專利名稱：使用多沃爾什信道的碼分多址通信系統(tǒng)中的碼捕獲的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多址聯(lián)接通信系統(tǒng)，如無線數(shù)據(jù)或無線電話系統(tǒng)、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器型擴(kuò)頻通信系統(tǒng)等。具體地說，本發(fā)明涉及對采用多沃爾什(Walsh)函數(shù)編碼信道能量的通信系統(tǒng)中所發(fā)送數(shù)字信號進(jìn)行捕獲和跟蹤的方法和裝置。
已開發(fā)出各種多址聯(lián)接通信系統(tǒng)，用于在大量系統(tǒng)用戶之間傳送信息。此類多址聯(lián)接通信系統(tǒng)所用的兩種已知技術(shù)包括時分多址(TDMA)和頻分多址(FDMA)，其基本情況在該技術(shù)領(lǐng)域上已熟知。然而，諸如碼分多址(CDMA)擴(kuò)頻技術(shù)等擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)具有比其它調(diào)制方案顯著的優(yōu)點(diǎn)，尤其在為大量通信系統(tǒng)用戶提供服務(wù)的情況下。CDMA技術(shù)在多址聯(lián)接通信系統(tǒng)的應(yīng)用揭載于1990年2月13日發(fā)布的4901307號美國專利(題為“利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器或地面中繼器的擴(kuò)頻多址聯(lián)接通信系統(tǒng)”)和申請序列號為08/368570的美國專利(題為“擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中使用全頻譜發(fā)射功率跟蹤各個接收端相位時間和能量的方法及裝置”)中。此二專利均轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明受讓人，援引于此供參考。
在這些專利揭示的多址聯(lián)接通信系統(tǒng)中，分別至少利用一收發(fā)信機(jī)的大量一般移動用戶或遠(yuǎn)端系統(tǒng)用戶，通過諸如公用電話交換網(wǎng)，與其它系統(tǒng)用戶或所需信號接收者進(jìn)行通信。各收發(fā)信機(jī)采用CDMA擴(kuò)頻通信信號，通過關(guān)口站和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，或地面基站(有時稱為區(qū)站或蜂窩區(qū))，相互通信。基站覆蓋按其信號有效“抵達(dá)”范圍規(guī)定的蜂窩區(qū)，而衛(wèi)星波束覆蓋衛(wèi)星通信信號投射在地球表面所形成的“點(diǎn)”。此外，蜂窩區(qū)一般分成稱為區(qū)段的不同地理區(qū)域，而不同頻率的衛(wèi)星波束，有時稱為FDMA信號、波束或分波束，覆蓋一共同地理區(qū)域。所服務(wù)的地理區(qū)域性質(zhì)相同，所用中繼轉(zhuǎn)發(fā)平臺類型的物理特性及其位置卻不同。盡管這些平臺間某些傳輸路徑特性和頻率、信道重復(fù)使用的制約可以不同。
CDMA通信系統(tǒng)中，在調(diào)制到載頻信號以作為通信信號發(fā)送之前，先用一組(或一對)預(yù)選的偽隨機(jī)噪聲(PN)碼序列調(diào)制(或“加擴(kuò)”)用戶信息信號。在基站(或關(guān)口站)至用戶的通信鏈路，用PN加擴(kuò)碼(或二進(jìn)制序列)鑒別不同基站或不同關(guān)口站波束發(fā)來的信號和多徑信號。這些碼一般由蜂窩區(qū)(或波束)內(nèi)的全部通信信號共用。采用信道化碼鑒別區(qū)內(nèi)的不同用戶或前向鏈路衛(wèi)星波束中發(fā)送的用戶信號。即，每個用戶單元通過采用獨(dú)特“涵蓋”的正交碼，分別具有在前向鏈路上自己的正交信道。一般用Walsh函數(shù)實(shí)現(xiàn)信道化碼，且陸上系統(tǒng)典型碼長為64碼片(或稱籌元)，衛(wèi)星系統(tǒng)則為128碼片。這樣的安排下，通常將具有64或128碼片的每一Walsh函數(shù)稱為一個Walsh碼元。
此外，還用某種信號分集作為一種減少哀落和通信系統(tǒng)中相關(guān)移動用戶(或衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器)所關(guān)聯(lián)其它問題的有害影響的方法。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)一般采用三種分集，即時間分集、頻率分集和空間分集。利用信號分量的重復(fù)和時間交錯，可得時間分集。信號能量在大頻寬上的擴(kuò)展，基本身就提供一種頻率分集。因此，頻率選擇性衰落只影響一小部分CDMA信號頻寬。一般通過不同天線或通信信號波束，利用多條信號路徑提供空間分集。
如4901307號美國專利所揭示的，一般的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)儲細(xì)考慮前向鏈路用單元的通信采用相干調(diào)制和解調(diào)。在采用這種方法的通信系統(tǒng)中，利用導(dǎo)頻信號作為關(guān)口站(或衛(wèi)星)至用戶和基站至用戶兩鏈路的相干相位參考。即，基站(或關(guān)口站)在整個覆蓋區(qū)發(fā)送一般無數(shù)據(jù)調(diào)制的導(dǎo)頻信號。一般每一基站或關(guān)口站對所用的每一頻率發(fā)射一個導(dǎo)頻。所有從該信息源接收信號的用戶共用該導(dǎo)頻。通常各區(qū)段有其獨(dú)特的導(dǎo)頻信號，而衛(wèi)星系統(tǒng)在由關(guān)口站用衛(wèi)星產(chǎn)生的各衛(wèi)星波束頻率或分波束中傳送導(dǎo)頻。
由于導(dǎo)頻信號一般無數(shù)據(jù)調(diào)制，這些信號實(shí)質(zhì)上包含調(diào)制在載頻上的PN加擴(kuò)碼。導(dǎo)頻信號在整個通信系統(tǒng)用相同的PN加擴(kuò)碼或碼鈕，但各波束、蜂窩區(qū)或區(qū)段具有不同的相對碼定時偏移。這樣提供了便于區(qū)別的信號，波束、蜂窩區(qū)也便于區(qū)別，同時提供了簡便的捕獲和跟蹤。為了發(fā)送擴(kuò)頻調(diào)制信息，還使用其它信號，如關(guān)口站(或基站)標(biāo)識、系統(tǒng)定時、用戶播叫信息和各種其它控制信號。
用戶單元用導(dǎo)頻信號取得初始系統(tǒng)同步和發(fā)送信號的時間、頻率、相位跟蹤。將跟蹤導(dǎo)頻信號載頻所得相位信息作為其它系統(tǒng)相干解調(diào)的載頻相位基準(zhǔn)或用戶信息信號。此技術(shù)使許多用戶信號載頻可共用一公共導(dǎo)頻信號作為相位基準(zhǔn)，從而提供一種費(fèi)用較少且較有效的跟蹤機(jī)構(gòu)。
作為建立通信鏈路過程的一部分，用戶單元收發(fā)信機(jī)利用一種稱為“搜尋接收機(jī)”(或簡稱為“搜尋器”)的收信機(jī)跟蹤導(dǎo)頻信號頻率，取得與導(dǎo)頻定時同步。已用若干技術(shù)和裝置提供此搜尋器功能。其中一種記載于1992年4月28日發(fā)布的5109390號美國專利(題為“CDMA蜂窩區(qū)電話系統(tǒng)的分集接收機(jī)”)。該專利轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明受讓人，援引于此供參考。
為了實(shí)際捕獲導(dǎo)頻信號，搜尋接收機(jī)利用相關(guān)器和用戶單元用本機(jī)參考定時產(chǎn)生的系統(tǒng)PN碼，將導(dǎo)頻信號解除擴(kuò)頻(下一“解擴(kuò)”)。解擴(kuò)后，信號振幅以接收信號碼片度量，并在預(yù)選的時間間隔內(nèi)累加，從而給出碼片振幅的相干和。將一些這樣的累加值取平方后，進(jìn)一步求和(包括I和Q)，所得非相干和與一個或多個預(yù)定門限電平相比。非相干和超過所需門限值通常表示已選擇了適當(dāng)?shù)膶?dǎo)頻信號定時。
累加過程期間出現(xiàn)的一個問題是在某些條件下，某些對產(chǎn)品用戶單元各正交通信信道有用的Walsh函數(shù)容易發(fā)生相長和相消干擾。例如，若用一組長128的128個Walsh函數(shù)，則在小于或等于Walsh函數(shù)長度一半的間隔累加信號振幅時，函數(shù)0和64容易引起相長或相消干擾。這種短累加帶來的干擾容易增加假告警(當(dāng)前定時假設(shè)不對，卻判為對)和差錯(當(dāng)前定時假設(shè)對，卻判為錯)的可能性。
