专利名称：无线通信系统以及其中使用的通信方法、中间装置的制作方法
技术领域：
当前，存在着对在基于分组的无线电通信系统和其他通信系统中使用多跳技术的 浓厚兴趣，据称，该技术将既能够扩大覆盖范围又能够增加系统容量(吞吐量)。
背景技术：
在多跳通信系统中，在沿着从源装置经由一个或更多个中间装置到目的地装置的 通信路径的通信方向上发送通信信号。图1例示了包括基站BS(在3G通信系统语境中公 知为"节点B(node-B) "NB)、中继节点RN(也公知为中继站RS)以及用户装置UE(也公知为 移动站MS或用户站SS ;下文中，縮略语MS/SS被用来指示这些类型的UE中的任一个)的 单小区两跳无线通信系统。在信号在从基站经由中继节点(RN)到目标用户装置(UE)的下 行链路(DL)上传输的情况下，所述基站包括源站(S)而所述用户装置包括目标站(D)。在 通信信号在从用户装置(UE)经由中继节点到基站的上行链路(UL)上传输的情况下，所述 用户装置包括源站而所述基站包括目标站。后一种形式的通信包括作为入网程序(network entry procedure)的一部分的由用户装置向基站(进而向网络)传输表示该用户装置自身 的信号。这与下面将解释的本发明具体相关。
中继节点是中间装置的示例并且包括可操作以从源装置接收数据的接收机；以 及可操作以将该数据或其派生物(derivative)发送到目的地装置的发射机。
简单的模拟中继器或数字中继器已经被用作中继，以改善或者提供对盲点(dead spot)的覆盖。它们或者可以以与源站不同的传输频带操作以防止源传输和中继器传输之 间的干扰，或者可以在不存在来自源站的传输的时候进行操作。 图2图示了中继站的多个应用。对于固定基础设施，中继站提供的覆盖可以是"内 部填充式的(in-fill)"，以允许这样的移动站对通信网络进行访问，所述移动站本来受其 他物体的强烈影响，或者本来尽管位于基站的正常范围内但是不能从所述基站接收足够强 度的信号。"范围延伸"也被示出，其中当移动站在基站的正常数据发射范围外时中继站仍 允许访问。图2a的右上角示出的内部填充式的一个示例，该示例定位游动中继站，以允许 覆盖渗透建筑(可以在地平面之上或之下)内部。 其他应用是起临时覆盖作用的游动中继站，在大事或者紧急事件/灾难期间提供 接入。图2b的右下角示出了最后一个应用，该应用使用定位在交通工具上的中继来提供对 网络的接入。 还可以结合高级传输技术来使用中继，以增强通信系统的增益，下面将进行解释。
众所周知，由于在无线电通信穿过空间传播时被散射和吸收而发生的传播损耗或 "路径损耗"导致信号强度降低。影响发射机和接收机之间的路径损耗的因素包括发射机 天线高度、接收机天线高度、载波频率、杂波(clutter)类型(城市、城市边缘、乡村)、形态
4(例如高度、密度、间距(s印aration))、地形(丘陵、平地)的细节。发射机和接收机之间 的路径损耗L(dB)可以用下式来建模
L = b+10nlogd (A) 其中d(米)是发射机和接收机的间距，b(db)和n是路径损耗参数，而绝对路径 损耗由1二10^油给出。 间接链路SI+ID上所经历的绝对路径损耗的和可能小于直接链路SD上所经历的
路径损耗。换言之可能有 L(SI)+L(ID) < L(SD) (B) 因而，将单条传输链路分成两条(或更多条)更短的传输段可以利用路径损耗与 距离之间的非线性关系。根据使用等式(A)对路径损耗进行简单的理论分析，可以意识到 如果将信号经由中间装置(一个或更多个中继节点)从源装置发送到目的地装置而不是将 信号直接从源装置发送到目的地装置，可以实现总损耗的降低(从而改善或增加信号的强 度以及数据吞吐量)。如果正确地进行实现，则多跳通信系统可以允许降低发射机的发射功 率，这将便于无线传输，导致干扰程度的下降以及减少电磁辐射曝露量。