蜂窝移动无线网络中发送定时提前量数据给移动台的方法

摘要

一种在蜂窝移动无线通信网的一个移动台，至少两个收发送基站和至少一个站控制器之间交换信息的方法中，移动台和站之间的信息交换为时分多址类型。当移动台从由一个第一站的地理覆盖区域限定的第一网孔进到由一第二站的地理覆盖区域限定的第二网孔时，该方法向该移动台提供一个预定定时提前量。

说明书

本发明涉及在蜂窝移动无线通信网例如GSM（移动通信特别小组）网中当移动台从一个网孔移到另一网孔时给移动台的定时提前量数据的发送。移动台例如就是汽车电话，定时提前量数据必须能使从一网孔移到另一网孔的移动台提前完成其数字数据发送的定时，以便该移动台与新网孔的收发送基站同步。在GSM系统中，这一过程的标准述语称作“过区切换（handover），并且该述语被使用在下面的描述中。

以下描述使用了标准GSM专用述语。关于此更多有用的信息可参见1990年10月16日至18日在尼斯召开的“数字蜂窝移动通信研讨会”的论文集。

图1示出了一个蜂窝移动无线通信网诸如一个GSM类型的网络的结构。

一个移动台MS例如一个汽车电话在由一个收发送基站BTS1的地理覆盖区域限定的网孔C1内部移动。其它网孔C2、C3每个都包括一个各自的收发送基站BTS2、BTS3。基站BTS1至BTS3中的每一个都是GSM网的一个组成部分，并且包括一个或多个收发送机，每个收发送机都与一个天线和处理设备相关联。各地理覆盖区域部分地重叠。基站BTS1至BTS3由一个基站控制器BSC管理。BSC的功能包括各BTS频率信道的管理。与多个BTS相关联的一个BSC构成一个基站系统BSS。还可以提供其它的控制器，每个控制器控制预定数量的BTS并且被连接到一个移动业务交换中心MSC，该MSC是GSM网的主要结构。因此，一个给定的MSC能够控制几个组成一公共陆地移动通信网（PLMN）的BSS的工作。

这种网络的工作如下：当移动台MS处在网孔C1中时，它以包（pacteets）的形成向收发送基站BTS1发送数字数据流，站BTS1把这些数据流前向发送到BSC，BSC经MSC把该数据流发送到它们的目的地。这个目的地可以是另一个移动台或一个固定站。

每个数据包包括例如话音时隙，并且以577μs时隙、8个连续时隙组成一帧被送发。因而8个移动台能在同一个无线信道上进行通信，即使用相同的载波频率，使用时分多址（TDMA）进行通信。2到4个信道被分配给每个BTS，因此，16到32个无线信道可用于每个网孔内的发送（和接收）。

在GSM系统中出现的一个问题是分配给一移动台的时隙与在BTS的主时钟的同步。因为各移动台和为它们服务的BTS每个都有它们自己内部比特时钟。所以考虑在一移动台与它的BTS之间的无线电波的传播时间是十分必要的。因为一个时隙的持续时间是577μs，以及每1μs无线电波传播300m（3×10m/s），所以移动台时钟必须考虑在它与BTS之间每300m距离就存在的1μs时移，以便避免在分配给另一移动台的时隙期间发送数据。

图2是表示由收发送基站BTS1和由移动台MS发送的信号的一个定时图。

管理移动台MS所在网孔的收发送基站BTS1在一个同步信道SCM上，在时间T₀、T₁、T₂、T₃和T₁有规律地发送一时钟信号H₀、H₁，H₂，H₃和H₄，同步信道SCH是用于发送同步信息给各移动台的广播控制信道BCCH的一部分。当移动台必须被记入（must>

在移动台被接通并能够仅以它被接通的时刻MS_ON接收上述时钟信号后，该移动台首次与网连接。

如果移动台不总是位于收发送基站BTS1处，则在时刻MS_ON之后它接收的第一时钟信号H₁相对于该时钟信号被站BTS1发送的时刻T₁移位一个时间t。因此，信号H₁被移动台在时刻T₁+t接收。

