CN1287720A

CN1287720A - Cdma无线系统中产生正交扩展码的方法和发生器

Info

Publication number: CN1287720A
Application number: CN99801806A
Authority: CN
Inventors: 威利·利朋宁
Original assignee: Nokia Networks Oy
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1998-10-09
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2001-03-14
Also published as: NO20002934D0; FI982203A; FI982203A0; US6580747B1; NO20002934L; WO2000022744A1; EP1040592A1; JP2002527983A; AU6205199A

Abstract

本发明涉及CDMA无线系统中一种产生短正交扩展码的方法和发生器。该方法包括得到控制数据,即扩展码的(302)长度、(304)顺序号和(306)码级。扩展码这样形成,首先,(308)以长度等于码级的二进制码号来表示所讨论码级中扩展码的顺序号。然后,(310)将该码号翻转形成修改的码号。(312)对扩展码的每个码片重复以下操作:(314)以长度等于码级的二进制码片号来表示码片的顺序号,和(316)对修改的码号和码片号之间进行“AND”运算形成二进制和数,和(318)对该二进制和数的所有比特之间进行“XOR”运算形成扩展码的码片的一个值。

Description

CDMA无线系统中产生正交扩展码的方法和发生器

本发明涉及CDMA无线系统中一种产生正交扩展码尤其是信道化所用的短正交扩展码的方法和发生器。

在采用码分多址(CDMA)的无线系统中，无线资源根据码分分配给多个不同的用户。通过将有效载荷乘以扩展码，各用户的有效载荷可被扩展到例如5MHz的宽频带上。接收机通过将接收信号乘以扩展所用的扩展码就能分离出所需信号。扩展码的成分称为“码片”，它们实际上是一些比特即二进制数。码片的值可以用“0”和“1”表示，或者用实数“1”和“-1”表示。码片速率通常大大高于有效载荷速率，例如码片速率是有效载荷速率的100倍以上。

“扩展码”是指信道化所用的短扩展码而例如不是识别发射机所用的很长的扰码。扩展码的长度一般至多为几百或几千个码片，而扰码的长度可以是例如几万个码片。

所用的扩展码尽可能相互正交。扩展码例如由一种哈达马矩阵得到。哈达马矩阵Mn是一个由0和1所构成的n×n矩阵(n是偶数)，从而矩阵的任何行之间都有n/2个位置上的元素完全不同。因此，矩阵有一行都是0而其余的行一半为0一半为1。如果n=2，则得到如下形式的哈达马矩阵：

利用下列关系式可由哈达马矩阵M_n得到哈达马矩阵M_2n：

其中，矩阵M_n是指矩阵M_n的补矩阵，即用1取代了0而用0取代1。于是，由矩阵1得到：由矩阵3又得到：

如果可能在上述哈达马矩阵中的那些元素即0和1用“1”和“-1”来表示，则矩阵的行相互正交。需要的话，也可以将这些值反转，即用1取代0而用0取代1，不过这不会改变矩阵的特性。例如矩阵1也可用下式给出：

矩阵的每一行都构成一个扩展码。扩展码长度取决于所需扩展因子。这些扩展码例如可以被编号，从而表示出扩展码的码级以及所讨论码级中码的顺序号。根据下式可得出码级：2码级=扩展码长度，即码级=log₂(扩展码)。因此，例如矩阵4包括以下扩展码(下标表示码级，小括号中为顺序号)：

扩展码₃(0)={0,0,0,0,0,0,O,0}

扩展码₃(1)={0,1,0,1,0,1,0,1}

扩展码₃(2)={0,0,1,1,0,0,1,1}

扩展码₃(3)={0,1,1,0,0,1,1,0}

扩展码₃(4)={0,0,0,0,1,1,1,1}

扩展码₃(5)={0,1,0,1,1,0,1,0}

扩展码₃(6)={0,0,1,1,1,1,0,0}

扩展码₃(7)={0,1,1,0,1,0,0,1}

在现有技术中，所有短扩展码都存储在收发信机的存储器中。例如就码级8中的码而言，存储器中存储有256个不同的256码片的码，换言之，要求存储器有256×256比特=共65536比特。较短的扩展码可以从所存储的长扩展码中得到，因此无需单独存储较低码级的扩展码。

