CN103124211B - 全双工-分频双工网络中可运作半双工-分频双工的用户装置的实行方法 - Google Patents

全双工-分频双工网络中可运作半双工-分频双工的用户装置的实行方法 Download PDF

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Abstract

本发明为全双工‑分频双工网络中可运作半双工‑分频双工的用户装置的实行方法，提供一种应用于包含至少一基站与至少一用户装置的一无线通信网络中的方法。透过改变现存第三代合作伙伴计划针对长期进化及宽频多重分码存取/演进式高速封包存取的半双工运作的规范，根据本发明的方法可达成简化用户装置的前端模块的效果。

Description

全双工-分频双工网络中可运作半双工-分频双工的用户装置的实行方法
技术领域
本发明与无线通信装置相关，并且尤其与无线通信装置的前端模块简化技术相关。
背景技术
近年来，手机和电脑等无线通信装置的功能渐趋复杂，其中可内建多种无线系统，例如蜂巢式调制解调机(cellular modem)、蓝牙模块、全球导航模块和无线区域网络模块。在第三代合作伙伴计划(3GPP)标准中，手机和电脑被称为用户装置。
用户装置中的蜂巢式调制解调机通常为多模式、多频带，并可支持多种接收器及/或传送器。所谓多模式系指支持以下所列通信规格中的数种或所有通信规格：全球移动通信系统(global system for mobile communications,GSM)、增强型数据速率GSM进化(enhanced data rate for GSM evolution,EDGE)、宽频码分多址存取(wideband code division multiple access,WCDMA)、分时同步码分多址(time divisionsynchronous code division multiple access,TD-SCDMA)、长期进化(long termevolution,LTE)。要在单一手机中整合如此复杂的无线功能，并且仍须兼顾大小、成本及功率消耗等诸多限制，无疑是个大挑战。
用户装置的操作模式有全双工(full duplex,FD)和半双工(half duplex,HD)两种。在全双工模式中，接收器和传送器同时运作。在半双工模式中，接收器和传送器不同时运作。如图1所示，在全双工-分频双工(frequency division duplex,FDD)系统中，用户装置的接收器及传送器同时运作在不同频率，藉此将上行和下行信号路径适当分隔。相对地，利用相同载波频率且于时域分隔上行和下行信号的半双工方式称为分时双工(time division duplex,TDD)。半双工-分频双工模式可令上行和下行通信不仅透过不同频率传送，在时域也被分隔。藉由为各用户装置安排不同的传输时间，传输资源可被充分利用。当用户装置采用半双工-分频双工时，基站可操作在全双工模式。
一般而言，全双工-分频双工运作需要配合传送器天线的双工器，以及对应于分集式天线中不同频带的个别滤波器。用户装置支持的全双工-分频双工频带愈多，就需要愈多滤波器及双工器；此方案显然仅适用于频带数量较少时。双工器和滤波器大多被设计为采用表面声波(surface acoustic wave,SAW)技术或体内声波(bulkacoustic wave,BAW)技术。再者，大体积元件将导致额外的封装及印刷电路板成本。简言之，在网络类型众多的情况下，若全双工运作为必要条件，用户装置的设计成本和复杂度都相当高。宽频码分多址(WCDMA)/演进式高速封包存取(evolvedhigh-speed packet access,HSPA+)和分频双工长期进化都是运作在全双工模式。第三代合作伙伴计划(3GPP)中的半双工运作模式的标准化工作目前未臻完整。
相对地，半双工-分频双工和半双工-分时双工适用于无滤波器的接收器。这种接收器的实现方式较简单，成本也较低，其复杂度无关于支持的半双工频带数量。GSM/GPRS/EDGE用户装置通常操作在半双工-分频双工模式，而分时长期进化和分时同步码分多址/高速封包存取则是采用分时双工模式。
