CN1108076C - 动态信道分配 - Google Patents

Abstract

根据本发明，从基站处在每个可用载波上发射一个导频信号4。对每个可用载波并且在该载波的每个时隙上执行这一步，而与该时隙中是否发射了有用信号无关。该导频信号包含有限数量的有关该基站的信息，例如有关无线接口的信息。该信息在时隙上同步，从而在每个时隙上发射相同的信息。导频信号电平是变化的，并且在用于业务的时隙中该电平适当低于有用信号1的电平，但是在空闲时隙中它具有非常低的静态电平。它具有与普通有用信号相同的带宽Df。然而，其编码方式与有用信号不同，以此方式即使它几乎淹没在噪声中，仍然可以将其从噪声中提取出来。移动设备从导频信号中获得有关上行线路方向上信道(时隙)状态的信息。当决定执行信号交换时，它选择它想要的任一空闲信道，并在该信道上向基站发射一个寻址突发脉冲。如果基站接受该信道，它将在同一信道上反向发射一个寻址授权突发脉冲，此后基站和移动设备立刻向该信道发射业务。

Description

动态信道分配

技术领域

本发明涉及在同时采用时间分割和频率分割的无线电系统中的无线电信道的分配。

背景技术

在无线电系统中，一方面移动终端设备(例如移动台)的巨大数目，另一方面多媒体应用的带宽需求使得必需尽可能有效地利用分配给该系统的频谱。由无线电环境或者系统的其他终端设备引起的干扰是限制频率再利用的一个基本因素。通过开发有效的无线电子系统和信道分配技术可以抑制这一点。在无线电和转接子系统中采用时间和空间分集，低噪声滤波器和有效的信道校正器和调制模式可抑制干扰并可分离所需的信号。然而，除了其他因素以外，由频率的再利用而导致的同信道干扰也是限制系统总容量的因素。事实上，在信道分配中采用的算法的基础在于利用无线电波传输的损耗特性使载波-干扰比或CIR比达到最小，从而促进无线电频率的再利用。

信道分配装置将一个给定的频谱分为一套相邻的或无干扰的信道，所以这些信道都可被同时使用，而接收信号的质量仍保持可以接受。几种已知的技术都可用于划分信道，例如频率分割(FD)，时间分割(TD)或代码分割(CD)。在频率分割中，通过将频谱划分为相邻的频带来实现信道的分离，在时间分割中，通过将频率划分为连续的时间段或时隙来实现，而在代码分割中则通过将采用不同的调制码来获得信道的分离。众所周知的GSM移动系统是采用频分和时分相结合的蜂窝系统的一个范例，而数字欧洲无绳电信(DECT)则是时分系统的一个范例。

可以重复使用同一信道并使CIR保持可以接受的距离被称作同一信道的再利用距离。另一方面，由于CIR是再利用距离和发射功率的函数，在蜂窝系统中可以通过增加基站之间的距离或者通过采用发射功率的动态控制来降低干扰电平。

至少固定信道分配(FCA)和动态信道分配(DCA)是信道分配方法。

在固定信道分配中，整个范围被分为小区，根据某种再利用模式为每个小区分配一套频率。这种分配的一大优点是它的简易性，但它不能随小区内的业务状态或移动用户的数目而改变。

在动态信道分配中，所有的信道都位于一个“信道组”内，当呼叫到达系统时，从信道组中为新呼叫分配信道，同时确保保持最小的CIR。这样，在信道和小区之间没有固定的关系，但是只要信号干扰低到可以接受的程度，任意一个信道都可被任意一个小区所选择。根据信道被选择的方式可以区分不同的动态分配方式。这种分配的优点在于，巨大的灵活性，并且能够适应于业务的变化，但是当负荷非常高时，它没有固定信道分配的效率高。在出版物“IEEE个人通信”，1996年六月；蜂窝移动电信系统的信道分配方案；综合调查；I.Katzela，M.Naghshineh中全面描述了动态信道分配。

