专利名称：基于时域处理的小区搜索同步方法
技术领域：
本发明涉及提高基于多载波CDMA调制技术的蜂窝移动系统小区搜索同步方法。
背景技术：
OFDM技术被公认为是新一代无线通信系统中的关键技术，它能有效抵抗多径引起的符 号间干扰(ISI)和多径衰落。CDMA通过对用户数据进行扩频获取扩频增益来提高抗干扰能力。 两种技术的结合多载波CDMA技术由于其具备更大的系统容量而受到重视。
在基于多载波CDMA调制的蜂窝移动系统中，用户刚刚开始开机或者是越区切换时，需 要进行小区搜索同步来找到最合适的小区进行通信。文献Y.ISHII, K.HIGUCHI， "m/ M.SAWAHASHI ，"Three-Step Cell Search Algorithm Employing Synchronization and Common Pilot Channels for OFCDM Broadband Wireless Access" IEICE TRANS. COMMUN， VOL.E85 —B， NO. 12 DEC 2002和专利WO03/049344 "MULTI-CARRIER TRANSMISSION/RECEPT ION APPARTUS"中描述了一些小区搜索的方法，但是他们都在帧设计时使用了SCH (同步信道 (信道，SCH和其他数据信道不完全正交，当要提高搜索的成功概率，提高SCH信道功率时， 会对其他数据信道造成很大的干扰。所以文献M.TANNO， H.ATARASHI, K.HIGUCHI,amZ M.SAWAHASHI,"Three-Step Cell Search Algorithm Exploiting Common Pilot Channel for OFCDM Broadband Wireless Access" IEICE TRANS. COMMUN.， VOL.E86-B， NO.l JAN 2003 公布了一种不使用SCH信道，仅利用导频信道的方法，其CPICH(导频信道)和本小区其他 数据信道通过时分复用达到完全正交。该文献的缺点是(i)由于其在两个时分复用的CPICH 信道中的一个覆盖了一层掩码用于识别小区扰码的分组，会增加对其他小区的数据解扩时的 干扰。(ii)每次扰码组识别和扰码识别都需要本地候选掩码和FFT解调后的接收数据进行相关 检测，通过找出相关值最大的候选掩码就可以知道对应的小区扰码组。在此过程中的FFT解 调带来的运算量较大。
发明内容
针对多载波CDMA蜂窝系统中的小区切换，本发明提出了一种基于时域处理的小区搜索 同步方法，用来降低导频信道的干扰和减少搜索算法复杂度和搜索时间。本发明提出的基于时域处理的小区搜索同步方法，处理过程为-
在发送端的发送数据帧中，每一帧中除了数据符号外，导频信道1和导频信道2在帧头 和帧尾各占用一个OFDM符号周期和其他数据时分复用；
不同的小区采用不同的扰码进行扩频，相同的小区的信号采用相同的小区扰码和不同的 信道正交码进行扩频，每一帧信号中不同的时隙的OFDM数据符号所采用的小区扰码的相位 不同，利用导频信道1和导频信道2的小区扰码的相位差来判断小区扰码组；
在接收端对于每相邻两个OFCDM符号都利用以下公式进行相关运算来获得小区扰码组 识别
,("=H, - iy: (" {、= 「& i>。}
& ("表示在时域第k个OFDM符号和第k 一 1个OFCDM符号的频域子载波序号相差
为Pi的数据之间进行相关的输出，Nc为OFDM符号的载波数，通过找到最大的相关值所对 应的k和P,可以找出对应的帧边界起点时隙和CSSC码组。
优选地，在接收端的处理过程具体包括
通过对接收信号进行自相关检测，通过发现最大的相关值来检测到符号时隙和FFT窗；
让接收的OFDM符号和其前一个OFDM符号在未FFT之前相乘，然后对乘积进行部分 的FFT运算，输出的全部的值&Ot)存储起来，沿着时域不断进行同样的操作，直到经历了
一帧Ns个OFDM符号，此时检测出存储的值中的最大值^("， k对应的帧头的时隙，Pi对
