专利名称：大容量同步码分多址扩频通信系统的实现方法
技术领域：
本发明涉及一种移动通信技术，更确切地说是涉及一种实现大容量、多用户、有高频谱效率的无线同步码分多址扩频通信系统的方法。
通信业务量日益增大，而通信频带是有限的，对一个频带有限的通信系统而言，其容量或者其频谱利用效率就成为相当重要的问题。而现有通信系统对频谱的利用效率显然满足不了要求，如全球移动通信(GSM-Globe System forMobile Communication)技术、窄带的码分多址(CDMA)技术等。当今正在研究的第3代(3G)移动通信技术甚至是将来的移动通信技术，如含宽带码分多址(WCDMA)、时分-同步码分多址(TD-SCDMA)，cdma2000等的IMT2000的3G家族，所采用的包括智能天线、多用户检测、扩频(多载波)技术等的各种新技术，大大提高了移动通信系统的容量和频谱利用效率。
其中的智能天线技术，引入了空间滤波、波束赋形等技术，由于引入空分概念，对用户除了用“码”区分外，还可从“物理空间”上对用户进行区分，大大减少了系统中物理空间不同的用户之间的多址干扰(MAI)，因而在提高系统性能及提高频谱利用效率等方面已显示出它的应用前景，目前已明确应用在TD-SCDMA中，此外在3G移动通信系统中也在考虑应用智能天线技术。
多用户检测技术应用于接收技术中，包括联合检测和干扰抑制等，因其削弱(抑制)了多址干扰而可增加系统的容量，目前也已在许多移动通信系统中应用。
扩频技术的核心是使用具有伪随机特性的扩频码来调制各个用户的数据，如在CDMA系统中，就是用不同的扩频码来区分各用户。扩频码可以采用各种伪随机序列，有的通信系统还采用复合扩频码，即用两种或两种以上的扩频码复合成的扩频码来扩频，如IS95和3G家族中，是采用包括OVSF码的WALSH码与包括Gold码、m序列的扰码的复合扩频码来实现扩频(OVSF码为正交可变扩频因子(码)，其生成方式可参见中国无线通信标准CWTS TS C104 V3.0.0Spreading and modulation，应用于3G通信系统中时，对于一定长度的OVSF码，扩频码的个数正好等于扩频码的长度，如扩频码长度为16时，其个数也为16)。
一般的扩频通信系统是干扰受限的系统，扩频通信系统的容量由系统内的干扰水平决定。即，在一定的传输带宽范围内，扩频通信系统的容量受制于通信系统中干扰分量的大小。在多用户扩频通信系统中，存在有各种各样的干扰，如加性高斯噪声、多径干扰及因多用户带来的多址干扰等等。而对于一个具体的移动通信系统来说，随着用户数的增多(容量增大)，多址干扰就会成为影响其容量增大的关键因素，因为在一般情况下，多址干扰是随着用户数及用户功率的增加而增加的，最终还是要限制系统的容量。
综上所述，对于一个扩频通信系统来说，其容量受制于系统中干扰的状况、使用频带的宽度及系统所采用的扩频码的个数等。若系统采用智能天线技术，可使系统中各用户之间的多址干扰降低；若进一步采用多用户检测技术，可大大减少多址干扰的影响，提高系统容量及性能。
一个不采用智能天线和多用户检测技术的扩频通信系统，在一般情况下，因多址干扰的影响，往往不能完全使用扩频码空间所能提供的全部码道数，即系统的实际容量达不到设计容量；而一个只采用智能天线或只采用多用户检测技术的扩频通信系统，在系统用户数较多时，则往往不能很好地消除多址干扰。如，一个采用扩频码长为16的OVSF码同步码分多址(SCDMA)移动通信系统，由于只采用迫零(ZF)的联合检测算法，未采用智能天线，系统的性能随着噪声的增加而急剧恶化。因此，为使扩频移动通信系统的容量增加，需要同时采用智能天线技术加多用户检测技术。
如由中国无线通信标准(CWTS)提出的时分-同步码分多址(TD-SCDMA)系统，因扩频移动通信系统采用了智能天线技术加多用户检测技术，使通信系统的容量大为增加、性能大为提高。
