專利名稱：動態信道分配的制作方法
技術領域：
本發明涉及在同時采用時間分割和頻率分割的無線電系統中的無線電信道的分配。
在無線電系統中，一方面移動終端設備(例如移動臺)的巨大數目，另一方面多媒體應用的帶寬需求使得必需盡可能有效地利用分配給該系統的頻譜。由無線電環境或者系統的其他終端設備引起的干擾是限制頻率再利用的一個基本因素。通過開發有效的無線電子系統和信道分配技術可以抑制這一點。在無線電和轉接子系統中采用時間和空間分集，低噪聲濾波器和有效的信道校正器和調制模式可抑制干擾并可分離所需的信號。然而，除了其他因素以外，由頻率的再利用而導致的同信道干擾也是限制系統總容量的因素。事實上，在信道分配中采用的算法的基礎在于利用無線電波傳輸的損耗特性使載波-干擾比或CIR比達到最小，從而促進無線電頻率的再利用。
信道分配裝置將一個給定的頻譜分為一套相鄰的或無干擾的信道，所以這些信道都可被同時使用，而接收信號的質量仍保持可以接受。幾種已知的技術都可用于劃分信道，例如頻率分割(FD)，時間分割(TD)或代碼分割(CD)。在頻率分割中，通過將頻譜劃分為相鄰的頻帶來實現信道的分離，在時間分割中，通過將頻率劃分為連續的時間段或時隙來實現，而在代碼分割中則通過將采用不同的調制碼來獲得信道的分離。眾所周知的GSM移動系統是采用頻分和時分相結合的蜂窩系統的一個范例，而數字歐洲無繩電信(DECT)則是時分系統的一個范例。
可以重復使用同一信道并使CIR保持可以接受的距離被稱作同一信道的再利用距離。另一方面，由于CIR是再利用距離和發射功率的函數，在蜂窩系統中可以通過增加基站之間的距離或者通過采用發射功率的動態控制來降低干擾電平。
至少固定信道分配(FCA)和動態信道分配(DCA)是信道分配方法。
在固定信道分配中，整個范圍被分為小區，根據某種再利用模式為每個小區分配一套頻率。這種分配的一大優點是它的筒易性，但它不能隨小區內的業務狀態或移動用戶的數目而改變。
在動態信道分配中，所有的信道都位于一個“信道組”內，當呼叫到達系統時，從信道組中為新呼叫分配信道，同時確保保持最小的CIR。這樣，在信道和小區之間沒有固定的關系，但是只要信號干擾低到可以接受的程度，任意一個信道都可被任意一個小區所選擇。根據信道被選擇的方式可以區分不同的動態分配方式。這種分配的優點在于，巨大的靈活性，并且能夠適應于業務的變化，但是當負荷非常高時，它沒有固定信道分配的效率高。在出版物“IEEE個人通信”，1996年六月；蜂窩移動電信系統的信道分配方案；綜合調查；I.Katzela,M.Naghshineh中全面描述了動態信道分配。
現有的基于TDMA/FDD的蜂窩移動系統主要采用固定的信道分配FCA。改進的系統還利用了頻率躍變來改善連接的質量，從而均衡損耗和干擾。在頻率躍變模式中，只有業務信道頻率或者，除此之外，時隙可以被改變。如果由于環境的改變或者移動設備的運動而導致信號質量變差并降低至容忍極限以下，則執行信道改變或切換，由此信道被更換為另一個，同時與基站的連接保持不變(稱為區內切換)或者轉換連接為通過另一基站(稱為區間切換)。這樣無線電鏈路的質量惡化也可導致越區切換，或者由于網絡想要重新分配信道以避免擁塞，則網絡可以指令移動設備執行切換。
在提及的第一種情況下，移動設備執行連接質量的連續測量，通常的誤碼率計算，以及相鄰基站載波功率的測量，并將測量結果以一定的時間間隔發射給網絡。網絡在其進行切換決定時利用這些測量結果。在此情況下，該切換是移動輔助切換。如果在區內切換中沒有發現發自該小區自身基站的空閑信道，或者在小區間信道交換中沒有發現從該相鄰基站到該移動設備移至的小區之間的空閑信道，則必需切斷連接。當在蜂窩系統中通過減小小區規模來增加容量時，并且在初始情況下小區規模非常小的系統中，即所謂的微小區系統中，在一次呼叫期間必需執行幾次信道交換。此外，當用戶數目增加時，不但維持好的業務水平逐漸變得更加困難，而且逐漸地可能無法找到空閑的信道。
