CN1307413A - 码分多址通信系统多径搜索的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种码分多址通信系统多径搜索的方法与装置,主要利用一种可以变化的自适应门限技术,其方法采用多路滑动相关器进行本地PN码地址与输入信号作相关运算,经过相关运算后的相关值输出到一多径搜索控制器进行搜索。本发明无需存储各个相位的能量分布,选取最大值,节省了硬件的开销,可以比较准确的得到当前的多径位置,特别是与多路滑动相关器结合,不但减少了硬件系统实现的资源,而且能够迅速找到多径。

Description

码分多址通信系统多径搜索的方法与装置

本发明涉及码分多址(CDMA)移动通信系统，更具体地说，是指一种码分多址通信系统多径搜索的方法与装置。

陆地移动通信信道中的主要是多径传播，其中，多径搜索模块的功能是完成对系统中可识别(一般在距离一个码片以外)多径成分的确认和报告，并提供给接收合并。由于移动信道中衰落和反射等复杂情况的存在，多径的幅度和位置经常剧烈变化，因此多径搜索需要经常反复地更新和修改接收合并的多径成分。多径搜索成为移动通信中的一个关键方法。在码分多址(CDMA)扩频通信中，现有的多径搜索方法主要有两种：匹配滤波法与滑动相关法。匹配滤波方法主要是通过将本地码字作为滤波器系数，对接收信号进行滤波，由匹配滤波器输出的最大峰值位置，确定输入信号的几个较大峰值相位，即得到多径成分的位置；而滑动相关方法是滑动本地码字相位，同时与接收信号做相关运算，利用门限或其他方法从相关值中搜索最大的几个相关值和它们的码字相位，从而确定多径成分的位置。

由于多径搜索的实时性要求是比较高的，一方面，要求在较短的时间内给出多径搜索的结果，以便更新当前的合并多径；另一方面，又要求能有使用简单且硬件资源消耗少的方法，尽可能的有利于硬件实现。事实上，匹配滤波的方法速度较快，能够与输入信号同步地给出当前各个码字相位的能量分布，但是需要消耗很多的硬件资源；而滑动相关的方法的速度较慢，其速度的快慢主要取决于相关器的相关长度。但是，无论是匹配滤波法，还是滑动相关法，都涉及到最后判决时是采用判决门限还是用最大值的方法，采用判决门限可以减少能量值存储器，但是往往不能找到准确的多径，受到门限选取的限制。而最大值方法相当于最大似然法，能够比较准确的找到多径，但是需要存储搜索窗内的所有能量分布，比较消耗资源。同时由于必须等到所有的能量分布全部得到以后才能进行多径搜索，也降低了搜索的速度，若和滑动相关法结合起来，其速度就更慢了。

为此，本发明的目的是针对上述问题，提出一种码分多址通信系统多径搜索的方法与装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的方法采用多路滑动相关器进行本地PN码地址与输入信号作相关运算，经过相关运算后的相关值输出到一多径搜索控制器进行搜索；同时，利用多路相关结果，除去多路相关值中的最大值，对其余相关值求平均，得到较准确的噪声估计值作为参考噪声输入到多径搜索控制器进行多径搜索。

本发明的装置主要包括数个地址产生器、与数个地址产生器相应数量的相关器、一噪声估计器、一多径搜索控制器，每一地址产生器用来产生本地PN码的地址并输出至多径搜索控制器和相对应的相关器；每一相关器用来作本地PN码与输入信号的作复乘相关运算、并均输出相关值到多径搜索控制器与噪声估计器；噪声估计器用来估计噪声，输出估计噪声值到多径搜索控制器，各多径地址与各多径锁定标志也输入至多径搜索控制器；多径搜索控制器用来进行搜索多径，判断搜索窗中心位置后再反馈输出给各地址产生器，同时将搜索的多径信息结果输出到多径跟踪器。