以下概述多频带、多模式、多天线用户装置中的收发器和前端模块在不同面向的复杂度。
传统收发器中的全双工–分频双工操作
用户装置通常包含一蜂巢式基频调制解调机、一功率管理单元、一无线收发器芯片、一个或多个无线放大器以及一前端模块。前端模块包含多个天线、一组被动滤波器和双工器、一组天线开关。就支持多模式、多频带、多天线的传统接收器而言，其前端模块的复杂度随着支持的全双工/半双工频带数量(分别以NFD和NHD表示)以及支持的天线数量(NA)线性上升，包含：
-NA个天线；
-NPA个功率放大器，NPA通常小于(NFD+NHD)。单一功率放大器通常能支持一组位于相同频率区域的频带。因为可利用宽频功率放大器，NPA不会太大(举例而言，仅使用两个宽频功率放大器和两个功率放大器开关便可涵盖700兆赫到2600兆赫之间的频带)；
-NFD个双工器和[(NA-1)*NFD]个接收器滤波器，供所有全双工运作的成对分频双工频带(全双工-分频双工)同时进行的接收/传送(假设只有一个天线被用于传送器运作而全部NA个天线皆被用于接收器运作)；
-(NA*NHD)个接收器滤波器，涵盖执行半双工运作的所有频带；
-NA个单极多投(single pole multiple throw)天线开关，每一个天线开关的投数为(NHD+NFD+NPA)；投数愈多，成本愈高但效能愈低；
-印刷电路板，其大小会随调制解调机的元件数量增加；
-总数为[NA*(NHD+NFD)]的接收器路径需要相同数量的低杂讯放大器和大量收发器芯片接脚(会使整体成本增加)。
无滤波器(filter-less)的收发器方案的优点和限制
近来无线收发器设计的发展已能实现无滤波器的前端模块，也就是在各天线及其相对应的接收器间无需滤波器。这种做法的挑战在于接收器需要一个非常线性的低杂讯放大器，以免原本可被滤波器衰减的频带外阻扰(out-of-band blocker)降低接收器的敏感度。在GSM、GPRS和EDGE系统中，无滤波器的接收器已相当普遍。
在700~1000兆赫区域支持四个频带、在1700~2100兆赫区域支持四个频带、2200~2600兆赫区域支持四个频带的传统双功率放大器(如图2所示)需要2*12=24个接收器滤波器、一个单极十四投(SP14T)开关、一个单极十二投(SP12T)开关及二十四个低杂讯放大器。如此大量的非集成元件的成本相当高昂，以致于能支持世界各地所有频带的全球电话几乎不可能实现。
就完全无滤波器的方案来说，(NA*NHD)个滤波器/双工器及等量相对应的低杂讯放大器会被数量少很多的宽频低杂讯放大器取代。该数量正比于频带区域和接收器天线的数量。举例而言，如图3所示，具有两接收器天线的一半双工收发器在700~1000兆赫区域支持四个频带、在1700~2100兆赫区域支持四个频带、2200~2600兆赫区域支持四个频带，通常不需要接收器滤波器、功率放大器开关，但需要两个功率放大器、一个单极五投(SP5T)开关，一个单极三投(SP3T)天线开关和三对宽频低杂讯放大器。
然而，无滤波器方案仅适用于半双工-分频双工和半双工-分时双工运作，不适用于全双工-分频双工运作。WCDMA/HSPA+和分频双工长期进化系统因此都无法采用无滤波器方案。平均能量大约为24dBm的本地传送器信号等同于强烈的频带外阻扰，会对低杂讯放大器无法容忍的干扰。除非能提供滤波效果，将此功率下压至低杂讯放大器能容忍的范围，否则接收器不可能操作在全双工-分频双工模式。
部分无滤波器(partial filter-less)的收发器的可行性
应用在半双工频带(GSM/GPRS/EDGE、TD-SCDMA、TD-LTE等标准采用的频带)的部分无滤波器方案可提供某些好处，但这些好处远不及前述完全无滤波器的收发器在成本/效能/功率等方面提供的效益。承接前述范例，若有50%的支持频带(每一频带区域的四个频带中的两个频带)操作于半双工模式，则前端模块须包含：
-半双工频带：无双工器或滤波器、两个单极三投(SP3T)开关、三对低杂讯放大器；
-全双工频带：八个双工器、八个接收器滤波器、相对应的十六对低杂讯放大器；
-一个单极十一投(SP11T)开关、一个单极十投(S P10T)开关；
-两个功率放大器、小功率放大器天线开关；
