專利名稱：通過有意相位旋轉降低傳輸信號中峰值與均值之比的制作方法
技術領域：
本發明涉及無線通信，并且尤其涉及碼分多址(CDMA)無線通信。
無線通信提供對移動用戶和地址的無限制的訪問，需求兩個特別的而不連接的域語音電話和室內局域網。蜂窩電話網絡經過最后無線跳躍擴展了電話服務的領域，而移動IP LAN，如WaveLAN與RangeLAN，對TCP/IP數據網絡的室內用戶可做同樣的事。隨著無線技術和高速集成服務有線網絡的進步，為移動用戶提供合成的多媒體信息訪問提供了條件。比如，個人通信服務(PCS)是一個廣義上的個人化電信服務，它使得個人或設備可隨時隨地地通信。個人通信網絡(PCN)是一種新型的、通過低功率天線通信的電話系統。PCNs對傳統有線通信提供了數字無線替換方案。
下文提出了無線技術中令人關注的領域，如，在任何無線通信系統中，發射機的功率對系統的性能有較大影響。在一個受噪聲限制的無線通信系統中，發射的功率決定了發射機和接收機之間所允許的距離。發射的最大功率決定了信噪比，信噪比必須超過為接收機成功進行信息通信而預設的門限值。
在基站，峰值對均值之比成了功率放大器效率的主要限制因素。在前向鏈路中，基站通過疊加信號并用一個放大器放大集合信號，來為所有集合用戶發射集合信號。典型地，基站的功率放大器被降低額定值運行。考慮到集合信號的峰值與均值之比，為對于可允許的均值發射功率，給放大器留有峰值儲備，降低額定值運行是必要的。因為基站的覆蓋范圍主要依賴于功率放大器的可允許均值發射功率，那么降低峰值均值之比從而降低放大器的降低額定值運行，將是相當有利的。
本發明是在無線傳輸系統中降低功率放大器峰值儲備的裝置。此裝置包括一個正交調制電路和與之連接的相位旋轉電路。正交調制電路使用沃爾什(Walsh)碼以調制同相信號和正交信號。正交調制電路具有同相輸出和正交輸出。相位旋轉電路旋轉同相信號和正交信號的相位，產生相位旋轉的同相信號和正交信號。多個沃爾什信道與特定無線用戶相連。實施本發明的方法也作了描述。
參考附圖，通過下列描述，可以對本發明有更為完整的理解。
圖1是典型無線網絡的示意框圖。
圖2是在CDMA基站中，有意相位旋轉的一個實施例的略圖。
圖3是在Nh=N=5時，所有可能bK的P(φ|Y)的一個例子的曲線表示。
圖4是在Nh=N=5時，A(φ|Y)的曲線表示；以及圖5是峰值功率降低量的曲線，以dB對HSD用戶信道數的形式表示。
盡管本發明特別適合CDMA系統，并進行了描述，但是本發明同樣很好地適用于其他無線系統包括但不局限于寬帶CDMA(W-CDMA)，時分多址(TDMA)和移動通信特別研究組，現在稱為全球移動通信系統(GSM)。
CDMA調制技術用于通信系統使得大量用戶可以相互通信。在典型的CDMA通信系統中，所有的通信信道被復用到一個或幾個公共寬帶頻率上。每一個通信信道通過唯一擴展碼區分。在傳輸以前，為使信息信號轉換成寬帶信號，每一個信道的信息信號被擴展碼調制。接收機通過合并寬帶信號與相應擴展碼，解調所收到的寬帶信號以恢復原信息信號。擴展碼典型地是二進制碼。因為相同的頻率段對所有的用戶都是可以接收的，在接收到的信號被擴展碼解調時，其他信道的信息信號可能出現同信道干擾或噪聲。
發射機功率是重要的系統性能因素。在受噪聲限制的無線通信系統中，決定發射機和接收機最大允許距離的是發射的功率。可用的發射功率決定了信噪比，信噪比必須超過為接收機成功進行信息通信而預設的門限值。
