TD-SCDMA系統(tǒng)下行鏈路同步技術

摘要　首先對TD-SCDMA系統(tǒng)同步技術進行了系統(tǒng)的闡述，隨后介紹了無線接口同步中下行鏈路初搜的幾種同步方法的原理，同時給出了各自的改進方案，最后通過其算法復雜度、仿真準確性等方面的性能比較來分析各下行鏈路同步方法的優(yōu)缺點。

在任何通信網(wǎng)絡中同步技術都是基礎，它作為時時不可缺失的相對獨立系統(tǒng)為所有通信元素提供基本保證。而以時分復用為基礎的TD-SCDMA系統(tǒng)，除了傳承現(xiàn)有通信網(wǎng)絡的同步技術外，在無線接口的同步技術上有著更大的要求，文章將就此進行討論，并對TD系統(tǒng)的下行鏈路同步技術作進一步的分析。

一、TD-SCDMA系統(tǒng)的同步技術

UTRAN中涉及到的同步問題主要包含網(wǎng)絡同步、節(jié)點同步、傳輸信道同步、無線接口同步、Iu接口時間校正、上行同步等幾個方面。圖1給出了除網(wǎng)絡同步以外各種同步問題的參考模型。

1.網(wǎng)絡同步

網(wǎng)絡同步選擇高穩(wěn)定度和高精度的時鐘作為網(wǎng)絡時間基準，以保證其中各網(wǎng)絡的時間穩(wěn)定，因此它是其他同步技術的基礎。

2.節(jié)點同步

節(jié)點同步用以估計和補償UTRAN節(jié)點（即Node B）之間的定時誤差。節(jié)點同步分為兩種：一種是用以獲得RNC與各個Node B間的定時誤差的“RNC到Node B的節(jié)點同步”，另一種為用于TDD模式下補償Node B之間的定時誤差的“Node B間的節(jié)點同步”，目的均在于取得統(tǒng)一的定時參考。

圖1給出了TDD模式下Node B間節(jié)點同步的兩種方式：一種是通過標準同步端口獲得，此時Node B有標準的同步輸入/輸出接口，只要其中任一輸入接口連接到外部基準時鐘上，其余Node B的同步口與之串聯(lián)，就能獲得Node B的同步；另一種方式則是通過空中接口獲得，TD-SCDMA系統(tǒng)可以利用空中接口中的下行導頻時隙（DwPTS）獲得同步信號。

圖1　同步系統(tǒng)參考模型

3.傳輸信道同步

傳輸信道同步就是傳輸信道層實體之間的幀同步，使得在信道中所發(fā)射的參考信號（TS）的接收信號（S）都良好同步，以保證傳輸?shù)腝oS。

4.無線接口同步

無線接口同步是用戶設備（UE）與Node B之間空中接口的同步，這里的同步不僅包括時間上的同步，也涵蓋了頻率、碼字和廣播信道的同步，與之對應的要求分別為：DwPTS同步、擾碼和基本中置碼的識別、控制復幀的同步以及讀取廣播信道。

5.Iu接口時間校正

Iu接口時間校正即時間調整控制處理，由于核心網(wǎng)（CN）中的多數(shù)處理均需同步，因此需要有一個緩沖器，一旦同步的定位幀丟失或同步時鐘出問題，就啟用備用時鐘，這時一些基于時間標簽來排隊的緩沖器里的數(shù)據(jù)在備用時鐘啟用后就得到釋放，以繼續(xù)處理。

6.上行同步

同步CDMA系統(tǒng)中，要求來自不同位置、不同距離的不同終端的上行信號能夠同步到達基站。上行同步包括其建立和保持兩個過程，并以1/8碼片的最小精度進行調整以保證上行信號的同步。由于各個用戶終端的信號碼片到達基站解調器的輸入輸出端時是同步的，且其充分應用了擴頻碼之間的正交性，降低了同一射頻信道中的多址干擾影響，從而系統(tǒng)容量隨之增加。這正是同步CDMA系統(tǒng)異于異步CDMA系統(tǒng)的優(yōu)越之處之一。

二、TD-SCDMA系統(tǒng)的下行同步

在移動通信系統(tǒng)中，終端必須檢測基站發(fā)送的幀的結構，這個工作由同步過程完成，它包含在無線接口同步過程當中。終端在上電之后，需要搜尋其周圍可能存在的小區(qū)，并選擇合適的小區(qū)登錄，之后可以偵聽網(wǎng)絡上的尋呼或發(fā)起呼叫建立連接，以上過程則稱為小區(qū)初搜（ICS：Initial Cell Search）。

