CN1528098A - 分层蜂窝无线电通信系统 - Google Patents

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Abstract

一种分层蜂窝无线电通信系统系统包括多个微微小区(106)和一个伞状宏小区(102)，每个小区包括一个控制主站(104、108)。一个次站(110)具有一条与此系统通信的通信信道，它被划分成用于传输控制信息的控制子信道(212)和用于传输用户数据的数据子信道(214)。控制子信道将次站连接到服务宏小区的主站，而数据子信道将次站连接到服务微微小区的主站。所述信道的控制部分主要由伞状宏小区来服务，从而降低频繁的移动性管理开销，而数据部分主要由能够支持高数据速率和大数据密度的微微小区来服务。对于一个系统服务分组数据来说，微微小区层可以是不连续的。

Description

分层蜂窝无线电通信系统
技术领域
本发明涉及一种无线电通信系统，还涉及在这种系统中使用的主站和次站，并涉及在这种系统中操作的一种方法。虽然本说明书具体参考通用移动电信系统(UMTS)描述了一个系统，但是应当理解这些技术同样可以在其它的移动无线电系统内使用。
背景技术
蜂窝无线电通信系统，例如UMTS和GSM(全球移动通信系统)，是公知的。在这些系统中，小区通常具有一定大小，例如在市区内较小，而在郊区较大。小区容量通常取决于其大小，所以较小小区提供更高的数据密度。因此，通过缩小小区尺寸，从而减少每个小区的用户数量，应当能够向各个用户提供更高的数据速率。然而，较小小区的缺点在于当用户移动时需要在小区之间切换通信链路。这导致在空中信令和网络信令两方面的额外开销。此外，因为所需要的系统硬件数量，部置较小小区的连续网络可能成本很高。
为了成功地维持与一个用户的持续连接，当用户在小区边沿附近时通常使用一种称作软越区切换的技术。使用这种技术，除了当前小区之外，还在用户与相邻小区之间建立连接。所有链路承载相同的数据，当用户离开原小区时，链路终止。这种技术允许维持连接，并且因为分集效应可降低维持链路质量所需要的总功率，可以提高系统的空中容量。然而，因为需要在所有链接到用户的小区之间传送所有的控制和数据信息，它也增加了网络负荷。
一种网络部署的方法使用组合宏小区和微微小区的分层小区结构，其中微微小区服务于一个同时由宏小区覆盖的区域。这种结构能够考虑到需要不同数据业务类型的不同用户。典型地，使用“伞状”宏小区向需要低比特流和高移动性业务(例如话音电话)的那些用户提供服务，因为它具有足够高的比特率，对越区切换的要求低于较小的小区。
使用微微小区的网络向需要较高比特率业务和较低移动性的那些用户提供服务。这些较小的小区能够建立宏小区无法承载的高数据速率链路，同时较低的移动性保持越区切换要求是可管理的。在微微小区网络内视为具有较低移动性的一个用户的例子将是越区切换处理的持续时间远低于用户在一个微微小区内的典型时间的情况。微微小区网络可以是连续的，或者仅仅覆盖“热点地区”。
然而，这种情况存在一些问题，尤其当考虑到对较高移动性的高比特率的需要不断增加的未来蜂窝网络时。首先，支持越区切换的网络信令的开销可能限制系统的容量，所以浪费了昂贵的频谱资源。其次，随着终端移动速度的增加和小区缩小(以增加容量/数据速率)，可能会导致终端移动地过快以至于在它已经离开下一个小区之前不能成功地从一个小区越区切换到下一个小区。第三，随着小区缩小，部署一个完全连续的微微蜂窝网络的成本可能会过度增加。
在国际专利申请WO 00/05912中公开了一种具有分层小区结构的系统的一个例子。这个系统具有三种小区(宏小区、微小区和微微小区)，使用微微小区支持最高数据速率。该系统通常将移动终端分配给提供最强信号的小区类型，尽管也可以同时考虑移动终端的通信要求。
在美国专利US 5,546,443中公开了这样一种系统的另外一个例子。此系统包括宏小区和微小区，并通过使在一个伞状宏小区区域内的所有微小区与该宏小区共享一条信息信道来提高频谱效率。所述信息信道能够传输呼叫请求和寻呼消息以及与移动站和基站位置和特性有关的信息。
发明内容
本发明的一个目的是解决已知的分层蜂窝无线电系统的问题。
