CN1679252A

CN1679252A - 发送信号形成方法、通信方法及发送信号的数据结构

Info

Publication number: CN1679252A
Application number: CNA038202328A
Authority: CN
Inventors: 末广直树
Original assignee: Yokohama TLO Co Ltd
Current assignee: Yokohama TLO Co Ltd
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2005-10-05
Also published as: JP3777466B2; JPWO2004021598A1; AU2003261817A1; EP1542372A4; KR20050057052A; KR100699668B1; EP1542372A1; WO2004021598A1; US20050243944A1

Abstract

使扩频序列的系数列依次移位1字符间距，发送数据乘以这些多个系数列而形成多个发送数据，把所形成的多个发送数据相加而形成发送数据列。或者，把扩频序列的系数列乘以发送数据后依次移位1字符间距而形成多个发送数据，把所形成的多个发送数据相加而形成发送数据列。另外，发送数据乘以扩频序列的系数列形成有限长信号，把该有限长信号重复无限次而形成无限长信号。从该无限长信号中切取比系数列的长度长的发送数据而形成发送数据列。这样，在扩频时的发送数据调制中，把发送数据编入扩频序列就可以减小信号的幅度的范围，并可缩小接收方的放大器的动态范围。

Description

发送信号形成方法、通信方法及发送信号的数据结构

技术领域

本发明涉及发送信号的形成方法、使用了该发送信号的通信方法及发送信号的数据结构，特别适用于移动体通信等的多径环境。

背景技术

在蜂窝无线通信或各种移动环境下，随着数据通信需求的增加，需要提高无线频带资源的利用效率的技术。例如，在依据CDMA方式的通信方式中，由扩频序列的相关特性或传输路径的多径特性引起的信道间干扰成为限制频带利用效率的主要原因。

由于正交频分复用(OFDM)方式是使用正弦波的频率复用方式，所以多径的影响表现为信号功率的衰落，难以把发送的正弦信号与多径的正弦信号分离开。

另一方面，按照CMDA方式，使用导频信号就能够在同样的频率和同一时间下分离发送信号和多径信号。

CMDA方式是使用扩频通信方式的多址方法，该扩频通信方式使用扩频码序列进行调制，例如采用互相关成为0的周期序列作为扩频码序列。

提出有一种通信方式，使用例如完全互补序列作为分离原发送信号与多径的信号的扩频码序列，完全互补序列具备在0移位以外的所有的移位下各序列的自相关函数之和为0的自相关特性以及在所有的移位下各序列的互相关函数之和始终为0的互相关特性。使用完全互补序列来形成无旁瓣或信道间干扰的ZCZ(周期性无相关区域)-CDMA信号，使得发送信号的周期频谱成为无相关。这样，就能把相同频率及相同时间分配给导频信号和发送信号。

在现有被提出的使用完全互补序列的扩频通信方式中，由于经数字调制后的无线信号的幅度范围变大，存在需要大的动态范围的问题。

图5示出使用完全互补序列作为扩频码序列的信号例。信号列A0(＝+++-++-+)是使用完全互补序列形成的二值信号的一例。“+”表示“1”，“-”表示“-1”。

在该信号例中，当多径特性作为时延表现在接收信号中时，通过了多径传输路径的接收信号被作为“1，2，3，1，1，1，…”的信号列接收下来。该信号的幅度的范围就成为例如从0至3，接收方的放大器必需具备对应于该幅度范围的动态范围。

在得不到这种对应于幅度的范围的足够的动态范围的情况下，由于放大器的输入输出特性的非线性，使输出信号产生畸变，在输入信号具有的频带之外的带域上也产生频谱，抗噪特性劣化。由于输出波形畸变，在接收方产生码间干扰，因而误码率变差。为了用放大器的线性放大区进行信号放大，放大器的耗电增加。耗电的增加成为缩短移动终端的待机时间的主要原因。

