CN1947348A - 用于多载波通信***中的随机接入的方法和装置 - Google Patents

Abstract

具有随机接入的多载波蜂窝无线网络(303、304、305、320)中的方法和装置，其改善接收可靠性并且减少随机接入的上行链路信号的干扰，同时通过特定配置的测距信号来改善基站接收机(310、320)的检测性能。

Description

用于多载波通信***中的随机接入的方法和装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2004年3月9日提交的申请号为60/551,589的美国临时专利申请的权益。

背景技术

在无线通信***中，移动站首先需要进行随机接入，以与基站建立通信。随机接入一般包括两个步骤：(1)测距(ranging)，及(2)资源请求和分配。在测距期间，移动站向基站发送信号，以使基站可识别该移动站并测量该移动站的功率和时间延迟，并通知该移动站以便功率调节和时间提前。在资源请求和分配期间，请求并且分配用于通信的上行链路和下行链路资源。测距是多载波无线通信***的关键部分，并且存在几个与测距相关的重要问题：

1.测距信号的带宽效率

2.测距信号对其它上行链路信号的干扰

3.基站接收机处的检测性能和复杂性

测距过程一般涉及基站和移动站之间的消息交换，通过该消息交换，在补偿了传播延迟和其它因素之后，移动站可使自己与每个时隙的开始对准。共享介质通信网络中的一个问题是多个移动站的测距。当多个移动站同时试图进行测距时，它们被迫为接入共享信道而竞争，并且由于大量的冲突，对于任何移动站来说，完成该测距过程均变得困难。因此，所有移动站完成测距过程所需时间过多，而且共享信道上的许多带宽被浪费了。

附图说明

图1描述了频域中多载波信号的基本结构，该信号由子载波构成。

图2示出了在频域和时域二者中分割成小单元的无线资源：子信道(频域中)和时隙(时域中)。

图3示出了具有至少一个小区和一个基站的蜂窝***。

图4描述了由至少一个子载波块组成的测距子信道。

图5说明了由于随机接入的初始阶段中移动站往返延迟(round tripdelay)的不确定性而导致的测距信号与基站OFDM时间帧在时间上未对准的情况。

图6描述了当使用规则的OFDM时间帧来接收测距信号时、测距子信道中子载波被扩散的频谱(smeared spectrum)。

图7说明了可用二进制序列近似的测距序列的对应的时域信号。

图8示出了测距子信道的排列，其中在频域中子载波块间的间隔没有重复、或者具有最小重复。

具体实施方式

在下文说明中，本发明关于其各种实施例来解释，并且提供了用于完全理解的具体细节。然而，本领域的技术人员应该理解，无需这样的细节亦可实践本发明。在一些实例中，为了避免不必要地混淆对实施例的描述，没有详细示出或描述公知的结构和功能。

除非上下文清楚地要求，否则，贯穿本说明和权利要求，用语“包括”、“包含”等应以包含性的意义来解释而不是排他性或穷尽性的意义，即，其含义为“包括，但不限于”。使用单数或复数的用语也分别包括复数或单数。此外，在用于本申请中时，用语“在此”、“以上”、“以下”及类似意义的用语指的是作为整体的本申请而不是本申请任何特定部分。当权利要求使用用语“或”来引用两个或更多项时，此用语覆盖以下所有对该用语的解释：序列中的任何项、序列中的所有项和序列中项的任何组合。

本发明的实施例公开了用于多载波***中的随机接入的方法和装置。具体来说，测距信号被设计成改善接收可靠性并减少对其它上行链路信号的干扰。此外，所述的方法和装置可改善基站接收机处的检测性能。

在多载波通信***—例如多载波码分多址(MC-CDMA)和正交频分多址(OFDMA)***—中，信息数据被复用于在频域中相互正交的子载波上。实际上，频率选择性信道按频率被分割成若干并行、但小的段，这些段可被当作平坦衰落信道，并可使用简单的单抽头均衡器。可使用快速傅立叶变换(FFT)来执行调制/解调。

