CN1296717A

CN1296717A - 非协调跳频蜂窝系统

Info

Publication number: CN1296717A
Application number: CN99804814A
Authority: CN
Inventors: J·哈尔特森
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1998-04-03
Filing date: 1999-04-01
Publication date: 2001-05-23
Anticipated expiration: 2019-04-01
Also published as: NO20004986L; BR9909397A; AU3857099A; MY133121A; AU751892B2; EP1068761B1; CA2327084C; WO1999052319A1; HK1037446A1; CA2327084A1; CN1147197C; ATE350867T1; JP2002511680A; NO20004986D0; US6473412B1; EE200000548A; EE04480B1; EP1068761A1; KR20010042423A; DE69934677D1

Abstract

一个非协调跳频蜂窝系统包括一个移动设备和一些基站。该移动设备确定有哪些基站位于由其位置所定义的地理区域内。该确定步骤是通过发送一个或多个查询消息并接收由应答基站发送的应答消息来执行的。然后,移动设备从该组基站中挑选一个基站来使用。每个基站都接收至少一个查询消息,并根据至少一个所接收到的消息向移动设备发送应答信息。移动设备由该应答信息确定同步信息并利用它建立同所选基站的通信。

Description

非协调跳频蜂窝系统

本发明有关跳频(FH)无线电系统。具体地，有关应用在一个多小区或蜂窝应用中的FH无线电系统，多小区或蜂窝应用中包括固定的基站和移动的便携式设备，它在移动的同时，从一个基站连接到其它基站。本发明使得即使在基站不能协同时，也能在基站间进行转接。

由于移动电话的广泛使用，蜂窝系统已被人们熟知并已达到了很高的成熟水平。蜂窝系统一般包含一个移动网络，其中有一些分布在计划好的基站，每个基站覆盖一个被称为小区的有限的区域。由于相邻小区部分重叠，一个便携式设备可以从一个小区移动到另一个小区，而不丢失同移动网络的联系。当便携式设备在一个呼叫期间移动时，根据它相对于基站的位置，将连接从一个基站转接到另一个基站。

为支持对网络的接入及转接功能，基站一般发送一个预定(已知)无线电信号，即所谓的控制信道或信标。控制信道向便携式设备表示该基站的存在。根据在便携式设备中接收到的控制信道的信号强度，可以在一个呼叫之前或一个呼叫期间判断该便携式设备应连接到哪个基站上。

控制信道是便携式设备很容易找到的固定信道。它们或是使用频分多址系统/时分多址系统中的一个专用频率和/或时隙，或是使用直接序列码分多址系统中的一个固定的扩展码。在所有这些情况下，控制信道所处的载波频率是固定的，但每个基站的控制信道所处的载波频率可以不同。便携式设备所要做的只是调谐到合适的载波频率并扫描这些信号，直到发现可解码信号。

在基于跳频CDMA的系统中，情况完全不同。在这些系统中，载波频率根据一个伪随机跳跃序列而周期性改变。于是，很难用一个FH系统来建造蜂窝系统，这是因为，便携式设备很难找到FH控制信道，尤其是在它不知道跳跃时序和跳跃频率时。过去，FH已被用于例如GSM的数字蜂窝系统中，以便通过分散干扰来提高容量；不过，在这些系统中，只有业务信道跳变，而控制信道不跳变。

如果基站间的跳频是协调的，则一个便携式设备在一个FH蜂窝系统中所做的查找工作可以相对地减少。在这种情况下，只要便携式设备已经与一个基站同步，则它只需作很小的努力就可以锁定到其它相邻基站上，条件是，这些基站的FH传输与当前基站是协调的。这样，在协调系统中，只有在便携式设备第一次进入该移动网络时，例如在便携式设备开机时，需要花费搜索工作。

