DE112004002570B4

DE112004002570B4 - Drahtloses Multi-Hop-System mit makroskopischem Multiplexen

Info

Publication number: DE112004002570B4
Application number: DE112004002570.2T
Authority: DE
Inventors: Pirjo Pasanen; Olav Tirkkonen
Original assignee: Intellectual Ventures I LLC
Current assignee: Intellectual Ventures I LLC
Priority date: 2003-12-31
Filing date: 2004-12-29
Publication date: 2015-02-19
Anticipated expiration: 2024-12-30
Also published as: TWI380636B; TW200537859A; CN1918857A; GB0612824D0; CN1918857B; GB2426895B; WO2005067225A1; GB2426895A; US7386036B2; US20050141593A1; DE112004002570T5

Abstract

Verfahren zur Kommunikation in einem drahtlosen Multi-Hop-System mit zumindest einer Basisstation, zumindest einer Relaisstation und einer Teilnehmervorrichtung, wobei das Verfahren aufweist: Multiplexen einer Kommunikation zwischen einer ersten Relaisstation und einer Basisstation und zwischen der ersten Relaisstation und einer zweiten Relaisstation unter Verwendung einer ersten Funkschnittstelle, um mehrere gleichzeitige Datenströme zu erzeugen; Ermöglichen, an der ersten Relaisstation, einer Kommunikation zwischen der Teilnehmervorrichtung und der ersten Relaisstation unter Verwendung einer zweiten Funkschnittstelle; und Verarbeiten der Kommunikation zwischen der ersten Relaisstation und der Basisstation anhand der ersten Funkschnittstelle getrennt von der Kommunikation zwischen der Teilnehmervorrichtung und der ersten Relaisstation.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf drahtlose Übertragungssysteme und -verfahren hoher Datenrate. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein drahtloses Multi-Hop-System mit makroskopischem Multiplexen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bekanntermaßen streben Ingenieure und Wissenschaftler an, drahtlose Kommunikationssysteme zu entwickeln, die mit relativ niedrigen Kosten hohe Datenraten erreichen. Hohe Datenraten sind oft durch Design bzw. Gestaltung erzielbar, aber können nicht implementiert werden, weil es die Kosten verbieten.
In drahtlosen Systemen der vierten Generation (die als ”4G”-Systeme bekannt sind) wurden Kapazitäten von 1 Gbps für Nahbereichs- und 10 Mbps für Fernbereichsabdeckung vorgesehen. Selbst mit sehr breiten Bandbreiten in der Größenordnung von 100 MHz sind die für diese Kapazitäten benötigten Spektraleffizienzen jedoch extrem hoch. Eine Art und Weise zum Erreichen dieser Spektraleffizienzen ist die Verwendung von mehreren Antennen, um mehrere gleichzeitige Datenströme zu übertragen und zu empfangen, d. h. MIMO-(”Multiple Input Multiple Output”: Mehrfacheingang-Mehrfachausgang)Übertagungen. Infolge eines Mangels an freiem Spektrum in den niedrigeren Frequenzen wurden auch Trägerfrequenzen um 5 GHz herum diskutiert. Selbst wenn die Anforderungen an die Spektraleffizienz erfüllt werden können, würden solche Systeme dennoch infolge der Dämpfung von Hochfrequenzsignalen nach wie vor kurze Reichweiten haben. In Kombination mit den Einschränkungen Sendeleistung und den Anforderungen für hohe Datenraten macht dies Kommunikationszellenbereiche klein, wodurch die Gesamtkosten des Netzwerks erhöht werden. Um das Problem von kleinen Zellenbereichen zu bekämpfen, haben Forscher die Verwendung von einer Multi-Hop- bzw. Mehrsprung-Netzwerkarchitektur vorgeschlagen. Zum Beispiel in ”Multi-hop wireless link system for new generation mobile radio access networks”, IEICE Trans. Comm., Vol. E85-B, Nr. 8, August 2002, diskutieren Otsu, Aburakawa und Yamaho Multi-Hop-Systeme. Eine Multi-Hop-Architektur bezieht sich auf die Verwendung von Relais- bzw. Weitergabestationen ohne Verbindung zu einem Festnetzwerk zusätzlich zu den normalen Basisstationen. Vorausgesetzt, dass die Relais bzw. Relays erheblich billiger gemacht werden können als normale Basisstationen, kann eine derartige Anordnung bei dem Reichweitenproblem helfen.
Sogar wenn angenommen wird, dass derartige Multi-Hop-Relais in der Lage sind, Modulationen höherer Ordnung als die Mobilstationen zu verwenden, stellt die Kombination von sehr hohen Datenraten und einer Fernbereichsabdeckung weiterhin ein Problem dar. An den Relais können mehrere Antennen verwendet werden, um die Reichweite zu dem nächsten Relais oder der nächsten Basisstation zu erhöhen, oder um die Datenrate zu erhöhen, aber es ist keine leichte Aufgabe, beides gleichzeitig zu erreichen. Eine Kapazität des Kanals ergibt die maximalen Datenraten, die möglich sind, um zuverlässig über den Kanal zu übertragen. In praktischen Systemen wird jedoch eine diskrete Menge von Modulationen verwendet und kann die maximale Datenrate eher durch die Modulationen als durch die Kapazität beschränkt werden. Insbesondere können Modulationen höherer Ordnung, wie etwa M-QAM (Quadratur-Amplituden-Modulation), bei denen die Kardinalzahl der Modulation M hoch ist, in praktischen Systemen nicht verwendet werden. Wenn die Kardinalzahl der Modulation steigt, wird die Übertragung weniger zuverlässig. Dies kann entweder durch Erhöhung der Sendeleistung oder durch Verwendung eines komplexeren Empfängers kompensiert werden. Aber da die Sendeleistung beschränkt ist und die Implementierungskosten des Empfängers so niedrig wie möglich gehalten werden müssen, gibt es einen strengen oberen Grenzwert für die Kardinalzahl der Modulation.
