数据传输方法和移动电话系统 本发明涉及一种从移动电话系统的无线网络子系统向用户设备发送数据的方法。本发明具体涉及在全球移动电话系统的无线链路活跃期间，改变业务信道，尤其是包业务信道的数据传输速率。
移动电话系统的最大问题之一是有效地使用有限的无线容量。在现有系统中，在整个无线链路活跃期间，为电路交换呼叫的每个用户保留特定容量。如果采用包交换传输，则数据通常以脉冲串形式生成，在任何时间都根据最大临时数据传输需求保留无线容量，这实际上造成了无线容量的浪费。
在采用码分多址(CDMA)方法的系统中，在从无线网络子系统到用户设备的下行链路上，不同用户使用的码树(code tree)相同，在码树中系统所用的扩展码是相互正交的。如果具有较小扩展因子的扩展码为一个用户保留较高的传输速率，那么该码可以占用该无线网络子系统，或者其基站的较大部分容量。在一个基站所用的码树中，基站的一个扇区可以例如使用16个互相正交的16字符长扩展码，这种情况下，在某一时刻可以使用基站地整个容量，新用户将无法访问下行链路的任何数据传输资源。
在上行链路上，该问题并不存在，因为每个用户都可以访问基站的整个码树。不同用户可以通过置扰码来区分，每个发射机的置扰码是不同的。例如，采用直接序列宽带码分多址方法(DS W-CDMA)的全球移动电信系统在下行链路上可以有512个不同的置扰码和256个不同的扩展码。在上行链路上，置扰码的数量可以高得多，甚至成百万个不同的码。需要注意，基站中一个发射机通常仅使用一个置扰码。
在现有移动电话系统中，语音和数据所采用的数据传输速率相对较低，可以控制资源问题。在新的移动电话系统中，因为不同计算机应用的无线远程使用，所用的数据传输速率将会大大高于现有系统。这些计算机应用包括不同的数据库应用，电子邮件，万维网浏览器等等。
例如，CDMA2000系统公开了一种方案，其中采用了基本信道和补充信道。基本信道发送数据链路层的MAC(媒体访问控制)子层信令，它表明了除了基本信道之外，还使用了哪个传输速率较高的补充信道。该方案的问题在于，它并不支持通过改变扩展码来快速改变信道传输速率，因为MAC子层信号用于改变扩展码，而这是一个相对较慢的处理过程。
因此，本发明的一个目的是开发一种方法和实现该方法的装置，以解决上述问题。这通过下面描述的方法来实现。该方法是一种从移动电话系统中的无线网络子系统向用户设备发送数据的方法，包括：无线网络子系统向用户设备发送专用控制信道；无线网络子系统向用户设备发送不同数据传输速率的专用业务信道；在传输期间，无线网络子系统利用扩展码扩展每个信道；根据所需数据传输速率改变用于扩展业务信道的扩展码。在该方法中，每个控制信道帧指示的扩展码是相应业务信道帧在发送时所用的扩展码。
本发明还涉及一种无线网络子系统，它能够：向用户设备发送专用控制信道，向用户设备发送不同数据传输速率的专用业务信道；在传输期间，利用扩展码扩展每个信道；根据所需数据传输速率改变用于扩展业务信道的扩展码。该无线网络子系统在每个控制信道帧中指示相应业务信道帧在发送时所用的扩展码。
本发明还涉及一种用户设备，它能够：接收无线网络子系统所发送的专用控制信道，接收无线网络子系统所发送的不同数据传输速率的专用业务信道；利用扩展码取消每个信道的扩展。该用户设备能够从每个控制信道帧中读出扩展相应业务信道帧所用的扩展码。
本发明的优选实施例在相关权利要求中公开。
本发明的基本思想在于，在每个控制信道帧中指示扩展相应业务信道的扩展码。
本发明的方法和系统具有多个优点。通过选择适当的扩展码，可以快速改变，甚至可以逐帧改变数据传输速率。这使得无线资源的使用更为有效。
下面参看附图，结合优选实施例详细描述本发明，在附图中：
图1A和1B示出了一种移动电话系统；
图2A示出了移动电话系统的发射机和接收机；
图2B示出了发射机中进行的扩展和调制；
图3示出了帧中的移动电话系统信道；
图4A示出了码树；
图4B示出了子码树；
图5示出了用户设备；
图6本发明操作的流程图。
本发明可以用于采用码分多址方法(CDMA)的不同的移动电话系统。下面的例子说明了本发明在采用直接序列宽带码分多址接入方法的全球移动电话系统中的应用，但本发明并不局限于此。这些例子基于WCDMA系统的规范，该规范的详细信息可以参看ETSI(欧洲电信标准委员会)规范“The ETSI UMTS Terrestrial Radio Access(UTRA)ITU-R RTT Candidate Submission(Tdoc SMG2 260/98，May/June 1998)”，该规范在此处并入以供参考。