因此，如图4所示的混合方案仍然总共需要两个天线、六个双工器、六个接收器滤波器和十八个低杂讯放大器，这种高价方案对于大部分的消费者来说是无法接受的。
以上范例呈现了若欲降低用户装置客制化设计量，在实现全球化全双工运作时会遭遇的困难。最主要的困难点在于针对各区域的全双工-分频双工频段进行客制化的高昂成本。
发明内容
根据本发明的一具体实施例为一种应用于包含至少一基站与至少一用户装置的一无线通信网络中的方法。该方法包含一控制步骤：由该至少一基站通知该至少一用户装置一间接信息或一直接信息，该间接信息或该直接信息与支持半双工-分频双工运作相关。
根据本发明的另一具体实施例为一种应用于包含至少一基站与至少一用户装置的一无线通信网络中的方法。该至少一基站至少支持半双工-分频双工运作。该方法包含一安排步骤：安排该至少一基站的一传输时程，使该至少一用户装置可得到多个同频监看期间。每一个同频监看期间具有由该至少一基站定义之一时间与一频率，且该多个同频监看期间内未安排任何用户装置传输活动。
根据本发明的另一具体实施例为一种应用于包含至少一基站与至少一用户装置的一无线通信网络中的方法。该至少一基站至少支持半双工-分频双工运作。该至少一用户装置至少支持半双工-分频双工运作。该方法包含一控制步骤：令该至少一用户装置创造多个传输时间间隙。该多个传输时间间隙符合该至少一基站定义的一个或多个限制。
根据本发明的另一具体实施例为一种应用于包含至少一基站与至少一用户装置的一无线通信网络中的方法。该至少一基站至少支持演进式高速封包存取运作。该至少一用户装置不支持演进式高速封包存取运作的全双工-分频双工模式。该方法包含一控制步骤：由该至少一用户装置直接或间接通知该至少一基站该用户装置不支持演进式高速封包存取运作的全双工-分频双工模式。
根据本发明的另一具体实施例为一种应用于包含至少一基站与至少一用户装置的一无线通信网络中的方法。该至少一基站至少支持演进式高速封包存取运作。该至少一用户装置支持演进式高速封包存取运作的半双工-分频双工模式。该方法包含一控制步骤：由该至少一用户装置直接或间接通知该至少一基站该用户装置支持演进式高速封包存取运作的半双工-分频双工模式。
关于本发明的优点与精神可以藉由以下发明详述及附图得到进一步的了解。
附图说明
图1为分频双工、分时双工和半双工-分频双工的运作方式示意图。
图2绘示了包含双功率放大器且支持十二个频带的传统无滤波器收发器。
图3绘示了包含宽频低杂讯放大器的传统无滤波器收发器。
图4绘示了一传统部分无滤波器收发器。
图5绘示了一蜂巢式通信系统。
主要元件符号说明
510、520、530：基站
540、550：用户装置
具体实施方式
本发明的主要目标在于透过改变现存第三代合作伙伴计划(3GPP)针对长期进化及WCDMA/HSPA+的半双工运作的规范，以达成简化用户装置(例如蜂巢式手机或电脑)的前端模块的效果。此一支持半双工模式的构想无须强迫所有现存基站进行升级。
以下段落将介绍应用于长期进化及/或WCDMA标准的蜂巢式网络基站的技术方案，以及应用于支持半双工模式的用户装置的技术方案。
第一部分–在长期进化分频双工成对频带实现半双工运作
假设网络营运商已部署多个仅支持全双工分频双工长期进化基站，仅支持半双工分频双工长期进化的用户装置(利用例如无滤波器接收器实现的低复杂度前端模块)再也无法区别支持半双工模式的基站和仅支持全双工模式的基站。
图5绘示了一蜂巢式通信系统范例，其中同时有支持全双工-分频双工模式的用户装置和支持半双工-分频双工模式的用户装置(UE)与同时有支持全双工-分频双工模式的基站和支持半双工-分频双工模式的基站互相沟通。基站520和530仅支持全双工-分频双工模式，而基站510同时支持全双工-分频双工与半双工-分频双工模式。用户装置540支持全双工-分频双工模式，因此能与基站510、520、530中的任一个基站沟通。另一方面，用户装置550支持半双工-分频双工模式，只能与基站510沟通，无法与基站520或基站530沟通。若用户装置550能侦测到基站520和530并不支持半双工-分频双工模式，便不需要与这些基站建立连结。
