CN1256813C

CN1256813C - 组合的选择性时间切换发射分集方法和系统

Info

Publication number: CN1256813C
Application number: CN01823246.9A
Authority: CN
Inventors: 李晓阳
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: WO2002080380A1; CN1507695A; JP2004529555A; US20040196805A1; EP1382127A1

Abstract

基站(102)中的公共信道发射机(112)产生第一载波信号，以通过分集发射天线，顺序地传送一个导频基准信号(111)到移动站(140)。一个专用信道发射机产生第二载波，传送声音和信号业务到移动站(140)。在基站(102)，定序开关(120)顺序地将公共信道发射机(112)耦合至每个发射天线(118、128、138)，用于顺序地发射用导频基准信号调制的第一载波。多个分集接收天线(150、160、170)从移动站(140)接收信号，每个接收天线相应于一个发射天线(118、128、138)。基站接收机提供各自的信噪比估计，指出其中的一个天线具有比任何其它天线提供的信噪比值更好的信噪比值。基站(102)使用该天线作为向移动站(140)发送的专用信道。

Description

组合的选择性时间切换发射分集方法和系统

技术领域

本发明通常涉及通信系统，特别涉及一种用于在电信系统中实现发射分集的有效方法。

背景技术

无线通信的一个重要方面是发射分集。发射分集的增强产生性能改善，允许通过大气信道发送的信息更少受到环境条件的影响。这对于CDMA(CodeDivsion Multiple Access，码分多址)无线通信系统特别理想。

在CDMA系统中已经提出了多种发射分集技术，例如：OTD(orthogonaltransmission diversity，正交发射分集)、TSTD(time switching transmissiondiversity，时间切换发射分集)、STS(space-time switching diversity，空时切换分集)。

在传统的无线通信系统中，基站或固定站用于和移动站进行通信。基站也被看作是小区、小区的一个扇区或移动切换中心。现行的传统无线通信系统的基站使用专用导频基准信号信道，对于每个发射天线，这是一个独立的导频基准信号。导频基准信号信道是由每个CDMA基站连续发射的未经调制的直接序列扩频信号。导频基准信号信道使移动站获取前向CDMA信道的定时，提供用于相干解调的相位基准。导频信号也提供一种比较基站之间的信号强度的方式，确定何时移动站从一个基站切换到另一个基站或进行发送控制。

CDMA 2000直接扩频前向链路(或用于从基站到移动站传送业务选择，例如声音和信令业务的前向业务信道)使用OTD来改善前向链路性能。OTD是通过将编码比特分成两个(或多个)数据流，对同一用户发送前向链路信道的发射信号来实现。这些编码比特流在被不同的Walsh码扩频以后，可以通过两个(或多个)分离的天线发送。Walsh码是一组相互具有正交特性的波形。如果两个码在码的整个周期上进行求和具有过零产物，则这两个码是正交的。扩频序列被正交伪噪声序列加扰，该正交伪噪声序列对于相同扇区的所有用户是相同的。这样，在两个输出流之间保持正交，因此相同小区的干扰基本被消除。通过将编码数据分成两个或多个分离的数据流，每个用户的扩频码的有效数目和没有OTD的情况相同。

在两个发射天线的情况下，将Walsh码分配给不同天线的具体方法如下。假定在没有发射分集时，长度为2_m的Walsh码W_k被分配用于某一数据速率，在有发射分集时，编码比特流被分成两个，每个天线的编码比特速率减少到原始速率的一半，结果，每个比特流由长度为2_m+1的Walsh码进行扩频。这些码可以通过形成[W_k+W_k]和[W_k-W_k]从W_k构成，在本节中，长度W_k被定义为Walsh码长度。值得注意的是，经过不同的天线发送不同的正交导频基准信号，换言之，经过一个天线发送公共导频基准信号，经过第二个天线发送分集导频基准信号。这容许从两个天线收到的信号的相干检测。

时间分集是大多数数字传输系统的通用技术。通过使用交织在时间上扩频信号后，CDMA系统使用多个前向纠错码。通过在时间上分割数据片，CDMA数据中的瞬时中断不会在声音信号中产生相应中断。当帧由解码器重新组合回来时，任何中断的声音数据是实际声音的相对长时间上的小片，这样减小了对于声音质量的影响。前向纠错与最大似然检测同时用来校正中断的数据。用于CDMA的具体方案是在发射机上使用传统的编码，而在接收机上使用软判决点的Viterbi译码。多年来，传统的编码用Viterbi译码已经主导着在空间通信中使用的前向纠错技术，特别是，在同步卫星的通信网络。

