CN101582716B - 一种td-scdma系统中的随机接入检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种TD-SCDMA系统中的随机接入检测装置，该装置包括：GpUp数据缓存单元、匹配滤波单元、签名确认单元、快速物理接入信道产生单元及快速物理接入信道编码单元；并在上述装置的基础上提供了一种随机接入检测方法，将接收机接收到的数据缓存在GpUp数据缓存单元，匹配滤波单元进行移位相关及匹配滤波能量值运算，得到最大能量值和其相应的位置序号；签名确认单元接收到有效签名后，生成签名确认信息；快速物理接入信道产生单元对签名确认信息进行处理，形成快速物理接入信道信息，快速物理接入信道编码单元对其进行编码。本发明结构清晰，复杂度相对较小；大大降低了现有的工程实现成本，提高了运算效率。

Description

一种TD-SCDMA系统中的随机接入检测装置及方法

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域、现场可编程门阵列(FPGA)设计领域和第三代移动通信领域。具体地说，是用于时分同步码分多址(TD-SCDMA)移动通信系统的节点B(NodeB)中，对用户随机接入进行检测的装置及方法。

背景技术

TD-SCDMA技术与其它的第三代移动通信技术相比，其主要技术特点是时分和同步，系统的NodeB基站与用户终端(UE)间是以时隙为单位进行通信的，并要求来自不同距离的不同用户终端的上行信号能同步到达基站。TD-SCDMA系统的每个子帧包含7个常规时隙和3个特殊时隙，UE的随机接入过程就是利用特殊时隙中的保护间隔(Gp)时隙和上行导频时隙UpPTS(Gp时隙和UpPTS合起来简称为GpUp)完成的。在UE接入到TD-SCDMA系统时会随机选取分配给小区的8个上行同步码SYNC_UL中的一个(每个SYNC_UL为128点)，并在UpPTS时隙发送给NodeB。NodeB在Gp和UpPTS时隙对接收到的信号进行随机接入检测，当检测到SYNC_UL并且没有接入冲突时，NodeB就会发送快速物理接入信道(FastPhysical Access Channel，FPACH)信息给相应的UE，允许其接入。

NodeB进行随机接入检测的具体过程为：NodeB利用高层配置的上行同步码，在搜索窗口(如图1所示，Gp和UpPTS时隙长度，通常为96+160＝256个码片(chip)，超远距离覆盖时窗口大小为384/512个chips)内对接收数据做匹配滤波，根据得到的相关能量序列进行签名确认，判断是否接收到有效的上行同步码，产生FPACH信息输出，以通知UE进行接入。

目前业界为了增加小区覆盖范围，将搜索窗口宽度扩展到TS1(时隙1)的第128甚至256chips处，总的搜索窗口宽度变为384或512，这样匹配滤波的运算量就增加到原来的1.5~2倍。业界在工程实现时通常采用软件(高性能数字信号处理器)实现，这样就大大降低了整个系统的处理能力，而信号处理器本身又具有成本高昂、运算效率低的缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种TD-SCDMA系统中的随机接入检测装置，并在该装置的基础上提供了一种随机接入检测方法，本发明大大降低了现有的工程实现时的实现成本，提高了运算效率。

一种TD-SCDMA系统中的随机接入检测装置，所述装置依次包括：

GpUp数据缓存单元：用于缓存天线数据；

匹配滤波单元：用于移位相关天线数据与上行同步码，并计算匹配滤波能量值，找出并记录最大能量值及其相应位置序号；

签名确认单元：用于检测是否接收到有效签名，生成并保存签名确认信息；

FPACH产生单元：用于产生FPACH信息的各个信息域，生成FPACH信息，并发送给FPACH编码单元；

以及FPACH编码单元：用于对FPACH信息进行编码。

所述签名确认单元包括签名处理模块和签名位置计算模块，所述签名处理模块用于判断是否收到有效签名；所述签名位置计算模块用于在签名有效的情况下进一步确定1/8chips精度峰值位置和使用的上行同步码码号，生成签名确认信息并保存。

