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CN1329799A - 使用tdma帧和/或bcch的高功率短消息业务 - Google Patents

使用tdma帧和/或bcch的高功率短消息业务 Download PDF

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CN1329799A
CN1329799A CN99814116A CN99814116A CN1329799A CN 1329799 A CN1329799 A CN 1329799A CN 99814116 A CN99814116 A CN 99814116A CN 99814116 A CN99814116 A CN 99814116A CN 1329799 A CN1329799 A CN 1329799A
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S·陈纳克舒
N·赖德贝克
A·A·哈桑
P·W·登特
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Abstract

用于在基于控制站的TDMA无线电通信系统中发送短数据消息的一种方法与系统,将选择的TDMA帧分配为消息帧,并且将来自每个消息帧的一个或多个数据时隙分配给发射机/接收机。能编码数据消息并在每个消息帧中合适的数据时隙上从控制站以增加的功率电平多次发送这些数据消息。选择的TDMA帧最好是慢相关控制信道帧。也在数字无线电通信链路的广播控制信道或由TDMA通信链路中连续帧的一个或多个时隙构成的另一通信信道上发送短的字母数字消息。发射功率的增加与重复组合进行使用,以增加有效的信号余量而没有移动单元设计的复杂、显著的延迟或同信道干扰。如果需要信号余量更显著的增加,在要求较长的消息时,或对于话音消息,可以存储此消息并提醒移动单元注意这些消息。

Description

使用TDMA帧和/或BCCH的高功率短消息业务
本发明一般涉及无线电通信系统，并且更具体涉及用于在非理想情况下通过无线电通信信号可靠发送字母数字消息的系统与方法。
参见图1，表示出典型的蜂窝移动无线电通信系统。此典型系统包括类似于基站110的许多基站和类似于移动站120的许多移动单元或站。使用这些设备或其等效设备能执行话音和/或数据通信。基站包括连接到MSC(移动交换中心)140的控制与处理单元130，此MSC140又连接到公用交换电话网络(未示出)。
基站110为小区提供服务并包括由控制与处理单元130控制的话音信道收发信机150处理的多个话音信道。每个基站也包括可能能处理一个以上的控制信道的控制信道收发信机160，此控制信道收发信机160受此控制与处理单元130控制。此控制信道收发信机160在基站或小区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。此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。
在移动站120第一次进入空闲模式时，它周期性地扫描类似于基站110的基站的控制信道以查看是否存在寻址到移动站120的寻呼脉冲串。此寻呼脉冲串通知移动站120锁定或预占哪个小区。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评估包括候选小区特征的接收的控制信道信息并确定此移动站应锁定到哪个小区。此接收的控制信道信息不仅包含涉及与之相关的绝对信息，也包含涉及此控制信道与之相关的小区附近的其他小区的相对信息。在监视主控制信道的同时周期性地扫描这些相邻小区，以确定是否具有更合适的候选小区。涉及移动站与基站实施的特定细节的附加信息能在P.Dent与B.Ekelund于1992年10月27日提交的题为“Multi-Mode Signal Processing”的美国专利申请系列号07/967027中找到，此申请全部引入在此作为参考。将认识到，此基站在基于卫星的移动无线电通信系统中可以利用一个或多个卫星来替代。