相对于时间分集是路径分集。路径分集的出现是因为从发射机到接收机有多个距离变化的路径。在接收机中存在着相同信号的多个形式，它们通过不同路径到达，彼此之间相对存在时间偏移。CDMA使用了多接收机锁定多路径的优点，例如，三个最强的接收的多路信号，时间偏移它们为对准，然后将它们累加产生一个信号，该信号优于任何独立的信号成分。多接收机相关系统被称为Rake接收机。

为了接收存在时间分集和路径分集的信号，接收机典型地使用分集天线。术语“分级天线”意思是一组相互存在不同的发射和接收特性的天线。本发明的具体实施集中在两种类型的分集：空间分集和极化分集。

空间分集指的是使用被分开一定物理距离的两个接收天线，所述物理距离通常有几个波长的量级，馈给其输出被合并的各个接收机。该系统克服了多径衰落的问题，因为衰落对间距的天线影响不同。空间分集的原理认为当移动收发机来回移动时，它将信号的模式在峰值和零值来回移动。当其中一个零值信号落于天线上时，将使接收的信号强度减弱。然而，如果将第二个天线放在一些距离以外，它将避开信号零区并收到可接受的信号电平的接收信号。

另一种类型的天线分集与天线的极化有关。众所周知，天线可以被垂直极化、水平极化、椭圆极化或圆极化。典型地，当接收天线的极化和发射天线的极化匹配时，信号接收最佳。使用具有特定极化的天线使接收机避免来自噪声源的干扰，该噪声源固有地传递不同的极化矢量给其所产生的噪声信号。这样，通过使用多组同时向相应接收天线发送具有各自不同的极化矢量的信号，可以变化接收到的信号的信噪比。

对于所有的现行方案，在CDMA系统中所有的天线分集技术需要一个对于每个发送的不同信号的专用分集导频基准信号。发送信号或者被分成多个数据流，如在OTD系统中那样，或者将信号拆分并同时应用于所有的天线。对于空间分集和极化分集，接收机可以合并来自具有不同衰落路径的所有天线收到的信号，并正确地恢复收到的信号。这些在每个分集天线上使用专用导频基准信号的发射技术解决了利用发射分集来克服信道衰落的问题。然而，专用导频基准信号产生了大的开销费用，因为这些信号是由所有的天线连续地用足够的功率电平发射，以确保系统覆盖范围内的所有接收机能够正确地恢复从不同的天线接收到的信号。另外，通过专用分集导频基准信号的使用，极大地增加了发射机和接收机的复杂性和设备费用。因此，如果有方法能够减小与天线分集相关的系统开销费用并还能提供发射分集将会是很有益的。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种通信系统，用于在基站和至少一个移动站之间实现发射分集，该通信系统包括：公共信道发射机，用于产生第一载波信号，该第一载波信号用于将导频基准信号从基站发送到至少一个移动站；多个发射天线，用于发射所述第一载波信号，多个发射天线中的每一个具有各自不同的传输特性；导频基准信号定序开关，用于顺序地将所述公共信道发射机耦合至所述发射天线组的多个发射天线中的每一个；多个接收天线，每个相应于一个发射天线，用于从至少一个移动站接收信号；位于基站处的接收机，用于从多个接收天线中的至少两个天线接收信号，并提供各自的信噪比估计，指出至少两个天线中的一个天线具有比至少两个天线中任何其他天线提供的信噪比值更好的信噪比值；耦合至所述接收机输出的控制器，用于使用信噪比估计，来选择相应于多个接收天线中具有最高信噪比值的一个接收天线的多个发射天线中的一个；以及专用信道发射机，用于使用所选择的发射天线向所述至少一个移动站发射专用信道信号。

根据本发明的另一方面，提供一种用于从多个发射天线中选择一个发射天线的装置，所述一个发射天线将被专用信道发射机使用，用于向至少一个移动站发射专用信道信号，该装置包括：多个接收天线，每个相应于一个发射天线，用于从至少一个移动站接收信号；位于基站处的接收机，用于从多个接收天线中的至少两个天线接收信号，并提供各自的信噪比估计，指出至少两个天线中的一个天线具有比至少两个天线中任何其他天线提供的信噪比值更好的信噪比值；耦合至所述接收机输出的控制器，用于使用信噪比估计，将相应于多个接收天线中具有最高的信噪比值的一个接收天线的多个发射天线中的一个，连接至专用信道发射机。

