CN1084120C - 实现无线通信信道时间共享的装置 - Google Patents

Abstract

在一组互相干扰小区(302)间提供对一个无线通信信道的时间共享。无线信道在一组时隙(502)内传输信息。无线信道被分离成(704)一组实际信道(V1，V2)。每个实际信道同时与分配给该实际信道的互扰小区组中的相应多个小区进行通信。在时隙组的任何一个时隙期间，实际信道组中仅有一个信道在工作，并且根据互扰小区组中的相应小区应用的业务负荷，通过激活实际信道组中选定的信道，对无线信道的时间共享进行优化。

Description

实现无线通信信道时间共享的装置

本发明主要涉及无线通信系统，尤其涉及对无线通信信道实现时间共享的一种装置。

为减少小区间的干扰并扩大系统容量，现代的双向信息系统已经采用发射机时间共享技术。全动态时间共享技术便是其中一种，在采用它时只要产生的共信道干扰未超过预定值，实际上任何一个接收机都可以在一个信道上与同一信道的其他任一发射机同时进行工作。此项技术取决于发射机排除表(exclusion table)，该表必须从仿真推导得到，同时该技术还要求复杂的实时计算，这将占用相当大的计算能力。

另一种可选择的技术是基于假定的业务分布和无线传播模型的静态时间共享技术。静态技术根据预定的无线传播模型，将互相干扰的小区分配给“实际”信道，然后根据假定的业务分布，在一个固定的时间间距排列内，时间共享单一无线通信信道上的实际信道。此种方法的优点在于低复杂性和低计算能力要求，缺点在于不能适应业务负荷分布随时间的变化。举例而言，即使当一个实际信道中仅有少量业务或没有业务，这种不利也会造成实际信道被激活，从而浪费了宝贵的广播时间，而此时，另一个实际信道瞬时所具有的业务量可能超出了在它所分配的传播时间内能够处理的业务量。

因此，真正所需要的是这样一种时间共享技术，它没有全动态时间共享技术那么复杂，但又能够对业务负荷分布随时间的变化提供自适应。

本发明的观点是提出一种通信系统控制器，它能够在一组互相干扰的小区间提供对无线通信信道的时间共享。无线通信信道在一组时隙内传输信息。通信系统控制器包括一个网络接口和一个发射机接口，网络接口接收将要在无线信道上传输的信息，发射机接口与网络接口连接用以传输信息。通信系统控制器还包括一个处理系统和一个分离器，处理系统连接到网络接口和发射机接口，用以管理通信系统控制器的工作；分离器连接到处理系统，用以将无线信道分离成一组实际信道，每个实际信道同时与分配给该实际信道的互扰小区组中的相应多个小区进行通信。通信系统控制器还包括一个复用器，它连接到处理系统，实现在时隙组的任何一个时隙期间，仅操作实际信道组中的一个信道。处理系统被编程以优化无线信道时间共享，具体做法是根据互扰小区组中的相应小区应用的业务负荷，通过激活实际信道组中被选定的信道实现优化。

图1是根据本发明的优选实施方式的无线通信系统的电方框图。

图2是根据本发明的优选实施方式的通信系统控制器和基站的部分电方框图。

图3是根据本发明的优选实施方式的无线通信系统的覆盖范围图。

图4是根据本发明的优选实施方式的描述一个实际信道所激活的小区的覆盖范围图。

图5是根据本发明的优选实施方式的无线通信系统中所用传输协议的一个帧周期的简化时间分配图。

图6是根据本发明的优选实施方式的描述帧周期内实际信道复用的时间分配图。

图7是根据本发明的优选实施方式的描述无线通信系统工作的流程图。

参见图1所示，是根据本发明的优选实施方式，无线通信系统的电路方框图。它包括一个固定部分102和一个移动部分104。固定部分102包括一组包含基本收发信机的常规基站116，收发信机通过通信链路114连接到通信系统控制器，从而控制基站116。控制器112的硬件在优选情况下是无线信息网关(WMG^TM)管理器寻呼终端和RF-Conductor！^TM信息分配器的组合，它们均由位于Illinois，Schaumburg的Motorola公司制造。优选情况下，基站116的硬件类似于Illinois，Schaumburg的Motorola公司制造的Nucleus^TM Orchestra！基站。也可采用其他的类似硬件作为控制器112和基站116。根据本发明，控制器112还包括一组固件单元，下面将对此作以叙述。

