CN1172549C - 智能天线移动通信系统传输高速下行包交换数据的方法 - Google Patents

智能天线移动通信系统传输高速下行包交换数据的方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种在具有智能天线的移动通信系统中，既可充分发挥智能天线无线波束赋形的优势，又能高效率传输下行包交换数据的方法。在对每个用户终端发送下行数据包时，无论用户终端处于何种状态，都通过寻呼Page信道进行点名，以获得用户终端的初始方位，保证智能天线系统可以使用赋形波束向终端传输数据；在每个数据包传输完成后，用户终端在接收正确时返回确认消息或在有误码时返回要求重发的消息，以保证系统随时知道用户的位置，使赋形波束跟踪移动用户；使用自适应调整的可变长度下行数据包以提高智能天线波束跟踪用户的速度，提高传输的效率；以及在使用智能天线的同步CDMA系统中，通过确定用户移动速度，来有效调整下行数据包长度。

Description

智能天线移动通信系统传输高速下行包交换数据的方法
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，更确切地说是涉及一种在具有智能天线的移动通信系统中，既可充分发挥智能天线无线波束赋形的优势，又能高效率传输下行包交换数据的方法。
背景技术
在未来移动通信系统中，下行高速包交换数据，即传输互联网类型的数据是一项非常重要的业务。移动通信系统根据用户的要求，向用户传输其用户数据。
目前的传输实施方法可以用全球移动通信系统(GSM)通用无线分组业务(GPRS)中使用的方法来说明：所有接入的用户均处于等待接收状态(即挂在网上)；无线基站使用一个载波，利用此载波的一个或多个时隙，将下行数据一个接一个地向用户发送，采用的发射方式是向此基站的全部覆盖区(一个小区或一个扇区)内作全向发射，以保证不论用户移动到此基站覆盖区内的任何地点均能够接收到此下行数据。此时，基站(系统)并不需要知道用户所在的具体位置，而只要知道此用户所在的小区。
为保证此下行数据的传输质量，一般均采用自动重发(ARQ)技术，即基站在每次下行数据传送时，都向用户传送一个特定长度的数据包；在用户收到此数据包后采用纠错和/或检错编码技术(如采用冗余纠错技术进行检测)，检查收到的数据包中是否有误码；当数据包中有误码且无法纠正时，用户将要求基站将此数据包重发，以保证传输的质量。
图1中示出一典型的基站向用户终端传输下行高速包交换数据的传统流程。移动通信系统知道用户终端11、12、......、1N均处于基站B所在的小区，并处于准备接收状态(如GPRS中的REDAY状态)；基站B根据系统信令，依次向终端11、12、......、1N发送高速下行包交换数据。每个数据包的包头设置有用户终端的识别标志，每个数据包的长度由系统决定(一般是固定的，是多个无线帧的长度)。
如图中所示的基站B用全向发射方式先向用户终端13发送高速下行包交换数据，用户终端13接收完一数据包后，将向基站返回已正确接收的确认消息或提出重发(ARQ)要求，完成13用户终端数据发送完毕、13用户终端接收确认的过程。基站向第一个用户终端13发送完毕后，再顺序向第二个用户终端11发送。在数据重发时，基站仍以全向发射方式向相应用户终端发送高速下行包交换数据。
另一方面，现代移动通信技术发展的一个最主要的方向是使用智能天线技术。在无线基站中使用了智能天线后，既能大大提高系统的性能和容量，又能降低系统设备的成本。
智能天线的基本工作原理是：基站根据接收到的、来自用户的上行信号判断用户所在的方位(DOA)，并以此方位对上行信号进行接收波束赋形的基础上，用赋形波束向用户定向发送下行数据。
显然，若使用前述的、连续向各个用户发送下行包交换数据的方式，由于不知道用户所处的方位，也就只能用全覆盖的波束来进行发送，不可能发挥智能天线下行波束赋形所带来的优势，没有利用智能天线的优点。
