CN1217104A - 用于移动卫星通信的随机接入方案 - Google Patents
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Abstract
一种用于从移动单元中发送随机接入信号给卫星或其他控制站的方法,此方法要求比常规的地面蜂窝或所建议的移动卫星系统中更少的信息的传输。根据此方法,移动单元从卫星获得同步并发送减少的随机接入信息给卫星,而卫星根据所减少的随机接入信息计算移动单元的时间调整信息。通过表示时隙号给每个移动单元并通过只发送移动单元所希望的帧号的奇或偶状态来减少随机接入信息。
Description
本发明涉及用于移动卫星通信的数据传输。具体地,本发明提供在移动卫星通信系统中发送用于呼叫始发或呼叫寻呼确认的随机接入信号的改善方法。
参见图1,表示典型的移动无线通信系统,此典型系统包括许多类似于基站110的基站和许多类似于移动站120的移动单元或站。能利用这些设备或其等效设备执行话音和/或数据通信。基站包括连到MSC(移动交换中心)140的控制与处理单元130,MSC140又连到公共交换电话网(未示出)。
基站110服务于有限的地理覆盖区域,并包括多个由话音信道收发信机150进行处理的话音信道,此话音信道收发信机150由控制与处理单元130进行控制。每个基站也包括能处理一个以上的控制信道的控制信道收发信机160,控制信道收发信机160由控制与处理单元130进行控制,控制信道收发信机160在基站的控制信道上广播控制信息给锁定到那个控制信道的移动站。该话音信道收发信机广播能包括数字控制信道位置信息的业务或话音信道。
当移动站120第一次进入空闲模式时,它周期性地扫描类似基站110的基站的控制信道,以查看是否出现寻址移动站120的寻呼脉冲串,此寻呼脉冲串通知移动站120锁定或预占哪个基站。移动站120在其话音与控制信道收发信机170上接收在控制信道上广播的绝对与相对信息。随后,处理单元180评估所接收的包括候选网孔特征的控制信道信息,并确定移动站应锁定到哪个网孔。所接收的控制信道信息不仅包括涉及它与之相关的基站的绝对信息,而且也包含涉及控制信道与之相关的相邻覆盖区域的相对信息。在监视主控制信道的同时周期性地扫描这些相邻覆盖区域,以确定是否有更合适的候选者。有关移动站与基站实施的具体情况的附加信息可在1992年10月27日申请的P.Dent与B.ekelund的题为“多模式信号处理”的US专利申请系列号07/967027中找到,此申请全部引用在此作为参考。应认识到:基站可利用基于卫星的无线电通信系统中的一个或多个卫星来替代。
为了增加通信系统容量,可以使用诸如频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)与码分多址(CDMA)的数字通信与多址联接技术。这些多址联接技术的目的均是以这样一种方式将来自不同源的信号组合到公用传输媒体上,以便在其目的地能分开不同的信道而不相互干扰。在FDMA系统中,用户共享频域中的无线电频谱,给每个用户分配在整个对话期间使用的一部分频带。在TDMA系统中,用户共享时域中的无线电频谱。将每个无线电信道或载频划分为一系列的时隙,并且给各个用户分配时隙,在此时隙期间用户接入分配给此系统的整个频带(宽带TDMA)或仅接入一部分频带(窄带TDMA)。每个时隙包含来自数据源的信息的“脉冲串”,例如话音对话数字编码部分。将时隙组合为具有预定持续时间的连续TDMA帧。每个TDMA帧中的时隙数量与能同时共享无线电信道的不同用户的数量有关。如果TDMA帧中每个时隙分配给不同的用户,则TDMA帧的持续时间是分配给同一用户的连续时隙之间最小的时间量。在CDMA系统中,给每个用户分配一个唯一的伪随机用户码以便唯一地接入频率时间域。CDMA技术的示例包括扩频和跳频。
