以由其他设备、系统和装置实现。
根据本发明的一个方面，提供一种在一无线通信系统中使用的中继站。该无线通信系统包括多个与回程网络可通信地耦合的基站以及至少一个移动站。该中继站由至少一第一基站和一第二基站共享。该中继站包括收发器、控制器和中继电路。该收发器用于：发送无线信号至该第一基站、该第二基站和移动站，以及接收来自该第一基站、该第二基站和移动站的无线信号。发送至该第一基站以及该第二基站的无线信号包括一单个的前同步信号、MAP和FCH。该控制器电连接至该收发器。该控制器用于实现对该移动站的信号质量的测量，该移动站可通信地连接至该第一基站。该中继电路电连接至该控制器。该中继电路用于基于该信号质量，执行该移动站从该第一基站至该第二基站的分阶段切换。
根据本发明的另一个方面，提供一种在一无线通信系统中使用的中继站。该无线通信系统包括至少一个基站和至少一个通信设备。该中继站包括至少一个收发器、至少两个通信接口、接口转换器以及中继电路。该至少一个收发器用于：发送信号至基站和通信设备，以及接收来自基站和通信设备的信号。该至少两个通信接口与该至少一个收发器电连接。每个通信接口采用不同的通信协议栈。该接口转换器与该至少两个通信接口电连接。该接口转换器用于在通信接口之间转换信息，其中所述信息从与通信接口中的第一通信接口有关的第一协议栈转换至与通信接口中的第二通信接口有关的第二协议栈。.该中继电路与该至少一个收发器电连接。该中继电路用于在该基站与该通信设备之间实现信号的中继。
根据本发明的又一个方面，提供一种在无线通信系统中使用的中继站。该无线通信系统包括至少一个基站、至少一个下级中继站以及至少一个移动站。该中继站包括中继电路和第一收发器。该中继电路用于在该基站与该通信设备之间以及该基站与该下级中继站之间实现无线信号的中继。该第一收发器与该中继电路电连接。该第一收发器用于：在采用第一频率接收来自该基站的第一无线信号的同时，采用第二频率将第二无线信号发送至该下级中继站。
附图说明
通过参考一下详细描述并结合附图，将有助于完整地理解本发明，其积极效果和技术特征。
图1为根据本发明的原理所构建的典型蜂窝通信系统的结构示意图。
图2为根据本发明的原理所构建的典型基站的结构示意图。
图3为根据本发明的原理所构建的典型无线终端的结构示意图。
图4为根据本发明的原理所构建的典型中继站的结构示意图。
图5为根据本发明的原理所构建的典型OFDM发送器架构的逻辑分解结构示意图。
图6为根据本发明的原理所构建的典型OFDM接收器架构的逻辑分解结构示意图。
图7为根据本发明的原理采用一个中继站为多个基站提供服务的实现一分阶段切换(phased handoff)的流程示意图。
图8为根据本发明的原理的典型分阶段切换过程的流程示意图。
图9为根据本发明的原理的采用一组中继站为多个基站提供服务的分阶段切换的流程示意图。
图10为根据本发明的原理在中继站中的典型接口转换器功能的流程示意图。
图11为根据本发明的原理在中继站中的另一接口转换器功能的流程示意图。
图12为根据本发明的原理的从灾难中恢复的过程的流程示意图。
图13为示出根据本发明的原理的不同的带外信号的典型中继帧结构选项的表。
图14为根据本发明的原理的有线线路或者非16e中继链路的典型帧结构的示意图。
图15为根据本发明的原理的中继链路与接入链路的干扰性的载波的典型帧结构，该干扰性载波具有单个无线电。
图16为根据本发明的原理的具有不具干扰性的载波的无线中继链路的典型帧结构，该不具干扰性的载波带有两个无线电。
图17为根据本发明的原理的具有不具干扰性的载波的的另一帧结构，该不具干扰性的载波带有两个无线电。
具体实施方式
在详细描述本发明的典型实施例之前，需要注意的是所述实施例主要描述的是装置部件与处理步骤的组合，其中这些装置部件和处理步骤涉及对采用链路自适应方案的通信系统的整体系统性能及频谱效率的改善。因此，该系统和方法的组成部分在附图中的恰当位置处由常规符号表示，为了不至于因为那些对于阅读了本申请的本领域技术人员而言显而易见的细节导致本申请的公开晦涩难懂，这里仅示出与理解本发明的实施例相关的特定细节。
这里所用的相关术语，例如“第一”和“第二”、“顶部”和“底部”等，可以单独使用以区分一实体或者元件与另一实体或元件，但这并不一定要求或暗示这些实体或元件之间存在任何物理关系、逻辑关系或者顺序。
下面参考附图，其中以相似的附图标记表示相似的元件，图1所示的是基于本发明的原理的典型通信系统10。该通信系统10包括基站控制器(BSC)12，该基站控制器用于控制多个小区14内的无线通信，所述小区由相应的基站(BS)16提供服务。在一些构造中，每个小区还分为多个区段18或者区域(图中未示)。一般来说，每个基站16利用正交频分复用技术(OFDM)来促进与移动终端和/或无线终端20的通信，其中这移动终端和/或无线终端20位于与相应基站16相关联的小区14中。移动终端20相对于基站16的移动会导致信道条件的明显波动。如图所示，基站16和移动终端20还可以包括多个天线以为通信提供空间分集。在一些构造中，中继站22辅助基站16与无线终端20的通信。无线终端20可以从任意小区14、区段18、区域(图中未示)、基站16或者中继站22切换至另一小区14、区段18、区域(图中未示)、基站16或者中继站22。在一些构造中，基站16通过回程链路网络24相互通信或者与另一网络(例如一核心网或者因特网，图中均未示)通信。在一些构造中，无需设置基站控制器12。
