CN1066301C - 多用户频谱扩展通信系统 - Google Patents

Abstract

一种具有一个采用多个通信信道的站42的通信系统。各信道都配有所需接收信号强度阈值。根据站42接收到的信号的强度及用户单元43a、43b的功率控制范围，把信道分配给用户单元43a、43b。信道选择既可在站也可在用户单元处进行。对FDMA50，各单独的频分信道可配有不同的接收信号强度阈值。在无重迭时间间隔对TDMA70，各单独的时分信道可配有不同的接收信号强度阈值。在另一实施例80中，则将FDMA和TDMA两者相结合。

Description

多用户频谱扩展通信系统

本发明一般地涉及频谱扩展通信系统；更具体地，它涉及一种多用户频谱扩展通信系统。

通信系统的目的是通过一条信道把载有信息的信号从源(发射机)传送到目的地(接收机)。发射机把消息信号处理(调制)成适于在信道上传送的形式。接收机随后解调所接收的信号，以估测原始的消息信号。

在任何通信系统中，影响系统性能的一个关键参数是发射机功率。在噪声限止的通信系统中，发射功率决定了发射机与接收机间可允许的距离。可提供的发射功率决定了接收机输入端的信噪比，而要成功地进行信息通信，该信噪比必须高于某一阈值。

对某些通信系统，另一关键性能准则涉及可同时容纳的用户数目。一个众所周知的系统应用的例子是蜂窝状无线电话系统。通常，这种系统包括若干各覆盖一服务区的基站，还有若干移动或便携蜂窝状电话(以下称“用户”)。可以适当的方式使基站的服务覆盖区部分重迭，从而提供基本连续的覆盖区；其中从一基站接收服务的用户通信单元，在不中断服务的情况下，可转交给一相邻的远地基站。对于蜂窝通信系统，关键的是要能有效地利用可用的频谱，以容纳尽可能多的用户。

信号复用使来自几个消息源的信号能同时在一共同频谱资源上进行无线传送。频分复用、时分复用、及其混合均已被用于实施蜂窝状无线系统。

在频分复用(FDM)系统中，通信频谱资源被分成几个窄频带。至少在进行所希望的通信所需的时间内，用户占用着一个频分信道，用以和基站进行通信。另一频分信道被用于基站至用户的通信。时分复用(TDM)系统为另一类多址联接通信系统。在TDMA(时分多址)系统中，频谱资源被分成重复的时帧，每个帧都有多个时隙或时分信道。各时分信道被分给不同的通信链路。在这种方案中，在一帧的一个指定时隙中出现一个用户的一部分信息。在跟着的一个或多个其它时隙中容纳了其它用户的信息。这一过程重复进行，同时在接收机一方适当地再现所接收的信息。

模拟和数字传送方法均被用来在通信信道上传送信息信号。近来，更多地采用了数字方法，这是由于它相对模拟方法有若干优点，尤其包括：抗信道噪声和干扰能力更强；系统工作灵活；不同类型信息信号的传送有共同的格式；通过采用数字编码可改善通信保密性；容量增加。

为了在带通通信信道上有效地传送信息信号(模拟或数字的)，必须把信息信号调制成适于传送的形式。可借助调制和先有技术中公知的众多方法对信息信号进行变形。相应地，要求接收机能复原原始信号。

采用码分多址(CDMA)技术的频谱扩展通信系统可被用作诸如FDMA(频分多址)和TDMA(时分多址)的多址访问系统。在频谱扩展系统中，采用了一种把信息扩展到一宽频带上的调制技术。该频带比传送待送信息所需的最小带宽要宽得多。

在一种直接序列CDMA(码分多址)系统中，两个通信单元间的通信，是用一种独特的用户扩展码，通过把各传送信号扩展到一宽频带上，而得以实现的。其结果，许多个传送信号共享同上频率。这种系统之所以能工作，是由于每个信号均被以特定的时间和/或频率编码，以便于在接收机中对其作分离和重现。通过用与发射机处进行的具体扩展相关的已知的用户扩展码把信号从在通信信道上的总信号中去扩展(despreading)，就可从通信信道中提取具体的发送信号。

在数字直接序列系统中，无线电载波调制是在用其比特率远高于信息率的数字码序列扩展了用户信息之后进行的。用一伪随机数序列(PN)作为码，来“扩展”频谱。利用相同的已知PN，即使该信号已被其他用户的扩展信号所掺杂，接收机还可正确地对接收信号进行译码，并再现原始信息，在这种系统中可同时容纳的用户数目取决于所采用的频谱“扩展”量。

