专利名称：通过有意相位旋转降低传输信号中峰值与均值之比的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信，并且尤其涉及码分多址(CDMA)无线通信。
无线通信提供对移动用户和地址的无限制的访问，需求两个特别的而不连接的域语音电话和室内局域网。蜂窝电话网络经过最后无线跳跃扩展了电话服务的领域，而移动IP LAN，如WaveLAN与RangeLAN，对TCP/IP数据网络的室内用户可做同样的事。随着无线技术和高速集成服务有线网络的进步，为移动用户提供合成的多媒体信息访问提供了条件。比如，个人通信服务(PCS)是一个广义上的个人化电信服务，它使得个人或设备可随时随地地通信。个人通信网络(PCN)是一种新型的、通过低功率天线通信的电话系统。PCNs对传统有线通信提供了数字无线替换方案。
下文提出了无线技术中令人关注的领域，如，在任何无线通信系统中，发射机的功率对系统的性能有较大影响。在一个受噪声限制的无线通信系统中，发射的功率决定了发射机和接收机之间所允许的距离。发射的最大功率决定了信噪比，信噪比必须超过为接收机成功进行信息通信而预设的门限值。
在基站，峰值对均值之比成了功率放大器效率的主要限制因素。在前向链路中，基站通过叠加信号并用一个放大器放大集合信号，来为所有集合用户发射集合信号。典型地，基站的功率放大器被降低额定值运行。考虑到集合信号的峰值与均值之比，为对于可允许的均值发射功率，给放大器留有峰值储备，降低额定值运行是必要的。因为基站的覆盖范围主要依赖于功率放大器的可允许均值发射功率，那么降低峰值均值之比从而降低放大器的降低额定值运行，将是相当有利的。
本发明是在无线传输系统中降低功率放大器峰值储备的装置。此装置包括一个正交调制电路和与之连接的相位旋转电路。正交调制电路使用沃尔什(Walsh)码以调制同相信号和正交信号。正交调制电路具有同相输出和正交输出。相位旋转电路旋转同相信号和正交信号的相位，产生相位旋转的同相信号和正交信号。多个沃尔什信道与特定无线用户相连。实施本发明的方法也作了描述。
参考附图，通过下列描述，可以对本发明有更为完整的理解。
图1是典型无线网络的示意框图。
图2是在CDMA基站中，有意相位旋转的一个实施例的略图。
图3是在Nh=N=5时，所有可能bK的P(φ|Y)的一个例子的曲线表示。
图4是在Nh=N=5时，A(φ|Y)的曲线表示；以及图5是峰值功率降低量的曲线，以dB对HSD用户信道数的形式表示。
尽管本发明特别适合CDMA系统，并进行了描述，但是本发明同样很好地适用于其他无线系统包括但不局限于宽带CDMA(W-CDMA)，时分多址(TDMA)和移动通信特别研究组，现在称为全球移动通信系统(GSM)。
CDMA调制技术用于通信系统使得大量用户可以相互通信。在典型的CDMA通信系统中，所有的通信信道被复用到一个或几个公共宽带频率上。每一个通信信道通过唯一扩展码区分。在传输以前，为使信息信号转换成宽带信号，每一个信道的信息信号被扩展码调制。接收机通过合并宽带信号与相应扩展码，解调所收到的宽带信号以恢复原信息信号。扩展码典型地是二进制码。因为相同的频率段对所有的用户都是可以接收的，在接收到的信号被扩展码解调时，其他信道的信息信号可能出现同信道干扰或噪声。
发射机功率是重要的系统性能因素。在受噪声限制的无线通信系统中，决定发射机和接收机最大允许距离的是发射的功率。可用的发射功率决定了信噪比，信噪比必须超过为接收机成功进行信息通信而预设的门限值。
参考图1，这里画出了典型无线通信网络的表示框图。移动电话交换局(MTSO)10，也称作移动交换中心，其为在无线网络和交换有线网络13之间提供交换通话。MTSO10控制整个无线通信系统的运行，设置、监控所有无线通话，跟踪所有在系统中移动的无线装备车辆的位置，安排切换，并且提供收费信息。MTSO10连接到多个基站14上。基站14是无线网络中位置固定的多信道收发器，其通过无线端口耦连到天线16上。基站14充当通信网关的地理区域被称作小区18，不同的基站14小区节点分布在合适的位置。通过前向链路和反向链路，移动单元20与特定小区内的基站14通信。