参考图2，图2所示为基站16的实例。该基站16一般包括控制系统26、基带处理器28、发送电路30、接收电路32、多个天线34a和34b，以及网络接口36。控制系统26可以是中央处理单元(CPU)或者其他控制器或者微处理器。该接收电路32通过接收天线34a接收承载信息的射频信号，所述射频信号来自于移动终端20(如图3所示)或者中继站22(如图4所示)配备的一个或多个远程发射机。虽然图2中仅示出了一个接收天线34a和一个发送天线34b，但是接收天线34a和发送天线34b数量可以为多于一个。此外，该发送天线34b可以与用于接收的天线34a为相同的天线。低噪声放大器和滤波器(图中未示)可以协同作用，以从待处理的信号中放大和去除宽频干扰。降频转换电路和数字化电路(图中未示)将接收到的经过滤波的信号降频转换成一中频信号或者基带频率信号，该中频信号或者基带频率信号被数字化成一个或多个数字流。
基带处理器28处理接收到的经过数字化的信号，以提取该接收到的信号中传送的信息或者数据位(data bits)。通常所述处理包括解调操作、解码操作和纠错操作。照这样，上述基带处理器28通常由一个或多个数字信号处理器(DSP)和/或专用集成电路(ASIC)实现。通过网络接口36经由无线网络发送该接收到的信息，或者将该接收到的信息发送至由该基站16提供服务的另一移动终端20，其中上述发送可以为直接发送，也可在一中继22的辅助下发送。
在发送端，基带处理器28在控制系统26的控制下从网络接口36接收可以表示语音、数据或控制信息的经过数字化的数据，并且对待发送数据进行编码。将该经过编码的数据输出至发送电路30，以利用一个或多个具有理想发送频率的载波信号对其进行调制。功率放大器(图中未示)将该经过调制的载波信号放大至适合进行发送的量级(level)，并且通过匹配网络(图中未示)将该经过调制的载波信号传递至该发送天线34b。调制和处理细节将在下文中详细描述。
参考图3，图3所示为移动终端20的实例。与基站16类似，该移动终端20包括控制系统38、基带处理器40、发送电路42、接收电路44、多个天线46a和46b，以及用户接口电路48。控制系统38可以是CPU或其他处理器或微处理器。该接收电路44通过接收天线46a从一个或多个基站16和中继22处接收承载信息的射频信号。虽然图3中仅示出了一个接收天线46a和一个发送天线46b，但是接收天线46a和发送天线46b数量可以多于一个。此外，发送天线46b可以与用于接收的天线46a为相同的天线。低噪声放大器和滤波器(图中未示)可以协同作用，以放大和去除待处理信号中的宽频干扰。降频转换电路和数字化电路(图中未示)将接收到的经过滤波的信号降频转换成中频信号或者基带频率信号，并将该中频信号或者基带频率信号数字化成一个或多个数字流。
基带处理器40处理接收到的经过数字化的信号，以提取该接收到的信号中传送的信息或者数据位。通常所述处理包括解调操作、解码操作和纠错操作。该基带处理器40通常由一个或多个DSP和/或ASIC实现。
为了实现发送，基带处理器40从控制系统38接收可以表示语音、视频、数据或控制信息的经过数字化的信号，并且对该待发送数据进行编码。将该经过编码的数据输出至发送电路42，在发送电路42处调制器利用该经过编码的数据调制一个或多个具有理想发送频率的载波信号。功率放大器(图中未示)将该经过调制的载波信号放大至一适合发送的量级，并且通过匹配网络(图中未示)将该经过调制的载波信号传递至发送天线46b。本领域技术人员可以采用现有的各种调制技术和处理技术，来实现移动终端与基站之间的信号发送，其中该发送可以为直接发送，也可以通过中继站的辅助实现。
在OFDM调制中，发送频带被分为多重正交载波(multiple，orthogonal carrier waves)。根据待发送的数字数据调制每重载波。由于OFDM将发送频带分为多重载波，当每重载波的带宽下降时，每重载波的调制时间便会上升。由于该多重载波是并行发送的，由任意给定载波承载的数字数据或符号的发送速率均低于采用单个载波时的发送速率。
OFDM调制对待发送信息进行快速傅里叶逆变换(IFFT)。在解调时，则对该接收到的信号进行快速傅里叶变换(FFT)，以还原被发送的信息。在实际中，该IFFT和FFT由数字信号处理过程执行的离散傅立叶逆变换(IDFT)和离散傅立叶变换(DFT)分别实现。因此，OFDM调制的特点在于：针对一发送信道中的多个频带生成多重正交载波。经过调制的信号为具有相对较低的发送速率、并且能够在它们各自的频带中驻留的数字信号。各个载波并不是直接由这些数字信号调制。而是所有载波同时由IFFT处理过程进行调制。
在运行中，较佳地，至少在从基站16至移动终端20的下行链路发送中采用OFDM。每个基站16配备“n”个发送天线34b(n＞＝1)，并且每个移动终端20配备“m”个接收天线46a(m＞＝1)。值得注意的是，各个天线均可以采用合适的双工机(duplexers)或者转换器来实现发送和接收，这里的标记仅是为了清楚说明。
采用中继站22时，较佳地，在从基站16至中继22以及从中继站22至移动终端20的下行链路发送中采用OFDM。
参考图4，图4所示为中继站22的实例。与基站16和移动终端20类似地，该中继站22包括：控制系统50、基带处理器52、发送电路54、接收电路56、多个天线58a和58b，以及中继电路60。控制系统50可以是CPU或其他控制器或微处理器。中继电路60使得中继22得以辅助基站16与移动终端20之间的通信。接收电路56通过接收天线58a，从一个或多个基站16以及移动终端20处接收承载信息的射频信号。虽然图4中仅示出了一个接收天线58a和一个发送天线58b，但是接收天线58a和发送天线58b的数量可以多于一个。此外，发送天线58b可以与用于接收的天线58a为相同的天线。低噪声放大器和滤波器(图中未示)可以协同作用，以放大和去除该待处理信号中的宽频干扰。降频转换电路和数字化电路(图中未示)将该接收到的经过滤波的信号降频转换成中频信号或者基带频率信号，并将该中频信号或者基带频率信号数字化成一个或多个数字流。