另选地，整个路径 损耗的降低可以被利用来改善在接收机处接收到的信号的质量，而无需增加运送该信号所 要求的总发射传输功率。 多跳系统适合与多载波传输一起使用。在多载波传输系统(例如FDM(频分复 用)、OFDM(正交频分复用)或者匿T(离散多音))中，单个数据流被调制到N个并行的子载 波上，各子载波信号具有自己的频率范围。这允许将整个带宽(即给定时间间隔内要发送 的数据量)划分到多个子载波上，从而增加了各数据符号的持续时间。因为各子载波具有 更低的信息速率，所以与单载波系统相比，多载波系统可增强对信道引入的失真的抗扰性， 并从而受益。通过保证传输速率并由此各子载波的带宽小于信道的相干带宽(coherence bandwidth)使这成为可能。所以，在信号子载波上经历的信道失真是与频率无关的并且因 此可以通过简单的相位和幅度因子来纠正。所以，当系统带宽超过了信道的相干带宽时， 相对于单载波接收机中对应的实体，多载波接收机中的信道失真纠正实体的复杂度明显降 低。 正交频分复用(OFDM)是基于FDM的调制技术。OFDM系统使用数学意义上正交的多 个子载波频率，从而由于这些子载波频率实际上相互独立所以子载波的频谱可以无干扰地 重叠。OFDM系统的正交性消除了对保护带频率的需要，从而增加了系统的频谱效率。OFDM 已经被提出并为许多无线系统所采用。它现在被用在非对称数字用户线路(ADSL)连接、一 些无线LAN应用(例如基于IEEE 802. 11a/g标准的WiFi设备)以及(和本发明具体相关 的)无线MAN应用(例如WiMAX(基于IEEE802. 16标准))中。OFDM经常结合信道编码、 纠错技术来使用，以创建编码的正交F匿或C0FDM。 C0F匿现在被广泛用于数字电信系统 中，以改善在多径环境中基于OF匿系统的性能，在所述多径环境中可以看到信道失真中的 变化贯穿于频域中的子载波和时域中的符号。已经发现该系统用于视频和音频广播(例如 DVB和DAB)以及某些类型的计算机网络技术中。 在0F匿系统中，通过使用离散傅立叶逆变换或快速傅立叶逆变换(IDFT/IFFT)算 法将一组N个调制后的并行数据源信号映射到N个正交的并行子载波上，以在发射机处形 成公知为时域中"0F匿符号"的信号。所以，"0F匿符号"是所有N个子载波信号的合成信号。OF匿符号可以在数学上表示为 柳=~^&V一 ， os"7; (1) 其中，Af是以Hz为单位的子载波间距，Ts = 1/Af是以秒为单位的符号时间间 隔，而 是调制后的源信号。各源符号被调制到其上的式(1)中的子载波向量c G Cn，c = (c。， cvcN—》是来自有限星座图的N个星座图符号的向量。在接收器侧，通过应用离散傅 立叶变换(DFT)或快速傅立叶变换(FFT)算法将接收到的时域信号转换回频域。
OFDMA(正交频分多址)是OF匿的多址变体。它通过将子载波的子集赋给单独用 户来工作。这允许从几个用户同时传输，而获得更好的频谱效率。然而，仍然存在允许无干 扰的双向通信(即在上行链路方向和下载方向上)的问题。 为了支持两个节点之间的双向通信，存在两种熟知的不同方法来使两条(正向或 者下载，以及反向或者上行链路)通信链路双工运行，以克服设备不能在相同资源介质上 同时发射和接收的物理限制。第一种方法(频分双工(FDD))涉及将传输介质细分成两个 不同的频带(一个用于正向链路通信而另一个用于反向链路通信)来在不同频带上同时操 作两条链路。第二种方法(时分双工(TDD))涉及在相同频带上操作两条链路，但是在时 间上细分对介质的访问，从而在任意一个时间点只有正向链路或只有反向链路将利用该介 质。两种方法(TDD以及FDD)都具有它们相对的优点，并且对于单跳有线和无线通信系统都 是被很好使用的技术。例如，IEEE 802. 