CN1252958C - 码分多址系统多径搜索相对门限设定方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了移动通信领域的一种码分多址系统多径搜索相对门限设定方法，首先计算出功率时延函数PDP(n)及其平均值PDPn、最大值PDPmax和最小值PDPmin，结合预先设定的门限因子Factor，计算多径功率相对门限Thsd，则大于该多径功率相对门限Thsd的功率时延函数PDP(n)对应的位置即为多径时延位置。本发明克服了现有技术中未能充分利用功率时延函数特性，确定门限的方法不够简便的缺点，用更为简便的方法得到合理的多径功率相对门限，更好地适应了各种无线信道环境和信号能量、干扰能量变化的，分离出多径和噪声。本发明还包括一种码分多址系统多径搜索相对门限设定装置。

Description

码分多址系统多径搜索相对门限设定方法和装置

技术领域

本发明涉及移动通信系统，尤其涉及码分多址(CDMA，Code-Division Multiple-Access)系统多经搜索的方法。

背景技术

CDMA是一种多址接入方法，它以扩频技术为基础，近来已成为除频分多址(FDMA，Frequency-Division Multiple-Access)和时分多址(TDMA，Time-Division Multiple-Access)方法之外应用于通信系统的又一多址接入方法。与现有接入方法相比，CDMA具有频谱利用率高、规划简单等优点。目前采用CDMA接入方法的系统主要有：窄带CDMA(IS-95，Interim Standard 95)系统、宽带CDMA(WCDMA，Wide Band CDMA)系统、CDMA2000系统、时分-同步码分多址(TD-SCDMA，Time Division Synchronous Code Division MultipleAccess)系统、时分-码分多址(TD-CDMA，Time Division CodeDivision Multiple Access)系统等，这些CDMA系统均采用了多码扩频技术(或称双层扩频码分配技术)，从移动用户到基站的反向链路的扩频方式分为两步，第一步：加扩，即用时延对齐时互相关为零的正交函数(Walsh函数，OVSF码)作为信道码扩频，对应接收端的恢复过程称作解扩；第二步：加扰，即使用每个用户唯一分配的自相关和互相关性能都比较好的伪随机码(PN序列，M序列，Gold序列)进一步扩频，对应接收端的恢复过程称作解扰，上述的伪随机码称作扰码，扰码可以区分不同的移动用户。同样，这些系统中从基站到移动用户的前向链路的扩频方式也同样分两步，唯一的区别是前向链路中的扰码是用来区分基站的，不同的基站扰码不同。

在移动通信环境中，基站和移动用户之间的信号沿发射机和接收机之间的若干路径传播，这种现象称为多径传播现象，这种现象主要是由于信号在发射机和接收机周围物体表面的反射引起的。由于传播路径不同，同一信号的不同多径成分从发射机到达接收机的传播时延也不同，从而造成多径干扰和信号衰落。CDMA系统使用的接收机是一种多分支结构的接收机，通常称为瑞克(Rake)接收机，其中每一分支与传播时延基本相同的一个多径成分同步，是一个单独的接收机单元，解调期望接收的信号分量，然后将不同接收机单元接收到的多径成分合并，这样就把同一用户时延不同的多径成分按规则叠加在一起。

本地扩频码与接收信号中的扩频码同步是CDMA系统正确解扩的前提，多径搜索就是从接收信号中检测出多径成分传播时延，以调整本地扩频码使之与接收信号中各多径成分的扩频码保持同步，为正确解扩提供条件。

