專利名稱：多載波通信中基于cazac序列的小區(qū)搜索結構及其搜索方法
技術領域：
本發(fā)明屬于無線通信技術領域，特別涉及空中信號傳輸技術。
背景技術：
在無線通信系統(tǒng)中，由于正交頻分復用(OFDM)具有矩形頻譜，以及采用快速傅立葉變換(FFT)而帶來的系統(tǒng)低集成度，它能夠在較高頻譜效率下有效提高下行鏈路的系統(tǒng)容量，覆蓋范圍以及數(shù)據(jù)傳輸速度。OFDM作為一種寬帶數(shù)據(jù)通信技術，已經被廣泛應用于各類無線射頻環(huán)境中，例如高速數(shù)字用戶回路(HDSLs)，非對稱數(shù)字用戶環(huán)路(ADSLs)，以及數(shù)字廣播。OFDM將完整的頻帶分為許多并行的子載波，用來發(fā)射并行的數(shù)據(jù)流。由于插入保護時隙，符號發(fā)送時間相對延長，但能有效降低符號間的干擾(ISI)。
在OFDMA系統(tǒng)下行鏈路中，小區(qū)搜索具有重要的地位，因為它是用戶接入通信網絡的初始步驟。有效足夠的小區(qū)信息是無線通信的基礎。OFDM系統(tǒng)傳統(tǒng)的小區(qū)搜索方法分為以下三個步驟1)幀/片定時和頻率同步。一般是采用公共的小區(qū)同步訓練序列經過傳統(tǒng)的同步方法實現(xiàn)；2)小區(qū)辨別。各小區(qū)都有唯一標識的小區(qū)識別號，接收端通過檢測不同的小區(qū)識別序列判斷小區(qū)號；3)小區(qū)其他信息(如系統(tǒng)帶寬，天線配置等)的捕獲。這些信息的正確解調是依賴于步驟1)和2)的實現(xiàn)才能完成。對于小區(qū)的識別，它是小區(qū)搜索的關鍵。因為小區(qū)的很多信息都是依賴于小區(qū)的正確識別的。最為傳統(tǒng)且常用的小區(qū)識別方法是相關檢測法，由于它需要對估計到的序列和所有的小區(qū)特定序列進行互相關計算。一旦小區(qū)數(shù)目增大，實現(xiàn)復雜度就變得越來越大。為了降低小區(qū)搜索的實現(xiàn)復雜度，摩托羅拉(Motorola)提出了一個基于恒定幅度零自相關(CAZAC)序列的小區(qū)搜索方案，它利用差分算法和DFT/IDFT來代替小區(qū)檢測中的大量互相關操作，因此小區(qū)搜索的計算復雜度便大大降低了。然而，在Motorola的方案中，不同小區(qū)/扇區(qū)之間的干擾沒有仔細考慮。在多小區(qū)環(huán)境下，特別是當用戶在小區(qū)邊緣，該方案下的小區(qū)間干擾會變得非常嚴重，從而不可避免地惡化了系統(tǒng)性能。
OFDM符號的小區(qū)搜索結構由CAZAC序列構成。CAZAC序列表示如下 k＝0，1，2，…，Nu-1；ui＝0，1，2，…，Nu-1
其中k是某一個特定CAZAC序列中的序號，u用來生成特定的CAZAC序列，Nu表示CAZAC序列的長度。
蜂窩通信中的小區(qū)結構如圖1所示。一般小區(qū)的基站會通過天線發(fā)射角度的不同將小區(qū)分為3個扇區(qū)。Motorola建議在小區(qū)內的所有扇區(qū)共享相同的子載波。如圖2所示。
其中，頻域的數(shù)據(jù)子載波間隔排列是為了產生時域的周期性，以及降低載波間干擾(ICI)。然而，當幾個鄰近的小區(qū)同時發(fā)送小區(qū)搜索符號，此方案帶來的干擾迅速增大。當用戶到達鄰接三個小區(qū)的邊緣時，例如圖1中的用戶A，情況變得更為嚴重，此時，即使是在高信噪比下，來自小區(qū)間的干擾依然很大。
