CN101729110B - 用于使用协作中继的无线通信网络的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于使用协作中继的无线通信网络的方法和系统。在根据本发明的无线通信系统中，相邻中继站被安排为具有充分重叠的覆盖范围。在根据本发明的方法中，移动台实现到中继站的软关联。移动台将中继站的选择和信道质量度量反馈到基站。基站基于每个移动台报告的软关联和信道质量度量，修改到中继站的传输。这样，到中继站的和来自中继站的控制信令可以非常有限。

Description

用于使用协作中继的无线通信网络的方法和系统
本申请是国际申请日为2004年12月23日、中国国家申请号为200480039306.2、标题为“用于使用协作中继的无线通信网络的方法和系统”的分案申请。
发明领域
本发明涉及支持中继以增强通信性能的无线通信。具体地说，本发明涉及用于利用协作中继来减少两跳无线通信网络的复杂性的方法和系统体系结构。
发明背景
无线/蜂窝通信网络和系统发展中的一个主要动力是除许多其它方面外提供增大的覆盖范围或支持更高的数据率或两者的结合。同时，构建和维护系统的成本方面很重要，并且预计在将来甚至变得更重要。
无线网络的主要拓扑直到最近完全未更改，包括现有的三代蜂窝网络。拓扑的特征在于固定无线电基站和移动台作为网络中的发射和接收实体的蜂窝体系结构，其中，通信一般只涉及这两种实体。作为一种网络替代方案的例子有众所周知的多跳网络，其中，在无线情况下，通信一般涉及中继配置中的多个发射和接收实体。此类系统提供了在通信(中继)的实体之间大大减少路径损耗的可能性，这可有利于端对端(ETE)用户。
最近，另一类型的拓扑受到了关注，该拓扑与多跳网络具有许多共同的特性和优点，但限于只在两个(或几个)跳中的中继。与多跳网络不同，上述拓扑利用并行性方面，并且还采用高级天线系统的主题。利用新型拓扑的这些网络具有在多个站之间协作的共同特点。在近来的研究文献中，它通常有几个名称，如协作中继、协作分集、协作编码、虚拟天线阵列等。在本申请中，术语“协作中继”和“协作方案/方法”意在分别包括利用多个站之间协作的所有系统和网络和在这些系统中使用的方案/方法。在[1]中提供了协作通信方案的全面概述。可运用中继信号的各种格式。可将信号解码、重新调制并转发，或者只是放大并转发。前者被称为解码并转发或再生中继，而后者被称为放大并转发或非再生中继。再生和非再生中继例如分别以传统的多跳和中继器解决方案而众所周知。在[2]中提出了这两个方案的各种方面。中继可以以基本上两种方式转发信号；在相同资源上传递信号或者更改到另一信道，例如在时间或频率上。在第一种情况下，问题是克服中继传输与接收之间的耦合。这可通过使用两根天线和干扰消除技术进行处理。在第二种情况下，中继可只接收信号，然后在下一时隙将它转发，或者在另一频带上与接收信号同时地将它转发。
无线通信中协作中继的总的益处包括更高的数据率、减少的中断(由于不同形式的分集)、延长的电池寿命及扩大的覆盖范围。
利用协作中继的各种方案和拓扑例如已被作为信息理论领域内的理论模型、作为用于实际网络的建议及在少数情况下作为实验室测试系统来提出。在[1]的第37-39、41-44页中可找到例子。各种协作方案可基于有数据要发送的实体、发送数据到达的实体和协作的实体进行划分。在图1a-f(现有技术)中，以示意图方式示出不同的拓扑，示出生成业务的位置、哪个实体为接收器及用于无线电传输的路径。
图1a中所示的传统中继信道包括要通过使用中继站与目的地进行通信的源。中继通过有噪信道接收由源发射的信号，处理它并将它转发到目的地。目的地观测到源和中继传输的叠加。中继没有任何信息要发送；因此，中继的目标是使从源到目的地的信息流总速率达到最大。在[1]、[7]和[3]中研究了传统中继信道，其中，在[3]中并入了接收器分集。传统中继信道以其三站形式根本不利用多个中继站，因此不提供上述的优点。
在图1b中以示意图方式示出一种更有希望的方案即并行中继信道，其中，无线系统采用具有重叠的覆盖范围的中继器(如具有支持中继器的蜂窝基站)，接收器可受益于使用从多个中继器接收的叠加信号。当中继器的位置靠近并且中继器以足够大的功率发射时，这是在系统中自动发生的事情。最近，信息理论研究提出了这种情况，例如，由Schein在[4]和[5]中建议通过使用两个中间中继站，在单个发送器与单个接收器之间使用基于相干组合的协作中继。该研究只是信息理论分析，限于只两个中继站，并且缺少使该方法实际可行的工具和机制。
近来调研了在图1c中以示意图方式示出的具有中继的多接入信道概念(也被称为具有通用反馈的多接入信道)。该概念涉及两个用户协作，即交换各方要发射的信息，并随后每个用户不但发送其自己的信息，而且发送其它用户信息到一个接收器。这样做的好处在于协作提供了分集增益。基本上已调研了两种方案；协作分集和编码协作分集。例如，在[1]中报告了研究。关于分集，已建议了各种形式，如Alamouti分集、接收器分集、基于相干组合的分集。一般，调研的方案和拓扑依赖在传输前将数据解码。这又意味着站的位置要靠近才可协作，因此排除了与更远中继及在可形成大规模组时大量可能中继的协作。那些方案的附加缺点是完全不可能具有位置靠近且同时发射的站。这些缺点示出调研的拓扑可行性不太高。在图1d中所示的具有中继的广播信道基本上与在图1c中所示的拓扑相反，并因此也具有相同的严重缺点。
