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1、精品论文对 WCDMA 系统小区搜索的研究万磊 北京邮电大学信息与通信工程学院，北京（100876） E-mail：pires810摘要：在 CDMA 蜂窝系统中，移动台寻找小区并且与小区的下行扰码获得码片和时间同 步的过程被称为小区搜索。小区搜索性能对于整个通信系统的性能有着极其重要的影响，因 为它是移动台对基站信息进行解码的基础。只有正确的小区搜索结果，才能保证移动台的正确同步进而实现正常的通信。在 WCDMA 系统中，移动台要通过三步小区搜索的过程来实现与基站的同步。这三步同步分别是时隙同步，帧同步以及扰码识别。这三步同步分别利用 了 WCDMA 系统主同步码、辅同步码以及扰码的特性。前
2、两步基本原则是利用码子相关性 进行搜索。而在扰码识别部分，引入了门限值来判断搜索结果的正确性。本文将对这些内容加以说明，并且对同步过程进行仿真，给出仿真结果。关键词：同步码同步；扰码同步；虚警；漏检 中图分类号： TN921.引 言第三代移动通信系统（IMT-2000），在第二代移动通信技术基础上进一步演进的以宽 带 CDMA 技术为主,并能同时提供话音和数据业务的移动通信系统 亦即未来移动通信系统， 是一代有能力彻底解决第一、二代移动通信系统主要弊端的最选进的移动通信系统。W-CDMA 是一种由 3GPP（第三代合作伙伴计划）具体制定的，基于 GSM MAP 核心 网，UTRAN（UMTS
3、陆地无线接入网）为无线接口的第三代移动通信系统。目前 WCDMA 有 Release 99、Release 4、Release 5、Release 6 等版本。W-CDMA（宽带码分多址）是一个 ITU(国际电信联盟)标准，它是从码分多址（CDMA）演变来的，在官方上被认为是 IMT-2000 的直接扩展，与现在市场上通常提供的技术相比，它能够为移动和手提无线设备提供更高的 数据速率。WCDMA 采用直接序列扩频码分多址（DS-CDMA）、频分双工（FDD）方式， 码片速率为 3.84Mcps，载波带宽为 5MHz。基于 Release 99/ Release 4 版本，可在 5MHz 的 带
4、宽内，提供最高 384kbps 的用户数据传输速率。W-CDMA 能够支持移动/手提设备之间的 语音、图像、数据以及视频通信，速率可达 2Mb/s（对于局域网而言）或者 384Kb/s（对于 宽带网而言）。WCDMA 系统的小区搜索一直是备受研究的一个课题。本文对 WCDMA 系统的小区搜 索算法进行研究，并且进行了相应性能仿真。2.WCDMA 系统相关的帧结构WCDMA 系统的信道可以分为物理信道，传输信道和逻辑信道。其中，物理信道是以 物理承载特性定义的，如占用频带，时隙，码资源等。在小区搜索中，用到的只有物理信道。 因此本文对只对物理信道加以说明。WCDMA 系统的物理信道又包含着许多信
5、道。它们可以被最基本的分为上行物理信道 和下行物理信道，而无论是上行物理信道还是下行物理信道，都可以进一步分为公共信道和 专用信道。举例说明：上行公共信道有 PRACH（随机接入信道）等，上行专用信道有 DPCCH（专用物理层控制信道）和 DPDCH（专用物理层数据信道）等，下行公共信道有 CPICH（公 共导频信道）等，下行专用信道有 DPCH（下行专用物理信道）等。- 4 -虽然各种信道名目繁多，但它们都有着相同的基本结构帧结构，这其中又包含超帧和无线帧。一个超帧包含有 72 个无线帧，而一个无线帧长 10ms，又含有 15 个时隙，每个 时隙含有 2560 个码元（chip）。因而一个无
6、线帧含有 38400 个码元。各不同的信道有着不 同的组帧方式，一个无线帧内含有的信息比特也各不相同。下面以小区搜索中要用到的信道 为例加以说明6。2.1 SCH（同步信道）的帧结构SCH（同步信道）包含有 P-SCH（主同步信道）和 S-SCH（辅同步信道）。其基本的 帧结构如图 1 所示：图 1 同步信道的帧结构2.1.1主同步码（PSC）的产生方法其中 P-SCH（主同步信道）的 256 的码片在每个时隙的发送内容都是相同的。这 256个码片被称为主同步码，它们的定义如下1： 定义两个 16 比特的序列a=v=则主同步码 Cpsc= a v，这里 代表 Kronecker 乘积。2.1.
