CN100372247C - 移动终端的下行同步监测装置与方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种移动终端的下行同步监测装置与方法及其应用。本发明首先根据接收数据估计信道冲击响应序列的重心，然后将重心估计值与同步状态下重心值比较，并根据判断重心偏移是否大于某一阈值以确定当前同步偏移是否属于下行同步调整跟踪算法可调整的范围。本发明的效果是：可以在数据接收过程中有效监测接收机下行同步的状况，并对可能出现的同步调整失败报警，从而有效规避由接收机同步调整跟踪失败导致的系统通信质量下降乃至通信中断。

Description

移动终端的下行同步监测装置与方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种无线通信系统，尤其涉及一种无线通信系统中移动终端的下行同步监测装置及方法，以及一种在时分同步码分多址(TD-SCDMA)移动终端中的监测下行同步方法。

技术背景

在数字移动通信系统中，为了正确接收基站(BS)发送的信息，移动终端(UE)必须以正确的时钟信息对接收信号进行周期性采样及数据帧解析，即实现与基站的下行同步(DL Synchronization)。移动终端的下行同步分为同步建立和同步调整跟踪两个阶段。在同步建立阶段，移动终端搜索基站发送的同步训练序列，并根据同步训练序列确定数据帧的位置及采样时钟相位，从而建立下行同步。在同步调整跟踪阶段，移动终端根据接收信号估计同步偏移，并实时调整终端采样时钟的相位，以消除同步偏移对数据接收的影响。

根据同步调整跟踪时所依据的接收信号不同，移动终端的下行同步调整跟踪可以采取以下两种方法实现：

第一种方法是根据接收到的同步训练序列进行同步调整跟踪。由于同步训练序列为一段专用数据，往往独占一部分无线资源(时间或频率)。同时此训练序列可以设计为具有良好的抗噪性。因此根据同步训练序列可以较准确的估计同步偏移，进行下行同步调整跟踪。但是，这种方法需要接收机在接收数据的同时接收基站发送的同步训练序列，不可避免地导致接收机的实现复杂，功耗加大，以及成本上升。

第二种方法是直接根据接收数据估计同步偏移，进行同步调整跟踪。其优点在于同步调整与数据接收可以用同一套接收机完成，有利于降低接收机的成本和功耗。但是，接收机正确接收数据的一个重要前提就是下行同步偏移要保持在一定范围内。一旦同步偏移超过这个范围，接收数据的质量将大幅下降，从而导致同步偏移估计错误。

一般而言，终端在下行同步建立后就开始不间断的进行同步调整跟踪，其目的就在于将同步偏移控制在一个允许的范围内。但是，由于移动通信环境的复杂性，从基站到终端的电磁波传播路径可能由于终端的移动发生突变，此时基站发送信号到达终端的传输延时也随之发生突变，从而导致同步偏移超过允许范围，进而导致通信质量下降或通信中断。

下面将结合TD-SCDMA系统，进一步说明根据接收数据进行同步跟踪可能遇到的风险。

第一、信道突变导致同步跟踪失败。在通信过程中，终端接收机根据所接收的在某个时隙上的数据畸变估计定时信息的偏移，从而实现同步跟踪。例如：在TD-SCDMA系统中，终端接收机通过估计第0时隙第一信道估计窗中信道冲击响应的偏移，来跟踪同步偏移，进行下行同步调整跟踪(如图1a所示)。但是，当传输信道由于终端移动发生突变时，接收机按照先前的下行同步信息(即信道估计窗的位置)很可能解析出错误信道估计窗，从而导致同步偏移估计错误(如图1b所示)，并作出错误的同步调整，进而导致接受数据错误。这是根据数据进行同步跟踪可能遇到的一个风险。

第二、误差累积导致同步跟踪失败。在同步跟踪过程中，同步偏移需要由接收数据估计。由于移动通信系统中多径传播、干扰以及噪声的影响，同步偏移估计不可避免的带有误差。而这种估计误差会随着时间累积。因此，即使在通信过程中没有发生如前所述的信道突变，误差累积也可能导致某些多径信息落在信道估计窗外，从而引起同步偏移估计错误，进而影响数据接收。这是根据数据进行同步跟踪可能遇到的另一个风险。

此外，虽然TD-SCDMA系统会在协议层对终端失步进行判断，但其判断的依据是在一段持续时间内物理层接收机均无法正确对接收数据解码。但是，这种失步判断需要较长的观测时间才能发现系统失步。因此，当其发现系统失步时，物理层接收机很可能已经无法继续通信，而需要重新经历小区搜索以及同步建立过程。对于终端而言，其表现为一次通信中断。

