使用蔡斯合并混合自动重传请求检测的多跳系统

摘要

一种在多跳通信系统中使用的下行链路传输方法，该系统包括基站(BS)、移动站(MS)以及一个或更多个中继站(RS)，并且该系统提供在基站与移动站之间延伸的两个或更多个不同的通信路径，基站用于将信息沿着形成第一这种通信路径的一系列链路而间接地发送到移动站，并且还用于将信息沿着形成第二这种通信路径的一个链路或一系列链路而发送到移动站，该第一通信路径经由所述中继中的一个或更多个中继；所述方法包括：从基站沿着第一通信路径和第二通信路径而发送特定信息，在移动站中，将沿着第一通信路径和第二通信路径而发送的同样的特定信息进行蔡斯合并，并且在MS侧执行蔡斯合并HARQ检测，从而合并来自不同路径的两个传输，而不是在同一路径上进行重传。

说明书

引言

当前，多跳技术在基于分组的无线和其它通信系统中的使用引起了巨大的关注，据称这样的技术能够扩展覆盖范围并提高系统容量(吞吐量)。

在多跳通信系统中，在沿着从源设备经由一个或更多个中间设备到目的设备的通信路径(C)的通信方向上发送通信信号。图2示出了单小区两跳无线通信系统，该系统包括基站BS(在3G通信系统环境中称为“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或用户终端)。在从基站经由中继节点(RN)到目的用户设备(UE)的下行链路(DL)上发送信号的情况下，基站包括源站(S)而用户设备包括目的站(D)。在从用户设备(UE)经由中继节点到基站的上行链路(UL)上发送通信信号的情况下，用户设备包括源站而基站包括目的站。中继节点是中间设备(I)的示例，并且包括：接收器，用于接收来自源设备的数据；以及发送器，用于将该数据或其衍生数据发送到目的设备。

已使用简单的模拟转发器或数字转发器作为中继，以改善或提供在盲区中的覆盖。它们可以以与源站不同的传输频带来工作以防止源传输和转发器传输之间的干扰，或者它们可以在没有来自源站的传输时工作。

图3示出了中继站的多种应用。对于固定基础设施，由中继站所提供的覆盖可以是“填满的(in-fill)”以允许移动站接入通信网络，否则该移动站可能受到其它物体的遮蔽或者尽管在基站的正常范围内但不能从基站接收足够强度的信号。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以外时，中继站允许接入。在图3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。

其它应用是游牧式中继站，其实施临时覆盖，在事件或紧急情况/灾难期间提供接入。在图3的右下部示出的最终应用利用置于交通工具上的中继来提供对网络的接入。

如以下所解释的，中继也可与先进的传输技术相结合使用，以提高通信系统的增益。

众所周知，由于无线电通信在通过空间传播时的散射或吸收而引起的传播损耗或“路径损耗”使信号强度变小。影响发送器和接收器之间的路径损耗的因素包括：发送器天线高度、接收器天线高度、载波频率、杂波类型(城市、郊区、农村)、形态细节如高度、密度、间距、地形类型(丘陵、平地)。发送器和接收器之间的路径损耗L(dB)可通过以下公式来建模：

L＝b+10nlogd    (A)

其中d(米)是发送器-接收器间距、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上经历的绝对路径损耗的总和可以小于在直接链路SD上经历的路径损耗。换句话说，下式是可能的：

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和距离之间的非线性关系。从利用等式(A)对路径损耗的简单理论分析可以认识到，如果信号从源设备经由中间设备(例如中继结点)发送到目的设备而不是从源设备直接发送到目的设备，则可以实现总路径损耗的减少(并且因此实现信号强度的提高或增加，并由此实现数据吞吐量的提高或增加)。如果实现得适当，则多跳通信系统可以使发送器的发送功率减小，这使无线传输变得容易，导致干扰水平的减少并且也降低对电磁发射的暴露。或者，可利用总路径损耗的减少来提高在接收器处的接收信号品质，而不会增加传送信号所需的总辐射传输功率。

多跳系统适于与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)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，每一个子载波信号具有自己的频率范围。这使得总带宽(即在给定时间间隔内要发送的数据量)被分到多个子载波上，从而增加每个数据符号的持续时间。由于每个子载波具有更低的信息速率，因此多载波系统与单载波系统相比受益于对信道引起的失真的增强的抗扰性。这通过确保每个子载波的传输速率以及因此的带宽小于信道的相干带宽而成为可能。结果，在信号子载波上经历的信道失真与频率无关，并且因此可以通过简单的相位和幅度校正因子来校正。因此当系统带宽超过信道的相干带宽时，在多载波接收器内的信道失真校正实体具有比在单载波接收器内的对应实体明显更低的复杂度。