为了增加无线电通信系统容量，能使用诸如频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)与码分多址(CDMA)的数字通信与多址联接技术。这些多址联接技术之中每一种技术的目的是以在其目的地上能分隔开不同的信道而没有相互干扰的方式将来自不同信号源的信号合并到一个公共传输介质上。在FDMA系统中，用户在频域中分享无线电频谱。给每个用户分配整个通话期间使用的频带的一部分。在TDMA系统中，用户在时域中分享无线电频谱。将每个无线电信道或载频分成一系列时隙，并且给各个用户分配一个时隙，在此时隙期间此用户接入分配给此系统的整个频带(宽带TDMA)或只接入此频带的一部分(窄带TDMA)。每个时隙包含来自数据源的信息的“脉冲串”，例如，话音通话的数字编码部分。将这些时隙组合为具有预定时长的连续TDMA帧。每个TDMA帧中时隙的数量与能同时共享此无线电信道的不同用户的数量有关。如果将TDMA帧中每个时隙分配给一个不同的用户，TDMA帧的时长是分配给同一用户的相继时隙之间的最小时间量。在CDMA系统中，给每个用户分配唯一的伪随机用户码，以便唯一地接入此频率时间域。CDMA技术的示例包括扩频与跳频。
在TDMA系统中，通常不是无线电载频上连续的时隙的、分配给同一用户的相继时隙构成用户的数字业务信道，此信道认为是分配给此用户的逻辑信道。以GSM标准为例，TDMA信道的结构表示在图2中。这些TDMA信道包括业务信道TCH与信令信道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(BCCH)、在多个用户之间分享的公用控制信道(CCCH)和分配给单个用户的专用控制信道(DCCH)。BCCH一般包括频率校正信道(FCH)和同步信道(SCH)，这两个信道都是下行链路信道。公用控制信道(CCCH)包括下行链路寻呼信道(PCH)与接入准许(AGCH)信道以及上行链路随机接入信道(RACH)。专用控制信道DCCH包括快相关控制信道(FACCH)、慢相关控制信道(SACCH)和独立的专用控制信道(SDCCH)。将慢相关控制信道分配给业务(话音或数据)信道或独立的专用控制信道(SDCCH)。此SACCH信道提供功率和帧调整与控制信息给移动站。
广播控制信道的频率校正信道FCH传送允许移动站准确调谐到基站的信息。广播控制信道的同步信道SCH提供帧同步数据给移动单元。
以GSM类型的系统为例，通过使每个第26个TDMA帧专用于传送SACCH信息能形成慢相关控制信道SACCH。每个SACCH帧包括8个时隙(一个SACCH时隙用于此帧中的每个业务时隙)，允许一个唯一的SACCH信道用于每条移动通信链路。基站或卫星在此SACCH信道上发送指令，以便将移动单元的传输定时提前或延迟来在基站或卫星上接收的不同移动站脉冲串之间实现时间对准。
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)，并且此信道由独立的移动单元共享(甚至在繁忙使用期间，在一般系统中每个小区一个RACH也足够)。移动单元连续监视RACH信道的状态，以确定此信道是忙还是闲。如果此RACH信道空闲，希望接入的移动单元在此RACH上与所需的电话号码一起发送其移动识别号码给基站或卫星。MSC从基站或卫星中接收此信息并分配空闲的话音信道给此移动站，而且通过此基站或卫星发送信道识别给此移动站，以使此移动站能自己调谐到新的信道。此RACH上行链路信道上的所有时隙在争用基础上或在预留基础上用于移动站接入请求。预留基础的接入描述在于1993年10月25日提交并引入在此申请文件中作为参考的题为“Method ofEffecting Random Access in a Mobile Radio System”的美国专利申请号08/140467中。RACH操作的一个重要特性是要求某一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，这称为RACH上的层2ARQ或自动重发请求。下行链路信息优选包括可以认为是专用于在下行链路中传送上行链路特定的层2信息的另一下行链路子信道的22个比特。能称为共享信道反馈的此信息流增强RACH的吞吐容量，以使移动站能迅速地确定是否已经成功接收任何接入尝试的任何脉冲串。如图2所时，在信道AGCH上发送此下行链路信息。
TDMA系统中信号的传输以缓冲与突发或不连续传输模式进行：每个移动单元只在此移动单元的分配频率上在TDMA帧中其分配的时隙期间发送或接收。例如，在全速率上，移动站可以在时隙1期间发送、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期间接收并在时隙6期间空闲，而且随后在后续TDMA帧期间重复此循环。可以是电池供电的移动单元能在它既不在发送也不在接收时的时隙期间被关断(或“睡眠”)以节省功率。
为了增加移动性与便携性，无线电通信用户相对具有大或定向天线的移动站趋于优选具有相对小的全向(并因此，较小功率)天线的移动单元。由于此偏爱，有时提供足够的信号强度用于具有小的全向天线的典型移动单元与移动交换中心(MSC)或卫星之间通信信号的交换是困难的。这个问题在基于卫星的移动无线电通信中特别严重。
