（信号与信息处理专业论文）wcdma移动通信系统中的码同步技术研究.pdf

重庆邮电学院硕士论文 摘要 本文主要研究了异步d s c d m a 通信系统中的码同步问题，并为w c d m a 设计实用的码同步算法。 论文首先介绍了同步技术的相关知识，包括些评测同步性能的指标和码 同步的两个步骤码捕获和码跟踪，并详细讨论了这两者的分类和具体实现。 在综合分析现有算法局限性、运算量和复杂度的基础上，本文设计出适用于多 径时变信道的码捕获方法和基于多径合并的数字码跟踪环，并将它们恰当地结 合实现。论文的最后部分通过建立w c d m a 链路级仿真，对设计的算法逐一仿 真验证，并通过大量仿真对其中的重要参数进行优化设定。 本文的主要贡献在于： 对接收机关键部分一信道估计和门限设定算法进行改进。 本文所设计的码同步算法的捕获跟踪对象是多径时延分量，克服了以往 捕获、跟踪方法的不足，保证r a k e 接收机有最佳的性能。由仿真结果， 在相同误码率条件下，采用跟踪环后，信噪比( s n r = e 。) 要求均降 低了0 t 3 1 d b 。 采用数字匹配滤波器快速实现相关功能及双逗留积分策略，大大减少了 捕获的时间，进一步证实了所设计算法的可行性和实用性。 关键词：码捕获，码跟踪，w c d m a ，r a k e 接收机，多径搜索，门限 重庆邮电学院硕士论文 a b s t r a c t c o d e s y n c h r o n i z a t i o n i n a s y n c h r o n o u sd s c d m ac o m m u n i c a t i o n s y s t e m si si n v e s t i g a t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a n dt h ee f f i c i e n ta l g o r i t h m sa n d a r c h i t e c t u r e sa r ed e s i g n e dt om e e tt h er e a l t i m er e q u i r e m e n t so fw c d m a s y s t e m o nt h eb a s i so ft h et e c h n i q u e so fc d m as y s t e m s ，t h ef i r s tp a r to ft h e t h e s i si n t r o d u c e st h et w os t a g e so fs y n c h r o n i z a t i o n c o d ea c q u i s i t i o na n d t r a c k i n g a n df u r t h e r m o r e ，i ta l s oi n c l u d e st h eu s u a la l g o r i t h m sa n ds t y l e sa n d a r c h i t e c t u r e so fd i f f e r e n ti m p l e m e n t a t i o nm e t h o d s i nt h ef o l l o w i n gp ar 【s ， a l l o w i n gf o rt h er e l i a b i l i t y ，f e a s i b i l i t ya n dh a r d w a r ec o m p l e x i t y , t od e s i g n s u i t a b l er e c e i v e rf o rr a k ea r c h i t e c t u r e ，t h et h e s i sp r o p o s e san e wc o d e t r a c k i n gl o o pb a s e do nd i g i t a lm a t c h e df i l t e r i nt h ee n d ，b yb u i l d i n gu pt h e w c d m al i n k - l e v e ls i m u l a t i o nw i t hm a t l a b ，t h ed e s i g n e da l g o r i t h m sa r e t e s t e da n ds o m ei m p o r t a n tp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e d t h em a i nd e v o t i o n sa r eb e l o w ： i m p r o v e dt h ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h ma n dt h r e s h o l d - s e t 【i n g a l g o r i t h mt oe f f e c t i v e l yr e d u c et h et i m ed e l