专利名称：Wcdma小区搜索中扰码组号的判别方法和帧同步装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及第三代移动通信中FDD(频分双工)模式的WCDMA(宽带码分多址)系统，具体地说涉及WCDMA系统中MS(移动终端)的小区搜索技术。
一般说来，蜂窝式系统需要两种小区搜索，即识别到移动台的初始小区的初始小区搜索以及搜索切换邻近小区时的邻近小区搜索。DS-CDMA(直接扩频码分多址)蜂窝系统可分成两类，即在所有基站间进行严格的即时同步的基站间同步系统，以及不进行即时同步的基站间异步系统。基站间同步系统使用其他系统诸如GPS(全球定位系统)来实现基站间的同步。WCDMA是基站间异步系统。这样移动台可以直接接收来自邻近基站的传输延迟信息，所以可以较高的速度进行用于切换的邻近小区搜索。但是，在初始小区搜索中因为基站采用长扰码作为扩频码，使得小区搜索变得相对复杂和困难。
在WCDMA系统中，小区搜索的实现一般采用三步搜索法。第一步，捕获基本同步信道，完成时隙同步，识别出最强基站；第二步，捕获辅助同步信道，完成帧同步，识别出扰码组信息；第三步，对基本公共控制物理信道求相关，识别出本小区所采用的扰码。帧同步是小区搜索的第二步，是在取得时隙同步的基础上用于实现对辅助同步信道的捕获，并获得帧同步及扰码组号，为小区搜索第三步的扰码识别提供时间基准。帧同步是针对一种特定的编码方式而采取的同步捕获技术，这种特定的编码是指辅助同步信道码，其编码格式来自3GPP TS25.213V2.30的规定(3GPP是一个被称为“第三代移动通信伙伴计划”的国际组织)。但是，在目前已经公开的文献和各种资料中还没有发现专门针对此种编码的帧同步技术。
本发明的目的是提出一种用于WCDMA小区搜索中扰码组号的判别方法以及使用这种方法的一种电路结构简单，捕获速度快的帧同步装置。
一种WCDMA小区搜索帧同步装置中的扰码组号的判别方法，是利用接收到的连续的任意3～5个码号来判别扰码组号。
可以取帧头的连续三个码号来判别扰码组号。
也可以取帧头的连续三个码号和固定帧偏置5～9个时隙后的连续三个码号共同来判别扰码组号。
具体应用中取帧头的连续三个码号和固定帧偏置7个时隙后的连续三个码号即第8、9、10三个码号进行扰码组号的判别。
为了进一步降低误帧率，在n个时隙内对识别出来的扰码组号进行计数；每识别出一个扰码组号，就将该扰码组号出现的次数加1，并比较所有扰码组号的出现次数；如果该扰码组号对应的出现次数最多，则输出该扰码组号和帧同步信号，否则输出出现次数最多的那个扰码组号和帧同步信号；当到达设定的时间长度时，将所有计数器清零，并重新开始计数。
扰码组号的判别流程如下(1)提取连续的三个输入码号；(2)判断是否为帧头的连续三个码号；(3)如果是帧头的连续三个码号，则判别出该扰码组号并将此扰码组号的出现次数加1；(4)判断得到的扰码组号出现的次数是否最多，如果是，则输出该扰码组号和帧同步信号，否则输出出现次数最多的码组号和帧同步信号；(5)如果不是帧头的连续三个码号，则继续判断是否为固定帧偏置n个时隙后的连续三个码号；(6)如果是固定帧偏置n个时隙后的连续三个码号，则判别出该扰码组号并将此扰码组号的出现次数加1；(7)判断得到的扰码组号出现的次数是否最多，如果是，则输出该扰码组号和帧同步信号，否则输出出现次数最多的码组号和帧同步信号；(8)如果不是固定帧偏置n个时隙后的连续三个码号，则返回第一步，提取新的连续的三个输入码号进行判别。
