TWI384788B - 無線通訊系統 - Google Patents

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TWI384788B
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Michael John Beems Hart
Yuefeng Zhou
Sunil Keshavji Vadgama
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Fujitsu Ltd
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Description

無線通訊系統 發明領域
本發明關於一種無線通訊系統，特別是封包式系統，其中一基地臺(BS)與多個固定的或行動的用戶站(SS)通訊。
 發明背景
近來發展出許多用於在寬頻無線鏈路上進行資料通訊之標準。其中一種標準如IEEE802.16規格且今為眾所周知的WiMAX。規格包括IEEE802.16－2004，主要針對具有固定用戶站之系統，以及一增強式規格IEEE802.16e－2005其供用於行動用戶站。下列敘述中，用戶站(SS)一辭用於固定與行動兩種站臺(SS/MS)。
IEEE標準802.16－2004「用於固定式寬頻無線接取系統播送介面」之全部內容併供本發明作為參考。IEEE802.16利用單跳點系統，其中用戶站在範圍內與一基地臺直接通訊，一基地臺之範圍定義為一「單元」。藉由佈署多個基地臺於一給定地理區域內之適當位置，一組接續的單元可建立一廣域網路。在此規格中，「網路」一辭和「系統」一辭將等效地混用。
前述類型的系統中，資料藉由用戶站與基地臺間之封包交換來通訊，同時其間保持一連接(亦稱「傳輸連接」)。從用戶站到基地臺之封包發射方向稱上鏈，而從基地臺到用戶站之方向稱下鏈。封包有一經定義的格式，其遵循一應用於系統及其組成無線電裝置之層級式協定。這種關於封包之協定層稱為實體層(PHY)及媒體接取層(MAC)。IEEE802.16－2004規格中，這些協定層形成一協定「堆疊」，如第1圖所示。順便一提，第1圖亦顯示服務接取點(SAPs)形態的協定層間之介面，但這些並無關本發明。
媒體接取層負責處置網路接取、帶寬配置、及保持連接。許多實體實務可用於一IEEE802.16網路中，視可用的頻率範圍與應用而定；譬如，一分時雙工(TDD)模式－其中上鏈與下鏈發射在時間上分離但共用同一頻率、以及一分頻雙工(FDD)模式－其中上鏈與下鏈發射能夠以不同頻率同時發生。一基地臺與用戶站間之一連接(更精確地說，在那些裝置之MAC層中－所謂同級實體)被指派一連接ID(CID)，而基地臺持續追蹤CID來管理其主動連接。資料在MAC同級實體間被交換，換言之，用戶站和基地臺之間，以一協定資料單元(PDU)之單元，PDU利用一些槽被傳送穿過一PHY層。
服務品質(QoS)之概念被運用在無線通訊系統中，以允許提供廣大的服務範圍。在與一用戶站通訊期間，基地臺視用戶站所請求的服務類型及可用帶寬配置一QoS層級，注意基地臺一般會與多個用戶站同時通訊。QoS首先在用戶站加入網路時之網路登入程序期間被配置，後續並可由用戶站對基地臺請求來調整同時保持連接。
QoS和CID/SFID間之關係如第2圖所繪示。為使第2圖易於瞭解，注意「服務流」指具有一特定QoS之一連接上一給定方向(上鏈或下鏈)上的資料發射。連接之QoS由一服務流識別符(SFID)定義，其和連接ID有一對一的關係。
譬如，IEEE802.16規格提供四種QoS等級或下列層級：(i)不經請求授予之服務(UGS)：此服務支援週期性時期發佈之由固定大小封包構成的即時資料流，例如網路電話(VoIP)。
(ii)即時輪詢服務(rtPS)：此支援即時資料流由週期性時期發佈之可變大小封包構成，例如MPEG視訊。
(iii)非即時輪詢服務(nrtPS)：欲支援由可變大小封包構成之延遲容受資料流之一服務層級，其需要最小的傳輸率，例如FTP(檔案傳輸協定)。
