CN1703851A - 用于无线电通信系统的帧结构 - Google Patents

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CN1703851A CNA038254468A CN03825446A CN1703851A CN 1703851 A CN1703851 A CN 1703851A CN A038254468 A CNA038254468 A CN A038254468A CN 03825446 A CN03825446 A CN 03825446A CN 1703851 A CN1703851 A CN 1703851A
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Abstract

在一个实施例中，本发明包括用于时分无线电通信系统的重复帧；该重复帧带有：上行链路时隙序列，其中每个时隙具有预定的时长；下行链路时隙序列，其中每个时隙具有的预定时长大于上行链路时隙的时长；各上行链路时隙之间的突发间保护时间；各下行链路时隙之间的突发间保护时间；以及在下行链路时隙序列后的帧间保护时间。

Description

用于无线电通信系统的帧结构
相关申请交叉引用
本发明是先前共同拥有的如下申请的继续部分：2000年9月29日提出、序列号为09/675274的“具有共享广播信道的无线电通信系统(Radio Communications System with a Shared BroadcastChannel)”；2001年3月20日提出、序列号为09/813194的“关闭通信系统终端之间的通信流(Closing a Communications StreamBetween Terminals of a Communications System)”；2001年4月24日提出、序列号为09/841456的“无线电通信系统中使用训练序列的空间处理和时间估计(Spatial Processing and Timing EstimationUsing a Training Sequence in a Radio Communications system)”。
发明领域
本发明涉及在基站与用户终端之间的通信中使用的一种帧结构，具体地说，涉及包括时分格式中上行链路和下行链路时隙的帧结构。
现有技术说明
诸如蜂窝数据和语音无线电系统等时分移动无线电通信系统一般使用重复帧，重复帧包括分配用于特定用途的时隙。在频分TDD(时分多址)系统中，重复帧可包括一组下行链路时隙。上行链路时隙在不同频率上的不同时隙中。广播、随机接入和控制信道消息可分别指配给使用不同帧结构的特定频率。每种帧类型可针对它承载的消息类型加以优化，从而提高效率。在TDD(时分双工)系统中，上行链路和下行链路时隙在同一帧中。一些情况下，帧内的特定时隙可承载一些控制消息。然而，控制和接入信道通常在不同的帧中。单独的广播、控制和接入信道允许在设计基站和远程用户终端组成的无线电网络方面有很大的灵活性。在与业务需求相比信道数量受限时，最好是使所有系统无线电容量的业务使用率最大化。
另一方面，将不同功能结合到一帧中使相邻时隙之间可能出现干扰。它还会限制上行链路和下行链路的比较数据率变化。
发明概述
在一个实施例中，本发明包括用于时分无线电通信系统的重复帧；所述重复帧具有：上行链路时隙序列，其中每个上行链路时隙具有预定的时长；下行链路时隙序列，其中每个下行链路时隙的预定时长大于所述上行链路时隙时长；各上行链路时隙之间的突发间保护时间；各下行链路时隙之间的突发间保护时间；以及下行链路时隙序列后的帧间保护时间。
在另一实施例中，重复帧具有：上行链路时隙序列，其中每个时隙具有预定的时长，所述上行链路时隙支持多种传输模式；下行链路时隙序列，其中每个时隙的预定时长大于所述上行链路时隙时长，所述下行链路时隙支持多种传输模式，所述下行链路时隙传输模式数据率高于所述上行链路时隙传输模式，使得所述下行链路数据率超过所述上行链路数据率的值大于所述下行链路时隙与所述上行链路时隙之间的时长差。
附图简述
下面将通过示例而非限制，结合附图来描述本发明，附图中类似的标号表示类似的单元，附图中：
图1显示了根据本发明一个实施例的标准上行链路时隙结构示例；
图2显示了根据本发明一个实施例的标准下行链路时隙结构示例；
图3显示了根据本发明一个实施例的重复帧结构示例；
图4是可以实施本发明实施例的基站的简化方框图；以及
图5是可以实施本发明实施例的远程终端的方框图。
本发明详细说明
概览
在本发明的一个实施例中，用于TDD(时分双工)通信的独特的帧结构允许上行链路和下行链路时隙共享单个帧而不会产生干扰。在时隙之间设置了一定大小的适当保护时间以便消除不同范围上用户终端之间及下行链路与上行链路之间的干扰。上行链路和下行链路时隙均可用于多种不同类型的消息，包括BCH、RACH、PCH、CCH和TCH。上行链路容量与下行链路容量之比也经过选择，以便优化网络带宽分配的有效性。通过在上行链路和下行链路中均使用各种不同的调制类，可调整上行链路数据率与下行链路数据率之间的特定差异，以便符合用户需要。
在一个实施例中，设想在TDD高带宽无线数据和语音系统，如ArrayComm的i-BURSTTM系统中实施本发明。然而，应理解，本发明并不限于i-BURST系统或任何其它特殊的空中接口，实际上，从本文的说明中应理解，本发明可结合多种空中接口协议和通信系统使用。
广播信道(BCH)
从广播信道BCH为每个用户终端或远程终端启动了本发明的系统，其中所述BCH作为突发从基站发往所有可能的用户终端。BCH突发不同于业务信道突发，它在用户终端可能在的所有方向上发送，一般是全方向的，但特定的波束模式将取决于网络。因此，BCH突发将在系统上造成比空间定向或更低功率业务信道TCH更大的干扰。为此，选择BCH信道的数据和调制属性以将干扰降到最低。
表1中显示了广播突发结构的示例。一些重要的BCH突发属性如下。在不知道时隙边界时，通过实时扫描可以计算方式轻松查找BCH。它传送的基本信息足以允许随后在基站与用户终端之间进行配置请求CR和配置消息CM的交换。BCH还为所有用户终端提供良好的频偏和定时更新信息，即使BCH未特别导向任一特定用户终端。
表1  概括了BCH突发示例的内容。
  时长  内容
  10微秒  斜升(Ramp-up)
  272微秒  频率校正训练符号f1、f2、...、f136
  256微秒  定时校正训练符号t1、t2、...、t128
  16微秒  广播前置码r1、r2、...、r8
  512微秒  信息符号h′1、h′2、...、h′256
  10微秒  斜降(Ramp-down)
  14微秒  突发间保护时间
                         表1
根据技术领域众所周知的许多方法中的任意一种方法，可设置频率和定时校正训练符号。这些符号还可与同步序列一起组合或交换，或者可将被删除。
广播信息符号由调制并编码成256比特序列的15比特广播消息构造。符号的数量以及发送比特的结构和序列可以变化以适应各种各样的应用。本文描述的实施例已选择为将BCH中发送的信息量降到最低及将比特率降到最低。广播信道信息符号为用户终端提供了向基站请求配置信息所需的信息。它们还提供信息以引导用户终端作出切换决定。
每个广播消息映射到具有表2所示信息的广播突发中。
       广播信道
  字段   比特数
BStxPwr 5
  BSCC   7
  BSload   3
  Total   15
BStxPwr是广播消息的有效各向同性辐射功率。此数字表示已将基站上可用的放大器和分集天线的数量纳入考虑的基站发送功率。对于10天线广播信道，基站功率＝(2·BStxPwr+10)dBm。
BSCC是基站颜色代码，由用户终端用于为上行突发选择训练数据并区分不同基站的广播。在一个实施例中，最多有128个不同的可能颜色代码。颜色代码可用于指示不同位置上的基站或在同一位置上的不同调制器/解调器组。
BSload是基站上的负载，由用户终端用于确定发送随机接入消息的频度。BSload是基站具有的未用容量指示。它可以与有效注册用户的数量不同，这是因为用户可能需要不同的业务容量。BSload表示在根据最大可能负载测量的几分钟时间内，基站的每个调制解调器的发送和接收比特率。在一个实施例中，BCH信道由无线通信系统中的所有基站共享。使用7比特BSCC，可容纳最多128个基站。BCH是使用重复帧的时分双工信道。该信道是用于上行链路和下行链路的单RF载频。对于高噪声环境或为了获得更高的稳健性，BCH可根据预定方案进行跳频，或者可以在几个不同频率上重复。如表3所示，重复帧包括用于各基站(标记为BS1)的下行链路BCH等。下一帧包括上行链路配置请求CR(标记为CR1等)以及下行链路配置消息CM(标记为CM1)等。
每个帧还包括多个保留时隙，这些时隙在下面显示为空框。如果广播信也用于业务，则可将这些时隙用于数据业务、用于其它控制消息，或保留以降低对网络中其它信道的干扰。如下面更详细所述，对于每个相应的基站1到128，会重复这些帧以便构造超帧。在最后的CM，即CM128后，会重复超帧，并再次以下一超帧和用于基立占1的BCH开始。
    上行链路       下行链路
 超帧1   帧1   BS1
  帧2   CR1   CM1
  帧3   BS2
  帧4   CR2   CM2
  …
  帧255   BS128
