CN1087534C - 使用码分和时分的多址通信系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种使用码分多址(CDMA)和时分多址(TDMA)的多址通信系统和方法包括用CDMA码字对信息信号编码,以便在共同频谱上发送,对CDMA码字进行时间压缩以便只在所分配的时隙中传输,只在所分配的时隙激活接收机以便接收并解压缩时间压缩的CDMA码字,并对解压缩的CDMA码字解码以便恢复信息信号。
Description
背景
本发明一般涉及码分多址(CDMA)通信系统,更具体地涉及诸如蜂窝、卫星或个人通信网络这样的使用CDMA和时分多址(TDMA)传输的无线通信系统。本发明也可用于诸如有线局域网这样的希望在网络的用户之间支持很多同时通信链路的其它传输介质。
本领域中熟知的是CDMA技术可以用于发送很多在相同频谱中重叠的独立信号。CDMA包括用高度冗余性对信息比特编码,以便得到大量称为“码片”(chip)的比特用于传输。
冗余的最简单形式包括重复一个数据比特多次,但是CDMA还包括使用发射机和接收机都已知的码进行每次重复的符号或极性的伪随机交替。这种信号的接收包括使用该码的本地复制品解除符号的交替,然后使用例如大数判决来合成重复的比特。由于不需要的、重叠的及潜在的干扰信号具有不同的符号交替模式,当该信号用不正确的码解除时,不会恢复成类似符号的重复比特,原则上,这种干扰信号对大数判决过程将给出0的净贡献,因此不会引起误码。
当具有不正确码的其它信号对大数判决过程给出恰好为0的贡献时,即,在解除所要信号的符号替换之后,不需要的信号恰好具有一半与另一半相反符号的重复比特,因此这种信号称为“正交”。
正交码还可用于对N个数据比特的块编码,从而一起产生具有2的N-1次幂或2的N次幂比特的代表性的块码字。这种码分别称为“双正交”和“正交”分组码。当正交或双正交码用于区分相同发射机发送的不同数据比特块时,它们不能也用于区分不同的发射机。码的全部或部分能量可以用于对相同发射机的数据比特编码,然后其余能量可以用于区分不同的发射机。例如电信工业委员会(TIA)标准IS 95就是使用正交码区分不同的数据比特块(IS95上行链路),也使用正交码区分不同的传输(IS95下行链路)。
不幸的是,构造一组正交信号所需的正交码数目限于码字中使用的最大码片数。如果使用比要求更多的重叠信号,它们的码不能是完全彼此正交的。特别是,正交性会被移动无线传播中常见的、称为多径传播或时间扩散的传播现象所毁坏。当发射机和接收机之间的路径包括来自较大物体的反射时,出现带不同时延的反射波,会产生多径传播。仍然正交的码当彼此之间有时延或时间漂移时,不能根据现有技术很容易地构造。延迟一个码片周期或多个码片周期的多径反射波一般称为“独立射线”。
延迟短于一个码片周期的多径反射波接收的时候,不会相对未移动码有一个或多个完整码片的时间漂移,但是会产生另一种现象,称为端利(Rayleigh)衰落。尽管这种反射波只是码片周期的一部分,但是它们可能会延迟无线载波频率的几个完整的和部分的周期,该频率一般比码片速率高得多,因此具有更短的波长。
因此这些反射波可能根据它们的相位相互合成或抵消,由于接收机或发射机的移动情况可以很快地变化。因此载有一个或多个完整码片周期漂移码的射线的幅度会呈现幅度和相位的随机变化,这是由于它是由很多更小的时延比整个码片周期数短或长的射线组成。
包括各种时延(这些时延不一定是码片周期的倍数)的反射波的信号在数学上可以精确地用多个射线来表示,这些射线的相对延迟恰好是码片周期的整倍数,但是它们是或多或少不相关的Rayleigh衰落。这种方式的数学表示可以认为是将位于准确码片周期时延的±1/2码片周期内的所有反射波组合在一起,从而确定准确的多个码片时延的代表射线的幅度和相位变化。
对于较慢的速度,Rayleigh衰落可能引起射线的衰落时间很长,时间交织编码或其它对策不能解决问题,引起短时间的传输损耗和信息传输中的误码。如果信号可以用不同的全码片时延的几个射线来表示,并以非相关的方式衰落,那么多个射线完全衰落的可能性就会降低,因此产生的误码会较少。因此多个码片时延的多径反射波可以有益于带来所谓“路径分集增益”。不幸的是,前面已经提到过,在现有技术中,这种反射波具有破坏正交码好处的缺点。
如果降低码片周期,有较大可能性反射波会延迟一个或更多的码片周期而且每个码片周期一般会包括较少数目的反射波。最终,当码片周期变得相当短时,每个单个反射波或延迟的路径就可以分辨,而且由于每条射线由单路径组成,不会出现Rayleigh衰落现象。不幸的是,如果环境中包含大量这种射线,处理信号的接收机复杂性就会变得很高。
称为JTIDS(Joint Tactical Information distribution System即,联合战术信息分配系统)的美国军用通信系统是使用正交码区分不同发射机数据块的系统的另一个例子,正如所述TIA标准IS95在其上行方向上所做的。IS95发射64比特的扰码字,每个携带6比特信息,而JTIDS发射32比特扰码字,每个携带5比特信息。IS95在连续流中发射码字并使用称为RAKE接收机的对付多径传播的装置,下面将对其进一步描述。JTIDS相反,对每个单个码字做时间压缩,以便在单个突发中传输,而且不使用RAKE接收机来合并多径射线。
JTIDS并没有配置成与多个移动站通信的基站的网络,而是设想了多个自主的移动或固定站,彼此之间成对直接通信。
JTIDS也不认为是一个总允许很多用户交叠在相同时间、相同频道中的直接序列CDMA系统,因为32,5的正交外码不能抵抗相当持续的重叠干扰。相反,它使用跳频减小与其它用户碰撞的可能性。因此它属于跳频扩展频谱系统的范畴,而不是直接序列CDMA系统的范畴。
此外,JTIDS接收机不设计对接收的突发进行时间扩展,以便使用诸如干扰抵消或联合解调的多用户解调器来对其作为窄带CDMA信号进行处理,而是直接处理该宽带信号以对32,5的正交码字解码,从而得到5比特的Reed-Solomn符号。确实,作为军用系统,JTIDS通过使一些用户组或用户对的码对其它站保密来维护安全性,这样一个码的破坏不会破坏整个通信的安全性。因此,这种军用系统所实行的保密原则阻止或劝戒不使用联合解调的技术,这种技术通过使所有CDMA接入码公用而可以有利于城市通信系统。
RAKE接收机是为适于处理通过几个相对延迟路径接收的信号的现有技术接收机而取的名字。这种接收信道称为多径信道,而且不同路径可以称为射线或反射波。RAKE接收机以及所发明的更特别适合从基站到移动站的蜂窝CDMA信道的革新,都在本申请人共同拥有的U.S.专利申请No.08/187,062中描述,该专利申请的题目是“A Method andSystem for Demodulation of CDMA Downlink Signals(用于解调CDMA下行链路信号的方法和系统)”,1994年1月27日提交,在这里结合作为参考。其中解释了接收机是如何使用相关性来隔离和合并单条射线的。如果由于复杂性的限制,接收机不能隔离和合并所有射线,那么那些没有隔离和合并的射线每一个都代表干扰信号环境的一个完整复制,有效地乘上显然重叠的干扰信号数。由于任何CDMA系统都对独立的重叠和干扰信号的数目有限制,未利用的反射波会引起可能传输的信号数的降低,即,以每单位区域每兆赫的爱尔兰数(Eriangs)计算的系统容量的降低。
