CN1094020C - 在tdma移动通信系统中进行高速数据传输的方法和装置 - Google Patents

在tdma移动通信系统中进行高速数据传输的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种在移动通信系统中改进数据传输的方法，按该方法，数据在相继帧内分配给移动台的时隙中以突发脉冲序列在移动台(MS)和基站(BTS)之间的无线通道上传输。在本发明中，分离器(82)将速度高于一帧内的最大数据传输速度的一个数据信号(DATAIN)在发送到射频信道上之前分离成至少两个低速信号(DATA1、DATA2)。并在每个相继帧内给一个移动台(MS)分配至少两个时隙以实现高速数据传输，使得每个所述低速数据信号(DATA1、DATA2)在各自的时隙内在无线通道上传输。一个组合器(85)将无线通道上接收的低速信号(DATA1、DATA2)组合成原来信号。

Description

在TDMA移动通信系统中进行高速数据传输的方法和装置
本发明涉及一种在移动通信系统中改进数据传输的方法，按该方法，数据在相继帧内分配给移动台的时隙中以突发脉冲序列在移动台和基站之间的无线通道上传输。
在时分多址(TDMA)型移动通信系统中，无线通道的时分通信以相继TDMA帧的方式进行，每一帧由若干个时隙组成。在每个时隙中，一个短信息包作为一个有限持续时间的射频突发脉冲序列发送，该脉冲序列包括许多调制位。时隙多半用作控制信道和业务信道传输。在业务信道上，传输语音和数据。在控制信道上，传输基站和移动用户台之间的信令。泛欧移动系统GSM(全球移动通信系统)是TDMA无线通信系统的一个实例。
对于常规的TDMA系统通信，每个移动台设定一个业务信道时隙用于数据和语音传输，于是，一个GSM系统(例如)在同一载波频率下可能同时连接多达八个不同的移动台。根据所用的带宽以及信道编码和错误纠正，业务信道的最大数据传输速率被限制到相当低的水平，例如，在GSM系统中限制在9.6kbit/s或12kbit/s。另外，在GSM系统中，可选一半这业务信道(最大4.8kbit/s)用于低速语音编码。当一个移动台仅在每个第二帧的特定时隙内通信时(即为半速)，即建立起半速业务信道。第二移动台于每个第二帧内在同一时隙中通信。这就是从用户数来说可使系统容量加倍的道理，换言之，在同一载波上可多达16个移动台同时通信。
在过去的几年里，对移动通信网络中的高速数据业务的需求显著增加。需要采用至少64kbit/s的数据传输速率，例如，ISDN(综合业务数字网)电路交换数字数据业务。公用电话网络的PSTN数据业务，例如G3级传真机终端和调制解调器，要求更快的传输速率，如14.4kbit/s。要求更高传输速度的移动数据传输日益增长的领域是移动可视信息业务。作为这种业务的一个例子，可能要数采用摄像机的安全控制和可视信息数据库。例如，在视频信息传输中最小数据传输速率是16或32kbit/s。
然而，现有移动通信网络的数据传输速率还不满足这种新的需求。
本发明的目的是使移动通信网络中能有更高的数据传输速度。
这一目的按本发明的方法在介绍部分所述类型的移动通信系统中得以实现，这一方法的特征在于：
将一个高速数据信号在发送到射频信道上之前分离成两个或多个低速信号，
为传输高速数据，相应于所述低速信号数目从每一帧中给一个移动台分配至少两个时隙，
在不同的时隙中发送每个低速数据信号。
本发明进一步涉及一种在移动电信系统中进行高速数据传输的装置，在这种系统中，数据在相继帧内分配给移动台的时隙中以突发脉冲序列在移动台和基站之间的无线通道上传输。依据本发明，该装置的特征是它包括两个模块，其一是用以将速度高于时隙中最大数据传输速率的数据信号在发送到无线通道上之前分离成两个或多个低速信号，而且，在每一相继的帧中分配给移动台两个或多个时隙来实现高速数据传输，以使每个所述低速信号在各自的时隙内在无线通道上传输的模块；其二是用来将无线通道上接收的低速信号组合的模块。