  帧256   CR128   CM128
 超帧2   帧1   BS1
  帧2   CR1   CM1
  …
                      表3
基站可以视为服务一组邻近RF载波的基站调制解调器的集合。或者，基站可以是在单个站点上具有一组调制解调器的装置。对于其它系统配置，每个调制解调器的调制器/解调器组52、62可视为一个基站。每个基站指配有唯一的32位基站标识符BSID。BSID用于按如下方式导出基站颜色代码：BSCC＝BSID mod 128。作为BSCC的函数，基站频率进行跳频，广播BCH，侦听上行链路CR以及发送下行链路CM。在无线电传输重叠的地理区域内，应指配BSID以便唯一地指配BSCC。按常规，基站应不能够看出在与颜色代码相同的基站进行通信的用户终端。同样地，用户终端应不能够看出被指配了相同BSCC的两个基站。可修改基站的总数以及超帧中的帧数、一帧中的时隙数和用于发送BCH突发、CR和CM的特殊时隙，以适合特定的应用。
为进一步将BCH突发的数据率降到最低，可从BCH突发中删除BSCC和BSload。这样，BCH突发只包含训练或同步信息以及BStxPwr、直接与切换决定相关的唯一信息。用户终端仍可以基于接收BCH突发的定时区分和比较不同基站以便做出选择和切换决定。用户终端还可以基于定时，将其CR消息导向如表3所示的特定基站。对于单个基站系统，还可删除BStxPwr比特。如果只有一个基站，则不必评估路径损失，而只是评估是否可接收到信号。如下所述，在注册时可了解到其余网络信息。或者，由于BCH包括BSCC，用户终端可编程为读取BSCC，并假定具有共同BSCC的BCH突发源于同一基站。这样，用户终端可知道缩短的帧重复间隔，并减少注册系统所需的时间。
注册
用户终端与基站形成称为注册的关系。此注册从侦听广播信道开始，并以切换、超时或断开连接而结束。注册的第一步是远程方发送配置请求突发CR和接收配置消息突发CM。CM包含基本的配置参数，如跳频序列计算参数。使用CM的信息，用户终端随后通过使用随机接入注册请求RA-rreq打开未经验证的流。此未经验证的流只承载用于完成注册和指配注册标识符RID与寻呼标识符PID的带内信令数据。通过使用在注册流末指配的RID，用户终端可打开随后的流，并且它可以结束注册。用户终端还可打开随后的流，并且它可以在该流中发送用于执行到因特网服务提供商(ISP)的“网络登录”的分组。
在注册流期间，交换身份和能力信息，设置操作参数，并且指配RID与PID。以后可创建新的网络会话并将其与此RID相关，或者可切换现有会话。此切换可源于另一基站、同一基站上的另一调制解调器(负载转移)，甚至源于同一基站调制解调器上的冬眠会话。注册的特定细节在此处只作为示例提供。在本发明范围内许多其它注册情况也是可能的。帧定时由在区域中的基站建立，并在预编程的RF载波上发送。载波可以是跳频载波或扩频载波。然而，最好是载波易于发现且预编程到用户终端中。多个基站或在只有一个基站时的一个基站采用GPS或其它精确的共同定时参考建立帧定时。GPS定时的优点在于它是精确同步的，并且为所有基站可用的成本不高。这允许BCH为所有基站共享，在该BCH中具有基站之间的最小保护时间。基站随后可构造上述BCH帧，并在其各指配的时隙中广播。用户终端开机时，它扫描此熟知且可能预编程的RF载波查找基本帧定时和同步。用户终端扫描此载波是否有BCH突发，构造RSSI(接收信号强度指示)图(RSSI map)。基于此BCH RSSI图和其它因素，用户终端选择最强或最佳的基站。它还使用BCH精确地调整其振荡器频率，并调整其帧定时参考。如上所述，这通过在BCH突发中使用同步和定时参考实现。随后，用户终端使用其用户或远程终端ID(UTID)构造并发送配置请求CR，其定时相对于最强或最佳基站的BCH突发。在一个实施例中，使用从选定基站的BCH中接收的BSCC，对CR进行了加扰。
如果目的基站成功接收CR并具有可用容量，则它将CR解扰，并确定用户终端的空间特征。用户终端接收作为应答的配置消息突发CM。CM(下面会对CM作更详细的描述)包含足够的信息，以便用户终端可了解其到基站的距离和RF路径损失，纠正其定时提前，调整其功率控制及获悉跳频参数(例如，帧编号和BSCC)。可以CR探测到几个基站，以发现最近或最佳的基站。基于从CM获得的信息，用户终端在有数据要发送时，可以随机接入注册请求RA-rreq开始会话。如果资源可用，则基站发送接入指配AA到用户终端，指配一个业务信道。基站和用户终端交换不同的接入控制参数，包括在此建立流上的加密密钥。最终指配了RID和PID。使用此RID，用户终端可建立安全流(例如，RA-rts/AA-cts)，它在这些流中发送和接收因特网分组。业务信道包括对每个已发送数据分组的数据确认DA或数据无效DI响应。DA和DI消息作为接收方下一数据分组的一部分在下一时隙中发送。如表4所示，在时分双工帧中，基站和用户终端交替时隙。因此，如果未正确地接收时隙，则可以迅速地重发数据。这减少了相应基站和用户终端调制解调器上的数据缓冲区大小。如表3和表4中所示，上行链路时隙始终在下行链路时隙之前，并且在两个时隙之间存在保护时间以容许任意同步错误或意外的传播延迟。在一个实施例中，每一方在三个时隙中发送数据分组，其中每个时隙包括斜升和斜降期及同步比特，这在本领域是众所周知的。
  1   2   3   1   2   3   1   2   3 …
  上行链路时隙   保护时间   下行链路时隙   保护时间   上行链路时隙
                         表4
用户终端定期扫描BCH以更新其RSSI和BSCC图。当它检测到更佳的基站时，它可发送CR到此新基站并可能切换其网络会话。如果成功的流启动失败许多次，则用户终端进入超时状态。超时后，它可尝试通过RA-rreq再次获得RID，使用CR刷新其定时提前，通过扫描BCH以查找它可能切换到的新基站，或甚至从头开始重新获得基本帧定时。如果此重新建立成功，则用户终端可以通过完成到新基站的网络会话切换而继续其网络会话。
信道考虑事项
在一个实施例中，网络设计为最大限度地利用空分多址技术以及尤其是智能天线阵信号处理。为帮助灾极度密集的频率重用模式中保持可靠的空间信道，网络使用了时分双工TDMA，在TDMA中上行链路和下行链路传输始终在同一频率上进行。此外，由于许多用户终端是单天线的，并且除BCH外，以全向方式发送和接收，因此，始终在需要发送的下行突发前接收上行突发。这允许在空间上更精确地引导下行突发。上行链路训练序列嵌入在每个上行突发中，以允许适当地进行快速跳频而不管空间信道与频率的任何去相关。
跳频序列可以是本领域熟知的许多不同序列之一。用户终端最初不知道跳频方案的参数。这使网络灵活性最大化，并提高了用户终端的灵活性。如下所述，跳频参数在CM突发中发送给用户。
如果可以将更多频率载波分配给跳频方案，则可提高跳频方案的稳健性和系统的业务能力。BCH载波作为跳频方案的一部分包括在内，并因此用作业务信道。由于任一基站每帧只发送一次BCH突发，且由于业务在空间上导向特定用户，因此，一个基站可以在另一基站的BCH突发期间发送业务信道数据突发，而不会显著地增加对侦听相邻信道上BCH突发的用户终端的干扰。通常，业务数据突发的目的用户终端由于已经在业务会话中而不会侦听BCH突发。
由于在本实施例中存在128个基站，且为每个基站指配了BCH的一个不同时隙，因此，在跳频业务信道方案中某个特定信道用于业务时，BCH的指配给任一特定基站的第128部分不可能与该信道重叠。然而，如果重叠，则该基站在其指配时间广播其BCH突发，在其指配时间侦听CR消息以及在其指配时隙发送CM突发。这确保了网络的其它一致操作。然而，对于用户终端，将BCH载波用作BCH将中断其业务信道会话。因此，它不从基站接收数据分组突发，而是会接收BCH突发。
即使用户终端不将此突发识别为BCH，它也将立即认识到它具有对预期数据分组而言无效的格式。因此，在下一上行链路帧中，它将发送数据无效DI消息及其突发，并且基站将在业务信道的下一可用帧中发送更早的预期数据分组。在目前的定时方案中，下一帧中的同一时隙将与该基站的配置消息时隙重合。下一帧的同一时隙将与不同基站的指配BCH时隙重合。然而，即使第二时隙也与基站的BCH指配重叠，还是可以再次应用相同的协议。远程终端将再次发送DI消息，并在指配的BCH时隙经过后，基站将发送预期数据突发。通过依赖确认协议，可提高网络的数据容量以包括BCH的大部分而不会增加信令或处理资源的复杂性。
数据容量增加量将取决于专用于BCH的RF资源量和系统中的基站数量。如果系统的基站数量小，因而BCH帧具有很短的重复，则网络可配置为将每个BCH时隙用于BCH，从而大大减少远程用户获得定时和同步以及发送配置请求的时间。
或者，BCH可配置为使可能的128个时隙中仅少量时隙用于BCH突发，而其余信道容量保留用于业务。如果网络中存在大量的基站(即，接近128个)，则用户终端将不可能从超过百分之十的可能基站接收BCH突发。因此，剩余的90％的载波可用于数据业务而不影响新用户终端进行扫描以查找BCH突发。基站可编程为带有邻近基站的BSID或BSCC，这样，在指配给那些邻近基站的BCH时隙期间，该基站将不发送业务。上述相同DI、重发方案将补偿相邻BCH时隙与业务信道之间的任何冲突。
配置请求CR
