（通信与信息系统专业论文）imt2000wcdma下行链路pn序列多径捕获技术研究.pdf

/ 了 . 一 一a b s t r a (二 abs t r act t h e d i r e c t - s e q u e n c e ( d s / s s ) m u l t i p l e a c c e s s ， a l s o k n o w a s c o d e - d i v i s i o n a c c e s s ( d s - c d ma ) , h a s s i g n i f i c a n t a d v a n t a g e s i n t h e a r e a s o f c a p a c i t y , f r e q u e n c y p l a n n i n g , p r i v a c y , a n d r e s is t a n c e t o m u l t i p a t h f a d i n g t o c e l l u la r a n d p e r s o n a l c o m m u n i c a t i o n s y s t e m . i t h a s b e e n t h e i m p o r t a n t m a n n e r o f m u l t i p l e a c c e s s i n t h e 3 r d g e n e r a t i o n m o b i l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h i s p a p e r i n v e s t i g a t e s t h e k e y t e c h n o l o g y o f t h e d s - c d ma s y s t e m - - p s e n d o n o i s e ( p n ) c o d e a c q u i s i t i o n t e c h n o l o g y . v a r i o u s p n c o d e a c q u i s i t i o n s c h e m e h a s b e e n i n t r o d u c e d h e r e. b e c a u s e t h e h y b r i d a c q u i s i t i o n s c h e m e ( c o m b in e s p a r a l l e l s e a r c h w i t h s e r i a l s e a r c h ) b a s e d o n t h e c o r r e l a t o r p r o v i d e s t h e fl e x i b i l i t y i n t h e t r a d e - o f f b e t w e e n t h e m e a n a c q u i s i t i o n t i m e a n d s y s t e m c o m p l e x i t y a n d i s e a s y t o i m p l e m e n t . i t s f o c u s o n t h e s c h e m e h e r e . o n t h e o t h e r h a n d ,t h i s p a p e r a n a l y z e s t h e e f f e c t o f m u lt i p l e a c c e s s i n f e r e n c e ( ma i ) o n t h e c o d e a c q u i s i t i o n p e r f o r m a n c e f o r t h e m u l t i p a t h f a d i n g c h a n n e l s . t h e c l o s e d - f o r m e x p r e s s i o n s o f t h e d e t e c t i o n a n d f a l s e - a l a r m p r o b a b i l i t i e s a n d m e a n a c q u i s i t io n t i m e a r e d e r i v e d f o r t h e h y b r i d a c q u i s i t i o n s c h e me wi t h t wo f i x e d t h r e s h o l d . a t l a s t , t h i s p a p e r p r o p o s e s a n e w m e t h o d o f m u lt i p a t h s e a r c h t o t h e 3 r d g e n e r a t i o n m o b i l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m : a h y b r i d a c q u i s i t i o n s c h e m e b a s e d o n t h e c o r r e l a t o r w it h t w o d w e l l a d a p t i v e d e c i s i o n t h r e s h o l d . t h e m u l t i p a t h s e a r c h i n g a n d t h e t w o d w e l l a d a p t i v e d e c i s i o n t h r e s h o l d a r e t h e n e w i d e a o f t h i s p a p e r . c o m p u t e r s i m u l a t i o n r e s u l t s h a v e s h o w n t h e g o o d p e r f o r m a n c e o f t h e p r e s e n t e d m e t h o d i n t h i s p a p e r . t h e r e a l c o m m u n i c a t i o n s y s t e m i s m o r e c o m p l i c a t e d a n d h a s m o r e u n c e r t a i n f a c t o r t h a n t h e s i m u l a t e d s y s t e m .b u t t h i s p a p e r d o e s s o m e h e l p f u l r e s e a r c h i n g o n t h e m u l t i p a t h s e a r c h i n g . i n t h e f u t u r e .m a n y w o r k n e e d t o d o f o r t h e r e a l m o b i l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m . k e y w o r d s : wc d ma, a d a p t i v e d e c i s i o n t h r e s h o l d , m u l t ip a t h s e a r c h i n g , d e t e c t i o n p r o b a b i l it i e s、f a l s e - a l a r m p r o b a b i l i t i e s 第一章绪论 第一章 绪论 第一节 移动通信的发展和wc d m a 移动通信技术经历了从模拟调制到数字调制技术的发展。第一代 采用频分多址 ( f d ma) 模拟调制方式，其主要代表有美国a mp s 、 英 国t a c s 、 北欧n m t 等。 这种系统的主要缺点是频谱利用率低， 信令 千扰话音业务。第二代蜂窝系统采用时分多址 ( t d ma )和码分多址 ( c d ma )的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送 信令，使系统性能大为改善。t d m a的两个典型代表是北美的 i s - 5 4 系统和欧洲g s m的系统。t d ma方式的主要缺点是:i 、系统容量仍 不理想;2 、和 f d ma方式一样，t d ma方式的越区切换性能仍不完 善。为了克服 f d ma和 t d ma 两种多址方式的缺点，北美推出了 i s - 9 5 / c d ma数字移动通信系统。i s - 9 5 / c d ma系统以其频率的规划简 单、系统容量大、频率复用系数高、抗干扰能力强，通信质量好、软 容量等特点显示出巨大的发展谱力，立即在全世界范围内掀起一股研 究c d ma技术的热潮。第三代数字蜂窝移动系统的两大候选方案是北 美的 i mt - 2 0 0 0 c d m a 2 0 0 0系统和欧洲的 i mt - 2 0 0 0 wc d m a系统， c d m a己 被广泛接受为第三代移动通信系统的重要技术。 