CN100486144C - 多时隙cdma无线通信系统中提高传输速率的方法 - Google Patents

多时隙cdma无线通信系统中提高传输速率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种改进CDMA TDD系统性能的方法，是提高多时隙CDMA无线通信系统数据传输速率的方法。包括：将整数个相邻时隙合并为一个时隙长度是原单个时隙长度整数倍且只有一个时隙间保护区的时隙，在合并后的时隙内使用不同的调制方式；用合并后时隙的至少一个数据业务区传输业务数据，和用合并后时隙的一个时隙间保护区进行时隙间保护。实施时，该合并后的多倍时隙可采用与原时隙相同的结构，如用长度接近的前、后业务数据区传输业务数据，和在前、后业务数据区间设置一个中间码区；或者用两个以上的业务数据区传输业务数据，和将一个以上的中间码区分设在业务数据区间。可提高数据传输能力；降低终端发射的码道数或者最大发射功率，和扩大小区覆盖、降低耗电等。

Description

多时隙CDMA无线通信系统中提高传输速率的方法
技术领域
本发明涉及一种无线移动通信技术，更确切地说是涉及一种提高多时隙码分多址(CDMA)无线通信系统中传输速率的方法，是改进第三代移动通信标准中CDMA TDD系统性能的一种方法。
背景技术
在目前的第三代移动通信系统中，特别是在码分多址时分双工(CDMATDD)标准的系统(包括速率为3.84Mbps的UTRA TDD及速率为1.28Mbps的TD-SCDMA标准)中，均使用多时隙的帧结构。UTRA TDD标准共设计有15个时隙；而TD-SCDMA标准则设计了7个主时隙。在每个时隙内均使用最大扩频系数为16的CDMA方式。
参见图1，以TD-SCDMA标准为例，示出其帧结构。每个长度为5ms的子帧均由7个主时隙构成，包括：TS0(10)、TS1(11)、TS2(12)、TS3(13)、TS4(14)、TS5(15)、TS6(16)和3个特殊时隙：下行导引时隙DwPTS(17)、保护时隙G(18)和上行导引时隙UpPTS(19)。每个主时隙的宽度为675μs，共864码片(chip)。每个主时隙又分为四个区域：业务数据区Data(20、22)、中间码区Midamble(21)及时隙间保护区g(23)。其中，中间码区Midamble(21)长144码片(chip)，时隙保护区g长16chip，前后两个业务数据区各长352码片(chip)。在扩频系数为16时，两个业务数据区各可传输22个符号，在四相移相键控(QPSK)调制方式下等效速率为17.6kbps。
当需要传输更高速率时，通常可采用多码道技术或者降低扩频系数，此时，一个主时隙的最高传输速率为16 x 17.6kbps＝281.6kbps。当需要传输更高速率时，可以使用多时隙传输，使用两个时隙可传输563.2kbps，使用3个时隙可传输844.8kbps，以此类推。
综上所述，目前第三代移动通信系统均使用CDMA方式，在时分双工的CDMA标准中，为支持不对称业务，均使用多时隙的结构；为提供高速数据业务，均使用可变扩频系数、多码道或者多时隙等技术。
上述方法的主要缺点在于：
1.数据传输速率仍然不够高。仍然以TD-SCDMA系统为例，根据3GPP规范的要求，在数据速率低于8kbps时，可以用一个时隙中的一个码道进行传输；在传输速率为12.2kbps的话音信号时，可使用一个时隙中的两个码道或者将扩频系数降低为8，此时，用户终端的发射功率将是每个码道发射功率的一倍。使用一个时隙最多可提供128kbps的传输速率；而传输384kbps的业务则至少使用3个时隙，而且，在信道编码为R＝1/3时，戳孔的比例非常高，导致性能明显降低。为了传输2Mbps的业务，在TD-SCDMA系统中，必须使用5个时隙，并使用8PSK的调制方式。这样，在一个载波频率内，2Mbps的业务就只能作单向传输。因此，如何提高多时隙CDMA TDD系统传输高速数据的能力问题，迄今为止一直没有解决；
