TWI538548B - 均等性增強訊框結構 - Google Patents

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安德 弗瑟卡
休森 尼薩慕汀
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Description

均等性增強訊框結構
本發明係有關胞狀網路中之用戶設備裝置與基地台間之通訊。
本節將介紹可能有助於促進對本發明的更佳了解之一些觀點。因此，應從這個角度閱讀本節的陳述，而不是將本節的陳述理解為對何者為先前技術的承認。
在增強型第四代(4G)無線系統中，且尤其在未來的第五代(5G)無線系統中，大量之諸如用戶設備(User Equipment；簡稱UE)裝置等的裝置將出現在諸如eNodeB等的基地台之覆蓋區(coverage area)中。對於典範"物聯網"("Internet of Things")已知的情景而言，預測到2020年時，每一用戶將配置有10倍到100倍的機器/感測器。此類機器的數種應用將需要全國性的覆蓋，且將需要易於接入網際網路。有鑑於此，第三代行動通訊合作計劃(3GPP)已啟動了與諸如支援機器傳輸模式的LTE延伸有關之工作。
在物聯網中，存在了許多小型的機器類型通訊(machine type communication)裝置，且該等裝置偶爾要求接入網路。必須以一種高效節能且公平之方式將這些用戶設備裝置連接到網路。
時槽式Aloha協定(Slotted Aloha)是一種基於競爭的接入之古典技術。現代接收機的能力容許有所謂的多封包接收(Multi Packet Reception；簡稱MPR)。MPR接收機可利用諸如干擾消除(interference-cancellation)及線性最小均方誤差(MMSE)接收機等的多用戶偵測技術正確地接收多個用戶的封包。此種多天線及/或多編碼系統使用諸如直接序列分碼多重進接(Direct Sequence Code Division Multiple Access；簡稱DS-CDMA)信號格式。
雖然具有MPR之時槽式Aloha協定是一種使用諸如DS-CDMA之有前途的機器類型通訊方法，但是在對一部分的用戶設備裝置之傳輸率(throughput)公平性及高效節能上有一些缺點。
在用戶設備裝置分散到某些細元區(例如，巨細元(macro cell)或微型細元(micro cell))之情景中，由於遠近效應(near-far-effect)而發生了接收信號功率的較大動態範圍。
在模擬中，觀測到：諸如20%等的某一百分率之用戶設備裝置有極大次數的重新傳輸，且有很大的成功接收延遲。那些用戶設備裝置難以公平地接入系統。在物聯網的典範下，這些用戶設備裝置不是行動裝置，且將不會被設 置在隨著時間的經過而有較佳傳輸條件的位置。
此種大量的重新傳輸將使那些裝置耗用許多電池電力，且亦將導致不良的傳輸率。
本發明之一目的在於提供一種上述該等問題的解決方案，且提供一種在上述情景中增強傳輸率且節省電池電力的解決方案。
本發明係有關一種在無線通訊系統中將資料自用戶設備裝置傳輸到基地台之方法。係在包含至少一正規訊框及至少一保留訊框的一訊框結構中執行該資料傳輸。在該用戶設備裝置中，藉由檢查該基地台與該用戶設備裝置間之傳輸鏈路而決定不利的傳輸條件。如果某一用戶設備裝置難以將資料傳輸到該基地台，例如，如果某一用戶設備裝置有比其他用戶設備裝置高的位元錯誤率(bit error rate)或有高封包遺失(packet loss)，則存在了一不利的傳輸條件。如果並未決定任何不利的傳輸條件，則該用戶設備裝置在一正規訊框中傳輸資料。如果決定了此種不利的傳輸條件，則該用戶設備裝置在一保留訊框中傳輸資料。該保留訊框是一種專用於此種不利的裝置以便增加其成功地傳輸資料的機會之特殊傳輸訊框。在此種方式下，該系統將優先權提供給諸如因其在一細元中之實體位置而有較差傳輸條件之不利的裝置，而使該等不利的裝置對整體系統能夠有所貢獻。此種方式之優點在於：一胞元中之 幾乎所有的裝置都可傳輸資料且被使用，而且該等裝置不會因其傳輸條件比其他裝置的傳輸條件差而被忽視。在保留訊框的時間期間，只傳輸離開該基地台有某一距離的裝置、或在該基地台上自其接收到低功率信號的裝置。因此，來自實際干擾消除接收機(interference cancellation receiver)的殘餘干擾是較小的。實際的接收機輸出性能取決於通道估計(channel estimation)的影響。在實際的通道估計下，干擾消除在剩餘的信號中留下殘餘誤差(residual error)。當不同的用戶設備裝置之動態範圍較大時，這些誤差是重要的，這是因為不利的用戶設備裝置此時尤其有較差的封包錯誤率(packet error rate)性能。
