使用單頻的同步廣域和局域通信的系統和方法
2023-06-19 23:09:06
專利名稱：使用單頻的同步廣域和局域通信的系統和方法
技術領域：
本發明涉及一種無線通信，尤其涉及一種可有效使用可用頻譜和帶寬的無線通信方案。
在設計用於無線通信系統或網絡的系統結構和通信協議方面，強調可用帶寬和頻譜的有效使用。此外，如果為無線信息應用例如雙向尋呼設計無線通信網絡，用戶的移動性進一步需要使用小功率射頻(RF)傳送方案，以便減小瞬時電池功率輸出要求和延長總的電池的壽命。然而，這種小功率要求導致用戶終端具有比較短的RF發射範圍。從系統的觀點看，對給定的地區來說，用戶終端的較短RF發射範圍要求大量的基站以覆蓋該地區的服務需要。在背景噪音高的都市區域，合適的覆蓋範圍的要求是特別嚴格的。
設計移動無線網絡另一個需要考慮的問題包括在向用戶發射信息之前由無線網絡確定該用戶位置的機制。在現有技術的雙向尋呼應用中，大功率中央發射機在一個頻率上連續地向所有用戶廣播信息，移動用戶在另一個頻率上通過局域基站響應或確認該信息。
在都市地區中有用的另一種方法是點對點通信。在現有技術中，為了提供點對點通信，一個或多個高功率發射機在大的地理區域廣播信息。這些相同的發射機還與從用戶接收返回信號的接收機相關聯。然而，在這個系統中，移動用戶的小功率和相對大的工作範圍的綜合要求把通信限制到非常低的數據率。這種低數據率使這些裝置的用戶所關心的許多應用不能實現。
在現有技術中，標準的蜂窩系統採用不同的方法。該方法要求在用戶與該用戶附近的局域基站之間實施所有系統通信。儘管這一方法使用於用戶發射的電池功率要求降至最小，但需要更複雜的系統結構。在這種系統中，無線網絡必須在通信可進行之前能夠定位距用戶最近的基站(從RF的觀點看)。該方法經常用於無線數據通信。然而，甚至在這種方法下，移動用戶終端的電池壽命仍不能很長，這是因為用戶終端必須頻繁地與基站進行通信，使無線網絡追蹤用戶的位置，以便發射指定給用戶的任何信息。
另一方面，為了追蹤用戶的位置，可使用輪詢方案。在輪詢方案下，每個基站周期地輪詢其服務區域，以便辨別在該服務區域內的移動單元戶。然而，當含有大量基站時，這種論詢方案是不實用的。
因而，在現有技術中，在大的地理區域的雙向無線通信至少需要兩個分開的頻率一個頻率用於從無線網絡的中心位置向無線終端發射消息，不管該終端是移動的還是固定的，另一個分開的頻率用於從無線終端向基站發送信息。在現有技術中，這種基站是用於從無線用戶終端接收消息的射頻接收機。由於使用了分開的頻率，從而避免了使用複雜的天線系統和分開發射和接收信號所需的複雜電子設備，因而減小了總的系統成本。在一個蜂窩系統中也採用不同的發射頻率和接收頻率，該蜂窩系統在同一個地點使用大群的臨近頻率。
本發明能在同一地區同時工作的多個發射機和基站中有效地共用單一頻率。本發明還能用於在同一地區不同頻率上同時工作的發射機和基站群。本發明不僅可用於無線電子信息和數據通信，而且還可用於像語音通信那樣的其它方面。
通過使用單個無線頻率，本發明可實現下列優點(ⅰ)低的瞬時功率需求及延長的電池壽命；(ⅱ)頻譜的有效利用和具有適應多種數據率的能力；(ⅲ)簡單的天線和標準的電路結構；和(ⅳ)由無線網絡定位用戶的簡單方法，從而維持電池壽命和提供大的系統容量。
