CN1130039C - 提供分集增益的直接序列码分多址移动站 - Google Patents

Abstract

DS-CDMA通信系统中的移动站有接收机分集。第一天线从基站接收在通信信道上的信号。第二天线接收在延迟部件被延迟一个或多个码片时间、并在加法器中与来自第一天线的信号组合的信号。组合的信号送给RAKE接收机解码和解调。当可分离的多径能量出现在许多接收的信号能量不被指定的RAKE接收机指考虑的点时，第二天线关闭，以避免增加干扰电平。

Description

提供分集增益的直接序列码分多址移动站

本发明通常涉及通信系统。更具体地，本发明涉及直接序列码分多址(DS-CDMA或CDMA)通信系统和在这种系统中使用空间分集。

DS-CDMA或CDMA通信系统被实现为蜂窝电话系统。CDMA系统包括系统控制器和至少一个基站。每个基站向固定地理区域或小区提供通信服务。小区中的移动站与用于那个小区的基站通信。当移动站在小区间移动时，在基站间越区切换与移动站的通信。这种系统的一个例子是根据EIA/TIA临时标准95：“用于双模宽带扩频蜂窝系统的移动站-基站匹配标准”(“IS-95”)。

在包括IS-95系统的CDMA系统中，移动站和基站之间的通信链路包括基站到移动站的前向链路和移动站到基站的反向链路。作为消费品的移动站很受限于其材料成本和制造成本。因此，移动站通常省略冗余硬件元件和其它特征。例如，因为空间分集技术在移动站及分集控制电路中需要两天线和两射频(RF)信号处理通道，这种移动站不用空间分集技术增加接收灵敏度。由于基站不受限于其成本，基站典型用这种分集技术和其它特征改进接收灵敏度。这导致基站接收机比移动站接收机灵敏和不平衡的通信链路。

美国专利第5,347,535号中公开的DS-CDMA系统提供路径分集功能。基站包括各有其关联延迟器件的多个天线。时间延迟提供基站中的分集运行。不过。这个已有系统很受限于用于如建筑物内、微蜂窝、无线个人分支交换(PBX)系统的通信信道展示低延迟扩展的应用中。在有明显延迟扩展的信道，由于增加的、延迟的射线不能用于优化而仅增加接收机处小区内干扰的电平，现有系统的性能降低。

本发明的目的是提供一种DS-CDMA移动站，它改进用于移动站接收机分集装置和方法。

本发明提供一种DS-CDMA移动站，包括：

第一天线，用于接收通信信号并产生第一信号；

第二天线，用于接收通信信号并产生第二信号；

延迟部件，耦合到所述第二天线，所述延迟部件响应所述第二信号产生延迟的信号；

加法器，耦合到所述第一天线和所述延迟部件，以相加所述第一信号和所述延迟的信号，产生组合信号；

开关，耦合在所述延迟部件和所述加法器之间，用于响应控制信号选择地从所述延迟部件去耦合所述加法器；以及

接收机电路，耦合到所述加法器，以接收所述组合信号。

本发明的优点是：通过分集提高接收机的灵敏度。

附图简单描述

图1是通信系统的框图；

图2示出瑞克(RAKE)接收机的指；

图3描绘如图1的信道101的典型通信信道中的延迟扩展分布图；

图4描绘由根据本发明的图1的移动站的RAKE接收机所见的延迟扩展；和

图5描绘根据本发明的图1的系统的运行的流程图。

现参照图1，通信系统100包括一组基站，其中包括在通信信道101上发射通信信号的基站102，和与基站102无线通信的移动站104。配置移动站104，以接收和发射直接序列码分多址(DS-CDMA)信号，以与包括基站102的基站组通信。在描绘的实施方案中，通信系统100根据远程通信工业协会/电子工业协会(TIA/EIA)临时标准IS-95“用于双模宽带扩频蜂窝系统的移动站-基站匹配标准”运行于800MHz。另外，通信系统100能根据其它DS-CDMA系统包括在1800MHz的个人通信系统(PCS)、或用任何其它合适的DS-CDMA系统运行。

