CN1094204A - 数据传输的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种通信方法,并且具有属于该通信方
法的设备,其目的是增加网络或网孔中用户的数量。
通过采用结合的CDMA/TDMA或
TDMA/CDMA复合使用的方法,将互补代码组
(完全正交代码或无相互作用代码)用作扩展代码,发
射数据。在将该方法用于现代的或已经设计的
TDMA系统时,在这些系统上添加CDMA部件,通
过该部件将扩展编码的CMDA多址联接用于
TDMA帧的每个时隙内,按照所述的方法增加用户
的数量。所述方法无需任何功率控制方法,也无需任
何多址联接干扰消除方法,就能增加网络或网孔容
量。
Description
本发明涉及根据权利要求1所提出的数据传输方法。本发明还涉及相应的数据传输设备或系统。
一般地说,在无线电信道中进行多边数据传输有三种方法:FDMA(频分多址联接)、TDMA(时分多址联接)和CDMA(码分多址联接)等多种采用的方案。由于散射频谱技术的发展,使得能够采用CDMA方法。与传统的传输方法相比,散射频谱技术具有许多公知的优点。在民用数据传输中(例如在移动技术中),采用CDMA的一个主要原因是由该方法提供的频带利用效率。
当数据传输的需求增加时;用户数量的增加是移动系统中的一个问题。完全新的系统的结构,以及由这些系统所需的基础设施(基站、中央交换机等等)成本较高,因此一个可供选择的方案是通过某些附加的性能扩大现成系统的容量。例如可以将某些CDMA性能引入到数字TDMA系统中(例如GSM和DECT系统)进行设计,因而能使该TDMA系统的用户数量增加到由CDMA系统才能达到的总容量。因此该系统将是所有多种效果的方法的结合,通过技术的发展能够实施这种系统,其基础设施的成本也较低。
下面将说明与CDMA相关的基本要素。在CDMA系统中,每个用户都有一个特定的扩展代码,通过该代码能够彼此区分各个用户。在理想的情况下,对于彼此之间来说扩展代码是正交的。因此能够根据扩展代码通过相匹配的滤波器,从接收的信号中解调由每个用户发射的代码。在代码是完全正交的理想情况下,从滤波器输出取得的样值仅包含来自要被检测的、由指定用户拥有的信号的数据。在完全线性和同步的理想系统中,扩展代码是正交的,就所涉及的频谱利用率来说,不同多址联接方法(FDMA、TDMA、CDMA)之间没有区别。然而实际上没有任何系统在各种条件下是完全理想的。这就是为什么选择多址联接方法非常重要的原因。例如在移动无线电信道中,CDMA系统具有许多优点:与在窄带系统中的情况相比,代码之间的码间干扰较小,衰减也将减小,并且窄带系统能够作为与CDMA系统重叠的系统,在相同的频率范围内工作。而且上述的频谱利用率,或者换一种说法-信道容量将增加。
实际上在CDMA系统中,来自不同用户的信号是沿着对每个信号不同的距离,从发射机向接收机传播的。因此由于不同距离长度的延迟,将使信号在信道中延迟,并在不同的代码相位时到达接收机。此外除了信道影响,不同用户彼此独立地发射将在接收的信号中产生相位不规则的情况。因为一般地说对于所有延迟值,扩展代码的正交性是不可能的,所以除了所需信号的自相关作用之外,在与扩展代码相匹配的滤波器输出端还会发现其他用户信号之间的互相关的一些影响。因此不同的用户彼此干扰。产生的干扰被称为多址联接干扰。
在蜂窝移动通信中,不同的移动式电话彼此独立地发射其信号,并且信号通过不同的路径传播到基站。然而从基站能够同时发射要发射到不同的移动式电话的信号。由基站发射的并由每个移动式电话接收的干扰信号也通过与所需信号相同的路径传播。因此与在基站由不同的移动式电话检测发射的信号时,多址联接干扰才是特别值得注意的。
扩展代码的非正交性是降低实际CDMA系统性能的主要问题。信号的不同传播路径长度也会导致接收的功率电平不同。例如当几个移动式电话向一个相同的基站发射其信号时,就会产生下述情况:当在基站接收信号时,来自离基站最近的移动式电话的信号比来自较远位置的信号强。较强信号会干扰较弱信号的检测。这种问题称为近距-远距问题。在移动式电话通信中,当在基站检测来自不同移动式电话的信号时,近距-远距问题就是特别值得注意的。