与现有技术相比，本发明多径搜索的方法与装置是利用一种可以变化的自适应门限技术，一方面无需存储各个相位的能量分布，选取最大值，节省了硬件的开销，加快了搜索的时间，另一方面，由于采用了一种变化的门限技术，在干扰和衰落并存的移动通信中，可以比较准确的得到当前的多径位置，不失为一种快速灵活的搜索策略。特别是与多路滑动相关器结合，不但减少了硬件系统实现的资源，而且能够迅速找到多径。

下面结合附图和实施例，对本发明的方法和装置作进一步地详细说明：

图1为本发明的多径搜索装置原理示意框图。

图2为本发明装置中地址产生器原理示意框图。

图3为本发明装置中相关器原理示意框图。

图4为本发明装置中多径搜索控制器所固化的搜索流程示意图。

图5为搜索窗位置滑动示意图。

考虑到匹配滤波法大量消耗硬件资源，最大值法搜索法速度较慢且固定的门限方法不准确的缺点，本发明采用了多路滑动相关法与自适应门限相结合的多径搜索方法和装置。

该搜索方法采用多路滑动相关器进行本地PN码地址与输入信号作相关运算，经过相关运算后的相关值输出到一多径搜索控制器进行搜索；同时，利用多路(N路)相关结果，除去多路相关值中的最大值，对其余相关值求平均，得到较准确的噪声估计值作为参考噪声输入到多径搜索控制器进行多径搜索。

在所述的多径搜索控制器的多径搜索中，先对输入的参考噪声作滤波，以得到用于确定门限的自适应噪声基准；再设定步进门限系数，利用步进门限系数与自适应噪声基准相乘作为门限值；然后将多路滑动相关器输入的相关值与门限值做比较，如果该相关值大于门限，则该相关值所对应的PN码地址是要找的多径。

这里，所述的步进门限系数是指一系列门限系数，它由一个最高的门限系数、一个最低门限系数与步进参数所确定。

所述的步进门限系数与自适应噪声基准遵循以下步骤确定多径门限：首先，以自适应噪声基准乘以最高门限系数作为起始门限；再将多路滑动相关器所输出的超过起始门限的几个最大相关值选出作为侯选径，如果搜索出全部径数，则停止搜索；若未搜索全径数，则用起始门限乘以步进参数，降低门限继续搜索；如果仍未搜索全径数，则由上次确定的门限乘以步进参数，降低门限继续搜索，但门限始终不能低于最低门限系数；依此。重复进行搜索，直到搜索出全部径数。

在搜索过程中，不断测试跟踪反馈的PN码地址锁定标志，如某径锁定，则可以确认该径就是所找的径；若当某径出现返回失锁标志时，则从该径重新搜索。

假设我们做6径的多径搜索，首先，以自适应噪声基准乘以最高门限系数作为起始门限，将多路滑动相关器输出的超过该门限的几个最大相关值选出作为侯选径，如果找到的侯选径个数大于等于6径，则选出其中前6径，如果找到的侯选径个数小于6径，保留这几个侯选径的信息。如果在搜索窗内搜索一周仍未发现任何径，则用起始门限乘以步进参数，降低门限继续搜索。如果这样仍未找全6径，则由上次确定的门限乘以步进参数，降低门限继续搜索。但门限始终不能低于最低门限系数。就这样不断搜索，直到找全部6径。在搜索过程中，不断测试跟踪器反馈的PN码锁定标志，如某径锁定，则可以确认该径就是所找的径。当跟踪模块返回失锁标志时，该径将重新搜索。

另外，搜索窗的滑动中，搜索窗是这样确定的，首先，在以主径捕获的PN码相位为中心的搜索窗内搜索多径，其搜索窗的长度可以作为参数设置。搜索到6径以后，为了防止由于基站与移动台相对运动导致PN码漂移出该搜索窗外，搜索窗将不再以主径捕获的PN码相位为中心，而是根据窗内6个最强径的中心位置作为搜索窗的中心。如果在多径搜索控制器中的门限已经降到最低仍不能搜索到6径，那么，搜索窗的中心就以找到的这几径的中心位置为中心。这样就确保了搜索窗的始终有效性。

