与用户站进行数据通信的方法和实施该方法的无线电通信网的制作方法

专利名称：与用户站进行数据通信的方法和实施该方法的无线电通信网的制作方法
技术领域：
本发明涉及在无线电通信网中与用户站的数据通信。准确地说涉及由这种无线电通信网的多个中央台共同使用无线电资源的问题。
为了在通信系统中，多个台以任意方式能够访问一个公共传输媒体，要采用访问方法(Multiple Access，MA)，这些方法给各个台规定访问媒体的权利。此时要区别，媒体在台之间是否是在时间范围内(TimeDivision Multiple Access，TDMA)、是在频率范围内(FDMA)、是在代码范围内(CDMA)还是在空间范围内(SDMA)进行划分。
如果是在时间范围内施行公共使用，存在的问题是规定持续时间，在这段时间内仅由一个台支配传输媒体，从而不会出现冲突。如果多个台没有协调去访问公共媒体，只要多于一个台同时发送，往往能造成冲突。如果有一个中央台(例如一个基站)监控一组台(例如移动台)的时间上的访问，就能为这些台消除冲突。
如果要考虑的是一个平面，该平面大于一个中央台的最大有效范围，就必须使用多个中央台。为了与位于其有效范围内的用户站通信，要给这些中央台分配不同的频带，以便避免中央台访问之间的冲突。如果将一个有效业务范围划分为由固定台(基站)业务的小区，并只允许基站使用有限数量的频带，就出现一个蜂窝状的无线电系统。
供一个无线电通信系统支配的频带数目是有限的。这就是说，在一个具有大量小区的无线电通信网中，应该有多个共用一个和同一个频带的中央台。通常人们尽力要从地理上将小区布置成，使利用相同频带的小区相互间有足够的距离，致使在这些小区之一发出的无线电信号不干扰另一个在相同频率下工作的小区的通信。
在用户站密度不断上升和移动无线电网相应增长的情况下，然而这个原则达到了它的极限，因为经过一个给定频带能同时展开的连接数目和在一个小区中能同时业务的用户数是有限的。为了提高传输容量，虽然可以考虑这种可能性，即划分一个小区并给两个由此得到的子小区各分配不同的使用频带；然而一般这要造成问题，致使在一个新建的小区中将要应用的频率已经被另一个在周围的小区占用了，后者离开得并不远，以至不能排除相互的干扰。
如果在一个给定小区之内，不是所有地方都能提供一个足够强度的无线电信号，以使毫无问题的移动通信成为可能，则就会有类似的问题。因为一个中央台的发送功率不能提高到无危险运行的地步，会在其它以相同频率运行的无线电通信系统小区中造成干扰，且大多数独立于网络运行的用户站本来就有限制，改进信号供给只能通过在小区内把中央台“分成”两个不同位置，困难是，在不同位置的“子站”必须去协调其无线电通信，以不发生互相干扰。
在DE 198 24 961 A1中介绍了解决使用同一频带的基站协调问题的一个途径。在这种公知的方法中，一个TDMA无线电信号的传输帧被分成多个容器(Container)，此时一个容器表示TDMA帧的一个一定数量的时隙，将容器分配给各个不同基站使用。一个台因此就不支配帧的所有时隙，而只支配它们的一部分，台能将这些时隙按照任意一个公知的方法分配给各个终端设备通信。
这样一种方法适用于始终不变传输总量的通信，尤其像语音通信；然而在大多数对传输时间特性要求较少的地方、在经常有大量数据在短时间内等候传输的地方，它对数据通信的应用就有问题。将在一个同步信道中为语音传输空出的分组用于数据传输的可能性受到限制，因为每个中央台只能支配那些与分配给它的容器相对应的同步信道。给一个短时间要传输大量数据的中央台分配附加容器，往往是不经济的，或者是不可能的，因为所有在帧内供支配的容器都已经被一个中央台使用。
现代移动无线电标准，也用于解释移动数据通信，例如GPRS或HIPERLAN/2，脱离了在一个传输帧内通过固定时隙预定的同步信道的方案，取代应用其结构事先没有规定的帧，而是包括各一个格式信息，该信息经过各当前帧向一个被排除在外的接收机发出应答，并且尤其要在帧中确定上行链路阶段(Uplink-Phasen)和下行链路阶段(Downlink-Phasen)的情况。在这样一个系统中，用户站和中央台能相应从帧到帧交换不同的数据量；对于带有一定用户站的通信来说，不再预留一个一定的、预先规定的和时间上不变的一小部分传输容量，而是每个用户站从帧到帧只精确地使用它所需要的传输容量，如语音传输那样的时间上不重要的业务所需传输容量，全部都供同步数据传输支配。
