CN1881811A - 一种宽带码分多址系统的多径搜索方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线移动通信领域中直接扩频码分多址系统中的多径搜索方法，所述方法采用二次搜索，第一次先利用常规方法完成初始的多径搜索，利用第一步得到的结果估计移动台的多普勒频移，根据各径情况和多普勒频移来设定不同相位上的IIR滤波器系数α的大小，第二次，利用已经更新的IIR滤波器系数α进行第二次多径搜索。采用本发明所述方法，通过动态设定IIR滤波器系数α的大小，适应不同的无线信道环境和多径信息，使多径搜索快速、高效。

Description

一种宽带码分多址系统的多径搜索方法

技术领域

本发明涉及无线移动通信领域中直接扩频码分多址系统中多径搜索方法，更具体而言是如何在宽带码分多址系统(WCDMA)中更准确的搜索多径。

背景技术

在第三代移动通讯系统中，无线信道的频谱相当宽，利用扩频和码分多址，多个用户可以使用相同的信道。利用直接扩频序列，信息符号由码片的序列来表示。在无线接收端，对码片序列进行相关来恢复信息符号。因为移动通信是在复杂的电波环境下进行，因此如何克服电波传播所造成的多径衰落现象是移动通信的一个基本问题。在直接扩频码分多址系统中，由于使用宽带扩频，射频信号带宽比衰落的相关带宽大得多，因而可以采用瑞克接收机从接收信号中分辨出不同路径的分量分别进行解调和合并，从而可以增强接收信号，提高信噪比。

多径搜索成为移动通信中的一个关键方法。现有的多径搜索方法主要有两种：匹配滤波法和滑动相关法。匹配滤波器法是通过将本地码字作为滤波器系数，对接收信号进行滤波，由输出的峰值位置，确定输入信号的若干峰值相位，也就是多径分量的位置。滑动相关法是滑动本地码字相位，与接收信号进行相关运算，从中寻找相关值的峰值位置，就得到多径分量。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码字相位的能量分布，但是需要消耗很多的硬件资源。滑动相关法速度比较慢，其速度主要取决于相关器的相关长度。

现实中的无线移动信道一般都存在多径，而且各径强度也会发生变化。多径强度的变化和噪声的存在都会显著降低搜索能量窗的多径分辨力。由于瑞利衰落的影响，往往会造成衰落在不同的多径更新周期内衰落不同，某条径在多径更新周期内衰落比较严重时，就会造成该条径丢失。经常使用的方法是用非相干累加，特别是对各相位能量进行滤波。最常用的是滤波器系数固定为α的一阶IIR滤波器。但是对应不同的无线信道，衰落的变化率不同，需要用不同的系数α来达到最佳效果，例如，图1所示，移动速度较低时，衰落变化比较慢，这时需要用较大的系数α充分利用信号之间的相关性，达到性能。而移动速度较高时，如图2，图3所示，衰落变化比较快，这时需要按情况用较小的系数α去适应信号之间较差的相关性，避免带来不必要的噪声，增加误判。常规的搜索器无法简便有效的判断无线信道情况。只有均衡各种情况；取一个折中的固定值，无法达到各种条件下的最优效果，同时在多径生存的不同周期，最优的系数α也不同。本发明就是针对现有码分多址通信系统多径搜索方法存在的上述问题，提出一种新的实用有效的方法估计无线信道情况，结合多径的生存周期，设置滤波器系数α的方法，可以提高多径搜索的准确性。

发明内容

本发明目的是利用无线信道中瑞利衰落的快慢和多普勒频移的关系，估计无线信道情况，结合多径的生存周期，对不同情况下的不同相位的多径设置不同的IIR滤波器系数α，提高多径搜索的准确性和对新出现径的反应速度，从而提高瑞克接收机的整体性能。

为了实现上述发明目的，本发明提出一种宽带码分多址系统的多径搜索方法，即二次搜索，第一次，先利用常规方法完成初始的搜索，利用第一步搜索得到的结果估计移动台的多普勒频移。根据各径情况和多普勒频移来设定不同相位上的IIR滤波器系数α大小；第二次，利用已经更新的IIR滤波器系数α进行第二次搜索，就可以更准确搜索到新的多径。具体方法为：

第一步：第一次搜索，采用常规的方法进行初始的多径搜索，相干累加器401输入基带信号与已知的扰码和导频做不同时延的相关，得到幅度时延轮廓(ADP)，非相干累加器402对输入的ADP进行非相干累加，输出各时延非相干累加能量值，IIR滤波403将能量值进行滤波，峰值选择器404从滤波后的能量值中寻找峰值找到各径延时。