這種干擾呈現(xiàn)Walsh函數(shù)(或通信信道)越多，累加的時間間隔就變得越短，如1/2函數(shù)長變?yōu)?/4、1/8函數(shù)長。然而，僅僅增加累積長度來補(bǔ)償是不可取的。由于實(shí)際上將來通信系統(tǒng)會使用也需要搜尋空間的多種PN碼、其它特性或變化的信號參數(shù)，補(bǔ)償長度復(fù)雜難行。即，除多普勒頻率和PN定時外，搜尋器可能還搜尋其它參數(shù)，而每一參數(shù)使搜尋長度增加一倍以上。因此，時間對每一搜尋因素(或參數(shù))來說非常珍貴。
于是，希望有一種使用小于或等于信道形成函數(shù)長度一半的累加窗口時，提供較快且較可靠的信號捕獲的信號捕獲方法和裝置。也希望較有效利用信號能量，或在通信系統(tǒng)各正交信道中較適當(dāng)?shù)胤峙涔β市盘枺愿纳颇芰糠@和信號捕獲。
鑒于多址聯(lián)接通信系統(tǒng)的導(dǎo)頻信道信號捕獲和信號解調(diào)有關(guān)技術(shù)中發(fā)現(xiàn)的上述問題和其它問題，本發(fā)明的一個目的是在速度和門限值的比較更為有效方面得到改善的信號捕獲。
本發(fā)明的一個優(yōu)點(diǎn)是較有效地利用能量，以建立正確的信號定時假設(shè)。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是可較有效地利用短信號累加周期。
本發(fā)明的另一目的是較有效地利用非導(dǎo)頻信號可得能量，以改善信號捕獲。
本發(fā)明的再一優(yōu)點(diǎn)是由于某些相對的碼校準(zhǔn)，數(shù)據(jù)調(diào)制和稱為外部PN調(diào)制的PN調(diào)制對搜尋器功能均透明。
這些和其它目的、目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)均由一種用擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中Walsh信道信號捕獲定時同步的方法和裝置加以實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)一些用戶接收一個或多個通信信號，并進(jìn)行解調(diào)。首先用一組預(yù)的的各通信信道Walsh函數(shù)，對一系列用戶數(shù)據(jù)信號進(jìn)行編碼。用這樣的方法產(chǎn)生通信信號。然后，此信道化信號以在多種定時偏移中的一種上施加的公共PN碼序列(通常為用于I、Q信道的一對)進(jìn)行擴(kuò)頻。再將擴(kuò)頻信號調(diào)制在公共載頻上。用戶單元接收的通信信號變換為數(shù)字式后，通過在各用戶單元本機(jī)所選一預(yù)選定時偏移上施加PN碼序列，進(jìn)行解擴(kuò)。
所得信道碼元的振幅在等于Walsh函數(shù)長L除以2n的預(yù)定時間間隔中進(jìn)行累積。其實(shí)現(xiàn)方法一般是采用累加元件求一系列碼元振幅的總和。所得總和用平方(或乘積)元件進(jìn)行平方，提供相干和后，在起止于Walsh碼邊界的間隔內(nèi)累加，得非相干和組合。最后的和與所接收相關(guān)(或解擴(kuò))通信信號的凈能量有關(guān)，其值因用戶單元所選PN碼時間偏移是否對應(yīng)于要捕獲的信號的所選PN碼時間偏移而大量變化。
最后的非相干和組合與建立最小能量電平用的一個或多個門限值比較，以確定正確的定時校準(zhǔn)或信號相關(guān)。當(dāng)最后的和超過所需門限值時，將解擴(kuò)用的定時偏移選為用于跟蹤正交信道信號并進(jìn)行解調(diào)的所需值。若最后的和不超過所需門限值，則選擇新的定時偏移，重新開始累加和與門限值比較的過程。
此技術(shù)為用戶提供了較大的能量，以用于捕獲導(dǎo)頻定時或其它所需信號。在所接收的導(dǎo)頻信號功率小于試圖捕獲該導(dǎo)頻信號的某一用戶單元的最佳值時，即導(dǎo)頻信號發(fā)射功率低于高速信號捕獲所需值，或信號劣化降低接收功率時，這樣的能量特別有用。
通過將相干累加周期值置為L/2n后，分配一導(dǎo)頻信號給第一信道，并優(yōu)先分配最低能量連貫的業(yè)務(wù)信號給以sL/2n的增量偏離第一信道的若干信道，進(jìn)一步改善信號捕獲過程。在上述增量關(guān)系中，n為正整數(shù)，s等于1至2n-1(即1、3、7……)范圍各連續(xù)數(shù)。當(dāng)存在128條信道時，導(dǎo)頻分到信道0，則信道32、62、96用于業(yè)務(wù)，而導(dǎo)頻分到信道1時，則業(yè)務(wù)利用信道33、65和97。在給定的通信系統(tǒng)中，需要時顯然導(dǎo)致信號可用其它信道或Walsh函數(shù)，并將此關(guān)系延伸到所用函數(shù)全長范圍的任何導(dǎo)頻信道。也可將上述各信道分配作為播叫信道和同步信道，以確保信號捕獲用的能量持續(xù)較大。
以下結(jié)合相同標(biāo)號均代表相同組成單元的附圖所作詳細(xì)闡述，會使本發(fā)明的特性、目的和優(yōu)點(diǎn)更清楚。附圖中，

圖1畫出無線通信系統(tǒng)用戶單元解調(diào)裝置范例，圖2畫出一例圖1裝置所用信號捕獲搜尋器中的信號檢測器，圖3畫出用圖2檢測器求正確假設(shè)的概率曲線圖(非本發(fā)明)，圖4說明圖2裝置中多門限值的應(yīng)用，圖5畫出用本發(fā)明求正確假設(shè)的概率曲線圖，圖6畫出圖2裝置按本發(fā)明原理工作時的相對碼元定時范例，圖7畫出圖2裝置實(shí)現(xiàn)假設(shè)調(diào)整的實(shí)施例。
本發(fā)明提供了一種技術(shù)，用于利用擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中用戶單元在多條正交信道上接收的能量，捕獲CDMA定時。該技術(shù)部分通過限制檢測信號定時中用的信號振幅累加時間間隔來完成。將接收信號解擴(kuò)，并在L除以2的整數(shù)次方的期間累加其各振幅，L為系統(tǒng)中用于產(chǎn)生正交信號信道的正交碼長度。隨后在Walsh函數(shù)邊界起止間隔內(nèi)建立上述累加結(jié)果的非相干組合。再用這些組合確定發(fā)生解擴(kuò)信號用的PN碼選到正確時間偏移的時間。通過對通信系統(tǒng)中的特定正交信道分配持續(xù)提供較高能量播叫、同步等內(nèi)容的信號以及頻繁指派的業(yè)務(wù)信道，又另具優(yōu)點(diǎn)。
例如，通信系統(tǒng)中采用長128的Walsh函數(shù)作為信道化碼且導(dǎo)頻信號分配在信道0時，若累加周期為64碼片長，則將能量連貫的業(yè)務(wù)、播叫或同步信道信號分配到信道64。在同樣的配置中，若累加周期長32碼片，則上述各信號分配到信道32、64和96。對捕獲過程貢獻(xiàn)能量的信道數(shù)隨累加周期的縮短而增多，而且可依據(jù)導(dǎo)頻信道的分配，將這些信道指派為奇信道或偶信道。這樣，給定通信系統(tǒng)確定戶單元選到正確時間偏移假設(shè)的時間用的能量也增加。
在諸如無線數(shù)據(jù)通信或電話通信等典型的CDMA擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，預(yù)定地理區(qū)域(蜂窩區(qū))內(nèi)的各基站用調(diào)制-調(diào)器單元(擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)器)處理系統(tǒng)用戶的通信信號。各擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)器通常分別用一個數(shù)字?jǐn)U頻發(fā)送調(diào)制器、至少一個數(shù)字?jǐn)U頻數(shù)據(jù)接收機(jī)和至少一個搜尋接收機(jī)。在典型運(yùn)轉(zhuǎn)中，將基站的一套調(diào)制解調(diào)器按需要分配給各遠(yuǎn)端用戶、移動用戶或用戶單元，以接納所分配用戶的通信信號傳送?？捎枚嗵捉邮諜C(jī)或調(diào)制解調(diào)器接納分集處理。對采用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的通信系統(tǒng)來說，這些調(diào)制解調(diào)器一般放在借助通過衛(wèi)星傳送信號與用戶通信的基站(稱為關(guān)口站或樞紐站)?？捎衅渌c衛(wèi)星或關(guān)口站通信的相關(guān)控制中心，以維持全系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量控制和信號同步。
在諸如上述專利(4901307號和08/368570號)所討論的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)范例中，采用以直接序列偽隨機(jī)噪聲擴(kuò)頻載波為基礎(chǔ)的波形。即，用偽隨機(jī)噪聲(PN)二進(jìn)制序列(或序列對)調(diào)制基帶載波，以取得所需擴(kuò)頻效果。用PN碼將在基站(或關(guān)口站)至用戶的鏈路上發(fā)送的所有通信信號擴(kuò)展頻譜，以鑒別不同基站的發(fā)送和多徑信號。這種PN序列有時稱為“加擴(kuò)”碼。
