专利名称：与远程或移动的区域部件数据通信的低成本广域网的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信系统，特别涉及用于入站链接的高频基站无线网和用于协调使用高频链接的中央控制器的一种低成本广域数据通信网。
本发明的背景技术对各种类型的无线通信网的需求是迫切的和持续的。尤其需要一种可以实现可靠的双向数据通信的特殊类型的无线系统。这种网络无需特殊的高数据交换速率的支持，但应该在尽可能广阔的地域(例如美洲大陆)提供通信。
遗憾的是，花费了数百万美元的现有的和甚至建成的某种系统在此方面都不成功。例如，考虑现在的支持在远程或移动的区域部件与基站之间通信的无线广域数据网。这些网络或采用地面站或采用使用卫星的基站。地面系统可进一步分为单向的或双向的。单向的地面系统，如全国范围的寻呼网(如SkyTel)，不具有远程用户发送数据的能力。尽管某种类型的寻呼网确实支持双向数据传输，但它们的地域服务范围有限。另外，因为这种网络工作在高载频中，所以它们也典型地表现出较差的建筑结构穿透能力。
其它现存的及建议的双向地面系统包括蜂窝网，移动数据网(如RAM，ARDIS)，和新出现的PCS网络(EMBARC)，和许多其它网络。由于这些系统的数据速率一般都比较高，所以每种系统要求用户位于系统基础设施的很近范围内(一般是20英里或更少)。这种基础设施相当昂贵，建设一个全国网络需要数亿美元。在高人口密度的地区建设这种基础设施有时是合算的，并且确实地这种网络可以支持大约美国人口的90％。但是，这种地面基础设施只能覆盖大约15％-20％的地区。对这种服务的提供者来说，在人口密度较低的偏远地区安装所需的基础设施完全是不合算的。
在现有的和建议的一些卫星网络中，已经设计出解决较差的地域覆盖范围的方法。但这种基于卫星的系统一般需要在基础设施上的巨大投资。如果没有用于宇宙远载火箭的庞大经费，不可能在轨道上安装，维护，或替换定位在轨道上的基础设施。另外，与这种系统通信所需的移动用户设备也相当昂贵。而且，在卫星的视距之内需要区域设备，它们通常是高增益的电磁接收装置，如抛物面或长的天线，所以，这种系统因此对某些应用是不实用的。
试想出租车管理者可能面临的问题。管理者所负责的资产是高移动性的，的确，它们可以停放在美洲大陆的任何一个地方。这些资产容易被偷窃并且保险费用也很昂贵。当租用客户没有把车辆返还到适当地点时，这些资产也可能变成没有收益的。当出租站通信不良时，出租车也可以变成“丢失”的车辆，并且出租财产的有效可使用时间也浪费了。
对出租车的管理者来说很重要的另一个问题是他们客户的安全。出租车司机，和实际上所有的司机都可以从一种在任何时间，任何地点，无需离开车辆就能够召唤紧急帮助的系统中获益。
在其它行业也存在类似的问题。例如，铁路行业为改进管理服务，为更好地与汽车货运行业竞争，促进最及时的运输而正面临不断增长的压力。为实现这个目标，铁路系统的管理者可以设想不管火车在什么地方都能很快地确定每节火车在正常情况下的位置。最佳的路由和传送时间接着可以准确地推算出来。
在这两种应用中，车队的管理者很希望能够以最小的花费通过查询一个远程设备确定出租车的位置。例如，现在的蜂窝移动电话服务需要相当高的连接时间费用和月服务费，因此，车队管理者认为这种系统是不合算的。
其它行业，如汽车货运业和轮船货运业，也能够从中获益而且不管汽车和轮船停在何处都能经济准确地追踪货运集装箱的位置。每个货运集装箱可以容纳成千或百万美元的贵重货物，并且的确，那些负责发送这些货物的人希望在任何时间知道它们所在的位置。
在读取远程仪表或传感器，监视设备，安全服务，浮标监测，和其它应用中也有同样的需求。
当能够通过将一种位置传感装置(如全球定位系统(GPS))或位于每个远程区域部件的罗兰接收机中与一种现存的双向移动数据通信装置(如蜂窝或卫星收发信机)结合而满足每一个这样的应用需求时，系统都会具有安装和操作费用较高以及除了在系统基础设施的直接视距或相当近的区域工作外，很难在任意地区工作的困难。
本发明的目的本发明的一个目的在于提供一种数据通信系统，其中，该系统能够以相当小的花费在远程或高移动性的区域实时检索相当少的数据。
该系统应该是双向的，即，通信既可以从中央基站到远程区域部件(Field Unit)，又可以从区域部件返回到中央基站。
本发明的另一个目的在于对新的基础设施要求较少的资金费用投资即可，在广阔的地域(如美洲大陆)提供全面的覆盖。
另外，这种系统应该利用简单和便宜的域设备，其花费远远小于例如同步卫星数据终端的费用。
区域部件无需为了通信成功和可靠而要求与基站处于直接的视距内。
区域部件也能够在电池能源下工作，从而无需要求同步卫星接收机需要的外部电源。
任何数据传输机构都应该提供与无线广播电台一样可靠的高可靠性的服务。
最后，系统的使用对用户的花费比现在的寻呼，蜂窝，和卫星系统少得多。本发明的概述简言之，本发明的通信系统通过使用具有少量广泛分布的无线基站的网络提供全面的无线数据通信服务。无线基站从远程或移动的区域部件接收数据，从而极好地证明了工作在短波载频上(如在高频无线波段上)的无线技术。区域部件远程采集可用的数据，如同步数据。区域部件在请求报告数据时，利用高频发射机向基站报告远程数据。
