一种实现下行同步序列快速搜索的新方法

何 维，刘永康，陈国平，田增山

（重庆邮电大学无线定位与空间测量研究所，重庆 400065）

0 引言

手机探测在灾害救援、国防、刑侦等领域都有着广泛的应用［1］。在进行便携式手机探测设备的设计开发过程中，首先应进行在移动端物理层处理中具有非常重要作用的小区搜索过程［2］。该过程最关键的部分是要完成对下行数据的同步。本文以TD－SCDMA系统为例，对这一同步过程进行探讨。

TD－SCDMA系统的下行同步主要是通过对下行同步序列（summarized the existing downlink synchronization sequence，SYNC_DL）的搜索来完成［3］。同步可采用遍历相关的时域查找方法实现，这种方法是将收到的所有数据与同步序列直接进行相关，然后取最大相关值对应的位置为下行同步序列所在的位置［4］。这种方法虽然在算法上很简单，但是在实际工程中，由于目标平台的计算资源有限，这一方法的实用性较小。一些改进的方法，包括采用功率特征窗的搜索方法［5－7］等，由于利用了系统的帧结构特性，可使计算量大幅降低。针对搜索正确率，计算复杂度，计算量等指标，对这些方法进行详细的比较后，本文设计了一种新的利用TD－SCDMA的逻辑特征窗进行搜索的简便方法，并应用到实测的TD－SCDMA数据中，仿真和对实测数据的应用表明，所提出的方法在SNR大于－6 dB以上时，性能与直接相关搜索方法基本一致，计算效率较后者高近30倍。但在更低的信噪比环境下，该方法的正确率会明显降低。

1 时域遍历相关

长为64码片的SYNC_DL在子帧中的位置确定。并且每5 ms就传送一次。时域中可以采用标准的最大似然（maximum likelihood）检测。其方法是每收到一个码片便将收到的信号与所有可能的32个SYNC_DL做相关运算。相关值取最大值时所对应的位置即为该SYNC_DL的起始位置［4］。

定义接收到的信号为

可能的32个SYNC_DL为

（2）式中，s（l）i是经过QPSK调制的符号。

把接收到的信号{r}和SYNC_DL{s（l）}做相关运算得到

得到一组{l，i}值，其中，i即为SYNC_DL初始位置的估值。

对其计算量进行以下评估。

由于采取的是逐码片遍历相关，对一个子帧中的6 400个码片都要分别以之为起始位置进行相关运算，故对于32个可能的SYNC_DL共需进行6 400×32次相关运算。每次相关运算需要的复数乘法运算次数为64次，而每一次复数乘法运算可以分解为4次实数乘法运算，故总共需要进行6 400×32×64×4=52 428 800次乘法运算（加法运算忽略不计）。

2 功率特征窗搜索

时域遍历相关的同步检测法是以DwPTS（downlink pilot time slot）中的SYNC_DL为目标搜索，通过与32个可能值的比较确定同步位置，这种方法并没有利用系统帧结构的特性。因而计算量十分庞大不利于工程中应用。TD－SCDMA的帧结构［8］如图1 所示。

从图1可以看出，SYNC_DL的两端各有一个GP（guard period）区。它们是TS0时隙的拖尾保护GP，DwPTS的保护GP和上行保护时隙GP，其功率即为噪声的功率。而SYNC_DL在整个小区内通常以最强功率（一般为全功率）发射，因此可选取一个128码片长度的特征窗，用特征窗中部的64个码片功率之和除以头部和尾部的2个32码片的功率之和。当特征窗内的数据由64个码片的SYNC_DL和前后相邻的2个32码片的GP组成时，特征窗的功率和之比会很大。通过在5 ms帧信号上移动特征窗，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］。

图1 TD－SCDMA的帧结构Fig.1 Frame stucture of TD－SCDMA

定义接收到的各码片信号的功率为

（5）式中，pi=［abs（ri）］2。

特征窗中部与两边的功率比为

则由

得到一个i值，则i+32即为SYNC_DL初始位置的估值。

对其计算量进行以下评估。对每一码片计算其功率需要2次乘法运算和1次加法运算。特征窗每滑动一次，需要128次加法运算和一次乘法运算，则对于6 400码片，总共需要进行（128+1）×6 400=825 600次加法运算、12 800次乘法运算和6 400次除法运算。

3 逻辑特征窗搜索

3.1 基本思想

本方法的基本思想仍来源于为前面所提到的SYNC_DL附近特殊的帧结构。

在SYNC_DL前存在有48码片的GP，其后存在96码片的GP，据此我们可以构造出一个长为208码片的标准逻辑特征窗如图2所示。其前48码片及后96码片设为逻辑0，中间64码片设为逻辑1。

