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CN1143450C - 时分多址通信系统 - Google Patents

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CN1143450C CNB981148719A CN98114871A CN1143450C CN 1143450 C CN1143450 C CN 1143450C CN B981148719 A CNB981148719 A CN B981148719A CN 98114871 A CN98114871 A CN 98114871A CN 1143450 C CN1143450 C CN 1143450C
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Abstract

一种TDMA通信系统，适应或准备不同通信环境，并允许将移动站设置在任一环境中工作。这使移动终端能在不同环境中以不同的传输速率进行通信。每个环境独立构造并利用网络互连。每个环境系统具有移动交换、基站和移动站功能。通信系统使用固定帧长和组成帧的每个时隙的比特数恒定的TDMA格式。通信环境具有准备的各组通信条件。在每个移动站和基站，选择各个环境的多组通信条件之一以便在所选择的环境下建立相互通信。

Description

时分多址通信系统
本发明涉及使用TDMA(时分多址)方法的通信系统，特别涉及适应不同通信环境或提供用于发送与接收信号的不同通信环境的通信系统。
随着高度信息化时代的到来，日益需要允许用户在各种情形中、例如在户外步行或在汽车上移动或在办公室工作期间进行无线电话或数据通信的系统与设备。诸如利用无绳电话机、移动电话机以及局域网(LAN)无线通信的电信的各类通信系统的基础设施的目前的快速发展使任何一个人有可能随时随地与另一个人进行通信。
然而，许多基础设施具有要求使用特殊设计终端的不兼容系统，阻碍了终端在各系统之间被共用。例如，两个代表性的TDMA通信系统即个人数字蜂窝系统(Personal Digital Cellular system，PDC)和个人手持电话系统(PersonalHandy-phone system，PHS)是不兼容的，并且使用不同的无线电频率、传输功率值、每帧时隙数、比特率、编码与解码音频信号的方法等等。
通信系统的不兼容性要求用户使用具体为各个系统设计的不同设备(PHS、PDC、寻呼机等)以便在行走期间或从汽车或从办公室进行无线电话或数据通信，这对用户是不方便的。制造能实现两个不同系统功能的终端需要更大的尺寸，这是因为它必须包含不能被共用的许多处理电路。
因此，本发明目的是提供适应不同通信环境或为移动站与基站之间的通信准备不同通信环境，并允许每个移动终端在不同环境下以不同传输速率进行无线通信的TDMA通信系统。
(1)本发明的一个目的是提供一种TDMA通信系统，用于在移动站与基站之间利用TDMA方法进行通信，其中具有恒定帧长时间和组成帧的每个时隙中的恒定比特数的TDMA格式用作通用通信数据格式，并且给移动站和基站中的每一个提供一个通信设备，用于根据TDMA格式处理通信信号，此设备能操作在通过选择所准备的环境通信条件组中相应的一个条件而指定的多个不同通信环境的任意一种环境中，每个通信条件包括传输功率值、调制方法，多路复用信号数量以及纠错方法。
(2)本发明另一目的是提供如上面(1)所述的TDMA通信系统，其特征在于，移动站与基站之间的通信利用无线通信在具有包括诸如天线增益、分集(diversity)方法与跳频的附加条件的准备条件的所选择的通信环境中进行。
(3)本发明的另一目的是提供如上面(1)或(2)所述的TDMA通信系统，其特征在于，不同通信环境条件的优先级寄存在数据库中，允许通信设备根据预先设置的优先级选择一个通信环境。
(4)本发明的另一目的是提供如上面(1)至(3)中任一个所述的TDMA通信系统，其特征在于，为包括办公室通信环境、步行速度通信环境、车辆运行速度通信环境和卫星通信环境的至少两个不同环境准备多组不同通信环境条件。
(5)本发明的另一目的是提供如上面(1)至(4)中任一个所述的TDMA通信系统，其特征在于，基站单独生成每组通信环境条件并广播所生成的环境信息，而每个移动站接收所广播的信息并根据所接收的通信环境条件信息自动地选择准备的通信条件组中相应的一个条件。
(6)本发明的另一目的是提供如上面(1)至(4)中任一个所述的TDMA通信系统，其特征在于，所准备的通信条件组中任意一个条件能手动地进行选择和设置。