因而，在现有技术中，当终端物理层接收机采用根据接收数据进行下行同步跟踪调整时，没有一种机制能够监测当前的同步偏移是否属于同步调整装置可调整的范围，并及时发现由于同步偏移过大导致同步调整跟踪可能失败的情况，以发出信号提醒系统重新捕获下行同步。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的之一是提供一种下行同步监测的方法，其能够在同步调整跟踪阶段对同步偏移状况进行监测。

本发明的另一目的是提出一种下行同步监测的装置，其能够在同步调整跟踪阶段对同步偏移状况进行监测。

本发明的另一目的是提供一种本发明下行同步监测装置在TD-SCDMA系统中的应用。

本发明提供一种无线通信系统中移动终端的下行同步监测方法，首先根据接收数据估计信道冲击响应序列的重心；然后将重心估计值与初始同步状态下重心值比较得到重心偏移；在重心偏移小于或等于预先决定的阈值时，确定当前同步偏移属于下行同步调整跟踪算法可调整的范围，否则判断当前同步偏移属于下行同步调整跟踪算法无法调整的范围。

另外，本发明提供一种无线通信系统中移动终端的下行同步监测装置，包括：信道估计器，根据接收数据估计信道冲击响应序列；重心估计器，计算信道冲击响应序列的响应重心；减法器，将重心值与寄存器中的同步重心参考值相减，得到重心偏移；比较器，将重心偏移的绝对值与预先设定的阈值比较，输出比较结果；决策装置，根据连续多个比较结果进行决策，判断接收机已经失步则发出失步报警信号。

另外，本发明提供一种在TD-SCDMA系统中下行同步监测方法：终端接收机同步调整跟踪可分为两个状态：同步调整状态和同步再捕获状态；在同步调整状态下，终端接收机根据接受数据估计同步偏移，进行同步调整跟踪；采用如前面所述的同步监测装置对同步调整失败的情况进行报警。

本发明的效果是：由于提供了一种切实可行的移动终端的同步监测装置和方法，可以在数据接收过程中有效监测接收机下行同步的状况，并对可能出现的同步调整失败报警，从而有效规避由接收机同步调整跟踪失败导致的系统通信质量下降乃至通信中断；

另外，本发明是根据信道冲击响应估计序列来监测下行同步。由于在多数数字移动通信系统中，信道估计是正确接收数据所不可缺少的环节，因此本发明的下行同步监测方法可以与数据接收同时进行，不需要接收额外的同步训练序列，有利于降低接收机的成本和功耗。

附图说明

图1是现有技术TD-SCDMA中的下行同步调整跟踪示意图；

图2本发明下行同步监测的实现结构图；

图3下行同步监测的在终端同步系统中的应用流程图；

图4是TD-SCDMA帧结构图；

图5是DwPTS的结构图；

图6是下行同步调整过程中的状态转移示意图；

图7a是同步调整状态下的系统框图；

图7b是同步捕获状态下的系统框图。

具体实施方式

本发明采用的下行同步监测装置的结构如图2所示，由信道估计器、重心估计器、平滑滤波器、减法器、比较器、决策装置、寄存器以及延迟器构成。

下面详细描述本发明下行同步监测装置工作流程。

首先信道估计器根据第n帧的接收数据估计信道冲击响应序列

重心估计器计算信道冲击响应序列

的第n帧信道响应的重心B_c(n)(信道多径功率的平均时延值)；

平滑滤波器对连续几帧的信道响应重心值进行平滑滤波以消除噪声及瞬间小波动的影响，得到去噪后的重心估计值

减法器将重心值

与寄存器中的同步重心参考值

相减，得到重心偏移Δ(n)；

比较器将重心偏移Δ(n)的绝对值与预先设定的阈值比较，输出比较结果J(n)；

决策装置根据连续若干个比较结果以一定的决策准则进行决策，判断接收机是否已经失步，并发出失步报警信号；

接收机根据失步报警信号启动同步捕获电路以重新建立定时同步，并发出同步捕获指示；

根据同步捕获指示，更新同步重心参考值

，并重复从第一步开始的同步检测过程。在上述工作流程中，同步重心参考值可以采用如下方法获得：接收机在同步捕获成功后发出同步捕获指示；根据同步捕获指示选择同步捕获后的第一个稳态重心估计值作为同步重心参考值

