CN1234155A - 卫星通信的快速相关控制信道技术 - Google Patents

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Abstract

在数字TDMA通信系统中用于传送控制信息比如快速相关的控制信道(FACCH)信息的一种方法和系统。当需要时,控制信息每隔TDMA帧传送,而语音和数据是在其余TDMA帧中传送。在该控制信息的传输期间减少编码保护。

Description

卫星通信的快速相关控制信道技术
本发明涉及电信系统中控制信道信息的传输，特别涉及在快速相关的控制信道传输期间通过减少语音差错保护传送快速相关的控制信道(FACCH)信息的方法。
GSM标准(全球移动通信系统)是使用数字语音传输的广泛采用的无线蜂窝电话标准。它适合于提供用于静地的环形轨道卫星系统以及用于陆地蜂窝网络的无线通信。在该系统内的信号使用时分多址(TDMA)帧和超帧传送。陆地的系统中GSM″全速率″格式的超帧结构包括图1所示的4×26TDMA帧。在每行中，帧1-12和14-25各个帧包含八个业务时隙。由于在GSM系统中附近的基站不需要同步，保留一个完整帧(在图1中的帧13)空闲以保证该移动站能捕获和解码来自附近的基站的广播控制信道(BCCH)信号突发，而不管基站之间的帧时间偏移。
语音和信息数据(比如传真或者计算机数据)不是电话呼叫期间传递的唯一的信息。在人造卫星和终端系统中，在电话会话期间控制信号典型地在控制站(基站或者人造卫星)和移动的电话机之间交换。该控制信号允许移动的电话机和网络监视和控制该通信链路。当呼叫在进行中时，GSM提供控制信道在移动单元和它的相关的网络之间传递控制信息。各个通信信道是与慢相关的控制信道(SACCH)相关的，它典型地在各个方向以大约0.5秒加上传播延时的传输延迟传送大约每秒两个信息。SACCH信道典型地传递非急件信息，比如用于过区切换决定的测量数据。在图1中，超帧结构中的每第26帧包含SACCH信息。各个SACCH信息在各个超帧的4SACCH突发上交错。各个SACCH帧包括8时隙，允许一个唯一SACCH信道用于各个移动的链路。
在电话会话期间用于传递控制信息给移动的电话机和从该移动的电话机传递控制信息的第二控制信道使用该通信信道。这个控制信道称为快速相关的控制信道(FACCH)和传送急件信息比如过区切换命令，在此该基站指示移动的电话机转换到另一频率或者时隙。快速相关的控制信道还可以用于验证用户。
每个移动单元被分配一个逻辑信道，包括在用于业务信息的各个TDMA帧中8时隙当中的一个特别的时隙。根据GSM标准，语音帧是通过语音编码器每20毫秒产生。对于13Kbps的语音编码速率，对应于每20毫秒语音帧260比特。该语音比特被编码高达456比特。这些456比特被分成每个57比特的8组。然后，一个语音帧的57比特与另一语音帧的57比特交错。这114比特，26比特同步字，两个1比特FACCH(快速相关的控制信道)标志，两组的3个尾部比特和8.25比特容纳上/下斜坡并加上保护时间以形成包括156.25比特的一个TDMA时隙。代表该语音波形的一个段的每个20mS编码数据块遍布在通称块对角交错的处理中的八个连续的TDMA帧中。每八个帧交错块是半重叠并且与每一相邻的语音块的4帧合并，以便以一半来自一个语音帧和一半来自另一语音帧的比特填充每个时隙。每八帧交错块半重叠并且与每一相邻的语音块的4帧合并，以便以一半来自一个语音帧和一半来自另一语音帧的比特填充每个时隙。然后每个TDMA帧使用跳频在不同的频率上传送以获得通称干扰平均或者干扰差异的利益。
每个GSM突发的格式示于图2中。在每个突发之间保留8.25比特保护和上/下斜坡时间。一个突发的上/下斜坡可以与相邻的突发重叠，但是也可以不与它的其它比特重叠。在上行链路(移动的)传输的上/下斜坡通常是4.25比特的时段，留下4比特期间余量用于在该基站接收的不同的移动的突发之间的时间对齐差错。基站发送SACCH命令以便提前或者延迟移动单元传输定时来实现这个功能。GSM基站有一个固定传输定时，因此能使用用于上/下斜坡的整个8.25比特期间。
3个尾部比特允许对该信道和调制滤波器的脉冲响应终止在该突发内，和保证末尾比特以在该突发中间的比特相同的差错概率解调。