CR突发通过特殊的CR空间训练序列在一定程度上与随机接入RA和业务TCH突发相区别。CR训练序列比普通序列更长，并具有周期性特性，使得查找定时对齐在计算方面特别有效。CR突发比标准上行链路数据突发更短，以将用户终端与基站之间未知距离造成的时延纳入考虑。CR突发缩短了86微秒，允许等效于用户终端距离基站约15公里的未经补偿的时延。
CR突发从与基站的距离未知的用户终端发送。由于考虑到传播时间，用户终端时基相对于基站受到延迟。此外，由于用户终端的定时提前尚未初始化，因此还使其CR的发送延迟。将CR突发缩短35微秒允许其到达时间推迟35微秒，而不会溢出到下一时隙。这35微秒意味着距离基站5300米的用户终端可发送将完全在其时隙内到达的CR突发。如果基站检测到该突发并对其作出应答，则相应的CM将包含定时提前调整，该调整将正确地定位随后的数据突发。
表5概括了示例CR突发的内容。利用调制和编码，根据配置请求消息构造了82个信息符号。
  时长 内容
  10微秒 斜升
  260微秒 训练符号a1、a2、...、a130
  164微秒 信息符号h1、h2、...、h82
  10微秒 斜降
  86微秒 额外的保护时间
  15微秒 突发间保护时间
                     表5
CR空间训练对所有基站而言是相同的，并且基站在接收CR前不必知道用户终端的位置。CR由用户终端在表3所示BCH发送的固定偏移处发送。所得到的时间复用注册信道容易地将发送到几个邻近基站中的不同基站的CR区分开来。此外，CR和CM通过BSCC的函数加扰，确保即便发送到邻近基站的CR产生一定干扰，BSCC的解调捕获效应也可解决任何冲突。在一个实施例中，取编码比特序列并将其与线性反馈移位寄存器的输出进行“异或”，从而进行加扰。最后，应用基站的智能天线空间分辨能力以解决接收到的CR中的任何剩余不定性。
配置请求消息由物理层映射到配置请求突发CR上。配置消息由物理层映射到标准下行突发上。本CR突发的信息符号如表6所示那样安排。根据系统需要，下面所列任何项目可在以后在注册期间删除和发送或者根本不作处理。
       配置请求消息
  字段   比特数
  identity   8
  utClass   4
  txPwr   5
  合计   17
                         表6
identity(身份)是用于每个用户终端的一组唯一的随机比特，它区分从不同用户终端同时传来的消息。由于随机性和比特数量大，两个用户终端将不可能同时选择相同的身份代码。
utClass标识用户终端能力(最高调制类、跳频能力等)。此序列标识发送CR的用户终端的类型。掌上电脑数字助理可能具有与带固定专用天线的台式计算机不同的能力。利用UtClass可区分不同的能力。
txPwr表示用户终端用于发送配置请求突发的功率。例如，用户终端功率＝(2·txPwr-30)dBm。CR在控制载波上发送，例如，正好在接收下行链路BCH突发2265微秒后在该载波上发送。这样，另外未初始化的用户终端可发送CR而无需知道任何跳频序列参数。CR突发比标准上行链路时隙短，以顾及从用户终端到基站的未知传播时间，并且它在上行链路时隙接收窗口中一般延迟到达。
配置消息CM
表7概括了示例配置消息突发的内容。使用调制和编码，根据配置消息构造了494个信息符号。
  时长   内容
  10微秒   斜升
  68微秒   训练符号a1、a2、...、a130
  988微秒   信息符号h1、h2、...、h494
  10微秒   斜降
  15微秒   突发间保护时间
                       表7
只要在对应的上行链路时隙上收到CR，就在发送下行链路BCH突发5毫秒后在BCH载波上发送配置消息CM突发。使用此定时，将CM引导到请求用户终端。还基于空间特征分析，例如诸如上行链路CR的DOA和TOA之类的参数在空间定向的信号中发送CM。由于CM是在BCH载波上发送的，与BCH存在固定的时间偏移，因此，另外未初始化的用户终端可接收CM而无需知道任何跳频序列参数。响应CR的CM除其它内容外包括：AFN(绝对帧号)、更大的定时提前调整动态范围、粗略的功率控制以及各种接入控制参数。表8概括了CM突发的内容。根据系统需要，下面所列任何项目可在以后在注册期间删除和发送或者根本不作处理。
          配置消息
  字段   比特数
  identity   8
  pwrCtrl   4
  timingAdjust   7
  AFN   10
  carrierMask   16
  racarrierMask   16
  raslotMask   3
  raDec   3
  hopping   1
  合计   70
                   表8
符号集的含义如下：
identity：用户终端在CR中发送的随机身份
pwrCtrl：用户终端将应用于未来参数请求突发和随机接入突发的功率偏移：偏移＝(2·pwrCtrl-16)dB。
timingAdjust：用户终端应应用于未来随机接入突发的定时提前：定时提前＝timingAdjust微秒。
AFN：绝对帧号的10个最低有效位。
carrierMask：包含业务信道的载波位图
racarrierMask：包含随机接入信道的载波位图(最低有效位是载波0)
raslotMask：包含随机接入信道的时隙位图(最低有效位是时隙1)。随机接入信道在racarrierMask和raslotMask均为非零值时出现。
raDec：可用于随机接入信道的AFN。
hopping：如果等于1，则物理与逻辑载波之间的关系按每帧跳跃。
发送突发的随机接入请求
从以上所述可以看出，用户终端在注册后具有RID与PID及有关网络的相当数量的信息，包括表5所列的所有数据。此信息包括指配的随机接入信道或指配的随机接入信道集和初始发送功率电平。此信息在生成和发送RA-rts中使用。
在用户终端已向某个特定基站注册后，它可以打开用于数据交换的流。流的打开可以由基站或用户终端启动。一般情况下，基站或用户终端有数据要发送到对方时，将会打开流。此数据会被缓冲，直至在发送缓冲器中累积了预设量，或者直至超过了预设的时间。预设量可以是任何非零值。如果基站在其缓冲器中累积了欲发往用户终端的发送数据，则它将向用户终端发送一个寻呼，更详细的描述如下。如果用户终端收到寻呼，或者它已在其发送缓冲器中累积了足够多的数据量，则它将发送例如RA-rts消息。如下所述，此消息是打开流以便进行数据交换的请求。基站在收到RA消息后将分析其系统资源可用性以及合适的信道是否可用，随后，它将通过例如AA-cts消息进行响应。如下所述，此消息标识某个信道并将其指配用于该流。
通过RA/AA交换，指配了流，并且交换了用于终端通信的所有必需信息。利用下一上行链路时隙，远程终端将开始通过指配信道发送其数据。如果来自基站的寻呼启动了流，则远程终端可能没有任何数据要发送，这种情况下，它将发送闲置比特。闲置比特有助于基站在收不到数据时继续向用户提供其空间参数。基站将使用这些空间参数发送其数据分组或闲置比特。这样，数据和确认以与注册流情况相同的方式进行了交换。
表9概括了示例随机接入消息突发的内容。突发结构与业务信道TCH上的上行链路数据突发相同。对于上行链路数据突发，信息符号承载数据或带内信令或两者。
  时长   内容
  10微秒   斜升
  146微秒   训练符号a1、a2、...、a73
  364微秒   信息符号h1、h2、...、h182
  10微秒   斜降
  15微秒   突发间保护时间
                     表9
在一个实施例中，RA突发信息符号具有表10所示的字段。
        随机接入消息
  字段   比特数
  RAType   3
  ID   15
  UTTxPwr   5
  合计   23
                  表10
符号集的含义如下：
RAType：联系表8描述的RA突发的类型。
ID：注册标识符，可以是RID或用于寻呼响应的PID。此字段可由基站用于划分流请求的优先级。具有高优先级的用户终端可通过RID或PID来识别，并可优先于其它用户终端获准使用一个流。ID也用于访问注册帐户和请求用户终端的信息。
UTTxPwr：用户终端发送突发使用的功率。可删除或修改这些字段中的任一或多个字段，或者可添加更多的字段以适应特定应用。
RAType字段允许在相同信道上发送不同类型的RA消息。表11列出了可利用三比特字段支持的可能示例。视网络的特殊性质而定，可使用其它或不同类型的RA消息。更多的比特可用于允许更多不同类型的消息。或者，用户终端可依据表11中所列的情况，发送不同的RA突发。表8中的所有RA突发在基站指配给用户终端的随机接入信道上发送。在一个实施例中，RA信道是还用于业务的一组信道。
  值   符号   含义
  000   RA-rts   流请求
  001   RA-ping   保活轮询请求
  010   RA-rts-shot   短的流请求
  011   RA-rts-directed   定向流请求
  100   RA-page response   由寻呼引起的流请求
  101   RA-rts-UM   流请求，未确认的模式
  110   RA-rreq   注册请求
                         表11
符号集的含义如下：
RA-rts将在下面进一步论述，它是用户终端在注册后可打开新通信流所利用的机制。