Als Beispiel der sich wiedersprechenden Anforderungen von hoher Datenrate und langer Reichweite sei eine Teilnehmervorrichtung-(UE)Einheit betrachtet, die in Ausbreitungsbedingungen, die ein räumliches Multiplexen mit drei parallelen Strömen ermöglichen, vier Sendeantennen aufweist. Unter der Annahme, dass die Modulation höchster Ordnung, die möglich ist, 16-QAM ist, d. h. 4 Bits/Strom, beträgt die Gesamtdatenrate 12 Bits pro Kanalbenutzung. Zwischen Relais- und Basisstationen können Modulationen höherer Ordnung möglich sein, wie etwa eine 128-QAM-Übertragung. Allerdings entspricht 128-QAM nur 7 Bits/Strom, was bedeutet, dass zumindest zwei Ströme notwendig wären, um die gleichen Informationen zwischen der Relais- und der Basisstation zu übertragen. Deshalb würde eine derartige Relaistopologie eine Mehrfachstromübertragung zwischen allen Relaisstationen in einer Zelle und der Basisstation erfordern. Eine derartige Topologie kann nicht in allen Umgebungen möglich sein, oder die Reichweite wird leiden. Eine Mehrfacheingang-Mehrfachausgang-(MIMO)Übertragung hoher Rate erfordert Umgebungen großer Streuung, um gut zu arbeiten, aber in diesen Arten von Umgebungen ist die Dämpfung stark und ist die Reichweite folglich gering.
Die Druckschrift US 5 345 599 A beschreibt ein System verteilter Übertragung und gerichteten Empfangs, das eine makroskopisch verteilte MIMO-(„multiple input, multiple output”)Übertragung unter Verwendung von drahtgebundenen Verbindungen einsetzt, um die Ströme an die makroskopisch aufgeteilten Sender zu verteilen. Die räumlich verteilten Sendeempfänger in diesem System sind jedoch drahtgebunden mit der Mobilstation verbunden, was einen Einsatz bzw. eine Einrichtung sehr teuer macht.
Die Druckschrift US 6 067 290 A beschreibt ein System mit einer verteilten Übertragung von Multi-Strömen zu/von einer Teilnehmervorrichtung (UE) an mehrere Basisstationen (BSs). In einem derartigen System wird die Abdeckung jedoch zu einem Problem, da ein Einsatz bzw. eine Einrichtung verdrahteter BSs sehr teuer ist. Zusätzlich erfordern Makro-Diversity und Multiplexen in diesem System eine umfangreiche Signalisierung zwischen BSs über das Kernnetzwerk.
Die Druckschrift US 2003/0 165 127 A1 beschreibt ein drahtloses Kommunikationssystem für eine Multi-Hop-Verbindung, bei dem eine Zielstation für eine Multi-Hop-Verbindung einen Übertragungsweg, die ein Minimum an erforderlichen Sendeleistungswerten von jeweiligen Stationen aufweist, aus Kandidaten des Übertragungswegs zwischen einer Quellstation und der Zielstation auswählt und ein Pilotsignal an die Quellstation und eine Relaisstation überträgt. Dadurch können die Quellstation und die Relaisstation den Übertragungsweg bestimmen, der das Minimum der erforderlichen Sendeleistungswerten aufweist.
Die Druckschrift US 2003/0 124 976 A1 beschreibt ein Mehrpunkt-Repeatersystem für eine drahtlose Übertragung mit einer ersten drahtlosen Vorrichtung mit einem Sender zum Verteilen von Sendedaten und Übertragen der Sendedaten als Funksignale von mehreren Antennen zu vorbestimmten Zeiten, einer Vielzahl von zweiten drahtlosen Vorrichtungen mit Repeatern zum jeweiligen Empfangen der Funksignale und zum verzögertem Übertragen der Funksignale, und einer dritten drahtlosen Vorrichtung mit einem Empfänger zum Empfangen der Funksignale von der Vielzahl von zweiten drahtlosen Vorrichtungen durch mehrere Antennen.
Weiterer Hintergrund ist etwa bekannt aus der Druckschrift US 2003/0 236 069 A1 , der Druckschrift WO 2003/003 672 A2 und der Druckschrift US 2002/0 173 310 A1 .
Demnach besteht ein Bedarf nach einer verbesserten Übertragung hoher Datenrate in Mehrfacheingang-Mehrfachausgang-(MIMO)Netzwerken. Ferner besteht ein Bedarf nach einem drahtlosen Multi-Hop-System mit makroskopischem Multiplexen. Des Weiteren besteht ein Bedarf, hohe Datenraten in drahtlosen Kommunikationssystemen mit relativ geringen Kosten zu erreichen.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Kommunikation in einem drahtlosen Multi-Hop-System und ein drahtloses Kommunikationssystem bereitgestellt, wie es in den beigefügten Patentansprüchen dargelegt ist.