7、2辅同步码（SSC）的产生方法SSC（辅同步码）共有 16 组。其定义如下1：定义 16 长度序列：u=定义 16 长度序列：b=定义 256 长度序列：z=u b, 此处 仍然代表 Kronecker 乘积。定义 256 长度序列：H k 是 256 阶哈达马矩阵（Hadamard）的第 k 行元素（k=1, 2, 3.256）。哈达马矩阵可以通过迭代得到，其规则是：H 0 = (1) HH k = k 1H k 1 ,k 1 H k 1 H k 1 则辅同步码 Cssc,k=其中 m=16(k 1), k = 1, 2, 3, , 16以上是 16 组辅同步码的算法。具体在一帧中的各个时隙
8、使用哪一组辅同步码，3GPP有着如下表的规定：表 1 辅同步码分配表1ScramblingCode Groupslot number#0#1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#11#12#13#14Group 0112891015810162715716Group 111516731416310512141210Group 212115551216611216111512Group 3123186525844637Group 412166611155121151216112Group 5134741553628768Group 6141134109211210121293Group 715
9、661491021392514113Group 816101041171316111364116Group 9161321426551310911410Group 10178572438326645Group 1117109167915181681522Group 1218129941316511351248Group 131814101411515851141054Group 14192151516107811082169Group 151915616213141011745123Group 161109111576416521213314Group 17111144132910121685
10、3156Group 1811212131472814211311811Group 191121554143167862101113Group 201154376101312514168211Group 211163121191358214741015Group 222251016113101185133138Group 2322123155835141298914Group 24236161216313136792127Group 2523829151431495515812Group 26247954911214514111616Group 272413121271510521551374G
11、roup 28259931281415121453215Group 29251172119416716914144Group 30262133312971669161312Group 31269771613312213129166Group 3227121521241013151345510Group 33271416592916111157414Group 34285125214148153912159Group 35291342138116468151511Group 3621032131681081311111635Group 3721115311614101510677143Group
12、 38216451614711411149975Group 393346111213612144513514Group 4033651691559106415410Group 4134514461213513611111214Group 42349161041615351051566Group 43341610510499161563515Group 443512111451113361461344Group 45364106591541551616910Group 463788161112415114716315Group 4737161141531511121247816Group 483
13、8715481512316416121111ScramblingCode Groupslot number#0#1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#11#12#13#14Group 493815416487715121131612Group 50310101516546164315969Group 513131154124116653141312Group 52314791410138781044139Group 535581416136141378156157Group 54561171085871212106911Group 555613813577616141581615Group