然而在移动通信系统中，用户的位置总是不停地在变化着，在传输高速下行包交换数据时，要充分发挥智能天线的优势，系统必须知道每个接入用户的当前位置，才能保证其下行波束赋形，准确地跟踪上运动中的用户。
上述问题在目前的移动通信系统和标准中还均未见有解决方案。
发明内容
本发明的目的是设计一种智能天线移动通信系统传输高速下行包交换数据的方法，是一种新的、在具有智能天线的移动通信系统中，传输下行高速包交换数据的方法。在充分发挥智能天线优势的同时和在不过多占用系统资源的前提下，能保证高速下行包交换数据的传输。
实现本发明目的的技术方案是这样的：一种智能天线移动通信系统传输高速下行包交换数据的方法，其特征在于包括以下步骤：
A.具有智能天线的无线基站获得每个准备接收高速下行包交换数据用户终端的初始方位信息；
B.智能天线按每个用户终端的初始方位信息进行下行波束赋形；
C.无线基站以一设定长度的高速下行包交换数据为单位，根据当前用户终端的赋形波束定向地向该用户终端发送一高速下行包交换数据；
D.用户终端接收到一个高速下行包交换数据，进行误码检查，通过上行信道向无线基站确认当前高速下行包交换数据已正确接收或存在误码、要求重发；
E.无线基站根据确认消息，获得当前用户终端新的方位信息，并根据该方位信息进行新的下行波束赋形，再以一设定长度和利用新的赋形波束定向地向已正确接收的当前用户终端发送下一个高速下行包交换数据或向要求重发的用户终端重发当前高速下行包交换数据，直至该用户终端正确接收其所有的高速下行包交换数据后结束。
所述的步骤A，具有智能天线的无线基站通过寻呼信道，使用全向或扇区覆盖波束对准备接收高速下行包交换数据的用户终端进行点名，从用户终端的回应消息中获得每个用户终端的初始方位信息。
所述的对用户终端进行点名，包括处于任何工作状态下、准备接收高速下行包交换数据的用户终端。
所述的下行数据包的设定长度是根据用户终端接收数据包的质量情况作自适应变化的。
所述的自适应变化，包括：
先以一预定长度L向当前用户终端发送高速下行包交换数据；
在当前用户终端连续m次正确接收高速下行包交换数据时，增加高速下行包交换数据的设定长度，进行第m+1次高速下行包交换数据发送；
在当前用户终端连续正确接收高速下行包交换数据的次数小于m时，仍以预定长度L发送下一个高速下行包交换数据，m为正整数；
在当前用户终端连续n次要求重发当前高速下行包交换数据时，减小高速下行包交换数据的设定长度，进行第n+1次当前高速下行包交换数据重发，n为正整数。
在所述m为2或3时，将高速下行包交换数据的设定长度增加为2L，在所述n为2或3时，将高速下行包交换数据的设定长度减小为L/2。
所述的减小高速下行包交换数据的设定长度，最短的高速下行包交换数据的设定长度为一帧数据中一个时隙的数据量长度。
所述的减小高速下行包交换数据的设定长度，最短的高速下行包交换数据的设定长度为一无线帧的数据量长度。
所述的自适应变化，包括：
无线基站先以一预定长度L向每一用户终端发送高速下行包交换数据；
无线基站根据接收到的当前用户终端的两次上行确认消息，获得该当前用户终端的方位信息和到达时延的变化；
无线基站根据两个时刻期间该用户终端的位置变化，计算该用户终端的移动速度；
无线基站对于移动速度快的用户，减小其高速下行包交换数据的设定长度，对于移动速度慢的用户，增加其高速下行包交换数据的设定长度。
所述的步骤C至E，是分别对无线基站的所有准备接收高速下行包交换数据的用户终端逐个进行的，在一用户终端顺序并正确接收其所有的高速下行包交换数据后，无线基站再对下一个用户终端顺序进行全部高速下行包交换数据发送。
在本发明的方案中，具有智能天线的无线基站在准备向每个用户终端传输下行包交换数据时，无论用户终端处于何种状态，都必须先通过寻呼(Page)信道进行联络，即发生一个点名过程，在获得用户的回应后再进行传输，即使用户终端处于某种工作状态下，也不能直接进行传输，此过程相当于一个握手的过程，基站与准备接收高速下行包交换数据的用户终端间建立起链路。这样，让无线基站知道用户终端的初始方位，供智能天线对此方位信息进行下行波束赋形，然后再才开始传送数据。