Die Erfindung ist gerichtet auf ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein System, bei denen Funkstrecken zwischen Relais und Teilnehmern getrennt von den Strecken zwischen Relais und Basisstation optimiert werden, und bei denen mehrere gleichzeitige Datenströme zwischen Relais und Basisstationen erzeugt werden. Das System umfasst Sendeempfänger von zumindest drei Arten mit zumindest zwei Arten von Funkschnittstellen. Die erste Art von Sendeempfänger, eine Basisstation (BS), ist anhand einer Strecke von drahtgebundener Beschaffenheit mit dem Kernnetzwerk verbunden. Eine Strecke drahtgebundener Beschaffenheit kann unter Verwendung einer drahtlosen Kommunikationsstrecke realisiert werden, wann immer die Kommunikationskapazität der drahtlosen Strecke ausreichend ist, um alle Kommunikationen zwischen der BS und dem Kernnetzwerk zuverlässig zu transportieren. Die Kapazität der ersten Funkschnittstelle kann nicht ausreichend sein, um alle Kommunikationen zwischen der RS und der BS zuverlässig zu transportieren. Die zweite Art von Sendeempfänger, eine Relaisstation (RS), ist anhand einer ersten Funkschnittstelle mit der BS verbunden, und mit der dritten Art, der Teilnehmervorrichtung (UE), anhand einer zweiten Funkschnittstelle. Die erste und die zweite Funkschnittstelle können zumindest teilweise unter Verwendung der gleichen Frequenzbandbreite arbeiten. Die UE kann unter Verwendung der zweiten Funkschnittstelle auch direkt mit der BS verbunden sein, wenn der Kanal zu/von der BS besser ist als der Kanal zu/von jeder RS.
Kurz gesagt bezieht sich ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel auf ein Verfahren zur Kommunikation in einem drahtlosen Multi-Hop-System mit zumindest einer Basisstation, zumindest einer Relaisstation und einer Teilnehmervorrichtung. Das Verfahren umfasst ein Kommunizieren zwischen einer Relaisstation und einer Basisstation unter Verwendung einer ersten Funkschnittstelle, ein Kommunizieren zwischen der Teilnehmervorrichtung und der Relaisstation unter Verwendung einer zweiten Funkschnittstelle und ein Verarbeiten der Kommunikation zwischen der Relaisstation und der Basisstation anhand der ersten Funkschnittstelle getrennt von der Kommunikation zwischen der Teilnehmervorrichtung und der Relaisstation.
Ein weiteres beispielhaftes Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Vorrichtung, die zum Betrieb in einer drahtlosen Multi-Hop-Kommunikationsumgebung konfiguriert ist. Die Vorrichtung umfasst eine Funkschnittstelle, die mit Relaisstationen in einer Multi-Hop-Kommunikationsumgebung kommuniziert, und einen Prozessor, der mit der Funkschnittstelle gekoppelt ist. Der Prozessor stellt Befehle für eine Mehrfacheingang-Mehfachausgang-Kommunikation über die Funkschnittstelle bereit, wenn hohe Datenraten benötigt werden.
Ein noch weiteres beispielhaftes Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein drahtloses Kommunikationssystem mit einer Basisstation und einer Relaisstation, die mit einer Teilnehmervorrichtung kommunizieren. Das System umfasst eine Basisstation, die einen ersten Funksendeempfänger aufweist und mit einem Kernnetzwerk verbunden ist, eine Relaisstation, die einen zweiten Funksendeempfänger aufweist und konfiguriert ist, mit der Basisstation unter Verwendung einer ersten Funkschnittstelle zu kommunizieren, und eine Teilnehmervorrichtung, die einen dritten Funksendeempfänger aufweist und konfiguriert ist, mit der Relaisstation unter Verwendung einer zweiten Funkschnittstelle zu kommunizieren. Die Betriebe der ersten Funkschnittstelle und der zweiten Funkschnittstelle sind getrennt voneinander.
Weitere prinzipielle Merkmale und Vorteile der Erfindung werden für einen Fachmann bei Durchsicht der folgenden Zeichnungen, der ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Patentansprüche ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Beispielhafte Ausführungsbeispiele werden hierin nachstehend unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kommunikationssystems gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm, das Vorgänge in einem drahtlosen Multi-Hop-System mit makroskopischem Multiplexen gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Kommunikationssystems mit Multiplexfunktion zwischen Relaisstationen und Basisstationen gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Zeitmultiplex-Zeitplanung von Kommunikationsstrecken zwischen einer Teilnehmervorrichtung (UE) und einer Relaisstation sowie der Relaisstation und anderen Stationen zu einem Zeitpunkt 1 gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel.
5 zeigt eine schematische Darstellung der Zeitmultiplex-Zeitplanung gemäß 4 zu einem Zeitpunkt 2 gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Vollraten-Betriebs eines Teilnehmers zu einem Zeitpunkt 1 gemäß einem weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel.