參考圖1，這里畫出了典型無線通信網絡的表示框圖。移動電話交換局(MTSO)10，也稱作移動交換中心，其為在無線網絡和交換有線網絡13之間提供交換通話。MTSO10控制整個無線通信系統的運行，設置、監控所有無線通話，跟蹤所有在系統中移動的無線裝備車輛的位置，安排切換，并且提供收費信息。MTSO10連接到多個基站14上。基站14是無線網絡中位置固定的多信道收發器，其通過無線端口耦連到天線16上。基站14充當通信網關的地理區域被稱作小區18，不同的基站14小區節點分布在合適的位置。通過前向鏈路和反向鏈路，移動單元20與特定小區內的基站14通信。
發射功率的峰值對均值之比成了功率放大器效率的主要限制因素。在前向鏈路中，基站14通過疊加信號并用一個放大器放大集合信號，來為所有集合用戶發射集合信號。當不同用戶的信號同相時，由于正弦波形式的相長疊加，集合信號的峰值對均值之比的情形最壞。在IS-95標準中，不同用戶的信號是同相的。典型地，基站的功率放大器被降低額定值運行。考慮到峰值與均值之比，功率放大器的降低額定值運行給放大器留下了足夠的峰值儲備，以允許合適的平均發射功率。因為基站的覆蓋范圍主要依賴于功率放大器的可允許均值發射功率，那么降低峰值均值之比從而降低放大器的降低額定值運行，將是相當有利的。
最近，為IS-95-B和寬帶CDMA系統提供高速數據(HSD)服務的建議已經提出。基本上，新特點允許用戶使用多個沃爾什信道。當HSD用戶處于高干擾環境下，其中HSD用戶將耗費高功率以保持通話，基站的功率極限會很快達到。這就是，由于用戶隨機的耗損，會引起更大的鏈路功率輸出的不足。
對于相同HSD用戶，在不同信道中，本發明使用有意相位旋轉。這樣，操作仍然向下兼容老式IS-95標準電話(即保持正交調制)而允許降低為功率放大器保留的峰值儲備，這樣，覆蓋區域/容量可以得到提高。當所選的使用有意相位旋轉的無線用戶可能是HSD用戶，本發明可以被相同基站服務的所有無線用戶，包括僅占一個沃爾什信道的語音用戶所使用。本發明可以同時被其他HSD用戶同時使用。
圖2表示了本發明代表實施例物理層的框圖。與所存在的系統或提出的系統的主要不同是本發明在不同沃爾什信道中，對于基帶信號相同有線用戶引入了有意相位旋轉。基帶編碼/調制單元30提供了同相信號和正交相位信號，其連接到相應乘法器32和34上。乘法器32和34連接到沃爾什碼，進行正交調制。乘法器32提供信號SI,K，它是沃爾什信道的“帶符號”同相幅值。信號SI,K連接到乘法器36和38。乘法器34提供了信號SQ,K，它是沃爾什信道的“帶符號”正交相位幅值。信號SQ,K連接到乘法器40和42。θK是沃爾什信道K的引入相位旋轉。cos(θK)連接到乘法器36和42上。sin(θK)連接到乘法器38和40上。乘法器36的輸出和乘法器40的反向輸出連接到加法器44上。乘法器38的輸出和乘法器42的輸出連接到加法器46上。加法器44的輸出和偽噪聲PNI連接到乘法器48上。加法器46的輸出和偽噪聲PNQ連接到乘法器50上。乘法器48的輸出連接到基帶濾波器52上。乘法器50連接到基帶濾波器54上。基帶濾波器52的輸出和cos(2πfct)連接到乘法器58上。基帶濾波器54的輸出和sin(2πfct)連接到乘法器56上。乘法器56和58的輸出連接到加法器60上。加法器60的信號連接到發射機功率放大器(未畫出)上。有意相位旋轉(θK)部分的引入在圖2陰影方框70中畫出。
