无线电通信系统中灵活的频分－时分双工

摘要

灵活的信道结构支持诸如PWT或DECT基站的基站与一组运程终端之间的全双工射频通信。从基站至这些终端的下行链路通信利用第一射频载波,而从这些终端至此基站的上行键路通信利用第二射频载波。每个载波用来提供N时隙时分多址数据流(N为整数),以致两个载波一起提供2N时隙系统。在每个帧内,在第一时隙期间在第一载波上从基站发送数据给终端,并在第二时隙期间在第二载波上从终端发送数据给基站,此第一与第二时隙偏移能根据通信链路变化的时间偏移。此公开的系统提供允许单个时分多址硬件平台有效地与选择地支持或时分或频分双工的统一结构。

说明书

本发明涉及无线电通信系统，并且更具体地涉及时分多址(TDMA)系统中的双工方案。

大多数时分多址无线通信系统采用时分双工(TDD)方案或频分双工(FDD)方案来隔开上行链路与下行链路传输。由于这两种方案提供某些优点与缺点，所以一般在无线通信应用中使用这两种方案。

例如，在个人无线电信(PWT)标准中，具有时分双工的时分多址用于频率规划以及信号分组与时隙分配，这样的时分多址/时分双工方案也适用于许多商业无线通信应用(例如，具有微或皮网孔的小型校园系统)。

另一方面，具有时分双工或频分双工的时分多址根据客户需求与市场要求对于许可的个人通信业务(PCS)频带能是优选的。换句话说，由于个人通信业务系统的结构主要由已获得此频谱一部分的业务提供者来确定，所以在这样的系统中实施的技术与频率使用最终由客户需求以及合法与实际的约束来驱动。虽然第一客户可以请求时分多址/时分双工系统用于特定商业无线应用，但第二客户此后可以要求时分多址/频分双工系统用于无线本地环路应用。

因而，时常要求业务提供者在双工方案之间变换。然而，方案的变换一般导致双倍的努力并因此浪费大量的时间与资源。例如，由于常规的时分双工与频分双工方案根本不同，所以将公用的硬件平台用于这两种类型的系统一般不是可行的。结果，一般分配两个研制组，并通常建立两条单独的产品线路来提供时分双工与频分双工实施。

因而，需要允许通信系统适用于满足各种客户需要而不要求基本系统硬件结构修改的灵活的双工方案。

本发明通过在时分多址通信系统中提供灵活的分割双工结构来满足上述与其它需要。更具体地，所公开的系统利用混合或复合的分割双工结构，以使上行链路与下行链路传输在频率上隔开，而与发送和接收相关的时隙也在时间上隔开。在此称为频分-时分双工(FTDD)的复合双工方案允许在通信系统内有选择地实施这两种分割双工结构而不要求基本系统硬件结构的修改。

本发明的频分-时分双工系统提供低功耗和通常与常规时分多址/时分双工系统相关的硬件复杂性降低的优点，同时也通过隔开上行链路与下行链路频带来提供改善的干扰特性。还有，所提议的系统允许单个硬件平台用于多种技术与应用。例如，设计用于基于时分多址/时分双工技术的商业无线系统的基站也能在进行较小改变的情况下用于常规基于时分多址/频分双工技术的无线本地环路(WLL)应用。因而，本发明的实施例允许一般与技术和产品研制有关的不是重复发生的工程费用显著减少。结果，能缩短用于实施系统的研制进度与生产周期，并且业务与产品提供者能更迅速地响应客户与市场需求。

根据示例性实施例，基站包括收发信机，构造为利用第一载频发送下行链路通信信号给移动站并利用第二载频从这些移动站接收上行链路通信信号，利用连续的时分多址帧发送与接收下行链路与上行链路通信信号，每个帧包括多个时隙。对于所述基站与一个特定移动站之间的每条有效的通信链路，分配每帧中的第一时隙用于至此特定移动站的下行链路通信，并分配每帧中的第二时隙用于自此特定移动站的上行链路通信，此第一与第二分配的时隙在时间上隔开一个固定的时间偏移。有益地，此固定时间偏移的时长对于每条有效的通信链路(例如，对于建立的每个呼叫)能是不同的。例如，如果每个帧具有时长T并包括2N个时隙，则每个时隙具有时长T/2N，每条有效通信链路的固定时间偏移能是△T=(T/2N)*m，其中m是从1至2N-1范围内的整数。

