CN1080974C - 移动电信系统中越区切换的控制和移动站发射功率的控制 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于控制移动站(MS)的发射功率并在移动电信系统中进行越局切换的方法和配置，其中数据通过移动站和基站(BTS)间的无线电通路在连续帧的时隙中以短脉冲串的形式发射。对高速数据发射，每帧可至少给移动站分配两个时隙。移动站在分配给移动站的每个时隙测量接收信号的特性，如信号电平和/或质量，固定无线电网络根据两个或更多时隙测量结果的组合，或根据最差时隙的测量结果控制移动站的发射功率和/或作出转换决定。

Description

移动电信系统中越区切换的控制 和移动站发射功率的控制
本发明涉及用于移动站功率控制和在移动电信系统中进行越区切换的方法和配置，其中数据通过固定无线电网络的移动站和基站间的无线电通路在连续帧的时隙中以短脉冲串的形式发射。
时分多址联接(TDMA)型移动电信系统中，无线电通路中的时分通信发生在各由几个时隙构成的连续帧中。在每个时隙中，一个短信息包以有限持续时间的射频短脉冲串形式发送，短脉冲串由若干调制位构成。通常，时隙用于控制信道和业务信道发送。在业务信道上发送语音和数据。在控制信道上实现基站和移动的用户站间的信令传输。泛欧移动系统GSM(全球移通信系统)是TD-MA无线电系统的一个例子。
对常规TDMA系统中的通信，每个移动站被指定一个业务信道  时隙，用于数据或语音的发送。这样，GSM系统(例如)可在同样的载波频率上同时实现多达八个与不同移动站的连接。根据所用带宽和信道编码及纠错在业务信道上的最大数据传输率被限制到相当低的水平，如在GSM系统中限于9.6kbit/s或12kbit/s。此外，在GSM系统中，可对较低的语音编码速度选择半速业务信道(最大4.8kbit/s)。当移动站只在每隔一帧的特定时隙中(换句话说以半速)进行通信时，就形成了半速业务信道。一个第二移动站每隔一帧在相同时隙进行通信。这就是对用户数而言系统容量如何加倍的原因，换句话说，在相同载波上可达到多达16个移动站同时通信。
在近几年，对移动通信网的高速数据服务的需求显著增加。例如，采用综合业务数字网(ISDN)电路交换的数字数据服务需要至少64kbit/s的数据传输率。公用电话网的公共交换电话网(PSTN)数据服务(如调制解调器G3类用户传真终端)要求更快的传输速率，如14.4kbit/s。一个正在增长的要求更高传输速率的移动数据传输领域是移动视频业务。通过摄像机进行安全控制和视频数据库可作为这种服务的例子。视频传输的最小数据传输率可为(如)16或32kbit/s。
然而，现在的移动通信网的数据传输率不足以满足这种新需要。
本发明的一个目的是实现移动通信网中更高的数据传输率。
本发明另一目的是实现与高速数据发射相关的移动站的越区切换和功率控制。
这个目的通过控制移动通信系统中移动站的功率的方法实现，该方法包括通过固定无线电网络的移动站和基站间的无线电通路在连续帧的时隙中以短脉冲串的形式发送数据，并在每帧给移动站分配至少两个时隙用于高速数据发送，其方法包括：
在分配给移动站的每个时隙测量在移动站所接收信号的特性，如信号电平和/或质量，
根据两个或更多时隙测量结果的组合或根据最差时隙的测量结果控制移动站的发射功率。
本发明还涉及在移动电信系统中越区切换的方法，该方法包括通过固定无线电网络的移动站和基站间的无线电通在连续帧的时隙中以短脉冲串的形式发射数据，和在每帧中为移动站分配至少两个时隙用于高速数据发送，其方法包括：
在分配给移动站的每个时隙测量在移动站所接收信号的特性，如信号电平和/或质量，
根据两个或更多时隙测量结果的组合，或根据最差时隙的测量结果作越区切换的决定。
本发明还涉及移动电信系统中越区切换的方法，所述方法包括通过固定无线电网络的移动站和基站间的无线电通路在连续帧的时隙中以短脉冲串的形式发送数据，并在每帧给移动站分配至少两个时隙用于高速数据发送。所述方法包括：
