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摘 要：本文给出了一种可用于Beyond 3G的帧结构，利用在物理帧中添加单载波调制的同步信道的方法来实现快速小区搜索。小区搜索过程主要包括时隙同步、帧同步和小区识别过程。本文通过对小区搜索算法的检测概率和虚警概率进行分析，推导出小区搜索的平均搜索时间来分析设计方案的性能。最后，通过在IMT-2000 model A信道环境下对小区搜索算法的性能进行仿真，验证了设计方案的正确性。
关键词：移动通信；小区搜索；匹配滤波相关
一、引言
继第3代之后的Beyond 3G技术研究标准建议工作已经开始［1］，预计下一代移动通信系统的速率可达20 Mbps，甚至更高。Beyond 3G移动通信系统是基于正交频分复用（OFDM）技术，然而OFDM技术存在自身的缺点：①峰—均功率比大，对系统的非线性敏感；②对定时和频率偏移敏感［2］。
移动终端的小区搜索包括时隙同步、小区标识识别和帧定时的获取,这是移动台开始工作所必须做的第一步。对于OFDM技术存在的一些问题，本文借鉴第三代移动通信系统的小区搜索方案［3,4］，在整个下行链路的OFDM帧中加入一定的同步时隙，进行单载波调制，即在时域实现小区搜索。本文首先提出了一种可用于Beyond 3G系统的下行链路帧结构和帧同步信道，然后对小区搜索三个过程进行详细介绍，并对设计方案的性能进行分析。最后通过计算机仿真对算法性能进行评估，仿真结果表明提出的小区搜索方案可以满足快速的小区搜索要求。
二、系统结构和小区搜索
1.Beyond 3G 移动通信系统的前向链路帧结构
本文假定Beyond 3G 移动通信系统的带宽为10 MHz,切普速率为10 Mchip/s,当采用QPSK调制时，数据传输速率将高于20 MHz，其前向链路帧结构如图1所示。帧长为10 ms，一帧由8个时隙构成，每个时隙由10个符号构成，一帧共有80个符号，每个符号由1 250个chip构成。在帧结构中取每一个时隙的第一个符号作为同步符号，称作同步信道，采用单载波调制，其它部分用于传输数据，采用多载波调制。每个同步符号由两部分构成，分别为时隙同步序列和小区标识序列。
在前向链路帧中共有8个接入符号，每个接入符号由时隙同步序列和小区标识序列组成。时隙同步序列和小区标识序列具有良好的自相关特性和互相关特性。所有小区的同步时隙均采用相同的时隙同步序列，其长度为512 chips。时隙同步序列和小区标识序列由通用Golay序列(generalizedhierarchical Golay sequence)［5］构成。
时隙同步序列的生成多项式为
小区标识序列由16个小区标识码{C1, C2,…, C16} 组成，每个小区标识序列长度为512 chip，其生成多项式为
其中，K(m,n)为小区编号m和时隙编号n的函数，用以在符号集合Cs,K中选择合适的符号，组成小区标识序列。
Cs,K的生成多项式描述如下：
首先，定义序列
按照上述方法可以得到哈达玛矩阵H8，它是一个256×256的矩阵。H8矩阵的每一行对应一个哈达玛序列，记为hn，n=0,1,…255。
若以hn(i)和z(i)分别表示序列hn和z的第i个符号，则第k个Css,K可定义为
2.快速小区搜索实现方案
移动终端在初始开机和发生切换时，进行小区搜索过程，实现小区标识获取和帧定时信息获取。小区搜索过程分为3个阶段：时隙同步、小区识别和帧同步。
（1）时隙同步
时隙同步是通过时隙同步序列来获得。由于时隙同步序列长度为 512 chip,只占一个时隙的前1/10,所以接收机在连续的512×10=5 120个相位上必定能找到一个与时隙同步序列对齐的相位。这是通过匹配滤波相关来完成的,其方法是将所有相位的本地时隙同步序列和接收的信号进行相关计算,实现接收信号的全局搜索,再将得到的5 120个复数相关的模值进行比较,把最大值的位置记录下来,并与设定的门限相比较，如果峰值高于门限，则认为达到时隙同步,从而完成时隙同步捕获过程。具体的实现框图见图2。
(2)小区识别和帧同步
在取得了时隙同步之后需要进行小区标识序列检测以及帧同步，其目的是判断移动终端所在的小区和识别出帧边界。如上文所述，每个基站的小区标识序列都是由16个512 chip的小区标识序列组成，在每个时隙发送一个，而且每个时隙中的小区标识序列是从16个固定的512 chip长度的小区标识序列中选取的。由于本地时隙定时已经确定，所以本地的小区标识序列可以与接收信号的时隙对齐，将接收信号和本地16个小区标识序列分别相关，必定能找出相应的每个时隙对应的小区标识序列。然后，经过32个时隙的相关查找就可以得到整个小区标识序列。最后通过查表、相位判别，确定32个序列组中的一组，从而得到序列的相位偏移量，再通过相位偏移信息获得本地帧定时。其原理如图3所示。
三、性能分析
1.统计判决变量
(1) 在AWGN信道情况下
接收信号
其中 p是信号功率，C(t) 是时隙同步序列, g(t) 是同步序列波形满足φ是相位偏移，在［0,2π］满足均匀分布n(t)~N(0,σ2)。