基于卫星的移动无线电通信系统提供无线电通信业务给使用一个或多个部分重叠的卫星波束的地球的特定地理区域。每个卫星波束具有高达约1000KM的半径。由于卫星的功率限制，同时在每个波束中提供高的链路余量是不实际的。
因为移动卫星链路特别功率受限，所以通信一般限于具有Ricean衰落的视距信道。强的视距路径与地面反射波以及弱的建筑物反射波的组合导致Ricean衰落。这些信道要求大约10dB或更多的通信链路余量，以实现诸如合适地安装移动无线电话单元天线并且此单元处于无阻挡位置时的理想或接近理想情况中的话音通信。在这些接近理想的信道中，此移动单元能成功地监视寻呼信道，以检测输入呼叫。在非理想情况中，诸如在未安装移动单元天线或或此移动站处于被阻挡位置(例如，在建筑物内)时，包括地面反射与建筑物反射波的反射波变成主要成分。这些非理想情况中的信道以具有严重衰减的平坦Rayleigh(瑞利)衰落(最严重类型的衰落)为特征。在这样的信道中，要求30dB或更多的链路余量来实现可靠的话音或数据通信，并且移动单元在这种情况中不能监视寻呼信道以检测输入呼叫。在这些非理想情况中，短消息业务(SMS)是所需要的。由于卫星的功率限制，SMS在非理想情况中用于提醒移动站用户具有输入呼叫时特别有效。此移动站用户随后可以改变位置以接收或返回呼叫。术语“链路余量”或“信号余量”指在理想情况下(即，信道除了加性白高斯噪声(AWGN)之外没有其他损害)所要求的功率之上提供适当的业务所要求的附加功率。“损害”包括信号幅度的衰落、多普勒频移、相位变化、信号屏蔽或阻塞、实施损耗和天线方向图的异常。
不管发送话音还是数据，特别是在功率有限的卫星应用中，频繁希望增加信号余量以保证可靠的无线电通信性能。增加信号的链路余量的公知方法包括扩展信道带宽以获得频率选择性或使用前向纠错编码(诸如卷积编码)、增加信号功率与比特重复(这可以认为是前向纠错编码的形式)。每一种这样的方法具有诸多限制。带宽扩展一般利用诸如信号扩展与低比特率纠错编码的公知方法来实现并得到对衰落较不敏感的信号。还有，在SMS应用中，如果话音信道的扩展带宽不同于(例如，大于)消息信道的带宽，则在移动单元中将要求两个单独与完整的无线电设备(每个业务使用一个无线电设备)，从而使其设计复杂。一般也要求相干瑞克接收机或均衡器来减少延迟扩展，这进一步使移动单元的设计复杂。带宽扩展也可以利用整个话音或数据消息的重复传输来实现。然而，在所述的非理想情况下，因为每个重复一般低于噪声平面(即，不具有足够的余量)，所以此方法不是有效的，导致高差错率并阻止这些重复的相干组合。
增加信号功率也可以用于提供较高余量。由于卫星的功率限制，这一般不是实际的解决方案。除了增加系统的费用之外，特别在具有窄的重复使用余量的TDMA系统中，增加发射功率也使控制同信道干扰更困难。因此，可以仅在相对不足的使用期间提供从卫星至移动单元的大功率增加。还有，因为移动单元甚至比卫星更加功率有限，所以此技术一般仅仅在从卫星至移动单元的一个方向中是可实施的。
比特重复也可以用于增加余量。比特重复尤其在非理想情况中得到比消息重复低的差错率。比特重复引起传输延迟，这显然对于话音信号不是所希望的。然而，传输延迟对于诸如SMS特性的数据通信可能是可接受的，假定此延迟保持为合理的最小值。通过多次发送各个比特或调制码元或比特或调制码元的分组来实现比特重复，以使所有重复是相连的并包含在连续TDMA帧的相同时隙内。接收机组合来自每个重复的能量以生成具有较高余量的信号。如上所述，比特重复根据消息的长度能引起显著的延迟。为了获得30dB的信号余量，每个比特将必须重复1000次。典型的短消息在欧洲数字标准的GSM系统中具有32与64之间的字符、在当前在美国使用的DAMPS(数字高级移动电话业务，IS-136)系统中具有高达245的字符并且在DECT(数字欧洲无绳电话)系统中具有多达160的字符。假定：GSM系统具有18.64ms的TDMA帧，每帧具有16个时隙和114数据比特/时隙，不包括传播时间的用于接收64字符消息的最小延迟如下：
64比特*8比特/字符*1000重复/比特*18.64ms/时隙*1/114时隙/数据比特＝84秒。
这样的延迟甚至对于数据传输也是极不希望的。因此，希望无线电通信系统允许以增加的信号余量发送信号而没有显著的延迟并且没有显著的功率增加。
还希望通信系统允许利用增加的信号余量发送信号而不要求信道带宽的扩展。
也希望TDMA通信系统允许利用增加的信号余量发送信号而不要求TDMA帧的结构或组织的变化。
还希望移动无线电通信系统允许利用增加的信号余量发送从移动单元或从卫星或基站始发的数据消息。
又希望通信系统选择地增加用于数据消息传输的通信链路的信号余量。
