WCDMA新入網(wǎng)用戶盲檢測技術(shù)研究

孫 旭，王篤祥，詹 毅，張?zhí)鞁?，夏宇?/p>

（1.中國航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇南京210007；2.上海航天測控通信研究所，上海201109）

0 引言

WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)是3G移動通信和軍事通信廣泛采用的技術(shù)，例如低軌（LEO）衛(wèi)星采用WCDMA多址機(jī)制，移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)（MUOS）信號空口采用WCDMA協(xié)議等，因此對WCDMA衛(wèi)星信號的非合作監(jiān)視監(jiān)聽在安防和軍事應(yīng)用方面有重要意義。之前已經(jīng)有學(xué)者對WCDMA信號的檢測技術(shù)進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[1]利用DPCCH信道擾碼和擴(kuò)頻碼特性對WCDMA上行信道擾碼進(jìn)行搜索檢測，實(shí)現(xiàn)了對正在通信用戶的擾碼檢測。文獻(xiàn)[2]提出了一種FWHT快速相關(guān)的算法，在已知擾碼的情況下實(shí)現(xiàn)了對信號的快速檢測。文獻(xiàn)[3]提出了一種二級相關(guān)捕獲算法，可以在已知擾碼和擴(kuò)頻碼的情況下對WCDMA隨機(jī)接入前綴快速捕獲。雖然上述文獻(xiàn)對WCDMA用戶的檢測提出了不同的方法，但都限于在已知目標(biāo)用戶的擾碼或擴(kuò)頻碼條件下，而對于非合作的監(jiān)聽而言，一直缺乏一種對新入網(wǎng)用戶進(jìn)行有效檢測的算法。

本文提出了一種WCDMA衛(wèi)星通信新入網(wǎng)用戶信號盲檢測方法，利用上行數(shù)據(jù)協(xié)議[4]隨機(jī)接入信道（PRACH）已知的條件，通過并行解擾和擴(kuò)頻碼相關(guān)可在擾碼和擴(kuò)頻碼域搜索確定其使用的擾碼和擴(kuò)頻碼。本文對這種方法的檢測性能進(jìn)行了理論推導(dǎo)和仿真。

1 衛(wèi)星WCDMA物理隨機(jī)接入信道原理

WCDMA物理隨機(jī)接入過程(PRACH)是WCDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)中新用戶進(jìn)行入網(wǎng)請求最先進(jìn)行的過程，隨機(jī)接入信道分為兩個(gè)部分，分別是隨機(jī)接入前綴(Preamble)和隨機(jī)接入消息(message)部分，隨機(jī)接入信道的幀結(jié)構(gòu)和接入時(shí)隙如圖1所示，每個(gè)接入時(shí)隙長度為5120 chip。隨機(jī)接入前綴長度為4096個(gè)chip周期，后跟124個(gè)chip周期的保護(hù)帶，每個(gè)時(shí)隙發(fā)送一個(gè)隨機(jī)接入前綴。

圖1 WCDMA隨機(jī)接入信道發(fā)送時(shí)隙及時(shí)隙間隔

隨機(jī)接入前綴碼Cpre,n,s由前綴特征碼Csig,s和前綴擾碼Sr-pre,n組成。定義如下：

前綴特征碼Csig,s由16 bit的特征序列ns=0,1,2,…,15的256次重復(fù)構(gòu)成。特征序列Ps(ns)是從16組碼長為16的Hadamard碼中選取的，這里ns表示特征序列的第ns個(gè)碼，s表示第s組特征序列。

PRACH前綴部分的擾碼由長擾碼的前4096位構(gòu)成，共有8192種PRACH前綴擾碼。第n階前綴擾碼（n=0,1,2,3,…,8191）附加相位旋轉(zhuǎn)后定義為：

擴(kuò)頻產(chǎn)生的復(fù)數(shù)值隨機(jī)接入前綴碼在上行鏈路的調(diào)制方式為QPSK，調(diào)制碼片速率為3.84 Mcps，調(diào)制方式如圖2所示。

圖2上行鏈路調(diào)制

2 算法檢測性能理論推導(dǎo)

