LTE中小区搜索的关键过程及其算法研究

摘要:该文着重对于小区搜索中的主同步信道和辅同步信道检测进行了讨论研究。它不仅描述了主同步信号的主要结构,还重点讨论了用互相关法进行符号定时、扇区ID识别、载波频率粗同步以及循环前缀类型检测的算法,而且为了提高精度,还使用基于循环前缀的最大似然估计法进行载波频率细同步。该文同样描述了辅同步信号的主要结构,讨论了使用互相关法进行帧同步和小区组ID识别的算法。仿真结果表明,算法性能与预期一致,能较好的适应长期演进系统对于小区初始搜索的要求。

关键词:主同步信道;辅同步信道;互相关;最大似然估计;小区初始搜索;长期演进

中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)07-1758-03

Key Process and Algorithm Discussion of Cell Search in LTE

WANG Feng

(Design Center of Communication Software and ASIC, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract: The paper focuses on discussing detection of the Primary Synchronous Channel (PSCH) and the Secondary Synchronous Channel (SSCH) in Initial Cell Search (ICS). It describes the main structure of the Primary Synchronous Signal (PSS), and discusses the algorithm of Cross-correlation in symbol synchronization, cell ID identifying, coarse frequency offset estimation and the blind detection of the type of cycle prefix. To improve the accuracy of frequency offset estimation, the paper uses Maximum Likelihood Estimation (MLE) based on cycle prefix to accomplish the fine frequency offset estimation. The paper also depicts the main structure of the Secondary Synchronous Signal (SSS), and also discusses the algorithm of Cross-correlation in frame synchronization and cell group ID identifying. The simulation results show that the performance of algorithm is in line with the expectation and can better satisfy the demand of ICS in LTE system.

Key words: PSCH; SSCH; cross-correlation; MLE; ICS; LTE

3GPP长期演进(LTE)指的是现有的UMTS接入网络,也即通用陆地接入网络(UTRAN)向演进UTRAN(EUTRAN)发展并为用户提供高数据传输速率、低时延和优化分组的无线接入技术[1]。由3GPP所制定的LTE计划拥有巨大的潜力,它弥补了3G与4G之间巨大的技术落差,为3G技术平滑过渡到4G提供了一个可行性平台。特别随着3GPP LTE技术的标准化接近完成,LTE的研发和产业化已经进入到关键阶段。小区初始搜索过程指的是用户设备(UE)启动后选择LTE系统中的小区接入,并取得时间和频率的同步以及检测小区ID的过程。它主要通过若干下行信道实现[1],包括同步信道(SCH)、广播信道(BCH)和下行参考信号(RS),其中同步信道又分为主同步信道(PSCH)和辅同步信道(SSCH)。小区初始搜索是LTE中的关键技术之一,是移动终端开机后首先要做的步骤,是它接入小区的保证。小区搜索的性能好坏直接影响LTE后续过程的进行,对于系统的性能有很大的影响。本文首先对小区搜索的过程做了一个大致的描述,然后着重对于PSCH和SSCH检测的具体算法做了详细的讨论。

1 小区搜索过程

小区搜索过程是在LTE的下行链路进行的,所以使用OFDM接入方式。本文只讨论FDD工作方式下的LTE系统,下行链路的帧帧长为10ms,分为十个子帧(帧号0～9),每个子帧包含两个时隙,所以每个时隙长0.5ms,共有20个时隙(时隙号0～19)。由于使用OFDM信号,LTE系统具有两种循环前缀(CP),即短CP和长CP。当使用短CP时,一个时隙包含7个OFDM符号,当使用长CP时,一个时隙包含6个OFDM符号。其中,PSCH和SSCH分别位于时隙0和时隙10的最后一个符号和倒数第二个符号中[2]。

由于LTE的系统带宽为1.25MHz～20MHz,随使用情况而变化,并不固定,所以SCH和BCH均设计在系统中心1.25MHz带宽内。当UE开机后,它就开始扫描系统中心带宽1.25MHz内的信号,首先检测PSCH,获得符号定时、载波频率同步和以及扇区ID,即 N(2) ID(0N(2) ID2),由于时隙0和10中的PSCH信号相同,所以只能实现5ms的半帧同步。在检测SSCH之前,为了确定SSCH的位置,必须先进行CP类型的盲检测。然后检测SSCH,根据时隙0和10中的SSCH信号不同,便可以获得无线帧的帧同步以及小区组ID,即N(1) ID (0N(1) ID167),根据3GPP标准,可得所在小区的ID识别号码为 [2]Ncell ID=3N(1) ID+N(2) ID[2]。接着检测下行的参考信号,用于获得BCH天线的配置情况,最后读取BCH,获得其他的小区信息,小区初始搜索流程[3]具体见图1。

2 PSCH检测算法

PSCH中的信号为主同步信号(PSS),经过对序列的自相关性、互相关性以及频谱特性等因素的综合考虑,确定采用Zadoff-Chu(ZC)序列作为LTE的PSS,并在频域上产生它,PSS按照下面公式生成:

(1)

在式(1)中u可以取25、29或34,分别对应NID (2)为0、1和2。由上式可见时隙0和10中的PSS相同,以DC子载波为中心在72个子载波上发送(其中左右各5个空闲子载波作为干扰保护[2])。PSCH检测就是做PSS的符号同步和载波频率同步以及从PSS中识别出对应的扇区ID[4]。

2.1 符号定时算法与扇区ID识别

基于PSCH检测在得到符号定时的同时还要识别扇区ID的要求,这里选用互相关检测法,即用本地产生的三个已知PSS副本依次与接收信号进行时域互相关的计算,以获得PSS符号级的定时以及扇区的ID。设本地产生的频域主同步信号为Su(k),这里u=25,29,34,把频域信号Su(k)经过IFFT变换得到时域主同步信号Su(n) [5],u=25,29,34,即S25(n)、S29(n)和S34(n),接收信号经过下变频、A/D变换以及窄带滤波后得到的接收序列为r(n)。将r(n)分别与S25(n)、S29(n)和S34(n)做滑动相关运算,得到

(2)

(3)

(4)

c0(n),c1(n)和c2(n)均为n的函数,随着n的变化而不断变化,设n分别取n0,n1和n2时,c0(n),c1(n)和c2(n)各自达到最大,比较c0(n0),c1(n1)和c2(n2),最大相关值所对应的本地主同步信号就被判定为小区所发送的PSS,也就得到了相应的扇区ID,最大相关值所在的位置n也就是符号同步位置nc。例如,可以得到c0(n0)最大,则可知nc=n0为符号同步位置,S25(n)为小区所采用的主同步信号,相应的扇区ID为NID (2)=0。

2.2 载波频率同步算法

对于载波同步,由于OFDM各子信道带宽较小,对载波频率偏差的敏感程度非常高,需要非常精确的载波频率同步,因此载波同步通常分为粗同步和细同步两个部分[5],以确保同步的精度。

粗同步就是对于数值为子载波间隔整数倍的那部分载波频率偏差进行估计然后进行频偏补偿。由于粗同步是在符号定时之后进行的,为了使用符号定时的结果以简化粗同步的算法,这里的粗同步也是用了和符号定时一样的互相关检测法,使用本地PSS与接收信号在时域做相关运算。设由前面的符号定时已得小区所发送的PSS信号的时域序列为Su0(n),所以本地PSS信号同样也为Su0(n),接收信号时域序列为r(n)。设Su0(n)和r(n)长度均为N,令Su0(n)和r(n)作逐点相关得到P(n)=r(n)Su0*(n),n=0,1,2,…,N-1。在不考虑信道噪声以及信道函数理想的情况下,r(n)=Su0(n)exp(j2fc'nTs) [5],其中fc'为粗同步的频率偏差,Ts为抽样间隔,带入上式得到

(5)

为提取频率偏差,将p(n)的前半段与后半段做相关运算[6],得到

(6)

由式(6)可见,C的相位为,又由于子载波间隔F=1/NTs,于是。

细同步就是对于数值为子载波间隔小数倍的那部分载波频率偏差进行估计然后进行频偏补偿。为了达到更高的精度,这里使用基于循环前缀的最大似然算法[5],但是此算法要求已知循环前缀长度,而LTE中有两种CP,CP长度并不确定,所以必须在细同步之前进行CP类型的盲检测。因为由符号同步可得小区发送的PSS为Su0(n),即本地PSS也选择为Su0(n),设接收信号为r(n),当循环前缀为短CP时,r(n)去除CP后为rs(n),当循环前缀为长CP时,r(n)去除CP后为rl(n),rs(n)与rl(n)分别与Su0(n)作相关,得到式(7)和式(8),比较Cl与Cs,较大相关值所对应的CP即为实际循环前缀的类型。

(7)

(8)

由基于循环前缀的最大似然算法可知,细同步的频率偏差为

(9)

式(9)中,这其中r(n)为接收序列,ML为符号定时位置的最大似然估计值,这里用前面互相关检测得出的符号定时位置来近似它[6],得到ML=nc,L为CP的长度,这已经由前面的CP类型盲检测得出,N为一个OFDM符号的长度。

3 SSCH检测算法

SSCH中的信号为辅同步信号(SSS),它由两个长度为31的二进制序列交织串联而成,也在频域上产生它,SSS按照下面公式生成:

(10)

式(10)中0≤k≤30,s0(m0)(n)、s1(m1)(n)、c0(n)、c1(n)、z1(m0)(n)和z1(m1)(n)均为循环移位的m序列[2],其中m0和m1的组合与NID (1)一一对应。从SSS的表达式可见,时隙0和时隙10的SSS并不相同。SSCH检测就是完成帧同步和小区组ID的识别。