发射功率的峰值对均值之比成了功率放大器效率的主要限制因素。在前向链路中，基站14通过叠加信号并用一个放大器放大集合信号，来为所有集合用户发射集合信号。当不同用户的信号同相时，由于正弦波形式的相长叠加，集合信号的峰值对均值之比的情形最坏。在IS-95标准中，不同用户的信号是同相的。典型地，基站的功率放大器被降低额定值运行。考虑到峰值与均值之比，功率放大器的降低额定值运行给放大器留下了足够的峰值储备，以允许合适的平均发射功率。因为基站的覆盖范围主要依赖于功率放大器的可允许均值发射功率，那么降低峰值均值之比从而降低放大器的降低额定值运行，将是相当有利的。
最近，为IS-95-B和宽带CDMA系统提供高速数据(HSD)服务的建议已经提出。基本上，新特点允许用户使用多个沃尔什信道。当HSD用户处于高干扰环境下，其中HSD用户将耗费高功率以保持通话，基站的功率极限会很快达到。这就是，由于用户随机的耗损，会引起更大的链路功率输出的不足。
对于相同HSD用户，在不同信道中，本发明使用有意相位旋转。这样，操作仍然向下兼容老式IS-95标准电话(即保持正交调制)而允许降低为功率放大器保留的峰值储备，这样，覆盖区域/容量可以得到提高。当所选的使用有意相位旋转的无线用户可能是HSD用户，本发明可以被相同基站服务的所有无线用户，包括仅占一个沃尔什信道的语音用户所使用。本发明可以同时被其他HSD用户同时使用。
图2表示了本发明代表实施例物理层的框图。与所存在的系统或提出的系统的主要不同是本发明在不同沃尔什信道中，对于基带信号相同有线用户引入了有意相位旋转。基带编码/调制单元30提供了同相信号和正交相位信号，其连接到相应乘法器32和34上。乘法器32和34连接到沃尔什码，进行正交调制。乘法器32提供信号SI,K，它是沃尔什信道的“带符号”同相幅值。信号SI,K连接到乘法器36和38。乘法器34提供了信号SQ,K，它是沃尔什信道的“带符号”正交相位幅值。信号SQ,K连接到乘法器40和42。θK是沃尔什信道K的引入相位旋转。cos(θK)连接到乘法器36和42上。sin(θK)连接到乘法器38和40上。乘法器36的输出和乘法器40的反向输出连接到加法器44上。乘法器38的输出和乘法器42的输出连接到加法器46上。加法器44的输出和伪噪声PNI连接到乘法器48上。加法器46的输出和伪噪声PNQ连接到乘法器50上。乘法器48的输出连接到基带滤波器52上。乘法器50连接到基带滤波器54上。基带滤波器52的输出和cos(2πfct)连接到乘法器58上。基带滤波器54的输出和sin(2πfct)连接到乘法器56上。乘法器56和58的输出连接到加法器60上。加法器60的信号连接到发射机功率放大器(未画出)上。有意相位旋转(θK)部分的引入在图2阴影方框70中画出。
公式1表示CDMA无线系统的信号模型。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)是发射信号，SI,K是沃尔什信道K的“带符号”同相幅值，SQ,K是沃尔什信道K的“带符号”正交相位幅值。fc是载波频率，θK是引入的沃尔什信道K的相位旋转。注意“带符号”幅值是发射幅值(与功率控制的需要有关)与片信息(+1或-1)的乘积。也要注意在IS-95系统中，同相分量SI,K，与正交相位分量SQ,K对每一个沃尔什码来说是相同的。此项注意更为通用，其考虑了使用不同同相分量和正交相位分量的可能性。
在多个载波频率周期，即T(其可能是3/fc,5/fc，或片间隔等)，积分的能量由公式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为评价本发明对性能的提高，考虑下列情形1．信道1到Nh用于引入了有意相位旋转的一个HSD用户，而信道Nh+1到信道N用于没有引入有意相位旋转的IS-95用户。这由公式3表示。
2．假设同相位和正交相位分量，如IS-95标准定义的一样，是相同的，即，SI,K=SQ,K=SKk。但是，可直接将其扩展到不同相位和正交相位的更广义的情形。