根据一个可选择实施例，基站包括收发信机，构造为利用第一载频发送下行链路通信信号给移动站并利用第二载频从这些移动站接收上行链路通信信号，利用连续的时分多址帧发送与接收下行链路与上行链路通信信号，每个帧包括多个时隙。有益地是，此收发信机的下行链路信号处理路径与上行链路信号处理路径共享公用的信号处理部件。例如，共享的信号处理部件能包括滤波器、本地振荡器与调制解调器之一或多个。

下面结合附图中示出的示意性示例更具体地解释本发明的上述与另外的特征。本领域技术人员将意识到所述实施例用于示意目的并明白在此考虑所有等效的实施例。

图1表示其中能实施本发明教导的示例性无线通信系统。

图2A表示根据常规的时分多址/时分双工方案通信的基站与移动站。

图2B表示常规的时分多址/时分双工系统中的示例性时隙安排。

图3A表示根据常规的时分多址/频分双工方案通信的基站与移动站。

图3B表示常规的时分多址/频分双工系统中的示例性时隙安排。

图4A表示根据本发明的灵活的时分多址/频分-时分双工方案通信的基站与移动站。

图4B表示根据本发明的灵活的时分多址/频分-时分双工系统中的示例性时隙安排。

图4C表示根据本发明的灵活的时分多址/频分-时分双工系统中可选择的时隙安排。

图5是根据本发明构造的示例性收发信机的方框图。

图1表示其中能实施本发明教导的无线通信系统100。如图所示，此示例性无线系统包括十个网孔或覆盖区域C1-C10、十个基站B1-B10、定时主机TM与十个移动站M1-M10。例如，这样的无线系统能根据个人无线电信(PWT)标准来构造并因此能例如用于在建筑物内或在包括许多建筑物与开放区域的整个校园内提供移动通信。一般地，一个无线系统能包括远多于十个的网孔、远多于十个的基站和远多于十个的移动站；然而，每种十个足以用于示意目的。

如图所示，一个或多个基站能位于每一个网孔中。虽然图1表示基站朝向网孔中心定位，但每个基站能反而位于网孔内的任何地方。朝向网孔中心定位的基站一般采用全向天线，而朝向网孔边界定位的基站一般采用定向天线。定时主机TM或无线电交换机在基站之间保持定时同步，如本领域所公知的。定时主机能利用电缆、无线电链路或二者连到基站。

每个基站和每个移动站包括收发信机，用于通过空中接口发送与接收通信信号。一般地，基站与移动站使用时分、频分或码分多址(即，TDMA、FDMA或CDMA)的形式来通信，如本领域所公知的。当移动站在网孔内移动和在网孔之间移动时，与至少一个基站的通信总是可能的。结果，移动站能在整个系统覆盖区域内的任何地方发出、接收与进行呼叫。

为了说明本发明的复合频分-时分双工(FTDD)方案的特征与优点，下面结合图2A、2B、3A与3B描述常规的时分双工(TDD)与频分双工(FDD)方案。为了不损失一般性，个人无线电信标准中的信道定义用于说明常规的时分多址(TDMA)/TDD系统。虽然信道定义在各个标准之间能是不同的，但基本的多路复用与双工概念保持相同。

图2A表示根据常规的TDD方案的上行链路与下行链路通信。如图所示，从TDD基站B20发送给TDD手机M20的信号与从TDD手机M20发送给TDD基站B20的那些信号在时间上相互隔开。如果如图2B所示预定时间间隔T表示单个TDMA/TDD帧T20的时长，则上行链路与下行链路传输之间的间隔一般是预定时间间隔T的一半或T/2。在个人无线电信系统中，每个帧时长是10毫秒并包括24个数据时隙。在一个数据帧内，12个时隙用于发送(从TDD基站B20至TDD手机M20)，而其余12个时隙用于接收(即，从TDD手机M20至TDD基站B20的传输)。虽然发送与接收隔开某一固定(或可变)时间，但它们共享公用频带。如此系统的信道因此利用预定频率与时间基准对来定义。

这样的TDMA/TDD系统广泛地在各种无线通信应用中采用。这些系统的一个优点是频率效率，这是因为上行链路与下行链路传输使用公用的频率载波。另外，由于发送与接收在时间上相互隔开，所以单个硬件路径(包括滤波器、本地振荡器等)能用于这两种功能。结果，TDD系统相对低成本，而且，由于在发送期间能关断接收硬件(而在接收期间能关断发送硬件)，所以TDD系统消耗相对少的功率。