各PN序列包括以遠(yuǎn)高于受擴(kuò)頻的通信信號的頻率，出現(xiàn)在預(yù)選PN碼周期的一系列“碼片”(“籌元”)。衛(wèi)星系統(tǒng)碼片速率的典型例為約1.2288MHz，PN碼序列長度(或周期)為1024碼片。然而，精通此技術(shù)者明白，本發(fā)明對其它碼片速率也有益。例如，有些地面蜂窩區(qū)系統(tǒng)采用具有215(或32678)碼片的加擴(kuò)碼。各通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)均按照此技術(shù)方面已理解的因素規(guī)定通信系統(tǒng)中加擴(kuò)碼的類型和分配。1993年7月13日發(fā)布的5228054號美國專利(題為“快速偏移調(diào)整的2冪長偽噪聲序列發(fā)生器”)揭示了上述序列發(fā)生電路的范例。該專利轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明受讓人，援引于此供參考。
通信系統(tǒng)中，擴(kuò)頻函數(shù)一般采用一個PN碼序列(或序列對)。一般借助于為各蜂窩區(qū)(或波束)提供對其鄰區(qū)(或波束)不同的基本PN碼序列時間偏移，區(qū)分不同區(qū)(或波束)的信號。即，在給定波束或蜂窩區(qū)的服務(wù)區(qū)內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)的用戶單元共用一種PN加擴(kuò)碼時間偏移，而其它波束或蜂窩區(qū)(或區(qū)段)則用偏移不同的同一PN碼。各關(guān)口站或基站為在給定頻率上接受服務(wù)的用戶建立的基本信號定時均相同。
要傳送給系統(tǒng)用戶的信息信號一般先按需要進(jìn)行數(shù)字化，再按要求進(jìn)行編碼和交錯，以形成基本數(shù)字通信信號。發(fā)給特定用戶接收的信號還另用分配給該用戶的前向鏈路的獨(dú)特正交擴(kuò)頻函數(shù)或碼序列進(jìn)行調(diào)制。即，采用獨(dú)特涵蓋的正交碼序列區(qū)別蜂窩區(qū)或波束中的不同用戶或用戶單元。這種給定載頻前向鏈路上的編碼產(chǎn)生也稱為信道的用戶信號。為前文所述，該正交序列(或函數(shù))有時稱為信道化碼，并在最終PN加擴(kuò)碼之前使用。
然后，一般將所得PN擴(kuò)頻正交編碼輸出信號進(jìn)行帶通濾波，并調(diào)制到射頻載波上。調(diào)制的方法一般是對相加成一通信信號的90度相位差正弦信號對進(jìn)行二相調(diào)制。所得信號在與其它前向鏈路信號相加前，可進(jìn)一步放大和濾波，再由關(guān)口站天線輻射。這些濾波、放大和調(diào)制的操作在本技術(shù)領(lǐng)域上已熟知。此類發(fā)送裝置的操作詳況還見諸于1992年4月7日發(fā)布的5103459號美國專利(題為“CDMA蜂窩區(qū)電話中產(chǎn)生信號波形的系統(tǒng)和方法”)。該專利轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，援引于此供參考。
對正交信道化碼有效且不難產(chǎn)生的一種正二進(jìn)制序列稱為沃爾什(Walsh)函數(shù)。由Walsh函數(shù)矩陣，也稱為阿爾瑪(Hadamard)矩陣，導(dǎo)出Walsh函數(shù)。實(shí)域n階Hadamard矩陣可遞推定義為Hn=Hn/2Hn/2Hn/2H-n/2]]>式中，H表示H的加性逆元素，且H1＝1(即H1＝-1)。
因此，2階、4階兩個排在前面的Hadamard矩陣可表示為H2=111-1]]>HΔ=H2H2H2H-2=11111-11-111-1-11-1-1-1]]>于是，Walsh函數(shù)僅僅是Walsh矩陣(Hadamard矩陣)的一行，而且L階Walsh函數(shù)矩陣是包含長度分別為L碼片(比特)的L個函數(shù)或序列的方陣。
n階Walsh函數(shù)(還有其它正交函數(shù))具有的特性是假設(shè)存在時間上的同步，則在碼片串中L個碼片的時間間隔內(nèi)(長度為L的碼元)，一組長度為L的函數(shù)中所有不同函數(shù)之間的交叉相關(guān)為零。此特性與數(shù)據(jù)調(diào)制(±1)或函數(shù)無關(guān)。通過觀察每一函數(shù)中剛好一半的碼片或比特與其它各函數(shù)中的不同，不難理解該特性。這點(diǎn)使上述函數(shù)作為在公共載頻上建立正交通信信道用的加擴(kuò)碼或信道化碼非常有效。
為了建立正交信道，將Walsh函數(shù)的規(guī)模或碼序列長度L設(shè)置成等于通信系統(tǒng)中各公共載頻要接納的所需正交信道數(shù)。對實(shí)現(xiàn)新衛(wèi)星中繼通信系統(tǒng)有效的Walsh函數(shù)規(guī)模范例為128(即L＝128)，以便關(guān)口站至用戶的鏈路對各衛(wèi)星波束覆蓋區(qū)中的給定頻率建立多達(dá)128個的不同通信信號或信道(包括導(dǎo)頻、播叫和同步等信道)。此函數(shù)規(guī)模通常的形式為包含128個長度分別是128碼片的Walsh函數(shù)的預(yù)定序列集或序列表。
如上文所述，導(dǎo)頻信號的存在強(qiáng)化了用戶單元的信號調(diào)制解調(diào)性能。導(dǎo)頻信號波形一般采用全(實(shí))Walsh函數(shù)集提供的“全l”Walsh函數(shù)(稱為Wo)。全部導(dǎo)頻信號采用“全1”Walsh函數(shù)有效地將常數(shù)用于擴(kuò)頻PN序列，因而極大簡化導(dǎo)頻波形的搜尋。直到取得外部碼PN同步，Walsh函數(shù)都不需要費(fèi)時、復(fù)雜的分析。由于Walsh函數(shù)的長度是PN序列長度的因數(shù)，Walsh函數(shù)的定時鎖于PN碼的周期。因此，假設(shè)PN碼的基站或關(guān)口站偏移為一個Walsh碼元或128碼片(或所選某一Walsh碼元長度)的倍數(shù)，則PN加擴(kuò)碼定時周期已隱含Walsh函數(shù)定時周期。
圖1的總圖畫出上文所討論采用擴(kuò)頻技術(shù)對通信信號進(jìn)行接收、解擴(kuò)和譯碼的用戶單元或接收部分。此單元置于例如無線通信設(shè)備(如移動蜂窩區(qū)電話，但不限于此)。同時，雖然一般將用戶單元視為便攜或車載，但應(yīng)理解為本發(fā)明的本義也可用于需要遠(yuǎn)端無線業(yè)務(wù)的固定裝置。后一種業(yè)務(wù)尤其涉及用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器在世界上許多邊遠(yuǎn)地區(qū)建立通信鏈路，否則缺乏通信基礎(chǔ)設(shè)施。
依據(jù)喜好，有時有些通信系統(tǒng)也將用戶單元稱為用戶終端設(shè)備或僅為“用戶”。此外，衛(wèi)星通信系統(tǒng)一般要用一些衛(wèi)星和大量用戶單元，這里不詳細(xì)討論。例如，要用在若干軌道面(一般為低地球軌道LEO)運(yùn)行的若干顆衛(wèi)星。然而，精于此技術(shù)者不難理解本發(fā)明的本義可如何用于種種用戶單元、衛(wèi)星系統(tǒng)配置或關(guān)口站和基站。
圖1所以用戶單元接收機(jī)或解調(diào)器部分的范例使用至少一副天線10接收通信信號，并傳送給模擬接收機(jī)14。因?yàn)橥惶炀€要用于兼作收、發(fā)信，各功能部分(輸入和輸出)隨時都要隔開，以免反饋和損壞，所以其信號傳送要用雙工器12。然而，不難理解有些系統(tǒng)使發(fā)生在不同頻率的收、發(fā)信功能采用各自的天線。天線配置不影響(或不直接關(guān)系到)本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)。
模擬接收機(jī)14接收模擬通信信號，并提供數(shù)字通信信號給至少一套數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)接收機(jī)16和至少一套搜尋接收機(jī)18。采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)可任選的附加數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)接收機(jī)16B～16N，以及到信號分集。精于本技術(shù)者不難看到利用確定接收機(jī)數(shù)量用的因素，如分集可達(dá)典型電平、復(fù)雜程序、制造可靠性、費(fèi)用等，進(jìn)行該數(shù)量的初始選擇。在已有技術(shù)中已公知，搜尋接收機(jī)的數(shù)量也取決于通信系統(tǒng)的復(fù)雜程序，要搜尋的信道數(shù)、所需信號捕獲速度、定時的規(guī)定等，但通常該接收機(jī)只用一套。
