专利名称：无线通信系统中时隙和频率分配的系统和方法
背景移动无线通信系统的用户容量受到信号传输可用频谱宽度的限制。因此，为了使系统容量最大化，希望尽可能以最有效的方式利用可用的频段。
目前正在运行的蜂窝电话系统一般使用一种称之为频分多址(FDMA)的接入技术以允许一个基站与多个移动站通信。在FDMA系统中，每一条通信链路在无线频谱中分配一个唯一的频隙或信道。
较新的系统使用时分多址(TDMA)，特点是通过将一个时间周期划分成多个时隙而使基站与相同频率信道上的多个移动站通信。欧洲GSM标准是使用FDMA和CDMA为移动呼叫分配频率和时隙的系统的一个例子。该系统使用200KHz宽的频率间隔，每个间隔中4.6ms的传输周期被划分成八个560μs的时隙，互相之间存在很短的保护带。
GSM中提供保护带是因为在一个时间周期中基站的传输对所有时隙并不保持恒定的功率，而是基于使用该时隙的移动站与基站的距离来改变每个时隙的功率电平。此外，在使用跳频的传输中，每4.6ms时间周期所使用的频道是变化的，每当功率或频率不连续改变时，提供零发射功率的保护带可以防止频谱扩散到其它频道中。
使用TDMA和FDMA的系统的另一个例子是美国电信工业委员会标准IS54。IS54标准描述了具有30KHz宽时隙的系统，一个基站在每个时隙中使用20ms的传输周期，分成三个6.6ms的时隙，彼此之间无保护带。在这个系统中，基站的传输实际上就是到达三个移动站的时分复用数据的连续传输。在TIA IS54中没有提供保护带是因为没有使用跳频，并且，该系统预计所有时隙中的功率电平将是相同的。
Schaeffer的U.S.专利No.4,866,710描述了一种给移动站分配频率和时隙的方法，目的是在另一个频率上分配时隙之前，给定频率上的所有时隙首先被填充。通过以这种方式优先填充移动站，目前尚未分配时隙的发射机和频率可以完全关闭，以减少干扰。这样将会减少在IS54系统中浪费的容量，这种浪费来源于即使只需要一个时隙时基站也在所有三个时隙上连续发射。但是，要注意的是基站仍然在每个使用的频率上以一个最大功率电平发射，而不管每个特定移动站所需的功率，这比如果考虑每个移动站所需的功率要产生更高的净干扰电平。
内容因此，本发明的一个目的是通过一种更有效的策略实现干扰的降低，该策略甚至当所有时隙都填充时仍起作用。根据本发明的示范方法将移动站分配到与其它需要类似基站发射功率电平的移动站相同频率的时隙上。以这种方式，在给定频道上分配时隙的移动站很可能处于距离基站差不多远的地方。这样基站的发射功率可以选为足够满足该频率上需要最大功率电平的移动站即可。与该频率上其它移动站所需的功率相比，这样就提供了较大的冗余，但尽管如此，与不管功率需要而给移动站分配时隙和频率相比，还是允许了较低的基站功率。因此，每个频道为带有类似基站功率发射需要的一组移动站服务，而基站功率在每个频率信道上可以因此而降低，只要足够用于组内较好的信号传输即可。因此，在每个信道上功率的累积减少将会大大降低系统中的干扰。
根据本发明的示范实施例，当建立与给定基站的第一条移动链路时，基站选择含有最小干扰的频率和时隙。然后向移动站发命令，调整它的功率电平到基站处得到好的接收信号质量的电平为止。移动站再报告从基站接收的信号强度或质量，而且基站选择能在移动站处提供好的信号质量所需的功率电平。
当建立与同一基站的第二条移动链路时，基站估计将发射到那个移动站的功率电平，如果将发射的功率电平接近第一个移动站所使用的，就在同一频率上给第二个移动站分配另一个时隙。如果所需的功率电平稍高于第一个移动站，基站平滑地增加发射功率到较高的电平。如果第二个移动站需要的功率比第一个移动站低很多，就在第二个频率上分配一个时隙。基站然后改变它的功率并命令移动站将功率变到合适的电平以便在两个方向上维持足够的信号质量。
根据示范实施例，当与一个已经存在多个正在进行的通信的基站建立一条新的移动链路时，基站首先估计适于发射到那个移动站的功率电平。这个电平与所有至少具有一个空时隙的频率上正在进行的发射功率电平相比较。当发射功率大于但最接近于所估计的功率时，就在该频率上为移动站分配一个时隙。如果没有一个现有的发射机具有足够高的功率，最高功率的发射就平滑增加到估计新移动站所需的大小上，而且新移动站在该频率上分配一个未用的时隙。