2.用户终端设计困难。不论第三代移动通信系统采用的是哪一种CDMA TDD技术(UTRA TDD及TD-SCDMA)，在帧结构中都设计了中间码(如图1中的21)，都使用联合检测技术。由于联合检测技术算法的复杂性，目前设计的用户终端均仅仅能对一个时隙的信号完成多用户检测，故最多支持接收一个时隙的信号，或者说，价格比较低廉的用户终端通常最高支持128(或者144)kbps速率的数据业务。要支持384kbps或者2Mbps的数据业务，则必须使用多个解调器，使用户终端体积增大、耗电增加、成本增加。即使随着微电子技术的发展，芯片处理能力得到成倍增加，在获得更大处理能力的同时必然需要更大的耗电和更贵的成本。因此解决多时隙工作的问题，对产品的推广应用是另一迫切需要解决的问题；
3.小区覆盖差。根据CDMA的工作原理，当使用低的扩频系数或者使用多码道传输一个业务数据时所需要的发射功率，与单码道使用较高扩频系数时所需要的发射功率相比，前者与后者间是成倍增加的关系。如果用户终端的最大发射功率固定，则导致通信距离降低，小区覆盖面积降低；如果用户终端有足够大的发射功率，则耗电增加，缩短了用户终端电池的使用时间。
发明内容
本发明的目的是提供一种多时隙CDMA无线通信系统中提高传输速率的方法，在提高用户数据传输能力的同时，使用户终端在发射时占用的码道数降低，或者使最大发射功率降低，以扩大小区覆盖和降低耗电，还可降低对终端解调复杂性的要求，降低用户终端成本。
实现本发明目的的技术方案是这样的：一种多时隙CDMA无线通信系统中提高传输速率的方法，其特征在于包括以下步骤：
A.将整数个相邻时隙合并为一个时隙长度是原单个时隙长度整数倍且只有一个时隙间保护区的时隙，在合并后的时隙内使用不同的调制方式；
B.用合并后时隙的至少一个数据业务区传输业务数据，和用合并后时隙的一个时隙间保护区进行时隙间保护。
所述步骤B中，可以用长度接近的前、后数据业务区传输业务数据；和在前、后数据业务区间设置一个用于提高系统传输性能的中间码区。
所述步骤B中，可以用长度接近的两个以上的数据业务区传输业务数据；和将一个以上用于提高系统传输性能的中间码区分设在数据业务区间。
所述中间码区的长度随参与合并的相邻时隙个数的增加而增加。
所述的步骤A、B中，可以将两个相邻时隙合并成一个2倍时隙，用两个长度分别为720码片和736码片的数据业务区传输数据业务，用于在扩频系数为16时可提供整数个符号，使用长度为256码片的中间码和用长度为16码片的时隙间保护区。
所述的步骤A、B中，可以将三个相邻时隙合并成一个3倍时隙，用两个长度分别为1152码片和1168码片的数据业务区传输数据业务，用于在扩频系数为16时可提供整数个符号，使用长度为256码片的中间码和用长度为16码片的时隙间保护区。
所述的步骤A、B中，可以将四个相邻时隙合并成一个4倍时隙，用两个长度分别为1456码片和1472码片的数据业务区传输数据业务，用于在扩频系数为16时可提供整数个符号，使用长度为512码片的中间码和用长度为16码片的时隙间保护区。
所述步骤A中，在合并后的时隙内使用不同的调制方式，包括使用8PSK、16QAM或者64QAM的高阶调制方式。
可以在时分-同步码分多址移动通信系统中，将3个相邻时隙合并成一个3倍时隙，采用四相移相键控调制方式和R＝1/3的信道编码，在单个3倍时隙中传输速率为384kbps的数据业务。
可以将时分-同步码分多址移动通信系统标准的TS1、TS2、TS3时隙合并成一个只具有数据业务区和时隙间保护区的3倍时隙，传输上行业务数据；将TS4、TS5、TS6时隙合并成一个只具有数据业务区和时隙间保护区的3倍时隙，传输下行业务数据，使用16QAM调制方式，不使用信道编码，传输双向2Mbps数据业务。