(7)本发明的另一目的是提供如上面(1)至(6)中任一个所述的TDMA通信系统，其特征在于，附加提供具有根据所选择的一个通信环境而进行变化的自适应均衡模式的均衡装置，用于改善衰落信道中比特误码率。
(8)本发明的另一目的是提供如上面(1)至(7)中任一个所述的TDMA通信系统，其特征在于，此系统装备有数据库，用于控制通过基站在其之间所建立的无线信道上与其他移动站进行通信的移动站的整个通信环境，并且此数据库适用于将一个环境的信道连接改变为另一个不同环境的信道连接。
(9)本发明的另一目的是提供如上面(1)至(8)中任一个所述的TDMA通信系统，其特征在于，TDMA格式是能由个人手持电话系统(PHS)共同使用的格式。
本发明的有益效果如下：
(1)在本发明的TDMA通信系统中，在多个不同环境中或以不同传输速率由每个移动终端实施通信，因而不必如常规系统所要求的一样使用用于各种不同基础设施的不同的移动终端。
(2)除了上述(1)的有益效果之外，能利用射频作为发送数据信号的工具而构成最佳移动通信系统。
(3)除了上述(1)或(2)的有益效果之外，重叠在区域中的不同通信环境能以优先级顺序进行选择，从而使之有可能以增加的效率控制可用的链路。
(4)除了上述(1)至(3)任一个的有益效果之外，每个移动终端能工作在任一个不同的通信环境，诸如办公室环境、步行速度环境、车辆运行速度环境和卫星环境。
(5)除了上述(1)至(4)任一个的有益效果之外，移动终端与基站之间的信道连接由每个移动终端自动地进行，此每个移动终端从基站接收所产生的通信环境的广播数据，并根据所接收的数据设置相应的条件以便将它自己连到基站。
(6)除了上述(1)至(4)任一个的有益效果之外，每个移动终端能有选择地手动设置为与基站通信所必需的条件，因而实现与第(4)个目的的终端相比更简单的终端结构。这些使终端能更快地连到基站。
(7)除了上述(1)至(6)任一个的有益效果之外，能改善衰落信道中的比特误码率，因而增加通信的准确度。
(8)除了上述(1)至(7)任一个的有益效果之外，每个移动终端在它从一个区域移入不同通信环境的另一区域时能继续通信。
(9)除了上述(1)至(8)任一个的有益效果之外，通信系统保证与PHS的兼容性。
附图的简要说明
图1是采用本发明的整个TDMA通信系统的结构示意图；
图2是作为本发明的TDMA通信系统的一部分的发射机-接收机的结构示意图；
图3是在本发明的TDMA通信系统中使用的TDMA帧与时隙的示例性的结构示意图；
图4描述利用用于16QAM的阵列组合型自适应均衡器获得的BER特性的示例。
下面将结合附图详细描述本发明的优选实施例。
图1描述本发明的TDMA通信系统的结构。在图1中，MSC表示移动业务交换中心(Mobile Services Switching Centre)，SMSC表示卫星移动业务交换中心(Satellite Mobile Services Switching Centre)，并且数据库中还存储有处于当前区域中的终端的标识号码和当前环境条件。
如图1所示，此系统提供各种通信环境，诸如办公室通信环境、步行速度移动通信环境、车辆运行速度移动通信环境和卫星通信环境，所有这些环境通过通信网络相互连接。示出TDMA通信系统的一个示例，其中车辆运行速度环境的系统包括具有移动站的步行速度环境的系统(即，对于本发明，无需改变后一系统的预定条件，即可作为前一系统的组成部分)。
每个通信环境的系统具有移动交换功能、基站功能和移动站功能作为其组成部分。每个基站和每个移动站具有发射机-接收机组，用于执行系统操作。
互连各个通信环境的系统的通信网络包括数据库，该数据库中包含：处于业务区域中的移动终端的标识号码的记录和验证、终端环境的当前条件、终端类别等等。因此，每个移动终端在从一个环境移到另一不同环境时能适应每个通信环境。
图2描述作为本发明的TDMA通信系统的组成部分的移动站的发射机-接收机的示例结构。
发射机-接收机装备有用于编码来自声音编码解码器(未示出)和数据部分(未示出)的信息信号的信道编码部分(包括检错/纠错编码部分)11、正交调制部分12、传输频率变换部分13、传输功率控制部分14、频率合成部分34、时钟脉冲发生部分33、接收频率变换部分26、正交检波(解调)部分25、分集组合(diversity combining)部分24、自适应均衡部分23、鉴别部分22、信道解码部分(包括检错/纠错部分)21、环境估算与选择部分31、以及控制部分32。