附图的简要描述本发明前述的、以及其它的目的、特性和优点将在结合附图阅读下面的详细描述时得到更容易的理解，其中
图1(a)表示在四个频率上的每个时隙所需的基站功率的示范图样；图1(b)说明常规基站为图1(a)的每个时隙所使用的实际发射功率；图2(a)表示在另一个频率上分配时隙之前给定频率上所有时隙都被填充，这样的方案所需的基站功率图样；图2(b)说明常规基站为图2(a)的每个时隙所使用的实际发射功率；图3(a)表示对于根据本发明分配时隙和频率的移动站，基站功率情况的示范图样；图3(b)说明根据本发明的示范实施例，图3(a)中所说明的时隙的基站发射功率；以及图4表示一个根据本发明的示范网络框图。
详细描述为了完全评价根据本发明的系统和方法，首先提供一个常规系统的更详细的描述。
图1和2说明常规分配方案，藉此基站以最大功率向移动站发射，而不管它们的功率需求。在图1(a)中，移动站被随机指定了频率(F1-F4)和时隙(Ts1-Ts3)。不管每个移动站所需的功率电平，基站在所有时隙上以同一个最大功率电平发射，如图1(b)所示。图2(a)说明了对新移动站分配频率和时隙以便将移动站尽可能集中在几个频率上，目的是不在其它频率上发射。注意频率F1和F2上的所有时隙和F3上三个时隙中的两个已经被填充。但是，在图2(b)中可以看到，根据这种常规方案，所有具有至少一个激活时隙的基站在同一个最大功率电平上发射，而没有激活时隙的那些则关闭。此外，哪一个常规分配方案都不能调整基站发射的功率电平以满足移动站的需要。
图3(a)表示与图1(a)和2(a)中所使用的具有相同功率需求的移动站，根据本发明的示范实施例被分配时隙(Ts)和频率(F)。注意，需要最大功率的三个移动站(1、7和4)被分配到频率F1上的时隙，次高的三个移动站(8、2和5)被分配到频率F2上而需要最低基站发射功率的移动站(6和3)被分配到频率F3，说明很多发射机以低于最大功率发射而没有激活时隙的那些则根本不发射。尽管被关闭的发射机的数目(一个)与图2(b)中相同，但是通过操作那些以降低的功率电平活动的发射机可得到附加的好处。
根据本发明的示范实施例，当建立与给定基站的第一条移动链路时，基站或者随机地选择一个频率和时隙，或者选择得到最小干扰的频率和时隙。通过空中向移动站发出命令将它的电平调整到使基站处的接收信号质量较好所足够的电平处。根据一个实施例，这个功率电平可以仅是足够高到可在基站处提供好的接收信号质量即可。移动站报告从基站接收的信号强度或质量，基站选择足够在移动站提供较好的信号质量的功率电平。这个功率电平仍然可以是仅为满足这个目的即可。
当建立与同一个基站的第二条移动链路时，基站估计发射到那个移动站的功率电平，而且例如，如果在比第一个移动站所用的高6dB到低10dB的范围内，基站就在与第一个移动站相同的频率上给第二个移动站分配另一个时隙，优选的是含最低干扰电平时隙。注意在这点上图3(a)中的每个频率信道F1、F2和F3上的每个移动站有类似的功率要求。例如，如果第二条移动链路所需的功率电平比第一个移动站高0到6dB，那么基站平滑地将发射功率增加到较高的电平。例如，如果第二个移动站需要的功率比第一个移动站低过10dB，或高过6dB，就在第二个频率上分配一个时隙，优选的是含最低干扰电平的时隙。基站随后改变它的功率并命令移动站将功率变到合适的电平，以便刚好在两个方向上维持足够的信号质量，如前所述。
当建立与同一个基站的第三条移动链路时，基站估计发射到第三个移动站所需要的功率。假设前两个移动站已经使用了相同的频率，如果第三个移动站的需求处于，例如，比前两个移动站中较弱的高12dB到比前两个移动站中较强的低12dB的范围内，那么第三个移动站分配同一频率上的另一个时隙而且功率电平将如前述做适当改变。否则，第三个移动站在另一个频率上分配时隙，优选的是具有最低干扰电平的那个。