本发明采用所谓复隙技术以使移动台在每一帧内可使用两个或更多个时隙。将在无线通道上待传输的高速数据信号分离成所需数量的低速数据信号，每个信号在各自的时隙内以突发脉冲序列传输。一旦低速数据信号分别传过无线通道，它们在接收端又重新组合成原来的高速信号。这就是能使数据传输速率提高两倍、三倍等等的原因，取决于分配供用户使用的是两个、三个还是多个时隙。在GSM系统中，例如两个时隙将实现2×9.6kbit/s的数据传输速度，这对于(例如)14.4kbit/s的调制解调器或传真机终端是足够的。六个时隙能使数据传输速度达到64kbit/s。
依据本发明的的复隙技术，其中高速数据信号作为在一帧内的多个时隙中的多个突发脉冲序列传输，比之另一方法有许多优点，在这另一方法中，也给移动台在同一帧内分配几个时隙供数据传输，但整个数据信号作为对所分配的时隙时间延续的一个突发脉冲序列传输。在本发明中，无需改变物理传输通道(例如GSM的无线通道层1)的其他重要特征，诸如分频、帧格式和时隙结构、数据传输速率、错误校正、调制、TDMA突发脉冲序列格式化、误比特率(BER)等等。换言之，按本发明有可能通过物理传输通道的单一结构来支持无线电系统中不同种类的用户数据传输速度。因此，也不必由用户终端来支持物理传输通道的多种结构。
通过将多个时隙的每一个处理成独立的业务信道，由于信道编码、交织、突发脉冲序列建立以及调制操作可以对每个低速信号独立进行，故有可能采用简单的实施方式。于是，就可避免进行由所需数据转换速率所决定的不同种类信道的编码和交织。这个简单实施例在将本发明的复隙技术用于现存系统(例如GSM系统)的情况下是特别有用的。
如果采用相邻的时隙，则实现起来可以特别简单。所以，将很容易对帧的剩余部分进行各种测量，从而避免增加移动台接收器中频率合成器的数目。在GSM系统中，采用两个时隙特别有利于本发明的实施。
下面，参照附图通过几个主要实施例来对本发明做更详细的描述，其中
图1是可能应用本发明的一个移动系统的一部分，以及
图2、3、4和5说明TDMA帧格式，
图6说明TCH/F+SACCH复帧，
图7说明一个时隙中的常规数据传输，
图8说明依据本发明在两个时隙中的数据传输，
图9说明在一个时隙的数据传输中发送、接收和测量的时序，
图10说明在两个时隙的数据传输中发送、接收和测量的时序，
本发明可在大多数数字TDMA型移动系统中用作高速数据传输，这些系统例如泛欧数字移动系统GSM、DSC1800(数字通信系统)、UMTS(全球移动通信系统)、FPLMTS(未来公用陆地移动通信系统)，等等。
以一个GSM型移动系统为例来说明。GSM(全球移动通信系统)是一种泛欧移动系统。图1很简单地说明了GSM系统的基本组成部分，对系统的细节或其他分支没有作任何进一步说明。有关GSM系统的更详细的描述，  请参考GSM建议和“GSM移动通信系统”(法国，帕莱索，M.Mouly&M.Pautet，1992，ISBN：2-9507190-0-7)。
移动业务交换中心MSC管理输入和输出电话的连接。它执行类似于公共电话网(PSTN)交换的功能。除此之外，它还执行仅移动通信的特征功能，例如，与网络的用户寄存器协同进行用户位置管理。作为用户寄存器，GSM系统至少包括归属位置寄存器HLR和访问用户位置寄存器VLR(图1未表出)。用户位置更精确的信息(通常指位置区域的精确度)储存在访问用户位置寄存器中，一般每个移动业务交换中心要有一个VLR，而HLR知道移动台MS正在访问哪一个VLR区域。移动台MS通过基站系统与中心MSC相连。基站系统由一个基站控制器BSC和基站BTS组成。一个基站控制器用来控制多个基站BTS。该BSC的任务包括(除其他任务外)在基站内的越区切换或同一BSC控制的两个基站之间的越区切换。为清楚起见，图1仅表示其中有九个基站BTS1-BTS9连接到一个基站控制器BSC的基站系统，其基站的无线电复盖区形成相应无线电单元C1-C9。
