下一代演進(jìn)移動(dòng)通信系統(tǒng)主同步信道設(shè)計(jì)?

孫長印，姜靜，盧光躍（西安郵電學(xué)院通信與信息工程學(xué)院，西安710121）

下一代演進(jìn)移動(dòng)通信系統(tǒng)主同步信道設(shè)計(jì)?

孫長印，姜靜，盧光躍
（西安郵電學(xué)院通信與信息工程學(xué)院，西安710121）

為了解決下一代演進(jìn)移動(dòng)通信系統(tǒng)在異構(gòu)網(wǎng)場景由于小區(qū)ID數(shù)量不足導(dǎo)致的小區(qū)ID模糊問題及小區(qū)間干擾問題，提出了一種主同步信道和序列設(shè)計(jì)方法。其中主同步信道基于分級和非分級的混合結(jié)構(gòu)，主同步序列由具有恒包絡(luò)零自相關(guān)特性的Bj?rck序列的修正序列組成。仿真結(jié)果表明，與IEEE 802.16m系統(tǒng)相比，設(shè)計(jì)的主同步信道由于采用的序列具有更低的相關(guān)值和峰均比，在小區(qū)間干擾場景具有更小的誤檢測概率。

移動(dòng)通信系統(tǒng)；演進(jìn)系統(tǒng)；同步信道；修正Bj?rck序列；序列檢測；主同步信道

1 引言

在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，同步信道是終端（MS）開機(jī)后搜索的第一個(gè)信道，主要實(shí)現(xiàn)以下基本功能：時(shí)間同步、頻率同步、小區(qū)ID檢測。對于下一代的演進(jìn)移動(dòng)通信系統(tǒng)，如IMT-Advanced，由于熱點(diǎn)區(qū)域業(yè)務(wù)的快速增長，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從單一的同構(gòu)網(wǎng)演進(jìn)為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（Heterogeneous Networks，HetNets）［1］。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，除了傳統(tǒng)的宏蜂窩，還引入了低功率的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)如微蜂窩和家庭基站。因此，下一代的演進(jìn)系統(tǒng)的同步信道設(shè)計(jì)面臨諸多挑戰(zhàn)：首先，同步信道設(shè)計(jì)必須提供大量足夠多的小區(qū)ID，以便識別系統(tǒng)中大量的低功率的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)如家庭基站，避免出現(xiàn)物理層小區(qū)ID（PCI）模糊問題［2］，導(dǎo)致從宏小區(qū)切換到家庭基站時(shí)，由于臨近多個(gè)小區(qū)具有相同的小區(qū)ID，切換操作無法進(jìn)行；其次，為了節(jié)省終端功率和減少系統(tǒng)信令負(fù)載，期望終端在同步接入的過程盡早識別小區(qū)類型，如宏基站、家庭基站等；第三，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)由于不同基站的功率、覆蓋不同，不同基站的控制信道、業(yè)務(wù)信道的干擾問題非常突出，對同步信道設(shè)計(jì)也不例外。

對下一代演進(jìn)系統(tǒng)的同步信道設(shè)計(jì)，沿用目前LTE系統(tǒng)［3-4］同步信道的設(shè)計(jì)方法存在以下問題：第一，LTE系統(tǒng)采用分級的同步信道（SCH）設(shè)計(jì)，原理上可以通過增加主同步序列（P-SCH）數(shù)目從而達(dá)到增加小區(qū)ID數(shù)目的目的，但是這種增加帶來了時(shí)間同步算法復(fù)雜度的大大提高，使得算法無法實(shí)現(xiàn)；第二，LTE采用的恒包絡(luò)零自相關(guān)（CAZAC）序列是多相式相位序列，其缺點(diǎn)是存在整數(shù)頻偏較大情形的相位模糊問題［5］，即在大整數(shù)頻偏的情況下，時(shí)間偏移和頻率偏移不可分辨，為此只有采用限制頻偏工作范圍的做法。

