CN1140075C

CN1140075C - 基于多径能量窗的码分多址系统初始同步与小区搜索装置

Info

Publication number: CN1140075C
Application number: CNB001282247A
Authority: CN
Inventors: 尤肖虎; 郭经红; 蒋良成; 赵春明; 程时昕
Original assignee: Southeast University; Research Institute of Telecommunications Transmission Ministry of Industry and Information Technology
Current assignee: Southeast University; Research Institute of Telecommunications Transmission Ministry of Industry and Information Technology
Priority date: 2000-12-18
Filing date: 2000-12-18
Publication date: 2004-02-25
Anticipated expiration: 2020-12-18
Also published as: WO2002080425A1; US7310368B2; CN1318921A; US20040076225A1

Abstract

本发明提出了基于多径能量窗的CDMA系统初始同步与小区搜索装置。该装置以多径能量窗处理方法为基础，利用多径能量窗进行初始同步和相邻小区搜索。提出了基于相关器组的并行实现方法，并描述了该方法在相干扩频接收机中的应用。

Description

基于多径能量窗的码分多址系统初始同步与小区搜索装置

本发明属于CDMA(码分多址)蜂窝通信系统领域。

目前，蜂窝移动通信领域正处于几大制式共存、竞争、发展的时期，其中基于CDMA技术的移动通信制式尤以频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量等特点显示出巨大的发展潜力，已成为下一代移动通信系统最具竞争力的核心重要技术。

CDMA蜂窝通信系统大多采用直接序列扩频(DSSS)技术，发射端将窄带的用户信息通过与扩频码(PN码)相乘运算，转换成宽带的扩频信号，此过程称为扩展频谱。接收端将接收到的宽带扩频信号通过本地产生的同步扩频码进行相乘和积分运算，还原为所需的窄带用户信息，此过程称为解扩运算。因而对于接收机，如何使得本地扩频码与接收信号相同步是完成解扩运算首先需要解决的问题。

移动通信信道中存在着严重的多径衰落现象，会造成严重的多径干扰。在CDMA蜂窝移动系统中，由于采用了扩展频谱技术，其发送信号的带宽一般远大于用户信息带宽，从而具备了较强的多径分辨能力，使得更为精细的多径分辨成为可能。但所能分辨的多径信号仍具有较大的随机性，因而CDMA接收机必须具备较强的克服多径衰落的能力。

为完成CDMA接收机本地扩频码的同步，需对接收信号进行初始同步和精细同步。该初始同步过程又称作为PN码捕获过程，而精细同步过程又称作为PN码跟踪过程。PN码初始同步的任务是使得接收机本地产生的PN序列与接收信号的PN扩频序列之间的相位差小于某一合适的门限δ。在PN码初始同步过程完成后，由于本振频率偏移、信道多径衰落、多普勒频移等因素会造成定时的滑动，因此还必须对接收信号进行实时跟踪，以保证本地PN序列始终能与接收信号精确同步。

在CDMA蜂窝通信系统中，除了需要对当前小区的PN码进行初始同步和跟踪外，还需对邻近小区进行搜索，以判断移动终端是否需要进行越区切换或进行多基站到达信号的宏分集接收。对相邻小区进行搜索的方法与小区初始同步方法基本类似，不同之处在于对邻近小区的搜索仅需要在某一事先确知的局部区域内进行，而无需对PN码所有相位进行全局搜索。

CDMA系统对小区初始同步及邻区搜索有一定的时间限制，应尽可能地缩短小区初始同步及邻区搜索所需的时间。针对DS/CDMA系统的初始同步与小区搜索方法很多，从实现结构上可分为并行初始同步、串行初始同步和兼有并行结构与串行结构的混合结构初始同步；从处理域上可分为时域初始同步、频域初始同步；从解扩运算方法上可分为基于相关器的初始同步和基于匹配滤波器的初始同步；对于基于相关器的初始同步，又可分为固定相关长度检测和可变相关长度的序贯检测等。

传统的初始同步与搜索方法往往针对某一单径信号进行。而在多径传输环境中，真正的接收信号往往包含了若干个不同传播时延的多径分量。由于衰落的影响，对某一单径信号进行初始同步与搜索所得到的结果往往是不可靠的。本发明则基于以下一个简单的事实：尽管在多径衰落环境下每一径到达信号的幅度和相位是随机变化的，但多径信号的能量窗口及其重心位置是相对稳定的。若根据多径信号能量窗最大化确定本地PN码的初始同步相位或邻近小区PN码相位，并根据多径能量窗的重心变化对PN码进行精细跟踪，则由此所获得的扩频接收机能够有效地克服上述对单径信号进行处理所带来的不确定性，从而提高相干扩频接收机的稳健性。