目前常用的多径搜索方法是，用本地扰码与接收信号进行滑动相关积分，得到期望用户信号的功率时延函数(PDP，Power DelayProfile)，功率时延函数其实就是本地扰码与接收信号的相关函数的模值平方，然后，从功率时延函数中搜索出大于一定门限的峰值位置就是多径时延成分对应的位置，目前，常用的门限设定方法主要有固定门限设定法和相对门限设定法，前者即根据经验设定一个固定门限；后者即根据实时通信情况的动态变化，估计相关物理量，确定门限。固定门限设定法具有很大的局限性，由于信号功率、干扰功率和无线信道衰落等情况不断发生变化，功率时延函数中信号功率的大小、噪声功率的大小以及噪声功率的波动幅度也随之不断变化，如果门限是固定的，不可避免会有误判，漏掉真实多径成分或把较多噪声判断成多径成分。相对门限设定法与之相比具有很大的优越性。美国第6,229,842号专利《AdaptivePath Selection Threshold Settingfor DS-CDMA Receivers》公开了一种通过估计接收信号信噪比来确定相对门限的方法，即先去掉功率时延函数值中的较大值，这些值包括有用信号能量，再根据剩余的功率时延函数值估计噪声能量，然后根据该噪声能量重新确定需要从原功率时延函数值中去掉哪些较大值，再根据剩余的函数值估计出噪声能量，通过这两步估计即可较准确地估计出噪声能量，并据此确定接收信号信噪比SNR，通过映射法由接收信号信噪比SNR映射出相对门限，具体的映射方法由仿真或测试来确定。该方法仅利用了功率时延函数的两个统计特性，即有用信号能量和噪声能量，而且计算量较大，过程复杂。中国第00120324.x号专利“用于在码分多址通信系统中进行代码同步捕获的方法和装置”，公开了一种通过估计功率时延函数值波动的平均幅度来确定相对门限，并通过比较功率时延函数最大值与均值的比值和该相对门限来判断多径成分的方法，其核心思想是，将每个分量的最大能量值与平均能量值的比值与预定的阈值比较，以确定最大能量值对应的扩频码相位是否是正确的代码相位，该发明也只利用了功率时延函数的两个统计特性：最大能量值和平均能量值，方法不够简便。现有技术中的相对门限设定法在一定程度上能随着信道环境和信号能量的变化自适应调整门限，但其不足之处也很明显：未能充分利用功率时延函数特性，方法不够简便，计算量大。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中相对门限的确定方法未能充分利用功率时延函数特性、不够简洁、高效的缺点，以提供一种充分利用功率时延函数特性的高效的多径搜索相对门限设定方法。

为实现此目的，本发明提出了一种码分多址系统多径搜索相对门限设定方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，根据公式 $\mathrm{PDP}\left(n\right)={\left|\right|\underset{k=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}R(k+n)*S^{*}\left(k\right)\left|\right|}^2$ 进行匹配运算，得到不同时延时的相关值，即功率时延函数PDP(n)，其中，n＝0，1，2，…，N-1，N为功率时延函数PDP(n)的搜索范围长度，S(k)为本地扰码，R(k)为射频通道输出的基带数字接收信号，K为相关积分长度，即采样点数目，S的上标“*”表示复数共扼；

第二步，根据公式 $\mathrm{PDPn}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{PDP}\left(n\right)/N,$ 公式PDPmax＝Max(PDP(n))，n＝0，1，2，…，N-1，和公式PDPmin＝Min(PDP(n))，k＝0，1，2，…，N-1计算功率时延函数平均值PDPn、最大值PDPmax和最小值PDPmin，其中，N为功率时延函数PDP(n)的搜索范围长度；

第三步，选定门限因子Factor，根据公式

Thsd＝PDPn+(PDPn-PDPmin)+(PDPmax-PDPn-(PDPn-PDPmin))×Factor或者公式

Thsd＝2×PDPn-PDPmin+(PDPmax-(2×PDPn-PDPmin))×Factor计算多径功率相对门限Thsd；

第四步，在功率时延函数PDP(n)中搜索大于多径功率相对门限Thsd的峰值，即为多径峰值，该峰值对应的位置即为多径时延位置。

本发明还构造了一种码分多址系统多径搜索相对门限设定装置，包括相关匹配模块、门限计算模块、多径峰值搜索模块，其特征在于，还包括平均值估计模块、最小值估计模块和最大值估计模块；所述相关匹配模块接收本地扰码S(k)和射频通道输出的基带数字接收信号R(k)，分别输出功率时延函数PDP(n)到所述平均值估计模块、所述最小值估计模块、所述最大值估计模块以及所述多径峰值搜索模块，所述平均值估计模块、最小值估计模块、最大值估计模块分别输出功率时延函数平均值PDPn、最小值PDPmin、最大值PDPmax到所述门限计算模块，所述门限计算模块输出多径功率相对门限Thsd至所述多径峰值搜索模块，所述多径峰值搜索模块搜索出多径时延输出至后续模块。

以上所述结构模块，可以通过专用芯片(ASIC，Application-Specific Integrated Circuit)或现场可编程门阵列(FPGA，Field Programmable Gate Array)等硬件模块实现，也可以通过数字信号处理芯片(DSP，Digital Signal Processor)以软件形式实现。

本发明所述的CDMA系统多径搜索相对门限设定方法和装置，与现有技术相比，充分利用了功率时延函数特性，用更为简单的计算方法得到较合理的自适应相对门限，可以较好的适应各种无线信道环境和信号能量、干扰能量的变化，较准确地分离多径和噪声。

