CN1289484A - 传输信息的方法以及使用该方法的装置 - Google Patents
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Abstract
在通信链路上传递信息的方法和装置,包括以第一电平发射信息、监视发射信息的正确接收,如果没有出现正确接收,用比原来传输所用的更高的第二电平发射更多的信息。更多的信息使原来发射的信息内容能够建立,而且在一个实施例中构成了原来发射信息的重传。通过以较大电平重发,正确接收的概率增加了,特别是在通信链路是无线的情况下更是如此。使用本发明的发射机可以实现功耗的降低,因为用于原始传输的发送电平可以比没有从本发明受益的发射机所用的更低。
Description
本发明涉及数字通信系统,而且更具体地涉及在质量变化的无线数字通信链路上交换信息。比较有线链路,在无线链路上通常观察到更大的质量变化,例如在蜂窝移动无线电话系统中移动电话和基站之间找到的无线链路上。
包括蜂窝移动电话系统及网络在内的通信系统越来越多地使用数字技术。蜂窝移动电话网要求在移动终端和基站之间建立无线通信链路。第二代蜂窝移动电话系统在无线通信链路上交换数字信号。
数字系统可以被用于提供比模拟系统所提供的更大的无线通信链路频谱效率,而且数字处理通常可以减小干扰的影响。
在依赖于无线链路的通信系统中,例如移动通信系统,这些链路的质量可能变化很大。多种因素影响链路的质量而且系统必须容忍任何这样的变化。在使用模拟链路的系统中,链路质量的降低会导致建立可容忍的有噪声链路。但是在使用数字链路的系统中,重要的是:即使链路质量很差,在链路上发送的信息也可以在接收端正确恢复。不正确接收信息的影响与应用有关。例如,在使用无线链路的数字蜂窝移动无线电话系统情况下,在电话通话过程中,链路上的不正确接收以及信息丢失可能只导致暂时的静音。但是,随着移动计算的到来,移动电话蜂窝网越来越多地用于数据传输,在这种情况下任何数据丢失都是不可接受的。
已经知道很多技术有助于在多种介质上正确传递数字信息,而且这些技术中的一些归于差错检测和纠正的范畴内。一种技术是前向纠错(FEC),包括在传输之前对信息编码,用这种方式,传输过程中出现的任何差错可以在接收时识别并纠正。另一种技术使用自动重发请求(ARQ)差错控制方案,包括认为已经错误接收的或根本没有收到的信息的重发。有很多种基本ARQ方案的派生,而且它们的使用依赖于链路发/收端提供缓存空间的可能性以及有效使用链路的要求。确实一些ARQ方案不只是重发相同信息。在这些方案中,重发包括(重)发信息的一部分、发送恰当的FEC信息或它们的任意组合。各种ARQ方案是本领域技术人员熟知的,同样也知道重发可以在没有信息被正确或甚至不正确接收的确认的情况下而被启动。相反,在另一种情况下有明确的重发请求发送到发射机。当FEC和ARQ技术结合时,它们可以提供有力的检错和纠错机制,而且在某些实现中,如果FEC不能恢复信息,就只有ARQ操作有效。但是当链路质量更可预测并具有一致性-例如通过同轴电缆提供的的链路,尽管有线双绞线链路容易受噪声影响时,两种技术是最有效的。相反,对于无线通信链路,例如移动蜂窝电话和基站之间使用的那些链路,由于终端移动带来的运动、建筑物引起的障碍、区域的地理情况、天气条件以及无线链路的距离,使链路质量不断变化。在特别差的条件下,ARQ技术会导致多次重发的出现,引起数据通信中的时延以及系统功耗的总体上升。当系统的组成单元,例如移动终端,依赖电池供电时,这种情况是特别不希望的。
针对无线链路质量由于大的信号波动而恶化,例如在深衰落出现的情况下,已经建议了很多现有技术的补救措施。
US-A-5 105 423描述了根据来自接收机的重发有错数据帧的请求,使数据传输率减速的方法。数据传输率从第一数据率减速到用于重发的第二数据率。减速的大小根据重发过程中重新出错的可能性来计算,该可能性又是根据需要重发的帧的百分比来计算的。传输速率的减少在某些应用中是不希望的,特别是快速数据传输优先的情况下。
US-A-5 128 965描述了一种无线链路系统,一旦接收机表示接收信息中的错误数超过特定门限,就增加总发送功率。US-A-5 713074中描述的系统使用功率控制器装置,当发射信号中检测到错误时就增加发射功率,当没有检测到错误时就将发射功率减少较小的量,这样保持恒定的误比特率。将接收信号返回发射机并将接收信号与所发射的比较,有利于差错检测。
