TD-SCDMA上行同步码接收.doc

精品论文td-scdma 上行同步码接收李 锋 北京邮电大学电信工程学院，北京(100876) e-mail：摘 要： 本文首先介绍了 td-scdma 在我国的地位以及发展前景，然后分析了 td-scdma 中上行同步的重要性，上行同步的机制，实现过程等。在综合考虑系统复杂度和性能的基础 上提出了上行同步码接收的基于 fft 的算法。分析了这个算法的整个可行性和正确性，其 后，主要注重点在于算法中最重要的门限值的设定方式。由于我们系统主要在 uppts 时隙 上在极大的概率下仅有一个用户会选择一个 sync-ul 码接入，所以本文主要通过单用户在 多径信道下接入的性能表现佐证门限的设置，并分析在各个信道条件下，算法的性能差异以 及原因分析，最后得出一个比较合理的门限设置方案，同时给出在各种情况下算法的性能表 现的仿真结果。关键词：td-scdma；uppts；sync-ul；fft1.引 言1998 年初，在当时的邮电部科技司的直接领导下，由电信科学技术研究院组织队伍在 scdma技术的基础上，研究和起草符合imt-2000要求的我国的td-scdma建议草案。该标 准草案以智能天线、同步码分多址、接力切换、时分双工为主要特点，于itu征集imt-2000 第三代移动通信无线传输技术候选方案的截止日 1998 年 6 月 30 日提交到itu，从而成为 imt-2000 的 15 个候选方案之一。itu综合了各评估组的评估结果，在 1999 年 11 月赫尔辛 基itu-rtg8/1 第 18 次会议上和 2000 年 5 月在伊斯坦布尔的itu-r全会上，td-scdma被 正式接纳为cdmatdd制式的方案之一。td-scdma时分同步码分多址系统是中国提出的第一个具有自主知识产权的标准，它 在中国的发展前景是无限光明的。今天，td-scdma一期工程已经取得了很大的成功，二 期工程也即将开始。td-scdma区别于其它两种 3g主流模式在于它的上行是同步的。 td-scdma的同步使得其系统不是一个干扰受限的系统而是一种码字受限系统。所以同步 技术在td-scdma中是必不可少的，在码分多址蜂窝网路中，同步技术除了关系到网络运 行和通信连接的基本要求外，它还能对系统优化起到重要作用，同步的好坏直接关系到系统 的容量及服务质量1。2.td-scdma系统帧结构td-scdma系统的物理层信道结构分为 4 层：系统帧，无线帧，子帧和时隙2。一个10 毫秒的无线帧分为两个各 5 毫秒的子帧，每个子帧又有 7 的一般时隙和 3 个特殊时隙组 成。如图 1 所示，主公共控制物理信道（p-ccpch）常占用 slot0 来传递广播信息，该时隙 必须用于下行。其后为 96chips 的下行导频时隙（dwpts），主要用作 ue 端进行下行同步。 然后是 64chips 的 gp，和用于上行同步的 160chips 的上行导频时隙（uppts）。- 8 -精品论文图 1 td-scdma 帧结构示意图3.td-scma上行同步过程当 ue 端开机时，首先要和小区建立下行同步，只有当用户建立并保持下行同步时，才 能开始上行同步过程。虽然用户终端 ue 可以接收 node b 发送的下行同步信号，但是它无 法确定和 node b 的距离，这种不确定造成了上行异步传输。因此，第一次上行传输在上行 导频信道（uppts）中进行，以避免造成对业务时隙的干扰。上行同步码突发的定时按照接 收 dwpts 或 pccpch 的功率电平来设置，这时采用的是开环控制机制。在开始建立上行同 步时，移动台将从 sync-ul 集合（一个小区 8 个）中随机选择一个，一旦 node b 在搜索 窗口检测到 sync-ul，node b 将估计接收功率电平和定时，并向移动台发送调整信息来调 整它的发送功率和时间，从而完成上行同步过程。本文主要研究的便是 node b 对上行同步 码的检测算法。在其后的 4 个子帧中，node b 将发送调整信息通知终端进行调整。上行同 步过程常用于随机接入，也可以用于上行失步后重建上行同步。4.基于fft的td-scdma的sync-ul检测算法对于 sync-ul 上行同步码的检测，一般是通过移位自相关的算法来进行的，而本文采 用 fft 来完成这个过程，可以极大的减少算法的复杂度。如图 2 所示，为本算法的流程框 图。