在GSM和WCDMA系統(tǒng)中，存在一個公共的同步碼，當UE檢測到這個同步碼時，就能與基站建立同步。而由于TD-SCDMA系統(tǒng)的特殊性，不存在類似的公共同步碼，而是32個相互正交的同步序列碼（SYNC_DL）。在該系統(tǒng)中，相鄰基站發(fā)送的同步碼是不相同的，最初的同步工作則是要正確檢測出同步序列碼，從而選擇合適的小區(qū)登錄。以下將就幾種初始幀同步算法做比較研究。

1.TD-SCDMA系統(tǒng)物理信道結構

TD-SCDMA系統(tǒng)物理信道結構分為四層：系統(tǒng)幀、無線幀、子幀和時隙，如圖2所示。

圖2　TD-SCDMA系統(tǒng)的幀結構

由圖2可知，長度為64 chip的下行同步碼（SYNC_DL）在每一個子幀中的位置確定，且每5 ms在下行鏈路數(shù)據(jù)中發(fā)送一次。要完成與Node B的同步，UE的首要任務就是正確解調出該同步碼，本節(jié)中將給出三類搜尋SYNC_DL的方法。

2.全搜尋全比較法

（1）時域全搜索全比較法

時域中采用的這種相關法，即為標準的最大似然（ML：Maximum Lilehood）檢測，其原理是UE以一個chip為步長，將收到的信號與所有可能的32個SYNC_DL做相關運算，選取最大值所對應的序列為SYNC_DL，如圖3所示。對于整個子幀6400 chip直接作搜尋則稱之為全搜索，而每多搜尋到一個chip便與32個SYNC_DL序列作比較，則稱之為全比較。

其中Si(1)是經(jīng)過QPSK調制的符號，I為SYNC_DL的ID號。把接收到的信號{r}{S(1)}做相關運算，如圖3所示，得：

圖3　時域相關檢測

則相關計算后得到的MAX（Ci(1)對應的信號序列為SYNC_DL：

（2）頻域全搜索全比較法

與時域相關法類似，不同的是在頻域算法中，先將信號ri經(jīng)DFT變換到頻域與SYNC_DL code（亦經(jīng)DFT變換至頻域）作相關運算，再經(jīng)IDFT轉換回時域而得，如圖4所示。

圖4　頻域檢測法

以長度為N的檢測窗截取接收到的信號得{r*}△,M，經(jīng)DFT之后變換為{R}N，其中檢測窗的長度N必須大于SYNC_DL序列的長度64，一般取N=512，△為檢測窗的起始位置。

關于頻域搜索法還存在著一種改進的方法，其主要原理為在DFT電路之后通過低通濾波器（Low Pass Filter）及低速率采樣電路（Sample Rate Reduction）來降低計算量。

3.特征窗搜尋法

（1）基本原理

由圖2可知，DwPTS中SYNC_DL的長度為4個Symbol（SF=16），且以全功率發(fā)射，其前有3個Symbol的GP（其中包括DwPTS的2個Symbol的GP和TSO的1個Symbol的GP），而其后有6個Symbol的GP。GP期間，理論上應該沒有信號，實際應用中雖然存在不可避免的干擾，其間的信號功率也是很小的。正是基于這個原理出現(xiàn)了特征窗搜尋法。

圖5給出了特征窗搜尋法的基本原理，它主要基于一定的匹配準則來查找DwPTS。其原理是，移動特征窗（窗長為8個Symbol），計算窗中間的4個Symbol的功率和Pinner以及窗兩邊各2個Symbol的功率和Pside，并計算其比值P=Pside/Pinner，當P為min（Pi）時，即認定該時刻特征窗的位置即為DwPTS。

圖5　特征窗搜尋法

（2）特征窗搜尋法的改進

上述算法中，存在相繼的除法及比較單元，即要完成兩個除式的比較，此時會由于除法精度和算法復雜度等一系列問題使算法難度加大，但想到用乘法單元替代除法單元的方法可以大大降低搜尋算法的復雜度。在信噪比很高的情況下，噪聲部分的值本來就很小，那么原來采用的除法運算會讓這個值變的更小，甚至超出定點算法的預算精度，導致無法得出正確的DwPTS位置，而乘法運算就可以避免這個問題。

另外，由于CDMA是一個自干擾系統(tǒng)，其他用戶或相鄰基站對UE的干擾影響較大，因此上述搜索算法容易產(chǎn)生將干擾搜索為DwPTS的誤判，那么UE不得不推遲與基站同步的時間，同時對UE的電力也有相當大的損耗。為了提高特征窗搜索法的成功率，文獻[8]給出了更進一步的改進方法，引入平均功率判決法（MPD）。其核心思想是：首先計算一整個子幀周期（5 ms）內的平均功率，然后再實施特征窗搜索法。如果在連續(xù)144個碼片內Pinner≤MP，則判定該時刻特征窗搜索到的最小值不是DwPTS，從而進一步降低了誤判概率。特征窗搜尋法改進后的算法示意如圖6所示。

