专利名称：时分多址多线路无线电话手机的节电协议的制作方法
技术领域：
本发明的背景本发明的领域本发明涉及多线路无线电话系统，特别地涉及在无线电话系统中的以电池工作的无线手机的节约电源。
相关技术的描述电话机和电话系统，包括无线电话系统已经普遍使用了。在无线电话系统中，无绳或者无线电话手机单元通过模拟或者数字无线电信号与一个基站单元通信，典型地通过标准的电话线路连接到外部电话网络。以这种方式，用户可以使用无线手机通过该基站单元和电话网络与另一个用户进行电话呼叫。
多线路无线电话系统也使用在不同的情形中，诸如具有许多电话用户的商业。系统使用同时地与多达N个手机通信的一个手机，典型地利用数字通信方案，诸如扩频时分多址(TDMA)。在TDMA系统中，使用单个RF信道，而且每个手机在整个周期或者时期(epoch)的专用的时间片或者时隙发送和接收数据。有效的电源使用对于无线系统是重要的，因为该手机典型地是电池供电的。
概要无线电话系统包括具有基站收发信机的一个基站单元，和一个或者多个无线手机，每个手机包括一个手机收发信机。每个手机通过基站收发信机与基站单元在TDMA时期在共享的RF信道上建立时分多址链路，在TDMA时期里将专用数据和音频分组时隙分配给每个手机。当需要使用以数据分组发送的同步数据与该基站单元同步时它的相应的数据和音频分组时隙期间每个手机接通它的收发信机电源，以便检测以数据分组发送的来话呼叫数据，或者经过TDMA链路发送与接收音频信息。否则在该时期手机关闭它的收发信机电源使手机电源使用最小。
附图的简要描述
图1是根据本发明的一个实施例的TDMA多线路无线电话系统的方框图2是根据本发明的一个实施例的图1的系统的TDMA方案中使用的TDMA时隙结构和手机计数器的图解的表示；和图3是根据本发明的一个实施例由图1的电话系统的每个手机实现的节电协议的状态图。
优选实施例的描述现在参见图1，表示根据本发明的一个实施例的TDMA多线路无线电话系统100的方框图。TDMA系统100包括一个基站单元110，它分别具有接收器和发送器单元112和111，通过电话线115耦合到外部电话网络116。系统100还包括N个无线手机1201，1202，…，120N。每个手机具有一个发送器和接收器单元(收发信机)，诸如手机1201的发送器121和接收器122。在任何给定时间，一些数量(或者没有)的手机是工作的或者摘机(即在进行电话呼叫的过程中)。因此系统100提供在该基站110和每个手机120i(1＜I＜N)之间的无线网络。在一个实施例中，系统100包括4个手机1201-1204，所有的的手机可以同时地运行。在另一个实施例中，系统100包括不同数量的手机，例如N=12，每次多达8个手机可以运行的或者操作。
正如在上面说明的，有效的电源使用对于无线电话系统是重要的，因为该手机典型地是电池供电的。因此，在一个实施例中，本发明包括一个TDMA系统和用于经过单个RF信道连接多个收发信机到一个基站的协议。特别地，系统100使用数字TDMA方案，如在下面更详细描述的，它允许电源有效地使用，因为在TDMA时期的大部分时间期间每个工作的手机是“关闭”(即不发送或者接收数据，因此不使用那么多电池电源)，而仅仅在它自己的时间片或者时隙期间“接通”，如在下面更详细描述的。在一个实施例中，手机通过关闭至少它的CPU和收发信机(接收器和发送器)单元的电源来关闭电源，而仅仅时钟和足够在预定的时隙时间叫醒CPU的相关的定时器或者监视器电路接通电源。
但是，使用时分多路复用(TDM)技术诸如TDMA和仅仅在它自己的时隙期间接通每个收发信机(手机)可能导致许多问题。例如，由于手机使用RF能量检测器检测信号何时从基站110发送到一个手机，与一个手机的通信可能启动其它手机，使得在那些其它手机中不必要的电池消耗。因此在本发明中，仔细地同步手机以使每个手机仅仅“侦听”在它自己的时隙的传输。