现有的基于TDMA/FDD的蜂窝移动系统主要采用固定的信道分配FCA。改进的系统还利用了频率跃变来改善连接的质量，从而均衡损耗和干扰。在频率跃变模式中，只有业务信道频率或者，除此之外，时隙可以被改变。如果由于环境的改变或者移动设备的运动而导致信号质量变差并降低至容忍极限以下，则执行信道改变或切换，由此信道被更换为另一个，同时与基站的连接保持不变(称为区内切换)或者转换连接为通过另一基站(称为区间切换)。这样无线电链路的质量恶化也可导致越区切换，或者由于网络想要重新分配信道以避免拥塞，则网络可以指令移动设备执行切换。

在提及的第一种情况下，移动设备执行连接质量的连续测量，通常的误码率计算，以及相邻基站载波功率的测量，并将测量结果以一定的时间间隔发射给网络。网络在其进行切换决定时利用这些测量结果。在此情况下，该切换是移动辅助切换。如果在区内切换中没有发现发自该小区自身基站的空闲信道，或者在小区间信道交换中没有发现从该相邻基站到该移动设备移至的小区之间的空闲信道，则必需切断连接。当在蜂窝系统中通过减小小区规模来增加容量时，并且在初始情况下小区规模非常小的系统中，即所谓的微小区系统中，在一次呼叫期间必需执行几次信道交换。此外，当用户数目增加时，不但维持好的业务水平逐渐变得更加困难，而且逐渐地可能无法找到空闲的信道。

在DECT中采用动态信道分配，该系统依照TDMA/TDD，即，发射和接收在同一频率上发生。在此系统中，可以通过移动设备来执行信道交换，而不是象在例如GSM系统中通过网络在执行。这一点之所以成为可能是由于，移动设备能够监视上行线路和下行线路方向上的所有信道，并由此具有有关无线接口条件的稳定信息，即有关空闲和占用信道以及有关其干扰电平的信息。

为增加任一TDMA/FDD系统中的容量，自然可以采用动态信道分配DCA来取代固定信道分配，但是在此情况下，是移动设备而不是网络可以从空闲信道组中选择信道。因此，可以从一个包含几个仍处于信道交换状态中的信道的信道组中提取新信道。以此方式采用DCA时的一个问题在于，虽然许多信道都是空闲的，但所有这些都不能使用。移动设备不能随机地选择新信道，因为随机选出的信道可能已经被采用。由于移动设备缺乏有关无线接口状态的信息，特别是有关上行线路方向上的信道的状态的信息，由此移动设备不能执行任何信道的交换。迄今为止尚未提出任何获得此信息的方法。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种允许在TDMA/FDD系统中也采用动态信道分配的方法，从而移动设备可以自己选择它将使用的信道，并由此执行信道交换。信道交换必须至少在小区内可以实现，并且至少到同一频率的另一时隙处可以实现，但是最好也可以从一个小区到另一个小区实现信道交换。

根据本发明，从一个基站处在一个载波上持续地发射一个特殊的极低电平信号，在下文中称为导频信号。对每个可用的载波并且在其每个时隙上都执行这一点，而与是否在该时隙上发射了有用的信号(业务突发脉冲)无关。在导频信号中包含的信息在时隙上是同步的，从而在每个时隙上发射相同的信息。因此，为了获得所有的信息，在最小程度上需要满足，接收机接收该频率上的任意一个时隙，并从中将导频信号的信息解码。

在发射有用信号的时隙中，导频信号电平绝对低于有用信号的电平，并且具有与普通有用信号相同的带宽。然而，它以一种较有用信号不同的方式被编码，因此即使其频率与有用信号的频率相同，在接收机中仍可检测到导频信号。

