一种适用于高铁环境下TD系统定时同步方案

摘 要 科技部“十一五”规划中将高速移动环境下的高速数据业务作为重要研究课题[1]，而高铁环境中TD系统物理层关键技术研究便成为此课题中研究重点。本文基于高速铁路的特定环境，分析了高铁信道环境对TD定时同步性能的影响，并综合现有算法，对TD系统定时同步方案进行改进。仿真结果表明，改进算法方案较传统方案在估算性能与运算复杂度两方面都有了一定的改进与提升，改进算法方案能够满足高铁环境对TD定时同步性能需求，改进算法方案具有一定的现实可行性。

关键词 高铁 TD 定时同步 激活窗

1 引言

随着TD-SCDMA网络商用进程的不断深化，终端高速移动的应用场景日益增加。以中国内地为例，广珠高速铁路最高时速达200km/h；京沪高速铁路设计最高运行时速350km/h；上海磁悬浮最高时速430km/h；沪杭磁悬浮线最高时速450km/h。高速运动导致基站和终端的相干解调性能降低，直接影响用户感知度。要解决TD系统在高速铁路环境中应用的一系列难题，必须将高铁场景作为一个特殊的场景来进行研究，并针对此特出场景对TD物理层关键技术进行改进。

本文基于3gpp中关于高铁沿线无线环境模型描述，对高铁信道模型，以及高铁环境对TD定时同步性能影响进行分析。其后，结合高铁环境对TD定时同步性能要求，通过推导及仿真验证训练序列对应的信道冲激响应功率各激活窗的可加性，设计多激活窗叠加定时同步估计算法方案，并验证新算法方案较传统算法方案在性能及运行效率方面的提升。

2 信道模型[2]

3gpp中定义的高铁无线环境模型主要有平原模型和隧道模型两种。两个模型的共同点都是存在单径的非衰落信道，但该单径的无线信道受到周期性变化的多普勒频移调制。其具体的场景描述见表1，多普勒频移轨迹描述见图1。

多普勒频移用下式表示

■（t）=■maxcosα（t） （1）

其中■max表示最大多普勒频移，■（t）表示由于移动引起的多普勒频移，α（t） 表示直视径与列车运动方向之间的夹角，针对现行高铁TD系统组网特点，α（t） 呈周期性变化。

3 高铁环境对TD定时同步性能影响

高铁环境下，由于终端运行速度很快，信号场景变化快，要求物理层能够在尽可能短的时间内实时的准确作出定时同步的估计，同时为保证估算性能尽量要求在同一个定时同步估计周期内，所采用的估计样本信号场景尽可能相近。高铁环境中，由于列车运动速度很快，TD终端接收数据存在很大的多普勒频偏，使得原始信号星座图发生变化，其不仅影响星座图匹配，还会影响星座图恢复，从而影响系统的整体性能，在高速数据业务时该现象尤为严重。因此高铁环境下对频率估计算法性能相对其它常规信道环境要求要高，这不可避免的造成了运算量的提升，考虑到DSP处理能力的有限，需要定时同步在尽可能少的计算量下完成。因此，提高定时同步估计的实时性与降低估计运算量成为高铁环境下TD系统定时同步算法方案改进与演化的重点。

4 定时同步算法方案设计及仿真

由于存在硬件计时时钟偏差累积，同时不同时刻信号场景可能存在改变，在空闲或者连接模式下，TD系统需要按照一定的估计周期作出定时同步估计并调整，以保证接收信号判决的可靠性。传统定时同步算法主要利用训练序列的相关性做信道冲激响应进行估计，其主要实现原理为：接收一样本时隙数据，利用训练序列的相关性，对时隙内midamble码进行信道冲激响应计算，并求信道冲激对应的功率，标准径及其左右各1chip对应的信道冲激响应功率按照一定的倍数内插得出一定长度的插值功率，最后对多个样本时隙一定长度（取决于插值倍数）的插值功率与128长度信道冲激响应功率分别对位叠加，其中信道冲激响应功率叠加后最大值点即为chip级时间估计结果，插值功率叠加后最大值点为chip级以下定时同步估计结果。

传统定时同步估计方案对样本时隙需求量大，只有接收样本时隙大于一定数量时，定时同步估计性能才能达到一定的性能要求，而高铁环境对定时同步的实时性要求高，显然在短时间内不能提供足够多的样本时隙。同时，无目的的对128长度信道冲激响应功率的对位叠加显然也大大的增加了运算处理的复杂度。基于提高定时同步估计性能的实时性与降低估计运算量的目的，现提出多激活窗叠加改进算法方案。

设基本训练序列为发送信号x（t），对应的傅氏变换为F（w）

假定频偏为w，噪声不存在，则接收端，码道1对应的接收信号为x（t）*e■

由训练序列产生原理可设定码道k（设定其采用训练序列与码道1不同）对应的接收信号为x（t-m）*e■

若设码道1对应的信道冲激响应为h1（t），码道k对应的信道冲激响应为h2（t）

则：

fft（h2（t））=fft（x（t-m）*e■）/fftx（t）

=fft（x（t-m）*e■*e■）/F（w）

=e■*fft（x（t-m）*e■）/F（w） （2）

由时移特性知x（t）*e■对应的傅氏变换为F（w-w1）

则：

fft（h2（t）） =e■*e■ *F（w-w1）/F（w） （3）

由于fft（h1（t）） =fft（x（t）*e■*e■）/fft（x（t）=F（w-w1）/F（w） （4）

得fft（h2（t）） =e■*e■ *fft（h1（t）） （5）

进而推出

H2（w）=e■*e■ *H1（w） （6）

从而得出信道冲激响应1与信道冲激响应2的关系

h2（t）=e■*h1（t-m） （7）

注：m与无线信道冲激响应的窗口长度有一定的关系[3]。

即：在不考虑噪声前提下，不同激活窗对应的信道冲激响应特性一致，区别在于有一个时间延时的差异与固定相位的偏移。如果定时同步估计方案是按照信道冲激响应功率极值进行判断，则由上式可得，两个不同的激活窗对信道的估计具有相同的效应，因此各把各激活窗对应的信道冲激响应功率作为独立的样本用于定时同步估计。由于多样本估计的出发点是平滑噪声影响，因此即使噪声存在（可能导致不同激活窗有一定的差异），不同激活窗冲激响应功率亦可以通过对位叠加，以此增加估计样本数量。

