CN1299571A - 测量信号定时的方法,和无线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及测量信号定时的方法和实现该方法的CDMA无线系统。关于邻近基站(104,106)所发送的至少一个编码信道的数据通过服务基站(102)传送到终端(100)。终端(100)根据这些数据至少确定各所述编码信道的扩展码以及与服务基站(102)的定时有关的码元定时的估算。并且终端利用邻近基站(104,106)的至少一些编码信道来测量邻近基站(104,106)的信号定时。根据该定时,例如确定终端(100)的位置。

Description

测量信号定时的方法，和无线系统
本发明的领域是无线系统，尤其是CDMA无线系统。本发明涉及CDMA无线系统中所用的测量信号定时的方法，该系统包括至少三个基站和一个终端，它们可将信号乘以扩展码，并且在这种方法中，基站的传输包括不同的扩展码所发送的各种编码信道，以这种编码信道之一来发送预定的码元序列，并且在这种方法中，终端与至少一个基站有联系，终端通过该基站的定时来存储数据。
本发明还涉及一种无线系统尤其是CDMA无线系统，该系统包括至少三个基站和一个终端，它们可将信号乘以扩展码，在这种无线系统中，基站的传输包括不同的扩展码所发送的各种编码信道，这些编码信道中至少有一个包括预定的码元序列，而终端与至少一个服务基站有联系，终端通过该基站的定时来存储数据。
为了例如检测接收信号和确定终端的位置，确定该信号的精确传播时延是很重要的。为了使终端本身与基站的传输同步，各基站以同步信道发送同步信号。每当领示信号可识别，就能解调和检测同步信道上的信号。在同步信道上，发送关于该基站、领示信号的功率和相位以及上行链路的干扰量的数据。当发射机与接收机之间的连接被同步时，检测业务信道上的码元是可行的。同步连接对其说来意味着终端知道信号的传播时延。
在现有技术方案中，为了进行同步，可利用其传输方向从基站到用户台的编码信道，如领示信道。用户台查找码相位，然后使其本身与基站的传输同步，从而确定基站的信号定时。在相反的从用户台到基站的传输方向上，用户台进行发送，而基站查找码相位并确定终端的信号定时。在从用户台到基站的传输方向上，会出现由于用户台与基站之间的距离而引起的问题，即远近问题。在确定终端的位置时，这一问题称为覆盖问题。靠近某基站的终端在其他基站的覆盖区之外，因此由于其附近基站的干扰传输该终端无法收听其他基站。由于无法测量终端与至少三个基站之间的信号的传播时间，因此也就无法确定终端的位置。
因此，本发明的目的在于提供一种能排除以上问题的方法和实现该方法的装置。利用引言中所公开的那种方法可以达到这一目的，该方法其特征在于：将关于至少一个邻近基站所发送的至少一个编码信道的数据通过服务基站传送到终端，终端根据所述数据确定至少一个所述编码信道的扩展码以及与服务基站的定时有关的各编码信道的码元定时的估算，并且终端还根据这些关于编码信道的数据利用邻近基站的至少一些编码信道来测量邻近基站的信号定时。
本发明的系统其特征在于：服务基站用来传送关于至少一个邻近基站所发送的至少一个编码信道的数据，终端用来根据所述数据确定至少一个所述编码信道的扩展码以及与服务基站的定时有关的各编码信道的码元定时的估算，并且终端还用来根据这些关于编码信道的数据利用邻近基站的至少一些编码信道来测量邻近基站的信号定时。
本发明的方法和系统具有许多优点。覆盖得到了改善，并且终端也能使其本身与邻近基站的传输同步，这使得可以确定终端的位置。
下面将参照附图，利用一些优选实施方式来详述本发明，其中：
图1示出了无线系统，
图2示出了业务信道，
图3示出了接收机的框图，和
图4示出了RAKE接收机的框图。
本发明的方案尤其适用于WCDMA无线系统(宽带码分多址)，但并不局限于此。
图1示出了一种无线系统，该系统包括一个终端100、三个基站102-106和一个基站控制器108。这里，终端100(最好是移动电话)可认为是主要与基站102联系。基站102的邻近基站是基站104和106。所有这些基站102-106最好共用同一基站控制器108，从该控制器通过例如移动业务交换中心(未在图1中示出)还可以进一步连接到移动电话网的其他部件和连接到其他电话网。除了终端100之外，该无线系统的所有其他部件被称为无线系统的网络部件。
