专利名称：使用单频的同步广域和局域通信的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种无线通信，尤其涉及一种可有效使用可用频谱和带宽的无线通信方案。
在设计用于无线通信系统或网络的系统结构和通信协议方面，强调可用带宽和频谱的有效使用。此外，如果为无线信息应用例如双向寻呼设计无线通信网络，用户的移动性进一步需要使用小功率射频(RF)传送方案，以便减小瞬时电池功率输出要求和延长总的电池的寿命。然而，这种小功率要求导致用户终端具有比较短的RF发射范围。从系统的观点看，对给定的地区来说，用户终端的较短RF发射范围要求大量的基站以覆盖该地区的服务需要。在背景噪音高的都市区域，合适的覆盖范围的要求是特别严格的。
设计移动无线网络另一个需要考虑的问题包括在向用户发射信息之前由无线网络确定该用户位置的机制。在现有技术的双向寻呼应用中，大功率中央发射机在一个频率上连续地向所有用户广播信息，移动用户在另一个频率上通过局域基站响应或确认该信息。
在都市地区中有用的另一种方法是点对点通信。在现有技术中，为了提供点对点通信，一个或多个高功率发射机在大的地理区域广播信息。这些相同的发射机还与从用户接收返回信号的接收机相关联。然而，在这个系统中，移动用户的小功率和相对大的工作范围的综合要求把通信限制到非常低的数据率。这种低数据率使这些装置的用户所关心的许多应用不能实现。
在现有技术中，标准的蜂窝系统采用不同的方法。该方法要求在用户与该用户附近的局域基站之间实施所有系统通信。尽管这一方法使用于用户发射的电池功率要求降至最小，但需要更复杂的系统结构。在这种系统中，无线网络必须在通信可进行之前能够定位距用户最近的基站(从RF的观点看)。该方法经常用于无线数据通信。然而，甚至在这种方法下，移动用户终端的电池寿命仍不能很长，这是因为用户终端必须频繁地与基站进行通信，使无线网络追踪用户的位置，以便发射指定给用户的任何信息。
另一方面，为了追踪用户的位置，可使用轮询方案。在轮询方案下，每个基站周期地轮询其服务区域，以便辨别在该服务区域内的移动单元户。然而，当含有大量基站时，这种论询方案是不实用的。
因而，在现有技术中，在大的地理区域的双向无线通信至少需要两个分开的频率一个频率用于从无线网络的中心位置向无线终端发射消息，不管该终端是移动的还是固定的，另一个分开的频率用于从无线终端向基站发送信息。在现有技术中，这种基站是用于从无线用户终端接收消息的射频接收机。由于使用了分开的频率，从而避免了使用复杂的天线系统和分开发射和接收信号所需的复杂电子设备，因而减小了总的系统成本。在一个蜂窝系统中也采用不同的发射频率和接收频率，该蜂窝系统在同一个地点使用大群的临近频率。
本发明能在同一地区同时工作的多个发射机和基站中有效地共用单一频率。本发明还能用于在同一地区不同频率上同时工作的发射机和基站群。本发明不仅可用于无线电子信息和数据通信，而且还可用于像语音通信那样的其它方面。
通过使用单个无线频率，本发明可实现下列优点(ⅰ)低的瞬时功率需求及延长的电池寿命；(ⅱ)频谱的有效利用和具有适应多种数据率的能力；(ⅲ)简单的天线和标准的电路结构；和(ⅳ)由无线网络定位用户的简单方法，从而维持电池寿命和提供大的系统容量。
