CN1148902C - 发射和接收方法及无线电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一个发射和接收方法以及一个无线电系统。在发射机(TR)中，被发射的信号(37)在装置(31)中扩频编码，并且在装置(33)中由副载波加以调制。在接收机(R)中，信号在装置(35)中解调，并由副载波交给装置(36)中的多用户检测，以便限制在装置(35)中的可检测信号数量。接收机(R)为了减少多址干扰和校正频率选择衰减而使用多用户检测。

Description

发射和接收方法及无线电系统

技术领域

本发明涉及数字无线电系统中使用的一种发射和接收方法，该系统包括至少一个基站和一个用户终端，借助于发射和接收信号彼此通信。

本发明还涉及一个无线电系统，包括至少一个基站和一个用户终端，该系统利用发射机和接收机来发射和接收数字信号。

背景技术

在CDMA(码分多址)方法中，用一个频率比数字信号高得多的扩频码把窄频带的用户数据信号乘以一个相对宽的频带。通过相乘，数据信号被扩展到整个在用的频带。所有的用户都使用相同的频带同时发送。本目的是选择基本上互相正交的扩频码，即彼此最小相关的码。

以常规方式实现的CDMA接收机中，利用数据信号再次乘以与发送阶段相同的扩频码，使它在接收机中恢复到原来的波段。其它用户的信号使所收到的信号失真而妨碍对希望接收信号的检测。在用户之间产生的这种干扰称为多址干扰。

在OFDMA(正交频分多址)方法中，发射信号的扩频编码的符号序列由分布于宽频带的副载波进行调制。OFDMA调制通常由逆富里叶变换实现。

多径传播会导致无线电系统信道上的失真或串音。在CDMA系统中，这种情况可以检测到。此时，原来与正交扩频码进行扩频编码的信号，在到达接收机时，不再是正交的，在不同信道的信号间出现串音。在OFDMA系统中，副载波的频率选择性衰减妨害了检测。在CDMA系统中，用干扰消除来校正串音。在OFDMA系统中，频率选择性衰减依靠纠错来补偿。

然而，所有消除多径传播产生的串音的方法的复杂性比被处理的信息/位串的数量增加的更快。所以众所周知的方法不能解决这一问题。

发明内容

本发明的目的在于实现一种方法和无线电系统，其中它可以减少信息处理数量，从而能够更好地消除各种干扰。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于数字无线电系统的传送和接收方法，该数字无线电系统包括至少一个基站和用户终端，它们彼此之间通过传送和接收信号进行通信，其特征在于，

在传输时，根据OFDMA/CDMA方法，由副载波对信号进行扩频编码和调制；在接收时，对所接收的信号进行OFDMA解调，并且利用副载波来选择将被多用户检测的至少一个接收信号，从而减少多用户检测中的接收信号的数量。

根据本发明另一个方面，提供了一种无线电系统，包括至少一个基站和用户终端，该无线电系统利用发射机和接收机来传送和接收数字信号，其特征在于，

所述的接收机包括用于扩频编码的装置以及根据OFDMA/CDMA方法，由副载波对信号进行调制的装置；

所述的接收机包括基于副载波来选择至少一个可检测的接收信号的解调装置，以及对所述的至少一个选择信号进行多用户检测的装置。

本发明的方法具有很多好处。本发明的方法通过简单的接收机实现装置得到了良好的对信道隔离和信号多径传播引起的干扰的承受能力。

附图说明

下面参照附图中的例子更详细地描述本发明，其中：

图1显示一个无线电系统；

图2显示副载波的跳频；并且

图3显示一个发射机和一个接收机的结构。

具体实施方式

本发明提供的解决方法特别适用于OFDMA/CDMA无线电系统，然而并不局限于此。

图1显示一个典型的数字无线电系统，它包括基站1、用户终端2到4和基站控制器5。基站1和用户终端2到4利用信号6到8通信。基站1和基站控制器5经由数字传输链路9通信。用户终端2到4通常是移动电话。基站1和用户终端2到4之间的信号6到8是由数字化信息组成的，包括：用户产生的话音或数据，或者是无线电系统产生的控制信息。

现在我们更仔细地考察本发明的方法，它的解决方法是以CDMA/OFDMA方法为基础的。在数字无线电系统中，进行基站和用户终端之间的通信，特别适宜采用CDMA/OFDMA方法。在此方法中，按照CDMA方法进行的传输信号的扩频编码和按照OFDMA方法进行的副载波信号调制被恰当地结合起来，并且接着在接收机中对信号解调和进行多用户检测。特别恰当的是，把多用户检测与CDMA/OFDMA方法结合起来，因为这样可以把多径传播中产生的信号分量隔离开从而限制了可检测信号的数量，由此又可以减少多径传播所引起的串音。