U.S.专利nos.5,151,919和5,218,619,分别题为“Subtractivedemodulation of CDMA signals”(CDMA信号的相减解调)以及“CDMASubtractive Demodulation”(CDMA相减解调),描述了增加非正交CDMA信号数的新颖装置,通过首先对重叠信号中最强的解码,然后提取它和它的反射波,接着解调下一个最强信号,如此继续直到所要的信号被解码。上述两个与本申请的发明人相同并转让给相同受让人的专利特别地全部在这里结合作为参考。
使用根据上面三个所结合的专利的相减解调,可以看出,如果CDMA系统用于它所能达到的满容量,接收机中所需的计算量至少以码片速率的三次方递增。这意味着减法解调的好处最容易从窄带、低码片速率的CDMA系统中得到,使低码片速率的CDMA系统比由于复杂性限制而不能使用相减技术的高码片速率系统表现出更好的性能。
因此,使用上述技术,很难同时实现如下好处:1)正交性,只当不存在延迟一个或多个码片周期的时间扩散或反射波时才有用;2)路径分集,当出现延迟一个或多个码片周期的反射波时才能得到;3)分辨单条射线以消除Rayleigh衰落,只能在量级达10MB/s的很高码片速率时才能得到;以及4)干扰抵消,由于复杂性而限于低码片速率,例如300KB/s。
TIA标准IS95使用大约1MB/s的码片速率规定连续的CDMA传输,它落入两种方法之间:频带太窄不能实现在独立射线上消除Rayleigh衰落的好处,反之码片速率又太高,对于低成本、低功率的移动站来说很难实现干扰抵消的好处。
一种将相减解调的好处扩展到更高码片速率的方法在共同拥有、共同未决的U.S.专利申请No.08/570,431中描述,请申请题为“Reorthogonalization of Wideband CDMA Signals(宽带CDMA信号的重正交化)”,于1995年12月11日提交,转让给相同受让人,在此结合作为参考。这个申请揭示了以信号强度顺序解扩信号以便得到窄带信号,然后通过使用窄带陷波滤波器使其频域成分为零来滤除它。这个技术也用于使延迟的信号反射波为零,并通过第一次使其它不需要的信号为零之后重复变零的过程来消除错误。
前述的通过频谱变零而提供的重正交原则示于图1和2。在图1中,接收机100对接收信号下变频,如果必要,变成合适的中频。然后使用最强信号的码C1在解扩机101中对中频解扩。窄带、解扩的信号通过成零滤波器102在频域中变成零。然后,残留的信号用码C1在解扩机103中解扩,之后用码C2在104中解扩,在滤波器105中使信号2为零并在模块106中用C2重解扩。根据一个实施例,信号针对C1的重正交,即通过在去除或滤掉其它信号之后再次去除与C1相关的成分,被表示为第二C1解扩器107、与C1相关成分的第二成零滤波器108以及第二C1解扩器109。在模块107、108和109所代表的重新消除级之后,残留信号可以再次处理以便提取其它信号,然后第三次重新消除C2和C1。确实,任何或所有以前的消除信号的重消除都可以进行,以便防止不完美消除的累积,因为它会妨碍较弱信号的解码。
图2说明了一些信号消除级可以用于相同信号不同延迟射线的去除,这是通过使用码序列C1t的延迟版本C1-t-T来实现的。射线最好按信号强度下降的顺序去除。例如,假设信号1的射线1是所有接收射线中最强的;那么它在第一级91中使用码C1t来解扩。相同信号的射线的解扩成分(例如,信号1射线1、信号1射线2、等等)可以馈入合成器95,它例如可能是一个RAKE合成器,它跟踪每条射线的相位和幅度并借助复权重进行相干合并,从而增强信号以便在解码器96中解码。模块95还可以是一个选择合并器,用以选择总是对信号1的最强射线解码,然而,该信号应该总是设计为通过使用级1中合适的码延迟C1t,C1t-T等在级91中消除。模块92说明了在信号1的第二射线解扩之前可以解扩并去除其它信号的射线,如果其它信号射线比信号1的射线2更强就需要如此。
信号射线2在级92中使用延迟了T的码C1(即,码序列C1t-T)进行解扩,这里选择T尽可能接近地对应于信号1的最强射线的信号1的次强射线的时延。解扩的射线2的成分被馈入到合成器95,然后从被传送通过模块94所代表的随后级的信号中滤除。模块94可以进行信号1其它射线和其它信号的射线的解扩和去除,或者重新消除那些与码C1t、码C1t-T或其它任何在较早的信号去除级中曾使用过的码或延迟码相关的成分。
根据上述揭示的宽带重正交可以通过模拟滤波器实现,这比数字信号处理要消耗较少的功率;但是,在诸如移动电话这样的接收机中实际包括的模拟滤波器数目很有限,例如,比蜂窝基站能承受的数目少,因此该技术对于CDMA上行链路来说,要比CDMA下行链路更可行些。
双工通信系统的另一个对宽带CDMA的实际限制是本身发射机和本身接收机之间的干扰。这种干扰可以在窄带FDMA、TDMA或CDMA系统中通过分配单独的频率或频段分别用于手机的发送和接收、在基站中进行相反的发送/接收频率分配来防止。发射和接收频率之间的频率间隔称为双工间隔。所使用的典型双工间隔是45MHz。不幸的是,当使用宽带CDMA时,双工间隔相对信号扩展带宽来说可能是不够的,不能防止发射机的频谱拖尾扩展到接收机频带,因此引起了干扰。
上述的IS95和其它CDMA系统在妨碍同时实现宽带和窄带CDMA系统的各自好处中体现的不足,可以在实现现在将描述的本发明示范
实施例时得到克服。
发明概要
根据发明的示范实施例,信息被编码并调制,以便在适于在介质中传输的载波频率上发送,这样每个信号在宽带范围内扩频并在频率上与其它类似信号重叠。此外,每个发射机对编码信号进行时间压缩,以便只在连续重复的帧周期中所分配的时隙内传输。一种示范接收机接收包括许多重叠信号的混合信号,并只在所分配的接收时隙内激活以便接收并转换所述混合信号,使之成为一组复数值抽样,该一组复数值抽样代表每个时隙上所接收的混合信号。复数值抽样存储在处理器存储器中,然后由数值处理器调用,后者对其进行操作以便分离、解扩并解码所述重叠信号中的指定的一个,以便得到在所述分配时隙中发射的信息,该处理例如包括在对分配的信号解码之前首先对较强信号解扩或解码并消除它们。然后将在连续帧周期中相应时隙中发射的连续信息组装起来并进一步处理,以便重构原始信息,该信息例如可能是数字语音信号。
附图的简要描述
本发明前述以及其它目的、特性和优点将通过结合附图阅读如下详细描述而得到更容易的理解,其中:
图1是根据发明一个示范实施例说明重正交的框图;
图2是根据发明一个示范实施例说明消除延迟的信号射线的框图;
图3表示适于与本发明一起使用的示范发射机;
图4表示根据发明一个示范实施例的接收机;
图5(a)是示范的CDMA相减解调器的框图;
图5(b)是根据发明一个示范实施例的信号强度处理器的框图;
图6说明M点的快速Walsh变换;
图7是根据发明一个示范实施例、包括IIR滤波器的接收机框图;
图8表示一个示范基站发射机,用于在不同时隙上发射多个信号;
图9表示一个示范基站发射机,用于在不同时隙和不同载波频率上发射多个信号;
图10表示一个示范基站,用于在多个时隙和多个载波频率上以及不同方向上发射多个信号;
图11表示一个示范的接收基站,用于在不同时隙、不同频率上、从不同方向接收多个信号;
图12是示范基站和移动站的框图。
详细描述
