TWI454097B - 基地台、中繼站、用於基地台之發射方法及用於中繼站之發射方法 - Google Patents

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Description

基地台、中繼站、用於基地台之發射方法及用於中繼站之發射方法 發明領域
近來對於在封包式無線電與其他通訊系統中使用多跳點技術有相當大的重要性，此技術之目的在於其可擴大覆蓋範圍及增加系統容量(吞吐量)。
 發明背景
在一多跳點通訊系統中，通訊信號以沿著自一來源裝置經由一或更多中繼裝置至一目的裝置之通訊路徑(C)之通訊方向傳送。
 發明概要
第6圖繪示一個單一單元雙跳點之無線通訊系統，其包含一個基地臺BS(在3G通訊系統之結構下習知為「節點-B」NB)、一中繼節點RN(亦習知為中繼站RS)、以及一個使用者設備UE(亦習知為行動站MS)。在信號在向下鏈路(DL)上從一基地臺經由中繼節點(RN)發射到一目的使用者設備(UE)之情況下，基地臺包含來源站(S)而使用者設備包含目的站(D)。在通訊信號在向上鏈路(UL)上從一目的使用者設備(UE)經由中繼節點發射到一基地臺之情況下，使用者設備包含來源站而基地臺包含目的站。中繼節點是為中間裝置(I)的一種範例，且包含一個接收器，可操作來接收來自來源裝置之資料；以及一發射器，可操作來發射資料或其產物至目的裝置。
簡單類比中繼器或數位中繼器已用為在死角改良或提供覆蓋範圍之中繼。從來源站它們可操作以不同的發射頻帶以避免來源發射與中繼器發射之間的干擾，或可操作在來源站沒有發射時。
第7a-b圖繪示中繼站之多種應用。就固定的公共建設而言，中繼站提供之覆蓋範圍可為「填入」以供行動站存取通訊網路，行動站可能在其他物體之陰影下、或即使在基地臺之正常範圍中也無法接收來自基地臺之充分強度之信號。圖中亦顯示「範圍擴大」，其中一中繼站在一行動站在基地臺之正常資料發射範圍外時允許存取。顯示於第7a-b圖之右上方的一個「填入」例子，係置放一個遊移的中繼站來允許穿過可能高於、在於、或低於地面之一建築物中之覆蓋範圍。
其他應用為遊移的中繼站，其用於暫時地覆蓋，提供事件或緊急事故/災難期間的存取。第7a-b圖右下方顯示之最後一種應用提供利用位於一運載工具中之中繼來存取一網路。
中繼亦可與先進的發射技術一起使用以增強通訊系統之增益，如下所述。
習知傳播損失、或「路徑損失」之發生在於無線電通訊在行經空間時之分散或失真，造成信號強度減弱。影響發射器與接收器之間之路徑損失的參數包括：發射器天線高度、接收器天線高度、載波頻率、壅塞類型(城市、近郊、農村)、形態細節諸如高度、密度、間隔、地形(丘陵、平坦)。發射器和接收器間之路徑損失L(dB)可模型化為：
L =b +10n logd 　(A)
其中d(公尺)是發射器與接收器之間距，b(db)和n是路徑損失參數，而絕對路徑損失值為l =10( L /10) 。
間接鏈路SI+ID上經歷的絕對路徑損失總合可能少於在直接鏈路SD上經歷的路徑損失，換句話說它可能為：
L(SI)+L(ID)<L(SD)　(B)
將一個傳輸鏈路分成二個較短的傳輸節段，藉此利用路徑損失間之非線性關係。由使用方程式(A)之路徑損失的一簡單理論分析，可以瞭解到當一個信號從一來源裝置透過一中間裝置(例如，中繼節點)被送到到一目的裝置而不是直接從來源裝置傳送到目的裝置時，可達到在總路徑損失上之減少(並因此改進、或者增加信號強度與資料吞吐量)。如果適度實行，多跳點通信系統，可以降低發射器之發射功率，方便無線傳輸，從而降低干擾程度以及減少暴露於電磁輻射。或者，可以利用總體路徑損失之減少來改善接收器所接收信號品質而不增加傳遞信號所需整體輻射發射功率。
