CN101473608B - 通信系统 - Google Patents

Abstract

一种用于在通信系统中使用的路径选择方法，所述系统包括至少三个通信设备，所述设备中的一个特定设备可操作用于沿着至少两个不同的通信路径而发送和/或接收通信信号，每个所述路径或者是单链路路径或者是多链路路径，单链路路径通过所述特定设备与另一所述设备之间的单个通信链路而直接地从所述特定设备延伸到另一所述设备，多链路路径沿着所述路径逐个链路地通过多个连续的这种链路、经由一个或更多个中间的所述设备而间接地从所述特定设备延伸到其它所述设备或另一所述设备，并且至少一个所述路径为这种多链路路径，所述方法包括：针对沿着至少所述多链路路径的每个链路或沿着所述多链路路径中的至少一个多链路路径的每个链路，获得指示所关注的链路用于发送和/或接收的适用性的链路适用性信息；针对至少所述多链路路径或所述多链路路径中的至少所述一个多链路路径，将所关注的路径的每个链路的链路适用性信息相组合，以产生指示所关注的路径用于发送和/或接收的适用性的路径适用性信息；以及根据所述路径适用性信息，选择所述路径之一用于发送和/或接收。

Description

通信系统

引言

目前，存在对于多跳技术在基于分组的无线电通信系统及其它通信系统中的应用的显著的关注，其中据称这种技术将能够扩展覆盖范围和增加系统容量(吞吐量)。

在多跳通信系统中，通信信号在沿着通信路径(C)的通信方向上从源设备经由一个或更多个中间设备传输到目的设备。图5示出了单小区的两跳无线通信系统，其包括基站BS(在3G通信系统的环境中称为“节点B”NB)、中继节点RN(也称为中继站RS)、以及用户设备UE(也称为移动站MS)。在信号在下行链路(DL)上从基站经由中继节点(RN)传输到目的用户设备(UE)的情况下，该基站构成源站(S)，并且该用户设备构成目的站(D)。在通信信号在上行链路(UL)上从用户设备(UE)经由中继节点传输到基站的情况下，该用户设备构成源站，并且该基站构成目的站。中继节点是中间设备(I)的示例并且包括：接收机，可操作用于接收来自源设备的数据；以及发射机，可操作用于将该数据或其衍生物发送到目的设备。

简单的模拟转发器或数字转发器已被用作中继器，以改善或提供盲区中的覆盖。简单的模拟转发器或数字转发器可以以与源站不相同的传输频带来工作，以防止源传输与转发器传输之间的干扰，或者简单的模拟转发器或数字转发器可以在不存在来自源站的传输时工作。

图6示出了针对中继站的多个应用。对于固定的基础设施，由中继站提供的覆盖可以被“填满(in-fill)”以允许这样的移动站接入通信网络：该移动站在另外的情况下可能处于其它物体的遮蔽中，或者在另外的情况下即使处于基站的正常范围内也不能从基站接收到具有足够强度的信号。还示出了“范围扩展”，其中当移动站处于基站的正常数据传输范围之外时，中继站允许接入。在图6的右上部示出的填满的一个示例是对游牧式中继站进行定位，以允许覆盖穿透到建筑物内，该建筑物可以处于地平面上方、地平面处或地平面下方。

其它的应用是被实现用于临时覆盖以便在事件或紧急情况/灾难期间 提供接入的游牧式中继站。在图6的右下部示出的最后一个应用利用位于交通工具上的中继器来提供对网络的接入。

如下面所说明的，还可以结合先进的传输技术来使用中继器，以提高通信系统的增益。

众所周知，由于在无线电通信穿过空间行进时对无线电通信的散射或吸收而导致的传播损耗或“路径损耗”的发生使得信号的强度减弱。影响发射机与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、地物干扰(clutter)类型(城市、郊区、乡村)、诸如高度、密度、间距、地形类型(丘陵、平原)之类的地貌细节。发射机与接收机之间的路径损耗L(dB)可以被建模为：