1999年2月3日Telecommunications Industry Association(电信工业委员会)公布的TIA/EIA-95-B标准是从TIA/EIA/IS-95暂行标准中发展而来的,描述了移动终端通过空中接口通知固定系统以便获得接入的过程。如果移动终端没有从固定系统接收到应答,移动终端就重复该信令过程,但是发射功率增加。这个信令过程只与获得接入的任务有关,与业务流传递无关。
根据本发明的第一方面,提供了在发射站和接收站之间的无线数字通信链路上以单元传递业务信息的方法,包括以第一电平发射第一信息单元的步骤;监视是否出现发射单元的正确接收;而且当监视没有表明出现了第一信息单元的正确接收时以比第一电平高的第二电平发射与第一信息单元有关的第二信息单元,第二信息单元允许建立第一信息单元的内容。
在根据上述方面的一个优选方案中,第二信息单元的内容与第一信息单元的内容相同。在这种情况下,第二信息单元的传输构成了第一信息单元的重发。在根据上述方面的第二优选方案中,第二信息单元的内容包括一部分第一传输单元的内容。在这种情况下,第二信息单元的传输构成第一信息单元的部分重发。在根据上述方面的第三方案中,第二信息单元包括与第一信息单元有关的纠错信息,具体来说是前向纠错信息。在根据上述方面的第四方案中,第二信息单元包括与第一信息单元有关的增强纠错信息,具体来说是增强的前向纠错信息。正如本领域技术人员可理解并懂得的,上述方案中的一个或多个可以组合。
在出现第一信息单元的最初传输失败情况下,具体来说如果这是由于接收信号电平低,那么通过以更高的电平发射第二信息单元,成功传递信息的可能性大大增加了。这是一种健壮传递方法,同时第二信息单元成功传输概率的增加所带来的另一个好处是第二信息单元多次传输的出现可能导致的长传输时延的可能性降低了。当存在最大允许的传输时延,例如在实时或基本上实时系统中,这样会特别有利。
通常,发射站基于接收站提供的信息进行监视。接收站提供的信息会根据方法的实施而变化,尽管提供信息的例子包括正确传递单元或不正确(破坏)传递单元的标识符或二者兼有。发射站进行的监视也可以包括没有从接收站收到给定的第一信息单元的监视信息的情况,这被解释为表示第一信息单元的正确接收没有出现。
该方法可以结合上述前向纠错(FEC)技术使用。在这种情况下,如果所发的第一信息单元的内容可以在接收站被FEC技术恢复,就没有必要发送没有正确接收的(破坏的)第一信息单元所关联的第二信息单元。监视步骤优选地恰当提供这种可能性,例如通过接收站不提供启动第二信息单元发送的信息来实现。
优选地选择第一电平为最低电平,对应于失败传输以及有关的第二信息单元的随后传输的最大可允许概率。
根据本发明的第二方面,提供了一种数字无线通信系统,包括至少一个发射机,具有在第一电平发第一信息单元的装置;至少一个接收机,具有接收所发的信息单元的装置;控制发射机输出功率的控制装置;以及监视所发单元是否在接收机正确接收的监视装置,其中发射装置针对监视装置没有表示已经正确接收的第一信息单元,发射与第一信息单元有关的第二信息单元,第二信息单元用比第一电平高的第二电平发射,第二电平由控制装置选择,而且其中第二信息单元允许建立第一信息单元的内容。在这种情况下,可以使控制装置响应监视装置。
根据本发明的第三方面,提供了一种发射机站,将业务信息数字无线传输到接收机,所述发射机站具有在第一电平发第一信息单元的发射机;控制了发射机输出功率的控制装置;以及监视接收机是否正确接收了所发单元的监视装置,其中发射机针对监视装置没有表示已经正确接收的第一信息单元,发射与第一信息单元有关的第二信息单元,第二信息单元用比第一电平高的第二电平发射,第二电平由控制装置选择,而且其中第二信息单元允许建立第一信息单元的内容。在这种情况下,可以使控制装置响应监视装置。
优选地,系统的控制装置或发射站选择第一电平控制发射机的平均功耗,这样考虑到第一电平和第二电平针对第二信息单元的随后发送概率维持最小的平均功耗。当功率是通过电池这样的耗尽型电源提供时这样会特别有好处。或者可以针对出现第二信息单元传输的可允许最大概率设置第一电平以便维持最小平均功耗
现在将通过例子并参考附图描述发明。
图1是使用至少一条无线通信链路的典型蜂窝移动无线电话通信系统的示意表示。