為了解決上述問題，本文首先提出一種新的主同步信道設(shè)計(jì)，同步信道采用混合的分級和非分級結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以解決主同步序列數(shù)量增加時(shí)檢測復(fù)雜度的問題。在此基礎(chǔ)上，提出新的主同步序列設(shè)計(jì)。主同步序列由Bj?rck序列的修正序列即Modified Bj?rck序列組成。Bj?rck序列是CAZAC序列，但不是多相式相位序列，所以無相位模糊問題。其次基于四相殘差Modified Bj?rck序列保持了原序列CAZAC特性，具有低的相關(guān)性和峰均比，所以，在鄰小區(qū)干擾場景具有良好的檢測性能，同時(shí)由于是二進(jìn)制整數(shù)序列，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。

2 同步信道設(shè)計(jì)

2.1 同步信道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

SCH結(jié)構(gòu)從大的方面分為分級（Hierarchy）和非分級結(jié)構(gòu)（none-Hierarchy）。本文采用分級和非分級的混合結(jié)構(gòu)，即整個(gè)同步信道采用分級構(gòu)架，分為主同步信道P-SCH和輔同步信道S-SCH，兩者為時(shí)分復(fù)用關(guān)系，位于不同的OFDM符號上。而主同步信道的符號結(jié)構(gòu)為none-Hierarchy結(jié)構(gòu)。none-Hierarchy結(jié)構(gòu)的SCH符號本身具有特殊的符號結(jié)構(gòu)，即同步序列到OFDM符號的頻域子載波映射采用等間隔插入，形成時(shí)域具有2倍重復(fù)特性，終端據(jù)此采用自相關(guān)法（簡稱AC算法）進(jìn)行符號時(shí)間同步。為了彌補(bǔ)AC算法相對于互相關(guān)算法（簡稱CC算法）的差距，P-SCH精選PAPR低的序列，以便對P-SCH符號進(jìn)行能量抬高（Power Boost）。

2.2 P-SCH序列設(shè)計(jì)

序列設(shè)計(jì)過程如下。

（1）母序列的產(chǎn)生

母序列采用Bj?rck序列。長度p為質(zhì)數(shù)的Bj?rck序列是一類不為人們熟悉的CAZAC序列，也被稱為小字母的CAZAC序列，因?yàn)樾蛄兄挥?個(gè)獨(dú)立的取值［6-7］。Bj?rck序列基于四相殘差序列構(gòu)造。令R為整數(shù)，則長度p為質(zhì)數(shù)的四相殘差序列采用勒讓多序列構(gòu)造如下：

式中，R2（mod p）表示以p為模對R2取余數(shù)運(yùn)算。Bj?rck序列構(gòu)造如下：

（2）Modified Bj?rck序列

Bj?rck序列由于不是多相式相位序列，所以，沒有頻率相位模糊的問題，同時(shí)，其PAPR較低，所以Bj?rck序列同時(shí)具備CAZAC序列和偽隨機(jī)PN序列的優(yōu)點(diǎn)。但是，由于Bj?rck序列是復(fù)數(shù)序列，序列同步檢測時(shí)算法復(fù)雜度太高，為此，對Bj?rck序列進(jìn)行改進(jìn)，使其成為一個(gè)二進(jìn)制整數(shù)序列，稱為Modified Bj?rck序列。Modified Bj?rck序列與Bj?rck序列的關(guān)系如下：

式中，uRe［k］和uIm［k］是u［k］的實(shí)部和虛部。

Modified Bj?rck序列從嚴(yán)格意義上講，不再是CAZAC序列，但通過仿真發(fā)現(xiàn)，Modified Bj?rck序列與原始Bj?rck序列的序列性能非常接近，所以，Modified Bj?rck序列在保持了原Bj?rck序列優(yōu)良特性的基礎(chǔ)上，同時(shí)具有二進(jìn)制整數(shù)序列復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn)。