本发明的目的是提出一种必要时产生扩展码的方法，从而无需在存储器中存储每一扩展码。利用下述方法可以达到这一目的。这是一种在CDMA无线系统中产生正交扩展码的方法，该方法包括如下步骤：得到扩展码的长度，得到扩展码的顺序号，得到扩展码的码级，以长度等于码级的二进制码号来表示所讨论码级中扩展码的顺序号，将该码号翻转形成修改的码号，对扩展码的每个码片重复以下操作：以长度等于码级的二进制码片号来表示码片的顺序号，并对修改的码号和码片号之间进行“AND”运算形成二进制和数，再对该二进制和数的所有比特之间进行“XOR”运算形成扩展码的码片的一个值。

本发明还涉及CDMA无线系统中一种产生正交扩展码的发生器，该发生器包括：用于得到扩展码的长度的装置，用于得到扩展码的顺序号的装置，用于得到扩展码的码级的装置，用于以长度等于码级的二进制码号来表示所讨论码级中扩展码的顺序号的装置，用于将该码号翻转形成修改的码号的装置，用于对扩展码的每个码片重复以下操作的装置：用于以长度等于码级的二进制码片号来表示码片的顺序号的装置，和用于对修改的码号和码片号之间进行“AND”运算形成二进制和数的装置，和用于对该二进制和数的所有比特之间进行“XOR”运算形成扩展码的码片的一个值的装置。

在附属权利要求书中，公开了本发明的这些优选实施方式。

本发明基于这样的思想：不是存储扩展码，而是总是在需要时利用下述有效计算方法产生这些扩展码。

根据本发明的配置大大节省了存储器。另外，当将所需的数学运算与所述的矩阵运算进行比较时，可以说本方法需要稍小一些的计算幂。只利用约100到200个组合门而无需存储器就能产生码级高达8级的扩展码。

下面将结合优选实施方式并参照附图详述本发明，其中：

图1A和1B示出了移动电话系统，

图2A示出了移动电话系统中的发射机和接收机，

图2B示出了发射机和接收机中扩展码的处理，

图3是产生扩展码的方法的流程图，

图4示出了扩展码树状结构，和

图5A和5B说明了这一产生方法的工作原理。

本发明可应用于采用码分多址(CDMA)的各种移动电话系统中。这些例子描述了本发明在采用直接序列宽带CDMA(WCDMA)的通用移动电话系统(UMTS)中的应用，不过本发明并不局限于此。例如日本ARIB(无线工商协会)所开发的ITM-2000移动电话系统以及欧洲正在开发的UMTS均是根据本发明的系统。这些例子基于WCDMA系统的描述，详见ETSI(欧洲电信标准学会)的技术要求“The ETSI UMTS Terrestrial Radio Access(UTRA)ITU-R RTT Candidate Submission(Tdoc SMG2260/98,May/June 1998)”，在此作为参考。

UMTS的结构将参照图1A和1B来描述。图1B只示出了与描述本发明有关的块，不过，对熟练技术人员而言，显然常规移动电话系统还包括其他一些功能和结构，这些功能和结构在此不必详述。移动电话系统的主要部分是核心网CN、UMTS地面无线接入网UTRAN和用户设备UE。CN与UTRAN之间的接口称为lu而UTRAN与UE之间的接口称为Uu。

UTRAN由一些无线网子系统RNS构成。RNS之间的接口称为lur。RNS包括一个无线网控制器RNC和一个或多个节点B。RNC与节点B之间的接口称为lub。节点B的覆盖区即小区在图1B中用C表示。

