CN1859054A - 一种在无线通信系统中实现时间软复用的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在无线通信系统中实现时间软复用的方法，该方法包含：将所有时隙划分成大于一个的组；每个小区选择其中一组作为本小区的主时隙，剩余部分作为本小区的副时隙，为所述主时隙和副时隙设置不同的发射功率门限；相邻小区选择不同的主时隙。通过在一个小区的不同区域设置不同的时间复用因子，一方面解决了连续覆盖情况下相邻小区的干扰问题，提高了小区边界的通信速率；另一方面充分利用了宝贵的通信资源，实现了高速率通信。根据本发明提出的方法，可通过一种可控制的方式解决小区间的干扰问题，有利于无效资源管理策略的实施，使得网络的运行更加稳定。

Description

一种在无线通信系统中实现时间软复用的方法
技术领域
本发明涉及时间复用技术，特别是指一种在无线通信系统中实现时间软复用的方法。
背景技术
下一代移动通信技术需要支持语音、数据、音频、视频、图像等广泛的业务类型，为了支持多种业务类型，要求下一代移动通信系统支持更高的数据速率、更高的频谱效率、完善的服务质量(QoS)保障机制，提供更好的移动性支持和无线网络覆盖，实现为用户随时随地提供通信服务的目标。二代移动通信以时分多址(TDMA)和窄带码分多址(CDMA)为主要的接入技术，例如全球移动通信(GSM)系统和CDMA IS-95移动通信系统，三代移动通信以宽带CDMA为主要的接入技术，例如通用移动通信系统(UMTS)和WCDMA移动通信系统。在CDMA技术中，一个用户的数据符号将占用所有的载频宽度，不同的用户或用户数据通过扩频码来进行区分。由于多径信道破坏了扩频码之间的正交性，使得CDMA技术成为一个自干扰的系统，因此，系统容量和频谱效率无法满足宽带无线通信的要求。
20世纪90年代以来，多载波技术成为宽带无线通信的热点技术，其基本思想是将一个宽带载波划分为多个子载波，并在多个子载波上同时传输数据，在多数的系统应用当中，子载波的宽度小于信道的相干宽度，，这样在频率选择性信道上，每个子载波上的衰落为平坦衰落，这样就减少了符号间的干扰，并且不需要复杂的信道均衡，适合高速数据的传输。多载波技术有多种形式，如正交频分复用(OFDM)、多载波CDMA(MC-CDMA)、多载波直接扩展CDMA(MC-DS-CDMA)、多音调CDMA(MT-CDMA)、多载波TDMA(MC-TDMA)、时频域二维扩展、以及在以上基础上的多种扩展技术。
OFDM技术是多载波技术中比较有代表性的一种技术，是OrthogonalFrequency Division Multiplexing的英文缩写，该技术是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，并且允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间相互正交，就可从混叠的子载波上分离出数据信号。
OFDM技术在20世纪60年代中期被首次提出，但在此后相当长的一段时间，OFDM技术一直没有形成大规模的应用。当时OFDM技术的发展遇到了很多难于解决的问题，首先，OFDM操作要求各个子载波之间相互正交，尽管理论上通过快速傅立叶变换(FFT)可很好地实现这种调制方式，但在实际应用中，根据当时提供的技术手段，如此复杂的实时傅立叶变换设备在当时是根本无法实现的。此外，发射机振荡器和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素也成为实现OFDM技术的制约条件。20世纪80年代以来，大规模集成电路技术的发展解决了FFT的实现问题，随着数字信号处理(DSP)技术的发展，OFDM技术开始从理论向实际应用转化。
OFDM技术凭借其固有的对时延扩展较强的抵抗力和较高的频谱效率两大优势迅速成为研究的焦点，并被多个国际规范所采用，如欧洲数字音频广播(DAB)、欧洲数字视频广播(DVB)、高性能无线局域网(HIPERLAN，High Performance Local Area Network)、电气和电子工程师协会(IEEE)802.11无线局域网、IEEE802.16无线城域网等系统均采用OFDM技术。在2004年举行的第三代合作伙伴计划(3GPP，3rd Generation PartnershipProject)无线接入网络(RAN，Radio Access Network)会议上，多载波技术成为主要讨论的接入技术。
自1993年开始，陆续出现了强多载波调制与CDMA相结合的技术，目前通常将这些技术划分为频域扩展和时域扩展两大类，如图1B所示，用户数据在经过信道编码、交织和调制后形成符号，形成的符号在进行OFDM操作之前频域或时域的扩展。如果只对符号进行频域扩展，则称为MC-CDMA；如果只对符号进行时域扩展，则称为MC-DS-CDMA；如果对符号进行的频域扩展和时域扩展同时存在，则称为时频域二维扩展的多载波技术。