本发明的目的是针对移动通信环境下多径衰落信号的不确定性，引入“多径能量窗最大化”设计方法，对多径能量窗进行并行处理，实现CDMA扩频接收机的初始同步与邻近小区搜索，从而使得CDMA扩频接收机性能得到改善，同时减少所需的硬件资源。

以下详细说明本发明的内容

本发明依据的基本原理：

1、多径衰落信道参数估计：

CDMA系统中的导频(pilot)信道用于传送事先确知的导频序列，可用于系统定时和载波的提取、信道估计、越区切换等。若系统同时发射若干个信道的信号，则等效基带接收信号可表示为：

r (t) = \underset{n}{Σ} c_{n} \cdot \underset{i}{Σ} s_{i} (t - n / W) + z (t)

[公式1]其中，s_i(t)表示下行信道所发送的第i个码分信道的等效基带信号，i＝0的分项对应于导频PN序列；z(t)是零均值的复数白色高斯噪声；c_n为信道第n径的衰落因子。信道参数估计的目的在于根据接收信号r(t)和确知的导频序列s₀(t)估计出信道衰落因子c_n。

假设移动信道为频率选择性慢衰落信道模型，则可认为在一个信道估计区间内c_n近似为常数。由此可得出c_n的估计值如下：

{\overset{&OverBar;}{c}}_{n} = \frac{1}{{NE}_{c}} {&Integral;}_{0}^{{NT}_{c}} r (t - n T_{c}) \cdot s_{0}^{*} (t) dt = c_{n} + N_{a} + N_{c} + N_{z}

[公式2]式中N_a、N_c和N_z分别是扩频码的相关特性不够理想造成的多径干扰、多址干扰以及白噪声通过相关器后产生的输出；T_c为一个码片的时间宽度，NT_c为信道估计的积分区间；E_c是导频信道在一个码片之内的发送能量。

在CDMA接收机的初始同步阶段，由于无法确知接收信号的相位信息，常需要在分数间隔上对多径衰落信道进行估计，且需要采用不同相位的本地导频序列(PN码)进行试探，这时公式2可演变为：

c_{n, m} (k) = \frac{1}{{NE}_{c}} {&Integral;}_{0}^{{NT}_{c}} r (t - {nT}_{c} - {mT}_{c} / M) \cdot S_{0}^{*} (t - {kT}_{c} / M) dt, m = 0,1, \cdot \cdot \cdot M - 1

[公式3]式中T_c/M为分数采样间隔，k为某一可能的本地导频PN序列相位参数。

2、多径能量窗及PN码初始同步方法：

公式1中信道衰落因子c_n的有效分布范围定义为多径信号能量分布窗口(简称为多径能量窗)，该窗口的大小由多径信道的时延扩展范围确定。为方便以下的讨论，设c_n的有效分布范围为n∈[-L₁，L₂]。在城市、乡村和山区多径衰落环境下，该窗口的大小分别约为3μS、6μS和15μS。窗口的大小与蜂窝通信系统所处的环境有关，而与所使用的频段无关。为使扩频接收机能够适用于各种环境，多径能量窗口的大小应按最大可能值选取，通常不大于30μS，则L＝L₂-L₁+1的取值应不大于30μS/T_c。

在多径能量窗口内，并不是所有的信号到达径均是有效的。为此应设定合适的门限，对窗口内每一径信号的能量(也即c_n的强度)进行判决。若大于门限，则为有效到达信号径；否则则为纯干扰径(IOP)。为避免性能恶化，所有的纯干扰径均不应参加运算。判决门限的选取应略大于导频信号(PN码)部分互相关(partialCorrelation)值的旁瓣值。

为了提供足够的初始同步精度，接收机使用过采样技术对接收信号进行取样，其采样速率为PN码码片速率的M倍。设需要同步的导频PN码长度为P，则本发明所给出的PN码初始同步方法需要从M×P个可能的PN码相位中，选择一个相位，使得多径能量窗口中所包含的多径能量最大化。

