CN1358039A - 用于蜂窝电信系统的帧结构 - Google Patents

Abstract

用于蜂窝电信系统的帧结构。为了使运行时分模式的UMTS/UTRAM的蜂窝规模从3.75公里扩大一倍至7.5公里,B节点定义被邻近的上行时隙跟随的下行时隙保护时段,该保护时段长于被邻近的下行时隙跟随的上行时隙的保护时段,由此蜂窝的得以扩大。各UE调整其定时以响应在每一下行突发开始时的定时偏差信号(64),故在下一个上行时隙开始时可将上行突发传输到达B节点。

Description

用于蜂窝电信系统的帧结构

技术领域

本发明涉及蜂窝电信系统的帧结构，特别针对时分系统。

背景技术

蜂窝移动系统通常根据一个单独的基站在蜂窝范围内传输及收到的移动工作站的信号的能力设计蜂窝的规模，换句话说，一个蜂窝具有单一的信号源可以转发及接收到网络其他地方。蜂窝的大小受到许多物理参数的限制，举例来说，如可用电源，移动工作站的密度等，但是对于时分系统，决定蜂窝大小的一个重要参数就是传输信号到达移动工作站的时延和控制基站收到信号并所作出反应的时延。因为如果时延过大，举例来说，上行链路的时隙将会与下行链路的时隙重叠，从而产生干扰。

通用移动地面系统(UMTS)通用地面无线电接入网络(UTRAN)的技术规范规定了两种类型的空中界面，称为频分双工(FDD)和时分双工(TDD)。时分双工进一步分为芯片速率运行的两个波段，一个为3.84Mcps(百万芯片每秒)和另一个1.28Mcps。因为上述时延问题产生的干扰，所以有必要在连续时隙之间规定保护时段，这样就使得时分双工的蜂窝规模受到严重的限制。这样，对于波段为3.84Mcps的宽带时分双工，蜂窝的规模或其半径最大为3.75公里，而对于波段为1.28Mcps的窄带时分双工，其蜂窝规模或半径最大为3×3.75公里。

3GPP TS 25.221规定位于用户设备(移动)和B节点(基站)之间的物理信道为一系列各为十毫秒长的无线电帧，各无线电帧被分为15个时隙，每个时隙的长度为2560×Tc的芯片周期。

3GPP TS 25.224规定了同步程序及时间提前程序。在蜂窝搜寻过程中，一个UE通过蜂窝内的帧定时决定一个蜂窝的帧同步。于是UE可以使其自身与帧定时同步，并报告给B节点，已经实现了同步(4.4节)。在蜂窝内使用时，UE的传输可能会根据时间提前而作出调整(4.3节)。

尽管注意了同步及再定时程序，连续时隙间的保护时段仍严重限制了蜂窝的规模，使用UTRAN的TDD使得蜂窝的面积必须要小，这已经成为电信市场上采用TDD的一个重要阻碍因素。

发明内容

此发明的目的旨在提供方法及装置，扩大UTRAN中TDD模式下的最大蜂窝规模，同时又符合现行标准。

本发明适用于所有类型的蜂窝电信系统，根据现行规范，一个具有与之相应的蜂窝的主站包括UMTS的B节点和GSM的基站(BS)，而子站则指UMTS中的UE和GSM系统中移动站。

本发明认识到，尽管以前在每个时隙结尾处将保护时段等分成常量，但是在时隙之间对保护时段进行不相等的划分可以提供一种将蜂窝扩大到最大规模的装置。

本发明认识到，尽管现行标准表明在TDD系统中每一时隙结尾处具有一等长的保护时段，但是在主站可能可以“借用”一些或全部在上行时隙与跟随它的下行时隙之间的保护时段，并将其添加到前一个下行时隙与后一个上行时隙之间的保护时段。通过这一方式，可以用大量的时间段在B节点与用户设备之间传播信号。通过这一方法，蜂窝的规模可被扩大，最大至以前蜂窝规模的两倍。而且，由于在单个帧中的时隙的保护时段总长不变，此方法应该是符合规定标准的。

