专利名称：用于无线通信系统的高穿透性传输方法
背景技术：
本发明主要涉及无线通信系统，更具体而言是涉及在非理想条件下通过无线通信信号可靠地发送字符消息的系统和方法。
参照附
图1，图中所示是一个典型的蜂窝移动无线通信系统。这种典型的系统包括一些类似于基站110的基站和一些类似于移动台120的移动单元或台。使用这些设施或其替代物可进行语音和/或数据通信。基站包括一个控制和处理单元130，它连接到与公用交换电话网(未画)相连的MSC(移动交换中心)140。
基站110为一个小区服务，它包括由在控制和处理单元130控制下的语音信道收发器150处理的多个语音信道。同样，每个基站包括一个可以处理多个控制信道的控制信道收发器160。控制信道收发器160受控制和处理单元130控制。控制信道收发器160在基站或小区的控制信道上向被锁定在此控制信道上的移动台广播控制信息。语音信道收发器在语音信道上广播包括数字控制信道位置信息在内的业务信息。
当移动台120首次进入空闲状态时，它周期性地扫描如基站110那样的基站的控制信道以寻找到指向移动台120的寻呼脉冲的存在。寻呼脉冲通知移动台120锁定在或移动到哪个小区。移动台120用它的语音和控制信道收发器170接收在控制信道上广播的绝对和相对信息。然后，处理单元180评估收到的包括候选小区特性的控制信道信息并决定移动台应锁定到哪个小区。收到的控制信道信息不仅包括与该小区相关的绝对信息，还包括与有关相连的小区邻近的其它小区的相对信息。在监视主控制信道的同时还周期性地扫描这些邻近小区以决定是否有更合适的候选信道。有关移动台和基站实现方案的具体信息可在美国专利申请07/967,027、(题为“多模式信号处理”、由P.Dent和B.Ekelund在1992年10月27日提交)中找到，现将其完整地引用于此以供参考。在卫星移动无线通信系统中基站可被一个或多个卫星所代替。
为增加无线通信系统容量，可运用数字通信和多址接入技术如频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)等。这些多址接入技术的目的是以某种方式将来自不同源的信号汇总到一个公共的传输介质，并在目的地能将不同的信道无干扰地分离出来。在FDMA系统中，用户在频域共享无线频率。每个用户在一次通话中被分配频带的一部分以供使用。在TDMA系统中，用户在时域共享无线频率。每个无线信道或载波频率被分成一系列时隙，各个用户被分配一个时隙，在此时隙期间用户可使用分配给系统的整个频带(宽带TDMA)或频带的仅仅一部分(窄带TDMA)。每个时隙包含来自一数据源如语音通话的数字编码部分的信息的一个“脉冲串”。时隙被组成连续的具有固定时长的TDMA帧。每个TDMA帧的时隙数与能同时共享无线信道的不同用户的数目有关。如果一个TDMA帧的每个时隙被指定给一个不同的用户，则TDMA帧的时长是分配给同一用户的连续时隙之间时长的最小量。CDMA结合了FDMA和TDMA。在CDMA系统中，每个用户被分配一个唯一的伪随机用户码以唯一地访问该频率时间域。CDMA技术的例子包括扩展频谱和频率(frequency hopping)。
在TDMA系统中，被分配给同一用户的连续时隙(它们一般不是无线载波上的连续时隙)组成了用户的数字业务信道，该信道被认为是分配给用户的逻辑信道。TDMA信道的组织(以GSM标准为例)如图2所示。TDMA信道包括业务信道TCH和信令信道SC。TCH信道包括发送语音和/或数据信号的全速率和半速率信道。信令信道SC在移动台和卫星(或基站)间传送信令信息。信令信道SC包括三种控制信道广播控制信道(BCCHs)、多个用户共享的公共控制信道(CCCHs)、以及分配给单个用户的专用控制信道(DCCHs)。BCCH一般包括一频率校正信道(FCH)和一同步信道(SCH)，它们都是下行信道。公共控制信道(CCCHs)包括下行寻呼(PCH)和接入许可(AGCH)信道，还有上行随机接入信道(RACH)。专用控制信道DCCH包括一快速联系控制信道(FACCH)和一慢速联系控制信道(SACCH)，以及一独立专用控制信道(SDCCH)。慢速联系控制信道被分配给业务(语音或数据)信道或独立专用控制信道(SDCCH)。SACCH信道给移动台提供功率和帧调整以及控制信息。