当与一个已经存在多个正在进行的通信的基站建立一条新的移动链路时，基站首先估计适于发射到那个移动站的功率电平。这个电平与所有至少具有一个空时隙的频率上正在进行的发射功率电平相比较。当发射功率大于但最接近于所估计的功率时，就在该频率上为移动站分配一个时隙。如果不存在具有足够高功率的发射机，最高功率发射就平滑增加到估计新移动站所需的大小上，而且新移动站在该频率上分配一个未用的时隙，优选的是含最低干扰的那个。发射功率电平随后如前述适当地调整。类似地，当在某些频率上的最高功率时隙上的连接服务被拆除后，该时隙变为空闲，那些频率上的发射功率可能急速下降。
图4表示根据本发明的示范网络框图。一个移动交换中心(MSC)40通过地面线路或其它通信链路连接到以号码41、42标识的多个基站站址。每个基站站址包括多个TDMA发射机、接收机和天线。每个发射机和接收机的工作频率可以根据所谓蜂窝制或频率-复用图样来固定，但是优选的是可编程为分配频段内的任何信道。基站站址也可以包含基站控制器43。当需要将实施目前发明所需的智能与MSC一般执行的那些功能分开时，可以提供可选的基站控制器。当MSC 40能够执行所需的功能时，基站控制器43可以简单地作为集线器，在收发机和MSC之间集中通信。
作为另一个选项，可以使用干扰评价接收机44，通过基站控制器提供信息帮助对移动站分配频率和时隙。干扰评价接收机可以是一个扫描接收机、频谱分析仪或多信道装置，用于确定该基站站址每个当前未使用的频率和时隙中的干扰能量电平。这可以通过业务接收机在它们本身频率的未用时隙中的测量来补充。
基站一般也包括呼叫信道发射机和随机接入接收机。呼叫信道发射机向希望建立通信的移动站广播关于基站状态的信息。随机接入接收机，在根据本发明的这个示范实施例对试图建立通信的移动站分配业务信道之前，接收来自该移动站的传输。在IS54系统中，当前呼叫信道是在一个特殊频率上使用连续传输的非TDMA传输。随机接入接收机工作在相应的低45MHz的频率上。呼叫信道广播和随机接入是使用如US AMPS蜂窝系统中的曼彻斯特码频率调制数据传输实现的。以后可能引入一个TDMA呼叫信道，以及一个TDMA随机接入信道。如果TDMA呼叫信道只使用，例如，三个时隙中的一个，而在其它两个中发射业务，那么需要全功率的业务应该指定到呼叫信道频率的其余时隙中，因为呼叫信道一般需要全功率。
可以意识到的是上述MSC和基站控制器的功能可以方便地借助一个或多个微处理器或计算机和适当的软件来实现。处理器或计算机接收请求建立呼叫的移动站发射的数据消息，或者，对于已经存在的通信，报告从基站接收的信号强度或质量电平的数据消息。计算机或处理器也从基站接收机接收数据，该数据提供有关移动站接收的信号强度或质量的信息，以及在未使用的时隙中的干扰电平。
根据本发明的这个示范实施例，计算机处理这些数据，确定与给定的移动站通信的合适的频率和时隙，并发送控制信号到所选的基站发射机-接收机以便它等待移动站信号。计算机产生一条发送到移动站、命令它工作在所选的频率和时隙中的消息。也产生发送到移动站、命令它根据基站接收机处的接收信号强度或质量调整它的功率电平的消息。类似的控制信号也发送到基站发射机，以便控制它的功率电平达到，例如，维持移动站在接收最低质量的频率上所报告的信号质量所必需的最小量。或者，功率电平可以选为比这个最小的必需功率高一些。
当基站与多个移动站保持大量的正在进行的通话时，可能会出现在移动站之间改变频率和时隙分配的理由，甚至当没有旧呼叫结束而且没有新呼叫开始时也是如此。由于移动站的运动，以前需要高功率的移动站现在可能用较低的基站功率就能满足，反之亦然。一个重新调整频率和时隙分配的简单的系统化的方式是网络维护一个正在进行的通话的列表，按照从移动站接收的信号强度排序，或者，更精确地，按照基站和移动站之间的无线传播损耗来排序。无线传播损耗可以从接收信号强度和原先移动站被命令采用的功率电平的知识来计算得到。在这个值上的第二个检验可以从移动站报告回来的信号质量和网络正在对其发射的发射机功率的知识中计算出来。所有这样的信息可以被利用并在几秒的周期上做平均以得到传播损耗的平滑估计。