基带处理器52对该接收到的经过数字化的信号进行处理，以提取该接收到的信号中传送的信息或者数据位。通常所述处理包括解调操作、解码操作和纠错操作。基带处理器52通常由一个或多个DSP和/或ASIC实现。
为了实现发送，基带处理器52从控制系统50接收可以表示语音、视频、数据或控制信息的经过数字化的数据，并且对待发送数据进行编码。将该经过编码的数据输出至发送电路54，在该发送电路54处调制器利用该经过编码的数据调制一个或多个具有理想发送频率的载波信号。功率放大器(图中未示)将该经过调制的载波信号放大至一适合发送的量级，并且通过匹配网络(图中未示)将该经过调制的载波信号传递至发送天线58b。如上所述，本领域技术人员可以采用现有的各种调制技术和处理技术，来实现移动终端20与基站16之间的信号发送，其中该发送可以为直接发送，也可以在中继站22的辅助下间接实现。
参考图5，图5所示为逻辑OFDM发送架构。首先，基站控制器12(见图1)将以各移动终端20为目的地的待发送数据，直接地或是在中继站22的辅助下，发送至基站16。该基站16可以采用与移动终端20有关的多个信道质量指示符(CQI)，以对待发送数据进行调度，并且为发送经过调度的数据而选项合适的编码和调制。该些CQI可以直接来自移动终端20，也可以由基站16基于移动终端20提供的信息确定。无论在哪一种情况下，每个移动终端20的CQI为：信道振幅(或者响应)随着OFDM频带的不同而发生的变化幅度的函数。
采用数据加扰逻辑电路(data scrambling logic)64，以减小该经过调度的数据的峰均功率比的方式，对该数据进行加扰(scrambled)，其中该经过调度的数据为一比特流。采用CRC添加逻辑电路66来确定针对该经过加扰的数据的一循环冗余校验码(CRC)，并且将该循环冗余校验码附加至该经过调度的数据。采用信道编码逻辑电路68进行信道编码，以有效地向该数据添加冗余，以便于在移动终端20处进行还原和纠错。同样地，针对一特定的移动终端20的信道编码是基于其CQI的。在一些实施例中，信道编码逻辑电路68采用公知的Turbo编码技术。通过速率匹配逻辑电路70对经过编码的数据进行处理，以补偿因编码而导致的数据扩展(data expansion)。
位交织逻辑电路(bit interleaver logic)72系统性地对经过编码的数据中的数据位进行重新排序，以最小化经编码产生的数据位的损失。通过映射逻辑电路74并基于所选的基带调制系统性地将这些经过重新排序的数据位映射为相应的符号。较佳地，采用正交幅度调制(QAM)或者正交相移键控(QPSK)调制。较佳地，根据针对特定移动终端20的CQI选择调制幅度。采用符号交织逻辑电路(symbol interleaver logic)76系统性地对这些符号进行重新排序，以进一步加强被发送的信号对由频率选择性衰落引起的周期性数据损失的抗力。
此时，已经将数据位组群(groups of bits)映射为用于代表幅度相位星座图中的各位置的多个符号了。当需要实现空间分集时，接着通过空时分组码(space-time code block)(STC)编码逻辑电路78对符号组群(bolcks of symbols)进行处理，以对这些符号进行修正，从而使得被发送的信号更加抗干扰，并且更容易在移动终端20处被解码。STC编码逻辑电路78对该些输入的符号进行处理，并根据基站16的发送天线34b的数量提供“n”个输出。如上对图2的描述，控制系统26和/或基带处理器28提供映射控制信号以控制STC编码。此处，假定用于该“n”个输出的这些符号能够代表待发送数据，并且能够被这移动终端20还原。
对于本例来说，假设基站16具有两个发送天线32b(n＝2)，并且STC编码逻辑电路78提供两路符号输出流。相应地，由该STC编码逻辑电路78输出的每路符号流均被发送至一相应的IFFT处理器80a、80b(此处统一用IFFT80表示)，为了便于理解此处将该IFFT处理器80a、80b分开表示。本领域技术人员应当理解：可以采用一个或多个处理器来单独地提供所述的数字信号处理过程，或是结合提供所述的数字信号处理过程以及本文中描述的其它处理过程。较佳地，该IFFT处理器80对各个符号进行运算以进行傅里叶逆变换。IFFT处理器80的输出提供时域中的符号。该些时域符号被分组形成帧，该些帧与以一个在另一个前面的插入逻辑电路82a、82b(此处统一称为前缀插入82)相关。通过相应的数字增频电路(DUC)和数模(D/A)转换电路84a、84b(此处统一以DUC+D/A84表示)，将由此获得的每个信号在数字域中增频转换至一中频，并且转换成一模拟信号。通过RF电路86a、86b(此处统一称为RF电路86)和天线34b，将这些由此获得的模拟信号同时调制至理想的RF频率、放大并发送。需要注意的是，目标移动终端16已知的导频信号在子载波中分散。采用该些导频信号来进行信道估计的该移动终端16将在下文中详细介绍。
现在参考图6，图6所示为：移动终端20直接从基站16处接收被发送的信号，或是移动终端20在中继22的辅助下从基站16处接收被发送的信号。当该被发送的信号到达移动终端20的每个天线46a后，通过相应的RF电路88解调并放大各个信号。为了清楚、简便地进行描述，这里仅对该两条接收路线中的一条进行了详细的描述和图示。为了实现数字处理，模数(A/D)转换器和降频转换电路90对该模拟信号进行数字化处理以及降频处理。自动增益控制(AGC)电路92可以采用由此获得的该经过数字化的信号，以基于该接收到的信号的量级来控制该RF电路88中的该些放大器的增益。
