牛慧瑩

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北　石家莊050081)

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WCDMA上行擾碼序列快速檢測技術(shù)

牛慧瑩

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

針對WCDMA系統(tǒng)上行鏈路多用戶分離問題，分析了WCDMA上行物理信道結(jié)構(gòu)和擾碼序列的相關(guān)特性，提出了一種基于WCDMA系統(tǒng)上行鏈路擾碼序列的快速檢測技術(shù)。該技術(shù)利用快速傅里葉變換的并行運算特點和GPU適合于進行大規(guī)模并行運算的優(yōu)勢，通過FFT進行互相關(guān)函數(shù)的快速運算并在GPU中并行實現(xiàn)多路FFT，極大地減少了WCDMA上行擾碼序列檢測所需時間。仿真結(jié)果表明，該方法可快速實現(xiàn)WCDMA系統(tǒng)上行鏈路多用戶分離，并且易于工程實現(xiàn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

WCDMA；上行擾碼；相關(guān)；FFT

0　引言

寬帶碼分多址(WCDMA)具有數(shù)據(jù)速率高、保密性好、抗干擾能力強等眾多優(yōu)點，因此成為全球應(yīng)用最廣泛的3G移動通信技術(shù)[1]。WCDMA 作為一種碼分多址技術(shù)，多用戶同時工作于自干擾的同一頻帶，利用碼字相關(guān)特性，實現(xiàn)相互區(qū)分[2]。

在WCDMA系統(tǒng)中，擾碼的作用是實現(xiàn)加擾、加密和區(qū)分不同的小區(qū)(下行)或用戶(上行)[3]。在下行方向，同一小區(qū)內(nèi)的不同信道采用同一擾碼，不同小區(qū)則使用不同的擾碼以區(qū)分彼此；而在上行方向，同一小區(qū)內(nèi)的不同用戶采用不同的擾碼進行區(qū)分[4]。在對WCDMA上行信號進行分析時，首先需要解決上行擾碼的檢測問題以實現(xiàn)上行鏈路多用戶分離。由于WCDMA上行鏈路可用擾碼數(shù)[5]為224個(約等于1.677×107)，本文提出一種上行擾碼序列的快速檢測技術(shù)，該技術(shù)利用WCDMA上行鏈路信道結(jié)構(gòu)和FFT快速并行運算特征，可快速實現(xiàn)上行多用戶分離，在WCDMA信號分析中具有很高的實用價值。

1　WCDMA上行擾碼

所有上行物理信道都采用同一復(fù)擾碼序列進行加擾操作，其擾碼序列共有224個擾碼，所用擾碼號由上層隨機分配[6]。復(fù)擾碼序列Clong,k由序列Clong,1,k和Clong,2,k組成，Clong,1,k和Clong,2,k由2個二進制m序列的38 400個碼片按位模2加得到，m序列由25階多項式產(chǎn)生器產(chǎn)生[7]。上行擾碼序列發(fā)生器的構(gòu)成如圖1所示。

圖1　上行擾碼序列產(chǎn)生器構(gòu)成

設(shè)序列x和y是m序列，序列x對應(yīng)的本原多項式為X25+X3+1，y對應(yīng)的本原多項式為X25+X3+X2+X+1，x和y按圖1所示結(jié)構(gòu)生成Gold序列Zk。擾碼序列Clong,1,k取Zk前38 400位，序列Clong,2,k由序列Clong,1,k相移167 772 320碼片后截取38 400個碼片得到[8]。復(fù)擾碼序列Clong,k定義為：

(1)

式中，k表示擾碼號，i=0,1,2…225-2。

WCDMA 系統(tǒng)上行擾碼用于區(qū)分不同移動用戶終端[9]，碼片速率為3.84 Mchip/s。WCDMA 上行可用擾碼個數(shù)為224，其中序號為0～4 095的擾碼分配給PRACH，序號為4 095～40 959 的擾碼分配給PCPCH，其余序號為40 960～224的擾碼(約1 663萬個)都可以用于DPCH。在分配時，需要保證給不同用戶終端分配不同的上行擾碼[10]。

2　擾碼檢測原理分析

WCDMA系統(tǒng)上行鏈路包括1個或多個具有可變擴頻因子的專用數(shù)據(jù)信道(DPDCH)和1個擴頻因子固定(C256,0，長度256的全1序列)的專用控制信道(DPCCH)，DPDCH和DPCCH在無線幀內(nèi)是I/Q碼分復(fù)用的，DPDCH用于傳輸數(shù)據(jù)，DPCCH用于傳輸控制信息。上行信號可以用式(2)表示為：

(2)

式中，dk(t)為數(shù)據(jù)信道；c(t)為控制信道；scrk(t)為擾碼；k為擾碼號；β為各個信道的增益因子；ωc為信號載頻；Tchip為碼片周期，0≤t≤Tchip。