为了测量终端的位置，需要终端与至少三个基站之间的信号的传播时间。首先，终端测量各基站所发送的信号的到达时间TOA。通过计算基站的到达时间TOA的差，就可以检测出基站的信号之间的时间差TDOA(达到的时间差)或OTD(观测的时间差)，此时，这些时间差也说明基站与终端之间的距离。当得知终端与至少三个基站之间的距离时，就可以明确地确定终端的位置。在CDMA系统中，可以利用扩展码的同步来确定到达时间。如果扩展码的某一给定的码片(一个码片代表一比特扩展码)在终端处在时刻t1出现，而同一码片在基站处在时刻t2出现，那么终端与基站之间的信号的传播时间为t2-t1。终端测量时间t1而基站测量时间t2。在本发明的方案中，终端时钟不必与基站的时钟同步。当终端向基站发送所谓的往返信号而基站应答这一信号时，就可以消除终端与基站之间的时间差的影响。如果基站的传输未被同步而基站之间的时间差又不知道，那么必须测量离终端测量其信号定时的所有基站的往返行程。在同步网络中，或者如果知道基站之间的时间差，则对于采用基于时间差的TDOA方法来确定位置而言不需要往返信号。在基于传播时延的TOA方法中，对于服务基站而言只需往返信号。
即使网络被同步或者基站之间的时间差已知，在确定到其他基站的传播时延的范围时也可以利用发给服务基站的往返信号。终端首先利用往返信号测量到服务基站的距离。如果到服务基站的距离为d1，那么邻近基站与终端之间的距离为：
d12-d1-e<d2≤d12+d1+e
其中，d12是服务基站与邻近基站之间的距离，而e是测量结果d1的精度。在估算传播时延时，可利用这样所确立的延时的范围。终端与邻近基站之间的距离的值域范围偏差为2(d1+e)，这相当于2(d1+e)/(c*Tc)个码片，这里Tc是码片持续时间，而c是电磁辐射的速率。
在本发明的方案中，终端100首先与至少一个基站(图1中与基站102)联系。应终端100或无线系统的网络部件的要求，服务于终端100的基站102的邻近基站104、106向终端100发送关于所发送的编码信道的数据，这种信道的一个特别的例子是业务信道。根据接收到的数据，终端100在同步时也可以利用除同步信道之外的某种信道，这样，与只基于采用同步信道的方案中的情况相比，可以在更高的干扰和噪声电平的状态下测量邻近基站104、106的信号定时，这还因为可以采用非同步信道的信号的能量。最好是采用发送已知信号(如有规律地发送的参考即领示码元)的部分编码信道。因此，无需判决反馈就能从这些部分编码信道中消除数据调制，并且可利用所谓的相干平均或滤波来进行所测量的信道脉冲响应的估算。下面来考查在利用编码信道的领示码元的情况下本发明的方案。
基站所发送的编码信道的有关内容的一个例子如图2中所示的随时间变化的情况。本例中，预定的领示码元200在不同的时刻以三个不同业务信道CH1、CH2和CH3发送。为了能利用领示码元200，终端必须知道与服务基站的定时有关的编码信道的领示码元之间的时间差Tslot。在业务信道上，除了数据204之外，还发送传输功率码元TCP(传输功率控制)，基站利用这种码元可以要求终端改变其传输功率。
为了利用编码信道的信号，终端100必须具有关于领示码元200之间的时间差Tslot以及关于编码信道的扩展码、扩展系数和参考码元的数据。终端100还需要时隙中扩展码的相位和参考码元的位置的估算，服务于终端100的基站102、基站控制器108或固定网络部分中的其他某个单元向邻近基站104、106请求这些数据。邻近基站104、106通过其至少一个编码信道最好经固定网络部分将这些数据发送到服务基站102，这一(这些)编码信道在朝着服务于终端的基站102的方向上具有最高的传输功率。服务于终端100的基站102再将这些数据发送给终端100。关于信号定时的数据最好发给与服务基站102的定时有关的终端100。如果邻近基站104、106例如由于低拥塞而没有发送足够量的编码信道以使定时测量顺利进行，那么邻近基站104、106在终端100测量信道时可在传输中增加更多的信道。这也可能在终端100的请求时发生。正是这些信道的信号定时，在本发明的方案中被用来确定终端100的位置。在尤其是确定终端100的位置时所用的这些信道上，最好发送一些已知的参考码元。当无线系统只是稍微有点拥塞时，可以增加更多的信道而基本上不会扰乱其他终端的数据传输。固定网所传送的所有这些定时最好都与服务基站102的定时有关。
