CN1113576C - 移动通信系统的随机接入 - Google Patents
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Abstract
为随机接入移动通信系统(100)里的上行链路公用物理信道提供了一种新的格式，其中移动台(116)发射的第一个数据包包括一个预定特征模式(206、210)，同时发射的第二个数据包包括这一随机接入请求的数据部分(212、216、220)。因此，除了它带来的好处以外，通过在请求的数据部分提供额外的信道估计能量，随机接入请求的特征部分还可以用作一个导频信号，与此同时减少系统开销信令。在快速变化无线电信道环境里，这一额外的能量对于保证以足够高的质量对数据部分进行相干检测特别有用。
Description
相关申请的交叉引用
本专利申请要求享受1997年10月23日提交，序列号为60/063024得共同未决美国临时专利申请的优先权，这里将这一申请引入作为参考。
本申请的主题还涉及分别于1996年10月18日和1997年4月30日提交的序列号为08/733501和08/847655的共同转让美国专利申请。
发明背景
技术领域
本发明一般涉及移动通信领域，具体说来，本发明涉及处理多个随机接入移动始发呼叫的一种方法。
相关技术
下一代移动通信系统应当提供各种通信服务，包括数字话音、视频和分组数据以及信道电路交换模式。这样一来，预期呼叫量将显著增长，这会导致随机接入信道(RACH)出现更大的通信量。非常遗憾，这更密集的通信还会导致冲突更加频繁，并出现更多的接入故障。因此，新一代移动通信系统将不得不采用更快、更灵活的随机接入程序，以便提高它们的接入成功率，降低它们的接入请求处理时间。
在多数移动通信系统里，例如欧洲联合开发的“码分试验台”(CODIT)，以及按照IS-95标准(ANSI J-STD-008)工作的系统，移动台可以通过首先确定是否可以使用RACH这种方式来接入基站。然后，移动台用逐渐增大的功率发射一系列接入请求报头(例如1023个码元)，直到基站检测到这一接入请求。作为响应，基站开始通过下行链路信道控制移动台的发射功率。一旦移动台和基站完成初始“握手”过程，移动用户就发射一则随机接入消息。
在扩频时隙预约多址(SS-SRMA，Spread Spectrum SlotReservation Multiple Access)系统里，采用了时隙ALOHA(S-ALOHA)随机接入方案。在时隙的开头，移动台发送一个随机接入数据包给基站，然后等待基站确认是否已经收到了这一数据包。这一S-ALOHA方案免去了CODIT和IS-95随机接入方案所特有的许多步骤(也就是功率爬升[power ramping]和功率控制)。
更具体地说，在基于CODIT的码分多址(CDMA)系统里，移动台试图通过“功率爬升”过程接入基站接收机，在这一功率爬升过程里，发射报头码元的功率不断提高。一检测到接入请求报头，基站就启动闭环功率控制电路，控制移动台的发射功率，以便使收到的移动台的信号的功率维持在所需电平上。然后，移动台发射它的专用接入请求数据。基站的接收机用一个匹配滤波器对收到的(扩频)信号进行“解扩”，并采用分集方式合并解扩后的信号以充分发挥天线的分集优势。
在IS-95 CDMA系统里，采用了一种类似的随机接入技术。然而，CODIT和IS-95过程之间的主要差别是，IS-95移动台发射的不仅仅是报头，而是一个完整的随机接入数据包。如果这一基站没有确认收到了接入请求，这一IS-95移动台就用更大的功率重新发射接入请求数据包。将这一过程继续下去，直到基站确认收到了接入请求。
在采用S-ALOHA随机接入方案的移动通信系统里，例如前面引用的序列号为08/733501的美国专利申请(以后将它称为：“‘501’申请”)所公开的那种方法，移动台产生一个随机接入数据包并发射出去。图1给出了这种随机接入数据包的一种帧结构。这一随机接入数据包(“接入请求数据帧”)包括一个报头和一个数据字段部分。这一报头有一个唯一的特征(比特)模式，它的长度是“L”个码元。这一特征模式是从一组模式中随机地选出来的，这一组模式中的模式互相正交，当然并不是一定要这样。同样，采用这种唯一的特征模式，就象‘501’申请中要求和描述的那样，跟现有技术中的随机接入方案相比，得到的通过率要高得多。
