CN1241847A - 用于扩频无线通信的同步技术和系统 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于同步在无线通信系统内与基站传输相关的时间结构的方法和设备。一个广播控制信道能够在一个或多个时隙内包含同步符号。该符号为可以在广播控制信道中引入频率偏差的周期性的信号,如指数信号。该频率偏差可以为接收机所识别,从而实现与基站发送的时间结构的同步。而且,与本地振荡器的偏差相关的相位旋转所引起的频率偏差的变化也可以得到补偿以实现频率同步。

Description

用于扩频无线通信的同步技术和系统
本发明涉及数字无线系统，更具体而言，涉及在扩频无线通信系统中实现作为接收信号处理的一部分的同步。
无线通信系统涉及通过空中接口传输信息，例如用信息去调制载波频率。对接收来说，接收机试图通过使用适当的解调技术来精确地从接收信号中提取信息。然而为了解调接收信号，首先需要使发射机和接收机的定时时钟同步。依据无线通信系统的设计可以要求不同级别的同步。例如，在大多数的系统中，发射机和接收机之间的时钟偏差将导致产生比特级别的定时偏差。而且，在有些无线通信系统中，信息以二进制位组(有时被称作是帧，它表示独立地被检测和译码的信息块)的方式传送。在这些类型的系统中，还希望能够定位帧头，以使得与特定接收机相关的信息可以被分离出来并被解调。同样地，有些系统(例如时分多址接入或TDMA系统)进一步再把帧分成为时隙，以产生彼此时分复用的信道。在这类系统中，更加希望在每一个时隙的开始就能使接收机同步。
有些系统通过使用被称为码分多址接入(CDMA)的扩频技术提供信道化。在CDMA系统中，要传送的信息数据流首先通过使用唯一的扩展码进行编码或扩频，然后再与长伪随机序列(PN-sequences)或短加扰序列(scrambling-sequences)相结合。在后一种方案中，加扰序列要一个小区一个小区地设计，使得相邻小区使用不同的加扰序列或加扰掩码(scrambling-mask)。信息数据流和伪随机序列或加扰序列可以有相同的或不同的比特速率。唯一的扩展码和长伪随机序列的比特通常被称为码片。因此，CDMA系统中也希望在码片边界上使接收机同步，即比特级别的同步。
要进一步理解在CDMA无线通信系统中与信号处理相关的同步任务，来看下面的例子。图1示例使用基站在蜂窝系统中向移动用户(移动台)发送无线电波。在一个CDMA系统中，基站10可以给移动台14和15发送信号，可以是单一(复合)信号。送往移动台14的信号通常经过一个短码编码，该短码与用来对送往移动台15的信号编码的短码是正交或基本正交的。这些信号再由第二个码来扩展，该码与基站10有关，通常被称做长码。两个经过编码和扩展的信号之和由基站10所发送。
当移动台14收到复合信号时，移动台14要用长码和短码与扩展信号相乘，从而来恢复送往移动台14的信号，并且移动台15的信号作为干扰噪声被抑制。相似地，移动台15要用分配给移动台15的长码和短码与扩展信号相乘以恢复送往移动台15的信号，且移动台14的信号作为干扰噪声被抑制。除了要记住和了解可应用的长码和短码，要想解扩、解调和译码隐含在信号中的信息，移动台14和15接收器必须与上述的接收信号取得不同级别的同步。
为获得不同级别的同步，已经开发出了许多不同的技术。对于时隙同步来说，这些技术通常在很大程度上要依赖于帧结构和给移动台发送开销或控制信息的模式。通常在一个或更多个广播控制信道上提供开销信息，该信道由基站通过移动台可以快速锁定和接收开销信息的已知信道发送，开销信息包括用于与基站取得帧同步的信息。本领域的技术人员都知道许多无线通信系统包含非同步的基站，即没有享用公共的定时参考信号的基站。因此，时隙同步是一个在启动的时候和移动台从一个小区移动到另一个小区的时候都需要完成的过程。
在一个宽带CDMA建议系统中，通过查找同步域来完成时隙同步，同步域作为控制信道的一部分，在预先约定好的帧头或时隙头(时间)位置上广播。同步域就是所谓的GOLD码，这种码有良好的相关特性，可以提高移动台的检测效果。根据检测接收到的GOLD码，移动台可以得知时隙的边界，从而就能读取其它域内的信息并继续例如完成帧同步和比特同步，以便读取由系统发送给移动台的信息。
