專利名稱：用于擴頻無線通信的同步技術(shù)和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字無線系統(tǒng)，更具體而言，涉及在擴頻無線通信系統(tǒng)中實現(xiàn)作為接收信號處理的一部分的同步。
無線通信系統(tǒng)涉及通過空中接口傳輸信息，例如用信息去調(diào)制載波頻率。對接收來說，接收機試圖通過使用適當?shù)慕庹{(diào)技術(shù)來精確地從接收信號中提取信息。然而為了解調(diào)接收信號，首先需要使發(fā)射機和接收機的定時時鐘同步。依據(jù)無線通信系統(tǒng)的設(shè)計可以要求不同級別的同步。例如，在大多數(shù)的系統(tǒng)中，發(fā)射機和接收機之間的時鐘偏差將導(dǎo)致產(chǎn)生比特級別的定時偏差。而且，在有些無線通信系統(tǒng)中，信息以二進制位組(有時被稱作是幀，它表示獨立地被檢測和譯碼的信息塊)的方式傳送。在這些類型的系統(tǒng)中，還希望能夠定位幀頭，以使得與特定接收機相關(guān)的信息可以被分離出來并被解調(diào)。同樣地，有些系統(tǒng)(例如時分多址接入或TDMA系統(tǒng))進一步再把幀分成為時隙，以產(chǎn)生彼此時分復(fù)用的信道。在這類系統(tǒng)中，更加希望在每一個時隙的開始就能使接收機同步。
有些系統(tǒng)通過使用被稱為碼分多址接入(CDMA)的擴頻技術(shù)提供信道化。在CDMA系統(tǒng)中，要傳送的信息數(shù)據(jù)流首先通過使用唯一的擴展碼進行編碼或擴頻，然后再與長偽隨機序列(PN-sequences)或短加擾序列(scrambling-sequences)相結(jié)合。在后一種方案中，加擾序列要一個小區(qū)一個小區(qū)地設(shè)計，使得相鄰小區(qū)使用不同的加擾序列或加擾掩碼(scrambling-mask)。信息數(shù)據(jù)流和偽隨機序列或加擾序列可以有相同的或不同的比特速率。唯一的擴展碼和長偽隨機序列的比特通常被稱為碼片。因此，CDMA系統(tǒng)中也希望在碼片邊界上使接收機同步，即比特級別的同步。
要進一步理解在CDMA無線通信系統(tǒng)中與信號處理相關(guān)的同步任務(wù)，來看下面的例子。

圖1示例使用基站在蜂窩系統(tǒng)中向移動用戶(移動臺)發(fā)送無線電波。在一個CDMA系統(tǒng)中，基站10可以給移動臺14和15發(fā)送信號，可以是單一(復(fù)合)信號。送往移動臺14的信號通常經(jīng)過一個短碼編碼，該短碼與用來對送往移動臺15的信號編碼的短碼是正交或基本正交的。這些信號再由第二個碼來擴展，該碼與基站10有關(guān)，通常被稱做長碼。兩個經(jīng)過編碼和擴展的信號之和由基站10所發(fā)送。
當移動臺14收到復(fù)合信號時，移動臺14要用長碼和短碼與擴展信號相乘，從而來恢復(fù)送往移動臺14的信號，并且移動臺15的信號作為干擾噪聲被抑制。相似地，移動臺15要用分配給移動臺15的長碼和短碼與擴展信號相乘以恢復(fù)送往移動臺15的信號，且移動臺14的信號作為干擾噪聲被抑制。除了要記住和了解可應(yīng)用的長碼和短碼，要想解擴、解調(diào)和譯碼隱含在信號中的信息，移動臺14和15接收器必須與上述的接收信號取得不同級別的同步。
為獲得不同級別的同步，已經(jīng)開發(fā)出了許多不同的技術(shù)。對于時隙同步來說，這些技術(shù)通常在很大程度上要依賴于幀結(jié)構(gòu)和給移動臺發(fā)送開銷或控制信息的模式。通常在一個或更多個廣播控制信道上提供開銷信息，該信道由基站通過移動臺可以快速鎖定和接收開銷信息的已知信道發(fā)送，開銷信息包括用于與基站取得幀同步的信息。本領(lǐng)域的技術(shù)人員都知道許多無線通信系統(tǒng)包含非同步的基站，即沒有享用公共的定時參考信號的基站。因此，時隙同步是一個在啟動的時候和移動臺從一個小區(qū)移動到另一個小區(qū)的時候都需要完成的過程。
