CN1287724A - 用于无线电通信系统的捕获和跟踪调制信道 - Google Patents

Abstract

在无线电通信系统中具有多条物理信道,每条物理信道至少有一条逻辑信道,本发明提出在同一条同步信道的逻辑信道中传输同步的捕获和跟踪功能以及指定给一个用户站的各种系统信息。为此,同步信道中有一个重复的检测字(1)和在检测字的重复之间的系统信息(2)系统信息在同步信道中在传输之前进行扩展。本发明减少所需占据的系统资源,并保证各种同步功能和系统信息的广播。

Description

用于无线电通信系统的捕获和跟踪调制信道

本发明涉及的是使用赫兹通道或无线电通信信道进行的通信领域。确切地说，涉及的是在各种无线电通信系统中的时间和频率的捕获和跟踪。本发明特别应用于蜂窝式无线电通信系统中、卫星蜂窝式无线电通信系统中或其它无线的无线电通信系统中。

在这些无线电通信系统中，存在有在一个系统中进行通信的各个终端或台站间的同步问题，以能对传输信号进行正确解调。一个用户站通常并不具备准确的时钟发生器，但应和一个发射台在时间和频率上同步，以能对它从这个发射台所接收到的信号进行解调。一个用户站还必须能够进行时间和频率上的跟踪，就是说，在一个通信过程中保持在时间和频率上的同步，使之能连续对接收到的信息进行正确的解调。

特别是对于使用扩频调制的各种系统更具有这样的问题。对于这样的系统，只有获得同步时才能解调。对于低轨道卫星系统也具有这样的问题，对于这样的系统，卫星保证在地理上复盖一个给定的变化的用户站。

在这样的无线电通信系统中，要定义多条物理信道，这些物理信道能够传输信息，并典型地和一个载波频率相对应。将这些物理信道分成多条逻辑信道，例如通过时分或通过码分，以能仅在一条物理信道上进行多址联接。时分多址联接(TDMA)和码分多址联接(CDMA)都是已知的。

在一个无线电通信系统中，和各用户站进行的通信还需要使用和一条物理信道相联系的一条逻辑信道，向各用户站广播系统信息，这些系统信息中例如有基站(“网关”)的名称或号码，或称作小区的地理区域。后面“广播”表示这种系统信息传输广播，并用术语“业务”来表示用户站间交换的信息的内容。通常，系统信息速率较业务速率为小，典型值为每秒钟几千个比特。

在一个这样的无线电通信系统中的制约之一是要达到在整个复盖区域中的每个用户站，其中包括那些从广播的观点看处在最为不利的地方的那些站。在这个制约中还要增加频谱资源限制的制约和与每种系统类型有关的功率的制约。

为了满足同步捕获和跟踪的功能，以及系统信息的广播功能，已经建议使用多条物理信道，例如使用一条大功率的未调制导频信道以及广播信息的另一条物理信道。未调制的导频信道能很容易地在信道频率上和在时间上与用户站同步，频率上的同步是用已知的方法得到的，例如快速傅立叶变换(FFT)型的方法，在用CDMA进行的无线电通信的Qualcomm系统中特别使用这种未调制的导频方法。

这种方案具有一些缺陷。使用一条大功率的未调制信道能容易实现时间同步，但功率消耗大。另外，使用未调制物理信道占据了多个逻辑资源，并会减少信道的容量。最后，这种方案要求一系列相当复杂的过程，其中首先要求在未调制信道上时间同步，和频率同步，然后再过渡到另一条逻辑信道上来接收系统信息，进而对各业务信道解调。

本发明推荐一种在无线电通信系统中解决同步捕获和跟踪问题的方案，还提出一种解决向用户站广播信息问题的一种方案。

和已知的方案相反，本发明建议只使用一条逻辑信道，最好不增加功率来进行时间和频率的捕获和跟踪同步，并广播系统信息。

本发明还能够减少消耗功率，减少用来进行同步所占据的资源--物理信道。本发明还能够简化捕获和跟踪同步的过程。

确切地说，本发明推荐在一个无线电通信系统的多个台站之间使用一条同步信道，其中具有在述及信道上重复的一个检测字(mot dedetection)，和在检测字重复之间的一些系统信息。

