（通信与信息系统专业论文）tdscdma终端搜网过程研究与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 t d s c d m a 作为我国通信业百年史上第一个拥有自主知识产权的国际标 准，是我国推进自主创新国家战略的重要里程碑。随着移动通信和移动互联网 的高速发展，视频，流媒体等数据业务对移动通信系统提出了更高的要求。从 w c d m a 与c d m a 2 0 0 0 的发展历程看，终端都曾不同程度地制约了这两种技术 加速走向成熟；而从现阶段t d s c d m a 的试商用情况看，t d s c d m a 终端仍 需要加快改进性能、丰富功能以及完善产品线。中国移动认为手机问题是现阶 段t d s c d m a 试商用中最大的问题，手机问题已成为t d s c d m a 全面走向成 熟的关键，业界也正在对终端的发展给予更大的关注及投入。 小区搜索是t d s c d m a 终端的最基本功能，只有驻留到一个合适的小区才 能获得本驻留小区的详细信息以及邻小区的相关信息，从而监听网络的寻呼， 进行相应的业务。在各种通信环境中，t d s c d m a 终端能否快速准确的在合适 小区驻留是衡量该终端性能指标之一。本文的主要工作就是研究小区搜索算法 和实现，并在此基础上对该过程进行跟踪测试。 本文的主要工作包括： ( 1 ) 对t d s c d m a 终端小区搜索的子过程进行功能设计，仿真论证及单 元测试； ( 2 ) 提出一种改进的下行同步算法，m a t l a b 仿真结果表明改进算法能 取得更高的同步准确性； ( 3 ) 提出了一种新的频点排序方法，目的是提高小区搜索的速度和频点排 序的准确性。 关键词：t d s c d m a 终端，小区搜索，单元测试，频点排序新算法 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ef i r s ti n t e m a t i o n a ls t a n d a r d s 、 ，i mi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yi nt h e o n eh u n d r e dy e a r sh i s t o r yo fc h i n a st e l e c o m m u n i c a t i o n si n d u s t r y , t d s c d m ai s c h i n a sm a j o rm i l e s t o n ei nt h en a t i o n a ls t r a t e g yo f p r o m o t i n gi n d e p e n d e n ti n n o v a t i o n a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m t m i c a t i o n sa n di n t e r a c t ，v i d e o ，s t r e a m i n g m e d i a , a n do t h e rd a t as e r v i c e sh a ss e th i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m c o n s i d e r t h e d e v e l o p m e n to fw c d m aa n dc d m a 2 0 0 0 ，t e r m i n a l sh a v e r e s t r i c t e dt h e s et w ot e c h n o l o g i e st oa c c e l e r a t et h em a t u r i t yi nv a r y i n gd e g r e e s ，f r o m t h et r i a lc o m m e r c i a ls i t u a t i o nt h i ss t a g e ，t d s c d m at e r m i n a l ss t i l ln e e dt os p e e du p i m p r o v i n gp e r f o r m a n c e ，r i c hf e a t u r e 嬲w e l la st h ec o m p l e t ep r o d u c tl i n e c h i n a m o b i l eb e l i e v ec e l lp h o n ei st h eb i g g e s tp r o b l e ma tt h i ss t a g eo ft d - s c d m a c o m m e r c i a lt r i a l ，i th a sb e c o m et h ek e yt of u l lt d s c d m a m a t u r i t y t h ei n d u s t r yi s a l s on e c e s s a r yt og i v eg r e a t e ra t