CN1118974C - 一种新的码分多址系统多径搜索及分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于宽带CDMA系统的RAKE接收机中多径搜索及分配方法，包括以下步骤：对候选多径进行连续扫描，得到相关能量信息；对相关能量信息进行多径相位选择处理；控制器从选择得到的相位中选出能量较强的M个相位，定期查询、比较搜索多径相位能量与解调指峰相位能量，进行相位的重新分配、失锁监视处理和多单元同相位解调监视处理。本发明可达到多径的准确搜索和可靠分配，避免错搜和漏搜，使RAKE接收的性能大大提高。

Description

一种新的码分多址系统多径搜索及分配方法

本发明涉及通讯领域的宽带码分多址(W-CDMA)系统中RAKE接收机技术，具体地说，涉及在码分多址系统中多径搜索及分配的方法。

在码分多址蜂窝系统中，多个用户共用相同的频带，占用相同频带的调制信号是通过具有随机特性的高速PN码波形来进行区分，即在发射端窄带的数据信号用用户特定的高速PN码扩展其频谱，得到宽带调制信号；在接收端接收机用相同的PN码与接收信号进行相关解扩，从而得到窄带的数据信号。调制的宽带信号经过射频调制后发射到空间，会经过不同的传播路径最终到达接收端，即存在多径传输的现象。例如，一个理想脉冲经过空间信道，在接收端可收到一系列的脉冲，每个脉冲都因衰落不同而具有不同的信号强度。故无线空间信道可看作多径信道。这种多径信道的特性除了具有因多径传播造成的接收信号在时间上的扩展和不同多径具有不同衰落的特性外，各个多径到达接收端的相位也是随机的，所以不同相位的多径信号在接收端叠加在一起会使信号的强度出现快速的起伏，这就是通常所说的多径衰落现象。而这种衰落现象会极大降低系统的接收性能，为克服这种衰落造成的影响，可采用多径分集接收技术将这种多径信号分离后再加以合并，从而减小衰落，提高系统性能。

在码分多址(CDMA)系统中，可采用RAKE接收机实现多径分集接收技术，即使用多个并行相关器分别跟踪不同的多径，然后将所有解调得到的窄带信号按照一定的规则加以合并，通常采用最大比合并，其性能最好。所谓最大比合并指各解调支路按照其信噪比或能量比加权然后再合并。在RAKE接收机中，各个解调支路与传播的多径信号的同步是其性能的关键所在。在传统的RAKE接收机中，通常的做法是采用搜索器和跟踪解调指峰(finger)在控制单元的控制下协同完成多径分集接收的过程，最终将解调后的多路信号进行对齐然后加权合并；其中搜索器是对多径定时的粗略同步，得到这种粗略同步后，由控制单元将其中能量较强的多径定时分配给解调单元，在解调单元中，在解调信号的同时，一般采用PN码跟踪环路对所分配多径定时进行精细调整，同时跟踪由于收发信机之间的相对移动造成的多径定时的漂移。

在美国专利U.S.Pat.No.5,764,687“MOBILE DEMODULATORARCHITECTURE FOR A SPREAD SPECTRUM MULTIPLE ACCESSCOMMUNICATION SYSTEMS”中，介绍了一种多径搜索的方法，其具体做法为：搜索器对特定范围的多径相位进行匹配相关，得到各个相位解调能量，通过对能量的判断，即可知道多径存在的相位，然后将搜索得到的结果报告给控制器，控制器从搜索器报告的多个多径相位中选出最强的几条径的相位分配给解调指峰，通常选择的原则是采用两次筛选法，首先进行上升选择法：即在连续的相位中如果后面相位的能量更强，则丢弃当前相位继续向后进行选择，直到相邻的下一个相位的能量比当前能量小时选择当前相位输出；然后在这一选择的基础上进行排序选出较强的径分配给解调单元。

在另一篇美国专利U.S.Pat.No.5,490,165”DEMODULATION ELEMENTASSIGNMENT IN A SYSTEM CAPABLE OF RECEIVING MULTIPLESIGNALS”中，介绍了两种多径分配的策略，其基本思想都是：当搜索到新的多径相位时，与正在解调的相位进行比较，当以1/2码片为单位的相位与解调相位不一致时，通过比较不一致的相位所对应的能量，若新相位更强则将新的相位重新分配给解调单元。

