CN2757443Y - 码分多址移动通信系统中的初始同步装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种码分多址移动通信系统中的初始同步装置，其包括包括：天线，前端接收单元，模数转换器，同步码发生器，K个并联的相关器，K个并联的第一峰值检测器，K个并联的帧间合并器，K个并联的存储器，K个并联的第二峰值检测器，以及一个第三峰值检测器；本实用新型提出的同步装置，适用于具有同步导频结构的CDMA移动通信系统中UE与基站间的初始同步过程，可以显著减少系统存储量需求，保证系统同步性能，且易于实现。

Description

码分多址移动通信系统中的初始同步装置

技术领域

本实用新型涉及一种无线通信系统的同步装置，特别涉及一种用于码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)移动通信系统的初始同步装置。

背景技术

在CDMA系统中，用户设备(UE)开机后需要完成与小区基站的下行同步，然后才能读取小区广播信息。一般基站在下行链路中加入信标信号，UE通过对信标位置的检测来实现下行同步捕获。在全球移动通信系统(Universal Mobile Telecommunications System，UMTS)的频分双工(Frequency Division Duplex，FDD)标准和高码率时分双工(High Chip RateTime Division Duplex，HCR-TDD)标准中，基站采用公共的信标信号，称为主同步码。低码率时分双工(High Chip Rate Time Division Duplex，HCR-TDD)标准定义的时分同步码分多址(Time Division Synchronous Code DivisionMultiple Access，TD-SCDMA)移动通信系统则定义了一个同步码组，包含了32个长为64码片的下行同步码(SYNC-DL码)。基站在该码组中选择一个同步码在每个子帧的下行特定时隙上发送。图1为TD-SCDMA系统的帧结构示意图。如图1所示，每个5ms子帧包含7个承载上下行业务的时隙(TS0，TS1…TS6)和三个特殊时隙。特殊时隙位于TS0和TS1之间，包括96码片长度的下行导频时隙(Downlink Pilot Time Slot，DwPTS)，96码片长度的保护间隔(Guard Period：GP)以及160码片长度的上行导频时隙(Uplink PilotTime Slot：UpPTS)。SYNC-DL码在DwPTS的后64码片上发送。

UE开机后并不知道接收子帧的实际起始位置，因此需要在一个虚拟子帧内搜索同步码。常用方法是用本地产生的所有同步码与虚拟子帧分别做相关，通过检测相关峰值获得同步码起始位置。由于噪声和干扰的影响，在单个子帧内搜索的结果通常是不可靠的，因此还需要在连续多个子帧中搜索，并对多帧搜索的结果合并。图2所示是一种传统的用于TD-SCDMA系统的初始同步装置结构图。无线信道发送来的模拟信号由UE的天线21接收下来，经过前端接收单元22和模数转换器23后转变为数字信号。数字信号被分为相同的32个支路，分别送到32个相关器25₁-25₃₂的一个输入端。同步码发生器24生成的32个SYNC-DL序列分别送到相关器25₁-25₃₂的另一个输入端。相关器25₁-25₃₂在一个子帧周期里对接收到的数字信号序列和SYNC-DL码序列做相关运算。多帧平均单元26₁-26₃₂用于把本子帧的相关结果和前一子帧的相关结果做平均，然后把平均后的相关序列保存到存储器27₁-27₃₂中，用于下一次子帧间平均。当若干个子帧处理完成后，峰值检测器读取存储器27₁-27₃₂中的所有32个相关序列，寻找其中的最大相关值。该最大相关值对应的SYNC-DL码即是检测到的基站发送的SYNC-DL码，该最大相关值在子帧中的位置指示了SYNC-DL码的起始位置。由于时隙DwPTS在子帧内的位置是固定不变的，因此由SYNC-DL码的起始位置即可得到子帧的起始位置。

传统初始同步装置有两个不足。一是需要较大的存储空间。存储空间的大小与同步码组中同步码的数目，子帧长度以及过采样率成正比。在TD-SCDMA系统中，同步码数目为32个，子帧长度为6400码片，如果采用2倍过采样率，同时做完32个同步码的检测需要的复数存储空间大小为32×6400×2＝409600，在实际系统中要满足这样的存储需求十分困难。另外一个不足是运算量大。在一个子帧周期(5ms)内，除了相关运算外，还要完成32×6400×2＝409600次复数乘加运算。尽管可以采取32个同步码分批处理的方法降低运算量，但不可避免的增加了同步延时。

