一種實(shí)現(xiàn)下行同步序列快速搜索的新方法

何 維，劉永康，陳國平，田增山

（重慶郵電大學(xué)無線定位與空間測(cè)量研究所，重慶 400065）

0 引言

手機(jī)探測(cè)在災(zāi)害救援、國防、刑偵等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用［1］。在進(jìn)行便攜式手機(jī)探測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，首先應(yīng)進(jìn)行在移動(dòng)端物理層處理中具有非常重要作用的小區(qū)搜索過程［2］。該過程最關(guān)鍵的部分是要完成對(duì)下行數(shù)據(jù)的同步。本文以TD－SCDMA系統(tǒng)為例，對(duì)這一同步過程進(jìn)行探討。

TD－SCDMA系統(tǒng)的下行同步主要是通過對(duì)下行同步序列（summarized the existing downlink synchronization sequence，SYNC_DL）的搜索來完成［3］。同步可采用遍歷相關(guān)的時(shí)域查找方法實(shí)現(xiàn)，這種方法是將收到的所有數(shù)據(jù)與同步序列直接進(jìn)行相關(guān)，然后取最大相關(guān)值對(duì)應(yīng)的位置為下行同步序列所在的位置［4］。這種方法雖然在算法上很簡單，但是在實(shí)際工程中，由于目標(biāo)平臺(tái)的計(jì)算資源有限，這一方法的實(shí)用性較小。一些改進(jìn)的方法，包括采用功率特征窗的搜索方法［5－7］等，由于利用了系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)特性，可使計(jì)算量大幅降低。針對(duì)搜索正確率，計(jì)算復(fù)雜度，計(jì)算量等指標(biāo)，對(duì)這些方法進(jìn)行詳細(xì)的比較后，本文設(shè)計(jì)了一種新的利用TD－SCDMA的邏輯特征窗進(jìn)行搜索的簡便方法，并應(yīng)用到實(shí)測(cè)的TD－SCDMA數(shù)據(jù)中，仿真和對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用表明，所提出的方法在SNR大于－6 dB以上時(shí)，性能與直接相關(guān)搜索方法基本一致，計(jì)算效率較后者高近30倍。但在更低的信噪比環(huán)境下，該方法的正確率會(huì)明顯降低。

1 時(shí)域遍歷相關(guān)

長為64碼片的SYNC_DL在子幀中的位置確定。并且每5 ms就傳送一次。時(shí)域中可以采用標(biāo)準(zhǔn)的最大似然（maximum likelihood）檢測(cè)。其方法是每收到一個(gè)碼片便將收到的信號(hào)與所有可能的32個(gè)SYNC_DL做相關(guān)運(yùn)算。相關(guān)值取最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的位置即為該SYNC_DL的起始位置［4］。

定義接收到的信號(hào)為

可能的32個(gè)SYNC_DL為

（2）式中，s（l）i是經(jīng)過QPSK調(diào)制的符號(hào)。

把接收到的信號(hào){r}和SYNC_DL{s（l）}做相關(guān)運(yùn)算得到

得到一組{l，i}值，其中，i即為SYNC_DL初始位置的估值。

對(duì)其計(jì)算量進(jìn)行以下評(píng)估。

由于采取的是逐碼片遍歷相關(guān)，對(duì)一個(gè)子幀中的6 400個(gè)碼片都要分別以之為起始位置進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，故對(duì)于32個(gè)可能的SYNC_DL共需進(jìn)行6 400×32次相關(guān)運(yùn)算。每次相關(guān)運(yùn)算需要的復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算次數(shù)為64次，而每一次復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算可以分解為4次實(shí)數(shù)乘法運(yùn)算，故總共需要進(jìn)行6 400×32×64×4=52 428 800次乘法運(yùn)算（加法運(yùn)算忽略不計(jì)）。