20世纪70年代贝尔实验室发明了蜂窝组网技术，由于无线电波的传播衰落特性，一个载波频率在一定的距离之外可以重新使用，和大区制的组网技术相比，大大提高了频谱效率。图1A至图1C分别描述了频率复用因子为2至4的频率规划示意图。
在一代频分多址(FDMA)和二代时分多址(TDMA)的移动通信技术中，频率复用因子通常选择7、9、11等，以更好地消除同道干扰。在CDMA技术中，采用频率复用因子为1的频率规划方案，所有小区采用同样的载波频率，通过设置不同的扰码来区分不同的小区，无需复杂的频率规划，并且可以比较方便地实现软切换技术，进一步提高了频谱效率，因此频率复用因子被普遍认为是CDMA技术的一大优势。
以上所述各种技术多数都是以频率为基础进行的网络规划，与此平行的也可以使用时间复用方案，也就是将时间划分成时隙，通过不同的小区使用不同的时隙的方法降低小区间干扰。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种在无线通信系统中实现时间软复用的方法，通过简单的时间复用有效降低小区间的相互干扰，提高无线通信系统的资源利用率。
为了达到上述目的，本发明提供了一种在无线通信系统中实现时间软复用的方法，该方法包含：将所有时隙划分成大于一个的组；每个小区选择其中一组作为本小区的主时隙，剩余部分作为本小区的副时隙，为所述主时隙和副时隙设置不同的发射功率门限；相邻小区选择不同的主时隙。
所述划分后得到的每组时隙互不重叠。
所述将时隙划分成大于一个的组，为：根据时间动态将所有时隙划分成大于一个的组；或为：固定地划分成大于一个的组。
所述大于一个的组为：三组。
为所述主时隙和副时隙设置不同的发射功率门限为：设置主时隙的发射功率门限大于副时隙的发射功率门限。
该方法进一步包括：对应于主时隙的发射功率不大于主时隙的发射功率门限，对应于副时隙的发射功率不大于副时隙的发射功率门限。
该方法进一步包括：设置全覆盖类型信道使用本小区的主时隙。
该方法进一步包括：设置主时隙承载信令。
该方法进一步包括：设置终端位于所在小区边界时，业务信道使用主时隙。
该方法进一步包括：设置终端与基站的距离在设定范围内时，同时使用主时隙和副时隙。
根据本发明提出的方法，对于小区边界，即远离本小区的基站，使用时间复用因子为3的时间复用方案，对于小区内部，即靠近本小区的基站，使用时间复用因子为1的时间复用方案，由于对小区内部限制发射功率，形成时间复用因子为1的孤岛覆盖。通过在一个小区的不同区域设置不同的时间复用因子，一方面解决了连续覆盖情况下相邻小区的干扰问题，提高了小区边界的通信速率；另一方面充分利用了宝贵的通信资源，实现了高速率通信。根据本发明提出的方法，可通过一种可控制的方式解决小区间的干扰问题，有利于无效资源管理策略的实施，使得网络的运行更加稳定。
附图说明
图1A示出了频率复用因子为2的频率规划示意图；
图1B示出了频率复用因子为3的频率规划示意图；
图1C示出了频率复用因子为4的频率规划示意图；
图2示出了时间复用方式下组网示意图；
图3A示出了时间复用方式下小区边界SIR随时间复用因子变化趋势示意图；
图3B示出了时间复用方式下小区边界信道容量随时间复用因子变化趋势示意图；
图4示出了本发明中时间软复用方式下组网示意图；
图5示出了本发明中时间软复用方式下信道容量示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
本发明中，以时间为基础进行网络规划，有效降低小区间的相互干扰，提高无线通信系统的资源利用率。
与频率复用平行的是时间复用方案，即不同小区占用不同的时间，这些占用不同时间的小区可使用相同的频率，也可使用不同的频率，如图2所示，如果终端位于三个小区的交叉点，即终端1位于基站1管辖区域的边界，终端2位于基站2管辖区域的边界，终端3位与基站管辖区域的边界，不同小区的终端使用不同的时间。
在蜂窝通信系统中，接收机的信噪比(SIR)可比较通用地用下面的公式表示： SIR = P rx P intra - cell + P inter - cell + P n , 其中，Prx为有用信号的接收功率，Pintra-cell为小区内部的干扰功率，Pinter-cell为小区间的干扰功率，Pn为热噪声功率。
如果无线通信系统的载波宽度为W，时间复用因子为reuse_factor，小区内的多址干扰可通过接收算法进行消除，即小区内部的干扰功率Pintra-cell可为0，因此，接收机的SIR可表示为： SIR = P rx P inter - cell + P n .
