CN1132349C - 选择性跳频 - Google Patents

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Abstract

无线通信***中使得能够实时地确定和采用优选的跳频(FH)序列的***和方法。利用各种技术确定或估计小区中移动台的平均速度。若平均速度低于预定的阈值，则采用循环FH序列，以便实现优异的频率分集，因而应付小规模衰落波谷。若平均速度高于预定的阈值，则采用随机FH序列，以便实现优异的干扰平均化，因而应付同信道干扰。还可以使用延迟计时器和滞后，以提高稳定性和对付短期波动。周期性地重复平均速度的测量和平均速度与阈值的比较。

Description

选择性跳频
本发明一般地涉及无线远程通信领域，详细地说，涉及实时地激活最优跳频算法用的***或方法。
移动无线通信由于安全、方便、工作效率、对话简便的乐趣而变得日益重要。一种有前途的移动无线通信选项是蜂窝通信。例如，在汽车里、公文包里、钱包里、甚至衣袋里都可以找到蜂窝电话。但是，为了最大限度地享用蜂窝电话，必须对蜂窝无线网络进行优化。
现将参见附图中的图1，描述一个示范性蜂窝无线网络，诸如全球移动通信***(GSM)公用陆地移动网(PLMN)100。PLMN100包括多个区域105，其中每一个都设有移动通信交换中心(MSC)110和结合到其中的出访者位置登记装置(VLR)115。MSC/VLR区域105本身包括多个位置区域(LA)120，它被定义为给定的MSC/VLR区域105的一部分，移动台(MS)(终端)125无需向控制LA 120的MSC/VLR区域105发送更新位置消息即可在其中自由移动。每一个LA 120分成数个小区130。移动台(MS)125是一种物理设备，例如，由移动用户使用的汽车电话或其他便携式电话，用来既通过有线又通过无线方式与蜂窝网络100通信、彼此通信、与收费网络以外的用户通信。
MSC 110与至少一个基站控制器(BSC)135通信，而BSC 135本身又与至少一个基站收发信台(BTS)140接触。BTS是物理设备，为简单起见，以无线电塔的形式示出，它对它所负责的小区130的地理部分进行无线电覆盖。应该明白，BSC 135可以连接到几个基站收发信台140，而且可以以独立节点或者与MSC 110结合的节点的形式实现。不论在那一种情况下，BSC 135和BTS 140组成部分作为一个整体一般称作基站***(BSS)145。
再参见图1，PLMN服务区域或无线网络100包括原藉位置登记器(HLR)150，它是一个数据库，保存所有用户的信息，例如，用户简要数据、当前位置信息、国际移动用户识别(IMSI)号、和其他管理信息。HLR 150可以与指定的MSC 110处于同一位置、与MSC 110结合在一起、或者作为另一方案，可以为多个MSC 110服务，图1中示出的是后一种情况。
VLR 115是一个数据库，包含有关当前处于MSC/VLR区域105内的所有移动台125的信息。若MS 125漫游进入一个新的MSC/VLR区域105，则连接到该MSC 110的VLR 115便从HLR数据库150请求有关该移动台125的数据(同时通知HLR 150有关MS 125的当前位置)。相应地，若移动台125的用户想要进行呼叫，则当地的VLR 115不再询问HLR 150即具有必要的识别信息。用上述方式，VLR和HLR数据库115和150分别包含各种与给定的MS 125有关的用户信息。
每一个MS 125都会受到无数使信号质量降低的现象影响。例如，当发射的信号通过有信号反射结构的地形传播时，小规模衰落(亦称多路径，快速衰落或Rayleigh衰落)会产生接收信号强度的峰值和谷值。当发射的信号被大物体(例如，山岳、建筑群、森林等)衰减时，第二种使信号质量降低的现象，大规模衰落(亦称log正常衰落或静区)使接收信号强度降低。第三种使信号质量降低的现象，同信道干扰，减小了MS 125正确地从第一BTS 140接收所需要的信号的能力，因为受到来自第二个更远的BTS 140的不希望有的信号干扰。许多使信号质量降低的现象(例如，通路损耗、时间散射和相邻信道干扰)对无线通信都会造成负面的冲击。