在图1c中所示的拓扑的又一扩展是通常所说的具有中继的干扰信道，该扩展在图1e中示出，其中考虑了两个接收器。这例如已在[8]和[1]中研究，但无接收器之间的协作，因而未利用可能由协作中继提供的可能性。
在图1f中以示意图方式示出另一报告的拓扑，它有时被称为虚拟天线阵列信道，并且例如在[9]中描述。在此概念中，假设在通信的站与相邻中继节点之间有大的带宽扩展，因此非干扰信号可通过允许保留相位和幅度信息的正交资源传送。采用此体系结构时，通过单个天线接收器可启用MIMO(多输入多输出)通信(以及其它空时编码方法)。该拓扑可同样用于传输。一般的假设是中继站靠近接收器(或发射器)。这限制了找到中继的可能性及可使用的可能中继总数。一个重大的实际限制是需要极大的带宽扩展以通过非干扰信道将信号传递到接收器以进行处理。
正如本领域技术人员认识到的一样，利用协作中继的实际系统实施需要用于控制涉及的中继站的控制机制。控制的需要主要是由于移动台的移动和由此引起的拓扑变化原因而产生，并可例如包括中继激活和去激活。在图2中以示意图方式示出对控制机制的需要，其中，移动的移动台205在时间T1经中继站210:1和210:2及在时间T2经中继站210:1、210:3、210:4和210:5进行通信。
在上述现有技术中未全面描述控制过程。然而，例如在参照图1f所述的情况下，示出控制消息被交换到指向基站和用户及从基站和用户指向的中继站和从中继站交换。在[11]中也公开了类似的控制结构，其中，标识了至少一个控制终端，它指示中继站接收和传递数据。
提议的控制机制可使控制数据量太多，特别是当拓扑由于移动用户快速移动并且要控制中继发射参数(例如功率)或者频繁更改中继的原因而频繁更改时。另外，即使拓扑未更改，无线电传播的变化也会相当大并命令朝向中继的快速控制消息交换。过多的控制信令消耗了本来可优选用于发射数据的无线电资源。
现有技术中未解决的又一问题是，当存在多个接收器时如何采用中继的会话或用户集中控制，这是因为它们可能具有冲突的最优中继配置和参数设置。最优性可相对于活动的中继、使用的发射功率电平、信道指配、空时编码选项和相位调整等而不同。在图3中以示意图方式示出可能引起冲突的中继配置和参数设置的情况，其中，两个中继站305:1和305:2均部分经相同的中继站310:1进行通信。中继站310:1在这种情况下可能遇到来自移动台305:1和305:2的冲突要求。即使只考虑具有可能冲突的最优配置的少数用户，为一组用户找到最优配置或接近最优配置的优化问题也将很快变得很复杂和耗时，或者甚至实际上无法管理。
因此，在本领域中展示了协作中继在例如提供高容量和灵活性方面具有大的潜力。然而，在现有技术中提议的控制机制未指出可能在现实的大规模网络中实施的解决方案，并且未完全利用预期的具有协作中继的网络的优点。
发明概述
在用于操作具有协作中继的网络的现有技术体系结构和方法中，用于控制中继的机制产生了过多的控制信令和/或极复杂的优化问题。显然，需要一种改进的用于协作中继网络的方法和体系结构，该改进的方法和体系结构利用预期的协作中继网络的优点，而不会造成过多的控制信令，也不会导致太大的优化问题。
本发明的目的是提供一种用于协作中继网络的体系结构和用于操作上述网络的方法，该体系结构和方法克服现有技术的缺陷。问题通过本发明提供一种体系结构而得以解决，在该体系结构中，组织中继站的中继信道使其信道在空间上重叠。中继优选作为基站的简单中继器操作，一般为非再生型，但尽可能为再生型，并且中继传输参数优选不会随对单个(或多个)移动台的瞬时链路质量的响应而更改。如果多个中继在可到达范围内，则每个移动台选择多个中继站作为通信的候选者。此进程被称为软关联，即，中继不知道此移动台内部选择。移动台基于例如信号质量参数而持续更新其软关联，以适应例如由于移动台移动而造成的变化的无线电环境。本发明允许通过单天线接收器实施诸如空间复用的MIMO通信方案，而基站具有多根天线，并且利用多个中继信道。接收器到发射器即从移动台到基站或从基站到移动台而未通过中继的逻辑反馈允许基于瞬时链路条件来修改传输。本发明可在蜂窝系统的下行链路或上行链路中使用。
根据本发明的方法适合在两跳无线通信网络中使用，其中，基站、至少一个移动台和多个中继站参与通信会话或建立通信会话的进程，并且其中，中继站将信号从基站转发到至少一个移动台。该方法包括以下步骤：每个移动台通过在内部从具有至少部分重叠的覆盖范围的多个中继站中选择一组中继信道，建立到多个中继站的软关联，所述关联到中继站的一组中继信道是在通信会话中使用的候选者。由移动台执行的软关联优选是基于有关具有重叠的覆盖范围的中继站中多个中继站的中继信道质量的测量。移动台在选择步骤中还可考虑诸如某个应用的带宽要求的其它因素。
移动台将其中继站的选择反馈到基站。移动台优选还反馈信道质量度量，这些度量可作为原信道数据或作为已处理的信息、作为优选传输参数。基站使用反馈来修改到中继站的传输。基站可在到特定移动台的通信中机会性地决定传输参数，但还可从移动台已选择的与其具有软关联的该组中继站中决定要在通信中使用的中继站。
在根据本发明的方法的一个实施例中，基站根据以下予步骤修改到中继站的传输：
-从反馈中标识来自至少两个移动台的关于至少一个中继站的使用的冲突要求，所述两个移动台具有到相同的至少一个中继站的软关联；
-启动优化进程以解决冲突要求；
-修改至少到两个移动台具有到其的软关联的中继站的传输，将优化进程的结果考虑在内。
