专利名称：减缩训练数据以提高数据率的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于提高通信系统中数据率的方法和设备，该通信系统包括至少一个中心站和一些远程单元，及其中将已知数据包括于传输中而完成接收机的信道估价。本发明可应用于而又不限于全球移动通信(GSM)蜂窝网络系统。
在有些通信系统中接收机的信道估价(其特殊例子包括相位和时序同步)是通过将已知数据包括于传输中而完成的，该已知数据在下面称为训练数据。通常这些系统使用对所有用户和在所有环境中都是共同的预定训练数据结构。其结果是必须设计该训练数据以便在最坏情况下也能满意地运行。一个训练数据结构通常包含一系列在预定间隔内插入数据流的预定训练符号。
作为例子，GSM蜂窝通信标准包括具有在所有数据脉冲串中的缓脉冲(midamble)形式的预定训练数据。此缓脉冲如此设计以便在例如最大延迟扩展和最小时间相干性的最坏环境条件下提供合适的信道估价。通常的GSM接收机不论对以前脉冲串的信道估价如何而对每个新脉冲串完成新的信道估价，从而将数据解调。对于脉冲串与脉冲串之间的相干性可以省略的市区环境中使用的快速移动车辆这是必须的。而对于其他环境例如低速室内环境，脉冲串与脉冲串之间的相干性很明显和延迟扩展可以省略。但通信系统例如GSM不论给定环境中特定要求如何都包括相同训练数据。此外，接收机不论实际传播条件如何都在接收中使用缓脉冲。
其结果是这些通信系统最后都包括足够在最坏传播条件下使用的训练数据，及使用依赖于这个始终存在的信息的信道估价和同步算法。这些训练数据通常占据信道容量的相当部分，因而显著地降低了用户信息数据率。作为例子，GSM中缓脉冲带来的开销是数据率的23％。
此方法非常浪费数据容量及需要一种改进的通信系统的操作方法。
因此，本发明设法通过更灵活地安排用户数据和训练数据的分布而提高通信系统的数据率吞吐量。根据本发明，可使训练数据结构适应于个别远程单元和当今传播环境的训练数据要求，因此不必按照最坏情况来确定训练数据结构。
根据本发明的第一方面，提供了一种在通信系统中提高数据率的方法，该通信系统运行于一个具有使用重复预定训练数据的一定传播特性的无线电环境中，并包括一个中心站和一个具有一定训练数据要求的第一远程单元及一个具有不同训练数据要求的第二远程单元，以及所述第一中心站和所述第一和第二远程单元中每一个都包含用于在无线电信道上进行通信的一个接收单元和一个发送单元，该方法的特征在于包括以下步骤a)确定第一远程单元和第二远程单元的训练数据要求；b)确定传播特性；c)根据步骤a和b确定一个训练数据结构；d)该发送单元使用所述训练数据结构进行发送；和e)该接收单元使用所述训练数据结构进行接收。
该通信系统可以是一个GSM蜂窝通信系统和该重复的训练数据是一个缓脉冲。该缓脉冲结构最好由标准GSM测量来确定。
根据本发明的一个不同方面，提供了依靠射频GSM信号将缓脉冲用作预定训练数据来与一个站通信的设备，该设备的特征在于包括a)一个第一控制器，用于确定何时可插入用户数据而不是缓脉冲；b)一个第二控制器，用于确定何时可接收用户数据而不是缓脉冲；c)一个由所述第一控制器控制的能够用用户数据替代缓脉冲的发送机；d)一个由所述第二控制器控制的能够用用户数据替代缓脉冲而接收GSM信号的接收机。
图1是一个可以应用本发明的典型通信系统的说明。
图2是如何根据本发明组织数据和训练数据的优选实施例的说明。
图3是一个根据本发明的用于提高数据率的优选方法的过程流程图的说明。
图4是一个可以应用本发明的包括标准和增强单元两者的GSM蜂窝系统的说明。
根据本发明，提供了一种在一个使用重复的预定训练数据并包括具有不同训练数据要求的至少一个中心站和远程单元的通信系统100中用于选择性地消除训练数据从而改进数据容量的方法。图1阐述这一系统，其中一个中心站101通过无线电信道105与一些远程单元103，107通信。每个远程单元和每个中心站都包含一个接收单元和一个发送单元。具体地，该通信系统可以是一个蜂窝系统，其中中心站覆盖在一定地理区域102内的用户而其他地理区域109、111则由其他中心站113、115所覆盖。这类系统的一个例子是广泛地应用于移动通信中的GSM蜂窝系统。
