执行广播和局播通信的系统和设备的制作方法

专利名称：执行广播和局播通信的系统和设备的制作方法
执行广播和局播通信的系统和设备
本申请是申请日为2002年7月3日申请号为第02813348. X号发明名称为"执 行广播和局播通信的系统和设备"的中国专利申请的分案申请。
背景技术：
在社会变得不断增加移动性，移动计算设备正在享受一股普及和增长的浪 潮。蜂窝电话、无线PDA(个人数字助理)、无线膝上型电脑和其它移动通信设 备正在对主流客户进行给人印象深刻的侵袭。不过，制约这个增长和限制客户 满意的，是缺乏真正足够大的覆盖区域的、便宜的、小的、电池有效的 (battery-efficient)的无线通信系统。蜂窝数据传输基于电话的解决方案远 非功率有效的，并强加了使它们不可使用的(相对的)成本和尺寸负担。同样， 解决这些问题的其它尝试已经证明同样地不适合。例如，少数实体已经尝试利 用通过频率调制(FM)的副载波(subcarrier)接收信息的设备。FM副载波(也被 称为"SCA，'，艮卩辅助通信授权(Subsidiary Communications Authorization)) 利用在FM电台的可用调制带宽内FM立体声之上的可用频率。副载波一般由广 播电台租用，受FCC (联邦通信委员会(美))或其它国家条例(national regulation)管制。
FM副载波的 一 些实例包括由数据广播公司(Data Broadcast Corporation) (DBC)拥有和维护的QUOTREK系统用于为手持移动设备提供股票 报价(stock price quote)。不过，QUOTREK系统是一个限于接收股票报价的单
一目的系统。这个系统具有各种其它限制，使得它不能作为移动计算设备使用。 同样，精工公司(Seiko Corporation)实现一个FM副载波系统，在这个系统中
可向一个腕戴式设备传输短消息。不过，使用的硬件和通信方案是相对原始的， 导致在消息传输中需要过多的冗余。这些和其它缺点致使精工系统不太可接 受。同样，某个寻呼系统是基于FM副载波使用的，诸如无线数据系统(Radio Data System) (RDS)或移动广播系统(Mobile Broadcasting System) (MBS)系统。 不过，那些系统涉及以广播方式用有限的数据速率传输的短消息。令人遗憾的 是， 一个可接受的移动设备解决方案已经躲开了本领域的熟练技术人员。概述
本发明提供一移动设备，它包括两个无线通信模式， 一个广域模式，在其 中可通过大的地区将数据广播至许多移动设备，以及一个局域模式，在其中通
过局部地区传输数据。在一个实施例中，广播模式被用于通过频率调制(FM)副 载波系统广播数据，诸如在FM无线电电台带宽中不使用的部分中。另外，局 播模式被用于通过相对短距离传输信息，诸如在一个办公室内或在一个公司场 地上。移动设备，诸如专门设置的手表，在或者广播模式或者局播模式中接收 传输。在可替换的实施例中，可如一个独立的寻呼机或消息预订设备一样操作 这个移动设备，或可将它造在一个移动电话设备中，诸如蜂窝电话。有利地， 这个移动设备不限于使用或者一广域传输系统(诸如蜂窝网络)，或者一局部 地区传输系统(诸如红外线通信链路)，而是获得两者的好处。用户可利用局 部地区传输系统接收来自用户的个人计算机或另一个移动设备的信息。这个用 户也可利用广域传输系统接收更一IS的感兴趣的信息，诸如可通过广播介质传 输的，诸如股票报价等等。局播模式还有利于提供或增强在不能接收正常的广 播或接收较差的地区中的信息传输。
在一个方面，本发明提供一移动设备，它被配置为在广播模式和局播模式 两者中接收无线传输。移动设备被配置为通过FM副载波通信链路接收广播数 据。广播数据是时间分集的并包括允许移动设备准确地接收广播数据的同步信 息。移动设备被配置为接收由局播发射机通过FM波段的局部不使用部分传输
的局播数据。这样，移动设备利用相同的无线电电子设备在广播和局播模式两 者中通信，从而减少了体积大小和功率损耗。
在另一个方面，移动设备被配置为以对等方式通信，通过传输将信息通过 局播通信链路传输至其它移动设备和从它们接收信息。移动设备在局部不使用 的FM波段中发送和接收信息。这样，可用与移动设备与膝上型计算机或个人 计算机通过红外线IRDA通信相似的方式，在两个或多个移动设备之间共用信 息，不需要附加的通信组件或电路。
在另外的一个方面，本发明提供一局播发射机，它被配置为通过局部地区 且在FM波段的局部不使用部分中传输数据。局播发射机可被耦合至个人计算 机等等，并被配置为传输数据至移动设备或从它接收数据。
在另外的一个方面，本发明提供一个通信系统，在其中移动设备在双模式中与系统通信。在第一 (广播)模式中，通过广域按一预定的时间表广播信息。 可调度移动设备基于预定的时间表接收广播信息。可在第二(局播)模式中通过 非常小的地区另外传输其它信息。移动设备还被配置为通过局播模式发送和接 收信息。


图1是一个示例通信环境的功能方框图，在这个环境中可实现本发明。
图2是一个功能方框图，示出本发明在腕戴式设备中的一个实现，诸如手表。
图3是实现本发明的通信系统的广播发射机或电台发生器组件的功能方框图。
图4是实现本发明的通信系统的局播发射机组件的功能方框图。
图5-9是由实现本发明的通信系统用于传输的数据结构或格式的图形表示。
图10是用于按照本发明的一个实现，在时间上将数据传输分散进行传输 的图形表示。
图11给出在典型背景中从属的通信系统的概观。 图12是一流程图，描述编码数据流用于传输的一种方法。
详细说明
