专利名称：用于陆地移动无线电系统的分布式表决系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及无线电系统领域，尤其涉及选择由多个接收机之一产生的最有效的通信信号的无线电系统。
背景技术：
现代的陆地移动无线电(LMR)通信系统一般具有多个按位置分布的、与该系统中的每个接收和发射点有关的只接收点。对这些只接收点的需要可以通过考虑具有单个接收和发射点的简单LMR系统来理解。将该单个接收和发射点的发射机设计为通过适当地选择对其有效辐射功率(ERP)有贡献的因数，为期望的地理区域服务。例如，接收和发射点一般位于较高的海拔处，例如在丘陵，高山或高层建筑顶部，并且具有相对较高功率的射频(RF)发射机，以便在期望服务区域内工作的所有LMR收发信机可以还原以可接受的强度发射的信号。
然而，由接收和发射点服务的移动便携式RF收发信机因为功率、尺寸和成本考虑，一般具有较小的ERP。例如，接收和发射点通常可以访问电力网或发电机电源并且可以产生好几百瓦的RF传输信号，然而靠它自己的电池组、或通过载体的电气系统运转的移动收发信机，一般仅能够产生5到25瓦的RF传输信号。具有几个小的镍镉蓄电池作为其电源的便携或手持收发信机被进一步限制，并且仅可以产生1瓦或更少的RF传输信号。结果是虽然在服务区域之内的所有LMR移动/便携收发信机通常可以从接收和发射点接收强烈的发射，但接收和发射点不能从移动和便携式收发信机接收弱的发射或者不能以过低的信号强度接收该发射以提供有用的、可靠的通信。换句话说，该接收和发射点的″呼进″或者″应答″范围通常比其″呼出″范围小很多。
使多个仅接收点处于遍及LMR服务区域的不同地理位置处就可以解决这个问题，只要这些仅接收点、或者接收和发射点中的至少一个可以以可接受的信号强度电平接收任何特定发射。一旦在LMR系统内某处的接收机接收一个发射信号的可接受版本，则该信号的那个版本就可以通过地面通信线被中继到接收和发射点，并且由主站点以足够高的功率电平转发，以便所有在服务区域中的收发信机都能够接收该中继信号的可接受的信号强度电平。然而，根据当收发信机发射原始信号时其所处的位置，通常将有一个以上的仅接收点以可接受的信号强度电平接收原始发射。因此，LMR系统需要选择一个已接收发射信号的版本，优选是最好的一个，并且忽略其它的。在现有系统中，这个选择通过一个称为″表决″的处理完成，该处理需要专门的表决设备(也被称为″表决器″或者″选择器″)。通常，通过地面通信线将该表决器连接到每一接收点。接收发射的点通过地面通信线中继信号到表决器。然后，表决器依次分析每个接收信号并且确定哪个是最好的。例如，该确定基于，例如信号的信噪比或者在诸如帧头部之类的信号标准部分的误码率。一旦表决器选择了最好的信号，并且确定了哪个接收机发送该信号，则表决器继续通过地面通信线从该接收机中继信号到接收和发射点用于传输。这样的表决系统已经在1977年3月22日授予Beske等人的、标题为″Improved ReceiverSelecting(Voting)System″的美国专利4,013,962、和1992年7月14日授予Brown等人的、标题为″Digital Voter for Multiple Site PSTR TrunkingSystem″的美国专利5,131,007中详细地描述了，这两个专利的内容通过引用包含在此。
如上所述的表决系统使用专用的表决设备。由于需要缓冲以确保发射机不非正常运行，即不在已经接收了所有必要数据之前开始传输，以及确保所有的接收点具有足够的时间使它们的数据到达表决器，所以它们也将重要的延迟(亦称等待时间)引入到传输中。现有的数字表决系统还需要在RF接收点和表决设备之间的同步数据接口。这个同步允许表决器逐个轮询接收点。同步还允许表决器选择的接收点在特定的时间窗内通过地面通信线将其接收的信号发射到表决器。在这个接收信号被中继到接收和发射点用于重发之前，在表决器中暂时存储，或者缓存该信号。
与数字表决方法有关的问题包括在表决设备方面的重大投资，对同步数据路径的需要，在传递同步数据期间通过缓冲引入到传输中的等待时间和表决器逐个轮询所有的接收机的需要。
发明内容
本发明涉及一种用于陆地移动无线电(LMR)系统的分布式网际协议(IP)表决系统和方法，其通过消除对专门的表决设备和同步数据路径的需要来克服现有数字表决系统的缺点。另外本发明显著地减少了由同步数据的传递和缓存以及表决器轮询所引入的等待时间。