同步字的任一侧的标记比特指示以前的或者当前20毫秒语音帧是否包含语音或者FACCH信息。一个完整的20毫秒语音帧全部有8个相关的标记比特，允许接收机可靠地决定该帧是否包含语音或者FACCH信息。
同步字是用于确定传输信道特性和增强解调的一个已知的比特码型。26比特的同步字允许确定一个符号间隔的五个系数，包括发送与接收滤波和物理信道的复合信道脉冲响应的5抽头模型。这允许每个突发以没有来自以前的突发的附加信息解调。因为物理信道的特性是动态的，同步字理想地位于突发的中间，以致信道变化与该信息比特比较可能较少影响该同步字。
在常规系统的FACCH传输期间，语音或者信息数据帧不是通过该基站传送。即，语音帧被″偷窃″并且由FACCH信息替换。如果语音中断是40毫秒(即相对地短的FACCH信息)的数量级，用户不可能注意丢失的语音帧。然而，对于较长的延迟(即相对地长的FACCH信息)，由于语音替换引起的降低变得引人注目。所希望的是传送FACCH信息，包括相对地长的FACCH信息，而不引人注目的降低。
为了克服现有技术的上述问题，本发明提供一种方法，其中在控制(例如FACCH)信息传输期间减少语音差错保护。根据本发明，当需要FACCH信息时，使用TDMA帧的一些部分(例如每隔一个帧)发送语音信息，同时使用剩余帧发送FACCH信息。更可取地在FACCH数据的传输期间减少编码保护。来自语音帧的信息可被组合以便重建传送的语音信息。类似地，FACCH控制信息可以通过组合剩余帧重建。本发明的方法允许传送控制信息，包括相对地长的FACCH信息而不引起引人注目的语音降低，在具有以两个可能的操作方式的空中接口的系统中是特别地有效的。
本领域的普通技术人员在结合附图阅读下列书面描述后，本发明的这些和其它特性是容易明白的，其中：
图1说明在常规的GSM通信系统中一个标准超帧结构；
图2说明一个常规的GSM系统中突发的格式；
图3说明适合于实现本发明的方法的一个卫星通信系统；
图4说明根据本发明的一个实施例全速率人造卫星模式的一个超帧结构；和
图5是描述根据本发明的一个实施例在通信系统内发送数据和FACCH消息的方法流程图。
本领域的技术人员理解，本发明可被用于卫星通信系统以及基于地面的无线电通信系统或者在支持基于地面的和人造卫星操作方式的系统。
根据本发明的一个实施例，在每个传输突发内的不同的帧可用于语音和FACCH消息的传输。例如，语音信息可以使用奇数编号的帧，而FACCH消息可以使用偶数编号帧，反之亦然。这可能是因为组合来自奇数编号帧的信息在大多数情况下足够重建该语音帧。类似地，FACCH控制信息可以使用偶数编号帧重建。这种方法在空中接口中特别有效，在此两个操作方式比如人造卫星和陆地的通信方式是可能的。
人造卫星或者陆地的TDMA通信系统的示例的健全的操作方式例如使用具有1/3编码速率的16时隙TDMA帧。必须理解，1/3编码速率可以分成两个2/3编码速率，每个在一个分开的突发中。因此当需要控制信息，比如FACCH消息时，通信数据(例如语音)可以使用2/3编码速率之一代替1/3编码速率，和FACCH消息可以使用另外一个2/3编码速率。当传送FACCH消息时，可能希望增加不利用户的传输功率。因为在相对地短的时间期间即使出现相对长的FACCH消息的传输，在相对地短的持续时间提供这样的功率增加，没有较大地影响系统性能或者电源要求。
正如美国专利申请No.08/501,573，名称″双重方式卫星/蜂窝终端中所述的，1/3编码速率可以划分为两个2/3编码速率。美国专利申请No.08/501,573引用在这里供参考。
以上所述操作方式可被用于具有卫星分集的基于卫星的系统，当来自每个卫星的信号独立地衰落时，提供改进的性能，比如当用户转头和遮盖来自一个卫星但不是来自另一个卫星的信号时。而且，由于在信号质量允许时，该系统使用每第32个时隙发送与接收具有2/3编码速率的控制信息，当附近的服务区低于能力操作时，这个模式在给定服务区中增加容量在某些非均匀业务量分布中是有用的。当由于在那些服务区中低业务量要求，邻近的的服务区不需要相同的频道时，载波对接口比值C/I改进了，允许2/3编码速率和第32时隙格式有效地加倍具有大业务量要求的服务区中的容量。