本发明是在包括移动通信设备的通信系统背景下描述的。在所描述的实施 例中，移动设备是腕戴式手表(watch)，诸如现在普遍使用的，除了被专门配 置为在"广播"模式和"局播"模式中通信的手表，如下面更详细地描述的。在两 个模式中通信的能力为现有的个人通信设备提供许多便利，如通过阅读下面的 详细说明将变得显而易见的。同样，在不脱离本发明精神的情况下，较少的偏 离所述的实施例也将变得显而易见的。
图1是实例通信系统100的功能方框图，这个系统受益于本发明的教导。 所公开的通信系统100包括三个主要的操作部件手表101、广播发射机103 和局播发射机105。如在图1中所示的，广播发射机103发射广播信号(例如 广播信号109)，通过FM副载波，至多个移动的或固定的设备，包括手表IOI 和计算机115。计算机115可附属于局播发射机105并且发射局播信号(例如，局播信号111)至与计算机115直接邻近处的移动设备。局播发射机也可被配 置为通过例如以太网连接直接耦合至因特网。下面结合图2-4更详细地描述手 表IOI、广播发射机103和局播发射机105。
所公开的通信系统IOO具有三个主要的操作模式副载波广播模式("广播 (broadcast)")，局播模式("局播(broadcast)")和对等模式("对等 (Peer-to-Peer)")。虽然为了讨论在这里引入，但是后面更详细地描述这些操 作模式的每一个。手表101的正常操作是通过FM副载波(例如，广播信号109) 接收数据广播。局部直接FM"局播"接收模式也是可用的(例如，局播信号111)。 手表也可被配置为一对一地以如局播信号117所示的半双工双向消息模式 (half-duplex two-way messaging mode),与附近的手表121、其它移动设备 119或甚至固定计算机系统通讯。最后，可在局播对话期(session)期间将应用 数据传送至手表。另外，虽然这里在基于手表的系统中描述，但是本申请的教 导对于许多其它的移动设备具有同样的可用性，诸如便携式计算机、个人数字 助理(PDA)、蜂窝电话等等。手表的使用是用于说明的目的，只是为了简化 下面的讨论，并且可互换地使用"移动设备"。
转到图2，手表101是由四个子部件组成环腕表带天线(wrist-lo叩 watchband antenna) 205，模拟无线电(analog radio) 207，数字收发机(digital transceiver)209和微计算机组合(MicroCo即uter assembly) ("MCU") 211。 在这个实施例中，天线205包括一个表带环形天线和分立的模拟调谐元件。天 线205可以是一个嵌入在表带中的导电环(conducting loop)。在这个实施例 中，导电环是一个小环形天线。对于腕戴式移动设备，天线的选择性(或"Q" 值)可以小于理想值(ideal)，由于天线的尺寸(例如约略为表带的长度)与 信号的波长(例如，FM波段频率)相对小的比率。对于那个原因，天线可被耦 合至可变的调谐元件(例如，可变电抗器(varactor))，并被周期性地重新调 谐，诸如对于每个预定的消息接收、基于一个时间表(time schedule)等等。
天线耦合至收发器209，并由收发器209控制。在MCU211和无线电部件之 间的事务处理间接通过MCU数字收发器接口 (MCU-digital transceiver interface)。手表的部件被收藏在手表大小的封装中并依靠电池电源工作。
在一个实施例中，MCU211包括一个32位通用CPU、 RAM与闪存、LCD显示 器和包括但不限于按钮和转动前盖框(rotating bezel)的用户接口硬件。还包 括电源和时钟电路。MCU的功能是控制0SI(开放系统互连)第2层之上的功能，包括运行操作系统、应用软件、显示、连接和数据选择活动，以及在物理层上
驱动用户1/0(输入/输出)设备。它通过收发器209与手表的其它部分接口。
收发器209 —般包括两个部件， 一个对收发器进行控制、调度和后处理任 务的数字信号处理器(DSP) 211，和一个实时设备(RTD) 223，它包括一个数 字无线电并执行系统定时的功能和实时事件分配(dispatch)。在一个实施例 中，RTD223可以是现场可编程门阵列(FPGA)加上分立的模拟无线电207。在 一个可替换的实施例中，RTD的功能被分配给DSP221和MCU211,取消对一个 独立的RTD设备的需要。可替换地，DSP可以是一个DSP核心加上足以完成所 要求的任务的RAM，并且可与MCU和它的存储器与外部设备一起嵌入在一个单 一设备中。DSP功能也可通过给诸如ARM7处理器系列这样的合适的CPU的适当 的CPU指令实现。
DSP221被耦合至MCU211，并由MCU211指挥收发器任务。由于MCU211可 能不知道在副载波链路上的事件的实际定时，由DSP实际解释它的命令是必要 的。换句话说，可指示MCU211 (通过用户交互或控制)取回已知通过通信网络 被广播的所选择的数据。MCU211被配置为将所标识的和所选择的数据分解成特 定的分组号码或标识符，诸如通过使用一个查找表或相似的功能。MCU211将这 个信息传递至DSP221， DSP221依次将特定的分组号码或标识符分解成实际的 定时，依据这个定时调度接收器开始接收。
DSP的一个主要任务是处理在或者广播模式或者局部模式中接收的数据。 这个处理包括副载波相位恢复、波特(baud)恢复和/或跟踪、补偿衰落效应、 解调、解交织、信道状态估计和软判决巻积(维特比(Viterbi))纠错。分组 的后处理在已经接收整个分组时发生。虽然这在局部模式情况下捕获之后立即 发生，但是副载波分组被捕获在时间分离的片断中，名义上经过一个帧过程。 这些捕获的片断被存储在DSP221的存储器中。
