小区初始搜索原理与随机接入
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1．小区初始搜索（CSU） 小区初搜的主要功能是：搜索当前小区使用的SYNC_DL码，完成DwPTS同步；确认当前小区的扰码和基本Midamble码；根据DwPTS的相位调制序列完成控制多帧同步；读取BCH的信息。 考虑到终端与基站之间的载波存在频偏，在小区初搜过程中还要进行载波频偏调整，分为粗调和精调两个过程。 小区初搜为一物理层过程，由以下几个子过程构成： DwPTS同步 载波频偏粗调 基本Midamble码确认 载波频偏精调 BCH交织帧确认—也就是MIB的确认 读取BCH信息 终端按上述顺序完成小区初搜过程。只有前一个子过程完成后才能进入下一个子过程。 DwPTS同步ICS.1载波调整同步调整增益调整搜索DwPTS大致位置ICS.2当前小区SYNC_DL码编号ICS.3ICS.4SYNC_DL码确认及其接收时刻载波频偏粗调ICS.5UE同时接收到的SYNC_DL码及其主径位置ICS.6载波频偏粗估计ICS.7载波频偏粗调策略ICS.8Basic midamble码确认ICS.9确认当前小区Basic Midamble码ICS.10载波频偏精调ICS.11ICS.12载波频偏精估计载波频偏精调策略ICS.13JDBCH交织帧确定ICS.14信道估计ICS.16计算确定BCHSYNC_DL交织块位置调制相位ICS.15 图1 小区初搜功能模块结构 1.1小区搜索过程 1.1.1 小区搜索 在初始小区搜索中UE 搜索到一个小区建立DwPTS 同步获得扰码和基本midamble 码控制复帧同步,然后读取BCH 信息初始小区搜索利用DwPTS 和BCH 进行。 初始小区搜索按以下步骤进行： 第一步： 搜索DwPTS 第一步：在TD-SCDMA系统中，利用SYNC_DL码来区分小区。SYNC_DL码共有32个，为码长64的伪随机序列(即PN码，PN码用于区分相邻小区, PN码集在蜂窝网络中可重复使用。PN码为扩频系统中特有，为码长64的伪随机序列。)。每个SYNC_DL码对应4个基本Midamble码、4个扰码和8个SYNC_DL码。SYNC_DL码在DwPTS上面向整个小区发送。终端利用SYNC_DL码搜索DwPTS，完成时隙同步。 UE 利用DwPTS 中SYNC_DL 得到与某一小区的DwPTS 同步，这一步通常是通过一个或多个匹配滤波器(或类似的装置)与接收到的从PN 序列中选出来的SYNC_DL 进行匹配实现。为实现这一步，可使用一个或多个匹配滤波器或类似装置。在这一步中，UE 必须要识别出在该小区可能要使用的32 个SYNC_DL 中的哪一个SYNC_DL 被使用. UE通过检测DwPTS中的SYNC_DL码来实现DwPTS同步。UE需要采用相关或匹配滤波的方法确认当前小区使用的SYNC_DL码。 UE开机后，先设置接收机增益为最大（此时，如果在TD-SCDMA频段内无信号，则带有天线的接收机的ADC（模数转换器）输出的数据不饱和）。考虑到UE需要对多个频点进行搜索，首先测量各个频点在最大接收机增益下的一帧（5ms）的接收功率，并从大到小进行排序。然后按排列顺序设置频点，进行小区初搜。在设置接收机增益为最大并设置载频后，UE进入DwPTS同步过程。 DwPTS同步包含3个模块： 1) 搜索DwPTS大致位置 2) 找出当前小区使用的SYNC_DL码 3) SYNC_DL码的确认及其接收时刻 特征窗法搜寻DwPTS大致位置 基本原理是利用接收信号的功率形状来搜索DwPTS的大致位置。在TD-SCDMA的帧结构中，SYNC_DL的左边有32chips的GP(guard period )，右边有96chips的GP( guard period )，SYNC_DL本身为64chips。由于GP的功率很小，故从接收功率的时间分布上看，与GP相比SYNC_DL段的功率较大。