CN1964225A - 一种无线接入控制方法、中继站和基站 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线接入控制方法、中继站和基站，根据本发明的无线接入控制方法，其特征在于在所述基站的控制下，利用中继站，通过无线信道接收和转发所述用户站与所述基站的信息。所述方法还包括以下步骤：来自所述用户站的上行链路承载数据和控制信息首先被所述中继站接收，然后转发到所述基站；来自所述基站的下行链路承载数据首先被所述中继站接收，然后转发到所述用户站。所述基站直接发送控制信息给用户站。本发明还提供用于实现上述方法的中继站和一种改进的基站。在本发明所提供的方法和设备中，随着中继接入技术的引进，距离基站较远或在被遮盖的地区的用户站就可以通过中继来连接。

Description

一种无线接入控制方法、中继站和基站

技术领域

本发明涉及无线接入系统，尤其涉及宽带无线接入控制方法、中继站和基站

背景技术

WiMAX(World Interoperability for Microwave Access)意即全球微波接入互操作性，是基于IEEE802.16标准的无线城域网技术。其信号传输半径最大达到50公里。WiMAX标准采用的正交频分复用(OFDM/OFDMA)技术，OFDM信号内所有的子载波都在时间和频率上同步，使子载波之间的干扰被严格控制，不会发生载波间干扰。而且OFDM大大减少了子载波之间的保护带宽，提高了频谱利用率。。这使OFDM系统可以实现很高的小区容量。WiMAX标准为“最后一公里”的宽带接入业务提供了一种无线接入替代方案，并提供了回程传送功能。该协议相比其它协议支持低时延的应用，例如语音和视频应用，支持在用户终端和基站间的宽带连接视距传输和非视距传输，并且单个基站能支持数百个用户。对于未来的无线接入网络，它是一种具有诸多优点并且很有发展前途的技术。

然而，由于WiMAX的工作频谱界于2GHz和11GHz之间，更适用于视距传播。因此，它的覆盖范围有限，尤其是在都市地区。在小区边缘地区或者是被遮盖的地区，用户数据吞吐量会急剧下降，由于复杂的无线环境也可能产生覆盖盲点地区。此外，由于频谱过高，室内覆盖也成为一个关键的问题，目前还不能有效地解决这些问题。

为了解决上述问题，如果只是简单地增加基站密度，会导致设备和网络布线成本增加。因此，人们期待成本低廉的可行解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种无线接入控制方法、中继站和基站，将中继能力集成到无线接入网络系统中，从而系统可以实现更广泛的区域覆盖。

为了实现上述目的，本发明提供一种无线接入控制方法，所述无线接入的系统包括用户站和基站，用于通过无线信道接收与发送信息；在所述基站的控制下，利用中继站，通过无线信道接收和转发所述用户站与所述基站的信息。所述方法包括以下步骤：所述中继站接收来自所述用户站的上行链路承载数据和控制信息，然后转发到所述基站；所述中继站接收来自所述基站的下行链路承载数据，然后转发到所述用户站；所述基站直接发送控制信息给用户站。

根据本发明的另一方面，在此提供一种实现上述无线接入控制方法的中继站，其中包括：中继控制装置，用于中继站的操作控制；中继接收装置，用于通过无线信道接收用户站和基站的信息；中继发送装置，用于通过无线信道向用户站与基站发送信息。在中继控制装置的控制下，所述接收装置接收来自用户站的上行链路承载数据和控制信息，然后，由中继发送装置转发到所述基站；中继接收装置接收来自所述基站的下行链路承载数据，然后由中继发送装置转发到所述用户站。

另外还可以包括测距装置，用于测量所述用户站测距请求的信号强度；中继判断装置，用于分析判断，决定是否需要中继转发信息。

根据本发明的另一方面，在此提供一种改进的基站，其中包括：基站控制装置，用于信息接收与发送的操作控制；基站接收装置，用于通过无线信道接收用户站和中继站的信息；基站发送装置，用于通过无线信道向用户站与中继站发送信息。