L＝b+10nlogd             (A)

其中，d(米)是发射机-接收机间距，b(db)和n是路径损耗参数，并且绝对路径损耗由l＝10^(L/10)给出。

在间接链路SI+ID上出现的绝对路径损耗的总和可能小于在直接链路SD上出现的路径损耗。换言之，下式是有可能的：

L(SI)+L(ID)<L(SD)(B)

因此，将单个传输链路分成两个较短的传输段利用了路径损耗与距离之间的非线性关系。从利用关系式(A)对路径损耗的简单理论分析中可以认识到，如果将信号从源设备经由中间设备(例如中继节点)传输到目的设备，而不是直接从源设备传输到目的设备，则可以实现总路径损耗的减少(并且因此可以实现信号强度提高或增加，由此可以实现数据吞吐量提高或增加)。如果被适当地实现，多跳通信系统可以使得发射机的发射功率降低，这有利于无线传输，从而导致了干扰电平的降低并减少了对于电磁发射的暴露。替代性地，可以利用总路径损耗的减少来提高在接收机处的接收信号质量，而不会增加传送信号所需的总辐射传输功率。

多跳系统适合于随多载波传输一起使用。在诸如FDM(频分复用)、OFDM(正交频分复用)或DMT(离散多音)之类的多载波传输系统中，单个数据流被调制到N个并行的子载波上，每个子载波信号具有其自身的频率范围。这允许将总带宽(即，在给定的时间间隔内要传输的数据量)划分到多个子载波上，从而增加了每个数据符号的持续时间。由于每个子载波具有较低的信息速率，因此与单载波系统相比，多载波系统受益于对 于信道引起的失真的增强的抗扰性。这是通过确保每个子载波的传输速率以及因而每个子载波的带宽小于信道的相干带宽来实现的。结果，在信号子载波上出现的信道失真是频率无关的，因而可以利用简单的相位和幅度校正因子来进行校正。因此，在系统带宽超过信道的相干带宽时，多载波接收机中的信道失真校正实体可以具有与单载波接收机中的对应实体相比明显更低的复杂度。

正交频分复用(OFDM)是一种基于FDM的调制技术。OFDM系统使用在数学意义上正交的多个子载波频率，因此，由于这些子载波的频谱相互独立这一事实，这些子载波的频谱可以无干扰地重叠。OFDM系统的正交性免除了对保护带频率的需要，从而提高了系统的频谱效率。已经针对许多无线系统提出并采用了OFDM。OFDM目前应用于非对称数字用户线(ADSL)连接、一些无线LAN应用(例如基于IEEE 802.11a/g标准的WiFi装置)以及诸如WiMAX(基于IEEE 802.16标准)之类的无线MAN应用中。OFDM通常结合信道编码(一种纠错技术)一起使用以产生编码的正交FDM或COFDM。COFDM目前广泛地应用于数字电信系统中，用于改善基于OFDM的系统在多径环境中的性能，在该多径环境中可以看到跨频域中的子载波的信道失真变化以及跨时域中的符号的信道失真变化。已经发现了该系统在诸如DVB和DAB之类的视频和音频广播以及某些类型的计算机组网技术中的用途。

在OFDM系统中，在发射机处利用离散傅立叶逆变换算法或快速傅立叶逆变换算法(IDFT/IFFT)来将一组N个经调制的并行数据源信号映射到N个正交并行子载波上，以在时域中形成被称为“OFDM符号”的信号。因此，“OFDM符号”是所有N个子载波信号的复合信号。OFDM符号在数学上可以表示为：

$x\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_n\&CenterDot;e^{j2\mathrm{\&pi;n\&Delta;ft}},0\&le;t\&le;T_s---\left(1\right)$

