通信差错恢复的减短了的潜伏期 相关申请
本申请要求先前在2002年6月25日申请的申请号为60/391,985的临时申请的优先权。
【技术领域】
本发明涉及通信领域，尤其涉及减短通信中差错恢复的潜伏期。
背景技术
在任何通信系统中，当信息从一个地点被发送到另一地点时，可能会在通信过程中引入差错。因此，通信系统一般被设计为包含一到两种设备以提高校正能力，或者是从这类差错中恢复的能力。这些差错恢复技术提供了更高级别的数据完整性。
通信系统中采用的两种普遍的差错控制和恢复方法是前向纠错(FEC)和自动重复请求(ARQ)。在前向纠错方法中，纠错位和所关注的数据一同被发送。这些纠错位允许接收单元校正传输过程中引入的一定数量的差错，以重建原始数据。但是由于FEC的开销，这种方法一般限于重发是不可能的或不切实际地通信系统情况。ARQ差错恢复方法一般包含检测接收数据中的差错，以及在发现差错后要求数据重发。FEC和ARQ方法可以结合使用，例如可使用ARQ(即重发接收到的差错数据)来校正FEC方法无法校正的差错。
为了便于理解诸如ARQ这样的差错控制方法，可以借助参考众所周知的、由国际标准组织(ISO)出版的开放系统互连(OSI)模型来帮助理解。OSI模型包括七层，称为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。这OSI七层模型定义了使相适应的系统能互相作用的标准。在OSI模型中，物理层定义了物理互连所需的标准，数据链路层定义了用于在物理层上交换数据帧的协议，网络层则将信息路由至它们的目标接收者。在普通应用中，系统中执行OSI模型的一层所指定的功能的这些部分用该层的名称来引用。例如，实现数据链路层功能的硬件或硬件/软件组合通常被简单称作数据链路层。
使用开放系统互连模型作为框架来讨论差错控制，可以说ARQ是在OSI模型的数据链路层上实施的。除了其他功能以外，数据链路层负责确保从物理链路接收到的数据是无差错的。通过实施这种功能，数据链路层保证向网络层提供的数据是无差错的。以下例子提到了帧发送单元和帧接收单元，各包含其相应的物理层、数据链路层、网络层和其他各层。要注意本例中的帧发送单元和帧接收单元都有能力发送和接收。一般而言，帧发送单元的数据链路层由网络层向其提供数据，并将数据组织为帧进行传输。帧发送单元的数据链路层一般还产生差错检测信息，例如为每个要被发送的数据帧产生符合循环冗余检测(CRC)码的比特。帧和CRC比特被发到物理层进行传输。在帧接收单元，物理层接收帧和CRC比特，并将它们传送到帧接收单元的数据链路层。帧接收单元的数据链路层基于接收到的帧来计算期望的CRC，并将所计算的CRC值和随帧接收到的CRC相比较。若两个CRC值不匹配，则帧接收单元的数据链路层就要求发送单元的数据链路层重发适当的帧。
在本领域中，术语“潜伏期”一般指第一触发事件和第二响应事件之间的时期。这里使用的潜伏期是指由帧传输的开始和重发要求的开始所界定的一段时间。
与上述ARQ过程相关的潜伏期取决于多种系统设计参数。考虑一个说明性系统，其中使用了一种协议使各个用户每隔300毫秒轮流发送一帧。另外，在这种说明性系统的数据链路层处，协议使用序号来要求数据帧。按照这种协议，当接收到含有不期望序号的帧时，数据链路层确定一帧丢失。接收到含有不期望序号的帧表示至少有一帧先前发送的帧未被正确接收。不幸的是，本例中，从丢失帧发送开始至少已过去300毫秒，因此数据链路层不得不等待正确接收到含有不希望序号的帧以便重组丢失的帧。
这个用来在上述例子中开始差错恢复操作所需的时间，或者说是潜伏期，被在错误接收到一帧或多帧之后接收可以被解释的一数据帧的要求所限定。
需要的是通过减短差错恢复操作中的潜伏期以提高通信系统效率的方法和装置。
