免许可频段下蜂窝移动通信系统的帧结构及通信协议的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种免许可频段下蜂窝移动通信系统的帧结构及通信协议，其帧结构包括无线帧、半帧、子帧、时隙以及OFDM符号，无线帧的第0号和第5号子帧为特殊子帧，给定了特殊子帧中控制信道的时频资源配置以及上/下行比例不同的四种子帧配置。基于上述帧结构的免许可频段下蜂窝移动通信系统的通信协议，其特征在于基站/用户在接入信道前检测信道是否空闲。应用本发明技术方案，能灵活地支持不同上/下行比例的业务，能尽早完成同步、随机接入、传输等过程，能支持免许可频段基站/用户在接入信道前检测信道是否空闲的法规要求，且本发明对原有LTE协议的改动尽可能小。
【专利说明】
免许可频段下蜂窝移动通信系统的顺结构及通信协议
技术领域
[0001] 本发明属于移动通信技术领域，具体设及一种免许可频段下蜂窝移动通信系统的 帖结构及通信协议。
【背景技术】
[0002] 免许可频段的长期演进(Xong term evolution in unlicensed band,LTE-U)技 术是将传统LTE部署到免许可频段，从而提升蜂窝网络容量、缓解许可频段流量压力。LTE-U 系统工作在免许可频段，进行下行数据传输，面临多个技术难题:一是要满足国际标准化组 织第Ξ代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project,3GPP)规定，控制信令和 数据要在有限时长（比如10ms或13ms)内完成传输;二是要与无线局域网(Wireless Local Area化tworks，WLAN)等采用载波侦听、指数退避接入方式的系统共存，信道资源不连续， 接入信道时刻不确定，前次接入信道结束到后次接入信道之间的时间间隔较长时，基站要 重新进行同步、发起随机接入等过程。因此，LTE-U系统需要在接入信道后尽快完成同步等 过程，不能简单沿用传统LTE系统的帖结构和通信协议。
[0003] 作为LTE-U系统的Ξ种使用模式之一，LTE-U独立模式(standalone，SA)的帖结构 也不能简单沿用传统LTE系统的帖结构。不同于其它两种模式(补充下行链路模式和载波聚 合模式)可W用许可频段来辅助传输控制信令、在免许可频段上只进行下行数据传输，LTE- 闲虫立模式下控制信令和数据都要在免许可频段上传输，要支持上/下行业务。并且，LTE-U 独立模式要支持免许可频段的法规要求，不仅基站而且用户在接入信道前均要判断信道是 否空闲。
[0004] 申请号为W0 2015/054294 A2的专利针对LTE-U系统，采用空闲信道评估(Clear 化annel Assessment,CCA)的方式来接入信道，即检测到信道空闲才接入，并且相应地调整 最大发射功率。采用该专利技术，则LTE-U系统在许可频段发送控制信令，在免许可频段仅 进行下行业务的数据传输，基站可W在特殊子帖中进行CCA，但是用户在发送数据前不进行 CCA。
[0005] 在3GPP TS 36.211 标准中，LTE系统时分双工(Time Division Duplexing,TDD)类 型的帖结构有Ξ种子帖类型：下行子帖、上行子帖和特殊子帖。特殊子帖包含下行导频时隙 (Downlink Pilot Time Slot, DwPTS)、保护间隔（Guard Pe;riod，GP)、上行导频时隙 (Uplink Pilot Time Slot,UpPTS)eLTE系统TDD类型有巧巾上行/下行化plink/Downlink， 化/DL)子帖配置。上述帖结构虽然支持上/下行业务，但只在许可频段资源连续的条件下能 保证工作有序。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种免许可频段下蜂窝移动 通信系统的帖结构及通信协议，能够灵活地支持不同上/下行比例的业务，尽早完成同步、 随机接入、传输等过程，支持免许可频段基站/用户在接入信道前检测信道是否空闲的法规 要求。
