CN1169221A - 移动通信网中的高速数据传输 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的移动通信系统中，对无线通路上的高速数据传输分配两个或多个并行业务信道。在接续周期内，向这些并行业务信道分配不同的信道号(ch0，ch1，ch2，ch3)。高速数据信号中的数据在发射端(Tx)的分配点被插入到帧中，每个帧都提供有一个信道号，用以指示传输使用的并行业务信道。在一个业务信道中传输的帧，在整个呼叫中总是包含同一个信道号。按照信道编号顺序，帧被分配到并行业信道中。在接收端(Rx)，帧中的数据按照帧中信道号的顺序，重新组合成一个高速数据信号。另外，也可以在每个业务信道内使用帧编号，从而使两个连续帧通常具有不同的帧号(fr0，fr1)。因此，业务信道间允许的延迟偏移将随帧号的数目大小增加，并且在任何情况下都将保持帧序。

Description

移动通信网中的高速数据传输
本发明涉及数字移动通信网中的高速数据传输。
时分多址(TDMA)无线电信系统中，无线通路上的通信在连续的TDMA帧中以时分方式进行，每个TDMA帧包括多个时隙。每个时隙内发射的一个短信息包作为射频脉冲串，射频脉冲串由一组调制比特构成，具有确定周期。时隙主要用来传送控制信道和业务信道。业务信道上传输话音和数据。控制信道上传输基站与移动用户台之间的信令。泛欧移动通信系统GSM(全球移动通信系统)即是TDMA无线系统的一例。
传统的TDMA系统中，每个移动台分配有一个业务信道时隙进行数据或话音传输。举例，在GSM系统中，同一载波与不同移动台最多可达八路并行接续。根据传输中使用的信道编码与纠错以及可用的带宽，一个业务信道上的最高传输速率被限制在一个相对较低的值，如GSM系统中为9.6kbit/s或12kbit/s。对于低话音编码速率，GSM系统中也可选用半速率(最高为4.8kbit/s)业务信道。当一个移动台只在每两个帧中一个固定的时隙上工作，即以半速率工作时，就建立起半速率业务信道。另一个移动台工作在每两个帧中的同一时隙上。因此按照用户的数目而言，系统容量可以得到加倍，即同一载频上最多可同时工作16个移动台。
近几年来，对高速数据业务的需求显著增长。举个例子，使用ISDN(综合业务数字网)的电路交换数字数据业务，需要64kbit/s乃至更高的传输数率。公用交换网PSTN中的数据业条，例如调制解调器和G3类传真则需要14.4kbit/s这样的较高的传输速率。移动视频业务是移动数据传输中要求速率高于9.6kbit/s传输速率的一个增长区域。例如用摄像机进行安全监视和视频数据库等部属于视频业务。举例而言，视频传输的最低数据速率可能是16或32kbit/s。
然而，现有移动通信系统的传输速率并不足以满足这些新需求。
在申请人共同未决的芬兰专利申请942，190中公开了一种解决方法，它向高速数据传输分配无线通路上的两个或更多的并行业务信道，该专利在本申请的申请日时尚未公布。高速数据信号在发射端被分配到这些并行业务信道中，从而在无线通路上进行传输，它们在接收端被重新组合。因此，根据分配到的业务信道数目，所提供的数据传输业务传输速率，与标准传输速率相比最高可达它的8倍。例如，GSM系统中两个并行业务信道可提供2×9.6kbit/s的传输速率，足够支持14.4kbit/s的一个调制解调器或传真。六个并行业务信道能够支持64kbit/s的传输速率。
使用并行业务信道的问题是，如何在并行透明业务信道间分配数据流，以及如何使从并行业务信道收到数据的重新组合同步。
本发明的目的在于解决这些问题。
对于数字移动通信系统中的高速数据传输，可以用这样一种方法来实现该目的，即数据是在移动台与固定移动通信网间的无线通路上，在分配给移动台的一个业务信道中传输。根据本发明的该方法，其特征在于
当数据信号要求的数据传输速率超过一个业务信道的最高传输速率时，向该高速数据信号分配至少两个并行业务信道，它们在一个接续周期内分配有相互不同的信道号，
在发射端高速数据信号的数据插入到帧中，每个帧提供有信道号，从而指示出传输中使用的并行业务信道，
根据信道编号将这些帧按顺序分配到并行业务信道中，并向接收端发送，
在接收端按照帧中的信道号指示的顺序，把帧中的数据重新组合成高速数据信号。
