专利名称：一种无线中转通信系统及实现方法
技术领域：
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种无线中转通信系统及实现方法。
背景技术：
IEEE 802.16为第一个宽带无线接入标准，主要有两个版本802.16标准的宽带固定无线接入版本(802.16-2004)和802.16标准的宽带移动无线接入版本(802.16e)。其中，802.16-2004版本中仅定义了两种网元，BS(基站)和SS(用户站)；同样，在802.16e版本中也仅定义了两种网元，BS和MSS(移动用户站)。
目前，802.16Multihop Relay SG(802.16多跳中转研究组)又提出了WiMAX(微波接入全球互通)中RS(转站)的概念。所述的RS的一个重要的作用是作为BS与SS/MSS间的中转，从而扩大BS的覆盖范围或增加用户站的吞吐量。
在OFDM(正交频分复用)或OFDMA(OFDM接入)系统(例如802.16系统)的一个信道(Channel)中，其OFDM或OFDMA符号由子载波(Subcarrier)构成，子载波的数目决定了FFT(快速傅里叶变换)的点数。组成一个子信道(Subchannel)的子载波可以相邻，也可以不相邻，如图1所示，在图1中给出了子载波相邻的示例。
在OFDMA系统中，按传送数据的种类划分子载波有几种1、数据子载波用于传数据的子载波；
2、导频子载波用于传导频的子载波；3、空子载波不用于传任何数的子载波，包括保护带(Guard Band)和直流子载波(DC Subcarrjer)。
在OFDM或OFDMA系统，不同的用户划分上行链路的FFT空间，每个用户在一个或多个子信道上传输。子信道的划分是一种FDMA方式，所有的有效子载波被分成若干子载波集，每一个子载波集称为一个子信道(subchannel)。其中，划分子信道主要有三种方法第一种是将载波划分成连续的组，这种实现起来最简单，且相邻子信道干扰较小，但是获得到的频率分集的效果较差。
第二种是不同子信道的载波以规则的方式交织，这种频率分集效果较好，但是系统对子信道间干扰较为敏感。
第三种是对第二种的改进，即不同子信道的载波以伪随机的方式交织，通过不同的基站使用不同的序列改变码从而减少了基站间的干扰。
在802.16标准中，对于授权频段，双工方式可以是FDD(频分双工)和TDD(时分双工)，FDD方式的SS可以是半双工FDD，而对于免授权的频段，双工方式只能是TDD。TDD下的802.16OFDMA(或SOFDMA)帧结构，如图2所示。在802.16OFDMA(或SOFDMA)方式中，OFDMA(或SOFDMA)中的PHY突发(burst)被分配了一组相邻的子信道和一组OFDMA符号(symbol)。
在物理信道上传输的数据以帧(Frame)的格式传输。每帧包括下行子帧(DL subframe，图2中简写为DL)和上行子帧(UL subframe，图2中简写为UL)。TDD模式下，下行子帧DL先传输，随后是上行子帧UL。一个burst在上行可以分配给一个SS/MSS(或一组用户)，在下行可以由BS作为一个发送单元发给SS/MSS。上行SS的初始接入测距Ranging、周期性测距Ranging、带宽请求等都通过Ranging subchannel进行。下行子帧有一个前导码(preamble)开始，用于物理同步；之后是FCH，用来指定紧随在FCH之后的一个或多个下行Burst的profile及其长度。然后是DL-MAP(下行映射表)和UL-MAP(上行映射表)消息，DL-MAP用于指示下行各个burst的子信道和OFDMA符号位置和使用方法(profile)，UL-MAP用于指示上行各个burst的子信道和OFDMA符号位置和使用方法。在TDD系统中，TTG(发送/接收转换间隙)和RTG(接收/发送转换间隙)会插在上下行子帧交替的时候，以留出一段时间让BS完成收发交替。
FDD下的802.16OFDMA(或SOFDMA)帧结构与TDD下的802.16OFDMA(或SOFDMA)帧结构差别在于，上行子帧和下行子帧在不同的频率上发送，无需设置TTG和RTG。
虽然，上述OFDM或OFDMA技术结构能够满足通信系统中的通信需要，但是，对于包含RS的中转通信系统，目前还没有相应技术能够满足相应的中转通信的需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种无线中转通信系统及实现方法，从而可以在OFDMA系统中基于TDD通过RS实现中转通信，以有效扩大BS的覆盖范围。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的本发明还提供了一种无线中转通信系统，包括基站BS、用户终端和中转站RS，所述的BS设置有与RS通信的接口，所述的RS设置有与用户终端和BS通信的接口，所述的用户终端则设置有与RS通信的接口，所述的BS、RS和用户终端之间通过所述接口通信。
所述的BS还设置有与用户终端通信的接口，而且所述用户终端设置有与BS通信的接口，BS通过所述接口与用户终端之间直接通信。
所述BS、RS和用户终端之间采用同频点进行通信，且所述BS分别通过上、下行子帧与用户终端或RS通信，所述RS分别通过上、下子帧与用户终端或BS通信。
所述的BS、RS和用户终端三个实体中分别包括时分双工TDD无线发射机物理层单元和TDD无线接收机物理层单元，所述的各TDD无线发射机物理层单元分别提供有与其他实体中的TDD无线接收机物理层单元通信的通信接口，所述的各TDD接收机物理层单元分别提供有与其他实体中的TDD无线发射机物理层单元通信的通信接口。
所述的BS、RS和用户终端中还分别设置有与本端实体中的TDD无线发射机物理层单元及TDD无线接收机物理层单元连接通信的TDD无线收发机数据链路层单元，而且，所述的BS中还设置有与上级设置连接通信的有线传输处理单元。
本发明还提供了一种无线中转通信的实现方法，包括A、在OFDMA系统的基站BS物理层帧结构的下行子帧和上行子帧中分别采用时分复用TDM方式设置下行中转区和上行中转区，在中转站RS物理层帧结构的上行子帧和下行子帧中分别设置下行中转区和上行中转区，用于定义BS与RS之间中转子信道和OFDMA符号组合；B、在BS、RS及用户终端之间基于所述的设置的BS和RS的上、下行物理层帧采用时分双工TDD进行无线中转通信。
