CN1160986C - 蜂窝通信系统中通信资源的时间共享 - Google Patents

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Abstract

在一个时分双工蜂窝通信系统中允许由一个第一公司控制的第一满负载基站(13)使用由一个第二公司控制的第二基站(15)的未使用资源的装置和方法。第一基站(13)监视第二基站(15)的广播信道，识别在时间帧结构内并且在一个已分配的载波频率上未被第二基站(15)使用的时隙。接着计算一个新的时间帧结构并且使用那些避免与第二基站(15)的操作冲突的时隙在已分配的载波频率上与一个用户(17)建立一个通信链路。有利的是，本发明不需要同步不同公司的基站(13，15)。

Description

蜂窝通信系统中通信资源的时间共享
技术领域
本发明涉及蜂窝通信系统，具体是涉及在通信服务公司之间共享资源的装置。
背景技术
在蜂窝通信系统中，多个基站为多个远程用户单元提供无线电信服务。各个基站定义一个最接近基站的特定地理区域或＂小区＂以便建立覆盖区域。从基站到用户单元的通信链路被称作下行链路。反之，从用户单元到基站的通信链路被称作上行链路。
多址技术允许同时从若干用户单元向一个单独的基站进行传输。
一种多址技术被称作码分多址(CDMA)，其中使用了扩展频谱信令。CDMA通信网络中的各用户使用相同的载波频率，但通过各自的扩展码彼此分离。因此，使用无线频谱部分内部的多个扩展码分配多个通信信道，每个编码均被唯一分配给一个用户单元。
另一种多址技术是时分多址(TDMA)技术。其它的方案涉及组合使用TDMA和CDMA。
在TDMA系统中，一个通信信道由相同载波频率上的一个周期性序列中的一个时隙构成。一段时隙被称作一个帧。一个指定信号的能量被限制在其中的一个时隙上。
本发明适用的一种具体的TDMA方案是相同载波频率被用于上行链路和下行链路，被称作时分双工(TDD)的方案。在这种情况下重复的时间帧被分成一个具有用于上行链路方向的时隙的间隔和另一个具有用于下行链路方向的时隙的间隔。考虑到在任意规定时间需要支持的用户单元数量，对上行链路或下行链路传输的时隙分配由基站来控制并且这种时间帧结构被广播到需要通信服务的各个用户单元。
图1图解了这种重复时间帧结构的概念。两个重复帧1和2被分成多个时隙3。在各个帧的部分4期间，基站处于发送模式而各个移动用户单元处于接收模式。在各个帧的部分5期间，基站处于接收模式而各个移动用户单元处于发送模式。改变操作模式的时间点被称作切换点6。
在图1的例子中，时隙7，8，9被分配用于和第一用户单元的通信，而时隙10，11，12被分配用于和第二用户单元的通信。通过使用剩余的时隙并且进一步，通过使用上述CDMA技术可以在相同的单一载波上支持更多的用户单元。
当然，在任意规定时间一个单独的基站可以支持的用户单元数量仍然有一定的限制，并且有时需要的数量会超过这个限制。
经常由不止一个通信服务公司提供遍及任何指定地理区域的类似通信服务。一个个体用户可以选择订购一家适用公司的服务并且其用户单元因此能够只与在其选择的公司的控制下的那些基站进行通信。
由于无线频谱是有限的，各个公司只被分配了一部分无线频谱(分配经常受某些管理实体的控制)。
例如，第一家公司被分配了用于一个TDD通信系统的频率f1而第二家公司被分配了也用于一个TDD通信系统的频率f2。第一和第二家公司均安装了基站以便在相同的地理区域支持其用户，即，其各自的小区可以相邻或甚至彼此重叠。第一家公司的基站可能在任意规定时间处于满负载状态，而第二家公司在相同区域的基站则未充分利用，即具有某些可用时隙。在这种情况下，一个订购第一家公司的服务并且企图访问满负载基站的用户单元会被拒绝服务。如果这个用户单元可以使用第二家公司的基站在频率f2上的某些未使用资源，则会为该用户单元带来好处。然而，由于上述用户单元不是第二家公司的客户，他不能在频率f2上与第二家公司的基站通信。
发明内容
本发明的目标是提供一个允许再分配未充分利用资源以便补充某个过载资源的装置。
因此，本发明包括：一个为至少一个用户单元提供通信服务的第一基站，其中第一基站包含：接收涉及一个已分配载波频率和一个已分配时间帧结构的信息的装置，上述时间帧结构包括第二个基站提供的通信资源的多个时隙；检测第二基站的一个资源是否可用的装置；识别包括通信资源的未使用时隙的装置；和在未使用时隙内并且在分配的载波频率上与一个用户单元建立通信的装置，该装置包含向用户单元发送分配给第二基站的载波频率值的装置。
