移动通信基站系统的发送方法 本申请是申请日为1999年2月22日、申请号为99800097.3、发明名称为“在移动通信系统中提供时分交换传输分集的装置与方法”的发明专利申请的分案申请。
【技术领域】
本发明涉及带分集功能的发射/接收装置与方法，更具体地涉及用时分交换传输分集(TSTD)功能发射/接收数据的装置与方法。
背景技术
在衰落环境下的移动通信系统中通常能用分集技术提高数据传输/接收性能。图1为展示可应用于移动通信系统中的前向与反向链路上的分集技术。
参见图1，能用接收机分集在反向链路上发射数据。为了做到这一点，基站装有多个接收天线。对于前向链路，有三种分集技术：传输分集、接收机分集及混合分集。在传输分集中，基站通过多个传输天线发射信号，而移动台通过具有可用多根接收天线获得的效果的单一接收天线接收信号。在移动台具有多个接收天线时提供接收机分集，而将传输与接收分集技术的混合形式称作混合分集。
然而，前向链路上的接收分集技术由于小尺寸的终端限制了接收天线之间的距离而存在着分集增益小的问题。另一问题在于使用多个接收天线需要分开建立的硬件配置用于通过对应的天线接收前向链路信号及发射反向链路信号，从而在终端的大小与成本上施加制约。鉴于这些问题，移动通信系统通常在前向链路上采用传输分集技术。
对于前向链路上的传输分集，在移动通信系统中的基站与移动台分别具有发射与接收机构，如图2中所示。图2中，基站100的基带信号处理器103将在前向链路上传输的用户数据转换为基带信号。在基带信号处理器103中的处理包含信道编码、交织、正交调制及PN(伪噪声)扩展。信号分配器102将从基带信号处理器103接收的信号分配给N个传输天线TXA1至TXAN。从而，基站100的传输端通过N个天线执行传输分集。
移动台200具有单一接收天线RXA，用于接收通过N个传输天线来自基站100的信号。为了处理所接收的信号，终端200包含对应于N个传输天线的N个解调器201至20N。组合器211组合从解调器201至20N接收的解调的信号，及解码器与控制器213解码从组合器211接收的信号，以生成经过解码的用户数据。
图2中，要从基站100发射到移动台200的用户数据是在基带信号处理器103中编码并在信号分配器102中分成N个流，并通过对应的传输天线TXA1至TXAN发射的。然后，移动台200解调通过在与传输天线TXA1至TXAN一样多的N个解调器201至20N中的单一接收天线RXA上接收的信号，并组合经过解调的信号，借此获得分集增益。
现在描述非传输分集(NTD)CDMA通信系统中的发射机结构。参见图3，在基站中的NTD包含CRC(循环冗余校验)发生器311，用于在输入用户数据上加上CRC位，以便检测在发送用户数据时发生的帧差错。在信道编码之前，尾位发生器313在数据帧上加上指示数据结束的尾位。然后，信道编码器315编码数据帧供纠错，交织器317交织编码数据。组合器323将交织的数据与一长码序列“异或”。这一长码序列是在长码发生器319中生成的，并在抽取器321中用与交织器317的输出端上相同的速率进行抽取。信号映射器325将从组合器323接收的编码数据的0与1分别转换成+1与-1，供正交调制。串行到并行(S/P)转换器327将从信号映射器325接收的信号分成I信道与Q信道流，供QPSK(四相移相键控)调制。将I信道与Q信道流在乘法器329与331中加以正交调制并在PN扩展器333中进行PN扩展。供在LPF(低通滤波器)335与337中滤波该扩展信号以便脉冲整形、加载在载波上、及最终通过传输天线发射。
图3中所示基站中的NTD发射机输出的发射信号具有图5的511所指示的结构。图5示出从NTD发射机及从带两个天线(N＝2)的正交传输分集(OTD)发射机输出的用户数据的定时特征。如图4中所示，利用OTD发射机来改进NTD CDMA移动通信系统中的前向链路信道的性能。在该OTD发射机中，一个用户的信息分支成两或更多的流，并通过不同的传输天线发射，如用513及515所示。