所述的BS的物理层帧结构中的上行中转区和下行中转区对应，而且，在BS的下行中转区和上行中转区对应的期间，用户终端不设置接收或发送子信道和OFDMA符号组合。
本发明中，当存在多个RS时，多个RS之间通过不同的子信道和OFDMA符号组合共享下行或上行中转区，不同的RS仅在下行中转区中相应的子信道和OFDMA符号组合中接收或发送数据。
所述的步骤A包括在BS的物理帧结构的下行子帧的下行中转区中设置下行中转广播信道，用于定义由BS广播给RS的下行信道和OFDMA符号组合，广播相应的广播报文；在RS的物理帧结构的上行子帧的下行中转区中设置下行中转广播接收信道，用于定义接收BS下行中转广播信道的RS上行子信道和OFDMA符号组合，接收相应的广播报文。
所述的步骤A还包括在BS的物理层帧结构的下行子帧中设置中转测距子信道，用于定义RS的初始接入测距、周期性测距、带宽请求的BS中转测距接收子信道和OFDMA符号组合；在RS的物理层帧结构的下行子帧中设置中转测距发送子信道，用于定义RS的初始接入测距、周期性测距、带宽请求的BS中转测距发送子信道和OFDMA符号组合。
所述的BS的中转测距子信道和RS的中转测距发送子信道对应设置，并保持严格同步。
所述的步骤A还包括在BS，或BS和RS的物理层帧结构下行帧中设置下行帧头，具体设置于下行子帧的开始时刻，用于定义发送用户同步信息的子信道和发送指示信息的子信道和OFDMA符号组合，以指示BS，或BS和RS物理层帧结构下行帧和上行帧的各子信道的位置和使用方法profile，其中，RS的下行帧头在时间上滞后于BS的下行帧头，且在RS的下行帧头期间，BS不能设置下行子帧发送子信道和OFDMA符号组合。
所述的下行子帧包括正交频分复用或单载波帧中的前导码preamble、帧控制头FCH burst、下行映射表DL-MAP和/或上行映射表UL-MAP。
所述的步骤A还包括当存在多个RS时，在RS的下行帧头期间，其它RS不能设置下行子帧发送子信道和OFDMA符号组合；或当存在多个RS时，不同RS的下行子帧头在时间上完全重叠，严格同步，且其内容必须相同。
所述的步骤A还包括在RS的物理层帧结构的下行帧中设置下行子帧头接收，用于定义RS接收BS下行帧头的子信道和OFDMA符号组合，且该下行帧头接收与BS的下行帧头需完全重叠和严格同步。
所述的步骤A还包括在BS和RS的物理层帧结构的上行子帧中设置上行测距子信道，用于定义用户终端的被接收测距、周期性测距、带宽请求的RS测距接收子信道和OFDMA符号组合。
所述的步骤A还包括除上行中转区和下行中转区外，BS的上行子帧和RS的下行子帧以及BS的下行子帧和RS的上行子帧不能互相重叠。
所述的步骤A包括在BS或RS的物理层帧结构的下行子帧中，除下行帧头、BS的下行中转区和RS的上行中转区外，BS和不同的RS通过不同的子信道和OFDMA符合组合共享下行子帧的其余部分。
所述的步骤A包括在BS或RS的物理层帧结构的上行子帧中，除下行子帧头接收、RS的下行中转区和BS的上行中转区外，BS和不同的RS通过不同的子信道和OFDMA符合组合共享上行子帧的其余部分。
所述的步骤A包括BS或RS的下行子帧到BS的上行子帧间至少预留发送/接收转换间隙TTG时长，和/或，BS或RS的上行子帧到BS的下行子帧间至少预留接收/发送转换间隙RTG时长；而且，对于BS和用户终端可以直接通信的情况，在BS的TTG期间，RS不能安排任何发送子信道和OFDMA符号组合；在BS的RTG期间，RS不能安排任何接收子信道和OFDMA符号组合。
所述的步骤A包括除下行帧头、测距子信道外，各子信道和OFDMA符号组合或区不要求必需设置于每一帧中。
所述的步骤B包括在BS、RS和用户终端之间基于设置的BS的RS的上、下行物理层帧中包含的上下行中转区、上下行中转广播子信道、下行子帧头、下行子帧头接收和/或测距子信道进行消息的交互，实现无线中转通信。
本发明还提供了一种无线中转通信的实现方法，包括由BS到用户终端的下行通信过程C、BS在BS的下行子帧的下行中转区向RS发送数据，RS通过RS的上行子帧中的下行中转区接收所述数据；D、RS在RS的下行子帧发送数据组用户终端；由用户终端到BS的上行通信过程E、通过由用户终端在RS的上行子帧中发送上行数据，且RS接收所述数据；F、RS在RS下行子帧上行中转区发送上行中转数据，且BS在BS的上行子帧的上行中转区接收所述中转数据。
所述由BS到用户终端的下行通信过程还包括BS和RS分别在各自的下行子帧的下行子帧头的第一个符号或发送前导码，接收前导码的RS或用户终端与BS或RS同步。
本发明中，在发送所述前导码之后，还包括所述的BS或RS还要发送帧控制头FCH、下行映射表DL-MAP和上行映射表UL-MAP信息，接收各信息的RS或用户终端根据各信息确定各个突发的时隙、子信道和/或符号位置和使用方法信息。
所述的步骤C还包括BS在BS下行子帧的下行中转区的下行中转广播子信道向RS发送广播消息，RS通过RS上行子帧中的下行中转广播子信道接收所述消息。
所述的步骤C还包括当BS与用户终端之间可以直接通信时，BS将下行子帧头广播采用特定的信道编码和调制方式，或采用高于发送数据的发射功率，直接由BS发给用户终端。
本发明中，由BS到用户终端的下行通信过程还包括用户终端接收BS下行子帧的下行子帧头中的前导码，并与BS同步；用户终端接收BS发来的FCH、DL-MAP和UL-MAP信息，并获得BS和RS的各个突发的时隙、子信道和/或符号位置和使用方法信息。
