CN1918857A - 具有宏观多路复用的无线多跳系统 - Google Patents

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Abstract

一种方法、设备和系统，其中将中继站和基站之间的链路与中继站和用户之间的无线链路分开地进行优化，并且其中中继站和基站之间的多个同时发生的数据流得以创建。该系统包括具有至少两种无线接口的至少三种收发信机。第一种收发信机，为基站(BS)，利用有线线路质量的链路连接到核心网。第二种收发信机，为中继站(RS)，利用第一无线接口连接到BS，以及利用第二无线接口连接到第三种收发信机，第三种收发信机为用户设备(UE)。第一和第二无线接口至少可以部分地使用同一频率带宽进行操作。如果BS比任何RS都更近的话，则UE还可以使用第二无线接口直接连接到BS。

Description

具有宏观多路复用的无线多跳系统
技术领域
本发明一般涉及高数据速率无线传输系统和方法。更特别地，本发明涉及一种具有宏观多路复用的无线多跳系统。
背景技术
众所周知，工程师和科学家们努力开发以相对低的成本达到高数据速率的无线通信系统。高数据速率常常是可以通过设计达到的，但是却因为成本限制而无法被实现。
在第四代无线系统(称为″4G″系统)中，局部区域1Gbps的容量以及宽广区域覆盖范围10Mbps的容量已可以展望。可是，即使对于大约100MHz量级的非常宽的带宽，这些容量所需要的频谱效率也非常高。达到这些频谱效率的一种方法是使用多个天线来发射与接收多个同时发生的数据流，即MIMO(多输入多输出)传输。同样，由于在较低频率中缺乏空闲频谱，大约5GHz的载频已经被讨论过。即使频谱效率要求能够满足，但是这样的系统由于高频信号的衰减而仍然将只有短的范围。这与发射功率的局限性以及高数据速率的需求的组合使得通信小区范围小，因此增加了网络的整体成本。为了解决小区范围小的问题，研究者已经建议使用多跳网络体系结构。例如，Otsu、Aburakawa和Yamao在2002年8月的IEICE通信学报，第E85-B卷，No.8中的、名为“Multi-hop wireless link system for new generationmobile radio access networks”一文中讨论了多跳系统。多跳体系结构涉及使用中继站，除了正常的基站之外不需要连接固定网络。假如能够使中继站比正常的基站便宜很多，则这样的布置对于范围问题可能有帮助。
即使假设这样的多跳中继站能够使用比移动台更高阶的调制，则很高的数据速率和宽广的区域覆盖的组合仍然是一个问题。可以在中继站使用多个天线来增加对下一中继站或基站的范围或者提高数据速率，但是同时实现这两点却不是一件容易的事。信道容量给定了在信道上可靠发射所可能的最大数据速率。可是，在实际系统中，使用一个分离的调制组，并且最大数据速率会受到调制的限制而不是容量的限制。特别地，诸如调制基数M高的M-QAM(正交调幅)之类的高阶调制可能不用于实际系统中。随着调制基数增加，则传输变得较不可靠。这可以通过增加发射功率或者通过使用更复杂的接收机来进行补偿。但是因为发射功率有限并且接收机的实施成本需要被保持尽可能低，所以对于调制基数有一个严格的上限。
作为高数据速率和长距离的矛盾需求的示例，考虑在允许用三个平行流实现空间多路复用的传播条件下具有四个发射天线的用户设备(UE)装置。假设可能的最高阶调制是16-QAM，即4比特/流，总数据速率是每一信道使用为12比特。在中继站和基站之间，诸如128-QAM传输之类的高阶调制也许是可能的。可是，128-QAM只对应于7比特/流，这意味着在中继站和基站之间发射相同的信息至少将需要两个流。因此，这样的中继站拓扑结构在小区中的所有中继站和该基站之间将需要多个流式传输。这样的拓扑在所有的环境中也许是不可能的，或者范围将受损。高速率多输入多输出(MIMO)传输的良好运转要求散射丰富的环境，但是在这类环境中，衰减很强，结果是范围小。