图4为用于诸如移动通信系统中的基站的带有例如两个传输天线(N＝2)的OTD发射机的方框图。下面的描述是以理解〔Wm-Wm〕等于〔WmWm〕而进行的。
参见图4，除了串行到并行转换处理之外，OTD发射机与图3的NTD发射机以相同的方式操作。在OTD结构中，映射的数据在S/P转换器413、415与417中分支成与传输天线一样多的N个流，并在乘法器419、421、423与425中正交调制，以保持传输天线之间的相互正交性。
除了正交调制，应扩展正交码以保证天线之间的相互正交性。正交码扩展是用Hadamard(哈达玛)矩阵扩展完成的。如果OTD发射机带有图4中所示的两根传输天线A与B，分配给天线的不同正交码为从用在NTD发射机中的长度为2m的正交码Wm扩展的〔WmWm〕与〔Wm-Wm〕。正交码扩展的目的为补偿该N个流中的每个的数据率，在串行到并行转换之前它是数据率的1/N。
用于接收来自这一OTD发射机的信号的接收机需要信号用于解调用户数据的解调器、用于提供信号解调器中所需的定时与相位信息的导频解调器、和用于转换将M个信号解调器输出转换为一个串行信号流的并行到串行(P/S)转换器。
基站利用导频信道提供定时与相位信息给移动台。移动台首先激活导频解调器来获取必要的信息，并根据获得的信息解调用户数据。应分配给各传输天线一个导频信道。
在对应于图4的传统OTD发射机的接收机中，导频解调器对所接收的信号进行PN解扩及正交解调并积分得出的信号一个周期，以便从所接收的信号中解调出导频信道。导频解调器中的时间估算器及相位估算器从该积分值中估算定时与相位值。
接收机的信号解调器根据从导频解调器接收的定时信息对用户数据信号执行PN解扩。通过将相位信息乘以从积分正交调制的信号一个周期得出的积分值来补偿在传输中出现的相位误差。用软判定块将相位补偿后的积分器输出转换成概率值，并通过P/S转换器馈送到去交织器。
尽管与NTD系统相比改进了接收性能，然而通常的OTD移动通信系统具有下述问题。
首先，终端必须装设各与基站的传输天线一样多的导频解调器与信号解调器。这就增加了接收机的复杂性、成本及功耗。
另一问题在于所使用的正交码的长度从NTD情况的正交码长度增加到N倍(对N根传输天线而言)。因此延长了积分间隔，降低了频率误差敏感信道环境中的接收性能。
此外，可利用的传输天线数量限制在2n上。换言之，传输天线数量为2的幂，按这一次序增加到2、4、8、16...，它在包含天线阵列的若干应用上施加了限制。
【发明内容】
本发明的目的为提供TSTD(时分交换传输分集)装置，在其中将基站的发射信号通过时分交换分布到多个天线上。
本发明的另一目的为提供用于接收来自TSTD发射机的信号的接收机。
本发明的又一目的为提供移动通信系统中的TSTD通信装置与方法，在其中不改变正交码的长度。
本发明的又另一目的为提供TSTD移动通信系统中的接收机及接收方法，在其中与传输天线的数目无关只提供单一信号解调器。
本发明的又另一目的为提供TSTD移动通信系统中的发射机及发射方法，在其中可容易地增加传输天线的数目。
按照本发明的一个方面，上述目的是通过在移动通信系统的基站中提供时间分集发射装置达到的。该发射装置具有多个传输天线、与传输天线一样多并连接在它们的对应传输天线上的RF(射频)发射机，用于在前向链路上输出信号；用于在非重叠的时间周期中生成开关控制信号的控制器；用于以正交码调制发射信号的正交调制器；用于扩展正交调制器的输出的扩展器；及连接在扩展器的输出端上的、用于根据开关控制信号将扩展器的输出连接到对应的发射机上的开关。
按照本发明的另一方面，提供了移动通信系统的移动台中的接收装置。该接收装置具有用于从输入前向链路信号检测导频信道信号及生成估算的相位与时间值的导频信道接收机；用于根据周期信息及交换模式信息生成将基准时间与基站同步的选择控制信号的控制器；用于根据选择控制信号有选择地输出从导频信道接收机接收的估算相位与时间值的选择器；及用于在选择的估算时间位置上检测业务信道信号及为信号解码根据估算的相位值校正检测到的业务信道信号的相位误差的业务信道接收机。