3．HSD用户信道的幅值(信道1到Nh)是相同的，但是符号可以不同(由于编码和数据)，即，SK=bk·x k≤Nh，其中bk=±1。IS-95用户(信道Nh+1到信道N)的幅值将基于一种概率分布。
每个积分周期条件的幂由公式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可能组合有2N-1种。图3表示了在Nh=N=5时，对于不同的bK,P(φ|Y)的一个例子，即，一个HSD用户相同增益地使用5个信道，而没有其他用户。在此情形下，Y是一个不起作用的单位向量。为保证降低的峰值功率，所有bk可能值的最大值被选择，并且以Y为条件的最大可能峰值功率被定义，如公式6所示。A(φ|Y)=maxbkP(φ|Y)]]>公式6图4表示了在Nh=N=5时的A(φ|Y)。总之，它可以说明φoptimal=πNh]]>公式7是在Nh=N时最小化峰值片功率的最优相位旋转，即，在没有用户/信道不允许相位旋转(如，IS-95用户)时，以及有Nh信道可允许相位旋转，且增益相等时。
在系统中，存在用户/信道不允许相位旋转时，相对增益(Y向量)将在降低峰值功率和选择最优相位旋转方面起重要的作用。应当理解一旦通话建立，在通话期间，对某些用户保持相同的相位旋转的实现是实际的。为简化实现过程，下面，公式7的相位旋转将以HSD用户所用的信道数为条件，而不考虑其他用户的相位旋转。
以Y的实现为条件的功率增益(峰值功率降)被公式8定义。G(Y)=A(φ=0|Y)A(φ=πNn|Y)]]>公式8因为Y向量是在不同用户/信道中的相对增益，所有Y可能实现值的均值可由公式9获得。G=∫G(Y)f(Y)dY公式9其中，f(Y)是Y的概率密度函数。
为获取一些数值例，假设一种Y是对数正态分布的情形。而且，假设对数正态分布的标准偏差是4dB。图5显示了由公式9表示的增益，在NI=4时，即存在4个无相位旋转的信道时的峰值功率降。
高数据率或高功率用户信号可以分解成几个低功率或低速率信号/波形。每一个波形接着被差分有意相位旋转位移。在此情形下，分解的波形被本质上当作“等同用户”处理。
本发明的一个应用是基于IS-95系统的前向链路信号。目前，IS-95前向链路信号需要所有的“等同用户”具有相同的相位。相位相同使得基站功率放大器的峰值对均值之比最差。被保留处理此情形的放大器实际峰值储备是几个dB，这因此引起了功率效率的大量下降。通过在IS-95前向无线链路中对每一个“等同用户”使用有意相位旋转，集合波形的相长迭加和降到最低。
有充足的理由首先改善前向链路。在高速数据传输中，如在新标准IS-95-B标准中描述的，在因特网上下载数据被认为是主要的传输需求。期望使用前向链路的比使用反向链路的高。在13K IS-95的实施中，可以得知，前向链路在容量方面是一个瓶颈。慢的功率控制和低的编码增益是主要因素。即使EVRC(8K)后来被展开，由于在多个主导频展开的约束，前向链路对于容量来说是一个限制链路仍是可能的(依据位置)。因此，本发明前向链路的实施通过降低基站发射机功率放大器的峰值对均值之比，而提高基站覆盖范围和容量。为使得一个HSD终端(蜂窝移动单元20)正确地解调集合信号，有意相位旋转可通过在空中接口的一个消息发送或者通过在一个标准中定义有意相位旋转。
参考上述说明，本发明的许多修改和替代的实施例对那些对此技术熟练的人员将是显而易见的。本发明中在无线传输系统中降低功率放大器的峰值储备可用于同基站服务的所有用户，包括仅占一个沃尔什信道的语音用户和其他HSD用户。沃尔什码调制是实现正交调制的一个方法。本发明也可用于其他在信道使用正交调制的系统。因此，本说明仅被当作示意，以及用于指导那些对此技术熟练人员，使他们更好地实施本发明。只要不背离本发明的精神，结构的详细方案可以有很大不同，但是保留对包括在附加的权利要求书范围内的所有修改方案的广泛使用。
权利要求
1．一种用于降低无线发射系统中的功率放大器的峰值储备的方法，包括下列步骤选择至少一个无线用户；分配多个信道给所述至少一个被选择的无线用户；在所述分配的多个信道中旋转相位。
2．如权利要求1所述的方法，其中所述分配的多个信道使用沃尔什码定义。