7 zeigt eine schematische Darstellung des Vollraten-Betriebs gemäß 6 zu einem Zeitpunkt 2 gemäß einem weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
1 veranschaulicht ein Kommunikationssystem 10, das eine Teilnehmervorrichtung (UE) 12, eine Basisstation (BS) 14, eine Relaisstation (RS) 16 und ein Kernnetzwerk 18 aufweist. Die Basisstation 14 ist mit einem Draht 20 mit drahtgebundener Beschaffenheit mit dem Kernnetzwerk 18 verbunden. Die Relaisstation 16 ist mittels einer Funkschnittstelle 22 mit der Basisstation 14 verbunden und die Relaisstation 16 ist mittels einer Funkschnittstelle 24 mit der UE 12 verbunden. Bei einigen Ausführungsbeispielen arbeiten die Funkschnittstelle 22 und die Funkschnittstelle 24 zumindest teilweise unter Verwendung der gleichen Frequenzbandbreite. Auf zumindest einigen Funkschnittstellen wird ein makroskopisches Multiplexen eingesetzt, wobei die Relaisstation 16 mit der Basisstation 14 sowohl direkt als auch über eine weitere Relaisstation verbunden ist. Auf zumindest einigen weiteren Funkschnittstellen wird eine Mehrfacheingang-Mehrfachausgang-(MIMO)Übertragung verwendet.
2 veranschaulicht ein Ablaufdiagramm 40 von beispielhaften Vorgängen in einem drahtlosen Multi-Hop-System mit makroskopischem Multiplexen. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen können zusätzliche, weniger oder andere Vorgänge durchgeführt werden. In einem Vorgang 42 überträgt eine Teilnehmervorrichtung (UE) an die Relaisstation (RS), welche die beste Kanalqualität aufweist, wie sie mittels einer geeigneten Größe gemessen ist. Die UE kommuniziert mit der RS auf einer bestimmten Funkfrequenz.
In einem Vorgang 44 leitet die RS die von der UE empfangenen Daten an eine Basisstation (BS). Die RS kann die Daten direkt an die BS und über eine weitere RS an die BS leiten. Dieses makroskopische Multiplexen von Daten erzeugt mehrere gleichzeitige Datenströme. Solche mehreren Ströme stellen sicher, dass die hohen Datenraten, die auf den Strecken zwischen UE und RS/BS verfügbar sind, auch auf den Strecken zwischen RS/RS und RS/BS realisiert werden können, ohne auf Modulationen sehr hoher Ordnung zurückzugreifen.
3 veranschaulicht ein Kommunikationssystem 50, das eine Teilnehmervorrichtung (UE) 52, eine Basisstation (BS) 54 und Relaisstationen (RS) 56, RS 58 und RS 60 aufweist. 3 veranschaulicht eine Aufwärtsstreckenübertragung in dem System 50 unter Verwendung von Pfeilen zwischen Vorrichtungen in dem System. Die UE 52 überträgt Daten unter Verwendung von viere parallelen Strömen 63 an die nächste RS (RS 56). Jeder der vier parallelen Ströme 63 wird zum Beispiel mit einer 16-QAM-Übertragung moduliert. Die RS 56 leitet diese Daten unter Verwendung von drei unterschiedlichen Leitwegen 65, 67 und 69 an die BS 54. Leitwege 65 und 69 können 64-QAM-modoliert sein und Leitweg 67 ist 16-QAM-moduliert, so dass die Datenrate zwischen der UE/RS-Strecke 63 die gleiche ist wie die Datenrate zwischen der makroskopisch gemultiplexten RS/BS-Strecke, bestehend aus 65, 67 und 69. Demnach benötigen die RS oder BS keine Modulation sehr hoher Ordnung, um die gleichen hohen Datenraten zu erreichen, was zu einer reduzierten Hardwarekomplexität und einer Milderung des Spitze-Durchschnitt-Problems führt.
Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel können die mehreren Antennen, die an den Relaisstationen oder an der Basisstation eingesetzt werden, auch verwendet werden, um Übertragungen mit hoher Richtcharakteristik zu erzeugen, wie etwa Strahlformung. Dies reduziert die Interferenz zwischen unterschiedlichen Zellen oder innerhalb einer Zelle.
Eine Relaisstation kann gleichzeitig mit mehreren Basisstationen kommunizieren. Aufgrund dessen können alle zu einem Teilnehmer gehörigen Vorgänge bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel in einer weichen Weiterreichung in einer einzigen Basisstation gehandhabt werden. Bei einem Netzwerk des Stands der Technik mit Einzel-Hop-Funkstrecken erfordern Makro-Diversity oder Multiplexen in Abwärtsrichtung, dass das Netzwerk die Daten, die für einen Teilnehmer bestimmt sind, in einer weichen Weiterreichung aufspaltet oder dupliziert, die Teile der Nachricht an mehrere BSs kommuniziert, und dass die BSs diese an die UE übertragen. Bei einem Aufwärtsstreckenvorgang hören mehrere BSs die UE ab, werden die Ergebnisse an das Netzwerk transportiert und dort kombiniert. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist eine RS mit einer primären BS verbunden, aber ist sie auch mit allen primären BSs von benachbarten RSs verbunden. Diese bilden die Menge von sekundären BSs der RS. Demnach wäre eine RS, die von RSs umgeben ist, die mit der gleichen primären BS verbunden sind, nur mit ihrer primären BS verbunden. Eine RS, die benachbart zu einer Zellgrenze liegt, hat zumindest eine benachbarte RS, die mit einer anderen primären BS verbunden ist, und ist somit mit zumindest einer sekundären Basisstation verbunden. Eine UE, die sich in einer weichen Weiterreichung zwischen zumindest zwei Zellen befindet, kommuniziert mit zumindest zwei RSs, die primär mit zumindest zwei unterschiedlichen BSs verbunden sind. Wenn Informationen betreffend die UE in einer weichen Weiterreichung weitergegeben werden, kommunizieren alle beteiligten RSs mit einer einzigen BS, wobei jeweils primäre/sekundäre BS/RS-Strecken verwendet werden. Mit diesem Verfahren wird die Handhabung von UEs in einer weichen Weiterreichung vollständig lokal und für das Netzwerk transparent. Ein Aufteilen/Duplizieren/Kombinieren von Daten wird an einer einzigen BS durchgeführt.
