用于协作无线通信的方法和设备的制作方法

专利名称：用于协作无线通信的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信。
背景技术：
协作式通信使无线发射/接收单元(WTRU)能够在向所期望的目标传输信息时相 互协助。这种方法缓解了现代无线通信系统所面临的几个问题，并且不需在扩展的有线基 础构造上花费大量费用。通过使用协作，还能采用与传统多输入多输出(MIMO)技术有关的 空间分布性，而不需要每个节点都具有多天线。最后，再生中继作为一种基本协作技术，能 够降低覆盖和吞吐量中的路径损耗和阴影效应。将协作结合至现代无线系统中的一个问题是需要将系统构造演进为能够实现协 作。有效的协作技术，特别是在无线系统中，通常涉及通信栈的较低层的高级算法，例如层 1(物理层，或PHY)和层2/3 (根据系统而定的媒介接入控制(MAC)、无线电链路控制(RLC) 或逻辑链路控制(LLC))的高级算法。但是，这种算法需要在多用户系统中的接收机设计、 纠错读取码(lisecode)设计、自动重传请求(ARQ)和混合自动重传请求(HARQ)过程和调 度中也使用高级技术。因此，需要考虑协作对蜂窝系统，包括系统构造方面的影响。下行链路和上行链路 分别在每种情况下需要考虑几种协作方案，这些协作方案会产生不同的基础构造。在每种 情况中，都考虑了对系统操作的影响，重点是ARQ/HARQ和调度，并提出了方案。随着用户对各种高质量和高数据速率的业务和应用的需求的增长，无线通信链路 的容量将要用尽。现在认为单天线系统已经不能满足这些需求，运营商正转至多天线系 统。除了其所能实现的前所未有的数据速率以外，多天线系统并不能对远距离或低信噪比 (SNR)的应用提供显著增益。中继通信有可能能够解决该问题，并正成为各项研究活动的焦点。与传统的点对 点通信技术不同，中继技术引入了称为“中继”的第三方实体，该实体协助源端与目标之间 的通信。当协助源端时，中继与源端就各种协议达成一致，以将所预定的消息发送至其目 标，例如跳频和分集协议。对于跳频，由源端发送消息，中继接收，之后转发给目标。对于分 集协议，中继和信源使用某些分集方案，同时向目标进行传送。中继在调度和提供额外的虚拟天线方面所带来的功能性是中继系统的关键优势。 例如，多天线会受到大小和花费的限制，因此很难实现多于四个天线。但是，对于中继，可以 以分布式的方式来增加链路中天线的数量，从而可增加更多的数据速率增益。同时，通过调 节中继位置，或通过选择具有合适信道状况的中继，低SNR和远距离链路可具有显著改进。 并且，小区边缘用户通常由于其所受到的高干扰而令人不满意。在这种情况下，可以使用中 继来在小区间增加和重新分布吞吐量，以增强这些令人不满意的链路。虽然中继具有这些显著的优点，并且协作通信有了大量的理论进展，但是在将协 作通信的优势引入实际蜂窝系统方面，几乎没有进行任何工作。造成这一结果的原因是缺乏经过实际情况验证的有明显优点的有效协作协议和高昂的实施费用。因此，需要能够适 用于蜂窝通信系统的协作通信协议。目前中继系统在改进较差通信链路方面表现出了很大希望。通过使中继以多跳的 方式向目标传送完整消息，可以使极远程的通信终端获得连接。但是，多跳会产生通信延 迟，这种延迟在某些实时应用中是不可接受的。一种更加改进的中继通信架构是协作通信。与多跳不同，源端与一个中继或多个 中继协作，以提供分集或复用增益。例如，源端和中继可以按阿拉莫提(Alamouti)方案来 进行传送。中继可以选择在协助前解码消息，或仅在将其功率调节为适应信道后将消息转 发。这些技术分别称为解码转发(DF)和放大转发(AF)。这些技术的主要缺点是当使用DF时，中继会产生延迟。一种避免延迟的方法是使 用这样一种编码方式该编码方式能够使目标在中继进行接收时，从通信初始时收集数据。 通过这样做，能够减少DF协议所产生的延迟。这样目标就能接收到连续的传输吞吐量。在另一种方案中，使用喷泉码(fountain)编码进行广播应用，这种喷泉码的一种 情况是最优地为删除信道所构造的特定无比率(rateless)编码情况。