广播控制信道的频率校正信道FCH携带着使移动台准确地调谐到基站的信息。广播控制信道的同步信道SCH向移动台提供帧同步数据。
随机接入信道RACH被移动台用来请求接入系统。RACH逻辑信道是一单向上行信道(从移动台到基站或卫星)，并被分开的各移动台共享(一般系统中即使在重负荷期间每个小区有一个RACH就足够了)。移动台连续监视RACH信道的状态以判断信道是忙或闲。如果RACH信道闲，希望接入的移动台在RACH上向基站或卫星送出它的移动台识别号以及要接通的电话号码。MSC从基站或卫星收到这一信息后给该移动台分配一空闲的语音信道，并通过基站或卫星将信道标识发送给移动台以使移动台能自己调谐到新的信道上。RACH上行信道上的所有时隙都被用于移动台接收请求，或者基于争用或者基于预留。基于预留的接入可在美国专利申请08/140,467(题为“移动无线系统中有效移动接入的方法”1993年10月25日提交)中找到，现将其完整地引用在此以供参考。RACH操作的一个重要特性是需要接收到一些下行信息，从而使移动台能收到它们在上行链路送出的每一脉冲的实时反馈。这就是所谓的RACH上的第二层ARQ或自动重复请求。下行信息最好包括22个比特，它可被认为用来在下行链路中携带与上行有关的第二层信息的另一下行子信道。这一信息流(它也被称作共享信道反馈)增加了RACH的吞吐量，使移动台能快速判断任一接入请求的任一脉冲串是否都被成功接收。如图2所示，此下行信息在AGCH信道上传送。
TDMA系统中信号的发送是以缓存和突发或非连续方式发生的每个移动台只以所分配的移动台频率的TDMA帧中在指定给它的时隙发送或接收。例如，在全速率时，一移动台可能在时隙1发送，时隙2接收，时隙3空闲，时隙4发送，时隙5接收，时隙6空闲，接着在后继TDMA帧中重复循环。移动台(它可能是电池供电的)能在既不发送又不接收的时隙中关掉(或睡眠)以节省电力。
为提高移动性和便携性，无线通信用户更倾向于喜欢有一体积较小、全方向(从而小功率)的天线的移动台，而不愿用较大或定向天线的移动台。对于这种喜好，在体积小的全方向天线的移动台和MSC或卫星之间交换通信信号有时较难提供所需的足够的信号强度。这一问题在基于卫星的移动无线通信中尤为严重。
基于卫星的移动无线通信系统使用一个或多个部分重叠的卫星射束来向地球的特定地域提供无线通信业务。每个卫星射束的半径最大约为1000KM，由于卫星的功率限制，在每一射束同时提供高链路余量是不实际的。
由于移动卫星链路严格的功率限制，通信一般被限制在带有Ricean衰落的视距内信道上。Ricean衰落的发生源于视距路径和地面的强反射波以及建筑物的弱反射波的混合。这些信道要求大约10dB或更多的通信链路余量以达到理想或接近理想条件下的语音通信，例如当移动无线电话台天线正常展开或移动台位于一不受阻拦的位置时。在这些接近理想的信道下，移动台能成功地监视寻呼信道以检测来呼。在非理想条件下，如移动台天线未展开或移动台位于受阻位置(如建筑物内)，这时反射波(包括地面反射波和建筑物反射波)就成为主要的了。在这些非理想条件下的这些信道的特性是被严重衰减的平坦的瑞利衰落(最严重的一种衰落)。在这些信道中，需要30dB或更多的链路余量来达到可靠的语音或数据通信，在这种情况下移动台不能监视寻呼信道来检测来呼。在这些非理想条件下，希望能有短消息业务(SMS)。由于卫星的功率限制，在非理想条件下SMS用于提醒移动台用户有来呼时特别有效。移动台用户能随后改变位置以接收或答复呼叫。术语“链路余量”或“信号余量”是指超过理想条件下所需功率的更大功率才能提供合适的业务，即，信道除白高斯噪声(AWGN)外没有别的减损。“减损(impairments)”包括信号幅度衰落、多谱勒偏移、相位变化、信号遮蔽或阻挡、实施损失、以及天线辐射方式的畸变等。
不管发射语音还是数据，经常需要增加信号余量以保证可靠的无线通信性能，尤其是在功率受限的卫星应用中更是如此。增加信号的链路余量的已知方法有扩展信道频带以达到频率可选性或使用前向纠错编码(如卷积码)，提高信号强度，以及比特重复(可看作是一种前向纠错编码)。这些方法中的每一个都有很大局限性，频带扩展通常利用信号扩展和低比特率纠错编码等已知方法来达到，以便能产生不易衰耗的信号。带宽扩展减少了频率分配效率。另外，在SMS应用中，如果语音信道的展开频带不同于(大于)消息信道的频带，移动台中就需要两个独立和完整的无线装置(每种业务一个)，从而增加了设计的复杂性。同样，也需要一内置的瑞克(Rake)接收器或均衡器来减少延时分散，从而更加使移动台的设计复杂化。频带扩展也可通过重复发送全部语音或数据消息来实现。但是，在所涉及的非理想条件下，这种方法并不有效，因为每次重发一般在噪声水平之下(即，没有足够的余量)，导致高误码率和阻碍了重发的相关集成。