在没有发射有用信号的时隙中，导频信号电平非常低，但是仍然满足下述条件，即，即使它几乎淹没于噪声中，仍然可以从中将其提取出来。

导频信号包含有限数量的有关基站的信息。最重要的信息段是，相关频率的信道是否可以用于动态信道分配，即，与下行线路方向相对应的上行线路方向信道是否正被应用。如果需要，该信号还可以包含标识该基站的信息，由此基于该信息，移动设备可以将基站区别开来。此外，如果网络没有同步，导频信号可以包含有限的同步信息。

从实际角度而言，如果导频信号的扩散序列与基站发射的同步突发脉冲具有一种直接的已知关系，则是非常有利的。由此，依照CDMA系统的基站无需同步，但是移动设备可以从它接收到的导频信号中计算相邻基站的定时。

基站还可以在广播信道上向使用导频信号的小区发射信息，从而能够利用它的移动设备可以以一种正确方式操作。

移动设备在除实际接收时隙之外的其他时间接收载频信号，从中将导频信号解码(如果存在的话)，并从该信号中获得有关上行线路方向上信道(时隙)的状态的信息。当决定执行切换时，它选择它所需的空闲信道，并在其上向基站发射一个寻址突发脉冲(access burst)。如果基站接受该信道，它将在同一信道上反向发射一个寻址授权(grant)  突发信号，根据它基站和移动设备将立即向该信道传递业务。

附图说明

下面将参照所附图表更详尽地描述本发明，其中

图1所示为作为时间函数的导频信号和用户信号，

图2所示为作为频率函数的信号的能谱，

图3阐释了一帧的不同时隙的内容，

图4所示为一个导频信号的可能的域，

图5是信道交换的流程图。

具体实现方式

图1所示为TDM/FDD系统的一个发射突发脉冲。用作示例的系统是GSM系统。

发射是在一个发射时隙中以突发脉冲的方式发生的。在该时隙期间，发生信号的包络振幅1从一个初始值零上升至一个额定值，根据它来调制信号相位，从而发射一个包含147比特的比特包。然后，在时隙的末端，发射信号振幅再次降低至零。普通的突发脉冲包含两个58比特段，其间插有一个26比特指令段。在突发脉冲的首端和末端有3个尾比特。为避免接收到的顺序突发脉冲相互重叠，在每个突发脉冲的末端有一段安全时间。该安全时间的实际长度依赖于发射突发脉冲的包络，但是一般而言安全时间被定义为突发脉冲信号低于-70dB(或-36dB，根据哪一个更高)的时间。因此，安全时间大约为30微秒。由于在同一无线载波上发射的移动设备离基站的距离是随机的，由此从基站到移动设备的无线电波的传输时间将在一个时隙内变化，因此安全时间是必需的。由于这个原因，将在时隙内发射的突发脉冲的持续时间必须略短于该时隙，从而当基站接收时，在相邻时隙上发射的突发脉冲将不会相互重叠。

移动接收机具有一个固定的输入分辨率3，并且接收机不能从噪声中区分出比输入分辨率更弱的信号。每个接收机的输入分辨率相互不同，因此附图中的输入分辨率3仅为建议值。

根据本发明，在图1基站处将一个低电平导频信号4加在每个可用的载波上。持续地将其加在载波上，从而在每个时隙上都可以发生，而不论它是否用于业务信道。然而，包含在导频信号中的信息是与时隙同步的，从而在每个时隙上发射相同的信息，即，在一个时隙期间可以接收到该导频信号内包含的所有信息。因此导频信号的扩散码与同步突发脉冲具有某种已知关系是非常有利的。

当在实际的有用信号(包络1)期间发射导频信号时，其电平必须以某种适当关系低于有用信号的电平。例如，可以如此选择信号间的适当差异使得，例如，导频信号电平较有用信号电平低大约20dB。当采用功率控制时，有用信号电平变化，从而导频信号电平将以相同的比例变化。

当在一个没有发射有用信号的时隙上发射导频信号时，可能会在操作于相同频率上的接收机处引起干扰。由于这个原因，其电平必须非常低，但是仍高于系统接收机的正常输入分辨率，从而普通的接收程序可以将其从噪声中区分开来。