利用WCDMA隨機(jī)接入前綴擾碼域?yàn)橐阎邢迋€(gè)（8192個(gè)）的先驗(yàn)信息，對隨機(jī)接入前綴進(jìn)行擾碼域的8192路并行解擾，然后對解擾后的擴(kuò)頻碼進(jìn)行256次的16 bit積累，最后可由積分器完成與本地?cái)U(kuò)頻碼的相關(guān)判決。由于擾碼的作用，只有正確解擾的碼片與本地對應(yīng)擴(kuò)頻碼片相關(guān)才能出現(xiàn)相關(guān)峰。衛(wèi)星接收端一路解擾相關(guān)處理的數(shù)學(xué)模型如圖3所示。

圖3 一路解擾相關(guān)處理

將期望用戶信號分量，噪聲分量，干擾分量加在一起，可得到處理后所需要的判決統(tǒng)計(jì)量，定義為x(n)=S3(n)+η3(n)+M3(n)，n表示每個(gè)需要判決的擴(kuò)頻碼片。

S1(k)表示期望用戶發(fā)送的隨機(jī)接入前綴，k表示第k個(gè)采樣點(diǎn)，假定每個(gè)碼片采樣4點(diǎn)。S1(k)定義為：

最后對積累后的64個(gè)16位擴(kuò)頻碼進(jìn)行累加判決，累加結(jié)果定義為：

式中，n表示第n位擴(kuò)頻碼，p表示第n個(gè)碼片中的第p個(gè)樣點(diǎn)，這里對第0位擴(kuò)頻碼進(jìn)行討論。

η1(k)表示高斯白噪聲，η1(k)～ N(0,σ2)。對噪聲做同樣處理得到η3(n)，則一個(gè)碼片的長度的累加結(jié)果為：

可以證明，η3(0)的均值為0，由于噪聲之間相互獨(dú)立，且擴(kuò)頻碼之間也獨(dú)立，所以η3(0)的方差為：

期望用戶的到達(dá)時(shí)間相對干擾用戶干擾時(shí)間不定，對于多用戶干擾，假設(shè)接收端接收到的多用戶干擾相對期望用戶的對應(yīng)碼片延遲為Dm，Dm=0,1,2,3，多用戶干擾定義為M1(k),M1(k)的表達(dá)式如下：

式中，m表示第m個(gè)其他用戶干擾，256次累加后結(jié)果為：

一個(gè)碼片積累結(jié)果為：

可以看出干擾信號在每個(gè)碼片上對期望用戶信號影響的方差由延遲和干擾用戶個(gè)數(shù)決定，一個(gè)干擾用戶的延遲Dm為2時(shí)方差最小。可以得到Var{M3(0)}的范圍為[M/32,M/16]，M為干擾用戶個(gè)數(shù)。

所以接收端每個(gè)碼片的判決誤碼率可以表示為：

從以上分析可以看出，接收端每個(gè)碼片擴(kuò)頻碼的識別誤碼率與信干噪比有關(guān)，多用戶干擾的方差與干擾用戶個(gè)數(shù)成正比，隨著干擾用戶個(gè)數(shù)的增加，多用戶干擾會成為影響檢測概率的主要方面，正確解擾累加后的信干噪會比中頻接收信干噪比提高20 dB左右。

3 仿真結(jié)果和分析

使用Matlab對算法進(jìn)行仿真分析，根據(jù)協(xié)議WCDMA上行鏈路調(diào)制的碼片速率為3.84 Mcps，假設(shè)中頻為70 MHz，采樣速率為56 MHz，干擾用戶信號為10 ms的無線幀數(shù)據(jù)，設(shè)置目標(biāo)用戶信號隨機(jī)出現(xiàn)在10 ms時(shí)間段中。仿真中對接收部分降采樣到每個(gè)碼片4個(gè)樣本點(diǎn)，解擾時(shí)假定接收機(jī)已完成同步過程，對接收信號做256次的64樣本點(diǎn)積累，得到4樣本點(diǎn)擴(kuò)頻碼片，再對每4個(gè)樣本點(diǎn)累加判決，一次蒙特卡洛仿真得到的判決結(jié)果如圖4所示。

