专利名称：一种基于wcdma体制的用户信道星上捕获方法
技术领域：
本发明属于卫星通信领域，涉及一种基于WCDMA体制的3G通信星载接收时的用户 信道星上捕获方法。
背景技术：
考虑到GEO (Geosynchronous Earth Orbit同步地球轨道)卫星移动通信系统的 特点，以及受到卫星上功耗、体积等方面的限制，星上的接入处理方式不同于地面系统。目前，尚没有采用WCDMA体制、并在卫星上进行处理的卫星通信系统。而在地面 WCDMA移动系统中，用户信道的捕获包括PRACH(Physical random access channel物理随 机接入信道)捕获和DPCH(Dedicated Physical Channel下行专用物理信道)捕获，但两 种捕获之间并没有直接的联系。因为对于地面来说，信道环境复杂多变，多径效应明显，多 径时延扩展比较大，将PRACH信道捕获信息用于DPCH捕获难度较大。因此，地面WCDMA移 动系统中采用了多次单独捕获的方法，即建立通信链路时，需要对PRACH和DPCH单独进行 捕获。与陆地移动通信系统的信道相比，GEO卫星信道有其明显的特点以莱斯(Rice) 信道为主，而瑞利信道极少。莱斯信道中又常常含有直射径(LOS)，且主径的能量占信号能 量的绝大部分。因此，多径处理变得无足轻重，若采用和地面移动通信系统一样的多次单独 捕获的方法，会引入复杂的捕获结构和大量冗余的硬件资源。由此可见，多次单独捕获的方 法不适合卫星信道特点，同时受到星上功耗、体积等方面苛刻的约束而变得不可行。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供了一种操作简便，捕获速度 快的基于WCDMA体制的用户信道星上捕获方法。本发明的技术解决方案是一种基于WGDMA体制的用户信道星上捕获方法，步骤 如下(1)在波束的接入时隙上获取用户设备发射的PRACH接入前导的签名信息，并根 据签名信息筛选出准入用户，所述的签名信息包括用户信道签名能量、签名序列以及签名 相位；(2)确定准入用户所在波束，如果准入用户所在波束为本波束则转步骤(3)，如果 准入用户所在波束为跨越波束则转步骤(5)，所述的本波束为卫星接收到的各输入波束信 号中正在被处理的波束，其余波束为跨越波束；(3)利用准入用户信道的签名相位确定与该准入用户对应的DPCH信道的搜索起
女台时间禾口搜索区间；搜索起女台时间 tDPCH—start—time = tprach—delay+TFrame0ffSet+Tchip0ffset+Rx_Txdelay,其 中tpra。h—delay为签名相位，Tprame0ffset为帧偏移，Tchip0ffset为码片偏移，Rx_Txdelay为上行物理信 道帧与下行物理信道帧之间的固定延时；搜索半径为前导捕获后至DPCH接收这一时间段 内用户相对于卫星的变化距离Linteval与每个码片无线电波传播距离Lsignal/。hip的比值，单位
为 chip ；(4)根据步骤(3)的结果，在搜索区间内搜索本波束内准入用户对应的DPCH信道 的单径延迟量，然后利用对应的扰码和扩频码信息对DPCH信道进行扰码跟踪，实现解扩解 调；(5)为跨越波束准入用户在本波束内分配DPCH信道，以本波束的基准时间为参 考，确定该跨越波束准入用户对应的DPCH信道在本波束内的搜索起始时间和搜索区间；搜
索起始时间tDreH—start—time = tpM—T—。ell士 ΔΤτ—。ell，其中tpM—T—。ell为跨越波束准入用户在原来波 束下的相对于原来波束基准时间的延时，ATtc^11为当前波束与原来波束之间波束时间偏 移Tmi之差的绝对值，如果当前波束的时间偏移超前于原波束，则取“ + ”，否则取“_” ；搜索 半径 N >= 2 * Linterval/Lsihnal/chip,单位为 chip ；(6)根据步骤(5)的结果，在搜索区间内搜索与所述跨越波束准入用户对应的 DPCH信道的单径延迟量，然后利用对应的扰码和扩频码信息对DPCH信道进行扰码跟踪，实 现解扩解调。所述步骤⑷或步骤(6)中单径延迟量的搜索方法为根据公式 PDP{n)= +进行匹配运算，得到不同时延时的相关值，其中PDP(n)为功