a ya n dc o m p l e x i t y d e s i g nc o d es y n c h r o n i z a t i o nc o n f i g u r a t i o nb a s e do nm u l t i p a t ht o o v e r c o m et h ed e f i c i e n c yo ft r a d i t i o n a la l g o r i t h m s t og e tt h es a m eb e r ， a f t e rc o d et r a c k i n gl o o p ，t h en e e df o rs n rc a nb er e d u c e d0 3 一ld b g r e a t l yr e d u c et h ea c q u i s i t i o nt i m eb ya d o p t i n gt h ed i g i t a lm a t c hf i l t e r a n dd u a ld w e l ls t r a t e g y , a n dt h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h ed e s i g n s f e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t y , k e yw o r d s ：c o d ea c q u i s i t i o n ，c o d et r a c k i n g ，w c d m a r a k er e c e i v e r m u l t i p a t hs e a m h er t h r e s h o l d 4 ! 型皇竺堕竺主丝兰 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆鲣电堂瞳或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 i 司而南 d ， 签字日期；沙 郦年f 月0 f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重送自电生瞳 有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人授权 重麽衄鱼堂瞳 可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：l 司嘲穆 导师签名：专欹 签字日期：矗怕哞f 月a 妇 签字日期：泸。午年r 月巧同 重庆邮电学院硕士论文 第一章绪论 1 1 移动通信系统发展过程 蜂窝移动通信系统起始于七十年代末，美国贝尔实验室于1 9 6 8 年向f c c 提出了蜂窝移动通信系统的概念。1 9 7 8 年，日本n t t 公司推出了人类历史上 第一个实用的蜂窝移动通信网。此后，随着社会需求和技术进步，相继出现了 采用频分多址接入技术( f d m a ) 的第一代模拟移动通信系统，采用时分多址 接入技术( t d m a ) 的第二代数字移动通信系统。采用码分多址接入技术 ( c d m a ) 的第三代移动通信系统正在加快商用化进程。另外，空分多址接入 ( s d m a ) 和基于正交频分复用( o f d m ) 的多址接入技术也正在被用于移动 通信系统。 第一代模拟移动通信系统以t a c s 、a m p s 为代表，它们在8 0 年代得到了 迅速发展，其用户总数超过5 0 0 0 万。第一代移动通信系统只提供基本的话音业 务，而且是区域性的系统，不同国家和地区有各自不同的标准。它们通常存在 频谱利用率低、保密性差、业务种类单一、不能互相漫游等问题。为了解决这 些问题，人们又开发了第二代系统。 第二代数字移动通信系统以g s m d c s l 8 0 0 、i s 一9 5 和i s 一1 3 6 等为代表，在 8 0 年代末诞生并开始商用化，其中g s m 作为一种开放性的统一标准系统在全 世界得到了广泛采用，现在用户总数已超过十亿。第二代系统的容量和功能都 比模拟蜂窝系统有了很大提高，除了话音业务外，也提供低速率数据业务 ( 1 4 4 k b p s 或9 6 k b p s ) 。但由于自身主要技术的局限，第二代移动通信系统存 在频谱利用率较低，不能为用户提供多种业务等缺陷。这又促使人们开始研究 更新的移动通信系统。 进入九十年代后期，移动通信用户和移动通信业务获得了飞速发展。随着 全球经济一体化和社会信息化的进程不断加快，在移动通信中多媒体业务和皿 业务的比例在不断增长，人们要求下一代移动通信系统能够在各种环境下自由 地进行包括声音、数据和动态图像等多媒体通信。另一方面，近十年来技术的 进步，特别是微电子技术、数字信号处理技术等方面的进步，为移动通信的发 展创造了技术条件。市场需求和技术进步的双重推动，为第三代移动通信系统 的顺利发展提供了良好的基础。 