專利名稱：使用tdma幀和/或bcch的高功率短消息業(yè)務的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明一般涉及無線電通信系統(tǒng)，并且更具體涉及用于在非理想情況下通過無線電通信信號可靠發(fā)送字母數(shù)字消息的系統(tǒng)與方法。
參見

圖1，表示出典型的蜂窩移動無線電通信系統(tǒng)。此典型系統(tǒng)包括類似于基站110的許多基站和類似于移動站120的許多移動單元或站。使用這些設備或其等效設備能執(zhí)行話音和/或數(shù)據(jù)通信。基站包括連接到MSC(移動交換中心)140的控制與處理單元130，此MSC140又連接到公用交換電話網(wǎng)絡(未示出)。
基站110為小區(qū)提供服務并包括由控制與處理單元130控制的話音信道收發(fā)信機150處理的多個話音信道。每個基站也包括可能能處理一個以上的控制信道的控制信道收發(fā)信機160，此控制信道收發(fā)信機160受此控制與處理單元130控制。此控制信道收發(fā)信機160在基站或小區(qū)的控制信道上廣播控制信息給鎖定到那個控制信道的移動站。此話音信道收發(fā)信機廣播能包括數(shù)字控制信道位置信息的業(yè)務或話音信道。
在移動站120第一次進入空閑模式時，它周期性地掃描類似于基站110的基站的控制信道以查看是否存在尋址到移動站120的尋呼脈沖串。此尋呼脈沖串通知移動站120鎖定或預占哪個小區(qū)。移動站120在其話音與控制信道收發(fā)信機170上接收在控制信道上廣播的絕對與相對信息。隨后，處理單元180評估包括候選小區(qū)特征的接收的控制信道信息并確定此移動站應鎖定到哪個小區(qū)。此接收的控制信道信息不僅包含涉及與之相關(guān)的絕對信息，也包含涉及此控制信道與之相關(guān)的小區(qū)附近的其他小區(qū)的相對信息。在監(jiān)視主控制信道的同時周期性地掃描這些相鄰小區(qū)，以確定是否具有更合適的候選小區(qū)。涉及移動站與基站實施的特定細節(jié)的附加信息能在P.Dent與B.Ekelund于1992年10月27日提交的題為“Multi-Mode Signal Processing”的美國專利申請系列號07/967027中找到，此申請全部引入在此作為參考。將認識到，此基站在基于衛(wèi)星的移動無線電通信系統(tǒng)中可以利用一個或多個衛(wèi)星來替代。
為了增加無線電通信系統(tǒng)容量，能使用諸如頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)與碼分多址(CDMA)的數(shù)字通信與多址聯(lián)接技術(shù)。這些多址聯(lián)接技術(shù)之中每一種技術(shù)的目的是以在其目的地上能分隔開不同的信道而沒有相互干擾的方式將來自不同信號源的信號合并到一個公共傳輸介質(zhì)上。在FDMA系統(tǒng)中，用戶在頻域中分享無線電頻譜。給每個用戶分配整個通話期間使用的頻帶的一部分。在TDMA系統(tǒng)中，用戶在時域中分享無線電頻譜。將每個無線電信道或載頻分成一系列時隙，并且給各個用戶分配一個時隙，在此時隙期間此用戶接入分配給此系統(tǒng)的整個頻帶(寬帶TDMA)或只接入此頻帶的一部分(窄帶TDMA)。每個時隙包含來自數(shù)據(jù)源的信息的“脈沖串”，例如，話音通話的數(shù)字編碼部分。將這些時隙組合為具有預定時長的連續(xù)TDMA幀。每個TDMA幀中時隙的數(shù)量與能同時共享此無線電信道的不同用戶的數(shù)量有關(guān)。如果將TDMA幀中每個時隙分配給一個不同的用戶，TDMA幀的時長是分配給同一用戶的相繼時隙之間的最小時間量。在CDMA系統(tǒng)中，給每個用戶分配唯一的偽隨機用戶碼，以便唯一地接入此頻率時間域。CDMA技術(shù)的示例包括擴頻與跳頻。
在TDMA系統(tǒng)中，通常不是無線電載頻上連續(xù)的時隙的、分配給同一用戶的相繼時隙構(gòu)成用戶的數(shù)字業(yè)務信道，此信道認為是分配給此用戶的邏輯信道。以GSM標準為例，TDMA信道的結(jié)構(gòu)表示在圖2中。這些TDMA信道包括業(yè)務信道TCH與信令信道SC。TCH信道包括用于發(fā)送話音和/或數(shù)據(jù)信號的全速率與半速率信道。信令信道SC在移動單元與衛(wèi)星(或基站)之間傳送信令信息。信令信道SC包括三種類型的控制信道廣播控制信道(BCCH)、在多個用戶之間分享的公用控制信道(CCCH)和分配給單個用戶的專用控制信道(DCCH)。BCCH一般包括頻率校正信道(FCH)和同步信道(SCH)，這兩個信道都是下行鏈路信道。公用控制信道(CCCH)包括下行鏈路尋呼信道(PCH)與接入準許(AGCH)信道以及上行鏈路隨機接入信道(RACH)。專用控制信道DCCH包括快相關(guān)控制信道(FACCH)、慢相關(guān)控制信道(SACCH)和獨立的專用控制信道(SDCCH)。將慢相關(guān)控制信道分配給業(yè)務(話音或數(shù)據(jù))信道或獨立的專用控制信道(SDCCH)。此SACCH信道提供功率和幀調(diào)整與控制信息給移動站。
廣播控制信道的頻率校正信道FCH傳送允許移動站準確調(diào)諧到基站的信息。廣播控制信道的同步信道SCH提供幀同步數(shù)據(jù)給移動單元。