在DECT中采用動態信道分配，該系統依照TDMA/TDD，即，發射和接收在同一頻率上發生。在此系統中，可以通過移動設備來執行信道交換，而不是象在例如GSM系統中通過網絡在執行。這一點之所以成為可能是由于，移動設備能夠監視上行線路和下行線路方向上的所有信道，并由此具有有關無線接口條件的穩定信息，即有關空閑和占用信道以及有關其干擾電平的信息。
為增加任一TDMA/FDD系統中的容量，自然可以采用動態信道分配DCA來取代固定信道分配，但是在此情況下，是移動設備而不是網絡可以從空閑信道組中選擇信道。因此，可以從一個包含幾個仍處于信道交換狀態中的信道的信道組中提取新信道。以此方式采用DCA時的一個問題在于，雖然許多信道都是空閑的，但所有這些都不能使用。移動設備不能隨機地選擇新信道，因為隨機選出的信道可能已經被采用。由于移動設備缺乏有關無線接口狀態的信息，特別是有關上行線路方向上的信道的狀態的信息，由此移動設備不能執行任何信道的交換。迄今為止尚未提出任何獲得此信息的方法。
本發明的目的在于，提供一種允許在TDMA/FDD系統中也采用動態信道分配的方法，從而移動設備可以自己選擇它將使用的信道，并由此執行信道交換。信道交換必須至少在小區內可以實現，并且至少到同一頻率的另一時隙處可以實現，但是最好也可以從一個小區到另一個小區實現信道交換。
利用獨立權利要求中描述的屬性可以實現這一確定的目的。
根據本發明，從一個基站處在一個載波上持續地發射一個特殊的極低電平信號，在下文中稱為導頻信號。對每個可用的載波并且在其每個時隙上都執行這一點，而與是否在該時隙上發射了有用的信號(業務突發脈沖)無關。在導頻信號中包含的信息在時隙上是同步的，從而在每個時隙上發射相同的信息。因此，為了獲得所有的信息，在最小程度上需要滿足，接收機接收該頻率上的任意一個時隙，并從中將導頻信號的信息解碼。
在發射有用信號的時隙中，導頻信號電平絕對低于有用信號的電平，并且具有與普通有用信號相同的帶寬。然而，它以一種較有用信號不同的方式被編碼，因此即使其頻率與有用信號的頻率相同，在接收機中仍可檢測到導頻信號。
在沒有發射有用信號的時隙中，導頻信號電平非常低，但是仍然滿足下述條件，即，即使它幾乎淹沒于噪聲中，仍然可以從中將其提取出來。
導頻信號包含有限數量的有關基站的信息。最重要的信息段是，相關頻率的信道是否可以用于動態信道分配，即，與下行線路方向相對應的上行線路方向信道是否正被應用。如果需要，該信號還可以包含標識該基站的信息，由此基于該信息，移動設備可以將基站區別開來。此外，如果網絡沒有同步，導頻信號可以包含有限的同步信息。
從實際角度而言，如果導頻信號的擴散序列與基站發射的同步突發脈沖具有一種直接的已知關系，則是非常有利的。由此，依照CDMA系統的基站無需同步，但是移動設備可以從它接收到的導頻信號中計算相鄰基站的定時。
基站還可以在廣播信道上向使用導頻信號的小區發射信息，從而能夠利用它的移動設備可以以一種正確方式操作。
移動設備在除實際接收時隙之外的其他時間接收載頻信號，從中將導頻信號解碼(如果存在的話)，并從該信號中獲得有關上行線路方向上信道(時隙)的狀態的信息。當決定執行切換時，它選擇它所需的空閑信道，并在其上向基站發射一個尋址突發脈沖(access burst)。如果基站接受該信道，它將在同一信道上反向發射一個尋址授權(grant)突發信號，根據它基站和移動設備將立即向該信道傳遞業務。
下面將參照所附圖表更詳盡地描述本發明，其中