重庆邮l a 学院倾士论文 1 2 第三代移动通信系统标准 国际电联的最初考虑是”1 ：第三代移动通信系统要将各种业务结合起来， 用一个单一的全功能网络来实现，与现有的第一代和第二代移动通信系统相比， 其主要特点可以概括为： 1 全球普及和全球无缝漫游的系统：第二代移动通信系统一般为区域或国 家标准，而第三代移动通信系统将是一个在全球范围内覆盖和使用的系统。它 将使用共同的频段，全球统一标准。 2 具有支持多媒体业务的能力，特别是支持i n t e r n e t 业务：现有的移动通 信系统主要是以提供话音业务为主，即使改进一般也仅提供1 0 0 k b i “s 2 0 0 k b i “s 的数据业务，g s m 演进到最高阶段的速率能力为3 8 4 k b i v s 。而第三代移动通信 的业务能力将比第二代有明显的改进。它应能支持从话音到分组数据到多媒体 业务，能根据需要提供带宽。i t u 规定的第三代移动通信无线传输技术的最低 要求中，必须满足下面三种速率要求。 3 快速移动环境，最高速率达1 4 4 k b i t s ；室外到室内或步行环境，最高速 率达到3 8 4 k b i v s ：室内环境，最高速率达到2 m b i t s 。 4 便于过渡、演进：由于第三代移动通信引入时，第二代网络已具有相当 规模，所以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐步灵活演进丽成， 并应与固定网兼容。 5 高频谱效率。 6 高服务质量。 7 低成本。 8 高保密性。 到规定的截止日期1 9 9 8 年6 月3 0 曰，共有1 0 个地面移动通信r t t 建议和5 个卫星移动通信r t t 方案被提交给了r r u 。经过多次评估和修改，1 9 9 9 年1 1 月5 日在芬兰赫尔辛基召开的r r u t g 8 1 第1 8 次会议上，最终确定了三 类共五种技术作为开发第三代移动通信系统的基础，它们分别是： 一、两种t d m a 技术：u m c l 3 6 ( f d d ) 和e d e c t ( t d d ) 这两种技术是在现有第二代t d m a 网络上提供部分第三代业务。事实上， 它们并未达到i m t - 2 0 0 0 的最低要求，只是为了维护美国、欧洲的现有市场利益 才得以通过，将来不可能真正成为全球范围内的移动通信标准。 二、两种c d m a f d d 技术：3 g p pd s c d m a 和3 g p p 2m c c d m a f d d 方式是将上、下行的不同数据分配在不同的频段上传输。d s c d m a 技术由标准化组织3 g p p 提出，主要是基于日本和欧洲提出的w c d m a 方案， m c ，c d m a 则是基于美国q u a l c o m m 公司的i s 一9 5 技术。 重庆邮f 匕学院硕士论文 三、一种c d m a - t d d 技术 t d d 方式是将上、下行的不同数据分配在不同时隙内传输。它包括中国的 t d s c d m a 技术和u t r a t d d 技术两种选择方案。u t r a - t d d 主要基于欧洲 s i e m e n s 和a l c a t e l 等公司提出的t d c d m a 技术。c d m a t d d 技术目前 仍处于融合过程中，中国的标准化组织c w t s 正在和3 g p p 合作，希望两个t d d 方案将来能够融合为个统一的t d d 标准。 1 3w c d m a 移动通信系统 w c d m a 主要起源于欧洲和日本的早期第三代无线研究活动，g s m 的巨大 成功对第三代系统在欧洲的标准化产生了重大影响。欧洲于1 9 8 8 年开展r a c e i ( 欧洲先进通信技术的研究) 程序，并一直延续到1 9 9 2 年6 月，它代表了第 三代无线研究活动的开始。1 9 9 2 1 9 9 5 年之间欧洲开始了r a c e i i 程序。a c t s ( 先进通信技术和业务) 建立于1 9 9 5 年底，为u m t s ( 通用移动通信系统) 建 议了f r a m e s ( 未来无线宽带多址接入系统) 方案。在这些早期研究中，对各 种不同的接入技术包括t d m a 、c d m a 、o f d m 等进行了实验和评估。为 w c d m a 奠定了技术基础。 1 9 9 8 年1 2 月成立的3 g p p ( 第三代协作组织) 极大地推动了w c d m a 技术的 发展，加快了w c d m a 的标准化进程，并最终使w c d m a 技术成为i t u ( 国 际电联) 批准的国际通信标准。第三代的主要技术体制，其中 w c d m a f d d t d d ( 现称高码片速率t d d ) 和t d s c d m a ( 融和后称低码片 速率t d d ) 都是由3 g p p 开发和维护的规范，这些技术都是以c d m a 技术为 核一t l , 的。目前看来，将在第三代标准中选取w c d m a - f d d 模式的国家是最多 的，比如欧洲、日本、韩国都决定w c d m a f d d 模式为自己的主流制式。去 年底，美国的a t & t 移动业务分公司也宣布选取w c d m a f d d 为自己的第三 代业务平台。 