请参阅图1所示，依照本发明的方法，本发明的装置主要包括数个地址产生器、与数个地址产生器相应数量的相关器、一噪声估计器、一多径搜索控制器，每一地址产生器用来产生本地PN码的地址并输出至多径搜索控制器和相对应的相关器；每一相关器用来作本地PN码与输入信号的作复乘相关运算、并均输出相关值到多径搜索控制器与噪声估计器；噪声估计器用来估计噪声，输出估计噪声值到多径搜索控制器，各多径地址与各多径锁定标志也输入至多径搜索控制器；多径搜索控制器用来进行搜索多径，判断搜索窗中心位置后再反馈输出给各地址产生器，同时将搜索的多径信息结果输出到多径跟踪器(该图中未示意出)。多径跟踪器的输出又反馈到多径搜索器的多径地址与多径锁定标志。

请再配合参阅图2、图3所示，

由于本地PN码是存于ROM中的，所述的地址产生器产生用于与接收数据作相关运算的本地PN码的ROM地址，地址产生器包括常数基准单元、递增计数器单元、加法运算单元，常数基准单元、递增计数器单元以及参考地址均输入到加法运算单元。地址产生器的地址产生是以一个递增计数器为核心的。  图1中有四个地址产生器，它们的区别在于这四个地址产生器的常数基准不同。为了保证四路相关器并行相关，减少搜索时间，所以，本地PN码相位必须不同。四个常数基准可以设置为均匀递增的，例如可以分别为0、0.25、0.5、0.75。这样，由这四路地址产生器控制的本地PN码的相位是以1.0递增。参考地址输入就是由多径搜索控制器送出的搜索窗中心位置，它的功能将在多径搜索控制器中介绍。

递增计数器是为了使PN码ROM连续输出PN码相位，计数器的参数是这样设置的，最小值为0，最大值为Search Window(Search Window为多径搜索窗的码片数)，步进值为0.25。然后将其输出与各自的常数基准和参考地址相加，就为PN码ROM提供了相位差为0.25的连续四路地址。

所述的相关器用于接收数据与本地码作相关运算，以产生相位同步时的相关峰，相关器包括本地PN码ROM单元、复乘器单元、二个相干累加单元、平方和单元、非相干累加单元，地址输入通过本地PN码ROM单元后与输入信号I、Q均输入至复乘器单元，复乘器单元的两路输出分别输入至相干累加单元，两个相干累加单元的输出信号均输入至平方和单元、平方和单元的输出接至非相干累加单元。

图1中，四路相关器的输出均接至噪声估计器，所述的噪声估计器用来估计噪声，它从数个相关器中的相关值中除去一个最大值后将其余的相关器中的相关值求出平均后输入至多径搜索控制器。

噪声估计器的工作过程是，四路相关器的相关值中最多只有一个是信号的相关值，将四路相关器中的相关值除去一个最大值，其余三个相关值作平均得到噪声估计值，先求出输入的四个相关值中的最大值，然后除去该最大值，对剩下的三个相关值求平均，得到噪声的估计值，最后将这个噪声估计值送入多径搜索控制器的参考噪声输入端。

多径搜索控制器是整个搜索装置的核心，所述的多径搜索控制器的输入信号分别是数个相关器的相关数据以及它们对应的地址、多径地址与多径锁定标志、噪声估计器的噪声估计值，而多径搜索控制器输出信号则是搜索窗中心位置与数径的地址。