在发射机侧，信道编码部分11编码信息信号以便根据此信道形成所要求的TDMA帧。正交调制部分12正交调制编码的信号。然后传输频率变换部分13至频率合成部分34将调制的信号变换为所要求的射频信号以便通过网络进行发送。传输功率控制部分14控制射频信号的传输功率。
另一方面，在接收机侧，射频信号通过天线接收，并由具有频率合成部分34的接收频率变换部分26变换为能进行基带处理的信号。所变换的信号由正交解调部分25进行正交解调。
在所示的实施例中，有多对(pairs)具有正交检波(解调)部分25的接收信号变换部分26，由分集组合部分24选择产生具有较好质量信号的通信路由的一对。自适应均衡部分23均衡信号波形，而鉴别部分22输出二进制数字信号。信道解码部分21解码数字信号以获得必要的信息信号。
控制部分32利用时钟脉冲发生部分33生成的定时脉冲，以预定定时控制各部分和整个通信系统的操作。
环境估算与选择部分31生成一个信号，以便通过预定条件的手动选择、来自基站的信息的自动选择、或传输信道(路由)的估算，来设置一个通信环境。根据从环境估算与选择部分31输出的信号，控制部分32通过改变信道编码的信号点来选择调制方法，选择信道编码部分11与信道解码部分21的检错/纠错方法，并通过改变时钟脉冲发生部分33的分频比来改变多路复用信号的数量。控制部分32能控制传输功率控制部分14以便控制传输功率值，并能控制自适应均衡部分23选择自适应均衡方法。控制部分32也能通过改变频率合成器34的预置值控制跳频，并能控制分集选择部分24选择分集路由。
下面的描述涉及用作本发明TDMA通信系统特有的数据通信格式的TDMA格式的帧结构。
图3表示在图2所示的信道编码部分11中使用的TDMA帧的示例结构。此帧具有恒定的帧长、可变数量的多路复用时隙和可变的调制方法，适于在不同环境中或以不同的用户速率使用。
如图3所示，帧结构Fr具有10ms的恒定帧长，并且基本上分别由控制时隙(包括下行BCCH Sc1与上行/下行SCCH Sc2)以及通信时隙TCH Si组成。
利用基站上预置的条件准备通信环境。每个移动站的发射机-接收机终端能适于任一种准备的环境，这通过根据128kbps至4.096Mbps的用户速率、以及每个时隙中恒定的比特数，在从正交调制器部分12上的数字调制方法QPSK/16QAM、多路复用数4至64的可变范围中选择的环境中连接信道来进行选择。
在图3中，斜坡比特(ramp bit)由字符R表示，始标(preamble)由PR表示，独特字(unique Word)由UW表示，信道标识符由CI表示，控制比特由C表示，信息比特由I表示，CRC校验比特由CRC表示，并且保护比特(guard bit)由G表示。
每个时隙中的比特数是480(恒定的)，通过将通信时隙Si中的I与C的比设置为8∶1、并使用户信息发送部分2B(2B＝64kbps×2＝128kbps)和控制信息发送部分D(D＝16kbps)分别对应I和C，就能容易地发送ISDN(综合业务数字网)的基本业务速率信号2B+D。
表2表示图3所示的时隙结构中独特字的示例。
表1表示其中本发明的TDMA通信系统必须工作的各个环境的示例性的技术规格。
下面将描述本发明的TDMA通信系统的操作，该系统包括装备有发射机-接收机、并使用表1所示规格的各个环境中的TDMA格式帧工作的移动站。
如表1所示，环境P(行走)提供最大用户速率2.048Mbps上的每帧(10ms)64时隙并采用调制方法QPSK，而环境V提供最大用户速率128kbps上的每帧(10ms)4时隙并采用调制方法QPSK。
有可能通过改变每时隙恒定比特数(480)上的每帧时隙数量而使用不同用户信息发送速率通用的系统的处理电路，这能通过根据用户信息发送速率改变硬件的时钟实现。
虽然上面实施例利用10ms的帧长进行描述，但它也能工作在例如5ms的帧长，以保证系统与PHS(个人手持电话系统，例如RCR-STD 28)的兼容性。因此，本发明的方法的应用能有助于使终端设备小型化。
另一方面，用于基站与移动站之间通信的载波比特率根据如表1所示的用户信息发送速率变化。
不同的业务区域半径和不同的信息传输最大速率必须根据不同的通信环境(即，办公室环境、步行速度环境、车辆运行速度环境、卫星环境等等)实现。因此，每个基站装备有根据不同环境具有不同传输功率值，天线增益和载波比特率的设备。
基站具有总是以不同的载波比特率广播控制信息的广播信道(BCCH)。移动站能预先从基站中了解信号的传输频率、载波比特率和调制方法。
移动站接收广播信道(BCCH)上的控制信息并处于根据控制信息表示的条件构造的系统的控制之下。BCCH的控制信息包含除载波比特率和调制方法之外的移动站的其他信息。