RA-ping：可用于提醒基站用户终端的位置、信道特征和活动而无需打开流。对基站执行Ping(查验)操作可用于使注册保活。
RA-rts short，RA-rts-directed和RA-rts-UM：可用于打开特殊类型的流。
RA-page response：可在用户终端无数据要发送但在根据来自基站的寻呼请求打开流时发送。在一些系统中，最好是基站可直接打开流而无需如上所述首先寻呼用户终端。
RA-rreg：可用于打开新注册或变更现有注册。如上所述，用户终端在注册后使用RA突发，然而，在网络管理中让一个用户终端具有针对不同个体、不同帐户、不同类型通信或其它原因的两个注册可能是有用的。
接入指配突发
用户终端在随机接入信道的上行链路侧发送任意随机接入消息如RA-rts。基站使用随机接入信道的下行链路部分来授权随机接入请求并使用AA(接入指配)消息将资源指配给所请求的数据流。
AA消息可具有不同的格式。表12显示了一种格式。
       接入指配消息
  字段   比特数
  ID   15
  AAType   3
  modClassUp   5
  modClassDown   5
  frameDec   3
  resource ibChan   6
  pwrCtrl   4
  timingAdjust   5
  tOffset spChan   3
  合计   49
                   表12
符号集的含义如下：
ID：用户终端的id，可以是在RA-rts中发送的RID或PID。
modClassUp：标识用于上行链路的调制和编码。
modClassDown：标识用于下行链路的调制和编码。
frameDec：定义分数率信道(fractional rate channel)。
resource ibChan：表示指配给流的上行链路/下行链路资源对。
pwrCtrl：应用于后续发送的UT功率调整。
timingAdjust：应用于后续发送的UT定时调整。
tOffset：应用于后续发送的UT训练序列偏移调整。
AAType：表示接入指配消息的类型。可能有许多不同的可能类型。表13提供了AA类型的一个示例集。
  值  符号   含义
  000  AA-cts   流授权
  001  AA-reject   请求被拒绝
  010  AA-ping-ack   保活轮询确认
  011  AA-cts-short   短的上行链路授权
  100  AA-cancel   取消先前的错误寻呼
  101  AA-prev-short-ack   先前的短上行链路是成功的
  110  AA-invalid-ack   接收的RA无效
  111  AA-req-ack   注册授权
                     表13
符号集的含义如下：
AA-cts：(接入指配清楚以发送)基于AA-cts消息中的参数，开始一个与发送用户终端的流。可响应任何RA消息而发送AA-cts，并且特别适合于RA-rts、RA-ping、RA-rts-directed、RA-page-response和RA-rreg。这使得即使用户终端不知道到需要打开流，基站也可打开流。接着要在打开的流中传送数据。如上所述，数据传输将持续到对应流数据缓冲器变空为止。一般情况下，流随后关闭。然而，流也可以在发生许多其它事件后关闭。
AA-reject：可用于拒绝请求，并指示UT在发送RA消息之前启动计时器。这种响应可减轻繁忙基站上的拥塞情况。作出响应的UT可选择等待或发送RA-rts到具有更佳业务可用性的另一基站。
AA-ping-ack：确认RA-ping并复位用于注册的计时器。ping过程可用于防止注册因缺少业务而过期。维持注册允许通过例如RA-rts和AA-cts立刻打开一个流。如果注册过期，则在可以打开流前必须重复注册过程。
AA-cts-short和AA-prev-short-ack：可用于特殊类型的流。
AA-cancel：可用于在未发送寻呼或寻呼条件不适用时响应RA-page-response。
AA-invalid-id：可用于通知UT它正在使用的RID或PID已过期或对响应基站无效。UT可使用AA中的信息，通过发送例如AA-rreq来请求打开新的注册流。
AA-reg-ack：是开始一个注册流的RA-rreq的确认。如上所述，基站可以发送寻呼到UT，指示UT发送RA-page-response消息到基站。在一个实施例中，通过使用寻呼信道，减少了控制业务开销。寻呼信道可由基站有效地加以利用，并且寻呼可允许提高建立所需数据流的信道效率的随机接入信道指配。寻呼突发在寻呼信道上发送，该寻呼信道可专用于寻呼，或者它可与其它功能如广播信道或控制信道共享。或者，可将部分业务信道用于寻呼。
寻呼将包含发送寻呼的基站和被寻呼的用户终端的指示，通常为PID。如果UT已经注册，则寻呼无需还包括有关如何响应寻呼的任何信息，因为此信息可包括在注册数据交换流中。在上述实施例中，UT将通过发送RA-page-response消息响应随机接入信道中的寻呼，但其它类型的响应也是可能的。
业务信道突发结构
在一个实施例中，用户终端与基站形成了称为注册或会话的关系。此注册从侦听BCH(广播信道)开始，并在切换、超时或断开连接时结束。注册的第一步是由用户终端发送CR(配置请求)突发和接收CM(配置消息)突发来完成。如上所述，CM包含基本的配置参数，如跳频序列计算参数。利用CM的信息，用户终端随后打开未经认证的注册流。在注册流期间，交换身份和能力信息，设置操作参数，并指配RID(注册标识符)与PID(寻呼标识符)。随后，可创建流并将其与所述RID或PID和操作参数相关联。这里不提供注册的具体细节。在本发明范围内，可以采用许多其它注册方案。
CM包含了足够的信息，供用户终端用于了解其到基站的距离和RF路径损失，纠正其定时提前，调整其功率控制及获悉跳频参数(例如，帧编号和BSCC)。基于来自CM的此信息，有数据要发送的用户终端可以RA-rreq(随机接入-注册请求)开始会话。如果资源可用，则基站发送AA-reg-ack(接入指配-注册-确认)到用户终端，为注册过程指配一个业务信道。基站和用户终端交换不同的接入控制参数，包括在此建立流上的加密密钥。最后，指配RID和PID。利用RID或PID，用户终端可建立保密流，用户终端在该流中在TCH上发送和接收数据分组。
在空间分集无线电通信系统中，本发明允许业务信道(TCH)上的通信以相当精度的定时、频率和空间分集参数开始。以更精确的参数开始可避免使用几个帧逐步确定信道信息导致的增加等待时间。在一个实施例中，用户终端从单个天线全向发送，而基站则利用空间分集参数，采用空间分集天线来接收和发送。这允许对从例如不同位置在同一信道上发送的信号进行解析，并且还允许基站在单一频率上向不同用户终端发送不同的信号。注册过程包括足够的信令，以供基站用于形成发送任何寻呼所用的一组精确的定时、频率和空间参数。然而，在一个实施例中，如果用户终端在注册后已移动或者无线电信道条件已改变，则在所有方向上发送寻呼。另外，如上所述，上行链路随机接入突发也具有相当长的训练序列。这允许基站在用户终端已移动或信道已改变的情况下重新优化先前的空间处理参数。
业务信道(TCH)由用户终端或基站发送，以便在业务信道上发送业务。在一个实施例中，当无数据要发送时发送带有闲置比特的TCH突发，以维持定时和空间参数。该TCH突发是在已交换CR和CM后，注册后以及已在用于数据业务的指配信道上打开一个流后发送的。因此，定时和频偏及空间特征均已合理地建立了。在一个实施例中，已知定时为小于两个符号时间左右。
TCH突发由表14中所列的几个字段组成。时长以微秒数表示。在一个实施例中，符号周期是2微秒，并且上行链路和下行链路如表所示有所不同。或者，突发可构造为使上行链路和下行突发具有相同的结构。网络也可以是对等体网络，这样，无法定义上行链路和下行链路。
  上行链路时长   下行链路时长   内容
  10微秒   10微秒   斜升
  146微秒   68微秒   训练符号(73，74)
  364微秒   988微秒   信息符号(182，494)
  10微秒   10微秒   斜降
  15微秒   14微秒   突发间保护时间
             表14业务信道(TCH)突发字段
训练符号分配有对应于73或34个符号的146或68微秒，以便在终端之间有任何偏移或移动时可更精确地接收和解调信号。下面将更详细地描述训练符号。
可由发送数据缓冲器构造364或494个信息符号。在本实施例中，可以各种方式调制TCH突发以增加系统的数据容量。
训练序列
对于TCH突发，由于较早就交换了CR和CM和注册信息，因此已充分了解了定时和频偏。因此，训练序列可以更简单。对于上行突发，用户终端基于BSCC和由基站指配给用户终端的某个值来选择训练序列符号。这允许识别并区分来自不同用户终端的突发。或者可基于序列号、产品号、ID号或用户终端的其它存储号码选择核心序列。在一个实施例中，训练序列具有3个部分：5个符号的前缀、63个符号的核心和5个符号的后缀。前缀由核心的最后5个符号组成，后缀由核心的前5个符号组成。下行链路训练序列以类似的方式构造，但对于总共34个符号，只具有24个符号的核心。如果序列已知，则为训练序列设置的特定长度和符号对本发明并不重要。用于训练序列的许多不同配置是可能的。类似地，不必区分上行链路和下行链路。然而，为简明起见，本发明将使用上述73个符号上行链路训练序列的示例进行说明。