Motorola小區(qū)搜索序列的檢測性能如圖3所示。在沒有噪聲和多徑信道的影響下，三個小區(qū)u1，u2和u3各自的檢測峰值受到其他兩個小區(qū)的干擾很大，幾乎會導致檢測錯誤。此時，如果系統(tǒng)在多徑環(huán)境下，由于信道衰減的作用，情況變得更為嚴重。

發(fā)明內容
為降低小區(qū)間的干擾，本發(fā)明在Motorola方案的基礎上，提出一種多載波通信中基于CAZAC序列的小區(qū)搜索結構及其搜索方法。
為達上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案一種多載波通信中基于CAZAC序列的小區(qū)搜索結構，相鄰三個小區(qū)鄰接的三個扇區(qū)中至少有兩個扇區(qū)在頻域上互相正交。
作為本發(fā)明技術方案的一種改進，所述相鄰三個小區(qū)鄰接的三個扇區(qū)在頻域上互相正交。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，所述扇區(qū)的頻譜分配為分布式分配。這里有兩種不同的扇區(qū)頻譜分配方案分布式分配和集中式分配。所謂分布式分配就是所分別的子載波是不連續(xù)的，等間隔分布在整個頻帶內；而集中式分配是指所分配的子載波是連續(xù)占用部分頻帶。由于前者能有效的抗多徑衰減，且對分數(shù)倍的載波頻偏更為魯棒；而后者對整數(shù)頻偏更為魯棒。由于小區(qū)搜索第一步的初始獲取中整數(shù)頻偏已經得到了糾正，在本發(fā)明的小區(qū)搜索方案中分布式頻譜分配顯然更為合適。
一種多載波通信中基于CAZAC序列的小區(qū)搜索方法，采用上述任一小區(qū)搜索結構，包括以下步驟1)取三個不同扇區(qū)的子載波簇；2)對1)中各子載波序列進行差分計算；
3)檢測2)中差分計算后的結果。
作為本發(fā)明方法的一種優(yōu)選方式，所述步驟3)中的檢測方法為聯(lián)合檢測，具體包括以下步驟(1)將步驟3)中三個不同扇區(qū)子載波的差分計算結果相加；(2)將差分后的序列從頻域轉換到時域。
作為本發(fā)明方法的又一優(yōu)選方式，所述步驟3)中的檢測方法為獨立檢測，具體包括以下步驟經過差分的三個扇區(qū)的序列通過三個獨立的Nu點IDFT從頻域轉換到時域，將輸出的三組獨立的時域序列分別檢測它們的峰值，實現(xiàn)小區(qū)搜索。
作為本發(fā)明方法的再一優(yōu)選方式，在所述聯(lián)合檢測前首先進行判斷，只要其中一個扇區(qū)接收的序列信號能量遠低于其中另一個扇區(qū)接收的序列信號能量，就將該扇區(qū)的接收序列舍棄。
作為本發(fā)明方法的再一優(yōu)選方式，當搜索的小區(qū)序號很大時，采用分級搜索的檢測搜索的方法。
作為本發(fā)明方法的再一優(yōu)選方式，當搜索的小區(qū)序號很大時，采用較長的CAZAC序列，分段在多個固定帶寬的同步符號中傳輸。
本發(fā)明采用不同的扇區(qū)使用不同的子載波簇的技術方案。尤其是在三個鄰近小區(qū)的中心，此方案的性能超越了三個扇區(qū)分配相同的子載波簇的方法。不但有效的增強了多小區(qū)環(huán)境下的小區(qū)搜索能力，而且在原有Motorola方案的基礎上又可進一步的降低了實現(xiàn)復雜度。
