基于码分多址扩频技术的分组数据传输方法及其设备 【技术领域】
本发明涉及一种蜂窝移动通信系统，具体涉及一种用于宽带码分多址CDMA通信系统的数据传输设备和方法。
背景技术
就在10年前，无线通信工业还把码分多址CDMA作为一种有争议的技术。相反，当电信工业联合会TIA在1993年发布了IS-95标准后，CDMA已经迅速变成电信工业的优先选择。至今为止，在全世界已经建立了成千上万的CDMA移动通信网，总的用户数已超过了3千万。同时下一代IMT-2000系统的很多无线通信技术RTT提案都选择了CDMA作为它们的空中接口技术。
典型的传统CDMA系统是用于传输语音的。相反，最近也提出要在CDMA系统中传输其它类型的信号，包括高速数据信号。第三代CDMA蜂窝通信系统通常被称为全球移动通信系统UMTS，包括张平/等编著北京邮电大学出版社出版的《第三代蜂窝移动通信系统-WCDMA》中介绍地WCDMA和杨大成/等编著北京邮电大学出版社出版的《CDMA2000技术》中介绍的CDMA2000，在提供传统的语音通信能力的基础上，将提供高速率的分组数据业务服务。
在这些CDMA系统中，分组数据的传输使用以下两种方式：采用《3G TS25.201 3GPP物理层标准》和《3GPP2 C.S0002 3GPP2物理层标准》提供的电路交换的方式分配专用数据信道传送分组数据、采用《3GPP2 C.S0024 3GPP2高速分组数据空中接口标准》提供的随机接入或载波侦听的方式多个移动终端竞争公共数据信道传送分组数据。这两种方式传送分组数据的效率都很低。
采用分配专用数据信道传送分组数据时，对每个移动终端都预分配无线资源，移动终端将长时间独占数据信道。然而分组数据传输总是突发地，仅占用很短的周期，因此这种传输方式将浪费大部分时间的无线资源。
采用随机接入或载波侦听的方式传送分组数据时，由于基站并不知道移动终端的信息，移动终端需要竞争公共的码资源，发送分组数据给基站。当两个移动终端选择了同一个码资源，两者的分组数剧将会发生碰撞。由于碰撞的存在，系统的接入效率很低。特别是当需要传送的分组数据流量很大时，系统的性能会急剧恶化，甚至无法传送任何分组数据给基站。
【发明内容】
本发明目的在于克服采用电路交换方式、随机接入或载波侦听方式进行分组数据传输时，带来的资源浪费和传输效率低下的问题，提供了一种基于码分多址扩频技术的分组数据传输设备及其方法。
该方法基于统计复用的原理，在基站的协调下，将多个移动终端的分组数据报文复用到系统的多条公共数据信道上进行发送。只有当移动终端存在分组数据要求发送时，才需要占用无线资源，和其他移动终端的分组数据报文一起被复用到系统的公共数据信道上。当移动终端没有分组数据需要发送时，将不会占用任何无线资源。这就避免了采用电路交换方式时当移动终端长时间没有数据时仍然占用无线资源的弊端，提高了系统资源的利用率。
同时每个移动终端都采用唯一的媒体接入控制层即MAC层地址，在公共数据信道上标识自己的分组数据报文。每个移动终端都将该MAC地址通知给基站，并由基站协调各个移动终端在公共数据信道上的数据发送。这种由基站进行实时协调的统计复用方法，避免了移动终端采用公共的码资源进行竞争接入时导致的分组数据碰撞，从而提高了分组数据的传输效率。
本发明目的是这样实现的：基于码分多址扩频技术的分组数据传输方法，该通信系统由两种类型的分组数据传输设备组成：基站收发信机和移动终端收发信机，基站和移动终端通过上行信道和下行信道进行分组数据交换，下行信道由同步信道、下行导频信道、功控和信道分配指示信道、下行控制信道、下行PDU传输信道组成，上行信道由随机接入信道、上行导频信道、传输质量控制信道、上行控制信道、上行PDU传输信道组成，在基站传输分组PDU数据给移动终端时，根据统计复用的原理，动态分配给每个移动终端的下行数据信道；移动站通过上行控制信道发送信道申请信息，基站分配上行数据信道，并通过信道分配指示信道发送分配结果给移动终端，移动终端然后使用分配的上行数据信道发送分组PDU数据给基站；将分组数据分割为多个PDU片断，所有用户在共享的信道上发送PDU片断；数据报文使用MAC层地址进行用户区别。
