CN1183865A - 用于在多址接入移动通信系统中多速率编码与检测的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于多址接入移动通信系统中多速率编码和检测的方法及装置。发射机选择(34)一个数据发送速率,并用分配给此发送速率的信号波形将发送速率信息编码(38,39)成发送信号。在接收端,检测接收到的信号的信号波形,并根据检测到的信号波形选择接收中的发送速率。例如,在采用跳频(FH)或跳时(TH)的移动通信系统中,跳频模式的选择是根据此发送速率来进行的。在码分多址(CDMA)系统中,扩展码是根据此发送速率来选择的。

Description

用于在多址接入移动通信系统中多速率编码与检测的方法和装置

本发明涉及多址接入移动通信系统中的多速率编码和检测，系统中一个发射机选择数据发送速率，并用所选数据发送速率将信息向前传送给适合接收所选速率的接收机。

在当前的数字移动通信系统中，用户信息，即语音与数据是用数字形式在无线接口上发送的。在某些情形下，可能要对多个发送速率进行选择，选择某个最适合所用语音编码速率以及用户数据发送要求的速率。典型时，发送速率在呼叫开始时就选择并在呼叫期间保持不变。在移动通信系统中要求无线接口更为灵活以容纳不同类型的业务。这一灵活性要求的结果之一是要求在一个呼叫中快速改变发送速率。例如在一数字移动通信系统中，用户信息分组成传输帧(例如持续时间为10ms)，每个帧可能有一个发送速率，它不依赖于以前的或后续的发送帧。然而，如何用目前发射机到接收机最快的可能发送速率来发送信息，使接收机能调整它的运行以适应所用发送速率成了问题。另外，在诸如扩频无线系统这种干扰受限移动通信系统中，采用快速闭环功率控制是有利的。利用功率控制装置，基站搜索以调整移动台的发送功率，从而所有由移动台发射的信号被基站以相同额定功率电平接收。也就是说，采用功率控制装置的目的是平均在无线电波传播路径上传送的码元能量，从而发射功率也与速率成比例。鉴于此，当采用闭环功率控制时，接收机需要无时延地知道当前发送速率。

无线电波传播路径所采用的一种已知方法是用独立信令信道来传送从发射机到接收机的发送速率。闭环功率控制可以结合这样的一个信令信道来实现。然而分离信道在实际实现中带来了时延。保护指明发送速率的消息以避免发射机中的干扰和交织。最有效的交织持续发送帧的长度。在知道发送速率与完成用户信号处理之前，在接收机中完成去交织和纠错。结果，接收到的用户信号必须进行缓冲，直到这些接收操作完成为止。另一结果是闭环功率控制激活被延迟。如果扩频系统的接收机利用干扰消除(IC)或多用户检测(MUD)，检测所采用的发送速率带来的时延还考虑到了干扰信号(其他用户)。在异步扩频移动通信系统中，根据上述假设，传输时延将变为交织深度加上信号处理时延的和的两倍。

本发明的目的之一是提供一种系统和装置，利用它，移动通信系统中的接收机可在任何时候，以合理的时延和经济的接收机构造来检测发射机所采用的发射速率。

这通过一种包括如下步骤的方法来实现：在发射端选择在无线电波传播路径上用于发送用户信息的数据发送速率；用当前传送速率向前给接收端传送信息；调整接收以适应所采用的发送速率。本发明方法的特征在于分配不同信号波形给不同发送速率；在发射端根据所选发送速率选择在无线电波传播路径上使用的信号波形；在接收端，检测在无线电波传播路径上所使用的信号波形；在接收端选择对应于检测所得信号波形的发送速率。

本发明还涉及一种用于在多址接入移动通信系统的发射机中进行多速率编码的装置，该发射机用变化的发送速率向无线电波传播路径发送用户信息。本发明装置的特征在于安排发射机以将不同信号波形分配给不同发送速率，而且它用分配给它的信号波形在无线电波传播路径上向接收端发送数据发送速率信息。