t e n t i o na n di n v e s t m e n tt ot h ed e v e l o p m e n to ft h e t e r m i n a l c e l ls e a r c hi st h em o s tb a s i cf u n c t i o no ft d s c d m at e r m i n a l w ec a l lg e tm o l e i n f o r m a t i o no fs e r v i n gc e l la n d n e i g h b o rc e l la f t e rf i n das u i t a b l ec e l l ，t h e nm o n i t o rt h e p a g i n go fn e t w o r k ，e a r l yo u tc o r r e s p o n d i n gb u s i n e s s i na l lk i n d so fc o m m u n i c a t i o n e n v i r o n m e n t ，w h e t h e rt h et d s c d m at e r m i n a lc a nf r e das u i t a b l ei so n eo ft h e i n d i c a t o r st om e a s u r et h ep e r f o r m a n c eo ft h et e r m i n a l t h i sm a j o rw o r ki st os t u d yt h e c e l ls e a r c ha l g o r i t h ma n di m p l e m e n t a t i o n ，a n dt r a c kt h ep r o c e s so fc e l ls e a r c h 1 1 1 em a i n w o r k so f t h et h e s i si sc o n c l u d e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ew h o l ec e l ls e a r c h i n gp r o c e s si s d i v i d e di n t os e v e r a ls u b m o d u l e a c c o r d i n gt ot h e i rf u n c t i o n ，f u r t h e rm o l e ，e a c hm o d u l ei sm o d e l e dm a t h e m a t i c a l l ya n d v e r i f i e db ys i m u l a t i o na n du n i tt e s t i n g ( 2 ) a ni m p r o v e da l g o r i t h mi sp r o p o s e df o rd o w n l i n ks y n c h r o n i z a t i o n t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e i m p r o v e da l g o r i t h m c a l la c h i e v e h i g h e r s y n c h r o n i z a t i o na c c u r a c y ( 3 ) an e wa p p r o a c hi sp r e s e n t e df o rs o r t i n gf r e q u e n c i e st os a v et h ec e l ls e a r c h t i m ea n di m p r o v et h ev e r a c i t yo fs o r t i n gf r e q u e n c i e s k e y w o r d s ：t d s c d m at e r m i n a l s ，c e l ls e a r c h ，n e wf r e q u e n c ys o r ta l g o r i t h m 武汉理工大学硕士学位论文 缩略术语 a g c 自动增益控制 b c h广播信道 b c c h 广播控制信道 c r c 循环冗余校验 c s小区搜索 c c t r c h编码合成传输信道 d w p t s 下行导频时隙 f d d 频分双工多址复用 f f t 快速傅立叶变换 g p 保护时隙 i c s 小区初搜 m a c介质接入控制子层 m i b 主指示块 p c c p c h 主公共控制物理信道 r r c 无线资源控制子层 r c s 小区重搜 r s s i 接收信号强度指示 s y n cd l下行同步码 s y n cu l 上行同步码 s s符号偏移 s n r 信噪比 t d d 时分双工多址复用 t f c i 传输格式联合指示 t r c h传输信道 t r i传输时间间隔 t p c传输功率控制 t s 0 时隙0 u p p t s 上行导频时隙 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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 武汉理工大学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 明并表示了谢意。 