下一代移動通信中小區(qū)搜索技術(shù)研究

　　摘 要 本文對下一代移動通信中基于可變擴(kuò)頻因子—正交頻率碼分復(fù)用（VSF-OFCDM）調(diào)制技術(shù)的一些小區(qū)同步搜索最新方案進(jìn)行了討論和比較。這些同步方案基本上和WCDMA中三步小區(qū)搜索方案類似，由時(shí)隙同步、幀同步和擾碼同步三個(gè)操作過程組成。 

　　關(guān)鍵詞  

1 引言 

　　移動通信目前已經(jīng)發(fā)展到了采用CDMA技術(shù)的第三代移動通信系統(tǒng)。隨著多媒體服務(wù)的增長，現(xiàn)有的3G技術(shù)已不能滿足未來的數(shù)據(jù)傳送要求。目前正在進(jìn)行的下一代移動通信的研究中，可變擴(kuò)頻因子—正交頻率碼分復(fù)用（VSF-OFCDM）[1]技術(shù)由于具備了OFDM的抗頻率選擇性衰落及其蜂窩系統(tǒng)容量又較OFDM高的原因，故基于此技術(shù)的蜂窩系統(tǒng)方案被日本NTT DoCoMo公司提交成為超IMT-2000系統(tǒng)中一種重要的候選方案。 

　　在目前提出的VSF-OFCDM蜂窩系統(tǒng)各種小區(qū)搜索方案中，除了由于數(shù)據(jù)調(diào)制方式與WCDMA不同，需要FFT窗同步用來恢復(fù)被調(diào)制的數(shù)據(jù)外，其他方面與WCDMA三步快速小區(qū)搜索方案類似，所以其包含以下三個(gè)步驟：時(shí)隙和FFT時(shí)間窗同步，幀同步，小區(qū)擾碼同步。按照搜索算法第一步的不同，可將小區(qū)搜索算法分為[2, 3]基于時(shí)域同步信道 （SCH）結(jié)構(gòu)，基于頻域SCH結(jié)構(gòu)，基于保護(hù)間隔 （GI）結(jié)構(gòu)三大類小區(qū)搜索算法。本文將對每類算法中都挑選一個(gè)主要的方案進(jìn)行介紹和比較。

2 小區(qū)搜索理論分析 

　　由于VSF-OFCDM與WCDMA都是在多蜂窩系統(tǒng)中，而且都采用了碼分復(fù)用，所以他們的小區(qū)搜索的思路非常類似。關(guān)于WCDMA小區(qū)搜索算法理論的分析如文獻(xiàn)[4]所述，本文主要討論在VSF-OFCDM搜索算法理論分析上的不同之處。 

　　首先在小區(qū)選擇的過程中主要包含了這樣一個(gè)策略。對于移動臺的小區(qū)選擇，所有小區(qū)必需擁有一個(gè)共同的條件提供給移動臺以便進(jìn)行平等的選擇，這個(gè)前提在WCDMA中表現(xiàn)為每個(gè)小區(qū)都擁有一個(gè)相同的信道主同步信道（P-SCH），其發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，以便移動臺在同等條件下按照功率最大原則進(jìn)行平等的小區(qū)選擇。在VSF-OFCDM中，每個(gè)符號都是OFDM調(diào)制信號，其都擁有GI來減少符號間干擾，故共同的條件又多了一個(gè)GI可自相關(guān)性這個(gè)特性[1]，移動臺利用此特性按照功率最大原則進(jìn)行小區(qū)選擇。 

　　其次是導(dǎo)頻信道（CPICH）的設(shè)計(jì)。一般基站下行信號幀中會利用一個(gè)專門的CPICH信道攜帶小區(qū)擾碼信息，提供給移動臺接收識別。在CPICH信道的復(fù)用方式上，因?yàn)閃CDMA每個(gè)數(shù)據(jù)符號都是時(shí)域擴(kuò)頻，導(dǎo)致每個(gè)數(shù)據(jù)符號占用了全部頻域，所以CPICH的復(fù)用方式不能使用頻分復(fù)用，僅能使用時(shí)分復(fù)用和碼分復(fù)用。而對于OFCDM信號，從其調(diào)制技術(shù)的特性[1]可以知道，在子載波上傳送的是數(shù)據(jù)符號和擴(kuò)頻碼的乘積，其本質(zhì)上還是OFDM調(diào)制，頻域的擴(kuò)頻并不影響時(shí)域信號的傳輸，時(shí)域中每個(gè)OFDM符號之間可以時(shí)分復(fù)用。所以導(dǎo)頻信道不僅可以碼分復(fù)用、頻分復(fù)用，而且可以在時(shí)域占用特定的OFDM符號周期與其他數(shù)據(jù)信號進(jìn)行時(shí)分復(fù)用。這樣OFCDM導(dǎo)頻信道的復(fù)用方式較WCDMA又多了一種時(shí)分復(fù)用的方式，所以其幀結(jié)構(gòu)和對應(yīng)的搜索方案更加靈活。