根据上述多径能量窗的概念，定义本地导频PN码相位为k时的多径能量窗如下：

E_{win} (k) = Σ_{n = - L_{1}}^{L_{2}} Σ_{m = 0}^{M - 1} | c_{n, m} (k) |^{2}

[公式4]则基于多径能量窗的初始同步方法可以描述为，从所有可能的本地导频PN码相位k值中，选择一个k值使得下式取最大值：

\max_{k} E_{win} (k)

[公式5]对应于能量窗最大值的本地导频PN相位即为最优的PN码相位k_opt。

另一方面由公式3可得知，公式4所示的多径能量窗计算存在以下滑动窗递推关系：

E_{win} (k + 1) = E_{win} (k) - {| {\overset{&OverBar;}{c}}_{L_{2}, M - 1} (k) |}^{2} + {| {\overset{&OverBar;}{c}}_{L_{1}, 0} (k + 1) |}^{2}

[公式6]由此可在较大程度上简化初始同步所需的计算。

3、基于滑动能量窗的相邻小区搜索方法：

相邻小区搜索方法与上述PN码初始同步方法相类似，不同之处在于公式中所采用的PN码应为某一邻近小区的导频信号序列，所需要进行搜索的区间也应为由基站事先指定的区间，而非PN码所有可能的相位。

4、PN码初始同步和小区搜索的确认方法：

在上述初始同步方案中，采用了单次门限判决法对初始同步的结果是否有效进行确认。在实际应用中，也可采用多次门限判决法进行初始同步确认，这时仅需要对k＝k_opt处的多径能量窗进行多次计算。若每次结果均大于指定门限，则初始同步成功。这种情形下所需要的初始同步时间略为增加。另一种较为实用的初始同步确认方法是，在初始同步完成后检验其它数据信道接收情况是否正常，从而确定初始同步是否成功。

对相邻小区搜索的结果是否有效进行确认的方法与上述PN码初始同步的确认方法相同。

本发明有益效果：

1.提出的基于多径能量窗初始同步方法针对多径时延分布能量最大化进行，克服了传统初始同步方法针对单径进行处理所带来的系统不稳定性，能够更好地适用于多径衰落信道环境下的蜂窝移动通信系统。

2.采用了滑动能量窗计算方法，使得其实现方便易行。

3.统一考虑了CDMA蜂窝接收机的初始同步与相邻小区的搜索问题，通过时分复用的方式，可使系统实现所需的硬件复杂度降低到最大程度。

4.采用了并行实现方法，降低了接收机的初始同步及小区搜索所需的时间。

附图说明：

图1为基于多径能量窗的系统初始同步与小区搜索实现框图

以下结合附图说明实施例：

图1示出了本发明所提出的PN码初始同步与小区搜索装置实现框图，该装置由抽头延迟线、并行相关器、本小区PN码发生单元、邻小区PN码发生单元、幅度判决单元、存储缓冲单元、并串转换单元、滑动能量窗计算单元、能量窗最大计算单元和初始同步确认单元共十个单元组成。各单元的功能描述如下：

●以T_c/M速率采样的基带信号r(t)送入抽头延迟线，抽头延迟

线的长度S由初始同步及搜索所需要的最小时间所确定。抽

头延迟线的S个抽头输出送往S个并行相关器。

●S个并行相关器(相乘累加单元)完成公式3所示的信道估

计积分运算，若为初始同步过程，则与本小区PN码发生单元

输出的PN码进行积分运算，若为小区搜索过程，则与邻小区

PN码发生单元输出的PN码进行积分运算。每个相关器在一

个积分周期NT_c内完成一径信道估计运算，其结果送往后续的

幅度判决单元后，相乘累加单元清零。

幅度判决单元对由相关器所得到的信道估计幅度平方值进行

门限判决，剔除纯干扰径后送入存储缓冲单元，然后经并串

转换单元逐一送入滑动能量窗计算单元。

●滑动能量窗计算单元完成公式6所示的计算。对于每个积分

间隔所得到的S个信道估计，可计算出S个滑动能量窗输出

值。

●能量窗最大计算单元比较滑动能量窗的每一输出值，从中选

取出最大值及其相应的本地导频PN码相位值。其结果送往初

始同步确认(捕获确认)单元。

●初始同步确认单元采用了单次门限判决法，若最大能量值大

于某一设定的门限(该门限值视具体应用而确定，一般应大

于输入信号总能量的1/10)，则该次初始同步或搜索过程有

效，对应于能量窗最大值的本地导频PN相位即为最优的PN

码相位k_opt。否则本次初始同步或搜索过程失败。也可采用多

次门限判决法进行初始同步确认。

●把接收机本地导频PN码发生器的相位移至最优PN码相位k_opt

处，则初始同步或搜索过程宣告完成。

由于每个积分周期能够得到S个多径能量窗的估算，因此图1中的本地或邻近小区PN码发生器，应在每一次积分完成后，向前或向后跳动S个相位。

以下对初始同步所需的时间进行计算。因本地导频PN序列存在M×P个可能的PN码相位，而上述方案中采用了S个并行计算单元，在T_d＝NT_c的积分周期内可完成S个相位的搜索，故初始同步所需时间为：