如果信道为平坦衰落信道，则根据香农的信道容量公式，小区所能达到的最高无差错传输速率可表示为 C = W · lo g 2 ( 1 + SIR ) reuse _ factor .
不同时间规划方案中，如果终端位于三个小区的交叉点，如图2所示，可使用表一中给定的射频(RF)参数和上述公式计算小区边界的SIR和信道容量随时间复用因子变化的趋势，计算结果如图3A和图3B所示。
  计算公式
  载波宽度W(MHz)   20   A
  热噪声密度(dBm/Hz)   -174   B
  接收机噪声系数(db)   5   C
  热噪声功率Pn(dBm)   -96   D＝10*lgA+B+C
  基站发射功率(dBm)   45   E
  小区半径(Km)   1   F
  路径损耗(dB)   137.3   G＝137.3+35.2*lg(F)
                       表一
图3A示出了时间复用方式下小区边界SIR随时间复用因子的变化趋势，图3B示出了时间复用方式下小区边界信道容量随时间复用因子的变化趋势，根据图3A和图3B的描述可见，小区边界的信道容量在时间复用因子为1和2的情况下相差不多，在时间复用因子为3时小区边界的信道容量最大，然后小区边界的信道容量随着时间复用因子的增大而逐渐减小，这一变化趋势表明：对于小区边界而言，将时间复用因子选择为3是比较理想的。此外，根据图3A和图3B所示的内容，还有几点需要说明：
一、时间复用因子越小，每个小区可使用的时间长度就越长，同道干扰就越严重，因此，SIR就越低，时间复用因子逐渐增大时，虽然每个小区可使用的时间长度逐渐缩短，但同道干扰却减小了，因此，SIR就越高；
二、时间复用因子为1和2时，由于可能存在同频相邻小区，因此，同道干扰就比较严重，SIR比较低，如图5A所示的-4.4dB和-1.1dB，导致小区边界的信道容量比较小，仅为8Mbps到9Mbps左右；
三、时间复用因子为3时，消除了同频相邻小区的干扰，使得SIR得到比较大的提升，如图5A中所示的5.89dB，虽然小区边界仅使用了整个时间长度的1/3，但是SIR的提升可弥补使用时间长度的损失，信道容量可达到如图5B所示的15Mbps以上，提高了将近1倍；
四、时间复用因子继续增加时，同道干扰继续降低，SIR继续提高，在时间复用因子为7时，SIR已能达到11dB，但是由于信道容量与SIR成对数关系，由SIR的提高所带来的信道容量的增加已无法弥补时间长度缩短所带来的损失，因此，信道容量整体呈下降趋势；
五、以上描述的 SIR = P rx P inter - cell + P n reuse _ factor 公式中，是将小区内的多址干扰通过接收算法进行了消除，即接收机的噪声主要是来自于同道干扰和热噪声，由于在传统的CDMA通信系统和RAKE接收机技术中小区内部的相互干扰是主要的噪声成分，因此，小区内的多址干扰通过接收算法进行消除这一点在传统的CDMA通信系统和RAKE接收机技术中根本就不成立；
六、时间复用因子超过3以后，小区边界的信道容量下降并不大，并且仍然超过时间复用因子为1和2时的小区边界信道容量，但是在时间复用因子比较高时，如时间复用因子为7时，接收机的SIR可达到11dB，SIR的提升是由于同道干扰降低的缘故，然而接收机的接收功率并没有提高，这就意味着接收机的抗干扰能力将比较弱，接收机周围环境的干扰、解调算法本身造成的本小区残留干扰或邻道干扰噪声等因素，将极大降低接收SIR，从而降低信道容量，因此，在时间复用因子大于3时，小区边界的信道容量整体呈下降趋势。
在小区边界，通过时间复用避免了小区间的干扰，增加了小区边界的信道容量；但是，小区边界是干扰最恶劣的区域，在实际的运营当中，终端也会处于小区中心靠近基站的位置，当终端离基站比较近的时候，一方面来自本小区的信号功率比较高，另一方面来自相邻小区的干扰比较小，因此，可获得比较高的SIR，这就意味着，在小区的中心地区可使用相邻小区的时间，实现高速率通信。