在本发明的方案中，在传送高速下行包交换数据过程中，一用户终端的下行数据是以单个数据包为单位顺序传送的，对所传送的每个数据包，在用户接收后，不论是否存在误码，用户终端都应当通过上行信道予以确认，或者正确接收或者存在误码，无线基站从用户终端的回应信号中，又可获得用户终端所处的新的方位，并根据此新的方位信息进行新的波束赋形，使赋形波束跟踪用户终端，以便用新的赋形波束在无误码的情况下传输下一个数据包，或在存在无法纠正的误码的情况下重发前一个数据包。
在同步CDMA(如TD-SCDMA)系统中，还可知道用户终端离开基站的距离，以便对上行信号进行同步和进行发射功率的控制。
在高速下行包交换数据的传输过程中，本发明方法中使用了可变长度的下行数据包技术。具有智能天线的移动通信基站在发射下行包交换数据时，每个数据包都是按一个下行波束赋形来进行发送的。基站根据所收到的上行确认信号对下一个下行波束进行赋形。由于用户可能处于不同的运动状态，当移动速度很快时，可能出现在发送一个数据包的期间内，会发生用户位置有较大变化的情况。特别是在电波传播环境有较大变化的情况下，采用固定长度的下行数据包，可能会导致此下行波束发射的数据包难以被有效接收的情况，造成严重误码。对此，即使多次重发，也不可能获得正确地接收。如果出现此种情况，即使增加冗余纠错信息，调整编码速率等常规手段也是解决不了问题的。
本发明的方法是自适应地改变数据包的长度，即在传输下行数据时，开始是用比较长的数据包长度传输，以减少上行确认的次数，提高系统效率。但在用户终端接收到一个数据包后所发出的上行确认信号中，如果反映出有严重误码的情况时，如连续重发2至3次均不能被正确接收的情况下，立即将下行数据包的长度降低，如降低一半，然后再重发，以上过程将进行到终端接收到正确数据包时为止。
对TD-SCDMA系统，此可变长度数据包的最短长度可为一帧中一个时隙的数据量；对其他系统，则可为一个无线帧(Radio frame)的数据量。
自适应地改变数据包的长度，是为了加快智能天线赋形波束跟踪用户速度的过程，最终达到系统和智能天线的最大能力。当接收质量很好时，则可将下行数据包的长度加倍。如此往复，根据所传输数据包的质量来自适应地调整下行数据包的长度，充分发挥智能天线的功能，提高系统的效率。
显然，如果能知道用户的移动速度，则上述调整下行数据包长度的过程会变得更为快捷和有效。因为用户在高速移动时，电波传播条件最为恶劣，出现误码的概率比较高。对同步CDMA(如TD-SCDMA)系统，具有智能天线的基站是可以获得用户移动速度的信息的。具体方法是：根据基站收到的两次用户终端上行确认信号中所获得的用户的DOA和到达时延的变化，就可以知道用户在此时期内的位置变化，并可简单地计算出用户终端的移动速度。获得的用户终端的移动速度可以用来作为确定下行数据包长度的另外一个依据，即用户终端的移动速度快时，则减小下行数据包长度；用户终端的移动速度慢时，则增大下行数据包长度。
附图说明
图1是典型的传输高速下行包交换数据的传统流程示意图；
图2是本发明的在使用智能天线的移动通信系统中，传输下行高速包交换数据的流程示意图；
图3是本发明自适应调整数据包的流程框图；
图4是利用智能天线测量用户终端移动速度的原理示意图。
具体实施方式
参见图2，在具有智能天线的移动通信系统中，系统知道用户终端21、22、......、2N均处于基站B所在的小区，并处于准备接收状态。但是，系统并不知道这些用户终端的具体位置(方位)。
具有智能天线的无线基站向用户终端传输下行数据包的过程，包括：
基站(B)根据系统信令，依次向终端23、21、......、2N发送下行数据包时，将首先采用全向或扇区覆盖波束，在寻呼(Page)信道中对第一个用户终端23进行点名；
被点名的用户终端23在接收到点名呼叫后，将通过反向接入信道(RACH)进行应答；