本发明的一个突出优点是，它可以在B节点或一个控制节点实施，以改变B节点内的时隙结构的保护时段。而蜂窝范围内的UE并没有改变，因为他们只需要跟随由节点B接收到的信号。

为此，在3GGP TS 25.225第5.2.8节中规定的定时偏差信号位于下行时隙的开始，使UE的时间在每一下行时隙的开始便得以调整，因而在传输跟随的上行时隙在没有误差。

因此，本发明一方面提供了一个蜂窝通信时分系统，其中，蜂窝的主站提供了限定的帧结构，其中每个帧包含多个时隙，每一时隙结尾处有一个保护时段，主站有在每一时隙内传输数据突发的装置，以及向蜂窝范围内子站传输定时偏差信号的装置，每一在主站的蜂窝范围内的子站都有将其定时调整到所接收的定时偏差信号的装置，用于调整上行传输突发的定时，所述系统的特征在于：

在主站，被一个邻近的上行时隙跟随的下行时隙的保护时段比被一个邻近的下行时隙跟随的上行时隙的保护时段要长，由此蜂窝的规模得以扩大。

另一方面，本发明提供了用于蜂窝通信时分系统的设备，包括：蜂窝的主站，包括提供限定帧结构的装置，其中每一帧包含多个时隙，每一时隙在其结尾处有一个保护时段，主站有在每一时隙内传输数据突发的装置，以及向蜂窝范围内子站传输定时偏差信号的装置，

在主站的蜂窝范围内的至少一个子站有将其定时调整到所接收的定时偏差信号的装置，用于调整上行传输突发的定时，所述设备的特征在于：

所述提供限定帧结构的装置用于在主站提供一个保护时段，这个被一个邻近的上行时隙跟随的下行时隙的保护时段比被一个邻近的下行时隙跟随的上行时隙的保护时段要长，由此蜂窝的规模得以扩大。

还有一方面，本发明提供了一种在蜂窝通信系统内时分接入的方法，其中一个蜂窝的主站提供一个限定的帧结构，每一帧包含多个时隙，每一时隙在结尾处有一个保护时段，主站将定时偏差信号传输至蜂窝范围内的子站，每一蜂窝范围内的子站将其定时调整到所接收的定时偏差信号，并调整上行传输突发的定时，所述方法的特征在于：

主站所定义的被一个邻近的上行时隙跟随的下行时隙的保护时段比被一个下行时隙跟随的上行时隙的保护时段要长，由此蜂窝的规模得以扩大。

优选情况下，定时偏差信号在每一下行时隙开始时由主站发出，据此子站可以调整其定时。在有些应用中，定时偏差信号可能不被经常传输。优选情况下，子站在计算定时时把主站发出的定时偏差信号考虑在内，并相应进行上行传输。

附图说明现结合附图对发明的优选实施例进行说明，附图包括：图1所示为UTRAN的示意性框图；图2所示为UTRAN的1，2及3层的示意性；图3所示为时分多址接入系统(TDMA)的时隙的示意图；图4所示为定时偏差信号的定义；图5所示为说明现有TDD系统运行，特别是保护时段如何抗干扰的示意图；图6所示为本发明保护时段系统的图解；图7所示为本发明优选实施例的图解。

具体实施方案

图1所示为UTRAN系统的一图解框图，UE在空中界面Uu和UTRAN的B节点的双重覆盖之下。每一B节点控制相应的额定半径为3.75公里的蜂窝。如图所示，每一无线链路子系统(RNS)带有多个由无线网络控制器(RNC)或业务无线网络控制器(SRNC)控制的B节点。UTRAN是有一个由包括移动业务交换中心/访问位置注册MSN/VLR的核心网络及业务GPRS(通用包无线业务)的支持节点SGSN组成。