另外，本发明涉及一种用于在多址接入移动通信系统的接收机中检测变化的发送速率的装置。接收机接收从无线电波传播路径来的发送速率在变的用户信息。本发明装置的特征在于安排接收机以分配不同信号波形给不同发送速率，而且该装置包括一个检测器，它根据所接收到的信号波形来检测在发射端所使用的发送速率。

根据本发明，变化的发送速率在发射端用一个信号波形来编码，根据在任何某个时刻所采用的发送速率来选择信号波形。在接收端，识别接收信号的波形，接着识别发射机所采用的发送速率。例如，在一个采用跳频(FH)或跳时(TH)的移动通信系统中，可以根据发送速率来选择发射机中的跳频模式(Hoping Pattern)。在一个多载波HFDMA系统中，根据发送速率可能选择所使用的载波或它们的组合。在一个CDMA系统中，可以根据发送速率来选择扩展码。另外，这些方法可以结合着使用。

用其它话来说，采用与那些用于区分不同用户的方法相类似的方法，以此来识别不同用户的发送速率。前面提到的多址接入方法的特征在于：合适的可用扩展波形的数目大于在移动通信系统的干涉限制下所允许的同时使用用户数目。基于上述理由，移动通信系统还有额外的可用“信道”，通过此“多址接入”可以延伸以覆盖发送速率。然而，必须注意到，多址接入方法以及在移动通信系统中利用波形识别用户可以根据不同的方法来进行，而不只是同样系统中根据本发明的发送速率编码方法。

一种与多址接入方法不同的方法是用具有合适的互相关特性的Rademacher波形或类似的波形对用户信息进行整形。这对于接收机的实现来说是经济的，特别是在CDMA移动通信系统中。

根据本发明，既然不同发送速率是用不同信号波形来标识的，因此在接收机中，只需要在接收了几个码元(语音或数据)以后就可以检测信号波形，从而就可以检测到发送速率。因此在接收机中无需等待诸如帧的结束和去交织，经过相对较短的时延就可以开始用户信号的检测。结果，可以几乎从每一帧的开始就激活如扩频系统的闭环功率控制和多址干涉消除。首先，在帧的开始处，根据最大原理估算最有可能的发送速率，例如直到它能对发送速率作出可靠的最终判断。

接下来将参考附图对本发明的优选实施方式进行更为详细的描述，其中：

图1是CDMA发射机方框图，它的扩展码根据发送速率来选择；

图2是CDMA接收机方框图，它根据扩展码来检测经图1中的发射机编码后的发送速率；

图3是CDMA发射机方框图，它的发送速率通过用Rademacher波形来定形用户数据码字来编码；

图4是CDMA接收机的方框图，它根据Rademacher波形来检测图3的编码发送速率。

图5A、5B、5C和5D表示的是图3的发射机和图4的接收机的操作的信号图。

如上所述，本发明的基本思想是在发射机中，用扩展波形对变化的用户信息的发送速率进行编码，扩展波形的选择根据任何某个时候所用的发送速率而定。在接收机中检测信号所出现的扩展波形，相应地标识所用发送速率。多址接入方法向多个用户提供以相互之间干扰最小地同时接入到频率频谱上。在频分多址方法(FDMA)中，每个用户有一个专用的频率信道，它的频带相对较窄，用户信号的发送功率集中在其上。在时分多址方法(TDMA)中，信道由形成一帧的一个多时隙序列内的一个时隙组成。某些移动通信系统采用FDMA和TDMA相结合的方法。

FDMA、TDMA或FDMA/TDMA移动通信系统可以采用跳频(FH)或跳时(TH)在频域或时域中扩展用户信号。跳频通过连续地改变发射信号的载波频率(频率信道)来采用更宽的频谱。相应地，跳时方法连续地改变发射信号的时隙(信道)。这种信道改变称之为“跳跃”，在一次跳跃循环中的信道和它们的序列称之为跳频模式。

