运用脱机搜索的移动辅助硬切换的方法和装置 【发明领域】
本发明涉及通信系统。具体地说，本发明涉及在不同无线通信系统之间的硬切换的新颖和经改进方法和装置。
相关技术的描述
在码分多址(CDMA)扩展频谱通信系统中，运用公共频带来与在该系统中的所有基站进行通信。在名为“对于双模式宽带扩展频谱蜂窝系统的移动站-基站兼容性标准”(作为参考在此引入)的TIA/EIA中间临时(Interim)标准IS-95-A中描述了这种系统的一个例子。在美国专利号4,401,307中(发明名称为“运用卫星或地面中继站的扩展频谱多址通信系统”)和美国专利号5,103,459中(发明名称为“在CDMA蜂窝电话系统中产生波形的系统和方法”)描述了产生和接收CDMA信号，其中上述两项专利已转让给本发明的受让人，并作为参考资料在此引入。
通过运用高速伪噪声(PN)码，在接收站区分占用公共频带的信号。PN码调制从基站和移动站发送的信号。通过区分引入分配给每个基站的PN码中的唯一时间偏置，可以在接收站分开接收来自不同基站地信号。高速PN调制还允许接收站接收来自单个发送站的信号，其中信号从基站通过几个不同传播路径(通常称为“多路径(multipathing)”)传播到接收站。在美国专利号5,490,165(发明名称为“在能够接收多个信号的系统中解调单元(element)分配”)和美国专利号5,109,390(发明名称为“在CDMA蜂窝电话系统中的分集接收机”)中描述多路径的解调，其中上述两项专利已转让给本发明的受让人，并作为参考资料在此引入。
由在公共频带的特殊系统内的所有基站使用允许在移动站和多于一个基站中间同时通信，一种被称为软切换的情况。在美国专利号5,101,501(发明名称为“在CDMA蜂窝电话系统中的软切换”)和美国专利号5,267,261(发明名称为“在CDMA蜂窝通信系统中的移动站辅助软切换”)中描述软切换方法和装置的一种实施方法，其中上述两项专利已转让给本发明的受让人，并作为参考资料在此引入。类似地，移动站可同时与相同基站的两个扇区进行通信，在名称为“用于在公共基站的扇区中间执行切换的方法和装置”的待批美国专利申请(1995年3月13日申请，已转让给本发明的受让人并作为参考资料在此引入)将其称为更软切换。一个重要的特征是软切换和更软切换在断开现有的一个连接之前进行新连接。
如果移动站在系统的边界外移动，其中该移动站正与该系统进行通信，那么理想的是通过将呼叫传递到邻近系统，如果存在通信的话则保持通信链路。邻近系统可运用任一无线技术，其例子是CDMA、NAMPS、先进移动电话业务(AMPS)、时分多址(TDMA)或全球移动系统(GSM)。如果一个邻近系统在与当前系统相同的频带上运用CDMA，那么可执行系统间软切换。在系统间软切换是不可用的情况下，通过硬切换转移通信链路，其中在建立新的连接之前断开当前连接。典型的硬切换情况的例子包括：(1)移动站从由CDMA系统服务的区域移动到由采用另一种技术的系统服务的区域的情况，和(2)在运用不同频带的两个CDMA系统之间转移呼叫的情况(频率间硬切换)。
还可在相同CDMA系统的基站之间发生频率间硬切换。例如，高需求的区域(诸如，人口密集的城市)需要比其周围的郊区更大量的频率来满足需求。在整个系统内使用所有可用频率可能成本并不合算。当用户移动到较低拥挤区域时，必须切换在仅在高度拥挤区域中使用的频率下始发的呼叫。另一个例子是系统受到在系统边界内在干扰频率下操作的另一个业务的干扰。当用户移到受到另一个业务干扰的区域时，需要将他们的呼叫切换到不同的频率下。
运用多种技术可始发切换。在待批美国专利申请号08/322,817(发明名称为“在不同蜂窝通信系统之间进行切换的方法和装置”，1994年10月16日申请，已转让给本发明的受让人，并作为参考资料在此引入)中找到切换技术，包括那些运用信号质量测量来始发切换的技术。在待批美国专利申请号08/652,742(发明名称为“在CDMA系统中执行硬切换的方法和装置”，1996年5月22日申请，已转让给本发明的受让人，并作为参考资料在此引入)中进一步揭示切换，包括测量往返行程信号延迟以始发切换。在待批美国专利申请号08/413,306(’306申请)(发明名称为“移动站辅助CDMA到另一个系统硬切换的方法和装置”，1995年3月30日申请，已转让给本发明的受让人，并作为参考资料在此引入)中揭示了从CDMA系统到另一种技术系统的切换。在’306申请中，在系统的边界处设置导频信标。当移动站向基站报告这些导频信标时，基站知道移动站正接近边界，并作为响应，为系统间硬切换的可能性作准备。