基于CAZAC序列的優(yōu)化小區(qū)搜索方案可以在無線寬帶通信和移動通信領域獲得廣泛應用，尤其是在第四代移動通信領域中將有廣闊的發(fā)展前景。優(yōu)化方案主要應用于用戶初始接入時的小區(qū)識別及小區(qū)切換時的小區(qū)檢測。和其它小區(qū)搜索方法相比較，扇區(qū)間小區(qū)同步符號的頻率正交性結構設計有效抑制了在小區(qū)邊緣處的區(qū)間干擾，提高了小區(qū)檢測的性能；基于簡單的差分處理和IDFT/DFT算法的小區(qū)識別降低了系統(tǒng)所需的計算復雜度。使得它在通信系統(tǒng)的空中接口接入端的應用具有無可比擬的優(yōu)勢。
以下結合附圖及實施例進一步說明本發(fā)明。


圖1為蜂窩通信中的小區(qū)結構；圖2為現(xiàn)有Motorola方案中的頻域子載波分配方案；
圖3為現(xiàn)有Motorola小區(qū)搜索方案檢測峰值；圖4為本發(fā)明提出的小區(qū)搜索頻譜分配方案；圖5為本發(fā)明優(yōu)化小區(qū)搜索結構得到的檢測峰值；圖6為本發(fā)明實施例情形1小區(qū)邊緣中的小區(qū)搜索成功概率對比圖；圖7為本發(fā)明實施例情形2中小區(qū)搜索成功概率對比圖；圖8為本發(fā)明實施例性能檢測中鄰近小區(qū)搜索成功概率對比圖。
具體實施例方式
一種多載波通信中基于CAZAC序列的小區(qū)搜索結構，其相鄰三個小區(qū)鄰接的三個扇區(qū)在頻域上互相正交。其小區(qū)搜索頻譜分配方案如圖4所示。
根據(jù)圖4的方案，三個不同扇區(qū)，即圖1中的扇區(qū)1、扇區(qū)2、扇區(qū)3，其搜索序列頻譜結構分別表示如下Su，1＝0，0，…Cu(0)，0，0，Cu(1)，…，Cu(Nu-1)，0，0，…，0，0Su，2＝0，0，…0，Cu(0)，0，0，Cu(1)，…，Cu(Nu-1)，0，…，0，0 (2)Su，3＝0，0，…0，0，Cu(0)，0，0，Cu(1)，…，Cu(Nu-1)，…，0，0其中，兩邊的0是作為保護邊帶用的。注意到在第u個小區(qū)內，所有扇區(qū)采用同樣的CAZAC序列Cu，但占據(jù)不同的子載波簇。根據(jù)圖1和圖3所示的蜂窩和小區(qū)結構。相鄰三個小區(qū)鄰接的三個扇區(qū)在頻域上互相正交，因此也就不存在干擾了。發(fā)送的時候，三個扇區(qū)將不同頻域結構的小區(qū)搜索序列通過N點IFFT從頻域轉換到時域，然后再發(fā)射。
小區(qū)搜索時，經過時間和頻率同步之后，移動終端將接收到的小區(qū)搜索序列通過N點FFT從時域轉換到頻域。由于在發(fā)射時相鄰扇區(qū)頻譜的正交性，屬于不同扇區(qū)的三組長度為Nu的子載波簇能被獨立地提取出來。將這些序列進行差分計算，若假設Nu是奇數(shù)，則經過差分之后的序列為Ds(k)=Cus(k)·Cus*(k-1)=e-f2πkusNu,k∈
,s=1,2,3---(3)]]>其中s表示相鄰的三個不同扇區(qū)，us是第s個扇區(qū)隸屬的小區(qū)標示號。
本實施例中小區(qū)的搜索方法可以分為兩種聯(lián)合檢測和獨立檢測。
一、聯(lián)合檢測在聯(lián)合檢測中，頻域三個差分輸出的序列首先相加
D(k)=Σs=13Ds(k)=e-j2πku1Nu+e-j2πku2Nu+e-j2πku3Nu,k∈
---(4)]]>利用Nu點IDFT將差分后長度為Nu的序列D從頻域轉換到時域ρs(i)ρ(i)=1NuIDFT{D(k)}=(δ(i-u1)+δ(i-u2)+δ(i-u3))---(5)]]>其中i是D(k)序列經過IDFT變換后的時域序號。