以GSM類型的系統(tǒng)為例，通過使每個第26個TDMA幀專用于傳送SACCH信息能形成慢相關(guān)控制信道SACCH。每個SACCH幀包括8個時隙(一個SACCH時隙用于此幀中的每個業(yè)務時隙)，允許一個唯一的SACCH信道用于每條移動通信鏈路?；净蛐l(wèi)星在此SACCH信道上發(fā)送指令，以便將移動單元的傳輸定時提前或延遲來在基站或衛(wèi)星上接收的不同移動站脈沖串之間實現(xiàn)時間對準。
隨機接入信道RACH由移動站用于請求接入系統(tǒng)。RACH邏輯信道是單向上行鏈路信道(從移動站至基站或衛(wèi)星)，并且此信道由獨立的移動單元共享(甚至在繁忙使用期間，在一般系統(tǒng)中每個小區(qū)一個RACH也足夠)。移動單元連續(xù)監(jiān)視RACH信道的狀態(tài)，以確定此信道是忙還是閑。如果此RACH信道空閑，希望接入的移動單元在此RACH上與所需的電話號碼一起發(fā)送其移動識別號碼給基站或衛(wèi)星。MSC從基站或衛(wèi)星中接收此信息并分配空閑的話音信道給此移動站，而且通過此基站或衛(wèi)星發(fā)送信道識別給此移動站，以使此移動站能自己調(diào)諧到新的信道。此RACH上行鏈路信道上的所有時隙在爭用基礎上或在預留基礎上用于移動站接入請求。預留基礎的接入描述在于1993年10月25日提交并引入在此申請文件中作為參考的題為“Method ofEffecting Random Access in a Mobile Radio System”的美國專利申請?zhí)?8/140467中。RACH操作的一個重要特性是要求某一下行鏈路信息的接收，從而移動站接收它們在上行鏈路上發(fā)送的每個脈沖串的實時反饋，這稱為RACH上的層2ARQ或自動重發(fā)請求。下行鏈路信息優(yōu)選包括可以認為是專用于在下行鏈路中傳送上行鏈路特定的層2信息的另一下行鏈路子信道的22個比特。能稱為共享信道反饋的此信息流增強RACH的吞吐容量，以使移動站能迅速地確定是否已經(jīng)成功接收任何接入嘗試的任何脈沖串。如圖2所時，在信道AGCH上發(fā)送此下行鏈路信息。
TDMA系統(tǒng)中信號的傳輸以緩沖與突發(fā)或不連續(xù)傳輸模式進行每個移動單元只在此移動單元的分配頻率上在TDMA幀中其分配的時隙期間發(fā)送或接收。例如，在全速率上，移動站可以在時隙1期間發(fā)送、在時隙2期間接收、在時隙3期間空閑、在時隙4期間發(fā)送、在時隙5期間接收并在時隙6期間空閑，而且隨后在后續(xù)TDMA幀期間重復此循環(huán)?？梢允请姵毓╇姷囊苿訂卧茉谒炔辉诎l(fā)送也不在接收時的時隙期間被關(guān)斷(或“睡眠”)以節(jié)省功率。
為了增加移動性與便攜性，無線電通信用戶相對具有大或定向天線的移動站趨于優(yōu)選具有相對小的全向(并因此，較小功率)天線的移動單元。由于此偏愛，有時提供足夠的信號強度用于具有小的全向天線的典型移動單元與移動交換中心(MSC)或衛(wèi)星之間通信信號的交換是困難的。這個問題在基于衛(wèi)星的移動無線電通信中特別嚴重。
基于衛(wèi)星的移動無線電通信系統(tǒng)提供無線電通信業(yè)務給使用一個或多個部分重疊的衛(wèi)星波束的地球的特定地理區(qū)域。每個衛(wèi)星波束具有高達約1000KM的半徑。由于衛(wèi)星的功率限制，同時在每個波束中提供高的鏈路余量是不實際的。
因為移動衛(wèi)星鏈路特別功率受限，所以通信一般限于具有Ricean衰落的視距信道。強的視距路徑與地面反射波以及弱的建筑物反射波的組合導致Ricean衰落。這些信道要求大約10dB或更多的通信鏈路余量，以實現(xiàn)諸如合適地安裝移動無線電話單元天線并且此單元處于無阻擋位置時的理想或接近理想情況中的話音通信。在這些接近理想的信道中，此移動單元能成功地監(jiān)視尋呼信道，以檢測輸入呼叫。在非理想情況中，諸如在未安裝移動單元天線或或此移動站處于被阻擋位置(例如，在建筑物內(nèi))時，包括地面反射與建筑物反射波的反射波變成主要成分。這些非理想情況中的信道以具有嚴重衰減的平坦Rayleigh(瑞利)衰落(最嚴重類型的衰落)為特征。在這樣的信道中，要求30dB或更多的鏈路余量來實現(xiàn)可靠的話音或數(shù)據(jù)通信，并且移動單元在這種情況中不能監(jiān)視尋呼信道以檢測輸入呼叫。在這些非理想情況中，短消息業(yè)務(SMS)是所需要的。由于衛(wèi)星的功率限制，SMS在非理想情況中用于提醒移動站用戶具有輸入呼叫時特別有效。此移動站用戶隨后可以改變位置以接收或返回呼叫。術(shù)語“鏈路余量”或“信號余量”指在理想情況下(即，信道除了加性白高斯噪聲(AWGN)之外沒有其他損害)所要求的功率之上提供適當?shù)臉I(yè)務所要求的附加功率?！皳p害”包括信號幅度的衰落、多普勒頻移、相位變化、信號屏蔽或阻塞、實施損耗和天線方向圖的異常。
不管發(fā)送話音還是數(shù)據(jù)，特別是在功率有限的衛(wèi)星應用中，頻繁希望增加信號余量以保證可靠的無線電通信性能。增加信號的鏈路余量的公知方法包括擴展信道帶寬以獲得頻率選擇性或使用前向糾錯編碼(諸如卷積編碼)、增加信號功率與比特重復(這可以認為是前向糾錯編碼的形式)。每一種這樣的方法具有諸多限制。帶寬擴展一般利用諸如信號擴展與低比特率糾錯編碼的公知方法來實現(xiàn)并得到對衰落較不敏感的信號。還有，在SMS應用中，如果話音信道的擴展帶寬不同于(例如，大于)消息信道的帶寬，則在移動單元中將要求兩個單獨與完整的無線電設備(每個業(yè)務使用一個無線電設備)，從而使其設計復雜。一般也要求相干瑞克接收機或均衡器來減少延遲擴展，這進一步使移動單元的設計復雜。帶寬擴展也可以利用整個話音或數(shù)據(jù)消息的重復傳輸來實現(xiàn)。然而，在所述的非理想情況下，因為每個重復一般低于噪聲平面(即，不具有足夠的余量)，所以此方法不是有效的，導致高差錯率并阻止這些重復的相干組合。