美国专利No.5,345,599描述了一种分布式发射、方向性接收的系统，其应用使用了有线链路的宏观分布式MIMO(多输入多输出)传输来分发数据流给宏观分离的发射机。可是，这个系统中的空间分布式收发信机与基站的有线线路连接，使得其部署非常昂贵。
美国专利No.6,067,290描述了一种到/从用户设备(UE)到多个基站(BS)的分布式多流传输的系统。可是，在这样的系统中，因为部署有线BS非常昂贵所以覆盖变成了问题。另外，这种系统中的宏分集和多路复用在核心网上的BS之间需要大批的信令。
因此，需要改进在多输入、多输出(MIMO)网络中的高数据率传输。另外，还需要一种具有宏观多路复用的无线多跳系统。此外，还需要以相对低的成本在无线通信系统中实现高数据速率。
发明内容
本发明致力于一种方法、设备和系统，其中将中继站和基站之间的链路相与中继站和用户之间的无线链路分开地进行优化，并且其中中继站和基站之间的多个同时发生的数据流得以创建。该系统包括具有至少两种无线接口的至少三种收发信机。第一种收发信机，为基站(BS)，利用有线线路质量的链路连接到核心网。每当无线链路的通信容量足够可靠地传送BS和核心网之间的所有通信时，有线线路质量链路可以使用无线通信链路来实现。第一无线接口的容量可能不足以可靠运送RS和BS之间的所有通信。第二种收发信机，为中继站(RS)，利用第一无线接口连接到BS，以及利用第二无线接口连接到第三种收发信机，第三种收发信机为用户设备(UE)。第一和第二无线接口至少可以部分地使用同一频率带宽来操作。如果连接BS的信道比连接任何RS的信道更好的话，则UE还可以使用第二无线接口直接连接到BS。
简要地说，一个示例性实施例涉及一种用于在具有至少一个基站、至少一个中继站和用户设备的无线多跳系统中进行通信的方法。该方法包括：使用第一无线接口在中继站和基站之间进行通信，使用第二无线接口在用户设备和中继站之间进行通信，以及利用第一无线接口与用户设备和中继站之间的通信分开地处理中继站和基站之间的通信。
另一示例性实施例涉及一种配置为用于在无线多跳通信环境中操作的设备。该设备包括：与在多跳通信环境中的中继站进行通信的无线接口以及耦合到无线接口的处理器。当需要高数据速率时，该处理器经由无线接口为多输入多输出通信提供命令。
还有另一个示例性实施例涉及一种具有与用户设备进行通信的基站和中继站的无线通信系统。该系统包括：基站，其具有第一无线电收发信机并被连接到核心网、中继站，其具有第二无线电收发信机并被配置为使用第一无线接口与基站进行通信、以及用户设备，其具有第三无线电收发信机并被配置为使用第二无线接口与中继站进行通信。第一无线接口和第二无线接口的操作彼此分开。
通过回顾如下附图、详细说明以及所附的权利要求书，本发明的其它原理特征和优点对本领域技术人员来说将变得显而易见。
附图说明
以下将参考附图描述示例性实施例。
图1是根据示例性实施例的通信系统的图示。
图2是描述根据示例性实施例的具有宏观多路复用的无线多跳系统中的操作的流程图。
图3是根据示例性实施例在中继站和基站之间具有多路复用的通信系统的图示。
图4是根据示例性实施例在用户设备(UE)和中继站之间以及中继站和其它站之间在第一瞬时的通信链路时分调度的图示。
图5是根据示例性实施例在第二瞬时的图4的时分调度图示。
图6是根据另一示例性实施例在第一瞬时的用户的全速率操作图示。
图7是根据另一示例性实施例在第二瞬时的图6的全速率操作图示。
具体实施方式
图1说明了通信系统10，其具有用户设备(UE)12、基站(BS)14、中继站(RS)16和核心网18。基站14利用具有有线线路质量的有线线路20连接到核心网18。中继站16通过无线接口22连接到基站14并且中继站16通过无线接口24连接到UE 12。在一些实施例中，无线接口22和无线接口24至少部分地使用同一频率带宽进行操作。在至少一些无线接口中，利用了宏观多路复用，其中中继站16既直接地又经由另一中继站连接到基站14。在至少一些另外的无线接口中，使用了多输入多输出(MIMO)传输。