发明内容

本发明的目的在于解决所述现有的问题点，在扩频时的发送数据调制中，减少信号的幅度的范围，并且缩小接收端的放大器的动态范围。

在扩频时的发送数据调制中，按照现有技术，是改进扩频序列本身来使发送信号的周期频谱无相关性。相对于此，在扩频时的发送数据调制中，本发明不是像现有技术那样着眼于扩频序列本身，而是着眼于发送数据列，来使发送信号的周期频谱不相关。使发送信号的周期频谱不相关，就可以减小信号的幅度的范围，并且，可以缩小接收端的放大器的动态范围。

本发明通过把发送数据编入扩频序列内来使包含数据的信号整体具有扩频序列的作用，由此来减轻动态范围的负担。

本发明的发送信号形成方法的第一方案是首先把扩频序列的系数列依次移位1个字符间距；再把发送数据乘以这些多个系数列而形成多个发送数据；然后把形成的多个发送数据相加而形成发送数据列。或者，扩频序列的系数列乘以发送数据后依次移位1个字符间距，形成多个发送数据；再把形成的多个发送数据相加而形成发送数据列。

本发明的发送信号形成方法的第二方案是发送数据乘以扩频序列的系数列而形成有限长信号；再把该有限长信号重复无限次而形成无限长信号。从该无限长信号上切取比系数列的长度长的发送数据而形成发送数据列。按照上述第一或第二发送信号的形成方案，向扩频序列内编入发送数据。

本发明的发送信号的形成方法的其他的方案是在用所述第一或第二发送信号的形成的方案形成的发送数据列中使用不同的系数列来形成多个发送数据列，在不同的两个发送数据列的任意的组合中，发送数据列的发送数据的周期互相关函数在所有移位上置0。并行发送多个发送数据列，以使发送数据列的各周期频谱不相关。

用于本发明的发送信号形成的系数列可以从ZCZ序列中选择，可以设为从完全互补序列中选择出来的任意矢量行的系数列，可以用DFT矩阵来形成。

在此使用的ZCZ序列是具有周期性无相关区域的系列，该周期性无相关区域具备无自相关区域特性和无互相关区域特性，例如，可以使用完全互补序列作为规定的系数列。完全互补序列是指具备在0移位以外的所有的移位上各序列的自相关函数之和为0的自相关特性及在所有的移位上各序列的互相关函数之和始终为0的互相关特性的序列。

DFT矩阵是离散傅立叶变换矩阵，是具有正规正交列的正方矩阵。DFT矩阵的不同的行具有其周期互相关函数在所有移位上为零的性质，用DFT矩阵的这个性质就可以使得使用DFT矩阵的不同的行作成的信号之间的周期互相关函数在所有移位上为零。本发明能够用DFT矩阵的该性质同时发送多个信号而在周期信号之间不产生干扰。

按照本发明的通信方法，首先发送用本发明的发送信号形成方法形成的发送数据列，然后通过与用于形成该发送数据列的系数列相对应的匹配滤波器来接收发送数据。

在本发明的通信方法中，把发送数据列作为测定多径特性的导频信号，接收该导频信号就能够求得传输路径的多径特性。

在本发明的通信方法的其他方案中，使用不同系数列形成多个发送数据列，把从所述发送数据列中选择出来的至少一个发送数据列作为导频信号，把其他发送数据列作为发送信号。由导频信号的接收信号求得多径特性，用求得的多径特性从发送信号的接收信号中除去多径特性，求得发送数据。

导频信号及发送信号的周期频谱互不相关，通过对应的匹配滤波器就可以把各信号分离开。导频信号可以由发送信号与接收信号的关系求出多径特性，并可以从该多径特性和接收信号求出发送信号。

本发明的发送信号的数据结构具备发送数据列，从无限次重复发送数据乘以扩频序列的系数列得到的有限长信号而形成的无限长信号中切取比所述系数列的长度长的发送数据来形成该发送数据列。