因此，通过本发明，一个过载基站可以使用其它公司控制的相邻基站的未充分利用资源。如果第一基站识别出一个未充分利用的第二基站，该基站可以使用空闲的时隙为其自身的用户提供服务。在接收有关资源的载波频率和时间帧结构的信息时，可以计算一个包含新的切换点的时间帧结构，接着可以把新的时间帧结构以及将使用的载波频率值发送到正在等待的用户单元。
接着在与第二基站相关的所分配的载波频率上在用户单元和第一基站之间建立通信。第一基站还继续通过其自身以前分配的时间帧在其自身以前分配的频率上工作。
本发明具有不需要两个独立公司彼此紧密同步其基站的优点。
接收涉及一个已分配载波频率和一个已分配时间帧结构的信息的装置可包括一个广播监视器，用于监视第二基站的一个广播信道。
第一基站还可以包含检测第二基站的一个资源是否可用的装置。该装置可以具有若干种形式中的一种。例如，第一基站可适于接收一个从第二基站向其通知第二基站当前未被充分利用的专用传输。这个专用传输可以是无线传输或通过两个基站之间的硬连线链路进行的传输。可选地，第一基站可以被缺省预编程到一个状态，在该状态下如果第一基站没有从第二基站接收专用传输，则第一基站假定一个资源当前可用。
可选地，第一基站还可以包含在一个以前可用的资源不再可供其使用时从第二基站接收一个消息的装置。
第一基站最好包括广播监视器，通过监视广播信道经常性地监视第二基站的活动以便在第二基站建立与附加用户单元的通信时可以检测到这种情况。这允许第一基站重组其新的时间帧结构以便避免与附加用户单元发生冲突。
可选地，本发明还提供多个故障保护操作模式，上述模式保证在第二基站需要当前正被第一基站使用的时隙的情况下可以由第一基站释放这些时隙。
完成这种操作的一个方式是第一基站检测(例如通过监视第二基站的广播信道)这种时隙已经被重新分配给一个与第二基站进行通信的用户，即帧结构已经改变。当检测到这种情况时，第一基站适于停止其与通过那些时隙进行通信的用户单元的通信，或者为该用户单元重新分配某些其它时隙或某些其它可用资源。一个可选方式是让第一基站从第二基站接收一个通知第一基站某些或所有时隙不再可用的专用传输。
为了适应出现一个错误致使第二基站的广播信道未被第一基站接收的情况，可以为第一基站提供通过停止其对第二基站的资源的使用对这种接收丢失作出反应的装置。
可选地，可以为第一基站提供发送涉及其自身的，可被用于一个第三基站的通信资源的一个已分配频率和一个已分配时间帧结构的信息的装置。可选地，也可以为其提供向一个第三基站指示其是否具有任何可用资源的装置。并且，可以为其提供在一个资源不再可用时向一个第三基站提供指示的装置。
通过本发明的另一个可选特性可以克服当两个相邻基站在相同频率上工作时会出现的潜在干扰问题。
例如，第一基站在一个已经被分配给第二基站的载波频率f2上发现了某些可用时隙。根据本发明，第一基站在频率f2上与一个用户单元建立一个通信链路。然而，假定用户单元的位置与第二基站足够接近使得(除第一基站之外)第二基站可以检测到其传输。注意，在第一和第二基站足够接近的情况下，第二基站同样可以很好地检测第一基站在频率f2上的传输。如果第一基站的新帧结构的时隙的界限与分配给第二基站的帧结构的时隙界限切实吻合，则由于第二基站不会在用户单元进行发送的同时进行侦听，所以不会有干扰(反之亦然)。然而，由于第一基站拾取的第二基站的广播信道存在传播延迟，第一基站不能精确计算被分配给第二基站的帧结构的时隙的界限。所以，在其新帧结构内部存在在第二基站的时隙界限与第一基站的时隙界限之间发生重叠的可能性。因此存在一种发生干扰的机制。当第一基站试图使用所有而不是一些未使用时隙时极可能出现这种问题。
如果第一基站确切知道传播延迟有多少，则第一基站当然可以对时隙进行必要的调整。
如果不知道传播延迟，本发明通过在第一基站中提供一个在时隙之间设置保护周期的装置来克服这个问题。
最好在两个相邻时隙之间设置保护周期，其中一个时隙将被第一基站使用而第二个时隙正在被第二基站使用。
保护周期的长度取决于传播延迟。在知道其相邻基站的小区尺寸的情况下第一基站可以粗略估测出传播延迟。例如，一个超微小区系统的保护周期可以大大小于一个宏小区系统的保护周期。