w c d m a 的两套技术实际上采用的是同一套核心网络规范，不同的无线接 入技术。其核心网络的主要特点就是重视从g s m 网络向w c d m a 网络的演进， 这是由于g s m 的巨大商业成功造成的，这种演进是以g p r s ( 通用无线分组服 务) 技术作为中间承接的。 除了制定t d s c d m a 标准以外，中国也积极参与了i t u 和3 g p p 的 w c d m a 另外两种技术的跟踪、评估和研发工作，这些工作在9 0 年代中期就 已经开始了。1 9 9 8 年成立的中国无线通信标准研究组( c w t s ) 是3 g p p 的正 式组织成员，华为公司、大唐集团等国内企业还加入3 g p p ，成为独立成员。目 前这些企业都在加紧研发自己的w c d m a f d d 系统，力争和国外主要通信设 重庆邮l u 学院碗j 二论文 各制造商同期加入我国移动通信的实验网建设工程。 在3 g p p 成员和专家的努力下，w c d m a 已经推出了成熟的可供商用的版 本r e l e a s e9 9 和包括t d ，s c d m a 全套规范的r e l e a s e4 版本。但是，由于无线 通信技术和p 技术的迅速发展，w c d m a 标准也在不断发展中，新的兼容的无 线技术和核心网络技术也在不断被提出和采纳，从现在的情况看，w c d m a 还 是一个“活”的标准，需要学术界和产业界的共同研发。 1 3 1w c d m a 物理层关键技术 w c d m a 是3 g 的主要r t t 标准，与i s 一9 5 相比，采用了宽带扩频技术， 这样能更好地利用c d m a 的优点如统计复用、多径分辨和利用等，总体上看 w c d m a 与i s 一9 5 、c d m a2 0 0 0 没有本质不同，撇开i p r 问题，所有的不同点 无非是怎样才能更好发挥c d m a 的优势、提高系统的性能如系统容量、通信 质量和网络覆盖等。 w c d m a 物理层关键技术包括包括r a k e 接收、多用户检测、智能天线、 内环功率控制，其中内环功控以信噪比作为控制目标。r a k e 接收就是完成多 径分离合并功能，与i s 9 5a 的不同之处为，w c d m a 具有高3 倍的多径分辨 能力，另外在w c d m a 系统中，可以利用用户发射的导频信息，在反向链路 进行相干合并，理论分析显示，对于w c d m a 系统，若在反向链路采用8 个 径的r a k e 接收，7 5 以上的信号能量将被利用。r a k e 接收对于多址干扰的 抑制能力取决于不同用户特征码之间的互相关性。 多用户检测考虑到其它用户的信息如用户之间的相关特性是已知的，充分 利用c d m a 用户特征码的内在结构信息改善接收系统的性能。比较典型的多用 户检测算法有线性解相关算法和干扰抵消算法，线性解相关算法通过估计用户 之间的相关矩阵同时检测多个用户的信息，干扰抵消算法则先将干扰信号扣除 掉，然后再进行信号检测。多用户检测可以提高系统的容量，克服远近效应的 影响。目前适用于w c d m a 的多用户检测算法较少。今后多用户检测努力的 方向是降低复杂度和针对w c d m a 系统进行设计。智能天线可分为两类即外 挂式和内嵌式。前者如m e t a w a v e 的方法，后者如a r r a y c o m m 的方法，在开发 全新的w c d m a 基础设施时，需要采用内嵌式的方法，以便充分利用智能天 线带来的全部优越性，包括：增大通信距离，提供更大范围的覆盖，可以实现 特殊需求的覆盖；增加系统通信容量；与其它技术结合，提供无线电定位，提 供新的电信业务；改善通信质量，降低误码率。 1 3 2w c d m a 的主要技术特点 w c d m a 是建立在窄带c d m a 的基础上的，但从避开i p r 和技术改进的 晕庆邮电学院硕士论文 角度在原有的基础上又前进了一步。其技术特点有： 1为了适应不同业务的需求，采用了可交扩频因子( o v s f ) 的技术，扩 频因子为4 5 1 2 。 2 除了在窄带c d m a 中使用的卷积码技术，还增加了用于高速率数据业 务传播的t u r b o 编码技术。 3 在上下行链路均采用了相干解调技术，所以在帧结构上有了很大调整： 除了对应于i s 一9 5 业务信道的专用物理数据信道( d p d c h ) 以外，还增加了 带有功率控制比特以及用于信道估计的导频符号的专用物理控制信道 ( d p c c h ) 以及公共导频信道( c p i c h ) 。 4 w c d m a 允许一个用户同时发送多种业务，同时为了更充分地利用资 源，包括速率匹配在内的信道复用技术得到应用。 5 w c d m a 没有采用g p s ( 全球定位系统) 系统，它是一个准同步系统。因 此它有个独特的小区搜索过程。 6 在调制方式上也有很大不同：在窄带c d m a 系统中，前向采用q p s k ( 四相相移键控) ，反向采用o q p s k ( 交错四相相移键控) 。w c d m a 系统中， 前向仍然采用q p s k ，反向使用h p s k ，同时使用了复加扰技术。 