圖4 判決結(jié)果

WCDMA系統(tǒng)為克服遠(yuǎn)近效應(yīng)，采用功率控制過程，使不同距離的用戶信號在到達(dá)同一接收機(jī)天線時(shí)功率相同。假設(shè)非合作接收衛(wèi)星與目標(biāo)衛(wèi)星相距較近，那么非合作衛(wèi)星接收到的信號功率與合作衛(wèi)星接收到的信號功率相同。仿真在只有噪聲和只有多用戶干擾兩種情況下的檢測概率，設(shè)置中頻接收信干噪比如圖5變化，只有噪聲時(shí)信干噪比等效于信噪比；只有多用戶干擾時(shí)干擾用戶個(gè)數(shù)分別設(shè)置為1,5,10,15,20，25，此時(shí)信干噪比等效于信干比。由正確擾碼解擾疊加后對檢測概率進(jìn)行蒙特卡洛仿真，得到圖5的信干比檢測概率曲線。

圖5 只有噪聲和只有多用戶干擾的信干噪比-檢測概率曲線

首先，考慮沒有干擾用戶信號的情況，非合作偵察衛(wèi)星對新入網(wǎng)用戶的信噪比檢測概率曲線如圖5第一條曲線。當(dāng)信干噪比降到-5dB以下時(shí)，本算法檢測效果已經(jīng)不再理想；在-5dB以上時(shí)，本算法檢測概率可以優(yōu)于95%。當(dāng)只有干擾用戶信號存在時(shí)，信干噪比檢測概率曲線如圖5第二條曲線；考慮到WCD-MA功率控制因素，只有一個(gè)干擾用戶信號時(shí)信干比為0dB，此時(shí)檢測概率能夠達(dá)到95%以上，當(dāng)信干比小于-10dB時(shí)，此時(shí)干擾用戶個(gè)數(shù)小于10個(gè)，檢測概率可以達(dá)到90%以上。比較兩個(gè)曲線，當(dāng)信干噪比相同時(shí)，噪聲功率和多用戶干擾功率相同，同樣功率的多用戶干擾對本算法的影響更大。

假設(shè)噪聲和多用戶干擾同時(shí)存在，在不同信噪比條件下，設(shè)置干擾用戶個(gè)數(shù)為 1,5、10、15、20、25，仿真此時(shí)檢測概率隨信干噪比變化的曲線，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同信噪比條件下的信干比檢測概率曲線

圖7 擾碼域和擴(kuò)頻碼域搜索結(jié)果

可以看出，在信噪比較好的情況下，當(dāng)多用戶干擾在10個(gè)以內(nèi)時(shí)，檢測算法可以達(dá)到90%以上的檢測概率，隨著信噪比增大，當(dāng)多用戶干擾在5個(gè)以內(nèi)時(shí)檢測概率能夠達(dá)到90%以上。

設(shè)置期望用戶擴(kuò)頻碼號6，擾碼號120，仿真期望用戶在擾碼域和擴(kuò)頻碼域的搜索結(jié)果。這里為了方便運(yùn)行，擾碼域設(shè)置為1到512號擾碼，在擾碼域和擴(kuò)頻碼域的搜索結(jié)果如圖7所示，圖中x軸表示擴(kuò)頻碼序號，y軸表示擾碼序號?？梢钥闯鲈谀繕?biāo)用戶的擾碼和擴(kuò)頻碼位置上出現(xiàn)了最大值16，表示搜索找到了目標(biāo)用戶使用的擾碼和擴(kuò)頻碼。

4 結(jié)束語

本文針對WCDMA新入網(wǎng)用戶的盲檢測問題提出了一種利用新入網(wǎng)用戶上行鏈路隨機(jī)接入前綴進(jìn)行檢測的算法，在理論上對算法進(jìn)行了推導(dǎo)，分析了算法在有噪聲和多用戶干擾的情況下的檢測性能，并且實(shí)現(xiàn)了期望用戶擾碼和擴(kuò)頻碼的搜索。在對算法檢測性能的討論中發(fā)現(xiàn)，和噪聲相比多用戶干擾對檢測性能的影響更大，并通過仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。最后給出了仿真后得到的算法檢測性能曲線以及期望用戶擾碼和擴(kuò)頻碼搜索結(jié)果。但8192種擾碼的并行解擾搜索需要較大的計(jì)算量，時(shí)效性較差，因此如何通過信號處理的方式來快速進(jìn)行并行解擾，提高運(yùn)算速度，有待進(jìn)一步研究解決?！?/p>