在DSP221控制任务中有，将请求的副载波分组号码译成精确的包括分组 的广播片断组，调度每个片断的接收，将这个调度与来自其它请求分组的其它 片断交织，和形成低层命令至RTD223以完成这些任务。它还跟踪每个活动的 广播电台相对于RTD的本地时钟的定时以调整各种电台之间的时钟偏差和帧偏 移(frame off set) 。 DSP221还负责探测和获得每个实际的和可能的广播电台的 定时，如按MCU211请求的。
RTD223的任务是双重的(two-fold)。它的数字部件包含系统时基，包括为MCU211和DSP221提供系统时钟的晶体振荡器。时基还为发送和接收操作提供 波特和采样定时，开始/停止对无线电操作的控律lJ，和控制对于MCU211和DSP221 的时钟暂停的周期。其它任务当然是无线电操作。
RTD223无线电操作包括副载波和局部模式两者的接收，和周部模式传输。 这些任务使用普通元件的实际号码。无线电207接收或者副载波片断或者局部 模式分组，4每接收的、过滤的基带转换的模拟到数字(baseband-converted A-to-D)样值(sample)存储在本地RAM中。当在局部模式中传输时，这个RAM 由DSP221填入预先计算的传输样值，然后由RTD223使用它们以产生用于局部 模式传输的FSK(频移键控)信号。
在数据捕获期间自动停止至MCU211和DSP221的时钟，并在之后立即重新 开始。当准备动作(warra-up)事件触发时，约略在捕获之前lms，将一个警告中 断送至MCU211。
移动设备/手表接收器操作
在副载波广播模式中，手表收发机209在只收模式中。当MCU命令收发机 209接收一个广播分组时，DSP査看它在所指示的电台上的跟踪信息。如果在 这个电台上不存在信息，则接收请求被中止并返回MCU—个错误。使用这个信 息，DSP确定组成分组的16个片断的预期到达时间。产生一个片断接收命令列 表并将它存储在DSP存储器中。
DSP的分配功能监控待处理的接收片断的列表，可包括几个待处理的分组 请求的片断。当一个给定的片断捕获时间靠近的时候，分配功能将一系列命令 传递至RTD。这些命令包括频率、天线调谐参数、捕获的持续时间和开始时间。 DSP在这时可进入一个睡眠状态。RTD的硬件时间比较器然后依次触发每个命 令。典型地，这些命令是"准备动作"、"捕获"和"停止"。在发出准备动作命令 时，同时通知MCU时钟将要停止。准备动作过程约略持续lms。当捕获命令执 行时，时钟停止，并且当捕获随着停止命令结束时时钟再继续。
DSP在命令完成时被中断，并且立即取回所捕获的数据。这可包括来自几 个片断的数据，如果存在不间断的l皮请求片断。片断数据然后被存储为一组信 号采样值。这要求每源数据位4字节，加上开销，或者每片断约300字节。因 为，在一个实现中，RTD具有2560字节的内存储器，所以这将连续片断接收限 制在8个片断。这是首先出现的较小限制，因为在传输之前， 一个散列函数将逻辑分组(并因此，逻辑片断)与邻近的一个分开。这样，分组只是偶然地连 续起来，不是因为它们在内容上相关。
当接收到一个分组的最后片断时，DSP收集所接收的片断并开始后处理作 为一组接收的信号样值取回的数据。操作的一般流程是这样定时恢复、数据 解调和巻积译码(错误纠正)(在一个实施例中，用维特比(Veterbi)算法)。 这个过程可持续几毫秒每分组。然后将最后所得到的数据分组和接收状态信息 一起放入DSP存储器中的一个接收数据块(receive block)中，并通知MCU — 个新的分组可用。
在广播模式中传输
在所公开的实施例中，广播数据在数据传输网络中心(见图ll， 1101)被 划分成两个组正常等待时间数据(normal-latency data)或"正常帧数据 (normal frame data)",以及"快速帧数据(fast frame data)"。数据中心与广 播帧速率同步地将帧数据由卫星或相似的方法传递至广播发生器。可按数据块 传递数据。例如，可发送正常帧数据，继之以一个快速帧部分。稍后，如在图 5和图7上所示，发送下一个快速帧部分，继之以任何后续的快速帧部分。在
每个帧中重复这个过程。
更深入地考虑广播模式，图3示出一个示例性广播发射机103(也被称为"电
台发生器(station generator)"或简单地"发生器")。广播发射机103是副载 波信道发射设备，并驻留在一个发射FM的电台上。它通过卫星或其它专用高 速电路接收格式化的数据、编码数据用于传输、将编码的数据转换成FM副载 波基带信号，并将这个波形传递至无线电台的广播设备。
广播发射机103，在任何给定时间，具有它管理的两个数据阵列。 一个是 输出FM副载波帧图像501 (见图5并在下面描述)，将它一个字节一个字节地 按照输出波特时钟传递至一个硬件调制器功能。另一个数据阵列是卫星输入缓 冲器，由来自卫星链路接口 319的HDLC(高级数据链路控制)数据块的数据有效 载荷填入这个缓冲器。这个接口用任意数量的常规协议实现，诸如，但不限于 RS-422、 RS-232、 USB、 IEEE1394或以太网接口 。在图6中示出HDLC帧的描述。 本领域中的熟练技术人员将认出HDLC为高级数据链路控制(High-Level Data Link Control)——个标准化的、面向位的、交换的和非交换的协议。HDLC的 一种描述可至少在ISO标准ISO3309和IS04335中找到。如在图11中高层示意图上所示，来自数据中心1101的数据流("起点(head-end)")的数据流通过 卫星1103至每个广播发射机1107。这个数据以按照一组HDLC点对多点过程的 HDLC数据块发送。这些数据块具有相应于各个副载波分组的数据有效载荷。发 生器1105只接受对它寻址的数据块，或者向一些它是其成员的组寻±止的数据 块。发生器然后将来自这些数据块的数据放入它当前正在建立的帧中。在一个 实施例中，HDLC格式被改变以创建一个4字节的地址字段，用一个层次化的方 式在这个字段中分配地址。这样，通过在更低的排序字节中放置通配符值诸如 Oxff或0xfe能选择连续地更小的组，有利地减少卫星带宽，使得只需一个信 道来处理所有的电台生成器。