在一個實施例中，通信系統包含(a)一個廣域發射機，它具有覆蓋預定地區的工作範圍，以便在整個地區用一個選定頻率來廣播控制和數據信息；(b)多個局域基站，為每個基站分配該地區的不同部分的工作範圍，以處理指定工作範圍的局域消息業務；(c)分布在該地區的多個用戶終端，用於從廣域發射機接收控制和數據信息，並與多個局域基站進行通信。局域基站與局域基站工作範圍內的用戶終端之間的消息業務構成了局域信息業務。局域基站的消息業務可以與其它局域基站的局域消息業務同時運行，這是因為每個基站被分配了不重疊地區作為其工作範圍。使用時分復用方案在廣域發射機的消息與用戶終端與局域基站之間的同時的局域消息業務之間分配帶寬。當廣域發射機不工作時，作為局域信息業務，由於用戶終端僅向局域基站發射，因此，用戶終端的功率消耗低，這是由於有限的地區範圍和有限的工作時間。在局域信息業務可以發生即廣域發射機不工作的規定時間，局域基站與用戶終端之間的通信可以使用異步協議，如載波檢測多址訪問(CSMA)通信協議異步進行。此外，在規定的時間期間還可以提供不同的數據率，以便使系統質量提高和適應不同數據率容量的同一網絡設備。使用網絡控制中心，可以在使用該網絡控制中心和在每個用戶終端附近的作為中間站的局域基站的兩個用戶終端之間建立點對點通信信道。網絡控制中心同樣可以經連接到網絡中心的網關把用戶終端與外部網絡連接。
通過下面的結合附圖的詳細說明，將會更好地理解本發明。其中
圖1示出了本發明通信系統的結構；圖2a示了通信系統100中使用的超幀201至203；圖2b詳細地示出超幀201的結構；圖3示出適於在廣播子幀201b中實施的成幀結構。
本發明使用用於廣域和局域通信的單頻。此外，本發明使用時分復用技術以在下列情形中共用帶寬(ⅰ)一個或多個無線網絡控制中心，其每一個網絡控制中心具有廣域通信能力，(ⅱ)多個局域基站，其每一個本地基站具有局域通信能力，和(ⅲ)多個固定或移動終端，其每一個移動終端能夠與基站本地通信並能從無線網絡控制中心接收信息。本發明可用於無線電子消息傳送，它包括雙向尋呼、與公共網(例如，網際網路)的無線連接、無線傳真發送、和無線電子郵件業務等方面的應用。
本發明由圖1的通信系統或網絡示出。圖1示出了本發明的通信系統或網絡100的結構。在圖1中，網絡控制中心101具有一個廣域發射機102，該發射機是比局域基站的局域發射機(下面將進行討論)的工作範圍大數倍的一個發射機。通信系統100還包括多個局域基站103至105，其每一局域基站與網絡控制中心連接並具有一個局域發射機，它具有用於覆蓋廣域發射機102的服務區域的一個子集的工作範圍。每個局域基站103至105服務於在各自工作範圍115至117內的多個移動終端106-1至106-n。在通信系統100中，可以存在多個網絡控制中心，每個網絡控制中心經一個或多個廣域發射機發射信號。局域基站103至105經過由「通信中樞」子系統107操作的雙向點對多點回程網絡120與網絡控制中心101連接。本實施例至少處理兩種操作模式。在第一種模式，接收從外部信號源到指定網絡100的用戶終端的網絡的信息，並送入網絡100。在第二種方式中，信息從一個用戶終端或者發送到通信網絡100內的另一個用戶終端或者發送到通信網絡100外的目的地。雙向點對多點回程網絡120可以是有線或無線網絡。網絡控制中心101在用戶終端之間、在用戶終端與局域基站之間和在使用信息交換子系統108(通常用這個標號表示)的基站之間傳送點對點消息。此外，圖1示出了應用網關109，該網關連接通信系統100與外部網絡110例如網際網路的資源(例如，應用程式111)。
為了在時分多重接入(TDMA)方案下共用公共通信頻率，同步進行網絡控制中心101、局域基站103至105、用戶終端106-1至106-n的傳輸。為了實現這種TDMA方案(將在下面討論)，通信發生在「超幀」內，該超幀是分成兩組時隙的同步時間周期，第一組時隙指定給網絡控制中心101，第二組時隙由基站103至105在各自的服務區域115至117內與用戶終端(或固定的或移動的)各自通信同時使用。在本實施例中，基站103到105被指定非重疊服務區以便最大限度地再使用相同的頻率資源或頻譜。
在本實施例中，網絡控制中心101使用廣域發射機102以任一種工作模式通知用戶終端的用戶，在網絡控制中心101已接收到指定給用戶的消息。廣域發射機102在超幀的指定部分發射系統範圍的廣播信息。為了從網絡控制中心101檢索消息，用戶經工作在該用戶附近的一個基站連接無線網絡100。