公式1表示CDMA無線系統的信號模型。s(t)=Σk=1N{+(Sl,ksin(θk)+SQ,Kcos(θk))PNQ(t)sin(2πfct)(Sl,kcos(θk)-SQ,ksin(θk))PNl(t)cos(2πfct)}]]>=cos(2πfct)PNl(t)[Σk=1NSl,kcos(θk)-SQ,ksin(θk)]]]>公式1+sin(2πfct)PNQ(t)[Σk=1NSl,ksin(θk)+SQ,kcos(θk)]]]>其中s(t)是發射信號，SI,K是沃爾什信道K的“帶符號”同相幅值，SQ,K是沃爾什信道K的“帶符號”正交相位幅值。fc是載波頻率，θK是引入的沃爾什信道K的相位旋轉。注意“帶符號”幅值是發射幅值(與功率控制的需要有關)與片信息(+1或-1)的乘積。也要注意在IS-95系統中，同相分量SI,K，與正交相位分量SQ,K對每一個沃爾什碼來說是相同的。此項注意更為通用，其考慮了使用不同同相分量和正交相位分量的可能性。
在多個載波頻率周期，即T(其可能是3/fc,5/fc，或片間隔等)，積分的能量由公式2表示。E=∫Ts2(t)dt=T2Σk=1N(Sl,kcos(θk)-SQ,ksin(θk))2+Σk=1NΣl=1l≠kN(Sl,kcos(θk)-SQ,ksin(θk))(SI,lcos(θl)-SQ,lsin(θl))]]>+T2Σk=1N(Sl,ksin(θk)+SQ,kcos(θk))2+Σk=1NΣl=1l≠kN(Sl,ksin(θk)+SQ,kcos(θk))(SI,lsin(θl)+SQ,lcos(θl))]]>=T2{Σk=1NSI,k2+SQ,k2}+T2{Σk=1NΣl=1l≠kN(Sl,kSI,l+SQ,kSQ,l)cos(θk-θl)+(Sl,kSQ,l-SQ,kSI,l)sin(θk-θl)}]]>公式2為評價本發明對性能的提高，考慮下列情形1．信道1到Nh用于引入了有意相位旋轉的一個HSD用戶，而信道Nh+1到信道N用于沒有引入有意相位旋轉的IS-95用戶。這由公式3表示。
2．假設同相位和正交相位分量，如IS-95標準定義的一樣，是相同的，即，SI,K=SQ,K=SKk。但是，可直接將其擴展到不同相位和正交相位的更廣義的情形。
3．HSD用戶信道的幅值(信道1到Nh)是相同的，但是符號可以不同(由于編碼和數據)，即，SK=bk·x k≤Nh，其中bk=±1。IS-95用戶(信道Nh+1到信道N)的幅值將基于一種概率分布。
每個積分周期條件的冪由公式4表示。P(φ|Y)=ET=Σk=1NSk2+TΣK=1NΣl=11≠kN[SkSlcos(θk-θl)]]]>=Nhx2+Σk=Nh+1NSk2+Σk=1NΣl=1l≠kN[SkSlcos(θk-θl)]]]>=x2{Nh+Σk=Nh+1Nyk2+Σk=1NΣl=1l≠kN[bkblykylcos(θk-θl)]}]]>公式4其中Sk=bk·yk·x公式5Y=[y1Λ yN]注意，不同bk可能組合有2N-1種。圖3表示了在Nh=N=5時，對于不同的bK,P(φ|Y)的一個例子，即，一個HSD用戶相同增益地使用5個信道，而沒有其他用戶。在此情形下，Y是一個不起作用的單位向量。為保證降低的峰值功率，所有bk可能值的最大值被選擇，并且以Y為條件的最大可能峰值功率被定義，如公式6所示。A(φ|Y)=maxbkP(φ|Y)]]>公式6圖4表示了在Nh=N=5時的A(φ|Y)。總之，它可以說明φoptimal=πNh]]>公式7是在Nh=N時最小化峰值片功率的最優相位旋轉，即，在沒有用戶/信道不允許相位旋轉(如，IS-95用戶)時，以及有Nh信道可允許相位旋轉，且增益相等時。
