一种低复杂度的TD-SCDMA下行同步技术研究

2011-03-26邓彰超李晓红华惊宇孟利民

杭州电子科技大学学报(自然科学版) 2011年4期

邓彰超，李晓红，华惊宇，孟利民

(浙江工业大学浙江省光纤通信技术重点实验室，浙江杭州310023)

0 引言

TD-SCDMA由于低功耗、高频谱效率和灵活支持非对称业务而受到了广泛的重视［1］，然而TD-SCDMA作为一个同步系统，要求下行链路的严格时间同步，目前对于TD-SCDMA时间同步问题的研究主要是基于相关的算法和非相干检测辅助的相关算法［2］。其中纯粹相关的算法运算量极大，在实际应用中受到很大的限制，而非相干检测辅助的相关算法其运算量缩减程度很大意义上取决于非相干检测方案的设计。现有的几种非相干检测方案［3，4］并不能很好的满足现代移动通信的要求，尤其对于信噪比动态范围较大的情形，同时也不能起到压缩后续相关算法运算量的作用。该文提出一种更有效的非相干检测方案，此方案利用一种新的功率比检测和假设检验(Hypothesis Test:HT)构造出一种相对简单和紧凑的实现结构，通过计算机大量仿真确定功率比检测门限，以及测试其在不同SNR下不同量化字长的准确概率研究，得出最佳量化字长，仿真表明本文的方法在较大的信噪比范围内都具有良好的性能对实际应用具有较高的参考价值。

1 信号模型

TD-SCDMA无线帧结构，其中一个5ms的子帧包含7个信息时隙和3个同步时隙:下行导频时隙、上行导频时隙和保护间隔。在7个信息时隙中，TS0和TS1被固定分配作为下行和上行链路时隙，其他信息时隙可以被随意分配为上下行使用。

假设广义平稳非相关多径信道，并且信道在较短的时间内近似不变，则接收信号可以表示为［4］:

式中，hl、x(n)和v(n)分别表示信道系数、发送数据和加性高斯白噪声，θ表示帧头的时间偏移量。考虑到实际通信系统中往往存在成型滤波器与匹配滤波器，hl实际上是真实信道与这两个滤波器的卷积。

2 非相干帧头定位算法

相干检测算法是在下行时隙中找出经QPSK映射的下行同步序列，而非相干检测方法是找到保护间隔GP，通常GP仅是高斯白噪声，相比信号时隙，其功率较低，当考虑低信噪比或多径衰落环境时，定位保护间隔将是十分的不易。

2.1 非相干功率检测算法

在此将提出一种新的低复杂度的非相干初始同步算法。该方法通过检测帧结构中的功率跃迁来发现SYNC_DL的位置，如图1所示。仿真表明在多径衰落信道下，该方法性能优异，因而对于小区搜索而言，可以极大地压缩相关值搜索范围，较之文献3的全局搜索，极大的降低了实现复杂度。

图1 TD-SCDMA帧结构的特殊性

如图2所示，注意到SYNC_DL是有数据发送的，而GP是上下行都没有数据发送的，因此在实际的通信系统工作信噪比范围，DwPTS时隙的接收功率将大于GP段的接收功率。这意味着通过检测这个功率跃迁我们就可以定位SYNC_DL所在。而在文献6，仅仅检测GP的功率，导致大动态信噪比范围和衰落信道时性能不可靠。因此本小节将同时利用GP和DwPTS的功率特征进行检测，首先给出检测窗如下:

图2 检测窗

图2中，W4只有80码片，原因在于GP3之后就是UpPTS时隙，为了对上行链路可能的16码片发送提前具有容忍度，必须在检测窗中删除GP3末尾的16码片。定义检测窗口W1、W2、W3对应的信号功率分别为A1、B1、A2、B2，根据图3，定义功率比为(2A2)/(B1+B2)，表述式如下:

如果m=θ，那么W2将尽可能地收集SYNC_DL的能量，而W3将几乎全是纯噪声点，于是η(m)在很大概率上将具有较大的值，并且该值与所处环境的信噪比有关。反之，η(m)的值将较小。根据这些讨论，可以定一个简单的非相干假设检验［3］:

式中，ηth表示确定的门限，对于具体的应用，可以通过仿真来选择合适的取值。

2.2 门限量化确定

功率比检测中的关键问题为门限确定选择。因此根据信噪比经验公式设置了不同的功率比门限值，取连续3帧信号作为仿真数据源，假若所取帧帧信号检测结果包含正确的同步码起始位置，那么就认为本次检测成功，如果所取帧信号检测到符合功率门限的点但不是在正确的位置，那么就认为本次功率检测发生错检，如果所取帧信号没有检测到符合门限的点，那么就认为本次检测为漏检。

仿真参数:信噪比为3db，多径衰落为6径(0dB;－3dB;－5db;－9dB;－15db;－20db;)，门限量化字长为无符号6bit下的定点仿真。每个门限仿真次数均为10 000次，功率检测统计结果如表1所示:

根据表1的统计结果，可以将功率检测的功率比门限设置为ηth=2.125，此时功率检测的成功率在0.999 9以上。

表1 功率检测结果统计

3 仿真分析

如图3所示，空心圆圈表示正确检测统计次数，方块符表示漏检统计次数，菱形符表示错误检测统计次数，由图3可见:当仿真数据量化字长为2bit、3bit、4bit时，且满足门限时，检测成功的概率依次随量化字长的增加而增大，错检率随量化字长的增大而减小。当取功率比检测运算的最佳量化字长为4bit，系统功能良好，定位同步码组正确概率达到0.978。较无量化浮点算法相差很小。当信噪比大于3dB时，检测成功或错误的概率随信噪比的增加变化不明显。