幸运的是，开发了许多技术来应付这些使信号质量降低的现象。一些实例是信道编码、交错、均衡、天线分集和频率分集。频率分集有几种可能的实现方式，其中之一是跳频(FH)。另外，FH可以采用许多不同的算法。在现有的***中，任何一个小区130内只采用许多FH算法中的一种。在传统上，事实上，FH算法的类型是在***设计时选择的。不幸的是，最优FH算法可能随着小区130内当前的条件而变化的。总而言之，在任何一个给定的小区内，现有***至今只采用一种FH算法。
本发明通过达到本发明的以下(和其他)目的而克服先有技术中的上述(和其他)缺点。
本发明的一个目的是提供一种测量小区内移动台的一个或多个参数的***和方法。
本发明的另一个目的是提供一种在***正在支持用户的同时(亦即，实时地)能够从一种跳频算法切换到另一种跳频算法的***和方法。
本发明的另一个目的是实现一种从循环FH序列变换到随机FH序列用的***和方法。
本发明的再一个目的是实现一种能够确定给定的小区内移动台的平均移动速度的***和方法。
本发明还有一个目的是实现一种用来当移动台的平均速度较低时选择循环FH序列、而当移动台的平均速度较高时选择随机FH序列的***和方法。
这些目的是借助用于无线通信***的***和方法来实现的，在所述***和方法中，能够根据一个或多个测量的***参数而采用优选的跳频序列。在一个实施例中，在一段时间里测量小区内每一个移动台(MS)的移动速度。这个测量可以是精确的或者估计的，而且测量可以用任何一种技术实现，诸如基于定时超前、切换定时器、定位技术和多普勒测量的技术。然后把每一个单独的移动台的平均速度在一起求平均值，计算总体MS平均速度。
然后利用这种总体的移动台平均速度来确定优选的FH序列。例如，若平均速度较低，则采用循环FH序列来实现优异的频率分集，以此应付小规模衰落波谷。另一方面，若平均速度较高，则采用随机FH序列，以便实现优异的干扰平均，因而应付同信道干扰。从一个FH序列切换到另一个FH序列之后，延迟一段预定的时间间隔之后重新测量移动台的速度。
下面将参照附图中所表示的说明性实例详细地解释本发明的上述和其他特征。本专业的技术人员将会明白，所描述的实施例是为举例说明和理解的目的而提供的，预期这里还有许多等效的实施例。
结合附图参见以下的详细描述，对本发明的方法和设备将有更充分的理解。附图中：
图1举例说明本发明可以应用于其中的示范性的蜂窝无线网络；
图2A举例说明无线通信中的小规模衰落现象；
图2B以曲线形式举例说明小规模衰落现象的波谷与移动台物理位置的关系；
图2C举例说明蜂窝无线通信中的同信道干扰现象；
图3A以曲线形式举例说明从跳频产生的信号接收的改善；
图3B举例说明循环跳频序列。
图3C举例说明随机跳频序列。
图4以流程图的形式举例说明按照本发明第一实施例的不同跳频算法之间优化信号接收的选择过程；
图5以流程图的形式举例说明按照本发明第二实施例的跳频序列的统计分配过程；以及
图6举例说明在24小时周期中本发明第二实施例的示范性执行。
在以下的描述中，为了说明而不是限制的目的，提出一些具体的细节，诸如特定的电路、电路组件、技术等，以便提供对本发明透彻的理解。但是，对于本专业的技术人员来说，本发明显然也可以在离开这些具体细节的其他实施例中实施。在其他情况下，省略了对众所周知的方法、装置和电路的描述，以免不必要的细节使对本发明的描述变得模糊不清。
通过参考附图中的图1至6将会充分地理解本发明的最佳实施例和它的优点。各图中类似的标号用来表示类似的和相应的部件。
图2A举例说明无线通信中的小规模衰落现象。在小区130中，MS 125收到来自BTS 140的信号210和反射的信号220。小区130中包括不同的障碍物，诸如障碍物230和240。所需要的信号从BTS140发射，并通过多条路径传播而到达MS 125。因而信号210和反射的信号220相位不同，因而可能互相抵消(或增强)。抵消就造成信号强度的突然下落。
