CN100594689C - 一种码分双工的通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新的码分双工通信方法，该方法对工作在相同频率和相同时隙内上行和下行信道使用零互相关或低互相关扩频码区分。接收端利用接收信号的解扩增益，克服发射机发射信号的干扰：在同步的单径信道情况下，接收机采用相关解扩的方法可以完全克服双工之间的相互干扰。在非严格同步情况或多径信道环境下，在解扩前信干比大于-10dB情况下，可直接进行相关解扩；在解扩前信干比小于-10dB情况下，需要借助干扰消除方法之后进行相关解扩。本发明还可利用传统的多用户检测算法进行接收。本发明利用码资源提高了频率使用效率，使得系统上行和下行链路可以共享频率和时间资源。

Description

一种码分双工的通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种新的码分双工方法。

背景技术

无线通信系统的一项基本任务是建立和保持无线终端与基站间的通信链路，实现通信数据的双向传输，由基站传往无线终端方向的链路，称为下行链路；由无线终端传往基站方向的链路，称为上行链路。现存的上行、下行双工系统有：频分双工系统和时分双工系统。其中频分双工系统采用不同的频率隔离上行、下行链路之间的干扰。时分双工系统采用相同频率于上行、下行链路数据传输，但是利用不同时隙隔离上行、下行链路之间的干扰。上述两种双工方法的上行、下行或各自占频率资源或各自占用时间资源。因此，它们的频谱效率是相同的。

为了提高无线通信系统的频谱利用率，需要提出一种新的通信方法，使得系统上行和下行信道可以共享频率和时间资源。

发明内容

本发明的目的是提供一种码分双工的方法，以提高频谱利用率，使得通信系统的所有或部分上行和下行通信链路工作在相同的频率和相同的时隙上。

由于本发明的目的是解决整个系统的上下行的同频同时工作问题，为了将问题简单化，这里我们首先将双工的概念进行一般化扩展，传统的双工的概念主要是针对一个小区的上行和下行链路的资源分配问题，而本文将双工的概念扩展到整个系统所有小区的上行和下行的资源分配问题。我们首先建立一个一般的系统模型，将原有的所有基站发射机归类化为一个下行发射机，所有基站接收机归类为一个上行接收机，所有无线终端发射机归类为一个上行发射机，所有无线终端接收机归类为一个下行接收机，这样就把整个系统归类为一个上行链路和一个下行链路；将原有的每个基站发射机和无线终端接收机之间的通道看作下行链路的一个信道，或者说一个下行信道；每个无线终端发射机和基站接收机之间的通道看作上行链路的一个信道，或者说一个上行信道。整个上行链路和下行链路的资源分配方式由各个上行信道和下行信道之间的资源分配方式组成，我们将任意一个上行信道和任意一个下行信道之间的资源分配方式都称为一种双工方式，而不管这两个信道的发射机和接收机在实际中是在一个小区还是在不同小区。下面对本发明的描述均以此模型为依据。

然后，我们定义干扰发射机的概念。对一个接收机而言，干扰发射机是指除去发射预期收到信号的发射机以外的其它所有与预期接收信号发射机工作在相同频率相同时间的发射机。在上述系统模型下，干扰发射机主要指与上行接收机同频同时工作的下行发射机和与下行接收机同频同时工作的上行发射机，而干扰是指上述发射机发射的信号对接收机预期接收信号的干扰。

本发明主要解决上述系统模型中上行链路和下行链路全部或部分信道工作在相同频率相同时隙时的双工工作模式，本法明的技术方案如下：

在本发明码分双工的方法中，在发射端，将上述同频同时隙工作的信道上的信息符号采用零互相关或低互相关的扩频码进行扩频，扩频方法是对每一个上行或下行信道的信息符号用一个扩频码扩频，不同的信道使用不同的扩频码。

在接收端，预期接收信号及干扰信号之间获得了时间同步，接收到的信号为预期接收信号及干扰信号经历各自信道后到达之和，将预期接收信号的扩频码和接收到的信号做相关解扩，得到需要的信息符号，或者将接收到的信号看成是多个利用扩频码区分的用户信号的叠加，用传统的多用户检测算法进行接收。

下面从发射和接收两个方面来具体说明本发明的码分双工系统是如何实现的：

1.上行和下行链路码分双工发射

我们选择一组零互相关或低互相关的扩频码，例如：沃尔什(Walsh)码乘以扰码后形成的码或者智能码，设该组码的码长为N。将该组码分为两组：一组分配给上行链路，它共有N_U个码字，表示为