首先，将该经过数字化的信号提供至同步逻辑电路94，该同步逻辑电路96包括粗同步逻辑电路96，该粗同步逻辑电路对多个OFDM符号进行缓冲，并且计算两个连续的OFDM符号之间的自相关度。与该相关度结果的最大值相应的由此获得的时间索引确定了细同步搜索窗口，细同步逻辑电路98利用该细同步搜索窗口并基于包头(header)确定精确的成帧起始位置。该细同步逻辑电路98的输出协助帧定位(frame alignment)逻辑电路100进行帧采集(frame acquisition)。正确的成帧定位非常重要，其使得后续的FFT处理过程能够实现从时域至频域的精确转换。该细同步算法基于接收到的由包头承载的导频信号与已知的导频数据的本地副本之间的相关度。一旦开始进行帧定位采集，前缀移除逻辑电路102会将该OFDM符号的前缀移除，由此获得的样本被发送至频率偏移校正逻辑电路104，从而对系统频率偏移进行补偿，该系统频率偏移是由该发送器和该接收器中不匹配的本地振荡器引起的。较佳地，该同步逻辑电路94包括频率偏移和时钟估计逻辑电路106，该频率偏移和时钟估计逻辑电路106用于基于包头协助估计该被发送的信号中的上述效应，并将估计结果发送至校正逻辑电路104以对OFDM符号进行正确的处理。
此时，已经做好了利用FFT处理逻辑电路108将该些时域中的OFDM符号转换至频域的准备。转换结果为频域符号，并将该些频域符号发送至处理逻辑电路110。该处理逻辑电路110利用分散(scattered)导频提取逻辑电路112提取该被分散的导频信号，并利用信道估计逻辑电路114基于该被提取出的导频信号确定信道估计，并利用信道重构逻辑电路116提供所有子载波的信道响应。为了确定每个子载波的信道响应，该导频信号在本质上是分散在数据符号中的多重导频信号，该些数据符号以已知的时域和频域模式承载于各OFDM子载波中。
继续参考图6，该处理逻辑电路110将接收到的导频符号与应当在特定时刻下出现在特定子载波中的导频符号进行比较，以确定被发送的导频符号所在的该些子载波的信道响应。对该些信道响应结果进行内插计算(interpolated)，以对其余未载有导频符号的全部子载波，或该些子载波中的大部分子载波的信道响应进行估计。采用实际的信道响应和内插计算获得的信道响应来估计总体信道响应，总体信道响应包括OFDM信道中的全部子载波或该些子载波中的大部分子载波的信道响应。
由每条接收路线的信道响应导出的频域符号和信道重构信息被提供至STC解码器118，STC解码器向两条接收路线提供STC解码以还原该发送的符号。在处理各个频域符号时，信道重构信息将均衡信息提供至STC解码器118，该均衡信息足以去除该发送信道的效应。
采用符号解交织逻辑电路120将经过还原的符号依序放回，符号解交织逻辑电路120与基站16的发送器的符号交织逻辑电路76相应。接着采用解映射逻辑电路122将该些经过解交织的符号解调或者解映射为一相应的比特流。接着采用位解交织逻辑电路124解交织该些位，该位解交织逻辑电路124与基站16的发送器架构的位交织逻辑电路72相应。接着由速率解匹配逻辑电路126对该些经过解交织的位进行处理，并将该些位提供至信道解码逻辑电路128，以还原该最初被加扰的数据和CRC校验和。相应地，由CRC逻辑电路130移除该CRC校验和，并以传统方式对该经过加扰的数据进行校验，然后将该经过加扰的数据提供至解扰逻辑电路132，解扰逻辑电路132采用该已知的基站解扰码进行解扰，从而还原最初被发送的数据134。
在还原该数据134的同时，由信道变动分析逻辑电路138确定CQI 136，或者确定足以在基站16处生成CQI的信息，并且将该CQI或者该信息发送至基站16。如上所述，该CQI 136可以为载波干扰比(CIR)140的一函数，以及该信道响应随着该OFDM频带中各子载波的不同而发生的变化幅度的一函数。对于本实施例而言，将该OFDM频带中用于发送信息的每个子载波的信道增益进行相互比较，以确定信道增益随着OFDM频带的改变而发生的变化的幅度。尽管有多种能够测量该变化幅度的技术，其中一种技术为：计算整个OFDM频带中用于发送数据的每个子载波的信道增益的标准差。
采用为多个基站提供服务的中继实现的分阶段切换
共享中继站(RS)为可以与两个或两个以上基站进行通信的中继，但该共享中继站仅发送一单个(signal)的前同步信号(preamble)、媒体访问协议(MAP)和帧控制包头(FCH)。两个或两个以上设置于同一地点、相互连接并且仅发送一单个的前同步信号、MAP和FCH的RS也可被视为共享RS。根据802.16j标准，该共享RS就如同两个与两个BS通信的RS那样工作。采用一个站点的同步信号来进行同步。一旦一个链路中断，则通过其他链路进行的通信也会中断。
参考图7，中继站(RS)22主动地向多个基站(BS)16a、16b提供服务，或者该中继站(RS)22被提供给多个基站(BS)16a、16b。出于图示的考虑这里仅图示了两个BS，但本发明的原理同样适用于一RS 22向任意数量的BS 16提供服务的情况。为了能够从两个基站16a、16b获得良好的信号，该RS 22应被设置于小区的边界处或者区段的边界处。可利用该RS 22进行通信的移动站(MS)20由BS1 16a或者BS2 16b提供服务。可以藉由相对信号强度和/或该MS 20的速度来选择是由BS1 16a还是BS2 16b来提供服务。