；采用延迟器以补偿同步捕获指示与重心估计值达到稳态之间的时间差。

因而，概括来讲，本发明的基本方法是首先根据接收数据估计信道冲击响应序列的重心，然后将重心估计值与初始同步状态下重心值比较，并判断重心偏移是否大于某一阈值，最后根据连续若干次判断结果按照一定的准则进行决策，以确定当前同步偏移是否属于下行同步调整跟踪算法可调整的范围，并对同步偏移不可调整的情况发出报警信号。根据报警信号接收机可以在不影响数据接收的情况下启动同步捕获装置，根据同步训练序列重新建立下行同步。

参照图3可以更清楚地了解本发明在终端下行同步过程的典型应用。其下行同步调整跟踪采用如前所述直接根据接收数据估计同步偏移，进行同步调整跟踪。在此过程中，本发明根据接收数据判断同步偏移是否属于下行同步调整算法可调整的范围。如果同步偏移可调整，终端接收机根据接收数据估计同步偏移，调整下行同步；如果同步偏移超出当前同步调整算法可调整的范围，终端接收机则在接收数据的同时接收同步训练序列，并根据训练序列重新捕获下行同步。

下面，根据在时分同步码分多址(TD-SCDMA)的终端用户(UE)中的实施例，详细说明本发明在TD-SCDMA系统中的构造。

在TD-SCDMA系统中，UE在系统开机或进行小区重选后，需要接收该小区基站在下行导频时隙(DwPTS)上发送的下行同步码(SYNC_DL)，并根据SYNC_DL建立与基站间的下行同步。在下行同步建立后，UE接收在指定下行业务时隙(TS0，TS2～TS6)上的系统信息或UE业务数据，实现与基站间的正常通信。在此过程中，UE需始终调整与基站间的下行同步以保证数据的正确接收。

为了能够更清楚的说明TD-SCDMA系统中数据发送和接收的过程，现在对TD-SCDMA的帧结构做一下简单描述。如图4所示，TD-SCDMA的帧结构以5ms的子帧为单位重复。每一个子帧由6400个码片构成，分为7个业务时隙(TS0～TS6)和三个特殊时隙：一个下行导频时隙(DwPTS)，一个上行导频时隙(UpPTS)和一个保护时隙(GP)。在下行导频时隙(DwPTS)中，包括一个长为64个码片的下行同步码(SYNC_DL)，用于小区搜索和下行同步，如图5所示。在业务时隙中，包括一个长为144个码片的midamble码，用于数据接收时的信道估计。

在某些UE系统中，为了节省系统资源并降低功耗，系统在通信过程中并不始终接收DwPTS上的下行同步码，而是利用业务时隙中的miamble(训练序列)码来实现同步跟踪。例如：在某些终端的接收中，UE根据由miamble码估计的信道冲击响应的位置漂移来跟踪系统定时偏移，从而实现同步跟踪。然而，当在某些情况下，例如：UE在移动过程中无线通信环境的突然变化，或者由于定时误差积累导致信道响应估计窗的选取错误，信道冲击响应会发生突发性的变化。此时UE有可能作出错误的下行同步调整，进而导致通信中断。这时，就需要有下行同步监测装置对同步调整跟踪可能失败的情况进行报警。

为了对UE下行同步调整跟踪的状况进行监测，本发明采用如前所述的结构和工作流程。下面将详细阐述本发明在TD-SCDMA系统中的应用：

本发明下行同步监测装置采用的信道估计器构造成能够根据第n帧的接收数据估计信道冲击响应序列

下面将描述上述信道估计器的一个例子，但本发明并不限于该实施例，也可以采用其他的信道冲击响应估计方法。

在TD-SCDMA系统中，用本地Midamble数据与接收到的Midamble数据来进行信道冲击响应的估计。假设用户使用的训练序列在发射前经过旋转变换为Midamble的复值数据B_Midamble，接收到的Midamble数据为R_Midamble，另设h为信道冲击响应，n为白噪声。则可以得到如下公式：

R_Midamble＝Gh+n    (1)

在实现时，采用如下的公式计算信道冲击响应

$\hat{h}=\mathrm{IFFT}(\mathrm{FFT}\left(R_{\mathrm{Midamble}}\right)./\mathrm{FFT}\left(B_{\mathrm{Midamble}}\right))---\left(2\right)$

这里FFT()、IFFT()分别表示对括弧中的数据序列做快速傅立叶变换和反变换。

在这里信道估计器的输出是TS0的第1码道的信道冲击响应估计值，可以用如下的式子来表示：

k＝1，2，...，W    (3)

这里，W是估计的信道的冲击响应的窗长，由TS0上的midamble分配方式决定。

本发明重心估计器构造成计算信道冲击响应序列

的第n帧信道响应的重心B_c(n)，计算公式如下：

$B_c\left(n\right)=\frac{\underset{k=1}{\overset{W}{\mathrm{\Σ}}}\{k\·{\left|\hat{h}\left(k\right)\right|}^2\}}{\underset{k=1}{\overset{W}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\hat{h}\left(k\right)\right|}^2}---\left(4\right)$