没有本发明，可能存在手机的当地时基随时间漂移的趋向，在一个时间期间之后，可能导致每个手机侦听所有的传输以便再同步到基站单元110。在这样的同步之后，该手机再一次能够仅仅在它的时隙中侦听。然而，由于“侦听”需要电源，当丢失同步时，仍会浪费地使用电池电源。另外，如果丢失同步，链路完整性可能因为信号冲突丢失，这出现在当多个设备尝试同时使用单个RF信道时。
因此，如在下面更详细描述的，每个手机121i使用本发明的协议允许出现这个接通和关闭，而不丢失同步。本发明的同步协议允许每个远地的独立的手机使用当地时基同步到来自该基站的TDMA序列，从该基站同步一定的传输，然后仅仅在适当的时隙侦听。
现在参见图2，表示根据本发明的一个实施例在TDMA时隙结构250和在图1的系统的TDMA方案200中使用的手机计数器210的图解的表示。系统100使用具有结构250的TDMA时期，它示出假定12个总的手机1201-12012，其中每次可以运行或者操作8个手机，例如手机1201-1208。TDMA时期结构250包括许多行和列。TDMA结构250的每个行表示一个2ms数字数据的字段，或者是偶数的或者是奇数的，而且分别以具有一个奇数或者偶数，行或者字段的一对分成组。TDMA时期结构250是一个48ms时期。
每个数字数据字段包括九个总的分组在首列中的数据分组(或者从该基站或者从手机发送)和八个音频分组，分组为两个的4个对。在一行中的每个这样的音频分组对包括一个基本音频传输的分组(从基站单元110到一个给定的手机)和手机音频传输的一个分组(从给定手机到该基站)。每个数据分组是在离散时间期间从基站单元传送到给定手机的一组数据，反之亦然，在该时间没有另一个手机经过该系统的数据信道接收或者发送数据。这些数据分组可以不同类型的数据，诸如同步数据或者具有传送给睡眠模式的手机的时间标记信息的字，呼叫者识别信息，来话呼叫信息等等。从手机发送到基站的数据分组可能包含例如由该手机拨打的电话号码的信息。每个音频分组是在整个时期中给定时间期间从基站单元传送到给定手机的一组音频数据，反之亦然，再一次在该时间没有另一个手机经过该系统的单个音频信道接收或者发送数据。
因此，例如行对0包括一个偶数的行和奇数的行。在偶数行，该基站在第一时隙(时隙251)发送数据给12个手机之一，例如手机1201。对于每个手机在时期250有一个行对，因此每一时期每个手机可能接收和发送数据到基站单元110一次。在第一数据时隙251之后，假设手机1201是工作的(摘机)，一个音频分组在音频分组时隙253中发送给手机1201，然后对于3个其它手机在音频分组时隙254中一个音频分组由手机1201发送给基站单元110，等等，直到该字段或者行结束为止。在行对0的奇数行中，数据时隙252用于接收从手机1201发送到基站单元110的数据，和对于剩余8个激活的手机发送音频分组。在行对1-11中，出现相同的序列，除了该数据分组是到和来自不同而不是行对0之外。
在本发明中，在每个手机中建立能够经过几秒的周期解决一个时隙的一部分的一个时基，它匹配基站单元110中的TDMA时隙定时。TDMA时期结构250是每个手机和基站两者知道的，并且一旦该时基是同步的，该手机接收器将知道何时它应该侦听来自该基站的传输，和它将知道何时它应该传送数据回到该基站。经过一秒间隔在微秒内保持知道TDMA时隙要求给工作这个时基提供一个非常稳定的和准确的基准。