然而，现有的扩频移动通信系统中，虽然同时采用了智能天线技术加多用户检测技术，来增加系统容量，但因其扩频码的码空间的码道数并没有增加，又从另一方面限制了系统的容量，造成不能充分利用智能天线技术加多用户检测技术等先进技术潜力的现状。如一个采用OVSF码加扰码的TD-SCDMA系统，对于16位长的扩频码，在某个时隙，同时存在的码道数(用户数)就不可能超过16。
本发明的目的是设计一种大容量同步码分多址扩频通信系统的实现方法，充分利用现有的扩大系统容量的各种技术的潜力，以实现一种具有大容量高频谱效率的扩频通信系统。
实现本发明目的的技术方案是一种大容量同步码分多址扩频通信系统的实现方法，在发送端设置信源部分、信道编码部分、扩频部分、射频发射部分和发送天线；在接收端设置接收天线、射频处理部分、解调处理部分和信道解码部分，其特征在于将所述发送端或接收端的发送或接收天线设置成智能天线，或将所述发送、接收端的发送、接收天线同时设置成智能天线；所述发送侧的扩频部分是用个数大于扩频码码长的大扩频码集对用户数据进行扩频处理；所述接收侧的解调处理部分是用个数大于扩频码码长的大扩频码集对基带信号进行解调处理。
所述接收端的解调处理部分还采用联合检测及干扰抑制技术。
所述的大扩频码集是通过对非正交的长度为N的2N个码搜索获得的、个数M超过扩频码码长N的码集，M、N为正整数。
所述的大扩频码集是由长度为N的N个正交可变扩频码(OVSF码)加L个扰码复合获得的个数M超过扩频码码长N的码集，M、N为正整数。
所述的L是大于或等于2的正整数；码集实际使用的扩频码个数M从小于K×N/2中并根据测量系统的干扰量选择，k是所述智能天线阵元数目，N扩频码码长。
所述的由正交可变扩频码(OVSF码)加扰码复合获得的码集，是先分配掉由同一个扰码复合出的扩频码。
所述发送端的扩频处理及所述接收端的解调处理，是将大扩频码集中互相关性能好的扩频码分配给相对所述智能天线、在空间的同一方向上的用户。
所述发送端的扩频处理及所述接收端的解调处理，是将大扩频码集中未使用过的扩频码分配给新业务或新用户作扩频处理及解调处理，并在业务结束、用户断开时释放该扩频码。
本发明的大容量同步码分多址扩频通信系统的实现方法，在同步码分多址移动通信系统中组合采用已有的智能天线技术加多用户检测技术的基础上，再通过采用相对较大的扩频码码集，使获得一种大容量、高频谱效率的扩频移动通信系统。
用本发明的方法所实现的基于智能天线的大容量通信系统，可充分挖掘智能天线技术加多用户检测技术在增加系统容量方面的潜力，在扩频码为一定长度时，可采用超过一般扩频系统所用的扩频码码数目的扩频码进行扩频、解调处理，使某个时隙同时存在的码道数(用户数)增加，且不影响系统的性能(因多用户带来的多址干扰)。
下面结合实施例及附图进一步说明本发明的技术方案。
图1是本发明基于智能天线的大容量通信系统发送端结构框图。
图2是本发明基于智能天线的大容量通信系统接收端结构框图。
图3是时分同步码分多址系统的子帧结构示意图。
图4是时分同步码分多址系统的突发结构示意图。
图5是本发明系统的32码道与传统系统16码道的性能比较示意图。
参见图1、图2，分别示出本发明的基于智能天线的大容量通信系统发送端与接收端的结构。图1所示的发送端可以是蜂窝移动通信系统中小区内的移动终端，图2所示的接收端可以是蜂窝移动通信系统中的基站。
发送端主要包括基带调制部分与射频发射部分。信源(用户的话音、数据等信号)经信道编码(11)、扩频(12)处理后获得基带调制信号，再经射频发射(13)部分由天线发送出去。其中扩频(12)处理是用从扩频码码集(14)中挑选出的一个扩频码对该用户的编码数据进行调制处理。在一个移动通信系统中，可以存在一个或多个这样的发送端，共用扩频码码集(14)。