根据本发明，适用于在两跳无线通信网络中通信的系统包括基站、至少一个移动台和多个中继站，其中，中继站适用于将信号从基站转发到移动台。在系统中，组织多个中继站的至少一部分，以使至少两个相邻中继站具有充分重叠的覆盖范围，并且具有重叠的覆盖范围的中继站的信道基本上正交。移动台被安排为从具有至少部分重叠的覆盖范围的中继站中选择一组中继站，由此建立到多个中继站的软关联，这些中继站是在基站与移动台之间的通信中使用的候选者。
通过提供适用于从具有充分重叠的覆盖范围的多个中继站中选择一组中继站的中继站选择模块和用于将有关选定的中继的信息反馈到发射器并且优选还将有关瞬时信道质量的信息反馈到发射器的反馈模块工具，根据本发明的接收器适合在两跳无线通信网络中使用，所述RS选择模块被安排为将选择基于中继信道质量。
根据本发明的基站提供有用于从移动台接收反馈的工具、适用于标识来自至少两个移动台的关于至少一个中继站的使用的冲突要求的优化模块，所述两个移动台具有到相同的至少一个中继站的软关联，并适用于执行优化进程以解决冲突要求。基站还提供有传输参数修改模块，适用于确定至少到两个移动台具有到其的软关联的中继站的传输的传输参数，将优化进程的结果考虑在内。
由于有了本发明，利用由协作中继网络提供的可能性是可能的，而不会造成过多的控制信令，也不会造成太大的优化问题。
由本发明提供的一个优点是组织中继站以使其覆盖范围显现充分的重叠，并且移动台实现到选定的中继站的软关联，由此这些中继站是要在通信中使用的候选者。得知每个移动台的选择的基站相应地修改传输。
另一个优点是来自移动台的关于一个或更多个中继站的使用的可能的冲突要求由基站解决，不会有过多的通过空中接口的控制信令。
又一个优点是基于MIMO的通信易于在根据本发明的系统中实施。或者可实施接收分集。
由本发明提供的还有的又一优点是每个移动台优选在内部实现的软关联消除了中继站(经控制信令)保持和报告有关与哪个移动台进行通信的信息的需要。
由本发明提供的还有的又一优点是基于瞬时载波干扰比条件、产生多用户分集增益的机会性通信可与中继的益处一起提供。
在从属权利要求中说明本发明的实施例。当结合附图和权利要求书考虑时，从下面的本发明详细说明中将明白本发明的其它目的、优点和新颖特性。
附图简要说明
在下面的详细说明中，结合附图，更全面地描述了上面概述的本发明的特性和优点，图中类似的引用标号表示所有图中类似的要素，图中：
图1a-f是利用协作中继的一些现有技术的拓扑示图；
图2以示意图方式示出中继站激活的进程；
图3以示意图方式示出处理对中继站有冲突要求的移动台的问题；
图4以示意图方式示出利用根据本发明的方法和系统体系结构的协作中继网络；
图5示出根据本发明一个实施例的逻辑体系结构；
图6示出根据本发明一个实施例对于中继和移动台利用单根天线的逻辑体系结构；
图7以示意图方式举例说明图6的实施例，其中，两个移动台参与部分涉及相同中继站的通信会话；
图8是根据本发明的方法流程图；
图9以示意图方式示出重叠正交中继信道的原则；
图10以示意图方式示出根据本发明一个实施例组织的重叠正交中继信道；
图11以示意图方式示出根据本发明又一个实施例组织的重叠正交中继信道；
图12是实现重叠正交中继信道的集中式方法流程图；
图13是实现重叠正交中继信道的分布式方法流程图；
图14是根据本发明的软关联进程流程图；
图15示出根据本发明在上行链路中的逻辑体系结构。
本发明详细说明
现在，将参照示出本发明优选实施例的附图，在下文更全面地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同的形式体现，并且不应被视为限于本文所述的实施例；更确切地，这些实施例的提供将使得此公开内容透彻和完整，并且将本发明的范围全面传达给本领域的技术人员。在图形中，类似的标号表示类似的要素。
本发明提供一种体系结构，在该体系结构中，组织中继站的中继信道使其信道在空间上重叠。如下面将进一步描述的一样，这可以以集中或分布式方式实现。转发信号的中继信道选择和增益系数选择对于实施很重要。中继优选作为基站的简单中继器操作，一般为非再生型，但尽可能为再生型，并且中继参数优选不会随对单个(或多个)移动台的瞬时链路质量的响应而更改。中继可进一步在例如时间、频率或两者方面的正交资源上转发收到的信号，或者使用相同的时间频率资源并从收到的信号中消除发射的信号。如果多个中继在可到达范围内，则每个移动台在每个时间实例具有到多个中继的软关联。当移动时，移动台基于例如信号质量参数而持续更新其软关联。本发明允许通过单天线接收器实施诸如空间复用的MIMO通信方案，而基站具有多根天线，并且利用多个中继信道。接收器到发射器即从移动台到基站或从基站到移动台而未通过中继的逻辑反馈允许基于瞬时链路条件来修改传输。本发明可在蜂窝系统的下行链路或上行链路中使用。
在图4中概括示出的网络400是有利地利用本发明的协作中继网络的例子。该图示出包括基站410(BS)、多个中继站415:(RS)和多个移动台(MS)420的部分无线网络405。如图所示，中继站415例如安装在天线杆和建筑物上。然而，诸如用户移动终端的移动中继也可作为固定中继的补充或独立地使用。