图2说明了在具有宏观多路复用的无线多跳系统中的示例性操作的流程图40。根据可选实施例，也可以执行另外的、较少的或者不同的操作。在操作42中，用户设备(UE)向具有如由一些适当数值测量的最佳信道质量的中继站(RS)发射。UE在特定的射频上与RS进行通信。
在操作44中，RS把从UE接收到的数据路由给基站(BS)。RS可以把数据直接路由给BS以及经由另一RS路由给BS。数据的这种宏观多路复用创建了多个同时发生的数据流。这样的多个流使得无需依靠很高阶的调制就确保在UE和RS/BS之间的链路上可用的高数据速率也可以在RS/RS和RS/BS之间的链路中实现。
图3说明解了一个通信系统50，其具有用户设备(UE)52、基站(BS)54和中继站RS 56、RS 58与RS 60。图3使用系统中的设备之间的箭头说明了系统50中的上行链路传输。UE 52使用四个平行流63将数据发射到最近的RS(RS 56)。例如用16-QAM传输调制四个平行流63的每一个。RS 56使用三个不同的路由65、67和69将此数据路由到BS 54。路由65和69可以被64-QAM调制并且路由67可以被16-QAM调制，使得UE/RS链路63之间的数据速率与包含65、67和69的宏观多路复用的RS/BS链路之间的数据速率相同。因此，RS或BS不需要很高阶的调制来达到相同的高数据速率，这导致降低了硬件复杂性并且减轻了峰值平均值问题。
在示例性实施例中，应用在中继站或基站处的多个天线还可以用来创建具有高方向性的传输，比如波束成形。这降低了不同小区之间或者一个小区内部的干扰。
中继站可以同时与多个基站通信。由此，在示例性实施例中，在软切换中与用户相关的所有操作可以在单个基站中进行处理。在具有单跳无线链路的一个现有技术网络中，下行链路中的宏分集或多路复用要求网络分离或者复制在软切换中的预期给用户的数据，以便将消息的各部分传送给多个BS，并且BS将它们发射到UE。在上行链路操作中，多个BS收听到该UE，此结果被传送给网络并且在那里被合并。在示例性实施例中，RS连接到主BS，但是它还连接到邻近RS的所有主BS。这些形成RS的次级BS组。因此，由连接到同一主BS的RS所包围的RS将只被连接到其主BS。与小区边界邻接的RS至少具有一个连接到不同的主BS的邻近RS，并且因此被连接到至少一个次级基站。在至少两个小区之间处于软切换中的一个UE与首先连接到至少两个不同BS上的至少两个RS进行通信。当中继信息是关于位于软切换中的UE时，所涉及的所有RS相应地使用主/次BS/RS链路与单个BS进行通信。借此方法，软切换中的UE的处理完全变成本地的，并且对网络来说是透明的。分离/复制/合并数据在单个BS中执行。
通信系统50可以以各种不同的方式实现。通信系统50可以开拓两个不同无线环境的边界。例如，中继站和基站可以被放置在屋顶使得它们之间的链路接近于视线链路，以提供较高的可靠性和较长的距离。另一方面，如果用户主要位于传播环境更加富有的街道层面，则UE和RS/BS之间的链路为高速率MIMO传输提供更好的潜能，而这是用视线链路所不可能的。可以分离地优化不同链路的其它可能的情形是在户外和户内环境之间的转移。
使用通信系统50，可以与RS 56和RS 58、RS 60或BS 54之间的链路相分离地优化UE 52和RS 56之间的链路。使用对预期的信道条件是最佳的其它传输和/或接收方法的此类编码、调制、双工、多址，可以例如通过计划RS 56、RS 58、RS 60和BS 54的位置来进行优化。此外，如果RS的位置被固定或者以已知速度沿着固定路径移动(比如火车)，则BS和RS之间的信道条件对于链路两侧都是已知的。因此，无需信道反馈就可以使用在发射机处要求全部信道消息的性能优化传输方法。分开的优化使得RS和BS之间的距离得以提高。因此，要求较低密度的RS和BS。而且，由于距离较短所以在UE 52和RS 56之间的链路中有更好的性能，导致UE 52的功耗降低。同样，可以计划RS 56的位置，使得允许高速率MIMO传输的信道条件有高的可能性，例如以所要求的差错率和传输功率在UE 52和RS 56之间最大数量的空间复用平行数据流的传输是可能的。