利用本发明克服常规通信系统与方法的上述与其他限制，本发明提供用于发送短字母数字消息的高渗透传输方法，其中利用比特重复与相对小的功率增加的组合来增加信号余量。根据示例性实施例，比特或消息重复与相对小的功率增加的组合避免只依赖于重复来增加信号余量的系统的不可接受的延迟特性。同样，重复与相对小的功率增加的组合避免只依赖于增加的功率来增加信号余量的系统的同信道干扰问题。
根据本发明的一个示例性实施例，给无线电通信系统提供用于在诸如卫星的控制站与诸如移动单元的发射机/接收机之间发送字母数字消息的短消息业务特性。将选择的TDMA帧指定为消息帧，并且每个消息帧包括用于发送数据消息的许多数据时隙。为了保证具有严重衰减的信道上可靠的传输，编码数据消息；将编码的消息分成分组或组，每个分组或组具有一个或多个比特；在消息帧的数据时隙上多次以大于用于话音传输的功率电平的功率电平发送每个分组，将相同的时隙用于至特定用户的每个传输；并且这些传输在接收机上进行组合和检错，以形成具有增加余量的信号。
根据本发明的另一示例性实施例，给无线电通信系统提供具有用于发送字母数字消息给移动单元和从移动单元中发送字母数字消息的短消息业务。为了保证具有严重衰减的信道上可靠的传输，利用检错编码来编码此短消息，以形成一个或多个数据码字；在具有消息帧的消息信道上多次发送每个码字。每个消息帧由每个TDMA帧或每个集合的TDMA帧组成。以大于用于话音传输的功率电平并大于用于控制信息传输的功率电平的功率电平发送此消息信道。此消息信道可以由从广播控制信道或其他合适信道中取出的时隙形成，这多个传输在接收机上进行组合与检错。
通过结合附图阅读下面具体的描述将更容易理解本发明的前述目的、特性和优点，其中：
图1是示例性移动无线电通信系统的方框图；
图2是典型GSM数字无线电通信系统中信道的结构的图；
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是描述根据本发明的一个实施例的短消息传输的流程图；
图5A是表示根据本发明的一个实施例的SMS帧的格式的图；
图5B是表示根据本发明的一个实施例的SMS时隙的脉冲串格式的图；和
图6是表示根据本发明一个实施例的SMS业务的帧格式的图。
虽然下面的描述涉及在采用卫星与移动无线电通信单元的基于卫星的无线电通信系统中实现的短消息业务，但将认识到：本发明也可以应用于包括合适的发射机/接收机单元的其他类型的通信系统。
在基于卫星的移动无线电通信系统中，可以通过一颗卫星、多颗卫星或一颗或多颗卫星与PSTN(公用交换电话网络)的组合在移动站与标准电话机或第二移动站之间建立用于发送话音或数据的通信链路。如图3所示的这样的系统可能希望实现诸如乡村地区的其中极少或没有基站存在并且附加基站不可行的广大的地理覆盖。由于卫星固有的功率限制，所以卫星与移动站之间的话音通信链路要求理想或接近理想的情况；即，诸如与合适安装的移动站的天线的视距通信的情况。在非理想情况中，诸如在移动站被屏蔽(例如，在建筑物内，等等)时或在未正确安装移动站天线时，由于信道中增加的衰减而使用于通信的功率或信号余量要求显著增加。在这样的情况中(如图3中的MUz所示)，瑞利衰落时常阻止令人满意的通信，并因此希望发送短的字母数字消息给移动站。例如，可以使用此消息来通知用户具有输入呼叫。本发明通过提供有效的技术来增加信号余量而没有显著的延迟、功率增加或同信道干扰来保证消息的可靠传输。
仅仅为了示意，并且不限制本发明的范畴，可以假定使用TDMA信道的基于卫星的GSM无线电通信系统呈现以下情况。通信信道没有视距组成部分并且容易受具有严重衰减的瑞利衰落的影响。如本领域技术人员将认识到的，瑞利(或多径)衰落是在由于来自服务区域中的物理结构的反射而使来自驻波的多径波成对时出现的现象。这些驻波对一起相加形成不规则波衰落结构。在移动单元固定时，此移动单元接收恒定信号。然而，在此移动单元正在移动时，衰落结构使衰落出现，这在此移动单元移动更快时增加。非理想瑞利信道的平均信号电平大约比接近理想的视距信道的信号电平低20-30dB。
为了保证非理想情况中短消息至移动站的可靠传输，必须增加信号余量。根据本发明，能组合比特重复与功率增加，以提供增加的信号余量而没有显著的延迟。
将认识到：分贝(dB)是用于表示功率、电流或电压之比的单位。具体地，功率比(P2/P1)可以利用公式dB＝10log(P2/P1)以分贝为单位来表示。30dB的信号余量要求1000的功率比，这是因为10log1000＝30。因而，为了只利用比特重复来获得此信号余量，每个比特必须重复1000次，并且每个重复的信号余量必须在接收机上进行组合，得到上面计算的82秒延迟。然而，为了获得15dB的信号余量，所要求的功率比仅为31.623，这是因为10log31.623＝15。因而，通过将功率增加15dB并且将每个比特大约重复31次可以提供30dB信号余量。使用此技术，64字符消息的比特重复延迟大约是(64字符*8比特/字符*31比特/比特*18.64ms/时隙*1/114时隙/比特)2.5秒。结果，比特重复延迟保持在合理的电平上，并且功率增加也保持在合理的电平上，从而避免同信道干扰。将认识到：重复与功率增加的许多不同组合对于在瑞利衰落环境中实现成功通信而无显著延迟是有可能的。还有，不重复数字信号的各个比特，而可以重复比特组。
