CN1143457C - 应用2.4千兆赫工业、科学、医学频带的小型无绳装置的无线电接口 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在2.4GHz频带小型无绳装置的无线电接口。为此根据本发明安排了具有一台固定站(1)和至少一台移动站(2，3)的传输***，其中固定站(1)和移动站(2)各具有一些设备(射频模块4，5)，以便用频分多路传输法(FDMA)，时分多路传输法(TDMA)和应用双工分离法(TDD)在时隙内传输数据。正如从DECT标准获悉，应用GMSK调制法数据在载频上(fx)进行调制。固定站(1)以及各移动站(2)的射频模块(4，5)是这样设计的，使得载频(fx)在一预定持续时间之后改变，该持续时间例如可以相当于一个时隙的或一个传输帧的持续时间。这时一个传输帧包含16个时隙。

Description

应用2.4千兆赫工业、科学、医学频带 的小型无绳装置的无线电接口
本发明涉及独立权利要求的前序部分的一种方法以及一种传输***。根据本发明建立一个应用2.4GHz ISM频带的小型无绳装置的无线电接口。
为了代替欧洲现行的各种模拟和数字标准，在1990年初通过了DECT标准。这是第一个欧洲无绳通信***的公共标准。DECT网络是高用户密度的微型蜂窝式数字移动无线电网络。这首先是为在建筑物内应用而设计的。然而DECT标准在户外应用也是可能的。根据无绳标准，每平方公里约10,000个用户的DECT标准的容量提供给网络经营商理想的存取技术。按照DECT标准，无论是语音传输或数据信息传输都是可能的。所以无绳数据网络也可以建立在DECT的基础上。
参考图2对DECT更详细地说明如下。在DECT增强数字无绳通信的名称之下，欧洲数字无绳通信***已标准化。因此与通信***装置的转换功能一起，本***适合于在办公楼内或在工厂区的移动电话和数据通信业务量。DECT功能充实了通信设备并因此使其充当无绳通信***的固定站FS。在直到120个频道，可以产生、监视和控制在固定站FS和最多120移动站MS之间的数字无线电连接。
在最多10个不同的载频上可用于从1.88GHz到1.9GHz频段内的传输。这种频分多路传输法称为FDMA(频分多路存取)。
12个信道相继地在10个载频中的每一个载频上应用时分多路传输法TDMA(时分多路存取)传输。因此对于按照DECT标准的无绳通信而言在应用10个载频和每个载频各12个频道情况下总共产生120个频道。因为例如对于每个语音连接要求一个频道，所以对最多120个移动站MS产生120个连接。在载波上应用双工法(TTD)。一经12个频道(频道1-12)从固定站发送之后，则固定站转换到接收并且从相反方向接收至少从一台移动站的12个频道(频道13-24)。
因此时分多路传输帧由24个频道(参照图2)组成。在这种情况频道1到12从固定站FS传输到移动站MS，而频道13到24从相反方向即从移动站MS到固定站(FS)传输。帧持续时间为10ms，而频道的持续时间(时隙)为417μs。在该时间内320位信息(例如，语言)和104位控制数据(同步，信令和故障检查)进行传输。对一个用户(频道)的有用位速率从10ms内的320位信息产生。因此它相当于每秒32千位。
为了对固定站和移动站实现DECT功能，发展了集成模块。这时固定站和移动站实现类似的功能。这时上述集成块之一是射频模块，即在射频频带内实现实际的接收和发送功能。
