用于在相同频带宽度上重叠两个码分多址系统的方法和装置

摘要

为了使重叠基站的定时对准现有基站的定时,在系统中引入同步单元(128)。同步单元(128)具有配置成接收第一信号的第一接收机,第一信号具有第一CDMA信道化。配置第一接收机以产生第一信号的定时指示。同步单元(128)还具有配置成接收第二信号的第二接收机,第二信号具有第二CDMA信道化。配置第二接收机以产生第二信号的定时指示。同步单元还具有时间误差检测单元,配置成将第一信号的定时和第二信号的定时进行比较,以确定它们的相对定时偏移。

说明书

发明背景

I.发明领域

本发明涉及通信系统。尤其，本发明涉及重叠码分多址通信系统。

II.相关技术的描述

无线媒介已成为现代社会中传送话音信息和数字数据的主要手段之一。在无线通信系统中，通常是单个基站将信号发射到多个远程单元。为了在向多个远程单元提供信号时对抗粗糙的多路径无线发射信道，开发了提供有效数据传送以及用户信道化的调制和编码方案。一般，当基站以同步定时发射每个信号时，这些方案的工作最有效。例如，在典型的码分多址(CDMA)系统中，通过使用不同的代码区别各个信号。在从基站向远程单元发射的情况下，这些代码通常是正交代码组，如Walsh函数。如果对应于正交信道的发射未对准对应于另一信道的发射，那么代码的正交性质将退化，该发射将与其它发射相互产生严重干扰。

图1是地面无线通信系统10的典型实例。图1示出了三个远程单元12A、12B和12C以及两个基站14。实际上，典型的无线通信系统可以具有更多的远程单元和基站。在图1中，示出远程单元12A显示为安装在汽车中的移动电话单元。图1还显示了手提电脑远程单元12B和例如可在无线本地回路或仪表读数系统中找到的固定位置远程单元12C。在最普通的实施例中，远程单元可以是任何类型的通信单元。例如，远程单元可以是手提便携单元、如个人数字助理的便携数据单元、或如仪表读数设备的固定位置数据单元。图1显示了从基站14到远程单元12的前向链路信号18，和从远程单元12到基站14的反向链路信号20。

在以下的讨论中，为了有助于说明，参考公知的无线链路工业标准描述本发明。事实上，本发明的一般原理可直接应用于许多多址通信系统。以下的讨论假设根据TIA/EIA/IS-95-A及其派生物中所述的系统工作，该标准的内容是电话工业协会公布的题为“Mobile Station-Base Station Compatibility Standard forDual-Mode Wideband Spread Spectrum Cellular System”，通常称为IS-95，在此引用作为参考。

在如图1中所示的典型的无线通信系统中，一些基站具有多个扇区。多扇区基站包括多个独立的发射和接收天线以及独立的处理电路。这里所述的原理等效地施加到多扇区基站中的每个扇区和单扇区独立基站。因此，在以下的描述中，可以假设术语“基站”是指多扇区基站或单扇区基站中的扇区。

在使用IS-95的系统中，远程单元使用公共频带宽度与系统中的所有基站通信。公共频带宽度的使用增加了适应性，并为系统提供了很多优点。例如，公共频带宽度的使用使得远程单元能够同时接收来自不止一个基站的通信信号，并发射单个信号，供不止一个基站接收。远程单元通过使用扩频CDMA波形性质，辨别同时从各种基站接收到的信号。

在无线系统中，根据能够处理的同时呼叫的数目，使系统容量最大化是非常重要的。如果指定了最小可接受的信号质量，那么就可以计算同时通过基站通信的用户数目的上限。通过一些简化，等式1给出了远程单元必须发射的功率量：其中：

