专利名称：码分多址移动通信系统的峰值检测方法
技术领域：
本发明涉及一种无线通信系统的峰值检测方法，特别涉及一种用于码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)移动通信系统的初始同步(InitialSynchronization)的峰值检测方法。
背景技术：
在CDMA系统中，用户设备(UE)开机后需要完成与小区基站的下行同步，然后才能读取小区广播信息。一般基站在下行链路中加入信标信号，UE通过对信标位置的检测来实现下行同步捕获。在全球移动通信系统(Universal Mobile Telecommunications System，UMTS)的频分双工(Frequency Division Duplex，FDD)标准和高码率时分双工(High Chip RateTime Division Duplex，HCR-TDD)标准中，基站采用公共的信标信号，称为主同步码。低码率时分双工(High Chip Rate Time Division Duplex，HCR-TDD)标准定义的时分同步码分多址(Time Division Synchronous Code DivisionMultiple Access，TD-SCDMA)移动通信系统则定义了一个同步码组，包含了32个长为64码片的下行同步码(SYNC-DL码)。基站在该码组中选择一个同步码在每个子帧的下行特定时隙上发送。图1为TD-SCDMA系统的帧结构示意图。如图1所示，每个5ms子帧包含7个承载上下行业务的时隙(TS0，TS1...TS6)和三个特殊时隙。特殊时隙位于TS0和TS1之间，包括96码片长度的下行导频时隙(Downlink Pilot Time Slot，DwPTS)，96码片长度的保护间隔(Guard PeriodGP)以及160码片长度的上行导频时隙(Uplink PilotTime SlotUpPTS)。SYNC-DL码在DwPTS的后64码片上发送。
UE开机后并不知道接收子帧的实际起始位置，因此需要在一个虚拟子帧内搜索同步码。常用方法是用本地产生的所有同步码与虚拟子帧分别做相关，通过检测相关峰值获得同步码起始位置。由于噪声和干扰的影响，在单个子帧内搜索的结果通常是不可靠的，因此还需要在连续多个子帧中搜索，并对多帧搜索的结果合并。图2所示是一种传统的用于TD-SCDMA系统的初始同步装置结构图。无线信道发送来的模拟信号由UE的天线21接收下来，经过前端接收单元22和模数转换器23后转变为数字信号。数字信号被分为相同的32个支路，分别送到32个相关器251-2532的一个输入端。同步码发生器24生成的32个SYNC-DL序列分别送到相关器251-2532的另一个输入端。相关器251-2532在一个子帧周期里对接收到的数字信号序列和SYNC-DL码序列做相关运算。多帧平均单元261-2632用于把本子帧的相关结果和前一子帧的相关结果做平均，然后把平均后的相关序列保存到存储器271-2732中，片于下一次子帧间平均。当若干个子帧处理完成后，峰值检测器读取存储器271-2732中的所有32个相关序列，寻找其中的最大相关值。该最大相关值对应的SYNC-DL码即是检测到的基站发送的SYNC-DL码，该最大相关值在子帧中的位置指示了SYNC-DL码的起始位置。由于时隙DwPTS在子帧内的位置是固定不变的，因此由SYNC-DL码的起始位置即可得到子帧的起始位置。
传统初始同步装置有两个不足。一是需要较大的存储空间。存储空间的大小与同步码组中同步码的数目，子帧长度以及过采样率成正比。在TD-SCDMA系统中，同步码数目为32个，子帧长度为6400码片，如果采用2倍过采样率，同时做完32个同步码的检测需要的复数存储空间大小为32×6400×2＝409,600，在实际系统中要满足这样的存储需求十分困难。另外一个不足是运算量大。在一个子帧周期(5ms)内，除了相关运算外，还要完成32×6400×2＝409,600次复数乘加运算。尽管可以采取32个同步码分批处理的方法降低运算量，但不可避免的增加了同步延时。
在国际专利申请公开号为WO03/032512，发明名称为“低码率移动通信系统的捕获电路”(Acquisition Circuit for Low Chip Rate Option for MobileTelecommunication System)的专利申请中，公开了一种UMTS低码率时分双工(LCR-TDD)系统中的小区搜索电路。该电路对多帧检测结果采用硬判决合并的方法，即检测连续多个子帧中最大相关峰出现在同一位置的次数。这种方法避免了多帧平均运算，但正确检测概率有所损失，达到可靠检测的时间较长。
