WCDMA新入网用户盲检测技术研究

孙 旭，王笃祥，詹 毅，张天娇，夏宇垠

（1.中国航天科工集团8511研究所，江苏南京210007；2.上海航天测控通信研究所，上海201109）

0 引言

WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)是3G移动通信和军事通信广泛采用的技术，例如低轨（LEO）卫星采用WCDMA多址机制，移动用户目标系统（MUOS）信号空口采用WCDMA协议等，因此对WCDMA卫星信号的非合作监视监听在安防和军事应用方面有重要意义。之前已经有学者对WCDMA信号的检测技术进行了研究，文献[1]利用DPCCH信道扰码和扩频码特性对WCDMA上行信道扰码进行搜索检测，实现了对正在通信用户的扰码检测。文献[2]提出了一种FWHT快速相关的算法，在已知扰码的情况下实现了对信号的快速检测。文献[3]提出了一种二级相关捕获算法，可以在已知扰码和扩频码的情况下对WCDMA随机接入前缀快速捕获。虽然上述文献对WCDMA用户的检测提出了不同的方法，但都限于在已知目标用户的扰码或扩频码条件下，而对于非合作的监听而言，一直缺乏一种对新入网用户进行有效检测的算法。

本文提出了一种WCDMA卫星通信新入网用户信号盲检测方法，利用上行数据协议[4]随机接入信道（PRACH）已知的条件，通过并行解扰和扩频码相关可在扰码和扩频码域搜索确定其使用的扰码和扩频码。本文对这种方法的检测性能进行了理论推导和仿真。

1 卫星WCDMA物理随机接入信道原理

WCDMA物理随机接入过程(PRACH)是WCDMA卫星通信系统中新用户进行入网请求最先进行的过程，随机接入信道分为两个部分，分别是随机接入前缀(Preamble)和随机接入消息(message)部分，随机接入信道的帧结构和接入时隙如图1所示，每个接入时隙长度为5120 chip。随机接入前缀长度为4096个chip周期，后跟124个chip周期的保护带，每个时隙发送一个随机接入前缀。

图1 WCDMA随机接入信道发送时隙及时隙间隔

随机接入前缀码Cpre,n,s由前缀特征码Csig,s和前缀扰码Sr-pre,n组成。定义如下：

前缀特征码Csig,s由16 bit的特征序列ns=0,1,2,…,15的256次重复构成。特征序列Ps(ns)是从16组码长为16的Hadamard码中选取的，这里ns表示特征序列的第ns个码，s表示第s组特征序列。

PRACH前缀部分的扰码由长扰码的前4096位构成，共有8192种PRACH前缀扰码。第n阶前缀扰码（n=0,1,2,3,…,8191）附加相位旋转后定义为：

扩频产生的复数值随机接入前缀码在上行链路的调制方式为QPSK，调制码片速率为3.84 Mcps，调制方式如图2所示。

图2上行链路调制

2 算法检测性能理论推导

利用WCDMA随机接入前缀扰码域为已知有限个（8192个）的先验信息，对随机接入前缀进行扰码域的8192路并行解扰，然后对解扰后的扩频码进行256次的16 bit积累，最后可由积分器完成与本地扩频码的相关判决。由于扰码的作用，只有正确解扰的码片与本地对应扩频码片相关才能出现相关峰。卫星接收端一路解扰相关处理的数学模型如图3所示。

图3 一路解扰相关处理

将期望用户信号分量，噪声分量，干扰分量加在一起，可得到处理后所需要的判决统计量，定义为x(n)=S3(n)+η3(n)+M3(n)，n表示每个需要判决的扩频码片。

S1(k)表示期望用户发送的随机接入前缀，k表示第k个采样点，假定每个码片采样4点。S1(k)定义为：

最后对积累后的64个16位扩频码进行累加判决，累加结果定义为：

式中，n表示第n位扩频码，p表示第n个码片中的第p个样点，这里对第0位扩频码进行讨论。

η1(k)表示高斯白噪声，η1(k)～ N(0,σ2)。对噪声做同样处理得到η3(n)，则一个码片的长度的累加结果为：

可以证明，η3(0)的均值为0，由于噪声之间相互独立，且扩频码之间也独立，所以η3(0)的方差为：

期望用户的到达时间相对干扰用户干扰时间不定，对于多用户干扰，假设接收端接收到的多用户干扰相对期望用户的对应码片延迟为Dm，Dm=0,1,2,3，多用户干扰定义为M1(k),M1(k)的表达式如下：