在一實施例中，如果自該基地台接收的信號低於一臨界值，則決定不利的傳輸條件。因此，直接測試該基地台與該用戶設備裝置間之傳輸條件，且以這種方式估計連接品質。該基地台傳輸該用戶設備裝置事先已知的諸如導引、參考、或訓練符號等的一測試信號。該用戶設備裝置然後藉由接收且評估該信號(例如，估計服務細元的接收功率位準)而決定該信號是否低於一臨界值。此外，也可估計鄰近細元的接收功率位準，且可將相對功率位準差異用來作為一性能度量。如果接收信號的功率位準低於該臨界值，則該用戶設備裝置確定其本身為一不利的裝置。在此種方式下，將實現該方法的系統負擔(system overhead)保持在低負擔，這是因為不需要基地台與用戶設備裝置間之任何額外的信令交換(signaling exchange)，即可讓該用戶設備裝置能夠決定其是一不利的裝置。
在一實施例中，如果在一預定時間內已作了某一次數的不成功傳輸嘗試，則決定不利的傳輸條件。該用戶設備裝置藉由計算某一數目的不成功嘗試(例如，自動重傳請求(Automated Repeat Request；簡稱ARQ)重新傳輸)而決定傳輸資料是困難的，然後確定其本身為不利的裝置。
在一實施例中，如果一用戶設備裝置已決定其為一不利的裝置，則該用戶設備裝置要求使用該保留訊框。在一實施例中，經由一上行鏈路控制通道的一要求而執行該操作。該要求可包含諸如不成功嘗試的次數、自基地台接收的測試信號之信號強度、將要被傳送的資料之重要性、用戶設備裝置之剩餘能量等的額外資訊。此種方式之優點在於：如果多個用戶設備裝置傳送此種要求，則基地台可根據自該等用戶設備裝置接收之額外資訊而安排要求的優先順序。
在一實施例中，該基地台廣播用於決定不利的傳輸條件之參數。此類參數可以是一用戶設備裝置決定其本身為一不利的裝置之前於某一時間內不成功地嘗試接入網路之次數。此外，此類參數可以是自該基地台接收的用於決定該用戶設備裝置是一不利的裝置之測試信號之信號強度。藉由在設置該系統時或定期地廣播此類參數，該等用戶設備裝置本身將有足以作出其是否為不利的裝置且是否為保 留訊框的候選使用者的專業決定之資訊。
在一實施例中，該等保留訊框是具有比其他訊框低的封包錯誤率之訊框。在一實施例中，由於該等保留訊框比其他訊框長，而實現較低的封包錯誤率。此種較長訊框持續時間的解決方案類似於提高不利的裝置之功率。然而，極低價裝置的功率範圍是非常有限的，此外，更重要的是電池使用時間是非常關鍵的。因此，增加訊框持續時間比功率控制解決方案有利。此外，此種增加訊框持續時間的方式之優點在於：在保留訊框期間的接收信號之功率位準有較小的動態範圍。在使用分碼多重進接(CDMA)之一實施例中，較長的訊框持續時間對應於較高的展頻因子(spreading factor)，因而增加了用戶的展頻增益(spreading gain)，且因而降低了封包錯誤率。
在一實施例中，使用了一多載波傳輸系統。多載波傳輸系統提供了時間及頻率空間的差異化，且經由作為實體資源區塊(physical resource block)的副載波(subcarrier)及副載波群而實現傳輸。因此，藉由將此種實體資源區塊保留給不利的用戶，一組副載波由此類用戶專用，且其他的無線電資源由其他用戶使用。多載波傳輸系統可以是正交分頻多工(OFDM)、多載波CDMA、濾波器組多載波(Filter Bank based Multi-Carrier；簡稱FBMC)、各向同性正交變換演算法-正交分頻多工(IOTA-OFDM)、或頂層為CDMA或展頻之任何種類的多載波調變信號格式。在本發明的上下文中，術語"訊框" 應被理解為多重進接資源在時間、頻率、及編碼上的實現。