【发明内容】
简单而言，在传输系统中减短差错恢复操作中的潜伏期的方法和装置包括：发现到达消息已到期，并在消息或者没有接收到或者有差错地接收时要求重发。按照本发明，一个消息至少分两部分发送，包括以第一功率级发送的第一消息部分和以第二功率级发送的和第一消息部分相关联的第二消息部分。第一功率级被选择来提供预定的会成功接收第一消息部分的概率。在第一时间，第一消息部分被接收。在第二时间，由于第二时间和第一时间的关系已知，因此接收到一信号，从中没有可靠获得第二消息部分。接收设备发现第二消息部分未被正确接收，并要求至少重发第二消息部分。
按照本发明，发送单元将消息分为至少两部分发送。第一部分以第一功率级发送，第二部分以低于第一功率级的第二功率级发送。第一消息部分可以包括一部分要发送的消息，或者第一消息部分的内容可以独立于要发送的消息。在某些实施例中，发送单元还能接收和处理信号。
按照本发明，接收单元适用于在第一时间接收第一消息部分，第一消息部分具有第一每比特能量。接收单元还适用于在第二时间接收和第一消息部分关系已知的第二消息部分。在第二时间时若预期到未从该信号中可靠获得第二消息部分，接收单元生成一个请求来要求至少重发第二消息部分。第二消息部分和第一消息部分相关联。在另一实施例中，响应于未接收到第二消息部分，接收单元提供一个否定确认。否定确认一般被传送到发送单元，从发送单元作出发送第二消息部分的尝试。如果无差错地接收到第二消息部分，则不启动差错恢复过程。
在某些其他实施例中，接收到的第一和第二消息部分的每比特能量至少部分地根据编码和调制技术来确定，而不是仅根据发送功率来确定。
附图的简要描述
本发明的特征、目标和优点结合附图和以下详细描述将更加明显：
图1描述了可以应用本发明的通信系统。
图2是将一个消息至少分两部分发送的方法流程图，其中按照一个实施例，每个部分都以不同的功率级发送。
图3是按照一实施例的一种发送方法的流程图。
图4是显示了发送消息的接收设备的操作的流程图。
图5是在成功接收到第二消息部分时接收设备所执行的操作的流程图。
图6是在有差错地接收到第二消息部分时接收设备所执行的操作的流程图。
图7是在有差错地接收到第二消息部分时接收设备所执行的操作的流程图。
详细描述
通常，要求重发在接收有差错或者完全未被接收到的情况下减短潜伏期的方法和装置，可以比传统的无线通信系统要更快速认识到需要重发数据。按照本发明，第一消息部分使用比第二消息部分更高概率被成功接收的方法发送。当接收到第一消息部分时，接收单元被通知将要接收和第一消息部分有已知关系的第二消息部分。若第二消息部分未被接收，或有差错地被接收，则作出重发请求。
本发明的各种示范性实施例在以下有详细描述。虽然讨论了特定的步骤、配置和布局，然而应该理解的是这些只作示范用途。本领域的技术人员可以认识到其他步骤、配置和布局也可在不背离本发明的精神和范围的情况下使用。
此处的“一实施例”或相似格式指某一特征、结构、操作或在与本发明相关的描述中提及的特色，至少包含在本发明的一个实施例中。因此，这类词组的出现在此不仅指代相同的实施例。另外，多种特别的特性、结构、操作或特征也可在任何合适的一个或多个实施例中被组合。
示范性的操作环境
多种实施例在无线通信环境，包括地面通信、卫星通信环境中有应用。
现在参照图1，示出一网关110，其通过通信卫星120把前向信道数据发送至设备130，140。术语“基站”和“网关”有时在本领域可以互换使用，其中网关可理解为一种专门的基站，通过卫星通信，而基站则使用地面天线在周边地理区域内进行通信。用户设备有时也之订户单元、用户终端、接入终端、移动单元或简称为“用户”、“移动设备”或此类。用户设备130、140通过卫星120把反向信道数据发送至网关110。通信卫星形成波束，如135和145所示，照亮一个“点”，或通过把卫星通信信号投射到地球表面上所产生的区域。一般一点的卫星波束图包含覆盖公共地理区域的大量所谓子波束。