因此，移动站能从某个基站中接收的BCCH中了解可能的通信模式。移动终端(站)上的用户能选择所希望的通信环境，即提供所希望环境的基站。移动站也能通过扫描移动站移动的业务区域中的基站的广播信道来了解哪个环境(即，基站)可以使用。
利用用户请求，移动站能自动地在编程的过程中选择等待与另一移动站连接的基站。上述选择基站的功能能通过预先登记产生不同通信环境的基站的优先级、并通过根据所登记的优先级选择合适的一个基站来实现。
移动站的位置在所选的基站中进行登记，在此所选的基站中移动站处于等待状态中。
TDMA/TDD(时分双工)系统提供用于通信的操作模式，在帧长足够短时，此模式可能与上行链路与下行链路之间的传播状态具有非常高的相关性。因此，系统能采用自适应调制方法，通过估算瞬时CNR和相位滞后的扩散(spread of a phase lag)(参见Technical Report of IEICE(IEICE的技术报告)RCS94-64)随瞬时传输状态变化改变调制方法和每时隙比特率。
一般地，基站与移动站之间初始呼叫协商(initial call negotiation)确定通信的操作模式，其中基站与移动站以恒定的调制方法和恒定的比特率工作，与此同时维持其间的呼叫。
由于所要求的CNR/CIR值可能对比特率、小区(cell)半径和所要求的传输功率有相当大的影响，所以必须减少所要求的CNR/CIR值。
在本发明的TDMA系统中所要求的CNR/CIR值的减少能通过采用下面任一已知方法来实现：
·来自多个站的同时高速传输(4分支分集)：
此方法能够在具有不小于2km的半径的小区中使传输具有1Mbps比特率上的10W传输功率。
(Tomisato和Suzuki，“A High-speed digital mobile radio communicationsystem by using multitransmitter signal transmission(利用多发射机信号传输的高速数字移动无线通信系统)”，1995，IEICE society symposium(IEICE学会论文集)B-386)
·用于CIR改善的干扰消除均衡(Interference canceling equalization，ICE)
此方法通过使同一频率由同一区段(sector)中两个用户共同使用，能使系统的用户容量扩展为PDC的两倍。
(Suzuki和Hirade，“Capacity increase of TDMA mobile communicationsystems enhanced with interference cancelling equalizers(ICE)(由干扰消除均衡器(ICE)增强的TDMA移动通信系统的容量增加)”，1995，IEICE societysymposium(IEICE学会论文集)B-276)。
·动态信道分配
模拟测试结果表明：利用动态信道分配而不是固定信道分配增加使用频率的效率，例如利用ACCA方法增加2.5-3倍，而利用分离(segregation)方法增加2倍。(邮政省“Final report on research and study of an intelligent radio-wave-utilization(有关智能电波利用的调查研究会最终报告)”，1994年4月)。
·自适应调制
通过根据小区外围和中心的CIR值在1至1/8范围中自适应地改变QPSK/16QAM速率能增加系统容量。
(Sampei等人，“An analysis on the performance of variable symbol rate andmodulation level adaptive modulation system(有关可变码元速率和调制电平自适应调制系统性能的分析)”，Technical report of IEICE(IEICE技术报告)，RCS94-64(1994-09))。
在图2的发射机-接收机示例中自适应均衡部分23能使用下面类型的均衡器：
在QPSK中使用的自适应均衡器例如可以是组合型分集判定反馈均衡器(Decision Feedback Equalizer，DFE)，DFE的特征是节省运算量和信号处理所必需的其存储器的容量。(Shirato等人，“A Combining Diversity DFE withMode-switching(具有模式转换的组合分集DFE)”，1996，IEICE societysymposium(IEICE学会论文集)B-463)。
在16QAM中使用的自适应均衡器可以是已知类型的均衡器，例如已获得图4所示数据的均衡器。例如，表1表示系统的技术数据，在此系统中采用这些装置(包括阵列组合自适应均衡)，其中的数据包括小区半径、传输功率、天线增益、调制方法、所要求的CNR、载波比特率、用户速率。