(iv)最佳效果(BE)此最低服務層級係針對沒有特定服務需求之資料流。封包在帶寬可用時被處置。
然而就可用頻率之使用/再使用而論的有效通訊機制，由於許多用戶站傳統上同時接取同一基地臺，用戶站之間可能會有帶寬請求之「衝突」。因此在QoS中使用一種競奪式方式來配置相連用戶站之間的帶寬。
如前所述，涉及PHY和MAC協定層之封包。更特別地，第3圖顯示具有兩部份之一封包格式，一PHY標頭及一MACPDU。MACPDU依序由一MAC標頭、一選擇性酬載、及選擇性錯誤校正碼(循環冗餘碼或CRC)所組成。第4圖顯示IEEE802.16－2004中指定的通用MAC標頭格式，包括一16－位元CID。
在IEEE802.16所設想的一單跳點系統中，每一用戶站(SS)會直接向基地臺(BS)請求帶寬，因而共同接取一共用基地臺。若SS未得到任何帶寬，在網路登入與初始化階段，其會使用一CDMA測距碼來請求帶寬。BS依前述競奪基準處置這些請求。SS一取得一些初始帶寬，其可接著使用一獨立的帶寬請求MAC(媒體接取控制)標頭或揹負請求來進一步請求帶寬。揹負帶寬請求總是為增加的。獨立請求可為增加的或總數的。
SS和BS間服務流可在網路登入程序期間或由動態服務流程序來建立及啟用。一服務流ID(SFID)會被指派到各個現有服務流，且各個服務流亦與一特定QoS要求相關聯。一服務流有至少一個SFID和一相關聯之方向。傳輸連接之連接ID(CID)僅在服務流被允許或作用時存在。SFID和傳輸CID間之關係是獨特的，這意謂一SFID永遠不會與一個以上的傳輸ID相關聯，且一傳輸CID永遠不會與一個以上的SFID相關聯。
CID會包含在帶寬請求中，因此BS可知哪個SS請求帶寬，以及什麼與QoS要求相關聯。
近來，致力於擴展IEEE802.16到流量經由BS和SS之間的一或更多中繼站(RS)路由而不是直接發射的多跳點組配中。第5圖顯示此一具有兩個標為RS1#和RS2#中繼站之雙跳點組配之範例。若網路可修改來支援中繼功能，如第5圖所示，一般，中繼站(RS)會中繼頻帶請求(BR)其覆蓋範圍內的全部SS或RS至BS。
此帶寬請求協定的問題在於BS會面臨許多帶寬請求訊息，這表示BS和RS1#間有許多帶寬，而這些帶寬請求之間可能需要競奪。尤其是，當跳點數多於二時，BS及其最近RS間之帶寬請求數，例如RS1#in第5圖，會累增，因為會用到更多的帶寬來發訊管理。這是由於一般上鏈帶寬較下鏈帶寬更為受限所致的一特定問題。再者，當一CDMA測距碼被用於帶寬請求時，BS所接收之帶寬請求增加的數量會增加所廣播CDMA碼發射之衝突的機率。
另一方面，在一非穿透式或分散式中繼系統中，一RS本身可應付叢發範圍、帶寬配置、以及封包排程。這些操作亦有關其單元內無線電裝置之帶寬配置。因此，一RS可能涉及帶寬請求程序。
 發明概要
依據本發明之第一層面，提供一種無線通訊方法，其中用戶站各自可操作來與一基地臺通訊，該基地臺能藉由在一些用戶站之間配置一可用容量而與該等用戶站進行同步通訊，該等用戶站需發佈容量請求以獲取及/或保持與該基地臺之連接，該等用戶站與該基地臺間之一連接與通訊係透過至少一中繼站來部份或全面地進行，該方法包含下列步驟：在該中繼站中，檢測從多個該等用戶站發佈之容量請求，利用該檢測的請求來形成至少一個組合的容量請求，並發射該組合的容量請求至該基地臺；在該基地臺中，響應於該組合的容量請求為該等多個用戶站保留容量：以及在該中繼站或在該基地臺中，在該等多個用戶站間配置該保留的容量。
圖式簡單說明
僅由範例參考下列圖式：第1圖顯示依據IEEE802.16之協定分層；第2圖顯示一IEEE802.16網路中CID、SFID、及QoS間之關係；第3圖顯示能夠用於一IEEE802.16網路中之一封包格式；第4圖顯示IEEE802.16規格中所述一封包之一通用MAC標頭；第5圖繪示一多跳點無線通訊系統中之一簡單帶寬請求協定；第6圖繪示本發明中運用之帶寬請求(BR)協定；第7圖係一RS中初始帶寬請求之一處理流程圖；第8圖係一RS中進一步帶寬請求之一處理流程圖；第9圖顯示依據本發明之一組合式即時BR之一第一訊息格式；以及第10圖顯示依據本發明之一組合式即時BR之一第二訊息格式。
