CN1072434C - 扩展时分多址联接移动无线系统覆盖范围的方法和设备 - Google Patents

Abstract

TDMA系统例如GSM具有有限时段来对移动站来的传送能够提前以考虑信号在移动站与基站之间传送的时间，这限制了传统的最大覆盖范围为RI。将工作在Fi上的第一收发信机与工作在Fo上的第二收发信机同位置安放，让第二收信机的接收时隙延时td，可使第一收发信机的通信达到RI，使第二收发信机与RI和RO之间的移动站通信。指令空闲的移动站都停驻在Fo上，在访问请求时段内切换第一收信机的频率，以在Fo上寻找访问请求消息。

Description

扩展时分多址联接移动无线 系统的覆盖范围的方法和设备

本发明涉及时分多址联接(TDMA)移动无线系统领域，并且尤其涉及对该系统的覆盖范围的扩展。

GSM系统是TDMA移动无线系统的一个例子。GSM系统的一个小区具有一个最大35km的覆盖范围。一种增大覆盖范围的方法是使在两个连续时帧接收移动传输，而这样减少了可用信道的数目。

本发明的目的在于提供具有扩展覆盖范围的TDMA系统，它并不需要两个连续的时帧来接收移动传输。

一种基站被提供有分别覆盖内小区和外小区的两个收发信机，第二收发信机的收信机相对于第一收信机被延迟了一个时间段，略小于在内小区的外侧边缘所使用的。

一个第三收信机被同步于第一收信机并被调谐到与第二收信机相同的频率信道，它被用于使内小区中的空闲移动站进行可靠的接入请求。

第一收发信机发送一个停驻阻止信号以保证空闲移动站在每个小区都停驻在第二频率信道上。

因此，无需两个连续的时帧来接收移动传输，而有效地扩展了TDMA系统的覆盖范围。

参照以下附图更充分地描述本发明：

图1示出一个基站周围的同心圆的覆盖区；

图2示出离一个基站不同距离的几个移动站；

图3a和图3b示出本发明的一个实施例在几个传输之间的时间关系；

图4示出实施本发明的在共同位置的两个发信机/收信机对的方框图；

图5示出实施本发明的一个内部收信机的频率/时间关系；

图6示出本发明的一个实施例中所应用的一个收信机的方框图；

图7示出图6实施例中的时隙布置；

图8示出本发明的又一实施例中所应用的一个收信机的方框图；

图9示出另一种收信机的方框图；

图10示出环路内无线电中继的电话业务(radio-in-thetoop te/lephone service)；

图11示出重叠网孔的配置。

在一个实施例中，两个GSM网孔定位在一个现场上。外网孔具有一个控制信道(BCCHO.)、一个频率为Fo在下行链路(基站到移动站)上的时基结构、以及一个在上行链路(移动站到基站)上的类似的时基结构。在上行链路与下行链路信道频率之间可以有频率偏移。例如，在GSM系统中在有关的上行链路和下行链路频率之间总有一个45MH₂偏移。该图1中外网孔保持与所示的区域3内的移动站进行通信。

内网孔有一个频率为Fi的控制信道(BCCHi)、一个下行链路时基结构、以及一个相应的上行链路时基结构。内网孔保持住与区域2内的移动站进行通信。虽然区域2和3都以圆形示明，但覆盖范围并不必需罩住整个区域。

根据TDMA系统，两个网孔在上行链路和下行链路时基(Tf)之间可以有一个固定的时间偏移。在GSM中，在由基站的发送与由移动站的发送开始之间有一个固定偏移为3个时隙。此外，按照本发明，一个附加的延时(Td)，已经引入外网孔，它对外网孔收信机接收开始时间加以延时。在GSM中，引入的延时大约等于63个GSM传输比特，外网孔收信机的接收窗口能从位于基站的半径为35-70公里之内的移动站接收所发送的信息。

在一个TDMA系统中，通常有许多预先规定的周期性时隙(t0、t1、t2、t3、t4……、tn)。在收信机控制信道上，分配许多的此种时隙(不少于1个)，其功能是在上行链路上检测“移动站访问”尝试和在下行链路上发送“信道”分配。在最简单的GSM实施中，8个可能的时隙中只有一个时隙被用于这种控制功能。

