CN1175828A - 一种扩频地址编码技术 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在任何含码分多址(CDMA)及扩频技术的无线数字通信系统中应用的一种扩频地址编码技术。由一组归一化幅度与宽度均为1的、有极性的基本脉冲组成,基本脉冲的个数根据实际因素确定,基本脉冲在时间坐标上的间隔不等且不同,利用这种不均匀脉冲位置排列编码。这种编码方案能够达到控制自相关函数与互相关函数的副峰并使之最小的目的,简化了CDMA系统的设计,从而有效地建立起大容量的无线数字通信系统,以解决日益增长的对通信容量的需求和有限频率资源之间的矛盾。

Description

一种频地编码技术
本发明涉及一种扩频及数字多址无线通信技术，特别是指在任何含码分多址(CDMA)及扩频技术的无线数字通信系统中应用的一种扩频地址编码技术。
随着信息化社会及个人通信时代的到来，人们对无线通信技术的需求变得越来越迫切，但是频率资源却非常有限。CDMA技术是解决有限频率资源与通信容量之间矛盾的唯一有效手段。传统的无线多址接入技术，如FDMA(频分多址)、TDMA(时分多址)，其系统容量是设计规定死的，额外增加用户是不可能的。而CDMA则不同，其系统的容量仅取决于干扰电平，具有大容量及软性容量的特点。因此，增加用户只是减小信噪比，降低通信质量，不会被拒绝，即系统的容量不象FDMA或TDMA那样有一个不可逾越的界限。
CDMA系统的容量取决于系统的干扰电平，因此，能否控制系统内的干扰电平将成为CDMA系统成败或好坏的关键。干扰一般由三大部分组成：一是本地噪声电平，对于它，我们除了采用低噪声放大器以外，没有其它办法；二是多址干扰(MAI)，即来自系统内其他用户的干扰；三是码间又称符号间干扰(ISI)。对于MAI与ISI，是可以靠设计好的地址码来减小的。
在任何CDMA系统中，各用户都有自己特有的扩频地址码，以供相互识别。不仅如此，为减小相互间的干扰，各个扩频地址码间还应相互正交。这种对不同用户信号间正交性的要求对任何多址系统来说都是一致的。如果信道是一理想的线性时不变系统，同时系统内又有严格的同步关系，则保证各用户信号间的正交性还是可以做得到的。但是，遗憾的是现实世界中没有一个信道是理想的。另外，要保持严格的同步并不容易。这就是为什么多址技术的选择是至关重要的。而对CDMA系统来说，扩频地址码的设计与选择则更是其生命所在。
对无线信道，众所周知，它是一个典型的随机时变信道，不仅存在着随机性的频率扩散(多普勒频移)，而且存在着随机性的时间扩散(多径传播)。前者将使接收信号产生时间选择性衰落，即接收信号电平会随时间而随机起伏变化；后者将使接收信号产生频率选择性衰落，即接收信号的不同频谱分量有不同的随机起伏变化。衰落不仅严重恶化系统的性能，同时还将大幅度减小系统的容量，特别是信道的时间扩散(由多径传播造成)，使信号不能同时到达接收点，从而破坏了信号间的正交性，产生ISI(符号间干扰)与MAI(多址干扰)，从而大幅度地降低了系统的容量。因为当信号间的相对时延为零时，其正交性是很容易保证的，任何正交码都可以使用。但当信号间的相对时延不为零时，仍然保持其正交性将变得非常困难，已经证明，在二元、多元甚至复数域内均不存在这样的扩频地址码。特别是MAI与ISI是一对矛盾，要求一个小时，另一个必然增大。所以说，不同的CDMA技术，其区别主要就在于地址码的选择与设计上，好的系统ISI、MAI均较小，反之则较大。
目前，在这方面已经有一些实用的专利，例如，美国Qualcomm、Interdigital、Cylink，欧洲Nokia等公司的。但是，他们的设计或者效率极低，如Nokia等，若采用其设计，则CDMA系统的容量甚至还低于TDMA；或者通信距离极短，如Cylink等，若采用其设计，通信距离将只有数百米左右；或者对MAI及ISI无能为力，只能靠挑选相对好的码来解决，如Qualcomm、Interdigital等。
鉴于上述情况，本发明的目的就在于提出一种简明、快捷的新型扩频地址码的设计方法，使其CDMA系统对MAI、ISI可以同时控制到最小，从而建立起大容量的无线数字通信系统。
理想的扩频地址码应该满足以下两个主要条件：
第一，其自相关函数应该是一个理想的冲激函数，即除原点外，应处处为零。从
      正交性的观点来讲，即各个扩频地址码与其自身除相对零时延处以外，对
      任何非零相对时延都应该正交的。
第二，其互相关函数应该处处为零。从正交性的观点来讲，即扩频地址码间对任
      何相对时延(含零时延)都应相互正交。
为形象起见，我们称原点处的自相关函数值为相关函数的主峰，原点以外的自相关或互相关函数值为相关函数的副峰。理想CDMA系统中各码字的自相关及互相关函数的副峰应全为零。但对实际系统，上述要求是达不到的。我们只能要求尽量小的副峰(或尽量高的主副峰比)，及尽量少的副峰。对二元码来说，最小的非零副峰只能是+1或-1。
因而，本发明的目的也就是给出一个控制扩频地址码自相关函数与互相关函数副峰并使之最小的编码方法。
另外，各用户站时钟不受基站控制的随机接入非同步系统，由于系统简单，非常受欢迎，但是这种系统对扩频地址码的特性要求很严。因此，本发明的又一目的就是为这种随机接入非同步数字通信系统提供一个有效而实用的手段。