N是公共覆盖区域中工作的远程单元的数目；

R是平均数据速率，假设对所有的远程单元都一样；

W是扩频速率；

N₀是基站的热噪声层加上来自非功率受控源的干扰；

是远程单元中每个噪声谱密度所需的能量，假设对所有的远程单元都一样；和

α是来自所有其它覆盖区域的干扰耦合系数。同时用户数目的上限通常称为系统的极值容量，当等式1的分母为0时，给出该值。把实际用户数目与极值容量的比值定义为系统的负载。当实际用户数目接近于极值容量时，负载接近于1。接近于1的负载意味着系统的潜在不稳定状态。不稳定状态可以导致话音质量性能的退化，较高的差错率、失败的越区切换和丢失呼叫。此外，随着负载的增加，远程单元所需的输出功率也增加。因为远程单元的输出功率是有限的，所以基站覆盖区域的大小将收缩，使得当基站负载重时，空载覆盖区域外缘上的用户不再能够发射足够的功率，以能接受的信号质量与基站通信。等式1特别适于反向链路。因此，有一适于前向链路的可比等式，它具有可比的效果。对于前向链路，随着负载的增加，基站所需的输出功率也增加。

由于这些原因，最好限制访问系统的用户数目，使得负载不超过极值容量的特定百分比。限制系统负载的一种方法是一旦系统负载到达一预定等级就拒绝访问系统。例如，如果负载增加到极值容量的70％以上，那么最好拒绝额外连接始发的请求，并避免接受存在连接的越区切换。

当两个CDMA系统在公共带宽中工作时，这些相同的负载结果以及时间和相位同步仍然很重要。如果两个系统重叠，而不注意它们的根本性质，产生的容量可能相当小。尤其是对于前向链路，其中基站发射的信号通常是正交的。例如，以上IS-95中所述的前向链路波形是相互正交的。如果重叠信号组与现有信号组不是正交的，那么容量的降低可能相当大。为了保持正交性，必须使两个系统相互时间同步。此外，两个系统的容量还涉及第一系统的负载将作为第二系统的干扰，因此减小第二系统的容量，以及第二系统的负载将作为第一系统的干扰，因此降低第一系统的容量。

导频信号的使用将改进前向链路的容量。导频信号可用于捕获和信道估计，如定时、相位、功率控制、和接收码元的加权。基站发射的其它信号相对于导频信号具有已知并恒定的相位校准。为了避免发射多个导频信号，较佳的是相对于重叠信道保持恒定的相位校准。

当在现有系统中使用第二CDMA系统时，现有系统通常不具有与第二类型系统连接的能力。因此，现有系统通常不提供输出，或接受输入，这些动作是获得两个系统间同步和协调负载所需的。相反，可以将新系统设计成带有这种重叠结构。为了减小使用第二重叠系统的成本，避免修改现有系统是很重要的。

因此，本领域中需要一种系统和方法用于在相同频带宽度上重叠两个CDMA系统。

发明内容

为了在现有系统上重叠第二CDMA系统，需要校准每个系统发射的信号的定时。为了避免修改现有系统，可以使用同步单元接收来自第一和第二系统的信号。通过比较信号的定时，产生表示定时偏移的误差信号。定时误差信号与第二CDMA系统耦合，并可用于调节第二系统定时，以减小两个系统之间的时间差。在一些情况下，以类似的方式校准两个系统的相位。

当第二CDMA系统重叠现有系统时，每个系统的容量受另一系统上负载的限制。在另一实施例中，同步单元还能测量两个系统发射的一组信号的功率，并确定它们的负载等级。

附图说明

图1是典型地面无线通信系统的框图。

图2是示出cdma2000系统和IS-95系统的频谱特征的频谱图。

图3是示出可用于实现本发明的基本结构的框图。

图4是本发明同步单元的框图。

图5是其中重叠系统使用辅助导频信道的蜂窝系统的框图。

图6是示出定向点天线的使用的示意图。

图7是说明根据本发明的相位同步的流程图。

图8是示出根据本发明的负载控制的流程图。

本发明的详细描述

当在先前提供了早一代CDMA系统的服务区域中发展第三代、宽带、码分多址(CDMA)系统时，使宽带系统的工作频谱与现有系统重叠通常是有利的。例如，可以使使用1X模式、扩频速率为1.2288Mcps(带宽约为1.25MHz)的cdma2000系统与也使用扩频速率1.2288Mcps(带宽约为1.25MHz)的旧一代IS-95系统重叠。cdma2000系统还具有3X模式，它使用的扩频速率为3×1.2288Mcps(带宽约为3.75MHz)。cdma2000 3X模式中的一种具有多载波前向链路，它可以重叠旧一代的IS-95系统或cdma2000 1X系统。