所述FPACH产生单元包括随机接入信道(RACH)功率电平计算模块和FPACH信息域产生模块，所述RACH功率电平计算模块用于计算RACH发射功率；所述FPACH信息域产生模块用于根据输入的签名确认信息的峰值功率对其排序，并根据排序结果选择得到响应的签名。

所述GpUp数据缓存单元为随机存取存储器(Random-Access Memory，RAM)。

一种应用于权利要求1所述的随机接入检测装置的随机接入检测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：GpUp数据缓存单元缓存基带接收机从上行导频时隙的搜索窗中接收到的天线数据并发送给匹配滤波单元；

步骤二：匹配滤波单元根据系统配置的小区类型依次移位相关天线数据与系统配置的上行同步码，计算匹配滤波能量值，并比较匹配滤波能量值大小，记录最大能量值和其相应的位置序号；

步骤三：签名确认单元比较匹配滤波单元输出的最大能量值与系统配置的判决条件门限值，确定是否接收到有效签名，若是，则进一步计算1/8chips精度峰值位置和上行同步码码号，生成签名确认信息并保存；

步骤四：FPACH产生单元对签名确认信息进行处理，产生FPACH信息的各个信息域，形成FPACH信息，并发送给FPACH编码单元，FPACH编码单元对其进行编码后输出。

所述步骤二中，若所述小区类型为室内分布，则步骤二具体包括以下步骤：

步骤A：匹配滤波单元分别对每一个激活的天线数据与系统配置的上行同步码进行移位相关，并计算匹配滤波能量值；

步骤B：对得到的匹配滤波能量值进行比较，记录最大能量值及其位置序号；

步骤C：将能量值、最大能量值以及最大能量值的位置序号发送给签名确认单元。

所述步骤二中，若所述小区类型为非室内分布，则步骤二具体包括以下步骤：

步骤a：匹配滤波单元对第一个激活的天线数据与系统配置的上行同步码进行移位相关，并计算匹配滤波能量值；

步骤b：匹配滤波单元对后一个激活的天线数据与系统配置的上行同步码进行移位相关的同时累加前一个天线的匹配滤波能量值，依此类推，直到最后一根天线的匹配滤波能量值计算完毕，得到所有天线的匹配滤波能量和；

步骤c：计算匹配滤波能量平均值，同时比较匹配滤波能量平均值，记录最大能量平均值及其位置序号；

步骤d：将能量平均值、最大能量平均值以及最大能量平均值的位置序号发送给签名确认单元。

步骤四所述对签名确认信息进行处理包括：计算RACH发射功率、对有效签名进行排序、判断签名是可靠签名还是一般签名，选择得到响应的签名。

步骤四所述编码包括如下步骤：

步骤e：对FPACH信息比特进行校验比特长度为8的循环冗余校验(CyclicRedundancy Check，CRC)；

步骤f：对校验后的比特进行卷积编码，得到编码数据块，其中编码的约束长度为9，编码效率为1/2；

步骤g：对编码数据块进行速率匹配，使之符合FPACH的突发长度；

步骤h：对速率匹配后的数据块进行交织，交织尺寸为11×8。

本发明所述装置与外部单元之间的数据交换通过RAM来实现，在设计上要确保在该装置启动之前将待处理的天线数据准备好，因此可以用单口RAM来实现，减少硬件电路的规模和复杂度，同时外部接口简单，便于集成。

本发明结构清晰，复杂度相对较小，有利于硬件实现；本发明所述装置采用了先进的流水线技术，以较小的代价获得较高的处理能力；本发明可作为NodeB基带处理芯片的一部分或者是NodeB基带处理FPGA的一部分。

