CN1174559C - 一种成帧方法及其同步的无线系统 - Google Patents

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    • H04L27/34—Amplitude- and phase-modulated carrier systems, e.g. quadrature-amplitude modulated carrier systems

Abstract

一种成帧方法及其同步无线系统，其中该方法包括步骤：根据帧长将数据流划分成帧，其中每帧的子帧数目可以由选定LA码的周期性确定。由多个时隙形成每个子帧，其中所述时隙数目可以由所述LA码的脉冲数目确定，所述时隙长度随着所述LA码的脉冲间隔的变化而变化。和通过用选定的正交扩频码调制填充每个时隙。来自不同邻近小区的不同基站应当被分配不同的LA-CDMA码，从而可以减少相邻的小区干扰。但是在邻近的小区，可以分配相同的扩频码。因此极大地减低了对扩频码数目的要求以及对扩频码长度的要求。

Description

一种成帧方法及其同步的无线系统
技术领域
本发明通常涉及一种成帧方法及其无线系统，特别是涉及一种用于物理层的成帧方法及其同步的无线系统，更特别涉及一种减少干扰和组合码分多址与时分多址的系统和方法。
背景技术
在码分多址系统中，每个远程单元通过对该远程单元唯一的扩频码调制发送到基站的数据。由不同的远程单元传送的扩频、编码信号可以在时间和频率上重叠。当这些信号到达接收基站时，通过使接收信号与该远程单元唯一的扩频码相关获得该远程单元发送的数据。
我们都知道CDMA系统的容量受到干扰的限制。这些干扰包括来自同一远程单元的多径信号之间的符号间干扰(ISI)、来自同一基站的服务区中不同远程单元的信号之间的多址干扰(MAI)、和来自相邻基站和这些基站服务的远程单元的信号之间的相邻小区干扰(ACI)。在现有技术中，为了减少相邻小区干扰，在某一时间在不同的相邻小区的不同基站必须使用不同的扩频码。因此扩频码的码长必须很长以便提供足够的扩频码。这极大地增加了系统的复杂性。现有的CDMA系统使用导致非零干扰的伪随机扩频码。即使当使用给出零干扰的例如沃尔什码的正交扩频码时，当存在来自同一远程单元的多径信号或来自不同远程单元的信号不同步时，正交属性会受到破坏，导致不同信号间的干扰。
在李道本发明，名称为＂一种扩频地址编码技术＂的PCT申请PCT/CN98/00151中，公开了一种称为大区域码(LA码)的编码方案，其中扩频地址码由一组归一化幅度、有极性的基本脉冲组成，基本脉冲的数目由这些实际因素确定：用户请求的数目、可用于脉冲压缩码的数目、可用于正交载波频率的数目、系统带宽和系统的最大传信率、这些基本脉冲在时间轴上的间隔是不同的，编码只利用脉冲位置的差异和脉冲极性的不同。在下文中这种码将称为LA码或LA-CDMA码，它们是相同的含义。
表1表示一种基本的具有16个脉冲的LA-CDMA码，具有对应的16个时隙序列及其不同的长度。
                                   表1基本的LA-CDMA码
 时隙 1  2  3  4  5  6  7 8  9  10  11  12  13  14  15  16
 TS长度 138  140  142  144  146  148  150 152  154  156  158  160  162  164  172  137
当放宽正交性的限制，即采用使用不完全正交码的准正交性以增加用户数目。例如，考虑具有N个脉冲的LA码，因为N个基本间隔的顺序对其自相关和互相关函数没有影响，所以它可以是任意的。当同时利用具有不同顺序的基本区间的码组时，用户的数目会巨大地增加。
表2表示通过置换基本LA-CDMA码的时隙获得的16个LA-CDMA码。
                                     表2 LA-CDMA码的列表
    LA码                                                       LA码的时隙序列
    0   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16
