CN102017560A - 用于无线正交频分多址接入系统的低延迟同步机制 - Google Patents

Abstract

在先进式无线正交频分多址接入通信系统中，采用阶层式同步以提供基站与移动台之间的同步。在阶层式同步架构中，利用主先进式前导来提供粗略的时域同步，而利用多个累积次先进式前导来侦测小区ID。可通过调整超帧中的超帧报头、主先进式前导及次先进式前导的相对位置而减少网络登录延迟。本发明提出三种不同的同步信道架构以提供在网络登录延迟与次先进式前导设计及小区ID侦测的稳健性之间的不同折衷。

Description

用于无线正交频分多址接入系统的低延迟同步机制

交叉引用

本申请依据35U.S.C.§119要求如下优先权：编号为61/163,934，申请日为2009/3/27，名称为“Synchronous scheme for advanced wireless OFDMAcommunication systems”的美国临时申请。其主题在此一并作为参考。

技术领域

本发明有关于蜂窝式正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，以下简称为OFDM)系统，特别有关于先进式无线正交频分多址接入(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，以下简称为OFDMA)通信系统中的基站(base station，以下简称为BS)的低延迟网络同步。

背景技术

在无线通信系统中，例如通过电气与电子工程师学会(IEEE)802.16m规格定义的无线通信系统，BS与移动台(mobile station，以下简称为MS)通过发送与接收载送在超帧(superframe)序列中的数据与彼此通信。在MS接入BS之前，执行物理(physical，以下简称为PHY)层同步与媒体访问控制(Media Access Control，以下简称为MAC)层同步。在开启电源之后，MS首先通过服务(serving)BS广播的同步信道(synchronization channel，以下简称为SCH)获得下行链路(downlink，以下简称为DL)同步并调整其时序(timing)、频率及功率。在DL同步之后，MS通过测距(ranging)程序获得与服务BS的上行链路(uplink，以下简称为UL)PHY层同步并通过网络登录(entry)程序获得与服务BS的UL MAC层同步。

SCH为每一个超帧内的无线资源区域(radio resource region)，BS利用超帧传输前导(preamble)。前导是便于网络同步的预定义码序列。一般来说，前导被设计用来实现以下目标：提供时域与频域中的用于网络同步的可靠参考信号；支持用于数据与超帧报头(superframe header，以下简称为SFH)译码的信道估计；提供DL信道质量指示(channel quality indicator)测量并接收信号强度指示(signal strength indicator)测量；减少网络登录延迟；最小化通信成本(overhead)。因此，亟需设计良好的SCH架构以实现这些目标。

在当前的IEEE 802.16m无线系统中，已提出阶层式(hierarchical)两段同步机制。在第一阶段中，利用主先进式(primary advanced，以下简称为PA)前导来提供粗略的时序同步。在第二阶段中，利用多个次先进式(secondaryadvanced，以下简称为SA)前导来提供精细的时序同步与小区ID侦测。PA前导与多个SA前导都在超帧中时分复用(time-domain multiplex，以下简称为TDM)。举例来说，每一个超帧有四个帧、一个PA前导及三个SA前导，所述一个PA前导与三个SA前导分布在超帧内的每一个帧中。设计一种阶层式SCH结构，可以减少网络等待时间及/或提供在网络登录延迟与小区ID侦测的稳健性之间的期望折衷，仍为一项挑战。

发明内容

在先进式无线正交频分多址接入通信系统中，采用阶层式同步以提供基站与移动台之间的同步。在阶层式同步架构中，利用主先进式前导来提供粗略的时域同步，而利用多个累积次先进式前导来侦测小区ID。在时域中累积以提供正确的小区ID信息的次先进式前导的数目取决于网络环境与前导序列设计的稳健性，而所述数目转而决定网络登录延迟。设计良好的同步架构可以减少网络登录延迟且并未降低系统性能。一般来说，可通过调整超帧中的超帧报头、主先进式前导及次先进式前导的相对位置而减少网络登录延迟。

本发明提出三种不同的同步信道架构以提供在网络登录延迟与次先进式前导设计及小区ID侦测的稳健性之间的不同折衷。在第一实施例中，提出S-P-S-S前导分配机制为不同的网络环境提供稳健的小区ID侦测与减少的网络登录延迟。在第二实施例中，提出S-S-P-S前导分配机制以提供小区ID侦测的高可靠性与低网络登录延迟之间的良好平衡。在第三实施例中，提出S-S-S-P前导分配机制为具有良好信道条件与稳健的次先进式前导设计的简单网络配置提供合理的小区ID侦测可靠性与最低的网络登录延迟。