在无线电信道105上，通过重复地包括预定训练数据而给出一个训练数据结构。远程单元可以是不同型号的，因此某些单元107对于训练数据的要求比其他一些单元103低。例如，某些远程单元可能只依靠一个特定预定训练数据结构而只实施一个信道估价或同步算法，而其他远程单元能够根据不同训练数据结构来采用多个算法。因此，决定于通信中涉及的远程单元103或107是哪个类型，不同无线电信道的训练数据结构是不同的。
作为系统的组成部分的例子，中心站例如可以是一个可从Motorola Limited买到的根据本发明修改以与一个非标准GSM训练数据结构一起使用的M-CELLTMGSM基站。远程单元103可以是一个标准GSM手机，例如MotorolaTMStarTacTM蜂窝电话。其他单元可以是GSM手机，例如根据本发明修改以与一种选代的训练方案算法一起使用的MotorolaTM8700或MotorolaTMStarTacTM蜂窝电话。
一般而言，本发明的方法的特征在于确定每个个别远程单元103、107的训练数据要求及这些单元对选择训练数据结构所加限制。此外，或为整个环境或为每个单独无线电信道105来确定无线电环境的传播特性。根据这个来设置每个单独无线电信道的训练数据结构，优选地采用最小量的训练数据以维持一个合适的传输质量。由于以前训练数据所用的容量现在可用于用户数据，因而允许为每个单独无线电信道提高用户数据率以及提高了整个系统的数据容量。
图2中阐述调整训练数据结构的一个例子，其中部分1显示一个标准GSM脉冲串结构。一个GSM脉冲串包含围绕一个包含训练数据的缓脉冲205的两块数据203。在送至同一远程单元的连续的脉冲串之间的是一个间隔209，其长度可变但在GSM中等于七个数据脉冲串(包括守护带)，基站在其中与其他用户通信。根据本发明，如果传播特性及中心站和远程单元的训练数据要求允许的话，缓脉冲可用数据替代，如图2中部分2所示，其中第二脉冲串的整个缓脉冲由数据207替代。此例中在周围脉冲串中仍有缓脉冲，而从这些脉冲串导出的信道估价可供当今脉冲串中解调数据时使用。
远程单元103、107和中心站101的全部接收机和发送机都修改以便支持个别无线电信道所用训练数据结构，从而能够接收附加地传输的数据。
图3阐述本发明优选实施例的过程流程图300。该过程可在中心站或远程单元的控制器中实施，也可分布在整个通信系统的多个控制器中。
该过程在步301开始，其中确定个别远程单元和可能包括中心站的训练数据要求，因不同单元的这些要求可能不同。训练数据结构的选择也受制于传播特性，这是在步303中确定的。在这两个步骤的基础上，步305确定一个合适的训练数据结构，并将它应用于当今无线电信道的发送单元307和接收单元309。决定于特定实施例，确定训练数据结构和应用它们于接收单元和发送单元的步骤可能还包括用于自控制器发送信息至单元的手段。所描述方法可独立地用于个别无线电信道的上行线路和下行线路。
可用不同方式完成步301中确定个别单元的训练数据要求以便与不同训练数据结构使用。
第一个选代方案是为每个远程单元和中心站将此信息存于存储器中，每个远程单元103、107可能在无线电信道105上发送信息至中心站101。因此事先为每个单元预先确定该信息并将它直接传输至一个或多个负责按照步305确定可应用训练数据结构的控制器。可选代地或为每个新移动电话，或当一个移动电话在网上登记时，或在呼叫初始化时完成一次传输。当在无线电信道105上完成传输时，最好初始地使用一个省缺的预定训练数据结构，以便在不知道参与呼叫的特定单元的要求的情况下进行传输。例如，对于一个GSM通信系统，在移动电话登记期间移动终端可使用标准GSM脉冲串传输此信息至基站，所有脉冲串中都包含缓脉冲。在呼叫设置时，可确定不同训练数据结构，以便例如每隔一个脉冲串用用户数据替代缓脉冲。