由于副载波帧ECC(纠错码)编码的性质，去往一个给定的输出帧的输入数 据应该在副载波帧传输的开始之前的几秒钟可供使用。 一个例外是"快速分组 (fast packet)，，数据，它只需要早于它所在帧的四分之一帧(quarter-frame)。
回到图3，广播发射机103—般包括下列组件 一个控制处理器301， 一 个准确的时基， 一个串行1/0控制器305， 一个编码引擎309，和一个副载波 信号生成器313。本领域的熟练技术人员将意识到控制处理器(301)可通过利用 常规的处理设备实现，诸如，但不限于微处理器、微控制器、可编程逻辑阵列、 可编程门阵列或ASIC(应用专用集成电路)。
控制处理器301保持系统的状态，接受周期性的命令和来自上行链路的控 制信息，产生周期报告，计算和调整本地时基以考虑到关于上行链路主机的定 时漂移，以及控制广播发射机的工作方式。它还提供一个直接RS-232 (DCE(数 据通信设备))控制端口 315用于本地命令和设定。控制端口 315还可用任意数 量的常规协议实现，诸如，但不限于RS-422、 USB或以太网接口。
信号发生器的精确时基包括一个百万分之一(l-ppm)振荡器，它可被调整 以跟踪在上行链路主机上的具有亿分之一 (0. Ol卯m)分辨率的主时基(master time-base)。名义上在整点小时上，将通知每个发生器校正当前时间至一个约 略100微秒的精度，为传输延迟调整。传输延迟可基于一个已知的、固定的路 径(较佳的)，或者可由一个NTP(网络终端协议)协议握手计算得到。
串行I/O控制器305通过通信接口例如RS-422串行接口 319，与上^亍链路 设备(有可能一个卫星收发机)通讯。数据格式可以是HDLC。 SRAM(静态存储 器)321可附属于串行I/O控制器305用于输入缓冲。
编码引擎309取得从上行链路接收的帧，将 组散列并物理地放在帧内，通过编码和时间分集各级处理它们，以及产生一个输出图用于传输。这个组件
可以是FPGA。 SRAM323附属于编码引擎309用于工作存储。
副载波信号发生器313提供副载波调制器，传输滤波器，和放大功能。它 从编码引擎的输出数据图以波特率抽取。副载波信号发生器313可在FPGA、大 的采样ROM(sample ROM)中实现，并且副载波信号发生器包括，在一个实施例 中， 一个数模转换器和一个模拟输出滤波器。
转到图12，在一个实施例中，帧编码是由当前输出四分之一帧中的数据减 少通过了某个阈值的剩余部分而触发的，在1203。在一个实例中，这个阈值每 帧发生4次，在传输下一个四分之一帧(包含四分之一的正常帧和所有下一个 "快速帧"数据)开始之前。用于一个实施例的阈值事件是在当前部分中剩余2 秒的数据。所有编码引擎处理必须在这个期间发生。对于输出定时在启动时的 初始条件是从起点接收帧完成(frame-done)消息。
发生器交织(或，等价地"散列")分组以防止相当数量的相关信息以顺序 的"无线广播(on-air)"分组到达移动设备接收机。这可能是必要的，在一些实 施例中，因为接收机硬件可能对连续分组接收有限制。假定数据以顺序的分组 呈现至发生器。逻辑分组顺序在移动设备接收机输出处重新创建；因此，这个 散列过程对于数据中心和手表是透明的。在开始编码时，编码引擎从i/o数据 块的存储SRAM中以散列的分组顺序1205读取分组。在时间片基础上与I/O数 据块共享对I/0数据块SRAM的访问。在1/0数据块SRAM中未标记为完成的分 组，当在1207被读取时，被认为是空或无效的(null)，并可在1209用一个替 换的模式代替。
在以被交织的顺序读取每个分组时，它被传递通过一个数据白化器(data whitener)，在1211由这个白化器在数据和白化模式(whitening pattern)之 间进行异或。白化模式，在一个实施例中，可以是一个表和正被处理的分组的 分组编号的函数。在1213被白化的数据然后被传递至巻积编码器。在一个实 现中，可使用一个1/2码率、约束长度9、尾部补位(tai1-bitting)的巻积编 码器。这种类型的编码器为每个输入位产生2个输出位，并扩展每个输入位的 信息内容越过几个后续的输出位对(bit-pair)，具有以尾部补位方式把最后的 输入位耦连至第一输入位。编码器的输出，对每个输入位由一对位构成，然后 在1215被作为两个流传递至两个独立的4立交织模块。在1217位交织模块使用 分组号码和位索引将编码的位放入输出帧图SRAM中的片断中。在一个实施例中，位交织器是简单的模加法器(modular adder),它将一个位的位置调换到 另一个，并被设置，以便尽可能少的相关编码器输出位留在同一输出片断中。 一个方法是旋转编码器位线性地通过16个片断，以便输出编码器的第17个位 将是到第一个片断的第二个位，而出来的第18个位将是到第二个片断的第二 个位，等等。这个过程也在图IO中所示。