移动无线通信信道101通常模式为包括几个独立的可分辨的射线，每根射线展示独立的衰落。通信信道的延迟扩展是从发射机到接收机的每个独立通道的衰减和数量的测量。例如，通信信道可有两通道，直接从发射机到接收机的第一通道和散射器反射的第二通道。由于这些通道的长度不同和光速有限，这将导致在接收机看到时间略微移位的发射信号的两拷贝。如果这些分量时间分离大于信道的反相带宽，称射线是可分离的。这些射线的每根拥有幅度和相位不相干时变变量。这个时变过程称为衰落。衰落过程在每根多径射线的幅度中引起大波动。这些波动由许多相近的散射器引起。由于这些散射器相近，通道长度的不同不大到足以引起信道的反相带宽阶的延迟，因此不可分离。然而，通道长度的不同大到足以影响接收的信号的相对相位。因此，当移动站相对基站移动，这些相近的反射将有时积极地增加其它时间破坏地增加，在可分离射线的幅度和相位中引起大变化。通常这些相位和幅度按瑞利分布变化并被称为瑞利衰落。这个衰落的暂时的相干是移动站速度和载波信号波长的函数。

在移动无线信道，各射线的非相干统计特性允许这些射线以在适当设计的接收机中提供分集增益的方法组合。下文较细描绘的一个这种接收机结构是RAKE接收机。

基站102向移动站104发射扩频信号。用Walsh码在已知为Walsh覆叠的过程中扩展业务信道上的字符。每个移动站如移动站104由基站102指定单独的Walsh码，因此，发射到每个移动站的业务信道正交于发射到每个其它移动站的业务信道。用每26-2/3ms重复一次的短伪随机噪声(PN)序列或码和每41天重复一次的长PN序列或码扩展字符。从基站到移动站104的射频(RF)链路上的通信是扩展数据字符的形式。数据字符用二相移相键控(BPSK)调制。这由低速数据字符乘高速码片序列扩展。码片含四相移相键控(QPSK)序列，用于此的数据是由前叙的Walsh序列和短PN序列的异或产生。用于IS-95系统的信道数据速率是19.2kb/s且码片速率是1.2288Mc/s。扩展增益是码片速率比信道数据速率，因此对IS-95是64。最终的QPSK序列被用于四相调制传输用的高频RF载波。

除业务信道外，基站102广播导标信道、同步信道和寻呼信道。用由全由0组成的Walsh码0覆叠的全零序列形成导标信道。导标信道通常由在范围内的所有移动站接收，且由移动站104用于识别CDMA系统的出现、初始系统获取、空闲模式越区切换、通信和干扰基站的初始和延迟的射线的识别，且用于同步、寻呼和业务信道的相干解调。

除Walsh覆叠，基站发射的所有信道被用伪随机噪声(PN)序列扩展，也称为导标序列。扩展的导标信道调制射频(RF)载波并被发射到由基站102服务的地理区域或小区中的所有移动站，包括移动站104。

移动站104包括输入级106，模拟前端108，包括模数转换器(ADC)110、RAKE接收机112和搜索接收机114的接收通道，组合器116，限幅器117，和包括发射通道电路118、数模转换器(DAC)120的发射通道，和双工器121。发射通道电路118接收发射信道位并准备向基站102发射。DAC120转换发射位为模拟信号并由模拟前端108处理。模拟信号由双工器121耦合到第一天线130并发射。

输入级106从基站102和其它邻近的基站接收RF信号。从基站102发射的RF信号在被通信信道101改变后接收。这些改变包括产生发射的信号的几个时间延迟的拷贝，其中每个延迟信号独立地由瑞利衰落改变相位和幅度。下文将详细描绘输入级106的结构和运行。

接收的RF信号由输入级106转换为电信号，并供给模拟前端108。模拟前端108滤波信号且提供从RF信号到基带信号的转换。模拟基带信号被提供给ADC110，它转换这些信号为等效数字数据流，用于进一步处理。

RAKE接收机112包括接收机指组，其中包括接收机指122、接收机指124、接收机指126和接收机指128。在描绘的实施方案中，RAKE接收机112包括4个接收机指。然而，能用任何合适数量的接收机指。RAKE接收机的目的是积极地组合来自出现在通信信道中的可分离的多径分量的信号，以增加信噪比(SNR)。