圖1所示為作為時間函數的導頻信號和用戶信號，圖2所示為作為頻率函數的信號的能譜，圖3闡釋了一幀的不同時隙的內容，圖4所示為一個導頻信號的可能的域，圖5是信道交換的流程圖。
圖1所示為TDM/FDD系統的一個發射突發脈沖。用作示例的系統是GSM系統。
發射是在一個發射時隙中以突發脈沖的方式發生的。在該時隙期間，發生信號的包絡振幅1從一個初始值零上升至一個額定值，根據它來調制信號相位，從而發射一個包含147比特的比特包。然后，在時隙的末端，發射信號振幅再次降低至零。普通的突發脈沖包含兩個58比特段，其間插有一個26比特指令段。在突發脈沖的首端和末端有3個尾比特。為避免接收到的順序突發脈沖相互重疊，在每個突發脈沖的末端有一段安全時間。該安全時間的實際長度依賴于發射突發脈沖的包絡，但是一般而言安全時間被定義為突發脈沖信號低于-70dB(或-36dB，根據哪一個更高)的時間。因此，安全時間大約為30微秒。由于在同一無線載波上發射的移動設備離基站的距離是隨機的，由此從基站到移動設備的無線電波的傳輸時間將在一個時隙內變化，因此安全時間是必需的。由于這個原因，將在時隙內發射的突發脈沖的持續時間必須略短于該時隙，從而當基站接收時，在相鄰時隙上發射的突發脈沖將不會相互重疊。
移動接收機具有一個固定的輸入分辨率3，并且接收機不能從噪聲中區分出比輸入分辨率更弱的信號。每個接收機的輸入分辨率相互不同，因此附圖中的輸入分辨率3僅為建議值。
根據本發明，在圖1基站處將一個低電平導頻信號4加在每個可用的載波上。持續地將其加在載波上，從而在每個時隙上都可以發生，而不論它是否用于業務信道。然而，包含在導頻信號中的信息是與時隙同步的，從而在每個時隙上發射相同的信息，即，在一個時隙期間可以接收到該導頻信號內包含的所有信息。因此導頻信號的擴散碼與同步突發脈沖具有某種已知關系是非常有利的。
當在實際的有用信號(包絡1)期間發射導頻信號時，其電平必須以某種適當關系低于有用信號的電平。例如，可以如此選擇信號間的適當差異使得，例如，導頻信號電平較有用信號電平低大約20dB。當采用功率控制時，有用信號電平變化，從而導頻信號電平將以相同的比例變化。
當在一個沒有發射有用信號的時隙上發射導頻信號時，可能會在操作于相同頻率上的接收機處引起干擾。由于這個原因，其電平必須非常低，但是仍高于系統接收機的正常輸入分辨率，從而普通的接收程序可以將其從噪聲中區分開來。
圖2所示與圖1相同，但現在不是作為頻率的函數。當載波頻帶為Df時，用戶數據的能譜如曲線1所示，而導頻信號的能譜如曲線4所示。這樣導頻信號4具有與業務信號1相同的帶寬，但是導頻信號電平遠低于業務信號的最低電平。
圖3以幀的方式闡釋了本發明的思想。在作為示例的系統中，載波被分為順序的時隙，8個時隙構成一個幀。在示例中，該幀的時隙1,2,6和7是占用的，因為業務突發脈沖是在這些時隙期間被發射給四個移動設備的。這樣四個信道被使用。這里用一個盒子來闡釋業務突發脈沖的時隙，在該時隙期間導頻信號電平遠高于接收機的輸入分辨率，但是較業務突發脈沖相比略低(例如)20dB。在時隙3,4,5和8中沒有發射業務突發脈沖，導頻信號電平略低于接收機的輸入分辨率，但是仍位于可將其從噪聲中區分出來的電平上。在隨后的n+1幀中，第一時隙已經是空閑的(該信道空閑)，而時隙2,6和7仍在使用中。不論該時隙被使用與否，都在每個時隙上發射導頻信號4，在附圖中該信號顯示為變化電平的一個小的波動。