正交频分复用(OFDM)是基于FDM的调制技术。OFDM系统使用多个在数学意义上正交的子载波频率，使得子载波频谱因为相互独立而可以无干扰地交叠。OFDM系统的正交性免除了对保护频带频率的需要，并且因此提高了系统的频谱效率。OFDM已经被推荐和用于许多无线系统。当前OFDM用于非对称数字用户线路(ADSL)连接、一些无线LAN应用(比如基于IEEE802.11a/g标准的WiFi设备)以及无线MAN应用(比如基于IEEE802.16标准的WiMAX设备)。OFDM经常与信道编码(一种错误纠正技术)相结合使用以产生编码的正交FDM或COFDM。COFDM现在广泛用于数字通信系统以提高在多路径环境下基于OFDM的系统的性能，在多路径环境下信道失真的变化可通过频域中的子载波和时域中的符号看出。该系统已在诸如DVB和DAB的视频和音频广播以及某些类型的计算机网络技术中使用。

在OFDM系统中，通过使用离散傅里叶逆变换或快速傅里叶变换算法(IDFT/IFFT)而将一组N个经调制的并行数据源信号映射到N个正交的并行子载波，以在发送器上形成时域内称作“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符号可在数学上表示为：

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

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，而c_n是经调制的源信号。在(1)中每一个源信号被调制到其上的子载波矢量c∈C_n，c＝(c₀，c₁..c_N-1)是来自有限星座的N个星座符号的矢量。在接收器端，通过应用离散傅里叶变换(DFT)或快速傅里叶变换(FFT)算法而将接收到的时域信号变换回频域。

OFDMA(正交频分多址)是OFDM的多址变体。OFDMA通过给单独用户分配子载波的子集而工作。这允许从几个用户同时传输，从而导致更好的频谱效率。然而，仍然有允许无干扰的双向通信、即在上行链路和下载方向上的双向通信的问题。

为了使在两个结点之间的双向通信成为可能，有两种众所周知的不同方法用于复用两个通信链路(前向或下载链路以及反向或上行链路)，以克服设备不能同时在相同资源介质上进行发送和接收的物理限制。第一种方法，即频分复用(FDD)，包括通过将传输介质细分成两个不同的频带(一个用于前向链路通信而另一个用于反向链路通信)而同时地但在不同的频带上操作这两个链路。第二种方法，即时分复用(TDD)，包括在同一频带上操作这两个链路，但是在时间上将对介质的接入进行细分，使得在任何一个时间点上只有前向或反向链路在使用介质。这两种方法(TDD和FDD)都有它们相应的优点，并且对于单跳有线和无线通信系统都是应用良好的技术。例如，IEEE802.16标准结合了FDD和TDD模式。IEEE标准802.16-2004“Air Interface for Fixed Broadband Wireless AccessSystems”及2005年修订的全部内容通过引用合并于此。

作为示例，图4图示了在IEEE802.16标准(WiMAX)的OFDMA物理层模式中使用的单跳TDD帧结构。

每帧被分成DL子帧和UL子帧，每个子帧是离散的传输间隔。它们由发送/接收和接收/发送转换保护间隔(分别为TTG和RTG)分隔开。每个DL子帧以前导码开始，接下来是帧控制报头(FCH)、DL-MAP和UL-MAP。

FCH包含DL帧前缀(DLFP)，该DL帧前缀用以指定突发属性(BurstProfile)和DL-MAP的长度。DLFP是在每帧开始时发送的数据结构，并且包含有关当前帧的信息；DLFP被映射到FCH。

同步DL分配可以被广播、多播和单播，并且它们还可以包括针对另一个BS而不是正在服务的BS的分配。同步UL可以是数据分配以及测距请求或带宽请求。

在下面将参考的独立权利要求中限定了本发明。在从属权利要求中阐述了有益的实施方式。

在传统的单跳系统(例如802.16-2004和802.16e-2005)中，在上行和下行链路中均支持HARQ。HARQ(混合自动重传请求)是一种差错控制方法，其中当检测到差错时进行自动重传请求。HARQ使用纠错码，对该纠错码进行校验以扫描差错。如果在该纠错码中发现差错，则请求重传。

在实践中，不正确地接收到的数据通常被存储在接收器处，并且重传数据与旧数据相合并(蔡斯合并)。在被称为增量冗余的蔡斯合并的发展中，初始的传输和任何重传被不同地编码。

发明人已经有了惊人的发现，即可以在MS侧使用已知的蔡斯合并HARQ检测过程，但是使其适应于具有中继能力的网络的情况，在该具有中继能力的网络中，MS可以检测到直接来自BS的传输并接收该传输的经中继版本，或者可以接收多个经中继的信号。因此，两个合并的传输来自不同的路径，而不是一个传输是另一个传输的重传。

当直接链路在质量上不足以支持与BS的直接通信时，或者需要BS提供过多的发射功率的情况下，可能出现这样的情况。结果，通信的主路径经由RS。然而，可能MS仍可以检测到来自BS的传输。

也可能存在以下情况：MS下行链路不能仅由一个RS或BS可靠地支持，因此系统尝试通过经由一个或更多个RS对HARQ传输进行中继来促进与MS的通信。

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1a示出了在具有中继能力的网络中的MS HARQ类型操作的基本过程；

