專利名稱：擴頻無線電通信的幀同步技術和系統(tǒng)的制作方法
背景技術：
本發(fā)明涉及數字無線電系統(tǒng)，具體而言，涉及在擴頻通信系統(tǒng)里實現(xiàn)同步，作為對收到的信號進行的處理的一部分。
無線電通信系統(tǒng)需要通過空中接口發(fā)送信息，例如，用這些信息來調制載波。接收信號的時候，通過采用適當的解調技術，接收機試圖從收到的信號中將信息準確地提取出來。但是，為了對收到的信號進行解調，首先需要發(fā)射機和接收機之間實現(xiàn)時間同步。根據無線電通信系統(tǒng)的不同設計，需要不同級別的同步。例如，在多數系統(tǒng)里，發(fā)射機和接收機之間的時鐘差會產生比特量級上的時間差。此外，在某些無線電通信系統(tǒng)里，信息是在脈沖串里發(fā)送的，有時叫做“幀”，它代表獨立檢測和譯碼的成塊的信息。在這種系統(tǒng)里，也需要找出一幀的開頭，從而能夠隔離跟某一接收機有關的信息并對它們進行解調。同樣，一些系統(tǒng)(例如時分多址或者TDMA系統(tǒng))進一步將幀分成時隙，產生時間復用信道。在這些系統(tǒng)里，還需要將接收機同步到每一個時隙的開頭。
一些系統(tǒng)采用叫做碼分多址(CDMA)的擴頻技術來實現(xiàn)信道化。在CDMA系統(tǒng)里，要發(fā)射的信息數據流，首先用一個獨一無二的擴頻碼進行編碼或者擴頻，然后跟一個長PN序列或者更短的擾頻序列合并。在后一種情況里，所有小區(qū)的擾頻序列都互不相同，相鄰小區(qū)使用不同的擾頻序列或者擾頻屏蔽碼。這些信息數據流和PN序列或者擾頻序列可以有相同或者不同的比特率。信息數據流跟唯一的擴頻碼或者長PN序列相乘得到一個碼片流輸出。這樣，在CDMA系統(tǒng)里，同樣需要將接收機同步到碼片的邊界。
為了進一步理解CDMA無線電通信系統(tǒng)里跟信號處理有關的同步任務，考慮以下實例。

圖1說明在一個蜂窩系統(tǒng)里，用基站發(fā)射無線電波給移動用戶(移動臺)。在CDMA系統(tǒng)里，基站10可以發(fā)射信號給移動臺14和15，作為單獨一個(復合)信號。發(fā)射給移動臺14的信號通常都用一個短碼編碼，這個短碼跟用于對發(fā)射給移動臺15的信號進行編碼的短碼正交或者幾乎正交。然后用第二個碼對這些信號進行擴頻，這第二個碼有時叫做長碼，它跟基站10有關。然后由基站10將這兩個編碼擴頻信號的和發(fā)射出去。
當移動臺14收到這一復合信號時，移動臺14將擴頻信號跟長碼和短碼相乘，產生給移動臺14的信號，并將給移動臺15的信號作為干擾噪聲抑制掉。同樣，移動臺15將擴頻信號跟長碼和分配給移動臺15的短碼相乘，產生給移動臺15的信號，給移動臺14的信號被作為干擾噪聲抑制掉。為了對信號中的信息實現(xiàn)解擴、解調和譯碼，除了學習或者已經知道可以用的長碼和短碼以外，跟移動臺14和15有關的接收機必須已經跟接收到的信號實現(xiàn)了某種程度的同步，這在前面已經介紹過。
為了在不同的程度上實現(xiàn)同步，已經開發(fā)了許多不同的技術。對于幀同步，這些技術很大程度上取決于幀的結構，以及系統(tǒng)開銷或者控制信息傳遞給移動臺的方式。系統(tǒng)開銷信息通常都是在一個或者多個廣播控制信道里給出的，由基站用已知的信道發(fā)射出去，移動臺能夠很快地鎖定到這些信道上去，并接收其中的系統(tǒng)開銷信息，這些信息包括用于跟基站實現(xiàn)幀同步的信息，等等。本領域里的技術人員會明白，許多無線電通信系統(tǒng)都有不同步的基站，也就是不采用公用時序參考信號的基站。因此，幀同步是需要完成的一個過程，例如，在開始的時候(也就是當移動臺開機的時候)，當移動臺從一個小區(qū)移動到另一個小區(qū)的時候，以及測量跟相鄰小區(qū)有關的信道，作為小區(qū)重新選擇程序的一部分的時候(例如，為了證實移動臺正在收聽提供服務的“最好的”基站)。