在国际专利申请公开号为：WO03/032512，发明名称为“低码率移动通信系统的捕获电路”(Acquisition Circuit for Low Chip Rate Option for MobileTelecommunication System)的专利申请中，公开了一种UMTS低码率时分双工(LCR-TDD)系统中的小区搜索电路。该电路对多帧检测结果采用硬判决合并的方法，即检测连续多个子帧中最大相关峰出现在同一位置的次数。这种方法避免了多帧平均运算，但正确检测概率有所损失，达到可靠检测的时间较长。

在国际专利申请公开号为WO01/74103，发明名称为“一种码分多址数字移动通信系统的小区搜索方法”(Method of Cell Search in CDMA DigitalMobile Telecommunication System)的专利申请中，公开了一种具有导频码和保护时隙帧结构的码分多址移动通信系统中的小区搜索方法。该方法采用功率特征窗方法判断下行同步码的大致位置，然后在该位置附近做相关以获得精确定时。这种方法的检测概率受特征窗检测准确性影响较大，当噪声和干扰较大导致下行同步时隙功率特征不明显时，检测性能恶化严重。

在国际专利申请公开号为WO03/028399，发明名称为“小区搜索方法和通信终端装置”(Cell search method and communication terminal apparatus)的专利申请中，公开了一种用于TD-SCDMA的下行同步码检测方法。该方法分为两步，第一步将每个子帧的相关序列分段，在段内检测相关峰并在连续子帧上做平均，然后在子帧范围内寻找最大相关峰。第二步在最大相关峰附近再次做相关找到精确的同步码位置。为保证检测性能，该方法将相关序列分成800段以上，每段存储一个相关值，存储量仍然较大。另外两步检测方法也增加了同步延时。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种CDMA移动通信系统的初始同步装置，利用该同步装置，在保证良好同步性能和较小处理延时的同时，能够显著降低同步过程的复杂度和存储需求。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种码分多址移动通信系统中的初始同步装置，一种码分多址移动通信系统中的初始同步装置，包括：天线，前端接收单元，模数转换器，同步码发生器，K个并联的相关器，K个关联的第一峰值检测器，K个并联的帧间合并器，K个并联的存储器，K个并联的第二峰值检测器，以及一个第三峰值检测器；

天线，接收经无线信道发送到UE的数据；

前端接收单元，处理所述的接收数据并送入模数转换器；

模数转换器，将模拟信号被转换为数字基带信号，随后数字信号被分为相同的K个支路，分别送到K个相关器的一个输入端；

本地同步码发生器，生成的K个同步码序列分别送到相关器的另一个输入端。

K个并联的相关器，在一个子帧周期里对接收到的数字序列和同步码序列做相关运算，并输出的K个相关序列分别送到第一峰值检测器中；

K个并联的第一峰值检测器，在相关序列的p个连续数据段内分别搜索出g个最大相关值，然后将这些最大相关值及其位置信息分别送到帧间合并器的一个输入端；

K个并联的帧间合并器，其一个输入端从存储单元中读取上一子帧保存的对应段内的最大相关值序列和位置序列，对上述输入的两组最大相关值序列按位置合并，并将合并后的相关序列和位置序列保存存储器中，并送如第二峰值检测器的一个输入端；

K个并联的第二峰值检测器，分别在与之相连的存储器保存的相关值序列中寻找最大值，同时记录该最大值出现的位置，并将这些最大值和相应出现位置都送入第三峰值检测器；

一个第三峰值检测器，根据所有第二峰值检测器的输出峰值，寻找出其中最大的一个或者若干个值，并记录它们分别所对应的同步码序号和同步位置。

其中，所述的帧间合并器包括：

比较装置，用于对两组对大相关值序列的位置做比较；

合并装置，如果位置相同，则合并该位置上的最大相关值；

更新装置，将合并后的最在相关值更新存储器中原来保存的值；对不同的位置，把该位置信息和该位置上的相关值保存到存储器中。

本实用新型提出的同步装置，适用于具有同步导频结构的CDMA移动通信系统中UE与基站间的初始同步过程，可以显著减少系统存储量需求，保证系统同步性能，且易于实现。

附图说明

图1为TD-SCDMA移动通信系统的子帧结构示意图；

图2为现有技术中一种同步装置的示意图；

图3为本实用新型发明提供的同步装置的一种实施方式的电路方框图。

具体实施方式

以下根据图3说明本实用新型的一种实施方式。

图3所示为本实用新型发明提出的CDMA移动通信系统同步装置的一种实施方式的电路方框图。该装置包括天线51，前端接收单元52，模数转换器53，同步码发生器54，相关器55₁-55_K。第一峰值检测器56₁-56_K，帧间合并器57₁-57_K，存储器58₁-58_K以及第二峰值检测器59。

