用于码分多址多速率系统的扩频方法

专利名称：用于码分多址多速率系统的扩频方法
技术领域：
本发明涉及一种码分多址移动通信系统，特别是关于一种用于码分多址多速率系统的扩频方法，主要为正交可变扩频因子码的树状结构的产生方法，以获取正交可变扩频因子码。
随着移动通信技术的发展，各种新型服务不断出现，对各种无线通信服务的需求也不断增加，使得信道容量、数据传输速率以及多媒体服务的要求增加。由于第三代系统IMT-2000的导入，使第二代移动通信系统的能力(声音及低速率的数据)被提高，这样，可在第二代平台上增添多媒体能力，如支援高比特速率及封包数据的导入(请参见[1]ETSI，“The ETSI UMTS Terrestrial Radio Access(UTRA)ITU-R RTT Candidate Submission”June 1998；[2]ARIB，“Japan’s Proposal for Candidate Radio Transmission Technology onIMT-2000W-CDMA”June 1998；以及[3]TIA，“The cdma 2000 ITU-R RTT Candidate Submission”June 1998)。更特别的是第三代移动通信系统提供一个可弹性运用的支援系统给多速率服务，多速率设计意指以一有弹性且能有效利用频谱的方法，并以不同的服务品质来复用不同的连接。
可变长度扩频以及多重码技术是两个用于具有码分多址(CDMA)的IMT-2000系统中支援从低速率至高速率服务的主要方法(请参见[4]E.Dinan and B.Jabbari，“Spreading Codes for DirectSequence CDMA and Wideband CDMA Cellualar Networks”IEEECommun Mag.，vol.36，no.9.pp.48-54，Sep.1998；and[5]3GPP TR25.922v.0.5.0，“Radio Resource Management Strategies”Oct.1999)。对于多速率传输，可变长度扩频是利用多重扩频因子的方式，而码分多址则是分配多重编码来完成高速率的数据传输服务。为了使不同“细胞”间的使用者维持相互之间的随机性，并且提供相同“细胞”中的使用者彼此之间的正交性，在IMT-2000中，使用一种称之为“多重扩频”或称为”两阶层扩频”的弹性系统作业模式(请参见上述参考文件[4]及[5])。多重扩频包括两个作业过程，第一个过程是将每一个数据符号转换为一些片元(chips)，此作业称为通道化操作。每一个数据符号中所包含片元的数目称为扩频因子，而为了维持不同的下链通道间彼此的正交性，此处是采用正交可变扩频因子码做为通道码。第二个操作称为加密作业，此处，加密码被应用于扩频信号中，为了维持不同“细胞”间使用者的随机性，此处采用有限互相关性的“格登码”(Gold codes)或是假随机性序列做为加密码。
在IMT-2000系统中，对于所有的使用者而言，所使用的频宽是相同的。所以多速率传输需要采用多重扩频因子或多重码。然而，正交可变扩频因子码在该系统中是一个可贵的资源。对于一个已知的扩频因子而言，可获得的正交可变扩频因子码是有限的。所以，如何在支援多速率传输下，将有限的码组做有效的分配，显得异常重要。一个适当的编码分配演算法就是在最低的复杂度下能够支援最多的使用者。举例而言，如果我们随意地将编码指定给拥有较大扩频因子的低速率的使用者，则可能对我们在分配拥有较小扩频因子的编码时造成阻碍(请参见[6]K.Gilhousen，“System and Method forOrthogonal Spread Spectrum Sequence Generation in Variable Data RateSystems”U.S.Patent No.5751761，issued in May 1998)。假设定义所指定的频宽和全部频宽之间的比例为利用率，多重码与可变长度扩频的组合可以获得较高的利用率。然而，使用多重码技术会增加移动接收机的复杂度，因此，对每一个移动接收机而言，所能支援多重码功能的码数将受到限制。