孫 旭，王篤祥，詹 毅，張?zhí)鞁?，夏宇?/p>

（1.中國航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇南京210007；2.上海航天測控通信研究所，上海201109）

0 引言

WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)是3G移動通信和軍事通信廣泛采用的技術(shù)，例如低軌（LEO）衛(wèi)星采用WCDMA多址機制，移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)（MUOS）信號空口采用WCDMA協(xié)議等，因此對WCDMA衛(wèi)星信號的非合作監(jiān)視監(jiān)聽在安防和軍事應(yīng)用方面有重要意義。之前已經(jīng)有學(xué)者對WCDMA信號的檢測技術(shù)進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[1]利用DPCCH信道擾碼和擴(kuò)頻碼特性對WCDMA上行信道擾碼進(jìn)行搜索檢測，實現(xiàn)了對正在通信用戶的擾碼檢測。文獻(xiàn)[2]提出了一種FWHT快速相關(guān)的算法，在已知擾碼的情況下實現(xiàn)了對信號的快速檢測。文獻(xiàn)[3]提出了一種二級相關(guān)捕獲算法，可以在已知擾碼和擴(kuò)頻碼的情況下對WCDMA隨機接入前綴快速捕獲。雖然上述文獻(xiàn)對WCDMA用戶的檢測提出了不同的方法，但都限于在已知目標(biāo)用戶的擾碼或擴(kuò)頻碼條件下，而對于非合作的監(jiān)聽而言，一直缺乏一種對新入網(wǎng)用戶進(jìn)行有效檢測的算法。

本文提出了一種WCDMA衛(wèi)星通信新入網(wǎng)用戶信號盲檢測方法，利用上行數(shù)據(jù)協(xié)議[4]隨機接入信道（PRACH）已知的條件，通過并行解擾和擴(kuò)頻碼相關(guān)可在擾碼和擴(kuò)頻碼域搜索確定其使用的擾碼和擴(kuò)頻碼。本文對這種方法的檢測性能進(jìn)行了理論推導(dǎo)和仿真。

1 衛(wèi)星WCDMA物理隨機接入信道原理

WCDMA物理隨機接入過程(PRACH)是WCDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)中新用戶進(jìn)行入網(wǎng)請求最先進(jìn)行的過程，隨機接入信道分為兩個部分，分別是隨機接入前綴(Preamble)和隨機接入消息(message)部分，隨機接入信道的幀結(jié)構(gòu)和接入時隙如圖1所示，每個接入時隙長度為5120 chip。隨機接入前綴長度為4096個chip周期，后跟124個chip周期的保護(hù)帶，每個時隙發(fā)送一個隨機接入前綴。

圖1 WCDMA隨機接入信道發(fā)送時隙及時隙間隔

隨機接入前綴碼Cpre,n,s由前綴特征碼Csig,s和前綴擾碼Sr-pre,n組成。定義如下：

前綴特征碼Csig,s由16 bit的特征序列ns=0,1,2,…,15的256次重復(fù)構(gòu)成。特征序列Ps(ns)是從16組碼長為16的Hadamard碼中選取的，這里ns表示特征序列的第ns個碼，s表示第s組特征序列。

PRACH前綴部分的擾碼由長擾碼的前4096位構(gòu)成，共有8192種PRACH前綴擾碼。第n階前綴擾碼（n=0,1,2,3,…,8191）附加相位旋轉(zhuǎn)后定義為：

擴(kuò)頻產(chǎn)生的復(fù)數(shù)值隨機接入前綴碼在上行鏈路的調(diào)制方式為QPSK，調(diào)制碼片速率為3.84 Mcps，調(diào)制方式如圖2所示。

圖2上行鏈路調(diào)制

2 算法檢測性能理論推導(dǎo)