在多载波通信***中，可在频域和时域二者上分割物理媒介资源(如无线电或线缆)。该规范的分割为资源共享提供了高灵活性和精细粒度。在频域中多载波信号的基本结构由子载波构成，并且在特定谱带或信道中，存在固定数目的子载波。存在三种类型的子载波：

1.数据子载波，其携带信息数据；

2.导频子载波，其相位和振幅是预定的，并为所有接收机所知，并且其用于协助***功能，如***参数的估计；以及

3.静默(silent)子载波，其没有能量，并且用于保护带(guard band)和DC载波。

数据子载波可设置成称作子信道的群，以便支持可缩放性和多路接入。形成一个子信道的载波没有必要彼此相邻。每个用户可使用部分或全部的子信道。图1中针对基站发射机处的交错子信道示出了这个概念。数据子载波可以特定的方式分组成子信道，而导频子载波亦以特定的方式分布于整个信道上。在时域中多载波信号的基本结构由时隙构成以支持多路接入。图2中描述了频域和时域二者中的资源分割。

图3说明了典型的蜂窝结构。其中，没有区分小区和扇区。从***工程的观点来看，在小区被分成扇区的情况下，每个扇区可视为小区。由于这个原因，术语“小区”和“扇区”是可互换的。两者通称为小区。在图3的通信***中，基站310与其小区站点的扇区A中的移动站301和302通信，同时基站320与其小区站点的扇区B中的移动站303、304和305通信。

图4说明了两个测距子信道，每个子信道由多个子载波块组成。每块中的子载波在频率上是连续的。图4示意地示出：接近块边界(频率中的较低端和较高端)的子载波的信号功率比接近块中心的子载波的信号功率低。(在特殊情况下，位于块端处的两个子载波的功率电平设为零。)因为不同的因素可导致来自两个不同发射机的两个子载波块有可能重叠，所以，衰减的边界子载波可使所引起的干扰最小化。

根据某些实施例的各方面，测距信号承载于包含多个子载波的测距子信道之上。二进制或者非二进制的信号可调制于测距子信道的子载波上。

测距子信道中的调制信号的序列称作测距序列。在一个小区中允许多个测距序列。移动站选择一个测距序列用于随机接入，并在与基站的初始通信中使用该序列来标识其自身。测距信号的周期称作测距时隙。测距时隙可持续一个或多个OFDM符号。可提供多个测距时隙，以增加随机接入的机会，并减少冲突的概率。

在一个实施例中，针对其测距子信道，不同的小区可具有不同的子载波配置。不同的小区亦可具有不同的测距序列集合。这些差别可用来识别移动站与小区的关联性。

图5说明了规则的上行链路数据信号和测距信号(具有保护间隔G.P.)的时序。在试图随机接入开始时，移动站不知道其到基站的往返时间。因此，测距信号在该基站的到达时间可能与已经与基站时钟同步的其它信号未对准。如图5所示，在该基站，随机接入测距信号的到达时间与期望到达时间不一致。如图6所示，当使用规则信号的OFDM时间窗来接收测距信号时，该规则信号和测距信号的时间未对准有可能导致测距信号的频谱被扩散。因此，测距子信道内未对准的子载波将互相干扰，并且干扰与其相邻的数据子信道。在下文的说明中，给出了解决这种问题的若干方法。

在一个实施例中，测距子信道由多块子载波组成。每个块中的子载波在频率上是连续的。接近块边界(频率中的较低端和较高端)的子载波的信号功率比接近块中心的子载波的信号功率低。在特殊情况下，位于块两端处的两个子载波的功率电平设为零。

在另一实施例中，测距序列的每段是一个哈达玛序列(Hadamardsequence)，而一个完整的测距序列由多个哈达玛序列组成。每段与一个连续子载波的块对应。在表1中，示出了两个测距序列的典型实例。每段是一个4-比特的哈达玛序列，并且每个测距序列由4段组成。这两个测距序列逐段彼此正交。

表1：测距序列的实例

测距序列1	+1 -1 +1 -1	+1 +1 +1 +1	+1 +1 -1 -1	+1 -1 -1 +1
					测距序列2	+1 +1 +1 +1	+1 -1 -1 +1	+1 -1 +1 -1	+1 +1 -1 -1