多跳點系統適合用於多載波傳輸。在一個多載波傳輸系統中，例如FDM(分頻多工)，OFDM(正交分頻多工)或者DMT(離散多調)，一單資料流被調變到N個平行副載波上，每一副載波信號有其本身頻率範圍。這允許將分給多個副載波之總頻寬(在給定時間內傳送之資料量)藉此增加每一資料符號的持續期間。由於每一副載波具有較低的資訊率。每副載波有一低資訊比率，多載波系統相較於單載波系統優勢在於對頻道引起之失真有較強的免疫力。其實現係藉由確保傳輸率，且因此各副載波之頻寬小於頻道之一致頻寬。因此，在一信號副載波上經歷的頻道失真是頻率不相關的，因此能被一個簡單的相位和振幅校正因數所校正。因此，當系統頻寬超過頻道的一致頻寬時，在一多載波接收器內之頻道失真校正實體之複雜度能比在一單載波接收器內之對手的複雜性更低。
正交分頻多工(OFDM)是基於FDM的一種調變技術碼。一個OFDM系統使用數學上正交之多個副載波頻率使得副載波頻譜可由於他們相互獨立的事實重疊而沒有干擾。OFDM系統的正交性除去對保護頻帶頻率的需要而且因此增加系統的頻譜的效率。OFDM以被提議及採用於許多無線系統。最近被用於非對稱數位使用者線(ADSL)連線、一些無線LAN應用(例如依據IEEE802.11a/g標準之WiFi裝置)、以及例如WiMAX(依據IEEE802.16標準)之無線MAN應用。OFDM之應用通常伴隨頻道編碼，一種錯誤校正技術，來產生編碼正交FDM或COFDM。COFDM現在廣泛地用於數位電信系統中來改良一多路徑環境中之OFDM式系統之效能，其中頻道失真之變數可被視為跨過頻域之副載波與時域之符號。此系統已被用於視訊和音訊之廣播，例如DVB和DAB，以及某些類型之電腦網路技術。
在一OFDM系統裡，N個經調變平行資料來源信號之一區塊藉用一反離散或快速傅利葉轉換演算法(IDFT/IFFT)映射到N個正交平行的副載波來在發射器形成一個習知為「OFDM符號」在時域上之信號。因此，一「OFDM符號」是為全部N個副載波信號之合成信號。一OFDM符號可以數學式表示為：
其中Δf 為以赫茲為單位之副載波，Ts=1/Δf 是以秒為單位之符號時間間隔，而cn 為經調變來源信號。方程式(1)中其上之各來源信號被調變的副載波向量，cCn ，c=(c0 ，c1 ..cN-1 )是為來自有限叢集之N個叢集符號之向量。在接收器處，所接收之時域信號藉由施予離散傅利葉轉換(DFT)或快速傅利葉轉換(FFT)演算法而被轉換回頻域。
OFDMA(正交分頻多重存取)係OFDM之多重存取變化。其作動係藉由分派一子集的副載波給一個別使用者。這允許從幾個使用者同時傳輸而導致更好的頻譜效率。不過，仍然有允許雙向通訊上問題，即，在上鏈與下鏈方向上沒有干擾。
為了能在二個節點之間進行雙向通訊，有兩種不同的習知方法用來雙工這兩種通訊鏈路(進送或下鏈及逆回或上鏈)，以克服設備在同一資源媒體上不能同時發射與接收的物理限制。第一種為分頻雙工(FDD)，其涉及同時但以不同的頻帶操作兩鏈路，以不同頻帶之操作係藉由將發射媒體再細分成兩個不同頻帶，一用於進送鏈路而另一用於逆迴鏈路通訊。第二種為分時雙工(TDD)，其涉及用相同的頻帶存取這兩個鏈路，但再進一步細分存取媒體的時間，使得只有進送或逆回鏈路在任一時間點利用媒體。兩種方式(TDD&FDD)有其相對優勢，且都是常用於單跳點有線和無線通訊系統的技術。例如IEEE802.16標準包含FDD和TDD模式。
