CN101039499A - 多载波通信中基于cazac序列的小区搜索结构及其搜索方法 - Google Patents

Abstract

一种多载波通信中基于CAZAC序列的小区搜索结构及其搜索方法，所述小区搜索结构中，相邻三个小区邻接的三个扇区中至少有两个扇区在频域上互相正交。所述小区搜索方法，包括以下步骤：取三个不同扇区的子载波簇；对中各子载波序列进行差分计算；检测差分计算后的结果。本发明采用不同的扇区使用不同的子载波簇的技术方案。尤其是在三个邻近小区的中心，此方案的性能超越了三个扇区分配相同的子载波簇的方法。不但有效的增强了多小区环境下的小区搜索能力，而且在原有摩托罗拉方案的基础上又可进一步的降低了实现复杂度。

Description

多载波通信中基于CAZAC序列的小区搜索结构及其搜索方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及空中信号传输技术。

背景技术

在无线通信系统中，由于正交频分复用(OFDM)具有矩形频谱，以及采用快速傅立叶变换(FFT)而带来的系统低集成度，它能够在较高频谱效率下有效提高下行链路的系统容量，覆盖范围以及数据传输速度。OFDM作为一种宽带数据通信技术，已经被广泛应用于各类无线射频环境中，例如高速数字用户回路(HDSLs)，非对称数字用户环路(ADSLs)，以及数字广播。OFDM将完整的频带分为许多并行的子载波，用来发射并行的数据流。由于插入保护时隙，符号发送时间相对延长，但能有效降低符号间的干扰(ISI)。

在OFDMA系统下行链路中，小区搜索具有重要的地位，因为它是用户接入通信网络的初始步骤。有效足够的小区信息是无线通信的基础。OFDM系统传统的小区搜索方法分为以下三个步骤：1)帧/片定时和频率同步。一般是采用公共的小区同步训练序列经过传统的同步方法实现；2)小区辨别。各小区都有唯一标识的小区识别号，接收端通过检测不同的小区识别序列判断小区号；3)小区其他信息(如系统带宽，天线配置等)的捕获。这些信息的正确解调是依赖于步骤1)和2)的实现才能完成。对于小区的识别，它是小区搜索的关键。因为小区的很多信息都是依赖于小区的正确识别的。最为传统且常用的小区识别方法是相关检测法，由于它需要对估计到的序列和所有的小区特定序列进行互相关计算。一旦小区数目增大，实现复杂度就变得越来越大。为了降低小区搜索的实现复杂度，摩托罗拉(Motorola)提出了一个基于恒定幅度零自相关(CAZAC)序列的小区搜索方案，它利用差分算法和DFT/IDFT来代替小区检测中的大量互相关操作，因此小区搜索的计算复杂度便大大降低了。然而，在Motorola的方案中，不同小区/扇区之间的干扰没有仔细考虑。在多小区环境下，特别是当用户在小区边缘，该方案下的小区间干扰会变得非常严重，从而不可避免地恶化了系统性能。

OFDM符号的小区搜索结构由CAZAC序列构成。CAZAC序列表示如下：

k＝0，1，2，…，N_u-1；u_i＝0，1，2，…，N_u-1

其中k是某一个特定CAZAC序列中的序号，u用来生成特定的CAZAC序列，N_u表示CAZAC序列的长度。

蜂窝通信中的小区结构如图1所示。一般小区的基站会通过天线发射角度的不同将小区分为3个扇区。Motorola建议在小区内的所有扇区共享相同的子载波。如图2所示。

其中，频域的数据子载波间隔排列是为了产生时域的周期性，以及降低载波间干扰(ICI)。然而，当几个邻近的小区同时发送小区搜索符号，此方案带来的干扰迅速增大。当用户到达邻接三个小区的边缘时，例如图1中的用户A，情况变得更为严重，此时，即使是在高信噪比下，来自小区间的干扰依然很大。

Motorola小区搜索序列的检测性能如图3所示。在没有噪声和多径信道的影响下，三个小区u1，u2和u3各自的检测峰值受到其他两个小区的干扰很大，几乎会导致检测错误。此时，如果系统在多径环境下，由于信道衰减的作用，情况变得更为严重。

