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CN1248443C - 无线通信系统中用于提供高穿透传送消息的方法和设备 - Google Patents

无线通信系统中用于提供高穿透传送消息的方法和设备 Download PDF

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CN1248443C CN99813376.0A CN99813376A CN1248443C CN 1248443 C CN1248443 C CN 1248443C CN 99813376 A CN99813376 A CN 99813376A CN 1248443 C CN1248443 C CN 1248443C
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Abstract

例如控制消息、短消息、话音消息和数据消息的消息在具有第一冗余电平的第一通信信道或具有大于第一冗余电平的第二冗余电平的第二通信信道中的至少一个上被发送。无线通信信号在第一通信信道和第二通信信道中的一个信道上被接收。接收的无线通信系统通过使用第一解调方案和通过使用第二解调方案被解调，以便恢复消息。如果无线通信信号是在第一通信信道上被接收，则无线通信信号被相干地解调，以及如果无线通信信号是在第二通信信道上被接收，则无线通信信号被非相干地解调。消息是在使用第一调制星座的第一通信信道上被发送的，和在使用代表第一调制星座的子集的第二调制星座的第二通信信道上被发送的。

Description

无线通信系统中用于提供高穿透传送消息的 方法和设备
                        发明领域
本发明涉及通信系统和方法，更具体地，涉及无线通信系统和方法。
                        发明背景
无线通信系统通常被利用来为用户提供话音和数据业务。例如，模拟蜂窝无线电话系统，诸如被称为AMPS，ETACS，NMT-450和NMT-900的那些系统等，已成功地在全世界采用。数字蜂窝无线电话系统，诸如遵从北美标准IS-54和欧洲标准GSM的那些系统，自从1990年代早期，就已提供服务。最近，各种各样的无线数字业务，一般地被称为PCS(个人通信业务)，已被引用，包括遵从诸如IS-136和IS-95的标准的高级数字蜂窝系统，诸如DECT(增强的数字无绳电话)的较低功率的系统和诸如CDPD(蜂窝数字分组数据)的数据通信业务。这些和其它系统在由Gibson编辑和由CRC出版社出版(1996)的“TheMobile Communications Handbook(移动通信手册)”书中进行描述。
图1显示典型的地面蜂窝无线电话通信系统20。蜂窝无线电话系统20可以包括一个或多个无线电话(终端)22，与由基站26和移动电话交换局(MTSO)28提供服务的多个小区24通信。虽然图1上只显示了三个小区24，但典型的蜂窝网可以包括几百个小区，可以包括一个以上的MTSO，以及可以包括几千个无线电话。
小区24通常用作为通信系统20中的节点，通过这些节点，借助于服务于小区24的基站26，建立在无线电话22与MTSO 28之间的链路。每个小区24将分配一个或多个专用控制信道和一个或多个业务信道。控制信道是被使用来发送小区识别号和寻呼信息的专用信道。业务信道载送话音和数据信息。通过蜂窝网20，可以在两个移动终端22之间或通过公共交换电话网(PSTN)34在移动终端22与地面线路电话用户32之间实现双工无线通信链路。基站26的作用是处理在小区24与移动终端22之间的无线通信。在这种场合下，基站26用作为用于数据和话音信号的中继站。
如图2所示，卫星42可被利用来执行与传统的地面基站所执行的相似的功能，用来服务于其中人口稀疏分布的区域或具有恶劣的布局的区域，在这种区域中构建传统的地面线路电话或地面蜂窝电话基本设施是典型地或在经济上不实际的。卫星无线电话系统40典型地包括一个或多个卫星42，用作为在一个或多个地面站44与终端23之间的中继站或转发站。卫星在双工链路46上输送无线电话通信给终端23和地面站44。地面站44又可被连接到公共交换电话网34，允许在卫星无线电话之间通信，以及在卫星无线电话与传统的地面蜂窝无线电话或地面线路电话之间通信。卫星无线电话系统40可以利用单个天线波束覆盖由系统服务的整个区域，或如所显示的，卫星可以被设计为使得它产生多个最小重叠波束48，其中每个波束服务于系统服务区域中的不同的地理覆盖区域50。覆盖区域50起到与图1的地面蜂窝系统20的小区24相同的作用。
传统的模拟蜂窝系统通常利用被称为频分多址(FDMA)的系统来产生通信信道。正如本领域技术人员熟知的实际方式，无线电话通信信号，是已调制的波形，典型地在载频的频谱中预定的频带上被传送。在典型的FDMA系统中，每个这些离散的频带被用作为信道，在这个信道上，蜂窝无线电话通过服务于小区的基站或卫星来与小区进行通信。
随着用户数增加，对可供使用的频谱的限制提出了几种挑战。蜂窝无线电话系统中增加用户数，需要更有效地利用有限的、可供使用的频谱，以便提供更多的总的信道，而同时保持通信质量。由于在系统中小区之间用户不一定均匀分布，这种挑战进一步加剧。对于特定的小区可能需要更多的信道来处理在任何给定的时间的潜在的更高的本地用户密度。例如，在城市区域中的小区可想像地在任何一个时间包含几百或几千用户，很容易用尽小区中可提供的信道数目。
为此，传统的蜂窝系统利用频率复用来增加在每个小区中潜在的信道容量，以及增加频谱效率。频率复用包括这样来分配频段给每个小区，使得各小区可在地理上分开地利用同一个频率，从而允许在不同的小区中的无线电话同时使用同一个频率而不互相干扰。通过这样做以后，成千上万的用户可以由仅仅具有几百个频带的系统提供服务。
