（信号与信息处理专业论文）wcdma系统下行同步原理与fpga实现.pdf

w c d m a 系统下行问步原理jf p g a 实现 w c d m a 系统下行同步原理与f p g a 实现 摘要 同步是移动通信领域中的关键技术，是保障通信初始和进行的必 要过程，对系统的性能影响重大。纵观移动通信系统的发展史，同步 技术自始至终都是人们研究的热点。 w c d m a 作为第三代移动通信无线接口标准之一，已经在全世 界范围内得到了商用。小区搜索是w c d m a 的重要物理层过程，是 实现下行移动台和基站间同步的重要手段。 作为a s i c 领域的一种半定制电路，现场可编程门阵列( f p g a ) 既解决了全定制电路不能修改的不足，又解决了原有可编程器件 容量有限的问题。f p g a 以其强大的现场可编程能力和开发速度 优势，逐渐成为a s i c 电路中设计周期最短、开发费用最低、风 险最小的器件之一。 因此，研究w c d m a 同步算法及其在f p g a 中的实现与验证 是具有理论和现实意义的。本文首先介绍了w c d m a 物理层基 础，接着详细讨论了w c d m a 主同步、辅同步和导频同步的原理， 介绍了前两步同步的改进型算法和证明，并和传统相关算法在资 源和实现复杂度方面进行了比较，给出了下行同步的浮点仿真结 果和分析。之后，深入讨论了下行同步的f p g a ( v 4 s x 3 5 ) 实 现方案、运算流程和模块间的接口设计。最后，介绍了下行同步 的f p g a 验证方法。 本文较为深入的讨论了w c d m a 下行同步的算法和f p g a 实现 方案，给出了理论分析和仿真、实验结果。并在低复杂度和资源开销 条件下，完成了f p g a 的硬件设计和片上测试，达到了系统的性能指 标。 关键词：w c d m a 同步小区搜索f p g a 北京邮电大学硕十学位论文 w c d m a 系统下行同步原理与f p g a 实现 s y n c h r o n i z 棚o np r i n c i p l ea n df p g a i m p l e m e n l a = r 1 0 no fw c d m ad o w n l i n ks y s t e m s y n c h r o n i z a t i o ni sak e yt e c h n o l o g yi nm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s y n c h r o n i z a t i o n i s i n d i s p e n s a b l e i nt h e p r o c e s s o f c o m m u n i c a t i o na n di th a sas i g n i f i c a n ti m p a c to ns y s t e mp e r f o r m a n c e w c d m a , a so n eo ft h e3 加g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s t a n d a r d s h a sb e e nw o r l d w i d ea d o p t e d c e us e a r c hi s ac r i t i c a l p h y s i c a l l a y e rp r o c e d u r e ，w h i c hc a ns y n c h r o n i z em o b i l es t a t i o na n db a s e s t a t i o ni nd o w n l i n k a so n eo fs e m i c u s t o mc i r c u i t s ，f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) s o l v e sd r a w b a c k so ff u i i c u s t o mc i r c u i t sa n do r i g i n a lp l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) w i t h t h e p r o g r a m m a b l ea b i l i t y a n d s h o r t d e v e l o p t i m ef e a t u r e ，f p g ag r a d u a l l yb e c o m e so n ek i n do fa s i c c i r c u i t sw i t hs h o r td e s i g np e r i o d ，l o wd e v e l o pf u n da n dl i t t l er i s k t h e r e f o r e ，i ti so ft