1 3 3w c d m a 物理信道及帧结构 w c d m a 即宽带c d m a ，它由欧洲e t s i 和日本a r i b 提出。 表1 - 1w c d m a 物理层仿真参数 空中接口规范参数 参数内容 复用方式 f d d 每载波时隙数 1 5 基本带宽5 m h z 码片速率 3 8 4 m c h i p s 帧长 1 0 m s 数据调制 q p s k ( 下行链路1 ，i t p s k ( 上行链路) 扩频方式q p s k 扩频因子 4 5 1 2 分集接收方式r a k e 接收技术 作为宽带系统，w c d m a 有其特有的扩频规则1 4 1 巾】：在扩频系统中，一般 采用两种类型的序列，一种是用于区分用户或基站，而另一种则是用来区分每 个用户占用的信道。在w c d m a 系统中，上行用长扰码和短扰码( 多用户检测 时) 分别区分不同用户，而下行用长扰码区分基站，用正交可变长扩频码o v s f 重庆邮屯学院硕士论文 码来区分不同的码道。上行链路的短码为v l k a s a m i 码，长为2 5 6 ，采用短码 易于实现多用户接收技术，长码为g o l d 序列，长为2 “，被截断为周期是1 0 m s 的帧。下行链路中长为2 1 8 的g o l d 码，但它被截短为1 0 m s 的帧。总共可用的 扰码的数目为5 1 2 ，被分为6 4 个码群，每群有8 个码，便于小区的快速搜索， 因为讨论同步问题，在此只介绍w c d m a 下行与同步相关的物理信道，而 上行的同步原理与之相类似。 ( 1 ) 下行专用物理信道d p c h 在下行链路中，专用物理数据信道( d p d c h ) 承载专用传输信道上的数据 消息，公共物理控制信道( d p c c h ) 承载第一层产生的控制信息( 包括已知的 导频信号，功控指令，和可选的t f c i ) ，它们在专用下行物理信道上时分复用 传输，共同组成一个帧周期为1 0 m s 的无线帧。它们使用同样的扩频码、扰码。 图11 显示了下行专用物理信道的帧结构。 _ 卫乜h ， 旦h - 乜立h 旦丛 数据 t p ct f c i 数据2 p i l o t n 。，b i t sn t p cb i t sn t f c ib i t s n d 。，b i t sn 口，1 0 t b i t s 1 、“i p s 1 。+ 2 。：i ：j ! ：7 s l o t # 0 s l o t # 1s l o t # i s l o t # 1 4 图1 1 d p c h 的帧结构 图中，p i l o t 是确定性的导频信号，t p c 是下行功控信号，t f c i 为传输格 式组合指示。每1 0 m s 帧分为1 5 个时隙( s l o t ) ，每个时隙有2 5 6 0 个码片，所能 携带的数据量由扩频因子决定，扩频因子( s p r e a d i n g f a c t o r ) s f = 5 1 2 2 ( k = 0 ，1 ，7 ) ，即从5 1 2 到4 。 ( 2 ) 公共导频信道c p i c h 曲币s 2 7 s l o t 牟0s l o t 撑1s l o t 拌1 s l o t 群1 4 1r a d i of r a m e ：t f = 1 0m s 图1 2 c p i c h 的帧结构 公共导频信道的速率限定为3 0 k b i t s ，s f = 2 5 6 ，其帧结构如图1 2 所示。 ( 3 )同步信道s c h 重庆盥f 电学院硕士论文 s c h 是专门提供小区搜索的下行信道，它包括两个子信道，p s c h 和 s - s c h ，其帧结构如图1 3 所示。 ：s i o l 加j s l d 棚 ：s i o t # 1 4 ： ： ： 紫因因圈| 掣州团固l 圈 一p 一 p o i 2 5 6c h i p sj 卜丽丽一 个1 吲3 c h 无约侦 图1 3 s c 妇的帧结构 从图中可以看出，s c h 只是间断地发送( 每个时隙的前2 5 6 码片) ，因此 s c h 信道并不单独发送，也就是，s c h 不占用单独的信道资源，它是与p c c p c h 物理信道时分复用的。 p - s c h 包含一个长为2 5 6 个码片的基本同步码c ，它由通用的格雷序列组 成，具有较好的非周期相关特性，每个时隙重复次，可以用来检测时隙边界， 每一个基站的基本同步码都是一样的，发送时间与每个小区的b c h 边界对齐。 1 3 4w c d m a 下行同步过程 下行信道同步主要是移动台开机或切换时，进行小区搜索，以获得最强的 小区扰码和相位信息。初始小区同步主要是通过对s c h 和c p i c h 的检测来实 现的，具体分为三步： ( 1 ) 时隙的同步 在这一步，移动台是通过接收信号最强的基站的基本同步信道p - s c h 来进 行时隙同步豹，用一个匹配滤波器解调出c 。，在滤波器的接收范围内，对于每 个基站的每一径在滤波器的输出结果上都会出现一个峰值，测定最强的峰值 位置就会测出最强的基站的时隙的起始和长度，为了使测出值具有更好的可靠 性，应在一串时隙上进行累加。 ( 2 ) 帧同步和码组识别 辅助同步码的排列顺序有6 4 种，对应基站下行扰码所属的6 4 个扰码组( 每 个组有8 个扰码) 。由于在小区搜索第一步已经得到基站的时隙信息，第二步主 要通过对辅助同步信道s - s c h 找到此基站的帧同步和扰码组。 ( 3 ) 扰码的识别 熏庆邮电学院颀士论文 这是小区搜索的最后一步，移动台将最终识别基站的扰码，做法是用8 个 相关器将第二步识别出的扰码组里的8 种扰码与基站的c p i c h 作相关，因为 c p i c h 携带了本小区的下行扰码。经过第二步，帧的边界和扰码的起点位置是 已知的。 本文研究的内容集中在扰码的起点位置确认以及进一步的码跟踪。 1 4 选题背景及论文安排 1 4 1c d m a 需要解决的主要问题 c d m a 依靠特征码来区分用户，在移动通信环境中将导致两个问题即多径 干扰和多址干扰。 ( 1 ) 多径干扰 为了克服多径干扰，需要特征码有很好的自相关特性，而为了克服多址干 扰需要特征码之间有良好的互相关特性，如何寻找既有良好自相关又有良好互 相关的特征码一直是c d m a 研究的主要问题之，这方面的努力还在继续， 比较遗憾的是w a l s h 界告诉我们，自相关和互相关不可能同时做到都好，换句 话说克服多径干扰和多址干扰单从特征码优选的角度看只能取得某种折中，多 径于扰和多址干扰问题是c d m a 移动通信系统内在问题，无论采用任何技术 都只能减少多径干扰和多址干扰的影响，而无法根本上消除。 ( 2 ) 多址干扰 多址干扰的表现形式主要是远近效应，即功率强的用户对功率弱的用户带 来的多址干扰比相反方向即功率弱的用户对功率强的用户带来的多址干扰要 大，因此需要功率控制技术，平衡用户功率，为了克服多址干扰还可以利用物 理层技术如r a k e 接收、多用户检测和智能天线。 为了有效地减少多径干扰和多址干扰，c d m a 研究的另外一个主要问题就 是依靠同步或准同步来改善c d m a 性能。 1 4 2 同步在c d m a 系统中的作用 同步技术历来是数字通信系统的关键技术，同步性能的好坏直接关系到扩 频系统性能的优劣。直扩系统只有在完成扩频序列的同步以后，才可能用同步 的p n 序列对接收的扩频加扰信号进行解扩、解扰，把扩频的宽带信号恢复成 非扩频的窄带信号，以解调出传输的信息。 p n 码序列同步是扩频系统特有的，也是扩频技术中的难点。第三代c d m a 移动通信系统普遍利用p n 码进行同步，码同步过程通常分为两个阶段：初始 - 8 事庆邮电学院硕士论文 码捕获和码跟踪。“初始码捕获”也称为粗同步，它负责将本地扩频序列与接收 序列的相差调整到小于一个码片的范围内。“码跟踪”也称为细同步，它进一步 减少同步误差，并使之尽可能小；另外在无线通信系统工作过程中，各种信道 参数还会发生变化，因此还必须能跟踪信道参数的缓慢变化。 本文主要以w c d m a 系统下行链路为平台研究其中具体的码同步技术。 w c d m a 系统是d s c d m a 系统的典型应用，它被采纳为第三代移动通信系统 的无线接入标准之一，在全世界范围得到了广泛而深入的研究。w c d m a 作为 异步通信系统，同步在其通信过程中至关重要。在受到衰落和其他信道失真影 响时，传统r a k e 接收机的性能不能得到保证，因为多址干扰( m a i ) 可能会 破坏低功率用户的正确接收。园此在实际的通信系统中，通常采用稍微复杂的 多用户检测算法，以有效地对抗远近效应和各种干扰。而定时信息是所有多用 户检测算法必须知道的，如表1 - 2 所示。 表1 - 2 各种m u d 算法所需的参数和信息 单用户解相m m s e自适应目s i c 或 滤波器关器m m s em m s ep i c 目标用户特征 y e sy e sy e sy e sy e s 码 - - - - _ 目前埔户定时 y e sy e s y e sy e s y e s 。y e s - - 。- - - 接收幅度 y e sy e s 噪声大小 y e s 干扰用户特征 y e sy e sy e s 码 干扰用户定时 y e sy e sy e s 目标用户训练 y e s 序列 1 4 3 全文安排 本文的重点在于针对w c d m a 系统信道特性( 包括多径衰落和r a y l e i g h 快衰落环境) 和接收机的特殊结构设计有效而实用的码同步算法。 本文的工作将结合平均捕获时间和硬件算法复杂度等方面因素，综合考察 设计适用于w c d m a 系统的码同步算法。 全文安排如下： 第二章介绍c d m a 系统中的同步技术，讨论影响同步过程的性能指标， 包括捕获时间、正确捕获概率等。并对码同步的两个步骤码捕 重庆邮电学院硕士论文 获和码跟踪分别加以分类描述，列举了常用的算法，并分析不同实 现的形式和结构。引入异步d s c d m a 系统，讨论其中的传播延时 估计问题，主要分析比较传统滑动求相关算法、最大似然类算法和 基于信号特征子空间分解的m u s i c 算法的抗远近效应性能。 第三章引入w c d m a 系统，针对w c d m a 自身的特点和特殊的r a k e 接 收机结构，设计出可靠性、实用性、可行性较强的同步结构，并讨 论具体的实现问题。 