在发射机中可以根据本发明来采用频率或时间跳跃编码发送速率。此实施方式中，不同的时间或频率跳频模式分配给不同的发送速率，可在一个呼叫期间对它进行选择。发射机和接收机都知道跳频模式和发送速率之间的映射(相互依赖决定)。任何某个时刻所用的跳频模式在发射机中根据发送速率来选择。在接收机中检测出现信号的跳频模式，并根据检测到的跳频模式标识接收机发送速率。接下去，用所述标识的发送速率来检测并进一步处理接收到的用户信号。

在一个多载波系统(正交FDMA)中，在任何某个时刻发射机所使用的载波或载波组合是根据发送速率来选择的。发射机与接收机都知道不同发送速率与载波或载波组合之间的映射关系。接收机检测出现信号的载波或载波组合，并在此基础上识别发送速率。接下去，接收机以此发送速率检测并处理用户信号。

在一种码分多址(CDMA)系统中，向每个用户提供一个专用的伪随机二进制序列，就是所说的扩展序列。用户信号和载波由此扩展序列调制，生成调制波形的扩频。这意味着多个CDMA信号可以共用相同的频谱。这些信号在接收机中用一个相关器确定，相关器组合特定的二进制序列的能量并再生它的初始频谱。本发明可用于在CDMA移动通信系统中，根据发送速率在发射机中通过选择扩展码来编码发送速率。

如上所描述的方法还可以结合使用。用其它的话来说，单个用户的不同发送速率可以用类似于区分不同用户时所用的方法来区分。如上所描述的多址接入方法的特征在于可用的适当扩展波形的数目大于系统干涉限制时所同时允许的用户数。利用这些“额外”的扩展波形，“多址接入”也可以扩展以覆盖一个用户的不同发送速率。然而，必须注意到，这不排除用其它可选方案，它们采用的是不同的方法来提供实际的多址接入，而不是按照本发明的发送速率编码方法。这样的一个例子将在下面结合图3、4和5来描述。

接下来，本发明优选实施方式将结合CDMA系统来描述，本发明将特别适合它。CDMA原理的描述只用于说明本发明。有关CDMA更为详尽的描述，可参考QUALC0MM Incorporated，1992年5月21日，，USA的An over viewof the application of code division multiple access(CDMA)to digitalcellular systems and personal cellular networks。

图1是例示一个CDMA发射机原理的方框图，其中，扩展码的选择根据在任何某个时刻所用的发送速率来确定。根据CDMA发射机的普通原理，从数据源1获得的用户信号1，即语音或数据，与来自混频器2中的扩展码发生器5的扩展码混合。扩展码扩展用户信号，产生的扩频信号在发射机3中调制到由振荡器6生成的载波频率F1上，然后通过天线7发送到无线电波传播路径。数据源1的用户信号发送速率可能在一次呼叫过程中快速变化，得到两个或多个不同的值。根据本发明，给每个不同的发送速率分配特定的扩展码。有关允许发送速率与相应扩展码之间的映射的信息存储在控制单元4中。在传输期间，控制单元4根据数据源所采用的发送速率，选择由扩展码发生器5为混频器2所生成的相应扩展码。因此，图1的发射机向无线电波传播路径发送的扩频信号，其扩展波形依赖于发送速率。

