产生同步控制调整步长的装置和方法及步长的自动切换方法

摘要

本发明公开了一种产生同步控制调整步长的装置和方法及步长的自动切换方法，该装置包括NodeB侧模块和UE侧模块，该方法包括：NodeB侧模块和UE侧模块分别依据上一子帧处理产生的同步控制字

说明书

id="p0001" num="0001"> 产生同步控制调整步长的装置和方法及步长的自动切换方法 技术领域>

本发明涉及一种移动通信系统中同步控制的装置和方法， 尤其涉及基于时 分双工的通用陆地无线接入 ( Universal Terres trial Radio Acces s Time Divi s ion Dupl ex, 简称 UTRA TDD )移动通信系统中采用自适应方式产生同步 控制调整步长的装置和方法及步长的自动切换方法。 背景技术>

UTRA TDD系统， 如低码速 1. 28Mcps的 TD- SCDMA是一种基于时分双工 的码分多址第三代数字移动通信系统， 在上行链路中， 多个移动台向基站发 送信号， 共享同一信道， 为了防止不同用户信道冲击响应的重叠， 产生信号 相互间干扰， 需要对各用户进行同步控制， 保证它们同时到达基站。 同步控 制的主要作用如下：>

1、 调整各用户信道冲击响应位于各自指定的信道估计窗口内， 从而避免 用户信道响应的相互干扰而引发信道估计不准确， 进而影响数据检测， 如联 合检测的性能；>

2、 在满足上述条件要求的基础上通过调整各用户信道响应的峰值对齐， 从而达到降低不同编码组合传愉信道（Code Compos i te Transfer Channel , 筒称 CCTrCH )数据部分的干扰， 提高系统性能。>

在已有的 CDMA通信系统同步控制技术中， 如文献《3GPP协议 TS25. 244 "Phys ical layer procedures (TDD) "» 中介绍了多用户上行同步控制的过 程， 并且规定了用于上行同步控制的调整步长 k由高层协议， 即 Node B应用 部分协议 ( Node B Appl icat ion Part , 简称 NBAP )来配置。>

在现有的 TDD同步控制技术中， 由于调整步长 k是由高层协议配置的一 个固定的值， 并且以广播的消息通知给物理层用户终端 （User Equi ment , 筒称 UE )， 步长 k不能随着信道的变化而改变， 并且 k的调整周期很长， 这样 在信道变化较快的无线环境中会引发一系列的问题， 如： 如果调整步长 k较 小， 如 1/8码片， 那么在信道时延扩展变化剧烈的时候， 现有同步控制算法 将跟踪不上多径时延的跃变而导致失步， 从而引发系统性能的降低； 而如果 调整步长 k较大， 比如 1/2码片， 虽然同步跟踪速度加快， 但是同步精度却 下降了，甚至在原本同步较好的情况下将出现过调的现象。 因此使调整步长 k 可以随着信道的变化而改变非常必要， 但目前还没有相关的技术。 发明内容>

本发明的目的在于针对现有技术的不足， 提出一种产生同步控制调整步 长的装置和方法， 由物理层采用自适应方式调整步长， 实现同步控制， 克服 UTRA TDD无线通信系统同步控制算法中调整步长由高层协议配置而变化周期 长的缺点， 解决现有技术存在的同步速度慢、 精度低的问题。>

本发明的另一目的在于针对现有技术的不足， 提出一种同步控制调整步 长的自动切换方法， 根据实际同步控制过程中的需要， 灵活的选择同步控制 调整步长， 提高同步系统的性能。>

为实现上述发明目的， 本发明提供了一种产生同步控制调整步长的装置， 包括 NodeB侧模块和 UE侧模块； 所述 NodeB侧模块包括数据接收单元、 信道 估计单元、 测量单元、 同步控制字产生单元和步长调整单元；>

所述数据接收单元用于接收频带信号， 并对其进行处理得到基带数字接 收信号， 将所述基带数字接收信号输出给信道估计单元；>

所述信道估计单元从基带数字接收信号中取出训练序列 （midamble )与 本地的训练序列做运算， 估计出信道冲击响应估计值， 输出给测量单元； 所述测量单元根据信道冲击响应估计值确定出当前子帧各用户信道冲击 响应估计值的起始位置 j-s tart、 峰值位置 j-peak和结束位置 j— end, 输出 给同步控制字产生单元；>