测量在分配给移动站的每个时隙所接收的信号的特性，如信号电平和/或质量，
根据两个或更多时隙测量结果的组合或根据最差时隙的测量结果控制移动站的发射功率和/或作出越区切换决定。
本发明涉及移动电信系统中移动站的控制配置。所述系统中，通过固定无线电网络的移动站和基站间的无线电通路在连续帧的时隙中以短脉冲串的形式发送数据，并在每帧给移动站分配至少两个时隙用于高速数据发送。所述配置包括设置移动站用来测量在分配给移动站的每个时隙所接收的信号的特性，如信号电平和/或质量，还包括设置固定无线电网络用来根据两个或更多时隙测量结果的组合或根据最差时隙的测量结果控制移动站的发射功率和/或作出越区切换决定。
本发明采用所谓多时隙技术以便移动站在每帧可获得两个或更多个时隙。通过无线电通路发射的高速数据信号被分成所需数目的低速数据信号，每个数据信号在相应的时隙中以短脉冲串的形式发送。低速数据信号通过无线电通路被分别发射后，在接收端又被组合成初始的高速信号。这就是如何根据分配两个、三个或更多时隙给一用户使用，将数据传输率加倍、增至三倍等的方法。例如，在GSM系统中，两个时隙将使数据传输速率成为2X9.6kbit/s，其对速率为14.4kbit/s的调制解调器或用户传真终端来说足够了。六个时隙将使数据传输速率达64kbit/s。
根据本发明所述的多时隙技术，高速数据信号在一帧内的几个时隙中以几个短脉冲串的形式被发射，该方法与另一种方法相比有许多优点。在另一方法中，移动站在同一帧中也被分配给几个时隙用于数据发送，但整个数据信号是以在所分配时隙时间内持续的一个脉冲串。在本发明中，不需要改变物理传输通路(无线电通路，如GSM的第一层)的其它重要特性，如频率划分，帧格式和时隙排列，数据传输率，纠错，调制，TDMA短脉冲串格式，误码率(BER)，等。换句话说，通过本发明可采用单一的物理传输通路结构支持无线电系统中不同的用户数据发送速率。因此，也就不需要用户终端支持几种物理传输通路结构。
本发明的多时隙技术使得分配给移动站的每个时隙即业务信道可作为独立于测量、测量报告的发射和功率控制的业务信道来处理。每个业务信道是被独立测量的。在本发明的第一实施例中，可通过将一单独的并行控制信道与每个业务信道时隙相联系实现对每个时隙独立的功率控制和测量结果报告。这一点很有利，因为信号质量在不同时隙可由于例如不同的干扰情况而显著变化。通过分开的功率控制，可获得就所用功率和所接收信号的质量而言更好的多时隙系统。发射功率的优化意味着较低的平均发射功率，这导致较长的电池寿命。系统中的平均干扰电平也被降低，从而使系统容量更高。
在本发明的第二实施例中，所有的时隙有自己的控制信道，通过该信道发射测量报告，但对每个信道的功率控制只通过从固定网络到移动站方向的单一控制信道进行。
系统性能的类似改进(尽管不太重要)通过对分配给移动站的所有时隙采用一公用的并行控制信道来获得，以便所有时隙测量结果的组合(如平均值)通过公用控制信道发射给固定无线电网络。固定无线电网络通过同一公用控制信道控制移动站的发射功率。
如果指定给移动站的每个时隙根据本发明所述被独立测量，并且越区切换决定是根据测量结果的组合(如平均值)或根据最差时隙的测量结果作出的，越区切换决定的可靠性在多时隙系统中也可得到改进。
如果相邻时隙被采用，实施起来尤其简单。因而，实现帧的其余部分的各种测量将更容易，又可避免增加移动站接收机中频率合成器的数目。在GSM系统中，用两个时隙实现本发明尤其便利。
下面将参考附图通过第一实施例更加详细地描述本发明，其中
图1说明可采用本发明的移动系统的一部分，
图2、3、4和5说明TDMA的帧格式，
图6说明TCH/F＋SACCH复帧，
图7说明在一个时隙中的常规数据发送，
图8说明根据本发明所述在两个时隙中的数据发送，
图9说明一个时隙的数据发射中，发射、接收及测量的时序，
图10说明两个时隙的数据发射中，发射、接收及测量的时序。