相当方便，检测字的重复就在信道中构成周期性的图案，图案的周期是信道帧周期的不足一倍(Sous multiple)或倍数(moltiple)。

述及的检测字还可以用信道帧周期不足一倍或倍数进行周期性的重复。

在本发明的一个好的实施方式中，所有的系统信息都是在信道中扩展(etalement)之后进行的。

述及的扩展是借助于Hadamard码通过M元调制进行的。

最好，系统信息是在扩展之前用纠错码(Code Correcteur d′erreur)进行编码。

本发明还涉及一个无线电通信系统，这系统具有一条这样的同步信道。

述及的系统容易具有多条物理信道，每条物理信道含有至少一条逻辑信道，而述及的同步信道就是一条逻辑信道。

最好，所有的逻辑信道都是用码分多址联接定义的。

阅读后面描述的本发明的实施方式，将看到本发明的其它特征和优点。这些描述是作为示例给出的，并参考如下之附图：

图1是根据本发明的同步信道的示意图；

图2是用于这样的信道的一个发射器的示意图；

图3是用于这样信道的一个接收器的示意图；

图4是对于不同频率偏差的误码率随信噪比变化的图象；

图5是对于不同类型纠错码的误码率随信噪比的变化。

在后面的描述中，是参照一个低轨道卫星的具有扩展频谱和用码分多址联接的无线电通信系统来描述本发明的，当然，本发明并不仅应用于这样一个系统。

在这样的一个系统中，在构成物理信道的同一个连续载波上，用正交码倍增扩展多路复用的各种信号，码的正交性保证了每个用户站可以用它本身的码去乘来恢复特定于它的所有信号。

每个码定义一条逻辑信道，逻辑信道可以用来进行业务或广播系统信息；可以定义一个帧，可将帧本身分成时隙；码的大小、或时隙的大小，以及相应的速率都决定于系统的特征，是可以改变的。

本发明建议对于同步捕获和跟踪功能以及系统信息的广播的全部仅使用一条逻辑信道，最好，不增加功率。在后面的描述中，将相应的信道称为同步信道。在如前所述的用正交码定义的逻辑信道的例子中，最好是使用其码中的一个码来确定同步信道。对于别的类型的调制，述及的同步信道对应于一条逻辑信道，就是说，对应于一个载波或一条物理信道的全部或一部分。

图1示出同步信道的示意图。如图中所示，一个同步字1在述及的同步信道上以给定的周期重复，在检测字的各次重复或出现之间，同步信道传输着向各用户站广播的各个系统信息2。

检测字的大小、结构和功率都决定于所用系统的特征，选择这些量，使用户站能够同步捕获，并在需要情况下能够同步跟踪。已经知道，述及的检测字，在实践中亦称做“单字”，具有很强的自相关度，而在传输的信息中出现的概率很小。这些性质使得很容易在信道中检测检测字。

检测字在同步信道中的重复使得一个用户站通过在逻辑信道中的识别就能获得时间同步。另外检测字的识别使得用户站获得符号同步。

在述及的帧中适当地选择一个或多个检测字的位置还能使一个用户站获得帧同步。因此检测字的重复周期最好是和帧的周期相对应。在一帧内的检测字的重复可以是周期性的，亦可是非周期性的。换言之，为了得到帧同步，检测字的重复最好是在信道中构成一个周期性的图案，其周期是信道帧的周期的不足一倍或倍数。述及的检测字还可以在每帧中仅重复一次。

在最简单的情况下，检测字是周期性的重复，其周期是帧周期的不足一倍或倍数。于是，一个用户站就能够通过简单的对检测字的识别而获得符号同步和帧同步。

作为示例，考察由长度为128个字符的正交码所确定的逻辑信道的情况，其一个帧是由24个单位长度为424个符号的时隙构成，在这个情况下，可以使用长度为80个符号的一个检测字，每隔一个时隙重复一次。

在获得时间同步与符号和帧同步之后，可用已知的方法，例如用展开相位(phase développée)的方法来对频率进行一次初步估计。

本发明建议在各检测字之间广播系统信息。这就能够仅在一条逻辑信道上传输对用户终端的同步所需要的所有元素(élément)。这样，本发明避免了系统资源的损耗，并在系统传输容量的基础上减少了捕获功能和同步功能的碰撞。本发明的方案还能够改变广播系统信息的有效速率而勿需改变频谱。

相当方便，所有的系统信息都是在扩展之后在述及的逻辑信道上传输的，逻辑信道传输的每个符号的并非系统信息的一个符号，而是对系统信息扩展而得到的一个片(或英语为“chips”)。广播的速率用每秒种广播的系统信息的符号数来表示，或用信息的实际速率表示，这就更小，然而，完全只使用一个逻辑信道，对系统信息进行扩展是可行的，特别是因为系统信息的速率很小。