接收端主要包括射频部分与基带解调部分。由智能天线阵列(21)接收的信号经射频处理(22)后获得基带信号，分别经波束赋形(23)、信道估计(24)后再进行解调(解扩)(25)和信道译码即解码(26)，恢复出各用户信号。其中，解调(解扩)(25)处理也是用从扩频码码集(27)中挑选出的一个扩频码对特定用户的编码数据进行解调处理，解调(解扩)(25)处理中可按通信系统的要求及干扰状况决定是否使用多用户检测，包括联合检测、干扰抑制等技术。基站侧使用智能天线技术，在上行接收时根据各用户的导频数据得到各个用户在天线阵元上的信道估计(24)，和根据信道估计(24)值得到智能天线的波束赋形矩阵，再对各用户的信号进行波束赋形(23)，然后再作多用户检测，对各用户进行数据解调(解扩)(25)。
图1、图2中只描述了一条上行通信链路，但实际上，一般的通信链路应包括上行、下行双向的两条相似的链路，两条通信链路可采用码分多址或时分加码分或频分加码分技术的双工形式。此外，图1、图2中只在接收端示意出使用智能天线，但实际上，系统的发送端也可使用智能天线，在下行链路对各用户的发送信号也进行波束赋形。
本发明系统与现有系统的主要不同是大扩频码码集(14)、(27)的采用。假设采用的扩频码的长度为N，对一般扩频系统的采用OVSF+单个扰码的(扰码针对小区)系统而言，其实用码集的扩频码个数是N，即，系统在同一时隙、同一小区内的码道数为N。而本发明系统，其实用码集的扩频码个数应大于N。如对于扩频码码长为16的情况下，一般扩频系统实用码集的扩频码个数是16，而本发明系统，其实用大码集的扩频码个数应大于16。
本发明大扩频码集的产生可以有两种方法一种是采用非OVSF码的非正交码，对于二值码来说，长度为N的扩频码的个数为2N个，故可以通过原始的搜索法，或采用Gold码或其它伪随机码或其截短序列，找到大于N个的M扩频码集，作为系统的大扩频码码集。另外一种扩频码产生的方法是仍采用OVSF码，但在一个小区(扇区)内采用L个不同的扰码(L大于或等于2)，这样一个小区内能使用的扩频码码集将大于N。如OVSF码同时可用的码字数目为N(码长为N)，若对一个小区使用L个扰码，则可得到L×N个码字，复合码字由OVSF码直接乘上扰码对应位得到，如原OVSF码a＝(a1，a2，a3，…，aN)，扰码s＝(s1，s2，s3，…sN)，复合码的码字为c＝(c1，c2，c3，…cN)＝(a1s1，a2s2，a3s3，…，aNsN)。
M或L的取值应视系统干扰状况而定。在智能天线的阵元数目较多的情况下，L与M的值可以取得较大，可大大增加系统的容量。如与天线阵元数目、小区环境、周围小区以及对业务的质量要求有关，考虑各种因素，大码集中长度为N的扩频码的个数M应当小于K×N/2，其中K是天线阵元数目。在应用时，可以先对系统中的干扰进行测量，再根据干扰量决定大码集中实际可用扩频码的个数。
本发明系统，随着码道数(用户数)增加，会带来多址干扰增大的负面影响，为了减弱这种影响，可以将互相关性能好(即互相关值较小)的扩频码分配给相对于智能天线的空间是同一个方向(或较近方向)上的用户。在系统开始运行时，或系统的业务量增加时，系统从大扩频码集中找出未使用过的扩频码码字分配给新的业务或新的用户，用于扩频处理及解调(解扩)，待业务结束、用户断开时，再释放该扩频码字。系统使用时，大码集中码字的分配应根据系统中的业务量情况进行，对于采用OVSF加扰码的系统，尽量先分配由同一个扰码生成的码字，并通过对系统中的干扰进行测量，决定码字是否可进一步地分配。
本发明的系统，充分利用了各种技术的潜力，以提高系统容量。本发明系统与现有的也采用智能天线和多用户检测技术的移动通信系统相比(如TD-SCDMA系统)，后者因受限于一定长度OVSF码的个数，因此码道数目(用户数目)也是有限的，使系统容量受到一定限制，尤其在智能天线阵元数目较多的时候，不能充分利用其性能。而本发明的系统则可以充分利用各种现有技术的潜力，使整个系统的容量大大增加，频谱的利用率提高。