用戶單元還包含至少一套與數(shù)據(jù)接收機(jī)16a～16n和搜尋接收機(jī)18相連的控制處理器20。該處理器一般提供基本信號處理，定時，功率和越區(qū)切換的控制或協(xié)調(diào)，以及分集和分集合并等功能。控制處理器20常執(zhí)行的另一基本控制功能是選擇或掌管用作信號接收處理的一部分的正交函數(shù)或碼序列，其中可包括捕獲各種信號用的定時。
數(shù)據(jù)接收機(jī)16a～16n的輸出耦合到分集合并器和譯碼器22，該部分22在處理器20的控制下，只提供一個輸出給數(shù)字基帶電路24。此電路24包括用戶單元中用于對一用戶收、發(fā)信息的其余處理和顯示部分。即，信號數(shù)據(jù)存儲部分，如暫時或長期數(shù)字存儲器；輸入輸出設(shè)備，如LCD或圖像顯示屏、揚(yáng)聲器、鍵盤終端和手機(jī)；A/D變換部分，如聲碼器和其它話音、模擬信號處理部分等等。這些部分均構(gòu)成采用本技術(shù)領(lǐng)域熟知元件的用戶基帶電路的部件。如圖1所示，該部件中有些可與控制處理器20聯(lián)系，或在其控制下工作。
天線10接收的信號由模擬接收機(jī)14接收，并加以下變頻和放大后，變?yōu)橹蓄l或基帶頻率，接受濾波和進(jìn)一步放大。所得放大信號以適當(dāng)?shù)臅r鐘速率進(jìn)行數(shù)字化，并輸出到數(shù)據(jù)接收機(jī)16和搜尋接收機(jī)18。此輸出信號，其形式可為輸出處的合并同相(I)/正交(Q)信道信號，也可為分立I/Q信道信號。為了清楚起見，一般畫成分立的。
如上所述，目前CDMA擴(kuò)頻無線或蜂窩區(qū)電話系統(tǒng)中，各基站或關(guān)口站發(fā)送導(dǎo)頻信號。用戶單元用該信號取得初始系統(tǒng)同步或通信系統(tǒng)所發(fā)信號的頻率、相位跟蹤。導(dǎo)頻信號無數(shù)據(jù)調(diào)制，實(shí)質(zhì)上代表通信系統(tǒng)所用的PN擴(kuò)頻函數(shù)或加擴(kuò)碼、碼對(I/Q信道)。一般由各關(guān)口站或基站按所用每一頻率發(fā)送一個導(dǎo)頻信號，并由從該信息源接收信號的全部用戶共用此一導(dǎo)頻信號。對于地面中繼系統(tǒng)，各區(qū)分別有其獨(dú)特的導(dǎo)頻信號，以改善頻率的重復(fù)使用。對于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)，在各衛(wèi)星波束頻率中傳送導(dǎo)頻信號，并按照通信鏈路用的衛(wèi)星波束，由關(guān)口站發(fā)生該信號。
一般用碼定時偏移不同的相同PN碼產(chǎn)生通信系統(tǒng)中的各導(dǎo)頻信號。這樣提供的信號便于相互區(qū)別，同也使捕獲和跟蹤簡便。為了發(fā)送擴(kuò)頻已調(diào)信息，還采用其它的信號，如關(guān)口站標(biāo)識、系統(tǒng)定時、用戶播叫信息和各種控制信號。
為了搜尋和捕獲前向鏈路CDMA信道或信號，用戶單元在期望的PN碼時間和/或頻率處(也稱為PN時隙)尋找最強(qiáng)的導(dǎo)頻信號。即，以預(yù)選或預(yù)測的PN定時，考慮多普勒效應(yīng)，調(diào)整搜尋接收機(jī)，觀察一具體載頻，并檢出通常為導(dǎo)頻的最強(qiáng)信號。多數(shù)通信系統(tǒng)中，分配給導(dǎo)頻信號附加功率，以確保準(zhǔn)確、快速跟蹤和捕獲。該導(dǎo)頻信號功率往往高達(dá)一般業(yè)務(wù)信道信號功率的4～7倍。然而，此項(xiàng)處理可用最強(qiáng)的信號，而不考慮其功能。即，只要PN碼定時合適，不管是否為導(dǎo)頻信號。此外，采用本發(fā)明時，不是僅靠導(dǎo)頻信號能量，而是利用多種信號的能量，所以能較有效地使用功率低的導(dǎo)頻信號。
為了通過一數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)接收機(jī)建立或維持通信鏈路，指派搜尋接收機(jī)18在預(yù)選PN碼定時偏移和所接收信號的多普勒頻率間隔內(nèi)進(jìn)行掃描，以捕獲信號。即，周期性搜尋從模擬接收機(jī)收到的信號，并判斷導(dǎo)頻信號是否出現(xiàn)，或判斷所接收的兩個或多個導(dǎo)頻信號中哪一個適合用于后續(xù)的信號譯碼。
通過建立或選擇一估計(jì)時間偏移作為導(dǎo)頻信號定時“假設(shè)”，完成上述過程。一旦選擇完成，即用信號相關(guān)器測試該假設(shè)，以將接收的通信信號(包含用戶信道信號和伴隨的噪聲)解擴(kuò)。解擴(kuò)操作使用在所選時間偏移(假設(shè))處施加或與輸入信號合并的本機(jī)生成參考PN加擴(kuò)碼。判斷具體假設(shè)成功用的技術(shù)是在預(yù)選的時間間隔內(nèi)累積解擴(kuò)器所輸出信號碼片的相關(guān)振幅。將該累加值平方后，進(jìn)行求和，再與一預(yù)定門限值比較。每當(dāng)本機(jī)參考PN碼定時與接收信號的PN定時相同，計(jì)算結(jié)果的值超過某門限值的概率總是較大。
圖2畫出對完成進(jìn)行檢測判決(有時稱為計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì))所用需求能量測量任務(wù)有效的裝置。圖2中，模擬接收機(jī)14的輸出信號畫成正在傳送給用于將頻率調(diào)整到搜尋器18調(diào)諧的頻率選擇或調(diào)整部分36。此頻率調(diào)的作用是對出現(xiàn)定時捕獲前的通信信號，先描述各多普勒頻率或頻移，可用數(shù)字相位旋轉(zhuǎn)器等已有技術(shù)上已知的元件加以實(shí)現(xiàn)。
將頻率調(diào)整器36的輸出傳送給解擴(kuò)器和相關(guān)器40，相對于通信系統(tǒng)的PN加擴(kuò)碼進(jìn)行解擴(kuò)。正輸入解擴(kuò)器40的信號畫成分為正交(Qin)和同相(Iin)兩個信號分量，盡管有些應(yīng)用并非這樣。
相關(guān)器40的第二組輸入包含本機(jī)參考PN加擴(kuò)/解擴(kuò)碼PIret和PQref。這些PN在用戶單元中按Q、I信號分量產(chǎn)生，可由該單元的一個或多個編碼發(fā)生器38或其它信號源提供。產(chǎn)生這種碼序列的裝置在已有技術(shù)上已公知，上述專利中也談到。
在要作為預(yù)選導(dǎo)頻信號“假設(shè)”要接受測試的特定時間偏移(即要由搜尋器測試的估計(jì)時間值)處，將PIref和PQref碼序列加給解擴(kuò)器40。如上文所述，此偏移的值可由用戶控制器20提供，或者由分開的搜尋接收機(jī)控制器(未畫出)作為其部分功能，選擇此偏移的起始值。一般將預(yù)定范圍內(nèi)的一隨機(jī)值選為初始時間偏移值。此偏移還以某些通信系統(tǒng)規(guī)約或操作程序?yàn)榛A(chǔ)。為本技術(shù)領(lǐng)域所熟知，這些程序取決于用戶單元接受的初始通信系統(tǒng)是“熱”起動，還是“冷”起動。偏移選擇過程已為精于本技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者熟知，這里不作更詳細(xì)的討論。
解擴(kuò)器40將適當(dāng)?shù)腜N序列與輸入信號合并，產(chǎn)生相關(guān)(或解擴(kuò))信號分量，作為I、Q信道碼片Iout、Qout加以輸出Iout和Qout以所述碼片速率分別傳送到累加器或累加求和器對42a和42b的各方。在各時間點(diǎn)，或在搜尋器18建立捕獲假設(shè)的搜尋間隔，累加器42a和42b分別形成N個I碼片振幅的和、N個Q碼片振幅的和，并稱之為非相干和。
累加器42a和42b產(chǎn)生的和數(shù)分別送到平方元件44a和44b進(jìn)行平方，以提供絕對量。然后，將平方的結(jié)果在加法器46中相加，形成總相干量的值Zm。此值Zm與累積期間信號接收的總解擴(kuò)能量相關(guān)，并以(1/N)碼片速率傳送到第三累加器48。
搜尋器42接著用累加器42從接收信號分量收集或產(chǎn)生另一對相干和，在平方元件44a和44b中將其平方后，在加法器46中相加。相加的結(jié)果在累加求和元件48中與Zm相加，形成Zm+1。新的平方振幅或能量值與前一相干和加在一起稱為非相干組合。上述操作重量M次，產(chǎn)生總和Zm。由于進(jìn)行平方運(yùn)算，各Zm值與為和本機(jī)生成PN碼相關(guān)的總輸入信號部分(即當(dāng)前能量累加窗口中，相關(guān)性好的部分)俘獲的能量成正比)俘獲的能量成正比。