提高信号强度也可用来提供较大余量。由于卫星的功率限制，这往往不是一个实际的解决办法。除了增加系统的成本外，增加的传输功率也使控制同波道干扰更加困难，尤其在窄重用余量的TDMA系统中。因此只能在相对低的负荷时才能从卫星到移动台提供较大的功率增加。另外，由于移动台比起卫星更是功率受限的，这种技术一般实际中只能用于单方向，即从卫星到移动台。
比特重发也可用于增大余量。比特重发使得误码率比消息重发低，尤其在非理想条件下。比特重发会造成传送延时，由于明显的原因显然这不是语音信号所希望的。但是传送延时对于数据传输(如SMS性功能)是可以接受的，只要延时保持在合理的最小限度内。比特重发可通过多次发送单个比特或调制信号、或成组的比特或调制信号来实现，从而使所有的重发是连续的或包含在连续的TDMA帧的相同的一个或多个时隙中。接收器从每次重发中集合能量以产生大余量的信号。如上所述，比特重发能产生较大的延时，这取决于消息的长度。为得到30dB的信号余量，每一比特将必须重发1000次。一个典型的短消息在欧洲的数字标准GSM系统中有32到64个字符，而北美目前使用的DAMPS系统则可多达245个字符，DECT系统可达160个字符。假设GSM系统的TDMA帧的时长为18.64ms，每帧16时隙，每时隙114数据比特，则接收一64字符的消息的最小延时(不包括传播时间)是64比特×8比特/字符×1000次重复/比特×18.64ms/时隙×1/114时隙/数据比特＝84秒。
这样大的延时即使是对于数据传输也是很难接受的。因此，无线通信系统需要能够用增大的信号余量传送信号，但是同时没有大的延时、且无需功率上有大的提高。
一个通信系统更需要能够用增大的信号余量传送信号而无需扩展信道频带。
一个TDMA通信系统还需要能够用增大的信号余量传送信号而无需改变TDMA帧的结构或组织。
一个移动无线通信系统更需要能够用增大的信号余量传送从移动台或从卫星或基站发出的数据消息。
一个通信系统更需要为传送数据消息而有选择性地增大通信链路的信号余量。
发明概述传统通信系统的上述和其它的限制可通过本发明来克服，本发明采用比特或消息重发与较小地提高功率相结合来增大信号余量，从而为传送短字符信息提供了一种高穿透性(high-penetration)的传送方法。根据示范实施方案，比特或消息重发和相对小的功率提高的结合能避免在单纯依靠重发来增加信号余量的系统中的不可接受的延时特性。同样，重发和相对小的功率提高的结合能避免在单纯依靠提高功率来增加信号余量的系统中的同信道干扰问题。
根据本发明的示例实施方案，为移动无线通信系统提供了向移动台发送和从移动台接收字符消息的短消息业务特性。为保证在有强衰落的信道上的可靠传输，短消息被用检错码编码成一个或多个码字；每个码字在含消息帧的消息信道上被发送多次。每个消息帧由每个TDMA帧或每组TDMA帧的时隙组成。消息信道用比语音传输和控制信息传输所用的功率电平更高的功率电平发射。消息信道可由从广播控制信道或其它合适信道中抽取的时隙组成。在接收器对多次的发送进行合成和检错。
附图简述结合下列附图阅读以下的详细描述将能更好地理解本发明的上述目标、特性和优点附图1是示例的移动无线通信系统的方框图；附图2显示了典型的GSM数字无线通信系统中信道的组织；附图3是可以应用本发明的信号传输方法的基于卫星的移动无线通信系统的图；附图4是描述根据本发明的一个实施方案的短消息的传输的流程图；附图5是显示根据本发明的一个实施方案的SMS时隙的脉冲格式的附图6是显示根据本发明的一个实施方案的SMS业务的帧格式的图。
优选实施方案详述虽然以下所述是以用在基于卫星的移动无线通信系统中实现短消息业务为目标的，但本发明也可用于其它类型的通信系统。