在完成与接收信号相关和查找相关峰值的同步过程中，移动台可以使用匹配滤波器来检测GOLD码。为完成该任务，匹配滤波器的长度需要与同步域的长度相同。由于这一项特定申请采用了宽带CDMA技术，通过与广播控制信道对应的扩展码相乘，GOLD码被扩展成例如256码片的码片速率。
由于移动台的本地振荡器的不精确，从同步符号的开始到结束，同步符号的相位是变化的。这种相位旋转在匹配滤波器的输出峰值处会导致严重的信号能量损耗，因而可能导致相关峰值的误检测。例如，假设振荡器偏差为10ppm，由公式：相位旋转＝360°×振荡器偏差×载波频率/符号速率可以计算得到在符号(GOLD码)同步过程中相位旋转是450度，其中载波频率和符号速率分别为2GHz和16kHz。为避免与相位旋转大小相关的信号能量损耗，可以把匹配滤波器分割为几个滤波器段。这样减少了信号能量的损耗，但是导致接收信号信噪比降低。因此，就要优先考虑寻找一些避免使用匹配滤波器的其它技术来完成无线通信系统的广播控制信道的基本同步(时隙同步)。
本发明涉及数字无线信号的时间(和频率)同步，该同步是通过识别在广播控制信道上发送的同步域来完成的。根据本发明的示范实施例，同步域是周期的非扩展(非调制)信号，例如指数信号，它将对广播控制信道的载波频率引入一个已知的频率偏差。然后移动台可以去读包含该同步域的广播控制信道，寻找指数信号，识别它的频率偏差。频率偏差开始时刻可被用来为控制信道提供时间同步，频率偏差的大小可以用来完成频率同步。这样就避免了分割匹配滤波器(Segmented matched filter)和与之相伴的低信噪比。
本发明的示范实施例在宽带CDMA系统中采用这样一种时间/频率同步技术，其中有两个广播控制信道向移动台提供接入系统所需的信息，例如时隙同步、帧同步、码片同步和所监听的基站长码的同步。根据一个示范实施例，每一个广播控制信道都包括一个含有良好相关性码(例如GOLD码)的同步域。两个广播控制信道的其中之一还包括周期信号，如指数信号，它会引入前面所述的频率偏差。后一种广播控制信道可以被移动台跟踪锁定，从而捕获时隙同步和帧同步。然后，通过估计两个广播控制信道的GOLD码来确定与广播两个控制信道的基站相关的长码。在可选实施例中，可以用周期信号来代替这一个或两个GOLD码。
附图简述
下面将参考附图来描述本发明，其中：
图1说明可以应用本发明的一个传统蜂窝无线通信系统；
图2描述了一种已知的物理和逻辑信道结构；
图3是一个可以应用本发明的发射机和接收机的结构；
图4根据本发明的示范实施例描述了一种物理和逻辑信道结构，其中指数函数用做同步符号；并且
图5(a)-5(c)是频率—幅度曲线其中(a)发送GOLD码作为同步符号，(b)发送指数符号作为同步符号，(c)发送经过∑-Δ调制的指数符号作为同步符号。
出于解释而不是制约的目的，为了提供一个对本发明完整的理解，在随后的描述中给出具体的细节，如具体电路、电路组成、技术等等。然而很明显，对于本领域的技术人员来说，脱离这些具体细节，本发明可以应用于其它实施例中去。为了不对本发明的描述造成模糊，在另外的例子中，省略了对一些众所周知的方法、设备和电路的细节描述。
在此所讨论的示范的无线通信系统，使用混合的TDMA/CDMA方法，基站和移动台之间的通信通过使用扩展码来完成，其中的信息是在离散时隙上传送。然而，本领域技术人员可以理解在此公开的概念也适用于其它方法，包括，但是并不局限于频分多址(FDMA)、TDMA、CDMA或其它多址方法。同样，一些示范实施例提供一些说明性的例子，这些例子涉及为特定第三代无线通信系统所考虑的示范帧和逻辑信道结构，然而在此所描述的这些技术同样适用于任何系统的无线基站。
在大多数通信系统中，接收机收到所期望信息的第一帧的时候，发射机时钟和接收机时钟并不是锁定的，即在时间上没有做到帧同步，没有做到用于从基站传送信息的逻辑信道格式同步。出于示例说明而不是制约的目的，考虑图2中所描述的示范帧和逻辑信道格式。其中64个10ms的无线帧组成一个超帧。每一个无线帧进一步被分为16个时隙。与物理或逻辑信道相对应，每一时隙包括不同的信息类型和信息域。物理信道可能会包括业务信道和控制信道。
