CN1286837A

CN1286837A - 时分多址接入(tdma)多线路无线电话系统

Info

Publication number: CN1286837A
Application number: CN98813602A
Authority: CN
Inventors: P·G·克努特森; K·拉马斯瓦米
Original assignee: RCA Licensing Corp
Current assignee: Thomson Licensing SAS; RCA Licensing Corp
Priority date: 1997-12-12
Filing date: 1998-09-01
Publication date: 2001-03-07
Anticipated expiration: 2018-09-01
Also published as: KR20010032986A; AU9041498A; KR100561930B1; WO1999031827A1; CN1121765C

Abstract

一个无线电话系统包含一个可与一条或多条外部电话线相连并有一个基本收发器的基本单元、和多个激活或未激活的无线手机。每个手机有一个手机收发器,用于在该手机激活时,在一个共享的RF信道上通过基本收发器与基本单元建立一条时分多址接入(TDMA)链路。在通过TDMA链路的通信中,每个激活的手机在将时间片分配给激活手机的TDMA方案的专用时间片中通信,其中多个带有一个抽样量值的数据抽样在每个时间片中被发送。当两个手机中的一个要建立一条新的TDMA链路且建立这条新的TDNA链路可能会超过可获得的信道容量时,至少这两个手机交替共享一个时间片。通过减小抽样量值从而增加在共享时间片中被发送的数据抽样数量来共享该时间片。

Description

时分多址接入(TDMA)多线路无线电话系统

发明背景

发明的技术领域

本发明涉及多线路无线电话系统。

相关技术描述

电话及电话系统(包括无线电话系统)的使用已经是很广泛的。在无线电话系统中，一个无绳或无线电话手机单元通过模拟或数字无线信号与一个典型地通过一条标准电话线连接到一个外部电话网络的基本单元通信。以这种方式，用户可以使用无线手机通过基本单元和电话网络与另一个用户进行电话通话。

多线路无线电话系统也被用于各种情况，比如有许多电话用户的商业场所。这种系统通常采用诸如时分多址接入(TDMA)的数字通信方案，使用一个与多达N个手机同时通信的手机。希望在一个多线路无线电话系统中实现当前专用小交换机(PBX)的特性。常规的多线路无线电话系统通常必须在一个指定的带宽和调制格式中工作，这样就限制了用于基本单元和工作中的或激活的手机之间发送信号的射频(RF)信道的最大容量。

由这种电话系统固定的可获得的容量或带宽以及这种系统的不可改变性所引起的一个问题是：当不是所有手机都在操作中时，可获得的信道容量不能被有效利用。这是因为，在一些这样的系统中，如果需要的话，则选定信道容量以使所有N个手机可同时操作。但是，当少于N个手机操作时，信道容量就不能被充分使用。可以降低整体信号质量，以便减少总带宽(和因而减少当不是所有手机都被使用时所浪费的部分)，但这在某些情况下不必要地降低了质量，例如当只有一个手机在操作并且有足够的可获得的总信道容量允许该单个手机的高质量通信时。

发明概要

一个无线电话系统包含一个可连接到一条或多条外部电话线并带有一个基本收发器的基本单元、以及多个可能是激活或未激活的无线手机。每个手机有一个手机收发器，用于在该手机激活时在一条共享的RF信道上通过基本收发器与基本单元建立一条时分多址接入(TDMA)链路。在通过一条TDMA链路的通信中，每个激活的手机在一个将时间片分配给激活手机的TDMA方案的专用时间片中通信，其中在每个时间片中多个带有抽样量值的数据抽样被发送。当两个手机中的一个要建立一条新的TDMA链路且建立所述的新TDMA链路将超出可获得的信道容量时，至少这两个手机交替共享一个时间片。通过减小抽样量值从而增加在该共享时间片中发送的数据抽样的数量，可以共享时间片。