在本发明的优选实施例中，以可用强度接收由收发信机发射的信号的、LMR系统中的每个接收机估计接收的发射信号的质量。该接收机将其估计的质量和接收的发射信号组合成分组，通过网络将其发送到LMR的接收和发射点。在接收和发射点，将进入的分组分离为质量的估计和信号。将与到达的第一个分组有关的信号存储在本地缓冲器中。接收和发射点继续接收附加的进入包预定时间长度或者接受窗口，该持续时间或者接受窗口被选为足够长，以便让分组从LMR系统中的所有接收点到达。这个接受窗口允许分组从接收机到接收和发射点和与其相关的路由和处理设备的异步传输。如果后面的分组具有更好的质量估计，则将目前存储的信号替换为来自后面分组的信号。在接受窗口的末端，接收和发射点发射目前存储在其缓存器中的信号。
本发明的IP简化、异步表决方法确保最佳接收信号被使用用于由LMR系统进行的重新传输，同时通过将用于表决的时间限制为接受窗口的长度来显著减少系统等待时间。这个接受窗口通常显著地小于在现有表决设备中轮询所有接收机所需要的时间。另外，因为直接从远程接收机将信息发送到接收和发射点，所以消除了额外的传播时间和消息存储及重复周期。进一步的优点是通过除去专门的表决设备以及除去使所有接收点同步的限制，也减少了系统成本。
将在说明书附图和下面的详细说明中描述当前发明的更多细节和优点。
图1是使用表决器的表决系统的代表略图。
图2是根据本发明的发明概念的分布式表决体系的示意图。
图3是示出使用表决器的表决体系的操作的流程图。
图4是示出根据本发明的分布式表决体系的操作的流程图。
具体实施例方式
本发明涉及一种用于在陆地移动无线电(LMR)系统中使用的、改善的表决方法和装置，现在将对其进行更详细的描述。
在本发明的优选实施例中，LMR系统中的每个主发射点包括接收和发射点以及相关的接收机、发射机和处理设备。每个主发射点也与一个或多个远程接收点相关，其中每个远程接收点包括仅接收点以及相关的接收机和处理设备。在主发射点和远程点之间的通信包括网际协议(IP)使能网络。在LMR系统中、以有效的强度接收收发信机发射的信号的每个接收机估计所接收的发射信号的质量。该接收机将其估计的质量和接收的发射信号组合成分组，通过网络将其发送到与那个接收机相关联的主发射点。一旦在主点上接收到第一个分组或者数据单元，则开始表决处理并持续被称为定时窗的短暂时间。这个定时窗允许分组从接收机回到主点的异步传输。这个异步传输为允许已经经历不同的射频(RF)传播时间，和/或Internet(IP)广域网(WAN)传送时间的数据单元到达所必需。表决处理从主点记录第一个到达的数据单元或者消息分组的预先计算误码率开始。此后，主单元开始存储数据单元或者消息分组内容。如果且当更多的数据单元到达时，则主点将它们的误码率和已存储的数据分组的误码率进行比较。
在本发明的一个实施例中，一旦具有更低误码率的分组到达，主发射点就切换到记录该新的分组，改写任何先前记录的分组。在时间或者接受窗口的末端，转发由主点存储的分组。
在本发明的一个实施例中，在表决中可能有一些滞后，即除非具有好很多的误码率的数据分组到达，否则自动地使用先前选择的接收点用于以后的数据分组。这个表决中的滞后允许在远程点选择中一定的连续性。现在将参考附图来描述结合本发明的发明概念的示例实施例。在描述过程中，根据说明本发明的不同附图，相同的数字将用来标识相同的元件。
图1是使用表决器的表决系统的代表略图，该系统包括接收和发射点12，多个仅接收点26，多个移动或者便携式收发信机24和表决器30。接收和发射点12具有明显大于移动或者便携式收发信机24的有效辐射功率(ERP)。当第一收发信机24发射信号20时，那个信号不能以可接受的信号强度由在LMR系统的操作区中工作的所有其它收发信机24、或者接收和发射点12接收。然而，多个仅接收点26通常在地理位置上遍及运行区域分布，以便无论收发信机24在何处，当它发射信号20时，一个或多个仅接收点26将以一个可接受的信号强度接收信号20。每一个以可接受的信号强度接收信号20的仅接收点26经由地面通信线32将信号20中继到表决器30。表决器30分析它接收的每个信号20，确定最好的信号并且通过地面通信线向接收和发射点12中继那个信号。接收和发射点12使用其更大功率的发射机重新发射信号20，以作为更强的信号28，其然后可以由LMR系统的操作区中工作的所有其它收发信机24接收。