如果扩展代码是精确正交的,在CDMA系统中一般不存在近距-远距问题,或多址联接干扰。因此人们试图通过制定代码族来解决上述问题。该代码族在代码码元之间具有尽可能小的互相关。在CDMA系统中的多址联接干扰不可能在所有情况下都通过代码设计消除,只能减小干扰,其原因是系统具有公知的延迟。
当在两个信号的功率电平差很大时,即使在所需信号与干扰信号之间有较小的互相关,也会导致在弱信号的检测中产生较大的干扰。通过降低强干扰信号的传输电平,使接收的所需信号与干扰信号的功率电平都为相同的数量级,能够解决上述问题。该方法称为功率控制。功率控制是一种肯定的和习用的用于减小多址联接干扰的方法。这种功率控制技术的问题是该方法要测量平均传输功率,导致较差的信噪比,并且导致增大比特误差率。因此功率控制可能导致信号显著地降级,以致抵消了该方法的有利影响。
还可以通过信号检测方法,减小用户彼此之间产生的干扰。这些方法称为多址联接干扰消除方法。当在扩展频谱系统中仅有一个用户时,或者当在CDMA系统中的扩展代码是正交时,采用与扩展代码相匹配的滤波器,能够对于比特误差概率来说以最佳的方法,对接收的有噪声信道中的信号进行检测。当扩展代码是非正交时,有比上述方法更好的检测方法。在CDMA系统信号检测研究中,人们长久以来就设想,能够按照高斯随机处理对多址联接干扰进行精确地设计,因此扩展代码的相匹配滤波器和无记忆检测器能够在理想信道中形成最佳的接收机。然而这个设想在实际情况中是不能成立的。
实际上,不同用户代码之间的非理想互相关作用也会对各个接收机的工作产生不利的影响。它使接收机代码同步捕获和跟踪变得很困难。相应地,代码自相关作用从理想的如脉冲那样的自相关偏移也会导致特别在代码的捕获和跟踪以及在衰减的多路径信道方面产生问题。
因此没有任何扩展代码能在所有的实际情况下都产生理想的特性。所谓理想特征是指代码自相关作用的如脉冲那样的特性,因此在零延迟值时相对于长度具有最高电平,在所有其它延迟值时其旁瓣都为零。关于CDMA多路使用,需要代码组中各代码之间的互相关作用在所有可能的延迟值时都为零(完全正交代码),而不是仅在零延迟时为零。
存在一组扩展代码,采用该组扩展代码通过一定的条件就能够得到所需的理想特性。这种代码组包括互补代码或序列。上述互补代码或序列的特征在于该代码组中的一个单个代码是由若干个(等长的)码元构成的,其各个自相关作用的总和是理想的如脉冲那样的。每个CDMA用户代码由代码组的码元构成,以便使相互间的互相关作用的总和在所有延迟值时都为零(无相互作用或者完全正交代码或代码组)。已经有文件对扩展代码的格式进行了说明,例如B.P.Schweitzer所著的“归纳的互补代码组”(Generalized Complementary Code Sets),1971年博士论文,加利福尼亚大学,洛杉矶,美国,第87页。
当实施一个用户数量为K的通信系统时,就需要K个完全正交代码。它们由代码组的K个码元构成,例如以Schweitzer研究中提出的方法构成。每个用户代码的各码元的传输需要K个正交信道,在这些信道上通过将相匹配的滤波器的输出信号结合在一起(加在一起),就能在多址联接的情况下达到用户不会彼此干扰的状态。例如在图1中是有两个用户的情况(K=2)。
根据传输信道可以用许多方法形成正交信道。如果信道的相干时间足够长,一个传输信道就能被分成K个不同的时隙,因此就能形成K个正交信道。相应地,如果传输信道的相干频带宽度足够宽,该信道就能被分成K个无重叠频率间隔,因此就能形成正交信道。其它用一个信道传输的可能的正交化方案包括:例如利用载波(K=2)的正交分量,以及利用不同的极化电平或旋转方向。