每个基站116通过一个发射天线120向移动部分104发射无线信号，移动部分104中包括一组移动用户单元122。每个基站116通过一个接收天线118从移动用户单元组122接收无线信号。无线信号包括选择呼叫地址和发送给移动用户单元122的信息，以及从移动用户单元122收到的“收妥确认”。移动用户单元122也可产生“收妥确认”之外的信息。优选情况下，控制器112通过电话链路101和公用交换电话网(PSTN)110连接到一个普通电话机111上，并从该处接收选择呼叫方。举例而言，可以用本领域所熟知的方法，从连接到PSTN110的普通电话机111，产生包括话音和数据信息的选择呼叫方。作为另一种可选择的方法，控制器112也可与其他类型的通信网，例如可与局域网、光缆网络等连接以接收选择呼叫方。

优选情况下，基站116和移动用户单元112间的数据和控制传输采用熟知的数字选择呼叫信令协议，例如Motorola FLEX^TM协议系列中的协议。这些协议采用熟知的检错和纠错技术，因此能够容忍传输期间产生的误码，前提是任意一个码字中的比特误差不是特别多。另外，这些协议是在一个预定的时隙或帧序列内传输数据。根据本发明，也可采用类似的其它协议。

来自基站116的输出信道传输包括数据和控制信号，在优选情况下根据业务要求和系统传输增益，采用两阶和四阶频移键控(FSK)调制，工作在1600或3200字符每秒(sps)。从移动用户单元122到基站116的接收信道传输，在优选情况下采用四阶FSK调制，速率为9600比特每秒(bps)。优选情况下，输入信道传输发生与输出信道传输同步的预定数据分组时隙内。作为另一种可选择的方法，两个传输方向或其中一个传输方向，也可采用其它的信令协议、调制方法和传输速率。优选情况下，输出和接收信道采用熟知的、用以实现频率共享的时分复用(TDD)技术，从而共同工作在同一个载波频率上。作为另一种可选择的方法，输出和接收信道也可采用频分复用(FDD)技术。尽管如图1中所示本发明的优选实施方式，要求采用确认返回的选择呼叫通信系统，但本领域的普通技术人员都会认识到，作为另一种可选择的方法，所说的发明也可工作在单向通信系统中。

Siwiak等人拥有的美国专利No.4,875,038，描述了一项现有技术的确认返回选择呼叫通信系统，本处引入仅供参考。如想获得有关确认返回选择呼叫通信系统的工作与结构方面的更多信息，请参见Siwiak等人的专利。

参见图2，根据本发明的优选实施方式的控制器112和基站116的部分电路方框图200，示出控制器112包括用以管理控制器112工作的一个处理系统226。处理系统226包括一个处理器212，在优选情况下处理器通过一个发射机接口208与发射机202相连接，这些均采用本领域熟知的常规技术。优选情况下，发射机202向移动用户单元122发送两阶和四阶FSK数据信息。

处理器212采用常规的二进制FSK解调技术，通过一个普通接收机接口216与至少一个确认接收机206相连接。确认接收机206可以如图2一样与基站116并排，但优选情况下它处于远离基站116的位置，以避免发射机202的干扰。确认接收机206从移动用户单元122组中接收一个或多个“确认”。另外，处理器212通过网络接口204连接到电话链路101上，从而与PSTN110相连以接收信息源。

处理器212与一个随机存取存储器(RAM)210相连，以便存储要向移动用户单元122传输的信息，及存储从移动用户单元122接收到的信息。RAM210还被用来存储加载到系统上的业务负荷最近随时间的变化，下面还要对此作以描述。处理器212还与一个只读存储器(ROM)214连接，ROM中包含有固件单元以供处理器212使用。也可采用其它类型的存储器来作为ROM214和RAM210，例如可采用电擦除可编程ROM(EEPROM)或磁盘存储器。RAM210和ROM214中的一个或它们的组合，可以集成为处理器212的一个邻接部分。优选情况下，处理系统226是一台常规的、商用计算机系统，例如一台由Sun Microsystems公司生产的VME Sparc处理器系统。处理系统226也可采用其它的类似处理器，并可根据应付控制器112的处理要求的需要，添加另外的处理系统，它们可以与原系统类型相同也可以是其它的替代类型。

控制器112的固件单元包括一个呼叫处理单元218，该单元采用本领域熟知的方法来处理呼叫。固件单元还包括一个分离器220和一个复用器222，还有一个时间共享单元223。根据本发明，分离器220、复用器222和时间共享单元223协同工作，提供无线通信系统的无线信道的时间共享，下面将对此作以描述。

图3是根据本发明的优选实施方式的无线通信系统的覆盖范围图300。优选情况下，在一组邻近小区内给出覆盖范围，每个小区至少包括一个基站116。因为在其中一个小区302内进行的传输会与邻近的小区302的传输发生干扰，所以系统在小区间采用频分复用技术，以便控制干扰。另外，由于频率数(即无线信道)有限，为进一步控制干扰，要求302小区群采用无线信道的时间共享。