下面，详细看一看图3中适用于本发明的方案的终端的接收机。该接收机首先包括一个天线280，射频部件282和一个模/数转换器284。天线280接收所发送的信号，该信号由此传送到射频部件282，在此进行正交解调。在正交解调中，接收信号被分为两部分，第一部分信号乘以cos(ωct)形式的射频余弦载波。第二部分信号乘以相移载波，这可以表示为该信号乘以sin(ωct)形式的正弦载波。因此，信号的乘法采用了彼此之间有π/2相移的载波。由于不同部分的信号因π/2相移而互相正交，因而数据部分可用复数形式表示。因此，接收信号U可表示为U=I+jQ的形式，其中，I是第一数据部分，Q是第二数据部分，而j是虚数单位。正交调制的信号部分I、Q在模/数转换器284中变成复数数字抽样。
为接收信号的代码所配置的滤波器300是一种FIR滤波器(有限脉冲响应)，其加权系数直接从所用信号的扩展码中得出。所配置的滤波器300输出利用所要测量的某一延时以及扩展码(它是从代码发生器302加载到所配置的滤波器300中的)按各信号的每个抽样所接收到的各信号的相关。所配置的滤波器300包括N个与所要测量的延时区域相应的分支。由于N个信号抽样都通过所配置的滤波器300被传送，加权系数保持不变，从而得到了N个相关值，以矢量形式初步指示出信道的脉冲响应的估算。根据脉冲响应的初步估算，消除乘法器306中数据调制的影响，在该乘法器中，将脉冲响应的初步估算乘以一个从码元发生器304得到的预定码元序列。因此，得到脉冲响应的估算，其最大的值产生信号的多径分量的延时估算。当信号中的噪声量很高时，为了得到可靠的延时估算，在产生延时估算前必须在计算装置308中对一系列连续的脉冲响应的估算进行滤波。这种方法可以如此实现：将所配置的滤波器300的加权系数加载到扩展码的随后N个抽样，并将这样确定的长度为N的脉冲响应与以前的脉冲响应的估算进行平均。对脉冲响应的估算进行根据本发明的相干平均后，基本上就得到了所接收信号的延时估算。然而，在所描述的接收机方案中，还要进一步处理才能确定延时估算。应当注意，尽管在这一描述中术语“相干平均”与脉冲响应的估算有关，然而，在实现本发明方案的接收机中，脉冲响应的估算的任何已知的滤波如基于IIR的滤波(有限脉冲响应)都可用来取代这种平均。如果用多个编码信道来测量定时，那么，可这样来利用这些信道的已知码元序列：在每一时刻将与编码信道的扩展码相应的系数加载到所配置的滤波器中，此时通过该扩展码可以接收参考码元。如果使用中有足够多的编码信道并且它们的时间差Tslot跨越了参考码元的整个传输期，那么，终端可以在所配置的滤波器之后不断地使用一种从中能消除数据调制的信号。假如测量定时时所要用的编码信道从基站的同一天线被发送，那么以这种方法所产生的脉冲响应的估算可被相干平均，从而它们可沿同一无线信道继续进行。
复数IQ信号可以相干地从平均计算装置308进至选择装置310，所配置的滤波器300的输出信号也可以直接到达该选择装置。因此，选择装置310可用来判定是否采用相干平均。不论是直接选择滤波器300的输出信号还是使用相干平均的信号分量，IQ形式的信号在装置312中被平方(I2+Q2)后再在装置314中进行平均以消除数据调制和相位误差。数据调制可采用例如QPSK调制(四相移键控)。选择器310之后所进行的平均称为非相干平均。按现有技术只采用非相干平均的缺点在于：除了信号之外还对滤波器300的输出中的噪声进行了平方，因此在平均后对信噪比基本上没有什么改善。只不过非相干平均有助于更可靠地估算峰值。在相干平均时，只有在相干平均后才进行平方。然而，这要求所发送的码元(最好是领示码元)是预定的，这样才能从抽样中消除数据调制。
实际上，发射机与接收机的射频装置282中的振荡器(图中未示出)之间的频率误差以及无线信道所引起的信号的多普勒漂移造成信号抽样的相位旋转，因此，相干平均时间不能很长，例如最大约为1ms。在这种情况下，相干平均的脉冲响应的估算可被平方，并可再在装置314中在更长的一段时间上(1ms以上)被非相干平均。当脉冲响应的估算进至延时估算器316时，延时估算器316查找脉冲响应估算的峰值，这些峰值代表多径传播信号的最主要的延时。最短的延时通常对应于信号在视线距离的直达线路上行进的时间。这样，终端就可以测量基站的信号的到达时间TOA(到达时间)和信号之间的观测的时间差OTD(观测的时间差)。接收机由控制单元318控制，而块300-318构成一个延时块298，它可以是RAKE接收机的一部分。
