DE69133407T2

DE69133407T2 - Spreizband CDMA Empfänger

Info

Publication number: DE69133407T2
Application number: DE69133407T
Authority: DE
Inventors: Donald L. Schilling
Original assignee: InterDigital Technology Corp
Current assignee: InterDigital Technology Corp
Priority date: 1990-12-05
Filing date: 1991-12-03
Publication date: 2004-12-23
Anticipated expiration: 2011-12-04
Also published as: ES2137902T1; WO1992010891A1; DE69133561T2; US5469468A; ES2281159T3; HK1027232A1; EP0514539B1; CA2091784C; EP0991209A2; EP0991209B1; US5588020A; EP0991209A3; DE69132287T2; EP1804537A1; ES2224535T3; DE69133407D1; EP0987913A3; EP0514539A4; DE69132287D1; HK1026801A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Spreizspektrumskommunikation und insbesondere auf ein persönliches Kommunikationsnetzwerk, das über das selbe Frequenzband wie ein bestehendes FDMA-, ein vorgeschlagenes TDMA- oder ein beliebiges anderes mobiles zellulares System kommuniziert.
Beschreibung des Standes der Technik
Das aktuelle mobile zellulare System verwendet das Frequenzband von 868–894 MHz zur Übertragung vom mobilen Benutzer zu den zellularen Basisstationen und das Frequenzband von 823–849 MHz zur Übertragung von den zellularen Basisstationen zum mobilen Benutzer. Jedes dieser Frequenzbänder ist halbiert, um es zwei im Wettbewerb stehenden Systemen zu erlauben, gleichzeitig betrieben zu werden. Auf diese Weise hat jedes System 12,5 MHz zum Senden und 12,5 MHz zum Empfang zur Verfügung. Jedes dieser Bänder von 12,5 MHz ist für Sprachkommunikationen in 30 kHz breite Kanäle aufgeteilt.
Ein Problem beim Stand der Technik ist die begrenzte Kapazität aufgrund der Anzahl von Kanälen, die im mobilen zellularen Funksystem zur Verfügung stehen.
1 ist ein Diagramm des zellularen Systems. Ein mobiler Benutzer, der durch die Zelle A bedient wird und der sich in der Nähe des Rands der Zellen A und B befindet, und ein mobiler Benutzer, der von der Zelle B bedient wird und sich in der Nähe der gleichen Grenze befindet, werden von den zellularen Basisstationen der Zellen A und B mit fast der gleichen Leistung empfangen. Um eine Interferenz zwischen den im gleichen Frequenzband bei vergleichbaren Leistungspegeln befindlichen Benutzern zu vermeiden, werden benachbarten Zellen unterschiedliche Frequenzteilbänder (Kanäle) zugewiesen. 1 zeigt ein Verfahren mit sieben Frequenzen, bei denen jede Zelle eine Bandbreite B = 12,5 MHz/7 hat, was ungefähr gleich 1,8 MHz ist. Dieses Frequenzverfahren lässt benachbarte Zellen bei unterschiedlichen Frequenzen arbeiten, wodurch die Interferenz zwischen Benutzern in benachbarten Zellen verringert wird. Dieses Verfahren wird als Frequenzwiederverwendung (Frequency Reuse) bezeichnet. Als ein Ergebnis der Frequenzwiederverwendung hat jede Zelle N = 1,8 MHz/30 kHz = 60 Kanäle. Einige dieser Kanäle sind zur Signalisierung reserviert, wodurch ungefähr 55 Kanäle pro Zelle übrig bleiben.
Die Kanäle werden, wie in 2 gezeigt, den Zellen A, B und C zugewiesen. Ein Schutzband von 180 kHz trennt jeden Kanal, so dass Benutzer benachbarter Kanäle innerhalb der selben Zelle nicht miteinander interferieren.
Die Zellen in einem mobilen zellularen System sind teuer zu unterhalten, und die Profitabilität kann durch ein Steigern der Anzahl der Benutzer pro Zelle beträchtlich gesteigert werden. Eine Möglichkeit zum Erhöhen der Anzahl von Benutzern pro Zelle ist ein Wechsel von einer analogen FM-Kommunikation zur Verwendung einer digitalen Kommunikation mit Zeitmultiplex-Vielfachzugriff (Time Division Multiple Access/TDMA).
Das vorgeschlagene mobile zellulare TDMA-System ist in 3 gezeigt. Bei diesem System wird jeder der 55 Kanäle pro Zelle durch K Benutzer zeitlich geteilt. Derzeit ist K gleich drei, doch dieser Wert wird sich voraussichtlich auf sechs erhöhen. Eine zellulare Basisstation tastet sequentiell K Benutzer ab, von denen jeder das gleiche 30 kHz-Frequenzband nutzt, jedoch zu unterschiedlichen Zeiten. Unter der Verwendung dieses Systems erhöht sich die Anzahl von Zellen nicht, doch da es K Benutzer pro Kanal von 30 kHz gibt, erhöht sich die Gesamtzahl von Benutzern pro Zelle um einen Faktor K.
K wird wie folgt geschätzt: Analoge Sprachsignale können in ein digitales Signal mit einer Bitrate von 8500 Bits pro Sekunde (bps) ohne merkliche Verschlechterung der Qualität umgewandelt werden, oder in ein digitales Signal mit einer Bitrate von 2400 bps mit einer etwas schlechteren Qualität. Zum Beispiel unter der Verwendung der Bitrate von 2400 bps mit einer Rate eines halben Vorwärtsfehlerkorrekturcodes (FEC) und einem digitalen Modulationsverfahren, wie zum Beispiel Quadraturphasenumtastung (Quadrature Phase Shift Keying/QPSK) erfordert jedes digitale Sprachsignal eine Bandbreite von nur 4800 Herz. Auf diese Weise ist K = 30 kHz/4,8 kbps = 6 Benutzer/30 kHz – Kanal. Potentiell kann die Anzahl von Benutzern pro Zelle 6 Benutzer/Kanal × 55 Kanäle/Zelle = 330 Benutzer pro Zelle sein.
Eine weitere Möglichkeit zum Erhöhen der Anzahl von Benutzern pro Zelle ist im Artikel von A. Eizenhöfer mit dem Titel "Anwendung der Spread-Spektrum-Technik in dem hybriden Mobilfunksystem MATS-D", FREQUENZ, SCHIELE und SCHON GMBH, Berlin, DE, Band 40, Nr. 9/10, September 1986, Seiten 255–259, ISSN: 0016–1136, beschrieben. Dieser Artikel lehrt die Verwendung unterschiedlicher Übertragungsverfahren auf der "Abwärtsstrecke", d. h. der Basisstation zur mobilen Station, im Gegensatz zur "Aufwärtsstrecke", d. h. mobile Station zur Basisstation, in Situationen, bei denen eine Basisstation mit mehr als einer mobilen Station kommuniziert. Das Spreizspektrum wird auf der "Abwärtsstrecke" verwendet, während auf der "Aufwärtsstrecke" eine Schmalbandfrequenzmultiplexierung verwendet wird. Das resultierende System kann einen geografischen Bereich mit einem existierenden zellularen System teilen, verwendet jedoch nicht dasselbe Frequenzspektrum gleichzeitig mit einem solchen bestehenden System.