所述的由用户终端到BS的上行通信过程还包括用户终端接收RS的下行子帧的下行子帧头的FCH、DL-MAP和UL-MAP信息，确定RS的各个突发子信道及符号位置和使用方法信息；或者，用户终端接收BS的下行子帧的下行子帧头的FCH、DL-MAP和UL-MAP信息，确定BS和RS的各个突发子信道及符号位置和使用方法信息；RS接收BS下行子帧中的下行子帧头的FCH、DL-MAP和UL-MAP信息，获得BS各个突发子信道及符号位置和使用方法信息。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明通过引入TDM与OFDMA相结合的机制，定义BS和RS的物理层帧结构，因而使得本发明具有以下优点1、支持OFDMA(或SOFDMA)无线高级中转模式，即MS/SS可以通过RS进行无线中转接入BS；2、支持OFDMA(或SOFDMA)无线简化中转模式，即BS的下行数据报文或除DL-MAP、UL-MAP外的消息报文，可以通过RS中转；BS的上行其它突发，除MS/SS的初始接入测距Ranging、周期性测距Ranging、带宽请求报文外，可以通过RS中转；3、有效保证RS和BS、MS/SS间在TDD方式的同频通信；4、有效避免以下几种干扰“RS到SS/MSRS”、“RS到SS/MSBS”和“BS到SS/MSRS”的干扰；“SS/MSRS到RS”、“SS/MSBS到RS”和“SS/MSRS到BS”的干扰；“SS/MSBS到SS/MSRS”和“SS/MSRS到SS/MSBS”的干扰；“BS到RS”和“RS到BS”的干扰。
图1为OFDMA符号的频域示意图；图2为TDD下的OFDMA帧结构示意图；图3为OFDMA通信系统模型示意图一；图4为OFDMA通信系统模型示意图二；图5为图4的具体结构示意图；图6为同频干扰模式示意图；图7为BS和RS的物理层帧结构示意图一；图8为BS和RS的物理层帧结构示意图二；图9为BS和RS的物理层帧结构示意图三；图10为BS和RS的物理层帧结构示意图四。
具体实施例方式
本发明的核心是通过引入TDM与OFDMA相结合的机制，定义BS和RS的物理层帧结构。
本发明中，中转模式通信系统的结构主要包括两种，分别如图3和图4所示，一种为高级中转模式通信系统，另一种为简化中转模式通信系统，下面将分别对两系统模型进行说明。
(一)RS和BS、MS/SS间的高级中转模式通信系统模型如图3所示，这是一种通常通信系统模型，其中，RS和BS、MS/SS间采用TDD/TDM/OFDMA方式在同频点下通信，MS/SS通过RS进行无线中转接入BS，RS作为一个MS/SS接入BS。
在图3中，(1)DLBS为BS的物理层帧的下行子帧，由BS到SS/MSBS或RS；(2)ULBS为BS的物理层帧的上行子帧，由SS/MSBS或RS到BS，SS/MSBS和BS保持收发帧同步；(3)DLRS为RS的物理层帧的下行子帧，由BS到SS/MSRS或RS；(4)ULRS为RS的物理层帧的上行子帧，由SS/MSRS或RS到BS，SS/MSRS和RS保持收发帧同步。
(二)RS和BS、MS/SS的简化中转模式通信系统模型如图4和图5所示，该中转模式为本发明提供的一种通信系统模型，其中，RS和BS、MS/SS间采用TDD/TDM/OFDMA方式在同频点下通信，RS作为一个MS/SS接入BS。
该包括BS、RS和SS/MS的简化中转模式的中转通信系统，所述的BS设置有与RS和用户终端通信的接口，所述的RS设置有与用户终端和BS通信的接口，所述的用户终端则分别设置有与RS和BS通信的接口，所述的BS、RS和用户终端之间通过所述接口通信，如图5所示其中，所述的BS包括有线传输处理单元能够与上一级设备(如基站控制器)或分别与一组基站设备建立通信，并与上一级设备或各基站设备之间进行信息的交互；TDD无线收发机用于同RS或SS/MS以TDD方式进行同频点(如f1)无线通信，由TDD无线发射机物理层单元、TDD无线接收机物理层单元和TDD无线收发机数据链路层单元组成，分别为TDD无线发射机物理层单元分别与TDD无线收发机数据链路层及可与其通信的RS或SS/MS中的无线接收机物理层单元进行同频点(如f1)无线通信；对于简化中转模式，本单元对DLBS的下行子帧头广播(如Preamble、FCH、DL-MAP、UL-MAP)采用比其它发送数据可靠性更高的信道编码和调制方式(如二进制相移键控BPSK)，或采用比其它发送数据更高的发射功率，直接由BS发给MS/SS，不通过RS中转；TDD无线接收机物理层单元分别与TDD无线收发机数据链路层及可与其通信的RS或SS/MS中的无线发射机物理层单元进行同频点(如f1)无线通信；TDD无线收发机数据链路层单元对来自TDD无线接收机物理层单元或有线传输单元的数据，作TDD无线收发机数据链路层的数据处理后，转发给有线传输单元或TDD无线发射机物理层单元。
所述的RS包括TDD无线收发机用于同BS或SS/MS以TDD方式进行同频点(如f1)无线通信，由TDD无线发射机物理层单元、TDD无线接收机物理层单元和TDD无线收发机数据链路层单元组成。
TDD无线发射机物理层单元分别与TDD无线收发机数据链路层及可与其通信的BS或SS/MS中的无线接收机物理层单元进行同频点(如f1)无线通信；TDD无线接收机物理层单元分别与TDD无线收发机数据链路层及可与其通信的BS或SS/MS中的无线发射机物理层单元进行同频点(如f1)无线通信；TDD无线收发机数据链路层单元对来自TDD无线接收机物理层单元的数据，作TDD无线收发机数据链路层的数据处理后，转发给TDD无线发射机物理层单元。
所述的SS/MS包括TDD无线收发机用于同RS或BS以TDD方式进行同频点(如f1)无线通信，由TDD无线发射机物理层单元、TDD无线接收机物理层单元和TDD无线收发机数据链路层单元组成。
TDD无线发射机物理层单元分别与TDD无线收发机数据链路层及可与其通信的RS或BS无线接收机物理层单元进行同频点(如f1)无线通信；对于简化中转模式，本单元对ULBS的上行随机接入(Random Access)时隙(或称为竞争时隙Contention slot)，如初始Ranging竞争时隙和带宽请求竞争时隙，或MS/SS的初始接入测距Ranging、周期性测距Ranging、带宽请求通过ULBS的测距子信道Ranging Subchannel，采用比其它发送数据可靠性更高的信道编码和调制方式(如二进制相移键控BPSK)，或采用比其它发送数据更高的发射功率，直接由MS/SS发给BS，不通过RS中转；TDD无线接收机物理层单元分别与TDD无线收发机数据链路层及可与其通信的RS或BS中的无线发射机物理层单元进行同频点(如f1)无线通信；TDD无线收发机数据链路层单元对来自TDD无线接收机物理层单元或用户的数据，作TDD无线收发机数据链路层的数据处理后，转发给用户或TDD无线发射机物理层单元。
可以看出，在图5中，BS、RS及SS/MS中所述的各TDD无线发射机物理层单元分别提供有与其他实体中的TDD无线接收机物理层单元通信的通信接口，所述的各TDD接收机物理层单元分别提供有与其他实体中的TDD无线发射机物理层单元通信的通信接口。