根据本发明的第一方面，提供一种分层蜂窝无线电通信系统，包括：一个次站、多个微微小区和一个伞状宏小区，每个小区具有一个相应的控制主站和一条次站和主站之间的通信信道，所述通信信道包括用于分别传输控制信息和用户数据的控制和数据子信道，其中提供装置，用于连接所述次站和用于宏小区的控制主站之间的控制子信道，和用于连接所述次站和用于微微小区的控制主站之间的数据子信道。
使用不同的小区类型向控制和数据子信道提供服务能够更有效地工作。此信道的控制部分主要由伞状宏小区提供服务，从而降低频繁的移动性管理的开销，而数据部分主要由能够支持高数据速率和大数据密度的微微小区提供服务。对于一个系统服务的分组数据来说，这种配置允许微微小区层可以是不连续。
一个微微小区和所述次站之间的通信链路可以是单向的，一般仅可在下行链路方向中工作。
根据本发明的第二方面，提供一种在分层蜂窝无线电通信系统中使用的主站，所述通信系统包括：一个次站、多个微微小区和一个伞状宏小区，每个小区具有一个相应的控制主站和一条次站和主站之间的通信信道，所述通信信道包括用于分别传输控制信息和用户数据的控制和数据子信道，其中提供装置，用于在所述次站和主站之间连接控制子信道和数据子信道之一，并将另一个子信道连接到一个在不同分层级别上控制一个小区的主站。
根据本发明的第三方面，提供一种在分层蜂窝无线电通信系统中使用的次站，所述通信系统包括：多个微微小区和一个伞状宏小区，每个小区具有一个相应的控制主站和一条次站和主站之间的通信信道，所述通信信道包括用于在所述次站和一个主站之间分别传输控制信息和用户数据的控制和数据子信道，其中提供装置。用于连接所述次站和用于宏小区的控制主站之间的控制子信道，和用于连接所述次站和用于微微小区的控制主站之间的数据子信道。
根据本发明的第四方面，提供一种操作一个分层蜂窝无线电通信系统的方法，所述通信系统包括：一个次站、多个微微小区和一个伞状宏小区，每个小区具有一个相应的控制主站和一条次站和主站之间的通信信道，所述通信信道包括用于在所述次站和一个主站之间分别传输控制信息和用户数据的控制和数据子信道，该方法包括在所述次站和用于宏小区的控制主站之间连接一条控制子信道，和用于在所述次站和用于一个微微小区的控制主站之间连接一个数据部分。
本发明基于在现有技术中未曾出现的下述观点，即使用不同的小区类型来处理一条通信信道的控制和用户数据部分能够提高性能。
附图说明
现在将参考附图，通过例子来描述本发明的多个实施例，在附图中：
图1图示一种已知的分层蜂窝通信系统；和
图2图示根据本发明设计的一种分层蜂窝通信系统。
在附图中，使用相同的参考数字表示相应的部件。
具体实施方式
在图1中图示了一种已知的分层蜂窝通信系统，包括一个伞状宏小区102和多个微微小区106。宏小区102具有一个控制主站104，每个微微小区106具有一个相应的控制主站108。微微小区106并不完全覆盖宏小区102所覆盖的区域。不在一个微微小区106覆盖区域内的次站110a通过一条专用信道112与宏小区基站(BS)104通信。处于一个微微小区106覆盖区域内的另一个次站110b通过一条专用信道114与相应的微微小区BS108通信。
一条双向通信链路，例如专用信道112和114，通常承载两种业务：控制数据和用户(应用)数据。控制数据通常并不需要很高的数据速率，但是需要持续的连接(或者至少是有规律的短的时间间隔)。在未来通信系统中，可以预见用户数据将需要很高的数据速率，但是将以分组的形式发送(短数据块，而不是连续传输)。
在图2中图示了根据本发明设计的一种分层蜂窝通信系统，提供系统和移动站(MS)110之间无线电链路更有效地的管理。这通过下述方式来实现，即：以分层小区结构来设置无线电接入网络，允许在两种小区之间分割一条通信链路，以便在一个终端110和控制宏小区102的BS104之间的控制子信道212上传送控制数据，在终端110和控制微微小区106的BS108之间的数据子信道214上传送用户数据。
宏小区102提供对控制数据的最佳支持，因为它具有拥有足够的容量来支持通信业务，并覆盖一个宽阔的区域，所以当用户移动时能够维持一条连续的链路，而不需要在小区之间过多的越区切换。同时，高容量的微微小区106支持高速率的用户数据。因为与宏小区的BS104建立控制子信道212，能够在任何时间上管理在用户数据传输中使用的最合适的微微小区106的选择。因为用分组发送用户数据，所以微微蜂窝的覆盖区域不必是连续的，尽管如果它不是连续的则在分组传输中可能存在延迟。