所述同步控制字产生单元才艮据测量得到的各用户信道沖击响应估计值的 起始位置 j_s tart、 峰值位置 j-peak和结束位置 j-end得到当前子帧的同步 控制字 并输出给步长调整单元；>

所述步长调整单元根据其存储的上一子桢的同步控制字 ^以及步长 , 并依据用户当前子帧的同步控制字 和过调标志位 fOverAdjust确定 当前子帧的控制步长 ; 所述 UE侧模块包括同步控制字获取单元和 UE侧步长调整单元； 所述同步控制字获取单元从 UE接收符号序列中读出当前子帧的同步控制 字， 输出给 UE侧步长调整单元； 所述的接收符号为 UE对接收信号经过数据 检测解调以后的符号。>

所述 UE侧步长调整单元根据其存储的上一子帧处理产生的同步控制字 :' -1以及步长 -1 , 并依据用户当前子帧的同步控制字^^和过调标志位 f Over Ad j u s t确定当前子帧的控制步长 。>

为实现上述发明目的，本发明提供了一种产生同步控制调整步长的方法， 包括以下步骤：>

步骤 1、 NODE B接收频带信号， 并对其进行处理得到基带数字接收信号； 步骤 2、对所述基带数字接收信号进行信道估计，得到信道冲击响应的估 计值；>

步骤 3、根据所述信道冲击响应的估计值得到当前子帧各用户信道冲击响 应估计值的起始位置 j- s tart、 峰值位置 j— peak和结束位置 j _end;>

步骤 4、根据测量得到的当前子帧各用户信道冲击响应估计值的起始位置 j _s tart、峰值位置 j— peak和结束位置 j -end得到当前子帧的同步控制字 ：， 并发送给 UE;>

步骤 5、 NODE B和 UE分别依据上一子帧处理产生的同步控制字^^ 、 步 长 -'和用户当前子帧的同步控制字^:及过调标志位 fOverAdjus t动态生成 当前子帧的控制步长 。>

本发明所述的装置和方法， 采用自适应方式产生同步控制调整步长， 在 不降低同步精度 ( 3GPP协议规定 1/8码片）的前提下， 显著提高了同步跟踪 的速度。表 1给出了用户时延偏移在两个码片内采用固定步长（1/8码片）和 自适应步长（1/8 - 1码片）同步控制（分为理想思想和实际算法 _Jmax>

从上表可以发现， 自适应调整步长方法在时延偏移较大时明显缩短了调 整周期， 在时延偏移较小（ 1个码片内）时并没有增加调整周期， 同时保证了 控制精度。 并且上述自适应步长实际算法（令 = 1 )的调整周期几乎和理想 思想一样迅速， 而且前者克服了信道时延变换频繁引发的问题， 从而显著提 高系统性能。>

本发明还提供了一种同步控制调整步长的自动切换方法， 包括以下步骤： 步骤 1 NODE B将接收到的频带信号顺次通过变换、 信道估计、 测量和 比较， 得到当前子帧的同步控制字， 并发送到 UE; 与当前子帧的同步控制字是否为同向， 如果是， 则执行步驟 3; 如果不是， 执 行步骤 4;>

步骤 3、所述 NODE B和 UE依据上一子帧处理产生的同步控制字^^ 、 步 长^" 和用户当前子帧的同步控制字 :及过调标志位 fOverAdjus t动态生成 当前子帧的控制步长>

步骤 4、 所述 NODE B和 UE采用高层协议配置的固定步长。>

在实际的同步控制过程中， 并不是总是采用前述的采用自适应方式产生 同步控制调整步长， 而是通过对无线信道状态的判断来确定只在需要的时候 启用自适应调整步长， 比如偶尔出现大的时延跳变， 其余时候仍然保持固定 小步长（如 1/8码片）。 上述只在需要的时候启用自适应调整步长方法的优点 在于降低了系统处理的复杂度开销， 提高了系统运行的效率， 同时并不降低 系统性能。>