但是，对于实际中继 系统，需要有效使用无比率编码。由于RS与BS之间的传输延迟、BS和RS本地振荡器的频率偏移以及RS中的处理 延迟，到WTRU的RS传输定时可能会与到WTRU的BS传输定时不同。在协作阶段，WTRU从 BS和RS分别接收到的数据流不一致会造成相互干扰。流之间的干扰会降低WTRU所接收的 数据速率，从而降低协作的潜在性能。因此，需要通过将BS和RS的DL传输同步来解决该问题。通过使用同步的BS和 RS的DL传输能够有助于降低到WTRU的RS传输与BS传输之间的干扰，并能够使用多种分 集方案(例如Alamouti或MIMO方案)，同时避免复杂的WTRU接收机设计。现有技术的解决方案表明，可通过定时调整(TA)方案来实现对上行链路(UL)的 WTRU传输的定时调整。虽然通常对UL使用了 TA方案，但是目前还没有对DL使用，而在协 作网络环境中需要使用DL。还需要通过智能使用中继来提高链路性能。但是，简单的多跳中继(即，中继仅将 其接收的相同数据进行转发)并不太可能产生显著增益。而是需要使用更复杂的协作技 术。其中包括协作编码技术，例如分布式波束成型和分布式空间复用技术。因此，还需要使 用多用户检测器，特别是连续干扰消除器(SIC)来优化来自信源和中继的传输的联合接收 性能。通常最小均方差连续干扰消除器(MMSE-SIC)接收机可作为候选接收机用于第三代 合作伙伴计划(3GPP)的长期演进(LTE)技术，用于对来自相同发射机的空间流进行分隔。 因此，需要将信源和中继传输放在不同传输流中，并使用SIC来接收这些传输。实际上，至 少对于OFDM MIMO技术来说，其甚至不需要额外的接收机架构。特别地，SIC接收机能够利用透明可行性，并表明一旦在通信系统中使用了该接收 机，其大部分协作分集的优势将会转移到MAC层。与协作传输河编码不同，需要对直接传输 与简单多跳进行较好的调度组合来实现协作中继的优势，并且在一些情况下，超出良好设 计的PHY层方案传输所能达到的效果。

发明内容
用于在无线通信中进行协作的方法和装置。在多个网络元素之间进行协作，该多 个网络元素包括至少一个无线发射接收单元、至少一个中继站和至少一个基站。


将从以下对实施例的描述中对本发明获得更详细的理解，该描述是结合附图以示 例的方式给出的，在附图中图1是用于蜂窝系统的四个中继架构的示意图；图2是协作中继示例架构的示意图；图3是多WTRU服务中继示例架构的示意图；图4是当多个中继无线串联时，用于转发的中继架构变形的示意图；图5是当RS和BS之间的连接可以为静态或动态时，系统中的多个小区的示意图；图6是当RS连接至多个BS时，示例架构的示意图；图7是表示基本在不同时间间隔传送和接收信号的示例TDM中继的示意图；图8是表示涉及解码转发方案的操作顺序的流程图；图9是按下文为下行链路(DL)而定义的协议1 (Pl)的流程图；图10是表示示例多播分离RTS的流程图，该多播分离RTS称为协议2 (P2)，并按下 文为DL情况而定义；图11是全信息中继示例的示意图；图12是转发中继示例的示意图；图13是协作中继示例的示意图；图14是具有FDM MIMO的转发中继示例的示意图；图15是TDDR方案示例的示意图；图16是使用喷泉扩展时分双工中继(FTDDR)方案的另一示例实施例的示意图；图17是并行传输复用中继(PTDR)协议示例的示意图；图18是STDDR示例的示意图；图19是协议栈示例的示意图；图20是实现WTRU协议栈的第二可替换实施方式的示意图；图21是实现WTRU协议栈的第三可替换实施方式的示意图；图22是涉及通过RS从BS向WTRU传输IP分组的操作顺序的流程图；图23是涉及MAC级RS的操作顺序的流程图；图24A和24B是使用RLC级RS的数据传输的可替换实施方式的示意图；图25是在用户层使用两跳模式的操作示意图；图26是位于RS和BS之间的MAC的MAC中继子层的示例示意图；图27是用于PHY级RS的协议架构示例的示意图；图28是用于MAC级RS的协议架构示例的示意图；图29是用于RLC级RS的协议架构示例的示意图；图30是涉及通过RS从BS向WTRU传输IP分组的操作顺序的示意图；图31是当BS不知道详细的中继操作时的数据传输操作的流程5
