WCDMA系统的同步及小区搜索过程

WCDMA 系统的同步
（1） WCDMA 同步特点 任何数字通信系统都需要保证精确同步，否则就不能称为数字通信系统。WCDMA 是 异步系统，并不是说 UE 和系统不需要同步，而是相邻基站可以不必精确同步。WCDMA 基 站间不需要同步。同时 WCDMA 是下行同步，上行不需要同步，主要由以下几个原因： 1、通过两个 WCDMA 基站间的定时差别报告来完成软切换。CDMA2000 与 TD-SCDMA 都需要基站间的严格同步； 2、 WCDMA 的首选方案是异步系统； 不过也可以使用 GPS 作为系统同步； 而 CDMA2000 必须用 GPS 做系统同步， 3、下行同步可以减少干扰，上行异步可以使得系统在许多环境下更易于部署。 4、WCDMA 采用的是 FDD，不需要 GPS 的支持； 5、不同的扩频码之间性能是有区别的，CDMA2000 采用 m 序列，而 WCDMA 采用 Gold 序列。m 序列特点是自相关特性比较好，但是互相关特性稍差；Gold 序列刚好相反，互相 关特性非常好，但是自相关特性稍差。CDMA2000 的地址码采用 m 序列，需要由 GPS 实现 前向信道的同步； WCDMA 采用 Gold 序列则不需 GPS， 而是不同基站间利用时延实现同步。 （2） WCDMA 系统的同步 WCDMA系统同步过程主要包含以下方面：
（1）网络同步； （2）节点同步； （3）传输信道同步； （4）时隙同步和帧同步； （5）空中接口同步； （6）Iu 接口的时间调整。 WCDMA中的同步过程可以概括如下： （1）时隙同步和帧同步 UE 在小区搜索的过程中，会用到时隙同步和帧同步的过程。当 UE 开机时需要使用小 区搜索过程，同时 UE 在搜索相邻小区时也需要用到小区搜索过程。小区搜索过程的目的是 得到被搜索小区的下行扰码（如果下行扰码未知，例如开机时）和下行导频的时间偏置。 （2）空中接口的同步 UE通常需要使用一条专用的无线链路进行通信，而无线链路只有在完成同步过程后才 是可用的。 所谓空中接口的同步是指无线链路在同步的状态下， 可以保证数据按顺序在上行 和下行方向上进行发送和接收。 空中接口同步需要考虑的另一个问题就是， 当系统内多个用 户同时传送数据时，如何及时有效的调度和协调不同用户数据的收发问题。 （3）传输信道同步 传输信道同步是指在RNC和Node B之间的数据帧的传输同步，通过传输信道同步可以 有效地减少数据缓冲的时间和对网络节点的数据缓冲区容量的要求，进而减小数据在 UTRAN网络内传输的时延。 对于传输信道的同步，通过以下原则实现数据传输的同步：对于下行方向的数据传输， 以下级网络节点（如Node B）的接收时间为基准调整上级网络节点（如RNC）中数据的发 送时间； 对于上行方向的数据传输， 则调整上级网络节点内部的接收时间窗来满足上行数据 传输的要求。 （4）Iu接口的时间调整 Iu 接口的时间调整是指通过调整核心网编码器数据的发送时间，减小数据在 RNC 缓冲 区中的时延，进而减小对 RNC 中缓冲区容量的需求。 （5）节点同步 节点同步是不同的网络节点获得相同的时间参考的一种途径，在 UTRAN 中，所有网络 节点间不必严格保持时间同步。在 UTRAN 中，各个网络节点的时钟计数器（RFN、BFN） 可以有不同的相位偏置，如图 8-4 所示。然而，通过预估 RNC 和 Node B 之间的时间偏置， 可以有效减少空中接口下行链路数据传播的时延。
同步码是具有良好相关特性的序列，所以相关器所检测到的峰值便是时隙头,从而达到时隙 同步。 2. 小区同步过程 在 WCDMA 系统中共有 512 个主扰码，每个扰码以 38400chips 为周期，如果使用穷举 的方法需要尝试 38400x512 次，假设每次穷举需要 256chips 的时间，则穷举完毕需要半个 小时的时间，因此行不通。随着时间的推移，把码分组和码组标识(GIC)的概念提了出来， 识别扰名先识别码组，然后再确认该码组中的扰码号，这样可以大大的减少捕获时间。如果 小区搜索的码组识别和帧同步放在一步完成，小区搜索的复杂度可以进一步的降低。在 WCDMA 系统中 256 个主扰码被分成 64x8 的码组，在小区搜索的第二步 RS 解码后识别出 码组号的同时也识别帧偏移量， 通过这些步骤大大减少搜索时间。 快速三步小区搜索的具体 过程如下： 时隙同步的目的时获得发射信号的时隙头。首先通过匹配滤波器或相关器完成接收信号 和主同步码的相关运算，然后搜索相关结果的峰值，并把该处的时刻认为是时隙头。 帧同步的目的是识别出码组号，从而区分出帧边界。这是利用辅助同步信道上的信息来 实现的。 接受端在第一步以后获得了时隙头， 便可以更可以使用和主同步信道并行发射的辅 助同步信道上的信息。接收端在每个 slot 中完成同 16 个辅助同步码并行的相关，N×15 个 slot 后，形成码序列，然后通过 RS 解码的方法(具体见后面章节，有硬和软之分)，译出该 扰码的码组号和帧偏移量，此时便已经获得了帧的同步。 扰码确认的目的是完成最后的扰码搜索。移动台在完成小区搜索第一步和第二步后，实 现了与所在小区基站间的时隙同步和帧同步， 并确定了基站扰码的码组号。 移动台将利用接 收信号中公共导频信道（CPICH）的信息和已确定的码组号内的所有扰码相关，选择出一个 最可能的扰码，确定最后搜索到的一个扰码。 对频偏捕获的过程， 可以分为同步前的频率捕获和同步后的捕获两种。 他们都是先估计 频偏然后通过改变 NCO/VCO 的参数达到消除频偏的目的。 其中频偏估计有的采用的基于最 大似然的估计方法，有的采用的鉴频的方法。对于同步后的频偏估计由于可以使用 Pilot 信 道的数据，使用较为简单，同步前的频偏估计没有训练序列，所以更为复杂。 下图是小区搜索同步的示意图：