为了达到以上目的，本发明所提出的扩频地址码是由归一化幅度与宽度均为1的、具有极性的基本脉冲所组成，基本脉冲的个数根据所要求的用户个数、能够利用的脉冲压缩码的个数、能够利用的正交脉冲压缩码的个数、能够利用的正交频率的个数、系统带宽、系统最大传信率这些实际因素确定，基本脉冲在时间坐标上的间隔不等且不同，利用这种间隔不等且不同的脉冲位置和脉冲极性排列编码。
所述的基本脉冲在时间坐标上的间隔数只有一个为大于最小间隔的任意奇数，即编码长度为奇数，其余均为偶数，且任何一对基本脉冲在时间坐标上的间隔数不等于其它两个或两个以上间隔之和；
所述的基本脉冲的极性按编码的正交性确定，按哈得马正交阵或其它正交阵排列，按某种超正交阵或双正交阵排列。
上述编码规则即是为大区制非同步无线通信系统(Large Area AsynchronousWireless Communication System)而设计的一种新型的CDMA扩频地址编码技术，因而根据此编码规则所形成的码组称为LA-CDMA码。在做相关运算时，无论是自相关或是互相关，无论是周期性相关，非周期相关，或是混合相关，除原点外，都不会有两个或两个以上的脉冲相遇，这就保证了相关函数的副峰值至多为+1或-1，而主峰值显然等于脉冲的个数。因此，能够达到控制自相关函数与互相关函数的副峰并使之最小的目的，使其CDMA系统对MAI、ISI可以同时控制到最小。
由于以上之设计，为扩频技术和数字多址技术提供了一种简明、快捷的扩频地址码的设计方法，在CDMA系统中，采用本发明可以简化CDMA系统的设计，使系统具有较大的容量，以解决日益增长的对通信容量的需求与有限频率资源之间的矛盾。
由于LA-CDMA码的互相关函数的副峰既小又均匀，因此MAI与ISI就与用户接入时间无关，可以允许用户随机接入。另外，只要各用户收发信机的时钟稳定度满足一定要求，以非同步方式工作也是完全允许的。
在实际设计中，为了提高占空比，上述的基本脉冲是由脉冲压缩码所形成的，脉冲压缩码可由一个或多个二元或多元序列，含频率、频率相位联合序列，频率、相位及时间联合序列等所形成。
为了提高传信率或压缩传输频带，或提高地址码的数量，还可以将所得编码进行移位叠加，移位间隔大于信道的最大时间扩散量，即最大多径时延差。
为了同时最大幅度地提高脉冲占空比及传信率，可同时采取上述两种措施，即，基本脉冲可由脉冲压缩码(含一个或多个二元或多元序列，频率、频率相位联合序列，频率、相位及时间联合序列等)形成，并将所得编码进行移位叠加。
为了进一步提高正交码的数量，上述基本脉冲也可由正交的脉冲压缩码(含一个或多个二元或多元序列，频率、频率相位联合序列，频率、相位、时间联合序列等)形成。或者，将上述的基本脉冲调制在不同的正交频率上。
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
图1是本发明的LA-CDMA码组举例(以16码字为例)的示意图；
图2是本发明的非周期自相关函数图(以图1中码1为例)；
图3是本发明的非周期自相关函数图(以图1中码2为例)；
图4是本发明的非周期互相关函数图(以图1中码1与码2为例)；
图5是本发明的非周期互相关函数图(以图1中码3与码4为例)；
图6是本发明的用相对编码脉冲压缩法形成LA-CDMA码；
图7是本发明的用绝对编码脉冲压缩法形成LA-CDMA码；
图8是本发明的用移位重叠法提高脉冲占空比；
图9是一种接收机的框图。
请参见图1，是一个以16个地址码字为例的简单的LA-CDMA正交码组，每个码字由16个±1基本脉冲组成，可供16个用户同时使用。该码组的周期为847，脉冲间的间隔均分别为：38，40，42，44，46，48，50，52，54，56，60，62，68，72，76及39。脉冲的极性确保各码的正交性。
请参见图2、图3，分别是图1中码1、码2的非周期自相关函数图。其它码的非周期自相关函数有完全类似的形状，即副峰分别为+1，-1或0。
请参见图4、图5，分别是图1中码1与码2、码3与码4的非周期互相关函数图。其它码的非周期互相关函数有完全类似的形状，即副峰分别为+1，-1或0。
任何其它LA-CDMA码的相关函数都有完全类似的形状，只是副峰的极性及位置可能不同。该码的特点为：
1)自相关函数的主峰等于基本脉冲的个数，也等于码组中正交码字的个数。
2)自相关及互相关函数的副峰只有+1，-1及0三个可能值。
由上可见，依据本发明所设计的LA-CDMA码组能够控制自相关函数与互相关函数的副峰并使之最小，达到使其CDMA系统对MAI、ISI可以同时控制到最小的目的。
下面的表1和表2分别列出了16基本脉冲及32基本脉冲LA-CDMA码对不同最小基本脉冲间隔的最小周期，以便于使用者选择。
表1. 16脉冲LA-CDMA码的周期与最小间隔
 最小间隔  最小周期  最小间隔  最小周期  最小间隔  最小周期  最小间隔  最小周期
    38     847     40     911     42     905     44     923
    46     959     48     995     50     1065     52     1049
