CN1132452A - 提高频谱效率的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

在一个无线通信系统中，提高频谱效率的方法和装置，该系统具有基站，这些基站位于互相覆盖范围内而进行工作，消除了基站周期性地发射信号以维持与相关的手机同步(504)的要求。在发出呼叫时手机起基站的作用(508)。手机与其它手机话务或与覆盖范围内的另一个基站相同步(506)。然后手机寻呼基站(510)。消除了基站反复发射信号来维持与手机同步的要求，能显著增加可用的提供通信的频谱指配。手机地位颠倒使手机对手机通信与基站无关。

Description

提高频谱效率的方法和装置
本发明涉及射频通信系统，具体涉及提高频谱有效使用的方法和装置。
在无线通信系统中，为了提高频谱使用效率，业已作出了努力，以做到在一个给定频带内容许有较大数目的用户。提高频谱效率的技术的一个实例是频分多址(FDMA)技术。在常规的FDMA系统中，一个给定的频带可划分成为许多信道，其中，每个信道由一个用户占用。一个FDMA系统也可以是一个时分双工(TDD)系统，其中，一个给定的射频信道可用于在间隔开的时间上在正向和反向上发射帧信号。
其它的技术包括数字多址通信系统。这样的用以提高频谱使用效率的一种常规的数字多址技术是时分复用(TDMA)技术。在一个TDMA系统中，每个信道被划分成为用以传输信号的多个时隙，每个时隙可指配给不同的呼叫。并且，TDMA系统还能够采用TDD技术。为此，在单一信道或频率上可以同时发射多个呼叫。
最后，提高频谱效率还能以慢频跳频系统或直接序列CDMA系统的形式利用扩展频谱技术来实现。在一个慢频跳频系统中，信号的载波频率在接收机中预先知道的伪随机序列中在一个宽范围的可能频率内以一个预定速率来变化。通常，扩展频谱技术可以减低有意或无意的干扰影响。直接序列CDMA系统能使多个用户共享相同的频谱，其中，对每个用户被指配给一个独特的伪噪声代码序列。信号由接收机中预先知道的带宽宽的伪噪声序列进行频谱扩展。
在一个常规的多址通信系统中，基站定时地发射一个信标或同步信号，以保持与相关的手机相同步。例如，在一个时分双工多址系统中，即使基站不处于呼叫中，在一个时间帧内的一个时隙也必须要占用。与通信系统有关的是，用以提供通信的可利用资源设在通信装置之间，以使不处于通信中的通信装置之间保持同步。据此，现在需要一种用以提高频谱效率以容许较多数目的用户共同占用一个给定的频带的方法和装置。
图1示出连接到公共系统电话网(TELCO)上的、具有多个基站的一个无线通信系统的平面图。
图2示出一个常规的无线基站或手机的电路方框图。
图3示出在一个慢频跳频系统中用以确定可予应用的变址的优选步骤的流程图。
图4示出用以使手机与基站相同步的一个空中接口协议的帧结构图。
图5示出一种按照本发明的用以增大频谱占用量的方法的流程图。
图6示出一种按照本发明的用以接收一个陆线上产生的呼叫的方法的流程图。
图7示出按照本发明在一个通信系统内工作的一个主基站与一个从属基站之间信号传输的定时图。
图8示出一个流程图，按照本发明工作在一个无线通信系统中的手机的另一种应用的流程图。
图9示出按照本发明的用以同步手机的步骤流程图。
在一个无线通信系统中，频谱是宝贵资源，必须高效率地使用，以使得在一个给定的频带内能有最大数目的用户进行通信。本发明的方法和装置通过消除使基站与手机保持同步的要求，提供了提高的频谱效率。具体地说，基站将不连续地发射同步信号，但在该基站接收一个呼叫时，它只发射一个寻呼和手机代码信号。在手机产生呼叫的情况下，该手机将实际上起基站的作用(即一个主设备)，并使其关联的基站振铃。然后，手机将回复到常规的手机操作(即一个从属设备)。在具有例如83个信道的一个常规的慢频跳频系统中，最大值为83个基站可在同一时刻在该系统上操作。然而，本发明的装置能够支持83个呼叫在一个时间进行。据此，假定平均说来，并非所有基站在全部时间内都处于应用中，位于相互覆盖范围内的基站的数目可大为增加。
首先，参看图1，该图示出一个常规的无线通信系统102。该无线通信系统具有多个基站104，每个基站在一个区域108上提供射频覆盖。每个基站可以连接到一个公共系统电话网(TELCO)106上。然而，可以理解，本发明的电路和方法也可以在具有的基站并且这些基站不连接到一个公共系统电话网上的一个无线通信系统中实施。这些基站可以在一个独立的网络内耦合在一起，或是可以作为独立的单元而恰是工作在相同的频带内。每个基站还适合于与一个或多个手机110进行通信。最后，每个基站能利用射频信号与处在覆盖范围内的另一个基站进行通信。在基站之间最好利用射频信号发射含有同步信号的控制信号。