基站发送的下行信道包括：基站发送同步信道，用于移动终端进行小区搜索和切换；基站发送导频信道，用于信道估计和下行接收机的跟踪；基站发送功控和信道分配指示信道，用于控制上行传输功率和指示分配给每个移动终端的上行数据信道；基站发送控制信道，用于传送寻呼等实时控制信息给移动终端；基站在PDU传输信道上发送PDU片断，该PDU传输信道将被所有移动终端共享，根据统计复用的原理，进行实时动态分配。
移动站发送的上行信道包括：使用时隙ALOHA算法，在随机接入信道上发送短消息、接入消息和其他控制消息；移动终端发送导频信道，用于信道估计和上行接收机的跟踪；移动终端发送传输质量控制信道，用于控制下行数据信道的传输质量；移动终端发送控制信道，用于发送信道申请等实时控制信息给基站；移动终端在PDU传输信道上发送PDU片断，该PDU传输信道由基站进行实时动态分配。
下行数据信道由所有移动终端进行统计复用的过程，包括：移动终端根据在下行导频信道上所测量的信噪比，计算得到下行数据信道的传输质量控制信息，并将该传输质量控制信息发送给基站；基站根据收到的传输质量控制信息，计算每个移动终端下行数据信道的传输功率，并给所有移动终端分配下行数据信道；将分配结果通知无线链路接入控制RLAC层，并由RLAC层在已分配的下行数据信道上发送PDU片断。
基站给每个移动终端分配上行信道的过程，包括：移动站计算要发送的PDU片断个数，向基站发送上行数据信道申请消息；基站刷新移动站申请的PDU片断个数，并给所有的移动终端分配上行数据信道；向移动终端指示已分配的上行数据信道。
对所有数据信道上的数字信号进行处理；对传输信号使用小区指定扰码进行复扰，以便区分不同小区的信号；用于控制移动终端的状态转换，每个移动终端可以处于以下三种状态：空闲状态、竞争随机接入状态、控制接入状态，在不同的条件下，移动终端可以在不同的状态下进行转换。
一种基于码分多址扩频技术的分组数据传输设备，包括：基站收发信机，该收发信机能将同步信道、导频信道、功控和信道分配指示信道、控制信道和PDU传输信道上的所有信号进行累加，将累加后的结果送到PN复扰、QPSK调制和射频单元后，发送出去；移动终端收发信机，该收发信机能将随机接入信道、导频信道，传输质量控制信道、控制信道和PDU传输信道上的所有信号进行累加，将累加后的结果送到PN复扰、QPSK调制和射频单元后，发送出去。
由于本发明实现了上下行数据信道由所有移动终端共享，实时地进行统计复用，当移动终端处于突发数据间的空闲周期时，释放所占用的无线资源供其它移动终端使用，当移动终端处于突发数据周期时，重新获取无线资源进行数据传输。因此就避免了传统CDMA系统中给移动终端分配独占的数据信道时，当移动终端处于突发数据间的空闲周期时，仍然占用系统无线资源的弊端，从而极大地提高了系统无线资源的使用效率。同时移动站的数据发送由基站统一协调，避免了采用随机接入方式由于碰撞带来的分组数据传送的低效率。
【附图说明】
图1是基站发射机和移动终端接收机结构图。
图2是移动终端发射机和基站接收机结构图。
图3是下行数据信道结构图。
图4是上行数据信道结构图。
图5是移动终端的状态转换图。
图6是下行分组数据信道分配操作和数据流传输控制的流程图。
图7是多用户接入过程的流程图。
图8是上行分组数据信道分配操作和数据流传输控制的流程图。
【具体实施方式】
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。
为了满足在一个CDMA系统中传送分组数据，而不长时间占用数据信道，额外增加整个系统干扰的需求，一种CDMA系统的方法和设备被提出。在本发明中每个移动终端有两个主要状态：空闲状态和激活状态。激活状态又可分为竞争随机接入状态和控制接入状态等两种子状态。在特定条件下，每种状态都能转换到另一个状态。在空闲状态下的移动终端只占用很少的信道资源。它只监控从基站来的广播消息，该消息有公共的MAC地址和公共的消息长度。一旦它从上层的应用程序中获得了分组数据传输指示，或从基站获得接收指示，移动终端从空闲状态转到激活状态。在激活状态周期内，移动终端占用较多的信道资源。但移动终端所占用的信道资源的数量不是固定的，将根据传输流量和激活用户数目动态分配。
本发明包括以下设备和方法：
1)在一个CDMA系统中进行分组数据传输的基站发射设备