    54     1081     56     1117     58     1145     60     1179
    62     1213     64     1247     66     1269     68     1303
    70     1337     72     1379     74     1395     76     1427
    78     1461     80     1495     82     1529     84     1563
    86     1587     88     1619     90     1653     92     1683
    94     1715     96     1749     98     1783     100     1811
    102     1843     104     1875     106     1907     108     1939
    110     1971     112     2003     114     2035     116     2067
    118     2099     120     2131     122     2163     124     2195
    126     2227     128     2259     130     2291     132     2323
    134     2355     136     2387     138     2419     140     2451
    142     2483     144     2515     146     2547     148     2579
    150     2611     152     2643     154     2675     156     2707
    158     2739     160     2771     162     2803     164     2835
    166     2867     168     2899     170     2931     172     2963
    174     2995     176     3027     178     3059     180     3091
    182     3123     184     3155     186     3187     188     3219
    190     3251     192     3283     194     3315     196     3347
    198     3379     200     3411     202     3443     204     3475
    206     3507     208     3539     210     3571     212     3603
    214     3635     216     3667     218     3699     220     3731
    222     3763     224     3795     226     3827     228     3859
    230     3891     232     3923     234     3955     236     3987
    238     4019     240     4051     242     4083     244     4115
    246     4147     248     4179     250     4211     252     4243
    254     4275     256     4307
表2. 32脉冲LA-CDMA码的周期与最小间隔
 最小间隔  最小周期  最小间隔  最小周期  最小间隔  最小周期  最小间隔  最小周期
    32     4751     34     4465     36     4447     38     4489
    40     4745     42     4847     44     4889     46     5359
    48     4699     50     5225     52     5125     54     5117
    56     5315     58     4725     60     4687     62     4765
    64     4423     66     5115     68     5059     70     5307
    72     5299     74     5617     76     4955     78     5133
