专利名称：使用户设备同步的方法，基站和用户设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及在数字式蜂窝无线电网络中采用CDMA多址联接方法使用户设备与基站发同步的方法，所述网络在每个网孔中包括至少一个与在其区域内的用户设备通信的基站，并且该网络中基站发射具有预定扩展码的单独的导频信道。
码分多址联接(CDMA)是除以前的频分多址联接(FDMA)和时分多址联接方法外又一种多址联接方法，其基于扩频技术，近来已被用于蜂窝无线电系统中。CDMA有几个优于从前方法的地方，如频谱效率，频率分配的简单性，以及业务容量。
在CDMA方法中，用户的窄带数据信号与具有频带比数据信号宽得多的扩展码相乘，从而得到频带相对较宽的业务信道。在已知的蜂窝网络试验系统中，使用的带宽有1.25MHz、10MHz和25MHz。通过相乘，数据信号扩展到整个所用频带。所有用户用相同频带(即，业务信道)同时发射。对基站与用户设备间的每个连接用一单独的扩展码，在接收机中一个用户的信号可根据每个连接的扩展码相互区别。
在常规CDMA接收机中的相关器与有用的的信号同步，相关器根据信号中的扩展码识别该信号。在接收机中数据信号通过乘以与发射级相同的扩展码恢复到原来频带上。用发射级其它扩展码相乘的信号在理想情况下与该接收机所用扩展码不相关，不能恢复成窄带。因此，相对于有用信号，它们是以噪声的形式出现。系统的扩展码最好这样选择系统每个网孔所用代码相正交，即它们彼此不相关。
在通常的移动电话环境中，基站和移动站间的信号沿发射机和接收机间的几条通路传播。这种多通路传播主要是由于信号自周围表面反射引起的。由于不同的传播延迟，沿不同通路传播的信号到达接收机的时间不同。CDMA与常规FDMA和TDMA的不同之处在于，在信号接收中可利用多路传播。通常用于CDMA系统的接收机是所谓的RAKE接收机，由一个或多个RAKE分支构成。每个分支是一个独立的接收单元，其作用是形成并解调一个接收信号分量。每个RAKE分支可与沿一个通路传播的信号分量同步，在常规CDMA接收机中，接收机分支的信号最好被组合，由此取得高质量信号。
CDMA接收机的各分支接收的信号分量可以是从一个或几个基站发射的。后一种情况叫作宏分集，其是分集的一种形式，可提高移动站和基站间接续质量。在CDMA蜂窝无线电网络中，宏分集(也叫做“软切换”)用来保证靠近基站边缘的功率控制的有效性和实现平稳越局切换。在宏分集中，移动站同时与两个或更多基站通信。相同的信息通过每个连接发射。
在CDMA蜂窝无线电系统中，可在从基站到用户设备的发射方向(即下行线路方向)使用导频信道。导频信道是与特定的扩展码一起发射并使用实际业务信道所处的同一步带，只能根据扩展码来区分导频信号与实际业务信道。导频信号是网孔范围内的所有用户设备都知道并可监听的信道，其用于(例如)功率测量和相干相位基准的产生。系统的每个基站发射自己的导频信号，用户设备可由此区分不同基站的发射。在CDMA中，所有基站可用相同频带发射。
这里所引用的美国专利5,109,390和EIA/TIA临时标准(双模宽带扩频蜂窝系统的移动站—基站兼容性标准，TIA/EIA/IS95，1993年7月)公开了一种已有技术的CDMA蜂窝无线电系统，其利用通过预定扩展码发射的单独导频信道。导频信道的信号未被进行数据调制，即其没有包含数据信息。
图1给出一种用来在基站中产生导频信号的已有技术方案，其中只包括0码元(000……)的信号10在乘法器12中与导频信号的扩展码11相乘。所得到的信号在乘法器13中与载波频率OSC1相乘，用发射滤波器14滤波，再通过天线15发射。因此，导频信号不包含数据信息，只包含扩展码。