不需要微微小区106之间的软越区切换，因为数据被分组化，并可以在用户仅需要从一个小区106传输时才进行发送，尽管如果提供一个显著的分集增益也可以予以支持。应当指出这假定了用户不是移动得很快，以致于不可以从一个微微小区106发送一个完整的分组。如果用户移动地过快，该系统可以选择降低数据分组的大小，以便当用户在单个微微小区106的覆盖区域内时有时间发送一个完整的分组。
在微微小区106内可能存在一些需要发送的其它控制信息(例如，在支持快速物理层程序时，例如功率控制)。这些信息将在“接通-断开(on-off)”的基础上与各个分组相关，即仅当发送数据分组时才发送。
现在考虑一种更详细的实施例，以UMTS的WCDMA(宽带码分多址)频分双工(FDD)模式为基础。在这个实施例中，使用分别用于其上行链路和下行链路链路的频率Fmu和Fmd来部署宏小区102。微微小区106使用频率Fpu和Fpd，使用相应的扰码来区分不同的小区106。
对于在这个实施例中操作的一个用户来说，到核心网络的更高层和协议的连接在宏小区BS104内(和/或在连接到宏小区BS的一些控制实体内)终止。这也是核心网向用户分发数据和从用户收集数据的位置。宏小区BS104具有到在伞状宏小区102内所包括的微微小区基站108的直接链路，并以对于网络透明的方式向和从适合于当前通信的位置发送数据。
通过扫描微微蜂窝网络的广播信道，用户的MS110能够确定它位于哪个微微小区106，或者它从哪个微微小区BS108接收到具有最佳信噪比(SIR)的信号。或者有规律地，只要它改变，或者根据宏小区102的命令，MS110可以将这个小区106的标识通知给宏小区的BS104。当有一个数据分组要发送给用户时，宏小区102将该数据择路发送给所标识的微微小区106，并通过宏小区102和MS110之间的控制子信道212向MS110通知，它应当使用分配给微微小区106使用的特定数据子信道214来接收一个数据分组。假设用户在任意一个微微小区106覆盖区域的外部，则BS104可以排队该数据，直到用户进入一个微微小区106时。
在上述实施例的一种变型中，当MS110从多个微微小区106接收很好的BCH(广播信道)信号时，它将一个合适的微微小区列表通知给宏小区BS104。该网络例如根据微微小区之间的有关业务负荷来选择用于传输下一数据分组的微微小区106。宏小区BS104将所选择的微微小区106的标识通知给MS110，以使它准备接收所述分组。与微微小区106的列表一起，MS110可以将每个微微小区有关的信号质量测量值发送给宏小区BS104，使BS104能够确定一个合适的微微小区106。宏小区BS104还可以命令所选择的微微小区BS108改变传输参数(例如数据速率、发射功率)以修改所选择链路的质量。
在上述实施例的另一种变型中，微微小区BS108可以扫描它能够接收传输的所有MS110，并将一个或多个标识通知给宏小区BS104。这样一种实施例的优点是降低了MS110的功耗。可选择地，在能够确定MS110的位置的系统内，可以为了传输选择最接近的微微小区BS108。
可能存在这种方案的多种其它的实施例。微微小区106可以仅支持单向(通常是下行链路)的子信道214，可选择地使用广播技术。不同类型的小区102和106可以使用不同的通信模式，例如UMTS FDD和UMTS时分双工(TDD)，或者甚至是不同的通信系统(例如UMTS宏小区102和HIPERLAN微微小区106)。
宏小区的BS104可以使用MS110的微微蜂窝位置的有关信息，从而能够为它与MS110的发送和接收执行天线波束形成，从而提高宏小区102内的容量和链路质量(并在宏小区层上有助于越区切换)。
一个运营商可以在一个外国内建立一个低成本/容量的宏蜂窝网络，允许漫游用户直接地连接到他们的原籍网络以便控制，但是将在传统漫游协议的基础上通过一个本地运营商来择路发送用户数据。这样一种结构将有利于未来的虚拟家庭环境型系统，其中无论用户在哪里接入系统，用户的操作环境都是相同的。在这样的系统中，环境的相关信息必须驻留在网络内，从而允许从不同的终端访问。可能需要限制将相关信息发送到家庭网络，或者可能需要限制通过另一个网络访问这些信息的速度。