图2是示出cdma2000系统和IS-95系统的前向链路频谱特征的频谱图。频谱100表示cdma2000系统中以3X模式工作的一个信道，频谱102、104和106表示三个IS-95或cdma2000 1X模式信道的频谱。频谱102、104和106还表示cdma2000 3X多载波系统的每个载波。为了使这种重叠系统适当地工作，两个系统以公共的定时工作，使得两个系统不引起过度的相互干扰。如果使用公共导频信道，那么两个系统使用公共相位发射其前向链路代码信道，该公共相位对准公共前向链路导频信道的相位。此外，因为这些系统共用相同的带宽，所以两个系统的组合负载必须保持低于工作阈值，以保持系统稳定性。

图3是示出可用于实现本发明的基本结构的框图。移动交换中心(MSC)110使蜂窝系统与公共交换电话网(PSTN)耦合。MSC 110耦合到现有系统的一个或多个基站控制器(BSC)112。BSC 112提供对如基站收发机子系统(BTS)114之类的一组基站的控制。BSC 112提供控制功能，例如将前向链路信号分配给基站收发机子系统，以及对从基站收发机子系统接收到的反向链路信号进行信号组合。基站收发机子系统，如BTS 114，通常分散在系统的覆盖区域中，向相应的基站覆盖区域提供服务。BTS 114提供编码和调制，以及物理链路的其它特征，以便产生射频(RF)信号，在现有系统的无线链路上发射，现有系统如IS-95系统或以1X或3X模式工作的cdma2000系统。基站收发机子系统通常直接耦合到天线，分集天线组或天线阵，如图3中所示的天线122。

除了现有系统，图3中还示出了重叠系统。虽然可以开发另外的实施，但是在图3中，重叠系统在MSC 110的控制下工作。MSC 110耦合到重叠基站控制器116，该控制器提供对如图3中所示的重叠BTS 118之类的一组重叠基站接收机的控制。在图3的实例中，重叠BSC 116和现有BSC 112都连接到相同的MSC 110。然而，每个现有和重叠BSC都可以连接到不同的MSC。重叠BTS 118根据第二CDMA协议，如IS-95系统或以1X或3X模式工作的cdma2000系统，产生并接收无线链路信号。

为了保持公共相位和定时，可以通过公共天线发射每个系统发射的信号。因此，组合器120使现有BTS 114和重叠BTS 118耦合到天线122。如图3所示，组合器120将现有BTS 114和重叠BTS 118的功率放大器(未图示)的输出组合。然而，一般，组合器120可以在发射链中多级的任何一级中实施。例如，在一个实施例中，组合器120在中频处、在模拟基带或在数字基带处工作。

类似地，在图3所示的结构中，组合器120使天线122耦合到现有BTS 114和重叠BTS 118中的低噪声放大器(未图示)。然而，在另一实施例中，组合器可以连接在接收链中的其它位置。在又一实施例中，现有基站114和重叠基站118的接收路径彼此独立。例如，图3示出了现有和重叠BTS组合的的发射和接收部分。然而，发射和接收部分可以分离，也可以使用不同的天线。