在導頻信號4中包含的信息具有與時隙中發射的普通突發脈沖1相同的帶寬，圖2，但是它的編碼方式不同，因此可以將其從噪聲中提取出來。在編碼中采用CDM方式(碼分多址)是尤其有利的，由此利用一個擴散碼將導頻信號信息擴展至整個傳輸帶寬。擴散序列與同步突發脈沖具有一種直接的已知關系是非常有利的。還可以使用某種更高階的卷積編碼，或者單獨使用或者與CDM編碼相結合。當要獲得最佳性能時，可以同時采用兩種編碼方式。通過所述編碼方式，可以檢測到其電平較普通輸入分辨率相比低15…25dB的導頻信號。然而，在有些接收機中，為了覆蓋極低電平可能需要放大自動增益控制(AGC)。
當根據CDM方式將導頻信號編碼時，按照需要可以在不同的基站處采用不同的離散碼，從而移動設備可以完全識別發射導頻信號的基站。的確這將增加復雜性，但是如果幾個運營者在同一區域運行，它允許與網絡無關的操作。
對于導頻信號還可以始終具有同一個靜態電平。如圖2所示，在每個時隙上該電平都可以是固定的，不論在“空閑”時隙上還是在含有業務突發脈沖的時隙上。由于接收機知道發射信號的電平，它可以根據接收信號來測量所用的無線鏈路的損耗，并可以得出結論，正常的業務信道是否可以工作在這樣一個狀態。如果損耗大于可接受值，對它來說采用該信道可能是不適宜的，因為發射功率則不得不被增加至過高的電平。
在上文中已經考慮了導頻信號的特征而沒有考慮它的信息內容。但是正是其內容允許移動設備確定無線接口的狀態。導頻信號包含關于基站的有限量的信息。在導頻信號中，在每個時隙上發射的消息至少包括那些在圖4中顯示的域。
首先，它包括被編碼作信息比特的上行線路信息，即，有關任何與該下行線路率相對應的上行線路頻率是否能夠用于動態信道分配以及哪些上行線路時隙空閑的信息。眾所周知，在TDM/FDD系統中發射幀與接收幀的確定時隙對構成了一個雙向業務信道，由此信道是對稱的并且在每個方向上包括一個時隙(例如，當所指為GSM系統時)。這樣，某一上行線路信道與一個下行線路信道相對應。然而，特別在數據傳輸中，由于數據傳輸的要求通常在一個方向上較另一個方向上的大，信道可能是不對稱的，正如大多數數據是從網絡到移動設備的方向上傳輸的。因此，在導頻信號中應該知道哪些上行線路時隙被占用，哪些時隙空閑。如果在系統中采用不連續傳輸(DTX)，從而在沒有信息需要發射的時刻發射機關閉，則可以使用導頻信號來指出那些暫時空閑的特定時隙。
第二，可以使用導頻信號來傳遞有限量的同步信息，特別是時隙定時信息。在GSM系統中不需要這一點，因為所有的業務信道都與基站處的BCCH載波同步。如果需要同步，必須為每個載波發射一個頻率校正突發脈沖。它只包含零比特，并且它的解調導致一個純的正弦波，其頻率等于相關載波的頻率或者距離它有一個預定距離。通過在一個時隙上采用代碼擴散也可以使DCA載波同步，雖然這只在時隙中部產生良好的擴散結果。
第三，這些信息也可以被包含在那些在某種程度上標識發射基站的導頻信號中。這樣，移動設備在接收載波時能夠區別出發射每個載波的基站。
為使在該網絡中操作的移動設備能夠得知網絡具有根據本發明的性能，必須將該信息以信號方式發送給它們。為發送信號，使用那些由基站發射的廣播信道，其他需要的信息也在該信道上以信號方式發送給移動設備。在GSM網絡中，該信道被稱為廣播控制信道(BCCH)。如果需要，該信道還用于說明支持動態信道分配DCA的信道的數目，不過這是一個可選性能，用以加速信道的選擇。
當基站根據本發明發射導頻信號時，移動設備必須以任一方式先接收然后檢測該信號。下文將參照圖5描述移動設備功能。
在普通的業務連接時隙中，由于移動設備在接收到的普通信號的解調過程以及在信道解碼過程中有許多事要做，因此接收并不成功。然而，在已知的移動系統中至少可以發現四個瞬時，因此移動設備有時間來監控頻率，階段51，并能搜索導頻信號。
a)監控時隙，移動設備用它來監控其自身的傳輸以及鄰近基站的傳輸。眾所周知，在所有的蜂窩系統中移動設備監控鄰近基站的BCCH載波信號的強度，從而可以將導頻信號與該時隙中接收的信號區分開來。