根据本发明的另一方面，提供一种在基站和至少一个移动站之间实现发射分集的方法，该方法包括以下步骤：产生载波信号，用于从基站发送导频基准信号到所述至少一个移动站；顺序地在多个发射天线之间切换载波信号，每个发射天线提供各自不同的传输特性；在多个接收天线的每一个处，从至少一个移动站接收至少一个信号，每个接收天线相应于各自不同的一个发射天线；估计由每个接收天线接收的信号的各自的信噪比值，并识别出其中一个接收天线信噪比值比至少两个天线中任何其他天线的信噪比值好；选择相应于具有识别的信噪比值的接收天线的发射天线作为发送专用信道信号的发射天线；以及使用所选择的发射天线，向所述至少一个移动站发射专用信道信号。

根据本发明的另一方面，提供一种从多个发射天线中选择一个发射天线的方法，该一个发射天线将被用于发射专用信道信号到至少一个移动站，包括：在多个接收天线的每一个处，从至少一个移动站接收至少一个信号，每个接收天线相应于各自不同的一个发射天线；估计由每个接收天线接收的信号的各自的信噪比值，并识别出其中一个接收天线信噪比值比至少两个天线中任何其他天线的信噪比值好；选择相应于具有识别的信噪比值的接收天线的发射天线作为发送专用信道信号的发射天线。

本发明对于每个发射天线不连续使用专用导频基准信号，而是顺序切换，即，连接和断开导频基准信号到基站的每一个发射天线。本发明具有协调用于每个天线的单个导频基准信号的传统技术的所有优点，而没有上述的缺点。本发明定位于达到与传统技术相同的结果而减小设备的复杂性和降低设备和维护费用。通过下面的描述附图的详细说明，本发明的确切特性以及其他目的和优点将会变得更加清楚。

附图说明

图1描述基站利用时间共享导频基准信号发生器与移动站进行通信；

图2是第一载波发送流程图；

图3是移动站接收处理流程图；

图4是移动站呼叫处理流程图；

图5是基站接收和第二载波发送处理流程图。

具体实施方式

图1示出了用于本发明的无线通信系统100的选择性时间切换发射分集(STSTD)系统的具体实施例。这个系统不需要如在现有无线通信系统中那样的用于每个天线的专用导频基准信号。正如图1所示，仅仅使用一个导频基准信号111用于多个发射天线118、128和138。

具体的CDMA无线通信技术使用一组通信信道在基站102和移动站140之间进行通信。通信信道被分类为前向信道和反向信道。在具体的CDMA系统中，所有的CDMA信道由其所用的Walsh码来区分，并被仔细选择为相互正交。定义发送信号119、129和139以前向信道传播，因为它们是从基站102发送到移动站140，同样地，定义发送信号144以反向信道传播，因为它是从移动站140发送到基站102。

来自基站102的所有信号119、129和139的前向信道是典型的最小四个信道的复合。该四个信道是一个导频信道、一个同步信道、一个寻呼信道和一个业务信道。导频信道是未调制的，仅仅由最终扩频序列(短序列)扩频的未调制的载波信号组成。链接到基站102的移动站140使用该导频信道作为相干相位基准。导频信道使移动站140获得前向CDMA信道的定时，提供相位基准用于相干解调，并提供一种用于多个基站之间的信号强度比较的手段，使基站确定何时从一个基站切换到另一个基站或转换移动站的控制。其它三个前向信道：同步信道、寻呼信道和业务信道使用相同的数据流，但在信道上发送不同的数据，同步信道发送日期的时间信息，使移动站140和基站102校准它们的时钟，该时钟用来形成两站用以建立链路的码的基础。寻呼信道是用于前向信道的一个数字控制信道。业务信道等效于一个模拟声音信道，是发生实际对话的信道，前向业务信道除了声音以外，还承载从基站102到移动站140的移动功率控制信息。在传统的CDMA系统中，导频信道、同步信道、寻呼信道和业务信道都调制一个公共载波信号，分离的信道由各个Walsh码形成。然而，在CDMA 2000中，公共信道(导频、同步和寻呼)可以调制与由业务信道调制的载波信号具有不同频率的载波信号。

反向信道典型地包括至少两个信道。发送信号144是在反向信道中传播的，因为它是从移动站140发送到基站102的。两个反向信道是接入信道和反向业务信道，接入信道是数字控制信道。接入信道上的通信包括登记请求、对于寻呼的响应和呼叫发起。业务信道等效于模拟声音信道，它承载从移动站140到基站102的声音和移动功率控制信息。