当系统已确定应通过硬切换将呼叫转换到另一个系统时，把消息发送到指挥它这样做的移动站，以及能使移动站与目的地系统联系的参数。移动站正离开的系统只估计移动站的真正位置和环境，从而不保证发送到移动站的参数是正确的。例如，随着信标辅助切换，导频信标信号强度的测量可以是触发切换的有效准则。然而，无需知道可与移动站有效通信的目的地系统中的适当基站或多个基站。将可与移动站进行有效通信并根据附加准则被认为是良好候选者的这些基站保持在移动站内的列表中或者“组”中，而且通常被称为是“现行组(active set)”。包含在现行组中暗示着分配前向链路资源。与最小充分组(sufficient set)相反，对所有可能候选者的分配都是浪费系统资源，因而减少了可用的系统容量。即使已知可与移动站进行有效通信的在目的地系统中的所有基站，包括所有这些基站都可能超出在现行组中可允许的最大数量。
为了让移动站与目的地系统进行通信，与旧系统接触必须停止。如果对于任一信标，赋予移动站的参数不是有效的(即，在移动站的环境中的变化或缺乏在基站的精确位置信息。)，那么不形成新的通信链路，而且可以丢失呼叫。在尝试切换不成功之后，可将移动站转换回到前一个系统，如果这样仍然可行的话。然而，没有进一步信息以及移动站的环境的任何大变化，重复尝试执行切换也可能失败。
在待批美国专利申请号08/816,746(发明名称为“在通信系统之间执行移动辅助硬切换的方法和装置”，1997年2月18日申请，已转让给本发明的受让人，并作为参考资料在此引入)中揭示了以更大的成功概率执行附加硬切换的方法。在08/816,746申请中，移动站临时调谐到硬切换目的地系统的频率，并在该频率下搜索可用导频信号(下面，简称为“导频”)，以包括在现行组中的相关基站。在完成搜索任务之后，移动站将回到初始频率，以便重新开始当前通信。虽然调谐到另一个频率，但是由移动站产生或由基站发送的任何数据帧都可能恶化。典型地，基站将只提供可行偏置子集(subset)(一般，称为“使能列表”)以供移动站搜索。即使如此，搜索持续时间可能很长以至于潜在地恶化大量数据帧。如此，需要能使移动站花在调谐到另一种频率的持续时间最小从而使现行通信链路的恶化最小的搜索技术。这种所技术将明显地提高系统采用如上所述硬切换技术的质量。
发明概述
本发明是一种用于使移动站脱离与“始发”基站进行通信的时间量最小，同时搜索执行移动站辅助硬切换到的适当系统的方法和装置。
在本发明中，在转向在另一个频带内搜索导频信号之后，移动站调谐到该另一个频率，并采样入局数据，把那些采样存储在存储器中。在移动站调谐到另一个频率时，丢失在前向链路上被发送到移动站的所有数据。类似地，可在另一种频率下由移动站发送任何反向链路数据。因此，在始发基站接收不到这种反向链路数据。当存储足够量采样时，移动站重新调谐到始发频率。此时，再次由移动站接收前向链路数据，而且可以成功地将反向链路数据发送到始发基站。在重新调谐到始发频率之后，利用从另一个频率收集到的存储数据，可采用在移动站中的搜索器来搜索导频信号偏置。根据本发明，由于在另一个频率下采样和存储信息所需相间相对较短，所以不断开现行通信链路。且现行通信链路不受后来的脱机搜索的影响。
由于要求比有效地实时搜索导频数据所需时间更短的时间来在另一个频率下采样数据，并且通信链路只受到硬切换处理的恶化，同时将移动站调谐到另一个频率下，所以本发明使在始发系统上的前向和反向链路的中断最小。实际上，在现代通信系统中采用的误差校正编码可以消除由采样另一个频率所引入的所有误差，如果采样时间足够小的话。
附图简述
当结合附图，本发明的特征、目的和优点将显而易见，其中相同标号作相应表示：
图1是根据本发明的扩展频谱CDMA通信系统的示意图；
图2A-2B图解表示采用本发明优于现有技术的优点。
图3是根据本发明的移动站的图示；
图4是在本发明中使用的搜索引擎的一个实施例的示图；
图5示出根据本发明运用采样数据搜索偏置窗口所需的相关性；和
