CN1233890A - 正交扩展频谱通信系统中获取速率可变性的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种给出几乎连续数据速率到最大速率的CDMA通信系统,增加了数据速率的可变性,而不干扰用户之间的正交性。通过时分多路复用普通CDMA系统得到的数据速率,获得增多的数据速率数目,给各种多媒体应用提供补充的数据速率,若给用户分配一个特定的正交码序列,则通过时分多路复用这个特定的正交码集,该用户能够获得补充的所需速率直至最大速率nR。对于要求的比特速率不是普通方法给出整数倍速率的应用而言,可以获得所需的比特速率。

Description

正交扩展频谱通信系统中 获取速率可变性的方法和设备

本发明涉及蜂窝和其他通信系统，更具体些，本发明涉及在利用码分多址(CDMA)的通信系统中获取补充的数据速率的方法和设备。

当多个用户共用一个传输媒介时，就需要某种形式的多路复用以获得可分开的用户子信道。存在着许多多路复用技术，能够在现有的带宽内同时传送多个信息信号，而仍然保持某种应用设备的质量和清晰度。例如，码分多址(CDMA)技术在相同的信道上传送多个信息信号，利用唯一的扩展码对信号进行编码以区分每个用户的子信道。

许多数字无线通信系统中已采用的码分多址(CDMA)技术允许大量系统用户互相通信。当前CDMA网络设计成只传送话音通信业务和呈现出有限的数据速率可变性。然而，CDMA网络必须发展成包含各种多媒体应用，每种应用有可能的不同数据速率。因此，就要求CDMA网络以各种数据速率传送与各种多媒体应用相关的信息，这些数据速率对应于用户提出的多种无线服务要求。

利用码分多址(CDMA)技术的许多通信系统遵照电信工业协会(TIA)采用的IS-95标准。在IS-95标准下，在从基站或小区场所到移动接收器单元的正向链路上采用walsh(沃尔什)正交函数序列调制信息信号，通信系统基本上消除了同信道干扰和提高了比特能量噪声密度比E_b/N_o。为了生成相应的正交信息信号，这些CDMA系统要求，正向链路信息信号必须按照同步方式传送。更详细讨论IS-95标准是在电信工业协会文件No.TIA/EIA/IS-95(1993)“双模宽带扩展频谱蜂窝式系统的移动站-基站兼容性标准”一文中给出，合并在此供参考。

然而，当前实施IS-95标准仅允许有限数目的数据速率。具体些说，电信工业协会最近采用了一个新的标准IS-95B，用于增加CDMA网络可以获得的数据速率。然而，IS-95B标准只允许基本CDMA速率的整数倍或2的幂倍。虽然，这种技术满足了许多应用的数据速率需求，但是，若能够进一步获得数据速率的可变性，则可以大大地扩大CDMA网络的效用。

总的来说，公开了一种给出几乎连续速率至最大速率的CDMA通信系统。公开的CDMA通信系统增大了数据速率的可变性而不干扰用户之间的正交性。利用时分多路复用普通CDMA系统可获取的数据速率得到增大的数据速率数目，给各种多媒体应用提供补充的数据速率。

按照本发明的一个特征，若给用户分配一个特定的正交码序列，例如，walsh序列，它有一个标称的数据速率R和较高速率nR，则通过时分多路复用特定的正交码集此用户能够获得补充的所需数据速率。在此方式下，对于要求不是普通“肥管(fat pipe)”方法给出整数倍速率的比特速率的应用提供所需的比特速率。

在一个用作说明的十六维实施方案中，若一个特定的四元码，例如，四元码(w_k,w_k+4,w_k+8,w_k+12)(k=0,1,2,3)分配给一个信息源，则可以获得速率高达4R的任意速率。按照一般方法把其他合适的码集分配给这个信息源，可以获得R,2R,4R和16R的速率。按照本发明的特征，通过时分多路复用码w_k,w_k ²，和w_k ⁴，获得速率高达4R的任意所需速率。符号w_k ⁿ表示前第n个扩展频谱码w_k(因此，n=2表示前一半的序列)。所以，此用户能够获得速率R和4R的有理数比例因子组合的任意数据速率。