    1   2   4   6   8   10   12   14   16   1   3   5   7   9   11   13   15
    2   3   6   9   12   15   1   4   7   10   13   16   2   5   8   11   14
    3   4   8   12   16   3   7   11   15   2   6   10   14   1   5   9   13
    4   5   10   15   3   8   13   1   6   11   16   4   9   14   2   7   12
    5   6   12   1   7   13   2   8   14   3   9   15   4   10   16   5   11
    6   7   14   4   11   1   8   15   5   12   2   9   16   6   13   3   10
    7   8   16   7   15   6   14   5   13   4   12   3   11   2   10   1   9
    8   9   1   10   2   11   3   12   4   13   5   14   6   15   7   16   8
    9   10   3   13   6   16   9   2   12   5   15   8   1   11   4   14   7
    10   11   5   16   10   4   15   9   3   14   8   2   13   7   1   12   6
    11   12   7   2   14   9   4   16   11   6   1   13   8   3   15   10   5
    12   13   9   5   1   14   10   6   2   15   11   7   3   16   12   8   4
    13   14   11   8   5   2   16   13   10   7   4   1   15   12   9   6   3
    14   15   13   11   9   7   5   3   1   16   14   12   10   8   6   4   2
    15   16   15   14   13   12   11   10   9   8   7   6   5   4   3   2   1
LA码的正交特征或准正交性可以充当减少相邻服务区或信道的干扰的解决方案。
发明内容
本发明的目的是一种用于物理层的成帧方法及其无线系统，它们利用扩频调制可以提供大容量和高性能的通信系统。
本发明的另一个目的是一种用于物理层的成帧方法及其无线系统，它们利用具有零相关窗口的正交码。
根据本本发明，正如在此所实施和广泛描述的，为扩频通信提供一种成帧方法和系统。最好，所述系统包括多个在蜂窝环境组织的多个小区，每个小区中的一个基站向小区内的远程单元发射下行链路信号，每个小区中的多个远程单元发射上行链路信号。为从基站到远程单元的下行链路和从远程单元到基站的上行链路的两个/任何一个上提供码分多址和时分多址。
一种用于无线系统物理层的成帧方法，其中该方法包括步骤：根据帧长将数据流划分成帧，其中每帧的子帧数目可以由选定LA码的周期性确定。由多个时隙形成每个子帧，其中所述时隙数目可以由所述LA码的脉冲数目确定，所述时隙长度随着所述LA码的脉冲间隔的变化而变化；和通过用选定的正交扩频码调制填充每个时隙。
其中选定的正交扩频码是作为互补正交扩频码的LS码。其中所述LA码的置换位置可以重新组合，与此相对应，所述时隙的置换位置也可以重新组合。其中所述每个子帧的第一时隙用于传输导频信号。
根据上述成帧方法建立的同步无线系统，该同步无线系统由基站和移动站组成，其中基站和移动站使用所述LA码和LS码，不同的基站使用不同的LA码和LS码；不同的用户可以根据上述的成帧方法或帧结构通过CDMA和/或TDMA方式区分。