接收和发射点12通常位于一个有利的位置，例如在丘陵，高山或者巨大建筑物的上面，并且包括相对高功率的RF发射机，通常以电力网或者发电机功率为动力来运转并且产生在数百瓦范围内的RF输出。接收和发射点12可以包括但并不限于诸如由M/A Com无线系统，Lynchburg，VA，USA生产的、以800MHz工作并且被认为能够产生100瓦的RF功率传输信号的MASTRIII基站之类的系统。收发信机24可以是一种以其自身电池组或者一种载体电气系统为动力来运转的移动收发信机，诸如但并不限于，M/A Com无线系统的OrionTM移动、800MHz收发信机，其被认为仅仅能够产生大约8到35瓦的RF功率传输信号。收发信机24也可以是一种便携或者手持收发信机，诸如但并不限于，M/A Com无线系统的P7100IP，800MHz收发信机，其以小的电池组，诸如但并不限于小的镍镉蓄电池为动力来运转，并且仅仅可以产生1-3瓦或者更少的RF传输信号。仅接收点可以包括这样的设备，其诸如但并不限于以800MHz工作的、并且设计为在具有表决器30的表决系统中使用的M/A Com无线系统的MASTRIII辅助接收机。表决器30可以包括这样的设备，诸如但并不限于，M/A Com无线系统的AegisTM数字表决系统，其设计成最多能够表决12个接收机。地面通信线可以是合适的电信线路，诸如但并不限于，众所周知的T1线路。
图2示出根据本发明的发明概念的分布式表决体系的示意图，该体系包括具有一个或多个接收信道14和一个或多个发射信道16的接收和发射点12，接收和发射点接收和处理单元41，路由器42，具有一个或多个接收信道14的一个或多个仅接收点26，处理和发射单元22，和路由器42；地面通信线32，网络40和收发信机24。在结合本发明的发明概念的分布式表决器系统中，表决器30实际上由处理和发射单元22、路由器42、网络40和接收和处理单元41替代。像在上面图1中论述的情况一样，当第一收发信机24发射信号20时，那个信号可能不以可接收的信号强度由在LMR系统的操作区域中工作的所有其它收发信机24或者接收和发射点接收。然而，一个或多个按地理位置分布的仅接收点26以可接收的信号强度在适当的接收信道14上接收信号20。在本发明的系统中，与每个仅接收点26相关联的处理和发射单元26确定它接收的接收信号怎样好，即处理和发射单元26计算接收信号20的质量度量。处理和发射单元26可以包括接收机处理器及相关的电路以及提供期望功能所需要的任何相关软件，该接收机处理器诸如但并不限于，任何合适的、众所周知的数字处理芯片或者卡，该相关电路诸如但并不限于，众所周知的存储器电路和调制解调器。
在该优选实施例中，LMR系统使用空中接口协议，诸如但并不限于众所周知的公共安全通信人员协会(APCO)项目25空中接口。该空中接口协议包括用于语音以及数据传输数据单元的规范，其包括用于头部数据单元、尾部数据单元以及分组数据单元的规范和与这些数据单元相关联的各种标准数据模式，包括但不限于，同步位模式以及帧头部位模式。由处理和发射单元26，或者其中的接收机处理器确定的质量度量可包括，但不局限于，同步位模式，帧头部位模式或者接收信号20的其它标准、预定部分的误码率。处理和发射单元26将该信号和质量度量作为传递信号打包到分组中，其经由地面通信线32由路由器42发送、并且经由网络40发送到接收和发射点的接收和处理单元41。
在一个优选实施例中，分组、以及用于网络40上发送它的路由器42都符合众所周知的网际协议(IP)。在优选实施例中，分组按照众所周知的IP用户数据报文协议(UDP)格式。在优选实施例中，用作到网络的连接的地面通信线32是众所周知的T1线路。网络40可以是任何合适的通信网络，诸如但并不限于公知的因特网或者一些高速、异步数据网络。如果需要更高的安全性，则网络40可以是使用众所周知的加密技术和过程进行加密的任何合适的安全加密、专用WAN。
当传递信号到达与接收和发射单元12相关联的接收和处理单元41时，从分组中提取质量度量。接收和发射单元12可以包括发射机处理器及相关的电路，以及提供期望的功能所需要的任何相关软件，该发射机处理器诸如但并不限于任何合适的、众所周知的数字接收芯片或者卡，相关电路诸如但并不限于众所周知的存储器电路和调制解调器。如果质量度量表明包含在分组中的接收信号比目前存储在接收和处理单元41的接下来要发射缓冲器中的接收信号更好，则将现有的、存储的接收信号替换为新的接收信号。在预定时间窗口的末端，接收和处理单元41将目前存储在其接下来要发射缓冲器中的接收信号传送到适当的发射通道16用于重新发射。将时间窗选为足够长，以允许传递信号分组从所有相关的仅接收点26、通过所有合理的路径到达。原来由在LMR操作区中工作的收发信机发射的接收信号，现在使用接收和发射点12的发射机的更强的传输能力重新发射，以便该重传信号28可以以一个可接收的信号强度由LMR操作区中的所有收发信机24接收。