图2显示的是CDMA接收机原理方框图，它可根据接收到的扩频信号的扩展波形来检测发送速率。天线20中接收到的扩频信号，在接收机21中用RF振荡器22产生的载频F1解调成基频信号。基带扩频信号23馈送给相关器24₁...24_N。本发明的这种实施方式包括针对每个允许扩展码的独立相关器24。例如，如果允许发送速率的数目N是3，扩展码和相关器24的数目也是3。每个相关器24₁...24_N包括一个混频器25和一个扩展码发生器26。混频器25将信号23与扩展码混合，从而可在相关器24的输出端获得用户信号，相关器24的扩展码于发射机所采用的扩展码相一致。检测器27，例如信号输出电平检测器检测哪个相关器24在其输出端有用户信号。在检测器27中，存储着有关扩展码与发射机所采用发送速率以及与相关器24₁...24_N的扩展码之间的映射的信息。在这些信息基础上，检测器27确定发射机所采用的发送速率，并向进一步处理单元2 8提供有关发送速率的信息，并提供有关此进一步处理单元要使用的哪个相关器24的输出信号的信息。例如，如果发送机采用扩展码1，用户信号是出现在相关器24₁的输出处，从而检测器27控制进一步处理单元28去处理相关器24₁的输出信号，并使用对应于扩展码1的发送速率。至于本发明所考虑的，确定进一步处理单元28的功能不是必要的。这些功能可以包括，例如去交织、信道解码、纠错等等。一般而言，进一步处理28可以理解为要用到实际用户信号或有关正在使用的发送速率信息的所有接收机电路和功能。其它与此类似的功能可以包括例如闭环功率控制和多址接入干扰消除。

仅在接收几个码元以后，在正确的相关器24₁...24_N的输出出现用户信号，这意味着，可以马上检测到发送速率。因此，与使用分离的信令信道相比，可以在经过相对较短的时延后就开始检测用户信号。如果必要，可以在进一步处理单元28的输入端采取缓冲的方式来补偿检测发送速率所需的时延。

图3、4和5描述的是本发明的第二种实施方式，借此可在CDMA系统中实现一种更为简单和更为经济的接收机。在图3的发射机中，用户信号从数据源31馈送给乘法器39，在乘法器39中将它与由Rademacher发生器38所生成的Rademacher波形相乘。经乘法器39修正的用户信号提供给混频器32，其频谱由扩展码发生器35生成的扩展码扩展。由此提供的扩频信号在发射机33中调制到由RF振荡器36所产生的载频F1上，并通过天线37发射到无线电波传播路径中。从数据源31来的用户信号的发送速率可能在呼叫过程中迅速变化。在本例中，用户信号所允许的发送速率为1R、2R、4R...，R是基本发送速率。对于每个允许的发送速率，分配一个专用的Rademacher波形，用于在乘法器39中对用户信号进行整形。在本发明的优选实施方式中，向每个发送速率分配频率为各发送速率两倍的Rademacher波形。有关发送速率与Rademacher波形之间映射的信息由控制单元34维护。控制单元34监视数据源31的发送速率，并且，当发送速率改变时，该单元使Rademacher发生器38产生一个分配给新发送速率的Rademacher波形。结果，发射机向无线电波传播路径发送一个扩频信号，此信号的Rademacher波形指明它所采用的发送速率。

参看图4，由天线40接收的射频信号在接收单元41中，利用从本地振荡器42来的振荡信号F1来解调到基带。基带扩频信号提供到混频器44，在混频器44中，扩展码与有发生器43所产生的扩展码混合，从而得到的输出信号是用户发射并经Rademacher波形处理的用户信号。在采样单元45中，混频器44的输出以两倍于最高发送速率(即Rademacher波形的频率)的采样速率来采样。有最高发送速率的半码元由采样单元45输出给速率检测器46和缓冲存储器47。在缓冲存储器47中，该半码元一直缓存到速率检测完成为止。在检测器46中，通过恢复相应允许发送速率的码元来检测发送速率。这通过在相关器460₁-460_N中计算从采样单元45接收到的该半码元的相关来实现。相关器的数目N对应于不同发送速率以及Rademacher波形的数目。在相关器1中，样值于第一Rademacher波形相关。结果，恢复了对应各个发送速率的码元。码元功率在足够长的时间周期上积分。对于其它每个Rademacher波形，在其它相应的相关器460中完成类似过程。由于Rademacher波形的正交特性，只有与发射机所采用的发送速率以及Rademacher码相应的相关器460的积分结果不是零。其它相关器的积分结果对用户信号的响应是零。另外，积分结果包含了干扰和噪声成份，它们根据要求程度滤掉。相关器460₁-460_N的输出输入给控制单元461，由它确定是哪个相关器的积分结果最高。发射机所使用的不同发送速率与Rademacher波形之间的映射存储在控制单元461的存储器中。控制单元461向Rademacher发生器49提供有关正确的Rademacher码的信息，并向进一步处理单元50提供有关发送速率的信息。现在，在速率检测期间缓存在缓冲存储器47中的那半码元提供给乘法器48。在乘法器48中，这一半码元与由Rademacher发生器49产生的Rademacher波形相乘。结果，初始用户信号(语音或数据)从乘法器48馈送给进一步处理单元50。进一步处理单元50可能包含与图2接收机的进一步处理单元28相近的功能。