附图说明

图1是GpUp数据搜索窗口示意图；

图2是本发明所述装置原理框图；

图3是本发明所述方法中匹配滤波时的流水线操作示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细介绍。

如图2所示，是本发明所述装置的原理框图，包括GpUp数据缓存单元、匹配滤波单元、签名确认单元、FPACH产生单元及FPACH编码单元。

①GpUp数据缓存单元：用于缓存在上行导频时隙(UpPTS)的搜索窗口中，基带接收机将接收到的天线数据。该单元具有最大512chips搜索窗、8天线数据的缓存能力。

②匹配滤波单元：用于按次序从GpUp缓存单元取得天线数据，与系统配置的8个上行同步码参数移位相关，并计算匹配滤波能量值，将结果发送给签名确认单元。该单元根据系统配置的小区覆盖范围(通常为256chips，超远距离覆盖时可以设置为384chips或512chips)确定匹配滤波搜索窗的数据长度，并根据系统配置的小区类型决定是否进行各天线的能量合并，所述小区类型分为室内分布情况和非室内分布情况两种。

设搜索窗口为256chips时天线ka上接收的信号为：

$\mathrm{Rx}\_\mathrm{syn}{c}^{\mathrm{ka}}=(\mathrm{Rx}\_\mathrm{syn}{c}_1^{\mathrm{ka}},\mathrm{Rx}\_{\mathrm{sync}}_2^{\mathrm{ka}},...,\mathrm{Rx}\_\mathrm{syn}{c}_{256}^{\mathrm{ka}})$ (1倍采样)

匹配滤波输出为 ${\mathrm{Out}\_\mathrm{filter}}^{\mathrm{ka}}=(\mathrm{Out}\_\mathrm{filte}{r}_1^{\mathrm{ka}},\mathrm{Out}\_\mathrm{filte}{r}_2^{\mathrm{ka}},...,\mathrm{Out}\_{\mathrm{filter}}_{384}^{\mathrm{ka}}),$

则匹配滤波器输入与输出之间的对应关系为：

Out_filter^ka＝Rx_sync^ka(s′)^*

其中ka＝1～8代表天线，S为同步码。

本单元的匹配滤波采用直接卷积算法，搜索窗内的复数天线数据直接与128点的本地同步码序列卷积。天线数据按顺序进入匹配滤波器，而进入卷积器的同步码序列为128点本地同步码经共轭倒序后的序列。每点复数同步码为1、-1、j、-j四种情况之一，即要么实部为0要么虚部为0。

下面以室内分布和非室内分布两种情况说明匹配滤波单元的工作流程：

1、室内分布情况：

匹配滤波单元收到装置外调度单元给出的启动信号后开始所有激活天线与一组同步码的遍历计算。例如，系统配置的小区上行同步码数为8个，分别记为0~7号，配置的激活天线数为4，分别记为0，5，6，7，每根天线数据长度是256chips(也可以是超远距离覆盖情况下的384或512)。计算流程为：首先进行0号天线的256个数据与0号同步码的128个数据相关及能量计算，得到384个点的能量值，计算的同时对能量值进行比较，记录最大能量值和最大能量值位置序号；然后进行5号天线的256chips数据与0号同步码的128个数据进行相关及能量计算，得到5号天线、0号同步码的384点能量值、最大能量值和最大能量值位置序号；依次类推，直到7号天线的256个天线数据与7号同步码的128个数据相关及能量计算完成，得到7号天线、7号同步码的384点能量值、最大能量值和其位置序号，这样就得到所有4个天线上各同步码的四组384点能量值、最大能量值和相应位置序号，输出给签名确认单元。