发明内容

为降低小区间的干扰，本发明在Motorola方案的基础上，提出一种多载波通信中基于CAZAC序列的小区搜索结构及其搜索方法。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多载波通信中基于CAZAC序列的小区搜索结构，相邻三个小区邻接的三个扇区中至少有两个扇区在频域上互相正交。

作为本发明技术方案的一种改进，所述相邻三个小区邻接的三个扇区在频域上互相正交。

作为本发明的一种优选方式，所述扇区的频谱分配为分布式分配。这里有两种不同的扇区频谱分配方案：分布式分配和集中式分配。所谓分布式分配就是所分别的子载波是不连续的，等间隔分布在整个频带内；而集中式分配是指所分配的子载波是连续占用部分频带。由于前者能有效的抗多径衰减，且对分数倍的载波频偏更为鲁棒；而后者对整数频偏更为鲁棒。由于小区搜索第一步的初始获取中整数频偏已经得到了纠正，在本发明的小区搜索方案中分布式频谱分配显然更为合适。

一种多载波通信中基于CAZAC序列的小区搜索方法，采用上述任一小区搜索结构，包括以下步骤：

1)取三个不同扇区的子载波簇；

2)对1)中各子载波序列进行差分计算；

3)检测2)中差分计算后的结果。

作为本发明方法的一种优选方式，所述步骤3)中的检测方法为联合检测，具体包括以下步骤：

(1)将步骤3)中三个不同扇区子载波的差分计算结果相加；

(2)将差分后的序列从频域转换到时域。

作为本发明方法的又一优选方式，所述步骤3)中的检测方法为独立检测，具体包括以下步骤：经过差分的三个扇区的序列通过三个独立的N_u点IDFT从频域转换到时域，将输出的三组独立的时域序列分别检测它们的峰值，实现小区搜索。

作为本发明方法的再一优选方式，在所述联合检测前首先进行判断，只要其中一个扇区接收的序列信号能量远低于其中另一个扇区接收的序列信号能量，就将该扇区的接收序列舍弃。

作为本发明方法的再一优选方式，当搜索的小区序号很大时，采用分级搜索的检测搜索的方法。

作为本发明方法的再一优选方式，当搜索的小区序号很大时，采用较长的CAZAC序列，分段在多个固定带宽的同步符号中传输。

本发明采用不同的扇区使用不同的子载波簇的技术方案。尤其是在三个邻近小区的中心，此方案的性能超越了三个扇区分配相同的子载波簇的方法。不但有效的增强了多小区环境下的小区搜索能力，而且在原有Motorola方案的基础上又可进一步的降低了实现复杂度。

基于CAZAC序列的优化小区搜索方案可以在无线宽带通信和移动通信领域获得广泛应用，尤其是在第四代移动通信领域中将有广阔的发展前景。优化方案主要应用于用户初始接入时的小区识别及小区切换时的小区检测。和其它小区搜索方法相比较，扇区间小区同步符号的频率正交性结构设计有效抑制了在小区边缘处的区间干扰，提高了小区检测的性能；基于简单的差分处理和IDFT/DFT算法的小区识别降低了系统所需的计算复杂度。使得它在通信系统的空中接口接入端的应用具有无可比拟的优势。

以下结合附图及实施例进一步说明本发明。

附图说明

图1为蜂窝通信中的小区结构；

图2为现有Motorola方案中的频域子载波分配方案；

图3为现有Motorola小区搜索方案检测峰值；

图4为本发明提出的小区搜索频谱分配方案；

图5为本发明优化小区搜索结构得到的检测峰值；

图6为本发明实施例情形1小区边缘中的小区搜索成功概率对比图；

图7为本发明实施例情形2中小区搜索成功概率对比图；

图8为本发明实施例性能检测中邻近小区搜索成功概率对比图。

具体实施方式

一种多载波通信中基于CAZAC序列的小区搜索结构，其相邻三个小区邻接的三个扇区在频域上互相正交。其小区搜索频谱分配方案如图4所示。

根据图4的方案，三个不同扇区，即图1中的扇区1、扇区2、扇区3，其搜索序列频谱结构分别表示如下：

S_u，1＝0，0，…C_u(0)，0，0，C_u(1)，…，C_u(N_u-1)，0，0，…，0，0

S_u，2＝0，0，…0，C_u(0)，0，0，C_u(1)，…，C_u(N_u-1)，0，…，0，0             (2)

