蔣宗明

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所 四川 成都 610036）

作為廣泛使用的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)，WCDMA系統(tǒng)小區(qū)間通過(guò)不同的下行擾碼進(jìn)行區(qū)分，為此引入了小區(qū)搜索的概念。用戶(hù)終端在進(jìn)入小區(qū)時(shí)，需要進(jìn)行小區(qū)搜索，與當(dāng)前小區(qū)基站取得同步并獲取小區(qū)配置信息。

顯然，小區(qū)搜索過(guò)程決定了終端性能，是終端設(shè)備的重要功能之一。接收信號(hào)信噪比是影響小區(qū)搜索的主要因素之一，尤其是在網(wǎng)優(yōu)、電子對(duì)抗和反恐等需要對(duì)大范圍內(nèi)的小區(qū)進(jìn)行普查時(shí)；故加強(qiáng)低信噪比環(huán)境下小區(qū)搜索性能有利于提高設(shè)備的性能。目前用戶(hù)設(shè)備在小區(qū)搜索時(shí)通常采用較易實(shí)現(xiàn)的非相干累加合并和硬譯碼方式[1-2]，但這是以降低信噪比性能為代價(jià)的。因此根據(jù)具體工程應(yīng)用背景下的設(shè)備研發(fā)需求，對(duì)低信噪比環(huán)境下的小區(qū)搜索進(jìn)行優(yōu)化有重要意義。

1 工作原理及組成

小區(qū)搜索過(guò)程通常分3個(gè)步驟進(jìn)行。

1）通過(guò)主同步信道（P-SCH）實(shí)現(xiàn)時(shí)隙同步。

WCDMA系統(tǒng)的所有小區(qū)都使用相同的PSC碼，并且統(tǒng)一在每個(gè)時(shí)隙的開(kāi)始廣播，所以可以采用PSC碼檢測(cè)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)小區(qū)的時(shí)隙同步。

2）通過(guò)輔同步信道（S-SCH）實(shí)現(xiàn)幀同步以及碼組識(shí)別。

SSC碼序列是以幀為周期發(fā)送，每幀內(nèi)各時(shí)隙的SSC碼都是固定的，所以根據(jù)小區(qū)的SSC碼排列方式，可以識(shí)別小區(qū)使用的擾碼組號(hào)，而且?guī)鹗嘉恢靡驳玫酱_定。

3）通過(guò)主公共導(dǎo)頻信道（P-CPICH）完成主擾碼識(shí)別。

利用小區(qū)使用擾碼組中的8個(gè)主擾碼對(duì)P-CPICH進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，識(shí)別獲取該小區(qū)所使用的下行主擾碼。

到此終端完成小區(qū)的搜索過(guò)程，隨后根據(jù)前述信息完成信道估計(jì)，獲取BCH廣播信息，完成小區(qū)識(shí)別。

小區(qū)搜索功能的實(shí)現(xiàn)由數(shù)個(gè)具體的功能單元組成。其中，狀態(tài)控制實(shí)現(xiàn)整個(gè)搜索流程的控制以及與外部接口通信，主/輔同步碼捕獲完成對(duì)PSC和SSC的捕獲，導(dǎo)頻捕獲完成導(dǎo)頻信道的檢測(cè)判決并輸出主擾碼。

2 實(shí)現(xiàn)方案

2.1 狀態(tài)控制實(shí)現(xiàn)

狀態(tài)控制功能由狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，具體狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖1所示。

圖1 狀態(tài)控制功能的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)Fig.1 Implement of state machine for control function

狀態(tài)機(jī)在空閑時(shí)接收到小區(qū)搜索指令后跳轉(zhuǎn)到主同步捕獲狀態(tài)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果依次跳轉(zhuǎn)到輔同步捕獲和導(dǎo)頻檢測(cè)狀態(tài)，導(dǎo)頻捕獲且檢測(cè)通過(guò)后上報(bào)同步和主擾碼信息。導(dǎo)頻檢測(cè)驗(yàn)證未能通過(guò)或者各狀態(tài)多次無(wú)法捕獲，則判斷時(shí)隙同步檢測(cè)不準(zhǔn)確，返回重新進(jìn)行小區(qū)搜索。

2.2 主同步碼捕獲

主同步碼通常使用PSC碼的匹配濾波器完成檢測(cè)，但是硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)考慮到256階匹配濾波器資源占用較大，一般使用改進(jìn)的濾波器實(shí)現(xiàn)方式[3-4]。而在工程應(yīng)用時(shí)，為提高接收性能，通常采用過(guò)采樣，則8倍過(guò)采樣條件下的一種改進(jìn)匹配濾波器如圖2所示。顯然，改進(jìn)后的濾波器僅有10個(gè)延時(shí)單元和14個(gè)加法運(yùn)算器，大大節(jié)約了資源損耗。

在WCDMA系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為克服信道衰落、干擾和噪聲的對(duì)P-SCH捕獲性能的影響，不同時(shí)隙的P-SCH匹配濾波結(jié)果需要通過(guò)相干、非相干或者差分相干累加等不同的方式進(jìn)行累積，提高頻偏、低信噪比環(huán)境下P-SCH捕獲性能。

圖2 主同步碼匹配濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.2 Optimized design of PSC mached filter

一般而言，相干累加能夠很好地抵抗噪聲對(duì)匹配濾波器的輸出影響，因此，在接收信號(hào)相位確定的情況下，該方式的性能表現(xiàn)良好；但在信道衰落和移動(dòng)環(huán)境下導(dǎo)致接收信號(hào)相位不確定，或者存在頻偏的情況下，相干累加的性能急劇下降，此時(shí)非相干累加方法相對(duì)更具優(yōu)勢(shì)；而2分段差分相干具有前兩者的優(yōu)點(diǎn)[5]，所以綜合權(quán)衡后在累加實(shí)現(xiàn)時(shí)采用2分段差分相干累加，具體實(shí)現(xiàn)方式參如圖3所示。