本发明所公开的是一种新的多时隙合并技术，通过将两个或者多个时隙合并成为一个大的时隙，在此大的合并后的多倍时隙内使用(也可不使用)一组新的中间码(midamble)，和在此大的时隙内使用不同的调制方式，如8PSK、16QAM或者64QAM等，提高数据传输速率，和提高频谱利用率。
本发明的在多时隙CDMA无线通信系统中提高数据传输速率的方法，可将多时隙CDMA TDD系统的数据传输效率提高3％至10％；解决了在TD-SCDMA系统中使用单时隙传输384kbps业务及2Mbps业务时的困难；使用户终端设备有可能在只使用单时隙接收时还能接收高速数字信号；简化了用户终端设计，减少了用户终端的耗电，扩大了小区覆盖。
附图说明
图1是TD-SCDMA无线移动通信系统的帧结构示意图；
图2是采用本发明方法实施的2倍时隙结构示意图；
图3是采用本发明方法实施的多时隙合并结构示意图；
图4是采用本发明方法实施的另一种多时隙合并结构示意图；
图5是采用本发明方法实施的用3倍时隙传输2Mbps业务时的帧结构示意图。
具体实施方式
本发明通过采用一种新的帧结构及所提供的使用方法，来达到提高数据传输速率的目的。以TD-SCDMA系统为例，当需要传输较高数据速率时(如传输一个速率为12.2kbps的话音)，不是用现有的，如降低扩频系数(从16降低为8)或者使用两个码道传输一个数据业务的方法，而是将相邻时隙合并成为一个比较大的时隙进行数据传输。
参见图2，将两个邻近的时隙合并为一个比较大的时隙(称为2倍时隙)时的帧结构。原帧结构(100)包括两个邻近时隙(各一个码道)，每个时隙由数据业务区(130、120)、中间码(110)和保护时隙g(140)构成，码片长度各为352、352、144和16。新帧结构也由数据业务区(210、230)、中间码(220)和保护时隙g(240)构成，码片长度各为720、736、256和16。此新时隙的宽度为原时隙宽度的2倍，可采用最大扩频系数为16的直接序列扩频多址方式。新帧与原两个相邻帧保持码片总数相等，为1728个码片。新帧结构中，前后数据业务区的长度应基本一致，2倍时隙时建议的中间码长度为256码片，其长度越短则传输效率越高但性能越差，其长度越长则传输效率越低但性能越好。保护时隙g的长度仍为16个码片。
参见图3，将三个邻近的时隙201、202、203合并为一个较大的时隙300(称为3倍时隙)，或者将四个邻近的时隙204、205、206、207合并为一个较大的时隙400(称为4倍时隙)的结构，此3倍时隙和4倍时隙(合并后的新时隙)的长度分别为原时隙长度的3倍及4倍，仍然采用最大扩频系数为16的直接序列扩频多址方式。此3倍时隙的更大新时隙，包括长度分别为1152、1168码片的前后数据业务区321、322，长度为256码片的中间码325和长度为16码片的保护时隙(g)323。此4倍时隙的更大新时隙，包括长度分别为1456、1472码片的前后数据业务区331、332，长度为512码片的中间码333和长度为16码片的保护时隙(g)334。
需要特别说明的是：在图2中，原帧结构(100)是图1中两个相邻时隙中的各一个码道；而本发明的帧结构(200、300、400)是将两个或三个或四个相邻时隙码道合并为一个大时隙，其中任何一个码道也由四个区域：业务数据区(210、230、321、322、331、332)、中间码(220、325、333)及时隙保护区g(240、323、334)组成。由于数据区域增加，为保证系统性能，中间码的长度也要相应增加，在2倍时隙时(图2)，对此中间码长度作出的建议是256chip，在3倍时隙和4倍时隙时，对此中间码长度作出的建议分别是256和512chip。，当然，根据系统性能要求，此长度也可改变为其它值。