参看图2，该图示出一个常规的基站或手机的电路方框图。在优选实施例中，由一个ASIC(专用集成电路)201，(例如从摩托罗拉公司购得的MDAO8技术或H4C的CMOS ASIC)和微处理器203(例如从摩托罗拉公司购得的68HC11)相组合以产生图4所示的通信协议。ASIC201最好包括一种单独的检索机构(SeparateSearch engine)以按照本发明检测一个第二同步源。该第二检索机构可以是一个单独的数字锁相环路(DPLL)，或是一个过取样互相关器。数字锁相环路在本技术领域内是公知的。数字锁相环路的一个实例可以在1976年9月28日公开的Malek的题为“数字锁相环路”的美国专利3983498中找到。该专利的整个内容在这里引用作为参考。过取样互相关器的一个实例可以在1992年5月26日公开的、Weigand的题为“用非相干接收机实时解调GMSK信号的方法和装置”的美国专利5117441中找到，该专利的整个内容在这里也引用作为参考。
在优选实施例中，微处理器203利用RAM205、EEPROM207和ROM209，合并在一个组件211中，以执行对于产生通信协议所必需的步骤，并实现通信单元，诸如写入显示213、从键盘215上接收信息以及控制频率合成器225等的其它功能。ASIC201处理从耳机217到扬声器221的、由音频电路219变换的音频信号。某些消息字段由ASIC201来组建，并由音频电路219和微处理器203来聚集，而其它字段由ASIC201组建，ASIC201产生消息帧，并将它传送给发射机223。发射机223利用在跳频方式下为系统选取的、并由微处理203控制的、由频率合成器产生的载波频率，由天线229发射出去。由该通信单元的天线229接收到的信息进入接收机227，接收机227按照对该系统选取的跳频方式利用来自频率合成器225的载波频率对含有消息帧的符号进行解调。然后，ASIC203将接收到的消息帧分解成为它的构成部分。如果图2的电路被组合在一个住宅基站中，则该基站的音频电路可以连接到一个TELCO网络233上。
参看图3，该图示出在一个常规的跳频系统中用以遵循跳频序列的优选步骤。在步骤302，将变址值(即由第一个信道开始，对信道预定序列加入的一个偏置值)设定为等于零。在步骤304，基站扫描下一个变址值(自序列中的第二信道开始，相同的信道序列)，并在步骤306判定，所有信道的接收机信号强度指示值(RSSI)是否小于预定阈值。如果所有信道的RSSI小于一个预定阈值，则在步骤308该基站存储一个指示，该指示表明变址N有零个已占信道。如果在步骤306判定，所有信道的RSSI不都小于一个阈值，则在步骤310由基站指示已占信道的数目。
在步骤312该基站判定，具有零占信道的三个变址是否可应用。如果有三个变址可应用，则在步骤314基站选择第一个变址，并在步骤316承担正常工作。然而，如果三个变址不可应用，则在步骤318由基站判定，所有变址是否已被扫描。如果所有变址未都扫描，则在步骤304基站扫描下一个变址。如果所有变址已被扫描，则根据其RSSI值大于一个预定阈值的已占信道的最小数目，基站应用最佳的可予应用的变址。三个变址都用以组成下一个最佳的表。如果在一个呼叫期间变址受损坏，则可以发送一个请求，以改变该变址。根据无线电资源和其它的限制，下一个最佳的表可以周期性地被更新。尽管上文说明了RSSI判定，但依靠RSSI来评价信道质量只是作为例子给出来的，在本发明的范畴内用以判定信号质量的任何其它的方法都可以应用。
参看图4，该图示出用以使基站同步的一个空中接口协议。在如图7所示的基站之间最好发射图4中的基本帧402和冗余帧404。用以保持频率同步和保持具有基本帧和冗余帧的比特同步的方法和装置在1993年5月18日公开的Pickert等人的题为“数字通信信令系统”的美国专利5212715中说明了。参照具体的时隙，帧402包括一个用于合成器锁定时间的时隙406。随后的四个时隙是用于正向基本数据字段和正向冗余数据字段及反向基本数据字段和反向冗余数据字段的。具体地说，时隙408是用于正向(基站到手机)基本数据时隙，时隙410是用于正向冗余数据字段，时隙412用于反向(手机到基站)基本数据字段，而时隙414属反向冗余数据字段，时隙416是合成器锁定时间时隙。随后的两个时隙是信标时隙418和空白时隙420。信标时隙用来发射一个基站同步字段，用以同步基站。信标消息可包括在信标时隙上发射的多个时标信号。空白时隙可以用来检测同步到该基站的另一个基站的手机话务。另一种可替代的方案是，信标时隙可以用来检测信标信号，以同步到另一个基站上。