当移动站的位置于与传播延时Td相当的半径距离之外时，如果这它图访问外网孔的上行链路控制信道BCCHO，则将在外网孔的上行链路收信机上进行接收。由系统指配一个“信道”分配，它是在外网孔的下行链路上发送的，在下行链路广播控制信道BCCH上传送。该移动站响应“信道”分配，连续在所指配频率和时隙上与外网孔通信。

图1示出位于基站1上的两个GSM发信机/收信机对或两个收发信机的覆盖区。

内收发信机的发信机工作在频率Fi上，内收发信机的收信机工作的频率偏离频率Fi一个固定的频率值，例如45MHz。该收信机安排来从内覆盖区域2之内的移动站接收发射信息，该内覆盖区2的半径约为35公里，这取决于63比特的GSM时间缓冲。

外收发信机的发信机工作在频率Fo上，其收信机工作在频率Fo-45MHz上。这个第二收信机安排来从外覆盖区3之内的移动站接收发射的信息。实现这种接收是依靠了对第二收信机延时其时隙窗口延时量大约等于缓冲器时间。该第二收信机可延时得稍小于缓冲器时间，以提供出一个重叠区，来防止该移动站在两个覆盖区之间“摆动”。

虽然这里仅示明了两个同心圆的覆盖区，但对于具有多个收发信机的情况来说也可以存在多个同心圆的覆盖区，每个收发信机的收信机的延时量为缓冲时间的一个倍数。

按照本发明，第二收发信机中发信机(即第二下行链路)的时隙都与第一下行链路的时隙同步，第二收发信机中收信机(即第二上行链路)的时隙相对于第一上行链路的时隙有时间延迟，延时量大约等于缓冲时间。这使第二收信机从第一接收机收到的最大距离的两倍处接收信号。附加的收信机装置调谐到外网孔的上行链路频率(F₀-45MHz)上，并与内网孔的上行链路收信机同步。

参见图2，图中示出多个移动站MS1至MS5位于离开基站BS不同距离处。

基站BS指令每个移动站在缓冲时间内提前其发送，提前量与移动站和基站BS之间的距离成正比。

移动站MS1最邻近基站BS(距离小于500米)，它被指令其发送提前量为0比特。它的消息在时隙TS11上被接收到为M11。

移动站MS2距离基站BS大约17.5公里，它被指令其发送提前量为大约为0.5Td(例如31比特)。它的消息在时隙TS12接收到为M21。

移动站MS3离基站BS35公里，亦即在内网孔半径的界限处，假定它在频率Fi上与内收发信机(TX1,RX1)通信，它被指令其发送提前量为63比特。它的消息在时隙FS13上被接收到为M31。

移动站MS4和MS5离基站BS大约为52公里和70公里，都在内收发信机的覆盖范围之外。如图3a中所示的消息M41和M51那样，来自这些移动站的消息信号到达内收发信机即使充分地提前了63比特，也重叠进入后面的时隙中，即它们重叠进入相邻的时隙内。

图3a示出5个移动站，M1靠近基站，M2离基站约1 7.5公里，M3离基站约35公里(半径R1的值)，M4离基站约52.5公里，M5离基站约70公里(半径R0的值)。图3a中底部邻接的矩形代表收信机RX1的时隙TS11、TS12……。垂线代表该时隙的起最。

移动站离时隙上端的垂直距离可视为它们离基站的实际距离，它们的水平位移表明相对于时隙TS11的起点而言，它们发送的脉冲群在时间上的偏移。

将移动站M1至M5与时隙TS11、TS12、……结合的倾斜虚线因而可认为代表了诸移动站与基站之间无线电波的行程。倾斜虚线与水平线间形成的角度θ定义为

tgθ=D/t式中，D是由倾斜虚线构成斜边的直角三角形的垂直高度，t是该直角三角形的底边，t值与无线电信号传播一个来回距离2D所需的时间成正比。因此，    tgθ=D/t=C/2式中，C是无线电波的速度。由此式可以计算出信号传输要提前的时间量t，即

t=2D/C

换句话说，自收信机TX1的时隙之一的起点出发的斜线表明了一个发射必须提前的数量，以便在那个时隙接收到该发射。由于GSM中可应用的最大提前量为63个比特时段，对应于在R1处的提前量M3，所以在R1之外的移动站不能被RX1接收到。这一点可以由这样的事实来示明，亦即从M4出发的、角度为θ的斜线并不与TS14的起点和终点重合，而是重叠跨在TS14和TS15上；即使M4已提前了最大值63比特也如此。为此，RX1不能从M4接收到信息。类同地，M5也不能由RX1接收到。