图32是智能中继和从属中继的信号流示例的示意图；图33A和33B是当BS和中继包含层2平面层实体时，协议架构示例的示意图；图34是协作报头示例的示意图；图35是可用于为报头和有效载荷区分信道编码的技术示例的示意图；图36是用于为报头和有效载荷进行分离信道编码的技术示例的流程图；图37是具有报头和有效载荷的下行链路数据分组的示意图；图38是使用五种信道状态的中继系统的示意图；图39是包含“继承”报头的传输报头的示意图，该“继承”报头附加了 1位，称为
'coop.headerindicator bit (报头指示符位)”；
图40是--种下行链路方案示例的示意图41是--种下行链路方案示例的示意图42是--种下行链路方案示例的示意图43是--种下行链路方案示例的示意图44是--种下行链路方案示例的示意图45是--种下行链路方案示例的示意图46是--种下行链路方案示例的示意图47是--种下行链路方案示例的示意图48是--种用于DL的控制信道的示意图49是--种用于UL的控制信道示例的示意图50是--种用于UL的控制信道示例的示意图51是--种用于SI的帧架构示例的示意图；以及图52是使用定时调整过程，对WTRU的BS和RS DL传输进行同步的示例的示意图。
具体实施例方式当在下文中提及时，术语“无线发射/接收单元(WTRU)，，包括但不限于用户设备 (UE)、移动站、固定或移动用户单元、寻呼机、蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、计算机或任何 能够在无线环境中进行操作的其它类型的用户设备。当在下文中提及时，术语“基站”包括 但不限于节点B、站点控制器、接入点(AP)或任何能够在无线环境中进行操作的其它类型 的接口设备。当在下文中提及时，术语“中继站”可称为中继或RS。虽然本发明是在第三代(3G)蜂窝无线系统的环境中进行描述的，但是其不应被 认为局限在该系统中，3G系统仅是用作示例。中继物理架构可以以多种方式在蜂窝系统中使用中继。在本节中，描述了 4种主要架构，并在图 1中示出。这4种示例性架构可单独使用或以任意方式结合使用。这些示例性架构称作架 构-1 转发中继架构110 ；架构-2 多WTRU服务中继架构120 (在图3中进行了更详细的表 示)；架构_3 协作中继架构130 (在图2中进行了更详细的表示)；以及架构_4 多BS共 享中继架构140。每种示例性架构都包括至少一个WTRU 150、至少一个中继站(RS) 160和 一个基站(BS) 195。每个WTRU 150都可以包括发射机165、接收机170和处理器175。每个RS 160都
6可以包括发射机180、接收机185和处理器190。在这些架构中的每种架构中都可由各个节点传送和接收各种信号，下面将详细描 述。实际上，对于每种架构都存在多种信令实施方式。我们将这些实施方式总称为“中继传 输方案”或简称为“传输方案”。下面讨论上述4种架构的优点和应用。在架构-1110中，WTRU可仅从RS 160，而不直接从BS 195接收信号。也就是说， WTRU 110位于BS覆盖的深度阴影的区域或直接位于BS覆盖盲区中。这种架构还可用于 位于小区边缘的WTRU，此时来自相邻小区的小区间干扰很大。在这种情况下，转发中继160 从BS 195接收DL数据，并直接将该数据转发给WTRU 150，对于UL数据也是这样。这种转 发中继架构的变形是存在多个串联连接(无线地)的中继的一种中继架构。这在图4中示 出ο在架构-2120中，RS 160服务于多个位于该RS 160的覆盖区域内的WTRU 150。 这种架构的优势是可将BS-RS数据通信集合在一起，从而减小开销。例如，可通过为集合分 组定义结合的报头来减少与各种分组报头有关的开销。在架构-3130中，虽然比通常从RS 160所接收的信号弱，但是WTRU 150还能够 直接从BS 195接收和处理信号。