CN1493124A

CN1493124A - Cdma通信系统下行链路同步捕获方法和装置

Info

Publication number: CN1493124A
Application number: CNA018228577A
Authority: CN
Inventors: 晨季; 季晨; 李道本; 张永生; 施丽文
Original assignee: Linkair Communications Inc
Current assignee: Linkair Communications Inc
Priority date: 2001-10-18
Filing date: 2001-10-18
Publication date: 2004-04-28
Also published as: WO2003036836A1

Abstract

在数字移动通信系统特别是码分多址移动通信系统中，实现准确同步是至关重要的。本文给出了一种通过插入前置同步序列，捕获最大能量相关窗，从而获取同步信息的方案，能快速准确捕获码片同步和帧同步。本文还给出了在基于LA和LS扩频地址编码方式的商用CDMA系统中，多小区环境下行信道中构造前置同步序列的方法，接收机使用和前置同步序列序列码字相匹配的滤波器，就可以实现下行同步捕获。

Description

CDMA通信系统下行链路同步捕获方法和装置技术领域

本发明涉及无线扩频通信技术领域和数字移动通信技术领域，特别涉及无线扩频通信系统的下行链路同步捕获方法和装置。发明背景

众所周知，近年来，随着移动通信的高速发展， CDMA技术正在被广泛地应用到无线通信系统中。 CDMA 系统由于具有大容量、软容量、软切换、高话音质量和低发射功率以及抗干扰和保密等独特的优势，使它得以迅速发展 , 并成为第三代蜂窝通信系统的首选技术。

CDMA是一种以扩频通信为基础的调制和多址连接技术。在 CDMA通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分。接收机用相关器可以在多个 CDMA信号中选出使用预定码型的信号。其它使用不同码型的信号因为与接收机本地产生的码型不同而不能被解调。

通常，在 CDMA系统中, 无论是基站发射机或移动站发射机均用扩频码对传输的数字信息扩展频谱，而接收设备利用本地扩频码对扩频信号相关解扩，解出有用的信息。同步就是要实现本地扩频码与接收到的扩频码在结构上、频率和相位上完全一致。 CDMA 系统除了有一般的数字通信系统的载波同步、位同步、帧同步外，扩频码的同步是它所特有的。因此，扩频系统的同步问题比一般的数字通信系统更为复杂。

一般说来，在发射机和接收机中采用高精度和高稳定度的时钟频率源，可以去掉许多频率和相位的不稳定性。但是，由于客观上存在着许多事先无法估计的不确定因素，尤其是在移动通信中，这些不确定因素都带有随机性，不能预先补偿，只能通过同步系统来消除。因此同步系统在 CDMA 系统中是不可缺少的，而且是非常重要的。

概括起来，引起不确定性的主要有时间不确定性和频率不确定性，归纳如下：

1、收发信机间的距离引起传播的延迟所产生的相位差；

2、收发信机时钟频率的相对不稳定性 I起的频差；

3、收发信机相对运动引起的多谱勒频移；以及

4、多径效应引起的频率和相位的变化。

扩频码的同步分成两个步骤：一是捕获，即粗调本地扩频码的频率和相位，使本地扩频码与接收扩频码相位差小于一个码元宽度 Tc。二是跟踪，即自动调整本地扩频码的相位，使其与接收扩频码频率和相位精确同步。因此，当对数字移动通信系统的传送速率要求越来越高，容量越来越大时，对同步精度的要求也越来越高。尤其在无线扩频通信系统中，必须保证系统的位同步，码片同步，符号同步和帧同步，才能实现扩频信号的解扩，进行信号的正确接收和处理。

在申请号为 PCT/CN98/ 00151、发明人为李道本、发明名称为 "一种扩频多地址码编码技术" 的 PCT专利申请中，公开了一种扩频多址码的编码方法，这种扩频码具有良好的自相关和互相关特性，为简明起见，以下在本发明的描述中将这种扩频码简称为 LA码。

LA码是由归一化幅度与宽度均为 1的、具有极性的基本脉冲所組成，基本脉冲的个数根据所要求的用户个数，能够利用的脉冲压缩码的个数、能够利用的正交脉冲压缩码的个数、能够利用的正交频率的个数、系统带宽、系统最大传信率这些实际因素确定，基本脉冲在时间坐标上的间隔不等且不同，利用这种间隔不等且不同的脉冲位置和脉冲极性排列编码。釆取以上设计，为扩频技术和数字多址技术提供了一种筒明、快捷的扩频地址码的设计方法。该 LA码的特点是：第一：自相关函数的主峰等于基本脉冲的个数，也等于码组中正交码字的个数，第二：自相关及互相关函数的副峰只有 + 1， - 1及 0三个可能值。该 LA码可以被用来实现对不同小区的识别。有关该扩频多址码的编码方法的描述在此从略，引用该文件在此作为参考。