Das Kommunikationssystem 50 kann auf eine Vielfalt von unterschiedlichen Arten implementiert werden. Das Kommunikationssystem 50 kann die Grenzen von zwei unterschiedlichen Funkumgebungen ausnutzen. Zum Beispiel können die Relais- und Basisstationen auf Hausdächern platziert werden, so dass die Strecken zwischen diesen nahe an Sichtverbindungen sind, die eine höhere Zuverlässigkeit und eine längere Reichweite bereitstellen. Andererseits bieten die Strecken zwischen UE und RS/BS, wenn sich die Teilnehmer hauptsächlich auf Straßenniveau befinden, wo die Ausbreitungsumgebung viel reichhaltiger ist, ein besseres Potential für eine MIMO-Übertragung hoher Rate, die bei Sichtverbindungen nicht möglich ist. Weitere mögliche Situationen, in denen die unterschiedlichen Strecken getrennt optimiert werden können, sind Übergänge zwischen Außen- und Innenumgebungen.
Unter Verwendung des Kommunikationssystems 50 kann die Strecke zwischen der UE 52 und der RS 56 getrennt von der Strecke zwischen der RS 56 und der RS 58, der RS 60 oder der BS 54 optimiert werden. Die Optimierung kann zum Beispiel durchgeführt werden durch Planung der Standorte der RS 56, RS 58, RS 60 und BS 54, Verwendung von Codierung, Modulation, Duplexen, Mehrfachzugriff von anderen Sende- und/oder Empfangsverfahren, die für die erwarteten Kanalbedingungen optimal sind. Sind die Standorte der RS fest oder bewegen sie sich entlang festgelegter Pfade mit bekannten Geschwindigkeiten (wie etwa Züge), sind außerdem die Kanalbedingungen zwischen der BS und der RS an beiden Seiten der Strecke bekannt. Daher können Performanz optimierende Übertragungsverfahren verwendet werden, die eine volle Kanalkenntnis an dem Sender erfordern, ohne Bedarf nach einer Kanalrückkopplung. Die getrennte Optimierung ermöglicht, dass die Reichweite zwischen RS und BS erhöht wird. Deshalb ist eine geringe Dichte von RS und BS erforderlich. Außerdem liegt auf den Strecken zwischen UE 52 und RS 56 aufgrund der kürzeren Entfernung eine bessere Performanz bzw. Leistungsfähigkeit vor, was zu einem verringerten Energieverbrauch durch die UE 52 führt. Auch der Standort von RS 56 kann so geplant werden, dass eine hohe Wahrscheinlichkeit für Kanalbedingungen besteht, die eine MIMO-Übertragung hoher Rate ermöglichen, z. B. dass eine Übertragung einer maximalen Anzahl von räumlich gemultiplexten parallelen Datenströmen zwischen der UE 52 und der RS 56 mit der geforderten Fehlerrate und Sendeleistung möglich ist.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die UE 52 mit mehreren Relaisstationen verbunden, wobei ein Relaisstation-spezifisches Pilotsignal verwendet wird. Kode, Frequenz oder Zeit können verwendet werden, um die Signale von unterschiedlichen Relaisstationen zu trennen. In einem solchen System misst die UE 52 MIMO-Kanäle zu mehreren RSs, vorzugsweise über ein Integrationsfenster, das aus mehreren Symbolperioden besteht. Es werden die räumlichen Eigenmoden mit größten Eigenwerten gewählt. Gehören die größten Eigenmoden zu unterschiedlichen RSs, wird bei Berechnung der Eigenstrahlen eine ausreichende Interferenznullung einberechnet. Die RSs können mit unterschiedlichen primären Basisstationen verbunden sein. Die RS-Auswahl kann von der UE durchgeführt werden, wenn diese im Leerlaufmodus ist.
Bei einem noch weiteren alternativen Ausführungsbeispiel können die Mehrfachpfad-Ausbreitungsumgebung und die resultierende Mehrfachpfad-Interferenz für unterschiedliche Kategorien von Strecken in dem Netzwerk unterschiedlich sein. Werden gerichtete Antennen auf RS/RS- und RS/BS-Strecken verwendet, sind die resultierenden Strecken bei nahezu Sichtverbindungsbedingungen demnach einzelne Pfade. Als solches kann eine fortgeschrittene Mehrfachträgermodulation (z. B. OFDM) für diese Strecken nicht erforderlich sein. Die RS/RS- und RS/BS-Strecken können eine Spreizspektrumübertragung (Codespreizung) anwenden, oder OFDM mit weniger Mehrfachträgern und möglicherweise einer kürzeren Schutzperiode als die RS/UE-Strecke.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann das Kommunikationssystem 50 FDD (”frequency division duplex”: Frequenzduplex) oder TDD (”time division duplex”: Zeitduplex) in den unterschiedlichen Kategorien von Strecken anwenden. Außerdem hat die Unabhängigkeit der Kommunikationsstrecken in dem Kommunikationssystem 50 den Vorteil, dass das Duplexerfordernis nicht für jede Strecke das gleiche sein muss. Vorzugsweise sind Vorgänge in den Relaisstationen von unterschiedlichen Kategorien von Strecken getrennt. Eine derartige Zeitplanung kann auf Zeitmultiplex, Frequenzmultiplex, Codemultiplex oder Raummuliplex/Interferenzunterdrückung oder einer Kombination dieser beruhen. Eine Art und Weise, um eine derartige Zeitmultiplex-Zeitplanung an der Relaisstation zu implementieren, besteht darin, dass die RS, wenn sie für einen Empfang oder eine Übertragung auf einer RS/(RS oder BS)-Strecke eingeplant ist, Aktionen auf den RS/UE-Strecken unterdrückt. Eine Zeitplanung kann an der Basisstation implementiert werden, indem die Basisstation wählt, welche RS(s) auf einer bestimmten Strecke und mit welcher Rate aktiv ist/sind.
