CN1275408C - 码分多址系统多径峰值搜索方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种码分多址系统多径峰值搜索方法，先对功率时延函数逐点进行扫描，记录搜索到的大于多径功率门限的峰值大小及位置，并从功率时延函数中去掉该搜索范围内的峰值，扫描指针后退几个采样点，继续扫描，若扫描结束时所记录的功率时延函数峰值数大于限定搜索的多径数目M，则从中选取M个较大值，其对应的位置即为多径时延位置。本发明充分利用了功率时延函数扰码自相关峰值形状特性，并结合类似干扰抵消的方法，克服了现有技术中存在的码分多址系统多径峰值搜索方法没有充分利用扰码自相关特性并无法准确判断多径时延位置的缺陷，大幅度降低了能量较强的多径对其它多径的干扰，提高了码分多址系统的多径峰值搜索性能。

Description

码分多址系统多径峰值搜索方法

技术领域

本发明涉及码分多址(CDMA，Code-Division Multiple-Access)通信系统，尤其涉及码分多址系统的多径搜索方法。

背景技术

码分多址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-Divisoin Multiple-Access)和时分多址(TDMA，Time-Division Multiple-Access)接入方法之外应用于移动通信系统及卫星通信系统的又一种多址接入方法。与现有多址接入方法相比，码分多址具有频谱利用率高、规划简单等优点。目前采用码分多址接入方法的系统主要有：窄带码分多址(IS-95，Interim Standard 95)系统、宽带码分多址(WCDMA，Wideband CDMA)系统、码分多址2000系统、时分-同步码分多址(TD-SCDMA，TimeDivision Synchronous Code Division Multiple Access)系统、时分-码分多址(TD-CDMA，Time Division Code Division MultipleAccess)系统等，这些码分多址系统均采用了多码扩频技术(或称双层扩频码分配技术)，也就是说，在这些码分多址系统中，从移动用户到基站的反向链路的扩频分为两步，第一步是用时延对齐时互相关为零的正交函数(Walsh函数，OVSF码)作为信道扩频码扩频，即加扩，对应接收端的恢复过程称作解扩；第二步是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，即加扰，对应接收端的恢复过程称作解扰，上述伪随机码称作扰码，根据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分两步，唯一的区别是前向链路中的扰码是用来区分基站或小区的，不同的基站或小区的扰码不同。

在一般的移动通信环境中，基站和移动台之间的信号沿接收机和发射机之间的若干路径进行传播，这种多径传播现象主要是由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。码分多址系统中使用的接收机是一种多分支结构的接收机，其中，每一分支与传播时延基本相同的一个多径成分同步，是一个单独的接收单元，其功能是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，这样就把同一用户不同时延的多径成分按规则叠加在一起，这种接收机称为瑞克(Rake)接收机。

本地扩频码与接收信号中的扩频码同步是码分多址系统正常通信的前提。多径搜索就是从接收信号中检测出多径信号传播时延，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，以保证后面瑞克接收机的正常工作。

现有技术中的多径搜索方法是：先计算期望用户信号的功率时延函数(PDP，Power Delay Profile)，即扰码与接收信号滑动相关积分的模值平方，然后，从功率时延函数中搜索出符合一定条件的较大值，这些较大值对应的位置就是多径时延位置。这些多径搜索方法中根据功率时延函数值确定多径时延位置对应的较大值的方法可以分为两种：第一种是当功率时延函数中两边的函数值都小于中间函数值时，则中间的函数值就是一个峰值，然后从搜索出的全部峰值中搜索出较大值，这些较大值对应的位置就是多径时延位置；第二种是从功率时延函数中从大到小选取较大的函数值，这些较大函数值对应的位置就是多径时延位置。实践中，瑞克接收机的多径搜索精度为每码片两个采样点，它分辨时延大于等于一个码片周期的多径精确度较高，但分辨时延小于一个码片周期的多径容易产生的误判，产生误判通常有两种情况，一是把一条多径判断成两条时延不大于一个码片周期的多径，二是把两条时延间隔小于一个码片周期的多径，判断成一条多径，以上两种情况都会导致接收效果下降。现有技术中的第一种搜索多径时延的方法，在每码片周期两个采样点的情况下，搜索出来的各条径之间时延间隔不小于一个码片，这可以避免把一条径判断成两条时延不大于一个码片周期的两个多径，但容易把两条时延间隔小于一个码片周期的多径判断成一条多径，特别地，如果有几条多径时延均相差一个码片周期左右，它们的功率就会混叠，形成一个较宽的峰值(称做“胖峰”)，这时采用第一种多径时延搜索方法只能搜索到一个多径位置；采用第二种多径时延搜索方法不会把两条或两条以上时延间隔小于一个码片周期的多径判断成一条多径，但很可能把一条多径判断成两条多径，特别是出现胖峰时，可能把由于混叠引起的假径判断成多径。