天线51接收经无线信道发送到UE的数据，接收数据在前端接收单元52中处理后送入模数转换器53，在这里模拟信号被转换为数字基带信号。随后数字信号被分为相同的K个支路，分别送到K个相关器55₁-55_K的一个输入端。本地同步码发生器54生成的K个同步码序列分别送到相关器55₁-55_K的另一个输入端。相关器在一个子帧周期里对接收到的数字序列和同步码序列做相关运算。K个相关器输出的K个相关序列被分别送到第一峰值检测器56₁-56_K中。第一峰值检测器56₁-56_K在相关序列的p个连续数据段(段长度为q)内分别搜索出g个最大相关值，然后将这些最大相关值及其位置信息分别送到帧间合并器57₁-57_K的一个输入端，同时帧间合并器57₁-57_K的另一个输入端从存储单元58₁-58_K中读取上一子帧保存的对应段内的最大相关值序列和位置序列，帧间合并器57₁-57_K对两组最大相关值序列的位置做比较，对相同的位置上的两个相关值做合并，并将合并结果写回存储器58₁-58_K对应的存储单元。对不同的位置，把该位置信息和该位置上的相关值保存到存储器58₁-58_K中。按照同样合并方法对R个子帧处理完毕后，K个第二峰值检测器59₁-59_K分别在存储器58₁-58_K保存的相关值中寻找最大值。最后，第三峰值检测器60，根据所有第二峰值检测器的输出峰值，寻找出其中最大的一个或者若干个值，并记录它们分别所对应的同步码序号和同步位置。

所述的相关器：将UE接收到的数据序列与本地同步码发生器生成的同步码做全相关或者部分相关后，并得到相关序列C：

设一帧内接收序列为r＝(r₁，r₂，...，r_N)，N为序列长度。并且假设模数转换器采用了两倍过采样。第k个同步序列为 $s^k=(s_1^k,s_2^k,...,s_M^k),$ k＝1，2，...，K，K为同步码总数目(K≥1)，M为同步码长度。设第k个相关输出可以表示为 $c^k=(c_1^k,c_2^k,...,c_i^k,...,c_N^k),$ 则“全相关”处理可用如下公式表示：

$c_i^k=|\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{i+2\×j-2}\×\mathrm{conj}\left(s_j^k\right)|$ i＝1，2，..，N；k＝1，2，...，K

或者：

$c_i^k={|\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{i+2\×j-2}\×\mathrm{conj}\left(s_j^k\right)|}^2$

其中，函数conj(x)表示对输入复数变量x进行共扼操作；而|x|则表示取输入复数取模操作，亦即假设x＝x_i+j*x_q，则有： $\left|x\right|=\sqrt{x_i^2+x_q^2}.$

上述全相关处理方法仅当用户终端设备本地振荡器与基站处振荡器存在的频率偏差较小时(例如低于3ppm时)，才能获得较好的性能。否则，如果用户终端设备本地振荡器与基站处振荡器存在的频率偏差大于5ppm，仍采用上述全相关处理方法可能将造成一定的相关损失(coherent loss)——在该情况下，也可采用如下所述的“部分相关”处理方法来克服由于初始频偏带来的性能影响。

为了进行部分相关处理，将长为M比特的同步码划分为若干小段，每小段长度为P比特，经过划分后，共得到M/P个这样的小段。对其中第t个小段，按如下公式计算得到第t个部分相关输出：

$p_{i,t}^k=\underset{j=(t-1)\×P+1}{\overset{t\×P}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{i+2\×j-2}\×\mathrm{conj}\left(s_j^k\right)$ t＝1，2，...，M/P

然后，相关输出可用平方合并，按如下公式得到：

$c_i^k=\underset{t=1}{\overset{M/P}{\mathrm{\Σ}}}{\left|p_{i,t}^k\right|}^2$ i＝1，2，...，N；k＝1，2，...，K