这两个输出流然后在1219被结合，以来自每个流的一个位提供每个输出 符号的两个位。这样创建的2048个符号然后被划分成16个片断，每个片断64 个符号(见图12的1221)。在1223产生片断首部，片断首部允许接收的移动 设备迅速地识别片断边界和确定在当前帧中放置的位置。这个分散 (scattering)和分发(distribution)通过时间分集提供衰落保护。接收机能够
重新构造整个消息，不论一个或多个片断被严重地损害或甚至丢失，给剩余的 片断最小的损害。这个衰落保护对于快速帧分组被减少，但是在片断之间的几 秒钟分离度仍然良好。这个冗余巻积编码在没有显著的衰落时，还提供相当可 观的高斯噪声保护。因为维特比(Viterbi)算法在极度吵闹或衰落的环境中会 失败，所以在一个实施例中，CRC-16错误检验可被用于应用数据中。
一个符号一个符号地在发送时钟定时下进行数据的调制。这要求在调制器 需要相关部分的第一个符号的时候之前，帧数据部分准备好用于传输。第一个 快速帧和正常数据帧必须在帧501 (图5)开始时准备好。后续的快速帧必须 在它们的帧的四分位数(quartile)进入调制器(如图3示于313)之前被处理 和被插入。 一旦已经构造初始的帧(包含正常帧和第一快速"li贞)，它可用于调 制器以传输。在一个实施例中，广播模式使用在FM基带内中心位于67，647Hz 的FM副载波，并使用QPSK(正交相移键控)对数据调制。
现在转到图4，示出一个示例性的局播发射机105。局播发射机105使用 局部不使用的FM频率局部地广播数据至移动设备101 (图1)。局播发射机在FCC 部分15条例下允许低功率局部使用FM广播信道的正常音频部分运行。在这个 实施例中，局播发射机被用于通过大约15米的区域传输信号。局播发射机通 过通信接口 413，诸如通用串行总线(USB)或RS-232串行，耦合至PC或其它数 据源，编码数据用于传输，并直接通过嵌入的FM发射机和天线组件(assembly) 传输编码的数据。局播发射机可被装入一个小的塑料容器中。
可实现局播器的两种不同实现。在一个实现中，局播发射机提供一个局部 的、单路的数据广播至一个或多个附近的移动设备。这个广播可或者复制一个或两个空中信道(on-air channel)，提供一个或两个局部内容信道 aoca卜content channel),或者两者的结合。当在这些模式中运行，数据格 式和速度与在空中信道上的相同。速度可被配置为高于在一个特殊的应用模式 中的速度，取决于想要的范围。
第二个局播器实现提供局部2路数据通信能力，这个数据通信能力既提供 上述1路广播模式又提供一个应用模式，通过它可将数据从局播器传输至手表 或移动设备，并且也可从设备至局播器。这个模式，也被称为广播仿真模式， 提供基于传统的握手技术对两路数据话务的应用专用确定。
在一个实施例中，如下面更全面地描述的，局播发射丰几包括一个到PC或 相似设备的USB接口， 一个控制功能，两个编码器， 一个分组装配器， 一个FCC 部分15的直接FM调制器，和一个天线。在天线和一个分立的模拟滤波器之外， 这个组件可在一个单片电路标准单元(standard-cell)ASIC中实现。因此，在 一个实施例中，局播发射机可由电路部件诸如ASIC、滤波器网络、晶体和天线 以及一个或多个连接器组成。
接口 401将局播发射机耦合至它的数据源。接口401可用任意数量的标准 接口协议实现，诸如，但不限于USB、 RS-232或IEEE-1394。在一个实施例中， 这实现为一个被组合在局播器IC(集成电路)中的IP数据块。数据源通过这个 链路传输数据分组。在一个实施例中，这些分组包含64个字节的数据，并且 在可替换的实施例中，所传送的分组可能是68或132字节长，包括4字节的 首部信息。这个链路的准确格式依赖于IP特性。
控制功能403从数据源收集数据分组，并进行握手。它设定想要的传输频 率、模式和信号功率。
编码功能405 (包括一个系统信息编码器和一个可任选的数据编码器)将 用于传输的数据格式化为基带(音频)采样。它具有一个巻积编码器用于系统 信息数据块，和一个可任选的巻积编码器用于分组数据。在从USB收集分组后， 局播发射丰几105通过一个数据编石马器处理分组。这个编码器的分组数据部分与 在副载波发生器103中的数据编码器相同，除了数据白化使用一个固定的模式， 与分组号码无关。这个处理由64字节的未加工的输入数据产生128字节的编 码数据。在"turbo"或高速、短距离模式的情况下，这个编码被旁路，如在编码 功能405中所示，并且将未被编码的字节直接传递至调制功能。
处理逻辑407添加相关信息用于同步(下面描述)，并且在一个实施例中，将编码的系统信息和数据交织成片断以保护数据对抗噪声。最后所得到的位流 然后被转换成基带音频样值并将结果传递至调制器。
直接FM调制器409取得由处理部分提供的音频样值并产生FM频率输出。 用于局播发射机或收发机的天线411或者是环形天线或者是偶极天线，依赖于 所要求的波形因数。
在广播仿真模式中发生一个特殊的情况。首先，局播数据有效载荷必须被 调整以符合广播分组的有效载荷大小。在一个实施例中，局播64字节有效载 荷必须被调整以符合128字节的广播分组大小。这是通过在传输之前将广播分 组分裂成两个局播分组，并在收发机固件中重新装配分组。第二，广播分组号 码通过将它们编码到局播首部中，与局部模式分组关联起来。这些分组号码被 收发机固件用于允许移动设备的微处理器取得透明于更高层软件的局部地广 ，番的分组。
数据传输格式
