CN1838577A - 一种移动通信中的帧分多址方法 - Google Patents
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Abstract
本发明移动通信中的帧分多址方法，特征是在下行信道中设置导引同步信道，接入控制信道和帧分业务信道；设置超帧，长帧和帧结构；在上行信道中设置请求接入信道和帧分业务信道；设置长帧和帧结构；多用户通过发送接入请求来获得物理资源进行数据的传输；帧结构中除了用户编码后数据及数据信道估计信息外，还包括有发送方信息、接收方信息、帧头信道估计信息、帧号、帧头校验和帧控制等帧头信息。这种帧格式设计，将分组交换的概念引入到高速无线通信中，提高了资源利用率；更适合于无线分布式网络和分布式处理；在发送端引入码分多址技术，可以有效适配不同速率的业务，包括语音业务，可以方便实现多用户的码分复用与时分复用。
Description
技术领域：
本发明属于移动通信技术领域，特别涉及移动通信系统链路传输中的帧分多址(Frame Division Multiple Access，FrDMA)技术。
背景技术：
现有在移动通信中采用的多址方式主要有时分多址(TDMA)，频分多址(FDMA)和码分多址(CDMA)。
时分多址和频分多址方式虽然简单，但是由于多用户之间采用固定的资源分配方式，所以对于系统资源的利用率较低，通信系统的容量较小，已经不能满足当今快速发展的移动通信的要求。
虽然据美国《电气和电子工程师协会汽车技术学报》(IEEE Transactions on VehicularTechnology，Volume 40，Issue 2，pp.291～302，May.1991)介绍，码分多址方式有比时分多址和频分多址更高的系统容量。但是实际上码分多址方式需要复杂的功率控制，而且采用的码字由于非完全正交，多个用户之间会产生多址干扰(MAI)，影响系统的容量和通信质量。
随着移动通信的不断向前发展，未来移动通信呈现出许多不同以往的趋势和特点。一方面，通信的业务量大幅增加，而且业务类型多种多样，各自具有不同的服务质量(QoS)要求，其中大数据量的突发业务占越来越多的比重。传统的电路交换模式已经不再适用未来的业务模型，转而被分组交换模式所取代。另一方面，分布式移动通信的发展趋势会越来越明显，分布式的网络架构和分布式信号处理是未来移动通信发展的必然趋势。分布式计算，网格计算，对等(peer-to-peer)计算，正越来越多地被采用。现有的三种主要多址方式虽然有诸多优点，现在也被广泛采用，但已显示出越来越多的不适用性，都不能满足未来移动通信的发展需要。移动通信的发展，要求系统容量更高，资源利用率更好，更适合分组交换和分布式信号处理的移动通信多址方式。
但迄今为止未见有在移动通信中采用帧分多址技术的相关报道。
发明内容：
本发明提出一种移动通信中的帧分多址方法，采用帧格式设计实现多用户的帧分多址接入，以满足移动通信中多种类型业务的接入需求，提高资源利用率，实现移动通信中的分布式信号处理。
本发明移动通信中的帧分多址方法，多用户以竞争方式发送接入请求，接入成功后以时分的方式进行数据帧的传输；
其特征在于：
在下行信道中，设置导引同步信道，接入控制信道和帧分业务信道；设置超帧、长帧和帧结构；导引同步信道加上数个长帧组成一个超帧；接入控制信道和数个帧组成一个长帧；帧分业务信道加上帧头组成一个帧；帧控制信息、发送方信息、接收方信息、帧头信道估计信息、帧号和帧头校验组成帧头；用户编码后数据和数据信道估计信息在帧分业务信道上进行时分传输；
在上行信道中，设置请求接入信道和帧分业务信道；设置长帧和帧结构；请求接入信道和数个帧组成一个长帧；帧分业务信道加上帧头组成一个帧；帧控制信息、发送方信息、接收方信息、帧头信道估计信息、帧号和帧头校验组成帧头；用户编码后数据和数据信道估计信息在帧分业务信道上进行时分传输；