第8圖說明用於IEEE802.16標準(WiMAX)的OFDMA實體層模式之單跳點TDD訊框結構作為一個例子。
各訊框被分成DL和UL子訊框，各自作為離散的發射間隔。他們被發射/接收、以及接收/發射過渡保護間隔(分別為TTG和RTG)分隔開。每一DL子訊框始於前綴，接著是訊框控制標頭(FCH)、DL-MAP、和UL-MAP。
FCH含有DL訊框前綴(DLFP)來指定叢發檔案和DL-MAP之長度。DLFP是在各訊框起始處傳送的一種資料結構，並且包含關於當今訊框的訊息，其被映射到FCH。
同步DL配置可以被廣播、多重傳送、和單一播送，且他們也能包括用於不是伺服BS的另一BS之配置。同步UL可能是資料配置和範圍或頻寬請求。
本專利申請案是一組共十件由同一申請人於同日提申之英國專利申請案中之其中一件，這十件之代理人參考編號為P106752GB00、P106753GB00、P106754GB00、P106772GB00、P106773GB00、P106795GB00、P106796GB00、P106797GB00、P106798GB00、及P106799GB00，其等描述本發明之發明人所提出關於通訊技術之相關發明。其他九件申請案各自之整體內容包含於本文中供參考。
一個資訊信號之調變、發射、接收、以及解調變處理在一通訊系統中執行時，傳統上使得原始信號遭受失真。這些失真可包括延遲、頻率偏移、以及相位旋轉，且會造成接收到多個原始資訊之獨立失真複本。為了校正在接收器內的這些失真，一般通訊系統中會利用特別的訓練序列，透過頻道發射它們，使得它們遭受到如同資訊信號所遭受的相同失真。只要接收器中發現了這些訓練序列，便能計算發射處理所引起之失真，然後校正所接收之資訊信號而使得失真被最小化或完全移除。因此這種訓練信號可用於接收器之同步化(時間和頻率)以及頻道評估及等化階段。
可以形成一組已知的訓練序列供在通訊系統中發射。該組中的每一序列彼此不相同，使得可以在接收器處區分具有多個發射器之一通訊網路中之發射器的身份。這使得接收器確定發射器所具有之屬性以及評估將在從特定發射器接收之信號上所遭遇的發射器和頻道引生失真。
在單跳點通訊系統中(例如IEEE802.16e-2005)，這樣一種可用於識別與訓練之發射信號是為前綴序列。如其名，其在發射資料前之每一訊框的起頭被發射。一個802.16e-2005單跳點用戶或行動站(SS或MS)會利用該前綴來執行一些任務，包括用來判定ID胞元參數與節段數之發射器識別。其亦可用於與發射器同步化(即校正時脈與頻率偏移)。
因此為了支援傳統MS或SS，一中繼站可被請求發射一前綴來令MS或SS與其識別、同步、以及通訊。由於來自全部發射器(BS和RS)之所有前綴發射在一蜂巢式網路中時間上必須同步，此一要求使得一主動RS因不能同時以同一發射資源發射和接收之實體限制而無法接收來自一BS或另一RS之前綴序列。
本案發明人認知到RS中的這種限制而提出一種解決方案，其關於設計一種新的信號供BS或RS發射使用，其可被RS接收而令RS得以接收一標準前綴序列和接收新的信號，使能進行發射器識別、同步、及頻道評估。
現在參考由申請專利範圍獨立項所界定之本發明。進一步之實施例則由申請專利範圍裡附屬項界定。
圖式簡單說明