其中，Δf是以Hz为单位的子载波间距，Ts＝1/Δf是以秒为单位的符号时间间隔，c_n是经调制的源信号。每个源信号被调制到其上的、(1)中的子载波矢量c∈C_n(c＝(c₀，c₁，...，c_N-1))是来自有限星座图的N个星座图符号的矢量。在接收机处，通过应用离散傅立叶变换(DFT)算法或快速傅立叶变换(FFT)算法来将所接收的时域信号变换回频域。

OFDMA(正交频分多址)是OFDM的多址变型。OFDMA通过将子载波的子集分配给个体用户来进行工作。这允许来自若干用户的同时传输，从而导致了较好的频谱效率。但是，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双向通信的问题。

为了在两个节点之间实现双向通信，存在两种众所周知的不同的方法，用于使这两个(前向或下载，以及反向或上行链路)通信链路双工工作，以克服装置无法在同一资源介质上同时进行发送和接收的物理限制。第一种方法，即频分双工(FDD)，涉及通过将传输介质细分到两个不同的频带(一个用于前向链路通信，另一个用于反向链路通信)中来同时地但在不同的频带上操作这两个链路。第二种方法，即时分双工(TDD)，涉及在同一频带上操作这两个链路，但是将对介质的接入在时间上进行细分，使得在任一时间点上将只有前向链路或反向链路会使用该介质。这两种方法(TDD和FDD)均具有其相对的优点，并且对于单跳的有线通信系统和无线通信系统而言均是应用良好的技术。例如，IEEE802.16标准包括FDD模式和TDD模式。

作为示例，图7示出了在IEEE802.16标准(WiMAX)的OFDMA物理层模式中使用的单跳TDD帧结构。

每个帧被划分成DL子帧和UL子帧，每个子帧具有离散的传输间隔。所述子帧被发送/接收转换保护间隔和接收/发送转换保护间隔(分别是TTG和RTG)分隔开。每个DL子帧以前导码开始，然后是帧控制报头(FCH)、DL-MAP和UL-MAP。

FCH包含用于指定突发配置(burst profile)和DL-MAP的长度的DL帧前缀(DLFP)。DLFP是在每个帧的开始时传输的数据结构，并且包含与当前帧相关的信息；DLFP被映射到FCH。

同时发生的DL分配可以是广播、组播和单播，并且它们还可以包括针对另一BS而不是正在服务的BS的分配。同时发生的UL可以是数据分配以及测距请求或带宽请求。

本专利申请是描述了由本申请的发明人提出的与通信技术相关的相关联的发明的、由相同的申请人在同一日期递交的一组十个英国专利申请中的一个专利申请，所述十个英国专利申请包括：GB0616477.6(代理机构卷号P106752GB00)，GB0616481.8(代理机构卷号P106753GB00)，GB0616482.6(代理机构卷号P106754GB00)，GB0616478.4(代理机构卷号P106772GB00)，GB0616479.2(代理机构卷号P106773GB00)，GB0616471.9(代理机构卷号P106795GB00)，GB0616472.7(代理机构卷号P106796GB00)，GB0616474.3(代理机构卷号P106797GB00)，GB0616475.0(代理机构卷号P106798GB00)，以及GB0616476.8(代理机构卷号P106799GB00。

在WiMAX及其它网络中，移动站(MS)可能面临用于与基站(BS)交换信息的许多可能的路径。应当为MS设计用于选择最优路径的方法。具体地，在移动环境中，无线电信道条件将会动态地变化，因此MS应当动态地选择适当的中继站(RS)或用于切换的BS。