在基于卫星的移动无线通信系统中，移动台和普通电话或另一移动台之间经过一个卫星、多个卫星或一个或多个卫星与PSTN(公用交换电话网)相结合的发射语音或数据的通信链路可建立在卫星射束上。这样的一个系统，如附图3所示，可以在只有少量或没有基站而增加基站又不实际时(如在郊区的情况下)获得较大的地理覆盖。由于卫星固有的功率限制，卫星和移动台之间的语音通信链路需要理想或接近理想的条件；即，移动台天线正常展开并在视距内通信。在非理想条件下，例如移动台被遮蔽(例如，位于建筑物内等)或移动台的天线未展开，通信所需的功率或信号余量将由于增大了的信道衰落而大大增加。在这种情况下(如附图3的MUz所示)，瑞利衰落经常会妨碍满意的通信，因此需要给移动台送一条短字符消息。消息可用于例如通知用户有呼叫。本发明通过提供能增加信号余量而不导致明显延时、功率增加或同信道干扰的有效技术来保证消息的可靠传输。
仅仅是为了说明方便而不是限制本发明的范围，假设用采用TDMA信道的基于卫星的GSM无线通信系统来展示下列条件。通信信道不处在视距内并遭受到平坦的瑞利衰减而有强烈衰落。本领域的技术人员知道，瑞利(或多径)衰落是当多途径电波因受服务区的物理结构的反射而形成驻波对时所产生的现象。驻波对相加形成不规则的电波衰落结构。当移动台静止时，它收到稳定的信号。但是，当移动台在移动时，衰落结构便使衰落发生并随移动台移动的加速而增大。非理想瑞利信道的平均信号强度比接近理想的视距内信道的信号强度低大约20-30dB。
为保证在非理想条件下送到移动台的短消息的可靠传输，必须增加信号余量。根据本发明，比特或消息重发和功率增加可结合起来以提供增大的信号余量而没有明显的延时。
分贝(dB)是用来表示功率、电流或电压的比率的单位。具体而言，功率比(P2/P1)可用公式dB＝10LOG(P2/P1)来表示为分贝。30dB的信号余量需要功率比为1000，因为10LOG1000＝30。因此，要仅通过比特重发来达到此信号余量，每个比特必须重发1000次且每次重发的信号余量必须在接收器合成，这导致上面算出的82秒的延时。但是，要达到15dB的余量，所需的功率比仅为31.623，因为10LOG31.623＝15。因此，一个30dB的信号余量可通过把功率提高15dB和每个比特重发大约31次来提供。使用这种技术，64字符长的消息的比特重发延时是(64字符×8比特/字符×31次重发/比特×18.64毫秒/时隙×1/114时隙/比特)大约为2.5秒。结果是，比特重发延时保持在一合理水平，功率提高也保持在一合理水平，从而避免了同信道干扰。也可能采用多种不同的重发次数和功率提高的组合来达到瑞利衰落环境下没有明显延时的有效通信。另外，除了重发数字信号的单个比特外，也可以重发比特组。
为实现本发明的技术，从卫星到移动台的功率增加可通过在多个用户间平均它们的功率负荷来提供。即，在近理想条件下的移动台使用的通信信道可降低它们的功率来为在非理想条件下的移动台增加其功率。功率增加也可通过时间平均来提供，其中连续TDMA帧的个别时隙用提高的功率电平来发射。从卫星到移动台的功率增加也可通过其它的已知技术来达到。
移动台的功率限制甚至比卫星的的功率限制更为严厉。因此，较难于提高从移动台到卫星的通信的功率。这种通信需要发送消息或确认收到消息。根据本发明的一个实施方案，从移动台到卫星的功率提高可通过允许移动台在随机接入信道上的所有时隙进行发射而实现。移动台也可利用比特或消息重发来进一步有效地提高发射给卫星的信号余量。由于移动台在RACH信道上的确认可由低速率的信号来完成，前向信道上大量的同步比特和多次的比特和消息重发能被用于补偿移动台的低发射功率。移动台最好在分开的载波频率上发送连续的重发以解除重发之间的相关性。因为消息较短，发送时间就较短，因此使用该相同的平均发射功率是可以接受的。
现在参考图4，它显示的是描述采用本发明的传送方法传送短消息的流程图。在步骤100中，发送方输入要传送给接收用户的消息。该消息可以由发送方通过移动台、标准的电话、计算机终端、或等同的设备直接输入到通信系统中，或者通过呼叫业务中心的操作员，由他将消息间接地输入到系统中。在步骤102中，组成短消息的信息比特由位于发射机中的编码器与差错检测码(例如CRC)一起进行编码。编码后的消息组成一个或多个码字，每个码字包括码字比特或符号。应该认识到，发射机可以是卫星、基站、或移动台。在步骤104中，可以使用比特重复，以使得编码设备输出的每个码字或符号被重复N次，形成包含N比特的一个分组。