第二步：开始第二次搜索，采用改进的搜索器，首先，使用频偏估计器505，利用搜索出来强径的信息估计移动台的多普勒频移，具体如图6，径选择器601从多径信息中选择一条最强的径，送入低通滤波器602，滤除噪声，然后通过过零检测累加器603和多普勒频移计算器604求得多普勒频移。

第三步：计算IIR滤波器系数506，在当前的多径更新周期中，根据前面得到的多普勒频移和原有径位置及径的生存时间设定不同相位上IIR滤波器系数α大小。

第四步：更新各相位IIR滤波器系数α，将当前多径更新周期中的导频信号与已知扰码和导频做不同时延的相关，得到幅度时延轮廓，进行非相干累加。

第五步：根据设定的各相位IIR滤波器系数α，通过相干累加器501，非相干累加器502，IIR滤波器503，及通过峰值选择器504查找峰值的方法找到新的多径延时。

第六步：每隔一定时间，从第二步开始进行一次新的多径搜索，得到新的多径延时。

由于本方案中使用多径信息估计的结果来估计移动台的多普勒频率，估计无线信道环境，进而根据得到的无线信道环境，和原有多径信息和位置设定不同相位上的IIR滤波器系数α大小。通过动态设定IIR滤波器系数α大小，适应不同的无线信道环境和多径信息，使多径搜索达到快速性和高效。

附图说明

图1移动台速度是3公里时一条径10ms的衰落情况；

图2移动台速度是50公里时一条径10ms的衰落情况；

图3移动台速度是120公里时一条径10ms的衰落情况；

图4常规搜索器结构图；

图5改进搜索器的结构框图；

图6频偏估计器的结构框图；

图7瑞克接收机框图；

图8本发明的流程图。

具体实施方式

下面对技术方案的实施作进一步的详细描述，同一领域的技术人员可以很容易实现本发明。

在一个直接扩频码分多址系统，一般是用导频信号来实现同步。导频信号是DPCCH(Dedicated Physical Control Channel，专用物理控制信道)的重要组成部分，在接收端事先知道导频信号和所使用扰码的情况下进行搜索多径。

瑞克接收机的结构如图7所示，基带信号分别送到搜索器701和解调模块704中。搜索器701从基带信号中搜寻多径，找到每条径的延时，分别提供给解调模块704。解调模块704根据得到的各径延时，进行数据解调，得到各径的DPCCH(Dedicated Physical Control Channel，专用物理控制信道)和DPDCH(Dedicated Physical Data Channel，专用物理数据信道)分量。将各径的专用物理控制信道信号送入到信道估计模块702，同时将专用物理控制信道和专用物理数据信道信号送入最大比合并模块703。在信道估计模块702中，根据输入的专用物理控制信道信号得到各径的信道估计值，将这些值送入到最大比合并模块703和搜索器701中。在最大比合并模块中，利用输入的各径信道估计值，对各径的专用物理数据信道和控制信道进行最大比合并操作，得到专用物理数据信道和专用物理控制信道的结果。准确提供各径延时对RAKE接收机是相当重要，否则将不可能解调出正确的数据。由于无线信道的时变特性，需要搜索器不断更新各径延时。搜索器701是本发明的主体。

我们假定一个多径信道中有延时为T₁，T₂，...，T_N的N条路径，而RAKE接收机使用搜索器测得最强的M≤N条路径，M个解调器用来解调最强的这M条路径。搜索器701的结构如图5所示，基带信号首先送到幅度时延轮廓相关器501中与已知的长度是2L+1的扰码和导频做不同时延t的相关，得到幅度时延轮廓A(t)。对于第n径，当时延t＝T_n时，幅度时延轮廓会出现一个峰值。但是由于多径强度会随着时间的变化而变化，而且由于噪声的存在，有可能造成幅度时延轮廓峰值发生变化。因此需要进行非相干累加和相位滤波来消除噪声和信道衰落变化的影响。幅度时延轮廓A(t)送入到非相干累加器502中进行非相干累加，再送入到各相位滤波器503中对各相位进行系数为a(t)的一阶IIR滤波，将结果送入到峰值选择器504得到各径的延时。而IIR滤波器的系数a(t)对于不同的相位是不同的。其设定的过程如下，首先多普勒频偏估计器505根据输入的信道估计值计算得到多普勒频移，然后IIR系数模块506根据输入的多普勒频移和已知各径位置设定不同相位上滤波器系数a(t)的大小。