（3）M個(gè)長度為L的P-SCH序列產(chǎn)生

基于Modified Bj?rck序列，M個(gè)長度為L的PSCH序列產(chǎn)生如下。

第一步，設(shè)P-SCH序列的長度為L，則選擇Bj?rck序列的長度p為最接近L的質(zhì)數(shù)；

第二步，設(shè)M個(gè)P-SCH序列為P= {s0，s1，…，sM-1}，且有L＞p，則第i個(gè)序列第k個(gè)樣值為

式中，τi是第i個(gè)序列相對于母序列的循環(huán)移位；

第三步，當(dāng)L＜p時(shí)，則第i個(gè)序列第k個(gè)樣值為si［k］=b［（k-τi）mod p］，k=0，1，…，L（6）

第四步，假設(shè)系統(tǒng)最大的整數(shù)頻偏范圍為nCFO，則M個(gè)序列中，對任意兩個(gè)序列i和j，其相對于母序列的循環(huán)移位τi-τj滿足下式：

2.3 同步序列檢測算法

同步序列（小區(qū)ID）的檢測過程如下。

（1）利用P-SCH OFDM符號的時(shí)域前后對稱性關(guān)系，進(jìn)行OFDM符號時(shí)間同步和部分頻偏估計(jì)、補(bǔ)償。

（2）Cell ID和整數(shù)頻偏的聯(lián)合估計(jì)。

對于時(shí)間同步，OFDM系統(tǒng)的同步方法主要有自相關(guān)（Auto-correlation，AC）和互相關(guān)方法（Crosscorrelation，CC），AC方法是利用一個(gè)SCH符號前后兩部分全同的特性，對前后兩部分信號作自相關(guān)；而CC方法利用本地產(chǎn)生的P-SCH時(shí)間序列與接收到的信號作自相關(guān)。已經(jīng)證明，CC方法的性能優(yōu)于AC方法，但算法復(fù)雜度較高［9］。所以，當(dāng)P-SCH只有一個(gè)序列時(shí)，CC方法的復(fù)雜度可以接受，但當(dāng)P-SCH序列個(gè)數(shù)大于8時(shí)，此時(shí)，CC方法的復(fù)雜度過高，已經(jīng)不能采用。

AC算法很典型的算法是Schmidl＆Cox Algorithm［10］，其時(shí)間同步準(zhǔn)則如下式所示：

式中，d為樣本序號，P（d）是互相關(guān)部分，而R（d）是符號能量部分。P（d）和R（d）定義如下：式中，r（n）為接收信號。

時(shí)間和部分頻率估計(jì)和補(bǔ)償完成后，進(jìn)行序列ID和整數(shù)頻偏的估計(jì)。

本文采用差分相關(guān)檢測與整數(shù)頻偏的聯(lián)合估計(jì)，為此，令

式中，Dj（k）=Pj（k）P*j（k-1），而Pj（k）是本地的第j個(gè)P-SCH序列；Dj（k+n）是Dj（k）的n點(diǎn)移位；Y（k）是接收信號在第k個(gè)子載波處的值。

序列ID和整數(shù)頻偏的聯(lián)合估計(jì)（＾j，＾n）通過最大化下式得到：

根據(jù)文獻(xiàn)［11］的分析，小區(qū)搜索過程中序列ID檢測和整數(shù)頻偏的估計(jì)的運(yùn)算量約占小區(qū)搜索單元其他部分運(yùn)算量的20倍，所以，降低小區(qū)搜索過程中序列ID檢測和整數(shù)頻偏估計(jì)運(yùn)算量的設(shè)計(jì)對于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、終端降功耗非常重要。本文的序列設(shè)計(jì)對此的考慮體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）由于序列Pj（k）是二進(jìn)制整數(shù)序列，所以，序列的差分、相關(guān)運(yùn)算中的乘法運(yùn)算就可避免，從而大大降低了運(yùn)算的復(fù)雜度；

（2）由于序列Pj（k）是同一個(gè)母序列的循環(huán)移位，所以，式（12）中n，j二維空間的搜索變成了一維空間的搜索；

（3）運(yùn)算量的進(jìn)一步降低可通過下式實(shí)現(xiàn)：

由于Z（k）和Dj（k+n）全部為二進(jìn)制整數(shù)，所以，Mn，j的運(yùn)算沒有乘法運(yùn)算，運(yùn)算量得以進(jìn)一步降低。