初始接入时，用户通过捕获导引同步信道调整自己的定时，完成初始同步；在数据传送中，用户通过跟踪导引同步信道调整自己的定时，完成同步跟踪；请求接入信道分成若干个子信道，如果用户请求接入，随机选择一个请求接入子信道，在其上发送接入请求，如果接入成功，系统在下行信道的下一个长帧的接入控制信道中广播上行帧分业务信道和下行帧分业务信道分配信息；在上行接收处理和下行接收处理时，先解调出帧头信息，对帧头进行信道估计和均衡处理，恢复出原始信息，并进行帧头校验，如果帧头校验不通过，则丢弃该帧；如果帧头校验通过，再对帧分业务信道中的用户编码后数据和数据信道估计信息进行解调和后续处理。
对于多个用户的低速业务，包括语音业务，在发送端利用扩频码字进行扩频处理后在帧分业务信道上同时发送，在接收端对解调后的数据进行解扩频处理，恢复出各个用户的低速业务流，实现多用户的码分复用。
与现有技术相比较，由于本发明采用帧分多址的方式实现多用户的多址接入，将高速有线网络的分组协议方式和相关概念引入到高速无线通信的多址通信技术中，把原移动通信的基于电路交换的多址方式，改变为基于分组交换的多址方式，提高了系统资源利用率；通过采用具有发送方信息和接收方信息的信号帧结构，实现数据分组传输中的路由功能；由于帧分业务信道中的数据是编码后的数据，帧头和帧分业务信道的处理可以独立进行，更适合于分布式基站、无线分布式网络和分布式信号处理。本发明在发送端引入CDMA技术，可以有效适配不同种类的业务，包括语音业务。故本发明提出的帧分多址方法可以满足未来移动通信中多种业务类型服务质量的需求；提高对系统资源利用率，克服现有多址技术对系统资源利用率低的缺点；同时能更好地适配未来移动通信中的分布式网络和分布式信号处理。
附图说明：
附图1本发明的下行信道设置和时域构成示意图。
附图2本发明的上行信道设置和时域构成示意图。
附图3本发明的上下行信道时间同步关系示意图。
附图4本发明的帧分多址技术应用于分布式移动通信系统示意图。
具体实施方式：
以下结合附图说明本方法的实施例。
实施例1：基于正交频分复用(OFDM)物理层的帧分多址
本实施例中通信系统的系统带宽为20MHz，物理层采用OFDM传输技术。OFDM系统采用下表所示的参数：
表1：OFDM系统参数模式
| 模式1 | 模式2 | 模式3 | 模式4 | |
| 子载波个数 | 2048 | 4096 | 8192 | 16384 |
| 子载波间隔 | 9.765625kHz | 4.8828125kHz | 2.44140625kHz | 1.220703125kHz |
| 符号时间长度 | 0.1184ms | 0.2208ms | 0.4256ms | 0.8352ms |
| 保护间隔 | 16us | 16us | 16us | 16us |
考虑系统实现复杂度，此处采用模式2中的有关参数说明FrDMA应用于OFDM系统的示例。同理，采用其他参数模式可以达到相对应的系统性能。最高阶调制方式采用64QAM，此时系统可达到的最高物理层速率为：
4096×6(bit)/0.2208(ms)＝111.304Mbps (1)
本发明的下行信道设置和时域构成如图1示：超帧A由一帧长的导引同步信道B加上100个长帧C1-C100组成；每个长帧由一帧长的接入控制信道D加上20个帧由F1-F20组成；每个帧由帧头和帧体M组成，所述帧头由帧控制域G、帧头导频域H、源地址域I、目的地址域J、帧号K和头校验序列L构成。
本发明的上行信道设置和时域构成如图2所示：一个长帧N由一帧长的请求接入信道O加上20个帧F1-F20组成；每个帧也由帧头和帧体M组成，所述帧头同样由帧控制域G、帧头导频域H、源地址域I、目的地址域J、帧号K和头校验序列L构成。
本发明的上行和下行时间同步关系如图3所示：下行DL信道在时间上划分成连续的一个个超帧，每个超帧A1或A2由导引同步信道B加上100个下行长帧C1-C100组成；上行UL信道在时间上划分成一个个上行长帧；每个超帧A1或A2时间范围内，下行的长帧C1-C200与上行的长帧N1-N200的在时间上相互同步。
设置四个OFDM symbol组成一个FrDMA帧，则一帧帧长为：
4×0.2208ms＝0.8832ms (2)
此时一帧内比特数：