为了消除协议中的冲突，所有的手机给定一个指定的数据时隙，并且根据那一个手机需要它们动态地分配音频时隙。这个信息是经过数据信道(TDMA结构250的第一列)通信的。TDMA时隙以二维安排被分成数据和音频时隙，如图2所示的。该基站在它们的相应的数据时隙中发送同步分组到手机，直到呼叫开始为止。每个手机保持计数器210的级联，以便保持每个手机的本地定时不漂浮，因此与TDMA序列同步。这是应用基准时钟信号到第一计数器211实现的(在一些前面的点初始化所有的计数器，初始化可能在几个阶段中进行)。由手机中的本地的时钟提供基准时钟信号，它是按需要周期性地调整的，以便根据在数据分组时隙期间由基站单元110发送的时间标记同步校正漂移。计数器211跟踪子分组清晰度，和识别分组的那一个比特处理了，例如每一音频分组100比特外部的。计数器222跟踪水平分组或者时隙(即，当前的行列数量或者TDMA时期结构250的字段)。计数器213跟踪当前的行是奇数的或者偶数的，计数器214跟踪当前的分组是否是一个数据分组，和该数据分组与那一个手机相关，以及该数据分组是否是到或者来自基站单元110的。最后，计数器215跟踪那一个时期系统100在。例如在一定的时期期间请求重发由基站单元110发送的恶化的数据可能是有用的。
本发明的TDMA系统通过在大部分的TDMA时期关闭手机的大部分部件来保存电源，除了内部时钟和监视器电路之外。由每个手机实现的内部时钟和协议保证同步不丢失，但是，即使手机电源降低。因此，保存了电源，但是同步不丢失。每个手机可能在两个状态之一在睡眠模式或者工作方式。
在睡眠模式，当手机挂机时，大部分情况下仅仅一个内部时钟和监视器定时器运行，其中该时钟预先已经同步到基站单元时钟和时期。因此，在睡眠模式，配置手机以使它醒来和在它的分配的“接收数据”时隙期间“侦听”数据，并且如果没有来话呼叫，随后再一次关机。醒来是由监视器定时器向下计数至一定的值引起的，它接通CPU和需要的其它部件以便侦听和/或者发送数据。在这个数据时隙期间，手机从基站单元110接收同步数据和调节它的内部时钟，如果需要的话，以便校正任何漂移。在恰好的下一个数据时隙中，手机可以再一次醒来确认它是运行的并且通过发送一个适当的“我是运行的”数据信息给基站单元110进行同步。因此，在一个实施例中，当在睡眠模式时，每个手机仅仅在整个TDMA时期的两个数据分组是接通的。占空因数大约0.93％(2时隙/(9×12×2时隙))。加电以便允许手机侦听来自基站单元110的数据分组传输，每个48ms时期是足够允许手机坚持同步(即保持锁定该通信环)，和也允许任何来话呼叫足以快速检测以便提醒该用户的来话呼叫(例如，允许观看呼叫者识别信息和/或者实时应答呼叫)。
在另一个实施例中，手机完全跳越许多时期，并且在每个第三时期期间例如在它的数据时隙醒来仅仅一次，因为这也足够同步和实时来话呼叫监视。这进一步降低占空因数。来自手机的“我是运行的”消息(例如在数据时隙252发送)不需要每个时期发送，后者当手机醒来和侦听来自基站单元110的数据时每个时期发送。最好这些参数是用户可编程序的。例如，手机可能被编程以便每个第三时期醒来和在它的数据时隙侦听，以便每个第6时期传送回一个“我是运行的”消息。在这种情况下，不具有类似的电源限制的基站单元将在每个时期发送同步数据，但将会知道只要每6个时期收到“我是运行的”数据信息，该手机是充分地同步的。否则，基站单元110可以认为锁定已经丢失，然后可试图恢复该链路，例如在它的各自的数据分组时隙，通过在三个增加的功率电平上发送数据/同步分组给丢失的手机。锁定可能丢失，例如当改变手机电池时，或者当手机在比可以宽容的手机TDMA定时更长的持续时间在范围之外。这有效地增加系统的动态范围。例如，利用30dB的功率控制和70dB的自动增益控制(AGC)，该系统可以在100dB动态范围内获得锁定。
如果在它侦听的时期的一个数据时隙期间手机检测来话呼叫，它可以振铃和输入工作方式以便允许音频通信。另外，如果用户打开该手机以便发出呼叫，该手机也输入工作模式和发送适当的数据给基站单元。