为了实施本发明的技术，通过平均多个用户的功率负载可以提供从卫星至移动站的功率增加。即，在接近理想情况中由移动单元使用的通信信道可以使其功率减少，以便在非理想情况中增加提供给移动单元的电源。也可以通过时间平均来提供功率增加，其中相连TDMA帧中的各个时隙以增加的功率电平进行发送。将认识到：利用本领域公知的其他技术也可以实现从卫星至移动站的功率增加。
移动单元的功率限制甚至比卫星的功率限制更严重。因而，增加功率用于从移动站至卫星的通信甚至更困难。这样的通信(或可能)必须发送消息或消息的确认接收。根据本发明的一个实施例，通过允许移动单元在随机接入信道RACH的所有时隙上发送可以实现从移动站至卫星的功率增加。比特或消息重复也可以由移动单元用于进一步有效地增加发送给卫星的信号的余量。因为利用具有低信息速率的信号可以完成RACH信道上移动单元的确认，所以相对前向信道的较高数量的同步比特和较高数量的比特与消息重复能用于补偿移动单元的较低发射功率。优选地，移动单元在隔开的载频上发送连续重复来去相关这些重复。因为此消息是短的，所以传输时间将是短的，并且平均发射功率使用此系统将是可接受的。
现在参见图4，表示出使用本发明的传输方法的短消息的传输的流程图。在步骤100，发送方输入要发送给接收用户的消息。此消息可以由发送方通过移动单元、标准电话机、计算机终端或等效设备直接输入到此通信系统中，或可以通过呼叫将消息输入系统的服务中心的操作者来间接输入此消息。在步骤102，由位于发射机上的编码器利用诸如CRC的检错码编码包括短消息的信息比特。此编码的消息构成一个或多个码字，每个码字包含码字比特或码元。应认识到，发射机可以是卫星、基站或移动单元。在步骤104，能采用比特重复，以使编码装置输出的每个码字比特或码元重复N次，以形成包含N个比特的分组。显然，不重复各个比特或码元，也能重复两个或多个比特或码元的组或整个码字或全部码字。随后，发送分组，以使TDMA帧内的每个时隙包括一个或多个分组的重复比特、检错编码比特和同步脉冲串，以使接收机能估算信道质量。以这种方式发送包括编码短消息的所有比特。如果采用比特重复与消息重复，一旦已发送整个编码的消息，则能重复M次此消息的传输(以N个码字比特的分组的形式)，以获得所需的信号余量。将认识到：因为可以从卫星、基站或移动站中发送短消息，所以在这些设备之中的每一个设备中提供编码与发送功能。也将认识到，为了实施本发明的技术，在发射机中包括确定比特重复次数N、消息重复次数M和获得消息的成功传输所要求的功率增加的装置。
在步骤108中，接收设备(即，移动单元，卫星，基站或等效设备)对包括重复编码消息比特、检错比特和信道质量估算比特的接收信号进行抽样并生成形式为
Figure A9981411600131
的度量和，其中rij是对应于分组重复j中信息比特或码元S的第i重复的抽样接收信号，并且Cj是信道质量的相应估算。在步骤110，包含在接收设备中的解码器使用软合并或多数逻辑表决或其他合适的解码方法从度量和中解码TDMA时隙中每个编码的比特或码元。为了实施软合并，此解码器将度量和相加为 r = Σ J = 1 M r j 并根据此和进行比特或码元判定。为了实施多数逻辑表决，此解码器对每个度量yj进行初步比特或码元判定并随后通过比较所有初步判定进行最后的比特或码元判定。因而，如果此解码器已进行M个初步判定，则此解码器在多于一半的初步判定是1时将确定相应的信息比特是1，否则，此解码器将确定相应的信息比特为0。同一逻辑用于解码为0的比特。为了防止在正好一半的初步判定为0和正好一半的初步判定为1时可能导致的差错，M选择为奇数。相干组合解码的比特并相干组合此消息的多个传输，以生成具有增加余量的消息信号。
在步骤112，包含在接收设备中的检错器根据在发送设备上提供的CRC检错编码检测差错。如果未检测到差错，则在步骤114在接收用户的移动单元上显示此消息。如果检测到差错，则不在接收设备上显示此消息，利用显示的差错消息或利用音频信号通知用户具有差错消息，并且接收机请求发射机根据下面更具体描述的双向无线电协议重发消息或此消息的差错部分。
根据本发明，消息的重复发送可以与消息的各个部分的重复组合进行使用。即，可以多次发送此消息的各个部分，并在已经利用消息部分的重复传输发送整个消息时，可以再一次发送整个消息。