时间简述

图1是根据本发明的实施方案的TDMA多线路无线电话系统的框图；

图2是用于图1的系统的TDMA方案的域、数据分组和语音分组的结构的示意性描述；

图3是说明根据本发明的实施方案由图1中系统使用的可变结构TDMA时间片分配方案的表；且

图4是说明根据本发明的实施方案由图1中系统使用的固定结构TDMA时间片分配方案的表。

发明的优选实施方案描述

现在参见图1，图中给出了根据本发明的实施方案的TDMA多线路无线电话系统100的一个框图。TDMA系统100包含一个分别有接收器和发送器单元112和111的基本单元110，并通过电话线115连接到一个外部电话网116。基本单元110还有一个用于控制和监视基本单元110的全部功能的受控的微处理器113。系统100还包含N个无线手机120₁，120₂，…120N。每个都有一个发送器和接收器单元(收发器)，例如手机120₁的发送器121和接收器122。在一个实施方案中，接收器单元112包含N个独立的逻辑接收器，发送器单元111包含N个独立的逻辑发送器，这样接收器和发送器单元112和111提供总共N个逻辑收发器单元，N个无线手机中每个对应一个。在任意给定的时间，M个手机(0≤M≤N)进行操作(即处于进行一个电话呼叫的过程之中)。由于手机通常都是电池提供电源，所以对于一个无线系统来说，电源的有效使用是很重要的。因此，在一个实施方案中，系统100使用一个数字TDMA方案，正如下面将进一步详细描述的，由于每个手机在大部分时间是“关闭”的(即不发送或接收数据)，并且只在其自己的“时间片”或时隙中“开机”，所以这种方案使得电源可被有效利用。这样系统100就在基站110和每个手机120_i(1≤i≤N)之间提供了一个无线网络。

在本发明中，采用一种TDMA方案可以允许可获得的信道容量被更有效地使用。当特定数量的手机正处于操作中时，这是通过降低两个或多个手机的信号质量并使它们交替彼此的时间片来实现的，正如下面将参考图2-4进一步详细说明的。

现在参见图2，其中给出了用于图1的TDMA系统100中的TDMA方案的域、数据分组和语音分组结构的示意性表示200。在一个实施方案中，一个2毫秒的数字数据的域210包含总共九个分组，即一个数据分组220和诸如语音分组230的8个语音分组。每个数据分组是一组在一个离散的时间片中从基本单元向给定的手机发送或者反方向发送的数据，此时在系统的数据信道上没有其它手机接收或发送数据。每个语音分组是一组在整个“周期(epoch)”方案中的一个给定的时间片中从基本单元向给定的手机发送或者反方向发送的语音数据，此时在系统的数据信道上没有其它手机接收或发送数据。

正如所说明的，每种类型的分组都含有各个子域或段。例如，数据分组220包含一个32比特同步域222、一个数据域235、一个FEC(前向纠错)域222、和保护时间223。数据分组220中的数据被用于在基本单元和一个特定的手机之间通信，并包含各种类型信息，例如主叫用户ID类型信息、范围和电源信息等。

语音分组230包含一个语音分组头231、FEC数据段232、和保护时间233。例如，语音分组头231包含识别语音分组(例如手机)、该周期中的当前位置等信息。

在正常操作中，每个手机在该周期中分配给该手机用于接收语音数据的每个时间片中接收16个数字压缩语音抽样(例如ADPCM(自适应差分脉冲编码调制)抽样)；并在该周期中分配给该手机用于发送语音数据的每个时间片中向基本单元发送16个ADPCM抽样。然而，在本发明中，当对信道容量而言有太多处于操作中的手机需要承载时，各对手机可以通过交替其使用，并将抽样数量加倍到每个时间片32个抽样(通过降低每个抽样的质量)来共享一个时间片。ADPCM和相关技术问题在国际电信联盟(ITU)的建议G.727，(12/1990)的“5、4、3和2比特抽样嵌入的自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)”，http：//www.itu.ch中被详细描述。

这样，语音分组230还包含一个主64比特“语音数据”部分，它包含16个4比特ADPCM抽样(高质量)，或32个2比特ADPCM抽样(低质量)。后者是当正在操作的手机多于在系统100被分配的最大信道容量上可以高质量操作的手机时的情况。这样，在本发明中，当少于T个手机在操作时(在适当的位置呼叫)，每个操作中的手机都可以以高质量操作，其中M≤T且最大的信道容量足以同时处理多达T个高质量的呼叫或链路。然而，当多于T个(M＞T)手机在操作时，则被选定的手机对的信道被从高质量语音链路切换到低质量语音链路并交替时间片。应当理解，对于一个2毫秒域，高质量(每个语音分组或时间片16个4比特ADPCM抽样)情况提供32K比特/秒ADPCM(缺省语音数据)，而低质量(每个语音分组在两个手机之间共享32个2比特抽样)情况提供16K比特/秒。