在现在将参考的独立权利要求中限定了本发明。在从属权利要求中提出了有益的实施方式。

现在将仅以示例方式参考附图来描述本发明的优选特征，在附图中：

图1示出了场景1：BS可以覆盖MS。在WiMAX中继系统中MS将具有用于与BS进行通信的许多可能的路径。系统必须选择最优路径用于MS与BS之间的通信；

图2示出了场景2：BS不能覆盖MS。系统必须选择或者RS 1#或者RS 2#以在MS与BS之间对信息进行中继；

图3示出了计算PoR值的示例；

图4示出了与PoR表广播相关的信令的示例；

图5示出了单小区的两跳无线通信系统；

图6示出了中继站的应用；以及

图7示出了在IEEE 802.16标准的OFDMA物理层模式中使用的单跳TDD帧结构。

图1和2示出了WiMAX中继系统的场景，其中移动站(MS)可以直接连接到BS，或者向RS 1#或RS 2#请求中继。显然，在图1中，以下路径可以用于MS与BS之间的通信：

a.MS→BS

b.MS→RS 1#→BS

c.MS→RS 1#→RS 2#→BS

d.MS→RS 2#→BS

e.MS→RS 2#→RS 1#→BS

系统应当判定用于MS的切换的最优路径。该判定应当基于链路质量、QoS需求等。具体地，在高移动性的情况下，MS的状态将会动态地变化，因此RS/BS选择方法对于维持MS中的可接受的QoS水平而言是非常重要的。

在WiMAX中继系统中，MS将具有用于与BS进行通信的许多可能的路径。系统必须选择最优路径用于MS与BS之间的通信。

系统必须选择RS 1#或RS 2#来在MS与BS之间中继信息。

先前的用于使MS判定切换的方法是利用可以从前导码或其它预定的接收序列中测量得到的链路质量，比如CINR。但是，在WiMAX中继系统中，针对MS的切换判定，将遇到下面列出的问题，在所提出的本专利中考虑了这些问题：

1.诸如CINR和RSSI之类的链路质量度量不足以用于中继系统的BS/RS选择。例如，如果RS 2#具有比RS 1#更优的CINR，但是RS 2#不具有足够的用于为MS提供良好的QoS水平的可用带宽，则MS可能选择RS 1#用于进行中继；

2.如果考虑用于BS/RS选择的多个度量，则可能增加信令开销；

3.中继路径将多于两跳，例如所列出的路径c和e。因此，可能的问题是如何测量多跳路径的链路质量，以及如何用略微增加的开销来向彼此发送信令；

4.为了支持高移动性的用户，应当有效地更新用于BS/RS选择的度量。

所提出的BS/RS选择方案的细节

选择度量即中继能力(Potent of Relay，PoR)的定义

每个路径将具有用于指示为MS提供中继的潜力的PoR值。潜力值越大，则该路径将具有的用作中继路径的概率越高。每个RS和MS将维护用于列出不同路径的PoR值的表。例如，如图2所示，RS 1#具有用于与BS进行通信的两个路径，这两个路径是“RS 1#-BS 1#”和“RS 1#-RS2#-BS 2#”，因此，将在如下的表中维护PoR-路径表：

  表1 在RS 1#中维护的PoR值

  

记录的路径	路径“RS 1#-BS 1#” 的PoR值	路径“RS 1#-RS 2#-BS 2#” 的PoR值
			PoR值	PoRRS 1#-BS 1#	PoRRS 1#-BS2#

两个站A与B之间的一般的PoR定义可以被写为：

${\mathrm{PoR}}_{A-B}=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;e^{-\frac{\mathrm{\&Pi;}{k}_n\&CenterDot;{\mathrm{\&eta;}}_n}{\mathrm{\&Pi;}{\mathrm{\&lambda;}}_m\&CenterDot;{\mathrm{\&gamma;}}_m}}$ (k_n>0；η_n>0；λ_m>0；γ_m>0)   (1)

其中，η_n(n＝1，2，3...)是消极因子，其意味着：如果该值增大，则用作中继路径的概率将减小。例如，典型的消极因子是路径损耗。k_n是该特定消极因子所对应的权重。γ_m(n＝1，2，3...)是积极因子，其意味着：如果该值增大，则用作中继路径的概率将减小。例如，可用带宽是积极因子。λ_m是第m个积极因子的权重。α是针对该路径的权重。某些类型的路径可以具有更高的权重值α。例如，如果考虑延迟和信令开销，则单跳路径可以具有与多跳路径相比更大的α值。