第二个确定个别接收机的训练数据要求的选代方案是在预先不知道接收机的任何要求时对传输使用不同训练数据结构并监视所得传输质量。如未达到可接受的传输质量，则这标志当今方案不能用于此特定无线电信道。作为特殊例子，考虑一个GSM通信系统，可例如在自基站传输的脉冲串序列中每隔一串消除缓脉冲。该基站发送一个标志以替代缓脉冲，该标志向移动终端标示正在进行少缓脉冲传输，或该过程可遵循一个对接收机是已知的可以实行无缓脉冲接收的预定算法。如该接收机不能进行无缓脉冲接收，则将造成高位错率，将这报告回基站时，这标示该无缓脉冲传输不适用于此无线电信道。此选代方案的优点是以前没有按照本发明设计的较旧单元不必加以修改。
用于确定传播环境的步303可通过无线电环境特性的初始测定来完成。可在给定环境中完成测量或选代地根据等效环境数据来估价无线电传播环境来完成测量。例如，如系统将要应用于低速室内环境中，则都知道延迟扩展通常小于300ns及信道相干时间通常为数百毫秒。通常这已足够用于确定传播环境对训练数据的限制。如果需要，可以更特定地测量应用该系统的房间内的延迟扩展。
步303的一个选代步骤是继续估价传播环境或更具体地估价每个个别无线电信道105。在此选代步骤中训练数据将适应于个别无线电信道上的瞬时条件。继续估价传播环境的优选方法是测量一个传输质量标志，例如接收误差，信道估价，接收功率，信道估价噪声或信噪比。这些估价的绝对值反映了当今传播条件的传输质量，因此可用于确定训练数据要求。此外可估价这些参数的变化率，及传播条件的变化率的标示可用于确定训练数据频度。一个例子是不断测量所接收传输的位错率的一个系统。随着训练数据序列的接收，位错率将不断地增多，因此训练数据所生成的信道估价越来越不准。当位错率增多至超过一定水平时，这标示传播条件已变化很大而不能再用先前信道估价，该系统就使用此尺度以包括一个新训练数据。
根据前两个步骤301、303而确定一个合适的训练数据结构的步305可以是一个适合很简单协议表的一定传播特性的训练数据结构，及该训练数据可选为最佳序列，最好是要求最小容量的序列，单元的训练数据要求是与它兼容的。此协议最好是中心站和可应用的远程单元两者都知道的，以使接收机知道何时将有训练数据。此协议的最简单形式是一个永久地用于给定无线电环境中的预定算法。一个更复杂的协议包括一系列不同内容，可根据瞬时传播特性对它们加以选择，或者该协议可以是适应性的，可根据系统要求和传播特性变化。此方法的一个极简单例子是一个GSM系统，它既可用于高速市区环境也可用于低速室内环境。可用一些简单协议确定训练数据如传播环境是高速市区，则在所有脉冲串中都应包括缓脉冲，但如环境是低速室内环境，则既可在传输中在所有脉冲串中包括缓脉冲，也可根据给定无线电信道的中心站和远程单元的要求每隔一个脉冲串消除该缓脉冲。
用于控制训练数据结构的一个选代方法是使用一个反馈环，其中接收机向后向发送机报告以便控制应用的训练数据结构。先前描述的当自接收机向后报告的位错率增多超过一定阈值时插入训练数据的例子是此法的一个例子。另一个例子是接收机独立地估价对训练数据的需要和特定地请求一个待发送的训练数据序列。在此情况下，只当接收机特定地通过反馈环请求训练数据时才发送它们。
GSM系统中反馈方案的可能实施是利用由GSM移动电话和基站根据GSM规范所完成的标准报告。此报告包括接收的信号电平、位错率等的测量报告。作为类似于先前描述的具体例子，只要自移动终端往回报告的位错率RxQual的标准测量是可接受的，则基站就可不用缓脉冲，而当所报告的值不再能接受时，则再包括缓脉冲。类似地可用自基站发送的功率控制信息来控制上行线路缓脉冲同步，以便在传输质量下降至如此程度以致基站不得不请求移动终端增加功率电平使之超过一个预定阈值之前省略缓脉冲。
使用反馈算法的一个优点是由于接收机本身控制对训练数据序列的引入，所以它自动地知道何时将有一个训练数据序列。例如，当接收机在反向线路上报告一个超过预定阈值的位错率时，它知道发送机将会在下一个脉冲串中引人一个训练数据序列。
该系统最好只包括一个用于确定每个无线电信道的训练数据的最好基于中心站内的控制器。在此情况下，最好使用一个训练数据的省缺结构通过无线电信道将训练数据结构传送至远程单元。
