DE69632954T2

DE69632954T2 - Funk-Kommunkations-System mit Vielfachzugang in Orthogonal-Codemultiplex- Technik

Info

Publication number: DE69632954T2
Application number: DE69632954T
Authority: DE
Inventors: D. Francis NATALI
Original assignee: Alcatel USA Sourcing Inc
Current assignee: Alcatel USA Sourcing Inc
Priority date: 1995-05-19
Filing date: 1996-05-17
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2016-05-18
Also published as: ATE271739T1; AU710269B2; JP2003505005A; WO1996037066A1; CA2221101A1; DE69632954D1; KR100426543B1; EP0829155A1; EP0829155B1; EP0829155A4; KR19990014914A; US5623487A; MX9708913A; BR9608879A; AU5920496A

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Nachrichtenübertragung in Spreizspektrumtechnik wird bereits für eine ganze Reihe von gewerblichen Anwendungen eingesetzt und breitet sich derzeit rasch aus. Der Vielfachzugang in Orthogonal-Codemultiplex-Technik (OCDMA) ist bereits als eine wirksame Maßnahme vorgeschlagen worden, mit der sich die Kapazität, d. h. der Bandbreiten-Wirkungsgrad, des konventionelleren Vielfachzugangs in Quasi-Orthogonal-Codemultiplex-Technik erhöhen läßt, vgl. US-Patent 5,375,140 und US-Patent 5,570,349, auf deren Offenbarung hiermit Bezug genommen wird.
Bei den üblichen Direct Sequence (DS) Spreizspektrum-CDMA-Systemen senden die einzelnen Nutzer auf der gleichen Frequenz unter Verwendung unterschiedlicher Pseudo-Rausch-Codes (PN-Codes). Die PN-Codes sind quasi-orthogonal, d. h. ihre gegenseitigen Kreuzkorrelationswerte sind niedrig, aber nicht null.
In einem OCDMA-System wird jedem Nutzer ein Code zugeteilt, der orthogonal zu allen anderen Nutzer-Codes ist (die gegenseitigen Kreuzkorrelationswerte orthogonaler Codes sind null). Außerdem wird die Dauer der orthogonalen Codes so gewählt, daß die Anzahl der Wiederholungen des Codes während der Dauer eines Datensymbols eine ganze Zahl ist, gewöhnlich eins. Die Code-Epoche wird mit den Symbolübergängen so synchronisiert, daß innerhalb des Codes keine Datenübergänge stattfinden.
Die Anzahl der Nutzer ist auf die Anzahl verfügbarer orthogonaler Funktionen beschränkt, welche bei binären Codes höchstens der Länge des Codes gleicht. Ein Beispiel ist der Radamacher-Walsh-Funktionssatz, für den es 2^N orthogonale Funktionen der Länge 2^N gibt, wobei n eine positive ganze Zahl ist. Zu beachten ist, daß die Chip-Rate gleich ist dem Produkt aus der maximalen Anzahl orthogonaler Nutzer und der Symbolrate. Dies bedeutet, daß eine hohe Datenrate eine sehr viel höhere Chip-Rate erfordert.