增加信號功率也可以用于提供較高余量。由于衛(wèi)星的功率限制，這一般不是實際的解決方案。除了增加系統(tǒng)的費用之外，特別在具有窄的重復使用余量的TDMA系統(tǒng)中，增加發(fā)射功率也使控制同信道干擾更困難。因此，可以僅在相對不足的使用期間提供從衛(wèi)星至移動單元的大功率增加。還有，因為移動單元甚至比衛(wèi)星更加功率有限，所以此技術(shù)一般僅僅在從衛(wèi)星至移動單元的一個方向中是可實施的。
比特重復也可以用于增加余量。比特重復尤其在非理想情況中得到比消息重復低的差錯率。比特重復引起傳輸延遲，這顯然對于話音信號不是所希望的。然而，傳輸延遲對于諸如SMS特性的數(shù)據(jù)通信可能是可接受的，假定此延遲保持為合理的最小值。通過多次發(fā)送各個比特或調(diào)制碼元或比特或調(diào)制碼元的分組來實現(xiàn)比特重復，以使所有重復是相連的并包含在連續(xù)TDMA幀的相同時隙內(nèi)。接收機組合來自每個重復的能量以生成具有較高余量的信號。如上所述，比特重復根據(jù)消息的長度能引起顯著的延遲。為了獲得30dB的信號余量，每個比特將必須重復1000次。典型的短消息在歐洲數(shù)字標準的GSM系統(tǒng)中具有32與64之間的字符、在當前在美國使用的DAMPS(數(shù)字高級移動電話業(yè)務，IS-136)系統(tǒng)中具有高達245的字符并且在DECT(數(shù)字歐洲無繩電話)系統(tǒng)中具有多達160的字符。假定GSM系統(tǒng)具有18.64ms的TDMA幀，每幀具有16個時隙和114數(shù)據(jù)比特/時隙，不包括傳播時間的用于接收64字符消息的最小延遲如下
64比特*8比特/字符*1000重復/比特*18.64ms/時隙*1/114時隙/數(shù)據(jù)比特＝84秒。
這樣的延遲甚至對于數(shù)據(jù)傳輸也是極不希望的。因此，希望無線電通信系統(tǒng)允許以增加的信號余量發(fā)送信號而沒有顯著的延遲并且沒有顯著的功率增加。
還希望通信系統(tǒng)允許利用增加的信號余量發(fā)送信號而不要求信道帶寬的擴展。
也希望TDMA通信系統(tǒng)允許利用增加的信號余量發(fā)送信號而不要求TDMA幀的結(jié)構(gòu)或組織的變化。
還希望移動無線電通信系統(tǒng)允許利用增加的信號余量發(fā)送從移動單元或從衛(wèi)星或基站始發(fā)的數(shù)據(jù)消息。
又希望通信系統(tǒng)選擇地增加用于數(shù)據(jù)消息傳輸?shù)耐ㄐ沛溌返男盘栍嗔俊?br> 利用本發(fā)明克服常規(guī)通信系統(tǒng)與方法的上述與其他限制，本發(fā)明提供用于發(fā)送短字母數(shù)字消息的高滲透傳輸方法，其中利用比特重復與相對小的功率增加的組合來增加信號余量。根據(jù)示例性實施例，比特或消息重復與相對小的功率增加的組合避免只依賴于重復來增加信號余量的系統(tǒng)的不可接受的延遲特性。同樣，重復與相對小的功率增加的組合避免只依賴于增加的功率來增加信號余量的系統(tǒng)的同信道干擾問題。
根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例，給無線電通信系統(tǒng)提供用于在諸如衛(wèi)星的控制站與諸如移動單元的發(fā)射機/接收機之間發(fā)送字母數(shù)字消息的短消息業(yè)務特性。將選擇的TDMA幀指定為消息幀，并且每個消息幀包括用于發(fā)送數(shù)據(jù)消息的許多數(shù)據(jù)時隙。為了保證具有嚴重衰減的信道上可靠的傳輸，編碼數(shù)據(jù)消息；將編碼的消息分成分組或組，每個分組或組具有一個或多個比特；在消息幀的數(shù)據(jù)時隙上多次以大于用于話音傳輸?shù)墓β孰娖降墓β孰娖桨l(fā)送每個分組，將相同的時隙用于至特定用戶的每個傳輸；并且這些傳輸在接收機上進行組合和檢錯，以形成具有增加余量的信號。
根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例，給無線電通信系統(tǒng)提供具有用于發(fā)送字母數(shù)字消息給移動單元和從移動單元中發(fā)送字母數(shù)字消息的短消息業(yè)務。為了保證具有嚴重衰減的信道上可靠的傳輸，利用檢錯編碼來編碼此短消息，以形成一個或多個數(shù)據(jù)碼字；在具有消息幀的消息信道上多次發(fā)送每個碼字。每個消息幀由每個TDMA幀或每個集合的TDMA幀組成。以大于用于話音傳輸?shù)墓β孰娖讲⒋笥谟糜诳刂菩畔鬏數(shù)墓β孰娖降墓β孰娖桨l(fā)送此消息信道。此消息信道可以由從廣播控制信道或其他合適信道中取出的時隙形成，這多個傳輸在接收機上進行組合與檢錯。