这种配置具有两个重要的意义。首先，由于BS 195向RS 160发送DL数据，WTRU 150可监视和接收具有特定误差率的一些或全部数据。这种数据通 常称作“软”数据。这减少了由RS 160 “转发”的数据量，或增加了对RS 160所“转发”的 数据量成功接收的可能性。第二，BS 195和RS 160可同时向WTRU 150传送两个“协作”信 号，模仿了多天线情况。由于在这种情况中没有配置“多天线”，因此我们将其称为“分布式 ΜΙΜΟ”配置。这种架构的优势与使用MIMO的好处类似。架构-4140使用多个RS 160来协助WTRU 150。这种示例也可看作分布式MIMO配
置，其增强了性能。以技术上直接转发的方式将这4种基础架构中的两个或更多个相结合，能够产生 实用的配置来克服上述问题。在图1的每种架构中，将RS 160被示出与给定小区相关联。当系统中有多个小区 时，RS 160与BS 195之间的关联可以是静态或动态的，如图5所示。在另一种实施方式中， RS 160可以与多个BS 195相关联，如图6所示。这实现了多个小区间的协作和兼容性，以 有效地通过一组共享RS来为WTRU组服务。参考图1，当单个BS-RS信道155服务于单个WTRU 150时，要解决的技术问题是，怎 样向WTRU 150通知有关RS 160的情况。例如，这可通过BS 195广播关于RS 160的信息来实 现。可替换地，RS 160可广播其存在情况。另一个技术问题是，WTRU 150怎样选择RS 160， 并怎样将其自身与所选RS 160相关联。所增加的复杂性是还需要将关联信息发送至BS 195。对于同步，在中继中所产生的延迟会叠加在BS 195与WTRU 150之间的主要传输 延迟上。反过来，往返时间(RTT)也会受到影响，这会影响特定协议的性能，例如TCP和ARQ。 结果，BS 195和WTRU 150的缓冲需求也会增加。必须在WTRU中继、BS中继和WTRU中继BS之间交换最小量的信令信息。因此，需 要确定这些信令的需求是什么，以及怎样被传送。例如，功率控制消息和定时提前消息只需 在WTRU 150和RS 160之间传递，而不需传送至BS 195。中继传输方案(RTS)
上节介绍了用于在蜂窝网络中使用RS的各种物理架构，需要注意，每种架构都可 支持用于不同节点传输和接收的不同信号的选择。本节描述了多个这种“传输方案”，并分 析了其性能。图7是TDM中继示例的示意图，其中中继在不同时间间隔传送和接收信号。 例如，在DL，TDM中继705a,…，705j可在一个时间间隔从BS 710接收信号，并在之后的时 间间隔中将该信号传送至WTRU。这些时间间隔称作阶段或传输时间间隔(TTI)，T1720和 T2730。虽然在图7中将T1720和T2730表示为连续的，T2可以不必与Tl是连续的。事实 上，在一些实施方式中，T2730可能由于调度限制而不太可能与T1720连续。并且，T1720和 T2730的持续时间是灵活的，取决于信道状况，该信道状况反过来确定成功接收特定数据块 所需的时间。在一个示例中，将传输媒介划分为具有固定大小的TTI，使得T1720和T2730 是固定TTI的整数倍。但是，TTI的大小也可以是可变的或可动态改变。T1720和T2730的 大小可相互不同。还可设计其它类型的中继，例如，FDM中继，其可在不同频带进行传送和接收。这 些设计是通用的，并可用于除TDM中继以外的中继类型。为了简化起见，只讨论TDM中继环 境中的各种设计的细节。虽然在DL数据传输的环境中讨论了该设计，但是该设计也可用于 UL数据传输。再次参考图7，TDM中继705的基本思路是其在阶段1 (表示为T1720)接收从BS 710所传送的DL数据，并在阶段2 (表示为T2730)在DL方向向WTRU 740传送DL数据。将 这些传输称为“简单”阶段1传输和“转发”阶段2传输。在阶段1期间，WTRU 740还可能 对从BS 710所传送的DL数据进行接收和尝试解码。这称作“多播”阶段1传输。