频谱扩展通信的另一类型是“频率跳跃”。在频率跳跃中，采用码序列所指定的模式移动载波的频率。发射机从预定组中的一个频率跳到另一频率。在接收机处，所希望用户的跳频序列是已知的并可跟踪用户的跳频发送。周期性地，一个以上用户的信号会落到同一频率上，从而产生干扰。采用了信息编码技术(误差修正编码)，以便即使在一部分传送脉冲已丢失的情况下，仍能再现原始信息。另外，还有时间跳跃和时——频跳跃方法，其发送时间由编码序列控制。

在蜂窝状无线通信系统中可采用这些多址联接系统中的任一个。在蜂窝状系统中，几个因素限制了性能。通常，在沿信道传播中，发送信号会因信道的非线性和频率响应的不完善性而失真。其他有害来源包括热噪声和人为的噪声以及邻道和共信道干扰。

除上述有害来源之外，在频谱扩展CDMA系统中，与接收信号有关的大部分噪声来自在同一频带中发送的、但有独特的用户扩展码的其他用户信号。每一其他用户信号，都会影响对所希望的去扩展的信号的噪声功率。附加的噪声幅度直接与各个不希望信号的接收信号的功率有关。一个比希望信号强得多的不希望接收信号会产生额外的噪声。因而，要求动态地调节所有用户的功率，以使它们能以相同的功率得到接收。以此方式，可使同一频谱资源所能同时容纳的用户数目达到最大。

在典型的应用中，为实现所需的功率控制，最近的发射机的功率，当与最远的发射机的功率相比时，需要降低多达80dB。这种功率控制范围极难实现，而且成本极高。

因此，需要一种装置，利用它能在不要求80dB的功率的控制范围的情况下，使采用频谱扩展格式的通信得到优化。

本发明包括：

一种通信系统，包括：

一个站，它具有与之相联系的一个第一通信信道和一个第二通信信道，所述第一通信信道分配有第一接收信号强度阈值，所述第二通信信道分配有与所述第一接收信号强度阈值不同的第二接收信号强度阈值，所述第一和第二通信信道基本上为一个单独的覆盖区服务；以及

用于选择所述第一和第二通信信道之一以供用户单元使用的网格站。

一种通信系统，包括：

一个站，它具有与之相联系的一个第一通信信道和一个第二通信信道，所述第一通信信道分配有第一接收信号强度阈值，所述第二通信信道分配有与所述第一接收信号强度阈值不同的第二接收信号强度阈值；

用于选择所述第一和第二通信信道之一以供用户单元使用的网格站；

用于把所述用户单元的发射功率电平调至所述选定通信信道的所述接收信号强度阈值的用户单元。

一种通信系统，包括：

用于测定接收信号的信号强度的一个基站；及

用于在一个站中根据所述接收信号的所述信号强度选定多个通信信道中的一个通信信道的网格站，所述多个通信信道的每一个基本上为一单个覆盖区服务。

在附图中：

图1是表示先有技术FDMA通信方案的图示；

图2是表示先有技术频谱扩展通信方案的图示；

图3抽象地表示了先有技术的频谱扩展通信方案所重现的通信信号的提取；

图4是一网格站的图示表示；

图5显示了本发明的一频谱扩展通信方案；

图6显示了采用图5的频谱扩展方案的网格站；

图7显示了本发明的另一频谱扩展通信方案；

图8显示了本发明的又一频谱扩展通信方案；

图9显示了在频谱扩展通信中指定接收信号强度阈值的一种方法。

参见附图1，图1示出了总标以参考数字10的先有技术FD-MA通信系统示图。在图1中，横坐标表示频率值，纵坐标表示幅度值。在图10上显示了多个信号12。在理想情况下，各信号均处于特定的频率范围11内。收发机被调谐到频率范围11，并只接收此范围内的信号。

在图2中，显示了总标为20的曲线图，它表示一种先有技术的频谱扩展通信方案。在一频谱扩展系统中，两个单元间的通信通过将各信号扩展在信道的频带上实现的。各信号都以一独特的用户扩展码进行扩展。在曲线图20中，这被显示为将各个单独信号的能量分散到整个信道上。高度12′代表接收到的信号的功率电平。在图3的信号提取表示中，再现了信号中的一个。如所示，由于其他信号分布在与再现的信号所在的相同的频率范围中，因而存在有一定的干扰(用阴影线部分表示)。但是，该频谱扩展方案被设计得使再现信号12充分地高于由其它信号产生的噪声，从而使信号12的质量不致受到损害。