h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os t u d y w c d m as y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m i t s f p g ai m p l e m e n t a t i o na n d v e r i f i c a t i o n t h i s p a p e r f i r s ti n t r o d u c e sw c d n 【ap h y s i c a l l a y e r t e c h n o l o g ya n dt h e n d e s c r i b e si nd e t a i lt h ep r i n c i p l e so fw c d m a p r i m a r y , s e c o n d a r ya n dp i l o ts y n c h r o n i z a t i o n i m p r o v e da l g o r i t h m so ft h e f i r s tt w os t e ps y n c h r o n i z a t i o nh a v ea l s ob e e ni n t r o d u c e da n dp r o v e d c o m p a r i s o nt ot r a d i t i o n a la l g o r i t h mi s d o n ei nt e r m s o fr e s c o u r c e u t i l i z a t i o na n dc o m p l e x i t y f l o a t p o i n ts i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i sa r e a l s og i v e n a f t e rt h a t i m p l e m e n t a t i o no fd o w n l i n ks y n c h r o n i z a t i o ni s d i s c u s s e db a s e do nf p g a ( v 4 s x 3 5 ) c o m p u a t a t i o nf l o w sa n di n t e r f a c e d e s i g no fm o d u l e sa r ea l s op r e s e n t e d f i n a l l y , f p g av e r i f i c a t i o nm e t h o d o fd e s i g nm o d u l e si si n t r o d u c e d i nt h i s p a p e r ，at h o r o u g h d i s c u s s i o no fw c d m ad o w n l i n k s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h ma n df p g ad e s i g ni sg i v e n s i m u l a t i o nr e s u l t s 2 北京邮电大学硕士学位论文w c d m a 系统下行同步原理与f p g a 实现 o fb o t hm a t l a ba n dm o d e l s i ma r ep r e s e n t e d f p g ai m p l e m e n t a t i o no ft h e d i s c u s s e dm o d u l e sa r er e a l i z e dw i t hl o w c o m p l e x i t ya n d r e s o u r c e o v e r h e a d ，w h i l ea c h i e v i n gs y s t e md e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：w c d m a s y n c h r o n a t i o n c e l l - s e a r c hf p g a 3 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 么造 日期：堑：丝：笸 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：翌翌：望：丝 1 7 1 期： 垒呈：丝2 北京邮电人学硕士学位论文w c d m a 系统下行同步原理与f p g a 实现 第一章序论 本章首先回顾了移动通信技术从第一代模拟通信到第二代数字蜂窝通信再 到第三代移动通信的发展简史，接着介绍和比较了w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和 t d s c d m a 三种主流的3 g 标准。 