利用对数据进行中间转换(buffering)和重复计时以及时分多路复用对应于现有较低速率和较高速率的正交walsh码，本发明的发送机获得合适码字与合适数据速率匹配的速率转换。速率转换必须与正交walsh码(对应于较低和较高速率)的选择同步。例如，一种需要数据速率在2R与4R之间的应用，例如，速率为2.3R，就要求多路复用2R和4R的walsh码(w_k ²和w_k ⁴)以获得所需的2.3R速率。若2.3R的应用分配了特定的四元码(w₁,w₅,w₉,w₁₃)，则利用序列w₁ ²以获得2R速率和利用序列w₁ ⁴以获得4R速率，取一个合适的均衡以获得综合速率为2.3R，排除码w₅,w₉,w₁₃的使用。

图1是普通CDMA发送机的方框图，此发送机给用户提供单一数据速率的数据流(或子信道)；

图2是一个用作说明的正交扩展频谱码集w₀至w₁₅表；

图3是普通CDMA发送机的方框图，此发送机提供图1中数据速率整数倍的至少一个信息信号；

图4是普通CDMA发送机的方框图，此发送机提供图1中数据速率二倍的至少一个信息信号；

图5是普通CDMA发送机的方框图，此发送机提供图1中数据速率四倍的至少一个信息信号；

图6是按照本发明一个实施例给出数据速率可变性的CDMA发送机一个子信道方框图；

图7是图6中一个速率转换器实施例的方框图；和

图8是按照本发明一个实施例给出数据速率可变性的CDMA接收机方框图。

本发明涉及利用正交扩展频谱码在码分多址(CDMA)环境下调制通信信号的方法和设备。如结合以下图1至图3进一步所讨论的，利用正交码的普通CDMA扩展频谱调制技术只允许速率为片速率的整数倍或2的幂倍。利用时分多路复用普通CDMA系统可获得的数据速率，本发明改进了普通CDMA扩展频谱的调制技术，提供各种多媒体应用补充的数据速率。在一个优选实施例中，给出了连续的数据速率。

如前面所指出的，利用唯一的正交扩展频谱码区分以相同载波频率传输的多个信息信号往往是很需要的。这通常是利用n个“片(chip)”或″信号元(signal element)”组成的预定义码字或图形来编码每个待传送的比特而完成的。在标准的对映调制方法中，可以利用预定义码字表示二元值“0”，可以利用预定义码字的反表示二元值“1”。

已经发现由若干个相继正和负信号元组成的若干个正交扩展频谱码，例如，walsh码，这些码具有优化传输信息检测的独特性质。例如，在CDMA网络的IS-95标准下，64个不同walsh码字w₀至w₆₃，每个码字由64个片组成，允许有64个在相同载波频率上传输的信息信号。由于一些信道，例如，导频信道，同步信号信道和寻呼信道，是为管理目的保留的，通常，传送用户信息少于现有64个信道。

在此处讨论用作说明的实施例中，16个walsh码字w₀至w₁₅，每个码字由16个片组成，允许有高达16个不同信息信号d₀至d₁₅在相同载波频率上传输。因此，如图1所示，为了传送来自一个或多个信息源，例如101-116，普通CDMA系统下行链路部分上的数据到多个终端用户，例如终端用户181-196，利用16个不同walsh码字w₀至w₁₅中的一个，发送机100对待传送的16个数据流d₀至d₁₅中的每一个进行编码。用作说明的walsh码字w₀至w₁₅在图2中表示。在通过传输媒介130传送之前，则对编码信号按普通的方法进行组合和调制。传输媒介130可以是普通的或无线通信网络。调制器可以采用这样的调制方法，例如，用正弦载波乘以码字使信号频率上移到载波频率(未画出)。在此方式下，原有的信号频谱可以转变成联邦通信委员会(FCC)或其他管理当局分配的特定频带。