为了提供图示描述，此处把第一格式的数据结构称为分组，第二格式的数据结构称为帧，其中帧包含一个或多个分组。分组是较小的数据单位，每个分组一般和单个发送设备相关联。注意到，用于指代不同结构、格式和组成的数据的术语不在任何方面限制本发明。
在无线发送数据的环境中，数据被格式化为数据有已知的组成特征(通常使用诸如帧或者分组这样的术语)，差错可以被分类为两大类。第一类差错是接收设备接收一信号，从中获得至少个数据分组，其中该分组包含一个差错。这个第一类差错一般可以使用FEC和/或ARQ这样的方法来处理。第二类差错是信号质量太差以至于接收设备无法正确辨认已作出递送数据的尝试而导致的。这个第二类差错一般可以在接收到从中能确定分组或帧丢失的后续传输时仅使用ARQ来处理。
在无线通信系统中，包含数据的信号可能会在发送端和接收端之间受多种效应的干扰，使数据无法从信号中恢复。这些效应包括但不限于噪声和衰减。如果这些效应使接收机无法正确解调发送信号，接收机一般会在注意到丢失帧时在数据链路层检测到该差错。换句话说，在严重的信号降级的情况下，物理层无法从到来的信号中获得数据，因此从该降级信号而来的数据不被递送给数据链路层。当要被物理层的接收机处理的质量足够好的后续信号到达并被解调时，这里可以使用所产生的被提供给数据链路层的信息来确定某些早先发送的数据尚未到达。此时常规的系统就会要求重发丢失数据。不幸的是，这种常规应用中在请求重发数据时涉及的潜伏期对系统性能带来了一定的限制。
如上所述，本发明的实施例可以减短在要求重发错误接收到或根本未接收到的数据时的潜伏期。按照一实施例，第一消息部分被成功接收的概率要比第二消息部分更高。当接收到第一消息部分时，接收单元被告知将要接收和第一消息部分有已知定时关系的第二消息部分。当第二消息部分未被接收时，或有差错地接收时，会作出重发请求。
尤其是按照本发明，物理层用来确定是否有要求重发的需求。参考图1，从操作角度描述了本发明的多个实施例。在一说明性的无线通信系统中，接收单元试图解调一信号。在一实施例中，网关110充当接收单元，接收由用户设备130在反向链路上发送的数据。网关110从用户设备130接收第一信号。第一信号可以包含信息，或者是未经数据调制的信号。第一信号可以称作边信息信号或第一消息部分信号。一般而言，第一信号是使用能被网关110以比相关第二信号更高概率接收的方法发送的。保证更高概率的成功接收可以包括使用比第二信号更高的功率级来发送第一信号。或者，也可以以较低阶的调制方案来调制第一信号。另外，数据速率、调制和发送功率的组合也可用来为第一信号提供网关110处的比第二信号更高的成功接收概率。在一实施例中，以充足功率级(或以充足的每比特能量)发送边信息信号，以获得小于10-9的在网关110处不会检测到边信息信号的概率。
第一信号一般但是并不要求在持续时间上短于第二信号。接收到第一信号表明网关110也应接收第二信号。若第二信号在和第一信号相关的已知时间内未能接收，或者第二信号被接收但是在从中获得的数据中发现有错，网关110就可以开始重发信号至用户设备130的请求。一般重发要求是由网关110发送一消息给用户设备130表明需要执行重发而作出。这样，用户设备130可以早于其常规执行时间之前重发，因为此时无需等待较高层例如数据链路层发现信息已丢失。
边信息信号可以是和主信号联合传输的任意信号。这里所使用的边信息信号一般指第一信号，而主信号一般指第二信号。在一实施例中，边信息信号包含要被发送的消息的第一部分，第二信号包含该消息的第二部分。在另一实施例中，边信息信号包含管理信息或开销信息。在还有一个实施例中，边信息信号不使用数据调制。