率时延函数，S(k)为本地扰码，R(k)为波束输入的基带数字接收信号，*表示复数共扼，K为 相关积分长度，对于步骤(4)中的搜索，K选取搜索范围的8 16倍，对于步骤(6)中的搜 索，K选取搜索范围的4 8倍。所述步骤(1)中筛选准入用户的方法为对PRACH接入前导的签名能量进行相关 或匹配处理，然后对相关或匹配处理结果进行Hadamard变换，最后将签名能量满足信道签 名能量阈值的PRACH接入前导所对应的用户作为准入用户。本发明与现有技术相比的优点在于本发明捕获方法考虑到卫星信道特性以及卫 星平台的约束，摒弃了 RAKE接收机模式，对于本波束内的用户，通过PRACH前导接入捕获， 实现用户的粗捕获，给DPCH信道的窄搜索提供搜索起始时间和搜索区间，而后通过窄搜索 实现了细捕获，再通过扰码跟踪实现扰码的精确同步。对于跨越波束的用户，通过宽搜索， 实现了从其他波束跨入本波束内用户DPCH信道的细捕获，再通过扰码跟踪实现扰码的精 确同步。另外，搜索时采用单径搜索的方式，相对于多经搜索来说，简化了星上接收处理流 程。本发明捕获方法操作大大简化了捕获搜索过程和搜索范围，加快了捕获速度。
图1为本发明捕获方法的流程图；图2为本发明PRACH搜索的时间延迟示意图；图3为本发明DPCH搜索的时间延迟示意图；图4为为本发明PRACH接入前导捕获的原理图。
具体实施例方式如图1所示，为本发明捕获方法的流程图。当某一波束内有用户准入时，卫星系 统将告知星上捕获单元该用户DPCH信道对应的扩频码、扰码信息，捕获单元将在该波束的接入时隙上对用户设备(UE)发射的PRACH接入前导的签名信息进行相关或匹配运算，对 运算结果进行Hadamard变换和门限判决，记录签名能量大于门限的签名序列、签名相位、 签名能量；判断签名能量是否大于签名能量阈值，若小于则返回捕获状态继续对信号进行 匹配滤波处理；若大于则准许接入，再进一步根据签名信息判断该用户是否为本波束用户， 若是，则根据公式计算对应DPCH信道的搜索起始时间和窄搜索区间，将卫星系统分配的扰 码、扩频码以及计算出来的搜索信息下配进行DPCH信道单径延迟量的窄搜索，扰码跟踪和 解扩解调；若为跨越波束用户，则通过卫星系统为跨越波束准入用户在本波束内分配DPCH 信道，以本波束的基准时间为参考，根据公式计算该跨越波束准入用户对应的DPCH信道在 本波束内的搜索起始时间和搜索区间，将卫星系统分配的扰码、扩频码以及计算出来的搜 索信息下配进行DPCH信道单径延迟量的宽搜索，扰码跟踪和解扩解调。与陆地移动通信系统的信道相比，GEO卫星信道有其明显的特点以莱斯(Rice) 信道为主，而瑞利信道极少。莱斯信道中又常常含有直射径(LOS)，且主径的能量占信号能 量的绝大部分。因此在卫星上，从PRACH中直接提取UE到卫星(相当于地面的Node B)的 传输延时，对这些延时采用窄范围的搜索稍作补偿，就可用于业务信道的接收；对于波束之 间的越区用户，在卫星的指令下(提供原有波束的延时值)，用较宽范围的搜索单径以保障 用户的通信不受影响。对于GEO卫星信道，可以将PRACH信道前导捕获的信息用于DPCH信道的捕获。如 图2所示，对于PRACH信道，接入时隙下行发射时间相对于基站系统时间(BFN)有波束(小 区)时间偏移(Ttell),假设卫星(基站)发射射频通道处理时延为TTxd，下行信号在空中的 传输时延迟为Tprapltelay，移动台接收到接入时隙后，发射对应的前导序列，上行信号在空中 的传输时延迟为Tprapllelay，卫星(基站)接收射频通道处理时延为Tkxd，因此卫星(基站)搜 索的起始时间应该在BFN的基础上加上Teell+TTxd+TKXD+2 * Tprapllelay，也就是说，相对于基站系 统时间(BFN)，PRACH信道前导的捕获起始时间为