如果路径是多跳的，则该路径的PoR是该路径中的所有链路的PoR值的乘积。例如，路径“A-B-C”的PoR值可以通过下式来计算：

PoR_A-B-C＝PoR_A-B×PoR_B-C    (2)

例如，如果将路径损耗P_L和可用带宽BW_a考虑作为用于BS/RS选择的度量，则链路“A-B”的PoR可以被定义为：

${\mathrm{PoR}}_{A-B}=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;e^{-\frac{P_L}{\min \{{\mathrm{BW}}_{a\_A},{\mathrm{BW}}_{a\_B}\}}}(k>0)---\left(3\right)$

其中，P_L是路径损耗，min{BW_{a_A}，BW_{a_B}}是路径中的每个节点的最小可用带宽值。如果在图3中列出路径损耗和可用带宽，则可以将RS 1#中的PoR值计算为：

${\mathrm{PoR}}_{\mathrm{RS}1\#-\mathrm{BS}1\#}={\mathrm{\&alpha;}}_1\&CenterDot;e^{-\frac{25}{\min \left\{\mathrm{0.5,1.5}\right\}}}={\mathrm{\&alpha;}}_1\&CenterDot;e^{-50}$

                                           (3)

${\mathrm{PoR}}_{\mathrm{RS}1\#-\mathrm{BS}2\#}={\mathrm{\&alpha;}}_2\&CenterDot;e^{-\frac{22}{\min \{1.\mathrm{5,1.5}\}}-\frac{15}{\min \left\{\mathrm{1.5,2.5}\right\}}}={\mathrm{\&alpha;}}_2\&CenterDot;e^{-25}$

如果简单地设α₁＝α₂＝1，则根据PoR的定义，显然路径“RS 1#-BS 2#”为用于中继的最优路径。

用于切换的RS/BS选择方法：

应当由RS和MS维护PoR-路径表。

步骤1：更新RS/MS与BS之间的链路的PoR。

RS/MS计算相邻的BS与其自身之间的链路的PoR值。与该测量值相关的链路质量测量值可以取决于所接收到的前导码、导频子载波、同步符号等。

例如，在图3中，由于RS 1#和RS 2#只具有一个相邻的BS，因而RS 1#和RS 2#中的更新后的PoR-路径表变成：

     表2 RS 1#中的PoR表

  

记录的路径	路径“RS 1#-BS 1#”的PoR值	……
			PoR值	PoRRS 1#-BS 1#	……

　　表2　RS 2#中的PoR表

  

记录的路径	路径“RS 2#-BS 2#”的PoR值	……
			PoR值	PoRRS 2#-BS 2#	……

步骤2：更新RS/MS与其相邻的BS之间的路径的PoR。

在该步骤中，RS应当向其相邻的RS和MS广播其PoR表。每个RS/MS应当根据所接收到的PoR表来更新该RS/MS的PoR表。

首先，RS将向其BS发送PoR表广播请求PoR_Br_Req。BS将分配下行链路子帧中的时隙以便使RS广播PoR表。图4提供了与PoR表广播相关的具有WiMAX TDD帧结构的信令的示例：

在图4中，在接收到PoR_Br_Req后，BS将向对应的RS发送响应PoR_Br_Rsp。PoR_Br_Rsp分组包括下行链路子帧中的RS区域的分配信息，这可以允许RS广播其PoR表和其它信息。

RS可以在该RS区域中广播预定的序列，因此其它RS和MS可以使用该序列来测量链路质量。RS还可以在该RS区域中广播其它度量，比如可用带宽。

RS/MS将计算其自身与广播PoR表的RS之间的链路的PoR值。例如，在图4中，RS 2#可以根据接收到的信息(比如所提及的可用带宽)和所述预定的序列来计算PoR_{RS 2#-RS 1#}。然后RS 2#应当将PoR_{RS 2#-RS 1#}与接收到的PoR_{RS 1#-BS 1#}相乘，以获得链路“RS 2#-RS 1#-BS”的PoR值，并更新RS 2#的PoR表。

