WCDMA上行擾碼序列快速檢測技術

牛慧瑩

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北　石家莊050081)

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WCDMA上行擾碼序列快速檢測技術

牛慧瑩

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

針對WCDMA系統上行鏈路多用戶分離問題，分析了WCDMA上行物理信道結構和擾碼序列的相關特性，提出了一種基于WCDMA系統上行鏈路擾碼序列的快速檢測技術。該技術利用快速傅里葉變換的并行運算特點和GPU適合于進行大規模并行運算的優勢，通過FFT進行互相關函數的快速運算并在GPU中并行實現多路FFT，極大地減少了WCDMA上行擾碼序列檢測所需時間。仿真結果表明，該方法可快速實現WCDMA系統上行鏈路多用戶分離，并且易于工程實現，具有廣闊的應用前景。

WCDMA；上行擾碼；相關；FFT

0　引言

寬帶碼分多址(WCDMA)具有數據速率高、保密性好、抗干擾能力強等眾多優點，因此成為全球應用最廣泛的3G移動通信技術[1]。WCDMA 作為一種碼分多址技術，多用戶同時工作于自干擾的同一頻帶，利用碼字相關特性，實現相互區分[2]。

在WCDMA系統中，擾碼的作用是實現加擾、加密和區分不同的小區(下行)或用戶(上行)[3]。在下行方向，同一小區內的不同信道采用同一擾碼，不同小區則使用不同的擾碼以區分彼此；而在上行方向，同一小區內的不同用戶采用不同的擾碼進行區分[4]。在對WCDMA上行信號進行分析時，首先需要解決上行擾碼的檢測問題以實現上行鏈路多用戶分離。由于WCDMA上行鏈路可用擾碼數[5]為224個(約等于1.677×107)，本文提出一種上行擾碼序列的快速檢測技術，該技術利用WCDMA上行鏈路信道結構和FFT快速并行運算特征，可快速實現上行多用戶分離，在WCDMA信號分析中具有很高的實用價值。

1　WCDMA上行擾碼

所有上行物理信道都采用同一復擾碼序列進行加擾操作，其擾碼序列共有224個擾碼，所用擾碼號由上層隨機分配[6]。復擾碼序列Clong,k由序列Clong,1,k和Clong,2,k組成，Clong,1,k和Clong,2,k由2個二進制m序列的38 400個碼片按位模2加得到，m序列由25階多項式產生器產生[7]。上行擾碼序列發生器的構成如圖1所示。

圖1　上行擾碼序列產生器構成

設序列x和y是m序列，序列x對應的本原多項式為X25+X3+1，y對應的本原多項式為X25+X3+X2+X+1，x和y按圖1所示結構生成Gold序列Zk。擾碼序列Clong,1,k取Zk前38 400位，序列Clong,2,k由序列Clong,1,k相移167 772 320碼片后截取38 400個碼片得到[8]。復擾碼序列Clong,k定義為：

(1)

式中，k表示擾碼號，i=0,1,2…225-2。

WCDMA 系統上行擾碼用于區分不同移動用戶終端[9]，碼片速率為3.84 Mchip/s。WCDMA 上行可用擾碼個數為224，其中序號為0～4 095的擾碼分配給PRACH，序號為4 095～40 959 的擾碼分配給PCPCH，其余序號為40 960～224的擾碼(約1 663萬個)都可以用于DPCH。在分配時，需要保證給不同用戶終端分配不同的上行擾碼[10]。

2　擾碼檢測原理分析

WCDMA系統上行鏈路包括1個或多個具有可變擴頻因子的專用數據信道(DPDCH)和1個擴頻因子固定(C256,0，長度256的全1序列)的專用控制信道(DPCCH)，DPDCH和DPCCH在無線幀內是I/Q碼分復用的，DPDCH用于傳輸數據，DPCCH用于傳輸控制信息。上行信號可以用式(2)表示為：

(2)

式中，dk(t)為數據信道；c(t)為控制信道；scrk(t)為擾碼；k為擾碼號；β為各個信道的增益因子；ωc為信號載頻；Tchip為碼片周期，0≤t≤Tchip。

WCDMA上行鏈路信道結構如圖2所示[4]。其中DPCCH的控制信息包括導頻比特(Pilot)、發射功率控制指令 (TPC)、反饋信息(FBI)以及傳輸格式組合指示(TFCI)。

圖2　上行鏈路專用物理信道結構

在WCDMA系統中，上行鏈路沒有同步信道，終端通過與基站的信息交互得到幀同步信息，但無法解析交互信息時，為了實現對信號的后續分析，首先需要對信號進行幀同步的盲搜索。上行擾碼雖然采用截短的Gold序列，仍具有較好的自相關及互相關特性[11]；由式(2)可知，幀同步時若使用k號擾碼對DPCCH解擾，再用信道化碼C256,0解擴，然后累積符號的能量，會有峰值出現，因此可通過檢測接收信號與本地擾碼序列的相關峰完成擾碼搜索和幀同步。設接收信號為8倍過采樣，其運算過程為：

