CN1514654A - 基于时分多址蜂窝通信系统的小区扩展 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信系统无线覆盖技术，特别是一种基于时分多址蜂窝通信系统的小区扩展，该方法能允许移动台工作在相对于基站扩展的小区内，因而能有效地增加小区的覆盖半径而不会减少可用的信道数。在本发明中，上行链路时隙与下行链路时隙之间的相对时间与常规传播方式一样，基站收到的35公里以外的移动台发来的信息就会落在相邻两个时隙上。采用本发明改进的基站设备能够根据系统要求处理的覆盖范围，智能地接收远距离移动台发射的信息。这样基站对应每个信道所接收的上行链路较常规来说，起始点完全一样，不需再增加偏移，只是比特数量与小区的覆盖范围有关，另外结合时间提前量调整算法，可使一个工作在扩展小区下的载频能容纳八个业务信道。

Description

基于时分多址蜂窝通信系统的小区扩展

技术领域

本发明涉及基于时分多址蜂窝通信系统无线覆盖技术，特别是一种扩展基于时分多址蜂窝通信系统无线覆盖范围的方法，使得处于常规覆盖范围外的移动台也能正常工作。

背景技术

目前，世界上采用时分多址的数字蜂窝移动通信系统主要有三种：GSM、D-AMPS和JDC，其中尤以GSM系统应用最为广泛。

下面将以采用时分多址技术的GSM系统作为参考来描述本发明，当然对于某些其它类型的基于时分多址的蜂窝通信系统也同样适用。

GSM系统的网络结构如图-1所示。GSM是一个庞大、复杂的系统，从结构上来看主要包含3个主体：交换子系统、基站子系统以及操作维护子系统。

交换子系统主要完成GSM系统的交换功能以及与用户有关的功能，如移动性管理、安全性管理，它对GSM移动用户之间的通信和GSM移动用户与其它通信网用户之间通信起着管理作用。

交换子系统分为五个功能单元：移动业务交换中心(MSC)、归属位置寄存器(HLR)、拜访位置寄存器(VLR)、鉴权中心(AUC)和设备识别寄存器(EIR)。

基站子系统完成所有与无线相关的功能。它在GSM网络的固定部分和无线部分之间提供中继，一方面通过无线接口直接与移动台实现通信连接，另一方面又连接到网络端的移动交换机。基站子系统由基站控制器(BSC)和基站收发信台(BTS)组成，一个移动业务交换中心(MSC)服务于多个基站控制器(BSC)，一组基站收发信台(BTS)由一个基站控制器(BSC)控制。

操作维护子系统提供一个监控整个网络的平台，它连接到交换子系统和基站子系统中所有设备，其目的是为客户提供一个性价比较高的集中化、区域化、本地化的操作和维护支持。

从图-1中不难看出，基站收发信台(BTS)受控于基站控制器(BSC)，服务于网络中的一个小区，处理所有与移动台的无线接口，实现基站控制器(BSC)与移动业务交换中心(MSC)之间的无线传输及相关的控制功能。

本发明专利与其中的基站子系统有关。

随着蜂窝通信网络的普及以及人民生活水平的提高，在广大的农村和沿海区域，使用移动电话的人也逐渐地多起来了。作为蜂窝通信系统的运营商，在完善人口密集的城市区域的覆盖的同时，也在逐渐地将其业义务拓展到收益较低的人口不密集地区和海岸区域，因此，能有一个所需设备较少且覆盖较大范围的蜂窝系统是最好不过的了，能实现上述目的的一种方法就是采用相对较大的蜂窝小区。

在数字移动通信网络中，一个载频的无线接口首先分成许多帧，每一个帧又再分为许多时隙，一般情况下，一个时隙承载一个连接，另一方面，由于移动台和基站收发信台之间的距离引入了传播延时，该延时与距离成正比。

为了防止与同一基站通信的不同的移动台的相邻时隙因距离不同而相互重叠，需要基站子系统为每个移动台发送指配的时隙和时间提前量(TA)，后一参数的目的是补偿空间传播延时。在GSM系统中，这种时间间隔的编码方案结合其特定的时分多址帧结构，决定了最大的小区半径为大约35公里。

在时分多址系统中，移动台能共享一个载波是因为每个信号被分成了帧，每个帧又分为几个时隙，移动台依据其工作方式可被分配一个或几个时隙。对于GSM而言，每个载波信号分成包含八个时隙的帧，如图-2所示。从基站到移动台发射的载波信号称为下行链路(DL：Downlink)，从移动台到基站发射的载波信号称为上行链路(UL：Uplink)。

如图-2所示的常规传播模式，每个信道只占用一个上行时隙和一个下行时隙，因此一帧可容纳八个业务信道；在这种模式下，移动台工作在距离基站较近的范围内，一般小于35公里。