总之，现有技术中的码分多址系统多径峰值搜索方法对多径峰值位置判断不准确，从而导致多径时延搜索不准确，究其原因，是在搜索码分多址系统多径峰值时没有充分利用功率时延函数的扰码自相关特性。通信中的发射的扰码受射频系统中滤波器的影响，其功率时延函数，即对应扰码的自相关函数的峰值具有特定的形状，如附图3所示，在一个最大峰值左右一个码片周期范围内，相关值按特定比例下降，现有技术中的码分多址系统多径峰值搜索方法并未充分利用功率时延函数的这种峰值形状特性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的码分多址系统多径峰值搜索方法没有充分利用功率时延函数的扰码自相关特性及无法准确判断多径时延位置的缺陷，以提出一种码分多址系统多径峰值搜索方法，通过充分利用功率时延函数扰码自相关特性，准确地从功率时延函数中搜索出多径时延。

本发明的核心思想是：对功率时延函数按顺序逐点进行扫描，如果搜索到一个大于多径功率门限的峰值，则记录这个峰值的大小和位置，并从功率时延函数中去掉这个搜索范围内的局部峰值，以避免它对搜索的干扰，然后扫描指针后退几个采样点，继续扫描，直至扫描结束，若扫描记录的功率时延函数峰值数目大于限定搜索的多径数目M，则从扫描记录中选取M个较大的功率时延函数值，其对应的位置即为多径时延位置。

为实现上述目的，本发明所述的码分多址系统多径峰值搜索方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，根据公式 $\mathrm{PDP}\left(n\right)={\left|\right|\underset{k=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}R(k+n)*S^{*}\left(k\right)\left|\right|}^2,n=\mathrm{0,1,2},...,$ Klen-1由相关匹配模块计算功率时延函数PDP(n)，其中，R(k)为基带数字信号，S(k)为扰码序列，K为相关积分长度，上标“*”表示复数共扼，Klen为搜索窗长度；

第二步，多径确认模块初始化搜索窗长度Klen、多径能量门限Thsd、搜索指针kp、搜索指针调整幅度BSTP；

第三步，多径确认模块判断对应于搜索指针kp的功率时延函数PDP(kp)是否小于多径功率门限Thsd，如果是则跳到第八步，否则继续；

第四步，多径确认模块判断该功率时延函数PDP(kp)在已搜索范围内是否为峰值，如果不是峰值，则跳至第八步，否则继续；

第五步，多径确认模块记录该功率时延函数峰值PDP(kp)的数值及对应的位置kp；

第六步，多径确认模块从功率时延函数中减去当前峰值，则新的功率时延函数组成为PDP(kp+i)＝PDP(kp+i)-PDP(kp)×P(i)，其中，P(i)为理想峰值形状，与扰码自相关函数峰值形状成比例，i＝0，±1，...，±I，I为正整数，如果得到的功率时延函数中有负数，则把该负数用0代替；