来自不同邻近小区的不同基站应当被分配不同的LA-CDMA码，从而可以减少相邻的小区干扰。但是在邻近的小区，可以分配相同的扩频码。因此极大地减低了对扩频码数目的要求以及对扩频码长度的要求。(此段需要再斟酌)
附图说明
并入和组成此说明书一部分的附图说明本发明的特定实施例，并和说明书一起用来解释，而不是限制本发明的原理。
图1说明具有多个小区的蜂窝系统。
图2说明在一个小区中的基站和多个远程单元。
图3说明从基站到多个远程单元的下行链路码片速率为1.2288MHz的20毫秒的帧结构，和从远程单元到基站的上行链路码片速率为1.2288MHz的20毫秒的帧结构。
图4说明子帧的结构和时隙的结构。
图5说明下行链路上前向同步信道的结构。
图6说明上行链路上反向同步信道的结构。
图7说明来自四个不同远程单元信号的到达时间，它们归一化到20毫秒帧的开始。
图8说明用于导频信道的每一LS码的时隙分配。
图9说明用于功率控制信道的每一LS码的时隙分配。
图10说明用于基本信道的每一LS码的子帧分配。
图11说明增强型16QAM调制的状态图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的通信系统的优选实施例包括一种蜂窝系统，该蜂窝系统包括服务一地理区域的多个小区，每个小区的基站向小区中的远程单元提供下行链路信号，每个小区中的多个远程单元。图2表示小区中的一个基站和多个远程单元。该基站包括用于实现本发明方法的发射机和接收机和适当的处理器。多个远程单元的每一个包括用于实现本发明方法的发射机、接收机、和适当的处理器。
作为一个优选实施例，本发明可以使用具有频分双工(FDD)的高级移动电话系统(AMPS)或个人通信系统(PCS)频带。作为本发明的一个优选实施例，图3说明码片速率为1.2288MHz的下行链路的20毫秒的帧结构，和码片速率为1.2288MHz的上行链路的20毫秒的帧结构。相同的原理和方法可用于不同的码片速率，例如1.2288MHz的倍数。
在图3中，下行链路上的20毫秒帧包括前向同步信道(FSCH)，即长度为1545个码片，后面是九个时隙(TS0)-子帧(SF1、SF2、...、SF9)对。每个时隙(TS0)的长度是136个码片，每个子帧的长度是2423个码片。前向同步信道由基站用于向远程单元提供同步和系统信息。时隙(TS0)和子帧(SF1、SF2、...SF9)用于从基站向远程单元提供控制和业务信道。这些时隙和子帧提供时分多址，因为不同的控制和业务信道可以在不同的时间传送。
从远程单元到基站的上行链路上的20毫秒帧包括反向同步信道(RSCH)，即长度为1545个码片，后面是九个时隙(TS0)-子帧(SF1、SF2、...、SF9)对。反向同步信道由远程单元用于与基站建立反向同步。时隙和子帧用于从远程单元向基站提供控制和业务信道。这些时隙和子帧提供时分多址，因为不同的控制和业务信道可以在不同的时间传送。在时间维中将远程单元与基站的反向同步信道和子帧分开，这将使得反向同步信道的随机接入和远程单元到基站的控制和业务的信息传输的干扰最小化。
利用稍有不同但等同的术语，每个时隙(TS0)-子帧(具有16个时隙)对可以看成是具有17个时隙的子帧，其中TS0总是在子帧的前面。这种术语方面的变化不会改变下行链路或上行链路上帧结构的内容。本发明在术语上使TS0区别于子帧。
上行链路上子帧的结构可以与下行链路相同。图4说明子帧的结构，包括被分成不同长度的16个时隙(TS1、TS2、...、TS16)的2423个码片。每个子帧被长度为2423个码片的LA-CDMA码填充，它确定子帧中的时隙长度。
来自不同邻近小区的不同基站应当被分配不同的LA-CDMA码，以减少相邻小区的干扰。
其中可以变换所述LA码的脉冲极性，与此相对应，也可以变换所述时隙的极性。
在发明人、公开号和名称分别为李道本、PCT-CN00/00028和＂一种具有零相关窗的扩频多址编码方法＂的PCT申请中，公开了一种互补正交码，这里称为LS码。LS码具有＂无干扰窗口＂的性质、也称为＂零相关窗口＂性质。作为示例，考虑以下四个长度为8的LS码：
(C1，S1)＝(++-+，+---)
(C2，S2)＝(+++-，+-++)