14、 56579107116129121188610Group 57596810981251110111277Group 5851010128119789512676Group 5951012651289767811119Group 6051315151486716871314516Group 619101310111515916121413161411Group 629111215129131311141016151416Group 639121015131491415111113121610上表中列出了所有的 64 种辅同步码分布情况。需要说明的是辅同步码的分布情况有以下特点：64 组序列的循
15、环移位是惟一的，也就是说其中的任何一个序列的大于 0 小于 15 次 的循环移位与其他的任何一个序列都不相同，并且也与他自己不同。64 组辅 SCH 序列由以 上定义 16 个辅同步码 Cssc,k 组合而成。辅同步码分布表中还隐含了主要码组分布的情况。W-CDMA 系统中总共使用了 512 个 主扰码，它们被分为了 64 组，每个扰码组包含 8 个主扰码。这 64 个主同步码组分别对应于64 个辅同步码分布序列，也就是说一旦辅同步码分布序列确定下来，同时也确定的主同步 码组。关于扰码的具体定义后面再讲述，需要说明的是，由辅同步码分布确定了扰码组可以 在小区搜索时大大节省时间，这样在扰码识别时
16、，就只需要从 8 个主扰码中找出正确的一个。2.2 CPICH（公共导频信道）的帧结构在 WCDMA 系统的小区搜索过程中，另一个需要用到的信道就是 CPICH（公共导频信 道）。公共导频信道在分为 I，Q 两路扩频之前每帧中包含有 300 个符号 1。而由于其所采 用的扩频码又是第 0 号扩频码（即 256 个 1），所以 CPICH 信道在扩频之后的 I，Q 两路都 是 38400 个 1。2.3 下行扰码UMTS 下行物理信道扰码采用 GOLD 序列，总共可以产生 218 1=262143 个扰码，但 实际并没有全部使用。只定义和使用其中的 8192 个。8192 个下行扰码分为 512
17、 集，每集 16个，其中 1 个为主扰码。其余 15 个为辅扰码。512 个主扰码又被分为 64 个主扰码组，如上 文所讲。下行扰码序列是由两个实序列组成的复序列。而每个实序列都是由两个拥有 18 阶的生 成多项式的 m 序列的移位模 2 加之和所组成的。因此扰码结果是一个 Gold 序列。在这里假x 7 + x18- 6 -设 x, y 为上述所述的两个 m 序列。x 序列的移位多项式是 1+，y 序列的移位多项式是1 + x 5 + x 7 + x10 + x18 。假设依赖于所选扰码号的中间结果序列为 zn ，而最终对应于某一扰码号的扰码序列为 Sdl,n，则具体的下行扰码生成过程如下所
18、述1：x,y 序列的迭代生成过程：-x(i+18) =x(i+7) + x(i) modulo 2, i=0,218 20 .-y(i+18) = y(i+10)+y(i+7)+y(i+5)+y(i)modulo 2, i=0,218 20 .第 n 个 Gold 码序列 zn , n=0,1,2,218 2 , 的定义是，-zn(i) = x(i+n) modulo ( 218 1) + y(i) modulo 2, i=0,218 2 .二进制比特通过以下方法映射为实值序列 Z n ，+ 1Z n (i) = if zn(i) = 0fori = 0,1,218 2. 1if z n (i
19、) = 1最终，复值的扰码序列由以下方式得到，-Sdl,n(i) =Z n (i) + j Z n (i+131072) modulo ( 218 1), i=0,1,38399.图 2 给出了几个下行物理信道之间的定时关系，可以看出一旦确定了同步信道以及导频 信道的帧头信息，就可以确定主公共控制信道 P-CCPCH 信道的定时信息。图 2 同 4 个下行物理信道定时关系3.WCDMA 系统小区搜索的具体算法WCDMA 系统小区一般采用的是经典三步同步的算法，该算法利用了上文提到的主同 步码、辅同步码、公共导频信道和下行扰码等。它分别利用上述各个码子的特性，来获得关 于定时同步的一些有用信息，
20、从而最终取得小区帧头以及扰码信息。以下将分别对这三部同 步进行介绍。3.1 主同步（PSC）码同步的算法小区搜索中第一步时隙同步利用的是主同步码( PSC )。其最基本的思想是把接收到的数 据的头 2560 个码片分别作为起点与长为 256 个码片的本地主同步码( PSC )做按位的相乘并 累加 256 个乘积的结果，然后对结果的实部虚部取模。而后面再接收的数据同样按时隙（2560 个码片）与本地的 PSC 进行相关，相关之后的结果对应累加到前面的 2560 个结果之中。头2560 个码片中使得模值取到最大者即判别为时隙头。3.2 辅同步（SSC）码同步的算法小区搜索中的第二步帧同步的实现利用
