CN1329410A - 码分多址通信系统中的小区搜索方法 - Google Patents

Abstract

一种码分多址(CDMA)无线通信方式中的小区搜索方法,包括输入信号匹配滤波和A/D转换;采用滑动相关器并在滑动运算中采用串并结合的方法;采用平方和和多周期累加的方法抑制噪声干扰,在多周期累加中应用求平均值的方法;求最大相关峰值单元;同步判决;采用比较法进行同步峰值的提取,同时辅以门限法求最大前N个相关峰值单元;对最大前N个相关峰值单元排序;将排好序的信息打包后传递给MCU(维护控制部件)。

Description

码分多址通信系统中的小区搜索方法

本发明涉及通信技术领域的多路复用通信系统，尤其涉及用于码分多址(Code Division Multiple Access，以下简称CDMA)无线通信方式中的小区搜索方法。

CDMA通信系统的基站利用导频PN序列(伪随机序列)的时间偏置来标识每个前向CDMA信道，PN导频序列在前向信道上是不停发射的，它用于使所有在基站覆盖区中工作的移动台进行同步和切换。小区搜索通过搜索各基站发出的导频信号，识别出自身所能稳定接收的基站信号，并根据导频信号的强弱分出当前的首选基站和次选基站，以确定进行通信的最佳的基地台。小区搜索完成了基带接收单元的初始同步，也是正确解扩的第一步。

由于CDMA系统的频率复用系数为‘1’，即相邻小区可以使用相同的频率，所以频率规划简单，在某种程度上相当于相邻小区导频PN序列可以重复使用相同的时间偏置。导频信道用偏置指数(0～511)来区别。偏置指数是指相对于0偏置的导频PN序列的偏置值。对每一个PN导频序列，它的偏置值只能是0～511中的一个。

小区搜索的方法有多种，中国专利ZL98123232公开了一种利用搜索窗进行小区搜索的方法，它将搜索窗分为多个，采用多相关器并行处理的方法进行相关检测，并设置了非动作时间。

本发明的目的在于提出一种新的高速小区搜索方法，使得在CDMA通信系统中进行小区搜索时，在比较恶劣的通信环境下，利用尽可能少的硬件资源，有效抑制噪声干扰，最大限度的快速搜索到能进行通信的最佳的基站。

本发明的一种CDMA(码分多址)通信系统中的小区搜索方法，包括以下步骤：

①输入信号匹配滤波和A/D转换；

②相关运算采用滑动相关器并包括以下步骤：

    A.每接收到一个码片都对接收到的PN序列逐位顺序移位；

    B.将移位后要进行相关运算的N个PN序列数据分为n组，每组m

个值，分别对每组的m个数据做并行相关运算；

    C.将这n组所得的值相加再除以相关器长度N，得到相关运算后I

路和Q路的值。

③PN导频序列(伪随机序列)多周期累加运算包括以下步骤：

    A.取相关器输出值且码片值加1；

    B.判断已累加的周期数是否小于k个(501)，k取值范围是3到

10个；

    C.如果步骤B判断已累加的周期数小于k个，就对相对位置相同

的值直接进行累加(502)；

    D.求出该相对位置上的均值(503)；

    E.如果步骤B判断已累加的周期数不小于k个，将该时刻的相关

值加上相对位置相同的均值的k-1倍(504)；

     F.对k个周期取均值(*505)。

④用比较法求最大相关峰值单元；

⑤结合统计法进行同步判决；

⑥根据步骤③和④的结果用比较法结合门限法求最大前N个相关峰值单元；

⑦对最大前N个相关峰值单元排序；

⑧将排好序的信息打包后传递给MCU(维护控制部件)。

由于本发明的小区搜索装置，在滑动相关器中进行相关检测时，采用了串并结合的方法，所以对时钟的要求不很高，又不需要占用很大的硬件资源空间。由于采取了平方和和多周期累加的方法来抑制噪声干扰，在多周期累加的时候，采取求平均值的方法，节省了大量的存储器资源，并能有效的提高抑制噪声的性能。由于在本发明中采用了比较法进行同步峰值的提取，同时辅以一部分采取门限法的方法，本发明可以方便于硬件实现并大大的节省在硬件实现时所占用的资源。