可使用技术中熟知的用于在用户数据和训练数据之间多路转换的灵活多路转换装置调整传输以引入不同训练数据结构。一个例子是将训练数据存于存储器内及将数据存于先进先出缓存内。根据所选训练数据结构，一个多路转换器可或自训练数据存储器中或自数据缓存中取出数据。熟悉技术的人可使用任何已知的将用户数据和训练数据多路转换的方法而无损于本发明。
可用许多方式修改接收方法以便使用于不同训练数据结构，这些方法在技术中是熟知的。这些方法包括依靠先前传送的训练数据序列进行信道估价。由此信息生成的信道估价或同步估价可直接用作当今信道估价，或者它们可在用作信道估价之前使用一个预测滤波器在较长期间内滤波。也可推迟解调和在过去和将来估价之间进行内插而生成信道估价。熟悉技术的人可使用任何已知的将用户数据和训练数据多路转换的方法而无损于本发明。
本发明的一个优选实施例是在一个TDMA具体是GSM通信系统中，其中使用具有减缩训练数据要求的远程单元。GSM系统中用于减缩训练数据开销的优选方法是在数据脉冲串中一个给定部分内减缩缓脉冲或可能全部省略缓脉冲。在通常应用于室内环境的GSM系统的低延迟扩展的情况下，缓脉冲可自26位减至16位而不损失信道估价正确度。一个标准GSM接收机可通过限制信道估价的相关窗口而接收此减缩的缓脉冲串。
本发明的一个选代实施例包含一个GSM蜂窝通信系统，其中利用以上所述的方法以提高系统的用户数据率，从而能够使用较高速率的语音编码器以便改进系统的语音质量。例如，如用在具有大的脉冲串相干性的室内环境中，例如三个脉冲串中的两个之中的缓脉冲可用用户数据替代，从而使其稳定的数据吞吐量显著地高于标准的GSM系统。使用提高的数据吞吐量于编码语音后，有可能使用一个较高速率语音编码器，它比标准GSM编码器的语音质量高。此外，有一些语音编码器可以适应地根据信道的可用数据率来改变速率。根据本发明，可以根据如上所述的传播特性将可用无线电信道的数据吞吐量加以优化。这可在呼叫期间动态地完成，使用一个适应的多速语音编码器以尽可能地利用现有容量，可以动态地优化语音质量。
另一个选代实施例包含对GSM通信系统中测量报告的改进。在现有GSM系统中，所报告的测量和传输质量值非常有限。可以实现许多以传输质量和资源利用为内容的改进的系统性能测量，这包括测量不同信道中的干扰，信噪比，邻近网区通话载体信号电平等。使用上述方法后，可以用测量数据替代缓脉冲以便在移动终端和基站之间传送此附加系统信息。此附加测量可用于改进转交，信道分配等。作为具体例子，移动终端可测量邻近网区通话信道上的干扰电平并将这些报告给基站。在转交期间因此可能将移动站直接分配给通话载体，它对移动站产生最小干扰，因而能使用最小传输功率。
在现有GSM系统中，可能被在基站和移动终端之间交换的控制信息所限制。用附加控制消息替代缓脉冲可以取消此限制从而改进系统性能。例如，这些控制消息可以要求移动站重新调谐并按中心站的请求测量特定频率的信号电平。这可以包括其他远程单元的传输频率，因而向中心站提供标示远程站彼此之间位置的信息。
本发明的一个选代优选实施例阐述于图4中，它包括一个用于例如低速室内环境中的GSM蜂窝通信系统，后者包括标准GSM移动终端407，增强GSM移动终端405，标准基站403和增强基站401，这些增强单元的特征在于能够发送数据而不是缓脉冲，并能接收其中用用户数据替代缓脉冲的GSM信号。室内GSM无线电环境的特征在于相对于GSM帧长度而言，传播条件变化缓慢，以及因此存在大量脉冲串对脉冲串的相干性。因此不必要在增强的移动站和基站之间的通信中在每个脉冲串中发送缓脉冲，作为替代这允许发送附加数据。因此只要可能，当一个增强基站401与一个增强移动终端405通信时，就可以使用减缩数据方案并发送附加用户数据。
使用以上所述方法中之一，增强的移动终端405和基站401可确定它们是否与另一个增强单元通信。它们即可决定是否使用一个增强协议还是回至标准GSM协议。所有传输线路409、413、415都包括一个非增强单元，因此它们将依附于GSM标准及在所有数据脉冲串中包括缓脉冲。因此该增强的基站401和移动站405在不是特定地一起使用时，将只用作标准GSM产品。一个增强基站401既可与覆盖区中的非增强移动终端407一起使用，又可与增强移动终端405一起使用而取得改进的性能。类似地，一个增强移动终端405可在任何环境内与任何基站401、403一起使用，但在与增强基站401一起使用时将提供提高的性能。
