CN1242892A - 在通信系统中提供同步的节省功率的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在功率受限的通信系统中保持同步的节省功率的方法,例如,该通信系统为基于卫星的时分多址移动无线通信系统。依照示范的实施例,当接收移动单元不需要其它控制信息时,该卫星发射在间隔间只包含同步信息的简化的脉冲序列,从而减少了这些间隔的功率消耗。

Description

在通信系统中提供同步的节省功率的方法
发明领域
本发明有关在通信系统中为通信设备提供同步信息的节省功率的方法。更具体地说，本发明通过当不需要其它控制信息时，在间隔间发射只包含同步信息的简化的脉冲序列，来减少基于卫星的通信系统的功率消耗。
发明背景
在现有的蜂窝时分多址标准，例如GSM和DAMPS中，控制信道连续发送数据，这些数据诸如同步信息，相邻单元的控制信道的信号功率测量，寻呼信息和接入许可信息等。
已有的建议通过在特定的控制信道上，发送脉冲序列信息，并将相关信息与连续的已知训练序列集合在一起，来获得和保持卫星通信系统和终端设备间的同步。这种方法可以在较差的信噪比的情况下，获得精确的操作。
在卫星通信系统中，卫星价格随着它在发射和接收信道中所提供的连接边界(信号增益)的增长而增长。较高的信号增益可以通过增大卫星天线，从而增加接收和发射信号的电平来实现。遗憾的是，天线的增益越大，所需的天线的尺寸就越大。较大的天线引起较大的负荷，因而需要为卫星提供更大的功率来控制它。较大的信号电平也可以通过增加输出功率来实现。
由于增加功率消耗会引起系统成本的增加，特别是对于基于卫星的通信系统，减少功率的消耗是很重要的。
依照众所周知的全球移动通信系统(GSM)标准，一些彼此间隔为200kHz的载波，传送数字语音，数据和传真信息。每个载波通过时分多址(TDMA)技术被多个用户共享。在GSM中，每个载波在时间上被分割成TDMA帧。每个TDMA帧被分割成8个具有156.25比特或码元的TDMA时隙。在GSM中的码速为13×106/48＝270.83×103码元/秒。因此，一个TDMA时隙的宽度大约为577us，一个TDMA帧的宽度大约为4.62ms。
如图1所示，一个普通的TDMA脉冲序列，在一个TDMA时隙中发送，并包含两个57个码元长的数据区。该脉冲序列还包括两个尾比特区域，在该区域，发射机的输出功率跃升(脉冲序列开始)或跃降(脉冲序列结束)。在脉冲序列的中央是同步或训练序列区。该区域使接收机保持准确的同步并评估RF信道的状态，从而进行失配补偿。
对于需要初始系统同步的系统，GSM系统提供了所谓的频率校正(FCCH)和同步(SCH)脉冲序列。该FCCH脉冲序列包含所有的图1中的码元格式。该SCH脉冲序列的结构如图2所示。该SCH脉冲序列包括64个码元的训练序列和其后39个码元的附加数据。同GSM系统中的所有脉冲序列一样，该FCCH和SCH脉冲序列，占据一个TDMA时隙。
GSM系统是TDMA/FDMA系统，其每个载波包含多个逻辑信道。这些逻辑信道包括控制和话务信道。控制信道主要传送信号信息，话务信道主要传送用户数据。每个逻辑信道在给定的载波上具有特定的TDMA帧和特定的时隙(从0到7，8个时隙构成一个TDMA帧)。61个控制信道帧，从0到50，构成一个控制信道复帧(MF)。该逻辑信道的结构对于每个MF都是重复的。
通过这些逻辑信道的不同的组合，可以在GSM中构成不同的控制信道载波。对任何控制信道载波而言，时隙0总是运送控制信道数据的第一时隙，并且FCCH和SCH脉冲序列只出现在时隙0中。如果在载波中需要更多的控制信道，就需要分配额外的时隙。在图3A-3B中，显示了两个示范的控制信道的结构。可以在ETSI GSM的建议05.02中找到这些结构的定义。这里参考了ETSI GSM建议。
当GSM移动单元加电后，它的第一步动作之一就是定位FCCH脉冲序列。由于在GSM中使用了GMSK差动编码调制方案，在FCCH脉冲序列间产生200kHz/3的载波位移，以方便移动单元的检测。