利用WCDMA隨機接入前綴擾碼域為已知有限個（8192個）的先驗信息，對隨機接入前綴進(jìn)行擾碼域的8192路并行解擾，然后對解擾后的擴(kuò)頻碼進(jìn)行256次的16 bit積累，最后可由積分器完成與本地擴(kuò)頻碼的相關(guān)判決。由于擾碼的作用，只有正確解擾的碼片與本地對應(yīng)擴(kuò)頻碼片相關(guān)才能出現(xiàn)相關(guān)峰。衛(wèi)星接收端一路解擾相關(guān)處理的數(shù)學(xué)模型如圖3所示。

圖3 一路解擾相關(guān)處理

將期望用戶信號分量，噪聲分量，干擾分量加在一起，可得到處理后所需要的判決統(tǒng)計量，定義為x(n)=S3(n)+η3(n)+M3(n)，n表示每個需要判決的擴(kuò)頻碼片。

S1(k)表示期望用戶發(fā)送的隨機接入前綴，k表示第k個采樣點，假定每個碼片采樣4點。S1(k)定義為：

最后對積累后的64個16位擴(kuò)頻碼進(jìn)行累加判決，累加結(jié)果定義為：

式中，n表示第n位擴(kuò)頻碼，p表示第n個碼片中的第p個樣點，這里對第0位擴(kuò)頻碼進(jìn)行討論。

η1(k)表示高斯白噪聲，η1(k)～ N(0,σ2)。對噪聲做同樣處理得到η3(n)，則一個碼片的長度的累加結(jié)果為：

可以證明，η3(0)的均值為0，由于噪聲之間相互獨立，且擴(kuò)頻碼之間也獨立，所以η3(0)的方差為：

期望用戶的到達(dá)時間相對干擾用戶干擾時間不定，對于多用戶干擾，假設(shè)接收端接收到的多用戶干擾相對期望用戶的對應(yīng)碼片延遲為Dm，Dm=0,1,2,3，多用戶干擾定義為M1(k),M1(k)的表達(dá)式如下：

式中，m表示第m個其他用戶干擾，256次累加后結(jié)果為：

一個碼片積累結(jié)果為：

可以看出干擾信號在每個碼片上對期望用戶信號影響的方差由延遲和干擾用戶個數(shù)決定，一個干擾用戶的延遲Dm為2時方差最小?？梢缘玫絍ar{M3(0)}的范圍為[M/32,M/16]，M為干擾用戶個數(shù)。

所以接收端每個碼片的判決誤碼率可以表示為：

從以上分析可以看出，接收端每個碼片擴(kuò)頻碼的識別誤碼率與信干噪比有關(guān)，多用戶干擾的方差與干擾用戶個數(shù)成正比，隨著干擾用戶個數(shù)的增加，多用戶干擾會成為影響檢測概率的主要方面，正確解擾累加后的信干噪會比中頻接收信干噪比提高20 dB左右。

3 仿真結(jié)果和分析

使用Matlab對算法進(jìn)行仿真分析，根據(jù)協(xié)議WCDMA上行鏈路調(diào)制的碼片速率為3.84 Mcps，假設(shè)中頻為70 MHz，采樣速率為56 MHz，干擾用戶信號為10 ms的無線幀數(shù)據(jù)，設(shè)置目標(biāo)用戶信號隨機出現(xiàn)在10 ms時間段中。仿真中對接收部分降采樣到每個碼片4個樣本點，解擾時假定接收機已完成同步過程，對接收信號做256次的64樣本點積累，得到4樣本點擴(kuò)頻碼片，再對每4個樣本點累加判決，一次蒙特卡洛仿真得到的判決結(jié)果如圖4所示。

