CN1254487A - 移动通信系统中的随机接入 - Google Patents

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Abstract

公布了一种方法。该方法为一个小区里的每一个扇区分配一个唯一的报头扩频码(106)和一个唯一的长码(116),这一长码跟与一个特征码有关的短码(112)相关联,用于将数据区(120)的数据扩频。长码的长度可以选择得相对较长(例如有几个小时或几天长)。发射时隙的宽度被设置成等于报头(108)的长度。因此,移动台的随机接入请求(20、22、24)可以在时隙的开头发射,并由基站的随机接入接收机里的匹配滤波器在报头期间检测到。移动台随机接入请求(20、22、24)的数据区(120)是在报头(108)以后的时隙里发射并由基站的瑞克接收机接收到的。

Description

移动通信系统中的随机接入
相关应用
本申请的内容涉及1996年10月18日提交的共同转让的第08/733501号美国专利申请。
发明背景
技术领域
本发明一般性地涉及移动通信领域，更具体地涉及处理多个随机接入移动始发呼叫的一种方法。
相关技术
下一代移动通信系统需要提供多种通信业务，包括数字话音、分组视频和数据以及信道电路交换模式。结果，呼叫次数将显著增多，从而导致随机接入信道(RACH)的高得多的业务密度。遗憾的是，这种较高的业务密度还会导致更多的冲突和接入失败。因此，为了提高接入成功率，缩短接入请求的处理时间，新一代移动通信系统必须使用更快更灵活的随机接入方法。
在大多数移动通信系统里，例如，欧洲合作开发的“码分试验台(CODIT)”和按照IS-95标准(ANSI J-STD-008)工作的系统，移动台可以通过首先确定可以使用的RACH来接入基站。然后移动台发射一系列接入请求报头(例如，单个1023片码元)，所用发射功率一次比一次高，直到基站检测到这一接入请求。作为响应，基站开始通过下行链路信道控制移动台的发射功率。一旦完成移动台跟基站之间的初始“握手”，移动台就发射一个随机接入消息。
在扩频时隙预约多接入(Spread Spectrum Slot ReservationMultiple Access，SS-SRMA)系统里，采用了时隙ALOHA(slottedALOHA，S-ALOHA)随机接入方案。在时隙的开头，移动台向基站发送一个随机接入数据包，然后等待基站确认已经收到数据包。这一S-ALOHA方案不需要CODIT和IS-95随机接入方案所需要的许多步骤(也就是功率渐增和功率控制，power ramping and powercontrol)。
更具体地说，在基于CODIT的码分多址系统(CDMA)里，移动台通过“功率渐增”过程逐步提高连续发射的每一报头码元的功率，来试图接入基站接收机。只要检测到接入请求报头，基站就启动闭环功率控制电路，它的功能是控制移动台的发射功率，从而使收到的移动台的信号功率维持在所需电平。然后移动台发射它的专用接入请求数据。基站接收机用一个匹配滤波器对接收到的(扩频)信号进行“解扩”，并采用分集合并方法合并扩频信号，以充分利用天线的优点。
在IS-95 CDMA系统里，采用了一种类似的随机接入技术。但CODIT跟IS-95处理的主要区别是IS-95移动台发射的是一个完整的随机接入数据包，而不仅仅是报头。如果基站没有确认接入请求，IS-95移动台就用更高的功率重新发射接入请求数据包。这一过程继续下去直到基站确认接入请求。