然而，从M1、M2和M3的发送在被接收的正确的时间上到达，分别在时隙TS11、TS12和TS13中被接收到。

图3b示出相对于RX1的时隙延迟63比特的RX2时隙的效果。这个延迟可示为其有将收信机RX2移出其来回行程延时量等效于63比特的距离之外的效果。也就是对RX2来说R1变成了基准线。为此，实际上在离中心(因而离RX2)距离R1上的移动站M3，现在处于相对于RX2来说在电气上等效的位置处，如同移动站M1与RX1的关系。换句话说，由RX2来接收时，M3的提前量必须为0。于是，半径R1变成了RX2方面的基准线。实际上M4离基准线17.4公里，需要的提前量是31比特，而M5离基准线35公里，需要的提前量是63比特。从M4和M5到时隙线与基准线之交点的倾斜线组成的角度θ，就象图3a中倾斜线的角度一样。

图4示出实施本发明的一种配置的方框图。

这个配置包括一个第一收发信机TX1/RX1，安排来服务于内网孔；和一个第二收发信机TX2/RX2安排来服务于外侧网孔的。

时钟C1为两个收发信机控制用于上行链路和下行链路时隙的时基。

如图4所示，用于第二收发信机的收信机RX2中的上行链路时隙被延时一个延时量Td用于TX2的下行链路时隙通过时钟提前Ta而被恢复，与TX1的下行链路时隙同步。

基站控制器C2监控该基站的全面运行，并可以编程，以控制内上行链路的频率在Fi与Fo之间的切换。上行链路选择器S1可在一个实施例中根据需要用来将RX1调谐于内或外的上行链路频率上。在另一个实施例中，它可以用来选择一对收信机装置中的一个收信机的输出，每个收信机调谐到内和外上行链路频率中的一个不同值的频率上。

图4概略地示出实施对内和外收发信机的发送和接收信道控制的一种配置。TX1的发送时隙的时基是直接从时钟C1中得出的，象RX1的接收时隙的时基那样。

RX2的接收时隙的时基是通过延时量Td等于(或者略小于)缓冲器时间(63比特)而从C1中得出的；TX2的发送隙的时基是使延时Td的输出提前(提前量与Td的延时时间有同样的量值)、从所恢复的时钟C1中得出的。

于是，TX1和TX2在对应的频率Fi和Fo上同步地发送。

收信机RX2相对于收信机RX1而言被延时Td,RX1在它的访问信道时隙期间调谐于Fo-45MHz上，对于其它时隙RX1调谐于Fi-45MHz上。因此，RX1能够接收从内网孔之内的移动站来的、在RX2频率上送出的访问请求，同时，RX2能够接收从外网孔中的移动站来的、在其本身频率上的访问请求。

图5示出按照本发明的一个实施例中RX1的频率/时隙关系，其中，RX2在它的访问信道时隙t0期间其频率从它的“正常”频率Fi-45MHz切换至Fo-45MHz。在t1到tn期间，RX2回复到它的正常频率。

图6示出实现图5中所示结果的另一个实施例。图6中，RX1包括有第一和第二收信机装置RFi和RFo，它们分别地恒定地调谐在内和外的上行链路频率上。开关SW1按照图5中所示的模式在两个收信机装置之间切换。因此，适当的信号便会通信往RX1的后随级60上，以便处理。在图7中，(a)是RFi的输出，(b)是RFo的输出，(c)是电路级60的输入。

图8示出图6所示实施例的另一个可替代的实施例。在该实施例中，RX1的第一和第二收信机装置RFi和RFo仍分别调谐到内和外的上行链路频率上。在此情况下，RFi和RFo两者都尝试与输入信号相关，而只有成功的收信机装置的输出才能通过，以便进一步处理。