其它实施例与有益效果将在下文中作详细说明。本发明内容并非作为本发明的限制。本发明通过权利要求书所述范围界定。

附图说明

图1是根据本发明实施例的具有DL同步的蜂窝式OFDMA系统的示意图。

图2是根据本发明实施例的DL同步方法的流程图。

图3是根据本发明用于IEEE 802.16m系统中的阶层式同步机制的第一SCH架构的示意图。

图4是根据本发明用于IEEE 802.16m系统中的阶层式同步机制的第二SCH架构的示意图。

图5是根据本发明用于IEEE 802.16m系统中的阶层式同步机制的第三SCH架构的示意图。

具体实施方式

下文将参考所附图式对本发明实施例作详细说明。

图1是依本发明实施例的具有阶层式DL同步的蜂窝式OFDMA系统10的示意图。蜂窝式OFDMA系统10包含BS 11与MS 12、MS 13及MS 14。BS 11包含射频(radio frequency，以下简称为RF)传输机/接收机模块15、SCH分配模块16、处理器17、存储装置18及天线19，其中天线19耦接于RF传输机/接收机模块15。在开启电源之后，MS 12、MS 13及MS 14接收自BS 11广播的无线电信号。在MS 12、MS 13及MS 14可以接入BS 11并通信数据之前，需要DL PHY层同步。MS 12、MS 13及MS 14通过在DL同步期间SCH监视(monitor)以及追踪(trace)来进行时序、频率及功率的调整。

在蜂窝式OFDMA系统10的范例中，BS 11与MS 12、MS 13及MS 14通过发送与接收载送于超帧结构中的无线资源区块的数据与彼此通信。每一个超帧(例如，SU0、SU1、或SU2)包含四个帧(例如，F0、F1、F2、及F3)。SCH为每一个超帧内的无线资源区域，超帧被用于载送前导以便于DL同步。一般来说，SCH包含一个或多个自BS传输的预定义前导码序列。基于已接收的前导码序列，MS可在时域与频域中获得用于DL同步的可靠参考信号。此外，MS可以执行用于数据或SFH译码的信道估计。

如图1所示，阶层式两段同步机制是用于DL同步。在第一同步阶段中，利用PA前导来提供粗略的时序同步。PA前导也载送部分系统信息，举例来说，载波类型与载波带宽。工作在相同频谱(frequency spectrum)的BS通常共享PA前导。通常来说，频率再用(reuse)1是用于传输PA前导。在第二同步阶段中，利用多个SA前导来提供精细的时序同步与小区ID侦测。在不同的BS中，SA前导通常不同。通常来说，频率再用3是用于传输SA前导。PA前导与多个SA前导都在超帧中时分复用。

在本发明实施例中，BS 11的SCH分配模块16分配一个PA前导与多个SA前导以达到在网络等待时间与小区ID侦测的稳健性之间的期望折衷。在图1的范例中，PA前导位于每一个超帧中的第二帧(即，F1)的第一OFDM符号中，而三个SA前导分别位于每一个超帧中对应的第一帧、第三帧及第四帧(即，F0、F2、及F3)的第一OFDM符号中。每一个超帧也包含SFH，其载送系统信息并通常始于第一帧的第二OFDM符号。通过将PA前导分配在SFH之后，MS可以在少于超帧长度(即，20毫秒)的持续时间(duration)内译码SFH信息。

图2是依本发明实施例的在蜂窝式OFDMA系统中的阶层式DL同步方法的流程图。在DL同步期间，BS通过已分配的SCH将每一个超帧中的PA前导与多个SA前导广播至MS。在步骤21中，BS首先将PA前导分配在超帧中的多个帧中的一个的第一OFDM符号中。上述载送PA前导的帧被称作PA帧。PA帧并非超帧中时域上的第一帧(即，F0)。在步骤22中，BS将SA前导分配在超帧中的剩余帧中的每一个中。每一个SA前导也位于每一个帧中的第一OFDM符号中。然而，没有将SA前导分配在PA帧中。最后，在步骤23中，BS将具有PA前导与SA前导的超帧传输至MS。超帧也包含载送系统信息的SFH，SFH始于超帧中时域上的第一帧(即，F0)中的第二OFDM符号。