因此，为了改善系统的利用率，在每一个使用者之间重新指定码是不可避免的。至于如何利用正交可变扩频因子码来维持不同速率和不同扩频因子之间的正交性，在参考文件[4]及[7]F.Adachi，M.Sawahashi，and K.Okawa，“Tree-StructuredGeneration of Orthogonal Spreading Codes with Diffierent Lengths forForward Link of DS-CDMA Mobile Radio”Elect.Lett.，vol.33，no.1，pp.27-28，Jan.1997中有详细说明。对于一个码树结构的每一阶层，定义一组长度为SF的通道码。在同一阶层中，任两个码为正交的；而位于不同层的任两组码亦为正交，除了该两个码中的某一个码是在另一个码至该树或在其子树的根的路径上。可是在IMT-2000中，因为通道码可使用从4到256的扩频因子，所以，码树结构非常庞大，为此，需要一个有效的方法，根据每个使用者所要求的传输速率进行码分配，此外，我们也需要一个高效率的方法来产生正交可变扩频因子码，而不需要将整个码树储存在系统的存储器中。
本发明的主要目的在于提供一种利用格瑞码标签直接产生正交可变扩频因子码的用于码分多址多速率系统的扩频方法。
为达到上述目的，本发明采取如下技术措施本发明的新的树状结构产生方法，是根据格瑞码的标签达到保持在不同速率及扩频因子间的正交性。利用格瑞码的标签，要判断一个编码是否可以指定给某个使用者，相当于判断这个格瑞码标签的首标(起始码)是否存在。再者，利用格瑞码标签，每个正交可变扩频因子码可以直接经由一个产生矩阵来得出，而不需用[4]-[7]篇文章中那样反复使用树状结构的方式来产生。最后，本发明也提出一种具有格瑞码标签的正交可变扩频因子码的重新指定方法。
本发明的一种用于码分多址多速率系统的扩频方法，包括下列步骤a、使用格瑞码对信息码进行编码；b、以所形成的格瑞码作基准产生一个产生矩阵Gi；c、将经由格瑞码编码过的信息乘以所述产生矩阵Gi，以产生特定长度的正交可变扩频因子码。
其中，所述信息被一个数字逻辑组合电路编码。
其中，所述数字逻辑组合电路是一个具有数个系数的编码器，该系数由下式产生 其中，还包括使用一个乘法电路的步骤及使所述格瑞码作为所述编码器的输入步骤。
其中，如果额外的格瑞码标签输入是连接到“O”，且额外的输出码元忽略不计时，则单一的编码电路可在一码树中产生短长度的正交可变扩频因子码，可由储存Gn来产生一个完整的正交可变扩频因子码树，其中n是最大的i。
本发明的一种在码分多址多速率系统中判断母码和子码的方法，包括下列步骤a、使用数个格瑞码作为正交可变扩频因子码的标签；b、判断第一个扩频因子码的标签是否为第二扩频因子码的字首来判断两个码是否为母码与子码。
其中，所述每一个正交可变扩频因子码具有一个独特的格瑞码标签，且其中如果正交可变扩频因子码是0011时，则格瑞码标签为01。
其中，所述格瑞码标签用来判断任意两个正交可变扩频因子码是否为母码与子码间的关系，假设第一个正交可变扩频因子码0011的格瑞码标签为01，第二个正交可变扩频因子码00111100的格瑞码标签为010，则第一个正交扩频因子码0011为第二个正交扩频因子码00111100的母码。
本发明的一种在码分多址多速率系统中互换正交可变扩频因子码的方法，包括如下步骤a、使用数个格瑞码作为数个正交可变扩频因子码的标签；
b、将第一正交可变扩频因子码的格瑞码标签与第二正交可变扩频因子码的格瑞码标签作模数-2的运算，以产生一个第三正交可变扩频因子码的标签；c、对第三正交可变扩频因子码与第一正交可变扩频因子码做模数-2的运算，以产生第二可变扩频因子码。
其中，所述每一个正交可变扩频因子码都具有一个独特的格瑞码标签。
其中，还包括利用一个模数-2加法器的步骤，以产生所述正交可变扩频因子码。
结合附图及实施例对本发明的技术特征详细说明如下


图1一个四比特的二进位码至格瑞码的转换器示意图；图2具有格瑞码标签的正交可变扩频因子码树状结构的示意图；图3本发明中一个产生正交可变扩频因子码的编码电路示意图；图4本发明中一个用以重新指定正交可变扩频因子码的电路示意图。