Abhängig von der Rate und/oder Topologie kann eine bestimmte aktive RS eine Anzahl von benachbarten RSs als ”Sklaven” bzw. „Slaves” oder Vorrichtungen einsetzen, die auf die Anweisung der RS arbeiten. Bei einer Zeitmultiplex-Zeitplanung der RS können alle anderen RSs RS/UE-Übertragungen zeitlich planen, wenn sie nicht an einer RS/(RS oder BS)-Übertragung beteiligt sind. In der gemäß 4 veranschaulichten Situation ist eine RS 80 zu einem Zeitpunkt 1 demnach zum Beispiel an einer RS/RS-, RS/BS-Strecke (beschriftet mit Daten 2.3) zwischen RS 78 und BS 74 beteiligt. Die Übertragungen zu/von RS 78, RS 80 und BS 74 sind typischerweise von der RS 76 weggerichtet, die nicht an dem RS/(RS oder BS)-Vorgang beteiligt ist. Daher sind RS/UE-Übertragungen in der von RS 76 abgedeckten Teilzelle nicht durch RS/(RS oder BS)-Strecken zu stören. Gemäß 5 ist zu einem Zeitpunkt 2 stattdessen RS 80 beim Weitergeben von Informationen von RS 76 zu BS 74 beteiligt. Zu der Zeit, wenn eine RS keine Daten überträgt, zum Beispiel RS 76 gemäß 4, kann sie weiterhin Daten von UE 72 empfangen und diese verarbeiten. Zum nächsten Zeitpunkt (5) überträgt RS 76 die Daten (beschriftet mit Daten 1.2 und Daten 1.1), die sie während des vorhergehenden Zeitpunkts von UE 72 empfangen hat. Dies wird die Verzögerungen verringern, da die für die Datenverarbeitung an RS 76 erforderliche Zeit von RS 78 genutzt wird.
Der mit Bezug auf 4 und 5 beschriebene Duplexmodus kann mit einer Verwendung einer dynamischen Wiederverwendungstechnik verbunden werden. Wiederverwendung bedeutet ein Aufteilen von einigen orthogonalen Ressourcen (Zeit, Frequenz, Codes) zwischen jeder Zelle oder Teilzelle auf eine solche Art und Weise, dass die von benachbarten Zellen kommende Interferenz reduziert wird. Die Zellen/Teilzellen werden in eine feste Anzahl von Gruppen aufgeteilt (z. B. Wiederverwendungsfaktor), so dass die Entfernung zwischen zu einer Gruppe gehörenden Zellen maximiert ist, und jeder Gruppe wird ein Teil der orthogonalen Ressourcen zugeordnet. Wird die Wiederverwendung zum Beispiel zeitlich mit einem Wiederverwendungsfaktor von drei durchgeführt, sind zu einem ersten Zeitpunkt die Zellen/Teilzellen in Gruppe 1 aktiv, ist zu einem Zeitpunkt 2 die zweite Gruppe und zu einem Zeitpunkt 3 die dritte Gruppe aktiv. Die Wiederverwendung kann dynamisch durchgeführt werden, so dass es möglich ist, mehr orthogonale Ressourcen an eine Gruppe als an die anderen zuzuordnen, und dass die Zuordnung bei Bedarf geändert werden kann.
Die dynamische Wiederverwendung in dem in 4 und 5 veranschaulichten Fall kann implementiert werden, indem das System derart konfiguriert wird, dass benachbarte Teilzellen nicht gleichzeitig an einer RS/UE-Übertragung teilnehmen oder die gleichen Ressourcen verwenden. Auch kann die Wiederverwendung dynamisch geändert werden, wobei zum Beispiel die Länge der Zeitpunkte angepasst wird oder eine RS je nach Bedarf an unterschiedliche Wiederverwendungsgruppen zugeordnet wird. Wird RS 80 in 4 und 5 zuerst an die Wiederverwendungsgruppe zugeordnet, die aus RS 78, RS 82 und BS 74 besteht, und in dem nächsten Zeitpunkt an die Gruppe, die aus RS 76 und BS 74 besteht, verbessert dies den Betrieb von RS/UE-Strecken, weil die Interferenz von benachbarten Teilzellen unterdrückt wird und die Ressourcen flexibel genutzt werden können. Infolge der niedrigeren durchschnittlichen Sendeleistungen, die auf den RS/UE-Strecken benötigt werden, im Vergleich zu einer direkten UE/BS-Strecke und der Tatsache, dass sogar mit einer dynamischen Wiederverwendung mehrere RS/UE-Strecken gleichzeitig innerhalb einer Zelle aktiv sein können, verkleinert diese Wiederverwendung nicht notwendigerweise die Spitzendatenraten oder die Kapazität des gesamten Systems.