当用SYNC_DL段功率和除以两边共64chips（两边各32chips）功率和时，得到的值应当比较大，用此方法就可以判断出DwPTS的大致位置。 为此，建立功率“特征窗”来搜寻DwPTS的大致位置。“特征窗”长度为128chips。搜索范围为（6400＋128）chips。一帧的长度为6400chips。“特征窗”在整个帧范围内移动，移动步长可以是逐chip, 逐2 chips或逐4chips等（建议移动步长取4个chip），得到N个“特征窗”。如何选取取决于运算量和系统要求。对每一个“特征窗”，计算其内部中间64chips对两边64chips功率比Ri。在N个Ri中找寻最大值，其对应的“特征窗”位置即为DwPTS的位置。 DwPTS同步算法采用“特征窗”的方法，要求信号功率必须大于噪声功率，才能利用“特征窗”找出DwPTS大致位置。在信噪比SNR＝0dB且无强干扰的条件下，单次检测概率接近80%。如果采用前述SYNC_DL确认算法，则正确检测概率可达94%左右。 “特征窗”方法对载波频偏，是否多径，是否同步不敏感，检测性能基本不变或略有下降。但如果存在其它UE的上行强干扰信号，当SNR < 4dB，检测性能将会严重下降。 浮点算法实现如下： 先取一个子帧的数据r1，其中第k个元素表示为 r1,k,k0,,6527 计算接收信号的chip功率： powkRe(r1,k)Im(r1,k),k0,,6527 22计算“特征窗”的比值： p1,ipowistepjj03131p2,ipowistepj96j063 p3,ipowistepj32j0Rip3,ipi,1p2,i式中：i0,,6400step1，其中为向0方向取整，step为“特征窗”移动步长，建议取step4。 找出Ri的最大值，假设其标号为im，则相对初始帧定时的DwPTS的大致位置Pos为： Posimstep 如果考虑到其它UE发送的上行强干扰信号，在找到Ri的最大值后，还需要进一步判断是否真正的DwPTS大致位置。检测算法如下： If Rim3 Else If p1,imp2,im If p1,imp2,imVT im对应的“特征窗”为DwPTS大致位置； im对应的“特征窗”为DwPTS大致位置； Else 令“特征窗”比值Ri0,寻找Ri的最大值。 iim32step,,im32step，然后重新 End Else If p2,imp1,imVT Else 令“特征窗”比值Ri0,寻找Ri的最大值。 im对应的“特征窗”为DwPTS大致位置； iim32step,,im32step，然后重新 End End End 其中：VT为门限值，建议取VT4。 整个检测过程最多重复5次。 第二步：载波频偏粗调 UE在完成DwPTS同步之后，知道了当前小区使用的SYNC_DL码及其主径到达时刻。我们可以SYNC_DL码对载波频偏进行测量估计。由于各种因素的影响，UE与Node B的载波之间会产生频偏，这样就会影响信号的解调。在DwPTS同步之后，UE将对载波频偏进行粗略估计，根据估计的频偏调整载波频率，使之与Node B的载波频率尽量一致，减小载波频偏对信号解调的影响。为了保证精调频偏的正常进行，要求粗调后的载波频偏小于1kHz。信噪比越高，频偏估计误差越小，调整后的频偏误差越小。 对于载波频偏粗调过程包括两个步骤：第一步是估计载波频偏；第二步是根据估计的载波频偏产生频偏调整值。 第三步：识别扰码和基本midamble 码 在初始小区搜索的第三步，UE 接收到P-CCPCH 上的midamble 码，DwPTS 紧随在P-CCPCH 之后。在现在的TD-SCDMA 系统中，每个DwPTS 对应一组4 个不同的基本midamble 码， 因此共有128 个midamble码且互不重叠。基本midamble 码的序号除以4 就是SYNC_DL 码的序号。因此说32 个SYNC_ DL 和PCCPCH32 个midamble 码组一一对应，也就是说一旦SYNC_DL 确定之后UE 也就知道了该小区采用了哪4 个midamble 码，这时UE 可以采用试探法和错误排除法确定P-CCPCH 到底采用了哪个midamble码。