应CSSC码组；
将本地所有的CSSC码全部进行IFFT运算，然后存储起来，对于接收到的CPICH信道 的CSSC时域符号通过相关器和本地所有的时域CSSC值进行相关检测，检测值最大的本地 候选CSSC码就是当前的小区绕码；然后转向和选择的小区进行正常的数据通信。
优选地，如果要去除信道衰落和其他干扰的影响，在检测 (it)的最大值之前可以先经 过多次平均。
由于本发明在发送端传送的数据的帧设计中只采用了两个时分复用CPICH信道的相位差 识别扰码组，这样的好处是不需要额外的的掩码来识别扰码组，因此不会加重对其他小区的干扰。本发明降低了OFDM信号频域相关检测运算的复杂度，通过简化算法计算量的减少将 縮短提高小区搜索的时间或者提高小区搜索的正确概率。
图l为用以判决小区扰码组的Pi的值的分配方案原理图； 图2为本发明发送端数据的帧结构和导频信道的复用方式示意图3为本发明在发送端一帧数据内各个时隙的OFDM符号的载波中，CSSC码相位的分配 情况，以及在导频信道的CSSC相位的配置示意图4为本发明在接收端进行小区搜索的流程图5为本发明在小区搜索的第二个阶段，小区扰码组确认和帧同步阶段，简化算法的流 程图6为本发明部分FFT算法的原理以及和完整FFT算法的关系示意图7说明了一般OFDM频域信号相关方法和本发明提出频域相关方法流程示意图。
具体实施例方式
本发明在发送端的发送数据帧中，每一帧中除了数据符号外，导频信道l (CPICH1)和 导频信道2 (CPICH2)在帧头和帧尾各占用一个OFDM符号周期和其他数据时分复用。
不同的小区采用不同的扰码进行扩频，相同的小区的信号采用相同的小区扰码(CSSC) 和不同的信道正交码(CSOC)进行扩频，但每一帧信号中不同的时隙的OFDM数据符号所 采用的小区扰码的相位不同，利用导频信道CPICH1和CPICH2的小区扰码的相位差来判断 小区扰码组，这样无需对某一个CPICH信道再进行掩码操作，增加小区间干扰。 对应上面的帧设计，可以在接收端对于每相邻两个OFCDM符号都利用公式
<formula>formula see original document page 5</formula>
进行相关运算来获得小区扰码组识别。^(Jt)表示在时域第k个OFDM符号和第k 一 1
个OFCDM符号的频域子载波序号相差为Pi的数据之间进行相关的输出，Nc为OFDM符号
的载波数，通过找到最大的相关值所对应的k和P,可以找出对应的帧边界起点时隙和esse
码组，这就是CSSC码组检测的算法原理。
针对CSSC码组检测的算法原理和接收端数据信号都需要进行FFT解调的特性可以设计
出一个两步简化算法来减少计算量。
首先可以通过频域圆周巻积运算和时域相乘运算等效的原理来简化上面的扰码组检测运 算，可以发现将相邻两个经过FFT解调后的OFDM符号频域子载波上的值圆周巻积后输出序 号为Pi的值(i-l，2，......N(jrp ngrp为扰码组个数)也就是我们需要的相关检测输出值&")，
于是对于用频域的圆周巻积运算 (W，可以进一步通过
■ =FFT( . )
得到。^是没有FFT解调之前的时域OFDM符号向量，k")是进行FFT运算输出向量
3巧中序号为Pi的那个标量值，这样相对与上面每两个符号需要ngrp相关运算来识别小区扰
码组，这里只需要Nc次乘法运算，另外无需和上面一样对每个数据FFT数据解调，对两个 没有FFT解调之前的时域OFDM符号的乘积进行FFT运算就可以，所以最终FFT运算量不 变，乘法计算复杂度相对降低了ngrp倍。此时乘法算法复杂度和M.TANNO， H.ATARASHI， K.HIGUCHI，amZM.SAWAHASHI的文献中提到的方法相比一样，但省去大量的加法运算。
