CN1192503C - 无线局域网系统的移动终端同步接入的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无线局域网系统的移动终端接入和同步方法，在无线局域网采用直接序列扩频技术(DSSS)，其中通过一种高频谱效率的扩频码即大区域同步码(LAS)作为扇区识别码、同步码、接入码、扩频码，可以克服当前无线局域网标准中频谱效率不高、资源调度不灵活等缺点。LAS码包含LA码组和LS码组。本发明采用的LAS码具有零干扰窗的特性，多址干扰和多径干扰都非常低。采用DSSS技术后，相邻小区/扇区可以采用同一载波频率，频谱效率高于现有无线局域网系统。本发明采用动态的CDMA与TDMA相结合的接入方法，这样在移动终端数较多的情况下，AP的调度运算会更简单。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信中的无线局域网系统的构造方法，尤其涉及无线局域网系统的移动终端接入和同步方法。
背景技术
无线局域网标准主要分为两大协议体系：IEEE802.11协议标准体系和欧洲电信标准协会(ETSI)制定的HiperLAN协议体系。其中802.11体系主要包括802.11a和802.11b，这两种协议都是面向无连接的标准，规定了WLAN物理层(PHY，Physical Layer)和介质访问控制(MAC，Medium Access Control)的规范。目前WLAN中应用最广泛的是IEEE 802.11b，它工作在2.4GHz频段，最高速率支持11Mbps。802.11a工作在5GHz频段，物理层速率可达54Mbps。HiperLAN是欧洲ETSI的无线局域网技术体系，包括HipreLAN1、HiperLAN2以及用于户内无线骨干网的HiperLink和为用于固定户外应用访问有线基础设施的HiperAccess四种标准，其中HiperLAN2也工作在5GHz频段，物理层速率最高可达54Mbps，它是面向连接的协议标准，在支持实时业务、Qos支持方面比802.11a有一定优势。本发明也采用面向连接的协议，其主要参照对象为HiperLAN2。
HiperLAN2的物理层采用正交频分复用(OFDM)技术，并采用时分多址方式(TDMA)区分不同移动终端。控制信道和业务信道也通过TDMA方式来区分，图1是HiperLAN2的典型MAC帧格式。
HiperLAN2的MAC协议为TDMA/TDD方案，每一个MAC帧长度2ms，分为下行、上行两个阶段，每个阶段又被分为多个时隙。一个接入点(AP)可包含n个(n＝1～8)扇区，不同扇区的前向控制信道(广播信道BCH1～BCHn、帧控制信道FCH1～FCHn，接入确认信道ACH1～ACHn)的数据包单元都是通过时分方式在不同时隙上发送的，这些数据包单元映射到物理层上时再加上一定长度的前导码序列符号，然后通过OFDM调制发送出去。前向控制信道之后是对应不同移动终端的下行业务信道时隙DL1～DLp、对等模式(两个终端直接通信的模式)下的业务信道时隙DiL1～DiLm、上行业务信道时隙UL1～ULq、反向接入信道时隙RCHS1～RCHSn。从图中可以看出，TDMA是HiperLAN2唯一的多址方式。
802.11a与HiperLAN2的帧格式有一定差别，但是也只采用TDMA方式来区分不同移动终端。
所以，现有技术中的无线局域网所具有的缺点是，前向公共信道和业务信道采用时分方式，尤其是不同扇区之间的公共控制信道不能同时发送，这造成一定的资源浪费，在一定程度上影响了频谱效率；只采用TDMA方式区分不同移动终端，这样资源调度方式的灵活性不够，尤其是小区负载较重的情况下(如低速移动终端数量较多或者总的数据率较大)，资源调度的计算复杂度较大；OFDM子载波数不能灵活改变，当信道条件变化，希望相应地改变传输速率时，只有通过更改调制方式、改变信道编码方式来实现；组网时相邻小区只能通过不同载波频率来区分，组网时占用的频率资源较多。
发明内容
本发明的无线局域网结构中，物理层不采用现有技术的OFDM技术，而是采用了直接序列扩频技术(DSSS)，并通过运用DSSS中的一种高频谱效率的扩频码---大区域同步码(LAS)，来克服当前无线局域网标准中的缺点。
