CN1905406B - 宽带时分双工蜂窝系统的同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数据时隙采用OFDM调制方式的宽带时分双工蜂窝系统的同步方法，包括：(1)基站在下行方向的导频时隙上以单载波形式发送下行导频序列；(2)终端通过对下行导频时隙的搜索和接收检测下行导频序列，建立与该小区的接收同步关系；(3)当终端需要接入系统时，利用获得的接收同步关系，在上行方向的导频时隙发送上行导频序列。本发明通过将下行导频时隙设置为固定带宽上的单载波工作方式及其隔帧发送导频信号，减小了多小区组网以及上下行切换点带来的各种干扰问题，简化了终端的小区初搜算法及实现方法，可以提高终端接入性能。

Description

宽带时分双工蜂窝系统的同步方法

技术领域

本发明涉及宽带时分双工蜂窝移动通信系统，特别是涉及一种采用OFDM调制方式的宽带时分双工蜂窝系统进行上下行同步的方法。

背景技术

TD-SCDMA是第三代移动通信系统的三大国际标准中唯一采用时分双工(TDD)和上行同步技术的标准。它可以在1.6MHz的单个频带宽度上工作，不需要成对的上下行频率配置，具有灵活的上下行时隙转换点支持上下行非对称业务的传输，在频谱利用上具有较大灵活性。这一标准非常适合于采用智能天线、联合检测和软件无线电等无线通信中的先进技术进行系统设计，使系统具有较高的性能和频谱利用率。随着社会的发展和技术的进步，人们对移动通信的要求不断提高，希望系统能够提供更大容量、更高速率和更低时延的数据传输服务。为了满足这种日益增长的需求，TD-SCDMA系统同样需要不断地演进和提高性能。

现有TD-SCMDA系统的帧结构形式如图2所示。图中，每个无线子帧由7个普通时隙(TS0～TS6)和三个特殊时隙构成。其中，普通时隙(也可称为数据时隙)用来传送数据，包括用于蜂窝网络系统控制的系统广播信息、寻呼信息、信令控制信息以及业务数据等。三个特殊时隙分别为DwPTS(下行导频时隙，用于系统的下行同步信息的发送)，UpPTS(上行导频时隙，用于用户接入的上行同步信息发送)，GP(转换保护时隙，用于提供下行发送时隙向上行发送时隙转换的时间间隔)。

现有的TD-SCMDA系统是一个码片速率为1.28Mcps，带宽为1.6MHz的系统。其数据部分和上下行的导频部分采用同样的信号波形。为了得到高速率大容量的服务，在TD-SCDMA的演进方案中，需要占用更宽的带宽，我们可以称之为宽带时分双工蜂窝系统，带宽可以达到20MHz以上，同时可以支持1.6MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz等频带宽度下工作。在宽带时分双工蜂窝系统中，数据部分的传输可以采用OFDM(正交频分复用)方式。OFDM技术是一种将高速的数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若干个相互正交的频率子信道中传输的调制方式，由于它具有很好的对抗频率选择性衰落和窄带干扰的特性，在无线通信领域日益受到重视。目前，OFDM方式已经在宽带无线局域网中得到了应用，在已有的采用OFDM方式的宽带无线局域网中，同步部分采用和数据部分相同的OFDM方式。

在TD-SCDMA的演进系统中，需要在宽带系统的条件下引入新的信号传输体制，并需要在新的情况下设计信号结构和系统工作方式。而在已有的宽带无线局域网中同步系统的设计不能满足时分双工蜂窝系统多小区工作的要求，在多小区工作的情况下难以有效快速地进行小区搜索并建立上下行链路的同步。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的缺点，提供一种宽带时分双工蜂窝系统的同步方法，用于在时分双工OFDM蜂窝系统多小区工作的情况下有效快速地进行小区搜索并建立上下行链路的同步，该时分双工系统至少包括用于同步的导频时隙和用于传输数据的数据时隙，数据时隙采用OFDM调制方式，包括以下步骤：