图2所示与图1相同，但现在不是作为频率的函数。当载波频带为Df时，用户数据的能谱如曲线1所示，而导频信号的能谱如曲线4所示。这样导频信号4具有与业务信号1相同的带宽，但是导频信号电平远低于业务信号的最低电平。

图3以帧的方式阐释了本发明的思想。在作为示例的系统中，载波被分为顺序的时隙，8个时隙构成一个帧。在示例中，该帧的时隙1，2，6和7是占用的，因为业务突发脉冲是在这些时隙期间被发射给四个移动设备的。这样四个信道被使用。这里用一个盒子来阐释业务突发脉冲的时隙，在该时隙期间导频信号电平远高于接收机的输入分辨率，但是较业务突发脉冲相比略低(例如)20dB。在时隙3，4，5和8中没有发射业务突发脉冲，导频信号电平略低于接收机的输入分辨率，但是仍位于可将其从噪声中区分出来的电平上。在随后的n+1帧中，第一时隙已经是空闲的(该信道空闲)，而时隙2，6和7仍在使用中。不论该时隙被使用与否，都在每个时隙上发射导频信号4，在附图中该信号显示为变化电平的一个小的波动。

在导频信号4中包含的信息具有与时隙中发射的普通突发脉冲1相同的带宽，图2，但是它的编码方式不同，因此可以将其从噪声中提取出来。在编码中采用CDM方式(码分多址)是尤其有利的，由此利用一个扩散码将导频信号信息扩展至整个传输带宽。扩散序列与同步突发脉冲具有一种直接的已知关系是非常有利的。还可以使用某种更高阶的卷积编码，或者单独使用或者与CDM编码相结合。当要获得最佳性能时，可以同时采用两种编码方式。通过所述编码方式，可以检测到其电平较普通输入分辨率相比低15…25dB的导频信号。然而，在有些接收机中，为了覆盖极低电平可能需要放大自动增益控制(AGC)。

当根据CDM方式将导频信号编码时，按照需要可以在不同的基站处采用不同的离散码，从而移动设备可以完全识别发射导频信号的基站。的确这将增加复杂性，但是如果几个运营者在同一区域运行，它允许与网络无关的操作。

对于导频信号还可以始终具有同一个静态电平。如图2所示，在每个时隙上该电平都可以是固定的，不论在“空闲”时隙上还是在含有业务突发脉冲的时隙上。由于接收机知道发射信号的电平，它可以根据接收信号来测量所用的无线链路的损耗，并可以得出结论，正常的业务信道是否可以工作在这样一个状态。如果损耗大于可接受值，对它来说采用该信道可能是不适宜的，因为发射功率则不得不被增加至过高的电平。

在上文中已经考虑了导频信号的特征而没有考虑它的信息内容。但是正是其内容允许移动设备确定无线接口的状态。导频信号包含关于基站的有限量的信息。在导频信号中，在每个时隙上发射的消息至少包括那些在图4中显示的域。

首先，它包括被编码作信息比特的上行线路信息，即，有关任何与该下行线路率相对应的上行线路频率是否能够用于动态信道分配以及哪些上行线路时隙空闲的信息。众所周知，在TDM/FDD系统中发射帧与接收帧的确定时隙对构成了一个双向业务信道，由此信道是对称的并且在每个方向上包括一个时隙(例如，当所指为GSM系统时)。这样，某一上行线路信道与一个下行线路信道相对应。然而，特别在数据传输中，由于数据传输的要求通常在一个方向上较另一个方向上的大，信道可能是不对称的，正如大多数数据是从网络到移动设备的方向上传输的。因此，在导频信号中应该知道哪些上行线路时隙被占用，哪些时隙空闲。如果在系统中采用不连续传输(DTX)，从而在没有信息需要发射的时刻发射机关闭，则可以使用导频信号来指出那些暂时空闲的特定时隙。

