CN101018087B - 移动通信系统的下行同步方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动通信系统的下行同步方法，包括：获取接收序列；对所述接收序列进行移位相关，获得差分相关值序列；将最大相关峰出现的位置作为下行同步符号的位置。本发明还公开了一种移动通信系统的下行同步装置，包括通过电路连接的差分相关器和峰值检测单元。利用本发明，可以使UE快速、准确地完成下行同步过程，有效地提高UE进行小区初搜的效率。

Description

移动通信系统的下行同步方法及装置

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及一种在下行方向具有用于终端进行下行同步的导频时隙的移动通信系统的下行同步方法及装置。

背景技术

TD-SCDMA(时分-同步码分多址)是第三代移动通信系统的三种国际标准中唯一采用时分双工方式的系统，其支持上下行非对称业务传输，在频谱利用上具有较大的灵活性。该系统综合采用了智能天线、上行同步、联合检测和软件无线电等无线通信中的先进技术，使系统具有较高的性能和频谱利用率。

现有TD-SCDMA系统是一个码片速率为1.28Mcps，带宽为1.6MHz的系统，其帧结构形式如图1所示：

每个无线子帧由7个普通时隙(TS0～TS6)和3个特殊时隙构成。其中，普通时隙用来传送数据，三个特殊时隙分别为：DwPTS(下行导频信道)，用于系统的下行同步信息的发送，发送小区初搜的下行导频；UpPTS(上行导频信道)，用于用户接入的上行同步信息发送，发送随机接入的上行导频；GP(转换保护时隙)，用于提供下行发送时隙向上行发送时隙转换的时间间隔，它的长度决定了小区覆盖半径的最大值。

在无线通信系统中，UE(用户设备)开机后，首先要进行的是小区初搜过程。小区初搜是为了能够让蜂窝网用户设备选择合适的工作频点，并在该频点上取得终端设备与基站的下行同步，以便接收小区的信息，并可以通过呼叫实现蜂窝网的通信功能。当UE进入蜂窝网覆盖范围后，如果UE开机，UE将进行小区初搜，进行系统的下行同步和频偏校正，当UE与蜂窝网完成下行同步和频率校正后，UE可以接收蜂窝网的广播信息和寻呼消息，进而实现蜂窝网的通话。

下行同步是小区初搜过程中的重要步骤，即确定接收信号子帧的起始位置。相关算法是采用接收设备预存的N个时域序列，依次与接收信号进行共轭相关，最大相关峰出现的位置就判决为下行同步信号的位置，生成最大相关峰的时域序列的序号就判决为接收下行同步信号的序号。在现有TD-SCDMA系统中，下行同步信号采用单载波伪随机序列，利用其良好的时域相关性进行下行同步的判断，从而建立起下行同步。

在传统的相关算法中，使用N个序列分别作相关运算，而且不能够克服上行时隙强信号的干扰，如果接收到上行时隙的信号功率很高，相关峰就会出现在上行时隙的位置，从而会影响下行同步信号位置判决的准确性。

目前，随着社会的发展及技术的进步，人们对移动通信的要求不断提高，希望系统能够提供大容量、高速率、低时延的数据传输服务。OFDM由于其具有较高的频谱效率和抵抗多径干扰的能力，成为目前解决高速数据传输的主流技术之一。OFDM属于多载波调制技术，其主要思想是：将指配的信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，信号带宽小于信道的相关带宽。较之第三代移动通信系统，采用OFDM技术为核心的后三代移动通信系统要求具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，不仅可以增加系统容量，而且能更好地满足多媒体通信要求，同时还要求能够有效地支持多种不同类型的业务，特别是在PS(分组业务)领域的需求。

在TD-SCDMA的演进方案中，为了得到高速率、大容量的服务，需要占用更宽的带宽，为此，数据部分的传输可以采用OFDM(正交频分复用)方式。但OFDM技术使用正交多载波而不是单载波，无法构造出功率恒包络的伪随机序列。所以，对于TDD演进方案无法直接采用原有的下行同步技术，必须根据OFDM系统的特性设计相应的下行同步方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种移动通信系统的下行同步方法，以克服现有技术进行下行同步信号位置判决时计算量大的缺点，实现在下行方向具有用于终端进行下行同步的导频时隙的移动通信系统的下行同步，降低实现的计算复杂度。