如图4所示，基本帧402中的正向基本时隙408亦在冗余帧404的正向冗余时隙426内发射。也就是说，冗余时隙含有与先前帧基本时隙相配对的信息。同样，基本帧402的反向基本时隙412亦在冗余帧404的反向冗余时隙430内发射。基本数据字段和冗余数据字段的传输操作在本技术领域内是公知的，无需赘述。然而，可以理解，按照本发明，不必需使用一个发射冗余时隙的系统，而且可以只发射一帧。
图4中还示出正向或反向、或任一方向上基本时隙或冗余时隙的数据时隙的优选时隙结构。一个数字控制信道(DCCH)字段450的优选字段也示于图4中。每个DCCH数据时隙包含一个斜坡/防护(R/G)字段454、一个前置字段456、一个同步字段458、一个数据字段460、一个循环冗余校验(CRC)字段462和一个R/G字段464。图中又示出一个数字话务字段452。前置字段代表一个用以识别基站的标志信号。根据在数字控制信道上发射的前置字段，手机可以同步到基站上。在反向信道中，标志信号可以识别手机。数字话务信道数据时隙包含一个R/G字段466、一个同步字段468、一个慢相关控制信道(SACCH)470、一个CRC字段472、一个声码器有效负载字段474和一个R/G字段476。虽然，图4示出优选的数据字段协议，但在本发明的范畴内也可以发射附加的或减少些的字段。
参看图5，该图示出按照本发明用以提高频率占用率的方法流程图。常规的指定分配同步主设备是基站，同步从属设备是手机。按照本发明，可将这个常规的指配颠倒过来，以在一个慢频跳频系统中保持安静的频谱。如参考图8较详细说明的，这种地位上的颠倒将容许在具有一个个人基站(即办公室基站或住宅基站)的移动通信环境中进行手机—手机内部通信，该个人基站是合于与多个手机通信的。
参看图5，一个基站/手机对的基站和手机均不处在呼叫中，为此，在步骤504不发射任何信号。当手机始发一个呼叫时，在步骤506通过在信标时隙上检测一个信标信号或在空白时隙上检测一个手机话务，使手机同步到任何其它的基站。在步骤508手机便承担主站的作用。作为一个主设备，在步骤510该手机使基站振铃。这个振铃可以在反向(手机到基站)数字控制信道(DCCH)块450中的数据块460内发射。在步骤512，手机回复到作为从属设备的正常的手机操作。同样，在步骤514，基站回复到作为主设备的正常的基站操作。如果在步骤516接收到来自基站的一个唤醒响应，则在步骤518承担基站/手机对的正常操作。如果未接收到唤醒响应，则在步骤506手机尝试同步到其它的手机话务上。
参看图6，该图示出按照本发明用以接收一个呼叫的方法。在步骤604，基站和手机保持寂静。为了接收呼叫，手机必须从基站上检测到一个寻呼信号。如果手机处于节省方式，则在步骤606手机定时地唤醒基站，并监听基站。根据振铃检测，例如是从陆线网络来的一个呼叫，在步骤608，基站反复发射寻呼和手机代码。基站最好以一段延伸的时间来发射寻呼和手机代码，以克服手机睡眠的占空度(duty cycle)和在睡眠时所积聚的、时基间的不等度(disparity)。如果接收到寻呼和手机代码，则在步骤610手机向基站发射一个确认。如果在步骤612基站接收到一个确认，则在步骤614基站摘机，开始呼叫处理和正常操作。如果基站未接收到确认，则在步骤608基站再发射一个寻呼和手机代码。
参看图7，该图示出同步主设备和同步从属设备的操作的呼叫流程图，特别是手机作为同步主设备和手机或基站作为同步从属的配置。基站的通常的地位是同步主设备，而手机的通常地位是同步从属设备。按照常规，在一个慢频跳频系统中，DCCH时隙格式中的信标由同步主设备在每一跳频循环内至少发射一次，以提供出手机同步，并又指明无振铃或寻呼业已发生。
如图7所示，同步主设备在一个固定相位(Φ1)内始终发射。然后，从属将其单一帧指针调整到“发射的Φ1＋信道的相位延迟Φd”。然后，同步从属设备在一个TDD系统中的发射校准于它的“接收相位＋延迟Φ偏置”。同步主设备接着将其第二帧指针调整到由同步从属设备接收到的话务上，即接收的相位为Φ1＋2Φd＋Φ偏置。这个同步协议防止了同步主设备的发射相位不致随每次传输而超前，而如果双方单位(entities)都表现为同步从属设备，则那种情况是会发生的。
参看图8，该图示出在一个通信系统中根据手机的地位颠倒时手机的另一种应用。利用手机的地位的颠倒而作为基站来起作用，一对手机可以通信而与基站无关。在步骤804，选择内部通信方式。内部通信方式可以在基站上选择，或是由手机来选择。然后，在步骤808，一个手机建立成为一个同步主设备。在步骤810，第二手机仍然是一个同步从属设备。在步骤812，这两个手机类似于一个正常的基站手机对那样进行通信。如果在步骤814通信结束，则在步骤816第一手机回复成为一个同步从属设备。这个手机的另一种应用对于适合于与多个手机一起工作的无线通信系统提供了更多的功能。