图2B以曲线形式举例说明小规模衰落现象的垂度与移动台物理位置的关系。曲线250代表频率300MHz(兆赫)处10米乘10米平方建筑区域(例如城市)内接收的信号强度。图中示出在仅仅10米范围内出现的若干波动，既有波峰又有波谷。近似地说，两个波谷之间的距离一般是大约半个波长(例如，对个人通信***(PCS)1900而言约8cm)。应该指出，对于不同的频率，在空间上衰落波谷出现在略微不同的位置上。
图2C举例说明蜂窝无线通信中的同信道干扰现象。小区130A和130B分别具有BTS 140A和140B。BTS 140A与靠近小区130A边缘的MS 125A通信并正在发射信号260，而BTS 140B与靠近小区130B边缘的MS 125B通信并正在发射信号270。因为MS 125B靠近小区130B的边缘，所以BTS 140B必须以最大允许的功率或接近于最大允许功率的功率进行发射。另外，因为蜂窝频率是重复使用的，所以信号260和信号270可能以相同的频率发射。因此，BTS 140B可能发射这样的信号270，它干扰MS 125A正确接收所需要的信号260的能力。以干扰信号275的形式表示这种干扰信号。
跳频(FH)可以用来对付小规模衰落和同信道干扰的有害影响用。在以下的描述中，包含在GSM说明书中的某些无线通信原理将会用来阐明本发明的传授，但是，本发明不准备限于此。例如，拟在图1的蜂窝无线网络中实行蜂窝频率重复使用和时分多址(TDMA)。另外，在每一个小区130中，指定使用给定的频率子集。MS 125(和与之通信的BTS 140)可以在每一个时隙之间切换到新频率。
在小区130中可以采用许多不同的FH算法(跳频序列)。在循环FH中，频率是以连贯的顺序使用的。例如，这个顺序可以是从号码最低的频率开始，在重复之前进到号码最高的频率。在随机FH中，最好以伪随机序列的形式实现所述系列，所述伪随机序列存储在MS 125和BTS 140两者的查阅表中。定义的独立序列的个数最好是63，但是本发明打算包括任何个数。
当在FH中使用正交序列时，频率偏移(例如，移动配置指数偏移[MAIO])在配置时自动分配给每一个信道。结果，小区中的每一个业务信道使用相同的序列，但在每一时刻具有不同的频率。还使同信道小区具有独立的随机系列。这样，尽管连接使用相同的频率，但它们并不总是在同时使用。采用这样的频率独立性，连接很少互相干扰。这导致良好的干扰平均化。
来自FH的两个正面的作用是干扰平均化和由于频率分集使小规模衰落减小。图3A以曲线形式举例说明跳频产生的信号接收的改善。信号的改善起因于实现频率分集使小规模衰落减小。曲线310表示划成曲线的接收信号强度(RSS)与距离的关系。两个以非跳频的频率发射的信号(315和320)分别用细实线和细虚线表示。第三个以关于两个频率的FH发射的提供频率分集的信号(325)用粗实线表示。跳频信号325使RSS平滑，并减轻小规模衰落造成的下落使信号质量降低的效应。
干扰平均化是FH产生的另一个好处。FH可以把持久的干扰分解为单一突发干扰的周期性出现。每一个突发上频率的改变尤其改善了同信道干扰。同信道干扰改变每一个突发，这对连接有利，否则可能在整个连接过程中都受到严重干扰。另外，一个连接引起的另一个连接的干扰被分散到时间周期上的单一突发，而不是同一频率上的连续发射。这种干扰平均化有利地使无线电干扰变成比较平滑。另外，持续时间较短的干扰(例如，一次突发)一般可以用例如编码和交错克服。因此，干扰平均化有助于例如减轻同信道干扰。
图3B举例说明循环跳频序列。在小区130(或其他相关的无线***装置)中，循环FH序列340最好以预定的(例如数字)顺序重复所有可用的频率或其一部分。图3C举例说明随机跳频序列。在小区130(或其他相关的无线***装置)中，随机FH序列360最好反映存储在无线***(包括每一个MS 125)中的伪随机序列。