在国际专利申请公开号为WO01/74103，发明名称为“一种码分多址数字移动通信系统的小区搜索方法”(Method of Cell Search in CDMA DigitalMobile Telecommunication System)的专利申请中，公开了一种具有导频码和保护时隙帧结构的码分多址移动通信系统中的小区搜索方法。该方法采用功率特征窗方法判断下行同步码的大致位置，然后在该位置附近做相关以获得精确定时。这种方法的检测概率受特征窗检测准确性影响较大，当噪声和干扰较大导致下行同步时隙功率特征不明显时，检测性能恶化严重。
在国际专利申请公开号为WO03/028399，发明名称为“小区搜索方法和通信终端装置”(Cell search method and communication terminal apparatus)的专利申请中，公开了一种用于TD-SCDMA的下行同步码检测方法。该方法分为两步，第一步将每个子帧的相关序列分段，在段内检测相关峰并在连续子帧上做平均，然后在子帧范围内寻找最大相关峰。第二步在最大相关峰附近再次做相关找到精确的同步码位置。为保证检测性能，该方法将相关序列分成800段以上，每段存储一个相关值，存储量仍然较大。另外两步检测方法也增加了同步延时。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于CDMA移动通信系统的初始同步的峰值检测方法，利用该方法，在保证良好同步性能和较小处理延时的同时，能够显著降低同步过程的复杂度和存储需求。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种应用于码分多址移动通信系统中的初始同步的峰值检测方法，该方法包括以下步骤分段峰值检测步骤在每个子帧周期内将接收信号采样与候选同步码字进行相关后，将相关序列c分为p个连续的相关数据段，段长度为q，在每个相关数据段内寻找前g个最大相关值及最大相关值对应的位置信息，p≥1；q＝N/p；1≤g≤q；该步骤在每个子帧周期内得到了一个最大相关值序列；帧间合并步骤将相邻帧上经过分段峰值检测步骤所检测到的最大相关值序列按位置进行合并，亦即，得到第(r+1)子帧周期内的最大相关值序列后，将其与之前r个子帧周期内已合并的最大相关值序列再次进行合并，从而得到前(r+1)个子帧周期内合并后的最大相关值序列，这里r为一个正整数。该步骤用于完成连续F个子帧周期内的最大相关值序列的合并，这里F为一个正整数；
码内峰值检测步骤对于每个候选同步码字，根据连续F个子帧周期内合并的最大相关值序列，在其中搜索最大相关峰，并记录其相关值和对应的出现位置；码间峰值检测步骤根据码内峰值检测结果，在所有候选同步码字的最大相关峰中搜索一个或者多个最大值，并且将对应的码字以及相关峰作为同步检测的输出。
其中，所述的帧间合并步骤包含以下子步骤比较子步骤在第j个小段内，分别比较第(r+1)子帧周期内该小段的最大相关值的位置，是否与前r个子帧周期内对应小段的最大相关值的位置相同；合并子步骤在第j个小段内，如果发现有两个相关值的位置相同，则合并该位置上的最大相关值；其中，合并可采用非相干(non-coherent)方法，例如将两个相关值的模值或模值平方相加，也可采用相干(coherent)方法，即保留相位信息、直接将两个相关值进行相加；更新子步骤在第j个小段内，对于那些位置相同的相关值，将经过所述合并子步骤处理的相关值及其位置存入一个的序列sj；而对于位置没有重叠的相关值，则不改变其相关值和位置，并也存入序列sj；根据上述子步骤，对每个小段进行处理后，将所有p个序列{s1，s2，…，sp}组合，就得到了前(r+1)个子帧周期内合并后的最大相关值序列。
图1为TD-SCDMA移动通信系统的子帧结构示意图；图2为现有技术中一种同步装置的示意图；图3为本实用新型发明提供的同步装置的一种实施方式的电路方框图。
图4为本发明提供的帧间合并方法的示意图；图5为应用本发明提供的峰值检测方法的TD-SCDMA系统初始同步过程的计算机性能仿真结果对比图。
具体实施例方式
以下根据图3说明本发明的一种实施方式。