在本发明的方法中，按照CDMA扩展信号时所用的方法是，(例如)把与被发射数据相关的每一个符号相乘，并且包括一位或一位与具有比数据更高频率的扩频码V的组合。扩频码V，最好(例如)是Walsh/Hadarmad代码，因为它们之间是彼此正交的，即有最小的互相关性。把扩频编码的符号汇合为一个连续的扩频编码的符号序列，使它们很好地结合起来。这一方法可以用数学方式表达如下：

$U=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i{v}_i=[u_0,u_1,...,u_{N_S-1}]---\left(1\right)$

其中N_s是扩频码V_i的长度，而b_i在范围b_i∈[-1，1]内表示传输的位数。

接收到的OFDMA信号可以表示成：

$y\left({\mathrm{nt}}_s\right)={(-1)}^n\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{N_S}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i^l{u}_i^i{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{I{N}_S+l^l}}+N\left(t\right)---\left(2\right)$

其中

$f_{I{N}_S+1}=f_0+\frac{{\mathrm{IN}}_S+i}{T_S}$

，T＝T+σ，σ是安全时间，N是副载波的总数，T_s是符号持续时间，N(t)是一个信号中的噪音之和，而f₀是最低副载波频率。我们可以知道，集合

是信号集合

$\left[y\left({\mathrm{nt}}_s\right)\frac{{(-1)}^n}{N}\right]$

的一个离散的富里叶变换(DFT)。按照现有的技术，CDMA/OFDMA无线电系统的副载波是由(例如)离散逆富里叶变换从待发射信号中产生的。DFT随后又产生一个滤波器库(filter bank)，其中每个滤波器都适用于一个多路副载波。为了与现有的技术一致，DFT变换最好以快速富里叶变换即FFT变换实现。因此，就可以用逆FFT变换产生一OFDMA信号。当比信道脉冲响应更长的安全时间σ在每个符号间恰当预定时，由于与符号持续时间相比，信道特性的变化更慢，所以在接收中符号不会相混。在出版物中已经对CDMA/OFDMA方法有更详细的描述：Performance of CDMA/OFDMA for Mobile Communication System，Khaled Fazel，IEEE ICUP`93，975页到979页，1993年。该文可作为参考。

根据本发明，在接收到CDMA/OFDMA信号时，最好以FFT变换进行OFDMA解调并使用以下原理进行多用户检测：

$\hat{x}=\mathrm{sgn}{H}^{-1}y=R^{-1}\tilde{y}---\left(3\right)$

其中

$\hat{x}$

表示发射信号的符号/位，H^-1是扩频码V的互相关矩阵的逆矩阵，y是在相适应的滤波器输出端所接收到的信号，R^-1是一个归一化(normalized)的互相关矩阵，而

$\tilde{y}$

是相适应的滤波器的规格化输出，在接收机中常用来校正信道引起的信号失真。

可用多种方法逼近一个理想的接收机。在CDMA系统中，使用了多种方法进行多用户检测(MUD)。最常见的方法有：线性多用户检测、去相关检测器和多级检测器。在以下参考文献中对这些方法有更详细的描述：Varanasi和Aazhang的《Multistage detection for asynchronouscode division multiple access communications》，来自IEEETransactions on Communications，vol.38，509页到519页，1990年4月；Lupas和Verdu的《Linear multiuser detectors for synchronouscode-division multiple access channel》，来自IEEE Transactions onInformation Theory，vol.35，No.1，123页到136页，1989年1月以及Lupas和Verdu的《Near-far resistance of multiuser detections inasynchronous channels》，来自IEEE Transactions on Communications，vol.38，1990年4月。然而，与这些方法相伴随的是许多需要计算能力的运算，例如矩阵求逆运算。

解决多用户干扰引起的问题的另一个方法是使用干扰消除(IC)。在IC类型的解决方法中，用户通常以量级的次序被逐一检测，通过在检测下一个用户之前，先从所收到的传输中消除已检测用户信号的影响。作为这种方法的例子，专利出版物EP491668可作为参考，其中将以上类型的过程应用到一个CDMA蜂窝无线电系统。干扰消除方法比MUD类型的算法计算上更有效，但性能却更低，特别是在困难的接收条件下(例如在信号电平通常很弱的多径衰减中)。这些方法最适用于降低来自用户小区的干扰并由此而改善系统容量。