在确UE完成DwPTS同步之后，就可以找到TS0的Midamble部分。在完成载波频偏粗调后，用SYNC_DL码对应的4个Basic Midamble码分别与接收到的TS0的Midamble数据进行相关，计算出相关功率，然后找出相关功率的最大值，其对应的Basic Midamble码即为当前小区使用的Basic Midamble码。在一帧中使用相同的基本midamble 码。由于每个基本midamble 码与扰码是相对应的，知道了midamble码也就知道了扰码。根据确认的结果，UE 可以进行下一步或返回到第一步。 第四步：载波频偏精调 在完成载波频偏粗调之后，调整后的载波频偏不能完全满足系统要求，还需进行载波频偏精调，使调整后的载波频偏小于200Hz，满足系统要求。由于SYNC_DL长度只有64chips，因此其两段相关数据的长度和间隔受到很大限制，只能实现载波频偏的粗估计。但是，在完成DwPTS同步并确认Basic Midamble码之后，UE就可以对TS0上的P-CCPCH进行解调，得到信息比特。如果能够保证解调出来的信息比特是正确的，就可以大大增加频偏估计中两个相关数据块的长度和间距，进而提高频偏估计的精度，实现频偏的精确估计。信噪比越高，频偏估计误差越小，调整后的频偏误差越小。 对于载波频偏精调过程也包括两个步骤：第一步是估计载波频偏；第二步是根据估计的载波频偏产生频偏调整值。 第五步：控制复帧同步（即BCH交织帧确认/MIB的确认） 在第五步中，为了正确解调BCH信息，UE必须先确定在P-CCPCH中BCH交织帧的MIB(Master Indication Block)。UE 搜索在P-CCPCH 里的BCH的复帧MIB（ Master Indication Block）， 它由经过QPSK （四相相移键控）调制的DwPTS 的相位序列(相对于在P-CCPCH 上的midamble 码)来标识。控制复帧由调制在DwPTS 上的QPSK 符号序列来定位。[n]个连续的DwPTS 足以可以检测出目前MIB 在控制复帧中的位置。根据为了确定正确的midamble 码所进行的控制复帧同步的结果，UE 可决定是否执行下一步或回到第三步。 第六步：读B C H 信息 要完成小区搜索，仅仅接收PBCH是不够的，还需要接收SIB，即UE接收承载在PDSCH上的BCCH信息。为此必须进行如下操作： a) 接收PCFICH，此时该信道的时频资源就是固定已知的了，可以接收并解析得到PDCCH的symbol数目； b) 接收PHICH，根据PBCH中指示的配置信息接收PHICH； c) 在控制区域内，除去PCFICH和PHICH的其他CCE上，搜索PDCCH并做译码； d) 检测PDCCH的CRC中的RNTI，如果为SI-RNTI，则说明后面的PDSCH是一个SIB，于是接收PDSCH，译码后将SIB上报给高层协议栈； e) 不断接收SIB，HLS会判断接收的系统消息是否足够，如果足够则停止接收SIB f) 至此，小区搜索过程才差不多结束。 g) 2 在数据接收过程中，UE还要根据接收信号测量频偏并进行纠正，实现和eNB的频率同步； 对于PHY来说，一般不作SIB的解析，只是接收SIB并上报。只要高层协议栈没有下发命令停止接收，则PHY要持续检测PDCCH的SI-RNTI，并接收后面的PDSCH。 DRX在MAC层的概念，应该是说对PDCCH的监视是否是持续的还是周期性的，DRX功能的启用与否只在RRC connect状态下才有意义。 BCCH映射到DLSCH上的PDU是通过SI-RNTI在物理层CRC之后在PDSCH上发送的，这其中包含SIB1和SIB2的内容，PBCH上发送的MIB只包含三个内容：系统带宽，系统帧号，PHICH配置信息。 UE在两种搜索空间完成PDCCH的解码工作，一种是common search space，另一种是UE-specific search space，前者起始位置固定，用于存放由RARNTI，SIRNTI，PRNTI标识的TB。 