该移动单元一旦确认了FCCH脉冲序列的同步位置，就可以通过有限的精度确认整个控制信道MF(时隙0)。在MF结构中，紧挨着FCCH帧的是SCH帧，该SCH帧为比特或码元提供了实现准确同步的方法。该同步是通过使接收的采样的数据流与图2中所示的已知的64个码元的训练序列相关而获得的。该采样数字流通常是由本技术领域熟知的同相(I)和正交(Q)元件了实现的。该相关通常是由数字ASIC中的合适的数字信号处理装置，或普通的数字信号处理器来实现的。在图4中显示了示范的GSM接收机的框图。如图所示，该接收机包括滤波器，放大器，和振荡器，以生成判断功率曲线所需的接收信号功率指示(RSSI)信号，从而实现粗同步。该接收机还包括从接收的信号中提取相位信息的装置。在该接收机中的一些点上，该信号由上述的I和Q元件来表示。该转换可以很容易地通过采样信号的对数极化(幅度和相位)来实现。下面将更详细地描述同步过程。
该GSM系统是蜂窝系统，其中“蜂窝单元”由多个基站提供服务，每个基站覆盖指定的服务区域。RF信号从这些基站发射至移动单元，也直接从这些移动单元发射至覆盖该移动单元当前所在区域的基站。
这样的蜂窝基站通常与不受功率限制的电源相连。这样，在该系统中，就不必减少这些基站的发射功率来减少功率消耗。然而，限制基站的发射功率，从而减少相邻单元间的干扰也是有意义的。
如图5所示，在一个典型的卫星通信系统中，GSM终端同步的概念可以得到进一步的改进。已有的建议通过一种方案来实现同步，在该方案中，其发送连接过程(网控中心→卫星→终端)具有与在GSM中相同的信道间隔，码速和脉冲序列长度。终端同步是在粗同步和精同步两个步骤中实现的。
粗同步可以通过生成指定载波的功率曲线来实现。该卫星系统，在控制信道复帧中，发射一些比其它脉冲序列的电平高的脉冲序列(例如816个脉冲序列中4个电平高7dB的脉冲序列)。通过读取RSSI(接收信号功率指示)电平(采样，例如，每个脉冲序列4次)，可以判定该载波的功率曲线，使该移动单元实现精度大约为脉冲序列的1/4的同步。如图6所示，该4个较高功率的脉冲序列可以非对称地映射到控制信道MF上。更加具体地，图6显示了在每一帧0-50中时隙0的内容。每个时隙都被标记为高功率时隙H，同步脉冲序列S，卫星广播控制信道SBCCH，卫星公共控制信道SCCCH，或空闲脉冲序列I。
该功率曲线最好通过多个控制信道复帧来获得。通过检测最佳的功率分布(与期望的功率曲线匹配最好)，可以实现移动单元的MF结构的粗同步。
通过对SBCCH(卫星广播信道)和SCCCH(卫星公共控制信道)逻辑信道的已知的训练序列进行比特级的相关计算，可以实现移动单元的精同步。这些信道的脉冲序列基本上与图1所示的普通GSM脉冲序列相同。由于较差的信号增益和训练序列的长度较短，最好在多个脉冲序列上进行相关积累。
为了保持同步，在典型的卫星系统中，通常传输SBCCH和SCCCH脉冲序列。该SBCCH信道运送广播信息并总是在MF内的给定点发送。该SCCCH信道要么发送SAGCH(卫星接入许可信道)信息，要么发送SPCH(卫星寻呼信道)信息。原则上，只有当移动单元被寻呼或需要进行系统接入认证时，才需要这些信道上的信息。然而，该终端总是需要有效的信号以保持正确的同步。这意味着，卫星系统总是需要在控制信道的时隙0传送除了空闲脉冲序列外的其它所有规定的脉冲序列。这样，该移动单元就可以使用这些脉冲序列的任意一个来正确地同步。如果没有该要求，当没有提供SCCCH信息时，该移动单元将试图与噪声相关，将不能实现精同步。
如前所述，在功率受限的系统中，如卫星通信系统中，非常需要减少功率的消耗。在该系统中的基站包括网关(传输信道的)和不直接与移动单元通信的网络控制中心(控制信道的)。该系统使用卫星来使RF信道到达它们的目的地。假设用户的密度相对较小，该系统可以比蜂窝系统提供更经济的大面积服务覆盖范围。
最好是提供一种方法来减少功率受限的通信装置中的功率消耗。
进一步地，最好是提供一种方法来保持同步，并减少功率受限的通信装置中的功率消耗。
进一步地，更好的是提供一种，适合于在基于卫星的移动通信系统中使用的，保持同步的节省功率的方法。
当不需要寻呼或接入许可信息时，系统(包括卫星系统)发送SCCCH信息的唯一原因是为终端提供精同步的途径。由于这些脉冲序列在同步中所使用的唯一部分是训练序列，该脉冲序列可以简化为只包括训练序列。当需要寻呼和/或接入许可信息时，再发送普通脉冲序列。