后面的内容是结合图5-9关于一个具体的数据格式的讨论，这个格式用于 由本发明的一个实施例传输的通信。虽然所公开的实施例仅是一种格式，但是 通过本发明的教导，替换方案对于本领域的熟练技术人员将变得很容易显而易 见的。
在通信系统中在两种类型的信道上发送和接收数据广播信道(即在广播 模式中)(见图1， 109)和局部信道(即在局播模式中)(见图1， 111)。 下面讨论对等模式(见图1， 117)。在这些信道上的数据被称为流。两个信道 具有不同的无线广播格式，而且可包含不同的数据，并且在一个实施例中具有 相似的结构，而在可替换的实施例中具有不同的结构。
帧是数据流中的基本划分部分。在图5中示出一个示例帧格式501。顺序 地编号连续的帧。这个计数可每天复位，在午夜之后的第一帧是帧零。在广播 流中， 一个帧的固定长度约为113秒(1.88分钟)。在局播系统中，帧是可变
长度的，取决于局部消息内容。
分组是帧中最小的可获取的单位，包括，在一个实施例中，64字节的信息。 在本申请中，最好在每个广播帧中有2560个分组。在另一个实施例中，在一 个分组中可使用128个字节，并且每个分组广播帧将包含1280个分组。在一 个帧的某个分组可被指定为快速分组。用比正常分组较少的等待时间处理和传输这些分组。在一个所述的实施例中，在每个广播帧中有512个快速分组和2048 个正常分组。在这个实施例中，分组0-2047是"正常分组"，和分组2048-2559 是"快速"分组。在一个可替换的实现中，在每个广播帧中有256个快速分组和 1024个正常分组，分组0-1023是"正常分组"，分组一 1024-1280是"快速分组"。 分组O是一个系统分组并包含帧号码、时间和其它内务管理(housekeeping)信 息，诸如漫游局部信道频率。局部信道分组可包含一个20字节的首部，允许 局部数据在没有预先安排的情况下被传送，以及允许可变大小的局部帧。
在广播流中，分组由位于物理层的8个片断组成。如在图7中所示，通过 时间分集，在广播流中的片断被越过帧分布，用于衰落保护。如在图8中所示， 每个片断包含64个数据位(在可替换的实施例中是128位)，连同用于DSP 处理的同步信息。这些片断由接收机硬件重新装配，并在接收最后的片断之后 很快地作为分组提供至网络层。片断在逻辑层上是透明的，并且是不可单独地 获得的。通常，包括一个分组的16个片断(在一个可替换的实施例中是8个 片断)被分布越过整个帧，直到最后的片断(靠近帧的结尾)被接收为止，整 个的分组不可用。在"快速分组"的情况下，将8或16个片断全部都分配在四分 之一的帧(有时被称为"子帧(sub-frame)")中。这允许在四分之一的正常时间 中分组被重新装配，并因此允许在快速分组的情况下的传输等待时间被减少四 倍。不过，由于衰落，快速分组的错误率增加。不象广播流，分组不在局播流 中分布。见图9的一个示例性局播分组格式。
在一个实施例中， 一个物理帧可由20480(8*2560)个片断组成。每个片断 由来自于2560个分组中的一个分组的部分数据和一个4符号的首部组成。在 物理层，分组数据被编码，因此一个符号表示一个位(具有冗余)，并且这些 符号然后被分布在8个在时间上独立的片断中。这些构成正常分组的片断均匀 分布遍及整个帧。用于快速分组的片断均匀分布遍及四分之一帧，也被为子帧。 为了定时恢复和同步，每个片断具有一个由四个未加工的(未被编码的)符号 构成的首部，以便每个符号表示2位(见图8)。这个首部的前3个符号是一 个固定的模式，标记片断的开始。这被用于定时恢复。下一个位是一个15比 特线性反馈移位寄器模式(填补至16个比特)的位，它横跨16个片断首部。 当执行初始锁定(lock-up)时，接收机扫描进入的片断数据直到累积的LFSR(线 性反馈移位寄存器)位指示出一个相关。在一个实施例中，这可每16个片断发 生一次，对于一个名义上24个片断的扫描时间。当相关发生时，已经累积的16片断的索引位，表示当前的片断号码(除以16)。片断索引可用格雷码(Gray code)、汉明码(Hamming code)和一致校验保护，因此可高度信赖地使用片断索引。
操作模式
如前面提到的，以及在图1上所示的所公开的通信系统具有三个主要的操 作模式。这些是副载波广播模式("广播")109，局播模式("局播")111，和 对等模式117。后两个模式在一个局部链路上使用直接被调制的信道FM信令， 而前一模式使用在一个或多个商业FM电台的地理服务区域内的广域FM副载波 广播。下面的讨论详述和对比这些操作模式。
广播模式
广播模式包括单一的信息传送，从一个或多个广播发射机至一个或多个手 表。使用FM副载波调制以通过商业FM电台传输信息。手表101、 121通过嵌 入在表带中的天线接收这个FM副载波，解调和解析所接收的数据并将信息传 递至控制的MCU。
局播和对等模式
局部模式被划分成两个模式，局播模式和对等模式。这些模式共用一个共 同的传输格式。使用直接FM调制通过局部不使用的FM频率发送信息。手表通 过嵌入在表带中的天线接收和发送这个FM信号，解调和解析所接收的数据并 将信息传递至MCU。
局播(或局部广播)模式表示从附属于PC或其它高级控制器的局播发射 机至手表或移动设备的或者1或2路传输。传输局部广播所通过的区域与广播 模式传输相比是小的。在局播模式中的所传输的数据可以或者是广播模式数据 的局部复制，或者是在同一格式中的局部内容，或者是通过专用应用层协议 (special-application-layer protocols)发送的应用数据。对等模式是一个 固有地双向、半双工链路，在这个链路中信道在两个参与的手表之间切换(或 "往复(ping-pong)")。