第三代移动通信区别于现有的第一代和第二代移动通信系统， 其主 要特点概括为: 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 信系统将是一个全球范围内rm盖和使用的系统，它将使用共同的频 段，全球统一标准。 一一分呼一一一-一一一- 第一章绪论 2 、 具有支持多媒体业务的能力，特别是支持i n t e rn e t 业务。 现有的移动通信系统主要以提供话音业务为主，随着发展一般 也仅能提供1 0 0 k b / s - -2 0 0 k b / s 的数据服务， g s m演进到最高阶段速 率能力为 3 8 4 k b / s o丽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，应能根据 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，必须满足在以下三个环境的要求，快速移动环境，最高速率 达1 4 4 k b / s ; 室内 环境， 最高 速率达2 m b / s ; 室外到室内步 行环境， 最 高速率达3 8 4 k b / s o 3 、 便于过度、演进 由于第三代移动通信引入时，第二代网络己具有相当规模，所 以第三代网络一定要在第二代网络的基础上 逐渐灵活演进而成，并 应与固定网兼容。 4 、 高频谱效率，高服务质量，低成本，高保密性。 第二节c d ma原理 本论文研究的是i mt - 2 0 0 0 wc d ma中p n序列的捕获问题，这是 一个 d s - c d ma 系统，所以我们先介绍一下 c d m a 的概念，及 d s - c d ma系统的主要性能。 一、c d ma及分类 在码分多址( c d m a ) 系统中， 不同用户传输信息所用的信号不是 靠频率不同 ( 频分多址f d ma)或时隙不同 ( 时分多址t d ma ) 来区 分，而是用各自不同的编码序列来区分。即分配给每一个用户一个唯 一的编码序列 ( 扩展码)，用于对它的承载信息信号进行编码。接收 一 - - - - . 一_第 一 章绪 论 机知道用户的编码序列，可以在接收后对接收的信号进行相关解码并 恢复出原始数据，这是因为特定用户的编码信号和其它用户的编码信 号之间的互相关性能很小。因为编码信号的带宽比承载信息信号的带 宽大得多。因此编码处理扩展了信号带宽，这就是大家熟知的扩频调 制。因而，c d m a也称为扩频多路复合接入 ( s s ma )。 c d ma的一般分类见图 1 . 1 所示。 纯c d m a 技术 混合c d m a 技术 t d % ia / c d m a s ic - mm a ( 如 i m t - 2 0 0 0 c d m a 2 0 0 0 ) 慢速跳颧 快速跳频 宽带 ( 如 i m t - 2 0 0 0 8 c d m a 移 动蜂窝系 统) 窄带 ( 如 i s - 9 5 移动蜂 窝系 统 、 t h d s / f i i d s , t h f 比 t h d s / f h , t h 图1 . 1 c d m a 分类 纯c d m a技术是使用三种基本的扩频调制技术之一。 混合c d m a技术:是一 起使用两种或多种基本的扩频调制技术， 以 综合不同扩频调制技术的优点，并希望可以抑制它们的缺点。另外， 可以结合其它多路接入方法:t d ma 、多载波 ( mc )和多音 ( mt ) 调制。 二、d s - c d m a( 直接序列码分多址)系统及其性能 d s - c d ma中的信息承载信号 ( 数据信号)被一个离散时间的数 一一一 一一 一- 一一 - 一- 一- -一 一第 一 章绪 论 字化的信号直接调制。数据信号可以是一个模拟信号，也可以是一个 数字信号。当数据信号是数字信号时，数据调制常被省略，数据信号 直接与编码信号相乘，相乘后的信号调制到载波上。正是由于这种直 接相乘的方法， 直接序列c d m a才因此得名。为了得到预定的信号扩 展，编码信号的码片速率必须远远高于信息信号的数据速率，为了实 现扩展调制， 可以使用多种调制技术， 但一般使用相移键控技术( p s k ) 如: b p s k . q p s k . m s k等。 b p s k调制的d s - s s( 直接序列扩频系 统) 发射机和接收机框图 如图 1 . 2 所示: 一进制 数据 载波 发生器 _ 了 ( a ) ( h ) 图 1 . 