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CN1234169A - 移动电信系统中的随机接入 - Google Patents

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Abstract

提供有效降低处理移动站发起的随机接入呼叫所需时间的移动通信系统(10)。呼叫建立期间,移动站(16,18)发射包括一个报头和多个域的随机接入分组。基站(12)使用这些域中提供的信息促进更有效的呼叫建立并且更迅速地分配信道资源。还提供检测,识别,并且接收多随机接人请求的系统。每个移动站(16,18)在随机接入请求分组中发射多个不同的报头符号图样中的一个。基站接收机(14)包括多个累加器(126),每个累加器调谐到一个不同的报头符号图样。因此,基站接收机(14)可以区分同时出现的随机接入请求。这种报头符号方案还可以和功率递增过程结合使用,如IS－95和CODIT系统,为进行多随机接入尝试的移动站提供独立的功率控制。

Description

移动电信系统中的随机接入
发明的背景
发明的技术领域
本发明一般涉及移动通信领域，并且具体涉及处理移动站发起的多随机接入呼叫的系统。
相关技术的描述
下一代移动通信系统将要求提供包括数字语音，视频和分组以及信道切换模式数据在内的广泛电信业务。因此，希望较大地增加呼叫的数目，这样将会导致随机接入信道(RACH)上非常高的流量密度。不幸地是，这种较高的流量密度也将导致碰撞和接入失败。因此，新一代移动通信系统将不得不使用更快的随机接入过程，以提高它们的接入成功率并且降低它们的接入请求处理时间。
在大多数移动通信系统中，如称为“Code Division Testbed”(CODIT)的欧洲联合开发，以及根据IS-95标准(ANSI J-STD-008)工作的系统，移动站可以通过首先确定RACH是可用的来获得对基站的接入。然后，移动站提高功率电平发射一连串接入请求报头(例如，单一的127 chip符号)，直到基站检测到接入请求。作为响应，基站起动通过下行链路信道控制基站发射功率的过程。一旦移动站和基站之间的初始“握手”完成，移动用户就发射随机接入消息。
更具体地，在基于CODIT的码分多址(CDMA)系统中，移动站将使用逐次增加报头符号发射功率电平的“功率递增”过程尝试接入基站接收机。一旦检测到接入请求报头，基站就激活控制移动站发射功率电平的闭环功率控制电路，将从移动站接收的信号功率保持在期望电平上。随后，移动站发射它的特殊接入请求数据。基站接收机使用匹配滤波器“解扩”接收的(扩频)信号，并且分集合并解扩的信号获得信道多径分集的好处。
在IS-95 CDMA系统中，使用类似的随机接入技术。而CODIT和IS-95过程之间的主要区别是IS-95移动站发射完整的随机接入分组。如果基站没有确认接入请求，IS-95移动站以更高的功率电平重发接入请求分组。这个过程一直持续到基站确认接入请求。
在扩频时隙预约多址(SS-SRMA)系统中，使用时隙ALOHA随机接入方案。通常，移动站发射并且重发随机接入分组直到基站确认正确接收到随机接入分组。传输是由随机时间间隔分割的。然而，时隙ALOHA随机接入过程有其固有的不稳定性。因此，必须使用某种形式的反馈环来稳定这种系统。此外，没有设备来区分多个信号到达，这将导致碰撞和所必须的重发数目的增加，并且因此恶化不稳定问题。
在上述随机接入技术中存在大量的严重问题。例如，在CODIT系统中，基站接收机每次只能检测一个随机接入。如果两个移动站同时发射它们的接入请求，不是两个消息碰撞并被破坏，就是只有一个消息被识别而另一个被忽略。因此，这种系统的通过率相对较低，它的碰撞率高，并且成功接入的平均时间过长。需要有能够解决碰撞问题并且有效处理多随机请求的系统，但是提高现有系统的通过量将要求增加使用的接入码(一般在数量上是有限的)的数量，并且在基站接收机需要相应数量的额外匹配滤波器。
虽然现有的IS-95和SS-SRMA文献指出它们的基站CDMA接收机可以解调在同一时隙到达的多随机接入消息，但是它们的文献并没有规定如何实现这个过程。另外，IS-95文献并没有指出如何控制独立多接入信号的发射功率。