(C3，S3)＝(-+++，--+-)
(C4，S4)＝(-+--，---+)
当两个码之间的时移在(包含首尾的)窗口[-1，+1]的范围内时，这些码的任意两个的互相关是零，除了当没有时移时，这些码的任何一个的自相关是零。因此这四个码具有[-1，+1]的无干扰窗口。
同样地以下长度为16的LS码具有[-3，+3]的无干扰窗口：
(C1，S1)＝(++-++++-，+---+-++)
(C2，S2)＝(++-+---+，+----+--)
(C3，S3)＝(+++-++-+，+-+++---)
(C4，S4)＝(+++---+-，+-++-+++)
如果我们只考虑(C1，S1)和(C2，S2)，则它们具有[-7，+7]的无干扰窗口。
因此当远程单元向基站传送利用无干扰窗口为[-n，+n]的一组LS码调制的信号时，只要这些信号彼此在n个码片内到达接收基站，这些信号就不会彼此干扰。当来自同一远程单元的多径信号和来自不同远程单元的信号在无干扰窗口内到达时，这消除了符号间干扰和多址干扰。
其中选定的正交扩频码可以是LS码。而这种成帧方法、帧或系统将称为LAS-CDMA。
在LAS-CDMA的优选实施例中，对于零相关窗口，即相关值为零的时间窗口内的所有信号，ISI和MAI可以降低为零，同时ACI可以降低到临界水平。只要来自同一远程单元的多径信号和来自多个远程单元的信号在零相关窗口内同步，ISI和MA1可以降低为零。因此，利用LAS-CDMA技术，可以理想地实现高系统性能和容量。
最好，所述LS码以LS帧的形式填入所述时隙，它具有特定的长度并进一步包括用于填充C码的C成分和用于填充S码的S成分，其中LS码的C码和S码分别填入所述C成分和S成分。
最好，当所述已分配的LS码的长度短于所述C成分加上所述S成分的长度，多个LS码可用于填充所述LS帧的所述C成分和所述S成分。
在选定的正交扩频码是LS码的情况下，所述LS码的数目由所述LS码所需的零相关窗口确定。
其中所述帧可以是下行链路帧。所述下行链路帧包括：
帧头，用来提供基站到移动站的前向同步信道和传送基站发送的同步和系统信息到移动站；
多个子帧，用来提供基站到移动站的控制和业务信道；
其中所述帧头被分成多个时隙，其中通过扩频码的调制填充每个时隙；由选定LA码的周期性确定所述子帧的数目；每个子帧由多个时隙形成，所述时隙数目可以由所述LA码的脉冲数目确定，所述时隙长度随着所述LA码的脉冲间隔的变化而变化；每个时隙通过扩频码的调制填充。所述多个时隙可以具有相同的长度。
其中所述帧可以是上行链路帧。所述上行链路帧包括：
帧头，用来提供移动站到基站的反向同步信道并建立和保持移动站和基站之间的反向同步；
多个子帧，用来提供移动站到基站的控制和业务信道；
其中所述帧头被分成多个接入时隙以便向基站发送由正交扩频码调制的接入信号，其中它的长度取决于接入信号的长度和在移动站和基站之间反向同步时的最大时延；
由选定LA码的周期性确定所述子帧的数目；每个子帧由多个时隙形成，所述时隙数目可以由所述LA码的脉冲数目确定，所述时隙长度随着所述LA码的脉冲间隔的变化而变化；每个时隙通过扩频码的调制填充。所述多个时隙可以具有相同的长度。
图4说明根据本发明优选实施例的时隙(TS0)或子帧内的时隙(TS1、...、TS16)的结构。时隙TS0的长度总是136个码片，子帧内的时隙(TS1、...、TS16)可以随着子帧所用的LA-CDMA码而改变并且至少是137个码片。每个时隙(TS0、TS1、...、TS16)具有类似的结构，具有4个码片的间隔，后面是64个chip的C码，然后是4个码片的间隔，后面是64个码片的S码，后面是一间隔，对于TS0该间隔的长度是0，对于TS1，......，TS16，该间隔的长度根据子帧所用的LA-CDMA码而改变。
图5说明下行链路上前向同步信道的结构。它被分成多个(N)等长时隙(Slot)，后面是一间隔。每个时隙利用一扩频码扩频。为了减少相邻的小区干扰，在不同邻近小区中的不同基站对于前向同步信道应该使用不同的扩频码。例如，前向同步信道可以分成12个时隙，每个时隙128个码片，后面是9个码片的间隔，每个时隙可以利用长度为128的LS码或LS码的某些变换扩频，正如发明人、公开号和名称分别为李道本、PCT/CN00/00028和＂一种具有零相关窗的扩频多址编码方法＂的PCT申请所公开的。
