CN1794600B - 用户终端进行初始小区搜索第一步的方法 - Google Patents

Abstract

一种用户终端进行初始小区搜索第一步的方法，包括以下步骤：将每个子帧的数据分为M个时间片；在连续的几个子帧里分别接收M个时间片里的信号，并将每个子帧的接收信号对下行同步码依次作滑动相关，并将这几帧的相关结果累加，获得每个时间片的相关结果的最大值及其所对应的下行同步码和相关位置；将M个最大值中最大的值所对应的下行同步码作为小区搜索第一步所检测到的下行同步码，而通过最大的值所对应的时间片和位置信息可得到小区搜索第一步所检测到子帧帧头位置。本发明在相同条件下可以大大降低小区搜索第一步的时间和用户设备的功耗。

Description

用户终端进行初始小区搜索第一步的方法 

本申请是一分案申请， 

原申请申请号：200510027739.2 

原申请申请日：2005年7月14日 

原申请发明名称：时分同步码分多址系统中的初始小区搜索第一步的方法 

技术领域

本发明涉及一种应用于无线通信系统的，特别涉及一种应用于时分同步码分多址(Time Division Synchronous Code-Division Multiple Access，简称TD-SCDMA)移动通信系统中，用户终端进行初始小区搜索第一步(Initial CellSearch Stepl)的方法。 

背景技术

1946年，美国的贝尔实验室便提出了将移动电话的服务区划分成若干个小区，每个小区设一个基站，构成蜂窝状系统的蜂窝(Cellular)移动通信新概念。1978年，这种系统在美国芝加哥试验获得成功，并于1983年正式投入商用。蜂窝系统的采用，使得相同的频率可以重复使用，从而大大增加了移动通信系统的容量，适应了移动通信用户骤增的客观需要。蜂窝移动通信系统的发展经历了一个从模拟网到数字网，从频分多址(FDMA)到时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)的过程。 

随着时代的发展，人们对通信的要求，包括对通信质量和业务种类等的要求，也越来越高。第三代(3G)移动通信系统正是为了满足该要求而被发展起来的。它是以全球通用、系统综合作为基本出发点，并试图建立一个全球的移动综合业务数字网，综合蜂窝、无绳、寻呼、集群、移动数据、移动卫星、空中和海上等各种移动通信系统的功能，提供与固定电信网的业务兼容、质量相当的多种话音和非话音业务，进行袖珍个人终端的全球漫游，从而实现人类梦寐以求的在任何地方、任何时间与任何人进行通信的理想。

第三代移动通信系统中最关键的是无线电传输技术(RTT)。1998年国际电信联盟所征集的RTT候选提案：除6个卫星接口技术方案外，地面无线接口技术有10个方案，被分为两大类：CDMA与TDMA，其中CDMA占主导地位。在CDMA技术中，国际电信联盟目前共接受了3种标准，即欧洲和日本的W-CDMA、美国的CDMA2000和中国的TD-SCDMA标准。 

与其它第三代移动通信标准相比，TD-SCDMA采用了许多独有的先进技术，并且在技术、经济两方面都具有突出的优势。TD-SCDMA采用时分双工(Time Division Duplex，TDD)、智能天线(Smart Antenna)、联合检测(JointDetection)等技术，频谱利用率很高，能够解决高人口密度地区频率资源紧张的问题，并在互联网浏览等非对称移动数据和视频点播等多媒体业务方面具有潜在优势。 

如图1所示，为一个典型的蜂窝移动通信系统的例子。该系统是由多个小区10₁-10_N(10)构成的，其中每个小区内各有一个基站(Base Station)11₁-11_N(11)，同时在该小区服务范围内存在一定数量的用户终端设备(UserEquipment，简写为UE)12₁-12_N(12)。每一个用户终端设备12通过与所属服务小区10内的基站11保持连接，来完成与其它通信设备之间的通信功能。 

每次当用户终端设备12开机后，一般并不知道其所处的位置、以及应选择哪个基站11(或者小区10)进行有关上行接入(Uplink Access)操作。用户终端设备选择小区进行接入的过程一般被称为“初始小区搜索”(Initial CellSearch)过程。用户终端设备12进行初始小区搜索的目的是选择合适的工作频点，并在该频点上取得与某个小区10内的基站11的下行同步，同时解读该基站11发送的有关系统广播消息——依据这些信息，用户终端设备12才能开始有关的上行接入过程，并最终建立与该基站11之间的连接。 

