一種低復(fù)雜度的TD-SCDMA下行同步技術(shù)研究

鄧彰超，李曉紅，華驚宇，孟利民

(浙江工業(yè)大學(xué)浙江省光纖通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310023)

0 引言

TD-SCDMA由于低功耗、高頻譜效率和靈活支持非對(duì)稱業(yè)務(wù)而受到了廣泛的重視［1］，然而TD-SCDMA作為一個(gè)同步系統(tǒng)，要求下行鏈路的嚴(yán)格時(shí)間同步，目前對(duì)于TD-SCDMA時(shí)間同步問(wèn)題的研究主要是基于相關(guān)的算法和非相干檢測(cè)輔助的相關(guān)算法［2］。其中純粹相關(guān)的算法運(yùn)算量極大，在實(shí)際應(yīng)用中受到很大的限制，而非相干檢測(cè)輔助的相關(guān)算法其運(yùn)算量縮減程度很大意義上取決于非相干檢測(cè)方案的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)有的幾種非相干檢測(cè)方案［3，4］并不能很好的滿足現(xiàn)代移動(dòng)通信的要求，尤其對(duì)于信噪比動(dòng)態(tài)范圍較大的情形，同時(shí)也不能起到壓縮后續(xù)相關(guān)算法運(yùn)算量的作用。該文提出一種更有效的非相干檢測(cè)方案，此方案利用一種新的功率比檢測(cè)和假設(shè)檢驗(yàn)(Hypothesis Test:HT)構(gòu)造出一種相對(duì)簡(jiǎn)單和緊湊的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，通過(guò)計(jì)算機(jī)大量仿真確定功率比檢測(cè)門(mén)限，以及測(cè)試其在不同SNR下不同量化字長(zhǎng)的準(zhǔn)確概率研究，得出最佳量化字長(zhǎng)，仿真表明本文的方法在較大的信噪比范圍內(nèi)都具有良好的性能對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有較高的參考價(jià)值。

1 信號(hào)模型

TD-SCDMA無(wú)線幀結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)5ms的子幀包含7個(gè)信息時(shí)隙和3個(gè)同步時(shí)隙:下行導(dǎo)頻時(shí)隙、上行導(dǎo)頻時(shí)隙和保護(hù)間隔。在7個(gè)信息時(shí)隙中，TS0和TS1被固定分配作為下行和上行鏈路時(shí)隙，其他信息時(shí)隙可以被隨意分配為上下行使用。

假設(shè)廣義平穩(wěn)非相關(guān)多徑信道，并且信道在較短的時(shí)間內(nèi)近似不變，則接收信號(hào)可以表示為［4］:

式中，hl、x(n)和v(n)分別表示信道系數(shù)、發(fā)送數(shù)據(jù)和加性高斯白噪聲，θ表示幀頭的時(shí)間偏移量?？紤]到實(shí)際通信系統(tǒng)中往往存在成型濾波器與匹配濾波器，hl實(shí)際上是真實(shí)信道與這兩個(gè)濾波器的卷積。

2 非相干幀頭定位算法

相干檢測(cè)算法是在下行時(shí)隙中找出經(jīng)QPSK映射的下行同步序列，而非相干檢測(cè)方法是找到保護(hù)間隔GP，通常GP僅是高斯白噪聲，相比信號(hào)時(shí)隙，其功率較低，當(dāng)考慮低信噪比或多徑衰落環(huán)境時(shí)，定位保護(hù)間隔將是十分的不易。

2.1 非相干功率檢測(cè)算法

在此將提出一種新的低復(fù)雜度的非相干初始同步算法。該方法通過(guò)檢測(cè)幀結(jié)構(gòu)中的功率躍遷來(lái)發(fā)現(xiàn)SYNC_DL的位置，如圖1所示。仿真表明在多徑衰落信道下，該方法性能優(yōu)異，因而對(duì)于小區(qū)搜索而言，可以極大地壓縮相關(guān)值搜索范圍，較之文獻(xiàn)3的全局搜索，極大的降低了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

圖1 TD-SCDMA幀結(jié)構(gòu)的特殊性

如圖2所示，注意到SYNC_DL是有數(shù)據(jù)發(fā)送的，而GP是上下行都沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送的，因此在實(shí)際的通信系統(tǒng)工作信噪比范圍，DwPTS時(shí)隙的接收功率將大于GP段的接收功率。這意味著通過(guò)檢測(cè)這個(gè)功率躍遷我們就可以定位SYNC_DL所在。而在文獻(xiàn)6，僅僅檢測(cè)GP的功率，導(dǎo)致大動(dòng)態(tài)信噪比范圍和衰落信道時(shí)性能不可靠。因此本小節(jié)將同時(shí)利用GP和DwPTS的功率特征進(jìn)行檢測(cè)，首先給出檢測(cè)窗如下:

圖2 檢測(cè)窗

圖2中，W4只有80碼片，原因在于GP3之后就是UpPTS時(shí)隙，為了對(duì)上行鏈路可能的16碼片發(fā)送提前具有容忍度，必須在檢測(cè)窗中刪除GP3末尾的16碼片。定義檢測(cè)窗口W1、W2、W3對(duì)應(yīng)的信號(hào)功率分別為A1、B1、A2、B2，根據(jù)圖3，定義功率比為(2A2)/(B1+B2)，表述式如下:

如果m=θ，那么W2將盡可能地收集SYNC_DL的能量，而W3將幾乎全是純?cè)肼朁c(diǎn)，于是η(m)在很大概率上將具有較大的值，并且該值與所處環(huán)境的信噪比有關(guān)。反之，η(m)的值將較小。根據(jù)這些討論，可以定一個(gè)簡(jiǎn)單的非相干假設(shè)檢驗(yàn)［3］:

式中，ηth表示確定的門(mén)限，對(duì)于具體的應(yīng)用，可以通過(guò)仿真來(lái)選擇合適的取值。

2.2 門(mén)限量化確定

功率比檢測(cè)中的關(guān)鍵問(wèn)題為門(mén)限確定選擇。因此根據(jù)信噪比經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)置了不同的功率比門(mén)限值，取連續(xù)3幀信號(hào)作為仿真數(shù)據(jù)源，假若所取幀幀信號(hào)檢測(cè)結(jié)果包含正確的同步碼起始位置，那么就認(rèn)為本次檢測(cè)成功，如果所取幀信號(hào)檢測(cè)到符合功率門(mén)限的點(diǎn)但不是在正確的位置，那么就認(rèn)為本次功率檢測(cè)發(fā)生錯(cuò)檢，如果所取幀信號(hào)沒(méi)有檢測(cè)到符合門(mén)限的點(diǎn)，那么就認(rèn)為本次檢測(cè)為漏檢。

仿真參數(shù):信噪比為3db，多徑衰落為6徑(0dB;－3dB;－5db;－9dB;－15db;－20db;)，門(mén)限量化字長(zhǎng)為無(wú)符號(hào)6bit下的定點(diǎn)仿真。每個(gè)門(mén)限仿真次數(shù)均為10 000次，功率檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示:

根據(jù)表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以將功率檢測(cè)的功率比門(mén)限設(shè)置為ηth=2.125，此時(shí)功率檢測(cè)的成功率在0.999 9以上。

表1 功率檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3 仿真分析

如圖3所示，空心圓圈表示正確檢測(cè)統(tǒng)計(jì)次數(shù)，方塊符表示漏檢統(tǒng)計(jì)次數(shù)，菱形符表示錯(cuò)誤檢測(cè)統(tǒng)計(jì)次數(shù)，由圖3可見(jiàn):當(dāng)仿真數(shù)據(jù)量化字長(zhǎng)為2bit、3bit、4bit時(shí)，且滿足門(mén)限時(shí)，檢測(cè)成功的概率依次隨量化字長(zhǎng)的增加而增大，錯(cuò)檢率隨量化字長(zhǎng)的增大而減小。當(dāng)取功率比檢測(cè)運(yùn)算的最佳量化字長(zhǎng)為4bit，系統(tǒng)功能良好，定位同步碼組正確概率達(dá)到0.978。較無(wú)量化浮點(diǎn)算法相差很小。當(dāng)信噪比大于3dB時(shí)，檢測(cè)成功或錯(cuò)誤的概率隨信噪比的增加變化不明顯。

圖3 量化字長(zhǎng)分別為2、3、4bit的功率檢測(cè)成功率統(tǒng)計(jì)結(jié)果示意圖

如圖4、5所示，當(dāng)仿真數(shù)據(jù)量化字長(zhǎng)為5bit、7bit、10bit，或不經(jīng)過(guò)量化，且功率比滿足門(mén)限時(shí)，在信噪比0dB到3dB之間檢測(cè)成功的概率隨信噪比的增加而增加，當(dāng)信噪比大于3dB時(shí)，檢測(cè)成功或錯(cuò)誤的概率隨信噪比的增加變化不明顯;錯(cuò)檢率一直都位于萬(wàn)分之三左右。

圖4 量化字長(zhǎng)為5、7、10bit的成功率統(tǒng)計(jì)

圖5 無(wú)量化字長(zhǎng)的成功率統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

相比傳統(tǒng)的非相干檢測(cè)方法中，本文由于采用了功率比作為檢測(cè)對(duì)象，本文算法在較大信噪比動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)具有更好的定位下行同步碼性能。并且采用了假設(shè)檢驗(yàn)的方式，考慮到了功率比門(mén)限的選擇和量化，其復(fù)雜度相對(duì)于全局極值搜索的算法有極大的改進(jìn)。

［1］李世鶴.TD-SCDMA第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)［M］.北京:人民郵電出版社，2003:48－56.

［2］唐皓，黃俊偉.TD-SCDMA系統(tǒng)下行初始幀同步算法建立比較［J］.廣東通信技術(shù)，2006，3(2):14－20.

［3］鮑俊華.TD-SCDMA下行鏈路匹配濾波器及初始幀同步的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.杭州:浙江工業(yè)大學(xué)，2010.

［4］高耀順.基于統(tǒng)計(jì)分析的TD-SCDMA幀同步的研究［D］.臺(tái)北:國(guó)立臺(tái)灣科技大學(xué)，2005.

［5］Ghosh A，Ratasuk R，Mondal B，etal.LTE-advanced:next-generation wireless broadband technology［J］.IEEE wireless communication，2010，17(3):10－14.