S_u，3＝0，0，…0，0，C_u(0)，0，0，C_u(1)，…，C_u(N_u-1)，…，0，0

其中，两边的0是作为保护边带用的。注意到在第u个小区内，所有扇区采用同样的CAZAC序列C_u，但占据不同的子载波簇。根据图1和图3所示的蜂窝和小区结构。相邻三个小区邻接的三个扇区在频域上互相正交，因此也就不存在干扰了。发送的时候，三个扇区将不同频域结构的小区搜索序列通过N点IFFT从频域转换到时域，然后再发射。

小区搜索时，经过时间和频率同步之后，移动终端将接收到的小区搜索序列通过N点FFT从时域转换到频域。由于在发射时相邻扇区频谱的正交性，属于不同扇区的三组长度为N_u的子载波簇能被独立地提取出来。将这些序列进行差分计算，若假设N_u是奇数，则经过差分之后的序列为：

$D_s\left(k\right)=C_{u_s}\left(k\right)\·C_{u_s}^{*}(k-1)=e^{\frac{-f2\mathrm{\πk}{u}_s}{N_u}},k\∈[0,N_u-1],s=\mathrm{1,2,3}---\left(3\right)$

其中s表示相邻的三个不同扇区，u_s是第s个扇区隶属的小区标示号。

本实施例中小区的搜索方法可以分为两种：联合检测和独立检测。

一、联合检测

在联合检测中，频域三个差分输出的序列首先相加：

$D\left(k\right)=\underset{s=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{D}_s\left(k\right)=e^{\frac{-j2\mathrm{\πk}{u}_1}{N_u}}+e^{\frac{-j2\mathrm{\πk}{u}_2}{N_u}}+e^{\frac{-j2\mathrm{\πk}{u}_3}{N_u}},k\∈[0,N_u-1]---\left(4\right)$

利用N_u点IDFT将差分后长度为N_u的序列D从频域转换到时域ρ_s(i)：

$\mathrm{\ρ}\left(i\right)=\frac{1}{\sqrt{N_u}}\mathrm{IDFT}\left\{D\left(k\right)\right\}=(\mathrm{\δ}(i-u_1)+\mathrm{\δ}(i-u_2)+\mathrm{\δ}(i-u_3))---\left(5\right)$

其中i是D(k)序列经过IDFT变换后的时域序号。

如图5所示，时域就会出现一些脉冲相应，分别对应不同的小区标识号。将图5和图3相比，由于各个频谱分配的正交性，此方案抑制了扇区间干扰。

从图5中可以看到时域序列ρ_s(i)的各个峰值点对应不同的小区标识号u_s.。此方法的优势在于它利用一个N_u点IDFT取代了大量的相关器，从而有效降低了计算复杂度。劣势主要是在小区内部时，如果3个不同的扇区序列直接相加后会对目标扇区的检测引入检测干扰。从而会导致小区检测性能的下降。为了提高小区内部的联合检测性能，可以在联合检测前首先进行判断，只要其中一个扇区接收的序列信号能量远低于其中另一个扇区接收的序列信号能量，就将该扇区的接收序列舍弃，以免对检测带来噪声干扰。

二、独立检测

在独立检测中，经过差分的三个扇区的序列通过三个独立的N_u点IDFT从频域转换到时域：

${\mathrm{\ρ}}_s\left(i\right)=\frac{1}{\sqrt{N_u}}\mathrm{IDFT}\left\{D_s\left(k\right)\right\}=\left(\mathrm{\δ}(i-u_s)\right),k\∈[0,N_u-1],s=\mathrm{1,2,3}---\left(6\right)$

