专利名称：同步通信系统中语音间隙期间传输数据的方法
技术领域：
本发明涉及卫星通信，特别针对利用语音上行信道在语音间隙期间进行数据报的传输。
无线通信利用频谱作为每个用户的通信信道。另外当要传送大量数据时，每条信道作为连接线，在通信开始前，连接就被从源至目标设置好。
无线定向连接服务对于传送大量数据是很有用的，设立和撤销连接需要许多额外开销，而且设立和撤销一个连接的费用很高。还有，在一个无线通信系统中频谱是不充足的资源，为每个用户建立单独通信信道的做法并没有对频谱加以有效利用。
当传送一组短的数据时，为了解决连接问题，利用了无连接服务。无连接服务为并没有从源至目标建立独立或专用连接而进行的短信息传送提供了方便。
以往，定向连接和无连接通信不能在同一信道内混合使用。因而在一个无线通信系统中需要的是在同一信道上同时支持定向连接和无连接服务的一种方法，这样能够更有效地利用信道。
同时，在一个无线通信系统中需要的是，通过一条为另一个用户建立的信道传送一组短的数据，并且不是在数据组传输之前建立从源至目标的连接，而是在数据组传输之时路由该数据组。
本发明的特殊性在所附的权利要求中指出。通过下文的详细描述以及所附图表，本发明的其它特点会更加清晰，发明本身将会更易理解。
图1、描述了一个高度概括的卫星通信系统图，本发明构成了其中的一个组成部分。
图2、描述了根据本发明的一个最佳实施例的卫星、语音用户单元、数据用户单元和入口之间的通信路径。
图3、显示了根据本发明的一个最佳实施例的数据用户单元在语音间隙期间传输数据的整个过程的流程图。
图1显示了一个高度概括的卫星通信系统10的图例，它利用占据轨道14的轨道卫星12分散在地球上空及围绕在地球周围。本发明适用于包含近地和中地轨道卫星的通信系统。此外，它适用于任何仰角的轨道(例如，极地轨道、赤道轨道或其它轨道形式)。
通信系统10使用六条极地轨道14，每一条轨道14上有十一颗卫星12，共有六十六颗卫星12。尽管这里这样建议，这并不是必须的，因为数量比这多或少的卫星和轨道都可能被用到。本发明在使用大数量的卫星时很便利，同样也适用于仅有一颗卫星的情况。要指明的是，图1中只图示了星座中的几颗卫星。
尽管或高或低的轨道高度都能有效使用，这里举例每条轨道14以785km的高度环绕地球。任一时刻，对于低轨道卫星12，大量视线(life-of-sight)电磁发射(例如电波、光等)从任意一颗卫星12传输出去或任意一颗卫星12接收信号，都只能覆盖地面上与卫星相应的小面积。如例所示，卫星12以相对于地球25000km/hr的速度运行，那么大约9分钟的一段时间内在地面站或VSUs26可以见到卫星12。
卫星12与地面站通信，地面站包括一些无线通信语音用户单元(VSUs)26和连接到系统控制段(SCS)28上的地面终端(ETs)24。ETs24同样可以连接到入口(GWs)22，通过这些入口可进入公共交换电话网(PSTN)或其它通信设施。为了清晰易懂，图1中只分别各画了一个入口22、SCS28和VSU26。ETs24可以与SCS28或GW22放置于同一处，也可分别在不同的地方。与SCSs28关联的ETs24接收描述卫星12和GW22状态的数据，并转发成组的控制信息。与GWs22联系的ETs24主要是接收和转发成组报文，这些成组报文与来自/到达VSUs26或卫星12过程中的呼叫有关。
VSUs26可被放置在地面或上空任一地方。VSUs26是非常好的通讯设备，既能够向卫星12传输数据又能从卫星12接收数据。以本例的形式，VSUs26可是手持式适于与卫星12通信的轻便蜂窝式电话。通常，VSUs26不需对通信系统10有任何控制功能。