图3是示出了使用表决器的表决体系的操作的流程图。在步骤46中，在LMR系统操作区内的收发信机开始发射信号。在步骤48中，在LMR系统内的接收机在适当的接收信道上接收发射的信号。然后在步骤50，将这个接收信号传递或者中继到表决器。接收信号到表决器的传递通常是在地面通信线上完成，该地面通信线诸如但不限于众所周知的T1线路。在步骤52，该表决器轮询所有相关的接收机，其通常包括一个接收和发射点和一个或多个仅接收点。当表决器结束轮询并且已经从接收了收发信机发射的信号的所有接收机接收了信号时，表决器继续到确定获得最佳信号的接收机的步骤54。步骤54的确定，例如可以通过考虑信号强度、每个信号的信噪比或者该信号或信号一部分的误码率来完成。
一旦该表决器确定了最佳信号和哪个是相关的最佳接收机，该表决器就继续到步骤58，其中将来自该最佳接收机的接收信号中继到接收和发射点12。在步骤60，该接收和发射点使用现在允许以一个可接收的信号强度由在LMR系统操作区中的所有收发信机接收该发射的信号强度重新发射该接收信号。从仅接收点将接收信号中继到接收和发射点的步骤58通常涉及缓冲该接收信号，以便确保该发射机不非正常运行，即发射机不在全部信号已经被接收之前开始发射。这个缓冲器在LMR系统中引入一个重要的延迟(亦称等待时间)。
图4是示出根据本发明的分布式表决体系的操作的流程图。在步骤46中，LMR系统的操作区中的移动或者便携式收发信机发射信号。在步骤48中，该信号由LMR系统中的一个或多个接收机接收。与每一个获取接收信号的接收机相关的接收机处理器然后确定那个接收的信号的质量度量。在该优选实施例中，质量度量是同步位模式、帧头部位模式，或者该接收信号的其它标准、预定部分的误码率。在步骤64中，接收机将接收信号和质量度量打包到传递信号中。在该优选实施例中，这个传递信号采取众所周知的UDP数据报文或者分组的形式。在步骤66中，接收机经由合适的通信网络和相关联的设备，诸如但并不限于适当的路由器、地面通信线、网络连接和网络链路，将信号发送到接收和发射点。在优选实施例中，网络连接包括众所周知的T1线路，而且通信网络可以是诸如但并不限于公共因特网或者适当安全的WAN之类的网络。
当接收和发射点接收第一个分组，也就是说传递信号时，相关的发射机处理器解包该传递信号并且存取接收的信号和质量度量。该接收信号被存储在接下来要发射的缓冲器中而且质量度量被存储在合适的处理机存储器中。当接收了包含该传递信号的下一个分组时，对那个分组的质量度量进行存取。如果最近的传递信号的质量度量指示比已经存储在接下来要发射的缓冲器中的接收信号更好的接收信号，则在步骤74中用新接收的信号替换现有的接收信号。如果新接收的信号不是更好的，则在步骤74将其丢弃。在步骤76，发射机处理器检测从接收第一个传递信号开始是否已经过去了预定时间窗口。如果已经过去了该时间窗口或者期满，则将目前存储在接下来要发射缓冲器中的信号中继到该接收和发射点的合适的发射通道并且将其发射。定时窗口为允许在RF传播时间和IP WAN传送时间中的差值所必需。该定时窗口允许传递信号分组的异步传送。
在本发明的其它实施例中，在表决中可能有一些滞后，即除非具有好很多误码率的分组到达，否则将自动使用先前选择的只接收点用于以后的数据分组。这个在表决中的滞后允许在远程点选择中一定的连续性。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但是本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离作为整体的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明的结构和元件做出修改。
权利要求
1.一种选择若干个信号中的至少一个用于发射的分布式表决器系统，包括多个接收机，每个接收机包括至少一个能够获取接收信号的接收信道；能够计算所述接收信号的质量度量的接收机处理器和用于产生传递信号的信号发射电路，所述传递信号包括所述接收信号和所述质量度量；多个网络连接，借此将所述多个接收机中的每一个连接到公共通信网络；连接到所述公共通信网络的发射机，所述发射机包括用于从所述多个接收机接收所述传递信号的信号接收电路；能够基于所述质量度量选择所述传递信号之一的发射机处理器；和至少一个发射通道，其能够发射实质上包括所述选择的传递信号中的所述接收信号部分的广播信号。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述传递信号是数字分组。