专利名称：码分多址(cdma)接收方法和接收机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数据传输系统中的接收方法，在该系统中采用了一种CDMA多址方法，并且在接收信号的检波中使用了一个解相关检波器。
CDMA(码分多址)是一种基于扩频(spread spectrum)技术的多址方法，除了以前用过的FDMA(频分多址)和TDMA(时分多址)之外，近来它也被应用于蜂窝式无线电系统(Cellular RadioSystem)中。CDMA与以前的方法相比具有许多优点，比如频率规划(frequency planning)简单和频谱效率(Spectrum efficiency)高。
在CDMA多址方法中，用户的窄带(narrow-band)数据信号被用一种比数字信号具有更宽频带的扩展码(spread code)倍增(multiply)到一个比较宽的频带。用于已知的测试系统中的频带宽度，包括例如1.25MHz、10MHz和25MHz。这种倍增把数据信号扩展到整个所用的频带。全部的用户在相同的频带上同时发射。在一个基站和一个移动站之间每一次接通时，使用了不同的扩展码，根据用户的扩展码，用户信号可以在接收机中被互相区别开来。如果可能的话，扩展码是这样选择的使它们是互相正交的(orthogonal)，即它们不是相互关联的。
在CDMA接收机中，以传统方式实现的相关器(correlator)或匹配滤波器是与根据扩展码识别出来的所需信号同步的。在接收机中，数据信号利用和发射阶段相同的扩展码进行复接(multiply)，被复原到原来的频带。理论上，被某些其它扩展码复接的信号不会相关联，也不会被复原到该窄带。考虑到所需的信号，它们看上去象噪声。目的是从众多的干扰信号当中检波出所需的用户信号。实际上，扩展码相互关联着，其它用户的信号使通过令接收信号非线性失真而检波出所需的信号更加困难。这种由用户相互引起的干扰被称为多用户干扰(multiuser interference)。
除了多用户干扰之外，在蜂窝式无线电系统中另一个减低性能的因素是多径传播(multipath propagation)。在一个典型的蜂窝式无线电环境中，一个信号是沿着许多不同的路径从一个发射机传播到一个接收机的。这种多径传播是由于信号被一些表面所反射引起的，例如在无线电传播路径附近的建筑物。通常在发射机和接收机之间没有直接的视线，因此，接收机不是接收了一个强的直接传播的信号，而是若干功率大致相同的沿着不同路径传播的反射信号分量。因为这些路径在长度上各不相同，所以这些信号是稍有相位差的。
在专用于多径环境的传统CDMA接收机中，使用了所谓的RAKE技术。一个RAKE接收机包括若干相关器，其中每一个都能与沿着一个不同路径传播的信号分量同步，接收信号分量在接收机中以某种最佳方式实现组合和检波。多径传播的信号分量因此得到利用。一个传统的RAKE接收机，无论如何也不能消除多用户干扰。例如，当多用户干扰是强的，并且某个用户的信号比其它用户的信号要强得多时，其它用户可能通信中断。例如在一个基站中，当用户之一很接近这个基站并且其它用户离得很远时，这种情况可能会发生。如果不立即进行功率调整，这个最靠近的用户会阻碍其它用户在基站的接收机中被监听到。
一个运行在多用户干扰环境中的接收机的问题的解决办法，是所谓的解相关检波器，它用复接扩展码的正交相关矩阵(inversematrix)的反演矩阵的方法消除了多用户干扰。然而，已知的解相关检波器只存在于高斯(Gaussion)噪声信道中，并且把它们应用于变化的多径信道是有困难的，因为按照信道上的变化而变化的相关矩阵在计算方面是复杂的。关于解相关检波器，在R.Lupas和S.Ver-dus两人共同发表过的文章中有详细的讨论，列在下面可作为资料参考‘Linear Multiuser Detectors for Synchronous Code-Divi-sion Multiple Access Channels’，IEEE Transactions on Infor-mation Theory，VOL.IT-35，P.123-136，January 1989，和‘Near-Far Resistance of Multiuser Detectors in AsynchronousChannels’，IEEE Transactions on Communications，Vol.COM-38，Mar，1990。