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。 附图说明>

图 1为 3GPP UTRA TDD低码速 ( 1. 28Mcps )通信系统中的常规时隙结构示 意图；>

图 2为本发明所述产生同步控制调整步长的装置中 NodeB侧模块的结构框 图；>

图 3为本发明所述产生同步控制调整步长的装置中 UE侧模块的结构框图； 图 4为本发明所述产生同步控制调整步长的方法的流程图；>

图 5 为本发明所述产生同步控制调整步长的方法中确定当前子帧的控制 步长 的过程流程图；>

图 6为在 4径生灭信道下用户在以 120km/h速度运动时，分别采用固定步 长与本发明所述方法得到的系统误码率仿真性能比较示意图；>

图 7为在 3GPP测试信道 easel下用户速度为 3km/h时，分别采用固定步 长与本发明所述方法得到的系统误码率仿真性能比较示意图；>

图 8为本发明所述同步控制调整步长的自动切换方法的流程图。 具体实施方式>

参见图 1 , 为 3GPP UTRA TDD低码速（ 1. 28Mcps )通信系统中的常规时隙 结构示意图， 其中，时隙中间的 144码片为训练序列部分， 用于用户的信道估 计， 训练序列两边各有 352码片的数据部分， 用于承载用户发送的信息， 其 中同步控制命令字（SS)和同步控制命令字（SS)位于第二个数据块内， 位置如 图所示， 最后的 16码片为保护部分 (GP)。>

由于 NodeB和 UE都需要知道用户的同步控制调整步长， NodeB使用同步 控制调整步长用于丈该用户的同步控制字的线性预测 , 而 UE则在上行发射时 调整时延所用。 所以， 本发明提供的产生同步控制调整步长装置包括 NodeB 侧模块和 UE侧模块，其中 NodeB侧模块的结构如图 2所示， UE侧模块的结构 如图 3所示， 产生同步控制调整步长的方法如图 4所示， 以下结合图 2、 3、 4 进行详细说明。>

NodeB侧模块包括： 数据接收单元 10、 信道估计单元 20、 测量单元 30、 同步控制字 SS产生单元 40和步长调整单元 50; UE侧模块包括同步控制字获 取单元 60和 UE侧步长调整单元 70; 其中， NodeB侧模块的数据接收单元 10、 信道估计单元 20和测量单元 30为同步控制过程准备了输入数据： 即用户当 前子帧信道冲击响应估计值的起始位置 j-start、 峰值位置 j_peak和结束位 置 j_end。>

若只考虑基带， 忽略射频中频的影响， 则各用户的上行发送数据经过成 形滤波、 多径衰弱、 高斯白噪声后在 NodeB天线端形成互相叠加（码分多址） 的接收信号。 其中的训练序列 （midamble)部分接收信号可以表示为：>

Kt) = P_r{t)*g{t)*P,{t)>c为码片宽度，>

经过采样以后的数字信号可表示为：>

§. = m*h + n ( 3 ) 其中， ^_为采样后的基带数字接收信号训练序列部分， 51_为用户的 midamble码序列， 为综合了码片成形滤波影响的信道冲击响应抽头， 2_为加 性噪声及干扰抽头。>

本发明所述产生同步控制调整步长的方法包括以下步骤：>

步骤 1、 采用所述数据接收单元 10接收频带信号， 对频带信号放大、 滤 波、 下变频后进行采样， 然后进行 A/D转换得到基带数字接收信号， 并输出 给信道估计单元 20;>

步骤 1、 采用所述信道估计单元 20从基带数字接收信号中取出训练序列 与本地的训练序列 #文运算，估计出信道冲击响应估计值，输出给测量单元 30。 可以采用每个用户独立做各自的信道估计， 如直接用系统分配给本用户的 midamble序列和接受信号中的 midamble部分做相关匹配，也可以采用所有用 户联合信道估计（如 B. Steiner信道估计器等）。 根据 3GPP协议， UTRA TDD 的常规时隙包括两块数据部分以及中间的训练序列部分， 如图 1所示， 本实 施例采用发送已知的训练序列来进行信道估计， 在本实施例中可以采用一种 速度快、 代价小的 B. Steiner估计器， 利用 B. Steiner估计器时， 其接受 到的训练序列可表示为：>

e^m>m>(ka)>a为天线数，>σ)«),"Γ，·'·，>("矩阵的维数为>

G^W=[¾]>

k = l,..;K, i = l,-,P, j = l,-,W (6) 其中 1··」表示下取整运算。 所述的信道冲击响应估计值根据下式计算得到， 即 h^(fa)>HG]~¹G^He^{ka),>