在本发明的方法中，进行多用户检测以便减少多址干扰和/或校正频率选择衰减，从而提高检测质量。

在本发明的解决方法中，接收到的信号也按照副载波进行分组或彼此分开。分配给每个信号或用户一组副载波。这允许为多用户检测选择所需的一组信号或者为检测只分开出一个信号。此时副载波的作用是减少多用户检测中的信号数量。这就是说，没有按照扩频码来分开信号，而是把用到的全部扩频码都分配给所有的用户。

在本发明的解决方法中，现有技术的最大似然(likelihood)(ML)多用户检测，或者基于类似原理的多用户检测方法，分解扩频码，依靠信道估算得出对接收信号的估算，并将这些估算与实际收到的信号加以比较。根据最接近的估算来决定位或符号。信道估算是以周知的方式得出的，(例如)来自包括预定符号的导频信号或参考信号和参考数据，或者来自一个或多个直接可检测信号。

在本发明的解决方法中，副载波是从频段中非均匀地选择出来的。因为可以避开无用的衰减情况(特别是在双向信道中)，所以这是一个优点。进一步地，本发明的解决方法用于无线电系统的下行方向时，就尤其有益，该无线电系统的基站将信号扩频编码和调制，用户终端对发自基站的信号进行多用户检测。例如，此解决方法的一个好处是：在收到信号时，可以将之分组，以便只检测其中某一部分。虽然在基站总还要对接收到的全部信号检测，使得副载波分组没有用处，但是这种解决方法减少了在用户终端所执行的计算量，从而也就减少了对计算能力的要求和能量消耗。

在本发明的方法中，以预定方式改变每个扩频编码信号的调制副载波频率来实现副载波的跳跃。这样，就可以按照载波发生的跳频方式(即跳跃序列)在接收到信号时把信号彼此分开。这一过程的首要目的是把不同基站多路复用到同一波段。

在本发明的方法中，通过基本上均匀利用整个频段来实现副载波跳频，这均匀地改善了所有信号的衰减容限。

在本发明的方法中，在仅一个传输信号可以采用的时刻，通过一载波正交地实现副载波跳频。在一个小区范围内，这一点很容易实现。这样就能使接收时的信号碰撞最少。

参照图2中显示了OFDMA调制器输出处的副载波跳频。y轴表示频率，x轴表示时间。在图2中，可能的副载波频率c1到c16是均匀的，而副载波20到23本身最好不均匀。作为跳跃的结果，当从瞬时t1到瞬时t3时，对所有信号来说，副载波20到23的频率都变化了。此外，副载波20到23还均匀地分布在c1到c16这一区间的频段内。

在图3中给出了发射机和接收机的框图。发射机TR包括一个串—并转换器30、扩频编码装置31、多路复用器32、调制装置33和天线34。接收机R包括一个天线34、解调装置35和多用户检测装置36。发射机TR和接收机R实现了本发明的方法。在发射机方面，把数据作为一个位串传输给串—并转换器30，后者把串行模式的数据转换为并行模式。我们假定，串—并转换器30产生了并行模式的N位数据块。这些数据在装置31中用长度为M的扩展序列扩频编码成一个连续的数据流，31的输出在多路复用器32中被求和。被求和的序列由最好是OFDMA调制器的装置33使用K个副载波调制。对K个副载波来说，M＜K为真。副载波调制出的和信号按照现有的技术经天线34发射。

在接收机天线34收到信号时，装置35用FFT变换分解所需的一个或多个信号的副载波调制。装置36依照现有的技术把解调后的信号提交给多用户检测。装置35在调制的基础上把信号分组或分开，然后选择所需的一个或几个信号进行检测。

我们再研究本发明的解决方法的另一个例子。在此例中，本发明应用于一个无线电系统的下行方向，即从基站到用户终端的传输方向。基站用副载波调制一个传输信号并在提供了足够分集(diversity)来防止选择性衰减的带宽上发射产生的多载波信号。典型地，要使用成十成百的副载波。例如，每个信道/信号预定8个载波。信号信息也常以某种方式误码防护和交织，虽然这对本发明来说并不重要。待发射的信息被分成8位的组并且通过8个最好是Walsh-Hadamard序列的正交扩频码被扩频编码。扩频编码信号被求和并且这些8个和信号被连接到副载波调制器，调制器中信号被调制成副载波。如果使用了跳频，那么副载波调制器也要以预定方式对每个信号的副载波进行跳频。一个信道最好只包括一个信号和一个副载波。在此种情况中，每个信道使用每第10个OFDMA信号用于时间上分开的一个8位组的传输。