2)在一个CDMA系统中进行分组数据传输的基站接收设备
3)在一个CDMA系统中进行分组数据传输的移动终端发射设备
4)在一个CDMA系统中进行分组数据传输的移动终端接收设备
5)控制移动终端状态转换所使用的方法
6)当大量分组数据从基站传送到移动终端时，分配下行信道资源所使用的方法
7)当大量分组数据从多个移动终端传送到基站时，分配上行信道资源所使用的方法
图1是对应于本发明的优选实施例的基站发射机和移动终端接收机结构图。基站100由基站控制器101、多个移动终端115(图中只画出了一个)、多个PDU(分组数据单元)传输信道107、同步信道104、导频信道105、功控和信道分配指示信道106、控制信道108、PDU缓冲区102、传输控制器电路103、2个加法器116、PN复扰109、小区指定扰码110、QPSK调制器111和基站射频单元112等。如图所示，基站100是通过下行通信信号113与移动终端115进行通信的，移动终端115是通过上行通信信号114与基站100进行通信的。在基站100中的网络部件将通过对处理器、内存和指令集的合理配置以完成以上功能。
对应于本发明的优选实施例，同步信道104用于传送系统同步信息给所有与基站100进行通信的移动终端115。同步信息由时隙同步信息和帧同步信息组成。
导频信道105类似于现有的CDMA导频信道，被用于所有与基站100进行通信的移动终端115，以作为信道估计和相关解调。
功控和信道分配指示信道106是一个公共控制信道。该信道有两个功能：一个功能是类似于现有CDMA系统的功率控制功能，另一个功能当移动终端传送分组数据时，用于通知移动终端，基站已经给它分配了哪些信道资源。
PDU传输信道107被用于实现与移动终端115的高速数据通信服务。对应于本发明的优选实施例，PDU传输信道107的数据速率被允许随着要传送的数据个数、系统干扰、放大器功率输出等的变化而变化。所有PDU传输信道107都被设计为广播数据信道，而被所有移动终端115所共享。基站100可以根据传输流量和服务类型动态地分配PDU传输信道107给移动终端115。
控制信道108被用于传送寻呼等实时控制消息给移动终端115。当移动终端115处于空闲模式时，基站100将通过控制信道108发送寻呼消息给移动终端115，以启动移动终端115的数据传输进程。
以上所描述的各个信道上的数据序列在累加器116中进行累加，然后在PN复扰109中使用一对小区指定的扰码110进行扩频，以产生I路和Q路信道扩频码。I路和Q路信道扩频码序列随后在调制器110中进行QPSK调制，最后该数据通过基站112发射出去，完成了整个信道数据比特的传输过程。
图2是对应于本发明的优选实施例的移动终端发射机和基站接收机结构图。移动终端200由移动终端控制器201、基站215、多个PDU传输信道207、随机接入信道204、导频信道205、传输质量控制信道206、控制信道208、PDU缓冲区202、传输控制电路203、信道复用216、2个累加器217、PN复扰209、小区指定扰码210、QPSK调制器211和射频单元212所组成。移动终端200通过上行通信信号213与基站215通信，基站215通过下行通信信号214与移动终端200通信。在通信系统200中的网络部件将通过对处理器、内存和指令集的合理配置完成以上功能。
对应于本发明的优选实施例，随机接入信道204被移动终端200用于完成与基站215的初始通信过程。随机接入信道204使用随机接入协议。
导频信道205类似于现有的CDMA导频信道，被用于辅助基站215检测移动终端200的传输。
传输质量控制信道206用于控制基站215的下行传输质量。导频信道205和传输质量控制信道206在信道复用216中进行时分复用。移动终端通过检测下行信号的信噪比，通过传输质量控制信道206传送传输质量控制信息给基站，由基站调节给每个用户的下行发射功率，以保证每个用户的下行传输质量要求。
控制信道208被用于传送信道申请消息等实时控制消息给基站215。当移动终端200需要传送分组数据时，它在控制信道上发送信道资源申请消息给基站215，等待基站215的响应。