作为一个优选实施例，使前向同步信道分成53个时隙(N＝53)，每个时隙具有29个码片，前面4个码片的间隔，最后4个码片的间隔。
所述正交扩频码可以等同变换。用于前向同步信道的扩频码将利用包含以下步骤的方法导出：
1.使A0＝(a0，0，a0，1....a0，L-1)＝(+++++-+0+0 -++ - 00+- 0--)，和A1＝(a1，0，a1，1....a1，L-1)＝(-++-0 0+-0--+++++-+0+0)，其中L＝21。
2.名称为＂一种扩频多地址码的正交变换方法＂、发明人为李道本、PCT申请号PCT/CN00/00092的专利公开了一种正交变换方法以从现有码中导出新码。21个码片码的正交变换定义为
Figure C0081413000131
其中φk＝2πk/L k＝0，1，..L-1。
3.通过将21个码片码的最后4个码片加到前面和将21个码片码的前4个码片加到最后，将长度为21个码片的每个码Ai，k扩频到长度为29的码。
4.不同的邻近基站为前向同步信道分配不同的29个码片码以减少相邻小区的干扰。
前向同步信道的其它实施例也是可能的，即利用不同的时隙长度和时隙中不同的扩频码，也应该被本发明所覆盖。
图6说明上行链路上反向同步信道的结构。它被分成多个(M)等长的接入时隙(AS)，后面是一间隔。每个接入时隙由远程单元用于向基站发送接入信号以便反向同步。如图6所示，接入时隙包括接入信号，接入信号的两侧具有间隔，以便提供调整接入信号传输时间的空间，以使远程单元与基站实现反向同步。接入信号可以是利用正交码、例如LS码或LS码任何变换的扩频信号。图6说明接入信号的一个优选实施例，即利用C码和S码之间具有某些间隔的LS码扩频。
接入时隙的长度根据接入信号的长度和当远程单元试图与基站建立反向同步时从远程单元到基站的最大时延确定。
为了减少相邻小区的干扰，不同的邻近基站应该为反向同步信道上的接入信号使用不同的扩频码。
下行链路上的帧和上行链路上的帧的不同安排也是可能的。例如，在每个子帧前面的时隙(TS0)可以与前向同步信道合并以便提供2769个码片长度的前向同步信道，或者它们可以重新排列以产生2423个码片长度的另一个子帧和346个码片长度的前向同步信道。同样，在上行链路，在每个子帧反向前面的时隙可以与反向同步信道合并以便提供2769个码片长度的反向同步信道，或者它们可以重新排列以产生2423个码片长度的另一个子帧和346个码片长度的反向同步信道。
由于综合了时分多址和码分多址，在本发明优选实施例的系统中的远程单元未必连续地传送信号。当考虑只在指定时隙和子帧传送的远程单元的信号的到达时间时，到达时间归一化到上行链路上20毫秒帧的开始。图7说明来自四个不同远程单元信号的到达时间，它们归一化到20毫秒帧的开始。远程单元RU1、RU2、和RU3目前连接到基站并利用它们分配的扩频码在它们分配的时隙内传送控制和业务信号。来自RU1和RU3的传输在时间上重叠，但它们使用不同的扩频码。远程单元RU4试图通过传送接入信号建立反向同步，在此总是认为接入信号处于接入时隙的中间，当接入信号的到达时间归一化到上行链路的20毫秒帧的开始。
一组远程单元被认为彼此关于零相关窗口[-n，+n]同步，如果这组任意两个远程单元到达时间之间的时间差不超过n个码片。
图8和图9说明用于导频信道和功率控制信道的每一LS码的不同时隙分配。图10说明用于基本信道的每一LS码的不同子帧(SF)分配。
本发明的优选实施例包括通过产生不同的信道支持语音和数据通信的方法，包括以下的步骤：
通过将一个基站放入每个小区产生服务一个地理区域的蜂窝系统；
将每个基本扩频码分配给前向同步信道、将扩频码分配给反向同步信道，和在下行链路和上行链路的每个子帧所用的LA-CDMA码；
每个基站在FSCH指定的持续时间内传送向前同步信道以便向远程单元提供同步和系统信息；
将LS码/子帧分配给由基站要传送的公共和专用数据信道，例如寻呼信道，前向公共控制信道、前向基本信道、前向专用控制信道、和用于分组数据的前向分组信道；
将LS码/时隙分配给由基站要传送的公共和专用控制信道，例如导频和功率控制信道；
多个远程单元通过在RSCH的指定持续时间内在反向同步信道传送时隙来接入基站以便与基站建立反向同步；