下面结合附图对本发明的最佳实施例作进一步详细说明：

图1是小区搜索装置的结构示意图；

图2是一般的相关运算的装置示意图；

图3是滑动相关器算法流程图；

图4是在相关时采取串并结合方法的流程图；

图5是PN导频序列多周期累加的算法流程图；

图6是比较法求最大相关峰值算法流程图；

图7是门限法求最大的前n个相关峰值算法流程图；

图8是对最大相关峰值进行同步判决流程图。

图1给出了移动台小区搜索装置的结构示意图。首先，基站(图中未示出)发出的信号经过信道10、匹配滤波器20和A/D变换单元30后，得到以两倍速率采样所得的基带I、Q路信号；然后将该基带I、Q路信号送入滑动相关器40中进行相关运算，再将相关的结果输入到一个PN导频序列的多周期累加器50，累加的结果送给一个比较法求最大相关峰值的单元60，去求出每个导频序列周期内的峰值，然后在同步判决单元70中判决相关能量为最大值的PN导频序列是否是和基站获得了同步，并将最大相关峰值的位置和大小与存储的多周期累加出来的结果去求一个PN导频序列周期内的最大的前n个相关峰值80，接着再对这n个相关峰值利用冒泡算法进行排序90，最后，我们就可以将这排好序的n条径的相关运算后的信息打包后传递给MCU(维护控制部件)用于软切换时使用。

设本地PN序列I路和Q路数据分别为I_local(k)402和Q_local(k)403，接收到的PN序列I路和Q路数据为I_re(k)400和Q_re(k)401，则相关运算的表示式如下： $I_{\mathrm{cor}}=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(I_{\mathrm{local}}\left(k\right)\×I_{\mathrm{re}}\left(k\right))+\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(Q_{\mathrm{local}}\left(k\right)\×Q_{\mathrm{re}}\left(k\right))$ $Q_{\mathrm{cor}}=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(I_{\mathrm{local}}\left(k\right)\×Q_{\mathrm{re}}\left(k\right))-\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(Q_{\mathrm{local}}\left(k\right)\×I_{\mathrm{re}}\left(k\right))$ 这时就可得到I路和Q路数据经相关运算后的值I_cor和Q_cor。一般相关运算的装置示意图如图2所示。

本发明采用滑动相关法，滑动相关器算法流程图如图3所示，其基本思想是：取本地PN序列中长度为N(N的取值范围为64～1024)的一段数据作为复相关器的一路数据保持不动，然后每接收一个PN码片，就逐位滑动接收到的PN序列，将滑动后的PN序列和本地保持不动的PN序列做相关运算，相关器长度也取为N，最后再将相关后的I路数据和Q路数据求平方和就得到滑动相关器的输出。

在PN导频序列的一个周期内有32768个码片，必须对所有码片进行相关运算，当复相关器的长度为n时，n一般为16的倍数，如果采用串行处理的方法，虽然占用的硬件资源很少，但CDMA2000通信系统的码片速率为1.2288Mbits/s，要求每接收一个码片至少必须完成N次乘法运算，则装置时钟频率至少为n×1.2288MHz，频率要求极高；相反如果采用并行处理方法，虽然对时钟要求不很高，但要同时对n个码片做相关运算，又需占用很大硬件资源空间。本发明采用串并结合的方法进行相关检测，对硬件资源和时钟的要求采取折衷的办法，这种方法既节省了所占用的硬件资源，又降低了对本地时钟的要求。

用串并结合实现的相关器算法的流程图如图4所示。在每接收到一个PN码片之后(如步骤407)，先对接收到的PN序列逐位顺序移位(如步骤408)，然后将移位后要进行相关运算的N个序列数据分为n组，每组m个值(如步骤412)，再分别对每组的m个数据做并行相关运算(如步骤413)，最后将n组所得的值相加再除以相关器长度N得到相关运算后I路和Q路的值(如步骤414)，即对n组数据做了串行处理，对每组数据中的m个数据做了并行处理。

在得到经相关运算的I路和Q路值后，为了增强抗噪处理，通常采用I、Q两路平方相加的方法，这种方法已归到相关器算法中去了(如图4中步骤410)。在实际中，仅仅采用这种方法来增强抗噪能力是远远不够的。根据通信理论，采用多周期累加法可以降低随机噪声的干扰，在累加周期数达到一定量时，效果比较明显。直接对各个周期的每个码片进行累加，需要存储多个周期的码片数，占用很大的存储器资源，这在硬件实现上是不可取的。本发明不对各个周期直接累加，而采取平方和和一种新的多周期累加算法相结合的方法，相关输出的值经过一个PN导频序列多周期累加器后再去求每周期的峰值，这样可以使累加峰值更加明显，并节省大量的硬件资源，有效的提高抑制噪声的性能。