签名：￥丞舀硷日期：驷匦曲 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 研究生( 签名) ：r 乃破导师( 签名) 懈、日期f 瞄“ 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究目的和意义 t d s c d m a 即时分同步的码分多址技术，是i t u 正式发布的第三代移动通 信空间接口技术规范之一。t d s c d m a 的无线传输方案综合了f d m a ，t d m a 和c d m a 等基本传输方法，使得系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强。 t d s c d m a 所呈现的先进的移动无线系统是针对所有无线环境下对称和非对称 的3 g 业务所设计的，它运行在不成对的射频频谱上。t d s c d m a 传输方向的 时域自适应资源分配可取得独立于对称业务负载关系的频谱分配的最佳利用 率。因此，t d s c d m a 通过最佳自适应资源的分配和最佳频谱效率，可支持速 率从8 k b p s 到2 m b p s 的语音、互联网等所有的3 g 业务【l 】。 现阶段t d s c d m a 试商用中暴露出来的最大问题是t d 终端的问题，即手 机问题。从终端技术发展看，t d s c d m a 终端性能持续改进并已能够支持 t d s c d m a 试商用的顺利开展，而在一年前，t d s c d m a 手机还由于掉话率高、 功耗大以及芯片不稳定等难以满足商用要求。从自身的产品发展历程而言， t d s c d m a 终端所取得的发展成效值得肯定，继2 0 0 7 年突破技术瓶颈后，2 0 0 8 年t d s c d m a 终端又在性能功能、品种丰富度等方面都取得了较明显的进步。 而从现阶段t d s c d m a 的试商用情况看，t d s c d m a 终端仍需要加快改进性 能、丰富功能以及完善产品线。因此，手机问题已成为t d s c d m a 全面走向成 熟的关键，业界也长在对终端的发展给予更大的关注及投入。 小区搜索是任何一部手机终端的最基本功能，终端在初始开机后或者丢失 网络信号的情况下会尝试搜索合适的小区。如何在最短的时间里登陆到最合适 的小区驻留从而建立相应的业务，是任何一个无线通信系统都非常关注的问题。 因此，要想提高t d s c d m a 终端的性能，势必要完善该终端的小区搜索能力。 本文对t d s c d m a 终端的小区搜索过程进行了算法研究和实现，在此基础上， 提出了一种新的频点排序方法，可以显著提高频点扫描及排序的速度及准确度， 为提高终端小区搜性能做出贡献。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状分析 t d s c d m a 技术是中国通信史上第一次提出并被广泛认可的国际标准，是 世界上惟一的t d d 模式的3 g 标准，将独自享有i t u 为t d d 模式所分配的 3 g 频率。t d s c d m a 标准所具备的技术优势恰恰符合了中国国情现状发展第 三代移动通信的要求，是建设中国3 g 网络系统的最佳方案。在3 g p p 标准规 定的3 g 频谱规划中，1 9 2 0 1 9 8 0 m h z 以及2 1 1 0 2 1 7 0 m h z 范围内共6 0 x 2 m h z 上 下行对称频谱分配给了f d d 模式，而将1 9 0 0 1 9 2 0m h z 以及2 0 1 0 2 0 2 5m h z 范 围内两段不对称频谱分配给了t d d 模式【2 】。 截至2 0 0 8 年9 月底，已经有来自近3 0 个厂商的超过4 0 款t d s c d m a 终 端面市，与国内g s m 与c d m a 商用初期市场上都只有数款终端的状况相比， 在目前t d s c d m a 还处于试商用阶段而且用户不到3 0 万的情况下，t d s c d m a 终端的丰富程度应该是值得乐观的。从w c d m a 与c d m a 2 0 0 0 的发展历程看， 终端都曾不同程度地制约了这两种技术加速走向成熟；而从现阶段t d s c d m a 的试商用情况看，t d s c d m a 终端仍需要加快改进性能、丰富功能以及完善产 品线。 从开机搜索到登录到合适小区的过程就定义为小区搜索。现有技术在初始 小区搜索中，终端搜索一个小区时，检测其发射的d w p t s ，建立下行同步，获 得小区扰码和基本中间码，控制复帧同步，然后读取b c h 信息。在整个小区搜 索过程中，涉及到几个子过程，每一个子过程的算法实现质量都能影响到整个 小区搜索的质量。因此，如何优化各子过程的性能成为优化小区搜索功能的关 键。 