本发明还涉及一个数字移动通信系统，其中的移动台与固定移动通信网均包括一个数据发射机和一个数据接收机，这些接收机与发射机能够在分配给移动台的业务信道中。在无线通路上进行数据传输。根据本发明的该系统，其特征在于：
固定移动通信网用来在数据信号要求的传输速率高于一个业务信道的最高传输速率时，向高速数据信号分配两个或多个并行业务信道，这些信道在接续期间具有相互不同的信道号。
数据发射机用来将高速数据信号的数据插入到帧中，每个帧都提供有一个信道号，用来指示传输中使用的并行业务信道，数据发射机并按照信道编号的顺序将这些帧分配到并行业务信道中，
数据接收机用来按照帧中的信道号所指示的顺序，把帧中的数据重新组合成高速数据信号。
本发明中，在接续周期内向并行业务信道分配不同的信道号。在发射端的分配点，来自高速数据信号的数据被插入到帧中，每个帧被分配一个信道号，来指示传输中使用的并行业务信道。一个确定业务信道上传输的帧，在整个呼叫过程中将包含同一个信道编号。这些帧按照信道编号的顺序被分配到并行业务信道中，第一帧分配到第一信道，第二帧分配到第二信道等等，然后传输到接收端的组合点，在这里把这些帧中的数据按照帧中信道号的顺序，重新组合成高速数据信号。
帧长确定并行业务信道间相对传输延迟的最大值，它是在接收端不丢失帧序时，可以被容忍。为了使可容忍的延迟偏移更长，本发明在每个业务信道内采用帧编号，从而使至少两个连续帧总具有不同的帧编号。业务信道间的允许延迟偏移将按帧编号的数目大小成比例增加，它至少可以加倍，并且帧顺序在任何情况下都能保持。如果采用两个帧号，例如1比特编号0和1，那么业务信道中的帧将按照下列方式在发射端编号：0，1，0，1，0，1…。如果使用四个帧号，例如2比特编号，那么业务信道中的帧将按照下列方式在发射端进行编号：0，1，2，3，0，1，2，3…。对于八个并行业务信道的情况，举个例子，第一个8帧以帧号0传输，在每个业务信道中各有一帧，第二个8帧以帧号1传输等等。在接收端利用帧中包含的信道号和帧号，再重新组合成高速数据信号。
本发明的优选实施方式中，这些帧是符号CCITT建议V.110的帧。V.110帧中，传输的状态比特用以传送信道控制消息，从而在进入或离开数据传输模式时实现同步，及在数据传输模式期间实现数据传输设备间的状态数据的透明传输。根据该建议，每个状态数据在V.110帧中以两个或四个状态比特复制而被传输，只有当每个比特中都是同一个状态值时，才会确定状态的改变。用这种方法，从传输状态中可以滤出短干扰的影响。由于在本发明中，同样的状态数据在数据传输模式下，通过几个并行业务信道进行传输，所以在每个业务信道的帧中存在“附加的”冗余状态比特，忽略它们并不会对复制的状态比特数目产生任何影响，也不会对状态信号的误码率造成影响。举个例子，对于两个并行信道的情况，将传输双倍数目的状态比特，其中一半是冗余比特。在本发明的优选实施方式中，这些冗余状态比特用于信道与帧编号，从而使信道内的每个帧中都传送信道编号。也可以牺牲误码率为代价，可使用比冗余比特更多的状态比特来进于信道和帧编号。
下面，将利用基本实施方式并参考附图，解释本发明，附图中
图1描述可以应用本发明的移动通信系统的一部分；
图2描述无线通路上的两个TDMA时隙内的高速数据传输；
图3描述根据本发明的网络结构，它支持GSM系统中移动台MS和互通功能(inter working function)IWF间的几个业务信道上的高速数据传输；
图4示出了V.110帧结构；以及
图5描述根据本发明使用信道与帧编号的情况，从而在发射端Tx将这些帧分配进到几个并行业务信道ch0到ch3，并在接收端Rx重新组合起这些帧。
本发明可以用于数字TDMA移动通信系统中的高速数据传输，例如泛欧数字移动通信系统GSM，DCS1800(数字通信系统)，和根据ETA/TIA interim standarding IS/41.3的移动通信系统等。下面将利用GSM系统型移动通信系统作为一个例子来描述本发明，但本发明并不局限于此。图1简要表示出GSM系统的基本结构，并未对系统的特性及其他元件作成更多说明。关于GSM系统更详细的描述，可参考GSM规范和GSM System for Mobile Communications，by M.Mouly & M.Pautet，Palaiseau，France，1992，ISBN：2-9507190-0-7。移动业务交换中心MSC负责入话呼叫与出话呼叫的交换。它执行的任务与公用交换电话网(PSTN)中的交换相类似。另外，它还可执行移动电话业务特有的功能特性，例如与网络用户登记器合作进行用户位置管理。移动台MS利用基站系统BSS连接到中心MSC。基站系统BSS包括一个基站控制器BSC和多个基站BTS。为简明起见，图1中只示出了一个基站系统，其中基站控制器BSC与两个基站连接，在这些基站的重要范围内有一个移动台MS。