尽管图3和4显示的是在用扩频码处理之前用Rademacher波形来整形，也可以在用扩展码处理以后再用Rademacher码处理，或两者同时进行，也就是，在用组合码来处理实际信号之前，将扩展码与Rademacher码混合。

图5A-5D例示的是采用2R发送速率时，图3的发射机和图4的接收机中的不同的信号波形。图5A所示的是发送速率为2R的一个数据信号。图5B所示的是一个分配给发送速率2R的Rademacher波形，波形的频率为2×2R。另外，图5B中的虚线表示的是分配给发送速率R和4R的Rademacher波形。在乘法器39的输出端，得到与图5C对应的修正波形。此波形被进一步扩展、调制，通过无线电波传播路径发送给接收机，在接收机混频器44中消除扩展。混频器44的输出信号如图5C所示。在采样单元45中，从混频器44的输出波形生成的最高数据速率的半码元用于在相关器中对不同Rademacher波形与样值进行相关。相关结果如图5D所示。样值与分配给发送速率R的Rademacher波形的相关如图5D的顶部所示。相关深度，即码元长度为1/R。如果相关结果在此相关深度上积分，所得的相关结果为零，意味着所采用的发送速率不是R。图5D的底部所示的是样值与分配给发送速率4R的Rademacher波形的相关。如果此相关结果在相关深度，即C_L＝1/4R上积分，结果依旧为零，因此可以判定发送速率不是4R。图5D的中间部分所示的是样值与分配给发送速率2R的Rademacher波形之间的相关。如果该相关结果在相关深度C_L＝1/2R上积分，得到的是非零结果，这表示发送速率所采用的是速率2R。

在本例中采用Rademacher波形的好处是，不同发送速率之间是完全正交的；以及一种可计算的方便检测方法，因为所有相关器的初始数据是与最高发送速率相应的普通半码元。Rademacher波形的有关描述例如可以参阅“Walsh Function and Their Applications”，Beauchamp K.G.，NewYork，N.Y.，Academic Press Inc.，1975.236p.和“DigitalCommunications”，Proakis，J.G.，第二版，New York，McGraw-Hill BookCompany，198，186p.。

然而，应该注意到，尽管如上所描述的本发明采用的是Rademacher波形，本发明可采用多种具有独特互相关特性的不同波形。

尽管本发明的描述是结合特定实施方式的，应该理解所作的描述只是示例而已，可以对它进行改动和修正而仍不脱离所附权利要求书中定义的本发明的范围和精神。

Claims (13)