    80     4915     82     5397     84     5499     86     4965
    88     5291     90     5223     92     4837     94     5539
    96     5889     98     5373     100     5319     102     5051
    104     5331     106     5617     108     5991     110     5109
    112     5347     114     5383     116     5127     118     4883
    120     5211     122     5429     124     5737     126     5663
    128     5725     130     5623     132     5725     134     5497
    136     5323     138     5393     140     5465     142     5811
    144     5959     146     5893     148     6331     150     6355
    152     5943     154     6053     156     6075     158     6241
    160     6425     162     6475     164     6267     166     6399
    168     6517     170     6435     172     6491     174     6555
    176     6631     178     6665     180     6751     182     6835
    184     6839     186     6903     188     6971     190     7059
    192     7121     194     7295     196     7521     198     7351
    200     7543     202     7427     204     7521     206     7579
    208     7629     210     7689     212     7739     214     7807
    216     7875     218     7953     220     8031     222     8051
    224     8119     226     8173     228     8239     230     8307
    232     8375     234     8443     236     8499     238     8569
    240     8641     242     8743     244     8747     246     8813
    248     8881     250     8949     252     9011     254     9113
    256     9173
基本LA-CDMA码的脉冲占空比很低，例如图1，所示的周期为847的16基本脉冲码，其脉冲占空比只有16/847＝0.0189。为了提高占空比，在实际设计中，可用任何性能良好的脉冲压缩码，如Baker序列、线性调频码等，来代替基本码中的单个基本脉冲。这样，只要让接收信号先经过一个与该脉冲压缩码相匹配的滤波器，其输出就是我们所要求的LA-CDMA码。本发明有如下几种提高脉冲占空比的方法：
请参见图6，用相对编码脉冲压缩法形成LA-CDMA码。基本LA-CDMA码中的正脉冲由连续两个同极性的脉冲压缩码B来产生，负脉冲则由一正B一反B两个脉冲压缩码来产生。以周期为847的16脉冲LA-CDMA码为例，若用13位Baker序列作脉冲压缩码，则脉冲占空比将提高到16×26/847＝0.4911。
请参见图7，用绝对编码脉冲压缩法形成LA-CDMA码。基本LA-CDMA码中的正脉冲由一个脉冲压缩码B来产生，负脉冲则由脉冲压缩码的非码(即反极性B)来产生。仍以周期为847的16脉冲LA-CDMA码为例，若用28位脉冲压缩码来形成单脉冲，则脉冲占空比将提高到16×28/847＝0.5289，若用38位脉冲压缩码来形成单脉冲，则脉冲占空比将提高到16×38/847＝0.7178。
请参见图8，用移位重叠法来提高脉冲占空比，其中a为原始码，b、c、d、e分别为四次移位码，a+b+c+d+e为移位重叠码。需要注意的是移位值应大于信道的时间扩散量，否则，应在接收机处加部分响应均衡器，以减少信道的时间扩散量。在采用同步技术时，与TDMA多址技术类似，不同移位的LA-CDMA码可供不同用户使用。因此，这种方法可以大幅度地增加正交码的数量。对随机接入系统，不同移位的LA-CDMA码只能供同一用户使用，但我们可以此法来大幅度地提高用户传信率，而不致扩展系统的带宽，或者保持传信率不变而压缩系统带宽。