16标准既包括FDD模式又包括TDD模式。因而，通 过引用将IEEE标准802. 16-2004"Air Interface for Fixed BroadbandWireless Access Systems"的全部内容并入本文中。 在MS/SS和BS之间直接进行通信的单跳通信系统中，MS/SS和BS —起遵循入网 程序。然而，对于BS和MS/SS之间的通信通过一个或更多个中继站RS进行的多跳系统，公 知的入网程序是不能胜任的。所以需要可以应用在这种情况下的改善了的入网程序。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种在无线通信系统中使用的传输方法，所述系 统包括源装置、目的地装置、和中间装置，所述源装置和目的地装置被构成为通过所述中 间装置发送和接收信息，至少所述源装置被构成为执行包括测距进程在内的入网程序，以 连接至所述系统，所述方法包括在所述中间装置中，在满足阈值之前，管理所述中间装置 和所述源装置之间的所述测距进程。 根据本发明的另一方面，提供了一种无线通信系统，所述无线通信系统包括源装 置、目的地装置、和中间装置，所述源装置和所述目的地装置被构成为通过所述中间装置发 送和接收信息，至少所述源装置被构成为执行包括测距进程在内的入网程序，以连接至所 述系统，其中所述中间装置包括管理装置，在满足阈值之前，该管理装置用于进行与所述 源装置的所述测距进程。 根据本发明的再一方面，提供了一种在无线通信系统中使用的中间装置，所述系 统具有构成为通过所述中间装置发送和接收信息的源装置和目的地装置，所述系统需要至 少所述源装置执行包括测距进程在内的入网程序，以连接至所述系统，其中，所述中间装置 包括管理装置，其在满足阈值之前，用于进行与所述源装置的所述测距进程。
本发明还定义在现在要引用的独立权利要求中。在从属权利要求中提供了有优势的实施方式。 本发明的实施方式提供了通信方法、通信系统、中间装置(例如中继站RS)，采用新颖的协议作为BS和RS遵循的入网程序，使得传统的MS或SS可以进入支持中继的通信网络。该协议涉及RS可以管理整个过程的分散式控制。该协议可以基于对遵循IEEE802. 16标准的当前入网程序的改进，并具体针对RS发送同步并广播控制信息(即前同步码(preamble)和MAP)的情况设计。 本发明还包括用于在RS上或在用作RS的MS/SS上执行该新颖的协议的计算机软件(其可以存储在计算机可读记录介质上)。
现在将参照附图以实施例的方式描述本发明的优选特征，在附图中
图1示出了单小区两跳无线通信系统；
图2示出了中继站RS的应用；
图3示出了标准MS入网程序；以及 图4示出了实施本发明的在支持中继的网络中在MS测距过程中的RS管理过程。
具体实施例方式
在传统的单跳系统(例如802. 16-2004和802. 16e_2005)中，已经存在标准入网程序以支持MS或SS进入通信网络。然而，当网络被修改成支持传统的MS或SS所不了解的中继功能时，从网络角度看，需要修改入网程序，以便快速和有效地支持MS/SS入网。
本发明提供了从网络角度看旨在被用作修改的入网程序(即用在RS和BS中)的协议。具体地，这种协议被设计为意在能够应用IEEE802. 16标准，并且从MS或SS的角度看，无须改变程序。这种协定也设计为用于非透明中继的情况，在这种情况中，RS能够传输前同步码和广播控制信息，并且由此具有在本地管理进程的能力(即，分散控制)，并且由此最小化等待时间(否则等待时间将与中继相关联)。 图3图示了在IEEE 802. 16标准中描述的入网程序，所述IEEE 802. 16标准支持MS或SS入网到单跳通信系统中。 这里，假设网络已经知道入网程序期间MS正在与之通信的任意RS(附带地，在本说明书中，术语"网络"和"系统"被可交换地使用)。例如，在单独的程序(例如在这里通过引用包括其公开的英国申请第0616475. 0号中描述的一个程序)之后，RS可能已经完成了网络的进入。还假设由于要求网络支持传统用户，所以MS或SS从它的角度看仍然遵循与图3中所图示的相同的入网程序。然而，RS遵循的程序在这里被定义，而BS遵循的程序则从对在单跳网络的情况下遵循的程序进行修改得到。为了便于解释，将考虑图1中的两跳结构，尽管本发明不限于此。