通信系统10可容纳任何VSUs26的数目，可能有上百万个。在本发明最佳实施例当中，VSUs26通过用户线路16与附近的卫星12通信。线路16含有一个有限部分，就是被分为许多信道的电磁频谱。线路16最好是L-频带和/或K-频带频道的组合系统，线路16可包含频分多路访问(FDMA)和/或时分多路访问(TDMA)和/或代码分割多路访问(CDMA)通信或其组合通信。卫星12最少要通过一条或多条广播信道18进行定期传送。VSUs26与广播信道18同步，它通过对广播信道18的监控来发现发来的数据信息。VSUs26可以通过一条或多条采集信道19向卫星12传输信息。广播信道18和采集信道19并非为哪一个VSU26专用，而是能被当前卫星12所覆盖的所有VSUs26共享。
另一方面，业务信道17是双向信道，它时常由卫星12分配给特殊的VSUs26。在本发明的最佳实施例中，使用数字格式进行信道17-19上的数据通信，并且业务信道17支持实时通信。每个通话至少分配有一个业务信道17，每个业务信道17都有足够的带宽支持至少两方的语音通话。为了支持实时通信，需要利用时分多路访问(TDMA)系统把时间分割为许多帧，范围最好在10-90毫秒。特殊的业务信道17被分配给特殊的传输和接收时隙，每帧的范围最好在3-10毫秒之内。模拟的声音信号先被数字化，这样在指定的时隙中，一整帧信号就放在一简短的高速字符组中被传送或接收。最好每个卫星12支持一共一千或更多的业务信道17，这样每个卫星可以同时服务于许多各自独立的通话。熟悉工艺的人会发现，业务信道的建立可以没有这种时隙结构，也可以实行那些并不要求将模拟声音信号数字化的方法。建立信道的准确方法及语音通信的过程对于本发明来讲并不重要。
卫星12通过交叉线路23与附近的卫星12通信。至此，从位于地面或地面附近任一点一个的VSU26的通话或通信，可以经由卫星12构成的星座到达允许范围内的地球上的任一点。一次通信可以从卫星12利用用户线路16到达一个位于地面或地面附近的VSU26。另一种情况是，众多的ETs24----图1中只图示出两个，其中任何一个通过地面线路15接收到达的信息或发送一个信息。ETs24通常根据地理界限分布在地面。在最佳实施例中，每个卫星12在任一给定时刻都可与最多四个ETs24和一千个以上VSUs26通信。
SCS28监控着通信节点(例如GWs22，ETs24和卫星12)的正常运转和状态，并且管理着通信系统10的操作。一个或多个ETs24在SCS 28和卫星12间提供基本的通信接口。ETs24包括天线和射频收发器，它最好为卫星12的整个星座实现遥测、跟踪和控制功能。
GWs22在与卫星12的连接中实现通话的功能，或者由它在通信系统10中专门控制通话的处理以及通话容量的分配。有多种地面通信系统，例如PSTN，允许通信系统10通过GWs22进入其中。
本例中，由六十六颗卫星12组成的星座里，在所有时间内从地面上任一点，至少要能见到一颗卫星12，这样才能足以覆盖地球表面。任一卫星12与任一VSU26或ET24，以直接或间接的方式，在任何时刻都可通过卫星12组成的星座路由数据进行数据通信。相应地，通信系统10在任意两个VSUs26之间、SCS28与GW22之间、任意两个GWs22之间和VSU26与GW22之间建立了通信路径，用于通过由卫星12组成的星座来转发数据。
本发明还适用于卫星星座并未覆盖全球的情况(例如星座提供的通信覆盖有漏洞)，以及星座中有多重覆盖地面的情况(例如地面上可见到多于一个的卫星)。
通常形式下，通信系统10被看作一个有多个节点的网络，每个卫星12，GW22和VSU26代表通信系统10的一个节点。通信系统10的所有节点都是或可能是通过通信线路15、16和/或23与通信系统10的其它节点进行数据通信。另外，通信系统10的所有节点与其它分布于全世界的电话设施进行数据通信，都是或可能是通过PSTN，和/或经过传统地面基站连接到PSTN上的传统地面蜂窝式电话设备。
图2显示了依照本发明最佳实施例的一个典型通信路径，它建立在卫星，语音用户单元，数据用户单元和入口之间。在最佳实施例中，拥有VSU26的一个用户通过对广播信道18进行监控，第一步确定通信服务是否有效，第二步确定频谱和采集信道19是否有效。