 較佳實施例之詳細說明
現將參考第6－10圖說明本發明之一實施例，利用一IEEE802.16網路作為一範例。
本發明中，提議一種演算法，中繼站可藉其分類與組合來自其單元內之用戶站(或任何其他中繼站)之帶寬請求，並傳送組合的帶寬請求至基地臺，因而減少帶寬請求訊息之管理與衝突。此概要地示於第6圖，其中用戶站為標示為MS之行動站。第6圖中之粗箭頭表示RS中形成之一組合式BR並取代第5圖中之RS中繼的多個平行BR。如先前所述，帶寬請求(BR)有兩種，初始BR與進一步BR，在此實施例中它們視為不同者。
1．初始帶寬請求
在網路登入與初始化階段中，一RS範圍中之各SS會使用競奪式CDMA測距來請求初始帶寬。當RS檢測CDMA碼時，其會傳送一不同的CDMA碼至BS來請求用於這些SS之帶寬，而不是僅單純中繼兩個檢測到的CDMA碼到BS，因而節省帶寬並降低BS周圍CDMA碼發射之衝突機率。另外，RS可使用一獨立的帶寬請求MAC標頭來請求用於這些SS之帶寬。此程序示於第7圖之流程。
2．進一步帶寬請求
如前所述，SS一獲得一些初始帶寬，其接著可使用一獨立的帶寬請求MAC(媒體接取控制)標頭或揹負請求來進一步請求帶寬。在此階段中，RS將所接收之獨立式或揹負式BR分類「即時BR」(IBR)和「非即時BR」(NIBR)。IBR會被RS盡快組合並送到BS。NIBR會被RS組合及送至週期性總計之BR。
中繼站處理此進一步BR之程序如第8圖所示
第一階段係針對RS接收BR。接著RS會識別關於對應帶寬請求之服務流之QoS參數。譬如，一RS可索引BR中包含之連接ID(CID)來找出QoS要求。為允許RS聽取服務流之QoS要求，服務連接請求期期間，BS必須告知RS資訊所允許的服務流。另外，一RS可「監聽」服務連接請求期期間交換的資訊來獲取與CID相關聯之QoS、以及服務流和CID之間的關係。
按照QoS之要求，所接收之BR會被RS分成兩個種類，IBR和NIBR。譬如，關於不經准予授權之服務(UGC)的BR，以及可被視作IBR之即時輪詢服務(rtPS)。用於最有效(BE)之BR和非即時輪詢服務(nrtPS)可歸類為NIBR。
若所接收IBR數為1，則RS記錄此IBR之帶寬請求量，並盡快地簡單傳送此IBR至BS。此IBR可為增量的或總計的。RS會為此IBR保留原始CID。
若當下訊框中所接收IBR數多於1，則RS會將這些IBR組合成一BR，稱為組合式IBR，並盡快傳送此組合式BR到BS。在此情況中，RS亦會記錄全部IBR所請求帶寬之總數。此組合式IBR可為增量的或總計的。
一組合式IBR之第一種可能訊息格式如第9圖所示(格式A)。此控制訊息格式之細節列於下面表1中。
為縮減一組合式IBR之控制訊息之大小，RS可利用第10圖所示訊息格式(格式B)。此控制訊息之細節如表2所列。在使用此訊息格式時，RS會使用其現有(先前組配的)CID之其中一者，其與其SS、或MS、及RS所用之全部CID相關聯。BS將知此CID所包含之帶寬請求係用於SS及任何其他與RS相連的。
處理IBR之後，RS會記錄全部NIBR所請求帶寬之總計。當周期性RS帶寬請求之時效過了，RS會總計其上鏈發射需要的帶寬，並發射一總計帶寬請求至BS。RS可使用第10圖中之「訊息格式B」於此帶寬請求。因此，RS需要一現有CID來總計所有連至其本身的CID。
總計帶寬請求期可為與NIBR相關之服務QoS及鏈路品質的函數。
響應於來自RS之BR，BS執行必要的帶寬配置處理。在一格式A帶寬請求(第9圖)的情況中，個別SS(或其他RS)所需的帶寬量(增量或累計)包含在來自RS之請求中。在此情況下，BS必須根據一個別基準配置帶寬並據此通知RS，RS接著單純記錄通知的量。在一格式B帶寬請求(第10圖)的情況中，BS准予所請求的量(若可能的話；否則更少的量)並據此通知RS。接著，藉由適當分配准予的量給請求的SS/RS，依據它們的QoS需求，由RS決定配置准予的帶寬。