可以进一步增加信道容量和频谱效率的另一个技术是使用时分多址(TDMA)。TDMA系统可以通过把在传统的FDMA系统中利用的频带再划分成顺序的时隙来实施。在一个频带上的通信典型地在包括多个时隙的重复的TDMA帧结构上进行。利用TDMA的系统的例子是遵从在美国采用的双重模拟/数字IS54B标准的那些系统(其中传统的模拟蜂窝频谱的每个频带被再划分成3个时隙)，以及遵从GSM标准的系统(它把多个频带各划分成8个时隙)。在这些TDMA系统中，每个用户通过使用在用户的分配的时隙期间发送的数字数据的突发而与基站通信。
TDMA系统中的信道典型地包括在至少一个频带上的至少一个时隙。如上所述，信道被使用来在用户之间或在无线电话与地面线路电话之间传送话音、数据或其它信息。信道可被分配给预定的频带的预定的时隙，正如在专用的控制信道的情形中那样。前向控制信道被包括在小区中发送的、典型的专用控制信道组中，这些前向控制信道被使用来把无线电话系统的小区中的控制信息广播到正在寻求接入到系统的无线电话。在前向控制信道上广播的控制信息中可以包括诸如小区识别号、相关的网络识别号、系统定时信息和从无线电话接入无线电话系统所需要的其它信息。
TDMA系统中的信道，当需要时和在需要的地方，也可被系统动态地进行分配。另外，某些系统(诸如遵从GSM标准的那些系统)使业务信道“跳频”，即对那些借以按逐帧的原则发送特定的业务信道的频带加以改变。跳频可以通过降低同样两个站在同一个时间使用同一个频率的或然率，从而减小信道之间的干扰事件的概率。这有助于提供与平均干扰而不是最坏情形的干扰有关的通信质量。
代替或除了FDMA和TDMA技术以外，无线通信系统可以采用码分多址(CDMA)或“扩频”技术。在CDMA系统中，信道是通过用独特的扩频码来调制受数据调制的载波信号而被定义的，该独特的扩频码是一个能把原先受数据调制的载波扩展到通信系统运行的频谱的一个很宽的部分的代码。发送信号由接收机单元通过应用信号相关技术使用同一个扩频码而被解调。因为发送信号被扩展在很宽的带宽上，CDMA通信较少受到相干噪声源的影响，而这个噪声源会“阻塞”其它通信信号。独特的扩频码的使用允许几个信道有效地共享同一个带宽。
由无线通信系统(诸如蜂窝系统)提供的业务的质量易受到环境影响。例如，在被设计成在一组标称环境条件下产生可接受的通信质量水平的系统运行参量下发起的蜂窝无线电话呼叫，会被衰落、由于介入的物体(诸如山峰)造成的阴影、以及由于距离和由于结构(诸如建筑物)引起的衰减而造成中断，这样的环境因素可导致业务中断。
当移动无线电话进入蜂窝无线电话系统的中断区域时，发生这样的业务中断的例子。这样的区域可以包括在小区之间的蜂窝覆盖的空档，或小区内恶化的接收或发送的区域，诸如在建筑物内或在隧道内。当移动无线电话进入到这样的不利的位置时，使得正在进行的呼叫不能继续进行，不能通知进入的呼叫，或不能发送外出的呼叫。
无线通信系统可被设计成仅仅通过提高发射功率而减少业务中断。然而，提高发射功率可能是有问题的。提高发射功率会导致增加的信道间干扰。这在CDMA系统中特别正确，其中通常希望平衡信号功率。另外，提高发射功率对于移动单元是不实际的，因为这些单元由于体积和电池限制，典型地是功率有限的。
在蜂窝系统中，减少业务中断的另一个方法是增加小区密度，即基站的密度，这样，落在小区之间的面积被减小。然而，这个方法会导致增加的网络复杂性，并且增加了与需要另外的基站有关的投资和运行费用。
用于将改进的业务提供给处在不利位置的用户单元的另一个方法是提供选择性的高功率寻呼系统，该系统可联系进入的呼叫的这种单元。在这样的系统中，基站在专门分配的高功率信道上把寻呼消息发送到不利的单元。被寻呼的单元然后可以移动到稍微有利的位置，以便回答寻呼。
虽然这个方法可以提供高穿透的通知，但这个方法通常只支持小量需要高穿透业务的用户，由于系统仍旧受上述的干扰因素限制。而且，接收单元典型地在不利的位置处应答这样的高功率消息可能是不实际的。转让给本发明的受让人的、已公开的国际专利申请No.WO-A-99/30525描述了用于响应高功率消息的技术，它涉及在正常功率信道上发送包括一系列二进制“1”的一个简化的应答。然而，移动单元按照这种技术所发送的信息会受到限制。
授权给Acampora的美国专利No.4,495,619描述了一种TDMA系统，其中传输是这样实现的，即：对于在清晰的空中条件期间的正交幅度调制，通过使用第一预定的冗余码和第一预定的信号星座；以及当衰落深度超过内部建立的衰落余量时，则通过使用第二预定的冗余码和第二预定的信号星座而同时使用来自资源库的变窄的时隙。
授权给Lou等的美国专利No.5,657,325描述了一种无线系统，其中凿孔的信息分组和来自该信息分组编码的凿孔的比特在各自的第一和第二信道上被发送。
已公开的国际专利申请No.WO 95/13677描述了一种用于双调制的方法和设备，其中已接收的射频(RF)信号被采样，然后被相干和非相干解调器解调，解调器的优选输出按照解调器的性能的质量来进行选择。
                        发明概要
本发明的一个目的是提供能减少业务中断的无线通信系统和方法。
本发明的另一个目的是提供用于为处在不利的服务区域的用户单元提供通信的无线通信系统和方法。
本发明的另一个目的是提供用于与处在不利的服务区域的用户单元进行通信而不需要提高发射功率和增加带宽使用的、更可靠的通信系统和方法。
本发明的又一个目的是提供用于提供与无线通信系统中的用户单元进行更可靠的通信而不需要很大地修正无线通信系统的设备和方法。
这些和其它目的、特性以及优点是由无线通信设备和方法按照本发明提供的，其中消息是在提供增加的可靠度的高穿透信道上传送的，而不需要增加发射功率或带宽。在本发明的实施例中，基站或用户单元在至少一个第一通信信道上以第一冗余电平、和在第二通信信道上以大于第一冗余电平的第二冗余电平发送信息。