1 3 本文的主要工作 本文参照t d s c d m a 的技术标准，研究了t d s c d m a 终端的小区搜索过 程的算法实现过程，用专门的测试软件对小区搜索每个子过程进行跟踪测试， 并针对目前小区搜索子过程频点排序算法研究，提出了一种新的频点排序方法， 并最终通过m a t l a b 软件仿真证明该方法能有效提高小区搜索的速度，优化 t d s c d m a 终端的性能。 全文共分为5 章，主要内容安排如下： 第1 章简略介绍了本课题的项目来源和研究背景，概括了国内外对移动通 2 武汉理工大学硕士学位论文 信的研究现状以及t d s c d m a 技术所存在的问题。 第2 章介绍了t d s c d m a 系统相关内容，包括空中接口参数描述，物理信 道结构和子帧结构，详细介绍子帧结构，为下文同步过程作铺垫。 第3 章是本文的重点，详细介绍了t d s c d m a 终端小区搜索过程算法实现 及软件跟踪测试，在算法实现中对各子过程进行详细的介绍，并且对不同算法 进行比较；软件跟踪测试主要包括各子过程的单元测试和集成测试。 第4 章提出一新的频点排序方法，详细介绍了新方法算法实现和仿真结果。 第5 章对所做工作的做全面总结，并提出将进一步研究的问题和开展的工 作。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章t d s c d m a 系统简介 t d s c d m a 是f d m a ，t d m a 和c d m a 技术的综合。它的目标是建立一 个具有高频谱效率和高经济效益的先进的移动通信系统。其基本技术特征之一 是在t d d 模式下，采用周期性重复的时间帧传输基本的t d m a 突发脉冲，通 过周期性地切换传输方向，在同一载波上交替地进行上下行链路传输。这个方 案的优势在于上下行链路间的转折点可以因业务的不同而任意调整，从而实现 第三代移动通信所要求的对称电路交换业务和非对称分组交换业务。 2 1 空中接口参数 t d s c d m a 系统基于同步c d m a 、智能天线、联合检测、软件无线电等新 技术，特别适合于在城市人口密集区提供高密度大容量话音、数据和多媒体业 务，系统可以单独运营，以满足i t u i m t - 2 0 0 0 的要求，也可与其它无线接入技 术配合使用 3 1 。表2 1 是t d s c d m a 系统的无线接1 2 1 参数。 表2 1t d s c d m a 系统接口参数 空中接口规范参数 参数内容 复用方式 t d d 基本带宽1 6 胞 每载波时隙数1 0 ( 其中7 个业务时隙，三个特殊时隙) 码片速率1 2 8 m c h i p s s 无线帧长1 0 m s ( 每个1 0 m s 无线帧被分为2 个5 m s 子帧) 佰追骊俏卷积编码，t u r b o 编码等【4 1 数据调制q p s k 和8 p s k ( 高速率) 扩频方式q p s k 功率控制开环+ 闭环功率控制，控制步长1d b ，2 d b ，3d b 智能天线在基站端由8 个天线组成天线阵 基站间同步关系同步 多用户检测使用 业务特性对称和非对称 支持的核心网g s m m a p 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 物理层结构介绍 物理层位于o s i 参考模型中的最底层，它的主要任务是为上层提供数据传 输服务以及完成其他一些基本过程，如物理层测量【5 】，小区选择，随机接入，同 步建立等。物理层向上层提供的服务主要通过层间抽象服务原语来实现，原语 主要分为4 类：请求，证实，响应和指示。物理层和高层的通信接口有两个： 无线资源控制子层( r r c ) 和介质接入控制子层( m a c ) 6 1 ，这两个接口通常 也叫做控制信道和传输信道【7 】。物理层相对高层是一个受控部分，它给高层提供 所需服务。物理层根据r r c m a c 下发的消息执行相应处理，并将响应数据通 过消息上报给高层【8 】，图2 1 是高层和物理层的接口。 2 2 1 物理信道 图2 1t d d 模式高层和物理层之间的接口 t d s c d m a 的物理信道采用四层结构：系统帧、无线帧、子帧和时隙。 由图2 2 可知，一个超帧长7 2 0 m s ，由7 2 个无线帧组成；每个无线帧分为 两个5m s 的子帧，每个子帧由长度6 7 5 u s 的7 个主时隙和3 个特殊时隙组成；3 个特殊时隙分别是下行导频时隙( d w p t s ) 、上行导频时隙( u p p t s ) 和保护时 隙( g p ) 构成。无线帧的分配可以是连续的，即每一帧的相应时隙都可以分配 给某物理信道，也可以是不连续的分配，即仅有部分无线帧中的相应时隙分配 给该物理信道【9 j 。 5 武汉理工大学硕士学位论文 超帧( 7 2 0 m s ) 司 d 帧 帧2帧3帻4帧7 l l ( 1 0 i n s ) 日d 子帧0 子帧l ( s i n s ) 时隙 o f 6 7 5 时隙1时| l c 2时髓时隙4时隙5时隙6 u s ) d w p t s ( 7 5 m ) g p ( 7 5 u s ) u p p t s ( 1 2 5 u s ) 2 2 2 子帧结构 图2 - 2 物理信道结构 在上面的物理信道结构中介绍了子帧的结构，在一帧的7 个主时隙中，时 隙0 总是分配给下行链路，而时隙1 总是分配给上行链路，其他时隙可作为上 行链路的时隙，也可以作为下行链路的时隙。