图3所示为本实用新型发明提出的CDMA移动通信系统同步装置的一种实施方式的电路方框图。该装置包括天线51，前端接收单元52，模数转换器53，同步码发生器54，相关器551-55K。第一峰值检测器561-56K，帧间合并器571-57K，存储器581-58K，第二峰值检测器59，以及第三峰值检测器60。
天线51接收经无线信道发送到UE的数据，接收数据在前端接收单元52中处理后送入模数转换器53，在这里模拟信号被转换为数字基带信号。随后数字信号被分为相同的K个支路，分别送到K个相关器551-55K的一个输入端。本地同步码发生器54生成的K个同步码序列分别送到相关器551-55K的另一个输入端。相关器在一个子帧周期里对接收到的数字序列和同步码序列做相关运算。K个相关器输出的K个相关序列被分别送到第一峰值检测器561-56K中。第一峰值检测器561-56K在相关序列的p个连续数据段(段长度为q)内分别搜索出g个最大相关值，然后将这些最大相关值及其位置信息分别送到帧间合并器571-57K的一个输入端，同时帧间合并器571-57K的另一个输入端从存储单元581-58K中读取上一子帧保存的对应段内的最大相关值序列和位置序列，帧间合并器571-57K对两组最大相关值序列的位置做比较，对相同的位置上的两个相关值做合并，并将合并结果写回存储器581-58K对应的存储单元。对不同的位置，把该位置信息和该位置上的相关值保存到存储器581-58K中。按照同样合并方法对R个子帧处理完毕后，K个第二峰值检测器591-59K分别在存储器581-58K保存的相关值中寻找最大值。最后，第三峰值检测器60，根据所有第二峰值检测器的输出峰值，寻找出其中最大的一个或者若干个值，并记录它们分别所对应的同步码序号和同步位置。
其中，所述的相关器551-55K用于将UE接收到的数据序列与本地同步码发生器生成的同步码做全相关或者部分相关后，并得到相关序列c。后续处理模块通过在相关序列c中搜索相关峰值，就可以完成同步码的检测以及子帧同步过程。
所述的第一峰值检测器561-56K用于实现“分段峰值检测”步骤该步骤将上述每个相关序列分为p(p≥1)个连续的相关数据段，段长度为q(q＝N/p)。在每个相关数据段内寻找前g(1≤g≤q)个最大相关值。对应于第k个同步码字的相关序列ck，分段后可以表示为ck=(c1k,c2k,Λ,cjk,Λ,cpk),]]>其中cjk=(c1+(j-1)·qk,c2+(j-1)·qk,Λ,cj·qk)---q=N/p;j=1,2,Λ,p]]>例如，如果假定每个数据段只检测一个最大相关值(g＝1)，则第j个数据段的最大相关值cj，maxk为cjk=cj,maxk=max(|cjk|)]]>并记录与cj，maxk对应的段内位置为Posj，maxk，1≤Posj，maxk≤q。其中，搜索最大值的过程，是通过比较相关序列cjk中各相关值的模值来进行的。cj，maxk和Posj，maxk需要保存到存储器中用于下面所述的“帧间合并”步骤。一般的，一个子帧周期内最多只需保存pg个最大相关值和pg个位置信息。
参数p与g的取值需要根据性能要求与实现复杂度进行仔细衡量。一方面，为了减少对存储量的需求，参数p与g的取值应该尽可能小——极端情况下，可取p＝g＝1，即每个子帧周期内只保留一个最大相关峰值。但是，由于噪声、干扰或着信道衰落等不利因素的影响，保留的这一个最大相关峰值很可能是错误的，而出现在实际同步点附近的那个相关值(其相关值一般也不小，并可能接近与该子帧周期内的最大相关峰值)可能已经被丢弃。所以，为了提高性能，必须尽可能多的保留数目较多的相关值，所以p与g的取值也不应太小，这样可以在较多的分段中分别保留较多的局部(local)最大相关值。通过计算机仿真后，在长为N＝6400码片的TD-SCDMA子帧周期内，推荐的取值是p＝50左右(每段长为6400/50＝128个码片)，而每段内只取一个最大相关值，即g＝1。而且，由于采用了两倍码片速率的数据采样，在每个采样相位上各保留一个最大相关值。这样，在每个子帧周期内，经过分段峰值检测后，其输出最大相关值序列共包含了
50*1*2＝100个(局部)最大相关值。
为了提高检测性能，上述相关和分段峰值检测步骤将在连续多个子帧周期内进行，然后再按某种方式进行帧间合并后，克服噪声或者干扰带来的影响。