3 同步序列特性及系統(tǒng)性能仿真

為了驗(yàn)證本文的序列設(shè)計(jì)方法的有效性，在此采用IEEE 802.16m系統(tǒng)（簡稱16m系統(tǒng)）的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)11個(gè)P-SCH序列，并對設(shè)計(jì)的序列與16m系統(tǒng)的主同步序列（PA序列）進(jìn)行比較。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)為：5 MHz系統(tǒng)帶寬，采用512點(diǎn)的FFT，P-SCH序列的長度為216，序列到OFDM子載波的映射為

式中，SCarrierSet表示P-SCH占用的子載波，k為0～

215的序號。子載波216為DC子載波位置，其上預(yù)置為零信號。

3.1 同步序列特性

設(shè)計(jì)的序列與16m系統(tǒng)的序列特性比較針對下述3大特性進(jìn)行：

（1）PAPR：因?yàn)镻-SCH符號需要Power boost提高系統(tǒng)覆蓋和AC時(shí)間同步算法的性能；

（2）序列的互相關(guān)：P-SCH序列的互相關(guān)性決定了干擾情形序列ID的誤檢率和漏報(bào)率；

（3）頻域自相關(guān)：頻域自相關(guān)旁瓣越小，越有利于整數(shù)倍頻偏情形序列ID的檢測。

圖1為依據(jù)本文設(shè)計(jì)的序列與16 m系統(tǒng)的主同步序列（PA序列）特性比較，其中（a）為序列的自相關(guān)特性，（b）為序列的互相關(guān)特性，而（c）則為序列的PAPR特性比較。比較結(jié)果顯示：本文設(shè)計(jì)的序列與16m系統(tǒng)的PA序列比較，自相關(guān)、互相關(guān)，以及PAPR特性都優(yōu)于16m序列特性。

3.2 序列檢測性能仿真

下一代演進(jìn)網(wǎng)絡(luò)干擾問題非常突出，為此，采用兩小區(qū)模型來仿真干擾情形P-SCH的檢測性能。兩小區(qū)中一個(gè)小區(qū)為目標(biāo)小區(qū)，另一個(gè)為干擾小區(qū)。兩小區(qū)模型也可用來仿真切換情形的P-SCH檢測性能，唯一的區(qū)別是P-SCH的序列ID是已知的（從鄰小區(qū)列表獲得）。其余小區(qū)的干擾的總體效果采用高斯白噪聲等效。仿真信道模型采用VA信道，如802.16m的評估文檔建議的那樣［8］。收發(fā)端的頻率偏移為22 ppm。其他仿真參數(shù)如表1所示。

圖2是SIR=2 dB時(shí)的序列ID檢測錯(cuò)誤率，誤檢率等于1-PO，PO是檢測成功率，SIR=2 dB表示目標(biāo)小區(qū)接收信號的平均功率相對于干擾小區(qū)信號為-2 dB。檢測成功判據(jù)為：如果檢測的序列ID的功率位于最大功率小區(qū)的3 dB范圍之內(nèi)，則小區(qū)ID搜索成功。

圖3 是SIR=6 dB時(shí)的序列ID檢測錯(cuò)誤率。從兩種干擾場景的仿真結(jié)果我們可以看到，本文設(shè)計(jì)的序列檢測特性優(yōu)于802.16m序列。