将输出的三组独立的时域序列分别检测它们的峰值，可以实现小区搜索。由于这种检测方法是基于独立扇区的，因此扇区间的干扰就得到了有效控制。此外，采用独立检测不但能够提高小区检测的性能，还能同时捕获扇区的序号(如果接收端频率捕获正确的话)。当然，此算法的缺点在于它的计算复杂度上升了如果IDFT采用N点的IFFT来代替实现的话(N可取最接近N_u且比N_u大的整数，但必须是2的幂次)，检测需要 次复数相乘和3·N·log₂ ^N次复数相加，几乎是联合检测的3倍。

此外，本发明的方案和Motorola的方案相比，由于优化的搜索结构使用了较小的N_u，联合检测的计算复杂度比后者略低些，而独立检测的计算复杂度会略高于后者。

本发明在实现时首先需要解决载波频率和符号定时同步，这是本发明正常工作的前提。一般小区中都会采用公共的同步参考符号，比如主同步信道(P-SCH)来完成小区的起始同步捕获。此外，考虑到基站一般是采用多天线发射，所以小区搜索也可以利用基站的多发射天线机制来进一步增强性能，比如采用TSTD(时空发射分集)或者包含CDD(循环延时发射分集)的技术。由于各扇区中分布式分配的频谱占用了部分频谱资源，所以当频谱资源较少时，此优化结构在一定程度上是限制了频域正交性的导频在MIMO系统中的应用。此外，当搜索的小区序号很大时，需要采用分级搜索的检测搜索的方法或采用较长的CAZAC序列，分段在多个固定带宽的同步符号中传输。例如，当CAZAC序列长度加长一倍时，将产生的长CAZAC序列截成两半后，分别映射到两个OFDM符号中传输。在接收端只要按同样的方法在扇区子载波簇中提取序列，并将两个OFDM符号中相应扇区内提取的序列组合后就够成了完整的长CAZAC序列，这样之后的序列检测就可以按前述的方法了。

本发明可根据发射机IFFT变换后时域数据块复用数量的不同，衍生出多种的实现结构，除了数据块复用数量为1这种情况以外(就是没有复用操作，特指OFDM情况)，其余都属于本发明方案的具体实现结构和表现形式，均落在本发明的保护范围之内。

本发明还可根据发射机IFFT变换大小的不同，衍生出多种的实现结构，除了IFFT变换大小为1这种情况以外(就是没有IFFT变换，特指SC/FDE情况)，其余都属于本发明方案的具体实现结构和表现形式，均落在本发明的保护范围之内。

以下以一设定了具体的仿真参数的Motorola方案和本发明优化实施例，在小区边缘和小区内部进行联合和独立两种检测，进行仿真比较。以进一步说明本发明的有益效果。

仿真参数设定如下：

          表I仿真参数

带宽	1.25MHz
		FFT长度	128
数据子载波数目	76
		信道	AWGN，TU6
邻近小区数目	3
		小区标识号u	随机产生(1~Nu)
定时偏差	0
		频率偏差	0

Nu	MOTOROLA方案：37.频域的CAZAC序列间隔排放
		优化方案：23.一个小区中的三个扇区占据不同的子载波簇，分配相同的CAZAC序列

情形1：

用户终端在三个小区的边缘，如图1中的点A所示，用户接收到的来自三个基站的小区搜索信号功率相同。

小区边缘中的小区搜索成功概率的仿真结果如图6所示。图6所示的是在AWGN和TU6信道中比较的三种不同的方案。其中“1-IFFT”和“3-IFFT”分别表示优化方案中的联合检测和独立检测算法。从图中可以看到由于降低了来自不同小区不同扇区之间的干扰，优化方案的两种算法性能都优越于Motorola的方案。其中在低信噪比时(＜0dB)，采用独立检测的优化方案比Motorola方案在高斯信道和30公里/小时移动环境下的TU信道中都要好3dB左右，而采用联合检测的优化方案比Motorola方案在高斯信道下好1.5dB左右，在30公里/小时移动环境下的TU信道中都要好1dB左右。独立检测由于在差分计算中抑制了扇区间的干扰，因此性能要比联合检测算法来得好，尤其在多径衰落的信道下。