本发明的无线局域网系统在物理层采用LAS码作为扇区识别码、同步码、接入码、扩频码，LAS码包含LA码组和LS码组，用LA码区分不同的扇区小区，用LS码区分同一小区中不同的移动终端。
本发明的无线局域网进一步包括如下技术特征。
移动终端可以通过TDMA/CDMA相结合的多址方式接入到无线局域网系统的接入点中。如无线局域网系统中某一扇区采用一组LA码作为扇区识别码，则该扇区的公共控制信道都要经过这组LA码的调制。
本发明的一种无线局域网系统的移动终端同步接入的过程具体步骤为：
a、移动终端通过下行同步信道在LS码中捕获无线局域网系统的帧同步时隙；
b、移动终端在广播信道上获得空闲的一组LS码作为接入前导码序列，在反向同步信道上按照捕获到的帧同步时隙的时刻发送所述前导码序列；
c、接入点接收到所述接入前导码序列后，如没有多个移动终端的接入冲突，则分析该前导码序列的到达时间，通过接入响应信道反馈给移动终端延迟调整信息，并进入步骤d；如有冲突，则所述帧同步时隙继续处于空闲态，并回到步骤a；
d、移动终端根据接收到的延迟调整信息调整自己发送前导码序列的时刻，并在同一个同步时隙上继续发送接入前导码序列；
e、重复上述步骤c和步骤d，直到移动终端发送前导码序列的时刻与系统同步；
f、接入点通过接入响应信道向移动终端发送确认消息，移动终端在收到确认消息后发送接入消息，接入点在处理这些接入消息后通过接入响应信道将接入结果发送给移动终端。
本发明的一种无线局域网系统的移动终端同步接入方法，在业务数据传输过程中，接入点通过上行业务信道上的前导码序列来分析移动终端发送数据的时刻，在下行专用信道的控制部分将时延调整信息发送下去，移动终端根据该信息调整自己的业务数据发送时刻，整个闭环过程每一帧或者多帧调整一次。
本发明的一种无线局域网系统的移动终端同步接入方法，如所述无线局域网系统中某一扇区采用一组LA码作为扇区识别码，则该扇区的公共控制信道都要经过这组LA码的调制。
本发明采用的LAS码具有零干扰窗特性，当移动终端之间满足一定的同步条件，且多径时延不超出零干扰窗时，多址干扰和多径干扰都非常低，在理论上干扰是零，因为实际系统中受传输带宽的影响，零干扰窗内存在一定的干扰水平，但量级非常低，因而频谱效率非常高。采用DSSS技术后，相邻小区/扇区可以采用同一载波频率，频谱效率高于现有无线局域网系统。本发明采用动态的CDMA与TDMA相结合的接入方法，在简化情况下，也可以与现有标准相同只采用TDMA方式，不同扇区的公共控制信道可以采用码分方式同时发送，对低速率移动终端可以采用较高扩频因子的扩频码接入，一个业务子信道可以同时传送多个移动终端，对于高速率移动终端，可以采用多码方式使用一个时隙的多个码资源，同时还可以使用较小扩频因子。因此，本发明是一种TDMA/CDMA结合的，可灵活配置的无线局域网接入方案。
由于TDMA/CDMA相结合，在移动终端数较多的情况下，AP的调度运算会更简单。克服了目前系统中因为只采用CDMA方式，在接入移动终端较多的情况下，因为调度算法复杂而调度比较困难。且由于DSSS技术的使用，当传播信道条件发生变化而需要自适应地改变传输速率时，除了可改变调制方式、信道编码速率外，还可以灵活地改变扩频因子。采用CDMA方式后，不同移动终端的业务数据可以同时发送，AP采用较简单的调度算法可以满足较多移动终端接入局域网后的服务质量。
由于采用了多址码作为公共控制信道的扇区识别码，不同公共控制信道可以在同时刻发送到各个扇区，不再担心扇区之间的交叠问题，这样公共控制信道对系统资源的占用比例相对减少，留给业务信道的系统资源相对增加，提高了频谱效率。相邻扇区、小区都可以采用相同的载波频率。
附图说明
图1：HiperLAN2的MAC帧格式
图2：本发明LAS-WLAN的物理帧信道结构示意图
图3：本发明的帧时间结构示意图
图4：下行专用信道DL-DCH结构示意图
图5：反向同步信道UL-SCH和反向接入信道RCH结构示意图
图6：上行专用信道UL-DCH结构示意图
图7：移动终端接入过程示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例来进一步说明本发明。本实施例通过本发明的物理帧结构、对现有技术中无线局域网的各个信道所作的调整和修改、移动终端接入过程、延迟控制四个部分来说明如何实现本发明的无线局域网。
1、本发明的物理帧结构