为了使此种频谱扩展方案的用户数增至最大，希望各信号在接收机(网格站)看来有相同的功率电平。在图4中给出了一例网格站，它在一蜂窝系统中被总标为40。站40包括边界41、基站42、及用户43a和43b。如所示，从用户43a至基站42的距离大于从用户43b至基站42的距离。因此，若两用户均以同样的功率电平工作，由于距离较近，基站42接收的用户43b的信号会较大。

如前所述，为尽量增加频谱扩展方案的用户数，希望基站42接收到的信号功率相同。由于最弱的信号一般也是离基站42最远的信号，所以要把所有其他信号的功率电平都降到用户43a的水平。

在一种工作方法中，基站42把一控制信号送至用户43b的通信单元。此控制信号指示用户43b的单元降低其功率。此处的困难是，在极端情况下，用户43b可能需要将其功率降低多达80dB。在用户通信单元设计中，这样的功率下降幅度是难以实现的，在成本上也是不合算的。

为解决此问题，并降低所需的功率改变(调节量)，本发明提供了一种解决方案。实质上，本发明把通信频谱分成两或更多的信道；根据信号的功率把各信道分配给一个信号。在图5中概括标为50的频谱扩展方案(如CDMA)曲线图中，给出了一个图示的例子。图2中的信道现在被分成三个信道S1-S3。各信道中有多个信号，它们在各段中有大致相同的功率。在此例中，信道S1有最高功率的信号，随后是信道S3。信道S2包含功率最低的信号。

在图6中概括标为60的网格站中，显示了如何将此用于实际。这里，网格60有第二边界线41a和41b。应注意到，此例中假设从距站42较近的单元来的信号比从较远的单元来的信号要强。实际上，由于会发生传播异常及单元的输出功率不同，这种假设未必总是成立。

与图5的方案相比，图6的网格站在边界41b之内的区域里发送的单元将被安置在S1信道，因为这些是最强的信号。来自边界41a和41b之间的单元的信号将被安置在信道S3；而来自边界41a之外的单元的信号将被安置在信道S2。因此，用户43b的信号将被安置在信道S1，而用户43a的信号将被安置在信道S2。

用这种方式，可把用户的功率输出调节在其动态功率控制范围的中心。当单元穿过网格的覆盖区域时，用户的功率输出会达到其功率控制上限。若接收的功率电平降到此电平以下，该用户将被移到具有较低接收信号强度阈值的信道。类似地，用户的功率会达到其功率控制下限。在此情况下，该单元将被移到具有较高接收信号强度阈值的信道。结果，只要有20～30dB的功率范围就足够了，而不是80～90dB。

如上所述，以上讨论中假定了较近的单元比较远的单元提供更高的功率信号。在实际应用中，功率电平不一定是象图6所示的那样取决于地理的划分，而是可以取决于接收到的信号的功率。例如，来自用户43a的信号可能强到足以使系统将该信号安置在信道S3中。或者，来自用户43a的信号可能很弱(比如由于它是在一建筑中，或为障碍物所阻挡)，从而使系统将其放入信道S2。

有几种用于为一特定用户确定适当的信道的方法。在上面描述过的一种方法中，网格站根据测定的、来自用户的所接收功率电平，选定具有处于用户功率控制范围之内的接收信号强度阈值电平的信道。在另一方法中，网格站将为在基站所能提供的每一信道发送接收信号强度阈值信息，并发送为该基地控制信道设定的当前功率电平。用户单元随后将测定控制信道的接收到的功率电平，并计算功率损耗。随后将选定一信道，该信道具有把该用户单元的发射功率置于其动态范围之内的接收功率电平。方法的选择取决于现行用户的状态。第一种方法，当建立起的通信正在进行中，或者单元被移交给系统中的另一网格时，是最适于把网格中的用户单元置于其功率控制范围之内的。第二种方法更适于在一通信过程开始时，用户对系统的初次访问。

一旦完成了初始信道分配，就可按需要调节用户单元的发射功率，以把在网格站接收到的信号保持在或接近于适当的接收信号强度阈值上。例如，若用户移向网格站，而且无法充分降低其发送功率以保持适当的接收信号强度，则可将该信号从一信道移到具有较高接收信号强度阈值的另一信道。