在工作模式，当手机摘机并且在使用时，正如在睡眠模式，在大多数的TDMA时期它是停用的，除了该手机在两个数据时隙期间每个时期打开一次之外，并且对于每个字段，两个音频分组(一个音频分组对)也打开，其中每个字段分配一个音频时隙对。例如，如果手机1201是运行的，在每个时期的数据时隙251，252它是接通的，并且对于每个行对的偶数行的开头两个音频时隙(总共24音频时隙)也接通。因此，在一个实施例中，当在工作模式时，每个手机仅仅两个数据分组和整个TDMA时期的24个音频分组是接通的，占空因数大约12％(26时隙/(9×12×2时隙))(假定8个手机是运行的，因此给定的手机每隔一字段而不是每个字段有2音频时隙)。
在睡眠和工作模式，因此本发明的TDMA方案和节电协议提供了有效地使用电源，因为每个工作的手机是关闭的，因此在大部分时间不消耗多的功率(不论在睡眠模式或者摘机)。在下面参见图3更详细描述这个协议。
现在参见图3，表示根据本发明的一个实施例由图1的电话系统100的每个手机120i实现的节电协议300的状态图。协议300包括4层不操作层310，初始化层320，备用链路层330和工作连路层340。当手机120i与基站单元110失去联系时，出现不操作的层310。当链路建立时，即当手机在发现RF信道，载波和使用RF信道需要的定时偏移的处理，和最后，用于该时期TDMA基准时出现初始化层320。当基站和手机已经获得同步锁定时使用备用层330，当有有效的音频通信时，存在工作连路层340。因此，备用层330对应于睡眠模式而工作连路层340对应于工作方式。
对在不操作层310(不操作的状态311)要有三个理由。第一，如果手机或者基站没有电源(电源故障或者手机更换电池)；第二，如果手机关机(未加电)；第三，手机是在范围之外。因此，当在一个延长的周期内手机已经失去同步，诸如电池更换，或者呆在户外或者比本地的TDMA同步能够保持的范围更长时，出现不操作的层310。有两个方式离开不操作的层和开始在初始化层320中的初始化状态321第一，该用户可以触发该手机，开始寻找由基站单元110在它的相应的数据时隙期间对该手机发送的同步脉冲；第二，该手机周期性地自己开始搜索。但是，这样的搜索是电源不足的操作，要求接收器连续工作。
因此，在一个优选的实施例中，通过减小自发搜索的频率到几分钟一次限制电源的使用。如果基站电源故障，则允许不操作的手机自动地恢复。因此这个技术提供对基站备用电池的低成本的替代方案，并且允许如果因为在范围之外丢失信号自动恢复，而不必过大的电池消耗。因此，在不操作层，可能配置该手机不做任何事情，直到该用户开始建立链路，或者周期的定时器激励该手机寻找基站的同步分组传输为止。当链路是在不操作的层时，基站以三个不同的功率电平连续地发送同步分组，如前所述的。
一旦该手机相关到基站信号和离开不操作层310，必须解调该信号，并且该手机必须检验以便确定它是否属于它接收信号的该基站，并且它还必须交换时间标记信息以便同步该基站和手机TDMA定时器(初始化层320的状态321，322)。一旦调谐该信道和TDMA定时器，该链路可以达到备用链路层330(状态331)。在该手机和基站之间交换时间标记直到定时误差低于门限值时，在此时获得链路状态331。
在备用/睡眠模式，虽然该手机“连接”了，该手机仅仅周期地与基站110办理登记(即每n个秒或者m个时期)以便接收同步分组(数据分组具有同步)，在此时输入TDMA同步状态332以便同步本地的时钟。时间标记是在不同同步分组中发送以便允许手机与该基站同步地保持TDMA时间。当顺利地接收这样的同步分组时，“我是运行的”确认脉冲可以发送回到基站单元110。如果该基站不能足够经常地接收确认，由该基站认为该链路中断，它将在多电源层开始传输，正如在不操作的层那样。