为了减少第一基站和用户单元之间在载波频率f2上的传输干扰第二基站与其自身的一个用户之间在f2上的传输的可能性，最好以类似方式分配那些被第一基站使用并且与第二基站正在使用的时隙相邻的时隙，即相邻时隙对均是上行链路时隙或下行链路时隙。
所以，在第一基站中提供另一个根据第二基站的已分配时间帧结构确定一个未使用时隙将被设置成上行链路还是下行链路传输并且相应设置未使用时隙的可选装置。
因此在不对第二基站产生严重干扰问题的情况下第一基站仍然可以处理具有可变上行链路/下行链路非对称度的传输。
为了在一个未充分利用基站中释放出尽可能多的时隙供一个过载基站使用，本发明提供另一个选项，从而在第一基站(为了下面的说明将被看作未充分利用的基站)中提供将已使用的时隙集中在切换点周围而不是将它们扩展到整个帧中的装置。这保证有一段较长的连续未使用时隙以便过载基站分配给一或多个用户单元。具有一个象这样的较大间隔可以使一或多个用户单元的通信链路的管理更方便。这还意味着只需要插入较少的保护周期。
另一个减轻未充分利用基站在上行链路上的负载的方式和一个特别适用于CDMA-TDD系统的方式如下所述。该方式适合为一个使用中等数据速率服务的用户分配每个帧中的所有可用时隙并且适合该用户使用一种单编码传输方法。(这样做是为了避免用户单元发送的信号出现较大的峰值-平均值比(较大的峰值-平均值比会使得用户单元的发送器功率放大器进行一个低效操作从而增加电池损耗))为了在不出现较大的峰值-平均值恶化的情况下释放某些上行链路时隙，本发明在第一基站中还提供了指示用户单元在较少的时隙上进行具有缩减的扩展系数的传输的可选装置和接收这种传输的装置。然而，单独使用一个较低的扩展系数增加了每个时隙中使用的位速率并且增加了可用位速率的粒度。所以，为了减少可用位速率的粒度，第一基站还可以提供指示用户单元通过每隔一个帧而不是每个帧发送某些时隙的装置。这个原理还可以被用于每＂N＂个帧发送某些时隙(其中＂N＂是一个由公司选择的整数)。可选地，通过允许在一个被用户单元用于传输的时隙子集(而不是所有时隙)上使用较低的扩展系数可以减少可用位速率的粒度。相同原理可适用于第一基站的传输，从而也释放出下行链路上的时隙。然而，峰值-平均值差异对于基站而言不是严重的问题。这个选择被提供给不会受到延迟的过分影响的传输，例如从一个国际互联网络站点下载的信息。
本发明的另一个可选特性在第一基站上提供了围绕其新计算的切换点集簇那些已经可以被第二基站使用的时隙和已经被第一基站分配给其自身的用户使用的时隙的装置。由于在第二基站重新调整其自身的帧结构之后进行重新分配更易于适应，所以这个特性是有利的。
另一个优选特性是在第一(过载)基站中提供了将其新切换点设置到第二(未充分利用)基站中已经从第二基站自身的切换点中清除的时间帧内的一个位置上的装置。这个特性与一个在非过载基站中将已使用的时隙集中在切换点周围的特性相结合，减少了在附加用户与未充分利用的基站连接时过载基站不得不重新分配时隙或甚至断开一个现有连接的可能性。
本领域的技术人员应当理解，本发明尤其适用于能忍受发送/接收中的延迟的通信服务，例如下载电子邮件消息或国际互联网络/Web浏览。
附图说明
现在参照附图仅以举例的方式描述本发明的某些实施例，其中：
图1是一个图例本发明适用的TDD通信系统的定时帧结构的图例；
图2是有关使用基于本发明的基站的通信系统的示意图；
图3是有关一个基于本发明的基站的模块图；
图4A是一个图解由图3的基站接收的定时帧结构的图例；和
图4B是一个图解由图3的基站产生的定时帧结构的图例。
具体实施方式
在图2中，一个第一基站13在载波频率f1上支持为多个移动用户单元14(为了清晰图中只示出两个)提供通信服务。
一个由不同于运营第一基站13的公司的服务公司运营的第二相邻基站15在载波频率f2上支持与一个单独移动用户单元16之间的呼叫。该基站也发送一个可以被第一基站13接收的广播信道(BCH)。
在这个例子中，第一基站所分配的时间帧中的所有时隙均正在使用，但第二基站的时隙中只有部分时隙正在使用(具体而言仅被移动用户单元16使用)。
假定另一个订购第一基站13的公司提供的服务的移动用户单元17向第一基站13请求服务。由于所有其时隙均被使用，所以第一基站13不能在载波频率f1上提供服务。所以该基站通过那些未被第二基站15使用的时隙在载波频率f2上建立一个到新移动用户单元17的链路。