本发明的另一个目的是提供一种移动通信系统的下行同步装置，使UE在开机进行小区初始搜索时，能够快速、有效地与基站下行同步。

为此，本发明提供如下的技术方案：

一种移动通信系统的下行同步方法，所述的移动通信系统在下行方向具有由终端用于进行下行同步的导频时隙，所述方法包括：

获取接收序列；

根据差分相关统计窗长度对所述接收序列进行移位相关，得到移位后的序列；

将所述接收序列和所述移位后的序列进行复共轭相乘，获得差分相关序列；

计算差分相关统计窗内差分序列的平均值的模，得到差分相关值序列；

将最大相关峰出现的位置作为下行同步符号的位置。

所述获取接收序列的步骤具体为：

可选地，对一个子帧长度的接收数据进行采样，得到接收序列。

可选地，所述获取接收序列的步骤具体为：

对多个子帧的接收数据的采样值进行平均，得到接收序列。

当所述移动通信系统采用正交频分复用方式时，对接收数据进行采样时，获取较一个子帧多一个正交频分复用符号长度的接收序列。

所述差分相关统计窗长度为N_FFT/2，N_FFT为OFDM符号的傅立叶变换长度。

优选地，在所述的将最大相关峰出现的位置作为下行同步符号的位置的步骤之前还包括对所述差分相关值序列进行幅度归一化处理的步骤。

所述对所述差分相关值序列进行幅度归一化处理的步骤包括：

计算自相关序列；

获取自相关统计窗内自相关序列的平均功率之积；

将所述差分相关值序列除以自相关序列的平均功率之积，获得相关修正值序列。

所述自相关统计窗长度为N_FFT/2，N_FFT为OFDM符号的傅立叶变换长度。

所述相关修正值序列中的最大值为所述最大相关峰出现的位置。

所述方法进一步包括：

在正交频分复用系统中，所述导频时隙中的下行同步信道由一个OFDM符号构成。

一种移动通信系统的下行同步装置，包括：通过电路连接的差分相关器和峰值检测单元，其中，

差分相关器用于对接收序列进行移位相关，获得差分相关值序列；所述差分相关器包括：

差分相关子单元，用于在差分相关统计窗长度内对所述接收序列进行移位，得到移位后的序列；并将所述接收序列和所述移位后的序列进行复共轭相乘，获得差分相关序列；

差分相关值计算子单元，用于计算差分相关统计窗内差分序列的平均值的模，得到差分相关值序列；

峰值检测单元用于检测差分相关值序列中的最大相关峰值。

优选地，所述装置进一步包括：

归一化处理单元，通过电路连接于所述差分相关器和所述峰值检测单元之间，用于对所述差分相关值序列进行幅度归一化处理。

所述归一化处理单元包括：

差分相关子单元，用于在差分相关统计窗长度内对所述接收序列进行移位相关，获得差分相关序列；

差分相关值计算子单元，用于计算差分相关统计窗内差分序列的平均值的模，得到差分相关值序列。

所述归一化处理单元包括：

自相关子单元，用于在自相关统计窗内计算自相关序列；

归一化参数获取子单元，与自相关器电路连接，用于计算自相关统计窗内自相关序列的平均功率之积；

相关值修正器，用于根据所述自相关序列的平均功率之积修正所述差分相关值序列，获得相关修正值序列。

由以上本发明提供的技术方案可以看出，本发明利用接收序列的时域重复特性，对自身序列进行移位共轭相关，不必使用多个预存序列在整个接收信号上作相关处理，大大减少了下行同步过程中进行接收下行同步信号位置判决的计算量。而且，通过对自相关统计窗内自相关序列作相关序列的幅度归一化处理，有效地消除了上行时隙强信号干扰的影响，提高了系统抵抗噪声影响的能力。利用本发明，可以使UE快速、准确地完成下行同步过程，有效地提高UE进行小区初搜的效率。本发明还依据时分双工OFDM系统的特点，构造下行同步时隙DwPTS中的下行同步信道SCH，使TD-SCDMA演进系统能够与现有的TD-SCDMA系统之间实现邻频共址部署，相互之间不会造成干扰，提高了TD-SCDMA演进系统的实用性。