图2所示为图1所示网络的不同逻辑层，层1为基础层，物理硬件层。层2通过传输信道为媒体接入控制单元提供传输至物理层的数据。由RRC无线资源控制形成的层3产生的数据，通过逻辑信道传输至媒体接入控制单元。无线资源控制也提供到物理层(即层1)的信号的控制与测量。

图3所示为UTRAN的TDD的运行，一个典型的包含初始数据部分30的帧结构的时隙，控制信号的中间部分32等，第二数据部分34和保护时段36。时隙的总长为2560芯片周期，保护时段的长度是96芯片周期。但是在本发明的优选模式中，保护时段36为一可变量。另外，本发明同样在时隙的开始，对下行时隙，提供了控制信号38，它表示由节点B决定的测量定时偏差，同时表示UE在收到下行信号时将调整其时间参数的数值。3GPP TS 25.244规定同步程序和时间提前程序。在蜂窝搜索程序中，UE将根据蜂窝内的帧时间决定蜂窝内的帧同步。由此UE可以使自己与帧时间同步，并向节点B报告，由此达到同步。(4.4节)在蜂窝内使用时，UE可能根据时间提前调整其传输(4.3节)。UTRAN将不断的测量自UE端的传输时间并发送必要的时间提前值。在收到这一数值时，UE会调整它的传输时间。3GPP TS 25.225规定了时间提前的测量方法。(4.5节)UTRAN测量接收定时偏差，如-与UTRAN时隙结构有关的接受上行传输时差，如上行传输的传播延迟为零的理想情况。图4所示为定时偏差信号38传输至UE端的定义，用来表示UE时间提前的计算方法，根据5.2.8节，3GPPTS 25.225。

图5所示为保护时段在现行系统中的应用示意。上面的时间图解为在蜂窝40中的子站MS-1在位置1上，没有明显的传播延迟，因此主传输站BTS和子站MS-1之间没有传播延迟。因此，对MS-1而言没有时间提前，且为了保持同步，MS-1计算的上行突发的时间与主站的上行时隙是吻合的。BTS与MS-1在突发之间都有时段G。

但是，下面的时间图解所示为在蜂窝范围内位置2上的MS-2站，在蜂窝的外边缘处，有显著的时间延迟。主站BTS传输定时偏差信号42以使下行时隙44在MS-2站的时间提前以弥补传播延迟。在下行时隙的长度和时间提前决定后，子站开始传播上行突发46。下面的图所表示的结果为在收到移动站下行突发结束的信号后上行突发立即开始。在主站，在上行时隙开始于收到突发时。BTS的保护时段G位于在下行时隙和跟随它的上行时隙之间，与位于上行时隙和跟随它的下行时隙之间的保护时段是相同的。但是，在移动站位于下行和上行突发之间的时段50在几乎0到BTS的保护时段G的值之间变化。

实际中，移动站还要加上有限的交换时间，即如52所示的时间提前所产生的误差。

UTRAN中TDD帧结构由15个无线频段突发组成，共计10ms。UTRAN TDD的空中界面通常用96芯片的保护时段来作为时间提前调整信号返回延迟。这相当于：

96个芯片保护时段除以3.84Mcps＝25微秒对于以300,000公里/秒传输的信号而言，这意味着

    信号返回路径最长为300,000km/s乘以25微秒＝7.5公里

因此：

    主站与子站之间的最大距离为7.5km除以2＝3.75km。

在帧结构中，保护时段通常被平均分为上行与下行。在现行的无线系统中通常如此。本发明通过为下行延迟生成一个相对长的保护时段和为上行迟延生成一个相对短的第二保护时段提出了一种独特上行和下行的划分方法。受益于第二保护时段，上行被延迟的固定时长应低于或等于现行保护时段。用这种方法，UE在时隙的开始予以调整，加上表示保护时段的96芯片周期。根据优选，系统的时间依据总是由下行信号突发的第一个字节给定的。

这是一种特殊的运行模式，除此之外技术规范中还推荐了其他模式。这种解决方案是蜂窝的规模较之其原来的设计高效的扩大了一倍，如以UTRAN中TDD 3.84Mcps为例，扩大了：