接收信号通过加有本地时隙同步序列的匹配相关器输出为
其中M=1 020是时隙同步序列长度，假定噪声满足NI,NQ~N(0,Mσ2)。
输出的I/Q 两路信号经过平方和以时隙长度为周期求和，得到归一化的判决变量G为
假定θ为常数, 判决变量G服从自由度为2N1的χ2分布,概率密度函数定义为
假定时隙同步序列的自相关函数为
判决变量的概率密度函数定义为
在已知概率密度函数的情况下，假设检验为H0和H1。H0和H1表示假设错误和假设正确判决值。假定整个假设检验长为L，H1假设检验值设为3, 因此H0假设检验值为L-3。假定比较通过如下方式：时间偏移τ是H1中点的最小值，这一点与其它在H0中的点一一比较，如果出现虚警，由于存在强的相关性，其它在H1中的点也产生虚警。因此，检测概率PD和虚警概率PFA分别定义为
其中L=6 250是采样点数。
(2)在瑞利衰落信道情况下
设无线单径信道冲击响应为其中x是幅度响应，服从瑞利分布。假定x在符号间变化比较慢，而在时隙间变化比较快。因此独立同分布随机变量x=［x1,x2,…,xN1］以时隙为周期累加,φ是相位偏移，它是在［0,2π］上满足均匀分布的随机变量。
假定x=［x1,x2,…,xN1］和φ都是常数，统计判决变量的概率密度函数定义如下:
按照最大值选择算法，检测概率和虚警概率为
2.平均捕获时间分析
小区搜索的捕获过程可以通过状态转移图描述。图4中PD、PFA、PMD分别表示小区搜索各过程的检测概率、误测概率和漏检概率，STR、CIR和FTR分别表示为时隙捕获、小区标识获得（包括时隙检测的证实过程）和帧定时获得。因此，可以得到各阶段所花费的时间为TSTR=N1Δt,TCIR=32Δt，TFTR=Δt，其中Δt=0.312 ms。PFA,SIR表示误检概率，假定时隙捕获过程出现虚警可以在证实过程检测到，并返回时隙捕获过程。同时，假定PFA,STR=α，PMD,CIR=β，PMD,FIR=γ，PD,SIR=PD，A=N1+N2+1,B=N1+N2， 其中N1表示以时隙为单位进行累加的次数，N2表示证实的次数。
由图4，可以得到状态转移方程为
搜索时间的方差为
如果假定检测概率为PD=1-α,则
其中假定小区获得概率和帧定时获得概率相同，为q 。
四、仿真结果
基于以上的分析在SPW系统中进行仿真。仿真的信道环境为IMT-2000 model A，假定频率偏移｜Δf｜2 kHz，相对于晶振来说不准确率为1ppm@2 GHz。时隙序列和小区标识序列都采用BPSK调制。小区标识正确检测概率与接收信噪比的关系如图5所示。将图5检测概率代入式(19)可以得到小区搜索的平均捕获时间如图6，小区搜索的平均捕获时间是由和3σT构成。从图5可以得出在信噪比大于-11 dB时，在终端移动速度为120 km/h、30 km/h和5 km/h条件下，小区标识正确的检测概率大于90％；从图6可以看到在信噪比大于-12 dB时，在终端移动速度在120 km/h、30 km/h和5 km/h情况下，捕获时间小于1.6 s；当信噪比进一步提高，检测概率也提高时，小区搜索的平均捕获时间趋于40 ms。
五、结论
Beyond 3G移动通信系统还处于研究过程中，本文提出了一种下行链路帧结构，并选择每个时隙的第一个符号作为单载波调制的同步信道。在同步信道中采用的通用Golay序列和Hardish矩阵来生成时隙同步序列和小区标识序列，提高了在时域内检测的概率和减小了小区搜索的时间。通过在IMT-2000 model A环境下对不同移动速度的情况下的仿真，结果表明小区搜索算法能够满足实现快速小区搜索的要求。
参考文献
［1］Justin Chuang, Nelson Sollenberger. Beyond 3G: wideband wireless data access based on OFDM and dynamic packet assignment［J］. IEEE Communication Magazine,July 2000：78~87.
［2］ Zou, W Y, Yiyan Wu.COFDM: an overview［J］. IEEE Transactions on Broadcasting, 1995,41(1):1~8.
［3］ Y P Wang,T Ottosson. Cell search in W-CDMA［J］.IEEE J. Select. Areas Commun,. 2000,19(8):1470~1428.
［4］刘正军，冉崇森，胡悍英,等.WCDMA系统中小区搜索实现算法分析 ［J］.信息工程大学学报，2002，3(2):23～27.
［5］ 3GPP TSG RANW 1567-1599,Generalized hierarchical Golay sequence for PSC with low complexity correlation using pruned efficient Golay correlator［S］.