PDU传输信道207用于实现与基站215的高速数据率的通信服务。PDU传输信道的数据率是可变的。基站215根据移动终端200的传输流量和服务优先级分配PDU传输信道207。在功控和信道分配指示信道106上基站215传输信道分配消息给移动终端200。
以上描述的各个信道的数据序列在累加器217中进行累加，然后在PN复扰209中使用一对小区指定的扰码210进行扩频，以产生I路和Q路信道扩频码。I路和Q路信道扩频码序列随后在调制器210中进行QPSK调制，最后该数据通过射频单元212发射出去，完成了整个信道数据比特的传输过程。
一共有5种类型的下行数据信道：同步信道104、导频信道105、功控和信道分配指示信道106、控制信道108和PDU传输信道107。图3显示了这些下行数据信道的信道结构，下面我们将详细地描述它们。
对应于本发明的优选实施例，移动终端115首先与接收信号功率最强的基站100进行同步。为了辅助移动终端115进行同步，基站100在同步信道104上连续广播同步控制信息。对应于本发明的优选实施例，同步控制信息由主同步码和次同步码组成。主同步码用于时隙同步，次同步码用于帧同步。同步信道104包括信号点映射301、加法器302、信道增益303等。信号点映射301将主同步码和次同步码的二进制序列映射为1和-1的二值序列。然后这二值序列在加法器302进行相加。输出的结果在信道增益303中进行增益控制，以便以恒定的功率等级发射出去。
导频信道105传送导频信号，供基站100覆盖区内的所有移动终端115进行相位参考。导频信号是一个未编码、扩频的信号。移动终端使用导频信号进行信道估计和相关解调。导频信道105由信道码扩展304、信号点映射301和信道增益303组成。全0的导频信号序列使用指定的序号为零的信道码进行正交扩展。扩展后的导频信号被送到信号点映射301和信道增益303中。信号点映射301和信道增益303的工作原理类似于同步信道104。
功控和信道分配指示信道106是一个公共的下行控制信道。基站100将在该信道上传送两种类型的控制信息。功控信息用于移动终端115调整它的功率等级。信道分配指示信道用于通知移动终端，分配给他们使用的信道资源。所有的控制信息都是未编码、扩频的信号。功控和信道分配指示信道106包括块重复305、信道码扩展304、信号点映射301和信道增益303等。块重复305被用于提供一个固定的传输速率。信道码扩展304、信号点映射301和信道增益303的工作原理与同步信道104和导频信道105是相同的。
下行PDU传输信道107是一种在基站100和移动终端115之间传送分组数据的物理信道。对应于本发明的优选实施例，在基站100上共有28条下行PDU传输信道107。在基站100上所有移动终端115共享所有这些PDU传输信道107。基站将根据每个移动终端的传输流量和服务类型动态分配给每个移动终端使用的PDU传输信道数目。PDU传输信道107由增加帧质量指示306、增加8比特编码尾比特307、卷积编码器308、符号重复309、块交织310、增加24比特的信道指示码311、长码生成器312、模2累加器313、信道码扩展304、信号点映射301和信道增益303等组成。增加帧质量指示306通过在每个PDU传输块上增加循环冗余校验(CRC)来提供错误检测。根据PDU的长度，CRC的长度可选择32或16比特。卷积编码器308使用一种编码算法可以以固定的编码速率将输入比特编码为数据符号。卷积编码器308所使用的编码算法可以在数据符号数据比特的转换过程中，实现最大似然率子序列解码。增加8比特编码尾比特307用于在下一个编码周期之前，重置卷积编码器的状态为全零。然后使用符号重复309将编码后的数据符号进行重复，输入到块交织310中。块交织310在符号级别上对输入数据符号进行交织，交织后的数据符号将以同样的数据符号率进行输出。在增加24比特的信道指示码311中，将交织后的数据符号的头部加上24比特的信道指示码。为了随机化数据符号，长码生成器312产生了一个最大长度的循环移位序列(有时成为PN序列)，然后用该循环移位序列与输入的数据符号序列进行模2加。在数据加扰后，数据符号依次被送入信道码扩展304、信号点映射301和信道增益303。