全球移动电话系统的结构将结合图1A和1B给出。图1B仅包括对描述本发明重要的部件，但对本领域技术人员而言，显然普通的移动电话系统还包括其他功能和结构，这里不再对其进行详细描述。移动电话系统的主要部件是核心网CN，全球移动电话系统(UMTS)地球无线接入网UTRAN，以及用户设备UE。CN和UTRN之间的接口被称为lu，UTAN和UE之间的空中接口被称为Uu。
UTRAN包括无线网络子系统RNS。RNS之间的接口被称为lur。RNS包括无线网络控制器RNC和一个或多个节点B。RNC和B之间的接口被称为lub。节点B的业务区，即小区，由图1B中的C表示。
因为图1A的描述非常抽象，所以图1B中通过GSM系统的部件来予以说明，GSM系统部件大致对应于UMTS的部件。应当注意，所示的映射并不是约束，而仅仅是大致性的描述，因为UMTS的各部件的职责和功能尚处于规划阶段。
图1B示出了通过因特网102将数据包从连接到移动电话系统的计算机100发送到连接到用户设备UE的便携式计算机122。用户设被UE可以例如是固定终端，车载终端，或者便携式终端。无线网络UTRAN的基础结构包括无线网络子系统RNS，即基站系统。无线网络子系统RNS包括无线网络控制器RNC即基站控制器及其控制下的至少一个节点B，即基站。
基站B具有复用器114，收发信机116和控制单元118，后者控制收发信机114和复用器116的操作。利用复用器116，将多个收发信机114所用的业务和控制信道安置到传输链路lub。
基站B的收发信机114连接到天线单元120，利用后者建立到用户设备UE的双向无线链路Uu。通过双向无线链路Uu传送的帧的结构已明确定义。
无线网络控制器RNC包括组交换域110和控制单元112。组交换域110用于语音和数据连接，以及连接信令电路。基站B和无线网络控制器BNC所形成的基站系统还包括变码器108。无线网络控制器BNC和基站B之间的工作分担及其物理结构可以随实现而定。基站B一般负责上述无线路径实现。无线网络控制器BNC一般负责以下功能：无线资源的管理，小区间的越区切换控制，功率调整，定时和同步，用户设备的寻呼。
变码器108一般尽可能靠近移动交换中心106，因为这样可以以移动电话系统格式在变码器108和保留无线容量的无线网络控制器RNC之间传送语音。变码器108转换公用电话交换网和移动电话网所用语音的不同数字编码格式，使其相互兼容，例如从公用网络的64kbit/s格式到蜂窝网络的另一格式(例如13kbit/s)，反之亦然。所需的硬件此处不再详细描述，但需要注意，变码器122不转换非语音的其它数据。控制单元112负责呼叫控制、移动性管理、统计数据的收集以及信令。
核心网CN包括属于移动电话系统，但在UTRAN之外的基础设施。图1B说明了核心网CN的两个部件，即移动交换中心106和网关移动交换中心104，后者处理移动电话系统到外部世界的连接，在该例中，是到因特网102的连接。
图5示出了用户设备UE的结构。用户设备UE的必要部件是：到用户设备天线502的接口504，收发信机506，用户设备的控制部件510，电池514的接口512。该用户接口一般包括显示器500，键盘508，麦克风516，和扬声器518。
图2A说明了无线发射机-无线接收机对的操作。图2A描述了下行链路的情况，其中无线发射机位于节点B，无线接收机位于用户设备UE。
图2A的上半部分描述了无线发射机的必要功能。位于物理信道的不同业务包括语音、数据、电影或静态视频图像，以及无线发射机的控制部件214中处理的系统的控制信道。该图示出了控制信道和数据的处理。不同业务需要不同的源编码装置，例如语音需要语音编解码器。但是，为简明起见，在图2A中并没有给出源编码装置。
然后，在部件202A和202B中对不同信道进行不同的信道编码。信道编码包括例如不同的块编码，后者的一个例子是循环冗余码(CRC)。此外，一般采用卷积编码及其不同改进型，例如收缩卷积编码或涡轮编码(turbo coding)。