在优选实施例中，第二信道提供附加的正交码或准正交码，它们可改进信号噪声比和把发射单元的正常的M进制调制变换成二进制调制，产生可以在接收单元通过使用非相干检测技术被解调的无线通信信号。无线通信信号在接收单元处以两个通信信道之一上被接收，以及根据接收该信号的信道，相干地或非相干地被解调。优选地，信息是在第一和第二通信信道中的任一个信道上通过使用基本相同的频谱资源量和基本相同的功率值被发送的。
在另一个实施例中，短消息是在按IS-136标准的数字控制信道(DCCH)上被发送的，以及短消息也在高穿透控制信道(HPCCH)上通过利用类似于DCCH所使用的分层协议被发送，但包括在数据链路层和物理链路层之间的附加编码。
本发明比起传统的系统给出几个优点。因为为了达到更高的信号穿透以便能与处在不利位置的单元进行通信，不必提高发射功率和带宽，上述的干扰和功率问题可以避免。因为不需要提高发射功率，按照本发明的高穿透传送消息实际上可以在基站或用户单元(诸如移动终端)中实施。高穿透传送消息业务可以通过对现有的硬件和协议作最小的改变而被实施。
具体地，按照本发明，在无线通信系统中，一个消息(例如控制消息、短消息、话音消息和数据消息)是从蜂窝基站在具有第一冗余电平的第一通信信道或具有大于第一冗余电平的第二冗余电平的第二通信信道中的至少一个上发送的。无线通信信号在移动终端中在以第一通信信道或第二通信信道上被接收。接收的无线通信系统通过使用第一解调方案(如果无线通信信号是在第一通信信道上发射的话)和通过使用第二解调方案(如果无线通信信号是在第二通信信道上发射的话)被解调，以便恢复消息。
按照本发明的一个方面，如果无线通信信号是在第一通信信道上被接收，则无线通信信号被相干地解调，以及如果无线通信信号是在第二通信信道上被接收，则无线通信信号被非相干地解调。按照另一个方面，消息是在使用第一调制星座的第一通信信道上被发送的，和在使用代表第一调制星座的子集的第二调制星座的第二通信信道上被发送的。
在本发明的其它的实施例中，发送第一无线通信信号，它代表按照用来产生第一冗余电平的第一代码和用来产生第二冗余电平的第二代码中的一个代码进行编码的消息。第二代码可以代表第一代码和附加代码(诸如正交码或准正交码)的级联。
在本发明的另一些实施例中，消息的发送是通过把消息格式化为遵从数据链路层协议的数据链路层帧而进行的。然后，第一数据链路层帧按照第一代码或第二代码之一被编码，以便产生编码的消息，以及无线通信信号是从所述编码的消息产生的。
按照本发明的再一个方面，消息是在使用第一频谱资源量的第一通信信道上被发送的，以及消息是在使用基本上与第一频谱资源量相同的第二频谱资源量的第二通信信道上被发送的。消息也可以在第一和第二通信信道上以几乎相同的传输速率和/或功率电平被发送。
按照本发明的另一个方面的无线通信系统包括用于在具有第一冗余电平的第一通信信道或具有大于第一冗余电平的第二冗余电平的第二通信信道中的至少一个信道上发送消息的装置。提供了用于在第一通信信道或第二通信信道中的一个信道上接收无线通信信号的装置。也提供了用于通过使用第一解调方案(如果无线通信信号是在第一通信信道上接收的话)和通过使用第二解调方案(如果无线通信信号是在第二通信信道上接收的话)解调接收的无线通信信号来恢复消息的装置。用于解调的装置可包括：用于当无线通信信号是在第一通信信道上被接收时则相干地解调无线通信信号的装置，以及用于当无线通信信号是在第二通信信道上被接收时则非相干地解调无线通信信号的装置。所述用于发送的装置包括用于在第一通信信道上通过使用第一调制星座进行发送的装置，以及用于在第二通信信道上通过使用代表第一调制星座的子集的第二调制星座进行发送的装置。
也描述了在基站、移动终端和其它无线通信单元中使用的相关的发送和接收设备。
                        附图简述
图1显示传统的地面蜂窝无线电话通信系统。
图2显示传统的基于卫星的蜂窝无线电话通信系统。
图3显示IS-136数字控制信道(DCCH)的结构。
图4显示用于产生IS-136 DCCH的协议堆栈。
图5A-B显示用于IS-136系统的各个发射机和接收机的结构。
图6A-B显示按照本发明的各个发射机和接收机的结构。
图7显示按照本发明的一个方面的、用于产生高穿透消息的示例性协议堆栈。
图8显示按照本发明的一个方面的、用于产生高穿透消息的示例性帧结构。
图9显示按照本发明的一个方面的、用于在正常的通信信道和高穿透通信信道中的一个信道上传送消息的示例性操作。
图10-12是显示按照本发明的实施例的通信系统的仿真性能的图。
                    实施例详细描述
下面将参照附图更充分地描述本发明，图上显示本发明的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，不应当认为限制于这里所阐述的实施例；相反，提供这些实施例可以使得本揭示内容将是透彻和完全的，以及将本发明的范围充分表达给本领域技术人员。在全文中相同的数字是指相同的元件。
本专利申请涉及在诸如蜂窝无线电话系统那样的无线通信系统中在信道上的通信。本领域技术人员将会看到，诸如“channel(信道)”的术语在文献中并不总是一致地被使用；例如，在IEEE StandardDictionary of Electrical Terms(IEEE标准电学术语词典)中把“channel(信道)”规定为通信通道和频带。在传统的FDMA系统中，“channel(信道)”可以指或相应于“物理”信道，包括被调制的载波占用的频带。在诸如GSM的TDMA系统中，物理信道可以包括在一个或多个频带上的一组时隙，例如，在被分配给所谓的“公共信道”的特定的频带上的周期时隙。在某些上下文中，“channel(信道)”可以是由寻址的或帧域分配方案规定的“逻辑信道”，它可能与传输的频率或时间无关。然而，对于这里的本专利申请来说，“channel(信道)”是指在通信接口(诸如无线通信系统的空中接口)上规定的通信通道，不管它是包括频带、时隙等等的实际物理信道，还是由这样的物理信道载送的逻辑信道。
