专利名称：用于在正交直接序列码分多址(ods－cdma)通信系统中包括多种数据速率的设备的制作方法
对于有关申请的参照本申请是1998年3月4日提交的编号为60/076,756而名称为“用于在正交直接序列码分多址(ODS-CDMA)通信系统中包括多种数据速率的设备”的临时申请的主题。
背景和现有技术的简述在许多商业应用中正在使用扩展频谱通信并且增长迅速。作为提高更传统的准正交CDMA的容量(即，带宽效率)的一种有效技术，已经提出了同步的正交直接序列码分多址(ODS-CDMA)(参见第5,375,140号美国专利，“无线直接序列扩展频谱数字蜂窝式电话系统”，通过参照把该文献引用于此)。
在传统的直接序列(DS)扩展频谱CDMA系统中，各别的用户在相同的频率上使用不同的伪噪声(PN)码来发送。PN码是准正交的，即，它们彼此具有相对较低但非零的互相关值。
如此设计ODS-CDMA系统，从而以时间和频率同步的方式接收所有的信号。于是所有的用户彼此保持正交并且，在理想情形下，任何用户能够不带来自其他用户的多址噪声地被恢复(recover)。这在大量用户向单个枢纽站(hub station)发送和从其接收的星形构造网络中是最有用的。在蜂窝网络以及卫星网络中使用这种结构。
在ODS-CDMA系统中，分派给每个用户一个代码，它与所有的其他用户的代码正交(即，正交码彼此具有的互相关值为零)。此外，如此选择正交码周期，从而该代码在一个数据码元时间内重复整数次(通常是一次，因为这导致可用正交函数的最大数目)。代码信号出现时间(epoch)与码元转换(symboltransition)同步，从而在代码内没有数据转换(data transition)。用户数受到可用正交代码数目的限制，它最多等于代码的长度。因此，码片速率(chipping rate)等于正交用户的最大数目乘以码元速率。
通过使用使用双相位(bi-phase)扩展和MPSK(最小移相键控)数据调制(这在第5,687,166号美国专利“用于扩展频谱CDMA通信的调制系统”提出，通过参照而把该文献引于此)，实行可用带宽的有效使用。
时常希望容纳各种不同速率的用户，其中速率与2n有关，这里n是正整数。一种做到这一点的代码有效方法是对于最低的用户速率定出系统的大小，然后把较高速率的数据在多个正交代码上进行去复用，即，将对4倍于标称速率的用户数据去复用和扩展到4个代码上，然后把它们相加，以供传输。虽然在使用正交码方面这种方案是有效的，但它产生具有宽动态范围的信号，这对于用户终端功率放大器的效率而言是不利的。它还需要多个相关器和进行多路复用来恢复原先的数据流。这种技术在《Bell Labs Techniucal Journal》第2卷第3期(1997年夏季)上的Ejzak等人撰写的文章“BALI对于高速CDMA数据的一种解决方案”中作了讨论。
在编号为08/352,313的美国专利申请，现为第5,574,721号美国专利的题为“具有多载波调制的正交码分多址通信系统”中揭示了另一种技术，通过参照将该文应用于此。在这个揭示中建议，把多个ODS-CDMA信号在正交地间隔开(即，以码片速率间隔开)的载波上传输，并且把来自单个高速率用户的数据去复用到多个载波上。这再次导致幅度变化大的信号。
在第5,416,797号美国专利“用于在CDMA蜂窝电话系统中产生信号波形的系统和方法”中(通过参照已将它引用于此)，在小区-移电台的链路(它是正交的)上支持比标称数据速率低的数据速率，其做法是用户重复低速率数据码元多次，以获得标称码元速率。然后用正交码来扩展此码元序列，并且以与较低的速率成比例的较低的功率来发送它。这种技术的缺点在于，它不是正交码空间高效能的，即，每个低速率用户使用与高速率用户相同数量的码空间。
在“对于基于CDMA的第三代移动无线电系统的设计研究”(刊于1994年5月的《IEEE Journal on Selected Areas in Communication》第12卷第4期)一文中，Baier等人建议使用可变长度扩展码，以支持CDMA系统中的可变数据速率。然而，他们建议使用不必定正交的PN码。