其次可以设计Pi的值来再次简化上面计算^的FFT运算量。首先从FFT快速算法原理 可以知道，如果所求的点的序号在FFT运算输出排在一起，则这些点的值可以通过对FFT运 算进行简化得到，若使用按频率抽取(DIF)的N点FFT快速算法，输出排在一起的点的序 号的值按照位置由近到远依次相差为N/2、 N/22、 N/23……2、 1，序号相隔越近序号的值相差 越大。在这里假设N为2的K次幂。让NoRp个Pf分别和按频率抽取(DIF)的N点FFT运 算输出的前NGRP个点的序号的值相等，Pi之间的值相差近到远依次相差为N/2、N/22、N/23"— 2、 1，可以一直保持最大的距离间隔，符合我们要求两个相邻CPICH信道的相位差Pj的值越
大越容易判决的要求。另外也可以让对应的&Ot)都排在FFT运算输出的^向量中的前 Notp个点，则可使用简化的FFT运算得到、(A:)。采取这种方法后，每次FFT涉及到的乘法
和加法运算量再次由牛log2 Wc ， iVc log2 iVc (也就是M.TANNO， H.ATARASHI， K.HIGUCHI，a"dM.SAWAHASHI的文献中提到的方法的FFT数据解的计算量)依次减少为
iV^ (log 2 AT， + 2AT / iV， - 2) ，,log2 AT^ ，乘法计算量以指数倍减少。假如用于一
个1024个子载波，扰码分为64组，这样每次FFT涉及到的乘法和加法运算量由10240和5120 依次减为256和2432，减少倍数依次约为40倍和2倍。
对于小区扰码的检测也一般是将收到的CPICH1信道上各个子载波的数据和本地的所有
CSSC候选码字相关，相关值最高的码字就是当前小区的码字。本专利中根据时频两域功率
不变的原理，提出可以直接在时域中通过公式
获得他们频域相关检测的值。c"，,表示本地经过IFFT运算后的CSSC码的时域值，由于
这一步FFT运算可以事先做好存在内存中，所以这部份FFT计算量可以省略不计。整个过程 和一般方法相比省去一次FFT运算。
本发明提出的两步简化算法第一步仅需要对接收的没有FFT解调的两个信号进行Nc次 相乘，将乘积FFT运算就可以得到我们想要的相关检测输出值、(A:)，省去了一般相关检测
的加法运算量;其次让NGRp个、(Jt)中的Pi分别和按频率抽取的N点FFT运算输出的前NGRP
个点的序号的值相等，利用FFT的算法原理，如果要求前NoRP个需要检测的相关值^(矢)只
要进行部分FFT的运算，和一般的相关算法中每个符号都要进行FFT解调然后进行相关检测， FFT乘法和加法运算量减少至少1/2M倍；最后通过圆周巻积和时频两域功率不变的原理在 OFDM接收端时域直接将IFFT处理后的本地全部扰码和接收的导频信道上的信号进行相关 检测运算来代替频域相关检测，中间无需FFT处理，直接可以检测当前小区扰码。
以下通过一个具体实施例进一步说明本发明的处理过程，假设应用到一个载波数N-Nc， 小区扰码数为NGRP， 一帧中含有Ns个OFDM符号的多载波移动通信系统的发送端的数据帧 设计和接收端的小区搜索过程、方法和程序设计当中。
先对用于识别扰码组的Pi的值进行规划。图l说明了一个N二Nc，小区绕码组数-NoRp 时对应的两个CPICH信道的相位差Pi的值的规划情况，可以从图中看出Pi的值由Po开始依 次为
0、 N/2、 N/22、 N/22+N/2"。N/2M、 N/2M+N/2、"'、 共N(jrp个，其中NGrp < Nc/2。这个值和按照DIF算法计算N点FFT输出的前Ngrp个点的 序号值相同
然后对输入的数据进行帧设计如图2所示。两个导频信道的数据符号在每一帧的头尾插 入到数据符号中去，和数据符号时分复用。
接下来时CSSC在每个OFDM符号时隙的相位分配方案如图3。每个相邻OFDM数据 符号载波上CSSC相差的相位都相同，CPICH2信道的CSSC相位为0， CPICH1信道CSSC 相位Pi，其由CSSC所属的扰码组决定。
在Pi值和帧设计，码分配方案处理完后，可在按着这种规范构造相应的多载波CDMA
发射机进程，对输入的数据进行处理发射。
在接收端，接收机通过以下的过程进行小区搜索。如图4所示
首先第一阶段，通过对接收信号的GI进行自相关检测，通过发现最大的相关值来检测 到符号时隙和FFT窗。