图7所示为由接收到的信号强度确定的一段时间内MS 20的移动和通信模式。图8为一典型的操作流程图，其示出了如图7所示的利用中继站进行切换的步骤。在一第一时刻T1，该MS 20直接连接至BS1 16a(步骤S102)。在第二时刻T2，该MS 20已经移动至该RS 22的区域中。沿着直接的MS-BS1路线测量信号强度，以及沿着MS-RS-BS1路线测量信号强度。可以采用信号强度(S)来估计不同链路中的有效信号条件。可以基于对上行链路(UL)或者对下行链路(DL)的测量来确定S，该些测量例如对载波/干扰(C/I)、接收到的信号强度(RSSI)或者干扰幅度的测量，但不局限于此。在本例中，“S1”表示来自BS1 16a的信号幅度(level)，“S2”表示来自BS2 16b的信号幅度，“SR”表示来自RS 22的有效信号幅度。来自RS 22的有效信号幅度与同时考虑BS-RS链路的信号幅度以及RS-MS链路的信号幅度时的信号幅度相等效。
只要沿着中继路线的有效信号强度小于沿着直接通往BS1的路线的信号强度，即(S1，SR)的有效值小于(S1+H1)(步骤S104)，则维持MS-BS1之间的直接通信。H1是一用来引入滞后现象的因子。然而，如果沿着中继路线的有效信号强度大于沿着直接通往BS1的路线的信号强度，即(S1，SR)的有效值大于(S1+H1)(步骤S104)，则此时与MS 20的通信将切换至RS 22，但RS 22仍通过相同的转发节点，即BS 16a维持通信(步骤S106)，并且MS 20通过RS 22与BS1 16a通信(步骤S108)。因此，该切换是基站内的切换并且可以迅速完成。
在某一时刻T3之后，该MS 20移动至该BS2 16b的区域中，并且仍然通过RS 22与BS1 16a连接并同步。通过RS 22提供服务仍然优于直接由BS1 16a或者BS2 16b提供服务。如果MS-RS-BS1连接的有效信号强度大于MS-RS-BS2连接的有效信号强度(步骤S112)，则该呼叫仍然与RS 22保持连接并且通过基站BS1 16a转发至网络。然而，如果MS-RS-BS2连接的有效信号强度大于MS-RS-BS1连接的有效信号强度(步骤S112)，则该RS 22请求将该MS 20部分地切换至BS2 16b，这对该MS 20而言是透明的(transparent)(步骤S114)。该呼叫仍然与RS 22保持连接并且通过基站BS2 16b转发至网络(步骤S116)。切换的同时还进行一定的置信度测量(measure of confidence)，利用滞后来避免“乒乓”效应。由于不会影响到该MS 20的通信，因此RS 22可以具有更高的滞后余量。
一旦能够确信该MS 20已经移动至BS2 16b的范围内，并且BS2 16b能够提供更好的服务，则在时刻T4下便会发生从RS 22至BS2 16b的切换(步骤S120)。这也是基站内的切换，可以迅速完成。由于在该切换过程中，MS 20始终与RS 22连接，因此信号质量不会受到影响。因此该极具风险的BS-BS切换对于MS 20来说将是透明的，并且不会影响信号质量或者造成通话掉线。当每个BS 16a、16b的负载不同时，可以调节该些阈值以反映出该不同的负载，或者应当在上述的估计步骤中基于该不同的负载进行加权。
图9所示为另一实施例，该实施例包括了共享RS组，其中享有同一身份的多个RS 22a、22b、22c、22d和22e与两个BS 16a、16b连接。该过程与上文所述相同，但是在MS 20移动至BS2 16b的范围之前，该MS 20可能会经过该RS组中的数个中间RS 22b、22c、22d和22e，所述数个RS对该MS 20而言是透明的。可选地，该RS22可以是透明的RS，即MS 20甚至不会察觉到从RS至BS的切换。
采用中继站作为空中接口转换器
通过在802.16中继站22中设置多于一个接口，便可以使该中继站22可被用作接口转换器。该中继站22可以在一无线网络中被用作聚合器，并且从一个接口采集数据并将采集的数据转发至其他接口。中继站22可以在多于一个接口上实现一个或多于一个的无线电通信。在单个无线电通信的情况下，利用某些用于分时的接口特性，例如802.11免竞争校时，便可以实现时域多路复用(TDM)技术。基站16与该中继站22之间的数据转发是基于layer 2的，因此实现所需的系统开销更少。
现在参考图10，定义两个协议栈144、146，以使RS 22作为一接口转换器。该转换器RS 22应用一系列802.16协议144，以实现与遵守802.16协议族的多跳中继基站(MR-BS)16或者RS 22的通信。转换器RS 22设置另一接口146，以与设置有相同类型接口的设备通信，所述设备例如为移动站、用户设备等等。例如，在图10中该第二接口146采用802.11协议。在该遵守802.16协议的MR-BS 16与转换器RS 22之间建立无线隧道或者传输连接148。可以通过MS 20或者转换器RS 22从上层提取服务质量(QoS)信息，并且将所述服务质量信息插入隧道封包包头或者连接封包包头中。对BS 16与转换器RS 22之间的无线隧道/连接的路由控制和QoS控制纯粹是基于layer 2的。通过为每个上层流定义一layer 2流ID，BS 16和接入RS 22能够实现无线隧道148上的上层包头压缩，layer 2流ID与该接入RS 22以及流ID与该压缩规则之间的匹配方式(coupling)有关。
在图10中，采用中继媒体存取控制(R-MAC)实现该无线隧道或者传输连接148。该R-MAC协议是单点到多点(PMP)MAC的扩展，并且在该MAC通用子层(MAC CPS)上定义了额外要求的且可选的功能，从而在结合了PMP MAC CPS功能之后，该R-MAC协议可以通过一个或多个RS 22在MR-BS 16与MS 20之间高效地实现MAC封包数据单元(MAC PDU)的双向转发。可以基于所采用的调配模型，在该MR-BS 16与RS 22之间分配该MAC CPS功能的位置，该MAC CPS功能用于向该MS 20提供控制和数据传输。