在通信系統100中使用的超幀201至203如圖2a所示。通信系統100使用的這些超幀具有可變時長。因此圖2a示出了不同時長的連續超幀201至203。每個超幀包含一個同步子幀(例如，同步子幀201a)，一個廣播子幀(例如，廣播子幀201b)，和一個局域子幀(局域子幀201c)。同步子幀201a包含由網絡控制中心101經廣域發射機202廣播的特殊比特碼型，同步子幀201a使局域基站和用戶終端與網絡控制中心同步，並使局域基站和用戶終端互相同步。
緊接著同步子幀201a，網絡控制中心101在廣播幀201b中廣播其消息。廣播子幀201b是可變時長的，因此廣播幀201b包含使局域基站和用戶終端確定局域子幀201c的起點的長度信息(在圖2中以標號201d表示)。一旦廣播子幀201d結束，局域子幀201c就開始。在局域子幀201c時長期間，允許在每個基站與局域基站服務區域中的用戶終端之間進行通信。由於小功率發射機用於局域基站103至105和用戶終端106-1至106-n，因此每個服務區內的通信可以與另一個服務區域內的通信獨立且同時進行，並且不相互幹擾。這樣，在本發明中，同一發射頻率由廣域發射機102、局域基站103至105和用戶終端106-1至106-n共同使用。由於所有參與者使用同一頻率，就允許用戶端僅包含用於接收網絡控制中心101和用戶終端的局域基站的消息的單個接收機。此外，由於基站與其服務區域內的用戶終端之間的通信與其他服務區內的通信獨立地且同時發生，因此實現了頻譜的有效再利用。事實上，不同的服務區構成了同一頻率工作同時使用的多通信信道。
本發明可以提供多個虛擬信道以便接納多個不同數據率的裝置以共用同一頻譜。圖2b示出了劃分超幀201的方案，以接納不同數據率的裝置。如圖2b所示，通過把局域幀201c分成多個子幀254至259能以不同的數據率提供基站103至105與用戶終端106-1至106-n之間的通信。子幀254至259的每一子幀適應使用同一頻率但不同數據率的通信。事實上，廣播子幀201b也可以類似地被分割成適應不同數據率的子幀251至253。使用這種安排，系統經營者可使用低數據率開始服務和升級其服務以適應高數據率的裝置，從而顯著地增加了系統容量。最大數據率取決於可用帶寬和所要求的無線頻率發送範圍。一般來說，局域基站與其服務區域內的用戶終端之間的數據率高於廣域發射機102使用的數據率。
由於在超幀的局域部分(例如，局域子幀201c)期間可以同時操作多個通信信道，因此整個系統容量是依賴廣域發射機覆蓋大的區域以把消息發送給用戶的現有尋呼系統的好幾倍。如果廣播子幀(例如，廣播子幀201a)被限制於發送非常短的消息和控制消息，以致大多數通信出現在局域子幀期間，則使可以支持的用戶的數量最大。這是由於把廣域發射機102限定為僅發射短消息，因而提供了較大比例的可用廣播時間或用於執行同時局域通信的帶寬。
在本發明中，系統的所有通信單元相互同步。在本實施例中，廣播子幀201b由圖3所示的成幀結構301組成。在圖3中，提供了恰當長度的同步子幀201a。同步子幀201a指示超幀201的起點，使用戶終端和局域基站與廣域發射機102同步。緊接同步子幀201a的是控制子幀301a，它含有控制信息，如地址信息、保密信息、用於局域基站103至105的網絡管理信息。然後是數據子幀301b，它含有用戶信息，如通知用戶終端106-1至106-n關於在網絡控制中心101處指定用戶的消息正在進行的短消息。最後發送糾錯/檢測子幀301c，以使接收者檢測或糾正可能在傳送中出現的任何差錯。當廣播子幀201b結束時，局域子幀201c開始。