本发明的目的是提供一个能够在多用户干扰和一个多径信道上，即典型的蜂窝式无线电环境中都能有效地工作的接收机。
利用引言中所述的那种类型的接收方法，这是可能做到的，这个方法其特征是在解相关检波器中，在一个接收信号上，多径信道效应首先被一个均衡器所均衡，然后用一个正交相关矩阵使这个已均衡的信号被解相关。
本发明还涉及一个采用CDMA多址方法的数据传输系统中的接收机，这个接收机包括一个解相关检波器。本发明的接收机的特征在于解相关检波器包括用于均衡接收信号中的多径信道效应的单独装置；与包含在接收信号中代码相匹配的滤波器；和用包含在接收信号中的代码的正交相关矩阵的反演矩阵来复接接收信号的装置。
按照本发明的接收方法的基本思想是把接收分为两部分利用一个均衡器实现信道均衡，利用一个不变的矩阵实现解相关。在本发明的一个解相关检波器中，相关矩阵的反演(inversion)是与信道效应的均衡分开的，所以任何信道的变化只影响均衡器，不同于相关矩阵，它是容易修正的，在计算方面相关矩阵的反演是复杂的。
根据本发明的接收方法和接收机在同步和异步系统中都能使用。在后者的情况下，采用解相关矩阵的复接(multiplication)比前者稍复杂，但是有多种替代的方法可实现复接。
本发明的接收机还能这样来实现，使上述的解相关检波器作为接收机的第一级起作用，而把比较精确的位判断放在后续的级中进行计算。这是一个所谓的多级接收机。
下面将参考附图中表示的例子对本发明作更详细的说明，在这些图中
图1表示蜂窝式无线电系统的一部分，本发明的方法能较好地被应用于该系统；图2表示一个用于接收异步信号的例子；图3是一个方框图，表示根据本发明的一个接收机的结构；图4更详细地表示根据本发明当用户有相同的多径信道时，在一个同步的系统中，一个解相关检波器的实现；图5更详细地表示根据本发明，当每一个用户有一个不同的多径信道时，在一个同步和一个异步系统中的解相关接收机的一个实施例；
图6更详细地表示根据本发明，当每一个用户有一个不同的多径信道时，在一个异步系统中的一个解相关接收机的一个替代的实施例。
本发明适用于各种CDMA数据传输系统，但是它特别适用于在一条无线电路径上传播一个信号的系统和上述问题涉及可靠接收信号要求严格的系统。下面将在一个蜂窝式无线电系统中更详细地描述本发明，但是本发明不局限于该系统。
图1表示蜂窝式无线电系统的一部分，根据本发明的方法在其中可以得到更好的应用。蜂窝式无线电网络中的每一个无线小区(cell)至少包括一个基站10，该基站与位于它的区域内的用户站11-13进行通信。基站通过基站控制器、可移动的交换机或类似的装置，把来自移动站的呼叫发射到一个公共电话网或者另一个移动站。
所有的移动站以相同的频率向基站10发射，根据移动站的扩展码，基站分辨出不同移动站的发射。如上所述，这些移动站的信号互相干扰。移动站的信号还能沿着若干不同的路径传播到基站。另外，基站在相同的频率上传送发射到所有移动站——然而，这个频率不同于用于其它传输方向的频率——为了每一次接通，使用一个不同的扩展码，根据这个代码，移动站识别它们自己的信号。从基站发射到移动站的信号也是经过多径传播的。