在本发明所提供的方法和设备中，随着中继接入技术的引进，距离基站较远或在的被遮盖的地区用户站就可以通过中继来连接。链路预算有望大幅提高，有利提高用户数据吞吐量和稳定性。此外还具有后向兼容性，用户站上没有任何更新，传统的用户站可以支持中继。另外，没有增加传输时延，不管对下行链路/上行链路统一安排的数据传输还是上行链路控制信号的传输，中继的突发块都能在相同的帧到达基站。所以在引进了中继之后没有增加传输时延。更进一步，本发明提供的中继站设计，所有信息的调度功能都仍位于基站。中继站只需遵循基站的命令进行调度。所以中继站设计简单、价格较低，可以帮助降低网络投资的成本。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1A示出根据本发明优选实施例的无线接入系统示意图；

图1B示出根据本发明优选实施例的中继站结构框图；

图1C示出根据本发明优选实施例的一种改进的基站结构框图；

图2示出根据本发明优选实施例的无线接入控制信息和承载数据的通信路径；

图3A示出根据现有技术的一个OFDMA帧结构示意图；

图3B示出根据本发明优选实施例的OFDMA中继帧结构

图4示出根据本发明优选实施例的测距请求响应过程的流程图；

图5示出根据本发明优选实施例的测距请求信息中继示意图；

图6示出根据本发明优选实施例的中继站和用户站的时隙分配；

图7示出根据本发明优选实施例的下行链路/上行链路传输顺序；

图8示出根据本发明优选实施例的资源请求中继。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的无线接入控制方法，以及中继站和基站的工作原理。

图1A显示本发明无线接入系统组网状况。中继站120位于用户站110和基站130之间，尤其适用于用户站110在小区边缘或是在被遮盖区域和建筑物内，此外，用户站115与基站130之间的连接可以不需要通过中继转发信息。用户站110、中继站120和基站130之间通过全双工的无线信道接收与发送信息，无线信道包括下行链路频率(简称下行链路或下行)和上行链路频率(简称上行链路或上行)。信息包括控制信息与承载数据。

众所周知，在WiMAX小区边缘或被遮盖地区，存在一个严重的链路预算问题，这会大大降低用户接入吞吐量和覆盖范围。本发明为WiMAX系统引入了一个中继站，以利于增加用户上行吞吐量和下行吞吐量，然而它对用户站是透明的，对基站系统的影响很小。通过下述的无线接入控制方法，以及相应的中继站与基站结构设计，可以成功地克服传统中继接入方法存在附外时延的缺点。

图2显示了在本发明优选实施例中，用户站110通过中继站120到基站130的控制信息和承载数据的不同通信路径：

下行链路控制信息：基站130→用户站110直接通信

上行链路控制信息：用户站110→中继站1 20→基站130

下行链路承载数据：基站130→中继站120→用户站110

上行链路承载数据：用户站110→中继站120→基站130

这是一个以基站130为中心的控制和调度系统。通过分配控制信息和判断接入请求，基站130协调小区中用户站110和中继站120的资源。中继站120只具有转发上行链路信息给基站130的功能和转发下行链路信息给用户站110的功能。此外，基站130给用户站110下行的控制信息是直接传送，无须中继。更进一步具体地描述，来自用户站110的上行承载数据和控制信息走以下路径：首先被中继站120接收和解码，然后转发到基站130。下行承载数据传输的步骤也一样，只是方向相反；基站130与用户站110之间下行链路的直接控制连接，有利于降低中继转发时延。

本发明无线接入控制方法是以基站130为中心的控制，它意味着所有控制和调度都位于基站130，中继站120的功能较少，主要是数据接收和转发。中继站120只需要执行基站130的命令完成数据转发。所以本发明的无线接入系统简单便宜。在本发明所工作的网络环境里，用户站110能接收基站130的控制信息。

本发明的优选实施例提出了一种新的帧结构，如图3B所示，帧结构定义与传统标准OFDMA帧结构定义(例如3A所示)相同，OFDMA帧是时频二维结构，纵轴单位为子信道，横轴单位为符号。媒体接入控制(MAC)层调度的最小单位为一个子信道和一个或多个符号组成时隙，具体符号数由子载波映射方式决定。每帧从时域上被分为上行链路帧和下行链路帧。上行和下行的分界是发射/接收变换间隔(TTG)和接收/发送变换间隔(RTG)。每个下行帧的开始为前导序列(Preamble)，其后是帧控制头(FCH)、下行链路映射(DL-MAP)和上行链路映射(UL-MAP)。下行链路映射紧跟帧控制头之后，上行链路映射紧跟在下行链路映射之后。其后是下行突发块和上行突发块，下行突发块的排列方式和采用编码调制方式由下行链路映射指定，相应的上行突发块排列方式和上行编码调制方式由上行链路映射制订。