在一個寬帶CDMA建議系統(tǒng)中，通過查找同步域來完成時隙同步，同步域作為控制信道的一部分，在預(yù)先約定好的幀頭或時隙頭(時間)位置上廣播。同步域就是所謂的GOLD碼，這種碼有良好的相關(guān)特性，可以提高移動臺的檢測效果。根據(jù)檢測接收到的GOLD碼，移動臺可以得知時隙的邊界，從而就能讀取其它域內(nèi)的信息并繼續(xù)例如完成幀同步和比特同步，以便讀取由系統(tǒng)發(fā)送給移動臺的信息。
在完成與接收信號相關(guān)和查找相關(guān)峰值的同步過程中，移動臺可以使用匹配濾波器來檢測GOLD碼。為完成該任務(wù)，匹配濾波器的長度需要與同步域的長度相同。由于這一項特定申請采用了寬帶CDMA技術(shù)，通過與廣播控制信道對應(yīng)的擴展碼相乘，GOLD碼被擴展成例如256碼片的碼片速率。
由于移動臺的本地振蕩器的不精確，從同步符號的開始到結(jié)束，同步符號的相位是變化的。這種相位旋轉(zhuǎn)在匹配濾波器的輸出峰值處會導(dǎo)致嚴重的信號能量損耗，因而可能導(dǎo)致相關(guān)峰值的誤檢測。例如，假設(shè)振蕩器偏差為10ppm，由公式相位旋轉(zhuǎn)＝360°×振蕩器偏差×載波頻率/符號速率可以計算得到在符號(GOLD碼)同步過程中相位旋轉(zhuǎn)是450度，其中載波頻率和符號速率分別為2GHz和16kHz。為避免與相位旋轉(zhuǎn)大小相關(guān)的信號能量損耗，可以把匹配濾波器分割為幾個濾波器段。這樣減少了信號能量的損耗，但是導(dǎo)致接收信號信噪比降低。因此，就要優(yōu)先考慮尋找一些避免使用匹配濾波器的其它技術(shù)來完成無線通信系統(tǒng)的廣播控制信道的基本同步(時隙同步)。
本發(fā)明涉及數(shù)字無線信號的時間(和頻率)同步，該同步是通過識別在廣播控制信道上發(fā)送的同步域來完成的。根據(jù)本發(fā)明的示范實施例，同步域是周期的非擴展(非調(diào)制)信號，例如指數(shù)信號，它將對廣播控制信道的載波頻率引入一個已知的頻率偏差。然后移動臺可以去讀包含該同步域的廣播控制信道，尋找指數(shù)信號，識別它的頻率偏差。頻率偏差開始時刻可被用來為控制信道提供時間同步，頻率偏差的大小可以用來完成頻率同步。這樣就避免了分割匹配濾波器(Segmented matched filter)和與之相伴的低信噪比。
本發(fā)明的示范實施例在寬帶CDMA系統(tǒng)中采用這樣一種時間/頻率同步技術(shù)，其中有兩個廣播控制信道向移動臺提供接入系統(tǒng)所需的信息，例如時隙同步、幀同步、碼片同步和所監(jiān)聽的基站長碼的同步。根據(jù)一個示范實施例，每一個廣播控制信道都包括一個含有良好相關(guān)性碼(例如GOLD碼)的同步域。兩個廣播控制信道的其中之一還包括周期信號，如指數(shù)信號，它會引入前面所述的頻率偏差。后一種廣播控制信道可以被移動臺跟蹤鎖定，從而捕獲時隙同步和幀同步。然后，通過估計兩個廣播控制信道的GOLD碼來確定與廣播兩個控制信道的基站相關(guān)的長碼。在可選實施例中，可以用周期信號來代替這一個或兩個GOLD碼。
附圖簡述下面將參考附圖來描述本發(fā)明，其中圖1說明可以應(yīng)用本發(fā)明的一個傳統(tǒng)蜂窩無線通信系統(tǒng)；圖2描述了一種已知的物理和邏輯信道結(jié)構(gòu)；圖3是一個可以應(yīng)用本發(fā)明的發(fā)射機和接收機的結(jié)構(gòu)；圖4根據(jù)本發(fā)明的示范實施例描述了一種物理和邏輯信道結(jié)構(gòu)，其中指數(shù)函數(shù)用做同步符號；并且圖5(a)-5(c)是頻率—幅度曲線其中(a)發(fā)送GOLD碼作為同步符號，(b)發(fā)送指數(shù)符號作為同步符號，(c)發(fā)送經(jīng)過∑-Δ調(diào)制的指數(shù)符號作為同步符號。
出于解釋而不是制約的目的，為了提供一個對本發(fā)明完整的理解，在隨后的描述中給出具體的細節(jié)，如具體電路、電路組成、技術(shù)等等。然而很明顯，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，脫離這些具體細節(jié)，本發(fā)明可以應(yīng)用于其它實施例中去。為了不對本發(fā)明的描述造成模糊，在另外的例子中，省略了對一些眾所周知的方法、設(shè)備和電路的細節(jié)描述。