虽然可能期望以较高的功率级发送主信号本身(即第二消息部分)，但是这样做可能导致不可接受级别的功耗、干扰、未许可的通信系统的集中发送功率，或这几种现象的组合。但是，若边信息信号很小，即和主信号相比持续时间很短，那么边信息信号的较高功率传输所消耗的功率相对较低。类似地，与以较高功率级发送第一消息部分和第二消息部分相关的干扰和未许可的集中发送功率问题就得以避免。
在一实施例中，当网关110发现边信息信号(例如第一消息部分)存在时，而没有相应的主信号(例如第二消息部分)，网关110就设法向用户设备130请求重发。为了便于标识要被发送的数据，系统将标识信息和消息数据相关联。在一实施例中，标识数据帧的帧序号用于标识要被重发的丢失帧或差错帧。
在某些情况下，网关110可能不知道是哪个序列号或者其他标识是被发送了但是没有被接收。这可能是由于未接收到的消息部分可能不包含序列号而造成。在用于CDMA系统中的一个实施例中，接收单元例如网关110通过使用从全球定位系统(GPS)收集的时间信息进行同步。而且，网关110发送的每个帧都和系统帧号(SFN)相关联。网关发送的每个码片(PN码)和伪随机噪声(PN)值相关联。这样，SFN和PN一起以很高的准确度来确定时间。SFN一般以几个毫秒的单位被发送。在一示范性系统中，SFN被指定为10毫秒的倍数，以2.56秒为模。PN值一般使用微秒和纳秒为单位计算。在一示范性系统中，PN值被定为260纳秒的倍数，以10毫秒为模。例如PN值＝4，SFN＝5共同决定了当前精确时间为：
时间＝SFN*10ms+PN*60ns＝50001040ns，精确到260ns
这样就使得每个发送单元拥有精确的时间指示。因此，在这一实施例中，当用户设备130发送数据时，它有能力将发送时间戳和数据一起存储。在这一说明性实施例中，网关110知道数据帧和边信息信号的接收时间。网关110一般还知道到达用户终端的回程延时。通过使用接收时间和回程延时，网关110可以确定丢失帧的发送时间。在此实施例中，当网关110确定一帧被发送但是没有被正确解码时，网关110就向用户设备130提供两条信息。第一条信息是最后一个被正确接收的帧的发送时间。第二条信息是未被接收到、但其边信息信号被检测到的帧的发送时间。这样，网关110向用户设备130提供了否定确认(NAK)分组，该分组包括最后一个正确解码的帧的发送时间和丢失帧的发送时间。
在一实施例中，当用户设备130发送一帧至网关110时，用户设备130保存此帧并记录表明此帧何时发送的时间戳。用户设备130包含一个缓冲存储器来保持充足的帧发送数据的历史以便能够提供合理数量的先前发送帧。当从网关110处接收到包含最后正确接收的帧和丢失帧的发送时间的NAK分组时，用户设备130查找帧发送历史并且确定自最后正确接收的帧开始发送了哪些帧。然后，用户设备130向网关110重发那些没有被网关110正确接收的帧。在一实施例中，这些重发帧使用比原先丢失的帧传输更高的Eb/No发送。这样就提高了被网关110接收到的概率。
发送设备性能
参考图2，显示了一个发送边信息信号的方法的实施例。用户设备130确定其含有一个用于发送的消息210。用户设备130希望发送的消息的信源在本发明中并不重要。此消息可以来自应用程序，或可以其他合适方法获得。在确定一个消息已可以发送后，用户设备130以第一功率级220发送第一消息部分。发送功率级和其他因素会确定第一消息部分被网关110成功接收的概率。除了发送第一消息部分以外，用户设备130会以第二功率级230发送第二消息部分。发送第二消息部分的功率级和其他因素会确定第二消息部分被成功接收的概率。在一实施例中，发送第一消息部分的功率级要高于发送第二消息部分的功率级。在另一实施例中，接收设备成功接收消息的概率，对于第一消息部分而言要高于第二消息部分。注意虽然图2的说明性实施例使用了不同的发送功率级，然而可以使用提供为第一消息部分提供较高的成功接收概率的任何适当方案，例如提供更高的每比特能量。