精品论文是 存在s码发 射输入信号r fftfft点乘 ifft是否大于门 限threshold 比较不存在s码否发射本地同步 码s算法推导图 2 基于 fft 的 sync-ul 码检测算法我们的接收的信号 r 可以表示为：r = r0 r1 lr255 = s h + n这里我们设户发送了 sync-ul 码 s ：s = s0 s1 l s127 我们这里可以认为在没有任何延时的情况下， s 将在 dwpts 结束的第一个 chip 即 gp的第一个信道到达作为参考点，这样，我们可以认为发送信号 s 通过的信道冲击响应为：h = h0 h1 lh255 另外，信号的接收会受到加性高斯白噪声 n 的影响：n = n0 n1 ln255 首先我们对接受信号 r 进行 256 点的 fft 运算：r = r0 r1 l r255 = fft (r)用本地经过 256 点 fft 运算的 8 个 sync-ul 码的共轭依次与 r 做点乘本地 sync-ul 码：si =s i s i l s ii=0,1,7 0 1127 本地 sync-ul 码进行 256 点的 fft 运算：s i =s i s i l si = fft sii=0,1,7 01255 ( )对点乘后的结果进行 256 点的 ifft 运算：ii iii *h = h0 h1 lh255 = ifft (r s) /128i=0,1,7通过 hi 每个点的能量与一个门限值 t 做比较，如果含有大于 t 的点就表示存在 ue 采 用此 i 号码发送，并且 hi 便为其的信道冲击响应，可以根据其判断 ue 的同步调整信息，能 量调整信息等后续处理。为了简单起见，我们可以假设 ue 的 sync-ul 信号经过信道后不会超出我们提取的256chips，这样信道冲击响应的后 128chips 的值应该都是 0，所以有：r = fft(s h) + fft(n) = fft(s) fft(h) + fft(n)127rk = si ei = 0 j 2 kin127 h j ej = 0 j 2 kin127+ nwew = 0 j 2 kwnn256同样的我们可以得到共轭的本地 sync-ul 码经过 fft 运算后为：i i * i *i *i*(s )= s0 s1l s 255 = (fft (s )s* 127 *pki = si ep = 0j 2 kpni = 0,1,l7k = 0,1,l 255所以，我们可以得到经过 ifft 变化后的结果为：255* j 2 kn255127 j 2 kt127 j 2 ki127 j 2 kwp127* j 2 kpj 2 knhknki = 1/ n (r* s i )en = ( st en h j en + ni en ) * s i en )enk =0整理后可得：k =0t =0j =0w=0p =0h 127nji = 1 / n ( h127 127p st s i* 255 ej 2k (t + j pn )n255 127p+ nw s i* 255 e j 2k w pnn) / 128j =0t =0p=0k =0w=0 p=0k =0等式右边的第一项为有用信号，而第二项是噪声。255对于第一项，由于 k，t，j，p，n 均为整数，所以 ek =0j 2k (t + j p n )n仅当 t + j p n = 0时其不为零。 所以第一项可以化简为：127127 127127i *127i * h j st s p= h j s p + n j s pj =0t = p + n j p =0j =0p =0由于 sync-ul 码具有很好的自相关和互相关性，所以可以近似认为当 s与 si 不是同一组 sync-ul 码，或者 p + n j p 时，上式近似为零。所以，上式在本地 sync-ul 码和ue 发送的 sync-ul 码相同时，结果为 hn ，即：hs = s hi = nn现在再分析噪声部分。同理有 所以，噪声部分可以化简为： 0w p n = 0s s 1 255 127i *1255i*128 nw s pw= 0 p =0= nw s w n128 w= 0我们假设白噪声 n 的功率为 2 ，显然上式的均值不会改变仍然是 0。而由于 si 仅含有128 位，所以其方差为：d( 1255 s nw*iwn) = 212721i2n= 2 /128128 w=0128n=0所以我们可以看到通过本算法以后，对于噪声有 128 倍即 21db 的抑制，而对于有用信 号，信道冲击响应的估计值是没有任何抑制的。s对于得到的采用 8 个不同本地 sync-ul 码产生的 hi ，我们只要能确定哪些点是白噪声造成的，哪些点是有用信号，就能知道用户具体到达时间以及其上行信道的冲击响应。由 于噪声径和有效径混合在一起，我们要正确的判断出到底是噪声还是用户到达的信号，我们 需要一个合理的门限值去作出判断。门限设置 从以上的推导可以看出，门限的设置是本算法的关键所在。首先我们要明白的是我们门限的目的是为了消除噪声影响。由算法，我们已经得到 8 组 hi ，除了个别是有效径外，其余大部分都是白噪声，所以白噪声能量近似等于：217 255 1256 * 8nim = hii =o n=0 2128所以这个接入的估计白噪声值便是我们作为门限标准的一个参考值。