如上所述，用户设备必须使自己与从基站接收的信号同步。有两种情况需要同步在呼叫建立过程中和在越局切换过程中。在CDMA中，还可区分两种不同级别的同步码同步和帧同步。在已有技术的方案中，导频信道的信号用来实现码同步，而帧同步通过分离的控制信道来保证。已知的方案要求为此使用两个分离的控制信道。
当要在两基站间进行软越局切换时，即当要同时保持与不止一个基站的连接时，终端设备应与所有基站同步。如果系统同步，即基站有一公用时钟信号，如GPS信号，则与不同基站的同步通常不成问题。但是，如果蜂窝无线电系统异步，即基站彼此不同步，而是每个都有自己的时钟，则在常规系统中的同步就是一个困难且缓慢的操作。
在CDMA中，应迅速且可靠地达到同步从而使基站和终端设备间连接的建立以及基站间的越局切换都很快。因此目前的系统需要一个或几个控制信道来同步。这些信道占用实际业务信道的容量，并且在越局切换过程中很难实现与异步系统中相邻基站的发射同步。
本发明的目的是实现一种方法，用该方法用户设备可迅速且可靠地与其自己的基站和相邻基站的发射同步。
这可用前面描述的那种方法来实现，其特征是基站在导频信道发射数据调制的信号。
本发明还涉及用于CDMA蜂窝无线电网络的基站，该网络每个网孔包括至少一个与其区域内的用户设备通信的基站，还包括用来发射具有预定扩展码的分离的导频信道的装置。根据本发明所述的基站的特征是基站包括用来在导频信道上发射数据调制信号的装置。
本发明还涉及用于CDMA蜂窝无线电网络的用户设备，该网络中每个网孔包括至少一个与其区域内的用户设备通信的基站，基站发射具有预定扩展码的分离的导频信道。根据本发明所述的用户设备的特征是，用户设备包括利用包含在导频信道中的信号与基站发频同步的装置。
根据本发明所述的方法(其中数据调制信息包括在导频信号中)有几个优于已有方法的地方。在本发明的最佳实施例中，数据调制是通过将导频信道上发射上的扩展码序列的一个或几个码元反转实现的。于是，接收机可与基站发射同步而系统中却不需要分离的同步信道。因此该信道所需的带宽可用于业务信道。尤其在越局切换的情况。有利的是除来自相邻基站的导频信道外，终端设备不需要其它信道来实现帧同步。
下面将参考根据附图所述的例子更详细地描述本发明，附图中图1给出用来产生导频信号的已有技术方案，图2给出可使用根据本发明所述方法的系统，图3是说明根据本发明所述基站结构的框图，图4是说明根据本发明所述的用户设备结构的框图。
在最好采用根据本发明所述的方法的异步蜂窝无线电系统中，不同基站的内部时钟彼此不同步。相邻基站的时钟的时间差甚至可能有几十毫秒。因此，与其区域内基站同步的用户设备如果要接收另一个基站的发射，就必须在代码和帧方面重新同步。
在同步蜂窝无线电网络中，却可能出现信号的码元速率高于在基站和终端设备间无线电通路上的信号传输延迟的情况。差别可能有几个码元周期。根据本发明所述的方法也就可以有利地用于同步系统以在接收机提供更准确的帧同步。在越局切换过程中，用户设备就不必知道何时相邻基站的帧开始。
有两种情况需要同步，如上所述在呼叫建立过程中和在越局切换过程中。下面从呼叫建立开始描述两种情况中，根据本发明所述方法的使用。
在根据本发明所述的方法的最佳实施例中，可通过将欲发射信号中的一个或几个码元反转来实现导频信道上的数据调制。这些反转的码元在接收机中可以检测出来并可在同步过程中加以利用。通常在导频信道上使用短扩展码以便迅速实现码同步。当采用根据本发明所述的方法时，就在一个或几个码元中将反转的码元用于代码序列，如在每帧的第一码元。
与已有技术方案中数据信号10只是0信号的图1相比，根据本发明所述的方法中的信号包含一些数据信息，即它可以有除0以外的值。