A、基站在下行方向的导频时隙上以单载波形式发送下行导频序列；

B、终端通过对下行导频时隙的搜索和接收检测下行导频序列，建立与该小区的接收同步关系；

C、当终端需要接入系统时，利用步骤B获得的接收同步关系，在上行方向的导频时隙发送上行导频序列。

其中，终端发送的上行导频序列和基站发送的下行导频序列是分别按照预先规定的帧号或子帧编号发送的；

终端发送的上行导频序列和基站发送的下行导频序列也可以隔帧交替发送，终端可以通过检测下行导频序列所在的帧而确定发送上行导频序列所在的帧。

所述步骤B中终端建立与小区同步关系的方法是在固定带宽上观察功率特征窗的快速搜索方法。

所述步骤A中基站发送的下行导频序列的单频带宽度是预先确定并固定不变的，所述步骤C中终端发送的上行导频序列所占用的频带宽度也是预先确定并固定不变的，终端发送上行导频序列可以是以OFDM调制方式发送的，也可以采用单载波形式发送。

数据时隙上采用OFDM调制方式发送的信号，所占用的频带总宽度是可以调整的，其典型取值可以是1.6MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz或20MHz。

组成蜂窝网络的若干小区中，不同小区可以采用相同也可以采用不同的频点发送下行导频序列，不同小区可以配置相同也可以配置不同的下行导频序列，任何相邻的两个小区之间，下行导频时隙频点和下行导频序列的组合是唯一的。

终端在发送上行同步序列时，可以根据系统的指令配置上行导频时隙频点或频带中心频率。另外，终端在发送上行同步序列时，可以在与下行导频时隙频点对应的上行导频频点或频带中心频率集合中随机地选择一个作为上行导频的频点或频带中心频率，终端还可以在与下行导频序列对应的上行导频序列集合中随机地选择一个作为上行导频序列。

当上行导频序列和下行导频序列都采用单载波形式发送导频序列时，每个蜂窝小区中上行导频频点与下行导频频点可以相同，也可以不同。如果可用频带总宽度大于下行导频时隙的频带宽度，可以从频带总宽度范围内选择一部分频点作为下行导频时隙的可用频点集合。

当可用频带总宽度大于下行导频时隙的频带总宽度时，下行导频频点集合中的频点可以是分散配置的，也可以是集中配置的。

根据本发明的方法，可以实现宽带时分双工蜂窝系统的有效工作。由于导频时隙工作在部分带宽上，减小了上下行切换点带来的各种干扰问题，同时为终端的接入带来了更多的信道资源和更大的灵活性，可以提高终端接入的性能。另外，由于下行导频时隙单载波工作并只占用部分带宽，为实现小区初搜算法的简化和实现快速搜索提供了条件。

附图说明

图1是本发明优选实施例的宽带时分双工蜂窝系统的同步方法流程图；

图2是TD-SCDMA通信系统中子帧时隙结构示意图；

图3是下行导频时隙和上行导频时隙结构示意图；

图4A和图4B是在较宽带宽条件下频点集中的导频方案；

图5A和图5B是在较宽带宽条件下频点分散的导频方案；

图6A和图6B是中等带宽条件下的导频方案；

图7A和图7B是较窄带宽条件下的导频方案。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明公开了一种宽带时分双工蜂窝系统的同步方法，该时分双工系统至少包括用于同步的导频时隙和用于传输数据的数据时隙，数据时隙采用OFDM调制方式，该方法通过在导频时隙上发送固定带宽的下行导频序列，终端通过对导频信号的搜索获得与网络的同步。

参照图2中TD-SCDMA的帧结构，数据传送时隙可以采用多个窄带并行传输的OFDM工作方式，而在下行导频时隙，发明人建议采用一定带宽的单载波导频序列方式工作。具体来说，数据传输时隙采用OFDM方式，频带总宽度的典型取值是1.6MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz或20MHz，可以根据系统的要求在网络中灵活指定，并按一定的频带宽度为单位划分为若干正交的子载波进行并行数据发送(如几十KHz)，一个与基站进行通信的用户终端可以占用以一定子载波组成的一个或数个子频带与基站进行数据传输，而导频时隙以一定带宽(比如1.6MHz)的单载波只占总带宽的部分带宽发送上下行同步信息。另外，对终端在上行导频时隙发送的上行导频序列可以根据需要设计为采用单载波形式、多载波形式或者是OFDM调制方式。