当由于结合了MR特性，使得该MR-BS对RS以及RS对RS的空中接口上的协议层与BS-SS空中接口上的相应层不同时，这些MR-BS对RS以及RS对RS的空中接口上的协议层将由一“R”开头。因此该些MR-BS对RS以及RS对RS的空中接口上的物理层以R-PHY表示，并且这些空中接口上的MAC层以R-MAC表示。当该些层与该SS对BS接口上的相应层相同、并且沿用了其技术参数时，则该些层可以用PHY和MAC表示。采用R-MAC CPS和R-MAC安全子层这样的术语，来表示包括MR功能的扩展MAC子层。
转换器RS 22还可被用作无线网关、无线接入点(AP)(802.11)或者无线主控设备(802.15)。
图11所示为本发明的另一实施例，其中无线隧道或者传输连接148中不采用R-MAC。一般来说，MR-BS 16作为IP路由器或者IP网桥。输入的上层封包被分类至该RS 22的单个无线传输隧道/连接148中。从上层包头，例如从IP的区分服务体系结构中提取QoS信息，并且与隧道/连接信息一起承载于隧道/连接封包中。无线隧道148中的中继站22用作layer 2路由器，并且基于隧道信息和QoS信息转发数据，其中所述隧道信息和QoS信息是与隧道/连接封包包头和/或子包头一起传输的。
该接入RS 22(转换器RS)用作802.16域中的IP路由器以及802.11域中的AP(网关)。该接入RS 22具有两种接口，802.16接口144和802.11接口146。从802.11域收集所有发往因特网的封包，并将这些封包映射至接入RS 22的隧道/连接148。从上层提取QoS信息并将该QoS信息承载于隧道/连接封包的包头中。从BS 16接收到的所有封包均被转发至MS 20或者其他计算机站点(STA)。
出于同步的目的以及为了应对灾难/紧急情况的发生，基站通过RS与其 他BS连接
在标准操作中，所有基站16利用专用的有线回程链路24或者专用的无线电信道直接进行网络通信。根据本发明的原理，基站(BS)16可以利用一作为中间节点的中继站(RS)22，通过另一已建立网络连接的BS接入网络。当由于灾难或者紧急情况而导致网络接入中断时，便可以实施上述连接。连接中断的该BS 16搜索已经连接至其他BS的中继器22，接着采用一紧急标识符与所述其他基站建立连接。由相连的BS 16提供的服务可能仅是受限操作。该RS 22应当能够监听两个BS 16，以在紧急情况中当整个网络链路都发生了断线时快速地重新建立通信。紧急救济队可以前往该区域，采用特殊手段例如微波为一个BS提供网络连接，并在该邻近的BS 16的小区边界处设置特殊的中继站22，由此来扩展网络。通过在较远的BS之间设置中继22，便可以使较远的BS 16以链式BS的方式相连。虽然可能无法提供完整的服务，但本发明的实施例提供了解决回程问题、协调无线资源管理(RRM)或者为应对特殊需求而暂时建立BS的快捷方法。此外，在本发明的实施例中，即使没有网络连接，也允许一组BS独立地为一局部区域提供服务。
在紧急操作中，BS可以一可选的网络接入模式或者一独立运行模式进行操作。在该可选的网络接入模式中，当BS由于某些原因从网络断开时，该BS会标识其紧急服务，并尝试通过已接入网络的可用中继建立网络连接。如果所有的通信连接均被重新定向，则已接入网络的BS可能会超载。因此，允许的紧急服务取决于可用的资源。例如文本短信、短时间通话或拨打911等等。在独立运行模式中，如果没有其他已建立网络接入的无线系统可供利用，则BS可以与其他BS连接以形成一较大的网络，并继续在其覆盖区域内提供本地服务。这样，处于该由相连的BS构成的网络中的手机将能够相互通信，并且能够获得对实际情况的更全面了解。
现在参考图12，图12为BS 16在一可选的网络接入模式中运行的典型操作流程图。为了建立BS-BS RRM协调并且利用中继实现BS之间的紧急消息的发送，假设中继(RS0)与两基站连接，其中BS1(主BS)已经建立了同步，而BS2(从BS)则尚未建立同步或者丧失同步。此外，假设由于例如灾害情况的发生，通过例如回程等正常路由来重建同步的多次尝试均告失败。BS2无法与网络建立连接(步骤S122)，例如回程失败、BSC等等。BS2发送一请求至相连的多个中继，询问这些中继是否具有已与网络建立连接的路线。若有，该BS2与该中继的帧结构同步，并对自己的帧进行定位(步骤S124)。
为了建立BS-BS同步，RS0在与BS完全相同的时刻发送通常由BS在其DL中发送的帧起始前同步信号。由于RS0已连接至BS1，因此RS0可以通过监听下行链路的前同步信号来建立同步。可以根据BS1建议的时序调节来调节上行链路测距信号校时，从而实现上行链路同步，接着通过计算累计的时序调节信号，该RS可以估计往返时延(RTD)，并且通过将其自己的DL发送帧(包括该DL发送帧的帧起始信号)调节RTD/2来获得与BS DL发送之间的严格同步。类似地，随后BS2便可以与该RS0的发送实现同步。在这种情况下，该BS具有用于侦测该DL前同步信号的额外DL接收器硬件，以及额外的UL测距信号发送器。
可选地，该从BS(BS2)可以基于该中继22通过UL发送的特殊的前同步信号获得同步。BS2监听该前同步信号，与中继22通过上行链路发送的该以R为前缀的前同步信号同步，将该以R为前缀的前同步信号标识为发自一特定地点，并开始发送自己的以R为前缀的前同步信号。每个RS 22对于其他以R为前缀的前同步信号都具有其自己的监控时隙。RS0监听该BS的以R为前缀的前同步信号，并通过估计时差来获知RTD。该延迟量被发回BS2，BS2则将其帧提前RTD/2。如上所述，需要额外的DL接收器硬件，但是用于中继操作的针对以R为前缀的前同步信号的发送器通常是已有的。