附图简要说明

图1是说明本发明的发送信号的形成方法及本发明的发送信号的数据结构的概略图。

图2是4次的DFT矩阵的各系数的示图。

图3是导频信号与发送信号的关系图。

图4是发送信号与检测信号的关系及相关关系图。

图5是用完全互补序列作为扩频码序列的信号例的示图。

具体实施方式

以下，用附图说明实施本发明的最佳方式中的发送信号形成方法、通信方法及发送信号的数据结构。

以下，参照附图详细说明本发明的实施例。

图1是说明本发明的发送信号形成方法及本发明的发送信号的数据结构的概略图。

本发明使用扩频序列(图1(b)的序列a(＝(a0，a1，…，aN-1))，由发送数据b(＝(b0，b1，b2，b3，…，bM-1))(示于图1(a))形成发送数据列(示于图1(c，d))，把该发送数据列作为发送信号。设扩频序列的长度为N比特，发送数据b的数据长为M比特。

为了由发送数据b(b0，b1，b2，b3，…，bM-1)(示于图1(a))形成发送数据列B，发送数据(b0，b1，b2，b3，…，bM-1)乘以规定的扩频序列的系数列(a0，a1，…，aN-1)的各系数(示于图1(b))，由此形成多个发送数据B0，B1，…，BM-1。

图1是示出(1，0，…，0，j，0，…，0，-1，0，…，0，-j，0，…，0)作为扩频序列的系数列(a0，a1，…，aN-1)的例子。当把该扩频序列的各系数列适用于发送数据b(b0，b1，b2，b3，…，bM-1)时，发送数据B0成为(b0，0，…，0，jb0，0，…，0，-b0，0，…，0，-jb0，0，…，0)，发送数据B1成为(b1，0，…，0，jb1，0，…，0，-b1，0，…，0，-jb1，0，…，0)。对于其他的发送数据，同样也可以适用。如图1(b)所示，发送数据b(＝(b0，b1，b2，b3，…，bN-1)乘以规定的扩频序列的系数列(a0，a1，…，aN-1)的各系数的处理可以用克罗内克积来表示。

然后，如图1(c)所示，把乘了各系数的多个发送数据B0，B1，B2，…分别时延1字符间距后相加起来，由此形成数据列B(＝b+jb-b-jb)，再在该数据列B的前后附加数据，从而形成有限长的周期列，图1(d)示出有限长的周期列。如图1(d)所示，可以把数据列B的后方的数据列(jb)附加在数据列B(＝b+jb-b-jb)的前方位置上并把在数据列B的前方的数据列

(-jb)附加在数据列B的后方位置上来形成该有限长的周期列。

在数据列B中，各数据列b，jb，-b，-jb的间隔可以由序列a中的各个系数的间隔(例如T1，T2，…)来任意决定。

扩频序列可以使用DFT矩阵来形成，图2表示出4次DFT矩阵的各系数。

以下，说明使用4次DFT矩阵的扩频序列的一例。

在设定(1，0，0，0)作为发送数据的情况下，当把DFT矩阵的各行的系数列(1，1，1，1)、(1，j，-1，-j)、(1，-1，1，-1)，(1，-j，-1，j)的系数列用于发送数据(1，0，0，0)时，如下式(1)所示，可以使用克罗内克积表示周期列A～D。

A＝(1，1，1，1)

(1，0，0，0)

B＝(1，j，-1，-j)

(1，0，0，0)

C＝(1，-1，1，-1) ……(1)

(1，0，0，0)

D＝(1，-j，-1，j)

(1，0，0，0)

在上式(1)中，周期列A用A＝(1，0，0，0，1，0，0，0，1，0，0，0，1，0，0，0)来表示。

周期列B用B＝(1，0，0，0，j，0，0，0，-1，0，0，0，-j，0，0，0)来表示。

周期列C用C＝(1，0，0，0，-1，0，0，0，1，0，0，0，-1，0，0，0)来表示。

周期列D用D＝(1，0，0，0，-j，0，0，0，-1，0，0，0，j，0，0，0)来表示。

这里，例如把周期列A的后方的数据列(1，0，0，0)和前方的数据列(1，0，0，0)附加在周期列A的前后的位置上，由此来形成有限长的周期序列A′数据列。

A′＝(1，0，0，0，A，1，0，0，0)

该周期序列A′的数据长度成为在周期列A的数据长度16比特各自加上4比特共24比特，可以从周期列A的无限周期列(…AAAA…)中切取来得到该周期序列A′。

可以用与形成该发送信号所使用的扩频序列的各系数相对应的匹配滤波器来取出把该有限长度的周期序列A′作为发送数据的发送信号，匹配滤波器是对发送数据A进行解扩后再取出的滤波器，与用来形成发送数据A的扩频序列的系数相对应形成该匹配滤波器。