Weitere Druckschriften sind: D. L. Schilling et al. "CDMA for Personal Communication Networks" ("CDMA für persönliche Kommunikationsnetze"), IEEE Military Communications Conference, Seiten 633–636, 1990; B. Sklar "Digital Communications, Fundamentals and Applications" ("Digitale Kommunikation, Grundlagen und Anwendung"), PTR Prentice Hall, 1988, insbesondere Seiten 73, 550 und 551; L. B. Milstein "Interference Suppression to Aid Acquisition in Direct-Sequence Spread-Spectrum Communications" ("Interferenzunterdrückung zur besseren Akquisition bei der Direkt-Sequenz-Spreizspektrumskommunikation"), IEEE Tans. Comms. Band 36, Nr. 11, Nov. 1988, Seiten 1200–1207; L. D. Gottesman et al., "The Performance of a Direct Sequence Spread Spectrum Acquisition System Employing a Linear Prediction Filter" ("Leistung eines Direktsequenz-Spreizspektrums-Akquisitionssystems unter der Verwendung eines linearen Vorhersagefilters"), IEEE Military Communications Conference, Seiten 1597–1601, 1990; Laurence B. Milstein, "Interference Rejection Techniques in Spread Spectrum Communications" ("Interferenzabweisungsverfahren bei der Spreizspektrumskommunikation"), IEEE Proceedings, Band 76, Nr. 6, Seiten 657–671, 1988; Yon-Cheng Wang et al. "Rejection of Multiple Narrow-Band Interference in both BPSK and QPSK DS Spread-Spectrums Systems" ("Abweisung einer Mehrfach-Schmalband-Interferenz sowohl bei BPSK- als auch bei QPSK-DS-Spreizspektrumssystemen"), IEEE Trans. Comms., Band 36, Nr. 2, Seiten 195–204, 1988; Lynn D. Gottesman et al., "The Effect of a Narrowband Interference Rejection Filter on Coarse Acquisition in Direct Sequence Spread Spectrum" ("Die Auswirkung eines Schmalband-Interferenzabweisungsfilters auf die grobe Akquisition bei einem Direktsequenz-Spreizspektrum"), IEEE Military Communications Conference, Seiten 256–260, 1990; John Gevargiz et al. "Adaptive Narrow-band Interference Rejection in a DS Spread-Spectrum Intercept Receiver Using Transform Domain Signal Processing Techniques" ("Adaptive Schmalband-Interferenzabweisung bei einem DS-Spreizspektrums-Abfangempfänger unter der Verwendung von Transformationsdomänen-Signalverarbeitungsverfahren"), IEEE Trans. Comms., Band 37, Nr. 12, Seiten 1359–1366, 1989; Gary J. Saulnier et al., "Interference Suppression Using a Saw-Based Adaptive Filter" ("Interferenzunterdrückung unter der Verwendung eines adaptiven Sägefilters"), IEEE Military Communications Conference, Seiten 970–974, 1990; Yueming He et al., "Suppression of Narrowband Jammers in a DS Spread Spectrum Receiver Using Modified Adaptive Filtering Technique" ("Unterdrückung von Schmalbandstörquellen in einem DS-Spreizspektrumsempfänger unter der Verwendung eines modifizierten adaptiven Filterungsverfahrens"), IEEE Global Telecommunications Conference, Seiten 540–545, 1988; R. Bijjani et al., "Rejection of Narrowband Interference in PN Spread-Spectrum Systems Using Neural Networks" ("Abweisung einer Schmalbandinterferenz bei PN-Spreizspektrumssystemen unter der Verwendung neuronaler Netze"), IEEE Military Communications Conference, Seiten 1037–1041, 1990 und EP-A-0 151 280.
Aufgaben der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein persönliches Kommunikationsnetzwerk (PCN) zum Erhöhen der Kapazität für Kommunikationen in der Umgebung eines mobilen zellularen Funksystems zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein PCN-System zu schaffen, das mit den selben Frequenzen eingesetzt werden kann, wie sie für mobile zellulare Funksysteme verwendet werden.
Eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein PCN-System zu schaffen, das gleichzeitig mit einem mobilen zellularen System eingesetzt werden kann, ohne dass es das mobile zellulare System stört.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein PCN-System zu schaffen, das Kommunikationen zwischen Basisbenutzern und PCN-Benutzern mit einem Spreizspektrum erlaubt.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein PCN-System vorzusehen, das sich geografisch und im Spektrum mit einem bereits bestehenden mobilen zellularen System ohne Änderungen am mobilen zellularen System überlagern kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie hier verkörpert und in allgemeinen Zügen beschrieben ist, ist ein Spreizspektrums-CDMA-Kommunikationssystem zum Kommunizieren von Daten zwischen mehreren PCN-Benutzern vorgesehen, das mehrere PCN-Basisstationen und mehrere PCN-Einheiten aufweist. Die PCN-Benutzer kommunizieren über die PCN-Basisstationen. Daten können Computerdaten, Faxdaten oder digitalisierte Sprachsignale sein, sind hierauf jedoch nicht eingeschränkt.
Das Spreizspektrums-CDMA-Kommunikationssystem befindet sich im selben geografischen Bereich, der Zelle, die schon von einem mobilen zellularen System besetzt ist. Typischerweise befinden sich die zellulare Basisstation und die PCN-Basisstation am selben Ort. Jede Zelle des mobilen zellularen Systems hat eine zellulare Bandbreite. Typischerweise ist die zellulare Bandbreite 12,5 MHz. Die zellulare Bandbreite wird in mehrere vorbestimmte Kanäle aufgeteilt. Die vorbestimmten Kanäle werden durch Schutzbänder voneinander getrennt. Das mobile zellulare System hat zellulare Benutzer, die auf den vorbestimmten Kanälen kommunizieren.
Mehrere PCN-Basisstationen überlagern den selben geografischen Bereich, der vom mobilen zellularen System besetzt ist. Eine PCN-Basisstation kommuniziert Daten zwischen den mehreren PCN-Benutzern. Ein PCN-Benutzer verwendet eine PCN-Einheit.
Jede PCN-Basisstation hat Basis-Konvertiermittel, Basis-Produkt-Verarbeitungsmittel, Basis-Sendemittel, eine Basisantenne, Basis-Kammfilter-Mittel und Basis-Detektionsmittel. Die Basis-Konvertiermittel konvertieren das Format der an einen PCN-Benutzer zu übertragenden Daten in eine für die Kommunikation über Funkwellen geeignete Form. Die Basis-Produkt-Verarbeitungsmittel verarbeiten die Daten mit einer Spreizspektrumsmodulation. Die Basis-Sendemittel senden über die zellulare Bandbreite hinweg die spreizspektrumsverarbeiteten und konvertierten Daten von der PCN-Basisstation an eine PCN-Einheit. Die Basis-Kammfilter-Mittel filtern, oder dämpfen, d. h. versehen mit Signalkerben, die vorbestimmten Kanäle des mobilen zellularen Systems. Die Basis-Detektionsmittel sind über die Basis-Kammfilter-Mittel mit der Basis-Antenne gekoppelt. Die Basis-Detektionsmittel stellen von der PCN-Einheit an die PCN-Basisstation kommunizierte Daten wieder her.
Die mehreren PCN-Einheiten befinden sich in der Zelle. Jede der PCN-Einheiten hat eine PCN-Antenne und PCN-Detektionsmittel. Die PCN-Detektionsmittel stellen von der PCN-Basisstation kommunizierte Daten wieder her. Zum Kommunizieren mit der PCN-Basisstation hat die PCN-Einheit PCN-Konvertiermittel, PCN-Produkt-Verarbeitungsmittel und PCN-Sendemittel. Die PCN-Konvertiermittel konvertieren das Format der Daten von einem PCN-Benutzer in eine für die Kommunikation über Funkwellen geeignete Form. Die PCN-Produkt-Verarbeitungsmittel verarbeiten die Daten mit einer Spreizspektrumsmodulation. Die PCN-Sendemittel senden die spreizspektrumsverarbeiteten und konvertierten Daten von der PCN-Einheit an eine PCN-Basisstation über die zellulare Bandbreite hinweg.
Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind teilweise in der folgenden Beschreibung dargelegt und sind teilweise aus der Beschreibung ersichtlich oder können aus der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung erfahren werden. Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung können auch durch die Vorrichtungsgegebenheiten und Kombinationen, die in den beiliegenden Ansprüchen insbesondere dargelegt sind, realisiert und erreicht werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die beiliegenden Zeichnungen, die als der Beschreibung zugehörig und in sie integriert gelten sollen, veranschaulichen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der erfindungsgemäßen Prinzipien.