2 ( a ) d s - s s 系统发射机框图 ( b ) d s - s s 系统接收机框图 信号传输后，接收机使用一个本地生成的编码序列，对s s 扩频信 号进行去扩展，为了实现去扩 一 展操作，接收机必须了解用于扩展信号 的编码序列，而且使接收信号与本地生成编码保持同步。此同步必须 一_ 第 一 章绪 论 在接收开始时完成并一直保持到整个信号接收完毕。编码同步追踪完 成了此操作 ( 本文在该模块上做了关于扩展编码序列捕获的研究工 作)。在去扩展后， 得到了数据调制信号，再经过解调后，即可以 恢 复原始数据。 扩频通信系统由于其宽带通信及相关处理的两大特性点， 具有很多 优点:如多路复合接入能力，抗多径于扰，保密性，抗干扰，低拦截 概率等。从c d m a技术来讲，其最重要的优点是多路接入能力，抗多 径衰落能力，抗窄带干扰能力和最重要的保安 / 保密性能。下面我们简 单介绍一下d s - c d m a的这四个性能。 多路接入能力: 如果多个用户在同一时间使用信道， 则在同一时间 和频率上将产生交叠。在接收方，去扩展用于去掉扩展码。此操作将 信息频段上的指定用户的功率集中。如果指定用户的编码和干扰用户 的编码之间的互相关性很小，联合检测能仅仅将干扰用户信号的小部 分功率放入信息带宽内。 抗多径衰落能力: 如果编码序列有一个尖锐的自 相关函数， 则在区 间 ( 一 t c , t c ) 外， 相关函数近似为0 ，其中t c 为码片时间，如m序 列的自 相关函数为:( 设m序列周期为n个t c ， 序列信号波形为宽t c 的矩形波。) r ( t ) 1 一 : ( 1 + n ) / a t , 一 1 / n不 0 引 引 、 t , i ,该 扩频序列捕捉电 路的设备量就很大口 例如，o = 2 0 4 7 ，捕捉用解扩器要 4 0 9 4个，这的确是过于庞大了。而 检测概率、 虚警概率也会影响捕捉时间。 因此在设计一个实际的p n序 列捕捉方案时，必须根据通信系统的实际情况， 在各项指标中折衷， 以便找到一个比较满意的方案。 第二节d s -c d m a p n序列捕捉方案 研究 迄今为止，人们对扩频序列同步捕获已经做了许多的研究，这些 捕获方案可以大致归纳如下:从实现结构上可分为并行捕获 ( 如图2 . 1 所示) ，串行捕获和兼有并行结构串行结构的混合结构捕获，从处理域 上可分为时域捕获、频域捕获，从解扩运算方法上可分为基于相关器 的捕获和基于匹配滤波器的捕获，对于基于相关器的捕获，又可分为 固定相关长度检测和可变相关长度的序贯检测等。另外为了增加检测 概率， 减小虚警概率， 还会增加多级门限检测 ( 图2 . 1 中只用了一级门 限) :又因为移动台是运动的 ，因此接收到的信号功率是变化的，为 了实现最佳检测，现在己 有了自 适应门限检测方法等。在这一节，我 们介绍一些常用的捕获方案，它们各有其特点。而在第四章我们将提 出一种适用于i m t - 2 0 0 0 wc d m a协议的多径捕获的自 适应门限捕获方 案，并用ma l a b 对该 方案进行仿真。 一、从捕获电路结构上来研究捕获方案 1 )并行捕获方案 图2 . 1 所示就是一种p n序列捕捉方案， 称之为并行捕获。 所有的 相 位同 时并 行 被 检 测， 如前 面 所说 ， 在 检 测 概率p d = 1 , 虚 警 概率只= 0 时， 它的同 步 捕 捉时 间 最短。 t a = t= g t ( g _ o) : g为 相关 积分 长 一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一 _一 一一 止a - .,f d s -c d m a r 5 p n 序 列 同 步 捕 获 方 a 0 14 i % 度;0为p n序列长度， 但是该 方案设备最复杂。 2 )串 行捕获方案 如图2 .2 所示:这种方案只使用一个相关解扩器，其设备量最小， 0 -t d 积分器输出送给一门限比较器，当输出小于某一设定门限值时， 就是本地扩频序列相位不同于发送来的扩频序列相位，门限比较器输 出一信号给扩频序列相位搜索控制器，使它改变本地扩频序列的相位 状态 ( 相位变化量为每次t c / 2 ) 。 改变后的本地扩频序列相位状态如果 还不同于发送来的扩频序列相位状态时，门限比较器继续输出一信号 给扩频序列相位搜索控制器，使它再改变本地扩频序列相位。直到本 地扩频序列相位状态很接近于发送来的扩频序列相位时， 扩频序列相 关解扩的积分器的输出最大，超过设定的门限值，门限比 较器的输出 不再改变扩频序列相位状态，达到了本地扩频序列相位同发送来的扩 频序列相位一致，实现了扩频序列的捕捉。 载波 进入 跟踩 图2 . 2 串行捕获 设扩频序列长为。，码元宽度为不 t = o 不。又设检测概率为l ,虚警概率为。 ， 则扩频序列信号的周期 则搜索完扩频序列一周期 ( 。 个 码 元) 的时 间， 也 就是 最大 捕 捉时 间t a u % = 2 0 . t; 当 本 地 扩 频 序列一开始就与发送来的扩频序列相位一致时，只经过一次积分，不 第 一 帝d s - c d m a 的p n 序 列 同 途 蛤 1 幽 些些望 些 需要再搜索就实现了捕捉，这是最小的捕捉时间，这样串行捕获方案 的平均捕捉时间 ( 各种相位状态出现的概率相同) t= ( t . + 7 a ,u .r ) 1 2 = (o + 1 / 2 ) t , 二 。 t ,， 二 。 g t , 其中兀 。 = g t , . . ( g!: 0 ) ( 2 - 1 ) 因此串行结构的平均捕捉时间比并行结构的平均捕捉时间大0 倍。一般来讲，平均捕捉时间与检测概率和虚警概率有关，是一个随 机变量，设检测概率 p d 1 , 虚警概率仍为 0 ，则串行捕获方案的平均 捕捉时间: 2一尸、_ 7 二 ur , = 鱿 2 一 只 只 o g t ( 2 - 2 ) 此时，平均捕捉时间至少是积分时间的0倍，并随着检测概率的 减小而增大。 3 )串一并混合捕获方案 为了减小完全并行捕获方案的电路复杂性和减小串行捕捉方案的 平均捕捉时间，常常采用串一 并混合的p n 序列捕捉方案。 如图 2 . 3 所示。根据要求的设备复杂程度和平均捕捉时间，可以 增减支路数n o a ) 串一 并混合相关器捕获 在这种方案中，图2 . 假设待检测的相位点 3 中的各支路的结构如图2 . 4 所示: 数为2 0( 0为p n 序列的长度) ，把 2 0分为 m = 2 0八个子相位区间，侮个子相位区间包含n 个待测相位点。 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 第-贵 d s - c d m a的p n序列同步捕获方案研究 相关检a ll 图2 . 3串并混合捕获方案 c o s 2 ( t 一 r ) s in g 呱( 一 r ) 图2 . 4 单支路非相干检测器 假 设 相 关 器 积分 长 度t = g 不 ， 因 此 在 每 个t 后 得 到n 个 相 关 值。 ( , = 1 , . . . , n ) ， 选出其中的最大值e 6,.4., ， 将e a oa a 与门限e比较， 若 e , , ., -e 后，捕获过程完成， 进入跟踪状态。 b )串一 并混合匹配滤波器捕获 串 一 并混合的匹配滤波器捕获方案. 如图2 . 5 所示。图2 .6 ( a ) 是i - q 非相干相关器，图2 .6 ( b ) 是图2 . 6 ( a ) 中匹配滤波器结构。 图2 . 5 串一 并混合匹配滤波器方案 图2 . 6 ( a ) i - q m f ( j = 1 , ， n ) 一”一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一， 第二令 d s - c d m a的p n序列同步 捕获方案研究 孔 ，、* )d 1 ，因而，匹配滤波器方案 比相关器方案平均捕获时间要小得多。 h)电路实现难易程度 基于相关器的捕获电路要比基于匹配滤波器的捕获电路实现起来 容易得多。因为对于匹配滤波方案来讲，要求对匹配滤波器的输出进 行每个c h i p 两次采样，即每个c h i p 得到两个相关值输出， 因而对器件 的速度要求很高，一般来讲，d s p芯片都难于达到这个要求，只有专 门设计的f p g a芯片刁能达到其速率。 因而在一般的捕获电路设计中， 采用基于相关器的方案。 二、捕获电路中的检测门限研究 在前面所介绍的各种结构的捕获方案中，检测门限只设置了一级 ( 单d w e l l ) ， 而在实际中， 为了 减小虚警概率， 增强检测的健壮性， 一 般是采用两级固定门限( 双d w e l l ) ; 另外， 因为移动性， 接收信号的功 率在不断发生变化，并且噪声电平也是随机变化的，近几年来，人们 在研究各种自 适应门限方案，以提高检测概率，减小虚警概率，从而 减少平均捕获时间 适应门限检测电路 。 下面我们就来介绍x x d w e l l 固定门限检测及一个自 _一一 一一 止生 二竺c d m a 丝 州庄 # 11 h 1 步 捕 获 方 案 研 ， 1 ) 、双d w e l l 固定门限检测 在以上所述的串行捕获、并行捕获、串一 并混合捕获方案中，都可 以实现双d w e l l 固定门限检测，此时，捕获系统工作于两个状态。 i ) 搜索状态 ( t h e f i r s t d w e l l ) . i i )校验态 ( t h e s e c o n d d w e l l ) 。