根据本发明，通过把每个无线信道分离成一组“实际”信道，来实现时间共享，每个实际信道都已经分配了选定的一组小区302，从而这些小区302能够同时在一个无线信道上进行传输，而不会另外相互造成干扰。在优选情况下，在通信系统使用的传输协议中的一个或多个时隙或帧的时间内，将激活一个实际信道，并且，在任意给定的无线信道上，任意给定的时隙内只允许有一个实际信道被激活。

图4是根据本发明的优选实施方式，描述一个实际信道(V1)激活的小区402的覆盖范围图400。注意到小区402在地理位置上被分离开，以减少在同一无线信道上进行的传输间的干扰、如果还有其它的无线信道可供利用，那么只要覆盖范围图中的其它小区与小区402工作在不同的无线信道上，这些小区也可以与小区402同时被激活。

图5是根据本发明的优选实施方式，无线通信系统中使用的传输协议的一个帧周期500的简化时间分配图。图中绘出了通信系统中传输信息采用的时隙或帧502。优选情况下，一个帧周期在4分钟的周期内包含128个要传输的时隙502，只要系统在工作帧周期就将不断重复。作为另一种可选择的方法，帧周期500也可采用其它不同的帧周期，它可以包括不同数目的时隙、持续不同的时间。

图6是根据本发明的优选实施方式，描述实际信道复用的时间分配图600。图600所绘的例子中，有两个实际信道(V1和V2)时间共享帧周期。必须注意在任意给定的时隙502期间，仅允许一个实际信道工作。还要注意实际信道V1的激活频率比实际信道V2的激活频率要高(例如，几倍每帧周期)。根据本发明举例，当分配给V1的发射机的估计业务负荷，比分配给V2的发射机的估计业务负荷大得越多时，相应地V1的激活频率就会越高，下面将对此作以描述。

图7是根据本发明的优选实施方式，描述无线通信系统工作的流程图700。在第702步上电后，第704步，控制器112的处理系统226利用分离器220，分配与无线通信系统使用的每个无线频率上的每个实际信道对应的小区302。优选情况下，小区分配采用本领域熟知的技术，根据一个预定的无线传播模型，被预编程在分离器220中。

然后在第706步，处理系统226定义每个实际信道的业务负荷。优选情况下，处理系统226被编程为，定义每个实际信道的业务负荷，等于分配给该实际信道的302小区组中最忙的一个小区所处理的业务负荷。作为另一种可选择的方法，处理系统226也可被编程为用其它方式定义业务负荷。举例而言，可以把处理系统226编程为，定义每个实际信道的业务负荷，等于分配到该实际信道的小区302组所处理的平均业务负荷。

之后，处理系统226在第708步估计在下一即将到来的“阶段”期间，每个实际信道被加载的业务负荷。一个阶段被定义为一个预定的时间周期，在此期间，实际信道的激活频率保持不变，优选情况下，一个阶段包含一个或多个帧周期500。在每个阶段期间，处理系统226检测每个实际信道被加载的实际业务负荷，并用本领域熟知的技术将结果存储到RAM210中。当系统工作的时间足够长，处理系统226已经对预定的正整数(K)个阶段测量并存储结果后，处理系统226根据下一阶段前的K个阶段中测量和存储的业务负荷，通过计算每个实际信道的加权平均业务负荷，估计下一阶段每个实际信道被加载的业务负荷。

更详细地说，设N是一个阶段内的时隙总数，nA、nB…是分配给每个实际信道的时隙数。故有下式：

                     nA+nB+…＝N

为了在S+1阶段优化每个无线信道的时间共享：对每个无线信道n，令na、nb…是它的实际信道。

分配给na的小区是Ca1、Ca2、…Caj，

分配给nb的小区是Cb1、Cb2、…Cbj，等等。

定义La(S)是基于S阶段的Ca1…Caj的业务的一个业务负荷量。举例，可令La(S)为S阶段所有小区Ca1、…Caj所经历的最大业务负荷

令 La(s)为La(S-K+1)，La(S-K+2)，…La(S)的加权平均；

即：

La(s)＝W_kLa(S-K+1)+…+W₁La(S)+Ca

Lb(S)＝W_kLb(S-K+1)+…+W₁Lb(S)+Cb，等等。其中W_k，…W₁是权值，Ca，Cb…是偏置值，用来对加权平均另外作以调整。优选情况下，加权平均是时间加权平均，举例而言，对越近阶段的业务负荷，其权值越大。加权平均代表对下一即将到来阶段(S+1)期间，实际信道业务负荷的一个估值。

为优化实际信道，处理系统226计算出下一阶段实际信道将被激活的时隙数，如下： $\frac{N\×\stackrel{\‾}{\mathrm{La}\left(S\right)}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{La}\left(S\right)}+\stackrel{\‾}{\mathrm{Lb}\left(S\right)}+\…}$ 分给na的时隙， $\frac{N\×\stackrel{\‾}{\mathrm{Lb}\left(S\right)}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{La}\left(S\right)}+\stackrel{\‾}{\mathrm{Lb}\left(S\right)}+\…}$ 分给nb的时隙等等。因此，在下一阶段每个实际信道激活的时隙数，基本上与计算得到的实际信道加权平均业务负荷成比例，即基本上与估算得到的下一阶段实际信道的业务负荷成比例。