另外，在序列设计中，可利用信号处理中的其它特性。在该实现的一个实施例中，测距序列被设计成：其对应的时域信号具有相对低的峰值对平均值的功率比。这改善了移动站发射功率放大器的功率效率。此外，测距信号还被设计成：时间信号可用二进制序列(如图7)来近似，由此降低接收机相关器的复杂性。而在理论上，并且甚至在实际中，测距序列的每个调制数位可表示一定范围的逻辑电平，事实上，二进制格式是最简单的表示，并且其处理仅需最简单的接收机部件。图7说明了可用二进制序列来近似的测距序列的对应时域信号。

在另一个实施例中，测距子信道的各块可通过这样的方式来分布或者分配，使得：在时域中，与测距子信道对应的测距序列的自相关显示出一组所期望的特性，如窄的主峰及低旁瓣。举例来说，各块可分布于所感兴趣的频带中，以使共同采样函数中具有最小冗余。换句话说，如图8中所示，在频域中，测距子信道的各块之间的间隔没有重复、或者具有最小重复，其中该间隔由集合{d，2d，3d，4d，5d，6d}组成。

图8仅仅是这种可能的排列的一个实例，其中自相关处理仅仅产生一个主尖锋，与测距子信道块携载的测距序列无关。在自相关过程期间，测距信号的两个副本以逐步的方式、关于彼此并行移动，并且在每步计算并记录其对应值的积。注意，在测距子信道的间隔中，没有子载波，测距信号值为零。因此，采用所建议的排列，除了在测距信号的两个副本基本对准的步骤以外，在任何步骤，任一副本的大部分非零值将与另一个副本的零值对应，而对应值的乘法结果将为零，这样导致了低旁瓣值。

对于控制测距信号的功率设置，在随机接入之前，移动站使用所接收的下行链路信号来估计来自基站的路径损耗。它使用开环功率控制来设置测距信号的功率电平。在一个实施例中，移动站将负偏移添加至开环功率设置，并且在随机接入失败和重试的数量增加时，使测距信号的发射功率逐渐升高。

在一个实施例中，在时域、频域或者两者中，基站接收机通过使用匹配滤波器、相关器或其它装置来检测每个测距信号的存在、其时间延迟及其功率电平。

在另一个实施例中，当测距子信道由连续子载波块组成时，基站执行分级检测：首先在频域，然后在时域。该检测过程如下：

1.FFT被应用于所接收的时域信号s(t)的所选窗口。

2.对于特定的测距子信道，其接收版本 在频域中以逐段的方式与关联于该小区的测距序列进行相关，其中K是测距子信道中块的总数。如果关联于该小区的第m序列表示为

则相关值P_m通过下式来计算：

$P_m=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{|<\stackrel{\&RightArrow;}{r}\left(k\right)\&CenterDot;{\stackrel{\&RightArrow;}{b}}_m\left(k\right)>|}^2,$

其中点-积通过下式来计算：

$<\stackrel{\&RightArrow;}{r}\left(k\right)\&CenterDot;{\stackrel{\&RightArrow;}{b}}_m\left(k\right)>=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}x(k,n)\&CenterDot;{\left[c_m(k,m)\right]}^{*},$

而其中，N表示块中子载波的数量，x(k，n)表示给定的测距子信道中第k块的第n子载波的接收版本，而c_m(k，n)表示针对第m序列的、给定测距子信道中第k块的第n子载波的值。应该注意，

和

都是与段长度相同的维度的矢量。如果P_m大于给定的阈值，这表示已经检测到与第m序列相对应的测距信号。

3.对于在步骤2中识别的测距信号，以滑动窗的方式，来执行测距信号的全序列时域相关，以找到该测距信号的时间延迟，即：

$C\left(\mathrm{\&tau;}\right)=|\underset{t=0}{\overset{T}{\mathrm{\&Sigma;}}}s(t+\mathrm{\&tau;})\&CenterDot;z^{*}\left(t\right)|$ 对于τ＝0，1，...，D，

其中T表示时域测距序列的长度，D与该***容许的最大时间延迟对应，而z^*(t)表示所检测的测距序列的时域信号。对于τ＝0，1，...，D，C(τ)的最大值是测距信号的功率估计，并且τ的对应值表示与该测距信号有关的时间延迟。