圖6　特征窗搜尋法的算法描述

4.基于幀結構的搜尋法

從圖2的子幀結構可以清楚看出在SYNC_DL的前后都有一定長度的GP，理想條件下GP內發(fā)射的信號為連續(xù)的邏輯“0”，而SYNC_DL序列則是不同的“0～1”序列，相關文獻基于這個基礎給出了另一種下行鏈路搜尋的方法。

由于SYNC_DL、SYNC_UL和中間碼（Midamble）不需擴頻，也未經(jīng)加擾處理，因此可以直接取匹配濾波器的輸出信號進行分析。其主要原理是：分別利用計數(shù)器對邏輯0與邏輯1計數(shù)，當連續(xù)收到96 chip的邏輯0時，則可以確定該位置為SYNC_DL序列后的GP（本節(jié)中“GP”若無特殊標注，即指代SYNC_DL與SYNC_UL之間GP），以此在下一子幀中找到SYNC_DL序列的位置，再對其做相關檢測即可得到SYNC_DL序列。

基于上述原理，筆者對算法進行了改進，可以提高該搜尋法判別的準確度，如圖7所示。同時，在系統(tǒng)采用了UpPCH shifting方案之后，減小了UpPTS對GP的影響，可以進一步提高該搜尋法的準確性。

圖7　幀結構搜尋法算法示意圖

其中有幾點需要說明的是：

（1）0_counter、1_counter均為計數(shù)器，分別記錄接收到邏輯0、邏輯1的個數(shù)；M為計數(shù)器，記錄幀測次數(shù)，即當連續(xù)M幀相應判斷正確時，再做下一步判斷，依此提高系統(tǒng)搜尋到SYNC_DL序列位置的正確性并降低運算量，一般M取3～5，本算法中M=3。

（2）由于TD-SCDMA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)調制技術為QPSK方式，因此檢測接收信號發(fā)生誤碼的個數(shù)應取偶數(shù)。一般系統(tǒng)的BER在10-3以上，因此允許96位GP中發(fā)生2位誤碼，即96位邏輯0中累計出現(xiàn)2個邏輯1。

（3）基于相應誤碼率的允許程度，必須考慮到搜尋GP起始位置的提前量，即算法中的n chips，表1給出了32組不同SYNC_DL序列的最大提前chip數(shù)量�？梢钥闯�，當系統(tǒng)不允許誤碼時，GP起始位置允許的最大提前量為6 chip；而在允許誤碼的前提下，GP起始位置最大可提前12 chip，因此，算法中n應取12。

（4）綜合考慮系統(tǒng)的UpPCH shifting方案以及算法的M次偵測法等相應措施，無需再考慮GP位置的滯后量。

三、各種搜尋方法性能優(yōu)劣比較

以上給出了三種TD-SCDMA系統(tǒng)下行鏈路SYNC_DL同步序列搜索方法的原理及其各自的改進方案，表2從算法復雜度、電路需求、功耗等方面比較了各搜尋方法的性能優(yōu)劣，同時筆者通過仿真試驗給出了各方法的成功率和準確性。

從表2可以清楚地看出各搜尋方法的性能優(yōu)劣，實際上相關搜尋法是所有方法的基礎，時域、頻域的全搜索全比較法是在全局范圍內作相關搜尋，因此計算量是相當大的，但其一次性建立下行同步的準確性是相當高的，而特征窗搜尋法、幀結構搜尋法均旨在提前將SYNC_DL的位置確定或縮小其范圍，隨后再作相關計算從而正確解調出SYNC_DL，在大大降低計算復雜度的同時提高了電路的復雜度，同時犧牲了一部分解調的成功率。我們旨在不斷尋找一種低復雜度高成功率的方法完成下行鏈路初搜過程，在現(xiàn)有的方法中不斷改進，進一步提高UE同步到Node B的精確性。

參考文獻

1　3GPP TS 25.402（V7.2.0）.Synchronization in UTRAN

2　3GPP TS 25.102（V7.5.0）.User Equipment（UE）Radio Transmission and Reception（TDD）

3　3GPP TS 25.221（V7.1.0）.Physical Channels and Mapping of Transport Channels onto Physical Channels（TDD）

4　3GPP TS 25.222（V7.1.0）.Multiplexing and Channel Coding（TDD）

5　3GPP TS 25.223（V7.2.0）.Spreading and Modulation（TDD）

6　3GPP TS 25.224（V7.1.0）.Physical Layer Procedures（TDD）

7　黃繼中.一種降低小區(qū)初搜運算量并提高運算精度的方法及裝置.CN1553740A

8　TD-SCDMA下行引導時序搜尋算法研究.彭佛才等.通信技術總第140期

9　李世鶴.TD-SCDMA第三代移動通信系統(tǒng)標準.北京：人民郵電出版社，2003