为了实现半双工运作，eNode-B基站的排程必须保证，任何上行传输所紧邻的前一个接收器活动子时间帧(subframe)都会有足够大的时间间隙(gap)，足以在传送器活动开始前停止接收器活动。举例而言，eNode-B排程会保证用户装置中的接收实体下行共用频道(physical downlink shared channel,PDSCH)数据的子时间帧之后不会紧随着另一个上行传输子时间帧。
相似地，eNode-B排程必须保证，若前一个进行传送器活动的子时间帧没有足够大的时间间隙足以在传送器活动开始前停止接收器活动，用户装置的任何接收器活动都不会紧邻在一个进行传送器活动的子时间帧之后。藉由允许支持半双工运作的用户装置放弃传输期间末端的数个取样，以于接收器活动开始前创造一时间间隙，可实现上述保证。
此外，eNode-B排程必须保证，在各用户装置不需传送数据时，周期性地准予长于四毫秒的同频(intra-frequency)和异频(inter-frequency)基站搜寻期间。在同频基站搜寻期间内，可出现监控其他同频频道的接收器活动。eNode-B基站必须让用户装置知道此一监控期间的排程。
在根据本发明的第一部分的实施例中，将会介绍具有半双工能力的无线通信网络系统，能进行符合长期进化标准的高速数据无线通信。根据本发明的无线通信网络系统包含一基站及多个用户装置。该基站能同时服务半双工-分频双工用户装置和全双工-分频双工用户装置。
在这些实施例中，分频双工长期进化基站会广播或通知用户装置一基站群组是否具有半双工-分频双工能力。一基站群组指一群具有共同特征(例如相同频率、相同大小、相同面积、相同网络)的基站，其中可包含隶属于一个或多个长期进化网络的一个或多个基站。
在第一实施例中，由广播频道(broadcast channel,BCH)承载的一特定系统信息区块(system information block,SIB)内包含一特定信息元素，以公告该基站群组支持半双工分频双工运作。该广播频道透过实体下行共用频道(PDSCH)传送。
在第二实施例中，负责承载主信息区块(master information block,MIB)的实体广播频道(physical broadcast channel,PBCH)内的一个或多个备用位元，被用以广播告知所有用户装置，该基站群组支持半双工运作。这种做法的好处之一为可节省半双工用户装置用于网络搜寻的时间和功率，原因在于，用户装置不需要耗时将广播频道中的系统信息区块解码，即可摒除不支持半双工模式的候选网络载波。值得注意的是，若欲利用主信息区块中的至少一备用位元来指示半双工-分频双工模式的支持信息，可将该至少一位元设定为特定值，其中用户装置已预先得知该特定值用以表示半双工-分频双工的支持信息。实务上亦可能针对主信息区块讯息施以一遮罩，以判断半双工-分频双工的支持信息；用户装置可根据该备用位元的数值判断该遮罩为何。
在第三实施例中，一特定信息元素被包含于其他任一种用户装置与基站间的专属通信程序中，以指出一基站群组是否支持半双工长期进化分频双工运作。
在第四实施例中，其他任何透过下行信号传达明确或隐含(直接或间接)讯息至用户装置的信息承载方式都可被用以指出一基站群组是否支持半双工长期进化分频双工运作。
须注意的是，上述各实施例皆向后相容于不支持半双工运作的旧有用户装置，并且能促进用户装置发现具有半双工能力的基站。此外，上述各实施例可协助仅具半双工能力的长期进化用户装置在搜寻阶段忽略不具半双工能力的基站。
第二部分-在分频双工成对频带内实现WCDMA/HSPA+半双工运作
WCDMA/HSPA+已被设计为针对全双工-分频双工运作，其于99/4/5/6版本公布的初始方案要求：当数据在连结状态(通称为Cell_DCH状态)被传送及接收，接收器和传送器几乎必须在所有时间都同时运作(除了压缩模式间隙期间)。
近来，第七版标准中已规范了独立电脑的HSPA+运作，使数据接收器/传送器得以透过HSPA频道运作，亦即无须出现99/4/5/6版本所要求的频道，例如下行专用实体控制频道(dedicated physical control channel,DPCCH)/专用实体数据频道(dedicated physical data channel,DPDCH)和上行专用实体控制频道/专用实体数据频道。相对于传统频道要求接收器/传送器的活动(亦即进行全双工-分频双工运作)，此重大转变使HSPA+特定频道能接受半双工运作。