基于扩频序列具备的完全互补性来决定输入信号与匹配滤波器的关系，例如，如果把信号M输入到信号M的匹配滤波器，则根据自相关特性得到脉冲信号，而若把信号M输入到信号M的匹配滤波器之外的匹配滤波器，根据互相关特性得不到信号。

这里，设信号A的匹配滤波器为Af，当使周期序列A′的信号通过该匹配滤波器Af时，匹配滤波器Af的输出可以用下面的卷积运算来表示。为了配合用匹配滤波器Af的处理，把周期序列A′取为(A′，1)，把信号长增大1比特，成为25比特。

(A′，1) *Af＝16(x，x，…，x，x，1，0，0，0，1，0，0，0，1，0，x，x，…，x，x)

其中x是可以用卷积运算得到的数(图4(a))。

按照本发明的通信方法，把形成的发送信号中的至少一个发送信号设为导频信号，该导频信号可以用来检测发送信号的多径传输路径的多径特性及检测去除了多径特性的发送信号。图3是导频信号与发送信号的关系图，图4是发送信号与检测信号的关系及相关关系图。

在图3中，例如把信号A作为导频信号，让其通过多径传输路径P之后，通过信号A的匹配滤波器Af求出输出信号p时，可以由该输出信号p求出多径传输路径的多径特性P。

另一方面，把信号B～信号D作为发送信号，在同时通过与导频信号相同的多径传输路径P的情况下，就会从多径传输路径P受到相同多径特性的影响。因此，经由各匹配滤波器Bf，Cf，Df而得到的输出信号q，r，s中含有同样的多径特性。因此，利用由导频信号求得的多径特性P从输出信号q，r，s中去除多径特性P，就可以求得发送信号B、发送信号C及发送信号D。

在此，设多径特性为P＝(p0，p1，p2，p3)，pk是在时隙0，1，2，3的各时延中的多径因子，例如可以用导频信号的匹配滤波器检出通过了多径传输路径的导频信号来求得该多径特性P。

在此，可以使所述信号A与在多径传输路径中无反射的直接路径相对应，多径因子pk与1相对应。

因此，通过了多径特性P＝(p0，p1，p2，p3)的多径传输路径的接收信号A″成为在所述发送信号(A′，1)乘以各多径因子pk的值，表示为：

A″＝p0(A′，1，0，0，0)+p1(0，A′，1，0，0)+p2(0，0，A′，1，0)+p3(0，0，0，A′，1)

让该接收信号A″通过匹配滤波器Af得到的输出成为：

A″*Af＝16(x，x，x，…，x，x，x，p3，p0，p1，p2，p3，p0，p1，x，x，x，x，…，x，x)

(参见图4(b))。

因此，当把发送信号(A′，1)作为导频信号使其通过多径特性P＝(p0，p1，p2，p3)求得检测输出时，能够从该检测输出中分离并检测出多径特性P＝(p0，p1，p2，p3)。

在上述说明中，示出了把同样的发送信号(1，0，0，0)适用于各周期列A～D，并把用周期列A形成的发送数据作为导频数据的例子，不过，也可以使用发送导频信号用的发送信号(例如，与所述发送信号(1，0，0，0)不同的(1，1，1，-1))，把在该发送信号内使用周期列A形成的发送数据作为导频信号。在该情况下，由于把从特定的发送信号形成的发送数据作为导频信号，所以通过该导频信号的滤波器就可以取出来作为导频信号。

然后，就说明发送信号通过多径传输路径的情况。

由上述式(1)，用B＝(1，0，0，0，j，0，0，0，-1，0，0，0，-j，0，0，0)来表示周期列B。

这里，把周期列B的后方的数据列(-j，0，0，0)及前方的数据列(1，0，0，0)附加在周期列B的前方位置及后方位置上，由此形成有限长的周期序列B′的数据列。

B′＝(-j，0，0，0，B，1，0，0，0)