尽管已经用宏小区和微微小区的形式描述了本发明，它同样可以应用于分层蜂窝系统内的各种小区大小，并且并不限制于仅具有两种小区层次的系统。例如，可以结合底层的地面宏小区和微微小区使用由卫星或高空平台(HAP)建立的一个伞状小区来服务于高速用户，例如分机、火车、等等。如果这样一个系统内的用户数量很少，可以使用一个广播系统，其中使用一个低容量的返回信道(例如用于交互式电视)作为卫星/HAP小区内的控制信道。
通过阅读本说明书，对于本领域的技术人员来说显然可以进行其它的修改。这些修改可能包括在无线电通信系统及其组成部件的设计、制造和使用中已知的和作为在此所述部件替代地或附加地使用的其它部件。
在本说明书中和权利要求书中，一个单元之前的词“一个”并不排除存在多个这样的单元。此外，词“包括”并不排除除了所列出之外的其它单元或步骤的存在。

Claims (12)

1.一种分层蜂窝无线电通信系统，包括：一个次站、多个微微小区和一个伞状宏小区，每个小区具有一个相应的控制主站，和一条次站和主站之间的通信信道，所述通信信道包括用于分别传输控制信息和用户数据的控制和数据子信道，其中提供装置，用于连接所述次站和用于宏小区的控制主站之间的控制子信道，和用于连接所述次站和用于微微小区的控制主站之间的数据子信道。
2.根据权利要求1所要求保护的系统，其特征在于所述数据子信道是单向的。
3.根据权利要求2所要求保护的系统，其特征在于所述数据子信道可以仅工作在下行链路方向。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所要求保护的系统，其特征在于提供装置，用于确定次站的速度导致不能从一个微微小区接收到一个完整的数据分组，并用于作为响应，降低所发送数据分组的大小。
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所要求保护的系统，其特征在于根据不同的通信模式来操作控制和数据子信道。
6.一种在分层蜂窝无线电通信系统中使用的主站，所述通信系统包括：一个次站、多个微微小区和一个伞状宏小区，每个小区具有一个相应的控制主站，和一条次站和主站之间的通信信道，所述通信信道包括用于分别传输控制信息和用户数据的控制和数据子信道，其中提供装置，用于在所述次站和主站之间连接控制子信道和数据子信道之一，并将另一个子信道连接到一个控制在不同分层级别上的一个小区的主站。
7.根据权利要求6所要求保护的主站，其特征在于所述主站适合于用作用于一个宏小区的控制主站，并提供装置，用于与用于连接到数据子信道的微微小区的控制主站交换与所述次站有关的用户数据。
8.根据权利要求6所要求保护的主站，其特征在于所述主站适合于用作用于一个微微小区的控制主站，并提供装置，用于与用于宏小区的控制主站交换通过数据子信道发送的用户数据。
9.一种在分层蜂窝无线电通信系统中使用的次站，所述通信系统包括：多个微微小区和一个伞状宏小区，每个小区具有一个相应的控制主站，和一条次站和主站之间的通信信道，所述通信信道包括用于在所述次站和一个主站之间分别传输控制信息和用户数据的控制和数据子信道，其中提供装置，用于连接所述次站和用于宏小区的控制主站之间的控制子信道，和用于连接所述次站和用于微微小区的控制主站之间的数据子信道。
10.根据权利要求9所要求保护的次站，其特征在于提供装置，用于确定哪个微微小区提供最佳信号，并用于将这一确定结果通知给用于宏小区的控制主站。
11.根据权利要求9所要求保护的次站，其特征在于提供装置，用于确定哪些微微小区提供可以接受质量的信号，并用于将这一确定结果通知给用于宏小区的控制主站。
12.一种操作一个分层蜂窝无线电通信系统的方法，所述通信系统包括：一个次站、多个微微小区和一个伞状宏小区，每个小区具有一个相应的控制主站，和一条次站和主站之间的通信信道，所述通信信道包括用于在所述次站和一个主站之间分别传输控制信息和用户数据的控制和数据子信道，该方法包括在所述次站和用于宏小区的控制主站之间连接一条控制子信道，和用于在所述次站和用于一个微微小区的控制主站之间连接一个数据部分。
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