1 1 移动通信发展回顾 随着信息技术的飞速发展，我们已经进入了一个全球信息化的社会，为了适 应现代化的快节奏的生活和工作，提高工作的效率和经济效益，人们迫切需要随 时随地及时可靠不受时空限制地进行信息的传递和交流。移动通信正是为了满足 人们的这种需求而产生，并飞速发展起来的。 移动通信从无线电发明之日就产生了。1 8 9 7 年马可尼所完成的无线通信实 验就是在固定站与一艘拖船之间进行的，而蜂窝移动通信的发展是二十世纪七十 年代中期以后的事情。 移动通信综合利用了有线、无线的传输方式，为人们提供了一种快速便捷的 通讯手段。由于电子技术，尤其是半导体集成电路及计算机技术的发展，以及市 场的推动，使低价、轻便、可靠的移动通信设备成为可能。 现代移动通信发展至今，主要走过了三个阶段的发展过程。 本世纪七十年代中期至八十年代中期，是第一代模拟制式的蜂窝移动通信系 统的发展时期。1 9 7 8 年美国贝尔实验室成功研制出先进移动电话系统( a m p s ) ， 建成了蜂窝式移动通信系统。其它工业化国家也相继开发出蜂窝式移动通信网。 这一阶段相对于以前的移动通信系统，最重要的突破是贝尔实验室在七十年代提 出的蜂窝网的概念。蜂窝网即小区制，由于实现了频率复用，大大提高了系统容 量，见图1 1 。 图1 - 1 小区频率复用( 相同字母的小区使用同一组频率资源) 北京邮电大学硕士学位论文w c d m a 系统下行同步原理与f p g a 实现 第一代移动通信系统的典型代表是美国的a m p s 系统和后来的改进型系统 t a c s ( 总接入通信系统) 等。第一代移动通信系统的主要特点，是采用频分复 用( f i ) m a ) 模拟制式语音，信号为模拟调制，每隔3 0 k h z 2 5 k h z 一个模拟用户 信道。 第一代系统在商业上取得了巨大的成功，但是其频谱利用率低、业务种类有 限、设备成本高、体积大等弊端也同渐显露出来。 为了解决模拟系统中存在的这些根本性技术缺陷，数字移动通信技术应运而 生。这就是以g s m 和i s 9 5 为代表的第二代移动通信系统。八十年代中期，欧 洲首先推出了泛欧数字移动通信网( g s m ) 的体系。随后美国和日本也制订了 各自的数字移动通信体制，数字移动通信网相对于模拟移动通信网，提高了频谱 利用率，支持多种业务服务并与i s d n 等兼容。第二代移动通信系统以传输话音 和低速数据业务为目的，因此又称为窄带数字通信系统。 第二代数字蜂窝移动通信系统的典型代表是美国的d a m p s 系统( i s 9 5 ) 和欧洲的g s m 系统。 g s m 全球移动通信系统发源于欧洲，它是作为全球数字蜂窝通信的t d m a 标准而设计的，支持6 4 k b i t s 的数据速率，可与i s d n 互连。g s m 使用9 0 0 m h z 频带，使用1 8 0 0 m h z 频带的称为d c s l 8 0 0 。g s m 采用f d d 双工方式和t d m a 多址方式，每载频支持8 个信道，信号带宽2 0 0 k h z 。g s m 标准体制较为完善， 技术相对成熟不足之处是相对于模拟系统其容量增加不多，仅仅为模拟系统的两 倍左右，无法和模拟系统兼容。 i s 9 5 是北美的另一种数字蜂窝标准，使用8 0 0 m h z 或1 9 0 0 m h z 频带和 c d m a 多址方式，成为美国p c s 个人通信系统网的首选技术、由于第二代移动 通信以传输话音和低速数据业务为目的，从1 9 9 6 年开始为了解决中速数据传输 问题，又出现了2 5 代的移动通信系统如g p r s 和i s 9 5 b ，c d m a 系统容量大 相当于模拟系统的1 0 到2 0 倍，与模拟系统的兼容性好，美国、韩国、香港等地 已经开通了窄带c d m a 系统，对用户提供服务。 移动通信现在主要提供的服务仍然是语音服务以及低速率数据服务，由于网 络的发展数据和多媒体通信有了迅猛的发展势头，所以第三代移动通信的目标就 是宽带多媒体通信。 第三代移动通信系统是一种能提供多种类型、高质量的多媒体业务，能实现 全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在 任何时候、任何地点、进行任何种类的通信系统。由于其诸多优点，全世界各个 运营商生产厂家与广大用户对此产生浓厚的兴趣。第三代移动通信系统的目标可 以概括为： 2 北京邮电大学硕：仁学位论文w c d m a 系统下行同步原理与f p g a 实现 ( 1 ) 能实现全球漫游：用户可以在整个系统甚至全球范围内漫游，且可以在 不同速率、不同运动状态下获得有质量保证的服务。 ( 2 ) 能提供多种业务：提供话音、可变速率的数据、活动视频会话等业务， 特别是多媒体业务。 ( 3 ) 能适应多种环境：可以综合现有的公众电话交换网、p s t n 综合业务数 字网、无绳系统、地面移动通信系统、卫星通信系统来提供无缝隙的覆盖。 ( 4 ) 足够的系统容量：强大的多种用户管理能力，高保密性能和高质量的服 务。 为实现上述目标对其无线传输技术( r t r ，r a d i ot r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y ) 提出了以下要求： 高速传输以支持多媒体业务 室内环境至少2 m b i t s 室内外步行环境至少3 8 4 k b i t s 室外车辆运动中至少1 4 4 k b i t s 卫星移动环境至少9 6 k b i t s 传输速率能够按需分配 上下行链路能适应不对称需求 第二代移动通信系统到第三代的发展，经历了2 5 g 的中间过渡阶段，主要 有标准体制有i s 9 5 b 、g p r s 和e d g e ，如图1 2 所示。 2 g 2 5 g 3 g 图1 - 23 g 的不同演进路线 3 北京邮电大学硕士学位论文 w c d m a 系统下行同步原理与f p g a 实现 1 23 g 标准简介n 1 第三代移动通信系统最早由国际电信联盟( u ) 于1 9 8 5 年提出，当时称 为未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ，f u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，1 9 9 6 年更名为i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n 2 0 0 0 ) ，意即该系统工作在2 0 0 0 m h z 频段，最高业务速率可 达2 0 0 0 k b i t s ，预期在2 0 0 0 年左右得到商用。主要体制有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和我国提出的t d s c d m a 。 下面对三种技术标准进行比较。 1 2 1w c d m a 技术体制 核心网基于g s m g p r s 网络的演进，保持与g s m ，g p r s 网络的兼容性。核 心网络可以基于t d ma t m 和i p 技术，并向全i p 的网络结构演进。核心网络逻 辑上分为电路域和分组域两部分，分别完成电路型业务和分组型业务。 u t r a n 基于a t m 技术，统一处理语音和分组业务，并向口方向发展。 m a p 技术和g p r s 隧道技术是w c d m a 体制移动性管理机制的核心。 空中接口特性如下 ( 1 ) 空中接口：采用w c d m a ( 2 ) 信号带宽：5 m h z ( 3 ) 码片速率：3 8 4 m c p s ( 4 ) 语音编码：a m r 语音编码 ( 5 ) 同步方式：支持同步异步基站运营模式 ( 6 ) 功率控制：上、下行闭环加外环功率控制方式 ( 7 ) 发射分集方式：下行包括开环发射分集和闭环发射分集，提高u e 的接收 性能。开环发射分集又包括空时发射分集( s i t d ，s p a c et i m et r a n s m i td i v e r s i t y ) 和时分发射分集t s t d ( t i m es w i t c h e d t r a n s m i td i v e r s i t y ) ；而闭环发射分集也包 括两种模式发射分集，是可选项 ( 8 ) 解调方式：导频辅助的相干解调方式，提高解调性能 ( 9 ) 编码方式：卷积码和t u r b o 码 ( 1 0 ) 调制方式：上行b p s k 和下行q p s k 1 2 2c d m a 2 0 0 0 技术体制 c d m a 2 0 0 0 体制是基于i s 9 5 标准提出的3 g 标准，目前其标准化工作由 3 g p p 2 来完成。电路域继承i s 9 5c d m a 网络引入的以w i n 为基本架构的业务 4 北京邮电人学硕士学位论文w c d m a 系统下行同步原理1 jf p g a 实现 平台，分组域是基于m o b i l ei p 技术的分组网络。无线接入网以a t m 交换机为 平台，提供丰富的适配层接口。 空中接口特性如下： ( 1 ) 空中接i ：1 ：采用c d m a 2 0 0 0 兼容i s 9 5 ( 2 ) 信号带宽：n 1 2 5 m h z ，n = 1 ，3 ，6 ，9 ，1 2 ( 3 ) 码片速率：n 1 2 2 8 8 m c p s “) 语音编码：8 k 1 3 ko c e l p 或8 ke v r c 语音编码 ( 5 ) 同步方式：基站需要g p s g l o n a s s 同步 ( 6 ) 功率控制：上、下行闭环加外环功率控制方式 ( 7 ) 发射分集方式：下行可以采用正交发射分集( o t d ，o r t h o g o n a lt r a n s m i t d i v e r s i t y ) 和空时扩展分集( s t s ，s p a c et i m es p r e a d i n g ) 提高信道的抗衰落能力， 改善了下行信道的信号质量 ( 8 ) 解调方式：上行采用导频辅助的相干解调方式提高了解调性能 ( 9 ) 编码方式：采用卷积码和t u r b o 码 ( 1 0 ) 调制方式：上行b p s k 和下行q p s k 1 2 3t d s c d m a 技术体制 t d s c d m a 标准由中国无线通信标准组织( c w t s ) 提出，目前已经融合 到了3 g p p 关于w c d m a t d d 的相关规范中。 