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述数字分组符合用户数据报文协议(UDP)格式。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述质量度量包括所述输入信号误码率的估计，而且其中所述用于选择的装置选择具有最小的所述误码率估计的所述传递信号。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述误码率的估计是使用数据单元同步位来执行的。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述公共通信网络是局域网。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述局域网是高速异步网。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述选择出现在预定时间窗口之内。
9.一种选择若干个信号的至少一个用于发射的分布式表决器方法，包括步骤a)在多个接收点远程接收输入信号；b)在所述多个接收点的每一个，计算所述输入信号的质量度量；c)在所述多个接收点的每一个，把所述输入信号和所述质量度量打包为数据分组；d)从所述多个接收点的每一个，使用公共通信网络将所述数据分组作为传递信号发射到中央控制器；e)在所述中央控制器集中接收多个传递信号；f)基于所述质量度量选择所述传递信号之一；以及，g)发射广播信号，所述广播信号实质上包括所述选择的传递信号中的所述输入信号部分。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述打包的步骤c)还包括，将所述数据分组转换为数字分组的步骤。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述打包的步骤c)还包括，使所述数字分组符合用户数据报文协议(UDP)格式的步骤。
12.如权利要求9所述的系统，其中所述计算质量度量的步骤b)还包括，计算所述输入信号误码率的估计；而且其中所述用于选择的装置选择具有最小的所述误码率估计的所述传递信号。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述计算所述误码率的步骤还包括使用数据单元的同步位的步骤。
14.如权利要求9所述的系统，其中所述使用公共通信网络的步骤还包括使用局域网的步骤。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述使用局域网的步骤还包括使用高速异步网络的步骤。
16.如权利要求9所述的系统，其中所述选择步骤f)还包括在预定时间窗口之后停止选择的步骤。
17.一种选择若干个信号中的至少一个用于传输的分布式表决器系统，包括多个接收机，每个接收机包括用于接收输入信号的装置，用于计算所述接收信号的质量度量的装置和用于产生传递信号的装置，所述传递信号包括所述输入信号和所述质量度量；用于传递所述传递信号的网络装置；以及，发射机，其具有用于接收所述传递信号的装置；用于基于所述质量度量选择所述传递信号之一的装置和用于发射广播信号的装置，该广播信号实质上包括所述选择的传递信号的所述输入信号部分。
18.如权利要求17所述的系统，其中所述传递信号还包括数字分组。
19.如权利要求17所述的系统，其中所述数字分组符合用户数据报文协议(UDP)格式。
20.如权利要求17所述的系统，其中所述质量度量包括所述输入信号的误码率的估计，而且其中所述用于选择的装置选择具有最小的所述误码率估计的所述传递信号。
全文摘要
一种用于在具有中央发射和接收点和一个或多个仅接收点的陆地移动无线电(LMR)系统中使用的分布式网际协议(IP)表决系统和方法。在该分布式表决系统中，使用网络和相关的分组传输协议直接将仅接收点链接到控制点。这可以是诸如标准的IP网络链接的高速异步数据链接。每个远程点接收数字数据，为那个数据计算误码。这个误码计算的结果并入到数据头部信息中。将该数据头部信息和数据放置到IP分组中，并且作为用户数据报文协议(UDP)消息发射到控制点。控制点选择最低比特率的数据消息，或者第一个控制消息，并且使用诸如APCO项目25空中接口协议之类的标准无线电空中接口协议将其转发。
文档编号H04L1/00GK1747358SQ20051008176
公开日2006年3月15日 申请日期2005年4月20日 优先权日2004年4月20日
发明者斯图尔特·扬 申请人:M/A-Com公司