2 功率特征窗搜索

時(shí)域遍歷相關(guān)的同步檢測(cè)法是以DwPTS（downlink pilot time slot）中的SYNC_DL為目標(biāo)搜索，通過與32個(gè)可能值的比較確定同步位置，這種方法并沒有利用系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)的特性。因而計(jì)算量十分龐大不利于工程中應(yīng)用。TD－SCDMA的幀結(jié)構(gòu)［8］如圖1 所示。

從圖1可以看出，SYNC_DL的兩端各有一個(gè)GP（guard period）區(qū)。它們是TS0時(shí)隙的拖尾保護(hù)GP，DwPTS的保護(hù)GP和上行保護(hù)時(shí)隙GP，其功率即為噪聲的功率。而SYNC_DL在整個(gè)小區(qū)內(nèi)通常以最強(qiáng)功率（一般為全功率）發(fā)射，因此可選取一個(gè)128碼片長度的特征窗，用特征窗中部的64個(gè)碼片功率之和除以頭部和尾部的2個(gè)32碼片的功率之和。當(dāng)特征窗內(nèi)的數(shù)據(jù)由64個(gè)碼片的SYNC_DL和前后相鄰的2個(gè)32碼片的GP組成時(shí)，特征窗的功率和之比會(huì)很大。通過在5 ms幀信號(hào)上移動(dòng)特征窗，功率和比值最大的位置就是SYNC_DL所在位置的粗略估值［5－7］。

圖1 TD－SCDMA的幀結(jié)構(gòu)Fig.1 Frame stucture of TD－SCDMA

定義接收到的各碼片信號(hào)的功率為

（5）式中，pi=［abs（ri）］2。

特征窗中部與兩邊的功率比為

則由

得到一個(gè)i值，則i+32即為SYNC_DL初始位置的估值。

對(duì)其計(jì)算量進(jìn)行以下評(píng)估。對(duì)每一碼片計(jì)算其功率需要2次乘法運(yùn)算和1次加法運(yùn)算。特征窗每滑動(dòng)一次，需要128次加法運(yùn)算和一次乘法運(yùn)算，則對(duì)于6 400碼片，總共需要進(jìn)行（128+1）×6 400=825 600次加法運(yùn)算、12 800次乘法運(yùn)算和6 400次除法運(yùn)算。

3 邏輯特征窗搜索

3.1 基本思想

本方法的基本思想仍來源于為前面所提到的SYNC_DL附近特殊的幀結(jié)構(gòu)。

在SYNC_DL前存在有48碼片的GP，其后存在96碼片的GP，據(jù)此我們可以構(gòu)造出一個(gè)長為208碼片的標(biāo)準(zhǔn)邏輯特征窗如圖2所示。其前48碼片及后96碼片設(shè)為邏輯0，中間64碼片設(shè)為邏輯1。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)邏輯特征窗Fig.2 Standard logical characteristic window

對(duì)于接收到的信號(hào)，首先求得各碼片的功率，然后以平均功率為參照設(shè)定出一個(gè)門限值，把高于此門限的碼片設(shè)定為邏輯1，低于此門限的碼片設(shè)定為邏輯0，由此我們可以得到接收數(shù)據(jù)的邏輯特性。

從接收數(shù)據(jù)中選取長為208碼片的邏輯窗，將其與標(biāo)準(zhǔn)特征窗中的邏輯值進(jìn)行同或運(yùn)算。當(dāng)選取的邏輯窗內(nèi)的數(shù)據(jù)由64個(gè)碼片的SYNC_DL和前后相鄰的2個(gè)GP塊組成時(shí)，所得結(jié)果中邏輯1的個(gè)數(shù)會(huì)很多。通過在5 ms幀信號(hào)上移動(dòng)特征窗，結(jié)果中邏輯1個(gè)數(shù)最多的位置就是SYNC_DL所在位置的粗略估值。

