[发明专利]用于提高码分多址通信容量的实用的空间－时间无线电方法

说明书

背景

本发明领域

本发明涉及时间无线通信系统。更具体地讲，本发明涉及通过利用空间域来提高无线通信性能的方法以及用于实现这些方法的系统。

相关技术

由于无线通信的需求增大，因此，有必要开发有效使用所分配的频带，即提高容量以在受限的可用带宽内进行信息通信的技术。在传统的低容量无线通信系统中，通过在多个预定频率信道中的一个频率信道上广播全向信号来从基站向用户发送信息。类似地，通过在其中的一个频率信道上广播类似的信号，用户将信息发送回基站。在这种系统中，通过将频带分割成不同的子带频率信道，多个用户单独地接入系统。这种技术为所熟知的频分多址(FDMA)。

商用无线电话系统使用的用于提高容量的标准技术是将服务区域分割成空间小区。不是仅采用一个基站对区域内的所有用户提供服务，而是采用一批基站来对分离的空间小区单独地提供服务。在这种蜂窝系统中，如果多个用户从不同的空间小区接入该系统，这些用户可重用相同的频率信道而彼此间无干扰。因此，蜂窝的概念是简单类型的空分多址(SDMA)。

在数字通信情况下，还可采用其它技术来提高容量。所熟知的例子是时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。TDMA使几个用户能够通过将它们的数据指定到不同的时隙而共享单个频率信道。CDMA一般来讲是扩频技术，该技术不将单个信号限制在窄频率信道中，而是在整个频带的频谱上对信号进行扩展。通过给每个信号指定不同的正交数字代码序列或扩展信号，来区分共享该频带的各信号。理论分析表明，在本行业中，CDMA已被认作是各种空中接口中前景最好的方法(例如参见Andrew J Viterbi著，“扩频通信的CDMA原理(CDMA Principles of Spread Spectrum Communication)”，和Vijay K．Garg等著，“无线／个人通信中的CDMA应用(Applications of CDMA inWireless／Personal Communication)”)。

尽管CDMA的前景较好，但诸如功率控制速度和基站间干扰等实际因素大大限制了CDMA实现的初始阶段的系统有效性。基于CDMA的系统容量主要取决于极精确地控制功率的能力，但是在移动环境中，信号波动太快以致于系统不能控制。不幸的是，移动无线环境通常的特性是不稳定的信号传播、通信实体之间的严重的信号衰减、及由其它无线电资源引起的同信道干扰。另外，很多城区环境中包含有大量的反射物(如建筑物)，使信号在从发射机发送到接收机时遵循多个路径。由于这种多径信号的各个部分以产生破坏性干扰的不同相位到达，因此，多径可引起不可预测的信号衰落。另外，由从移动的发射机周围(“散射区”)各个单元(“散射器(scatterers)”)以随机相位反射的信号的多径分量的组合引起的快速衰落被认作是无线通信中的主要问题。在接收天线处的破坏性组合产生特征为瑞利(Rayleigh)分布的功率密度函数的时变信号电平。因此，所接收到的功率在不同时间表现为“深”或零，这在所发送的信息中引起明显的差错(在数字通信中的特征为“突发误码”)。除衰落外，当为了给盲区提供服务而提高辐射功率时，基站间干扰也会使系统性能显著恶化。

现代的通信系统通过对发送数据进行交织、对接收数据进行去交织、并且加上适当的纠错技术而降低衰落效应。另外，采用空间分集是用于减缓衰落的极常见方法，例如，在两个充分分开的天线(10个波长或更大)上接收到的信号中接收功率与时间(功率／时间)函数的相关性较小。因此，大多数点到多点通信系统采用空间分集组合来降低衰落效应。在大多数情况下，接收机或者选择较强信号功率的天线(“切换分集”)，或者在补偿相位和幅度差之后组合两个天线的输出(“最大比率组合”)。

扩频直接序列系统(如IS-95)采用时间分集来提供另外的衰落减缓，即，由于信号带宽和与其相关的自相关函数而在时间上可以分开多径分量。如果多径分量以足够的时间间隔到达，则它们的功率／时间函数将不相关。在IS-95中，RAKE(瑞克)接收机提供多个解调器(“指状部件(finger)”)，其中每一个被指定不同的信号到达时间。通常，基站上解调信道的数目为4。如果到达信号的多径分量具有显著的延迟扩展(如几微秒)，则系统可成功地为进来的多径分量指定不同的“指状部件”，并实现优异的衰落减缓。但是，在大多数情况下，延迟扩展不足以提供时间分集(特别是在郊区)，并且衰落减缓仍主要是由空间分集和编码提供的。因为当前基站每个扇区仅采用两个天线，因此，一般仅有两个“指状部件”激活。