Wenn und falls ein Teilnehmer mit sehr hohen Datenratenanforderungen die volle Bandbreite benötigt, kann er sie verwenden. 6 und 7 veranschaulichen ein Beispiel eines Teilnehmers 72 mit hoher Datenrate. Aufgrund einer dynamischen Wiederverwendung ist es möglich, das System so zu konfigurieren, dass die UE 72 hoher Datenrate sowohl Zeitpunkt 1 (6) als auch Zeitpunkt 2 (7) verwenden kann, um die Daten zu übertragen. Selbst wenn RS 78 weiter entfernt ist als RS 76, kann die Energie, die zum Erzeugen einer Strecke zwischen UE 72 und RS 78 benötigt wird, immer noch kleiner sein als wenn eine direkte Strecke zwischen UE 72 und BS 74 erzeugt würde. Multi-Hop-Topologie und dynamische Wiederverwendung erhöhen die Systemkapazität erheblich.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel können unterschiedliche Mehrfachzugriffsverfahren in unterschiedlichen Kategorien und Strecken in dem Netzwerk verwendet werden. Insbesondere sind die Verzögerungen von RS/RS- und RS/BS-Strecken fest, wodurch eine synchronisierte (orthogonale) CDMA-Übertragung in allen Richtungen auf diesen Strecken ermöglicht wird. Im Gegensatz dazu kann TDMA/OFDMA zwischen UE und RS verwendet werden. Orthogonales CDMA auf RS/RS und BS/RS kann basierend auf einem Takt an der BS angewendet werden, der die Übertragungen der BS synchronisiert. Während des Aufbaus des Netzwerks messen die RSs Verzögerungen von Übertragungen zu (möglicherweise vielen) BSs und anderen RSs. Im Betrieb synchronisieren die RSs Übertragungen an BS(s) und andere RSs, so dass alle Übertragungen, die an einer BS oder RS auf den BS/RS- und RS/RS-Strecken ankommen, synchronisiert werden. Vorzugsweise sind Mehrfachcode-Übertragungen für CDMA-Strecken zulässig, um nicht Spitzendatenraten zu beeinträchtigen bzw. gefährden. Die Übertragungen auf unterschiedlichen RS/(RS oder BS)-Strecken können durch unterschiedliche Verwürfelungscodes identifiziert werden. Wird bei unterschiedlichen gleichzeitigen Übertragungen nicht die volle Spektraleffizienz verwendet, wird die Interferenz reduziert. Die Vorteile von synchronisiertem CDMA bleiben bestehen, wenn die Verwürfelungscodes basierend auf der Kennung des Empfangsendes der Funkstrecke gewählt werden.
Vorteilhafterweise reduziert das beschriebene System und Verfahren die Komplexität bei einer Zeitplanung. Die Basisstation kümmert sich um eine Zeitplanung höherer Ebene und Neuübertragungsprotokolle. Übertragungen auf BS/RS-Strecken können basierend auf den kombinierten Belohnungs- bzw. Vergütungsfunktionen von allen Teilnehmern zeitlich geplant werden, die mit einer RS verbunden sind. Eine Belohnungs- bzw. Vergütungsfunktion ist ein Maß, basierend auf dem die Zeitplanungseinrichtung die optimale Art und Weise zum zeitlichen Planen der Übertragung bzw. des Empfangs bestimmen kann, zum Beispiel so dass der Teilnehmer mit der größten Belohnungsfunktion übertragen darf. Die Belohnungsfunktion kann zum Beispiel von der Kanalqualität, der erwarteten Fehlerrate, Verzögerungsanforderungen, Dienstgüteanforderungen, einer Prioritätsklasse oder anderen Maßen abhängen, die sich auf die Übertragung von einem Teilnehmer beziehen. Die RS kümmert sich um eine Zeitplanung der Teilnehmer, die mit ihr verbunden sind, was zu einer erheblichen Komplexitätsverringerung führt. Als Beispiel muss die BS, wenn sich 256 Teilnehmer in einer Zelle befinden, 256 Belohnungsfunktionen berechnen, um diese ohne Assistenz von Relaisstationen zeitlich zu planen. Im Gegensatz dazu plant, wenn 16 Relaisstationen vorhanden sind, jede mit 16 Teilnehmern, jede Relaisstation 16 Teilnehmer und plant jede BS 16 Relaisstationen basierend auf kombinierten Belohnungsfunktionen.
Weitere Vorteile des beschriebenen Systems und Verfahrens umfassen die Flexibilität, dass einzelne oder mehrere Hops verwendet werden können. Außerdem kann für die RS/BS- und RS/RS-Strecken eine gerichtete Übertragung, z. B. SDMA, verwendet werden, um Interferenz zu verringern. Wenn ein Duplexen der unterschiedlichen Arten von Strecken wie vorstehend vorgeschlagen eingerichtet wird, kann die RS die Zeit, die sie auf einen Aufwärtsstreckenschlitz in Richtung der BS wartet, dazu verwenden, um die von der UE empfangenen Daten zu verarbeiten. Durch Aufteilen der Funktionalitäten der Medienzugangssteuer-(MAC)Schicht zwischen BS und RS, wie es vorstehend für die Zeitplanung erörtert ist, kann eine weitere Komplexitätsverringerung und eine Verzögerungsminimierung erreicht werden. Demnach können zum Beispiel automatische Neuübertragungsanforderungsprotokolle (ARQ) zwischen den BS/RS- und RS/UE-Strecken aufgeteilt werden, so dass unterschiedliche zyklische Redundanzprüfungen (CRC) nach einer Übertragung über die zumindest zwei Arten von Funkschnittstellen durchgeführt werden.