高速下行数据封包存取(high speed downlink data packet access,HSDPA)活动根基于一组多重独立混合式自动重送请求(hybrid automatic repeat request,HARQ)程序。每一HARQ程序各自依不同的下行传输时间间隔(transmissiontime interval,TTI)进行。在任一时间点，每个HARQ程序要负责将下行传输区块或是介质存取控制(MAC)层协定数据单元(PDU)正确传送至较高的通信层。HARQ程序中，数据传输区块的正确传输牵涉到一个或多个接收器接收期间，以及一个或多个透过HS-DPCCH传递确认(ACK)或否认(NACK)信息的传送期间。HS-DSCH、F-DPCH及HS-DPCCH于这些接收期间内受用户装置监控。传送期间绝不会与接收期间重迭，因为这两种期间相对于下行活动存在一固定的预设延迟。然而，每当多于一个的HARQ程序在不同传输时间间隔之下进行时，同时进行的接收器与传送器活动仍然是可能的。
相似地，高速上行数据封包存取(high speed uplink data packet access,HSUPA)传输根基于一组独立HARQ程序；这些HARQ程序同时依不同的下行传输时间间隔(TTI)进行。在任一时间点，每个HARQ程序要负责将上行传输区块或是介质存取控制(MAC)层协定数据单元(PDU)正确传送至较高的通信层。传输区块的正确传输通常包含接收多个接收器频道(包含E-AGCH、ERGCH、E-HICH)以及数据传送器透过E-DCH的数据传输。
依照本发明的精神，在后续版本中，现有的WCDMA 3GPP HSPA+排程规则有可能被改变为加入与半双工运作相关的规范。针对MAC排程器所使用的HARQ程序的时机和数量限制可被修改为：不要求用户装置同时进行传送及接收，等效于操作在半双工模式。
要实现HSPA+半双工-分频双工运作，接收器和传送器活动排程必须保证，上行传输所紧邻的前一个接收器活动子时间帧会有足够大的时间间隙，足以在传送器活动开始前停止接收器活动。相似地，接收器和传送器活动排程必须保证，除非前一个进行传送器活动的子时间帧有足够大的时间间隙，足以在传送器活动开始前停止接收器活动，否则不会进行任何下行传输。此外，必须保证在各用户装置不需传送数据时，周期性地准予长于四毫秒的同频和异频基站搜寻期间。在同频基站搜寻期间内，可出现监控其他同频频道的接收器活动。
在第五实施例中，由广播频道(BCH)承载的一特定系统信息区块(SIB)内包含一特定信息元素，以指出一HSPA+基站群组支持半双工运作。该广播频道透过实体共用控制频道(primary common control physical channel,PCCPCH)传送。
在第六实施例中，一特定信息元素被包含于其他任一种用户装置与基站间的通信程序中，以指出一基站群组是否支持半双工-分频双工HSPA+运作。
在第七实施例中，下行的正交可变展频系数(Orthogonal variable spreading factor,OVSF)码树中的一专用部分被用以通知用户装置，一基站群组是否支持半双工-分频双工HSPA+运作。举例而言，为用户装置所知的一预先定义的位元序列，可由基站透过一组或多组下行OVSF码传送。随后，用户装置可盲试并辨认此下行OVSF码是否包含此特定讯息，以判定基站是否支持半双工运作。须注意的是，这种做法可搭配前述其他方案使用。
在第八实施例中，其他任何透过下行信号传达隐含或明确(直接或间接)的讯息至用户装置的信息承载方式都可被用以指出一基站群组是否支持半双工-分频双工HSPA+运作。
在第九实施例中，一WCDMA HSPA+用户装置结合前述任多种方案，以告知网络其半双工能力信息。
藉由以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭示的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。

