CN1996786A - 基于中继技术的新型无线通信组网方法 - Google Patents

Abstract

基于中继技术的新型无线通信组网方法，通过灵活设置中继站来降低对基站能力要求，扩展其覆盖范围，减少来自邻基站的干扰，同时提供分集增益，使得以OFDM为基础的下一代宽带无线通信系统频率复用因子接近1，从而简化下一代无线通信系统的网络设计，提高系统频谱效率。中继技术具有如下特征：(1)中继节点采用多天线，(2)在基站覆盖受限区域，中继节点完成扩展覆盖范围功能；(3)在信号质量不佳区域，中继节点提供分集增益功能。本方案适合同构组网，也适合异构组网；可用于各种分组数据业务，也支持多媒体广播组播业务。方案中的中继节点可以是固定的，也可以是移动的。中继节点支持同构通信功能，还能支持异构通信功能。

Description

基于中继技术的新型无线通信组网方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，不仅适合于传统的蜂窝移动通信系统，也适合各种无线宽带接入系统，如无线局域网、无线城域网等，还适合异构无线接入系统，在未来的无线接入网融合中也具有广泛的应用。本发明主要侧重对下行链路信息处理的阐述，但是对于上行链路，可以采用类似的方法进行。

背景技术

传统的蜂窝移动通信系统采用蜂窝结构，但是具有超高数据速率的第四代(4G)无线通信系统仍采用传统的蜂窝结构会存在很多问题，主要原因在于：第一，4G系统的传输速率比第三代(3G)系统要高两个级别。在指定发射功率电平的情况下，符号(比特)能量会随着传输速率的提高呈线性下降，因此，这种需求将会产生严重的功耗问题。第二，为4G系统发放的频谱无疑将位于3G系统所使用的2GHz频段以上。而通常这些频段的无线电传播在非可视距条件下，效果是相当差的，而非可视距条件正是当今城区蜂窝通信的典型运行模式。

要解决以上问题，必须大幅增加基站的密度，这会导致相当高的部署成本，而如果用户数量并没有以同样的速度增加的话，这套解决办法成本太高，经济效益欠缺。此外，为了实现全网覆盖，必须不停的补基站，这对实际系统的网络设计也是一个挑战。另外，考虑到4G将以OFDM技术为基础，为了使下一代无线通信系统的频率复用尽量达到1，提高系统的频谱效率，采用传统的蜂窝结构将面临很多挑战。

目前的无线通信系统一般采用直放站来扩展覆盖范围，而随着无线自组织网络理论的发展，为了便于方便快捷组网，以及增强无线链路的抗毁性等，具有多跳特性的集中式控制网络体系结构也提出来了。中继技术将在下一代无线通信系统中占有重要作用。

采用中继站来扩展网络的覆盖范围，是从传统蜂窝移动通信系统的直放站发展过来的。但是本发明中所提到的中继站不再是传统直放站概念，而是可以看成一个增强的接收机，它不仅具有对中继的数据进行功放的功能，还能通过采用多天线技术以及编码等，提高终端接收信号质量。

具体来说，中继站是对直放站的增强，传统的直放站一般只是对中继的信号具有放大和转发的功能，而中继站还具有解码并转发的功能。直放站的放大并转发(AF)功能是指对接收的信号不进行解码等操作，直接在射频端进行功率放大，一般来说，这种操作非常简单，且设备非常便宜。而中继站的解码并转发(DF)先进行数字解码，然后在转发之前重新编码中继的信号，该过程有时称为“再生中继”或者“数字中继”。通过DF，中继站可以和基站一起，进行无线资源管理和调度工作，并可采用先进的技术，例如协调冲突管理和联合传输。

根据移动性或部署概念，从目前的中继技术来看，可将中继站分为三种主要类型：固定中继站、临时固定中继站以及移动中继站。固定中继站不能移动，安装于一个固定位置，主要目的是在未获得充分覆盖的接入点小区中扩大覆盖范围、增加容量或每用户吞吐量，或者将覆盖范围扩展至接入点覆盖范围以外的区域。可将可移动中继站定义为，根据覆盖范围的需要能够从一个位置移动到另一位置的中继站，即中继站可以位于不同的位置，并且随时间变化与各种中继与基站进行通信，但不执行切换过程。而移动中继站的移动性与要覆盖的用户终端人口/目标区域“相关”，需要支持复杂的流程(如切换)，可以看作是一种功能增强的移动终端。