图4示出了本发明中时间软复用方式下组网示意图，如图4所示，基站1管辖终端11和终端12，终端11位于基站1管辖区域的内部，如以基站1为中心的小区半径的30％，终端12位于基站1管辖区域的边界，如以基站1为中心的小区半径的90％；基站2管辖终端21和终端22，终端21位于基站2管辖区域的内部，如以基站2为中心的小区半径的20％，终端22位于基站2管辖区域的边界，如以基站2为中心的小区半径的85％；基站3管辖终端31和终端32，终端31位于基站3管辖区域的内部，如以基站3为中心的小区半径的50％，终端32位于基站3管辖区域的边界，如以基站3为中心的小区半径的95％，本发明中，为位于小区边界的终端分配不同时隙，这样可避免或者降低同频干扰，提高小区边界的通信速率。位于小区内部的终端通过对发射功率的限制，来降低对相邻小区的干扰，同时能够充分利用整个时间，提高通信速率。
由以上描述可见，通过本发明提出的方法，对于小区边界，即远离本小区的基站，使用时间复用因子为3的时间复用方案，对于小区内部，即靠近本小区的基站，使用时间复用因子为1的时间复用方案，由于对小区内部限制发射功率，形成时间复用因子为1的孤岛覆盖。通过在一个小区的不同区域设置不同的时间复用因子，一方面解决了连续覆盖情况下相邻小区的干扰问题，提高了小区边界的通信速率；另一方面充分利用了宝贵的通信资源，实现了高速率通信，因此可将本发明提出的方法称为时间软复用方法。
本发明中将可使用的整个时间长度划分成N组时隙，每个小区选择其中一组时隙作为本小区的主时隙，其他时隙作为本小区的副时隙，对各小区的主时隙和副时隙设置不同的发射功率门限，对应于每个时隙的发射功率不能超过设置的相应发射功率门限。例如，设置主时隙的发射功率门限高于副时隙的发射功率门限，以主时隙发射功率门限的覆盖范围确定小区边界，小区内部的终端使用副时隙，小区边界的终端使用主时隙，进一步地，划分后的每个组的时隙互不重叠，这样，在各相邻小区边界的相互干扰就会大大降低。
另外，时隙的分组以及主时隙和副时隙的划分可固定不变，也可根据时间进行动态变化，即时隙的分组以及主时隙和副时隙的划分可随意变化，只要保证在相邻小区没有同时使用同一时隙即可。例如，有6个时隙，相应地分别标识为1、2、3、4、5和6，将标识为1和2的时隙划分为一组时隙，将标识为3和5的时隙划分为一组时隙，将标识为4的时隙划分为一组时隙，将标识为6的时隙划分为一组时隙，小区1以标识为1和2的这组时隙作为本小区的主时隙，其余时隙作为本小区的副时隙，相邻小区2以标识为4的这组时隙作为本小区的主时隙，其余时隙作为本小区的副时隙；一段时间后，可将这6个时隙重新分组，将标识为2和5的时隙划分为一组时隙，将标识为4和6的时隙划分为一组时隙，将标识为1的时隙划分为一组时隙，将标识为3的时隙划分为一组时隙，小区1以标识为4和6的这组时隙作为本小区的主时隙，其余时隙作为本小区的副时隙，相邻小区2以标识为3的这组时隙作为本小区的主时隙，其余时隙作为本小区的副时隙。
考虑到系统的容量、频谱效率等宏观问题，N的典型值可取3，另外，N也可取其他值，如4、5、6、7、8等等。
针对全覆盖类型信道，如广播信道、公共控制信道等，可设置这些信道只使用本小区的主时隙，采用较高的发射功率，相邻小区的覆盖区域虽有重叠，但相互间干扰比较低，有利于终端的小区选择、切换和正确接收公共控制信息。
为了保证信令的可靠性，可只使用主时隙承载信令。
可设置终端位于所在小区边界时，业务信道只使用主时隙，由于相邻小区的主时隙互不重叠，能够降低相邻小区间的相互干扰，提高通信质量。
可设置终端距离基站较近时，同时使用主时隙和副时隙，实现高速数据和多媒体业务的传输。由于副时隙的发射功率相对较低，降低了对相邻小区的干扰，提高了频谱的利用效率。该距离可为设定的范围，如小区覆盖区域的75％之内，如果终端与基站的距离在设定范围内，则均可视为终端与基站相距较近。
如图4所示，如果终端11、终端21和终端31分别位于各自所在小区的边界，终端12、终端22和终端32分别位于各自所在小区的内部、以基站为中心小区半径的1/2处，对位于小区内部的终端采用的发射功率小于对位于小区边界的终端采用的发射功率。图5示出了本发明中时间软复用方式下信道容量示意图，如图5所示，横轴所示的比例因子即为对位于小区内部的终端采用的发射功率与位于小区边界的终端采用的发射功率的比值，灰色方框为小区内部的信道速率，白色方框为小区边界的信道速率，通过图5可见：