类似地， 在阶段2期间，BS 710还可能向WTRU 740传送DL数据。这称作“协作”阶段2传输。目 前，这些对阶段1和阶段2的变形能产生4种基本TDM中继传输方案，称作简单转发中继传 输方案、多播转发中继传输方案、简单协作中继传输方案和多播协作中继传输方案。在简单转发中继传输方案中，BS可使用信道编码来传送DL数据，例如前向纠错 码，如常规或Turbo码或LDPC码；错误检测码，如CRC块码；调制方案，例如M_ary QAM等； 和多天线(MIMO)映射方案。阶段2中转发的信号可以基于所接收的基带信号、所接收的解 调信号或所接收的解码数据。所产生的方案分别称为“放大并转发”、“解调并转发”和“解 码并转发”。在后两种情况中，由于RS-WTRU链路的质量与BS-RS链路的质量不同，因此用 于转发的新调制和/或新信道码可以与阶段1中所用的调制和/或信道码不同。图8是涉及解码并转发方案800的操作顺序的流程图，其中BS选择RS810，并向所 选RS传送用于WTRU的消息820。该RS根据信道质量度量对消息解码，并重新编码830。如 果需要的话，BS可将DL数据重传至RS，直到RS没有任何错误地接收该DL数据(未示出)。 可使用ARQ和/或HARQ协议来实现这种无错传输。在这种情况下，可基本由RS正确接收 BS所发送的数据所用的时间来定义阶段1。类似地，在阶段2期间，RS传送，以及可能重传 DL数据，直到WTRU正确将该DL数据解码840。在多播转发中继传输方案中，在阶段1中，BS所传送的信号不光被RS接收，还被 WTRU接收。在阶段2中，RS将所接收的信号转发给WTRU，WTRU将该信号与阶段1中所接收 的BS信号“相结合”，以正确接收BS数据。该“结合”过程使该中继传输方案优于简单转发 方案。虽然RS可以使用三种可能的转发方案(即放大并转发或解调并转发或解码并转发) 之一来转发所接收的BS数据，但是为了简单起见，仅讨论解码并转发方案。在这种情况下，BS再次传送，并可能重传DL数据，直到RS正确对该DL数据解码，此时表明阶段1结束。可使用前向纠错&检测码来对阶段1中所传送的信号进行信道编码，其中，WTRU在 阶段1结束时，会收到BS所发送的DL数据的软解码版本。实际上，WTRU通常在阶段1中不 能对DL数据进行正确解码(由于较差的BS-WTRU信道比BS-RS信道对BS信号造成的衰减 更大)，并且需要使用相关可信性度量(例如软数据)来对数据解码。在阶段2期间，WTRU 将阶段1的软数据与RS转发的数据软结合，并可能在某些重传后，对RS所传送的数据进行 正确解码。可替换地，可使用无比率编码对阶段1中所传送的信号进行编码。这些编码基本 是适用于单个发射机和多个接收机的通信情况的信道编码。这些编码的一个好处是在阶段 1结束时，当RS已经将所有DL数据进行正确解码时，WTRU(由于较差的信道状况)可能只 对所有DL数据的子集进行了解码。由于这是“硬”数据(即正确可能性为1的数据)，因此 可将RS在阶段2的数据传输限制为仅传送剩余DL数据(WTRU没有正确解码的数据)，WTRU 可简单地将阶段1和阶段2中所正确解码的DL数据进行连接，从而避免了进行“软结合”。 最后，可使用任何现有的点对多点的最优信道编码之一来对所传送的信号进行信道编码。在简单协作中继传输方案中，阶段1的传输细节与简单转发中继传输方案中的相 同。在阶段1结束时，中继已成功对BS所传送的DL数据进行了解码。在阶段2中，BS和 RS可以以“协作”的方式传送信号，并增强向WTRU的数据传输效率。BS和RS可以以不同 方式进行协作，其中包括相同信号的分集传输(其可用于多路径分集接收)、WTRU端成束信 号的协同传输(其在发射机处需要信道状态信息)、分布式时空编码信号的分集传输(例如 Alamouti编码)和使用分布式空间复用方案的更高速率传输(例如预编码技术)。下面讨论使用上述各种传输方案所能达到的有效数据速率。为了计算有效数据速 率，可将两个阶段的每个阶段期间的每条链路(BS-RS、RS-WTRU和BS-WTRU)上可达到的速 率进行结合，以获得每个中继传输方案的有效可达到速率。所结合的速率称为“有效吞吐量 TPeff".每个链路的可达到速率可理解为是从链路层面模拟所计算出的理论信息容量速率 或SINR对速率曲线。用于简单转发RTS的TPf该RTS也可简称作“2跳”方案。在本例中，BS向所选RS传送b个信息比特，直至 RS对比特完全解码。之后RS转发解码后的比特。之后WTRU才开始解码过程。在这种情况 下的有效吞吐量由等式表示TPeff(2跳)== ^BS-RS^RS-U 等式⑴