一个网络集线器或信息操作中心(MOC)单元从中央站控制无线基站站点和区域部件。为了使高频对脉冲传输是可用的，由信息操作中心从每个无线基站接收信息。根据与特定的区域部件通信的请求，信息操作中心接着从可用的高频频率中选择一个频率，及用于发送的特定点的区域部件的时隙，并且将出站请求信息发给包括指定高频频率和时隙数据的区域部件。
发往远程区域部件的出站请求信息可以利用任何便宜的无线基础设施发射，如现在的单向寻呼网络基础设施。出站信息也可以通过其它类型的子系统通信，如蜂窝，卫星，或其它的无线传输装置。
具体的说，一个用户启动与一个特殊的远程单元通信的请求(如要求区域部件确定和报告它的位置的请求)。则信息操作中心接着登记无线基站的网络，从高频频谱中选择一个频率，该频率适合某些基站从远程单元将入站信息发送回基站。信息操作中心在选择频率的过程中也利用估算的传播概率。
接着，频率选择和用于远程应答的时间形成出站信息的格式。出站信息接着利用出站信息基础设施(如寻呼系统或其它的无线网络传送到上述的那个远程单元)。
当区域部件接收出站信息时，它通过从相关的地域安装(geolocation)接收机读取数据或通过读取传给它的其它可用数据的形式收集数据，以形成对入站的应答。接着，区域部件以指定的高频载频和时间以短周期脉冲信息的格式将其应答作为入站信息返回无线基站。
为在高频波段临近的频率上将现有的广播或其它通信干扰的概率降到最小值，入站信息更趋向于采用广播波段编码方式(如扩展频谱调制)进行编码。
在无线基站和区域部件之间的同步可以通过任何常规的方法解决，如公知的时间音响器，或通过从地域安装接收机或寻呼接收机得到的可用的时间基准信号。
根据从区域部件接收的信息，基站把信息传回信息操作中心，信息操作中心依次将信息传给启动通信请求的用户。
本发明的系统由五个不同的子系统组成，包括主叫站，信息操作中心，远程区域部件，出站信号发送网络，和入站无线基站网。
主叫站为系统用户提供了一个接口。它们包括一个平台(如一台个人计算机和调制解调器)。用于接收与特定的远程区域部件通信的用户请求，向信息操作中心报告该请求，从信息操作中心接收区域部件的报告，并且显示返回用户的报告。主叫站通过任意的方便的方法连接到信息操作中心，如通过连接到公共电话交换网(PSTN)的调制解调器。
信息操作中心也是一台计算机，它执行许多任务。它从主叫站接收与区域部件通信的请求并且把区域部件的应答传回主叫站。信息操作中心也提供对无线基站的中央控制，定期接收来自基站的关于可用入站链接无线频率的报告并且维护这种频率及对它们可用的时隙的数据库。信息操作中心一般根据基站的个数和位置，通过调制解调器使用低成本的基于陆地的连接(如公共电话交换网)，租用的或专用的电话线路，甚小口径天线终端(VSAT)无线网络，或其它经济的连接与基站通信。
当从主叫站接收到用户请求时，信息操作中心在数据库中选择一个可用的频率和时间，并且以选定的频率和时间作为数据变量形成出站请求信息的格式。信息操作中心接着将出站信息发送到出站信号发送链接，请求将出站信息发送到区域部件。出站信号发送链接的请求一般是通过任意方便的基于陆地的媒体，如公共电话交换网，VSAT，或其它类型的数据通信网进行发送的。
接着，信息操作中心就提示一个或多个相关的基站以指定的频率和时间从指定的区域部件接收应答。根据从一个或多个基站接收到的入站信息，信息操作中心接着将信息中的数据传送到主叫站。
出站信号发送链接可以是任何用于传输数据的方便的低成本传输系统。虽然现有的寻呼网基础设施最适于出站链接，但应该知道，其它系统也可以使用，例如一个专用无线网，蜂窝移动电话网(CMT)，卫星网，或其它合适的无线传输系统。
在某些情况，为了支持需要的广域覆盖出站信号发送链接可能要求使用几个不同的子系统。例如考虑当出站链接是由现有的寻呼系统基础设施的情况。因为任何给定的区域部件可以设置在广阔地域的任何地方，并且因为任意给定的寻呼系统只有有限的服务区域，以及为了避免对昂贵的寻呼服务的需求，信息操作中心更趋向于通过维护寻呼系统的本地数据库和每个区域部件的上一次已知位置的数据库的方式来加速出站信息的传输。在形成出站信息后，信息操作中心接着确定与区域部件的上次已知位置最接近的物理位置处的寻呼系统。在这种情况下，如果出站信息不能从希望的区域部件得到希望的应答，信息操作中心就假定区域部件已经移出了上次已知的有效寻呼系统覆盖范围之外。接着，信息操作中心就试图连续地将出站信息传送到其它的位于区域部件上次已知位置更远处的寻呼系统，直到成功地接收到应答。
无线基站在不考虑出站链接安排的情况下执行一些功能。首先，帮助信息操作中心确定哪些频率是未被占用的和传输可用的，每个无线基站定期检查每个可能的入站链接信道以确定该信道是否正在被使用。例如，这可以通过测量每个信道的接收功率电平，或通过在每个信道上对子波段取样并且结合检测到的额外信号功率电平，或通过使用其它的公知的信号检测算法完成。
为实现从区域部件接收入站信息，每个无线基站包括一个可调谐的高频接收机和调制解调器的共用区。当从信息操作中心接收到命令，从而期待以特定的频率和时间从一个特定区域部件接收入站信息时，每个基站从共用区中分配一个高频接收机和调制解调器，等待接收入站信息，并且接着形成发送到信息操作中心的报告。