显然，并不只是重复单个比特或符号，成组的两个或多个比特或符号或整个码字也可以重复。然后信息分组被传送，TDMA帧中的每个时隙包括一个或多个重复比特的分组、差错检测编码比特、以及同步脉冲串，以使得接收机能评估信道质量。组成编码后的短消息的所有比特都以这种方式进行传送。如果使用比特重复和消息重复，可以把该消息的传送(以N个码字比特的形式)重复M次来实现所需的信号余量。应认识到，由于短消息可以是从卫星、基站、或移动站发送出来的，因此这些设备都应提供编码和发送功能。也应认识到，为了实现本发明的技术，发射机中应包括确定比特重复次数N、消息重复次数M、以及增加功率的装置，这些装置是实现成功传送消息需要的信号余量所必须的。
在步骤108中，接收设备(即移动台、卫星、基站、或等同的设备)对接收信号抽样，这些信号包括重复的编码消息比特、检错比特、以及信道质量评估比特，并产生以下形式的度量总和γj=Σi=1N,|rij-C^jS|2]]>其中rij是对应于分组重复j中的信息比特或符号S的第i次重复的抽样接收信号，Cj是信道质量的相应评估。在步骤110中，接收设备中包含的解码器对来自度量总和的TDMA时隙中的每个编码比特或符号采用软组合或多数逻辑表决或者其它合适的解码方法进行解码。为实现软组合，解码器将度量总和相加为γ=ΣJ=1Mγj]]>并且，基于该总和进行比特或符号决定。为实现多数逻辑表决，对于每个度量yj作初步的比特或符号决定，然后通过比较所有初步的决定作最终的比特或符号决定。因此，如果解码器已经进行了M次初步的决定，那么如果超过半数的初步决定都是1的话，解码器将确定相应的信息比特为1；否则解码器将确定相应的信息比特为0。对0比特的解码使用相同的逻辑。为防止导致恰好半数的初步决定为0且恰好半数的初步决定为1的情况所引起的差错，M被选择为奇数。把解码的比特相关地组合起来且把消息的多次传送也相关地组合起来就生成具有增大余量的消息信号。
在步骤112中，接收装置中的差错检测器基于发送装置所提供的CRC差错检测编码来检测误码。如果没有检测到误码，将在步骤114中在接收用户的移动台上显示消息。如果检测到误码，那么在接收装置上不显示消息，将以显示错误信息或以声音信号的方式通知用户收到的是错误消息，并且接收机请求发射机按以下将要详细描述的双向无线协议重发消息或重发该消息的错误部分。
根据本发明，消息的重复传送可以与消息的单个部分的重复结合使用。也就是说，消息的单个部分可以传送多次，并且当通过重复传送消息的每个部分而完成整个消息的传送时，整个消息可能再传送一次。
根据本发明的典型实施方案，高穿透性的短消息业务可以采用以上描述的传送方法在基于卫星的电信系统中实现，以下对此进行描述。在包含广播控制信道BCCH的载波频率上，每个帧(例如有16个时隙的帧)的第1时隙分配为广播控制信道。广播控制信道是在51帧上实现的。51帧重复的帧格式包含频率修正信道FCH和同步修正信道SCH，同时还包含广播和寻呼信道PCH。传送卫星模式BCCH的载波信道并不要求在所有时隙上都是有效的。尤其，当给定射束的载波上没有建立通话时，只有载波的BCCH时隙可能包含能量；即载波上的话务时隙和其它时隙将不包含能量。
每个BCCH时隙最好以比载波的话务时隙的平均功率级更高的功率级进行传送。最好把BCCH的频率修正信道FCH和同步信道SCH用于短消息业务。在本实施方案中，51个时隙的BCCH帧中的4个时隙专门用于短消息业务。这些SMS时隙出现在帧1、帧13、帧26和帧40中。因此，在51个时隙的BCCH帧中，SMS时隙以12、13、14、12、12、13、14、……个时隙相隔开，从而允许接收机仅仅通过信号强度分布就能确定帧的时序。4个SMS时隙是以高于其余47个BCCH时隙的功率级传送的，而47个BCCH时隙是在高于包含BCCH信道的载波上的其余TDMA信道时隙的功率级上传送的。应意识到这种实现广播控制信道BCCH的方法与标准GSM的实现方法是不同的，其不同在于频率修正信道FCH不是未调制的脉冲串。
现在参见图5，显示的是根据本发明的典型实施方案的SMS时隙上传送的脉冲格式。该脉冲串包括射束标识比特BEAM ID，它识别所使用的卫星和射束。如果采用14比特来表示BEAM ID，则可能有16,384个唯一的标识。举一个例子，这将最多能识别出32个卫星中的每个卫星上的512个射束。应意识到在不同频率上这些标识可以重复使用。接收机可以连续地把多个SMS脉冲串中的每个脉冲串上的相应比特作平均以有效地增加BEAM ID信息的信号余量，使得即使在非理想环境中也能确定BEAM ID。