附图说明

图1是TD-SCDMA及其演进系统的帧结构；

图2是本发明方法第一实施例的实现流程图；

图3是本发明方法第二实施例的实现流程图；

图4是OFDM方式下DwPTS时隙对应的SCH信道的结构；

图5是SCH信道的下行同步OFDM符号的生成过程示意图；

图6是本发明装置第一实施例的原理框图；

图7是本发明装置第二实施例的原理框图。

具体实施方式

本发明的核心是在下行方向具有用于终端进行下行同步的导频时隙的移动通信系统中，利用接收序列的时域重复特性，对接收序列进行移位相关，获得差分相关值序列，根据差分相关值序列中的最大相关峰出现的位置确定下行同步符号的位置。更进一步地，为了消除系统中上行时隙强信号干扰的影响，还可以先对该差分相关值序列进行幅度归一化处理，然后再将归一化处理后的最大相关峰出现的位置即确定为下行同步符号的位置。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面以TD-SCDMA演进系统为例，结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参照图2，图2示出了本发明方法第一实施例的实现流程，包括以下步骤：

步骤201：获取接收序列。

假设系统采样率为F_s，UE接收信号经滤波和采样后生成接收序列。考虑到在小区初搜时，DwPTS的同步信号位置没有确定，可能出现在接收序列的末端而产生检测遗漏，因而较一个子帧多接收一个OFDM符号长度的数据，得到接收序列：

r_i，i＝1，2，……，N_SF+N_FFT，

其中，N_FFT为一个OFDM符号的FFT(傅立叶变换)长度；N_SF为一个子帧长度或者是多接收一个OFDM符号长度数据的采样点数。

为了克服噪声的影响，还可以将多个子帧数据进行平均，也就是说，对多个子帧的接收数据的采样值进行平均，获得接收序列。

步骤202：对接收序列进行移位相关，获得差分相关值序列。

首先，根据差分相关统计窗长度对接收序列r_i，i＝1，2，……，N_SF+N_FFT进行移位，移位长度为N_FFT/2，进行差分相关计算，得到差分相关序列d_i：

$d_i=r_i*\mathrm{conj}\left(r_{i+N_{\mathrm{FFT}}/2}\right),$ i＝1，2，……，N_SF+N_FFT/2。

其中，conj(·)为复共轭操作。

然后，计算差分相关统计窗内差分序列的平均值的模，得到差分相关值序列：

${\mathrm{Pd}}_i=\mathrm{abs}(\underset{k=1}{\overset{N_{\mathrm{FFT}}/2}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{i+k}/N_{\mathrm{FFT}}/2),$ i＝1，2，……，N_SF。

步骤203：搜索最大相关峰，将差分相关值序列的最大相关峰出现的位置作为下行同步符号的位置。

在TDD(时分双工)系统中，由于上行时隙强信号的干扰，如果接收到上行时隙的信号功率很高，相关峰就会出现在上行时隙的位置，从而会影响下行同步信号位置判决的准确性。因此，为了克服这种干扰，本发明还可以对差分相关值先进行幅度归一化处理，然后，再从归一化处理后序列中搜索最大相关峰，确定下行同步符号的位置。