在本发明实施例中，上述用于阶层式DL同步的SCH分配机制相较于其它传统SCH分配机制，可减少网络登录延迟且并未降低系统性能。MS的网络登录延迟被定义为接收到第一PA前导的时间与开始数据通信的时间之间的延迟。在传统前导分配机制中，PA前导始终与SFH位于同一帧中。在四帧的超帧结构中，举例来说，PA前导与SFH都位于第一帧中，而三个SA前导位于超帧中时域上的后续三个帧中。基于此类传统前导分配机制，网络登录延迟始终等于至少一个超帧长度(即，20毫秒)。其原因在于MS仅可在成功译码SFH信息之后开始数据通信。此外，MS仅可在侦测载送在SA前导中的完整小区ID信息之后译码SFH信息。因此，在接收当前超帧的第一帧中的第一PA前导与一SFH之后，在接收下一个超帧的另一个SFH之前，MS始终需为完整的小区ID侦测累积三个SA前导。因此，MS必须等待至少四个帧来译码下一个超帧中的SFH信息，并随后开始数据传输。因此，在此传统前导分配机制中，网络登录延迟始终等于至少一个超帧长度(即，20毫秒)。

另一方面，依上述图2所示的新的SCH分配机制(下文中将作进一步详述)，可以减少网络登录延迟且并未降低系统性能。此外，在许多网络环境中，并非必须利用三个已累积的SA前导来侦测小区ID。取决于传输信道条件与前导序列设计，利用少于三个SA前导即可获得成功的小区ID侦测。因此，新的PA前导与SA前导的分配可进一步减少网络登录延迟。下文将结合所附图式对本发明提出的SCH分配机制的不同实施例作出详细说明。

图3是用于IEEE 802.16m系统中的阶层式同步机制的SCH架构的第一实施例的示意图。上述第一实施例也被称作S-P-S-S前导分配机制。在S-P-S-S前导分配机制中，每一个PA前导位于每一个超帧中的第二帧(F1)的第一OFDM符号中，而三个SA前导分别位于每一个超帧中的第一帧、第三帧及第四帧的第一OFDM符号中。如图3所示，在时间t0，MS接收到位于当前超帧SU0中的F1的第一OFDM符号中的第一PA前导。MS执行OFDM符号同步并获得次帧(subframe)SA前导偏置(offset)。在时间t1，MS接收到位于SU0中的F2的第一OFDM符号中的第一SA前导。MS随后开始通过侦测已接收的SA前导序列来搜索小区ID。

成功的小区ID侦测取决于网络配置与网络条件。MS可以或者不可以利用已接收的SA前导来侦测小区ID。在时间t2，MS接收到位于SU0中的F3的第一OFDM符号中的第二SA前导。若在时间t1的小区ID侦测失败，MS再次搜索小区ID。在时间t3，MS接收到位于下一个超帧SU1中的F0的第一OFDM符号中的第三SA前导。若在时间t1与时间t2的小区ID侦测失败，MS再次搜索小区ID。在正常网络条件下，小区ID侦测在累积三个SA前导之后最易成功。在时间t3之后，MS也立即接收位于SU1中的F0的第二OFDM符号中的另一个SFH。因此，在时间t3，MS可成功译码在SU1中接收的SFH信息并正确侦测完整的小区ID信息。因此，MS可以在时间t3开始与BS的数据通信。因此，在本S-P-S-S SCH分配机制中，网络登录延迟减至15毫秒(3×5毫秒)。由此可见，由于PA前导位于每一个超帧中的第二帧，在译码SFH信息之前，仍累积三个连续的SA前导用于小区ID侦测。通过将PA前导分配于每一个超帧中的第二帧，第三个已累积的SA前导在每一个超帧中紧靠着SFH之前。因此，相较于传统分配机制，本S-P-S-S SCH分配机制达到小区ID侦测的相同稳健性且减少网络登录延迟。