这里所使用的“Frequency band(频带)”是指通信信号(例如调制的载波信号)所分布的频率范围。这个频带可以是(但不一定必须是)以中心载波频率为中心的。本领域技术人员将会看到，这里描述的载频频带不一定是非重叠或相邻的；例如，调制的载波典型地可以在它们的频谱分布上重叠，而不产生不能接受的干扰电平。事实上，在某些系统中，重叠可以是大小适度的。
这里讨论的实施例涉及这样一种无线通信系统，其中“短消息”(例如像遵从GSM或IS-136的标准的那样的字母数字消息)是在具有产生第一冗余电平的第一信道编码的“正常的”通信信道或具有产生大于第一冗余电平的第二冗余电平的第二信道编码的“高穿透”通信信道中的至少一个信道上发送的。然而，本领域技术人员将会看到，本发明的设备和方法也可应用于其它类型的消息的通信，诸如控制消息、话音或数据。
这里描述的实施例涉及时分多址(TDMA)无线通信系统，具体地是IS-136(DAMPS)系统。然而，本领域技术人员将会看到，本发明的设备和方法也可应用于其它类型的TDMA系统，以及非TDMA系统。具有高穿透传送消息能力的示例性无线通信系统
在遵从IS-136标准的无线通信系统中，短消息是在数字控制信道(DCCH)上传送的。图3显示IS-136数字控制信道DCCH配置。数字控制信道DCCH是“物理信道”，也就是，根据频率和时隙规定的信号传播源的实际部分。几个“逻辑”信道被映射为数字控制信道DCCH。这些逻辑信道包括一个被设计来输送关于系统配置和系统接入规则的信息的复用的广播信道BCCH、以及一个复用的点对点短消息业务(SMS)、寻呼和接入应答信道SPACH。
广播信道BCCH被进一步划分成逻辑信道。这些逻辑信道包括：快速广播信道(F-BCCH)F，用于输送诸如系统识别号(ID)和登录信息那样的时间严格的信息；扩展的广播信道(E-BCCH)E，用于输送诸如相邻的小区列表那样的时间不太严格的信息；以及SMS广播信道(SMS-BCCH)S。组合的SMS、寻呼和接入应答信道SPACH包括：短消息业务信道(SMSCH)，用于载送消息；寻呼信道(PCH)，用于输送系统寻呼；以及接入应答信道(ARCH)，用于提供对来自用户的询问的系统应答和其它管理信息。
每个数字控制信道DCCH帧的时隙从F-BCCH时隙F开始，后面跟随着E-BCCH时隙E、S-BCCH时隙S、然后是SMS、寻呼和接入时隙SPACH。在每帧中每种时隙类型的数目由系统建立来确定。如图所示，数字控制信道DCCH的每个时隙310包括：28个同步比特SYNC；12个共用的信道反馈比特SCF，用于支持随机接入信道(RACH)；260个数据比特Data；12个编码的超帧相位比特CSFP，用于检测超帧的相位；以及2个保留比特RSVD。
DCCH超帧(SF)包括32个数字控制信道DCCH帧。当用户单元(诸如移动无线电话)第一次被接通时，用户单元的接收机的电子电路通过读出CSFP而搜索DCCH；如果CFSP改变，则移动单元得到DCCH。根据CFSP，移动单元可确定哪个时隙是超帧中的第一时隙，它允许移动单元然后读出F-BCCH。F-BCCH输送关于在超帧中的出现的F-BCCH、E-BCCH和S-BCCH时隙的数目的信息。移动单元在E-BCCH上接收寻呼组信息。一旦这个信息被接收，移动台可以确定哪个SPACH时隙载送指向它的寻呼和SMS信息。然后，移动单元读出被标识的时隙，每个超帧一次，以便监视进入的寻呼或短消息的出现。这种周期的读出允许创建睡眠模式循环，即，移动单元在不需要在它分配的时隙期间积极地监视寻呼或短消息到达时，可以节省功率。
一个特超帧(Hyper Frame)包括两个超帧(Super Frame)，特超帧的第二超帧是第一超帧的重复。如果用户单元不能在特超帧的第一超帧的SPACH中读出它的时隙，则它可尝试再次在第二超帧期间读出它时隙。然而，如果用户单元能够在第一超帧的SPACH中读出它分配的SPACH时隙，则它可跳过读第二超帧。
图4显示用于产生DCCH的协议堆栈400。数据链路层(第2层)帧410包括一个7比特的首标、102个消息比特、一个16比特的循环冗余检验(CRC)值、和5个尾比特(它被使用于卷积编码)。数据链路层帧410的130个比特按照比值1/2卷积码进行编码，然后被交织而产生出260个比特，然后把它们格式化和补充，以形成物理层(第1层)时隙310。数据链路层帧410是从消息层(第3层)消息420中产生的，该消息420包括一个2比特协议鉴别符(PD)域和一个6比特消息类型(MT)域。
在消息层消息420中的信息可以具有可变长度，这取决于所发送的具体消息。如果在给定的消息层消息中的信息超过102比特，则使用多个数据链路层帧410来发送消息层消息420。因此，消息层消息420中的信息可以通过使用多个物理层时隙310被发送。当消息层消息中的信息超过102比特时，该消息典型地通过使用每隔一个SPACH时隙被发送，并且在每个数据链路层帧410的首标中的一个比特被设置为预定的数值，以便告知在特定的寻呼组中的移动单元要去注视每隔一个SPACH时隙以便寻找寻呼或SMS消息。这样，消息可被有效地发送而同时减小对于其它寻呼组中的单元的寻呼延时。
图5A和5B分别显示示例的发射机结构510和示例的接收机结构550，它们用于在传统的、诸如IS-136的标准下传送消息。参照图5A，数据链路层帧410由卷积编码装置511进行卷积编码，卷积编码的比特流然后由交织装置512进行交织。编码的和交织的比特然后由调制装置513(例如π/4-DQPSK调制器)进行调制。调制器513的输出然后传送到发射装置514，它发送相应的无线通信信号515。
