TD-SCDMA系统下行链路同步技术

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摘要　首先对TD-SCDMA系统同步技术进行了系统的阐述，随后介绍了无线接口同步中下行链路初搜的几种同步方法的原理，同时给出了各自的改进方案，最后通过其算法复杂度、仿真准确性等方面的性能比较来分析各下行链路同步方法的优缺点。　　在任何通信网络中同步技术都是基础，它作为时时不可缺失的相对独立系统为所有通信元素提供基本保证。而以时分复用为基础的TD-SCDMA系统，除了传承现有通信网络的同步技术外，在无线接口的同步技术上有着更大的要求，文章将就此进行讨论，并对TD系统的下行链路同步技术作进一步的分析。
一、TD-SCDMA系统的同步技术
　　UTRAN中涉及到的同步问题主要包含网络同步、节点同步、传输信道同步、无线接口同步、Iu接口时间校正、上行同步等几个方面。图1给出了除网络同步以外各种同步问题的参考模型。
　　1.网络同步
　　网络同步选择高稳定度和高精度的时钟作为网络时间基准，以保证其中各网络的时间稳定，因此它是其他同步技术的基础。
　　2.节点同步
　　节点同步用以估计和补偿UTRAN节点（即Node B）之间的定时误差。节点同步分为两种：一种是用以获得RNC与各个Node B间的定时误差的“RNC到Node B的节点同步”，另一种为用于TDD模式下补偿Node B之间的定时误差的“Node B间的节点同步”，目的均在于取得统一的定时参考。
　　图1给出了TDD模式下Node B间节点同步的两种方式：一种是通过标准同步端口获得，此时Node B有标准的同步输入/输出接口，只要其中任一输入接口连接到外部基准时钟上，其余Node B的同步口与之串联，就能获得Node B的同步；另一种方式则是通过空中接口获得，TD-SCDMA系统可以利用空中接口中的下行导频时隙（DwPTS）获得同步信号。

图1　同步系统参考模型

　　3.传输信道同步
　　传输信道同步就是传输信道层实体之间的帧同步，使得在信道中所发射的参考信号（TS）的接收信号（S）都良好同步，以保证传输的QoS。
　　4.无线接口同步
　　无线接口同步是用户设备（UE）与Node B之间空中接口的同步，这里的同步不仅包括时间上的同步，也涵盖了频率、码字和广播信道的同步，与之对应的要求分别为：DwPTS同步、扰码和基本中置码的识别、控制复帧的同步以及读取广播信道。
　　5.Iu接口时间校正
　　Iu接口时间校正即时间调整控制处理，由于核心网（CN）中的多数处理均需同步，因此需要有一个缓冲器，一旦同步的定位帧丢失或同步时钟出问题，就启用备用时钟，这时一些基于时间标签来排队的缓冲器里的数据在备用时钟启用后就得到释放，以继续处理。
　　6.上行同步
　　同步CDMA系统中，要求来自不同位置、不同距离的不同终端的上行信号能够同步到达基站。上行同步包括其建立和保持两个过程，并以1/8码片的最小精度进行调整以保证上行信号的同步。由于各个用户终端的信号码片到达基站解调器的输入输出端时是同步的，且其充分应用了扩频码之间的正交性，降低了同一射频信道中的多址干扰影响，从而系统容量随之增加。这正是同步CDMA系统异于异步CDMA系统的优越之处之一。
二、TD-SCDMA系统的下行同步
　　在移动通信系统中，终端必须检测基站发送的帧的结构，这个工作由同步过程完成，它包含在无线接口同步过程当中。终端在上电之后，需要搜寻其周围可能存在的小区，并选择合适的小区登录，之后可以侦听网络上的寻呼或发起呼叫建立连接，以上过程则称为小区初搜（ICS：Initial Cell Search）。
　　在GSM和WCDMA系统中，存在一个公共的同步码，当UE检测到这个同步码时，就能与基站建立同步。而由于TD-SCDMA系统的特殊性，不存在类似的公共同步码，而是32个相互正交的同步序列码（SYNC_DL）。在该系统中，相邻基站发送的同步码是不相同的，最初的同步工作则是要正确检测出同步序列码，从而选择合适的小区登录。以下将就几种初始帧同步算法做比较研究。
　　1.TD-SCDMA系统物理信道结构
　　TD-SCDMA系统物理信道结构分为四层：系统帧、无线帧、子帧和时隙，如图2所示。