在一个实施例中，通信系统包含(a)一个广域发射机，它具有覆盖预定地区的工作范围，以便在整个地区用一个选定频率来广播控制和数据信息；(b)多个局域基站，为每个基站分配该地区的不同部分的工作范围，以处理指定工作范围的局域消息业务；(c)分布在该地区的多个用户终端，用于从广域发射机接收控制和数据信息，并与多个局域基站进行通信。局域基站与局域基站工作范围内的用户终端之间的消息业务构成了局域信息业务。局域基站的消息业务可以与其它局域基站的局域消息业务同时运行，这是因为每个基站被分配了不重叠地区作为其工作范围。使用时分复用方案在广域发射机的消息与用户终端与局域基站之间的同时的局域消息业务之间分配带宽。当广域发射机不工作时，作为局域信息业务，由于用户终端仅向局域基站发射，因此，用户终端的功率消耗低，这是由于有限的地区范围和有限的工作时间。在局域信息业务可以发生即广域发射机不工作的规定时间，局域基站与用户终端之间的通信可以使用异步协议，如载波检测多址访问(CSMA)通信协议异步进行。此外，在规定的时间期间还可以提供不同的数据率，以便使系统质量提高和适应不同数据率容量的同一网络设备。使用网络控制中心，可以在使用该网络控制中心和在每个用户终端附近的作为中间站的局域基站的两个用户终端之间建立点对点通信信道。网络控制中心同样可以经连接到网络中心的网关把用户终端与外部网络连接。
通过下面的结合附图的详细说明，将会更好地理解本发明。其中
图1示出了本发明通信系统的结构；图2a示了通信系统100中使用的超帧201至203；图2b详细地示出超帧201的结构；图3示出适于在广播子帧201b中实施的成帧结构。
本发明使用用于广域和局域通信的单频。此外，本发明使用时分复用技术以在下列情形中共用带宽(ⅰ)一个或多个无线网络控制中心，其每一个网络控制中心具有广域通信能力，(ⅱ)多个局域基站，其每一个本地基站具有局域通信能力，和(ⅲ)多个固定或移动终端，其每一个移动终端能够与基站本地通信并能从无线网络控制中心接收信息。本发明可用于无线电子消息传送，它包括双向寻呼、与公共网(例如，因特网)的无线连接、无线传真发送、和无线电子邮件业务等方面的应用。
本发明由图1的通信系统或网络示出。图1示出了本发明的通信系统或网络100的结构。在图1中，网络控制中心101具有一个广域发射机102，该发射机是比局域基站的局域发射机(下面将进行讨论)的工作范围大数倍的一个发射机。通信系统100还包括多个局域基站103至105，其每一局域基站与网络控制中心连接并具有一个局域发射机，它具有用于覆盖广域发射机102的服务区域的一个子集的工作范围。每个局域基站103至105服务于在各自工作范围115至117内的多个移动终端106-1至106-n。在通信系统100中，可以存在多个网络控制中心，每个网络控制中心经一个或多个广域发射机发射信号。局域基站103至105经过由“通信中枢”子系统107操作的双向点对多点回程网络120与网络控制中心101连接。本实施例至少处理两种操作模式。在第一种模式，接收从外部信号源到指定网络100的用户终端的网络的信息，并送入网络100。在第二种方式中，信息从一个用户终端或者发送到通信网络100内的另一个用户终端或者发送到通信网络100外的目的地。双向点对多点回程网络120可以是有线或无线网络。网络控制中心101在用户终端之间、在用户终端与局域基站之间和在使用信息交换子系统108(通常用这个标号表示)的基站之间传送点对点消息。此外，图1示出了应用网关109，该网关连接通信系统100与外部网络110例如因特网的资源(例如，应用程序111)。
为了在时分多重接入(TDMA)方案下共用公共通信频率，同步进行网络控制中心101、局域基站103至105、用户终端106-1至106-n的传输。为了实现这种TDMA方案(将在下面讨论)，通信发生在“超帧”内，该超帧是分成两组时隙的同步时间周期，第一组时隙指定给网络控制中心101，第二组时隙由基站103至105在各自的服务区域115至117内与用户终端(或固定的或移动的)各自通信同时使用。在本实施例中，基站103到105被指定非重叠服务区以便最大限度地再使用相同的频率资源或频谱。
在本实施例中，网络控制中心101使用广域发射机102以任一种工作模式通知用户终端的用户，在网络控制中心101已接收到指定给用户的消息。广域发射机102在超帧的指定部分发射系统范围的广播信息。为了从网络控制中心101检索消息，用户经工作在该用户附近的一个基站连接无线网络100。