目前，有关中继技术的研究较少，还主要是停留在传统的直放站概念上，目的在于采用直放站扩大小区的覆盖范围。随着多跳无线自组织技术的发展，采用多跳的中继站来扩展覆盖范围成为近期大家关注的热点问题。实现全网覆盖，则是无线通信系统追求无缝漫游和切换的基本要求。但是目前所有与中继相关的技术还集中在中继数据的放大和转发上，没有对中继技术进行拓展，更没有充分利用中继技术的特征，对网络结构和希望框架进行增强；如何使用中继站技术提高现有网络的性能，特别是对小区间干扰非常敏感的无线接入系统性能，还是一片空白。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于中继技术的新型无线通信组网方法，来对中继技术进行拓展，使其不仅能实现补充覆盖的功能，而且能提供分集增益，减少小区间干扰，提高频谱效率；从系统组网和网络架构设计方面应用中继技术，提高网络的整体性能，简化无线网络的规划和设计，不要求基站实现无缝覆盖。

在对本发明的技术方案进行说明时，首先介绍如下基本原理：

1.设置中继站的原因在于：终端一般不用多天线技术，为了获得MIMO或者分集增益，所以中继站采用多输入多输出技术(MIMO)或者分集；通过采用中继技术，基站的发射功率可以较小，从而可以减少对邻小区的干扰；中继站对接收到的信号进行编码，终端的信号质量会显著提高；对于处在基站和中继站覆盖范围的终端可获得来自一个或多个中继站以及来自基站的多条链路分集增益；对于不处在基站覆盖范围的终端可通过中继站得到服务，并且可以通过多个中继站的中继，获得源于多个中继站的多链路分集增益。

2.对于中继站如何放置的问题：如果用于提高信号质量，放在热点地区的中心，此时主要是终端能收到来自大基站和中继站来的多跳链路信号，从而获得分集增益；如果用于补充覆盖范围，主要是减少来自邻小区间的干扰。从而可以简化以OFDM为基础的下一代宽带无线通信网络的网络规划和设计，使得它们的频谱复用因子达到1。

3.在实际网络中，会出现如下场景：

(1)终端不能直接接收来自基站的有用信号，只能接收到单一中继站的信号，此时收到的信号由于有中继站的中继效果，可以扩展基站的覆盖范围；

(2)如果终端能收到来自单一中继站和服务基站的信号，由于这两个信号能保证同步，所以能获得分集增益；

(3)如果终端能收到来自多个中继站的信号，不同中继站的信号可以直接合并，获得分集增益；

(4)如果终端既接收到来自服务基站的信息，同时也收到多个来自中继站的信号，由于这些信号能够同步，所以可以直接采用物理层合并，获得分集增益。

5.中继站和基站资源的使用和分配：采用基站统一控制和调度的方式，基站知道每个接入终端的详细信息，也知道其所连接中继站的信息，目的在于实现同步以及进行资源的统一调度。

基于以上原理，本发明的具体技术方案是：对中继站进行增强，在中继站采用多天线技术，以获得多天线增益；对于处在基站和中继站同时覆盖的区域，终端通过采用分集处理技术，对来自基站和中继站的信号进行分集接收，提高信号质量；对于处在无基站信号覆盖的区域，终端通过接收来自一个或多个中继站的信号，从而扩展基站的无线覆盖范围。

本专利方案基于以上的创新点，提出了一种新型的无线通信网络架构，有效减少了小区间干扰，使得基于OFDM的下一代宽带无线通信系统的频率复用因子可以达到1；给出了基站和中继站之间的无线处理机制，以提供分集增益；中继站对中继的信号进行编码，提高了终端的分集增益；给出了终端的无线信号处理机制，以支持新型网络架构。

该技术方案的具体实施方法包括以下步骤：

第一步，布置几个采用多天线模式的大型基站，基站选择的位置要保证其覆盖范围内的终端接收到的小区间干扰足够小，或者说没有邻近基站信号的强干扰；

第二步，设置中继站来扩展无线覆盖范围，使其保证能完成覆盖所需，并且不会接收到来自两个邻基站的有用信号；

第三步，终端根据最强接入信号原则，接入基站或者中继站，如果是直接接入中继站，则把接入信息通过中继站汇报给基站；

第四步，基站和中继站之间进行协调，保证终端收到来自基站和中继站的信号能够时间同步，如果终端能收到来自同一基站服务区域多个中继站的信号，则基站要同时在这几个中继站间为该目标用户进行无线资源管理，包括时间提前、功率分配和无线资源调度等；