如图3B所示，在本发明所提出的OFDMA中继帧结构中，为上行链路控制信息进行转发保留了一个专用控制信息中继区，例如测距请求中继。该中继区位于或接近上行链路帧的末端。测距子通道信息位于控制信息中继区之前，从而中继站120收到的用户站110的测距请求能够通过该中继区在相同帧中传送。所以具有以下优点：在测距请求转发或其它上行链路控制信号的中继过程中，不会增加额外时延。

在本发明中，中继站进入和初始化进程跟传统用户站的完全相同，只是中继站有一特殊中继连接符标识。由基站分配特殊的连接标识符(CIDs)给中继。随后，基站130通过这些连接标识符(CIDs)以不同于传统用户站的方式对待它。所以本发明对基站130作出了一些改进更新，以使它识别中继站。

对于本发明，为了保证后向兼容性，对用户站110没有改变。用户站110只按照传统流程进行处理。换句话说，中继站120对用户站是透明的，这是本发明的主要优点之一。此外，下行链路通道扫描和同步的过程与传统过程完全相同，这样基站可以无须修改地广播同步和映射(MAP)信息，用户站110同步到下行链路取得下行链路和上行链路参数。

在用户站接入到基站的过程中，与现在的方法相比，只有一点不同，即中继站120参与测距过程。在测距过程中，首先用户站110应该与下行链路同步，并通过UCD MAC(uplink channel descriptor)管理信息了解上行通道的特性。用户站110扫描上行链路映射信息以找到初始测距区间(Initial Ranging Interval)，下面参照图4和图1A描述根据本发明的一个优选实施例，即测距请求信息响应过程的流程简要说明。图4的流程开始于步骤1001；在步骤1005，用户站发送测距请求信息(RNG-REQ)；在此过程中，中继站120监控由各用户站发出的测距请求，可能会有几个用户站发出测距请求，这些测距请求会被中继站探测；在步骤1010，中继站接收用户站发出的测距请求信息，并测定信号强度，例如有些用户站115可能会离中继站比较远，而距基站要近些；在步骤1015，由中继站120按照信号强度判断并选择那些更有利于中继的用户站110，，决定是否转发测距请求，只有在中继站120测到较强信号的测距请求时，才会通过预先保留的专用控制信息中继区向基站130转发，被转发的测距请求与用户站的原始请求完全相同，如果信号较弱，则忽略测距请求转到步骤1016，无需中继转发；如果判断测距请求信号较强，则转到步骤1018，向基站转发测距请求并报告信号强度。在步骤1018，基站130可能会接收两份测距请求，一份直接来自用户站110或115，另一份来自中继站120的转发，基站130知道在专用中继区中接收到的测距请求是由中继站120传递的重复请求；在步骤1022，通过判断信号强度，基站比较这两份测距请求与链路预算，决定是否需要对所述用户站进行中继；如果用户站115与基站130之间的交流信号质量非常好，就不需要中继，则转到步骤1026，基站130返回给用户站115测距响应信息，无需考虑中继，其后的操作流程就与现有的无线接入过程一致；如果由于基站130与用户站110距离较远或有阴影覆盖，直接连接质量不好；而用户站110与中继站120之间的信号质量好，有利于提高数据吞吐量，那么就要求提供中继。更有甚之，在某些情况下，用户站110与基站130之间的连接信号太弱，以至于基站130不能直接探测到用户站110的测距要求，基站130只能通过专用控制信息中继区接收到中继站120转发的测距请求，在这种情况下，基站130要求为用户站110提供中继，则转到步骤1025；在步骤1025，为支持中继，通过使用初始测距连接标识符，基站130向用户站110返回测距响应信息，但是包含在测距响应中的射频功率强度设定要根据中继站测定的信号等级强度加以调整。因为来自这些用户站110的所有上行链路传输都将先由中继站120接收，然后转发到基站130，所以用户站110的功率强度要调整，以适应用户站110与中继站120之间连接的传输距离。同样，在用户站110中同步偏差校正也要做调整。从用户站的角度看，把中继站当成了一个基站，并且所有的上行链路信息都是经过这个虚拟基站。在步骤1028结束本次操作。