在第二阶段的算法如图5所示。让接收的OFDM符号和其前一个OFDM符号在未FFT 之前相乘，然后对乘积进行部分的FFT运算，输出的全部的值&Ot)存储起来，沿着时域不
断进行同样的操作，直到经历了一帧Ns个OFDM符号，此时检测出存储的值中的最大值 k对应的帧头的时隙，Pi对应CSSC码组。如果要去除信道衰落和其他干扰的影响，
也可经过多次平均后在检测、Ot)的最大值。
关于部分的FFT算法在图6中得到说明。图6是正常的N-8的FFT算法流程，可以看 出如果只是计算前两个点的值，只需要计算其涉及到的计算就可以，也就是图6中虚线所包 含的运算，其是完整FFT算法的一部分，但巧妙的避过了FFT中涉及到的大量乘法运算。对 于N-Nc，计算的点在前NoRP (NCRP<=Nc/2)也同样适用。
第三阶段CSSC检测可利用本地的所有的候选CSSC码和CPICH2信道的相关检测。首 先将本地所有的CSSC码全部进行IFFT运算，然后存储起来，对于接收到的CPICH信道的 CSSC时域符号通过如图7 (b)的相关器和本地所有的时域CSSC值相关检测，检测值最大 的本地候选CSSC码就是当前的小区绕码。这样整个小区搜索流程就结束了，开始转向和选 择的小区进行正常的数据通信。
上述具体实施方式
以较佳实施例对本发明进行了说明，但这只是为了便于理解而举的一 个形象化的实例，不应被视为是对本发明范围的限制。同样，根据本发明的技术方案及其较 佳实施例的描述，可以做出各种可能的等同改变或替换，而所有这些改变或替换都应属于本 发明权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种基于时域处理的小区搜索同步方法，其特征在于，所述方法包括以下处理过程在发送端的发送数据帧中，每一帧中除了数据符号外，导频信道1和导频信道2在帧头和帧尾各占用一个OFDM符号周期和其他数据时分复用；不同的小区采用不同的扰码进行扩频，相同的小区的信号采用相同的小区扰码和不同的信道正交码进行扩频，每一帧信号中不同的时隙的OFDM数据符号所采用的小区扰码的相位不同，利用导频信道1和导频信道2的小区扰码的相位差来判断小区扰码组；在接收端对于每相邻两个OFCDM符号都利用以下公式进行相关运算来获得小区扰码组识别
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在接收端的处理过程具体包括通过对接收信号进行自相关检测，通过发现最大的相关值来检测到符号时隙和FFT窗； 让接收的OFDM符号和其前一个OFDM符号在未FFT之前相乘，然后对乘积进行部分 的FFT运算，输出的全部的值k(A:)存储起来，沿着时域不断进行同样的操作，直到经历了一帧Ns个OFDM符号？此时检测出存储的值中的最大值"(A:)， k对应的帧头的时隙，Pi对 应CSSC码组；将本地所有的CSSC码全部进行IFFT运算，然后存储起来，对于接收到的CPICH信道 的CSSC时域符号通过相关器和本地所有的时域CSSC值进行相关检测，检测值最大的本地 候选CSSC码就是当前的小区绕码；然后转向和选择的小区进行正常的数据通信。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，如果要去除信道衰落和其他干扰的影响， 在检测&(/t)的最大值之前可以先经过多次平均。
全文摘要
本发明公开了一种基于时域处理的小区搜索同步方法，在发送端传送的数据的帧中采用了两个时分复用CPICH信道的相位差识别扰码组，不需要额外的掩码来识别扰码组，不会加重对其他小区的干扰。本发明降低了OFDM信号频域相关检测运算的复杂度，通过简化算法计算量的减少将缩短提高小区搜索的时间或者提高小区搜索的正确概率。
文档编号H04B1/707GK101166040SQ20061014992
公开日2008年4月23日 申请日期2006年10月17日 优先权日2006年10月17日
发明者宋荣方, 张苏民, 杜永生 申请人:中兴通讯股份有限公司