图3是按照本发明的发送方法的流程图。用户设备130从数据链路层接收数据用于310。用户设备130以一个功率级发送边信息消息作为第一消息部分320。另外，用户设备130以第二功率级在第二消息部分中发送该消息的其余部分330。在此说明性实施例中，调节功率级，使第一消息部分以高于第二消息部分的功率级被发送。这种较高功率级的传输导致了接收设备对第一消息部分的成功接收概率要高于对第二消息部分的成功接收概率。与第二消息部分相比，第一消息部分的长度或者持续时间较短。由于第一消息部分的长度较短，因此用于发送第一消息部分的能量要求虽然处于较高的每比特能量，但是可以被保持为低。在一实施例中，高功率的第一消息部分是从数据链路层接收的消息的一部分前导序列。前导序列的几个比特作为第一消息部分被发送，比剩余第二消息部分使用更高的功率级。在此实施例中，当发送设备发送消息时，它将此消息的副本以及相应的时间戳或类似的标记保存在本地存储器中。发送设备保留最后N帧的历史放在存储器中和时间戳一起保存。如本实施例所示，边信息信号可以是从数据链路层接收到的消息的一部分。在其它实施例中，边信息信号可以是发送与从数据链路层接收到的消息不相关的标识信息的信号。
当发送了第一和第二消息部分之后，用户设备130确定是否从接收设备340处接收到NAK。若NAK在一预定时间内未被接收，则用户设备130成功发送了此消息。但是若在此实施例中，接收到了一个NAK，则NAK会包含来自网关110的信息，所述信息关于最后成功接收的帧的标识和丢失帧，350。在一实施例中，这些信息会由最后成功接收的消息和丢失帧的发送时间戳来标识。用户设备130查找包含最后N个保存的帧和时间戳的存储器，根据时间戳确定最后成功接收的帧和丢失帧。用户设备130然后把存储的帧重发至网关110，从最后一个被成功接收的帧开始，直到丢失帧360。
接收设备性能
图4是按照本发明的说明性接收设备执行的操作的流程图。在步骤410，接收设备以第一每比特能量接收第一消息部分。在步骤420，接收设备以第二每比特能量接收和第一消息部分有已知定时关系并且相关的第二消息部分。在一实施例中，除了表明应接收第二消息部分之外，第一消息部分还包括用户设备发送的一部分数据。在此实施例中，第二消息部分包含了相关消息数据的剩余部分。
注意这里没有对第一消息部分先于第二信号被接收提出时间要求。第一信号可以在第二信号之后被发送，或者可以和第二信号一同发送。第一信号和第二信号可以通过时分多址、频分多址、码分多址或其他合适的方法访问发射机应答器。
图5是按照本发明的说明性接收单元所执行的操作的流程图。在此实施例中，在步骤510，接收单元例如网关110接收第一消息部分。第一消息部分使用第一每比特能量接收。在步骤520，接收单元也接收第二消息部分。在图5所示的实施例中，第二消息部分和第一消息部分相关。与第一消息部分相比，第二消息部分以较低的每比特能量接收。响应于第二消息部分的接收，在步骤530发送了一个确认(ACK)，表明第二消息部分已经被成功接收。在此说明性实施例中，确认应该被从中始发第一和第二消息部分的设备所接收。在某些实施例中，确认分组包含一个时间戳。在各个实施例中，时间戳表示第二消息部分被发送、或者被接收的时间。在其它实施例中，发送确认是不需要的。