在TDMA系统中的信号传输出现在缓冲与突发(buffer-and-burst)或不连续传输模式中:每个移动单元仅在移动单元分配频率上在TDMA帧中的分配时隙期间发送或接收。例如,移动站可能在时隙1期间以全速率发送,在时隙2期间接收、在时隙3期间空闲、在时隙4期间发送、在时隙5期间接收和在时隙6期间空闲,并随后在后续的TDMA帧中重复该循环。可以是电池供电的移动单元能在它既不发送也不接收的时隙期间被关机(或“睡眠”)以节省电源。
在TDMA系统中,分配给同一用户的连续时隙通常在无线电载波上不是连续时隙,这些时隙构成用户的数字业务信道,被认为是分配给用户的逻辑信道。TDMA信道的结构利用GSM标准作为示例在图2示出。TDMA信道包括业务信道TCH和信令信道SC。TCH信道包括用于发送话音和/或数据信号的全速率与半速率信道。信令信道SC在移动单元与卫星(或基站)之间传送信令信息,信令信道SC包括三种类型的控制信道:广播控制信道(BCCHs)、多个用户之间共享的公共控制信道(CCCHs)和分配给单个用户的专用控制信道(DCCHs)。BCCH一般包括频率校正信道(FCH)和同步信道(SCH),这两信道都是下行链路信道。该公共控制信道(CCCHs)包括下行链路寻呼(PCH)和接入同意信道(AGCH)以及上行链路随机接入信道(RACH)。专用控制信道DCCH包括快速关联控制信道(FACCH)、慢速关联控制信道(SACCH)和独立专用控制信道(SDCCH)。将慢速关联控制信道分配给业务(话音或数据)信道或独立专用控制信道(SDCCH)。SACCH信道提供功率与帧调整与控制信息给移动单元。
随机接入信道RACH由移动站用于请求接入系统。RACH逻辑信道是单向上行链路信道(从移动站至基站或卫星)并由独立的移动单元共享(每个网孔一个RACH甚至在重使用时间期间在一般系统中也是足够的)。移动单元连续监视RACH信道状态以确定信道是忙还是闲。如果RACH信道空闲,则希望接入的移动单元在RACH上发送诸如移动单元识别号、呼叫建立理由和所要的电话号码等接入数据给基站或卫星。MSC从基站或卫星接收此信息和分配一个空闲话音信道给移动站,并通过基站或卫星在接入同意信道AGCH上发送信道识别给移动站,以便移动站能将它自己调谐到新的信道。RACH上行链路信道上的所有时隙或在争用基础上或在预留基础上用于移动站接入请求。以争用为基础的接入方案包括ALOHA、CSMA、CSMA-CD和其他接入协议。以预留为基础的接入描述在1993年10月25日提交的题为“在移动无线电系统中实施随机接入的方法”的美国专利申请号08/140467中,将此申请引用在此作为参考。RACH操作的一个重要特性是:要求某个下行链路信息的接收,从而移动站接收它们在上行链路上发送的每个脉冲串的实时反馈,这被称为RACH上的层2 ARQ或自动重复请求。下行链路信息最好包括可以认为是另一下行链路子信道的22比特,专用于传送下行链路中相对上行链路特定的层2信息。可称为共享信道反馈的这个信息流增强了RACH的总处理能力,使得移动站能迅速确定是否已成功收到任何接入尝试的脉冲串。
在诸如GSM的常规地面蜂窝通信系统中,一个随机接入信道(RACH)脉冲串包括68.25比特作为保护时间以防止与相邻时隙上的业务脉冲串碰撞。该保护比特对于相关基站35km之内的移动站允许在预定时隙内在基站接收随机接入脉冲串。具体地,移动电话机从诸如广播控制信道(BCCH)的下行链路信道中获得同步。移动站随后在初始同步信息之后的一定数量时隙的一个时隙上在RACH信道上发送信号。发送RACH信号的偏移(offset)可以是随机偏移或规定的固定偏移。如果基站与移动站之间的距离规定如上,则将在预定时隙内在基站会接收所发送的RACH脉冲串。由于在移动站从基站收到时间提前指令之前发送RACH脉冲串,所以保护比特是必需的。