如图2所示，为TD-SCDMA系统的帧结构示意图。该结构是根据3G合作项目(3GPP)规范TS25.221(Release4)中的低码片速率时分双工(LCR-TDD)模式(1.28Mcps)，或者中国无线通信标准(CWTS)规范TSM05.02(Release3)中给出的。TD-SCDMA系统的码片速率为1.28Mcps，每一个无线帧(Radio Frame)20₀、20₁(20)的长度为5ms，即6400个码片(对于3GPP LCR-TDD系统，每个无线帧长度为10ms，并可划分为两个长度为5ms的子帧(subframe)，其中每个子帧包含6400个码片)。其中，每个TD-SCDMA 系统中的无线帧(或者LCR系统中的子帧)20又可以分为7个时隙(TS0～TS6)21₀-21₆(51)，以及两个导频时隙：下行导频时隙(DwPTS)22和上行导频时隙(UpPTS)24，以及一个保护间隔(Guard)23。进一步的，TS0时隙21₀被用来承载系统广播信道以及其它可能的下行业务信道；而TS1～TS6时隙21₁-21₆则被用来承载上、下行业务信道。上行导频时隙(UpPTS)24和下行导频时隙DwPTS时隙22分别被用来建立初始的上、下行同步。TS0～TS6时隙21₀-21₆长度均为0.675ms或864个码片，其中包含两段长均为352码片的数据段DATA1(27)和DATA2(29)，以及中间的一段长为144码片的训练序列——中导码(Midamble)序列28。Midamble序列在TD-SCDMA有重要意义，包括小区标识、信道估计和同步(包括频率同步)等模块都要用到它。DwPTS时隙22包含32码片的保护间隔30、以及一个长为64码片的下行同步码(SYNC-DL)码字25，它的作用是小区标识和建立初始同步；而UpPTS时隙包含一个长为128码片的上行同步码(SYNC-UL)码字26，用户终端设备利用它进行有关上行接入过程。 

按照3GPP规范TS25.224(Release4)或者CWTS规范TSM05.08(Release3)中的有关定义，在TD-SCDMA系统中，当完成初始频点选择后，在每个候选频点上，初始小区搜索过程可分为以下四个步骤： 

第一步骤，DwPTS搜索：通过将总共32个SYNC-DL码字25与接收信号序列进行相关处理或者类似处理后，得到DwPTS时隙的同步信息，进而得到子帧定时信息，并同时检测出最有可能的SYNC-DL码字； 

第二步骤，扰码和Midamble码字序列检测：得到DwPTS粗略位置信息后，根据TD-SCDMA帧结构用户终端可以接收位于TS0(21₀)上的P-CCPCH(主公共控制物理信道)信道上的Midamble部分接收信号28。由于每个SYNC-DL码字25对应一个码组(Code Group)，包含了4个可能的Midamble码字序列，因此通过将这4个可能的码字与TS0上Midamble部分的接收信号进行相关处理或者类似处理后，可检测出系统采用了其中哪个Midamble码字序列；由于扰码(Scrambling Code)和Midamble码字存在一一对应关系，所以扰码也可以检测到Midamble码字序列后同时获得； 

第三步骤，控制复帧同步：TD-SCDMA系统中通过对SYNC-DL码25进行QPSK(四相相移键控)调制、并根据连续四帧内SYNC-DL码字25上的 调制相位图案来确定控制复帧(Control Multi-frame)的开始。用户终端通过对接收SYNC-DL码字信号上调制相位图案的检测来确定控制复帧同步； 

第四步骤，读取BCCH(广播信道)信息：获得控制复帧同步后，就可以知道哪些帧上有BCCH系统广播消息存在；用户终端对这些帧的P-CCPCH上的接收数据进行解调(Demodulation)和解码(Decoding)，然后进行循环冗余校验(CRC)；如果校验通过，则该块BCCH信息被认为有效并被传递给高层，初始小区过程成功结束。 

初始小区搜索的方法及其装置设计，是TD-SCDMA系统设计中的重要课题之一。一方面，由于用户终端设备进行初始小区搜索之前往往只有很少的(甚至没有任何)系统信息，而且可能面临较恶劣的信道环境(例如，当用户处于小区边缘、或者处于阴影区时)，因此要求所设计的初始小区搜索方法拥有优良的性能，能够在较短时间内找到目标小区，同时又要具有较好的鲁棒性(robustness)，能适应各种开机环境；另一方面，又要求该设计具有合理的复杂度，避免由于软/硬件资源消耗过多、或者功耗太大等带来的一系列实现问题。 