使用2倍时隙时(见图2)，每个码道可提供91个符号，可以在两个数据区(210、230)分别安排45和46个符号。这样，在使用QPSK调制方式下可传输36.4kbps的数据速率，非常适合3GPP典型的12.2kbps的话音业务(使用R＝1/3信道编码)。使用8个码道，就可以提供128或者144kbps的数据业务。此时所带来的好处是：传输的业务数据量增加了3.2％；所需要的发射功率降低了一半；在同等发射功率条件下，通信距离增加了(具体增加数量还会随工作环境的变化而变化)。
当需要传输的数据速率更高时，则可以使用本发明的方法，进一步地将更多的时隙合并成一个仍由数据业务区、中间码区和保护时隙区构成的更大的时隙，而不是用原来的多时隙方式。
在使用3倍时隙(300)时，中间码(325)可以采用图2中2倍时隙(200)的中间码(220)长度，这样，数据区(321、322)的容量就又可得到增加。而在由四个时隙合并的大时隙(400)中，中间码(333)的长度必须更长一些。
使用如图3所示的3倍时隙(300)时，在扩频系数为16的情况下，其每个码道可支持145个符号，可以在两个数据区(321、322)分别安排72和73个符号。在使用QPSK调制方式下，每个大码道(3倍码道)可提供达58kbps的数据速率；此3倍时隙总共可提供达928kbps的数据速率，比原技术提高了10％，在使用R＝1/3纠错编码条件下可传输384kbps的业务。
使用如图3所示的4倍时隙(400)时，建议其中间码333增加到512chip，这样，在扩频系数为16时，其每个码道可支持183个符号(symbol)，可以在两个数据区(331、332)分别安排91和92个符号。在使用QPSK调制方式下，每个大码道(4倍码道)可提供达73.2kbps的数据传输速率；此4倍时隙总共可提供达1.17Mbps的数据传输速率。
图2、图3中，合并后时隙中间码的位置均位于时隙的中间，且只有一个，但在实施时也可不这样安排，即中间码不一定在合并后时隙的中间，并且可以有多个。
如图4中所示的另外一种多倍时隙的帧结构。其中，将3个时隙201、202、203合并成一个3倍时隙350，安排了两个长度为128chips的中间码区域(365)，其它四个数据业务区域(361、362、363、364)传输业务数据，还有一个保护时隙g(373)。而4倍时隙(450)也安排了两个长度为256chips的中间码区域(433)，其它四个数据业务区域(431、432、434、435)传输业务数据。其数据传输效率与图3所示实施例相同，但由于使用了两段中间码，增加了克服多径及快衰落的能力，同时也会带来数据处理时的复杂性。当然中间码区的长度也是随参与合并的相邻时隙个数的增加而增加。
以此类推，还可以使用本发明的方法，将更多相邻时隙合并，形成5倍时隙、6倍时隙，或者更大的时隙，使CDMA TDD技术在获得更高数据传输速率的同时，还大大简化了用户终端的信号处理，降低了终端耗电，改善了系统的覆盖。
本发明的方法还为在某些时隙内使用比较高阶的调制方式提供了方便。以图2所示的2倍时隙为例，在上述2倍时隙内使用8PSK调制方式，每码道的数据传输速率将达到54.6kbps，比使用QPSK调制方式增加50％；使用16QAM调制方式，每码道的数据传输速率将达到72.8kbps，比使用QPSK调制方式增加了一倍；而使用64QAM调制方式，每码道的数据传输速率将达到145.6kbps，比使用QPSK调制方式再增加一倍。
使用本发明的方法还可以进一步增加传输速率。作为一个例子，采用图3所示的3倍时隙(300)，及使用16QAM的调制方式，并将图3中3倍时隙的中间码去掉。这样形成图5所示的三倍时隙，它仅仅由数据业务区(350)及16chip的保护区域g(360)构成。则此数据区的长度为2，576chip，可传输的总数据速率为2.061Mbps。这样，在传输2.048Mbps业务时，还有能力传输12kbps的随路信令。将此方法应用于TD-SCDMA系统时，可以将三个时隙(如TS1、TS2及TS3)合并为图5所示的3倍时隙，供上行传输；将三个时隙(如TS4、TS5及TS6)合并为图5所示的3倍时隙，供下行传输，就可以实现同时双向传输2Mbps业务，比原来只能单向传输2Mbps业务有了非常大的提高，完全实现了ITU对第三代移动通信系统的要求。