在局播和对等模式两者的一个实施例中，局部数据模式以使用直接FSK调 制的分组通信。这使用同一个l/2码率的巻积编码作为主信道。局播通信是半双工的，并且使用一个共用的FM电台频率。在任何给定的大城市区域中，FM 广播频率的一个子集将是不使用的，因此可用于FCC部分15的通信。这些频 率的列表可能分散在广播模式中或甚至在来自一个连接PC的局播器的局播模 式中。在任何事件中，MCU为收发机提供所选择的电台频率。注意一些局部信 道操作排除主信道操作。解决在局部和广播操作之间的冲突有利于局部模式的 任务。
不象广播模式，在局部模式中的分组是64字节，不是128--这部分地因为 FCC部分15的周期定时(cycle timing),并且部分地因为想要保持分组周期时 间足够短以允许实时双工应用，诸如语音。
手表接收机操作
典型地，依据MCU命令，收发机测试一个MCU选择的电台用于主信道信号 (和那个信号的步调信号)，并用于副载波信号的存在。局部发现的第一部分 是使用所提供的电台列表扫描FM波段并按照所观测到的用法分类可用的频率。
要完成这个，用可能是一千赫兹的带宽过滤和数字化所接收的信号强度 (received signal strength) (RSSI)。可能的结果包括一个活动的FM电台、
一个局部信道传输、或者一个空信道。手表将能够同时在所有可用于它的频率 上存储跟踪信息。活动的FM电台将理想地作为一个不可变的信号出现，或者 具有显著的多径情况下作为一个可变的与我们的局播格式不相关的RSSI出现。 如果一个适当的副载波信号可在电台上检测到，则也将报告这个。局部信道传 输可作为一个特定的稳定的RSSI出现，与相应于局播格式的分组间 (inter-packet)电源关闭时间间隔的更低的RSSI交错。收发机将报告有关所 发现的步调信息，但是最终关于传输类型的决定应该由MCU在数据层上作出。 最后， 一个空信道可具有连续的低RSSI。
注意RSSI检测可发生在信号太弱以至不能可靠地解调，并且也将允许快 速分析FM频谱用于局部操作。这允许检测参加通信的手表，在通信中它们中 的一个在正常的范围之外。RSSI分析还产生所接收的交换(exchange)的近似的 周期定时。这样，RSSI临时分析将产生一列活动的和/或空局播信道。这个结 果将被报告回MCU用于进一步的命令。
依据来自MCU的命令，收发机开始发信标(beacon)或获得活动信道之一。 在后一种情况下，收发机从FM信道捕获一个分组。然后它确定所选择的局播信号的精确定时。这是通过接收和分析专门构造的相关序列完成的，这个序列
提供即时符号定时和设备间(inter-device)时钟漂移的估计。 一旦已经提取定 时信息，收发机就捕获在后面的分组中的数据并将这个数据报告MCU。可能， 这个分组的内容是足够使MCU采取后续的动作，后续的动作可能是一些类型的 握手应答、正在取回数据的命令、分析另一个信道的命令、或者在一个空信道 上发送一个信标(beacon)。
在一个对等连接中，发起者被作为时钟控制者对待。其它参与者使它的发 送时钟从属于由接收的数据导出的时钟。这允许设置信标的同等者(peer)立即 处理在第一个应答分组中的数据，而不用定时分析相位。
在完成任何必须的握手之后，MCU可命令收发机进入几个通信模式之一， 发送和接收被传递至MCU和来自MCU的分组。这个模式继续直到另外被命令为 止。将丢失的信号作为一个意外地弱的信号质量值报告MCU。 MCU可在这个时 间上或任何其它分组间的时间上结束这个通信模式。
手表发射机操作
要传输的分组被MCU存储在DSP的存储器空间，在被称为传输数据块的结 构中。这些数据块还包含控制信息，诸如要使用的FM频率。在传输之前，DSP 预先过滤数据并将它转换成RTD所需的传输采样。局播物理层分组结构也在这 时被添加。在一个实现中，512位局播分组当被提供至RTD时，变成2304字节 的f言号采样。
DSP按照当建立局部连接的时候所恢复的信息控制传输的定时，并且，在 某个双工情况下，是按照所接收的最后的局部数据的定时。
在局播模式中，RTD记录局播数据的完整周期时间。然后DSP使用所关联 的RSSI信息确定局播分组采样的位置。使用在每个局播分组的开始和结束时 的相关序列，确定其它局播设备的精细定时，并存储这个信息。MCU现在可开 始在所获得的信道上接收或发送。
虽然在前面的说明中描述了系统的各种实施例，但是本发明不限于这样的 实施例，而是要覆盖所有落入所附的权利要求书的精神和范围之内的修改、替 换和等价方案。
权利要求
1、一通信设备，其特征在于，包括一局播发射机，用于基于在一副载波信道中的广播数据在一无线通信系统中使用，所述局播发射机包括一第一接口；一耦合至所述第一接口的编码器；一耦合至所述编码器的分组装配器；一耦合至所述第一接口、所述编码器和所述分组装配器的控制功能；一调制器；以及一天线。
2、 如权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述局播发射机还由一 个用于一个局部地区传输系统的数据源组成。
3、 如权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述第一接口还由USB 兼容的接口、 RS-232接口和IEEE-1394中的至少一个组成。
4、 如权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述控制功能从所述数 据源收集传输分组以及执行握手功能。
5、 如权利要求1所述的通信设备，其特征在于，还包括一第二编码器。