不过，当无线电接口使用调节组织(例如U.S.的FCC或欧洲的ETSI)设定的某频率波段，规则和法规时，禁止基站的协调。未注册的2.4GHz处的工业/医疗/科学(ISM)波段就是一个例子。要使用该波段，无线电系统必须通过直接序列(DS)扩展，或通过跳频扩展，来扩展其信号。如以上所述，基于DS扩展的蜂窝系统很方便使用，因为固定的载波频率可被用于支持控制信道。不过，FH扩展在有未知干扰的环境中更强健，可以得到低费用的收发机实现。不幸的是，控制ISM波段的规则集不允许FH基站的协调。这阻碍了将该波段用于支持，例如，转接的多网络和蜂窝FH系统。

即便是使用了一个其中规则允许基站间的协调的无线电波段，但若要降低费用，还是不希望基站协调。用作对一个原有有线网络(例如PSTN，Ethernet，或任意其它的常规LAN)进行无线接入的接入点的基站，不能依赖有线线路上中继同步和协调信号。在这种情况下，需要一个专用网络来处理接入点所需的移动功能。这并不是一个好的方法。在推荐的方法中，一个接入点可被插入一个常规的有线中枢，而不需协调和同步信号。

于是，希望提供一个系统和方法，将跳频用于一个在非协同基站间执行转接的通信系统中。

于是，本发明的一个目的是提供一个非协同跳频蜂窝系统，一个用于非协同跳频系统中的移动设备，和该移动设备及该系统的工作方法。

按本发明的一个方面，一个移动设备确定有哪些基站位于由该移动设备的位置所确定的地理区域内。通过从移动设备发送一个或多个查询消息；并接收由响应基站发送的响应信息来进行该判断。然后，该移动设备确定一组位于该地理区域内的基站。然后，从这组基站中选择一个供移动设备使用。

按本发明的另一方面，非协同跳频系统中的基站接收至少一个查询消息，并根据该至少一个所接收的查询消息，向移动设备发送响应消息。

按本发明的另一个方面，该移动设备由该响应消息确定同步消息，并利用该同步消息建立同所选基站的通信。

按本发明的另一方面，确定哪些基站位于由移动设备的位置所定义的地理区域内的步骤，确定一组位于该地理区域内的基站的步骤，以及从该组基站中挑选一个供移动设备使用的基站的步骤，都是作为转接过程的一部分执行的。

按本发明的另一方面，移动设备由从至少一个基站接收的响应信息中确定同步消息；并利用该同步消息监测由所述至少一个基站发送的跳频信标。

按本发明的另一方面，非协同跳频系统中的至少一个基站发送跳频信标。

结合附图，通过以下具体描述，可以理解本发明的目的和优点。

图1描述了跳频通信系统中的两个设备间的寻呼过程；

图2描述了按本发明的一个方面的一个查询过程；

图3描述了一个常规的单小区系统，其中由基站的控制信道的范围确定一个固定小区；

图4描述了一个常规的多小区系统，其中，由每个基站的控制信道的范围确定固定的小区；

图5描述了一个按本发明的一个实例的单小区系统，其中，由移动设备的查询信号的范围确定一个浮动小区；

图6描述了按本发明的一个实例的一个多小区系统，其中，由移动设备查询信号的范围确定一个浮动小区；

图7示出了按本发明的一个方面，多小区环境中的一个移动设备的查询结果表的例子；

图8描述了按本发明的一个方面，在转接期间，信号在空中接口上的时序和方向的一个例子。

以下参照附图，介绍本发明的不同特点，其中，用相同的参考符号定义类似的部分。

此处描述的系统的一个推荐实例使用的是U.S.专利应用第08/685,069号(“Short-range radio communications system andmethod of use”,by P.W.Dent and J.C.Haartsan)，filed July23,1996，中所描述的FH无线空中接口，且所用的信道访问方法见U.S.Patent Application No.08/771,692，(“Access technique ofchannel hopping communications system,”by J.C.Haartsen andP.W.Dent)，filed December 23,1996。此处，引用U.S.PatentApplications 08/685,069和08/771,692以供参考。所讨论的空中接口描述了一个所谓的时分双工物理接口，其中收发机交替地进行发送和接收以支持一个双工链路。另外，按照一个伪随机跳频模式，每个时隙都是在一个不同的跳频上被发送的。该跳频模式是由参与该链路的设备之一的标识确定的。跳频模式中的相位是由同一设备本身的系统时钟确定的。在建立连接期间，从一个设备向其它设备传送该标识和时钟信息，从而，两个设备都能使用相同的跳频模式和相位，从而同步。