Diese ausführliche Beschreibung behandelt beispielhafte Ausführungsbeispiele eines Verfahrens, einer Vorrichtung und eines Systems für ein drahtloses Multi-Hop-System mit makroskopischem Multiplexen. In der vorstehenden Beschreibung sind zu Erläuterungszwecken zahlreich spezielle Einzelheiten dargelegt, um ein gründliches Verständnis der Erfindung zu schaffen. Es ist für einen Fachmann jedoch offensichtlich, dass die beispielhaften Ausführungsbeispiele ohne diese speziellen Einzelheiten in die Praxis umgesetzt werden können. In anderen Fällen sind Strukturen und Vorrichtungen in Blockschaltbildform gezeigt, um eine Beschreibung der beispielhaften Ausführungsbeispiele zu erleichtern.
Während die beispielhaften Ausführungsbeispiele, die in den Figuren veranschaulicht und vorstehend beschrieben sind, momentan bevorzugt sind, sollte es selbstverständlich sein, dass diese Ausführungsbeispiele nur als Beispiel angegeben sind. Weitere Ausführungsbeispiele können zum Beispiel unterschiedliche Methoden zum Durchführen der gleichen Vorgänge bzw. Betriebe umfassen. Die Erfindung ist nicht auf ein bestimmtes Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern erstreckt sich auf verschiedene Modifikationen, Kombinationen und Permutationen, die gleichwohl in den Umfang und den Geist der beigefügten Patentansprüche fallen.

Claims

Verfahren zur Kommunikation in einem drahtlosen Multi-Hop-System mit zumindest einer Basisstation, zumindest einer Relaisstation und einer Teilnehmervorrichtung, wobei das Verfahren aufweist: Multiplexen einer Kommunikation zwischen einer ersten Relaisstation und einer Basisstation und zwischen der ersten Relaisstation und einer zweiten Relaisstation unter Verwendung einer ersten Funkschnittstelle, um mehrere gleichzeitige Datenströme zu erzeugen; Ermöglichen, an der ersten Relaisstation, einer Kommunikation zwischen der Teilnehmervorrichtung und der ersten Relaisstation unter Verwendung einer zweiten Funkschnittstelle; und Verarbeiten der Kommunikation zwischen der ersten Relaisstation und der Basisstation anhand der ersten Funkschnittstelle getrennt von der Kommunikation zwischen der Teilnehmervorrichtung und der ersten Relaisstation.
Verfahren gemäß Anspruch 1, zusätzlich mit einem Kommunizieren zwischen der zweiten Relaisstation und der Basisstation.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die zweite Relaisstation direkt mit der Basisstation kommuniziert.
Verfahren gemäß Anspruch 1, zusätzlich mit einem dynamischen Wiederverwenden von Kommunikationsressourcen zwischen der Teilnehmervorrichtung und der ersten und der zweiten Relaisstation.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei ein Kommunizieren zwischen der Teilnehmervorrichtung und der ersten Relaisstation ein Kommunizieren eines Relaisstation-spezifischen Pilotsignals aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die zweite Funkschnittstelle Mehrfacheingang-Mehrfachausgang-Übertragungen aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die erste Funkschnittstelle und die zweite Funkschnittstelle unter Verwendung einer gemeinsamen Frequenzbandbreite arbeiten.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die erste Funkschnittstelle ein makroskopisches Multiplexen aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, zusätzlich mit einem Teilen von Ressourcen zwischen einer Kommunikation unter Verwendung der ersten Funkschnittstelle und einer Kommunikation unter Verwendung der zweiten Funkschnittstelle, wobei die erste Funkschnittstelle und die zweite Funkschnittstelle unter Verwendung unterschiedlicher Kategorien von Kommunikationsstrecken arbeiten.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die unterschiedlichen Kategorien von Kommunikationsstrecken ausgewählt sind aus: Mehrfachträgermodulation, Spreizspektrumübertragung, Frequenzduplex und Zeitduplex.
Drahtloses Kommunikationssystem, wobei das System aufweist: eine Basisstation, die einen ersten Funksendeempfänger aufweist und mit einem Kernnetzwerk verbunden ist; und eine erste Relaisstation, die einen zweiten Funksendeempfänger aufweist und konfiguriert ist, gleichzeitig mit der Basisstation und einer zweiten Relaisstation unter Verwendung einer ersten Funkschnittstelle zu kommunizieren, und konfiguriert ist, mit einer Teilnehmervorrichtung, die einen dritten Funksendeempfänger aufweist, unter Verwendung einer zweiten Funkschnittstelle zu kommunizieren, wobei die Betriebe der ersten Funkschnittstelle und der zweiten Funkschnittstelle getrennt voneinander sind.
System gemäß Anspruch 11, wobei die Betriebe der ersten Funkschnittstelle und der zweiten Funkschnittstelle zumindest teilweise ein Verwenden der gleichen Frequenzbandbreite umfassen.
System gemäß Anspruch 11, zusätzlich mit der zweiten Relaisstation, die konfiguriert ist, mit der Basisstation zu kommunizieren.