大家知道，应该用所谓的快速跳频的射频模块，即可以实现载频从一个时隙或频道改变到另一个的射频模块。然而这快速跳频的射频模块是极复杂而昂贵的。因此在实际上主要应用所谓慢速跳频的射频模块，即：为了改变载频必需一定的时间。实际上为了改变载频，慢速跳频的射频模块要求的持续时间基本上相当于一个时隙的持续时间，这意味着在每一个有效的时隙之后，即数据传输的每一时隙之后必须跟随一个没有数据传输的所谓无效的时隙(盲隙)。这意味着实际上在DECT标准一个载频上只可以进行6次连接，而不是可能的12次连接。
DECT频道是由其时隙和载频决定的。在这种情况必须注意，根据DECT标准，借助动态频道选择实现重复使用物理频道的结构。这意味着，无须像蜂窝***内那样任何复杂的频率规划。为了建立一次连接，必须连续地测量所有频道的信号电平并且在一个频道单(频道映射表)内控制无干扰频道。在一次连接期间，所有频道的信号电平和接收质量连续受到监控。如果这监控指出：目前采用的频道在受到干扰的(例如由于从另一固定站来或到另一固定站在同一载频下传输的影响)载频下进行传输，则对下一个有效时隙而言自动选择另一载频，并且作为无干扰记录在频道单内。
作为一种方案，也可以应用所谓的跳频法，其中载频在预定的时间间隔后，例如在一个传输帧之后改变。
对于欧洲以外的国家，DECT标准可能需要修改，并适应本地条件。例如，在美国，在1.88和1.90MHz之间的标准DECT频带不能用来传输，代之采用一般常使用的2.4GHz ISM(工业、科学、医学)频带。此外，为了与国家标准相匹配，例如美国标准“FCC part 15”(联邦通信委员会部分15)必须进行改变。这个美国标准描述了为无线电接口允许的传输方法，传输功率和可供支配的带宽。
除了上述的320信息位之外，在DECT标准内每一时隙还包含信息传输用的另外的104位，以及用于保护域的56位，所以每一时隙包含总共480位。这导至(24×48位)/10ms＝1,152,000位/秒的数据传输率。在这种水平的数据传输率美国ISM频带内是没有意义的，因为每一可用信道所要求的带宽似乎太宽。不顾这个准则，考虑到成本应当尽可能不改变为DECT标准开发的部件，例如可以继续使用基带控制器。
因此本发明的任务是在2.4GHz ISM频带内建立一个无绳小型设备用的无线电接口，它可以尽可能应用为所谓DECT标准开发的部件。
本任务通过独立权利要求的特征解决。
根据本发明也提供了一种无绳数据传输的方法，其中，在时隙内应用频分多路传输法，时分多路传输法以及时分双工(TDD)进行数据传输。正如从DECT标准获悉的那样，根据GMSK调制法，数据在各载频上进行调制。根据本发明，在预定的时间周期后改变载频，这称之为跳频扩展谱。根据本发明一个传输帧还具有16个时隙。
可以有利地在80和100个载频之间利用。
数据可以在2.4和2.483GHz之间的频带内传输，这例如在ISM频带就是这种情况。
在预定的时间周期之后载频根据跳频扩展谱法改变，该预定的时间周期可以相当于一个时隙或一个传输帧。时间周期也可以是一个时隙或一个时帧的整数倍。
在数据传输的有效时隙可以各跟随一个没有任何数据传输的无效时隙。无效时隙的持续时间可以是有效时隙的持续时间的一半。
在无效时隙期间可对各跟随的有效时隙的载频进行调整(程序化)。
根据本发明也可以提供无绳数据传输的传输***，其中传输***具有一台发射机和一台接收机。发射机和接收机又各具有装置用以按照频分多路传输法(FDMA)，时分多路传输法(TDMA)和时位分离双工(TDD)法在时隙内传输数据。这时根据GMSK调制法数据在载频进行调制和解调制。根据本发明，是这样设计发射机和接收机的，使得载频在预定的时间周期后改变。一个传输帧包含16个时隙。
可以有利地在80和100个载频之间提供。