式中，m表示第m个其他用户干扰，256次累加后结果为：

一个码片积累结果为：

可以看出干扰信号在每个码片上对期望用户信号影响的方差由延迟和干扰用户个数决定，一个干扰用户的延迟Dm为2时方差最小。可以得到Var{M3(0)}的范围为[M/32,M/16]，M为干扰用户个数。

所以接收端每个码片的判决误码率可以表示为：

从以上分析可以看出，接收端每个码片扩频码的识别误码率与信干噪比有关，多用户干扰的方差与干扰用户个数成正比，随着干扰用户个数的增加，多用户干扰会成为影响检测概率的主要方面，正确解扰累加后的信干噪会比中频接收信干噪比提高20 dB左右。

3 仿真结果和分析

使用Matlab对算法进行仿真分析，根据协议WCDMA上行链路调制的码片速率为3.84 Mcps，假设中频为70 MHz，采样速率为56 MHz，干扰用户信号为10 ms的无线帧数据，设置目标用户信号随机出现在10 ms时间段中。仿真中对接收部分降采样到每个码片4个样本点，解扰时假定接收机已完成同步过程，对接收信号做256次的64样本点积累，得到4样本点扩频码片，再对每4个样本点累加判决，一次蒙特卡洛仿真得到的判决结果如图4所示。

图4 判决结果

WCDMA系统为克服远近效应，采用功率控制过程，使不同距离的用户信号在到达同一接收机天线时功率相同。假设非合作接收卫星与目标卫星相距较近，那么非合作卫星接收到的信号功率与合作卫星接收到的信号功率相同。仿真在只有噪声和只有多用户干扰两种情况下的检测概率，设置中频接收信干噪比如图5变化，只有噪声时信干噪比等效于信噪比；只有多用户干扰时干扰用户个数分别设置为1,5,10,15,20，25，此时信干噪比等效于信干比。由正确扰码解扰叠加后对检测概率进行蒙特卡洛仿真，得到图5的信干比检测概率曲线。

图5 只有噪声和只有多用户干扰的信干噪比-检测概率曲线

首先，考虑没有干扰用户信号的情况，非合作侦察卫星对新入网用户的信噪比检测概率曲线如图5第一条曲线。当信干噪比降到-5dB以下时，本算法检测效果已经不再理想；在-5dB以上时，本算法检测概率可以优于95%。当只有干扰用户信号存在时，信干噪比检测概率曲线如图5第二条曲线；考虑到WCD-MA功率控制因素，只有一个干扰用户信号时信干比为0dB，此时检测概率能够达到95%以上，当信干比小于-10dB时，此时干扰用户个数小于10个，检测概率可以达到90%以上。比较两个曲线，当信干噪比相同时，噪声功率和多用户干扰功率相同，同样功率的多用户干扰对本算法的影响更大。

假设噪声和多用户干扰同时存在，在不同信噪比条件下，设置干扰用户个数为 1,5、10、15、20、25，仿真此时检测概率随信干噪比变化的曲线，仿真结果如图6所示。

图6 不同信噪比条件下的信干比检测概率曲线

图7 扰码域和扩频码域搜索结果

可以看出，在信噪比较好的情况下，当多用户干扰在10个以内时，检测算法可以达到90%以上的检测概率，随着信噪比增大，当多用户干扰在5个以内时检测概率能够达到90%以上。

设置期望用户扩频码号6，扰码号120，仿真期望用户在扰码域和扩频码域的搜索结果。这里为了方便运行，扰码域设置为1到512号扰码，在扰码域和扩频码域的搜索结果如图7所示，图中x轴表示扩频码序号，y轴表示扰码序号。可以看出在目标用户的扰码和扩频码位置上出现了最大值16，表示搜索找到了目标用户使用的扰码和扩频码。

4 结束语

本文针对WCDMA新入网用户的盲检测问题提出了一种利用新入网用户上行链路随机接入前缀进行检测的算法，在理论上对算法进行了推导，分析了算法在有噪声和多用户干扰的情况下的检测性能，并且实现了期望用户扰码和扩频码的搜索。在对算法检测性能的讨论中发现，和噪声相比多用户干扰对检测性能的影响更大，并通过仿真进行了验证。最后给出了仿真后得到的算法检测性能曲线以及期望用户扰码和扩频码搜索结果。但8192种扰码的并行解扰搜索需要较大的计算量，时效性较差，因此如何通过信号处理的方式来快速进行并行解扰，提高运算速度，有待进一步研究解决。■