使用中，通常采用查找表生成特定序列。表中的值基于自相关、互相关、周期性和类似的属性来选择。对自相关和互相关的限制有助于使这些序列的延迟形式在对它们进行解析的最小平方波束形成器看来在某种程度上不相关。
标准上行链路和下行突发
从上述说明中可看出，几种不同的突发具有相同的结构。因此，例如，在上行链路中，RA突发(表9)和TCH突发(表14)具有相同的结构。甚至CR突发(表5)具有在相同符号位置上开始的训练序列。对于下行链路，CM突发(表7)、AA突发和TCH突发(表14)均具有相同的结构。因此，所列举的任何下行突发可在上述帧的任何下行链路时隙中发送。可将特定类型的突发导向特定的一组时隙和频率资源，或者可以混合突发。例如，帧或时隙和频率资源的某种特定帧或某种其它组合可指定为控制信道，并且只承载CR、CM、RA和AA突发。另一组资源可指配为业务信道，并只承载TCH突发。或者，如上所述，可将广播信道帧的时隙用于广播、控制、随机接入和业务信道。另外，可将任何帧的时隙用于承载广播、控制、随机接入和业务信道的消息。
本文所述突发仅作为示例，更多或更少类型的突发可以采用。突发可以各种不同的方式分类，并归合成逻辑信道。作为一个示例，系统可表征为具有广播信道BCH、控制信道CCH和业务信道TCH。在此系统中，BCH只具有BCH突发，并且TCH只具有TCH突发。CCH包括CR、CM、RA、AA和寻呼(PCH)突发。系统还可表征为具有广播信道BCH、配置信道CCH、随机接入信道RACH和业务信道TCH。根据此分类法，CR和CM属于CCH，而RA、AA和PCH属于RACH。本发明不取决于突发是如何表征的，可应用于各种各样的通信系统。
突发的共同结构允许在任一时隙中发送任一突发。除广播信道外，所有突发在相同的符号位置具有训练序列，并且几乎所有突发具有完全相同的结构。因此，突发全部可以完全相同的方式解调。一旦将信息符号解调，则可以将其传递给高层供适当使用。突发结构中的这种一致性提供了更多的系统资源分配灵活性。在一个实施例中，突发结构可表征为标准上行突发和标准下行突发。标准上行突发可用于RA和TCH突发，承载与上述相同的信息。标准下行突发可用于CM、AA和TCH，承载如上所述的信息。寻呼也可在标准下行突发中发送。突发可如上所述构造，或者如表15所示。此突发结构也在图1和图2中显示。表15的标准突发具有比上述突发更少的训练符号，但还包括FACCH(快速随路控制信道)，FACCH可用于发送任何种类的控制和开销数据。在一些系统中，FACCH可用于有关切换的消息。在其它系统中，FACCH可用于有关调制类或信道质量改变的消息。与上述结构一样，每个符号占用2微秒。同样与上述结构一样，可进行变化和修改以适合于特定的实现方案。
  上行链路时长   下行链路时长   内容
  10微秒   10微秒   斜升
  114微秒   68微秒   训练符号(73，74)
  32微秒   FACCH(16)
  364微秒   920微秒   信息符号(182，460)
  32微秒   FACCH(16)
  36微秒   训练符号(18)
  10微秒   10微秒   斜降
  15微秒   14微秒   突发间保护时间
            表15  标准突发(SUL，SDL)字段
图1显示了545微秒的上行突发，其组成部分是短的10微秒斜升101和68微秒的训练序列102。训练序列可以如上所述的许多种不同方式选择。例如，可根据突发的性质、发送终端或接收终端的标识或根据发送或接收终端的指配，从正交训练序列列表中选择训练序列。在一个实施例中，根据上述tOffset值将训练序列分组。对于控制信道消息(CR、CM、RA、AA)，允许一个或两个tOffset值，并将其余tOffset值用于业务信道(TCH)突发。随后，通过取选定的序列，并应用基站或用户终端ID的函数修改或构造选定的训练序列。
这些部分后面是364微秒的信息符号103和32微秒的FACCH104。信息符号将取决于突发的性质，并且除了其它以外还可以是注册、请求、控制或用户数据。突发以10微秒的斜降105和15微秒的突发间保护时间106结束。在本发明的帧结构中，突发间保护时间后面将是下一突发的另一斜升、下行突发前的过渡保护时间或帧间保护时间。
类似地，图2显示了1090微秒的标准下行突发，其组成部分是短的10微秒斜升201、68微秒的训练序列202和32微秒的FACCH203。训练序列可按如上所述不同方式中的任何一种方式或其它方式选择。这些部分后面是920微秒的信息符号204。信息符号将取决于突发的性质，并且除了其它以外还可以是注册、指配、控制或用户数据。突发以36微秒的尾部训练序列205、10微秒的斜降206和14微秒的突发间保护时间207结束。在本发明的帧结构中，突发间保护时间后面将是下一突发的另一个斜升、在下行突发之前的过渡保护时间或帧间保护时间。
尾部训练序列帮助在较长的信息符合集合期间维持定时和频率。任一端的训练序列均提供两个优点。首先，训练序列之间的较大距离允许在任一突发期间更精确地确定频率或相移。其次，通过将训练序列置于信息符号外侧两端，可通过内插将来自训练序列的精确频偏应用到信息符号上。在一些系统中，所有训练或附加训练序列设置在信息符号的中间。这要求进行外插以便确定信息符号结束时的定时。外插本质上不如内插精确。尾部训练序列可与第一训练序列相同或不同。如果第一训练序列是某核心序列的重复，则尾部训练序列可以完全相同，但具有更少的重复。或者，尾部训练序列可以是第一训练序列的删截变体。
业务信道帧结构
如上所述，帧结构可以支持广播、控制、随机接入和业务信道突发。上述的所有突发可在帧中使用。例如，如上表4中显示了此类帧的一个示例。此帧将参照表16和图3作更详细的描述。
  上行链路时长   下行链路时长   系统时长   内容
  545微秒   时隙#1
  545微秒   时隙#2
  545微秒   时隙#3
  10微秒   过渡保护时间
  1090微秒   时隙#1
  1090微秒   时隙#2
  1090微秒   时隙#3
  85微秒   帧间保护时间
                 表16  标准帧字段
图3的帧示例在一个时间序列中具有三个相邻的545微秒上行链路时隙301、302、303。这些上行链路时隙后面是三个相邻的1090微秒下行链路时隙305、306、307。在图3中，各上行链路时隙之间或各下行链路时隙之间不存在间隙，但如图1和图2所示，每个时隙包括一个突发间保护时间。可将此突发间保护时间表征为属于帧而不属于时隙，在这种情况下，每个时隙之间存在间隙。此外，在上行链路时隙与下行链路时隙之间提供了附加的10微秒上行链路到下行链路过渡时间。此时间可由终端用于在接收模式与发送模式或发送与接收模式之间切换。
在下行链路时隙后提供了85微秒的帧间保护时间。此保护时间的长度以及任何其它保护时间的长度可加以修改以适合本发明的任一特定实现方案。帧间保护时间有助于正在接收的远方用户终端。在发送下行链路时隙#3的突发后，在突发经过正在与基站进行通信的特别远的远程接收器之前，将有传播时延。在第三下行链路时隙后，将发送上行突发。这些突发可以一定的定时提前发送以便由基站在帧的适当上行链路时隙内接收它们。对于最远的用户终端，可应用相当大的定时提前。除非提供了足够的保护时间，否则这些远程时隙#1上行突发可能干扰基站的时隙#3下行突发。85微秒在基站与最远的远程用户终端之间提供了达15公里的距离范围。85微秒就本示例而言被认为是适当的，根据预计的基站范围及其它因素可对其进行增加或减少。
虽然表16的示例显示上行链路时隙始终在下行链路时隙之前，但顺序可以颠倒。从表3可以看出，在重复帧中，如果下行链路时隙在帧中的上行链路时隙之前，则那些下行链路时隙将仍然在前一帧的上行链路时隙后。另外，帧显示为分别具有上行链路和下行链路时隙，这些时隙彼此相邻。或者，上行链路和下行链路时隙可以其它方式交替或分组。以上所述的上行链路和下行链路的顺序简化了网络操作，并降低了对基站和用户终端性能的需求。它还需要比许多其它帧结构更少的保护时间。最后，上行链路和下行链路时隙显示为在数量上相同。此配置适用于业务信道中的双向通信，但可加以修改以适合特定的系统需求。例如，如表3所示，广播信道突发可添加到帧中任一选定位置上。对于一些系统，最好可以为系统信息、发送给许多用户的数据指定额外的上行链路或下行链路时隙，或者更完整地补偿数据业务需求中的不对称性。图3还显示下行链路时隙长度是上行链路时隙长度的两倍，因此可以发送两倍之多的符号。具体而言，如图1和图2及表15中所示，一个上行突发承载182个信息符号，而下行突发承载460个信息符号或大约2.5倍以上的符号。在表14的业务突发中，上行链路承载182个信息符号，而下行链路承载494或大约2.7倍以上的信息符号。上行突发和下行突发的实际数据率部分由发送的信息符号数量确定，而且部分由用于上行链路和下行链路传输的调制类确定。
调制类
如上所述，在基站与用户终端之间传送的包括utClass、modClassUp和modClassDown的一些消息可用于设置或更改用于发送上行链路和下行突发的调制类。或者，FACCH或另一消息可用于设置或调整所用的调制类。调制类提供不同类型的调制和编码，不同类型的调制和编码一起改变每符号比特数量。可以基于终端能力、信道质量或各种其它因素选择调制类。可以任意数量的不同方式来变更调制类。特定数量和类型的调制类可采取许多种不同的适当形式来适应网络能力、信道质量和成本目标。