在通信系统100中使用的超帧201至203如图2a所示。通信系统100使用的这些超帧具有可变时长。因此图2a示出了不同时长的连续超帧201至203。每个超帧包含一个同步子帧(例如，同步子帧201a)，一个广播子帧(例如，广播子帧201b)，和一个局域子帧(局域子帧201c)。同步子帧201a包含由网络控制中心101经广域发射机202广播的特殊比特码型，同步子帧201a使局域基站和用户终端与网络控制中心同步，并使局域基站和用户终端互相同步。
紧接着同步子帧201a，网络控制中心101在广播帧201b中广播其消息。广播子帧201b是可变时长的，因此广播帧201b包含使局域基站和用户终端确定局域子帧201c的起点的长度信息(在图2中以标号201d表示)。一旦广播子帧201d结束，局域子帧201c就开始。在局域子帧201c时长期间，允许在每个基站与局域基站服务区域中的用户终端之间进行通信。由于小功率发射机用于局域基站103至105和用户终端106-1至106-n，因此每个服务区内的通信可以与另一个服务区域内的通信独立且同时进行，并且不相互干扰。这样，在本发明中，同一发射频率由广域发射机102、局域基站103至105和用户终端106-1至106-n共同使用。由于所有参与者使用同一频率，就允许用户端仅包含用于接收网络控制中心101和用户终端的局域基站的消息的单个接收机。此外，由于基站与其服务区域内的用户终端之间的通信与其他服务区内的通信独立地且同时发生，因此实现了频谱的有效再利用。事实上，不同的服务区构成了同一频率工作同时使用的多通信信道。
本发明可以提供多个虚拟信道以便接纳多个不同数据率的装置以共用同一频谱。图2b示出了划分超帧201的方案，以接纳不同数据率的装置。如图2b所示，通过把局域帧201c分成多个子帧254至259能以不同的数据率提供基站103至105与用户终端106-1至106-n之间的通信。子帧254至259的每一子帧适应使用同一频率但不同数据率的通信。事实上，广播子帧201b也可以类似地被分割成适应不同数据率的子帧251至253。使用这种安排，系统经营者可使用低数据率开始服务和升级其服务以适应高数据率的装置，从而显著地增加了系统容量。最大数据率取决于可用带宽和所要求的无线频率发送范围。一般来说，局域基站与其服务区域内的用户终端之间的数据率高于广域发射机102使用的数据率。
由于在超帧的局域部分(例如，局域子帧201c)期间可以同时操作多个通信信道，因此整个系统容量是依赖广域发射机覆盖大的区域以把消息发送给用户的现有寻呼系统的好几倍。如果广播子帧(例如，广播子帧201a)被限制于发送非常短的消息和控制消息，以致大多数通信出现在局域子帧期间，则使可以支持的用户的数量最大。这是由于把广域发射机102限定为仅发射短消息，因而提供了较大比例的可用广播时间或用于执行同时局域通信的带宽。
在本发明中，系统的所有通信单元相互同步。在本实施例中，广播子帧201b由图3所示的成帧结构301组成。在图3中，提供了恰当长度的同步子帧201a。同步子帧201a指示超帧201的起点，使用户终端和局域基站与广域发射机102同步。紧接同步子帧201a的是控制子帧301a，它含有控制信息，如地址信息、保密信息、用于局域基站103至105的网络管理信息。然后是数据子帧301b，它含有用户信息，如通知用户终端106-1至106-n关于在网络控制中心101处指定用户的消息正在进行的短消息。最后发送纠错/检测子帧301c，以使接收者检测或纠正可能在传送中出现的任何差错。当广播子帧201b结束时，局域子帧201c开始。