[0007] 一种免许可频段下蜂窝移动通信系统的帖结构，所述的帖结构采用无线帖(Radio frame)，其由两个时长相等的半帖巧alf frame)组成，所述的半帖由五个时长相等的子帖 (Sub打ame)组成，其中五个子帖中首个为特殊子帖，其余四个均为常规子帖;常规循环前缀 下每个子帖由14个(FDM(0;rthogonal Frequen巧 Division Multiplexing,正交频分复用） 符号组成；
[0008] 所述的常规子帖包含两个时长相等的常规时隙（Slot),两个常规时隙各占用7个 (FDM符号；
[0009] 所述的特殊子帖依次包含下行导频时隙、保护间隔、上行导频时隙W及CCA时段； 其中，下行导频时隙占用10个OFDM符号，保护间隔占用1个OFDM符号，上行导频时隙占用2个 OFDM符号，CCA时段占用1个OFDM符号。
[0010] 所述的无线帖具有W下四种子帖配置：
[0011] (1)无线帖中第〇、5号子帖为特殊子帖，第1、6号子帖为上行子帖，第2~4、7~9号 子帖为下行子帖；
[0012] (2)无线帖中第0、5号子帖为特殊子帖，第1、2、6、7号子帖为上行子帖，第3、4、8、9 号子帖为下行子帖；
[0013] (3)无线帖中第0、5号子帖为特殊子帖，第1~3、6~8号子帖为上行子帖，第4、9号 子帖为下行子帖；
[0014] (4)无线帖中第0、5号子帖为特殊子帖，第1~3、6~7号子帖为上行子帖，第4、8~9 号子帖为下行子帖。
[0015] 本发明将特殊子帖安排为第0、5号子帖，W使得每次接入信道后尽早发送重要的 控制信令，尽早完成同步、驻留、发起随机接入等过程;将上行子帖安排在紧接于特殊子帖 的上行导频时隙和CCA时段之后，能减少上行-下行切换点；四种子帖配置能够灵活地支持 不同的上/下行比例的业务。
[0016] 为了尽快完成同步，所述特殊子帖中的第2号OFDM符号承载辅同步信道 (SecondaiT Synchronous 畑annel，SSCH)，第5号0即Μ符号承载主同步信道（PrimaiT 8711油'〇11〇113化日冊61，口5邸）；主/辅同步信道的上述安排与36口口了8 36.211标准关于。同 步信号与小区参考信号(Cell Reference Signal，CRS)不冲突"的安排兼容。
[0017] 为了尽快完成小区捜索，所述特殊子帖中的第6~9号OFDM符号承载物理广播信道 (Physical Broadcast Ch曰nnel，PBCH)。
[0018] 为了尽快发起随机接入，所述特殊子帖中的第11~12号OFDM符号承载物理随机接 入信道（Physical Random Access Channel, PRACH)W 及上行参考信号（Sounding Reference Signal，SRS)。
[0019] 所述特殊子帖上各控制信道的位置如下：
[0020] 物理控制格式指示信道（Physical Control Format Indicator 化annel， PCFICH)位于特殊子帖中的第0号OFDM符号上;物理混合自动重传请求指示信道(Physical Hybrid Automatic Repeat reQuest Indicator Qiannel，PHICH)位于特殊子帖中的第0~ 1号(FDM符号上；物理下行控制信道（Physical Downlink Control Qiannel，PDCCH)位于特 殊子帖中的第0~1号0抑Μ符号上；下行共享信道（Physical Downlink化ared Qiannel， PDSCH)位于特殊子帖中的第2~9号ο抑Μ符号上。