在一實施例中，使用了隨機進接式傳輸。提供了一種經由一時槽式Aloha協定而傳輸資料之訊框結構。提供了用於傳輸並非不利的用戶設備裝置的資料之包含一正規訊框之至少一第一時槽。此外，提供了用於傳輸係為不利的用戶設備裝置的資料之包含一保留訊框之至少一第二時槽。
根據本發明的一觀點，提出了一種由無線傳輸系統中之基地台接收資料之方法。在一基地台上接收自一用戶設備裝置發出的一資料流。該資料流含有多個傳輸條件，例如，在一多載波傳輸系統中，該資料流含有形式為實體資源區塊之一組副載波。該訊框結構包含至少一正規訊框及至少一保留訊框。在一步驟中，決定該被接收的資料流是否含有一保留訊框中之自有不利的傳輸條件的裝置發出的資料。如果該該被接收的資料流含有一保留訊框中之資料，則處理該保留訊框中之資料。對該保留訊框中接收的資料之處理可能 如同對任何其他資料之處理，或者諸如因為該保留訊框有另一訊框持續時間，或因為該保留訊框中之錯誤編碼可能是不同的，或因為類似的理由，而可能有特定的限制。
在一實施例中，該接收資料之方法進一步接收一用戶設備裝置的容許使用保留訊框之一要求。如果滿足條件且提交了對應的資訊，則授與對利用/使用該等保留訊框的 容許。如果該用戶設備裝置確實是一不利的裝置，則滿足了授與使用訊框之條件。該基地台認為該用戶設備裝置是一不利的裝置之條件是諸如不成功嘗試之次數、自該基地台接收的測試信號之信號強度、將要被傳送的資料之重要性、或用戶設備裝置之剩餘能量等的條件。該用戶設備裝置將這些條件的其各別值與特定參數比較，且自行決定其是否為不利的裝置。在一實施例中，該基地台於啟動一細元時或定期地廣播該等對應的參數。
根據本發明的一觀點，提出了一種根據上述方法而傳輸資料之裝置。該裝置包含一傳輸條件控制器，用以決定不利的傳輸條件。此外，該裝置包含決定機構，用以執行下列操作：如果決定了不利的傳輸條件，則決定在包含至少一正規訊框及至少一保留訊框的一訊框結構之一保留訊框中傳輸資料。此外，該裝置包含一發射機，用以在一保留訊框中傳輸資料。
根據本發明的一觀點，提出了一種執行上述方法之基地台。該基地台包含一接收機，用以接收一資料流。此外，該基地台包含一資料控制器，用以決定該被接收的資料流是否含有其中包含至少一正規訊框及至少一保留訊框的一訊框結構之保留訊框中之資料。此外，該基地台包含一處理器，用以處理該保留訊框中接收的資料。
10‧‧‧基地台
12,14‧‧‧用戶設備裝置
16‧‧‧傳輸通道
18‧‧‧障礙物
40‧‧‧超級訊框
42‧‧‧上行鏈路控制訊框
44‧‧‧正規訊框
46‧‧‧保留訊框
已參照各附圖而以只係舉例之方式說明了根據本發明 的實施例的設備及方法之某些實施例，在該等附圖中：第1圖示出一機器類型通訊情景；第2圖示出一例示機器類型情景中之成功接收的延遲；第3圖示出一例示機器類型情景中之成功接收的重新傳輸嘗試次數；第4圖示出其中包括保留訊框之根據本發明的一訊框結構；以及第5圖以示意圖示出本發明的方法。
本說明及各圖式只是例示了本發明的原理。因此，我們應可了解：熟悉此項技術者將能夠想出雖然並未在本說明書中明確地述及或示出但是實施了本發明的原理且被包含在本發明的精神及範圍內之各種安排。此外，本說明書中述及的所有例子主要是明確地只意圖作為教學之目的，以便協助讀者了解本發明之原理以及本案發明人對此項技術的推進所貢獻的觀念，且將被理解為不將本發明限制在這些被特別述及的例子及條件。此外，本說明書中述及本發明的各項原理、觀點、及實施例之所有陳述以及本發明之特定例子將包含其等效物。
第1圖示出根據一較佳實施例之一機器類型通訊情景，其中包含諸如一4G無線系統或一5G無線系統中之一基地台10等的一第一裝置、以及諸如感測器裝置或類 似的裝置等的相關聯之用戶設備裝置12、14。術語用戶設備裝置12、14應被理解為涵蓋感測器網路中之感測器裝置、可在有或沒有人類互動之情形下傳輸及接收資料之諸如行動電話等的其他習知用戶設備裝置、以及能夠傳輸及接收資料的其他固定安裝或行動通訊裝置。用戶設備裝置12、14以及基地台10係位於這些裝置的通訊範圍內，且經由諸如一無線傳輸通道等的一傳輸通道16執行通訊。諸如具有傳輸時間間隔及頻率資源中之資源分配的OFDM、SC-FDMA、或FBMC系統等的一多載波系統被用於基地台10與用戶設備裝置12、14間之通訊。