在这个时刻，请求与收发送基站BTS1连接的移动台在一个信令信道上向BTS1发送一个随机选址消息（选址脉冲）。在过区切换的情况下，这种消息被称作过区切换选址消息（HA）。每次过区切换选址的持续时间小于构成一正常信号（正常的脉冲）的脉冲的持续时间，正常的信号例如包含话音数据，因此它不会干扰在另一时隙由另一移动台发送的信号。

当接收这一信号时（在时刻T₁+T_λ），收发送基站BTS1能够确定该信号的接收与时钟信号H₁的发送之间的定时提前量。这等于在移动台与收发送基站BTS1之间发送一信号的时间的两倍，即时间t的两倍。然后收发送基站BTS1经选址开放信道AGCH发送一消息给该移动台，以告诉它它必须发送具有与其时钟信号相对应的一个定时提前量TA的信号，然后该移动台发送各信号而不存在这些信号与由其它移动台发送的那些信号重叠的危险。这就确保了在一给定发送信号上由各移动台发送的信号能成功地到达收发送基站BTS1。

这样就保持了由各移动台在一给定发送信号上发送的信号能功能地到达同一BTS，而这些信号不发生重叠。然而，因为这些移动台距为其服务的BTS的距离可以变化，所以使各移动台经常地保持同步是很必要的。

移动台从一个网孔到另一网孔的移动管理问题是公知的。在图1中，移动台不仅接收来自收发送基站BTS1的信号，而且还接收来自收发送基站BTS2和BTS3的信号。如果自收发送基站BTS1接收的信号的功率降到从收发送基站BTS2接收的信号功率以下，例如，则BSC把该移动台连接到收发送基站BTS2，由此发送然后继续进行。这是当该移动台离开收发送基站BTS1并驶向收发送基站BTS2时的典型情况。这时，对定时提前量TA进行改进，以便使该移动台与一新网孔C₂的收发送基站BTS2同步是十分必要的。

实现上述同步的过区切换的已知类型有三种：同步过区切换，伪同步过区切换和异步过区切换。使用哪一种类型取决于是否各基站被分别地同步，是否有同频率和已知相位的内部时钟，或是否有未知其相应相位的异步时钟。

同步过区切换在于控制一给定GSM系统的各BTS的时钟，以便使它们的时钟信号同步。因而当一移动台从一个网孔到另一网孔时，由于新的定时提前量立即被从先前使用的定时提前量中减去，所以向该移动台提供一新的定时提前量是没有必要的。然而，为了普遍地采用这一解决方案，将要求所有的BTS同步，因而实现的费用是昂贵的。

为了缓和这一问题，伪同步过区切换被用于使一移动台与考虑旧的和新的BTS的时钟之间时移的新网孔中BTS的时钟同步。这种过区切换例如在1990年11月20日公开的发明题目为“MATRA    COMMUNICATION”的欧洲专利申请No.0398773中作出描述。这种方案的缺陷在于它实现起来复杂，并且BSS需要一个学习阶段。

异步过区切换是实现起来最简单的方法，因而该方法使用的最为广泛。图3示出了一般的原理。考虑移动台MS离开网孔C1进入网孔C2的情况。需要8个连续的发送级。

在步骤1中，移动台MS发送一个消息MEAS    REP给收发送基站BTS1，该消息等效于一个网孔变化请求并包含由BSC使用的测量结果，以初始建立过区切换。这些测量结果表示例如该移动台接收由收发送基站BTS2周期发送的信号优于接收由收发送基站BTS1发送的信号。这一信号被移动台MS每0.5S向收发送基站BTS1发送。在步骤2中，收发送基站BTS1发送该信息（消息MEAS    RES）给判定是否需要过区切换的BSC。判定准则包括被接收信号的质量和功率。其它种类的信息也可以在MSC或BSC中使用，以判定是否必须进行过区切换。在步骤3中，基站控制器BSC起动收发送基站BTS2的一个信道（消息CHAN    ACT），和BTS2确认这种分配（消息CHAN    ACT    ACK）。在步骤4中，基站控制器BSC发送一个过区切换命令（消息HANDOVER    CMD）给收发送基站BTS1，BTS1立即将该命令透明地前向传送到MS。然后，在移动台MS过区切换过程开始（步骤5）。该移动台发送具有零定时提前量的连续消息HA（过区切换选址）给收发送基站BTS2，即无需考虑它们之间的距离。这一步骤参考图2在上面进行了描述。对于移动台MS来说，它必须使用的新定时提前量是未知的，并且收发送基站BTS2必须对它进行计算和提供它（包括TA的消息PHYS    INFO）。在步骤6中，移动台MS发送一个接续消息SABM给使用新同步的收发送基站BTS2。收发送基站BTS2把这个消息（消息ESTABLISH    INDICA    TION）通知给基站控制器BSC，并发信号给移动台MS表示它已正确地收听到（消息UA）。在步骤7，移动台MS向收发送基站BTS2发送一个消息HANDOVER    COMPLT，通知它过区切换过程结束。基站BTS2立即把该消息前向发送给BSC。然后，BSC通知移动业务交换中心MSC（消息HADNDOVER    PERFORMED）。在步骤8中，BSC发送消息RF    CHAN    REL给收发送基站BTS1，告诉它释放先前被分配给移动台MS的时隙。收发送基站BTS1以消息RF    CHAN    REL    ACK表示回答。