GSM系统是一个时分多址(TDMA)系统，其中无线通道上的时分业务以相继TDMA帧的方式进行，每一帧包含若干个时隙。在每个时隙内，以有限持续时间的射频突发脉冲序列发送一个短信息包，其突发脉冲序列由许多个调制位组成。时隙多半用于控制信道和业务信道传输。在业务信道上，传输语音和数据。在控制信道上，进行基站和移动用户台之间的信令传输。
用于GSM系统的无线接口中的信道结构在ETSI/GSM建议05.02中有更详细的描述。这种GSM系统的TDMA帧格式以图2-5为例来说明。图5说明包括用作业务信道或控制信道的八个时隙0-7的TDMA基帧(basic frame)。仅有一个比时隙持续时间短的射频突发脉冲序列在每个时隙内传输。一旦一个TDMA基帧在时隙7内结束，下一个基帧的时隙0便立即开始。这样，26或51个相继的TDMA帧便形成一个复帧，这取决于业务信道或控制信道结构是不是上述的结构，如图4所示。一个超帧由51或26个相继的复帧构成，这决定于这些复帧是否有26或51帧，如图3所示。一个超长帧(hyperframe)由2048个超帧组成，如图2所示。超长帧是最大的相继帧单元，其末端启动一个新的、类似的超长帧。
图6展示由该建议规定的一种全速业务信道TCH/F-SACCH/TF的结构，在该结构中，复帧包括24个全速业务信道帧TCH、一个并行控制信道帧SACCH和一个虚拟帧IDLE。在分配用作业务信道的每个时隙内，该控制信道帧SACCH和一个虚拟时隙每26个时隙重复一次。帧SACCH和IDLE对时隙1、3、5和7的位置与对时隙0、2、4和6的位置是不同的。图7中所示适用于时隙0、2、4和6。在时隙1、3、5和7内，帧IDLE和SACCH交换了位置。控制信道SACCH用来报告从移动台到固定无线电网络的测量结果，并用来从固定无线电网络控制移动台，例如，功率调整。
在正常操作中，在一次呼叫的开始，给一个移动台MS指定载波的一个时隙作为业务信道(单隙通道)。该移动台MS同步进入这个时隙以发送和接收射频突发脉冲序列。例如，在图7中，一个移动台MS被锁定在一帧的时隙0上。对待传送的数据DATAIN进行信道编码、交织、突发脉冲序列格式化和调制70，在这些操作之后，射频突发脉冲序列在每一TDMA帧的时隙0内传送。在该帧的剩下时间内，MS执行各种测量，将在下面描述。
根据本发明，给要求比业务信道所能提供的更高数据传输速度的移动台从同一帧内指定两个或多个时隙。
依据本发明的多时隙技术，在与业务信道分配有关的信令传输方面需要某些附加特性。在呼叫建立期间，对一个移动台指定业务信道是通过由固定网络传送到移动台的分配指令来实现的。此消息必须包含为按本发明进行高速数据传输而指配给移动台的所有业务信道的数据。至此，GSM系统必须能够按同一分配指令访问两个半速业务信道，这就是为什么此消息包含对第一和第二业务信道两者的表述及模式的原因。目前的分配指令可以很容易地扩充以复盖至少两个时隙的访问，即全速业务信道。一种分配指令在GSM建议04.08中(version.4.5.0，June 1993，pp.168-170)作了描述。与本发明相关的的信道访问可按在GSM建议04.08，version 4.5.0，June1993，pp.316-350中详细描述的第一信道的分配指令数据元模式、第二信道模式和信道描述信息元来进行。为访问两个以上的时隙，必须确定一种新的消息。由于被访问的所有信道属同样类型的信道TCH/F，消息可限于描述第一信道的类型，然后是所需的信道总数。在这样情况下，消息会相当短而简单。