情形2：

用户终端在某一个小区内部，受到其他俩小区干扰，如图1中的点B所示。在此情形中，用户接收到其所在小区基站发送的搜索符号的功率比干扰小区发送信号的功率高10dB。

图7显示了用户在小区内部时的小区检测性能。由图可见，在低信噪比时(＜0dB)，采用独立检测的优化方案比Motorola的方案在高斯信道下好1.5dB左右，在30公里/小时移动环境下的TU信道中都要好1dB左右。该增益主要来自由于优化方案的小区搜索序列缩短而带来的导频发射功率的增强。采用联合检测的优化方案比Motorola的方案在高斯信道和30公里/小时移动环境时的TU信道下也要好0.25dB。

邻近小区的检测性能

在优化的方案中，由于采用了频域正交的序列，所以邻近小区的干扰得到了有效的抑制。同时当用户处于小区边缘时，还可以同时检测多个相邻小区。这非常有利于小区间的切换和小区宏分集技术的应用。从图8的仿真结果可见，无论是在高斯信道下，还是在30公里/小时移动环境下的TU信道中，优化方案的性能明显的优于Motorola的方案。

Claims (10)

1、一种多载波通信中基于CAZAC序列的小区搜索结构，其特征在于：相邻三个小区邻接的三个扇区中至少有两个扇区在频域上互相正交。

2、根据权利要求1所述的多载波通信中基于CAZAC序列的小区搜索结构，其特征在于：相邻三个小区邻接的三个扇区在频域上互相正交。

3、根据权利要求1或2所述的多载波通信中基于CAZAC序列的小区搜索结构，其特征在于：所述扇区的频谱分配为分布式分配。

4、根据权利要求3所述的多载波通信中基于CAZAC序列的小区搜索结构，共特征在于：三个不同扇区的小区搜索序列频谱结构为： $\begin{array}{c}{S}_{u,1}=0,0,\·\·\·C_u\left(0\right),\mathrm{0,0},C_u\left(1\right),\·\·\·,C_u(N_u-1),\mathrm{0,0},\·\·\·,\mathrm{0,0}\\ S_{u,2}=\mathrm{0,0},\·\·\·0,C_u\left(0\right),\mathrm{0,0},C_u\left(1\right),\·\·\·,C_u(N_u-1),0,\·\·\·,\mathrm{0,0}\\ S_{u,3}=\mathrm{0,0},\·\·\·\mathrm{0,0},C_u\left(0\right),\mathrm{0,0},C_u\left(1\right),\·\·\·,C_u(N_u-1),\·\·\·,\mathrm{0,0}\end{array},$ 其中两边的0是用于保护边带。

5、一种多载波通信中基于CAZAC序列的小区搜索方法，采用权利要求1至4中任一小区搜索结构，其特征在于包括以下步骤：

1)提取三个不同扇区的子载波簇；

2)对1)中各子载波序列进行差分计算；

3)检测2)中差分计算后的结果。

6、根据权利要求5所述的多载波通信中基于CAZAC序列的小区搜索方法，其特征在于：所述步骤3)中的检测方法为联合检测，具体包括以下步骤：

(1)将步骤3)中三个不同扇区子载波的差分计算结果相加；

(2)将差分后的序列从频域转换到时域。

7、根据权利要求5所述的多载波通信中基于CAZAC序列的小区搜索方法，其特征在于：所述步骤3)中的检测方法为独立检测，具体包括以下步骤：经过差分的三个扇区的序列通过三个独立的N_u点IDFT从频域转换到时域，将输出的三组独立的时域序列分别检测它们的峰值，实现小区搜索。

8、根据权利要求6所述的多载波通信中基于CAZAC序列的小区搜索方法，其特征在于：在所述联合检测前首先进行判断，只要其中一个扇区接收的序列信号能量远低于其中另一个扇区接收的序列信号能量，就将该扇区的接收序列舍弃。

9、根据权利要求5所述的多载波通信中基于CAZAC序列的小区搜索方法，其特征在于：当搜索的小区序号很大时，采用分级搜索的检测搜索的方法。

10、根据权利要求5所述的多载波通信中基于CAZAC序列的小区搜索方法，其特征在于：当搜索的小区序号很大时，采用较长的CAZAC序列，分段在多个固定带宽的同步符号中传输。

Images