在点名、握手成功后，基站根据接收到的用户终端23的方位，在下行业务信道中用赋形波束向用户终端23发送第一个高速下行交换数据包；
用户终端23接收完毕此数据包后，进行纠错和/或检错编码，即检查接收的数据包中是否存在有误码，检查结果为正确接收时向基站返回接收正确的确认消息，当数据包中存在误码且无法纠正时向基站提出重发请求(ARQ)；
然后，基站根据用户终端23的该上行信号，可获得用户终端23的新方位，可进行波束赋形更新，并再向用户终端发送下一个数据包(正确接收时)或重发前一个数据包(接收数据包有误码)，直至用户终端正确接收完每一个下行数据包，即完成一个用户终端23数据包发送完毕及用户终端23接收确认的全过程。
然后使用相同方法再顺序进行向第二个用户终端21进行发送与获得其接收确认的过程。
参见图3，图中示出基站自适应地调整下行数据包长度的过程，是以图2中向用户终端23发送数据包的过程为例，说明自适应调整数据包长度的方法，包括以下步骤：
步骤31、32，基站按发送第i-1(即前一个)个数据包时所确定的赋形波束和数据包长度L向用户终端23发送第i个数据包；
步骤33，基站在发送完第i个数据包后，将从上行链路获得用户终端的应答消息，如果接收正确则予以确认，如果出现误码，则将进行重发，并记录该第i个数据包重发的次数n；
步骤34，进行重发前，要检查重发次数n是否大于等于一预定数，如2或3，当重发次数n大于等于2或3时，则将数据包长度减少一半，L＝L/2，但不能小于长度的最小值Lmim，然后，再执行步骤32以新的数据包长度L/2进行第i个数据包的重发；
步骤38，如果第i个数据包被用户终端23正确接收，则系统进一步检查数据包是否发送完毕，如果完毕，则结束向用户终端23的数据发送过程，转为步骤30，结束向用户终端23发送数据包的过程，如未完毕，则执行步骤36；
步骤36，进一步检查连续无误码包数m是否大于等于一预定数，如2或3，即有连续2个或3个数据包都能在无需重发的情况下被用户终端23正确接收；
步骤37，如果有连续2个或3个数据包都能在无需重发的情况下被用户终端23正确接收，则将数据包长度L增加一倍为2L，然后返回步骤31，发送下一个第(i+1)个数据包；
步骤35，如果连续无误码包数m小于2或3，则保持当前数据包长度L，返回步骤31，发送下一个第(i+1)个数据包。
如此往复，达到自适应调整数据包长度的目的。
参见图4，图中示出利用智能天线技术确定用户终端移动速度的方法。图中41表示基站，42、43表示用户终端分别在t0、t1时刻时的位置。
基于智能天线同步CDMA系统(如TD-SCDMA)可以获得处于通信状态下用户终端方位(DOA)及离基站距离的已有技术，在基站向每个用户终端传输下行数据包时，通过两次测量获得的用户终端的方位和距离信息，可以简单的计算出用户终端的当前移动速度。
如在图中的t0时刻，用户终端处于42位置，其方位为α0(按图中所示参考方向)，离基站41的距离为d0；而在t1时刻，用户终端处于43位置，其方位为α1(按图中所示参考方向)，离基站41的距离为d1，则该用户终端在此t0至t1期间的移动速度v为：
v = d 0 2 + d 1 2 - 2 d 0 d 1 cos ( α 0 - α 1 ) / ( t 1 - t 0 )
由于移动通信系统的工作环境是比较复杂的，在城市环境下，街道、高楼等的复杂反射将导致比较大的测量误差，但在此环境下，用户终端也不可能以很快的速度移动，故本发明不建议在城市环境中使用上述测量速度的方法，而在远郊区和开阔环境下，此测量方法就可能获得比较好的结果，可以被利用来作为传送下行数据包长度初始值的判据。
本发明所提出的方法可以用于频分双工(FDD)或时分双工(TDD)、工作在码分多址(CDMA)或时分多址(TDMA)方式下的移动通信系统中。

Claims (9)

1.一种智能天线移动通信系统传输高速下行包交换数据的方法，其特征在于包括以下步骤：