另外，上述IS-95和CODIT随机接入过程相对较慢，因为在检测到并且确认接入请求之前要有大量的功率递增，而在SS-SRMA系统中的重发会导致过度的延迟。同样，实现接收多随机接入请求并且控制每一个独立请求消息的功率电平的系统是一个相对困难的过程。因此，出于所有上述原因，CODIT，IS-95和SS-SRMA RACH的使用效率是非常低的，并且由于这种使用RACH的低效率以及要求大量重发，这些系统的用户所经历的流量干扰也是过度的。
这些CDMA系统的另一个问题是它们基本上没有为解决分组碰撞问题而设计。因此，这些系统的通过量还要由于大量的失败随机接入尝试以及相关的低效率而降低。
发明概要
提供一种有效降低处理移动站发起的随机接入呼叫所需时间的移动通信系统。呼叫建立期间，移动站发射包括一个报头和多个域的随机接入分组。基站使用这些域中提供的信息促进更有效的呼叫建立并且更迅速地分配信道资源。
还提供检测，识别，并且接收多随机接入请求的移动通信系统。每个移动站在随机接入请求分组中发射多个不同的报头符号图样中的一个。基站接收机包括多个累加器，每个累加器调谐到一个不同的报头符号图样。因此，基站接收机可以区分并且处理同时出现的随机接入请求。这种报头符号方案还可以和功率递增过程结合使用，如IS-95和CODIT系统，为进行多随机接入尝试的移动站提供独立的功率控制。
附图的简介
结合附图参考下面的详细描述可以对本发明的方法和装置有更彻底的理解，其中：
图1根据本发明的优选实施例说明接入请求数据帧；
图2是蜂窝通信系统的原理框图；
图3是根据本发明的优选实施例说明基站随机接入接收机的相关部分的原理框图；
图4根据本发明的第二实施例说明可以用于实现解调多随机接入请求并且还为每个请求提供功率控制处理的方法的原理框图；
图5表示可以被多个移动站用做随机接入请求报头的8个示范特征图样；
图6是根据本发明的另一个实施例说明如何正确接收并且解调多随机接入请求的原理框图；以及
图7是图6所示基站接收机的详细原理框图。
附图的详细描述
参考附图的图1-7可以对本发明的优选实施例和它的优点得到最佳的理解，不同附图中的相同和对应部分使用相同的数码。
本质上，移动站发起的呼叫的接入请求阶段中，准备请求接入基站接收机的移动站产生发射的接入请求数据帧。图1所示的就是说明这种接入请求数据帧的图。对于本发明的优选实施例，接入请求数据帧包括报头，有关移动站身份的前向纠错(FEC)编码信息，请求的业务类型，请求的发射时间，“短”数据，和检错符号。每个接入请求帧通常为10毫秒。另一种选择是使用更短的帧长度(例如，5毫秒)。这里描述的接入请求帧概括地可以称为“促进”随机接入请求帧。
产生接入请求数据帧之前，假设移动站已经从基站的广播信道(BCH)获得帧同步信息，并且已经估计出有关传输信道(移动站和基站之间的传输路径)的遮蔽和距离衰减。考虑这个信息，移动站在下一个随机接入帧的开始以足够补偿遮蔽和距离衰减的功率电平发射接入请求数据帧。在期望的基站，使用基于匹配滤波器的接收机解调接入请求帧。如果正确接收并且解调了接入请求帧，基站确认请求并且因此确定处理移动站的后续信息传输的时间。
具体地，参考图2，图中给出了蜂窝通信系统10的相关部分，包括基站发射/接收天线12和发射机/接收机部分14，以及多个移动站16和18。虽然只示出了两个移动站，但是图2是用于说明的目的，并且可以假设本发明包括多于2个移动站。产生并且发射接入请求帧之前，移动站(例如16)获得同步，或者与期望的基站接收机(14)同步。然后，移动站从基站的广播/导频信道信息中，确定每个随机接入帧的开始时间。如果将基站配置为测量并且广播它的接收机的当前业务总量(例如，代表多用户干扰)，移动站接收并且检测这个信息，并且用它计算克服干扰所需的信号发射电平。通过测量接收的广播/导频信号的变化电平和速率，移动站估计传输信道中存在的多普勒衰落速率和有效“径”数。然后，移动站通过测量足够数量衰落周期上的路径损耗，估计传输信道的遮蔽和距离衰减。考虑系统要求的传输分集度，移动站接着计算预定的信干比下基站接收接入请求帧所需的发射功率电平。