在此所討論的示范的無線通信系統(tǒng)，使用混合的TDMA/CDMA方法，基站和移動臺之間的通信通過使用擴展碼來完成，其中的信息是在離散時隙上傳送。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解在此公開的概念也適用于其它方法，包括，但是并不局限于頻分多址(FDMA)、TDMA、CDMA或其它多址方法。同樣，一些示范實施例提供一些說明性的例子，這些例子涉及為特定第三代無線通信系統(tǒng)所考慮的示范幀和邏輯信道結(jié)構(gòu)，然而在此所描述的這些技術(shù)同樣適用于任何系統(tǒng)的無線基站。
在大多數(shù)通信系統(tǒng)中，接收機收到所期望信息的第一幀的時候，發(fā)射機時鐘和接收機時鐘并不是鎖定的，即在時間上沒有做到幀同步，沒有做到用于從基站傳送信息的邏輯信道格式同步。出于示例說明而不是制約的目的，考慮圖2中所描述的示范幀和邏輯信道格式。其中64個10ms的無線幀組成一個超幀。每一個無線幀進一步被分為16個時隙。與物理或邏輯信道相對應(yīng)，每一時隙包括不同的信息類型和信息域。物理信道可能會包括業(yè)務(wù)信道和控制信道。
在圖2中描述了兩個控制信道各自的一個時隙，分別稱做BCCH1和BCCH2。這兩個控制信道由基站廣播給本區(qū)域內(nèi)受該基站服務(wù)的所有移動臺。BCCH1上廣播的每一個時隙包括4個導(dǎo)頻符號，5個與BCCH1所攜帶邏輯子信道相關(guān)的符號，即向監(jiān)聽移動臺傳送有關(guān)網(wǎng)絡(luò)活動的信息，和一個同步符號，在該示范方案中通常被看作是長碼屏蔽符號(LCMS)。BCCH2只攜帶一個同步符號。起初，提出BCCH1上傳送的同步符號被移動臺用來獲得時隙同步，而BCCH2上傳送的同步符號被移動臺用來獲得幀同步。比較與每一個同步模式相關(guān)聯(lián)的比特模式，可以為移動臺提供有關(guān)在兩個信道上傳送并由基站所采用的長碼的信息。
在描述申請人新穎的同步技術(shù)之前，先參考圖3給出對一些發(fā)送和接收部件的簡單的描述，這些部件通過空中接口，并使用圖2中所給出的或者下述描述的幀結(jié)構(gòu)和邏輯信道結(jié)構(gòu)傳送信息。其中有兩個源，分別為40和50，由同一個基站的不同發(fā)射機所支持，使用擴頻技術(shù)在相同的頻譜內(nèi)傳送不同的信號。每一個源的輸入數(shù)據(jù)與正交短碼相乘并且由另外的長碼來擴展。然后，經(jīng)過編碼和擴展的用戶數(shù)據(jù)總和經(jīng)由無線頻率載波和發(fā)射天線發(fā)送出去。例如圖3中，用戶輸入數(shù)據(jù)41與正交短碼43相乘并經(jīng)長碼45所擴展。經(jīng)過編碼和擴展的用戶數(shù)據(jù)總和47用來調(diào)制無線頻率載波49，并經(jīng)由發(fā)射天線42發(fā)送出去。同樣地，用戶輸入數(shù)據(jù)51與正交短碼53相乘并經(jīng)長碼55所擴展。經(jīng)過編碼和擴展的用戶數(shù)據(jù)總和57用來調(diào)制無線頻率載波59，并經(jīng)由發(fā)射天線52發(fā)送出去。發(fā)射天線42發(fā)送信號44，發(fā)射天線52發(fā)送信號54。
接收機60含有接收天線62。信號44和54通過空中接口傳輸時要經(jīng)歷信道的影響，例如沿各種長度的不同路徑到達的信號44和54的反射波。這些反射信號的相互作用造成多徑衰落，在任意給定時刻下，它們的影響隨移動臺的特定位置變化而變化，信號強度隨發(fā)射源和接收機之間的距離增加而降低。接收機60可以采用多種已知RAKE接收機(已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知)的任何一種從不同的信號路徑來采集信號能量。當接收機60接收到信號98，用載波64去解調(diào)信號，得到復(fù)合信號67。用同步的長碼65去解擴復(fù)合信號67，用同步的正交碼63去譯碼。接收機60可以使用積分器67和采樣器69重建發(fā)送信號。