由于图1A中的描述很抽象，因此，在图1B中通过示出GSM系统的单元与UMTS的近似相似之处来阐述。应当注意，这些图中所示的图没有任何约束力的而只是近似的，这是因为UMTS的各个部件的作用和功能尚在开发中。

图1B示出了从与移动电话系统连接的计算机100通过因特网102到与用户设备UE连接的计算机122的分组交换传输。该用户设备可以是例如固定设备、车载终端或便携式手持终端设备。无线网基础结构UTRAN由一些无线网子系统RNS或基站系统构成。RNS包括一个无线网控制器RNC或一个基站控制器，以及至少一个由RNC所控制的节点B或基站。

基站B包括一个复用器114、收发信机116和一个控制复用器114和收发信机116的操作的控制单元118。复用器114将多个收发信机116所用的业务和控制信道置于传输链路lub上。

基站B的收发信机116与天线单元120连接，该天线单元实现到用户设备UE的双向无线链路Uu。通过该双向无线链路Uu所发送的帧的结构是严格规定的。

基站控制器RNC包括一个交换区110和一个控制单元112。交换区110用来连接语音和数据并用来合成信令电路。由基站B和基站控制器RNC构成的基站系统还包括一个变码器108。在不同的实现方式中，基站控制器RNC与基站B之间操作的划分以及这些单元的物理结构可以不同。基站B通常管理上述无线路径的实现。基站控制器RNC通常控制以下内容：无线资源管理，小区间越区切换的控制，功率控制，时序和同步，以及用户终端的寻呼。

变码器108通常尽可能靠近移动业务交换中心106，以便在变码器108与基站控制器RNC之间能按移动电话系统方式来发送语音，从而节省传输容量。变码器108可使公用交换电话网与移动电话网之间所用的各种数字语音编码方式互相适用，因此，它可以将例如64 kbit/s的固定网方式变换为蜂窝无线网的某些其他(比如13kbit/s)方式，反之亦然。所需设备在此不作详述。只要说语音是变码器122中所变换的唯一的数据类型就够了。控制单元112完成呼叫控制、活动性管理、统计数据收集和信令。

核心网CN由UTRAN之外的移动电话系统的基础结构构成。根据核心网的装置，图1B示出了移动业务交换中心106和一个信关移动业务交换中心104，该信关移动业务交换中心管理从移动电话系统到外界(这里是到因特网102)的连接。

用户终端可以是例如便携式移动电话、车载电话、无线本地回路终端或集成在计算机中的数据传输设备。

图2A示出了无线发射机和无线接收机的工作情况。无线发射机可以位于节点B或位于用户设备UE中，而无线接收机可以位于UE中或位于节点B中。

图2A中的上半部分示出了无线发射机的基本功能。置于物理信道上的各种业务包括语音、数据、活动或静止的视频图象以及系统控制信道。该图说明了控制信道和数据的处理。不同的业务需要不同的信源编码装置，例如语音呼叫需要语音编解码器。不过，为简明起见，图2A中未示出信源编码装置。

在信道估算中，接收机所用的领示比特被置于控制信道214上。用户数据200被置于数据信道上。

因此，不同的信道须在块202A和202B中进行不同类型的信道编码。信道编码的例子包括各种分组码，其中一个例子是循环冗余校验(CRC)。所用的其他典型编码方式包括卷积编码及其各种改进型编码，如收缩卷积编码或湍流式编码(turbo coding)。不过，不对上述领示比特进行信道编码，这是因为目的是要检测信号中信道所造成的失真。

信道编码后，在交错装置204A、204B中将各信道交错。交错的目的是为了便于纠错。交错时，各种业务的比特按规定的方式混合，使得，无线路径上的瞬时衰落未必会使所发射信息恶化。此后，在块206A和206B中用扩展码将交错比特扩展。在块208中，利用扰码对所得到的码片进行扰码，并对其进行调制。然后，在块208中将各个信号合成，以便通过同一发射机发送。这一合成可以是例如时分复用或者IQ复用(I=同相，Q=正交)。