在申请号为 PCT/CN00/00028、发明人为李道本、发明名称为 "一种具有零相关窗的扩频多址编码方法" 的 PCT专利申请中，公开了一种具有零相关窗的扩频多地址码，称为 LS码，由于 LS码由 C码和 S码两部分组成，因此又称为 CS码， LS码（CS码）的生成方法在 PCT/CN00/00028中有详细描述，在此从略。所设计的具有 "零相关窗口" 的扩频多地址码具有以下两个特点：第一：各个扩频地址码的自相关函数除原点外处处为零，即其具有最理想的特性。从正交性的观点来讲，各个扩频地址码与其自身除零时延处外，对任何非零时延都完全正交。第二：扩频地址码间的互相关函数在原点附近存在一个 "零相关窗口"。从正交性观点讲，各扩频地址码之间在相对时延小于该 "零相关窗口" 宽度时是完全正交的。

上述发明的 LS码的生成方法是一种扩频地址码设计方法，使新形成的扩频地址码的相关函数在原点附近形成一个 "无干扰窗口（IFW )，，。从而使所对应的双向同步码分多址系统不存在传统码分多址系统中致命的远近效应，即不存在多址干扰（MAI )及符号间干扰（ ISI )。为建立起大容量的无线数字通信系统奠定基础。在一种基于 LA和 LS扩频地址编码方式的商用 CDMA系统中，由于扩频码字的零相关窗口特性，必须保证下行和上行信道的严格同步。而移动通信系统中的多用户干扰和邻小区干扰及高速移动衰落环境，又增加了同步的困难。因此必须有一种高精度的同步捕获方法，能快速准确地实现同步捕获，满足系统的要求。

另外，在申请号为 PCT/CN00/00142，发明名称为 "码分多址系统中下行链路的同步捕捉方法" 中提到的下行链路同步捕捉方法，主要是通过使用广播信道、匹配滤波器和滑动相关技术来实现的。该方法的实现包括以下步骤：

1 )在下行链路中加入广播信道，并在广播信道帧中的固定时隙放独特码；当移动站广播信道接收机检测到独特码，就能确定帧定位信息。

2 ) 为了克服多径衰落信道的影响，广播信道同步环路首先找出每个符号的主峰出现的能量集中的位置，然后根据该位置确定广播信道接收机对每个符号的判决时刻，若判决正确，当独特码匹配滤波器检测到独特码后，就可以给出一个准确的同步信息。

但在用户数较大，低信扰比和高速移动的环境中，该方法无法克服^ [艮多业务用户的干扰，而且广播信道的自相关较差，匹配滤波器检测同步峰值较为困难，检测时间较长，检测精度不能满足高速移动的需要。' 发明内容

为解决现有技术中所存在的上述问题和缺陷，本发明的目的在于提供一种新的用于码分多址通信系统中的下行链路同步捕捉方法和装置。

为了实现上述目的，按照本发明，在基于 LA和 LS扩频地址编码方式的商用 CDMA 系统中的一种下行链路同步捕捉方法包括以下步骤：在给定长度的数据段前加上固定长度的前置同步序列；对前置同步序列和业务信道选择尽可能相互正交的不同的扩频码序列；在接收端对基带采样信号执行和前置同步序列码字相匹配的滤波，获得 I路和 Q路信号；通过对 I路值和 Q路信号执行平方运算计算出信号能量值；累加一帧数据长度中的所有采样值;在一帧数据长度内取最大采样值，捕获最大能量相关峰；以及根据捕获的最大能量相关峰来估计前置同步序列的准确到达时间，从而实现前向码片同步和帧同步。

本发明同时还提供了一种在基于 LA和 LS扩频地址编码方式的商用 CDMA 通信系统中执行下行链路同步捕获的装置，该装置包括：一个匹配滤波器，用于在接收端对基带采样信号执行和前置同步序列码字相匹配的滤波，获得 I 路和 Q路信号；通过对 I路值和 Q路信号执行平方运算计算出信号能量值的装置；累加一帧数据长度中的所有采样值的累加装置；在一帧数据长度内取最大采样值，从而捕获最大能量相关峰的装置；以及才居捕获的最大能量相关峰来估计前置同步序列的准确到达时间，从而实现前向码片同步和帧同步的装置。

本发明的下行链路同步捕捉方法主要是通过使用前置同步序列的匹配滤波器来实现的。本发明采取的方法是在给定长度的数据段前加上固定长度的前置同步序列，选择数据段和前置同步序列的扩频码使数据段的信号和前置同步序列尽可能正交，通过前置同步序列的匹配滤波器捕获最大能量相关峰，从而实现码片同步和帧同步的捕获。