再参考图1，所示的接入请求帧包括L个未解调符号的报头。优选地，对于这个实施例，每个符号为1023个chip长。选择的报头扩频比大于帧其余部分的扩频比，以具有更大的扩频增益同时在基站降低不确定性。由于不同的用户传播延迟，并且由于基站必须在预定的窗口内接收第一符号，选择报头符号长于系统的最大传播延迟。报头可以包括下面将要详细描述的唯一特征图样。
接入请求帧还包括长度为N个符号的用户身份(ID)域。移动站随机选择构成ID域的符号。使用较长的用户ID将降低同时来自两个移动站(例如16和18)的随机接入请求包括相同随机ID的概率。但是，使用较长的身份域也会增加整个帧的长度，反过来可能增加误帧率(FER)。因此，应该考虑这个特性选择ID域的长度。
接入请求帧中的另一个域是请求业务号(K)。请求业务号的长度是由系统提供的可能业务数所决定的。Q个符号长的短数据消息也可以在随机接入请求分组中发射以提高传输效率。例如，因为只有很有限的数据需要发射，短数据消息传输不需要完成正常呼叫建立过程并且降低所需的其它系统开销消息。
M个符号的请求发射时间也包括在随机接入请求帧中。对于这个实施例，“请求发射时间”定义为移动站发射完整消息需要的总时间。这个域中包括的详细层次是设计偏爱，它主要依赖FER受影响的程度。还作为设计偏爱包括错误检测冗余域(P个符号长的循环冗余码)，它依赖于想要的总帧长。除报头以外，随机接入请求帧中包括的信息使用周知的编码技术进行前向纠错(FEC)编码。虽然图1中所示的实施例在每个FEC编码域中包括特殊的信息，但是本发明并不想进行这样的范围限制。例如，基站接收机用来更快并且有效地建立随机接入呼叫的任何信息都可以作为一个域包括在所示的帧结构中。同时，这些域中包括的信息并不必须进行FEC编码以适用于本发明的概念。
图1所示的随机接入请求帧优选地在下个时隙的开始发射。移动站(16)将这个分组的发射功率电平设置在补偿遮蔽和距离传输信道衰减的适当电平上。对于这个实施例，可以假设在基站接收机14使用的分集接收和合并技术大大地补偿了瑞利衰落因子。
图3是根据本发明的优选实施例，说明基站随机接入接收机14的相关部分的原理框图。如图3所示，基站接收机10的前端包括多个天线12a-n。每个天线的输出连接到各自的匹配滤波器13a-n。每个匹配滤波器的输出连接到各自的累加器15a-n。每个累加器15a-n的输出连接到各自的峰值信号检测器(未显式示出)。更完整的接收机部分将在下面详细描述。
操作中，每个匹配滤波器13a-n初始调谐到基站的特殊报头扩频码。在L个报头符号期间，每个匹配滤波器的输出在符号周期Ts上循环累加。如果报头包括特征图样(在下面描述)，累加是使用一组累加器完成的，每个累加器调谐到一个特征图样。使用的循环累加技术类型根据传输信道的衰落率可以是相干或非相干累加。优选地使用相干累加，因为它对CDMA解调有益并且即使在中等衰落率下也可以使用。
在报头周期的结尾，基站接收机部分14中的每个累加器15a-n在相应匹配滤波器13a-n的输出中搜索超出预定检测门限的每一个信号峰值。然后，每个累加器登记(检测并存储)每个峰值信号的幅度和相对相位，并且藉此确定接收机解调可用的有效信号径数。瑞克接收机部分(未显式示出)使用选择，等增益或最大比合并解调方案解调随机接入请求帧的数据部分。对于一个实施例，选择合并方案是优选的，因为它促进多随机接入接收(下面描述)。对于另一个实施例，当每个独立接入尝试的标识可能时，可以使用等增益或最大比合并解调方案。这个实施例中的解调方案将促进移动站在较低发射信号功率电平上的操作。接收机部分14相干解调接收的数据。如图1所示，在移动站将导频音插入随机接入请求分组以促进另一端的相干解调处理。然后，解码解调的数据并且检错。
如果正确地接收并且解调随机接入请求分组，基站14就向移动站16发射确认消息，并且在有合适的信道资源时确定用户呼叫进行的时间。对于短分组数据(Q)，基站只需要发射确认消息。
如果在确定时间帧时没有信道资源，基站发射可能指示移动站何时发射新请求的“占用”消息。如果基站不发射确认消息，移动站可以假设请求尝试不成功。