这样，在极限情况，本发明的这个实施方案允许高质量时的最大手机容量在低质量时加倍。在系统100的一个实施方案中，多达4个手机可以以高质量同时进行呼叫，且多达8个手机可以以低质量同时呼叫。对于居中数，每个在增加后超过4个手机之外的手机都必须与最初的4个手机中的一个组成一对(例如，如果M=7，则在最初的4个手机之外还有3个，因而7个手机中的3×2=6个以低质量操作)。

现在参见图3，其中给出了表300，它说明根据本发明的一个实施方案，由图1中系统100使用的可变结构TDMA时间片分配方案周期。表300包含N对行，每个现有手机对应一对行。每行是一个域，例如图2中的域210。在表300的可变结构方案中，N可以大于8。例如，N可以为12。周期中的每个行或域在这里都可被称作初始时间片或时隙，它被用于发送数据(TD)给给定手机或从给定手机接收数据(RD)。因此，在域的开始，数据被从一个指定的手机发送(或接收)。这样，例如基本单元110在行TD1的第一个时间片中发送数据到手机#1(例如图1的手机1201)；且基本单元110在行RD1的第一个时间片中从手机#1接收数据。从而每个手机在整个Q个时间片周期中的一个时间片中接收数据并发送数据，其中Q=9×2×N。这样，尽管可以增加任意数量的N个手机，但是在给定手机120_i与基本单元110之间的数据通信的时延因此被加长。这会引起例如使一个给定的手机振铃或被通知主叫用户ID信息时有较长的时延或等待时间。

在操作中，给定的手机在其规定的数据信道时隙查询来自基本单元110的入呼叫和同步数据，并且当它发起一个呼叫时在其规定的数据信道时隙中发送语音分组。每个域210(表300的每个行)的语音分组对(例如，TS1，RS1)可支持使用32K比特/秒ADPCM的一个对话或使用16K比特/秒ADPCM的两个对话(参见ITU Rec.G.727)。在这一实施方案中，对于一个手机，每2毫秒在每个方向上传送16个4比特抽样。要注意的是，表300表示从左到右，从上到下，水平2毫秒，垂直2×2×N毫秒(对于N=8，则=32毫秒)的时间序列。

在一个实施方案中，系统100如下实现表300的周期。系统100的信道容量足以允许多达T=4个手机的高质量操作。这样，对于最初进入操作的4个手机，它们被分配给名义上的从1到4的号码。由于表300的每个时间片都是循环的(从左到右，从上到下)，所以每个行对的两行都使用TD行中由顶部条目，即不在圆括号中的条目所示的分配。这样，我们便有了下述序列：

TD1，TS1，RS1，TS2，RS2，TS3，RS3，TS4，RS4；

RD1，TS1，RS1，TS2，RS2，TS3，RS3，TS4，RS4；

TD2，TS1，RS1，TS2，RS2，…

RDN，TS1，RS1，TS2，RS2，TS3，RS3，TS4，RS4；

其中，“TS1”表示其中基本单元110向手机#1发送语音信号或“声音”分组的时间片；“RS1”表示其中基本单元110从手机#1接收语音分组的时间片，以此类推。

然而，表300的每个语音分组时间片条目包含两个条目。TD行或域的顶部条目据示当M≤T时，对于TD和RD行的时隙的“正常”分配。这一分配被用于一个行对的TD和RD行。例如，如果只有4个手机激活(摘机)，则上面描述的序列就被遵循，即，TD和RD行都遵循由TD行中顶部的条目所指示的序列。