21、的是辅同步码( SSC )。其基本思想与时隙同步类 似。即通过将接收到的数据移动不同的时隙再与 64 个辅同步码组以码片为单位进行按位相 乘并累加结果。这样得到的使得结果最大的时隙头以及辅同步码组就是要找的结果。这一步 得出两个结果，一是找到头时隙的位置，这样加上上一步同步得到的时隙头，就得到了帧头；二是确定了扰码组，这样为第三步同步做好了准备。该步同步中，若使用原始的方法，即对每一个数据的时隙滑动，对每一组辅同步码组均 按码片相乘得出结果。则势必增加了不必要的计算量，造成运算缓慢的结果。在实际实验中， 采用的是先计算得到的数据的不同时隙与不同辅同步码的相关值，将结果存在一个 15 乘 16
22、的表格，然后在与 64 个辅同步码组的移动时隙的相关过程之中，只需查表格即可，减少了 运算量。3.3 扰码同步的算法第三步扰码识别利用第二步的结果，已知的一个扰码组中的 8 个主扰码的共轭来对接收 到的序列进行按位的复数乘，并累加结果。使得到的最大的最终结果与一预先设定的门限进 行比较，若大于该门限，则得到最大结果的那个主扰码即为待求的扰码。至此，小区搜索也 就全部完成。3.4 对抗频偏的算法在此，需要说明的是，在小区搜索过程中，需要考虑到晶振频率偏差所带来的影响2， 一般情况下考虑晶振的误差为 3-13 ppm，那么当工作在 2GHz 时，频率的不确定性就会达到6-26kHz，所以 WCDM
23、A 系统的小区搜索过程，需要考虑 0-20kHz 的频率偏差。这样就要求采用特殊的算法，与以上述的理想的小区搜索算法就有所差异。 在该实验中，为了对抗频偏，在三步同步中均采用了每做完 256 个码片的相关，就将实部和虚部的值取平方和，然后再进行累加或者其它操作。4.进行仿真相关内容以下将简要介绍一些仿真所采用的信源和信道的相关内容。4.1 仿真信号源的制作为了对实验的结果进行准确有效的估计，该实验按照 3GPP-25.141 协议中 WCDMA 系 统的测试模式一（test model 1）的规定制作了数据源。该协议对各个信道的比例以及具体数 据构成都有详细的规定。如表 2 和表 3。表 2
24、测试模式一信道分布情况3TypeNumberofChannelsFraction ofPower (%)Level setting(dB)ChannelizationCodeTimingoffset(x256Tchip)P-CCPCH+SCH110-1010Primary CPICH110-1000PICH11.6-1816120S-CCPCHcontaining PCH (SF=256)11.6-1830DPCH(SF=128)16/32/6476.8 intotal见表3见表3见表3精品论文表 3 测试模式 1 下 DPCH 信道扩频码，延迟时间，以及功率分配3CodeTiming off
25、set (x256Tchip)Level settings(dB) (16 codes)Level settings(dB) (32 codes)Level settings(dB) (64 codes)286-10-13-1611134-12-13-161752-12-14-162345-14-15-17286-10-13-1611134-12-13-161752-12-14-162345-14-15-1731143-11-17-1838112-13-14-204759-17-16-165523-16-18-17621-13-16-166988-15-19-197830-14-17-2285
26、18-18-15-209430-19-17-1610261-17-22-17113128-15-20-19119143-9-24-21783-20-191325-18-2120103-14-182797-14-203556-16-2441104-19-245151-18-225826-17-2164137-22-187465-19-208237-19-1788125-16-1897149-18-19108123-15-2311783-17-221255-12-21491-1797-181232-201421-171929-192259-212622-1928138-233431-223617-
27、19409-244469-234949-22- 12 -精品论文CodeTiming offset (x256Tchip)Level settings(dB) (16 codes)Level settings(dB) (32 codes)Level settings(dB) (64 codes)5320-195657-2261121-2163127-1866114-1971100-227676-2180141-198482-218764-1991149-219587-209998-2510546-2511037-2511687-24118149-2212285-2012669-15在该实验中，
28、按照协议规定的做法3，除了 SCH（同步信道）、CPICH（公共导频信道） 以及一些 TPC、PILOT 等比特按协议有着固定的数值，其它比特大部分由 PN9（9 位移位寄x9 + x4 + 1存器序列）填充（如图 3），其生成特征多项式为：MSB8765432LSB10图 3 生成 PN 9 码的移位寄存器关于更详细的具体信号源各比特的数值，请参阅 25.141 协议，在此不赘述。4.2 仿真信道的使用在制作出信号源之后，为了充分考察小区搜索的性能，更加真实的对性能进行考察。在 该仿真中，使用的是 ITU-R M1225 中规定的 pedestrian channel B5，该模型是一个 6