事实上，系统信息的实际速率可以小于载波的标称速率，这亦可借助于使用调制抵抗强衰减，更好地抵抗频率偏移。

对于在逻辑信道中已经给定的信噪比级，这种实施方式可以提高系统信息符号的信噪比，这就保证对于从传输的观点来看处在最不利的位置的那些用户站能正确地接收到系统信息。本发明可以保证一个好的鲁棒性。可以用已知的扩展技术来对系统信息符号进行扩展，例如Simon及其他人所著的“频谱扩展通信”(Spread spectrum communication，Computer Seience Press，1988)。随后的描述是参照图2给出的，是对于Hadamard码用M元调制的一个实施例。使用Hadamard码来在各个检测字之间的在同步信道上广播之前对系统信息进行扩展是非常有利的，因为解调是非相干的，这便提高了对相位变化和频率变化的抵抗。

可以预先对在检测字之间传输的系统信息使用纠错码，这种码的实现是很简单的。

图2是根据本发明的同步信道的一个发射器的示意表示。图中的示例利用一个Hadamard码的M元调制，用来对系统信息符号扩展，还利用QPSK(四相移相键控)用于调制载波。

要传输的系统信息符号--在图中用号码3标出--首先每n个被分成一组，在图中用4标出，然后将每个有n个符号的组和Hadamard阵的一行相联系，即2ⁿ个符号或Hadamard符号和载波的速率相联系。相应的M元调制构成了要传输的系统信息符号的扩展。

将扩展后得到的Hadamard符号传给一个多路复用器6，这个多路复用器6还接收到检测字的符号(图中用7标出)。述及的多路复用器6将Hadamard符号和检测字符号进行多路复用，以能得到图1中的那种类型的符号结构。

以载波的标称速率传输的系统信息符号与检测字符号经多路复用后在逻辑信道中调制。其处理随着逻辑信道和物理信道的性质的不同可以不同。在码分多址联接的情况下，在载波上调制的符号是超取样的，而后在发送给物理信道之前，用相应于信道的序列或码去倍增。

对于一个载波速率D，系统信息用速率D·n/2ⁿ在逻辑信道中传输，这里涉及的是瞬时速率，瞬时速率没有考虑到检测字在载波上所占据的空间。

这里指出，信道中检测字的功率可以和传输的系统信息的功率不同，这特别是象在所描述的实施方式的情况下，系统信息是在初次扩展之后传输的；实际上，在这种情况下，初次扩展能够增加系统信息的信噪比，它可以用较低的功率级进行传输，而处在最坏的接收条件下的用户站也完全能够接收。

图3示出用于根据本发明的同步信道的一个接收器的示意图。这个接收器可以和图2所示的发射器共同运行。在利用CDMA逻辑信道在各个片获得同步之后将逻辑信道接收到的符号传送给时间同步和符号同步的捕获模块10，在模块10中接收器寻找检测字，并有帧同步发生的情况。如前所说，可在这个时刻进行频率的初步估计。

尔后，在11中，对所有的符号进行多路复用，以将传输的系统信息和检测字分开。在模块12中，将在检测字之间的以信道标识速率接收到的系统信息分成每2ⁿ个符号为一组。

然后在13中，将2ⁿ个符号的各组进行快速Hadamard变换。再后，在14中确定发射的Hadamard矩阵的行，以能得到发射的n个信息符号。典型的是在Hadamard矩阵行中使用如最大保真准则。

对于发射的Hadamard行和载波上接收到的各2ⁿ个Hadamard符号可以进行频率偏移和相位偏移的最初估计。

在15中确定所有的信息符号。

除了向用户站广播系统信息之外，本发明还能对频率偏移和相位偏移进行估计。一方面，这种估计可以进行物理信道的跟踪，以使用户站保持在物理信道发射的频率上；另一方面，这种估计能对从同一物理信道的其它逻辑信道中接收到的信号的频率和相位进行修正。这样，本发明就能在一条物理信道上的频率偏移和相位偏移的估计函数在唯一的信道上组合起来。

检测字的连贯性还能保持用户站的时间同步和符号同步。

图4是在不同频率偏移情况下误码率随信噪比变化的图象。其横坐标是信噪比Es/No，用dB表示；其纵坐标是系统信息的误码率(BER)。这个图对应于对系统信息用Hadamard码进行M元调制及2ⁿ=128的情况。用菱形表示的图象示出在无频率偏移情况下模拟得到的结果；图方块表示的图象是频率偏移在-400Hz到+400Hz之间且在这两个值之间有相等概率的分布情况下模拟得到的结果；用三角形表示的图象示出频率偏移为400Hz时模拟得到的结果。这个图说明，频率差在从-400Hz到+400Hz之间的误码率的变坏是很小的。对于Es/No为-6.8dB的情况，仅损失0.5dB。