发明目的本发明的一个目的是提供一种方法，ODS-CDMA系统使用该方法能够以不都相等的数据速率高效能地工作。这种数据速率方面的不均匀性允许不同的用户以不同的数据带宽通信，于此同时ODS-CDMA通信系统信令速率和正交性质保持与均匀数据速率系统的相同。
本发明的另外一个目的是提供一种ODS-CDMA系统，它支持各种速率的用户，这些用户的数据速率以2n相联系，该系统能够高效能地使用可用的正交码空间，即，具有码元速率R/K的用户使用的码空间是具有码元速率R的用户使用的码空间的1/K。
本发明的再有一个目的是确保各种速率的用户发送相对恒定幅度的信号。对于希望有高的发射机功率效率(处于或接近饱和)的用户终端而言，由于对成本和功耗的影响，这是特别重要的。
本发明的还有一个目的是使得信号处理的复杂性保持在最低。
发明概要在一个ODS-CDMA系统中，对每个用户分派一个代码，该代码与所有其他的用户代码正交(即，正交代码彼此具有的互相关值为零)。此外，如此选择正交代码周期，从而在一个数据码元时间内代码重复整数次(通常是一次，因为这导致可以得到的正交函数的数目达到最大)，并且代码出现时间(epoch)与码元跃变同步，从而在代码内没有数据跃变。于是，在一个理想同步的系统中，能够从其他用户中把各别的用户无干扰地解调出来。
用户的数目受到可以得到的正交代码数目的限制，该数目最多等于代码的长度。注意，码片速率等于正交用户的最大数目乘以码元速率。这意味着，对于固定的码片速率，以R/4的速率发送数据的系统能够容纳的用户应该是以速率R发送数据的系统的用户的4倍。
在具有各种用户速率的系统中有效能地使用代码空间确保具有R/4的速率的用户占有的正交函数空间将只是具有R的速率的用户所占有的1/4。这里揭示的本发明给出了一种有效的方法来构造这种正交代码，其做法是选择正交的码组(codebook)，其中，码字(codeword)的序列也是正交的。采用这种码组，高速率用户的短代码直接由序列确定，而低速率用户的长代码由该序列与分派给这些用户的正交码字的直积(Kronecker product)确定。作为一个较佳实施例，使用Hadamard矩阵的Sylvester构造来产生正交码组。于是，本发明揭示如何在具有恒定码片速率的同步ODS-CDMA通信系统中有效能地支持可变的数据速率。
本发明的新颖性在于选择一种正交的码组，它能用较短的码字来扩展高速率的数据，以及反过来，使用较长的码字来扩展低速率的数据，它们都保持相互正交。
此外，使用本发明，每个用户发送单个代码，该代码的幅度是恒定的，并且不需要数据多路复用和去复用。所揭示的技术导致接收机和发射机的复杂性较低，因为不需要额外的代码发生器和相关器来适应高于或低于标称数据速率的速率。此外，信号的恒定幅度的性质允许作高效能的功率放大。
附图描述
图1是具有M个用户的多速率ODS-CDMA返回链路结构的图解；图2是例示的在中心站处的ODS-CDMA接收机的图解。
发明的详细描述图1示出一种ODS-CDMA通信系统的一般结构。为便于描述本发明，示出一种返回链路结构，但是，本发明的概念也可以用于前向链路。在返回链路结构中，许多用户通过调制器和发射机过程(它使用某种传输媒体)与中心站通信。最通常的传输媒体是射频电磁辐射。在本例中，返回链路中的所有用户用相同类型的调制器以相同的载波频率进行发送。这就需要用户在这样的时刻发送，从而在中心站处接收到的所有信号是时间同步的。由每个用户发送的波形包括用正交的ODS-CDMA代码扩展的MPSK(多相移相键控)调制数据。
为了容纳多址数据速率而同时对于所有的用户保持恒定的码片速率，则对于每个用户的扩展代码的长度是可变的。如此构造一种正交码组，它能够用较短的码字来扩展高速率数据，以及反过来，用较长的码字来扩展低速率数据，而它们全都保持相互正交。在一个较佳实施例中，使用Hadamard矩阵的Sylvesteer构造来传输码组。