其中X0～X3输入码元Y0～Y3输出码元SF扩频因子Gn第I阶层i×2i的产生矩阵C正交可变扩频码f格瑞码标签g编码器的系数l、格瑞码的产生有数种方法可以将k个信息码元指定给2k个不同的元素。本发明的较佳指定法是当一个码从某一个数字变换到下一个数字时，此码中仅有一个码元被改变，我们称此种码为格瑞码(请参见[8]M.Mano，Digital Design，2nd Ed.，Prentice Hall，1998；以及[9]J.Proakis，Digital Communications，3rd Ed.，McGraw-Hill，1995)。表1表示一组四比特的格瑞码和其相对应的二进位码。
表1
举例而言，要从十进位的数字3到十进位数字4，格瑞码会从0010转换为0110，而二进位的数字会从0011转换为0100。将格瑞码和二进位码做比较，可以发现对格瑞码而言，任两个相邻的格瑞码仅会相差一个码元。
如图1所示，若要从二进位码转换为格瑞码，可以利用逻辑门的组合电路来完成，如图1中的四个输入二进位变数分别以x0、x1、x2和x3表示，而四个输出的二进位变数则分别以y0、y1、y2和y3来表示。注意在图1中，y3的输出结果永远与x3输入的结果相同。在此组合电路中，其余三个输出可以表示如下yi＝xi+1xi，当I＝0，1，2 (1)其中“”代表互斥或门运算(exclusive-OR，XOR)，其运算式如下wz＝wz’+w’z (2)当w或z其中只有一个为1时，第(2)式会等于1(请参见文件[8])。一般而言，n个输入的二进位码可以经由下列运算式转换为格瑞码yn-1＝xn-1yi＝xi+1xI，当i＝0，1，……n-2 (3)若要从格瑞码转换成二进位码，则可以使用下列的运算式xn-1＝yn-1xi＝xi+1yi， 当i＝0，1，…，n-2(4)＝yn-1yn-2，……yi当i＝0，1，…，n-22、正交可变扩频码和其格瑞码标签如图2所示，其表示正交可变扩频因子码树状结构，这些码保持了不同速率和不同扩频因子之间的正交性(请参见文件[4]及[7])。在图2中，用符号CSF(i)来表示正交可变扩频因子码，其中SF代表扩频因子，而i表示此码的编号，0≤k≤SF-1。在此定义树状结构的正交可变扩频码每一阶层的长度为SF，所以在码树的第i阶层中会有2i个长度为2i的扩频码。假设CN为一个N×N的矩阵(N＝2i)，代表第i阶层中N个长度为N的二进位(0，1)扩频码的集合为{CN(i)i＝0，…N-1}。从文件[4]和[7]中可以得知，CN可以由CN/2产生，如下式所示 其中 是CN/2(k)的二位元补数(亦即0由1代替，反之亦然)。由重复使用第(5)式，正交可变扩频因子码可以如图2所示，以反复使用树状结构的方法产生。
第i阶层中2i个码构成了一组具2i长度的“华许码”(Walshcode)，所以位于码树中同一阶层的任两个码皆会正交。此外，除非某一个码是另一个码的母码(mother code)，否则位于不同阶层的任两个码也彼此正交(请参见文件[4]及[5])。如果一个码树中的任两个码拥有相同的根(root)，则位于上阶层的码称为母码，位于下阶层的码称为子码。举例而言，如图2所示，C2(0)和C4(1)为C8(3)的母码，而C2(0)是C4(1)的母码，也就是说C4(1)和C8(3)是C2(0)的子码，且C8(3)为C4(1)的子码。所以说C2(0)、C4(1)和C8(3)彼此之间并不互相正交。为了维持正交性，一个码只要其子码和母码没有被使用，就可以将其指定给某一使用者。所以说如果一个低速率的使用者，用去了一个拥有较大扩频因子的码，则将会有数个拥有较小扩频因子的码不能使用。故在一个码树中可以使用的码的个数并不一定，这要看该码树的码也要看其母码和子码而定。在IMT-2000中，由于码树非常庞大，通道码可以使用从4到256的扩频因子码。故我们需要一个不须搜寻整个码树的有效方法来判断两个码之间是否为母码和子码的关系。