2、非室内分布情况：

该中情况下要对各天线的能量值进行累加求平均，最后只需输出一组384点的能量值、最大能量值和相应位置序号。为提高运算效率，能量累加伴随各天线相关及能量计算过程同时进行，求平均值则只在最后一个天线运算时进行。即在进行第一根天线相关及能量计算时仅将得出的384点能量值缓存，不进行累加及能量比较操作；在进行第二根天线相关及能量计算时与第一根天线的结果累加，将累加后的结果缓存，不进行能量比较操作；依此类推直到最后一根天线计算时，在能量点累加后乘天线数的倒数计算能量平均值，同时进行最大值比较，记录最大能量值及最大能量值的位置序号。

③签名确认单元：该单元包括签名处理模块和签名位置计算模块，其中，签名处理单元根据系统配置的判决条件门限值，与匹配滤波单元输出的最大能量值进行比较确定是否接收到有效签名；若是，则签名位置计算模块进一步确定1/8chips精度峰值位置(第一径的到达时间)和使用的上行同步码码号，生成签名确认信息并保存。

④FPACH产生单元：用于对系统配置的参数及签名确认单元输出的签名确认信息进行处理，产生FPACH信息的各个信息域，生成FPACH信息，并将信息发送给FPACH编码单元。该单元包括RACH功率电平计算模块和FPACH信息域产生模块，其中RACH功率电平计算模块根据系统配置的参数计算RACH发射功率；FPACH信息域产生模块根据签名的峰值功率排定签名信誉级别，比较判断该签名为可靠签名还是一般签名，根据排序结果选择得到响应的签名。

本单元输出32比特的FPACH信息，各信息域对应的位号如下表所示：

信息域	位号
		签名参考号	31:29
相对子帧号	28:27
		UpPCH起始位置	26:16
RACH发射功率	15:9
		保留	8:0

⑤FPACH编码单元：用于对FPACH信息进行编码，将处理结果输出，从而完成整个随机接入检测过程。编码时主要包括以下几步：

1)首先对32比特的FPACH信息进行校验比特长度为8的CRC校验；

2)对校验后的比特进行卷积编码，得到数据块，编码的约束长度为9，编码效率为1/2，卷积编码后数据块的大小为96比特；

3)对数据块进行速率匹配，使之符合FPACH的突发长度，其中速率匹配前子帧的比特数N＝96；子帧中需要打孔的比特数为8；

4)对速率匹配后的数据块进行交织，交织尺寸为11×8。

以下以本随机接入检测装置用于TD-SCDMA基站的数字基带处理单板中，该单板可以完成6载扇的基带信号处理任务为例，说明本装置在实际中的应用。

单板的天线数据处理FPGA负责收集6载扇的天线数据，单板的调度单元则对数据收集情况进行监视，如果检测到一个载扇的GpUP收集完，则将数据转存到本装置的单元①中，之后发给本装置启动信号，在本装置完成一个载扇的处理后再进行下一载扇处理，如此循环直到所有6载扇处理完毕。每当完成一个载扇的随机接入检测任务后，下行处理单元取出本装置输出的FPACH数据，组成完整的时隙burst突发，在指定的下行时隙进行发射。

本所述方法是在系统配置的搜索窗口内使用小区内配置的上行同步码逐个进行匹配滤波，将最大能量值与系统配置的门限值进行比较，根据比较结果判断是否接收到有效的签名，并以1/8chips精度记录UpPCH的峰值位置，组成相关的FPACH信息，经编码后输出，具体包括以下几个步骤：

步骤1：GpUp数据缓存单元缓存基带接收机从上行导频时隙的搜索窗中接收到的天线数据并发送给匹配滤波单元；

步骤2：匹配滤波单元根据系统配置的小区类型依次移位相关天线数据与系统配置的上行同步码，计算匹配滤波能量值，并比较匹配滤波能量值大小，记录最大能量值和其相应的位置序号；