T_{acq} = \frac{M \times P}{S} {NT}_{c}

[公式7]

由于邻近小区搜索的原理与初始同步基本相同，因而可以时分复用的方式实现。在初始同步完成后，通过接收来自本基站的广播信息，可获知邻近小区的导频序列与本小区导频序列的相位差以及需要搜索的范围。用邻近小区的导频序列及搜索范围，取代上述初始同步时所采用的本地导频序列及全局搜索范围，则可实现对邻近小区的搜索。图1示出了这种复用的实现方法。

类似地，相邻小区搜索时间可计算如下：

T_{srch} = \frac{M \times P_{srch}}{S} {NT}_{c}

[公式8]式中P_srch为邻近小区待搜索的区间(以T_c为单位)。搜索完成后，所得到的多径能量窗最大值应及时上报基站，以便确定是否需要进行越区切换或宏分集。

以下以cdma2000-1x系统移动终端为例，说明本发明的具体实施方法。cdma2000-1x系统的下行信道包含有连续发送的导频信道，可用于移动终端接收机的定时提取、初始同步、小区搜索和相干解调等。在该系统中，扩频码片速率为1.2288Mcps，码片间隔为T_c＝1/1.2288微秒，导频信道PN码为N＝2¹⁵长度的伪随机序列。

若接收机采用4倍码片采样率，即M＝4，每一积分周期取为256T_c，且系统要求的最大初始同步时间为T_{acq_max}，则所需的并行相关计算单元数为：

S > | \frac{4 \times 2^{15} \times 256 T_{c}}{T_{acq_\max}} | + 1

实际应用中，可取T_{acq_max}＜0.5秒，由此可计算出所需的并行计算单元数为S＝64。

由于cdma2000-1x系统的扩频码片速率较低，可以采用时分复用的方式降低平行计算单元所需的硬件复杂度。在本实施例中，每个物理相关器复用32次，因而实际共需4个复数形式的相关器。干扰径判决门限取为接收信号能量的1/32。最大多径能量窗初始同步门限设定为接收信号能量的1/16。

本实施例已应用于自行研制的符合3GPP2 ReleaseA标准的cdma2000-1x蜂窝移动通信车载移动台样机中。该样机中的扩频接收部分采用Xilinx公司的XC4085xla FPGA芯片加以实现。经过实际测试，利用本发明所设计的扩频接收机在车载移动多径衰落环境下，能够较为稳定可靠地工作。

Claims

1.基于多径信道能量窗的码分多址系统初始同步与小区搜索装置，其特征在于该装置由抽头延迟线、并行相关器、本小区PN码发生单元、邻小区PN码发生单元、幅度判决单元、存储缓冲单元、并串转换单元、滑动能量窗计算单元、能量窗最大计算单元和初始同步确认单元共十个单元组成，其中：

基带信号r(t)送入抽头延迟线，抽头延迟线的S个抽头输出送往S个并行相关器；

S个并行相关器即相乘累加单元完成信道估计积分运算，其结果送往后续的幅度判决单元；

幅度判决单元对由相关器所得到的信道估计幅度平方值进行门限判决，剔除纯干扰径后送入存储缓冲单元，然后经并串转换单元逐一送入滑动能量窗计算单元；

滑动能量窗计算单元，可计算出S个滑动能量窗输出值，后送入能量窗最大计算单元；

能量窗最大计算单元比较滑动能量窗的每一输出值，从中选取出最大值及其相应的本地导频PN码相位值，其结果送往初始同步确认单元；

初始同步确认单元采用了单次门限判决法，也可采用多次门限判决法进行初始同步确认；

把接收机本地导频PN码发生器的相位移至最优PN码相位k_opt处，则初始同步或搜索过程宣告完成。

2.如权利要求1所述的基于多径能量窗的码分多址系统初始同步与小区搜索装置，其特征在于：以时分复用的方式实现。