参照图3所示本发明方法第二实施例的实现流程：

步骤301：获取接收序列。

假设系统采样率为F_s，UE接收信号经滤波和采样后生成接收序列。考虑到在小区初搜时，DwPTS的同步信号位置没有确定，可能出现在接收序列的末端而产生检测遗漏，因而较一个子帧多接收一个OFDM符号长度的数据，得到接收序列：

r_i，i＝1，2，……，N_SF+N_FFT，

其中，N_FFT为一个OFDM符号的FFT(傅立叶变换)长度；N_SF为一个子帧长度或者是多接收一个OFDM符号长度数据的采样点数。

为了克服噪声的影响，还可以将多个子帧数据进行平均，也就是说，对多个子帧的接收数据的采样值进行平均，获得接收序列。

步骤302：对接收序列进行移位相关，获得差分相关值序列。

首先，根据差分相关统计窗长度对接收序列r_i，i＝1，2，……，N_SF+N_FFT进行移位，移位长度为N_FFT/2，进行差分相关计算，得到差分相关序列d_i：

$d_i=r_i*\mathrm{conj}\left(r_{i+N_{\mathrm{FFT}}/2}\right),$ i＝1，2，……，N_SF+N_FFT/2。

其中，conj(·)为复共轭操作。

然后，计算差分相关统计窗内差分序列的平均值的模，得到差分相关值序列：

${\mathrm{Pd}}_i=\mathrm{abs}(\underset{k=1}{\overset{N_{\mathrm{FFT}}/2}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{i+k}/N_{\mathrm{FFT}}/2),$ i＝1，2，……，N_SF。

步骤303：对差分相关值序列进行幅度归一化处理。

首先，对接收序列r_i，i＝1，2，……，N_SF+N_FFT进行自相关，得到自相关序列a_i：

a_i＝r_i*conj(r_i)，i＝1，2，……，N_SF+N_FFT。

然后，获取自相关统计窗内自相关序列的平均幅度之积：

自相关统计窗长为N_FFT/2，自相关序列平均幅度之积为：

${\mathrm{Pa}}_i=\sqrt{(\underset{k=1}{\overset{N_{\mathrm{FFT}}/2}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{i+k}/N_{\mathrm{FFT}}/2)\×(\underset{k=1}{\overset{N_{\mathrm{FFT}}/2}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{i+N_{\mathrm{FFT}}/2+k}/N_{\mathrm{FFT}}/2)},$ i＝1，2，……，N_SF。

将差分相关值序列除以相关序列的平均幅度之积，获得相关修正值序列：

Pd_i/Pa_i，i＝1，2，……，N_SF。

步骤304：搜索最大相关峰，将归一化处理后的最大相关峰出现的位置作为下行同步符号的位置。

也就是说，从上述步骤303中获得的相关修正值序列中找出最大的一个系数：

$\mathrm{Peak}=\underset{i}{\max }({\mathrm{Pd}}_i/{\mathrm{Pa}}_i),i=\mathrm{1,2},......,N_{\mathrm{SF}},$

该系数所在的位置即为下行同步符号的位置，确定了下行同步符号的位置，UE也就完成了与基站同步的过程。

由上述过程可见，本发明对接收序列自身作移位相关，移位长度为N_FFT/2。当采样速率为F_s时，该运算需要进行(9600+64)次复数乘法。而传统方法对于一个预存序列就要做9600*64次复数乘法，如果预存N个序列，就要做9600*64*N次复数乘法。因此，利用本发明方法，可以大大降低UE在初始搜索同步过程中的计算量。

另外，传统方法中只是在相关值中搜索最大相关峰，没有考虑上行强信号对接收信号的干扰，而本发明在搜索最大相关峰时，将相关值除以相关序列的平均幅度，有效地消除了接收信号幅度的影响，使UE可以和基站进行准确同步。

根据TD-SCDMA的帧结构特点，为了使采用TDD的演进系统能够与现有的TD-SCDMA(1.6MHz)系统之间实现邻频共站址部署，相互之间不造成干扰，DwPTS的时隙长度需要受到限制，即TDD演进系统的GP时隙的中心位置必须与现有TD-SCDMA系统的GP时隙的中心位置对齐，这样才能保证不会造成邻频干扰。另外，由于GP时隙的长度与系统设计的小区最大覆盖范围相关，因此GP还必须保证一定的长度，从而使得DwPTS时隙长度受到限制。