非相干組合結(jié)果Zm為累加期間全部能量的和，能與一門限值比較，進(jìn)行捕獲判決，即確定解擴(kuò)已用合適的時間偏移。若導(dǎo)頻信號由搜尋接收機(jī)準(zhǔn)確相關(guān)接收，則存在顯著的凈能量，因而會超過門限值。反之，由于非相關(guān)及部分抵消，能量值較低，因而可能是接收噪聲或低電平的干擾信號。
另一方面，信號相關(guān)累積的窗口定義或代表在N維矢量空間有效建立I、Q參考矢量的大型本機(jī)I、Q PN碼中的N比特長分段。為了判斷總輸入信號的哪個部分與這些矢量相關(guān)，通過將總輸信號投影到此二參矢量上，將將所得投影長度進(jìn)行平方、求和，來形成Zm的I、Q部分。
若所測假設(shè)錯誤，即信號部分(累積期間)與本機(jī)PN非相關(guān)，則所得Zm接收許多源獻(xiàn)出的能量。接收信號中的噪聲和干擾、捕獲過程搜尋的信號(導(dǎo)頻)，以及信號所連帶的其它用戶信道或信號(數(shù)量約為127)均對Zm獻(xiàn)出能量。
作為隨機(jī)變量，Zm具有對應(yīng)的概率密度畫數(shù)(PDF)，其形式一般如圖3所示。對應(yīng)于錯誤假設(shè)的PDF判明值或結(jié)構(gòu)相當(dāng)一致，與所用捕獲技術(shù)無關(guān)。若檢驗(yàn)假設(shè)正確，則導(dǎo)頻和本機(jī)生成PN正確校準(zhǔn)，從而Zm中形成決定性大相關(guān)分量。圖3所示PDF曲線中，此分量使PDF的平均值右移。噪聲和其余127條信道對應(yīng)于該移位PDF的方差。
單值或單一駐留的捕獲過程中，由圖2中的元件48完成M次非相干組合或求和，所得能量值與比較元件50中的檢測門限值ThM比較。其做法是，例如以[1/(NXM)]碼片速率輸入值Zm作為雙輸入比較器的一個輸入，同時提供門限值ThM作為第二個輸入。若此假設(shè)無導(dǎo)頻出現(xiàn)，僅累加了噪聲和干擾，則Zm低于所需檢測門限值。反之如果搜尋器18校準(zhǔn)到正確假設(shè)，和數(shù)的值就大，一般是以超過檢測門限值。
然而，搜尋空間很大，搜尋器18會耗費(fèi)相當(dāng)多的時間進(jìn)行各種假設(shè)的取樣和舍棄。當(dāng)用戶單元接受通信系統(tǒng)初始“冷起動”時，這是較大的問題。通過采用稱為多駐留假設(shè)檢驗(yàn)的方法能改善捕獲搜尋。此方法中，采用一系列門限電平Thm(m＝1、2……M)，以快速舍棄錯誤假設(shè)，并校準(zhǔn)到導(dǎo)頻信號的偏移定時，這樣就提供較有效且快速的搜尋。
多駐留處理中，每次都將另一能量累加項(xiàng)與非相和Zm-1相加，所得值Zm與一門限值Thm比較。若Zm超過Thm，則搜尋器繼續(xù)進(jìn)行用下一組信號能量形成和Zm+1。反之，若Zm低于第m個門限值，則累加器48的內(nèi)容清零，選擇下一假設(shè)，且不形成全部M次非相干和。只有超過從1至M的全部門限值，才發(fā)生檢測。
圖4中圖解3此門限測試過程。該圖示出一系列測試統(tǒng)計(jì)量Zm，其值分別超過前三個門限值中相應(yīng)的一個。若適當(dāng)選擇或設(shè)置這些門限值，則使搜尋器18可較快免除錯誤假設(shè)，因而多駐留法捕獲時間較短。進(jìn)一步對二電平多駐留捕獲的討論也見諸于題為“CDMA通信系統(tǒng)中進(jìn)行搜尋捕獲的方法和裝置”的申請序列號08/283304美國專利，援引于此供參考。
假設(shè)測試通過全部M個選擇門限值，則實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)性導(dǎo)頻檢測。這時，搜尋過程進(jìn)入驗(yàn)證階段，在進(jìn)一步證實(shí)導(dǎo)頻的存在后，才使用戶單元開始試圖解調(diào)信號。此外，由于解調(diào)頻率跟蹤器一般還配備象搜尋接收機(jī)那樣寬的頻率偏移性能，還取得更準(zhǔn)確的導(dǎo)頻估計(jì)。
為了減少累積時間，又可使導(dǎo)頻檢測概率較高，通常優(yōu)化累積過程和搜尋功能。調(diào)整測試中用的諸如多普勒頻率范圍(稱為“頻率欄”)的數(shù)量和頻率重疊等搜尋參數(shù)，以提供最快的信號捕獲。還調(diào)整諸如相干累加的時間長度、相干組合數(shù)、所用門限電平數(shù)和待測相繼假設(shè)或PN時間偏移的時間間隔等其它參數(shù)，使搜尋耗費(fèi)的時間最少。因?yàn)樗褜て鞑恢a片邊界的位置，經(jīng)驗(yàn)表明采用定時間隔1/2碼片的假設(shè)，運(yùn)轉(zhuǎn)較好。
已知信號振幅累加長度或累積間隔N與多普勒頻率取樣欄的大小成反比，與覆蓋一給定頻率范圍所需多普勒頻率欄總數(shù)成正比。在A.J.Viterbi著的“擴(kuò)頻通信原理”(1994年出版)中，進(jìn)一步詳細(xì)討論此內(nèi)容。因此，優(yōu)化假設(shè)測試的一個重要點(diǎn)是N值的選擇。
當(dāng)導(dǎo)頻是較強(qiáng)的信號，例如碼片能量在干擾信號電平Io為16dB或更小的范圍內(nèi)時，N值小(如N＝32)就使捕獲次數(shù)較少，這是因?yàn)樾〉腘值對應(yīng)于多普勒頻率欄寬，若導(dǎo)頻足夠強(qiáng)，則使所需對多普勒頻率搜尋的次數(shù)較少。反之，對較弱的導(dǎo)頻信號，提高靈敏度更需要由搜尋較多的多普勒頻率欄補(bǔ)償，所以N值大，捕獲次數(shù)較少。因此，允許相干累積時間N有若干不同的值較方便。
此外，也明白對PN加擴(kuò)碼所用的給定碼片總數(shù)k，設(shè)置N的值等于k，組合迭代值M等于1，則累積結(jié)果最佳。即，間隔等于PN碼序列總長的長能量累加使覆蓋導(dǎo)頻和非導(dǎo)頻信號接收周期的分離假設(shè)似然性最高。所用非相干累積間隔盡量長，一般假告警就最少，檢測概率就越高。
然而，作為規(guī)律，N值大，所需搜尋多普勒頻率間隔的頻率欄數(shù)多。耗費(fèi)大量會使用戶單元通信延遲的入向數(shù)據(jù)信號累積時間，或者提供大量頻率欄，都是不利的。例如，在含有32678碼片的典型地面無線系統(tǒng)PN加擴(kuò)碼的碼長內(nèi)進(jìn)行累加，所需搜尋時間會長到不能接受。此N值只對很弱的導(dǎo)頻信號有用。
因此，試圖選擇使執(zhí)行相開累加所占總時間減少的N值。累積長度為64(N＝64)，即地面中繼通信系統(tǒng)信道化函數(shù)的典型長度，這是較好的N值，而且仍保持信號的正交性。
然而，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)通信系統(tǒng)和一些將來的地面通信系統(tǒng)預(yù)計(jì)用128碼片的較長正交碼，并帶有1024碼片的較短PN加擴(kuò)碼。如上所述，累積長度1024覆蓋碼序列全長，但如此大的值所需搜尋時間長到不能接受。如果累積間隔N的值調(diào)為128碼片，以維持正交性，則對除最弱的以外的所有導(dǎo)頻信號，搜尋時間均長于N＝64所得的時間。
不幸的是，對于諸如N＝64等縮短的累積間隔，信道碼正交性不再得到保證。雖然用于涵蓋數(shù)據(jù)的Walsh函數(shù)總在其全長范圍正交，但縮短的函數(shù)段(如N等于總函數(shù)長之半或更小)則不正交。這時，信道0(導(dǎo)頻)和其它信道不再是正交的。即，當(dāng)采用128個長128的Walsh函數(shù)時，至少有一序列(這里指定為第64序列)會干擾通常用于導(dǎo)頻信號的0序列。
這點(diǎn)通?；仡櫳衔乃霾浑y明白。即，任何Walsh函數(shù)組，在序列0以外的各碼序列長度上，一半的值為-1。也就是說，每一序列在其全長范圍內(nèi)，一半為1，一半為-1。然而，有些序列在短于其長度的段上就非如此。對于短累積間隔，信號捕獲過程中這些函數(shù)會開始相互干擾，對假設(shè)測試結(jié)果產(chǎn)生不利影響。
申請者發(fā)現(xiàn)通過對累積運(yùn)算和邊界部位建立某些限制，短累積間隔也有較健全的捕獲過程。于是，通過再建立某種正交信號信道信號分配模式，進(jìn)一步改善捕獲。先前作為應(yīng)避免的干擾源處理的能量，可用于改善信號捕獲。
可用圖2的基本搜尋器結(jié)構(gòu)，并通過對若干范例生成Z，來說明新的捕獲技術(shù)。本討論中假定最優(yōu)值短于按期望導(dǎo)頻信號選擇的碼長。N固定時，不進(jìn)行相干和非相干組合優(yōu)缺點(diǎn)的比較。下列討論側(cè)重于Z平均值的變化，而不是影響不大的正確假設(shè)時Z的平均噪聲(方差)。為清楚起見，本發(fā)明涉及的基本概念用上述長度為4的Walsh函數(shù)進(jìn)行正交編碼(其中H4代表行構(gòu)成可用Walsh函數(shù)W0～W3的Hadamard矩陣)。精于本技術(shù)者了解如何將本發(fā)明用于規(guī)模更大的正交碼序列。