图6是构成在本发明中使用的另一种搜索引擎的示图。
较佳实施例的详细描述
图1示出采用本发明的实施例的通信系统。移动站5在前向链路12和反向链路14上，通过“始发”基站10与固定通信系统进行通信。始发基站10是“始发”系统一部分，并分别在前向链路12和反向链路14上，在第一频率f1下发送和接收信息。示出移动站15从始发系统移动到在第二频率f2下发送和接收信息的“目的地”系统中。目的地系统包括“目的地”基站20和22，它们不与移动站5进行通信。然而，如果将移动站5调谐到频率f2，那么可由移动站5接收来自目的地基站20和22的导频信号(下面简称为“导频”)。始发和目的地系统都是固定通信系统部分，它允许移动站与其他通信装置进行通信，诸如有线连接到公共电话交换网的传统电话或其他无线通信装置。应理解，固定通信系统可包括提供在移动系统和其他通信装置之间的无线通信的任何装置或装置组合。
根据本发明的一个实施例，始发基站10利用移动站5根据在美国专利申请号08/816,746(发明名称为“执行在通信系统之间的移动辅助硬切换的方法和装置，1997年2月18日申请，已转让给本发明的受让人)中揭示的方法和装置，执行移动站辅助频率间硬切换。始发基站10把“Tune Message”发送到移动站5，其中在这种情况下，移动站5直接将它调谐到另一个频率f2，而且搜索一组可用导频，例如目的地基站20和22的导频。应理解，在不同系统中，移动站搜索遵循的特殊准则将改变。一旦接收到Tune Message，移动站5再调谐到频率f2，并如指导执行搜索。一旦完成搜索，移动站5再调谐到频率f1并重新开始与始发基站10进行通信。移动站5发送表示搜索到始发系统的始发基站10所得出的结果的消息。始发系统结合目的地系统确定是否执行硬切换，以及切换到目的地系统中的哪些基站。
虽然将移动站5调谐到频率f2，但是丢失来自始发基站10的所有前向链路话务，而且尝试发送反向链路数据无效，因为在频率f2下发生这种发送，而且始发基站10不监测频率f2。图2A示出由现有技术移动站5所使用的频率对时间图。示出当移动站调谐到f2时，执行搜索，并重新调谐到删除话务数据的f1。在一个IS-95系统中，根据对搜索规定的偏置数量，在删除期间，可能丢失几个20ms数据帧。
根据本发明，当由始发基站10指导移动站5调谐到频率f2，而不是搜索规定的偏置，如在现有技术中所做到的那样，移动站5在频率f2下记录信号采样，并把那些采样存储在存储器中。应理解，可采用能够存储供以后使用的信息的任一存储装置，诸如随机存取存储器(RAM)。一取足够数量的采样，移动站5就重新调谐到频率f1，并重新开始在前向链路和反向链路12,14上与始发基站10进行通信。
图2B示出相对于在如图2A所示的现有技术中所需的时间量，其中根据本发明将移动站5调谐到频率f2的时间量。一旦捕获该数据，就脱机执行搜索(即，当将移动站5调谐到频率f1)。因此，如果处理接收到的信息同时接收机保持调谐到频率f2，那么以比可能的速度更快的速度，在移动站5和始发基站10之间重新进行通信。根据本发明，通过调谐到频率f2引入删除的持续时间大大短于根据现有技术的方法所需的时间。在IS-95系统中，可在大约4ms中执行调谐和重新调谐。在这种系统中的存储器尺寸要求允许以码片速率两倍的速率采样的512码片数据，对于I和Q信道以4比特/采样。这导致1024字节的存储要求。对于熟悉本技术领域的人员，可用另一些值代替上述值，每个都在复杂度和性能之间进行已知折衷。在本发明的实施例中的捕获时间大约为0.5ms。IS-95数据帧是20ms持续时间。因此，对于这个例子，大约5ms的总删除时间甚至不恶化整个帧。
根据一个实施例，搜索另一个频率f2与较低速率帧(诸如，1/8速率帧)对准。在这种情况下，删除的数据量是如此之大，以至于可通过编码和交错校正，而没有任何误差结果。
在另一个实施例中，为了减小存储要求，可从频率f2记录更小采样尺寸。这些结果可用来计算在脱机搜索中的部分结果。可执行移动站5返回到频率f2，直至完成搜索结果。下面描述搜索实施例子。