如圖5所示，時域就會出現(xiàn)一些脈沖相應，分別對應不同的小區(qū)標識號。將圖5和圖3相比，由于各個頻譜分配的正交性，此方案抑制了扇區(qū)間干擾。
從圖5中可以看到時域序列ρs(i)的各個峰值點對應不同的小區(qū)標識號us.。此方法的優(yōu)勢在于它利用一個Nu點IDFT取代了大量的相關器，從而有效降低了計算復雜度。劣勢主要是在小區(qū)內部時，如果3個不同的扇區(qū)序列直接相加后會對目標扇區(qū)的檢測引入檢測干擾。從而會導致小區(qū)檢測性能的下降。為了提高小區(qū)內部的聯(lián)合檢測性能，可以在聯(lián)合檢測前首先進行判斷，只要其中一個扇區(qū)接收的序列信號能量遠低于其中另一個扇區(qū)接收的序列信號能量，就將該扇區(qū)的接收序列舍棄，以免對檢測帶來噪聲干擾。
二、獨立檢測在獨立檢測中，經過差分的三個扇區(qū)的序列通過三個獨立的Nu點IDFT從頻域轉換到時域ρs(i)=1NuIDFT{Ds(k)}=(δ(i-us)),k∈
,s=1,2,3---(6)]]>將輸出的三組獨立的時域序列分別檢測它們的峰值，可以實現(xiàn)小區(qū)搜索。由于這種檢測方法是基于獨立扇區(qū)的，因此扇區(qū)間的干擾就得到了有效控制。此外，采用獨立檢測不但能夠提高小區(qū)檢測的性能，還能同時捕獲扇區(qū)的序號(如果接收端頻率捕獲正確的話)。當然，此算法的缺點在于它的計算復雜度上升了如果IDFT采用N點的IFFT來代替實現(xiàn)的話(N可取最接近Nu且比Nu大的整數(shù)，但必須是2的冪次)，檢測需要 次復數(shù)相乘和3·N·log2N次復數(shù)相加，幾乎是聯(lián)合檢測的3倍。
此外，本發(fā)明的方案和Motorola的方案相比，由于優(yōu)化的搜索結構使用了較小的Nu，聯(lián)合檢測的計算復雜度比后者略低些，而獨立檢測的計算復雜度會略高于后者。
本發(fā)明在實現(xiàn)時首先需要解決載波頻率和符號定時同步，這是本發(fā)明正常工作的前提。一般小區(qū)中都會采用公共的同步參考符號，比如主同步信道(P-SCH)來完成小區(qū)的起始同步捕獲。此外，考慮到基站一般是采用多天線發(fā)射，所以小區(qū)搜索也可以利用基站的多發(fā)射天線機制來進一步增強性能，比如采用TSTD(時空發(fā)射分集)或者包含CDD(循環(huán)延時發(fā)射分集)的技術。由于各扇區(qū)中分布式分配的頻譜占用了部分頻譜資源，所以當頻譜資源較少時，此優(yōu)化結構在一定程度上是限制了頻域正交性的導頻在MIMO系統(tǒng)中的應用。此外，當搜索的小區(qū)序號很大時，需要采用分級搜索的檢測搜索的方法或采用較長的CAZAC序列，分段在多個固定帶寬的同步符號中傳輸。例如，當CAZAC序列長度加長一倍時，將產生的長CAZAC序列截成兩半后，分別映射到兩個OFDM符號中傳輸。在接收端只要按同樣的方法在扇區(qū)子載波簇中提取序列，并將兩個OFDM符號中相應扇區(qū)內提取的序列組合后就夠成了完整的長CAZAC序列，這樣之后的序列檢測就可以按前述的方法了。
本發(fā)明可根據(jù)發(fā)射機IFFT變換后時域數(shù)據(jù)塊復用數(shù)量的不同，衍生出多種的實現(xiàn)結構，除了數(shù)據(jù)塊復用數(shù)量為1這種情況以外(就是沒有復用操作，特指OFDM情況)，其余都屬于本發(fā)明方案的具體實現(xiàn)結構和表現(xiàn)形式，均落在本發(fā)明的保護范圍之內。