本發明的較佳特徵現下將被描述，完全地藉由舉例方式，參考隨附圖式，其中：第1圖顯示一RA區帶和RA區域之定義；第2圖顯示在一RA區帶中之發射資源利用；第3圖顯示發射器和網路管理實體之間的互動；第4圖顯示一網路相關RS和已可操作網路間之互動；第5圖顯示接收器中之RA接收與處理程序；第6圖顯示一單胞元雙跳點無線通訊系統；第7a-b圖顯示一中繼站之應用；以及第8圖顯示在IEEE802.16標準之OFDMA實體層模式下使用的一單跳點TDD訊框結構。
 較佳實施例之詳細說明
舉例來說，第8圖繪示在IEEE802.16標準之OFDMA實體層模式下使用的一單跳點TDD訊框結構，其指示可被MS使用來識別BS與訓練接收器之失真校正元件的標準強制前綴序列之位置。
本發明之實施例引用一種新的信號，其在DL子訊框之另一區域(非前綴所在區域)中被發射。此信號可在DL子訊框的中間，因而形成一中綴，或在該子訊框之尾部，因而形成一後綴。從現在開始為了統一用語，新的信號在本文中稱為中繼綴(RA)。
RA信號設計
RA之要求類似於前綴，是為可被接收器用來識別和區分通訊系統中之發射器與其他潛在的多個發射器。其亦必須能使接收器評估或更新一個既有評估關於發射器和頻道引生失真。其必然不會意外地被一MS識別為一正常前綴序列，因為這會使得尚不知中繼綴存在之傳統MS混淆。
為了符合上述需求，可以假設可使用一些不同的習知數學序列來產生在通訊網路中使用之中繼綴或中繼綴組。
一般，所發射之RA信號之屬性因而應為：
‧　良好的自動相關屬性：以令發射程序中引起之時間/頻率偏移判斷；
‧　能夠形成一組獨特的序列：以令不同序列被用於識別不同的發射器(即提供可進一步用於接收器之一識別參數)；
‧　良好的交互相關屬性：以防止時間/頻率偏移的錯誤檢測；
‧　時域中之低峰值/平均功率比(PAPR)：使能利用非線性放大器或發射功率高於標準資料發射功率，基於RA和資料信號之間PAPR的差異。
‧　頻域中之近固定或定振幅：提供均勻可靠之發射頻道，並因此改良可被接收器中之頻道評估器達成之準確率。
‧　與所有一般前綴序列之低度相關：避免RA被一傳統MS錯誤檢測為一般的前綴。
根據這些需求：用於IEEE802.16標準時可以利用PN(虛擬雜訊)序列；Golay序列[4][5]；或CAZAC序列(定振幅及零自動相關)(參[3]關於更多使用CAZAC序列於訓練之資訊)，例如Chu[2]和Frank-Zadof[1]序列來建構中繼綴。這些序列全都為習知用來表現某些或所有所需屬性，並因此在之前被提議用來形成這種訓練或識別序列。
然而，依用於一般前綴之序列類型以及提供一組具前述屬性之序列的能力，可能無法使用所有的序列類型。譬如，若PN序列被用作一般前餟，則會發現其基於前述針對中繼綴組所列的屬性(譬如低PAPR)而不能產生足夠數量的更多PN序列。此一案例中，使用一組不同類型之序列較妥當，以確保選定的中繼綴組保持所必須的與所有一般前綴序列低度相關之屬性。
在BS或RS之RA發射處理
發射一RA之BS或RS首先會決定在下鏈子訊框中之RA發射位置。如稍早所述，發射可在訊框內之任何處。然而其可假設可能需求某些正規訊框結構來支援中繼[參考P106752GB00、P106753GB00、P106773GB00]，其限制發射器代替RA之靈活性。
一旦訊框中RA之位置被判定，發射器接著判定將被配置給RA之發射資源數量。許多因素將會影響此決定：包括在一多節發射器達成有效頻率之重新使用、減少干擾之需求、會被BS至RS或RS至RS資料發射利用之發射資源量，用來分隔同一蜂巢式網路中以相同頻率操作之不同發射器之方法、以及形成RA所用之序列類型。
一種方案係用來在下鏈子訊框中形成一RA區帶，如第1(a)圖所示。在此所有的OFDM符號係保留用於RA發射。又另一種方式係配置該下鏈子訊框之一副頻帶或區域給RA發射，如第1(b)圖所示。