4.1 改进算法设计方案

具体步骤如下：

1. 接收一个样本时隙数据，对接收midamble与本地midamble分别进行128点fft变换。

2. 计算训练序列对应的信道冲激响应功率chnnel_implus_power=abs（fft（接收midamble）/ fft（本地midamble））^2。

3.根据信道冲激响应的峰均比判断接收样本信号质量，当该接收样本信号信道冲激响应峰均比小于某一门限时，抛弃该样本信号（此时该样本的叠加不仅不能起到平滑噪声的影响，反而会污染质量好的样本），返回1；如果该大于门限，则继续到步骤4。

4. 根据高层下发信息，对各个激活窗内信道冲激响应功率依次对位叠加得出信道冲激响应功率叠加和chnnel_implus_powe_sum1。例如，如果高层下发信息指示激活窗为第1个窗与第2个窗，且窗长为16，则只对第1个窗与第2个窗内长度为16的信道冲激响应功率进行对位叠加得出一个长度为16的信道冲激响应功率叠加和，其余不做处理。

5.取各激活窗内标准径及其左右各一根径共3根径对应的信道冲激响应功率进行一定倍数的内插计算[4]，并对各激活窗插值结果对位叠加，得出插值功率叠加和chnnel_implus_powe_sum2。

6.判断接收有效样本数目是否大于预设门限（仿真实测经验值获取）。如果小于，则跳转步骤1。否则，继续步骤7。

7.信道冲激响应功率叠加和chnnel_implus_powe_sum1最大值对应的位置即为chip级时间估计结果，插值功率叠加和chnnel_implus_powe_sum2最大值对应的位置即为chip级以下定时同步估计结果。

算法方案实施流程图如下所示：

本改进算法方案的创新之处在于利用TD系统做大数据业务时，一个时隙需要配置多码道，存在多个激活窗，通过推导训练序列信道冲激响应功率各激活窗对定时同步性能的估计具有相近的性能，提出多激活窗叠加定时同步估计改进算法方案，进行定时同步的估计，同时由于训练序列信道冲激响应功率的叠加是针对激活窗（无效窗不做任何处理），相对传统算法（整个信道冲激响应功率叠加运算）来说降低了运算量，因此该改进算法更为有效适应高铁环境对定时同步算法实时性与低运算量的需求。

4.2 仿真分析及结论

仿真条件：隧道信道模型/AWGN（SNR分别为-8、-6 、-4 、-2 、0、 2 、6 、10）

调制方式：QPSK

各样本时隙激活窗个数：2个（1、2窗激活）

对比方法：传统定时同步估计算法、多激活窗累加定时同步估计改进算法

仿真样本个数：100

性能指标：chip级以下定时同步估计偏差在+ - 1/64chip内，即为定时同步估计正确，否则为错误。

从仿真结果图5可以发现，如果使用相同数目的接收样本时隙进行定时同步估计，在低信噪时，多激活窗累加定时同步估计改进算法方案（红色曲线表示）相较传统定时同步估计算法（蓝色曲线表示）性能有明显的优势；当信噪比达到高度时，改进算法方案性能依旧略优于传统算法方案，只是性能优势已经不明显。从图中，亦明显的可以看出，在相同的估计性能条件下，改进算法方案需要的样本时隙相对传统算法方案要少，因而使得其定时同步估计具有更好的实时性。

5 结束语

文章从理论推导及仿真验证出发，根据高铁环境特性以及高铁环境对TD系统定时同步性能的影响，综合现有定时同步算法分析，对该特定环境下定时同步算法方案进行针对性的改进，并从性能及效率上展示了改进算法的有效性。

参 考 文 献

[1] 于晓溪，谈振辉，章嘉懿，王海波. 一种适合告诉铁路的宽带无线介入网络架构. 电信科学2010，7：32

[2] 3GPP TSG-RAN4 Meeting #53 Jeju， Korea， 9-13 Nov 2009

[3] 3GPP R7 TS 25.221 v7.8.0 Physical channels and mapping of transport channels onto physical channels（TDD） 2008

[4] 丁玉美，高西全. 数字信号处理（第二版）. 西安电子科技大学出版社. 2001：249-252

An Suitable Timing Synchronization Scheme for TD System in High-Speed Rail Environment

Yang Fengrui1，Yang Enhao2

（1. Zhongyouxinke group.，Chongqing 400065，China）

（2. Algorithm of Zhongyouxinke communications technology company，Chongqing 400065，China）

Abstract In "Eleventh Five-Year Plan"， studying about high-speed data services in high-speed mobile environment， will be an important research topic [1]. The TD key physical layer technology， in high-speed rail environment， has become the focus of this issue. Based on the specific circumstances of high-speed railway， this paper Analysis timing synchronization performance in the High Speed Rail environment ，and improve timing synchronization Integrating of existing algorithms.Simulation results show that the scheme improved can not only meet requirements of frequency synchronization performance in the high iron environment and is Feasible.

Key words high-speed rail，TD，timing synchronization，Active window