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基于CDMA2000 1x移動臺一種捕獲方案
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發(fā)表于 2009-09-03 09:22:19  只看樓主 
趙旦峰,朱吉吉

  (哈爾濱工程大學(xué) 黑龍江 哈爾濱 150001)

  摘 要:針對CDMA2000的物理層協(xié)議,根據(jù)并行結(jié)構(gòu)的快速捕獲,以及自適應(yīng)門限控制的方法,提出了一種移動臺系統(tǒng)中實(shí)用的捕獲方案,并對此方案在瑞利衰落信道中的性能進(jìn)行理論分析。 關(guān)鍵詞:CDMA2000;快速捕獲;自適應(yīng)門限;性能分析

  1 引 言

  作為通信領(lǐng)域最活躍的部分之一,移動通信已經(jīng)開始向第三代移動通信(3G)過渡,CDMA2000 1x在這個過渡過程中起著非常重要的作用。

  捕獲與跟蹤統(tǒng)稱同步,他們在CDMA通信系統(tǒng)中具有極為重要的意義。接收機(jī)要正確解調(diào)接受到的信號,首先要使本地PN碼序列與接受到的PN碼序列完全同步。捕獲是粗同步過程,需要把本地PN碼與接收到的PN碼相位差調(diào)整到小于1/2碼元的寬度。然后再進(jìn)行跟蹤,使本地兩PN碼序列達(dá)到精確同步。

  捕獲方法通常分串行和并行兩種。串行電路每次只判決一個相位,捕獲時間較長;完全并行電路一次就判決所有的相位,但需要的硬件結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。本文采用混合并行的捕獲方法,在串行與完全并行之間得到一個良好的折衷。在此基礎(chǔ)上,采用自適應(yīng)門限控制方法,并根據(jù)仿真得到最佳控制門限。 2 CDMA2000 1x移動臺同步捕獲的結(jié)構(gòu)及其假設(shè)檢驗(yàn)

  在非擴(kuò)頻系統(tǒng)中,接收機(jī)通常首先要完成載頻信號的相位、頻率的完全同步。而對于CDMA系統(tǒng),實(shí)際承載信息的信號會掩埋在噪聲中,因此在這方面與之有別。只要初始頻率誤差比較小,一些實(shí)際的考慮表明,在獲得準(zhǔn)確相位和頻率之前首先獲得時間同步是比較合理的。

  混合并行捕獲方法的框圖如圖1所示[1,2],捕獲過程分2個階段,搜索階段和驗(yàn)證階段。



  在搜索階段,對于CDMA2000系統(tǒng),短PN碼序列周期為215,即有不同相位32 768個,同時系統(tǒng)為了減小誤差,需要使相位差精確到小于1/2碼元寬度,也就是說搜索器要搜索N=65 536個相位。圖中將這些相位分成65 536/c個相位區(qū)間,每個區(qū)間內(nèi)并行搜索,區(qū)間之間串行搜索。在驗(yàn)證電路中,檢測器載入暫定門限θ2>θ1。若檢測變量能依次通過這2個門限,便可進(jìn)入跟蹤狀態(tài),否則再次返回到搜索階段繼續(xù)搜索。

  下面介紹如何測試所有可能的假設(shè)來確定正確的參數(shù)值。在CDMA2000 1x系統(tǒng)中,基站采用了QPSK正交調(diào)制的方式[3],相應(yīng)地移動臺應(yīng)采用QPSK解擴(kuò)的假設(shè)檢驗(yàn)裝置,如圖2所示[4,5]。圖中首先對接收信號下變頻到基帶,進(jìn)行匹配濾波,再對輸出進(jìn)行4倍碼片速率采樣[6]。本地PN序列采用相應(yīng)的方式與采樣后的信號相乘并累加,累加長度為K,便可得到y(tǒng)I,yQ,把yI,yQ分別平方并相加,就得到相關(guān)器輸出的信號能量,檢測變量Z就是個信號能量的累加。當(dāng)Z大于判決門限時,假設(shè)被通過,認(rèn)為捕獲成功;否則改變本地PN碼相位,進(jìn)行下一次檢驗(yàn)。



  3 瑞利衰落信道中捕獲性能的理論分析

  在瑞利衰落信道中,接收信號的幅度呈瑞利分布,因此碼片能量的平方根為瑞利分布,可以得到σ2Ec(Ec為沒有衰落時每個碼片的能量,σ2為衰落因子)。

  經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo),可得如下似然函數(shù)[2],假設(shè)p0(z)不正確;假設(shè)p1(z)正確。



  設(shè)在所有搜索的N個相位中,有l(wèi)個可分離路徑。當(dāng)這l個路徑中有一個被檢測出來時,我們就有理由



  由于并行搜索階段的主要意圖是找出最有可能是可分辨的相位,減少捕獲時間,所以可以在這個階段令l=1。把判決變量Z和判決門限θ1歸一化x=z/V,α1=θ1/V,定義平均信噪比RSN。



  并把式(1),(2)帶入式(3),(4)有:



  在驗(yàn)證階段,只需對通過第一個門限的相位進(jìn)行檢測,檢測變量仍然為Z。此時檢測概率和虛警概率分別為



  并行檢測與驗(yàn)證2個階段積分長度不同,根據(jù)式(5)可知,這會影響信噪比的大小,說明驗(yàn)證階段的信噪比會有一定程度的增加,檢測性能則會得到改善。

  4 門限的確定

  由文獻(xiàn)[2]可推知在瑞利衰落信道中yI,yQ的均值:



  其中:K為前面提到的累加長度;R(τ)是短PN碼的自相關(guān)函數(shù);τ是本地PN碼與接收到信號PN碼的相位差。

  而方差是所有其他用戶干擾、背景噪聲和碼片間干擾的總和[2]:



  其中:I為單個碼片所攜帶的噪聲和干擾。

  當(dāng)本地PN碼與接受到的PN碼不同步時,R(τ)△0,由式(12),(13),(14)可推得此時E(Z)lV,由于同步正確假設(shè)出現(xiàn)得很少,因此可以把看作各態(tài)遍歷的平穩(wěn)隨機(jī)過程[7]:



  通常門限首先要滿足虛警概率的大小,又因?yàn)棣?=α1V,與式(7)比較就可以得到搜索階段的門限。驗(yàn)證階段與之相似,但2個階段的值是不同的,驗(yàn)證階段是并行搜索階段的K2/K1(K1,K2分別為并行檢測與驗(yàn)證2個階段的積分區(qū)間長度)倍,因此應(yīng)在進(jìn)行對求驗(yàn)證階段的門限時,需要并行檢測時求得的V的(l2K2)/(l1K1)倍。

  5 仿真及數(shù)值分析

  由式(4)可得到搜索階段的虛警概率和門限α1的關(guān)系,如圖3所示。在并行搜索支路中,不需要較大的門限,α1可以取小一些,比如取13或15。



  令σ2=0.5。圖4畫出了在α1=13,衰落信道中l(wèi)分別取1~6時,檢測概率與信噪比之間的關(guān)系。圖中也顯示了信道無衰落時l=1的曲線,可見與之相比,衰落信道的檢測概率小很多。為了分析方便,在以后的仿真中,均采用瑞利衰落信道,并取l=6。



  圖5為不同門限下信噪比和檢測概率的仿真圖形。與圖3比較,發(fā)現(xiàn)隨著門限減小,檢測概率與虛警概率同時增大,這是必然的,也說明了需要不同門限的第二次驗(yàn)證。

  對于驗(yàn)證電路,根據(jù)式(11)、(10),可得到圖6和圖7,從圖7可以看出當(dāng)l取2時,檢測概率會大幅度提高。同時應(yīng)注意到虛警概率也會提高,所以為了保證一定的虛警概率,應(yīng)該增大門限,α2可以適當(dāng)?shù)厝?或8。







  最后根據(jù)文獻(xiàn)[6]中結(jié)論,令c=16,K1=128 chip,K2=256 chip,可以得到不同門限下,信噪比和平均檢測時間的關(guān)系,如圖8所示。再根據(jù)圖8所示門限中,選擇一對折衷的,α1=13,α2=8。不難看出此時θ2>θ1。

  6 結(jié) 語

  本文采用的串并結(jié)合的快速捕獲及自適應(yīng)門限控制方法,主要是根據(jù)CDMA2000 1x的協(xié)議來進(jìn)行設(shè)計(jì)。在不給硬件增加過多復(fù)雜度的情況下,在一定程度上縮短捕獲時間,使系統(tǒng)提高了捕獲性能。串并捕獲主要是對串行和并行捕獲進(jìn)行了合理的折衷。自適應(yīng)門限的可以保證所需要的虛警概率,減少了環(huán)境不停變化對系統(tǒng)造成的干擾。并對2個控制門限和平均捕獲時間進(jìn)行了仿真分析,給出門限合理的取值方法,可以根據(jù)不同環(huán)境靈活改變。

 

  參考文獻(xiàn)

 。1]邱玲,朱近康.第三代移動通信技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2001.

 。2]劉斌,陳軍.CDMA通信系統(tǒng)的并行捕獲方法及其性能分析[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),1999.

 。3]Physicallayer standard for CDMA2000 spread spectrum systems.June 15,2001.

  [4]AndrewViterbiJ.CDMA擴(kuò)頻通信原理[M].北京:人民郵電出版社,1998.

 。5]Jhong Sam Lee,Leonard Miller E.CDMA系統(tǒng)工程手冊[M].北京:人民郵電出版社,2002.

  [6]Tero Ojanpera,Ramjee Prasad.寬帶CDMA:第三代移動通信技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2000.

 。7]李儼,尤肖虎,程時昕.IS-95碼分多址系統(tǒng)上行悟道接收機(jī)捕獲單元的設(shè)計(jì)及FPGA實(shí)現(xiàn)[J].通信學(xué)報(bào),1998.
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    • changjn 威望 +10 個
      · 感覺都好高深! 詳細(xì).. 發(fā)表與:2009-9-3 10:27:14
     
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