根据本发明的一个方面，提供一种移动通信基站系统中的发送方法，包括步骤：产生发送信号；在预定的时间单元将发送信号无重叠地交换到至少两个射频发送机上；在各个发送机上将发送信号转换成射频信号；和在各个天线上发送射频信号。
【附图说明】
通过参照附图详细描述其优选实施例，本发明的上述目的与优点将更为清楚，附图中：
图1为展示移动通信系统中前向与反向链路上的分集技术的视图；
图2为移动通信系统中的前向链路上的基于传输分集的装置的方框图；
图3为移动通信系统中的NTD发射机的方框图；
图4为移动通信系统中的传统OTD发射机的方框图；
图5示出从图3与4中所示的发射机发射的数据的结构；
图6为按照本发明的实施例的移动通信系统中的TSTD发射机的方框图；
图7为图6中所示的控制器的方框图；
图8为展示从图6的TSTD发射机的周期性模式中发射的数据的定时特征的视图；
图9为展示从图6的TSTD发射机的随机模式中发射的数据的定时特征的视图；
图10为展示从图6的TSTD发射机同步发射的多个用户的数据的定时特征的视图；
图11为展示从图6的TSTD发射机异步发射的多个用户的数据的定时特征的视图；
图12为描述按照本发明的实施例的移动通信系统的TSTD发射机中传输天线数目的可扩展性的参考图；
图13为用于接收来自按照本发明的移动通信系统中的TSTD发射装置的数据的接收装置的实施例的方框图；以及
图14为用于接收来自按照本发明的移动通信系统中的TSTD发射装置的数据的接收装置的另一实施例的方框图。
【具体实施方式】
按照本发明的实施例的移动通信系统在传输方上用分时交换分配用户数据到多根天线上以实现传输分集，并在接收方上在单一信号解调器中解调基于时间分集的信号。按照本发明的时间分集的特征在于：
(1)不管传输天线的数目N，设置一个信号解调器用于解调用户数据。即，用户只能获得一个正交码，这使接收机的简化及终端的低功耗与低成本成为可能；
(2)不管传输天线的数目N，正交码的长度与用在NTD装置中的正交码的长度相同。这蕴含不增加在提供时间分集中所涉及的积分间隔；以及
(3)可利用的传输天线的数目不限于2n而可以无限制地扩展，从而在其它应用上不施加限制。
在描述按照本发明的实施例的基站的发射机及终端中的接收机的结构与操作之前，要指出通过时分交换在传输天线上实现时间分集的TSTD方案是作用在本发明的移动通信系统中的前向链路上的。
图6为在按照本发明的基站中带有两根(N＝2)传输天线的TSTD发射机的方框图。
参见图6，信号映射器611接收通过组合编码用户数据与长码得出的信号，并通过分别将0与1转换成+1与-1改变所接收的信号的电平。S/P转换器613将从信号映射器611接收的串行信号转换成奇数编号的信号与偶数编号的信号。乘法器615将偶数编号的信号乘以正交码Wm。乘法器617将奇数编号的信号乘以正交码Wm。这两个乘法器615与617的功能为用乘法对用户信号进行正交调制(或正交扩展)。正交码可以是Walsh(沃尔什)码。PN扩展器619将从乘法器615与617接收的正交调制的信号乘以对应的PN序列PNI与PNQ，用于PN扩展(或PN掩蔽)要发射的信号。
控制器600生成用于将发射信号分配给本发明的TSTD发射机中的多根天线的开关控制信号。控制器600以同步模式与GPS(全球定位系统)信号同步，且开关周期为正交码长度的整数倍。此外，在以特定模式实现时分交换的情况中，应将用于相对于跳跃模式存储交换信息的查找表提供给控制器600。控制器600配置在图7中，稍后将给出其操作的描述。开关621根据控制器600的输出开关，并具有耦合在从其发射I信道与Q信道扩展信号的PN扩展器619的输出端上的公共端、耦合在LPF 623与625上的第一输出端、及耦合在LPF 627与629上的第二输出端。开关621根据从控制器600接收的开关控制信号开关，并有选择地将从PN扩展器619接收的扩展信号输出到LPF 623与625或者LPF 627与629。