第七步，多径确认模块调整搜索指针kp值，使kp＝kp-BSTP，如果得到的kp＜0，则把kp置为0，转至第三步。

第八步，多径确认模块调整搜索指针kp值，使kp＝kp+1；

第九步，多径确认模块判断搜索指针kp是否等于搜索窗长度Klen，如果是，继续，否则，跳到的三步；

第十步，多径确认模块限定允许搜索的多径数目M，如果这次扫描记录的功率时延函数峰值数目大于限定搜索的多径数目M，则按从大到小顺序从搜索到的多径功率时延函数峰值中选取M个值，这M个功率时延函数值对应的位置就是多径时延位置。

本发明所述的码分多址系统多径峰值搜索方法，克服了现有技术中存在的码分多址系统多径峰值搜索方法没有充分利用功率时延函数的扰码自相关特性，无法准确判断多径时延位置的缺陷，充分利用了扰码自相关峰值形状特性，并采用了类似干扰抵消的方法，大幅度降低了能量较强的多径对其它多径的干扰，使峰值搜索即能搜索出间隔小于一个码片周期的多径和容易被强径淹没的弱径，又能避免把同一条径判断成两条或更多条多径，明显提高了码分多址系统的多径峰值搜索性能。

附图说明

图1是多径搜索模块在接收系统中的位置结构图。

图2是多径搜索模块结构图。

图3是码分多址系统中一个扰码的自相关函数峰值特性图。

图4是本发明所述码分多址系统多径峰值搜索方法流程图。

图5是理想码分多址系统多径峰值形状图。

图6是应用本发明所述码分多址系统多径峰值搜索方法进行多径峰值搜索的示例图。

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接收空中无线射频信号，射频通道102把接受天线101接收的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，得到基带数字信号。接受系统中可以有多根天线并行接收，每根天线对应一个处理射频信号的射频通道，各个射频通道将得到的基带数字信号送往多径搜索模块103和瑞克接收机模块104。一般而言，瑞克接收机模块104对基带数字信号的采样速率比多径搜索模块103对基带数字信号的采样速率要高，多径搜索模块103用本地扰码对各个射频通道的信号进行不同时延的匹配相关积分，搜索出各路数据中的多径时延信息，瑞克接收机104根据各路数据的多径时延信息，对齐多径位置进行解扰解扩、信道估计补偿等，解出符号级数据供后续模块处理。

图2是多径搜索模块结构图，包含相关匹配模块201和多径确认模块202，R(k)是输入相关匹配模块201的基带数字信号，其采样周期为Ts，本地扰码序列为S(k)，则功率时延函数 $\mathrm{PDP}\left(n\right)={\left|\right|\underset{k=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}R(k+n)*S^{*}\left(k\right)\left|\right|}^2,$ 其中，K为相关积分长度，“*”表示复数共扼。多径确认模块202在功率时延函数PDP(n)中搜索出大于一定功率时延函数门限的函数值PDP(n_m)，则对应多径时延即为t_m＝n_m*Ts。

图3是WCDMA系统中一个扰码的自相关函函数峰值特性图，其中相邻小圆圈之间时延相隔为1/8码片周期Tc。因为在通信系统中，接收信号中的扰码是通过脉冲成形滤波的，而本地产生的扰码是没有经过脉冲成形的，其实部和虚部的取值为1或-1，所以，这里的自相关函数指的是通过脉冲成形滤波的接收信号中的扰码和未经过脉冲成形的本地扰码的自相关函数。图中相关函数最大值接近1，对应本地扰码和接信号中的扰码对齐的情况，如果时延错开1/4Tc，则相关系数降到0.88左右，如果时延错开1/2Tc，则相关系数降到0.58左右，同时，如果两条多径时延间隔小于两个码片，两者的能量也很可能相互重叠，重叠部分与峰值能量的关系如图所示。本发明所述码分多址系统多径峰值搜索方法利用了这种峰值形状特性，搜索到一个最大峰值后，从功率时延函数种减去这个峰值以及这个峰值重叠在周围采样点上的能量，以消除这个峰值对周围可能存在多径的影响。