第四章建立w c d m a 链路仿真模型，对重要算法进行仿真验证，并对其 中涉及的重要参数进行优化。 第五章总结全文，指出下一步要进行的工作。 重庆邮电学院硕士论文 第二章c d m a 系统中的同步技术 2 1 同步技术及其分类 2 1 1 概述 一个完整的数字通信系统结构图如下，本文的研究对象是其中的解调部分， 互怔亘m 堕壤宅麴 南 图2 1 数字通信系统结构图 解调是数字通信系统设计的核心部分。大致上来说，它要完成如下四个基 本功能： 1 载波恢复，并且要求相位同步； 2 接收匹配滤波，即对带限信号进行过滤，该滤波器还必须满足无符号间 干扰的奈奎斯特准则，具有升余弦特性； 3 定时同步，即对信号波形不仅能够正确地进行周期性的采样，而且具有 精确的采样时刻： 4 数据检测，检测后的数据用于随后的反扰码、解交织、解码过程。 对于一个实际的c d m a 通信系统，同步可以分成四个阶段，首先，当由射 频信号变换到基带信号时，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的 相干载波。获得这个相干载波的过程称为载波提取，或称为“载波同步”；在扩 频通信系统中，使用扩频码对基带传输信号进行扩频处理。因此接收机需要将 本地产生的扩频序列与接收信号序列对准，以完成接收信号的正确解调和进一 步检测，这个过程称为“码同步”；进一步考虑，若信号样值按某种结构排列， 则需要找到一定的时间周期以指示包含一定数量的离散信号的帧的起始点，该 过程称为“帧同步”；同步等级的最高级是“网络同步”，它包含网络中的节 点创建和分配参考时钟的方法和技术。下图2 2 显示了具体的过程和每个过程 所得到的参数： 重庆蚶电学院硕上论文 卜兰竺皇兰兰j 瞳- 爹 i 季蓊蘸l 蕤纛啊啼 l 二篓翌翌譬j 蔑冀耋墼墨翌主王： 恻司步 | 啊岭 厂百r 一 输出 载波频率fo 时延丁 毒 帧起始点及帧周 期t 。 网络时钟t 。，f 。 重鎏 蘸鞫 图2 2 同步过程和相应的输出 图中的阴影部分就是本文研究的具体内容。 p n 码序列同步是扩频系统特有的，也是扩频技术中的难点。c d m a 系统 要求接收机的本地伪随机码与接收到的p n 码在结构、频率和相位上完全一致， 否则就不能正常接收所发送的信息，接收到的只是一片噪声。若实现了收发同 步但不能保持同步，也无法准确可靠地获取所发送的信息数据。因此，p n 码序 列的同步是c d m a 扩频通信的关键技术。 由于第三代移动通信系统无一例外地采用了c d m a 技术，因此研究c d m a 系统中的码同步问题具有十分重要的意义。 当两个扩频伪随机序列的相位差超过一个码片时，由于伪随机序列的相关 特性，两者之间的相位差未知的，必须对整个未知相位区间进行搜索检测，这 个过程通常称为码片同步。在c d m a 通信系统中，经常把码片同步与帧同步结 合起来，即利用码片序列的起始来决定帧的起始，以方便系统的设计与实现。 移动通信环境中存在着电波传播的多径衰落效应，会引起接收端信号有效 功率的波动和码间串扰。c d m a 通信系统可以利用扩频序列的相关特性来识别 多径时延，并采用r a k e 接收技术来克服多径的影响，提高接收性能。这是 c d m a 与f d m a 和t d m a 相比的一个突出优点。为了实现r a k e 接收，同步 捕获系统不但必须在初始同步时识别多个路径，并分别同步之，而且在整个通 话过程中，由于环境的变化，还必须不断搜索信号变强的路径，来代替信号消 失或减弱的路径，以达到最佳的接收效果。这就是说，同步跟踪存在于用户的 整个通话过程中，因此，快速而准确的同步可以提高系统性能。 扩频序列的准确同步包括同步捕获( 初始同步) 和同步跟踪( 相位调整) 两部分。前者负责将本地扩频序列与接收序列的相差调整到小于一个码片的范 围内，后者则进一步减少同步误差，使之尽可能小；另外在无线通信系统工作 过程中，各种信道参数还会发生变化，因此还必须能跟踪信道参数的缓慢变化。 在许多实际系统中，为了达到同步，经常需要额外的传播时延信息和单独控制 重庆邮电学院硕 论文 信道，一个经常采用的方法就是在系统运行一开始，即发送已知的训练序列 ( t r a i n i n gs e q u e n c e ) 以便于系统同步获取，随后可以通过面向判决式的方法 ( d e c i s i o n d i r e c t e d ) 来跟踪同步。 接收信号经宽带滤波器后，在乘法器中与本地p n 码进行相关运算。捕获 器件调整压控时钟源，用以调整p n 码发生器产生的本地p n 码序列的频率和相 位，捕获有用信号。一旦捕获到有用信号，启动跟踪器件，用以调整压控时钟 源，使本地p n 码发生器与外来信号保持精确同步。如果由于某种原因引起失 步，则重新开始新一轮捕获和跟踪。 2 1 2 同步技术的性能指标 同步捕获的性能指标有哪：捕获时间、正确捕获概率、虚警概率及由搜索 策略和验证方案等决定的系统复杂度。 由于扩频序列的未知相位区间通常较大，完全搜索所需的时间较长。因此， 为了在实际系统中快速有效地获得同步，捕获时间成为评测系统的一个关键指 标。 同步捕获实质上是对每一个可能的相位点进行相关解调，根据解调结果判 断相位是否同步的过程。