专利名称：一个直接序列扩频通信系统，包含一个无线主站和一个无线从站的制作方法
技术领域：
本发明涉及一个直接序列扩频通信系统的，这个系统至少要包含一个无线主站和多个无线从站，无线主站和从站被安排通过控制信道和业务信道进行通信。这样一个通信系统既可以是一个无线移动系统，其中无线主站是一个无线基站，其无线从站是一个无线移动站，也可以是一个无绳电话系统，一个无绳LAN(局域网)，或其他类似的系统。
此外本发明是关于用于这样一个通信系统的无线主站和从站。
长时间以来扩频系统已经广为人知，大量文章和书籍都介绍过它，比如1958年3月的Proc.oftheIRE第46卷中第555至570页R.Priceetal.的“一种多路信道通信技术”就是一篇基础文章，1982年5月IEEETr.onComm.第COM-30卷第5期中第855至884页的R.L.Pickholtzetal的“扩频通信理论--一个教程”就是一篇指导文章。1989年出版的J.Proakis和McGraw-Hill的“数字通信”的第7章和第8章则是关于扩频通信的指南。该指南第7章的702至799页描述了无线移动系统中衰落型多路信道中的数字信号，第8章描述了扩频接收机，特别是第802至804页描述了直接序列扩频，第831至836页描述了用于直接序列扩频的PN(伪噪声)序列。伪噪声序列是由一个线性反馈移位寄存器产生的。伪噪声序列的最大长度为n＝2m-1位，m是移位寄存器的级数，n是序列的周期。在一个直接序列扩频无线移动系统中，要被传送的数据就用这样的伪噪声序列进行编码的。在接收方通过相关技术对数据进行解码。在大家所知道的直接序列扩频无线移动系统中，每个信道，或是控制信道或是业务信道，分别使用一个不同的短伪噪声序列，这些序列最好是彼此正交的。在这样一个系统中，举例来说，要被无线基站传送的数据先用一个长度为n的码片序列进行编码，再由无线移动站使用一个长度为M的相关窗口的相关器对数据进行解码。当M＞n时的伪噪声序列一般都较短。码片是与可获得带宽倒数一致的矩形脉冲的周期。在实际系统中所谓的码片速率是要被传送的数据的信息速率的倍数。在接收方使用这样的短伪噪声序列可以毫不费力地将数据解码。另一方面，对于每个信道都要产生一个不同的伪噪声序列。特别是对于每个小区都有许多用户的无线移动系统来说，要产生许多互不相同的伪噪声序列是件很麻烦的事。
本发明的目的就是提供一个上述类型的直接序列扩频通信系统，其中产生较少的伪噪声序列，同时在接收方为信道的伪噪声序列提供一种有效的加锁机制。
为达到此目的，依据本发明的直接序列扩频通信系统其特征为，至少在一个小区中至少有多数信道分享至少一个长伪噪声序列，此序列由至少一个线性反馈移位寄存器产生，在至少一个长伪噪声序列里信道是可以被区分的，其另一特征为用一个长伪噪声序列锁住当前信道，接收方的长伪噪声序列里当前信道的状态是从通过控制信道传送的关于线性反馈移位寄存器的状态信息获得的。本发明基于对这样一个事实的理解，即尽管实际上是不可能直接搜索当前信道的，因为唯一的序列太长，当前信道仍然可以利用通过控制信道传送的状态信息来恢复，比如使用一个短伪噪声序列，也就是说尽管事实上对接收到的状态信息的解码已太迟了，有关当前信道的正确状态仍可以被判断出来。
在根据本发明的一个系统的实施方案中，状态信息是线性反馈移位寄存器的先前状态，利用一个储存的变换矩阵将先前状态变换为当前状态就可以判定当前信道的线性反馈移位寄存器的状态。因此，对于一个给定的信道，只需要知道移位寄存器的先前状态，依据此状态及储存的矩阵就可以简单地计算出当前的信道。一般这种状态计算在系统的一帧上把先前状态变换为当前状态，这样一个固定的状态偏移就可以用于先前状态了。