图2示出了两个用户的CDMA系统,说明例如在蜂窝网络中互补代码组应用的原理。一个网孔包括两个移动式电话MS#1和MS#2以及基站BS,基站BS包括用于两个用户#1和#2的接收机。当无线电信道被时分多路传输成两个彼此完全独立的正交信道1和2时,就能利用互补代码组的理想特性。因此这个设想是考虑到所需的正交信号处理,相干时间TD是足够长。在两个用户的系统中,需要用于每个用户的两个代码(代码对)。干扰和噪声将加在一起进入无线电信道是理想的。根据例如在Schweitzer的研究中提出的原理选择用户#1和#2的扩展代码,以便使它们在所有延迟值时都将形成完全正交的代码对。移动的MS#1的数据信号d1的扩展代码波形,对信道1是S11,而对正交信道2是S12。在基站接收机#1中有与信道1代码相匹配的滤波器h11和与信道2相匹配的滤波器h12。根据原理,通过将滤波器的输出信号R11和R12加在一起,就能从相加的信号R1中得到对用户#1的理想检测结果d1。相应地,移动的MS#2的扩展代码是S21和S22,相匹配的滤波器是h21和h22,滤波器的加在一起的信号R2=R21+R22给出对用户#2的理想检测结果(d2)。
下面的原理考虑的情况说明基站接收的信号。假设数据信号已经被BPSK(双相移键控法)扩展调制到载波上,比特值表示如下:比特“1”→波形“+”,比特“0”→波形“-”。作为实例,我们假设系统(K=2)采用如下信号(互补代码对,并且对该系统来说是完全正交对):MS#1的扩展代码S11=+++-、S12=++-+,MS#2的波形S21=+-++,S22=+---。因此基站BS的相匹配滤波器的脉冲响应是:接收机#1h11=-+++和h12=+-++,接收机#2h21=++-+和h22=---+。在这个实例中假设:用户的数据信号是二进制的(d1=“1”,d2=“0”),所有增益都被标称化为1。然后MS#1将波形S11=+++-发射到信道1,并将波形S12=++-+发射到信道2。相应地,MS#2发射波形-S21=-+--和-S22=-+++,这时要考虑BPSK信号上数据比特d2的影响。
图3a示出了基站接收的信号,这时没有干扰也没有任何噪声加到信道的传输信号上,并且所有增益都被假设为1。接收机对两个用户#1和#2给出象理想脉冲作用那样的波形,从这些波形能够进行所需的数据代码检测。图3b示出了多址联接的情况,这时用户#1(MS#1)的扩展代码也到达用户#2(MS#2)的接收机,并且反之亦然。这个图的目的就是表示没有产生多址联接干扰或者没有产生相互作用,因此不需要进行功率控制。
在本发明的第一个方案中,提供了一种用于无线电通信的方法,其中包括:向多个正交无线电话通信信道中相应的信道指定相应的无线电话用户组,并且向所述组的每个用户指定相互正交的扩展代码。
在本发明的第二个方案中,提供了一种用于无线电话通信的系统,其中包括:用于向多个正交无线电话通信信道中相应的信道指定相应的无线电话用户组的装置,以及用于向所述组的每个用户指定相互正交的扩展代码的装置。
这些方案具有以下优点:通信网络或网孔中的用户数量能够大大地增加,而无需任何用于多址联接干扰的功率控制方法或消除方法。
下面参照附图说明本发明的特定实施例,该实施例仅是用来举例说明。
图1示出了上面已经说明的用户数量为K的实例。
图2和3a、3b也示出了上述的有两个用户的实例。
图4a示出了根据本发明的方法的原理。
图4b示出了根据本发明的系统的原理方框图。
图5示出了与说明该方法相关的信号结构。
图6示出了分别在一个时间隙内的几个信号:和
图7示出了将本发明用于GSM系统的方法的实例。
因此本发明涉及一种通信方法,在该方法中以CDMA与TDMA方法结合的方式,采用一般公知的调制方法(相干地、非相干地、差分相干地或者通常地如M-符号),将数据从基站发射到用户,或者从用户发射到基站。基站和用户都可以是固定式的和/或移动式的。公知的双工方法能够用于该双向通信。
图4a示出了该方法的原理。通信系统(L*K)的用户被多路复用到L个TDMA用户和K个CDMA用户,以便在要由L个用户信息构成的时间帧Tk期间,将每个用户的n数据比特或数据符号在其时间隙TIDM中进行发射。在每个时间隙TIDM期间,采用用于扩展频谱的完全正交代码组(互补代码组),通过CDMA方法发射来自K个其他用户的数据(n数据比特或数据符号)。