如果不同信道都完成了信道编码，则在交织器204A、204B中对它们进行交织。在交织过程中，不同业务的比特已特定方式混杂在一起，这样，无线路径的瞬时衰落不一定会使得传送的信息不能识别。然后，利用扩展码对交织比特进行扩展处理，利用置扰码进行置扰，并在部件206A、206B中进行调制，图2B详细给出其操作。单个信道在部件208中组合，通过一个发射机发射。
最后，组合的信号被转发给射频部件210，后者包括不同的功率放大器和限制带宽的滤波器。然后，模拟无线信号通过天线213发送到无线路径Uu。
图2A的下半部分描述了无线接收机的必要功能。该无线接收机一般是RAKE接收机。天线234从无线路径Uu接收模拟无线频率信号。该信号被转发到射频部件232，后者包括一个滤波器，用以阻塞所需带宽之外的所有频率。之后，解调器230中将信号转换成中频，或直接转换到基带，然后对转换后的信号进行采样和量化。
因为该信号是多径传播信号，所以其目的是在部件228中组合通过不同路径传播的信号分量，部件228包括多个现有技术的RAKE指状元件。RAKE指状元件通过关联接收的信号与所用的扩展码，并延时预定时延，来搜索以不同时延接收的信号分量。如果已确定了信号分量的时延，则组合属于同一信号的信号分量。同时，通过将信号乘上物理信道的扩展码，消除信号分量的扩展。然后，在去交织装置226中消除接收的物理信道的交织。
之后，去复用器224将去交织物理信道分发给各信道的数据流。每个信道都通往各自的信道编码部件222A、222B，其中解码发射时所用的信道编码，例如块编码或卷积编码。卷积编码最好由维特比编码器来解码。然后，转发每个发射的信道220A、220B以进行进一步处理，例如数据220被转发给连接到用户设备UE的计算机122。系统的控制信道被转发给无线接收机的控制部件236。
图2B详细描述了利用扩展码对信道进行扩展，以及调制。在该图中，信道比特流从左边到达部件S/P，后者将两比特序列从串行模式转换到并行模式，即一个比特被转发给信号的I分支，而第二比特被转发到Q分支。之后，信号的I和Q分支都乘上同一扩展码Cch，这种情况下频段相对较窄的信息被扩展到较宽频段上。每个链路Uu具有其自身扩展码，接收机利用它识别其发射装置。然后，将置扰码Cscramb与其相乘，实现置扰，各发射机的置扰码不同。得到的信号的脉冲格式由滤波器p(t)进行滤波。最后，将信号乘上彼此偏移90度的不同分支，将其调制到射频载波，这样得到的分支被组合成一个载波，进行可能的滤波和功率放大，将其发射到无线路径Uu。描述的方法是QPSK(正交相移键控)。
图4A描述了不同的扩展码。每个点400代表了一个可能的扩展码。垂直虚线代表了不同的扩展因子SF＝1，SF＝2，SF＝4，SF＝8，SF＝16，SF＝32，SF＝64，SF＝128，SF＝256。每个垂直虚线上的码相互正交。这样可以同时使用最多256个不同的相互正交的扩展码。例如在UMTS中，如果采用4.096兆基片载波，SF＝256的扩展码对应于每秒32千比特的传输速率，相应的最高实际传输速率由扩展因子SF＝4实现，利用它数据传输速率可以是2480kbit/s。这样，信道的传输速率逐步变化，32、64、128、256、512、1024和2048kbit/s，而扩展码相应改变，256，128，64，32，16，8和4。用户可用的数据传输速率取决于所用的信道编码。例如，如果采用1/3卷积编码，则用户的数据传输速率约为信道数据传输速率的1/3。扩展因子指示了扩展码的长度。例如，对应于扩展因子SF＝1的扩展码是(1)。扩展因子SF＝2具有两个相互正交的扩展码(1，1)和(1，-1)。此外，扩展码SF＝4具有4个相互正交的扩展码：在高层扩展码(1，1)下，有扩展码(1，1，1，1)和(1，1，-1，-1)，在次高层扩展码(1，-1)下，有扩展码(1，-1，1，-1)和(1，-1，-1，1)。因此，扩展码的格式继续向码树的低层推进。特定层的扩展码总是相互正交的。类似地，特定层的扩展码与从本层另一扩展码推演得到的所有低层扩展码都正交。
参看图3，给出物理信道中可以使用何种帧结构的一个例子。帧304A、304B、304C和304D顺次从1编号到72，它们形成了720微秒长的超帧。一个帧340C的长度是10微秒。帧340C被划分成16个时隙330A、330B、330C和330D。一个时隙330C的长度是0.625微秒。一个时隙330C一般对应于一个功率调整周期，期间可以例如将功率上下调整一个分贝。