图2　TD-SCDMA系统的帧结构

　　由图2可知，长度为64 chip的下行同步码（SYNC_DL）在每一个子帧中的位置确定，且每5 ms在下行链路数据中发送一次。要完成与Node B的同步，UE的首要任务就是正确解调出该同步码，本节中将给出三类搜寻SYNC_DL的方法。
　　2.全搜寻全比较法
　　（1）时域全搜索全比较法
　　时域中采用的这种相关法，即为标准的最大似然（ML：Maximum Lilehood）检测，其原理是UE以一个chip为步长，将收到的信号与所有可能的32个SYNC_DL做相关运算，选取最大值所对应的序列为SYNC_DL，如图3所示。对于整个子帧6400 chip直接作搜寻则称之为全搜索，而每多搜寻到一个chip便与32个SYNC_DL序列作比较，则称之为全比较。
　　
　　其中Si(1)是经过QPSK调制的符号，I为SYNC_DL的ID号。把接收到的信号{r}{S(1)}做相关运算，如图3所示，得：
　　

图3　时域相关检测

　　则相关计算后得到的MAX（Ci(1)对应的信号序列为SYNC_DL：
　　
　　（2）频域全搜索全比较法
　　与时域相关法类似，不同的是在频域算法中，先将信号ri经DFT变换到频域与SYNC_DL code（亦经DFT变换至频域）作相关运算，再经IDFT转换回时域而得，如图4所示。

图4　频域检测法

　　以长度为N的检测窗截取接收到的信号得{r*}△,M，经DFT之后变换为{R}N，其中检测窗的长度N必须大于SYNC_DL序列的长度64，一般取N=512，△为检测窗的起始位置。
　　
　　关于频域搜索法还存在着一种改进的方法，其主要原理为在DFT电路之后通过低通滤波器（Low Pass Filter）及低速率采样电路（Sample Rate Reduction）来降低计算量。
　　3.特征窗搜寻法
　　（1）基本原理
　　由图2可知，DwPTS中SYNC_DL的长度为4个Symbol（SF=16），且以全功率发射，其前有3个Symbol的GP（其中包括DwPTS的2个Symbol的GP和TSO的1个Symbol的GP），而其后有6个Symbol的GP。GP期间，理论上应该没有信号，实际应用中虽然存在不可避免的干扰，其间的信号功率也是很小的。正是基于这个原理出现了特征窗搜寻法。
　　图5给出了特征窗搜寻法的基本原理，它主要基于一定的匹配准则来查找DwPTS。其原理是，移动特征窗（窗长为8个Symbol），计算窗中间的4个Symbol的功率和Pinner以及窗两边各2个Symbol的功率和Pside，并计算其比值P=Pside/Pinner，当P为min（Pi）时，即认定该时刻特征窗的位置即为DwPTS。

图5　特征窗搜寻法

　　（2）特征窗搜寻法的改进
　　上述算法中，存在相继的除法及比较单元，即要完成两个除式的比较，此时会由于除法精度和算法复杂度等一系列问题使算法难度加大，但想到用乘法单元替代除法单元的方法可以大大降低搜寻算法的复杂度。在信噪比很高的情况下，噪声部分的值本来就很小，那么原来采用的除法运算会让这个值变的更小，甚至超出定点算法的预算精度，导致无法得出正确的DwPTS位置，而乘法运算就可以避免这个问题。
　　另外，由于CDMA是一个自干扰系统，其他用户或相邻基站对UE的干扰影响较大，因此上述搜索算法容易产生将干扰搜索为DwPTS的误判，那么UE不得不推迟与基站同步的时间，同时对UE的电力也有相当大的损耗。为了提高特征窗搜索法的成功率，文献[8]给出了更进一步的改进方法，引入平均功率判决法（MPD）。其核心思想是：首先计算一整个子帧周期（5 ms）内的平均功率，然后再实施特征窗搜索法。如果在连续144个码片内Pinner≤MP，则判定该时刻特征窗搜索到的最小值不是DwPTS，从而进一步降低了误判概率。特征窗搜寻法改进后的算法示意如图6所示。