当一个移动电话空闲时，它必须保持与网络有基本的能信，以使它能发出呼叫和接收呼叫。就这一点而言，一个空闲的移动站需要“知道”它处在哪一个网孔中，毗邻的网孔是哪一些，也就是说，它需要知道要收听什么频率或停驻在什么频率上。一个移动站识别出其位置的基本方式是依靠在其所在位置以一群网孔的测量出信号强度，每一个网孔具有不同的频率。通常，一个移动站将停驻在具有最强信号的网孔上。信号强度可能受地理障碍或建筑障碍的影响，并当该移动站啮合一个呼叫时，它需要考虑这些因素，例如，在启动一次切换(handover)之前先插入一个时间延迟。这有助于避免不必要的切换。

为此，当一个移动站空闲时，它往往停驻在最强的广播控制信道频率上。

通过从基站送出的“信息”可使得一些移动站以多种方法停驻在外网孔的一些频率上。一种方法是当各移动站被编程归留在最强信号上时使TX2发送出比TX1要高的功率。

所需的功率差取决于网孔选择算法的滞后。一个附加的“安全因数”可以应用来允许随机的无线电波变动。

已经发现，由于无线电波的遮蔽现象，依靠对移动电话进行编程来选择最强的信号并使基站以较高的功率发送以形成外网孔，这种简单的手段不使空闲的移动站始终停驻在外网孔BCCH上。

鉴以，我们使内网孔以该内网孔频率在BCCH上发送一个网孔阻挡信号。这个信号由该BCCH中的一个标记构成，它由该移动站识别为一个指令以令不要停驻在那个频率上。这就得到了强制该移动站停驻在外网孔频率上的结果，而不论自内和外网孔的发信机来的相对信号强度如何。

在一个较佳的应用中，我们对内机外网孔的发信机使用了同等的功率。

作为使移动站停驻在外网孔上的另一种方法，可以应用GSM的一种特性。这个特性涉及发送一个消息，该消息向移动站表明，不要停驻在特定的网孔上。于是，可以使得那些移动站避开内网孔，而停驻在外网孔上。

还必需确保，已送出一个访问请求的移动站能够接收自该基站来的访问许可消息。

空闲的移动站停驻在外网孔上时，它在外网孔下行链路控制信道上收听着访问许可消息，也就是它调谐在频率Fo上。然而，如果移动站处在内网孔之内，则在Fo-45MHz上送出的它的访问请求将由RX1来接收，在该RX1的访问请求接收时隙期间它是调谐于Fo-45MHz上的。于是，当移动站处在内网孔中时，将由TX1在频率Fi上送出一个访问许可消息。该移动站并不能接收到这个信息。

为此，按照本发明的一个实施例，基站控制使该访问许可消息由TX1以频率Fi来发送以及由TX2以频率Fo来发送。

按照本发明的另一个实施例，基站控制使TX1以频率Fo来发送访问许可消息。

过去认为，当一个空闲的移动站处在一个同心圆的网孔布局中并发送一个访问请求消息时，该请求消息将由调谐于送出此请求消息的频率上的收信机进行接收，而如果该移动站处在那个收信机可收及的范围之内，又如果一定数量的此类访问尝试并不成功，则移动站将自动地试图访问其它的同心圆的网孔，以使得能按这种状态建立起该呼叫。然而，累试结果证明，在某些情况下并不能可靠地以这种状态建立起呼叫。

为了解决这个问题，本发明开发了一种配置，其中，处在诸同心圆的网孔服务区之内的空闲移动站都被导致到停驻在外网孔的BCCH频率上。这意味着，自外区域中的移动站来的访问尝试能受到正常的处理，但是，系统需要改型，以在外网孔的上行链路随机访问信道不能与内网孔中移动站来的访问请求正确地相关时，可以建立起自内网孔中一个移动站来的呼叫。为此，我们提供附加的收信机装置，它调谐在外网孔的BCCH频率上，但在时间上与内网孔的BCCH相同步。于是，该附加的收信机装置能在外网孔频率上接收位于内网孔之内的移动站来的访问请求消息。

虽然，已说明和示例了第三收信机装置，作为一个独立的收信机，实际上，它的实现也可以借助于在随机访问信道(RACH)期间(即在内下行链路BCCH之后的时隙上)将内收信机的调谐切换到外上行链路频率RFo上。参照第三收信机装置，应当理解为包括在本发明的实施之内。

