下一代移动通信中小区搜索技术研究

2019-11-03 09:25:45

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供稿：网友

杜永生宋荣方

　　摘要本文对下一代移动通信中基于可变扩频因子—正交频率码分复用（VSF-OFCDM）调制技术的一些小区同步搜索最新方案进行了讨论和比较。这些同步方案基本上和WCDMA中三步小区搜索方案类似，由时隙同步、帧同步和扰码同步三个操作过程组成。

　　关键词 VSF-OFCDM 可变扩频同步小区搜索

1 引言

　　移动通信目前已经发展到了采用CDMA技术的第三代移动通信系统。随着多媒体服务的增长，现有的3G技术已不能满足未来的数据传送要求。目前正在进行的下一代移动通信的研究中，可变扩频因子—正交频率码分复用（VSF-OFCDM）[1]技术由于具备了OFDM的抗频率选择性衰落及其蜂窝系统容量又较OFDM高的原因，故基于此技术的蜂窝系统方案被日本NTT DoCoMo公司提交成为超IMT-2000系统中一种重要的候选方案。

　　在目前提出的VSF-OFCDM蜂窝系统各种小区搜索方案中，除了由于数据调制方式与WCDMA不同，需要FFT窗同步用来恢复被调制的数据外，其他方面与WCDMA三步快速小区搜索方案类似，所以其包含以下三个步骤：时隙和FFT时间窗同步，帧同步，小区扰码同步。按照搜索算法第一步的不同，可将小区搜索算法分为[2, 3]基于时域同步信道（SCH）结构，基于频域SCH结构，基于保护间隔（GI）结构三大类小区搜索算法。本文将对每类算法中都挑选一个主要的方案进行介绍和比较。

2 小区搜索理论分析

　　由于VSF-OFCDM与WCDMA都是在多蜂窝系统中，而且都采用了码分复用，所以他们的小区搜索的思路非常类似。关于WCDMA小区搜索算法理论的分析如文献[4]所述，本文主要讨论在VSF-OFCDM搜索算法理论分析上的不同之处。

　　首先在小区选择的过程中主要包含了这样一个策略。对于移动台的小区选择，所有小区必需拥有一个共同的条件提供给移动台以便进行平等的选择，这个前提在WCDMA中表现为每个小区都拥有一个相同的信道主同步信道（P-SCH），其发送相同的数据，以便移动台在同等条件下按照功率最大原则进行平等的小区选择。在VSF-OFCDM中，每个符号都是OFDM调制信号，其都拥有GI来减少符号间干扰，故共同的条件又多了一个GI可自相关性这个特性[1]，移动台利用此特性按照功率最大原则进行小区选择。

　　其次是导频信道（CPICH）的设计。一般基站下行信号帧中会利用一个专门的CPICH信道携带小区扰码信息，提供给移动台接收识别。在CPICH信道的复用方式上，因为WCDMA每个数据符号都是时域扩频，导致每个数据符号占用了全部频域，所以CPICH的复用方式不能使用频分复用，仅能使用时分复用和码分复用。而对于OFCDM信号，从其调制技术的特性[1]可以知道，在子载波上传送的是数据符号和扩频码的乘积，其本质上还是OFDM调制，频域的扩频并不影响时域信号的传输，时域中每个OFDM符号之间可以时分复用。所以导频信道不仅可以码分复用、频分复用，而且可以在时域占用特定的OFDM符号周期与其他数据信号进行时分复用。这样OFCDM导频信道的复用方式较WCDMA又多了一种时分复用的方式，所以其帧结构和对应的搜索方案更加灵活。

3 小区搜索同步算法

3.1 帧结构和码分配

　　在VSF-OFCDM系统中，所有的小区搜索同步方案基本上还是按照WCDMA中的三步小区搜索的步骤进行；首先和选择的小区获得时隙同步；其次获得码组同步和帧同步；最后获得小区扰码同步。本章将对基于时域SCH结构，基于频域SCH结构，基于GI结构的三种方案各挑一个主要的方案进行介绍和比较。

3.2 搜索算法

　　1. 基于时域SCH结构

　　这种方案中第一步进行时隙同步和IFFT窗同步。在接收端，本地SCH样本信号通过IFFT运算后生成的ＮC个信号与接收到的没有FFT处理的信号进行相关运算；其输出的相关值以平分的形式通过ＮT帧进行平均，以平滑噪声和其他扩频码的干扰；最后通过搜索到最大的相关值可以检测到最优小区的FFT窗时隙同步和帧同步。