当移动台超过上述范围后，它将不能被进一步提前其定时，此时基站收到的移动台的信息将会落在两个连续的时隙中，从而无法为基站相关识别，这就产生了传统的扩展传播模式。如图-3所示，由于较长的时隙能容忍较长的传播延时，因而小区有效半径得到了扩展。在该模式下，由于每个移动台的上行信道占用了相邻两个时隙，使得每个载频只能承载四个扩展信道，如图-3中的0、2、4和6。

能否将上述两种传播模式有机地组合在一起，使得一个载频既能工作在扩展传播模式下，又能承载8个业务信道，事实上这是可能的。图-4所示为Roland Stig Bodin等人提出的发明专利《CELL EXTENSION IN ACELLULAR TELEPHONE SYSTEM》，该专利(下面简称R专利)通过在上行链路传输时隙与下行链路传输时隙之间增加额外固定的偏移，再配合定时调节，移动台能工作在扩展小区中而没有任何容量损失。

但是R专利存在以下不足，处于超大小区工作模式下的收发信机，其覆盖区域是一个环，如图8所示，为了实现远距离移动台的接入，可取的方法是采用传统的双时隙来作为小区的接入信道，这就增加了系统的复杂性。

发明内容

本发明的目的是通过另一种方法扩展基站的覆盖范围且不以牺牲业务信道为代价，同时克服了R专利的不足。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种基于时分多址蜂窝通信系统的小区扩展，其方法包括如下步骤：

一、根据运营商的覆盖需求确定小区的覆盖半径；

二、操作维护中心配置基站控制器、站点和收发信机的无线参数；

三、基站侧的操作维护单元接收来自基站控制器的参数配置，并将相关参数发送到各个收发信机；

四、各收发信机根据配置的参数信息确定本载频的上行信道接收窗口的无线比特数；

五、同时，配置各种无线参数包括接收窗口大小的参数，进入相应运行模式。

所述的蜂窝通信系统的小区扩展，其所述无线参数包括：绝对频道号、信道类型及系统消息、静态功率等级、动态功率控制、DTX方式、接入范围(TA)、接入电平、小区重选等参数。

所述的蜂窝通信系统的小区扩展，其所述配置各种无线参数，对于BCCH载波，就会进行系统参数的配置，移动台的接入；对于业务载波，即能完成远近移动台的语音编辑或数据解码功能等。

所述的蜂窝通信系统的小区扩展，其所述每个信道接收的无线比特数为：

      τ＝N_TS+N_TA-N_OL

其中

N_TS：为时隙包含的无线比特数；

N_TA：为对应的小区覆盖半径最小时间提前量；

N_OL：为同心圆小区内圆与外环重叠部分。

所述的蜂窝通信系统的小区扩展，其所述每个信道接收的无线比特数，较常规系统多，数量与小区的覆盖范围有关，随着小区覆盖半径的增大，接收的比特数也相应增多。

所述的蜂窝通信系统的小区扩展，其上行链路发射的时隙类似传统的扩展小区，但落在两个相邻的时隙内。

所述的蜂窝通信系统的小区扩展，它不仅可以同时承载八个远距离的业务信道，也可以同时承载八个近距离的业务信道。

所述的蜂窝通信系统的小区扩展，其采用本发明改进的基站设备，能够根据系统要求处理的覆盖范围，智能地接收远距离移动台发射的信息。

本发明提供的这种改进的基于时分多址的蜂窝移动通信系统，能允许移动台工作在相对于基站扩展的小区内，因而能有效地增加小区的覆盖半径而不会减少可用的信道数。在本发明中，上行链路时隙与下行链路时隙之间的相对时间与常规传播方式一样，对于GSM系统而言，为3个时隙，这样基站收到的35公里以外的移动台发来的信息就会落在相邻两个时隙上。为了克服图-3双时隙带来的容量缺陷，采用本发明改进的基站设备能够根据系统要求处理的覆盖范围智能地接收远距离移动台发射的信息。

这样基站对应每个信道所接收的上行链路较常规来说，起始点完全一样，不需再增加偏移，只是比特数量与小区的覆盖范围有关，另外结合时间提前量调整算法，可使一个工作在扩展小区下的载频能容纳八个业务信道。