LPF 623与625低通滤波从开关621接收的I信道与Q信道PN扩展信号。乘法器631与633为频率上变换将LPF 623与625的输出乘以载波。加法器641将从乘法器631与633接收的信号相加并将得出的信号发送给传输天线A。
LPF 627与629低通滤波从开关621接收的I信道与Q信道PN扩展信号。乘法器635与637为频率上变换将LPF 627与629的输出乘以载波。加法器643将从乘法器631与633接收的信号相加并将得出的信号发送给传输天线B。
图6中所示的结构能适用于作为TSTD基站中的前向信道发射机。前向信道发射机包含导频信道发射机、同步信道发射机、控制信道发射机及业务信道发射机。考虑到导频信道提供在前向链路上传输数据的时间同步，可将导频信道发射机配置为OTD结构，而其它信道发射机能采用图6中所示的TSTD结构。
图7为图6中所示的控制器600的方框图。参见图7，基准周期寄存器711存储从上级处理器接收的基准周期信号。基准周期信号作为信道发射机中的时分交换周期工作。时钟计数器713接收来自基站系统的时钟脉冲，以基准周期单位对时钟脉冲计数，及生成读脉冲。查找表715存储从上级处理器接收的交换模式信息，并响应从时钟计数器713接收的读脉冲输出对应的交换信息。控制信号发生器717生成用于按照从查找表715读取的模式信息将PN扩展信号分配给多根传输天线的开关控制信号。
作为示例，图7的控制器600进行工作用TSTD基站发射机中的周期将基带发射输出交换地连接到N根天线上。基准周期寄存器711存储信道的时分交换周期，从而各信道能不同地时分交换。即，为基准周期寄存器711中的各信道指定不同的基准周期信号导致在不同的交换周期中传输各信道。存储在基准周期寄存器711中的值是在信道传输之前在上级处理器中为各信道分开指定的，并能在分开确定的控制下在数据传输期间改变。
输入到时钟计数器713的时钟脉冲是从基站系统提供，与基站中的基准时间同步，并具有与正交码长度成正比的时钟周期的。时钟计数器713对时钟脉冲计数，将计数值与存储在基准周期寄存器711中的值比较，并在这两个值相等的时间点上发送读脉冲到查找表715。
查找表715为用于存储通过N根传输天线发射的数据的时分交换模式的存储器。可将不同的交换模式分配给各信道，或多个信道能共用同一交换模式。存储在查找表715中的交换模式便是要从基站发射给终端来允许该终端根据该交换模式解调数据的。
控制信号发生器717分析读自查找表715的交换模式并将信号路径控制到N根传输天线上。即，只启动一根选择的传输天线而截止其它传输天线。
因而，控制器600对输入时钟脉冲计数，比较计数值与基准周期值，并在这两个值相等时生成对应于存储在查找表715中的交换模式的读信号。这里，交换模式为用于在下一步中选择传输天线的信息。将这样获得的交换信息改变成各传输路径的启动/截止信号。
图8为展示从NTD发射机与图6中所示的TSTD发射机发射的信号的特征之间的比较的视图。图8中，标号811表示NTD发射机的输出定时。标号813与815分别表示从TSTD发射机中的传输天线A与B发射的信号的定时。
操作中，与需要同传输天线一样多的正交码的OTD发射机相比，TSTD发射机使用分配给对应的用户的一个正交码；并遵循与NTD发射机直至PN扩展的相同过程。然后将PN扩展数据以指示顺序传输数据到N根传输天线的周期性模式或以随机模式，在等于正交码长度的整数倍的周期中转接到各传输天线。采用哪一种时分交换模式是由控制器600中的查找表715的输出确定的，而时分交换周期是由存储在基准周期寄存器711中的基准周期值确定的。
时分交换方案能采用图9中所示的随机模式以及图8中所示的周期性模式。即，如果查找表715加载了在图6的TSTD发射机中应将数据连接到传输天线A上接连两次，然后到传输天线B一次的交换模式，则控制器600控制开关621将PN扩展器619的输出连接到LPF 623与625两个交换周期及到LPF 627与629一个交换周期。结果，从传输天线A与B输出的信号的定时分别示出为用图9的913与915所指示的。以随机模式的分时交换能附加提供数据加扰效果。