圆括号中的底部条目指示了当M＞T时时隙的交替分配。顶部条目指示当M＞T时时隙的正常交替分配。如果第五个手机(手机#5)开始操作，就没有足够的信道容量处理所有5个以高质量激活或操作的手机。因此，手机1和5在交替域中共享一个时间片，且每个语音分组将在该时间片中发送的抽样数量加倍。例如，在这种情况中，在行TD1的第一个语音分组时间片中，条目TS1指示有32个2比特语音ADPCM抽样被发送到手机#1，而不是通常的16个4比特抽样。在行RD1的第一个语音分组时间片中，条目TS5指示有32个2比特语音ADPCM抽样在这个时间片中被发送到手机#5。在语音分组中为手机1提供32个2比特ADPCM抽样并为一个4毫秒TDMA周期提供足够的语音数据。系统是动态的，这是因为如果手机#1在手机#5之前挂断，则基本单元可以将32K比特/秒分配给手机#5用于其呼叫的剩余时间。其顺序可以依赖于手机#5何时变成激活的而转换，这样圆括号中的条目是可应用的。

因此，当M＞T时，系统100可以说是操作在手机扩展模式。在正常模式中，每两个域总共有32个4比特抽样被发送到手机#1(即高质量的TS1发生两次)。在手机扩展模式中，每两个域的32个2比特(低重量)抽样仍被发送到手机#1，除非这是在一个单一语音分组中而不是在两个语音分组中实现。由于在最初的4个手机之外有另外的手机被激活，所以系统100动态切换到手机扩展模式，并如所说明的那样，对新激活的手机进行名义上的编号，然后如所说明的，将新激活的手机与其它手机的时间片配对。因此，例如如果手机#6变为激活的，则它与手机#2共享交替的时间片(并降低了手机#2的质量)。在这种情况下，我们有：

TD1，TS1，^*RS1，^*TS2，^*RS2，^*TS3，RS3，TS4，RS4；

RD1，TS5，^*RS5，^*TS6，^*RS6，^*TS3，RS3，TS4，RS4；

TD2，TS1，^*RS1，^*TS2，^*RS2，^*TS3，RS3，…

RDN，TS5，^*RS5，^*TS6，^*RS6，^*TS3，RS3，TS4，RS4其中，星号表示低质量语音分组(即2比特抽样)。

这样，基本单元110将发送和接收时隙分配给每个随后激活的手机以用于语音传输。如果没有手机处于使用中，并且手机120₂开始一个呼叫，则发送和接收时隙TS1和RS1就以32K比特/秒的速率被提供给手机120₂(即手机#1)。这样，对于多达4个激活的手机，一条高质量的32K比特/秒的语音链路便被提供给每个手机。由于第5个手机变为激活的，一个现有信道就被减到16K比特/秒且第5个手机以16K比特/秒的速率复用到这个信道中。如果有8个以上的手机试图发送，则它们被阻塞(所有电路忙信号)。在这样一个可能发生阻塞的实施方案中，接收器单元112最好包含少于N个独立的接收器(最好是8个)，且发送器单元包含少于N个独立的发送器(最好是8个)。通常，在任何实施方案中，基本单元110包含其数量等于可能同时建立的呼叫(链路)的最大数量的多个逻辑收发器对。

这样，在表300的周期中，在正常模式下，每个激活的手机对于每个域210(即表300的行)有固定的时隙用于语音数据传送。在扩展手机模式中，低质量手机对于每隔一个域210(即表300的行)有固定的时隙用于语音数据传送。

在一个实施方案中，系统100被加以调整以便动态地给手机重命名从而可以优化信道容量的使用。例如，假设6个手机正如上所述进行操作，则6个手机中的4个以低质量模式操作。接下来，假设手机#3和#4退出操作。在这一点，让手机#1和#5共享时间片或以低质量模式操作就没有意义了，因为用于TS3，RS3，TS4，RS4的时间片并没有在使用。这样，在这种情况中，系统100就动态地为4个操作中的手机重新编号或重新命名为#1-4。

因此，在本发明中，TDMA被用于将数据和语音分开成两个信道，并将带宽按需要分配给需要信道的手机。这一技术与电源节约协议是一致的，因为一个总是能被获得的数据信道将被用于给手机发信号并发起呼叫。一个特定的时隙被提供给每个手机以用于数据传送，它被用于保持TDMA同步以使该手机的收发器只在其指定的时间片中通信。由于电话是用电池工作的，所以它们只在需要的时候发送和监听是很重要的。