本发明的任务是，提出一种在无线电通信网中与用户站进行数据通信的方法，使得多个中央台使用一个相同的频带成为可能，其中开发全部优点，提供如HIPERLAN/2或GPRS那样的没有同步帧结构的通信系统。
这个任务，通过用具有权利要求1特征的方法和按照权利要求11特征的无线电通信网来解决。
因为对于一个带有可变帧结构的通信系统，必须总是在帧开始时发出一个帧格式信息，以便使用户站有可能识别在帧内为它们确定的块状态或识别在帧内给它们为上行链路传输分配的时间，毫无困难地就能从一个中央台发出一个格式信息，总是将该信息保留一段时间间隔，在下一个帧开始之前不分配给帧的一个或另一个阶段。以这种方式在帧内保持一段或多段时间间隔空闲，它们能被像第一中央台那样以相同频带发送的第二中央台使用，以便从它们那方发出一个帧格式信息，并为了向它或从它传输占用这些保留的时间间隔或至少是其中一部分。
为了协调两个或更多的使用相同频率的中央台，最好起用一个公共管理单元，它按照传输需要给中央台分配上行链路阶段和下行链路阶段。这种分配像传输帧格式信息那样总是从一个帧到下个帧重新进行，这允许根据中央台或与其通信的用户站的交替传输需求有快速反应。
中央台将其传输需求按优先级申报给控制单元是适当的。这允许给控制单元在向中央台分配传输时间时首先考虑必须无条件满足时间上重要的传输需求，然后将剩余的传输时间按紧迫性分配。与容器方法时不同，一个在短时间将要传输大量数据的中央台，为此不仅能使用按标准分配给它的一小部分帧周期，而且它得到在整个传输时间的访问，在一个给定帧之内由它自己或另一个连接在控制单元的中央站还没有要为较高优先级的通信任务使用该时间。
有各种不同的可能性，将一个预先规定持续时间的传输帧分配到两个或多个中央站上。第一可能性是，在帧之内给每个中央站分配一个连续的时间间隔，它包括一个广播阶段、一个用于从用户站向中央站传输的上行链路阶段和一个为了沿反方向传输的下行链路阶段；在广播阶段中，中央台传输一个规定使用分配给它的传输时间的帧格式信息。这样一种分配的优点是，它用很小的开销就能实现，因为它要求帧的划分只以少量不相互交叠的部分间隔进行。因为帧格式信息必须总是在一个帧开始时传输，给一个中央台分配的时间间隔的开始能根据各个台传输需求而变化，为此就要求中央台和用户站能将帧用一个变化的持续时间处理。
这个问题可以通过分配传输帧去避免，在分配时中央台的广播阶段直接连续出现。这使每个中央台有可能，将帧格式信息在确定的时间点用保持不变的周期传输到与它连接的用户站，对于用户站来说，这方便了帧格式信息的监控。
通过给每个中央台分配一个连续的总是包括台的一个上行链路阶段和一个下行链路阶段的时间间隔，控制单元中的管理开销在此也会受到限制。
将分配的连续时间间隔划分为上行链路和下行链路，能由所涉及的中央台各自独立进行，因为与其它中央台的时间上冲突已经通过分配连续的时间间隔给排除了。
按照另一种变型方案，在一个帧之内，将中央台的各个广播阶段和下行链路阶段汇总到一个第一连续的时间间隔，将上行链路阶段汇总到一个第二连续的时间间隔。这个变型方案的优点是，在上行链路与下行链路之间调换时，根据信号时延缩短了需要遵照的时间延迟，从而使供支配的传输时间更有效。
本发明的实施例在下面用图详细说明。计有

图1有一个小区的一个无线电通信系统的方框图，在小区中应用本发明的方法；和图2-5应用本发明的方法得到的帧结构举例。