多径强度的变化快慢是和移动台运动速度有关的，当移动台运动速度较快的时候，在一个多径搜索周期中信道衰落变化比较快，最大值和最小值都出现了，各径在不同多径搜索周期内的衰落平均值变化不大。当移动台的运动速度较慢的时候，在一个多径搜索周期中信道衰落变化比较慢，有可能一个周期中都是比较小的值，而另一个周期都是比较大的值，各径在不同搜索周期内的衰落平均值变化比较大。图1，图2和图3分别表示移动台的速度是3公里，50公里和120公里时在10ms即一帧的时间内的衰落情况。可以看出，随着速度的提高，在一帧数据时间内，衰落变化的速度更快，这样速度越高，统计出来径的衰落平均值越准。反之，当速度特别低的时候，统计出来径的衰落平均值越不准。多普勒频移可以由移动台的速度决定的，计算公式如下：

$f_m=\frac{v}{c}\×f_c$

其中，f_m是多普勒频移；v是移动台运动速度；c是光速；f_c是载频，为800MHz或1.9GHz。这里给出一种典型情况下瑞利衰落的频谱分布：

$S\left(f\right)=\frac{1.5}{{\mathrm{\πf}}_m\sqrt{1-{((f-f_c)/f_m)}^2}}$

由上式可知，瑞利衰落的频谱会在频率等于f_m时存在最大值。这里我们就需要考察多普勒频偏估计器505了，它的模块框图如图6所示。各径的信道估计值送入径选择器601，根据各径实部和虚部能量均值选择能量最强的实部或者虚部fade(t)。选择能量最强的是为了减小噪声对估计的影响。将选出来的fade(t)送入到低通滤波器602中，对fade(t)进行低通滤波，去除其中的高频干扰和噪声，特别是载波频偏对信道估计值的影响，得到fade′(t)。fade′(t)送入过零检测累加器603后，检测输入波形中的过零次数，并对过零次数进行IIR滤波，得到在一帧中波形过零的次数n_zero，送入多普勒频移计算器604。通过下面的公式计算多普勒频移f_doppler。

$f_{\mathrm{doppler}}=\frac{n_{\mathrm{zero}}}{{2T}_{\mathrm{frame}}}$

其中T_frame为一帧的时间长度，由于正弦波一个周期内两次过零，因此要除以2。

实际上，瑞利衰落的实部和虚部都可以近似看作是以多普勒频偏为基本频率变化的正弦波，因此我们要得到一个准确的径平均衰落，只需要在其m个变化周期内取平均就可以了。对于标准正弦波信号，只需要在其一个周期内取平均就可以，但由于瑞利衰落本身是一个随机过程，只是近似有着以多普勒频偏为频率的正弦波特性，显然平均长度仅一个周期是远远不够的。系数为a的IIR滤波器可以表示为：

y(n)＝a*x(n)+(1-a)*y(n-1)

经计算其是无偏估计，其方差是

$\mathrm{VAR}\left(y\right)=-\frac{a(a^2-2a+2)}{a^3-{4a}^2+6a-4}\mathrm{VAR}\left(x\right)$

方差随a的变化的规律是，随着a的变小，方差变小。其近似等价的IIR滤波器可表示为：

$y\left(n\right)=\frac{1}{\mathrm{ceil}(1/a)}\underset{k=0}{\overset{\mathrm{ceil}(1/a)-1}{\mathrm{\Σ}}}x(n-k)$

其中ceil(x)表示对x上取整，设x(n)周期为T_x，则滤波的时间长度就是T_x*ceil(1/a)。而瑞利衰落的近似周期就是1/f_doppler，因此当T_x*ceil(1/a)≥m*(1/f_doppler)时，滤波得到的幅度时延函数就可以比较准确的表示各径的衰落了。因此