1RS + 1UBS-RS+1^RS-U其中。
1^BS - RSs^u1^RS-U用于多播转发RTS的TPf如上所述，可将信道码和无比率码用于多播的阶段1。在本例中，使用无比率码。 理论上，无比率码是无限长的编码比特流，其使解码过程独立于信道状况。WTRU可在BS的 通信开始时，开始对BS向RS所发送的DL数据进行解码。因此，WTRU在第一阶段，以Ru(I) =Rbs-U的速率来对从BS发送的一些比特进行解码。在第二阶段，RS通过以RJ2) = Rkshi 的速率仅发送WTRU还没有解码的剩余比特来恢复从BS的传输。其按照
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权利要求
一种用于无线通信的方法，该方法包括将消息划分为第一部分和第二部分；以第一频率将所述消息的第一部分直接传送至基站；以及以第二频率通过中继站将所述消息的第二部分传送至基站。
2.一种用于无线通信的方法，该方法包括在无线发射/接收单元(WTRU)处使用无比率2跳方案； 在通信的第一阶段中，从基站接收第一多个信息比特； 对所接收到的第一多个信息比特进行解码；在所述通信的第二阶段中，从中继站接收第二多个信息比特，其中该第二多个信息比 特是所述WTRU在所述第一阶段中没有解码的剩余比特。
3.根据权利要求2的方法，该方法还包括使用分布式天线系统，其中所述WTRU同时从所述基站和所述中继站接收不同的信息 比特；以及所述WTRU使用连续干扰消除来在所述不同的信息比特之间进行区分。
4.一种用于无线通信的方法，该方法包括 接收预定给无线发射/接收单元(WTRU)的消息； 对所述消息进行解码；对所述消息进行重新编码；以及 将重新编码后的消息重传到所预定的WTRU。
5.一种使用无线协作通信的无线发射/接收单元(WTRU)，该WTRU包括 处理器，被配置为将消息划分为第一部分和第二部分；发射机，被配置为以第一频率将所述消息的第一部分直接传送至基站，并且以第二频 率将所述消息的第二部分传送至中继站。
6.一种用于无线协作通信的无线发射/接收单元(WTRU)，该WTRU包括接收机，被配置为在所述通信的第一阶段中，从基站接收第一多个信息比特，并且在所 述通信的第二阶段中，从中继站接收第二多个信息比特；以及 处理器，被配置为对所接收到的第一多个信息比特进行解码； 其中该第二多个信息比特是所述WTRU在所述第一阶段中没有解码的剩余比特。
7.根据权利要求6的WTRU，该WTRU还包括分布式天线系统，被配置为同时从所述基站和所述中继站接收不同的信息比特；以及 其中所述处理器使用连续干扰消除来在所述不同的信息比特之间进行区分。
8.一种在无线协作通信中使用的中继站，该中继站包括接收机，被配置为接收预定给无线发射/接收单元(WTRU)的消息； 处理器，被配置为对所述消息进行解码和重新编码；以及 发射机，被配置为将重新编码后的消息重传至所预定的WTRU。
全文摘要
用于无线通信中协作的方法和设备。该协作被认为是在多个网络元件之间进行的，该网络元件包括至少一个无线发射接收单元、至少一个中继站和至少一个基站。
文档编号H04W16/26GK101965741SQ200880127457
公开日2011年2月2日 申请日期2008年12月31日 优先权日2008年1月2日
发明者A·L·皮内罗, A·列兹尼克, C·叶, G·A·查尔顿, K·N·曼斯塔, M·C·贝卢里, M·萨摩尔, P·R·季塔布, R·胡, S·斯费尔, Y·C·沙阿, Z·林, 张国栋 申请人:交互数字技术公司