同步单元128促使了重叠系统的引入。在一个实施例中，同步单元128耦合到独立的天线126，该天线位于天线122的覆盖区域中。在另一实施例中，同步单元通过在组合器120和天线122之间的发射线路中使用耦合器，如定向耦合器，获得用于提取定时、信号相位、和负载的信号能量。在又一实施例中，同步单元通过一对耦合器获得定时和相位信息，其中一个耦合器在现有基站的发射链或发射线路中，另一耦合器在重叠基站的发射链或发射线路中。在本发明的范围中，发射链是BTS硬件本身的一些部分，发射线路是从BTS中功率放大器输出到天线的馈线。一般，从任何部分都能获得发射信号，其中可以获得确定定时、相位、负载所需的适当信息。当使用从BTS的发射链获得的信息时，对于所有信息不必使用单个位置。例如，可以从BTS的一部分获得定时信号，可以从BTS的另一部分获得功率信号。然而，如果使用另外的天线，那么在获得信息的位置和天线辐射的信号之间可能有误差。这些误差的结果是可能使设定时间、设定相位或确定负载的精确度降低。这些结果为理解本发明理论的本领域熟练的技术人员所公知。如图3所示，同步单元128还耦合到重叠BTS 118。然而，在另一实施例中，同步单元128可以耦合到现有基站114，而非重叠基站118。然而，一般同步单元128便于两个系统的时间和相位同步，而无需到现有系统的附加输入或输出。同步单元128的作用是使重叠基站的时间和相位与现有基站的时间和相位同步。

为了保持现有BTS 114发射的信号与重叠BTS 118发射的信号之间的正交性，根据相应覆盖区域中远程单元所能感觉到的，BTS 114和118的定时必须互相对准。在cdma2000系统中，只需要对准定时，以保持与IS-95系统的正交性。然而，其它系统还可能需要对准信号相位。此外，为了使用公共导频信道，在现有系统和重叠系统之间必须对准相位。

例如，当cdma2000系统和IS-95系统重叠时，应该使代码信道时间对准PN码片的大约十六分之一或大约50纳秒之内。随着时间对准误差的增加，现有基站和重叠基站发射的信号越来越不正交。不正交的信号彼此干扰，并导致较低的系统容量。

在一个实施例中，重叠系统与现有系统使用同一导频信道。在该实施例中，重叠BTS 118发射的每个CDMA代码信道的相位必须与现有BTS 114发射的导频信号相位对准，因为远程单元使用现有BTS 114发射的导频信号形成相位参考值，以解调来自重叠BTS 118的数据信号。

图4是同步单元128的框图。在一个实施例中，同步单元128包括导频信号接收机140。导频信号接收机的结构相当类似于远程单元的结构，以实现在CDMA系统中接收导频信号的公知技术。此外，同步单元128包括重叠信道接收机142，它用于接收来自重叠基站的信道。例如，在cdma2000系统中，重叠信道接收机142(它也可以根据公知技术构造)可用于接收前向公共控制信道(F-CCCH)、前向广播控制信道(F-BCCH)，或重叠基站发射的任何其它信号。较佳的是，连续发射监控信号。导频信号接收机140产生定时和相位信号。重叠信道接收机142也产生定时和相位信号。在一个实施例中，产生单个信号表示定时和相位。在本发明另一实施例中，其中不需要相位，只需要获得定时信息。

鉴相器144将导频信号接收机140输出的相位信号与重叠信道接收机142输出的相位信号比较，并产生表示这些信号间相位差的误差信号。鉴相器144的结构可以根据许多公知的装置，以实现确定相位误差或相位差的技术。在另一实施例中，同步单元可以监控现有基站发射的其它信道，如寻呼信道或同步信道。在又一实施例中，重叠BTS 118发射同步单元128监控的导频信号，同步单元128监控现有BTS 114发射的另一信道。

把同步单元128输出的相位误差信号耦合到重叠BTS 118的相位误差输入。重叠BTS 118使用相位误差信号来修改重叠BTS 118所发射信号的相位，以减小相位误差的大小。根据重叠BTS 118的个别设计，可以用很多公知的方法实现该过程。例如相位误差可用于控制压控振荡器(VCO)压控振荡器可用于为重叠BTS 118产生一个或多个本地振荡器频率。或者，在同步单元128的误差信号所控制的模拟或数字电路中可以开发移相器或延迟线。在另一实施例中，同步单元128的输出可以耦合到现有基站114，并用于调节其相位。通常，该过程使重叠BTS发射的信号相位对准现有BTS发射的信号。因为来自现有BTS的信号互相对准，并且来自重叠BTS的信号也互相对准，所以该对准具有对准所有信号彼此间相位的效果。