图4示出了RAKE接收机的框图。如图3中那样，接收信号从天线280通过射频装置282和模/数转换器284。然后，复数信号传送到图3中所详述的延时块298，并传送到RAKE接收机的RAKE分支400-404。块400-404一般包括代码发生器和所配置的用以将扩展码解码的滤波器，每个块400-404用来编辑不同延时所接收的扩展编码的信号。延时块298确定RAKE分支400-404的延时，据此将扩展编码解码。RAKE分支400-404所接收的信号的扩展编码被解码后，在分集合成器406中将多径传播信号的各信号分量合成，然后再继续进行信号的基带处理，不过这种进一步的处理对本发明而言不是主要的。在接收机中，射频装置282的放大倍数和频率最好利用自动增益控制装置410和利用自动频率控制装置412进行调整。
尤其当涉及数字信号处理时，可利用例如ASIC或VLSI电路(专用集成电路，超大规模集成)来实现本发明的方案。所要执行的方法最好用基于微处理器技术的程序来实现。
尽管以上参照附图中的例子描述了本发明，显然，本发明并不局限于此，而可以在附属权利要求书中所公开的本发明思想的范围内以多种方式进行修改。

Claims (24)

1．一种在CDMA无线系统中所用的测量信号定时的方法，该系统包括至少三个基站(102-106)和一个终端(100)，它们可将信号乘以扩展码，并且在这种方法中，基站的传输包括不同的扩展码所发送的各种编码信道(CH1-CH3)，以这种编码信道之一来发送预定的码元序列(200)，并且在这种方法中，终端(100)与至少一个基站(102)有联系，终端(100)通过该基站的定时来存储数据，其特征在于：
将关于至少一个邻近基站(104,106)所发送的至少一个编码信道(CH1,CH2,CH3)的数据通过服务基站(102)传送到终端(100)，
终端(100)根据所述数据确定至少一个编码信道(CH1,CH2,CH3)的扩展码以及与服务基站(102)的定时有关的各编码信道(CH1,CH2,CH3)的码元定时的估算，和
终端(100)根据这些关于编码信道的数据利用邻近基站(104,106)的至少一些编码信道(CH1,CH2,CH3)来测量邻近基站(104,106)的信号定时。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，终端(100)利用邻近基站(104,106)在编码信道(CH1,CH2,CH3)上发送的至少一些预定码元序列来测量邻近基站(104,106)的信号定时。
3．如权利要求1所述的方法，其特征在于，服务于终端(100)的基站(102)、基站控制器(108)或固定网中的其他某个单元通过固定网络部分请求关于至少一个邻近基站(104,106)的编码信道的数据。
4．如权利要求1所述的方法，其特征在于，邻近基站(104,106)为数据传输选择在朝着服务于终端(100)的基站(102)的方向上具有最高传输功率的编码信道(CH1-CH3)。
5．如权利要求1所述的方法，其特征在于，定时测量还利用同步信道。
6．如权利要求1所述的方法，其特征在于，终端(100)测量来自至少三个基站(102-106)的信号定时，以确定终端(100)的位置。
7．如权利要求6所述的方法，其特征在于，终端(100)将关于基站的信号定时的数据发送给无线系统的固定网络部分，以确定终端(100)的位置。
8．如权利要求6所述的方法，其特征在于，终端(100)利用信号定时确定它自己的位置。
9．如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果通过一个邻近基站(104,106)进行的信号定时失败，那么终端(100)通过其它某些邻近基站(104,106)来测量信号定时。
10．如权利要求1所述的方法，其特征在于，邻近基站(104,106)将至少一个发送已知码元序列的编码信道(CH1,CH2,CH3)加到其传输中，以测量终端(100)的信号定时，并且邻近基站(104,106)将数据通过服务基站(102)传送给终端(100)，终端根据该数据利用所述编码信道(CH1,CH2,CH3)来测量信号定时。