1 zeigt einen Plan eines mobilen zellularen Systems mit einem Satz von sieben Frequenzen;
2 zeigt zellulare Kanäle, die durch ein Schutzband von 180 kHz voneinander getrennt sind;
3 zeigt das Zeitmultiplex-Vielfachzugriffsverfahren;
4 ist ein Blockdiagramm eines PCN-Basisstationsempfängers;
5A ist ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform eines PCN-Basisstationssenders;
5B ist ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines PCN-Basisstationssenders;
6 ist ein Blockdiagramm eines PCN-Einheits-Empfängers;
7A ist ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform eines PCN-Einheitssenders;
7B ist ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines PCN-Einheitssenders;
8 zeigt das Spektrum eines Spreizspektrumssignals mit einem AM-Signal einer gleichen Leistung auf seiner Trägerfrequenz;
9 zeigt ein Spreizspektrums-Datensignal, wenn die Spreizspektrumssignalleistung gleich einer AM-Signalleistung ist;
10 zeigt ein Audiosignal, wenn die Spreizspektrums-Signalleistung gleich der AM-Signalleistung ist;
11 zeigt einen Pseudozufallssequenzgenerator;
12 zeigt Positionseinstellungen von Schaltern von 11 zum Formen von PN-Sequenzen; und
13 zeigt die Verwendung eines Kammfilters.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Es wird nun ausführlich auf die vorliegenden bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung eingegangen, von denen in den beiliegenden Zeichnungen Beispiele veranschaulicht sind, wobei die gleichen Bezugszeichen über die verschiedenen Zeichnungen hinweg durchwegs die gleichen Elemente bezeichnen.
Das erfindungsgemäße Spreizspektrums-CDMA-Kommunikationssystem befindet sich im gleichen geografischen Bereich, d. h. der gleichen Zelle, die von einem mobilen zellularen System besetzt ist. Jede Zelle des mobilen zellularen Systems hat eine zellulare Bandbreite. Bei den derzeit eingesetzten mobilen zellularen Systemen ist die zellulare Bandbreite 12,5 MHz. Die zellulare Bandbreite ist in mehrere vorbestimmte Kanäle aufgeteilt. Jeder vorbestimmte Kanal hat typischerweise eine Bandbreite von 30 kHz. Die vorbestimmten Kanäle sind durch Schutzbänder voneinander getrennt. Der übliche Schutzbandtrennabstand beträgt 180 kHz. Zellulare Benutzer kommunizieren auf den vorbestimmten Kanälen derzeit unter der Verwendung von FM.
Das Spreizspektrums-CDMA-Kommunikationssystem weist mehrere PCN-Basisstationen und mehrere PCN-Einheiten auf, die sich im gleichen geografischen Bereich, d. h. der gleichen Zelle, befinden, das vom mobilen zellularen System besetzt ist. Das Spreizspektrums-CDMA-Kommunikationssystem kann zum Kommunizieren von Daten zwischen mehreren PCN-Benutzern eingesetzt werden. Die Daten können Computerdaten, Faxdaten oder digitale Sprachdaten sein, sind hierauf jedoch nicht eingeschränkt.
Eine PCN-Basisstation, die sich vorzugsweise am selben geografischen Ort in einer zellularen Basisstation befindet, kommuniziert Daten zwischen den mehreren PCN-Benutzern. Ein erster PCN-Benutzer verwendet eine erste PCN-Einheit und einer zweiter PCN-Benutzer verwendet eine zweite PCN-Einheit.
Jede PCN-Basisstation enthält Basis-Konvertierungsmittel, Basis-Produkt-Verarbeitungsmittel, Basis-Sendemittel, Basis-Kammfilter-Mittel, Basis-Detektionsmittel und eine Basisantenne. Die Basis-Kammfilter-Mittel umfassen Kerbfilter, welche die mobile zellulare Signalleistung dämpfen, die auf den vorbestimmten Kanälen des mobilen zellularen Systems gesendet wird. Die Basis-Detektionsmittel können Basis-Spreizspektrums-Verarbeitungsmittel und Basis-Synchronisiermittel umfassen. Die Basis-Detektionsmittel haben die allgemeine Aufgabe, von einer PCN-Einheit kommunizierte Daten in eine für einen Benutzer geeignete Form zu konvertieren.
Die Basis-Kammfilter-Mittel, die in 4 gezeigt sind, können als ein Kammfilter 140 realisiert sein. Das Kammfilter 140 führt an den vorbestimmten Kanälen des mobilen zellularen System eine Kerbfilterung durch. Das Kammfilter 140 ist nötig, um den kombinierten Interferenzleistungspegel von den mobilen zellularen Benutzern bei der PCN-Basisstation zu verringern. Für das derzeit eingesetzte mobile zellulare System würde das Kammfilter 140 zum Beispiel als mehrere Kerbfilter auftreten, welche die 30 kHz Bandbreite an der jeweiligen Frequenzposition der vorbestimmten Kanäle des mobilen zellularen Systems blockieren.
Die Basis-Spreizspektrums-Verarbeitungsmittel, die in 4 gezeigt sind, können als ein Pseudozufallsgenerator, eine Produktvorrichtung 141 und ein Bandpassfilter 143 realisiert sein. Der Pseudozufallsgenerator speichert Chipcodes, g₁(t), g₂(t), ..., g_N(t) zum Demodulieren von Daten aus den Spreizspektrumssignalen, die von den mehreren PCN-Einheiten kommend bei der PCN-Basisstation empfangen werden. Die Basis-Detektionsmittel enthalten auch Mittel zum Synchronisieren der Basis-Spreizspektrums-Verarbeitungsmittel mit den empfangenen Spreizspektrumssignalen.
Die Basis-Spreizspektrums-Verarbeitungsmittel bei der PCN-Basisstation verarbeiten ausgewählte Daten, die von einer ausgewählten PCN-Einheit empfangen wurden, die mit einem Spreizspektrumssignal unter der Verwendung eines ausgewählten Chipcodes g_i(t) übertragen wurden. Der Detektor 145 demoduliert die ausgewählten Daten aus dem entspreizten Spreizspektrumssignal.
Mehrere Produktvorrichtungen 141, Bandpassfilter 143 und Detektoren 145 können zum gleichzeitigen Empfangen einer Vielzahl von Spreizspektrumskanälen über einen Leistungssplitter 147 mit einer Antenne 149 verbunden sein. Jede Produktvorrichtung 141 verwendet dann einen ausgewählten Chipcode zum Demodulieren eines ausgewählten jeweiligen Spreizspektrumssignals.
Damit ein Spreizspektrumssystem richtig funktioniert, muss der Spreizspektrumsempfänger die korrekte Phasenposition des empfangenen Spreizspektrumssignals akquirieren, und muss der Empfänger diese Phasenposition ständig nachverfolgen, so dass die Synchronisation nicht verloren geht. Die beiden Vorgänge der Akquisition und der Nachführung bilden das Synchronisations-Untersystem eines Spreizspektrumsempfängers. Der erste dieser beiden Vorgänge wird typischerweise durch das Auffinden von so vielen Phasenpositionen wie notwendig bewerkstelligt, bis eine gefunden wird, die zu einer großen Korrelation zwischen der Phase des eintreffenden Signals und der Phase der beim Empfänger lokal erzeugten Spreizsequenz führt. Dieser erste Vorgang wird unter Einsatz einer Korrelatoreinrichtung oder einer Einrichtung mit einem angepassten Filter durchgeführt. Der zweite Vorgang wird oft mit einer "verzögerungssynchronisierten Schleife" ("Delay-Locked Loop") durchgeführt. Die Bedeutung des kombinierten Synchronisationsvorgangs kann nicht überschätzt werden, da das gewünschte Signal nicht entspreizt werden kann, wenn die Synchronisation nicht sowohl erzielt als auch aufrechterhalten werden kann.