在图4中，(1)DLBS为BS的物理层帧的下行子帧，由BS到SS/MSBS或RS；(2)ULBS为BS的物理层帧的上行子帧，由SS/MSBS或RS到BS，SS/MSBS或SS/MSRS和BS保持收发帧同步；(3)DLRS为RS的物理层帧的下行子帧，由BS到SS/MSRS或RS；(4)ULRS为RS的物理层帧的上行子帧，由SS/MSRS或RS到BS。
其中，DLBS的下行子帧头广播，如Preamble(前导码)、FCH(帧控制头)、DL-MAP(下行映射表)、UL-MAP(上行映射表)，直接由BS发给MS/SS，不通过RS中转；MS/SS的初始接入测距Ranging、周期性测距Ranging、带宽请求通过ULBS的测距子信道Ranging Subchannel，直接由MS/SS发给BS，不通过RS中转。
对于DLBS的下行其它突发，如数据报文或除DL-MAP、UL-MAP外的消息报文，不能直接由BS发给MS/SS，必须通过RS中转；ULBS的上行其它突发，如除MS/SS的初始接入测距Ranging、周期性测距Ranging、带宽请求报文外，不能直接由MS/SS发给BS，必须通过RS中转。
基于上述各子帧，BS便可以与RS之间进行通信，进而通过RS中转后与SS/MS之间通信；同时，还可以将SS/MS发送给BS的信息通过RS中转发送，从而有效提高无线通信系统的覆盖范围。
另外，本发明的实现还需要考虑到由于TDD模式的网络系统采用同频通信所存在的如图5(a)-(d)所示的4种情况的相互干扰。图中，TX表示发送模块，RX表示接收模块。
基于上述中转通信需求，为使得RS通过位于BS与SS/MS之间实现中转通信功能，便需要定义相应的物理层帧结构，同时，为保证通信的可靠性，还需要合理地根据中转通信需求进行帧结构的定义，只有定义了合理的BS和RS的物理层帧结构才能够使得基于RS的中转通信顺利实现，并有效避免通信过程中可能产生的干扰。
可以看出，BS和RS的物理层帧结构的定义是实现基于RS的中转通信的关键。为此，针对上述BS与RS中转通信过程中的传送帧的需求，下面将对各帧结构的定义进行详细说明。
为实现RS在BS与SS/MS之间的中转通信功能，首先需要在定义BS和RS的物理层的上、下行子帧结构，具体为1、在BS的物理层帧结构的下行子帧DLBS中采用TDM技术，增加DLRelay Zone(下行中转区)，用于定义由BS传给RS的BS下行中转子信道和OFDMA符号组合；对于多RS的情况，多RS通过不同的子信道和OFDMA符号组合共享DLRelay Zone；2、在RS的物理层帧结构的上行子帧ULRS中采用TDM技术，增加DLRelay Zone(下行中转区)，用于定义RS接收BS的DL Relay Zone的中转子信道和OFDMA符号组合；对于多RS的情况，多RS通过不同的子信道和OFDMA符号组合共享DLRelay Zone，不同的RS只在DL Relay Zone中相应的子信道和OFDMA符号组合中接收BS的中转数据，其它子信道和OFDMA符号组合不安排接收；3、在BS的物理层帧结构的上行子帧ULBS中采用TDM技术，增加ULRelay Zone(上行中转区)，用于定义由RS传给BS的BS上行中转子信道和OFDMA符号组合；对于多RS的情况，多RS通过不同的子信道和OFDMA符号组合共享ULRelay Zone；4、在RS的物理层帧结构的下行子帧DLRS中采用TDM技术，增加ULRelay Zone(上行中转区)，用于定义RS接收BS的UL Relay Zone的中转子信道和OFDMA符号组合；对于多RS的情况，多RS通过不同的子信道和OFDMA符号组合共享ULRelay Zone，不同的RS只在DL Relay Zone中相应的子信道和OFDMA符号组合中发送BS的中转数据，其它子信道和OFDMA符号组合不能安排发送；需要说明的是，在BS的DL Relay Zone和UL Relay Zone对应的期间，SS/MSBS和SS/MSRS不安排任何接收或发送子信道和OFDMA符号组合，避免SS/MSBS到RS和SS/MSRS到BS的干扰。
本发明中为了BS与RS之间交互广播业务信息，还需要在BS和RS的帧结构中的中转区进行如下定义1、在BS的物理层帧结构的下行子帧DLBS的DL Relay Zone中开辟DLRelay Broadcast Subchannel(下行中转广播子信道)，用于定义由BS广播给RS的下行子信道和OFDMA符号组合，广播802.16标准定义的DCD(下行信道描述符)、UCD(上行信道描述符)、FPC(快速功率控制)、CLK_CMP(时钟比较)广播报文；2、在RS的物理层帧结构的上行子帧ULRS的DL Relay Zone中开辟DLRelay Broadcast Subchannel(下行中转广播子信道)，用于定义接收BS下行中转广播时隙的RS上行子信道和OFDMA符号组合，接收广播802.16标准定义的DCD、UCD、FPC、CLK_CMP广播报文。
为便于SS/MSS顺利接入BS还需要在所述的还需要在BS和RS的帧结构中的中转区进行如下定义1、在BS的物理层帧结构的上行子帧ULBS的UL Relay Zone中定义RelayRanging Subchannel(中转测距子信道，简写为RRS)，定义用于RS的初始接入测距Ranging、周期性测距Ranging、带宽请求的BS中转测距接收子信道和OFDMA符号组合；该中转测距子信道RRS也可作为SS/MSSBS的初始接入测距Ranging、周期性测距Ranging、带宽请求测距子信道用；2、在RS的物理层帧结构的下行子帧DLRS的DL Relay Zone中定义RelayRanging TX Subchannel(中转测距子信道，简写为RRS TX)，用于定义RS的初始接入测距Ranging、周期性测距Ranging、带宽请求的RS中转测距发送子信道和OFDMA符号组合；其中，BS的Relay Ranging Subchannel和RS的Relay Ranging TXSubchannel的时频关系必须一一对应，严格同步；在BS或RS的物理层帧结构的下行子帧中，除DL Header(下行帧头)、BS的DL Relay Zone和RS的UL Relay Zone外，BS和不同的RS通过不同的子信道和OFDMA符号组合共享下行子帧的其余部分，避免RS到SS/MSRS、RS到SS/MSBS和BS到SS/MSRS的干扰；在BS或RS的物理层帧结构的上行子帧中，除DL Header RX、RS的DLRelay Zone和BS的UL Relay Zone外，BS和不同的RS通过不同的子信道和OFDMA符号组合共享上行子帧的其余部分，避免SS/MSRS到RS、SS/MSBS到RS和SS/MSRS到BS的干扰。