通過結(jié)合附圖閱讀下面具體的描述將更容易理解本發(fā)明的前述目的、特性和優(yōu)點，其中圖1是示例性移動無線電通信系統(tǒng)的方框圖；圖2是典型GSM數(shù)字無線電通信系統(tǒng)中信道的結(jié)構(gòu)的圖；圖3是其中可以實施本發(fā)明的信號傳輸方法的基于衛(wèi)星的移動無線電通信系統(tǒng)的圖；圖4是描述根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的短消息傳輸?shù)牧鞒虉D；圖5A是表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的SMS幀的格式的圖；圖5B是表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的SMS時隙的脈沖串格式的圖；和圖6是表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的SMS業(yè)務的幀格式的圖。
雖然下面的描述涉及在采用衛(wèi)星與移動無線電通信單元的基于衛(wèi)星的無線電通信系統(tǒng)中實現(xiàn)的短消息業(yè)務，但將認識到本發(fā)明也可以應用于包括合適的發(fā)射機/接收機單元的其他類型的通信系統(tǒng)。
在基于衛(wèi)星的移動無線電通信系統(tǒng)中，可以通過一顆衛(wèi)星、多顆衛(wèi)星或一顆或多顆衛(wèi)星與PSTN(公用交換電話網(wǎng)絡)的組合在移動站與標準電話機或第二移動站之間建立用于發(fā)送話音或數(shù)據(jù)的通信鏈路。如圖3所示的這樣的系統(tǒng)可能希望實現(xiàn)諸如鄉(xiāng)村地區(qū)的其中極少或沒有基站存在并且附加基站不可行的廣大的地理覆蓋。由于衛(wèi)星固有的功率限制，所以衛(wèi)星與移動站之間的話音通信鏈路要求理想或接近理想的情況；即，諸如與合適安裝的移動站的天線的視距通信的情況。在非理想情況中，諸如在移動站被屏蔽(例如，在建筑物內(nèi)，等等)時或在未正確安裝移動站天線時，由于信道中增加的衰減而使用于通信的功率或信號余量要求顯著增加。在這樣的情況中(如圖3中的MUz所示)，瑞利衰落時常阻止令人滿意的通信，并因此希望發(fā)送短的字母數(shù)字消息給移動站。例如，可以使用此消息來通知用戶具有輸入呼叫。本發(fā)明通過提供有效的技術(shù)來增加信號余量而沒有顯著的延遲、功率增加或同信道干擾來保證消息的可靠傳輸。
僅僅為了示意，并且不限制本發(fā)明的范疇，可以假定使用TDMA信道的基于衛(wèi)星的GSM無線電通信系統(tǒng)呈現(xiàn)以下情況。通信信道沒有視距組成部分并且容易受具有嚴重衰減的瑞利衰落的影響。如本領域技術(shù)人員將認識到的，瑞利(或多徑)衰落是在由于來自服務區(qū)域中的物理結(jié)構(gòu)的反射而使來自駐波的多徑波成對時出現(xiàn)的現(xiàn)象。這些駐波對一起相加形成不規(guī)則波衰落結(jié)構(gòu)。在移動單元固定時，此移動單元接收恒定信號。然而，在此移動單元正在移動時，衰落結(jié)構(gòu)使衰落出現(xiàn)，這在此移動單元移動更快時增加。非理想瑞利信道的平均信號電平大約比接近理想的視距信道的信號電平低20-30dB。
為了保證非理想情況中短消息至移動站的可靠傳輸，必須增加信號余量。根據(jù)本發(fā)明，能組合比特重復與功率增加，以提供增加的信號余量而沒有顯著的延遲。
將認識到分貝(dB)是用于表示功率、電流或電壓之比的單位。具體地，功率比(P2/P1)可以利用公式dB＝10log(P2/P1)以分貝為單位來表示。30dB的信號余量要求1000的功率比，這是因為10log1000＝30。因而，為了只利用比特重復來獲得此信號余量，每個比特必須重復1000次，并且每個重復的信號余量必須在接收機上進行組合，得到上面計算的82秒延遲。然而，為了獲得15dB的信號余量，所要求的功率比僅為31.623，這是因為10log31.623＝15。因而，通過將功率增加15dB并且將每個比特大約重復31次可以提供30dB信號余量。使用此技術(shù)，64字符消息的比特重復延遲大約是(64字符*8比特/字符*31比特/比特*18.64ms/時隙*1/114時隙/比特)2.5秒。結(jié)果，比特重復延遲保持在合理的電平上，并且功率增加也保持在合理的電平上，從而避免同信道干擾。將認識到重復與功率增加的許多不同組合對于在瑞利衰落環(huán)境中實現(xiàn)成功通信而無顯著延遲是有可能的。還有，不重復數(shù)字信號的各個比特，而可以重復比特組。
為了實施本發(fā)明的技術(shù)，通過平均多個用戶的功率負載可以提供從衛(wèi)星至移動站的功率增加。即，在接近理想情況中由移動單元使用的通信信道可以使其功率減少，以便在非理想情況中增加提供給移動單元的電源。也可以通過時間平均來提供功率增加，其中相連TDMA幀中的各個時隙以增加的功率電平進行發(fā)送。將認識到利用本領域公知的其他技術(shù)也可以實現(xiàn)從衛(wèi)星至移動站的功率增加。
移動單元的功率限制甚至比衛(wèi)星的功率限制更嚴重。因而，增加功率用于從移動站至衛(wèi)星的通信甚至更困難。這樣的通信(或可能)必須發(fā)送消息或消息的確認接收。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，通過允許移動單元在隨機接入信道RACH的所有時隙上發(fā)送可以實現(xiàn)從移動站至衛(wèi)星的功率增加。比特或消息重復也可以由移動單元用于進一步有效地增加發(fā)送給衛(wèi)星的信號的余量。因為利用具有低信息速率的信號可以完成RACH信道上移動單元的確認，所以相對前向信道的較高數(shù)量的同步比特和較高數(shù)量的比特與消息重復能用于補償移動單元的較低發(fā)射功率。優(yōu)選地，移動單元在隔開的載頻上發(fā)送連續(xù)重復來去相關(guān)這些重復。因為此消息是短的，所以傳輸時間將是短的，并且平均發(fā)射功率使用此系統(tǒng)將是可接受的。