本发明的方法，可以在时隙0节省MF的51帧中的36帧的功率消耗。
本发明使功率受限通信设备(例如，数字卫星通信系统的空间部分)可以在不连续发射的情况下，提供同步信息。如果在通信系统中，没有检测相邻单元的信号功率的需求，对于那些不需要寻呼或接入许可的帧，该功率受限装置只需要发射实际的训练序列，而不是整个脉冲序列。该所述方案使功率受限设备，在训练序列之前和之后功率跃升和跃降，并在剩下的时隙中关闭发射机。
附图简述
通过阅读下面的优选实施例详述，并参照附图，可以更加清楚地理解本发明，在该附图中，相同的标记代表相同的元件，其中：
图1显示了依照GSM标准的普通的时分多址帧结构和脉冲序列；
图2显示了依照GSM标准的同步信道脉冲序列；
图3A-3B显示了适合于GSM系统中的通信控制信息的示范的控制信道结构；
图4显示了示范的GSM接收机的框图；
图5显示了适合于实现本发明的示范的基于卫星的通信系统；
图6显示了基于卫星的通信系统的示范的控制信道结构；
图7为描述依照本发明的示范方法的流程图；
图8为依照本发明实施例的示范的简化的脉冲序列；
图9为依照本发明实施例来操作的发射机的发射机功率的示意图；
图10A-B分别为在图6的转换系统中的控制信道的时隙0的载波输出功率示意图，和依照本发明实施例的载波输出功率示意图；
优选实施例详述
依照本发明，功率受限通信设备(例如数字卫星通信系统的空间部分)可以在不连续发射的情况下，提供同步信息。这样，如果在通信系统中，没有检测相邻单元的信号功率的需求，对于那些不需要寻呼或接入许可的帧，该功率受限装置只需要发射实际的训练序列，而不是整个脉冲序列。该所述方案使功率受限设备，在训练序列之前和之后功率跃升和跃降，并在剩下的时隙中关闭发射机。
图7显示了描述依照本发明的同步方法的流程图。依照该方法，在步骤100，建立并保持控制基站，如卫星和发射机/接收机，和移动通信终端间时分多址通信连接。该时分多址通信连接为传统的时分多址通信连接，并包括一个或多个控制信道，该控制信道用来在控制基站和发射机/接收机间交换控制信息，该控制信息包括同步信息和一些附属的控制信息。例如，该控制信道包括发送同步，广播控制信息，接入许可信息，和寻呼信息的SBCCH和/或SCCCH信道。在步骤100建立通信连接的过程中，该发射机/接收机实现了粗同步(用已知的方法，例如上述的功率曲线法)和精同步。在保持该通信连接的同时，在控制基站和发射机/接收机间交换如图1所示的普通的时分多址脉冲序列。
在步骤102，判断是否需要附加信息(例如寻呼或接入许可信息)。如果需要，将保持在步骤100中建立的通信连接并按照需要交换该附加信息。如果不需要该附加控制信息，该通信系统则在步骤104进入节省功率模式。在节省功率模式，该控制基站发射只包含训练序列的简化的脉冲。在步骤104的节省功率模式下，该发射机/接收机可以保持精同步，因为该简化的脉冲序列包含所有需要的精同步信息。
在步骤106，判断是否需要附加的控制信息。例如，在经过一段时间的步骤104的节省功率模式的操作后，需要从控制基站向发射机/接收机发射寻呼信息。如果需要附加的控制信息，该方法返回至步骤100，并按照需要交换普通的脉冲序列。如果不需要附加的控制信息，该过程返回至步骤104，该系统继续在节省功率的模式下运作。
图8显示了在节省功率模式下发送的简化的脉冲序列。如图8所示，该简化的脉冲序列只包括发射机/接收机保持精同步所需的训练序列和必要的尾比特。该简化的脉冲序列最好包括GSM训练序列或一些其它的训练序列(例如具有较少码元的训练序列)。在剩下的脉冲序列期间，关闭该发射机以节省功率。
图9显示了，在使用依照本发明的方法的示范系统中，控制基站的发射机活动的示意图。在本实施例中，在时隙n+1和n+2，该发射机开启并只发射32个码元(该训练序列和尾比特)，而在剩下的脉冲序列期间，关闭该发射机。相反，在时隙n和n+3，该发射机在整个脉冲序列期间都开启，并且，既发射精同步信息，也发射附加的控制信息(例如，寻呼和接入许可信息)。在本发明的给定的应用中，最好是，其它发射机的活动方式也依赖于训练序列的长度。