在这一级，移动台MS正与收发送基站BTS2通信，BTS2已在由一给定载波承载的一帧中为该移动台MS分配了一个时隙和一个定时提前量TA。

异步过区切换的主要缺点在于定时提前量TA向移动台的发送是耗时的;它要花费大约40ms加上大约10ms来用于计算所述TA。在这一时间期间移动台不能发送数据。此外，在GSM系统中，信号HA的发送是必须遵守的并且每个信号需花5ms。其它延迟也对延迟的过区切换产生影响，并且呼叫经常被中断100ms以上。话音外插软件可以在发送中掩蔽中断，但它仅对一取决于相关人员听力的主观确定的时间有效。一般认为，对一个具有良好听力的人来说通信中超过80ms的中断是可听的，相反，对所接收的话音信号的质量不特别注意的用户可能没有注意到在200ms中他所听到的并不是他应该听到的（因为这些信号是由话音外插软件产生的）。

同样，当移动台处于过区切换阶段时移动台用户不能接收话音类型数据。这一缺陷在网孔尺寸较小且用户在同一谈话的过程中可能通过几个网孔的城市区域内是一个特殊问题。由于这一理由，这种系统对用户来说是不舒服的。

本发明的一个目的是克服上述缺陷。

更确切地，本发明的一个目的是提供一种过区切换的方法，该方法能够应用于一蜂离移动无线通信网络，在该网络中收发送基站不被同步，例如一个异步型网络（费用最低且使用最广泛的类型），以便减少在过区切换期间通信被实际中断的时间。

本发明的另一个目的是提供一种移动台，一种站控制器和一种信息交换系统、它们能减小过区切换期间话音被中断的时间。

上述目的以及下面将要体现的其它目的均可以借助以下方法实现：在一蜂窝移动无线通信网的一个移动台，至少两个收发送基站和至少一个站控制器之间交换信息。其中移动台与各站之间的信息交换为时分多址类型，所述方法的特征在于当该移动台从由一个第一站的地理覆盖区域限定的第一网孔进到由一第二站的地理覆盖区域限定的第二网孔时，提供一预定定时提前量给该移动台。

这样就消除了其它方法所花费用于计算定时提前量的时间。

有利的是，本方法的特征进一步在于从第一站向移动台发送一个改变网孔命令以响应由该移动台明确表达的一个改变网孔请求，作为改变网孔命令，所述预定定时提前量由第一站在同时发送给移动台。使用这种过区切换过程，对于第二网孔来说在话音通路被建立之前不必向移动台发送任何定时提前量。

定时提前量最好由第一站的控制器发送，由第一站接收，并由第一站前向透明地发送到移动台。

改变网孔命令可以由第一站的控制器发送给第一站，所述预定定时提前量由第一站以与改变网孔命令相同的时间透明地发送给该移动台。

这种方法被有利地使用在其中各站是异步的蜂窝移动无线通信系统中。

在一个优选实施例中，定时提前量等效于在第二站和一移动台之间以第二网孔的最大半径发送一无线电信号的时间。

在一个第二优选实施例中，定时提前量等于：

（TA_M+TAm）/2

其中TA_M是当各移动台与第二站接续时，各移动台的最大定时提前量，而TAm是各移动台的最小定时提前量。

本方法可被应用于一个内部或外部的过区切换过程。

所述的蜂窝移动无线通信网可以具有GSM类型。

在另一方面，本发明的特征在于一种适于通过时分多址与一蜂窝移动无线通信网的收发送基站通信的移动台，该移动台包括当其从由一第一站的地理覆盖区域限定的第一网孔进入由一第二站的地理覆盖区域限定的第二网孔时，用于从由一个站发送的一消息中提取一定时提前量的装置，所述消息是由第一站发送给该移动台的一个改变网孔命令。