相反地，频分双工(FDD)系统要求单独的频带用于上行链路与下行链路通信，这源于在时间上同时以不同的频率执行接收与发送操作的事实，因而利用操作的频率来定义FDD系统中的信道。图3A表示常规的FDD基站B30与常规的FDD手机M30之间的上行链路与下行链路通信，而图3B表示示例性的TDMA/FDD帧T30。由于同时完成发送与接收，所以在基站与终端中要求单独的硬件路径。结果，FDD系统与常规的TDD系统相比一般费用较高并消耗更多的功率。然而，FDD系统提供相对小的信道交叉干扰并有时从系统间观点出发是优选的。换句话说，可以要求FDD方案使系统与使用此频谱的相邻部分的邻近系统可相互兼容。结果，FDD系统也已经广泛地应用于无线通信应用中。

虽然TDD与FDD系统确实提供某些优点，但这二者之中任何一个系统都不理想地适于所有的无线通信应用。还有，如上所述，TDD与FDD之间的根本差异使之采用特别为二者之一构造的系统来适应特殊应用需求困难。有益地，本发明提供具有这两种类型常规系统的某些优点并且还允许单个硬件结构易于改造为实际上适于任何无线通信应用的复合的频分一时分双工(FTDD)方案。

为了说明本发明的FTDD系统，一个TDMA数据帧定义为包括2N(N为整数)个时隙，其中N个时隙预留用于从基站至便携站的下行链路传输，而其余N个时隙预留用于从便携站至基站的上行链路传输。为了不损失一般性，假定：上行链路与下行链路时隙的时间长度分别是u与d，则单个帧的时长T利用下式给出：

N(d+u)=T                             (1)

由于发送与接收时隙通常具有相同的时间长度(即，d=u)，所以此帧的一半或N/2通常预留用于下行链路传输，而此帧的其余一半通常预留用于上行链路传输。

根据本发明，利用频率与时间隔开建立双工时隙。具体地，上行链路频率f_u与下行链路频率f_d隔开如下的预定频率偏移△f：

f_u=f_d-△f                             (2)

或

f_u=f_d+△f                             (3)

等式(2)与(3)描述此系统的频分双工方面。除了频率隔开之外，也提供时间隔开。具体地，基站与便携站之间的上行链路与下行链路通信也隔开固定的时间偏移，此特定时间偏移基于具有T/2N秒/时隙周期的2N个时隙的帧长度。时间双工则对于上行链路分组一般能定义为S_u(t₁)，而对于下行链路一般能定义为S_d(t₁±△T)，其中t₁定义为上行链路分组的开始时间，并且

△T=时间偏移=(T/2N)*m    (1≤m≤2N-1)    (4)

(根据本发明，m是对于在基站与移动站之间建立的每条通信链路能是不同的整数)。

此系统组合的时分-频分方面因而一般对于上行链路分组能描述为S_u(t₁，f_u，)，而对于下行链路分组一般能描述为S_d(t₁+△T，f_u±△F)或S_d(t₁-△T，f_u±△F)。

因而，根据本发明，上行链路与下行链路传输发生在隔开的频率上和分配的时隙对上，一个时隙对分配给在基站与移动站之间建立的每条有效链路。对于每条有效链路，分配的上行链路时隙在每个TDMA帧内在相应分配的下行链路时隙或之前或之后隔开时间偏移△T。随后所分配的时隙配对保持此链路的时长。

每条链路的上行链路与下行链路时隙的选择例如能基于确定最佳链路安排的信道选择处理。最佳链路安排的确定例如又能基于在呼叫建立时存在的相邻信道和/或同信道干扰的评定。有益地，或基站或移动站能负责时隙选择与分配。例如，基站能根据此基站上的干扰情况选择上行链路时隙，而移动站根据此移动站上的情况选择上行链路时隙。可选择地，基站能独立地或根据来自移动站的指令选择上行链路与下行链路时隙。

注意：由于每个基站不限于帧的特定部分用于上行链路或下行链路传输，所以单个基站能用于支持整个特定覆盖区域内的便携站。换句话说，由于每个TDMA帧内的每个时隙能分配用于上行链路或下行链路传输并由于所分配的上行链路与下行链路时隙对之间的时间偏移对于每条有效链路能是不同的，所以单个基站能使用对于此移动站可能是优选的任何可利用的时隙安排来与此移动站通信。当然，单个基站最多同时支持N个双工链路(假定：每帧2N个时隙)，而如果业务条件允许的话，能在此覆盖区域中增加第二基站，以提供满的时间与频谱效率(即，这两个基站一起能支持2N个同时对话)。