根据一个实施例，为了实施具有根据本发明的SMS特性的基于卫星的移动通信，通过从慢相关控制信道SACCH中“窃取”或借用帧来形成消息信道。例如，发射机可以指定SACCH信道的每个第8帧用作消息帧来传送SMS消息；此实施例将提供一个SMS帧用于每104个规则TDMA帧，或大约每1.92秒提供一个SMS帧。将认识到，通过使用每个第8SACCH帧，将SACCH数据速率减少1/8，这不会不利地影响系统。在SMS信道中，在图5A中示出示例性帧格式，并且此示例性帧格式包括两个前向校正信道(FCH)时隙、两个空闲时隙、两个同步信道(SCH)时隙、两个附加空闲时隙和24个数据时隙，总共32个时隙用于每个SMS帧。24个数据时隙用于发送消息信息，将这24个数据时隙之中的每个时隙分配给一个相应的移动单元，以使每个用户每个SMS帧接收一个数据时隙。因而，分配给特定用户的移动单元的每个消息帧中的数据时隙构成用于那个用户的消息信道。将认识到，可以使用可选择的帧格式，并且可以将多个数据时隙分配给每个移动单元。还有，除了SACCH帧之外的其他帧可以用作消息帧。
卫星中的编码器合适地编码消息数据。如上所述，也能利用发射机来实现比特和/或消息重复以及增加的发射功率。优选地，在此SMS实施例中，每个比特发送三次，每个消息或其部分发送三次并且以大约比TDMA通信链路的话音帧与时隙高6dB的功率发送SMS帧。在此实施例中要求104个帧或大约1.92秒用于同步。因为在此实施例中对于每104个TDMA帧出现一个有效的SMS帧，所以占空因数大约为1％。
因为利用相对不频繁的帧的窃取或借用来实施短消息业务，所以将认识到，未以不利方式显著影响卫星或蜂窝系统。
根据本发明的另一示例性实施例，能在基于卫星的电信系统中使用上述方法如下实现高渗透短消息业务。在包含广播控制信道BCCH的载频上，每个(例如，16时隙)帧的第一时隙分配用于广播控制信道。在51个帧实施广播控制信道。51帧重复模式包含频率与同步校正信道FCH与SCH，以及广播与寻呼信道PCH。其上发送卫星模式BCCH的载波不必在所有时隙中是有效的。特别地，如果当前在给定波束的载波上未建立通话，则只有此载波的BCCH时隙可以包含能量；即，此载波上的业务与其他时隙将不包含能量。
最好以高于此载波上业务时隙的平均功率电平的功率电平发送每个BCCH时隙。优选地，BCCH的频率校正信道FCH与同步信道SCH用于短消息业务。在此实施例中，51时隙BCCH帧的4个时隙专用于短消息业务。这些SMS时隙出现在帧1、13、26与40中。因而，在51时隙BCCH帧上，这些SMS时隙隔开12、13、14、12、12、13、14、…时隙，允许接收机只利用信号强度分布来确定帧定时。以高于剩余47个BCCH时隙的功率电平发送4个SMS时隙，这剩余47个BCCH时隙以高于剩余TDMA信道时隙的功率电平在包含此BCCH信道的载波上进行发送。将认识到，广播控制信道BCCH的此实施例与标准GSM实施的不同在于：频率校正信道FCH不是未调制脉冲串。
现在参见图5B，表示出根据本发明的示例性实施在SMS时隙上发送的脉冲串的格式。此脉冲串包括识别使用的卫星与波束的波束识别比特BEAM ID。如果14个比特用于此BEAM ID，则16384个独特的识别符是可能的。这允许识别例如32个卫星之中每一个卫星上高达512个波束。将认识到，这些识别符在隔开的频率上可以重复进行使用。接收机能连续平均多个SMS脉冲串之中每一个SMS脉冲串中相应的比特，以便有效地增加BEAM ID信息的信号余量，允许甚至在非理想环境中确定BEAM ID。
此SMS脉冲串还包括形成128比特数据代码的两个64比特数据代码DATACODE。此128比特数据代码能具有1与128个相互正交值之间一个值。这些相互正交值是类似于同步字的比特模式，并因此提供频率校正与同步功能，以便有效地替换省略的信道FCH与SCH。根据示例性实施例，如果假定128个相互正交的值，则在每个脉冲串中提供7比特的信息。在此实施例中，每个消息重复两次。可选择地，可以假定较低数量的相互正交值并能减少消息传输的次数，并保持同一总的数据吞吐量。也可以使用纠错编码，如下面更具体描述的。
典型的SMS消息例如包含112个比特。这112个比特包括信息比特与CRC检错码比特。为了发送112比特消息两次，必须发送224个消息比特。如图5B所示，每个SMS脉冲串包括156.25比特，这些比特包括用于保护与上斜/下斜功能的8.25比特的GUARD/RAMP、6个尾比特TAIL和142个信息比特。这142个信息比特包括14个BEAMID比特和128个数据比特。因为这128个数据代码比特对应于7个信息比特，所以在每个SMS脉冲串中发送7个消息比特。为了传送224个消息比特，要求32个SMS脉冲串。因为具有4个SMS脉冲串用于每个51时隙BCCH帧，所以要求408个BCCH帧用于每个消息。根据9.23ms的帧长度，大约3.77秒传送此112比特消息。将认识到，如果卫星系统包括121个波束，则此卫星能每秒传送(121/3.77)约32个消息。
