关于TD-SCDMA小区初搜方法的研究

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在移动通信系统应用中，用户终端(UE)开机后必须尽快搜索到一个合适的小区，然后获取本小区更详细的信息或邻近小区的信息。终端只有在登录到小区后才能使用网络的服务。通常把从开机搜索到登录到合适小区的过程定义为小区初始搜索过程(InitialCellSearch)简称ICS。下面是TD-SCDMA系统的小区初始搜索的原理和实现方法。
   TD-SCDMA小区初搜原理
        小区搜索过程主要包括以下几个步骤：测量TDD频带内各载频的宽带功率，在DwPTS时隙粗搜SYNC_DL位置，确定SYNC_DL的码型和准确位置，确定midamble码和扰码序列，建立P-CCPH同步并读取P-CCPH信息。下面就其搜索过程进行介绍。
    1．测量TDD频带内各载频的宽带功率
        所谓宽带功率指的是直接从射频连接器端或脉冲成型滤波器输出端测得的功率，这一步可利用USIM中存储的小区信息。基本的TDD频带为2010MHz～2025MHz，按1.6MHz的带宽计算，带内可容纳9个频点。按TD-SCDMA系统的现场试验规定，第一个载波的中心频点位于2010.8MHz，其他频点之间的间距一般为1.6MHz，只是在第三和第六两个频点处各加0.2MHz，变为1.8MHz，最后一个频点位于2024.0MHz处。在SIM卡中无任何小区信息时，首先需要对9个主频点逐个考察其功率大小，并按带宽功率强弱排序频点为P1、P2…P9，在最大功率的主频点P1上确定DwPTS位置。若找不到信息，则向P1的两个相邻主频点偏移，再次寻找DwPTS位置。如果在主频点P1及其两侧仍然找不到SYNC，则从候选表中选择下一最大功率，直到在某个频点处能够确定DwPTS的位置。

图1 TD-SCDMA子帧及DwPTS结构图

    2．粗搜DwPTS位置

        小区搜索的第一步是大致确定DwPTS位置，其基本原理是利用DwPTS的功率形状来搜索DwPTS的大致位置。如图1所示，在TD-SCDMA的帧结构中，SYNC_DL左边有32chip(码片)的GP(guardperiod)，右边有96chip的GP，SYNC_DL本身为64chip。由于GP的功率很小，故从功率谱的角度来看，与GP相比SYNC_DL段则是“峰”值。当用SYNC_DL段功率和除以两边的码片（两边各32chip）功率和时，得到的值应当很大，用此方法就可以判断出SYNC_DL的大致位置。为此，建立功率“特征窗”来搜寻SYNC_DL的大致位置。“特征窗”采取单倍速采样时，长度为128chips。首先接收（6400+128）个chip的数据，确保DwPTS能包含在接收的5ms数据中。对每一个“特征窗”，用ri表示一帧中的数据，计算每个chip的能量，i=1,…6258,再计算出特征窗内部两边64chip对中间64chip的能量比Ri=((Pi+Pi+1)+(Pi+6+Pi+7))/(Pi+2+Pi+3+Pi+4+Pi+5)。“特征窗”在整个帧范围内移动，移动步长可以根据运算量和系统要求来选取。在Ri中寻找最小值min，计算Ri均值avr与min的比值，将（avr/min）与阈值作比较，若大于阈值，其对应的“特征窗”位置即为SYNC_DL的位置，否则失败返回。开机时，若没有任何有关小区的信息，则首先要对9个候选主频点进行功率排序，然后按功率从高到低的顺序依次进行搜寻、判断，寻找适合驻留的小区。
    3．确定SYNC_DL的码型和准确位置
        利用SYNC_DL具有比较好的自相关性和互相关性来确定SYNC_DL的码号及其精确位置，具体的实现方法如下：根据上一步结果，从接收到的一帧数据中取出特征窗数据（128chip），对这128chip的数据做FFT，再分别与32个SYNC_DL码的128点FFT求出相关功率。将每一个码的相关功率等分为4段，每段32个值，在前两段内找出各自的极大值（相关峰），判断是否满足门限条件，若满足就记录下相关峰的功率和位置。连续做5帧，找出相同位置出现次数超过2次的点，并求出该点的峰值功率的平均值，如果有两个位置的重复次数都为最大，取平均相关功率最大的点。最后比较各SYNC_DL码相关峰的重复次数及峰值大小，将其峰值功率按出现次数平均，然后按功率由大到小排序。排在第一个的确认其对应的SYNC_DL码为当前小区所使用的SYNC_DL码。将确认的SYNC_DL码对应的几次功率值相加，得到64个功率值，找出功率值最大的一个，其对应的位置即为SYNC_DL码的准确位置。
   4．确定midamble码和扰码序列
        在TD-SCDMA系统中，同一小区内的SYNC-DL扰码以及midamble码之间存在着对应关系（参见3GPPTS25.221和3GPP TS 25.223）。对UE来说，只要确定了小区使用的SYNC•DL码，也就可以知道该小区使用哪些Midamble码和扰码。在第二步中已经确认了SYNC•DL码的码号和位置，所以在本步骤中就可以根据SYNC•DL码与Midamble码组的对应关系确定TS0 的midamble 码的码号。一个SYNC•DL码对应四个Midamble码，利用相关的方法可以确定该小区使用的哪一个Midamble码。通过这四个midamble码和接收到的midamble数据，可以得到四个信道冲激响应。用正确的midamble码所求出的冲激响应值是最大的，由此可以通过挑选出具有最大峰值的冲激响应来确定所使用的midamble码。通过midamble码的循环移位构造一个可逆的方阵G、E为接收到的midamble信号，H为多用户冲激响应向量，。利用Ｈ＝Ｇ-1gＥ求得H，带入四个Midamble码，得到的H值最大的那个Midamble码即为小区所使用的Midamble码。
    5．建立P-CCPH同步读取P-CCPH信息
        按照规范要求，UE开机后首先应该读取系统信息广播，系统信息广播映射在P-CCPH物理信道上。为了便于UE识别P-CCPH和交织帧号的起点，TD-SCDMA系统用不同的相位为调制DwPTS时隙的SYNC_DL同步码。在QPSK调制方式下，可调制的相位共有四个：45。、135。、225。和315。。将连续四个子帧的调制相位组合起来，可以得到一个相位序列。TD-SCDMA系统规范共定义了两个这样的相位序列：S1和S2，具体的定义和说明如表一所示。只要在物理信道上找到了标识P-CCPH相位序列，也就找到了P-CCPH。首先根据上一步确定的小区使用的midamble码求出信道冲激响应。构造一个矩阵G，E是接收信号，H是多用户冲激响应向量。利用求得冲激响应H。然后把冲激响应与不带相位的sync码进行线性卷积，得到。估计数据取共轭后，再与实际接收的sync数据相乘，得到64个数据（这里称为目标数据），它携带sync的相位信息。下式中S为目标函数：    。计算出S的相位    ，最后依据SYNC_DL的调制相位 判断目标数据出现在各相限的次数，以出现次数最高的相限所对应的相位为当前帧的sync相位。

        确定了P-CCPH信道后，UE将按高层的规划信息在P-CCPH上读取完整的系统信息广播，根据系统消息中给出的接入层和非接入层信息，确定是否最终选定当前小区作为服务小区。至此小区选择过程结束。
        TD-SCDMA作为我国提出的第三代移动通信技术标准，这几年得到了飞速发展，系统和终端都已经成熟，它的产业链也越来越健全和壮大，很快将面临着期待已久的大规模的商用，不久我们将真正进入TD-SCDMA的移动新生活。