圖3 差分相干累加的實(shí)現(xiàn)Fig.3 Implement of differential coherent accumulation

2.3 輔同步碼捕獲

SSC碼有16種類(lèi)型，在一個(gè)無(wú)線(xiàn)幀中包括15個(gè)，所以一幀內(nèi)需要對(duì)進(jìn)行15×16=240次相關(guān)檢測(cè)，積累N個(gè)時(shí)隙后，將得到的SSC碼排序方式進(jìn)行處理，即可得到小區(qū)所屬碼組。

顯然，SSC碼的相關(guān)檢測(cè)設(shè)計(jì)中，16個(gè)相關(guān)檢測(cè)器對(duì)硬件設(shè)計(jì)是一個(gè)巨大的負(fù)擔(dān)，需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于SSC碼的生成特性，在與序列Z作乘法運(yùn)算，SSC碼就轉(zhuǎn)化成hardmard序列；這樣輔同步就可以簡(jiǎn)化為解擴(kuò)信號(hào)與16個(gè)256 bit的已知hardmard序列相關(guān)，該過(guò)程可以通過(guò)快速哈達(dá)瑪變換（FHT）來(lái)實(shí)現(xiàn)[6]，而該變換可以通過(guò)蝶形算法方便的在FPGA中實(shí)現(xiàn)。

在低信噪比環(huán)境下，單個(gè)時(shí)隙輔同步碼檢測(cè)存在一定的錯(cuò)誤概率，不能簡(jiǎn)單的使用似然判決，需要性能較好且便于FPGA實(shí)現(xiàn)的RS譯碼算法。常用的譯碼方式有硬譯碼和軟譯碼，后者在低信噪比環(huán)境及差分相干累加條件下具有更好的性能[7]，故設(shè)計(jì)時(shí)采用軟譯碼方式以得到更好的性能。

2.4 導(dǎo)頻信道捕獲

WCDMA導(dǎo)頻信道信息碼為全1，使用固定的信道化碼（OVSF）與其他信道區(qū)分，并使用當(dāng)前小區(qū)的主擾碼加擾以區(qū)分不同小區(qū)。通過(guò)同步取得小區(qū)主擾碼碼組后，將接收到的導(dǎo)頻信號(hào)分別與主擾碼組的8個(gè)不同擾碼進(jìn)行解擾，然后與固定的擴(kuò)頻碼Csp，256，0相關(guān)解擴(kuò)，最后對(duì)相關(guān)結(jié)果進(jìn)行判決以確定實(shí)際使用碼組。為在低信噪比環(huán)境下提高捕獲性能，一般可以采用計(jì)分競(jìng)賽方式[8]和相關(guān)值非相干累加方式。仿真計(jì)算表明，計(jì)分方式要優(yōu)于后者，故實(shí)現(xiàn)時(shí)采用計(jì)分競(jìng)賽方式。

3 主要性能仿真及測(cè)試

3.1 性能仿真

仿真條件：參考3GPP協(xié)議文獻(xiàn)及測(cè)試儀器設(shè)置，發(fā)送信道及其功率分配如下表1所示，高斯白噪聲環(huán)境，頻偏為6 kHz，仿真統(tǒng)計(jì)500幀，使用10幀累加后判決。則不同信噪比條件下，改進(jìn)后（2分段差分相干累加+RS軟譯碼）對(duì)比改進(jìn)前 （非相干累加+RS硬譯碼）的小區(qū)搜索成功概率如圖4所示?？梢?jiàn)優(yōu)化方案低信噪比環(huán)境下性能較好。

表1 信道參數(shù)設(shè)置方式Tab.1 Parameters configuration of the channels

圖4 優(yōu)化方案性能對(duì)比Fig.4 Performance of the optimized and normal scheme

3.2 測(cè)試結(jié)果

采用Xilinx公司Vertex II FPGA完成硬件設(shè)計(jì)，采樣速率采用8倍過(guò)采樣為30.72 MHz，狀態(tài)機(jī)和流水線(xiàn)工作在4倍采樣時(shí)鐘即122.88 MHz，使用ISE10.1完成HDL開(kāi)發(fā)。設(shè)計(jì)完成后利用安捷倫無(wú)線(xiàn)通訊測(cè)試儀E5515C的WCDMA模塊進(jìn)行硬件性能測(cè)試，在高斯白噪聲環(huán)境下檢測(cè)性能，儀器參數(shù)設(shè)置方式參見(jiàn)如表1所示，其中信道功率按照大型城市環(huán)境下室外基站信號(hào)強(qiáng)度的典型值選取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在信道功率取-75 dBm時(shí)，相同檢測(cè)概率下設(shè)備低信噪比同步性能優(yōu)于改進(jìn)前方案約2 dB，考慮到硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)的系統(tǒng)損耗，則實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真相符，證明上述措施是有效的。

4 結(jié) 論

小區(qū)搜索的性能在很大程度上決定了WCDMA終端設(shè)備的性能，在設(shè)備研發(fā)中，提高快衰信道和低信噪比環(huán)境下的基帶處理性能有重要的意義。通過(guò)研究小區(qū)搜索優(yōu)化算法，在硬件資源有限的條件下，采用針對(duì)性的實(shí)現(xiàn)方案，提高了低信噪比環(huán)境下的小區(qū)搜索性能，其結(jié)果得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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