第二，可以使用导频信号来传递有限量的同步信息，特别是时隙定时信息。在GSM系统中不需要这一点，因为所有的业务信道都与基站处的BCCH载波同步。如果需要同步，必须为每个载波发射一个频率校正突发脉冲。它只包含零比特，并且它的解调导致一个纯的正弦波，其频率等于相关载波的频率或者距离它有一个预定距离。通过在一个时隙上采用代码扩散也可以使DCA载波同步，虽然这只在时隙中部产生良好的扩散结果。

第三，这些信息也可以被包含在那些在某种程度上标识发射基站的导频信号中。这样，移动设备在接收载波时能够区别出发射每个载波的基站。

为使在该网络中操作的移动设备能够得知网络具有根据本发明的性能，必须将该信息以信号方式发送给它们。为发送信号，使用那些由基站发射的广播信道，其他需要的信息也在该信道上以信号方式发送给移动设备。在GSM网络中，该信道被称为广播控制信道(BCCH)。如果需要，该信道还用于说明支持动态信道分配DCA的信道的数目，不过这是一个可选性能，用以加速信道的选择。

当基站根据本发明发射导频信号时，移动设备必须以任一方式先接收然后检测该信号。下文将参照图5描述移动设备功能。

在普通的业务连接时隙中，由于移动设备在接收到的普通信号的解调过程以及在信道解码过程中有许多事要做，因此接收并不成功。然而，在已知的移动系统中至少可以发现四个瞬时，因此移动设备有时间来监控频率，阶段51，并能搜索导频信号。

a)监控时隙，移动设备用它来监控其自身的传输以及邻近基站的传输。众所周知，在所有的蜂窝系统中移动设备监控邻近基站的BCCH载波信号的强度，从而可以将导频信号与该时隙中接收的信号区分开来。

b)空闲帧的时隙，由此在业务信道的普通发射时隙中没有发射，并且在接收时隙中没有接收，空闲帧是一个移动设备不能在其中正常地发射或接收任何信号的帧。

c)在使用不连续传输(DTX)时，在该时刻没有在其上接收到任何信号的业务连接的接收时隙。在不连续传输DTX中，基站和移动设备都不发射任何信号，这意味着移动设备不在与该发射时隙有关的接收时隙中接收任何信号。这样该时隙可被用于接收导频信号。

d)在使用一个小于全速的业务信道时，具有同一时隙序号但是由于较低速率没有用于业务的时隙。全速业务信道是由这些具有相同的属于循环顺序帧的序号的时隙构成的。半速或更低速率业务信道是由用于业务的每隔一个帧或者更少的帧中的具有同一序号的时隙构成的。这样在未被使用的时隙中，移动设备可以接收导频信号。

e)没有发射普通突发脉冲的业务信道的时隙。这种情况是可能的，例如在发射分组数据的时候。这样在该时隙中移动设备可以接收导频信号。

第六种可能情况是，在某段时间中断业务信道的普通业务，从而移动设备可以接收导频信号。对于接收方而言这种情况当然是很麻烦的，因此这种情况最适用于当业务用途是分组数据传输的时候。

当基站发射导频信号并且移动设备接收它时，在某些情况下可能导致移动设备不能监测导频信号，阶段52。这至少有三种原因：1)使用该载波时，没有信道可以用于动态信道分配，2)由于普通的业务使用整个时隙和载波，因此导频信号的信噪比(S/N)太差，3)由环境引起的干扰电平或噪声太高。不论原因是上述的哪一种，其结论都是，信道不能用于动态信道分配，阶段53。

采用上述的机理，在将信号解码之后移动设备将了解在每一时刻在上行线路和下行线路方向上哪些信道是空闲的，阶段54。如果导频信号还包含一个基站标识符，移动设备将了解在其自身的基站以及在邻近的基站处哪些信道是空闲的。根据该信息，移动设备可以开始从该时刻它使用的信道处进行信道交换至某一空闲信道，阶段55。信道交换标准可以是任一合适的一种，并且同样不属于本发明的范围。