将LS码/子帧分配给上行链路的公共和专用数据信道，例如接入信道、反向公共控制信道、反向基本信道、反向专用控制信道、和用于数据的反向分组信道；
将LS码/时隙分配给上行链路的公共和专用控制信道，例如反向导频信道和反向功率控制信道；
至于调制，本发明引入增强型16QAM，它的状态图在图11中示出。还可以使用其它调制方法，例如QPSK。
对本领域技术人员来说对本发明的小区选择方法可以作出各种改变是显而易见的，不会背离本发明的范围和精神。本发明将覆盖落入所述权利要求及其等同物的系统和方法的改变和变化。此外，本发明将覆盖本发明系统和方法的当前的和新的申请。

Claims (21)

1.一种用于无线系统物理层的成帧方法，其中该方法包括步骤：
根据帧长将数据流划分成多个帧，其中每帧的子帧数目可以由选定大区域码的周期性确定；
由多个时隙形成每个子帧，其中所述时隙的数目可以由所述大区域码的脉冲数目确定，所述时隙长度随着所述大区域码的脉冲间隔的变化而变化；和
通过用选定的正交扩频码调制填充每个时隙。
2.根据权利要求1的方法，其中所述大区域码的置换位置可以重新组合，与此相对应，所述时隙的置换位置也可以重新组合。
3.根据权利要求1的方法，其中所述大区域码的脉冲极性可以变换，与此相对应，所述时隙的极性也可以变换。
4.根据权利要求1的方法，其中选定的正交扩频码是作为互补正交扩频码的LS码。
5.根据权利要求4的方法，其中所述LS码以LS帧的形式填入所述时隙，它具有特定的长度并进一步包括用于填充C码的C成分和用于填充S码的S成分，同时LS码的C码和S码分别填入所述C成分和S成分。
6.根据权利要求5的方法，其中当所述已分配的LS码的长度短于所述C成分加上所述S成分的长度时，多个LS码可用于填充所述LS帧的所述C成分和所述S成分。
7.根据权利要求4的方法，其中由所述LS码的无干扰窗口确定所述LS码数目。
8.根据权利要求1的方法，其中所述正交扩频码可以等同地变换。
9.根据权利要求1的方法，其中所述帧是下行链路帧和/或上行链路帧。
10.根据权利要求9的方法，其中所述下行链路帧包括：
帧头，用来提供基站到移动站的前向同步信道和发送基站到移动站的同步信息和系统信息；
多个子帧，用来提供从基站到移动站的控制和业务信道；
其中，所述帧头被分成多个时隙。
11.根据权利要求10的方法，其中所述多个时隙具有相等的长度。
12.根据权利要求10的方法，其中所述每个子帧的第一时隙用于传输导频信号。
13.根据权利要求9的方法，其中所述上行链路帧包括：
帧头，用来提供移动站到基站的反向同步信道并建立和保持移动站和基站之间的反向同步；
多个子帧，用来提供移动站到基站的控制和业务信道；
其中，所述帧头被分成接入时隙以便向基站发送由正交扩频码调制的接入信号，其中它的长度取决于接入信号的长度和在移动站和基站之间反向同步时的最大时延。
14.根据权利要求13的方法，其中所述多个时隙具有相等的长度。
15.根据权利要求13的方法，其中所述每个子帧的第一时隙用于传输导频信号。
16.根据权利要求1的方法，其中所述帧长是20毫秒，每个所述大区域码包括17个脉冲间隔。
17.根据权利要求16的方法，其中所述大区域码的最小间隔是136个码片。
18.根据权利要求16的方法，其中选定正交扩频码的所述调制是增强型16QAM调制。
19.根据权利要求1的方法，其中具有特定长度的时隙放在每个所述子帧的前面。
20.一种同步无线系统，包括：基站和移动站，其特征在于，基站和移动站使用所述大区域码和LS码的基站和移动站，并且
不同的基站使用不同的大区域码和LS码；
不同的移动站根据帧结构通过CDMA和/或TDMA方式区分；其中所述的帧结构为：根据帧长将数据流划分成多个帧，其中每帧的子帧数目可以由选定大区域码的周期性确定；由多个时隙形成每个子帧，其中所述时隙的数目可以由所述大区域码的脉冲数目确定，所述时隙长度随着所述大区域码的脉冲间隔的变化而变化；用选定的正交扩频码调制填充每个时隙。
21.根据权利要求20的系统，其中：不同的LS正交扩频码被所述的CDMA方式所采用，而不同的子帧被所述的TDMA方式所采用。
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