現(xiàn)在參見圖4，表示出使用本發(fā)明的傳輸方法的短消息的傳輸?shù)牧鞒虉D。在步驟100，發(fā)送方輸入要發(fā)送給接收用戶的消息。此消息可以由發(fā)送方通過移動單元、標準電話機、計算機終端或等效設備直接輸入到此通信系統(tǒng)中，或可以通過呼叫將消息輸入系統(tǒng)的服務中心的操作者來間接輸入此消息。在步驟102，由位于發(fā)射機上的編碼器利用諸如CRC的檢錯碼編碼包括短消息的信息比特。此編碼的消息構(gòu)成一個或多個碼字，每個碼字包含碼字比特或碼元。應認識到，發(fā)射機可以是衛(wèi)星、基站或移動單元。在步驟104，能采用比特重復，以使編碼裝置輸出的每個碼字比特或碼元重復N次，以形成包含N個比特的分組。顯然，不重復各個比特或碼元，也能重復兩個或多個比特或碼元的組或整個碼字或全部碼字。隨后，發(fā)送分組，以使TDMA幀內(nèi)的每個時隙包括一個或多個分組的重復比特、檢錯編碼比特和同步脈沖串，以使接收機能估算信道質(zhì)量。以這種方式發(fā)送包括編碼短消息的所有比特。如果采用比特重復與消息重復，一旦已發(fā)送整個編碼的消息，則能重復M次此消息的傳輸(以N個碼字比特的分組的形式)，以獲得所需的信號余量。將認識到因為可以從衛(wèi)星、基站或移動站中發(fā)送短消息，所以在這些設備之中的每一個設備中提供編碼與發(fā)送功能。也將認識到，為了實施本發(fā)明的技術(shù)，在發(fā)射機中包括確定比特重復次數(shù)N、消息重復次數(shù)M和獲得消息的成功傳輸所要求的功率增加的裝置。
在步驟108中，接收設備(即，移動單元，衛(wèi)星，基站或等效設備)對包括重復編碼消息比特、檢錯比特和信道質(zhì)量估算比特的接收信號進行抽樣并生成形式為 的度量和，其中rij是對應于分組重復j中信息比特或碼元S的第i重復的抽樣接收信號，并且Cj是信道質(zhì)量的相應估算。在步驟110，包含在接收設備中的解碼器使用軟合并或多數(shù)邏輯表決或其他合適的解碼方法從度量和中解碼TDMA時隙中每個編碼的比特或碼元。為了實施軟合并，此解碼器將度量和相加為r=ΣJ=1Mrj]]>并根據(jù)此和進行比特或碼元判定。為了實施多數(shù)邏輯表決，此解碼器對每個度量yj進行初步比特或碼元判定并隨后通過比較所有初步判定進行最后的比特或碼元判定。因而，如果此解碼器已進行M個初步判定，則此解碼器在多于一半的初步判定是1時將確定相應的信息比特是1，否則，此解碼器將確定相應的信息比特為0。同一邏輯用于解碼為0的比特。為了防止在正好一半的初步判定為0和正好一半的初步判定為1時可能導致的差錯，M選擇為奇數(shù)。相干組合解碼的比特并相干組合此消息的多個傳輸，以生成具有增加余量的消息信號。
在步驟112，包含在接收設備中的檢錯器根據(jù)在發(fā)送設備上提供的CRC檢錯編碼檢測差錯。如果未檢測到差錯，則在步驟114在接收用戶的移動單元上顯示此消息。如果檢測到差錯，則不在接收設備上顯示此消息，利用顯示的差錯消息或利用音頻信號通知用戶具有差錯消息，并且接收機請求發(fā)射機根據(jù)下面更具體描述的雙向無線電協(xié)議重發(fā)消息或此消息的差錯部分。
根據(jù)本發(fā)明，消息的重復發(fā)送可以與消息的各個部分的重復組合進行使用。即，可以多次發(fā)送此消息的各個部分，并在已經(jīng)利用消息部分的重復傳輸發(fā)送整個消息時，可以再一次發(fā)送整個消息。
根據(jù)一個實施例，為了實施具有根據(jù)本發(fā)明的SMS特性的基于衛(wèi)星的移動通信，通過從慢相關(guān)控制信道SACCH中“竊取”或借用幀來形成消息信道。例如，發(fā)射機可以指定SACCH信道的每個第8幀用作消息幀來傳送SMS消息；此實施例將提供一個SMS幀用于每104個規(guī)則TDMA幀，或大約每1.92秒提供一個SMS幀。將認識到，通過使用每個第8SACCH幀，將SACCH數(shù)據(jù)速率減少1/8，這不會不利地影響系統(tǒng)。在SMS信道中，在圖5A中示出示例性幀格式，并且此示例性幀格式包括兩個前向校正信道(FCH)時隙、兩個空閑時隙、兩個同步信道(SCH)時隙、兩個附加空閑時隙和24個數(shù)據(jù)時隙，總共32個時隙用于每個SMS幀。24個數(shù)據(jù)時隙用于發(fā)送消息信息，將這24個數(shù)據(jù)時隙之中的每個時隙分配給一個相應的移動單元，以使每個用戶每個SMS幀接收一個數(shù)據(jù)時隙。因而，分配給特定用戶的移動單元的每個消息幀中的數(shù)據(jù)時隙構(gòu)成用于那個用戶的消息信道。將認識到，可以使用可選擇的幀格式，并且可以將多個數(shù)據(jù)時隙分配給每個移動單元。還有，除了SACCH幀之外的其他幀可以用作消息幀。
衛(wèi)星中的編碼器合適地編碼消息數(shù)據(jù)。如上所述，也能利用發(fā)射機來實現(xiàn)比特和/或消息重復以及增加的發(fā)射功率。優(yōu)選地，在此SMS實施例中，每個比特發(fā)送三次，每個消息或其部分發(fā)送三次并且以大約比TDMA通信鏈路的話音幀與時隙高6dB的功率發(fā)送SMS幀。在此實施例中要求104個幀或大約1.92秒用于同步。因為在此實施例中對于每104個TDMA幀出現(xiàn)一個有效的SMS幀，所以占空因數(shù)大約為1％。