其中，

k＝1，2，...，W为如前所述的TS0的第1码道的信道冲击响应。

本发明平滑滤波器构造成平滑滤波器对连续几帧的信道响应重心值进行平滑滤波，以消除噪声及瞬间小波动的影响，得到去噪后的重心估计值

平滑滤波器可以采用不同的低通滤波器实现，下面给出两个例子：滑动窗滤波与卡尔曼滤波。

滑动窗滤波是通过求相邻几帧的信道冲击响应重心的平均值来消除噪声的影响。其计算公式如下：

${\hat{B}}_c\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{n+1}\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{B}_c(n-k)& 0\&le;n<N\\ \frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{B}_c(n-k)& n\&GreaterEqual;N\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，B_c(n)是由重心估计器计算出的信道冲击响应重心；N为预设的滑动窗长度(例如N＝5)。

卡尔曼滤波是采用一阶卡尔曼滤波器对信道冲击响应重心值滤波的方法。一阶卡尔曼滤波器为无限冲击响应滤波器，其计算公式如下：

${\hat{B}}_c\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{B}_c\left(n\right)& n=0\\ k{B}_c\left(n\right)+(1-k){\hat{B}}_c(n-1)& n>0\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，B_c(n)是由重心估计器计算出的信道冲击响应重心；k为卡尔曼系数，可采用(0，1]之间的某一预设值(例如k＝0.5)。

本发明减法器构造成将重心值

与寄存器中的同步重心参考值

相减，得到重心偏移Δ(n)。

$\mathrm{\&Delta;}\left(n\right)={\hat{B}}_c\left(n\right)-B_{\mathrm{SYNC}}---\left(7\right)$

本发明比较器构造成将重心偏移Δ(n)的绝对值与预先设定的阈值(门限值)比较，输出比较结果J(n)。

如果Δ(n)的绝对值大于门限值Δ_th，则输出J(n)＝1；反之，则输出J(n)＝0。其计算公式如下：

$J\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& \left|\mathrm{\&Delta;}\left(n\right)\right|\&le;{\mathrm{\&Delta;}}_{\mathrm{th}}\\ 1& \left|\mathrm{\&Delta;}\left(n\right)\right|>{\mathrm{\&Delta;}}_{\mathrm{th}}\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中，Δ_th为重心偏移的门限，其值反映UE同步调整算法的可跟踪的同步偏移的范围(例如：如系统可跟踪±0.5个码片的同步偏移，则可取Δ_th＝0.5)。同时，Δ_th的取值也可根据系统需求进行调整，Δ_th的值越大，则本检测算法误警率就越低，但漏检率也会增大；Δ_th的值越低，则漏检率下降，而误警率上升。

本发明决策装置构造成根据比较器的比较结果以一定的策略判决是否需要报警。详细来说，构造成根据连续若干个比较结果以一定的决策准则进行决策，判断接收机是否已经失步，并发出失步报警信号。

决策装置判决策略应根据系统特性及需求选择，以在检测误警率和漏警率之间取得较好的折衷。下面给出三个例子：

单帧决策。这种方法是直接根据当前帧的比较结果进行报警判断。如果J(n)＝0(即重心偏移不大于门限)，则判断同步偏移仍可由同步调整算法纠正；如果J(n)＝1(即重心偏移大于门限)，则判断同步偏移已超出调整范围，并发出报警信号，要求系统重新进行同步捕获。

连续帧决策。这种方法是决策装置检测连续收到的M帧的比较结果，如果连续M帧的比较结果均为1(即连续M帧的重心偏移均大于门限)，则判断同步偏移已超出调整范围，并发出报警信号；反之，则判断同步偏移仍可由同步调整算法纠正。

统计决策。这种方法是决策装置统计接收到的连续M帧的比较结果中1(即重心偏移)的个数，如果1的个数大于M/2(即，连续M帧中多于一半以上的帧的重心偏移都大于门限值)则判断同步偏移已超出调整范围，并发出报警信号；反之，则判断同步偏移仍可由同步调整算法纠正。

另外，本发明下行同步监测装置还设置寄存器，延迟器。

寄存器用于存储同步重心参考值。同步重心参考值采用系统完成同步捕获后的第一个稳定的重心估计值。具体而言，对于采用滑动窗(窗长为N)的平滑滤波器来说，B_SYNC取同步捕获后平滑滤波器的第N个输出，即