图2B示出搜索所需时间与在图2A中的相同，即使当在f1下接收和发送时执行搜索。然而，如图2B所示，由于不同时进行搜索和捕获的这一事实使得确定最后搜索结果需要更多的时间，如图2B所示。但是，当它们变成可用时，可将中间搜索结果发送到始发基站10，因为在搜索期间移动站5与始发基站进行通信。
本发明导致进一步改进，因为不需要“实时”实施脱机搜索。可如允许电路运行的当前技术一样快地执行搜索，或在功率预算内，在现有技术中普遍的折衷。如此，可如此设计系统，从而与现有技术的方法相比，大量减小删除率和搜索时间。
由于移动站5在其中操作的环境的变化导致接收信号的快速变化的可能性，所以理想的是如果搜索到大量偏置，那么重复采样另一个频率f2的过程多次。重复该过程允许使用最新数据，同时由本发明所提供的改进减小了与到另一个频率的重复风险(repeat venture)有关的帧误差成本。
图3示出根据本发明的移动站5的一个实施例的方框图。在天线50接收前向信号，并通过双工器60到接收机70。最初，接收机70直接在频率f1下接收。在接收机70中下变频和放大之后，在解调器(未图示)中，根据IS-95标准解调前向链路信号。在正常操作下，通过多路复用器(“mux”)90同时把接收信号发送到搜索器100，以便非切换搜索处理。
当从指导移动站调谐到频率f2的基站接收到Tune_Message时，控制处理器110指导接收机70调谐到频率f2。将中断与始发基站10进行通信，同时将移动站5调谐到频率f2。控制处理器110还指导存储器80开始在规定的采样率下存储入局信号的采样。在将预定数量的采样收集在存储器80中之后，控制处理器110指导接收机70重新调谐到频率f1。后来，重新开始与始发基站10进行正常通信。
同时，控制处理器110启动脱机搜索。通过指导多路复用器90停止从接收机70到搜索器110的采样，取而代之的是开始从存储器80到搜索器100的采样。搜索器100可以是任一搜索器类型，某些搜索器在下面作为例子来描述。控制处理器110指导搜索器完成对在从始发基站10接收到的预定偏置组中给出的每个偏置的搜索。当结果变得可从搜索器100得用时，控制处理器110将那些结果传递到消息发生器120。在一个例子中，结果是根据假设，如在现有技术中已知的那样。当它变得可用于发送时，控制处理器110可用传递每个结果，或者它可等待直至已搜索到所有假设。控制处理器110可选择根据信号强度检测到的导频子集，例如，用于传递到始发基站10，或者可发送所有导频数据以进一步在基站中处理。
消息发生器120将结果格式化成适于由发射机130发送的消息。在发射机130中隐含的(implicit)是调制器，它根据在较佳实施例中的IS-95标准进行调制。提供在发射机130中产生的反向链路信号用于在天线50上通过双工器60发送。
在本发明的一个实施例中，搜索器100包括搜索引擎，诸如在待批美国专利申请号08/509,721(’721申请)(发明名称为“用于在CDMA通信系统中实现搜索捕获的方法和装置”，1995年7月31日申请，已转让给本发明的受让人，并作为参考资料在此引入)中揭示的。在’721申请中所述的搜索器采用多个静态串行捕获技术。如上所述，可在本发明中用到任何搜索技术，并在现有技术中已知多种这样的技术。
图4是在’721申请中揭示的搜索引擎的方框图。如上所述，I和Q采样来自存储在存储器中的那些，同时将移动站5调谐到另一个频率f2，或者采样来自当前在接收机70中产生的那些，以供在实时搜索中使用。在现有技术中已知实时搜索技术，诸如在’721申请所揭示的那些。下面详细描述用于从另一个频率f2搜索存储采样的技术。
I和Q采样进入去扩展器206，并运用PNI和PNQ序列去扩展，如由PN序列发生器200所产生的那样。在本发明的一个实施例中，运用最大长度移位寄存器(未图示)产生在PN序列发生器200中产生的PN序列。去扩展器206将每个I和Q采样与相应PNI和PNQ值相乘，并向相干累加器208和210提供那两个输出乘积。
当执行脱机搜索时，重要的是“重绕(rewind)”PN序列发生器200里的最大长度移位寄存器，从而将PNI和PNQ序列与用于产生信号的序列对准，其中根据上述信号记录I和Q采样。由搜索器控制器218将要搜索的假定相位偏置赋予PN序列发送器200，并如下所述测试该假设。