圖4 判決結(jié)果

WCDMA系統(tǒng)為克服遠(yuǎn)近效應(yīng)，采用功率控制過程，使不同距離的用戶信號在到達(dá)同一接收機天線時功率相同。假設(shè)非合作接收衛(wèi)星與目標(biāo)衛(wèi)星相距較近，那么非合作衛(wèi)星接收到的信號功率與合作衛(wèi)星接收到的信號功率相同。仿真在只有噪聲和只有多用戶干擾兩種情況下的檢測概率，設(shè)置中頻接收信干噪比如圖5變化，只有噪聲時信干噪比等效于信噪比；只有多用戶干擾時干擾用戶個數(shù)分別設(shè)置為1,5,10,15,20，25，此時信干噪比等效于信干比。由正確擾碼解擾疊加后對檢測概率進(jìn)行蒙特卡洛仿真，得到圖5的信干比檢測概率曲線。

圖5 只有噪聲和只有多用戶干擾的信干噪比-檢測概率曲線

首先，考慮沒有干擾用戶信號的情況，非合作偵察衛(wèi)星對新入網(wǎng)用戶的信噪比檢測概率曲線如圖5第一條曲線。當(dāng)信干噪比降到-5dB以下時，本算法檢測效果已經(jīng)不再理想；在-5dB以上時，本算法檢測概率可以優(yōu)于95%。當(dāng)只有干擾用戶信號存在時，信干噪比檢測概率曲線如圖5第二條曲線；考慮到WCD-MA功率控制因素，只有一個干擾用戶信號時信干比為0dB，此時檢測概率能夠達(dá)到95%以上，當(dāng)信干比小于-10dB時，此時干擾用戶個數(shù)小于10個，檢測概率可以達(dá)到90%以上。比較兩個曲線，當(dāng)信干噪比相同時，噪聲功率和多用戶干擾功率相同，同樣功率的多用戶干擾對本算法的影響更大。

假設(shè)噪聲和多用戶干擾同時存在，在不同信噪比條件下，設(shè)置干擾用戶個數(shù)為 1,5、10、15、20、25，仿真此時檢測概率隨信干噪比變化的曲線，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同信噪比條件下的信干比檢測概率曲線

圖7 擾碼域和擴(kuò)頻碼域搜索結(jié)果

可以看出，在信噪比較好的情況下，當(dāng)多用戶干擾在10個以內(nèi)時，檢測算法可以達(dá)到90%以上的檢測概率，隨著信噪比增大，當(dāng)多用戶干擾在5個以內(nèi)時檢測概率能夠達(dá)到90%以上。

設(shè)置期望用戶擴(kuò)頻碼號6，擾碼號120，仿真期望用戶在擾碼域和擴(kuò)頻碼域的搜索結(jié)果。這里為了方便運行，擾碼域設(shè)置為1到512號擾碼，在擾碼域和擴(kuò)頻碼域的搜索結(jié)果如圖7所示，圖中x軸表示擴(kuò)頻碼序號，y軸表示擾碼序號?？梢钥闯鲈谀繕?biāo)用戶的擾碼和擴(kuò)頻碼位置上出現(xiàn)了最大值16，表示搜索找到了目標(biāo)用戶使用的擾碼和擴(kuò)頻碼。

4 結(jié)束語

本文針對WCDMA新入網(wǎng)用戶的盲檢測問題提出了一種利用新入網(wǎng)用戶上行鏈路隨機接入前綴進(jìn)行檢測的算法，在理論上對算法進(jìn)行了推導(dǎo)，分析了算法在有噪聲和多用戶干擾的情況下的檢測性能，并且實現(xiàn)了期望用戶擾碼和擴(kuò)頻碼的搜索。在對算法檢測性能的討論中發(fā)現(xiàn)，和噪聲相比多用戶干擾對檢測性能的影響更大，并通過仿真進(jìn)行了驗證。最后給出了仿真后得到的算法檢測性能曲線以及期望用戶擾碼和擴(kuò)頻碼搜索結(jié)果。但8192種擾碼的并行解擾搜索需要較大的計算量，時效性較差，因此如何通過信號處理的方式來快速進(jìn)行并行解擾，提高運算速度，有待進(jìn)一步研究解決?！?/p>