该周期序列B′的数据长是周期序列B的数据长16比特各加上4比特共24比特，可以从周期序列B的无限周期列(…B B B B…)上切取来得到该周期序列B′。

可以用与形成该发送信号所使用的扩频序列的各系数相对应的匹配滤波器来取出以该有限长的周期序列B′为发送数据的发送信号，匹配滤波器是解扩并取出发送数据B的滤波器，对应于发送数据B的形成中使用过的扩频序列的系数形成匹配滤波器。

把周期序列B′作成25比特的信号，使该信号(B′，j)通过对信号A的匹配滤波器Af后，可以得到如下输出：

(B′，j)*Af＝16(x，x，…，x，x，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，x，x，…，x，x)

其中x是由卷积运算得到的数。

把周期序列A′作成25比特的信号，使该信号(A′，1)通过对信号B的匹配滤波器Bf后，可以得到如下输出：

(A′，1) *Bf＝16(x，x，…，x，x，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，x，x，…，x，x)

因此，在同样的频带内2个信号间的时间差被限制的情况下，信号(A′，1)和信号(B′，j)可以相互独立地发送(图4(c)及图4(d))。

即使在具有多径特性P的多径环境中，信号(A′，1)与信号(B′，j)的互相关关系也是不相关的，可以独立地进行处理(图4(e)及图4(f))。因此，由于各发送信号可以独立处理，检测出多径特性的导频信号也可以不限于信号A，而设为信号B，C，D。

可以由下面的说明来确认该互相关关系不相关。

让发送信号(A′，j)通过多径传输路径P，用信号B的匹配滤波器Bf检测出所得到的接收信号A″时，输出信号成为：

A″*Bf＝(x，x，…，x，x，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，x，x，…，x，x)

让发送信号(B′，j)通过多径传输路径P，用信号A的匹配滤波器Af检测出所得到的接收信号A″时，输出信号成为：

B″*Af＝(x，x，…，x，x，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，x，x，…，x，x)

这表示在互相关函数中都存在不相关的范围，表示互相关关系不相关。

使信号(B′，j)通过多径传输路径P并发送出去的接收信号B″表示为：

B″＝p0(B′，j，0，0，0)+p1(0，B′，j，0，0)+p2(0，0，B′，j，0)+p3(0，0，0，B′，j)

在此，使发送信号(B′，j)通过匹配滤波器Bf后，用发送信号(B′，j)与匹配滤波器Bf的卷积运算来得到输出信号，表示为：

(B′，j)*Bf＝(x，…，x，-4j，0，0，0，4，0，0，0，4j，0，0，0，-4，x，…，x)

(图4(g))。

因此，当设通过了多径传输路径P的信号为B″时，可以用信号B″与匹配滤波器Bf的卷积运算求得用信号B的匹配滤波器检测出的接收信号，表不为：

B″*Bf＝4(…，x，x，x，x，-jp0，-jp1，-jp2，-jp3，p0，p1，p2，p3，jp0，jp1，jp2，jp3，x，x，x，x，…)。

其中Bf与匹配滤波器B相对应。

多径特性p0，p1，p2，p3可以作为匹配滤波器的输出直接求得(图4(h))。

因此，信号A，B，C，D相互不相关，各信号间的周期互相关函数在所有移位上都为0，在各信号的周期频谱上不产生重叠。

然后，说明在本发明的通信方法中从通过了多径传输路径的接收信号来求得发送数据的步骤。

使用把发送数据b(b0，b1，b2，b3，b4，b5)以1时隙为单位移位后的扩频序列的信号(B′，j，0，0，0，0，0)、(0，B′，j，0，0，0，0)、(0，0，B′，j，0，0，0)、…、(0，0，0，0，0，B′，j)来形成发送信号时，成为：

b0(B′，j，0，0，0，0，0)+b1(0，B′，j，0，0，0，0)+b2(0，0，B′，j，0，0，0)…+b5(0，0，0，0，0，B′，j)

让该发送信号经由多径传输路径P，并用信号B的匹配滤波器Bf检出后，检测出输出信号：

(x，x，…，x，x，q0，q1，q2，q3，q4，q5，q6，x，x，…，x，x)