[0021] 因为LTE-闲虫立模式下每次接入信道的时长有限，所述的物理随机接入信道中的 随机接入前导码采用f〇rmat4格式;format4随机接入前导码的长度短于其它格式的随机接 入前导码。
[0022] -种基于上述帖结构的免许可频段下蜂窝移动通信系统的通信协议，其特征如 下：
[0023] 用户与基站在接入两者之间的信道前，需对信道进行CCA检测，其中：
[0024] 若用户欲在特殊子帖的上行导频时隙内发送随机接入前导码，则应在该特殊子帖 的保护间隔内先进行CCA检测；
[0025] 若用户欲在当前子帖上发送数据，则应在前一子帖的最后一个OFDM符号上进行 CCA检测；
[0026] 对于基站，其在上行-下行切换点前最后一个上行子帖的最后一个OFDM符号上进 行CCA检测。
[0027] 本发明的有益效果在于:支持在免许可频段信道资源不连续，接入信道时刻不确 定的条件下工作;支持免许可频段的法规要求，基站/用户在接入信道前先检测信道是否空 闲;应用本发明设计的特殊子帖，可W尽快完成同步过程W及发起随机接入等过程;灵活地 支持不同的上/下行比例的业务;对原有LTE协议的改动尽可能小。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明LTE-闲虫立模式的帖结构示意图。
[0029] 图2为本发明LTE-闲虫立模式的子帖与控制信令的时频安排示意图。
[0030] 图3为Configuration 3下CCA的可能时段示意图。
[0031 ]图4为LTE-U独立模式下的同步流程示意图。
[0032] 图5为LTE-闲虫立模式下基于竞争的随机接入流程示意图。
【具体实施方式】
[0033] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图W及【具体实施方式】对本发明的技术方 案及相关原理进行详细说明。
[0034] LTE-U独立模式的帖结构如图1所示，包括:无线帖、半帖、子帖、时隙W及OFDM符 号。长度为10ms的无线帖由两个长度为5ms的半帖组成。每个半帖由5个长度为1ms的子帖组 成，其中4个为常规子帖，1个为特殊子帖。常规子帖由两个长0.5ms的时隙组成。常规循环前 缀下每个子帖由14个(FDM符号组成。特殊子帖包括：下行导频时隙，占用10个(FDM符号;保 护间隔，占用1个(FDM符号；上行导频时隙，占用2个(FDM符号；CCA时段，占用1个(FDM符号。 主同步信道、辅同步信道、广播信道、物理随机接入信道等重要的控制信道都安排在特殊子 帖中。其中主/辅同步信道在DwPTS时隙上承载，物理随机接入信道在化PTS时隙上承载。
[0035] 帖结构在分层架构等方面与传统LTE系统TDD类型的帖结构相同，从而尽可能小地 改动原有LTE协议。但与传统LTE系统TDD类型的帖结构不同的是，本发明的帖结构中第0号 和5号子帖为特殊子帖，W使得每次接入信道后尽早发送重要的控制信令，尽早完成同步、 驻留、发起随机接入等过程。
[0036] 为了尽快完成同步，本发明中辅同步信道安排于特殊子帖的第2号OFDM符号，主同 步信道位于第5号(FDM符号，主/辅同步信道各占用72个子载波共1.08MHz带宽。主/辅同步 信道的上述安排与3GPP TS 36.211标准关于"同步信号与小区参考信号不冲突"的安排兼 容，因为无论是单端口，双端口或四端口，小区参考信号均不会出现在第2、3、5、6、9、10、12 和13号OFDM符号上。上述小区参考信号指的是由发射端提供给接收端用于信道估计或信道 探测的一种已知信号。
[0037] 为了尽快完成小区捜索，本发明中物理广播信道安排于特殊子帖第6~9号OFDM符 号，占用72个子载波共1.08MHz带宽。