附图说明

图1是现有技术中多径搜索模块在接收系统中的位置结构图。

图2是多径搜索在不同干扰情况下得到的功率时延函数。

图3是本发明所述CDMA系统多径搜索相对门限设定方法流程图。

图4是本发明所述CDMA系统多径搜索相对门限设定装置结构图。

图5是本发明所述CDMA系统多径搜索相对门限设定方法中各参数的相对位置图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述：

图1是现有技术中多径搜索模块在接收系统中的位置结构图，接收天线101接收无线射频信号，射频通道102把该无线射频信号进行低噪声放大、自动增益控制、载波解调、基带转换、A/D采样、噪声滤波等处理，得到基带数字接收信号R(k)，接受天线和对应的射频通道可以有多个，各射频通道把得到的基带数字接收信号R(k)送往多径搜索模块103和Rake接收机104，一般情况下，Rake接收机104对信号的采样速率比多径搜索模块103对信号的采样速率要高，多径搜索模块103通过本地扰码S(k)对各个射频通道输出的基带数字接收信号R(k)进行不同时延的匹配相关积分，与一定门限相比较搜索出各路数据中的多径时延信息，Rake接收机104根据该多径时延信息，对齐多径时延位置进行解扰解扩、信道估计补偿等处理，解出符号级数据供后续模块处理。

图2是多径搜索模块103在10次搜索中得到的10个不同的功率时延函数，这10次搜索过程中多径位置不变，但衰落情况在改变，其中P1、P2、P3是3个峰值，对应的是真实多径位置，其它位置的函数值都是噪声干扰；图2(a)中，噪声干扰的函数值基本处于150000和250000之间，而图2(b)中，噪声干扰的函数值基本处于120000和180000之间，两者的平均值和波动幅度都不一样，而且从信号功率来看，图2(a)中的峰值也小于图2(b)中的峰值。针对这种噪声不断变化又在一定范围内相对稳定情况，采用能适应通信适时情况的相对门限设定法是必要的，而且从图2中可以看，将相对门限设定在干扰噪声的上限附近是适当的。

图3是本发明所述CDMA系统多径搜索相对门限设定方法的流程图：

步骤301：根据公式 $\mathrm{PDP}\left(n\right)={\left|\right|\underset{k=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}R(k+n)*S^{*}\left(k\right)\left|\right|}^2$ 计算功率时延函数PDP(n)，其中，S(k)为本地扰码，R(k)为基带数字接收信号，K为相关积分长度，“*”表示复数共扼；

步骤302：包括302.1、302.2、302.3三个部分的运算，即分别根据公式 $\mathrm{PDPn}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{PDP}\left(n\right)/N,$ 公式PDPmax＝Max(PDP(n))，n＝0，1，2，…，N-1和公式PDPmin＝Min(PDP(n))，k＝0，1，2，…，N-1计算功率时延函数平均值PDPn、最大值PDPmax和最小值PDPmin，其中N为功率时延函数PDP(n)的搜索范围长度；

计算功率时延函数平均值PDPn时，为节省资源，可以仅取功率时延函数PDP(n)的一部分值进行平均，通常是等间隔取值，为保证更高的准确度，亦可对功率时延函数平均值、最大值、最小值三个参数进行多次搜索，然后将得到的参数进行滤波平滑，得到最终的功率时延函数平均值PDPn、最大值PDPmax、最小值PDPmin；

步骤303：选定门限因子Factor，根据公式

Thsd＝PDPn+(PDPn-PDPmin)+(PDPmax-PDPn-(PDPn-PDPmin))×Factor或者公式

Thsd＝2×PDPn-PDPmin+(PDPmax-(2×PDPn-PDPmin))×Factor计算多径功率相对门限Thsd，其中门限因子Factor的取值范围是大于0小于1的数值，具体取值可通过仿真和测试来确定；