图2是图1系统的发射机级中的组成单元的示意表示。
图3说明典型已知的自动重发请求(ARQ)差错控制方案的操作。
图4说明实现根据本发明的差错控制方案的操作。
参考图1,蜂窝移动无线电话系统形式的通信系统1包括交换中心10,如果需要的话被连接到公共交换电话网(PSTN)和其它数据网。交换中心一般是多个交换中心中的一个,很多基站20连接到每个交换中心。基站20的主要功能是与移动电话这样的终端40建立无线链路30,并因此允许移动终端40和系统其余部分之间的通信。尽管系统使用无线链路,但是本发明也涉及在不一定于电磁频谱的射频部分上工作的其它类型链路上发送信息,而且这里提到“无线”链路只是作为例子。每个基站20通常能够支持多条这样的链路30,因此也能支持多个移动终端40。基站20和终端40各具有建立链路30所用的无线发射和接收装置。假设无线链路30是数字的,而且可以使用诸如时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)这样的技术。
在使用中,在基站20和终端40之间建立的链路30的质量会变化很大,而且系统必须能够容忍波动的链路质量。当交换数字信息时,如在本例中,会导致数字信息的不正确接收。可以使用诸如前向纠错(FEC)这样的纠错技术,可以从不正确接收信息中恢复正确信息。当链路30质量恶化时,更多的FEC技术也不足以恢复正确信息,在这种情况下没有别的办法只能启动不正确接收信息的进一步传输。这些进一步的传输可以采取各种形式,尽管如前面所述有一种实现是使用ARQ方案。在每种情况下,不管选择何种方案,进一步的传输都可以认为是在某些方面上与(失败的)前面所发的第一信息单元关联的第二信息单元的传输。而且上面也提到(第二信息单元的)进一步传输可以包括信息的直接重传、仅一部分信息的(重)传、恰当FEC信息的传输、增强FEC信息的传输或它们的任何合理组合。但是,为了说明本发明,而且仅是为了举例,以下的特定描述涉及典型的ARQ方案,其中第二信息单元的传输实际上构成了(失败的)第一传输单元的重复传输。
信息的重传在没有用户干预的情况下进行,因此称为自动重发请求(ARQ)。仅作为了例子,典型的ARQ方案可以参考图3来理解,图3表示了所谓选择性RQ方案ARQ实现的帧序列(这里的一个帧是在本例的数据链路30上传递的一个信息单元)。这种已知方案在Addison-Sesley出版公司出版的Fred Halsall的出版物“DataCommunications,Computer Networks and OSI(数据通信,计算机网与OSI)”(第二版)的126-127页中有更详细的讨论。尽管信息通常在链路的两个方向上流动,但是图3表示的情况是信息从发方(S)到收方(R)、以N个信息帧I的形式发送。每个所发帧包含唯一的标识符,使发方S和收方R能够记住每个帧。发方和收方分别具有存储空间CS和CR,记录已经发送或接收的帧。例如当标为101的帧I(N)由发方S发送时,被记录在缓存器CS中。帧被连续发送,CS的内容构成(临时的)重发列表。收方R向S返回每个正确接收帧的确认ACK,并也在缓存器CR中记录正确接收帧的列表。当发方S从收方R收到表示特定帧已经正确接收的确认ACK时,发方S从缓存器CS中去掉与被确认帧对应的项。每个I帧被编码,以使收方R确定I帧没有被破坏。实现它的各种方式包括使用循环冗余校验(CRC)差错检查。现在进一步参考图3,假设标为102的帧I(N+1)在传输过程中被破坏,用交叉线表示。这会导致缺少I帧N+1的确认,而其它所示帧N、N+2、N+3…的确认ACK正常。发方S检测到帧N+1没有被确认,使发方S重发该帧,如103所示。根据ARQ方案的特定实现,可能会进行随后的重发,直到确认了帧的正确接收。
当多次重发出现时,可能会在某些系统中产生问题。首先,多次重发可能导致很大的时延。第二个问题出现在大消息的传递必须分解为多个帧的系统中。由于帧必须以正确顺序组装,消息才能被恢复,这会要求使用很大的缓存存储空间,临时存储接收乱序的帧。这种情况在上面的例子中说明,其中帧(N+1)在帧(N+4)发送之后重发,为了恢复原始消息,收方R必须缓存接收乱序的帧N+2、N+3和N+4。另外,亦或除了这个缓存以外,发射机可以缓存准备重发的帧。