96芯片周期乘以2再除以3.84Mcps＝50微秒

信号传播速度为光速300,000km/s，故

信号往返长度为300,000km/s乘以50微秒＝15公里

于是：

子站与主站之间的最大距离为15公里除以2＝7.5公里

这一思想的优点在于在蜂窝规模的限制下缩短了时间延迟。通过影响每平方公里内需要设立的可以保证移动运营商的需求量的蜂窝的数目，这一特性改变了UTRAN中TDD选择的经济分析。

图6所示时间框图，为本发明的一个优选实施例，在对称TDD结构中下行时隙60与上行时隙62可任意选其一。主站BTS的时间在上面的线上排成一行注明，子站MS的时间在下面的线上排成一行注明。MS在进入蜂窝时被同步，于是主站BTS计算定时偏差信号64并在每一下行突发开始时传输。MS站根据这些信号调整其时间。主站的保护时段68位于上行时隙62和下一个下行时隙60之间，是最小值，由实际限制决定。保护时段66位于下行时隙与下一个跟随其后的上行时隙之间，其数值是现行技术系统数值的两倍，即192CPS，小于保护时段68的值。

当子站接收到下行突发和定时偏差信号64时，它会调整其下一个跟随着的上行突发，使得上行突发及上行时隙62可以以正确的时间到达BTS，如在保护时段66的结尾处。于是对于在物理位置上距BTS很紧的MS，如站1，没有显著的传播延迟，那么在MS介于上行突发和下一个跟随着的下行突发之间的时间延迟等于BTS的保护时段，192CPS(忽略实际上的约束条件不计)，如上面的图所示。但是对于那种在蜂窝的极端边缘的，如位置2，MS将会产生显著的定时偏差使时间提前，且MS在下行突发与下一个跟随的上行突发之间没有显著的时间延迟。如图6的中间位置所示，在下行突发与下一个跟随着的上行突发之间有一定数量的延迟69。在主站，保护时段被用于多种用途，如计算时间提前，在时隙的开始及结束时电压突然上升或下降。主站与子站之间的最大距离不仅取决于保护时段的长度，还取决于需要终止前一个时隙及开始下一个时隙所需要的时间。距离取决于：保护时段-(开始下一个时隙所用时间+终止前一个时隙所用时间+同步误差损失)。同步误差损失的时间增量可视为用于保持信息完整性的功能性余量。

如此安排，蜂窝的规模将会被有效的扩大一倍，因为在B节点上用于两个时隙之间的保护时段被高效的排在了下行时隙及下一个跟随其后的上行时隙之间。图7所示为一根据本发明做作的B节点与UE之间的示意性框图。B节点70具有软件72，所以处理器74可以调整图6中提到的位于下行及上行时隙之间的保护时段。经改进，软件74可以被安置在相应的RNC中。(见图1)处理器74控制收发器76。另外，B节点70具有系统时钟参考78，和用以计算定时偏差信号的装置80，通过收发器76在下行时隙的开始时将信号传输至相应的UE90。处理器96计算跟随着一个收到的下行突发的上行突发被收发器92传输的时间。上面图6中提及的例子为一个对称的系统。在非对称系统中，可能会出现大量的比如说连续的下行时隙，在连续的下行时隙之间的保护时段与现有系统中的保护时段相同，即96CPS。对于有着大量上行时隙的系统，其保护时段与现有系统中位于在B节点上的连续上行时隙之间的保护时段相同。

Claims (16)

1.蜂窝通信时分系统，其中，蜂窝的主站(70)提供了限定的帧结构，其中每个帧包含多个时隙(60，62)，每一时隙结尾处有一个保护时段(66，68)，主站有在每一时隙内传输数据突发的装置(76)，以及向蜂窝范围内子站传输定时偏差信号的装置(78，80)，每一在主站的蜂窝范围内的子站(90)都有将其定时调整到所接收的定时偏差信号的装置(94，96)，用于调整上行传输突发的定时，所述系统的特征在于：