在单一小区中，一般说来，在应付小规模衰落方面，循环FH比随机FH好，因为采用循环FH时，紧接着的下一个频率将独立地从前一个频率衰落。因此，频率分集最好采用循环FH，因为，由于曲线250的频率依赖关系、小规模衰落的波谷很少出现在随后的发射/接收突发上。另一方面，随机FH提供较好的干扰平均化。循环FH提供较差的干扰平均化，因为，例如，信号260和干扰信号275(图2C的)可能变成被锁定在同一频率循环的顺序中。因而，同信道干扰可能在整个相互连接中是恒定的。
是应付小规模衰落还是应付同信道干扰更为重要，除其他因素外，这取决于移动台在给定小区内的速度。用户速度高时，MS 125在空间中移动(例如，见图2B的曲线250)这样快，使得在MS 125跳到新频率之前，MS 125物理上移出当前频率下的当前衰落低谷。因此，对于高速移动台而言，同信道干扰更是一个限制性的因素，故随机FH较优(以避免在整个频率子集中可能的锁步循环)。对于速度较慢的移动台，小规模衰落更是一个限制性因素，因而循环FH较优(以避免同一频率上的背对背突发)。
总而言之，FH可以用来对付空中接口上的衰落(例如，多路径)和干扰(例如，同信道)。本发明通过根据MS参数(例如，速度)切换FH算法，克服了具有设置在每一个小区(和该小区中的移动台)的开关中的固定跳频序列的缺点。FH序列算法最好是两种类型，循环或随机。对于慢移动或固定的移动台，循环FH序列对付衰落低谷效果好，因为序列中的任何两个频率，只要分隔足够远，是独立地衰落的。对于速度高的移动台，随机FH序列的干扰平均化作用比较明显，因为只靠MS的速度就能应付衰落低谷。
若小区中的跳频序列被选择为随机的，则慢速或固定的移动台可能把同一频率用于两个或更多连续的突发。若该频率刚好受到严重衰落，则接收信号强度会是很差的。若小区内的跳频序列选为循环的，则高速移动台得不到好处，干扰平均化在该***中是次优的。
本发明的FH序列算法的统计分配将允许***实时地在每一个小区的基础上自动地选择随机或循环序列。
图4以流程图的形式举例说明按照本发明第一实施例为优化信号接收而在不同跳频算法之间进行的选择过程；按照第一实施例的过程用流程图400代表，并在步骤410处开始。在步骤420，无线***(例如，图1的)对给定小区130内的每一个移动台125至少测量一个参数。然后分析整个小区130内所有移动台125的参数数据或以某种形式将其结合(例如，求平均)。
根据这种分析，***在步骤430处确定最优(至少是优选的)FH算法。在步骤440处，***判断当前采用的FH算法与最优算法是否不同。若否，则***在步骤460维持使用当前FH算法并可以重复测量步骤420。另一方面，若当前采用的FH算法不同于最优FH算法，则***在步骤420重复任何测量之前在步骤450处切换到最优FH算法。
图5以流程图的形式举例说明按照本发明第二实施例的统计指定跳频序列的过程。序列(或FH算法)选择过程用流程图500表示。每一个阶段或步骤都用数字编号。以下的描述按阶段组织(放在圆形内的数字)。
在阶段①中，当***中该特征被激活时，该过程在步骤505开始。
在阶段②，在步骤510测量相关的小区130内移动台125的速度。这可以用当前或将来的几种方法和技术完成，下面提供并解释其示范性清单。
第一种速度测量技术依赖于定时提前(TA)。通过测量TA的变化速率，即可估计出MS的速度。依离小区的距离的不同，移动台将接收0至63的TA。若在一个呼叫过程中TA连续增大或缩小，则该特定的MS就在移动。TA的变化速率与MS的速度成正比。
第二种速度测量技术依赖于切换定时器。可以收集呼叫次数统计，以判断切换出或切换入小区的移动台数目，以及MS在蜂窝内所花的时间。目前，象这样的统计构成层次小区结构(HCS)判断的基础。通过测量密集区域(dense area)中MS进入和离开小区的比率，即可将MS分类为快速或慢速移动。
第三种速度测量技术依赖于定位技术。可以为移动通信实现几种定位技术，包括全球定位***(GPS)和到达时差(TDOA)(例如，多个基站收发信台140的三角测量)技术。实现这些技术来精确测定MS的地理位置。通过测量位置改变的速率，即可精确地确定MS的速度。