例如，如果从区域单元成功接收到了入站信息，则入站数据作为寻呼应答信息向信息操作中心报告。但是，如果在指定的时间和频率上没收到入站信息，就向信息操作中心报告入站链接失败。
区域部件每次接收的出站信息信号包含表示那个区域部件特有的识别标识的数据和该区域部件产生入站信息的频率和时间。其它的数据也可以包括在入站信息中，如系统特殊应用要求的数据。
根据接收到的这种入站信号，区域部件采集向信息操作中心报告的数据，如来自地域安装系统的纬度和经度，或者来自其它传感器或连接到该区域部件的设备上的输入数据。区域部件接着根据这些输入产生入站信息并将入站信息以指定的频率和时间，通过高频链接发送到无线基站。
根据本发明的通信系统提供了一些益处。
本发明的系统可以最小花费和接近实时的方式从很远的或高移动性的地区检索相当少的数据。
可以从中心源地点向远程区域部件进行信息通讯，并且使区域部件通过提供数据响应该通信信息。
利用用于出站信息的寻呼系统以及一个小型短波无线接收基站网就可以实现广域地区(如美洲大陆)的全面覆盖。因此，系统对新的基础设施需要的基本投资最少。
另外，区域设备利用短波发射器，而无需因与基站进行可靠通信而要求在基站的直接视距内。
区域部件可以在电池驱动下工作，这与常规的寻呼接收机一样，因为发射机并不经常工作，而且只在短周期脉冲入站信息时才工作。
附图的简要叙述在结合附图参照下述描述后可以更好地理解本发明的上述和另外的优点。
图1是根据本发明的双向无线通信网的方框图；图2A表示由系统用户从主叫站发送到信息操作心控制单元的信息格式；图2B表示利用寻呼网从信息操作中心向区域部件发送的出站信息格式；图2C表示以特定时间和频率在短波无线波段从区域部件向远程基站以及前述的从无线基站向信息操作中心发送入站响应信息的格式；图2D表示从信息操作中心发送回主叫站的入站信息格式；
图3是由信息操作中心维护的显示若干数据库或表格的信息操作中心控制单元的方框图；图4是当从特定区域部件接收到用户请求数据信息时，由信息操作中心执行的操作，以及产生出站寻呼信息的执行步骤的流程图；图5显示了所维护若干数据库的远程无线基站控制单元的方框图；图6是由无线基站执行的定期更新可用频率的数据库操作的流程图；以及图7是为了验证收到的入站信息而由无线基站执行的操作流程图。
本发明的详细描述现在把注意力转向附图，图1示出了根据本发明的双向无线通信系统10的方框图。系统10包括一个个数为S的主叫站20a，20b，…，20s(主叫站总称为20)，一个数据通信装置25，一个信息操作控制信息操作中心中心30，覆盖了一片广阔地域(如美洲大陆或欧洲)的在地域上分布的一个个数为P的出站信息发送系统40a，40b，…，40p，多个移动的或远程的区域部件50a，50b，50c，50d，…，50y，50z，及个数例如大约为4的无线基站60a，60b，60c，60d的入站信息发送子系统，其中，为提供全面覆盖，无线基站也是地域分布的。
数据通信装置25最好是如图所示的一个公共电话交换网(PSTN)。但是，也可以使用专用网，甚小口径无线终端(VSAT)网，以及其它类型的通信网。
出站信息发送系统40用于提供从系统10向远程区域部件50a通信的无线链接45。这些无线链接在这里称作出站链接45。在优选实施例中，出站链接45可以用多个寻呼子系统40提供。但是，其它系统(如全国的寻呼系统，卫星网，专用无线网及诸如此类似的系统)都可以用于提供出站链接45。因此，虽然出站信息发送系统40在这里的一些实施例中称作寻呼系统，但应该知道，其它类型的出站无线链接同样可以使用。
从区域部件50a返回系统10的无线通信，被称作入站链接55，它们是利用无线基站网实现的。入站链接55最好是由展开的频谱编码而且在高频无线波段上工作的短波无线链接。
在操作中，系统10的用户利用一个主叫站20启动一个与特定的区域部件50a进行通信的请求，以报告它的物理位置。用户的请求通过网络25传送到信息操作中心30，然后通过一个或多个出站信息发送子系统40将请求发送到区域部件50a。为协调使用一条特定的入站链接55a，信息操作中心为区域部件60确定使用的频率和时间，其中，该频率和时间是在一些基站60中报告为可使用的，在出站链接45a上的出站信息因此包括了指定频率和时间的数据，其中远程区域部件50a以指定的频率和时间向无线基站60发送带有自己信息的信号。以指定的频率和时间，通过一个或多个基站60从区域部件50a中接收信息，接着，将该信息传送给信息操作中心30。然后，信息操作中心30通过网络25将请求的数据提供给主叫站20a的用户。
因此，根据本发明的无线通信系统10提供了在广阔地域(如一般只由几个短波无线基站60的网覆盖的地区)上以接近实时的方式的双向通信。这种结构消除了如蜂窝和其它地面系统以及基于卫星系统的昂贵的，专用的，和全面覆盖的或高费用的基础设施的需求。例如，现有的寻呼子系统可以用于提供出站链接45，并且网络25可以是公共电话交换网。因此，系统和与之竞争的蜂窝，寻呼，或卫星系统相比，更易维护而且更便宜。
另外，远程区域部件50的无线系统仅在用户启动了数据请求时工作。因此，区域部件可以设计成只用最小的备用电源工作，如可用电池或可得到的太阳能电源工作，这在得不到现成可用的，可靠的，或保险的电源的远程地点是理想的工作方式。