扫描下行链路信道 在本阶段期间，MS/SS扫描前同步码传输(前同步码可能源自BS或RS)。 一旦检测到所有潜在的前同步码，则MS将按照标准程序从可获得的信道集中选择它希望使用的信道。然后MS将它的接收机与发射机同步。
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注意，这里不需要超过现存单跳系统中的操作的额外操作。
获得上行链路参数 在本阶段期间，MS/SS获得上行链路参数，所述上行链路参数包括MS/SS将在下一阶段中使用的上行链路控制信息传输区域的位置。该信息将由MS/SS试图连接的BS或RS产生。 测距和自动调整 MS/SS将如IEEE 802. 16标准中定义的那样向网络发送测距码或测距消息，作为一种标识自身的标识消息。(附带地，尽管在使用0F匿时，术语"测距消息"更准确而"测距码"更适合于OFDMA，但是在下面的描述中都使用"测距码")。在多跳网络中可能有多个接收机接收该传输。这种码将基于所选择的下行链路信道被引向优选的接收器。
随后，测距码的接收器一般将试图独立地检测所述测距码，RS对MS的表现与BS对MS的表现一样。然而，由于RS可能需要确保BS以及BS至RS的空中接口能够支持这种新的连接，在该系统中需要一些机制来促成。三种可选的机制为 1.测距请求从RS中继回BS，相应地设定传输功率；或者在RS中执行检测，而将检测信息中继至BS。然而，由于与这种类型的系统关联的框架结构和任何响应消息均需要经由RS这样的事实，从MS/SS的角度看，这两种情况均将引起额外的等待时间。因此，从执行的角度来看，这种方法并非优选的，然而，这种方法保持RS的复杂性最小，从而在这一点上是有利的。 2. BS向RS通知检测阈值，并且在满足该阈值之前RS管理测距进程，在本地产生反馈信息。然而，该整个方法最后的测距响应仍然必须从BS中继，这将产生一些额外等待时间。与1中提出的机制相比，这种方法提供了较低的等待时间方案，但是需要增加复杂性。
3.(优选机制)RS完全本地管理测距进程。然而，为了确保BS能够支持这种连接，一旦RS通过检测测距码第一次得知了 MS试图入网，就向BS通知用户正在试图入网。这种机制在RS管理测距进程的同时，有效地、并行地在RS至BS的链路上，用管道输送涉及该连接的第二"测距进程"，从而使等待时间最小化。该第二"测距进程"为由RS代表MS与BS进行的进程，并且不需要其自身的测距码。BS随后将向RS通知这种连接是否能够被支持，并且还向RS通知有关于可以在复合链路上提供的连接类型、服务等级等的任何特定信息。随后，RS可以解释所述信息，向MS/SS传递相关内容，或利用所述信息确定是否继续测距进程。RS还可以向BS要求在其成功测距消息或任何继续测距消息中要求包含的特定信息。由于第三种机制通过独立地在两个链路上运行测距进程和入网程序而提供最高的效率的事实，因此第三种机制在网络性能方面是优选的。然而，这种方法需要RS的最高的复杂性。 图4例示了在段落3中描述的程序。这里，(100)表示通过试图通过RS进入网络的MS或SS发送至RS(或BS)的第一消息。如果RS检测到(100)则在同一帧中(或者稍后的时刻)向BS发送消息(200)，以请求支持这种进程所需的任何信息，并且还向BS通知(100)的到达。RS随后将利用适当的消息(300)来响应MS/SS，所述适当的消息(300)可以为例如继续消息，并且包括至MS/SS的信息(诸如对其下一次传输的调整)。BS还将响应于(200)，以确认并提供(200)中所请求的信息，如通过(400)示出的。