Claims (13)

1.一种应用于包含至少一基站与至少一用户装置的一无线通信网络中的方法，包含：
由该至少一基站通知该至少一用户装置一间接信息或一直接信息，该间接信息或该直接信息与支持半双工-分频双工运作相关；以及
令该至少一基站支持半双工-分频双工模式与至少另一双工模式的同时运作，该至少另一双工模式包含全双工-分频双工模式，
该间接信息或该直接信息用来将多个基站构成一群组，且该通知步骤中的该至少一基站包含于该群组中，其中该群组具有相同频率、相同大小、相同面积、相同网络的共同特征。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该至少一基站至少支持长期进化分频双工模式。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该至少一基站至少支持演进式高速封包存取模式。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该通知步骤包含利用透过一广播频道所传递的一讯息通知该至少一用户装置与支持半双工-分频双工运作相关的该间接信息或该直接信息。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，该讯息包含至少一系统信息区块中的至少一信息元素，该至少一系统信息区块对应于一广播频道。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，该讯息包含一主信息区块中的至少一位元，该主信息区块透过一实体广播频道传递。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，该讯息利用实体下行共用频道传递至该至少一用户装置。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该通知步骤包含利用透过一用户装置专属频道所传递的一讯息通知该至少一用户装置与支持半双工-分频双工运作相关的该间接信息或该直接信息。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该信息由一正交可变展频系数码树中的一预定部份承载。
10.一种应用于包含至少一基站与至少一用户装置的一无线通信网络中的方法，该至少一基站至少支持演进式高速封包存取运作，该至少一用户装置不支持演进式高速封包存取运作的全双工-分频双工模式，该方法包含：
令该至少一基站支持半双工-分频双工模式与至少另一双工模式的同时运作，该至少另一双工模式包含全双工-分频双工模式；以及
由该至少一用户装置直接或间接通知该至少一基站该用户装置不支持演进式高速封包存取运作的全双工-分频双工模式，
该间接信息或该直接信息用来将多个基站构成一群组，且该通知步骤中的该至少一基站包含于该群组中，其中该群组具有相同频率、相同大小、相同面积、相同网络的共同特征。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该通知步骤包含：
直接或间接通知该至少一基站该用户装置支持演进式高速封包存取运作的半双工-分频双工模式。
12.一种应用于包含至少一基站与至少一用户装置的一无线通信网络中的方法，该至少一基站至少支持演进式高速封包存取运作，该至少一用户装置支持演进式高速封包存取运作的半双工-分频双工模式，该方法包含：
令该至少一基站支持半双工-分频双工模式与至少另一双工模式的同时运作，该至少另一双工模式包含全双工-分频双工模式；以及
由该至少一用户装置直接或间接通知该至少一基站该用户装置支持演进式高速封包存取运作的半双工-分频双工模式，
该间接信息或该直接信息用来将多个基站构成一群组，且该通知步骤中的该至少一基站包含于该群组中，其中该群组具有相同频率、相同大小、相同面积、相同网络的共同特征。
13.如权利要求10或12所述的方法，其特征在于，该至少一用户装置支持的半双工-分频双工运作系由该至少一用户装置所支持的多个频段定义。
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