式中 表示第 ka个天线的信道冲激响应向量 h^(faI)的最大似然估计。>(to)>Cto)/>

步驟 3a、 对信道冲击响应的估计值进行插值；>

步骤 3b、 根据信道沖击响应的估计值的信号抽头以及噪声抽头计算出平 均噪声功率 _^σ>

。一 D 噪声抽头个数 所有 抽头 ( 8 ) 其中 Ρ为基本 midamble长度 128 , h_n为信道冲击响应>

P 1>

为信噪比下降因子定义为： ^ / (基本 /cfa We序歹 IJ)' ""' . 步骤 3c、根据平均噪声功率 -° "确定出载干比门限 根据数据检测的原 理， 工程上判决门限->£通常比平均噪声功率>

步骤 3d、 根据载干比门限->£插值后的信道冲击响应的估计值进行搜索，>

步骤 3a中所述的插值根据运算量和精度的考虑可以采用先两倍插值再四 倍插值的方法将精度为 1码片的信道冲击响应 内插为精度为 1/8码片的^ , 插值函数可以是汉宁窗函数， 如两倍插值函数为：>

四倍插值函数为：>

。 （10 ) 步骤 4、 所述同步控制字产生单元 40根据测量得到的各用户信道冲击响 应估计值的起始位置 j- star t、 峰值位置 j— peak和结束位置 j_end得到当前 子帧的同步控制字^ 并输出给步长调整单元 50和 UE; 信道冲击响应估计 值的起始位置 j— s tart和结束位置 j— end用于在信道时延扩展很宽或者出现 某些异常的时候保证整个 CIR 包络不出搜索窗， 在大部分的情况下这两个参 数并不会影响同步控制字的产生。>

对于每一用户， 在保证信道冲击响应在信道估计窗内的情况下， 比较测量 的 j— peak和高层协议给出的用户目标值 user— target, 如果>

j_peak>user_target 则 SS = 00我们定义同步控制字为^ '>=—>1； j_peak<user_target 则 SS = 11 我们定义同步控制字为^'>=1； else 则 SS = 01 我们定义同步控制字为^'>=0。>

当确定了同步控制字后， 将同步控制字发送给 UE;>

步骤 5、所述同步控制字获取单元 60从 UE接收符号序列中读出当前子帧 的同步控制字， 输出给 UE侧步长调整单元 70;>

步骤 6 NODE B侧步长调整单元 50和 UE侧的步长调整单元 70 居其存 储的上一子帧的同步控制字 ^ 以及步长 -1 , 并依据用户当前子帧的同步控 制字^^和过调标志位 fOverAdjust确定当前子帧的控制步长 ； 所述确定当前子帧的控制步长 的过程如图 5所示， 包括如下步驟； 初始化 ^^^ = 0, = 0 ,>

( 1 )如果 = 0， 转到 （ 10 ), 否则转到 （ 2 );>

(2)如果 ^^=0 ， 转到 (9), 否则转到 (3); ( 3 )如果 fO雷 Adj t = 0， 转到 （4), 否则转到 （8);>

(4)如果 '"与 '" -1符号相同， 转到 （6), 否则转到 （5); ^*»=°

(5) ^ f verAdjust = 1^ 令 ^ _{+>, 转到 （ 7>lX}2≤A:_max, 令 ^=Ar„_,x2， 转到 (10), 否则令 = 转 到 （10);>

(7)如果 _1÷2≥/l_min,>η, 转 到 （10);>

(8)如果 则令^ + i, 转到 （7)， 否则转到 （9);>

(9)令 =1/8码片， 令 fOverAdjust = 0, 令 = 0 , 转到 （10);>

(10)结束， 当前子帧的调整步长 已经确定。 另外， 由于基站处理需要时间， 往往当前子帧的测量值一用户信道冲击 响应估计值的起始位置 j'_start、 峰值位置 j-peak和结束位置 j_end要下一 个子帧甚至下几个子帧才能发出相应的同步控制字， 所以就必须依据当前子 帧的测量值去预测下一个甚至几个子帧的预测值。 比如可以采用如下的线性 递归预测的方法。>

第 n子帧时对第（n + D - 1)子帧的信道响应的起始位置、峰值位置和结束 位置的预测值为： J (ί,η) = j (ί,ή) + 5_start>U'_L>t>Z'>Z n)>p>md—_Ctri (i, n)分别为第 n 子帧预测的发送控制字那个子帧 （即第 n+D- 1子帧）的信道冲击响应估计值 的起始、 峰值和结束位置。>