分别在相干累加器208和210中累加去扩展I和Q值。由搜索器控制器218确定在累加器208和210中的累加持续时间。对来自累加器208和210的每个累加求平方，并在平方装置212中总加那些结果。由平方装置212向非相干累加器214提供平方和。非相干累加器214通过累加由搜索器控制器218给出的持续时间M，根据平方装置212的输出确定能量值。非相干累加器214用于抵销在基站发送时钟和移动站接收时钟之间的频率差的效果，并有助于在衰减环境中的检测统计。非相干累加器214向门限比较器216提供能量信号。门限比较器216把能量值与由搜索器控制器218提供的门限相比较。搜索器控制器218可用检查比较结果，并确定所搜索的当前偏置假设是否可能包括有效导频信号，并对解调有用。
图5示出从偏置0至偏置M搜索假设窗口所需的相关性。首先，搜索偏置0。将PN序列发生器200“重绕”到当记录I和Q采样的当前状态。于是，用第0个PIN和PNQ值来分别去扩展第0个I和Q数据值，如PN序列510与数据序列500的对准所示。用PNI和PNQ的每个后来值来去扩展相应数据值，直至去扩展第N个值。如上所述，处理这些去扩展值。
在总结偏置0的搜索之后，要搜索偏置1。将PN序列发生器200“重绕”到偏置1，并如上面对于偏置0的描述那样发生去扩展，除了如图所示通过将PN序列520与数据序列500对准完成去扩展。在这种情况下，用PN序列1来去扩展数据序列0等等，直至用PN序列N+1去扩展数据序列N。再次，如上所述处理去扩展值，直至完成偏置1搜索。如图所示，通过将PN序列530与数据序列500对准，搜索偏置2。按照需要重复上述处理，直至已搜索M+1个偏置，如通过将PN序列540与数据序列500对准所示。虽然用上述M+1个偏置的线性扫描(linear sweep)的例子来描述本发明，但是很清楚实践中可以认为是适当的任何次序搜索任何偏置组。
搜索器100的搜索引擎的另一个实施例是对采用匹配滤波器来捕获扩展频谱信号的已知技术的改进。在由Simon等人所著的“扩展频谱通信手册”(McGraw-Hill,Inc.,出版，第1.5部分，第1章，段4)中描述该匹配滤波技术。
图6示出经改进的匹配滤波搜索引擎的实施例，它提供了本发明所特有的优点。把数据输入到延迟元件600A-600N的串行链。在每个循环中，在乘法器620A-620N中将存储在延迟元件600A-600N中储存的数据与抽头值(tap value)相乘。通过PN序列部分确定抽头值，其中该数据与上述PN序列相关。在假设测试的持续时间内，抽头值610A-610N保持恒定。可如图所示，当将PN序列的不同部分相关联时，可以并行加载或串行移入抽头值610A-610N。在加法器630中将乘法器620A-620N的结果相加，并向门限比较块640提供。门限比较块640将加法器630的输出与由搜索控制器650提供的门限相比较。当已超出门限，可能在由当前存储在抽头值610A-610N中的PN序列段给出的偏置处出现有效导频信号。搜索控制器650还控制数据移位入延迟元件600A-600N，以及更新抽头值610A-610N。
当在实时搜索模式中使用该搜索引擎时，可将数据移入延迟元件600A-600N，并与存储在抽头元件610A-610N中的PN序列的预定段相关，如在现有技术所做到的。然而，当在脱机搜索中用到搜索器来便于移动站辅助硬切换，在搜索控制器650的控制下，可将采样的另一个频率f2数据移入延迟元件600A-600N。一旦加载，不在延迟元件600A-600N中进一步发生数据移位。可用抽头元件610A-610N来连续移入PN序列数据以与在延迟元件600A-600N中的存储数据的固定长度相关。通过这种方法，在延迟元件600A-600N中的数据有效地变成匹配滤波器的抽头值，而且抽头值610A-610N作为数据延迟元件。以如上所述相同的方法运用剩余电路。于是，根据本发明，在搜索控制器650的简单控制下，可在标准联机搜索实时数据和脱机搜索存储数据之间容易地切换该经改进匹配滤波搜索引擎。
提供上述对较佳实施例的描述以便使熟悉本技术领域的人员能够进行或运用本发明。对于熟悉本技术领域的人员，对这些实施例的各种变化是显而易见的，而且可将这里限定的一般原理用于其他实施例，而不必进行创造性劳动。于是，本发明并不局限于这里所示的实施例，而是根据与这里所揭示的原理和新颖性一致的最宽范围。