就象‘501’申请所描述的那样，这一随机接入数据包的数据字段包括某些随机接入信息，包括移动(用户)识别信息、要求的服务数(要提供的服务数)、要求的发射时间(发完一则消息所需要的时间)、短数据包数据消息(以提高发射效率)和一个差错检测冗余字段(循环冗余码)。由于‘501’申请中详细说明了的原因，让报头的扩频系数(扩频调制)比数据字段部分的扩频系数要长。然而，可以想象在某些情形下不必如此。
在下一可用时隙的开头移动台将随机接入数据包(例如图1所示的数据包)发射出去。图2给出了移动台中产生和发射图1所示随机接入数据包的装置的一个框图。如图2所示，随机接入数据包的报头和数据字段部分基本上是(用相应的扩频码)单独产生和扩频的，然后将它们复用到一起并由移动台发射出去。
下一步，在目标基站利用一个基于匹配滤波器的接收机接收移动台发射的随机接入数据包，并对这一数据包解调。图3是基站随机接入接收机检测部分(一付天线的)框图，这一检测部分主要用于估计收到信号的时间信息(timing)。只有在发射报头期间才使用的匹配滤波器被调谐到报头的扩频码上。这一匹配滤波器用于检测是否有随机接入请求，对随机接入数据包解扩，并馈入累加器单元。累加器(特征1～1)是‘501’申请中随机接入方法的一个独特之处，用来在报头(M)码元期间将匹配滤波器输出的信号加起来，以便提高接收信号的信号噪声功率比。既然收到的报头都有一个独特的特征模式，就使用多个累加器(1～l)来进行累加操作，每一个累加器都被调谐到要接收的特征模式之一。
图4是一个累加器的简单框图，该累加器可以用于图3所示随机接入检测器部分的I信道(正交检测)。Q信道可以采用类似的累加器。参考图3和图4，每一个类加器(特征1～l)的输出都被传递给一个峰值检测单元。在报头期间的结尾，每一个峰值检测单元都搜索其对应匹配滤波器的输出，寻找超过预定检测门限的每一个信号峰。然后每一个峰值检测单元都将这些峰值信号的幅度和相对相位寄存(检测和储存)起来，由此确定可以在接收机里解调的主要信号射线的条数。同样，每一个峰的时间信息都被估计出来，并用于设置接收机的“瑞克”参数(瑞克接收机部分1～l)。图5中的框图说明的是一个随机接入解调器，可以用它来解调随机接入数据包的数据字段部分。随机接入解调器部分主要用于对收到的数据字段中的数据信息解码，并检查传输差错。
值得注意的是，跟现有随机接入方法比起来，虽然前面参考图1～5介绍的随机接入装置和方法有许多优点，但是仍然有许多问题需要解决。例如，如果在报头或者数据字段处理期间，所有这些小区里的移动台都使用同样的扩频码，就可能出现大量的数据包冲突。结果，会有太多的随机接入请求需要重新发射，这会使系统不稳定。此外，使用上述随机接入装置和方法，由于随机接入请求是在下一时隙的开头发射的，因此没有充分利用基站的匹配滤波器接收机，因为在报头以后的整个周期中匹配滤波器接收机都处于空闲状态。另外，由于上述方法使用的随机接入数据包的长度是固定的，因此短数据数据包的长度受限于利用数据包其余部分的程度。由于所有这些原因，需要一种更加灵活的随机接入请求程序来解决这些问题。
序列号为08/847655的上述美国专利申请(以后称它为“655申请”)成功地解决了这些问题。‘655’申请中的发明为小区里的每一个扇区都分配一个唯一的报头扩频码，以及一个唯一的长码，它跟(与特征有关的)数据字段的短扩频码相链接。用于长码的周期可以相对较长(例如几个小时或者几天长)。因此，可以说随机接入数据包的数据字段是在一个专用信道里发射的，因为没有两则消息会有相同的扩频序列和相位(除非它们选取了相同的特征并同时发射它们的报头)。
‘655’申请中的发明采用的方法将发射时隙的宽度设置成等于报头的长度(实际上减去了一段预定保护时间)。所以，这一移动台的随机接入请求可以在这一时隙的开头开始发射，并由基站随机接入接收机的匹配滤波器在报头期间检测到。移动台随机接入请求的数据字段是在报头以后的时隙里发射的，由基站里的瑞克接收机收到。然而，采用这种方法，在报头期间以后，匹配滤波器能够接收其它移动台发出的其它随机接入请求的报头。这样就可以连续而有效地使用匹配滤波器，跟现有的随机接入方法相比，能够处理多得多的随机接入请求。同样，采用这种方法的随机接入系统的通信吞吐量和效率明显地高于现有随机接入系统的吞吐量和效率。
然而，仍然存在其它的随机接入问题需要解决。例如，图6中的示意图说明了随机接入数据包的信道结构(上行链路普通物理信道消息格式)，它的结构是按照前面介绍过的随机接入帧的结构安排的。跟现有方法比较，图6所示信道格式有效地减少了可能会发生的随机接入请求冲突的次数。但是，采用这种格式的一个缺点是它无法使系统开销信令降到最小。