僅管前述考量在一單一RS和BS之處理，其他RS可出現在網路中。在此情況下，與每一其他RS相關，第一RS可作為前述之BS。各個其他RS會伺服其自己的SS組並為第一RS以和前述相同的方式結合接收自SS之BR。
綜論之，本發明之實施例可提供下列特性：．為一RS定義處理所接收帶寬請求之一協定。
．藉由分類和組合RS中所接收帶寬請求控制訊息最少管理。
．降低競奪類型的帶寬請求之衝突機率。
．所提議之方法可用於其他訊息中繼，因而達到前述優勢。
本發明之實施例可以硬體、或在一或更多處理器上執行之軟體模組、或其等之組合來實現。即，熟於此技術領域者將瞭解一微處理器或數位信號處理器(DSP)可用來實現本發明實施例之一發射器之一些或所有功能。本發明亦可具現以一或更多裝置或設備程式(例如電腦程式及電腦程式產品)來實現本說明所描述之部份或全部方法。這類具現本發明之程式可儲存在電腦可讀式媒體上，或可呈現為一或更多信號的形式。這類信號可為可從一網際網路網站下載之資料信號、或可由一載波信號提供、或呈現以任何的形式。
第1圖顯示依據IEEE802.16之協定分層；第2圖顯示一IEEE802.16網路中CID、SFID、及QoS間之關係；第3圖顯示能夠用於一IEEE802.16網路中之一封包格式；第4圖顯示IEEE802.16規格中所述一封包之一通用MAC標頭；第5圖繪示一多跳點無線通訊系統中之一簡單帶寬請求協定；第6圖繪示本發明中運用之帶寬請求(BR)協定；第7圖係一RS中初始帶寬請求之一處理流程圖；第8圖係一RS中進一步帶寬請求之一處理流程圖；第9圖顯示依據本發明之一組合式即時BR之一第一訊息格式；以及第10圖顯示依據本發明之一組合式即時BR之一第二訊息格式。

Claims (15)

  1. 一種無線通訊方法，其中用戶站各自可操作來與一基地臺通訊，該基地臺能藉由在一些用戶站之間分配一可用頻寬而與該等用戶站進行通訊，該等用戶站需發出頻寬請求以獲取及/或保持與該基地臺之連接，且該等用戶站與該基地臺間之通訊係透過至少一中繼站來部份或全面地進行，該方法包含下列步驟：在該中繼站中，檢測從多個該等用戶站所發出之頻寬請求，利用該檢測的請求來形成至少一個組合的頻寬請求，並發射該組合的頻寬請求至該基地臺；在該基地臺中，藉保留用於該等多個用戶站的頻寬來響應該組合的頻寬請求：以及在該中繼站中，分配該保留的頻寬於該等多個用戶站間；其技術特徵在於從該等多個用戶站所發出之該等頻寬請求是以CDMA測距碼的形式，且該組合的頻寬請求是以一獨立式MAC標頭的形式代替CDMA測距碼的形式之一初始頻寬請求。
  2. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中該等用戶站各發出一CDMA測距碼以作為一網路登入程序之一部份來獲得與該基地臺之一連接。
  3. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中該頻寬請求係針對頻寬之一絕對量之一請求。
  4. 依據申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其中該組 合的頻寬請求累計包含於所檢測頻寬請求中的頻寬量而不包括該個別頻寬請求之細節。
  5. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中至少又一中繼站被設置與該中繼站通訊，該又一中繼站進行與該中繼站進行相同的步驟，此相同的步驟係關於又一用戶站以該中繼站作為其基地臺，而該中繼站檢測來自該又一中繼站之一頻寬請求，並利用該頻寬請求來形成該組合的頻寬請求。
  6. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中一或更多該用戶站係為行動站。