图4是用于IEEE 802.16m系统中的阶层式同步机制的SCH架构的第二实施例的示意图。上述第二实施例也被称作S-S-P-S前导分配机制。在S-S-P-S前导分配机制中，每一个PA前导位于每一个超帧中的第三帧(F2)的第一OFDM符号中，而三个SA前导分别位于每一个超帧中的第一帧、第二帧及第四帧的第一OFDM符号中。如图4所示，在时间t0，MS接收到位于当前超帧SU0中的F2的第一OFDM符号中的第一PA前导。MS执行OFDM符号同步并获得次帧SA前导偏置。在时间t1，MS接收到位于SU0中的F2的第一OFDM符号中的第一SA前导。MS随后开始通过侦测已接收的SA前导序列来搜索小区ID。在时间t2，MS接收到位于下一个超帧SU1中的F0的第一OFDM符号中的第二SA前导。若在时间t1的小区ID侦测失败，MS再次搜索小区ID。

在良好网络条件下，小区ID侦测在此时最易成功。因此，在时间t2，MS可成功译码在SU1中接收的SFH信息并正确侦测完整的小区ID信息。因此，MS可在时间t2开始与BS的数据通信。因此，在本S-S-P-S SCH分配机制中，网络登录延迟减至10毫秒(2×5毫秒)。由于仅累积两个连续的SA前导用于小区ID侦测，相较于传统前导分配机制，本S-S-P-S SCH分配机制具有较大的小区ID侦测失败概率。然而，在具有良好信道条件的网络中，S-S-P-S提供低网络登录延迟与小区ID侦测可靠性之间的良好折衷。

图5是用于IEEE 802.16m系统中的阶层式同步机制的SCH架构的第三实施例的示意图。上述第三实施例也被称作S-S-S-P前导分配机制。在S-S-S-P前导分配机制中，每一个PA前导位于每一个超帧中的第四帧(F3)的第一OFDM符号中，而三个SA前导分别位于每一个超帧中的第一帧、第二帧及第三帧的第一OFDM符号中。如图5所示，在时间t0，MS接收到位于当前超帧SU0中的F3的第一OFDM符号中的第一PA前导。MS执行OFDM符号同步并获得次帧SA前导偏置。在时间t1，MS接收到位于下一个超帧SU1中的F0的第一OFDM符号中的第一SA前导。MS开始通过侦测已接收的SA前导序列来搜索小区ID。

在具有稳健的SA前导设计的简单网络配置与良好网络信道条件中，MS可以利用单一SA前导来执行小区ID侦测。因此，在时间t1，MS可成功译码在SU1中接收的SFH信息并正确侦测完整的小区ID信息。因此，MS可在时间t1开始与BS的数据通信。因此，在本S-S-S-P SCH分配机制中，网络登录延迟减至5毫秒。由于仅累积一个SA前导用于小区ID侦测，相较于传统前导分配机制，本S-S-S-P SCH分配机制具有很大的小区ID侦测失败概率。然而，在具有极好信道条件与稳健的SA前导设计的简单网络配置中，S-S-S-P提供最低的网络登录延迟与合理的小区ID侦测可靠性。

对于任何前导分配机制，都可能出现在接收下一个SFH之前，小区ID侦测在第一轮中失败的情况。依传统P-S-S-S，若小区ID侦测在第一轮中失败，则继续在下一个超帧中执行小区ID侦测。其导致网络登录延迟增至40毫秒。类似地，对于S-P-S-S、S-S-P-S及S-S-S-P分配机制，第一轮小区ID侦测的失败将分别导致网络登录延迟增至35毫秒、30毫秒及25毫秒。总体来说，本发明提出的S-P-S-S前导分配机制提供稳健的小区ID侦测与减少的网络登录延迟。此外，本发明提出的S-S-P-S前导分配机制提供小区ID侦测的高可靠性与低网络登录延迟之间的良好平衡，而本发明提出的S-S-S-P前导分配机制为具有良好信道条件与稳健的次先进式前导设计的简单网络配置提供合理的小区ID侦测可靠性与最低的网络登录延迟。

虽然本发明是用特定实施例来说明，其并非用于限制本发明的范畴。因此，举凡熟悉本案的人士援依本发明的精神所做的等效修饰与组合，都应涵盖在权利要求书所述范围内。

Claims (21)