或者，相关输出也可用差分(differential)合并，按如下公式得到：

$c_i^k=\underset{t=1}{\overset{M/P-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{conj}\left(p_{i,t}^k\right)\×p_{i,t+1}^k$ i＝1，2，...，N；k＝1，2，...，K

所述的第一峰值检测器56₁-56_K：该将上述每个相关序列分为p(p≥1)个连续的相关数据段，段长度为q(q＝N/p)。在每个相关数据段内寻找前g(1≤g≤q)个最大相关值。对第k个相关序列c^k，分段后可以表示为：

$c^k=(c_1^k,c_2^k,...,c_j^k,...,c_p^k),$ 其中：

$c_j^k=(c_{1+(j-1)\·q}^k,c_{2+(j-1)\·q}^k,...,c_{j\·q}^k)$ q＝N/p；j＝1，2，...，p

如果假定每个数据段只检测一个最大相关值(g＝1)，则第j个数据段的最大相关值c_j，max ^k为：

$c_{j,\max }^k=\max \left(\right|c_j^k\left|\right)$

并记录与c_j，max ^k对应的段内位置为Pos_j，max ^k， $1\≤{\mathrm{Pos}}_{j,\max }^k\≤q.$ 其中，搜索最大值的过程，是通过比较相关序列c_j ^k中各相关值的模值来进行的。c_j，max ^k和Pos_j，max ^k需要保存到存储器中用于下面所述的帧间合并；这样一个子帧周期内最多只需保存pg个最大相关值和pg个位置信息。

所述的帧间合并器：对相邻帧上检测到的最大相关值按位置相干合并(coherent combining)。所谓相干合并，是指在合并过程中，保留原有的相位信息，亦即相应的加法操作是在复数域上来进行的。

该帧间合并器包括：

比较装置，用于比较Pos_j，max ^k，r和Pos_j，max ^k，r+1；合并装置，如果 ${\mathrm{Pos}}_{j,\max }^{k,r}={\mathrm{Pos}}_{j,\max }^{k,r+1},$ 则合并该位置上的最大相关值：

$c_{j,\max }^{k,r+1}=c_{j,\max }^{k,r+1}+c_{j,\max }^{k,r};$

更新装置，将合并后的c_j，max ^k，r+1更新存储器中原来保存的c_j，max ^k，r；如果 ${\mathrm{Pos}}_{j,\max }^{k,r}\≠{\mathrm{Pos}}_{j,\max }^{k,r+1},$ 则把c_j，max ^k，r+1和Pos_j，max ^k，r+1也保存到存储器中。

其中，假设第r帧的第j个数据段上检测到的最大相关值和位置分别为c_j，max ^k，r，Pos_j，max ^k，r；第r+1帧的第j个数据段上检测到的最大相关值和位置分别为c_j，max ^k，r+1，Pos_j，max ^k，r+1。

经过R个子帧合并，存储器中保存的对应第k个同步码的相关峰序列和位置序列可表示为：

$c_{\mathrm{comb}.}^k=(c_{\mathrm{comb}.,1}^k,c_{\mathrm{comb}.,2}^k,...,c_{\mathrm{comb}.,O}^k)$

${\mathrm{Pos}}_{\mathrm{comb}.}^k=({\mathrm{pos}}_{\mathrm{comb}.,1}^k,{\mathrm{pos}}_{\mathrm{comb}.,2}^k,...,{\mathrm{pos}}_{\mathrm{comb}.,O}^k)$ k＝1，2，...，K；1≤O≤N

其中O为序列总长度，下标comb.用于表示合并完成后的序列。所述的第二峰值检测器：在存储器中保存的相关峰序列中寻找最大相关峰，即：

$c_{\max }^k=\max \left(\right|c_{\mathrm{comb}.}^k\left|\right)$

其中，搜索最大值的过程，是通过比较帧间合并后的相关序列c_comb ^k.中各相关值的模值来进行的。

同时，记录下该最大值出现的位置，即：

${\mathrm{pos}}_{\max }^k={\mathrm{pos}}_{\mathrm{comb}.,m}^k,$ 其中 $m=\arg \underset{i}{\max }\left(\right|c_{\mathrm{comb}.,i}^k\left|\right)$