本發(fā)明還可根據(jù)發(fā)射機IFFT變換大小的不同，衍生出多種的實現(xiàn)結構，除了IFFT變換大小為1這種情況以外(就是沒有IFFT變換，特指SC/FDE情況)，其余都屬于本發(fā)明方案的具體實現(xiàn)結構和表現(xiàn)形式，均落在本發(fā)明的保護范圍之內。
以下以一設定了具體的仿真參數(shù)的Motorola方案和本發(fā)明優(yōu)化實施例，在小區(qū)邊緣和小區(qū)內部進行聯(lián)合和獨立兩種檢測，進行仿真比較。以進一步說明本發(fā)明的有益效果。
仿真參數(shù)設定如下表I仿真參數(shù)


情形1用戶終端在三個小區(qū)的邊緣，如圖1中的點A所示，用戶接收到的來自三個基站的小區(qū)搜索信號功率相同。
小區(qū)邊緣中的小區(qū)搜索成功概率的仿真結果如圖6所示。圖6所示的是在AWGN和TU6信道中比較的三種不同的方案。其中“1-IFFT”和“3-IFFT”分別表示優(yōu)化方案中的聯(lián)合檢測和獨立檢測算法。從圖中可以看到由于降低了來自不同小區(qū)不同扇區(qū)之間的干擾，優(yōu)化方案的兩種算法性能都優(yōu)越于Motorola的方案。其中在低信噪比時(＜0dB)，采用獨立檢測的優(yōu)化方案比Motorola方案在高斯信道和30公里/小時移動環(huán)境下的TU信道中都要好3dB左右，而采用聯(lián)合檢測的優(yōu)化方案比Motorola方案在高斯信道下好1.5dB左右，在30公里/小時移動環(huán)境下的TU信道中都要好1dB左右。獨立檢測由于在差分計算中抑制了扇區(qū)間的干擾，因此性能要比聯(lián)合檢測算法來得好，尤其在多徑衰落的信道下。
情形2用戶終端在某一個小區(qū)內部，受到其他倆小區(qū)干擾，如圖1中的點B所示。在此情形中，用戶接收到其所在小區(qū)基站發(fā)送的搜索符號的功率比干擾小區(qū)發(fā)送信號的功率高10dB。
圖7顯示了用戶在小區(qū)內部時的小區(qū)檢測性能。由圖可見，在低信噪比時(＜0dB)，采用獨立檢測的優(yōu)化方案比Motorola的方案在高斯信道下好1.5dB左右，在30公里/小時移動環(huán)境下的TU信道中都要好1dB左右。該增益主要來自由于優(yōu)化方案的小區(qū)搜索序列縮短而帶來的導頻發(fā)射功率的增強。采用聯(lián)合檢測的優(yōu)化方案比Motorola的方案在高斯信道和30公里/小時移動環(huán)境時的TU信道下也要好0.25dB。
鄰近小區(qū)的檢測性能在優(yōu)化的方案中，由于采用了頻域正交的序列，所以鄰近小區(qū)的干擾得到了有效的抑制。同時當用戶處于小區(qū)邊緣時，還可以同時檢測多個相鄰小區(qū)。這非常有利于小區(qū)間的切換和小區(qū)宏分集技術的應用。從圖8的仿真結果可見，無論是在高斯信道下，還是在30公里/小時移動環(huán)境下的TU信道中，優(yōu)化方案的性能明顯的優(yōu)于Motorola的方案。
權利要求
1.一種多載波通信中基于CAZAC序列的小區(qū)搜索結構，其特征在于相鄰三個小區(qū)鄰接的三個扇區(qū)中至少有兩個扇區(qū)在頻域上互相正交。