在另一可选实施例中，BS2还可以发送具有准确偏移的UL测距信号来取代该以R为前缀的前同步信号。由于该UL测距信号或许能够提供精确的同步信息，故而该方法或许更加准确。这将需要额外的DL接收器硬件和UL测距发送器。
回到图12，当BS2重新获得同步后，通往BS1的路线被确定(步骤S126)，并且利用该新的路线重新建立网络连接(步骤S128)。可以有两种方式来实现所述连接。BS2可以作为连接至新网络的中继，或者BS2可以作为利用例如隧道协议由该新路线连接的独立BS。
BS2发送将被转发至BS1的专用消息。中继22在下行链路(DL)中从BS2接收该数据，并且在下一帧中采用上行链路(UL)转发该数据。这与通常的中继操作是大不相同的，通常的中继操作是：该中继22从BS DL接收数据，并通过中继DL将数据转发至另一中继或者MS 20。这便意味着该中继22必须等待至下一个RS-BS UL才能够将该数据转发至BS1。
即使在建立连接之后，BS2持续搜索其他可能是通过中继相连的网络。如果通过另一中继搜索到另一网络，BS2对连接至该另一网络中的相连BS所需的跳数发送询问请求，若该跳数少于当前网络中的跳数，则BS2将切换至该新的网络。此时或许需要重新同步。
由于在一灾难发生之后，散布关于相连网络的可用性信息需要一定的时间，因此应当进行多次常规尝试，以便一较远的BS得以建立连接。如果未能在一定时间内与这样一个网络建立连接，则该BS进入独立运行模式。在独立运行模式中，BS2仍然会定期地尝试接入相连的网络。
多载波中继操作
本发明的一实施例改变了帧结构，使得中继站在采用一第一频率f1从BS接收信息的同时，还能够采用一第二频率f2向该中继站的下级中继站发送信息，从而节省了资源。如果该两个频率相差很远，则由此增加的复杂性将可以忽略，并且可以采用简单的双工机来实现该过程。然而，如果第一频率f1和第二频率f2位于相近的频带内，则可能需要采用某些特定的隔离电路。根据本发明的原理构建的帧结构将同时支持以上两种情况下的应用。
将该中继22的帧结构构建为：使得向下级RS发送数据的区域与从上级RS接收数据的区域重叠。这样一来，仅需对该双工机和滤波器进行一些细微的改进，便可以在不引起任何干扰的前提下，利用完整的中继区域来同时实现上述两方面目的。
图13所示的表150示出了各种情况下的频率设定。例如，在选项A 152中，该中继链路/回程链路可以为一有线线路，或者不遵守802.16e协议的无线线路，例如微波、Wi-Fi等等。在选项B 154中，中继链路与接入链路可以采用不同的802.16e载波，并且这些载波之间具有足够的间隔以不致相互干扰。在选项C 156中，中继链路可以采用一邻近的或相邻的载波频率，从而该中继站22不可能同时实现接收和发送。最后，在选项D 158中，该中继链路/回程链路可以是无线链路，并且该中继链路与接入链路采用相同的载波，例如：频带内中继、当前的802.16j协议。需要注意的是，在情况B1 160和情况C1 162中，MS 20在从BS 16移动至RS 22的过程中采用相同的载波。RS 22和BS 16采用两种载波进行发送。对于情况B2 164和情况C2 166而言，BS-MS和BS-RS链路采用相同的载波，而RS 22则在接入链路和中继链路中采用两种载波。MS 20在从BS 16移动至RS 22的过程中必须切换载波。
现在参考图14，图14描述的是选项A 152，其中中继链路/回程链路为有线线路或者不遵守802.16e协议的无线线路。此时，该RS帧结构168符合802.16j协议，但是该帧结构168也可应用于非802.16e的中继链路。
图15描述的是选项B 154，左侧所示为情况B1 160，右侧所示则为情况B2 164，其中该中继链路采用互不干扰的载波。值得注意的是，在图15所示的情况中，中继站22包括一单个无线电。由于载波互不干扰，该RS 22可以以一个频率进行接收，同时以另一频率进行发送。这需要改变802.16j的帧结构，并且需要额外的RS 22设备，例如一双工机。而对于选项C 156而言，由于该中继链路采用了具有干扰性的载波，例如频率相近的载波，因此该选项无法以上述的利用一具有一单个无线电的中继站22的方式来实现。
图16也描述了选项B 154的情况，但不同的是此时RS 22包括两个无线电。在情况B1 160中，可以采用标准的802.16j MR-BS链路作为遵守中继站的802.16j标准的两个无线电。对于情况B2 164，如果无线电1工作于一接入区域中，即MS模式中，以与该BS通信，则Fy载波操作遵守802.16j协议，而Fx载波操作遵守802.16e协议。
图17所示为情况C 156中的帧结构，左侧为情况C1 162，右侧为情况C2 166，其中该中继站22包括两个无线电。由于该两个载波互相干扰，因此可能需要采用特殊的隔离电路以防止干扰。如同选项B 154的情况，如果无线电1工作于一接入区域中，即MS模式中，以与该BS通信，则Fy载波操作遵守802.16j协议，而Fx载波操作遵守802.16e协议。
本领域的技术人员应当理解本发明并不局限于上述的具体实施方式。另外，只要不出现相反的描述，则本发明的全部附图均不是按比例绘制的。本领域的技术人员在不背离本发明的范围和实质的前提下，可以根据上述教导对这些实施方式做出多种变更或修改，本发明的范围和实质仅受权利要求书的限制。

Claims (20)

1.一种在无线通信系统中使用的中继站，该无线通信系统包括：多个与回程网络可通信地耦合的基站以及至少一个移动站，该中继站由至少一第一基站和一第二基站共享，该中继站包括：