如图2所示，如果将正交可变扩频码用格瑞码加以标签，那么要决定两个码之间是否为母码和子码和关系，相当于判断某一个码的标签是否为另一个码的标签的字首。每一个正交可变扩频因子码皆有一个独特的格瑞码标签。假如某个码的格瑞码标签不是别组码标签的字首，或别组码的格瑞码标签也不是其格瑞码标签的字首，那么我们便可以将此组码指定给某个使用者使用。以下，将说明格瑞码标签不仅可以用来判断母码和子码的关系，并且可以利用格瑞码标签直接产生正交可变扩频因子码，而不需要利用第(5)式的方法以反复使用树状结构的方法产生。
3.正交可变扩频因子码的产生假设(N，K)区段码代表一组数目为2k且长度为N的码字(code word)。那么位于正交可变扩频因子码中的第i阶层中的2i个码是由一组(2i，i)的线性码产生。既然，任何(N，K)线性码可以用一个K×N的产生矩阵G产生(请见文件[10]S.Lin and D.Costello，Jr.，Error Control Coding，Fundamentals and Applications，Prentice-Hall，1983)，那么一个位于正交可变扩频因子码中第i阶层的码 可以推导如下C2if(j)=f·Gi----(6)]]>其中 是 加了格瑞码标签之后的结果，f＝(fi-1，fi-2，…f0)相当于第j个格瑞码，且Gi是码树中第i阶层i×2i的产生矩阵，并可表示如下 Gi也可以从Gi-1产生G=Gi-1Gi-1‾02i-112i-1----(8)]]>其中 是Gi-1的二位元补数，且 和 分别为包含了2i-1个全0和全1的向量。
所以，Gi可由反复使用Gi来产生。也就是说G1＝
(9) 且G2=G2G2‾0414]]> 第(6)式的编码电路由图3表示，在此电路中，假如gi，l，m＝1，则“→O→”代表电路连接，若gi，l，m＝0则代表没有连接，而“”表示一个模数-2的加法器。假设f＝(fi-1，fi-2，…f0)是要被编码的信息(格瑞码的标签)，则 是相对应的码，且 第12式为第(7)式中所定义的产生矩阵。值得注意的是，假如额外的格瑞码标签的输入连接到“0”，并且不管其输出为何，则 可以用图3的电路来实现。综合以上可知，位于码树中的任意一组正交可变扩频因子码皆可利用单一的编码电路来产生，这样，便可大量节省硬件的制造成本。此外，基站只需要传送格瑞码标签给手机，而不需要传送整个正交可变扩频因子码，这样，可以使传输的时间大量减少。举例而言，对于一个扩频因子为8且长度为256的正交可变扩频因子码而言，基站只需传送8个码元即可。
4.正交可变扩频码的重新指定要将编码做适当的分配，最好的方法就是在复杂度最低的情况下能够支援最多的使用者。通常对每一个手机而言，能维持多码能力的编码个数有限。所以对于需要较高传输速度的使用者，最好能够指定给他拥有较小扩频因子的编码。然而，若我们随意的将拥有较大扩频因子的编码指定给低速率使用者，则可能对在分配拥有较小扩频因子的编码时造成阻碍，也就是说所剩下的，可以被其他使用者使用的正交可变扩频因子码的数目将会受到限制。因此，需要对低速率用户所使用的正交可变扩频因子码进行重新指定，使得拥有较小扩频因子的正交可变扩频因子码的数目能够达到最小。在本节中，我们提出一个重新指定码的方法，能够替换使用者正在使用的正交可变扩频因子码。
设 为使用者正在使用的原正交可变扩频因子码，而 是重新指定给该使用者的正交可变扩频因子码。为了能够维持在换码的过程中通信不中断，我们加入一个正交可变扩频因子码 至原正交可变扩频因子码 做一适当的运算，这样，便可以得到新的正交可变扩频因子码 ，其运算式表示如下C2if2(j2)=C2if1(j2)⊕C2if3(j3)----(13)]]>可以称 为转变用的正交可变扩频因子码，并且是利用第(6)式的格瑞码标签所获得。 的格瑞码标签可以表示如下
f3＝f1f2因为华许码是一种线性码，所以两个具有相同扩频因子的正交可变扩频因子码做模数-2的运算后也是一个正交可变扩频因子码。如图4所示，其表示用以重新指定正交可变扩频因子码的电路。
与现有技术相比，本发明具有如下效果综上所述，本发明提出一种在码分多址多速率系统中产生正交可变扩频因子码的方法，此方法是根据格瑞码的标签达到保持在不同速率及扩频因子间的正交性。并说明了格瑞码标签不仅可以用来判断母码和子码的关系，并且可以利用格瑞码标签直接产生正交可变扩频因子码，而不需要反复使用树状结构的方法产生。此外，还提出了一个依据格瑞码标签重新指定正交可变扩频因子码的新方法。使用本发明的方法可大量节省硬件的制造成本，由于基站只需传送格瑞码标签给手机，不需要传送整个扩频因子码，因此，信号传输的时间也可大量减少。