式中 _tort(z'"）>n子帧的预测平均误差。>U"_L{i,n-d) 表示第 i个用户、 第 （n-d)子帧等效的同步控制字（控制方向），>ki>i(i，"- 确定， 而& 0'"- rf)根据同步控制命令字的生成规则确定， 表示为>

>UL(i,n-d) = 00>

>UL(i,n-d) = 01>

>UL(i,n-d) = 11 同步控制命令字>SS 的生成规则如下：>

00, J_peah__ctri>targetRJ_{slart> (i, n)≥k>}

>UL(i,n)>peak ctrl(i,n)>end>cirl(i,n))≥ k>

01， 其它>

其中 Peaktarget为信道响应的峰值目标位置， wz'-s-WL-l , WL为当前 用户的信道估计窗长。>

本发明自适应调整步长的思想是 "跟踪不上则步长加倍（快速跟踪）， 跟 踪过度反向调整则步长减半（精细调整）"。>

图 6为在 4径生灭信道下用户在以 120km/h速度运动时， 分别采用固定 步长与本发明所述方法得到的系统误码率仿真性能比较示意图， 图中横轴表 示比特级的信噪比 Eb/N0， 纵轴表示带编解码的系统误码率，可以发现后者的 系统误码率性能明显优于前者， 也就是说在相同误码率要求的条件下， 采用 自适应步长同步控制的系统需要的发射功率更小， 容量更大。>

图 7为在 3GPP测试信道 easel下用户速度为 3km/h时，分别采用固定步 长与本发明所述方法得到的系统误码率仿真性能比较示意图。 图中横轴表示 比特级的信噪比 Eb/N0，纵轴表示带编解码的系统误码率， 可以发现两者的性 能几乎一样， 也就是说在 3GPP测试信道环境下， 采用自适应步长同步控制不 会降低系统的性能。>

采用本发明所述方法和装置， 克服了无线通信系统同步控制过程中物理 层不能调整控制步长的缺点， 给出了一种自适应调整控制步长的方法。 本发 明利用存储的前一子帧控制信息作为确定本子帧调整步长的依据， 通过快速 跟踪、 精确调整的方法解决了同步跟踪速度和同步精度之间的矛盾， 提高了 同步系统的性能。>

另外， 如前所述， 在实际的同步控制过程中， 需要通过对无线信道状态 的判断来确定只在需要的时候（比如偶尔出现大的时延跳变）启用自适应调 整步长， 其余时候仍然保持固定小步长（如 1/8码片）不变。 本发明提供了 一种同步控制调整步长的自动切换方法， 如图 8所示， 包括以下步骤：>

步骤 1、 NODE B将接收到的频带信号通过变换、 信道估计、 测量和比较， 得到当前子帧的同步控制字， 并发送给 UE;>

步骤 2、所述 NODE B和 UE比较与当前子帧连续的多个子帧的同步控制字 与当前子帧的同步控制字是否为同向， 如果是， 则执行步骤 3; 如果不是， 执 行步驟 4;>

步骤 3、 所述 N0DE B和 UE依据上一子帧处理产生的同步控制字^^ - 1、 步 长 和用户当前子帧的同步控制字 及过调标志位 fOverAdjus t动态生成 当前子帧的控制步长 ;>

步骤 4、 所述 NODE B和 UE采用高层协议配置的固定步长。>

本发明所述的自动切换方法是： 当判断连续出现了多个同向调整的控制 字， 在工程中的范围可以为 4 - 8 , 即认为出现了大的时延跳变， 需要从固定 小步长切换到自适应步长； 然后在当前的一个同步调整周期完成后， 再由自 适应步长方法切换回原来的固定小步长方法。 降低了系统处理的复杂度开销， 提高了系统运行的效率， 同时并不降低系统性能。>

本发明适用于任何基于多用户上行同步的通信系统， 尤其适用于第三代 移动通信系统中的 UTRA TDD系统 1. 28Mcps TDD (即 TD- SCDMA)和 3. 84Mcps TDD 系统， 但是也同样适用于采用同步 CDMA的频分多址和时分多址的系统。>

最后应说明的是： 以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描 述的技术方案； 因此， 尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行 了详细的说明， 但是， 本领域的普通技术人员应当理解， 仍然可以对本发明 进行修改或者等同替换； 而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其 改进， 其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。>