因此本发明允许增强移动站在增强基站环境中取得改进的性能，而同时又完全与现有GSM规范向后兼容。
权利要求
1.一种在无线电环境中运行的通信系统中提高数据率的方法，该无线电环境具有一定传播特性并使用重复的预定训练数据(205)，该通信系统包括一个第一中心站(101)、具有一定训练数据要求的第一远程单元(103)和具有不同训练数据要求的第二远程单元(107)，及所述第一中心站(101)和所述第一和第二远程单元(103、107)中每个都包含用于在无线电信道(105)上通信的一个接收单元和一个发送单元，该方法的特征在于包括以下步骤a)确定(301)第一远程单元和第二远程单元的训练数据要求；b)确定(303)传播特性；c)根据步骤a和b确定(305)一个训练数据结构；d)该发送单元使用所述训练数据结构进行发送；及e)该接收单元使用所述训练数据结构进行接收。
2.如权利要求1中所要求的一种提高数据率的方法，其中该通信系统是一个GSM蜂窝通信系统及该重复训练数据(205)是一个缓脉冲。
3.如权利要求2中所要求的一种提高数据率的方法，其中该GSM蜂窝通信系统使用由接收单元报告的根据GSM规范的标准GSM测量，及其特征在于所述缓脉冲结构(205)由所述标准GSM测量决定。
4.如权利要求1中所要求的一种提高数据率的方法，其特征在于所述第一和第二远程单元(103、107)的训练数据要求是预先确定和送至所述第一中心站(101)的。
5.如权利要求1中所要求的一种提高数据率的方法，其中所述第一和第二远程单元(103、107)和所述第一中心站(101)都在一个质量水平上进行接收，以及步骤a的特征在于顺序地应用特定训练数据结构并按照所述质量水平确定训练数据要求。
7.如权利要求1中所要求的一种提高数据率的方法，其中步骤b(303)的特征在于该传播特性是预定的。
8.如权利要求1中所要求的一种提高数据率的方法，其特征在于在呼叫期间训练数据结构是动态地修改的。
9.如权利要求1中所要求的一种提高数据率的方法，其特征在于传播特性是通过估价一个选自下列组中的标志而确定的a)接收误差；b)信道估价；c)接收功率；d)信道估价噪音；及e)信噪比。
10.如权利要求1中所要求的一种提高数据率的方法，其特征在于该训练数据结构是当自接收单元送回一个请求时由发送单元插入一个训练数据序列而确定的。
11.一种通过使用一个缓脉冲(205)作为训练数据的射频GSM信号而与一个站通信的设备，该设备的特征在于包括a)一个第一控制器，用于确定何时可插入用户数据以替代缓脉冲；b)一个第二控制器，用于确定何时接收用户数据而不是缓脉冲(205)；c)一个由所述第一控制器控制的并能用用户数据替代缓脉冲(205)的发送机；及d)一个由所述第二控制器控制的并能接收其中用用户数据替代缓脉冲(205)的GSM信号的接收机。
12.如权利要求28中所要求的一种设备，其特征在于还包括一个第三控制器，用于确定所述站是否能够接收其中用用户数据替代缓脉冲(205)的GSM信号；及其中只当所述站能够接收其中用用户数据替代缓脉冲(205)的GSM信号时，该发送机才用用户数据替代缓脉冲(205)。
全文摘要
提供一种用于在不同无线电传播条件下运行的通信系统(100)中提高数据吞吐量的方法,该通信系统中无线电设备具有不同训练数据要求。通过优化个别无线电信道(105)的训练数据结构(205)而不是全部地采用一个最坏情况的训练数据结构(205)来提高数据率。本发明可应用于GSM蜂窝通信系统,其中当传播条件允许时,设置用用户数据(203)替代缓脉冲(205)的线路从而提高数据率。
文档编号H04B17/00GK1272290SQ98809579
公开日2000年11月1日 申请日期1998年9月28日 优先权日1997年9月29日
发明者雷内·菲尔·杰普森, 本杰德·莫汉比, 霍华德·本 申请人:摩托罗拉有限公司