核心网基于g s m g p r s 网络的演进，保持与g s m g p r s 网络的兼容性。核 心网络可以基于t d ma t m 和口技术，并向全口的网络结构演进。核心网络逻 辑上分为电路域和分组域两部分，分别完成电路型业务和分组型业务。 u t r a n 基于a t m 技术，统一处理语音和分组业务，并向口方向发展。 m a p 技术和g p r s 隧道技术，是w c d m a 体制移动性管理机制的核心。空中接 口采用t d s c d m a ，t d s c d m a 具有3 s 特点，即智能天线( s m a r ta n t e n n a ) 同步c d m a ( s y n c h r o n o u sc d m a ) 和软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 。t d s c d m a 采用的关键技术有智能天线、联合检测、多时隙c d m a d s c d m a 、同步c d m a 、信道编译码和交织( 与3 g p p 相同) 、接力切换 等。 三种主要技术体制的对比情况如表1 1 所示 表1 1 三种主要技术体制比较 制式 w c d m ac d m a 2 0 0 0t s - s c d m a 采用国家欧洲、日本窄带c d m a中国 继承基础 g s m 窄带c d m a g s m 5 北京邮电大学硕：t ：学位论文 w c d m a 系统下行同步原理与f p g a 实现 同步方式异步同步异步 码片速率3 8 4 m c p sn 1 2 2 8 8 m c p s1 2 8 m c p s 信号带宽 5 m h znx1 2 5 m h z1 6 姗z 空中接口 i c d m a c d m a 2 0 0 0 兼容 t d - s c d m a i s 一9 5 核心网 g s mm a pa n s i - 4 1 g s mm a p 1 3 本章小结 本章回顾了第一代到第三代移动通信技术的发展简史，分别介绍了目前三种 主流的3 g 移动通信标准，最后从技术特点和参数等方面对三种标准进行了简单 的总结和比较。 6 北京邮电大学硕士学位论文w c d m a 系统下行刚步原理与f p g a 实现 2 1 概述 第二章w c d m a 物理层技术 w c d m a 做为3 g 标准之一，已经在全世界范围内得到了广泛的商用。本章 主要介绍w c d m a ( u m t s f d d ) 的物理层基础，包括w c d m a 的空中接口、 扩频和加扰、w c d m a 逻辑信道、传输信道，最后详细介绍了w c d m a 的物理 层信道，从而为进一步介绍小区搜索做铺垫。 2 2w c d m a 空中接口2 1 w c d m a 系统的空中接口使用频分双工的方式( f d d ) ，即下行链路和上 行链路使用不同的频段。上下行链路可用的频率范围为 上行： 1 9 2 0 一- 1 9 8 0 m h 【z 下行：2 1 1 0 - - 2 1 7 0 m h z 上行和下行频段被划分为5 m h z 的信道带宽，上下行信道的频率间隔为 1 9 0 m h z 。 由于上下行链路使用不同的频段，传播信道的瞬时衰落特性也会不相同：下 行链路的短时信道质量和上行链路是不相关的。 上下行在时间上以帧( f r a m e ) 的形式进行传送，一帧的持续时间为1 0 m s 。 w c d m a 系统的码片速率为3 8 4 m c p s ，一帧包含3 8 4 0 0 个码片( c h i p ) 。帧为 w c d m a 物理层信道处理的基本时间单元：信道开始于帧界，并结束于帧界。 上下行使用的扰码也是以帧为基础不断重复。 w c d m a 的每个帧又被划分为1 5 个时隙( s l o t ) ，每个时隙2 5 6 0 个c h i p 。 时隙为l 1 层闭环过程的时间周期，包括闭环功控过程和闭环发射分集过程。在 每一个时隙中，用户数据、物理层信令和导频符号等通过时分复用成为一个信号 流。 w c d m a 空中接口的扩频因子从4 - - 2 5 6 ( 某些特定下行信令信道的扩频因 子为5 1 2 ) ，单个码字发射的信道速率可以从1 5 - , 9 6 0 k s y m b o l s ( 千符号每秒) 。 这些信号速率已经把时分复用的导频符号和物理层信令考虑在内，实际的纯用户 数据速率依赖于时隙的格式。