在本领域中公知，N维Sylvester-Hadamard矩阵递归地定义为 这里H(1)=[1]而N=2n，这里n是正整数。Hadamard矩阵H(N)的N行定义了一个正交码组。为方便起见，将这些行从项上一行开始用0至n-1编号。可以从H(N)的递归构造看出，它由形如±H(N/2k)的Sylester-Hadamard子矩阵构成，这里k是从1至n-1的正整数。因为H(N/2k)的行是正交的，因此得出，H(N)的码字由长度为N/2k的子序列(它们也正交)构成。
考虑一个多速率的ODS-CDMA通信系统，它具有固定的码片速率fc、某些基本的数据码元速率fs和N个正交序列的一个码组，从而fc=Nfs。如果存在M个具有基本码元速率的数据流的返回链路用户，只要M≤N，就可以把N个正交码组之一分派给每个用户。然而，如果有这样的用户，他请求比基本速率更高或更低的数据速率，则可以分别把较短或较长的码字分派给他。根据码字以这样一种方式来构造这些较短(较长)的代码，从而保持ODS-CDMA系统的正交性质，并且高效能地使用代码空间。首先考虑一个说明性的例子，以启发构造这些可变长度码字的方法。
假设用户之一请求一个较高的码元速率，例如，基本速率的两倍，即，2fs。因为码片速率(它是扩展序列长度与码元速率乘积)是固定的，于是从fc=(N/2)(2fs)得出，每个码元的扩展序列长度必须减至N/2。通过用码组的开头N/2个码片和同一码组的末尾N/2个码片来扩展高速率用户的交替的(alternate)码元来实现。因为把这个码组划分成了两个N/2子序列，其余的码组必须与这两个子序列的每一个子序列正交，从而基本速率fs的用户与速率为2fs的高速率用户相互不干扰，由此在ODS-CDMA系统中保持正交。考虑将第k个码组(k=0,1,…,n-1)分派给这个用户。如果把Sylvester-Hadamard矩阵用作正交码组，则(k+(n/2))mod(N)码组不具有所需的N/2子序列正交性，因为它包含相同的两个子序列(直至±符号)，因此不能分派给其他用户。例如，如果把第k个码组ck=[SN/2-SN/2]分派给高速用户，则不能把对于j=(k+(N/2))mod(N)的码组cj=[SN/2-SN/2]分派给另一个用户，反之亦然。注意，如果把N/2空间中的单个短子序列(例如子序列SN/2)分派给速率为2fs的用户，这等价于使用N空间码组中的两个码字。因此，在另一个实施中，通过把长度为N/2的较短的子序列分派给速率为2fs的高速率用户以及从可分派的码字的列表中去除包含此子序列的码字而支持该用户。
一般，具有N个Sylvester-Hadamard序列(对于某个整数p，N=2p)的码组、基本数据码元速率fs、以及固定码片速率fc=Nfs的多速率ODS-CDMA系统，能够支持具有比基本速率更高的数据速率的用户。用户可以请求以2rfs的速率来发送数据，这里r的范围是从0到p。通过缩短扩展码的长度至N/2r从而码片速率fc=(N/2r)(2rfs)保持恒定可以做到这一点。通过把一个长度为N的已分派的码字划分成2r个子码能够产生长度为N/2r的子序列。这些子码用来扩展速率为2rfs的数据流的2r个连续的码元。注意，在Sylvester-Hadamard序列的情形下，任何长度为N的码字是长度为N/2r(直至±符号)的一个重复子序列，它与其他相同长度的不同子序列正交。
此外，如果第k个码字由长度为N/2r(直至±符号)的一个重复子序列构成，则对于所有的i=1,2,…,2r-1(其中r＞0)，码字(k+i(N/2r))mod(N)也由相同的子序列(直至±符号)构成，并且如果要保持系统的正交性，它就不再用于分派。事实上，支持一个数据速率为2rfs的用户等价于支持2r个速率为fs的用户，因为2r-1个代码成为不个可用了。