参照图3，一个基站13包括一个在基站和一个移动用户单元之间接收和发送通信信号的天线18。天线18的输出通过一个双工器19被连接到一个接收器20，一个检测器21和一个发送器22。检测器21的一个输出被馈送到一个处理模块23的一个第一输入，并且一个第二输出被连接到接收器20。  接收器20的一个输出被馈送到一个时隙识别模块24和处理模块23的一个第二输入。时隙识别模块24的一个输出被馈送到处理模块23的一个第三输入。
处理模块23包括3个子模块。一个第一子模块25适于计算一个时间帧结构和切换点并且从一个第二子模块26和检测器21接收输入，其中第二子模块将一个保护周期插入到一个计算出的帧结构中。第一模块25的一个输出被馈送到发送器22。一个组成处理模块23的子模块27从接收器的输出中提取一个载波频率并且将其馈送到发送器22。
基站13还包括一个模块28，该模块为通过发送器22从基站13进行的发送分配一个帧结构。
使用常规无线和软件工程技术可以实现图3中所示的所有部件。
图3的基站13的操作如下所述。基站13已经被分配一个频率f1作为与其用户14进行的所有通信的载波频率。该基站适于在TDD模式工作并且模块28分配一个适当的时间帧结构和切换点。该基站在一个广播信道上通过发送器22，双工器19和一个天线18将这个结构和切换点传送到其用户的移动用户单元14。在这个例子中，基于上述原因模块28也被用来将已使用的时隙集中在切换点周围。
同样在这个例子中，模块28适于配置时间帧结构以便其用户单元14在可以承受传输中的延迟的情况下每N个时间帧在某些时隙上以缩减的扩展系数进行发送。通过发送器22发送的广播信道也可以被用来向其它基站指示已分配给基站13但当前没有使用的可用资源。可选地，一个从发送器22发送的专用信号完成这个功能。
例如在某个时间点上，基站13在频率f1上的资源被完全使用，即所有其时隙均是满的，但仍然有一个附加移动用户单元17在请求服务。
在载波频率f2上进行发送和接收的相邻基站15未充分利用并且具有某些可用时隙(参见图4A)。
在图4A的帧29内，只有切换点36两端的时隙30-32和33-35被占用。时隙30-32是上行链路时隙而时隙33-35是下行链路时隙。
基站13中的检测器21监视相邻基站15的传输并且检测一个通知其哪些资源可用的信号。接着该检测器启动接收器侦听相邻基站15的广播信道以确定相邻基站传输的载波频率和帧结构。(在一个可选实施例中，检测器21被设置成一个缺省模式以便在没有从相邻基站15接收到一个预定信号的情况下假定资源可用并且相应通知接收器20)  。
在通过接收器20从相邻基站15接收广播信道时，模块24识别出相邻基站的帧结构中那些未使用的时隙(即在图4A中那些没有阴影的时隙，例如37-41)。
在知道时间帧结构和哪些时隙可用的情况下，子模块25接着针对一个在频率f2上建立的到达新移动用户单元17的通信链路计算新的帧结构和切换点。
模块26根据一个预存储的，涉及两个基站13和15之间的传播延迟时间的相邻小区尺寸估测在帧结构中插入一个保护周期。
接着通过发送器22将计算出的，具有其组成时隙的帧结构以及子模块27已经确定的要使用的载波频率值(f2)发送到移动用户单元17。
图4B说明了在这个例子中如何配置计算出的帧结构。模块25被用来将借来的时隙37-41集中在一个计算出的切换点42周围，并且精心设置切换点42使之与相邻基站的已分配切换点36有良好的分隔。
模块25也被用来将那些与第二基站使用的下行链路时隙相邻的时隙也分配成下行链路时隙，并且将那些与第二基站使用的上行链路时隙相邻的时隙也分配成上行链路时隙。
在最接近相邻基站15的活动点的两个时隙(37和41)的边界上已经插入一个保护周期43。与相邻基站15的一个上行链路时隙30相邻的时隙41已经被指定成一个上行链路时隙。
当频率f2上没有更多的时隙被相邻基站15使用时，显然基站13通过其广播信道监视操作可以了解到这一情况。据此，子模块25重新配置其帧结构和切换点以避免与相邻基站15的传输发生冲突。
当相邻基站15的资源不能再被基站13使用时，检测器21接收一个通知这个状态的传输并且据此通知子模块25，而子模块25接着停止在频率f2上与移动用户单元17进行的通信。

Claims (18)

1.一个向至少一个用户(14，17)提供通信服务的第一基站(13)，其中第一基站(13)包含：