w c d m a 下行采用的调制方式为4 p s k ，即每一个 符号包含2 b i t 信息。 7 北京邮电大学硕：i ：学位论文w c d m a 系统下行同步原理与f p g a 实现 2 3 扩频和加扰 w c d m a 扩频和加扰的过程如图2 - 1 所示，调制完后的数据首先经过o v s f 码扩频，由比特速率变为w c d m a 统一的码片速率3 8 4 m c p s 。之后，再经过复 扰码加扰。下面分别介绍扩频和加扰的原理。 2 3 1 扩频 数据 图2 1 扩频和加扰川 w c d m a 使用o v s f 码扩频，数据符号速率与码片速率的比值是扩频因子 s f ( s p r e a d i n gf a c t o r ) 。w c d m a 的码片速率保持3 8 4 m c p s 不变，通过采用不 同的扩频因子的码字( s f 从4 5 1 2 ) ，可以支持不同的数据速率。用符号c s p ，i j 表示扩频的o v s f 码字，i 表示扩频因子，i = 2 n ，n e 2 ，3 ，9 ) ，j 表示扩频因子 的系数j 0 ，1 ，( i 1 ) ) 。o v s f 的产生方法如下：【5 】 c c h i o ；1 陡害到4 刚 c 舢( _ i i 。 c 曲2 i 1 i 。 c 曲2 ( 一1 2 c 曲：i “b c 抽2 ( i + l t 2 i + 1 1 2 c 曲2 1 1 1 2 i i l l c f 2 i 2 _ i c n ，1 c 曲2 1 一c c 2 i c f 2 i c d 2 - i c 曲z i 2 _ - l c 曲r 产1 通过以上规则产生的码树见图2 2 ，码树的结构反映了o v s f 码字之间的关 系。码树的每个节点对应一个o v s f 码，位于码树不同分支上的码字之间相互正 交，扩频因子s f 小于2 5 6 的码字与它所延伸的分支上的码字造成干扰。 8 i i 薯， 暑， l r 竽 曲 曲 曲 曲 c c c c 北京邮电大学硕l 学位论文w c d m a 系统下行同步原理与f p c i a 实现 s f = 1s f = 2 s f = 4 图2 - 2o v s f 码树5 1 o v s f 码是正交的w a l s h 码，如果码字时间不对齐将破坏正交性。这种较差 的互相关性在无线通信中多径传播信道的影响下会带来问题，导致下行不同路径 的信号会相互干扰。因此需要一定的措施改善信号的互相关性，w c d m a 中通 过扰码可以实现这一要求。 2 3 2 加扰 加扰是在扩频之后才进行的，不改变信号的码片速率。扰码在下行用于区分 基站，在上行用于区分用户。 扰码的时间长度为l o m s ，即一帧3 8 4 0 0 个码片周期重复。扰码通过两个移 位寄存器产生，如图2 3 是下行扰码的发生器。与o v s f 码不同，扰码不是正交 的序列，但具有很好的自相关和互相关性能。 图2 - 3w c d m a 下行扰码发生器【1 下行链路，使用1 8 阶的移位寄存器可以产生2 t m 1 个扰码，但为了简化码字 9 北京邮电人学硕士学位论文w c d m a 系统下行同步原理与f p g a 实现 捕获和小区搜索，并不是所有的码字都被使用。扰码分为5 1 2 个扰码集，每个扰 码集包含一个主扰码和1 5 个辅扰码。5 1 2 个扰码集又进一步被划分为6 4 个扰码 组，每个码组包括8 个主扰码。 每个小区只分配一个主扰码，即为小区i d 。p c c p c h 、s c c p c hp c p i c h 、 p i c h 、a i c h 、a p a i c h 、c d c a - i c h 和c s i c h 必需使用主扰码加扰，而其他 的物理信道可以使用主扰码或主扰码所属码集的1 5 个辅扰码中的任意一个。 通过小区搜索，移动台可以找出小区所用的主扰码：移动台首先经过时隙同 步，然后找到扰码组和帧头，最后通过于c p i c h 信道相关确定小区使用了扰码 组中的哪一个扰码。 上行链路，移动台使用长扰码加扰，网络为移动台分配各自的扰码。由于研 究的是小区搜索，在这里我们只介绍下行链路的加扰。 2 4w c d m a 信道 在w c d m a 系统的无线接口中，从无线接口的整体协议结构的不同层次上， 承载用户各种业务的信道被分为逻辑信道、传输信道和物理信道三类。 2 4 1 逻辑信道 信息可以开始于协议堆栈的高层，以逻辑信道的形式从无限链路控制层 ( r l c ) 传输到媒体接入控制层( m a c ) 。m a c 层在逻辑信道上提供数据传输 业务，直接承载用户业务，逻辑信道类型集合根据m a c 层提供的数据传输业务类 型进行定义。根据承载的是控制平面业务还是用户平面业务，逻辑信道通常可以 分成两类：控制信道和业务信道。控制信道用来传输控制平面信息；业务信道用 来传输用户平面信息。 