图10为在N＝2、两个用户、及基站的TSTD发射机中同步时分交换条件下的用户数据定时图，而图11则为在N＝2、两个用户、及TSTD发射机中异步时分交换的条件下的用户数据定时图。取决于在基站的所有终端上应用相同的时分交换方案还是不同的时分交换方案，而辨别同步时分交换与异步时分交换。
本发明的TSTD技术克服了OTD技术中遇到的传统限制。由于分配一个正交码给用户，不管有多少传输天线，接收机可在单一解调器中解调所有用户数据信号。此外，采用与NTD发射机中相同的正交码，不延长积分间隔。虽然在OTD发射机中传输天线的数目限制在2n上，在本发明中它是没有限制的(N为整数)。图12为从TSTD发射机及作为比较的OTD发射机发射的用户数据的定时图，其中N为3及采用周期性模式。如图中所示，TSTD发射机能用三根传输天线提供时间分集，这在OTD发射机中是不可能的。
对于对应TSTD发射装置的终端可存在两种类型的接收装置。在一种类型中，将OTD应用在导频信道上而将TSTD应用在其它信道上。在另一类型中，将TSTD应用在包含导频信道及用户数据信道的所有信道上。图13与14为这两种类型接收装置的方框图。因为导频信道是用于在终端中支持同步解调的公共信道，可使用带有预定周期与模式的OTD或TSTD来传输导频信道。
图13为用于接收来自具有两根传输天线、TSTD业务信道发射机及OTD导频信道发射机的发射装置的信号的接收装置。参见图13，该接收装置包含与发射装置的传输天线一样多的导频信道接收机。这些导频信道接收机应采用在长度上与传输天线的数目成比例延长的正交码。图13中，由于两根传输天线而设置两个导频信道接收机1310与1320。输入信号为基带信号。
在导频信道接收机1310中，PN解扩器1311为PN解扩将输入信号乘以PN序列。乘法器1313通过将接收的信号乘以与在导频信道发射机中所用的相同正交码〔WmWm〕而正交解调从PN解扩器1311接收的信号。积分器1315对从乘法器1311接收的信号积分时间T，并求出积分值之和。相位估算器1317分析从积分器1315接收的信号，并输出通过传输天线A接收的导频信号的估算的相位值0。时间估算器1319分析从积分器1315接收的信号，并输出估算的时间值0作为通过传输天线A接收的导频信号的传输时间。
在导频信道接收器1320中，PN解扩器1321为PN解扩将输入信号乘以PN序列。乘法器1323通过将接收的信号乘以与导频发射机中所用的另一正交码相同的正交码〔WmWm〕而解调从PN解扩器1321接收的信号。积分器1325对从乘法器1321接收的信号积分时间T，并求出积分值之和。相位估算器1327分析从积分器1325接收的信号，并输出通过传输天线B接收的导频信号的估算的相位值1。时间估算器1329分析从积分器1325接收的信号，并输出估算的时间值1作为通过传输天线B接收的导频信号的传输时间。
控制器1341与基站的基准时间同步并生成用于以时分交换周期单位选择导频信道接收机1310与1320的输出的控制信号。选择器1343在控制器1341的控制信号的基础上有选择地输出从导频信道接收机1310与1320接收的估算相位与时间值。
在业务信道接收机1330中，PN解扩器1331将在从选择器1343接收的时间信号所指示的传输时间位置上的输入信号乘以PN序列。即，PN解扩器1331用在估算的交换时间位置上的PN码解扩输入信号。乘法器1333将用在业务信道发射机中的正交码〔Wn〕乘以从PN解扩器1331接收的信号。积分器1335对从乘法器1333接收的信号积分时间T，并求出积分值之和。相位符号转换器1345改变从选择器1343接收的相位值的符号。乘法器1337将积分器1335的输出乘以相位符号转换器1345的输出，以同步输入信号的相位。电平判定块1339检测从乘法器1337接收的信号的电平并将信号电平改变成灰度电平。将从电平判定块1339输出的信号馈送给接收机中的解码器。