通过以下对 CDMA 通信系统下行链路同步捕捉方法及实现该方法的装置的具体描述就能更深入地理解本发明的目的和优点。附图说明作为本发明的一部分的附图和本说明一起用于说明本发明的实施例，用于解释本发明的原理。

图 1是实施本发明方法所采用的帧结构。图 2是依据本发明方法设计的同步捕获装置的总体信号处理示意图。图 3给出了本发明捕获能量最大相关窗同步检测模块的示意图。图 4为依据本发明方法设计的一个前置同步序列的示意图。图 5为依据本发明方法使用 LS码作为前置同步序列的自相关和互相关特性。

具体实施方式图 1 是一示意图，示出了根据本发明所采用的帧结构。参见图 1 , 在该帧结构中，包括一前置同步序列和一数据段序列 (0 , 前置同步序列和数据段序列时分复用。其中前置同步序列 ^(ί)和数据段信号 (0应保证充分正交，可以使前置同步序列和数据段信号选用不同的 LS码組和 LA码组，并且 ^0具有冲击形式的自相关特性，这也可以通过 LS码和 LA码来实现。

参见图 2 , 图中表示同步捕获装置的总体信号处理示意图，其中在同步检测装置 207 之前的各部分与常规的扩频通信系统类似，本领域的技术人员很容易理解，细节不再赘述。这一同步捕获装置包括模拟下变频变换器 201,带通滤波器 202,数-模转换器 A/D203,数字下变频器 204,下采样器 205,匹配滤波器 206和同步检测装置 207。模拟下变频变换器 201将接收的射频信号 RF 下变频成中频模拟信号。下变频变换器 201的输出提供给一个带通滤波器 202, 对输入的中频模拟信号进行带通滤波，带通滤波后的中频模拟信号提供给模 -数转换器 A/D203,变换成每个符号中包含 Nsl 个采样的数字信号，经过数字下变频变换器 204得到基带信号，一个下采样器 205对输入的基带信号进行采样，使每个符号具有 Ns2 个采样，将采样结果输入与前置同步序列相匹配的匹配滤波器 206，最后将匹配滤波器 206输出的 I路和 Q路值送入同步检测装置 207。

图 3 表示本发明的同步检测模块的示意图。在移动通信环境中，接收信号往往包含了若干个不同传播时延与信道衰落的多径时延分量。在移动台进行 Rake 接收时，所面临的是一个完整的工作窗口内的多径，而不是某个单径，因此，在基于 LA和 LS扩频地址编码方式的商用 CDMA 系统中采用了捕获能量最大相关窗的方法。将匹配滤波器 206送出的 I路， Q路信号送入同步检测模块 207后，先在运算器 301中对 I路、 Q路进行平方运算，计算信号能量值，然后在模块 302中进行 N个样值的累加，在模块 303中，再在一帧数据长度内取最大值，并确定最大值位置，用该确定的最大值位置捕获能量最大相关窗，从而获取帧定位信息，在获取帧定位后，就可以取得准确的扩频码相位，进行信号的解扩处理和定时跟踪。

在基于 LA和 LS扩频地址编码方式的商用 CDMA系统中，数据段下行业务信道为 32个独立的码道相叠加，每个码道使用 1个 128位的 LS码。因此在每一个小区内前置同步序列应找到一个码序列，和业务信道所使用的 32个 LS 码尽可能相互正交。在移动台进行小区搜索时，接收机对不同小区的前置同步序列作匹配滤波，选择其中能量最强者作为正确选定小区，因此相邻小区的前置同步序列也应该具有较好的互相关特性，即尽可能相互正交，以避免邻小区前置同步序列相互间的干扰，从而正确提取同步信息，进行小区选择。经分析和实际测试，使用短 LS 码扩频并在不同的扩频符号间插入 LA 间隔 gap , 不同小区的前置同步序列使用不同的 LA 间隔 gap并利用 LA极性所构造出的前置同步序列码字序列，具有较好的自相关和互相关特性，而且这样构造的前置同步序列和数据段下行业务信道也有较好的互相关特性，下面结合图 3、图 4给出一种在 LAS- CDMA系统中使用 LS+LA码来构造前置同步序列的方法。

图 4 为一个同步序列的示意图，其中 ^mb₀/。， symbol, ^ symbol, (符号数 ^ = 2 = 1,2,3...)从¾/^₀/。开始的符号序列，这个符号序列将使用短 LS 码扩频，图中灰色区域为两个相邻符号之间的间隔，该间隔依据 LA排列生成。

短 LS码的构成方法：

在图 4中给出了一个短 LS码的结构，假设总码长为 81^，前置间隔 gap长 I^ C码长 2L₁₅中置间隔 gap长 2L₁₃ S码长 21^，后置间隔 gap长在码中加入和 C码 S码等长的保护性间隔 gap的目的是使 C码和 S码不相碰，从而为自相关和互相关提供一个尽可能大的零相关窗，在这里零相关窗为- 2L1— 2L1。