本发明中，为实现基于RS的中转通信，还需要对BS和RS的物理层帧结构进行如下定义1、在BS的物理层帧结构的下行子帧DLBS中定义DL Header(下行子帧头)，为下行子帧的开始，用于定义发送用户同步信息的子信道和OFDMA符号组合和发送指示信息的子信道和OFDMA符号组合，以指示BS物理层帧结构下行子帧和上行子帧的各子信道和OFDMA符号组合的位置和使用方法profile。包含原802.16OFDMA(或SOFDMA)帧中的preamble、FCH、DL-MAP、UL-MAP，SS/MSBS、RS和BS保持收发帧同步；2、在RS的物理层帧结构的下行子帧DLRS中定义DL Header(下行子帧头)，为下行子帧的开始，用于定义发送用户同步信息的子信道和OFDMA符号组合和发送指示信息的子信道和OFDMA符号组合，以指示RS物理层帧结构下行子帧和上行子帧的各子信道和OFDMA符号组合的位置和使用方法profile。包含原802.16OFDMA(或SOFDMA)帧中的preamble、FCH、DL-MAP、UL-MAP，SS/MSRS和RS保持收发帧同步；其中，RS的DL Header仅应用于图3所示的高级中转模式，且在时间上滞后于BS的DL Header；在RS的DL Header期间，BS的下行子帧(DLBS)不能安排任何发送子信道和OFDMA符号组合，避免BS到SS/MSRS的干扰；在RS的DL Header期间，其它RS的物理层帧结构的下行子帧DLRS不能安排任何发送子信道和OFDMA符号组合，避免RS到SS/MSRS的干扰；特殊情况下，如果不同RS的DL Header在时间上重叠，则必须完全重叠，严格同步，且其内容必须相同，避免RS到SS/MSRS的干扰；3、在RS的物理层帧结构的上行子帧ULRS中定义DL Header RX(下行子帧头接收)，用于定义接收BS的DL Header的子信道和OFDMA符号组合；在上述帧结构中，BS的DL Header和RS的DL Header RX的时频关系必须一一对应、严格同步。
本发明中，为实现基于RS的中转通信，还需要对BS和RS的物理层帧结构进行如下定义1、在BS的物理层帧结构的上行子帧ULBS中定义Ranging Subchannel(测距子信道)，定义用于SS/MSSBS的初始接入测距Ranging、周期性测距Ranging、带宽请求的BS测距接收子信道和OFDMA符号组合；2、在RS的物理层帧结构的上行子帧ULRS中定义Ranging Subchannel(测距子信道)，定义用于SS/MSSRS的初始接入测距Ranging、周期性测距Ranging、带宽请求的RS测距接收子信道和OFDMA符号组合。
在上述定义的子帧结构中，除DL Relay Zone和UL Relay Zone外，BS的下行子帧不得和RS的上行子帧相重叠，BS的上行子帧也不得和RS的下行子帧相重叠，避免SS/MSBS到SS/MSRS和SS/MSRS到SS/MSBS及BS到RS和RS到BS的干扰；同时，BS的下行子帧DLBS到BS的上行子帧ULBS间至少预留TTG(发送/接收转换间隙)时长；BS的上行子帧ULBS到BS的下行子帧DLBS间至少预留RTG(接收/发送转换间隙)时长；RS的下行子帧DLRS到RS的上行子帧ULRS间至少预留TTG时长；RS的上行子帧ULRS到RS的下行子帧DLRS间至少预留RTG时长；对于简化中转模式，在BS的TTG期间，RS不能安排任何发送子信道和OFDMA符号组合；在BS的RTG期间，RS不能安排任何接收子信道和OFDMA符号组合。
而且，除DL Header、Ranging Subchannel外，上述定义的子信道和OFDMA符号组合或Zone不一定每帧都必须存在。
在OFDMA或SOFDMA系统中，BS、RS和SS/MSS之间基于上述定义的子帧结构进行通信，便可以实现相应的中转通信，并可以保证良好的通信效果，以及各种中转通信需求。
为便于理解本发明，下面将结合具体的应用实例对本发明的具体实现方式进行详细说明。
本发明提供的第一种BS和RS的物理层帧结构实施例如图6或图7所示，图6为高级中转模式下的示意图，图7为简化中转模式下的示意图。
图中，NULL或空白部分为不安排任何接收或发送的部分。其中，BS下行子帧DLBS和RS下行子帧DLRS中的DL Header为图6和图7中BS的Preamble和DL-MAP、UL-MAP区域；RS上行子帧ULRS中的DL Header RX为图6和图7中RS的Preamble和DL-MAP、UL-MAP区域。
BS的DL Relay Zone(即DL Relay broadcast，DL Relay R#1，#2…部分)安排在BS下行子帧(DLBS)的DL Header之后，BS的UL Relay Zone(即UL Relay R#1，#2…和RRS TX部分)安排在BS下行子帧DLBS的开始部分。在BS的DL Relay Zone和UL Relay Zone对应的期间，MS不安排任何接收或发送子信道和OFDMA符号组合。
对于简化中转模式，在BS的TTG期间，RS不能安排任何发送子信道和OFDMA符号组合；在BS的RTG期间，RS不能安排任何接收子信道和OFDMA符号组合。
PHY突发(burst)被分配了一组相邻的子信道和一组OFDMA符号(symbol)，BS和不同的RS通过不同的子信道和OFDMA符号组合共享下行子帧的其余部分。
本发明还提供了另外一种BS和RS的物理层帧结构实施例，如图8和图9所示，其中，图8为高级中转模式下的物理层帧结构，图9为简化中转模式下的物理层帧结构。
BS的RRS和RS的RRS TX隔帧出现，如出现在第N-1帧(FrameN-1)、第N+1帧(FrameN+1)、第N+3帧(FrameN+3)…的下行子帧DLRS中。