在随后某个时间点，MS/SS可能传输又一消息(500)。如果从RS的角度看这仍然是不足的，则RS可以响应以诸如(300)之类的又一继续和调整消息。然而，当RS最终接收到充分的消息(500)时，RS将结束测距进程。此时，将利用消息(600)通知BS，并且还可以在又一消息(700)中请求随后的入网阶段所需的信息。RS随后将通过又一消息(800)通知MS/SS测距进程成功完成。 应注意，从RS的角度看，在来自MS/SS的第一传输(100)充分的情况下，RS和BS之间的消息仍将进行交换(即(200) (400) (600) (700))，然而RS和MS显然将跳过消息(300)和(500)。 另选的是，在多跳架构中，可以将多个RS穿插在MS/SS和BS之间的通信路径中。在这种情况下，上述程序被修改为包括一个RS，该RS从/向另一个RS接收和/或中继测距码或检测信息，这样将并行发生由相应的RS独立管理的两个以上的进程。
在上述说明中，假定网络可以包括一些传统BS( S卩，遵从现有协议操作的基站)和一些支持中继的BS(即，根据本发明操作的基站)。还假定支持中继的BS可以在传统模式下操作，直到从RS接收到其要进入网络的请求。BS可以以这种模式操作的原因是为了当不存在受益于这种传输的中继器时，通过并不必广播中继专用信息来保护传输资源。
其余入网进程 当RS获知MS进入网络时，RS可以完全地管理入网进程中的其余步骤。随后，以在未引入额外等待时间的情况下RS和MS之间的进程最优的方式，RS可以寻找信息的来源，或者向BS通知该入网程序的状态。 例如，假定RS已经通过BS授权，则RS能够在本地管理授权进程，向BS通知状态，以及根据需要寻找来自任何中心定位的服务器(所述服务器管理网络中的授权)的中心存放的信息。 如上所述，本发明可以提供以下效果 o定义了测距和入网程序，所述程序有效地包括并行地发生的两个或更多个(根
据链路的数量)进程，并且由该连接所要求的RS独立地管理； o由于进程的本地管理，能够最小化与入网伴生的等待时间； o提供可升级方案，其能够使系统支持可能的大量的跳，而对入网性能不存在显著的或非常不利的限制性影响。 因此，本发明的实施方式可以提供一种在无线通信系统中使用的传输方法，所述系统包括用户站、基站和形式为一个或更多个中继站的中间装置。用户站和基站被设置为通过中间装置发送和接收信息，至少所述用户站被要求执行入网进程以连接至所述系统，所述方法包括在中间装置中，例如通过接收来自用户站的测距码，来确定用户站是否已经启动了与中间装置的入网进程。根据这种确定，中间装置向基站通知该事实，同时继续进行与用户站的入网进程。基站利用到中间装置的返回消息来响应于这种通知，这种返回消息是所执行的从基站至中间装置的引导进程的一部分，这样中间装置能够管理整个入网进程。这种方法尤其涉及基于诸如IEEE802. 16标准的多跳无线系统。 本发明的实施方案可以用硬件、或者运行在一个或更多个处理器上的软件模块、或者它们的组合来实现。即，本领域技术人员将意识到微处理器或数字信号处理器(DSP)可以在实际中被用来实现具体实施本发明的发射机的一些或全部功能。本发明还可以被实施为一个或更多个设备或装置程序(例如计算机程序和计算机程序产品)，来实行本文描
9述的任意方法的部分或全部。实施本发明的这些程序可以被存储在计算机可读介质上，或者例如可以是一个或更多个信号的形式。这些信号可以是可以从因特网网站下载的数据信号、或者可以被提供在载波信号上，或者可以是任意的其他形式。 实施本发明的程序还可以将上面描述的RS的功能添加到具有合适硬件的MS/SS中。