GSM系统是一个时分多址(TDMA)系统，无线通路上的操作根据时分原理、在连续TDMA帧中进行，每个帧包括几个时隙。短信息包在每个时隙中作为一个射频脉冲串传输，射频脉冲串具有确定周期，由一组调制比特构成。时隙主要用于传送控制信道和业务信道。业务信道上传输话音和数据。控制信道上传输基站与移动用户台之间的信令。
GSM系统无线接口所用的信道结构，在ETSI/GSM规范05.02作为更详细的定义。正常操作时，呼叫开始时向移动台MS分配一载频上的一个时隙作为一个业务信道(单隙接入)。为发射和接收射频脉冲串，移动台MS与该时隙保持同步。在帧持续期间，MS进行各种测量。申请人早期的芬兰专利申请942,190公开的一种方法，是从同一个TDMA帧向移动台MS分配两个或更多的时隙，前提是该移动台MS要求的数据传输速率高于一个业务信道所能提供的速率。关于该方法的更详尽描述，可参见所说的专利申请。
下面参考图2来描述本方法，它是无线系统中基于多个并行业务信道进行高速数据传输的一种方法。应该注意到，建立起包括多个并行业务信道的传输接续时本发明是必不可少的，本发明旨在在该接续上进行数据传输和同步。
图2所示的例子中，移动台MS从同一个TDMA帧分配到连续的时隙0和1。准备在无线通路上传输的高速数据信号DATAIN在分配器(divider)82被划分为需要数量的低速数据信号DATA1和DATA2。信道编码、间插、脉冲串建立和调制80和81，相应地对每个低速数据信号分别进行，之后每个数据信号以射频脉冲串的形式在其专用的时隙0和1中分别传输。当在无线通路上分别传输低速数据信号DATA1和DATA2之后，在接收端分别对它们进行相应的解调，去间插和信道解码83和84，之后在接收端的组合器85中，信号DATA1和DATA2再次组合为最初的高速信号DATAOUT。
图3是描绘GSM网络结构的方框图1，GSM网采用几个并行业务信道实现数据传输。图3中的方框80，81，83和84的作用分别是信道编码。间插、脉冲串建立和调制与解调；优选情况下固定网中的去间插与信道解码位于基站BTS中。因此上述的TDMA帧是在基站BTS与移动台MS间、在无线接口Radio I/F传输。基站BTS可以对每个对隙单独并行处理。而图2中的分配器82与组合器85也可以根据要求，位于一个固定网络中，该固定网远离另一个网络单元中的基站BTS，从而以业务信道正常信号的形式在该网络单元与基站间传送的低速数据信号DATA1和DATA2。GSM系统中基站BTS和确定码型转换单元TRCU(码型转换/速率适配单元)间的传送，按照ETSI/GSM规范08.60在TRAU帧中进行。由于本发明涉及在整个数据接续上，使用几个并行业务信道在分配器82和组合器85间进行数据传输与同步，TRAU帧和那里涉及的传输对本发明都不是必不可少的。
GSM系统中，数据接续建立在移动台MS的终端适配器31和固定网的互通功能设备IWF32间。GSM网的数据传输中，该接续是一个数字全双工接续，适配到V.110速率，适用于V.24接口和UDI编码。本处描述的V.110接续最初是为ISDN(综合业务数据网)技术而发展的数字传输信道，适配到V.24接口并能支持V.24状态(控制信号)的传输。V.110速率适配接续的CCITT建议在CCITT蓝皮书V.110中规定。V.24接口的CCITT建议在CCITT蓝皮书V.24中规定。接下来，描述状态信号从而来表示V.24接口的控制信号，例如CT105，CT106，CT107，CT108和CT109。与移动台连接的数据终端适配到V.110接续上，该接续利用终端适配器31，采用多个业务信道ch0到chN，在一个物理接续上建立。互连设备IWF使V.110接续与另一个V.110网，例如ISDN互连，或与另一个GSM网，或另一个传输网例如公用交换电话网PSTN互连。对于第一种情况，根据本发明IWF仪包含分配器/组合器82/85。对于上述的最后一种情况，IWF还包括例如一个基带调制解调器，利用它通过PSTN进行数据传输。