用非常相同的方式，同步单元128可用于使重叠BTS 118的定时对准现有BTS 114的定时。同步单元128中的时间误差检测单元146产生误差信号，该信号反映了现有基站114和重叠基站118的输出信号的相对定时。通常，现有基站114，以及重叠基站128包括定时发生器，该定时发生器被构造成可以调节，使得系统时间与通用基准同步。同步单元128产生的定时误差信号可以耦合到定时发生器，以调节现有基站114和重叠基站118之间的定时，使得定时误差减小。因为来自现有BTS的信号彼此对准，并且来自重叠BTS的信号也彼此对准，所以该对准具有对准所有信号彼此间时间的效果。

与第二CDMA系统重叠在现有CDMA系统上关联的另一重要方面是需要控制每个系统的负载。负载对于确定进入政策很重要。进入政策是指无线系统必须作出的判定，所述判定有关是否允许增加附加的话音或数据呼叫，允许使用较高的数据率。这些进入政策依次增加或减小负载。如上所述，一般工作话务信道的数目表示系统的负载，但它不是不确定的。因此，简单地对工作话务信道计数，并将该信息从现有BTS 114传送到现有BSC 112和MSC 110，并从该处传送到重叠BSC 116并最终传送到BTS 118不能提供系统负载的精确估计。此外，这种方案涉及现有系统的改变。然而，为了避免对每个系统的任意进入限制，最好研究一种负载的复合测量是有利的。该负载的复合测量可用于影响重叠BTS 116和现有BTS 114的进入政策，使得每个BTS的总负载保持在合理的限制内。

在一个实施例中，同步单元128还可用于将负载信息提供给重叠系统，而无需改变现有系统。例如，把功率测量单元148耦合到天线126，并测量现有和重叠系统两者产生的每个前向链路代码信道的功率。此外，导频信号接收机140确定导频信道的功率。根据该信息，比较单元150可以根据以下的等式2确定负载指示α。其中：

α是负载指示，它保持在小于1，以指示稳定系统性能；

E_P是导频信号的能量；

IC是包括导频信道的前向链路代码信道的总能量；

是确保系统的稳定性能的预定导频信道分式；和

等于当前导频信道分式。

在一个实施例中，比较单元150根据等式2计算负载指示，并将该信息提供给将该值用于进入算法的重叠BTS 118。在一个实施例中，在传入重叠BTS118之前，现有BTS 114以相同的方式连续使用预定进入算法。

再次参考图4，注意到功率测量单元148对现有系统的每个信道和新重叠系统的每个信道测量每个前向链路代码信道的功率。因此，参考图2，在一个实施例中，功率测量单元148对所示的每个信道测量每个前向链路代码信道的功率。

导频信号接收机140、重叠信道接收机142和功率测量单元148，每个都执行信号的解调。因此，在一个实施例中，在单个时分单元中可以有效地实现这些模块。在另一实施例中，这些单元共用接收机硬件的至少一部分。

在刚描述的实施例中，现有系统或重叠系统发射单个导频信号。在两个系统中工作的远程单元可以使用公共导频信号，以确定可用于解调话务信道信号的相位基准。在另一实施例中，辅助导频信道的工作原理可应用于现有系统或重叠系统。辅助导频提供远程单元解调重叠基站发出的信号所用的相位基准。

图5是其中重叠系统使用辅助导频信道的系统的框图。在图5中。重叠BSC116耦合到重叠BTS 160。重叠BTS 160耦合到定向、点天线162。定向、点天线162提供现有系统覆盖区域中的覆盖区域。例如，图6是示出定向、点天线使用的示意图。较大区域170表示天线122的覆盖区域，较小的覆盖区域172表示定向点天线162的覆盖区域。在实际系统中，定向、点天线可用于提供主要包括特定高负载区域的覆盖区域。例如，定向、点天线可用于向足球场、步行商业街或大学校园提供覆盖区域。在一个实施例中，点天线162可以具有与天线122相同的覆盖区域。此外，不必要具有分离的天线以使用辅助导频信道。既然是这样，辅助导频信道可用于为重叠基站以图3所示方式发射的信号提供相位基准。在该实施例中，同步单元164提供现有基站114相对于重叠基站118或162的定时。