在依据本发明的一个系统的实施方案中，其状态信息是关于线性反馈移位寄存器的固定参考状态的偏移，当前信道的偏移是由接收到的偏移和许多储存的变换矩阵得到的。由此就可以计算出变量的偏移了。利用一组被合理选择的存储矩阵，还要有合理的计算量及合理的存储容量，任何偏移量都可以计算出来。获得许多存储矩阵的额外自由度还可以被用于计算更复杂信道结构下的帧与帧之间及帧内部的偏移量。此外，对于传播时延成为一个重要参数的大区，有效地计算当前信道的偏移量的可能性就非常有用了。
系统的其他实施例在相关的权利要求中介绍。除了可以根据接到的先前状态计算出当前信道的状态之外，主站还可以基于同样的法则计算出未来的状态。之后，从站即可以简单地调整其本地线性反馈移位寄存器到所接收的未来状态。同样可以进行混合计算，主站计算出一个中间状态，从站对接收到的中间状态进行状态移位。这样，就可以支持相对慢和相对快的从站，快的从站将直接使用中间状态而慢的从站则要对接收到的中间状态进一步进行状态移位。此外，状态锁可以被用于粗略加锁，通过对接收到的码片应用相关方法就可以进一步完善粗略加锁。采用后者可以补偿传播延迟或解决诸如发生在无线移动系统中的多径传播效应。
下面通过参考附图举例描述本发明，其中
图1按照本发明示意了一个CDMA无线移动系统，图2表示一个无线基站的方框图，图3表示一个无线基站的信道图，图4表示一个无线移动站，图5表示实现本发明的一个实施例一个流程图，图6表示信道沿着长伪噪声序列的形成，图7表示一个主线性反馈移位寄存器，并且图8表示一个从线性反馈移位寄存器。
所有的图中相同的部件都采用相同的参考编号。整个描述中的矢量和矩阵都用粗体表示。
图1简略描述了一个蜂窝CDMA(码分多址)无线移动系统1，它是一个依据本发明的直接序列扩频通信系统的例子，它包括一些覆盖不同无线区域或是小区Z1和Z2的无线基站BS1和BS2。每个无线区域分别服务于一些无线移动站MS1，MS2和MS3，MS4，MS5及MS6。无线基站BS1和BS2通过陆线11和12连接到一个移动交换中心MSC。移动交换中心MSC被连接到公用电话交换网PSTN。无线基站BS1和BS2被安排把扩频编码信号传送到无线移动站，即传送下行链路扩频信号，同时还被安排去处理由移动站传送的扩频编码信号，即处理上行链路扩频信号。同样移动台也被安排去处理来自基站的扩频信号，即处理下行链路扩频信号，还被安排传送上行链路扩频信号。一个CDMA无线移动系统就是一个依照扩频技术操作的多址接入系统，即对数据流编码和/或交织后，根据具体情况，这些数据流在发送前要被扩频。根据具体情况，在接收方接到的信号被解扩，解交织或解码。数据流可以是由单个用户比如一个无线移动用户发出的，也可以是由几个用户发出的组合数据流。
图2为根据本发明的通信系统1中使用的无线基站BS1的方框图。图中所示的为一单个数字业务信道TCH的主体部分。在后面给出其他信道。无线基站BS1包含一个声音编码器20，它向扩展器22提供信号周期为T的比特流b，同时一个长伪噪声序列PNL也提供给扩展器22。扩展的比特提供给一个BPSK(二进制状态移位键控)调制器21，它用一个对所有信道都通用的中央载波fc调制该扩展比特。调制器21将调制过的周期为Tc的码片c提供给发送器23，发送器23被连接到一个发送天线24。在所给出的例子中，系统采用的带宽为1.023MHZ，信道的帧长度为10毫秒。因此，一帧含有10230个码片。由于实际原因，长伪噪声序列PNL是由专用的硬件线性反馈移位寄存器25产生的，25受到一个数字信号处理器26的控制。