从统计的观点来看，同步捕获实际上是一个三元假设 检验的问题：待接收信号不存在、待接收信号存在但不同步和待接收信号存在 且同步。考虑到c d m a 通信系统的特点，通常把前两种假设简单归结为一种， 使同步捕获成为对随机变量的二元假设检验问题。即： h ，：待接收信号存在且与本地序列同步； h 。：待接收信号不存在或与本地序列不同步； 这样在进行假设检验的判决过程中就存在四种概率： 检测概率昂：实际是h 。，判为h 。： 漏检概率：实际是日，判为h 。； 虚警概率辟：实际是h 。，判为h ； 无虚警概率：实际是h 。，判为h 。 平均捕获时间分析基于文献 7 1 所提出的分析捕获时间的统一标准理论。首 先分析如图2 , 3 所示的捕获过程状态图， 重庆邮电学院硕士论立 ( 1 一p 。k “”一 幽2 3 捕获过程状态图 根据上图捕获状态生成函数表示为： 只四( ：) 。两者磊而 q d 其中昂为正确检测概率，g 为处理增益，m 为考察的样值长度，咒是以 码片周期为单位的虚警代价时间因子，即表示在一次误捕获后耗费的时间，而z 为一次状态转移所需的时间。在多径信道里，正确检测概率p n 定义为找到三条 多径分量中任何一条多径分量的概率。 文献 7 】进一步分析出系统的平均捕获时间为 = 怯巴印叱卜塑警型 泣：， 其中r 为码片持续时阈。由上式可以知道，给出正确捕获概率和虚警惩罚 时i 、自j 就可以得到平均捕获时间。 捕获过程中一个重要的方面就是搜索策略，即检测器采用某种特定算法遍 历整个未知相位区间的过程。这种遍历过程可以是连续的，也可以是离散的。 通常把整个未知相位区间分成有限个小区间，每次检测个小区间。遍历算法 可以是依次串行，也可以是并行，或者并串结合，或者从某个特定的区域开始， 逐渐扩展到整个区域。 每次检测的逗留时间可以是固定的或可变的，更进步，在第一次检测后 还可以进行验证，验证是为了加强原先的同步假设，减少可能发生的虚警。当 然，验证会导致捕获时间延长。通常，我们把没有验证逻辑的捕获算法称为单 次逗留( s i n g a ld w e l l ) ，把有一个或多个验证逻辑的捕获算法称为多次逗留 ( m u l t i d w e l l ) 。单次逗留逻辑可以采用全周期相关( f u l lp e r i o dc o r r e l a t i o n ) 或 部分周期相关( p a r t l yp e r i o dc o r r e l a t i o n ) ，这与具体的扩频序列长度和系统复杂 度有关。多次逗留逻辑几乎毫无例外地在前级采用时间较短的部分周期相关， 以加快捕获过程，部分周期相关虚警高的缺点可以由后级验证逻辑纠丑三。在验 重庆邮屯学院硕士论文 证逻辑中可以采用立即拒绝策略或非立即拒绝策略。 单次逗留积分系统的简单推广就产生了双逗留积分系统。双逗留积分系统 有两个积分过程，一个是积分时间较短的快速搜索状态，一个是积分时间较长 的验证状态。这种做法的出发点是由于同步捕捉过程中，日。状态比日，状态多 得多，先用第个积分时间较短的检测器排除掉一部分明显的非同步状态 ( h ) ，而用第二个积分周期减少第一个积分产生的虚警。一般来说，双逗留 积分检测可以减少捕获时间，但减少的程度取决于其参数( 积分时间和门限) 的设计。将双逗留积分检测继续推广，就可得到多重逗留积分检测。系统由一 系列( 多个) 积分时间长短不一的积分检测器组成，采用立即拒绝检测策略， 即只有当每一个检测器都认为当前的相位是正确( 同步) 相位时，才认定系统 同步；而只要有任何一个检测器认为当前相位不正确，则系统立即转入下一个 可能相位的积分检测，使不正确的相位在最短时间内被抛弃。 从直观上讲，多重逗留积分可以改善系统性能，缩短同步捕获时间。当系 统信噪比很低时，双逗留积分检测的性能比单积分检测要差，但是在多数情形 下，双逗留积分检测的优势是十分明显的。 2 1 3 同步技术的分类 2 1 3 1 捕获技术的分类 捕获的方法有多种，按照不同的分类标准，同步捕获系统可分为以下几种 不同的类型： ( 1 ) 检测后验证处理方案：单次逗留和多次逗留： ( 2 ) 未知相位区间搜索策略：串行、并行和混合； ( 3 ) 判决门限：固定门限、归一化门限、自适应门限； ( 4 ) 实现电路结构：滑动相关器、匹配滤波器和序贯估值器。 按照实现电路结构的不同，下面详细介绍滑动相关法嘲、序贯估值法及延 迟匹配滤波器法。 1 滑动相关法 接收系统在搜索同步时，它的码序列发生器以与发射枫码序列发生器不同 的速率工作，致使这两个码序列在相位上互相滑动，只有在达到一致点时，才 停下来，因此称之为滑动相关法。 重庆邮电学院硬士论文 图2 4 相关器f 霹步捕获原理 接收信号与本地p n 码相乘后积分，求出它们的互相关值，然后与门限检 测器的某一门限值比较，判断是否己捕获到有用信号。它利用了p n 码序列的 相关性，当两个相同的码序列相位一致时，其相关值输出最大。一旦确认捕获 完成，捕获指示信号的同步脉冲控制搜索控制时钟，调整p n 码发生器产生的 p n 码重复频率和相位，使之与收到的信号保持同步。 相关器的实现比较容易，它只需要一个乘法器和一个后处理滤波器。在 实际应用中，这个后处理滤