图13中所示的接收装置包含与N根传输天线(这里为两根天线)一样多的导频信道解调器。这些导频信道接收机在配置与操作上与OTD接收机相同。另一方面，因为使用相同的正交码调制分布在传输天线上的用户数据而给予单一业务信道接收机1330。
选择器1343根据与基站同步的控制器1341的时钟信号，将为N根传输天线估算的时间与相位信息有选择地从导频信道接收机1310与1320提供给业务信道接收机1330。即，在呼叫建立期间终端从基站获取交换周期与模式信息。
控制器1341通过根据从解调的导频信道获得的时间与相位信息解调同步信道及分析加载在解调的同步信道上的信息，得到应用在系统上的当前交换方案。在检测到接收装置中的TSTD的交换方案时，便能按照分时交换将终端同步到基站。
业务信道接收机1330利用有选择地从选择器1343接收的估算时间值对用户数据信号进行PN解扩，并正交解调PN扩展信号。然后，它积分正交调制信号一个周期，并将积分值乘以通过转换选择器1343所选择的相位信息的符号所获得的值，以借此补偿在数据传输期间发生的相位误差。对相位补偿的积分器输出进行软判定，并在电平判定块1339中转换成概率值，及通过P/S转换器(未示出)馈送到去交织器(未示出)。
图14为用于接收来自具有用于所有信道发射机的TSTD结构的发射装置的信号的接收装置的另一实施例的方框图。从而本实施例中的接收装置包含单一导频信道接收机，因为导频信道信号也是为传输时分交换的。
导频信道接收机1410中，PN解扩器1411为PN解扩将输入信号乘以PN序列。乘法器1413通过将接收的信号乘以与对应的导频信道发射机中所用的相同的正交码Wm以正交解调从PN解扩器1411接收的信号。积分器1415对从乘法器1411接收的信号积分时间T，并求出积分值之和。相位估算器1417分析从积分器1415接收的信号，并输出通过传输天线接收的导频信道信号的估算的相位值。时间估算器1419分析从积分器1415接收的信号，并输出估算的时间值作为通过传输天线接收的导频信道信号的传输时间。
控制器1441与基站的基准时间同步，并生成用于以时分交换周期单位选择导频信道接收机1410的输出的控制信号。选择器1443在控制器1441的控制信号的基础上有选择地输出从导频信道接收机1410接收的估算的相位与时间值。
在业务信道接收机1420中，PN解扩器1421将在从选择器1343接收的时间信号所指示的时间位置上的输入信号乘以PN序列。即，PN解扩器1421用在估算的交换时间位置上的PN码解扩输入信号。乘法器1423将用在对应的业务信道发射机中的正交码〔Wn〕乘以从PN解扩器1421接收的信号。积分器1425对从乘法器1423接收的信号积分时间T，并求出积分值之和。相位符号转换器1431改变从选择器1443接收的相位值的符号。乘法器1427将积分器1425的输出乘以相位符号转换器1431的输出，以同步输入信号的相位。电平判定块1429检测从乘法器1427接收的信号的电平并将信号电平变成灰度电平。从电平判定块1429输出的信号馈送给接收机中的解码器。
图14中所示的接收装置示出在导频信道以及业务信道上执行TSTD的实例。由于为导频信道使用一个正交码，这是与图13的接收装置不同的，所有必要的定时与估算的相位都能利用带有与业务信道接收机1420相同的时分交换技术的实现的单一导频信道接收机1410生成。
移动通信系统中的前向链路上的TSTD提供下述效果：
(1)不管传输天线的数目N，只需要一个业务信道接收机用于解调用户数据，因为用户只能获得一个正交码，这能简化接收机并使终端低功耗与低成本；
(2)由于利用NTD装置中所用的正交码而不改变正交码的长度。因此，不增加在提供时间分集中所涉及的积分间隔，并且没有可能由诸如频率误差的信道环境导致的接收性能恶化；
(3)可利用的传输天线的数目不受限制，从而不在其它应用上施加限制；以及
(4)能通过在基站中的用户上应用不同的交换技术而在接收性能的改进上增加加扰效果。
虽然已参照特定实施例详细描述了本发明，它们只是示范性应用。因而应清楚地理解，熟悉本技术的任何人都能在本发明的范围与精神内作出许多改变。