在使用诸如同轴电缆这样的物理链路的数据通信系统中,信息的不正确传递通常是由寄生噪声或数据碰撞而引起的,在这种情况下数据的简单重传很可能在第一次尝试时就成功。但是,在无线通信链路情况下,例如移动终端40和基站20之间使用的链路,信息的不正确传输通常是由到达链路接收端的微弱信号而引起的。此外,这种信号强度由于工作环境的改变会不断变化,在这些情况下不正确接收信息的简单重传可能是不令人满意的。在这种情况下、同时根据本发明,必须重发的信息要用比原始发送该信息所用的发送功率大的发送功率在链路30上发送。在图4中说明这一点,图中沿着x轴表示与图3相同的帧传输序列,在y轴表示发送功率。帧以功率P1正常发射,而重发帧以功率PR发射。这就增加了重复信息重传时成功接收的概率,特别是在信号强度微弱或出现衰落的情况下。此外,第一次重传中产生的增加的成功通信可能性,导致在发射机及/或接收机中使用较小的缓存空间存储帧或帧列表。第一次重传中产生的增加的成功通信可能性,也可以导致发送信息时延缩短,当传输诸如视频或音频这样的实时信息时很有利。当发送传输时延超过预定时间就不被接受的其它类型信息时也会得到好处。重发帧(第二信息单元)的功率幅度(例如)可以处于比帧(第一信息单元)初次发送时使用的功率幅度高3dB的量级,尽管也可以选择其它幅度给出不同的相对功率,而且上述值不是为了限制本发明的范围。
图2表示电信系统1的基站20中发射机级的组成单元。发射机50用控制装置60管理的功率发送作为帧的信息单元。在本例中,控制装置60响应监视装置70。如上所述,发射机50将用比最初发送信息所用的发送功率高的发送功率输出重发信息。尽管发射机50、控制装置60以及监视装置70被一起表示为基站20中发射机级的组成单元,但是这并不表示对本发明的一种限制。例如,监视装置的位置可以远离发射机级。在一些情况下,监视装置可以处于无线链路的接收端。
上述方案使重发数据以增加的置信度成功传递,在希望信息应该在第一次重发尝试时成功传递的那些应用中,可以使用它。第一次传输尝试的发送电平可以在根据本发明工作的方法和系统中有所变化。例如希望选择这样的初始发送电平P1,使初次传输中的特定一部分很可能要求重传(以较高的电平)。第一次传输尝试发送电平的选择会影响重传的比例,并因此影响平均发送功率。降低初始发送功率会减小信息成功接收的比例。但是,通过使用低发送功率,发射机的功耗会降低。第一次尝试的发送功率可以用这种方式用于控制发射电路的平均功耗(当然必须考虑较高功率的发送),而且优选地维持最小的平均功耗。显然,某些应用会比其它应用更能容忍重发的出现,因此必须基于节省功率与出现重发的相对重要性建立一种平衡。确实,与选择较高电平初次发送因而减少重发次数相比,过度的重发会引起较大的平均功耗。本发明主要意图是用于业务流的传输,例如用户视频、语音、或文件数据,而且发送各种类型业务的要求是本领域技术人员已知的。发送功率的整体降低会减少功耗。当使用电池这样的耗尽型电源时特别有用。在某些实现中,为了节省功率及/或限制传输时延,希望在可允许的重发次数上加以限制。
这种节省功率特性也在图4中说明。信息最初以功率P1发送,低于不受益于本发明的系统中用于发送和重发的功率PK。正如将要注意到的,重发信息--此时为I帧(N+1)--以高于P1的功率PR重发。在这种情况下,PR也高于PK,尽管这并不是强制性的。整体功耗的降低可以用于提供很多好处,例如在电池供电设备情况下延长工作时间,使用更小更轻的电池或使用更经济的电池技术。
本发明可以考虑特定应用的要求而实现。在偶然传输错误可容忍的应用中,可以大大减少最初的发送功率,使功耗有较大的降低,这里依赖于这样的事实:成功传输可能是在重传中。在节省功耗必须与避免不必要的重传均衡的应用中,最初的发送功率不能降低到同样的程度。
尽管本发明是参考移动蜂窝无线电话系统描述的,但是其它应用包括无绳电话系统、无线LAN(例如Hyperlan)、以及诸如UMTS的未来一代移动通信。
基本方案上的变化可以包括仅当第一或多个初次重传尝试失败之后才增加重传功率,因此提供了降低功耗的更大范围。
基本方案的另一个变化是对重发超过一次的信息提供渐次的功率增加。这样进一步降低了由于多次重传而使不成功发送信息进一步增加时延的概率。在一些情况下,可能希望针对给定的初次传输,限制最大允许的重传尝试次数。