WCDMA上行鏈路信道結(jié)構(gòu)如圖2所示[4]。其中DPCCH的控制信息包括導(dǎo)頻比特(Pilot)、發(fā)射功率控制指令 (TPC)、反饋信息(FBI)以及傳輸格式組合指示(TFCI)。

圖2　上行鏈路專用物理信道結(jié)構(gòu)

在WCDMA系統(tǒng)中，上行鏈路沒有同步信道，終端通過與基站的信息交互得到幀同步信息，但無法解析交互信息時，為了實現(xiàn)對信號的后續(xù)分析，首先需要對信號進行幀同步的盲搜索。上行擾碼雖然采用截短的Gold序列，仍具有較好的自相關(guān)及互相關(guān)特性[11]；由式(2)可知，幀同步時若使用k號擾碼對DPCCH解擾，再用信道化碼C256,0解擴，然后累積符號的能量，會有峰值出現(xiàn)，因此可通過檢測接收信號與本地擾碼序列的相關(guān)峰完成擾碼搜索和幀同步。設(shè)接收信號為8倍過采樣，其運算過程為：

(3)

式中，s為接收信號；scrk為本地擾碼；k為擾碼號，0≤k<224；m為256擴頻序列的碼片序號，0≤m<256；i為PCCPCH一幀擴頻前比特序號，0≤i<150；l為遍歷的采樣點序號，0≤l<8；τ為滑動相關(guān)時幀起始碼片位置，0≤τ<38 400；Psum(k,l,τ)為相關(guān)運算的能量累積值，可以根據(jù)Psum,(k,l,τ)的最大值來指示擾碼號和幀頭位置。

由式(3)可知，為了實現(xiàn)對擾碼相關(guān)峰的搜索，相關(guān)運算需要遍歷碼片8個采樣點位置、一幀38 400個碼片位置和224個擾碼，即每檢測一個擾碼需要進行38 400*8=307 200次長度為38 400碼片的相關(guān)運算，且需要遍歷全部224個上行擾碼，所需檢測時間太長而不具有實際應(yīng)用價值，因此需要尋找快速檢測算法以提高效率。

3　上行擾碼快速檢測算法

3.1相關(guān)運算的快速傅里葉變換實現(xiàn)

當序列長度很大時，直接的相關(guān)運算復(fù)雜度高，耗時太長，難以達到工程處理的要求。而與卷積運算相似，相關(guān)運算也可以利用快速傅里葉變換實現(xiàn)[12]。根據(jù)時域相關(guān)定理：

(4)

可以推得：

y(m)=IFFT[Y(ejω)]=IFFT[X*(ejω)H(ejω)]。

(5)

由式(4)和式(5)可知，通過FFT實現(xiàn)相關(guān)運算時，首先對兩序列做FFT變換，再對兩頻域序列進行共軛相乘，將乘積做FFT反變換即可得到兩序列相關(guān)運算的結(jié)果[13]。因此可以在上行擾碼相關(guān)檢測時應(yīng)用快速傅里葉變換提高運算速度。

3.2擾碼快速檢測算法

上行擾碼快速檢測算法處理流程如圖3所示，分為2個階段：先進行最佳采樣點選取，降采樣后再進行擾碼檢測。

圖3　上行擾碼快速檢測算法流程

在信號過采樣的情況下，采樣點已經(jīng)包含了碼片信息，因此對信號進行樣點抽取后可以直接與本地擾碼相關(guān)，同時也降低了擾碼檢測的運算復(fù)雜度。為了搜索最佳采樣點，以同一符號的每個采樣點為起點進行一次抽取，抽取后的信號進行循環(huán)相關(guān)和峰值搜索處理，如圖4(a)所示。記錄遍歷的每個采樣點對應(yīng)的相關(guān)峰值并進行比較，最大值對應(yīng)的采樣點即為最佳采樣點，如圖4(b)所示，第9個樣點為最佳采樣點。

圖4　相關(guān)峰和最佳采樣點選取

降采樣抽取后的信號與本地擾碼進行相關(guān)運算就可以完成擾碼搜索和幀同步。但需要注意的是，如果此時直接采用FFT進行解擾解擴的快速相關(guān)運算，將是每幀38 400個碼片直接累加，無法對解擾后的信號進行正確的解擴處理。為了實現(xiàn)基于FFT的快速解擾解擴運算，需要對降采樣后的接收信號進行圖5所示的特殊處理。

圖5　基于FFT的解擾解擴快速實現(xiàn)

將降采樣后的一幀信號s(n)的38 400碼片按圖5所示的方式進行分段，分段后的信號以si(n)表示，即

(6)

式中，n為碼片序號，0≤n<38 400；i為一幀信號分段后的序號，0≤i<150。

將接收信號與本地擾碼進行相關(guān)運算：

(7)