第四种速度测量技术依赖于多普勒测量。振荡器和滤波器未来的提高，将使多普勒频移(DS)的精确测量成为可能。在呼叫过程中MS被分配一个特定的频率。基站接收机(在BTS 140处)调谐到这个频率进行“聆听”。假定MS中的振荡器是理想的，在基站处接收的信号频率f2将为：
f2＝f2+fd                        (1)
式中f1是移动台的发射频率，而fd是多普勒频移： f d = ν λ cos θ . . . . . . ( 2 )
式中λ是发射信号的波长，而θ是相对于MS 125和MTS 140之间直线的行进方向。因而，在BTS 140处接收的频率是MS 125的速度和行进方向的函数。
因此，多普勒频移可以用来估计MS 125的速度。但是，它只能用来“估计”。尽管移动台125向着或离开BTS 140行走时，BTS 140可以精确地测量移动台125的速度，但移动台以任何其他角度行走时，就不行了(因为BTS 140不知道该角度)。然而，这个序列(FH算法)选择过程只要求二中择一(快或慢)，而且所有移动台125要在整个小区130中平均。所以，多普勒频移可以给出小区130内所有移动台125平均速度的良好估计，于是就可以把移动台125分类为快或慢。
在阶段③，在步骤515求出小区130中移动台125的平均速度。所述平均值最好是通过计算平均值来确定，但在本发明的范围内也可以考虑其他平均计算(例如，最频值)。滤波器长度(延迟时间间隔)T1限定其间对速度测量值进行平均的短的时间间隔。大的T1值提供一个比较准确的速度测量结果并去除数值上任何瞬间的波动。
在阶段④，把小区130内移动台125的平均速度与阈值和滞后加以比较。该平均值(正如在步骤515测定的)与操作者在步骤520确定的阈值比较(步骤520上的判断变为是否“小区速度＜阈值+滞后”，因为平均小区速度从超过“阈值+滞后”的值下降)。若平均速度大于阈值加滞后，则该移动台125被判定为主要是“快”，在该小区130中要用随机跳频序列(步骤545)。若平均速度小于阈值减滞后，则该移动台125被判定为主要是“慢”，在该小区130中要用循环跳频序列(步骤525)。
按照本发明，操作者最好具有选择适合于小区平面的阈值的灵活性。断点速度最好约为35km/hr(公里/小时)。这意味着，对于高于35km/hr的速度最好采用随机序列，而对于低于35m/hr的速度最好采用循环序列。但是操作者可以按照需要改变这种阈值。还包括滞后参数，以便抑制围绕阈值速度的任何小波动(正如以后还将参照图6解释的)。
在阶段⑤，判断当前小区态以及该状态是否需要改变。一旦在阶段④确定优选的序列，便检查当前序列，看它们是否相同(步骤530和550)。若它们相同，则无需改变序列(步骤535)，过程跳回步骤510，再次测量移动台125的平均速度。若序列不一致，则过程以步骤540继续下去。
在阶段⑥，在步骤540改变小区态。若优选的序列与当前序列不同，则在小区130中改变序列。可以通过使小区暂停来改变该序列。但在繁忙时间，使小区暂停是不希望的。比较好的处理方法是在单个时隙的基础上自动改变序列。这可以或者通过等待时隙变为空闲，或者通过强制小区内切换来完成。
在阶段⑦，⑧和⑨，实现延迟循环。在步骤555将延迟计时器T2初始化。这种延迟计时器防止跳频状态过于频繁地在随机和循环序列之间变换。一旦计时器的时间到(如在步骤560和565中判断的)，处理过程返回步骤510，再次测量速度。
图6举例说明在24小时时间间隔内本发明第二实施例的示范性执行。这种假定的状态，正如曲线600表示的，举例说明本发明的实际操作。最初，操作者决定用多普勒频移和定时提前的组合来测量小区130内移动台125的速度。研究了相关小区130内的业务量特性，并了解DS和TA测量方法的选择并不给出精确结果(由于移动方向未知)之后，操作者选择20km/hr的速度阈值610。除阈值以外，操作者还设置±3km/hr的滞后值620。