1.一种用于在通信系统中进行多速率编码和检测的方法，该方法包括步骤：

在发送端选择在用于发送用户信息的无线电波传播路径上所用的数据发送速率；

以当前发送速率前转传送信息至接收端；

调整接收以适应所使用的发送速率；

其特征在于：

给不同的发送速率分配不同的信号波形；

在发送端，根据所选的发送速率选择在无线电波传播路径上使用的信号波形；

在接收端，检测在无线电波传播路径上使用的信号波形；

在接收端，选择与检测得到的信号波形对应的发送速率。

2.一种在时分或频分多址移动通信系统中如权利要求1所要求的方法，其特征在于：

分配不同的时间或频率跳频模式给不同的发送速率；

在发送端，根据所选数据发送速率选择在无线电波传播路径上使用的跳频模式；

在接收端，检测信号出现的跳频模式；

在接收端，选择与检测得到的跳频模式对应的发送速率以对信号进一步进行处理。

3.一种在多载波移动通信系统中如权利要求1所要求的方法，其特征在于：

分配不同的载波或它们的组合给不同的发送速率；

在发送端，根据所选发送速率选择在无线电波传播路径上使用的载波或它们的组合；

在接收端，检测信号出现的载波或它们的组合；

在接收端，选择与检测得到的载波或它们的组合相对应的发送速率以供对信号的进一步进行处理。

4.一种在码分多址方法中如权利要求1所要求的方法，其特征在于：

分配不同的扩展码给不同的发送速率；

在发送端，根据所选发送速率选择在无线电波传播路径上使用的扩展码；

在接收端，检测信号出现的扩展码；

在接收端，选择与检测得到的扩展码对应的数据发送速率以对信号进一步处理。

5.一种在码分多址方法中如权利要求1所要求的方法，其特征在于：

分配不同的整形波形给不同的发送速率；

用根据所选发送速率而选择的整形波形对用户信号整形；

在发送端，用一个扩展码扩展整形后的用户信号；

在接收端，用扩展码再生整形后的用户信号；

检测用户信号整形所使用的整形波形；

选择与检测得到的整形波形对应的发送速率以对信号进一步进行处理。

6.一种如权利要求1所要求的方法，其特征在于，用Rademacher波形对用户信号进行整形。

7.一种用于在多址接入移动通信系统的发射机中进行多速率编码的装置，该发射机以变化的发送速率向无线电波传播路径发送用户信息，其特征在于：安置该发射机，以分配不同信号波形给不同的发送速率，并且安置该装置以用于在无线电波传播路径上，通过使用分配给发送速率的信号波形，用以向接收端传送数据发送速率信息。

8.一种在码分多址移动通信系统的发射机中如权利要求7所要求的装置，其特征在于所述波形是扩展码；以及发射机包括分配给不同发送速率的不同扩展码。

9.一种在码分多址移动通信系统的发射机中如权利要求7所要求的装置，其特征在于所述波形是整形波形，如Rademacher波形；并且分配不同的整形波形和相同的扩展码给发射机中不同的发送速率；以及该装置包括一个用分配给发送速率的整形波形来整形用户信息的信号整形器(39，39)。

10.一种用于在多址接入移动通信系统的接收机中检测变化的发送速率的装置，接收机从无线电波传播路径接收发送速率在变化的用户信息，其特征在于：安置接收机以分配不同信号波形给不同的发送速率；以及该装置包括检测器(46)，它根据接收到的信号波形检测在发送端所使用的发送速率。

11.一种如权利要求10所要求的在码分多址移动通信系统接收机中的装置，其特征在于：所述波形是扩展码，并且在发射机中，不同的扩展码分配给不同的发送速率。

12.一种如权利要求10所要求的在码分多址移动通信系统接收机中的装置，其特征所述波形是整形波形Rademacher波形，并且在发射机中，不同的整形波形和相同的扩展码分配给不同的发送速率，并且该装置包括一个信号整形器(48，49)，用于以分配给发送速率的整形波形对用户信息进行整形。

13.一种如权利要求12所要求的装置，其特征在于每个发送速率分配有一个Rademacher波形，它的频率是发送频率的两倍，并且，该装置包括：

一个混频器(44)，它用扩展码去乘接收到的扩频信号；

一个采样单元(45)，它以至少两倍于用户信息允许的最高发送速率的采样频率采样混频器(44)的输出信号；

一个缓冲器(47)，用于在发送速率检测期间缓存所述样值；

一个发送速率检测器(46)，它将所述样值与每个Rademacher波形相关，对每个相关结果在积分周期上求积分，积分周期为各个发送速率下的至少一个码元的长度，并且它选择相关结果不为零的Rademacher波形所对应的发送速率来作为接收机的发送速率。

Images