一个备用设备以规则间隔被唤醒，扫描寻呼消息。对每个新唤醒间隔来说，设备唤醒时的跳频是不同的，但在唤醒区间的持续时间内该跳频是恒定的。要连接到备用设备上的设备在大量不同的跳频顺序发送呼叫消息。它将首先在接近于它预期备用设备被唤醒时的频率上进行尝试。如果没有响应，则它将探索远离该预期频率的频率。该预期频率是从以前的连接或以前的查询过程中得到的。当两个设备连接起来时，它们将精确地了解对方的系统时钟。在断开连接之前，保存时钟偏差，以供下次呼叫尝试时使用。具体地，通过将偏差与本系统时钟相加，可以得到其它设备的时钟值。结合确定跳跃序列的标识符，两个设备可以快速连接起来。在断开连接之后，时钟估值的精度由时钟漂移确定。时钟漂移越大，不确定性越大，一个设备与其它设备连接所需时间越长。

现参照图1中的示例信令，一旦一个寻呼到达接收器(第101步)，则接收器返回一个确认(第103步)。一旦接收到该确认，则寻呼设备发送一条包含呼叫设备的识别码和系统时钟的消息(第105步)。一旦接收到该消息，接收器就利用该识别码和时钟值同呼叫设备同步并继续连接。在上述U.S.Patent Application 08/771,692中详细介绍了该访问过程。

下面，根据上述U.S.Patent Application 08/771,692中描述的访问过程，参照图2描述一个查询过程。查询过程在某些方面与呼叫过程类似，尽管它们之间还存在明显的区别。查询设备X1在所有跳频上顺序发送一个查询请求消息(第201步)。若该消息到达了一个接收器(例如，消息203和205都到达了各设备Y1或Y2)，则接收器(Y1，Y2)将开始一个回答过程，用包含接收器识别码和时钟的消息进行回答。这与呼叫过程相反，在呼叫过程中，是接收器接收包含呼叫者标识和时钟值的消息。在查询过程中，查询器X1接收到一些响应，这些响应原则上来自范围内的所有设备。在推荐实例中，包含有这样一个过程，即，禁止两个接收器同时进行发送，以免引起查询器X1的接收器处的冲突。一旦接收到第一个查询请求消息(例如，第203，205步)，则接收机在再次监听查询请求消息之前，等待一个随机的时间间隔。当接收机(即，Y1和/或Y2)在随机等待期间之后重新监听，并第二次接收到查询请求消息。(这次是在相应的跳频序列中的下一个序列)(第206,208步)时，则它直接用一个包含其识别码和时钟值的消息响应查询器X1(第207和/或209步)。由于等待时间是随机的，所以返回消息也是随机的，这减小了不同接收器的返回消息发生冲突的可能性。

现在，利用上面所提到的参考文献中和前面所描述的呼叫和查询的概念，构造一个单小区和多小区无线系统。图3中示出了一个常规单小区无线系统。它包含一个位于固定位置的基站BS1。该基站被连接到一个有线网络，例如一个PSTN或ISDN网络上(未示出)。为了向移动终端显示其存在，基站发送一个信标或控制信道。一个在该基站BS1的覆盖区域内漫游的终端(例如，移动设备MS1或MS2)周期性地扫描该信标。一旦在基站范围内，则它锁定该信标并“固定”在该小区上。