本发明的系统，采用智能天线技术，引入空分的概念，从一定程度上降低了多址干扰，使对扩频码之间的正交性、互相关性能的要求降低。这样，一定码长的扩频码可以采用的扩频码码字(码道)个数，就可超过原来不采用智能天线的通信系统；再进一步采用多用户检测技术，使系统克服多址干扰的能力进一步加强，可以采用的码道数目进一步扩展。
因此，本发明的技术方案是采用智能天线技术(应是本发明技术方案能够生存的关键)；在扩频码码长为N时，采用数目超过N个的扩频码码集；或者再加上多用户检测技术。其中，产生扩频码的一个很重要方式是在一个小区(扇区)内，扩频码采用OVSF码+多个不同的扰码来扩展出扩频码码集。在分配扩频码时，是根据扩频码之间的互相关性能在空间上进行分配。
如在一个参照CWTS所提出的TD-SCDMA系统内，一个小区(扇区)内同时只使用16比特长的OVSF码加扰码，那么在一个小区(扇区)内同时只能存在16个码道(用户)。本发明系统在参照该CWTS所提出的TD-SCDMA系统基础上，通过引入较大的扩频码码集，在一个小区(扇区)内使用16比特长的OVSF码加上两个不同的扰码，就可在一个小区(扇区)内同时使用32个码道(性能比较参见图5)。
参见图3，TD-SCDMA系统采用的是720ms的超帧(Superframe)，每个超帧由72个时长为10ms的帧(Frame)组成，每个10ms的帧又分为两个各5ms的子帧(Sub-frame)，子帧的具体结构图3中所示。
5ms的子帧(Sub-frame)分成7个时长为0。675ms的标准时隙(以下若不特别说明，所说的时隙均指时长为0。675ms的标准时隙)Td0、Td1、…、Tdn、Tu0、Tu1、…、Tum和三个特殊时隙(分别用不同灰度的色块在图中表示出来)DwPTS(下行导频)，G(收发转换保护时隙)和UpPTS(上行导频)。在7个标准时隙中，除了必须有一个下行时隙和一个上行时隙外，其他5个时隙根据业务需求进行动态分配。每一个时隙(包括特殊时隙)都可以通过扩频方式分为多个码道。由于TD-SCDMA系统采用TDD的双工方式和TDMA与CDMA混合的多址方式，使得该系统可以非常方便地传输对称业务和非对称业务，可以灵活的分配上行和下行的时隙数目。
参见图4，在TD-SCDMA中，通过时隙内扩频时的不同扩频增益和多码道、多时隙，完成了变速率的传输。系统的每个时隙结构或突发结构如图4中所示。在一个时长为0。675ms的标准时隙中包括两个长度各为275us、352码片的数据符号域(数据区)，一个长度为112.5us、144码片的midamble域和长度为12.5us、16个码片的保护时间域(GP)，每个突发结构中的数据长度为704个码片。
根据用户传输速率的不同，可以申请占用多个码道或者时隙，或者兼而有之。对于一个时隙内的扩频，可采用两种方式一种是采用固定扩频指数，一个用户可以同时申请多个码道传输，即多码道的传输方式；另外一种是采用变化扩频指数的方式，即变扩频因子的传输方式。
TD-SCDMA系统中的扩频方法为采用OVSF码加长度为16的扰码。原TD-SCDMA系统总共可提供128个扰码。
TD-SCDMA系统，在接收端和发送端可采用4-16阵元的智能天线阵。
在本发明系统的实施例中，采用与上述TD-SCDMA中相同的智能天线技术、相同的时隙结构、相同的(子)帧结构和采用类似的扩频方式。
同样采用OVSF码+扰码的扩频方式，但在一个小区内采用两个或两个以上的扰码，码道之间以不同的扰码和OVSF码共同区分。
本发明的系统类似于TD-SCDMA系统，同样可以采用动态的码道分配策略来减少系统内的多址干扰。