在进一步的方面，本发明的特征在于一种在蜂窝移动无线通信系统中的收发送基站控制器，它包括一个表，在表中一预定定时提前量被分配给每个站，并且其中当移动台从一个由一第一站的地理覆盖区域限定的第一网孔移到一个由一第二站的地理覆盖区域限定的第二网孔时，控制器向第一站发送一个包括分配给第二站的定时提前量的改变网孔命令。

在又一进一步的方面，本发明的特征在于一种在一蜂窝移动无线通信网的一移动台、至少两个收发送基站和至少一个站控制器之间交换信息的系统，其中移动台与各站之间的信息交换为时分多址类型，所述移动台包括当其从由一第一站的地理覆盖区域限定的第一网孔进入由一第二站的地理覆盖区域限定的第二网孔时，用于从由一个站发送的一消息中提取一定时提前量的装置。

该消息最好是一个被发送的改变网孔命令，以响应由移动台明确表达的一个改变网孔请求，预定定时提前量由第一站在与所述改变网孔命令的同一时间发送给该移动台。

在这种系统中使用的控制器最好包括一个表，在该表中一个预定定时提前量被分配给每一个站，并且当该移动台从一个由一第一站的地理覆盖区域限定的第一网孔移到一个由一第二站的地理覆盖区域限定的第二网孔时，该控制器发送一个改变网孔命令给第一站，所述改变网孔命令包括分配给第二站的定时提前量。

本发明的其它特征和优点通过参考附图对本发明最佳实施例的描述将变得更清楚，该实施例只是作为说明而不受其限值，在附图中：

图1示出了一种GSM型网络的结构;

图2是在一个站和一个移动台之间被交换信号的一个相关定时图;

图3示出了由请求与一网孔的站接续的移动台请求的一个过区切换过程;

图4示出了根据本发明的一个内部过区切换过程;

图5示出了根据本发明的一个外部过区切换过程;

图6示出了在本发明中使用的一个移动台的简化结构;

图7示出了一个表，在表中一个预定定时提前量被分配给每个站。

根据本发明，当一个移动台必须执行过区切换时（消息HANDOVER    MAD），发送给该移动台的定时提前量与该移动台和它正良好接收的站（收发送基站BTS2）之间的距离有关。这个量值由正与该移动台通信的收发送基站BTS1发送给该移动台。

图4示出了根据本发明的一个过区切换过程。在各站由同一控制器控制的意义上，这种过区切换是“内部”的。

这种过区切换过程的步骤1至3与图3中的那些步骤一样，即移动台MS发送测量结果给基站控制器BSC，BSC判决是否一过区切换过程必须被启动。然后，该控制器起动收发送基站BTS2的一个信道，并且这个站确认该信道的分配。

然而，在步骤4期间，BSC发送一特定命令给仍正在与移动台MS通信的收发送基站BTS1。这就是（已知的）HANDOVER    CMD命令，该命令被添加到一个预定定时提前量TA中。该被发送的信息在下面用“HANDOVER    CMD（TA-BTS2）”标明，它意味着移动台MS被命令通过相应的定时提前量TA与收发送基站BTS2连续。收发送基站BTS1透明地发送该HANDOVER    CMD（TA-BTS2）命令给移动台MS，然后把该移动台必须提前发送其数据所用的时间通知给该移动台MS。在步骤5中，移动台MS发送至少一个HANDOVER    ACCESS消息给收发送基站BTS2（在本实例中，发送四个连续消息以提高链路的可靠性，如在同步过区切换的情况一样），以便该站根据紧接着的SACCH消息测量将被发送到该移动台的实际TA，而不干扰话音的传送。