在上述的第一操作模式下，即，当从外部网络接收信息时，向城市及其附近地区或城市的一部分广播的广域发射机102通知在用户终端的用户在局域子帧201c期间应当建立与局域基站的通信信道，以便恢复网络控制中心101正在进行的信息。该通知信息在数据子帧301b中发送。此后，进入局域子帧201c，当然，通过使广播子帧201b包含多个重复的控制帧、数据和差错子帧可以实现图3所示方案的一种变化。
在广域发射机102不发射期间，对广域发射机102来说，局域子帧201c是“平静的”子帧，在局域子帧201c期间，任何用户终端通过本地通信协议可以建立与局域基站的通信信道。在以上讨论的第一工作模式下，一旦用户终端建立了与局域基站的信道，用户终端就可以与或者在网络控制中心101的或者在通信网络100外面的网络中的其他网络设备进行通信。在局域子帧201c期间内未完成的局域通信可以在下一个超帧(即，超帧202)中继续进行。
另一方面，在上述的第二工作模式下即，由通信网络100内的用户终端开始的用户终端与通信网络100内的其他用户终端或者与通信网络100外的目的地的一个设备之间的双向通信，用户终端使用像改进的载波检测多址访问(CSMA)方案那样的协议，在局域子帧201c期间建立与其局域基站的通信信道。通信信道建立之后，经基站至该目的地设备进行数据发送。如果消息的目的地是在通信网络100之外，则不涉及广域发射机102。如果消息指定给通信网络100的另一个用户，则可以使用这些用户终端之间下列两个数据传递方法的任一个，首先，来自主呼叫用户终端例如用户终端106-1的请求通信消息被发送到网络控制中心101，在这里该消息被保持。然后，在后面的可用广播子帧上由广域发射机102向被呼叫用户终端例如用户终端106-n发送通知，类似于上述第一模式使用的通知，以通知被呼叫用户终端在网络控制中心102收到了请求通信消息。在局域子帧201b期间，用户终端106-n与局域基站建立信道，以恢复用于用户终端106-n的请求通信消息。
一旦恢复了请求通信消息，被呼叫用户终端106-n就可以请求其局域基站即基站105向通信中枢107请求点对点通信信道。该点对点通信信道经通信中枢107和局域基站103及105建立。
在主呼叫用户终端需要与通信网络100之外的目的地设备的点对点通信信道的情况中，目的地设备通过交换子系统108和应用网关进行连接。从而设计了通信系统100，以致通信网络100之外的大量应用或资源可以由通信网络100存取而不需要对这些应用或资源提出任何兼容性要求。
如上所述，局域子帧201b还可以被分割成不同的时间帧或时隙，例如，图2b所示的时隙254至259。每个和任一个给定时隙的时长由网络控制中心101设定并且可以根据业务要求改变。可以指定每个局域时隙以不同的数据率进行操作。这样，就提供了移动通道，使网络从低数据率升级到高数据率，同时保持与网络中现有单元的向后兼容性。在局域子帧201c内，基站103至105的任何一个基站与其服务区域内的用户终端之间的通信可以使用局域子帧201c分配的定时内的异步或者同步通信协议。当然，在任何异步协议下，必须交换必要的交接信号、寻址、网络管理、纠错编码，以便确保可靠和有效的通信。
上述的详细说明用于说明特定的实施例而不是用来限定本发明。
本发明范围内的各种改进和改变都是可能的。本发明的范围由权利要求书确定。
权利要求
1．一种通信系统，包括；一个具有一个地区工作范围的广域发射机，它使用预定频率在所述的地区广播第一消息集；多个局域基站，使用所述的预定频率发射和接收第二消息集，其每个局域基站具有在所述地区的不同部分的工作范围；和分布在所述地区的多个用户终端，从所述广域发射机接收所述第一消息集，和使用所述预定频率向和从所述局域基站发射和接收所述第二消息集。
2．根据权利要求1所述的通信系统，其中每个所述用户终端与一个所述局域基站通信。