當然，作為接收機完成的多數信號處理任務，減少跟同步有關的延遲對于提高接收機的性能是非常重要的。許多種通信業(yè)務，特別是語音通信，相對而言是無法接受延遲的。因此，系統(tǒng)設計人員不斷地尋找方法，用來減少完成給定信號處理任務，包括幀同步處理，所需要的時間。
發(fā)明簡述本發(fā)明涉及數字無線電信號的同步，通過減少進行評估以便確定特定幀的相位所需要的比特數或者碼元數，提高幀同步速度。根據本發(fā)明示例性的實施方案，廣播控制信道在多個時隙的每一個時隙里有一個同步比特或者碼元，接收機可以利用這些比特或者碼元的時序特性來確定某一基站發(fā)射的幀的當前相位。
具體而言，通過讀取這個序列中所有比特或者碼元中的一個子集，本發(fā)明的同步比特或者碼元序列使得移動臺能夠確定接收到的幀的相位。在一個純說明性的實施方案里，每一幀都包括16個時隙，從而使同步序列包括16個比特。但是，這一序列中任何4個連續(xù)比特都能決定這一幀的相位。因此，移動臺只需要讀取4個時隙的同步比特，而不是讀取16比特的整個序列，來實現(xiàn)幀同步，這樣一來顯著地提高了同步速度。
附圖簡述下面將參考以下附圖來介紹本發(fā)明，在這些附圖中圖1說明一個蜂窩無線電通信系統(tǒng)；圖2說明可以采用本發(fā)明的一個示例性的物理和邏輯信道結構；圖3是可以采用本發(fā)明的一個示例性的發(fā)射機和接收機結構；圖4是一個表，它說明本發(fā)明一個示例性的實施方案中，能夠用于實現(xiàn)幀同步的同步序列的一個示例性子集；和圖5是另一個表，它說明本發(fā)明另一個示例性的實施方案中，能夠用來完成幀同步的同步序列的示例性子集。
發(fā)明詳述在以下說明中，為了進行說明而不是為了進行限制，給出了具體細節(jié)，比方說具體的電路、電路元件、技術等等，以便讓讀者對本發(fā)明有一個全面的了解。但是，對于本領域里的技術人員而言顯而易見，本發(fā)明可以用其它的實施方案來實踐，而不限于這里給出的具體細節(jié)。在其它情況下，省去了對眾所周知的方法、裝置和電路的描述，以免喧賓奪主。
這里討論的示例性無線電通信系統(tǒng)采用一種rDMA/CDMA混合方法，其中基站跟移動終端之間的通信是用擴頻碼完成的，但是其中的信息也是在離散時隙里傳遞的。然而，本領域里的技術人員會明白，這里公開的概念也可以用于其它方法中，包括，但不限于，頻分多址(FDMA)、TDMA、CDMA或者任何其它的接入方法。同樣地，一些示例性的實施方案給出了跟示例性的幀和邏輯信道結構有關的實例，正在考慮將它們用于特定的第三代無線電通信系統(tǒng)，但是，這里描述的技術同樣可以用于任何系統(tǒng)里使用的設備中。
當接收機收到需要的信息信號的第一幀時，在多數通信系統(tǒng)里，發(fā)射機里的時鐘和接收機里的時鐘還沒有“鎖住”，也就是說，它們在時間上不是同步的。這一鎖定過程的一部分常常叫作幀同步。為了進行說明，而不是進行限制，考慮圖2描述的示例性幀和邏輯信道格式。其中每10毫秒長的64個無線電幀構成一個超幀。每一個無線電幀里有16個時隙。每一個時隙包括各種類型的信息和信息字段，具體取決于它對應的信道。在圖2中，描述了兩個這樣的信道，BCCH1和BCCH2。這兩個信道是廣播控制信道，是由基站采用例如移動臺事先知道的不同短碼，發(fā)射給基站提供服務的區(qū)域內所有移動臺的。從圖中可以看出，每一個控制信道每一個時隙都有一個同步碼元(或者比特)。BCCH2里的同步碼元(或者比特)可以用于幀同步，就象下面描述的一樣。BCCH1還攜帶導頻碼元，可以供接收機使用，進行信道估計，還包括一個邏輯信息信道，它能夠攜帶各種類型的系統(tǒng)開銷信息，例如，用于識別網絡運營商、扇區(qū)等等。