A.具有智能天线的无线基站获得每个准备接收高速下行包交换数据用户终端的初始方位信息；
B.智能天线按每个用户终端的初始方位信息进行下行波束赋形；
C.无线基站以一设定长度的高速下行包交换数据为单位，根据当前用户终端的赋形波束定向地向该用户终端发送一高速下行包交换数据；
D.用户终端接收到一个高速下行包交换数据，进行误码检查，通过上行信道向无线基站确认当前高速下行包交换数据已正确接收或存在误码、要求重发；
E.无线基站根据确认消息，获得当前用户终端新的方位信息，并根据该方位信息进行新的下行波束赋形，再以一设定长度和利用新的赋形波束定向地向已正确接收的当前用户终端发送下一个高速下行包交换数据或向要求重发的用户终端重发当前高速下行包交换数据，直至该用户终端正确接收其所有的高速下行包交换数据后结束。
2.根据权利要求1所述的一种智能天线移动通信系统传输高速下行包交换数据的方法，其特征在于：所述的步骤A，具有智能天线的无线基站通过寻呼信道，使用全向或扇区覆盖波束对准备接收高速下行包交换数据的用户终端进行点名，从用户终端的回应消息中获得每个用户终端的初始方位信息。
3.根据权利要求2所述的一种智能天线移动通信系统传输高速下行包交换数据的方法，其特征在于：所述的对用户终端进行点名，包括处于任何工作状态下、准备接收高速下行包交换数据的用户终端。
4.根据权利要求1所述的一种智能天线移动通信系统传输高速下行包交换数据的方法，其特征在于：所述的高速下行包交换数据的设定长度是根据用户终端接收数据包的质量情况作自适应变化的，包括：
先以一预定长度L向当前用户终端发送高速下行包交换数据；
在当前用户终端连续m次正确接收高速下行包交换数据时，增加高速下行包交换数据的设定长度，进行第m+1次高速下行包交换数据发送；
在当前用户终端连续正确接收高速下行包交换数据的次数小于m时，仍以预定长度L发送下一个高速下行包交换数据，m为正整数；
在当前用户终端连续n次要求重发当前高速下行包交换数据时，减小高速下行包交换数据的设定长度，进行第n+1次当前高速下行包交换数据重发，n为正整数。
5.根据权利要求4所述的一种智能天线移动通信系统传输高速下行包交换数据的方法，其特征在于：在所述m为2或3时，将高速下行包交换数据的设定长度增加为2L，在所述n为2或3时，将高速下行包交换数据的设定长度减小为L/2。
6.根据权利要求4所述的一种智能天线移动通信系统传输高速下行包交换数据的方法，其特征在于：所述的减小高速下行包交换数据的设定长度，最短的高速下行包交换数据的设定长度为一帧数据中一个时隙的数据量长度。
7.根据权利要求4所述的一种智能天线移动通信系统传输高速下行包交换数据的方法，其特征在于：所述的减小高速下行包交换数据的设定长度，最短的高速下行包交换数据的设定长度为一无线帧的数据量长度。
8.根据权利要求1所述的一种智能天线移动通信系统传输高速下行包交换数据的方法，其特征在于所述的高速下行包交换数据的设定长度是根据用户终端接收数据包的质量情况作自适应变化的，包括：
无线基站先以一预定长度L向每一用户终端发送高速下行包交换数据；
无线基站根据接收到的当前用户终端的两次上行确认消息，获得该当前用户终端的方位信息和到达时延的变化；
无线基站根据两个时刻期间该用户终端的位置变化，计算该用户终端的移动速度；
无线基站对于移动速度快的用户，减小其高速下行包交换数据的设定长度，对于移动速度慢的用户，增加其高速下行包交换数据的设定长度。
9.根据权利要求1所述的一种智能天线移动通信系统传输高速下行包交换数据的方法，其特征在于：所述的步骤C至E，是分别对无线基站的所有准备接收高速下行包交换数据的用户终端逐个进行的，在一用户终端顺序并正确接收其所有的高速下行包交换数据后，无线基站再对下一个用户终端顺序进行全部高速下行包交换数据发送。
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