本发明LAS-WLAN的物理帧信道结构示意图如图2所示。
设物理帧长度为2ms，码片速率20Mbps。
如果一个小区有多个扇区，则与图1不同(图1是MAC帧结构，其对应的物理层帧结构的各信道也是时分的，这里为便于介绍CDMA的概念，采用的是物理帧)，其下行公共控制信道可以在同时刻发送，不同扇区采用不同的LA码扩频，这些LA码就成为了扇区识别码。
本发明的帧时间结构示意图如图3所示。一帧长度为2ms，分成17个子帧。上图中的各个信道可以占据一个或多个子帧，多个信道又可以通过码分，占据同一个子帧。一帧中的下行子帧和上行子帧数可以根据当前业务状况进行动态调配，收发保护带(图中的GAP部分)为6us。在一帧中，第0个子帧长度为544码片，其它子帧都为2451码片。
图3中表示了一帧的17个子帧SF0～SF16，其中在中间某个子帧(SFi，1＜i＜16)前面插入120码片的收发保护带，在第16号子帧后面也插入120码片的收发保护带，即图中表示SF0～SFi-1为下行子帧，SFi～SF16为上行子帧。
SF0长度为544码片。SF0用于传送DL_SCH信道，内部包含8个同步时隙SS0～SS7，每个时隙长度是64码片，在SF0的开始和末尾都插入16码片的保护带。每个同步时隙由长度为32的LS码组成，LS码的C码、S码之间插入了16个码片的保护带，前后各插入8码片的保护带。
其它子帧的长度为2451码片，每个子帧包含16个时隙(TS0～TS15)。这16个时隙采用了LA码进行位置调制，每个时隙的长度各不相同，最小长度是140。时隙长度减去LS码长度余下的码片分成两部分插入到C码和S码的前面。LS码长度是128，因此最小间隔是6码片。
表1是主LA码的间隔长度。
| 时隙 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| 长度 | 140 | 142 | 144 | 146 | 148 | 150 | 152 | 154 | 156 | 158 | 160 | 162 | 164 | 168 | 176 | 141 |
表1
各个时隙的C码和S码前面的GAP长度如表2所示。
| 时隙 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| C码 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 6 |
| S码 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 7 |
表2
通过将LA码的不同长度的间隔位置做前后交换，即可派生出其它LA码，不同小区可以采用相同的LS码，通过不同的LA码调制即可。同一小区的不同扇区可以采用同一个LA码，而可采用不同的LS码组。
长度为128的LS码，其扩频因子可以从16～128变化。对于高速移动终端，尽量采用较小的扩频因子而减少并行传输的码道数目。
2、本发明对现有技术中无线局域网的各个信道所作的调整和修改
1)下行同步信道(DL_SCH，DownLink Synchronization CHannel)
这一个物理层的信道，每帧发送一次，位置为每帧的第0个子帧，长度是544个码片。同步信道含有8个时隙，每个时隙由一个长为32的LS码和三段GAP组成，可携带一个符号。采用不同的调制方式，则这8个符号可传递的数据比特量就不同。移动终端通过捕获前向同步信道传递的特殊编码信息可以获得前向链路的同步。
选择一个长度为32个的LS码A0(C码和S码长度各为16)，经过正交旋转变换即可派生出一组码字：
设A0＝(a0，a1，a2，...，a31)，通过旋正交转变换，得到的码组为Ai＝(a0，a1·eji，a2·ej2i，...，a31·ej31i)。其中i＝2πi/31，i＝0～31。
通过正交旋转派生出的码字，可以与其它子帧上的未经过旋转的LS码保持正交关系。上述32个码字可以分配到不同的小区中，移动终端从这里码组里依次挑选一个码字用来做同步，直到捕获到当前小区的帧起始位置为止。
同步信道的携带的信息还可以分成不同的数据域，除了用于同步的特殊标志域外，还可以携带本小区的LA码、LS码组信息。移动终端同步上后即可获得这些信息。
2)广播信道(BCH，Broadcasting CHannel)