在实际实施图5的频谱扩展谱通信系统时，很希望能适当地设置相邻信道的阈值，以使它们彼此相差得不太多。对熟悉本领域的技术人员来说，这一点是很明显的：采用不同的阈值要求限制相邻信道中的已调制信号的边带能量，并要求接收机改善滤波性能以使所需信道上的信号免受高接收功率电平的邻道信号的干扰。图9描述了一种方法，用于安排阈值以降低较强的相邻信道信号的干扰。由于通常无法知晓会有什么样的干扰来自相邻频带，根据图9的安排(例如，为系统带边旁边的信道S1和S9建立高功率阈值电平)将使这些信道更不易受到干扰。具有最低功率电平阈值的易受干扰的信道S4-S6位于系统的中心，此处相邻信道干扰受到了系统的控制。

现参见图7，其中提供了总括地标为70的示意图，它表示显示本发明的另一频谱扩展通信方案。在示意图70中，一诸如结合图5所描述的频谱扩展方案被以TDMA方式用于一频谱扩展信道。在图70中，纵坐标表示的是时间，而不是频率。这里，一特定的频率被分成时隙T1-T3，分别为71-73。每个时隙为一时分信道，并分配有一特定功率电平。当在基站接收到通信信号时，该接收信号，根据其功率，被分配到一特定时分信道，71-73。同样，基站可控制该信号，以增大/降低功率，从而更好地与它们在的时分信道的功率电平相匹配。

在图8中，提供了总括地标为80的示意图，它代表本发明的又一频谱扩展通信方案。图80为一三维图，其中加入了时间，作为第三轴。图80表示图5和7的结合。在此，通信信道被分成频率带宽段S1-S3。各频率带宽段又被分为时隙T11-T33。通过给每一频段/时隙组合分配一不同的功率电平，通信系统就可把到达的信号分配到能够更密切地匹配于到达的信号功率电平的频段/时隙部位。

因此，对本领域的技术人员很明显的是，本发明使频谱扩展通信系统所需的动态功率控制范围大大减小。这又使得可在尽可能增大系统容量的条件下，能采用较简单和便宜的收发机。

因而，本领域技术人员容易理解的是，根据本发明，提供了一种能充分满足前述目的、目标、及优点的方法。

虽然对本发明的描述是结合其具体实施例进行的，但本领域技术人员显然可根据前述做出多种变形、修正、和修改。因此，这些变形、修正、和修改都应属于这里所附的权利要求书的范围之内。

Claims (7)

1．一种通信系统，包括：

一个站，它具有与之相联系的一个第一通信信道和一个第二通信信道，所述第一通信信道分配有第一接收信号强度阈值，所述第二通信信道分配有与所述第一接收信号强度阈值不同的第二接收信号强度阈值，所述第一和第二通信信道基本上为一个单独的覆盖区服务；以及

用于选择所述第一和第二通信信道之一以供用户单元使用的网格站。

2．权利要求1的通信系统，其中所述用户单元包括所述用于选择的网格站，且其中所述选择是根据从所述网格站接收到的一信号进行的。

3．权利要求1的通信系统，其中所述第一和第二通信信道为频分信道。

4．权利要求1的通信系统，其中所述第一和第二通信信道为时分信道。

5．一种通信系统，包括：

一个站，它具有与之相联系的一个第一通信信道和一个第二通信信道，所述第一通信信道分配有第一接收信号强度阈值，所述第二通信信道分配有与所述第一接收信号强度阈值不同的第二接收信号强度阈值；

用于选择所述第一和第二通信信道之一以供用户单元使用的网格站；

用于把所述用户单元的发射功率电平调至所述选定通信信道的所述接收信号强度阈值的用户单元。

6．一种通信系统，包括：

用于测定接收信号的信号强度的一个基站；及

用于在一个站中根据所述接收信号的所述信号强度选定多个通信信道中的一个通信信道的网格站，这多个通信信道的每一个基本上为一单个覆盖区服务。

7．一种通信系统，包括：

用于从一基站向多个通信信道段的每一个发送功能电平阈值信号的装置；所述多个通信信道段的每一个基本上为一单个覆盖区服务；

用于根据用户接收的所述功率电平阈值信号选定所述多个通信信道段中的一个的网格站；

用于在所述多个通信信道段中的所述一个选定的的信道段的访问信道中从所述用户向所述基站发送第一信号的装置；及

用于在所述多个通信信道段中的所述一个选定的信道段中的选择一通信信道的网格站。

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