参照图5B，无线通信信号515然后被相干解调装置551接收和相干解调，以产生解调的信号。解调的信号然后由去交织装置552进行去交织，以及由维特比译码装置553进行译码，以产生数据链路层帧410’，它代表原先发送的数据链路层帧410的估值。
按照本发明的一个方面，除了诸如上述的传统的传送消息业务以外，还提供了一种“高穿透”传送消息业务，以便允许当用户单元处在不利的位置(诸如落在正常的小区覆盖区域之间的位置或在建筑物或其它结构内的位置)时，可以与该用户单元通信。高穿透传送消息业务是通过使用分开的高穿透信道而提供的，而该高穿透信道利用与正常的传送消息信道几乎相同的传输速率和功率，因此利用几乎相同的频谱资源量。然而，高穿透信道使用附加的编码以便提供更高的冗余度，以及它允许使用非相干检测技术。附加编码优选地也允许使用用于正常传送消息信道和高穿透信道的共同的发射机元件和接收机元件。
例如，如图6A和6B所示，附加编码可以包括附加的沃尔什-哈达玛(Walsh-Hadamard)代码或其它正交的或准正交的代码，从而引入附加的冗余度。示例性发射单元610包括卷积编码装置511和交织装置512。在正常传送消息信道520时，由交织装置512产生的、交织的和卷积编码的信号被直接提供给调制装置514(例如π/4-DQPSK调制器)以便由发射装置514发送。在高穿透信道620上，交织的和卷积编码的信号由附加编码装置611(例如实施沃尔什-哈达玛(Walsh-Hadamard)代码或其它正交的或准正交的代码的编码器)来进行附加编码。附加编码的信号被映射装置612映射，产生一个序列，该序列限定调制装置513把信号映射为一个信号子集，该信号子集产生出适合于进行非相干解调的无线通信信号515。
如图6B所示，用于接收正常的和高穿透传送的消息的接收单元650包括相干接收支路560，后者包含用于相干解调已接收的无线通信信号515的装置551，以及非相干接收支路660，后者包含去旋转装置651和非相干解调装置652(例如一个可实施Walsh-Hadamard变换的检测器)。相干接收支路560或非相干接收支路660的输出然后被传送到去交织装置552，以用于进行去交织，然后再传送到维特比译码装置553，以便恢复数据链路层帧410’，它代表原先发送的数据链路层帧410的估值。
附加编码优选地是正交的或非正交的代码，诸如Walsh-Hadamard码或Nordstrom-Robinson码。当与位于不利位置处的单元通信时，附加编码有助于提高信号噪声比。这种带有映射的代码的使用可以把正常的M进制调制变换成二进制调制方案，后者可以在接收终端处通过使用非相干检测技术被解调。相干和非相干解调技术对于本领域技术人员是熟知的。这些调制技术的几个例子以及对Walsh-Hadamard码和其它代码的讨论可以在Proakis编著的、由McGraw-Hill出版(第3版，1995)的出版物“Digital Communications(数字通信)”中找到。
非相干解调的使用可以避免执行信道估值和与相干解调有关的跟踪操作的需要。非相干解调被应用于适当的调制信号，例如差分调制、正交调制、准正交调制或类似的信号。在具有很大的时延扩散的信道中，一种适当的解调器是所谓的RAKE接收机，在该接收机中，把接收的信号与具有各种不同的时延(这些时延模拟信道的时延扩散)的每个调制序列(例如，正交、准正交、或用来产生调制的信号的其它序列)进行相关。这种和其它解调技术在前面提到的出版物“Digital Communications(数字通信)”(Proakis著)中被描述。
本领域技术人员将会看到，所显示的示例性发射装置610的部件，(即卷积编码装置511，交织装置512，调制装置513，和发射装置514)可以包括典型地在基站、移动终端或其它类似的通信设备中能够找到的传统的发射部件。这些部件可以包括例如传统的发射机电路、天线、以专门用途的硬件(诸如专用集成电路(ASIC))或以更通用用途的硬件(诸如数字信号处理器(DSP))实施的处理电路等等。同样地，接收单元650的元件(即相干解调装置551、去旋转装置651、非相干解调装置652、去交织装置552和维特比译码装置553)可以包括通常在基站、移动终端等中使用的传统的接收部件。这些部件可以包括例如传统的天线、混频器、以专门用途的硬件(诸如专用集成电路(ASIC))或以更通用用途的硬件(诸如数字信号处理器(DSP)或微处理器)实施的信号和其它处理电路，等等。本领域技术人员将会看到，一般地，发射单元610和接收单元650可以通过使用专门用途的模拟或数字硬件、运行在通用目的的硬件上的软件、或它们的组合而被实施。
本领域技术人员将会看到，图6A和6B的结构可以在无线通信系统的基站或用户终端中被实施。例如，正常的和高穿透传送消息信道可被配置成从基站传送短消息到用户单元，或从用户单元传送短消息应答到基站。更一般地，正常的和高穿透传送消息信道可被使用来提供在任一个方向上话音和数据消息传送。
图7上显示在IS-136可兼容系统中用于实施高穿透信道的协议堆栈。消息层消息420被格式化为数据链路层帧410，如参照图5所描述的那样。然而，在形成修正的高穿透物理层时隙720时，一个附加的编码操作710(在这里是(32，5)Walsh-Hadamard编码)被应用来增加在发送消息层消息420中的信息时的冗余度。修正的物理层时隙310’包括CDL域和一个恒定的CSFP，以使得其它单元不会把高穿透时隙310’误认为正常的DCCH时隙。