步骤304：多径峰值搜索，在功率时延函数PDP(n)中搜索出大于多径功率相对门限Thsd的峰值，该峰值对应的位置即为多径时延位置。

图4是本发明所述CDMA系统多径搜索相对门限设定装置的结构图，包括相关匹配模块401、门限计算模块403、多径峰值搜索模块404，以及平均值估计模块402.1、最小值估计模402.2和最大值估计模块402.3；所述相关匹配模块401接收本地扰码S(k)和射频通道输出的基带数字接收信号R(k)，根据公式 $\mathrm{PDP}\left(n\right)={\left|\right|\underset{k=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}R(k+n)*S^{*}\left(k\right)\left|\right|}^2$ 进行匹配运算，得到功率时延函数PDP(n)，并把计算结果分别送往平均值估计模块402.1、最小值估计模块402.2、最大值估计模块402.3以及多径峰值搜索模块404，所述平均值估计模块402.1对功率时延函数PDP(n)根据公式 $\mathrm{PDPn}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{PDP}\left(n\right)/N$ 进行平均，得到功率时延函数平均值PDPn，该功能亦可采用积分清零器以硬件形式实现，为节省资源，可以不利用所有PDP(n)的数据，而是取其中的一部分数据进行平均，通常等间隔地取值，亦可以进行多次搜索，把得到的功率时延函数平均值进行滤波平滑，得到最后的功率时延函数平均值PDPn，送往所述门限计算模块403；所述最小值估计模块402.2扫描各个功率时延函数值PDP(n)，其中的最小值即为功率时延函数最小值PDPmin，亦可以进行多次搜索，把得到的最小值进行滤波平滑，得到最后的功率时延函数最小值PDPmin，送往所述门限计算模块403；所述最大值估计模块402.3对功率时延函数PDP(n)进行扫描，其中的最大值即为功率时延函数最大值PDPmax，亦可以进行多次搜索，把得到最大值进行滤波平滑，得到最后的功率时延函数最大值PDPmax，送往所述门限计算模块403；所述门限计算模块403由第一加法器403.1、第二加法器403.2、第三加法器403.3、第四加法器403.6、乘法器403.4和门限因子存储器403.5组成；功率时延函数平均值PDPn、最小值PDPmin、最大值PDPmax输入所述门限计算模块403后，若根据公式Thsd＝PDPn+(PDPn-PDPmin)+(PDPmax-PDPn-(PDPn-PDPmin))×Factor来计算多径功率门限Thsd，则先由第一加法器403.1完成PDPn-PDPmin的运算，把结果送往第二加法器403.2与功率时延函数平均值PDPn相加，得到噪声功率上限估计值PDPnup＝PDPn+PDPn-PDPmin并把结果输出至第三加法器403.3，在第三加法器403.3中，功率时延函数最大值PDPmax减去噪声功率上限估计值PDPnup，差值送往所述乘法器403.4，和所述门限因子存储器403.5输出的门限因子Factor相乘，得到的积输入第四加法器403.6，完成该积和噪声功率上限估计值PDPnup相加，得到最终的多径功率门限Thsd，并由第四加法器403.6把结果送往所述多径峰值搜索模块404。

若根据公式Thsd＝2×PDPn-PDPmin+(PDPmax-(2×PDPn-PDPmin))×Factor来计算多径功率门限Thsd，则所述门限计算模块403中可用一个移位器代替第二加法器403.2，完成功率时延函数平均值PDPn左移一位的操作，实现2×PDPn的运算，并把结果送往第一加法器403.1，第一加法器403.1实现PDPnup＝(2×PDPn-PDPmin)的运算并把结果送往第三加法器403.3；

当门限因子为1/2、1/4、1/8、1/16、1/32等值时，上述装置中可用一个移位器代替门限因子存储器403.5和乘法器403.4，对应的右移位位数分别为1、2、3、4、5等值。

图5是本发明所述CDMA系统多径搜索相对门限设定方法中各参数的相对位置图。该图直观地反映了本发明所述CDMA系统多径搜索相对门限设定方法中各参数的相对位置，横线PDPn为功率时延函数平均值，横线PDPmin为功率时延函数最小值，多径峰值P2是功率时延函数最大值PDPmax，横线PDPnup为噪声功率上限估计值，由于一部分噪声功率大于噪声功率上限估计值PDPnup，所以在PDPnup的基础上还要加上(PDPmax-PDPnup)×Factor才是多径功率相对门限Thsd。

Claims (9)

1.一种码分多址系统多径搜索相对门限设定方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，根据公式 $\mathrm{PDP}\left(n\right)={\left|\right|\underset{k=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}R(k+n)*S^{*}\left(k\right)\left|\right|}^2$ 计算功率时延函数PDP(n)，其中，n＝0，1，2，...，N-1，N为功率时延函数PDP(n)的搜索范围长度，S(k)为本地扰码，R(k)为基带数字接收信号，K为相关积分长度，S的上标“*”表示复数共扼；

第二步，分别根据公式 $\mathrm{PDPn}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{PDP}\left(n\right)/N,$ 公式PDPmax＝Max(PDP(n))，n＝0，1，2，...，N-1、公式PDPmin＝Min(PDP(n))，k＝0，1，2，...，N-1计算功率时延函数平均值PDPn、最大值PDPmax和最小值PDPmin，其中N为功率时延函数PDP(n)的搜索范围长度；