按照CDMA基本原理，只有当两条多径之间的时延差大于一个PN码片时，这两条多径才是可区分多径，否则在接收机中被认为是一条多径。在W-CDMA系统中，基带的带宽较窄带CDMA系统更宽，其码片宽度变窄，故RAKE接收机可区分的多径增多，从而接收性能有所提高。上述两篇专利中所描述的多径搜索及分配策略是针对窄带CDMA所设计的。而对于W-CDMA系统，由于可区分多径数目增多，两条可区分多径之间的时延差接近一个码片宽度的现象会经常出现，尤其在室内环境中，大多数多径分布在1-2个码片之间，所以上述方法不适合在W-CDMA系统中应用。当出现多径分布较密集时，同时若接收机处在噪声和干扰较严重的环境中，按照上述专利的搜索策略，可能将已存在多径的相位误判为没有多径存在，这就是多径的漏搜现象；另外由于一般的解调单元跟踪环路可纠正1/2码片的定时误差，故按照第二篇专利的方法，当搜索结果存在1/2个码片的误差而解调单元中的跟踪环路纠正了这一误差达到准确多径相位定时时，由于噪声的影响，可能导致搜索相位能量比解调能量还大的情况，这时会进行多径的重新分配，从而出现误分配的现象。在上述情况下，还可能出现两个解调单元跟踪到一个多径相位，这样降低了分集接收的性能。另外由于搜索器一般采用滑动相关器进行相位滑动求得各个相位的相关能量，在W-CDMA系统中，其码片宽度变窄，所以搜索器对特定搜索范围内分布的多径相位进行一次扫描搜索的时间较长，若将错误的多径分配给解调单元或没有将较强的多径捕获到并分配给解调单元，都会导致接收机的性能下降。所以现有技术尚不能满足W-CDMA系统对多径同步准确性的较高要求。

本发明的目的是提供一种宽带CDMA系统的RAKE接收机中多径的准确搜索及可靠的分配方法。

本发明提出的一种适用于宽带CDMA系统的RAKE接收机中多径搜索及分配方法，其具体工作可分以下步骤实现：第一步，对候选多径进行连续扫描，得到相关能量信息；第二步，对相关能量信息进行多径相位选择处理；第三步，控制器从选择得到的相位中选出能量较强的M个相位，定期查询每个解调finger的解调相位及平均能量，比较搜索多径相位能量与解调finger相位能量，进行相位的重新分配，进行失锁监视处理和多单元同相位解调监视处理。

本发明中，由于采用对相关能量信息进行多径相位选择的局部最佳多径筛选法进行多径搜索及能量比较分配策略，同时采用新的失锁监视处理和多单元同相位解调监视处理，可达到多径的准确搜索和可靠分配，从而使RAKE接收的性能大大提高。

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

图1A：多径在独立分布时的相关函数；图1B：两条相位差为一个码片的多径的相关函数；图2：实现本发明的RAKE接收机结构示意图；图3：本发明RAKE接收机结构中搜索器的结构示意图；图4：本发明RAKE接收机结构中解调finger结构示意图；图5：本发明中局部最佳法多径选择流程图；图6：本发明中控制器实现的多径分配流程图。

图1是用来形象地说明错搜、漏搜及误分配是如何发生的。

图1a是PN码的近似相关函数，当输入信号中的PN码与本地产生的PN码完全同步时会实现最高的相关峰值，当二者相差一个码片时相关峰值很小近似为0，而相差半个码片时仍会有较高的峰值，故一般采用以1/2码片为单位的滑动相关，在理论上可保证1/4码片的搜索精度。在多径分布较分散的情况下，某一可区分多径几个码片的范围内没有其它多径时，可得到图1a所示的进行相关函数，采用本发明提出的局部最佳筛选法可唯一的确定0相位为一个准确可区分多径的相位。

图1b是两个相位差为一个码片的多径与本地PN码的近似相关函数，如该图所示，信号中的两条多径位置为-1chip和0chip，其与本地PN码的相关函数为图中实斜线所示，可看作是两个如图1a所示单独分布多径的相关函数的合成。如图1b所示，在0chip的多径能量大于-1chip的能量。在此种多径分布的情况下，按照参考专利1的搜索方法，只会选出0chip的多径，而造成-1chip多径的漏搜。按照本发明的局部最佳选择，可得到-1和0相位为准确多径位置。