因为无线基站60使用短波高频发送信号，所以在无线基站60和远程区域部件50之间无需直接的视距范围，并且因此系统10即使不在视距分布范围的情况下也能正常工作，如在重叠的集装箱中或在高人口密度的城区。因此，系统10和与之竞争的基于卫星的系统相比显示了更大的可用性。
为使本领域的每个技术人员更容易理解如何建选和操作这种系统10，现在讨论每个单元及操作的更多的技术细节。信息格式(图2A到图2D)图2A显示了从主叫站20向信息操作中心30发送信息200的格式。以最小配置，信息200至少包括一个指示区域部件50a的识别(ID)代码的数据字段200-1，其中，用户从区域部件50a请求数据。但是，从主叫站20发送到区域部件50a的数据可以包含在一个或多个出站数据字段200-2中。
图2B显示了通过出站链接45发送到区域部件50a的出站信息245的格式。出站信息245包括一个区域部件识别代码245-1和来自主叫站的出站数据245-4。
另外，信息245包括指示远程单元50a向无线基站60发送传输频率和日期的频率字段245-2和时间字段245-3。
图2C显示了由区域部件50a返回的入站信息255的格式，包括一个区域部件识别字段255-1以及包括由区域部件50a返回的数据的入站数据字段255-2。例如，就移动区域部件50而言，这种入站数据255-2可以包括以纬度和经度形式表示的区域部件位置的信息。但是，应该知道区域部件50a可以是静止的，并且/或根据用户的请求，也可以发送其它类型的入站数据255-2。
最后，图2D表示由信息操作中心响应主叫站20而发送应答信息格式。如果需要，信息270包括区域部件识别270-1，以及返回的入站数据270-1。
应该知道从图2A到2D显示的信息格式不是限制性的，并且各种字段200-1，200-2，245-1，…，255-1，…，270-1，270-2可以以任意顺序出现在每个单独的信息中。每个信息200，245，255和270，一般还具有附加字段，如首部字段，检查和，路由，或同步信息，以及任意通信系统一般所需的其它字段。主叫站20主叫站20a，20b，…，20s为用户与系统10交互提供了接口。一个特殊的站20a可以是一台个人计算机(PC)21，它具有一个标准的公知的通信装置，如用于通过PSTN25与信息操作中心30交换数据的计算机调制解调器20-2。因此，信息操作中心也具有一系列与多个主叫站20通信的计算机调制解调器Model31-1，31-2…，31-3。因此，请求与特定区域部件50a通信的信息一般经临时的拨号连接通过PSTN25从主叫站20发送到信息操作中心30。信息操作中心信息操作中心30信息操作中心30也包括一台计算机，称作信息操作中心控制器32，和多个调制解调器31-1，31-2，…，31-M，33-1，33-1，…，33-4。
信息操作中心利用调制解调器31通过网络25至少与主叫站20和寻呼中心40通信。
信息操作中心最好使用其它的调制解调器33-1，33-2，33-3，和33-4与无线基站60通信。但是，因为信息操作中心需要经常与无线基站通信，并且因为只有少量的，例如4个无线基站，所以信息操作中心也可使用连到专用电话线路(如租用线，分组交换网，或其它经济，高数据传输速率的长线服务)的调制解调器33。
如上简要提到的，当从一个调制解调器31中接收到用户请求信息200时，信息操作中心控制器32发送一个带有区域部件用于应答信息所使用的频率和时间的出站信息45，从无线基站检索入站数据，并且再将入站数据传送到指定的区域部件50a。
图3显示了信息操作中心控制器32和为完成这些任务所要维护的各种数据库32-5，32-6，32-7和32-8的更详细的方框图。
信息操作中心控制器32，包括计算机系统的通用部件，如一个中央处理单元(CPU)32-1，内存32-2，磁盘存贮器32-3，和输入/输出(I/O)接口32-4。调制解调器31和33通过输入/输出接口32-4与信息操作中心通信。因为信息操作中心控制器32主要负责许多不同设备之间的协调，所以选择的计算机系统的结构是一个适当的中断驱动的或多任务系统。
为了确定区域部件50a使用的频率，信息操作中心维护的第一个数据库(可用频率表32-5)。这个表包括许多数据项目N。表32-5的每一个项目N包括频率f，接收信号振幅A1，A2，A3和A4表，以及传播概率因子P。
在高频频谱中的每个可用频率的项目根据无线基站60向信息操作中心控制器的报告制定。下面详细讨论每个无线基站60确定一个可用频率的确切方式。它能使所说的给定的无线基站，如无线基站60-1(图1)定期报告一个可用频率表f1，f2，…，fn，或者无线基站60-1目前看到的开路信道，以及与每个这种频率相关的噪音振幅电平A1-1，…A1-N。同样，其它的无线基站60-2，无线基站60-3，和无线基站60-4也定期报告它们各自的频率和振幅电平A2-1，A2-2，…，A3，…，A4-N表。
在表32-5中的每个频率的传播概率P，可以根据已知的时间利用电离层设计算法确定。但是，也可以使用更复杂的概率预测算法。