在一个实施例中，存在如表17所示的9种不同的调制类。不同的调制类在调制方案及编码方面不同。编码可以包括差错检测和纠错、收缩(puncturing)、块编码和块成形(block shaping)。根据特定应用的需要，可采用其它类型的调制和编码。表17中显示的每符号比特率是近似的，只是提供使用相同数量符号可取得的数据率范围的指示。利用每突发182个上行突发信息符号和460个下行突发信息符号的如表15所示的值，调制类0突发将分别承载91或230个比特。另一方面，调制类8突发分别承载728和1840个比特。
  ModClass   比特/符号   比特/上行突发   比特/下行突发   信号集
  0   0.5   91   230   BPSK
  1   0.67   121   308   BPSK
  2   1   182   460   QPSK
  3   1.5   273   690   QPSK
  4   2   364   920   8-PSK
  5   2.5   455   1150   8-PSK
  6   3   546   1380   12-QAM
  7   3.5   637   1610   16-QAM
  8   4   728   1840   24-QAM
                           表17  调制类
调制类也可加以调整以在上行链路与下行链路之间实现特定的数据率比以及适应基站比之于远程终端的更大能力。每上行链路符号下行链路符号数的比率近似为2.5∶1。相信这是许多因特网应用的实际数据率比。如果基站和用户终端使用相同的调制类，则数据率比大约也将是2.5∶1。然而，通过使用不同的调制类，数据率比可以在大约0.31∶1(UT采用modclass 8，BS采用modclass 0)到大约20∶1(UT采用modclass 0，BS采用modclass 8)之间变化。在一些应用中，BS将经常使用比用户终端调制类高一级的调制类发送用户数据。这提供从2.9∶1到3.8∶1之间的数据率比。可以看出，调制类在设置系统的操作参数方面提供了很大的灵活性。
更低的调制类需要较少的能量来进行发送，并对同一基站上的其它用户产生较小的干扰。因此，系统可配置为优先采用较低等级的调制类。另一方面，更高级别的调制类以较高的数据率发送，因此，数据缓冲器将很快变空。对于许多类型的数据传输，较高的数据率将意味着较短的会话，因而可容纳更多的用户。例如，如果用户在发送和接收电子邮件，则较高的数据率将以较快的速度传送电子邮件，以便可以结束会话，并使系统资源可为另一用户可用。调制类的选择不仅取决于待传送的数据量，而且取决于每个方向上的相对量。如果一个方向上待传送的数据比另一方向上待传送的数据少得多，则可以使待传送数据量较少的方向在低得多的调制类上进行操作。由于会话将保持打开一直到更大的数据缓冲器变空为止，因此不会推迟结束会话。
基站结构
在如上所述的一个实施例中，本发明在SDMA(空分多址)无线电数据通信系统中实施。在此类空分系统中，每个终端与一组空间参数相关联，这些参数涉及例如基站与用户终端之间的无线电通信信道。空间参数包括每个终端的空间特征。利用空间特征和阵列天线，可以将来自基站的射频能量更精确地导向单个用户终端，从而减少对其它用户终端的干扰并降低其它用户终端的噪声阈值。相反，可在较低的接收能级上分解同时从几个不同用户终端接收的数据。借助用户终端上的空分天线，通信所需的能量可以少得多。对于在空间上彼此分开的用户，获益大得多。空间特征可包括诸如发送器的空间位置、到达方向(DOA)、到达时间(TOA)以及与基站的距离之类的特征。
利用设置在数字数据流中用于信道均衡的已知训练序列以及传感器(天线)阵列信息，可确定诸如信号功率电平、DOA和TOA之类的参数的估计。此信息随后用于计算空间去复用器、复用器和合并器的适当加权值。可以采用本领域众所周知的技术来将训练序列特性用于确定空间参数。有关使用空分和SDMA系统的其他细节可参见例如于1998年10月27日授予Ottersten等人的美国专利No.5828658和1997年6月24日授予Roy、III等人的美国专利No.5642353。
(SDMA)技术可与其它多址系统，如时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)和码分多址(CDMA)系统相结合。多址技术可与频分复用(FDD)或时分复用(TDD)技术相结合。
图4显示了适合实施本发明的无线通信系统或网络的基站示例。该基站采用SDMA技术，此技术可与其它多址系统，如时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)和码分多址(CDMA)系统相结合。多址技术可与频分复用(FDD)或时分复用(TDD)技术相结合。系统或网络包括若干亦称为远程终端或用户终端的用户站，如图5中所示。该基站可通过其主机DSP 31连接到广域网(WAN)，以便提供直接无线系统之外的任何必需数据业务和连接。
为支持空间分集，使用多个天线3，例如采用4个天线以形成天线阵列4，但也可使用其它数量的天线。每个天线是四元阵列4的一个单元。这些天线单元可具有典型载波的四分之一波长到四个波长的间隔。在许多应用中，每个阵列的天线单元之间的间隔可小于接收信号的两个波长。通常，当以相干方式组合一个阵列中各单元的发射时，选择单元之间的间隔以使栅瓣最小。如上所述，每个阵列也可只有一个单元。
将用于每个用户站的一组空间复用加权值应用于相应的调制信号以产生要由四天线组发送的空间复用信号。主机DSP 31产生并维护每常规信道每用户站的空间特征，并利用接收信号测量值计算空间复用和去复用加权值。以这种方式，将来自当前活动用户站(其中一些用户站可能在同一常规信道上活动)的信号分离并抑制干扰和噪声。当从基站向用户站传送时，创建适合当前活动用户站连接和干扰情况的优化多瓣天线辐射图案。所用信道可以任何方式进行划分。在一个实施例中，所用信道可如GSM(全球移动通信系统)空中接口或任何其它时分空中接口协议如数字蜂窝、PCS(个人通信系统)、PHS(个人手持电话系统)或WLL(无线本地环路)中定义的那样进行划分。或者，可采用连续的模拟或CDMA信道。
天线输出连接到双工器开关7，开关7在TDD实施例中可以是时间开关。该双工器开关的两种可能实现是作为频分双工(FDD)系统中的频率双工器和作为时分双工(TDD)系统中的时间开关。在接收时，天线输出经双工器开关连接到接收器5，并由RF接收(“RX”)模块5以模拟方式从载频下变频到FM中频(“IF”)。此信号随后由模数转换器(“ADC”)9进行数字化(抽样)。最后以数字方式执行到基带的下变频。数字滤波器可用于实现下变频和数字滤波，数字滤波采用有限脉冲响应(FIR)滤波技术。这显示为方框13。本发明可调整为适合各种各样的RF和IF载频和频带。
在GSM示例中，每个天线的数字滤波器13有8个下变频输出，每接收时隙一个。可以改变特定数量的时隙以适合网络需要。虽然GSM对每个TDMA帧使用8个上行时隙和8个下行时隙，但也可在每帧中使用用于上行和下行的任意数量的TDMA时隙来取得期望结果。根据本发明的一个方面，对于8个接收时隙中的每个时隙，4个天线的4个下变频输出馈送到数字信号处理器(DSP)31，一个ASIC(专用集成电路)或FPGA(现场可编程门阵列)(以下称为“时隙处理器”)用于进行进一步的处理，包括校准。对于TDMA信号，可以将8个Motorola DSP56300系列DSP用作时隙处理器，每接收时隙一个。时隙处理器17监视接收信号功率，并估计频偏和时间对齐。它们还确定每个天线单元的智能天线加权值。这些加权值在SDMA方案中用于确定来自特定远程用户的信号以及确定的信号解调。在WCDMA系统中，可在FPGA中使用代码将信道分离，然后可能使用针对不同用户的单独DSP对信道分别作进一步处理。这些处理器是信道处理器而非时隙处理器。
时隙处理器17的输出是8个接收时隙中每个时隙的解调突发数据。此数据发送到主机DSP处理器31，处理器31的主要功能是控制系统的所有单元以及与更高级处理的接口，所述更高级处理是涉及系统通信协议所定义的所有不同控制和服务通信信道中通信所需信号的处理。主机DSP 31可以是Motorola DSP56300系列DSP。另外，时隙处理器将为每个用户终端确定的接收加权值发送到主机DSP 31。主机DSP 31维护状态和定时信息，从时隙处理器17接收上行突发数据，并对时隙处理器17编程。另外，它对纠错码进行解密、解扰和检查，并分解上行链路信号突发，然后将待发送的上行链路信号格式化以便在基站的其它部分中进行更高级的处理。
此外，DSP 31可包括存储单元，用于存储数据、指令或跳频函数或序列。或者，基站可具有单独的存储单元或可访问辅助存储器的单元。相对于基站的其它部分，它将服务数据和业务数据格式化，以便在基站中进行更进一步的高级处理，从基站的其它部分接收下行消息和业务数据，处理下行突发并将下行突发格式化后发送到显示为37的发送控制器/调制器。主机DSP还管理基站其它部件，包括发送控制器/调制器37和RF定时控制器33的编程。RF控制器33读取并发送功率监视和控制值，控制双工器7并从主机DSP 31接收每个突发的定时参数和其它设置。发送控制器/调制器37从主机DSP 31接收发送数据。该发送控制器使用此数据生成发送给RF发送(TX)模块39的模拟IF输出。具体地说，接收数据比特转换成复调制信号，上变频为IF频率，进行抽样，然后乘以从主机DSP31获得的发送加权值，然后通过作为发送控制器/调制器37组成部分的数模转换器(“DAC”)转换为模拟发送波形。模拟波形发送到发送模块39。发送模块39将该信号上变频为发送频率，并将信号放大。放大的发送信号输出经双工器/时间开关7发送到天线3。在CDMA系统中，还可使用适当编码对该信号进行扩频和加扰。