在接收和发送过程中，中继站120为用户站110连接到基站130起到了一个代理的作用。除了下行链路控制信息，所有的信息都是首先中继站120接收，并传递给基站130或用户站110。基站130为中继站和用户站110分配重复的资源。为了避免中继站过于复杂，用户站和中继站都根据基站的指示接收和发送数据。图6示出中继站120和用户站110的资源分配(包括子载波和时隙资源)，在下行链路中，承载数据首先在基站130分配给中继站120的突发块中传输，然后根据基站130的指令和分配，中继站120再传送给用户站110，发送给用户站110的突发块总是跟随在发送给中继站120的突发块之后。因此，中继站120有充足的时间处理接收的数据，并在用户站的突发块到来的时候进行转发。通过这个方法，在下行通信中，不需要小区内部的切换。当用户站110离开中继站120到基站130范围内时，用户站110仍可保持其下行链路连接。基站130是通过附加的数据字段通知中继站120的下行资源分配。

在相应的上行链路传输中，分配给中继站120突发块是在用户站110的突发块之后。用户站110的数据是在分配给中继站110到基站的突发块中转发。在相应的上行链路传输中，基站130同时探测到用户站110突发块与中继站120突发块中的数据，并检查这些数据的有效性与质量。同样的，通过中继站120传送的信息在通常情况下有更好的信号质量，被基站采用。在某些情况下，在用户站110的突发块中，基站130可能没有收到任何信息，基站跳过比较直接采用中继数据块。图7进一步示出了下行链路/上行链路中信息的传输顺序。

此外中继站也可用于转发资源请求，如图8所示，本发明实施例中继站120收到资源请求，并在专用控制信息中继区中转发给基站130。这样，基站130可以在同一帧内接收资源请求，并在下一帧中给出回应，所以在资源请求和批准过程中没有额外的时延。而由用户站110直接发出的资源请求则被基站忽略。

在大多数情况下，中继会导致短距离无线传输，和一定的视域，这会取得更好性噪比(SNR)，并进而为用户取得更高的信号质量和数据速度。通过中继，可以保证阴影地区的覆盖，填补覆盖空白，从而系统可以实现更广泛的区域覆盖和无缝覆盖。而且，引进中继技术可以降低功耗，有利于WiMAX无线应用。最后，中继不需要通过有线方式连接到基站上，因而网络开局投资低，网络安装快。

由上所述，为了实施上述无线接入的控制方法，本发明提供一种中继站120，如图1B所示，其中包括，中继控制装置1205，用于中继站的操作控制；中继接收装置1201，用于通过无线信道接收用户站和基站的信息；中继发送装置1204，用于通过无线信道向用户站与基站发送信息。在中继控制装置1205的控制下，所述中继接收装置1201接收来自用户站的上行链路承载数据和控制信息，然后，由中继发送装置1204转发到所述基站；中继接收装置1201接收来自所述基站的下行链路承载数据，然后由中继发送装置1204转发到所述用户站。另外还可以包括测距装置1202，用于测量所述用户站测距请求的信号强度；中继判断装置1203，用于分析判断，决定是否需要中继转发信息。

此外，为了实现本发明目的，还提供一种改进的基站130，如图1C所示，其中包括：基站控制装置1305，用于控制信息的接收与发送；基站接收装置1301，用于通过无线信道接收用户站和中继站的信息；基站发送装置1304，用于通过无线信道向用户站与中继站发送信息。在基站控制装置1305的控制调度下，所述基站接收装置1301接收来自所述中继站的上行链路承载数据和控制信息；所述基站发送装置1304向所述中继站发送下行链路承载数据。所述基站发送装置1304直接发送控制信息给所述用户站。

另外，还可以包括基站判断装置1303，根据所述中继站测定的信号等级强度和用户站的信息，判断是否需要中继，基站控制装置1305指示基站发送装置1304向所述用户站返回测距响应信息，所述测距响应信息包括根据中继站信号测量信息调整的射频功率强度和同步偏差校正。

以上虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。

Claims (20)