由于高斯白噪声的性质，由图 3 可知对于 awgn 噪声来说，当 2 = 1 时，其由噪声的 能量一般不会超过14 2 ，所以理论上我们可以将门限值设为 14 倍的 2 。但是我们应该注意的是，在大多数时间里，ue 在 uppts 上发送信号的几率是很小的，在 80以上时间对于 nobe-b 来说，在 uppts 上检测的信号都是噪声，所以我们一定要在很大程度上防止虚 警的可能。所以在实际中应该可以将门限值设的更高点。所以我们有： threshold = t * im2 hihi thresholdh ni = n 0nh 2i thresholdni = 0,1l7, n = 0,1l255按照理论分析 t=14 将可以足够使噪声不被判断为有用信号。 单用户接入性能分析我们知道虽然对于 uppts 是个竞争的信道，可能会有用户用同时采用相同的 sync-ul 码在同一个 uppts 时隙向 node b 发射，但这种情况相对于单个用户接入来说，少了很多， 所以我们在这里仅研究单用户接入的情况。通过之前的分析，我们已经得到，接收信号经过算法的处理后可以得到用户信息和干扰 预留：cdf of the power of awgn noise10.950.9the probability smaller than x0.850.80.750.70.650.60.550.52 4 6 8 10 1214 the power of noisei图 3 高斯白噪声的 cdf 图 1127127i*1 255*i =+128+ +128hnhnh jj =0, j np =0s p n j s pnww=0sw n可以看到等式的右边的第一项是有用信号，而后两项是干扰信号，其中第二项代表了sync-ul 码和多经信道对算法的干扰，而第三项代表了高斯白噪声对算法的干扰。 下面主要分析在多径信道模型下算法的性能表现。表 1 提供了 3gpp 中规定的三种多径参数。表 13gpp 多径信道参数case 1, speed 3km/hcase 2, speed 3km/hcase 3, speed 120km/hrelativedelay nsrelative meanpower dbrelativedelay nsrelative meanpower dbrelativedelay nsrelative meanpower db0000002928-1029280781-31200001563-62344-9如图 4，总的来说，case1 的性能好于 case2，好于 case3，这是因为后两者受到的多径的影响远大于 case 1，而且 case 3 的速度为高速，其还受多普勒频偏的影响。但在 snr 升到一定时，case 3 的性能开始好于 case 2 性能，因为这个时候多径的影响成为了 主要影响，而由于 case 2 每个径的能量都是一样的，所以其受到的多径干扰比 case 3 更 大。one user the error of sending one but miss010case 1case 3case 2-1the error probability10-210-310-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4the received snr in dbs 图 4 不同信道条件下算法性能5.结论本文论述了基于 fft 算法的一种 sync-ul 码字的检测方式，其相比于传统的移位相关 的算法其复杂度更低，但效果与移位相关性能相近。在本文的仿真图中，清晰的显示的本算 法在 case1 和 case 3 的信道条件下都有比较优越的性能，而对于 case 2 信道条件，如 果想要提高算法的性能可以提高 t 的值，当然这要以虚检的错误提高为代价，具体方案可 以根据 node b 当地网络性能调整。参考文献1 陈欢， 黄涛. td-scdma 系统同步的实现原理及算法分析.2 3gpp ts 25.221: physical channels and mapping of transport channels onto physical channels (tdd).3 alessandro ventura, thomas hind. a low complexity algorithm for synchronization in tdd-lcr system.ieee 2002, 0-7803-7589-0the detection of sync-ul in td-scdmafeng libeijing university of post and telecommunications,beijing(100876)abstractthis paper introduces the posi