特别的，在TD-SCDMA系统中，前述初始小区搜索第一步骤的设计对整体设计尤为关键：因为此时用户终端设备还没有任何定时信息，所以往往需要通过在整个无线帧内进行接收信号与一个或者多个(最多32个)备选SYNC-DL码字之间进行一系列滑动相关操作及后续处理后，才能确定有关的定时信息及功率最强的SYNC-DL码字，然后开始初始小区搜索第二步骤的有关处理。例如，在国际专利申请公开号WO03/028399，发明名称为“小区搜索方法和通信终端设备”(CELL SEARCH METHOD ANDCOMMUNICATION TERMINAL APPARATUS)中，主要公开了一种在TD-SCDMA系统中执行所述小区搜索第一步骤的方法和装置，该方法中首先将各SYNC-DL码与接收信号进行滑动相关，并找到相关值最大的SYNC-DL及其对应位置作为输出。 

如图3所示的现有技术，为一种应用于TD-SCDMA系统初始小区搜索第一步骤的相关器装置。首先，接收数据经过首先采样、模数转换和基带数字匹配滤波后，得到接收数据信号采样流作为该相关器的输入。其中，采样速率一般可选为码片速率的某个倍数，例如采用2倍过采样，即每个码片间隔内进行 2个采样；模数转换(ADC)用于将输入模拟采样值量化为对应的数字值，提供给数字基带单元进行一系列处理；基带数字匹配滤波器主要用于滤除带外干扰和噪声，其输出数字信号的量化比特数M的典型取值为6或者8。相关器接收数据采样输入后，首先通过反旋转器31对输入I/Q两路采样值an进行反旋转后得到bn。该操作是与发射机端的旋转操作对应的。具体而言，反旋转操作可用下述公式表征： 

b_n＝a_n*(-j)ⁿ(n＝0，1，2，…) 

其中，a_n和b_n分别为反旋转器31的输入、输出符号，下标n为输入采样序号，而j为-1的单位根。事实上，用复数表示符号a_n和b_n(其中实部对应I路即同相分量，虚部对应Q路即正交分量)：a_n＝ai_n+j*aq_n，b_n＝bi_n+j*bq_n，则下述公式成立： 

bi_n＝ai_n，bq_n＝aq_n(n＝4k，k＝0，1，2，…) 

bi_n＝aq_n，bq_n＝-ai_n(n＝4k+1，k＝0，1，2，…) 

bi_n＝-ai_n，bq_n＝-aq_n(n＝4k+2，k＝0，1，2，…) 

bi_n＝-aq_n，bq_n＝ai_n(n＝4k+3，k＝0，1，2，…) 

因此，该反旋转器可通过I/Q路交换、取反和计数单元等实现。反旋转后的数据采样分为I和Q两路，分别被移入两组各含64个M比特寄存器的寄存器组32_1-64和34_1-64。如图3所示：在第N时刻，每次的新数据采样分别被移入Q比特寄存器32₁和34₁，同时每个寄存器组内的每个寄存器的值被移入右边的寄存器。以I路为例，这意味着寄存器32₁原先的存储值被移入寄存器32_i+1内，其中i＝1，2，…，63，而寄存器32₆₄中原先的存储值被丢弃。接下去，两组寄存器组中的各寄存器的存储值，根据候选SYNC-DL码字中的对应比特，分别通过一批“保持/取负”单元33_1-64和35_1-64。假设I路和Q路两组寄存器组中的存储值分别为{bi_N，bi_N-1，…，bi_N-63}和{bq_N，bq_N-1，…，bq_N-63}；并假设候选SYNC-DL码字为{s₁，s₂，…，s₆₄}，其中s_k的取值为0或1(k＝1，2，…，64)，则I路上的第k个“保持/取负”单元33_k的输入bi_N+1-k、s_k和输出ui_k关系可用如下公式表征： 

ui_k＝bi_N+1-k如果s_k＝1； 

ui_k＝-bi_N+1-k如果s_k＝0(k＝1，2，…，64) 

类似的，在Q路上的第k个“保持/取负”单元35k的输入bq_N+1-k、s_k和输出uq_k关系可用如下公式表征：

uq_k＝bq_N+1-k如果s_k＝1； 

uq_k＝-bq_N+1-k如果s_k＝0(k＝1，2，…，64) 