在该实施例中，重叠BTS 160发射与现有BTS 114发射的导频信号正交的独立导频。在重叠BTS的覆盖区域小于现有BTS的实施例中，当远程单元从覆盖区域107移动到覆盖区域172时，根据公知技术，远程单元执行从现有系统到重叠系统的越区切换。在覆盖区域172中，远程单元使用重叠BTS 160发射的导频信号，作为相位基准。由于该原因，重叠基站160发射的信号不再需要与远程单元所感觉的现有BTS 114发射的信号的相位同步。

当重叠系统使用辅助导频而不需要现有系统和重叠系统之间的相位同步时，虽然，在cdma2000系统重叠IS-95系统的情况下，但是时间同步仍然很重要，以提供信号的正交性。因此，在图5中，同步单元164和天线166只需要向重叠基站160提供时间同步信息。

在一些实施例中，重叠系统160所用的导频信号使用比现有BTS长的Walsh序列。例如，在一个实施例中，现有BTS 144发射的导频信号的长度为64码片，而用于从重叠BTS 160发射导频的Walsh码元的长度为512码片。使用较长的Walsh序列允许产生多个更正交的导频信号，因此，允许在系统中更经常地分配辅助导频信道。在1997年9月8日提交的序号为08/925，521(’521申请)、题为“Method and Apparatus for Providing Orthogonal Spot Beams，Sector and Picocells”的美国专利申请中可以找到关于辅助导频信道的附加信息，该申请转让给了本发明的受让人，并通过引用其全文结合于此。’521申请描述了提供附加导频信道的方法和装置，所述附加导频信道对可获得Walsh信道数目影响最小。’521申请描述了连接Walsh序列组合和Walsh序列补码以提供辅助导频参考序列的方法。

图7是示出根据本发明的相位同步的流程图。图7的原理可直接应用于时间同步。在框200中，现有BTS 114使用第一CDMA信道化通过天线126发射导频信号。在框202中，同步单元128通过天线126接收导频信号。在框204中，重叠BTS 118使用第二CDMA信道化并通过天线122发射信息信号。该信息信号可以是话务信道或其他远程单元特定信号，或者它可以是广播信号，如同步信道或寻呼信道发射。在框206中，同步单元128通过天线126接收信息信号。在框208中，同步单元128将导频信号的相位和信息信号的相位进行比较，并产生相位误差指示。在框210中，重叠BTS 118根据相位误差信号调整所发射信息信号的相位。

在时间同步的情况下，可以用将导频信号的定时和信息信号的定时比较，并产生定时误差信号的框代替框208。类似地，可以用调整所发射信息信号的定时的框代替框210。

图8是示出根据本发明的负载控制机构的一个实施例的流程图。在框220中，现有基站114使用第一CDMA信道化通过天线122发射导频信号和一个或多个信息信号。在框222中，同步单元128通过天线126接收导频信号，并确定导频信号的功率电平。在框224中，重叠基站118使用第二CDMA信道化通过天线122发射一个或多个信息信号。在框226中，同步单元128接收使用第一和第二CDMA信道化通过天线126发射的信息信号，并确定每个信息信号的功率电平。在框228中，同步单元128根据功率测量值确定负载电平。在另一实施例中，可以在重叠BTS 118中或某个其他位置处计算负载的确定。在框130中，负载电平可用于确定重叠BTS 118使用第二CDMA信道化发射的附加信号进入的进入标准。

参考图7和8，以及上述的其他实施例，使用定向耦合器或上述其他信号能量耦合机构可以实现通过第二天线获得信号能量的过程。

可以在其他特定形式中实现本发明而不脱离本发明的精神或本质特征。例如，在一个实施例中，重叠系统可以是具有更窄的信道带宽的系统，而现有系统具有频带更宽的信道。在一个实施例中，不止两个系统相互重叠。在所有方面，只考虑所述的实施例用于说明，而非限制性的，因此，以下的权利要求而非以上描述指出了本发明权利要求书的范围。该范围中包含权利要求书的等效意义和范围中的所有变化。