所述的帧间合并器用于实现“帧间合并”步骤对相邻帧上检测到的最大相关值序列按位置进行合并，亦即，得到第(r+1)子帧周期内的最大相关值序列后，将其与之前r个子帧周期内已合并的最大相关值序列再次进行合并，从而得到前(r+1)个子帧周期内合并后的最大相关值序列，这里r为一个正整数。为了进行F(F为大于1的正整数)个连续子帧周期内的帧间合并，需要从得到其中第二个子帧周期内起，在得到周期的最大相关值序列后，执行所述的帧间合并步骤，这样从第二到第F个子帧周期内，共需执行(F-1)个所述的帧间合并步骤。而对于第一个子帧周期内的最大相关值序列，则无须在执行所述的帧间合并步骤。
参见图4，所示为描述该帧间合并步骤的一个示意图。
所述的帧间合并步骤包含以下子步骤比较子步骤在第j个小段内，分别比较第(r+1)子帧周期内该小段的最大相关值的位置，是否与前r个子帧周期内对应小段的最大相关值的位置相同；合并子步骤在第j个小段内，如果发现有两个相关值的位置相同，则合并该位置上的最大相关值；其中，合并可采用非相干(non-coherent)方法，例如将两个相关值的模值或模值平方相加，也可采用相干(coherent)方法，即保留相位信息、直接将两个相关值进行相加；更新子步骤在第j个小段内，对于那些位置相同的相关值，将经过所述合并的相关值及其位置存入一个的序列sj；而对于位置没有重叠的相关值，则不改变其相关值和位置，并也存入序列sj；根据上述子步骤，对每个小段进行处理后，将所有p个序列{s1，s2，…，sp}组合，就得到了前(r+1)个子帧周期内合并后的最大相关值序列。
经过F个子帧周期内最大相关值的帧间合并，可得到对应第k个同步码的相关峰序列和位置序列，分别可表示为ccombk=(ccomb,1k,ccomb,2k,Λ,ccomb,Lk)]]>poscombk=(poscomb,1k,poscomb,2k,Λ,poscomb,Lk)---k=1,2,Λ,K]]>其中L为F个子帧周期内最大相关值合并序列的总长度，下标comb用于表示合并完成后的序列。
通过计算机仿真后，可知在TD-SCDMA系统中，一般的，采用F＝5帧就可以取得令人满意的检测效果。这样，假设采用了两倍码片速率的数据采样，并在每个子帧内的分段峰值检测步骤中，分别保留每个采样相位上的最大相关值，这样，经过5个子帧合并后，对应每个同步码字最多需要(对应每次帧间合并时，每小段内均未发现有位置重合的最大相关值的情况)存储50*1*2*5＝500个最大相关值。在TD-SCDMA系统中最多所有32个SYNC-DL下行同步码字，这样，如果检测所有32个同步码字，最多需要存储500*32＝16,000个最大相关值。与存储每个子帧内的所有相关值的方法(如在背景技术中介绍的那样)相比，节省了大约1-16,000/409,600＝96％的存储空间。
所述的第二峰值检测器用于实现“码内峰值检测”步骤在存储器中保存的相关峰序列中寻找最大相关峰，即cmaxk=max(|ccombk|)]]>注意，搜索最大值的过程，是通过比较帧间合并后的相关序列ccombk中各相关值的模值来进行的。
同时，记录下该最大值出现的位置，即posmaxk=poscomb.,mk,]]>其中m=argmaxi(|ccomb.,ik|)]]>这样，根据所有K个第二峰值检测器的输出，就得到了K组分别对应于本批处理的K个同步码的，最大相关峰值及其出现位置。
所述的第三峰值检测器，用于实现“码间峰值检测”步骤根据所有第二峰值检测器的输出相关峰值，寻找出其中的最大值，并记录对应的同步码序号和同步位置。后续小区搜索装置，根据所检测到的同步位置，进行相应的帧定时调整后，可完成帧同步；并根据所检测到的同步码序号，继续完成其它小区基本信息的获取。亦即，选取同步码序号及其同步位置分别为K=argjmax(cmaxj),POS=posmaxK]]>进一步的，所述的第三峰值检测器，根据所有第二峰值检测器的输出峰值，经过降序排序后，也可以寻找出其中多于一个的相关峰值，并记录它们分别对应的同步码序号和同步位置。之所以这样做，是因为(特别是当用户终端设备处于多个小区的边缘时)可能有多个候选同步码字的相关峰功率比较接近，这样第一步骤就将它们都输出，并由后续小区搜索步骤来做进一步的判断，从而达到提高正确检测概率、以及缩短搜索时间的目的。