一个不同的超帧结构可被使用于高穿透传送消息信道，从而使得接收单元能够与发射站同步。因此，如图8所示，4个时隙810可被使用于每个超帧SF中的同步突发。同步时隙810可被使用于信道捕获和精确同步。各同步时隙810可按照无规律的间隔设置在超帧SF内，这样接收单元能识别在超帧SF中的第一时隙。
由于增加编码，通过使用高穿透信道发送的消息层消息的信息将被扩散在比起在传统的传送消息信道中的更大数量的物理层时隙范围。例如，在如图7和8所示的、修正的IS-136结构中，数据链路层帧需要13个物理层时隙，即特超帧HF包括13个超帧SF。这在恢复与一个在传统的消息信道上发送的消息相关的消息时会引入延时，但并不需要改变接收单元的睡眠模式循环，因为该单元仍旧能被约束成在每个超帧SF中对于一个时隙是激活的。
图9显示用于通过使用正常传送消息信道和按照本发明的一个方面的高穿透传送消息信道之一来传送消息的示例性操作900。消息在正常通信信道和高穿透通信信道中的一个通信信道上被发送(方块910)。无线通信信号在正常通信信道和高穿透通信信道中的一个通信信道上被接收(方块920)。接收的无线通信信号通过使用按照无线通信信号是在正常的通信信道上、还是在高穿透通信信道上被接收而选择的解调方案而被解调(方块930)。
本领域技术人员将会看到，图9的操作可以以多种不同的方式被实施，用于执行这些操作的特定的步骤可能取决于被传送的消息类型。例如，广播控制消息(包括诸如系统识别号和同步信息)可以由基站在正常通信信道和高穿透通信信道上同时进行发射，这样，用户单元可通过使用这些信道中之一接入该系统。试图接入系统的用户单元可以首先调谐到正常信道，以及当无法成功地在该信道上接收发送的控制消息时，则重新调谐到高穿透信道，以便获得接入。替换地，在点对点传送消息的情况下，基站可以在试图接入特定的用户单元时，首先在正常通信信道上发送消息，然后在预定的时间内没有接收到在正常信道上发送的消息的应答的情况下，在高穿透通信信道上发送消息。用于在正常和高穿透信道之间进行切换的方法和设备，是在已公开的国际专利申请号No.WO 00/3829中描述的。
本领域技术人员将会看到，本发明并不限于图6A-6B和7-9的显示的实施例。本发明的方法和设备也可应用于除短消息以外的其它内容的通信；例如，相同的技术可被使用来传送短消息应答、话音和数据。
其它的变例也属于本发明的范围内。例如，实际数据(诸如在另一个正常的和高穿透信道上发送的实际的“特”)不需要是相同的。正如这里使用的，“message(消息)”是指信息内容的总量。这个内容可以以多种不同的方式来表示，这要取决于使用的信道；例如，在正常信道上发送的消息层消息中所包含的信息内容可以以高穿透信道上的流水线的或紧凑的格式来表示，从而减小在高穿透信道上消息延时的负面影响。这样的技术的一个例子包括在正常条件下通过在诸如IS-136DCCH这样的正常信道中规定的逻辑信道来发送一组控制信息，以及为了简单地保持与处在不利位置中的单元的联系，控制信道信息组的一个更小的子集可以在高穿透信道上被发送。
高穿透传送消息业务的仿真
为了评定在多径瑞利衰落和对于DAMPS环境的典型的时延扩散下的性能，执行诸如图6A和6B所显示的、高穿透传送消息业务的性能的仿真。
对于在存在很大的时延扩散时的解调，可以使用RAKE接收机结构，在其中接收的信号与带有不同的延时的每个调制序列(例如，上述的Hadamard序列)进行相关，这些不同的延时模拟时延扩散。相关输出然后被组合，以便产生接收的序列的估值。
在由A.Viterbi编写的书“CDMA，Principles Of SpreadSpectrum CommunicatIon(CDMA，扩频通信原理)”，Addison-Wesley出版(1995)，的第4章中描述了非线性最佳组合技术，它涉及关于在每个延时的信号噪声比的附加信息的使用，这种信息可能是很难得到的。由于缺乏这个信息，一种公知的技术被附加到相应于给定的序列的相关输出的能量上，正如Proakis的“Digital Communications(数字通信)”的第7章中描述的那样。如果时延扩散相对于符号持续时间是低的，则非相干解调可被简化为在没有时延的情况下包括对于每个序列的单相关。
对于单相关的情形，对于每个序列ci，产生相关输出mi：
       mi＝|rHci|
其中r表示接收的信号以及c表示第i个序列，例如，第i个Hadamard序列。为了产生接收的序列的估值
Figure C9981337600231
接收机识别调制序列组中具有最大mi的序列：
c ^ = arg max m i c i .
每个调制序列相应于一个比特块。例如，上述的(32，5)Walsh-Hadamard码将每个序列映射为5比特。估值的接收序列的简单映射
Figure C9981337600242
包括产生调制序列之一的比特，例如“硬比特”，而不需要任何可靠度信息。然而，众所周知，可靠度信息可改进译码性能，正如图6B的卷积泽码器的性能。例如，虽然维特比译码器可以利用硬比特或软比特，它一般通过使用软信息会完成得更好。
因此，可对相关输出mi进行处理以便产生逐个比特的可靠度信息。上述的“CDMA，Principles of Spread Spectrumcommunication”的第四章描述了用于产生软信息的最佳公式，以及描述了对这个公式的简化，包括识别一个相应于在给定的比特位置处的“0”为的所有调制序列的组S0和一个相应于在给定的比特位置处的“1”的所有调制序列的组S1。对于每个比特(例如对于被(32，5)码映射的5比特中的每个比特)的软数值被给出为如下：
s j = ( max c i in S 0 m i 2 ) - ( max c i in S 1 m i 2 ) .
在图6A和6B的系统性能的仿真中使用的近似式是：
s j = ( max c i in S 0 m i ) - ( max c i in S 1 m i ) .