圖3是一個框圖，它說明一些發(fā)射和接收元件，能夠在空中接口上利用圖2所示的幀和邏輯信道結構傳遞信息。其中例如，一個基站中不同發(fā)射機支持的兩個源40和50，用擴頻技術在同一個頻譜中發(fā)射不同的信號。跟每一個元有關的輸入數據都跟一個正交短碼相乘，并用另一個長碼擴頻。然后用射頻載波和發(fā)射天線將編碼和擴頻用戶數據發(fā)射出去。例如，在圖3中，用戶輸入數據41被一個正交短碼43相乘，并用一個長碼45擴頻。然后用編碼和擴頻用戶數據47的和調制射頻載波49，由發(fā)射天線42發(fā)射出去。同樣，用戶數據51被一個正交短碼53相乘并用長碼55擴頻。用編碼和擴頻用戶數據57的和調制射頻載波59，由天線52發(fā)射出去。發(fā)射天線42發(fā)射信號44，發(fā)射天線52發(fā)射信號54。
接收機60有一付接收天線62。信號44和54通過空中接口傳播，引入信道效應，例如信號44和54的反射，經過不同長度的不同路徑。這些反射信號之間的相互作用導致多徑衰落，在任意給定時刻，這些效應取決于移動臺的具體位置，這些信號的強度隨著源和接收機之間的距離增加而降低。接收機60可以使用瑞克接收機(這對于本領域里的技術人員而言是眾所周知的)從不同的信號路徑收集信號能量。當接收機60收到信號98，接收機60用載波信號64對信號解調，得到復合信號67。用同步長碼65對復合信號67解擴，并用同步正交碼63譯碼。接收機60可以用積分器68和取樣器69重新產生發(fā)射的用戶數據。
除了用唯一的短碼在分配的業(yè)務信道里處理收到的信號以外，移動臺還有其它的信號處理任務。例如，開機的時候，或者空閑的時候，移動臺會收聽廣播控制信道，從中獲取各種信息，例如尋呼消息。移動臺被指令周期性地測量它收聽的廣播控制信道的質量，例如信號強度，以及其它相鄰小區(qū)廣播的控制信道的質量，這樣，系統(tǒng)就能肯定空閑的移動臺正在收聽合適的控制信道。在監(jiān)視相鄰基站發(fā)射的廣播控制信道的質量的過程中，移動臺同樣必須跟它們同步。
為了在開機的時候，在小區(qū)之間移動的時候，以及在重新選擇小區(qū)的時候，完成信號處理任務，接收機60必須能夠跟各種不同步的基站發(fā)射的幀結構在時間上保持同步。根據一項技術，移動臺首先捕獲時隙(或者主)同步信號，然后是幀同步信號，接下來是長碼識別。時隙同步可以用第一個廣播控制信道BCCH1中的同步信息來完成。長碼識別過程可以通過確定用于調制一個或者兩個廣播控制信道上的信息的一個碼來完成，然后將這個碼用于識別在這些信道里發(fā)射的，基站使用的一個特殊長碼。由于同步過程的這些部分不是本發(fā)明的重點，因此下面將不再介紹它們。
另一方面，根據本發(fā)明的一個示例性實施方案，幀同步是用BCCH2中的同步碼元或者比特來完成的。更準確地說，這一同步碼元或者比特是由基站在每一個時隙里，按照一個預定的循環(huán)模式發(fā)射的，移動臺可以利用它來確定它當前正在收聽的基站的幀邊界位置。選擇的同步序列常常具有良好的自相關特性，。例如最長序列。前面已經建議用于同步序列，并將用于更好地揭示本發(fā)明的一個示例性序列是1,1,1,0,0,0,0,1,0,1,0,0,1,1,0,1，雖然本領域的技術人員會明白，本發(fā)明可以用任意比特序列來實施，或者用任意的碼元序列而不管這些碼元是用二進制符號表示的(包括這個序列的任意移位版本)還是用M元符號表示的。然而對于這一序列，基站將在BCCH2的1號時隙里發(fā)射一個“1”作為同步位，在2號時隙里發(fā)射一個“1”作為同步位，……在16號信道里發(fā)射一個“1”作為同步位。