在本发明在信息的可靠通信以及降低功耗方面提供直接好处的同时,其它直接好处也可以通过正确实施本发明而享受到。较低的初次(因此也有平均)发送功率可以降低对其它传输的干扰。在蜂窝系统中会观察到这样的例子,表现为总同频干扰降低了(而且可能也会降低其它类型的干扰),因为高功率传输的持续时间相对短了。这样会产生对其它用户更低的干扰。
尽管本发明已经参考已知的ARQ方案进行了描述,但是并不意味着指明任何限制。正如所描述的,本发明主要被作为特殊的ARQ方案,其中信息通常是组成帧或分组的数字数据。在这样的情况下,发明可以被认为是自动重发请求差错控制方案,其中被认为没有成功传输的所发的数据帧或分组,被比最初发送数据帧或分组所用功率高的电平进一步发送所弥补。本发明也与这些技术一致:其中第一次和随后的传输或重传可以被结合以恢复信息。在这样的技术中,优选地使用一些类型的平均,而且在这样的情况下也可以优选地对较高功率发送的信息给出较大的“权重”。尽管本发明对无线链路最有用,但是原则上也可以在使用其它介质链路的系统中实施,例如同轴电缆、双绞线等等,尽管功耗问题在有线通信链路中一般不太重要。此外,尽管本发明参考使用从固定终端到便携终端传输的例子来描述,但是对本领域技术人员显然的是本发明不在应用中做这样的限制。即本发明可以用于通信链路任意方向或双向的信息传递,不管发射站及/或接收站是固定的还是移动的。对本领域技术人员同样显然的是:在双向通信系统中,发射站可以与接收站结合。
本领域技术人员从本揭示的阅读中可以明了其它的改进。这些改进可以包括系统和设备及其组成部件的设计、制造以及使用中已知的其它特性,这些特性可以用于替代或补充这里已经描述的特性。
Claims (11)
1.一种在发射站(20)和接收站(40)之间的无线数字通信链路(30)上传递组成单元的业务信息的方法包括如下步骤:
以第一电平发射第一信息单元;
监视所发的单元是否正确接收;
并且
当监视没有表示正确接收了第一信息单元时,以高于第一电平的第二电平发射与第一信息单元有关的第二信息单元,第二信息单元允许建立第一信息单元的内容。
2.根据权利要求1的方法,其中第二信息单元的内容与第一信息单元的内容相同。
3.根据权利要求1或2的方法,其中单元是数据帧或数据分组(101、102、103)。
4.根据权利要求1、2或3的方法,其中监视是由发射站(20)基于接收站(40)提供的信息而执行的。
5.根据权利要求1到4中任何一个的方法,其中选择的第一电平是对应于失败的第一信息单元传输以及随后的第二信息单元传输的最大可允许概率的最低电平。
6.一种数字无线通信系统(1),包括至少一个发射机(20),具有以第一电平发射第一信息单元(101、102)的装置(50);
至少一个接收机(40),具有接收所发信息单元的装置;
控制装置(60),控制发射机输出功率;
以及
监视装置(70),监视接收机是否正确接收了所发单元,
其中发射装置(50)针对监视装置(70)没有表示已经正确接收的第一信息单元(102),发射与第一信息单元(101、102)有关的第二信息单元(103),第二信息单元用比第一电平高的第二电平发射,第二电平由控制装置(60)选择,而且其中第二信息单元允许建立第一信息单元的内容。
7.一种发射机站(20),将业务信息数字无线传输到接收机(40),所述发射机站具有:
发射机(50),在第一电平发第一信息单元(101、102);
控制装置(60),控制发射机输出功率;以及
监视装置(70),监视接收机是否正确接收了所发单元,
其中发射机(50)针对监视装置(70)没有表示已经正确接收的第一信息单元(102),发射与第一信息单元(101、102)有关的第二信息单元(103),第二信息单元用比第一电平高的第二电平发射,第二电平由控制装置选择,而且其中第二信息单元允许建立第一信息单元的内容。
8.根据权利要求6或7的通信系统(1)或发射机站(20),其中第二信息单元的内容与第一信息单元的内容相同。
9.根据权利要求6的通信系统,其中系统(1)是蜂窝移动无线电话系统。
10.根据权利要求7的发射机站,其中发射机站(20)被用做蜂窝移动无线电话系统的组成单元。
11.根据权利要求6到10中任何一个的通信系统或发射站,其中控制装置(60)选择第一电平控制发射机(20、50)的平均功耗,以便考虑第一电平和第二电平针对第二信息单元的随后发送概率维持最小的平均功耗。
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