在本发明的方法中，在接收机中通过天线接收的信号，经过无线电频率部件和其它必需的信号处理部件被传输到均衡器，它均衡接收信号中的多径信道效应。均衡可以利用例如适配滤波器来实现，如果需要，可以根据对接收信号的测量来对它加以修正。这个系统可能是，比如一个判决反馈系统(decision feedback system)，其中的适配滤波器是由接收机的后级所控制的。这样得出的信号被发送到与所用扩展码匹配的滤波器，并且在这些滤波器中，信号可以复原到原来的频带。匹配的滤波器输出抽掉扩展码后的用户信号。根据解相关检波器的原理，利用扩展码的正交相关矩阵的反演矩阵，信号被进一步复接。然后，由复接得出的信号被发送到一个检波器，在那里进行位判断(bit decision)。正交相关矩阵包括所用的扩展码的计算出的正交相关性，它表示不同用户的信号互相干扰的程度。当匹配滤波器的输出信号被这个矩阵的反演矩阵所复接时，在所需要的信号中来自其它用户的信号的影响能被减小，即这个操作减少了多用户干扰对接收信号的影响。解相关检波器的原理在上面提到的参考资料中有更详细的说明。由于多径信道效应已经用适配滤波器在信号中被均衡，计算起来复杂的反演矩阵在本发明的方法中可以保持不变。
在本发明的另一个实施例中，本发明的方法被应用于一个所谓的多级接收机中，这样使根据本发明的解相关检波器以上述方式被用作接收机的第一级，并且被反演矩阵复接的信号被发送到接收机的第二级，在第二级中，信号能被重新检波，或者被一个所需的多用户干扰方法所处理，以得出一个更加精确的检波结果。从解相关检波器得到的数据位的判断能够得到改进，例如通过判断反馈干扰消除(decision feedback interference cancellation)，其中，干扰信号根据位判断被重新产生和抽出。从该处来的信号，干扰已被消除，因此还能被用于滤波器适配和信道的评估。
本发明的方法在下面将以三种典型的蜂窝式无线电环境来进行描述。
具有相同多径信道的同步用户这是对应于一种基站正在向用户站发射的情况。一个移动站从基站接收信号，这个包括了全部用户信号的信号沿着相同的信道传播。在一个滤波器组与代码匹配以前，均衡在这里能利用一个被信道均衡的滤波器来实现，然后滤波器组的输出信号被正交相关矩阵的反演矩阵所复接。如果用于系统的一个无线小区的扩展码是固定的，即它们不会改变，反演矩阵就能一直保持不变。如果用户的数量改变而且某些代码没被利用，就检波而论，这是不成问题的，这是因为考虑到没利用的代码，这种状态对应于零功率传输(0-power trans-mission)，而解相关检波器与用户的功率无关。
具有它们自己的多径信道的同步用户这对应于一种用户站正在向一个基站发射的情况，假设用户站能足够精确地被同步，这样使符号(Symbols)被同时接收，没有任何延迟方面的差别。每一个用户信号在这里沿着一个不同的路径传播到基站，而且每个信号需要一个不同的均衡器，均衡器被相互独立地修正。匹配滤波器和被一个矩阵复接可以如同前面的项目中那样来实现。
具有它们自己的多径信道的异步用户这对应于相互不同步的用户站正在向基站发射的情况。从不同用户得到的符号在这里是被异步接收的。就三个符号来说，该状态用图2表示出，它表示在一个基站三个用户a、b和c的信号的到达。用户a的符号21a-23a，用户b的符号21b-23b和用户c的符号21c-23c，全部稍微异步地到达，这样使不同的符号部分地重叠。因此当基站的接收机处理用户b的符号22b时，它把其它用户的符号21a、22a、22c和23c当作同时发生的干扰信号。考虑到解相关检波器，问题在于用户代码的相互相位差影响相关矩阵，从而影响到它的反演数值。因此在这里用反演矩阵复接与上面描述的情况稍有不同。每一个用户有它自己的与上述相似的均衡器，但是解相关部件能够，比如通过使用一个所谓的一次触发型(One-shot-type)解相关检波器来实现。在一个一次触发型的解决方法中，每一个符号被当作一个单独的用户，即在异步情况下存在K个用户，由于上面所描述的帧的重叠，检波器假定有2K-1个用户。在图2的例子中，那里有三个用户，因此一个一次触发检波器假定是有2×3-1，即5个用户，这是因为所需的符号22b是被4个不同的符号所干扰。这样一个一次触发检波器在S.Verdu的文章中有更详细的描述，在此引用作为参考资料S.Verdu；＇Recent Progress multiuser detection＇Proc.1988 Int.conf.Advances in Communications and Control Sys-tems Vol.1，P.66-77 Baton Rouge，LA，Oct.1988。相关矩阵的反演矩阵还可以作为用户互相延迟的一个函数来修正。