使用排序的列表，网络在它能力的最大限度上保证列表中前三个移动站分配最高功率载波频率上的时隙；列表中次三个移动站分配次最强载波频率上的时隙，依次类推。如果数字控制信道被占用而且在最强的载波上发射，那么列表中的前两个移动站分配同一个载波，下三个为第二最强载波，依次类推。如果需要，网络可以在两个载波之间交换两个移动站以实现这个目的。例如，如果载波B上的最高功率移动站X，由于相对运动，现在具有与较强载波A上的最低功率移动站Y相比更强的功率需求，那么通过向它们发出切换命令引起X和Y改变频率和时隙分配。这种在同一基站区域内的切换称之为“内部切换”，而且只为了实现更佳的频率/时隙填充、以最小化所产生的邻区基站干扰而进行的。
上面已经指出，如果在载波功率和列表中下一个移动站所需的功率之间存在较大的dB差别(例如，＞10dB)，则可能需要一个填充法则的例外。可能需要将那个移动站与列表中其下相邻的两个移动站一起分配到较低的功率载波。这在未分配的时隙上显然产生不必要的较高功率传输，但是这种背离绝对最紧密填充算法的做法带有好处，几个未占用的时隙分散到整个信号强度范围中，因此可用于分配给新的呼叫，而不是首先打乱大量正在进行的通话。它甚至可以作为一个故意的策略而采用，根据系统的负荷，在传播损耗范围内每15dB左右留下一个“洞”，以能够更快地容纳新的呼叫。如果因为“洞”之间这种粗糙的功率阶梯，移动站必需分配到一个不必要载波的一个“洞”中，可以通过在较慢的时间尺度上进行的系统化重排序程序来纠正。这样一个连续的重排序程序也处理移动呼叫结束事件。原则上，功率/传播损耗列表中所有低于它的移动站可以上移，结果三个中最高的可能收到进入下一个最高功率载波的内部切换。但是这不必都是立刻发生的，而是逐渐的。切换的速率可以受限制，使得没有移动站会比，例如，大概每十秒一次，更频繁地接收到切换。例如如果一个移动站在上个十秒内接收到内部转换或切换，则它不会成为切换的候选者直到十秒钟过去。当给定载波三个时隙上的三个移动站中最强的结束呼叫时，载波的功率当然可以下调到其余两个中较强的，因此减少了所产生的干扰电平。
上述的示范实施例在所有方面都是用于说明、而不是限制本发明的。因此本发明容许在具体实施中的很多变动，它们可以由本领域的技术人员从这里所包括的描述中得到。所有这样的改变和修改都认为是在如下权利要求所定义的本发明的范围和精神之内。
权利要求
1.一个时分多址无线通信系统包括传输通信信号的多个频道；每个频道上的多个时隙；多个第一站，在该频道和时隙上发射和接收通信信号；以及至少一个第二站，将第一频道上的时隙指定给使用最高发射机功率电平的第一站并将第二频道上的时隙指定给使用比上述最高发射机功率电平低的发射机功率电平的第一站。
2.按照权利要求1的一个时分多址无线通信系统，还包括将至少一个第二站在每个频道上发射的功率调整到与相同频道上每个第一站通信所必需的最小功率电平的装置。
3.按照权利要求1的一个时分多址无线通信系统，还包括关闭所有时隙目前都未分配给第一站的频道的装置。
4.一个时分多址无线通信系统包括多个可用于传输通信信号的频道；每个频道上的多个时隙；多个第一站，在该频道和时隙上发射和接收通信信号；以及至少一个第二站，将第一站排序组成需要类似发射功率的组并给每个组分配一个唯一的频率以及对每个组内的每个第一站分配一个唯一的时隙。
5.按照权利要求4的一个时分多址无线通信系统，还包括将所有时隙都未分配给第一站的频道关闭的装置。
6.一个时分多址无线通信系统包括可用于传输通信信号的多个频道；每个频道上的多个时隙；多个第一站，在该频道和时隙上发射和接收通信信号；以及至少一个第二站，包括多个发射机和一个天线系统，向第一站发射通信信号；多个接收机，从第一站接收通信信号；一个呼叫信道发射机，向第一站发射信道分配消息；一个随机接入接收机，从第一站接收随机接入消息并测量随机接入消息的质量和信号强度；一个基站控制器，从随机接入接收机接收随机接入消息、随机接入消息质量、以及随机接入消息信号强度，并基于随机接入消息、随机接入消息质量、和随机接入消息信号强度估计与第一站通信所必需的发射功率，基于估计的发射功率为第二站选择一个具有未分配时隙的频道；组一个信道分配消息；并通过呼叫信道发射机发送该信道指定消息到第二站。