至少一些但不必是所有中继站415的覆盖范围应显现充分的重叠，以使无论位置如何，移动台420应在大多数情况下处于多个中继站415的覆盖范围中。具有重叠的覆盖范围的中继站的信道应优选基本上正交。例如组织中继站的覆盖范围，使得相邻中继站具有重叠的覆盖范围。如图中举例说明的一样，中继站415:1-5具有重叠的覆盖范围。中继站415:8与中继站415:1-5没有重叠的覆盖范围，但反而与其邻站415:6、415:7和415:9具有重叠的覆盖范围。或者多个中继站415:10-415:13和415:14-415:17分别形成中继站群440和445，其中，群内的所有中继站具有基本上重叠的覆盖范围。基站410可链接到不止一个中继站群，例如与第二中继站群445及具有部分重叠的覆盖范围的多个中继站组415:1-5和415:6-9链接。下面将进一步论述中继站的组织。
移动台420与基站410进行有效通信。如箭头所示的信令基本上同时使用多个路径，具有两跳的特征，即，经多个中继站415:1-5(和/或经充当移动中继的移动台)。
网络400在无线通信系统中用作无线电接入网络，并且除所示的实体或节点外，还可包括其它节点，如用于控制例如基站和无线电资源的整体使用的无线电网络控制器(RNC)和互连到无线通信系统的核心网络的网关。
应注意的是，虽然基于中继的通信用于增强通信，但仍可使用直接的基站410到移动台420及移动台420到基站410的通信。实际上，在基站410与移动台之间的一些基本的低速率信令优选可用于设置支持中继的通信信道。例如，当中继到移动台的信道不是先验已知时，诸如寻呼的蜂窝系统功能一般不可使用中继，相反，在呼叫建立和类似的过程期间，优选使用直接的基站到移动台的通信。
如背景部分中所述，协作中继网络的现有技术体系结构和方法一般可导致冲突的情况，然后两个或更多个移动台尝试优化其到共享中继站的通信。另外，可预计在移动台与中继站和/或在不同中继站之间有大量的控制信令。本发明提供一种网络体系结构和方法，其中，到中继站415和/或在中继站之间无需或只需有限的控制信令便可获得无线电资源的有效使用。反而大部分控制信令只发生在基站410与移动台420之间。中继站415主要且优选是通过移动台420与基站410之间的控制信令来间接控制。因此，来自不同移动台420的可能冲突的要求可在基站410中、在RNC中或网络中的其它位置处理，并且不需要大量的通过空中接口的涉及中继的控制信令。
在图5、图6和图7中以示意图方式示出根据本发明的逻辑体系结构。在图5中所示的实施例体现基站410、中继415和移动台420全部配有多根天线的一般情况。图6和图7体现中继415和移动台420配有单根天线的实施例。可以想象到其它天线配置及在中继站和/或移动台之间的多天线和单天线的混合。根据本发明的一般体系结构和基本操作将可容易地适合于各种天线配置及适合于不同的无线电接入方法。基本操作将主要在下行链路情况中描述，但正如本领域的技术人员理解的一样，根据本发明的体系结构和方法通过稍微的修改后在上行链路通信中同样适用。
基站发射器510发送已在编码和调度单元511中处理的数据流。数据流优选穿过权矩阵U 512，并随后通过多个发射天线513。中继站415转发任何收到的信号而不更改中继发射参数，如信道、信号增益系数和编码。或者，根据又一实施例，中继可尝试在转发收到的信号前将信号解码或以其它方式改进信号保真度。移动台接收器520接收从多个中继站415转发的多个信号530。接收器520一般且优选通过多个不同的信道530:1-m接收信号。信道化可以例如在频率或时间域中。因此，重叠的信道应基本上正交。另外，接收器还可通过发射器信道535从发射器接收直接的信号。
在图6所示的例子中，中继站415:1在信道1(530:1)上转发由多个移动台接收器420:1-m接收的信号。中继站415:k在也由多个移动台接收器520:1-m接收的信道q(530:q)上转发。每个移动台接收器520通过多个信道从多个中继站415接收信号，这通常是有利的。然而，正如下面将进一步论述的一样，每个移动台接收器520可能关联到不同的中继站组415。在图7的简化示图中，移动台接收器520:1和520:2关联到中继站415:1-4，并在信道1-4上接收，而移动台接收器520:3关联到中继站415:2、5、6、7，并在信道2、5、6和7上接收。
在适合时通过加权矩阵V 521收到信号后，移动台接收器520在处理部件522中处理信号。视使用的发射方法而定，处理可涉及组合、联合解码和复用解码的数据的任何组合。基于收到的信号的质量，接收器可发送反馈到发射器。分析收到的信号，并且在反馈模块523中准备反馈。根据本发明，来自移动台接收器520的逻辑反馈550被发送到基站发射器510而不是到中继站415。
在实际的通信会话前，且优选还在通信会话期间，移动台420在被称为软关联的进程中已选择对应于中继站415的一组中继信道530。该进程将在下面进一步描述，它涉及例如中继信道的质量估计和在移动台中执行的预期应用的带宽要求分析。包括在移动台520的接收器520中或与其有关的RS选择模块523处理软关联进程。
发射器可基于此反馈对包括天线权、调制与编码、发射功率的各种发射参数中的变化作出响应。具体而言，发射器可基于瞬时信道质量条件机会性地决定要发送数据到达的中继站415。这样，有价值的多用户分集增益可与由中继提供的益处一起提供。如果发射器例如由于无数据要发送而未使用(silent)，则发射器关联的中继可停止转发。由发射器510在包括在发射器510中的传输参数模块514中接收和处理逻辑反馈550。来自多个接收器520的关于一个或更多个中继站的使用的可能冲突的要求在优化模块515中解决。优化的结果被输出到传输参数模块514。应注意的是，本发明不排除例如在中继站415与移动台420之间或在不同中继站415之间存在其它控制信令。然而，本发明将逻辑反馈550提供为控制机制的主要部分。