在接收机150接收到传送的信号之后，接收到的信号通常是由解调器首先下移(未画出)到基带，从而把信号变回到调制之前的原有形式。此后，接收到的信号通过一系列滤波器，例如，滤波器161-176，这些滤波器中的每一个与适当的码字w₀至w₁₅特性相匹配。注意，接收器150可以与全部16个终端用户181至196相关联，如图1所示。然而，更典型的是，每个终端用户，例如，终端用户181有其自身的接收机150，欲更详细了解现有技术CDMA通信系统，请参阅美国专利No.4,901,307，该文合并在此供参考。

对于图1所示的发送机100，每个信息源101-116以恒定的速率R传送，码元持续时间等于walsh码持续时间。把多个正交扩展频谱码，例如，walsh码，分配给相同的高速率信息源，例如，信息源101，就可以在图1所示的设备中得到补充的数据速率可变性。例如，为了使单个信息源101得到传输速率为3R，三个walsh码字(子信道)可以分配给信息源101。因此，可获得的数据速率集合是码元速率R的整数倍。如图3所示，多码源101需要附加的中间转换，一般是串行到并行转换器310的形式。注意，图3所示发送机100’能够组合与码字w₀至w₁₅相关联的16个子信道中任意个，用于增大单个信息源101的数据速率达到最大值16R。

码分多址(CDMA)网络中增大传输速率的第二个熟知方法，一般称之为“肥管”方法，“戳破(puncture)”图2所示用作说明的walsh码集。如以下所讨论的，“肥管”方法得到的数据速率是片速率2的幂倍，并不要求多个速率用户的中间转换。换句话说，可得到的数据速率是R,2R,4R,8R，和16R(对于图2所示用作说明的十六维walsh码而言)。特定的码对，例如，码对(w₀,w₈)或(w₁,w₉)，分配给以速率2R传输的双倍速率用户。然而，每个双倍速率用户只用分配正交扩展频谱码中一个的前一半对数据编码。符号w_k ²表示图2所示的扩展频谱码w_k的前一半。因此，如图4所示，对于分配给信息源410的扩展频谱码对(w₁,w₉)，利用w₁ ²对速率为2R的数据编码，所有信息源不使用w₉。注意，对于每一对(w_k,w_k+8),w_k+8 ²=w_k ²，扩展频谱码的后一半w_k+8是扩展频谱码w_k的反向极性。

同样，特定的四元码，例如，四元码(w₀,w₄,w₈,w₁₂)或(w₁,w₅,w₉,w₁₃)，分配给以速率4R传输的每个四倍速率用户。因此，如图5所示，对于分配给信息源510的正交扩展频谱四元码(w₀,w₄,w₈,w₁₂)，利用w₀对数据编码，所有信息源不使用w₄,w₈，和w₁₂。类似地，对于分配给信息源520的扩展频谱四元码(w₁,w₅,w₉,w₁₃)，利用w₁对数据编码，所有信息源不使用w₅,w₉，和w₁₃。符号w_k ⁴表示图2所示扩展频谱码w_k的前一个四分之一。注意，对于每个四元码(w_k,w_k+4,w_k+8,w_k+12),w_k+12 ⁴=w_k+8 ⁴=w_k+4 ⁴=w_k ⁴，每个扩展频谱码的后三个四分之一w_k+4,w_k+8,w_k+12是与扩展频谱码w_k相同或相反的极性。还注意到，“肥管”方法不要求高速率用户的中间变换，对码不求和，信号的峰值与平均值之比不增大。

按照本发明的特征，在保持普通码分多址(CDMA)发送机的上述正交信号结构的同时，获得补充的数据速率。按照本发明，若给用户按照上述方式分配一个特定码集，此码集允许的最大数据速率为nR，则通过时分多路复用此特定的码集，该用户能够得到补充的所需数据速率高达最大速率nR。然而，为了用普通的系统获得非整数倍速率，例如，速率为2.3R，普通的方法就需要“伪”数据，例如，全部是零，加到传输的数据流中使给出的速率高达下一个可以得到的最大“肥管”速率，例如，4R。因此，本发明对某些应用提供所需的比特速率，这些应用的比特速率不是上述“肥管”技术给出的整数倍速率。