11．如权利要求2所述的方法，其特征在于，终端(100)接收同一基站(102-106)的多个编码信道(CH1-CH3)上的预定码元(200)，这些码元是基站(102-106)在多个信道(CH1-CH3)上以时分复用方式发送的，不同编码信道的这些预定码元(200)基本上是在不同的时刻到达的。
12．如权利要求2所述的方法，其特征在于，终端(100)将所接收的编码信道的信号的扩展编码解码，将该信号乘以预定的码元序列(200)以得到信道的脉冲响应的估算，并通过对脉冲响应的估算进行相干平均来测量接收信号的定时。
13．一种无线系统，尤其是CDMA无线系统，该系统包括至少三个基站(102-104)和一个终端(100)，它们可将信号乘以扩展码，并且在这种无线系统中，基站的传输包括不同的扩展码所发送的各种编码信道(CH1-CH3)，这些编码信道中至少有一个包括预定的码元序列(200)，而终端(100)与至少一个服务基站(102)有联系，终端(100)通过该基站的定时来存储数据，其特征在于：服务基站(102)用来传送关于至少一个邻近基站(104,106)所发送的至少一个编码信道(CH1,CH2,CH3)的数据，
终端(100)用来根据所述数据确定至少一个所述编码信道(CH1,CH2,CH3)的至少一个扩展码以及与服务基站(102)的定时有关的各编码信道(CH1,CH2,CH3)的码元定时的估算，和
终端(100)还用来根据这些关于编码信道的数据利用邻近基站(104,106)的至少一些编码信道(CH1,CH2,CH3)来测量邻近基站(104,106)的信号定时。
14．如权利要求13所述的无线系统，其特征在于，终端(100)可利用邻近基站(104,106)在编码信道(CH1,CH2,CH3)上发送的至少一些预定码元序列(200)来测量邻近基站(104,106)的信号定时。
15．如权利要求13所述的无线系统，其特征在于，服务于终端(100)的基站(102)、基站控制器(108)或固定网络部分中的其他某个单元用来通过固定网络部分请求关于至少一个邻近基站(104,106)的编码信道的数据。
16．如权利要求13所述的无线系统，其特征在于，邻近基站(104,106)用来为数据传输选择在朝着服务于终端(100)的基站(102)的方向上具有最高传输功率的编码信道(CH1-CH3)。
17．如权利要求13所述的无线系统，其特征在于，终端(100)在测量定时还可利用同步信道。
18．如权利要求13所述的无线系统，其特征在于，终端(100)用来测量来自至少三个基站(102-106)的信号定时，以确定终端(100)的位置。
19．如权利要求18所述的无线系统，其特征在于，终端(100)用来将关于基站(102-106)的信号的信号定时的数据发送给无线系统的固定网络部分，以确定终端(100)的位置。
20．如权利要求18所述的无线系统，其特征在于，终端(100)可利用信号定时确定它自己的位置。
21．如权利要求13所述的无线系统，其特征在于，如果通过一个基站(102-106)进行的定时测量失败，那么终端(100)可通过其它某些基站(102-106)来测量信号定时。
22．如权利要求13所述的无线系统，其特征在于，邻近基站(104,106)用来将至少一个包括已知码元序列的编码信道(CH1,CH2,CH3)加到其传输中，以测量终端(100)的定时，并且邻近基站(104,106)用来将终端(100)在测量编码信道(CH1,CH2,CH3)的定时时所要用的数据通过服务基站(102)传送给终端(100)。
23．如权利要求14所述的无线系统，其特征在于，终端用来接收同一基站(102-106)的各编码信道(CH1,CH2,CH3)上的预定码元(200)，这些码元是基站(102-106)在各信道(CH1-CH3)上以时分复用方式发送的，不同编码信道的这些预定码元(200)基本上是在不同的时刻到达的。
24．如权利要求14所述的无线系统，其特征在于，终端(100)用来将所接收的编码信道的信号的扩展编码解码，将该信号乘以预定的码元序列(200)以得到信道的脉冲响应的估算，并通过对脉冲响应的估算进行相干平均来测量接收信号的定时。
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