本发明可用于大多数TDMA型的数字移动系统的高速数据传送，如泛欧数字移动系统GSM，DSC1800(数字通信系统)，UMTS(通用移动电信系统)，FPLMTS(未来公共陆地移动电信系统)，等。
GSM型移动系统被作为一个例子来说明。GSM(全球移动通信系统)是一个泛欧移动系统。图1简略地说明GSM系统的基本要素，没有进一步给出细节或系统的其它子部分。至于对GSM系统的更详细的描述，可参考GSM和由Mouly & M.Pautet著的“用于移动通信的GSM系统”(Palaiseau，France，1992，ISBN：2-9507190-0-7)。
移动业务交换中心MSC控制来话及去话呼叫连接。其执行的功能与公共电话网(PSTN)的交换功能相似。除此外，它还执行仅移动通信独有的功能，如与网络的用户寄存器相结合的用户位置管理。至于用户寄存器，GSM系统至少包括本地用户位置寄存器HLR和访问用户位置寄存器VLR，图1中未给出。更精确的用户位置信息(通常是位置区的精确性)存放在访问用户位置寄存器中，一般每个移动业务交换中心MSC有一个VLR，而HLR知道移动站MS正访问哪个VLR区。移动站MS由基站系统与中心MSC相连。基站系统由基站控制器BSC和基站BTS构成。一个基站控制器用于控制几个基站BTS。BSC的任务中还包括在越区切换是在基站内或由同一BSC控制的两基站间进行时，进行越区切换。为清楚起见，图1只给出几个基站BTS1-BTS9与一基站控制器BSC相连的基站系统，其基站的无线电覆盖区构成相应的无线电网孔C1-C9。
GSM系统是一时分多址联接(TDMA)系统，其中无线电通路中的时分业务发生在各由几个时隙构成的连续TDMA帧中。每个时隙中，短信息包以有限时间的射频脉冲串的形式被发送，所述脉冲串由若干调制位构成。大多数情况下，时隙用于控制信道和业务信道的发射。在业务信道上发射语音和数据。在控制信道上传输基站和移动的用户站间的信令。
在ETSI/GSM建议05.02中更为详细地描述了用于GSM系统的无线电接口的信道结构。GSM系统的TDMA帧格式作为例子在图2-5中予以说明。图5说明一TDMA基本帧，其包括用作业务信道或控制信道的8个时隙0-7。因此，在每个时隙只发送一个短于时隙持续时间的射频脉冲串。一个TDMA基本帧在时隙7一结束，下个基本帧的时隙0就立即开始。这样，26或51个连续的TDMA帧就形成一复帧，其取决于讨论的是业务信道结构还是控制信道结构，如图4所示。一超帧由51或26个取决于复帧是有26帧还是有51帧的连续复帧构，如图3所示。一特超帧由2048个超帧构成，如图2所示。特超帧是最大的连续帧单元，其结尾标志一个新的，类似的特超帧的开始。
图6说明由建议定义的一全速业务信道TCH/F-SACCH/TF的结构，其中一复帧包括24个全速业务信道帧TCH，一个并行控制信道帧SACCH和一空帧IDLE。在每26个时隙中重复发送指定用作业务信道，控制信道SACCH的时隙和空时隙。帧SACCH和I-DLE的位置对时隙0，2、4和6来说与对时隙1、3、5和7来说不同。图7中所示对时隙0，2、4和6有效。在时隙1、3、5和7中，帧IDLE和SACCH交换位置。控制信道SACCH用来报告移动站发给固定无线电网的测量结果，还用来从固定无线电网控制移动站如进行功率调节。
在正常工作中，呼叫开始时将载波中的一个时隙分配给移动站MS作为业务信道(单时隙通路)。移动站MS与该时隙同步以发射和接收射频脉冲串。图7中，例如，移动站MS被锁定到一帧的时隙0。对要发射的数据DATAIN进行信道编码，交错，脉冲串形成和调制70，然后在每个TDMA帧的时隙0发射射频脉冲串。在该帧的其余部分，MS进行如下所述的各种测量。
根据本发明所述，要求比一个业务信道所能提供的速率更高的数据传输的移动站MS被分配给同一帧中两个或更多的时隙。