Die Basis-Konvertiermittel, die in 5A gezeigt sind, können als ein Basis-Modulator 151 realisiert sein. Der Basis-Modulator 151 konvertiert das Format der an einen PCN-Benutzer zu sendenden Daten in eine für die Übermittlung über Funkwellen geeignete Form. Zum Beispiel kann ein analoges Sprachsignal unter der Verwendung eines als Quellcodierung bezeichneten Verfahrens in ein Basis-Datensignal konvertiert werden. Typische Quellcodierer sind lineare Vorhersagecodierer, Vocoder, Deltamodulatoren und Pulscodemodulationscodierer.
Die Basisproduktverarbeitungsmittel können als ein Basis-Spreizspektrums-Modulator 153 realisiert sein. Der Basis-Spreizspektrums-Modulator 153 ist mit dem Basis-Modulator 151 gekoppelt. Der Basis-Spreizspektrums-Modulator 153 moduliert das konvertierte Datensignal unter der Verwendung des Spreizspektrums. Die konvertierten Daten werden unter der Verwendung einer Produktvorrichtung multipliziert oder unter der Verwendung eines EXKLUSIV-ODER-Gatters 153 mit einem ausgewählten Spreizspektrums-Chipcode g_N+i(t) modulo-2-addiert.
Die Basis-Sendermittel können als ein Basis-Sender 155 realisiert sein. Der Basis-Sender 155 ist mit dem Basis-Spreizspektrums-Modulator 153 gekoppelt. Der Basis-Sender 155 sendet über die zellulare Bandbreite hinweg die spreizspektrumsverarbeiteten und konvertierten Daten von der PCN-Basisstation an eine PCN-Einheit. Der Basis-Sender 155 moduliert die spreizspektrumsverarbeiteten und konvertierten Daten auf einer Trägerfrequenz f₀.
Der Basis-Sender 155 hat einen Senderoszillator, der ein Trägersignal mit einer Trägerfrequenz liefert. Der Senderoszillator ist mit einer Senderproduktvorrichtung gekoppelt. Der Sender multipliziert unter der Verwendung der Sender-Produktvorrichtung die spreizspektrumsverarbeiteten und konvertierten Daten mit dem Trägersignal.
Die Sendemittel können in einer bevorzugten Ausführungsform Daten unter der Verwendung eines Spreizspektrumssignals mit einem Leistungspegel senden, der auf einen vorbestimmten Pegel beschränkt ist. Die Sendemittel können die Daten durch Addieren der mehreren gespreizten Datensignale senden.
Mehrere Modulatoren 151, Produktvorrichtungen 153 und Sender 155 können über einen Leistungskombinierer 157 mit einer Antenne 159 zum gleichzeitigen Senden mehrerer Spreizspektrumskanäle verbunden sein. 5A ist eine veranschaulichende Ausführungsform zum Erzeugen gleichzeitiger Spreizspektrumssignale, und es gibt viele Varianten zum Verbinden von Produktvorrichtungen, Modulatoren und Sendern zum Bewerkstelligen der selben Funktion.
Als ein alternatives Beispiel zeigt 5B einen PCN-Basisstationssender, der zum Erzeugen des selben Ergebnisses wie der Sender von 5A verwendet werden kann. In 5B werden die Daten unter der Verwendung von EXKLUSIV-ODER-Gattern 253 mit einem ausgewählten Spreizspektrums-Chipcode g_N+i(t) modulo-2-addiert. Die resultierenden spreizspektrumsverarbeiteten Daten aus mehreren EXKLUSIV-ODER-Gattern 253 werden unter der Verwendung des Kombinierers 257 kombiniert. Der Basis-Sender 255 moduliert die kombinierten spreizspektrumsverarbeiteten Daten mit der Trägerfrequenz f₀. Der Sender 255 ist mit der Antenne 159 gekoppelt und sendet gleichzeitig die mehreren spreizspektrumsverarbeiteten Daten als eine Vielzahl von Spreizspektrumskanälen.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet auch PCN-Einheiten, die sich innerhalb der Zelle befinden. Jede der PCN-Einheiten hat eine PCN-Antenne, PCN-Detektionsmittel, PCN-Konvertiermittel, PCN-Produkt-Verarbeitungsmittel und PCN-Sendemittel. Die PCN-Detektionsmittel sind mit der PCN-Antenne verbunden. Die PCN-Detektionsmittel enthalten PCN-Spreizspektrumsverarbeitungsmittel.
Die PCN-Detektionsmittel stellen die von der PCN-Basisstation an die PCN-Einheit kommunizierten Daten wieder her. Die Detektionsmittel enthalten auch Mittel zum Konvertieren des Formats der Daten in eine für einen Benutzer geeignete Form. Das Format kann zum Beispiel Computerdaten, ein analoges Sprachsignal oder andere Information sein. Die PCN-Detektionsmittel können zum Beispiel Nachführ- und Akquisitionsschaltungen für das Spreizspektrumssignal, eine Produktvorrichtung zum Entspreizen des Spreizspektrumssignals und einen Hüllkurvendetektor enthalten. 6 zeigt veranschaulichend PCN-Detektionsmittel, die als ein PCN-Spreizspektrumsdemodulator 161, ein PCN-Bandpassfilter 163 und ein PCN-Datendetektor 165, die mit einer Antenne 169 verbunden sind, realisiert sind.
Der PCN-Spreizspektrumsdemodulator 161 entspreizt das von der PCN-Basisstation empfangene Spreizspektrumssignal unter der Verwendung eines Chipcodesignals, das den selben oder ausgewählten Chipcode g_N+1(t) wie das empfangene Spreizspektrumssignal hat. Das Bandpassfilter 163 filtert das entspreizte Signal und der PCN-Datendetektor 165 bringt das entspreizte Spreizspektrumssignal in ein für einen PCN-Benutzer geeignetes Format.
Die PCN-Spreizspektrums-Verarbeitungsmittel enthalten Mittel zum Speichern eines lokalen Chipcodes g_N+1(t) zum Vergleich mit empfangenen Signalen, zum Wiederherstellen von Daten, die von der PCN-Basisstation an die PCN-Einheit gesendet wurden.
Die PCN-Spreizspektrums-Verarbeitungsmittel können auch Mittel zum Synchronisieren der PCN-Spreizspektrums-Verarbeitungsmittel mit den empfangenen Signalen beinhalten. In ähnlicher Weise enthalten die PCN-Spreizspektrums-Verarbeitungsmittel bei der PCN-Basisstation Mittel zum Verarbeiten von Daten für bestimmte PCN-Einheiten mit einem ausgewählten Chipcode.
Die in 7A gezeigten PCN-Konvertiermittel können als ein PCN-Modulator 171 realisiert sein. Der PCN-Modulator 171 wandelt das Format der Daten in eine zur Kommunikation über Funkwellen geeignete Form um. Ähnlich wie bei der PCN-Basisstation kann ein analoges Sprachsignal unter der Verwendung eines als Quellcodierung verwendeten Verfahrens in ein umgewandeltes Datensignal konvertiert werden. Wie beim Basis-Modulator 151 sind typische Quellcodierer lineare Vorhersagecodierer, Vocoder, Deltamodulatoren und Pulscodemodulatoren.
Die PCN-Spreizspektrums-Verarbeitungsmittel können als ein PCN-Spreizspektrumsmodulator 173 realisiert sein. Der PCN-Spreizspektrumsmodulator 173 ist mit dem PCN-Modulator 171 verbunden. Der PCN-Spreizspektrumsmodulator 173 moduliert das konvertierte Datensignal mit einem ausgewählten Chipcode g_i(t). Das konvertierte Datensignal wird unter der Verwendung einer Produktvorrichtung multipliziert oder unter der Verwendung eines EXKLUSIV-ODER-Gatters 173 mit dem ausgewählten Chipcode g_i(t) modulo-2-addiert.