如图1b，当处在噪声干扰较严重的环境中，-1/2chip处的搜索能量可能会大于-1chip和0chip处的搜索能量，假设此时已经有两个解调单元在解调-1chip和0chip相位，而采用第二个美国专利的搜索分配方法还会将-1/2chip的相位分配给另一个解调单元或者将前述两个能量较低的解调单元分配-1/2chip相位，从而造成误分配。在后面的分析介绍中，可以看到如采用本发明所述方法，则认为-1/2chip相位是与正在解调的相位相同，则不会进行重新分配。

假设图1b中两个解调单元在解调-1chip和0chip相位，由于噪声对跟踪环路的影响可导致两个解调单元同时在解调-1/2chip相位，由于搜索一次的时间较长，在重新分配相位之前，两个解调单元会在很长时间里对错误的相位解调。按照本发明的方法，会给这两个解调单元分配新的多径相位。

本发明的重点在于多径搜索和分配的方法上，其实现必须依赖于具体的RAKE接收机结构，因此为了方便本领域的普通技术人员理解本发明，图2—图4给出了按照本发明构造的RAKE接收机的结构。

本发明的实现框图如图2所示，其构造的RAKE接收机与传统的接收机一样。其主要由A/D过采样器100，控制器200，搜索器300和若干解调指峰(finger)400构成。其所接收的信号中包括多个传输路径，在接收机中需要利用RAKE接收机的多个指峰(finger)与信号中较强的可分离径同步，由于可分离径之间的衰落相互独立，所以将各径解调输出结果按照最大比规则进行合并可使衰落的影响大大降低。当各指峰解调的多径相位与信号中分布的多径相位的同步误差降低时，RAKE接收机对抗衰落的性能就会提高。600是数据总线。

本发明的搜索和分配策略方法可分别在接收机中的搜索器300，控制器200和解调指峰400中实现。RAKE接收机之前是A/D过采样器100，所得到的过采样数据分别进入接收机的解调指峰400和搜索器300，搜索器300每次扫描选择后的结果送给控制器200，解调指峰400的跟踪解调结果也定期报告给控制器200，解调的报告时间较搜索的一次扫描时间短，故解调结果报告若干次后搜索器300才报告一次。最终解调指峰400将解调输出的结果送给多径合并器500进行对齐合并。

图3给出了搜索器300的内部结构，首先来自A/D过采样器100的数据经过降采样器310得到1/2chip为间隔的采样数据，然后送入相关器组320，相关器组在相位滑动控制定时器330的控制下对输入数据在一定的搜索范围内作滑动相关，得到各个相位的相关能量，然后将能量值送给局部最佳选择器340进行选择处理，最终将得到的结果送给搜索选择多径信息存贮器350。当完成给定范围内所有相位的搜索后将结果输出给控制器200。

图4给出的是图2中关于解调单元400a，400b，400c，的结构图，每个解调finger400a，400b，400c的内部结构都相同，其作用是接受控制器200分配的解调相位，通过内部相位的滑动来解调出新的相位。其具体工作过程为：将来自过采用器100的数据进行在采样选择器410进行采样选择，采样选择是在PN码定时生成器450的控制下进行选择，选择生成1倍码片速率的采样数据分别送入业务信道解调相关器420a，导频信道解调相关器420b和迟早门跟踪器420c。业务信道解调相关器420a和导频信道解调相关器420b分别对业务信道和导频信道用本地的PN码发生器430进行相关运算，将宽带信号变换为窄带信号。导频信道解调相关器420b的输出要对业务信道解调相关器420a的输出在信道估计补偿器440中进行补偿，因为导频信道的内容已知，通过运算可得到解调相位信道的相位和衰减参考，利用这些信息将同步业务信道的信道造成的恶化补偿掉。同时导频信道解调输出的结果还送入解调能量存贮器480准备输出给控制器。迟早门跟踪器420c可跟踪多径的漂移，并可对解调相位进行精确调整，将搜索的多径相位的精度提高。迟早门跟踪器的结果送给PN码定时生成器调整定时使其进行精确滑动。同时PN码定时生成器450还要接受控制器200分配的新的多径相位，快速滑动到新的相位进行解调。其快速滑动和精确滑动的结果送给解调相位存贮器490准备输出给控制器200。在每个解调指峰还接收来自控制器200的锁定状态指示，将状态值存入锁定状态寄存器460。锁定开关470根据锁定状态寄存器460的值，当该值指示锁定时，将解调结果送出进行合并，当指示失锁时禁止解调输出，使输出全为0。

图5为本发明所述方法中的第二步即对相关能量信息进行多径相位选择处理的流程图，本发明称之为局部最佳选择法。搜索器300得到一定数量的粗略多径相位信息后，进行局部最佳选择处理。如图5所示：