图4中示出V.110接续上的数据传输中使用的帧结构。一帧包含80个bit。8位位组0包含的便是二进制0，而八位位组5包含一个二进制1和其后的七个E比特。8位位组1到4和6到9在比特位1包括一个二进制1，在比特位8包含一个状态比特(S或X比特)，在比特位2到7包含6个数据比特(D比特)。比特的传输顺序是从左到右、从上到下。因此一个帧中共有D1到D8 48个bit的用户数据。比特S和X用来在数据传输模式下传送有关数据比特的信道控制消息。S1，S3，S6和S8四个状态比特用来从移动台MS向互连设备IWF传送CT108状态信号(“数据终端预备”)，和从互连设备IWF向移动台MS传输CT107状态信号(“数字设置预备”)。S4和S9两个状态比特用来从移动台MS向互连设备IWF传送CT105状态信号(“发送请求”)，和从互连设备IWF向移动台MS传送CT109状态信号(“数据信道接收线信号检测器”)。两个X状态比特用来在适配器间传送CT106状态信号(“发送预备”)或传输同步或流量控制消息。在终端设备是X.21终端的情况下，S比特传送X.21控制消息。移动台MS为接收CT106和CT109状态及X.21控制消息。移动台MS为接收CT106和CT109状态及X.21指示提供过滤步骤。
根据本发明，V.110帧中的一些控制比特被重新分配，以在并行业务信道ch0到chN上携带管理数据传输所要求的同步消息。因为在需要时，可在一个S比特中传送CT108和CT107状态以及X.21控制消息，因此将有三个S比特保持冗余。CT105和CT109状态以及X.21消息也可在一个S比特中传送，从而又有一个S比特将成为冗余。两个X比特中传送的消息可以在一个X比特中传送，从而剩下的X比特也变成冗余的。这些冗余比特可用于并行业务信道的编号和帧编号，下面参考图5对其作以解释。
对于图5所述的例子中，高速数据传输经四个并行业务信道进行。发射端Tx和接收端Rx指的是移动台MS和互通功能IWF中的分配器82和组合器85。在一个数据呼叫开始时，所说的四个业务信道被分配给该数据呼叫，在呼叫期间由发射机Tx将信道号ch0，ch1，ch2和ch3分配给这些信道，并按照GSM规范中规定的方式对每个信道分别进行V.110接续的接续建立和同步。当发射机Tx检测到所有业务信道都已同步并进入V.110数据传输模式时，根据本发明它开始高速数据传输。发射机向每个帧提供业务信道的信道号，通过它传输帧。而且发射机Tx还使用每个帧中的内部帧编号。图5中使用了1比特帧编号，即每个业务信道中交替使用帧号fr0和fr1。从而，发射机Tx将来话数据分配到连续的帧中，这些帧中以八帧一个序列的方式重复出现下列的信道和帧编号，即：(ch0，fr0)，(ch1，fr0)，(ch2，fr0)，(ch3，fr0)，(ch0，fr1)，(ch1，fr1)，(ch2，fr1)，(ch3，fr1)。发射机Tx按顺序将这些帧划分到并行信道ch0到ch3中，第一帧分到第一信道，第二帧分到第二信道等。举例而言，图5中第一帧(ch0，fr0)被插入到信道ch0中，第二帧(ch1，fr0)被插入到信道ch1中，第三帧(ch1，fr0)被插入到信道ch2中，第四帧(ch3，fr0)被插入信道ch3中，第5帧(ch0，fr1)2被插入到信道ch0中，等等。由于帧编号，号码为fr0和fr1的帧在每个信道中交替出现。
接收机Rx从并行业务信道ch0到ch3接收上述这些帧，并利用帧中传输的信道和帧编号把这些帧恢复到最初的顺序来。换句话说，接收机Rx从信道ch0选出帧(ch0，fr0)作为第一帧，从信道ch1超出帧(ch1，fr0)作为第二帧等。从而根据本发明由于信道和帧编号，接收机Rx可以清楚地鉴别这些帧及它们的正确传输顺序。本发明的帧编号在接收机Rx不丢失帧序的情况下，能够容忍并行信道间的相对传输延迟，其长度最大为两帧。对于大多数应用这已足够。当需要时，通过增加帧编号可以扩展允许的延迟偏移。接收机从按正确顺序恢复的帧中获得实际的数据比特，从每个帧中可得到48个bit，并将这些数据比特组合成最初的高速信号。
下面将给出一些例子，说明为实现本发明的信道和帧编码，如何选择V.110帧的状态比特。