在采用S-ALOHA随机接入方案的移动通信系统里，例如采用上述第08/733501号美国专利申请所公布的方法(下文称它为“501申请”)的通信系统，移动台产生并发射一个随机接入数据包。图1说明了这样一种随机接入数据包的帧结构。这一随机接入数据包(“接入请求数据帧”)包括报头和数据区部分。报头包括一个唯一的特征(位)模式，它是“L”码元表。这一特征模式是从一组模式里随机选取的，这组模式可以是但并不必须是相互正交的。同样，如同501申请描述和请求的那样，采用该唯一特征模式，吞吐量比现有随机接入方案的吞吐量明显地高得多。
如同501申请所介绍的一样，随机接入数据包的数据区包括某些随机接入信息，例如移动(用户)识别信息，所需要的业务号(要提供的业务号)、所需要的发射时间(完成一个消息所需要的时间)、短数据包数据消息(用来提高传输效率)和一个差错检测冗余区(循环冗余码)。由于501申请详细描述过的原因，报头的扩频比(spreading ratio)(扩频调制)比数据区部分的扩频比大。但可以想到在某些情况下不必这样。
随机接入数据包(例如图1所示的数据包)是由移动台在下一可用时隙的开头发射出去的。图2示出了能够用在移动台里产生并发射图1所示随机接入数据包的设备框图。本质上说，如图2所示，随机接入数据包的报头和数据区基本上都是(采用各自的扩频码)单独产生和扩频的，然后由移动台通过多路复用发射出去。
接着，目标基站用匹配滤波接收机接收并解调移动台发射的随机接入数据包。图3是基站随机接入接收机检测部分的框图(只用一付天线)，这一检测部分主要是用来估计接收信号射线的时间。只用于报头的匹配滤波器调谐于报头的扩频码上。该匹配滤波器用来检测是否有随机接入请求，并将随机接入数据包的报头部分解码，再馈入累加器单元。累加器(特征1～l，(signature 1～l))是501申请之随机接入方法的唯一特征，用来在报头(M个)码元期间将匹配滤波器的输出信号相加，以提高接收信号的信号干扰比(S/I)。因为每一接收到的报头都包括一个唯一的特征模式，就用多个累加器(1～l)完成累加操作，每一个累加器都调谐到可能接收到的一个特征模式上。
图4是图3中的随机接入检测器部分里能够用于I信道(正交检测)的累加器的简单框图。Q信道可以采用类似的累加器。见图3和图4，每一个累加器(特征1～l)的输出都送到一个峰值检测单元。报头结束时，每一个峰值检测单元都要搜索与它对应的匹配滤波器的输出，寻找超过预定检测门限的每一个峰值。然后每一个峰值检测单元都登记(检测并储存)每一个峰值信号的幅度和相对相位，并确定接收机可以解调的特征信号个数。这样，估计每一个峰的时刻并用于设置接收机的“Rake”参数(瑞克接收机部分1-l)。图5是可以用来解调随机接入数据包数据区部分的随机接入解调器的框图。基本上说来随机接入解调器部分主要是用来对接收到的数据中的数据信息进行解码并检查传输差错。
虽然参考图1～5所介绍的随机接入设备和方法跟已有随机接入方案比较有许多优点，但仍然有许多难题需要解决。例如在处理报头和数据区时，如果所有小区里的移动台都使用同样的扩频码，就会发生大量的数据包冲突。其后果是，需要重发太多的随机接入请求，这会导致系统的不稳定。此外，采用上述随机接入设备和方法，因为是在下一时隙的开头发射随机接入请求的，基站的匹配滤波接收机就没能得到有效的使用，因为在报头接收阶段之后，匹配滤波接收机都处于空闲状态。另外，由于上述方案中随机接入数据包的长度是固定的，短数据包的长度就受到了分组的剩余部分的使用范围的限制。正因为以上所有原因，需要一种更加灵活的随机接入请求方案来解决这些难题。
发明简述
因此本发明的目的是更有效地利用随机接入信道。
本发明的另一个目的是每一个匹配滤波器都能接收比普通方式多得多的随机接入请求。
本发明的又一个目的是降低随机接入请求之间的冲突概率和使丢失最小。
