TD-SCDMA物理层上行同步研究与实现
2016-08-26王晓宁
刘 晨,王晓宁
(河南工学院 汽车工程系,河南 新乡 453003)
TD-SCDMA物理层上行同步研究与实现
刘 晨,王晓宁
(河南工学院 汽车工程系,河南 新乡 453003)
TD-SCDMA系统中上行同步对改善系统性能、简化基站接收机的设计都有明显好处。针对 TD-SCDMA系统物理层同步信道、突发结构、同步序列以及同步过程,提出了一种基于FFT的上行同步算法。通过MATLAB仿真与DSP实现结果对比表明该算法可行,并且完整实现了功能。
TD-SCDMA;物理层;上行同步
0 引言
上行同步,是指在同一小区中,同一时隙不同用户的信号到达基站接收天线时保持同步。上行同步是TD-SCDMA系统中的一项关键技术,是为了减小小区内用户间的上行多址干扰和多径干扰,增加小区容量和小区半径。
1 同步信道与突发结构
同步是使所有通信设备工作在同一频率的方法。它是进行后续数据传输的前提。在TD-SCDMA系统中,物理同步的信道有两个:一是用于上行导频信道 UpPCH,另一个是用于下行导频信道 DwPCH。下行导频时隙(DwPTS)在DwPCH信道进行发送,上行导频时隙(UpPTS)在UpPCH信道上发送。
DwPCH(DwPTS)突发结构长度为96chips,包括一个保护间隔(GP)和一个下行同步码(SYNC_DL)。其中,GP长度为32chips,SYNC_DL长度为64chips。如图1所示。在每个子帧中DwPCH由高层信令给出的连续功率电平发送,采用以提供全小区覆盖的天线赋形。
图1 DwPCH(DwPTS)的突发结构
UpPCH(UpPTS)的突发结构长度为160chips,包括了一个长度为128chips的上行同步码(SYNC_UL)和一个长度为 32chips的保护间隔(GP)。如图2所示。
图2 UpPCH(UpPTS)的突发结构
UpPCH中的SYNC-UL和DwPCH中的SYNC-DL码没有扩频。
2 同步序列
在TD-SCDMA系统中,用于同步的序列主要有:训练序列(Midamble码)、下行同步序列(SYNC_DL)和上行同步序列(SYNC_UL)。
训练序列Midamble码用于信道估计和测量。
下行同步序列(SYNC_DL)对于一个基站是唯一的。SYNC_DL用于建立下行同步,在下行导频时隙(DwPTS)中发送,用于区分相邻的小区。
上行同步序列(SYNC_UL)主要用于建立上行同步,同时对功率进行初步的测量,测量初始波束赋形。
当UE还没有建立上行同步时,UE处于登记或随机接入阶段。基站在建立下行同步的时候,选定SYNC_DL 时,码组选取就已经确定了。SYNC_DL对应8个SYNC_UL。当UE建立上行同步时,将从已知的8个SYNC_UL选取一个同步码。当下行同步建立同时,UE估计定时和功率值发射UpPTS。
收稿日期:2016-04-09
作者简介:刘晨(1988―),男,河南新乡人,助教,硕士,主要从事局域网技术、汽车电子技术研究。
当基站检测到了SYNC_UL,建立上行同步,同时也得到了功率控制反馈信息。
3 TD-SCDMA系统的同步过程
TD-SCMA系统中的同步技术是关键技术之一。TD-SCDMA系统同步过程主要有小区搜索,上行同步和随机接入三个过程。
在初始小区搜索中,UE通过匹配滤波器得到匹配的 SYNC_DL,从而得知与某一小区的 DwPTS同步。UE在接收到 DwPTS之前已经接收到了P-CCPCH上的 Midamble码。UE确定采用哪一个Midamble码。又已知扰码和基本 Midamble码是一一对应的,得到了Midamble码也就知道了扰码。复帧MIB(Master Indication Block)是由DwPTS的相位序列来标识的,存放在BCH里面。通过n个连续的DwPTS检测出当前MIB在控制复帧中的位置。最后读广播信道BCH。
由于UE与Node B距离未知,导致上行发射不同步,所以需要在下行同步建立后,建立起上行同步。为了避免小区中连续时隙的干扰,Node B采用时间提前调整 UE的发射定时,这样使得小区内每个UE发送同一帧信号到达Node B的时间基本相同。为了尽量减小对业务时隙的干扰,上行方向第一次发送首先发送一个特殊时隙 UpPTS,我们知道UpPTS结构中包含SYNC_UL,Node B通过SYNC_UL估算出接收功率和定时,之后向 UE发送反馈信息来调整发射的发射时间和发射功率,随后在紧接着的下行时隙发送SS命令和TPC命令进行闭环控制,最后是随机接入部分。
4 上行同步算法