SMS脉冲串进一步包括两个64比特的数据码DATACODE，形成一个128比特的数据码。这128比特的数据码可以取1至128个相互正交的值中间的一个值。这些正交值使类似于同步码字的比特图形(位图)，因此可提供频率修正和同步功能来有效地替代被省略的FCH和SCH信道。根据典型的实施方案，假设有128个相互正交的值，则每个脉冲串提供7比特的信息。在本实施方案中，每个消息重复两次。或者，可以假设更少的相互正交值，这样在保持相同的总的数据吞吐量的情况下可以减少传送消息的数目。也可以采用误码纠错编码，以下将对此作更详细的描述。
例如，一个典型的SMS消息包含112比特。112比特包括信息比特和CRC差错检测码比特。为了将112比特的消息传送两次，必须传送224个消息比特。如图5所示，每个SMS脉冲串包括156.25比特，其中包括8.25个用于保护和倾斜上升/下降功能的GUARD/RAMP比特、6个尾比特TAIL、以及142个信息比特。142个信息比特包括14个BEAM ID比特和128个数据码比特。由于128个数据码比特对应于7个信息比特，因此在每个SMS脉冲串中传送7个消息比特。为了传送224个消息比特，需要32个SMS脉冲串。由于每个51时隙的BCCH帧有4个SMS脉冲串，因此每个消息需要408个BCCH帧。基于9.23ms的帧长，传送112比特的消息大约需要3.77秒。可以这样理解，如果卫星系统包括121个射束，那么卫星每秒可以传送(121/3.77)大约32条消息。
根据以上典型的实施方案，实现SMS系统所需的功率可以定义如下。以上所实现的BCCH信道在每个TDMA帧中形成一个BCCH脉冲串；这样，BCCH脉冲串在每第16个时隙出现一次。特定的BCCH脉冲发生的某个时隙最好以16单元的模式在各卫星射束间错开。假定卫星有121个射束，能传送SMS信息的大约8个射束在给定时间内是有效的，其它113个射束传送的是话务信息。如前所述，SMS时隙被间隔地分布在BCCH帧的时隙1、13、26和40上。这样的间隔方式可以让12个正交错开的SMS帧位于不同的射束中。因此，可以携带SMS信息的8个同时传送的射束并不同时传送SMS信息。SMS时隙只是在一个射束中传送一次，由此保持相控队列发射机的总负载恒定。
SMS信号的链路余量的有效增加可以通过把增加功率、从128比特数据码作信号扩展、比特或消息的重复、以及由纠错编码获得增益等方法相组合来达到。除了编码增益，上述例子中的链路余量可以确定如下。话务信道在AWGN信道上提供最小7dB的余量。在话务信道上增加9dB功率来传送SMS信道，使AGWN信道上增加的余量为16dB。用于7个信息比特的128芯片编码带来的扩展增益提供了额外的12.6dB增益，增加的余量为28.6dB。最后，结合使用消息重复和软判定解码提供了额外的3dB增益，这时总的SMS链路余量大约为31.6dB。由于纠错编码提供了附加的增益，很明显，符合本发明的SMS系统提供了足够的链路余量，以便即使在非理想的环境中也能通信，非理想的环境指的是如移动台被遮挡和/或天线没有恰当地展开。
如前所述，即使SCH信道用于SMS传输，本发明中的SMS系统仍能实现同步功能。根据本发明，同步功能可以实现如下。接收机采用基于平均接收信号强度的功率分布方法来确定较高功率的SMS脉冲串。通过与每个SMS脉冲串中的正交数据码进行相关，接收机使其本身与输入信号在比特级别上同步。在消息重复上增加相关，以提供合适的信噪比来可靠地解码消息数据。一旦达到同步，移动台将在47个BCCH时隙上休眠，而在4个SMS时隙时醒来，导致占空因数大约为1/204。例如移动台也可能在每个51帧的周期内的另外4-8个时隙是醒来，以确定它是否能接收正常的呼叫信道。该附加的接收机活动导致大约1.5％的占空因数。