然后，所得中间结果{ui₁，ui₂，…，ui₆₄}和{uq₁，uq₂，…，uq₆₄}分别被输入两个加法器36₁和36₂，得到两个加法器输出ci和cq，所述加法计算可用如下公式表征： 

ci＝ui₁+ui₂+…+ui₆₄

cq＝uq₁+uq₂+…+uq₆₄

最后，两个加法器的输出ci和cq被送入一个功率计数器37，输出相关结果功率值p_N可用如下公式表征： 

p_N＝ci²+cq²

这样，如图3所示的相关器就完成了第N时刻的相关值计算。当每次有一个新的采样值输入，该相关器经过上述操作后，就可产生一个相关结果输出；这样随着接收数据采样流的不断输入，该相关器就产生了一系列相关输出，从而完成了“滑动”相关过程。接着，后续处理模块将根据这些相关输出经过一系列处理后，完成有关的同步和检测功能。 

虽然该装置虽然可达到理论上最优的性能，但是其复杂度却很高，这意味着将消耗很多的处理器资源以及更多的功耗。假设接收信号输入采用2倍速数据采样(即对应每个码片有两个输入采样输入)，且每个采样采用6比特量化，由于SYNC-DL码字长度为64，对应64个采样的相关需要实/虚部各64个12-比特的加减法操作，这样进行每个SYNC-DL的相关处理需要： 

64*2*6400*2＝1，638，400 

个12-比特加减法操作完成第一步骤。对于TD-SCDMA系统的初始小区搜索，由于可能要同时进行32个SYNC-DL码的搜索和同步过程，因此采用如图3所示的相关器结构将使整个处理过程更为复杂、或者耗时。因为如果要同时进行所有32个码字的相关处理，则在5ms内完成总共： 

1，638，400*32＝52，428，800 

个12-比特加减法操作——这是目前的商用软/硬件处理能力一般所难以达到的。因此，为了实现该装置，往往只能在每个5ms内只进行一批若干个SYNC-DL码字(例如2个或者4个码字)的相关处理，并将所有备选SYNC-DL码字分成多批来处理。这样做的目的是降低对软/硬件处理能力的要求，但所付出的代价是拉长了执行初始小区搜索第一步骤所花费的时间。同时采用这种 方法在小区搜索第一步的所有时间里都需要打开RF/ABB模块，对于手机来讲功耗也很大。因此，如何降低该相关器的复杂度和功耗，同时又保证同步和检测性能满足设计要求，是TD-SCDMA系统初始小区搜索过程设计中所面临的关键问题之一。 

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用户终端进行初始小区搜索第一步的方法，应用于时分同步码分多址(TD-SCDMA)移动通信系统中，能够在较低信干噪比(SINR)条件下，在较短时间内完成帧同步和同步码字的检测。 

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下： 

一种用户终端进行初始小区搜索第一步的方法，包括以下步骤：将每个子帧的数据分为M个时间片；在连续的几个子帧里都接收第一个时间片里的信号，并将每一个子帧的接收信号对所有32个下行同步码做滑动相关，从累加的相关的结果中找出一个最大值，并记住相对应的值，下行同步码和相关位置，用相同的方法可以依次获得每一个时间片的相关结果的最大值及其所对应的下行同步码和相关位置；将M个最大值中最大的值所对应的下行同步码作为小区搜索第一步所检测到的下行同步码，而通过最大值所对应的时间片和位置信息可得到小区搜索第一步所检测到子帧帧头位置。 

对于滑动相关的实现来讲即可以采用如图3所示的方法也可以采用任何能获得相同或近似结果的方法。 

根据本发明实现的用于TD-SCDMA系统中用户终端设备的进行初始小区搜索的方法，具有相对较低的相关复杂度，并能够在较恶劣的传播条件下，达到较高的检测概率。同时由于本发明的实现方案只需要每个子帧的部分时间(一个时间片)打开RF/ABB模块，相对于需要在整个小区搜索过程中都需要打开RF/ABB模块的方法，能够有效地缩短TD-SCDMA系统中初始小区搜索时间和降低用户终端(UE)的功耗。同时由于本方法连续几帧都接收同一个时间片的信号，对于小区搜索第一步的自动增益控制(AGC)设计来讲，AGC的增益会更加准确，从而提高初始小区搜索的性能。本发明可以通过选取不同的参数，在处理能力和处理时间之间相互取舍，使得本发明可以应用于不同处理能力的商用软/硬件处理器。 