一种WCDMA小区搜索中的帧同步装置，其特征在于包括A/D转换模块，去Z序列乘法器模块，向量压缩变换模块，门限比较判决模块和有限状态机模块；所述的向量压缩变换模块包括向量压缩模块和快速哈达马变换模块；所述的有限状态机模块使用上面所述的方法进行扰码组号的判别；基带模拟信号经A/D转换后进入乘法器与Z序列相乘，而后依次经过向量压缩模块、快速哈达马变换模块和门限比较判决模块后进入有限状态机模块，最后输出扰码组号和帧同步信号。
所述的向量压缩模块是将256个采样的哈达马(Hadamard)序列压缩成16个采样的序列，具体方法是将每16个采样进行一次平均运算，得到16个平均值。
所述的A/D转换模块的采样速率为1倍码片速率。
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
图1是扰码组号的判别流程；图2是帧同步装置的总体结构框图；图3是帧同步装置的详细结构示意图。
首先介绍一下辅助同步信道码。辅助同步信道码共有16种码字，所以在发送每个时隙时有16种码字可供选择，在每一帧(15个时隙)中实际使用64种排列组合方式，对应于辅助同步信道码组号，也就对应于64个扰码组。值得注意的是这64组序列是为了缩短搜索时间而专门设计的，每一组循环移位后，与其他63组序列都不会相同。
辅助同步信道码具体的16种码字来自于哈达马矩阵{C1，…，C16}，是由哈达马序列和Z序列模2加产生的。
先说明Z序列。设 a=<X1，X2，X3，…，X16>=<0，0，0，0，0，0，1，1，0，1，0，1，0，1，1，0>
b=<x1，x2，…，x8，x9，x10，…，x16>
则序列z={b，b，b，b，b，b，b，b，b，b，b，b，b，b，b，b}哈达马序列(行)可由矩阵H8递归得到
第0行位于矩阵的最顶层(全零序列)hn表示哈达马矩阵第n行的序列。
辅助同步信道的码字是由矩阵H8的每16行中选取一个，所以一共可以有16种可能的码字，其码序号为n=0，16，32，48，64，80，96，112，128，144，160，176，192，208，224，240。
设，hn(i)和z(i)分别表示序列hn和z，的第i个符号，n表示第n个同步码。
CSCH，n=<hn(0)+z(0)，hn(1)+z(1)，hn(2)+z(2)，…，hn(255)+z(255)>(2)以上所有运算均采用模2加。
同步信道的二进制码字在实际发送时被转换为实数值序列‘0’-＞‘+1’，‘1’-＞‘-1’。
辅助同步信道码字的定义为CSCH，n，即{C1，…，C16}Ci=CSCH，i，i=1，…，16有限状态机是帧同步装置的核心部件，主要作用是在较短的时间内，通过相关比较的方法，判别得到扰码组号。辅助同步信道码共有16种码字，每个时隙用到其中一个，可以重复。每个组号与本小区主扰码所在扰码组组号一一对应，按3GPP标准制定的64×15的码表如下
图中号码1～16即辅助同步信道码字的序号。
由上表可以看出，经过特别设计的64组扰码是两两不同的，所以有限状态机的工作就是要根据快速哈达码变换的结果，通过查表比较(硬件实现称为有限状态机)，确定当前帧的码组号以及完成帧同步。
最容易想到的也是最简单的实现算法是将整个码表存起来，然后逐一与快速哈达马变换的结果比较，记录比较结果，然后判断出码组号。从硬件资源的角度考虑，这样做需要做大量的运算，而且比较的速度慢。最佳的算法应该是硬件开销小，比较次数少，识别速度快的算法。