上行链路的时隙和下行链的时隙 之间由一个转换点分开，转换点的位置取决于小区上、下行时隙的配置，这种 灵活的配置方案，特别适合不对称业务的传输【1 0 】。 5 r i m 日d 伽露4 r 圈丁 丁t上上上 转换点转换点 5 m 0 日 d t s 。【r 7 园丁丁上上上 上 转换点转换点 图2 - 3 子帧转换点 6 武汉理工大学硕士学位论文 上面提到的3 个特殊时隙在整个子帧中起着特殊的作用，在小区搜索中使 用下行导频时隙来实现下行同步，对这3 个时隙做具体说明： ( 1 ) d w p t s 7 5 t l s g p ( 3 2 c h i p s ) s y n cd l ( 6 4 c h i p s ) 图2 4d w p t s 结构 在t d s c d m a 系统中，标识小区的码为下行同步码( s y n c d l ) ，在 d w p t s 发射。每一子帧中的d w p t s 的设计目的既是为了下行导频，同时也是 为了下行同步，基站将在小区的全方向或在固定波束方向发送d w p t s 。d w p t s 由长为6 4 c h i p s 的s y n cd l 和长为3 2 如枷的g p 组成；整个t d 系统有3 2 组 基本s y n cd l 码，一个s y n cd l 唯一标识一个基站和一个码组，每个码组 包含4 个特定的扰码，每个扰码对应一个特定的基本m i d a m b l e 码。当邻近小区 使用相同的载波频率，用户终端在一个小区交汇区域移动状态下开机的条件下， d w p t s 能保证用户终端能够在很短时间内完成小区搜索并完成初始的接入过 程。 ( 2 ) u p p t s 1 2 5 u s 日p s y n cu l ( 1 2 8 c h i p s ) g p ( 3 2 c h i p s ) 图2 5u p p t s 结构 在t d s c d m a 系统中，随机接入的特征信号称为s v n cu l ，在上行导频 时隙发射。每一子帧中的u p p t s 在随机接入和切换过程中用于建立l i e 和基站 之间的初始同步，当u e 处于空中登记和随机接入状态时，将发射u p p t s 。u p p t s 由长为1 2 8 c h i p s 的s y n cu l 和长为3 2 c h 枷的g p 组成。整个系统有2 5 6 个不 同的基本s y n cu l 码，分成3 2 组，每组8 个。码组是由基站确定，因此，8 个s y n cu l 对基站和己下行同步的l i e 来说都是已知的。当u e 要建立上行同 步时，将从8 个已知的s y n cu l 中随机选择1 个，并根据估计的定时和功率 值在u p p t s 中发射。在t d s c d m a 系统中使用独立的u p p t s 的原因是用户终 端在发起随机接入时，并未达到上行同步，此时的发射功率是用开环控制的。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) g p g p 是发射向接收转换的保护间隔，时长为9 6 c h i p s ，可确保基本的小区覆 盖半径为1 1 砌。较大的保护时隙不仅可以防止上下行信号相互之间干扰，还可 以允许终端在发出上行同步信号时进行时间提前。 另外，每个常规时隙在t d s c d m a 系统中也称作个突发，即在无线帧的 特殊时隙发射。图2 - 6 是t d s c d m a 的突发的结构。 图2 6 突发结构 一个突发包括两个长度分别为3 5 2 如枷数据块、一个长为1 4 4c h i p s 的 m i d a m b l e 码块和一个长为1 6 c h i p s 的保护时隙，突发的数据由信道化码和扰码 共同扩频，即将每一个数据符号转换成一些码片，因而增加了信号带宽，一个 符号包含的码片数称为扩频因子。扩频因子可取l 、2 、4 、8 或1 6 【1 1 l 。 2 3 本章小结 本章重点介绍了t d s c d m a 系统的基础知识。包括空中接口参数及关键技 术，重点介绍了t d s c d m a 系统的物理信道结构和子帧结构，详细介绍了三个 特殊时隙的结构和在t d s c d m a 终端通信系统中所起的所用，为第3 章小区搜 索各子过程原理说明做下铺垫。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章t d s c d m a 终端小区搜索研究与实现 在t d s c d m a 终端上电后需要进行小区搜索，尽快找到一个合适的小区进 行驻副1 2 1 。只有驻留到一个合适的小区才能获得本驻留小区的详细信息以及邻 小区的相关信息，从而监听网络的寻呼1 1 3 j ，进行相应的业务。我们把终端从开 机到登陆到合适小区的过程叫做小区搜索。根据高层下发的小区搜索内容，我 们可以把小区搜索分为全频段搜索( i c s ) 和指定小区搜索c r c s ) u 4 j 。