图1是一个HIPERLAN/2-网络的一个方框图，作为可利用本发明的一个无线电通信网络的例子。网络包括有大量的无线电有效接收范围，在图中示出了C1，C2，C3三个。如果到固定网络有一个入口存在的话，或者中央控制器(CC)作为一个与多数用户站MT通信的中央台，用户站位于其无线电信号有效作用范围之内，中央台转接相同有效接收范围的用户站之间的连接或不同有效接收范围的用户站之间的连接或到一个(未示出)固定网络的连接，则一个HIPERLAN/2-无线电通信网络的每个有效接收范围，按照通常方式有个所谓的访问点(AP)。相邻的有效接收范围的中央台与其用户站总以不同的频带进行通信，致使在一个有效接收范围之内的通信不干扰相邻有效接收范围的通信。
有效接收范围C1与通常的有效接收范围C2，C3的区别在于，它有两个中央台AP1，AP2，它们使用同一个频带与位于其无线电信号有效作用范围之内的用户站MT进行通信。有效接收范围C1的扩展，就相当于被两个中央台AP1，AP2各自覆盖的区域的联合。一个被称为APC(访问点控制器Access Point Controller)的控制单元，协调两个中央台AP1，AP2的发送活动和接收活动。为此目的，在每个各持续两毫秒也被称作为MAC-帧的传输帧中，给HIPERLAN/2-标准申报其对控制单元APC的需求，控制单元用此信息将下面紧接着的MAC-帧分配到两个中央台上并向它们传输一个在下一个MAC-帧之内规定时间间隔的报告，这些时间间隔供各个中央台AP1，AP2的每一个为发送或接收所支配。
传输时间的部分，能为各中央台固定保留，例如为了传输对网络正规发挥作用不可放弃的信令信息。能预先规定，使控制单元APC在分配一个MAC-帧的时间间隔时自动考虑这些保留的传输时间，无需中央台特意给它在这个时间之后发出需求信号。可选择的是，能将固定保留的传输时间，与从帧到帧时间上变化的传输需求时间，一起在控制单元APC处提出请求。这使一个中央台在它没有用户站被提供服务时，有可能在涉及的频带短时中断与其有效接收范围的用户站的无线电通信，或只在需要的情况时才接收这样一个无线电通信。以这种方式，例如在蜂窝无线电通信系统产生可能性，如果分配给一个中央台的频带过负荷，使中央台短时在一个相邻台的一个频带“借出”传输时间，以便超出正常情况以一个单一频带中的可能范围给用户站提供业务。
在向控制单元申报通信需求时，要区分不同的优先等级。最高的优先等级，是为了能确保一个明确无误的业务质量，由已经建立了的时间关键的连接，尤其是语音连接，表明的等级，使在每个MAC-帧内有传输带宽供支配。各中央台通过这种方式连接的通信需求，无论如何必须由控制单元得到满足。优先级较小的通信需求通过数据传输连接得出，对于这些数据传输连接，每帧传输的数据量的波动和在某个范围内的短时中断是可容忍的。由用户站新的请求建立连接的通信需求，能被安放在相同的或另一个优先等级上。一个帧的传输时间的那个没有由控制单元为连接分配最高优先等级的部分，能相应于需求按比例分配给两个中央台AP1，AP2。以这种方式，在分配传输时间时实现了高度的灵活性；如果台中的一个，突然对传输时间有个更高的需求，能将从一个帧到下一个帧还没有为更高优先级的连接分配好的整个传输时间，分配给它。
图2示出一个帧结构的第一例子，能被用于从有效接收范围C1的中央台AP1，AP2与其用户站MT进行无线电通信。两个中央台AP1，AP2各交替使用公共频带，此时有一个中央台使用的连续时间间隔本身有个HIPERLAN/2-帧的公知的结构，其中一个广播阶段，有一个下行链路阶段DL phase、一个上行链路阶段UL phase，以及一个随机访问信道RCH，将建立一个通信的愿望发送信令给一个中央台；在广播阶段中，发送一个帧格式信息和其它为所有留在小区内的用户站相关的信息；在下行链路阶段DL phase中，中央台将有用数据发送到用户站；在上行链路UL phase中，用户站向中央台发送；随机访问信道RCH被用户站使用。为了区分MAC-帧，这里将这样一个MAC-帧的分配给一个中央台的时间间隔称作为“台帧”。
与通常按照HIPERLAN/2的MAC-帧相反，在这里缩短了下行链路阶段和上行链路阶段，致使所阐述过的台帧没有满足按标准为MAC-帧预先规定的2毫秒的时间间隔。不同中央台的台帧能共同满足一个MAC-帧；但是也能考虑，不将没有被中央台用于传输需要的时间分配给台帧。