然后VSU26精选通信参数，例如同步TDMA通信系统固有的时间参数和传输频率偏移，这里的传输频率偏移是由高速轨道基站如卫星12产生的多普勒频率引入的。卫星12计算由VSU26选定的通信参数并提供反馈用于在广播信道18中精选时间和频率参数。VSU26调整接下来的采集信道19(图1)中的传输，直到卫星12确定通信参数已充分精选，可以在窄带宽的业务信道17上无干扰地操作。
卫星12通过交叉连线23和地面连线15，与入口22协调，一起建立了VSU26用户所要求的从VSU26到终端一方的连接。这个点对点的连接过程要求在通信时间段之内单独占用从VSU26到终端的资源。当通信段时间比上述建立过程长很多时，单独占用资源来建立连接是能够保证的。然而，当通信时间段是相对建立连接要求的时间的一部分或小的比例时，并没有足够有效地利用通信资源。
图2中，显示了一个数据用户单元(DSU)31。DSUs31是非实时的设备，用于收集和转发小量数据，通常指数据报。DSUs31可以是传感器设备的一部分，它用于收集传感数据以便定期传递，DSUs31还可以是不要求对数据报的指定接收器立即产生响应的通讯设备。而且，VSU26与DSU31可以综合为一个单元。一个DSU31可以监控广播信道18，并且如上文所述对业务信道17进行繁杂的操纵，然而，对于相对小量的数据来说，除了不能满足对数据报接收器实时响应的要求外，建立一个专用业务信道也并没有充分利用通信资源。
兼容通信参数区60定义了一个区域，在这个区域中DSU31和VSU26可使用等效的通信参数，传播时间补偿及多普勒频率偏移，以便在业务信道17进行无干扰地操作。VSU’s26在上行业务信道54上的传输同样也通过上行业务信道54’传送到DSU31。DSU31监控到达它的这些信号连同通过广播信道18’到达它的信号，作出判定，确认它们落在兼容通信参数区60之内。
对于位于兼容区之外的DSUs，例如DSU31’，为了无干扰地操作卫星12，VSU26需要对通信参数进行修改。DSU31’通过对广播信道18”和上行业务信道54”的监控来确认它本身具有不同的传播特性，例如延时和多普勒频率，它们将使用VSU26的通信参数的DSU31’的传输置于干扰状态下。这一状态可能是相邻时隙重叠，或是由于VSU26和DSU31’之间多谱勒频率不同而带来的频率干扰。
VSU26对语音信号数字化，在分配的时隙内把数字式语音以简短的高速字符组的形式在上行业务信道54中传输。语音对话由于某些原因有其固有的非周期性，例如一方的一个长时间交谈，用户处理、评估和产生一个回答所需的时间，或是通过一个系统通信时所用的传播时间。这个非周期性产生了“语音间隙”，这时在上行业务信道54上VSU26没有传输语音数据包。
DSU31监控着VSU26，发现这些语音间隙，这时上行业务信道54’成为空闲状态。DSU31在监控VSU26的同时，期待着空闲帧，并且标记地址并封装好数据报。一旦DSU31发现了语音间隙，DSU31利用前面检测时VSU26的时间和频率通信参数，通过数据报上行业务信道37传输数据报。
卫星12在与VSU26协商的没有时间和频率干扰的间隙中接收数据报。卫星12检查地址部分，发现这些数据报不是发自VSU26的数字化语音包。卫星12并不丢弃这些数据报，而是将其送往最近的入口22，目的在于检查和送往指定地址。这次运送可以包括在附加地址协议下给数据报打包，并且为了传递又把数据报送回卫星组成的星座；还可能由入口22利用地面网进行数据报传递。另外，卫星12可能足以进行复杂操作，它可对数据报最终定位而无需入口的立即响应。
当DSU31在数据报上行业务信道37上，以同VSU26的数字化语音传输相符的形式进行数据报传输时，卫星12上可以有同时的数据包的干扰。对话中语音包的破坏通常没有重大影响，因为丢失了片断的语音通常能由听者重新组成语言。如果听者不能听懂破坏了的语音数据，他只会简单地要求对方重复一遍。而如果一个数据报损坏，DSU31不会知道。在最佳实施例中，卫星12接收有效的数据报时利用广播信道18’，把有地址标记的回答信息传送给DSU31。如果DSU31没有收到回答信息，处理返回图3中任务102。