Als einer äquivalenter Sender veranschaulicht 7B einen Sender für eine PCN-Einheit mit PCN-Spreizspektrums-Verarbeitungsmitteln wie einem PCN-Modulo-2-Addierer, der als ein EXKLUSIV-ODER-Gatter 273 realisiert ist. Das EXKLUSIV-ODER-Gatter 273 modulo-2-addiert das konvertierte Datensignal mit dem ausgewählten Chipcode g_i(t).
Die PCN-Sendemittel in 7A und 7B können als ein PCN-Sender 175 realisiert sein. Der PCN-Sender 175 ist zwischen den PCN-Spreizspektrumsmodulator 173 und die Antenne 179 zwischengeschaltet. Der PCN-Sender 175 sendet über die zellulare Bandbreite hinweg die spreizspektrumsverarbeiteten und konvertierten Daten von der PCN-Einheit zur PCN-Basisstation. Der PCN-Sender 175 moduliert die spreizspektrumsverarbeiteten und konvertierten Daten mit einer Trägerfrequenz f₀. Die Trägerfrequenz des PCN-Senders und des Zellsenders können die gleiche oder eine unterschiedliche Frequenz haben.
Ein Schlüssel zur vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Spreizspektrumssignale gegenüber anderen Benutzern "transparent" sind, d. h. die Spreizspektrumssignale sind so konzipiert, dass sie zur Kommunikation anderer bestehender Benutzer eine vernachlässigbare Interferenz bilden. Die Präsenz eines Spreizspektrumssignals ist schwierig festzustellen. Diese Eigenschaft wird als eine geringe Wahrscheinlichkeit des Abhörens (Low Probability of Interception/LPI) und eine geringe Wahrscheinlichkeit der Detektion (Low Probability of Detection/LPD) bezeichnet. Die LPI- und LPD-Eigenschaften des Spreizspektrums erlauben eine Übertragung zwischen Benutzern eines Spreizspektrums-CDMA-Kommunikationssystems, ohne dass bestehende Benutzer des mobilen zellularen Systems eine beträchtliche Interferenz erfahren. Die vorliegende Erfindung nutzt LPI und LPD bezüglich der vorbestimmten Kanäle unter der Verwendung von FM in einem mobilen zellularen System. Dadurch dass der Leistungspegel eines jeden Spreizspektrumssignals unter dem vorbestimmten Pegel ist, interferiert die Gesamtleistung des dem gesamten innerhalb einer Zelle verwendeten Spreizspektrums nicht mit Benutzern des mobilen zellularen Systems.
Das Spreizspektrum ist auch unempfindlich gegenüber Störungen oder Interferenz. Ein Spreizspektrumsempfänger spreizt das Spektrum des interferierenden Signals. Dies verringert die Interferenz des interferierenden Signals, so dass es die Leistung des Spreizspektrumssystems nicht merklich verschlechtert. Dieses Merkmal einer Interferenzverringerung macht das Spreizspektrum für kommerzielle Kommunikationsanwendungen nützlich, d. h. die Spreizspektrumswellenformen können mit bestehenden Schmalbandsignalen überlagert werden.
Die vorliegende Erfindung verwendet ein Direktsequenz-Spreizspektrum, das ein Phasenmodulationsverfahren nutzt. Das Direktsequenz-Spreizspektrum verfährt mit der zu übertragenden Leistung so, dass sie über eine sehr weite Bandbreite gespreizt wird, so dass die Leistung pro Bandbreiteneinheit (Watt/Hertz) minimiert wird. Wenn dies gelingt, ist die von einem mobilen zellularen Benutzer empfangene übertragene Spreizspektrumsleistung mit einer relativ geringen Bandbreite nur ein geringer Bruchteil der tatsächlich gesendeten Leistung.
Wenn in einem mobilen zellularen System zum Beispiel ein Spreizspektrumssignal mit einer Leistung von 10 Milliwatt über eine zellulare Bandbreite von 12,5 MHz gespreizt wird und ein zellularer Benutzer ein Kommunikationssystem mit einer Kanalbandbreite von nur 30 kHz verwendet, dann wird die effektiv interferierende Leistung aufgrund eines Spreizspektrumssignals im Schmalbandkommunikationssystem um den Faktor 12,5 MHz/30 kHz verringert, was ungefähr 400 entspricht. Auf diese Weise ist die tatsächlich interferierende Leistung 10 Milliwatt, geteilt durch 400, bzw. 0,025 Milliwatt. Für fünfzig gleichzeitige Benutzer des Spreizspektrums ist die Leistung des interferierenden Signals aufgrund des Spreizspektrums um das Fünfzigfache auf eine interferierende Spitzenleistung von 1,25 Milliwatt erhöht.
Das Merkmal des Spreizspektrums, das zu einer Interferenzverringerung führt, besteht darin, dass der Spreizspektrumsempfänger tatsächlich die empfangene Energie einer beliebigen Störquelle über die gleiche weite Bandbreite, 12,5 MHz im vorliegenden Beispiel, spreizt, während die Bandbreite des gewünschten empfangenen Signals auf seine ursprüngliche Bandbreite komprimiert wird. Wenn zum Beispiel die ursprüngliche Bandbreite des erwünschten PCN-Datensignals nur 30 kHz ist, dann ist die Leistung des interferierenden Signals, die von der zellularen Basisstation verursacht wird, um 12,5 MHz/30 kHz, was ungefähr 400 entspricht, verringert.
Beim Direktsequenz-Spreizspektrum wird eine Spreizung des Spektrums durch Modulieren des ursprünglichen Signals mit einem sehr breiten Breitbandsignal im Verhältnis zur Datenbandbreite erzielt. Dieses Breitbandsignal wird so ausgewählt, dass es zwei mögliche Amplituden +1 und –1, hat und diese Amplituden werden in einer "pseudozufälligen" Art und Weise periodisch geschaltet. Auf diese Weise wird in regelmäßigen Zeitintervallen eine Entscheidung darüber gefällt, ob das Breitbandmodulationssignal +1 oder –1 sein sollte. Wenn eine Münze zum Treffen dieser Entscheidung geworfen würde, wäre die daraus resultierende Sequenz tatsächlich zufällig. In diesem Fall wüsste der Empfänger jedoch die Sequenz nicht im Voraus und könnte die Übertragung nicht richtig empfangen. Stattdessen erzeugt der Chipcodegenerator elektronisch eine annäherungsweise zufällige Sequenz, die als Pseudozufallssequenz bezeichnet wird, die dem Sender und dem Empfänger im Voraus bekannt ist.
Zur Veranschaulichung der Merkmale des Spreizspektrums seien Daten mit einer Rate von 4800 bps betrachtet, die durch eine binäre Phasenumtastung (binary phase-shift keying/BPSK) moduliert werden. Die resultierende Signalbandbreite ist ungefähr 9,6 kHz. Diese Bandbreite wird dann unter der Verwendung eines Direktsequenz-Spreizspektrums auf 16 MHz gespreizt. Auf diese Weise ist die Verarbeitungsverstärkung N ungefähr 1600 oder 32 dB.
Alternativ dazu sei eine typischere Implementierung mit Daten mit einer Rate von 4800 bps betrachtet, die mit einem Spreizspektrums-Chipcodesignal g_i(t) modulo-2-addiert werden, das eine Chiprate von 8 MChips/s hat. Die resultierenden Spreizspektrumsdaten werden durch eine binäre Phasenumtastung (BPSK) moduliert. Die resultierende Spreizspektrumsbandbreite ist 16 MHz. Daher ist die Verarbeitungsverstärkung: N = (8 × 10⁶)/(4,8 × 10³), was ungefähr 1600 bzw. 32 dB ist.