在测距序列由哈达玛序列组成的情况下，步骤2中特定段中测距序列与所接收的信号的点-积可使用单个快速哈达玛变换(FHT)来同时估值，从而同时检测多个测距序列。

以上对本发明实施例的详细说明并非意图为穷尽性的，并非意图为将本发明限制到以上公开的精确形式或该公开中所述的特定应用领域。尽管为了说明的目的而阐述了本发明特定的实施例和实例，但是，如本领域的技术人员将认同的，在本发明的范围内，多种等同修改是可能的。此外，在此提供的本发明的示教可应用于其他***，而不必是如上所述的***。上述各个实施例的元素和动作可组合在一起，以便提供进一步的实施例。

上述所有的专利和申请以及其它参考文献，包括任何可能在附加文件页上列出的，通过引用合并于此。必要时，可修改本发明的各方面，以便采用上述各个参考文献的***、功能和概念来提供本发明的进一步的实施例。

根据上述的″具体实施方式″可对本发明做出改变。虽然上述说明详细描述了本发明的某些实施例，并且描述了所预期的最佳模式，但是无论正文中出现了怎样详细的细节，本发明依然可以以许多方式来实践。因此，可对实施细节作出相当的改变，同时仍由此公开的本发明所涵盖。如上所述，在描述本发明的特定特征或方面时所使用的特定术语不应视为用来暗示该术语在此被重新定义成限制为与该术语关联的本发明的任何具体的特性、特征或方面。

通常，不应将所附权利要求中使用的术语阐释成将本发明限制到本说明中公开的特定实施例，除非以上详细说明清楚地限定了此术语。因此，本发明的实际范围涵盖所公开的实施例及于权利要求之下实施或实现本发明的所有等同方式。

尽管以特定权利要求的形式呈现了本发明的特定方面，但发明人以任意数目的权利要求形式来预期本发明的各方面。相应地，发明人保留在提出本申请之后添加附加权利要求的权利，以寻求针对本发明其他方面的这样的附加权利要求的形式。

Claims (27)

1.一种在无线通信***中使用测距信号在移动站和基站之间建立通信的方法，该方法包括：

在所述移动站中，将测距信号调制于至少一个测距子信道上：

其中该测距子信道包括多个子载波块；

其中每个子载波块中的子载波在频率上是连续的；

其中与所述基站有关的测距子信道采用预定的块配置；并且

一个测距子信道中的所有调制信号的序列是一个测距序列；

由所述移动站，使用来自所述基站的所接收的下行链路信号来估计所述基站和所述移动站之间的路径损耗；

通过开环功率控制来设置所述测距信号的功率电平，其中所述移动站将负偏移添加至开环功率设置，以开始发送所述测距信号，并在失败和重试的数量增加时逐渐增加功率；

由所述基站来检测所述测距信号的存在、时间延迟和功率电平，其中该检测的过程包括：

将快速傅立叶变换(FFT)应用于该测距信号的所选窗口；

在频域中，将所存储的测距序列与该测距信号进行相关，其中该相关是逐段执行的，并且其中，该相关的每段是使用相关结果在子载波块上执行的，以检测并识别该测距信号；及

在时域中，以滑动窗的方式，将所识别的测距信号与所存储的测距序列中对应的一个进行相关，以确定该测距信号的时间延迟和功率电平。

2.如权利要求1所述的方法，其中所有段的相关的总能量标识测距信号的存在。

3.如权利要求1所述的方法，其中检测是使用匹配滤波器、相关器或两者来执行的，并且其中，所述基站执行分级检测，首先在频域中，然后在时域中。

4.如权利要求1所述的方法，其中如果所述测距序列是哈达玛序列，则特定段中测距序列与测距信号的点-积使用快速哈达玛变换(FHT)来同时求值。

5.一种在小区、基站和移动站的无线通信***中由移动站将测距信号发射到基站以便发起随机接入并在该移动站和基站之间建立通信的方法，其中所述基站使用所述测距信号来识别该移动站、确定该移动站的信号功率并测量该移动站的时间延迟，该方法包括：