由于第三代移动通信系统采用多重扩频技术，而多重扩频技术的第一步采用正交扩频，所以，其多媒体传输则利用可变长度的正交扩频因子码来实现。因此，本发明可将扩频通信系统在无线通信中，特别是在第三代移动通信系统中大量运用。
本发明可有许多不同方式的变化，上述内容是利用实施例说明本发明的技术特征，并非用于限制本发明的保护范围，即使有人在本发明构思的基础上稍作变动，仍应属于本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种用于码分多址多速率系统的扩频方法，包括下列步骤a、使用格瑞码对信息码进行编码；b、以所形成的格瑞码作基准产生一个产生矩阵Gi；c、将经由格瑞码编码过的信息乘以所述产生矩阵Gi，以产生特定长度的正交可变扩频因子码。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信息被一个数字逻辑组合电路编码。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述数字逻辑组合电路是一个具有数个系数的编码器，该系数由下式产生
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括使用一个乘法电路的步骤及使所述格瑞码作为所述编码器的输入步骤。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果额外的格瑞码标签输入是连接到“O”，且额外的输出码元忽略不计时，则单一的编码电路可在一码树中产生短长度的正交可变扩频因子码，可由储存Gn来产生一个完整的正交可变扩频因子码树，其中n是最大的i。
6.一种在码分多址多速率系统中判断母码和子码的方法，包括下列步骤a、使用数个格瑞码作为正交可变扩频因子码的标签；b、判断第一个扩频因子码的标签是否为第二扩频因子码的字首来判断两个码是否为母码与子码。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述每一个正交可变扩频因子码具有一个独特的格瑞码标签，且其中如果正交可变扩频因子码是0011时，则格瑞码标签为01。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述格瑞码标签用来判断任意两个正交可变扩频因子码是否为母码与子码间的关系，假设第一个正交可变扩频因子码0011的格瑞码标签为01，第二个正交可变扩频因子码00111100的格瑞码标签为010，则第一个正交扩频因子码0011为第二个正交扩频因子码00111100的母码。
9.一种在码分多址多速率系统中互换正交可变扩频因子码的方法，包括如下步骤a、使用数个格瑞码作为数个正交可变扩频因子码的标签；b、将第一正交可变扩频因子码的格瑞码标签与第二正交可变扩频因子码的格瑞码标签作模数-2的运算，以产生一个第三正交可变扩频因子码的标签；c、对第三正交可变扩频因子码与第一正交可变扩频因子码做模数-2的运算，以产生第二可变扩频因子码。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述每一个正交可变扩频因子码都具有一个独特的格瑞码标签。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括利用一个模数-2加法器的步骤，以产生所述正交可变扩频因子码。
全文摘要
一种用于码分多址多速率系统的扩频方法,包括下列步骤:a、使用格瑞码对信息码进行编码;b、以所形成的格瑞码作基准得出一个产生矩阵G
文档编号H04J13/00GK1373573SQ0111571
公开日2002年10月9日 申请日期2001年5月17日 优先权日2001年2月28日
发明者杨谷章 申请人:智邦科技股份有限公司, 杨谷章