在可选实施例中，使用中继站专用的导频信号，将UE 52连接到多个中继站。代码、频率或时间可用来分开来自不同中继站的信号。在这样的系统中，UE 52优选地在由多个符号周期组成的集合窗口(integration window)上测量到多个RS的MIMO信道。选择具有最大本征值的空间本征模式。如果最大本征模式属于不同的RS，则在计算本征射束时考虑足够的干扰零。可以将RS连接到不同的主基站。RS选择在处于空闲模式时也可以由UE执行。
在又一个可选实施例中，多径传播环境和导致的多径干扰对于网络中不同类别的链路也可以不同。因此，如果方向性天线使用于RS/RS和RS/BS链路中，则在接近视线条件下，导致的链路是单通路。同样地，对于这些链路也许不需要高级多载波调制(例如OFDM)。RS/RS和RS/BS链路可以应用扩频传输(码扩展)或者具有较少多载波且保护周期比RS/UE链路更短的OFDM。
在可选实施例中，通信系统50在不同类别的链路中可以应用FDD(频分双工)或者TDD(时分双工)。而且，通信系统50中的通信链路的独立性的优点是对于每个链路，双工不必相同。优选地，不同类别的链路的中继站中的操作被分开。这样的调度可以基于时分、频分、码分或空分/干扰抑制或者它们的组合。在中继站实现此类时分调度的一种方法是当RS被预定用于在RS/(RS或BS)链路上接收或传输时，它抑制RS/UE链路上的作用。在基站处可以通过基站选择在特定链路上哪些一个或多个RS在活动以及其速率来执行调度。
取决于速率和/或拓扑，给定的活动RS可以使用若干邻近RS作为″从属″或以RS的指令操作的设备。在RS的时分调度中，当所有其它RS没有参与到RS/(RS或BS)传输中时，它们可以调度RS/UE传输。因此，例如在图4中描述的情形中，在第一瞬时，RS 80正在参与到RS 78和BS 74之间的RS/RS、RS/BS链路中(标号的数据2.3)。去往/来自RS 78、RS 80和BS 74的传输通常被导向远离未参与到RS/(RS或BS)操作中的RS 76。因此，在RS 76覆盖的子小区中的RS/UE传输未受RS/(RS或BS)链路干扰。在图5中，在第二瞬时，RS 80反而参与到将信息从RS 76中继到BS 74中。在RS没发送数据的时刻，例如图4中的RS 76，它仍然可以正在接收以及正在处理来自UE 72的数据。在下一瞬时(图5)，RS 76发送它在前一瞬时期间从UE 72接收到的数据(标号的数据1.2和数据1.1)。这将降低延迟，因为在RS 76处的数据处理所需要的时间由RS 78所利用。
相对于图4和5描述的双工方式可以使用动态再用技术来连接。再用是指以这样的方式划分每个小区或子小区之间的一些正交的资源(时间、频率、代码)以使来自于邻近小区中的干扰减小。将小区/子小区划分成固定数量的组(例如再用因子)以使属于一个组的小区之间的距离最大化，每个组被分配了正交资源的一部分。例如，如果以再用因子三而在时间上进行再用，则在第一瞬时，第一组中的小区/子小区在活动，在第二瞬时，第二组为活动，并且在第三瞬时，第三组活动。再用可以是动态，使得分配比其它组更多正交资源给一个组是可能的，并且在需要时可以改变分配。
在图4和5中描述的情形中的动态再用可以通过配置系统以使邻近的子小区不同时参与到RS/UE传输中或者通过使用同一资源来实现。同样，可以动态地改变再用，例如调整瞬时的长度、或者按照需要将RS分配给不同的再用组。如果图4和5中的RS 80首先被分配到由RS 78、RS 82和BS 74组成的再用组，并且在下一瞬时被分配给由RS 76和BS 74组成的组。这改善了RS/UE链路的操作，因为来自邻近子小区的干扰被抑制并且资源可以灵活使用。由于与直接UE/BS链路相比较而言在RS/UE链路中需要更低的平均传输功率，以及即使具有动态再用在小区内也可能有多个RS/UE链路同时在活动的事实，所以这种再用未必减小了峰值数据速率或者整个系统的容量。