本发明的目的和优点通过以下对TD-SCDMA系统中初始小区搜索的方法和装置的描述，将会变得越来越明显。

附图说明

图1为一典型的蜂窝移动通信系统的简单示意图； 

图2为TD-SCDMA系统的帧结构示意图； 

图3为一种现有的应用于TD-SCDMA系统初始小区搜索第一步骤的相关装置； 

图4本发明中的时间片的示意图； 

图5为实现本发明的应用于TD-SCDMA系统初始小区搜索第一步骤的方法的流程图。 

具体实施方式

下面通过图4至图5，详细介绍本发明的一个具体实施例，以使进一步了解本发明的发明内容。 

如图5所示：本发明的时分同步码分多址系统中的用户终端进行初始小区搜索第一步的方法，包括如下步骤： 

步骤1，将计算过程中所用到的计数器K，m，J清零，并将计算过程中会用到的存储器清零。计数器K用于对子帧计数，计数器m用于对时间片计数，计数器J用于对平均子帧个数的计数。 

步骤2，用户终端(UE)接收第K子帧(从第0子帧开始)的属于第m个时间片的信号，并将计数器K内数值加一。 

步骤3，用户终端(UE)将输入的第K子帧的属于第m个时间片的信号分别跟L个下行同步码做滑动相关，如图4所示，这样可以获得L×6400×N÷M个相关结果。N为输入信号的过采样率，M为划分的时间片的个数。 

步骤4，用户终端(UE)将相关结果与存储器所存的相应数据累加并将计算结果再放入存储器相应位置。 

步骤5，将计数器J内数值加一。

步骤6，判断计数器J内数值是否等于设定的平均子帧个数(SteplAveSf)，如果是则跳转到步骤7，否则就跳转到步骤2。 

步骤7，用户终端(UE)从累加的相关结果中找出最大值，并记住这个值及其所对应的下行同步码和相关位置。 

步骤8，将计数器m内数值加一，同时将计数器J内数值清0(计数器J内数值清0的步骤也可以放在步骤6之后，本步骤之前)。 

步骤9，判断计数器m内数值是否等于M，如果不等则跳转到步骤2。 

步骤10，用户终端(UE)比较所有M个时间片的最大值，找出这M个值中的最大值，并获得这个最大值所对应的下行同步码(Sync-DL code)，相关位置和时间片。 

步骤11，用户终端(UE)计算小区搜索第一步的输出结果。 

将所有这些值(一共有M个值)中最大值所对应的下行同步码定义为小区搜索第一步所检测到的下行同步码，而通过最大值所对应的时间片和位置信息则可得到小区搜索第一步所检测到子帧帧头位置。 

前面提供了对本发明的较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本发明。对该较佳实施例，本领域内的技术人员在不脱离本发明原理的基础上，可以作出各种修改或者变换。应当理解，这些修改或者变换都不脱离本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用户终端进行初始小区搜索第一步的方法，包括如下步骤：

将每个子帧的数据分为M个时间片；

在连续的几个子帧里都接收第一个时间片里的信号，并将每一个子帧的接收信号对所有32个下行同步码做滑动相关，将计算结果和存储器所存的相应数据累加，从累加的相关的结果中找出一个最大值，并记住相对应的值，下行同步码和相关位置，用相同的方法可以依次获得每一个时间片的相关结果的最大值及其所对应的下行同步码和相关位置；

将M个最大值中最大的值所对应的下行同步码作为小区搜索第一步所检测到的下行同步码，而通过该最大的值所对应的时间片和位置信息可得到小区搜索第一步所检测到子帧帧头位置。

2.如权利要求1所述的用户终端进行初始小区搜索第一步的方法，其特征在于，每个时间片的长度为6400×N÷M+W个采样值，N为输入信号的过采样率，W为时间片直接的重叠部分，M为划分的时间片的个数。

3.如权利要求1或2所述的用户终端进行初始小区搜索第一步的方法，其特征在于，将每一个子帧的接收信号仅对下行同步码做滑动相关。

4.如权利要求1所述的用户终端进行初始小区搜索第一步的方法，其特征在于，用计数器对子帧计数。

5.如权利要求1所述的用户终端进行初始小区搜索第一步的方法，其特征在于，用计数器对时间片计数。

6.如权利要求1所述的用户终端进行初始小区搜索第一步的方法，其特征在于，用计数器对平均子帧个数的计数，该平均子帧个数表示在连续多少帧都对同一时间片做相关。

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