校验由校 验电路和第二级门限比较电路组成。 下面我们来描述双d w e l l 捕获系统 工作过程: 在串行结构捕获方案中，首先是每个待测相位点对应的决策变量 e 与 第一 级门 限e , 进行比 较。 若 e , ， 则 第一 级门 限( t h e f i r s t d w e l l ) 比较电路发出一相位调整指令给本地p n序列发生器，使p n序列发生 器的 相 位移 后1 / 2 c h ip ， 得到 的该 相 位点 对 应的 决策 变 量e 再与e , 比 较， 重复 上 述过 程， 直 到 某 相位 点 对应 的e 有。 2 e , ， 搜索 态 结 束， 系 统 进 入校验模式。在校验模式中 ( t h e s e c o n d d w e l l ) ，对第一级找出的相位 点在验证电路中连续做a次 相关，若a中有b次 ( 一般a = 4 , b = 2 ) 相关 值大于门 限e , ， 则系 统 捕获过程结束， 系 统进入 跟踪 状态; 否则， 判第一级为虚警， 第二级门限比较电路发出相位调整指令给本地p n序 列 发 生 器， 对 相 继 的 相 位点 进 行 搜 索。 若 全 部 未 知 相 位 点 对 应的 决 策。 ( ( j = 1 ,，2 n ) ，n为 p n序列周期)都没有通过两级门限验证， 则表明移动台不在该蜂窝中，交上层处理。 在串 一 并结构捕获方案中， 两级门限工作过程同串 行结构相同， 只 是与e , , e , 比 较的决策 变 量 变 成了 每 个n并行 分支 中 的 最 大者， 即 e , ,., ., 。并且本地 p n序列发生器每次相位调整步进不是 1 / 2 c h i p而 n / 2 c h 币 . ， 这里n为并行支路数。 ( 相关器方案、 匹配滤波器方案相似) 。 在完全并行捕获方案中，与两级门限比较的是所有待测相位点中 相关 值最 大的 相 位点 的 决 策 变量e ,aa., ， 若e ,u a . 没 有 通过 双d w e ll 验证， 则交上层处理。 一一一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 些 遗 d s -c d m a 0 p n ryy ilil* idi ik lj 垫f c 2 )自 适应门限检测 近年来，研究直接序列扩频 ( d s s s ) 通信系统的p n码自 适应捕 获电路的文献也不少，但绝大多数研究的是单径的捕获。下面介绍一 种p n序列的自 适应捕获方案: 木地句 序列产， 利 位w铭 图 2 . 7 ( a ) b p s k扩 频 序列 捕 获电 路 去m l 或调s ; 本地 p a 了 歹 4 c位 图2 . 7 ( b ) 自 适应门限检测方案 这是一个串行捕获方案， 图2 . 7 ( a ) 中g表示相关累加长度， l表示 累 积相关长度数 ( 如果g为数据信息一 个符号内的c h i p 数， 则l 表示 累积符号数) 。这里介绍的自 适应门限检测是基于恒虚惊的，门限自适 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 二 垫a i 应 地随 着本 地情 况而 变 化， 如图2 .7 ( b ) 所示， 决 策 变 量z 被 依 次 地 送入 长为m + 1 = 2 m + 1 的 移 位寄 存 器， 处 理 测 试单 元y左 右 的 相 邻m个 单 元 可 得 到 背 景 噪 声 电 平x , x 乘以 恒虚 警 系 数t ( 见 参 考 文 献 2 2 ) ， 即 x t ， 可作为自 适应门 限与y进行比 较， 从 而可测出y是否为同 步的本 地码相位对应的决策变量。 根据背景噪声电平x的估计方法的不同， 可以 得到不同的门限自 适应 方案，这里介绍两种: i ) m l a p ( t h e m e a n l e v e l a c q u i s i t i o n p r o c e s s o r ) x二 艺z ( 2 - 6 ) i i ) o s a p ( t h e o r d e r s t a t i s t i c s a c q u i s i t i o n p r o c e s s o r ) 在这种有序随机方案中，窗口 m 中的数据按增序排列 z (i) z (_ ) _ . . . e _ * 则 进入 第二 次 确认， 否则 异 常处 理 ，在最强窗口位置连续进行a次相关，积分长度 为兀 ， ， 如果 有b次 相 关 结果 大 于 凡_ ，。 、( p a c c 散 射分 量 消失 ， 衰 落信