现有技术中使用的HANDOVER    AMD信号具有能被用于发送定时提前量TA的比特。

步骤6至8与前面参考图3所描述的步骤相同。

BSC包括一个表（图7），其中一个预定定时提前一被分配给每个BTS。当任何移动台报告它正以比以它正与之通信的第一站接收的功率高的功率从一给定的第二站或目标网孔站接收同步信号时，因而BSC能够赋予该移动台该第二站的TA。

上述TA表示例如从在目标网孔的边界由一移动台发送以光速传播的无线电信号到达该目标网孔所花的时间。每个站都清楚它的网孔的最大半径（如图1中网孔C2中的R2所示），该最大半径取决于该网孔的业务。所述TA还可以考虑在每个BTS可以使用的保护时间。这将在下面说明。

本发明应用的过区切换过程中，当移动台MS试图进入与一较小网孔的BTS通信时，该过区切换过程被执行。在GSM系统中，如果一移动台发送的信号的多径时间低于16μs，则该移动台一定能够与一个站BTS进行通信。这个值表示了由该移动台发送给所述站的信号的一个最大时间延迟，该时间延迟涉及所述信号在理论上到达BTS的时间，以这个时间，在BTS一定可能准确地接收到这个信号，总之所述信号经历了一个达到上述值的时间延迟。大的多径时间值发生在山区，但在城市地区，特别是在平原地区实际上不存在。建筑物引入很小的多径时间并且多少会引起对信号的衰减或产生干扰。如果该多径时间不长，例如大约6μs，则站就有一个10μs的保护时间允许该移动台按一个时间来发送数据，该时间不同于通过定时提前量TA通知给移动台的确切时间。因此，当多径时间很低时，即在网孔较小的城市环境中，相对于由BTS发送给移动台的TA的一个相对大的误差可以被容忍。

在每个BTS知道最大多径时间计算上述误差是一件简单的事情。例如，当选用一个具有6μs最大多径时间的BTS时，则留有一个10μs的保护时间，从而能够允许一个距离误差。该距离误差表示到达请求与该站接续的移动台的实际距离和与分配给该移动台的TA等效的距离之间的差。10μs的保护时间代表一个3000m的距离，并且如果假设候选网孔有一个1500m的半径，则由BTS分配给该移动台的定时提前量将相应于这样一个1500m的距离。然而，当正请求过区切换的移动台在最坏的情况下可能立即接近其目前正与之通信的BTS时（对于一个移动台来说，它靠近一个站但由于屏蔽或本地干扰不能与之通信是可能的，在这种情况下能够成功地执行与另一网孔的过区切换是十分必要的），距离误差将是1500m（相对于TA10μs误差），但这对于BTS将是透明的，由于保护时间，BTS仍将正确地从该移动台接收信号。

被允许的TA误差是16μs-Tmt，这里Tmt是由第二站测量的最大多径时间。

通过上述结构，根据本发明的过区切换方法能够应用于任何那些距BTS最远区域是1500m（对于一个6μs的多径时间）的网孔，如果处理来自一紧靠近另一BTS的移动台的过网切换请教求是一定可能的话。

例如，对于一个6μs的多径时间，关于所提供的TA的不确定值表示一个1500m的距离。在一个城市环境中，如果网孔具有一个1500m的最大半径，则过区切换将会在距目标站3000m的一个半径内成功地执行：

如果移动台是距目标站1500m，则提供的TA确切地等效于该移动台的位置，

如果移动台是紧靠近目标站，则在提供的TA中的误差是一个10μs的提前量，由于具有保护时间，所以该提前量不会影响由该移动台发送的信号，

如果移动台是距目标站3000m，则误差是10μs的一个延迟，且不会对被发送的信号产生影响。

如果多径时间不长，本发明的方法也可适用于大的目标网孔。

在本发明的一个优选实施例中，定时提前量TA等效于目标网孔的最大半径。如果网孔的半径小于或等于TA误差（取决于多径时间），则如果移动台紧靠近目标站或距该目标站为等效于所述误差两倍的距离，该移动台成功地执行过区切换是可能的。

在本发明的方法的另一实施例中，定时提前量的计算考虑了目标网孔的实际结构。有可能测量每个接续到一网孔的站的移动台的定时提前量，从而确定一个最小定时提前量和一个最大定时提前量。还可以根据被测定时提前量执行一种统计计算。因此，如果TAm是移动台的最小定时提前量，当它们与新的站连续且TAm是它们的最大定时提前量时，则分配给要求与该网孔的站接续的每个移动台的定时提前量TA将等于：