3 小區(qū)搜索同步算法

3.1 幀結(jié)構(gòu)和碼分配 

　　在VSF-OFCDM系統(tǒng)中，所有的小區(qū)搜索同步方案基本上還是按照WCDMA中的三步小區(qū)搜索的步驟進(jìn)行；首先和選擇的小區(qū)獲得時(shí)隙同步；其次獲得碼組同步和幀同步；最后獲得小區(qū)擾碼同步。本章將對基于時(shí)域SCH結(jié)構(gòu)，基于頻域SCH結(jié)構(gòu)，基于GI結(jié)構(gòu)的三種方案各挑一個(gè)主要的方案進(jìn)行介紹和比較。 

3.2 搜索算法 

　　1. 基于時(shí)域SCH結(jié)構(gòu) 

　　這種方案中第一步進(jìn)行時(shí)隙同步和IFFT窗同步。在接收端，本地SCH樣本信號通過IFFT運(yùn)算后生成的ＮC個(gè)信號與接收到的沒有FFT處理的信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算；其輸出的相關(guān)值以平分的形式通過ＮT幀進(jìn)行平均，以平滑噪聲和其他擴(kuò)頻碼的干擾；最后通過搜索到最大的相關(guān)值可以檢測到最優(yōu)小區(qū)的FFT窗時(shí)隙同步和幀同步。 

　　其次是擾碼同步。CPICH信道的信號通過FFT輸出，由于已經(jīng)幀同步和FFT窗同步，所以可以在輸出的CPICH信道的信號中挑出時(shí)間在ＮCPICH_T符號內(nèi)，頻率在ＮCPICH_F內(nèi)的信號和本地所有候選CSSC樣本信號相關(guān)，輸出相關(guān)值以平方的形式在頻域平均，以平滑碼間和噪聲的干擾，在獲得所有的CSSC樣本的相關(guān)值之后，相關(guān)值最大的那個(gè)CSSC值被認(rèn)為是最佳小區(qū)的擾碼值。 

　　 2. 基于頻域SCH結(jié)構(gòu) 

　　 第一步，通過GI進(jìn)行FFT窗時(shí)隙檢測。這種方法就是將接收到的抽樣信號和其延遲一個(gè)FFT窗時(shí)間間隔的抽樣信號，在ＴGI抽樣點(diǎn)的長度上進(jìn)行積分，積分的起始抽樣點(diǎn)沿著時(shí)域一個(gè)一個(gè)地滑動，共取得ＴS個(gè)相關(guān)值，將時(shí)域中相關(guān)運(yùn)算中起始抽樣點(diǎn)間隔為ＴS的相關(guān)值進(jìn)行平均64次，以平滑碼間和噪聲干擾。最佳的FFT窗的起始抽樣點(diǎn)也就是最大平均值對應(yīng)的那個(gè)起始抽樣點(diǎn)。此時(shí)FFT窗同步結(jié)束。 

　　 第二步，本地SCH樣本信號和頻域中的SCH信道信號進(jìn)行相關(guān)得出幀同步，將一幀中規(guī)定的ＮSCH信道中攜帶的SCH信號和本地SCH樣本信號相關(guān)，沿時(shí)域依次移動起始符號再進(jìn)行上述過程，移動一幀符號后，選取相關(guān)值最大起始符號的時(shí)隙為幀起點(diǎn)。最后，第三步的CSSC檢測和基于時(shí)域SCH結(jié)構(gòu)的CSSC檢測一樣。 

　　 3. 基于GI結(jié)構(gòu) 

　　 此方法的特點(diǎn)是沒有SCH信道，避免對本小區(qū)和其他小區(qū)的數(shù)據(jù)信道產(chǎn)生干擾。第一步FFT窗時(shí)隙檢測和基于時(shí)域SCH結(jié)構(gòu)的一樣。第二步CSSC碼組同步的過程如下所述。假設(shè)接受端的CSSC共有ＮGRP組，用于識別CSSC碼組的掩碼本地樣本為Ｘ，檢測公式如下： 