[0038] 为了尽快发起随机接入，本发明中物理随机接入信道安排于特殊子帖第11和12号 OFDM符号，占用1.08MHz带宽。本发明中的随机接入前导码(Preamble)采用format4随机接 入前导码。运是因为LTE-U独立模式下接入信道的时长有限，而format4随机接入前导码的 长度短于其它格式的随机接入前导码。
[0039] 特殊子帖配置及时频资源位置如图2所示，物理控制格式指示信道位于第0号OFDM 符号上，共4个PCFICH，每个占用4个子载波。物理混合自动重传请求指示信道位于第0号和 第1号0即Μ符号，共3个PHICH，各占用4个子载波。物理下行控制信道位于第0号和第1号 OFDM，占用除PCFICH和PHICHW外的子载波。下行共享信道位于第2~9号(FDM符号，占用除 中屯、频点周围72个子载波W外的952个子载波。GP位于第10号OFDM符号，占用1个OFDM符号， 运是因为免许可频段每个节点的发射功率不允许超过规定口限，LTE-闲虫立模式基站的发 射功率受限，其覆盖半径较小，其无线信号在基站与小区边缘间传播时多径时延扩展较小， 一个OFDM符号长度的GP足W对抗多径干扰。特殊子帖的第11号和第12号为化PTS时隙，用于 承载随机接入前导码W及上行参考信号。特殊子帖的第13号OFDM符号用于进行CCA，由被调 度在下一子帖发送数据的用户使用。
[0040] 为使LTE-U独立模式灵活地支持上/下行比例不同的业务，且使上行-下行、下行- 上行转换点较少，无线帖内的子帖配置(Co址iguration)有4种，如表1所示(其中"S"表示特 殊子帖，"U"表示上行子帖，"护表示下行子帖）。第0号与第5号子帖为特殊子帖，第1号与第6 号子帖为上行子帖，其余子帖可为上行或下行子帖。Configuration 0的上/下行子帖配比 为U:D = 2:6,上行-下行切换点位于第1号子帖与第2号子帖之间，及第6号子帖与第7号子帖 之间。Configuration 1的上/下行子帖配比为U:D = 4:4,上行-下行切换点位于第2号与第3 号子帖之间，及第7号与第8号子帖之间。Configuration 2的上/下行子帖配比为U:0 = 6:2， 上行-下行切换点位于第3号与第4号子帖之间，及第8号与第9号子帖之间。Configuration 3的上/下行子帖配比为U:D = 5:3,上行-下行切换点位于第3号与第4号子帖之间，及第7号 与第8号子帖之间。表1中的4种子帖配置与LTE系统TDD类型中的子帖配置均不同。
[0041] 表 1
[0042]
[0043] 本发明将特殊子帖安排为第0号子帖，能尽早完成同步过程、发起随机接入等过 程;将上行子帖安排在紧接于特殊子帖的化PTS时隙（上行时隙）和CCA时段之后，能减少上 行-下行切换点。
[0044] 本发明基站/用户在接入信道前检测信道是否空闲运一技术方案通过W下方式实 现：
[0045] 根据免许可频段的法规要求，基站和用户在接入信道之前要先判断信道是否空 闲，即进行CCA。因此，欲在特殊子帖UpPTS上发送PRACH的用户利用特殊子帖的GP进行CCA。 欲在当前子帖发送数据的用户在上一个子帖的最后1个OFDM符号上进行CCA。例如，在 Configuration 1下被调度在第1号子帖发送数据的用户i在第0号子帖的最后一个OFDM符 号进行CCA，被调度在第2号子帖发送数据的用户j在第1号子帖的最后一个OFDM符号进行 CCA，而被调度在第6号和第7号子帖连续发送数据的用户k在第5号子帖的最后一个OFDM符 号进行CCA。基站在上行-下行切换点前的最后一个上行子帖的最后一个(FDM符号进行CCA。 例如，Configuration 3下，基站在第3号和第7号子帖的最后一个OFDM符号上进行CCA。图3 为LTE-U独立模式在Configuration 3下CCA的可能时段，分别由用户或基站使用。