3．如权利要求1所述的方法，进一步包括分配一个不同信道给另一个无线用户的附加步骤，其中所述至少一个所选的无线用户和所述另一个无线用户在无线传输系统中兼容。
4．如权利要求3所述的方法，其中所述不同信道为使用沃尔什码定义的不同信道。
5．如权利要求3所述的方法，其中所述不同信道没有被相位旋转。
6．如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个所选的无线用户是高速数据用户。
7．如权利要求6所述的方法，其中所述高速数据用户被定义为是一个IS-95-B标准无线通信高速数据用户。
8．如权利要求3所述的方法，其中所述另一个无线用户被定义为是一个IS-95标准无线通信用户。
9．如权利要求1所述的方法，其中所述在所述分配的多个信道中的相位旋转包括在所述分配的多个信道中的增量相位旋转。
10．一种在无线发射系统中降低功率放大器峰值储备的设备，包括选择至少一个无线用户的装置；分配多个信道到所述至少一个所选无线用户的装置；在所述分配的多个信道中旋转相位的相位旋转电路。
11．如权利要求10中所述的设备，其中所述分配的多个信道使用沃尔什码定义。
12．如权利要求10所述的设备，进一步包括分配一个不同信道到另一个无线用户的装置，其中所述至少一个所选的无线用户和所述另一个无线用户在无线传输系统中兼容。
13．如权利要求12中所述的设备，其中所述不同信道为使用沃尔什码定义的不同信道。
14．如权利要求13所述的设备，其中所述不同信道没有被相位旋转。
15．如权利要求10所述的设备，其中所述至少一个所选的无线用户是高速数据用户。
16．如权利要求15所述的设备，其中所述高速数据用户被定义为是一个IS-95-B标准无线通信高速数据用户。
17．如权利要求12所述的设备，其中所述另一个无线用户被定义为是一个IS-95标准的无线通信用户。
18．如权利要求11所述的设备，其中所述在所述分配的多个信道中的相位旋转包括一个在所述分配的多个信道中的增量相位旋转。
19．如权利要求12所述的设备，其中正交调制电路连接到所述相位旋转电路的输入。
20．一种用于降低CDMA传输系统中的功率放大器的峰值储备的设备，包括一个正交调制电路，使用沃尔什码调制同相信号和正交相位信号，所述正交调制电路具有一个同相输出和正交输出；用于旋转相位的相位旋转电路，连接到所述同相输出和所述正交输出，以产生相位旋转的同相信号和相位旋转的正交信号。其中沃尔什码定义的多个信道与一个特定无线用户相联系。
21．如权利要求20所述的设备，其中所述相位旋转电路提供在所述多个信道中的一个增量相位旋转。
22．如权利要求20所述的设备，其中所述相位旋转电路提供在所述多个信道中的伪随机相位旋转。
23．一种用于降低CDMA发射系统中的功率放大器峰值储备的系统，包括使用沃尔什码调制同相信号和正交信号的一个正交调制电路，所述正交调制电路具有一个同相输出和正交输出；以及用于旋转相位的相位旋转电路，连接到所述同相输出和所述正交输出，以产生相位旋转的同相信号和相位旋转的正交信号；其中由沃尔什码定义的多个信道与一个特定无线用户有关，因此降低了功率放大器的峰值储备。
24．如权利要求23所述的系统，其中所述相位旋转电路在所述多个信道中，提供了一个增量相位旋转。
25．如权利要求23所述的系统，其中所述相位旋转电路在所述多个信道中，提供伪随机相位旋转。
全文摘要
一种在无线发射系统中减少功率放大器峰值储备的设备,包括正交调制电路和连接到正交调制电路的相位旋转电路。正交调制电路使用沃尔什码调制同相信号和正交信号。正交调制电路具有同相输出和正交相位输出。相位旋转电路旋转同相信号和正交信号的相位,产生相位旋转了的同相信号和相位旋转了的正交信号。多个沃尔什码定义的信道与一个特定用户有关。
文档编号H04B1/69GK1222010SQ98125550
公开日1999年7月7日 申请日期1998年12月14日 优先权日1998年12月14日
发明者道格拉斯·尼斯里, 郭文宜, 马丁·霍华德·迈耶, 桑吉·南达 申请人:朗迅科技公司