当并且如果具有很高数据速率需求的用户需要全部带宽时，则它可以使用它。图6和7说明了高数据速率用户72的示例。由于动态再用，有可能配置系统以使高数据速率UE 72既可以使用第一瞬时(图6)又可以使用第二瞬时(图7)来发送数据。即使RS 78进一步离开RS 76，在UE 72和RS 78之间创建一条链路所需要的功率仍然会小于如果在UE 72和BS 74之间创建一条直接链路的。多跳拓扑和动态再用显著地提高了系统容量。
在可选实施例中，不同的多址方法可以被使用于网络中不同类别的链路中。特别地，RS/RS和RS/BS链路的延迟是固定的，在这些链路中的各个方向上进行同步(正交)CDMA传输是可能的。相比之下，在UE和RS之间可以使用TDMA/OFDMA。基于在BS处对BS的传输进行同步的时钟，在RS/RS和BS/RS中可以应用正交CDMA。在网络建立期间，RS测量对(可能是许多)BS和其它RS的传输延迟。在操作中，RS同步对(一个或多个)BS和其它RS的传输以使在BS/RS和RS/RS链路上到达BS或RS的所有传输得以同步。优选地，为CDMA链路考虑了多码传输而没有牺牲峰值数据速率。在不同RS/(RS或BS)链路上的传输可以通过不同的扰频码来识别。如果未将全部频谱效率用于不同的同步传输中，则减少了干扰。如果基于无线链路接收端的识别来选择扰频码，则同步CDMA的益处继续保持。
有利地，所述的系统和方法降低了调度中的复杂性。基站考虑了较高层调度和重传输协议。可以基于连接到RS上的所有用户的组合回报函数来计划BS/RS链路中的传输。一个回报函数是调度程序可以基于其确定调度传输/接收的最佳方式的测量，例如使得具有最大回报函数的用户被允许发送。回报函数例如可以取决于信道质量、期望的差错率、延迟要求、服务质量要求、优先权级别或者与用户的传输相关的某些其它测量。RS考虑调度连接到它的用户，这导致复杂性显著降低。作为一个小区中有256用户的示例，BS必须计算256个回报函数以便在没有来自中继站的协助的情况下调度这些用户。相比之下，如果有16个中继站，每个中继站具有16个用户，则基于组合的回报函数，每个RS调度16个用户，并且每个BS调度16个中继站。
所述的系统和方法的其它优点包括可以使用单跳或多跳的灵活性。此外，对于RS/BS和RS/RS链路，方向性的传输，例如SDMA，可用于减少干扰。如果如上所建议的那样安排不同类型链路的双工，则RS可以使用它正在等候向BS的上行链路时隙的时间以处理从UE接收到的数据。通过如上用于调度所述的在BS和RS之间划分媒体访问控制(MAC)层的功能，可以达到进一步降低复杂性并且将延迟最小化。因此，例如，自动重发请求协议(ARQ)可以在BS/RS和RS/UE链路之间被分开以使在通过至少两种无线接口的传输之后执行不同的循环冗余校验(CRC)。
这个详细的说明概述了具有宏观多路复用的无线多跳方法、设备和系统的示例性实施例。在上述说明中，为了解释的目的，阐明了许多具体的细节以便提供本发明的全面理解。可是对本领域技术人员来说很显然，没有这些具体的细节也可以实践这些示例性实施例。在其它事例中，以方框图的形式示出了构造与设备以便于示例性实施例的说明。
虽然在附图中说明的以及在上面描述的示例性实施例目前是优选的，但是应该理解，仅仅以示例的方式提供了这些实施例。其它实施例比如可以包括用于执行相同操作的不同技术。本发明不限制于特定的实施例，而是延伸到仍然落入所附权利要求书的范围和精神中的各种修改、组合和置换。

Claims (24)

1.一种用于在具有至少一个基站、至少一个中继站和用户设备的无线多跳系统中进行通信的方法，该方法包括：