用户使用数据报的典型情况是传送适时的数据，即能在一个时间带中到达的数据。当一个VSU26初始化通信并在数据报的时间传送带内建立一条业务信道17时，然后DSU31就可以传递适时的数据报。如果能够由VSU26进行的通信被延迟或很少存在，DSU31会求助于其它技术来传送数据报。在最佳实施例中，DSU31含有一个定时器，它允许等待或监控以便进行一条业务信道的初始化。如果该定时器计满而没有定位到一条能用的相邻业务信道，DSU31如前所述启动一个连接进程以建立一个专用的业务信道17，该信道17允许DSU31进行适时数据报的传递。
图3显示了一个流程图，它依照本发明最佳实施例，显示了一个数据用户单元在语音间隙中传输数据报的过程。任务102使DSU31与卫星12的广播信道18’同步。监控广播信道18’为DSU31提供定期的卫星传输基准。
任务104监控VSU’s26的上行业务信道频谱，以确定附近是否有正在传输中的VSU。DSU31可以采用例如电源电平分析的方法或对已知的上行业务信道54进行频谱扫描的方法。频谱分析的技术已经广为人知，所以本发明中不再叙述。
查询任务106确定DSU31是否定位了一个正在运行的VSU26.当查询任务106没有定位正运行的VSU时，DSU31进行查询任务108。查询任务108检查传输数据任务的紧迫性。若查询任务108确认传输数据报不需立即进行便返回到任务102重复这一过程。
当查询任务108确认必须立即传送数据报时，执行任务110，DSU31依照前文所说的为VSU26建立线路的步骤，建立起一条专用的通信线路。
当查询任务106发现了一个附近正在运行的VSU26，(也就是说，DSU31发现上行业务信道54’已经存在)，DSU31执行任务112。在任务112中，DSU31除了要先在任务102中与广播信道18’同步，还要在VSU26进行的传输中与上行业务信道54’同步。尽管VSU26在上行业务信道54上的传输可能是不定期的，但与广播信道18’同步时，VSU26用来传送数字化语音字符组的传输时机就会很容易得知。
查询任务114检查上行业务信道54’与广播信道18’之间的定时关系，确认DSU31是否位于由兼容通信参数区60确定的区域内，在该区域中VSU26显示的通信参数有助于DSU31在传输数据报时使用；或者确认DSU’s31的位置是否如图2中所示的DSU31’一样在兼容区之外。如果查询任务114确认VSU26使用的通信参数与DSU31所处的位置不兼容，处理过程转移到查询任务108去确认数据报是否需要立即发送。
当查询任务114确认VSU26使用的通信参数也可以被DSU31使用时，执行查询任务116。在查询任务116中，DSU31检测上行业务信道54’来确认是否有语音间隙。如果没有语音间隙则回到查询任务108去确认数据报是否需要立即发送，那就需要如前文所述建立专用的通信线路。如果该数据报并非急于要发送，处理过程转回任务102继续检查当前的上行业务信道54’，并且通过其它的检测任务来保证与产生的通信参数的连续的兼容性。
当发现了语音间隙时，执行任务118，在任务118中DSU31利用兼容的通信参数，使用数据报上行业务信道37传输正确标记了地址和封装了的数据报。
在查询任务120中，DSU31监控广播信道18’，确认是否收到了来自卫星12的应答信息，该应答信息表示卫星12成功地接收了数据报。若DSU31未收到应答信息，处理过程要转回到任务102来探测下一个能传送数据报的机会。数据报的处理随之停止，直到DSU31产生并放入另一个数据报并在通信系统10中传递。
总之，本发明提供了一个方法，它在语音信道的语音间隙中把数据报放入从而把数据报放入使用一个已建立的通信信道的通信系统。一个数据用户单元覆盖了一个语音用户单元，而且从语音用户单元那里“学习”有效的通信参数。直到语音传输有了间隙时，数据用户单元把数据报放入通信系统。通信系统或者把数据报直接送入一个更复杂的节点网络，或者在传送数据报前做地址处理进行间接传送。