最后，将合成信号输入到射频部件210，该射频部件可包括不同的功率放大器和限制带宽的滤波器。发射中所用的闭环功率控制通常控制这一块中的发射功率放大器。然后，模拟射频信号通过天线212被发送到无线路径Uu中。

图2A中的下半部分示出了无线接收机的主要功能。该无线接收机通常是瑞克接收机。通过天线232从无线路径Uu中接收模拟射频信号。信号输入到含有滤波器的射频部件230，该滤波器滤除所需频带之外的频率。

然后，在块228中将信号变频为中频或直接变换到基带，接着对变换后的信号进行抽样和量化。由于信号沿多条路径传播，因此在块228中合成了多径传播的信号分量，该块包括类似于现有技术配置中那样的接收机中的实际瑞克集成元件。在块228中，对各个信道进行扰码和扩展码的去复用、解调和解码。

在去交错装置226A、226B中将所得到的物理信道去交错。每个信道都引至特定信道解码块222A、222B，在解码块中将传输中所用的信道编码如分组编码和卷积编码解码。卷积编码最好用维特比解码器解码。对每一发射信道236、220可以进行进一步的处理，例如将数据220输入到与用户设备UE连接的计算机122。系统控制信道输入到无线接收机的控制单元236。

图4示出了不同的扩展码。每个点400代表一种可能的扩展码。纵向虚线表示不同的扩展因子SF=1,SF=2,SF=4,SF=8,SF=16,SF=32,SF=64,SF=128,SF=256。每条纵向虚线上的码相互正交。能同时使用的相互正交的扩展码的最大个数可以高达1024，不过图4中只示出了多达256个不同的码。例如在日本所采用的载波为4.096兆码片的IMT-2000系统中，扩展因子SF=256相应于16 kbit/s的传送速率，而实际上用扩展因子SF=4达到相应的最高传送速率，这便给出了1024 kbit/s的传送速率。因此，信道上的传送速率以32、64、128、512和1024 kbit/s逐级变化，相应地扩展因子变化如下：256、128、64、32、16、8和4。分配给用户的数据传送速率取决于所采用的信道编码。例如如果采用1/3卷积编码，则用户数据传送速率通常为信道数据传送速率的三分之一左右。扩展因子表示扩展码的长度。例如，与扩展因子SF=1相应的扩展码为(1)。扩展因子SF=2具有两个相互正交的扩展码：(1,1)和(1,-1)。再者，扩展因子SF=4具有四个相互正交的扩展码：在上一级扩展码(1,1)之下的是(1,1,1,1)和(1,1,-1,-1)，和在另一上一级扩展码(1,-1)之下的是(1,-1,1,-1)和(1,-1,-1,1)。当过程进至码树状结构中的下一级时，以这种方式继续构成扩展码。具体级上的扩展码总是相互正交的。类似地，特定级上的扩展码与所有根据同一级上的另一扩展码得到的下一级上的扩展码也都是正交的。

在传输期间，将某个码元乘以一个扩展码，以便将数据扩展到所用频带上。例如，当采用扩展码256时，256个码片代表一个码元。相应地，当采用扩展码16时，16个码片代表一个码元。

图2B通过扩展码及其调制详细示出了信道的扩展码，从而没有示出图2A中所示的对扩展而言无关紧要的操作。在图中的左侧，信道比特流250A到达块258，在该块中，通过将比特流250A乘以扩展码252A进行扩展。通过262A将所得到的扩展信道乘以载波256A以便发送。相应地，通过262B将接收端所接收到的信号乘以载波256B。在块264中，通过将接收解调后的信号乘以所用的扩展码252B来解除扩展。结果得到接收比特250B，然后如图2A中所示的那样将接收比特去交错并解码。

在现有技术中，是将扩展码存储在存储器中来实现扩展码发生器260A、260B。所需的扩展码252A、252B是根据诸如扩展码的顺序号和码级等控制数据254A、254B从存储器中取出的。