0.8832ms×111.304Mbps＝98304bits (3)
上行长帧和下行长帧的长度为：
21×0.8832ms＝18.5472ms (4)
下行中一个超帧的长度为：
100×18.5472ms+0.8832ms＝1.8556032s (5)
设置一个FrDMA帧结构中各个域的长度如表2所示：
表2：FrDMA帧格式设计
帧头部分采用扩频因子为32的CDMA扩频，以提高帧头正确传输的概率。
帧内各个域的作用：
·Frame Control Field：帧控制域进一步划分为如下表3所示提供帧类型，ACK策略指示，业务类型，分组开始指示，分组结束指示，重传，加密，等信息。其中Frame Type指示该帧的类型，可以是数据帧，接收确认帧，控制帧等；ACK Policy通知接受端要采取的ACK方式(是否需要ACK，用哪种ACK)；Service Type指示当前的业务类型(话音，数据，视频，etc)。Start Indicator/End Indicator指示某个分组数据的开始/结束。
表3.帧控制域的划分
| Bits：4 | 2 | 2 | 1 | 1 | 1 | 1 | 2 | 2 |
| FrameType | ACKPolicy | ServiceType | StartIndicator | EndIndicator | RetryInfo | CipheringIndicator | KeyIndex | Reserved |
·Pilot Field：用于帧头传输时的信道估计。
·Destination Address Field：目的地址域，为信宿移动终端的地址。
·Source Address Field：源地址域，为信源移动终端的地址。
·Sequence Number：指示当前分组的序列号。
·HCS：Header Check Sequence，帧头的CRC校验序列。
·Coded Data Payload：编码后数据部分，里面插入了用于信道估计的导频信息。
采用以上的帧结构，帧头占用物理数据的比例为：
(2+8+6+6+4+2)×32/98304＝896/98304＝0.911％ (7)
采用64QAM调制，一个超帧内的物理层净速率(帧体部分)为：
(98304-896)×20×100/1.8556032s＝105Mbps (8)
为了充分利用信道的传输能力，可以引入自适应调制编码(AMC)技术，调制可以为64QAM、32QAM、16QAM、8PSK、QPSK和BPSK。对于数据业务，编码可以采用信能比较好的turbo码、LDPC码。对于语音业务，编码可以采用卷积码。编码速率可以自适应调整。
为了适配语音数据的传送，引入了可变扩频技术。对语音数据进行CDMA复用。同时，在帧结构中，为了确保帧控制域、帧头信道估计信息、发送地址、接收地址、帧号、头校验域的正确解调，采用扩频因子为32的扩频传输。而随后的数据域的传输可以依据终端速率采用变扩频因子传输，并且可以利用CDMA进行多用户复用。
假设语音数据采用扩频因子为32，每个长帧传输一次语音数据，调制方式采用64QAM、32QAM、16QAM、8PSK、QPSK和BPSK，则未编码的语音数据速率大致为：164Kbps、137Kbps、109Kbps、82Kbps、55Kpbs和27Kbps；若采用扩频因子为64，每个长帧传输一次语音数据，调制方式采用64QAM、32QAM、16QAM、8PSK、QPSK和BPSK，则未编码的语音数据速率大致为：82Kbps、68.5Kbps、54.5Kbps、41Kbps、27.5Kbps和13.5Kbps。
| 64QAM | 32QAM | 16QAM | 8PSK | QPSK | BPSK | |
| SF＝32 | 164Kbps | 137Kbps | 109Kbps | 82Kbps | 55Kbps | 27Kbps |
| SF＝64 | 82Kbps | 68.5Kbps | 54.5Kbps | 41Kbps | 27.5Kbps | 13.5Kbps |