b)空閑幀的時隙，由此在業務信道的普通發射時隙中沒有發射，并且在接收時隙中沒有接收，空閑幀是一個移動設備不能在其中正常地發射或接收任何信號的幀。
c)在使用不連續傳輸(DTX)時，在該時刻沒有在其上接收到任何信號的業務連接的接收時隙。在不連續傳輸DTX中，基站和移動設備都不發射任何信號，這意味著移動設備不在與該發射時隙有關的接收時隙中接收任何信號。這樣該時隙可被用于接收導頻信號。
d)在使用一個小于全速的業務信道時，具有同一時隙序號但是由于較低速率沒有用于業務的時隙。全速業務信道是由這些具有相同的屬于循環順序幀的序號的時隙構成的。半速或更低速率業務信道是由用于業務的每隔一個幀或者更少的幀中的具有同一序號的時隙構成的。這樣在未被使用的時隙中，移動設備可以接收導頻信號。
e)沒有發射普通突發脈沖的業務信道的時隙。這種情況是可能的，例如在發射分組數據的時候。這樣在該時隙中移動設備可以接收導頻信號。
第六種可能情況是，在某段時間中斷業務信道的普通業務，從而移動設備可以接收導頻信號。對于接收方而言這種情況當然是很麻煩的，因此這種情況最適用于當業務用途是分組數據傳輸的時候。
當基站發射導頻信號并且移動設備接收它時，在某些情況下可能導致移動設備不能監測導頻信號，階段52。這至少有三種原因1)使用該載波時，沒有信道可以用于動態信道分配，2)由于普通的業務使用整個時隙和載波，因此導頻信號的信噪比(S/N)太差，3)由環境引起的干擾電平或噪聲太高。不論原因是上述的哪一種，其結論都是，信道不能用于動態信道分配，階段53。
采用上述的機理，在將信號解碼之后移動設備將了解在每一時刻在上行線路和下行線路方向上哪些信道是空閑的，階段54。如果導頻信號還包含一個基站標識符，移動設備將了解在其自身的基站以及在鄰近的基站處哪些信道是空閑的。根據該信息，移動設備可以開始從該時刻它使用的信道處進行信道交換至某一空閑信道，階段55。信道交換標準可以是任一合適的一種，并且同樣不屬于本發明的范圍。
當需要信道交換時，移動設備檢查其存儲器，以確定該時刻是否有空閑的信道可以使用。如果沒有可用的信道，它保持在同一信道上，這樣在最壞的情況下可能會切斷該連接或該鏈路，階段56。
如果存在空閑信道，移動設備將選擇一條空閑信道，階段57，并通過在其選擇的空閑信道(即，時隙/頻率)上向基站發射尋址突發脈沖來起動一次信道交換，階段58。
如果該信道交換是一次蜂窩內交換，由于同一基站的所有定時都對BCCH載波同步，因此定時將自動校正。如果信道交換是小區間的，移動設備已經從它從該相鄰基站接收到的導頻信號中了解了該基站的定時。在兩種情況下，基站接收突發脈沖，通過在該信道上反向發射一個尋址授權突發脈沖來接受該信道，階段59，并且同時立即向該移動設備選擇的新信道傳送業務，階段60。相應地，在接受尋址授權突發脈沖之后，移動設備將業務從“舊”信道轉換至它選擇的新信道。如果沒有尋址授權突發脈沖，移動設備將保持在舊的信道上，階段61。
該建議方法特別適用于有限干擾的蜂窩微網絡中。這是一種在小區中可能存在空閑信道的網絡，然而在某一時刻可能不能使用這些空閑信道，因為它們可能在其他小區的連接中引起太多的干擾。由于瑞利漏失，當移動設備以高速移動時，本方法特別不適用。在現有基站和移動設備下無需進行大的改變，但是如果網絡不同步，需要的只是額外的邏輯來將某些比特擴散/解碼為導頻信號并且監測另一載波的時隙定時。此外，必須為基站增加分配，從而正如在本系統中，它可以不但在隨機尋址信道(RACCH)上而且在所有的業務信道上接收尋址突發脈沖。另外，必須為基站增加分配，從而它可以在廣播控制信道(BCCH)上發射有關本發明特征的消息。
權利要求