一般在采用k周期峰值累加算法的时候(k是大于2的整数)，最常用的方法是将滑动相关器的k个周期的输出分别延时0～k-1个周期时值后再直接相加。这样，当累加到第k＋1个周期的时候，就需要存储第2～k＋1个周期内的每个点的相关值。在CDMA2000通信系统中，导频PN序列的每个周期包含32768个码片，并且经2倍速率采样后，每个周期内需要处理的码片数就为2*32768个，这就需要存储k*2*32768个点，这对存储器的要求是极其巨大的。本发明就上述累加算法的缺点提出一种新的多周期累加算法，基本思想是利用前k个周期的均值乘以k-1然后加该时刻的相关值得到该时刻的累加值。这样在累加性能并不降低的前提下将需要存储的点减少为一个周期内的码片数，大大减少了所需存储器资源。

本发明中所采用的PN导频序列多周期累加的算法流程图如图5所示。首先判断已经进行累加的周期数是否小于k个(如步骤501)，k取值范围是3到10个，如果小于k个就直接对每周期内码片的相对位置相同的点的值进行累加(如步骤502)，然后求出多个周期内该相对位置上的相关值均值(如步骤503)。反之，则将该时刻的相关值(也即是在该时刻对接收到的N个码片求相关所得的值)加上相对位置相同的点的均值的k-1倍(如步骤504)，最后再对k个周期取均值(如步骤505)。

在经过相关累加输出后，就要进行同步峰值的提取，传统的方法是门限法，由于信噪比不同会造成相关器输出峰值的大小起伏变化，所以要求门限能随信噪比的变化而改变，否则门限不能起到应有的作用，也就是说要将门限设计成自适应门限。而设计自适应门限要使用测量信噪比或相关信息的算法，由于移动通信环境是随时随地变化的，很难找到合适的门限算法，而且实现起来麻烦且会增加硬件开销，所以本发明针对此点提出一种比较法辅以门限法提取同步峰值的方法，采用比较法得到最大相关峰值60，而用门限法得到除最强径之外能搜索到的其他径相关的峰值80。

因为在相关输出的每一个周期内，有且只有一个最大值，所以我们采用比较法得到每个周期内的最大值。比较法得到最大值的算法流程如图6所示。在每个周期开始时，置最大值为“0”(如步骤600)。每接收一个码片(如步骤601)经过相关输出后的值都与最大值进行比较，如果大于最大值就更新最大值(如步骤602)，反之则最大值保持不变，直至一个周期结束，得到这个周期内的最大相关峰值。

在门限法中我们采用每个周期内的最大相关峰值作为初始门限，然后根据超过门限的值的个数来调整门限和步长，直至得到我们所需要的n个峰值。用门限法得到最大的前n个峰值的流程如图7所示，其具体步骤是：在每个周期内用比较法得到该周期内的最大相关峰值(60)，将该最大相关峰值减半作为初始门限(如步骤800)。将该门限与该周期内的每个点相比较(如步骤801)，如果门限以上的点的个数小于n个(n的取值范围为10到100)，说明该门限仍高于我们所要求的门限，则将该门限再次减半以获得一个新的门限，并将新门限再次与该周期内的每个点相比较，如此循环下去，直至门限以上的点的个数大于或等于n个。如果此时门限以上的点的个数正好等于n个(如步骤805)，说明门限调整已经完成；否则就将门限往上调整一个步长(如步骤802)，步长的初始值一般取为最大相关峰值的十分之一。如果门限上的点的个数仍旧大于n个，就继续循环步骤802，直至门限上的点的个数小于或等于n个。如果门限上的点的个数等于n个，则门限调整完成；否则将步长减半，又重新得到一个新步长，并以新步长往下调整门限，然后再回到步骤805进行循环，直至门限上的点的个数等于n个，这时，就说明门限调整完成，将这n个点的位置和大小记录下来(如步骤804)，进入下一个功能模块。从下一个周期第一个码片开始，重复以上步骤。

在门限法得到我们所需要的n个峰值后，采用冒泡算法将它们再进行排序以得到这n个峰值的大小顺序，再将这n条径的大小和位置信息经过打包后送给MCU处理。

与移动台通信的最优基站是移动台接收到发出最强径的基站，在初始同步时需同步上该基站的导频PN序列。我们得到每个周期内的最大的相关峰值后，还要对它们进行同步判决，以确认这条径是否和基站已经真正同步。

在理想情况下，最大相关峰值即为最大值，且每周期有且只有一个最大值。但在信道比较恶劣的时候，每周期内的最大相关峰值可能不是最大值，此时我们用统计法处理，即对不同周期最大值的相对位置进行统计，将统计次数多的最大值的相对位置作为最大相关峰值的位置，从而获取与基站同步的PN序列。