因為利用相對不頻繁的幀的竊取或借用來實施短消息業(yè)務，所以將認識到，未以不利方式顯著影響衛(wèi)星或蜂窩系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例，能在基于衛(wèi)星的電信系統(tǒng)中使用上述方法如下實現(xiàn)高滲透短消息業(yè)務。在包含廣播控制信道BCCH的載頻上，每個(例如，16時隙)幀的第一時隙分配用于廣播控制信道。在51個幀實施廣播控制信道。51幀重復模式包含頻率與同步校正信道FCH與SCH，以及廣播與尋呼信道PCH。其上發(fā)送衛(wèi)星模式BCCH的載波不必在所有時隙中是有效的。特別地，如果當前在給定波束的載波上未建立通話，則只有此載波的BCCH時隙可以包含能量；即，此載波上的業(yè)務與其他時隙將不包含能量。
最好以高于此載波上業(yè)務時隙的平均功率電平的功率電平發(fā)送每個BCCH時隙。優(yōu)選地，BCCH的頻率校正信道FCH與同步信道SCH用于短消息業(yè)務。在此實施例中，51時隙BCCH幀的4個時隙專用于短消息業(yè)務。這些SMS時隙出現(xiàn)在幀1、13、26與40中。因而，在51時隙BCCH幀上，這些SMS時隙隔開12、13、14、12、12、13、14、…時隙，允許接收機只利用信號強度分布來確定幀定時。以高于剩余47個BCCH時隙的功率電平發(fā)送4個SMS時隙，這剩余47個BCCH時隙以高于剩余TDMA信道時隙的功率電平在包含此BCCH信道的載波上進行發(fā)送。將認識到，廣播控制信道BCCH的此實施例與標準GSM實施的不同在于頻率校正信道FCH不是未調(diào)制脈沖串。
現(xiàn)在參見圖5B，表示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施在SMS時隙上發(fā)送的脈沖串的格式。此脈沖串包括識別使用的衛(wèi)星與波束的波束識別比特BEAM ID。如果14個比特用于此BEAM ID，則16384個獨特的識別符是可能的。這允許識別例如32個衛(wèi)星之中每一個衛(wèi)星上高達512個波束。將認識到，這些識別符在隔開的頻率上可以重復進行使用。接收機能連續(xù)平均多個SMS脈沖串之中每一個SMS脈沖串中相應的比特，以便有效地增加BEAM ID信息的信號余量，允許甚至在非理想環(huán)境中確定BEAM ID。
此SMS脈沖串還包括形成128比特數(shù)據(jù)代碼的兩個64比特數(shù)據(jù)代碼DATACODE。此128比特數(shù)據(jù)代碼能具有1與128個相互正交值之間一個值。這些相互正交值是類似于同步字的比特模式，并因此提供頻率校正與同步功能，以便有效地替換省略的信道FCH與SCH。根據(jù)示例性實施例，如果假定128個相互正交的值，則在每個脈沖串中提供7比特的信息。在此實施例中，每個消息重復兩次?？蛇x擇地，可以假定較低數(shù)量的相互正交值并能減少消息傳輸?shù)拇螖?shù)，并保持同一總的數(shù)據(jù)吞吐量。也可以使用糾錯編碼，如下面更具體描述的。
典型的SMS消息例如包含112個比特。這112個比特包括信息比特與CRC檢錯碼比特。為了發(fā)送112比特消息兩次，必須發(fā)送224個消息比特。如圖5B所示，每個SMS脈沖串包括156.25比特，這些比特包括用于保護與上斜/下斜功能的8.25比特的GUARD/RAMP、6個尾比特TAIL和142個信息比特。這142個信息比特包括14個BEAMID比特和128個數(shù)據(jù)比特。因為這128個數(shù)據(jù)代碼比特對應于7個信息比特，所以在每個SMS脈沖串中發(fā)送7個消息比特。為了傳送224個消息比特，要求32個SMS脈沖串。因為具有4個SMS脈沖串用于每個51時隙BCCH幀，所以要求408個BCCH幀用于每個消息。根據(jù)9.23ms的幀長度，大約3.77秒傳送此112比特消息。將認識到，如果衛(wèi)星系統(tǒng)包括121個波束，則此衛(wèi)星能每秒傳送(121/3.77)約32個消息。
能如下確定實施根據(jù)上面的示例性實施例實施SMS系統(tǒng)所要求的功率。如上實施的BCCH信道導致每個TDMA幀一個BCCH脈沖串；因而，BCCH脈沖串每個第16時隙出現(xiàn)一次。其中給定BCCH脈沖串可以出現(xiàn)的特定時隙最好以16小區(qū)模式在各個衛(wèi)星波束之間進行交錯。假定衛(wèi)星具有121個波束，能發(fā)送SMS信息的大約8個波束在一給定時間是有效的，而其他113個波束正在發(fā)送業(yè)務信息。如前所述，這些SMS時隙隔開在BCCH幀的時隙1、13、26與40中，此隔開允許不同波束中12個正交交錯的SMS幀。因而，同時發(fā)送能傳送SMS信息的波束的8個波束不同時發(fā)送SMS信息。一次僅在一個波束中發(fā)送SMS時隙，從而保持恒定的總相控陣發(fā)射機負載。
利用增加功率、128比特數(shù)據(jù)代碼的信號擴展、比特或消息重復和由于糾錯編碼引起的增益的組合有效地增加用于SMS信號的鏈路余量。用于上述示例的除編碼增益之外的鏈路余量能如下進行確定。業(yè)務信道提供超過AWGN信道最少7dB的余量。為了超過AWGN信道16dB的增加余量，使用超過業(yè)務信道9dB的附加功率發(fā)送此SMS信道。由于用于7信息比特的128片碼引起的擴展增益提供另外12.6dB的增益給28.6dB的增加余量。最后，對于大約31.6dB的總的SMS鏈路余量，結(jié)合軟判定解碼使用的消息重復提供附加的3dB增益。因為糾錯編碼提供附加增益，所以將認識到，根據(jù)本發(fā)明的SMS系統(tǒng)提供足夠的鏈路余量以允許甚至諸如在移動單元被屏蔽和/或天線未正確安裝的非理想情況中的通信。