r c s 的流程 实际上包括在i c s 流程里，因此在本文中，我们研究的是i c s ，即全频段的小区 搜索过程。 3 1 小区搜索流程概述 下发全频段搜索 成功找到可驻留小区 图3 - 1 小区初搜功能模块结构 9 武汉理工大学硕士学位论文 小区搜索的实现过程：在多个频点上接收数据，通过计算功率强弱来判定基 站可能在哪些频点配置了载波【1 5 】；根据t d s c d m a 的帧构成特征找到d w p t s 的大致位置，完成下行同步过程【1 6 1 ；根据找到的d w p t s 确定该频点使用的 s y n cd l 和对应的基本m i d a m b l e 码；然后把本地频偏调整到一定范围，保证 与n o d e b 之间的频偏足够小；最后找到p c c p c h 信道，读取网络下发的系统 广捌1 7 1 ，完成小区搜索过程【1 8 】。图3 1 是i c s 功能模块结构。i 在本文中，对于小区搜索各子过程的执行状况，我们用软件来跟踪，通过 消息来输出执行的一些重要信息，用变量来记录这些信息。在3 7 中详细描述了 该部分内容。 3 2 频点排序过程 一个无线通信系统会被分配一段频谱，实际发送频点可以在频谱范围内的 任意允许频点上。在3 g p p 标准规定的3 g 频谱规划中，将1 8 8 0 1 9 2 0 m h z 和 2 0 1 0 2 0 2 5m h z 范围内两段不对称频谱分配给了t d d 模式。我们这两个频段以 2 0 0 k h z 为间隔分为若干个点，把这些点称为频点【1 9 1 。为了更快、更有效的驻留 小区，在小区搜索的最先一个步骤中要求对高层下发的所有频点进行一次平均 功率的排序，把最可能配置有信号的频点找出来。在这一个阶段，主要是根据 信号功率的强弱来判断是否存在有效信号【2 0 】。得到频点功率排序表后，首先选 取功率最大的频点作为当前进行小区搜索的频点，如果当前频点小区搜索失败， 可以依照功率大小依次搜索其余的频点。利用t d 系统信号带宽1 6 m h z 的宽带 特性，网络在配置载波频点或工作频点时，必须间隔1 6 m h z 以上。 频点排序实现的步骤： ( 1 ) 把频段按2 0 0k h 2 为步长表示成频点形式； ( 2 ) 确定一个合适的a g c ，在该a g c 下测量各频点的最大平均功率； ( 3 ) 选取门限，确定一个频率集合并且排序输出。 根据第2 章t d s c d m a 时隙结构，在频点排序阶段对每一个频点进行一帧 数据的接收，把6 4 0 0 c h i p s 数据切分为2 5 块，每块2 5 6 c h i p s 数据，找出功率最 大的数据块，其功率值作为该频点的代表功率参与功率大小排序【2 l 】。对每个频 点遍历以上操作，得到所有频点的最大功率。设2 5 块数据中第m 块数据功率为 p d w i ：l ，一帧数据为，江0 ，1 ，6 3 9 9 ，则： 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 p 。嵋；k = 2 5 5 ( r e ( 吃，嘶七) ) 2 + ( i r a ( 吃，。) ) 2 ，m ：1 ，2 ，2 5 ( 3 - 1 ) 其中，确定一个合适的a g c 是很关键的。在a g c 饱和情况下，算法找中 心频点的性能急剧下降。在处理完所有频点的测量以后，找出功率最大值，看 该值是否在目标功率范围之内，如果是则不需要进行其它a g c 的测量，可以输 出频点排序结果。如果否则需要调整a g c 值，在新的a g c 值下重复如上操作。 最后把候选集内的频点根据平均功率大小进行排序，优先在功率较强的频点上 做小区搜索后续过程。 图3 2 频点排序算法流程 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 下行同步过程 在数字通信里面的同步是指在约定的通信速率下，发送端和接收端的时钟 信号频率和相位始终保持致，这就保证了通信双方在发送和接收数据时具有 完全一致的定时关系。同步通信把许多字符组成一个信息组，或称为信息帧， 每帧的开始用同步字符来指示。由于发送和接收的双方采用同一时钟，所以在 传送数据的同时还要传送时钟信号，以便接收方可以用时钟信号来确定每个信 息位。 通信系统中的同步可分为载波同步、位同步、帧同步、网同步几大类。在 本文中，主要研究帧同步，在t d s c d m a 通信系统中，我们需要保证基站和终 端的同步，而开机进行小区搜索首先要保证终端和基站下行同步。下行同步要 实现的是找到d w p t s 大致位置和s y n cd l 的准确位置和码号 z z l 。 3 3 1 下行同步算法实现 下行同步的目的是要捕获基站的定时信息，即基站在什么时候发送数据， 而同步的实现原理是基于t d s c d m a 系统的特殊帧结构，或者说子帧结构的设 计思路从某种意义上说是为了便于很快的取得下行同步【2 3 1 ，在2 2 2 中已经介绍 了子帧结构。 