图4是本发明所述码分多址系统多径峰值搜索方法流程图，包括以下步骤：

步骤401，根据公式 $\mathrm{PDP}\left(n\right)={\left|\right|\underset{k=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}R(k+n)*S^{*}\left(k\right)\left|\right|}^2,n=\mathrm{0,1,2},...,$ Klen-1计算功率时延函数PDP(n)，其中，R(k)为基地数字信号，S(k)为扰码序列，K为采样点数目，上标“*”表示复数共扼，Klen为搜索窗长度；

步骤402，初始化参数，多径峰值搜索过程需要对参数进行配置，有些参数是由系统设计决定的，比如采样周期Ts，以及和采样周期Ts相关的理想峰值形状P(i)，其中，i＝0，±1，...，±I，I为正整数，但理想峰值形状P(i)的大小也要根据理想峰值的形状特性来设，保证函数曲线P(i)的形状和理想峰值的形状接近一致。比如，对应于I＝1的三个采样点的峰值形状P(i)一般取值为P(-1)＝8/15，P(0)＝1，P(1)＝8/15，有些参数也可以在通信过程中动态变化，比如搜索窗长度Klen、多径功率门限Thsd等，此外，还要初始化搜索指针kp使kp＝0，以及根据采样周期Ts确定搜索指针调整幅度BSTP，搜索指针调整幅度BSTP的取值范围一般为I＜BSTP＜2I；

步骤403，判断对应于搜索指针kp的功率时延函数PDP(kp)是否小于多径功率门限Thsd，如果是则跳到第八步，否则继续；

步骤404，判断功率时延函数PDP(kp)是否在已搜索范围内为峰值，如果是峰值则继续，否则，跳至步骤408；

步骤405，记录该多径功率时延函数峰值PDP(kp)以及该峰值对应的位置kp；

步骤406，从功率时延函数PDP(n)中减去当前峰值，则新的功率时延函数组成为PDP(kp+i)＝PDP(kp+i)-PDP(kp)×P(i)，如果得到的结果PDP(kp+i)为负数，则把该PDP(kp+i)值置为0；其中P(i)与扰码自相关函数峰值形状成比例，为“理想峰值形状”，i＝0，±1，...，±I，I为正整数；

步骤407，调整搜索指针kp值，使kp＝kp-BSTP，如果kp＜0，则把kp置为0，跳到步骤403，该步骤中把搜索指针kp往回调整是为了搜索可能被当前多径淹没的弱径；

步骤408，调整搜索指针kp值，使kp＝kp+1；

步骤409，判断搜索指针kp是否等于搜索窗口长度Klen，如果是，表明扫描结束，转入步骤410，否则，表明扫描没有结束，跳至步骤403；

步骤410，根据瑞克接受机分支数目及需要排除的能量较小的多径的数量限定搜索允许的多径数目M，如果这次扫描记录的多径功率峰值数目大于限定搜索的多径数目M，则按从大到小顺序选取M个较大的功率时延函数值，这些功率时延函数值对应的位置就是多径时延位置，并把这些多径时延信息输出至后续模块。

图5是理想多径峰值形状图。该图对应每码片周期2个采样点时，本地扰码和接收信号扰码的自相关函数特性图中，一个峰值和相邻半个码片周期的两个函数值之间的相对位置。但理想峰值形状P(i)的大小就是根据该理想多径峰值形状来设定的，以保证函数曲线P(i)的形状和理想多径峰值的形状接近一致。