上述根据本发明的模块和部件要被视为基站或移动台的功能部分，并且它们本身不一定被视为物理对象。模块和部件优选被实施为软件代码工具，以适用于实现根据本发明的方法。术语“包括”和“连接”在本文中应被理解为功能部分之间的链路，而不一定是物理连接。应理解的是，发射器520的部分功能、例如优化模块515可包括在无线网络的其它节点中，例如，在RNC中。
在图8的流程图中概述根据本发明的基本方法。该方法的先决条件是组织中继站415，使得在相邻中继站的信道530之间有充分的重叠，以及重叠的信道基本上正交。该方法包括以下步骤：
805：每个移动台420通过选择单独的关联中继站组，实现到优选是多个中继站的内部关联。被称为软关联的进程在每个移动台420内部执行。该关联可例如基于有关由中继站发射的导频(信标)的测量，或者在通信会话进行时，基于有关通信信道的测量或质量估计，或通过诸如定位功能的其它方式。注意，这些导频或者可源于基站，并且只由这些中继转发，即，可以表征整个发射接收器路径。
810：基站410修改到中继站415的传输。基站410为经中继站415到每个移动台420的传输确定传输参数。这些参数包括但不限于权、发射功率和调制与编码。优选是基站机会性地决定，即基于瞬时信道质量条件和在传输时提供的其它最大机会和条件、要发送数据到达的中继站415及要发送的内容。该决定进程涉及有关无线电资源和来自多个移动台的可能冲突的要求的优化。
815：基站发射器510使用在上一步骤(810)中确定的传输参数、可能通过加权矩阵U 512并随后通过多根发射天线513发送数据流。
820：中继站415转发收到的信号。诸如信道、信号增益系数和编码的中继发射参数对在进行的会话一般保持不变。或者，中继可尝试在转发收到的信号前将信号解码或以其它方式改进信号保真度。
825：移动台接收器520在适合时通过加权矩阵V 540接收信号，并处理信号。
830：移动台接收器520为收到的信号确定至少一个质量度量。质量度量包括但不限于信号噪声比SNR、误码率BER、误帧率和其组合。
835：移动台接收器520通过逻辑反馈550将软关联中继站的选择和质量度量反馈到基站发射器510。基站发射器在参数选择步骤810中使用质量度量。
如果通信在建立中，则进程可从软关联步骤805直接转到反馈步骤835。
优选在通信会话期间重复步骤805-835以适应无线电环境中的变化。
根据本发明的逻辑体系结构和方法使降低协作中继网络的复杂性和降低通过空中接口的控制信令量成为可能。在进行的通信会话期间需要的控制功能和优化主要可能在基站中或另外在像RNC的连接节点中执行。因此，系统可更好地处理来自两个或更多个移动台420的冲突要求，并且在中继站之间的、使用无线电资源的、可能无效的优化尝试的风险得以避免。优选在基站405修改到中继站415的传输的步骤期间执行优化，并且包括以下子步骤：
810:1：基站在反馈中提供的信息中标识来自不同移动台420的关于中继站415的使用的冲突要求。移动台420具有到相同中继站的软关联。
810:2：基站例示用于解决冲突要求的优化进程。可使用多个已知的优化方案，例如模拟退火。
810:3：在修改到相应中继站415的传输时，基站420将优化进程的结果考虑在内。
如上所述，为便于有限的控制信令与无线电资源的有效使用结合，已在上面标识多个功能或特性并将在下文中更详尽地描述和举例说明。这些特性包括但不限于：
-重叠的覆盖范围区域的中继组织；
-到中继信道的软关联；
-在中继的转发；
-接收器到发射器的逻辑反馈；
-在接收器的通信方案和解码。
重叠的覆盖范围区域的中继组织
根据本发明，中继站415的重叠的覆盖区域是有效使用无线电资源的先决条件。如在图9、图10和图11中所示，可以以各种方式实现重叠的覆盖范围。图9以示意图方式示出可如何分布中继及如何组织诸如信道和发射范围的中继资源。中继站在此处示范为连接到灯柱。可以看到，充分正交的信道的中继覆盖范围是重叠的。还示出，在同一小区内可再使用信道多次，如信道q。当然还可在小区之间在空间上再使用信道。
在图10和图11中示出不同的组织原则。在图10的拓扑A中，中继站415例如以六边形模式展开，但每个中继站的大部分覆盖范围至少与其最近邻站且优选是下一最近邻站相重。在图11的拓扑B中，中继站415组成中继群1105，为属于一个群1105的各个中继站415提供几乎相同的覆盖范围。拓扑A与拓扑B相比的优点在于由于中继邻近的原因，中继链路的质量一般将更佳。然而，拓扑B的益处是中继群可替换为具有相同数量天线的单个中继实体。然后可通过电缆、光纤或甚至短距离无线链路连接天线。由于必须要考虑现实的拓扑、经济等，实施的网络一般可能是拓扑A与拓扑B的混合。
为有效实施无线网络，优选应提供中继站415的自组织。中继应自行组织，使得来自不同中继的充分正交的信道在空间上重叠。这主要通过选择信号增益系数和信道的组合实现。一种替代选择是选择中继发射功率。然而，如果选择发射功率，则当输入信号弱时必须注意不要散布噪声，或者只是接受有噪信号被转发。例如当启动网络时、当将新节点插入网络时、中继节点故障时或者无线电环境例如由于新建筑而永久性更改时可发生自组织。然而，发射器可基于以前与用户通信的长期统计，建议中继执行一些操作，如增大信号增益系数或更改信道。注意，对于此选择，中继参数不会随在进行的会话而更改以适应特定的用户。相反，要将它看成是在基于缓慢时间(slow time)操作的自适应小区规划。