控制信道108用于传送寻呼等实时控制信息给移动终端115。控制信道由增加帧质量指示306、增加8比特编码尾比特307、卷积编码器308、块交织310、信道码扩展304、信号点映射301和信道增益303等组成。所有这些功能块的工作原理与下行PDU传输信道107是相同的。
如图4所示，共有5种类型的上行数据信道：随机接入信道204，导频信道205，传输质量控制信道206、控制信道208和PDU传输信道207等。
随机接入信道204被移动终端用于初始化与基站215之间的通信过程，或响应基站的寻呼消息。随机接入信道通常使用一种随机接入协议，传送经过编码、交织、扩频的信号。一个接入序列通常由一系列的接入前缀序列和其后的接入消息帧所组成。随机接入信道204由卷积编码器401、块交织402、信道码扩展403、信号点映射404和信道增益405等组成。
导频信道205传送未编码、扩频的信号，以辅助基站检测移动终端200的传输。当移动终端在上行信道如随机接入信道204、传输质量控制信道206、控制信道208和PDU传输信道207上传送数据时，导频信道205也将同时发送。导频信道205包括信道码扩展403、信号点映射404和信道增益405等。
传输质量控制信道206是一个上行的控制信道，用于实时传送传输质量控制信息给基站215，以校正基站的传输功率等级，以保证发送给移动终端的下行传输质量。传输质量控制信道206与导频信道205进行时分复用。传输质量控制信道206由块重复406、信道码扩展403、信号点映射404和信道增益405等组成。
上行PDU传输信道207用于移动终端传送分组数据报文给基站215。基站在下行功控和信道分配指示信道106中通知移动终端可使用的上行PDU传输信道207的数目。PDU传输信道207由增加帧质量指示407、增加8比特编码尾比特408、卷积编码器401、符号重复409、块交织402、增加24比特的信道指示码410、长码生成器411、模2累加器412、信道码扩展403、信号点映射404和信道增益405等组成。所有这些功能块都类似于下行PDU传输信道107。
控制信道208用于传送信道申请消息等实时控制消息给基站215。当移动终端200需要传送分组数据时，它在控制信道上发送信道资源申请消息给基站215。控制信道由增加帧质量指示407、增加8比特编码尾比特408、卷积编码器401、块交织402、信道码扩展403、信号点映射404和信道增益405等组成。
对应于本发明的优选实施例，移动终端包括以下几个主要状态：空闲状态503、竞争随机接入状态504、控制接入状态505等。图5是对应于本发明的优选实施例，移动终端的状态转换图。
移动终端开机后，在得到了开机指示501后，将进入初始化进程502。
在初始化进程502中，移动终端200首先试图搜索基站100的导频信道105。如果移动终端捕获了导频信道105，它将接收和处理同步信道104上消息，以获取系统配置和定时信息。当移动终端200在随机接入信道上，完成了与基站100的初始化注册、位置注册、认证鉴权后，将转入空闲状态503。
在空闲状态503中，移动终端并不从下行PDU传输信道107上接收任何分组数据，而只监控下行导频信道105和下行控制信道108，以便从基站100获得广播信息。在该状态下，基站100与移动终端200没有PPP连接，但基站100将保留移动终端200的注册、位置及状态信息。移动终端200可以接收输入的呼叫(终止于移动终端的呼叫)和发起呼叫(起始于移动终端的呼叫)。当移动终端200发起一个接入请求或接收一个下行寻呼消息时，移动终端将进入竞争随机接入状态504。
在进入竞争随机接入状态504后，移动终端200初始化一个随机接入状态定时器TRA。在竞争随机接入状态504中，基站100将保持与移动终端200的PPP连接。移动终端200可以在随机接入信道204上发送消息给基站100，同时接收基站100的下行导频信道105、下行控制信道108、下行PDU传输信道107上的信息。在该状态下，基站100将持续监控移动终端200的位置和状态信息。定时器TRA监控移动终端200的数据传输，当移动终端200进行传输时，该定时器都将被重置。如果定时器TRA超时，移动终端200已经没有数据要传输，移动终端200将释放所占用的无线资源，返回空闲状态503。当移动终端200接收到高层的状态转换控制信令后，将在随机接入信道204上向基站100发送状态转换请求消息。如果移动终端200接收到基站100的状态转换应答消息，移动终端200将建立数据和控制逻辑连接、物理连接，并进入控制接入状态505。