同步判决算法流程如图8所示，在信道条件不是很恶劣的情况下，相关峰值就是最大值，所以首先求得周期内最大值60，初步认为和基站的PN序列同步了，同时为了更高的可靠性，对连续k个周期进行最大值位置的统计，k取值范围是3到10个，如果连续k个周期最大值的相对位置都一样，就可以确认该最大值就是相关峰值，也就是和基站的PN序列同步了，则输出同步信号700。同步后，继续跟踪导频，以在导频失步时能输出失步信号并重新捕获同步701。为尽量避免由于噪声干扰所造成的误判，在判决失步时，也采取连续k个周期的最大值的相对位置都发生了偏移时才认为这条径失步。

Claims (7)

1.一种CDMA(码分多址)通信系统中的小区搜索方法，包括以下步骤：

①输入信号匹配滤波和A/D转换；

②相关运算；

③PN导频序列(伪随机序列)多周期累加运算；

④求最大相关峰值单元；

⑤同步判决；其特征在于还包括以下步骤：

⑥根据步骤③和④的结果求最大前N个相关峰值单元；

⑦对最大前N个相关峰值单元排序；

⑧将排好序的信息打包后传递给MCU(维护控制部件)。

2.如权利要求1所述的小区搜索方法，其特征在于所述步骤③PN导频序列多周期累加运算包括以下步骤：

A.取相关器输出值且码片值加1；

B.判断已累加的周期数是否小于k个(501)，k取值范围是3

到10个；

C.如果步骤B判断已累加的周期数小于k个，就对相对位置相

同的值直接进行累加(502)；

D.求出该相对位置上的均值(503)；

E.如果步骤B判断已累加的周期数不小于k个，将该时刻的相

关值加上相对位置相同的均值的k-1倍(504)；

F.对k个周期取均值(505)。

3.如权利要求1所述的小区搜索方法，其特征在于所述步骤⑥求最大前N个相关峰值单元包括以下步骤：

  A.在每个周期的最后一个码片的时刻得到该周期内最大值，

  并以该值作为上一个周期的初始门限(800)；

B.所述初始门限(800)减半得到一个新的门限(801)，将该

  门限(801)与上一个周期内的每个点相比较；

C.如果大于门限的点的个数小于n个，则将门限再次降半作

    为初始门限(800)，重复步骤B；

D.如果门限以上的点大于n个，按照一定的步长往上调整门

    限(802)，得到一个新的门限，将该门限(801)与上

    一个周期内的每个点相比较；

E.如果门限以上的点大于n个，重复步骤D；

F.如果门限以上的点又小于n个了，则将步长减半，得到

  新的步长，并以新的步长去往下调整门限，将该门限(801)

  与上一个周期内的每个点相比较；

G.重复此过程，直到门限以上的点正好等于n个，将这n个

  点的位置和大小记录下来(804)。

4.如权利要求1所述的小区搜索方法，其特征在于所述步骤⑤同步判决包括以下步骤：

  A.对连续k个周期进行最大值位置的统计，k取值范围是3

    到10个；

  B.如果连续k个周期最大值的相对位置都一样，确认该最大

    值就是相关峰值，也就是和基站的PN序列同步了，输出

    同步信号(700)；

  C.继续跟踪导频，在导频失步时输出失步信号并重新捕获同

    步信号(701)；

5.如权利要求4所述的小区搜索方法，其特征在于所述同步判决步骤包括的步骤C判决失步中，当连续k个周期的最大值的相对位置都发生了偏移时才判决这条径失步。

6.权利要求1所述的小区搜索方法，其特征在于所述步骤②相关运算采用滑动相关器并包括以下步骤：

A.每接收到一个码片都对接收到的PN序列逐位顺序移位；

B.将移位后要进行相关运算的N个PN序列数据分为n组，每组m个值，分别对每组的m个数据做并行相关运算；

C.将这n组所得的值相加再除以相关器长度N，得到相关运算后I路和Q路的值。

7.如权利要求1所述的小区搜索方法，其特征在于所述步骤④求最大相关峰值单元包括以下步骤：

A.在每个周期开始时，置最大值(600)为“0”；

B.每接收一个码片经过相关输出后的值(601)都与上次比较

   所得的所述最大值(600)比较大小，如果大于该最大值就

   更新该最大值602；

C.如果不大于该最大值则其保持不变；

D.反复步骤B和C直至一个周期结束。

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