第二个表32-6最好用于记录每个使用的区域部件50的上次已知位置。这个表的每条项目包括一个区域部件识别码，和由区域部件报告的位置信息，如纬度和经度。当区域部件50有效或从服务中去除时，及当入站信息255由每个指定纬度和经度的区域部件发回时，信息操作中心控制器32维护并更新这个数据库32-6。
如上所述，在前面实施例中提到的出更新链接45由几个寻呼子系统40提供。第三个表32-7因此用于寻呼子系统定位数据。这张表的每个项目包括一个大概的纬度和经度，纬度和经度的范围，以及与系统10相关的每个寻呼子系统40的识别码。表32-1可以在系统10的操作员使用各种寻呼系统的任何时间更新。表32-7也包括信息操作中心控制器32如何访问每个不同的寻呼系统的细节，如调制解调器电话号码，协议类型等等。
应该知道，如果用全国的寻呼网实现系统10，那就不需要表32-6和32-7；但是，如果系统10确实要记录区域部件50的位置，并且使用常规的寻呼系统40，那么它就可以以低成本提供它的服务。
最后一个表32-8是未定信息表。这个表的项目包括有关发送到一个区域部件50的每条信息的数据，例如一个区域部件识别，指定的时间t，和频率f，其中，以该频率f等待应答信息，以及其它为避免访问可用信道的分配冲突所必需的数据。
图4是由信息操作中心控制器32执行的操作的流程图。当从主叫站接收的用户请求401时，信息操作中心控制器32从空闲状态400开始图示的步骤顺序。
下一步，在402处，信息操作中心控制器32从它维护的可用频率表32-5中选择一个可用的高频链接频率f和时间t。
在选择使用频率时，信息操作中心控制器32尽量将噪音和所有无线基站使用频率的干扰功率降到最小。因此，例如，因为其它的用户表现为噪音或干扰，并且因为不知道区域部件的准确位置，信息操作中心优先选择在所有四个无线基站60报告中具有最低平均噪音功率的频率。这将使与高频频谱的其它用户相互干扰的机会降至最小。
其它的技术可以用于改进频率选择过程。例如，当已知的高频无线频谱的必需指定部分包含了固定的发射机或已知的干扰装置时，信息操作中心控制器32就可以永久不再进行频率选择处理。
另外，传播概率因子P可以用于进一步改进频率f的选择。例如，如果一个频率是无干扰的，也就是说，四个无线基站都报告该频率具有国际先进水平低噪音振幅A1，A2，A3，A4，但成功传播的概率是低的，于是就从表32-5中选择另一个频率。
另外，将探测无干扰频率和接着在步骤402的传输中选择该频率之间的时间最小化也是成功通信的关键，并且是请求无线基站实时更新可用频率表32-5的原因。因此，将系统10设计成信息操作中心控制器32在几秒之内就可以使用识别的无干扰频率，然后放弃该频率。
在设计系统10的过程中，做了一个在欧洲环境中出现冲突使用概率的计算机模型。欧洲环境一般比美国的平均环境有更多的要求。下面的表显示了在传输发生前和系统识别出无干扰频率之后，由另一个与该频率相冲突的用户使用该频率的概率。<
因此，上表可以用于根据与入站链接冲突的预计概率确定更新可用频率表的周期。
在任何情况下，步骤403都可以通过查阅未定信息表32-8确定选择频率f，的空闲时间t。一旦选定了时间，在步骤404就可以在未定信息表中为当前的出站信息245确定一个新的项目。
下一步是在步骤405提示无线基站60以确定频率f和时间t等待一个入站信息255。
如果寻呼系统40提供了出站链接45，这里就必须执行另外的步骤。特别地，因为任意给定的区域部件50可以定位在广域的任意地方，并且因为任意给定的寻呼系统40只有有限的服务区域，而且为了避免对昂贵的寻呼服务的要求，信息操作中心控制器32优先执行步骤406和407。
在步骤406中，信息操作中心查阅它的区域部件定位表32-6和寻呼中心定位表32-7。现在从用户请求信息200中知道了目标区域部件50a的标识，信息操作中心控制器32因此可以通过查阅区域部件位置表32-6确定目标区域部件50a的上次已知位置。通过比较寻呼系统位置表32-7相对于上次已知的纬度和经度的项目，则可以确定与区域部件50a的上次已知位置最近的寻呼系统的标识。
包括指定频率f和时间t的出站信息245接着在步骤407传送到希望的最近的寻呼系统，请求寻呼远程单元50a。这个发向寻呼系统40的请求接着通过网络25(图1)发射。
在步骤408，信息操作中心控制器32等待由无线基站60在指定的时间t后不久报告的来自区域部件50a的应答。当然，控制器32是中断驱动的或是多任务。准确地说，在等待区域部件50a的应答时，控制器32可以执行许多其它任务，如执行其它用户主叫站20的请求。
当出站信息245确实得到合适应答后，在步骤409处，来自单元50a的入站数据就以应答信息270的形式向主叫站20a报告。在步骤410，从可用频率表32-5中除去与选定的频率的时间对应的项目，并且也从未定信息表中除去相应项目。
当出局信息245没有从区域部件50a得到所期望的应答，信息操作中心控制器32就假设该区域部件已经移动出了上次已知的最接近出站信息发送子系统40所覆盖的区域。在步骤412，控制器32接着确定下一个最近的出站子系统40的位置，并返回步骤407，以便在成功接收到应答之前连续发送出站信息。出站无线链接45和入站无线链接55所有的出站链接45都优先使用现有的FCC已批准的通信媒体，如现有的寻呼网40的基础设施，但是，这种出站链接45也可以由已建立的公共或专用载波提供，如一个调频(FM)副载波网络寻呼系统，该系统根据域单元50的特性使用专用的无线网络，高频无线网络，或其它类型的合适的出站无线链接45。例如，如果希望在层叠的集装箱中设置该区域部件50a，不必用要求视距的无线通信理论实现出站链接45。但是，如果区域部件使用了远程的联机应用，那么视距通信可能是恰当的。