上述的一些信道被称为专用信道，因为这些信道是在某些时段由特定的移动站用户用于传送声音信息或对于用户专用的特有数据信息。上述的其它信道被称为公共信道，因为它们是由系统中的多个用户共享的，例如广播信道、控制信道等等。如图1所示的STSTD发射分集技术的本实施例涉及到专用和公共信道。

在申请人的发明中，当STSTD发射分集方法用在具有多个发射天线118、128和138以及接收天线150、160和170的基站方时，发生如图2所示的处理。在步骤210，公共信道发射机112产生第一载波信号113，包括用导频信道扩频信号调制的射频信号。在步骤212，第一载波113用来将步骤218所产生的导频基准信号从基站102发送到至少一个移动站140。公共信道发射机112被用导频基准信号111调制并产生第一载波信号113，在步骤214，第一载波信号通过定序开关120被顺序链接到第一天线组的多个发射天线118、128和138中的每一个。在步骤216，定序开关每次选择一个天线用于发送公共信道信号。

在本发明的具体实施例中，步进马达124控制定序开关120，顺序交换并连接公共信道发射机112的输出到耦合器116、126、和136，这样，连接至第一天线组的各个发射天线。或者，可以用一个多路复用器在发射天线118、128和136之间切换导频信号。在本发明的具体实施例中，用1.25毫秒的切换速度切换天线，可以预期切换速度大于或等于1.25毫秒。

正如图1所示的申请人的具体实施例，因为每次由公共信道发射机仅仅使用发射天线118、128或138中的一个，所以没有必要对于每个发射天线保留一个专用分集导频基准信号发生器110。

这样，通过在不同的时间间隔使用不同的天线来实现发射分集。申请人的实施例仅仅发送一个导频信号，使用时域分集、空间分集和极化分集的组合，获得更好的分集。消除了其它的专用分集导频基准信号，降低了发射机和接收机的系统复杂性。而且减少了在相同频带内发送其它信号所产生的噪声电平。消除了其它的专用分集导频基准信号也增加了系统的容量。

发射机信号119、129和139通过空中顺序发送，由移动站140接收。图3示意了移动站140的接收过程。

移动站140可包括一个多元天线阵列，能得到显著的分集增益和干扰抑制。通过使用基于从基站102接收到的平均公共导频基准信号的相位估计，即使而在天线118，128和138之间顺序切换公共信道导频信号，移动站140仍能恢复公共信道导频信号。

图3所示的过程表明，移动站使用的发射天线是通过计算各个接收天线的信噪比电平、基于提供最佳信噪比值的天线来确定的，使用相应的发射天线将专用信道信号送回基站。在步骤310，移动站的所有天线同时从基站接收信号。在步骤312，该过程计算一个特性图来比较收到的信号，基于这个比较，步骤314选择相对于最好性能接收天线的发射天线。步骤318以后，过程分开，步骤318确定所选的发射天线作为将被用于发送信号到基站的天线，同时，步骤316处理公共信道上接收的信号，以建立一个基准频率、一个时间基准、解调同步信道、收听寻呼信号、设置主时间值和接收一个确认，即远端接收机已经同基站进行了注册。

图4示意了移动站呼叫过程。在步骤410拨想要的号以后，在步骤412按下发送键，使用图3中步骤314中选择的发射天线，在步骤414发送呼叫请求信号到基站。在步骤416，该具体系统使用所有的接收天线来收听来自基站的寻呼信号，在步骤418，从寻呼信号中提取分配的信道信息，在步骤420，在分配的业务信道上发送专用信道信息。

参照图1和图5，在步骤510，从移动站140发送的信号144同时由位于基站的第二天线组中的所有天线接收。第二天线组包括接收天线150、160和170，每个天线对应于发射天线118、128和138中的一个。基站接收该信号，确定使用哪个天线从基站向移动站发送专用信道信号。

在基站102中，在步骤516，专用信道发射机114可选地产生第二载波信号115，正如516步所指以虚线所示。专用信道是用来从基站102传送声音和信号业务到至少一个移动站140。如果该CDMA系统是传统的CSMA系统，步骤516不产生第二载波信号，因为用于专用信道的载波信号和用于公共信道的载波信号相同。然而对于CDMA 2000系统，步骤516可产生与第一载波信号具有不同频率的第二载波信号。