6、 如权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述分组装配器还执行 步骤将经编码的系统信息交织成数据片断；将相关信息添加到所述数据片断； 以及将所述数据片断转换成位流。
7、 如权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述局播发射机还被配 置为在一个FM波段的局部不使用部分中广播。
8、 如权利要求1所述的通信设备，其特征在于，还包括一个数据源，所 述数据源还由一个人计算机系统组成。
9、 如权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述编码器还由一个用 于系统信息的第一巻积编码器组成。
10、 如权利要求9所述的通信设备，其特征在于，所述编码器还由一个用 于数据的第二巻积编码器组成。
11、 一广播发射机，其特征在于，包括 一输入输出控制器，耦合至一第一输入接口和一缓冲存储器；一控制处理器，耦合至所述输入输出控制器和一第二输入接口； 一耦合至所述控制处理器的精确时基；一耦合至所述输入输出控制器、所述控制处理器和一第一存储器的编码引 擎；以及一副载波信号发生器，耦合至所述编码引擎、所述控制处理器、 一第二存 储器和一副载波输出。
12、 如权利要求11所述的广播发射机，其特征在于，所述控制处理器包括微处理器、微控制器、可编程逻辑阵列、可编程门阵列和ASIC中的至少一个。
13、 如权利要求11所述的广播发射机，其特征在于，所述输入输出控制 器包括一现场可编程门阵列。
14、 如权利要求11所述的广播发射机，其特征在于，所述第一输入接口 还包括RS-422接口、 RS-232接口、 IEEE-1394接口 、 USB接口或以太网接口中的至少一个。
15、 如权利要求11所述的广播发射^L，其特征在于，所述第二输入接口 还包括RS-422接口、 RS-232接口、 IEEE-1394接口、 USB接口或以太网接口中 的至少一个。
16、 如权利要求11所述的广播发射丰几，其特征在于，所述精确时基由一 百万分之一振荡器组成。
17、 如权利要求11所述的广播发生器，其特征在于，所述副载波信号发 生器还由一调制器、 一数模转换器和一输出滤波器组成。
18、 如权利要求17所述的广播发射机，其特征在于，所述调制器还由一 现场可编程门阵列组成。
19、 一设备，其特征在于，包括一移动设备，用于在一无线通信系统中使用，所述移动设备被配置为在一副载波信道上接收广播通信，所述移动设备包括.一天线组合； 一实时组件包括一系统定时功能； 一实时事件分配功能；以及一数字无线电，其中，所述数字无线电被安排与所述系统定时功能和所述实时事件分配功能一起协作； 一数字控制和处理电路； 一微计算机组合；一随机存取存储器； 一非易失性存储器；以及 一微处理器控制的用户接口。
20、 如权利要求19所述设备，其特征在于，所述移动设备还被配置为带 在人的手腕上。
21、 如权利要求20所述的设备，其特征在于，所述移动设备还被配置为显示当前时间。
22、 如权利要求19所述的设备，其特征在于，所述移动设备还被配置为 在一寻呼设备中运行。
23、 如权利要求19所述的设备，其特征在于，所述移动设备还被配置为在一蜂窝电话中运行。
24、 如权利要求19所述的设备，其特征在于，所述移动设备还被配置为从一局部地区发射机和从一广播发射机接收信息内容。
25、 如权利要求19所述的设备，其特征在于，还包括一收发机。
26、 如权利要求25所述的设备，其特征在于，所述移动设备还被配置为 传输和接收来自 一第二移动设备的信息。
27、 如权利要求26所述的设备，其特征在于，所述移动设备还被配置为 发送和接收来自一组移动设备的信息。
28、 如权利要求19所述的设备，其特征在于，所述移动设备还被配置为 接收来自一第二移动设备的局部信息。
29、 一重新广播在一 FM副载波上被发送的数据的方法，其特征在于，包 括步骤在一局播发射机处通过一 FM副载波接收数据广播；局部地格式化所述广播的数据用于局部地区无线传输，其中，局部地格式 化所述广播数据包括调整所述广播数据的消息大小；以及将局部地格式化的数据从所述局播发射机重新发送至局部地区。
30、 如权利要求29所述的方法，其特征在于，还包括将在所述局播发射 机中的局部内容信息添加至所述局部地格式化的数据用于在局部地区上发送的步骤。
31、 如权利要求29所述的方法，其特征在于，还包括将在所述局播发射 机中的应用信息添回至局部地格式化的数据用于在局部地区上广播的步骤。
32、 如权利要求29所述的方法，其特征在于，还包括步骤在一第一移 动设备接收所述局部地格式化的数据；以及将来自第一移动设备的所述局部地 格式化的数据重新发送至一第二移动设备。
全文摘要
本发明涉及执行广播和局播通信的系统和设备。所述的是一通信系统(100)，包括移动通信设备(119)。在所述的系统中，移动设备可以是腕戴式手表(101，121)诸如在今天普遍使用的，除了这些手表被专门配置为在广播模式(109)接收数据和/或在局播模式(111)中发送和/或接收数据。局播模式包括以对等方式(117)发送和接收数据，允许移动设备直接彼此通信。将两种通信模式结合在小的集成的且因此便宜的和低功率的小盒(packet)中的能力提供许多超过现有的个人通信设备解决方案的优点。
文档编号H04B7/26GK101588214SQ20091013941
公开日2009年11月25日 申请日期2002年7月3日 优先权日2001年7月3日
发明者L·J·卡尔, W·H·米切尔 申请人:微软公司