WCDMA系统的同步及小区搜索过程
摘要
本文首先介绍了 WCDMA 的主要特征以及其和别的系统的区别，研究背景，然后深入介绍 了 WCDMA 的系统同步的分类以及它们的特征和关系，最后着重分析了初始化小区搜索的 基本原理，重点对小区搜索涉及到的时隙同步、帧同步以及码组识别、主扰码识别和频偏估 计内容做了深入的研究， 对相应的算法进行了原理性的分析与推导， 继而对这些算法在不同 信道环境、不同信噪比以及系统频偏影响下的性能表现进行了总结和比较。
WCDMA 系统中的小区搜索
1. WCDMA 小区搜索概述 由于 WCDMA 系统基站间并不要求精确地同步，它主要是通过不同的扰码来识别小区 的， 因此小区搜索是 WCDMA 物理层的关键技术之一。 移动台开机， 需要与系统取得联系， 首先要与某一小区的信号取得时序同步， 这种从无联系到时序同步的过程就是移动台的小区 搜索过程。 通过小区搜索我们可以确定出下行链路的扰码。 小区搜索是通过三个步骤来实现 的，即时隙同步；帧同步；扰码识别。本文主要研究时隙同步，即移动台首先搜索主同步信 道的 256chips 长的主同步码,与信号最强的基站取得时隙同步。因为所有小区都使用相同的 码字作为自己的主同步码，这一步可利用与主同步码匹配的滤波器(相关器)来实现。由于主
图 1 小区搜索同步示意图 3. 小区搜索基本原理 （1）时隙同步
同步码的生成 WCDMA 小区搜索中的时隙同步是通过主同步信道(P-SCH)实现的，WCDMA 系统中所 有小区都使用同一个 PSC 码，并以时隙为周期发送。PSC 码是 Golay 码序列，具有良好的 非周期自相关性，利用这一特性，我们可以通过 PSC 码匹配滤波方法来实现小区的时隙同 步。 主同步码(PSC)是由广义分层 Golay 序列构成的，其具有良好的非周期自相关特性。构 成原理如下： 定义������ = < ������1, ������2, ������3, … , ������16 >=< 1,1,1,1,1,1, −1, −1,1, −1,1, −1,1, −1, −1,1 > 则互补调制 Golay 序列码如下： ������ = < ������1, ������2, ������3, … , ������16 >=< 1,1,1, −1, −1,1, −1, −1,1,1,1, −1,1, −1,1,1 > 通过克罗内科(Kronecker)积，PSC 码可表示为：������������������������ = 1 + ������ ������ ⊗ ������ ，则： ������������������������ = 1 + ������ ×< ������, ������, ������, −������, −������, ������, −������, −������, ������, ������, ������, −������, ������, −������, ������, ������ > PSC 码也是 Golay 序列，它的迭代生成表示方法： ������0 ������ = ������0 ������ = ������ (������) ������������ ������ = ������������−1 ������ + ������ ������ ������������−1 (������ − ������������ ) ������������ ������ = ������������−1 ������ − ������ ������ ������������−1 (������ − ������������ ) 其中,������ = 0,1,2, … ,255，������ = 0,1,2, … ,8，������ (������)是冲击函数，������������ ������ 和������������ ������ 是长度为 256 的 Golay 码。 延迟向量为： ������1 , ������2 , ������3 , ������4 , ������5 , ������6 , ������7 , ������8 =[128,64,16,32,8,1,4,2] 权重向量为： ������1 , ������2 , ������ , ������4 , ������5 , ������6 , ������7 , ������8 =[1,1,1,1,1,1,1,1]，对于 n=4 和 n=6，令 ������������ ������ = ������������ ������ ，第八次迭代后的������8 ������ 就是 PSC 码。 通过这个通用的 PSC（Primary Synchronisation Code），UE 很容易通过一个匹配滤波器 就可以找到某个信号较强的小区， 并能确定其时隙起始点的位置， 这样也就完成了时隙同步。 时隙同步的实现 时隙同步通过相关器或匹配滤波器完成对 PSC 的相关以达到对时隙边界的检测。由于 同步信道的发射能量很低并且由于较低的工作信噪比， 而且时隙同步的出错将导致本次三步 搜索的失败， 因此我们必须对多个时隙的相关结果进行累加以获得鲁棒的时隙同步头。 我们 这里采用匹配滤波器的结构进行仿真，假设采样率为 1chip 且为理想采样。为了克服不同频 偏的影响，对不同的频偏应该采样不同结构的匹配滤波器。 当初始频偏为 0HZ 时，可以采样标准的匹配滤波器区搜索 引言