在进行仿真时，也研究了同步运转。同步运转可以或不一定被使用，这要取决于同步突发如何经常地被插入以及信道的分散性。有两种方法可被使用于同步运转。这些方法可以独立地被使用或组合地被使用。
在第一种方法中，被扩展到长度34的一个长度31的符号序列被放置在用于同步运转的每个物理层时隙中。在包括最佳采样点的时间间隔内，一个8倍过采样的接收信号与同步序列进行相关。在采样点选择一个具有与同步序列的最大相关的采样阶段。
第二种同步运转的方法包括在采样间隔内的每个采样阶段解调。对于每个阶段，非相干检测度量c被累积和被存储。具有最大累积的量度的码字被选择，以及它的相应的软数值被传送到维特比译码器。这后一种方法通过避免把同步信息插入到消息域从而可以避免需要修改物理层格式。
据信，在正常传播条件下在DAMPS信道中，时延扩散很少超过1/4符号。图10显示在正常条件下基本消息错误率，表明由于1/4-符号时延扩散性能被最小地恶化。如图11所示，附加的扰码可以改进对于1个符号时延的性能，但实际上会恶化在其它延时扩散值时的性能。
图12显示存在延时扩散时的初始同步性能。与四个接连的同步突发的样本间隔的相关被非相干地累积，以及最大累积值的位置被用来作为同步点。对于在3mph和-3dB的载波噪声比(C/N)时的瑞利衰落信道，为单条射线信道在{-1，...，+1}的范围内选择同步点的概率(其中样本0表示射线的位置)是0.997。对于具有1/4符号时延的两条射线信道(其中样本0和2分别表示第一和第二射线的位置)，在{-1，...，+3}的范围内选择同步点的概率是0.999。对于具有1/2符号时延(其中样本0和4分别表示第一和第二射线的位置)，选择在{-1，...，+5}的范围内的同步点的概率是0.998。这些结果表示在高穿透信道上的初始同步可以很好地起作用，即使在存在重大的时延扩散的情况下。
结论
按照本发明，提供了这样的无线通信设备和方法，其中信息是在提供了增加的可靠度的高穿透信道上传送，而不需要增加发射功率或带宽。在本发明的实施例中，基站或用户单元在至少一个第一通信信道上以第一冗余电平、和在第二通信信道上以大于第一冗余电平的第二冗余电平发送信息。在一个实施例中，高穿透信道提供附加的正交或准正交编码，它们可改进信号噪声比和把由正常的通信信道与高穿透通信信道共享的M进制调制变换成二进制调制，从而产生可以在接收单元通过使用非相干检测技术来进行解调的无线通信信号。无线通信信号在接收单元处在两个通信信道之一上进行接收，以及基于接收该信号的信道来相干地或非相干地进行解调。优选地，信息是在使用几乎相同的频谱资源量和几乎相同的功率值从而使用几乎相同的频谱资源量的第一和第二通信信道中的任一个信道上进行发送的。在另一个实施例中，短消息是在按IS-136标准的数字控制信道(DCCH)上被发送的，以及短消息也在高穿透控制信道(HPCCH)上通过利用类似于DCCH所使用的分层协议被发送，但包括在数据链路层和物理链路层之间的附加编码。
本发明可以提供与处在不利位置的单元的改进的通信，而同时能避免传统的高穿透传送消息技术的干扰和功率问题。因为不需要增加发射功率，高穿透传送消息实际上可以在基站或用户单元(诸如移动终端)中实施。高穿透传送消息业务可以通过对现有的硬件和协议作最小的改变而被实施。
在附图和技术说明中，揭示了本发明的典型的优选实施例，虽然采用特定的术语，但它们只是在通用的和说明的意义上而不是为了限制被使用的，本发明的范围是在以下的权利要求中阐述的。

Claims (58)

1.在无线通信系统中通信的方法(900)，其特征在于，该方法包括以下步骤：
通过使用公共调制装置(513)在第一和第二通信信道上以各个不同的第一和第二冗余电平发送(910)消息，其中公共调制装置按照第一调制星座调制在第一通信信道上发送的消息，以及其中在第二通信信道上发送的消息被这样来编码(620)，以使得公共调制装置被限制成按照作为第一调制星座的子集的第二调制星座来调制在第二通信信道上发送的消息；
在第一通信信道和第二通信信道中的一个信道上接收(920)代表发送的消息之一的无线通信信号；
根据无线通信信号是在第一通信信道还是第二通信信道上被接收来选择(930)第一解调方案或第二解调方案之一；以及
按照选择的调制方案解调(930)接收的无线通信信号，以便恢复所述一个消息。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，其中第一和第二通信信道包括各自的第一和第二物理信道。
3.按照权利要求2的方法，其特征在于，其中无线通信系统包括时分多址(TDMA)通信系统，其中第一和第二物理信道包括在至少一个频率下的各个第一和第二多个时隙。
4.按照权利要求1的方法，其特征在于，其中第一和第二通信信道包括各自的第一和第二控制信道。
5.按照权利要求1的方法，其特征在于，其中第一调制方案包括相干解调方案和第二调制方案包括非相干解调方案。
6.按照权利要求1的方法，其特征在于，其中第二调制星座提供二进制调制。
7.按照权利要求1的方法，其特征在于，其中第一通信信道采用用来产生第一冗余电平的第一代码和其中第二通信信道采用用来产生第二冗余电平的第二代码。
8.按照权利要求7的方法，其特征在于，其中第二代码代表第一代码和附加代码的级联。
9.按照权利要求8的方法，其特征在于，其中附加代码包括一种用来产生提高的信号噪声比的代码。
10.按照权利要求9的方法，其特征在于，其中附加代码包括正交码和准正交码之一。
11.按照权利要求10的方法，其特征在于，其中第二代码包括Walsh-Hadamard码和Nordstrom-Robinson码之一。
12.按照权利要求1的方法，其特征在于，还包括按照共同数据链路层帧格式来把要在第一和第二通信信道上被发送的消息格式化。
13.按照权利要求1的方法，其特征在于，其中所述发送步骤包括在使用基本上相当的频谱资源量的第一和第二通信信道上发送同样的消息。
14.按照权利要求1的方法，其特征在于，其中所述发送步骤包括在第一和第二通信信道上以基本上相同的第一和第二传输速率进行发送。
15.按照权利要求1的方法，其特征在于，其中所述发送步骤包括在第一和第二通信信道上以基本上相同的第一和第二功率电平进行发送。
16.按照权利要求1的方法，其特征在于，
其中所述发送步骤的前面是用于判定在第一通信信道上的通信是否已恶化的步骤；以及
其中所述发送步骤包括响应于对第一通信信道上的通信已恶化的判定，在第二通信信道上发送特定的消息。
17.按照权利要求1的方法，其特征在于，其中所述发送步骤包括在第一通信信道和第二通信信道上同时发送同一个消息的步骤。
18.按照权利要求1的方法，其特征在于，
其中所述发送步骤包括从基站进行发送的步骤；以及
其中所述接收步骤包括在用户单元处进行接收的步骤。
19.按照权利要求1的方法，其特征在于，
其中所述发送步骤包括从用户单元进行发送的步骤；以及