若所述小区类型为室内分布，则步骤2具体包括以下步骤：

步骤2A：匹配滤波单元分别对每一个激活的天线数据与系统配置的上行同步码进行移位相关，并计算匹配滤波能量值；

步骤2B：对得到的匹配滤波能量值进行比较，记录最大能量值及其位置序号；

步骤2C：将能量值、最大能量值以及最大能量值的位置序号发送给签名确认单元。

若所述小区类型为非室内分布，则步骤2具体包括以下步骤：

步骤2a：匹配滤波单元对第一个激活的天线数据与系统配置的上行同步码进行移位相关，并计算匹配滤波能量值；

步骤2b：匹配滤波单元对后一个激活的天线数据与系统配置的上行同步码进行移位相关的同时累加前一个天线的匹配滤波能量值，依此类推，直到最后一根天线的匹配滤波能量值计算完毕，得到所有天线的匹配滤波能量和；

步骤2c：计算匹配滤波能量平均值，同时比较匹配滤波能量平均值，记录最大能量平均值及其位置序号；

步骤2d：将能量平均值、最大能量平均值以及最大能量平均值的位置序号发送给签名确认单元。

步骤3：签名确认单元比较匹配滤波单元输出的最大能量值与系统配置的判决条件门限值，确定是否接收到有效签名，若是，则进一步计算1/8chips精度峰值位置和上行同步码码号，生成签名确认信息并保存；

步骤4：FPACH产生单元对签名确认信息进行处理，产生FPACH信息的各个信息域，形成FPACH信息，并发送给FPACH编码单元进行编码；

该步骤所述对签名确认信息进行处理包括：计算RACH发射功率、对有效签名进行排序、选择得到响应的签名。

步骤5：FPACH编码单元对FPACH信息进行编码后输出。

具体编码方法在介绍FPACH编码单元时已经说明，此处不再复述。

所述方法中，天线数据处理时，其在时间顺序上是按上行同步码和天线串行执行的。

如图3所示，为减少总的处理时间，本方法在匹配滤波时还可采用流水线的方式进行，图中有8个上行同步码0-7和8个天线0-7，A代表数据缓存，B代表相关运算，C代表能量计算，D代表签名信息产生，E代表FPACH信息产生，F代表FPACH信息编码。数据缓存准备好后，本发明所述装置在执行一个天线的功率计算及签名确认时，可以同时进行下一个天线的相关运算，依次类推，直到所有天线都运算完毕，再进行FPACH信息产生和FPACH信息编码。这样做需要增加单元间的数据存储空间，但各单元间需要交换的数据不大，因此该方案在增加硬件规模不大的情况下，可显著缩短处理时间，充分发挥了软件实现所不具备的优点。

Claims (7)

1.一种TD-SCDMA系统中的随机接入检测装置，其特征在于，所述装置依次包括：

GpUp数据缓存单元：用于缓存天线数据；

匹配滤波单元：用于根据系统配置的小区类型依次移位相关天线数据与上行同步码，并计算匹配滤波能量值，找出并记录最大能量值及其相应位置序号；

签名确认单元：用于根据系统配置的判决条件门限值，与所述匹配滤波单元输出的最大能量值进行比较以确定是否接收有效签名，若是，进一步确定1/8chips精度峰值位置和实用的上行同步码码号，生成并保存签名确认信息；

快速物理接入信道产生单元：用于生成快速物理接入信道信息，并发送给快速物理接入信道编码单元；

以及快速物理接入信道编码单元：用于对快速物理接入信道信息进行编码；

其中，若所述小区类型为室内分布，则所述匹配滤波单元具体用于：分别对每一个激活的天线数据与系统配置的上行同步码进行移位相关，并计算匹配滤波能量值；对得到的匹配滤波能量值进行比较，记录最大能量值及其位置序号；以及，将能量值、最大能量值以及最大能量值的位置序号发送给签名确认单元；