线性反馈移位寄存器本身的技术已广为人知，比如，在1986年Prentice/HallInt.Inc.出版的E.J.McCluskey的指南“逻辑设计原则”的第457至461页中就介绍了用于产生伪噪声序列的最大长度线性反馈移位寄存器及相应的生成器多项式。如果一个伪噪声序列的长度大于在接收方用于以该序列的复制品与该序列相匹配的相关器的长度，则该伪噪声序列即被认为是长的。在所给出的例子中的长伪噪声序列的长度为241-1，相关器的长度为29。在这方面要认识到需花费大约一个月的时间才能使长伪噪声序列呈现与其初始状态相同的状态，也就是说寄存器一般应是周期为一个月的可重复的。为了接收来自无线移动站的扩频调制信号，无线基站BS1包含一个连到接收天线28的接收器前端27以及一个解扩器29，恰当的伪噪声序列提供给29。一般无线基站BS1包含许多这样的接收部件。
图3为无线基站BS1的信道图。无线基站BS1支持在呼叫建立，呼叫控制以及呼叫业务时所必需的各种逻辑信道。导频信道PiCH用于传送一个由PN-生成器30产生的未调制短伪噪声序列PNS1，此外在同步信道SCH中数据被PN-生成器PNS2扩展。广播信道BCH用长伪噪声序列PNL扩展，此序列由代表了该长序列PNL正确状态的生成器32产生。与此类似，寻呼或接入认可信道PCH/AGCH，业务与或相关控制信道TCH/ACCH分别由代表长序列PNL正确状态的生成器33和34产生。多个伪噪声序列可以代替单个伪噪声序列被应用(这里未详述)。这样，信道的分配就可以分布在这些长伪噪声序列上了。图中所示的逻辑信道被映射到物理信道或帧，并用所谓的下行链路信道中的组合器/调制器/发送器35通过发送天线24发送到无线移动站。此外图中还给出了PN-调制器36，37，38，39和40。特殊的逻辑信道向物理信道的映射与系统有关，可以被适当选取。
图4为用于通信系统1的无线移动站MS1。无线移动系统MS1包括一个连接到接收器前端43的接收天线42。此外无线移动站MS1还包含一个用于由一个长伪噪声序列调制的信道的解扩器，该解扩器由一个产生长序列的伪噪声发生器44和PN-解调器45组成，还包含一个用于由短伪噪声序列调制的信道的解扩器，该解扩器由一个产生短序列的伪噪声发生器46和一个PN-解调器47组成。伪噪声发生器44和46的状态是由一个数字信号处理器48控制的。依据本发明，尤其是要控制长伪噪声序列发生器44的偏移量，以便正确且有效地锁住当前信道使用的长伪噪声序列PNL的相关状态。此外无线移动站MS1包含一个连接到数字信号处理器48的解调器49。在短序列分支中，无线移动站包含一个类似的连接到数字信号处理器48的解调器52。依据本发明，数字信号处理器被编程，使其根据无线基站BS1中线性反馈移位寄存器25的状态信息提供本地长伪噪声序列PNL的正确状态，这样当前接收的信道就可以被正确地锁住了。作为一个例子，要被锁住的当前信道是承载有关于当前接入认可信道AGCH信息的广播信道BCH。在上行链路中，移动站可以通过随机接入信道RACH请求接入系统以便对从移动台发出的呼叫进行初始化。如果无线基站BS1认可了这个请求，它就会在下行链路的广播信道BCH中广播一个正确的接入认可信道。在无线移动站在搜索和同步状态下发出这样一个请求之前，它会先锁定到一个适当的基站。为了达到这一目的，在空闲方式下，它首先锁住未调制的导频信道PiCH，此信道应用重复传送而且在它们的解调进程中为所有移动台提供一个相干载波参考。不同的基站为它们的导频信道编码时采用不同的短PN-序列，这样移动台就能区分其要锁住的基站了。之后，无线移动站MS1就能够找到关于被调制的同步信道SCH上的广播信道的状态BCH-O的状态信息，SCH与其基站的导频信道PiCH是一致的。