使用第一无线接口在中继站和基站之间进行通信；
使用第二无线接口在用户设备和该中继站之间进行通信；以及
利用该第一无线接口与用户设备和该中继站之间的通信分开地处理该中继站和该基站之间的通信。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括在该中继站和该基站之间以及该中继站和至少一个另外的中继站之间进行多路复用通信以便创建多个同时发生的数据流。
3.根据权利要求2所述的方法，其中该中继站不直接连接到该基站，而是通过至少两个不同的中继站连接到该基站。
4.根据权利要求2所述的方法，还包括：在该中继站和多个基站之间进行通信。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：在该用户设备和该多个中继站之间动态地重复使用通信资源。
6.根据权利要求1所述的方法，其中在用户设备和该中继站之间进行通信包括对中继站专用的导频信号进行通信。
7.根据权利要求1所述的方法，其中该第二无线接口包括多输入多输出传输。
8.根据权利要求1所述的方法，其中该第一无线接口和该第二无线接口使用公共频率带宽进行操作。
9.根据权利要求1所述的方法，其中该第一无线接口包括宏观多路复用，其中该中继站直接地并且也可以经由至少一个其他的中继站连接到该基站。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括：在使用该第一无线接口的通信与使用该第二无线接口的通信之间共享资源，其中，该第一无线接口和该第二无线接口使用不同类别的通信链路进行操作。
11.根据权利要求10所述的方法，其中不同类别的通信链路包括多载波调制、扩频传输、频分双工和时分双工。
12.一种具有与用户设备进行通信的基站和中继站的无线通信系统，该系统包括：
基站，具有第一无线电收发信机并被连接到核心网；
中继站，具有第二无线电收发信机并被配置为使用第一无线接口与该基站进行通信；以及
用户设备，具有第三无线电收发信机并被配置为使用第二无线接口与该中继站进行通信，其中，该第一无线接口和该第二无线接口的操作彼此分开。
13.根据权利要求12所述的系统，其中该第一无线接口和该第二无线接口的该操作至少部分地包括使用同一频率带宽。
14.根据权利要求12所述的系统，还包括：被配置为与该中继站和该基站进行通信的至少一个其他的中继站。
15.根据权利要求14所述的系统，其中该中继站直接地以及同时经由该至少一个其他的中继站与该基站进行通信。
16.根据权利要求15所述的系统，其中该中继站不直接地连接到该基站，而是通过至少一个不同的中继站连接到该基站。
17.一种配置为用于在无线多跳通信环境中操作的设备，该设备包括：
无线接口，与在多跳通信环境中的中继站进行通信；
以及处理器，耦合到该无线接口，当需要高数据速率时，该处理器经由该无线接口为多输入多输出通信提供命令。
18.根据权利要求17所述的设备，其中该无线接口包括多个天线。
19.根据权利要求17所述的设备，其中该无线接口对中继站专用的导频信号进行通信。
20.根据权利要求17所述的设备，还包括包含识别信息的存储器装置。
21.根据权利要求17所述的设备，其中该无线接口使用时分多址进行通信。
22.一种配置为用于在无线多跳通信网络中操作的设备，该设备包括：
无线接口，与在多跳通信网络中的用户设备和其它网络设备进行通信；以及
处理器，耦合到该无线接口，当需要高数据速率时，该处理器经由该无线接口为多输入多输出通信提供命令。
23.根据权利要求22所述的设备，其中该无线接口包括多个天线。
24.根据权利要求22所述的设备，其中该无线接口接收中继站专用的导频信号并且将该中继站专用的导频信号与识别信号进行比较。
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