发送小区共享信息。
3)帧控制信道(FCH，Frame control CHannel)
这是接入点对系统资源进行调度和分配的指示信道。一帧中的上下行数据子帧使用状况都在此信道上发送出来。
4)接入响应信道(ACH，Access indicator CHannel)
它传送上一帧中移动终端的接入请求的处理状况，移动终端可以在该信道上获得自己是否允许接入的信息。通常，该信道含有接入延迟调整信息，以通知移动终端调整其发送接入前导码序列的时刻。
5)公共导频信道(CPICH，Common PIlot CHannel)
移动终端可使用公共导频信道做信道估计，也可使用业务信道上的间断导频。
上述BCH、FCH、ACH、CPICH信道采用不同的LS码扩频，采用码分方式在同一个子帧上发送出去。而且通过一定的码字资源分配，可以实现不同扇区采用不同的LS码，所有扇区的公共信道同时发送出去。
6)下行专用信道(DL-DCH，DownLink Dedicate CHannel)
占用的子帧数目由接入点动态的调度，可以用TDMA/CDMA两种多址方式结合的方法来区分移动终端。如果下行没有业务，则没有DL-DCH信道。专用信道包含控制和数据部分，其中控制部分包含间断导频、延迟控制、功率控制、自动重传请求(ARQ)等部分。移动终端既可利用下行公共导频信道做信道估计，也可以利用每个子帧的间断导频信道估计，或二者结合。
图4是一个DL-DCH结构示意图。在图4中，每个子帧的第0个时隙用来传第延迟和功率控制信息，第1个时隙用来传递间断导频，后面的时隙用来传递传输信道映射过来的数据包。延迟、导频部分与后面数据部分使用同一个LS码扩频，这样不同移动终端则可以有自己的间断导频和延迟控制信息。
7)反向同步信道(UL-SCH，UpLink Synchronization CHannel)
UL-SCH用于反向链路同步，主要是反向接入过程中的同步。移动终端利用反向同步信道传递同步前导码序列(Preamble)，接入点通过解调这些前导码序列而获得移动终端的同步信息。
8)反向接入信道(RCH，Random access Channel)
用于移动终端的反向接入过程，传送接入信息。移动终端总是在反向同步完成后，才在ACH信道上发送接入信息。图5是一个UL-SCH和RCH结构示意图。
UL-SCH和RCH通过时分方式占用一帧的最后一个子帧SF15。其中UL-SCH含有8个反向接入时隙(RSS0～RSS7)，其长度与下行同步信道DL-SCH一样。子帧余下的部分用来传递ACH接入消息。
UL-SCH和RCH放在一帧的末尾，目的是使这两个信道的位置固定，便于接入点处理这两个信道上的信息。
9)上行专用信道(UL-DCH，UpLink Dedicate Channel)
用于传递反向业务数据，该信道也分为数据部分和控制部分，与下行专用类似，在信道首部含有功率控制、自动重传请求(ARQ)、间断导频部分，但没有延迟控制部分，因为接入点不可能单独调整某一个移动终端的下行专用信道的发射时刻。控制部分和业务数据部分采用同一个LS码扩频。UL-DCH的设计例子如图6所示。
当不同移动终端使用相同的子帧传送业务时，他们之间依靠不同的LS码区分。
3.移动终端接入过程
当移动终端希望接入系统之前，必须通过DL-SCH信道捕获到系统的帧同步，前向链路的参考时刻已经获得。当移动终端接入系统时，首先在UL-SCH信道上发送接入前导码序列，当前空闲的前导码序列可以从广播信道上获得。其发送接入前导码序列的时隙位置由系统参数规定。在本实施例中，UL-SCH信道上一共有8个时隙，且两边都留有16个码片的时间调整余量。并由BCH信道发送给本小区所有移动终端。
接入点接收到该接入前导码序列后，如果没有冲突，则分析该前导码序列的到达时间，通过ACH信道反馈延迟调整信息。移动终端将根据接收到延迟调整信息调整自己发送前导码序列的时刻，并在同一个同步时隙上继续发送接入前导码序列。只有通过连续几帧的调整，且接入点认为移动终端发送前导码序列的时刻符合即与系统同步后，才通过ACH信道发送确认信息，让移动终端发送接入消息。接入消息里包含了资源请求信息，接入点处理这些信息后将在ACH信道中将接入结果发送给移动终端。