在下行导频特殊时隙的时间长度受限的情况下，为了用于OFDM的下行同步信道，可以在该特殊时隙内设置一个OFDM符号。对应于图1中的DwPTS时隙，其SCH(同步信道)构造如图4所示：

SCH信道由一个OFDM符号构成，SCH的带宽根据系统需求设置，为1.25MHz或其他带宽。由于TD-SCDMA系统的结构特点，符号间多径时延造成的干扰可以由TS0时隙的时隙间隔进行消除，考虑到CP(循环前缀)长度会影响同步的精度，因此SCH信道中OFDM符号的CP需要采用一个较短的长度或者不设置CP，即CP的长度可以根据要求改变。

SCH信道的下行同步OFDM符号的生成过程如图5所示：

首先生成频域序列，再将频域序列映射到各个子载波上去，映射的方式为在频域上间隔一个子载波放置一个频域符号，再进行IFFT(逆傅里叶变换)将频域信号变成时域信号，由于频域结构的特性，时域信号具有对称性，也就是后半个OFDM符号是前半个OFDM符号的重复。

基于OFDM方式生成时域上具有重复特性的信号，本发明可以在这样的OFDM符号上应用，但也并不局限于使用OFDM符号方式的系统，只要是对于时域信号存在着重复特性，就可以使用本发明。

参照图6，图6示出了本发明装置第一实施例的原理框图：

该装置包括天线51、前端接收单元52、模数转换器53、差分相关器54和峰值检测单元56。其中，差分相关器54用于对接收序列进行移位相关，获得差分相关值序列；峰值检测单元56用于检测归一化处理后的最大相关峰值。

差分相关器54包括：差分相关子单元541和差分相关值计算子单元542。

天线51接收经无线信道发送到UE的数据，接收数据在前端接收单元52中处理后送入模数转换器53，在此对模拟信号进行采样，根据采样值将模拟信号转换为数字基带信号。随后，该数字信号被送到差分相关器54中的差分相关子单元541的一个输入端。

差分相关子单元541在一个或多个子帧周期内将接收到的数字序列在差分相关统计窗长度内进行移位相关，得到差分相关序列。然后由差分相关值计算子单元542计算差分相关统计窗内差分序列的平均值的模，得到差分相关值序列。

差分相关值计算子单元542将得到的差分相关值序列输出给峰值检测单元56，由峰值检测单元56从差分相关值序列中找到最大的相关峰值，该值对应的同步码就是检测到的基站发送的同步码，同时该值的位置信息指示了同步码的起始位置。

为了消除某些移动通信系统中上行强信号对接收信号的干扰，使UE可以基站进行准确同步，还可以在差分相关器54和峰值检测单元56之间设置一个归一化处理单元，使其对差分相关器54输出的差分相关值序列进行幅度归一化处理，然后再由峰值检测单元56检测归一化处理后的最大相关峰值，从而准确地确定下行同步符号的位置。

参照图7所示本发明装置第二实施例的原理框图：

与图6所示第一实施例相比，在该实施例中，在差分相关器54和峰值检测单元56之间增加了一个归一化处理单元55，用于对差分相关值序列进行幅度归一化处理。其包括：自相关子单元551、归一化参数获取子单元552和相关值修正器553。

天线51接收经无线信道发送到UE的数据，接收数据在前端接收单元52中处理后送入模数转换器53，在此对模拟信号进行采样，根据采样值将模拟信号转换为数字基带信号。随后，该数字信号被分为相同的两个支路，分别送到差分相关器54中的差分相关子单元541及归一化处理单元55中的自相关子单元551的一个输入端。

差分相关子单元541在一个或多个子帧周期内将接收到的数字序列在差分相关统计窗长度内进行移位相关，得到差分相关序列。然后由差分相关值计算子单元542计算差分相关统计窗内差分序列的平均值的模，得到差分相关值序列。

自相关子单元551在一个或多个子帧周期内对接收到的数字序列在自相关统计窗内进行自相关运算，得到自相关序列。然后由归一化参数获取子单元552计算自相关统计窗内自相关序列的平均功率之积，得到归一化参数。