[0046] 建立同步是用户要接入一个蜂窝小区所必须的重要过程。用户开机后，在几个中 屯、频点上接收信号，通过接收信号强度来寻找使用该中屯、频点的小区，然后开始同步过程。
[0047] 本发明中的同步过程运一技术方案可采用如图4所示的步骤实现：
[004引步骤41:用本地Zadoff-化U序列做相关检测。
[0049] LTE-U独立模式的主同步信号由Zadof f-化U序列组成。用本地Zadof f -化U序列做 相关检测，发现主同步信号的时间位置。
[0化日]步骤42:确定第0号或第5号子帖的边界。
[0051] 本发明的主同步信道位于特殊子帖(第0号和第5号子帖），且运两个子帖中的主同 步信号相同。由步骤41发现的主同步信号的时间位置，确定第0号或第5号子帖的边界，如图 2所示。
[0052] 步骤43:用本地Μ序列做相关检测。
[0053] LTE-U独立模式的辅同步信号由Μ序列组成，用本地Μ序列与主同步信号时间点之 前接收到的信号做相关检测，发现该主同步信号所在半帖中辅同步信号的时间位置。
[0化4]步骤44:确定无线帖的边界。
[0055]本发明的辅同步信道位于特殊子帖(第0号和第5号子帖），且运两个子帖中的辅同 步信号不相同。由步骤43发现的辅同步信号的时间位置，确定无线帖的边界。
[0056] 由W上描述可W看出，与传统LTE系统将特殊子帖安排为第1号子帖相比，本发明 将特殊子帖安排为第0号子帖，使得在接入信道后的首个子帖就可W发送主同步信号和辅 同步信号，从而能尽快完成同步过程。
[0057] 本发明中的随机接入过程运一技术方案可采用如下方式实现：
[0058] 随机接入过程可分为基于竞争的随机接入和基于非竞争的随机接入。LTE-U独立 模式下基于竞争的随机接入过程如图5所示。在随机接入的第一次握手过程中，发起呼叫的 用户在化PTS时隙上发送消息Msgl，即format 4随机接入前导码。收到Msgl后，基站在下行 子帖中给用户反馈消息Msg2，包括backof f参数、上行传输提前量、为消息Msg3分配的上行 传输时频资源编号W及临时C-RNTI(小区无线网络临时标识)等参数。用户收到Msg2之后， 进入第二次握手过程。用户在上行子帖中发送上行消息Ms的，包含用户唯一标识及数据。基 站接收Ms的后在下行子帖反馈消息Msg4。用户收到Msg4后，从中解码出C-RNTI等参数。
[0059] 与传统LTE系统将特殊子帖安排在第1号子帖相比，本发明的第0号子帖是特殊子 帖，在接入信道后的首个子帖中用户就可W发送随机接入前导码，即能尽早发起随机接入 过程。
[0060] 基于非竞争的随机接入过程中，用户在基站指定的某个上行子帖或特殊子帖的 UpPTS时隙上发起随机接入，即发送消息Msgl。收到Msgl后，基站在下行子帖中给用户反馈 消息Msg2。相比于传统LTE系统，本发明的第0号子帖是特殊子帖，因而在接入信道后的首个 子帖中就可W发起随机接入过程。
[0061 ]本发明中的数据传输运一技术方案可采用如下方式实现：
[0062] 为了尽可能小地改动原有LTE协议，与传统LTE系统相同，在下行子帖中进行下行 传输，即由基站发送数据，在上行子帖中进行上行传输，即由用户发送数据。本发明中，下行 传输也可W在特殊子帖的DwPTS时隙中进行，使用952个子载波，如图2所示。运是因为3GPP 规定在使用常规循环前缀时，当特殊子帖用于下行数据传输时按照常规子帖的0.75倍来配 置资源。例如，带宽为20MHz时一个常规子帖最多前3个OFDM符号可用于控制信令发送，相应 地后11~13个(FDM符号数可用于数据传输，其0.75倍即（14-3)*0.75 = 8.25(取整后为9)个 OFDM符号。而本发明特殊子帖的DwPTS时隙占用10个OFDM符号，大于所规定的9个OFDM符号。