图4描述了多小区环境中的情况。基本上，使用同样的过程。多个基站(BS1,BS2,BS3,BS4,BS5)覆盖一个区域，每个基站都定义其自己的小区，如图4中的虚线所示。一个在该覆盖区域内漫游的终端扫描由该基站发送的信标或控制信道，并且一般固定在它所接收的基站信号最强的小区中。例如，移动终端MS2可能锁定在BS1中。另一个移动终端MS1在两个基站BS1和BS2的服务区内，于是，可以锁定在BS1或BS2中。假设所接收的BS1的信号比BS2的信号强，则移动终端MS1将选择锁定在BS1中。当与一个基站联系的终端移动到相邻基站的小区中时(例如，MS1从BS1的覆盖区域移动到BS2的覆盖区域中)，则当前基站BS1可以将连接转交给新的基站BS2。通常需要终端的交互以启动同新基站的接触。在此之前，该终端已经锁定在新基站的控制信道上。所以，在转接期间，该终端在一个很短的时间内锁定在两个基站上。

如在背景部分所介绍的，如果控制信道或信标在频域跳变，将会出现问题。在这种情况下，终端要作很大努力才能找到信标。利用以上所述的呼叫和查询技术，可以解决该问题。在本发明的另一个实例中，基站或者不发送任何东西，或者以一个非常低的占空度发送一个信标(该信标可被用于锁定或“暂停”低功率设备，也见于U.S.Provisional Application No.60/071,262,filed on January13,1998 and entitled“central multiple access control for FHradio net work”,by J.C.Haartsen and J.Elg，在此引入以供参考)。在这两种情况下，终端都是通过发送一个查询请求来寻找基站的。一旦从基站接收到查询请求消息，则终端将完全知道基站识别码和时序(例如，时钟值)，并能通过一个从终端到基站的呼叫迅速访问基站。当进行接触时，基站可以将它所支持的低占空比FH信标信道通知该终端，如果有的话。当不希望连接时，该终端可被释放并允许它返回空闲模式。若基站支持一个信标信道，则现在，该终端已经具备了在空闲模式中锁定到该信标上所需的全部知识。

图5示出了一个按本发明的示例单小区系统。来自终端MS1和MS2的查询消息的范围确定了该终端周围的“浮动”小区。所以在该情况下，不是由基站，而是由终端定义小区。由于在该例中有两个这样的浮动小区，所以最好称之为单基站系统，而不是单小区系统。如果一个基站位于该终端的小区内(例如，BS1，它位于分别由终端MS1和MS2定义的每个浮动小区中)，则它将响应一个查询消息。然后，终端(MS1，MS2)获得基站(BS1)的识别码和时钟。有了该信息，终端(MS1，MS2)就能快速地访问基站(BS1)了。如果基站BS1发送一个低占空比信标，则终端(MS1,MS2)也可跟随该信标并锁定到该基站上，如常规系统中那样。一个这种概念上的漫游终端周期性地发送一个查询消息。

按本发明的另一方面，一旦有一个来自合适基站的响应被返回，则该终端可以存储该基站识别码和时钟偏移以供后面使用，如果基站发送一个低占空比信标，则锁定该信标。如果未提供信标，则该终端必须周期性地重新发出查询消息以查看该基站是否仍在范围内。

在一个多基站环境中，如图6所示系统，在该终端范围内有不止一个基站。例如，终端MS1的浮动小区的覆盖区域内有三个基站(BS1,BS2,BS3)。从而，发送一个查询消息后，几个基站(实际上是该终端的浮动小区中的所有基站)将进行响应。该终端储存响应基站的所有识别码和所有时钟偏移。要指出的是，这些基站不必彼此协调或同步：只要基站和终端名义上有相同的时钟率，则偏移与一个本地时钟(即，该终端的时钟)一起，提供了终端能访问范围内的所有基站的足够的信息。

图7描述了存储在图6的示例终端MS1中的基站信息表的例子。基站BS1,BS2和BS3位于范围内，并给出了它们的识别码，时钟偏移和RSSI。基站BS4和BS5不在范围内，但在本例中，他们在以前的查询过程中作出过响应，所有终端MS1知道它们的存在，并从而存储有它们的识别码及时钟偏移值。这些基站BS4和BS5的当前RSSI值太低，所以不重要：基站BS4和BS5位于该终端的范围之外。