当手机发出一个呼叫(状态331转到状态342)时，或者当该基站要求手机应答呼叫时(状态331转到状态341)时，出现有效的通信(工作模式)。由于该链路是工作的，这些是通过数据分组的交换发出的。该数据分组指示呼叫到来，和该基站总是监视手机传输。在有效的通信期间，不交换时间标记，但是通过检查通信分组的存在与不存在保持TDMA同步。直到它们消失时已经观察到顺序的相关峰值的点提供和边缘给出TDMA定时器的相位的健全的指示。由于在有效的通信期间一致地出现分组，通过检查分组的边缘保持TDMA相位。
TDMA频率锁定仅仅对于长周期不通信是重要的，诸如在备用链路层330出现的情况(睡眠模式)，因为基准频率典型地是由在手机和基站两者中的一个非常准确的石英晶体振荡器提供的。当呼叫结束时，在备用链路层330中交换时间标记，有时候调节本地的时钟以便保持TDMA基准频率锁定。未调节的TDMA时基仍然是相当准确的，是从石英晶体振荡器获得的，并且在具有许多余量的时期将暂停TDMA时隙。基于频率锁定环调节具有时间标记的时基，该时基在几个TDMA时期都是准确的，允许该手机以最小的费用轮询数据。
本发明的协议的优点是一旦同步了，该手机仅仅需要轮询特定的数据时隙，其中发送振铃和时间标记数据。该手机甚至不需要每个时期轮询，因为该协议允许该用户在许多时期响应来话呼叫，而且许多时期可以在基站认为手机不同步之前传递。同步分组包含时间标记以便保持TDMA链路频率锁定，和数据分组的边缘保持该TDMA链路锁相。在本发明的TDMA系统中，假定1秒的轮询速率(大约20TDMA数据时期)用于来话呼叫，这达到大约0.02％的手机接收器122的占空因数(200us/分组)。确认将以相同的速率运行手机送话器121。
本专业技术人员将认识到，在上面根据本发明的原理描述的无线系统可以是蜂窝系统，其中基站单元110代表基站服务蜂窝电话网络中网孔之一。
应懂得，已经描述和在上面所示的各部分细节，材料和安排的各种变化以便说明本发明的特性可能由本领域的技术人员进行，而不偏离正如权利要求叙述的本发明的原理和范围。
权利要求
1．一种无线电话系统，包括(a)具有一个基站收发信机的一个基站单元；和(b)一个或者多个无线手机，每个手机包括一个手机收发信机，用于通过基站收发信机与基站单元在TDMA时期在共享的RF信道上建立一个时分多址(TDMA)链路，TDMA时期将分组时隙分配给每个手机，其中每个手机适合于在用于与该基站单元同步的它的相应的分组时隙期间给它的收发信机接通电源，否则该手机在该时期期间适合于关闭它的收发信机的电源。
2．根据权利要求1的系统，其中手机手机还适合于在它的不同的数据和音频分组时隙期间根据需要接通它的收发信机的电源，以便检测利用数据分组发送的来话呼叫数据或者经过TDMA链路发送和接收音频信息。
3．根据权利要求1的的系统，其中该TDMA时期具有多个发送和接收数据行对，给每个手机一个这样的行对；和当手机在工作模式时，每个手机在每个时期，在给每个所述操作的手机发送和接收数据行对期间，通过接收和发送数据分组时隙接收和发送数据分组，并在所分配给手机的该时期的语音时隙期接收和发送语音分组。
4．根据权利要求1的的系统，其中当该手机摘机时，每个手机可能是在工作模式，或者当该手机挂机时，处于睡眠模式；每个手机包括一个本地的时钟和监视器定时器，即使当手机收发信机关闭电源时保持操作；当该手机处于睡眠模式时，响应监视器定时器，在该时期它相应的该手机接通它的收发信机电源，根据需要通过同步在该接收数据分组中包含的同步信息与该基站单元同步。