上述关系可以用下式来表示：

1 / 4 [\begin{matrix} q_{0} \\ q_{1} \\ q_{2} \\ q_{3} \\ q_{4} \\ q_{5} \end{matrix}] = [\begin{matrix} p_{1} & p_{0} & - {jp}_{3} & - jp & - {jp}_{1} & - {jp}_{0} \\ p_{2} & p_{1} & p_{0} & {- jp}_{3} & {- jp}_{2} & {- jp}_{1} \\ p_{3} & p_{2} & p_{1} & p_{0} & {- jp}_{3} & {- jp}_{2} \\ {jp}_{0} & p_{1} & p_{2} & p_{1} & p_{0} & - {jp}_{3} \\ {jp}_{1} & {jp}_{0} & p_{3} & p_{2} & p_{1} & p_{0} \\ {jp}_{2} & {jp}_{1} & {jp}_{0} & p_{3} & p_{2} & p_{1} \\ {jp}_{3} & {jp}_{2} & {jp}_{1} & {jp}_{0} & p_{3} & p_{2} \end{matrix}] [\begin{matrix} b_{0} \\ b_{1} \\ b_{2} \\ b_{3} \\ b_{4} \\ b_{5} \end{matrix}]

因为该关系式是包含6个未知数(b0，b1，b2，b3，b4，b5)的7个联立方程式，因此使用p0～p3，q0～q6就能求得发送数据(b0，b1，b2，b3，b4，b5)。

p0～p3可以从信号A的匹配滤波器Af的输出得到，而q0～q6可以从信号B的匹配滤波器Bf得到。

从以上的说明可知，按照本发明，把发送数据编入扩频序列内使包含数据的信号整体具有扩频序列的作用，这样，就能够缩小信号幅度的范围，并可以缩小接收方的放大器的动态范围。

本发明的发送信号的形成方法、通信方法和发送信号的数据结构，适用于移动通信等多径环境，具有实用性。

Claims

1.一种发送信号形成方法，其特征在于，通过发送数据乘以依次移位1个字符间距的扩频序列的系数列或是通过扩频序列的系数列乘以发送数据后依次移位1个字符间距来形成多个发送数据；再把该多个发送数据相加而形成发送数据列。

2.一种发送信号形成方法，其特征在于包括如下步骤：发送数据乘以扩频序列的系数列而形成有限长信号；把该有限长信号重复无限次形成无限长信号；从该无限长信号内切取比所述系数列的长度长的发送数据而形成发送数据列。

3.根据权利要求1或2所述的发送信号形成方法，其特征在于，使用不同的系数列形成多个发送数据列；该多个发送数据列在任意的组合中，该发送数据列的发送数据的周期互相关函数在所有移位上为0。

4.根据权利要求1或2所述的发送信号形成方法，其特征在于，使用不同的系数列形成多个发送数据列；并行发送多个发送数据列，以便在该多个发送数据列的任意的组合中使发送数据列的各周期频谱不相关。

5.根据权利要求1至4的任意一项所述的发送信号形成方法，其特征在于，所述系数列是DFT矩阵的行矢量。

6.一种通信方法，其特征在于，发送权利要求1至4中任意一项所述的发送数据列；通过与所述系数列相对应的匹配滤波器接收发送数据。

7.根据权利要求6所述的通信方法，其特征在于，把所述发送数据列作为测定多径特性的导频信号；接收到的信号具有传输路径的多径特性。

8.根据权利要求7所述的通信方法，其特征在于包括如下步骤：使用扩频序列的不同系数列形成多个发送数据列；把从所述发送数据列中选择出来的至少一个发送数据列作为导频信号，把其他的发送数据列作为发送信号；由导频信号的接收信号求得多径特性；使用该求得的多径特性从发送信号的接收信号中去除多径特性而求得发送数据。

9.一种发送信号的数据结构，其特征在于，具备发送数据列；从无限次重复发送数据乘以扩频序列的系数列得到的有限长信号而形成的无限长信号中切取比所述系数列的长度长的发送数据而形成该发送数据列。