现参照图2，示出接收机指200的结构。接收机指200包括可变延迟器202，解扩器204，解扩器206，解扩器208，复共扼电路210，积分器211，积分器212，乘法器214和信道测量评估器216。

可变延迟器202在输入端218从ADC110(图1)接收输入数据并在输入端220从搜索接收机114接收延迟值。输入数据对应于由指200接收的各个多径射线。输入数据由在输入端220的延迟值延迟。每个接收机指中的可变延迟器202运行以时间对准射线。最后接收的射线零或最小延迟。每个较早接收的射线被延迟足够时间以对准输入数据与最后接收的射线。

延迟的输入数据被提供给解扩器204，它也在输入端222接收那个射线的Walsh码。解扩器204移去Walsh码的扩展效果。解扩的数据然后提供给解扩器208，它也在输入端224接收短PN码。解扩器208移去短PN码的效果。解扩器208的输出被提供给积分器212，它在一字符周期上积分数据，即19.2ks/s速率的周期。积分器从一字符积分所有能量且最大抗噪声和干扰。

解扩器204也从可变延迟器202接收延迟的数据并从输入端224接收短PN码。解扩器206、复共扼电路210和积分器211运行以恢复导标信道且因此提供信道相位和信道幅度的估计。

乘法器214组合信道相位和信道幅度的估计与来自积分器212的字符。这移去字符上的由信道施加的相位调整。由于信道相位调整对各射线不同，通过移去所有信道相位调整的影响，字符成为相位相干。更进一步，通过乘字符和相位及幅度，字符被信道的幅度加权。因此，越强的接收的射线加权越重，以与来自其它指的其它射线组合。加权的、相位相干字符被提供在耦合到组合器116(图1)的输出端226。

字符值也提供给信道测量评估器216。信道测量评估器216判定信道测量，如接收的信号强度和其它信道的质量测量。信道测量被提供在耦合到搜索接收机114(图1)的输出端228。

再参照图1，接收机指时间和相位对准接收的信号的每个最强的可分离的多径分量。另外，每个分量由分量的相对强度加权。每个多径分量的定时、相位、幅度能由检查导标信号获得。多径分量的定时由在搜索接收机114中检查接收的导标恢复。搜索接收机114从强至弱排序所有可检测的射线，并指定N个最强的射线到N个可用的指。这个过程称为指指定且能周期进行如每100ms一次。每个射线的相位和幅度估计的判定在每个指中各自执行。每个分量也乘以扩展序列的共扼。注意乘以扩展序列的共扼将导致在缺少信道恶化时发射的数据序列的恢复。

来自指122、124、126和128的解扩的、时间和相位对准的、加权的信号然后求和以在组合器116中形成复合信号。由于时间和相位对准，来自每个分量的发射的信号将积极地相加，而来自每个信号的噪声和干扰分量随机相加。加权保证有高信号噪声和干扰比的强信号对总和的贡献大于弱信号。这保证加法器的输出总有比在理想假设下的最强的指高的SNR。由于各个可分离的射线独立地衰落，四个射线同时展示由于衰落的低幅度因此低SNR的可能性远低于任一射线低SNR的可能性。因此，RAKE接收机112提供有效的方法，以利用出现在信道中有明显延迟扩展的分集。

组合器116从每个RAKE接收机指接收指输出。组合器116组合各个指输出并产生组合的信号。来自第一和第二天线的组合的信号被解调，以产生接收的DS-CDMA信号。当不满足预定的准则时，仅来自第一天线的信号被组合和被解调。组合器116的输出被提供给限幅器117。限幅器117转换字符到数位并提供从采样率到比特率的下转换或下采样。采样率是典型是码片率的倍数的ADC110的采样率。在IS-95系统中，采样率典型是1.2288Mc/s的码片率的8倍，数据率是19.2ks/s。也可在其它级如接收机指提供下转换。来自限幅器117的输出信号对应于接着在移动站104中处理的接收的信道数据位。应认识到，实际上一些或全部下转换也能在积分器211和212后发生而没有性能损失。