权利要求
一种在无线通信系统中使用的传输方法，所述系统包括源装置、目的地装置、和中间装置，所述源装置和目的地装置被构成为通过所述中间装置发送和接收信息，至少所述源装置被构成为执行包括测距进程在内的入网程序，以连接至所述系统，所述方法包括在所述中间装置中，在满足阈值之前，管理所述中间装置和所述源装置之间的所述测距进程。
2. 根据权利要求1所述的传输方法，其中，从所述中间装置向所述源装置发送与所述测距进程有关的反馈信息。
3. 根据权利要求1所述的传输方法，其中，所述中间装置将来自所述目的地装置的最后的测距响应中继至所述源装置。
4. 根据权利要求1所述的传输方法，其中，所述测距进程包括从所述源装置到所述中间装置的一个或更多个测距尝试。
5. 根据权利要求4所述的传输方法，其中，在成功的测距尝试之后，所述中间装置管理与所述源装置的所述入网程序的其余部分。
6. 根据权利要求1所述的传输方法，其中，所述源装置为用户站。
7. 根据权利要求1所述的传输方法，其中，所述目的地装置为基站。
8. 根据权利要求1所述的传输方法，其中，所述中间装置为设置在所述源装置和所述目的地装置之间以双跳架构布置的中继站。
9. 根据权利要求1所述的传输方法，其中，所述中间装置由设置在所述源装置和所述目的地装置之间的以多跳架构布置的多个中继站构成，第一个所述中继站检测所述源装置启动的所述入网程序，并且将所述通知中继至另一中继站，以转发至所述目的地装置。
10. —种无线通信系统，所述无线通信系统包括源装置、目的地装置、和中间装置，所述源装置和所述目的地装置被构成为通过所述中间装置发送和接收信息，至少所述源装置被构成为执行包括测距进程在内的入网程序，以连接至所述系统，其中所述中间装置包括管理装置，在满足阈值之前，该管理装置用于进行与所述源装置的所述测距进程。
11. 根据权利要求io所述的系统，其中，所述中间装置被构成为向所述源装置发送与所述测距进程有关的反馈信息。
12. 根据权利要求IO所述的系统，其中，所述中间装置被构成为将从所述目的地装置接收的最后的响应中继至所述源装置。
13. 根据权利要求10所述的系统，其中，所述测距进程包括从所述源装置到所述中间装置的一个或更多个测距尝试。
14. 根据权利要求13所述的系统，其中，所述中间装置的所述管理装置响应于成功的测距尝试而管理与所述源装置的所述入网程序的其余部分。
15. —种在无线通信系统中使用的中间装置，所述系统具有构成为通过所述中间装置发送和接收信息的源装置和目的地装置，所述系统需要至少所述源装置执行包括测距进程在内的入网程序，以连接至所述系统，其中，所述中间装置包括管理装置，其在满足阈值之前，用于进行与所述源装置的所述测距进程。
16. —种记录有计算机程序的计算机可读介质，该计算机程序在由无线通信系统中的中间装置执行时为所述中间装置提供以下功能在满足阈值之前，管理所述中间装置和所述源装置之间的所述测距进程，其中所述无线通信系统具有构成为通过所述中间装置发送和接收信息的用户站和基站，并且需要至少所述用户站执行包括测距进程的入网程序以连接至所述系统。
全文摘要
本发明公开了无线通信系统以及其中使用的通信方法和中间装置，所述无线通信系统包括源装置、目的地装置、和中间装置，所述源装置和目的地装置被构成为通过所述中间装置发送和接收信息，至少所述源装置被构成为执行包括测距进程在内的入网程序，以连接至所述系统，该在无线通信系统中使用的传输方法包括在所述中间装置中，在满足阈值之前，管理所述中间装置和所述源装置之间的所述测距进程。
文档编号H04B7/26GK101730116SQ20091022459
公开日2010年6月9日 申请日期2007年9月6日 优先权日2006年9月8日
发明者周跃峰, 迈克尔·约翰·比默斯·哈特 申请人:富士通株式会社