当两个中央台的第一一直以通常的2毫秒的节奏进行其广播阶段时，对于另一个中央台，分配到台的传输时间改变能使分配给它的台帧的开始推移，从而要求在两个广播阶段之间有个偏离2毫秒的时间距离。因此，如果至少由第二中央台AP2传输的帧格式信息也包括何时一个为用户站传输下一个帧格式信息的信息，在图2中的帧格式就是适宜的。
一个可选择的解决方案是，将分配给两个中央台的台帧的改变从一个2毫秒-帧到下一个帧限制在几个10微秒，致使如果用户站接收了一个帧格式信息，它们能以为前提的是，下一个帧格式信息是在一个2毫秒的时间距离内加上或减去这个最大允许的改变去接收。
在图3中所示的帧结构时，两个中央台各相继连接一个MAC-帧的开始在广播信道(Broadcast Channel)BCH中发送帧格式信息。每个用户站用这种方式准确以MAC-帧的节拍得到它所需要的帧格式信息，以便识别为它确定的帧控制信道(Frame Control Channel)FCH和关联控制信道(Associated Control Channel)的开始，能由它们得知，哪些在紧接着的下行链路阶段中传输的数据是为它们确定的，或在哪个时间它可以在台帧的上行链路阶段给属于它的中央台AP1或AP2发送。
在图3的帧格式时，分配给不同中央台的台帧从一个MAC-帧到下一个帧持续时间的可能改变不受限制。
图4是由图2的帧结构的一个变型，此时没有给各个中央台为发送和为接收分配连续的时间间隔，而是每个中央台的一个发送时间间隔(BCH，FCH，ACH，DL phase)与相同台的一个接收时间间隔(UL phase，RCH)，通过一个总是分配给其它台的时间间隔分开。如果应用这个帧结构-变型，控制单元APC不仅决定经过给每个单个的中央台分配的一个MAC-帧的部分，即经过台帧的长度，而且它还在每个台帧之内规定发送时间间隔或接收时间间隔的极限。这个变型的一个优点是发送时间的较有效的利用。在发送与接收之间进行交换时，必须插入一个在其中既不发送也不接收的安全时间间隔，此时该时间间隔的长度通过中央台与一个在小区最远位置的用户站之间的信号时延确定。当在按照图2的帧结构每MAC-帧出现四个这种交换时，在按照图4的帧结构时只有两个。图4帧结构的另一个优点是，与图3的结构比较，在一个中央台的关联控制信道ACH与该中央台的上行链路阶段之间有放大了的时间距离。一个在上行链路阶段必须向所涉及的中央台发送的用户站，因此在图4的帧结构时像在一个通常的HIPERLAN/2-帧时那样，在中间有同样多的时间，以便处理在ACH-信道传输的控制信息，例如定时超前或功率调节。这样，每个通常的HIPERLAN/2-用户站就能与一个应用图4帧结构的中央台通信。
上述帧结构阶段的可变的持续时间，对于各个阶段和帧当然能是零。如果第二中央台AP2没有数据要传输或只传输能容忍对各个MAC-帧的传输有个中断的数据，用这种方式例如第二中央台的第一AP1就能暂时得到分配的一个帧的全部发送时间/接收时间，以便有可能通过第一台AP1快速传输大量时间紧要的数据。
图5是另一个变型的帧结构，在这时图4结构的发送-和接收次序划分到两个MAC-帧上，即4毫秒的时间间隔。该结构也允许分配早就联系在一起的上行链路和下行链路阶段给两个中央台AP1、AP2的一个，这样大量数据就能连贯一起传输，一个频带的理论传输容量，对于HIPERLAN/2-网络为54Mb/s，实际上能毫不缩小地用在有用数据传输。
当然，上述的帧结构也可应用于小区，在这些小区中有两个以上的中央台分享一个频带，将针对为另外台的发送阶段或接收阶段各插入到这些上述两个台之间。
本发明不局限于一个HIPERLAN/2-网络上，而是可应用在任意无线电通信网上，这些通信网支持帧格式的动态规定。
这些无线电网络尤其无需蜂窝结构；本发明的原理也可毫无问题地应用到无线局域网(Local Area Networks)和Ad-hoc网络(自动配置的网络)。蓝牙标准是Ad-hoc网络标准的例子，其中在某种程度扩展的条件下可以采用本发明本发明；对HIPERLAN/2，也会使导致自配置性扩展进行工作，尤其是在家用技术领域的应用。