在一个实施方案中，系统100用一个带有4根普通老式电话业务(POTS)线(即线115)的电话系统实现表300的周期和方案。利用四根专用的POTS线，除非有多个手机在进行会议或如果有一些手机在进行内部通信而其它手机在进行在线交谈，一个手机总能期望有32K比特/秒的性能。在一个替代的实施方案中，可以使用其它的线/手机组合。

在上面描述的实施方案中，使用了每个语音数据分组时隙对应于2个发送/接收对。在替代的实施方案中，每个数据时隙中可以有更少或更多的发送/接收对。例如，语音数据抽样可以在质量上进一步降低以便在每个语音分组中发送更多的抽样，从而允许2个以上的手机(例如4个)共享一个时间片。然而，这可能需要更高级的压缩算法，这一算法将给环路增加相当大的延迟。使用如上面描述的ADPCM会减小环路中的延迟并简化语音回波消除问题，且由于16K比特/秒和32K比特/秒算法都显示了相同的延迟，故容易进行算法之间的转换。

现在参见图4，其中给出了表400，它说明了根据本发明的一个实施方案由图1的系统100使用的固定结构TDMA时间片分配方案周期。在这一实施方案中，对于在信道容量之外增加额外的手机而言，灵活性较小。不过，其实现要比表300的可变结构方法简单，且不会允许阻塞发生。

当N=8时表400中说明的周期方案可以类似于表300中的方案来实现。在表400的一个实施方案中，时隙被提供给每个手机以便用于数据和语音。因此，例如，如果只有手机#1和#5是激活的，尽管还可以获得额外的带宽或信道容量，它们却每个都以16K比特/秒ADPCM进行操作。然而，尽管这可能不是最“有效”地使用信道的方式，但它允许简化对信道的控制。在一个替代的实施方案中，系统100在实现表400的周期时可以动态地对手机号重新命名以便更有效地使用可获得的带宽。

本领域的技术人员会认识到上面描述的根据本发明原理的无线系统可以是一个蜂窝系统，其中基本单元110代表一个为蜂窝电话网中的小区之一服务的基站。

应当理解，在不偏离下面权利要求陈述的本发明的原则和范围的情况下，本领域的技术人员可以对上面描述和图解说明的用于解释本发明本质的部分进行细节、内容及安排的各种改变。

Claims

1．一个无线电话系统，包含：

(a)一个可连接到一条或多条外部电话线并带有一个基本收发器的基本单元；

(b)多个可以是激活或未激活的无线手机，每个手机有一个手机收发器，当该手机激活时，该手机收发器用于在一个共享的RF信道上与基本单元通过基本收发器建立一条时分多址接入(TDMA)链路，其中每个激活的手机在将时间片分配给激活手机的TDMA方案的一个时间片中通信，其中多个带有一个抽样量值的数据抽样在每个时间片中被发送；以及

(c)用于允许至少两个手机交替共享一个时间片的装置，当这两个手机中的一个要建立一条新的TDMA链路且建立该新的TDMA链路会超过可获得的信道容量时，通过减小抽样量值从而增加在所述共享时间片中被发送的数据抽样数量来实现共享。

2．权利要求1的系统，其中数据抽样是自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)抽样，每个ADPCM抽样有多个比特。

3．权利要求1的系统，其中：

多个手机包含正好N个无线手机；

TDMA方案包含一个有N个发送数据行和N个接收数据行的周期；

当没有手机共享时间片时，每个激活的手机就在该手机的每个时间片中接收或发送16个4比特ADPCM抽样；且

当至少两个手机共享这两个手机中的一个的时间片时，这两个手机中的每一个在每个手机的每个交替共享时间片中接收或发送32个2比特ADPCM抽样。

4．权利要求1的系统，其中：

TDMA方案包含一个周期，该周期有多个发送和接收数据行对，每个手机对应一个这样的行对；并且

每个激活的手机在每个周期的对应于每个激活手机的发送和接收数据行对中，只通过数据时间片接收数据和发送数据一次。

5．权利要求1的系统，其中TDMA方案包含一个周期，该周期有多个发送和接收数据行对，每个手机对应一个这样的行对，每行包含一个数据域且被分成规定数量的时间片，其中每个域的长度为2毫秒。