在主站，被一个邻近的上行时隙跟随的下行时隙的保护时段(66)比被一个邻近的下行时隙跟随的上行时隙的保护时段(68)要长，由此蜂窝的规模得以扩大。

2.蜂窝通信时分系统的设备，包括：蜂窝的主站(70)，包括提供限定帧结构的装置(72，74)，其中每一帧包含多个时隙(60，62)，每一时隙在其结尾处有一个保护时段(66，68)，主站有在每一时隙内传输数据突发的装置(76)，以及向蜂窝范围内子站传输定时偏差信号的装置(78，80)，

在主站的蜂窝范围内的至少一个子站(90)有将其定时调整到所接收的定时偏差信号的装置(94，96)，用于调整上行传输突发的定时，所述设备的特征在于：

所述提供限定帧结构的装置用于在主站提供一个保护时段(66)，这个被一个邻近的上行时隙跟随的下行时隙的保护时段比被一个邻近的下行时隙跟随的上行时隙的保护时段(68)要长，由此蜂窝的规模得以扩大。

3.根据权利要求1的系统或权利要求2的设备，其特征在于，系统为UMTS，主站为B节点，子站为UE。

4.根据任意前述权利要求的系统或设备，其特征在于，所述保护时段的总数，除以2，大体上等于现行电信标准规定的保护时段的标准值。

5.根据任意前述权利要求的系统或设备，其特征在于，所述的位于上行时隙及下一个跟随的下行时隙之间的保护时段为最小值，由实际时间限制决定。

6.根据任意前述权利要求的系统或设备，其特征在于，所述定时偏差信号的传输装置用于在每一下行突发的开始，传输定时偏差信号(38，64)。

7.根据任意前述权利要求的系统或设备，其特征在于，子站包括装置(94，96)，根据由主站提供的定时偏差信号决定传输上行时隙的时间，以及下行突发的已知长度。

8.根据任意权利要求1到7的系统或设备，其特征在于，系统是不对称的，帧结构由数量不相等的上行时隙和下行时隙组成，其特征在于，上行或下行时隙的超过部分每一时隙都有相应的保护时段，数值等于前述的保护时段的总数除以2。

9.蜂窝通信系统内时分接入的方法，其中一个蜂窝的主站(70)提供一个限定的帧结构，每一帧包含多个时隙(60，62)，每一时隙在结尾处有一个保护时段(66，68)，主站将定时偏差信号(38，64)传输至蜂窝范围内的子站，

每一蜂窝范围内的子站(90)将其定时调整到所接收的定时偏差信号，并调整上行传输突发的定时，所述方法的特征在于：

主站所定义的被一个邻近的上行时隙跟随的下行时隙的保护时段(66)比被一个下行时隙跟随的上行时隙的保护时段(68)要长，由此蜂窝的规模得以扩大。

10.根据权利要求9的方法，其特征在于，系统为UMTS，主站为B节点，子站为UE。

11.根据权利要求9或10的方法，其特征在于，前述保护时段总数除以2，大体等于现行通信标准所规定的数值。

12.根据任意权利要求9到11的方法，其特征在于，上述位于一个上行时隙与下一个跟随其后的下行时隙之间的保护时段为最小值，由实际时间限制决定。

13.根据任意权利要求9到12的方法，其特征在于，定时偏差信号在每一下行时隙开始时进行传输。

14.根据任意权利要求9到13的方法，其特征在于，子站根据由主站提供的定时偏差信号决定传输上行时隙的时间，以及下行信号突发的已知时段。

15.根据任意权利要求9到14的方法，其特征在于，系统为对称的，一个时间帧由被单个的上行时隙分隔的单个的下行时隙组成。

16.根据任意权利要求9到14的方法，其特征在于，系统为非对称的，时间帧有数量不相等的下行时隙和上行时隙组成，其特征在于，上行或下行时隙的超过部分每一时隙都有相应的保护时段，数值等于前述的保护时段的总数除以2。

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