例如，可用比特S1，S4和S6进行信道编号，而根本不用于帧编号。而另一种情况下，可用比特S1，S4和S6进行信道编号(8信道)，一个X比特进行信道内的1比特帧编号。另外，也可用状态比特S4和S6进行信道编号，一个X比特和比特S3进行信道内的两比特帧编号。还有其它许多的可能方法可以用冗余比特进行信道和帧编号。当选择比特时，必须考虑每个状态比特的实际比特率。例如，如果比特S1，S3，S5和S8中的三个比特用于信道和/或帧编号，CT107和CT108状态信号的速率将降为一个信道原来速率的四分之一。如果只使用两个并行业务信息，CT107和CT108的总速率将为原来速率的一半，它将对接收端状态信号的滤波产生影响。上述例子中，CT107和CT108比特的复制在几个业务信道中(从两个信道算起)进行，因此并行业务信道的每个帧具有较少数量复制状态比特的事实，并不对这些状态比特的误码率产生影响。
到此涉及到的特性和说明，仅仅用来描述本发明。在具体细节上本发是有可在所附的权利要求书的精神与范围内有所变动。

Claims (9)

1.一种数字移动通信系统中进行高速数据传输的方法，该方法中
数据在无线通路上、在移动台和固定移动通信网间并在分配给移动台的业务信道中传输，其特征在于
当数据信号要求的数据传输速率超出一个业务信道的最高传输速率时，向高速数据信号分配至少两个并行业务信道，它们在一个接续期间分配有相互不同的信道号，
在发射端把数据从高速数据信号插入到帧中，每个帧提供有信道号，用以指示用于传输的并行业务信道，
根据信道编号按顺序将帧划分到并行业务信道中，并将它们传输到接收端，
在接收端按照帧中的信道号指示的顺序，把帧中的数据重新组合成高速数据信号。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，在每个业务信道内使用帧编号，以实现至少两个连续帧具有不同帧号，从而业务信道间的最大延迟偏移与没有帧号相比，按帧号数目大小成比例增加，
在接收端按照帧中信道与帧号指示的顺序，把帧中的数据重新组合成高速数据信号。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于
按照CCITT建议V.110在并行业务信道中传输帧，
在V.110帧的冗余状态比特中，传送信道编号和潜在的帧编号。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于
使用一个或多个状态比特S1，S4和S6，实现并行业务信道的信道编号。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于使用一个X状态比特，实现每个业务信道内的帧编号。
6.根据权利要求4的方法，其特征在于使用S3状态比特和一个X状态比特，实现每个业务信道内的帧编号。
7.一种数字移动通信系统，其中的一个移动台(MS)和一个固定移动通信网(BTS，BSC，MSC)每个都包括一个数据发射机(31，32，82)和一个数据接收机(31，32，81)，它们能够在无线通路上、在分配给移动台的业务信道上进行数据传输，其特征在于
当数据信号要求的传输速率高于一个业务信道的最高传输速率时，固定移动通信网用来向高速数据通信分配两个或更多的并行业务信道，它们在接续期间具有相互不同的信道号，
数据发射机(31，32，82)用来把数据从高速数据信号(DATAIN)插入到帧中，每个帧都提供有一个信道号，用以指示传输使用的并行业务信道，数据发射机并按照信道编号的顺序把帧分配到并行业务信道中，
数据接收机(31，32，85)用来按照帧中信道号指示的顺序，把帧中的数据重新组合成一个高速数据信号(DATAOUT)。
8.根据权利要求7的一种移动通信系统，其特征在于
数据发射机(31，32，82)可以进一步，用来在业务信道内提供带有帧编号的帧，从而使至少两个连续帧器具有不同帧号，
数据接收机(31，32，85)用来按照帧中的信道与帧号指示的顺序，把帧中的数据重新组合成高速数据信号。
9.根据权利要求7和8的移动通信系统，其特征在于，并行业务信道中传输的帧是符合CCITT建议V.110的帧，帧中的信道编号和潜在的帧编号在V.110帧中的冗余状态比特中传送。
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EP (1) EP0801853B1 (zh)
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