在上述的第一操作模式下，即，當從外部網絡接收信息時，向城市及其附近地區或城市的一部分廣播的廣域發射機102通知在用戶終端的用戶在局域子幀201c期間應當建立與局域基站的通信信道，以便恢復網絡控制中心101正在進行的信息。該通知信息在數據子幀301b中發送。此後，進入局域子幀201c，當然，通過使廣播子幀201b包含多個重複的控制幀、數據和差錯子幀可以實現圖3所示方案的一種變化。
在廣域發射機102不發射期間，對廣域發射機102來說，局域子幀201c是「平靜的」子幀，在局域子幀201c期間，任何用戶終端通過本地通信協議可以建立與局域基站的通信信道。在以上討論的第一工作模式下，一旦用戶終端建立了與局域基站的信道，用戶終端就可以與或者在網絡控制中心101的或者在通信網絡100外面的網絡中的其他網絡設備進行通信。在局域子幀201c期間內未完成的局域通信可以在下一個超幀(即，超幀202)中繼續進行。
另一方面，在上述的第二工作模式下即，由通信網絡100內的用戶終端開始的用戶終端與通信網絡100內的其他用戶終端或者與通信網絡100外的目的地的一個設備之間的雙向通信，用戶終端使用像改進的載波檢測多址訪問(CSMA)方案那樣的協議，在局域子幀201c期間建立與其局域基站的通信信道。通信信道建立之後，經基站至該目的地設備進行數據發送。如果消息的目的地是在通信網絡100之外，則不涉及廣域發射機102。如果消息指定給通信網絡100的另一個用戶，則可以使用這些用戶終端之間下列兩個數據傳遞方法的任一個，首先，來自主呼叫用戶終端例如用戶終端106-1的請求通信消息被發送到網絡控制中心101，在這裡該消息被保持。然後，在後面的可用廣播子幀上由廣域發射機102向被呼叫用戶終端例如用戶終端106-n發送通知，類似於上述第一模式使用的通知，以通知被呼叫用戶終端在網絡控制中心102收到了請求通信消息。在局域子幀201b期間，用戶終端106-n與局域基站建立信道，以恢復用於用戶終端106-n的請求通信消息。
一旦恢復了請求通信消息，被呼叫用戶終端106-n就可以請求其局域基站即基站105向通信中樞107請求點對點通信信道。該點對點通信信道經通信中樞107和局域基站103及105建立。
在主呼叫用戶終端需要與通信網絡100之外的目的地設備的點對點通信信道的情況中，目的地設備通過交換子系統108和應用網關進行連接。從而設計了通信系統100，以致通信網絡100之外的大量應用或資源可以由通信網絡100存取而不需要對這些應用或資源提出任何兼容性要求。
如上所述，局域子幀201b還可以被分割成不同的時間幀或時隙，例如，圖2b所示的時隙254至259。每個和任一個給定時隙的時長由網絡控制中心101設定並且可以根據業務要求改變。可以指定每個局域時隙以不同的數據率進行操作。這樣，就提供了移動通道，使網絡從低數據率升級到高數據率，同時保持與網絡中現有單元的向後兼容性。在局域子幀201c內，基站103至105的任何一個基站與其服務區域內的用戶終端之間的通信可以使用局域子幀201c分配的定時內的異步或者同步通信協議。當然，在任何異步協議下，必須交換必要的交接信號、尋址、網絡管理、糾錯編碼，以便確保可靠和有效的通信。
上述的詳細說明用於說明特定的實施例而不是用來限定本發明。
本發明範圍內的各種改進和改變都是可能的。本發明的範圍由權利要求書確定。
權利要求
1．一種通信系統，包括；一個具有一個地區工作範圍的廣域發射機，它使用預定頻率在所述的地區廣播第一消息集；多個局域基站，使用所述的預定頻率發射和接收第二消息集，其每個局域基站具有在所述地區的不同部分的工作範圍；和分布在所述地區的多個用戶終端，從所述廣域發射機接收所述第一消息集，和使用所述預定頻率向和從所述局域基站發射和接收所述第二消息集。
2．根據權利要求1所述的通信系統，其中每個所述用戶終端與一個所述局域基站通信。