图2 标准逻辑特征窗Fig.2 Standard logical characteristic window

对于接收到的信号，首先求得各码片的功率，然后以平均功率为参照设定出一个门限值，把高于此门限的码片设定为逻辑1，低于此门限的码片设定为逻辑0，由此我们可以得到接收数据的逻辑特性。

从接收数据中选取长为208码片的逻辑窗，将其与标准特征窗中的逻辑值进行同或运算。当选取的逻辑窗内的数据由64个码片的SYNC_DL和前后相邻的2个GP块组成时，所得结果中逻辑1的个数会很多。通过在5 ms帧信号上移动特征窗，结果中逻辑1个数最多的位置就是SYNC_DL所在位置的粗略估值。

定义接收到的信号的平均功率为pmean，即

当pi＜3pmean，取对应的逻辑值li为0，否则取1。依次可得出一个子帧数据的逻辑特征序列

将（9）式与标准逻辑特征窗

进行同或运算，其结果为

（11）式中，xnor表示进行同或运算。

则由

得到一个值，则+48即为SYNC_DL初始位置的估值。其流程图如图3所示。

该算法的显著特点是仅有极少量的数值计算过程，其实现主要是通过一系列的逻辑关系及运算来实现，从而在最大程度上减少了计算量。

图3 逻辑特征窗法搜索流程图Fig.3 Flow chart of logical characteristic window method

3.2 数据仿真及分析

利用MATLAB仿真生成一段TD－SCDMA信号，并在其中加入长度为64码片的已经过QPSK调制的SYNC_DL（每一次仿真均为随机从32个SYNC_DL中抽选一个）。利用MATLAB提供的向信号中加入高斯白噪声的函数，通过设置不同的SNR的取值来观察利用逻辑特征窗搜索方法的性能，如图4所示。

图4 3种方法的性能比较Fig.4 Performance comparison of threemethods

由图4可见:

1）遍历相关的方法是以高计算量换来了高可靠性，其抗干扰能力最强，即使在信噪比极低的情况下，也能保持几乎100%的正确率;

2）功率窗和逻辑窗的搜索算法都是以SYNC_DL附近特殊的帧结构为基础的，由于在较低（低于－6dB）的信噪比环境下，其所依赖的特征结构遭到破坏，导致其成功率下降;

3）当信噪比高于－6 dB时，功率窗和逻辑窗的搜索算法可以保持极高的正确率。

3.3 实测数据分析

我们使用便携式手机探测设备（见图5）从空中采集到实际的TD－SCDMA信号（4倍采样），其一个子帧数据的时域实部波形如图6所示。

分别使用3种方法进行搜索，所得结果如图7－图9所示。

图7 时域遍历相关搜索结果Fig.7 Searching result of time domain correlation

3种方法均可正确搜索出SYNC_DL的位置。但其所耗费时间（测试平台为Microsoft Visual C++6.0，计算机使用Pentium（R）D处理器，主频分别为2.80 GHz和 2.81 GHz，内存 512 MByte）差异极大，现将其对比如表1所示。

表1 3种方法耗费时间对比Tab.1 Consuming time comparison of threemethods

由表1可见，使用逻辑特征窗具有最高的效率。其耗时仅为使用功率特征窗的1/2，时域遍历相关的1/30。

4 结束语

下行同步序列的搜索是进行小区搜索的第一步，也是极为重要的一步，对其进行详细研究并进行改进具有极大地现实价值。本文以现有的下行同步序列的搜索方法为基础，设计了一种新的利用TDSCDMA的逻辑特征窗进行搜索的简便搜索方法。对这几种方法的计算复杂度通过仿真与实测数据进行比较，新方法可最大限度的减少计算量，并且在SNR较低（－6 dB以上）的情况下也具有较好的算法稳健性，可满足实际应用的要求。

［1］田増山，苟举，何维.手机信号采集与传输技术设计与实现［J］.重庆邮电大学学报:自然科学版，2011，23（2）:178－182.

TIAN Zeng－shan，GOU Ju，HEWei.Mobile data acquisition and transmission of technical design and implementation［J］.Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications:Natural Science Edition，2011，23（2）:178－182.

［2］NIU Kai，WU Wei－ling.Performance Analysis for CPICH Acquisition in WCDMA［J］.Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications，2003，26（3）:46－49.

［3］李世鹤，杨运年.TD－SCDMA第三代移动通信系统［M］.北京:人民邮电出版社，2009:98－99.

LIShi－he，YANG Yun－nian.TD－SCDMA the third generation of mobile telecommunication system［M］.Beijing:People's Posts and Telecommunications Press，2009:98－99.

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［8］ 3GPP TS 25.221 V8.6.0 Physical channels and mapping of transport channels onto physical channels（TDD）［EB/OS］.（2009－09－20）.http://www.3gpp.org/ftp/specs/archive/25_series/25.221/.