物理信道被划分成不同的两类：专用物理数据信道(DPDCH)310和专用物理控制信道(DPCCH)312。专用物理数据信道310用于发送数据306，后者在OSI(开放系统互连)的第二层以及上层，即专用控制信道和专用业务信道中生成。专用物理控制信道312发送OSI第一层生成的控制信息。控制信息包括：用于信道估计的导频比特300、发送功率控制命令(TPC)302，以及可选的传送格式指示器(TFI)304。传送格式指示器(TFI)304向接收机表明给定时刻上行链路的每个专用物理数据信道所用的传输速率。
如图3所示，下行链路上专用物理数据信道310和专用物理控制信道312被时分复用到同一时隙330C。但是，在上行链路上，这些信道是并行发送的，它们被IQ/码复用(I＝同相，Q＝正交)到每个帧340C，并利用双信道QPSK调制(双信道正交相移键控调制)发送。如果需要发送附加的专用物理数据信道310，则将它们码复用到第一信道对的I或Q分支。
下面通过图6的流程图来说明本发明将数据从无线网络子系统RNS发送到用户设备UE的方法。对单个无线帧而言，该方法的执行从框600开始。
接着，在框602中，根据所需的数据传输速率改变扩展业务信道的扩展码。选择用于业务信道的扩展码被标记成X。
接着，在框604中，每个控制信道帧表明了对应的业务信道帧在发送时用以扩展的扩展码。换句话说，将扩展码X的标识数据输入到控制信道帧。
在框606中，无线网络子系统RNS发送专用的控制信道帧给用户设备UE。在发送期间，例如执行框608中的操作，其中无线网络子系统RNS利用扩展码扩展每个信道。这里为控制信道选择的扩展码标记成Y。
在框610中，无线网络子系统RNS将可变数据传输速率的专用业务信道发送到用户设备UE。可变数据传输速率通过改变扩展码来实现；如针对图4A所描述的那样，每个扩展因子具有不同的数据传输速率。在传输过程中，例如进行框6012中的操作，其中无线网络子系统RNS利用扩展码扩展每个信道，其中无线网络子系统RNS利用扩展码扩展每个信道，即利用选择的扩展码X扩展业务信道。
因此，在本发明中，发射机发送利用扩展码X扩展的业务信道帧。发射机发送与该业务信道相关联的以扩展码Y扩展的控制信道帧。控制信道帧表明对应的业务信道帧以扩展码X扩展。通过这种方式，接收机可以消除该业务信道帧中的扩展。从而接收机不需要预先知道该业务信道帧的数据传输容量/扩展码。
控制信道帧和业务信道帧的彼此关联必须以某种方式指示。最容易的实现方式是将其与定时相关联，例如使得发送的帧具有基本相同的时间。彼此关联的控制信道帧和业务信道帧最好在同一频率上发送，以不同的扩展码扩展，基本上同时发送，即最多相差一个帧长度。
在本发明的一种优选实施例中，用于扩展业务信道的扩展码X的标识数据被输入控制信道帧中的传送格式指示器。这具有以下优点：不需要为此定义新的域。
图4A所示的码树的一部分必须保留用于控制信道。通过将码树延伸到较低的层次，扩展因子也可以增加到例如1024，从而可以实现8kbit/s的足够的数据传输速率。
图4B示出了一种优选实施例，其中码树被划分成多个子码树，层中的一个分支是一个数该自码树的接入点，该树接入点之下的分支属于该子码数。在图4B中，选择扩展码SF＝8的8个扩展码之一作为子码树的树接入点TAP。子码树的大小也受限制，使得不会使用扩展因子SF＝256的扩展码，因为它们的数据传输速率32kbit/s相对较低。这样，64kbit/s、128kbit/s、256kbit/s、512kbit/s和1024kbit/s的数据传输速率可以通过选定的子码树来实现。给出的子码树仅是若干可能的子码树的一个例子，该系统中子码树的定义取决于系统所需的特性，例如业务量。通过改变业务信道扩展码的长度，即在子码树的层间变化，可以改变业务信道的数据传输速率。
在一种优选实施例中，子码树的每个扩展码以约定方式编号，该号码被输入传送格式指示器。在图4B的例子中，扩展码从1到32编号。号码1到31每个标识一个扩展码，号码32指示了该帧没有使用扩展码，即该帧的容量可以由特定限制下的另一链路自由使用。