OCDMA-Systeme sind so ausgelegt, daß alle Signale zeit- und frequenzsynchron empfangen werden. Alle Benutzer bleiben also gegenseitig orthogonal und, unter idealen Bedingungen, kann jeder Nutzer ohne Zugangsrauschen aufgrund des Zugangs oder Zugriffs anderer Nutzer wiedergewonnen werden. Dies ist höchst praktisch in einem sternförmigen Netzwerk, in welchem eine Vielzahl von Nutzern sendend und empfangend mit einer einzigen Hub-Station, dem Netz-Sternpunkt, in Verbindung stehen. Eine solche Konfiguration wird häufig in Satelliten-Netzwerken eingesetzt.
Natürlich gibt es eine Anzahl praktischer Überlegungen und Einflüsse der wirklichen Welt, welche die Leistungsfähigkeit von OCDMA gegenüber dem Ideal verschlechtern. Beispielsweise sind Mehrweg-Antworten, die um einen signifikanten Teil eines Chips verzögert werden, nicht mehr echt orthogonal und verursachen Zugangsrauschen. Das stellt für Systeme mit hohen Datenraten ein Problem dar, da die Chip-Rate entsprechend höher ist und die Mehrweg-Laufzeitspreizung zunehmend signifikant wird. Eine Vorgehensweise zur Bekämpfung dieses Effektes ist im US-Patent 5,729,570 mit dem Titel "ORTHOGONAL CODE DIVISION MULTIPLE ACCESS COMMUNICATION SYSTEM HAVING MULTICARRIER MODULATION" offenbart, auf dessen Inhalt hiermit Bezug genommen wird. Gemäß der Offenbarung dieses Patentes werden mehrere OCDMA-Signale auf orthogonal beabstandeten Trägern (d. h. mit einem der Chip-Rate entsprechenden Abstand) übertragen, und die Multiplex-Daten eines einzelnen Benutzers werden auf die mehreren Träger moduliert. Auf diese Weise wird die Chip-Rate um die Anzahl der Träger reduziert.
Schmalband-Interferenz-Unterdrückung in orthogonalen Mehr-Träger-Spreizspektrum-Kommunikationssystemen wird von Fazel K diskutiert in Universal Personal Communications 1994 Third Annual International Conference in San Diego, CA, USA 27. September–1. Oktober 1994, New York, NY, USA, IEEE, 27. September 1994, Seiten 46–50.
Das US-Patent 5,103,459 offenbart ein System und ein Verfahren zur Übertragung von Signalen unter Verwendung von Spreizspektrum-Techniken.
Aufgabe der Erfindung
Die nachfolgend beschriebene Erfindung ist eine Weiterentwicklung der im US-Patent 5,729,570 offenbarten OCDMA-Mehrträger-Erfindung insofern, als bei ihr eine Vielzahl von OCDMA-Signalen verwendet wird, die über orthogonal beabstandete Frequenzen übertragen werden. In diesem Fall jedoch überträgt ein einzelner Benutzer nur auf einer einzigen orthogonalen Funktion auf einer einzigen Frequenz. Das System kann also eine Gesamtzahl von Nutzern bewältigen, die dem Produkt aus der Anzahl orthogonaler Funktionen und der Anzahl der Träger gleicht. Nach einer anderen Betrachtungsweise nutzt das System sowohl zeit-orthogonale wie auch frequenz-orthogonale Eigenschaften der Wellenformen, woraus sich der Name "Doppel-Orthogonal-CDMA (DOCDMA)" herleitet. Für eine bestimmte Anzahl von Nutzern wird die Chip-Rate im Vergleich zu striktem OCDMA um die Anzahl der Träger reduziert. Dies hat mehrere Vorteile, u. a.:

– viel leichtere Anschaffung aufgrund der niedrigeren Chip-Rate
– Mehrweg-Laufzeitspreizung erzeugt wegen der längeren Chip-Dauer weniger Zugangsrauschen
– gleichmäßigere spektrale Leistungsverteilung
– höhere Bandbreiten-Nutzung
– geringerer Leistungsverbrauch im Empfänger wegen der niedrigeren Taktrate.

Die obigen Eigenschaften machen Mehrträger-OCDMA sehr attraktiv für Satelliten-Netzwerke mit einer Vielzahl mobiler Nutzer, wie sie z. B. für die persönliche Kommunikation eingesetzt werden.
Inhalt der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Funk-Kommunikations-System mit Vielfachzugang bzw. Mehrfachzugriff in Orthogonal-Code-Multiplex-Technik zur Verfügung gestellt, zu dem mindestens eine Basisstation und eine Vielzahl von Teilnehmer/Nutzerendgeräten gehört, und bei dem jedem Teilnehmer/Nutzer ein Code zugewiesen ist, der zu allen anderen Teilnehmer/Nutzer-Codes orthogonal ist, um Daten zu übertragen, wobei das System eine Sendereinrichtung aufweist, die gekennzeichnet ist durch einen MPSK-Modulator, der so angeschlossen ist, daß er die Daten empfängt, einen mit dem MPSK-Modulator verbundenen Zweiphasenmodulator (BPSK), einen Radamacher-Walsh bzw. RW-Funktionssatz-Generator mit einer Einrichtung (CT) zum Auswählen eines Gliedes eines gegebenen RW-Funktionssatzes, wobei jede RW-Funktion eine RW-Chip-Rate (Fragmentierungsfrequenz) hat, die dem Maximum orthogonaler Teilnehmer/Nutzer multipliziert mit der Symbolrate gleich ist, einen mit dem MPSK-Modulator verbundenen Trägerfrequenzgenerator, der auswählbare Trägerfrequenzen erzeugt, die um die RW-Chip-Rate beabstandet sind, einen Pseudorausch- bzw. PN-Codegenerator zum Bereitstellen eines ausgewählten PN-Codesignals, eine Einrichtung zum Summieren eines ausgewählten, gegebenen RW-Funktionssignalsatzes mit dem PN-Codesignal und Bereitstellen eines Spreizfunktionssignals für den Zweiphasenmodulator, wobei der Zweiphasenmodulator ein zusammengesetztes Signal aus Ausgangssignalen und dem Spreizfunktionssignal ausgibt und der ausgewählte RW-Funktionssatz ein Glied eines Satzes von Binärsequenzen ist, die über eine Symbolperiode orthogonal sind, und eine Einrichtung zur Aufwärtskonvertierung des zusammengesetzten Signals vom Zweiphasenmodulator in ein Funkfrequenzband zum Zwecke des Sendens.
Das System kann ferner gekennzeichnet sein durch eine Empfängereinrichtung zum Empfangen und Demodulieren des zusammengesetzten Signals zur Wiederherstellung der Daten.
Die Empfängereinrichtung kann gekennzeichnet sein durch einen zweiten PN-Generator zum Bereitstellen eines zweiten PN-Code signals, einen zweiten RW-Funktionsgenerator zum Bereitstellen eines zweiten RW-Funktionssignalsatzes, eine Einrichtung zum Summieren des zweiten PN-Codesignals und der zweiten RW-Funktionssatzsignales zum Bereitstellen eines Entspreizungs- und Dekodiersignals, eine Codephasen-Nachführschleife mit einem numerisch gesteuerten Oszillator bzw. NCO, die den zweiten PN-Generator und den zweiten RW-Funktionsgenerator steuert, einen Mischer zum Empfangen des zusammengesetzten Signals und des Entspreizungs- und Dekodiersignals zur Erzeugung eines entspreizten und dekodierten Ausgangssignals, und eine Trägerfrequenz-Nachführschleife mit einem NCO und einer Einrichtung zum Auswählen einer bestimmten Trägerfrequenz.
Beschreibung der Zeichnungen
Die obigen und andere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden noch deutlicher bei Betrachtung in Verbindung mit der folgenden Beschreibung und zugehörigen Zeichnungen, bei denen zeigen:
1A ein Blockschaltbild eines satellitengestützten OCDMA-Kommunikations-Systems gemäß der Erfindung,
1B ein Blockschaltbild eines erdgebundenen OCDMA-Kommunikations-Systems gemäß der Erfindung,
2 ein Blockschaltbild eines Senders für ein Doppel-Orthogonal-Codemultiplex-System mit Vielfachzugang (DOCDMA) gemäß der Erfindung
3 eine Darstellung des zusammengesetzten Spektrums für DOCDMA-Signale, und
4 ein Funktions-Blockschaltbild eines DOCDMA-Empfängers gemäß der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Wie oben schon erwähnt, ist die Erfindung eine Weiterentwicklung des OCDMA-Mehrträger-Schemas gemäß US-Patent 5,729,570 insofern, als eine Vielzahl von OCDMA-Signalen verwendet wird, die auf orthogonal beabstandeten Frequenzen übertragen werden. Bei der vorliegenden Erfindung sendet jedoch ein einzelner Benutzer nur auf einer einzigen orthogonalen Funktion auf einer einzigen Frequenz.