当然，我们也可以采用移位重叠脉冲压缩法，这是一种方法1与2或方法2与3的混合技术，勿需赘述。这种方法可以同时最大幅度地提高脉冲占空比及传信率(或传信率不变而压缩系统带宽)。
基本LA-CDMA码可提供的同时工作的最大用户数只决定于基本脉冲的数量，这在有些情况下是不方便的，因为我们总希望码组中正交码字越多越好。本发明将给出以下两种方法来实现增加用户数的设计。
第一种方法是采用正交脉冲压缩码。若我们能找到M个相互正交的脉冲压缩码，则对N个脉冲的LA-CDMA码我们就可得到MN个正交码字。例如，对周期为847的16脉冲基本LA-CDMA码，采用32位正交码作为脉冲压缩码，则由于32位正交脉冲压缩码组中有32个正交码，则我们总共可得到16×32＝512个正交码字。
第二种方法是引入正交频率。最简单的方法是采用通用的FDMA/CDMA混合技术，这样若有M个正交频率(其频率间隔应为1/T的整数倍，这里T为LA-CDMA码中的脉冲的宽度)，则对N个脉冲的LA-CDMA码，我们可得到MN个正交码字。最好的办法是对LA-CDMA码中的不同脉冲引入不同的正交频率。特别是采用脉冲压缩法时，我们最终得到的码字是基本LA-CDMA码与所选脉冲压缩码的复合码。根据复合编码定理，复合码的特性将主要决定于其复合成份中的坏者。因此若脉冲压缩码选择的不好，则会恶化我们最终的自相关与互相关特性。若用正交频率将各个脉冲“孤立”起来，则脉冲压缩码就会也被“孤立”开来，其影响将随之大幅度减小，同时其选择余地也会大幅度增加。仍以周期为847的16脉冲LA-CDMA码为例，若引入16个正交频率，采用32位正交码作脉冲压缩码，则我们总共可得到16×16×32＝8192个正交码字。
请参见图9，是采用本发明所设计的LA-CDMA随机接入码分多址无线报警系统的接收机框图，该系统采用了16脉冲LA-CDMA码及4个正交频率，可以允许64个用户同时报警。众所周知，当基本信号形式及调制制度确定后，收发信机的基本结构也就随之确定了。当然，具体的实现方式可以根据实际情况有所改动，例如，接收机可以由匹配滤波器来实现，也可以由相关器来实现，但它们实现的都是相关运算，实质上并没有区别，而发射机必须产生我们所需要的调制信号波形，它们可以由运算方式产生。一般而言，发射机的结构比较简单，任何无线通信工程师都可以根据基本调制信号波形而自行设计出来。
该系统的多址码采用图1所示的周期为847的16脉冲LA-CDMA码。另外，采用4个正交频率，频率间隔为基本脉冲宽度的倒数。采用图6所示的相对编码脉冲压缩法，产生基本LA-CDMA码，调制方法为BPSK，脉冲压缩码为13位Baker码序列，为：
1  1  1  1  1 -1 -1  1  1 -1  1 -1  1
允许各用户采用随机接入方式，采用匹配滤波器接收。图中是对一个正交频率的接收机框图。其中对13位Baker序列的运算我们称之为脉形匹配滤波器，它包含13位数字抽头延时线，13位数字延时线，相乘器，低通滤波器及小信号抑制器，其余即808位数字延时线及加法逻辑判决电路等称脉位匹配滤波器。
脉形匹配滤波器形成基本LA-CDMA码的脉冲，脉位匹配滤波器则对LA-CDMA码进行匹配。一个脉位匹配滤波器可以同时实现对16个正交LA-CDMA码的匹配运算。
本发明己完全通过了计算机模拟的验证及模拟实验样机的验证。

Claims (7)

1、一种扩频地址编码技术，其特征在于：扩频地址码是由归一化幅度与宽度均为1的、具有极性的基本脉冲所组成，基本脉冲的个数根据所要求的用户个数、能够利用的脉冲压缩码的个数、能够利用的正交脉冲压缩码的个数、能够利用的正交频率的个数、系统带宽、系统最大传信率这些实际因素确定，基本脉冲在时间坐标上的间隔不等且不同，利用这种间隔不等且不同的脉冲位置和脉冲极性排列编码。
2、如权利要求1所述的一种扩频地址编码技术，其特征在于：所述的基本脉冲在时间坐标上的间隔只有一个为大于最小间隔的任意奇数，即编码长度为奇数，其余均为偶数，且任何一对基本脉冲在时间坐标上的间隔数不等于其它两个或两个以上间隔之和；
3、如权利要求1或2所述的一种扩频地址编码技术，其特征在于：所述的基本脉冲的极性按码字的正交性确定，按哈得马正交阵或其它正交阵排列，按某种超正交阵或双正交阵排列。
4、如权利要求1或2所述的一种扩频地址编码技术，其特征在于：所述的基本脉冲是由脉冲压缩码所形成的，脉冲压缩码可由一个或多个二元或多元序列，含频率、频率相位联合序列，频率、相位及时间联合序列等所形成。
5、如权利要求1所述的一种扩频地址编码技术，其特征在于：还可将所得编码进行移位叠加。
6、如权利要求1或2所述的一种扩频地址编码技术，其特征在于：所述的基本脉冲是由正交的脉冲压缩码所形成的，正交脉冲压缩码可由一组或多组二元或多元序列，含频率、频率相位联合序列，频率、相位及时间联合序列等所形成。
7、如权利要求1或2所述的一种扩频地址编码技术，其特征在于：所述的基本脉冲采用不同的正交调制频率。
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