第五步，中继站对中继的信息进行编码处理，并且及时把处理时间汇报给基站；

第六步，终端采用分集等技术提高接收信号质量，可接收来自多个中继站或者基站的信号，保证接收的信息能同步，获得分集增益；

第七步，终端离开中继站的覆盖范围，通知基站，更新资源调度信息；如果终端离开基站的服务范围，则进行切换操作；

此外，以上步骤中资源的调度、接入控制、功率控制、切换控制、时间提前量控制等都由基站来统一管理。

此外，本发明中的技术方案可能包括以下4个变体：

1.时间提前技术方式

同一信息源需要提前一段时间发送给中继站，以保证终端能同步收到来自基站和中继站的信号，这对基站的调度功能提出了很高的技术要求。一种变通的方法则是在时间域上分开来自基站的信号还是来自中继站的信号，两者到达终端的时间是不同的，即两者采用不同的时隙发送，例如1帧分成两个子帧进行发送，第一个子帧用于大基站发送，第二个子帧用于中继站发送，这样来自大基站和中继站的信号就不会干扰，而且可以获得MAC层的分集增益。

2.中继站可以不局限于单跳，也可以支持多跳

终端可以通过多级中继站，最后接入服务基站。此时对于服务基站来说，多跳的中继站管理是主要问题，建议采用无线网格(Mesh)的集中调度机制，进行资源分配以及时间提前设置，保证终端能获得相应的分集增益。

3.基站和中继站，基站和终端、中继站和终端这三者可以采用不同的无线技术进行信息传输

如本方案前面原理部分所述，要使三者采用相同的无线传输技术传输，需要基站进行统一集中调度和控制，同时显著提高系统频谱效率，终端能很好的获得物理层的分集增益。也可以在这三者之间采用不同的传输技术，例如：

a.和终端通信还是采用相同的无线传输技术，但是基站和中继站之间可以采用不同的无线传输技术，设置采用有线方式，但关键还是需要保证终端能同步收到相关的信息。

b.终端采用多模机制，来自基站和来自中继站的信息是不同的，此时可以在MAC层进行信息合并。

4.不在网络层采用时间提前，对终端进行改造，以获得分集增益

为了简化基站的功能，基站不对中继站进行特别的资源调度和控制，把中继站和终端等同看待。此时，为了获得分集增益，其具体实现方式是：中继站对接收到的信号进行共轭处理然后再转发出去。中继的信号和直接来自基站的信号，两者时间上有较大延迟，此时在物理层进行缓冲，待直放站来的信号一起进行合并，合并的窗口大小设置在8个TTI就足够了。

以上的方案要求终端增加一个较大的缓冲器，对物理层需要进行较大的改动，一种替代方法是在终端采用多天线技术，终端可以识别出是来自大基站的信号，还是来自中继站的信号，然后在网络层(MAC)进行合并。

本发明的有益效果在于，采用中继站技术的无线通信网主要有以下几个好处：

1.放置中继站的天线杆也不需要与基站一样高，这样就可减少运营开支(如服务提供商租用塔架及维护成本)。

2.中继站未与骨干网进行有线连接，它们存储从基站无线接收的数据，进行处理，然后将其转发至用户终端，反之亦然。这样无需在基站和有线骨干网之间为中继站安装接口，从而省去了底板(作为接口使用)的费用

3.对于小区边缘用户来说，基站到终端之间的直接传播损耗比经过中继站中继的路径损耗要大得多，采用中继站技术可以提高远离基站的各终端的链路数据速率，从而潜在地解决了较大型小区中高数据速率的覆盖问题。

4.通过控制和管理中继站和终端的无线链路传输，可以通过分集处理等先进技术提高传输信号质量

5.采用多跳类型的中继站技术，可以灵活的扩展覆盖范围，以及灵活组网等。

综上所述，中继技术具有很多无法比拟的好处，是未来无线通信系统的关键机制之一。

附图说明

图1：不同天线技术时中继技术的性能增益对比图

图2：不同天线技术采用宏分集时中继技术的性能增益对比图

图3：基于中继技术的无线接入网络体系拓扑结构图

图4：网络设计主要步骤流程图

具体实施方式

图1中给出不同蜂窝结构时离基站不同距离时系统的频谱效率。这里的中继结构是指在覆盖范围的中间放置了一中继站，中继站的高度是基站高度的一半，并且在中继点采用多天线配置。图中假设小区半径为4km，采用传统的蜂窝结构和采用中继网络结构后的频谱效率对比。从图中可知，采用中继技术后，系统的频谱效率明显提高，特别是在中继站处使用MIMO，可以显著提高网络性能。