为了传输数据可以提供在2.4和2.4835GHz之间的一个频带。在预定的时间周期之后改变载频的该预定的时间周期，可以调正为一个时隙或者一个传输帧的持续时间。时间周期也可以是一个时隙或一个时帧的整数倍。
在传输数据的一个有效时隙之后，可以各安排一个没有数据传输的无效时隙。
可以选择无效时隙的持续时间为有效时隙的持续时间的一半。
在发射机和接收机内，可以各安排一个射频模块，其中射频模块的有效时隙的载频可以各在前一无效时隙期间选择。
现在本发明依靠实施例和参考附图详细说明，其中：
图1示出根据本发明的数字的数据无线电传输的装置；
图2示出已知的DECT标准的简图；
图3示出在已知的DECT标准对美国ISM频带匹配的情况下频道配置的简图；
图4示出根据本发明与ISM频带相匹配的DECT标准的频道特别有效的配置。
在图1提供一台数字的数据无线电传输装置。这时固定站1借助一终端导线10与固定网络连接。
固定站1具有一射频模块4，用它借助一根天线6可以传输数据和接收数据。射频模块4可以尤其是所谓的低速跳频射频模块，即特别成本低的射频模块，为了从一个载频改变为另一个载频必须一定的时间周期。这时间周期只有一个时隙的数量级，即在约100μs和1ms之间，而尤其在约300μs和500μs之间。用于载频改变必须的时间周期可能相当于(例如)由时分多路传输法的一个时隙填满的时间间隔。借助天线6可以经第一个无线电传输路径8将无线电传输到一个移动站2或经第2个无线电传输路径9将无线电传输到一个移动站(无绳电路)3。所有在图1内描绘的移动站都具有相同的结构，所以只依靠示出的移动站2进行详细说明。
正如图1所示，这台移动站2具有天线7，用于从基站1或到基站1的接收或发送数据。在移动站2内配备一个射频模块5，该模块基本上与固定站1内应用的射频模块4相当。在移动站2的射频模块5也可以涉及所谓的慢速跳频射频模块。
现在参照图2来说明已知的DECT标准如何与美国ISM频带匹配。正如以前已经说明的那样，如果保留DECT标准，则最终的数据传输率似乎对ISM频带而言太高。正如在图3看到的，因此将每帧的时隙数减半，即：现在在10毫秒的一个时帧内只提供12个时隙Z1-Z12而不是在DECT标准内的24个时隙，其中12个时隙每个可以传输480位。通过时隙数减半，数据传输率也相应地减半到(12×480位)/10ms＝576000位/秒。这种较低的数据传输率导致适合美国ISM频带接受的带宽。
然而正如图3所示，在低成本实现无线电传输所需要的仪器情况下必须安排慢速跳频射频模块，这意味着在数据传输的每一有效的时隙之后必须跟随没有数据传输的一个无效的时隙(盲隙)。因此在提供的12个时隙Z1-Z6中(6个时隙Z1-Z6用于从固定站到移动站的传输，而6个时隙Z7-Z12用于从移动站到固定站的传输，因此最多只有3个可能的连接供支配。因此在实现低成本慢速跳频射频模块的情况下，由于由慢速跳频射频模块规则最多为3次连接的可用频道容量并不很大。
图3用阴影线示出可能的有效时隙。例如正如图中所示在时隙Z1内，用载频f2实现从固定站1到移动站2，3的传输(RX1)。如果在这时隙Z1后跟随没有数据传输的时隙Z2(无效时隙，盲隙)，慢速跳频射频模块也可以应用无效时隙Z2的持续时间改变载频。正如图3所示，可以将载频例如从载频f2改变到载频f3。因此如图3所示，在时隙Z3内用载频f1可以从固定站到移动站进行传输(RX2)。因此图3所示简图的特点为，在给定的时隙分布情况下有效时隙(用阴影线表示)可以在各个预定的载频(f1，f2…)下运行。