先比较最新扫描的连续3个相位能量：n1，n2，n3，n1为最早扫描的相位能量，n3为最新扫描的能量相位；

判断是否满足n1＜n2＜n3？

当不满足n1＜n2＜n3时，若n2最大则选出n2作为输出，然后再选择最新扫描的3个相位能量进行下一次比较；

若n2不是3个中最大则输出n1，然后将n3和最新扫描得到的两个相位能量组成新的3个连续的比较相位准备进行下一次比较；

当3个相位关系满足n1＜n2＜n3时，将最新扫描得到的相位能量加进比较组，进行连续的4个相位能量的比较。4个能量分别记为n1，n2，n3，n4。若n4＞＝n3，则丢弃n1，再将最新扫描的相位信息加入候选队列构成新的比较组，然后继续重复上述4个相位能量的比较过程；

若n4＜n3，则选出n3和n1作为局部最佳结果输出，然后再将最新扫描的3个相位能量，按照3个相位组的选择方法进行选择。这样选择输出的相位均间隔一个chip。

图6为本发明关于分配策略的流程图，其实现是在控制器200中进行的，它对应本发明所述方法中的第三步，体现了控制器200的工作过程，以下是图6的详细说明：

①控制器对两个计数器的值进行初始化，其中n1为解调finger检测周期计数器，其记数周期为N1；n2为搜索器检测周期计数器，其记数周期为N2。N2是N1的整数倍，具体取值应根据移动速度来选择；

②两个计数器的记数值按照固定的时钟同步加1；

③判断计数器n1的值是否等于N1：

若不等，则执行步骤②；

若相等，则执行下一步骤；

④将n1的值置为0；然后判断n2值是否等于N2：

若不等，则执行步骤⑤；

若相等，则执行步骤⑥。

⑤进行搜索多径相位的重新分配，其具体做法为：

将计数器n2置为0；

选择的多径相位信息及其对应的能量信息送到控制器200，由控制器200按照能量的大小排序进行多径的第二次筛选，假设需要N个解调指峰，首先初步选出多于指峰数量N的M个较强的相位作为候选分配多径，故M＞N；其多选的目的在于：分配给解调单元的多径相位可能会消失，从而导致跟踪失锁，而其它没被分配的多径相位可作为候选相位分配给解调单元。

在搜索器搜索得到的候选多径相位中可能存在新出现的较强多径，也可能出现错误的多径相位，其中错误的相位是由于噪声或是PN码之间的相关性不够理想导致。每次搜索器对所有的相位进行过一次扫描后，将进行过局部最佳处理的结果报告给控制器，控制器首先将候选分配多径中的N个相位值与解调指峰最近一次报告的相位进行比较：

在两组相位中当相位差值为半个chip时，则认为是相同的多径相位；当差值大于半个chip的相位则认为是不同的相位。

在解调指峰报告的相位中与前N个候选分配相位不同的相位可能进行重新分配，分配首先从新出现在候选分配多径中最强的多径开始进行重新分配。

重新分配必须满足以下条件：要分配给解调指峰的多径相位的能量值必须大于此指峰能量的reassign_Th倍时才进行重新分配，否则解调指峰维持原来的相位，其中reassign_Th是重分配门限值。

⑥判断失锁及是否有多个解调finger解调相同的相位，其具体步骤如下：将计数器n2置为0；

控制器读取每个解调指峰的解调相位及其平均能量信息。

由于搜索器采用滑动相关的方法对一定范围的相位进行一次搜索的时间较长，故解调指峰在解调过程中可能会现多径消失或跟踪失锁状态，需要控制器分配新的多径相位进行解调。对解调指峰的失锁状态的判断在控制器中进行。控制器将指峰定期报告的各个解调平均能量进行比较，若所有能量值与其中最强径的比值小于某一个门限值的指峰时则认为已经失锁。这时需要控制器从最近一次搜索器报告产生的候选分配多径的后M-N中分配新的相位。在控制器认定解调指峰失锁后控制指峰输出为全0，即不参与最后的合并。只有当分配新的相位后解调能量大于当前最强径的能量门限值倍数时，才控制解调结果参加合并。