BS的DL Relay Zone和BS的UL Relay Zone可以不安排在同一帧。例如，BS的DL Relay Zone安排在第N帧(FrameN)的下行子帧DLBS的末尾，则RS的DL Relay Zone安排在第N帧(FrameN)的上行子帧ULRS之首。BS的UL Relay Zone安排在第N+1帧(FrameN+1)的上行子帧ULBS之首，RS的UL Relay Zone安排在第N+1帧(FrameN+1)的下行子帧DLBS的末尾。在BS的DL Relay Zone和UL Relay Zone对应的期间，MS不安排任何接收或发送子信道和OFDMA符号组合。
对于简化中转模式，在BS的TTG期间，RS不能安排任何发送子信道和OFDMA符号组合；在BS的RTG期间，RS不能安排任何接收子信道和OFDMA符号组合。
下面将再结合具体的通信过程应用实例对本发明进行说明。
本发明中相应的中转流程如下(一)、下行中转Downlink relay所述下行中转分为两个阶段，第一阶段为由BS到RS的通信过程，第二阶段为由RS到SS/MS的通信过程；其中，对于第一阶段来说，在图3至图5所示的高级中转模式和简化中转模式中相应的中转处理方式完全相同，而对于第二阶段来说，则在高级中转模式和简化中转模式中相应的中转处理方式却各不相同，下面将分别对两个阶段的处理进行说明。
其中，第一阶段(BS-＞RS)的处理过程包括1、BS在下行子帧DLBS“DL Header”中的第一个符号symbol或时隙发送前导码preamble；2、RS#1通过RS上行子帧ULRS中“DL Header RX”接收BS下行子帧DLBS“DL Header”中的前导码preamble，和BS取得同步；3、BS在下行子帧DLBS“DL Header”preamble之后中发送FCH，DL-MAP，UL-MAP；4、RS#1通过RS上行子帧ULRS中“DL Header RX”接收下行子帧DLBS“DL Header”的FCH，DL-MAP，UL-MAP，获得BS下行和上行各个burst(突发)的时隙、子信道和/或OFDMA符号位置和使用方法(profile)信息；5、BS利用下行子帧DLBS“DL Relay Zone”的“DL Relay broadcast”发送广播消息message；6、BS在下行子帧DLBS“DL Relay Zone”的“DL Relay RS#1”中发送下行中转通信数据traffic data给RS#1；7、RS#1通过RS上行子帧ULRS中“DL RB”接收BS下行子帧(DLBS)“DL Relay Zone”的“DL Relay broadcast”中的广播消息message，其中可以包含需要RS#1中转广播的消息；8、RS#1通过RS上行子帧ULRS中“DL Relay Zone”接收BS下行子帧DLBS“DL Relay Zone”的“DL Relay RS#1”中下行中转通信数据trafficdata。
所述的第二阶段(RS-＞MS/SS)包括(1)对于高级中转模式的处理
1、RS#1在下行子帧DLRS“DL Header”中的第一个符号symbol或时隙发送前导码preamble；2、MS/SS接收RS#1下行子帧DLRS“DL Header”中的前导码preamble，和RS#1取得同步3、RS#1在下行子帧DLRS“DL Header”preamble之后中发送FCH，DL-MAP，UL-MAP(RS#1的FCH，DL-MAP，UL-MAP可以已在第一阶段的步骤6中由BS发送给RS#1)；4、MS/SS接收下行子帧DLRS“DL Header”的FCH，DL-MAP，UL-MAP，获得RS#1下行和上行各个burst的时隙、子信道和/或OFDMA符号位置和使用方法(profile)信息；5、RS#1在下行子帧DLRS中，在除DL Header、DL Relay Zone外的时频区间，发送下行中转通信数据traffic data(在步骤6中已由BS发送给RS#1)给MS/SS；6、MS/SS从相应时频区间接收RS#1下行子帧DLRS中的下行中转通信数据traffic data。
(2)对于简化中转模式的处理1、MS/SS接收BS下行子帧DLBS“DL Header”中的前导码preamble，和BS取得同步；2、MS/SS接收BS下行子帧DLBS“DL Header”的FCH，DL-MAP，UL-MAP，获得BS和RS#1下行和上行各个burst的时隙、子信道和/或OFDMA符号位置和使用方法(profile)信息；3、RS#1在下行子帧DLRS中，在除DL Header、DL Relay Zone外的时频区间，发送下行中转通信数据traffic data(在步骤6中已由BS发送给RS#1)给MS/SS；4、MS/SS从相应时频区间接收RS#1下行子帧DLRS中的下行中转通信数据traffic data。
(二)、上行中转Uplink relay所述上行中转分同样为两个阶段，第一阶段为由SS/MS到RS的通信过程，第二阶段为由RS到BS的通信过程；其中，对于第一阶段来说，在图3至图5所示的高级中转模式和简化中转模式中相应的中转处理方式各不相同，而对于第二阶段来说，则在高级中转模式和简化中转模式中相应的中转处理方式完全相同，下面将分别对两个阶段的处理进行说明。
其中，第一阶段(MS/SS-＞RS)的处理过程包括(1)对于高级中转模式的处理1、MS/SS接收RS#1下行子帧DLRS“DL Header”的FCH，DL-MAP，UL-MAP，获得RS#1下行和上行各个burst的子信道和OFDMA符号位置和使用方法(profile)信息；2、MS/SS在RS上行子帧ULRS中，在除DL Header RX、UL Relay Zone外的时隙，发送上行通信数据traffic data给RS#1；3、RS#1从相应时隙接收MS/SS上行子帧ULRS中的上行通信数据trafficdata。
(2)对于简化中转模式的处理1、MS/SS接收BS下行子帧DLBS“DL Header”的FCH、DL-MAP、UL-MAP，获得BS和RS#1下行和上行各个burst的子信道和OFDMA符号位置和使用方法(profile)信息；2、MS/SS在RS上行子帧ULRS中，在除DL Header RX、UL Relay Zone外的时隙，发送上行通信数据traffic data给RS#1；3、RS#1从相应时隙接收MS/SS上行子帧ULRS中的上行通信数据trafficdata。