通过移动站(例如16,18)发射如图1说明的随机接入请求帧，请求业务时间(K)，请求发射时间(M)，和短数据(Q)域可以方便地用于促进接入请求后的分组数据传输。由于这些域可以事先确定并且可以为基站接收机提供先验信息，就可以比现有系统更快速并且有效地配置接收机。
还通过基站广播m比特占用标志供移动站使用，提供碰撞发生时调整接入请求到达接收机14的方法。举例而言，m的值可以由基站检测的碰撞数确定。这样，基站可以通过选择2m级中的一个并且出于分配的目的向网络中的移动站发射那个信息，调整接入请求发射(和到达)的速率。
图4是说明可以用于实现识别并且解调多随机接入请求的接收机14的原理框图。为了使基站接收机能够区别多随机接入请求，可以使用新颖的报头比特或符号图样。每个请求的移动站可以发射L个不同报头比特或符号图样(在下文中称为“特征”)中的一个。如图4所示，L个累加器中的每一个都调谐以检测来自匹配滤波器的输出的特殊特征(l)。这个特征报头方案(下面描述)也可以用于功率递增，如IS-95和CODIT系统所使用的，区分多接入尝试并且为进行随机接入尝试的独立移动站提供独立的功率控制处理。
图5给出可以被多个移动站用做报头的8个示范特征图样。优选地，如图5所示，所用的特征图样是彼此正交的。在基站接收机，为每个特征图样提供一个累加器。每个累加器对匹配滤波器的输出信号求和。
操作中，准备发射随机接入请求消息的移动站(16,18等)从内部存储位置中随机选择L个特征中的一个。然后移动站根据所选的特征图样发射报头。当与所选的特征关联的累加器126(1-l)的输出指示在峰值检测器128出现随机接入信号时，相应的解调器(未显式示出)被激活。最大比合并方法可以用于合并移动站检测的所有径。对于这个实施例，累加器126优选地是一个缓冲存储装置，其中匹配滤波器输出的抽样(Sij)写入阵列126的行。阵列的宽度是一个符号长(N)，而阵列的高度等于L。阵列元在“累加器窗长度”L上相加。虽然未显式示出，但是接收机14中的I和Q路的每一路上使用独立的累加器，这样接收的信号可以使用周知的技术相干累加。如这个示范说明所示，累加器126在接收机的I路使用。使用图4说明的结构和方法，接收机的信干功率比可以比现有系统提高L倍。
具体地，信号Sij被混频器136(1-l)相乘并且在加法器138相加。使用的特征数(l)优选地基于RACH上的流量，相同报头周期中两个移动站不选择相同特征的概率，和RACH上使用的分组长度约束。在这个实施例中，使用8个特征和相应的累加器，它为每个移动站的发射提供9dB的信号增益。在上面图3说明的实施例中，特征图样(a-n)输入到各自的混频器17a-n以促进多个随机接入请求的解调。
如果在解调接收的数据中发生错误，可以使用占用/标志程序。举例而言，基站可以确认从特定的移动站(发射特定的特征报头)接收到随机接入分组。基站可以指示移动站使用特殊的码进行后续发射，并且禁止其它移动站使用那个分配的码。这样，可以检测错误的数据或不成功的接入请求并且更快地重发，同时这将会有效地降低额外错误或碰撞的概率。
图6是根据本发明的第二实施例，说明如何正确接收并解调多随机接入请求的原理框图。优选的方法与选择合并技术一起使用一种形式的多径和空间分集接收。通常，分集选择合并方法用于独立分析和解调预定门限之上的所有接收径。这样，如果多个接入请求在同一时间到达接收机114，所有的请求将被等同处理，而且这将提高所有移动站的请求都被正确接收并解调的概率。
选择合并方法使用多径分集(例如，解调多个径)和空间分集(例如，多天线)。这样，如图6所示，由于合并了这些分集接收方法的效果的传输信道瑞利衰落处理利用了这样的事实，即特定的接入请求在一条分集路径上比其它弱，但是在另一条路径上较强，因此多个接入请求都可以被正确接收并解调。