根据本发明所述的多时隙技术要求某些与业务信道分配有关的信令的附加特点。在呼叫建立过程中，通过由固定网络发射给移动站的分配命令为移动站指定业务信道。该消息必须包含根据本发明所述分配给移动站MS用于高速数据发送的全部业务信道的数据。迄今为止。GSM系统必须能在同一分配命令中寻址两个半速业务信道，这就是为什么信息既包含有关第一业务信道的描述和模式又包含有关第二业务信道的描述和模式。该分配命令可很容易扩充到包括对至少两个时隙的寻址，即全速业务信道。GSM建议04.08(4.5.0版，1993年6月，PP.168-170)中描述了一个分配命令。根据本发明所述的信道寻址可在分配命令数据单元的第一信道模式、第二信道模式和信道描述信息单元中进行，在GSM建议04.08(4.5.0版，1993年6月，PP.316-350)中有对分配命令单元更详细的描述。为寻址两个以上的时隙，必须确定一个新消息。由于所有被寻址的信道是同一类信道，TCH/F，该信息可限于描述第一个信道的类型和所需要的信道总数。在这种情况下，该信息就会短且简单。
相应地，对越区切换的情况，越局切换命令必须能够寻址同一帧中两个或更多的时隙。在GSM系统中，越区切换命令包含与上面关于分配命令所述的同样的数据段，因而其可通过相似的变化来满足本发明要求。越区切换命令在GSM建议04.08中被描述(4.5.0版，1993年6月，PP184-189)。
第二个方法是对每个时隙采用专用的分配命令。
在两种情况下，移动站的去话和来话呼叫建立消息(SETUP)都必须包含有关实际信道要求的信息，换句话说是所需的时隙数。该信息可包括在承载能力信息单元BCIE中。BCIE在GSM建议04.08中有描述(4.5.0版，PP423-431)。
图8给出将同一TDMA帧中的连续时隙0和1分配给移动站MS的例子。要通过无线电通路传输的高速数据信号DATAIN在分频器82中被分成所需数目的低速数据信号DATA1和DATA2。分别对每个低速数据信号DATA1和DATA2进行信道编码，交错，脉冲串形成和调制80及相应的81，然后将每个数据信号分别在其专用的时隙0和1中以射频脉冲串的形式发射出去。通过无线电通路分别将低速数据信号DATA1和DATA2发射出去后，在接收端分别进行信号的解调、去交错和信道解码83和相应的84，然后将信号DATA1和DATA2在接收端的组合器85中组合成原来的高速信号DATAOUT。
在固定网络端，图8的80、81、83、84框的功能(换句话说是信道编码、交错、脉冲串形成和调制及相应的解调、去交错及信道解码)位于基站BTS非常便利。基站BTS具有对每个时隙单独的并行处理。分频器82和组合器85也根据需要被分配给任意网络单元如基站BTS，基站控制器BSC，或移动业务交换中心MSC。如果除法器82和组合器85位于除基站BTS外的另一网络单元中，低速数据信号DATA1和DATA2和通常业务信道中的信号类似在该单元和基站BTS间传送。
在GSM系统的固定网络中，与语音编码和速率适应有关的各种功能集中在TRCU(代码转换器/速率适配单元)中。TRCU可根据制造商的选择位于系统中几个可供选择的地方。通常TRCU位于移动业务交换中心MSC，但它也可以是基站控制器BSC或基站BTS的一部分。如果TRCU位于除基站BTS的地方。基站和代码转换器/速率适配单元TRCU间的信息单元的功能在GSM建议08.60中进行了定义。组合器85和分频器83根据本发明所述可与代码转换器/速率适配单元TRCU放在一起。
在移动站MS中，图8的框80，81，83和84，即信道编码，交错，脉冲串形成和调制及相应地解调、去交错和信道解码可通过所有时隙共用的处理单元至少在两个时隙实施例中方便地实现。
众所周知，移动站MS可在移动系统的区域中从一个网孔到另一个网孔自由漫游。如果移动站没有处理呼叫时，从一个网孔到另一个网孔的切换只是到一个新网孔的登记。如果移动站MS在网孔切换过程中正处理一个呼叫，该呼叫必须以对呼叫的干扰尽可能少的方式也从一个基站切换到另一个基站。在呼叫过程中切换网孔叫做越区切换。越区切换也可在一个网孔内的一个业务信道到另一个业务信道间进行。