it s 0 ( 8 6 4 c h i p s ) ig p l ( 1 6 c h i p s ) g p 2 ( 3 2 c h i p s ) s y n c _ d l ( 6 4 c h i p s ) g p ( 9 6 c h i p s ) iu p p t s ( 1 6 0 c h i p s ) _ j 图3 3 子帧结构 从图3 3 中可以看出，d w p t s 时隙的两端各有一个零功率区，它们分别是 t s o 的拖尾保护g p l ，d w p t s 自身的g p 2 和上行保护g p ，在这三段保护时期 内不发送任何信号，而两段保护区之间的d w p t s 每帧都将以恒定的满功率发送。 根据d w p t s 时隙的发射功率特征就可以利用算法初步确定其位置【2 4 1 。 目前终端获得下行同步都是根据d w p t s 时隙的功率特征来实现的，但是具 体不同的算法策略对同步的性能影响很大，比如消耗时间，同步精度等。下面 介绍几种目前常见的同步算法以及本文提出的优化算法，并在此基础上用 m a t l a b 进行仿真，比较其性能的优劣。 ( 1 ) 传统同步算法 从原理上讲，s y n cd l 为3 2 组6 4 c h i p s 的已知序列，利用接收序列和已知 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 的3 2 个序列逐次相关即可得出s y n cd l 序列和位置【2 5 1 。令接收的一个子帧的 数据为 ，2 ，6 3 鲫 ，第，个s y n c d l 码为 s ：，j 。1 ，s ：1 ，j ：， ，其中s ；为 s y n cd l 序列经过符号映射、旋转、q p s k 调制的复信号。在接收端对接收信 号和s y n cd l 码作相关，并求相关能量值： 6 4 1 2 d = l ( s 圳 汪o ，1 ，6 3 9 9 ，= o ，1 ，3 1 ( 3 - 2 ) i j = 0i 然后找到最大值，对应的，即为所需的s y n c d l 码字，f 即为对应的下行 导频时隙的起始位置，根据这个位置和5m s 的帧结构，就能确定s y n c d l 在 一帧中的位置。 传统同步算法实际上为时域运算，原理简单但运算量比较大，在实际通信 系统中，信道特性是复杂多变的，往往需要频域运算来克服无线传输信道的影 响。因此现有实际t d s c d m a 通信系统中下行同步往往不采用该算法，下面的算 法都是在此基础上进行了改善。 ( 2 ) 能量窗同步算法 根据上面说的d w p t s 时隙的功率特征，采用能量窗搜索法可以达到下行同 步。考虑到算法的运算量和同步的精确性，分两步实现比较精确的下行同步【2 6 】。 特征窗法寻找d w p t s 大致位置 这里的特征窗即能量窗，特征窗的长度选取为1 2 8 c h i p s ，为了能够遍历一 帧数据，特征窗的搜索范围为( 6 4 0 0 + 1 2 8 ) c h i p s ，特征窗在整个帧范围内移动， 移动步长可以是逐c h i p ，逐2 如枷或逐4 c h i p s 等，得到n 个特征窗。移动步长 如何选取取决于运算量和系统要求。对每一个特征窗，计算窗内两边6 4 c h i p s 的 能量对中间6 4 c h i p s 的能量比墨。在n 个r ；中找寻最小值，其对应的特征窗位 置即为d w p t s 的位置。 嚣 工正三e 口 能量 窗 o u tw i n lo u tw i r d ( 3 2 c h i p s ) i n _ w i n ( 6 4 c h i p s ) ( 3 2 c h i p s ) 日pa d日d p l 。fp 3 , ip 2 ，f 图3 4 能量窗遍历一帧数据流程 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 设( 6 4 0 0 + 1 2 8 ) c h 枷长度的数据r l ，其中第k 个兀素表不为： 女，k = 0 ，6 5 2 7 接收信号的幽枷功率：p o w k = ( r e 瓴j ) ) 2 + ( h 瓴 ) ) 2 ，k = 0 ，6 5 2 7 ( 3 3 ) 一个特征窗比值公式： p 1 j = 玄荟p 毗删( 3 - 4 a ) 队，：二y p o w i ，(34b)96 p 2 。i2 石己一f 却+ p l j 。 j 二，= 0 见j5 击善即w 螂朋z ( 3 - 4 c ) r f ：p l , _ f + p 2 a f ：1 ，2 ，3 ，n p 3 , t ( 3 - 5 ) 其中n 为一帧遍历的特征窗个数，即( 6 4 0 0 + 1 2 8 ) c h i p s 步长，s t e p 为步长， 为了节省计算量我们选取的移动步长为4 个如枷。 相关法寻找s y n cd l 的准确位置和码号 由于在中选择的移动步长为4 c h i p s ，所以最后得到的d w p t s 没有精确到 如勿级，需要确定s y n cd l 码组以及s y n cd l 的位置以达到精确到c | i z 矽级 的下行同步【2 7 1 。在下行同步精度还不够高的情况下，为了保证找到s y n c d l 的准确位置，提前3 2 个c 办枷开始接收数据，同时接收1 2 8 c h i p s 数据，以保证 s y n cd l 码完整的包含在得到的采样数据中。