根据本发明的一个方面，以第一模式(例如每第32时隙使用2/3编码速率)传输控制信息(例如FACCH)或者第二模式(例如或者每第16时隙使用1/3编码速率)可在任何时候通过卫星系统选择，甚至动态地选择，(即，不预先警告该移动的电话机的模式变化)。根据本发明，移动单元总是每第16时隙接收，和基于包含在TDMA突发中的唯一同步工作模式，确定每第16时隙是否包含预定给该移动单元的控制信息。如果第16时隙不包含预定给特别的移动单元的控制信息，则该移动单元标记该遗漏比特为擦除或者在校错解码器输入的零质量值。该唯一同步字最好是正交的模式以便于由该移动单元辨别。当分别地使用16时隙帧的奇和偶时隙进行与两个移动站会话时，即，每个移动站具有另外一个移动站第32时隙交错，每个用户大约一半时间是无声的在无声期间，FACCH消息每第16时隙可以发给一个移动单元，因此给两个移动单元提供至少一半时间加倍编码保护。
图3说明通过卫星110与一个中枢站100通信的多个移动无线电话机120。该中枢站例如经过市内交换机连接到公共交换电话网络PSTN，以允许在移动电话机和全世界的任何电话用户之间以及在卫星电话机之间进行呼叫。
图4示出″全速率″卫星格式的超帧结构。在图4中，前12帧F1至F12每帧包含16个话务时隙，而第十三帧包含16个SACCH时隙。每个SACCH时隙与对应的话务时隙相关。为了提供每个话务时隙一个SACCH,SACCH帧与空闲帧组合构成16时隙SACCH帧。正如在GSM中那样，SACCH消息在四个连续的SACCH帧中交错。如同以前所述，20毫秒的语音数据可能使用对角的交错但是仅仅在四帧内进行交错。做为选择，40毫秒语音帧可能在8个话务帧内对角交错。
根据本发明的一个实施例，语音编码速率，差错改正编码和时隙以及超帧结构与在图4中定义的16时隙结构一样，除了在传送FACCH消息时连续的帧包含不同的信息(例如偶数帧包含通信数据而奇数帧包含控制数据)之外。
GSM标准公开了使用在8帧，64时隙间隔的每第8时隙在八个全速率帧内的语音数据的交错″块″(每块代表20m语音段)。在这个间隔内语音块是与第一四帧中的以前的块和第二四帧中的后来的块对角地交错。
在图4的16时隙帧格式中，相同的交错期间仅仅包括四个较长的帧，两个偶数帧和两个奇数帧。每帧可以包含或者不包含相同移动单元的数据。因此，每个移动单元接收奇数和偶数帧时隙和该移动单元确定该接收时隙是否包含预定给那个移动单元的数据。认为包含预定数据的时隙被解调以便获得编码的比特。该编码的比特是以″软判定″的形式，包括涉及该比特的信号噪声比的质量信息。对应于被认为不包含预定给该移动单元的信息的时隙接收的比特给予对应于符号擦除的一个质量或者零的软值。具有擦除指示的比特被认为有″刺痕″，和后来的差错改正解码可以在它的译码过程中通过忽略″刺痕″或者删除码比特保存资源。在交错之后，″刺痕″比特在非零质量比特之间散布。因此，差错改正解码器接收在编码数据的任何部分中足够数量的好的比特。
在任何语音块中，两个时隙将包含有效的数据，每两个信息比特给予三个编码的比特(每四个信息比特给予六个编码比特)，而另外的两个时隙的一半又包含预定的数据，平均给予另外的三个比特，代表相同的四个数据比特。因此，获得的平均编码速率是每四个数据比特九个编码比特，或者好于1/2编码速率。当所有的四个连续的时隙是给相同的移动站时，获得的最低的等级的编码是2/3速率，而获得的最高的等级的编码是1/3速率。从一个语音帧到另外一个语音帧在2/3速率，1/2速率和1/3速率之间随机变化的编码速率不是特别的重要，正如因为察觉的语音质量涉及平均的语音块差错率，通常称为帧擦除率(FER)。语音块的正确解码可以通过在该块中包括一个循环冗余码校验(CRC)代码校验。清除借助于已经错误地解码的CRC码确定的块。通过以先前接收的正确的段替代它，防止代表语音波形的20ms段的清除块在耳机中引起讨厌的卡搭声或者噪声。这个″坏帧替换″技术在美国专利No.4,532,636中公开了，在这里收作参考。