收发器，所述收发器用于向所述第一基站、所述第二基站以及移动站发送无线信号，并接收来自所述第一基站、所述第二基站以及移动站的无线信号，发送至所述第一基站以及所述第二基站的无线信号包括单个的前同步信号、MAP和FCH；
电连接至所述收发器的控制器，所述控制器用于测量所述移动站的信号质量，所述移动站可通信地连接至所述第一基站；以及
电连接至所述控制器的中继电路，所述中继电路用于基于所述信号质量执行所述移动站从所述第一基站至所述第二基站的分阶段切换。
2.如权利要求1所述的中继站，其中，基于所述移动站的相对信号质量或者所述移动站的速度执行所述分阶段切换。
3.如权利要求1所述的中继站，其中所述分阶段切换包括：
在所述第一基站与所述中继站之间进行第一基站内切换；
进行从所述第一基站至所述第二基站的部分切换，该部分切换维持所述中继站与所述移动站之间的连接；以及
在所述中继站与所述第二基站之间进行第二基站内切换。
4.如权利要求3所述的中继站，其中，
所述第一基站内切换是响应于以下事件而发生的：确定沿着第一路线的所述移动站的信号质量优于沿着第二路线的所述移动站的信号质量，其中所述第一路线包括所述中继站和所述第一基站，所述第二路线为直接通往所述第一基站的路线；
所述部分切换是响应于以下事件发生的：确定沿着第三路线的所述移动站的信号质量优于沿着所述第一路线的所述移动站的信号质量，其中所述第三路线包括所述中继站和所述第二基站；以及
所述第二基站内切换是响应于以下事件发生的：确定沿着第四路线的所述移动站的信号质量优于沿着所述第三路线的所述移动站的信号质量，其中所述第四路线为直接通往所述第二基站的路线。
5.如权利要求3所述的中继站，其中所述通信系统还包括一组下级中继站，所述收发器还用于向该组下级中继站发送无线信号、并且从该组下级中继站接收无线信号，该分阶段切换还包括在该组下级中继站中的下级中继站之间进行至少一次部分切换。
6.如权利要求1所述的中继站，其中，响应于所述第一基站从网络断开，所述中继电路还用于将所述第一基站可通信地连接至作为中间节点的所述第二基站。
7.如权利要求6所述的中继站，其中，所述第二基站保持与所述回程网络的连接，所述中继站在网络接入模式下运行，其中所述第一基站仅具有有限的功能。
8.如权利要求7所述的中继站，其中，
所述收发器还用于从所述第一基站接收紧急标识符；以及
所述中继电路还用于：
采用下行链路前同步信号或特殊的上行链路的以R为前缀的前同步信号，来建立与所述第一基站的同步；以及
通过所述第二基站将所述第一基站连接至网络。
9.如权利要求8所述的中继站，其中所述收发器还用于：
在第一帧的下行链路部分中从所述第一基站接收数据；并且
通过下一个帧的上行链路部分将该数据转发至所述第二基站。
10.如权利要求6所述的中继站，其中所述第二基站也从网络断开，所述中继站在独立运行模式下运行，所述独立运行模式将所述第一基站连接至所述第二基站从而形成一局域网。
11.一种在无线通信系统中使用的中继站，所述无线通信系统包括至少一个基站和至少一个通信设备，所述中继站包括：
至少一个收发器，所述收发器用于向基站和通信设备发送信号，以及接收来自基站和通信设备的信号；
与所述至少一个收发器电连接的至少两个通信接口，每个通信接口实现不同的通信协议栈；
与所述至少两个通信接口电连接的接口转换器，所述接口转换器用于在通信接口之间转换信息，其中所述信息从与通信接口中的第一通信接口有关的第一协议栈转换至与通信接口中的第二通信接口有关的第二协议栈；以及
与所述至少一个收发器电连接的中继电路，所述中继电路用于在所述基站与所述通信设备之间实现信号中继。
12.如权利要求11所述的中继站，其中所述第一协议栈为802.16，所述第二协议栈为802.11或802.15。
13.如权利要求11所述的中继站，其中无线隧道可通信地耦合在所述基站与所述中继站之间，所述无线隧道基于数据链路层在所述基站与所述中继站之间转发数据。
14.如权利要求13所述的中继站，其中所述无线隧道采用中继媒体存取控制来运行。
15.如权利要求13所述的中继站，其中所述无线隧道从与所述数据链路层相关的上层包头中提取服务质量信息，并且将所述服务质量信息和隧道信息承载于隧道封包中。
16.一种在无线通信系统中使用的中继站，所述无线通信系统包括至少一个基站、至少一个下级中继站以及至少一个移动站，所述中继站包括：
中继电路，所述中继电路用于在所述基站与所述通信设备之间以及所述基站与所述下级中继站之间实现无线信号中继；以及
与所述中继电路电连接的第一收发器，所述第一收发器用于：在采用第一频率接收来自所述基站的第一无线信号的同时，采用第二频率将第二无线信号发送至所述下级中继站。
17.如权利要求16所述的中继站，其中所述无线信号包括帧结构，所述帧结构具有用于向下级中继站进行发送的发送区域，以及用于从基站或者上级中继站进行接收的接收区域，所述发送区域与所述接收区域重叠。
18.如权利要求16所述的中继站，其中所述第一频率和所述第二频率互不干扰。
19.如权利要求16所述的中继站，还包括与所述第一收发器电连接的双工机，所述双工机用于将所述第一无线信号与所述第二无线信号结合。
20.如权利要求16所述的中继站，其中所述第一频率和所述第二频率互相干扰，所述中继站还包括：
与所述中继电路电连接的第二收发器，在所述第一收发器采用第二频率将第二无线信号发送至所述下级中继站的同时，所述第二收发器采用第一频率接收来自所述基站的第一无线信号，以及
连接在所述第一收发器与所述第二收发器之间的隔离电路，所述隔离电路用于隔离所述第一无线信号与所述第二无线信号。
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