在各裝置分佈在某些細元區(例如，巨細元或微型細元)之情景中，由於遠近效應而有接收信號功率的較大動態範圍。基地台10的細元覆蓋內之某些用戶設備裝置被視為不利的用戶設備裝置14。因為有阻擋一不利的用戶設備裝置14與一基地台10間之直接無線連接的障礙物18，或者因為在無線細元邊緣之不利的用戶設備裝置14離開該基地台較遠，所以這些用戶設備裝置14難以在無須多次重新傳輸之情形下傳輸資料。
第2圖示出一例示情景的一模擬，圖中示出諸如20%等的某一百分率之不利的用戶設備裝置14有多次的重新傳輸。因而導致第3圖所示的成功接收之大延遲。那些不利的用戶設備裝置14難以公平地接入系統。其理由是諸如來自具有實際通道估計的實際多封包接收的非理想干擾消除之殘餘干擾。如果接收機使用連續干擾消除 (Successive Interference Cancellation；簡稱SIC)，則在對具有來自重疊接收信號的強接收信號之裝置執行干擾消除時，將產生殘餘信號中之誤差。這是由於通道訊息的不準確。在SIC中，最弱的裝置最後被偵測到。來自先前被執行了干擾消除的裝置之累積誤差(accumulated error)將增加封包被錯誤解碼的可能性。
第4圖示出係為用於一基地台10與一用戶設備裝置12、14之間經由一無線通訊鏈路16的通訊的一超級訊框40之一訊框結構。該訊框結構40包含一上行鏈路控制訊框42、一些正規訊框44、以及不利的用戶設備裝置14專用之一保留訊框46，其中不利的用戶設備裝置14因其在該細元中之地理位置或任何其他理由而難以與基地台10通訊。這些困難可能出現在這些用戶設備裝置14的高位元錯誤率、及/或在成功完成傳輸之前的多次重新傳輸。只容許該等不利的用戶設備裝置14使用或至少優先地使用保留訊框46。在一實施例中，亦可在一超級訊框40中提供多個保留訊框46。第4圖所示之超級訊框40被用於諸如一時槽式Aloha協定CDMA系統。係為資料的隨機進接式傳輸而界定該等時槽，且該等時槽被用來作為上行鏈路控制訊框42、正規訊框44、或保留訊框46。在一實施例中，保留訊框46具有比其他訊框的持續時間長之一持續時間，例如，第4圖中示出保留訊框的持續時間為正規訊框的持續時間之兩倍。
第5圖示出將保留訊框46用於不利的用戶設備裝置 14的一系統中之一傳輸資料方法。在步驟50中，於應要執行一通訊時，一用戶設備裝置12、14於一正規訊框44的一時槽內將其資料及識別碼傳輸到基地台10。在步驟51中，該用戶設備裝置檢查是否自基地台10接收到一確認(ACK)。如果接收到一ACK，則完成該傳輸，且本方法終止於步驟52。如果並未接收到ACK，則用戶設備裝置12、14檢查到目前為止為了傳輸資料已作過多少次嘗試，且如果嘗試的次數小於一預定數目，則用戶設備裝置12、14將不成功嘗試的次數加一，且回到步驟50，以便再度傳輸資料及識別碼。可在先前嘗試之後的一預定時間上或隨機界定的時間上進行重新傳輸。如果傳輸嘗試的次數超過該預定數目，則用戶設備裝置14決定其為一不利的用戶設備裝置14。然後，在步驟53中，經由上行鏈路控制訊框42將在一保留訊框46中傳輸的一要求傳送到該基地台。在一實施例中，被用於傳輸上行鏈路控制訊框42之上行鏈路控制通道有延伸的持續時間，以便可進行來自不利的用戶設備裝置14之有效率的通訊。基地台10然後作出與該要求有關的決定，且用戶設備裝置14在步驟54中自基地台10接收對在保留訊框46中傳送資料的一確認。在一實施例中，連同不利的用戶設備裝置14的或有之額外組態資訊而傳輸該確認。此時可使用一下行鏈路控制通道。在步驟55中，不利的用戶設備裝置14在保留訊框46中傳輸資料。
在一實施例中，省略了步驟53的要求在一保留訊框 46中傳輸以及步驟54的接收在一保留訊框46中傳輸的確認。傳輸嘗試超過一預定數目之不利的用戶設備裝置14替代地在無須經由上行鏈路向基地台提出的特殊要求之情形下使用保留訊框46。不利的用戶設備裝置14替代地重複接收與保留訊框46通訊有關的資訊，或者已有被儲存的該資訊。該控制資訊可包括但不限於在該機器可使用保留訊框46之前的失敗嘗試之預定數目、以及諸如競爭機率及最大重新傳輸等的使用保留訊框46之進一步組態資訊。在步驟56中評估該資訊，然後，不利的用戶設備裝置14只須在步驟55中在保留訊框46中傳輸資料。因此，減少了經由網路傳輸的控制資訊。