如果有两个移动终端在同一个同步时隙上发送接入前导码序列，则出现冲突，两个移动终端都无法接入，该同步时隙继续处于空闲状态。一般移动终端会根据一定的算法寻找另一个同步时隙或者等待到下一帧后再尝试新的接入。
整个接入过程如图7所示。移动终端发送的前导码序列，要在下一帧的才能被接入点接收到，然后在ACH信道上将时延调整信息发送下去。只经过一次时延调整，移动终端发送前导码序列的时刻即满足系统要求，因此ACH信道上发送同步完成的消息，移动终端则在RCH信道上将接入消息发送出去。
4.延迟控制
在移动终端接入时，接入点通过接入前导码序列来分析移动终端发送数据的时刻，然后通过ACH信道将延迟控制信息发给移动终端，移动终端根据该信息调整接入前导码序列的发送时刻。这个闭环过程每帧重复一次，直至同步完成为止，然后发送接入消息。
在业务数据传输过程中，接入点通过上行业务信道上的前导码序列来分析移动终端发送数据的时刻，在DL-DCH信道的控制部分将时延调整信息发送下去，移动终端根据该信息调整自己的业务数据发送时刻。这个闭环过程可以每一帧调整一次，也可以多帧调整一次。
本发明的上述实施例，可以用其他各种方式实现。例如，可以仅仅用LS码来传递下行控制信道，而其它信道全部采用OFDM调制。这样不同扇区的公共控制信道采用了码分方式，但是业务仍然采用TDMA方式。这样可避免上行的同步要求，在保留现有HiperLAN2基本结构的基础上，又通过码分方式降低了公共控制信道的资源占用比例。
还可以不使用LA码，而只用LS码，这样可减小时隙中的GAP长度，占空比更高，因此一个小区中的频谱效率更高。但组网时相邻小区只能采用频分复用方式了。
还可以使用较短的LS码，构成较短的时隙和较短的子帧。这样一帧中的子帧数目可以增多，使系统更适合于较短的突发数据业务。也可以构造更长的物理帧，如10ms帧，这样一帧中可调度的子帧数更多。
另外，从减少复杂性的角度出发，可以将该系统简化，让它更接近于当前的HiperLAN2标准。比如每个扇区只采用一个LS码，通过调整其扩频因子来适应不同的信道环境。同扇区移动终端完全采用TDMA方式区分，而不同扇区/小区的移动终端通过不同的LS/LA码区分。
Claims (4)
1、一种无线局域网系统的移动终端同步接入的方法，其特征在于，所述无线局域网系统在物理层采用直接序列扩频技术中一种高频谱效率的扩频码即大区域同步码作为扇区识别码、同步码、接入码、扩频码，所述大区域同步码包含LA码组和LS码组，用LA码区分不同的扇区小区，用LS码区分同一小区中不同的移动终端；
所述移动终端的同步接入过程具体步骤为：
a、移动终端通过下行同步信道在LS码中捕获无线局域网系统的帧同步时隙；
b、移动终端在广播信道上获得空闲的一组LS码作为接入前导码序列，在反向同步信道上按照捕获到的帧同步时隙的时刻发送所述前导码序列；
c、接入点接收到所述接入前导码序列后，如没有多个移动终端的接入冲突，则分析该前导码序列的到达时间，通过接入响应信道反馈给移动终端延迟调整信息，并进入步骤d；如有冲突，则所述帧同步时隙继续处于空闲态，并回到步骤a；
d、移动终端根据接收到的延迟调整信息调整自己发送前导码序列的时刻，并在同一个同步时隙上继续发送接入前导码序列；
e、重复上述步骤c和步骤d，直到移动终端发送前导码序列的时刻与系统同步；
f、接入点通过接入响应信道向移动终端发送确认消息，移动终端在收到确认消息后发送接入消息，接入点在处理这些接入消息后通过接入响应信道将接入结果发送给移动终端。
2、如权利要求1所述的一种无线局域网系统的移动终端同步接入的方法，其特征在于，移动终端通过TDMA/CDMA相结合的多址方式接入到所述无线局域网系统的接入点中。
3、如权利要求1所述的一种无线局域网系统的移动终端同步接入的方法，其特征在于，在业务数据传输过程中，接入点通过上行业务信道上的前导码序列来分析移动终端发送数据的时刻，在下行专用信道的控制部分将时延调整信息发送下去，移动终端根据该信息调整自己的业务数据发送时刻，整个闭环过程每一帧或者多帧调整一次。
4、如权利要求1所述的一种无线局域网系统的移动终端同步接入的方法，其特征在于，如所述无线局域网系统中某一扇区采用一组LA码作为扇区识别码，则该扇区的公共控制信道都要经过这组LA码的调制。
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