当需要信道交换时，移动设备检查其存储器，以确定该时刻是否有空闲的信道可以使用。如果没有可用的信道，它保持在同一信道上，这样在最坏的情况下可能会切断该连接或该链路，阶段56。

如果存在空闲信道，移动设备将选择一条空闲信道，阶段57，并通过在其选择的空闲信道(即，时隙/频率)上向基站发射寻址突发脉冲来起动一次信道交换，阶段58。

如果该信道交换是一次蜂窝内交换，由于同一基站的所有定时都对BCCH载波同步，因此定时将自动校正。如果信道交换是小区间的，移动设备已经从它从该相邻基站接收到的导频信号中了解了该基站的定时。在两种情况下，基站接收突发脉冲，通过在该信道上反向发射一个寻址授权突发脉冲来接受该信道，阶段59，并且同时立即向该移动设备选择的新信道传送业务，阶段60。相应地，在接受寻址授权突发脉冲之后，移动设备将业务从“旧”信道转换至它选择的新信道。如果没有寻址授权突发脉冲，移动设备将保持在旧的信道上，阶段61。

该建议方法特别适用于有限干扰的蜂窝微网络中。这是一种在小区中可能存在空闲信道的网络，然而在某一时刻可能不能使用这些空闲信道，因为它们可能在其他小区的连接中引起太多的干扰。由于瑞利漏失，当移动设备以高速移动时，本方法特别不适用。在现有基站和移动设备下无需进行大的改变，但是如果网络不同步，需要的只是额外的逻辑来将某些比特扩散/解码为导频信号并且监测另一载波的时隙定时。此外，必须为基站增加分配，从而正如在本系统中，它可以不但在随机寻址信道(RACCH)上而且在所有的业务信道上接收寻址突发脉冲。另外，必须为基站增加分配，从而它可以在广播控制信道(BCCH)上发射有关本发明特征的消息。

Claims (14)

1.一种在移动电话系统中分配信道的方法，在该系统的无线接口上发射与接收在不同的载频上发生，并且发射帧和接收帧包含几个时隙，从而时隙和频率构成一个信道，在该信道上以突发脉冲的方式发射业务信号，

其特征在于

形成包含与基站有关的信息的消息，

从基站处持续地在一个导频信号中发射消息，其中所述导频信号的频率为载波频率，所述导频信号的带宽与业务信号的带宽相同，所述导频信号的信号电平低于业务信号的信号电平，所述导频信号的编码不同于该业务信号的编码，并且每个消息位于对应于传输时隙的时间周期内，

在移动设备接收到导频信号之后，按需执行到该消息中指明的空闲信道的切换。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在那些没有发射业务信号的时隙中，导频信号电平要低，但是高于系统的正常输入分辨率，以便仍然可以检测到该信号，而在那些发射了业务信号的时隙中，导频信号电平接近业务信号电平但是仍要略低一些。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在那些没有发射业务信号的时隙中，导频信号位于一个固定的静态电平。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过采用码分多址，该消息位于导频信号中。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于导频信号信息的扩散序列与同步突发脉冲之间存在一种直接关系。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过采用高阶卷积码，该消息位于导频信号中。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，与导频信号的发射频率相对应的接收频率的信道状态信息位于该消息中。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该消息包含标识基站的信息，从而当移动设备接收到导频信号时，它将了解该发射基站。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，移动设备在普通的监控时隙中接收导频信号。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，移动设备在一个空闲帧期间接收导频信号，从而它不发射或接收任何业务突发脉冲。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当使用不连续传输(DTX)时移动设备在基站不发射任何突发脉冲的时间内接收导频信号。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当使用低于全速的业务信道时，移动设备在空闲的接收时隙中接收导频信号。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当执行信道交换时，移动设备在其选择的空闲信道上向基站发射一个寻址突发脉冲，该基站用一个寻址授权突发脉冲对其作出响应，根据它向所选信道发射业务。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在基站可用的所有载频上发射导频信号。

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