2.根據(jù)權利要求1所述的多載波通信中基于CAZAC序列的小區(qū)搜索結構，其特征在于相鄰三個小區(qū)鄰接的三個扇區(qū)在頻域上互相正交。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的多載波通信中基于CAZAC序列的小區(qū)搜索結構，其特征在于所述扇區(qū)的頻譜分配為分布式分配。
4.根據(jù)權利要求3所述的多載波通信中基于CAZAC序列的小區(qū)搜索結構，共特征在于三個不同扇區(qū)的小區(qū)搜索序列頻譜結構為Su,1=0,0,···Cu(0),0,0,Cu(1),···,Cu(Nu-1),0,0,···,0,0Su,2=0,0,···0,Cu(0),0,0,Cu(1),···,Cu(Nu-1),0,···,0,0Su,3=0,0,···0,0,Cu(0),0,0,Cu(1),···,Cu(Nu-1),···,0,0,]]>其中兩邊的0是用于保護邊帶。
5.一種多載波通信中基于CAZAC序列的小區(qū)搜索方法，采用權利要求1至4中任一小區(qū)搜索結構，其特征在于包括以下步驟1)提取三個不同扇區(qū)的子載波簇；2)對1)中各子載波序列進行差分計算；3)檢測2)中差分計算后的結果。
6.根據(jù)權利要求5所述的多載波通信中基于CAZAC序列的小區(qū)搜索方法，其特征在于所述步驟3)中的檢測方法為聯(lián)合檢測，具體包括以下步驟(1)將步驟3)中三個不同扇區(qū)子載波的差分計算結果相加；(2)將差分后的序列從頻域轉換到時域。
7.根據(jù)權利要求5所述的多載波通信中基于CAZAC序列的小區(qū)搜索方法，其特征在于所述步驟3)中的檢測方法為獨立檢測，具體包括以下步驟經過差分的三個扇區(qū)的序列通過三個獨立的Nu點IDFT從頻域轉換到時域，將輸出的三組獨立的時域序列分別檢測它們的峰值，實現(xiàn)小區(qū)搜索。
8.根據(jù)權利要求6所述的多載波通信中基于CAZAC序列的小區(qū)搜索方法，其特征在于在所述聯(lián)合檢測前首先進行判斷，只要其中一個扇區(qū)接收的序列信號能量遠低于其中另一個扇區(qū)接收的序列信號能量，就將該扇區(qū)的接收序列舍棄。
9.根據(jù)權利要求5所述的多載波通信中基于CAZAC序列的小區(qū)搜索方法，其特征在于當搜索的小區(qū)序號很大時，采用分級搜索的檢測搜索的方法。
10.根據(jù)權利要求5所述的多載波通信中基于CAZAC序列的小區(qū)搜索方法，其特征在于當搜索的小區(qū)序號很大時，采用較長的CAZAC序列，分段在多個固定帶寬的同步符號中傳輸。
全文摘要
一種多載波通信中基于CAZAC序列的小區(qū)搜索結構及其搜索方法，所述小區(qū)搜索結構中，相鄰三個小區(qū)鄰接的三個扇區(qū)中至少有兩個扇區(qū)在頻域上互相正交。所述小區(qū)搜索方法，包括以下步驟取三個不同扇區(qū)的子載波簇；對中各子載波序列進行差分計算；檢測差分計算后的結果。本發(fā)明采用不同的扇區(qū)使用不同的子載波簇的技術方案。尤其是在三個鄰近小區(qū)的中心，此方案的性能超越了三個扇區(qū)分配相同的子載波簇的方法。不但有效的增強了多小區(qū)環(huán)境下的小區(qū)搜索能力，而且在原有摩托羅拉方案的基礎上又可進一步的降低了實現(xiàn)復雜度。
文檔編號H04L27/26GK101039499SQ20061002464
公開日2007年9月19日 申請日期2006年3月13日 優(yōu)先權日2006年3月13日
發(fā)明者周平, 李力, 李明齊, 張小東, 卜智勇, 王海峰 申請人:上海無線通信研究中心