构造测距子信道：

其中一个测距子信道包括具有多个子载波的至少一个块；

其中一个块中的子载波在频率上是连续的；并且

其中通过将不同的信号功率电平分派给一个块中的不同子载波来调整该块的功率；

将特定的块配置分派给用于每个小区的测距子信道；以及

通过所述测距子信道，通过对子载波进行调制，来发射二进制或非二进制的测距信号。

6.如权利要求5所述的方法，其中接近一个子载波块的两个频率边界的信号功率比接近该块中心的子载波的信号功率低。

7.如权利要求5所述的方法，其中，一个测距子信道中所有调制信号的序列是一个测距序列，并且其中一个测距子信道的块被如此分配，使得在时域中该子信道的自相关显示出一组特定的特性。

8.如权利要求7所述的方法，其中小区使用用于其测距子信道的特定子载波配置，并且使用特定的一组测距序列。

9.如权利要求7所述的方法，其中所述的测距子信道块被分布以至在其共同采样函数中只有最小冗余，或者在频域中一个测距子信道的各块之间的间隔没有重复或者有最小重复。

10.如权利要求5所述的方法，其中，一个测距子信道中的所有调制信号的序列是一个测距序列，测距序列的每段是一个哈达玛序列，一个完整的测距序列由多个哈达玛序列组成，并且其中每段与一连续子载波的块对应。

11.如权利要求5所述的方法，其中在时域中，一个测距子信道的调制信号的序列可由一个二进制序列来近似，以便降低接收机相关器的复杂性，并且其中该测距信号具有低的峰值对平均值功率比。

12.一种在基站和远程站的网络中被配置成发射用于发起与该基站通信的测距信号的远程站发射机，其中该基站使用测距信号来识别该远程站，并确定至少一个发射机属性，该发射机包括：

用于构造测距子信道的设备；

其中一个测距子信道包括多个子载波块；

其中一个块的子载波在频率上是连续的；并且

其中不同的功率电平被分派给该块的不同的子载波；以及

调制器，用于将二进制或非二进制的测距信号调制在所述测距子信道的子载波上。

13.如权利要求12所述的发射机，其中接近一个子载波块的高端和低端频率边界的功率电平比接近该块中心的子载波的信号功率低，或者其中位于一个子载波块两端的两个子载波的功率电平为零。

14.如权利要求12所述的发射机，其中所述基站使用特定的子载波配置，并且采用用特定的一组测距信号来识别与所述远程站的关联。

15.如权利要求12所述的发射机，其中所述测距子信道的子信道块被分派用于时域中的自相关。

16.如权利要求12所述的发射机，其中所述子信道块被分布成有最小冗余。

17.如权利要求12所述的发射机，其中，一个测距子信道中的所有调制信号的序列是一个测距序列，并且该测距序列的每段是一个哈达玛序列。

18.如权利要求12所述的发射机，其中，一个测距子信道中的所有调制信号的序列是一个测距序列，并且其中与该测距序列对应的时域信号与二进制序列相关，并且其中该测距信号具有低的峰值对平均值功率比。

19.一种执行随机接入以便在两个站之间建立通信的通信***，该***包括：

至少一个远程站，其利用所接收的来自基站的下行链路信号来估计其自己和该基站之间的路径损耗，其中该远程站在信号发射开始时通过将负偏移添加至功率设置来设置测距信号的功率电平，并且根据随机接入的失败和重试的数量来逐渐增加功率；以及

至少一个基站，其检测每个测距信号的存在、测距信号时间延迟和测距信号功率电平，其中：

在测距信号被调制在一个测距子信道的子载波上并且该测距子信道由连续子载波的块组成的情况下，所述基站在频域和时域中执行分级检测；并且

该检测的过程包括：

将快速傅里叶变换(FFT)应用于所接收的信号的所选窗口；

在频域中，将基站特定的测距序列与所接收的信号进行相关：其中该相关逐段执行；

其中该相关的每段在子载波块上执行；并且

其中该相关的结果识别测距信号；以及

在时域中，以滑动窗的方式，将所识别的测距信号的完整序列与对应的基站特定的测距序列进行相关，以得到该测距信号的时间延迟和功率。

20.如权利要求19所述的***，其中一个测距子信道中的所有调制信号的序列是一个测距序列，并且如果一个测距序列由哈达玛序列组成，则特定段中该测距序列与所接收的信号的点积可使用快速哈达玛变换(FHT)来同时求值。