例如，若一个特定的四元码(w_k,w_k+4,w_k+8,w_k+12)(k=0,1,2,3)分配给信息源610，可以获得高达4R速率的任意速率。本发明中，采用扩展频谱码w₀，按照上述图1的方法用户能够得到基本速率R；采用扩展频谱码w₀ ²，按照上述图4的方法能够得到“肥管”速率2R；或采用扩展频谱码w₀ ⁴，按照上述图5的方法能够得到“肥管”速率4R；通过时分多路复用w₀,w₀ ²，和w₀ ⁴，该用户能够获得所需补充的较低速率，速率在R与4R之间。换句话说，该用户能够获得速率R和4R有理数比例因子组合的任意数据速率。

如图6所示，利用中间转换和对数据的重复计时以及时分多路复用对应于现有较低速率和较高速率的正交walsh码，本发明的发送机600获得速率转换。如以下要进一步讨论的，速率转换必须与正交walsh码(对应于较低和较高的速率)的选取同步。例如，作为说明的速率2.3R的应用就要求多路复用2R和4R的walsh码以获得所需要的2.3R速率。若给2.3R的应用分配特定的四元码(w₁,w₅,w₉,w₁₃₎，则利用w₁ ⁴序列得到4R速率，而不使用码w₅,w₉,w₁₃。

因此，当移动终端(终端用户)或基站(信息源)请求高速率服务时，最好利用同步信道(或其他管理信道)以协调无线服务。始发实体就送出一个请求或确认此速率的信息以及所需要的特定码。例如，若移动终端请求一个速率为2.3R的信道，基站就同意或拒绝这个请求，若可行的话，提供分配的序列。在一个优选实施例中，基站给移动终端提供分配的序列以及在较低和较高速率上应当传送的数据量。因此，同步信道协议可以包括含用户标识符的信息(例如，指明移动终端)，序列数(指明利用的特定walsh码w₀至w₁₅)，重复次数N_L和N_U，以及分别对应于较低速率和较高速率的速率指数R_L和R_U(例如，2R,4R，或8R)。所以，根据序列数和较高速率R_U，移动终端就知道必须排除哪些其他的序列。

重复次数N_L和N_U分别是在较低速率和较高速率下传送的码元数目，重复次数是由下列公式确定：

$R_{\mathrm{final}}=\[\frac{R_L{R}_U(N_L+N_U)}{N_L{R}_U+N_U{R}_L}\]R$ 其中R_final是要获得的所需速率，R是基本速率。因此，为了获得所需速率为2.3R,R_L=2和R_U=4，其中一个解是N_L=17和N_U=6。确定这个解的一个方法是承认2.3可以写成整数23与10之比率。把R_final写成这个比率并利用以上公式，导出一组线性方程：

4N_L+4N_U=23n

2N_L+N_U=10n其中n是一个任意整数，可以对n=1,2,3…反复求解这两个公式，直至找到这样一个解，其中N_L和N_U都是整数。

所以，如图6所示，本发明的发送机600包括速率转换器620和时钟630，分别对从高速率源610接收到的数据进行中间转换和重复计时。速率转换器620必须与开关640选取正交walsh码w_k ^L和w_k ^U(对应于较低速率和较高速率)同步。速率转换器620的输出呈现两个不同的比特持续时间，把walsh码w_k ^L和w_k ^U相应地由乘法器650乘以数据。所以，已使信息源与现有的肥管速率一致。

图7说明一种速率转换器620的实施方案。例如，速率转换器620包括两个缓冲器710和720。第一个缓冲器710充满恒定速率的数据，对于每(N_L+N_U)比特，由非对称乘法器730读出第二个缓冲器720。所以，对于上述2.3R这个例子，以2R(R_L)速率从缓冲器720读出17比特(N_L)和以4R(R_U)速率从缓冲器720读出6比特(N_U)。因此，在缓冲器710输入端的时钟是对称的(均匀间隔)，而在非对称缓冲器720输出端的时钟是非对称的。时钟630控制缓冲器720，控制非对称乘法器730，和给乘法器650控制开关640选取的walsh码。