附图说明

图-1是GSM系统的网络结构示意图；

图-2是GSM系统工作在常规传播方式下的上下行链路时隙图；

图-3是GSM系统工作在传统的扩展传播方式下的上下行链路时隙图；

图-4是R专利描述的GSM系统工作在扩展传播方式下的上下行链路时隙图；

图-5是本发明描述的一GSM系统工作在扩展传播方式下的上下行链路时隙图；

图-6是GSM系统工作在常规传播方式下的覆盖区域图；

图-7是GSM系统工作在扩展传播方式下的覆盖区域图；

图-8是GSM系统工作在R专利描述的扩展传播方式下的覆盖区域图；

图-9是GSM系统工作在本发明描述的扩展传播方式下的覆盖区域图。

图-10是本发明基于时分多址蜂窝通信系统的小区扩展工作流程图。

具体实施方式

本发明适用于采用时分多址技术的数字蜂窝通信系统，在这类系统中，每个载波信号分成由多个时隙构成的帧，如GSM系统，一帧由八个时隙组成，每个时隙为(6×8×156.25)/13≈577(us)。另外本发明针对的是宽阔地域具有良好覆盖范围的地区，如乡村，草原，沿海地区等，特别是覆盖区域大于35公里的区域。

在蜂窝通信系统中，基站通过下行链路与移动台联系，移动台通过上行链路与基站联系，在基站与移动台通信期间，信道主要分为两类：一是接入信道，用于向基站发送建立一个通信连接所需的控制信息，另一个是业务信道，用于传输语音或数据。基站通过分析接入突发脉冲的序列，就能确定移动台的远近。

正如前面描述的，传统的扩展传播方式在于采用基站存储两个连续时隙的方法扩展小区的覆盖范围，但该技术缺陷也使得基站管理移动台的数量减少了一半，如图-3所示。

图-4为R专利提出的小区扩展方法，它通过在基站侧增加时间偏移来改变上行链路的时分多址帧结构来达到目的。这种时隙参考的延时允许来自远距离的移动台发射的突发脉冲落在正确的时隙中，从而使得一个载频仍能处理八个信道。

本发明是在结合常规传播方式和传统的扩展传播方式的基础上，在不改变或很少改变基站基带处理部分硬件系统的基础上，既能实现单载波处理八个远距离移动台，也能处理八个近距离移动台。本发明的时分多址帧结构示于图-5中，在该图中，下行链路发射的时隙象常规的GSM系统那样，标识为0～7，上行链路发射的时隙类似传统的扩展小区，落在两个相邻的时隙，如图-5中阴影部分，也标识为0～7，与下行一一对应。与图-4处理所不同的是，本发明接收每个上行采样数据的起始点与常规GSM系统一样，都是从基站侧偏移三个时隙位置开始，只不过接收的无线比特数较常规系统多(N_TA-N_OL)，该值由基带处理器根据系统配置的工作模式即小区的覆盖范围决定，随着小区覆盖半径的增大，接收的比特数也相应增多，对接收缓存的容量也随之提高。

每个信道所接收的无线比特τ由下式计算：

            τ＝N_TS+N_TA-N_OL

其中

N_TS：为时隙包含的无线比特数；

N_TA：为对应的小区覆盖半径最小时间提前量；

N_OL：为同心圆小区内圆与外环重叠部分。

见图-9阴影环形部分，为同心圆小区内圆与外环重叠部分，换句话说，处在该区域内的移动台请求的业务信道既可被分配给常规载频，也可被分配给扩展载频，在网络规划时，为了达到无缝覆盖的目的，设定此区域，以防处在该区域的移动台频繁切换。

根据上式，如常规小区N_TA＝0，覆盖半径从35到70公里N_TA＝63公里。

本发明对于接入信道的处理与以前基本类似。当处于35公里之内的移动台接入系统时，在没有任何时间提前的情况下，接入突发脉冲也会在接入信道发射上。当移动台在35公里之外接入系统时，接入突发脉冲将会滑落在当前接入信道和后面一个信道上，因此对于BCCH载波，本发明至少占有两个时隙用于远距离移动台的接入，即图-5中上行时隙的7和0信道，这样，对于BCCH载波，可用的扩展业务信道最多为6个。

在本发明中，当基站侧搜索的窗口为τ(N_TS+N_TA-N_OL)比特时，如图-5中阴影部分，测量的接入延时用于确定当前的呼叫是请求建立一个普通的信道还是远距离的信道，其相关分析方法与常规传播方式下完全一样，只不过搜索的窗口不同而已；另外由于本专利中相邻的上行时隙在基站侧由于接收窗口的扩大而发生交叠，这可以通过基站信道处理器解调算法加以定位，从而确定有用时隙窗口的位置，还需说明的是，这种交叠只是对于接收窗口而言，而实际的空中无线链路是不存在这种情况的。

图-6到图-8描述的几种蜂窝系统在不同传播方式下的小区覆盖情况。图-6说明的是常规蜂窝系统的小区覆盖范围，它是一个半径为R1的圆，对于GSM系统其为35公里。

图-7描述的是传统扩展方式下的小区覆盖区域，由于牺牲了一半的信道数，基站侧允许由移动台发射的突发脉冲落在两个时隙的范围内，从而使得小区的覆盖半径由常规的R1扩展到R2，也即由35公里扩展到大约70公里。