为了保证蜂窝系统具有较大的覆盖半径，在如图2所示的帧结构中，可以安排终端发送的上行导频序列和基站发送的下行导频序列是分别按照预先规定的帧号或子帧编号发送的。作为一种特例，可以进一步规定终端发送的上行导频序列和基站发送的下行导频序列是隔帧交替发送的。另外，也可以不在标准中规定具体每种导频序列是在奇数帧还是偶数帧发送，而在实现时，选定基站在奇数帧或偶数帧发送下行导频序列，终端通过检测下行导频序列所在的帧，从而就可以确定上行导频序列是在偶数帧还是奇数帧，同样可以达到上下行导频序列不在同一时隙内发送，从而可以在网络规划时获得较大的小区覆盖半径的目的。

对于下行导频，每个小区所发送的下行导频时隙是一个单载波的时间序列，在网络规划时小区可以配置下行导频的频点和导频序列。根据具体的应用，不同的小区可以从若干个(比如，3个)导频频点中确定一个频点做为本小区的下行导频频点。对应一个小区的下行导频序列可以从一个下行导频序列集合中配置，并建立下行导频序列与小区之间的对应关系。这样，每个小区靠下行导频时隙的频点和下行导频序列的组合在一定的小区复用簇内区分，即任何相邻的两个小区之间，下行导频时隙频点和下行导频序列的组合是唯一的，这样就可以保证在蜂窝小区的覆盖范围内，终端能根据接收到的下行导频时隙频点和下行导频序列来确定所接入的小区。

对于上行导频，每个终端所发送的上行导频时隙是一个单载波的时间序列，也可以将该导频序列按OFDM方式进行调制。不论采用何种调制方式，终端在接入小区时发送的上行导频信号的频带宽度都是预先确定并固定不变的。终端可以根据基站的指令配置上行导频的频点或频带中心频率，终端也可以根据对应小区的编号或对应的下行导频在相应的上行导频频点或频带中心频率集合中随机确定一个上行导频的频点或频带中心频率，在相应的上行导频序列集合中随机确定一个上行导频的导频序列。这里之所以采用频带中心频率来描述是因为针对OFDM调制，每个子载波都有一个频点，为了避免混淆，用这一组连续的子载波所占据的频带的中心频率来表示这一频段。上行导频的频点或频带中心频率和下行导频频点可以相同，也可以不同，另外，上行导频频带的宽度和下行导频频带的宽度也不一定需要保持一致。这是因为这两个信号时在不同的时隙发送的，完全可以采用不同的调制技术和带宽，当然，为了方便这一宽带时分双工系统实现的便利，可以在系统设计时尽量在一些如频点范围、频带宽度等参数上在各个不同的时隙上保持一致。

图1是根据本发明实施例一的宽带时分双工蜂窝系统的同步方法流程图。从图1中可以看出，该方法包括如下步骤：

步骤101：基站在下行方向的导频时隙上以单载波形式发送下行导频序列；

步骤102：终端通过对下行导频时隙的搜索和接收检测下行导频序列，建立与该小区的同步关系；

终端进行小区搜索和建立下行同步，可以通过对下行导频的搜索和接收检测来进行。由于下行导频只占用部分带宽并且带宽固定，终端可以在固定宽度的窄带上搜索和检测下行导频。同时，由于下行导频单载波工作并只占用部分带宽，可以采用简单的功率特征窗的方法来实现快速搜索，而不必在整个可用带宽并随整个可用带宽的变化进行搜索。