(3)

式中，s為接收信號；scrk為本地擾碼；k為擾碼號，0≤k<224；m為256擴頻序列的碼片序號，0≤m<256；i為PCCPCH一幀擴頻前比特序號，0≤i<150；l為遍歷的采樣點序號，0≤l<8；τ為滑動相關時幀起始碼片位置，0≤τ<38 400；Psum(k,l,τ)為相關運算的能量累積值，可以根據Psum,(k,l,τ)的最大值來指示擾碼號和幀頭位置。

由式(3)可知，為了實現對擾碼相關峰的搜索，相關運算需要遍歷碼片8個采樣點位置、一幀38 400個碼片位置和224個擾碼，即每檢測一個擾碼需要進行38 400*8=307 200次長度為38 400碼片的相關運算，且需要遍歷全部224個上行擾碼，所需檢測時間太長而不具有實際應用價值，因此需要尋找快速檢測算法以提高效率。

3　上行擾碼快速檢測算法

3.1相關運算的快速傅里葉變換實現

當序列長度很大時，直接的相關運算復雜度高，耗時太長，難以達到工程處理的要求。而與卷積運算相似，相關運算也可以利用快速傅里葉變換實現[12]。根據時域相關定理：

(4)

可以推得：

y(m)=IFFT[Y(ejω)]=IFFT[X*(ejω)H(ejω)]。

(5)

由式(4)和式(5)可知，通過FFT實現相關運算時，首先對兩序列做FFT變換，再對兩頻域序列進行共軛相乘，將乘積做FFT反變換即可得到兩序列相關運算的結果[13]。因此可以在上行擾碼相關檢測時應用快速傅里葉變換提高運算速度。

3.2擾碼快速檢測算法

上行擾碼快速檢測算法處理流程如圖3所示，分為2個階段：先進行最佳采樣點選取，降采樣后再進行擾碼檢測。

圖3　上行擾碼快速檢測算法流程

在信號過采樣的情況下，采樣點已經包含了碼片信息，因此對信號進行樣點抽取后可以直接與本地擾碼相關，同時也降低了擾碼檢測的運算復雜度。為了搜索最佳采樣點，以同一符號的每個采樣點為起點進行一次抽取，抽取后的信號進行循環相關和峰值搜索處理，如圖4(a)所示。記錄遍歷的每個采樣點對應的相關峰值并進行比較，最大值對應的采樣點即為最佳采樣點，如圖4(b)所示，第9個樣點為最佳采樣點。

圖4　相關峰和最佳采樣點選取

降采樣抽取后的信號與本地擾碼進行相關運算就可以完成擾碼搜索和幀同步。但需要注意的是，如果此時直接采用FFT進行解擾解擴的快速相關運算，將是每幀38 400個碼片直接累加，無法對解擾后的信號進行正確的解擴處理。為了實現基于FFT的快速解擾解擴運算，需要對降采樣后的接收信號進行圖5所示的特殊處理。

圖5　基于FFT的解擾解擴快速實現

將降采樣后的一幀信號s(n)的38 400碼片按圖5所示的方式進行分段，分段后的信號以si(n)表示，即

(6)

式中，n為碼片序號，0≤n<38 400；i為一幀信號分段后的序號，0≤i<150。

將接收信號與本地擾碼進行相關運算：

(7)

式中，s為抽取后的接收信號；si(n)為分段后的信號；scrk為本地擾碼；k為擾碼號，0≤k<224；n為256擴頻序列的碼片序號，0≤m<256；τ為滑動相關時幀起始碼片位置，0≤τ<38 400；Psum1(k,τ)為相關運算的能量累積值，()N表示以N為周期循環移位，N取值為38 400。

可知，相關運算可以用FFT來快速實現，因此接收信號分段后的解擾解擴相關運算可以表示為：

(8)

式中，Psum2(k)、si和scrk都是長度為38 400的矢量；si為分段后的信號；scrk為本地擾碼；Psum2(k)為k號擾碼相關檢測后的運算值；conj表示取共軛。

將每段信號si與本地擾碼scrk通過FFT運算進行循環相關，相關結果求模后累加，即快速實現了上行信道的擾碼檢測。由式(7)和式(8)可知，檢測每個擾碼需要做300次長度為38 400點的FFT和150次長度為38 400點的IFFT。由于GPU具有進行大規模并行運算的優勢，而且CUDA提供了一個CUFFT運算庫[14]，可以高效地并行完成多個一維FFT運算，因此可以調用CUFFT運算庫，將擾碼檢測時的FFT和IFFT在GPU中并行實現，從而進一步提高擾碼檢測的運算速度。