首先，Ai代表在正交編碼Walsh信道Wi傳送的數(shù)據(jù)的振幅和極性。用上述W0～W3函數(shù)涵蓋(或編碼)信號0～信道3的數(shù)據(jù)時，得所傳送信號振幅值如下信道0A0A0A0A0信道1A1-A1A1-A1信道2A2A2-A2-A2信道3A3-A3-A3A3若相干累加時間為全Walsh函數(shù)長或碼元長，即N＝4，則由于數(shù)據(jù)調(diào)制，全部4條信道都相互正交，與其極性無關(guān)。
然而，考慮一下N＝2這一縮短的累積間隔。其中，第一累積周期覆蓋Walsh碼片0和1，第二累積周期覆蓋Walsh碼片2和3。不難看出，在此間隔內(nèi)，序列W2與信置0的序列W0不正交。下面的表1列出這些結(jié)果。
表1第一累積第二累積A0A0A0A0A1-A1A1-A1A2-A2-A2-A2A3-A3-A3A3因此，這兩個時間間隔累積或累加所得的總和Sm為S0-1＝2(A0+A2) (1)
S2-3＝2(A0-A2) (2)此分析中忽略噪聲，在搜尋器18的I、Q兩信道平均得相同的總和。將各間隔的I和、Q和進(jìn)行平方后，在加法器46中相加，及輸出Zm為Z1-1＝(S10-1)2+(SQ0-1)2＝8(A0+A2)2(3)Z2-3＝8(A0-A2)2(4)可發(fā)現(xiàn)，若A0和A2極性相同，則Z0-1較大，Z2-3較小。反之，若此兩振幅相反，則Z0-1大，Z2-3小。因?yàn)锳2的調(diào)制(極性)預(yù)先未知，無法知道Zm和的哪一個為振幅和，哪個為相對差。這種累積變化是由上文所述非正交干擾造成的。
通過采用長為128(W0-W127)的Walsh函數(shù)，并在半長間隔(N＝64)累加，對上述分析進(jìn)行擴(kuò)展，可發(fā)現(xiàn)Walsh信道64不與Walsh信道0正交。因此，測試正確的PN序列時間偏移假設(shè)時，信道64會在捕獲過程引入相干干擾。
然而，利用上例，兩個Zm能量值Z0-1、Z2-3的和，其形式為Zsymbol＝16(A0+A2)2(5)此測試統(tǒng)計(jì)量(現(xiàn)稱為Zsymbol)范圍中跨及碼序列全長，含有信道0和2的能量，與這些信道的相對調(diào)制和信號強(qiáng)度無關(guān)。因此，采用Walsh函數(shù)全長一半的捕獲窗口或累積間隔，可有效地使門限值的比較只在每隔一次非相干和之后進(jìn)行。即，只在Walsh碼元邊界進(jìn)行門限值比較。這樣顧及非相干和與門限值比較的時間，可使信道64的能量真正有效利用。
若采用等于四分之一Walsh碼元或碼序列長度的N值，則還有一些項(xiàng)非正交。上述例中，這時對應(yīng)于N＝4，造成4條Walsh信道在累加間隔內(nèi)非正交。這4個部分能量累加值為Z0＝2(A0+A1+A2+A3)2(6)Z1＝2(A0-A1+A2-A3)2(7)Z3＝2(A0+A1-A2-A3)2(8)
Z4＝2(A0-A1-A2+A3)2(9)在展開平方式并組合各項(xiàng)產(chǎn)生Zsymbol值后，所有交叉項(xiàng)抵消，其結(jié)果為Zsymbol＝8(A20+A21+A22+A23) (10)這時，組合4個短累加(或累積)間隔成跨及一個Walsh碼元長，從而將4條Walsh信道的能量合入搜尋器18用的測試統(tǒng)計(jì)量中。這樣就為搜尋器提供附加能量用于檢測通信系統(tǒng)的導(dǎo)頻和定時，結(jié)果形成較健全的捕獲機(jī)構(gòu)，以建立通信鏈路。
用代換法可方便地將上述分析結(jié)果擴(kuò)展到規(guī)模較大的正交函數(shù)。例如，上述H4矩陣將各個“1”和“-1”分別用H32和-H32置換，可擴(kuò)展為H128矩陣，結(jié)果為H128=H32H32H32H32H32-H32H32-H32H32H32-H32-H32H32-H32-H32H32]]>不難看到，用H128(W0-W127)可得與用H4(W0-W3)時相同的相對結(jié)果。N＝64時，測試統(tǒng)計(jì)量包含信道0和64兩者的能量，而N＝32時，則含有信道0、32、64和96等4信道的能量。同時，若導(dǎo)頻用的是W1，而不是傳統(tǒng)的W0，則N＝64時，含有信道1和65的能量，而N＝32時，包含信道1、33、65和97的能量。
即，若Walsh信道函數(shù)(從而Walsh函數(shù)長度)為L(128)，相干累加周期為N(128、64、32、16……)，則采用本發(fā)明將能量組合為有效信號能量的信道數(shù)等于L/N(1、2、4、8……)。其余Walsh信道，即L-L/N(127、126、124、120……)，因?yàn)樵谶@些累加周期呈現(xiàn)正交，對此過程不貢獻(xiàn)能量，也無干擾。
主要的限制是能適當(dāng)預(yù)測或保證隨時維持傳送顯著能量的信道數(shù)。對等于L/2n(2n＝1、2、4……)的累加周期N，具有連貫或有保證的最小能量的業(yè)務(wù)、播叫或同步信號要優(yōu)先分配給以SL/2n的增量偏離導(dǎo)頻信道的信道，其中n為正整數(shù)，S等于1至2n-1(1、3、7……)范圍的連續(xù)數(shù)。因此，貢獻(xiàn)能量的信道組為{Wxx＝0，N、2N……L-N}。雖然，如果給定通信系統(tǒng)中需要，可將其它信道或Walsh函數(shù)用于導(dǎo)頻信號，而上述關(guān)系在所用函數(shù)的總長度上延伸到任何這種導(dǎo)頻信道。
測試正確假設(shè)中采用本發(fā)明的多正交函數(shù)捕獲技術(shù)時，出現(xiàn)超過通常捕獲技術(shù)的顯著改進(jìn)。圖5和前文討論的圖3比較，可看出此差別。導(dǎo)頻產(chǎn)生的決定性相關(guān)分量由與信道64的能量成正比的另一附加分量增強(qiáng)。這意味著本情況下PDF的右移大于通常的信號捕獲時。因?yàn)椴捎枚郬alsh信道捕獲使正確和錯誤PDF平均值之間的距離加大，可使固定假告警概率的錯判概率(或反之)小于用通常的捕獲技術(shù)時。此外，其余126條信道呈現(xiàn)對I、Q基本矢量正交，因而對Zm無能量貢獻(xiàn)。結(jié)果，如圖5所示，Zm的方差小，有助于減小差錯概率。
本發(fā)明中，各Walsh碼元或函數(shù)長為128碼片。然而，本技術(shù)中熟知的其它長度也符合本發(fā)明本義。若用具有1024碼片長度的PN加擴(kuò)碼序列，則在一個PN碼周期或間隔內(nèi)有8個Walsh碼元(每個碼元128碼片，故1024/128＝8)。上面討論的相關(guān)累加受到定時，從而時間上與Walsh代碼一元的邊界一致。即，僅當(dāng)N周期內(nèi)的M次累加充分到達(dá)碼元邊界時，才執(zhí)行門限值測試。相干累積必須與接收機(jī)的Walsh碼元定時概念一致，準(zhǔn)確設(shè)定PN定時是正確的，必須在在碼元上求和，但不跨越碼元邊界。這些窗口不需要與PN加擴(kuò)碼的始端對準(zhǔn)，只需要接收機(jī)知道累加的起點(diǎn)即可。不難理解相干窗口配置成在一個Walsh碼元內(nèi)完成碼片長度(直到碼元長度)方面的2冪依次相干累積(即2n的累加)。圖6中，n等于0、1或2，N等于128、64或32。
有些應(yīng)用中潛在的一個問題是PN碼定時偏移假設(shè)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時，對實(shí)現(xiàn)圖2所示功能的信號處理速度的影響。例如，試考慮采用多駐留處理的非成功門限值測試有關(guān)事件序列。進(jìn)行平方、相加的I、Q相干和運(yùn)算及其后執(zhí)行的門限值比較，需用若干碼片的時間來完成。在超過門限值的情況下，與上述操作同時，相干累積處理用的累加器必須已進(jìn)行下一相干和的數(shù)據(jù)收集。若經(jīng)統(tǒng)計(jì)量不超過門限值，則搜尋器必須移到下一PN偏移假設(shè)，又開始進(jìn)行累加。如果本機(jī)用戶PN發(fā)生器在移到下假設(shè)時只延遲1個碼片，則所假設(shè)的碼元邊界也僅遲后1個碼片。
倘若假設(shè)測試中的第一相干和不在碼元邊界上開始，則捕獲用的多Walsh信道數(shù)據(jù)不能有效應(yīng)用。因此，如果不在一個PN碼片周期內(nèi)完成門限值測試和下一門限值的轉(zhuǎn)換，搜尋器就要先等待下一碼元邊界，才能開始以新的假設(shè)累加數(shù)據(jù)。這意味著時間上延遲128碼片，該閑置時間會對捕獲時間產(chǎn)生顯著且有害的影響。下面概述緩解這種時間障礙的兩種方法。
一種方法是非依次進(jìn)行定時假設(shè)測試。例如，若在5個碼片長的間隔內(nèi)完成門限值測試并轉(zhuǎn)換到下一假設(shè)，則測試由5個碼片分開的偏移假設(shè)?？砂慈缦马樞驕y試偏移假設(shè)，但不限于用此順序0、5、10……1020、1、6……1027、2、7……。