请结合图4所示，流程图中涉及的参数说明如下：

Mpath_Lock_ID为主径捕获标志。

SweepState＝i表示处于搜索第i的状态。

MaxTHD为门限系数的最大值。

MinTHD为门限系数的最小值。

THD为当前的门限系数。

Windowchip为多径搜索窗的长度。

Counter为记录在搜索窗中搜索一周的重置标志。

Dec为门限的递减系数。

所述的多径搜索控制器内固化有多径搜索程序为：

a，初始化，设置初始化门限系数为最大值；

b，输入各路相关器输入的数据与每组数据对应的PN码相位，求出各路相关值中的最大值，并保存该最大值对应的PN码相位；

c，对噪声估计器输入的估计噪声做滤波，得到一个自适应噪声值，并将求得的噪声值乘以门限系数，获得多径搜索的自适应捕获门限值；

d，判断各路相关值中的最大值是否大于捕获门限，如果大于捕获门限，则判断该最大值对应的PN码地址是否与搜索到的PN码地址重合，如果重合，返回第二步继续搜索多径，如果不重合，则将该径地址作为搜索到的一径地址，返回第二步继续搜索下一径。

e，如果最大值不大于捕获门限，则判断搜索窗是否已经出界，如果没有出界，则返回第二步继续搜索多径，如果出界，则降低门限使当前的门限系数与门限的递减系数相乘，同时判断当前的门限系数是否小于门限系数的最小值，如果小于，则令当前的门限系数为门限系数的最大值，并输出已搜索到的径的中心位置，如果不小于，则返回第二步继续搜索多径。

f，如此重复搜索，直到搜索完全部径数，在搜索过程中，不断测试跟踪器反馈的PN码锁定标志，如某径锁定，则可以确认该径就是所找的径，当跟踪模块返回失锁标志时，该径将重新搜索。

为了获得本地产生的PN码与未知相位的相同PN码接收信号的同步，所以，首先用本地PN码与接收信号做相关运算，所采用的相关运算为多路(N路)部分相关的方法。所谓多路部分相关的方法，是指采用多路相关器，这多路相关器分别对应的本地PN码的相位是递增的，这样，就能够使多径搜索的速度提高到单路相关器的N倍，大大地缩短了搜索时间。而限于本地PN码序列周期较长，考虑到实时性，这种相关运算只可能是部分相关，即相关运算的长度远小于本地PN码序列的周期。做完相关运算后，输出的相关值送入多径搜索控制器。为了便于说明问题，我们仍假设相关器为4路，要搜索的多径数为6径。

由于一般都采用m序列作PN码，m序列的特性类似于伪随机噪声，所以本地PN码与接收信号只有在相位对齐时才有最大值相关值，在其它相位处相关值基本为0，见公式1-4的推导。但是，由于信道衰落与信道噪声，以及码元不能对齐等原因，即使在相位没有对齐时，接收信号与本地PN码仍可能有较大的相关值。这样，就很容易造成虚警。所以，我们采用了以下的解决方案。

设发射的导频表示为：

                    PN_i+iPN_q                 (1)接收的导频为：

                   (PN_i+iPN_q)ae^j(t)：      (2)接收的导频与本地的PN序列相乘得到：

设R(τ)为PN序列的自相关函数，因为I，Q序列是不相关的，对上式积分得到：

                             2R(τ)ae^j(t)    (4)

当收发的PN序列完全对齐时，R(τ)＝1，上式达到最大，出现相关峰。

其实，多径搜索器从主径捕获后开始工作的，将相关器1～4的输出与多径门限进行比较。这种比较是以噪声估计器估计出的噪声与步进门限系数共同确定的门限为基准的。所谓步进门限系数，是一系列门限系数，由一个最高的门限系数、一个最低门限系数与步进参数确定。第一步，以自适应噪声值乘以最高门限系数作为最高门限开始，将主相关器输出的超过该门限的几个最大值选出作为侯选径，如果找到的侯选径个数大于等于6径，则选出其中前6径，如果找到的侯选径个数小于6径，保留这几个侯选径的信息，然后，按照步进参数降低门限继续搜索。如果在搜索窗内搜索一周仍未发现任何径，继续降低门限搜索，但不能低于最低门限。就这样不断搜索，直到找全部6径。在搜索过程中，不断测试跟踪器反馈的PN码锁定标志，如某径锁定，则可以确认该径就是所找的径。当跟踪模块返回失锁标志时，该径将重新搜索。