能如下确定实施根据上面的示例性实施例实施SMS系统所要求的功率。如上实施的BCCH信道导致每个TDMA帧一个BCCH脉冲串；因而，BCCH脉冲串每个第16时隙出现一次。其中给定BCCH脉冲串可以出现的特定时隙最好以16小区模式在各个卫星波束之间进行交错。假定卫星具有121个波束，能发送SMS信息的大约8个波束在一给定时间是有效的，而其他113个波束正在发送业务信息。如前所述，这些SMS时隙隔开在BCCH帧的时隙1、13、26与40中，此隔开允许不同波束中12个正交交错的SMS帧。因而，同时发送能传送SMS信息的波束的8个波束不同时发送SMS信息。一次仅在一个波束中发送SMS时隙，从而保持恒定的总相控阵发射机负载。
利用增加功率、128比特数据代码的信号扩展、比特或消息重复和由于纠错编码引起的增益的组合有效地增加用于SMS信号的链路余量。用于上述示例的除编码增益之外的链路余量能如下进行确定。业务信道提供超过AWGN信道最少7dB的余量。为了超过AWGN信道16dB的增加余量，使用超过业务信道9dB的附加功率发送此SMS信道。由于用于7信息比特的128片码引起的扩展增益提供另外12.6dB的增益给28.6dB的增加余量。最后，对于大约31.6dB的总的SMS链路余量，结合软判定解码使用的消息重复提供附加的3dB增益。因为纠错编码提供附加增益，所以将认识到，根据本发明的SMS系统提供足够的链路余量以允许甚至诸如在移动单元被屏蔽和/或天线未正确安装的非理想情况中的通信。
如上所述，本发明的SMS系统即使SCH信道用于SMS传输也允许实现同步。根据本发明，能如下实现同步。接收机根据平均接收信号强度使用功率分布方法定位较高功率SMS脉冲串。接收机利用与每个SMS脉冲串中正交数据代码的相关性将它自己与输入信号同步到比特电平。将相关性加到消息重复上，以提供适当的信噪比来可靠地解码消息数据。一旦实现同步，移动单元将睡眠47个BCCH时隙并醒来4个SMS时隙，得到大约1/204的占空因数。移动站也可以例如每个51帧周期上附加的4-8个时隙醒来，以确定它是否能接收正常呼叫信道。此附加接收机活动得到约1.5％的占空因数。
将认识到，本发明的SMS系统可以以其他方式来实施，并且不限于上述示例性实施例的特定细节。因而，本发明的SMS系统可以使用TDMA系统中每N个帧的任何特定时隙来实施。例如，每个卫星波束中给定载频上每个第四帧的寻呼时隙能用于选择地提供SMS业务。在不需要或不希望时，这些时隙能用于话音业务。在此实施例中，使用比同一载波上的话音时隙高6dB的功率发送SMS时隙。相连SMS时隙形成图6所示的13时隙的SMS时隙。此实施例中的SMS帧具有用于频率校正信息的第一时隙和用于同步信息的第二时隙。时隙3-13用于数据或寻呼并且具有图5B所示的格式。每个数据时隙传送只用于一个接收机的信息比特。此实施例中的每个比特与每个消息能发送三次。对于由120个数据比特构成的典型消息，传送一个消息的时间大约为11.5秒。假定卫星具有150个波束，则每秒能传送13个消息。
根据本发明的另一方面，例如，通过在不同的频率上、在不同的极化上或以合适的时间延迟发送消息或消息部分来去相关这些消息重复。
本发明的传输系统还可以包括前向纠错(FEC)装置。在这样的安排中，发射机具有第二编码器，用于在利用检错码编码信息比特之后利用纠错码编码短消息的信息比特。以前面所述的方式发送消息和解码接收的消息。利用多数逻辑表决，采用硬判定解码器，并且不利用附加信息(诸如从信道中估算的比特可靠性信息)将多数逻辑表决器的输出端上的比特馈送给信道解码器。如果使用软合并，采用软判定解码器来解码纠错码，并将度量和yj加到软判定解码器输出上，而且将和馈送给纠错解码器。如果纠错编码器的不同输出通过尽可能在传输流中隔开相连输出比特进行交错。
将认识到，比特与消息重复的次数越高，系统的性能将越好，但延迟将越长。TDMA时隙具有可以用作同步信息或数据的有限数量的比特。增加分组中的比特重复次数(N)必定要求同步比特数量的减少。度量和取决于估算的信道质量，而信道质量取决于同步比特的数量。如果TDMA时隙具有Nt个比特，则具有Ns个同步比特/时隙，并且每个时隙具有Nt-Ns数据比特，则由于重复引起的每个比特的信噪比的增益大约为(NtNs-Ns2)/Nt。信噪比的最佳增益因此出现在Ns＝Nt/2时。然而，将认识到，给定时隙中同步比特与数据比特的数量的选择将取决于将实施的特定传输方案。