图2对比了在采用单天线以及采用2×2MIMO天线的中继分集增益性能结果。从图中可以看出，离基站较近的区域，由于有分集增益会，系统的频谱效率显著提高。当离基站较远时，无法获得来自基站的信息，所以无法获得分集增益，从而系统的频谱效率和不采用分集技术的频谱效率类似。结合MIMO天线技术和中继站的宏分集技术，系统的频谱效率非常高。由此可知，中继技术可以获得额外的中继效益，通过在中继站进行编码，则可以获得额外的中继分集增益。

图3给出了依照本发明的方法得到的基于中继技术的无线接入网络体系拓扑结构，其中基站只是覆盖少数的区域(覆盖区域)，如图3中双点划线区域所示。中继站的服务范围远远小于基站的覆盖范围，主要用于补充覆盖(如图3中实线区域所示)，以及减少小区间的干扰，还有就是提供分集增益。

在实际操作过程中还要注意以下几点：

第一，中继站扩展基站的服务范围(即服务区域)，终端和中继站的资源分配和调度都由基站统一协调和控制，为了简化网络的复杂度，建议先支持单跳中继站，以后再扩展支持多跳中继站；

第二，对于处在覆盖区域的终端来说，能接收到来自基站的信号。如果希望提高信号质量，可以在覆盖区域内设置中继站，从而获得来自中继站的额外分集增益；

第三，在服务区域的终端，能接收一个或者多个中继站的信号，由于多个中继信号都由同一基站来集中控制，到达终端能够同步，所以可以获得分集增益；

第四，两个基站的服务区域尽量不重叠，对于有部分重叠的区域，通过控制中继站的发射功率，减少不同基站间的邻中继信号干扰。

图4给出了基于中继技术的无线通信网组网方法的具体实施步骤，具体包括如下：

第一步，根据业务量以及实际环境等，布置几个大型基站，大基站采用多天线模式，基站位置选择的基本原则是保证基站覆盖范围内的终端接收到的小区间干扰足够小，此时无线网络是覆盖受限，而非干扰受限。

第二步，通过设置合适的中继站来扩展无线覆盖范围，此时基站使用多天线模式，并且能够正确接收服务基站的信号。为了保证中继站接收信号的质量，要合理布置中继站，避免一个中继站能收到2个以及2个以上基站发来的信号，即尽量减少相邻基站的服务区域。此时可以采用各种先进技术，如方向性天线、MIMO技术等。同时，为了简化系统设计，不建议使用多跳中继技术。为了节省成本，以及简化网络建设，中继站和基站间使用无线通信技术进行通信。我们把基站覆盖范围以及和该基站相关中继站的覆盖范围一起合成为基站的服务区域。

第三步，终端在进行网络选择和小区驻留时，搜索最强的信号，读取广播控制信息，获得接入的基站识别号(Cell ID)。终端在接入网络后，会把自己能识别的基站信息和中继站信息一起汇报给网络，在基站处会储存每个终端的接入信息，以便基站进行集中协调、统一控制和无线资源管理等。

第四步，基站和中继站之间进行协调，保证终端收到来自基站和中继站的信号能够时间同步。如果终端能收到来自同一基站服务区域多个中继站的信号，则基站要同时在这几个中继站间为该目标用户进行相同资源分配，时间提前和资源调度。

第五步，为了简化终端的设计，来自基站和来自中继站的信号采用相同的无线制式，并且可以实现物理层的合并。终端接入无线网络时，判决能识别的信号，如果有多条信号可以识别(来自基站或者来自中继站)，则采用最大比增益合并分集进行处理。来自基站的信号和来自中继站的信号有编码增益，即中继站会对接收到的信号进行时空编码处理，然后再转发出去。

第六步，为了保证来自基站的信号和来自中继站的信号能够分集接收，必须保证信号的同步。在下行传输时，基站会提前一段时间把信息发送给中继站，时间提前量大于或等于中继站从接收到再发送出去的处理时间。从这个角度来说，基站一般分两层进行资源调度，第一层是对中继站进行资源调度，第二层是直接对处在基站覆盖范围内的终端进行调度，而且两者之间存在相关性。

第七步，当终端移动出原先覆盖的中继站但不离开基站服务范围时，不进行切换操作，只是在基站处更新相应的信息，以便进行资源的合理调度和无线资源管理；当终端离开原先基站的服务范围时，进行切换操作。