用户终端结构
图5显示了提供数据或语音通信的远程终端中的示例部件配置。远程终端的天线45连接到双工器46，以允许将天线45用于发送和接收。天线可以是全向天线或定向天线。为获得最佳性能，天线可由多个单元组成，并采用如上关于基站所述的空间处理。在替代实施例中，使用了单独的接收和发送天线，从而取消了对双工器46的需要。在另一采用时分双工技术的替代实施例中，采用发送/接收(TR)切换开关而非双工器，这是本领域所熟知的。双工器输出47作为到接收器48的输入。接收器48产生下变频信号49，此信号是到解调器51的输入。解调的接收声音或语音信号67输入到扬声器66。
远程终端具有对应的发送链，其中在调制器57中对待发送的数据或语音进行调制。待发送的调整信号59由调制器57输出，并由发送器60进行上变频和放大，得到发送器输出信号61。发送器输出61随后输入到双工器46，以便由天线45发送。
解调的接收数据52与解调前的接收数据50一样提供给远程终端中央处理单元68(CPU)。远程终端CPU 68可用标准DSP(数字信号处理器)如Motorola 56300系列DSP来实现。此DSP也可执行解调器51和调制器57的功能。远程终端CPU 68通过线路63控制接收器，通过线路62控制发送器，通过线路52控制解调器，以及通过线路58控制调制器。它还通过线路54与键盘53进行通信，通过线路55与显示器56进行通信。麦克风64和扬声器66分别通过线路65和67连接到语音通信远程终端的调制器57和解调器51。在另一实施例中，麦克风和扬声器还直接与CPU通信以提供语音或数据通信。此外，远程终端CPU 68还可包括存储数据、指令和跳频功能或序列的存储单元。或者，远程终端可具有单独的存储单元或可访问辅助存储单元。
在一个实施例中，扬声器66和麦克风64由本领域熟知的数字接口替换或增强，这些接口允许向外部数据处理设备(例如计算机)发送数据或从其发送数据。在一个实施例中，远程终端的CPU耦合到标准数字接口如到外部计算机的PCMCIA接口，并且显示器、键盘、麦克风及扬声器是该外部计算机的组成部分。远程终端的CPU68通过数字接口和外部计算机的控制器与这些部件通信。对于纯数据通信，可取消麦克风和扬声器。对于纯语音通信，可取消键盘和显示器。
一般事项
在上述说明中，为了进行解释，提出了许多特定细节，以提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员显然清楚，本发明可以在不具有这些特定细节中的一些细节的情况下实施。在其它实例中，熟知的电路、结构、设备和技术以框图的形式显示或未显示细节，以免使对本发明的理解困难。
本发明包括各种步骤。本发明的步骤可由硬件部件，如图4和图5中所示的那些执行，也可体现在机器可执行指令中，这些指令可使用这些指令编程的通用或专用处理器或逻辑电路执行所述步骤。或者，所述步骤可结合硬件和软件来执行。所述步骤描述为由基站或用户终端执行。然而，描述成由基站执行的许多步骤可由用户终端执行，且反之亦然。此外，本发明同样适用于终端彼此进行通信而未将任何终端指定为基站、用户终端、远程终端或用户站的系统。因此，本发明在采用空间处理的通信设备的对等无线网络中同样适用。这些设备可以是蜂窝电话、PDA、膝上型计算机或任何其它无线设备。通常，由于基站和终端二者均使用无线电波，因此，无线通信网络的这些通信设备通常可一般地称为无线电装置。
在上述部分说明中，仅将基站描述为使用自适应天线阵列来执行空间处理。然而，用户终端也可包含天线阵列，而且也可以在本发明范围内执行有关接收和发送(上行和下行)二者的空间处理。
此外，在上述部分说明中，可在网络上协调由基站执行的某些功能，以便协同多个基站来执行。例如，每个基站天线阵列可以是不同基站的一部分。该基站可共享处理和收发功能。或者，中央基站控制器可执行上述许多功能，并采用一个或多个基站的天线阵列来发送和接收信号。
本发明可作为计算机程序产品提供，所述计算机程序产品可包括存储有指令的机器可读介质，这些指令可用于对计算机(或其它电子设备)编程，以执行根据本发明的过程。所述机器可读介质可包括但不限于软磁盘、光盘、CD-ROM和磁光盘、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、闪存或其它类型的适用于存储电子指令的介质/机器可读介质。另外，本发明还可作为计算机程序产品下载，其中所述程序可经由通信链路(例如调制解调器或网络连接)，通过包含在载波或其它传播介质中的数据信号从远程计算机传送到请求计算机。
所描述的只是许多方法的最基本的形式，然而，在未脱离本发明基本范围的情况下，可以在任何所述方法中添加或删除一些步骤，并且可以在任何所述消息中添加或减少一些信息。本领域技术人员显然清楚，可以进行许多其它的修改和调整。所提供的特定实施例不是为了限制而是为了说明本发明。本发明的范围不由以上提供的具体示例确定，而是仅由下述权利要求书限定。
还应理解，在本说明书中，“一个实施例”或“任何实施例”意味着，在实施本发明时可包括特定的特征。类似地，应理解，在前述本发明示范实施例的描述中，有时将本发明的各种不同特征集中在一个实施例、附图或其说明中，以使本发明公开简洁并有助于理解本发明的一个或多个不同的创新方面。然而，这种公开方法不应解释为反映了这样的意图：要求专利权的本发明需要比每个权利要求明确记载的更多的特征。确切地说，如所附权利要求书所反映的那样，创新方面在于比一个前述公开实施例的所有特征少。因此，将所附权利要求书结合到本说明书中，该权利要求书中的每个权项本身就代表本发明的一个单独实施例。

Claims (72)

1.一种用于时分无线电通信系统的重复帧，它包括：
上行链路时隙序列，其中每个时隙具有预定的时长；
下行链路时隙序列，其中每个时隙具有大于所述上行链路时隙时长的预定时长；
各上行链路时隙之间的突发间保护时间；
各下行链路时隙之间的突发间保护时间；以及
所述下行链路时隙序列后的帧间保护时间。
2.如权利要求1所述的帧，其特征在于：所述上行链路时隙序列在所述下行链路时隙序列之前。
3.如权利要求1所述的帧，其特征在于：所述序列的所述上行链路时隙是相邻的。
4.如权利要求1所述的帧，其特征在于：所述下行链路时隙序列在所述上行链路时隙序列之后。
5.如权利要求1所述的帧，其特征在于：所述序列的所述下行链路时隙是相邻的。
6.如权利要求1所述的帧，其特征在于：突发间保护时间在每个时隙之后。
7.如权利要求1所述的帧，其特征在于：所述帧间保护时间在所述上行链路时隙序列之前。
8.如权利要求1所述的帧，其特征在于：所述上行链路时隙序列包括三个相邻的上行链路时隙。
9.如权利要求8所述的帧，其特征在于：所述下行链路时隙序列包括三个相邻的下行链路时隙，所述下行链路时隙序列在所述上行链路时隙序列之后。
10.如权利要求9所述的帧，其特征在于还包括：在所述上行链路时隙序列与所述下行链路时隙序列之间的过渡保护时间。
11.如权利要求1所述的帧，其特征在于：所述下行链路时隙适于承载业务、控制和广播信道业务中的任意一项。
12.如权利要求1所述的帧，其特征在于：所述控制信道业务包括寻呼、信道指配和系统配置消息。
13.如权利要求1所述的帧，其特征在于：所述上行链路时隙适于包含业务、随机接入和控制信道业务中的任意一项。
14.如权利要求1所述的帧，其特征在于：每个突发间保护时间具有的时长小于所述上行链路时隙时长的2％。
15.如权利要求1所述的帧，其特征在于：所述帧间保护时间具有的时长小于所述上行链路时隙时长的16％。
16.如权利要求1所述的帧，其特征在于：每个突发间保护时间具有的时长小于所述帧间保护时间的12％。
17.如权利要求1所述的帧，其特征在于：所述下行链路时隙具有的时长至少是所述上行链路时隙时长的两倍。
18.如权利要求1所述的帧，其特征在于：所述帧间保护时间在所述帧末。
19.一种方法，它包括：
接收重复帧的上行链路时隙序列中的突发，每个上行链路时隙具有预定的时长，各所述上行突发由上行突发间保护时间分开；
在重复帧的下行链路时隙序列中发送突发，每个下行链路时隙具有的预定时长大于所述上行链路时隙时长，各所述下行突发由下行突发间保护时间分开；
等待在所述下行突发序列后的帧间保护时间；以及
重复所述帧。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于：接收在发送之前。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于：所述序列的所述上行链路时隙是相邻的。
22.如权利要求19所述的方法，其特征在于：所述下行链路时隙序列在所述上行链路时隙序列之后。
23.如权利要求19所述的方法，其特征在于：所述序列的所述下行链路时隙是相邻的。
24.如权利要求19所述的方法，其特征在于：所述帧间保护时间在所述上行链路时隙序列之前。