prach_start —TCeii+TTsd+TEXD+2 TPropDelay。如图3所示，对于DPCH信道，下行发射时间相对于卫星(基站)系统时间(BFN) 有波束(小区)时间偏移(Tcell)加上帧偏移(TFMeMfset)和码片偏移(Taipwfset)，假设卫星 (基站)发射射频通道处理时延为TTxd，下行信号在空中的传输时延迟为TPrapDelay，UE接收到 下行的DPCCH/DPCH帧后，会延迟一个固定的时间Rx_Txdelay后，发射对应的上行DPCCH/DPCH 帧，上行信号在空中的传输时延迟为Tprapltelay，卫星(基站)接收射频通道处理时延为TKXD， 因此卫星(基站)搜索的起始时间应该在BFN的基础上加上TCell+TTxd+TKXD+2 * TPropDelay+TFram eOffset+TchipOffset+RX-TXdelay'也就是说，相对于基站系统时间(BFN )，DPCH信道的捕获起始 时间为 ^DPCH_start — TCeii+TTsd+TEXD+2 Tp_elay+TFrame0ffset+TchipC)ffset+Rx_Txdelay。对比图2和图3可以看出，搜索区间主要包括因路径传播带来的双向时延(Round Trip Delay，RDT)、卫星(基站)发射射频通道处理时延TTxd以及卫星(基站)接收射频通 道处理时延T·。由于帧偏移(TFrameMfsrt)、码片偏移(Tchipwfset)以及波束(小区)时间偏移 (Tcell)等都是已知的，那么通过PRACH捕获搜索，得到的PRACH搜索值tpM。h delay，经过一系列 已知条件(帧偏移、码片偏移、以及上/下行发射固定延时)的修正，可用于DPCH的捕获，
如下面公式所不tDPCH—start—time 一 tprach_delay+TFrame0ffSet+Tchip0ffset+Rx_Txdelay ο另外，PRACH接入捕获之后，距离DPCH信道的接入在时间上有一个或几个无线帧 的间隔，此时UE对于卫星(基站)的空间距离可能有些变化，引入窄搜索(以UE相对于卫星距离变化的特性选取)，对估算出的搜索起始时间进行搜索校正。而对于由相邻波束越区而来的DPCH信道，由于波束交叠区波束增益起伏以及图 案不规则等原因，信号强度会有起伏，欲精确地估算其搜索窗的起始位置和搜索区间，比较 困难，因此，本发明采用宽搜索的方法，可以提高搜索概率，使软切换顺利完成。综上所述，在卫星WCDMA移动通信系统中，由于信道环境变化缓慢，而且星上处理 资源十分有限，本发明方法将PRACH信道的捕获和DPDH信道的捕获相关联，扰码的捕获采 用“PRACH粗捕获、DPCH信道窄搜索(宽搜索)细捕获和DPCH扰码跟踪”的方案来实现，适 合于卫星信道环境，可以简化星上实现复杂度。如图4所示，为本发明PRACH接入前导捕获的原理图。图中，相关或匹配运算完成 对前导信号的解扰、去旋转以及解扩，产生16点Hadamard变换的16个输入值；FHT是快速 Hadamard变换；扰码发生器产生本地扰码，并对扰码实部进行pi/4旋转产生的I、Q两路扰 码用于相关或匹配运算；扰码序号由卫星系统下配给扰码发生器。门限判决完成对签名能 量的判决，记录签名能量大于门限的签名序列、签名相位、签名能量等信息，门限阈值由系 统要求的捕获概率和虚警概率计算得到，并由卫星系统下配给门限判决器。窄搜索主要补偿前导捕获后到DPCH接收时这一段时间内、UE (用户设备)相对于 卫星(基站)的位置变化而导致的DPCH扰码与计算得到的本地扰码相位之间的变化，从而 实现DPCH信道与本地扰码之间的精确同步。搜索范围即变化距离/每码片无线电波传播 距离(WCDMA空中接口无线传输速率为3. 84MchipS/S，无线电波的传播速度为300000km/s， 则每码片无线电波传播距离=300000km/s * (lchip/3. 84Mchips/s) = 78. 125m)。窄搜索 的范围与UE的运动状态有关，UE速度越高搜索区间越大。例如，当UE以最大200km/h的速 度运动时，其接入前导发射时间到DPCH发射时间的时间差一般都是秒级，若以5s来计算， 那么5s时间内UE距离GEO卫星的距离变化最大为277. 8m(277. 8 = 200000 + 3600X5，即 UE最大速率乘以5s)，约为3. 6个码片(277. 8m/78. 