供中间覆盖区用的附加的收信机可以按类同的情况来实施。

需要指出，空闲的移动站被阻止停驻在内网孔上，以在内网孔收信机的RACH上并不会在内收信机频率RFi上作出访问尝试。

扩大网孔的技术的进一步应用是用在“环路路无线电中继”电话业务“radio-in-the loop”telephone service)中，参见图10。在某些应用里，特别是只有少数远地用户(RS1、RS2、RS3)的情况下，向这些用户铺设有线缆路的费用很大，维护费用也很大。

如图10所示，基站BS只需提供出局部的覆盖。

对此，我们建议采用一个基站来提供对远地用户的GSM覆盖，用户可以有由一台本地发电机供电或者由供电线路供电的、固定的收发信机，借以避免便携式电池寿命有限的缺点。

该配置还有一个优点是允许在离农舍一段距离处工作的人员只要他保持在GSM基站的无线电覆盖范围之内，他可以通过该GSM基站用电话与农舍里的人通信。

在一些具体情况下的转移操作可参考图11来说明。

图11示出一对同心圆的网孔1和2以及伸入进两个网孔区域1和2而与它们重叠的一个网孔3。

这里要说明在下列情况中的转移；

A：移动站MS从网孔1移动到网孔2；

B：移动站MS从网孔2移动到网孔1；

C：移动站MS从网孔1移动到网孔3；

D：移动站MS从网孔3移动到网孔1；

E：移动站MS从网孔2移动到网孔3；

F：移动站MS从网孔3移动到网孔2；

GSM系统有一个要求，即转移可以由许多因素来触发，其中包括距离、信号电平、信号质量(同步)和功率积聚(Power budget)，并且，它们可以由不同厂家以不同的方式来实施。

在情况A中，移动站从网孔1移动到网孔2，该移动站将向基站控制部分回告，当它的时间提前量例如达到62比特时，它要趋向于63比特的时间提前量极限。于是，基站控制部分指令该移动站切换到网孔2的频率上。如果移动站因任何原因而不能成功地完成转移，则按照程序，根据由基站控制部分向移动站送出的一张毗邻网孔表面尝试下一个最佳的转移，并在移动站不进行接收或发送的时隙期间它对自这些网孔来的信号电平进行监测。在本例子中，第二个选择将是网孔3。

在情况B中，移动站从网孔2移动到网孔1。其中能触发转移的一种方法可以是对基站编程序，以在时间提前量下降到1比特以下时由基站指令移动站切换到网孔1上。另一种方法中，由基站和移动站共同监测信号质量，可以利用这一点来触发转移。当移动站的移动跨过0比特提前量界时该移动站将给出信号质量劣化的报告，或是由于失去同步被基站控制部分检知这一点，乃触发转移。

这里，网孔3仍将是第二个选择对象。

在情况C中，移动站MS从网孔1移动到网孔3。通常，由于无线电波传播问题，例如衰落现象等，使网孔2不是第一选择对象时，才会发生这种转移情况。这种转移可以被除去距离之外的任一准则触发，就距离准则而言，普通的第一次转移尝试将是转移到网孔2上，象情况A中那样，第二次选择对象才是网孔3。如果移动站报告说，它已到达了这些准则中任一个的门限值，并且网孔3是转移的最佳方案，则将由基站控制部分来启动向网孔3的转移。

在情况D中，移动站从网孔3转移到网孔1。通过编程可使移动站根据由基站控制部分送给它的一个网孔频率表格而尝试向最佳的邻近网孔转移，并且该移动站将请求基站控制部分授权它向提供出最佳功率积聚的网孔转移，也即向要求移动站使用最小功率发送的网孔上转移。因此，如果该移动站与网孔1之天线间的距离近于与网孔3之天线间的距离，则它将被切换到网孔1上。

在情况E中，移动站从网孔2移动到网孔3。这个情况与情况C类似。

在情况F中，移动站从网孔3移动到网孔2。这个情况与情况D类似。

Claims (10)