若所有的頻帶皆可用於BS至RS或RS至RS資料發射的話，前一方案較妥適，然而後者可適用於當RA組小或BS至RS或RS至RS資料發射僅利用總頻率發射資源之一部份(即副頻帶)而不需完整符號時使得所需發射資源量最小。
一旦在發射器中界定一區帶或區域，發射器接著判定在該區帶或區域內中之發射資訊利用。可以設想許多利用方案，包括：所有的調均配置給RA發射、調之總數被抽樣使得RA被配置到每一第二、第三、第四、...等調、一連續調副頻帶被配置。這些機制各自繪示於說明RA頻帶之第2圖。亦可延伸應用到RA區域的情況。
第一方案之優勢在於其能在每一調以一習知發射發出時準確地評估頻道，使得每一個別副載波上的失真被判定。第二方案之優勢在於在一頻率重新使用1方案中，藉由抽樣調並且在其可達到大於1之有效頻率重新使用之不同發射器上利用不同的抽樣序列偏移。三節設置可為一種例子，其中在每一節上利用起始負載波數之一增量偏移(即節1使用副載波{0、3、6等}、節2使用{1、4、7等}、以及節3使用{2、5、8等})來運用設為3之抽樣因數於每一節。第三種方案之優勢類似於前述方案，其可藉由指派不同的副頻帶到不同的節段來達成大於1之有效頻率重新使用。
現在可用於發射器之可用調之數量與位置已被決定，最後一階段係產生將在識別的調上發射之訓練與識別序列。如前所述，可利用一些不同的習知序列於此用途。
值得注意的是在一同步化蜂巢式網路中，區帶或區域配置可能在一些網路管理實體中(此可位於核心網路或在發射器其中一者內)進行。同樣的情況可能存在於配置特定序列給一發射器的情況，特別是當序列傳播內在的識別參數。此網路管理實體接著可確保蜂巢式網路中所有發射器之區帶或區域位置的和諧。此接著防止來自一發射器之RA發射和來自另一發射器之資料發射間之干擾，特別是當RA發射功率肇於其較低PAPR屬性而升高時。其亦確保識別參數之配置，以接收器之觀點來看，保證不會遭受收到來自兩個可見發射器之同一識別(即在同一識別序列之重新使用之間有充分的空間分隔)。
最後，發射器(RS/BS)在廣播訊息中可包括一些發訊資訊來向RS指出RA區帶或區域之存在與位置，其另亦可在一特別指向RS之多重播送或單一播送訊息中包括傳訊資訊來通知RA的存在。
綜言之，第3圖提供一流程圖，其描述網路管理實體和發射一RA之基地台之間的互動。第4圖提供一流程圖，其描述已進入一就緒可操作網路之RS和其嘗試相關聯之BS或RS之間的互動。最後，第5圖概述接收器中之RA接收與處理程序。
優勢綜覽
綜論本發明實施例之優勢為：
‧　在一RS無法接收到產生供MS使用之識別與訓練資訊時令其保持與一BS或另一RS同步(時間&頻率上)。
‧　令一RS使用序列來更新其對頻道狀態資訊之評估。
‧　防止一傳統MS(即未被設計來在一中繼系統中操作者)之運作被發射進一步訓練與識別信號所中斷。
‧　令一RS掃瞄與監視自其可能潛在相聯之另一鄰近BS或RS所接收信號之品質。
參考
[1] Frank RL,Zadoff SA.具良好周期相關屬性之移相編碼。1962年10月，資訊理論上之IEEE異動 第381-2頁。
[2] Chu DC.具良好周期相關屬性之多相編碼。1972年7月，資訊理論上之IEEE異動 第531-2頁。
[3] Milewski A.具頻道評估與快速啟動等化之最佳化屬性的一周期性序列。1983年9月IBM研發期刊 第426-31頁。