125m)的变化量。此时，在通过签名相 位得到的搜索起始时间的基础上，进行士 N个码片(N > PRACH前导捕获到DPCH接收时这 一段时间内UE距卫星的最大距离对应的chip数值，计算可参考公式UE最大相对于卫星 最大速度*该段时间/每chip无线电波传播距离，通过对UE发出的DPCH信道信号与本地 扰码进行相关或匹配，求取相关峰，调整本地扰码相位，实现细捕获。换言之，窄搜索是搜索 接入前导对应的信道的DPCH单径延迟量，然后进行波束内DPCH信道的解扩解调。对由相邻波束越区而来的用户DPCH信道进行宽搜索。这里的宽搜索，是在搜索起 始时间的基础上，其搜索范围相对于窄搜索较大而言。对该搜索范围的计算，主要与波束的 交叠区的特性有关，可由经验数据得到，一般为该用户在原来波束内窄搜索区间的2倍，由 系统分配指示信息告知。但是，在波束交叠区信号强度存在起伏，如果上层切换太仓促，会 增加宽搜索接收的难度，建议信号强度稳定时上层执行切换指示。跨越波束即将越入本波束的用户DPCH信道，根据用户在原来波束下的相对于物 理信道的时间参考的延时，计算在新波束下的搜索起始时间，如下述公式所示^DPCH_start_time — ^pre_T_cell —八 Ττ—cell其中，tpre_T cell为用户在原来波束下的相对于原波束时间基准的延时，ATt to11为 当前波束与原来波束之间波束时间偏移(Tmi)之差绝对值。如果当前波束的时间偏移超前 于原来的波束，则取“ + ”，否则取“_”。
需要注意的是，对任意一条上行DPCH信道，无论经历窄搜索接收还是宽搜索接 收，其扰码捕获过程皆为通过对PRACH前导的捕获实现对上行DPCH信道的粗捕获，窄 (宽)搜索进行细捕获，解扩解调单元进行跟踪，从而实现扰码的精确同步。宽(窄)搜索的基本原理是根据PN序列的自相关性，接收端能够从本地序列和接 收序列的相关运算中得到不同的相关值。接收机开始接收发送来的扩频信号时，调整和选 择接收机的本地扩频序列相位，当本地序列和接收序列的相位误差在很小的范围之内时， 得到的相关值较尖锐。通过设定适当的相关值门限，可以初步判断接收端是否达到了相位 同步。在实际系统中，都是通过类似的方法来实现PN码的同步。现有的多径搜索算法中，用扰码与接收信号进行滑动相关积分，得到期望用户的 复数相关函数CRF(Complex Relation Function)，然后取复数相关函数实部和虚部的平 方和，得到功率时延函数PDP (Power Delay Profile)，功率时延函数其实就是扰码与接收 信号的相干函数的模值平方。然后从功率时延函数中找出函数值较大(即相关值较大、 功率较大)或者大于一定门限的峰值位置就认为是多径时延的位置。这种方法见于以 下文献祁玉生、邵世祥编著《现代移动通信系统》(人民邮电出版社)，A. J. Viterbi的 ((CDMA Principles of Spread Spectrum Communication)) (Addision_ffes 1 ey Publishing Company)等。如前所述，由于GEO卫星信道的特点，以莱斯(Rice)信道为主，而瑞利信道极少。 莱斯信道中又常常含有直射径(LOS)，且主径的能量占信号能量的绝大部分，那么，在搜索 时便可以舍弃能量弱小的径，直接搜索主径。搜索主径即对接收信号的单径延迟量进行搜索，通过本地扰码S(k)和波束输入
的基带数字接收信号R(k)，根据公式PDPO)= + V(幻f进行匹配运算，得到不
k=0
同时延时的相关值，即功率时延函数PDP (η)。其中K为相关积分长度，即采样点数目，“ 表示复数共扼。K值越大，PDP的信噪比越高，但计算量变大，因此需要折中选择。在宽 搜索中，K可以选取搜索范围的8 16倍，在窄搜索中，K可以选取搜索范围的4 8倍。利用PDP值的统计特性如最大值、最小值和均值得到计算出滤波门限，大于门限 的、最大的函数值即为主径，其对应的延时即为时间延时。这个延时用于解扩跟踪时的延时 调整，实现本地扰码与接收信号的精确同步。本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