第三步，选定门限因子Factor，根据公式Thsd＝PDPn+(PDPn-PDPmin)+(PDPmax-PDPn-(PDPn-PDPmin))×Factor或者公式Thsd＝2×PDPn-PDPmin+(PDPmax-(2×PDPn-PDPmin))×Factor计算多径功率相对门限Thsd，其中门限因子Factor的取值范围为0＜Factor＜1；

第四步，在功率时延函数PDP(n)中搜索大于多径功率相对门限Thsd的峰值，即为多径峰值，该峰值对应的位置即为多径时延位置。

2.根据权利要求1所述的码分多址系统多径搜索相对门限设定方法，其特征在于，所述第二步中计算功率时延函数平均值PDPn时，仅取功率时延函数PDP(n)的一部分值进行平均。

3.根据权利要求2所述的码分多址系统多径搜索相对门限设定方法，其特征在于，所述第二步中计算功率时延函数平均值PDPn时，对功率时延函数PDP(n)等间隔取值进行平均。

4.根据权利要求1所述的码分多址系统多径搜索相对门限设定方法，其特征在于，所述第二步中计算功率时延函数平均值PDPn、最大值PDPmax和最小值PDPmin时，先对功率时延函数平均值、最大值、最小值三个参数进行多次搜索，然后将得到的对应参数分别进行滤波平滑，得到最终的功率时延函数平均值PDPn、最大值PDPmax和最小值PDPmin。

5.一种码分多址系统多径搜索相对门限设定装置，包括相关匹配模块(401)、门限计算模块(403)、多径峰值搜索模块(404)，其特征在于，还包括平均值估计模块(402.1)、最小值估计模块(402.2)和最大值估计模块(402.3)；所述相关匹配模块(401)接收本地扰码S(k)和射频通道输出的基带数字接收信号R(k)，分别输出功率时延函数PDP(n)到所述平均值估计模块(402.1)、所述最小值估计模块(402.2)、所述最大值估计模块(402.3)以及所述多径峰值搜索模块(404)，所述平均值估计模块(402.1)、最小值估计模块(402.2)、最大值估计模块(402.3)分别输出功率时延函数平均值PDPn、最小值PDPmin、最大值PDPmax到所述门限计算模块(403)，所述门限计算模块(403)输出多径功率相对门限Thsd至所述多径峰值搜索模块(404)，所述多径峰值搜索模块(404)搜索出多径时延输出至后续模块。

6.根据权利要求5所述的码分多址系统多径搜索相对门限设定装置，其特征在于，所述平均值估计模块(402.1)采用积分清零器实现。

7.根据权利要求5所述的码分多址系统多径搜索相对门限设定装置，其特征在于，所述门限计算模块(403)由第一加法器(403.1)、第二加法器(403.2)、第三加法器(403.3)、第四加法器(403.6)、乘法器(403.4)和门限因子存储器(403.5)组成；功率时延函数平均值PDPn、最小值PDPmin、最大值PDPmax输入所述所述门限计算模块(403)后，所述第一加法器(403.1)完成PDPn-PDPmin的运算，把结果送往所述第二加法器(403.2)与功率时延函数平均值PDPn相加，得到噪声功率上限估计值PDPnup＝PDPn+PDPn-PDPmin并把结果输出至所述第三加法器(403.3)，在所述第三加法器(403.3)中，功率时延函数最大值PDPmax减去噪声功率上限估计值PDPnup，差值送往所述乘法器(403.4)，和所述门限因子存储器(403.5)输出的门限因子Factor相乘，得到的积输入所述第四加法器(403.6)，完成该积和噪声功率上限估计值PDPnup相加，得到最终的多径功率门限Thsd，并由所述第四加法器(403.6)把结果送往多径峰值搜索模块(404)。

8.根据权利要求7所述的码分多址系统多径搜索相对门限设定装置，其特征在于，所述门限计算模块(403)中用一个移位器代替所述第二加法器(403.2)，完成功率时延函数平均值PDPn左移一位的操作，实现2×PDPn的运算，并把结果送往所述第一加法器(403.1)，所述第一加法器(403.1)实现PDPnup＝(2×PDPn-PDPmin)的运算并把结果送往所述第三加法器(403.3)。

9.根据权利要求7或8所述的码分多址系统多径搜索相对门限设定装置，其特征在于，当门限因子为1/2、1/4、1/8、1/16、1/32时，用一个移位器代替所述门限因子存储器(403.5)和所述乘法器(403.4)，对应的右移位位数分别为1、2、3、4、5。

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