在控制接入状态505，移动终端200将通过上行PDU传输信道207和下行PDU传输信道107与基站100进行通信。当移动终端200每次传输分组数据时，都将重置控制定时器TCA。如果该定时器超时，移动终端200已经没有数据要传输，移动终端200将返回竞争随机接入状态504。
不管移动终端200当前处于哪一个状态，一旦它接收到关机消息，都将调用关机进程506。
图6是对应于本发明的优选实施例，下行分组数据信道分配操作和数据流传输控制的流程图。对应于本发明的优选实施例，基站100和移动终端200将进行闭环数据流控制。逻辑流将从步骤601开始。在该步骤，移动终端200从基站100接收下行数据，测量下行导频信道的信噪比。根据测量的信噪比，移动终端将计算一个参数，用于评估下行数据信道的传输质量。对应于本发明的优选实施例，该参数被称为传输质量控制指示信息。移动终端200然后在上行传输质量控制信道206上，传送该传输质量控制指示信息给基站100。在步骤602，基站100接收传输质量控制指示信息，并根据收到的传输质量控制指示信息，计算每个移动终端200的下行数据信道的传输功率。在步骤603，基站将根据每个数据信道的传输功率和基站总的传输功率门限值，计算下行数据信道的总数。在步骤604，基站100将为所有移动终端200分配下行数据信道，并通知RLAC(无线链路控制)层。接着，在步骤605，基站100将在步骤604中已经分配的下行数据信道上，发送PDU片断给移动终端200。在步骤606，移动终端将在下行数据信道上，根据MAC(媒体接入控制)地址接收送给自己的PDU片断。在完成了以上过程中，逻辑流将重新回到步骤601，进行下一次数据流控制过程。
图7是对应于本发明的优选实施例，多用户接入过程的流程图。
正如以上所讨论的，移动终端200将在随机接入信道204上进行随机接入过程。随机接入逻辑流开始于步骤701，在该步骤，移动终端200从高层接收到一个接入请求，开始接入尝试。在步骤702，当接入参数ACCESS_NUM(当前接入总次数)大于系统最大接入次数，则移动终端200不响应接入请求，随机接入过程失败，进入步骤710。否则如果在步骤702检测到接入参数ACCESS_NUM(当前接入总次数)不大于系统最大接入次数，则逻辑流转入步骤703，在该步骤，移动终端200将随机选择一个接入前缀和接入时隙。在下一个步骤704，移动终端200将在随机接入信道204上已选择的接入时隙，发送已选择的接入前缀给基站100。如果在步骤705，移动终端200未接收到接入前缀应答消息，逻辑流将返回步骤702，否则逻辑流将进入步骤706。在步骤706，移动终端将随机选择一个碰撞检测前缀和另一个接入时隙。在步骤707，移动终端200将在随机接入信道204上已选择的接入时隙，发送已选择的碰撞检测前缀，等待基站100的应答消息。如果在步骤708中，移动终端200未接收到碰撞检测前缀的接收应答，逻辑流将返回步骤702。否则将转入步骤709，在该步骤，移动终端200将传送接入消息给移动终端200，这意味着随机接入过程已完成，进入步骤710。
图8是对应于本发明的优选实施例，上行分组数据信道分配操作和数据流传输控制的流程图。逻辑流起始于801。移动终端200首先计算需要发送给基站100的PDU片断总数，然后在上行控制信道208上发送上行信道申请消息给基站100。在步骤802，基站100从移动终端200接收到申请消息后，将刷新移动终端申请的PDU片断数目。接着在步骤803，基站100将根据能够使用的无线资源、服务流量和类型给所有移动终端分配上行数据信道。在基站100已经给移动终端分配上行数据信道后，它将在下行功控和信道分配指示信道106上，发送信道分配指示消息给移动终端200。在步骤804，移动终端200接收到信道分配指示消息，将在该指示消息所分配的上行数据信道上，发送PDU片断给基站100。
以上结合优选实施例对本发明做了说明，应指出，本领域技术人员可以作出各种形式和细节上的改变，而不偏离由所附权利要求所确定的本发明的精神和范围。