21.如权利要求19所述的***，其中给定的所接收的测距子信道在频域中逐段与关联于该基站的测距序列进行相关，其中K是测距子信道中块的总数，并且其中，如果第m序列以 来表示，则相关值P_m通过下式来计算：

$P_m=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{|\&lang;\stackrel{\&OverBar;}{r}\left(k\right)\&CenterDot;{\stackrel{\&OverBar;}{b}}_m\left(k\right)\&rang;|}^2,$

其中点积通过下式来计算：

$\&lang;\stackrel{\&OverBar;}{r}\left(k\right)\&CenterDot;{\stackrel{\&OverBar;}{b}}_m\left(k\right)\&rang;=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}x(k,n)\&CenterDot;{\left[c_m(k,n)\right]}^{*},$

并且其中，N表示一个块中子载波的数量，x(k，n)表示在给定的测距子信道中第k块的第n载波的所接收的版本，而c_m(k，n)表示针对第m序列的给定的测距子信道中第k块的第n子载波的值，并且其中P_m大于给定阈值表示已检测到了与第m序列对应的测距信号。

22.如权利要求19所述的***，其中以滑动窗的方式、利用下式来执行所识别的测距信号的完整序列的时域相关，以得到该测距信号的时间延迟：

$C\left(\mathrm{\&tau;}\right)=|\underset{t=0}{\overset{T}{\mathrm{\&Sigma;}}}s(t+\mathrm{\&tau;})\&CenterDot;z^{*}\left(t\right)|,$ 对于τ＝0，1，...，D

其中T表示时域测距序列的长度，D与所述***容许的最大时间延迟对应，而z^*(t)表示所检测的测距序列的时域信号，并且其中，对于τ＝0，1，...，D，C(τ)的最大值是该测距信号的功率估计，并且τ的对应值表示该测距信号的时间延迟。

23.一种用于在包括第一和第二站的地理小区的无线通信***中从该第二站将随机接入发起信号发射到该第一站以便与该第一站建立通信的装置，其中该第一站使用测距信号来识别该第二站，并且确定至少该第一站的功率或时间延迟，该装置包括：

发射机，位于所述第二站，产生载波群组：

其中所述第一站采用特定的载波配置用于所述载波群组；

其中一个载波群组包括多个载波群；

其中一群中的载波基本上是连续的；并且

其中二进制或非二进制的测距信号被调制在该载波群组的载波上。

24.如权利要求23所述的装置，其中一群内的载波的功率电平受到控制，以避免对其它载波群的干扰。

25.如权利要求23所述的装置，其中所述第一站是基站，而所述第二站是移动站，并且其中小区被设置为具有特定的一组载波群，并且使用特定的一组测距信号来识别在其覆盖范围内的移动站。

26.一种在包括第一站和第二站的通信***中发起与该第一站通信的随机接入方法，该方法包括：

用于在所述第二站中使用来自所述第一站的所接收的信号来估计所述第一站和第二站之间的路径损耗的装置；

用于在所述第二站基于随机接入失败和重试的数量来设置测距信号的功率电平的装置；以及

用于由所述第一站来检测测距信号、该测距信号的时间延迟和功率电平的装置，其中该检测的方法包括：

用于将快速傅里叶变换(FFT)应用于所接收的信号的所选段的装置；

用于在频域中将所述第一站的测距序列与所接收的信号逐段相关、并检测该测距信号的装置；及

用于执行该测距信号的完整序列与所述第一站的对应测距序列的时域相关、以得到该测距信号时间延迟和功率的装置。

27.如权利要求26所述的方法，其中所述第一站是基站，而所述第二站是远程站，并且其中如果测距序列是哈达玛序列，则特定段中测距序列与所接收的信号的点积可使用快速哈达玛变换(FHT)来同时求值。

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