3.1 帧同步和小区组ID识别

LTE下行链路的帧中PSS和SSS各有两个,分别位于时隙0和10的最后一个符号和倒数第二个符号,由于两个主同步信号相同,检测完PSCH后并不能知道完成符号同步的PSS位于前半帧还是后半帧,所以只能算是半帧同步。为了完成帧同步,前后两个辅同步信号被设计成不同,用以区分前后半帧。

为了同时完成帧同步和小区ID组识别,这里和PSCH检测中一样,采用互相关检测。设接收信号为r(n),由于在PSCH检测中已知CP长度以及符号起始位置,为使检测更精确,从r(n)中去除CP后提取SSS信号rSSS(n)。根据辅同步信号生成公式,m0和m1的组合共有168种,与NID (1)一一对应,且SSS又区分时隙0和10,所以SSS共有168×2=336种。设本地产生的SSS为Sij(n),i=0,10,j=0,1,2,…,167,令rSSS(n)与Sij(n)作互相关得到

(11)

根据c(i,j)的最大值确定(i,j),(i,j)=arg max{c(i,j),i=0,1,2,…,167},然后根据(i,j)所对应的值得到帧同步和小区组ID。例如,当c(i,j)最大时,i=i0,i0∈(0,10),j=j0,j0∈{0,1,2,…,167},此时可知SSS处于时隙i0,也就是PSS也处于时隙i0,根据帧结构和符号起始位置,就能找到帧的起始位置,也就得到了帧同步,而NID (1)=j0,同时也得到了小区组的ID号码,完成了SSCH的检测。

4 仿真性能分析

仿真环境:信道带宽20MHz,载波频率为2GHz,采样频率为30.72MHz,调制方式为QPSK,符号长度NFFT=2048,短CP长度NS=144,长CP长度NL=512,仿真符号设置为500个,信道采用AWGN信道和多径瑞利衰落信道。

表1分别描述了小区ID识别、CP类型盲检测、帧同步和小区组ID识别的仿真结果,这些过程的性能都可以用准确率来衡量[6]。这里以小区ID识别为例,描述以上步骤的仿真过程。令发送的PSS信号为S25(n),持续500个符号,在接收端分别与相应长度的S25(n)、S29(n)和S34(n)做相关,得到c0(n),c1(n)和c2(n)。比较c0(n),c1(n)和c2(n)相同符号时间内的最大相关值,若判定c0(n)内的某个相关值最大,则说明判断准确,若判定c1(n)或c2(n)内的某个相关值最大,则说明判断错误。由于共做了500个符号仿真,所以要判定500次,每个符号判定一次。CP类型盲检测、帧同步以及小区组ID识别的过程与此相似。表1列出了分别在AWGN信道和多径瑞利衰落信道下以上各步骤的准确率,其中AWGN信道的信噪比为-3dB, 多径瑞利衰落信道的信噪比为2dB。由表1可见,AWGN信道下的准确率明显高于多径瑞利衰落信道。表中还可看出,小区组ID识别的准确率低于帧同步、小区ID识别和CP类型盲检测,这是由于帧同步、小区ID识别和CP类型盲检测分别只需在两到三个值之间做出判断,而小区组ID识别须在168个值之间判定最大值,由于相关值密集,难以做出准确的判断,导致准确率下降。

图2所示为AWGN信道和多径瑞利衰落信道下的符号同步以及频偏估计算法的性能比较,纵坐标为均方误差,横坐标为信噪比。由图2可见,同一个算法在AWGN信道下的性能要好于多径瑞利衰落信道,而同一种信道下,符号定时,载波粗同步和细同步算法的性能逐渐完善。

5 结论

本文针对频分双工(FDD)工作模式下3GPP长期演进系统中小区初始搜索的关键过程做了较为详细的介绍,特别对于PSCH和SSCH检测中所涉及的算法进行了讨论研究。仿真对于小区ID识别、CP类型盲检测、帧同步以及小区组ID识别等过程做了准确判定次数的计算,而对于符号定时和载波的粗细同步则进行了均方误差的分析,并且仿真均是在AWGN和多径瑞利衰落两种信道下完成的。仿真结果和预期的大概一致,特别突出了这些算法在AWGN和多径瑞利衰落这两种信道下的性能差别,并且可以说明,在无线的多径信道下,算法性能是符合长期演进系统的要求的。

参考文献:

[1] 沈嘉,索士强,全海洋,等.3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计[M].北京:人民邮电出版社,2008:280-296.

[2] 3GPP.TS36.211.V8.8.0-2009,Physical Channels and Modulation[S].

[3] 3GPP.TS36.213.V8.8.0-2009,Physical Layer Procedures[S].

[4] 胡宏林.3GPP LTE无线链路关键技术[M].北京:电子工业出版社,2008:114-130.

[5] 汪裕民.OFDM关键技术与应用[M].北京:机械工业出版社,2006:73-93.

[6] 盛渊,罗新民.LTE系统中小区搜索算法的研究[J].通信技术,2009,42(3):90-92.