在对多个用户以不同的数据速率发送的网络进行设定时，为了容纳一个新用户的数据速率请求(通过检查分派的子序列)，必须作合适的准备。事实上，在分派一个子序列之前，网络控制器必须确信它不包含在较低速率用户的较长的子序列中(因为较低速率用户不在子序列长度的内正交)。此外，必须不包含已使用的长度较短的子序列。
对于网络控制器而言，具有在用户速率的混合体改变时，能够周期地改变正交序列分派的能力以最有效地使用代码空间是有利的。此外，因为速率为2rfs的数据的码元间隔减小至1/2r乘以速率为fs的数据的码元间隔，根据应用可以要求发送功率增加2r倍以保持相同的性能水平。
相反，具有N个正交序列的码组、基本数据速率fs、以及固定码片速率fc=Nfs的多速率ODS-CDMA通信系统能够支持具有比基本速率更低的数据速率的用户。用户可以请求以fs/2r的速率来发送数据，这里r是正整数，其范围从0到q。把长度为2rN的较长的扩展码分派给速率为fs/2r的低速率用户，从而码片速率fc=(2rN)(fs/2r)保持恒定。长代码由分派给该用户的码字ck，k=0,…,N-1构成如下。
首先，构造规模为2r的正交函数组G(2r)。这可以是(但不必须是)一个Sylvester-Hadmard矩阵。G(2r)的第j行与码字ck的直积产生了长度为2rN的2r个相互正交的代码的一个组的一个成员Ljk，j=0,…,2r-1。这些长序列中的每一个都与码字ci(这里i≠k)以及较长的码字Lji(它由G(2r)的每一行与码字ci的直积构成)正交。于是，通过把G(2r)的一个不同的行分派给每个用户，直至速率为fs/2r的2r个用户能够分派到单个码字ck。能够把这种代码构造技术加以推广，以适应具有形如fs/2r的不同的速率的用户的混合体，而最大的集合(aggregate)码元速率由fs限定。
提出的方案建议，使速率为fs/2r的数据的码元间隔增大至速率为fs的数据的码元间隔的2r倍。可以希望，较低速率的用户把发送功率减小至2r分之一，以保持相同的码元/噪声能量比(Es/No)。
中心站接收由返回链路用户发送的信号波形的叠加。由多速率ODS-CDMA接收机把接收到的信号解调和去扩展。去扩展的操作包括在一个码元间隔内作出接收到的波形与所要的用户的扩展序列的相关。因此，在支持数据速率比fs高的用户的多速率系统中，通过把速率为2rfs的用户的波形与用户的已分派的N/2r个码片序列作相关来对该波形去扩展。相反，在支持数据速率比fs低的用户的多速率系统中，通过把速率为fs/2r的用户的波形与用户的已分派的2rN个码片直积代码作相关来对该波形去扩展。在这两种情形中，去扩展操作要求所有用户的码字在代码边界处作时间对准，以保持正交性以及在接收机处得知在接收机处所有用户的数据码元速率。此外，在支持较低速率的系统中，必须在接收机处得知用于形成直积代码的的G(2r)的行指标。为满足这些要求，在ODS-CDMA系统中要作适当的准备。
图1示出在建议的多速率ODS-CDMA系统中的返回链路结构的基本的方框图。在该图中，M个用户以数据码元速率2r1fs,2r2fs,…,2rMfs发送数据至中心站，这里，rj(j=1,…,M)的范围对于支持速率高于fs的较高速率的系统是从0至p，对于支持速率低于fs的较低速率的系统是从-q至0，而对于既支持较高速率又支持较低速率的系统是从-q至p。如果第j个用户请求较高的速率(rj≥0)，则用户代码发生器以速率fs产生一个长度为N的码字，它等价于以速率2rjfs和以时分多路复用的方式产生长度为2rjN的2rj个子代码。另一方面，如果第j个用户请求较低的速率(rj≤0)，则用户代码发生器以速率2rjfs产生长度为2rjN的一个直积代码。因此，在每个码元间隔Tj=1/(2rjfs)处，用来自代码发生器的码字乘以第j个用户的数据码元，而对得到的码片序列进行调制，并且发送至中心站。