接收涉及一个已分配载波频率和一个已分配时间帧结构的信息的装置(20)，上述时间帧结构包括第二个基站(15)提供的通信资源的多个时隙，
检测第二基站(15)的一个资源是否可用的装置(21)，
识别包括通信资源的未使用时隙的装置(24)，和
在未使用时隙内并且在分配的载波频率上与一个用户单元(17)建立通信的装置(23)，该装置(23)包含向用户单元(17)发送分配给第二基站(15)的载波频率值的装置(27，22)。
2.如权利要求1所述的第一基站(13)，其中接收涉及第二基站(15)的一个已分配载波频率和一个已分配时间帧结构的信息的装置(20)包括一个广播监视器，用于监视第二基站(15)的一个广播信道。
3.如权利要求1所述的第一基站(13)，其中检测第二基站(15)的一个资源是否可用的装置(21)适于从第二基站(15)接收一个专用传输。
4.如权利要求1所述的第一基站(13)，其中检测第二基站(15)的一个资源是否可用的装置(21)在没有从第二基站(15)接收到专用传输时适于设置一个缺省模式，在缺省模式中，通信资源被视为可用。
5.如前面任何权利要求所述的第一基站(13)，其中在未使用时隙内与一个用户单元(17)建立通信的装置(23)包含计算一个新时间帧结构的装置(25)。
6.如权利要求1所述的第一基站(13)，其中在未使用时隙内与一个用户单元(17)建立通信的装置(23)适于根据第二基站(15)发送的一个信号修改计算的新帧结构。
7.如权利要求1所述的第一基站(13)，其中在未使用时隙内与一个用户单元(17)建立通信的装置(23)适于根据第二基站(15)发送的一个信号停止与一个用户单元(17)进行的通信。
8.如权利要求1所述的第一基站(13)，其中在未使用时隙内与一个用户单元(17)建立通信的装置(23)适于根据接收第二基站(15)的一个广播信道时出现的故障停止与一个用户单元(17)进行的通信。
9.如权利要求5所述的第一基站(13)，其中计算一个新时间帧结构的装置(25)包含在时隙之间插入保护周期的装置(26)。
10.如权利要求5所述的第一基站(13)，其中计算一个新时间帧结构的装置(25)适于将已使用的时隙集中在新计算的切换点(42)周围。
11.如权利要求5所述的第一基站(13)，其中计算一个新时间帧结构的装置(25)适于根据第二基站(15)分配的时间帧结构确定一个未使用时隙将被设置用于上行链路或下行链路传输并且相应设置未使用时隙。
12.如权利要求1所述的第一基站(13)，其中还包含向一个第三基站发送涉及第一基站(13)的一个可用资源的信息的装置(22)。
13.如权利要求1所述的第一基站(13)，其中为其分配一个由包括重复时间帧的已分配时隙构成的时间帧结构和一个相关切换点，并且所述基站包含时间帧建立装置，该装置包含将已使用的时隙集中在相关切换点(36)周围的装置(28)。
14.如权利要求13所述的第一基站，其中所述时间帧建立装置包含配置时间帧结构以支持与一个用户单元(14)每第N个时间帧进行通信的装置(28)，而N是一个大于或等于2的整数。
15.如权利要求5所述的第一基站(13)，其中计算一个新时间帧结构的装置(25)适于将新切换点(42)定位到与一个切换点(36)相分离的位置上，而切换点(36)与第二基站(15)的一个已分配时间帧结构相关。
16.在一个蜂窝通信系统的通信服务公司之间共享资源的方法，其中包含的步骤有：
在一个第一基站(13)中，接收涉及一个已分配载波频率和一个已分配时间帧结构的信息，上述时间帧结构包括一个第二基站(15)提供的一个通信资源的多个时隙，
检测第二基站(15)的一个资源是否可用，
向用户单元(17)发送分配给第二基站(15)的载波频率值，
识别包括通信资源的未使用时隙，和
在未使用时隙内并且在分配的载波频率上与一个用户单元(17)建立通信。
17.如权利要求16所述的方法，其中还包含的步骤有：
在第一基站(13)中，向一个第三基站发送涉及第一基站提供的一个通信资源的一个已分配载波频率和一个已分配时间帧结构的信息。
18.如权利要求16或17的方法，还包括步骤有：
在第一基站(13)中，接收以前可用的资源不再可用的通知。
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