搜索窗是这样确定的，首先，在以主径捕获的PN码相位为中心的搜索窗内搜索多径，其搜索窗的长度可以作为参数设置。搜索到6径以后，为了防止由于基站与移动台相对运动导致PN码漂移出该搜索窗外，搜索窗将不再以主径捕获的PN码相位为中心，而是根据窗内6个最强径的中心位置作为搜索窗的中心。如果在多径搜索控制器中的门限已经降到最低仍不能搜索到6径，那么，搜索窗的中心就以找到的这几径的中心位置为中心。这样就确保了搜索窗的始终有效性。确定了搜索窗的中心后，就向地址产生器模块送参考地址。参考地址的值为(多径搜索窗中心位置-多径搜索窗宽度)/2。

如图5所示，由于基站与移动台的相对运动，搜索窗的中心由c2的位置移动到了c1的位置。这两个中心都是由六个最强径的中心位置确定。

假设我们做6径的多径搜索，首先，以自适应噪声基准乘以最高门限系数作为起始门限，将多路滑动相关器输出的超过该门限的几个最大相关值选出作为侯选径，如果找到的侯选径个数大于等于6径，则选出其中前6径，如果找到的侯选径个数小于6径，保留这几个侯选径的信息。如果在搜索窗内搜索一周仍未发现任何径，则用起始门限乘以步进参数，降低门限继续搜索。如果这样仍未找全6径，则由上次确定的门限乘以步进参数，降低门限继续搜索。但门限始终不能低于最低门限系数。就这样不断搜索，直到找全部6径。在搜索过程中，不断测试跟踪器反馈的PN码锁定标志，如某径锁定，则可以确认该径就是所找的径。当跟踪模块返回失锁标志时，该径将重新搜索。

Claims (11)

1、一种码分多址通信系统多径搜索的方法，其特征在于：该方法采用多路滑动相关器进行本地PN码地址与输入信号作相关运算，经过相关运算后的相关值输出到一多径搜索控制器进行搜索；同时，利用多路相关结果，除去多路相关值中的最大值，对其余相关值求平均，得到较准确的噪声估计值作为参考噪声输入到多径搜索控制器进行多径搜索。

2、如权利要求1所述的码分多址通信系统多径搜索的方法，其特征在于：在所述的多径搜索控制器的多径搜索中，先对输入的参考噪声作滤波，以得到用于确定门限的自适应噪声基准；再设定步进门限系数，利用步进门限系数与自适应噪声基准相乘作为门限值；然后将多路滑动相关器输入的相关值与门限值做比较，如果该相关值大于门限，则该相关值所对应的PN码地址是要找的多径。

3、如权利要求2所述的码分多址通信系统多径搜索的方法，其特征在于：所述的步进门限系数是指一系列门限系数，它由一个最高的门限系数、一个最低门限系数与步进参数所确定。

4、如权利要求2或3所述的码分多址通信系统多径搜索的方法，其特征在于，所述的步进门限系数与自适应噪声基准遵循以下步骤确定多径门限：

首先，以自适应噪声基准乘以最高门限系数作为起始门限；

再将多路滑动相关器所输出的超过起始门限的几个最大相关值选出作为侯选径，如果搜索出全部径数，则停止搜索；若未搜索全径数，则用起始门限乘以步进参数，降低门限继续搜索；如果仍未搜索全径数，则由上次确定的门限乘以步进参数，降低门限继续搜索，但门限始终不能低于最低门限系数；