参考图6，为了能够正确地检测随机接入数据包的数据字段部分，用已知调制码元(叫做“导频信号”)形式发射一定量的能量。这一导频信号的数据可以是时间复用的、I/Q复用的或者码复用的(实际上，采用何种调制类型跟这一讨论没有关系)。图6利用阴影区域表示随机接入数据包“系统开销”的总能量(也就是报头加上导频信号)。原则上，假设关于报头中的特征接收机做出了正确的判断，报头就可以跟导频信号一样用于同样的目的。因此在随机接入请求的报头部分，应当能够较好地进行无线电信道估计。
然而在快速变化无线电信道里，理想情况下用于信道估计的能量应当在数据字段的时间上扩展开来，以便在这一部分随机接入请求这段时间里以足够高的质量进行无线电信道估计。即使可以在报头期间以足够的质量估计信道(由于报头里与众不同的特征)，在快速变化信道里，这种估计对于随机接入请求的数据部分里的大部分都是无效的。同样，在报头部分里提供足够的能量以便接收机检测报头并正确地识别信道路径是非常重要的。
另一方面，在快速变化无线电信道里，在导频信号里提供足够的能量来保证对数据部分进行正确的相干检测也是非常重要的。不巧的是，上行链路公用物理信道格式中这两种非常重要的能量要求相互冲突，使得发射随机接入请求的系统开销信令过多。换而言之，“系统开销”能量(报头加导频信号能量)跟“数据”能量的比过分地高，除了伴随它的缺点外。然而，下面要详细描述的本发明将成功地解决这些问题。
发明简述
根据本发明的一个优选实施方案，在随机接入移动通信系统里为上行链路公用物理信道提供了一种新的格式，利用这种格式移动台发射包中包括了预定特征模式的第一数据，和并行发射包括了随机接入请求的数据部分的第二个数据包。
本发明的技术一个非常重要的优点是，通过在随机接入请求的数据部分提供额外的能量用于信道估计，随机接入请求的特征部分还可以用作导频信号。
本发明在技术上的另一个重要优点是在随机接入请求中提供足够的能量，以确保在快速变化无线电信道环境中，以足够高的质量对这一请求的数据部分进行相干检测。
跟现有方法相比，在技术上本发明的另一个重要优点是通过跟这一随机接入请求的数据部分同时发射一个特征部分，减少了系统开销信令。
在技术上本发明的再一个重要优点是对于快速变化信道，不必增加需要的系统开销能量。
附图简述
通过阅读以下详细描述，同时参考其中的附图，可以对本发明的方法和装置有一个更加全面的理解。
图1是随机接入数据包帧结构的一个示意图；
图2是用于移动台，产生并发射图1所示随机接入数据包的装置的一个框图；
图3是基站随机接入接收机(一付天线的)检测部分的一个框图，这一检测部分主要用于估计收到的信号的时间信息；
图4是一个累加器的简单框图，这一累加器可以用于图3所示随机接入检测器部分的I信道(正交检测)；
图5是随机接入解调器的一个框图，这一个解调器可以用于对随机接入数据包的数据字段部分进行解调；
图6中的示意图说明随机接入数据包的信道结构(上行链路公用物理信道消息格式)，它的格式是按照现有随机接入帧结构的方式安排的；
图7中的框图给出了随机接入通信系统中上行链路公用物理信道里的一个格式实例，它的结构是按照本发明中的优选实施方案安排的；
图8是一个示例性数据包生成装置的简单框图，这种装置可以用于实施本发明的优选实施方案；和
图9是蜂窝通信系统中一个有关部分的一个框图，可以用于实施本发明的优选实施方案。
附图详述
通过参考图1～9，可以更好地理解本发明的优选实施方案及其优点，这些附图中相同的数字表示相似的部件。
在本发明的一个优选实施方案中，为随机接入移动通信系统的上行公用物理信道提供了一种新的格式，采用这种格式，移动台发射的第一个数据包包括了一个预定特征模式，而第二个数据包则包括随机接入请求的数据部分。因此，除了其它优点以外，通过在这一请求的数据部分为信道估计提供额外的能量，随机接入请求的特征部分还可以用作导频信号，同时减少系统开销信令。在快速无线电信道环境里这额外的能量对于保证数据部分的相干检测有足够高的质量非常有用。
具体而言，图7说明的是用于随机接入通信系统中上行链路公用物理信道的一个示例性格式，这一格式的结构是按照本发明中的优选实施方案安排的。如图所示，随机接入请求的特征部分跟请求的数据部分一起发射。因此，请求中数据部分(例如图中的阴影区)的能量跟系统开销(特征)部分的能量的比要比图6所示信道格式里数据能量跟系统开销能量的比高得多。
图8是可以用于实施本发明的优选实施方案的一个示例性数据包生成装置的简单框图。在这一实施方案里，本发明可以用于在移动台里一个微处理器的控制下，在上行链路公用物理信道发射信号。图9给出了这种移动台的一个实例，它是可以用于实施本发明的优选实施方案的蜂窝通信系统里，与本发明有关的部分的一个框图。