经过分析与测试，我们发现码表中任意连续的至少三个码号组成的码号序列是没有重复的。例如，第二组码号序列为C1，C1，C5，C16，C7，C3，C14，C16，C3，C10，C5，C12，C14，C12，C10，其中开始的连续三个码号为C1，C1，C5，其次为C1，C5，C16，这两个码号序列在别的码组中是没有的，也即是说，出现这两个码序列中的任意一个都可以确定码组号为“二”。因此，最少要连续三个码号，就能确定码组号了。但是，这需要将所有可能的连续三个码号序列存储起来，所需资源还是很大，比较时间也会很长(因为比较是用接收到的三个连续码号序列与存储的所有码号序列比较)，更重要的是无法确定帧同步。但是我们可以对帧头的三个连续码号进行判断，如上例中的C1，C1，C5。这样，比较的次数和需要存储的内容就少多了。每得到三个码号，就与存储的64个序列依次进行比较，如果两序列相等，就得到对应的码组号，同时获得了帧头的位置，也即完成了帧同步；如果不相等，取入一个新的码号，以此组成新的连续三码号序列进行比较。
这种方法的优点是比较操作简单，比较时间少，所需硬件资源少。但也有缺点1.第一次识别码组号及捕获帧同步的时间长。因为当帧头的偏置达到15个时隙时(即一帧的第一个码号在第15个时隙出现)，则接下来的两个码号在第二帧里出现，这时码组号识别最长要17个时隙才能完成，同样帧同步也要17个时隙。2.识别及捕获受信道衰落影响大。当帧头的三个连续码号在衰落大的时候出现时，即码号对应的FHT变换输出峰值的幅度很小，则系统容易漏判或错判，从而直接造成识别时间变长或误帧率上升。这种影响在慢速移动时较小，但在快速的情况下尤为明显。
因此，除判断帧头的三个连续码号外，可以同时对一帧中间的三个连续码号进行判断。一般取即固定帧偏置5～9个时隙后的连续三个码号进行判断。在实际应用中，我们选用了固定帧偏置7个时隙即第8，9，10三个码号来进行判断是否为帧中间的码号序列。当输入三个码号时，先判断该序列是否为帧头的序列；是，则得到码组号和帧同步，不是则判断是否为帧中间的序列；是，则得到码组号和帧同步，不是，则取入一个新的码号，组成一个新的序列再进行比较判断。这种方法与前一种方法比较，操作稍复杂些，比较时间也长了一倍，需要的存储空间也多了一倍；但识别码组号和捕获帧同步的时间缩短了一半，而且受信道衰落的影响也小了，因为在快速移动的情况下，大衰落若出现在帧头的位置，但不一定同时也出现在帧中间(两处间隔7个时隙，即4.67ms，在快衰落时，衰落大小会有所变化)。综合看来，这种方法相当于将前一种方法的优缺点做了折中处理。
为了进一步降低误帧率，我们还采用了以下方法对识别出来的码组号在一定时间(n个时隙)内进行计数。每识别出一个码组号，就将该码组号出现的次数加1，并比较所有码组号的出现次数；如果刚得到的码组号对应的次数最大，就将所得码组号输出，否则输出出现次数最多的码组号。当到达设定时间长度时，将所有计数器清零，并重新开始计数。一般情况下，由于噪声或衰落造成的错判的结果是随机的，某一错判值在一定时间内重复的概率非常小，而当信噪比足够大时，正确判断的结果都是一样的，因此正确值就会比错判值出现的次数多，从而大大减少了由于某一帧的扰码组号的错判造成全帧都是误码的情况。
图1表示了扰码组号的判别流程，也就是有限状态机的整个工作流程(1)提取连续的三个输入码号；(2)判断是否为帧头的连续三个码号；(3)如果是帧头的连续三个码号，则判别出该扰码组号并将此扰码组号的出现次数加1；(4)判断得到的扰码组号出现的次数是否最多，如果是，则输出该扰码组号和帧同步信号，否则输出出现次数最多的码组号和帧同步信号；(5)如果不是帧头的连续三个码号，则继续判断是否为固定帧偏置n个时隙后的连续三个码号；(6)如果是固定帧偏置n个时隙后的连续三个码号，则判别出该扰码组号并将此扰码组号的出现次数加1；(7)判断得到的扰码组号出现的次数是否最多，如果是，则输出该扰码组号和帧同步信号，否则输出出现次数最多的码组号和帧同步信号；(8)如果不是固定帧偏置n个时隙后的连续三个码号，则返回第一步，提取新的连续的三个输入码号进行判别。