如图5所示，为采用本发明所提供的一种峰值检测方法，应用于TD-SCDMA系统初始同步时的计算机性能浮点仿真结果，并与采用最优方法时(即在背景技术中介绍的、存储每个子帧内的所有相关值的方法)的性能做了比较。其中，假设初始频率偏移等于10kHz，并且同步算法采用了如中国专利申请号200420107957.8、名称为“码分多址移动通信系统中的初始同步装置”中所公布的一种实现方法。采用本发明提供的一种峰值检测方法，参数为p＝50(即每小段的长度为128个码片)、g＝1、F＝5。由图5可见，与最优方法相比，采用本发明提供的峰值检测方法，将存储量节省96％左右的同时，所带来的性能损失却很小。例如，在DwPTS_Ec/N0等于-7.5dB时，两者均可达到90％以上的正确检测性能，而由于采用本发明所提供的简化方法后损失的正确检测概率仅在5％左右。因此，本发明可在比较小的性能损失的前提下，可以大大节省存储空间，降低初始同步实现的复杂度。
权利要求
1.一种码分多址移动通信系统的峰值检测方法，其特征在于，包括如下步骤分段峰值检测步骤在每个子帧周期内将接收信号采样与候选同步码字进行相关后，将相关序列c分为p个连续的相关数据段，段长度为q，在每个相关数据段内寻找前g个最大相关值及最大相关值对应的位置信息，p≥1；q＝N/p；1≤g≤q；该步骤在每个子帧周期内得到了一个最大相关值序列；帧间合并步骤将相邻帧上经过分段峰值检测步骤所检测到的最大相关值序列按位置进行合并，即，得到第(r+1)子帧周期内的最大相关值序列后，将其与之前r个子帧周期内已合并的最大相关值序列再次进行合并，从而得到前(r+1)个子帧周期内合并后的最大相关值序列，连续进行F个子帧周期内的最大相关值序列的合并；码内峰值检测步骤对于每个候选同步码字，根据连续F个子帧周期内合并的最大相关值序列，在其中搜索最大相关峰，并记录其相关值和对应的出现位置；码间峰值检测步骤根据码内峰值检测结果，在所有候选同步码字的最大相关峰中搜索一个或者多个最大值，并且将对应的码字以及相关峰作为同步检测的输出。
2.根据权利要求1所述的码分多址移动通信系统的峰值检测方法，其特征在于，所述的帧间合并步骤包含以下步骤比较子步骤在第j个小段内，分别比较第(r+1)子帧周期内该小段的最大相关值的位置，是否与前r个子帧周期内对应小段的最大相关值的位置相同；合并子步骤在第j个小段内，如果发现有两个相关值的位置相同，则合并该位置上的最大相关值；更新子步骤在第j个小段内，对于那些位置相同的相关值，将经过所述合并子步骤处理的相关值及其位置存入一个的序列sj；而对于位置没有重叠的相关值，则不改变其相关值和位置，并也存入序列sj；对每个小段进行处理后，将所有p个序列{s1，s2，…，sp}组合，就得到了前(r+1)个子帧周期内合并后的最大相关值序列。
3.根据权利要求1所述的码分多址移动通信系统的峰值检测方法，其特征在于，分段峰值检测步骤中搜索最大相关值的方法，是通过比较相关序列中各相关值的模值来进行的。
4.根据权利要求1所述的码分多址移动通信系统的峰值检测方法，其特征在于，所述的帧间合并步骤中，所述的之前r个子帧周期内已合并的最大相关值序列存储在存储器中，且一个子帧周期内最多只需保存pg个最大相关值和pg个位置信息。
5.根据权利要求1或4所述的码分多址移动通信系统的峰值检测方法，其特征在于，所述的帧间合并步骤中，r为一个正整数
6.根据权利要求1或4所述的码分多址移动通信系统的峰值检测方法，其特征在于，所述的帧间合并步骤中，这里F为一个正整数。
7.根据权利要求2所述的码分多址移动通信系统的峰值检测方法，其特征在于，所述的合并子步骤中的合并方法可采用非相干方法，将两个相关值的模值或模值平方相加，或者，采用相干方法，保留相位信息、直接将两个相关值进行相加；
8.根据权利要求1所述的码分多址移动通信系统的峰值检测方法，其特征在于，所述码内峰值检测步骤中搜索最大相关值的方法，是通过比较帧间合并后的相关序列中各相关值的模值来进行的。
9.根据权利要求1所述的码分多址移动通信系统的峰值检测方法，其特征在于，所述的码间峰值检测步骤根据码内峰值检测步骤输出峰值，经过降序排序后，也可以寻找出其中多于一个的相关峰值，并记录它们分别对应的同步码序号和同步位置。
全文摘要
本发明提供一种应用于CDMA移动通信系统的初始同步的峰值检测方法，包括分段峰值检测步骤、帧间合并步骤、码内峰值检测步骤和码间峰值检测步骤。其中，所述的帧间合并步骤有包含了比较子步骤、合并子步骤和更新子步骤等。利用该方法，在保证良好同步性能和较小处理延时的同时，能够显著降低同步过程的复杂度和存储需求。
文档编号H04B7/26GK1710832SQ20051002686
公开日2005年12月21日 申请日期2005年6月17日 优先权日2005年6月17日
发明者谢一宁, 冉晓龙 申请人:凯明信息科技股份有限公司