一、比例因子为0时，等效于时间复用因子为3时的小区边界信道速率，为15.2Mbps；
二、比例因子逐渐增加时，即对位于小区内部的终端采用的发射功率逐渐增加时，小区内部的信道容量逐渐升高，小区边界的信道容量逐渐降低，而整个小区的信道吞吐量在增加；
三、比例因子增加到1时，小区边界的信道速率降低至2.96Mbps，正好为时间复用因子为1时信道容量的1/3，这是由于此时的干扰情况与同频复用的情况完全相同，而小区边界只使用了整个时间长度的1/3。
采用时间软复用的无线通信系统，可根据网络情况，合理地进行时间分配，并且结合链路自适应技术，以获得最佳的系统吞吐量和性能。
以上有关本发明的描述中，可将以基站为中心、半径不大于小区半径的50％的区域划分为小区的内部区域，将该小区的其他区域划分为小区的边界区域；也可将以基站为中心、半径不大于小区半径的60％的区域划分为小区的内部区域，将该小区的其他区域划分为小区的边界区域；还可将以基站为中心、半径不大于小区半径的35％的区域划分为小区的内部区域，将该小区的其他区域划分为小区的边界区域。
本发明提出的方法尤其适用于频率复用因子为1的情况，可通过时间复用消除小区间的相互干扰；但本发明同样适用于其他频率复用因子的情况下，可在频率复用的基础上进一步消除小区间的相互干扰。
以上所述本发明提出的方法可适用于任何无线通信系统，例如，多载波通信系统、单载波通信系统等，多载波通信系统可为正交频分复用无线通信系统、多载波码分多址无线通信系统、多载波直接扩展码分多址无线通信系统、多音调码分多址无线通信系统、多载波时分多址无线通信系统、时频域二维扩展多载波无线通信系统等。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种在无线通信系统中实现时间软复用的方法，其特征在于，该方法包含：将所有时隙划分成大于一个的组；每个小区选择其中一组作为本小区的主时隙，剩余部分作为本小区的副时隙，为所述主时隙和副时隙设置不同的发射功率门限；相邻小区选择不同的主时隙。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述划分后得到的每组时隙互不重叠。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将时隙划分成大于一个的组，为：根据时间动态将所有时隙划分成大于一个的组；或为：固定地划分成大于一个的组。
4、根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述大于一个的组为：三组。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为所述主时隙和副时隙设置不同的发射功率门限为：设置主时隙的发射功率门限大于副时隙的发射功率门限。
6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：对应于主时隙的发射功率不大于主时隙的发射功率门限，对应于副时隙的发射功率不大于副时隙的发射功率门限。
7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：设置全覆盖类型信道使用本小区的主时隙。
8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：设置主时隙承载信令。
9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：设置终端位于所在小区边界时，业务信道使用主时隙。
10、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：设置终端与基站的距离在设定范围内时，同时使用主时隙和副时隙。
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