图10A-B分别显示了，在传统的基于卫星的移动通信系统中，和在使用本发明的方法的基于卫星的移动通信系统中，卫星系统控制信道载波(如图6所示)的时隙0的输出功率示意图。如图10A所示，传统的卫星系统，总是为所有的脉冲序列在时隙0提供有效的数据，以使移动单元实现和保持精同步。其结果是造成功率的不必要的消耗。如图10B所示，在不需要寻呼或接入许可信息的SCCCH脉冲序列期间，发射简化的脉冲序列来保持精同步，这样就基本上减少了输出功率。
尽管上述的描述包括了许多细节和说明，应该明白，这些描述只是说明性的，不应被认为是本发明的限制。对于那些在本领域的普通技术人员来说，显然可以很方便地进行很多修改，这完全在下面的权利要求和法律说明所定义的本发明的范围之内。

Claims (19)

1、在TDMA通信系统中，保持控制基站和发射机/接收机间同步的方法，包括以下步骤：
建立控制基站和发射机/接收机间TDMA通信连接，该TDMA通信连接至少包括一个用来运送控制脉冲序列的控制信道，每个控制脉冲序列包括同步信息，和有选择地包括附加的控制信息；
当需要附加的控制信息时，在间隔期间，在至少一个控制信道上发射简化的控制脉冲序列，该简化的控制脉冲序列包括同步信息，不包括附加的控制信息。
2、权利要求1的方法，其中该控制基站是卫星，该发射机/接收机是移动电话单元。
3、权利要求1的方法，其中该附加的控制信息包括寻呼信息，接入许可信息，或既包括寻呼信息，又包括接入许可信息。
4、权利要求1的方法，其中该至少一个控制信道包括公用控制信道。
5、权利要求1的方法，其中该控制脉冲序列和简化的控制脉冲序列进一步包括尾比特。
6、权利要求1的方法，其中该控制脉冲序列和简化的控制脉冲序列是在TDMA通信连接的一个时隙间发射的。
7、在第一通信设备和第二通信设备间交换通信信号的方法，包括以下步骤：
在该第一通信设备和第二通信设备间建立通信连接，该通信连接包括至少一个，用来分别在第一和第二间隔间，在该第一通信设备和第二通信设备间，交换第一和第二种类型的控制信息的控制信道；并且，可以有选择地为在至少一个控制信道上发射的发射机提供功率，这样，在该第一间隔期间，为发射机提供功率，在不需要第二种类型的第二间隔期间，不为发射机提供功率。
8、权利要求7的方法，其中该第一通信设备是卫星，该第二通信设备是移动电话单元。
9、权利要求7的方法，其中该通信连接是TDMA通信连接。
10、权利要求7的方法，其中该至少一个控制信道包括公用控制信道。
11、权利要求7的方法，其中该第一种类型的控制信息包括同步信息，该第二种类型的信息包括寻呼信息或接入确认信息。
12、权利要求8的方法，其中该第一和第二脉冲序列在TDMA通信连接的一个时隙之内。
13、通信系统，包括：
第一通信设备；
第二通信设备；
用来在该第一通信设备和第二通信设备间，建立通信连接的装置，该通信连接包括至少一个控制信道，该控制信道用来将脉冲序列控制信息从该第一通信设备发射至第二通信设备，每个脉冲序列包括第一种类型的控制信息和有选择地包括第二种类型的控制信息；
发射功率装置，当需要该第一和第二类型的控制信息时，该发射功率装置，有选择地为每个脉冲序列控制信息提供发射功率，当不需要该第二类型的控制信息时，有选择地为简化脉冲序列控制信息提供发射功率，每个该简化脉冲序列只包括第一种类型的控制信息。
14、权利要求13的系统，其中该第一通信设备是卫星，该第二通信设备是移动电话单元。
15、权利要求13的系统，其中该通信连接是TDMA通信连接，该至少一个控制信道是公用控制信道。
16、权利要求15的系统，其中该TDMA通信连接是依照GSM标准来规定的。
17、权利要求15的系统，其中每个脉冲序列和每个简化的脉冲序列发生在TDMA通信连接的一个时隙之内。
18、权利要求13的系统，其中该第一种类型的控制信息包括同步信息，该第二种类型的信息包括寻呼信息或接入确认信息。
19、权利要求17的系统，其中，在每个脉冲序列期间，该第一和第二种类型的信息由尾比特来确定，在每个简化脉冲序列期间，该第一种类型的信息由尾比特来确定。
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