搜索接收机114检测移动站104从包括基站102的基站组接收的导标信号。搜索接收机114也接收信道测量，如每个在接收机指检测的接收的射线的接收的信号强度(RSS)。根据预定算法，搜索接收机114检测所有接收的射线的相对强度和延迟并指定来自基站组的射线到各指。

输入级106包括第一天线130，用于接收通信信号并产生第一信号；第二天线132，用于接收通信信号并产生第二信号。第一天线130和第二天线132每个接收通信信号为一组可分离射线。优选地，第一天线130和第二天线132提供实际一样的电性能且在移动站104适当分开，以为从基站102通过通信信道101发射的通信信号提供通道分集。假设满足关于天线分离和/或极化的传统的条件，在两天线由普通射线经历的瑞利衰落将不高相干。

根据本发明，输入级106还包括延迟部件142，耦合到第二天线132，延迟部件142响应来自第二天线132的第二信号产生延迟的信号。延迟部件142用声表面波(SAW)滤波器、陶瓷滤波器或其它合适器件制造。许多这种器件可用。延迟部件142延迟来自第二天线132的第二信号预定的延迟时间，以产生延迟的信号。延迟部件的运行下文将联系图3描绘。

在描绘的实施方案中，第一天线130耦合到滤波器134，第二天线132耦合到滤波器136。滤波器134的输出端耦合到低噪声放大器138，滤波器136的输出端耦合到低噪声放大器140。滤波器134、滤波器136、低噪声放大器138和低噪声放大器140可被组合和移到加法器148之后或全部或部分省略，以减少移动站104的部件数、制造成本和复杂性。然而，如所示用这些部件的应用中，输入级106性能增强。

再根据本发明，输入级106包括加法器148，耦合到第一天线130和延迟部件142，以求来自第一天线130的第一信号和来自延迟部件142的延迟的信号之和。加法器148组合第一信号和延迟的信号，产生组合的信号。加法器148可由任何合适的组合第一信号和延迟的信号的部件代替。RAKE接收机112耦合到加法器148，用于接收组合的信号。

输入级106仍还包括开关146和开关控制电路144。开关146耦合在延迟部件142和加法器148之间，用于响应控制信号从延迟部件142选择地去耦合加法器148。开关控制电路144耦合到开关，以当不满足预定的准则时提供控制信号。

在描绘的实施方案中，开关146被示为单刀单掷模拟开关。然而，任何合适的RF开关部件均适用，以便加法器选择地加第一信号和延迟的信号。另外，开关操作可被移到移动站104的另一分量。

开关控制电路144有耦合到搜索接收机114的输入端150。开关控制电路144接收来自搜索接收机114的信道测量。信道测量由开关控制电路144用于控制开关146。例如，在一些应用中，搜索接收机114检测在RAKE接收机112的一组接收机指的每个的多径射线的接收的信号强度。在这种应用中，信道测量对应于在RAKE接收机112的指接收的多径射线的接收的信号强度。

图3示出图1的通信系统中典型的延迟扩展。接收的信号的延迟扩展是在接收机看的相对信号强度和多径射线的信道延迟。图3中，移动无线电信道的瞬时的脉冲响应能建模为许多可分离射线，包括第一射线302、第二射线304和第三射线306。图3示出平均射线功率比时间曲线。在时间上，每个接收的射线经历由独立的瑞利过程模式的幅度变化。因此，通常称图3的每个可分离射线的信号电平的平均值为延迟扩展分布。来自两基本一样的有同样方向且分开一个波长的天线的信号将很可能有同样延迟扩展分布。然而，假设满足关于天线分离和极化的特定条件，来自两天线的通常射线经历的瑞利衰落将不高度相干。

图4描绘由根据本发明的图1的移动站的RAKE接收机所见的延迟扩展。在图4中，来自第二天线132(图1)的信号被延迟Δ且与来自第一天线130的信号组合，导致描绘的组合的延迟扩展分布。在图4中，组合的延迟扩展分布包括第一天线130贡献的射线402、射线404和射线406及第二天线132贡献的射线408、射线410和射线412。来自第二天线132的贡献被延迟由延迟部件142建立的预定的时间延迟Δ。由于来自每个天线的可分离的射线独立，图3中的每个射线将经历独立的瑞利衰落。RAKE接收机能被用于积极地组合这些由第二天线132贡献的另外的射线。这些另外的射线将由组合器116积极相加，提供更多分集，导致较好的性能，用于移动环境的信道典型。