利用功率特征窗进行下行导频大致位置的快速搜索的基本原理是：利用接收信号的功率形状来搜索DwPTS的大致位置。在TD-SCDMA的帧结构中，SYNC_DL的左边有32chips的GP(guard period)，右边有96chips的GP(guardperiod)，SYNC_DL本身为64chips。由于GP的功率很小，故从接收功率的时间分布上看，与GP相比SYNC_DL段的功率较大。当用SYNC_DL段功率和除以两边共64chips(两边各32chips)功率和时，得到的值应当比较大，用此方法就可以判断出DwPTS的大致位置。

为此，建立功率“特征窗”来搜寻DwPTS的大致位置。“特征窗”长度为128chips。搜索范围为(6400+128)chips，“特征窗”在整个帧范围内移动，得到N个“特征窗”。对每一个“特征窗”，计算其内部中间64chips对两边64chips功率比Ri。在N个Ri中找寻最大值，其对应的“特征窗”位置即为DwPTS的位置。

以上的功率特征窗方法是针对现有的TD-SCDMA系统描述的，在本发明的宽带时分双工蜂窝系统中，其具体的参数可能会有所不同，但基本原理是一致的。通过在相应频带上进行功率特征窗搜索，确定了下行导频的大致位置；然后，再利用导频序列进行相关运算，确定所对应的导频序列和精确的同步关系。

步骤103：当终端需要接入系统时，利用步骤102获得的同步关系，在上行方向的导频时隙以单载波形式发送上行导频序列。

终端进行随机接入和建立上行同步，可以在完成下行同步后，选择上行导频的频点或频带中心频率和导频序列发送上行导频信号。由于可能有多个终端的接入，这里有可能是一个竞争接入过程：如果在基站接收到两个终端同时发出的上行导频信号，并且此上行导频信号具有相同的频点和上行导频序列，则此时基站就不能区分这两个终端发出的上行接入信号，即两个终端的上行同步信号遇到碰撞。在这种情况下，由于基站无法检测出两个终端的信号，因而不会对终端作出反馈，终端在等待一定的时间后如果不能收到基站的反馈信号，则按照一定的重发机制再次重发上行同步信号；如果基站检测成功，基站就可以进一步对接收到的上行同步序列的时间偏差进行测量，从而得到上行同步的误差。基站在反馈信号中把同步误差反馈到终端，终端就取得了上行同步，并可以在随后发送的信号中根据这一反馈来调整终端发送信号的定时，使信号到达基站时保持精确的同步关系。

当上行导频序列采用OFDM调制方式发送时，其带宽可以是基站全部可用带宽的一部分，例如，可以采用固定的频带宽度，在该频带宽度内，按OFDM方式划分为多个子载波。随着可用总频带宽度的不同，导频时隙频点的设置也可以有不同的方案，例如图4和图5所示，在较宽的带宽条件下，导频时隙的频带可以采用频点集中配置的方案，也可以采用频点分散配置的方案，下行导频频点可以在几个频点范围内选择一个，如图中实线所表示的频点所示，而上行导频的频点或频带中心频率可以在与下行导频频点对应的上行导频频点范围内选择一个，如图中的实线所表示的频点所示。这里，所谓的较宽的带宽条件是指总的频带宽度大于可用下行导频频点集合中的所有频点所组成的带宽之和。而当在中等带宽条件下时，导频频点的配置方案则如图6所示，这里的中等带宽条件是指总的频带宽度等于可用下行导频频点集合中的所有频点所组成的带宽之和。而在较窄带宽条件下时，导频频点的配置方案则如图7所示，这里的较窄带宽条件是指总的频带宽度恰好仅能容纳一个导频频点的带宽。其中图4A、5A、6A、7A表示的是上行导频采用单载波方式时的频带划分示意图，图4B、5B、6B、7B表示的是上行导频采用OFDM调制方式时的频带划分示意图。当上行导频时隙采用OFDM调制方式时，对应的频段被划分为一定数量的相互正交的子载波。