必须提醒，根据DECT标准物理频道重新应用的机构可借助动态频道选择来实现，其中频道是由其载频及其时隙决定的。因此无须复杂的频率规划如在蜂窝状***内那样。为了建立连接，应连续测量所有频道的信号电平并且在频道单(频道映射表)内控制无干扰频道。在一次连接期间应连续监控所有可能载频的所有频道的信号电平和接收质量。
因此如图3所示，如果在时隙Z1内在载频f2传输时(RX1)确定，在载频f1上的接收或传输条件更好，则在没有数据传输的时隙Z2的持续时间内可以改变到认为更好的载频f1上。在时隙Z3内在认为更好的载频f2进行传输RX2。
作为这种方法的优选方案，其中只在出现干扰时才改换载频，则也可以应用所谓的跳频法(跳频扩展谱)，其中载频在一预定的时间间隔之后，例如在一个传输帧或一个传输时隙之后才变换，与所用的载频是否受到干扰无关。因此传输的能量能够在多个载频上分布，整体上说对在发射机有效范围内的其它***的影响无足轻重。
这时必须注意，根据标准“FCC part 15”相同频度地平均使用所有载频。
如前所述，图3所示的频道配置图具有如下缺点，因为每个时帧的时隙数减少一半为12，因此一个时隙的持续时间加倍到833μs，并且在每一有效时隙之后所必要的无效时隙其后果为，与根据DECT标准可能给出6个连接相反，只还有3个可能的连接(从固定站到移动站的3个连接和从移动站到固定站的3个连接)。
图4示出一种时隙结构，它允许最多可能的连接数从3个上升到4个，而不会损害从一个有效时隙到下一个有效时隙的灵活选择，以及不影响在射频模块4，5内合成器的程序化。正如图4看到的那样，这种最多连接数从3个增加到4个基本上是通过不发生数据传输的无效时隙的持续时间内实现的，与有效时隙的持续时间相比缩短了。正如图4所示，如果时帧总共花费10ms，则在一个时帧内的有效时隙Z1，Z3，Z5，Z7，Z9，Z11，Z13和Z15的持续时间各为833μs。如图4所示，无效时隙Z2，Z4，Z6，Z8，Z10，Z12，Z14和Z16的持续时间只有417μs，因此基本上只是有效时隙的持续时间的一半。由DECT技术已知的慢速跳频射频模块在一个有效时隙之后至少需要417μs的持续时间以便为相继时隙的载频进行频率编程。因此具有对ISM频带相匹配的DECT标准的时隙一半833μs/2＝417μs的持续时间作为无效时隙(盲隙)是足够用的。
正如图4所看到的，在时隙Z1期间内在载频f1从固定站到一台移动站可以进行例如数据传输RX1。为了也可以用较窄的带宽进行传输，这时时隙Z1的持续时间是按照DECT标准的持续时间的一倍，即833μs。在时隙Z1后跟随一无效时隙Z2，其持续时间仅为417μs。然而这417μs的时间周期对慢速跳频技术的射频模块而言足够用于对下一有效时隙Z3的载频编程。如果因此发现，例如载频f3提供比载频f1更好的接收性能，则在没有数据传输的时隙Z2的持续时间期间，将载频时隙Z1的载频f1用时隙Z3的载频f3进行，并且在时隙Z3期间可以进行从固定站到一台移动站的传输(RX3)。
上述例子表明在固定站和特定移动站之间传输时载频fx不改变的情况。
作为一种方案当然也可以应用所谓的跳频法，其中载频在预定的时间间隔之后例如一个传输帧之后改变。
在相当于10ms的一时帧内的时隙Z1到Z16一半的8个时隙Z1到Z8之后，应用双工法(TTD)由移动站或多台移动站到固定站进行一个传送。例如在时隙Z9期间在载频f1，由移动站到固定站进行一个传送(TX1)到固定站。跟随在有效时隙Z9之后的无效时隙Z10在其时隙持续期间还只具有有效时隙Z9的持续时间(833μs)的一半即417μs。无效的一半时隙Z10的持续时间也足够用于射频模块实现下一有时隙Z11从移动站到固定站的进一步传输(TX2)的频率编程。
下表详细地给出根据本发明的无线电接口的参数，弄清楚它们是特别有益的。