现在将描述可以同时实现宽带和窄带CDMA系统的各自好处的一个示范系统和方法。
图3表示连接到信源和差错编码装置10的信息输入。信源和差错编码可以包括常规的处理,例如使用ADPCM、CELP、RELP、VSELP、或子带编码的语音数字化,卷积或Reed-Solomon纠错编码、块编码、以及比特或符号时间交织。
信源编码器10的数字编码输出提供给扩频编码器11,后者优选地根据上述U.S.专利No.5,151,919使用Walsh-Hadamard块正交扩频并且结合使用指定接入码的扰码。块扩频可以是正交或双正交的。扰码可以通过使用模-2加法对分组码加入扰码来实现,这样每个信号的编码就是不同的。优选的接入码可以是根据U.S.专利No.5,353,352构造的弯管序列(bent sequence),该专利题为“Multiple Access Coding for Radio Communications”(用于无线通信的多重接入编码),在这里结合作为参考。
扩展频谱编码器11组合多个扰码的码字,优选地至少是两个Walsh-Hadamard码字,以便在时间压缩的突发中传输。组合的码字块使用时间压缩器12进行时间压缩,并使用突发调制器13提供给射频载波。然后将调制的突发转换成最终的射频,如果需要,放大到所需的发射功率电平,由突发发射机14通过天线15发射。为了避免可能出现的发射与接收的干扰,发射突发最好与相反方向接收突发的时间错开,这样发射和接收就会在不同时间上进行。通过使用发射/接收开关18,天线15可以从连接到发射机14切换到连接到图4所示的接收机。发射/接收开关在正确时刻操作,天线10-14所实现的各自的处理在突发定时控制器17的控制下以正确的顺序被激活,控制器17可以使用精确的晶体振荡器16产生定时控制信号。
根据发明示范实施例的接收机示于图4。接收机最好在所分配时隙或接收的时间压缩的突发的时隙中激活。只在所分配时隙激活可以提供降低接收机功耗的好处。来自天线20或者来自发射/接收开关的接收信号由无线接收机21滤波、放大并下变频,成为适于使用复AD变换器22数字化的形式。复AD变换包括至少以等于其带宽的速率对信号抽样并将每个抽样转换成复数,它代表抽样瞬时的相位和幅度。复数可以以笛卡儿坐标(X+jY)的形式或者最好是根据题为“Log-polar Signal Processing(对数-极坐标信号处理)”的U.S.专利No.5,048,059以“对数极坐标”的形式,该专利在这里结合作为参考。
变换的复数抽样在突发控制器17所确定的指定接收时隙中采集。因此,接收机可以选择性地激活以便只在所选时隙内接收时间压缩的混合信号。然后将变换的复数抽样存储在突发存储设备23中,CDMA处理器24可以从中获取它们。
优选类型的CDMA处理器24是前述的结合的专利(U.S.专利Nos.5,151,919和5,218,619)中所揭示的相减CDMA处理器。正如这些专利中所描述的,为了对组成接收混合信号的许多其它重叠信号中嵌入的编码信息信号进行最佳解码,无线接收机使对应于待解码信号的唯一码与混合信号进行相关。在每个信息信号解码之后,将其记录并从混合信号中去掉。结果,其它信息信号在接收混合信号中的随后相关可以在较少干扰的情况下进行,因此,得到更高的准确性。
以信息信号从最强到最弱信号强度的顺序,对混合信号解码增强了相减解调技术。换句话说,最强信号被首先相关并去掉。混合信号中出现最强信息信号在较弱信号解码/相关过程中所引起的干扰就可以藉此去除。因此,即使是最弱信号的精确解码的几率也大大增加了。相减之后的其余信号被反复处理,直到所需信号被解码。
图5(a)表示了提取CDMA处理器的示范实施例。在图5(a)中,相同通信信道中重叠的多种编码信号在天线126上作为混合RF信号被接收。解调器128将接收的RF信号转换成适于处理的频率。这种合适的频率可能是例如处于零频率(DC)附近,而且混合信号可能由复数因子成分组成,具有实部和虚部或者I及Q成分。
第一数字处理模块140包括第一码发生器132,后者设置为与待解调的第一信号的码匹配。尽管第一数据处理模块140中的码发生器132设置的特定码可以任意选取,但是在优选实施例中,码产生的顺序基于信号的强度。组成混合信号的信号强度可以由信号强度处理器129检测,或者可以基于信号强度的历史模型预测。在蜂窝系统情况下,如果移动交换中心(MSC)或者基站(BS)监视每个移动电话通信可能或实际的信号强度,那么MSC或者BS就可以完成信号强度处理器129的任务。
在图5(b)所示的示范信号强度处理器129中,为了检测信号强度,接收的整个混合信号在乘法器70中进行平方并在积分器71中在比特周期内的多个码片周期上积分。比特时钟信号决定了积分间隔。平方根电路72确定混合信号在比特周期上的均方根(RMS)值。
同时,残留信号在乘法器73中接收。残留信号包括整个混合信号减去任何以前解码的信号。待解码信号的本地码发生器74产生的扩频码与残留信号相乘。在比特时钟信号控制下,乘法器73的相关输出信号也在积分器75中在相同的比特周期上积分。积分时间周期上平均的或积分的电压值可能具有正或负极性。因此,比特极性判决设备76检测信号极性并将信号发送到绝对值设备77中,保证积分器75输出信号在延迟器78延迟之后的符号总是正的。例如,绝对值设备77可以是比特极性判决设备76所控制的“非”门。
平均的相关信号(B)的绝对值在除法器76中除以整个混合信号平方(A2)在相同比特周期上的RMS值的平方根,以便产生归一化的值。换句话说,解码信号B的相关强度通过将其除以该比特周期上总信号混合强度来归一化。归一化的解码信号相关值在信号平均器80中在多个比特周期上累加,以产生该解码信号的相对平均强度。由于该信号的多径衰落,比特周期的实际数目可能在大约10的量级上,以便确定解调信号的精确平均信号强度。每个本地码与它有关的平均强度值一起存储在存储器81中。分类器82对这些平均信号强度值的每一个进行比较,从最强的搜索到最弱的。此时,分类器82向本地码发生器74发送最强信号的本地扩频码,以便在下一个数据比特周期中总是解调和提取最强的信号。较弱的信号按照分类器82所确定的信号强度顺序解调。分类器82的功能可以很容易地通过微处理器使用软件分类程序来实现。
因为服务小区内多个移动站的信号强度是经常变化的,最好利用线性预测分析(LPA)对信号强度的优先级进行重排序。一般来说,相对信号强度的历史模型被存储在存储器中,用于进行外插,以找到哪个信号最可能在下一个时刻具有最大强度。LPA假设波形的下一个值将是前面值的加权和,其加权系数有待确定。已知的Kalman滤波算法可以用于实现这种分析。用这种方式,可以有效地预测最强信号,而不必实际进行另一系列的信号解码和测量。
如果因为不精确的预测或者因为系统条件改变了,因而信号强度处理器129确定混合信号解码的实际结果和信号强度优先顺序有误差,则信号强度处理器129就对码序列重排序以便反映实际的信号强度顺序。因此,可以重复解调过程以确保混合信号中的单个编码信号按照最强到最弱信号强度的顺序解码。重复的过程不产生任何数据损失或业务流的中断,因为混合信号存储在处理模块140的延迟器150中,如图5(a)所示。延迟器150简单地可以是一个存储器设备。因此,一旦确定了解码的最佳顺序,混合信号可以反复重新处理。