图6是按照本发明，在未可靠接收到第二消息部分时，说明性接收单元所执行的操作的流程图。在此说明性例子中，接收单元在步骤610以第一每比特能量接收第一信号，从中获得第一消息部分。但是，接收单元可能会接收到第二信号，从中不能可靠地获得和第一消息部分相关的第二消息部分。例如，如果试图解调带有第二消息部分的信号，那么由于性噪比低，接收单元可能无法正确的解调此信号，因此无法成功地获得第二消息部分。此时在步骤620确定是否已经接收到和第一消息部分在时间上有已知关系的第二消息部分。若在620处的确定是肯定的，则图6的说明性过程结束。然而，若在620处的确定是否定的，那么在630处向接收到第一消息部分的设备发送NAK。
图7是按照本发明，在未可靠接收到第二消息部分时，接收单元所执行的操作的流程图。在710处以第一每比特能量接收到第一信号，从中获得第一消息部分。然后在步骤715向接收单元提供了一个信号，从中不能无法正确地获得第二消息部分。在此例子中，在步骤720中检测到和第一消息部分相关的第二消息部分没有成功的接收到时，在730向始发该消息的用户设备发送一个否定确认(NAK)分组。在该说明性实施例中，NAK分组包括了一个指示符，标识此帧未被正确接收。除了标识丢失帧以外，接收单元还标识最后成功接收到的数据帧。接收单元然后在步骤740把标识最后成功接收的帧的信息发送至发送设备。如先前讨论的，多种标识丢失帧的方法可以被使用。在此实施例中，接收单元包含了对最后成功接收的消息以及帧标识信息的记录，所述记录可以被始发消息的发送设备正确解释。这样，发送单元可以确定哪些数据需要重发，若有的话。
系统级操作
参考图1，用户设备130发送第一消息部分和第二消息部分至网关110。在某些实施例中，若发送被成功接收，网关110就把确认(ACK)发回至用户设备130，表明接收成功。但是若发送未被网关110成功接收，且网关110检测到不成功的发送，网关110就可以要求用户设备130重发合适的消息。网关110在接收到第一消息部分但是没有接收到对应的第二消息部分时，确定一帧未被成功接收。
在所示的实施例中，在接收了发送并确定第二消息部分未被成功接收后，网关110执行所需的操作以便把NAK分组发送至消息始发者。做出这一确定所需的计算资源相对较小，在一实施例中，确定是否要发送NAK是在第二消息部分丢失后的几十微秒内作出的。然后，网关110调度NAK分组用于在前向链路上发送。在分组数据系统中，这个NAK分组可以和所有其它分组一起被放入调度队列。在一些实施例中，NAK分组可以被赋予较高的优先级，并被移至发送队列的头部。
通过比较，若一个系统要等待数据链路层来确定是否有一数据帧丢失，则其潜伏期则会相对较长。例如，如先前讨论的，在所示的实施例中，使用一个让用户每隔300毫秒轮流发送的协议。此时潜伏期就为300毫秒，比本发明确定是否需要重发一帧占用的几十微秒时间长得多。
结论
本发明的实施例用于减短要求重发丢失或有差错的数据所需的时间。通过在较低级的通信过程中开始一个ARQ过程，就可以减短该潜伏期。本发明的实施例可以包括在许多种无线通信系统中。
通过确定数据未被正确接收，接收设备可以要求数据重发。这样，可以通过减短通知发送设备数据必须被重发的延迟来减短潜伏期。
本发明可以使用各种方法以及实施这些方法的各类装置来实施。本发明也可使用嵌入在有形媒介中的程序代码，例如打孔卡、磁带、软盘、硬盘驱动器、CD-ROM、闪存卡或任何其他机器可读的存储介质，其中程序代码被加载并在机器，例如计算机上执行，此机器成为执行此发明的装置。本发明也可以程序代码，例如存储在存储介质上、加载在并/或执行在机器上、通过传输媒介或载波发送，例如通过电线或有线信号线、通过光纤、通过电磁波、当程序代码加载并/或在机器上执行，例如计算机，此机器成为执行此发明的装置。当实施在通用处理器上，此程序代码块以及此处理起提供了一个独特的设备来模拟运行至特定逻辑电路。
需要理解的是，本发明不被以上描述的实施例所限定，而是包含在以下权利要求范围内的任一或所有实施例。