相应地，假如发生越区切换(handover)，则越区切换指令必须能访问同一帧内的两个或更多个时隙。在GSM系统中，越区切换指令包含上述与分配指令相关的同样的数据域，因而它经类似的改变即可满足本发明的要求。这种越区切换指令描述在GSM建议04.08，version 4.5.0，1993.7，pp.184-189中描述。
第二种可能的方法是对每个时隙采用一个专用分配指令。
在两种情况下，一个移动台输出和输入的呼叫建立消息必须包含有关实际信道需求的信息，亦即所需的时隙数。这个信息可以包含在载体容量信息元DCIE中。这种BCIE在GSM建议04.08，ver.4.5.0，pp.423-431中描述。
图8说明给一个移动台MS从同一TDMA帧指定相继时隙0和1的例子。一个将要在无线通道上传送的高速数据信号DATAIN在分离器82中分成必需数目的低速数据信号DATA1和DATA2。信道编码、交织、突发脉冲序列格式化和调制80(及对应的81)分别对每个低速数据信号DATA1和DATA2进行，此后，每个数据信号分别在其专用的时隙0或1内以射频突发脉冲序列发送。一旦低速数据信号DATA1和DATA2分别在无线通道上传输，信号的解调、解交织和信道解码83(及应的84)分别在接收端完成，然后，信号DATA1和DATA2在接收端合成器85中组合成原来的高速信号DATAOUT。
在固定网络方面，将图8中功能块80、81、83、84，亦即信道编码、交织、突发脉冲序列格式化和调制以及相应的解调、解交织和信道解码设置在基站BTS是有利的。基站BTS对每个时隙分开并行处理。分离器82和合成器85可同时按需要分配到诸如基站BTS、基站控制器BSC或移动业务交换中心MSC的任何网络元。在分离器82和合成器85位于另外的网络元而不在基站BTS的情况下，低速数据信号DATA1和DATA2类似于普通业务信道上的信号在该网络元和基站之间传输。
在一个GSM系统固定网络中，与语音编码和速率适配相关的各种功能集中在一个TRCU(码型转换/速率适配单元)中。根据制造者的选择，可将该TRCU置于系统内的几种不同位置。一般将TRCU置于移动业务交换中心MSC，但它也可以是基站控制器BSC或基站BTS的一部分。在TRCU不与基站BTS一起的情况下，信息在基站和码型转换/速率适配单元TRCU之间以所谓TRAU帧传输。码型转换/速率适配单元的功能在GSM建议08.60中已有定义。按本发明的分离器82和合成器85可以与这个码型转换/速率适配单元TRCU一起安置。
在一个移动台MS中，图8中的功能块80、81、83和84，即信道编码、交织、突发脉冲序列格式化和调制以及相应的解调、解交织和信道解码很方便地通过一个对所有时隙(至少在两个时隙的实施例中)公用的处理单元来实现。
采用同一帧内的两个邻近时隙形成一个移动台MS的最简单的实施方案，尤其是在所需频率合成器的数目方面。这可由图9和图10来说明。
在图9中，移动台以常规方法锁定在一帧的时隙0内，而在其他时隙期间进行测量。在下行方向(BTS到MS)和上行方向(MS到BTS)之间，在时隙编号中存在三个时隙的偏移，使信号接收不会因自身的传输而受到干扰。所示的传输时间(TX)近约1.5时隙。这是因为取决于为补偿由基站和移动台之间的距离引起的传输延时所用的定时超前实际的传输可能发生这个范围内。在发送和接收(RX)之间至少要有1.5个时隙，以便给产生供发送和接收用的本地振荡信号的MS频率合成器留下足够的调整时间。这意味对发送和接收只需一个频率合成器。