雖然這一模式是預先確定的，而且是循環(huán)的，但是移動臺需要識別收到時隙的順序跟幀開頭之間的時間偏差，以便實現(xiàn)幀同步。這可以用一種直截了當的方式來做到，判斷需要偏移多少才能將移動臺收到的16個碼元序列跟基站重復發(fā)射的預定循環(huán)序列之間匹配。例如，假設移動臺收到某一個移動臺發(fā)射的BCCH2的16個連續(xù)時隙并對它進行譯碼，識別出以下模式1,0,1,0,0,0,1,1,0,1,1,1,1,0,0,0,0是收到的同步位。將這一模式向右移動7個位置(或者向左移動9個位置)，收到的這一模式將跟預定模式相同，移動臺由此知道幀邊界的位置。
但是，本申請的申請人認識到，這一幀同步過程可以通過利用用于幀同步的預定循環(huán)序列的特定特性更快地完成。例如，在前面介紹的16個比特模式里，有16個唯一的4比特碼字，就象圖4所示的一樣。其中，每一個碼字都用一個框來表示，就像它在預定循環(huán)序列中出現(xiàn)的那樣，也可以獨立地用二進制或者16進制表示。從這個圖可以看出，通過在這一16比特序列里正確地讀取任何4個連續(xù)的同步位，移動臺都能正確的識別出需要偏移多少位才能到達序列的開頭，從而到達幀邊界的位置。這樣，不是讀取16個連續(xù)的時隙來實現(xiàn)幀同步，對于這一系統(tǒng)，本發(fā)明將接收機中這一信號處理所需要的時間減少到了原來的四分之一。
然而，不應當將本發(fā)明解釋為僅限于這一具體設計，更一般地說，本發(fā)明識別并讀取同步比特或者碼元的一個子集來實現(xiàn)幀同步，這個子集唯一地確定了幀的相位。此外，雖然前面的示例性實施方案描述本發(fā)明時針對的是最少數量的時隙，它的同步比特可以用于無模糊地確定幀的相位，但是，本領域里的技術人員會明白，可能需要選擇同步序列的一個子集來實現(xiàn)幀同步，它比這一最小數目要大。采用更多的碼元或者比特會增加選中正確的幀同步的概率，在廣播控制信道中減少對比特進行錯誤譯碼帶來的效應。
例如，通過評估5個連續(xù)時隙里的5個同步碼元或者比特，移動臺能夠有效地找出同步序列的兩個4比特唯一子集，這樣做將正確地找出幀邊界的概率增大了一倍。同樣，利用6個連續(xù)比特能夠將概率增大兩倍(這在圖5中說明)，7個比特將這一概率增大3倍，等等。在所有這些情況里，因為不需要對序列中的所有位進行評估，所以處理速度仍然提高了。
因此，顯然可以根據速度和確定性之間的折中，以變化的和自適應的形式利用本發(fā)明，用無模糊地決定幀相位的可用同步信息某種固定或者自適應地確定的子集。例如，在L個可用比特里頭，有m個比特的某些固定的子集可以用于m＜L的情況，其中的m足以唯一地確定幀的相位，如果這m比特被正確地譯碼?；蛘?，如果前m比特中的一個沒能正確譯碼，移動臺就可以將使用的比特數改成m+1、m+2等等。在本發(fā)明的這一自適應實施方案里，對于噪聲特別大或者干擾特別強的信道，m有可能達到或者超過L。
作為第三個選擇，由于同步位譯碼的確定性可能取決于各種可測量的以及變化的參數，例如跟收到的信號的質量有關的那些，因此，可能還需要改變最少的時隙數，也就是同步比特數，這由接收機在幀同步過程里進行評估。例如，如果考慮任何特定碼元假設是正確的似然性，可以獲得信息，那么，這樣的度量就可以用于確定接收機是應當增加還是減少下面它必須進行幀同步的時候，例如，當它得到指令要對相鄰小區(qū)發(fā)射的信道進行測量的時候，要評估的最少時隙數。
已經以示例性實施方案的形式描述了本發(fā)明，本發(fā)明并不限于這些實施方案。本領域里的技術人員會想出一些改進和改變，而不會偏離本發(fā)明的實質和范圍，就像后面的權利要求所指出的一樣。
權利要求
1．一種方法，用于跟無線電通信系統(tǒng)發(fā)射的信息的幀結構在時間上實現(xiàn)同步，該方法包括以下步驟提供一個序列，該序列有第一個數目的同步碼元，它們被分散在所述幀的其它信息位中間，從所述序列內的任意位置開始，接收第二個數目的所述同步碼元，第二個數目的所述同步碼元比第一個數目的同步碼元要少；和用第二個數目的同步碼元確定所述幀結構的邊界。