2 4 2 传输信道 传输信道是无线接口层和物理层的接口，是物理层对m a c 层提供的服务； 根据传输的是针对一个用户的专用信息还是针对所有用户的公共信息而分为专 用信道和公共信道两大类，它们之间的主要区别在于公共信道资源可由小区内的 所有用户或一组用户共同分配使用，而专用信道资源仅仅是为单个用户预留的， 并采用特定频率的特定编码加以识别【6 1 。 1 0 北京邮电大学硕士学位论文w c d m a 系统下行同步原理与f p g a 实现 2 4 3 物理信道 物理信道( p h c h ) 是l l ( l a y e r1 ) 层的通信流，由扰码、o v s f 码、扩频因 子和传输格式的组合决定了物理信道的特性。在下行链路，物理信道划分为两类： 公共信道和专用信道。 在下行链路，公共物理信道携带小区的广播信息，用于： 1 、l 1 握手、同步和信道估计( p s c h 、s s c h 、c p l c h ) ； 2 、l 3 信息传送( b c h 、f a c h 和p c h ) ； 3 、面向连接的用户数据( f a c h ) ，时间码字资源共享复用( d s c h ) 。 专用信道只有一种，那就是d p c h ，用于传用户数据。 高层数据流通过传输信道组合，然后映射到l 1 的物理信道进行传送。传输 信道和物理信道的映射关系见图2 - 4 引。 传输信道 物理信道 一 专用物理数据信道( d p d c h ) d c h z = 哈达马矩阵通过如下的递推关系定义： h o 一( 1 ) 叫z ：- l 刽m 1 8 ) j i i 朋仰和z 例分别表示h 2 5 6 矩阵第m 行和z 码的第i 个元素。则辅同步码子定 义如下： c s s c , k = i l + j ) x h m ( o ) z o ) ，h m1 1 ) z 1 1 ) 。h m1 2 ) z 1 2 ) ，h m ( 2 5 5 ) x z ( 2 5 5 ) ，其中m = 1 6 x ( k d ，k = l ，z 1 6 因为实部虚部完全相同，为了方便说明，以下论述中只考虑c s s c , k 的实部。 3 3 3s s c h 滤波原理 和主同步类似，辅同步的实现原理从本质上来说是也作相关。辅同步的1 6 个s s c 码字长度都为2 5 6 ，因此每次相关的长度也为2 5 6 。 辅同步和主同步的相关方式有两点不同。 首先，和主同步采用滑动窗遍历整个时隙的2 5 6 0 位置不同，辅同步在主同 步之后，已经找到时隙头，因此只需对准时隙头作相关即可。 北京邮电大学硕士学位论文w c d m a 系统下行同步原理与f p g a 实现 其次，和主同信道1 5 个时隙采用相同的p s c 码不同，辅同步信道每个时隙 采用的s s c 码字不相同( 参见表3 2 ) 。因此对于w c d m a 一帧的1 5 个时隙来 说，辅同步需要用1 6 个s s c 码字分别和每个时隙作相关。一帧之后得到1 5 1 6 个相关值。多帧累加之后，这1 5 1 6 个相关值不能直接比较，还需要查找3 g p p 协议( 表3 2 ) ，根据协议定义的6 4 个扰码组内的1 5 个s s c 码字来合并相关值， 最终得到6 4 x1 5 个相关值。 最后相关值个数是6 4 1 5 而不是6 4 的原因是，辅同步阶段我们还不知道帧 边界的位置，因此需要遍历所有1 5 个时隙头。辅同步相关原理见图3 9 。 c s s c ，1 1 6 个 c s s c , 2 s s c 码字 滑动速度：2 5 6 0 码片次 c s s c j 6 撑l撑2撑3撑4撑5撑9拌1 0 _ 一时隙2 5 6 0 码片、 、 撑1撑2撑3捍4捍5捍1 4撑1 5 、 ， 一帧3 8 4 0 0 码片 图3 - 9 辅同步相关滑动窗 3 3 3 1 传统辅同步相关原理 传统的辅同步使用直接相关法，即对于每个时隙的前2 5 6 码片，分别使用 1 6 个s s c 码字与其相关，如图3 1 0 所示。c 三，。表示k 号s s c 码字的第万个元 素，k - 1 , 2 9o o * $ 1 6 ，刀a o ，1 ，2 5 5 。图中的【q l ， l ，一茹】表示1 号s s c 码字的 2 5 6 个元素。图中共有1 6 个相关器，分别对应1 6 个s s c 码字。每个相关器的输 入都是经过主同步后对齐时隙边界的数据，经过相关运算输出一个相关值。由于 1 帧1 5 个时隙，最后存储的相关值个数为1 5 1 6 。 北京邮电大学硕士学位论文w c d m a 系统下行同步原理与f p g a 实现 图3 - 1 0 传统辅同步相关结构 对于每个时隙的前2 5 6 码片，都需要分别用1 6 个s s c 码字作相关，因此计 算量是十分大的。 整个辅同步的结构如图3 1 1 所示。图3 1 0 对应图3 1 1 的辅同步相关模块。 图3 - 1 1 辅同步模块结构图 3 3 3 2f l - r r 法实现辅同步相关原理 号和 界 在上一节中我们介绍了传统的直接相关法，这里我们首先介绍f l i t 法的结 构，再给出f l i t 法和传统相关法结果等效的证明。注意，我们关注的焦点在于 图3 1 1 的辅同步相关模块。