通过将第一码发生器132的输出信号与相关器130中接收的混合信号做相关,对应于第一码的单个信号就从混合信号中提取出来。相关信号在低通滤波器142中滤波以便去除噪声和无关信号的干扰。代替使用低通滤波器142,可以使用大数判决电路或积分清洗电路来降低或解扩相关信号的带宽或比特率。低通滤波器142产生的输出信号进一步在纠错解码器144中处理,最终将信号带宽或比特率降低到基本数字信息。解码的信息信号可以进行附加的信号处理,然后到达最终目标。
纠错输出信号也提供给重编码/重调制器146以便重构刚解码的信号波形。对解码信号重构/重编码的目的是在减法器148中将其从混合信号中去掉。延迟存储器150将混合信号存储的时间是进行第一次解码然后重构第一次解码的信号所需的处理时间。
残留的混合信号(第一信号已经从其中解码并减去)经过减法器148送到类似第一模块140的第二数字处理模块140’的输入。两个数字处理模块140和140’的唯一差别是码产生器132’被编程为与对应于待解调的第二信号的码相匹配。在优选实施例中,待解调的第二信号是具有次最大信号强度的信号。本领域的技术人员将会认识到第二信号处理模块140’可以通过递归地使用第一信号处理模块140来实现,以避免重复的硬件。第二信号处理模块140’从纠错解码器144’中产生第二解码信号并在减法器148’中从延迟的混合信号中减去重构的第二信号。现在去掉两个信号以后的残留混合信号通过第三级信号处理,如此反复。
将会理解的是,CDMA相减解调器的关键部分是单个信息信号的解调和提取的顺序要按照最强信号强度到最弱信号强度的顺序。最初,当混合信号包括很多信号时,最可能被精确检测到的信号是具有最强信号强度的信号。较弱的信号对较强信号的干扰可能性不太大。一旦较强信号从混合信号中去掉,下一个最强信号可能会很容易地检测出来,而不必考虑最强信号的干扰。用这种方式,即使最弱信号也会被精确地解码。因为这种增强的解码能力,即使常规CDMA系统中典型处理的用户数有很大增加,CDMA相减解调器也会满意地工作。因此,实现了容量的增加。
相减式CDMA处理的优选类型包括通过在频域(例如Walsh谱域)造零点来去掉已经解码的信号。这可以使用根据U.S.专利No.5,357,454的快速Walsh变换电路完成,该专利题为“Fast WalshTransform Processor”(快速walsh变换处理器),在这里结合作为参考。
Walsh变换是一种数学运算,将一组M=2N的数转换到另一组M个数,通过将它们在预定组合中相加和/或相减来实现。每组组合基本上包括所有M个原始数的相加,但是根据各自预定的模式来选择它们的符号。可以计算M组不同的组合,它们对应于M种预定的符号模式,这些模式具有所需要的正交特性,即,任何符号模式与任何其它的相比较都表现出在精确一半的位置上为相同符号,而另一半为不同符号。
符号模式的彼此正交性使M个值的M种组合的计算分解为N×(M/2)求和以及N×(M/2)相减的计算,加法和减法的数目从M2大大降低到M×N。在图6中表示的网络10针对一般的M点FWT说明了这种分解。将会理解的是FWT是快速傅立叶变换的结构上的联想,两种算法都是已知的。
如图6所示,实现这些组合的有效结构包括一个处理器,用于通过实际上同时计算M个输入值的M种组合来产生Walsh变换,其中M=2N,而且输入值是二进制补码值。处理器包括N级,在电气上顺序连接,其中每级包括M个导线的十字交叉网络,以预定模式电气连接为一组M/2的蝶形,每个蝶形包括计算两个由它们各自的十字交叉网络所提供的值的和及差的装置,并将和及差提供给下一级十字交叉网络的各自导线。输入值顺序提供给第一级的十字交叉网络,最低有效比特在前,实际上与它同步,输入值的Walsh变换串行地由第N级蝶形产生。
除了相减式CDMA处理器,上述的RAKE接收机是另一种CDMA处理算法,可以用本发明的示范实施例来实现。RAKE接收机使用一种分集合并形式来从各种接收信号路径(即,各种信号射线)收集信号能量。分集提供了冗余的通信信道,使得当一些信道衰落时,通信仍然可以在未衰落的信道上进行。相干CDMA RAKE接收机通过使用相关方法并将其代数相加(按相同符号)从而单独地检测反射波信号来抵抗衰落。
在一种形式的RAKE接收机中,符号序列与接收信号的相关值以不同的时延通过抽头延迟线。延迟线中存储的值被加权然后求和,从而形成合并器的输出。当最早到达的射线相关值在抽头延迟线的一头、而最晚到达的射线相关值在抽头延迟线的另一头时,选择加权求和以给出对于特定信息符号周期的组合信号值。这样就有效地对复数有限冲击响应(FIR)滤波器的输出进行了抽样,该滤波器的系数就是称为RAKE抽头系数的权重。
但是常规的RAKE滤波器是在假设白噪声的前提设计的,当噪声有色时不太有效。因此,常规的RAKE滤波器不是移动接收机的最佳解决方案,因为移动接收机接收的大量噪声由于信道的缘故都是有色的。
图7表示了改进的RAKE接收机的框图,在上面结合的U.S.专利申请序列号No.08/187,062中对此有所描述,可以与本发明结合使用。接收机在有色噪声存在时检测CDMA信号。这可以通过将传统RAKEFIR合并滤波器替换为更通用的滤波器(例如IIR滤波器)来实现。通用滤波器也提供了抽头位置和抽头系数,它们对于CDMA下行链路情况是最佳的。可以基于使检测统计量的信噪比(SNR)最大而实现最佳化,其中要考虑到由于与信号信道相同的信道使前信道噪声是有色的。这些滤波器参数可以确定为通信链路参数的函数。或者,滤波器参数使用自适应滤波的方法直接确定,不需直接估计链路参数。
在图7中,接收的无线信号向下混频到基带并抽样,例如在RF接收机200中与余弦和正弦波形混频并滤波,从而得到复码片抽样。码片抽样在相关器201中与已知的符号序列相关。码片抽样可以在至少两个时间移位点处与已知符号序列相关,以便确定与至少两个多径射线的相位和幅度有关的数值。相关值由IIR滤波器202滤波。在适当时刻,基于符号定时信息,选择器203选择IIR滤波器的输出,对判决装置204提供所选的输出,判决装置204使用IIR滤波器输出确定检测到哪个信息信号。系数计算单元205被用来确定用于IIR滤波器202的抽头系数。这包括信道抽头和噪声功率、或有关量的估计。
所发明的通过时间压缩窄带CDMA信号以形成宽带信号从而将CDMA和TDMA组合起来的另一个好处是,系统可以只使用单一频带于双向通信。如果发送压缩到循环的时间间隔的第一部分中,接收就可以在时间间隔的第二个不重叠部分进行,因此构成时分双工的系统,使得发送和接收交替在移动站和基站中进行。基站的接收时间段可以设计为与移动站的发送时间段吻合,反之亦然。相同频段中的时分双工具有这样的特点:如果发送在时间上紧接着接收,例如在0.5ms之内,那么传播路径很可能是可以互易的。因此,可以处理只为接收而确定的RAKE抽头以及从前面的接收周期得到的历史值,从而确定使通信的可能性增强的发射机波形的预补偿,其中要考虑到从接收机收集的信道的信息。
本领域的技术人员将会理解本发明不限于上述的CDMA处理技术,很多其他CDMA处理技术都可以用于本发明。本发明的示范实施例(通过使用存储器23缓存TDMA/CDMA突发以便重新进行发射机模块12中进行的时间压缩)对使接收CDMA处理工作在较低速率提供了很大好处,允许更复杂、一般只适于窄带CDMA信号的算法同样应用到高码片速率的CDMA信号。
为了说明本发明的好处,将概述CDMA接收机处理的复杂性一般至少与码片速率的三次方成正比的原因。