这些限制起因于每一时刻所用的扩展码必须相互正交。扩展码可以仅用于到正在使用的码子树的树接入点TAP的路径上没有其它码的情况，该扩展码以下层次的路径上没有正在使用的扩展码。例如，如果采用扩展码4，则无法使用低于它的层次上的扩展码8、9、16、17、18和19。扩展码5、6、7，以及低于它们的层次上的所有扩展码，即10到15和20到31则可以使用。如果采用扩展码1，则无法使用子码树的扩展码2到31。
扩展码在子码树中的编号的实现方式也可以是一个号码对应于两个或多个并行的扩展码。这样，接收机中采用多码接收，可以避免例如因不理想的无线电波传播条件，或者用户设备中接收机的限制，而使用过小的扩展比率。如果需要较高的传输速率，则子码树的编号可以从较低的扩展码层开始。
一般的情况可以是系统具有多个64kbit/s链路用户，这意味着例如正在使用扩展码16到27。在这种情况下，当然不可以使用扩展码1到6和8到13。而扩展码7，14，15和28到31则可以使用。这样，除了上述用户之外，系统可以有一个用户例如使用扩展码7，并利用它得到传输速率256kbit/s。
按照上述原则，可以从同一子码树中选择一个或多个用户设备单元的扩展码。无线网络系统分配这些扩展码。如果子码树变得拥挤，则用户设备可以传送到另一子码树。所述方法在数据安全性方面同样良好，因为如果不是帧所属的接收机偶然检测到该帧也不要紧，因为较高层例如通过GSM系统的加密进行了保护，使得帧中的数据无法被读取。另一方案是，可以通过置扰来解决这个问题，就象在CDMA2000系统的第一层中进行的那样。
无线接口Uu中的信道处理通过这样的协议结构来实现，该协议结构包括ISO(国际标准化组织)OSI(开放系统互连)模型的物理层、数据链路层和网络层。这些协议栈同时位于无线网络子系统RNS和用户设备UE中。数据链路层被划分成两个子层：MAC(媒介访问控制)子层和LAC(逻辑访问控制)子层。物理层为高层提供的业务一般确定传输信道及其特性，例如所用的扩展码。MAC子层的任务是控制到物理层的接入；例如在该子层完成传送格式指示器的选择。物理层、数据链路层和网络层的信令在控制信道中发送。
用户设备在接收到传送格式指示器之后，并不向无线网络子系统发送确认，而是将该信令处理成物理层无确认的信令。在无线条件恶劣的情况下，这会导致用户设备无法读取对应的业务信道帧用以发送的扩展码。此时，较高层协议利用ARQ(自动重发请求)方法管理分组的重传。
无线网络子系统将子码树的树接入点通知给用户设备，用户设备向网络子系统发送确认。该信令最好在MAC子层间进行，因为子码树的树接入点不是经常改变，它需要保证在信令故障时，不需要进行难度较大的信令重新传输。
在一种优选实施例中，无线网络子系统以同步方式向属于同一子码树的用户设备单元发送业务信道帧。这具有以下优点：各链路间子码树的分配较为容易，因为不同码的占用释放和新码的占用总是在特定时刻进行，一般以一帧的间隔进行。
在本发明中，控制信道所需的数据传输速率最好尽可能低，因为所需的信令不要求大量的数据传输容量；一种可能的数据传输速率是8kbit/s。
在一种优选实施例中，控制信道包含用于信道估计的导频比特。这样，业务信道中不一定需要导频比特，即业务信道仅包含用户有用负荷。信道估计可以仅通过控制信道导频比特来实现，因为信号通过同一信道，只有扩展码不同。
在一种优选实施例中，无线网络子系统尽量不同步地发送不同用户设备的控制信道帧。这种过程有助于信道估计，因为在不同连接期间导频比特的重迭尽可能少。
在一种优选实施例中，非控制数据，例如数据或语音，在控制信道帧的空闲容量中传送。该数据甚至可以是电路交换链路包，因为在整个链路期间占用控制信道容量，其间控制信道的数据传输速率是固定的。
同一扩展码一般总是用于扩展控制信道。只有在越区切换期间，控制信道扩展码才需要改变。该控制信道扩展码如上所述从保留用于控制信道的码树部分中选出，或者从码树之外的码空间选出。但是，扩展码必须相互正交，这正是为简明起见，所有系统码通常都利用码树生成的原因。
本发明最好利用软件实现。无线网络子系统中所需的处理要求改变协议处理软件和发射机操作控制。相应地，在用户设备中，必须改变协议处理软件和接收机操作的控制。
尽管以上针对附图的例子描述了本发明，但显然本发明并不局限于此，而是可以在后附权利要求书所公开的创新思想范围内通过多种方式予以改变。