Ein Ausführungsbeispiel des Senders ist in 2 gezeigt. Die von einer Quelle 10 eingehende Daten werden gepuffert und formatiert 11 und dann auf einen Träger unter Verwendung von MPSK-Modulation moduliert, wobei M ≥ 2 ist. Üblicherweise benutzt man M = 4, d. h. QPSK-Modulation. Abhängig von der Anwendung kann auch Vorwärts-Fehlerkorrektur-Codierung (FEC) und Verschachtelung eingesetzt werden.
Das Signal wird dann BPSK-moduliert mit einer Binärsequenz, die die Mod-2-Summe 16 einer PN-Sequenz vom PN-Generator 14 und eines Gliedes eines Satzes von Binärsequenzen ist, welche über eine Symbolperiode orthogonal sind. Die Radamacher-Walsh-(RW)-Funktionen 15, für die es 2^N orthogonale Funktionen der Länge 2^N mit n gleich einer positiven ganzen Zahl gibt, werden hier zu Erläuterungszwecken angenommen. Ein RW-Funktions-Auswahlsignal vom Controller C wählt das gewünschte Glied des Satzes von RW-Sequenzen für die Mod-2-Summierung mit dem ausgewählten PN-Code aus.
Der gleiche PN-Code wird von jedem Mitglied einer einzelnen "Zelle" oder eines einzelnen orthogonalen Satzes benutzt. Die PN-Taktrate von der Zeitgeberschaltung 17, die durch einen Taktgeber 18 angesteuert wird, wird gewöhnlich so ausgewählt, daß sie der RW-Chip-Rate gleicht, obwohl dies nicht notwendig ist.
Ein System-Synchronisier-Signal gelangt zur Zeitgeberschaltung 17 und ein Frequenz-Auswahlsignal zum üblichen Trägerfrequenzgenerator 19. Die Signal-Wellenform vom BPSK-Modu lator wird aufwärts konvertiert 20, leistungsverstärkt 21 und über eine Antenne 22 ausgesendet.
Wie oben schon erwähnt, wird jedem Nutzer ein Code zugeteilt, der orthogonal zu allen anderen Nutzer-Codes ist (die gegenseitigen Kreuzkorrelationswerte orthogonaler Codes sind null). Weiterhin wird die Dauer der orthogonalen Codes so gewählt, daß die Anzahl der Wiederholungen des Codes pro Symboldauer eine ganze Zahl ist (üblicherweise eins). Die Code-Epoche ist mit den Symbol-Übergängen synchronisiert, so daß keine Daten-Übergänge innerhalb des Codes auftreten. Zu beachten ist, daß die RAW-Chip-Rate dem Produkt aus der maximalen Anzahl orthogonaler Nutzer mit der Symbolrate gleicht.
Die modulierte Trägerfrequenz ist als eine von N Frequenzen ausgewählt, die orthogonal über ein RW-Chip-Intervall sind, d. h. die Trägerfrequenzen sind um die RW-Chip-Rate voneinander beabstandet. Das zusammengesetzte Signal wird aufwärts konvertiert auf das für die Übertragung geeignete Frequenzband.
Die einzelnen Übertragungen sind synchronisiert, damit sie an der Basisstation zeit- und frequenz-synchron ankommen. Das resultierende, empfangene Spektrum ist wie in 3 gezeigt für den Fall, daß die Chip-Rate 166,4 kHz beträgt und fünf orthogonale Träger eingesetzt werden.
Ein Blockschaltbild des DOCDMA-Empfängers ist in 4 gezeigt. Die an der Antenne 23 empfangenen Signale werden abwärts konvertiert 24 auf I-, Q-Basisband und zur Verarbeitung durch Abtastung analog/digital umgesetzt. Nachführschleifen werden eingesetzt, um die empfangene Trägerfrequenz und Codephase zu schätzen. Die Codephasen-Nachführschleife umfaßt einen Codephasen-Diskriminator 30, Filter 31, einen numerisch gesteuerten Oszillator 32, welcher den PN-Generator 34 und den RW-Generator 35 steuert, die ihrerseits die PN- bzw. RW-Funktionen erzeugen. Empfänger-Controller CR liefert ein RW-Auswahlsignal an den RW-Generator 35, um eine be stimmte RW-Funktion auszuwählen. Die PN- und RW-Funktionen werden kombiniert 36 und einem Mischer 37 zugeführt. Die Träger-Nachführschleife umfaßt einen Trägerfrequenz-Diskriminator 38, Filter 39. Die Trägerfrequenz-Wahl vom Empfänger-Controller CR wählt 40 die Trägerfrequenz über den numerisch gesteuerten Oszillator 41. Die Quadratur-(cos, sin)-Signale vom NCO 41 werden einem komplexen Multiplizierer 28 zugeführt, um die Träger-Nachführschleife zu schließen. Die QPSK-Demodulation 42 wird in der üblichen Weise durchgeführt unter Verwendung entweder einer kohärenten oder einer differential-kohärenten Detektion, um die Daten einem Nutzgerät 43 zuzuführen.
Zwar wurden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und dargestellt; es ist aber nachvollziehbar, daß einem Fachmann ohne weiteres andere Ausführungsbeispiele der Erfindung zugänglich sind, die unter die Ansprüche fallen.