首先,当使用连续CDMA传输时,每秒必须处理的码片或信号抽样数与码片速率直接成比例。
其次,对于传播信道上给定大小的时间扩散,必须使用例如RAKE接收机处理的延迟射线数与码片速率直接成比例。
第三,如果码片速率(因此,所占据的带宽)增加了,要处理的重叠信号数目的增加与带宽直接成比例,以便维持相同的频谱利用效率。综上,上面三个原因可以导致接收机复杂性随着码片速率加倍而增加8倍。
尽管由于必须处理的延迟的多径而带来的相当射线数不会随着码片速率的增加而无限增加、而且当实现了单个射线分离的好处而且单个射线不再受Rayleigh衰落时确实会变稳定,但是在不同的乡村和城市环境之间隔离射线数会有相当大变化。对于从最早射线到最晚反射波的延迟扩散情况,会有很多个码片周期,但是最早和最晚之间相当强的反射波的数目是可管理的,因此增加码片速率以便分辨单个射线是有好处的,可以消除射线上的Rayleigh衰落。但是,如果希望得到干扰抵消在容量上的好处,接收机的复杂性就必须增加,这是要解码和相减的重叠信号数目带来的。当使用常规的连续CDMA时,每秒待处理的码片数也增加了。使用根据发明的示范实施例而提出的时间压缩的CDMA/TDMA混合方案,码片速率由于突发内的时间压缩而增加了,但是接收机平均必须处理的码片或信号抽样数并没有增加。
此外,为了维持频谱利用效率,较宽的带宽内必须容纳的信号数目的增加不会产生重叠信号数的增加,因为附加信号容纳在其它的非重叠时隙内,接收机只为其本身指定的信号解码,不必处理其它时隙。因此上述当码片速率增加时一般会增加复杂性的两个因素都通过使用根据本发明示范实施例所创新的CDMA/TDMA混合而避免了。
发明示范实施例带来的另一个技术上的好处是与称为信道跟踪的接收机设计方面有关。信道跟踪是指接收机中要确定传播路径对每条射线提供了多少相位改变以及幅度衰减,以便能够对它们进行相干合并。如果射线表现出Rayleigh衰落,相位和幅度是以随机方式连续改变的,其改变速率由Doppler频移来确定,频移是发射机相对接收机运动的速度以每秒波长数决定的。对于高速公路上以100km/hr行驶的汽车中安装的无线装置,其工作波长为15cm时,每条射线可能以每秒280次的速率做完全的改变。制造能够完全跟踪以这种速率改变的很多射线的这样的接收机其,技术很复杂并且耗费成本。
使用常规的连续CDMA,当只有一个10倍频率(即,一个10的一次方的数量级)可被用来分开信息频谱和衰落频谱时,则很难将由于潜在的每秒2.4千比特速率的信息比特所引起的信号相位改变与例如移动所引起的改变分开。至少信息调制和衰落速率之间需要有两个10倍频谱间隔,以有利于解调和解码,同时不损失性能。但是当这种CDMA信号在时间上压缩到10∶1时,在突发中发送的潜在的信息速率也以每秒10到24千比特的因子增长,同时,如果码片速率足够高,每条射线上的快速Rayleigh衰落调制就会大大减少,并代之以由于遮蔽或比一个波长更长的物体在观察区的移进、移出而引起的射线忽隐忽现的相对较慢的变化。因此,时间压缩CDMA的创新的使用通过同时增加信息调制速率、降低衰落速率并因此得到至少两个10倍的频谱分隔的要求,从而可使每条射线信道跟踪器的操作得到双倍好处。
参考上面结合参考的专利,可以得到有关CDMA处理器24在存储器23中存储的数字化抽样上执行的处理类型、以及相干解调或独立多径射线合并中信道跟踪器的操作和使用方面更多的细节。
再次参考图4,在CDMA处理器24以上述任意一种方式(例如,带有不再需要跟踪快速衰落的相减CDMA解调的信道跟踪器的RAKE等)完成由一个或多个码字组成的信号突发的处理之后,它的解调输出被传送通过差错和信源解码器25,以完成图3的信源及差错编码器10的逆处理,并且可能包括熟知的诸如时间解交织、卷积、Reed-Solomn或块纠错解码以及语音解码这样的处理,语音解码使用例如RELP或VSELP或诸如增量调制或ADPCM这样较简单算法,以便重构模拟语音信号。编码器10和对应的解码器25也可以或另外对数字或文字数据编码以供传输,或可以对视频静止图象、传真图象或使用数字TV压缩算法——诸如JPEG或MPEG的移动图象、或文字、声音和图象的多媒体组合来编码。所有这类发明实现或应用中的变化都可以认为落入本发明的精神和范围之内。
图8表示了用于固定基站网络传输多个信号的示范基站发射机的结构,每个信号的目的是要供单个移动或便携站使用图4的接收机来接收。图8表示多个信源和扩频单元30,编号从1到N,每个根据图3的描述操作。每个编码器30的输出在加法器35中与其它信号相加,形成混合信号在给定时隙中发射。在任一加法器35中相加的信号通过使用不同扩频接入码进行扩频编码来区分。加法器35的输出馈入时分复接器31,在那里它们被时间压缩到TDM帧周期中指定的时隙。然后复接的输出信号使用调制器32调制到合适的无线频率载波上,并提升到发射功率电平,由发射机33通过天线34发送。例如,天线34可以是围绕在天线杆附近安置的三个扇形天线中的一个,使得每个天线在大约120度扇区内辐射能量。图8也用称号37说明了具有8个时隙的时间复接和调制信号的外观,表示了每个时隙中的能量可以是不同的。
本领域技术人员将认识到来自加法器35的输出信号不再一定是二进制或数字信号,而可能是多电平或模拟信号。因为使用存储器对数字或二进制信号进行时间压缩较容易,本领域技术人员将很容易理解加法器35和时间复接器31的顺序可以颠倒,这样时间压缩和复接在处于数字域的信号上进行,这样加法器35可以按所需功率比例将时间复接信号相加,形成多电平的、时间复接信号。
如果使用相同扩频信道带宽发射的信号数是M,而且时隙数是N,那么在任一时隙中重叠的信号数是M/N,即缩小了N倍,去掉了通常使宽带扩频接收机在移动电话应用中出现不希望的复杂和高成本的一个复杂性因素。
在某些应用中,整个分配频段可以认为是单个扩频信道,根据本发明,通过使用足够高的码片速率和时隙数来填充。但是,在可以提供数十兆赫兹很大带宽的地方,希望限制码片速率并将频段分成多个扩频信道。直接序列扩频的理论优势是每个服务小区或扇区中允许使用每个频道,即使这些小区或扇区在地理上是相邻的。题为“Use ofDiversity Transmission to Relax Adjacent Channel Requirementsin Mobile Telephone Systems”(使用分集传输来缓解在移动电话系统中的邻近信道需求)、由Dent.在1995年6月30日提交的共同拥有的U.S.专利申请序列号No.08/497,022,在这里结合作为参考,该申请中指出将使用相邻信道的发射机连接到相同天线系统的应用限制,并建议了也可提供分集传输的新颖的解决方案。
图9表示使用线性功率放大器的示范发射机。这种基站,除了使用不同的扩频码和时隙发射多个信号以外,也使用多个扩频频道。在图9中,多个扩频和时分复接器(图8中的单元30、31和35)缩减为图9中的单个CDMA/TDMA复接器/调制器单元40。
每个单元40,编号为1到L,产生N个时隙的CDMA信号,其中中心频率在分开的信道频率f1…fL处。不同频率信号在加法器41中以低功率电平相加,然后混合信号被线性功率放大器42放大到较高的发射功率,再通过天线34发送,该天线可以是扇形天线。