在一實施例中，使用多載波CDMA，且將一組副載波(實體資源區塊)保留給不利的用戶設備裝置14。不必然是機器對機器通訊(machine to machine communication)裝置之其他的用戶設備裝置12可使用頻帶的其餘部分。不同的編碼及副載波可被用於保留訊框46。
雖然多載波CDMA在先前技術中可被理解為在OFDM資源單位(resource element)的頂層上有額外的展頻之OFDM，但是在本發明揭示的範圍內，措辭"多載波CDMA"將被更一般性地詮釋為諸如CDMA/展頻與諸如濾波器組多載波(FBMC)或IOTA-OFDM等的任何種類的多載波調變信號格式之組合。
可利用專用硬體以及與適當的軟體相關聯且能夠執行 軟體的硬體而提供其中包括任何功能方塊的該等圖式所示之各種元件之功能。當以一處理器提供時，可以一單一專用的處理器、一單一共用的處理器、或複數個個別的處理器(該複數個處理器中之某些處理器可被共用)提供該等功能。此外，可在沒有限制之情形下以數位信號處理器(Digital Signal Processor；簡稱DSP)硬體、網路處理器、特定應用積體電路(Application Specific Integrated Circuit；簡稱ASIC)、場可程式閘陣列(Field Programmable Gate Array；簡稱FPGA)、用於儲存軟體之唯讀記憶體(Read Only Memory；簡稱ROM)、隨機存取記憶體(Random Access Memory；簡稱RAM)、以及非揮發性儲存器提供該等功能。亦可包括傳統的及/或客製的其他硬體。
10‧‧‧基地台
12,14‧‧‧用戶設備裝置
16‧‧‧傳輸通道
18‧‧‧障礙物

Claims (11)

  1. 一種執行於用戶設備(12、14)中之在訊框結構(40)中傳輸資料之方法，該訊框結構(40)包含至少一正規訊框(44)及至少一保留訊框(46)，該方法包含下列步驟：決定(51)該用戶設備(12、14)中之不利的傳輸條件；如果該用戶設備(12、14)並未決定不利的傳輸條件，則在訊框結構(40)內的一正規訊框(44)中傳輸(50)資料；以及如果該用戶設備(12、14)決定了不利的傳輸條件，則在訊框結構(40)內的一保留訊框(46)中傳輸(55)資料。
  2. 如申請專利範圍第1項之傳輸資料方法，其中如果自基地台接收的一信號低於一臨界值，則決定不利的傳輸條件。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之傳輸資料方法，其中若在一預定時間內作了一數目之不成功傳輸嘗試，則決定(51)不利的傳輸條件。
  4. 如申請專利範圍第1項之傳輸資料方法，其中在該保留訊框中傳輸資料之該步驟進一步包含下列步驟：要求(55)使用該保留訊框(46)。
  5. 如申請專利範圍第4項之傳輸資料方法，其中在一上行鏈路控制通道(42)上傳送使用該保留訊框(46) 之一要求(55)。
  6. 如申請專利範圍第1項之傳輸資料方法，其中廣播用於決定不利的傳輸條件之參數。
  7. 如申請專利範圍第1項之傳輸資料方法，其中該等保留訊框(46)有比正規訊框(44)低的封包錯誤率。
  8. 如申請專利範圍第1項之傳輸資料方法，其中該等保留訊框(46)比正規訊框(44)長。
  9. 如申請專利範圍第1項之傳輸資料方法，其中使用一多載波傳輸系統，且該等保留訊框(46)是一組實體資源區塊。
  10. 如申請專利範圍第1項之傳輸資料方法，其中將一時槽式ALOHA協定用於隨機進接式傳輸，且提供用於在正規訊框(44)中傳輸並非不利的用戶設備裝置(12)的資料之至少一第一時槽，且提供用於在保留訊框(46)中傳輸不利的用戶設備裝置(14)的資料之至少一第二時槽。
  11. 一種傳輸資料之用戶設備，包含：一傳輸條件控制器，用以決定不利的傳輸條件；一決定機構，用以在決定了不利的傳輸條件時決定在包含至少一正規訊框(44)及至少一保留訊框(46)的一訊框結構(40)之一保留訊框(46)中傳輸資料；以及一發射機，用以在一保留訊框(46)中傳輸資料。
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