对于每个中继站，覆盖范围区域可被定义为中断可能性低于预定阈值的区域，并且该阈值设为使得在通信中可实现合理的频谱效率。根据经验，优选应实现至少0.1b/Hz/s的频谱效率。考虑到覆盖范围区域的定义，当两个中继站覆盖是至少具有最小覆盖范围的中继站的有效部分(significant fraction)的共同区域时，可定义这两个中继站的重叠的覆盖范围区域。该有效部分的阶(order)优选是大于最小小区覆盖范围区域的10％，并且甚至更好是大于20％。
可以以几种方式构建用于自组织的适合算法。下面将论述两个主要算法，集中式和分布式中继参数组织。
集中式操作：
在图12的流程图中示出基本操作。为简单起见，假设是初次启动中继系统。首先，启动中继，步骤1205，并且每个中继站415的开始操作是检测哪些中继站邻居可用，步骤1210。当进行此操作时，可从相邻中继站收集路径损耗信息(和任选还收集位置信息)。在下一步骤1215中，中继站将收集的数据报告给负责一个或更多个基站410的中央实体。中央实体然后确定关于信号增益系数和信道分配的中继配置，步骤1220，并且还确定接收并与其关联的基站410。然后，基于确定的参数更新中继站，并激活中继站以开始转发从基站接收的信号，步骤1225。
因为此算法为集中式，如果中继站的数量及信道的数量不是太大，则可执行中继信道的穷举搜索。否则，可使用集中启发式动态信道分配方案。脱机计算可用于集中式情况，因此复杂性不是主要的障碍。如果新的中继节点被引入网络，或者中继节点有故障，则可确定并然后在中继中设置新的中继配置参数。因此，中继邻站发现进程是可持续操作的进程，即使当转发阶段在进行时。中继到中继的通信优选在不干扰用户数据的信道中进行。
分布式操作：
或者可执行分布式信道和信号增益系数分配方案。这将一般不提供与集中式方案一样好的优化解决方案，但具有不需要向任何中央实体报告邻站相关信息的优点。可预见许多复杂程度或高或低的不同算法。分布式操作将通过相当简单的方案例示，这通过图13的流程图进行说明。在启动系统、步骤1305后，中继站在步骤1310中发现其邻站(类似于集中式情况)。当进行此操作时，可估计中继之间的路径损耗。基于路径损耗和来自发射器的信号质量，确定信号增益系数，步骤1315。可应用的一个规则是应达到至少N个邻站，但发射功率上限约束限制中继的可能数量。对于朝向基站的传输，即蜂窝上行链路(UL)，还可随到选定的基站的链路质量而设置信号增益系数。
在步骤1320中，随机选择试验信道。选定的信道然后被发送到N个选定的中继站，步骤1325。类似地，每个中继站从相邻中继接收有关它们在使用的信道的信息，步骤1330。每个中继站检查该组选定的试验信道，并指配对应于每个信道的信道重新分配概率。如果中继站看到特定信道的较高频率选择，即相对其它信道而言，则它将使得向此信道指配更高的重新分配概率。然后将重新分配概率(或重新分配概率向量)分发到邻站，步骤1340。当接收一个或更多个重新分配概率向量时，这引导每个中继站随机放弃旧信道。还可包括优选信道概率向量以引导新信道的选择，从而提高选择以前无负荷或负荷低的信道的概率。此操作继续，直至优化标准得以满足，或者诸如迭代次数的另一定界符超过最大阈值，步骤1335。优化标准可以例如是尽力分散信道的使用，使得所有信道得到差不多等同的使用。一个简单的方法是尝试使方差(variance)达到最小，并且如果方差在多次迭代后无重大变化，则停止迭代。
虽然已在此处使用概率方案，但还可使用更具确定性的方案，其中，一个中继站建议其它中继站从一个信道移到另一信道。另外，可以以分布式方式联合指配发射功率以及信道。
除上述主要方法外，运用本领域已知的许多其它分布式信道分配方法将是可能的，但要带有所需的附加特性，即覆盖范围区域可在节点之间重叠。应注意的是，如果同一信道由多个中继使用，并不是特别严重，它只表示在平均的意义上SNR稍微增大。关于MIMO情况，在接收器进行信号处理，并且从接收器角度而言，多个中继使用相同信道是透明的。然而，从性能角度而言，优选在任何给定位置使用尽可能多的可用信道。
到中继信道的软关联
本发明的一个特性是具有活动会话的移动台420执行到优选是多个中继信道的软接收器内部关联。当移动台420遍历具有重叠的中继信道的区域时，更新软关联。包括在图8流程图的步骤805中的软关联可被视为移动台420选择在当前的移动台位置和/或无线电环境适合用于通信的一组中继站415或中继信道。如上参照图8的流程图所述，最终将使用哪些中继站415及在特定时刻的使用程度也是在基站410中基于从移动台到基站的反馈而执行的决定的结果。
移动台420可使用全部可用信道，或者使用这些可用信道的一部分。这可以是由于硬件限制或功耗考虑因素而引起的。优选是移动台动态选择使性能达到最大的一组中继信道。具体而言，可随使用的应用而选择信道，例如，关于带宽(BW)和/或服务质量(QoS)要求。例如在只需要两个信道便可满足BW要求时，使用全部可用信道便无意义。相反，其它用户可使用空闲信道。图14的流程图从接收器角度示出此操作，其中，在第一步骤1405中，移动台420测量中继信道质量，例如，SNR或BER。在第二步骤1410中，移动台420例如基于当前或将来的应用来确定BW要求。移动台420然后在步骤1415中选择一组中继信道，即，实现到选定的中继信道的软关联。与质量测量组合或作为一种替代选择，在选择进程中还可利用其它信息，例如，与中继站415或中继站群440相比移动台位置的信息。在通信会话期间重复该进程以适应变化的条件。