4 結(jié)論

本文在對下一代演進(jìn)系統(tǒng)同步信道設(shè)計(jì)需求分析的基礎(chǔ)上，分析了在小區(qū)ID數(shù)目多時(shí)LTE系統(tǒng)主同步序列設(shè)計(jì)思路所存在的問題：一是主同步序列檢測算法復(fù)雜度過高而無法實(shí)現(xiàn)，二是由于是多相位CAZAC序列，所以大頻偏時(shí)存在相位模糊問題。在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的主同步信道和序列設(shè)計(jì)方法。其中主同步信道基于分級和非分級的混合結(jié)構(gòu)，所以P-SCH可以采用低復(fù)雜度的AC算法，從而解決了主同步序列數(shù)量增加時(shí)檢測復(fù)雜度高的問題。主同步序列由Bj?rck序列的修正序列Modified Bj?rck序列組成。Bj?rck序列是四相殘差序列，所以沒有多相式相位序列在大頻偏情形的時(shí)間頻率模糊問題，同時(shí)由于其為CAZAC序列，所以具有低的相關(guān)性，從而在干擾場景具有良好的檢測性能。Modified Bj?rck序列為保持原序列CAZAC特性的二進(jìn)制整數(shù)序列，并經(jīng)過優(yōu)選所以具有低的PAPR特性。通過序列特性和干擾小區(qū)模型下與802.16m系統(tǒng)對比仿真，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的主同步信道由于采用的序列具有更低的相關(guān)值和峰均比，在小區(qū)間干擾場景具有更小的誤檢測概率。關(guān)于S-SCH的設(shè)計(jì)考慮，將另文給出。

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SUN Chang-yin was born in Shaanxi Province，in 1963.He received the Ph.D.degree from Xidian University in 2000.From 2001 to 2010，he was a senior engineer at ZTE Corporation，where he worked on the R＆D and pre-research of mobile communication systems.Since December 2010，he has been with the Departmentof Communication and Information Engineering，College of Xi′an Posts and Communications，where he is currently an associate professor. His research direction is next generation mobile communication.

Email：Changyin.Sun＠tom.com

姜靜（1974—），女，陜西人，2009年于西北工業(yè)大學(xué)獲通信與信息系統(tǒng)專業(yè)博士學(xué)位，現(xiàn)為西安郵電學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)橄乱淮鸁o線通信技術(shù)；

JIANG Jing was born in Shaanxi Province，in 1974.She received the Ph.D.degree from Northwestern Polytechnical University in 2009.She is now an associate professor.Her research direction is next generation mobile communication.

Email：jiangjing18＠gmail.com

盧光躍（1971—），男，河南人，1999年于西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獲博士學(xué)位，現(xiàn)為西安郵電學(xué)院教授，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號處理和通信信號處理。

LU Guang-yue was born in Henan Province，in 1971.He received the Ph.D.degree from Xidian University in 1999.He is now a professor.His research interests include radar signal processing and communication signal processing.

Email：tonylugy＠163.com

Primary Synchronization Channel Design for the Evolved Next Generation Mobile Communication Systems

SUN Chang-yin，JIANG Jing，LU Guang-yue
（School of Telecommunication and Information Engineering，Xi′an University of Posts and Telecommunications，Xi′an 710121，China）

An optimum primary-synchronization channel（P-SCH）design is presented for the evolved next generation mobile communication systems in heterogeneous network scenario where adequate cell IDs are needed to avoid the cell ID confusion and inter-cell interference.The proposed P-SCH assumes a hierarchical structure，and the sequences are modified Bj?rck CAZAC sequences.Simulation results demonstrate that the new sequences with lower Peak Average Power Ratio（PAPR）have good correlation properties and cell search performance compared with IEEE 802.16m system.

mobile communication system；evolved system；synchronization channel；modified Bj?rck sequence；sequence detection；primary synchronization channel

The National Natural Science Foundation of China（No.61102047）；The Natural Science Foundation of Shaanxi Province（2011JQ8027）；The Natural Science Foundation of Education Department of Shaanxi Province（11JK1021）；Program for New Century Excellent Talents in University of Ministry of Education of China（NCET-08-0891）

TN929.53

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.03.005

孫長?。?963—），男，陜西人，2000年于西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獲博士學(xué)位，2001-2009年在中興通信從事無線通信領(lǐng)域的研發(fā)和預(yù)研工作，2010年在西安郵電學(xué)院從事教學(xué)和科研工作，現(xiàn)為副教授，主要研究方向?yàn)橄乱淮鸁o線通信技術(shù)；

1001-893X（2012）03-0278-05

2011-09-28；

2012-01-10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61102047）；陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2011JQ8027）；陜西省教育廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11JK1021）；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（NCET-08-0891）