在移动卫星通信中,来自单颗卫星的射束是类似地面系统中网孔的覆盖区域。一般地,每颗卫星具有140个射束,每个射束提供具有直径约500km或更大的覆盖区域。由于射束大小,在一个波束内有约6ms的端到端延迟,导致波束内±3ms的时间多义性(ambiguity)。因此,常规系统中的保护比特的使用不解决碰撞和多义性问题,因为卫星系统中的时隙RACH要求非常长的保护时间。
本发明提供在卫星移动通信系统中发送随机接入信息的方法。根据此方法,移动单元根据高功率短消息业务(HP-SMS)脉冲串或其他合适的信号从卫星或其他控制站获得同步。在某一固定或随机时间偏移之后,移动单元在专用的RACH载波上发送包括所要的帧与时隙号的必要的随机接入信息。根据从移动站接收的该信息,卫星或控制站计算用户之间的差延迟,并发送合适的时间提前或推迟信息给特定用产。
在阅读结合附图的下面详细描述的基础上将更容易理解本发明的前述目的、特性和优点,其中:
图1是示例的移动无线电通信系统的方框图;
图2是表示典型GSM数字无线电通信系统中信道结构的图;
图3是其中可以实施本发明的信号传输方法的基于卫星的移动无线电通信系统的图;
图4是描述根据本发明一个实施例的随机接入方法的流程图;和
图5是描述根据本发明一个可选实施例的随机接入方法的流程图。
虽然下面描述针对基于卫星的无线电通信系统中采用的短消息业务,但应认识到:本发明也可以应用于其他类型的通信系统。
现在参见图3,表示可以实施本发明方法的基于卫星的移动通信系统,此系统包括一颗或多颗卫星10、与一颗或多颗卫星交换通信信号并连到PSTN(公共交换电话网;未示出)的移动交换中心MSC和任意数量的移动单元Mun。在这样的系统中,用于交换话音或数据的通信链路能通过一颗卫星、多颗卫星或一个或多颗卫星与PSTN的组合在移动单元与标准电话机或第二移动单元之间建立,这样的系统可能希望获得广阔的地理覆盖,其中存在极少或没有基站,并且附加基站是不实际的,诸如在郊区。
现在参见图4,表示描述本发明的示例方法步骤的流程图。此程序开始于步骤100,在步骤100中移动单元从卫星获得同步信息,同步信息可从卫星发送的各种源信号中获得,例如在未审的题为“用于无线电通信系统的高渗透传输方法”的共同指定的中请08/559692中所述的由卫星发送的高功率短消息业务(HP-SMS)脉冲串中获得同步信息。在步骤102,移动单元随后在上行链路RACH信道上发送一个或多个RACH脉冲串,RACH脉冲串最好包括诸如编码的消息数据(这包括信息和冗余比特)信息、识别移动单元希望在其上面(在随机数量的帧之后)发送的预定帧的编码的帧信息和识别移动单元希望在其上面(在随机数量的时隙之后)发送的预定时隙的编码的时隙信息。在步骤104,卫星利用任一合适的计算时间调整的方法从编码的帧信息和编码的时隙信息中计算必要的时间调整。
可选择地,移动单元可以仅发送一个帧比特来表示帧号是奇数帧还是偶数帧,这一个比特足以使卫星能够确定小于TDMA帧长度两倍的差延迟所需要的时间调整,这是大多数区域移动卫星系统的一个特征。
然而,对于具有相对小尺寸和小差延迟的卫星波束来说,此方案将导致高碰撞概率。为避免这个,移动单元可以根据移动单元自己的识别号,例如临时移动站识别符(TMSI)或国际移动站识别符(IMSI)选择特定时隙来发送RACH脉冲串。在这种方式中,RACH业务能均匀地分布在帧的持续时间内以减少碰撞概率。由于移动单元的识别号码对于基站是已知的,卫星或基站知道移动单元正在哪个时隙上发送RACH脉冲串,并且能确定移动单元所需的时间调整。