1.一种在蜂窝式正交频分多址接入系统中的下行链路同步方法，该方法包含：

将主先进式前导分配在正交频分复用超帧中的主先进式帧中，该超帧具有多个帧，其中该主先进式帧为该多个帧中的一个，而不是时域上的第一帧；

将一个或多个次先进式前导分配在该超帧中，其中该一个或多个次先进式前导位于除该主先进式帧之外的多个帧中；以及

通过基站传输该正交频分复用超帧，其中该正交频分复用超帧更包含超帧报头，该超帧报头始于该正交频分复用超帧中时域上的该第一帧。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该正交频分复用超帧在时域上包含四个帧：该第一帧、第二帧、第三帧及第四帧。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该主先进式前导位于该第二帧中时域上的第一正交频分复用符号中，且其中每一个次先进式前导位于该第一帧、该第三帧、及该第四帧中时域上的对应第一正交频分复用符号中。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该主先进式前导位于该第三帧中时域上的第一正交频分复用符号中，且其中每一个次先进式前导位于该第一帧、该第二帧、及该第四帧中时域上的对应第一正交频分复用符号中。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该主先进式前导位于该第四帧中时域上的第一正交频分复用符号中，且其中每一个次先进式前导位于该第一帧、该第二帧、及该第三帧中时域上的对应第一正交频分复用符号中。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该主先进式前导提供粗略的时域同步并载送部分系统信息。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该多个次先进式前导中的每一个载送完整的小区ID信息。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该主先进式前导包含前导序列，该前导序列在相同频谱的不同基站之间是相同的。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该多个次先进式前导中的每一个包含前导序列，不同基站的该前导序列是唯一的。

10.一种在蜂窝式正交频分多址接入系统中的基站，包含：

信道分配模块，该信道分配模块在正交频分复用超帧中分配主先进式前导与一个或多个次先进式前导，其中该主先进式前导位于主先进式帧中，该主先进式帧不同于该超帧中时域上的第一帧，且其中每一个次先进式前导位于该超帧中除该主先进式帧之外的对应帧中；以及

传输机，该传输机传输该正交频分复用超帧，其中该超帧更包含超帧报头，该超帧报头始于该正交频分复用超帧中时域上的该第一帧。

11.如权利要求10所述的基站，其特征在于，该正交频分复用超帧在时域上包含四个帧：该第一帧、第二帧、第三帧及第四帧。

12.如权利要求11所述的基站，其特征在于，该主先进式前导位于该第二帧中时域上的第一正交频分复用符号中，且其中该多个次先进式前导中的每一个位于该第一帧、该第三帧、及该第四帧中时域上的对应第一正交频分复用符号中。

13.如权利要求11所述的基站，其特征在于，该主先进式前导位于该第三帧中时域上的第一正交频分复用符号中，且其中该多个次先进式前导中的每一个位于该第一帧、该第二帧、及该第四帧中时域上的对应第一正交频分复用符号中。

14.如权利要求11所述的基站，其特征在于，该主先进式前导位于该第四帧中时域上的第一正交频分复用符号中，且其中该多个次先进式前导中的每一个位于该第一帧、该第二帧、及该第三帧中时域上的对应第一正交频分复用符号中。

15.如权利要求10所述的基站，其特征在于，该主先进式前导提供粗略的时域同步并载送部分系统信息。

16.如权利要求10所述的基站，其特征在于，该多个次先进式前导中的每一个载送完整的小区ID信息。

17.如权利要求10所述的基站，其特征在于，该主先进式前导包含前导序列，工作于相同频谱的不同基站的该前导序列是相同的。

18.如权利要求10所述的基站，其特征在于，该多个次先进式前导中的每一个者包含前导序列，不同基站的该前导序列是唯一的。

19.一种在蜂窝式正交频分多址接入系统中的下行链路同步方法，该方法包含：

将超帧报头分配在正交频分复用超帧中的第一帧中，该超帧在时域上具有多个帧，其中该超帧在时域上具有超帧长度；

在该超帧的每一个帧中分配主先进式前导与一个或多个次先进式前导；以及

将该超帧传输至移动台，其中该主先进式前导与该一个或多个次先进式前导的排列方式致使移动台在译码该主先进式前导之后译码该超帧报头所耗的时间少于该超帧长度。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，该超帧长度为二十毫秒，其中该超帧有四个帧，且其中该主先进式帧位于除该第一帧之外的帧中。

21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，该主先进式前导提供粗略的时域同步并载送部分系统信息，且其中该多个次先进式前导中的每一个载送完整的小区ID信息。

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