图2是帧同步装置的总体结构框图，如图2所示，帧同步装置包括A/D转换模块11，去Z序列乘法器模块12，向量压缩变换模块13，门限比较判决模块14和有限状态机模块15。输入的是基带模拟信号，输出扰码组号和帧同步信号。
图3是帧同步装置的详细结构示意图，如图3所示，基带模拟信号分成I、Q两路，每一路分别进行处理和运算，向量压缩变换模块13包括向量压缩模块和快速哈达马变换模块(FHT)两部分。A/D转换模块11负责将基带模拟信号转换为数字信号；乘法器将辅助同步信道码中所加入的Z序列去除，恢复成哈达马序列；向量压缩模块对输入的256长度的哈达马向量，采用一种压缩算法，将其压缩为16位长的向量；快速哈达马变换模块(FHT)对于16位长的向量，进行快速哈达马变换，最后得到一个16×1的列矩阵；门限判决模块从16×1的列矩阵中选定一个绝对值最大的行(通过与设定的门限比较得到)，记录其行号；比较器对I、Q两路的判决结果进行比较，对帧同步进行确认；有限状态机进行码树搜索，得到本小区的扰码组号。
具体的信号处理过程如下首先，将接收进来的I、Q两路串行基带模拟信号经A/D转换后，成为数字信号，然后进入乘法器与Z序列相乘。在辅助同步信道码形成时，是将哈达马序列乘以Z序列以后产生的，加进Z序列的目的是减小哈达马序列与基本同步信道码的互相关性，使得在接收端不会因为两种码序列通过无线信道形成的互相关性造成无法判决或误判，所以在接收端必须先要去除Z序列。因为Z序列全是“+1”或“-1”，所以只需要简单的相乘运算即可去除Z序列。接着，信号进入向量压缩模块，即以时隙同步作为时间基准，对进入的256个采样进行压缩运算。压缩算法主要目的是将256长度的哈达马序列压缩为16位，这样是为了减少后面处理的运算量，直接对256个采样进行求相关，其运算量要比16个采样的运算量大几乎16倍。压缩算法如下h16(n)=(1/16)(sigma(h256n(16n+k)*h16m(k))n=0，1，2，…15，k=0，1，2，…15，m=1h16(n)表示压缩以后的哈达马序列的第n个元素，h256n表示接收到的256阶哈达马矩阵的第n行，h16m是16阶的哈达马矩阵的第m行，实际取m=1，实际上它是一个全“1”的序列，所以在实现时，并不需要真正相乘运算。由上述压缩算法可以看出，实际上是对每16个采样进行一次平均运算，那么256个采样输入后，就会得到16个平均值。将压缩后的向量进行快速哈达马变换。快速哈达马变换是将矩阵乘法(求相关)简化为加法运算的一种快速算法，可以有效减小运算量。对于256个采样的直接相关运算需要作256×(256-1)=65280次加减运算，而采用FHT算法只需要(256-1)×8=2040次加减法运算，显然极大地减小了运算量，使得硬件消耗变得很少。
经过快速哈达马变换以后输出的相关峰值进入门限判决模块，得到当前时隙的辅助同步信道码(c1～c16)。将I、Q两路输出的判决结果进行比较，如果两路输出结果不相同，则认为判决失败，输出是无效的，只有当两路输出结果相同才认为是有效的结果，将此辅助同步信道码号送给有限状态机进行判别，最后得到扰码组号和帧同步信号由于有限状态机充分利用辅助同步信道码的特性，用连续三个码号序列进行扰码组号的判别，大大减少了运算量，硬件资源消耗少，因此本发明装置实现起来电路结构简单；压缩算法和快速哈达马变换的采用，更加保证了本发明装置具有较快的捕获速度。
权利要求
1．一种WCDMA小区搜索帧同步装置中扰码组号的判别方法，其特征在于利用接收到的连续的任意3～5个码号来判别扰码组号。