直接相关法和f h t 法就是针对辅同步相关模块的不 同实现方法。 f h t 法实现辅同步相关模块的结构见图3 1 2 。x 为对齐时隙边界的输入信 号，对于每次的f l i t 运算，x 的长度为2 5 6 。参见3 3 2 节，z 码定义如下： b = l 。l ，l ，1 1 。1 ，一1 - 1 - 1 1 一1 1 。一l 。1 1 ，- 1 z = z 码和x 1 6 点相关的结果为y ，y 的长度也是1 6 点。y 经过哈达马变换得 北京邮电人学硕士学位论文w c d m a 系统下行同步原理与f p g a 实现 到1 6 个相关值。这1 6 个相关值就是输入x 分别和1 6 个s s c 码字相关的结果。 z 码 关值 图3 1 2f h t 法作辅同步相关的结构 使用f l i t 可以简化辅同步的运算复杂度， 下面给出f h t 法在理论上和直接相关法等效的证明。 经过主同步找到时隙头后，设x - 为一个时隙前2 5 6 码片长 度的信息序列。气 1 ，气，：，气j 。为1 6 个2 5 6 长度的辅同步码字。辅同步 阶段需要将x 与1 6 个辅同步码子做相关，直接做相关计算量很大。可以采用f h t ( f a s th a d a m a r dt r a n s f o r m ) 来简化计算，具体的过程是用先用z 码对x 做1 6 长度的分段相关，再对分段后的1 6 个累加值做1 6 点的哈达马变换。证明如下： 仔细观察h 2 5 6 和玩6 发现 k ( 1 6 木n + ) 一h 2 5 6 沏，1 6 幸n + j ) = h 1 6 - 1 , n ) m = ( 七一1 ) 宰1 6 , 咒，j = 0 ，l 2 ，1 5 ，k - l 2 ，3 ，1 6 ( 3 9 ) c o r r ( x ，气j ) 表示x 和辅同步码子气j 相关的结果，则： c d ，( x ，c 埘j ) 一薹z ( f ) 枣乞乒( f ) 一善z o ) z g ) 木k ( f ) 。荟荟z ( 1 6 宰忍+ j ) z ( 1 6 搴厅+ - ) k ( 1 6 宰刀+ j ) 2 磊巩 一l 甩) 荟工( 1 6 j ) 宰z ( 玎+ ) 4 荟且s 一1 厅) 书y 。) ( 3 - 1 0 ) 其中y o ) 荟x ( 1 6 木咒+ j ) 宰z ( 1 6 宰甩+ n 甩一0 , 1 , 2 ，1 5 为x 序列与z 码第刀段 的相关值。 尸” 定义x 分别与气，l ，气，：，乞，。相关的结果为c d r r ( x ，气) ，由哈达马 变换的定义可知： c o r r ( x ，气) = r = h 1 6 宰y i f h t l 6 ( y ) ( 3 1 1 ) 北京邮电大学硕士学位论文 w c d m a 系统下行同步原理与f p g a 实现 其中唧。为1 6 点的f h t ，y 一 r ，见图3 1 3 。 ：x ： 嚣x 竺 ：x ： 鬟互歪： 蒿x 髦 裟x 端 怒x 鬈 篙x 粥 图3 - 1 31 6 点f h t 蝶形运算图 3 3 3 3f h t 法和直接相关法的比较 下面从x 分别与，1 ，气，：，c 跚舶相关一次的计算量和存储量角度出发， 比较直接相关法和f h t 法的优劣。 直接相关法需要储存所有1 6 个s s c 码字，因此存储量为2 5 6 奉1 6 = 4 0 9 6 b i t ， 因为要进行1 6 次2 5 6 长度的相关运算，故需要2 5 6 * 1 6 = 4 0 9 6 次加法；f h t 法只 需要存储2 5 6 b i t 的z 码和2 5 6 b i t 的哈达马运算控制逻辑，总计5 1 2 b i t 。先进行 1 6 段累加需要1 6 1 6 = 2 5 6 次加法，再进行1 6 点的f l i t 需要4 次蝶形运算，见 图3 1 3 。每次蝶形运算需要8 次加法，故f l i t 需要8 * 4 = 3 2 次加法，合计 2 5 6 + 3 2 = 2 8 8 次加法。比较结果见表3 3 。 表3 - 3 直接相关法和刚t 法比较 直接相关法f h t 法百分比( f l i t 直接相关) 存储量( b i t ) 4 0 9 65 1 21 2 5 加法次数 4 0 9 62 8 87 。0 3 可见f h t 法在数据存储量和加法次数上都要优于直接相关法，将其应用于 f p g a 的实现可以大大节省逻辑资源。 辅同步的性能仿真结果见3 5 3 小节。 d册q$d乃研町蛳国m脚啪池叭呱州州嘶叭呱叭州州叭州州叭叭州输 蚋州蛸呐蚋岈峋呐峨岈岫 一一 螂们旧呐州悯晌呐晌蚋旧删删囊囊丢囊 北京邮电大学硕士学位论文w c d m a 系统下行同步原理与f p g a 实现 3 4 导频同步原理 3 4 1 导频信道的结构 w c d m a 每个小区有惟一的主导频信道( p c p i c h ) 标示，也成为小区i d ； 同时，如果小区中使用了波束指向，它将使用辅助c p i c h 。以下我们讨论的导 频信道如不加说明，都为主