在系統中，存在用戶/信道不允許相位旋轉時，相對增益(Y向量)將在降低峰值功率和選擇最優相位旋轉方面起重要的作用。應當理解一旦通話建立，在通話期間，對某些用戶保持相同的相位旋轉的實現是實際的。為簡化實現過程，下面，公式7的相位旋轉將以HSD用戶所用的信道數為條件，而不考慮其他用戶的相位旋轉。
以Y的實現為條件的功率增益(峰值功率降)被公式8定義。G(Y)=A(φ=0|Y)A(φ=πNn|Y)]]>公式8因為Y向量是在不同用戶/信道中的相對增益，所有Y可能實現值的均值可由公式9獲得。G=∫G(Y)f(Y)dY公式9其中，f(Y)是Y的概率密度函數。
為獲取一些數值例，假設一種Y是對數正態分布的情形。而且，假設對數正態分布的標準偏差是4dB。圖5顯示了由公式9表示的增益，在NI=4時，即存在4個無相位旋轉的信道時的峰值功率降。
高數據率或高功率用戶信號可以分解成幾個低功率或低速率信號/波形。每一個波形接著被差分有意相位旋轉位移。在此情形下，分解的波形被本質上當作“等同用戶”處理。
本發明的一個應用是基于IS-95系統的前向鏈路信號。目前，IS-95前向鏈路信號需要所有的“等同用戶”具有相同的相位。相位相同使得基站功率放大器的峰值對均值之比最差。被保留處理此情形的放大器實際峰值儲備是幾個dB，這因此引起了功率效率的大量下降。通過在IS-95前向無線鏈路中對每一個“等同用戶”使用有意相位旋轉，集合波形的相長迭加和降到最低。
有充足的理由首先改善前向鏈路。在高速數據傳輸中，如在新標準IS-95-B標準中描述的，在因特網上下載數據被認為是主要的傳輸需求。期望使用前向鏈路的比使用反向鏈路的高。在13K IS-95的實施中，可以得知，前向鏈路在容量方面是一個瓶頸。慢的功率控制和低的編碼增益是主要因素。即使EVRC(8K)后來被展開，由于在多個主導頻展開的約束，前向鏈路對于容量來說是一個限制鏈路仍是可能的(依據位置)。因此，本發明前向鏈路的實施通過降低基站發射機功率放大器的峰值對均值之比，而提高基站覆蓋范圍和容量。為使得一個HSD終端(蜂窩移動單元20)正確地解調集合信號，有意相位旋轉可通過在空中接口的一個消息發送或者通過在一個標準中定義有意相位旋轉。
參考上述說明，本發明的許多修改和替代的實施例對那些對此技術熟練的人員將是顯而易見的。本發明中在無線傳輸系統中降低功率放大器的峰值儲備可用于同基站服務的所有用戶，包括僅占一個沃爾什信道的語音用戶和其他HSD用戶。沃爾什碼調制是實現正交調制的一個方法。本發明也可用于其他在信道使用正交調制的系統。因此，本說明僅被當作示意，以及用于指導那些對此技術熟練人員，使他們更好地實施本發明。只要不背離本發明的精神，結構的詳細方案可以有很大不同，但是保留對包括在附加的權利要求書范圍內的所有修改方案的廣泛使用。
權利要求
1．一種用于降低無線發射系統中的功率放大器的峰值儲備的方法，包括下列步驟選擇至少一個無線用戶；分配多個信道給所述至少一個被選擇的無線用戶；在所述分配的多個信道中旋轉相位。
2．如權利要求1所述的方法，其中所述分配的多個信道使用沃爾什碼定義。
3．如權利要求1所述的方法，進一步包括分配一個不同信道給另一個無線用戶的附加步驟，其中所述至少一個所選的無線用戶和所述另一個無線用戶在無線傳輸系統中兼容。
4．如權利要求3所述的方法，其中所述不同信道為使用沃爾什碼定義的不同信道。
5．如權利要求3所述的方法，其中所述不同信道沒有被相位旋轉。
6．如權利要求1所述的方法，其中所述至少一個所選的無線用戶是高速數據用戶。