将多个相邻时隙合并为一个较大的时隙，其合并过程可以全部采用软件技术实现。
本发明的方法，通过将多个相邻时隙合并为一个较大的时隙，合并后的时隙长度是原时隙长度的整数倍；合并后的时隙可使用与原时隙类似的时隙结构，其中间码的长度随合并后的时隙长度改变，而保护区域的长度可以不变；在此合并后的时隙内仍然可以采用较高的调制方式，以提高数据传输速率。

Claims (10)

1.一种多时隙CDMA无线通信系统中提高传输速率的方法，其特征在于包括以下步骤：
A.将整数个相邻时隙合并为一个时隙长度是原单个时隙长度整数倍且只有一个时隙间保护区的时隙，在合并后的时隙内使用不同的调制方式；
B.用合并后时隙的至少一个数据业务区传输业务数据，和用合并后时隙的一个时隙间保护区进行时隙间保护。
2.根据权利要求1所述的一种多时隙CDMA无线通信系统中提高传输速率的方法，其特征在于：所述步骤B中，是用长度接近的前、后数据业务区传输业务数据；和在前、后数据业务区间设置一个用于提高系统传输性能的中间码区。
3.根据权利要求1所述的一种多时隙CDMA无线通信系统中提高传输速率的方法，其特征在于：所述步骤B中，是用长度接近的两个以上的数据业务区传输业务数据；和将一个以上用于提高系统传输性能的中间码区分设在数据业务区间。
4.根据权利要求2或3所述的一种多时隙CDMA无线通信系统中提高传输速率的方法，其特征在于：所述中间码区的长度随参与合并的相邻时隙个数的增加而增加。
5.根据权利要求2所述的一种多时隙CDMA无线通信系统中提高传输速率的方法，其特征在于：所述的步骤A、B中，是将两个相邻时隙合并成一个2倍时隙，用两个长度分别为720码片和736码片的数据业务区传输数据业务，用于在扩频系数为16时可提供整数个符号，使用长度为256码片的中间码和用长度为16码片的时隙间保护区。
6.根据权利要求2所述的一种多时隙CDMA无线通信系统中提高传输速率的方法，其特征在于：所述的步骤A、B中，是将三个相邻时隙合并成一个3倍时隙，用两个长度分别为1152码片和1168码片的数据业务区传输数据业务，用于在扩频系数为16时可提供整数个符号，使用长度为256码片的中间码和用长度为16码片的时隙间保护区。
7.根据权利要求2所述的一种多时隙CDMA无线通信系统中提高传输速率的方法，其特征在于：所述的步骤A、B中，是将四个相邻时隙合并成一个4倍时隙，用两个长度分别为1456码片和1472码片的数据业务区传输数据业务，用于在扩频系数为16时可提供整数个符号，使用长度为512码片的中间码和用长度为16码片的时隙间保护区。
8.根据权利要求1所述的一种多时隙CDMA无线通信系统中提高传输速率的方法，其特征在于：所述步骤A中，在合并后的时隙内使用不同的调制方式，包括使用8PSK、16QAM或者64QAM的高阶调制方式。
9.根据权利要求1所述的一种多时隙CDMA无线通信系统中提高传输速率的方法，其特征在于：在时分-同步码分多址移动通信系统中，将3个相邻时隙合并成一个3倍时隙，采用四相移相键控调制方式和R＝1/3的信道编码，在单个3倍时隙中传输速率为384kbps的数据业务。
10.根据权利要求1所述的一种多时隙CDMA无线通信系统中提高传输速率的方法，其特征在于：将时分-同步码分多址移动通信系统标准的TS1、TS2、TS3时隙合并成一个只具有数据业务区和时隙间保护区的3倍时隙，传输上行业务数据；将TS4、TS5、TS6时隙合并成一个只具有数据业务区和时隙间保护区的3倍时隙，传输下行业务数据，使用16QAM调制方式，不使用信道编码，传输双向2Mbps数据业务。
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