图10表明的情况是给一个移动台在每一帧内分配两个相邻的时隙以实现按本发明的高速数据传输。在RX和TX两个方向，第二个时隙1紧跟第一时隙0。由于这样设置两个相继的时隙，这就确保RX和TX运行不会交迭，由此而可能获得显著的优点。然而，一个频率合成器不会有足够的时间在所有TX和RX运行之间调整，这意味着需要分离的频率合成器，一个供接收，一个供发送，除非采用很高速的频率合成器。
在时隙数增加到两个以上的情况下，RX和TX运行产生交迭，因而需要全双工滤波。因此，测量时机可以更自由地设置，这就是为什么两个频率合成器对三个或四个(可能的话甚至五个)时隙仍然是足够的，因为同一合成器可同时用于接收和测量运行。一个六时隙的实施例已经要求用分离的频率合成器分别用于接收和测量运行，除非采用很高速的频率合成器。
与以上实施例相联系的图示和解释仅为说明本发明而已。与本发明相关的方法和装置在附后的权利要求范围内可能有变化。

Claims (11)

1.一种用于通过空中接口在数字移动通信系统的移动台和固定移动通信网之间进行高速数据传输的方法，所述方法包括步骤：
在将一个高速数据信号通过一条无线通路从发送端发送到接收端之前分离成两个或多个低速信号，
为传输高速数据，在每一帧中给该移动台分配至少两个时隙，所述被分配时隙的数目与所述低速信号数目相应，
分别在所分配时隙的一个不同时隙中发送每个低速数据信号，
在所述发送端对每个低速信号独立进行信道编码、交织和调制操作，以及
在所述接收端对每个所述低速信号独立进行解调、解交织和信道解码操作。
2.一种如权利要求1中所述的方法，其特征是在一帧内给一个移动台分配相邻的时隙。
3.一种如权利要求1-2中任一个所述的方法，其特征在于在基站将待发送到一个移动台的一个数据信号分离成低速信号。
4.一种如权利要求1-2中任一个所述的方法，其特征在于在基站以外某处将待发送到一个移动台的一个数据信号分离成低速信号，并将所述数据信号作为低速信号传输到该基站。
5.一种用于通过空中接口在数字移动通信系统的移动站(MS)和一个固定通信网之间进行高速数据传输的装置，所述装置包括：
用来将一个速度高于一个时隙内的最大数据传输速度的数据信号(DATAIN)在通过无线通路发送之前分离成两个或多个低速信号(DATA1、DATA2)的装置(82)，
在每个帧内给所述要进行高速数据传输的移动台(MS)分配两个或多个时隙的装置，并且使得每个所述低速数据信号(DATA、DATA2)在各自的时隙内在无线通道上传输，
在相应的发送端用来对每个所述低速的数据独立进行信道编码、交织和调制操作的装置(80，81，83，84)，
在相应的接收端用来对每个所述低速信号独立进行解调、解交织和信道解码操作的装置(80，81，83，84)，以及
用来将通过无线通道接收的所述低速信号组合成所述高速数据信号的装置(85)。
6.一种按权利要求5中所述的装置，其特征在于在一帧内给一个移动台分配几个相邻的时隙。
7.一种按权利要求5-6中任一个所述的装置，其特征在于用来合成和分离的模块(82、85)置于基站(BTS)和移动台(MS)中。
8.一种按权利要求5-6中任一个所述的装置，其特征在于用来合成和分离的模块(82、85)置于业务交换中心(MSC)和移动台(MS)中。
9.一种按权利要求5-6中任一个所述的装置，其特征在于移动通信系统是一个GSM系统，且用作合成和分离的模块置于码型转换器和移动台(MS)中。
10.一种按权利要求5-6中任一项所述的装置，其特征在于基站(BTS)具有用来分别对每个低速信号进行信道编码、交织、突发脉冲序列格式化和调制操作的装置(80、81、83、84)。
11.一种按权利要求5-6中任一项所述的装置，其特征在于移动台(MS)具有对所有低速信号是公用的用于进行信道编码、交织、突发脉冲序列格式化和调制操作的装置(80、81、83、84)。
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