中心站接收M个返回链路用户的复合信号波形。图2示出在中心站处的一种例示的多速率ODS-CDMA接收机的基本方框图。该接收机对于接收到的波形进行解调和去扩展。对于rj≥0的第j个用户，去扩展包括把已解调数据的N个码片的每个块格式化为长度为2rjN的子序列，并且把这些子序列的每个子序列与来自代码发生器的子代码作相关。如果rj≤0，则把2rjN的每个块与来自代码发生器的长代码作相关。在没有信道畸变的情形下，相关器输出得出用户数据。
下面给出实现本发明的一个简单的说明性的例子。
考虑一个多速率ODS-CDMA系统，它具有从维数N=4的Sylvester-Hadamard矩阵得出的码组 基本数据码元fs、以及固定码片速率fc=4fs。
假设把码字0、c0=[+1 +1 +1 +1]分派给用户1，并且以速率fs发送。现在，一个新的用户(用户2)请求以2fs发送。从可用于分派的代码c1、c2和c3可见，只有c1或c3可以分派给用户2，因为c2的两个子序列(即，[+1 +1]和[-1 -1])的长度与c0的相应的子序列不正交。设把代码c1分派给用户2。在时间间隔Ts=1/fs内由用户1发送的码片序列是x(1)=s(1)[+1 +1 +1 +1]，这里s(1)是当前的数据码元。类似地，在相同的时间间隔内由用户2发送的码片序列是x(2)=[sa(2)[+1 -1]sb(2)[-1 -1]]，这里sa(2)和sb(2)是当前的数据码元。注意，在当前的分派情形下，只有代码c3可用于分派给一个具有码元速率fs或更低的新用户。不能支持一个请求较高码元速率的用户，除非重新分派代码。
在中心站处接收到的信号(在解调后)的形式为r=x(1)+x(2)=s(1)[+1 +1 +1 +1]+[sa(2)[+1 -1]sb(2)[+1 -1]]通过把该信号与合适的扩展代码作相关而将其去扩展。对于用户1，通过计算下面的内积来做到这一点 它得出了被发送的数据码元。通过如下的步骤来恢复用户2的数据码元。首先，把接收到的码片序列划分成两个子序列r=[rarb]，这里ra=s(1)[+1 +1]+sa(2)[+1 -1]而rb=s(1)[+1 +1]+sb(2)[+1 -1]，然后计算下述内积 现在，假设第三个用户，用户3，请求以速率fs/2发送。设要把码字c3和二阶Sylvester-Hadamard矩阵G(2)的第0行分派给这个用户。由G(2)的第0行与码字c3的直积给出对于用户3的长扩展代码L03=[+1 +1]c3=[c3c3]，其长度为8个码片。
通过取G(2)的第1行与c3的直积以给出L13=[+1 -1]c3=[c3-c3]，如此构造的正交代码可以容纳一个速率为fs/2的额外的用户。通过取G(2)的第2行与L13的直积以构造L′03=[+1 +1]L13=[c3-c3c3-c3]和L13′[+1 -1]L13=[c3-c3-c3c3]，能够支持速率为fs/4的两个额外的用户。注意，代码L03′和L13′的长度是16个码片。
在中心站处，通过把在时间间隔Ts=2/fs内接收的信号与长代码作相关而恢复用户3的数据码元。从代码的构造可以得出，在相关器的输出端，来自用户1和用户2的干扰是零。
总之，上述的例示的系统能够支持比fs高的速率2fs,4fs和比fs低的速率fs/2,fs/4,…,fs/2q。
如果多速率系统只允许高速率，在系统总通过量为4fs的全容量的情形下，能够支持下述的分派方案a)4个用户以fs发送b)2个用户以fs发送，一个用户以2fs发送c)2个用户以2fs发送d)1个用户以4fs发送相反，如果多速率系统只允许低速率，对于每个码字ck，k=0,1,2,3，能够支持的一些方案是a)1个用户以fs发送b)2个用户以fs/2发送c)2个用户以fs/4发送，1个用户以fs/2发送d)4个用户以fs/4发送e)2q个用户以fs/2q发送注意，每个码字可以支持最大的数据速率fs，如面前那样，得出系统总通过量为4fs。最后，如果多速率系统既允许高数据速率又允许低数据速率，则可以有各种分派方案，而系统的总通过量仍然限于4fs。
权利要求