定義接收到的信號(hào)的平均功率為pmean，即

當(dāng)pi＜3pmean，取對(duì)應(yīng)的邏輯值li為0，否則取1。依次可得出一個(gè)子幀數(shù)據(jù)的邏輯特征序列

將（9）式與標(biāo)準(zhǔn)邏輯特征窗

進(jìn)行同或運(yùn)算，其結(jié)果為

（11）式中，xnor表示進(jìn)行同或運(yùn)算。

則由

得到一個(gè)值，則+48即為SYNC_DL初始位置的估值。其流程圖如圖3所示。

該算法的顯著特點(diǎn)是僅有極少量的數(shù)值計(jì)算過程，其實(shí)現(xiàn)主要是通過一系列的邏輯關(guān)系及運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)，從而在最大程度上減少了計(jì)算量。

圖3 邏輯特征窗法搜索流程圖Fig.3 Flow chart of logical characteristic window method

3.2 數(shù)據(jù)仿真及分析

利用MATLAB仿真生成一段TD－SCDMA信號(hào)，并在其中加入長度為64碼片的已經(jīng)過QPSK調(diào)制的SYNC_DL（每一次仿真均為隨機(jī)從32個(gè)SYNC_DL中抽選一個(gè)）。利用MATLAB提供的向信號(hào)中加入高斯白噪聲的函數(shù)，通過設(shè)置不同的SNR的取值來觀察利用邏輯特征窗搜索方法的性能，如圖4所示。

圖4 3種方法的性能比較Fig.4 Performance comparison of threemethods

由圖4可見:

1）遍歷相關(guān)的方法是以高計(jì)算量換來了高可靠性，其抗干擾能力最強(qiáng)，即使在信噪比極低的情況下，也能保持幾乎100%的正確率;

2）功率窗和邏輯窗的搜索算法都是以SYNC_DL附近特殊的幀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的，由于在較低（低于－6dB）的信噪比環(huán)境下，其所依賴的特征結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致其成功率下降;

3）當(dāng)信噪比高于－6 dB時(shí)，功率窗和邏輯窗的搜索算法可以保持極高的正確率。

3.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

我們使用便攜式手機(jī)探測(cè)設(shè)備（見圖5）從空中采集到實(shí)際的TD－SCDMA信號(hào)（4倍采樣），其一個(gè)子幀數(shù)據(jù)的時(shí)域?qū)嵅坎ㄐ稳鐖D6所示。

分別使用3種方法進(jìn)行搜索，所得結(jié)果如圖7－圖9所示。

圖7 時(shí)域遍歷相關(guān)搜索結(jié)果Fig.7 Searching result of time domain correlation

3種方法均可正確搜索出SYNC_DL的位置。但其所耗費(fèi)時(shí)間（測(cè)試平臺(tái)為Microsoft Visual C++6.0，計(jì)算機(jī)使用Pentium（R）D處理器，主頻分別為2.80 GHz和 2.81 GHz，內(nèi)存 512 MByte）差異極大，現(xiàn)將其對(duì)比如表1所示。

表1 3種方法耗費(fèi)時(shí)間對(duì)比Tab.1 Consuming time comparison of threemethods

由表1可見，使用邏輯特征窗具有最高的效率。其耗時(shí)僅為使用功率特征窗的1/2，時(shí)域遍歷相關(guān)的1/30。

4 結(jié)束語

下行同步序列的搜索是進(jìn)行小區(qū)搜索的第一步，也是極為重要的一步，對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)研究并進(jìn)行改進(jìn)具有極大地現(xiàn)實(shí)價(jià)值。本文以現(xiàn)有的下行同步序列的搜索方法為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種新的利用TDSCDMA的邏輯特征窗進(jìn)行搜索的簡便搜索方法。對(duì)這幾種方法的計(jì)算復(fù)雜度通過仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，新方法可最大限度的減少計(jì)算量，并且在SNR較低（－6 dB以上）的情況下也具有較好的算法穩(wěn)健性，可滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

［1］田増山，茍舉，何維.手機(jī)信號(hào)采集與傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，23（2）:178－182.

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