為了通過業(yè)務(wù)信道完成接收數(shù)據(jù)的信號處理任務(wù)，接收機60必須首先了解用于解擴的長碼和短碼。這些信息可以通過一個或多個控制信道來獲得，如BCCH1或BCCH2，為讀取這些信息，移動臺必須首先要同步。如上所述，早先的建議把目光集中在使用BCCH1中傳送的同步字獲得時隙同步，使用BCCH2中傳送的同步字獲得幀同步，通過比較兩個同步字的模式識別長碼。然而，本發(fā)明的示范實施例中不需要使用上述的匹配濾波器，而是通過在一個或兩個廣播控制信道上發(fā)送周期信號，以及在移動臺中檢測周期信號來完成時間和頻率的同步。
僅作為引入頻率偏差技術(shù)的一個例子，考慮本發(fā)明的示范實施例，如圖4所示，其中指數(shù)信號被插入第二個廣播控制信道BCCH2。其中，在同步符號之前的某一時刻BCCH2的載波頻率被持續(xù)一個符號周期的指數(shù)信號所調(diào)制。然而指數(shù)信號本身不被調(diào)制。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解圖4的許多方面都僅僅是示范。例如，指數(shù)信號可以占據(jù)多于一個符號周期，如2、3或4個符號周期。而且，指數(shù)信號可以放置在時隙中的同步符號以后。
圖4只描述了BCCH2的#1時隙。指數(shù)信號每幀只能傳送一次。或者，指數(shù)信號在一幀內(nèi)每個時隙或時隙子集(如每隔一個時隙)內(nèi)傳送。如果以指數(shù)信號形式出現(xiàn)的同步符號只在每幀的一個或幾個時隙內(nèi)傳送，則可以提高該信號的幅度(功率)，使移動臺可以更加容易地檢測它，以加速同步過程。
與GOLD碼不同，把指數(shù)信號調(diào)制到載波上會引入頻率偏差。考慮以exp(j2πFt)為特征的指數(shù)信號，其中F和t分別代表頻率和時間。指數(shù)信號的使用把由振蕩器不精確帶來的相位旋轉(zhuǎn)變成為加性的頻率偏差ΔF。因此，圖4中相位旋轉(zhuǎn)的同步符號可以用exp(j2π(F+ΔF)t)表示。
初始假設(shè)ΔF＝0，盡管所接收到的信號的頻率有所改變，同步符號還是可以被檢測出來的。具體來說，接收機可以通過查找頻率偏差F來檢測同步符號，該頻率偏差是由于用指數(shù)信號去調(diào)制載波而故意引入的。例如，當讀取廣播控制信道BCCH2時，指數(shù)信號可能有用于查找的時間離散頻率f＝1/4。
各種各樣的已知技術(shù)可以用來查找這種頻率偏差，例如利用線性回歸技術(shù)來估計接收信號的相位。既然與如何在所用的具體頻率檢測技術(shù)基礎(chǔ)上識別頻率偏差相關(guān)的細節(jié)對本發(fā)明并不是十分重要的，為了避免對本發(fā)明產(chǎn)生模糊的概念，這些細節(jié)被省略。然而，有興趣的讀者可以參考美國專利申請序列號08/971,666，題為“估計頻率偏移量的方法和設(shè)備(Method and Apparatus For Estimating a FrequencyOffset)”，1997年11月17日提交，以及國專利申請序列號09/026,724，題為“檢測頻率同步信號的方法和設(shè)備(Method and Apparatus forDetecting a Frequency Synchronization Signal)”，1998年2月20日提交，這兩篇專利申請?zhí)卦诖艘耄鳛閰⒖肌?br> 通過查找頻率偏差開始的時間，接收機或移動臺能夠決定時隙的開始/幀邊界。通過使用該信息，移動臺可以在時間上與系統(tǒng)同步，也可以比較同步符號模式(如早先提出的圖2所示的結(jié)構(gòu))來決定發(fā)送BCCH1和BCCH2的基站的長碼。
此外，在作為同步符號引入的指數(shù)類型(或其它周期性)信號的基礎(chǔ)上，既然有意引入的頻率偏差的幅度是已知的，通過比較故意引入的頻率偏差F和由移動臺所測量到的頻率偏差，同時還可以確定ΔF。這樣，移動臺能夠補償由本地振蕩器所帶來的頻率誤差，從而完成頻率同步和時間同步。
除了早先提出的同步符號(如GOLD碼)之外，盡管上述示范實施例描述了提供指數(shù)信號做同步符號，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以了解到指數(shù)信號可以去替換上述例子中的一個或兩個在BCCH1和BCCH2上傳送的同步符號。