2．權利要求1的方法，還包括以下步驟用時分多址技術發(fā)射所述信息。
3．權利要求1的方法，還包括以下步驟用碼分多址技術發(fā)射所述信息。
4．權利要求1的方法，其中的幀結構包括跟每一幀有關的多個時隙，其中每一個時隙都包括第一個數目的同步碼元中的一個。
5．權利要求1的方法，其中每一個同步碼元都是一個單比特碼元。
6．權利要求1的方法，其中每一個同步碼元都用至少一個M元數字來表示。
7．權利要求4的方法，其中的多個時隙是16個時隙，第一個數目的同步碼元是碼序列1、1、1、0、0、0、0、1、0、1、0、0、1、1、0、1或者它的任何其它移位結果。
8．權利要求7的方法，其中同步碼元的第二個數目是4。
9．權利要求7的方法，其中同步碼元的第二個數目是6。
10．權利要求1的方法，還包括以下步驟如果第二個數目的同步碼元中有一個或者多個沒能正確地譯碼，就增加第二個數目的同步碼元。
11．權利要求1的方法，還包括以下步驟根據正確地確定所述邊界的所需概率，以及發(fā)射所述信息的無線電信道的質量，這兩者中的至少一個，自適應地選擇第二個數目的同步碼元。
12．一種移動臺，包括一個接收機，用于從發(fā)射源接收跟循環(huán)重復的幀同步序列有關的多個幀同步碼元；和一個處理器，用于評估多個幀同步碼元，跟所述發(fā)射源實現(xiàn)幀同步，其中的多個幀同步碼元是所述重復幀同步序列中多個幀同步碼元的一個子集。
13．權利要求12的移動臺，其中的發(fā)射源用時分多址方式發(fā)射信息。
14．權利要求12的移動臺，其中的發(fā)射源用碼分多址方式發(fā)射信息。
15．權利要求12的移動臺，其中的發(fā)射源使用的幀結構包括跟每一幀有關的多個時隙，其中每一個時隙都包括重復序列中同步碼元中的一個。
16．權利要求12的移動臺，其中每一個同步碼元都是單獨一個比特。
17．權利要求12的移動臺，其中的同步碼元用至少一個M元數字表示。
18．權利要求15的移動臺，其中的多個時隙是16個時隙，重復序列中的同步碼元是一個比特序列1、1、1、0、0、0、0、1、0、1、0、0、1、1、0、1，或者是它的一個移位版本。
19．權利要求18的移動臺，其中的多個同步碼元的個數是4。
20．權利要求18的移動臺，其中的多個同步碼元的個數是6。
21．權利要求12的移動臺，其中多個幀同步碼元的個數可以改變。
22．一種方法，用于跟一個無線電通信系統(tǒng)發(fā)射的信號有關的幀結構同步，包括以下步驟提供一個序列，該序列有第一個數目的同步碼元，它們被分散在所述幀的其它信息位中間，從所述序列內的任意位置開始，接收第二個數目的所述同步碼元；改變第二個數目的同步碼元的個數；和用第二個數目的同步碼元確定所述幀結構的邊界。
23．權利要求22的方法，其中的改變步驟還包括第二個數目的同步碼元從一個固定的最小數目開始；和如果固定的最小數目的同步位中有一個沒能正確地譯碼，就有選擇地評估其它的同步碼元。
24．權利要求22的方法，其中的改變步驟還包括確定所述無線電信道的質量；根據所述質量設置第二個數目的同步碼元的數目。
全文摘要
描述了一種方法和裝置,用于跟無線電通信系統(tǒng)中基站發(fā)射的幀結構同步。廣播控制信道可以在多個時隙的每一個時隙中包括同步碼元。這些同步碼元排成一個序列,在每一幀里重復。每一個序列里有多個碼元的多個子集,可以用這多個子集唯一地確定幀相位。
文檔編號H04J3/06GK1314037SQ9980981
公開日2001年9月19日 申請日期1999年6月15日 優(yōu)先權日1998年6月19日
發(fā)明者F·杰內科, C·奧斯特伯格 申請人:艾利森電話股份有限公司