当接通用户设备时，用户设备扫描所用频带以找到基站的导频发射。扫描以半个信段的步长进行。所述信段指的是扩展码的比特长度，因此在时间上它远短于用户数据比特长度。由于基站的时钟不同步，它们在导频信道上使用的扩展必定是不同的代码。在同步系统中，可使用导频信道上相同代码的不同阶段(Phase)。当终端设备扫描频带时，它可以按随机顺序或从设备关闭时导频信道上所用扩展码开始选择它所寻找的代码。在接收机中，基站扩展码的所述阶段以半个信段的步长变化，在每个阶段通过代码进行相关计算。如果可在相关器的输出端看到尖峰，就找到了导频信号。当终端设备找到导频信道时，它就读取代码指示(Pndex)，代码阶段和接收信号的强度。如果强度大于预定阈值，这些值就被存放在存储器中。将所发现的导频发射彼此比较，选择用最高功率接收的基站。
搜索导频信号时，使用搜相关器输出信号的平方值或绝对值，从而消除了数据调制的作用。于是就可用已知方法实现搜索。在根据本发明所述方法的最佳实施例中，当接收到反转码元时，相关器输出的极性改变。由此可很容易在接收机中检测到发射的数据调制，该信息可用于帧同步。
现在用户设备可向所选择的基站发射呼叫建立信息。呼叫建立信息通常作为随机存取消息在随机存取信道(RACH)上发射，随机存取信道由基站的终端设备共享。基站检测到该消息，并发通知给终端设备，然后按从前已知的方法继续呼叫建立。
对软越局切换的情况，用户设备扫描频带寻找相邻基站的导频信道。终端设备与之通信的基站向终端设备发射相邻网孔基站在导频信道上所用的扩展码。在呼叫建立过程中如上所述进行扫描。终端设备测量其已找到的导频信道的信号强度，如果一个或几个导频信号的强度超过了给定阈值，终端设备就将该信息发送给基站，其可能开始一软越局切换过程。终端设备也可触发软越局切换。
根据本发明所述的方法在软越局切换的情况下特别有利，因为当终端设备找到相邻信道的导频信号，使自己与其代码同步，并测量其强度时，设备可立即与其帧同步而不必寻找基站所发射的用于同步的分离的控制信道。这样就减少了软越局切换过程中终端设备所需的操作，从而可以比以前更快、更可靠地进行软越局切换。
图3给出说明根据本发明所述的基站结构的框图。在根据本发明所述的基站，用来发射具有预定扩展码的导频信道的装置30包括用来产生包含数据信息的信号32的装置31，该信号在乘法器12中与导频信道的扩展码11相乘。这个包含数据信息的宽宽信号在乘法器13中与从振荡器OSC1得到的载波相乘、转换成载波频率，所获得的信号通过滤波器14提供给天线15。
在本发明的最佳实施例中，基站包括装置11、12和31，用这些装置通过将所要发射信号开始的一个或几个码元反转来实现数据调制。
要实现的基站自然还包括其它部件，如滤波器和放大单元，但为简单起见，当部件不与本发明的基本思想密切相关时就将其从所附描述和图中略去。
图4给出说明根据本发明所述CDMA蜂窝无线电网络的用户设备结构的框图。在接收方向，用户设备包括接收信号的天线41，该信号通过射频部件41提供给A/D转换器42。转换的信号被提供给匹配滤波器44a到44d，每个滤波器与沿各自的通路传播的信号分量同步。此外，转换的信号还被提供给搜索器相关器43，其功能是搜索用所希望的扩展码发射的信号分量。从匹配滤波器输出的信号被加到装置45，其最好组合所接收的信号分量并检测该信号。由组合器输出的信号被提供给信道解码器46，从这里通过话音解码器47输出到扬声器48。根据本发明所述的终端设备还包括装置43、45，通过包含在导频信道中的信号使用户设备与基站发射同步。在根据本发明所述的终端设备中，装置43与基站发射的导频信号相关，利用装置45，终端设备用导频信号实现与基站发射的帧同步。
在发射方向，用户终端包括提供信号的麦克风49，所述信号通过话音编码器50和信道编码器51提供用于扩展编码52。终端设备还包括射频装置41，要发射的信号通过该装置提供给天线。终端设备还包括装置53，其控制前面提到的各部件。