差分相关值计算子单元542将得到的差分相关值序列输出给相关值修正器553，归一化参数获取子单元552也将得到的归一化参数输出给相关值修正器553，相关值修正器553根据该归一化参数对差分相关值序列进行修正，即将差分相关值序列中的各值除以该归一化参数，获得相关修正值序列。由于该相关修正值序列是通过相关值除以相关序列的平均幅度得到的，因此消除了上行时隙强信号对UE接收信号幅度的影响，使其能更好地体现实际发送信号的功率大小。

最后，由峰值检测单元56从相关值修正器553输出的相关修正值序列中找到最大的相关峰值，该值对应的同步码就是检测到的基站发送的同步码，同时该值的位置信息指示了同步码的起始位置。

应当理解，尽管本发明是针对时分双工移动通信系统而提出的，但是相应的技术也是完全可以用于时隙化的频分双工系统中的，例如在下行方向具有由终端用于进行下行同步的导频时隙的频分双工移动通信系统。

基于上述本发明的范围和构思可以做出许多其他的改变和改型，例如：对于不同的系统以及系统对性能和实现复杂性的要求，对同步码进行分批检测，即将所有同步码分为若干组，一次只对一组同步码应用本发明的检测方法，最后再对所有码组的相关检测结果做峰值检测。

虽然通过实施例描绘了本发明，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本发明的精神。

Claims (13)

1.一种移动通信系统的下行同步方法，所述的移动通信系统在下行方向具有由终端用于进行下行同步的导频时隙，其特征在于，所述方法包括：

获取接收序列；

根据差分相关统计窗长度对所述接收序列进行移位，得到移位后的序列；

将所述接收序列和所述移位后的序列进行复共轭相乘，获得差分相关序列；

计算差分相关统计窗内差分序列的平均值的模，得到差分相关值序列；

将最大相关峰出现的位置作为下行同步符号的位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取接收序列的步骤具体为：

对一个子帧长度的接收数据进行采样，得到接收序列。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取接收序列的步骤具体为：

对多个子帧的接收数据的采样值进行平均，得到接收序列。

4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，当所述移动通信系统采用正交频分复用方式时，对接收数据进行采样时，获取较一个子帧多一个正交频分复用符号长度的接收序列。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述差分相关统计窗长度为N_FFT/2，N_FFT为OFDM符号的傅立叶变换长度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述的将最大相关峰出现的位置作为下行同步符号的位置的步骤之前还包括对所述差分相关值序列进行幅度归一化处理的步骤。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对所述差分相关值序列进行幅度归一化处理的步骤包括：

计算自相关序列；

获取自相关统计窗内自相关序列的平均功率之积；

将所述差分相关值序列除以自相关序列的平均功率之积，获得相关修正值序列。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述自相关统计窗长度为N_FFT/2，N_FFT为OFDM符号的傅立叶变换长度。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述相关修正值序列中的最大值为所述最大相关峰出现的位置。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

在正交频分复用系统中，所述导频时隙中的下行同步信道由一个OFDM符号构成。

11.一种移动通信系统的下行同步装置，其特征在于，包括：通过电路连接的差分相关器和峰值检测单元，其中，

差分相关器用于对接收序列进行移位相关，获得差分相关值序列；所述差分相关器包括：

差分相关子单元，用于在差分相关统计窗长度内对所述接收序列进行移位，得到移位后的序列；并将所述接收序列和所述移位后的序列进行复共轭相乘，获得差分相关序列；

差分相关值计算子单元，用于计算差分相关统计窗内差分序列的平均值的模，得到差分相关值序列；

峰值检测单元用于检测差分相关值序列中的最大相关峰值。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括：

归一化处理单元，通过电路连接于所述差分相关器和所述峰值检测单元之间，用于对所述差分相关值序列进行幅度归一化处理。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述归一化处理单元包括：

自相关子单元，用于在自相关统计窗内计算自相关序列；

归一化参数获取子单元，与自相关器电路连接，用于计算自相关统计窗内。

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