根据本发明提供了一种用于通信系统的设备(图4b),或者在该方法与现成TDMA系统(例如GSM或DECT)结合的情况下,其中也包括用于使用户数量正交增加的CDMA部件。
该通信系统增加了网孔(网络)中的用户数量,从而使用户的信号彼此之间(尽可能地)正交,因此用户彼此不会干扰(或者无相互作用)。通过TDMA多址联接得到彼此不干扰的用户,再通过完全正交代码组(例如互补代码组),采用CDMA多址联接将更多的用户连接到该系统上。
首先通过时分多路复用,将用户划分成彼此不干扰的组,然后如CDMA那样将相互正交的用户加到每个时间隙。也能够以相反的顺序,进行将用户划分成彼此不干扰的组的工作。这时包含CDMA用户的时间隙不需要任何网络功率控制方法去解决近距-远距问题,也不需要任何多址联接干扰消除方法,就能增加用户的数量。如果CDMA部件是以公知的方法运行的,就至少需要功率控制,以避免发生近距-远距问题。
彼此不干扰的用户总数量为时隙的数量(L)乘以TDMA时隙中CDMA用户的数量(K)。
通信链路是被时间同步的,即所有用户都将经历实时,该实时具有TDMA方法固有的一定误差。能够以公知的方法得到网络的和基站的用户的时间同步。时间同步的精度要求受到以下因素的影响:多路经延迟扩展的最大值(TM),网络信号的传播延迟差(TR)(取决于用户的位置和移位),以及其它定时的偏差(T△)。
在每个TDMA时间隙内,若干个其他的同时附加的用户采用CDMA方法传输数据,每个用户都用其自己的代码组。选择扩展代码组,使它们彼此之间完全正交,即用户代码组之间的互相关在所有延迟值时都为零,而不仅仅在零延迟值时为零。这种代码组可以由公知的互补代码组构成。这样在一个时间帧内不需要有任何精确的时间同步。时隙的宽度必须等于或短于传输信道的所述相干时间(TD),以便能形成对与代码组中各码元相匹配的滤波器的输出信号的所需结合。
图5作为举例示出了一个时隙内的信号结构。假设一种可利用的方案涉及包含K个码元代码S1、S2、……SK的互补代码组,并且每个码元代码的长度都为N比特。根据公知的原理,对K个用户由这些码元代码构成完全正交的扩展代码。例如,CDMA用户#1的扩展代码由互补特性确定包含码元S11、S12、S13……S1K,其中S1K(K=1、2、…K)是码元S1、S2……SK中之一。在图中该信号结构表示一个传输脉冲群,通过该脉冲群发射了n数据比特或数据符号。在该脉冲群的始端,由代码码元S1以公知方法扩展调制彼此跟随的数据符号(0、1、……n)。该传输的长度为nNTc秒。然后接着是传输间歇,其长度为TM+TR+T△秒。由于有多路径传播误差或定时误差,该传输间歇用于防止在先的代码码元信号在其后的代码码元期间到达接收机,因为如果出现这种情况的话,代码码元之间互相关的影响就会在接收机中显现出来(确实代码码元彼此之间是正交的,但不是在所有延迟值时都完全正交)。在传输间歇之后,再发射数据符号,但是,这时它们是由代码码元S12扩展调制的,该传输之后也跟随着间歇。直到数据符号全部由用户的所有代码码元扩展调制之前,一直重复上述传输。时间nNTc和TM+TR+T△的总和表示为TMUX,当传输中改变扩展代码码元时,它可以用于在接收机中改变相匹配的滤波器,但是它的这种用途不是必要的。
图6示出了如何将该方法用于实例,在该实例中通过用于相同TDMA时间隙I内的CDMA多址联接,将用户MS#1、MS#2、MS#3和MS#4信号发射到基站BS。可以用图4a中表示的通用方法描述用户:#1,1、#1,2、#1,3和#1,4。在这个实例中包括四个CDMA用户,能够使用互补代码组:S1=++++、S2=+-+-、S3=++--和S4=+--+。从该互补代码组可以导出如下对用户完全正交的扩展代码:
#1,1 S11=++++, S12=+-+-, S13=++--, S14=+--+,
#1,2 S21=+-+-, S22=++++, S13=+--+, S14=++--,
#1,3 S31=++--, S32=+--+, S33=++++, S34=+-+-,
#1,4 S41=+--+, S42=++--, S43=+-+-, S44=++++.