如上所述，为在卫星与移动站之间传送消息而建立的链路是双向链路。因此，可以选择无线电协议以便在卫星与移动站之间用于增强短消息系统的利用性。例如，可以实施简单的协议，其中接收消息的移动站将利用“YES(是)”或“NO(否)”应答，以表示是否正确接收此消息。可选择地，能实施更复杂的协议，其中分组或分组的组利用组ID进行识别并利用CRC检错码进行保护。如果CRC表示未正确接收此消息，则卫星能重发包括差错组的分组。以这种方式，只需要重发具有差错的分组，这与重发整个消息相反。因而，此协议能用于优化重复的次数并从而使延迟与浪费的卫星功率最小。
根据本发明的SMS的双向链路也相对计帐提供优点。单向链路防止短消息传送费用向发送者或接收者收取，这是因为没有正确接收此消息的证据。因而，可以以增加的签约费率利用单向链路提供SMS业务给用户。相反地，因为双向链路允许消息发送者或业务操作者确定是否正确接收到消息，所以业务提供者能提供只具有每个正确接收消息的传送费用的SMS业务。
如上所述，对于较长的消息、话音通信或要求大于30-40dB的链路余量的情况，不可接受的长延迟可以得到本发明的技术。在这样的情况中，此消息可以存储在卫星或相应的蜂窝移动交换中心(MSC)中。在移动单元能读更有利的通信信道的广播控制信道(BCCH)时，可以利用例如有关广播控制信道的标志来提醒此移动单元具有存储的消息。
虽然前面的描述包括许多细节与特性，但将明白这些仅仅是本发明的特性与原理的示意，并且不认为是限制。不脱离利用下面的权利要求书及其法定等效物定义的本发明的精神与范畴的许多修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的。

Claims (18)

1.用于在具有多个帧集的TDMA通信信道上发送短消息业务(SMS)数据消息的一种方法，每个帧集包括多个帧，其中所述多个帧的一个子集是用于以第一信号余量传送控制信道信息的控制信道帧，此方法包括：
编码所述SMS数据消息，以形成编码的数据消息；和
以高于第一信号余量的第二信号余量在一个消息信道上发送所述编码的数据消息，此消息信道包括一个或多个所述控制信道帧。
2.权利要求1的方法，其中所述控制信道帧包括慢相关控制信道(SACCH)帧。
3.权利要求2的方法，其中所述消息信道包括每8个SACCH帧之中的一个帧。
4.权利要求1的方法，其中通过以增加的发射功率发送此SMS数据消息来获得所述第二信号余量的一部分。
5.权利要求1的方法，其中通过使用前向纠错编码编码此SMS数据消息来获得所述第二信号余量的一部分。
6.权利要求1的方法，其中通过以增加的发射功率发送此SMS数据消息并利用此SMS数据消息的增加编码来获得所述第二信号余量的一部分。
7.权利要求1的方法，其中通过将此SMS数据消息分成均具有一个或多个比特的多个分组、多次发送每个分组并在移动站上综合每个分组的传输来获得所述第二信号余量的一部分。
8.权利要求1的方法，其中此SMS数据消息包含提醒移动站存在输入呼叫的信息。
9.用于在具有多个帧的TDMA通信信道上发送数据消息的一种方法，每个帧包括多个时隙，每个时隙包含多个数据比特，其中每个帧中所述时隙之中预定的一个时隙是控制信道时隙，此方法包括：
编码所述数据消息以形成一个或多个数据码字，从一组相互正交的数据码字中选择每个数据码字；和
在一个消息信道上发送每个数据码字，此消息信道包括一个或多个所述控制信道时隙。
10.权利要求9的方法，其中相互正交的数据码字的所述组的数据码字除了消息数据之外还包括频率校正与同步信息。
11.权利要求10的方法，其中所述一个或多个所述控制信道时隙指定为频率校正信道(FCH)时隙。
12.权利要求10的方法，其中所述一个或多个所述控制信道时隙指定为同步信道(SCH)时隙。
13.权利要求10的方法，其中所述控制信道时隙以第一信号余量传送控制信道信息，并且所述消息信道以高于所述第一信号余量的第二信号余量传送所述数据消息。
14.权利要求13的方法，其中通过以增加的发射功率发送所述数据消息来获得所述第二信号余量的一部分。
15.权利要求13的方法，其中通过使用前向纠错编码编码所述数据消息来获得所述第二信号余量的一部分
16.权利要求13的方法，其中通过以增加的发射功率发送所述数据消息并利用所述数据消息的增加编码来获得所述第二信号余量的一部分。
17.权利要求13的方法，其中通过将所述数据消息分成均具有一个或多个比特的多个分组、多次发送每个分组并在移动站上综合每个分组的传输来获得所述第二信号余量的一部分。
18.权利要求13的方法，其中所述数据消息包含提醒移动站存在输入呼叫的信息。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication