详细描述
本发明涉及扩频通信网中的信号处理器。更具体的是,本发明用在蜂窝通信网中,采用分布式信号处理结构,目的是为了提高信息信道容量。所提供的举例的实施方案是全球通信系统(GSM)通信协议。
这儿参考特定的配置和协议对举例的实施方案进行描述。那些懂技术的人将会明白对示范实施例可作各种修正和改变,只要它们仍然是在本发明的范围内。
这儿参考图1到6描述第一个实施方案。图1是相对来说对一个蜂窝通信网一般性的描述。若干个基站(BS)10作某种分布,用来服务地理上不同的小区,例如小区A和小区B。每个基站10负责服务它相应的小区边界内所有的移动台(MS)12。为完成该任务,每个基站10要下载一个跳频表(也叫移动分配表)到每个移动台12,这样基站10和移动台12间的通信是在预定的频率上进行,下面将更全面地进行描述。
一个基站控制器(BSC)14与每个基站10相连,一般是通过陆线92,它控制用户间的通信,例如移动台与现存的基础结构中的电话用户之间。而且,基站控制器14控制当一个移动台12在小区间移动时从一个基站10到另一个基站10的切换。
实施方案所选择的一种协议是全球通信系统(GSM)协议。GSM协议很冗长而且复杂。因此,对于实施方案讨论一些简明的特点。对于这个主题的额外信息,读者可以参考GSM规范。一种重要的GSM协议要求是跳频扩频(FHSS)。即,依次在多个频率上通信。
图2A表示给GSM通信(从移动台为出发点)分配的频谱。可以看到,移动台的发射频带(Tf)与移动台的接收频带(Rf)是不重叠的。每个这样的频带占据大约25MHz。在25MHz内,有124个200KHz的频点,其中通信频率可以在这些频点间跳跃。一种扩充的GSM规范当前正在开发中,它将包括更宽的工作频率范围。具体的跳频序列是GSM规范所定义的GSM跳频算法,以及从基站10下载给移动台12的已知的跳频表的函数。跳频表的一个例子在图2B中给出。基于GSM跳频算法(图2c),移动台接收机和发射机在它们各自的频带Tf、Rf在规定的200KHz的频带内工作。当然,基站的Tf和Rf分别对应移动台的Rf和Tf。
因为GSM是一种数字型的数据通信网络,图3表示了语音波形如何抽样,并且数字编码。图4表示编码的数据如何进行格式处理放入GSM帧结构中。注意,来自移动台12的信息被处理后,放到TDMA帧中给特定的移动台12保留的专门的时隙中。而且,注意,在得到TDMA帧后,用26个TDMA帧可以组合成一个复帧,它包括24个TDMA语音帧和2个控制帧。在复帧之上是超帧和巨帧。一个超帧内有51个复帧,一个巨帧内有2048个超帧。巨帧号是一个变量,GSM跳频算法用它来定义跳频序列。
基于GSM跳频算法(图2c),TDMA帧然后在跳频表的频带上跳跃。移动台的接收机也周期性地跳到一个固定的监视频率上,它们对每个基站是唯一的。跳频用于对频带Tf和Rf上的通信信号进行扩展。扩频的一个优越性是降低来自其它电磁源的和其它基站/移动台通信的干扰影响。另一个优越性是,它可以避免由多经效应产生的频率选择性零点。对移动台,有3个频率调谐到一个4.615ms的TDMA时域帧(发射、接收、监视)。每个移动台发射机和接收机合成器有一个或两个时隙(4.615ms乘以1/8或2/8,即0.58ms或1.15ms)来改变频率。每帧跳频一次是容易实现的,因为合成器在需要一次新的接收或发射之前有许多时间(1或2个时隙)来处理。然后,基站接收机和发射机仅有30μs来改变频率(保护比特的延续时间)。这么短的时间周期很难实现,所以本发明采用了多个接收机合成器和发射机合成器,现在要作解释。
图5画了一个基站10,它有一个接收机20,一个发射机40和一个处理器80。如图所示,接收机20和发射机40通过天线共用器23共用天线21。这种配置是可能的,因为接收频率和发射频率是不同的。(见图2A)。天线共用器23用于让接收频率从天线21到接收机20通过,并且让发射频率从发射机40到天线21通过。为了使频率变化更快捷,接收机20和发射机40各自使用2个不同的合成器。实施方案和工作的细节将参考图6的流程解释。
复位步骤102仅在启动时执行,如当基站10开始联机或当从掉电中恢复。步骤104是关掉发射机40,是防止在基站10的初始化前的无效发射。此后,在基站10能在蜂窝网中处于工作状态之前,步骤106是等待处理器80执行它的自检和所需的其它步骤。步骤108是从GSM巨帧号和跳频表中计算出所需的第一频率和其后的第二频率。一旦计算出了这第一频率和第二频率,第一和第二接收机合成器32、34及发射机合成器52、54按程序产生所需的频率。这时,交换机36、56被置位,分别给混合器24、44提供来自第一合成器32、52的频率。
从步骤110开始,是一个序列的循环步骤,这时处理器80等待来自CPU 82的发射机中断,它表明TDMA帧应该处理了。如果步骤112是第一次被查询(即发射机40在步骤104被关掉),则执行步骤114把发射机40打开。一旦发射机40打开,步骤116是继续发射一个TDMA帧,然后把发射机合成器选择开关56切换到其它的发射机合成器54。步骤116也计算下一个发射频率,并且编程前面激活的合成器52产生该频率。
当在步骤118发生接收机中断,步骤120则是继续接收一个TDMA帧,然后把接收机合成器选择开关36拨到其它接收机合成器34。步骤120也计算下一个接收机频率,并编程序使前面激活的合成器32产生该频率。
重复执行步骤110到120,在合适的频率上给移动台12发射TDMA帧,并且从移动台接收TDMA帧。双合成器接收机20和双合成器接收机40的配置使基站10可靠地完成正常通信所需的所有跳频。
有一点很重要,应该注意图5中的基站10采用处理器80指挥合成器32,34,52,54和合成器开关36,56协同工作。处理器80包括一个中央处理单元(CPU)82用于执行在网上与移动台12通信所需的许多一般性的程序。处理器80也执行与基站控制器14通信所需的程序。处理器80中有一个数字信号处理器(DSP)84用于执行许多专门针对于应用并且有很大计算量的程序,如TDMA帧数据的编码与解码。如图所示,处理器80中还有存储器(RAM)86,及可选择件海量存储器88。而且,用户接口90用于从用户接收指令,并且显示请求的信息。地线92也是用于连接基站控制器14和其它基站10,正如GSM规范所要求的那样。
在图7到图9所画的另一种实施方案中,信号处理结构用于提高吞吐量和基于任务的处理资源的分配。该实施方案的第一个方面在图7A中表示出了,其中配置2×2的DSP阵列。本实施方案的第二个方面在图7B中表示出了,其中配置是N×M个DSP的阵列。本质上说,图7A也属于图7B,其中N=2及M=2。
该实施方案表示一个信号处理器84的阵列如何配置,用以并行及串行处理到达信息。解复用器26把到达信号分配到并行的数字信号处理器1A-NA,2A-NA,1M-NM,它们同时处理与每个TDMA时隙相关的到达信息,而串行数字信号处理器1A-1M,2A-2M,NA-NM以高效的管道式处理方式依次处理每个相应的TDMA时隙中的信息。该过程参考图8和图9进一步解释。
图8的数据处理流程表示到达信号是如何解复用,使用解复用器26,并送达图7的多个并行信号处理器。例如,图8表示奇时隙分配给第一个处理队列1A-1M,偶时隙分配给第N个处理队列NA-NM。对一个8个时隙的信息字,要使用多达8个并行处理队列,其中每个队列与一个时隙相关。一个结构上的原则是在所有的队列上均匀地分担处理负荷,不管是多达8个队列或是少到2个队列。
图9的流程表示图7A的信号处理器的队列1所执行的步骤,用以处理到达信息。在DSP 1A中执行均衡步骤152,这儿对到达信息处理以补偿噪声、多径衰落,以及其它与传播相关的损伤。然后,均衡后的信息在步骤154解码,恢复原始的未编码的数据比特,这是在DSPIA中执行的。此后,为了获得来自移动台12的正确数据图样,步骤156对信息重定格式。这在DSPIA中完成。然后,步骤158对数据去交织,为每个相应的移动台12重建正确的数据字。这在DSP1B中完成。执行步骤160,对数据解码,是为了正确地检错,并且当可能有错时,对数据纠错。这在DSP1B中执行。一旦到达的信息被纠错后,则信息就送到中央处理器82。中央处理器82也可能进一步对信息处理,把信息切换到其它处理器作进一步处理,把信息传送到一条出发信息链路上(如E1链路),或可能用该信息改变它自己的处理步骤。
图9中所示的同样的顺序步骤也在图7A所示的第二个队列DSP2A和DSP2B中在一个不同的时隙上执行,图9所示的相同的顺序步骤也可能在并行队列DSPNA-DSPNM以任何队列大小执行。而且,图9所示的步骤在选择M大于2的情况下也可以分配到队列中更多个DSP中。
在图10和11所画的另一种实施方案中,信号处理结构是用于提高吞吐量及基于任务的处理资源的分配。该实施方案的第一种方式在图10A中表示,其中配置了2个横行2个纵列的DSP阵列。图10B表示这个实施方案的第二种方式,其中的配置是N×M个DSP的阵列。本质上说,图10A属于图10B只是N=2并且M=1。
这种实施方案表示一个信号处理器84的阵列如何配置,用以并行以及串行地处理出发信息。并行数字信号处理器1A-NA,2A-NA,1M-NM同时处理与每个TDMA时隙相关的出发信息,而串行数字信号处理器1A-1M,2A-2M,NA-NM以高效的管道式处理方式顺序处理每个TDMA时隙中的信息。然后,复用器46把信息分配到发射机40。该过程将参考图11进一步解释。
图11的流程表示图10A的信号处理器的队列1所执行的步骤,以处理出发信息。中央处理器82得到出发信息,发射到移动台12。出发信息被处理后,准备发送到信号处理阵列84。DSP阵列84也可能从时分/空分开关接收语音业务流,所包含的是处理器82把业务转换到或从一条信链路(如E1链路)或其它处理器。执行步骤172是为了对数据编码,这样移动台12可以正确地检测到差错,而且当可能时对数据中的错误纠错。这是在DSP1A中执行的。然后,步骤174对数据交织把出发信息分配到几个TDMA帧中。这是在DSP1A中执行的。此后,为了便于移动台12建立正确的数据图案在步骤176对信息脉冲重定格式。这在DSP1A中执行。加密步骤178在DSP1A中执行对出发信息加密,防止被未授权的移动台拦截。当采用一个两纵向(N=2)实施方案时,在DSP1B中执行步骤178。然后,出发信息发送到复用器46中,并送到发射机40,然后被发送到移动台12。
图11所示的同样的顺序步骤也要在图10A所示的第二队列DSP2A和DSP2B的一个不同的时隙上执行。图11所示的同样的顺序步骤也可以在图10B所示的并行队列DSPNA-DSPNM以任何阵列大小执行。而且,图11所示的步骤如果选择M大于2也可以分配到一个队列甚至更多的DSP。
图12是根据本发明所画的一个信号处理器结构的另一种实施方案。该实施方案的第一个情况如图12A所示,其中配置了一个2个横行和2个纵列的DSP阵列。本实施方案的第二种情况如图12B所示,其中配置是N×MDSP阵列。本质上图12也属于图12B,其中N=2及M=2。图12中所示为独立的接收天线22和发射天线42,但它们可以综合成图5所示的一个共同天线21。
在该实施方案中,到达信号处理功能和出发信号处理功能综合在信号处理阵列84中。该配置使用的处理步骤,参考图9和图11描述。这种结构的一个优点是各种DSP单元的占空时间能很好地平衡。这种特征能够有效地处理信号。
例如,在接收中仅是图7A的处理中,DSP1A单元的空周期高,因为初始处理(均衡)工作强度较大。然而,DSP1B单元的空周期较小,因为随后的处理(解码)的工作强度较小。在图12A中所示的实施方案中,出发信息处理(编码)与到达信号处理(解码)结合在一起,有效增加了DSP1B单元的空周期。对计算强度的粗略的估计是均衡的工作强度是解码的两倍。因此,在两个深度阵列中,如果在DSP1A中执行到达信息均衡,在DSP1B中执行到达信息解码和出发信息编码,则这两个DSP的工作负荷是相等。而且,这种处理分配也是高效的,因为出发编码采用与到达解码相似的,或相反的处理的步骤,但常常是相反的。因此,大部分的程序存储器和查询表是相同的。