LA的构成方法：

LA码可以看成是 LS码的一种级联方式，在 CDMA系统中，各个小区使用相同的 LS码集，因此不同的小区需要使用不同的 LA来加以区分。

如图 4所示，一个 LA序列中前后两个一 LA码扩频的符号之间的间隔为 LA 间隔 Gap，顺序的 LA 间隔 Gap 的排列称为 LA 排列，序歹' j 中 [symbol, , symbol,…… 的选取方式称为 LA极性。进一步的 LA码的构成方法可以参考上述有关专利。

在构造不同小区的前置同步序列时，针对不同的具体情况，可以灵活使用 LA排列和 LA极性，充分利用 LS+LA码的特性，可以构造初试和小区组网 6 使用的具有优良自相关和互相关特性的 LS+LA码前置同步序列。下面给出了一个具体构造 LS+LA码前置同步序列的例子。附图' 5为 4个使用 8个符号，每个符号以 32位 LS码扩频符号间共加入 43个 chip长间隔 gap的前置同步序列自相关和互相关特性。以下的表 1和表 2分别表示这 4个前置同步序列的 LA间隔和 LA极性的选取方式。图中依次为前置同步序列 1的自相关及和前置同步序列 2 , 3, 4的互相关特性，在这里取码片幅度为 1。从图上可以看出，采用 8个符号的 LA序列，自相关和互相关的最大副峰幅度为自相关主峰的 1/8 , 能量相差约 18dB,可以很容易区分出主峰，无论是自相关还是互相关，均存在 -2L1^_2L1 的零相关窗。前置同步序列 2 , 3 , 4和序列 1的特性相同。表 1: LA排列的分配

1 2 3 4 5 6 7 8

前置同步序

0 2 4 6 8 10 12 1

列 1

前置同步序

0 2 4 6 8 10 12 1

列 1

前置同步序

0 2 4 6 8 10 12 1

列 3

前置同步序

0 2 4 6 8 10 12 1

列 4

表 2: LA极性的分配

■1 2 3 4 5 6 7 8

前置同步序

1 1 1 1 1 1 1 1

列 1

前置同步序

1 -1 1 - 1 1 -1 1 -1 列 2

前置同步序

1 1 - -1 - 1 1 1 -1 -1 列 3

前置同步序

1 1 1 1 - 1 -1 -1 -1 列 4 为了降低组网环境中相邻小区数据段业务信道的对捕获能量最大相关窗的干扰，可以提高前置同步序列的发信功率，使之与数据段业务信道满负荷时的发信功率相当。

Claims

权利要求

1.在基于 LA和 LS扩频地址编码方式的商用 CDMA系统中，一种下行链路同步捕捉方法包括以下步骤：

(a)在给定长度的数据段前加上固定长度的前置同步序列；

(b)对前置同步序列和业务信道选择尽可能相互正交的不同的扩频码序列；

(c)在接收端对基带采样信号执行和前置同步序列码字相匹配的滤波，获得 I路和 Q路信号；

(d)通过对 I路值和 Q路信号执行平方运算计算出信号能量值；

(e)累加一帧数据长度中的所有采样值；

(f)在一帧数据长度内取最大采样值,捕获最大能量相关峰;以及

(g)根据捕获的最大能量相关峰来估计前置同步序列的准确到达时间，从而实现前向码片同步和帧同步。

2.按照权利要求 1 的下行链路同步捕捉方法，其特征是：上述步骤（c)包括在接收端对不同小区的前置同步序列作匹配滤波，选择其中能量最强者作为正确选定小区。

3.在基于 LA和 LS扩频地址编码方式的商用 CDMA通信系统中的一种下行链路同步捕获装置包括:一个匹配滤波器，用于在接收端对基带采样信号执行和前置同步序列码字相匹配的滤波，获得 I路和 Q路信号；通过对 I路值和 Q 路信号执行平方运算计算出信号能量值的装置；累加一帧数据长度中的所有采样值的累加装置；在一帧数据长度内取最大釆样值，从而捕获最大能量相关峰的装置；以及根据捕获的最大能量相关峰来估计前置同步序列的准确到达时间，从而实现前向码片同步和帧同步的装置。

4. 按照权利要求 3的下行链路同步捕获装置，其特征是还包括用于将接收的射频信号下变频成中频模拟信号的模拟下变频变换器；对上述中频模拟信号进行低通滤波的低通滤波器；将上述低通滤波后的中频模拟信号变换成釆样数字信号的模 -数转换器;将上述采样数字信号变换成基带信号的数字下变频变换器；以及对基带信号再进行采样的下采样器。