所述的第二阶段(RS-＞BS)的处理包括
1、RS#1接收BS下行子帧DLBS“DL Header”的FCH，DL-MAP，UL-MAP，获得BS下行和上行各个burst的子信道和OFDMA符号位置和使用方法(profile)信息；2、RS#1在RS下行子帧DLRS“UL Relay Zone”的“UL Relay RS#1”中发送上行中转通信数据traffic data(在步骤2中已由BS发送给RS#1)给BS；3、BS在上行子帧ULBS“UL Relay Zone”的“UL Relay RS#1”中接收步骤2中的上行中转通信数据traffic data。
综上所述，本发明通过引入TDM与OFDMA相结合的机制，定义BS和RS的物理层帧结构，因而使得本发明具有以下优点1、支持OFDMA(或SOFDMA)无线高级中转模式，即MS/SS可以通过RS进行无线中转接入BS；2、支持OFDMA(或SOFDMA)无线简化中转模式，即BS的下行数据报文或除DL-MAP、UL-MAP外的消息报文，可以通过RS中转；BS的上行其它突发，除MS/SS的初始接入测距Ranging、周期性测距Ranging、带宽请求报文外，可以通过RS中转；3、有效保证RS和BS、MS/SS间在TDD方式的同频通信；4、有效避免多种应用场景可能存在的干扰。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1.一种无线中转通信系统，其特征在于，包括基站BS、用户终端和中转站RS，所述的BS设置有与RS通信的接口，所述的RS设置有与用户终端和BS通信的接口，所述的用户终端则设置有与RS通信的接口，所述的BS、RS和用户终端之间通过所述接口通信。
2.根据权利要求1所述的无线中转通信系统，其特征在于，所述的BS还设置有与用户终端通信的接口，而且所述用户终端设置有与BS通信的接口，BS通过所述接口与用户终端之间直接通信。
3.根据权利要求2所述的无线中转通信系统，其特征在于，所述BS、RS和用户终端之间采用同频点进行通信，且所述BS分别通过上、下行子帧与用户终端或RS通信，所述RS分别通过上、下子帧与用户终端或BS通信。
4.根据权利要求1、2或3所述的无线中转通信系统，其特征在于，所述的BS、RS和用户终端三个实体中分别包括时分双工TDD无线发射机物理层单元和TDD无线接收机物理层单元，所述的各TDD无线发射机物理层单元分别提供有与其他实体中的TDD无线接收机物理层单元通信的通信接口，所述的各TDD接收机物理层单元分别提供有与其他实体中的TDD无线发射机物理层单元通信的通信接口。
5.根据权利要求4所述的无线中转通信系统，其特征在于，所述的BS、RS和用户终端中还分别设置有与本端实体中的TDD无线发射机物理层单元及TDD无线接收机物理层单元连接通信的TDD无线收发机数据链路层单元，而且，所述的BS中还设置有与上级设置连接通信的有线传输处理单元。
6.一种无线中转通信的实现方法，其特征在于，包括A、在OFDMA系统的基站BS物理层帧结构的下行子帧和上行子帧中分别采用时分复用TDM方式设置下行中转区和上行中转区，在中转站RS物理层帧结构的上行子帧和下行子帧中分别设置下行中转区和上行中转区，用于定义BS与RS之间中转子信道和OFDMA符号组合；B、在BS、RS及用户终端之间基于所述的设置的BS和RS的上、下行物理层帧采用时分双工TDD进行无线中转通信。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的BS的物理层帧结构中的上行中转区和下行中转区对应，而且，在BS的下行中转区和上行中转区对应的期间，用户终端不设置接收或发送子信道和OFDMA符号组合。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当存在多个RS时，多个RS之间通过不同的子信道和OFDMA符号组合共享下行或上行中转区，不同的RS仅在下行中转区中相应的子信道和OFDMA符号组合中接收或发送数据。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的步骤A包括在BS的物理帧结构的下行子帧的下行中转区中设置下行中转广播信道，用于定义由BS广播给RS的下行信道和OFDMA符号组合，广播相应的广播报文；在RS的物理帧结构的上行子帧的下行中转区中设置下行中转广播接收信道，用于定义接收BS下行中转广播信道的RS上行子信道和OFDMA符号组合，接收相应的广播报文。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的步骤A还包括在BS的物理层帧结构的下行子帧中设置中转测距子信道，用于定义RS的初始接入测距、周期性测距、带宽请求的BS中转测距接收子信道和OFDMA符号组合；在RS的物理层帧结构的下行子帧中设置中转测距发送子信道，用于定义RS的初始接入测距、周期性测距、带宽请求的BS中转测距发送子信道和OFDMA符号组合。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述的BS的中转测距子信道和RS的中转测距发送子信道对应设置，并保持严格同步。
12.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的步骤A还包括在BS，或BS和RS的物理层帧结构下行帧中设置下行帧头，具体设置于下行子帧的开始时刻，用于定义发送用户同步信息的子信道和发送指示信息的子信道和OFDMA符号组合，以指示BS，或BS和RS物理层帧结构下行帧和上行帧的各子信道的位置和使用方法profile，其中，RS的下行帧头在时间上滞后于BS的下行帧头，且在RS的下行帧头期间，BS不能设置下行子帧发送子信道和OFDMA符号组合。
13.根据权利要求12所述的基于中转站实现无线中转的方法，其特征在于，所述的下行子帧包括正交频分复用或单载波帧中的前导码preamble、帧控制头FCH burst、下行映射表DL-MAP和/或上行映射表UL-MAP。