移动台还可在不处于活动会话中时执行到中继站的软关联，以指示其在小区或部分小区中的存在、进行寻呼等。然而，如果不处于活动会话中，或者在建立此类会话的进程中，则无需报告信道质量度量。在活动会话进行前，基站也不应执行任何优化。当移动台不处于活动会话中时，与移动台然后处于活动会话中相比，优选应不太频繁地执行软关联进程。
在中继的转发
中继转发从发射器接收的任何信号。包括中继站的网络可使用用于转发收到的信号的最低所需SNR的阈值标准。这样，可缓和有噪信号的转发。
发射器还可发出无数据要发送的信号，由此从中继的转发停止，直至数据被重新发射。
中继站还可结合各种已知的编码方法。例如，可延迟信号随机短的时间，足以引发人工频率选择性；(这被称为延迟分集)。另一个选择是使用空时编码方案，如Alamouti分集。此处，我们假定中继接收被称为A部分和B部分的两个数据单元，在这些数据单元上执行Alamouti发射分集编码。开始时，在Alamouti分集中，中继承担一根天线的作用。如果它承担天线1的作用，则它发射A部分和B部分的共轭形式。相反，如果中继承担天线2的作用，则它先发射B部分，然后发射A部分的否定和共轭形式。还可运用其它类型的空时编码方法。应强调的是，在转发时使用的任何参数与当前在使用由中继转发的信号的用户无关。
接收器到发射器反馈
如上所述，一个或更多个移动台420可将信息反馈到基站410的发射器，由此发射器可修改其发射参数。
视传输技术和链路控制机制所处位置而定，反馈信息可以具有不同的类型。如果接收器具有链路控制的重要部分，则移动台420可决定用于发射器的链路模式，包括编码和调制方案。移动台420还可决定发射器应使用的发射权。发射权对MIMO情况特别有用，但还可在波束成形环境中使用。或者，移动台420可将原信道状态信息(如复信道增益、噪声电平或统计、信号噪声比SNR或载波干扰比CIR)转发到基站发射器510，并且发射器确定要使用的发射参数(链路模式、发射权、发射功率等)。正如本领域的技术人员理解的一样，可在反馈中使用不同的表示，范围包括实际的测量值到更简洁的质量分类名称。
如果多个移动台同时反馈信息以控制通信链路，则基站发射器510可决定将业务调度到瞬时“最佳”接收器，或者如果在发射器多个天线可用，则决定同时发送到多个接收器。具体而言，发射器可以机会性方式对用户特定的衰落信道波动或干扰波动作出响应。在此环境下，优选从多个接收器发送回信道质量，因此发射器可进行中央优化。
原则上，可响应来自移动台420的反馈，对影响来自基站410的传输的所有参数进行调整。然而，必须小心以免造成不必要的影响。例如，虽然原则上可调整基站发射功率，但优选是它不应是要调整的主参数，因为这会导致中继覆盖范围半径产生波动。实际上，一般是在以下假设条件下设置中继站415的信号增益系数，即假设基站使用相当固定的发射功率电平，并且中继功率将受其最大发射功率电平限制。然而，偶尔可调整发射功率以管理例如在发射基站与接收移动台之间使用的任何直接链路。
为测量信道质量，存在不同的可能性。在一个实施例中，在由基站410发送并且由中继站415转发的一个或更多个导频上测量信道质量，因此，可估计基站到移动台的完整路径质量。如果基站配有多根天线，则多个导频可用于在基站配有多根天线时分隔不同的天线层。因此，从移动台测量和反馈的信道质量的报告对应于导频。在另一简化实施例中，在从中继发送的一个或更多个导频上测量信道质量，可能还包括来自每个中继的有关基站到中继站的链路的质量的指示。
根据本发明的一个替代实施例，移动台420的接收器在步骤835中将优选参数而不是原信道数据反馈到基站410。优选参数包括但不限于：链路模式、编码方案、调制方案和天线发射权。优选参数反映每个单独移动台420的最优值。然而，如在基站的优化步骤810:2中所述，在例如检测到来自不同移动台的冲突要求时，基站可基于有关参数的非优选值进行决定。
通信方案和解码
在根据本发明的体系结构和方法中可采用几个信号处理方案。例如，具有多根天线的基站410可在下行链路中使用到移动台的基于MIMO的通信。MIMO的益处在于除提供分集外，它还可以进行调整以提供空间复用，这又产生了很高的频谱效率。或者，当基站410只运用一根天线时，到移动台420的通信退化到有效的SIMO(单输入多输出)信道。即便如此，移动台420的接收器可通过最大比率组合(MRC)或干扰抑制组合(IRC)而组合收到的信号。如果中继站在转发的信号上实施某个空时编码(STC)方法(如Alamouti发射分集)，则接收器在解码时需要考虑这方面。通过延迟分集，接收器只看到“额外”的频率选择信道。
MIMO解码
基于MIMO的通信是有利地结合本发明使用的通信方案的例子。在使用根据本发明的体系结构和方法的MIMO实施中，基站410的发射器通过信道矩阵H发送向量T，其中，每行对应于使用相同转发中继信道的一个或更多个中继站415，并且有与信道矩阵中行数一样多的转发中继信道。每个中继站415添加噪声，在此处这对应于噪声向量N。每个中继站415随后将有用的信号(即信号向量T的叠加)与其预定的信号增益系数相乘。或者，中继站确保包括信号功率和噪声功率的总输出功率不超过在特定中继站设置的最大功率电平。然后由于中继站与接收器之间的路径损耗而使发射的信号衰减。信号增益系数和衰减可被组合到对角矩阵A中。接收器又将噪声向量W添加到在从中继接收的信号。通信链路现在可建模为