7.按照权利要求6的一个时分多址无线通信系统，其特征在于，基站控制器还包括将一个所有时隙目前都未分配的频道的功率电平调整到估计第一站所需的发射功率电平的装置。
8.按照权利要求6的一个时分多址无线通信系统，其特征在于，基站控制器还包括为第一站分配频道上的一个时隙的装置，该频道以大于、但最接近于、所估计的该第一站的发射功率的功率发射。
9.按照权利要求6的一个时分多址无线通信系统，其特征在于，基站控制器还包括为第一站分配频道上的一个时隙的装置，当估计的该第一站发射功率大于每个频道的发射功率时，该频道具有最高的发射功率。
10.按照权利要求9的一个时分多址无线通信系统，其特征在于，基站控制器还包括平滑增加具有最高发射功率的频道的发射功率到所估计的第一站的发射功率的装置。
11.按照权利要求6的一个时分多址无线通信系统，还包括将所有时隙目前都未分配给第一站的频道上的发射机关闭的装置。
12.按照权利要求6的一个时分多址无线通信系统，还包括确定频道上每个未分配时隙内干扰电平并为第一站分配具有最低干扰电平的频道上的时隙的装置。
13.在一个时分多址无线通信系统中，一个方法包括如下步骤将相同频道上的时隙分配给需要类似发射功率的远端站，以及将不同频道上的时隙分配给需要不同发射功率的远端站。
14.按照权利要求13分配时隙的方法，还包括如下步骤将每个频道的发射功率选为与使用该信道的每个远端站通信所需的最小功率。
15.按照权利要求14分配时隙的方法，还包括如下步骤关闭目前没有被分配的时隙的频率。
16.按照权利要求13的方法还包括如下步骤关闭目前没有被分配的时隙的频率。
17.按照权利要求13的方法还包括如下步骤对每组具有类似功率需求的远端站分配一个唯一频率。
18.在无线通信系统中分配时隙和频率的方法包括如下步骤将多个具有最高的所需发射功率的远端站组成第一组；将多个、每个都具有比上述第一组多个远端站中任意一个低的所需发射功率的远端站组成第二组；为所述第一组多个远端站中每一个分配第一频率上的一个时隙；以及对所述第二组远端站中每一个分配第二频率上的一个时隙。
19.按照权利要求18的方法，还包括如下步骤在所述第一频率上以所述第一组多个远端站的最高所需功率电平发射。
20.按照权利要求18的方法，还包括如下步骤在所述第二频率上以所述第二组多个远端站的最高所需功率电平发射。
21.按照权利要求18的方法，还包括如下步骤基于其它远端站的相对发射功率需求继续对其分组。
22.按照权利要求18的方法，还包括如下步骤关闭没有远端站分配给它的频率。
23.按照权利要求18的方法，其特征在于，所述分配步骤还包括如下步骤基于预测干扰在所述频率中分配时隙。
24.优化在一个基站和多个远端站之间支持双向无线通信的时隙和频率分配的方法包括从上述基站向上述远端站发送命令，令其使用一个较高或较低的发射功率电平以便维持上述基站处所需的信号质量；基于接收到的信号强度和所命令的功率电平，在每个上述远端站和上述基站之间持续估计路径损耗；根据上述路径损耗值将上述远端站排为按顺序的列表；以及将上述列表中相邻的远端站组成组，以便在同一频率上使用时隙。
25.按照权利要求24的方法，其特征在于，所述基站在每个频率上使用一个发射功率，该功率足够用于使用具有最高路径损耗值的频率的远端站。
26.按照权利要求24的方法，其特征在于，在所述列表中以一定间隔插入空远端站，以便为接受新呼叫产生自由的时隙/频率组合。
27.按照权利要求25的方法，其特征在于，当与具有最高路径损耗的远端站的通信结束时，所述发射功率被下调。
全文摘要
揭示了在几个频率信道上使用时分多址(TDMA)的无线通信系统。当与邻近移动站通信时，基站的发射功率可以降低，同时仍然允许基站在一个频率信道的所有时隙中使用恒定的发射功率。
文档编号H04B7/26GK1157087SQ95194869
公开日1997年8月13日 申请日期1995年8月25日 优先权日1994年9月1日
发明者P·W·登特 申请人:艾利森公司