8 zeigt das Spektrum dieses Spreizspektrumsignals auf einem amplitudenmodulierten Sinussignal mit 3 kHz, wenn sie den gleichen Leistungspegel haben. Die Bandbreite der AM-Wellenform ist 6 kHz. Beide Wellenformen haben die gleiche Trägerfrequenz.
9 zeigt den demodulierten Rechteckwellen-Datenstrom. Diese Wellenform wurde durch einen "Integrator" im Empfänger bearbeitet, daher die Dreieckwellenform. Hier ist zu bemerken, dass die positive und die negative Spitzenspannung, die ein Bit mit dem Wert 1 und ein Bit mit dem Wert 0 repräsentiert, klar zu sehen ist. 10 zeigt, dass das demodulierte AM-Signal die Sinuswelle mit der Frequenz von 3 kHz wiederherstellt.
Das AM-Signal verschlechtert den Empfang der Daten nicht, weil der Spreizspektrumsempfänger die Energie des AM-Signals über 16 MHz aufspreizt, während das Spreizspektrumssignal auf seine ursprüngliche Bandbreite von 9,6 kHz komprimiert wird. Die Menge der gespreizten AM-Energie in der BPSK-Bandbreite von 9,6 kHz ist die ursprüngliche Energie, geteilt durch N = 1600; oder wird äquivalent um 32 dB verringert. Da beide Wellenformen anfänglich die gleiche Leistung hatten, ist das Signal-Rausch-Verhältnis nun 32 dB, was zur Erreichung einer sehr niedrigen Fehlerrate ausreicht.
Das Spreizspektrumssignal interferiert nicht mit der AM-Wellenform, weil die Spreizspektrumsleistung in der Bandbreite des AM-Signals in der ursprünglichen Leistung im Spreizspektrumssignal, geteilt durch N₁ ist, wobei
daher ist das Signal-Interferenz-Verhältnis der demodulierten Sinuswelle 33 dB.
Der Direkt-Sequenz-Modus des Spreizspektrums verwendet Pseudozufallssequenzen zum Erzeugen der Spreizsequenz. Während es viele verschiedene mögliche Sequenzen gibt, sind die am häufigsten Verwendeten die "maximal langen" linearen Schieberegistersequenzen, die oft auch als Pseudorausch (Pseudo Noise/PN)-Sequenzen bezeichnet werden. 11 zeigt einen typischen Schieberegister-Sequenzgenerator.
12 zeigt die Position des jeweiligen Schalters b₁ zum Bilden der PN-Sequenz einer Länge L an, wobei L = 2N – 1
Die Merkmale dieser Sequenzen sind tatsächlich "rauschähnlich". Hierzu folgende Überlegung: Wenn die Spreizsequenz richtig konzipiert ist, wird sie ein Großteil der Zufälligkeitseigenschaften eines fairen Münzwurfexperiments haben, bei dem "1" = Kopf und "–1" = Zahl ist. Diese Eigenschaften sind unter anderem die Folgenden:

1) In einer langen Sequenz ist ungefähr die Hälfte der Chips +1 und die andere Hälfte –1.
2) Die Länge einer Abfolge von r Chips des gleichen Vorzeichens wird in einer Abfolge von L Chips ungefähr L/2^r Mal vorkommen.
3) Die Autokorrelation der Sequenz PN_i(t) und PN_i(t + τ) ist sehr klein, außer in der Nachbarschaft von = 0.
4) Die Kreuzkorrelation von zwei beliebigen Sequenzen PN_i(t) und PN_j(t + τ) ist klein.

Codemultiplex-Vielfachzugriff
Codemultiplex-Vielfachzugriff (Code Division Multiple Access/CDMA) ist ein Direktsequenz-Spreizspektrumssystem, bei dem eine Anzahl, mindestens zwei, Spreizspektrumssignale gleichzeitig kommunizieren, von denen jedes über das gleiche Frequenzband arbeitet. In einem CDMA-System bekommt jeder Benutzer einen eigenen Chipcode. Dieser Chipcode identifiziert den Benutzer. Wenn zum Beispiel ein erster Benutzer einen ersten Chipcode g₁(t) und ein zweiter Benutzer einen zweiten Chipcode g₂(t) usw. hat, dann empfängt ein Empfänger, der auf den ersten Benutzer hören möchte, bei seiner Antenne alle Energie, die von allen Benutzern ausgesendet wird. Nach dem Entspreizen des Signals des ersten Benutzers gibt der Empfänger jedoch die gesamte Energie des ersten Benutzers, jedoch nur einen kleinen Bruchteil der Energien, die vom zweiten, dritten usw. Benutzer ausgesendet werden, aus.
Bei CDMA ist die Interferenz begrenzt. Das heißt, dass die Anzahl von Benutzern, die das selbe Spektrum benutzen können und immer noch eine annehmbare Leistung zeigen, durch die Gesamtinterferenzleistung bestimmt wird, die alle Benutzer als Gesamtheit beim Empfänger erzeugen. Wenn man bei der Leistungssteuerung keine große Sorgfalt walten lässt, dann erzeugen diejenigen CDMA-Sender, die dem Empfänger nahe sind, eine überwältigende Interferenz. Dieser Effekt ist als "Nah-Fern"-Problem bekannt. In einer mobilen Umgebung könnte das Nah-Fern-Problem der dominante Effekt sein. Eine Steuerung der Leistung jedes einzelnen mobilen Benutzers ist möglich, so dass die von jedem mobilen Benutzer empfangene Leistung die selbe ist. Dieses Verfahren wird als "adaptive Leistungssteuerung" (Adaptive Power Control/APC) bezeichnet.
Das US-Patent Nr. 5,093,840 (Schilling) offenbart ein adaptives Leistungssteuerungssystem zur Verwendung mit einem Spreizspektrumssender innerhalb mehrerer in einem zellularen Kommunikationsnetz operierender mobiler Stationen, wobei die mehreren mobilen Stationen eine Spreizspektrumsmodulation verwenden. Eine Basisstation sendet ein generisches Spreizspektrumssignal und ein adaptives Leistungssteuerungs-Datensignal. Eine mobile Station akquiriert das generische Spreizspektrumssignal und erfasst einen empfangenen Leistungspegel des generischen Spreizspektrumssignals. Das APC-Datensignal wird ebenfalls von der mobilen Station empfangen, wo es als ein Schwellenwert decodiert wird. Die mobile Station vergleicht den empfangenen Leistungspegel mit dem Schwellenwert und stellt in Reaktion auf diesen Vergleich einen Sendeleistungspegel des Senders der mobilen Station unter der Verwendung einer Vorrichtung mit variabler Verstärkung ein.
Es wurde vorgeschlagen, 10% der mobilen zellularen Bandbreite, bzw. 1,25 MHz, zum Einsatz von CDMA zu reservieren. Dieser Vorgang könnte 10% der derzeit bestehenden mobilen zellularen Kanäle eliminieren, was ungefähr 5 Kanäle ausmacht, wodurch die Nutzung und der Zugang für bestehende Teilnehmer auf das mobile zellulare System eingeschränkt würde. Außerdem würde ein solcher Vorgang den aktuellen Dienst stören, da die Basisstation einer jeden Zelle modifiziert werden müsste.
Als ein Ergebnis dieses Vorgangs würden die bestehenden Benutzer bestraft, da die Anzahl verfügbarer Kanäle um 10% verringert würde und ein zellularer Dienstanbieter, der dieses Verfahren anwenden würde, jede Zelle dadurch modifizieren müsste, dass zuerst diese Kanäle der Nutzung entzogen und dann die neuen CDMA-Ausrüstungen installiert werden müssten.
Die vorliegende Erfindung ist für ein CDMA-System, das die bestehenden Benutzer insofern nicht betrifft, da es nicht erforderlich macht, dass 10% des Bandes reserviert wird. Unter der Verwendung der vorliegenden Erfindung kann stattdessen ein völlig getrenntes CDMA-System in das bestehende mobile Spektrum eingefügt werden, ohne dass dadurch der laufende Betrieb des mobilen zellularen FDMA-Systems oder des kommenden TDMA-Systems gestört wird.