当解调多径的相位报告给控制器后，控制器还需要做出判断：即是否有不同的解调指峰同时在跟踪相同的多径相位。解调多径报告给控制器的多径相位值是以1/2码片为精度的，控制器将所有报告多径相位逐个相互比较，当两个相位值相同时，则认为此两个解调单元在跟踪相同的多径相位。此种情况在多径之间的相位差接近一个码片时，由于噪声的干扰仍有可能导致此种现象的发生。这样两个解调指峰之间就有很强的相关性，会使分集接收性能下降。必须将其中一个解调指峰分配新的多径相位进行解调。其重新分配的过程为：将最近搜索得到的结果中尚未分配的最强的相位无条件地分配给一个解调指峰。

Claims (7)

1 一种适用于宽带CDMA系统的RAKE接收机中多径搜索及分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，对候选多径进行连续扫描，得到相关能量信息；

第二步，对相关能量信息进行多径相位选择处理；

第三步，控制器从选择得到的相位中选出能量较强的M个相位，定期查询每个解调finger的解调相位及平均能量，比较搜索多径相位能量与解调finger相位能量，进行相位的重新分配，进行失锁监视处理和多单元同相位解调监视处理。

2 如权利要求1所述的多径搜索及分配方法，其特征在于，所述第二步中的对相关能量信息进行多径相位选择处理，包括：

比较最新扫描的连续3个相位能量：n1，n2，n3，n1为最早扫描的相位能量，n3为最新扫描的能量相位；

判断是否满足n1＜n2＜n3？

当不满足n1＜n2＜n3时，若n2最大则选出n2作为输出，然后再选择最新扫描的3个相位能量进行下一次比较；

若n2不是3个中最大则输出n1，然后将n3和最新扫描得到的两个相位能量组成新的3个连续的比较相位准备进行下一次比较；

当3个相位关系满足n1＜n2＜n3时，将最新扫描得到的相位能量加进比较组，进行连续的4个相位能量的比较；4个能量分别记为n1，n2，n3，n4；若n4＞＝n3，则丢弃n1，再将最新扫描的相位信息加入候选队列构成新的比较组，然后继续重复上述4个相位能量的比较过程；

若n4＜n3，则选出n3和n1作为局部最佳结果输出，然后再将最新扫描的3个相位能量，按照3个相位组的选择方法进行选择，这样选择输出的相位均间隔一个chip。

3 如权利要求1所述的多径搜索及分配方法，其特征在于，所述第三步包括：

①控制器对两个计数器的值进行初始化，其中n1为解调finger检测周期计数器，其记数周期为N1；n2为搜索器检测周期计数器，其记数周期为N2；其中N2是N1的整数倍，具体取值应根据移动速度来选择；

②两个计数器的记数值按照固定的时钟同步加1；

③判断计数器n1的值是否等于N1：

若不等，则执行步骤②；

若相等，则执行下一步骤；

④将n1的值置为0；然后判断n2值是否等于N2：

若不等，则执行步骤⑤；

若相等，则执行步骤⑥；

⑤进行搜索多径相位的重新分配，其具体做法为：

将计数器n2置为0；

读取每个解调指峰的解调相位及其平均能量信息；

比较选出较强的M个多径并找出候选更新多径；

比较解调能量，判断是否满足，若是则重新分配，若不是，则返回步骤②；

⑥判断失锁及是否有多个解调指峰解调相同的相位；

读取每个解调指峰的解调相位及其平均能量信息；

判断是否有失锁或多个解调指峰解调相同的相位；

若是则选择新的分配多径给该指峰，若不是，则返回步骤②。

4 如权利要求3所述的多径搜索及分配方法，其特征在于，所述步骤⑤中的比较解调能量是指在两组相位中当相位差值为半个chip时，则认为是相同的多径相位；当差值大于半个chip的相位则认为是不同的相位。

5 如权利要求3或4所述的多径搜索及分配方法，其特征在于：所述步骤⑤中的重新分配必须满足以下条件：要分配给解调指峰的多径相位的能量值必须大于此指峰能量的reassign Th倍时才进行重新分配，否则解调指峰维持原来的相位，其中reassign Th是重分配门限值。

6 如权利要求3或4所述的的多径搜索及分配方法，其特征在于：所述步骤⑥中判断失锁是指，控制器将指峰定期报告的各个解调平均能量进行比较，若所有能量值与其中最强径的比值小于某一个门限值的指峰时，则认为已经失锁。

7 如权利要求3或4所述的多径搜索及分配方法，其特征在于：所述步骤⑥中判断多个解调指峰解调相同的相位是指将所有报告给控制器的以1/2chip为单位的多径相位值逐个相互比较，值相等时判定为解调相同的多径相位。

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