应意识到，本发明中的SMS系统也可以采用其它方法来实现，并不限于以上所述的典型实施方案的特定细节。因此，本发明中的SMS系统可以采用TDMA系统中的每N帧上的任何特定的一个或多个时隙来实现。例如，每个卫星射束中的给定载波频率上的每第4帧上的一个寻呼时隙可以用来有选择地提供SMS业务。当不需要或不希望有SMS业务时，这些时隙可以用于话务。在本实施方案中，SMS时隙在相同载波上采用比话音时隙高6dB的功率来传送。如图6所示，连续的SMS时隙组成一个13时隙的SMS帧。本实施方案中的SMS帧的时隙1用于传送频率修正信息，时隙2用于传送同步信息。时隙3-13用于传送数据或寻呼，帧格式如图5所示。每个数据时隙只传送给一个接收机的信息比特。本实施方案中的每个比特和每条消息可以传送3次。对于由120个数据比特组成的典型消息而言，传送一条消息的时间大约为11.5秒。假设卫星具有150个射束，每秒可以传送13条消息。
根据本发明的另一个方面，对消息重复的解相关可以通过例如在不同频率、不同极化、或者合适的延时上传送消息或部分消息来实现。
本发明的传送系统可进一步包括前向纠错(FEC)装置。在这样的实施方案中，在对信息比特和差错检测码进行编码之后，发射机提供另一个用于对短消息的信息比特和纠错码一起进行编码的编码器。消息按前面描述的方法被发送，并对接收到的消息解码。根据多数逻辑表决，采用了一个硬判定解码器，并且多数逻辑表决器输出的比特被输入到信道解码器上而不带附加的信息(比如从信道估算出来的比特可靠性信息)。如果使用软组合，则采用软判定解码器来对纠错码进行解码，将度量总和yj增加到软判定解码器的输出上，并且将该总和输入到纠错解码器上。如果通过把连续的输出比特尽可能地分散在传输流中来交错纠错编码器的不同输出，则纠错编码将更有效。
应意识到，比特和消息重复的次数越多，系统的性能越好，但是延迟越长。TDMA时隙具有有限数量的比特，可以用作同步信息或数据。在分组中增加比特重复的次数(N)必须减少同步比特的数量。度量总和取决于估计的信道质量，而信道质量取决于同步比特的数量。如果TDMA时隙含有Nt个比特，则存在Ns个同步比特/时隙，和每时隙有Nt-Ns个数据比特，那么重复带来的信噪比的增益大约为(NtNs-Ns2)/Nt。因此当Ns＝Nt/2时出现信噪比最好的增益。然而，应意识到，在指定的时隙中同步比特和数据比特数量的选择将取决于所实现的具体传送方案。
如前所述，为在卫星和移动基站之间的消息通信所建立的链路是双向链路。因此，可以在卫星和移动基站之间选择使用无线协议，以增强短消息系统的有效性。例如，可以实现一种简单的协议，在该协议中移动基站接收到消息后用“YES(是)”或“NO(否)”应答卫星来表明消息是否被正确接收。或者，可以实现更复杂的协议，在该协议中用组标识(ID)来标识一个分组或一组分组，并用CRC差错检测码来进行保护。如果CRC标识出消息没有被正确接收，那么卫星可以重发含有错误组的那些分组。在这种方法中，只有含有误码的分组需要重新传送，而不是重发全部消息。因此，该协议可用于优化重复次数，由此减少时延和被浪费的卫星功率。
根据本发明的SMS的双向链路也为计费提供了有利条件。单向链路可以防止向发送者或接收者收取短消息传送费用，因为没有证据表明消息已被正确接收。因此，向用户提供的单向链路的SMS业务可能会增加对用户的收费率。相反，由于双向链路使消息发送者或业务运营者能确定消息是否被正确接收，因此业务运营者可以只对每个已正确接收的消息按传送费用提供SMS业务。
如前所述，对于较长的消息、话音通信、或需要的链路余量大于30-40dB的情形，本发明的技术将导致无法接受的长时延。在这种情况下，可以把消息存储在卫星或相应的蜂窝移动交换中心(MSC)。当移动台可以读一个更有利的通信信道的广播控制信道(BCCH)时，可以通过比如广播控制信道上的标记来向该单元提醒被存储的消息。
尽管前面的描述已经包括许多特殊性，但是所提出的典型实施方案只是为了举例说明而并不限制本发明。对于那些普通技术人员而言，不违背本发明的精神和不超出本发明的范围的许多修改是显而易见的，本发明将在所附的权利要求以及其合法的等价文件中加以限定。
权利要求
1.一种用于在具有多个帧组的TDMA通信信道上传送数据的方法，其每个帧组包含一个或多个帧，每帧包含多个时隙，每个时隙传送多个数据比特，本方法包括步骤把要发送的数据和差错检测编码一起进行编码以形成一个或多个数据码字；并把每个数据在消息信道上进行多次发送，消息信道含有多个消息帧，每个消息帧包含一个或多个时隙，这些时隙来自TDMA通信信道的一个或多个帧构成的各个帧组。