入站链接55使用高频无线电台60的网络，该电台是工作在3-30MHz的无线频谱的载频上。在高频入站链接上从区域部件50a到无线基站网60建立可靠通信有两个关键因素。
首先，必须通知远程区域部件50关于在它自己和无线基站60网之间传播高频波段的频率。因为在高频通信中有多种大气现象，这主要是由一天中的不同时间在不同方向上传播的3-30MHz的频谱的不同部分的电离层反射造成的。
其次，在所有的传播频率中，必须知道哪些信道是无干扰的，也就是说，目前没有被使用的信道。寻呼网40一个典型的出站信息发送子系统可以是一个寻呼系统40a，该系统是可以从网络25接收寻呼请求的标准寻呼系统。正如本领域公知的那样，这种寻呼系统40a包括一个用于接收寻呼请求的调制解调器41，一个寻呼中心控制台42，它通常是一台某种类型的一般的计算机，和许多寻呼系统发射机43-，43-1，…，43-n。对于一个给定的包括寻呼区域部件识别和信息的寻呼请求，寻呼子系统40a以常规方式形成出站寻呼信息245并且广播出站寻呼信息245。寻呼系统40a无需是一个双向系统，或无需另外的从区域部件50接收寻呼确认。区域部件50现在把注意力转向图1，一个典型的区域部件包括一个出站信息接收机(如寻呼接收机)51，一个高频发射机52，一个区域部件控制器53，和数据采集装置(如地域安装接收机)54。
寻呼接收机51是常规的。区域部件控制器53也是普通的控制设备(如一台微机)。
地域安装系统接收机54可以是已知类型的任意一种，如全球定位系统(GPS)或罗兰接收机。
当接收到出站寻呼信息45时，一个典型的区域部件50a向无线基站网60发射入站信息，如包括了当前位置或其它数据的入站信息255。
然后，以出站信息245指定的载频和时间发射入站信息255。在入站通信链接55上的传输时隙可以用全球标准时间数据同步，全球定位系统接收机54或其它广播时间标准发射机也是可用的。
因为远程区域部件50在传输前已经知道哪些频率在特定时间没被使用，所以入站高频链接55的特有的无干扰特性是可能的。这个频率在信息操作中心控制器32单独使用后很快就空闲了，留作其它用途，如它的正常的被许可的使用。
另外，区域部件只在一个开放电的频率上在极短的时间内发射，至多持续几秒。特别地，区域部件50使用一个大约持续1-10秒的低功率展开频谱高频波形。例如，波形是一个具有3KHz带宽的八级相移键控(PSK)直接扩展波形，且芯片速率约为2400。这为入站信息255提供了一个约75位/秒的数据速率。
因此，单元控制器53能够通知远程区域部件50a的高频发射机52在3-30MHz的高频频谱中跳变到任何一个3KHz的信道。
即使存在一些与一般的高频信道衰落有关的干扰，由于从系统10的噪音脉冲造成的高频频谱中对话音用户的干扰仍然是最小的。一般将高频频谱中的其它用户也装备成用于管理次长信道衰落的置换并有一般实现自动请求ARQ的方式或为避免衰落困难而采用的交叉编码。因此，高频波段的其它数据用户应该也不会注意到系统10的存在。无线基站60图5是一个典型的无线基站60-1的方框图，包括一个无线基站控制器61，一个陆线调制解调器62，一个高频调制解调器63和高频接收机64的共有区，以及一个频率分析处理器65。
无线基站控制器61是一个与信息操作中心控制器32相同的普通计算机。无线基站控制器61使用陆线调制解调器62与信息操作中心控制器32交换信息。
无线基站控制器61维护可用频率信道(如频率表66)的实时数据库。表66的每个项目包括一个高频频率f和一个探测到的噪音电平功率放大器测量值A。
在正常基础上定期确定无干扰操作高频频率标志的频率分析处理器(FAP)65可以维护频率表66。频率分析处理器65可以通过利用一个扫描接收机，或者对可调的高频接收机64在高频频率波段上单步或多步调整维护频率表。频率分析处理器65一般也包括一台计算机或微型计算机。
频率表66还可以包括从它自己远程设备或公知的发声器上接收信号长度的测量报告以进一步帮助信息操作中心控制器预计可用频率。
在大多数情况下，频率分析处理器发现没被其它用户占用的频率的可能性极大。假设处于一天中最坏情况下的时间，如日出时，在任意给定的地点都传播着高频无线频谱中约为2MHz的频率。根据实验观察，假定占用30％的信道，那么在要求的3KHz可用带宽内一般将有至少466条信道。
通过无线基站控制器61管理高频调制解调器63和相关高频接收机64的分布以监测由维护指定的频率和时间从区域部件接收入局信息。表67中的每项项目包括一个高频接收机识别，和信道使用相关的高频调制解调器识别，一个指示当前是否指定了高频接收机/调制解调器对的忙字段B。如果忙字段指示为有效状态，那么项目还包括高频接收机所希望的频率f和时间t，调制解调器对，以及区域部件希望的用于发送信息的识别。
高频接收机64适于接收上面已描述过的，由区域部件50产生的展开频谱波形。