$a=\mathrm{floor}\left(\frac{f_{\mathrm{doppler}}*T_x}{m}\right)$

其中floor(x)表示向下取整，这样我们就可以根据得到的多普勒频移设定合适的IIR滤波器系数。

在传统方法中，a的值对于不同的相位是相同的，当时由于存在径的相位和仅有噪声相位的方差差别很大，在径及其相邻位置幅度时延函数的方差很大，而在噪声位置方差较小。因此我们可以考虑在针对不同的位置设置不同的a值，在噪声位置，由于方差本身比较小，a值可以大一些，这样也有利于出现新径的快速捕捉。在径及其相邻位置，由于方差本身比较大，a值要小一些，具体的大小按照多普勒频移来设定。多普勒频移较大时，a值可以不必太小，但当多普勒频移较小时，多普勒频移就需要比较小。对于与径相邻半个时隙位置上的a值，可以取径上a值和噪声上a值的中间值。对于新出现的径，开始几个周期a值维持原来不变，在经过几个周期其幅度时延函数仍然在门限之上后，按照多普勒频偏的大小调小a值。

本方案中使用信道估计的结果来估计移动台的多普勒频率，进而根据得到的多普勒频移设定IIR滤波器系数α大小。通过动态设定IIR滤波器系数α的大小，适应不同的无线信道环境和多径信息，多径搜索达到快速性和高效。

Claims (5)

1、一种宽带码分多址系统的多径搜索方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：第一次搜索，采用常规的方法进行初始的多径搜索，相干累加器(401)输入基带信号与已知的扰码和导频做不同时延的相关，得到幅度时延轮廓，非相干累加器(402)对输入的ADP进行非相干累加，输出各时延非相干累加能量值，IIR滤波(403)将能量值进行滤波，峰值选择器(404)从滤波后的能量值中寻找峰值找到各径延时；

第二步：开始第二次搜索，采用改进的搜索器，首先，使用频偏估计器(505)，利用搜索出来强径的信息估计移动台的多普勒频移；

第三步：计算IIR滤波器系数(506)，在当前的多径更新周期中，根据前面得到的多普勒频移和原有径位置及径的生存时间设定不同相位上IIR滤波器系数α大小；

第四步：更新各相位IIR滤波器系数α，将当前多径更新周期中的导频信号与已知扰码和导频做不同时延的相关，得到幅度时延轮廓，进行非相干累加；

第五步：根据设定的各相位IIR滤波器系数α，通过相干累加器(501)，非相干累加器(502)，IIR滤波器(503)，及通过峰值选择器(504)查找峰值的方法找到新的多径延时；

第六步：每隔一定时间，从第二步开始进行一次新的多径搜索，得到新的多径延时。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二步，频偏估计器利用搜索出来强径的信息估计移动台的多普勒频移，具体包括如下步骤：径选择器(601)从多径信息中选择一条最强的径，送入低通滤波器(602)，滤除噪声，然后通过过零检测累加器(603)和多普勒频移计算器(604)求得多普勒频移。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三步计算得到的IIR滤波器的系数为 $a=\mathrm{floor}\left(\frac{{f_{\mathrm{doppler}}}^{*}{T}_x}{m}\right),$ 其中floor(x)表示向下取整，f_doppler表示为多普勒频移。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述滤波器的系数 $a=\mathrm{floor}\left(\frac{{f_{\mathrm{doppler}}}^{*}{T}_x}{m}\right)$ 的计算方法如下：多普勒频移 $f_{\mathrm{doppler}}=\frac{n_{\mathrm{zero}}}{{2T}_{\mathrm{frame}}},$ 其中T_frame为一帧的时间长度，由于正弦波一个周期内两次过零，因此要除以2；

系数为a的IIR滤波器可以表示为：y(n)＝a*x(n)+(1-a)*y(n-1)；

经计算其方差是： $\mathrm{VAR}\left(y\right)=-\frac{a(a^2-2a+2)}{a^3-{4a}^2+6a-4}\mathrm{VAR}\left(x\right);$

随着a的变小，方差变小，其近似等价的IIR滤波器可表示为：

$y\left(n\right)=\frac{1}{\mathrm{ceil}(1/a)}\underset{k=0}{\overset{\mathrm{ceil}(1/a)-1}{\mathrm{\Σ}}}x(n-k)$

其中ceil(x)表示对x上取整，x(n)周期为T_x，滤波的时间长度为T_x ^*ceil(1/a)，瑞利衰落的近似周期是1/f_doppler；

当T_x ^*ceil(1/a)≥m^*(1/f_doppler)时，滤波得到的幅度时延函数就可以比较准确的表示各径的衰落，故：

$a=\mathrm{floor}\left(\frac{{f_{\mathrm{doppler}}}^{*}{T}_x}{m}\right).$

5、根据权利要求1至4任一权利要求所述的方法，其特征在于，搜索多径是在接收端事先知道导频信号和所使用扰码的情况下进行的。

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