图8说明本发明接收机800的一个实施方案。接收机800包括乘法器810，用于有选择地把接收到的数据乘以开关820选取的合适walsh码；积分、转储和检测部件830，用于确定接收到的比特极性；速率转换器840；和时钟850。速率转换器840的工作方式类似于上述图6和图7中的速率转换器620。乘法器810中低速率或高速率walsh码的选取与积分器830和速率转换器840的输入时钟相联系。在接收机800中，速率转换器840的输入时钟是反对称的，而输出时钟是对称的。

应当明白，此处展示和描述的实施例及其变化仅仅用于说明本发明的原理，专业人员在不偏离本发明范围和精神的条件下可以有各种不同的实施方案。

Claims (27)

1．一种在通信系统中发送扩展频谱信号的方法，所述方法包括的步骤有：

用第一和第二正交函数序列编码一个数据信号以形成扩展信号，其中所述第一正交函数产生第一速率的第一扩展信号并且所述第二正交函数产生第二速率的第二扩展信号；和

把所述第一和第二扩展信号进行组合，生成一个其数据速率在所述第一速率与第二速率之间的组合扩展信号。

2．按照权利要求1的方法，其中所述组合步骤还包括把所述数据信号速率转换到所述第一速率和第二速率的步骤。

3．按照权利要求2的方法，其中所述转换步骤包括中间转换和重复计时所述数据信号，以及时分多路复用对应于所述第一和第二速率的所述正交函数序列。

4．按照权利要求1的方法，还包括步骤，随所述组合扩展信号发送所述第一和第二正交函数序列，所述第一和第二速率以及以所述第一速率和第二速率发送的数据量的指示。

5．一种用于发送数据信号的扩展频谱通信系统，包括：

正交函数编码器，把一个数据信号与至少第一和第二正交函数序列进行组合以形成扩展信号，其中所述第一正交函数产生第一速率的第一扩展信号和所述第二正交函数产生第二速率的第二扩展信号；和

用于组合所述第一扩展信号和第二扩展信号，生成一个其数据速率在所述第一速率与第二速率之间的组合扩展信号的装置。

6．按照权利要求5的发送机，其中所述正交函数编码器把所述数据信号的速率转换成所述第一速率和第二速率。

7．按照权利要求6的发送机，其中所述正交函数编码器包括一个速率转换器，用于中间转换和重复计时所述数据信号以及时分多路复用对应于所述第一和第二速率的所述正交函数序列。

8．按照权利要求5的发送机，还包括这样一个装置，用于随所述组合扩展信号发送所述第一和第二正交函数序列，所述第一和第二速率以及以所述第一速率和第二速率发送的数据量的指示。

9．一种在通信系统中接收某一传输速率的扩展频谱信号的方法，包括：

用至少第一和第二正交函数序列解码所述接收到的扩展频谱信号以生成组合数字信号，其中所述第一正交函数序列产生第一速率的第一数字信号并且所述第二正交函数序列产生第二速率的第二数字信号，其中所述传输速率是在所述第一速率与所述第二速率之间；和