3．根據權利要求1所述的通信系統，其中使用時分復用方案發射所述第一消息集和第二消息集。
4．根據權利要求3所述的通信系統，其中每個所述用戶終端具有一發射機和一接收機，除了發射所述第二消息集時的情況外，每個用戶終端的所述發射機被關閉以保存電源能量。
5．根據權利要求3所述的通信系統，其中所述第一消息集同步地發射到整個所述的通信系統，所述第二消息集在用戶終端與一個所述局域基站之間異步發射和接收。
6．根據權利要求5所述的通信系統，其中使用載波檢測多址訪問(CSMA)通信協議發射和接收所述第二消息集。
7．根據權利要求5所述的通信系統，其中使用多個數據率中的一個選定數據率接收和發射所述第二消息集的每一個消息。
8．根據權利要求1所述的通信系統，進一步包括與所述局域基站連接的一個網絡控制中心，以便經過第一個所述局域基站、第二個所述局域基站和所述網絡控制中心在第一個所述用戶終端與第二個所述用戶終端之間建立通信信道。
9．根據權利要求1所述的通信系統，進一步包括一個與所述局域基站連接的網絡控制中心，所述網絡控制中心具有到外部網絡的網關，以便經過一個所述局域基站和所述網絡控制中心在一個所述用戶終端與所述外部網絡之間建立通信。
10．根據權利要求1所述的通信系統，其中所述第一消息集包括全系統控制信息。
11．一種通信系統中的方法，包括以下步驟操作一個地區的廣域發射機，使用預定頻率對所述的地區廣播第一消息集；操作多個局域基站，使用所述的預定頻率發射和接收第二消息集，每個局域基站具有在所述地區的不同部分的工作範圍；和操作分布在所述地區的多個用戶終端，每個用戶終端從所述廣域發射機接收所述第一消息集，和使用所述預定頻率向和從所述局域基站發射和接收所述第二消息集。
12．根據權利要求11所述的方法，其中每個所述用戶終端與一個所述局域基站通信。
13．根據權利要求11所述的方法，其中使用時分復用方案發射所述第一消息集和第二消息集。
14．根據權利要求13所述的方法，其中每個所述用戶終端有一個發射機和一個接收機，所述方法進一步包括除了發射所述第二消息集中的一個消息時，所述發射機被關閉以保存電源的步驟。
15．根據權利要求13所述的方法，其中所述第一消息集同步地發射到整個所述的通信系統，所述第二消息集在用戶終端與一個所述局域基站之間異步地發射和接收。
16．根據權利要求15所述的方法，其中在載波檢測多址訪問通信協議下發射和接收所述第二消息集。
17．根據權利要求15所述的方法，其中使用從幾個數據率中選定的一個數據率接收和發射每一個所述第二消息集。
18．根據權利要求11所述的方法，進一步包括以下步驟操作與所述局域基站連接的網絡控制中心，以便經過第一個所述局域基站、第二個所述局域基站和所述網絡控制中心在第一個所述用戶終端與第二個所述用戶終端之間建立通信信道。
19．根據權利要求11所述的方法，進一步包括操作與所述局域基站連接的網絡控制中心的步驟，所述網絡控制中心具有到外部網絡的網關，以便經過一個所述局域基站和所述網絡控制中心在一個所述用戶終端與所述外部網絡之間建立通信。
20．根據權利要求11所述的方法，其中所述第一消息集包括全系統控制消息。
全文摘要
一種使用單頻的同步廣域和局域通信的系統和方法,本發明的系統和方法提供了使用時分復用和單頻的通信網絡,以實現頻譜和可用帶寬的最大利用。在本發明的一個實施例中,利用時分復用方案共享工作於指定工作區域的廣域發射機與在局域基站及其相關用戶終端間使用同一頻率的多個同時的信道之間的帶寬。每個局域基站被分配一個指定服務區域的不同的非重疊部分。該通信網絡可適用於不同數據率的設備。
文檔編號H04W56/00GK1209024SQ9810379
公開日1999年2月24日 申請日期1998年1月16日 優先權日1997年1月16日
發明者陳健文, 阿倫·陶伯特 申請人:格維康姆公司