此外，沒有調(diào)制的指數(shù)信號與前面建議的作為同步符號的GOLD碼的擴展形式相比較，未調(diào)制的指數(shù)信號占據(jù)相對窄的帶寬。如果希望增加與指數(shù)信號有關(guān)的帶寬，該信號可以使用熟知的∑-Δ調(diào)制技術(shù)。調(diào)制的結(jié)果見圖5(a)-5(c)，其中5(b)中給出的未調(diào)制指數(shù)信號的相對較大的尖峰信號被∑-Δ調(diào)制技術(shù)擴展到更寬的帶寬上，如圖5(c)所示。∑-Δ調(diào)制技術(shù)的一個優(yōu)勢在于采用了∑-Δ調(diào)制技術(shù)之后，周期信號的頻率仍然可以被估計出來，這已是被本領(lǐng)域的技術(shù)人員所公認的。
本發(fā)明是通過示范實施例的形式來描述的，但并不僅局限于此。本領(lǐng)域的技術(shù)人員所做的修改和變化沒有脫離在所附權(quán)利要求所規(guī)定的本發(fā)明的實質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
1.用于與無線通信系統(tǒng)所發(fā)送的信息相關(guān)的時間結(jié)構(gòu)同步的一種方法，包括以下步驟在廣播控制信道上傳送非擴展的周期信號；在移動臺檢測由所述周期信號所引入的頻率偏差；以及根據(jù)所述檢測的頻率偏差識別所述時間結(jié)構(gòu)的開始。
2.如權(quán)利要求1所示的方法，進一步包括以下步驟使用時分多址接入技術(shù)傳送所述信息。
3.如權(quán)利要求1所示的方法，進一步包括以下步驟使用碼分多址接入技術(shù)傳送所述信息。
4.如權(quán)利要求1所示的方法，其中所述時間結(jié)構(gòu)包括與每一幀相關(guān)的多個時隙，其中每一個時隙包括由傳送所述周期信號所產(chǎn)生的同步符號。
5.如權(quán)利要求1所示的方法，其中所述時間結(jié)構(gòu)包括與每一幀相關(guān)的多個時隙，其中只有一個所述時隙包括由傳送所述周期信號所產(chǎn)生的同步符號。
6.如權(quán)利要求1所示的方法，進一步包括以下步驟增加所述周期信號的頻率帶寬。
7.如權(quán)利要求6所示的方法，其中增加頻率帶寬的所述步驟進一步包括如下步驟在傳送之前采用∑-Δ調(diào)制技術(shù)來調(diào)制所述周期信號。
8.如權(quán)利要求1所示的方法，其中所述傳送步驟進一步包括如下步驟在所述廣播控制信道上傳送第二個同步符號。
9.如權(quán)利要求8所示的方法，其中所述第二個同步符號是GOLD碼。
10.如權(quán)利要求1所示的方法，進一步包括如下步驟使用所述檢測到的頻率偏差和所述周期信號的知識在頻率上與所述廣播控制信道同步。
11.如權(quán)利要求1所示的方法，其中所述周期信號是指數(shù)信號。
12.一種移動臺，包括用于接收作為同步符號在廣播控制信道上傳送的周期信號的接收機；以及用于確定與所述周期信號相關(guān)的頻率偏差被引入所述廣播控制信道的時刻、以便使所述移動臺與該廣播控制信道實現(xiàn)時間同步的裝置。
全文摘要
描述了一種用于同步在無線通信系統(tǒng)內(nèi)與基站傳輸相關(guān)的時間結(jié)構(gòu)的方法和設(shè)備。一個廣播控制信道能夠在一個或多個時隙內(nèi)包含同步符號。該符號為可以在廣播控制信道中引入頻率偏差的周期性的信號,如指數(shù)信號。該頻率偏差可以為接收機所識別,從而實現(xiàn)與基站發(fā)送的時間結(jié)構(gòu)的同步。而且,與本地振蕩器的偏差相關(guān)的相位旋轉(zhuǎn)所引起的頻率偏差的變化也可以得到補償以實現(xiàn)頻率同步。
文檔編號H04B7/26GK1241847SQ9910887
公開日2000年1月19日 申請日期1999年6月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月22日
發(fā)明者R·阿塔里烏斯 申請人:艾利森電話股份有限公司