本发明还有一个目的是能够选择随机接入请求数据包的数据区长度，从而提高选择短数据包区长度的灵活性。
本发明再一个目的是提供能够快速建立长数据或话音呼叫的一种随机接入数据包。
本发明还一个目的是将相邻扇区/小区的随机接入尝试之间的交叉相关保持在一个较低水平。
根据本发明，前面的目的和其它目的是这样来达到的，给小区里的每一个扇区分配一个唯一的报头扩频码和一个唯一的长码，该长码跟与一个随意选择的特征有关的一个短扩频码相串接，并用于扩展随机接入数据包的数据部分。长码的周期可以选择得相对较长(例如几个小时或几天长)。还将发射时隙的宽度设置成等于报头的长度。这样，移动台的随机接入请求可以开始于时隙开头，并在报头期间，由基站的随机接入接收机中的匹配滤波器检测到。移动台随机接入请求的数据区是在报头后的时隙里发射的，并由基站的瑞克接收机接收。但是在报头结束以后，匹配滤波器还能接收其它随机接入请求的报头。这样，可以连续、更加有效地利用匹配滤波器，跟现有技术里的随机接入方案相比，可以处理多得多的随机接入请求。于是，利用本方法的随机接入系统的通信吞吐量和效率比现有技术里随机接入系统的吞吐量和效率要高得多。另外，数据区的长度不受限制。随机接入数据包数据区部分的相关扩频方法使得用户能够产生他所需要的长度的数据包。还有，串接的扩频消除了得到的数据包会跟其它随机接入请求数据包发生冲突的危险，因为扩频模式和/或它的相位是唯一的。
附图简述
通过参考以下详述和附图可以对本发明的方法和设备有一个更全面的了解。其中：
图1是说明随机接入数据包帧结构的框图；
图2是能够用在移动台里产生并发射图1所示随机接入数据包的一种设备的框图；
图3是基站的随机接入接收机检测部分(只用一付天线)的框图，这一检测部分主要用来估计收到信号的时间；
图4是能用于图3所示随机接入检测器部分里I信道(正交检测)的累加器的框图；
图5是能用来解调随机接入数据包数据区部分的随机接入解调器的框图；
图6是蜂窝通信系统能实现本发明的有关部分的框图；
图7是本发明一个优选实施方案里，各种移动台能够发射的多个随机接入请求数据包的结构和时间的框图；和
图8是本发明的优选实施方案中一种设备的简单框图，这种设备能够用来实现用在移动台里产生并发射随机接入数据包的方法，例如图7所示的随机接入数据包。
附图详述
最好参考附图1～8来理解本发明的优选实施方案及其优点，不同的附图中相同的数字表示相似部件和对应的部件。
根据本发明，本方法为小区里的每一个扇区分配一个唯一的报头扩展码，以及与数据区(与特征有关的)的短扩频码相串接的一个唯一长码。长码的周期可以选择成相对较长(例如几个小时或几天)。因此可以说随机接入数据包的数据区是在一个专用信道里发射的，因为没有两个消息能够有相同的扩频序列和相同的相位，除非它们选择了同一个特征码并在同一时间发射它们的报头。这会导致数据包冲突，使随机接入尝试失败。但发生这种冲突的可能性非常小。特别是这一方法分配给扇区/小区唯一的扩频码和长码，使得相邻扇区或小区的多个接入随机尝试相冲突的可能性非常小。
根据本发明，本方法将发射时隙的宽度设置成等于报头的长度(为了实用，还减去了一段预定保护时间)。因此移动台的随机接入请求可以在时隙开始时发射，并在报头期间由基站随机接入接收机的匹配滤波器检测到。移动台随机接入请求的数据区是在报头之后的时隙里发射，并由基站的瑞克接收机接收到的。然而，利用本方法，在报头以后，匹配滤波器能够接收其它移动台发出的其它随机接入请求的报头。因此根据本发明，可以连续并有效地利用匹配滤波器，而且跟已有随机接入方案相比，能够处理明显多得多的随机接入请求。这样，采用本发明的方法的随机接入系统，其通信吞吐量和效率都明显高于已有随机接入系统的吞吐量和效率。