为节省系统的功耗而进行的自适应均衡器的通-断控制可以以这样的一种方式实现，即仅在强信号出现错误时，才检验CRC和RSSI(接收信号强度指示)并接通均衡器。
虽然本发明的TDMA通信系统在上面已通过无线通信的示例进行了描述，但本发明不限于此，并且当然能适用于电缆通信，例如光纤通信系统，只要它允许终端站通过选择一个不同的通信环境工作。
表1
    环境  小区半径 发送功率(峰值) 天线增益(BS/MS) 调制方法 要求的CNR(注1)  载波比特率   用户速率   业务速率
环境O(办公室) 30m   80mW 10dB/-6dB  16QAM     29dB   6.144Mbps  4.096Mbps 基本组接口×2
环境P(步行) 400m  800mW 10dB/-6dB  QPSK     10dB   3.072Mbps  2.048Mbps   基本组接口
  环境(车辆)   短宏 1.15km 1.5W 16dB/-6dB  16QAM     21dB     768kbps  512kbps   (2B+D)×4
3km 16dB/-6dB  QPSK     10dB  384kbps(注2)  256kbps   (2B+D)×2
长宏 10km 16dB/-0dB  QPSK     10dB  192kbps(注2)  128kbps      2B+D
注1：阵列组合自适应均衡用作减少CNR的技术
注2：也考虑多载波
表2
码型(pattern)UW
·控制时隙：“1”被加到用下列原始多项式获得的PN码型
上行X6+X+1      (初始值：04八进制表示)
下行X6+X5+1     (初始值：07八进制表示)
·通信时隙：从PN码型中选择的48比特
                        ----UW码型----
上行                1-CH  010010011100010111100101
初始值：12(八进制)  Q-CH  010000011111101010110011
                        ----UW码型----
下行                1-CH  010100111101000111001001
初始值：64(八进制)  Q-CH  110011010101111110000010

Claims (8)

1.一种使用TDMA(时分多址)方法在移动站与基站之间进行通信的TDMA通信系统，具有恒定时间的帧长和构成帧的每个时隙中的比特数恒定的TDMA格式被用作公用通信数据格式，并且移动站和基站均装备有用于根据TDMA格式处理通信信号的通信设备，所述设备能操作于通过选择相应的一组准备的通信环境条件而指定的多个不同通信环境的任意一种环境中，每组所述通信环境条件包括传输功率值、调制方法、多路复用信号数量和纠错方法，
其特征在于，不同通信环境条件的优先级登记在数据库中，允许通信设备根据预置的优先级选择一个通信环境。
2.根据权利要求1所述的TDMA通信系统，其特征在于，移动站与基站之间的通信在所选择的具有准备的包括诸如天线增益、分集(diversity)方法和跳频的附加条件的通信环境条件的通信环境中利用无线通信进行。
3.根据权利要求1和2的任意一个所述的TDMA通信系统，其特征在于，为包括办公室通信环境、步行速度通信环境、车辆运行速度通信环境和卫星通信环境的至少两个不同环境准备多组不同的通信环境条件。
4.根据权利要求3所述的TDMA通信系统，其特征在于，基站单独生成每组通信环境条件并广播有关所生成的环境条件的信息，而每个移动站接收广播的信息并根据所接收的有关通信环境条件的信息自动选择相应的一组准备的通信条件。
5.根据权利要求4所述的TDMA通信系统，其特征在于，能手动地选择和设置任意一组准备的通信条件。
6.根据权利要求5所述的TDMA通信系统，其特征在于，附加提供具有根据所选择的一个通信环境进行变化的自适应均衡模式的均衡器，以改善衰落信道中的比特误码率。
7.根据权利要求6所述的TDMA通信系统，其特征在于，所述系统装备有数据库以控制移动站的整个通信环境，并且所述数据库适用于将信道连接从一个环境改变为另一不同环境。
8.根据权利要求7所述的TDMA通信系统，其特征在于，所述TDMA格式是能与个人手持电话系统共同使用的格式。
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