2.权利要求1的方法，其特征在于TDMA通信信道包括用于在第一功率级上传送话音信息的话音时隙、用于在高于第一功率级的第二功率级上传送控制信息的控制时隙，并且消息信道建立在比第二功率级更高的第三功率级上。
3.权利要求2的方法，其特征在于控制时隙包括广播控制信道时隙，广播控制信道时隙包括指定用作频率修正信道的一个或多个时隙、指定用作同步信道的一个或多个时隙、以及指定用作广播和寻呼信道的一个或多个时隙，其中消息信道包括指定用于频率修正信道和同步信道的一部分时隙。
4.权利要求3的方法，其特征在于广播控制信道时隙包括TDMA通信信道的每一帧的第一个时隙。
5.权利要求4的方法，其特征在于TDMA通信信道建立在卫星和移动无线单元之间的卫星射束上。
6.权利要求5的方法，其特征在于消息信道的每个时隙包含用于识别卫星和卫星射束的射束标识比特、以及用于识别一个或多个数据码字的一个或多个部分的数据码比特。
7.权利要求6的方法，其特征在于进一步包括扩展数据码字，以使得数据码比特具有表示数据码字的一个或多个部分的许多相互正交值中的一个值的步骤。
8.权利要求7的方法，其特征在于一个或多个数据码字被传送两次。
9.权利要求8的方法，其特征在于消息帧包括51个时隙，且一个或多个时隙中被选中的时隙是每个消息帧中的时隙1、时隙13、时隙26和时隙40。
10.权利要求1的方法，其特征在于消息帧包括13个时隙，每个帧组包括4个帧，且13个时隙的每一个相应于一个帧组。
11.一种用于在具有多个帧组的TDMA通信信道上传送数据的系统，其每个帧组包含一个或多个帧，每帧包含多个时隙，每个时隙传送多个数据比特，包括用于把要发送的数据和差错检测编码一起进行编码以形成一个或多个数据码字的编码器，以及用于在消息信道上多次传送各数据码字的发射机，消息信道具有若干消息帧，每个消息帧包括一个或多个时隙，这些时隙来自TDMA通信信道的一个或多个帧构成的各帧组。
12.权利要求11的系统，其特征在于TDMA通信信道包括用于在第一功率级上传送话音信息的话音时隙、用于在高于第一功率级的第二功率级上传送控制信息的控制时隙、并且消息信道建立在比第二功率级更高的第三功率级上。
13.权利要求12的系统，其特征在于TDMA控制时隙包括广播控制信道时隙、广播控制信道时隙包括指定用作频率修正信道的一个或多个时隙、指定用作同步信道的一个或多个时隙、以及指定用作广播和寻呼信道的一个或多个时隙，其中消息信道包括指定用于频率修正信道和同步信道的一部分时隙。
14.权利要求13的系统，其特征在于广播控制信道时隙包括TDMA通信信道的每一帧中的第1时隙。
15.权利要求14的系统，其特征在于TDMA通信信道建立在卫星和移动无线单元之间的卫星射束上。
16.权利要求15的系统，其特征在于消息信道的每个时隙包含用于识别卫星和卫星射束的射束标识比特、以及用于识别一个或多个数据码字的一个或多个部分的数据码比特。
17.权利要求16的系统，其特征在于发射机能扩展数据码字以使得数据码比特具有表示数据码字的一个或多个部分的多个相互正交值中的一个值。
18.权利要求17的系统，其特征在于一个或多个数据码字被传送两次。
19.权利要求18的系统，其特征在于消息帧包括51个时隙，并且一个或多个时隙中被选中的时隙是每个消息帧中的时隙1、时隙13、时隙26和时隙40。
20.权利要求1的系统，其特征在于消息帧包括13个时隙，每个帧组包括4个帧，且13个时隙中的每一个相应于一个帧组。
全文摘要
一种用于增大无线通信系统链路的信号余量以便即使在非理想条件下仍能提供可靠的短消息业务的方法和系统。根据该方法,短字母消息可在数字无线通信链路的广播控制信道上、或由TDMA通信链路的连续帧中的一个或多个时隙组成的另一通信信道上发射。把提高传送功率和重发相结合可有效地增大信号余量,但不会造成移动台设计复杂性的增加、明显的延时、或共信道干扰。在需要增加更多信号余量的情况下,当需要较长消息或语音消息时,消息可被存储且移动台被告知有消息。
文档编号H04B7/185GK1209237SQ96180127
公开日1999年2月24日 申请日期1996年12月23日 优先权日1995年12月27日
发明者S·陈纳克舒, N·赖德贝克, A·A·哈桑, P·W·登特 申请人:艾利森公司