检测所述组合数字信号中的数据信号。

10．按照权利要求9的方法，其中所述解码步骤还包括把所述数据信号速率转换成所述第一速率和第二速率的步骤。

11．按照权利要求10的方法，其中所述转换步骤包括中间转换和重复计时所述数据信号以及时分多路复用对应于所述第一速率和第二速率的所述正交函数序列。

12．按照权利要求9的方法，还包括步骤，随所述扩展频谱信号接收所述第一和第二正交函数序列，所述第一速率和第二速率以及以所述第一速率和第二速率发送的数据量的指示。

13．一种用于在扩展频谱通信系统中发送数据信号的方法，所述方法包括的步骤有：

用第一正交函数序列编码一部分所述数据信号以形成第一速率的第一扩展信号；

用第二正交函数序列编码余下部分的所述数据信号以形成第二速率的第二扩展信号；和

时分多路复用所述第一和第二扩展信号以获取一个组合扩展信号，其速率在所述最大速率与所述另一个速率之间。

14．按照权利要求13的方法，其中所述编码步骤还包括把所述数据信号诸部分的速率转换成所述第一速率和第二速率的步骤。

15．按照权利要求14的方法，其中所述转换步骤包括中间转换和重复计时所述数据信号以及时分多路复用对应于所述第一速率和第二速率的所述正交函数序列。

16．按照权利要求13的方法，还包括步骤，随所述组合扩展信号发送所述第一和第二正交函数序列，所述第一速率和第二速率以及以所述第一速率和第二速率发送的数据量的指示。

17．一种在通信系统中接收某一传输速率的扩展频谱信号的接收机，包括：

正交函数解码器，用至少第一和第二正交函数序列组合所述接收到的扩展频谱信号以产生组合数字信号，其中所述第一正交函数序列产生第一速率的第一数字信号并且所述第二正交函数序列产生第二速率的第二数字信号，其中所述传输速率是在所述第一速率与所述第二速率之间；和

处理器，用于检测所述组合数字信号中的数据信号。

18．按照权利要求17的接收机，其中所述正交函数解码器把所述数据信号的速率转换成所述第一速率和第二速率。

19．按照权利要求17的接收机，其中所述正交函数解码器包括一个速率转换器，用于中间转换和重复计时所述数据信号以及时分多路复用对应于所述第一速率和第二速率的所述正交函数序列。

20．按照权利要求17的接收机，还包括用于随所述扩展频谱信号接收所述第一和第二正交函数序列，所述第一速率和第二速率以及以所述第一速率和第二速率发送的数据量的指示的装置。

21．一种在通信系统中以所需速率发送扩展频谱信号的方法，所述方法包括的步骤有：

用至少第一和第二正交函数序列编码一个数据信号以形成组合扩展信号，其中所述第一正交函数产生第一速率的第一扩展信号并且所述第二正交函数产生第二速率的第二扩展信号；

组合所述第一和第二扩展信号以生成组合扩展信号，其速率在所述第一速率与第二速率之间；和

确定所述扩展信号中所述第一速率的所述数据和所述第二速率的所述数据的比例。

22．按照权利要求21的方法，其中所述确定步骤包括求解下列方程以确定在所述第一速率R_L下传送的码元数目N_L和在所述第二速率R_U下传送的码元数目N_U，以获得所述所需的速率R_final： $R_{\mathrm{final}}=\[\frac{R_L{R}_U(N_L+N_U)}{N_L{R}_U+N_U{R}_L}\]R$

23．一种在通信系统中发送扩展频谱信号的方法，所述方法包括的步骤有：

用第一和第二正交函数序列编码一个数据信号以形成扩展信号，其中所述第一正交函数产生第一速率的第一扩展信号并且所述第二正交函数产生第二速率的第二扩展信号；和

时分多路复用所述第一和第二扩展信号以生成多路复用扩展信号，其速率在所述第一速率与第二速率之间。

24．按照权利要求23的方法，其中所述时分多路复用步骤保持所述的正交性。

25．一种在通信系统中发送扩展频谱信号的方法，所述方法包括的步骤有：

用第一和第二正交函数序列编码一个数据信号以形成扩展信号，其中所述第一正交函数产生第一速率的第一扩展信号并且所述第二正交函数产生第二速率的第二扩展信号；和

组合所述第一和第二扩展信号以获取这样一个数据速率，这个速率是所述第一速率和第二速率的有理数比例因子的组合。

26．一种扩展频谱数据信号，其特征是，所述扩展频谱数据信号的带宽是产生所述扩展频谱数据信号的系统可能获取的两个速率的有理数比例因子的任意带宽。

27．一种扩展频谱数据信号，其特征是，由正交扩展函数确定并能获取两个数据速率的信道的至少一部分是在所述两个数据速率之间时分多路复用。

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