此序列的優(yōu)點(diǎn)是重復(fù)迭代前，1024個假設(shè)全部(長為1024的PN碼的所有偏移)得以循環(huán)測試，僅各假設(shè)之間5碼片的延遲為不工作時間。搜尋器硬件通過在本機(jī)PN發(fā)生器上提供5碼片的轉(zhuǎn)移(改變偏移)，實(shí)現(xiàn)此性能。即，只要把本機(jī)PN發(fā)生器的輸出停止或中斷，或發(fā)生器不啟動一段5個碼片的時間后，才再開始進(jìn)行解擴(kuò)操作。此過程不難由能按假設(shè)間所用遞增步驟規(guī)模提供可復(fù)位指令搜尋控制器或用戶單元控制器20加以控制。
第二種方法是增加下一假設(shè)累加器(或某些期間共用現(xiàn)有數(shù)據(jù)累加器)，以收集與下一待測假設(shè)(遲后1碼片)對應(yīng)的數(shù)據(jù)。此方法一般無轉(zhuǎn)換遲延，而且避免較復(fù)雜的控制操作。圖7畫出可用于實(shí)現(xiàn)此方法的裝置的框圖。下面簡述其工作。
參閱圖7，解擴(kuò)器40與累加器42a和42b代表圖2裝置所示搜尋器前端解擴(kuò)器和解調(diào)器的結(jié)構(gòu)。如前文所述，通過諸如解擴(kuò)或相關(guān)元件40，用PN發(fā)生器42發(fā)生的適當(dāng)PN碼序列與所接收的I和Q信號碼片組合。然后，分別用累加器42a和42b在所需累加周期對解擴(kuò)信號進(jìn)行累加、集合和求和。所得總和傳到平方元件44a和44b進(jìn)行平方后，在加法器46中相加，產(chǎn)生相干和Zm。又在累加求和元件68將加法器46輸出的一系列和數(shù)相加，產(chǎn)生非相干組合值或經(jīng)統(tǒng)計(jì)量Zm。
圖7中的其余結(jié)構(gòu)用于建立內(nèi)含I、Q數(shù)據(jù)的信號處理路徑，以便當(dāng)前測試不成功時累加出與下一待測假設(shè)對應(yīng)的和。圖7的上部畫出這些信號路徑。與此同時，輸入到信號合并器或解擴(kuò)器40的信號(I和Q碼片)也輸入到第二信號合并器或解擴(kuò)器60。這些信號也與PN發(fā)生器52的輸出組合，所得結(jié)果傳送到累加器62a和62b。和累加器42a和42b的情況相同，累加器62a和62b也將一系列N碼片(振幅值)相加。
然而，在PN發(fā)生器52到解擴(kuò)器60的輸出端串接一時延元件52，使解擴(kuò)器60的輸入信號延遲。元件54產(chǎn)生的時延基本上等于一個碼片周期的長度，使解擴(kuò)器60所進(jìn)行信號相關(guān)的發(fā)生比解擴(kuò)器40遲后一個碼片周期。
各累加器42a、42b、62a和62b對N碼片進(jìn)行累加求和，所得值鎖存(或暫時存儲)，并提供給各輸出端。這時，元件42a、42b、62a和62b的累加級清零后，又開始求和，不忽略一個碼片或遲后一個碼片周期?？蓮奶幚頇C(jī)20之類的控制源提供一套“清機(jī)”(CL)、“允許”(EN)指令，控制累加級或寄存器的操作，并使累加器42a、42b、62a和62b能輸出。在一典型實(shí)施例中，提供“允許”指令或信號使累加器能累加求和。當(dāng)“允許”指令非有效或進(jìn)入“不允許”狀態(tài)時，將累加器當(dāng)前的內(nèi)容鎖存到輸出端?！扒鍣C(jī)”指令用于清除累加器當(dāng)前的內(nèi)容。一組時延元件66對累加器62a和62b的上述指令加以延遲。因此，累加器42a和42b比累加器62a和62b提前一個碼片發(fā)生鎖存和清機(jī)等步驟。
隨著復(fù)用器64a和64b設(shè)置相干累加器42a和42b的輸出分別連接平方元件44a、44b，假設(shè)測試開始。加法器46對相干和取平方并相加后，所得結(jié)果置入先前已清機(jī)的累加器68。比較器70將累加器68當(dāng)前的值與一門限值比較。若累加器68的值超過比較器70的門限值，則不改變復(fù)用器，并對下一組相干和取平方后，與累加器68的當(dāng)前內(nèi)容相加。反之，每當(dāng)累加器68更新后的新內(nèi)容不超過門限值時，累加器68便清零，復(fù)用器改為將累加器62a和62b分別連接到平方元件44a和44b，并從延遲的電路假設(shè)部分取下一對相干和。一旦對這些和進(jìn)行完取平方、相加，并放入累加器68，復(fù)用器即恢復(fù)到將累加器42a和42b接至平方元件。
在一門限值測試不成功后，PN發(fā)生器54轉(zhuǎn)換到新時間偏移(假設(shè))進(jìn)行N個碼片(一個累積時間間隔)。使發(fā)生器停止一個時鐘周期，就能方便地實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)。在此遲延期間，累加器42a、42b、62a和62b也停用一個碼片周期，以免處理重復(fù)的信號碼片。此方法僅需付出一個碼片周期的時間代價(jià)變換假設(shè)，比等待一整個Walsh周期更能接受。
上述實(shí)施例利用的優(yōu)點(diǎn)是在提供適合通信系統(tǒng)慣例所期望導(dǎo)頻信號強(qiáng)度范圍的N范圍的同時，用多信道能量進(jìn)行捕獲。然而，盡管上述實(shí)施例改善擴(kuò)頻通信系統(tǒng)用戶的信號捕獲過程，本發(fā)明還認(rèn)為有可能進(jìn)一步強(qiáng)化該過程。以特定方式將信號分配給許多正交信道，就出現(xiàn)改善。即，能在多信道利用能量意味著只要特定的多條信道使用概率高，就有助于捕獲。當(dāng)所關(guān)注的信道中能量較大時，這種處理方法好處最大。將某些信號優(yōu)先分配給這些信道，就能做到這些信道存在較大的平均能量。
在上述L等于128的例中，最高優(yōu)先度或優(yōu)先信號分配規(guī)約可認(rèn)為是使用信道64。即，可認(rèn)為信道64包含實(shí)質(zhì)連續(xù)的能量或功率電平。當(dāng)N為64或32時，使用信道64有助于捕獲，而為32時，僅信道32中留有的功率有助于捕獲。這轉(zhuǎn)化為首先用Walsh函數(shù)W64對要在通信系統(tǒng)中業(yè)務(wù)信道上傳送的信息或數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。第二高的優(yōu)先度可認(rèn)為是使用信道32和96，或Walsh函數(shù)W32和W96。如此等等。每次使用的累積或累加間隔越小，則維持信號業(yè)務(wù)量的信道間隔越近。這種處理的主要限制因素是任何時候都能實(shí)際維持高功率電平(或用于強(qiáng)信號)的信道數(shù)。經(jīng)考慮認(rèn)為不可能在4或8條信道上維持功率。
達(dá)到所需信道分配的一種方法是利用“倒位序”Walsh信道分配。要以W0、W(L/2)、W(L/4)、W(3L/4)、W(L/8)……的順序分配業(yè)務(wù)信道和開銷信道。精于本技術(shù)者會理解此分配模式相當(dāng)于按倒位序分配業(yè)務(wù)信道，而且也知道如何用已知技術(shù)和裝置實(shí)現(xiàn)此分配。
替代用業(yè)務(wù)信道在多信道捕獲處理中得到附加能量的一種方法是利用播叫和同步功能。即，使這些信道或時隙致力于播叫信息和同步信息的傳送，以保證經(jīng)常使用。播叫信號通常比同步信號用更大的平均能量或功率進(jìn)行工作(或稱比同步信號“熱”)。通過將導(dǎo)頻和播叫信道分配到這些特定信道位置，就有較大的能量可讓通信系統(tǒng)的用戶方便地用于捕獲信號或跟蹤信號定時。此法可用于減少信號捕獲需要的時間，或者改善捕獲的可靠性和健全性。
因此，以上所述的是一種新技術(shù)，的利用擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中多Walsh函數(shù)編碼信道的能量捕獲導(dǎo)頻或其它所需信號的定時。此外，還揭示一種將業(yè)務(wù)信道或某些系統(tǒng)功能優(yōu)先分配到關(guān)鍵正交信道，以改善信號捕獲的技術(shù)。此技術(shù)使測試正確假設(shè)時，有效導(dǎo)頻信號功率增大，并消除蜂窩區(qū)、波束或分波束中其它Walsh信道相關(guān)干擾的潛在影響，其方法是在累積窗口內(nèi)使這些信道正交。
以上較佳實(shí)施例的闡述使精于本技術(shù)的任何人員都能利用本發(fā)明。顯然這些人員不難對所述實(shí)施例作種種修改，而且不用發(fā)明的技能就可將本說明規(guī)定的一般原理用于其他具體實(shí)施。例如，其它Walsh函數(shù)長度對本發(fā)明的技術(shù)也有效，而且此技術(shù)可用于非衛(wèi)星的新無線通信系統(tǒng)。因此，本發(fā)明原意不是限制于所述實(shí)施例，而是要符合與所揭示原理和新穎特點(diǎn)一致的最大范圍。
權(quán)利要求