假设在该实例中,在时间周期TTDM中发射了n=116比特。由基站使用的时间基准也在该图中示出。如果需要,时间周期TMUX也能被用在基站接收机中,用于在相匹配的滤波中改变扩展代码码元。
除了采用互补代码组之外,图5中所示的时隙内的扩展代码还可以考虑以改进的方法设计具有传输间歇的扩展编码结构(三元扩展编码)。
当K个相匹配的滤波结果结合时,在接收机产生的处理增益无需消除由相同时隙的其他用户引起的干扰,但是需要减小来自其它来源的干扰,例如衰减来自例如使用相同代码组的相邻网孔的传输(在各基站之间不存在预先规定的同步),消除从其它载波信道漏泄的干扰,以及其它的特别是窄带干扰或接收干扰。
本发明所述的通信方法的优点在于能够在相同的载波或频道上增加用户的数量,使得用户彼此之间不干扰或不相互作用(增加网络容量)。该方法还能够用于现成的或已经设计的TDMA通信系统,例如GSM、DECT和相对应的北美IS-54,或者根据日本标准RCR-27的TDMA系统。采用该方法,网络容量可以增加若干倍,那么其容量就能与一个纯粹的CDMA网络相称。因此采用CDMA辅助设备的结构就能使用该方法。
图7示出了GSM系统的原理,作为本发明可供使用的实例。当选择大约16.5兆比特/秒作为代码的比特率时,8个其他的完全正交的用户能够在下述传播环境中在一个GSM时间隙内工作,在该传播环境中多路径延迟扩展、传播延迟中和定时精度中的差别总计为16微秒。因此总计为64个用户能够使用一个单一的载波或频道。
图6能够用作另一种GSM系统的另一个应用实例。当选择3.62兆比特/秒作为图7那种传播环境中的比特率,并且具有条件K=N=4时,总计32个用户能够使用一个载波或频道。
采用互补代码组还意味着具有与单一无线电链路相关的其它优点(BS→MS#n,MS#n→BS)。从一个用户接收机的观点来看,扩展代码自相关作用的理想特性将有利于代码同步的捕获和跟踪操作,以及RAKE接收。
在网络或网孔中,无需使用功率控制方法,也无需使用任何多址联接干扰消除方法,就能增加其容量。由于移动式电台位于离基站不同的距离处,例如在TDMA系统中也能够采用粗略的功率控制,以便补偿传播衰减。
如上所述,本领域的技术人员可以明显看出,在本发明的保护范围之内能够进行各种改进。
本发明公开内容的范围包括其中公开的任何新的特征或特征的结合,或者是明确地,或者是隐含地,或者是对其进行的任何概括,不论其是否涉及要求保护的发明,或解决任何或所有本发明指出的问题。申请人在这里提请注意,在本申请的审批程序中,或在由该申请派生的任何这类进一步申请的审批程序中,可以对这些特征撰写出新的权利要求。
Claims (12)
1、特别用于蜂窝移动通信的通信方法,其特征在于:使用结合的CDMA/TDMA或TDMA/CDMA多址联接,并且在CDMA部件中使用用户之间的互补代码组成完全正交代码作为扩展代码。
2、根据权利要求1所述的方法,其特征在于:在每种情况下发射传输脉冲群,该传输脉冲群包含一定数量的数据比特或数据符号,并且由一个代码码元(Sn1)进行扩展调制,在传输脉冲群发射之后跟随着传输间歇,然后发射由另一个扩展代码(Sn2)调制的脉冲群,该扩展代码相对于在先的扩展代码正交,在传输脉冲群发射之后跟随着另一个传输间歇等等。
3、根据权利要求2所述的方法,其特征在于:传输间歇的长度为TM+TR+T△,其中:
TM是所谓多路径延迟扩展,
TR是在网络或网孔中的信号传播延迟差,
T△是用户的时间同步的误差。
4、根据权利要求3所述的方法,其特征在于:属于通过代码组中所有代码对传输脉冲群扩展调制的总时间(TMUX),其中包括传输间歇,该总时间被用于在基站接收机中改变扩展代码码元,并且相应地在移动式电台接收机中改变相匹配的滤波器。
5、特别用于蜂窝移动通信的通信系统,其特征在于:发射方包括彼此连接的TDMA/CDMA或CDMA/TDMA部件,并且接收方相应地包括CDMA/TDMA或TDMA/CDMA部件。
6、一种通信系统,其特征在于:通过对现成的TDMA通信系统设置附加的CDMA辅助设备,实现该通信系统。
7、用于无线电话通信的方法,其中包括:
向多个正交无线电话通信信道中相应的信道指定相应的无线电话用户组,以及
向所述组的每个用户指定相互正交的扩展代码。
8、根据权利要求7所述的用于无线电话通信的方法,其特征在于:正交扩展代码包括互补代码组。
9、根据权利要求7或8所述的用于无线电话通信的方法,其特征在于:正交通信信道包括时分多路复用信道。
10、根据权利要求7或8所述的用于无线电话通信的方法,其特征在于:正交通信信道包括频分多路复用信道。
11、根据权利要求7或8所述的用于无线电话通信的方法,其特征在于:正交通信信道包括载波的正交分量、不同极化电平或旋转方向。
12、用于无线电话通信的系统,其中包括:用于向多个正交无线电话通信信道中相应的信道指定相应的无线电话用户组的装置,以及用于向所述组的每个用户指定相互正交的扩展代码的装置。
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PB01 | Publication | ||
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