R发明的覆盖区域如图-8所示，是一个半径为R3的环，随着偏移的增大，这个环的半径也随之增大。

本发明覆盖区域如图-9所示，是一个圆，其半径为R5，且随着窗口的增加，系统的覆盖半径也随之增加。

与R发明相比，本发明较之有以下几点不同：

1.本发明的上下行时隙偏移与常规一样，都是三个时隙，唯一的改变是增大每个上行时隙接收窗口，而R发明的上下行时隙偏移为三个时隙加一个规定的偏移。

2.本发明不仅仅能接入处于扩展区域的的移动台，如图-9中的MS1，也能接入近距离的移动台，如图中的MS2；较之R发明通常采取传统的双时隙方式作为扩展区域的移动台的接入信道，本发明显然更为简洁。

3.结合定时调节算法，采用本发明实现小区扩展的收发信机，它不仅可以同时承载八个远距离的业务信道，也可以同时承载八个近距离的业务信道，较R发明只能承载八个远距离的业务信道更为灵活，这是本发明最突出的优点。

本发明基于时分多址蜂窝通信系统的小区扩展，其方法包括如下步骤：

1.根据运营商的覆盖需求确定小区的覆盖半径；

2.在操作维护中心配置基站控制器、站点和收发信机的无线参数；

3.基站侧的操作维护单元接收来自基站控制器的参数配置，并将相关参数发送到各个收发信机；

4.收发信机根据配置的参数信息确定本载频的上行信道接收窗口(N_TS+N_TA-N_OL)；

5.配置各种参数包括接收窗口大小的参数，进入相应运行模式，对于BCCH载波，就会进行系统参数的广播，移动台的接入；对于业务载波，即能完成远近移动台的语音编辑或数据解码功能等。

这里的无线参数包括：绝对频道号、信道类型及系统消息、静态功率等级、动态功率控制、DTX方式、接入范围(TA)、接入电平、小区重选等参数等；当然，为了实现超远覆盖，在下行方向必须增大基站的发射功率，在上行方向提高接收增益，另外由于地球曲率的影响，基站天线的架设高度也是一个不可忽视的因素。

本发明基于时分多址蜂窝通信系统的小区扩展，其工作流程如图10。

Claims (8)

1、一种基于时分多址蜂窝通信系统的小区扩展，其特征在于，其方法包括如下步骤：

1)根据运营商的覆盖需求确定小区的覆盖半径；

2)操作维护中心配置基站控制器、站点和收发信机的无线参数；

3)基站侧的操作维护单元接收来自基站控制器的参数配置，并将相关参数发送到各个收发信机；

4)各收发信机根据配置的参数信息确定本载频的上行信道接收窗口的无线比特数；

5)同时，配置各种无线参数包括接收窗口大小的参数，进入相应运行模式。

2、如权利要求1所述的蜂窝通信系统的小区扩展，其特征在于，所述无线参数包括：绝对频道号、信道类型及系统消息、静态功率等级、动态功率控制、DTX方式、接入范围(TA)、接入电平、小区重选等参数。

3、如权利要求1所述的蜂窝通信系统的小区扩展，其特征在于，所述配置各种无线参数，对于BCCH载波，就会进行系统参数的配置，移动台的接入；对于业务载波，即能完成远近移动台的语音编辑或数据解码功能等。

4、如权利要求1所述的蜂窝通信系统的小区扩展，其特征在于，所述每个信道接收的无线比特数为：

         τ＝N_TS+N_TA-N_OL

其中

N_TS：为时隙包含的无线比特数；

N_TA：为对应的小区覆盖半径最小时间提前量；

N_OL：为同心圆小区内圆与外环重叠部分。

5、如权利要求1或4所述的蜂窝通信系统的小区扩展，其特征在于，所述每个信道接收的无线比特数，较常规系统多，数量与小区的覆盖范围有关，随着小区覆盖半径的增大，接收的比特数也相应增多。

6、如权利要求1所述的蜂窝通信系统的小区扩展，其特征在于，其上行链路发射的时隙类似传统的扩展小区，但落在两个相邻的时隙内。

7、如权利要求1所述的蜂窝通信系统的小区扩展，其特征在于，它不仅可以同时承载八个远距离的业务信道，也可以同时承载八个近距离的业务信道。

8、如权利要求1所述的蜂窝通信系统的小区扩展，其特征在于，采用本发明改进的基站设备，能够根据系统要求处理的覆盖范围，智能地接收远距离移动台发射的信息。

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