DSP1B跟踪哪种信息正在处理中,这样到达信息送到处理器82(或图12B中的DSP1M),出发信息送到复用器46。DSP2A和DSP2B对处理的分配方式相似,对于DSPNA和DSPNB也一样。而且,如果处理在图12B中的阵列84中进一步分配,处理分配是分散在从DSPNA-DSPNM的所有并行处理流程DSP1A-DSP1M中的。
注意,该实施方案也表示出了CPU 82有一个空分/时分开关把信息路由到多个速率转换适配单元94,回波抵消器96和公用交换电话网98(PSTN)和路由来自它们的信息。这种配置使处理器80能控制进入信息和出发信息的全部工作。
还要注意,所描述的CPU 82的控制功能可以分布在几个处理器中。在一种具体实行中,CPU 82包括几个子程序微处理器,里面驻留了DSP还有空分或时分开关,它们全连接到一个中央处理器并向它报告。
在实际的具体实现中,为了既能运行TDMA又能运行FDMA,采用多个接收机和发射机是有用的,正如GSM规范所提供的那样。例如,在一种常规配置中,每个接收机调谐到一个固定频率,来自移动台的跳频信息根据具体的通信频率由各个不同的接收机接收及发射。然后常规处理器重组来自多个接收机的到达信息,以获得来自移动台的数据。而且,常规处理器必须对出发信息拆分,并且送到多个发射机,这样能正确地把信息发送到一个移动台中。
图13是根据该发明的基站10的另一种实施方案。有多个频率可变的收发信机200A-P(如图5所示)。因此,收发信机200-P可以按程序设计接收随时间变化的不同的频率,并且可在收发信机200A-P中的一个上接收来自移动台12的信息。这种特点使接收的TDMA信号和FDMA信号与某个移动台12相关联,使它们能被收发信机200A-P中的某个接收到。因为处理器80到接收机合成器进行编程,所以处理器80事先知道哪个收发信机200A-P正接收来自哪个移动台12的通信信号。该信息使处理器更有效地处理到达数据。例如,如果来自移动台12的信号始终由收发信机卡一号200A接收,则处理器80可以减少它的控制逻辑(硬件,软件,或两者),以避免重组来自几个不同接收机的一个移动台的数据的常规步骤。而且,并行地配置多个可变频率的收发信机200A-P可使处理器80当任何时候发现一个差错时对收发信机200A-P重新配置。如果,例如,处理器80检测到收发信机200A的一个错误(如通过自检、空数据或坏数据),处理器80对另一个收发信机如收发信机2009重新编程,使它工作在以前分配给收发信机200A的参数上。频率可变收发信机及增强的处理资源分配,这些特征降低了开销,能容忍差错并增加吞吐量,因为它去掉了一个处理步骤。而且,参考来自移动台12的接收信息讨论的特征同样可通过收发信机200A-P用于发射发出信息给移动台12。
如图示,收发信机200A-P可以连到一个共同的发射天线42上。然而,如果收发信机200A-P对相互间传输的回波敏感,可以采用多副发射天线(42A-P),每个收发信机有它自己的发射天线。而且,图13所示是独立的接收天线22A-P和发射天线42A-P,但它们可以综合到图5所示的一个共同天线21A-P中。
另外的基站实施方案在美国专利序号No.08/434,598,1995年5月4日提交,律师档案号A-61115,“有智能呼叫路由的蜂窝基站”,这儿也列出作为参考。
本发明的优点包括干扰降低,通信带宽改善,容错,模块化,可扩展性,基站和移动台效率更高以及成本效率比更好。
图13所示的实施方案另一个优点是收发信机200A-P可以从一个工作的基站12中去掉或加进去。这容许一个技术员去掉一个坏掉的收发信机并加入一个新发信机而同时基站继续工作。坏掉的收发信机卡然后可以修好,如果需要可重新服务。
正如这儿所采用的,当第一单元和第二单元相连在一起,它们是相关联的,但不必相互间有一直接通道。例如,一个信号处理单元可以通过一个去复用器连到一个接收机单元。然后,当第一个单元和第二个单元连接在一起时,他们相互间需要一条直接通路。
替代的实施方案
公开了示范的实施方案和最好的工作方式,可以对公开的实施方案作正和变化,同时又能保持在本发明的范围内,正如下列权利要求所定义的。