Übersetzung der Zeichnungen

1

1: Basisstation
2a: Nutzer Nr. 1
2b: Nutzer Nr. 2
2c: Nutzer Nr. N

2

10: Quelle der eingehenden Daten
11: Datenpuffer und Formatierung
12: MPSK-Modulator (QPSK)
13: Zweiphasen-Modulator BPSK
14: PN-Generator
15: RW-Funktions-Generator
17: Zeitgeberschaltung
18: Taktgeber
19: Trägerfrequenzgenerator
20: Aufwärts-Umsetzer
21: Leistungsverstärker
CTa: System-Synchronisier-Steuerung
CTb: RW-Funktions-Auswahl; Sender-Controller
CTc: Frequenz-Auswahl

3

3: 5 orthogonale QPSK-Träger, moduliert mit 166,4 Kbps R/W-Funktionen plus Daten

4

24: Abwärts-Umsetzer & IQ-Mischer
28: Komplexe Multiplikation
30: Codephasen-Diskriminator
38: Trägerfrequenz-Diskriminator
32: numerisch gesteuerter Oszillator
34: PN-Generator
35: RW-Generator
41: numerisch gesteuerter Oszillator
42: QPSK-Demodulator
43: ausgehende Daten zum Nutzgerät
CRa: Trägerfrequenz-Auswahl
CRb: Empfänger-Controller
CRc: RW-Funktions-Auswahl

Claims

Funk-Kommunikations-System mit Vielfachzugang in Orthogonal-Codemultiplex-Technik, zu dem mindestens eine Basisstation und eine Vielzahl von Teilnehmer/Nutzerendgeräten gehört, und bei dem jedem Teilnehmer/Nutzer ein Code zugewiesen ist, der zu allen anderen Teilnehmer/Nutzer-Codes orthogonal ist, um Daten zu übertragen, wobei das System eine Sendereinrichtung aufweist, die gekennzeichnet ist durch: – einen MPSK-Modulator (12), der so angeschlossen ist, dass er die Daten empfängt, – einen mit dem MPSK-Modulator (12) verbundenen Zweiphasenmodulator (BPSK) (13), – einen Radamacher-Walsh bzw. RW-Funktionssatz-Generator (15) mit einer Einrichtung (CT) zum Auswählen eines Gliedes eines gegebenen RW-Funktionssatzes, wobei jede RW-Funktion eine RW-Chip-Rate hat, die dem Maximum orthogonaler Teilnehmer/Nutzer multipliziert mit der Symbolrate gleich ist, – einen mit dem MPSK-Modulator (12) verbundenen Trägerfrequenzgenerator (19), der auswählbare Trägerfrequenzen erzeugt, die um die RW-Chip-Rate beabstandet sind, – einen Pseudorausch- bzw. PN-Codegenerator (14) zum Bereitstellen eines ausgewählten PN-Codesignals, – eine Einrichtung (16) zum Summieren eines ausgewählten, gegebenen RW-Funktionssignalsatzes mit dem PN-Codesignal und Bereitstellen eines Spreizfunktionssignals für den Zweiphasenmodulator (13), wobei der Zweiphasenmodulator (13) ein zusammengesetztes Signal aus Ausgangssignalen des MPSK-Modulators (12) und dem Spreizfunktionssignal ausgibt und der ausgewählte RW-Funktionssatz ein Glied eines Satzes von Binärsequenzen ist, die über eine Symbolperiode orthogonal sind, und – eine Einrichtung (20) zur Aufwärtskonvertierung des zusammengesetzten Signals vom Zweiphasenmodulator (13) in ein Funkfrequenzband zum Zwecke des Sendens.
System nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch eine Empfängereinrichtung (4) zum Empfangen und Demodulieren des zusammengesetzten Signals zur Wiederherstellung der Daten.
System nach Anspruch 2, bei dem die Empfängereinrichtung (4) gekennzeichnet ist durch – einen zweiten PN-Generator (34) zum Bereitstellen eines zweiten PN-Codesignals, – einen zweiten RW-Funktionsgenerator (35) zum Bereitstellen eines zweiten RW-Funktionssignalsatzes, – eine Einrichtung (36) zum Summieren des zweiten PN-Codesignals und der zweiten RW-Funktionssatzsignales zum Bereitstellen eines Entspreizungs- und Dekodiersignals – eine Codephasen-Nachführschleife (30, 31) mit einem numerisch gesteuerten Oszillator bzw. NCO (32), die den zweiten PN-Generator (34) und den zweiten RW-Funktionsgenerator (35) steuert, – einen Mischer (37) zum Empfangen des zusammengesetzten Signals und des Entspreizungs- und Dekodiersignals zur Erzeugung eines entspreizten und dekodierten Ausgangssignals, und – eine Trägerfrequenz-Nachführschleife (38, 39, 40) mit einem NCO und einer Einrichtung (41) zum Auswählen einer bestimmten Trägerfrequenz.