[0063] 例如在Configuration 1下基站和Ξ个用户进行CCA和数据传输情况如表2所示。 表2中灰色区域为基站/用户在传输数据前在前一个子帖的尾部进行CCA的时段。基站在特 殊子帖和下行子帖进行数据传输;用户i在第1号子帖进行数据传输;用户j在第2号子帖进 行数据传输;用户k在第6号和第7号子帖进行数据传输。
[0064] 表 2
[00 化]
[0066] 由于特殊子帖的DwPTS时隙可W进行下行传输，运就在保证控制信令能尽早发出、 控制过程能尽早启动的前提下有效地利用了时频资源。
[0067] 本发明适用范围包括但不局限于免许可频段的LTE-U独立模式。任何无线通信系 统因工作在免许可频段而使用本发明的帖结构，或者在本发明的精神和原则之内所作的任 何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种免许可频段下蜂窝移动通信系统的帧结构，其特征在于:所述的帧结构采用无 线帧，其由两个时长相等的半帧组成，所述的半帧由五个时长相等的子帧组成，其中五个子 帧中首个为特殊子帧，其余四个均为常规子帧;常规循环前缀下每个子帧由14个OFDM符号 组成； 所述的常规子帧包含两个时长相等的常规时隙，两个常规时隙各占用7个OFDM符号； 所述的特殊子帧依次包含下行导频时隙、保护间隔、上行导频时隙以及CCA时段;其中， 下行导频时隙占用10个OFDM符号，保护间隔占用1个OFDM符号，上行导频时隙占用2个OFDM 符号，CCA时段占用1个OFDM符号。2. 根据权利要求1所述的帧结构，其特征在于:所述的无线帧具有以下四种子帧配置： (1) 无线帧中第〇、5号子帧为特殊子帧，第1、6号子帧为上行子帧，第2~4、7~9号子帧 为下行子帧； (2) 无线帧中第0、5号子帧为特殊子帧，第1、2、6、7号子帧为上行子帧，第3、4、8、9号子 帧为下行子帧； (3) 无线帧中第0、5号子帧为特殊子帧，第1~3、6~8号子帧为上行子帧，第4、9号子帧 为下行子帧； (4) 无线帧中第0、5号子帧为特殊子帧，第1~3、6~7号子帧为上行子帧，第4、8~9号子 帧为下行子帧。3. 根据权利要求1所述的帧结构，其特征在于:所述特殊子帧中的第2号OFDM符号承载 辅同步信道，第5号OFDM符号承载主同步信道。4. 根据权利要求1所述的帧结构，其特征在于:所述特殊子帧中的第6~9号OFDM符号承 载物理广播信道。5. 根据权利要求1所述的帧结构，其特征在于:所述特殊子帧中的第11~12号OFDM符号 承载物理随机接入信道以及上行参考信号。6. 根据权利要求1所述的帧结构，其特征在于：所述特殊子帧上各控制信道的位置如 下： 物理控制格式指示信道位于特殊子帧中的第0号OFDM符号上;物理混合自动重传请求 指示信道位于特殊子帧中的第〇~1号OFDM符号上;物理下行控制信道位于特殊子帧中的第 0~1号OFDM符号上;下行共享信道位于特殊子帧中的第2~9号OFDM符号上。7. 根据权利要求1所述的帧结构，其特征在于:所述的物理随机接入信道中的随机接入 前导码采用f〇rmat4格式。8. -种基于如权利要求1~7任一权利要求所述帧结构的免许可频段下蜂窝移动通信 系统的通信协议，其特征在于： 用户与基站在接入两者之间的信道前，需对信道进行CCA检测，其中： 若用户欲在特殊子帧的上行导频时隙内发送随机接入前导码，则应在该特殊子帧的保 护间隔内先进行CCA检测； 若用户欲在当前子帧上发送数据，则应在前一子帧的最后一个OFDM符号上进行CCA检 测； 对于基站，其在上行-下行切换点前最后一个上行子帧的最后一个OFDM符号上进行CCA 检测。
【文档编号】H04W74/08GK106059978SQ201610349283
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】黄爱苹, 李加敏, 袁建涛, 单杭冠, 赵超慧
【申请人】浙江大学