依此，重复进行搜索，直到搜索出全部径数。

5、如权利要求4所述的码分多址通信系统多径搜索的方法，其特征在于，在搜索过程中，不断测试跟踪反馈的PN码地址锁定标志，如某径锁定，则可以确认该径就是所找的径；若当某径出现返回失锁标志时，则从该径重新搜索。

6、一种码分多址通信系统多径搜索的装置，其特征在于：该装置主要包括数个地址产生器、与数个地址产生器相应数量的相关器、一噪声估计器、一多径搜索控制器，每一地址产生器用来产生本地PN码的地址并输出至多径搜索控制器和相对应的相关器；每一相关器用来作本地PN码与输入信号的作复乘相关运算、并均输出相关值到多径搜索控制器与噪声估计器；噪声估计器用来估计噪声，输出估计噪声值到多径搜索控制器，各多径地址与各多径锁定标志也输入至多径搜索控制器；多径搜索控制器用来进行搜索多径，判断搜索窗中心位置后再反馈输出给各地址产生器，同时将搜索的多径信息结果输出到多径跟踪器。

7、如权利要求6所述的码分多址通信系统多径搜索的装置，其特征在于：所述的地址产生器产生用于与接收数据作相关运算的本地PN码的ROM地址，地址产生器包括常数基准单元、递增计数器单元、加法运算单元，常数基准单元、递增计数器单元以及参考地址均输入到加法运算单元。

8、如权利要求6所述的码分多址通信系统多径搜索的装置，其特征在于：所述的相关器用于接收数据与本地码作相关运算，以产生相位同步时的相关峰，相关器包括本地PN码ROM单元、复乘器单元、二个相干累加单元、平方和单元、非相干累加单元，地址输入通过本地PN码ROM单元后与输入信号I、Q均输入至复乘器单元，复乘器单元的两路输出分别输入至相干累加单元，两个相干累加单元的输出信号均输入至平方和单元、平方和单元的输出接至非相干累加单元。

9、如权利要求6所述的码分多址通信系统多径搜索的装置，其特征在于：所述的噪声估计器用来估计噪声，它从数个相关器中的相关值中除去一个最大值后将其余的相关器中的相关值求出平均后输入至多径搜索控制器。

10、如权利要求6所述的码分多址通信系统多径搜索的装置，其特征在于：所述的多径搜索控制器的输入信号分别是数个相关器的相关数据以及它们对应的地址、多径地址与多径锁定标志、噪声估计器的噪声估计值，而多径搜索控制器输出信号则是搜索窗中心位置与数径的地址。

11、如权利要求10所述的码分多址通信系统多径搜索的装置，其特征在于，所述的多径搜索控制器内固化有多径搜索程序，该搜索程序为：

a，初始化，设置初始化门限系数为最大值；

b，输入各路相关器输入的数据与每组数据对应的PN码相位，求出各路相关值中的最大值，并保存该最大值对应的PN码相位；

c，对噪声估计器输入的估计噪声做滤波，得到一个自适应噪声值，并将求得的噪声值乘以门限系数，获得多径搜索的自适应捕获门限值；

d，判断各路相关值中的最大值是否大于捕获门限，如果大于捕获门限，则判断该最大值对应的PN码地址是否与搜索到的PN码地址重合，如果重合，返回第二步继续搜索多径，如果不重合，则将该径地址作为搜索到的一径地址，返回第二步继续搜索下一径。

e，如果最大值不大于捕获门限，则判断搜索窗是否已经出界，如果没有出界，则返回第二步继续搜索多径，如果出界，则降低门限使当前的门限系数与门限的递减系数相乘，同时判断当前的门限系数是否小于门限系数的最小值，如果小于，则令当前的门限系数为门限系数的最大值，并输出已搜索到的径的中心位置，如果不小于，则返回第二步继续搜索多径。

f，如此重复搜索，直到搜索完全部径数，在搜索过程中，不断测试跟踪器反馈的PN码锁定标志，如某径锁定，则可以确认该径就是所找的径，当跟踪模块返回失锁标志时，该径将重新搜索。

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