R＝A·(H·T+N)+W                            方程式1
如果利用基站410与移动台420之间的直接链路，则这也可直接并入上述矩阵表述中。
可对角化以上方程式系统，例如，通过在矩阵A·H上使用奇异值分解MIMO方案，该方案类似于传统的基于MIMO通信中已知的方案。然而，本发明中的矩阵表述不同于传统的MIMO系统线性方程式系统表述，它具有R＝H·T+W的形式。对于具有基于SVD的MIMO的本发明，它表示发射器将应用单式权矩阵U，并且接收器乘以单式权矩阵V的厄密共轭。对角化允许接收器直接接收多个并行的基本上无自干扰的MIMO子信道。
对于如图5中所示具有多根天线的移动台，可使用各种形式的组合和解码方案，包括诸如MMSE和单用户检测(SUD)、多用户检测(MUD，例如，以连续干扰消除或并行干扰消除为例)的众所周知的方法。
在大部分上述实施例中，中继站415被设想为配有全向天线。然而，使用可指向选定的基站的定向天线可能有益。假定使用定向天线，则本领域的技术人员明白，这可以以许多方式实施，包括固定波束成形或自适应天线。对于自适应天线情况，通过只设置其接收天线权以使载波干扰比达到最大，优选还抑制不期望的干扰，可由中继站为来自基站的下行链路实现波束成形。
中继站也可有利地提供有多根天线。这种情况下，可使用各种形式的组合和解码方案，包括诸如MMSE和单用户检测(SUD)、多用户检测(MUD)(以连续干扰消除或并行干扰消除为例)的任何众所周知的方法。目的是可在转发信号前在中继中提高信号质量。
中继信道的一种替代实施例是使用由未经许可的频带提供的大带宽。当考虑MIMO情况时这特别有益，其中，从中继到接收器的第二链路可使用比第一链路上大得多的BW。
为增强由基站410提供的容量，基站(或BS站点)可支持多个扇区。每个扇区然后将根据本发明使用不同中继。
本发明并不限于任何特殊的调制方案。可使用通常采用的调制，如为3GPP指定的那些调制。还可使用多载波调制方案，如正交频分多址(OFDM)。
为清晰起见，在下行链路情况中描述和举例说明了本发明。本发明的方法和逻辑体系结构可以以类似于下行链路的方式，同样很好地用于上行链路(UL)传输。在上行链路中，中继站415优选应只在SNR超过最小阈值电平时发送，否则它们将发送具有低SNR的信号。此外，与DL相比，设置不同的用于UL操作的中继站功率；它的设置使得传输以所需的信号质量到达预期的接收器，即，基站410，优选将在接收器的干扰和噪声特征考虑在内。在UL情况下，中继覆盖范围重叠与传输无关，而是与来自移动台侧的接收有关。信道分配优选可以与用于传输的分配相同，并且通过参照图14所述的算法进行确定。发射移动台420还可在不同信道上调用不同的发射功率。这可通过基于链路质量提供来自基站410(即现在的接收器)的反馈而进行控制。在图15中示出使用具有单根天线的移动台420(现在的发射器)并通过不同中继信道发送的情况。此外，可运用在发射移动台和中继具有多根天线的更复杂情况，类似于参照图5进行的说明。另外，类似于图6，多个移动台发射器发送数据到单个基站在本发明的范围内是可能的。
在附图和说明书中，公开了本发明的典型优选实施例，并且虽然采用了特定的术语，但只是在一般性和描述性的意义上使用它们，并不是要进行限制，本发明的范围在随附权利要求书中陈述。
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Claims (3)

1.一种适合在两跳无线通信网络中使用的基站(410)，其中，所述网络包括基站(410)、至少一个移动台(420)和至少一个中继站(415)，其中，所述中继站(415)用于将信号从所述基站(410)转发到所述移动台(420)，所述基站(420)包括用于从所述移动台接收有关到所述移动台的传输的反馈的装置，其特征在于，所述基站(410)具有： 
-优化装置(515)，用于从所述反馈中提供的中继站的选择和信道质量度量中标识来自至少两个移动台(420)的关于所述至少一个中继站(415)中的一个或更多个中继站的使用的冲突要求，并用于执行模拟退火方案以解决所述冲突要求，其中所述至少两个移动台(420)具有与所述一个或更多个中继站相同的软关联； 
-传输参数修改装置(514)，用于确定至少到所述一个或更多个中继站的传输的传输参数，该确定考虑到所述模拟退火方案的结果。 
2.如权利要求1所述的基站(410)，其中，所述基站(410)的发射器用于进行基于MIMO的通信，并且通过信道矩阵H来发送向量T，其中，所述矩阵H的每行对应于使用相同中继信道的一个或更多个中继站(415)，并且存在与所述信道矩阵中的行数一样多的中继信道。 
3.如权利要求2所述的基站(410)，其中，所述基站(410)的发射器用于在矩阵A·H上使用奇异值分解SVD MIMO方案，其中A是对角矩阵，并将单式权矩阵U应用于输出的信号以便在移动台的接收器处通过使用单式权矩阵V的厄密共轭来对所接收的信号进行对角化。 
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