参看图9，该图示出一种利用DPLL231在主设备与从属设备之间用以实现或维持同步的优选方法(亦即使一个手机与一个基站同步，或使一个手机与另一个手机同步)。具体地说，在步骤904，一个时隙被建立成为一个同步源。然后，在步骤906基站判定是否接收到一个有效的标志信号。如果接收到一个有效的标志信号，则在步骤908基站将随后判定先前是否接收到该标志信号。如果先前接收到了信标，在步骤910基站将帧计数器往前面调整。然而，如果该标志信号先前未接收到，则在步骤912将帧计数器往后面调整。然而，可以理解，在本技术领域内公知的其它方法也可被利用来保持同步。
总之，本发明描述了在一个无线通信系统中用以提高频谱效率的一种方法和装置，该系统具有基站，这些基站位于互相覆盖范围内而进行操作。该方法和装置消除一个基站周期性地发射信号以维持与一个相关的手机同步的要求。按照本发明，当发出一个呼叫时，手机有效地承担基站的作用。该基站将与其它的手机话务或与处在覆盖范围内的另一个基站相同步。该手机然后使基站振铃。免除基站反复地发射一个信号以维持与一个手机同步的要求，显著地增加了可应用的频谱为提供通信的指配。一个手机地位的颠倒还能使手机与手机通信，且与基站无关。
虽然，上文描述了具体的实施例，但申请人的变动和修改都落在本发明的精神和范畴内。申请人的发明将由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种在数字多址无线通信系统中用以提高频谱效率的方法，该通信系统中具有一个基站和一个适合于与所述无线基站进行通信的便携式装置，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在所述基站上维持射频寂静；
从所述便携装置始发呼叫时，使所述便携装置建立成为一个同步主设备；及
在所述便携装置与所述基站之间建立一条通信链路。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，使基站建立成为一个同步从属设备的步骤。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述通信链路建立好了以后使该基站再建立成为一个同步主设备的步骤。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，使手机再建立成为同步从属设备的步骤。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述便携装置上周期性地监测由所述基站发射的寻呼信号的步骤。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在便携装置与一个基站之间建立一个通信链路的所述步骤，包括在一个便携装置与一个个人无绳基站之间建立一个通信链路。
7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，建立一个通信链路的所述步骤包括在一个时分多址(TDMA)通信系统上发射信号。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，在一个时分多址(TDMA)通信系统中发射信号的所述步骤包括在一个时分双工(TDD)通信系统上发射信号。
9.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，建立一个通信链路的所述步骤包括在一个时分多址(TDMA)慢频跳频通信系统上发射信号。
10.一种在一个时分多址(TDMA)慢频跳频通信系统中提高频谱效率的方法，该通信系统具有一个基站以及一个适合于所述无线基站进行通信的便携装置，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在所述基站和所述便携装置上维持射频寂静；
在所述便携装置上周期性地监测由所述基站发射的一个寻呼信号；
所述便携装置来始发呼叫时，使所述便携装置建立成为一个同步主设备；
从所述便携装置向所述基站发射一个信号，以建立一条通信链路；
从所述便携装置接收到的所述信号时，使基站建立成为一个同步从属站；
在所述便携装置与所述基站之间建立一条通信链路；
从所述基站上向所述便携装置发射一个确认信号；
使所述的基站再建立成为同步主设备；
使所述的便携装置再建立成为同步从属设备；及继续通信。
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