权利要求
一种基于WCDMA体制的用户信道星上捕获方法，其特征在于步骤如下(1)在波束的接入时隙上获取用户设备发射的PRACH接入前导的签名信息，并根据签名信息筛选出准入用户，所述的签名信息包括用户信道签名能量、签名序列以及签名相位；(2)确定准入用户所在波束，如果准入用户所在波束为本波束则转步骤(3)，如果准入用户所在波束为跨越波束则转步骤(5)，所述的本波束为卫星接收到的各输入波束信号中正在被处理的波束，其余波束为跨越波束；(3)利用准入用户信道的签名相位确定与该准入用户对应的DPCH信道的搜索起始时间和搜索区间；搜索起始时间tDPCH_start_time＝tprach_delay+TFrameOffset+TChipOffset+Rx_Txdelay，其中tprach_delay为签名相位，TFrameOffset为帧偏移，TChipOffset为码片偏移，Rx_Txdelay为上行物理信道帧与下行物理信道帧之间的固定延时；搜索半径为前导捕获后至DPCH接收这一时间段内用户相对于卫星的变化距离Linterval与每个码片无线电波传播距离Lsignal/chip的比值，单位为chip；(4)根据步骤(3)的结果，在搜索区间内搜索本波束内准入用户对应的DPCH信道的单径延迟量，然后利用对应的扰码和扩频码信息对DPCH信道进行扰码跟踪，实现解扩解调；(5)为跨越波束准入用户在本波束内分配DPCH信道，以本波束的基准时间为参考，确定该跨越波束准入用户对应的DPCH信道在本波束内的搜索起始时间和搜索区间；搜索起始时间tDPCH_start_time＝tpre_T_cell±ΔTT_cell，其中tpre_T_cell为跨越波束准入用户在原来波束下的相对于原来波束基准时间的延时，ΔTT_cell为当前波束与原来波束之间波束时间偏移TCell之差的绝对值，如果当前波束的时间偏移超前于原波束，则取“+”，否则取“ ”；搜索半径N＞＝2＊Linterval/Lsignal/chip，单位为chip；(6)根据步骤(5)的结果，在搜索区间内搜索与所述跨越波束准入用户对应的DPCH信道的单径延迟量，然后利用对应的扰码和扩频码信息对DPCH信道进行扰码跟踪，实现解扩解调。
2.根据权利要求1所述的一种基于WCDMA体制的用户信道星上捕获方法， 其特征在于所述步骤⑷或步骤(6)中单径延迟量的搜索方法为根据公式 2进行匹配运算，得到不同时延时的相关值，其中PDP(n)为功 率时延函数，S(k)为本地扰码，R(k)为波束输入的基带数字接收信号，*表示复数共扼，K为 相关积分长度，对于步骤(4)中的搜索，K选取搜索范围的8 16倍，对于步骤(6)中的搜 索，K选取搜索范围的4 8倍。
3.根据权利要求1所述的一种基于WCDMA体制的用户信道星上捕获方法，其特征在于 所述步骤(1)中筛选准入用户的方法为对PRACH接入前导的签名能量进行相关或匹配处 理，然后对相关或匹配处理结果进行Hadamard变换，最后将签名能量满足信道签名能量阈 值的PRACH接入前导所对应的用户作为准入用户。
全文摘要
一种基于WCDMA体制的用户信道星上捕获方法，首先在波束接入时隙上根据PRACH接入前导的签名信息筛选出准入用户，然后确定准入用户所在波束为本波束或者跨越波束。如果是本波束，则利用签名相位确定与该准入用户对应的DPCH信道的搜索起始时间和搜索区间，在搜索区间内搜索本波束内准入用户对应的DPCH信道的单径延迟量，然后对DPCH信道进行扰码跟踪。如果是跨越波束准入用户，则为其在本波束内分配DPCH信道，以本波束的基准时间为参考，确定该跨越波束准入用户对应的DPCH信道在本波束内的搜索起始时间和搜索区间，在搜索区间内搜索本波束内跨越波束准入用户对应的DPCH信道的单径延迟量，然后对DPCH信道进行扰码跟踪。
文档编号H04B1/707GK101908906SQ201010255688
公开日2010年12月8日 申请日期2010年8月18日 优先权日2010年8月18日
发明者侴胜男, 李阳, 李雄飞, 王毅, 肖建红, 赵雨, 陶孝锋 申请人:西安空间无线电技术研究所