如上所述，均衡器能够用例如目的在于消除多径传播效应的适配滤波器来实现。在本发明的另一个实施例中，适配滤波器还能针对使一般差错极小，导致对应于强干扰或彩色噪声有更佳的效果。
图3表示按照本发明的一个接收机的基本结构的方框图。这个接收机包括一副天线30，利用它，接收信号被发送到一个无线电频率部件31，在那里无线电频率信号被变换为中频。从无线电频率部件31，信号被加到一个A/D变换器32，在那里所接收的模拟信号被变换为数字形式。然后这个变换过的数字信号被提供给检波器装置33，并且已输出的信号还要转接到接收机的其它部件。该接收机还包括控制上面提到的部件的操作的控制装置34。该接收机自然还包括其它部件，例如滤波器，但是为了清楚起见，并且因为它们对本发明不是基本的，所以没有把它们表示出来。
在一个本发明的接收机中，检波器33可能包括一级或更多的级，按照本发明，第一级是解相关检波器。
根据本发明的一个最佳实施例，图4更详细地表示出当用户有相同的多径信道时，在一个同步系统中一个解相关检波器部件的实现。这个检波器部件包括一个均衡器40，在这里它可能是一个与测得的信道传输函数h(t)相匹配的适配滤波器。均衡器的输出信号被加到与所用的扩展码匹配的滤波器41，并且扩频信号在那里被复原到原来的窄频带。匹配滤波器的数目等于检波中所用的信号的数目，比如说用户的数目。从匹配滤波器得到的一个信号44被加到装置42，并且在那里被所用的扩展码的正交相关矩阵的反演矩阵所复接。最终的估算值45被发送到装置43，用于处理和检波。装置43可能包括，比如一个第二接收机级或者一个干扰消除部件。对于部件42，正交相关矩阵的反演矩阵可以根据所用的扩展码的正交相关值预先计算出来，如果在系统的无线小区中所用的扩展码是固定的，即它们不会改变，部件42的反演矩阵可以一直保持不变。
图5更详细地表示出当每个用户有一个不同的多径信道时，在一个同步系统中本发明的一个解相关检波器部件的实现。这里的检波器部件包括针对每一个用户的不同的均衡器50a-50c，每一个均衡器比如是一个与用户测得的信道传输函数h1(t)-hk(t)匹配的适配滤波器。以和上面相同的方法来处理这些均衡器的输出信号。
图5还更详细地表示出每一个用户有一个不同的多径信道时，在一个异步系统中本发明的一个解相关检波器部件的实现。多径信道效应以如同在同步系统中一样的方法被均衡，即每一个用户有它自己的均衡器50a-50c。然而解相关部件42比在同步系统中的更复杂。如上所述，解相关可以用一个一次触发型的解相关检波器部件来实现，在其中每一个符号间隔(interval)是分开处理的。
图6表示在异步系统中根据本发明的检波器部件的替换结构的一个例子。在这个图中有K个同时存在的用户。每个用户有它自己的匹配滤波器组60a-60c，该滤波器组包括确定数目的L个相关器。在不同的滤波器组中数目L可能是不同的，并且相关器是与接收信号分量同步的。相关器也可以这样来同步，使每一个滤波器组的相关器在固定的间隔中被调整到同步，从而它们不单独地与每一个信号分量同步。这里让每一个滤波器组中的L是相等的。从每个相关器组60a-60c，L个接收信号分量61a-61c被发送到装置64，并在那里被一个解相关矩阵所复接。在这里这个解相关矩阵的大小是K*L×K*L。这个装置输出解相关的信号和对每个用户的每个信号分量的不同路径的功率估算值62a-62c，即得出每一个用户的L个解相关信号。这个解相关信号62a-62c被发送到一个组合器63，该组合器以一种优化的方法把每个用户的L信号分量组合。组合器63的输出信号被发送到检波器43，它输出实际的估算值。