25.如权利要求19所述的方法，其特征在于：所述上行链路时隙序列包括三个相邻的上行链路时隙。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于：所述下行链路时隙序列包括三个相邻的下行链路时隙，所述下行链路时隙序列在所述上行链路时隙序列之后。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于还包括：等待所述上行链路时隙序列与所述下行链路时隙序列之间的过渡保护时间。
28.一种其上存有表示指令的数据的机器可读介质，所述指令在由机器执行时，可使所述机器执行如下操作：
接收重复帧的上行链路时隙序列中的突发，每个上行链路时隙具有预定的时长，各所述上行突发由上行突发间保护时间分开；
发送重复帧的下行链路时隙突发，每个下行突发具有的预定时长大于所述上行链路时隙的所述时长；
各所述下行突发由下行突发间保护时间分开；
等待在所述下行突发序列后的帧间保护时间；以及
重复所述帧。
29.如权利要求28所述的介质，其特征在于：所术接收指令在所述发送指令之前执行。
30.如权利要求28所述的介质，其特征在于：所述序列的所述上行链路时隙是相邻的。
31.如权利要求28所述的介质，其特征在于：所述序列的所述下行链路时隙是相邻的，并且后面是所述上行链路时隙序列。
32.如权利要求26所述的介质，其特征在于：所述指令还包括在由所述机器执行时可使所述机器执行其它操作的指令，所述其它操作包括等待所述上行链路时隙序列与所述下行链路时隙序列之间的过渡保护时间。
33.一种方法，它包括：
在重复帧的上行链路时隙序列的一个预定时隙中发送突发，每个上行链路时隙具有预定的时长，所述上行突发与其它上行突发由上行突发间保护时间分开；
在重复帧的下行链路时隙序列的一个预定时隙中接收突发，每个下行链路时隙具有的预定时长大于所述上行链路时隙时长，所述下行突发与其它下行突发由下行突发间保护时间分开；
等待在所述下行突发序列后的帧间保护时间；以及
重复所述发送和接收。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于：发送在接收之前。
35.如权利要求33所述的方法，其特征在于：所述序列的所述上行链路时隙是相邻的。
36.如权利要求33所述的方法，其特征在于：所述下行链路时隙序列在所述上行链路时隙序列之后。
37.如权利要求33所述的方法，其特征在于：所述序列的所述下行链路时隙是相邻的。
38.如权利要求33所述的方法，其特征在于：所述帧间保护时间在所述上行链路时隙序列之前。
39.如权利要求33所述的方法，其特征在于：所述上行链路时隙序列包括三个相邻的上行链路时隙。
40.如权利要求39所述的方法，其特征在于：所述下行链路时隙序列包括三个相邻的下行链路时隙，所述下行链路时隙序列在所述上行链路时隙序列之后。
41.如权利要求40所述的方法，其特征在于还包括：在所述上行链路时隙序列与所述下行链路时隙序列之间的过渡保护时间。
42.一种设备，它包括：
接收器，用于接收重复帧的上行链路时隙序列中的突发，每个上行链路时隙具有预定的时长，所述上行突发由上行突发间保护时间分开；
发送器，用于在重复帧的下行链路时隙序列中发送突发，每个下行突发具有的预定时长大于所述上行突发所述时长，所述下行突发由下行突发间保护时间分开；以及
处理器，用于确定所述突发间保护时间的所述时长，并在所述下行突发序列后，在帧间保护时间内暂停所述接收器和发送器的操作。
43.如权利要求42所述的设备，其特征在于：接收在发送之前。
44.如权利要求42所述的设备，其特征在于：所述帧间保护时间在所述上行链路时隙序列之前。
45.如权利要求42所述的设备，其特征在于：所述上行链路时隙序列包括三个相邻的上行链路时隙，所述下行链路时隙序列包括三个相邻的下行链路时隙，以及所述下行链路时隙序列在所述上行链路时隙序列之后。
46.如权利要求42所述的设备，其特征在于：所述处理器还在所述上行链路时隙序列与所述下行链路时隙序列之间的过渡保护时间内暂停所述接收器和发送器的操作。
47.一种设备，它包括：
发送器，用于在重复帧的上行链路时隙序列的一个预定时隙中发送突发，每个上行链路时隙具有预定的时长，各所述上行突发由上行突发间保护时间分开；
接收器，用于在重复帧的下行链路时隙序列的一个预定时隙中接收突发，每个下行链路时隙具有的预定时长大于所述上行链路时隙时长，各所述下行突发由下行突发间保护时间分开；以及
处理器，用于确定所述突发间保护时间的所述时长，并在所述下行突发序列后，在帧间保护时间内暂停所述接收器和发送器的操作。
48.如权利要求47所述的设备，其特征在于：接收在发送之前。
49.如权利要求47所述的设备，其特征在于：所述帧间保护时间在所述上行链路时隙序列之前。
50.如权利要求47所述的设备，其特征在于：所述上行链路时隙序列包括三个相邻的上行链路时隙，所述下行链路时隙序列包括三个相邻的下行链路时隙，以及所述下行链路时隙序列在所述上行链路时隙序列之后。
51.如权利要求47所述的设备，其特征在于：所述处理器还在所述上行链路时隙序列与所述下行链路时隙序列之间的过渡保护时间内暂停所述接收器和发送器的操作。
52.一种用于时分无线电通信系统的重复帧，它包括：
上行链路时隙序列，其中每个时隙具有预定的时长，所述上行链路时隙支持多种传输模式；
下行链路时隙序列，其中每个时隙具有大于所述上行链路时隙时长两倍的预定时长，所述下行链路时隙支持多种传输模式，因此，所述下行链路数据率与所述上行链路数据率之比可设为各种不同的值，包括大于2比1的值。
53.如权利要求52所述的帧，其特征在于：每个上行链路时隙的所述数据率可不同于每个其它上行链路时隙的所述数据率。
54.如权利要求52所述的帧，其特征在于：每个上行链路时隙与一个唯一的下行链路时隙相关联，每个上行链路时隙的所述数据率独立于所述相关下行链路时隙的所述数据率。
55.如权利要求52所述的帧，其特征在于：下行链路时隙传输模式可设为具有比对应上行链路时隙传输模式更高的数据率，使得所述下行链路数据率超过所述上行链路数据率的值大于所述下行链路时隙与所述上行链路时隙之间的时长差。
56.如权利要求52所述的帧，其特征在于：所述多种传输模式中的每种模式包括多种不同的调制格式。
57.如权利要求52所述的帧，其特征在于：所述多种传输模式中的每种模式包括多种不同的编码格式。
58.如权利要求52所述的帧，其特征在于：所述上行链路时隙序列在所述下行链路时隙序列之前。
59.一种设备，它包括：
用于接收上行链路时隙序列中的数据的装置，其中每个时隙具有预定的时长，并且每个时隙中的所述数据在多种不同预定传输模式的任一模式中接收；
用于在下行链路时隙序列中发送数据的装置，其中每个时隙具有大于所述上行链路时隙时长两倍的预定时长，每个下行链路时隙中的所述数据在多种传输模式的任一模式中发送；以及
用于执行如下操作的装置：选择所述传输模式，以便所述下行链路数据率与所述上行链路数据率之比可设为各种不同的值，包括大于2比1的值。
60.如权利要求59所述的设备，其特征在于：用于选择的所述装置可选择每个上行链路时隙的所述数据率，使其不同于每个其它上行链路时隙的所述数据率。
61.如权利要求59所述的设备，其特征在于：每个上行链路时隙与一个唯一的下行链路时隙相关联，并且其中用于选择的所述装置可独立于所述相关下行链路时隙的所述数据率为每个上行链路时隙设置所述数据率。
62.如权利要求59所述的设备，其特征在于：用于选择的所述装置可选择一种具有高于对应上行链路时隙传输模式的数据率的下行链路时隙传输模式，使得所述下行链路数据率超过所述上行链路数据率的值大于所述下行链路时隙与所述上行链路时隙之间的时长差。
63.如权利要求59所述的设备，其特征在于：所述多种传输模式中的每种模式包括多种不同的调制格式。
64.如权利要求59所述的设备，其特征在于：所述多种传输模式中的每种模式包括多种不同的编码格式。
65.如权利要求59所述的设备，其特征在于：所述上行链路时隙序列在所述下行链路时隙序列之前。
66.一种方法，它包括：
接收上行链路时隙序列中的数据，其中每个时隙具有预定的时长，并且每个时隙中的所述数据在多种不同预定传输模式中的任一模式中接收；
在下行链路时隙序列中发送数据，其中每个时隙具有的预定时长大于所述上行链路时隙时长的两倍，每个下行链路时隙中的所述数据在多种传输模式中的任一模式中发送；以及
选择所述传输模式，以便所述下行链路数据率与所述上行链路数据率之比可设为各种不同的值，包括大于2比1的值。
67.如权利要求66所述的方法，其特征在于：选择包括为每个上行链路时隙选择所述数据率，使其不同于每个其它上行链路时隙的所述数据率。
68.如权利要求66所述的方法，其特征在于：每个上行链路时隙与一个唯一的下行链路时隙相关联，其中选择包括独立于所述相关下行链路时隙的所述数据率为每个上行链路时隙设置所述数据率。
69.如权利要求66所述的方法，其特征在于：选择包括选择一种具有高于对应上行链路时隙传输模式的数据率的下行链路时隙传输模式，使得所述下行链路数据率超过所述上行链路数据率的值大于所述下行链路时隙与所述上行链路时隙之间的时长差。
70.如权利要求66所述的方法，其特征在于：所述多种传输模式中的每种模式包括多种不同的调制格式。
71.如权利要求66所述的方法，其特征在于：所述多种传输模式中的每种模式包括多种不同的编码格式。
72.如权利要求66所述的方法，其特征在于：所述上行链路时隙序列在所述下行链路时隙序列之前。
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