7．如權利要求6所述的方法，其中所述高速數據用戶被定義為是一個IS-95-B標準無線通信高速數據用戶。
8．如權利要求3所述的方法，其中所述另一個無線用戶被定義為是一個IS-95標準無線通信用戶。
9．如權利要求1所述的方法，其中所述在所述分配的多個信道中的相位旋轉包括在所述分配的多個信道中的增量相位旋轉。
10．一種在無線發射系統中降低功率放大器峰值儲備的設備，包括選擇至少一個無線用戶的裝置；分配多個信道到所述至少一個所選無線用戶的裝置；在所述分配的多個信道中旋轉相位的相位旋轉電路。
11．如權利要求10中所述的設備，其中所述分配的多個信道使用沃爾什碼定義。
12．如權利要求10所述的設備，進一步包括分配一個不同信道到另一個無線用戶的裝置，其中所述至少一個所選的無線用戶和所述另一個無線用戶在無線傳輸系統中兼容。
13．如權利要求12中所述的設備，其中所述不同信道為使用沃爾什碼定義的不同信道。
14．如權利要求13所述的設備，其中所述不同信道沒有被相位旋轉。
15．如權利要求10所述的設備，其中所述至少一個所選的無線用戶是高速數據用戶。
16．如權利要求15所述的設備，其中所述高速數據用戶被定義為是一個IS-95-B標準無線通信高速數據用戶。
17．如權利要求12所述的設備，其中所述另一個無線用戶被定義為是一個IS-95標準的無線通信用戶。
18．如權利要求11所述的設備，其中所述在所述分配的多個信道中的相位旋轉包括一個在所述分配的多個信道中的增量相位旋轉。
19．如權利要求12所述的設備，其中正交調制電路連接到所述相位旋轉電路的輸入。
20．一種用于降低CDMA傳輸系統中的功率放大器的峰值儲備的設備，包括一個正交調制電路，使用沃爾什碼調制同相信號和正交相位信號，所述正交調制電路具有一個同相輸出和正交輸出；用于旋轉相位的相位旋轉電路，連接到所述同相輸出和所述正交輸出，以產生相位旋轉的同相信號和相位旋轉的正交信號。其中沃爾什碼定義的多個信道與一個特定無線用戶相聯系。
21．如權利要求20所述的設備，其中所述相位旋轉電路提供在所述多個信道中的一個增量相位旋轉。
22．如權利要求20所述的設備，其中所述相位旋轉電路提供在所述多個信道中的偽隨機相位旋轉。
23．一種用于降低CDMA發射系統中的功率放大器峰值儲備的系統，包括使用沃爾什碼調制同相信號和正交信號的一個正交調制電路，所述正交調制電路具有一個同相輸出和正交輸出；以及用于旋轉相位的相位旋轉電路，連接到所述同相輸出和所述正交輸出，以產生相位旋轉的同相信號和相位旋轉的正交信號；其中由沃爾什碼定義的多個信道與一個特定無線用戶有關，因此降低了功率放大器的峰值儲備。
24．如權利要求23所述的系統，其中所述相位旋轉電路在所述多個信道中，提供了一個增量相位旋轉。
25．如權利要求23所述的系統，其中所述相位旋轉電路在所述多個信道中，提供偽隨機相位旋轉。
全文摘要
一種在無線發射系統中減少功率放大器峰值儲備的設備,包括正交調制電路和連接到正交調制電路的相位旋轉電路。正交調制電路使用沃爾什碼調制同相信號和正交信號。正交調制電路具有同相輸出和正交相位輸出。相位旋轉電路旋轉同相信號和正交信號的相位,產生相位旋轉了的同相信號和相位旋轉了的正交信號。多個沃爾什碼定義的信道與一個特定用戶有關。
文檔編號H04B1/69GK1222010SQ98125550
公開日1999年7月7日 申請日期1998年12月14日 優先權日1998年12月14日
發明者道格拉斯·尼斯里, 郭文宜, 馬丁·霍華德·邁耶, 桑吉·南達 申請人:朗迅科技公司