4　仿真結果分析

仿真試驗的計算平臺使用惠普的Z800工作站，GPU為NVIDIA Tesla C2050，CPU為Intel X5690,3.47 GHz處理器，仿真結果如下。

擾碼數為512時，以一幀38 400個碼片進行FFT相關處理，擾碼檢測結果如圖6所示。由于擾碼是由Gold序列截取得到的，在進行相關處理時只截取前面的一段進行相關運算對擾碼序列的互相關特性影響很小，因此為了進一步提高運算速度，可以將相關處理長度縮減為256*64=16 384個碼片，提高FFT的運算效率。通過仿真可以看到，如圖7示，在接收信號信噪比為5 dB時，處理長度從38 400縮減為16 384個碼片，擾碼峰值與噪底之差只有0.3 dB的下降，而224組擾碼的處理時間則減少到原來的1/11，且處理時間僅為常規運算的1/9 227，從而極大的縮短了上行擾碼的檢測時間。

圖6　38 400碼片長度下512組擾碼快速檢測結果

圖7　16 384碼片長度下512組擾碼快速檢測結果

在擾碼集為8 192～16 777 216時，接收信號信噪比為5 dB，遍歷所有可能擾碼計算常規相關運算和快速算法檢測擾碼的時間，得到的結果如表1所示。可以看到，在擾碼相關長度縮短到8 192點的FFT時，其擾碼估計時間縮短到常規相關運算的1/23 120，已經可以在工程上應用了。

各類算法的運算時間對比

5　結束語

本文通過對WCDMA系統上行鏈路信號結構的分析，提出了一種快速檢測WCDMA上行擾碼的算法。該算法根據WCDMA上行信號的信道化碼為全1的特性，將接收信號進行分段，并通過FFT運算進行序列相關，從而實現對WCDMA上行擾碼的快速檢測。當擾碼集合為8 192～16 777 216時，該算法將擾碼估計所用時間縮短為傳統擾碼檢測算法的1/23 120，極大地縮短了擾碼檢測所用時間，完全可以滿足工程上信號離線處理的應用，也可以應用到其他類似擴頻信號的偽碼提取中，具有廣泛的應用前景。

[1]孫宇彤.WCDMA空中接口技術[M].北京:人民郵電出版社,2011.

[2]HOLMA H,TOSKALA A.WCDMA技術與系統設計[M].陳澤強,周華，等,譯.北京:機械工業出版社,2010.

[3]牛憲華,曾柏森.基于用戶感知的WCDMA網絡深度覆蓋評估研究[J].移動通信,2014,38(8):5-8.

[4]陳海濤,胡也.3G實訓室WCDMA網絡升級到LTE網絡策略探討[J].移動通信,2014,38(20):5-8.

[5]3G TS 25.212 V3.11.0,Multiplexing and Channel Coding (FDD)[S],2002.

[6]3G TS 25.213 V3.9.0,Spreading and Modulation (FDD)[S],2003.

[7]姜波.WCDMA關鍵技術詳解[M].北京:人民郵電出版社,2008.

[8]陳高峰,洪琪,余鵬,等.WCDMA 系統上行擾碼算法的優化及其實現[J].安徽大學學報(自然科學版)，2013,37(5):66-72.

[9]劉漢禹,蘇謙.WCDMA無線網絡擾碼規劃原理與應用[J].電信工程技術與標準化,2009(10):18-24.

[10]韓星,張華沖.針對WCDMA的資源占用式干擾技術研究與實現[J].無線電工程,2015，45(5):35- 38.

[11]牛景昌.時變多普勒頻移直擴信號的檢測方法[J].無線電通信技術,2014,40(5):37-39.

[12]赫暢,宋勝軍.基于自相關的碼速率估計技術[J].無線電工程,2015，45(2):78- 85.

[13]史飛.低軌衛星擴頻信號分析方法[J].無線電通信技術,2011,37(1):41-43.

[14]COOK S.CUDA并行程序設計-GPU編程指南[M].蘇統華,李東，等.譯.北京:機械工業出版社,2014.

牛慧瑩男，(1984—)，工程師。主要研究方向：通信信號分析。

Fast Detection Technology for WCDMA Uplink Scramble Code

NIU Hui-ying

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

For the uplink multi-user separation in WCDMA system,this paper analyzes the structure of physical channel and the correlation character of scramble code in the uplink of WCDMA system,and proposes a rapid detection algorithm for uplink scramble code.This technology takes advantage of the parallel structure of FFT and the parallel computing capability of the GPU,carries out the fast calculation of cross-correlation function by FFT and implements multi-channel FFT in the GPU in parallel,greatly reducing the required time of uplink scramble code detection.The simulation results show that this technology can realize uplink multi-user fast separation in WCDMA system,which can be easily implemented and has broad application prospects.

WCDMA;uplink scramble code;correlation;FFT

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.10.18

2016-06-29

國家部委基金資助項目。

TN911

A

1003-3106(2016)10-0073-05

引用格式：牛慧瑩.WCDMA上行擾碼序列快速檢測技術[J].無線電工程,2016,46(10):73-77.