在t d s c d m a 系统中一共有3 2 组可能的s y n cd l 码。由于这3 2 组s y n cd l 码无论是在同步，还是在非同 步情况下的互相关性都非常好，因此，我们可以采用复相关算法来确定 s y n cd l 的位置。s y n cd l 码组及其位置确定后，将结果汇报给高层，由高 层确定本小区和邻近小区的s y n c d l 码组。计算接收信号与3 2 个s y n c d l 码的复相关功率通过f f t + i f f t 来实现。 设使用的s y n cd l 码序列为j ( ，z ) ，信道冲击响应为办( 刀) ，接收到的信号 为e ( n ) ，接收信号p ( 行) 与s y n c d l 码序列s ( 疗) 进行相关： r 档( ，z ) = s ( k ) e 仰+ k ) ( 3 6 a ) 瓦i 一】1 n l - 1 如( 刀) = 寺s ( 掰) 吲( 吉e ( ，) 嘴“帕) ( 3 - 6 b ) 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 r 甜( 靠) = 寺s ( 朋) 咿专e ( ，) “帕 ( 3 - 6 c ) k f f i 0 vm r 01 = 0 如( 挖) = 寺s ( 所) e ( ，) 时嗉嘴“呻) ( 3 - 6 d ) vm = 0i = 0y i = 0 由于 专篓= 三竺 7 ， 有 r e s ( 拧) = 芝s q ) e u ) 陈h ( 3 - 8 a ) r 嚣( 刀) = ( 寺s “) e ( ，) 时) ( 3 - 8 b ) r 。( 刀) = 历( f f i ( e ( n ) ) 圆伊( s ( ，z ) ) ) ( 3 - 8 c ) 其中n = 1 2 8 ，即可以通过傅立叶变化来求接收信号和s y n cd l 码的相关功率。 以上算法得到了相关功率最大值，该值对应的s y n c d l 码即为小区使用 的s y n cd l 码，最大值出现的位置即为s y n cd l 的位置。由此得到s y n cd l 的精确位置，完成下行同步过程【2 引。 ( 3 ) 基于能量窗的优化算法 通过上面的能量窗算法可以找到s y n cd l 码号和位置，实现终端的下行 同步。但是在仿真过程中发现，小信号环境下，能量窗算法找s y n cd l 码准 确率不高，这对小区搜索后续流程产生较大负面影响。本算法通过引入修正因 子和判定门限值，以优化小信号环境下同步的精确性。 特征比值引入修正因子 从t d s c d m a 的帧结构可以看出，d w p t s 和业务时隙的两边都存在g p ， 为了排除持续时间比较短，但是相对于周围能量较强的干扰，此时的特征窗比 值也可能会比较小，即如果业务时隙的特征窗体和d w p t s 特征窗体比较接近， 会引起下行误同步。在引入修正因子以后，能很好的排除这种容易误判的窗体。 图3 5 容易误判窗体 根据d w p t s 总是以满功率持续发射的特征，；j i x tp ；， 的判定，要求 中间6 4 c h i p s 的能量超过门限时才能判定为d w p t s 的特征窗而不是业务时隙的 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 特征窗。对应的特征窗比值公式： 耻 警等劳见朋 【 1 p 3 ，i 墨：岳鬻驴 【 1 岛圪 其中，生二! 为特征窗修正因子，取值范围是【o 5 ，1 】，当两翼的功率 l p l 十p 2 j j 强度相当时，r ，值最小，能加强特征窗特性。圪的大小选用：2 - 2 1 。 重复检测法判定同步情况 当终端处于弱信号环境下，接收数据的功率会很小，为了下行同步的准确 性需要先对信号进行一定的a g c 增益处理，且当a g c 为合适值时，能把信号 进行充分的放大，此时特征窗比值能达到最小。因此本算法采用了遍历几个a g c 增益，然后再选择一个最可信的a g c 增益对数据进行处理后再进行同步的判定。 由于终端开机时只有帧长5m s 信息，帧边界起始点未知，为排除随机干扰情况， 需要连续接收多帧数据，搜索判断d w p t s 的大致位置。 重复检测法流程： 在选定频点上把初始a g c 设置为增益调整范围的最大值彳g c 一。读取 ( 6 4 0 0 + 1 2 8 ) c h i p s 长度的数据! l ，其中第k 个元素表示为：j ，k = o ，6 5 2 7 接收信号功率：p o w k = ( r e ( j ) ) 2 + ( i m ( r l ，。) ) 2 ，k = 0 , - , 6 5 2 7 ( 3 1 0 ) 在本a g c 下重复接收5 帧数据，判断本档a g c 下同步是否成功。记录 每一帧的特征窗位置置，罡，只，只，忍，从小到大排序后得到墨，昱，b ，p 4 i ) b ， 五帧特征窗位置差分结果为d 。，d ：，d3 ，d4 ，d ， ， b = 6 4 0 砭o + l 邶p ：- e 曹4 ，其中的最j 、值q 删鹕，d 3 ，d 4 ，d 5 ) 最邻近两帧的中间位置= 只+ 【- 拿j m o a 6 4 。 一档a g c 条件下的特征窗位置最大邻近数目： 1 6 武汉理工大学硕士学