　　 Ｓｉ（ｋ）=ｘ*ｉｎ ｒｎ-Ｌ（ｋ-1）ｒ*（ｋ）

　　 （1） 

　　 Ｓｉ（ｋ）表示時(shí)域第ｋ個(gè)OFDM符號時(shí)和序號為ｉ的本地候選CSSC樣本碼組相關(guān)的輸出，ｒ表示接收的信號。從其碼分配（見表1）和公式（1）可以知道，當(dāng)相鄰信道為CPICH信道時(shí)，候選CSSC樣本碼組正確時(shí)，有最高的相關(guān)值輸出，CSSC組檢測和幀同步同時(shí)成功，第ｋ個(gè)OFDM符號為幀起點(diǎn)，第ｉ本地候選CSSC樣本碼組為小區(qū)擾碼組。 

　　 最后第三步的CSSC檢測和基于時(shí)域SCH結(jié)構(gòu)的CSSC檢測一樣。但是由于這種方法在第二步檢測了碼組，CSSC碼的檢測時(shí)間在同等條件下就少了很多。

3.3 方案比較 

　　以上三種方案的系統(tǒng)開銷依次為1/ ＮFRAME+1/ ＣMAX ，ＮSCH /ＮC+1/ ＣMAX，2/ ＮFRAME。在基于時(shí)域SCH結(jié)構(gòu)和基于頻域SCH結(jié)構(gòu)兩種方案中，由文獻(xiàn)[2]仿真結(jié)果所知，如果他們的SCH總功率相等，仿真條件相同，這兩種結(jié)構(gòu)在小區(qū)搜索時(shí)間性能上相差不大。但是他們使用了SCH信道來識別幀同步,此信道使用的公共擾碼與其他信道并不完全正交，一旦為了提高小區(qū)搜索的概率而提高SCH的功率時(shí)，就會對其他信道產(chǎn)生較嚴(yán)重的碼間干擾。所以針對這個(gè)問題提出第三種方案[3]。由文獻(xiàn)[3]仿真知道，在CPICH信道和其他一個(gè)碼信道的功率比為6dB的條件下，不僅其小區(qū)搜索時(shí)間性能與其他方法比較也非常優(yōu)良，而且同時(shí)也減少了對其他信道的碼干擾。但從系統(tǒng)開銷的方面來看，由于ＮFRAME相對于ＮC和ＣMAX比較小，所以最后一個(gè)方案系統(tǒng)的開銷比較大。

4 結(jié)論 

　　在未來的移動通信研究中，VSF-OFCDM方案作為一種靈活的調(diào)制方案受到大家的關(guān)注。而小區(qū)搜索同步技術(shù)作為基于VSF-OFCDM調(diào)制的系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，直接影響到接收機(jī)對信號的接收性能。由于 VSF-OFCDM調(diào)制信號的特性，導(dǎo)致小區(qū)搜索同步方案也非常豐富。本文給出的三種小區(qū)搜索同步的幀設(shè)計(jì)方案是幾年來NTT DoCoMo公司提出的幾種主要方案，其中基于GI同步結(jié)構(gòu)方案因?yàn)閮H利用GI時(shí)間同步，而不使用會干擾數(shù)據(jù)信道的SCH信道，從而成為目前較佳的候選方案。這種設(shè)計(jì)能夠在較短的時(shí)間內(nèi)取得同步，為后續(xù)的數(shù)據(jù)接收提供良好的定時(shí)基礎(chǔ)和接收環(huán)境。 

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Atarashi H, Abeta S, Sawahashi M . Variable spreading actor-orthogonal frequency and code division multiplexing (VSF-OFCDM) for broadband packet wireless access . IEICE Trans Commun, Vol E86-B，No 1, 2003

[2] Ishii Y, Higuchi K, Sawahshi M . Three-step cell search algorithm employing synchronization and common pilot channels for OFCDM broadband wireless access . IEICE Trans Commun, Vol E85-B, No 12，2002

[3] Tanno M, Atarashi H, Higuchi K, Sawahashi M . Three-step cell search algorithm exploiting common pilot channel for OFCDM broadband wireless access . IEICE Trans Commun, Vol E86-B, No1, 2003

[4] 王博, 陸小寧, 趙春明 . WCDMA系統(tǒng)中移動臺小區(qū)搜索的研究 . 通信技術(shù), 2001, 17（1）