另一组分配给下行链路，它共有N_D个码字，表示为

上述每个码字可以表示为一个分量数为N的向量，即c_U，i＝[c_U，i(1)，c_U，i(2)，…，c_U，i(N)]和c_D，i＝[c_D，i(1)，c_D，i(2)，…，c_D，i(N)]。

以上行链路为例，在发射端，上行发射机利用所分配的扩频码对要发射的信息符号(该符号为经过数据调制的符号)进行扩频，扩频方法是对每一个上行信道上的信息符号用一个扩频码扩频，不同的上行信道使用不同的扩频码，因此，上行链路中最多容纳N_U个同频同时工作的上行信道。

假设第i个上行信道上的信号为上行预期要接收的信号，其数学表达式为：

x_U，i(n)＝s_U，ic_U，i(n)(i＝0，1，..，或N_U-1)  (1)

其中x_U，i(n)，s_u，i和c_U，i(n)分别代表第i个上行信道上发射的基带信号，该信道上需要发射的信息符号及该信道所分配的扩频码的第n个码片。

此时的干扰发射机主要是指与上述上行信道同频同时工作的下行链路发射机，干扰也就是来自于这些干扰发射机发射的与预期接收信号同频同时的下行信号，干扰发射机发射的干扰信号基带表达式为：

$x_D=\underset{i=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{D,i}\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{D,i}{c}_{D,i}\left(n\right),1\≤n\≤N---\left(2\right)$

其中x_D(n)，s_D，i和c_D，i(n)分别代表下行链路发射机发射的信号，第i个下行信道的信息符号及该信道的扩频码的第n个码片。

根据我们对双工概念的扩展，上述下行链路中与第i个上行信道同频率同时隙工作的下行信道可以是与上行信道同小区的，也可以是相邻小区的。

2.信号的接收

还是以上行链路为例，上行接收信号为所有预期接收信号及干扰信号经历各自信道后到达之和：

$r\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{N_U}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{\τ}=0}{\overset{P_{U,i}-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{U,i}\left(\mathrm{\τ}\right)x_{U,i}(n-\mathrm{\τ})+\underset{k=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{\τ}=0}{\overset{P_D-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{D,k}\left(\mathrm{\τ}\right)x_{D,k}(n-\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_0)---\left(3\right)$

其中r(n)为上行接收机接收到的信号，h_U，i(τ)和h_D，k(τ)分别代表第i个上行信道第τ径的信道增益和第k个下行信道的第τ径的信道增益；τ₀为干扰信号与预接收信号之间的延时，P_U，i是第i个上行信道的最大多径延迟；P_D，k是从第k个下行信道的最大多径延迟。公式(3)的第一项是来自上行链路的信号之和，第二项是来自下行链路的干扰信号之和。

2.1相关解扩接收

根据扩频码的互相关特性，上行链路接收机可以采用相关解扩的方法得到预期要接收的用户信息符号。相关解扩就是指用预期要接收的用户的扩频码和接收机接收到的信号做相关，从而得到需要的信息符号。其数学表达式为：

${\hat{s}}_{U,i^{\′}}^l=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}r\left(n\right)c_{U,i}\left(n\right)$

$=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{\τ}=0}{\overset{P_{U,i}-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{U,i}\left(\mathrm{\τ}\right)x_{U,i}(n-\mathrm{\τ})c_{U,i}\left(n\right)---\left(4\right)$

$+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j\≠i}{\mathrm{\Σ}}\underset{\mathrm{\τ}=0}{\overset{P_{U,i}-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{U,j}\left(\mathrm{\τ}\right)x_{U,j}(n-\mathrm{\τ})c_{U,i}\left(n\right)+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{\τ}=0}{\overset{P_{D,k}-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{D,k}\left(\mathrm{\τ}\right)x_{D,k}(n-\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_0)c_{U,i}\left(n\right)$

上式中，等号右边第一项是第i个上行信道解扩输出信号，第二项是解调信号中包含的上行链路中其他信道的干扰，第三项为下行干扰发射机带来的干扰。下面根据解扩信干比增益讨论(4)式的应用范围。