若所述小区类型为非室内分布，则所述匹配滤波单元具体用于：对第一个激活的天线数据与系统配置的上行同步码进行移位相关，并计算匹配滤波能量值；对后一个激活的天线数据与系统配置的上行同步码进行移位相关的同时累加前一个天线的匹配滤波能量值，依此类推，直到最后一根天线的匹配滤波能量值计算完毕，得到所有天线的匹配滤波能量和；计算匹配滤波能量平均值，同时比较匹配滤波能量平均值，记录最大能量平均值及其位置序号；以及，将能量平均值、最大能量平均值以及最大能量平均值的位置序号发送给签名确认单元。

2.如权利要求1所述的随机接入检测装置，其特征在于，所述签名确认单元包括签名处理模块和签名位置计算模块，所述签名处理模块用于判断是否收到有效签名；所述签名位置计算模块用于在签名有效的情况下进一步确定1/8码片精度峰值位置和使用的上行同步码码号，生成签名确认信息并保存。

3.如权利要求1所述的随机接入检测装置，其特征在于，所述快速物理接入信道产生单元包括随机接入信道功率电平计算模块和快速物理接入信道信息域产生模块，所述随机接入信道功率电平计算模块用于计算随机接入信道发射功率；所述快速物理接入信道信息域产生模块用于根据输入的签名确认信息的峰值功率对其排序，并根据排序结果选择得到响应的签名。

4.如权利要求1所述的随机接入检测装置，其特征在于，所述GpUp数据缓存单元为随机存取存储器。

5.一种应用于权利要求1所述的随机接入检测装置的随机接入检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：GpUp数据缓存单元缓存基带接收机从上行导频时隙的搜索窗中接收到的天线数据并发送给匹配滤波单元；

步骤二：匹配滤波单元根据系统配置的小区类型依次移位相关天线数据与系统配置的上行同步码，计算匹配滤波能量值，并比较匹配滤波能量值大小，记录最大能量值和其相应的位置序号；

步骤三：签名确认单元比较匹配滤波单元输出的最大能量值与系统配置的判决条件门限值，确定是否接收到有效签名，若是，则进一步计算1/8码片精度峰值位置和上行同步码码号，生成签名确认信息并保存；

步骤四：快速物理接入信道产生单元对签名确认信息进行处理，产生快速物理接入信道信息的各个信息域，形成快速物理接入信道信息，并发送给快速物理接入信道编码单元，快速物理接入信道编码单元对其进行编码后输出；

其中，若所述小区类型为室内分布，则步骤二具体包括以下步骤：

步骤A：匹配滤波单元分别对每一个激活的天线数据与系统配置的上行同步码进行移位相关，并计算匹配滤波能量值；

步骤B：对得到的匹配滤波能量值进行比较，记录最大能量值及其位置序号；

步骤C：将能量值、最大能量值以及最大能量值的位置序号发送给签名确认单元；

若所述为非室内分布，则步骤二具体包括以下步骤：

步骤a：匹配滤波单元对第一个激活的天线数据与系统配置的上行同步码进行移位相关，并计算匹配滤波能量值；

步骤b：匹配滤波单元对后一个激活的天线数据与系统配置的上行同步码进行移位相关的同时累加前一个天线的匹配滤波能量值，依此类推，直到最后一根天线的匹配滤波能量值计算完毕，得到所有天线的匹配滤波能量和；

步骤c：计算匹配滤波能量平均值，同时比较匹配滤波能量平均值，记录最大能量平均值及其位置序号；

步骤d：将能量平均值、最大能量平均值以及最大能量平均值的位置序号发送给签名确认单元。

6.如权利要求5所述的随机接入检测方法，其特征在于，步骤四所述对签名确认信息进行处理包括：计算随机接入信道发射功率、对有效签名进行排序、选择得到响应的签名。

7.如权利要求5所述的随机接入检测方法，其特征在于，步骤四所述编码包括如下步骤：

步骤e：对快速物理接入信道信息比特进行循环冗余校验；

步骤f：对校验后的比特进行卷积编码，得到编码数据块；

步骤g：对编码数据块进行速率匹配；

步骤h：对速率匹配后的数据块进行交织。

Images