图7是图6中部分所示基站接收机114的详细原理框图，根据本发明的第二实施例，它可以用于接收并解调多个移动站进行的随机接入请求。接收机114包括连接到匹配滤波器124的输入的接收天线122。在报头期间(L个符号长)，匹配滤波器124的输出在累加器126中累加L个符号周期以提高接收的信干功率比。对于这个实施例，累加器126优选地是缓冲存储装置，其中匹配滤波器输出的抽样(Sij)写入阵列126的行。阵列的宽度是一个符号长(N)，而阵列的高度等于L。阵列元在“累加器窗长度”L上相加。虽然未显式示出，但是接收机114中的I和Q路的每一路上使用独立的累加器，这样接收的信号可以使用周知的技术相干累加。如这个示范说明所示，累加器126在接收机的I路使用。使用图7说明的结构和方法，接收机的信干功率比可以比现有系统提高L倍。
累加器126的输出连接到峰值检测电路128的输入。当从累加器126检测到信号时，峰值检测电路128的输出送到信号估计器单元130。信道估计器单元130估计检测的峰值信号的相位和幅度。从累加器126检测出多个信号峰，接收机将每一个这样的信号分配给独立的解调器132a-n。随后，解调器132a-n的每一个独立信号被看作来自不同的移动站。
随机接入请求传输的持续时间相对很小。因此，并不认为这些请求会对业务用户信号施加有效的额外干扰。然而，基站接收机可以使用干扰抵消单元134除去已经施加给系统的业务用户的所有高干扰。干扰抵消可以很容易地在报头期间实现，因为入信号的相位和极性都是已知的。接收到随机接入消息后，基站接收机可以继续干扰抵消过程。
虽然，结合附图说明并且用前述详细叙述描述了本发明的方法和装置的优选实施例，但是应该理解，本发明并不限于所揭示的实施例，而是在不脱离下面权利要求阐述并定义的本发明的精神的前提下，可以容纳大量的重新调整、修改和置换。

Claims (13)

1．在移动通信系统中用于发射随机接入请求的信号格式，包括：
报头；和
多个促进域中的至少一个，所述多个促进域包括移动站身份域，业务域，短数据域，和发射时间域。
2．根据权利要求1的信号格式，其特征在于所述报头包括多个特征图样中的一个。
3．根据权利要求1的信号格式，其特征在于所述多个促进域中的至少一个包括前向纠错编码域。
4．根据权利要求2的信号格式，其特征在于所述多个特征图样中的所述一个与另一个是正交的。
5．用于解调多个随机接入请求消息的系统，包括：
第一多个匹配滤波器；和
第二多个累加器，所述第一多个匹配滤波器的每一个的输出连接到所述第二多个累加器相应的输入。
6．根据权利要求5的接收机部分，其特征在于唯一的特征图样送到所述第二多个累加器的每一个的第二输入。
7．根据权利要求5的接收机部分，其特征在于第三多个接收天线的输出连接到所述第一多个匹配滤波器的相应输入。
8．用于解调多个随机接入请求消息的接收机；包括：
检测所述多个随机接入请求消息中的至少一个的滤波器装置；
对检测的所述多个随机接入请求消息中的所述至少一个求和的累加器装置，所述累加器装置连接到所述滤波器装置的输出；
在所述累加器装置的输出检测预定信号的峰值信号检测器装置；
响应所述峰值信号检测器装置的输出信号选择业务信道的信道估计装置；和
解调所述检测的所述多个随机接入请求消息中的至少一个的解调装置。
9．根据权利要求8的接收机，其特征在于所述累加器装置包括一个L×n阵列。
10．根据权利要求8的接收机，还包括IQ解调器的I部分。
11．根据权利要求8的接收机，还包括IQ解调器的Q部分。
12．根据权利要求8的接收机，还包括干扰抵消器。
13．在多随机接入通信系统中控制移动站的发射功率电平的方法，包括以下步骤：
检测多个随机接入请求消息中的至少一个；
累加检测的所述多个随机接入请求消息中的所述至少一个；
检测所述累加步骤产生的预定信号；
响应所述预定的信号选择业务信道；和
控制与所述至少一个所述随机接入请求消息相关的移动站的发射功率电平。
CNB971988846A 1996-10-18 1997-10-14 移动电信系统中的随机接入 Expired - Lifetime CN1166241C (zh)

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US08/733,501 1996-10-18

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