图6　特征窗搜寻法的算法描述

　　4.基于帧结构的搜寻法
　　从图2的子帧结构可以清楚看出在SYNC_DL的前后都有一定长度的GP，理想条件下GP内发射的信号为连续的逻辑“0”，而SYNC_DL序列则是不同的“0～1”序列，相关文献基于这个基础给出了另一种下行链路搜寻的方法。
　　由于SYNC_DL、SYNC_UL和中间码（Midamble）不需扩频，也未经加扰处理，因此可以直接取匹配滤波器的输出信号进行分析。其主要原理是：分别利用计数器对逻辑0与逻辑1计数，当连续收到96 chip的逻辑0时，则可以确定该位置为SYNC_DL序列后的GP（本节中“GP”若无特殊标注，即指代SYNC_DL与SYNC_UL之间GP），以此在下一子帧中找到SYNC_DL序列的位置，再对其做相关检测即可得到SYNC_DL序列。
　　基于上述原理，笔者对算法进行了改进，可以提高该搜寻法判别的准确度，如图7所示。同时，在系统采用了UpPCH shifting方案之后，减小了UpPTS对GP的影响，可以进一步提高该搜寻法的准确性。

图7　帧结构搜寻法算法示意图

　　其中有几点需要说明的是：
　　（1）0_counter、1_counter均为计数器，分别记录接收到逻辑0、逻辑1的个数；M为计数器，记录帧测次数，即当连续M帧相应判断正确时，再做下一步判断，依此提高系统搜寻到SYNC_DL序列位置的正确性并降低运算量，一般M取3～5，本算法中M=3。
　　（2）由于TD-SCDMA系统的数据调制技术为QPSK方式，因此检测接收信号发生误码的个数应取偶数。一般系统的BER在10-3以上，因此允许96位GP中发生2位误码，即96位逻辑0中累计出现2个逻辑1。
　　（3）基于相应误码率的允许程度，必须考虑到搜寻GP起始位置的提前量，即算法中的n chips，表1给出了32组不同SYNC_DL序列的最大提前chip数量。可以看出，当系统不允许误码时，GP起始位置允许的最大提前量为6 chip；而在允许误码的前提下，GP起始位置最大可提前12 chip，因此，算法中n应取12。
　　（4）综合考虑系统的UpPCH shifting方案以及算法的M次侦测法等相应措施，无需再考虑GP位置的滞后量。
三、各种搜寻方法性能优劣比较
　　以上给出了三种TD-SCDMA系统下行链路SYNC_DL同步序列搜索方法的原理及其各自的改进方案，表2从算法复杂度、电路需求、功耗等方面比较了各搜寻方法的性能优劣，同时笔者通过仿真试验给出了各方法的成功率和准确性。
　　从表2可以清楚地看出各搜寻方法的性能优劣，实际上相关搜寻法是所有方法的基础，时域、频域的全搜索全比较法是在全局范围内作相关搜寻，因此计算量是相当大的，但其一次性建立下行同步的准确性是相当高的，而特征窗搜寻法、帧结构搜寻法均旨在提前将SYNC_DL的位置确定或缩小其范围，随后再作相关计算从而正确解调出SYNC_DL，在大大降低计算复杂度的同时提高了电路的复杂度，同时牺牲了一部分解调的成功率。我们旨在不断寻找一种低复杂度高成功率的方法完成下行链路初搜过程，在现有的方法中不断改进，进一步提高UE同步到Node B的精确性。
　　参考文献
　　1　3GPP TS 25.402（V7.2.0）.Synchronization in UTRAN
　　2　3GPP TS 25.102（V7.5.0）.User Equipment（UE）Radio Transmission and Reception（TDD）
　　3　3GPP TS 25.221（V7.1.0）.Physical Channels and Mapping of Transport Channels onto Physical Channels（TDD）
　　4　3GPP TS 25.222（V7.1.0）.Multiplexing and Channel Coding（TDD）
　　5　3GPP TS 25.223（V7.2.0）.Spreading and Modulation（TDD）
　　6　3GPP TS 25.224（V7.1.0）.Physical Layer Procedures（TDD）
　　7　黄继中.一种降低小区初搜运算量并提高运算精度的方法及装置.CN1553740A
　　8　TD-SCDMA下行引导时序搜寻算法研究.彭佛才等.通信技术总第140期
　　9　李世鹤.TD-SCDMA第三代移动通信系统标准.北京：人民邮电出版社，2003