根据这个实施例,待发送的给定信号(例如从公用交换电话网(PSTN)中用户发出的电话话音信号)被分配一个CDMA接入码、TDMA时隙、以及信道频率以供使用。发送功率电平也可以根据接收移动站距基站的距离来分配。
所结合的参考文献以及U.S.专利No.5,345,598(题目是“DuplexPower Control”(双工功率控制),也在这里结合作为参考)揭示了作为扩频码、信道频率以及距离的函数分配发送功率电平的策略。当可提供几个信道频率时,所揭示的策略是避免将高功率要求的信道都分配到一个频道,将低功率要求的信道分配到另一个频道,而是在每个载波频率上都保持或多或少类似种类的不同功率电平的信号。这可以通过维护一个列表来实现,表中表示每个载波上一般需要的分级的信号功率电平以及这些功率电平目前是否被占用。最新出现的需要特定功率电平的信号在该电平未被占用的载波上分配。
当引入另一维时隙时,可以在每个时隙中独立地使用上面概述以及所结合参考文献中的相同策略。确实,假设不同基站是同步的,这样相邻基站的编号为1的时隙出现在相同时间处,在不同时隙中可以使用独立的信道分配策略,正如共同拥有的U.S.专利申请序列号No.______(发明人为Paul Dent,与本申请同日提交,题为“Time-Reuseand Code-Reuse Partitioning Methods and Systems for CellularRadio Telephone Systems”(蜂窝无线电话系统的时间复用和码复用划分方法和系统),在这里结合作为参考)中所揭示的。例如,在给定时隙中可以使用的一个策略是优选地将信号分配到周围基站具有较低业务负荷的频率上。这可以称为自适应信道分配。
第二种可以使用的方法包括在基站选择一个频道、时隙以及功率电平,用于向每个移动站发送各个CDMA信号,使得选择用相同频率和时隙发射的信号功率电平在所要求的动态范围上扩展。然后,使用对应于所选CDMA信号功率电平的加权因子,将选择在相同频率和时隙上发射的信号加在一起,形成求和信号。然后,求和信号进行时间压缩,以便在所选时间内发送,并调制时间压缩的信号,在所选频道上发送。
使用这种示范策略,所要求的动态范围可以被设置成使得在最高功率CDMA信号和最低功率CDMA信号之间可以定义一个最大可允许的功率电平差。功率电平也可以在特定频率上扩展,以使得每个时隙包含基本稳定的高、低功率信号的分布或混合。相同频率上每个时隙的总发射功率可以设置为相等,而且每个频道上的总发射功率可以设置为完全相等。
根据另一个示范实施例,不同频道上发射的总功率可以设置为使得高总功率用于相邻服务小区中使用的低总功率的相同频道,反之亦然。这种方法的其它变化也是可以的,这将为本领域的技术人员所认识。例如,可以用于不同时隙的另一种方法是为基站1的频率分配高功率信号,基站2的频率1分配中功率信号,基站3的频率1分配低功率信号,这里三个基站都是相邻的,构成三角形的各顶点。功率电平的分配在两个其它频率上循环改变,基站2使用频率2用于高功率信号,基站3将其用于中功率信号,基站1将其用于低功率信号,如此对频率3循环。用这种方式,在两个相邻基站中不会有相同的频率用于高功率信号。这种策略在本领域中称为“复用划分”。
但是,在根据图9的基站情况下的一个希望的策略是,保持所有时隙中对线性功率放大器42或多或少相等的功率需求,这样,没有一个时隙需要额外的高峰值功率同时所提供的功率在另一时隙中又是未充分使用的。
图10表示适于增加通信容量的另一个示范基站设计。表示了K0个多频、多时隙CDMA/TDMA信号发生器50,其每一个是根据图9中的CDMA/TDMA复接器/调制器单元40和加法器41。来自每个单元50的宽带输出信号希望借助K2个扇形天线34在K0个主方向之一上辐射。K2可以小于K0,使用波束成形网络51可以有效地得到更多的方向数,它们在物理天线34所构成的K2轴之间内插。
这种方法的波束插值的更多细节在共同拥有共同未决的U.S.申请No.08/179,953中描述,该申请题为“A Cellular/SatelliteCommunication System with Improved Frequency Re-use”(具有改进的频率复用的蜂窝/卫星通信系统),1994年1月11日提交,在这里结合作为参考。在该申请中提到,一般来说移动站接收的总信号作为多个成分的总和来描述,每个成分代表来自不同天线单元的信号。可逆地,天线单元接收的信号可以描述为多个成分的总和,每个成分代表来自不同移动站的信号。因此在特定天线单元接收的波束信号B通过矩阵公式B=C·M关联于移动站发射的信号M,这里C是复数Cki的矩阵,cki代表从移动站i发射信号在天线单元k处被接收时的衰减和相移。因此从移动站i发射的信号Mi在天线单元k处以总量Cki·Mi被接收。上述矩阵C可以称为“接收C矩阵”,因为它乘以M得到基站所接收的波束B。类似地,可以构成“发射C矩阵”,它将基站天线单元发射的波束B与移动站接收的信号相关。
正如在上面结合的U.S.专利申请No.08/179,953中更详细描述的,发射和接收C矩阵的元素Cki可以如下计算:
1) 将随机接入过程中从新移动站接收的信号与单个天线波束单元信号相关,为接收C矩阵确定新的系数列;
2) 基于旧的逆C矩阵和新列,为从新移动站接收的业务确定新逆C矩阵;
3) 将新接收C矩阵列转换成新发射C矩阵行;并且
4) 基于旧发射C矩阵和新行,确定新发射逆C矩阵。
根据一个示范方法,不同天线波束中接收的信号根据Nyquist准则同时以足够捕获感兴趣的所有信号成分的速率来抽样。一组这样的抽样构成在任意时刻的列矢量B,每个这样的矢量乘以接收C矩阵的逆矩阵,例如每个抽样周期一次,以得到代表无干扰的移动信号的一组抽样M。M的相同单元的连续值构成对应于一个移动信号的抽样流。该流馈入每个移动信号的数字信号处理器,后者将抽样流转换成例如模拟话音波形或该系统所连接的电话交换系统所需要的64KB PCM数字话音流。
可以如此实现这类矩阵处理,从而使每个移动电话只接收自己的信号,来自其它信号的服务小区内的干扰则被矩阵处理器中增加发射C矩阵系数所确定的相反符号补偿量所抵消。此外,上面结合的申请提供了降低Rayleigh衰落和多径传播影响的方法。
波束成形网络51产生K1个线性放大器的驱动信号,放大器的类型由图4中单元42所指明,这里的数目K1优选地比K2大,但是小于K0。放大器输出连接到无源合并网络的K1个输入端口,例如,称为Butler矩阵类型的网络,合并网络的K2个输出连接到K2个天线中各自一个,而其余的K1-K2个输出在假负载中端接。
在这里同样结合作为参考的,1994年1月11日提交的,题为“Waste Energy Control Management for Power Amplifier”(功率放大器的浪费能量控制管理)的共同拥有的U.S.专利申请系列号No.08/179,947中揭示:矩阵功率放大器中的非线性所产生的互调特性与单个放大器中的不同。可以见到,分别输入到输入Butler矩阵的输入I和J信号之间的第三阶互调将出现在输出Butler矩阵的输出号(2i-j)N和(2j-i)N上。作为降低矩阵功率放大器中互调的第一步骤,本发明的一个实施例提供了额外数目的放大路径,这样,输出(2i-j)和(2j-i)或者它们相应的输入都不用于所需要的信号输出,而是在假负载中端接。因此,信号i和j之间之间的三阶调制不会被发送。这需要Butler矩阵输入和输出端口M的数目大于待放大的信号数N,其中,其余的M-N个信号在假负载中端接。