而在本发明中，所需的扩展码是根据控制数据254A、254B产生的。控制数据254A、254B包括扩展码的长度、顺序号和码级。

图3示出了根据本发明的方法的步骤。本方法从块300开始。在块302中，得到扩展码的长度。在块304中，得到扩展码的顺序号。在块306中，得到扩展码的码级。需要的话，可通过根据2码级=扩展码长度来计算码级的方法得到扩展码的码级。根据所得到的控制数据，产生扩展码。

图5A和5B说明了本方法在不同码级情况下的实现方式。本方法不能应用于码级0。在码级0中只有码0，实际上不进行扩展。在码级1中只有码{0,0}和{0,1}，并且这些码可通过修改本方法按下述方式计算出。从码级2向上(无上限)都有采用根据本发明的方法。运用以下简单的数学和逻辑运算可以产生扩展码。

在块308中，码级中扩展码的顺序号用长度等于码级的二进制码号来表示。二进制码号的值介于0与所讨论码级中扩展码的总数减1之间。例如，在码级2中，其顺序号为1的扩展码用二进制数01表示。

在块310中，将该码号翻转即将码号倒转到其镜像形成修改的码号。因此，码级2中的码号01将变成修改的码号10。通过用码号的最高有效位取代最低有效位并用次高有效位取代次低有效位的方法实现码号的翻转。所有的位都作相应的改变，直到最高有效位被最低有效位所取代。

接着，在块312中，对扩展码的每个码片重复块314、316和318。

在块314中，码片的顺序号用长度等于码级的二进制码片号来表示。二进制码片号的值介于0与码片总数减1之间。因此，在四轮中，给出码片号为二进制值00,01,10,11。

在块316中，对修改的码号和码片号之间进行“AND”运算形成二进制和数。该“AND”运算是一种“逻辑与”运算。“AND”运算的真值表如下：A B A AND B0 0 00 1 01 0 01 1 1

在块316中，在四轮中得到如下结果：

-码片号00与修改的码号10之间的“AND”运算得到00，

-码片号01与修改的码号10之间的“AND”运算得到00，

-码片号10与修改的码号10之间的“AND”运算得到10，

-码片号11与修改的码号10之间的“AND”运算得到10。

最后，在块318中，对二进制和数的所有比特之间进行“XOR”运算形成扩展码的码片的一个值。该“XOR”运算是一种逻辑“异或”运算。“XOR”运算的真值表如下：A B A XOR B0 0 00 1 11 0 11 1 0

换言之，就码级2中的码号01而言，对每个码片都进行“XOR”运算：

-第一码片的和数00的“XOR”运算得到0，

-第二码片的和数00的“XOR”运算得到0，

-第三码片的和数10的“XOR”运算得到1，

-第四码片的和数10的“XOR”运算得到1。

因此，码级2中的码号01所形成的扩展码为{0,0,1,1}。在某些系统中，该结果也可能被反转，此时扩展码为{1,1,0,0}。在采用实数的系统中，该扩展码可以是{1,1,-1,-1}或者是{-1,-1,1,1}。

图5A根据上述原理说明了码级2中的扩展码的形成。图5B根据上述原理说明了码级3中的扩展码的形成。

在根据本发明的方法中，码级1的形成需要一定量的附加逻辑。如图5A中所示，它需要一个附加步骤，在该步骤中，通过用一个值为“0”的比特加长和数来形成修改的和数“MODIFIEDSUM”。只有这样才能对修改的和数进行“XOR”运算，因为对于单个元素无法进行这种运算。