式中，s為抽取后的接收信號；si(n)為分段后的信號；scrk為本地擾碼；k為擾碼號，0≤k<224；n為256擴頻序列的碼片序號，0≤m<256；τ為滑動相關(guān)時幀起始碼片位置，0≤τ<38 400；Psum1(k,τ)為相關(guān)運算的能量累積值，()N表示以N為周期循環(huán)移位，N取值為38 400。

可知，相關(guān)運算可以用FFT來快速實現(xiàn)，因此接收信號分段后的解擾解擴相關(guān)運算可以表示為：

(8)

式中，Psum2(k)、si和scrk都是長度為38 400的矢量；si為分段后的信號；scrk為本地擾碼；Psum2(k)為k號擾碼相關(guān)檢測后的運算值；conj表示取共軛。

將每段信號si與本地擾碼scrk通過FFT運算進行循環(huán)相關(guān)，相關(guān)結(jié)果求模后累加，即快速實現(xiàn)了上行信道的擾碼檢測。由式(7)和式(8)可知，檢測每個擾碼需要做300次長度為38 400點的FFT和150次長度為38 400點的IFFT。由于GPU具有進行大規(guī)模并行運算的優(yōu)勢，而且CUDA提供了一個CUFFT運算庫[14]，可以高效地并行完成多個一維FFT運算，因此可以調(diào)用CUFFT運算庫，將擾碼檢測時的FFT和IFFT在GPU中并行實現(xiàn)，從而進一步提高擾碼檢測的運算速度。

4　仿真結(jié)果分析

仿真試驗的計算平臺使用惠普的Z800工作站，GPU為NVIDIA Tesla C2050，CPU為Intel X5690,3.47 GHz處理器，仿真結(jié)果如下。

擾碼數(shù)為512時，以一幀38 400個碼片進行FFT相關(guān)處理，擾碼檢測結(jié)果如圖6所示。由于擾碼是由Gold序列截取得到的，在進行相關(guān)處理時只截取前面的一段進行相關(guān)運算對擾碼序列的互相關(guān)特性影響很小，因此為了進一步提高運算速度，可以將相關(guān)處理長度縮減為256*64=16 384個碼片，提高FFT的運算效率。通過仿真可以看到，如圖7示，在接收信號信噪比為5 dB時，處理長度從38 400縮減為16 384個碼片，擾碼峰值與噪底之差只有0.3 dB的下降，而224組擾碼的處理時間則減少到原來的1/11，且處理時間僅為常規(guī)運算的1/9 227，從而極大的縮短了上行擾碼的檢測時間。

圖6　38 400碼片長度下512組擾碼快速檢測結(jié)果

圖7　16 384碼片長度下512組擾碼快速檢測結(jié)果

在擾碼集為8 192～16 777 216時，接收信號信噪比為5 dB，遍歷所有可能擾碼計算常規(guī)相關(guān)運算和快速算法檢測擾碼的時間，得到的結(jié)果如表1所示?？梢钥吹剑跀_碼相關(guān)長度縮短到8 192點的FFT時，其擾碼估計時間縮短到常規(guī)相關(guān)運算的1/23 120，已經(jīng)可以在工程上應(yīng)用了。

各類算法的運算時間對比

5　結(jié)束語

本文通過對WCDMA系統(tǒng)上行鏈路信號結(jié)構(gòu)的分析，提出了一種快速檢測WCDMA上行擾碼的算法。該算法根據(jù)WCDMA上行信號的信道化碼為全1的特性，將接收信號進行分段，并通過FFT運算進行序列相關(guān)，從而實現(xiàn)對WCDMA上行擾碼的快速檢測。當擾碼集合為8 192～16 777 216時，該算法將擾碼估計所用時間縮短為傳統(tǒng)擾碼檢測算法的1/23 120，極大地縮短了擾碼檢測所用時間，完全可以滿足工程上信號離線處理的應(yīng)用，也可以應(yīng)用到其他類似擴頻信號的偽碼提取中，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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牛慧瑩男，(1984—)，工程師。主要研究方向：通信信號分析。

Fast Detection Technology for WCDMA Uplink Scramble Code

NIU Hui-ying

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

For the uplink multi-user separation in WCDMA system,this paper analyzes the structure of physical channel and the correlation character of scramble code in the uplink of WCDMA system,and proposes a rapid detection algorithm for uplink scramble code.This technology takes advantage of the parallel structure of FFT and the parallel computing capability of the GPU,carries out the fast calculation of cross-correlation function by FFT and implements multi-channel FFT in the GPU in parallel,greatly reducing the required time of uplink scramble code detection.The simulation results show that this technology can realize uplink multi-user fast separation in WCDMA system,which can be easily implemented and has broad application prospects.

WCDMA;uplink scramble code;correlation;FFT

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.10.18

2016-06-29

國家部委基金資助項目。

TN911

A

1003-3106(2016)10-0073-05

引用格式：?；郜?WCDMA上行擾碼序列快速檢測技術(shù)[J].無線電工程,2016,46(10):73-77.