很容易看到,如果只有两个信号要放大,那么使用端口1和2作为输入和输出,将产生在端口0和3上出现的三阶互调,它们在此端接。当存在很多信号时如何实现这一点不是很显然的。但是,这个问题可以由Babcock在另一种情况中解决。Babcock要找出在相等间隔格点上将频道分配给由相同非线性放大器放大的信号的方法,使得任何两个或三个信号之间的三阶互调将不会落入信号所使用的信道。该问题的数学表示与所发明的矩阵功率放大器的表示相同,其中找到一组整数I1、I2、I3…使得Ii+Ik-Ij不在集合中。该方法称为“Babcock间隔”。Babcock使用这些整数在M个频道中进行选择,以便用于发射信号。但是,本发明将Babcocks整数集合应用于在M个物理输出信道中进行选择,以便用于N个所需信号。因此,常规矩阵放大器的一个改进是使用比所要放大的信号数更大的矩阵,并将输入和输出分配给信号,或者不根据Babcock间隔或其它最佳分配,因而保证互调主要在未分配给信号的输出端出现。
因此,使用PA设备数大于天线输出的矩阵功率放大器(PA)会使失真量转移到假负载53,得到辐射信号质量和线性上的改进。特别是,当K1大于或等于2倍的K2时,所有失真量在理论上都可以转移到假负载53而不辐射出去。
本发明条件下矩阵PA的另一个好处是每个PA设备42的功率负载平均到很多扇区和频率上,使得任何特定时隙和频率中负载的差别就变得不太重要了。这有利于保留特定的时隙(该时隙可以在不同频率和扇区之间改变)以便仅处理与发起呼叫有关的最高功率传输,正如U.S.专利No.5,295,152中所揭示的,该专利的题目是“TDMA forMobile Access in a CDMA System”(在CDMA系统中用于移动接入的TDMA),在这里结合作为参考。后者的发明对避免以高功率电平进行的随机接入传输对正在进行的通信的干扰特别有用。
多信号基站的接收机结构的变化可以模仿图3、8、9和10中用于发射机的相同模式,只是信号流的方向相反。为简单起见,图11中只说明了与图10中发射机结构类似的示范接收站,因为这包括了构成与图3、8、和9的发射机结构互易地有关的接收机结构的所有技术以及可以单独省略的单元。
如图11所示,示范的多信道接收机包括多个扇形天线单元54,它们连接到各个宽带数字接收机信道60。每个接收机优选地在所分配的时隙或那些接收时间压缩突发的时隙中激活,这使接收机的功耗下降。每个接收机60优选地接收、滤波、放大以及使用高速、复杂的AD变换器来数字化整个分配的带宽。然后接收机60的数字输出由TDMA解复接器61分样(decimate)成为对应于每个时隙的数值抽样块。所有扇形天线的对应时隙的抽样同时在突发存储器62中提供,由波束成形处理器63从该存储器62中调用,构成来自每个天线单元54的信号的组合,每个组合对应于不同方向的接收。然后在数字信道化处理器64中处理对应于特定方向接收的组合,从而分离出那个时隙中、那个方向上接收的不同信道频率上的信号。CDMA处理器65(优选为相减式CDMA处理器)可以用于处理每个信道频率上出现的混合CDMA信号,以便分辨每个特定移动站或便携站发射的信息流。
然后特定移动站的信息流由信源解码器66进行信源解码,重构模拟话音,或者更有用地,用与数字公用交换电话网(PSTN)兼容的格式来构成所发射话音、传真或数据信号的PCM表示。例如,重构可以包括从ADPCM、RELP、CELP、VSELP、或子带中对编码的话音信息数字译码,从而转变成与PSTN接口的标准U律或A律PCM格式。最后,所有这类PCM信号使用重复接器67重新复接成标准PCM复接格式,例如T1线路,并且带有控制信道信令,例如快或慢关联的控制信道信令,以便通过陆地线路或微波链路发送到移动交换中心(MSC)。
或者,对RELP、VSELP、或其它上述格式的压缩语音进行数字译码以转变成PCM格式的最后步骤可以省略,这个步骤在较为接近信息最终目的地处完成,以便降低长距离传输的损耗。最终的到PCM或模拟话音波形的转换可以在所谓移动通信网关交换机中进行,优选是在最接近主叫或被叫PSTN用户的网关。
本领域技术人员将会理解,将基站站址处接收的整个信号能量分样为由时隙、方向、频率、以及CDMA码所区分的单个信号的顺序,可以按照不同于图11中为了说明目的所使用的顺序。例如,数字信道化可以在波束成形之前完成。然后每个频道使用波束成形器,但是这可以是重复使用的相同波束成形器,只是每个频道使用不同的波束成形系数。类似地,频道分隔可以在时隙分样之前完成,然后对每个频率提供解复接器61。然而,一旦接收的信号已经数字化并且传送到了存储器,这些处理过程之中的哪一些首先被执行是并不重要的,在所有涉及到语音信道中测量出的站点的总容量的情况下,都将需要类似的处理功率。尽管如此,在构造高速时间分样电路中,与数字频率分样电路或波束成形计算机相比,由于不同的技术状态,选择一种分样顺序而不是另一种,将具有实际的实现优势。在技术发展的特定点上,为了有利于实际实现而进行的处理顺序的任何改变确信要落入本发明的范围和精神之中。
由于本发明可以用于任何类型的无线通信系统,特定基站或移动站结构与本讨论没有特别的密切关系。尽管如此,为了完整性目的,现在将提供对示范结构简单的概括。本领域技术人员将很容易理解其它基站及/或移动站配置也是可以使用的。
图12表示了根据本发明一个实施例的示范蜂窝移动无线电话系统的框图,它可以用于实现前面的描述。该系统表示了一个示范基站160和移动站170。基站包括控制和处理单元162,它连接到MSC 165,后者再连接到公用交换电话网(未表示)。
用于一个服务小区的基站160包括多个由语音信道收发机164所处理的语音信道,收发机由控制及处理单元162来控制。而且,每个基站包括控制信道收发机166,它能够处理一个以上的控制信道。控制信道收发机166由控制及处理单元162控制。控制信道收发机166在基站或服务小区的控制信道上向锁定到该控制信道的移动站广播控制信息。这个控制信息可以包括上面描述的OMT以及CF。
当移动站170初次进入空闲模式时,它周期性地扫描类似基站160这样的基站的控制信道,以便确定锁定到或占据那个服务小区。移动站170在它的话音及控制信道收发机172中接收控制信道上广播的绝对和相对的信息。然后,处理单元174检查所接收的控制信道信息(其中包括候选服务小区的特征),并确定移动站应该锁定到哪个服务小区。所接收的控制信道信息不仅包括有关它所关联的服务小区的绝对信息,也包括有关与该控制信道所关联的服务小区临近的其它服务小区的相对信息。当监视主控制信道时,它周期性地扫描这些临近服务小区以便确定是否有更合适的候选者。
上述的示范实施例在所有方面的目的对于本发明来说都是说明性的,而不是限制性的。因此,本发明可以在详细实现中有很多改变,本领域技术人员可以从这里所包含的描述中进行推导。所有这类变化和修改都认为是在下面权利要求所定义的本发明的范围和精神之内。
Claims (32)
1.使用码分多址的通信方法,包括如下步骤:
将信息组成数字数据块;
对数字数据块编码,以构成扩频码字;
对扩频码字进行扰乱,以形成扰乱码字;
将至少两个被扰乱的扩频码字相加,以构成混合信号;以及对混合信号进行时间压缩,以便在一个指定的时隙中传输。