MS应当定期地检查PoR-路径表，以便找到具有最大PoR值的最优路径以用于切换。

主要益处

本发明的实施例为WiMAX系统中用于MS的切换的BS/RS选择提供了有效的解决方案。由此获得的益处为：

1.通过(由于选择最优的BS或RS用于切换以保证QoS而导致的)相关的性能改善，来将FUJITSU(富士通)的无线/有线OFDMA(例如WiMAX)与竞争对手的相应产品相区分；

2.所提出的方法提供了在无中继的系统和多跳中继系统中选择用于切换的最优BS/RS的方法；

3.通过动态地选择最优BS/RS，MS可以适应于动态变化的无线电环境和QoS需求；

4.定义了被称为中继能力(PoR)的新颖的度量，用于组合各种QoS或与链路质量相关的度量，以帮助BS/RS选择和减少信令开销。该度量提供了用于计算多跳链路或单跳链路的质量的灵活的方式；

5.设计了可以与IEEE 802.16e相比拟的、用于所提出的选择方法的创始的信令机制；

6.对于分布式实现而言更为灵活。分布式实现可以释放BS中的计算负荷和信令负荷；

7.对RS区域的定义提供了用于使RS向其它RS和MS广播/发送信息的灵活的方法。

本发明的实施例可以以硬件实现，或者可以实现为在一个或更多个处理器上运行的软件模块，或者可以以它们的组合来实现。也就是说，本领域的技术人员应当认识到，在实践中可以使用微处理器或数字信号处理器(DSP)来实现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用于执行这里描述的任一方法的部分或全部的、一个或更多个装置程序或设备程序(例如计算机程序和计算机程序产品)。所述实施本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以例如采用一个或更多个信号的形式。所述信号可以是可从互联网站点下载的数据信号，或是在载波信号上提供的数据信号，或是以任何其它形式的数据信号。

Claims (1)

1.一种用于在通信系统中使用的路径选择方法，所述系统包括至少三个通信设备，所述至少三个通信设备包括基站设备、中继设备和用户设备，所述中继设备能够操作用于沿着到所述基站设备的至少两个不同的通信路径而发送和接收通信信号，每个所述路径或者是单链路路径或者是多链路路径，所述单链路路径通过在所述中继设备与所述基站设备之间的单个通信链路而直接从所述中继设备延伸到所述基站设备，所述多链路路径沿着所述路径逐个链路地通过多个连续的这种通信链路、经由一个或更多个其它中继设备而间接地从所述中继设备延伸到所述基站设备，并且至少一个所述路径为这种多链路路径，所述方法包括：

针对沿着至少所述多链路路径的每个链路或沿着所述多链路路径中的至少一个多链路路径的每个链路，获得指示所关注的链路用于发送和/或接收的适用性的链路适用性信息PoR，其中对于在设备A与B之间的链路，将每个链路的链路适用性信息PoR定义为：

k_n＞0；η_n＞0；λ_m＞0；γ_m＞0

其中，η_n是消极因子，其中n＝1，2，3，...，k_n是第n个消极因子所对应的权重，γ_m是积极因子，其中m＝1，2，3，...，λ_m是第m个积极因子的权重，α是从设备A到设备B的链路的权重；

针对至少所述多链路路径或所述多链路路径中的至少所述一个多链路路径，通过将所关注的路径的每个链路的PoR一起相乘，来将所关注的路径的每个链路的链路适用性信息相组合，以产生指示所关注的路径用于发送至所述基站设备和/或从所述基站设备接收的适用性的路径适用性信息；以及

在所述中继设备处，根据所述路径适用性信息，选择所述路径之一用于发送和/或接收，其中所述中继设备能够操作用于通过这种通信链路接收通信信号和通过另一这种通信链路发送通信信号。