Vorschlag eines PCN-Spreizspektrums-CDMA-Systems
Das PCN-Spreizspektrums-Kommunikationssystem der vorliegenden Erfindung ist ein CDMA-System. Durch Spreizspektrums-Codemultiplex-Vielfachzugriff (CDMA) kann die Anzahl von Benutzern pro Zelle im Vergleich zu TDMA beträchtlich erhöht werden. Beim CDMA verwendet jeder Benutzer in einer Zelle das gleiche Frequenzband. Jedes PCN-CDMA-Signal hat jedoch einen eigenen Pseudozufallscode, der es einem Empfänger erlaubt, ein erwünschtes Signal gegenüber den übrigen Signalen zu unterscheiden. PCN-Benutzer in benachbarten Zellen nutzen das gleiche Frequenzband und die selbe Bandbreite und "interferieren" daher miteinander. Ein empfangenes Signal kann etwas verrauschter erscheinen, wenn sich die Anzahl durch eine PCN-Basisstation empfangener Benutzersignale erhöht.
Jedes unerwünschte Benutzersignal erzeugt etwas Interferenzleistung, deren Größe von der Verarbeitungsverstärkung abhängt. PCN-Benutzer in benachbarten Zellen erhöhen die zu erwartende Interferenzenergie im Vergleich zu PCN-Benutzern innerhalb einer bestimmten Zelle um ungefähr 50% unter der Annahme, dass die PCN-Benutzer über die benachbarten Zellen gleichmäßig verteilt sind. Da der Interferenz-Erhöhungsfaktor nicht beträchtlich ist, wird keine Frequenzwiederverwendung eingesetzt. Jede Spreizspektrumszelle kann ein ganzes Band von 12,5 MHz zum Senden und ein ganzes Band von 12,5 MHz zum Empfangen verwenden. Daher ergibt die Verwendung einer Chiprate von 6 Millionen Chips pro Sekunde und einer Codierungsdatenrate von 4800 bps eine Verarbeitungsverstärkung von ungefähr 1250 Chips pro Bit. Dem Fachmann auf diesem Gebiet ist wohl bekannt, dass die Anzahl von PCN-CDMA-Benutzern ungefähr gleich der Verarbeitungsverstärkung ist. Daher können bis zu 1250 Benutzer in einer Bandbreite von 12,5 MHz des mobilen zellularen Systems operieren.
Um zu gewährleisten, dass das PCN-System die Leistung des mobilen zellularen Systems nicht verschlechtert, ist zu berücksichtigen, dass das derzeit bestehende FDMA-System ein Signal-Rausch-Verhältnis (Signal-to-Noise Ratio/SNR) von 17 dB benötigt. Das vorgeschlagene TDMA-System wird ein Signal-Rausch-Verhältnis von 7 dB benötigen. Das PCN-CDMA-System benötigt ein SNR von 4 dB. Der PCN-Benutzer darf das mobile zellulare System nicht merklich stören. Die von einem mobilen zellularen Benutzer ausgesendete Leistung ist P_CELL = 0,5 Watt. Die von einem PCN-Benutzer ausgesendete Leistung ist P_PCN = 10 Milliwatt. Dies unter der Annahme, dass die mobilen zellularen Benutzer und die PCN-Benutzer eine adaptive Leistungssteuerung einsetzen, so dass die bei der zellularen Basisstation und bei der PCN-Basisstation empfangenen Leistungspegel proportional die selben sind. Vier Verbindungen müssen untersucht werden, um diese Systemleistung zu beurteilen: Die Auswirkung der PCN-Basisstation auf den zellularen Benutzer; die Auswirkung der zellularen Basisstation auf den PCN-Benutzer; die Auswirkung des PCN-Benutzers auf die zellulare Basisstation; und die Auswirkung des zellularen Benutzers auf die PCN-Basisstation. Für die folgende Analyse sei angenommen, dass die PCN-Basisstation und die zellulare Basisstation kollokiert sind und die gleiche Sendeleistung von z. B. 10 Watt haben.
Nun soll die Auswirkung der PCN-Basisstation auf einen zellularen Benutzer betrachtet werden. Die Leistung des Spreizspektrumssignals von der PCN-Basisstation wird über 12,5 MHz gespreizt. Der zellulare Benutzer kommuniziert jedoch auf einem vorbestimmten Kanal unter der Verwendung von FM, der eine Bandbreite von ungefähr 30 kHz hat. Daher hat der zellulare Benutzer eine effektive Verarbeitungsverstärkung bezüglich dem Spreizspektrumssignal von der PCN-Basisstation von ungefähr 400, bzw. 26 dB. Die 26 dB bedeuten, dass der Leistungspegel des Spreizspektrumssignals von der PCN-Basisstation beim zellularen Benutzer um einen Faktor 400 verringert wird. Angenommen, die PCN-Basisstation und die zellulare Basisstation haben jeweils einen Sendeleistungspegel von 10 Watt, dann ergibt die Verarbeitungsverstärkung ein akzeptables Signal-Interferenz-Verhältnis beim zellularen Benutzer, d. h. viel höher als die benötigten 17 dB.
Die Auswirkung von der PCN-Basisstation auf die zellulare Basisstation ist wie folgt: Das Spreizspektrumssignal von der PCN-Basisstation wird mit der Chiprate von 6,25 Megachips pro Sekunden gespreizt. Die Datenrate der Daten im Spreizspektrumssignal ist 4800 Bits pro Sekunde. Daher ist die Verarbeitungsverstärkung beim PCN-Benutzer 6,25 Megachips pro Sekunde, geteilt durch 4800 Bits pro Sekunde, was ungefähr 1250, oder ungefähr 31 dB, ergibt. Angenommen, die PCN-Basisstation und die zellulare Basisstation haben jeweils eine Sendeleistung von 10 Watt, dann ergibt diese Verarbeitungsverstärkung ein akzeptables Signal-Interferenz-Verhältnis beim PCN-Benutzer, d. h. 31 dB.
Es sei nun die Auswirkung der PCN-Benutzer auf den Empfänger der zellularen Basisstation betrachtet. Zur einfacheren Berechnung sei angenommen, dass die Benutzer des mobilen zellularen Systems und die Benutzer des PCN-Systems eine adaptive Leistungssteuerung einsetzen. Der zellulare Benutzer sendet eine Leistung von P_CELL = 0,5 Watt und der PCN-Benutzer sendet eine Leistung von P_PCN = 10 mW. Es sei angenommen, dass jede Zelle eines mobilen zellularen Systems 50 zellulare Benutzer hat und dass das PCN-System K Benutzer hat. Die Interferenz für den Empfänger der zellularen Basisstation ist N mal P_PCN, geteilt durch die Verarbeitungsverstärkung. Wie zuvor gezeigt, ist die Verarbeitungsverstärkung N = 12,5 MHz/30 kHz = 400 oder 26 dB. Daher ist das Signal-Interferenz-Verhältnis wie folgt: NPCELL/(K × PPCN) = 400(1/2)/K(2,01) = 2 × 104/K
Angenommen 200 PCN-Benutzer (K = 200) ergeben ein Signal-Interferenz-Verhältnis von 20 dB, was über dem Signal-Interferenz-Verhältnis von 17 dB liegt, das für ein heute verwendetes FDMA benötigt wird, und was weit über dem Signal-Interferenz-Verhältnis von 7 dB liegt, das für das kommende TDMA-System benötigt wird. Das derzeit eingesetzte mobile zellulare System hat typischerweise eine Leistung P_CELL von 500 Milliwatt für Mobiltelefone und eine Leistung P_CELL von einem Watt für Autotelefone. Daher erfordert die obige Analyse, dass der PCN-Benutzer einen Leistungspegel von 10 Milliwatt, P_PCN = 10 mW, sendet.