系统100包括一个基站收发天线112和发射机/接收机部分114，以及多个移动台116和118。虽然只画出了两个移动台，但是图9只是用于进行说明，可以假定本发明中有两个以上的移动台。在产生和发射接入请求帧之前，移动台(例如116)获得同步，或者跟一个目标基站接收机(114)同步。然后，移动台利用基站的广播/导频信道信息为每一个时隙确定起始时间。这一移动台还从广播/导频信道信息中提取正在处理的时隙的编号，基站利用这一编号给它的确认(ACK)消息加上标志，以保证这一确认消息被正确的移动台接收到。在随机接入环境里使移动台跟基站实现同步更详细的细节可以在‘501’申请中找到。
目标基站还向发出请求的移动台(例如通过下行链路广播信道)发射由基站接收机定义的，跟每一个扇区、小区有关的每一个唯一随机接入扩频码和长码。例如，这些唯一的扩频码和长码可以是Gold码或者Kasami码。该移动台在一个存储器(没有画出)里将这一扩频码和长码信息储存起来，移动台取出它们，并利用它们扩展所产生的随机接入请求数据特征字段和数据字段。最后，基站(例如用一则适当的广播信息)还向发出请求的移动台发送跟特征字段有关的特征模式，可以利用它们来帮助区分不同的扇区、小区等等。
回到图8，移动台的示例性装置200包括一个特征生成部分202和数据生成部分204。特征生成部分202包括一个信号混频器208，它将“特征i”206(例如从移动台的内存中取出来的)跟小区/扇区专用扩频码210(例如也是从内存中取出来的)一起扩展。或者，这一扩频码可以是例如基站专用的，或者系统内公用的。这样，特征生成部分202产生要发射的随机接入数据包中小区/扇区专用的特征部分。特征部分的格式可以是，例如，通过将特征字段在整个上行链路公用物理信道帧内扩展，或者可以在这一帧内重复一定的次数。
随机接入数据包中要跟特征部分一起发射的数据部分是用一个数据字段生成器212生成的。混频器214将产生的数据字段跟和“特征i”有关的唯一短扩频码216一起扩展。然后混频器218将得到的相应随机接入数据包的数据字段跟链接码一起扩展。这一链接码可以例如(用混频器218)将跟特征有关的短码216和(例如从内存取出来的)扇区专用长扩频码220进行模2相加来构成。移动台可以灵活地选择要发射的数据字段的长度。在这一示例性实施方案里，可以复用扩频特征字段和扩频数据字段(例如时间复用)，以便从移动台同时发射。
虽然在附图中给出并在前面的详细说明中介绍了本发明的方法和装置的优选实施方案，但是应当明白，本发明并不局限于这里公开的实施方案，而是可以进行各种改进、增减和重新安排，而不会偏离以下权利要求说明的本发明的实质。
Claims (12)
1.通过直接序列码分多址物理信道传输数据的一种方法，包括以下步骤：
在预定时间段内通过所述直接序列码分多址物理信道发射包括所述数据的一个数据字段；和
在所述预定时间段内通过所述直接序列码分多址物理信道同时发射一个特征字段，所述包括在特征字段里的一个特征用第一个预定码扩展，所述包括在数据字段里的所述数据用跟所述特征有关的第二个码扩展。
2.权利要求1的方法，其中所述特征字段的长度被设置成基本上等于发射时隙的宽度。
3.权利要求1的方法，其中可以有选择地改变所述数据字段的长度。
4.权利要求1的方法，其中的特征字段包括多个特征模式中的至少一个。
5.权利要求1的方法，其中的直接序列码分多址物理信道包括一个上行链路公用物理信道。
6.在一个DS-CDMA公用物理信道上发射数据的一种方法，包括以下步骤：
发射信号的数据部分；和
在发射所述数据部分的同时发射所述信号的特征部分，其中的特征部分用一个预定码进行了扩展，所述数据部分用跟所述特征部分有关的一个码进行了扩展，其中的数据部分和特征部分被一个预定扰频码扰频。
7.权利要求6的方法，其中的特征部分是从包括至少一个特征的一个预定组中选出来的。
8.权利要求7的方法，其中的预定组包括一个正交组。
9.权利要求6的方法，还包括从移动台发射所述特征部分和数据部分的步骤。
10.权利要求9的方法，其中的特征部分还包括一个导频信号。
11.一种装置，用于生成一个DS-CDMA公用物理信道，包括：
产生特征码的装置；
用跟预定扇区或小区有关的扩频码对所述特征码进行扩展的装置；
产生数据字段的装置；和
用跟所述特征码有关的一个码扩展所述数据字段的装置。
12.权利要求11的装置，还包括同时发射所述扩频特征码和所述扩频数据字段的装置。
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