图6是应用本发明所述码分多址系统多径峰值搜索方法进行多径峰值搜索的示例图。其中，图6(a)是一个具体的功率时延函数PDP(n)的一部分，采样周期Ts为半个码片周期，即每码片周期2个采样点，假设有3条多径P1、P2、P3，其时延分别为4Ts、5Ts、7Ts，对应PDP(4)、PDP(5)和PDP(7)三个位置，多径功率门限Thsd如虚线601所示。如果按照现有技术中的第一种方法搜索多径峰值，则在图1(a)中只能把PDP(5)判断为有效峰值，所以只能找到多径P2；如果按照现有技术中的第二种方法搜索多径峰值，则在图1(a)中会把PDP(4)、PDP(5)、PDP(6)、PDP(7)和PDP(8)判断为有效峰值，所以除了能找到PDP(4)、PDP(5)和PDP(7)三条多径外，还把PDP(6)和PDP(8)这两个非多径也判断成有效多径，解调后大大增加了干扰噪声能量。如果采用本发明所述方法，搜索指针kp从0开始，当kp＝5时，把PDP(5)判断为有效峰值，从而搜索到多径P2，然后按图5的峰值形状减掉多径P2，减少对旁边多径的干扰，得到的功率时延函数PDP(n)如图6(b)所示；令搜索指针kp＝kp-BSTP，取BSTP＝2，从PDP(3)继续搜索，然后会把PDP(4)判断成有效峰值，从而搜索到多径P1，再按图5的峰值形状减掉多径P1，得到的功率时延函数PDP(n)如图6(c)所示；同样，令搜索指针kp＝kp-2，从PDP(2)继续搜索，会把PDP(7)判断成有效峰值，搜索到多径P3，再按图5的峰值形状减掉多径P3，得到结果如图6(d)所示，再令搜索指针kp＝kp-2，从PDP(5)开始继续搜索，直到把功率时延函数PDP(n)搜索完。可以看出，与现有技术中的多径峰值搜索方法相比，本发明所述码分多址系统多径峰值搜索方法漏掉多径或搜索出假径的概率大大减小了，多径峰值捕获概率得到提高，虚警概率得以下降，提高了码分多址系统的多径搜索性能。

Claims (3)

1.一种码分多址系统多径峰值搜索方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，根据公式 $\mathrm{PDP}\left(n\right)={\left|\right|\underset{k=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}R(k+n)*S^{*}\left(k\right)\left|\right|}^2,n=\mathrm{0,1,2}...,$ Klen-1由相关匹配模块计算功率时延函数PDP(n)，其中，R(k)为基带数字信号，S(k)为扰码序列，K为相关积分长度，上标“*”表示复数共扼，Klen为搜索窗长度；

第二步，多径确认模块初始化搜索窗长度Klen、多径能量门限Thsd、搜索指针kp、搜索指针调整幅度BSTP；

第三步，多径确认模块判断对应于搜索指针kp的功率时延函数PDP(kp)是否小于多径功率门限Thsd，如果是则跳到第八步，否则继续；

第四步，多径确认模块判断该功率时延函数PDP(kp)在已搜索范围内是否为峰值，如果不是，则跳转到第八步，否则继续；

第五步，多径确认模块记录该功率时延函数峰值PDP(kp)的数值及对应的位置kp；

第六步，多径确认模块从原功率时延函数PDP(kp)中减去当前峰值，则新的功率时延函数组成为PDP(kp+i)＝PDP(kp+i)-PDP(kp)×P(i)，其中P(i)为理想峰值形状，i＝0，±1，…，±I，I为正整数，如果得到的新的功率时延函数组合中有负数，则把该负数用0代替；

第七步，多径确认模块调整搜索指针kp值，使kp＝kp-BSTP，如果得到的kp＜0，则把kp置为0，跳到第三步；

第八步，多径确认模块调整搜索指针kp值，使kp＝kp+1；

第九步，多径确认模块判断搜索指针kp是否等于搜索窗长度Klen，如果是，继续，否则，跳到的三步；

第十步，多径确认模块限定允许搜索的多径数目M，如果这次扫描记录的功率时延函数峰值数目大于限定搜索的多径数目M，则按从大到小顺序从多径功率时延函数峰值中选取M个值，这些功率时延函数较大值对应的位置就是多径时延位置。

2.根据权利要求1所述的码分多址系统多径峰值搜索方法，其特征在于，所述第二步中的搜索指针调整幅度BSTP的取值范围为I＜BSTP＜2I，其中，I为正整数。

3.根据权利要求1所述的码分多址系统多径峰值搜索方法，其特征在于，所述第六步中的理想峰值形状P(i)的大小要根据理想峰值的形状特性来设，保证函数曲线P(i)的形状和理想峰值的形状接近一致。

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