如果移动站MS在一无线电网络中漫游，通常在(1)移动站MS和/基站BTS的测量结果指示当前业务网孔的低信号电平和/或质量并且可从相邻网孔获得更好的信号电平时或(2)当相邻网孔使得可在较低发射功率电平进行通信时，即当移动站MS是在网孔间一个较宽的区域中时，进行从一个业务网孔到相邻网孔的越区切换。在无线电网络中，避免不必要的高功率电平从而避免网络中其它地方的干扰是所追求的目标。
图9中，移动站被以通常方式锁定到一帧的0时隙中。在时隙0中，发射分配移动站的业务信道TCH。此外，在每26帧的相同时隙发射并行控制信道SACCH，如结合图6所描述的那样。根据GSM建议，移动站MS监视(测量)在时隙0分配给它的业务信道TCH上业务网孔的下行链路信号的电平和质量。在其它时隙中，移动站MS测量该业务网孔的相邻网孔的下行链路信号的电平。移动站MS的所有测量结果通过与业务信道时隙有关的并行控制信道SACCH有规律地发给基站控制器BSC。基站BTS监视(测量)从每个由所述基站BTS服务的移动站MS接收的上行链路信号的电平和质量。
根据测量结果，BSC通过控制信道SACCH由沿下行链路方向发给MS的功率控制命令控制移动站MS的功率，并作出越区切换决定。
无线电网络中用来确定适当发射功率电平的程序和算法被称作功率控制算法。有许多不同类型的算法，但它们的目的通常是可得到最低发射功率电平，和(由之而来的)低干扰电平。
在正在进行的呼叫中进行越区切换的决定是由基站控制器BSC根据分配给每个网络的各种越区切换参数并根据移动站MS和基站BTS报告的测量结果作出的。通常根据无线电通路的标准进行越区切换，但也可由于其它原因(如分载)进行越区切换。用作越区切换决定基础的程序和算法称作越区切换算法。或者所有的越区切换决定也可在移动业务交换中心MSC作出，这时要发射所有的测量结果给MSC。MSC至少还控制从一个基站控制器的区域到另一个的区域的越区切换。
当根据本发明所述给移动站分配同一时隙中几个时隙用于高速数据发射时，移动站分别在分配给它的每个时隙测量下行链路信号的电平和质量。在图10的例子中，相邻时隙0和1被分配给移动站。移动站MS在分配给它的业务信道上分别在时隙0和1测量业务网孔下行链路信号的电平和质量。在其它时隙，移动站MS测量该业务网孔的相邻网孔的下行链路信号电平。
在本发明的第一实施例中，分配给移动站MS的每个时隙(业务信道TCH)有专用的并行控制信道SACCH，通过SACCH与各时隙有关的测量结果被发送到基站控制器BSC。
基站控制器BSC分别在每个时隙(即在业务信道TCH上)通过业务信道的控制信道SACCH由沿下行链路方向发射给移动站MS的功率控制命令控制移动站MS的发射功率。对个别信道的功率控制则根据GSM建议进行。
此外，基站控制器BSC可通过并行控制信道中的一个由沿下行链路方向发射给移动站MS的共用功率控制命控制所有时隙的发射功率电平。
基站控制器根据分配给移动站的两个或更多时隙测量结果的组合，或根据最差时隙的测量结果作越区切换决定。当决定进行越区切换时，如上所述发给移动站修改的越区切换命令。
在本发明的第二实施例中，分配给移动站MS的所有时隙(业务信道TCH)有一公用的并行控制信道SACCH，通过SACCH给基站控制器BSC发送时隙测量结果的组合。测量结果的组合可能是例如各时隙测量结果的平均值。
基站控制器BSC通过公用控制信道SACCH由沿下行链路方向发射给移动站MS的公用功率控制命令控制在所有时隙(即在业务信道上)移动站MS的发射功率电平。
基站控制器根据分配给移动站MS的所有时隙或一些时隙测量结果的组合作出越区切换决定。当决定进行越区切换时，如上所述发射给移动站修改的越区切换命令。
附图以及参考附图所作的描述仅是为说明本发明。本发明的方法和配置可在所附权利要求的范围内在细节上进行变化。

Claims (13)