图1b示出了适于使用该过程的网络配置；

图1c示出了适于使用该过程的可替选的网络配置；

图2示出了单小区两跳无线通信系统；

图3示出了中继站的应用；以及

图4示出了在IEEE802.16标准的OFDMA物理层模式中使用的单跳TDD帧结构。

改进的“HARQ”操作

在控制被集中在BS端的透明中继系统中，BS将通知MS其可以预期何时可能接收到打算发送到MS的信息的不同版本(即直接发送的或经中继的)。因此，假定MS随后将利用该信息并且当使用改进的HARQ过程时MS将执行以下操作(如图1a中所示)：

a.从BS接收信息，该信息通知MS可以预期何时接收打算发送到它的HARQ分组的不同传输；

b.检测来自BS的初始传输，并且将接收到的HARQ编码的分组(或者在IEEE802.16系统的情况下的子分组)存储在软缓冲器中而不尝试解码；

c.检测来自RS的经中继的传输，并且将接收到的经中继的HARQ编码的分组(或者在IEEE802.16系统的情况下的子分组)添加到软缓冲器中；

d.对缓冲器中的数据的循环冗余校验(CRC)序列进行校验，并且如果该CRC正确则对该数据进行解码；以及

e.在CRC校验之后，遵循在单跳系统的情况下采取的标准过程(即，向BS发送肯定(ACK)确认消息或否定(NACK)确认消息，如果该消息是NACK的，则保留软缓冲器的内容)。

由于直接传输可能具有低的可靠性，因此在阶段1之后不建议进行CRC校验和数据解码，并且因此更好的是在执行解码之前等待经中继的信号(无论直接传输是否成功，该经中继的信号都会到达)。结果，使用本发明的实施例中建议的机制不会带来额外的解码复杂性。

还可以针对BS请求多于一个的RS在帧中对传输进行中继的情况而扩展该机制。在这种情况下，MS在尝试解码之前将在一帧内可以接收到的HARQ分组的所有不同版本进行合并。

有利地，所述不同版本都是在一个帧(或者更精确地，对于IEEE802.16系统是一个下行链路子帧)内接收到的，该帧是仅用于下行链路传输的离散时段。关于在多跳系统中如何可以在单个子帧中执行经过至少两跳的传输，读者可以参考GB 0616477.6、GB 0616481.8和GB 0616479.2，所有这些申请通过引用合并于此，并且其副本随本申请一起递交。

还可以在MS处以与DL数据相类似的方式将ACK/NACK(即，当在UL上使用HARQ时)以及(直接的或经由一个或更多个RS中继的)来自MS的其它消息进行蔡斯合并，从而可能提高ACK/NACK及其它信令的检测可靠性。

图1b和1c示出了在本发明的实施例中使用的一种网络(或系统)配置。在图1b中，信息从基站直接发送到移动站，并且在同一下行链路子帧中，信息从基站经由中继站而间接地发送到移动站。根据子帧格式和/或所发送的信息的类型，从基站到中继站的初始(第一跳)传输与从基站到移动站的直接传输可以同时发生或在不同时间发生。第二跳传输(从中继站到移动站)在中继站转向之后跟随第一跳传输而发生。如果网络不支持单个子帧中的多跳传输，则第二跳传输和任何更多的跳可以在后续的下行链路子帧中发生。所述站被示出为基站、中继站和移动站。但是，所示出的特定链路可以是跨越更多链路的更长通信路径的一部分，使得被示出为移动站和基站的节点中的任一个或两者都可以是中继站。

图1c示出了其中两个可替选路径都是经中继的路径的网络配置，这两个可替选路径的相同传输被合并。类似的考虑适用于针对图1b而阐述的网络配置。本领域的技术人员将认识到所涉及的特定传输定时因素。

所示出的两个网络配置示出了两个通信路径。合并来自三个或更多个单独路径的传输也是可能的。

应注意到，如果检测到差错，则可以利用根据HARQ的重传来对来自可替选路径的信息的合并进行补充。该重传可以沿着一个或更多个通信路径，并且与先前合并的信息进行重新合并。

无论在什么情况下信息被合并(来自不同路径和/或重传)，都可以利用同一编码版本(按照正常的蔡斯合并)来对该信息进行编码，或者可以利用不同的编码版本来对该信息进行编码以提供增量冗余。对于示例实现，读者可以参考IEEE标准802.16中对任一方法的使用。

优点

总之，本发明实施例的一些优点为：

ο提供了可以在支持HARQ的中继感知(relaying aware)MS中采用的简单机制，以便在可以在同一帧中(利用多跳分集)检测到直接信号和经中继的信号(或者两个经中继的信号)的情况下改善HARQ分组接收的可靠性；

ο结果，可以增大MS/SS范围，或者可以支持在另外的情况下不可靠的下行链路连接；

ο减少了在不可靠链路的情况下BS为了实现成功的检测而必须进行的重传的数量。

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，本领域的技术人员将认识到，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器的一些或全部功能。本发明还可以被实施为用于执行这里所描述的所有方法或部分方法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)。这样的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。这样的信号可以是可从互联网站点下载的、或在载波信号上提供的、或以任何其它形式的数据信号。