2.1.1同步的单径信道环境下

当预接收信号和干扰信号同步且信道为单径信道时，如果使用的是零互相关扩频码，由于上行和下行信道码的零互相关性可推知，解扩后干扰功率为0，信干比解扩增益为无穷大；如果使用的是低互相关扩频码，上下行信道码的相关值很小，解扩后干扰很低，信干比增益很大，这两种情况下(4)式都可以直接应用。

2.1.2异步或多径信道环境下

在预接收信号和干扰信号没有严格同步或者多径信道的情况下，上述解扩方法可以得到大约12-15dB的解扩增益，所以该方法在接收机预期接收信号与干扰信号的信干比大于-10dB左右可以正常工作。因此，在解扩前信干比大于-10dB情况下，本发明的(4)式可以直接应用；在解扩前信干比小于-10dB情况下，本发明需要借助干扰消除方法抑制后两项干扰之后，应用(4)式。

这里的干扰消除的方法可以是提供一个有线连接信道将干扰发射机信号直接送置接收机信号预处理单元，并利用它消除干扰发射机来自空中接口的干扰信号。基本原理是用来自有线信道的信号减去接收机接收信号中来自空中接口的干扰信号。由于有线信道与空中接口信道存在较大差异，所以在信号预处理单元内必须设置一个信道模拟器，它的任务是精确模拟干扰射机到接收机之间空中接口信道。将来自有线的干扰发射机信号送入上述信道模拟器后，我们只需将它的输出信号相位调制到与空中接口信号相反，随后用一个加法单元将干扰消除。

2.2多用户检测接收方法

对于公式(1)中的接收信号，如果将干扰发射机发射的信号也等同于一个用户信号，则接收信号可以看成是多个利用扩频码区分的用户信号的叠加，因此可以用传统的多用户检测算法进行接收。

本发明提出的码分双工方法，使得系统上行和下行链路可以共享频率和时间资源。该方法利用扩频码之间互相关特性克服上下行信道之间的相互干扰，它的基本思想是利用码资源来提高频率使用效率。

本发明的码分双工的方法还可以与传统的时分双工系统结合，避免时分双工系统中各小区的严格的时间同步。

传统的时分双工方法是指在同一小区内，其上行链路和下行链路在不同时隙采用相同频率工作。这种系统必须保证系统中各小区严格同步，否则相邻小区的下行发射将成为本小区上行接收的严重干扰。在本发明最初建立的系统模型里，这种不同步也就意味着，上行链路和下行链路有一部分信道是同时同频率工作的，因此，利用码分双工可以解决这一问题，将同频同时隙工作的上下行信道利用零互相关或低互相关的扩频码进行区分，这样就避免了时分双工系统中各小区的严格时间同步。

附图说明

图1是码分双工系统示意图；

图2是利用了干扰消除的码分双工系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细说明本发明的内容，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明的系统如图1所示，在发射端，上行发射信号采用码长为N的扩频码c_U，i，i＝0，1，..，或N_U-1，扩频；各下行发射信号采用

扩频。例如当N＝64时，采用Walsh64进行扩频，各上行发射信号选用第1~32个Walsh64码进行扩频，而下行发射信号选用33~64个Walsh64码进行扩频。调整各上行信道上信号帧的起始时间，使得各个上行信号到达上行接收机时间同步，并且使得它们与下行发射的干扰信号同步。

在接收端，测量预接收信号与干扰信号功率之比值，在该比值大于-10dB的情况下，接收机采用相关解扩的方法得到预接收信号；在信干比小于-10dB的情况下，上行接收机采用一个干扰预消除模块之后，再使用相关解扩方法得到预接收信号(见图2)。

在接收端，还可以直接用多用户检测的方法得到预接收信号。

上述技术方案和具体实施方法均以上行信道接收为例，下行接收方案与之相似。

Claims (1)

1.一种码分双工的接收方法，预期接收信号及干扰发射机信号在其发射端经零互相关或低互相关的不同扩频码进行了扩频，接收端接收到的信号为预期接收信号及干扰发射机信号经历各自信道后到达之和，干扰消除之后，将预期接收信号的扩频码和接收到的信号做相关解扩，得到需要的信息符号，其特征在于，利用下述方法进行干扰消除：通过一个有线连接信道将干扰发射机信号直接送至接收机信号预处理单元，该信号预处理单元内设置一个信道模拟器以精确模拟干扰发射机到接收机之间的空中接口信道，来自有线连接信道的干扰发射机信号送入上述信道模拟器后，将它的输出信号相位调制到与空中接口信号相反，随后用一个加法单元将干扰消除。

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