[4] M.J.E. Golay,“Multislit spectroscopy”J. Opt. Soc. Amer. ,39 ,第437-444頁,1949年。
[5] M.J.E. Golay,“Complementary series”IRE Trans. Inform. Theory ,IT-7 ,第8287頁,1961年4月。
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圖顯示一RA區帶和RA區域之定義；第2圖顯示在一RA區帶中之發射資源利用；第3圖顯示發射器和網路管理實體之間的互動；第4圖顯示一網路相關RS和已可操作網路間之互動；第5圖顯示接收器中之RA接收與處理程序；第6圖顯示一單胞元雙跳點無線通訊系統；第7a-b圖顯示一中繼站之應用；以及第8圖顯示在IEEE802.16標準之OFDMA實體層模式下使用的一單跳點TDD訊框結構。

Claims (14)

  1. 一種基地台，其包含：一發射單元，其係組構用以在一下鏈子訊框中發射一前綴至一用戶或一行動站，以及在一下鏈子訊框中發射一中繼綴至一中繼站，其中該前綴之一發射時序與該中繼綴之一發射時序係不相同，且其中該中繼綴是在該下鏈子訊框之終端被發送。
  2. 如申請專利範圍第1項之基地台，其中該前綴是在該下鏈子訊框之開端被發送。
  3. 如申請專利範圍第1項之基地台，其中該前綴與該中繼綴具有不同的序列。
  4. 如申請專利範圍第1項之基地台，其中該中繼綴是由該中繼站所接收用於同步化或頻道評估。
  5. 一種中繼站，其包含：一接收單元，其係組構用以在一下鏈子訊框中接收發射自一基地台或一中繼站之一中繼綴，以及一同步單元，其係組構用以同步化該所接收之中繼綴，其中該中繼綴是在該下鏈子訊框之終端被接收。
  6. 如申請專利範圍第5項之中繼站，其中該中繼綴具有一定的序列，其不同於發射自該基地台之一前綴的序列。
  7. 一種基地台，其包含：一發射單元，其係組構用以發射一訊息至一中繼站，該訊息包括一中繼綴之區域配置資訊，該中繼綴將 從前述中繼站被發射至另一中繼站，其中該中繼綴是設定在一下鏈子訊框之終端中。
  8. 如申請專利範圍第7項之基地台，其中前述中繼綴是被使用於前述中繼站之識別、與前述中繼站之同步化或由前述另一中繼站之監視。
  9. 如申請專利範圍第7項之基地台，其中前述中繼綴具有一特定序列，其不同於由前述基地台所發射之一前綴。
  10. 一種中繼站，其包含：一接收單元，其係組構用以接收從一基地台或一上級中繼站之一訊息，該訊息包括一中繼綴之區域配置資訊，該中繼綴將從該中繼站被發射至一下級中繼站，其中該中繼綴是設定在一下鏈子訊框之終端中。
  11. 如申請專利範圍第10項之中繼站，其中前述中繼綴是被使用於前述中繼站之識別、與前述中繼站之同步化或由前述下級中繼站之監視。
  12. 如申請專利範圍第10項之中繼站，其中前述中繼綴具有一特定序列，其不同於由前述基地台所發射之一前綴。
  13. 一種用於基地台之發射方法，前述發射方法包含：發射一訊息至一中繼站，該訊息包括一中繼綴之區域配置資訊，該中繼綴將從該中繼站被發射至另一中繼站，其中該中繼綴是設定在一下鏈子訊框之終端中。
  14. 一種用於中繼站之發射方法，前述發射方法包含：接收從一基地台或一上級中繼站之一訊息，該訊息包括一中繼綴之區域配置資訊，該中繼綴將從該中繼站 被發射至一下級中繼站，其中該中繼綴是設定在一下鏈子訊框之終端中。
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