1．在至少有一个中心站和多个用户终端的ODS-CDMA通信系统中的一种方法，用于产生N个正交序列的一个码组，其中，对于某个整数p，N=2p；基本数据码元速率fs；和固定码片速率fc，其中，fC=Nfs，其特征在于，改进包括用于支持具有多种数据速率的用户的方法，其做法是，把不同长度的相互正交的代码分派给这些用户，同时在发射机处保持码片速率以及峰-平均值比值与均匀的数据速率系统中的相同。
2．如权利要求1所述的系统，其特征在于，把长度为N/2r的正交子序列分派给打算以2rfs的速率发送数据的用户，这里r的范围是从0至p，这些子序列是通过把来自N个正交序列的码组的长度为N的已分派的码字划分为2r个子序列而产生的。
3．如权利要求1所述的系统，其特征在于，采用Hadamard矩阵的Sylvester构造，来产生正交的码组，从而在码组中选择的码字的子序列也是正交的。
4．如权利要求1所述的系统，其特征在于，用户可以请求比基本数据码元速率fs低的较低速率，速率为fs/2r的低速率用户的数据码元用长度为2rN的较长代码来扩展，这里r的范围是从0至q，该较长代码是用长度为2r的正交代码与分派给这个用户的N的码片码字的直积来构造的。
5．如权利要求1所述的系统，其特征在于，用户可以请求比基本数据码元速率fs低的较低速率，速率为fs/2r的低速率用户的数据码元用长度为2rN的较长代码来扩展，这里r的范围是从0至q，该较长代码是用Sylvester-hadamard矩阵H(2r)的一行与分派给这个用户的N个码片码字的直积来构造的。
6．在至少有一个中心站和多个用户终端、用于把信号中继至中心站和中继来自中心站的信号的一个或多个卫星或其他装置的ODS-CDMA通信系统中的一种方法，用于产生N个正交序列的一个码组，其中，对于某个整数p，N=2p；基本数据码元速率fs；和固定码片速率fc，其中，fc=Nfs，其特征在于，改进包括用于支持具有多种数据速率的用户的方法，其做法是，把不同长度的相互正交的代码分派给这些用户，同时在发射机处保持码片速率以及峰-平均值比值与均匀的数据速率系统中的相同。
7．如权利要求6所述的系统，其特征在于，把长度为N/2r的正交子序列分派给打算以2rfs的速率发送数据的用户，这里r的范围是从0至p，这些子序列是通过把来自N个正交序列的码组的长度为N的已分派的码字划分为2r个子序列而产生的。
8．如权利要求6所述的系统，其特征在于，采用Hadamard矩阵的Sylvester构造，来产生正交的码组，从而在码组中选择的码字的子序列也是正交的。
9．如权利要求6所述的系统，其特征在于，用户可以请求比基本数据码元速率fs低的较低速率，速率为fs/2r的低速率用户的数据码元用长度为2rN的较长代码来扩展，这里r的范围是从0至q，该较长代码是用长度为2r的正交代码与分派给这个用户的N的码片码字的直积来构造的。
10．如权利要求6所述的系统，其特征在于，用户可以请求比基本数据码元速率fs低的较低速率，速率为fs/2r的低速率用户的数据码元用长度为2rN的较长代码来扩展，这里r的范围是从0至q，该较长代码是用Sylvester-hadamard矩阵H(2r)的一行与分派给这个用户的N个码片码字的直积来构造的。
全文摘要
揭示一种具有至少一个中心站和多个用户终端的ODS－CDMA通信系统。向每个用户分派一个代码,它与所有其他用户的代码是正交的。如此选择代码时间间隔,从而在数据码元时间内该代码重复整数次,并且该代码与码元跃变同步,从而在代码内不发生数据跃变。于是,正交码组的选择使得能够用较短的码字来扩展高速率数据,而用较长的码字来扩展低速率数据,所有这些码字保持相互正交。
文档编号H04J13/04GK1299542SQ99805823
公开日2001年6月13日 申请日期1999年3月1日 优先权日1998年3月4日
发明者T·F·考克斯, F·D·纳塔利, J·E·奥尔森, S·塔尔瓦尔 申请人:史丹佛电信公司