在图2中描述了两个控制信道各自的一个时隙，分别称做BCCH1和BCCH2。这两个控制信道由基站广播给本区域内受该基站服务的所有移动台。BCCH1上广播的每一个时隙包括4个导频符号，5个与BCCH1所携带逻辑子信道相关的符号，即向监听移动台传送有关网络活动的信息，和一个同步符号，在该示范方案中通常被看作是长码屏蔽符号(LCMS)。BCCH2只携带一个同步符号。起初，提出BCCH1上传送的同步符号被移动台用来获得时隙同步，而BCCH2上传送的同步符号被移动台用来获得帧同步。比较与每一个同步模式相关联的比特模式，可以为移动台提供有关在两个信道上传送并由基站所采用的长码的信息。
在描述申请人新颖的同步技术之前，先参考图3给出对一些发送和接收部件的简单的描述，这些部件通过空中接口，并使用图2中所给出的或者下述描述的帧结构和逻辑信道结构传送信息。其中有两个源，分别为40和50，由同一个基站的不同发射机所支持，使用扩频技术在相同的频谱内传送不同的信号。每一个源的输入数据与正交短码相乘并且由另外的长码来扩展。然后，经过编码和扩展的用户数据总和经由无线频率载波和发射天线发送出去。例如图3中，用户输入数据41与正交短码43相乘并经长码45所扩展。经过编码和扩展的用户数据总和47用来调制无线频率载波49，并经由发射天线42发送出去。同样地，用户输入数据51与正交短码53相乘并经长码55所扩展。经过编码和扩展的用户数据总和57用来调制无线频率载波59，并经由发射天线52发送出去。发射天线42发送信号44，发射天线52发送信号54。
接收机60含有接收天线62。信号44和54通过空中接口传输时要经历信道的影响，例如沿各种长度的不同路径到达的信号44和54的反射波。这些反射信号的相互作用造成多径衰落，在任意给定时刻下，它们的影响随移动台的特定位置变化而变化，信号强度随发射源和接收机之间的距离增加而降低。接收机60可以采用多种已知RAKE接收机(已为本领域技术人员所熟知)的任何一种从不同的信号路径来采集信号能量。当接收机60接收到信号98，用载波64去解调信号，得到复合信号67。用同步的长码65去解扩复合信号67，用同步的正交码63去译码。接收机60可以使用积分器67和采样器69重建发送信号。
为了通过业务信道完成接收数据的信号处理任务，接收机60必须首先了解用于解扩的长码和短码。这些信息可以通过一个或多个控制信道来获得，如BCCH1或BCCH2，为读取这些信息，移动台必须首先要同步。如上所述，早先的建议把目光集中在使用BCCH1中传送的同步字获得时隙同步，使用BCCH2中传送的同步字获得帧同步，通过比较两个同步字的模式识别长码。然而，本发明的示范实施例中不需要使用上述的匹配滤波器，而是通过在一个或两个广播控制信道上发送周期信号，以及在移动台中检测周期信号来完成时间和频率的同步。
仅作为引入频率偏差技术的一个例子，考虑本发明的示范实施例，如图4所示，其中指数信号被插入第二个广播控制信道BCCH2。其中，在同步符号之前的某一时刻BCCH2的载波频率被持续一个符号周期的指数信号所调制。然而指数信号本身不被调制。本领域技术人员可以理解图4的许多方面都仅仅是示范。例如，指数信号可以占据多于一个符号周期，如2、3或4个符号周期。而且，指数信号可以放置在时隙中的同步符号以后。
图4只描述了BCCH2的#1时隙。指数信号每帧只能传送一次。或者，指数信号在一帧内每个时隙或时隙子集(如每隔一个时隙)内传送。如果以指数信号形式出现的同步符号只在每帧的一个或几个时隙内传送，则可以提高该信号的幅度(功率)，使移动台可以更加容易地检测它，以加速同步过程。
与GOLD码不同，把指数信号调制到载波上会引入频率偏差。考虑以exp(j2πFt)为特征的指数信号，其中F和t分别代表频率和时间。指数信号的使用把由振荡器不精确带来的相位旋转变成为加性的频率偏差ΔF。因此，图4中相位旋转的同步符号可以用exp(j2π(F+ΔF)t)表示。
初始假设ΔF＝0，尽管所接收到的信号的频率有所改变，同步符号还是可以被检测出来的。具体来说，接收机可以通过查找频率偏差F来检测同步符号，该频率偏差是由于用指数信号去调制载波而故意引入的。例如，当读取广播控制信道BCCH2时，指数信号可能有用于查找的时间离散频率f＝1/4。