参见图5，图中用仿真法示出验证结果。按照中国无线通信标准(CWTS)TS C101(V3.0.0)至TS C105(V3.0.0)，对TD-SCDMA系统进行仿真，仿真的链路为上行链路，其中智能天线为8阵元环形天线阵列，16码道的仿真采用第0号扰码进行，32码道的仿真采用第0号、第4号扰码进行，采用MMSE联合检测技术和QPSK调制技术。信道模型采用ITU-RM.1225的车速测试环境信道A(Vehiculartest environment Channel A)。车速设置为120公里每秒，图中横轴表示信噪比(SNR，单位dB)，纵轴表示误比特率(ber)。仿真结果表明在系统工作范围之内的低信噪比(SNR)情况下，采用32码道的与采用16码道的系统在性能上相差无几，而采用32码道的系统总容量显然比采用16码道的系统容量提高了一倍。
权利要求
1.一种大容量同步码分多址扩频通信系统的实现方法，在发送端设置信源部分、信道编码部分、扩频部分、射频发射部分和发送天线；在接收端设置接收天线、射频处理部分、解调处理部分和信道解码部分，其特征在于将所述发送端或接收端的发送或接收天线设置成智能天线，或将所述发送、接收端的发送、接收天线同时设置成智能天线；所述发送侧的扩频部分是用个数大于扩频码码长的大扩频码集对用户数据进行扩频处理；所述接收侧的解调处理部分是用个数大于扩频码码长的大扩频码集对基带信号进行解调处理。
2.根据权利要求1所述的一种大容量同步码分多址扩频通信系统的实现方法，其特征在于所述接收端的解调处理部分还采用联合检测及干扰抑制技术。
3.根据权利要求1或2所述的一种大容量同步码分多址扩频通信系统的实现方法，其特征在于所述的大扩频码集是通过对非正交的长度为N的2N个码搜索获得的、个数M超过扩频码码长N的码集，M、N为正整数。
4.根据权利要求1或2所述的一种大容量同步码分多址扩频通信系统的实现方法，其特征在于所述的大扩频码集是由长度为N的N个正交可变扩频码(OVSF码)加L个扰码复合获得的个数M超过扩频码码长N的码集，M、N为正整数。
5.根据权利要求4所述的一种大容量同步码分多址扩频通信系统的实现方法，其特征在于所述的L是大于或等于2的正整数；码集实际使用的扩频码个数M从小于K×N/2中并根据测量系统的干扰量选择，k是所述智能天线阵元数目，N扩频码码长。
6.根据权利要求4所述的一种大容量同步码分多址扩频通信系统的实现方法，其特征在于所述的由正交可变扩频码(OVSF码)加扰码复合获得的码集，是先分配掉由同一个扰码复合出的扩频码。
7.根据权利要求1或2所述的一种大容量同步码分多址扩频通信系统的实现方法，其特征在于所述发送端的扩频处理及所述接收端的解调处理，是将大扩频码集中互相关性能好的扩频码分配给相对所述智能天线、在空间的同一方向上的用户。
8.根据权利要求1或2所述的一种大容量同步码分多址扩频通信系统的实现方法，其特征在于所述发送端的扩频处理及所述接收端的解调处理，是将大扩频码集中未使用过的扩频码分配给新业务或新用户作扩频处理及解调处理，并在业务结束、用户断开时释放该扩频码。
全文摘要
本发明涉及一种大容量扩频通信系统的实现方法,增加同步码分多址扩频通信系统的容量、提高频谱利用率。将发送端或接收端的发送或接收天线设置成智能天线,或将发送、接收端的发送、接收天线同时设置成智能天线;在发送侧的扩频部分用个数大于扩频码码长的大扩频码集对用户数据进行扩频处理;在接收侧的解调(扩)处理部分用个数大于扩频码码长的大扩频码集对基带信号进行解调处理;在接收端的解调(扩)处理部分采用联合检测及干扰抑制技术。
文档编号H04J13/00GK1355629SQ0013462
公开日2002年6月26日 申请日期2000年11月24日 优先权日2000年11月24日
发明者蔡朝辉 申请人:华为技术有限公司