虽然参考附图所表示的一个实例，在上面对本发明已经作了描述，但是应该懂得本发明并不局限于此，而是在附带的权利要求书中所揭示的本发明思想的范围内，还可以用多种方法对本发明加以修改。
权利要求
1.在数据传输系统中的一种接收方法，其中在对接收信号的检波时采用了一种CDMA多址方法和一个解相关检波器，其特征在于在解相关检波器中，多径信道对一个被接收信号的影响首先被一个均衡器所均衡，然后这个已均衡的信号用一个正交相关矩阵解相关。
2.根据权利要求1的一种接收方法，其特征在于均衡器是用适配滤波器实现的。
3.根据权利要求1的一种接收方法，其特征在于解相关检波之后，接收信号要经过消除干扰处理。
4.根据权利要求1的一种接收方法，其特征在于每个接收信号是用一个不同的均衡器均衡的。
5.根据权利要求1的一种接收方法，其特征在于当一个包含来自异步用户的发射的信号正在被接收时，根据接收到的用户发射的相互延迟，正交相关矩阵被修正。
6.根据权利要求1的一种接收方法，其特征在于数据传输系统是一个蜂窝式无线电系统。
7.根据权利要求6的一种接收方法，其特征在于每个用户信号通过一个不同的扩展码被复接；并且在接收机中，多径信道效应在接收信号中被均衡；并且接收信号被加到与所用扩展码匹配的滤波器；并且匹配滤波器的输出信号随后被发送到复接装置，在那里信号被所用的扩展码的正交相关矩阵的反演矩阵所复接；并且这样复接过的信号要经过消除多用户干扰处理和接收位的判断。
8.根据权利要求1的一种接收方法，其特征在于接收机包括多个级，这样使接收机的解相关检波器后面还有其它检波器级。
9.数据传输系统中的一个接收机，在系统中采用了一种CD-MA多址方法，这个接收机包括一个解相关检波器(33)，其特征在于解相关检波器(33)包括用于在接收信号中均衡多径信道效应的单独装置(40，50a-50c)；与包含在接收信号中的代码相匹配的滤波器(41)；和通过包含在接收信号中的代码的正交相关矩阵的反演矩阵复接接收信号的装置(42)。
10.根据权利要求9的一个接收机，其特征在于用于均衡接收信号中多径信道效应的装置(40，50a-50c)是用适配滤波器来实现的。
11.根据权利要求9的一个接收机，其特征在于通过包含在接收信号中的代码的正交相关矩阵的反演矩阵用于复接接收信号的装置(42)，是根据一种一次触发原理(One-shot principle)来实现的。
12.根据权利要求9的一个接收机，其特征在于接收机包含用于处理信号的装置(43)，上述装置(43)在复接装置(multiplica-tion means)(42)后面，并且在上述装置(43)中接收信号要经过消除多用户干扰处理和检波。
13.根据权利要求9的一个接收机，其特征在于接收机包括多个级，并且解相关检波器(33)是第一个接收机级。
14.根据权利要求9的一个接收机，其特征在于解相关检波器(33)包括供每个用户的一个匹配滤波器组(60a-60c)，并且每一个滤波器组(60a-60c)包括供每个信号分量用的相关器，并且检波器(33)包括利用包含在接收信号分量中的代码的正交相关矩阵的反演矩阵用于复接匹配滤波器(60a-60c)的输出信号的装置(64)，和用于组合信号分量的装置(63)，和用于信号分量检波的装置(43)。
全文摘要
本发明涉及采用CDMA多址方法的数据通信系统中的一种接收方法和一个接收机，这个接收机包括了一个解相关检波器(33)。为了接收机在多用户干扰的场合和在一个多径信道上都能有效地工作，根据本发明，接收机的解相关检波器(33)包括用于在接收信号中均衡多径信道效应的单独装置(40)，和与包含在接收信号中的代码相匹配的滤波器(41)，和通过包含在接收信号中的代码的正交相关矩阵的反演矩阵来复接接收信号的装置(42)。
文档编号H04B1/707GK1135814SQ95190945
公开日1996年11月13日 申请日期1995年8月23日 优先权日1994年8月25日
发明者蒂莫·拉阿瑟, 阿瑞·霍特宁 申请人:诺基亚电信公司