以上步骤中，资源的调度、接入控制、功率控制、切换控制、时间提前量控制等都由基站来统一管理。

尽管本发明已参照具体实施方式进行描述和举例说明，但是并不意味着本发明限于这些描述的实施方式。同时要说明的是本发明中的技术方案并不专门针对哪一种特定的无线通信系统。

Claims (10)

1.一种基于中继技术的新型无线通信组网方法，其特征在于该方法主要包括以下步骤：

第一步，布置几个采用多天线模式的大型基站，基站选择的位置要保证其覆盖范围内的终端接收到的小区间干扰足够小或者没有邻近基站信号的强干扰；即系统覆盖的任何区域，终端不会接收到来自临近大型基站的干扰信号；

第二步，对于大型基站无法覆盖的区域，设置中继站来扩展无线覆盖范围，从而保证整个无线通信系统能实现无缝覆盖，中继站的覆盖范围尽量不要和大基站的覆盖范围重合，即处于中继站覆盖范围的终端一般只能接收到来自中继站的信号；对于终端而言，来自大基站的信号由于衰耗太大，信号强度低于最低接收灵敏度，所以无法正确接收，且不会产生干扰；但对于其接入的临近中继站来说，由于天线设置较高，且采用多天线技术，可以正确接收到大基站的信息；

第三步，对于大型基站能覆盖但服务质量较差的区域，设置中继站来提高无线覆盖质量，中继站主要提供分集增益，从而提高终端的信号质量；

第四步，终端根据最强信号原则接入基站或者中继站，如果是接入中继站则直接把接入信息汇报给基站；

第五步，对于大型基站能覆盖但服务质量较差的区域，基站和中继站之间进行协调，保证终端收到来自基站和中继站的信号能够时间同步；如果终端能收到来自同一基站服务区域多个中继站的信号，则基站要同时在这几个中继站间为该目标用户进行资源分配和时间提前等；

第六步，为了提高中继信号的质量，在中继站使用多天线技术，且中继站对中继的信息进行编码处理，并且及时把处理时间汇报给基站；

第七步，对于下行传输来说，终端采用接收分集等技术提高接收信号质量，可接收来自多个中继站或者基站的信号，保证接收的信息同步，且获得分集增益；

第七步，对于上行传输来说，终端采用发射分集技术，同时发射给基站和中继站，中继站再把信息转发给基站，在基站处实现接收信息的同步，且获得发射分集增益；

第九步，终端离开中继站的覆盖范围，通知基站，在基站处更新不同中继站内的资源调度信息；如果离开基站的服务范围，则进行切换操作；

此外，以上步骤中资源调度、接入控制、功率控制、切换控制、时间提前量控制等都由基站来统一管理和集中控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在设置中继站时，为了避免一个中继站能收到2个或2个以上大基站发来的信号，保证中继站接收信号的质量，可以采用具有方向性的多天线技术，如多输入多输出技术，或者智能天线技术。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，终端在进行网络选择和小区驻留时执行的具体操作包括：

搜索最强的信号，读取广播控制信息，获得接入的基站识别号；

在其接入网络后，将其能识别的基站信息和中继站信息一起汇报给网络；

基站执行的操作有，在基站处储存每个终端与中继相关的接入信息。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，基站和中继站的传输信号采用相同的无线制式，并且可以实现物理层的合并。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，基站和中继站采用异构无线通信方式或者有线通信方式，以简化基站的资源集中调度算法能力要求。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，终端接入无线网络时，判决能识别的信号，如果有多条来自基站或者来自中继站的信号可以识别，则采用最大比增益合并分集进行处理。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，为了保证来自基站的信号和来自中继站的信号能够分集接收，必须保证信号的同步，在下行传输时，基站会提前一段时间把信息发送给中继站，时间提前量大于或等于中继站从接收到再发送出去的处理时间。

8.根据权利要求1或2或4或5或6或7所述的方法，其特征在于，基站分两层进行资源调度，第一层是对中继站进行资源调度，第二层是直接对处在基站覆盖范围内的终端进行调度，两者之间存在相关性。

9.根据权利要求1或2或4或5或6或7所述的方法，其特征在于，当终端移动出原先覆盖的中继站但不离开基站服务范围时，不进行切换操作，只是在基站处更新相应的信息，以便进行资源的合理调度和无线资源管理；当终端离开原先基站的服务范围时，进行切换操作。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，增加终端的缓冲来存储直接来自基站的信息，等待中继站信息到来后，一起进行合并处理，以提供分集增益。

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