用户终端自然也包括其它部件，如滤波器，但为清楚起见，当与本发明的基本思想不密切相关时，就将其从所附的描述和图中略去。
尽管上面参考根据附图所述的例子对本发明进行描述，但应该清楚本发明并不限于此，可以很多方式在所附权利要求揭示的发明思想范围内对其进行修改。
权利要求
1.一种采用CDMA多址联接方法使数字蜂窝无线电网络中的用户设备与基站的发射同步的方法，所述网络的每个网孔包括至少一个与在其区域内的用户设备(MS)通信的基站(BTS)，并且所述网络中基站发射具有预定扩展码的分离的导频信道，该方法的特征是基站(BTS)在导频信道发射数据调制的信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是当终端设备(MS)与基站(BTS)发射码同步及帧同步时，终端设备利用导频信道的发射。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是当终端设备(MS)与相邻网孔的基站发射同步时，其利用该基站发射的导频信道。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是将导频信道上发射的扩展码序列的一个或几个码元反转。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是在导频信道上发射短扩展码序列，在每帧开始时的一个或几个码元被反转。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是用户设备(MS)搜索基站(BTS)发射的导频信道，使其接收的导频信道信号相关，并从所接收的导频信号读取帧同步所需的信息。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是位干不同网孔的基站的发射是异步的。
8.一种用于CDMA蜂窝无线电网络的基站，所述网络在每个网孔包括至少一个与在其范围内的用户设备(MS)通信的基站(BTS)，还包括用来发射具有预定扩展码的分离的导频信道的装置(30)，其特征是基站包括用来在导频信道上发射数据调制信号的装置(11，12，31)。
9.根据权利要求8所述的基站，其特征是基站包括用来在导频信道上发射短扩展码序列的装置(11，12，31)，所述序列的一个或几个码元在要发射每一帧的开始被倒相。
10.一种用于CDMA蜂窝无线电网络的用户设备，所述网络在每个网孔至少包括一个与在其范围内的用户设备(MS)通信的基站(BTS)，网络中基站发射具有预定扩展码的分离的导频信道，其特征是用户设备包括装置(43，45)，其通过包含在导频信道中的信号使用户设备与基站的发射同步。
11.根据权利要求10所述的用户设备，其特征是用户设备包括用来搜索基站发射的导频信道的装置(43)，用来使所接收导频信道信号相关的装置(43)，和用来从所接收导频信号读取帧同步所需信息的装置(45)。
全文摘要
本发明涉及一种基站、一种用户设备和用来使数字式蜂窝无线电网络中的用户设备与基站发射同步的方法，所述网络采用CD-MA多址联接方法，其每个网孔至少包括一个与其区域内的用户设备(MS)通信的基站，基站发射具有预定扩展码的单独的导频信道。为便于用户设备的同步，根据本发明所述的方法中，基站(BTS)在导频信道上发射数据调制的信号。
文档编号H04Q11/04GK1129500SQ95190490
公开日1996年8月21日 申请日期1995年5月29日 优先权日1994年5月30日
发明者泰若·奥简帕拉, 依尔卡·凯思基特劳 申请人:诺基亚电信公司, 诺基亚移动电话有限公司