此外，根据本发明，数据区的长度不受限制。换句话说，对随机接入数据包数据区部分进行串接扩频的这一方法，使用户能够产生随意长度的数据包。再进一步，采用这一串接扩频方法，得到的数据包跟其它随机接入请求数据包相冲突的危险非常小。
具体而言，图6说明一个蜂窝通信系统10中的一个有关部分，可以将它用于实施本发明的方法。系统10包括一个基站收发天线12和发射机/接收机部分14，以及多个移动台16、18。图6只是示意性的，虽然只画出了两个移动台，但本发明里可以包括两个以上的移动台。产生和发射接入请求帧以前，移动台(例如16)跟一个目标基站接收机(14)实现同步。然后移动台确定基站广播/导频信道信息中每一时隙的开始时刻。移动台还从广播/导频信道信息里取出被处理的时隙号，基站将用它来标志确认(ACK)消息，以确保应该接收这一确认的移动台接收到这一消息。可以在501申请里找到随机接入环境里使移动台跟基站同步的细节。
目标基站还(通过下行链路广播信道)将每一个唯一的随机接入扩频码和跟基站收发信机规定的每一个扇区和/或小区有关的长码发送给提出请求的移动台。例如，这些唯一扩频码和长码可以是Gold码或者Kasami码。移动台将扩频码和长码信息存入存储器存储区(没有画出)，移动台将取出它并将它用来对所产生的随机接入请求数据包的报头和数据区扩频。最后，基站还将与报头有关的特征模式发送给提出请求的移动台(例如合适的广播消息)，可以将它用来帮助区分不同的扇区和/或小区。
例如，如同501申请所述，为了使基站接收机能够更有效地区分多个随机接入请求，采用了一个报头位或码元模式。每一个提出请求的移动台可以发射1个不同的报头位或码元模式(“特征”)之一。所采用的不同的特征模式互相正交，但不是必需正交。在基站接收机里，1个累加器中的每一个都调谐成检测从接收机的匹配滤波器输出的某一个特征码。基站接收机利用接收信号里的这一特征报头来有效地区分移动台同时发出的多个接入请求。
图7的框图说明本发明的优选实施方案里，不同的移动台能够发射的多个随机接入请求数据包的结构和时间。虽然为了示意而只是画出了三个随机接入请求数据包，本发明并不是局限于此，而是能够发射和接收三个以上的这种数据包。对于每一个画出来的随机接入请求数据包(20、22和24)，本方法采用的S-ALOHA方法只用在随机接入请求过程的报头部分。每一个报头(20、22和24)的长度都被设置成等于时隙(n，n+1，……，n+i)的宽度，再减去(为设计目的)一段预定保护时间，以降低时隙间的潜在干扰。例如在实际中，可以采用一个码元的保护时间。此外，如图所示，随机接入请求数据包(20、22和24)数据区部分的长度可以根据具体应用而不同，从而使移动台可以灵活地选择不同的数据区长度。
为了避免一个小区的两个不同扇区中移动台，或者相邻小区里的移动台，发出的任意两个随机接入请求之间发生冲突，可以采用以下扩频方法。如上所述，请求随机接入的移动台，都用一个小区-扇区专用扩频码(例如从相应的内部存储区取出来的)产生唯一的报头。实际上，这些码可以被距离足够远的其它小区复用。
图8是本发明优选实施方案里一种设备的简单框图，这种设备能够用来实现用于移动台里产生并发射随机接入数据包的方法，例如图7所示的随机接入数据包。在一个实施方案里，这一方法可以在位于移动台内部的微处理器(没有画出)的控制下实现。随机接入数据包生成设备100包括一个信号混频器104，它将(例如从移动台内部存储区里取出来的)“特征码i”跟小区-扇区的专用报头扩频码扩频(例如也是从内部存储区里取出来的)，形成并发射随机接入数据包的小区-扇区专用报头。要发射的随机接入数据包的数据区使用数据区产生器110来产生的。混频器114用与“特征码i”有关的一个唯一短扩频码(112)将产生的数据区扩频。然后用一个相关的码将得到的随机接入数据包的数据区扩频，这一相关码可以用与特征码有关的短码(112)跟(例如从内部存储区取出来的)扇区专用长扩频码116(由混频器118)进行模2加来获得。得到的要发射的随机接入数据包的数据区(120)的长度可以由移动台灵活地选择(例如几小时或几天)。移动台里得到的数据区(120)的长度可以不同，使得长数据或话音呼叫可以迅速有效地建立起来。