在上面的图中，并没有使用纠错码。典型的，可以在用Hadamard码进行扩展之前对信息符号使用该码。在这种情况下，是在图3中在模块14之后来进行这种修正。

在这种情况下，通常不是根据Hadamard行，而是根据用纠错码修正的系统信息的符号来确定相位偏移和频率偏移的。实际上，从修正了的系统信息码出发回溯(remonte)到发射的Hadamard行，并将发射的行(或多个行)和载波上有效接收到的符号进行比较。

图5示出在不同的纠错码的情况下系统信息误码率(BER)或在扩展后得到的符号差错率(SER)随信噪比的变化，其中的标记和在图4中的标记相同。该图仍对应于对系统信息用Hadamard码进行M元调制的扩展及2n=128的情况。黑色的菱形图象示出无纠错码时的符号差错率，黑色的三角形的图象示出无纠错码时的比特差错率，而两个方形的图象示出使用Reed Solomon型(70，84)纠错码的符号差错率和比特差错率，两个三角形的图象示出使用Reed Solomon型(56，84)纠错码时的符号差错率和比特差错率。这个图说明了纠错码的使用明显地改善了传输系统的性能。

使用术语误差概率；频率误差大于21Hz的概率，对于使用128个符号的系统信息比特调制，约为10^-6，使用Reed Solomon型(8，12)纠错码，即短码，修正两种误差，可使误差概率达到10^-8。

当然，本发明并不限于前面描述的和表示出的实施例，它可以适用于技术人员所能达到的多种变种。

这样，在前描述的本发明的实施方式中是使用Hadamard码对系统信息符进行扩展的，这对本发明的实施并非是必须的，亦可使用其它类型的扩展码。

本发明还是在用正交码所定义的逻辑信道(CDMA)的情况下描述的，本发明亦可应用于其它类型的多址联接，或时分多址联接(TDMA)或频分多址联接(FDMA)亦或用其它方法定义的逻辑信道。

在所描述的实施方式中，是将同步信道的全部用来作同步捕获和跟踪，用来作信息的广播。亦可仅将同步信道的某一部分用于这些功能。在此情况下，可将同步信道的其余部分用于传输业务。

Claims (9)

1．一种电信系统，其中有一个发射台和至少一个用户站，通过无线电信号进行通信，这个系统中具有传输装置和广播装置，能在至少一条逻辑信道上周期性地传送系统信息，并在同一条逻辑信道上在述及的各系统信息广播之间广播检测字，用来使用户站获得和述及的逻辑信道相联系的一条物理信道，这个电信系统的特征在于，述及的系统信息是在广播之前借助于Hadamard码用M元调制进行扩展的，使得用户站能够较好地进行和述及的逻辑信道相联系的物理信道的相位和频率跟踪。

2．根据权利要求1的电信系统，其特征在于述及的检测字在述及的信道中构成周期性的图案，图案的周期是信道帧的周期的倍数。

3．根据权利要求1的电信系统，其特征在于述及的检测字是周期性地重复，其重复周期是信道帧周期的不足一倍。

4．根据权利要求1的电信系统，其特征在于述及的检测字都是周期性地重复，其重复周期是信道帧周期的倍数。

5．根据权利要求1至4中任意一项的电信系统，其特征在于述及的系统信息都是在扩展之前用纠错码进行编码。

6．根据权利要求1至5中任意一项的电信系统，其特征在于其中具有多条物理信道，而每条物理信道中至少有一条逻辑信道，其特征还在于其中至少一条逻辑信道用作同步信道。

7．根据权利要求6的电信系统，其特征在于所有述及的逻辑信道都是用码分多址联接来定义的。

8．一种用于根据权利要求1至7中任意一项的电信系统中的用户站，其中至少有一个接收器部分，这个接收器部分有从一条物理信道上进行相位和频率捕获和跟踪的装置，该物理信道中至少有一条逻辑信道，该用户站的特征在于其中还有借助于Hadamard码进行M元解调的装置，其特征还在于它进行M元解调，以得到广播的系统信息，并帮助进行物理信道的频率跟踪和相位跟踪。

9．一种用于根据权利要求1至7中的任意一项的电信系统中的发射站，其中有在至少一条逻辑信道上周期性地发射检测字的装置和在述及的至少一条逻辑信道上发射系统信息的装置，其特征在于述及的发射机中还有系统信息的借助于Hadamard码的M元调制装置。

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