在基站BS1这方以移位寄存器的状态的形式所接收到的状态信息BCH-O事实上并不能反映广播信道BCH的当前状态，因为无线移动站MS1需要时间去接收和解调状态BCH-O，一般一个时间周期为2帧，即所举例子中的20毫秒或20460码片。依据本发明，当前BCH信道的实际状态是通过使用一个矩阵变换计算出的。在所举的例子中，状态更正是固定的，因为它是事先知道的，即状态更正与经20460个码片接收到的状态BCH-O的移位是一致的。在本例中，使用下面的变换xi+20460＝A20460*xi此变换可以得到接收的状态BCH-O的两帧上的一次移位。这里，矩阵A20460是独立于矢量x的，即它是状态独立的，这样它就可以被储存到移动台里用于一个指定的或一个事先知道的状态更正。计算A20460的矩阵乘法最好是脱机进行，再将结果储存到移动站MS1的ROM(未示出)中。矢量xi代表基站BS1的长PN序列的实际码状态，矢量内容与移位寄存器的内容是一致的。移位寄存器的每一步对应于一个变换xi+1＝A*xi，矩阵A由移位寄存器的类型和发生器多项式决定。
对于下面类型的线性反馈移位寄存器，矩阵A如下所示0000…000cn1000…000cn-1A＝0100…000cn-2…0000…001c1其中，系数c1，c2，…，cn代表发生器多项式，n是移位寄存器的长度，其中的1代表移位步骤。
对于另一种线性反馈移位寄存器，矩阵A如下所示c1c2c3c4…cn-3cn-2cn-1cn1000…0000A＝0100…0000…0000…0010
对于给定数量的移位步骤，相关矩阵最好脱机计算，再相应被存储到移动台MS1中。因为所有的矢量和偏移矩阵都是布尔型的，所以乘法就可以简化为n个数字的n个逻辑与操作及其后面的n次对与操作所得结果中1的个数为奇数还是偶数的判断。因此，计算是非常简单且速度很快的。所举例子中采用的矩阵A20460被存储在无线移动站MS1中。对于其它的固定移位，相应采用的其它矩阵被存储。
图5为依据本发明实施例的计算一个变量状态更正的流程图。其中，基站BS1这侧的移位寄存器采用一个固定参考点，即图5中的xi被赋一个固定值，关于此参考点的偏移量被传送，比如同步信道SCH中的广播信道BCH的偏移量。然后，相邻帧的偏移量相差10230个码片。几个矩阵
事先被计算并存储，对于j＝1，2，…，n按升序排列(如bj+1＞bj)。矩阵最好是被脱机计算后存储在数字信号处理器48的一个ROM(未示出)中。为了能够计算任何偏移量，令b1＝1。自由度是事先计算的矩阵
的个数。计算量与对矩阵的存储需求之间应进行协调。
在块60中，偏移量计算开始。块61中，输入移位寄存器的状态xi和要求的偏移量ofset被输入。块62中，为变量j赋值n，为状态矢量x赋值xi，工作变量ofs被赋值为输入的偏移量ofset。在块63中，检测偏移量ofs是否为0。如果为0，则在块64中将所要求的偏移矢量xi+ofset赋值为状态矢量x，在块65中算法终止。如果不为0，则在块66中检测此偏移量是否在事先计算的矩阵的偏移量边界之内。根据算法在偏移量边界的左边还是右边，决定状态矢量x合适的移位步骤或者移动到相邻的预先计算的矩阵。这样，在块67中利用事先计算的矩阵