图5是说明本发明的一个实施例的操作的流程图。在步骤S100通信系统(基站，移动交换中心，卫星，等等)首先按照常规的方式传送给特别的移动单元。系统操作不受本发明的方法的影响，直到控制数据需要传送给该移动单元为止。因此，在步骤S102该系统确定控制数据是否需要发送给移动单元。如果没有控制数据需要发送，处理返回到步骤S100。如果控制数据需要传送到该移动单元，在步骤S104该系统进入控制数据模式。在步骤S106，系统使用在传输突发内的第一组(例如奇数编号的组)的TDMA帧传送控制数据给该移动站，和在第二组(例如偶数编号的组)的TDMA帧传送通信数据。正如上面讨论的，在步骤S100按照控制数据模式的编码保护等级最好小于编码保护的等级。在步骤S108完成控制数据传输之后，处理返回到步骤S100，和该系统以常规的方式传送通信数据。
本领域普通技术人员懂得，本发明可以以其它具体的形式实现而不偏离其精神或者重要的特征。因此目前公开的实施例在各方面被认为是说明性的和不是限制性的。本发明的范围是由所附的权利要求书而不是上面的描述指示，来自其等效的含意和范围内的所有变化都包含在其中。

Claims (24)

1．一种在通信系统中一个控制站和一个发送机/接收机之间传送控制数据和通信数据的方法，包括步骤：
使用第一等级编码保护以第一模式在多个帧上传送通信数据；和
在第二模式，划分多个帧为第一和第二帧组，使用第二等级的编码保护传送通信数据，和在第二帧组传送该控制信息。
2．根据权利要求1的方法，其中第一帧组包含多个帧的偶数号帧，和第二帧组包含多个帧的奇数号帧。
3．根据权利要求1的方法，其中第一帧组包含多个帧的奇数号帧，和第二帧组包含多个帧的偶数号帧。
4．根据权利要求1的方法，其中第二等级的编码保护低于第一等级的编码保护。
5．根据权利要求1的方法，其中该控制数据使用第二等级的编码保护传送。
6．在通信系统中一个控制站和一个发送机/接收机之间传送控制数据和通信数据的方法，包括步骤：
在第一模式以第一传输功率电平在多个帧中传送通信数据；和
在第二模式，划分多个帧为第一和第二帧组，在第一帧组以第二传输功率电平传送通信数据，和在第二帧组传送该控制信息。
7．根据权利要求6的方法，其中第二传输功率电平比第一传输功率电平高。
8．根据权利要求1的方法，其中第一等级的编码保护是1/3速率编码和第二等级的编码保护是2/3速率编码。
9．根据权利要求1的方法，其中该控制站是一个卫星，和该发送机/接收机是一个移动的电话单元。
10．根据权利要求1的方法，其中该控制数据是FACCH信息。
11．根据权利要求1的方法，其中该通信系统是一个GSM系统。
12．一种用于在一个控制站和第一发送机/接收机之间传送控制数据和通信数据的通信系统，包括：
第一模式装置，在第一模式使用第一等级的编码保护在多个帧上传送通信数据；和
第二模式装置，在第二模式用于划分多个帧为第一和第二帧组，使用第二等级的编码保护在第一帧组上传送通信数据，和在第二帧组上传送该控制信息。
13．根据权利要求12的系统，其中第一帧组包含多个帧的偶数号帧和第二帧组包含多个帧的奇数号帧。
14．根据权利要求12的系统，其中第一帧组包含多个帧的奇数号帧和第二帧组包含多个帧的偶数号帧。
15．根据权利要求12的系统，其中第二等级的编码保护低于第一等级的编码保护。
16．根据权利要求12的系统，其中该控制数据使用第二等级的编码保护传送。
17．一种用于在一个控制站和第一发送机/接收机之间传送控制数据和通信数据的通信系统，包括：
第一模式装置，以第一传输功率电平在多个帧中传送第一模式的通信数据；和
第二模式装置，在第二模式用于划分多个帧为第一和第二帧组，在第二传输功率电平在第一帧组中传送通信数据，和在第二帧组中传送该控制信息。
18．根据权利要求17的系统，其中第二传输功率电平高于第一传输功率电平。
19．根据权利要求12的系统，其中第一等级的编码保护是1/3速率编码和第二等级的编码保护是2/3速率编码。
20．根据权利要求12的系统，其中该控制站是一个卫星，和第一发送机/接收机是一个移动电话单元。
21．根据权利要求12的系统，其中该控制数据是FAGCH信息。
22．根据权利要求12的系统，其中该TDMA通信系统是一个GSM系统。
23．根据权利要求12的系统，还包括透明选择装置，用于在第一模式装置和第二模式装置之间对该发送机/接收机透明地选择。
24．根据权利要求23的系统，其中该透明选择装置将唯一同步字嵌入TDMA信号，以便指示该TDMA信号是预定给第一发送机/接收机或是预定给第二发送机/接收机。
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