如上所述，本發(fā)明的SMS系統(tǒng)即使SCH信道用于SMS傳輸也允許實現(xiàn)同步。根據(jù)本發(fā)明，能如下實現(xiàn)同步。接收機根據(jù)平均接收信號強度使用功率分布方法定位較高功率SMS脈沖串。接收機利用與每個SMS脈沖串中正交數(shù)據(jù)代碼的相關(guān)性將它自己與輸入信號同步到比特電平。將相關(guān)性加到消息重復上，以提供適當?shù)男旁氡葋砜煽康亟獯a消息數(shù)據(jù)。一旦實現(xiàn)同步，移動單元將睡眠47個BCCH時隙并醒來4個SMS時隙，得到大約1/204的占空因數(shù)。移動站也可以例如每個51幀周期上附加的4-8個時隙醒來，以確定它是否能接收正常呼叫信道。此附加接收機活動得到約1.5％的占空因數(shù)。
將認識到，本發(fā)明的SMS系統(tǒng)可以以其他方式來實施，并且不限于上述示例性實施例的特定細節(jié)。因而，本發(fā)明的SMS系統(tǒng)可以使用TDMA系統(tǒng)中每N個幀的任何特定時隙來實施。例如，每個衛(wèi)星波束中給定載頻上每個第四幀的尋呼時隙能用于選擇地提供SMS業(yè)務。在不需要或不希望時，這些時隙能用于話音業(yè)務。在此實施例中，使用比同一載波上的話音時隙高6dB的功率發(fā)送SMS時隙。相連SMS時隙形成圖6所示的13時隙的SMS時隙。此實施例中的SMS幀具有用于頻率校正信息的第一時隙和用于同步信息的第二時隙。時隙3-13用于數(shù)據(jù)或?qū)ず舨⑶揖哂袌D5B所示的格式。每個數(shù)據(jù)時隙傳送只用于一個接收機的信息比特。此實施例中的每個比特與每個消息能發(fā)送三次。對于由120個數(shù)據(jù)比特構(gòu)成的典型消息，傳送一個消息的時間大約為11.5秒。假定衛(wèi)星具有150個波束，則每秒能傳送13個消息。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，例如，通過在不同的頻率上、在不同的極化上或以合適的時間延遲發(fā)送消息或消息部分來去相關(guān)這些消息重復。
本發(fā)明的傳輸系統(tǒng)還可以包括前向糾錯(FEC)裝置。在這樣的安排中，發(fā)射機具有第二編碼器，用于在利用檢錯碼編碼信息比特之后利用糾錯碼編碼短消息的信息比特。以前面所述的方式發(fā)送消息和解碼接收的消息。利用多數(shù)邏輯表決，采用硬判定解碼器，并且不利用附加信息(諸如從信道中估算的比特可靠性信息)將多數(shù)邏輯表決器的輸出端上的比特饋送給信道解碼器。如果使用軟合并，采用軟判定解碼器來解碼糾錯碼，并將度量和yj加到軟判定解碼器輸出上，而且將和饋送給糾錯解碼器。如果糾錯編碼器的不同輸出通過盡可能在傳輸流中隔開相連輸出比特進行交錯。
將認識到，比特與消息重復的次數(shù)越高，系統(tǒng)的性能將越好，但延遲將越長。TDMA時隙具有可以用作同步信息或數(shù)據(jù)的有限數(shù)量的比特。增加分組中的比特重復次數(shù)(N)必定要求同步比特數(shù)量的減少。度量和取決于估算的信道質(zhì)量，而信道質(zhì)量取決于同步比特的數(shù)量。如果TDMA時隙具有Nt個比特，則具有Ns個同步比特/時隙，并且每個時隙具有Nt-Ns數(shù)據(jù)比特，則由于重復引起的每個比特的信噪比的增益大約為(NtNs-Ns2)/Nt。信噪比的最佳增益因此出現(xiàn)在Ns＝Nt/2時。然而，將認識到，給定時隙中同步比特與數(shù)據(jù)比特的數(shù)量的選擇將取決于將實施的特定傳輸方案。
如上所述，為在衛(wèi)星與移動站之間傳送消息而建立的鏈路是雙向鏈路。因此，可以選擇無線電協(xié)議以便在衛(wèi)星與移動站之間用于增強短消息系統(tǒng)的利用性。例如，可以實施簡單的協(xié)議，其中接收消息的移動站將利用“YES(是)”或“NO(否)”應答，以表示是否正確接收此消息。可選擇地，能實施更復雜的協(xié)議，其中分組或分組的組利用組ID進行識別并利用CRC檢錯碼進行保護。如果CRC表示未正確接收此消息，則衛(wèi)星能重發(fā)包括差錯組的分組。以這種方式，只需要重發(fā)具有差錯的分組，這與重發(fā)整個消息相反。因而，此協(xié)議能用于優(yōu)化重復的次數(shù)并從而使延遲與浪費的衛(wèi)星功率最小。
根據(jù)本發(fā)明的SMS的雙向鏈路也相對計帳提供優(yōu)點。單向鏈路防止短消息傳送費用向發(fā)送者或接收者收取，這是因為沒有正確接收此消息的證據(jù)。因而，可以以增加的簽約費率利用單向鏈路提供SMS業(yè)務給用戶。相反地，因為雙向鏈路允許消息發(fā)送者或業(yè)務操作者確定是否正確接收到消息，所以業(yè)務提供者能提供只具有每個正確接收消息的傳送費用的SMS業(yè)務。
如上所述，對于較長的消息、話音通信或要求大于30-40dB的鏈路余量的情況，不可接受的長延遲可以得到本發(fā)明的技術(shù)。在這樣的情況中，此消息可以存儲在衛(wèi)星或相應的蜂窩移動交換中心(MSC)中。在移動單元能讀更有利的通信信道的廣播控制信道(BCCH)時，可以利用例如有關(guān)廣播控制信道的標志來提醒此移動單元具有存儲的消息。