专用信道发射机114被连接至发射天线118、128和138中的一个，在步骤510，来自移动站140的发送信号144由接收机152、162和172接收以后，确定选择使用哪个天线。过程中的下一步，512步，在信噪比值估计器154中处理每一个收到的信号，以产生各自的信噪比(SNRs)估计。S/N值估计器154使用信噪比值来选择发射天线118、128和138中的一个，用来发送专用信道信号到远端移动站140。正如图3所示的过程，图4所示过程选择相应于具有最高的信噪比值的接收天线的发射天线。

尽管本发明是参照其特定的实施来描述的，它没有必要受到限制。相应地，所附加的权利要求书应当解释为不仅包括本发明上述特定描述的那些形式和具体实施，而且包括本领域的技术人员在不脱离它的真实范围的情况下可能发明的其他形式和实施例。

Claims

1.一种通信系统，用于在基站和至少一个移动站之间实现发射分集，该通信系统包括：

公共信道发射机，用于产生第一载波信号，该第一载波信号用于将导频基准信号从基站发送到至少一个移动站；

多个发射天线，用于发射所述第一载波信号，多个发射天线中的每一个具有各自不同的传输特性；

导频基准信号定序开关，用于顺序地将所述公共信道发射机耦合至所述发射天线组的多个发射天线中的每一个；

多个接收天线，每个相应于一个发射天线，用于从至少一个移动站接收信号；

位于基站处的接收机，用于从多个接收天线中的至少两个天线接收信号，并提供各自的信噪比估计，指出至少两个天线中的一个天线具有比至少两个天线中任何其他天线提供的信噪比值更好的信噪比值；

耦合至所述接收机输出的控制器，用于使用信噪比估计，来选择相应于多个接收天线中具有最高信噪比值的一个接收天线的多个发射天线中的一个；以及

专用信道发射机，用于使用所选择的发射天线向所述至少一个移动站发射专用信道信号。

2.如权利要求1所述的通信系统，其中，所述多个发射天线中的至少两个呈现出空间分集。

3.如权利要求2所述的通信系统，其中，所述多个发射天线中的至少两个呈现出极化分集。

4.如权利要求1所述的通信系统，还包括步进马达，用于在多个发射天线之间以大于或等于1.25毫秒的切换速度进行切换。

5.如权利要求1所述的通信系统，还包括多路复用器，用于在多个发射天线之间以大于或等于1.25毫秒的切换速度进行切换。

6.一种用于从多个发射天线中选择一个发射天线的装置，所述一个发射天线将被专用信道发射机使用，用于向至少一个移动站发射专用信道信号，该装置包括：

耦合至所述接收机输出的控制器，用于使用信噪比估计，将相应于多个接收天线中具有最高的信噪比值的一个接收天线的多个发射天线中的一个，连接至专用信道发射机。

7.如权利要求6所述的装置，其中，所述接收天线中的至少两个呈现出空间分集。

8.如权利要求7所述的装置，其中接收天线中的至少两个呈现出极化分集。

9.一种在基站和至少一个移动站之间实现发射分集的方法，该方法包括以下步骤：

产生载波信号，用于从基站发送导频基准信号到所述至少一个移动站；

顺序地在多个发射天线之间切换载波信号，每个发射天线提供各自不同的传输特性；

在多个接收天线的每一个处，从至少一个移动站接收至少一个信号，每个接收天线相应于各自不同的一个发射天线；

估计由每个接收天线接收的信号的各自的信噪比值，并识别出其中一个接收天线信噪比值比至少两个天线中任何其他天线的信噪比值好；

选择相应于具有识别的信噪比值的接收天线的发射天线作为发送专用信道信号的发射天线；以及

使用所选择的发射天线，向所述至少一个移动站发射专用信道信号。

10.如权利要求9所述的方法，其中，顺序地在多个发射天线之间切换载波信号的步骤，包括步骤：顺序地在多个呈现出空间分集的发射天线之间切换载波信号。

11.如权利要求9所述的方法，其中，顺序地在多个发射天线之间切换载波信号的步骤，包括步骤：顺序地在呈现出空间分集和极化分集的多个发射天线之间切换载波信号。

12.一种从多个发射天线中选择一个发射天线的方法，该一个发射天线将被用于发射专用信道信号到至少一个移动站，包括：

选择相应于具有识别的信噪比值的接收天线的发射天线作为发送专用信道信号的发射天线。

13.如权利要求12所述的方法，其中，在多个接收天线的每一个接收所述至少一个信号的步骤中，在具有各自不同的空间特性的天线接收所述至少一个信号。

14.如权利要求13所述的方法，其中，在多个接收天线的每一个接收所述至少一个信号的步骤中，在具有各自不同的极化特性的天线接收所述至少一个信号。