1．一种数字蜂窝无线电通信设备，包括一个蜂窝基站，该基站包括一个第一收发信机和一个第二收发信机；

第一收发信机包括一个第一收信机和一个第一发信机；

第二收发信机包括一个第二收信机和一个第二发信机；

第一收信机具有一个同步的第一接收时间帧，以接收在第一分配的频率信道上来自延伸到距基站天线第一距离的第一覆盖区域内的传输；

第二收信机具有同步的第二接收时间帧，以接收在第二分配的频率信道上来自延伸到距基站天线第二距离的第二覆盖区域内的传输，第二距离大于第一距离；

基站包括第三收信机，它具有与第一接收时间帧同步的第三接收时间帧，以接收在第二分配的频率信道上来自第一覆盖区域内的传输；

基站在第一分配的频率信道上发送一个第一控制信号，以使第一和第二覆盖区域内的空闲移动收发信机停驻第二分配的频率；

第三收信机被使能接收来自第一覆盖区域内的空闲移动站的接入请求；和

第二收信机被使能接收来自第二覆盖区域内的空闲移动站的接入请求。

2．根据权利要求1的蜂窝无线电通信设备，包括内和外覆盖区域之间的一个或多个中间覆盖区，每个具有一个调谐到各中间频率信道的中间收发信机，

对于每个中间覆盖区有一个附加的收信机，它适合于接收在相应的中间频率信道上来自于相应的中间覆盖区并具有与第二频率信道相同频率的传输。

3．根据权利要求1或2的设备，其中第一控制信号插入第一时间帧中作为一个停驻阻止标记信号，空闲移动电话通过不停驻在第一频率信道而对停驻阻止标记起反应。

4．根据权利要求1或2的设备，其中一个相应的延迟被应用于每个收信机的每个接收时间帧，其中每个收信机适合于接收来自外覆盖区和任何中间覆盖区的呼入信号，每个相应的延迟与内覆盖区的时间帧有关，并且是一个等于或略小于无线电信号从基站天线传播到相应覆盖区的内侧边缘的时间的两倍的一个时间段。

5．在一种TDMA蜂窝无线系统中，具有一个包括基站的蜂窝无线通信设备，该基站具有一个或多个邻接的或重叠的覆盖区和与每个覆盖区相关的一个对应的TDMA收发信机，包括至少：

一个内收发信机包括一个适合从一个内覆盖区接收第一呼入频率信道的第一收信机装置，第一收发信机包括适合于在一个第一呼出频率信道上至少向内覆盖区发送的发信机装置；和

一个外收发信机包括一个适合于从外覆盖区接收一个第二频率信道的第二收信机装置和一个适合于至少向外覆盖区发送第二呼出频率信道的第二发信机；

和一个适合于从内覆盖区接收呼入信号的一个附加第三收信机装置；

一种增加TDMA蜂窝无线电基站的范围的方法，其中从移动电话的传输的定时可以在一个预定范围内调整，该方法包括：

分别根据同步的第一和第三收信机时帧运行第一和第三收信机；

根据相对于第一和第三时帧延迟一个预定延迟时间的一个第二时帧运行第二收信机；

在第一收信机中在一个第一频率信道上接收第一呼入信号；

在第二和第三收信机中在一个第二频率信道上分别接收第二和第三呼入信号；

使在每个覆盖区中的空闲移动电话停驻在第二频率信道，从而来自空闲移动电话的接入请求在第二频率信道上传输，并根据传输接入请求的移动电话的位置在一个适宜的时隙被第二或第三收信机接收。

6．根据权利要求5的方法，包括在第一频率信道中插入具有停驻阻止标记信号的第一时帧，它指示空闲移动电话不要停驻在第一频率信道。

7．根据权利要求5或6的方法，包括相对于内覆盖区的时帧延迟从外覆盖区和任何中间覆盖区接收呼入信号的每个收信机的时帧一个时间段，该时间段等于或略小于无线信号从基站天线装置传输到相应覆盖区的内侧边缘的时间的两倍。

8．根据权利要求5或6的方法，其中基站使接入许可消息在外覆盖区的频率上传输。

9．根据权利要求8的方法，其中基站使接入许可消息由第一发信机在第一频率信道上发送，由第二发信机在外频率信道上发送。

10．根据权利要求9的方法，其中基站使接入许可消息由第一发信机在外频率信道上发送。

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