在具体的实施过程中可对根据本发明的方法进行适当的改进，以适应具体情况的具体需要。因此可以理解，根据本发明的具体实施方式只是起示范作用，并不用以限制本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种宽带时分双工蜂窝系统的同步方法，该时分双工系统至少包括用于同步的导频时隙和用于传输数据的数据时隙，数据时隙采用OFDM调制方式，其特征在于，包括以下步骤：

A、基站在下行方向的导频时隙上以单载波形式发送下行导频序列；

B、终端通过对下行导频时隙的搜索和接收检测下行导频序列，建立与小区的接收同步关系；

C、当终端需要接入所述小区时，利用步骤B获得的接收同步关系，在上行方向的导频时隙发送上行导频序列。

2.如权利要求1所述的宽带时分双工蜂窝系统的同步方法，其特征在于，终端发送的上行导频序列和基站发送的下行导频序列是分别按照预先规定的帧号或子帧编号发送的。

3.如权利要求1所述的宽带时分双工蜂窝系统的同步方法，其特征在于，终端发送的上行导频序列和基站发送的下行导频序列是隔帧交替发送的。

4.如权利要求3所述的宽带时分双工蜂窝系统的同步方法，其特征在于，终端是通过检测下行导频序列所在的帧而确定发送上行导频序列所在的帧。

5.如权利要求1所述的宽带时分双工蜂窝系统的同步方法，其特征在于，所述步骤B中终端建立与小区同步关系的方法是在固定带宽上观察功率特征窗的快速搜索方法。

6.如权利要求1所述的宽带时分双工蜂窝系统的同步方法，其特征在于，所述步骤A中基站发送的下行导频序列的单频带宽度是预先确定并固定不变的。

7.如权利要求6所述的宽带时分双工蜂窝系统的同步方法，其特征在于，所述步骤C中终端发送的上行导频序列所占用的频带宽度是预先确定并固定不变的。

8.如权利要求7所述的宽带时分双工蜂窝系统的同步方法，其特征在于，所述步骤C中终端发送上行导频序列具体是以OFDM调制方式发送的。

9.如权利要求7所述的宽带时分双工蜂窝系统的同步方法，其特征在于，所述步骤C中终端发送上行导频序列具体是以单载波形式发送的。

10.如权利要求1所述的宽带时分双工蜂窝系统的同步方法，其特征在于，数据时隙上采用OFDM调制方式发送的信号，所占用的频带总宽度是可以调整的，其典型取值可以是1.6MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz或20MHz。

11.如权利要求1所述的宽带时分双工蜂窝系统的同步方法，其特征在于，组成蜂窝网络的若干小区中，任何相邻的两个小区之间，下行导频时隙频点和下行导频序列的组合是唯一的。

12.如权利要求7所述的宽带时分双工蜂窝系统的同步方法，其特征在于，终端在发送上行导频序列时，可以根据系统的指令配置上行导频时隙频点或频带中心频率。

13.如权利要求7所述的宽带时分双工蜂窝系统的同步方法，其特征在于，终端在发送上行导频序列时，可以在与下行导频时隙频点对应的上行导频频点或频带中心频率集合中随机地选择一个作为上行导频的频点或频带中心频率。

14.如权利要求7所述的宽带时分双工蜂窝系统的同步方法，其特征在于，终端在发送上行导频序列时，可以在与下行导频序列对应的上行导频序列集合中随机地选择一个作为上行导频序列。

15.如权利要求1所述的宽带时分双工蜂窝系统的同步方法，其特征在于，如果可用频带总宽度大于下行导频时隙的频带宽度，可以从可用频带总宽度范围内选择一部分频点作为下行导频时隙的可用频点集合。

16.如权利要求15所述的宽带时分双工蜂窝系统的同步方法，其特征在于，当可用频带总宽度大于下行导频时隙的频带总宽度时，下行导频频点集合中的频点是分散配置的。

17.如权利要求15所述的宽带时分双工蜂窝系统的同步方法，其特征在于，当可用频带总宽度大于下行导频时隙的频带总宽度时，下行导频频点集合中的频点是集中配置的。

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