由于终端的移动，它必须周期性地重复查询过程以找出基站是否进入或离开终端网络。在基站不发送一个信标的例子中，终端必须在呼叫建立之前发布一个查询以根据所接收信号强度指示(RSSI)确定哪个基站最近。不过，如果基站发送一个低占空度FH信标，最好与2.4GHz ISM波段(举例)中所要求的不协调，则在发送信标的很短时间内，只要终端调谐到该波段，就可以监测每一个基站。随后，基站可以调整偏移(以校正时钟漂移)并监测RSSI。在建立呼叫时，终端可以挑选有最大RSSI的基站。

在一个已有的连接中，当需要从一个基站转接到另一个基站时，可以执行同一过程。当当前连接退化时，终端发布一个查询以找出其网络中新的和更好的基站。如果可以利用信标，则可在呼叫期间继续监测信标并给出一个指示，表明现在是否更适合连接到另一个基站。不过，查询消息的传输仍很重要，以便发现新的基站。

利用基于FH和时隙的空中接口，终端可以在查询并连接到另一个基站的同时，保持同一个当前基站的连接。在图8中举例说明了这一点。在这种情况下，通过每6个时隙交换一个前向和返回包，给出了一个双工业务连接。业务包用阴影矩形来表示。在不被用于话务的时隙，终端MS1(当前，它在该例中被连接到BS1上，例如，见第801,803,805和807的话务通信)，可以请求并监测其它基站。在当前情况下，MS1监测BS2；一接收到来自BS2的信标(第809步)，MS1就向BS2发送一个访问请求(第811步)(控制包是由阴影矩形表示的)。当MS1准备好时，从BS1向BS2转交业务连接。在这种情况下，BS2等待直到MS1准备好进行转接(例如在第813步)。转交之后，在MS1和BS2之前交换业务包(例如，第815,817,819,821步)。

总地来说，所述系统使用的基站要么根本不发送一个信标或控制信道，要么以一个极低的占空比发送一个FH信标。在基站(或视为进入便携式设备自身浮动网络范围内的那些基站)所覆盖区域内移动的便携式设备重复查询其周围环境的状态，以发现哪些基站在其范围之内，以及它们的状态怎样。在查询过程中，便携式设备获得有关其范围内的每个基站的跳频模式及该跳频模式中的相位的信息。在推荐实例中，跳频模式是基于基站的识别码的，跳频序列中的相位基于基站中的自运转时钟。如果便携式设备获得了基站的时钟并将其存储为它自身时钟的偏移，则只要便携式设备和基站的时钟同步运行，则它就可以与该基站保持同步。为校正时钟漂移，必须周期性地校正该时钟偏移。通过查询过程，便携式设备可以得到其范围内所有基站的地址和时钟偏移。基站自身间不需要协同；唯一的要求是，所有设备(便携式设备和基站)都使用同一标称时钟率。

若基站发送一个FH信标，则便携式设备可以使用在查询进程期间得到的同步信息，监测基站。然后，它一直调整时钟偏移以校正时钟漂移并可跟踪基站所接收的信号电平。若基站根本不发送信标，则需要更频繁地执行查询过程。

在有些方面，所描述概念可被认为是常规蜂窝系统中执行的逆动作。在蜂窝系统中，网络建立小区，基站的传输定义小区。按本发明系统小区是由便携式设备定义的，它找出哪个基站在范围内并出现在它自己的“浮动”小区中。于是，便携式设备有规律地发送一个信号以找出它的小区中的新基站。通过查询过程，便携式设备得知有多少基站出现在其浮动小区中，及它们所处的距离。如果基站发送一个(FH)信标，则便携式设备也可在查询过程中间监测基站。

在连接期间，应更频繁地执行查询和监测，以便在当前基站离开便携式设备的小区之前，及时执行转接。

这一概念的优点是：1)基站不必协同。2)由于基站不支持便携式设备要么不发送，要么以极低的占空比发送，所以它对容量的浪费很小且可以避免不必要的干扰。

参照特定实例，已经描述了本发明。不过，对本技术了解的人士可以理解到，可以用不同于前面所讲的推荐实例的形式实现本发明。这不脱离本发明精神。推荐实例只起到举例的作用，不应将本发明局限于此。在附加权利要求中给出了本发明范围，而不是前面所描述的，本发明的范围中包含了权利要求范围内的所有改动和等价形式。