只要两天线所见的衰落不高度相干，移动站104展示RAKE接收机中多径分集的收益。如图4所示，由于另外的独立衰落射线将被相加，甚至延迟扩展分布不一样时，延迟扩展分布不需一样，以实现分集的收益。理想地，来自第二天线132的接收的信号被延迟大于最大预期的延迟扩展的时延，以防止来自第一天线130和第二天线132的射线在同一时刻相加。两瑞利过程以这种方法相加导致有两倍能量的单瑞利过程。这引起RAKE接收机仅看一根有两倍能量的射线，省去许多分集增益。为保证两射线从不重叠，延迟部件142需要提供大于在通信信道101上预计所见的最大延迟的延迟。由于来自两天线的射线有时重叠，较小的延迟能被用于折衷性能的一些损失。由于分集发生在有1或2根明显可分离的射线的信道，这在大多数情况下可接受为最大性能改善。在这些信道上，不常发生重叠。具体地，可接受小至信道的反相带宽或1码片周期的延迟。

只要可分离的射线的总数量少于RAKE接收机112所用的指数量，才能实现根据本发明的延迟和求和技术提供的可分离的多径分量数中增加的优点。达到这点后，另外的射线不能用于优化且实际上增加由移动站104所见的小区内干扰电平，导致性能的迅速下降。除有较RAKE接收机指多的可分离的射线的信道观测的小区内干扰外，由于来自两天线的信号在加法器148中的和，可观察到小区内干扰和热噪声的3dB增加。另外独立射线的统计优点强于噪声电平的增加，直到明显的信号能量不被指定到RAKE接收机指的点。在这点，不能使用任何由加法器148组合的可分离的射线的数量的进一步增加，且增加的噪声和干扰电平将降低性能。

当信道有高电平的可分离的多径时，通过包括开关146以移去第二天线132避免性能的降低。在这些情况中，开关146返回单天线-第一天线130的性能。

当有较少多径时，没有分集的DS-CDMA接收机性能通常最差。当明显的多径增加时，这个性能迅速改善。根据本发明，当很少可分离的射线出现时，延迟和用开关求和分集将明显改善DS-CDMA系统的性能，且将不另外影响性能。因此，当DS-CDMA通常运行差时，这个分集技术能明显改善性能，而不降低DS-CDMA通常运行良好的信道中的性能。更进一步，有较少多径的环境很常见，因此，这个分集技术将在很大时间百分比上显示明显性能改善。

现参照图5，示出根据本发明的图1的系统的运行的流程图。图5描绘在无线接收机中接收DS-CDMA信号的方法。图5也描绘在移动DS-CDMA无线接收机中提供分集的方法。方法始于步骤502。

在步骤504，分集方法包括提供接收第一信号的第一天线的步骤。方法包括在第一天线接收第一信号。在步骤506，方法包括提供接收第二信号的第二天线的步骤。第二天线与第一天线空间分开一距离，且以接收方法接收第二信号。

在步骤508，包括第二多径分量的第二信号被延迟，产生延迟的信号或延迟的多径分量。在步骤510，方法包括组合第一信号和延迟的信号的步骤，以产生组合的信号。方法还包括组合或求和第一多径分量和延迟的多径分量。产生输出多径分量。

在步骤512，方法判定是否满足预定准则。预定准则是任何用于判定何时第二天线和延迟应被包括和延迟的信号应被组合的合适标准或算法。这优选估计的信道延迟扩展分布的函数。当较少显著的可分离的射线出现时，激活第二天线。当很多明显可分离的射线出现时，移去第二天线，以防止增加前述小区内干扰和防止增加小区间干扰和噪声。优选地，应该用容易测量的信道条件和解调器状态作出决定。

在一个例子中，预定准则包括RAKE接收机接收的多径能量相对于总多径能量的测量。当指定到RAKE接收机中的指的射线中的接收的信号的功率或能量与总的接收的信号功率的比低于预定门限时，通过设置开关于打开状态移去来自第二天线的贡献。