虽然介绍本发明的方法和设备的优选实施方案时，利用了上述详述并参考了附图，显然，本发明并不限于公布的实施方案，而是可以有各种数不清的重组、修改和替换，而不会偏离以下权利要求提出并规定的本发明的实质。

Claims (19)

1.一种信号格式，用于移动通信系统里发射随机接入请求，包括：
一个报头，该报头包括利用第一个扩频码进行了扩频的一个特征码，所述第一个扩频码与一个预定扇区有关；和
一个数据区，该数据区包括利用短扩频码进行了扩频的信息数据，该短扩频码跟所述特征码有关，其中利用短扩频码对信息数据实施扩频还利用了一个长扩频码进行扩频，该长扩频码跟所述预定扇区有关。
2.权利要求1的信号格式，其中报头长度设置成基本上等于发射时隙的宽度。
3.权利要求1的信号格式，其中数据区的长度可以根据选择而改变。
4.权利要求1的信号格式，其中数据区的长度最少等于一个小时。
5.权利要求1的信号格式，其中的数据区是用至少有一个唯一模式和相位的一个相关码来扩频的。
6.权利要求1的信号格式，其中的特征码包括多个特征码模式中的一个。
7.权利要求1的信号格式，其中的报头和数据区包括一个随机接入数据包。
8.一种报头格式，用于移动通信系统里发射随机接入请求，包括：
一个特征码；和
一个扩频码，该扩频码跟一个预定扇区有关。
9.一种数据区，用于移动通信系统里发射随机接入请求，包括：
一个信息数据区；和
一个短扩频码，其中利用所述短扩频码对信息数据进行扩频，短扩频码与特征码有关，利用短扩频码进行的信息数据扩频还利用一个与扇区有关的长扩频码进行扩频。
10.一种方法，用于移动通信系统里产生随机接入数据包，包括以下步骤：
通过组合一个特征码和一个扩频码产生一个报头，该扩频码跟一个预定扇区有关；
产生一个数据区；
用与所述特征码有关的一个短码来对数据区进行扩频；和
还用与所述预定扇区有关的一个长扩频码对已扩频数据区进行扩频。
11.权利要求10的方法，还包括移动台发射所述随机接入数据包的步骤。
12.权利要求10的方法，其中产生报头的步骤还包括将所述报头的长度设置为基本等于发射时隙的宽度。
13.权利要求10的方法，其中所述进一步扩频的步骤包括选择所述数据区的长度的步骤。
14.权利要求10的方法，还包括在发射完所述报头以后的一段时间里，在目标基站里应用匹配滤波器的步骤。
15.权利要求10的方法，其中进一步扩频的步骤还包括将所述已扩频数据区跟所述长扩频码相关联的步骤。
16.权利要求15的方法，其中相关联的步骤包括模2相加。
17.一种设备，用于移动通信系统里产生随机接入数据包，包括：
产生报头的第一个产生装置；
用与一个预定扇区有关的一个扩频码将特征码进行扩频的第一个扩频装置；
用于产生数据区的第二个产生装置；
用与所述特征码有关的一个短码将所述数据区进行扩频的第二个扩频装置；和
用与所述预定扇区有关的一个长扩频码将所述已扩频数据区进行扩频的第三个扩频装置。
18.权利要求17的设备，还包括移动台里的一个微处理器。
19.权利要求17的设备，其中所述报头的长度基本上等于发射时隙的宽度。
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