1.一种用于移动电信系统中移动站的功率控制的方法，该方法包括
每帧至少分配给移动站两个时隙用于高速数据发送，
将高速数据划分为至少二种低速数据；
通过固定无线电网络的移动站和基站间的无线电通路在连续帧的所述分配时隙中以短脉冲串的形式发送所述数据，
在分配给移动站的每个时隙测量在移动站所接收信号的特性，以及
根据两个或多个时隙测量结果的组合或根据最差时隙的测量结果控制移动站的发射功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：
给移动站分配一个对所有分配给移动站的时隙公用的并行控制信道，
通过所述公用并行控制信道从移动站向固定无线电网络发射所有时隙测量结果的组合，
通过所述公用并行控制信道控制所有时隙移动站的发射功率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是对每个分配给移动站的时隙给移动站分配一专用的并行控制信道，
通过与所述时隙相应的并行控制信道由移动站向固定无线电网络分别发射每个时隙的测量结果，
通过与所述时隙相应的控制信道在每个时隙控制移动站的发射功率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是：
给移动站分配一个对每个分配给移动站的时隙专用的并行控制信道，
通过与所述时隙相应的并行控制信道从移动站向固定无线电网络分别发射每个时隙的测量结果，
通过一公用的并行控制信道控制所有时隙移动站的发射功率。
5.在移动电信系统中的越区切换方法，该方法包括
每帧至少给移动站分配两个时隙用于高速数据发送，
将高速数据划分为至少二种低速数据；
通过固定无线电网络的移动站和基站间的无线电通路在连续帧的所述分配时隙中以短脉冲串的形式发送数据，
在分配给移动站的每个时隙测量在移动站所接收信号的特性，如信号电平和/或质量，
根据两个或更多时隙测量结果的组合或根据最差时隙的测量结果作越区切换决定。
6.如权利要求5所述的方法，其特征是
给移动站分配一个对所有分配给移动站的时隙公用的并行控制信道，
通过所述公用的并行控制信道由移动站向固定无线电网络发射所有时隙测量结果的组合。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征是
给移动站分配一个对分配给移动站的每个时隙专用的并行控制信道，
通过与所述时隙相应的并行控制信道从移动站向固定无线电网络分别发射每个时隙的测量结果。
8.移动电信系统中移动站的控制配置，其中，在每帧中至少给移动站分配两个时隙用于高速数据发送，该高速数据被划分为至少二种低速数据信号，数据通过固定无线电网络的移动站和基站间的无线电通路在连续帧的时隙中以短脉冲串的形式发射，其特征是移动站在分配给移动站的每个时隙测量接收信号特性如信号电平和/或质量，并用固定无线电网络控制移动站的发射功率和/或根据两个或多个时隙测量结果的组合，或根据最差时隙的测量结果作越区切换决定。
9.根据权利要求8所述的配置，其特征为：移动站具有对所有分配给该移动站的时隙公用的并行控制信道，并且移动站通过所述公用的并行控制信道从移动站向固定无线电网络发射所有时隙测量结果的组合。
10.根据权利要求9所述的配置，其特征为：固定无线电网络通过所述公用的并行控制信道控制所有时隙移动站的发射功率。
11.根据权利要求8所述的配置，其特征为：移动站对于分配给该移动站的每个时隙有一个专用的并行控制信道，并且移动站通过与所述时隙相应的并行控制信道向固定无线电网络分别发射所有时隙测量结果的组合。
12.根据权利要求11所述的配置，其特征为：固定无线电网络通过与所述时隙相应的并行控制信道在每个时隙控制移动站的发射功率。
13.根据权利要求11所述的配置，其特征为：固定网络通过一个并行控制信道控制所有时隙移动站的发射功率。
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