14.根据权利要求12所述的基于中转站实现无线中转的方法，其特征在于，所述的步骤A还包括当存在多个RS时，在RS的下行帧头期间，其它RS不能设置下行子帧发送子信道和OFDMA符号组合；或当存在多个RS时，不同RS的下行子帧头在时间上完全重叠，严格同步，且其内容必须相同。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述的步骤A还包括在RS的物理层帧结构的下行帧中设置下行子帧头接收，用于定义RS接收BS下行帧头的子信道和OFDMA符号组合，且该下行帧头接收与BS的下行帧头需完全重叠和严格同步。
16.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的步骤A还包括在BS和RS的物理层帧结构的上行子帧中设置上行测距子信道，用于定义用户终端的被接收测距、周期性测距、带宽请求的RS测距接收子信道和OFDMA符号组合。
17.根据权利要求6至16任一项所述的方法，其特征在于，所述的步骤A还包括除上行中转区和下行中转区外，BS的上行子帧和RS的下行子帧以及BS的下行子帧和RS的上行子帧不能互相重叠。
18.根据权利要求6至16任一项所述的方法，其特征在于，所述的步骤A包括在BS或RS的物理层帧结构的下行子帧中，除下行帧头、BS的下行中转区和RS的上行中转区外，BS和不同的RS通过不同的子信道和OFDMA符合组合共享下行子帧的其余部分。
19.根据权利要求6至16任一项所述的方法，其特征在于，所述的步骤A包括在BS或RS的物理层帧结构的上行子帧中，除下行子帧头接收、RS的下行中转区和BS的上行中转区外，BS和不同的RS通过不同的子信道和OFDMA符合组合共享上行子帧的其余部分。
20.根据权利要求6至16任一项所述的方法，其特征在于，所述的步骤A包括BS或RS的下行子帧到BS的上行子帧间至少预留发送/接收转换间隙TTG时长，和/或，BS或RS的上行子帧到BS的下行子帧间至少预留接收/发送转换间隙RTG时长；而且，对于BS和用户终端可以直接通信的情况，在BS的TTG期间，RS不能安排任何发送子信道和OFDMA符号组合；在BS的RTG期间，RS不能安排任何接收子信道和OFDMA符号组合。
21.根据权利要求6至16任一项所述的方法，其特征在于，所述的步骤A包括除下行帧头、测距子信道外，各子信道和OFDMA符号组合或区不要求必需设置于每一帧中。
22.根据权利要求6至16任一项所述的方法，其特征在于，所述的步骤B包括在BS、RS和用户终端之间基于设置的BS和RS的上、下行物理层帧中包含的上下行中转区、上下行中转广播子信道、下行子帧头、下行子帧头接收和/或测距子信道进行消息的交互，实现无线中转通信。
23.一种无线中转通信的实现方法，其特征在于，包括由BS到用户终端的下行通信过程C、BS在BS的下行子帧的下行中转区向RS发送数据，RS通过RS的上行子帧中的下行中转区接收所述数据；D、RS在RS的下行子帧发送数据组用户终端；由用户终端到BS的上行通信过程E、通过由用户终端在RS的上行子帧中发送上行数据，且RS接收所述数据；F、RS在RS下行子帧上行中转区发送上行中转数据，且BS在BS的上行子帧的上行中转区接收所述中转数据。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述由BS到用户终端的下行通信过程还包括BS和RS分别在各自的下行子帧的下行子帧头的第一个符号或发送前导码，接收前导码的RS或用户终端与BS或RS同步。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，在发送所述前导码之后，还包括所述的BS或RS还要发送帧控制头FCH、下行映射表DL-MAP和上行映射表UL-MAP信息，接收各信息的RS或用户终端根据各信息确定各个突发的时隙、子信道和/或符号位置和使用方法信息。
26.根据权利要求23、24或25所述的方法，其特征在于，所述的步骤C还包括BS在BS下行子帧的下行中转区的下行中转广播子信道向RS发送广播消息，RS通过RS上行子帧中的下行中转广播子信道接收所述消息。
27.根据权利要求23、24或25所述的方法，其特征在于，所述的步骤C还包括当BS与用户终端之间可以直接通信时，BS将下行子帧头广播采用特定的信道编码和调制方式，或采用高于发送数据的发射功率，直接由BS发给用户终端。
28.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，由BS到用户终端的下行通信过程还包括用户终端接收BS下行子帧的下行子帧头中的前导码，并与BS同步；用户终端接收BS发来的FCH、DL-MAP和UL-MAP信息，并获得BS和RS的各个突发的时隙、子信道和/或符号位置和使用方法信息。
29.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述的由用户终端到BS的上行通信过程还包括用户终端接收RS的下行子帧的下行子帧头的FCH、DL-MAP和UL-MAP信息，确定RS的各个突发子信道及符号位置和使用方法信息；或者，用户终端接收BS的下行子帧的下行子帧头的FCH、DL-MAP和UL-MAP信息，确定BS和RS的各个突发子信道及符号位置和使用方法信息；RS接收BS下行子帧中的下行子帧头的FCH、DL-MAP和UL-MAP信息，获得BS各个突发子信道及符号位置和使用方法信息。
全文摘要
本发明涉及一种无线中转通信系统及实现方法。本发明主要包括提供了简化的中转通信模式；同时，在OFDMA系统的基站BS物理层帧结构的下行子帧和上行子帧中分别设置下行中转区和上行中转区，在中转站RS物理层帧结构的上行子帧和下行子帧中分别设置下行中转区和上行中转区，用于定义BS与RS之间中转子信道和OFDMA符号组合，使得所述BS与RS之间基于所述的上、下行物理层帧采用TDD(时分双工)和TDM(时分复用)方式进行无线中转通信。因此，本发明的实现使得可以有效保证RS和BS、MS/SS间在TDD方式的同频通信，并可以有效避免多种干扰。
文档编号H04L27/26GK1956354SQ20051011459
公开日2007年5月2日 申请日期2005年10月26日 优先权日2005年10月26日
发明者郑若滨 申请人:华为技术有限公司