1.一种无线接入控制方法，所述无线接入的系统包括用户站和基站，用于通过无线信道的接收与发送信息；其特征在于：

在所述基站的控制下，利用中继站，通过无线信道接收和转发所述用户站与所述基站的信息。

2.根据权利要求1所述的无线接入控制方法，所述无线信道包括上行链路和下行链路，所述信息包括控制信息与承载数据，其特征在于包括以下步骤：

所述中继站接收来自所述用户站的上行链路承载数据和控制信息，然后转发到所述基站；

所述中继站接收来自所述基站的下行链路承载数据，然后转发到所述用户站。

3.根据权利要求1所述的无线接入控制方法，其特征在于包括如下步骤：

所述基站直接发送控制信息给用户站。

4.根据权利要求2所述的无线接入控制方法，其特征在于包括如下步骤：

所述无线信道采用正交频分多址的帧结构，所述帧结构包括上行链路帧和下行链路帧，在所述上行链路帧设定专用控制信息中继区。

5.根据权利要求4所述的无线接入控制方法，其特征在于：

所述的专用控制信息中继区位于或接近所述上行链路帧的末端。

6.根据权利要求4所述的无线接入控制方法，所述帧结构中包括突发块，其特征在于包括如下步骤：

在所述的上行链路传输中，所述中继站突发块分配是在所述用户站突发块分配之后，所述用户站的信息是在中继站到基站的突发块分配中被转发；

所述下行链路承载数据首先在所述基站分配给所述中继站的突发块中传输，然后根据所述基站的指令，所述中继站再转发给所述用户站，发送给用户站的突发块总是跟随在发送给所述中继站的突发块之后。

7.根据权利要求4所述的无线接入控制方法，其特征在于包括以下步骤：

所述用户站发送测距请求信息；

所述中继站测量所述用户站测距请求的信号强度，将较强信号的测距请求通过所述专用控制信息中继区向所述基站转发，其他较弱的测距请求则被中继站忽略；

所述基站决定是否需要中继。

8.根据权利要求7所述的无线接入控制方法，其特征在于进一步包括以下步骤：

如果需要中继，基站根据所述中继站测定的信号等级强度和时间偏差，向用户站返回测距响应信息，所述测距响应信息包括射频功率强度、同步偏差校正。

9.根据权利要求4所述的无线接入控制方法，其特征在于包括如下步骤：

基站通过附加的数据字段通知中继站下行资源分配

10.根据权利要求4所述的无线接入控制方法，其特征在于包括如下步骤：

所述中继站转发资源请求，当所述中继站收到资源请求后，在所述专用控制信息中继区中转发给所述基站；

所述基站接收资源请求，并给出回应。

11.根据权利要求1所述的无线接入控制方法，其特征在于：

所述基站分配特殊的连接标识符给所述中继站。

12.一种中继站，其特征在于包括：

中继控制装置，用于中继站的操作控制；

中继接收装置，用于通过无线信道接收用户站和基站的信息；

中继发送装置，用于通过无线信道向用户站和基站发送信息。

13.根据权利要求12所述的中继站，所述无线信道包括上行链路和下行链路，所述信息包括控制信息与承载数据，其特征在于：

所述中继接收装置接收来自所述用户站的上行链路承载数据和控制信息，然后由中继发送装置转发到所述基站；

所述中继接收装置接收来自所述基站的下行链路承载数据，然后由中继发送装置转发到所述用户站。

14.根据权利要求12所述的中继站，其特征在于：

所述无线信道采用正交频分多址的帧结构，所述帧结构包括上行链路帧，在所述上行链路帧设定一个专用控制信息中继区。

15.根据权利要求12所述的中继站，其特征在于还包括：

测距装置，用于测量所述用户站测距请求的信号强度和时间偏移。

16.一种基站，其特征在于包括：

基站控制装置，用于信息的接收与发送的操作控制；

基站接收装置，用于通过无线信道接收用户站和中继站的信息；

基站发送装置，用于通过无线信道向用户站与中继站发送信息。

17.根据权利要求16所述的基站，所述无线信道包括上行链路和下行链路，所述信息包括控制信息与承载数据，其特征在于：

所述基站接收装置接收来自所述中继站的上行链路承载数据和控制信息；

所述基站发送装置向所述中继站发送下行链路承载数据。

18.根据权利要求16所述的基站，其特征在于：

所述基站发送装置直接发送控制信息给所述用户站。

19.根据权利要求16所述的基站，其特征在于：

所述无线信道采用正交频分多址的帧结构，所述帧结构包括上行链路帧，在所述上行链路帧设定一个专用控制信息中继区。

20.根据权利要求16所述的基站，其特征在于还包括：

基站判断装置，用于根据所述中继站测定的信号等级强度，决定是否需要中继。

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