1.一種在系統(tǒng)用戶接收并解調(diào)一個或多個通信信號的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，利用一個或多個正交信道信號捕獲時間同步的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟在所述通信系統(tǒng)中，接收一個或多個分別包含用預(yù)選沃爾什函數(shù)中的一組加以正交編碼的多信道信號的通信信號，所述沃爾什函數(shù)用在一個或多個相互關(guān)聯(lián)的定時偏移處施加的至少一個公共偽隨機(jī)噪聲序列加以擴(kuò)頻；選擇接收用戶單元用的偽隨機(jī)噪聲序列時間偏移；在所述已選時間偏移處施加所述偽隨機(jī)噪聲序列，使所述通信信號解除擴(kuò)頻，以產(chǎn)生編碼碼元；在等于所述沃爾什函數(shù)長度除以2n的預(yù)定時間間隔內(nèi)，進(jìn)行編碼碼元振幅的相干累加，n為正整數(shù)；對所述相干累加的結(jié)果取平方；在按所述接收用戶單元有的沃爾什函數(shù)邊界起止間隔內(nèi)，對所述取平方的結(jié)果進(jìn)行組合；將所述組合的結(jié)果與至少一個門限值進(jìn)行比較；當(dāng)組合結(jié)果超過所述門限值時，將所述接收用戶單元挑選的所述時間偏移選為正交信道信號需要的時間偏移；改變所述時間偏移值的選擇，按順序重復(fù)進(jìn)行所述解除擴(kuò)頻、累加、取平方、組合和比較等步驟，直到超過所述門限值。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述改變時間偏移值選擇步驟還包含判斷發(fā)生所述組合結(jié)果超過至少兩個預(yù)定門限值的時間的步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述組合步驟包括將對取平方得到的結(jié)果進(jìn)行累加，并在所述Walsh函數(shù)邊界起止間隔內(nèi)，將所得累加結(jié)果相加。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述待捕獲正交信道信號為導(dǎo)頻信道信號。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述待捕獲正交信道信號為播叫信道信號。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述待捕獲信號為較強(qiáng)的業(yè)務(wù)信道信號。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述相干累加發(fā)生在長為L/2n的間隔內(nèi)，其中L為所用沃爾什函數(shù)的長度，而且在第一信道傳送導(dǎo)頻信號，在以SL/2n的增量偏離第一信道的人信道上優(yōu)先傳送較強(qiáng)的一個或多個信號，其中n為正整數(shù)，S等于1至2n-1范圍的連續(xù)數(shù)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述沃爾什函數(shù)長度為128碼片，導(dǎo)頻信號在信道0傳送，通信業(yè)務(wù)在信道32、64和96傳送。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述沃爾什函數(shù)長度為128碼片，導(dǎo)頻信號在信道1傳送，通信業(yè)務(wù)在信道33、65和97傳送。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述強(qiáng)信號包括播叫信號。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述沃爾什函數(shù)長度為128碼片，導(dǎo)頻信號在信道0傳送，播叫信號在信道32、64和96傳送。
12.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述強(qiáng)信號包括同步信號。
13.一種在系統(tǒng)用戶接收并解調(diào)一個或多個通信信號的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，利用一個或多個正交信道信號捕獲時間同步的裝置，其特征在于，該裝置包括接收機(jī)，用于在所述通信系統(tǒng)中，接收一個或多個分別包含用預(yù)選沃爾什函數(shù)組中的一組加以正交編碼的信道信號的通信信號，所述沃爾什函數(shù)用在一個或多個相互關(guān)聯(lián)的公共偽隨機(jī)噪聲序列加以擴(kuò)頻；選擇偽隨機(jī)噪聲序列時間偏移值，并用所述已選時間偏移產(chǎn)生所述偽隨機(jī)噪聲序列的裝置，該裝置響應(yīng)再選擇輸入，改變所述選擇時間偏移值，并用所述已改變的時間偏移值再產(chǎn)生所述偽隨機(jī)噪聲序列；信號解擴(kuò)器，連接成接收通信信號和所述偽隨機(jī)噪聲序列，并在所述挑選的時間偏移處施加所述偽隨機(jī)噪聲序列，使所述通信信號解除擴(kuò)頻，成為編碼碼元；相干累加器，連接成接收編碼碼元，并在等于所述沃爾什函數(shù)的長度除以2n的預(yù)定時間間隔內(nèi)，對編碼碼元振幅求和，其中n為正整數(shù)；乘法裝置，用于連接所述相干累加器，接收求和結(jié)果，并進(jìn)行取平方；組合裝置，連接成接收取平方結(jié)果，并在按所述接收用戶單元的的沃爾什函數(shù)邊界起止間隔內(nèi)，累積該平方結(jié)果；比較裝置，連接成接收所述累積結(jié)果，并與至少一個門限值比較；再選擇指令生成裝置，用于連接所述偽隨機(jī)噪聲序列選擇和產(chǎn)生裝置，連接所述比較裝置，并在與一門限值比較后，不超過所述門限值時，產(chǎn)生再選擇指令。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述比較裝置使用至少兩個預(yù)定的門限值。
15.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述組合裝置包括至少一個累加元件，用于在所述沃爾什函數(shù)邊界起止間隔內(nèi)，存放取平方的結(jié)果并求和。
16.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述待捕獲正交信道信號為導(dǎo)頻信道信號。
17.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述待捕獲正交信道信號為播叫信號。
18.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述待捕獲信號為較強(qiáng)的業(yè)務(wù)信道信號。
19.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述相干累加發(fā)生在長為L/2n的間隔內(nèi)，其中L為所用沃爾什函數(shù)的長度，而且在第一信道傳送導(dǎo)頻信號，在以SL/2n為增量偏離第一信道的若干信道上優(yōu)先傳送較強(qiáng)的一個或多個信號，其中n為正整數(shù)，S等于1至2n-1范圍的連續(xù)數(shù)。
20.如權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于，所述沃爾什函數(shù)長度為128碼片，導(dǎo)頻信號在信道0傳送，通信業(yè)務(wù)的信道32、64和96傳送。
21.如權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于，所述沃爾什函數(shù)長度為128碼片，導(dǎo)頻信號在信道1傳送，通信業(yè)務(wù)在信道33、65和97傳送。
22.如權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于，所述強(qiáng)信號包括播叫信號。
23.如權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于，所述強(qiáng)信號包括同步信號。
全文摘要
一種通過控制信號振幅累積間隔，以用戶在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)正交信道接收的能量，捕獲信號定時的技術(shù)。在形成正交信道所用Walsh函數(shù)的長度除以文檔編號H04L27/32GK1164943SQ96190980
公開日1997年11月12日 申請日期1996年6月28日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月30日
發(fā)明者戈登·斯金納, 布雷恩·哈姆斯 申請人:夸爾柯姆股份有限公司