Claims

1．一个用于非协调跳频蜂窝系统中的移动设备，该移动设备包括：

无线设备，用于确定哪些基站位于移动设备所定义的地理位置中，该无线设备包括：

发送一个或多个查询消息的设备；和

接收由应答基站发送的应答消息的设备；

用于确定一组位于地理区域内的基站的设备；和

用于从该组基站中挑选一个基站，供该移动设备使用的装置。

2．如权利要求1的移动设备，还包括：

用于由响应信息确定同步信道的装置；和

用于利用同步信息建立同所选基站的联系的装置。

3．如权利要求2的移动设备，其中，用于确定同步信息的设备确定一个时钟偏移值。

4．如权利要求3的移动设备，其中，用于确定同步信息的设备还确定所选基站的一个识别码。

5．如权利要求1的设备，还包括：

一种设备，用于由从至少一个基站接收的响应信息中确定同步信息；和

一种设备，用于利用同步信息监测由所述至少一个基站发送的跳频信标。

6．一个非协调跳频蜂窝系统，包括：

一个移动设备，包括：

无线设备，用于确定哪些基站位于由移动设备的位置定义的地理区域内，该无线设备包括：

用于发送一个或多个查询消息的设备；和

用于接收由响应基站发送的响应信息的设备；

用于确定位于该地理区域内的一组基站的设备；和

用于从该组基站中挑选一个基站以供移动设备使用的设备；和

一个或多个基站，每一个都包括：

用于接收至少一个查询消息的设备；和

响应于所接收的至少一个查询消息，向移动设备发送响应信息的设备。

7．如权利要求6的系统，其中：

移动设备还包括：

用于由响应信息确定同步信息的装置；和

用于利用该同步信息建立同所选基站的通信的装置。

8．如权利要求6的系统，其中：

至少一个基站还包括：

用于发送一个跳频信标的设备；和

移动设备还包括：

用于由来自所述至少基站之一的响应信息确定同步信息的装置；和

利用同步信息，监测所述基站之一发送的跳频信标的装置。

9．用于一个非协调跳频蜂窝系统中的移动设备的工作方法，该方法包括：

确定哪些基站位于由移动设备的位置所定义的地理区域内，其中确定步骤包括：

从移动设备发送一个或多个查询消息；

接收由响应基站发送的响应信息，

确定位于该地理区域内的一组基站；和

从该组基站中挑选一个基站供移动设备使用。

10．如权利要求9的方法，还包括以下步骤：

由响应信息确定同步信息；并

利用同步信息建立同所选基站的通信。

11．如权利要求9的方法，其中的确定步骤是作为转接过程的一部分被执行的，该步骤确定有哪些基站位于由移动设备的位置所定义的地理区域内，并确定一组在该区域内的基站；从该组基站中挑选一个基站供移动设备使用。

12．如权利要求9的方法，还包括下面步骤：

由从至少基站之一接收的响应信息确定同步信息；并

利用该同步信息监测由所述至少基站之一发送的跳频信标。

13．一个非协调跳频蜂窝系统的工作方法，该方法包括以下步骤：

在一个移动设备中；

确定哪个基站位于由移动设备的位置定义的地理区域中，该确定步骤是这样执行的；

发送一个或多个查询消息；并

接收由应答基站发送的应答信息；确定一组位于该地理区域内的基站；从该组基站中挑选一个基站供移动设备使用；及

在一个或多个基站的每一个中；

接收至少一个查询消息；并

根据所接收的至少一个查询消息，向移动设备发送响应信息。

14．如权利要求13的方法，其中：

移动设备还执行以下步骤：

由响应信息确定同步信息；并

利用同步信息建立同所选基站的通信。

15．如权利要求13的方法，其中：

至少一个基站还执行以下步骤：

发送一个跳频信标；及

移动设备还执行以下步骤：

由从至少一个基站接收的应答信息确定同步信息；并

利用该同步信息监测由所述至少一个基站发送的跳频信标。