  7. 一種無線通訊系統，其中用戶站各自可操作來與一基地臺通訊，該基地臺能藉由在一些用戶站之間分配一可用頻寬而與該等用戶站進行通訊，該等用戶站需發出頻寬請求以獲取及/或保持與該基地臺之連接，且該等用戶站與該基地臺間之通訊係透過至少一中繼站來部份或全面地進行，其中：該中繼站包含用以檢測從多個該等用戶站所發出之頻寬請求、利用該檢測的請求來形成至少一個組合的頻寬請求、並發射該組合的頻寬請求至該基地臺之構件；該基地臺包括用以藉保留用於該等多個用戶站的頻寬來響應該組合的頻寬請求之構件：以及該中繼站包括用以分配該保留的頻寬於該等多個用戶站間之構件；其特徵在於 從該等多個用戶站所發出之該等頻寬請求是以CDMA測距碼的形式，且該組合的頻寬請求是該中繼站以一獨立式MAC標頭的形式代替CDMA測距碼的形式所發射之一初始頻寬請求。
  8. 一種用於一無線通訊系統中之中繼站，其中用戶站各自可操作來與一基地臺通訊，該基地臺能藉由在該等用戶站之間分配一可用頻寬而與該等用戶站進行通訊，該等用戶站需發出頻寬請求以獲取及/或保持與該基地臺之連接，且該等用戶站與該基地臺間之通訊係透過該中繼站來部份或全面地進行，其中該中繼站包含：用以檢測從多個該等用戶站所發出之頻寬請求之檢測構件；用以利用該檢測的請求來形成至少一組合的頻寬請求之組合構件：以及用以發射該組合的頻寬請求至該基地臺之發射構件；其特徵在於分配構件，其響應於接收自該基地臺之所保留頻寬之一通知，而在該等多個用戶站間分配該所保留頻寬；以及在於從該等多個用戶站所發出之該等頻寬請求是以CDMA測距碼的形式，且就一初始頻寬請求而言，該發射構件以一獨立式MAC標頭的形式代替CDMA測距碼的形式發射該組合的頻寬請求。
  9. 依據申請專利範圍第8項之中繼站，其中該組合的頻寬 請求不包括由該檢測構件所檢測之個別頻寬請求之細節。
  10. 依據申請專利範圍第9項之中繼站，其中所保留頻寬之該通知包括一頻寬之累計量，且該分配構件被配置來在該等多個用戶站間劃分該所保留頻寬。
  11. 依據申請專利範圍第8至10項中任一項之中繼站，其中該檢測構件被配置來檢測來自至少又一中繼站之一頻寬請求，該又一中繼站在與更多用戶站之關係上扮演與該中繼站相同的角色，且該組合構件被配置來利用該頻寬請求來形成該組合的頻寬請求。
  12. 一種儲存一電腦程式之電腦可讀式記錄媒體，其中在被一無線通訊系統中之一中繼站執行時，致使該中繼站進行下列動作：檢測來自多個用戶站之頻寬請求；組合該檢測的請求以形成至少一組合的頻寬請求；發射該組合的頻寬請求至該基地臺；以及響應於接收自該基地臺之所保留頻寬之一通知，而在該等多個用戶站間分配該所保留頻寬；其中從該等多個用戶站所發出之該等頻寬請求是以CDMA測距碼的形式，且就一初始頻寬請求而言，該組合的頻寬請求是以一獨立式MAC標頭的形式代替CDMA測距碼的形式被發射。
  13. 一種用於一無線通訊系統中之基地臺，其中用戶站各自可操作來與該基地臺進行通訊，該基地臺能夠藉由 在該等用戶站之間分配一可用頻寬與該等用戶站進行通訊，該等用戶站需發出頻寬請求以獲取及/或維持與該基地臺之一連接，且該等用戶站與該基地臺間之通訊係透過至少一中繼站來部份或全面地進行，其中該中繼站檢測從多個該等用戶站所發出之CDMA測距碼作為頻寬請求，並發射一組合的頻寬請求至該基地臺；該基地臺包含：用以解碼接收自該中繼站之該組合的頻寬請求之一解碼構件；響應於該解碼結果來為該等多個用戶站保留頻寬之頻寬保留構件；以及用以通知該中繼站該所保留頻寬之發射構件；其特徵在於該解碼構件響應於一初始頻寬請求，其是以一獨立式MAC標頭的形式代替CDMA測距碼的形式之一組合的頻寬請求。
  14. 依據申請專利範圍第13項之基地臺，其中該組合的頻寬請求不包括個別頻寬請求之細節，且該頻寬保留構件被配置來保留用於該等用戶站之一頻寬之累計量，該發射構件通知該中繼站該頻寬之累計量。
  15. 一種儲存有一電腦程式之電腦可讀式記錄媒體，當該電腦程式在一無線通訊系統中之一基地臺上被執行時，致使該基地臺進行下列動作：解碼接收自該中繼站之該組合的頻寬請求； 響應於該解碼結果來為該等多個用戶站保留頻寬；發射至該中繼站以通知該中繼站該所保留頻寬；其中該解碼解碼一初始頻寬請求，其是以一獨立式MAC標頭的形式代替CDMA測距碼的形式之一組合的頻寬請求。
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