图4A表示根据上述的TDMA/FTDD方案通信的FTDD基站B40与FTDD终端M40。如图所示，在频率与时间上隔开上行链路与下行链路通信。图4B则表示用于单个基站的TDMA/FTDD数据帧T40a内的时隙配对的示例组合。本领域技术人员将意识到：图4B中的配对组合只是一个示例，而本发明考虑每一种可能的配对组合。而且，虽然图4B中的每个上行链路与下行链路配对利用同一时间偏移(即，△T=T/2)，但本领域技术人员将认识到：每个配对能使用不同的时间偏移，如上所述。然而，为说明目的而假定：所示的时隙配对实际上用于第一基站，图4C则表示例如能由第二个位于同一地点的基站使用而不干扰第一基站的优选时隙配对。第一与第二位于同一地点的基站一起为它们所在的覆盖区域提供满时间与频谱效率(即，每个TDMA帧内每个时隙中的每个频率用于上行链路或下行链路通信)。

根据本发明，合适的基站同步用于使手机能与整个系统中的任何一个基站通信。如本领域所公知的，这样的基站同步能利用诸如图1所示的定时主机TM来实施。在其中配对的上行链路与下行链路时隙之间的时间偏移△T根据通信链路是可变的实施例中(即，每条有效通信链路可能使用不同的时间偏移)，在基站之间要求合适的开销信令来实施切换(例如，识别当前分配的对的信息在切换期间在基站之间进行传送)。然而，在其中每条有效链路使用公用时间偏移△T的实施例中，能显著减少开销。例如，参见在此全部引入作为参考的与本申请同一日期提交的题为“Fixed Frequency-Time Division Duplex in RadioCommunications Systems”的待审US专利申请号--。本领域技术人员将意识到：利用现有系统的直接软件修改能实现上述同步。

上述TDMA/FTDD系统的示例实施例将US个人通信业务频带定义用于与PWT(E)时分定义组合的上行链路与下行链路频率。此实施例将固定的△T=T/2用于所有的双工链路并利用以下参数操作：

△T=T/2=Sms

△F=80MHz

T/2N=416.6671微秒

S_u(t₁，f_u)

S_d(t₁±5ms，f_u+80MHz)

如上所述，本发明的TDMA/FTDD方案还特别提供一般与常规TDMA/TDD系统相关的功率节省优点。例如，由于上行链路与下行链路传输在时间上相互隔开，所以所公开的FTDD方案使基站或移动站收发信机的发送与接收路径能共享某些部件。本发明的这一方面表示在图5中。

在图5中，示例基站收发信机500包括发送信号处理路径与接收信号处理路径。如图所示，发送处理路径包括第一与第二发送方框510，520、第一与第二发送/接收方框530，540、本地振荡器550、双工器560和天线570。另外，接收信号处理路径包括本地振荡器550、双工器560和天线570以及第一与第二接收方框580，590。

第一发送方框510能包括例如常规的上变频器，而第二发送方框520能包括例如功率放大器与混频器。另外，第一接收方框580能包括例如低噪声放大器(LNA)和混频器，而第二接收方框590能包括例如常规的下变频器与限幅器。第一发送/接收方框530能包括例如调制解调器，而第二发送/接收方框540能包括例如带通滤波器。双工器560能例如是双向滤波器或开关。

在下行链路传输期间，双工器560将天线570耦合到第二发送方框520并隔离天线570与第一接收方框580。基带发送信号利用第一发送／接收方框530进行处理并随后在利用天线570发送之前分别在方框510、540、520中进行上变频、滤波与放大。相反地，在上行链路接收期间，双工器560将天线570耦合到第一接收方框580并隔离天线570与第二发送方框520。射频信号在天线570上接收并随后在利用第一发送/接收方框530进行处理之前分别在方框580、540与590中进行放大、滤波与下变频。由于发送与接收处理路径共享某些部件(即，第一与第二发送/接收方框530、540中一般非常昂贵的那些部件)，所以根据本发明构造的基站收发信机与常规TDMA/FDD收发信机相比能制作得更小与更便宜。

总之，本发明教导包括灵活的频分-时分双工结构的时分多址系统。所公开的系统使现有的时分多址/时分双工硬件能用于其中要求双双工频带的应用。此系统保持同一频带或单独频带用于上行链路与下行链路通信的灵活性。在每种情况中，保持时分双工能力，以使硬件费用与功率消耗最小。

本领域技术人员将意识到：本发明不限于在此为说明目的而描述的特定示例性实施例。应此，本发明的范畴利用所附的权利要求书而不利用前面的描述来定义，并且与权利要求书的意思相符的所有等效物预定包含在其中。