2.权利要求1的通信方法,其特征在于,还包括选择性地激活接收机以便在所选时隙中接收时间压缩的混合信号的步骤;
3.权利要求1的通信方法,其特征在于,还包括如下步骤:
接收时间压缩的混合信号;
确定对应于混合信号中包含的扩频码字的信号强度顺序;以及
以最大到最小信号强度的顺序对扩频码字解码,并从混合信号中减去该扩频码字。
4.根据权利要求1所述的通信方法,进一步包括步骤:
在所分配时隙内使一个接收机接收混合信号和干扰信号;
将混合信号转换成数值抽样序列,并在存储器中存储数字抽样;
在至少两个时间移位的点上将数值抽样与一个扩频码字相关,以便确定与至少两个多径射线的相位和幅度相关联的数值量;
使用数值量识别扩频码字,以产生符号序列;
使用符号序列重构信息。
5.权利要求4的方法,其特征在于所述重构步骤包括纠错解码。
6.权利要求5的方法,其特征在于纠错解码用Reed-Solomon解码器实现。
7.权利要求5的方法,其特征在于纠错解码包括卷积解码。
8.权利要求4的方法,其特征在于重构步骤包括使用RELP、子带、以及VSELP语音解码中的至少一种进行数字语音解码,以便产生模拟语音波形。
9.权利要求4的方法,其特征在于重构步骤包括从ADPCM、RELP、子带以及VSELP格式中至少一种对编码的话音进行数字译码,以便转变成与公用交换电话网接口的标准U律或A律PCM格式中的至少一个。
10.一个通信装置,包括:
块扩频装置,用于将数字信息组成块并对块编码以产生扩频码字;
定时装置,用于在重复的帧周期中分配一个时隙,以便对扩频码字进行传输;
突发格式化装置,用于选择至少两个由所述块扩频装置构成的扩频码字,并用于对该至少两个扩频码字进行时间压缩,以便在所述定时装置分配的时隙内传输;
扰码装置,用于将扩频码字与接入码合并,以构成扰码的扩频码字。
11.在固定站和移动站之间使用码分多址传递信息信号的装置,包括:
扩频编码装置,用于对信息信号编码,以构成扩频码字;
用于在所分配时隙内发射时间压缩信号的发射机,该信号包括至少两个扩频码字;
定时控制装置,用于在所分配时隙内使接收机接收包括发射信号和干扰信号的混合信号;
模数转换器,用于将混合信号转换成数值抽样序列;
用于存储数值抽样的存储器;
处理装置,用于从存储器中调用数值抽样并处理数值抽样,以便建立与所发送信号的至少两个射线的相位和幅度相关联的数值量;
解码器,用于基于数值量复制信息信号;
信源编码装置;
纠错编码装置。
12.权利要求11的装置,其特征在于扩频编码装置设在固定站中,存储器设在移动站中。
13.权利要求11的装置,其特征在于,所述信源编码装置包括ADPCM、RELP、子带、以及VSELP语音编码装置中的至少一个。
14.权利要求11的装置,其特征在于,所述纠错编码装置包括卷积纠错编码装置、Reed-Solomon纠错编码装置、比特时间交织装置、以及符号时间交织装置中的至少一个。
15.权利要求11的装置,其特征在于扩频编码装置包括正交块扩频装置、双正交块扩频装置、以及码片级的模2求和装置中的至少一个,以便使用接入码来对扩频码字扰码。
16.一个接收机,包括:
用于接收混合信号的天线,该混合信号包括被时间压缩到一个时隙内的至少两个扩频码字;
无线接收机装置,连接到天线,用于对天线所接收的混合信号滤波和放大,并将混合信号转换成复数值抽样;
定时控制装置,用于在时隙中激活无线接收机装置,以便藉此降低功耗;
用于存储在时隙中被转换的复数值抽样的存储器;以及
处理装置,连接到存储器,用于处理所存储的复数值抽样,该处理装置包括:
预测装置,用于预测所述每个扩频码字的信号强度并对扩频码字按最强到最弱信号强度的顺序排序;以及
递归解码装置,用于对最强的扩频码字解码,并从混合信号中减去最强的扩频码字,然后对次强的扩频码字解码。
17.权利要求16的接收机,其特征在于处理装置包括快速沃尔什变换电路。
18.权利要求16的接收机,其特征在于递归解码装置通过将从复数值抽样计算出的变换成分置零来减去扩频码字。
19.权利要求16的接收机,其特征在于递归解码装置通过对扩频码字解扩来减去扩频码字,从而产生窄带信号,并用陷波滤波器或带阻滤波器中的至少一个来去掉该窄带信号。
20.权利要求16的接收机,其特征在于:
预测装置预测混合信号中的各单个射线的信号强度,该射线通过相对延迟的路径来进行接收,预测装置还以最强到最弱信号强度的顺序对射线排序,通过计算特定扩频码字的射线的总能量来确定该信号强度;而且
其中递归解码装置去掉已经解码信号的射线,直到预定扩频码字被解码为止。
21.使用CDMA来接收和解码信息信号的接收机,包括:
多单元天线装置,用于接收并分辨从不同方向发射的时间压缩的信号;
多信道处理装置,连接到天线装置,用于对一部分接收的信息信号滤波、放大并数字化,以便产生复数序列,从而将其存储在存储器中;
多维分样装置,用于处理所存储的复数序列,以便根据信道频率、到达时间、以及到达方向来分离信息信号,并且用于产生表示重叠CDMA信号的数值序列;
CDMA信号处理装置,用于处理数值序列,以便分离单个发射机所发射的单个信道信号,从而产生信息符号;以及
信源解码装置,用于处理信息符号,从而重构单个发射机所发射的信息信号。
22.权利要求21的接收机,其特征在于CDMA信号处理装置以接收信号强度递减的顺序递归地对CDMA信号解码。
23.权利要21的接收机,其特征在于信源解码装置设在远端移动通信网关交换机处,而且信息信号通过公用交换电话网发送到远端移动通信网关交换机。
24.根据权利要求1所述的通信方法,其中混合信号是通过将信息信号与接入码合并来构成的窄带CDMA信号;
将窄带CDMA信号进行时间压缩构成宽带CDMA信号,所述方法进一步包括,以时间压缩的突发形式来发射宽带CDMA信号。
25.权利要求24的方法,还包括如下步骤:
接收时间压缩的突发,并对时间压缩突发进行时间扩展,从而重构窄带CDMA信号;并且
处理恢复的窄带CDMA信号,以便恢复信息信号。
26.根据权利要求1所述的通信方法,进一步包括步骤:
在至少一个第一站和多个第二站之间进行通信;
在所述第一站选择一个频道、分配的时隙以及功率电平,用于向每个所述第二站发射一个相应的CDMA信号,从而使得选择使用相同频率和时隙发射的信号功率电平在预定的动态范围上扩展;
使用加权因子将选择在相同频率和时隙中发射的所述CDMA信号相加以便构成所述混合信号,该加权因子对应于CDMA信号的所选功率电平;
对时间压缩混合信号进行调制,以便在所选频道上传输。
27.权利要求26的方法,其特征在于所述预定的动态范围规定了最高功率CDMA信号和最低功率CDMA信号之间的功率电平的最大差别。
28.权利要求26的方法,其特征在于功率电平被扩展,从而使得每个时隙包含基本上稳定的低及高功率信号的分布。
29.权利要求26的方法,其特征在于相同频道上每个时隙中的总发射功率基本上相等。
30.权利要求29的方法,其特征在于在每个频道上的总发射功率基本上相等。
31.权利要求29的方法,其特征在于第一站是为蜂窝移动通信网中的一个服务小区服务的基站。
32.权利要求29的方法,其特征在于第一服务小区中的第一基站在第一频率上发射较高的总发射功率,与第一服务小区相邻的第二服务小区中的第二基站在第一频率上发射较低的总发射功率。
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