DS和TA方法的采样速率均为50ms(毫秒)。操作者假定6000次测量已经足够，便把T1滤波器长度设置为5分钟。另外假设，在短的时间间隔内移动台125的平均速度不会发生显著的变化，而且不想过于频繁地改变跳频序列，故操作者把T2设置为30分钟。
本发明第二实施例的过程，正如流程图500所代表的，在阶段①开始。然后在阶段②对速度进行采样。5分钟(T1)之后，利用6000个样值求速度的平均值(阶段③)。曲线图600示出曲线630，它是在阶段①-③所测量和确定的、24小时时间间隔(650)内小区130中移动台的平均速度(640)。曲线630表示，通信繁忙时间(例如，8∶00am(上午)前后、午饭时间内，和再次在5∶00pm(下午)前后)的高速度，这时用户很可能都在移动中。
在11∶00am.与1∶00pm(午饭时间)之间，小区130内所有用户125的平均速度在23km/hr以上(阈值+滞后)。按照阶段④-⑥，要用随机序列。上午中间时间，小区130内的跳频序列状态将是循环，因为平均速度低于17km/hr(阈值-滞后)。11∶00am，状态变为随机，并再次将T2初始化。11∶30am，T2时间到，将连续测量速度，并且每5分钟(T1)求一次平均值。1∶00pm，平均速度降低到23km/hr以下。正如曲线图600所表明的，约15分钟之后速度降低到17km/hr以下。这时，跳频状态变为循环，将对30分钟(T2)延迟进行初始化。
尽管在附图和以上的详细描述中，分别对本发明的方法和设备的最佳实施例作了举例说明和描述，但是应该理解，本发明不限于所公开的实施例，而是在不脱离后附权利要求书所提出和定义的本发明的精神的情况下，可以做出许多从新安排、修改和替代。

Claims (13)

1.在具有多个移动台的远程通信***中，一种用于所述多个移动台的选择性跳频的方法，所述方法包括以下步骤：
测量所述多个移动台各自的速度；
根据所述多个移动台的所述各自的速度为所述多个移动台确定跳频序列；和
根据所述各自的速度，切换所述多个移动台的所述跳频序列。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述切换步骤之后还包括将所述测量延迟一段预定的时间间隔的步骤。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述测量步骤还包括计算所述多个移动台的所述各自的速度的平均值，所述确定步骤根据所述平均值选择所述跳频序列，以及根据所述平均值而切换所述跳频序列。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于：在所述测量步骤中计算的所述平均值是中值。
5.按照权利要求3所述的方法，其特征在于：在所述测量步骤中计算的所述平均值是最频值。
6.按照权利要求3所述的方法，其特征在于：在所述测量步骤中计算的所述平均值是在预定的平均时间间隔中计算的。
7.按照权利要求3所述的方法，其特征在于：在所述测量步骤中的所述平均值的所述计算是利用速度测量方法计算所述平均值的，所述速度测量方法是从包括定时提前、切换定时、定位方法和多普勒测量的一组中选择的。
8.按照权利要求3所述的方法，其特征在于：当所述平均值低于预定的速度阈值时，所述跳频序列是循环系列。
9.按照权利要求3所述的方法，其特征在于：当所述平均值高于预定的速度阈值时，则所述跳频序列是随机序列。
10.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述确定步骤把所述各自的速度与预定的阈值比较。
11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于：所述预定的阈值还包括滞后值。
12.按照权利要求10所述的方法，其特征在于：所述预定的阈值约为35km/hr。
13.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法基本上实时操作。
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