　　其次是扰码同步。CPICH信道的信号通过FFT输出，由于已经帧同步和FFT窗同步，所以可以在输出的CPICH信道的信号中挑出时间在ＮCPICH_T符号内，频率在ＮCPICH_F内的信号和本地所有候选CSSC样本信号相关，输出相关值以平方的形式在频域平均，以平滑码间和噪声的干扰，在获得所有的CSSC样本的相关值之后，相关值最大的那个CSSC值被认为是最佳小区的扰码值。

　　 2. 基于频域SCH结构

　　第一步，通过GI进行FFT窗时隙检测。这种方法就是将接收到的抽样信号和其延迟一个FFT窗时间间隔的抽样信号，在ＴGI抽样点的长度上进行积分，积分的起始抽样点沿着时域一个一个地滑动，共取得ＴS个相关值，将时域中相关运算中起始抽样点间隔为ＴS的相关值进行平均64次，以平滑码间和噪声干扰。最佳的FFT窗的起始抽样点也就是最大平均值对应的那个起始抽样点。此时FFT窗同步结束。

　　第二步，本地SCH样本信号和频域中的SCH信道信号进行相关得出帧同步，将一帧中规定的ＮSCH信道中携带的SCH信号和本地SCH样本信号相关，沿时域依次移动起始符号再进行上述过程，移动一帧符号后，选取相关值最大起始符号的时隙为帧起点。最后，第三步的CSSC检测和基于时域SCH结构的CSSC检测一样。

　　 3. 基于GI结构

　　此方法的特点是没有SCH信道，避免对本小区和其他小区的数据信道产生干扰。第一步FFT窗时隙检测和基于时域SCH结构的一样。第二步CSSC码组同步的过程如下所述。假设接受端的CSSC共有ＮGRP组，用于识别CSSC码组的掩码本地样本为Ｘ，检测公式如下：

　　Ｓｉ（ｋ）=ｘ*ｉｎｒｎ-Ｌ（ｋ-1）ｒ*（ｋ）

　　（1）

　　Ｓｉ（ｋ）表示时域第ｋ个OFDM符号时和序号为ｉ的本地候选CSSC样本码组相关的输出，ｒ表示接收的信号。从其码分配（见表1）和公式（1）可以知道，当相邻信道为CPICH信道时，候选CSSC样本码组正确时，有最高的相关值输出，CSSC组检测和帧同步同时成功，第ｋ个OFDM符号为帧起点，第ｉ本地候选CSSC样本码组为小区扰码组。

　　最后第三步的CSSC检测和基于时域SCH结构的CSSC检测一样。但是由于这种方法在第二步检测了码组，CSSC码的检测时间在同等条件下就少了很多。

3.3 方案比较

　　以上三种方案的系统开销依次为1/ ＮFRAME+1/ ＣMAX ，ＮSCH /ＮC+1/ ＣMAX，2/ ＮFRAME。在基于时域SCH结构和基于频域SCH结构两种方案中，由文献[2]仿真结果所知，如果他们的SCH总功率相等，仿真条件相同，这两种结构在小区搜索时间性能上相差不大。但是他们使用了SCH信道来识别帧同步,此信道使用的公共扰码与其他信道并不完全正交，一旦为了提高小区搜索的概率而提高SCH的功率时，就会对其他信道产生较严重的码间干扰。所以针对这个问题提出第三种方案[3]。由文献[3]仿真知道，在CPICH信道和其他一个码信道的功率比为6dB的条件下，不仅其小区搜索时间性能与其他方法比较也非常优良，而且同时也减少了对其他信道的码干扰。但从系统开销的方面来看，由于ＮFRAME相对于ＮC和ＣMAX比较小，所以最后一个方案系统的开销比较大。

4 结论

　　在未来的移动通信研究中，VSF-OFCDM方案作为一种灵活的调制方案受到大家的关注。而小区搜索同步技术作为基于VSF-OFCDM调制的系统中的关键技术，直接影响到接收机对信号的接收性能。由于 VSF-OFCDM调制信号的特性，导致小区搜索同步方案也非常丰富。本文给出的三种小区搜索同步的帧设计方案是几年来NTT DoCoMo公司提出的几种主要方案，其中基于GI同步结构方案因为仅利用GI时间同步，而不使用会干扰数据信道的SCH信道，从而成为目前较佳的候选方案。这种设计能够在较短的时间内取得同步，为后续的数据接收提供良好的定时基础和接收环境。

参考文献

[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, 陆小宁, 赵春明 . WCDMA系统中移动台小区搜索的研究 . 通信技术, 2001, 17（1）

----《中国数据通信》