对状态矢量x进行一次移位并将偏移量ofs置为(ofs-bj)。在块68中，通过将变量j置为j-1对先前计算的矩阵进行一次移动。为了解释上述操作，假设偏移量的值为25，移位寄存器长度为6。另外，矩阵A1，A2，A4，A8，A16和A32被存储起来。这样，ofset＝25(二进制‘011001’＝16+8+1)，且n＝6。通过块63，66，68，63，66，在块67中利用矩阵A16进行变换，再经过块63，66，68，63，66，在块67中利用矩阵A8进行变换，最后，经过块63，66，68，63，66，68，63，66，68，63，66，在块67中利用矩阵A1进行变换。经过最后一次变换，在块63中确定工作变量为0，在块64中，得到偏移状态xi+ofset。举一个例子，矩阵A2j，A的2j次方，被事先计算，对于j＝0，1，2，3，…，40。这一选择，对于一个41位移位寄存器来说，平均要求存储41个矩阵和20.5个矩阵矢量相乘，并可以简单地完成，因为在块66中的比较只是简单的一个位比较。计算这41个矩阵时应使用最小的计算量，比如，算出A2后，A4就可以用A2*A2计算，依此类推。再举一个例子，矩阵Ak*4j，A的k*4j次方，对于j＝0，1，2，3，…，20；k＝1，2，3已事先算好并被存储。这一选择，要求存储额外的矩阵，平均要求15.5个矩阵矢量相乘。对于偏移量中的每两位需进行一次乘法。在另一个例子中，矩阵A4j，A的4j次方，已事先算好并被存储。这样，就要存储21个矩阵，同时平均要进行30.5个矩阵矢量计算。这样，当已知中间的码片的个数或偏移量时，本发明就可以根据给定的编码状态提供一个决定编码状态的有效方法。
图6表示了信道沿着长伪噪声序列形成的情况。图中所示的信道C1，C2和C3可以根据长伪噪声序列PNL里的一个固定参考点O形成，也可以按照本身也沿着长伪噪声序列PNL形成的参考信道C0形成。也就是说偏移量既可以是随时间可变的又可以是随时间不变的。在锁住信道时既可以考虑这样一个随时间变化的偏移量也可以考虑随时间不变的偏移量。为达到此目的，主站BS1一般是传送其线性反馈移位寄存器的内容，关于固定参考点O的偏移量，或者是关于参考信道C0的偏移量。在起始状态，当还没有对信道进行加锁时，只是传送线性反馈移位寄存器的内容或关于固定参考点O的偏移量被用于加锁。在传送移位寄存器的内容以及关于固定参考点O的偏移量时，同步信道SCH含有一个对于当时处于长伪噪声序列中的第一个信道的广播信道BCH的参考。在传送有关参考信道的偏移量时，广播信道BCH可以作为其它信道，比如业务信道TCH的参考信道。
图7为对应于第一个描述的矩阵A的主线性反馈移位寄存器SHR1。寄存器SHR1包含一些触发器和异或门触发器70，异或门71，触发器72，异或门73，触发器74，异或门75，触发器76的串联排列，后者提供了寄存器SHR1的输出。触发器70，72，74和76由一个公共时钟cl定时。异或门71，73和75的另一个输入端和与门77，78以及79的相应输出端相连，这3个与门的一个输入端被连到触发器76的输出端，76的输出端又通过与门80连到触发器70的输入端。多项式系数c1，c2，…，cn-1和cn分别输入相应的与门79，78，77和80的另一输入端，要选择恰当的系数c1，c2，…，cn-1和cn，最好是代表了McCluskey的指南中所描述的原始多项式。
图8为对应于第二个描述的矩阵A的从线性反馈移位寄存器SHR2。寄存器SHR2包含触发器90，91，92和93的串联排列。在输入端，触发器90，91，92和93分别和与门94，95，96，97的输入端相连，多项式系数cn，cn-1，…，c2和c1又分别输入这些与门的另一输入端。与门94，95，96和97的输出端都连到异或门98，98的输出与触发器93的输出相连后成为寄存器SHR2的输出。