TA＝（TA_M+TAm）/2

因为这些项已被确定，可以假设本发明可以被应用，并假设满足下列条件：

TA_M-TAm＜2×（16-Tmt）

本发明不仅适用于同一BSS中执行过区切换（内部过区切换），而且适用于图2中所示的DSS间的过区切换（外部过区切换）。

在步骤1中，基站控制器BSC1发送给移动业务交换中心MSC一个消息HO    REQ，指示移动台MS请求开始与收发送基站BTS2通信。在步骤2中，MSC发送该请求给基站控制器BSC2（消息HO    REQUEST），BSC2分配一个收发送基站BTS2信道（消息CHAN    ACT）。收发送基站BTS2响应一个消息CHAN    ACT    ACK，并且基站控制器BSC2发送一个消息HO    REQ    ACK给MSC。在步骤3中，MSC产生一个过区切换命令（消息HOCMD）选址到基站控制器BSC1。在步骤4中，基站控制器BSC1，它是移动台MS正与之通信的站的控制器，发送事先确定的消息HANDOVER    CMD（TA-BTS2）给在进行中中断呼叫的移动台，并产生例如4个连续的HO    ACCESS（步骤5）。收发送基站BTS2检测第一个消息HO    ACCESS1并发送一个消息HO    DETECTION给基站控制器BSC2，BSC2把该消息前向发送给MSC。该过程的剩余步骤（步骤7和8）与图4的步骤相同。

本发明的步骤4和5等效于同步过区切换的那些步骤，无需考虑由目标BTS提供的定时提前TA。因此，本发明的过区切换过程能够使过区切换与同步过区切换一样的有效，但是是在BTS为异步的GSM网络中，因为无需使该网络同步，以大大减低的费用实现了与同步过区切换相同的性能。

图6示出了本发明中使用的一个移动台的简化结构。

移动台MS包括收发送器装置60，同步提取器装置61和定时提前量提取器装置62。收发送器装置60与一个天线63连接并包括一个调制器和一个解调器。同步提取器装置61负责定时恢复（由基站发送的时钟脉冲）和在移动台中各种功能的监视。定时提前量提取器装置62从被接收的信号（HANDOVER    CMD）中提取定时提前量，并使收发送器装置60在分配给该移动台的时隙中发送话音数据。同步提取器装置61和定时提前量提取器装置62基本上由软件装配。

图7示出了一个表面，其中一个预定定时提前量被分配给每个可能的目标站。在外部过区切换的情况下，该表最好保持在目标站的控制器中，而在内部过区切换的情况下，该表最好保持在当前站的控制器中。然而，通信经过移动台正与之通信的站的控制器。

在图中，该表包括为与该控制器连接的n个可能目标站预先确定的定时提前量TA-BTS1至TA-BTSn。如果该目标站例如是收发送基站BTS3，则发送给移动台的定时提前量是TA-BTS3。

本发明的主要优点是不需计算定时提前量，因为它被预先确定。此外，它可以在一个现存的消息中被发送，并且不占用信道进行中的任何有效时间。

注意，还可能向移动台发送一个指示，表示目标网孔具有一个与由该移动台保持在存贮器中的预定定时提前量相关的大小区域。这个信息可以在与改变网孔命令同一时间发送给移动台，然后，移动台可以采用该预定定时提前量，以便提前其信号的发送。然而，这种操作模式仅当目标网孔的大小基本上与由移动台保持在存贮器中的定时提前量相等效时才有效。如果不是这种情况，则移动台将使用的定时提前量在与所述改变网孔命令同一时间被发送。

而且不要在现场为联系花费大量的时间。

也可以看到，可以把信号传送给移动式设备，根据该信号，目标单元的大小与移动式设备储存的预定时间提前信号相一致。在将该信号传送到移动式设备的同时单元变化指令也被传送到移动式设备，而该单元变化指令可以象时间提前信号一样采用该预定的值来提前发射它的信号。然而，这种运行方式只有在单元的大小明显地与移动式设备所储存的时间提前量相一致时才有效。反之，移动式设备应该使用的时间提前信号被传送的同时也传送单元变化指令。