5．根据权利要求4的的系统，其中每个手机总是处于下列层之一的一个状态一个不操作层，一个初始化层，一个备用链路层和一个工作链路层；当该手机与基站单元失去联系时，出现不操作的层；当TDMA链路是在该手机和该基站单元之间建立时，出现初始化层；当基站单元和手机获得同步锁定时出现备用链路层和包括该睡眠模式；和当在该手机和基站单元之间有有效的音频通信时，出现工作链路层，并且包括该工作方式。
6．根据权利要求4的系统，其中当该手机是在睡眠模式时，在每个时期它相应的接收数据时隙期间，该手机接通它的收发信机的电源以便接收包含同步信息的数据分组。
7．根据权利要求6的系统，其中在该接收数据时隙期间接收数据分组之后，在发送该手机的数据时隙期间该手机发送一个数据分组到该基站单元以便通知该基站单元该手机仍然与该基站单元同步。
8．根据权利要求7的系统，其中，如果该基站单元不从手机接收该数据分组，通知该基站单元在基站单元已经发送一个数据分组数据分组到包含同步信息的该手机之后，该手机仍然与该基站单元同步，然后该基站单元试图在以增加的功率电平在对该手机发送数据时间时隙期间，通过发送连续的数据分组到具有同步信息的手机。
9．根据权利要求4的系统其中当该手机是在睡眠模式时，在每第N个时期的它的相应的接收数据时隙期间，该手机接通它的收发信机电源，其中该手机能够经过至少持续N个时期的一个时间周期保持与基站单元同步，而不接收来自该基站单元的数据分组。
10．根据权利要求4的系统，其中当该手机处于睡眠模式时，响应监视器定时器，在该时期它相应的该手机接通它的收发信机电源，根据需要通过同步在该接收数据分组中包含的同步信息与该基站单元同步。
11．在具有一个基站单元和一个或者多个一个或者多个一个或者多个无线手机的无线电话系统，该基站单元具有一个基站收发信机和每个手机具有一个手机收发信机，一种方法，包括步骤(a)利用每个手机的手机收发信机，经过在该手机和基站单元之间共享的RF信道，根据TDMA时期通过基站收发信机建立时分多址(TDMA)链路，在该时期分配唯一的数据和音频分组时隙给每个手机；(b)用于每个手机，在它相应的数据和音频分组时隙期间，由于需要使用以数据分组发送的同步数据与该基站单元同步而接通它的收发信机的电源；和(c)对于每个手机，否则在将手机电源使用减到最小时期的期间关闭它的收发信机电源。
12．在具有一个基站单元和多个无线手机的无线电话系统一起使用的一种无线手机，包括该无线手机，该基站单元具有一个基站收发信机和每个手机具有一个手机收发信机，该无线手机包括(a)一个手机收发信机，经过与基站单元的共享的RF信道，根据TDMA时期通过基站收发信机建立时分多址(TDMA)链路，在该时期分配唯一的数据和音频分组时隙给多个手机的每个手机；(b)在它相应的数据和音频分组时隙期间，由于需要使用以数据分组发送的同步数据与该基站单元同步而接通该手机的收发信机的电源的装置；和(c)否则在将手机电源使用减到最小时期的期间关闭该手机收发信机电源的装置。
全文摘要
无线电话系统包括具有基站收发信机的一个基站,一个或几个无线手机,每个手机包括一个手机收发信机。每个手机在共享的RF信道上通过该基站收发信机根据TDMA时期建立时分多址(TDMA)链路,它分配专有的数据和音频分组时隙给每个手机。在它的相应的数据和音频分组时隙期间由于需要使用以数据分组发送的同步数据与该基站单元同步,每个手机接通它的收发信机以便检测以数据分组发送的来话呼叫数据,或者经过TDMA链路发送和接收音频信息。否则在将手机电源使用减到最小时期期间,该手机关闭它的收发信机电源。
文档编号H04B7/26GK1285091SQ98813599
公开日2001年2月21日 申请日期1998年9月1日 优先权日1997年12月12日
发明者P·G·克努特森, K·拉马斯瓦米 申请人:汤姆森许可公司