这样本发明就可以被用于各种需要对一个新信道加锁的应用中。例如，对所描述的广播信道BCH或业务信道TCH加锁，及向一个必须锁住该移动台信道的新基站的切换，或者是对于宏观分集，其中移动台有一条连到多于一个的无线基站的无线链路且所有基站都要得到有用数据以便可以选择最好质量的链路或者可以采用通过不同链路接收的数据组合。例如，当业务信道及相关的控制信道映射到相互独立的物理信道上时，就使用两个不同的长伪噪声序列。
权利要求
1.一个直接序列扩频通信系统包含至少一个无线主站和多个无线从站，主站和从站被安排通过控制信道和业务信道彼此进行通信，其特征为，至少在一个小区中至少有多数信道分享至少一个长伪噪声序列，此序列由至少一个线性反馈移位寄存器产生，信道在至少一个长伪噪声序列中是可被区分的，其另一特征是为了用一个长伪噪声序列锁住当前信道，接收方的长伪噪声序列里的当前信道的状态通过由控制信道传送的线性反馈移位寄存器的状态信息获得。
2.依据权利要求1的一个直接序列扩频通信系统，其中的状态信息是线性反馈移位寄存器的先前状态，当前信道的线性反馈移位寄存器的状态是利用一个储存的变换矩阵将先前状态变换到当前状态而判断出的。
3.依据权利要求1的一个直接序列扩频通信系统，其中主站利用一个事先判断出的偏移量判断一个指定信道的未来状态，该偏移量来源于通过用储存的变换矩阵将状态变换到未来状态而得到的该信道的线性反馈移位寄存器的状态，未来状态作为状态信息被传送。
4.依据权利要求1的一个直接序列扩频通信系统，其中主站利用一个事先判断出的偏移量判断一个指定信道的中间状态，该偏移量来源于通过用储存的变换矩阵将状态变换到中间状态而得到的该信道的线性反馈移位寄存器的状态，中间状态被传送到从站，在从站这方通过直接使用中间状态和/或通过利用存贮的变换矩阵变换中间状态而得到当前信道的线性反馈移位寄存器的状态。
5.依据权利要求1的一个直接序列扩频通信系统，其中的状态信息是一个关于线性反馈移位寄存器的一个固定参考状态的偏移量，当前信道的线性反馈移位寄存器的内容是通过接收到的偏移量以及储存的多个变换矩阵而判断出的。
6.依据权利要求1的一个直接序列扩频通信系统，其中对当前信道的加锁是粗略加锁，通过把关于当前信道状态的线性反馈移位寄存器的内容装入从站的一个相关器，并用接收到的码片对装入的相关器进行相关，这样就可以完善粗略加锁。
7.一个应用于直接序列扩频通信系统的主站，它包含通过控制信道和业务信道与许多从站通信的设备，其特征为，对于至少多数信道主站分享至少一个长伪噪声序列，此序列由至少一个线性反馈移位寄存器产生，信道在至少一个伪噪声序列里是可以被区分的，其另一特征为，主站被安排通过一个控制信道把线性反馈移位寄存器的状态信息传送到从站，主站利用一个短伪噪声序列对状态信息进行编码，以便从站可以利用长伪噪声序列对当前信道接收到的数据解码。
8.一个应用于直接序列扩频系统的无线从站，它包含通过控制信道和业务信道与主站进行通信的设备，其特征为从站被安排从主站接收至少多数信道，这些信道使用至少一个长伪噪声序列，此序列由至少一个线性反馈移位寄存器产生，这些信道在至少一个伪噪声序列中是可以被区分的，其另一特征为从站被安排利用通过一个控制信道从主站接收到的线性反馈移位寄存器的状态信息得到的当前信道的状态锁住一个使用长伪噪声序列的当前信道。
全文摘要
大家知道的直接序列扩频系统(1)有CDMA无线移动系统，它使用短伪噪声序列对数据进行编码和解码。这里提出的一个直接序列扩频通信系统使用较少的伪噪声序列，同时在接收方提供有效的加锁。为达此目的，一个移动无线系统(1)中的一个小区(Z
文档编号H04B1/707GK1154186SQ96190486
公开日1997年7月9日 申请日期1996年5月7日 优先权日1995年5月12日
发明者K·西登堡 申请人:菲利浦电子有限公司