在整个系统的一个波束内的最大差延迟总是小于一帧的情况中,移动站不必表示在哪个预定帧或时隙上它希望发送。
随机接入传输方案能通过预定来自一特定移动单元的所有传输将发生在给定帧的给定时隙中进一步进行简化。通过预定传输时隙和帧号,随机接入信道信息不必包括编码的时隙信息,进一步减少RACH脉冲串中所要求的信息。通过仅发送所需帧的奇或偶状态并预指定时隙号给每个移动单元,能将随机接入信道信息(编码的帧与时隙号)减少为单个信息比特。因此,不需要保护比特,并利用本发明方法大量减少保持比特的需求,从而增加传输效率。
现参见图5,表示本发明方法一个可选实施例的步骤流程图。图5的实施例与图4的实施例的不同之处在于:图5实施例在步骤102发送随机接入信息给卫星之前包括接收寻呼信号的步骤101。
虽然前面描述包括许多细节与规定,但应理解这些仅是用于解释目的,而不构成对本发明的限制。对于所述示例的许多修改对于本领域普通技术人员来说是显而易见的,这不脱离由下面权利要求书及其合法等效物所定义的本发明的精神和范畴。
Claims (18)
1.用于利用发射机/接收机获得接入TDMA通信系统的一种方法,包括以下步骤:
从控制站接收同步信号;
从发射机/接收机中发射接入信道数据给控制站,此接入信道数据识别用于发射机/接收机与控制站之间通信的TDMA帧;和
在控制站根据此接入信道数据确定发射机/接收机与控制站之间通信所必需的时间调整。
2.根据权利要求1的方法,其中接入信道数据利用表示预测TDMA帧偶数或奇数状态的单个数据位识别该预测TDMA帧。
3.根据权利要求1的方法,其中预先分配发射机/接收机在其上面发射的时隙号。
4.根据权利要求1的方法,其中发射机/接收机是移动站,而控制站是卫星。
5.根据权利要求1的方法,其中同步信号是包含编码的消息数据的消息信号。
6.根据权利要求1的方法,其中发射机/接收机与控制站之间的传输延迟小于TDMA帧长度的两倍。
7.根据权利要求4的方法,其中发射机/接收机在专用载频的随机接入信道上发射随机信道数据。
8.根据权利要求1的方法,还包括在发射步骤之前从控制站接收寻呼信号的步骤。
9.根据权利要求1的方法,其中发射机/接收机在其上面发射的时隙号,由发射机/接收机根据控制站所知道的识别值进行确定。
10.利用发射机/接收机获得接入TDMA通信系统的一种方法,包括以下步骤:
从控制站中接收同步信号;
从发射机/接收机中发射接入信道数据给控制站;和
在控制站根据此接入信道数据确定发射机/接收机与控制站之间通信所必需的时间调整,
其中发射机/接收机与控制站之间最大传输延迟小于TDMA帧长度。
11.根据权利要求10的方法,其中预先分配发射机/接收机将在其上面发射的时隙号。
12.根据权利要求10的方法,其中发射机/接收机是移动站,而控制站是卫星。
13.根据权利要求10的方法,其中同步信号是包含编码的消息数据的消息信号。
14.根据权利要求10的方法,其中发射机/接收机在专用载频的随机接入信道上发射接入信道数据。
15.根据权利要求10的方法,还包括在发射步骤之前的从控制站接收寻呼信号的步骤。
16.根据权利要求10的方法,其中发射机/接收机在其上面发射的时隙号由发射机/接收机根据控制站所知道的识别值进行确定。
17.根据权利要求1的方法,其中发射机/接收机是移动站,而控制站是蜂窝通信系统的基站。
18.根据权利要求10的方法,其中发射机/接收机是移动站,而控制站是蜂窝通信系统的基站。
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