以上实施例中，实现从13.5K bps到100M bps多种速率，可以满足不同业务的接入需要，对数据量大的业务，通过采用较高的调制模式以及占用较多的系统资源，取得较高的吞吐量。而对于低速的业务，如语音，通过采用CDMA扩频实现多个用户的语音业务在一个帧内的复接(multiplexing)，从而降低语音业务的时延，满足语音业务对时延敏感的要求。
实施例2：FrDMA应用于分布式移动通信系统
本发明应用于分布式系统的框图如图4示：各个母站BT1-BT4之间通过光纤OP8-OP13两两相连，形成一个对等(peer-to-peer)网络，各个母站间通过快速信息互换，完成分布式计算与处理，形成一个功能超级强大的处理器，平衡网络的业务负载，更有效的利用网络资源。母站BT1通过光纤OP1-OP7与多个子站R1-R7相连，每个子站R1-R7完成无线信号的收发和射频信号与基带信号的转换，实现对无线区域的覆盖。
不失一般性，以上行链路为例来说明FrDMA帧格式在分布式基站系统中的应用。帧格式以及信道的设置采用实施例1中的有关设置。假设在某个时刻有多个子站R1、R6和R7接收到来自于同一移动台MT的上行FrDMA帧，子站先对FrDMA帧头进行解调，并进行帧头校验，如果帧头校验不对，则不进行后续的操作，丢弃该帧；如果通过了帧头校验，则对FrDMA帧中的编码后数据进行解调，信道估计与均衡处理，再通过光纤送到母站BT1。母站BT1在收到来自不同子站R1、R6和R7的数据后，利用帧头中的发送地址域与接收地址域来区分不同的数据，并对具有相同的发送地址域和接收地址域的数据进行合并和解码。
如果在某个时刻有多个子站R1、R6和R7接收到来自于同一移动台MT的上行FrDMA帧，而且移动台拥有多根发射天线，则实际上就形成了一个MIMO信道。从以上对接收处理过程的论述中，也可以见到FrDMA帧格式适合于MIMO系统中不同收发间的独立信道估计、均衡处理和并路与分集处理。
以上示例示出FrDMA应用于分布式移动通信系统时的结构和处理流程。FrDMA由于采用了独特的帧格式，可以用于分布式信号处理，适合于未来分布式移动通信系统。
Claims (2)
1、一种移动通信中的帧分多址方法，多用户以竞争方式发送接入请求，接入成功后以时分的方式进行数据帧的传输；
其特征在于：
在下行信道中，设置导引同步信道，接入控制信道和帧分业务信道；设置超帧、长帧和帧结构；导引同步信道加上数个长帧组成一个超帧；接入控制信道和数个帧组成一个长帧；帧分业务信道加上帧头组成一个帧；帧控制信息、发送方信息、接收方信息、帧头信道估计信息、帧号和帧头校验组成帧头；用户编码后数据和数据信道估计信息在帧分业务信道上进行时分传输；
在上行信道中，设置请求接入信道和帧分业务信道；设置长帧和帧结构；请求接入信道和数个帧组成一个长帧；帧分业务信道加上帧头组成一个帧；帧控制信息、发送方信息、接收方信息、帧头信道估计信息、帧号和帧头校验组成帧头；用户编码后数据和数据信道估计信息在帧分业务信道上进行时分传输；
初始接入时，用户通过捕获导引同步信道调整自己的定时，完成初始同步；在数据传送中，用户通过跟踪导引同步信道调整自己的定时，完成同步跟踪；请求接入信道分成若干个子信道，如果用户请求接入，随机选择一个请求接入子信道，在其上发送接入请求，如果接入成功，系统在下行信道的下一个长帧的接入控制信道中广播上行帧分业务信道和下行帧分业务信道分配信息；在上行接收处理和下行接收处理时，先解调出帧头信息，对帧头进行信道估计和均衡处理，恢复出原始信息，并进行帧头校验，如果帧头校验不通过，则丢弃该帧；如果帧头校验通过，再对帧分业务信道中的用户编码后数据和数据信道估计信息进行解调和后续处理。
2、如权利要求1所述移动通信中的帧分多址方法，特征在于对于多个用户的低速业务，包括语音业务，在发送端利用扩频码字进行扩频处理后在帧分业务信道上同时发送，在接收端对解调后的数据进行解扩频处理，恢复出各个用户的低速业务流，实现多用户的码分复用。
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