图6是频率分析处理器频率分析处理器65的控制处理器所执行操作的流程图。在步骤601，从一个空闲状态开始，频率分析处理器确定下一个可能空闲的高频信道的标识。在602步，接着频率分析处理器测量接收功率电平，并且在603步，如果功率电平比阀值总和低得足够多，那么频率分析处理器就更新它的内部表66。在步骤604，这种处理一直重复下去直到扫描了所有的信道。最后，在步骤605，频率分析处理器通过PSTN公共电话交换网25将更新的表信息传送到信息操作中心控制器32。
图7是无线基站控制器61接收入站信息255所执行操作的流程图。当从信息操作中心控制器31接收到的在特定的频率和时间从特定的区域部件接收信息的命令时，无线基站控制器从空间状态步骤700转到步骤701。
在步骤702，从信息操作中心的信息中读出频率时间和区域部件识别。
在步骤703，通过检查当地使用表67识别出一个空闲的高频接收机和调制解调器对。将相应的项目标为忙状态并且用频率，时间，和区域部件识别信息更新该项目。
在步骤704，无线基站接着等待时间t的来临。在时间t前不久，也就是说，在为确保所选择的高频接收机的状态全部完成而提前的足够多的时间里，在步骤705，激活高频接收机和高频调制解调器对。
在步骤706，接着确定在指定的时间从指定的区域部件是否接收到入站信息。如果接收到了入站信息，在步骤707，无线基站通过在无线基站和信息操作中心之间的基于陆地的通信链接，向信息操作中心发送一个包括了远程区域部件入局信息255中数据的报告信息。但是，如果在指定的时间和频率没收到信息，那么在步骤708向信息操作中心报告链接失败。
精通本技术领域的一般工作人员可以在本发明的范围内对本发明上述实施例进行改型和变化，相对于上述作为例子介绍的实施方案而言，存在着许多等价方案。本发明的精神和范围只受附加权利要求的保护。
权利要求
1.一个双向无线数据通信系统，其特征在于包括用于发送出站信息的出站信息发送子系统；入站信息发送子系统，所述入站信息发送子系统包括具有至少两个用于接收入站信息的无线频率基站的网络，所述无线频率基站在各自的位置处连续对入站无线频率波段的一组频率信道采样，以确定每个基站的频率组的探测到的可用频率电平；至少一个远程区域部件，该远程区域部件具有一个出站信息接收机和一个可调的入站信息发射机；和中央控制单元，其中，该中央控制单元使用所述的出站信息发送子系统作为出站链接向所述的远程区域部件发送出站信息，而且利用所述的入站信息发送子系统作为入站链接从所述的区域部件接收入站信息，其中，所述的出站信息包括指定由每个所述的区域部件发送的所述入站信息的入站时间和入站载波频率的数据域，且其中所述的中央控制单元从所述的无线基站网络接收探测到的可用频率电平报告，而且所述的中央控制单元选择入站载频以致所述的入站信息发送子系统的一个或多个基站能够接收所述的入站信息而不受另一个通信系统的干扰。
2.根据权利要求2所述的系统，其中所述的入站信息发送子系统使用高频无线频率波段作为入站无线频率波段。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述的出站信息发送子系统是一个寻呼子系统。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述的中央控制单元通过估测入站频率的无线电能量传播概率另外选择入站频率。
5.根据权利要求2所述的系统包括由多个无线基站接收机实现的多个入站链接，而且其中所述的中央控制单元根据在多个无线基站接收机中的每一个探测到的可用载频指定载频。
6.根据权利要求3所述的系统包括多个出站信息发送子系统，且其中所述的中央控制单元首先为出站链接选择一个初始出站信息发送子系统，并且如果所述的中央控制单元在选定的时间和载频处没有在入站链接上接收到信息，所述的中央控制单元在不同出站信息发送子系统中重新初始化所述出站信息。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述的入站信息包括表示区域部件地域安装位置的数据。
8.一个双向无线数据通信系统包括向远程区域部件发送出站请求信息的寻呼子系统；入站信息发送子系统，所述的入站信息发送子系统包括从远程区域部件接收入站信息的至少一个无线基站，所述的无线基站在其位置上对入站无线频段上的一组频率信息连续采样以便为基站的频率组确定一个探测到的可用频率电平；具有一个出站信息接收机和可调入站信息发射机的至少一个远程区域部件；和中央控制单元，其中所述的中央控制单元使用所述的寻呼子系统作为出站链接向远程区域部件发送出站信息，而且利用入站信息发送子系统作为入站链接从远程区域部件接收入站信息，其中，所述的出站信息包括指定由每个区域部件发送入站信息的入站时间和入站载频的数据字段，且其中所述的中央控制单元从无线基站的网络接收探测到的可用频率的电平报告，而且所述的中央控制单元选择入站载频以便使所述的入站信息发送子系统的一个或多个基站能够接收所述的入站信息而不受另一个通信系统的干扰。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述的入站信息发送子系统使用高频无线频率波段作为入站无线频率波段。