当上层指示物理层需要读取SIB后，物理层可以在第一个搜素空间搜索SIRNTI标识的TB。 UE读取PDSCH中的BCCH，与读取PDCCH，获得control information过程属于control plane的内容，在小区搜索过程中，要判断是否能够驻留该小区，应该有一个SIB接收过程，而因为BCCH映射到物理信道上也是PDSCH，要接收BCCH，前面这些过程不能或缺。当然了，这个过程并不是永久性做下去，高层协议栈判断，如果接收到了想要的SIB，就可以停下来了。 SIB的接收其实也并不一定需要一直接收检测，你说的DRX可以有这样的作法：在通过PBCCH获得MIB以后，可以判断出想要的SIB的位置，只在该位置上接收PDSCH就可以了。这样可以省电，但是需要HLS和PHY交互更加紧密，需要能够根据帧号唯一确定想要的SIB的位置。 UE的频偏校正，应该在读取PBCH等控制信道过程中获得纠正。频偏估计和纠正不必等到滑窗结束，只要确信当前频点上有LTE信号，则可以根据OFDM信号的特点做FOE，并纠正频偏。不过只有滑窗成功，才可以得到PBCH。 在第六步UE 读取被搜索到小区的一个或多个BCH 上的全广播信息根据读取的结果UE 可决定是回到以上的几步还是完成初始小区搜索。 2．随机接入过程 2.1 随机接入准备 当UE 处于空闲模式下，它将维持下行同步并读取小区广播信息。从该小区所用到的DwPTS UE 可以得到为随机接入而分配给UpPTS 物理信道的8 个SYNC_UL 码特征信号的码集，一共有256 个不同的SYNC_UL 码序列，其序号除以8 就是DwPTS 中的SYNC_DL 的序号。从小区广播信息中UE 可以知道码集中的哪个SYNC_UL 将被使用，并且还可以知道P-RACH信道的详细情况(采用的码扩频因子midamble码和时隙)及F-PACH信道的详细信息采用的码扩频因子midamble 码和时隙和其它与随机接入有关 的信息。 在BCH所含的信息中还包括了SYNC_UL 与F-PACH资源、F-PACH 与P-RACH资源、P-RACH 资源与(P/S)-CCPCH （承载FACH逻辑信道）资源的相互关系。因此，当UE 发送SYNC_UL 序列时它就知道了接入时所使用的F-PACH 资源，P-RACH 资源和CCPCH 资源。 2.2 随机接入过程 在UpPTS 中紧随保护间隔之后的SYNC_UL 序列仅用于上行同步，UE 从它要接入的小区所采用的8 个可能的SYNC UL 码中随机选择一个，并在UpPTS 物理信道上将它发送到基站。然后UE 确定UpPTS 的发射时间和功率开环过程，以便在UpPTS 物理信道上发射选定的特征码。 一旦Node B 检测到来自UE 的UpPTS 信息，那么它到达的时间和接收功率也就知道了。Node B 确定发射功率更新和定时调整的指令并在以后的4 个子帧内通过F-RACH 在一个突发/子帧消息将它发送给UE。注意F-PACH 中也包含用于UE进行交叉检测的特征码信息和相对帧号接收到被确认的特征码之后的帧号。 一旦当UE 从选定的F-PACH 与所选特征码对应的F-PACH 中收到上述控制信息时，表明Node B 已经收到了UpPTS 序列。然后，UE 将调整发射时间和功率，并确保在接下来的两帧后，在对应于F-PACH 的P-PACH信道上发送RACH。 在这一步，UE 发送到Node B 的RACH 将具有较高的同步精度。之后，UE 将会在对应于P-RACH 的CCPCH 的信道上接收到来自网络的响应，指示UE 发出的随机接入是否被接收，如果被接收，将在网络分配的UL 及DL 专用信道上通过FACH 建立起上下行链路。 在利用分配的资源发送信息之前UE 可以发送第二个UpPTS 并等待来自F-PACH 的响应，从而可得到下一步的发射功率和SS 的更新指令。 本文来源：https://www.wddqw.com/doc/8b4545672d3f5727a5e9856a561252d380eb20cf.html