权利要求
1.与一个无线电通信网的用户站(MT)进行数据通信的方法，此时，将时间划分成帧的序列，其中，第一中央台(AP1)在每个帧的第一广播阶段中发出第一帧格式信息(BCH，FCH和ACH)，该帧格式信息确定一个第一下行链路阶段(DL phase)，在其中从第一中央台(AP1)向用户站(MT)进行有用数据传输，和确定一个第一上行链路阶段(ULphase)，在其中允许从用户站(MT)向第一中央台(AP1)的传输，其特征在于每个帧至少包括一个第二广播阶段，在其中至少一个第二中央台(AP2)发出一个第二帧格式信息(BCH，FCH和ACH)，所述信息为从用户站与第二中央台(AP2)的通信规定一个第二下行链路阶段(DLphase)和一个第二上行链路阶段(UL phase)，此时一个帧内的阶段不重叠。
2.如权利要求1的方法，其特征在于一个控制单元(APC)给中央台(AP1，AP2)按照它们的传输需求分配上行链路阶段和下行链路阶段。
3.如权利要求2的方法，其特征在于中央台(AP1，AP2)向控制单元(APC)申报其传输需求。
4.如权利要求3的方法，其特征在于中央台(AP1，AP2)按照优先级水平、固定预留或两者的组合以分类方式向控制单元(APC)申报其传输需求。
5.如权利要求2至4之一的方法，其特征在于分配总是从一个到一个或多个紧跟着的帧进行。
6.如上述权利要求之一的方法，其特征在于在每个中央台(AP1，AP2)的一个帧中分配有一个连续的时间间隔，它包括台的一个广播阶段、一个上行链路阶段和一个下行链路阶段。
7.如权利要求1至5之一的方法，其特征在于中央台的广播阶段直接相互跟随。
8.如权利要求7的方法，其特征在于在每个中央台的一个帧中，分配有一个连续的时间间隔，它包括台的一个上行链路阶段和一个下行链路阶段。
9.如权利要求6或8的方法，其特征在于中央台(AP1，AP2)独自进行在上行链路阶段和下行链路阶段的连续时间间隔的分配。
10.如权利要求1至5之一的方法，其特征在于中央台(AP1，AP2)的广播阶段和下行链路阶段为一方，上行链路阶段为另一方，各构成一个连续时间间隔。
11.具有多个与用户站(MT)进行数据通信的中央台(AP1，AP2)的无线电通信网，其特征在于至少两个利用一个相同频率的中央台(AP1，AP2)与一个控制单元(APC)连接，所述控制单元(APC)给所述中央台(AP1，AP2)在一个传输帧之内为上行链路阶段或下行链路阶段分配各自分开的时间间隔。
12.如权利要求11的无线电通信网，其特征在于设置中央台(AP1，AP2)，以便将有关其传输需求的申报发送到控制单元(APC)。
13.如权利要求12的无线电通信网，其特征在于所述申报按照有待传输数据的优先级被分类。
14.如权利要求11至13之一的无线电通信网，其特征在于所述无线电通信网有一个蜂窝结构。
15.如权利要求11至13之一的无线电通信网，其特征在于所述无线电通信网是一个无线局域网或者是一个Ad-hoc网络。
全文摘要
在一个无线电通信网中，为了在网络的两个中央台的一个有效接收范围之内，与用户站进行数据通信，将时间分成帧序列。一个第一中央台(AP1)在每个帧的一个第一广播阶段发送一个第一帧格式信息(BCH)，它规定帧的一个第一下行链路阶段(DL phase)和一个第一上行链路阶段(UL phase)，一个第二中央台在相同的帧中在相同的频率上发送一个第二帧格式信息(BCH)，它为了用户站(MS)与第二中央台进行通信规定一个第二下行链路阶段和一个第二上行链路阶段，此时一个帧内的阶段不重叠。
文档编号H04B7/26GK1636333SQ01816607
公开日2005年7月6日 申请日期2001年8月7日 优先权日2000年8月8日
发明者B·维格曼, M·洛特, E·舒尔茨, E·波林斯, A·克雷姆林, T·冰, A·卡德尔卡 申请人:西门子公司