扩展码发生器包括用于得到扩展码的长度的装置，用于得到扩展码的顺序号的装置，和用于得到扩展码的码级的装置。该发生器还包括用于以长度等于码级的二进制码号来表示所讨论码级中码的顺序号的装置，用于将该码号翻转形成修改的码号的装置，用于对扩展码的每个码片重复以下操作的装置：用于以长度等于码级的二进制码片号来表示码片的顺序号的装置，和用于对修改的码号和码片号之间进行“AND”运算形成二进制和数的装置，和用于对该二进制和数的所有比特之间进行“XOR”运算形成扩展码的码片的一个值的装置。扩展码发生器最好用硬件实现。纯软件实现方式也是可行的，不过它需要足够强的处理器，以便必要时在一个码片期间能计算出扩展码的码片的值。下面将通过VHDL(超高速集成电路硬件描述语言)描述ASIC(专用集成电路)实现方式：

FOR i IN O TO(code_class-1)LOOP
  short_code_bus(i)＜=((chip_nr(code_class-1)AND code_nr(i)))；
END LOOP；
short code＜=NOT xor_reduce(short_code_bus((code_class-1)downto O))；
--where code_class varies between 3 to 7 (i.e.classes 4 to 8)
--     chip_nr varies between O to 15(,31(,63(,127(,255))))
--     short_code_bus varies between 4 to 8 bits
--     code nr defines the number of code in this code class

尽管以上参照附图中的例子描述了本发明，显然本发明并不局限于此，而可以在附属权利要求书中所阐述的本发明思想的范围内以多种方式进行修改。

Claims

1．CDMA无线系统中一种产生正交扩展码的方法，该方法包括以下步骤：

(302)得到扩展码的长度，

(304)得到扩展码的顺序号，

(306)得到扩展码的码级，

其特征在于：

(308)以长度等于码级的二进制码号来表示所讨论码级中扩展码的顺序号，

(310)将该码号翻转形成修改的码号，

(312)对扩展码的每个码片重复以下操作：

(314)以长度等于码级的二进制码片号来表示码片的顺序号，和

(316)对修改的码号和码片号之间进行“AND”运算形成二进制和数，和

(318)对该二进制和数的所有比特之间进行“XOR”运算形成扩展码的码片的一个值。

2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，将“XOR”运算得到的码片值反转。

3．如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过计算2码级以得到扩展码长度来计算码级的方法得到扩展码的码级。

4．如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过用码号的最高有效位取代最低有效位和用码号的次高有效位取代次低有效位，并且对所有的位都作类似的改变直到最高有效位被最低有效位所取代的方法，来实现码号的翻转。

5．如权利要求1所述的方法，其特征在于，二进制码号的值介于0与所讨论码级中扩展码的总数减1之间，还在于，二进制码片号的值介于0与码片总数减1之间。

6．CDMA无线系统中一种产生正交扩展码的发生器，该发生器包括：

用于得到扩展码的长度的装置，

用于得到扩展码的顺序号的装置，

用于得到扩展码的码级的装置，

其特征在于它还包括：

用于以长度等于码级的二进制码号来表示所讨论码级中扩展码的顺序号的装置，

用于将该码号翻转形成修改的码号的装置，

用于对扩展码的每个码片重复以下操作的装置：

用于以长度等于码级的二进制码片号来表示码片的顺序号的装置，和

用于对修改的码号和码片号之间进行“AND”运算形成二进制和数的装置，和

用于对该二进制和数的所有比特之间进行“XOR”运算形成扩展码的码片的一个值的装置。

7．如权利要求6所述的发生器，其特征在于，它包括用于将“XOR”运算得到的码片值反转的装置。

8．如权利要求6所述的发生器，其特征在于，用于得到扩展码的码级的装置包括，用于计算2码级以得到扩展码长度来计算码级的装置。

9．如权利要求6所述的发生器，其特征在于，用于形成修改的码号的装置包括，用于用码号的最高有效位取代最低有效位和用码号的次高有效位取代次低有效位，并且对所有的位都作类似的改变直到最高有效位被最低有效位所取代的装置。

10．如权利要求6所述的发生器，其特征在于，用于表示扩展码的顺序号的装置形成其值介于0与所讨论码级中扩展码的总数减1之间的二进制码号，还在于，用于表示码片的顺序号的装置形成其值介于0与码片总数减1之间的二进制码片号。