10.根据权利要求8所述的系统包括由多个无线基站接收机实现的多个入站链接，并且根据在所述的多个无线基站接收机中探测到的可用载频由所述的中央控制单元指定载频。
11.根据权利要求8所述的系统包括多个寻呼子系统，且其中的中央控制单元为出站链接首先选择一个初始寻呼子系统，并且如果中央控制单元在选定的时间和载频上没有收到入站链接的信息，所述的中央控制单元就在不同的寻呼子系统中重新初始化出站信息。
12.根据权利要求8所述的系统包括多个寻呼子系统，并且其中所述的中央控制单元维护指示区域部件上次已知位置的数据库，并且根据区域部件的上次已知位置为入站链接选择一个初始寻呼子系统。
13.根据权利要求8所述的系统，其中，在入站信息的传输完成后，所述的控制单元放弃使用选定的入站载频以便将使用该载频的其它通信系统的干扰到最小。
14.一种操作通信系统的方法，该方法用于通过使用广泛分布的无线基站站点网络和多个寻呼系统在信息操作中心和多个远程区域部件之间提供全面覆盖的无线数据通信服务，上述方法的特征在于包括以下步骤A.在用户主叫站启动一个发送到信息操作中心要求与特定远程区域部件通信的请求，例如请求区域部件确定并报告它的位置；B.在信息操作中心处，I.登记无线基站的位置以确定适合于区域部件向一个或多个无线基站站点发送入站信息的无线频率；II.确定用于区域部件响应的可用频率和时间；III.将区域部件响应中的时间和频率格式化成为出站寻呼信息；IV.将寻呼信息发送到至少一个寻呼系统；C.在至少一个寻呼系统位置处，通过寻呼系统间区域部件发送寻呼信息；D.在选定的区域部件，I.接收寻呼信息；II.通过从区域部件读取本地可用的数据，形成对寻呼信息的响应；III.形成响应信息并作为入站信息向无线基站发送；IV.以短周期脉冲信息的形式对响应编码，以便使现存的广播和在选定频率及附近频率的其它通信发生干扰的概率降到最小；V.在指定的载频和时间通过无线电波发射入站信息；E.在无线基站位置处，I.通过无线电波从区域部件接收入站信息；和II.向信息操作中心发送入站信息；F.在信息操作中心处向用户主叫站发送入站信息；和G.在主叫站接收入站信息。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，通过基于陆地的公共电话交换网将主叫站连接到所述的信息操作中心。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，通过基于陆地的公共电话交换网将信息操作中心连接到所述的寻呼系统。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述的信息操作中心通过基于陆地的连接(如公用交换电话网络)与所述的无线基站通信。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述的信息操作中心通过基于陆地的连接(如租用的专用话线路)与所述的无线基站通信。
19.根据权利要求14所述的方法，还包括在所述的信息操作中心提示一个或多个相关的无线基站在指定的频率和时间从指定的区域部件等待接收响应的步骤。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括如果没有接收到所述的信息操作中心提示的信息在无线基站向所述的信息操作中心报告错误的步骤。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括在所述的信息操作中心根据从所述的无线基站接收到的所述的错误报告使用另一个寻呼系统发射所述的出站信息的步骤。
22.根据权利要求14所述的方法，其中所述的步骤B.IV还包括以下步骤，在所述的信息操作中心，I.接收所述的区域部件的位置报告；II.维护系统中所述的区域部件上次已知位置的数据库，和III.确定与所述的区域部件上次已知位置最近的物理位置的寻呼系统的标识，并且首先用最近的寻呼系统发射出站信息。
23.根据权利要求14所述的方法，其中，每个所述的无线基站还执行的步骤包括在每个可能的入站频率信道上周期地检测接收功率电平。
24.根据权利要求14所述的方法，还包括在所述的区域部件收集包括来自地域安装系统的纬度和经度的数据报告的步骤。
25.根据权利要求14所述的方法，其中，利用展开频谱调制对短周期入站信息编码。
26.根据权利要求14所述的方法，其中，所述的信息操作中心通过甚小口径天线终端网与无线基站通信。
全文摘要
本发明涉及可以提供全面覆盖的无线数据通信服务的双向通信系统。寻呼网基础设施用作从远程区域部件请求数据的出站链接。出站寻呼信息指定无线基站从区域部件等待接收数据的时间和频率。网络集线器从中央位置协调寻呼系统和无线基站的操作。信息操作中心为一个特定的区域部件确定可用的发射高频频率和时间,并利用现有的寻呼网基础设施对区域部件发出数据请求。区域部件在请求数据时报告远程数据。
文档编号H04W84/02GK1191047SQ96195238
公开日1998年8月19日 申请日期1996年5月22日 优先权日1995年6月6日
发明者布雷登·T·菲茨格拿德, 安德鲁·T·彭可, 唐纳德·K·贝齐, 杰菲瑞·R·怀特, 小阿尔伯特·D·达比, 罗德尼·尼尔森 申请人:闪速通讯有限公司