对于TD-SCDMA系统,在随机接入流程开始时,基站首先在P-CCPCH信道向UE发出广播,同时,基站在 DwPCH发出下行导频时隙,其中包含一个下行同步码。UE接收到下行同步码进行检测,这样就可以得到相对应的8个上行同步码,而UE发送的上行同步码就是其中的一个。在满足概率一致的原则,UE选取一个相应的上行同步码同步上行时隙导频在 UpPCH上向基站发出。在整个过程中关键点在 UE挑选出上行同步码发送给基站后,基站如何从8个上个同步码检测出相对应的UE发送的上行同步码,从而得到相关信息,建立上行同步。
下面提出上行同步检测的算法。我们使用的是基于FFT的快速相关算法。
基站接收到上行导频时隙,得到上行同步码SYNC_UL,为减少下行导频回波干扰影响,将 GP设置为0。故对其进行补零。
之后要根据下行同步码取出相对应的8个上行同步码,并进行补零。
因为我们要进行相关算法取出最大值,所以用FFT的方法运算量会小些。
其中i=0,1,...,7。之后类似的对每一行的yi的后128个点进行判决,可以确定上行同步码号i和时偏m。
取出最大值并进行门限判定,如果最大相关功率值ymax i大于门限值,则可以判定由上行同步接入,并且i表示上行同步码。
5 流程图
流程图如图3所示。
图3 上行同步实现流程图
首先由下行同步码生成相应的上行同步码表。对生成的上行同步码表也要进行补零,还要再进行复用得到S。之后将复用后的数据进行FFT运算。基站要知道是哪一个上行同步码,就要对收到的上行同步码先进行补零,之后要对补零后的一组数据R进行FFT运算。之后将进行过FFT运算的两组数据进行乘法运算,得到的数据再进行IFFT,这样就得到了DATA,将DATA进行开平方得到一系列数据yi。取yi的最大值。我们知道最大值相应的就是我们用的上行同步码。这样就得到了上行同步码和时偏。
6 实现结果
采用 MATLAB仿真软件进行仿真。使用了CCS3.3调试器在DSP上进行实现。
设置上行同步码是16,下行同步码是2,扰码是9,功率分别为20dbm、60dbm、80dbm。测试结果最大值如表1和表2所示。表中最大位置Maxpos相差1是因为MATLAB是从标号为1开始计数的,而CCS是从标号为0开始计数。
表1 不同功率下上行同步是16的实现结果1
通过仿真与实现对比,我们可以看到在最大值标号111处接收信号强度RSSI,接收信号功率RSCP、干扰信号ISCP以及信噪比SIR最大值基本相同,说明实现结果正确。
表2 不同功率下上行同步是16的实现结果2
7 结束语
分析了TD-SCDMA系统上行同步的过程,在满足协议的基础上提出了一种基于FFT的算法。相对于传统算法,FFT算法更为简便。根据该算法在MATLAB上进行了仿真说明算法可行。最后在DSP上进行实现。与仿真结果对比,实验结果一致,在DSP成功实现了其功能。
(责任编辑 吕春红)
[1] 姚佳佳.TD-SCDMA无线定位关键技术研究[D].北京:中国科学院研究生院(国家授时中心),2012.
[2] 姚佳佳,卢晓春,邹德才.一种基于TD-SCDMA上行同步序列的测距方法[J].时间频率学报,2012(03).
Research and Realization of TD-SCDMA Physical Layer Uplink Synchronization
LIU Chen,et al
(Department of Automotive Engineering, Henan Institute of Technology, Xinxiang 453003, China)
TD-SCMA uplink synchronization system to improve system performance and simplify the design of the base station receiver . For TD-SCDMA physical layer synchronization channel burst structure, the synchronization sequence and the synchronization process, the uplink synchronization algorithm based on FFT are proposed. The result between the MATLAB simulation and the DSP implementation shows that the algorithm is feasible. The function of the module is realized.
TD-SCDMA; physical layer; uplink synchronization
TN929.533
A
1008–2093(2016)03–0020–03