在另一个例子中，方法可包括当最强的各个接收的信号强度与总接收的信号强度有预定关系时，中断组合步骤。这里，预定准则包括由RAKE接收机的接收最强的信号的指检测的接收的信号功率与由RAKE接收机的所有指检测的总的接收的信号功率的比。在这个例子中，周期地判定比，如每100ms。当比大于75％时包括第二天线，当比小于35％时不包括第二天线。也可用其它采样周期和比例，且系统甚至不需用周期采样以有效率。其中排除第二天线的状态变化的预定期间的固定周期，如1秒，在任何变化后必需被包括。这将防止“反复”，或由系统常常再调整而不达到任何长期均衡。要防止反复是因为由搜索接收机响应延迟扩展分布再指定指所需的时间。这个固定周期是指指定和用于搜索接收机114的搜索算法的函数，且需要允许这些算法在由加入或移去第二天线引起的多径环境中的突然出现的变化之后稳定。预计在开关中的状态的变化后短时间改变这些算法所用的几个特性、参数和方法能减掉或省略这个固定时间的需求。注意，这些比和周期不需固定，实际上可随估计的车速、软越区切换状态、干扰电平或其它因素的函数变化。

如果满足开关规则，在步骤514，RAKE接收机的指被指定到各个多径分量，且接收的信号用组合的来自第一天线和第二天线的信号解调。如果不满足开关规则，在步骤516，不连接第二天线和延迟分量，例如，通过断开开关146。然后指定RAKE指，且接收的信号仅用从第一天线接收的信号解调。方法终于步骤518。

虽然本发明的这个实施方案描绘用两天线的分集接收机，概念能容易地扩展到三个或多个天线。在这种实施方案中，每个额外的天线将有不同的延迟。开关能分别级联或其任何组合来控制。

如前所见，本发明提供用于DS-CDMA系统中的移动站接收机分集的装置和方法。第二天线接收在延迟部件中延迟一个或多个码片时间且与来自第一天线未延迟的信号组合的信号。当可分离的多径能量呈现在许多接收的信号能量不被指定的RAKE接收机指考虑之处时，关闭第二天线，以避免增加干扰电平。

本发明的具体实施方案虽被描绘与示出，可作出改进。因此，希望所附权利要求覆盖所有这种在本发明真实精神和范围内的变化和改进。

Claims (7)

1.一种DS-CDMA移动站(104)，包括：

第一天线(130)，用于接收通信信号并产生第一信号；

第二天线(132)，用于接收通信信号并产生第二信号；

延迟部件(142)，耦合到所述第二天线，所述延迟部件响应所述第二信号产生延迟的信号；

加法器(148)，耦合到所述第一天线和所述延迟部件，以相加所述第一信号和所述延迟的信号，产生组合信号；

开关(146)，耦合在所述延迟部件和所述加法器之间，用于响应控制信号选择地从所述延迟部件去耦合所述加法器；以及

接收机电路，耦合到所述加法器，以接收所述组合信号。

2.如权利要求1所述的DS-CDMA移动站，其中，所述接收机电路包括一个控制电路，耦合到所述开关，用于当不满足预定的准则时提供所述控制信号。

3.如权利要求2所述的DS-CDMA移动站，其中，所述接收机电路包括RAKE接收机，耦合到所述加法器，用于接收组合的信号，所述RAKE接收机有许多指，用于检测在所述组合的信号中的数据字符。

4.如权利要求3所述的DS-CDMA移动站，其中，所述预定的准则是估计的信道延迟扩展分布的函数。

5.如权利要求4所述的DS-CDMA移动站，其中，所述预定的准则包括由所述RAKE接收机接收的多径能量关于总多径能量的测量。

6.如权利要求4所述的DS-CDMA移动站，其中，所述预定的准则包括由所述RAKE接收机的接收最强的信号的指检测的接收的信号功率与由所述RAKE接收机的所有指检测的总的接收的信号功率的比。

7.如权利要求1所述的DS-CDMA移动站，其中，所述延迟部件延迟所述第二信号预定的延迟时间，以产生延迟的信号。

Images