其中所述接收步骤包括在基站处进行接收的步骤。
20.按照权利要求1的方法，其特征在于，消息包括控制消息、短消息、话音消息和数据消息中至少一个消息。
21.按照权利要求1的方法，其特征在于，其中第二冗余电平大于第一冗余电平。
22.无线通信系统，其特征在于，无线通信系统包括：
用于通过使用公共调制装置(513)在第一和第二通信信道上以各个不同的第一和第二冗余电平发送各个消息的装置(610)，其中公共调制装置按照第一调制星座调制在第一通信信道上发送的消息，以及其中用于发送的装置包括这样一种装置(620)，该装置(620)用于编码在第二通信信道上发送的消息，从而使得公共调制装置被限制成按照作为第一调制星座的子集的第二调制星座来调制在第二通信信道上发送的消息；
用于在第一通信信道和第二通信信道中的一个信道上接收代表发送的消息之一的无线通信信号的装置(650)；
用于根据无线通信信号是在第一通信信道还是第二通信信道上被接收来选择第一解调方案或第二解调方案之一的装置(650)；以及
用于按照已选择的调制方案解调已接收的无线通信信号以便恢复所述一个消息的装置(560，660，552，553)。
23.按照权利要求22的系统，其特征在于，其中第一和第二通信信道包括各自的第一和第二物理信道。
24.按照权利要求23的系统，其特征在于，其中无线通信系统包括时分多址(TDMA)通信系统，其中第一和第二物理信道包括在至少一个频率下的各个第一和第二多个时隙。
25.按照权利要求22的系统，其特征在于，其中第一和第二通信信道包括各自的第一和第二控制信道。
26.按照权利要求22的系统，其特征在于，其中第一解调方案包括相干解调方案，第二解调方案包括非相干解调方案。
27.按照权利要求1的系统，其特征在于，其中第二调制星座提供二进制调制。
28.按照权利要求22的系统，其特征在于，其中第一通信信道采取用来产生第一冗余电平的第一代码和其中第二通信信道采取用来产生第二冗余电平的第二代码。
29.按照权利要求28的系统，其特征在于，其中第二代码代表第一代码和附加代码的级联。
30.按照权利要求29的系统，其特征在于，其中附加代码包括一种用来产生提高的信号噪声比的代码。
31.按照权利要求29的系统，其特征在于，其中附加代码包括正交码和准正交码之一。
32.按照权利要求31的系统，其特征在于，其中附加代码包括Walsh-Hadamard码和Nordstrom-Robinson码之一。
33.按照权利要求22的系统，其特征在于，还包括用于按照共同数据链路层帧格式把要在第一和第二通信信道上发送的消息格式化的装置。
34.按照权利要求22的系统，其特征在于，其中所述发送装置包括用于在使用基本上相当的频谱资源量的第一和第二通信信道上发送同样的消息的装置。
35.按照权利要求22的系统，其特征在于，其中所述发送装置包括用于在第一和第二通信信道上以基本上相同的第一和第二传输速率进行发送的装置。
36.按照权利要求22的系统，其特征在于，其中所述发送装置包括用于在第一和第二通信信道上以基本上相同的第一和第二功率电平进行发送的装置。
37.按照权利要求22的系统，其特征在于，还包括用于判定在第一通信信道上的通信是否已恶化的装置，以及其中所述发送装置包括用于响应于在第一通信信道上的通信已恶化的判定在第二通信信道上发送特定的消息的装置。
38.按照权利要求22的系统，其特征在于，其中所述发送装置包括用于在第一通信信道和第二通信信道上同时发送同一个消息的装置。
39.按照权利要求22的系统，其特征在于，
其中所述发送装置位于基站处；以及
其中所述接收装置位于用户单元处。
40.按照权利要求22的系统，其特征在于，
其中所述发送装置位于用户单元处；以及
其中所述接收装置位于基站处。
41.按照权利要求22的系统，其特征在于，所述消息包括控制消息、短消息、话音消息和数据消息中至少一个。
42.按照权利要求22的系统，其特征在于，其中第二冗余电平大于第一冗余电平。
43.无线通信设备，包括正常消息发送装置(511，512，513，514)，用于在第一通信信道上以第一冗余电平发送消息，所述用于发送消息的装置包括调制装置(513)，用于按照第一调制星座调制要在第一通信信道上被发送的消息，其特征在于，该设备还包括：
高穿透消息发送装置(511，512，620，513，514)，用于在第二通信信道上以第二冗余电平发送消息，该高穿透消息发送装置包括调制装置(513)，以及还包括用于编码在第二通信信道上发送的消息以使得该调制装置被限制成按照作为第一调制星座的子集的第二调制星座来调制在第二通信信道上发送的消息的装置。
44.按照权利要求42的设备，其特征在于，其中第一和第二通信信道包括各自的第一和第二物理信道。
45.按照权利要求43的设备，其特征在于，其中第一和第二物理信道包括在至少一个频率下的多个第一和第二多个时隙。
46.按照权利要求43的设备，其特征在于，其中第一和第二通信信道包括各自的第一和第二控制信道。
47.按照权利要求43的设备，其特征在于，其中第一调制星座用来产生一个适合于相干解调以便恢复在第一通信信道上发送的消息的信号，以及其中第二调制星座用来产生一个适合于非相干解调以便恢复在第二通信信道上发送的消息的信号。
48.按照权利要求43的设备，其特征在于，其中第二调制星座提供二进制调制。
49.按照权利要求43的设备，其特征在于，
其中所述正常消息发送装置包括用于发送按照用来产生第一冗余电平的第一代码进行编码的消息的装置；以及
其中所述高穿透消息发送装置包括用于发送按照用来产生第二冗余电平的第二代码进行编码的消息的装置。
50.按照权利要求49的设备，其特征在于，其中第二代码代表第一代码和附加代码的级联。
51.按照权利要求50的设备，其特征在于，其中附加代码包括用来产生提示的信号噪声比的代码。
52.按照权利要求51的设备，其特征在于，其中附加代码包括正交码和准正交码之一。
53.按照权利要求52的设备，其特征在于，其中附加代码包括Walsh-Hadamard码和Nordstrom-Robinson码之一。
54.按照权利要求43的设备，其特征在于，还包括用于按照共同数据链路层帧格式把要在第一和第二通信信道上发送的消息格式化的装置。
55.按照权利要求43的设备，其特征在于，其中所述正常消息发送装置和所述高穿透消息发送装置用来在第一和第二通信信道上同时发送同样的消息。
56.按照权利要求43的设备，其特征在于，它被包括在基站或用户单元之一内。
57.按照权利要求43的设备，其特征在于，其中由所述正常消息发送装置和所述高穿透消息发送装置发送的消息包括控制消息、短消息、话音消息和数据消息中至少一个。
58.按照权利要求43的系统，其特征在于，其中第二冗余电平大于第一冗余电平。
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