6．权利要求1的系统，其中TDMA方案是一个可变TDMA方案，其中手机数量多于信道上可以建立的链路最大数量。

7．权利要求1的系统，其中TDMA方案是一个固定TDMA方案，其中手机数量等于信道上可以建立的链路最大数量。

8．权利要求1的系统，其中：

多个手机包含8个手机；

多达4个手机可以是激活的而不需共享时间片；并且

多达8个手机可以通过共享时间片激活。

9．权利要求1的系统，其中：

TDMA方案包含一个周期，该周期有多个发送和接收数据行对，每个手机对应一个这样的行对；

每个手机都由电池提供电源；并且

每个激活的手机仅仅在周期中它自己的时间片中开机，而在其他时间关闭。

10．在一个有一个基本单元和多个无线手机的无线电话系统中，其中基本单元可连接到一条或多条外部电话线并且带有一个基本收发器，多个无线手机中的每一个都可以是激活或未激活的，且每个手机包含一个手机收发器，一种方法包含以下步骤：

(a)在一个共享的RF信道上，为每个激活手机利用手机收发器通过基本收发器与基本单元建立一条TDMA链路，其中每个激活的手机在将时间片分配给激活手机的TDMA方案的一个专用时间片中通信，其中多个带有一个抽样量值的数据抽样在每个时间片中发送；以及

(b)当这两个手机中的一个要建立一条新的TDMA链路且建立这条新链路会超过可获得的信道容量时，允许至少两个手机交替共享一个时间片，通过减小抽样量值、从而增加在所述共享时间片中被发送的数据抽样的数量来实现共享。

11．权利要求10的方法，其中数据抽样是自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)抽样，每个ADPCM抽样有多个比特。

12．权利要求10的方法，其中：

多个手机包含正好N个无线手机；

TDMA方案包含一个有N个发送数据行和N个接收数据行的周期；

当没有手机共享时间片时，每个激活的手机在该手机的每个时间片中接收或发送16个4比特ADPCM抽样；且

当至少两个手机共享这两个手机中的一个的时间片时，这两个手机中的每一个都在对于每个手机的每个交替共享时间片中接收或发送32个2比特ADPCM抽样。

13．权利要求10的方法，其中：

每个激活的手机在每个周期中对于每个激活手机的发送和接收数据行对中，只通过数据时间片接收数据和发送数据一次。

14．权利要求10的方法，其中TDMA方案包含一个周期，该周期有多个发送和接收数据行对，每个手机对应一个这样的行对，每行包含一个数据域且被分成规定数量的时间片，其中每个域的长度为2毫秒。

15．权利要求10的方法，其中TDMA方案是一个可变TDMA方案，其中手机数量多于在信道上可以建立的链路的最大数量。

16．权利要求10的方法，其中TDMA方案是一个固定TDMA方案，其中手机数量等于信道上可以建立的链路的最大数量。

17．权利要求10的方法，其中：

多个手机包含8个手机；

多达4个手机可以是激活的而不需共享时间片；并且

多达8个手机可以通过共享时间片激活。

18．权利要求10的方法，其中：

每个手机都是电池提供能量；且

每个激活的手机只在周期中其自己的时间片中开机而在其他时间关闭。

19．一个与有一个基本单元和多个无线手机的无线电话系统一起使用的无线手机，多个无线手机包含该无线手机，其中基本单元可连接到一条或多条外部电话线，该无线手机包含：

(a)一个手机接收器；和

(b)一个手机发送器，其中：

多个无线手机中的每一个可以是激活或未激活的；

手机接收器和手机发送器提供一个手机收发器，用于当该手机激活时，为该手机在一条共享的RF信道上通过一个基本收发器与基本单元建立一条时分多址接入(TDMA)链路；

多个无线手机中的其它的每个手机都包含一个手机收发器，用于当所说的其它手机激活时，在一个共享的RF信道上通过基本收发器与基本单元建立一条TDMA链路，其中每个激活的手机在将时间片分配给激活手机的TDMA方案的一个专用时间片中通信，其中在每个时间片中多个带有一个抽样量值的数据抽样被发送；且

当多个手机中的两个手机的一个要建立一条新的TDMA链路且建立该新的TDMA链路将超过可获得的信道容量时，至少这两个手机交替共享一个时间片，这通过减小抽样量值从而增加在该共享时间片中发送的数据抽样的数量来实现共享。