频带 2，4-2，4835GHz ISM频带
传输方法 跳频扩展谱
接入方法 FDMA/TDMA
双工法 TDD
载频数 96
载频间距 0，864MHz
载频(MHz) fn＝2401.056+n×0.864，其中n＝0……95
载频数 96
最多频道数 384
可同时配置频道数 4
传输的功率(峰值) 250mw(可能到1W)
有效距离 如DECT(＝300m)
调制方法 GMSK(B×T＝0.5)
帧长 10ms(5msRx，5ms Tx)
每个上行方向/下行方向的时隙数 4个整时隙(有效时隙)，4个半时隙(在射频模块内调整合成器的无效时隙)
位率 576千位/秒
因此根据本发明尤其是为2.4GHz频带建立了无线电接口，因为考虑到可用于该频带的标准(FCC Part 15联邦通信委员会第15部分)，并且它是这样依附于DECT标准的，以致例如借助于只作非本质修改的DECT-基频带控制器和射频模块就可实现的。
参考符号表
1：固定站
2：移动站(无绳电话)
3：移动站
4：射频模块，固定站
5：射频模块，移动站
6：天线，固定站
7：天线，移动站
8：第1无线电传输路径
9：第2无线电传输路径
10：终端线
Zx：时隙
fx：载频

Claims (8)

1.无绳数据传输方法，其中在时隙(Zx)内数据应用
-频分多路传输法(FDMA)，
-时分多路传输法(TDMA)以及用一个
-时位分离法(TDD)传输，和
-数据用GMSK调制法在载频(fx)上进行调制，
其特征为：
-在一预定的持续时间之后载频(fx)改变，
-在一个传输帧中使用16个时隙(Zx)，
-在进行数据传输的一个有效时隙后面各跟随一个没有传输数据的无效时隙，
-无效时隙的持续时间为有效时隙的持续时间的一半，并且
-在无效时隙期间进行相继的有效时隙的载频(fx)调整。
2.根据权利要求1的方法，
其特征为：
在80和100个载频(fx)之间应用。
3.根据权利要求1或2的方法，
其特征为：
在2.4和2.4835GHz之间的频带内进行数据传输。
4.根据权利要求1或2的方法，
其特征为：
在预定的持续时间之后载频(fx)改变，这个预定的持续时间相当于一个时隙、一个传输帧或一个时隙的整数倍或一个帧的整数倍。
5.具有一台固定站(1)和至少一台移动站(2，3)的无绳数据传输的传输***，
其中固定站(1)和移动站(2)各具有设备(4，5)，用于将在时隙中的数据以一种
-频分多路传输法(FDMA)，
-时分多路传输法(TDMA)和
-时位双工分离法(TDD)进行传输，以及
-将数据用GMSK调制法在一个载频上(fx)进行调制或解调，
其特征为：
在固定站(1)和移动站(2)内的射频模块(4，5)是如此构成的，使得载频(fx)在一预定持续时间之后改变，以及在一个传输帧使用16个时隙，
在进行数据传输的一个有效时隙之后各提供一个没有数据传输的一个无效时隙，
无效时隙的持续时间为有效时隙的持续时间的一半，
在射频模块内的有效时隙的载频(fx)在前一无效时隙期间分别是可以选择的。
6.根据权利要求5的传输***，
其特征为：
在80和100个载频(fx)之间提供。
7.根据权利要求5或6的传输***，
其特征为：
为了传输数据提供在2.4和2.4835GHz之间的一个频带。
8.根据权利要求5或6的传输***，
其特征为：
在预定持续时间之后改变载频(fx)，在这个预定持续时间调整到一个时隙的或一个传输帧的或一个时隙的整数倍的或一帧的整数倍的持续时间。
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