各种各样的已知技术可以用来查找这种频率偏差，例如利用线性回归技术来估计接收信号的相位。既然与如何在所用的具体频率检测技术基础上识别频率偏差相关的细节对本发明并不是十分重要的，为了避免对本发明产生模糊的概念，这些细节被省略。然而，有兴趣的读者可以参考美国专利申请序列号08/971,666，题为“估计频率偏移量的方法和设备(Method and Apparatus For Estimating a FrequencyOffset)”，1997年11月17日提交，以及国专利申请序列号09/026,724，题为“检测频率同步信号的方法和设备(Method and Apparatus forDetecting a Frequency Synchronization Signal)”，1998年2月20日提交，这两篇专利申请特在此引入，作为参考。
通过查找频率偏差开始的时间，接收机或移动台能够决定时隙的开始/帧边界。通过使用该信息，移动台可以在时间上与系统同步，也可以比较同步符号模式(如早先提出的图2所示的结构)来决定发送BCCH1和BCCH2的基站的长码。
此外，在作为同步符号引入的指数类型(或其它周期性)信号的基础上，既然有意引入的频率偏差的幅度是已知的，通过比较故意引入的频率偏差F和由移动台所测量到的频率偏差，同时还可以确定ΔF。这样，移动台能够补偿由本地振荡器所带来的频率误差，从而完成频率同步和时间同步。
除了早先提出的同步符号(如GOLD码)之外，尽管上述示范实施例描述了提供指数信号做同步符号，本领域的技术人员还可以了解到指数信号可以去替换上述例子中的一个或两个在BCCH1和BCCH2上传送的同步符号。
此外，没有调制的指数信号与前面建议的作为同步符号的GOLD码的扩展形式相比较，未调制的指数信号占据相对窄的带宽。如果希望增加与指数信号有关的带宽，该信号可以使用熟知的∑-Δ调制技术。调制的结果见图5(a)-5(c)，其中5(b)中给出的未调制指数信号的相对较大的尖峰信号被∑-Δ调制技术扩展到更宽的带宽上，如图5(c)所示。∑-Δ调制技术的一个优势在于采用了∑-Δ调制技术之后，周期信号的频率仍然可以被估计出来，这已是被本领域的技术人员所公认的。
本发明是通过示范实施例的形式来描述的，但并不仅局限于此。本领域的技术人员所做的修改和变化没有脱离在所附权利要求所规定的本发明的实质和范围。

Claims (12)

1.用于与无线通信系统所发送的信息相关的时间结构同步的一种方法，包括以下步骤：
在广播控制信道上传送非扩展的周期信号；
在移动台检测由所述周期信号所引入的频率偏差；以及
根据所述检测的频率偏差识别所述时间结构的开始。
2.如权利要求1所示的方法，进一步包括以下步骤：
使用时分多址接入技术传送所述信息。
3.如权利要求1所示的方法，进一步包括以下步骤：
使用码分多址接入技术传送所述信息。
4.如权利要求1所示的方法，其中所述时间结构包括与每一帧相关的多个时隙，其中每一个时隙包括由传送所述周期信号所产生的同步符号。
5.如权利要求1所示的方法，其中所述时间结构包括与每一帧相关的多个时隙，其中只有一个所述时隙包括由传送所述周期信号所产生的同步符号。
6.如权利要求1所示的方法，进一步包括以下步骤：
增加所述周期信号的频率带宽。
7.如权利要求6所示的方法，其中增加频率带宽的所述步骤进一步包括如下步骤：
在传送之前采用∑-Δ调制技术来调制所述周期信号。
8.如权利要求1所示的方法，其中所述传送步骤进一步包括如下步骤：
在所述广播控制信道上传送第二个同步符号。
9.如权利要求8所示的方法，其中所述第二个同步符号是GOLD码。
10.如权利要求1所示的方法，进一步包括如下步骤：
使用所述检测到的频率偏差和所述周期信号的知识在频率上与所述广播控制信道同步。
11.如权利要求1所示的方法，其中所述周期信号是指数信号。
12.一种移动台，包括：
用于接收作为同步符号在广播控制信道上传送的周期信号的接收机；以及
用于确定与所述周期信号相关的频率偏差被引入所述广播控制信道的时刻、以便使所述移动台与该广播控制信道实现时间同步的装置。
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