1．一種在移動電話系統中分配信道的方法，在該系統的無線接口上發射與接收在不同的載頻上發生，并且發射幀和接收幀包含幾個時隙，從而時隙和頻率構成一個信道，在該信道上以突發脈沖的方式發射業務信號，其特征在于形成一條包含有關基站的信息的消息，從基站處持續地在一個導頻信號中發射消息，該信號的頻率為載頻，但是該信號的信號電平低于業務信號電平，其帶寬與業務信號的帶寬相同，并且每個單獨的消息位于一段時期內的導頻信號中，該時期在時間方面對應于發射時隙，在移動設備接收到導頻信號之后，按需執行到該消息中指明的空閑信道的切換。
2．根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在那些沒有發射業務信號的時隙中，導頻信號電平要低但是仍然可以檢測到該信號，而在那些發射了業務信號的時隙中，導頻信號電平接近業務信號電平但是仍要略低一些。
3．根據權利要求2所述的方法，其特征在于，在那些沒有發射業務信號的時隙中，導頻信號位于一個固定的靜態電平。
4．根據權利要求1所述的方法，其特征在于，通過采用碼分多址，該消息位于導頻信號中。
5．根據權利要求4所述的方法，其特征在于導頻信號信息的擴散序列與同步突發脈沖之間存在一種直接關系。
6．根據權利要求1所述的方法，其特征在于，通過采用高階卷積碼，該消息位于導頻信號中。
7．根據權利要求1所述的方法，其特征在于，與導頻信號的發射頻率相對應的接收頻率的信道狀態信息位于該消息中。
8．根據權利要求1所述的方法，其特征在于，該消息包含標識基站的信息，從而當移動設備接收到導頻信號時，它將了解該發射基站。
9．根據權利要求1所述的方法，其特征在于，移動設備在普通的監控時隙中接收導頻信號。
10．根據權利要求1所述的方法，其特征在于，移動設備在一個空閑幀期間接收導頻信號，從而它不發射或接收任何業務突發脈沖。
11．根據權利要求1所述的方法，其特征在于，當使用不連續傳輸(DTX)時移動設備在基站不發射任何突發脈沖的時間內接收導頻信號。
12．根據權利要求1所述的方法，其特征在于，當使用低于全速的業務信道時，移動設備在空閑的接收時隙中接收導頻信號。
13．根據權利要求1所述的方法，其特征在于，當執行信道交換時，移動設備在其選擇的空閑信道上向基站發射一個尋址突發脈沖，該基站用一個尋址授權突發脈沖對其作出響應，根據它向所選信道發射業務。
14．根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在基站可用的所有載頻上發射導頻信號。
全文摘要
根據本發明,從基站處在每個可用載波上發射一個導頻信號4。對每個可用載波并且在該載波的每個時隙上執行這一步,而與該時隙中是否發射了有用信號無關。該導頻信號包含有限數量的有關該基站的信息,例如有關無線接口的信息。該信息在時隙上同步,從而在每個時隙上發射相同的信息。導頻信號電平是變化的,并且在用于業務的時隙中該電平適當低于有用信號1的電平,但是在空閑時隙中它具有非常低的靜態電平。它具有與普通有用信號相同的帶寬Df。然而,其編碼方式與有用信號不同,以此方式即使它幾乎淹沒在噪聲中,仍然可以將其從噪聲中提取出來。移動設備從導頻信號中獲得有關上行線路方向上信道(時隙)狀態的信息。當決定執行信號交換時,它選擇它想要的任一空閑信道,并在該信道上向基站發射一個尋址突發脈沖。如果基站接受該信道,它將在同一信道上反向發射一個尋址授權突發脈沖,此后基站和移動設備立刻向該信道發射業務。
文檔編號H04W36/30GK1208539SQ97191717
公開日1999年2月17日 申請日期1997年11月11日 優先權日1996年11月15日
發明者蒂莫·阿利－維瑪斯 申請人:諾基亞電信公司