$B_{\mathrm{SYNC}}={\hat{B}}_c\left(N\right)---\left(9\right)$

对于采用一阶卡尔曼滤波器的平滑滤波器来说，B_SYNC取平滑滤波器的第2个输出结果，即

$B_{\mathrm{SYNC}}={\hat{B}}_c\left(2\right)---\left(10\right)$

系统通过同步捕获指示通知检测装置系统是否已经完成同步捕获，寄存器根据此指示确定何时写入同步重心参考值。延迟器用于消除同步捕获和重心估计达到稳态之间的时间差。具体而言，如果UE在同步捕获后的下一帧就开始接收数据，则对于滑动窗滤波器，延迟时间应为N+1帧；对于卡尔曼滤波器，延迟时间则为3帧。

以下以采用联合检测(Joint Detection，JD)的移动终端为例，来说明本发明检测装置在TD-SCDMA下行同步系统中的应用。

采用本发明终端接收机同步调整跟踪可分为两个状态：同步调整状态和同步再捕获状态，如图6所示。在同步调整状态下，终端接收机根据接受数据估计同步偏移，进行同步调整跟踪。同时采用如前所述的同步监测装置对同步调整可能失败的情况进行报警。其结构如图7a所示。根据报警信号，接收机转入同步再捕获状态。在此状态下，接收机在接收数据的同时接收下行同步训练序列，并根据同步训练序列重新捕获下行同步，其结构如图7b所示。在下行同步重新建立后，接收机转入同步调整跟踪状态，继续进行同步调整及同步监测。

Claims (9)

1.一种无线通信系统中移动终端的下行同步监测方法，其特征在于：

首先根据接收数据估计信道冲击响应序列的重心；

然后将重心估计值与初始同步状态下重心值比较得到重心偏移；

在重心偏移小于或等于预先决定的阈值时，确定当前同步偏移属于下行同步调整跟踪算法可调整的范围，否则判断当前同步偏移属于下行同步调整跟踪算法无法调整的范围。

2.根据权利要求1所述的无线通信系统中移动终端的下行同步监测方法，其特征在于：

还包括对信道响应重心值进行平滑滤波，得到去噪后的重心估计值的步骤。

3.根据权利要求1或2所述的无线通信系统中移动终端的下行同步监测方法，其特征在于，还包括步骤：

在连续多次重心偏移大于预先决定的阈值时，判断出接收机已经失步，发出报警信号；

发出报警信号的接收机启动同步捕获装置，根据同步训练序列重新建立下行同步。

4.根据权利要求3所述的无线通信系统中移动终端的下行同步监测方法，其特征在于，还包括步骤：

重新建立定时同步后，发出同步捕获指示，并根据同步捕获指示，更新同步重心参考值；

返回根据接收数据估计信道冲击响应序列的重心的步骤。

5.根据权利要求4所述的无线通信系统中移动终端的下行同步监测方法，其特征在于：

接收机在同步捕获成功后发出同步捕获指示；根据同步捕获指示选择同步捕获后的第一个稳态重心估计值作为同步重心参考值；采用延迟器补偿同步捕获指示与重心估计值达到稳态之间的时间差。

6.一种无线通信系统中移动终端的下行同步监测装置，其特征在于，包括：

信道估计器，根据接收数据估计信道冲击响应序列；重心估计器，计算信道冲击响应序列的响应重心；减法器，将重心值与寄存器中的同步重心参考值相减，得到重心偏移；比较器，将重心偏移的绝对值与预先设定的阈值比较，输出比较结果；决策装置，根据连续多个比较结果进行决策，判断接收机已经失步则发出失步报警信号。

7.根据权利要求6所述的无线通信系统中移动终端的下行同步监测装置，其特征在于：

在重心估计器与减法器之间设置平滑滤波器，以对连续几帧的信道响应重心值进行平滑滤波。

8.一种在TD-SCDMA系统中下行同步监测方法，其特征在于：

终端接收机同步调整跟踪分为两个状态：同步调整状态和同步再捕获状态；在同步调整状态下，终端接收机根据接收数据估计同步偏移，进行同步调整跟踪；采用如权利要求6所述的同步监测装置对同步调整失败的情况进行报警。

9.根据权利要求8所述的在TD-SCDMA系统中的下行同步监测方法，其特征在于：

根据报警信号，接收机转入同步再捕获状态；在此状态下，接收机在接收数据的同时接收下行同步训练序列，并根据同步训练序列重新捕获下行同步；在下行同步重新建立后，接收机转入同步调整跟踪状态，继续进行同步调整及同步监测。

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