当仅有小量数据要传输时，本发明消除了对经复杂处理才能建成的连接的需要。本发明上述描述参考的是最佳实施例。当然，内行人会发现可以在不背离本发明的范围内对这些最佳实施例进行改动或改进。例如，基站不必是轨道卫星而可以是使用与上面的讨论相同的处理过程的地面站。另一些人可以设计出替换的处理过程来完成这里描述的相同的功能。这样或那样的改动和改进对于内行人将是很显然的，这都包括在本发明内。
权利要求
1.一种在通信系统中操作数据报服务的方法，该系统中的数据用户单元利用已建立的业务信道把数据报引入上述通信系统，上述方法的特征在于以下几步在上述通信系统中产生要传送的数据报；利用上述已建成的业务信道获得要用的兼容通信参数；利用兼容通信参数把数据报引入上述通信系统；通过上述通信系统传递上述数据报。
2.权利要求1中所述的获得兼容通信参数的步骤，它的特征在于以下几步搜寻一个已建成的业务信道；监视上述业务信道；使上述数据用户单元与上述已建成的业务信道的通信参数同步。
3.权利要求2中所述的获得兼容通信参数的步骤，它进一步的特征在于以下几步在上述搜寻步骤之前先监视一个广播信道；使上述数据用户单元与上述广播信道同步；接着上述同步步骤，把上述广播信道与上述已建成的业务信道的通信参数相比较，确认上述通信参数是否是兼容通信参数。
4.权利要求1中所述的引入数据报的步骤，它进一步的特征是为找到语音间隙，监视上述已建成的业务信道，上述语音间隙允许上述数据用户单元无干扰地把上述数据报引入上述通信系统。
5一个通信系统中传输数据报的方法，它是在上述语音用户单元和上述基站之间已建成的语音信道内，在语音间隙进行从数据用户单元到基站的传输，该方法的特征在于以下几步在上述数据用户单元中，监视从上述语音用户单元经由上述已建立的语音信道到上述基站的语音传输；使上述数据用户单元来自与上述语音用户单元的语音传输同步；在上述已建成的语音信道上的上述语音间隙期间内，通过上述已建成而语音信道，从上述数据用户单元到上述基站传输上述数据报；在上述基站接收上述数据报。
6.权利要求5中所述的方法，它进一步的特征在于在上述接收步骤之后，从上述基站向地面控制站传输上述数据报，由上述地面控制站确定上述数据报的路径。
7.在通信系统中操作数据用户单元，利用已建成的业务通信信道将数据报引入上述通信系统的方法，上述方法的特征在于以下几步在上述通信系统中产生要传送的数据报；利用上述已建成的业务信道获得要用的兼容通信参数；利用上述兼容通信参数把上述数据报引入上述通信系统。
8.权利要求7中所述的获得兼容通信参数的步骤，它的特征在于以下几步搜寻一个已建成的业务信道；检测该业务信道；使上述数据用户单元与上述已建立的业务信道的通信参数同步；
9.权利要求8中所述的获得兼容通信参数的步骤，它进一步的特征在于以下几步在上述搜寻步骤之前先监视一个广播信道；使上述数据用户单元与上述广播信道同步；接着把上述广播信道与上述已建成的业务信道的通信参数相比较，确认上述通信参数是否是兼容通信参数。
10.权利要求7中所述的引入数据报的步骤，它进一步的特征在于为找到语音间隙，监视上述已建成的业务信道，上述语音间隙允许上述数据用户单元无干扰地把上述数据报引入上述通信系统。
全文摘要
一个通信系统，它含有诸如卫星这样的动态节点，它要求严格限制的通信参数，例如定时和频率。一个语音用户单元通过协商通信参数来建立一个业务信道。语音用户单元的用户在通信中产生了固有的语音间隙。一个数据用户单元有通过通信系统传送的数据报。数据用户单元并没有为传递数据报建立专用业务信道，而是通过监视一个正在运行的语音用户单元，确认语音用户单元与数据用户单元所使用的通信参数是否兼容。
文档编号H04J3/17GK1148761SQ9610927
公开日1997年4月30日 申请日期1996年8月1日 优先权日1995年8月2日
发明者戴维·G·利珀, 小拉尔夫·C·格雷格, 基思·安德鲁·奥尔兹 申请人:摩托罗拉公司