Es sei die Auswirkung der vorhergehenden Leistungspegel auf die PCN-Basisstation betrachtet. Die PCN-Basisstation empfängt einen Interferenzleistungspegel von 50 zellularen Benutzern, d. h. 50 mal ein Watt. Für das PCN-System von N = 1250 resultiert ein Signal-Interferenz-Verhältnis bei der PCN-Basisstation von S/I = (10 mW × 1250)/(1 W × 50), wobei sich S/I = ¼ ergibt, was –6 dB entspricht. Der Empfänger bei der PCN-Basisstation erfordert ein Signal-Rausch-Verhältnis von 4 dB. Das erforderliche SNR kann bei der PCN-Basisstation mit einem Bandrückweisungsfilter zum Auskerben der Signale von den zellularen Benutzern in den vorbestimmten Kanälen von 30 kHz erreicht werden. Mit einem entsprechend konstruierten Kamm-Kerbfilter kann auf einfache Weise ein Signal-Interferenz-Verhältnis von 20 bis 30 dB erzielt werden.
13 zeigt ein Kamm-Kerbfilter 333, das in einen Empfänger einer PCN-Basisstation eingebaut ist. Der Empfänger enthält einen rauscharmen Verstärker 331, der zwischen die Antenne 330 und einen Empfangswandler 332 geschaltet ist. Das Kamm-Kerbfilter 333 ist zwischen den Empfangswandler 332 und den Spreizspektrumsdemodulator 334 geschaltet. Ein Demodulator 335 ist mit dem Spreizspektrumsdemodulator 334 verbunden. Das Kamm-Kerbfilter 333 in diesem veranschaulichenden Beispiel wird bei einer Zwischenfrequenz betrieben und entfernt die vom mobilen zellularen System verursachte Interferenz.
Aus der obigen Analyse wird es für einen Fachmann ersichtlich, dass es die vorliegende Erfindung ermöglicht, dass ein Spreizspektrums-CDMA-System mit einem vorher bestehenden mobilen zellularen FDMA-System überlagert wird, ohne dass dabei das vorher bestehende mobile zellulare System modifiziert werden muss. Die vorliegende Erfindung erlaubt eine Frequenzwiederverwendung des dem mobilen zellularen System schon zugewiesenen Frequenzspektrums. Gleichzeitig wird die Leistung des mobilen zellularen Systems nicht verschlechtert. Das PCN-System kann zusätzlich zu den 50 zellularen Benutzern noch 200 weitere PCN-Benutzer hinzufügen. Die vorliegenden Systemleistungsberechnungen werden als konservativ eingeschätzt, und die zusätzlichen PCN-Benutzer können mehr als die geschätzten 200 sein.
Dem Fachmann wird ersichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen am Spreizspektrums-CDMA-Kommunikationssystem der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne dass dadurch vom Umfang der Erfindung abgewichen wird, und es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung Modifikationen und Variationen des Spreizspektrums-CDMA-Kommunikationssystems abdeckt, vorausgesetzt, sie sind im Umfang der beiliegenden Ansprüche und ihrer Äquivalente enthalten.

Claims

Spreizspektrums-Codemultiplex-Vielfachzugriffs-CDMA-Empfänger zum Empfangen von Daten von einem Spreizspektrums-CDMA-Sender in einem gleichen geographischen Bereich, wie er von einem zellularen System abgedeckt wird, wobei das zellulare System unter der Verwendung mehrerer vorbestimmter Frequenzbandbreiten kommuniziert, wobei der Empfänger gekennzeichnet ist durch: – Einrichtungen (149, 140, 147, 141, 169, 161, 163, 330, 331, 332) zum Empfangen eines Spreizspektrums-CDMA-Datensignals vom CDMA-Sender, wobei das CDMA-Datensignal eine breite Bandbreite hat, die sich über die mehreren vorbestimmten Frequenzbandbreiten erstreckt; – Einrichtungen (143, 333) zum Sperrfiltern des empfangenen CDMA-Datensignals bei den mehreren vorbestimmten Frequenzbandbreiten; und – Einrichtungen (145, 165, 334, 335) zum Rückgewinnen von Daten aus dem sperrgefilterten CDMA-Datensignal.
CDMA-Empfänger nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, dass jede der vorbestimmten Frequenzbandbreiten eine Bandbreite von 30 kHz hat und durch ein Schutzband von 180 kHz getrennt ist; und die breite Bandbreite eine Bandbreite von 12,5 MHz hat.
CDMA-Empfänger nach Anspruch 1 oder 2 zur Verwendung in einer PCN-Basisstation, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die PCN-Basisstation mit einer Basisstation des zellularen System ortsgleich ist.
CDMA-Empfänger nach Anspruch 1, 2 oder 3, weiter dadurch gekennzeichnet, dass – die Empfangseinrichtungen (149, 140, 147, 141, 169, 161, 163, 330, 331, 332) eine Antenne (149) aufweisen; – die Sperrfiltereinrichtungen (143, 133) ein Kammfilter (140) sind; und – die Datenrückgewinnungseinrichtungen (145, 165, 334, 335) umfassen: – eine Produktvorrichtung (141) zum Verarbeiten des sperrgefilterten Datensignals mit einem Chipcode; – ein Bandpassfilter (143) zum Filtern des verarbeiteten Datensignals; und – einen Detektor (145), der mit dem Bandpassfilter (143) verbunden ist, zum Ausgeben der rückgewonnenen Daten.
CDMA-Empfänger nach Anspruch 1 oder 2 zur Verwendung in einer PCN-Einheit, weiter dadurch gekennzeichnet, dass: – die Empfangseinrichtungen (149, 140, 147, 141, 169, 161, 163, 330, 331, 332) eine Antenne (330) aufweisen; – einen rauscharmen Verstärker (331), der mit der Antenne (330) verbunden ist; – einen Empfangsumsetzer (332), der mit dem rauscharmen Verstärker (331) verbunden ist; – die Sperrfiltereinrichtungen (143, 333) ein Kamm-Sperrfilter (333) sind, der mit dem Empfangsumsetzer (332) verbunden ist; und – die Datenrückgewinnungseinrichtungen (145, 165, 334, 335) umfassen: – einen Spreizspektrumsdetektor (334), der mit dem Kamm-Sperrfilter (333) verbunden ist; und – einen Datendemodulator (335) der mit dem Spreizspektrumsdetektor (334) verbunden ist.
Verfahren zum Empfangen von Daten von einem Spreizspektrums-Codemultiplex-Vielfachzugriffs-Sender unter der Verwendung eines Spreizspektrums-CDMA-Empfängers in einem gleichen geographischen Bereich, wie er von einem zellularen System abgedeckt wird, wobei das zellulare System unter der Verwendung mehrerer vorbestimmter Frequenzbandbreiten kommuniziert, wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist: – Empfangen eines Spreizspektrums-CDMA-Datensignals vom CDMA-Sender, wobei das CDMA-Signal eine breite Bandbreite hat, die sich über die mehreren vorbestimmten Frequenzbandbreiten erstreckt; – Sperrfiltern des empfangenen CDMA-Datensignals bei den mehreren vorbestimmten Frequenzbandbreiten; und – Rückgewinnen der Daten aus dem sperrgefilterten CDMA-Datensignal.
Verfahren nach Anspruch 6, weiter dadurch gekennzeichnet, dass jede der vorbestimmten Frequenzbandbreiten eine Bandbreite von 30 kHz hat und durch ein Schutzband von 180 kHz getrennt ist; und die breite Bandbreite eine Bandbreite von 12,5 MHz hat.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei der CDMA-Empfänger in einer PCN-Basisstation eingesetzt wird, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die PCN-Basisstation mit einer Basisstation des zellularen System ortsgleich ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem der CDMA-Empfänger in einer PCN-Einheit eingesetzt wird, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Sperrfilterung von einem Kamm-Sperrfilter (333) durchgeführt wird.