这样，根据所有K个第二峰值检测器的输出，就得到了K组分别对应于本批处理的K个同步码的，最大相关峰值及其出现位置。

所述的第三峰值检测器，根据所有第二峰值检测器的输出峰值，寻找出其中的最大值，并记录对应的同步码序号和同步位置。后续小区搜索装置，根据所检测到的同步位置，进行相应的帧定时调整后，可完成帧同步；并根据所检测到的同步码序号，继续完成其它小区基本信息的获取。

进一步的，所述的第三峰值检测器，根据所有第二峰值检测器的输出峰值，经过降序排序后，也可以寻找出其中多于一个的相关峰值，并记录它们分别对应的同步码序号和同步位置。之所以这样做，是因为(特别是当用户终端设备处于多个小区的边缘时)可能有多个候选同步码字的相关峰功率比较接近，这样第一步骤就将它们都输出，并由后续小区搜索步骤来做进一步的判断，从而达到提高正确检测概率、以及缩短搜索时间的目的。

最后要说明的是，如果要处理N＞K个同步码，由于所述同步装置每批只可以处理最多K个同步码，所以要分成ceil(N/K)批来处理：其中所述的同步装置(除了第三峰值检测器外)每次处理最多K个同步码。这样，经过ceil(N/K)批处理后，得到了对应于所有N个同步码的分别的最大相关峰值及对应的出现位置。然后，再启动第三峰值检测器，寻找出其中最大的一个或者若干个相关峰值，并记录它们分别所对应的同步码序号和同步位置。

当K的取值越小，每批处理K个同步码的处理过程中，软/硬件处理资源消耗的就越少；但要处理所有N个同步码，则要花更长的处理时间。反之，K的取值越大，则每批处理K个同步码的处理过程中，软/硬件处理资源消耗的就越大；但带来的好处是要处理所有N个同步码，所花的处理时间也越短。所以，工程技术人员在采用所述同步装置进行有关设计时，应根据软/硬件资源能力、以及同步性能指标，来合理地选择K的最优取值。

Claims (2)

1、一种码分多址移动通信系统中的初始同步装置，包括：天线(51)，前端接收单元(52)，模数转换器(53)，同步码发生器(54)，其特征在于，还包括：K个并联的相关器(55₁-55_K)，K个关联的第一峰值检测器(56₁-56_K)，K个并联的帧间合并器(57₁-57_K)，K个并联的存储器(58₁-58_K)，以及第二峰值检测器(59)；

天线(51)，接收经无线信道发送到UE的数据；

前端接收单元(52)，处理所述的接收数据并送入模数转换器(53)；

模数转换器(53)，将模拟信号被转换为数字基带信号，随后数字信号被分为相同的K个支路，分别送到K个相关器(55₁-55_K)的一个输入端；

本地同步码发生器(54)，生成的K个同步码序列分别送到相关器(55₁-55_K)的另一个输入端。

K个并联的相关器，在一个子帧周期里对接收到的数字序列和同步码序列做相关运算，并输出的K个相关序列分别送到第一峰值检测器(56₁-56_K)中；

K个并联的第一峰值检测器(56₁-56_K)，在相关序列的p个连续数据段内分别搜索出g个最大相关值，然后将这些最大相关值及其位置信息分别送到帧间合并器(57₁-57_K)的一个输入端；

K个并联的帧间合并器(57₁-57_K)，其另一个输入端从存储单元(58₁-58_K)中读取上一子帧保存的对应段内的最大相关值序列和位置序列，对上述输入的两组最大相关值序列按位置合并，并将合并后的相关序列和位置序列保存存储器(58₁-58_K)中，并分别送到第二峰值检测器(59₁-59_K)的一个输入端；

K个并联的第二峰值检测器(59₁-59_K)，分别在与之相连的存储器(58₁-58_K)保存的相关值序列中寻找最大值，同时记录该最大值出现的位置，并将这些最大值和相应出现位置都送入第三峰值检测器；

一个第三峰值检测器(60)，根据所有第二峰值检测器的输出峰值，寻找出其中最大的一个或者若干个值，并记录它们分别所对应的同步码序号和同步位置。

2、根据权利要求1所述的码分多址移动通信系统中的初始同步装置，其特征在于，所述的帧间合并器包括：

比较装置，用于对两组对大相关值序列的位置做比较；

合并装置，如果位置相同，则合并该位置上的最大相关值；

更新装置，将合并后的最在相关值更新存储器中原来保存的值；对不同的位置，把该位置信息和该位置上的相关值保存到存储器中。

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