3．根据权利要求1所述的通信系统，其中使用时分复用方案发射所述第一消息集和第二消息集。
4．根据权利要求3所述的通信系统，其中每个所述用户终端具有一发射机和一接收机，除了发射所述第二消息集时的情况外，每个用户终端的所述发射机被关闭以保存电源能量。
5．根据权利要求3所述的通信系统，其中所述第一消息集同步地发射到整个所述的通信系统，所述第二消息集在用户终端与一个所述局域基站之间异步发射和接收。
6．根据权利要求5所述的通信系统，其中使用载波检测多址访问(CSMA)通信协议发射和接收所述第二消息集。
7．根据权利要求5所述的通信系统，其中使用多个数据率中的一个选定数据率接收和发射所述第二消息集的每一个消息。
8．根据权利要求1所述的通信系统，进一步包括与所述局域基站连接的一个网络控制中心，以便经过第一个所述局域基站、第二个所述局域基站和所述网络控制中心在第一个所述用户终端与第二个所述用户终端之间建立通信信道。
9．根据权利要求1所述的通信系统，进一步包括一个与所述局域基站连接的网络控制中心，所述网络控制中心具有到外部网络的网关，以便经过一个所述局域基站和所述网络控制中心在一个所述用户终端与所述外部网络之间建立通信。
10．根据权利要求1所述的通信系统，其中所述第一消息集包括全系统控制信息。
11．一种通信系统中的方法，包括以下步骤操作一个地区的广域发射机，使用预定频率对所述的地区广播第一消息集；操作多个局域基站，使用所述的预定频率发射和接收第二消息集，每个局域基站具有在所述地区的不同部分的工作范围；和操作分布在所述地区的多个用户终端，每个用户终端从所述广域发射机接收所述第一消息集，和使用所述预定频率向和从所述局域基站发射和接收所述第二消息集。
12．根据权利要求11所述的方法，其中每个所述用户终端与一个所述局域基站通信。
13．根据权利要求11所述的方法，其中使用时分复用方案发射所述第一消息集和第二消息集。
14．根据权利要求13所述的方法，其中每个所述用户终端有一个发射机和一个接收机，所述方法进一步包括除了发射所述第二消息集中的一个消息时，所述发射机被关闭以保存电源的步骤。
15．根据权利要求13所述的方法，其中所述第一消息集同步地发射到整个所述的通信系统，所述第二消息集在用户终端与一个所述局域基站之间异步地发射和接收。
16．根据权利要求15所述的方法，其中在载波检测多址访问通信协议下发射和接收所述第二消息集。
17．根据权利要求15所述的方法，其中使用从几个数据率中选定的一个数据率接收和发射每一个所述第二消息集。
18．根据权利要求11所述的方法，进一步包括以下步骤操作与所述局域基站连接的网络控制中心，以便经过第一个所述局域基站、第二个所述局域基站和所述网络控制中心在第一个所述用户终端与第二个所述用户终端之间建立通信信道。
19．根据权利要求11所述的方法，进一步包括操作与所述局域基站连接的网络控制中心的步骤，所述网络控制中心具有到外部网络的网关，以便经过一个所述局域基站和所述网络控制中心在一个所述用户终端与所述外部网络之间建立通信。
20．根据权利要求11所述的方法，其中所述第一消息集包括全系统控制消息。
全文摘要
一种使用单频的同步广域和局域通信的系统和方法,本发明的系统和方法提供了使用时分复用和单频的通信网络,以实现频谱和可用带宽的最大利用。在本发明的一个实施例中,利用时分复用方案共享工作于指定工作区域的广域发射机与在局域基站及其相关用户终端间使用同一频率的多个同时的信道之间的带宽。每个局域基站被分配一个指定服务区域的不同的非重叠部分。该通信网络可适用于不同数据率的设备。
文档编号H04W56/00GK1209024SQ9810379
公开日1999年2月24日 申请日期1998年1月16日 优先权日1997年1月16日
发明者陈健文, 阿伦·陶伯特 申请人:格维康姆公司