多符号检测器中发生的多用户检测中通过检测信号和估算的信道响应提供了8个并行位/符号的检测。在这一阶段，可以使用众所周知的干扰消除和多径检测方法，因为原来正交的扩频码已经由于多径传播不再正交。当已经知道信道响应和扩频码时，可以减轻串音。出现在一个蜂窝内部信道之间的串音，仅源于多径传播。然而，由于信号维持时间相对较长，这种串音是可以忽略的。

在本发明的解决方法中，副载波调制最好作为线性调制实现，例如相位和振幅调制。

本发明的解决方法可以用ASIC或VLSI电路实现，特别是在进行数字信号处理时更是这样。实施的功能最好通过基于微处理器技术的软件来实现。

虽然上面参照附图的例子描述了本发明，但是可以知道，本发明并不局限于此。在附加的权利要求书中公布的本发明思想的范围内，本发明可以采用各种方式更改。

Claims (20)

1.一种用于数字无线电系统的传送和接收方法，该数字无线电系统包括至少一个基站和用户终端，它们彼此之间通过传送和接收信号进行通信，其特征在于，

在传输时，根据OFDMA/CDMA方法，由副载波对被传送的信号进行扩频编码和调制；在接收时，对所接收的信号进行OFDMA解调，并且利用副载波来选择将被多用户检测的至少一个接收信号，从而减少多用户检测中的接收信号的数量。

2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，在接收时，由于多址干扰和频率选择性衰减引起所接收信号的质量发生变化，对可检测信号进行多用户检测以便减少多址干扰和/或校正选择性衰减。

3.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，在接收时，基于副载波来选择被检测的一预定信号组。

4.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，在接收时，基于副载波(20到23)来只选择一个信号进行检测。

5.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，由于副载波保留了给定的频段，在此频段中非均匀地选择副载波。

6.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，该方法尤其使用在一个无线电系统的下行方向中，其中基站对发射信号进行扩频编码和调制，并且用户终端对接收信号进行多用户检测。

7.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，在调制时，以预定方式改变每个扩频编码信号的调制副载波，以便副载波完成跳跃。

8.根据权利要求7中所述的方法，其特征在于，所述的副载波的跳频是通过基本上均匀利用整个频段实现的。

9.根据权利要求7中所述的方法，其特征在于，所述的副载波的跳频是在仅一个传输信号可以采用的时刻通过一副载波正交地实现。

10.根据权利要求7中所述的方法，其特征在于，在接收时利用副载波的跳跃序列选择被检测的单个或多个接收信号。

11.一种无线电系统，包括至少一个基站和用户终端，该无线电系统利用发射机和接收机来传送和接收数字信号，其特征在于，

所述的接收机包括用于扩频编码的装置以及根据OFDMA/CDMA方法，由副载波对信号进行调制的装置；

所述的接收机包括基于副载波来选择至少一个可检测的接收信号的解调装置，以及对所述的至少一个选择信号进行多用户检测的装置。

12.根据权利要求11中所述的无线电系统，其特征在于，所述的接收机被设置成执行多用户检测，以便在多址干扰和频率选择性衰减引起的信道中信号质量变化时，减少多址干扰和/或校正选择性衰减。

13.根据权利要求11中所述的无线电系统，其特征在于，所述的解调装置被设置成基于副载波来选择被检测的预定信号组。

14.根据权利要求11中所述的无线电系统，其特征在于，所述的解调装置被设置成基于副载波来只选择一个被检测信号。

15.根据权利要求11中所述的无线电系统，其特征在于，由于副载波保留一特定的频段，所述的调制装置被设置成从该频段中非均匀地选择调制副载波。

16.根据权利要求11中所述的无线电系统，其特征在于，基站是发射机，而用户终端是接收机。

17.根据权利要求11中所述的无线电系统，其特征在于，所述的调制装置被设置成以预定方式改变调制每个扩频编码信号的副载波，从而实现副载波的跳跃。

18.根据权利要求17中所述的无线电系统，其特征在于，由于副载波保留了一特定的频段，所述的调制装置(33)被设置成基本上均匀地利用整个频段来完成副载波跳跃。

19.根据权利要求17中所述的无线电系统，其特征在于，所述的调制装置被设置成在仅一个传输信号可以采用的时刻，通过以一个副载波正交地实现副载波跳跃。

20.根据权利要求17中所述的无线电系统，其特征在于，所述的解调装置利用副载波的跳跃序列来选择检测的一个或多个信号。

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