29、 径模型， 每径相互独立地经历时变瑞利衰落信道。实际程序生成使用的是著名的 jakes 模型。5.仿真结果及讨论首先给出未经历多径信道，只受高斯白噪影响的小区搜索的结果，该情况下加上了 20Hz 的频偏，使用了抗频偏算法，仿真结果分别如图 3 所示，可以看出，高斯白噪情况下，随着 信噪比的增大，当 SCH 信道的信噪比达到-22dB 时，小区搜索的成功率就几乎是 100%。接下来，如图 4 和 5 所示，分别显示出经过瑞利衰落多径信道后，小区搜索成功的情况 以及漏捕的情况。可以看出瑞利衰落多径信道对小区搜索的性能产生了极恶劣的影响。从图4 和 5 可以看出，在信噪比高到一定的情况下，小区搜索的
30、性能不再改变。而在此之前，小 区搜索的性能随着信噪比的提高而提高，漏捕的概率也随着信噪比的提高而提高。由于在此情况下第三步搜索(扰码识别)时采用的仍然是固定门限（理论可达最大相关值的一半），所以推测可能是因为门限值定的不太合理，尤其在较高信噪比时显得过高，导致了多次搜索过 不了门限，造成漏捕的情况。针对以上问题，对门限值的设置作了改变，采用可变门限值，将其定为前一帧最大相关 值的 0.7 倍，旨在根据信道衰落特性的不同而改变门限值。这样改动后小区搜索的结果如下 图 6，7 和 8 所示。由这些图可以看出，修改门限后在较高信噪比时小区搜索性能有了明显 的改善。20Hz频偏下小区搜索结果010-1
31、10-2正确捕获的概率10-310-29-28 -27 -26 -25-24 -23 -22 -21-20SCH信道信噪比 dB图 3 高斯白噪声下小区搜索的结果曲线20Hz频偏下小区搜索结果010-110-2正确捕获的概率10-310-28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12SCH信道信噪比 dB图 4 经过瑞利衰落的多径信道后小区搜索成功的结果曲线（固定门限）20Hz频偏下小区搜索漏捕的结果010-110漏捕的概率-210-310-410-26-24-22-20-18-16-14-12SCH信道信噪比 dB图 5 经过瑞利衰落的多径信道后小区搜索漏捕的结果曲线（
32、固定门限）20Hz频偏下小区搜索的结果010-110-2正确捕获的概率10-310-28-26-24-22-20-18-16-14-12SCH信道信噪比 dB图 6 经过瑞利衰落的多径信道后小区搜索正确捕获的曲线（浮动门限）20Hz频偏下小区搜索的结果-110-2漏捕的概率10-310-410-26-24-22-20-18-16-14-12SCH信道信噪比 dB图 7 经过瑞利衰落的多径信道后小区搜索漏捕情况的曲线（浮动门限）20Hz频偏下小区搜索的结果010-110-2错捕（虚警）的概率10-310-410-28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14SCH信道信噪比 dB图
33、 8 经过瑞利衰落的多径信道后小区搜索错捕（虚警）情况的曲线（浮动门限）参考文献1 3rd Generation Partnership Project, “Spreading and modulation (FDD),” 3GPP Tech. Spec., TS25.213, V6.5.0 S, Mar. 2006.2 Yi-Pin Eric Wang and Tony Ottosson. Cell Search in W-CDMA C. IEEE Journal on selected areas in communications, August 2000, VOL. 18, NO. 8
34、: 1470-1482.3 3rd Generation Partnership Project, “Base station (BS) conformance testing (FDD),” 3GPP Tech. Spec.,TS25.141, V7.5.0 S, Oct. 2006.4 3rd Generation Partnership Project, “Physical channels and mapping of transport channels onto physical channels (FDD),” 3GPP Tech. Spec., TS25.211, V6.7.0 S, Dec. 2005.5 3rd Generation Partnership Project, “Spatial channel model for Multiple Input Multiple Output (MIMO)simulations,” 3GPP Tech. Spec., TS25.996.0, V7.0 S, Jun. 20076 芬 Harri Holma，Antti Toskala 著，陈泽强，周华等 译WCDMA 技术与系统设计 M. 北京：机械工 业出版社，2005.7 郑君里等 著. 信号与系统 M. 北京：高等教育出版社，1981.8 吴伟