为适当起见，计算得到的时隙数必须四舍五入到最接近的时隙整数。而且，在四舍五入后，必须要对一个或多个算得的时隙数稍微地进行调整，以保证时隙总数精确地等于N。还必须认识到，在刚刚上电后，通常业务负荷的历史数据并不足以支持前面的计算。对于这种情况举个例子，在优选实施下，处理系统226将采用一组预编程的时间共享参数来实现无线信道的时间共享，直到有足够的业务数据被测得并存储在RAM210中为止。作为另一种可供选择的方法，处理系统226可以估算每个实际信道下一业务负荷，它与分配给实际信道的小区组302中的所有小区(或最忙的小区)所供应的估计平均数量成比例。例如，估计数量可以从统计局数据库和数据库查询程序确定得到。

沿流程图700继续进行，处理系统226确定出每个实际信道在下一阶段的时隙数后，当到达下一阶段的时间时，处理系统226会激活每个实际信道，激活频率基本上与估计的每个实际信道的业务负荷成比例。这里用“基本上”一词，是因为在对算得的每个实际信道的时隙数进行四舍五入时，和为满足每阶段的时隙总数等于N的要求而进行的任何调整时，都会引入误差。

当下一阶段已在进行后，对于流程图700来说，在第712步“下一”阶段已变成“当前”阶段。因此在第714步，处理系统226在当前阶段期间，检测加载到每个实际信道上的实际业务，并将其存储到RAM210中。然后，流程图返回到第708步继续这些步骤，并对下一个即将到来的阶段估计业务负荷。

应理解，在双向通信系统中，本发明对输出信道和接收信道均可适用。当两个通信方向都采用本发明的时间共享技术时，控制器112必须保持分别记录输出业务负荷和接收业务负荷，以分别优化输出和接收实际信道的时间共享。

到此很明显可知，本发明提供对无线通信信道进行时间共享的一种方法与装置。所提供的时间共享技术的优势在于，它比全动态时间共享技术的复杂性低，从而也不再要求过大的计算能力。不过，该项技术并不能对业务负荷分布随时间的变化提供自适应，自适应可在业务负荷变化的条件下，始终保持无线通信系统的吞吐量为最大值。

Claims (6)

1.一种通信系统控制器，用以在一组互相干扰的小区间实现对一个无线通信信道的时间共享，无线信道在一组时隙内传输信息，该通信系统控制器包括：

一个网络接口，用以接收将要在无线信道上发射的信息；

一个发射机接口，用以发射信息；

一个处理系统，具有一个连接到网络接口与发射机接口的处理器，用以管理通信系统控制器的工作；

随机存取存储器，连接到处理器，用以存储系统业务负荷的最近历史；

该处理系统具有一个分离器，其连接到处理器，用以将无线信道分离成一组实际信道，每个实际信道用以同时与分配给该实际信道的互扰小区组中的相应多个小区进行通信；

该处理系统具有一个连接到处理器的时间共享单元；

该处理系统具有一个复用器，其连接到处理器，以便实现在时隙组的任何一个时隙期间，仅操作实际信道组中的一个信道；

其中处理系统被编程以优化无线信道时间共享，具体做法是根据互扰小区组中的相应小区应用的业务负荷，通过激活实际信道组中的选定信道实现优化。

2.权利要求1的通信系统控制器，其中的分离器将根据一个预先确定的无线传播模型，把互扰小区组中的小区分配给实际信道。

3.权利要求1的通信系统控制器，其中的处理系统被编程，把每个实际信道的业务负荷定义为，等于分配到该实际信道的互扰小区组中最忙的一个小区所处理的业务负荷。

4.权利要求1的通信系统控制器，其中的处理系统被编程，把每个实际信道的业务负荷定义为，等于分配到该实际信道的互扰小区组所处理的平均业务负荷。

5.权利要求1的通信系统控制器，其中的处理系统被编程，以将无线信道的时间共享分割成预先确定持续时间的一组阶段，并根据下一即将到来阶段前的K个阶段中产生的业务负荷，估计即将到来阶段的业务负荷，其中K是一个正整数。

6.权利要求5的通信系统控制器，其中的处理系统被进一步编程，以对该组实际信道中的信道计算出一组加权平均业务负荷，该组加权平均业务负荷是对即将到来阶段前的K个阶段而计算的，处理系统并被编程以激活实际信道组中被选择的信道，激活频率基本上与加权平均业务负荷组中的相应负荷成比例。

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