雖然前面的描述包括許多細節(jié)與特性，但將明白這些僅僅是本發(fā)明的特性與原理的示意，并且不認為是限制。不脫離利用下面的權(quán)利要求書及其法定等效物定義的本發(fā)明的精神與范疇的許多修改對于本領域技術(shù)人員來說將是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.用于在具有多個幀集的TDMA通信信道上發(fā)送短消息業(yè)務(SMS)數(shù)據(jù)消息的一種方法，每個幀集包括多個幀，其中所述多個幀的一個子集是用于以第一信號余量傳送控制信道信息的控制信道幀，此方法包括編碼所述SMS數(shù)據(jù)消息，以形成編碼的數(shù)據(jù)消息；和以高于第一信號余量的第二信號余量在一個消息信道上發(fā)送所述編碼的數(shù)據(jù)消息，此消息信道包括一個或多個所述控制信道幀。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述控制信道幀包括慢相關(guān)控制信道(SACCH)幀。
3.權(quán)利要求2的方法，其中所述消息信道包括每8個SACCH幀之中的一個幀。
4.權(quán)利要求1的方法，其中通過以增加的發(fā)射功率發(fā)送此SMS數(shù)據(jù)消息來獲得所述第二信號余量的一部分。
5.權(quán)利要求1的方法，其中通過使用前向糾錯編碼編碼此SMS數(shù)據(jù)消息來獲得所述第二信號余量的一部分。
6.權(quán)利要求1的方法，其中通過以增加的發(fā)射功率發(fā)送此SMS數(shù)據(jù)消息并利用此SMS數(shù)據(jù)消息的增加編碼來獲得所述第二信號余量的一部分。
7.權(quán)利要求1的方法，其中通過將此SMS數(shù)據(jù)消息分成均具有一個或多個比特的多個分組、多次發(fā)送每個分組并在移動站上綜合每個分組的傳輸來獲得所述第二信號余量的一部分。
8.權(quán)利要求1的方法，其中此SMS數(shù)據(jù)消息包含提醒移動站存在輸入呼叫的信息。
9.用于在具有多個幀的TDMA通信信道上發(fā)送數(shù)據(jù)消息的一種方法，每個幀包括多個時隙，每個時隙包含多個數(shù)據(jù)比特，其中每個幀中所述時隙之中預定的一個時隙是控制信道時隙，此方法包括編碼所述數(shù)據(jù)消息以形成一個或多個數(shù)據(jù)碼字，從一組相互正交的數(shù)據(jù)碼字中選擇每個數(shù)據(jù)碼字；和在一個消息信道上發(fā)送每個數(shù)據(jù)碼字，此消息信道包括一個或多個所述控制信道時隙。
10.權(quán)利要求9的方法，其中相互正交的數(shù)據(jù)碼字的所述組的數(shù)據(jù)碼字除了消息數(shù)據(jù)之外還包括頻率校正與同步信息。
11.權(quán)利要求10的方法，其中所述一個或多個所述控制信道時隙指定為頻率校正信道(FCH)時隙。
12.權(quán)利要求10的方法，其中所述一個或多個所述控制信道時隙指定為同步信道(SCH)時隙。
13.權(quán)利要求10的方法，其中所述控制信道時隙以第一信號余量傳送控制信道信息，并且所述消息信道以高于所述第一信號余量的第二信號余量傳送所述數(shù)據(jù)消息。
14.權(quán)利要求13的方法，其中通過以增加的發(fā)射功率發(fā)送所述數(shù)據(jù)消息來獲得所述第二信號余量的一部分。
15.權(quán)利要求13的方法，其中通過使用前向糾錯編碼編碼所述數(shù)據(jù)消息來獲得所述第二信號余量的一部分
16.權(quán)利要求13的方法，其中通過以增加的發(fā)射功率發(fā)送所述數(shù)據(jù)消息并利用所述數(shù)據(jù)消息的增加編碼來獲得所述第二信號余量的一部分。
17.權(quán)利要求13的方法，其中通過將所述數(shù)據(jù)消息分成均具有一個或多個比特的多個分組、多次發(fā)送每個分組并在移動站上綜合每個分組的傳輸來獲得所述第二信號余量的一部分。
18.權(quán)利要求13的方法，其中所述數(shù)據(jù)消息包含提醒移動站存在輸入呼叫的信息。
全文摘要
用于在基于控制站的TDMA無線電通信系統(tǒng)中發(fā)送短數(shù)據(jù)消息的一種方法與系統(tǒng),將選擇的TDMA幀分配為消息幀,并且將來自每個消息幀的一個或多個數(shù)據(jù)時隙分配給發(fā)射機/接收機。能編碼數(shù)據(jù)消息并在每個消息幀中合適的數(shù)據(jù)時隙上從控制站以增加的功率電平多次發(fā)送這些數(shù)據(jù)消息。選擇的TDMA幀最好是慢相關(guān)控制信道幀。也在數(shù)字無線電通信鏈路的廣播控制信道或由TDMA通信鏈路中連續(xù)幀的一個或多個時隙構(gòu)成的另一通信信道上發(fā)送短的字母數(shù)字消息。發(fā)射功率的增加與重復組合進行使用,以增加有效的信號余量而沒有移動單元設計的復雜、顯著的延遲或同信道干擾。如果需要信號余量更顯著的增加,在要求較長的消息時,或?qū)τ谠捯粝?可以存儲此消息并提醒移動單元注意這些消息。
文檔編號H04B7/005GK1329799SQ99814116
公開日2002年1月2日 申請日期1999年10月6日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月6日
發(fā)明者S·陳納克舒, N·賴德貝克, A·A·哈桑, P·W·登特 申請人:艾利森公司