2．如权利要求1所述的一种WCDMA小区搜索帧同步装置中扰码组号的判别方法，其特征在于取帧头的连续的任意三个码号来进行扰码组号的判别。
3．如权利要求1所述的一种WCDMA小区搜索帧同步装置中扰码组号的判别方法，其特征在于取帧头的连续三个码号和固定帧偏置5～9个时隙后的连续三个码号来进行扰码组号的判别。
4．如权利要求3所述的一种WCDMA小区搜索帧同步装置中扰码组号的判别方法，其特征在于取帧头的连续三个码号和固定帧偏置7个时隙后的连续三个码号即第8、9、10三个码号进行扰码组号的判别。
5．如权利要求2或3或4所述的一种WCDMA小区搜索帧同步装置中扰码组号的判别方法，其特征在于在n个时隙内对识别出来的扰码组号进行计数；每识别出一个扰码组号，就将该扰码组号出现的次数加1，并比较所有扰码组号的出现次数；如果该扰码组号对应的出现次数最多，则输出该扰码组号和帧同步信号，否则输出出现次数最多的那个扰码组号和帧同步信号；当到达设定的时间长度时，将所有计数器清零，并重新开始计数。
6．如权利要求1所述的一种WCDMA小区搜索帧同步装置中扰码组号的判别方法，其特征在于，判别流程如下(1)提取连续的三个输入码号；(2)判断是否为帧头的连续三个码号；(3)如果是帧头的连续三个码号，则判别出该扰码组号并将此扰码组号的出现次数加1；(4)判断得到的扰码组号出现的次数是否最多，如果是，则输出该扰码组号和帧同步信号，否则输出出现次数最多的码组号和帧同步信号；(5)如果不是帧头的连续三个码号，则继续判断是否为固定帧偏置n个时隙后的连续三个码号；(6)如果是固定帧偏置n个时隙后的连续三个码号，则判别出该扰码组号并将此扰码组号的出现次数加1；(7)判断得到的扰码组号出现的次数是否最多，如果是，则输出该扰码组号和帧同步信号，否则输出出现次数最多的码组号和帧同步信号；(8)如果不是固定帧偏置n个时隙后的连续三个码号，则返回第一步，提取新的连续的三个输入码号进行判别。
7．一种WCDMA小区搜索中的帧同步装置，其特征在于包括A/D转换模块(11)，去Z序列乘法器模块(12)，向量压缩变换模块(13)，门限比较判决模块(14)和有限状态机模块(15)；所述的向量压缩变换模块(13)包括向量压缩模块和快速哈达马变换模块；所述的有限状态机模块(15)使用如权利要求1所述的方法进行扰码组号的判别；基带模拟信号经A/D转换后进入乘法器与Z序列相乘，而后依次经过向量压缩模块、快速哈达马变换模块和门限比较判决模块(14)后进入有限状态机模块(15)，最后输出扰码组号和帧同步信号。
8．如权利要求7所述的一种WCDMA小区搜索中的帧同步装置，其特征在于所述的向量压缩模块是将256个采样的哈达马序列压缩成16个采样的序列，具体方法是将每16个采样进行一次平均运算，得到16个平均值。
9．如权利要求7所述的一种WCDMA小区搜索中的帧同步装置，其特征在于所述的A/D转换模块(11)的采样速率为1倍码片速率。
全文摘要
本发明公开了WCDMA小区搜索中扰码组号的判别方法及使用这种方法的帧同步装置。帧同步装置包括A/D转换模块,去Z序列乘法器模块,向量压缩交换模块,门限比较判决模块和有限状态机模块;向量压缩变换模块包括向量压缩模块和快速哈达马变换模块;基带模拟信号经A/D转换后进入乘法器与Z序列相乘,而后依次经过向量压缩、快速哈达马变换和门限比较判决后进入有限状态机,最后输出扰码组号和帧同步信号。本发明电路结构简单,捕获速度快。
文档编号H04W56/00GK1286548SQ99117209
公开日2001年3月7日 申请日期1999年11月12日 优先权日1999年11月12日
发明者张军, 莫毅群 申请人:深圳市中兴通讯股份有限公司