一種LTE系統(tǒng)中主同步信號檢測算法

崔子川 宋利利

【摘要】小區(qū)搜索作為LTE系統(tǒng)中一個非常重要的物理層過程，它的性能直接制約著終端的性能。在主同步信號檢測中多采用時域滑動相關(guān)和分段相關(guān)的算法，復(fù)雜度較高且對初始頻偏的要求較高，針對主同步信號檢測中存在的問題，本文首先從理論上推導(dǎo)了利用主同步信號的特點來降低檢測復(fù)雜度的方法，然后提出了一種傅里葉變換算法，該算法大大降低了現(xiàn)有算法的復(fù)雜度，針對現(xiàn)有算法在初始大頻偏時性能欠佳的問題，本文提出了一種預(yù)加頻偏處理方式。

【關(guān)鍵詞】LTE系統(tǒng)；小區(qū)搜索；主同步信號

1、引言

近年來，LTE系統(tǒng)得到快速發(fā)展。LTE作為3G系統(tǒng)的演進(jìn)系統(tǒng)，是由移動設(shè)備中新服務(wù)的發(fā)展與創(chuàng)新所驅(qū)動，并通過可用于移動通信系統(tǒng)的新技術(shù)的進(jìn)步來實現(xiàn)。此外，移動通信系統(tǒng)部署和經(jīng)營環(huán)境的演變也起了一定的推動作用，具體表現(xiàn)在移動運營商之間的競爭、來自其他移動通信技術(shù)的挑戰(zhàn)以及移動通信系統(tǒng)在頻譜使用和市場方面的新情況[1]。

2、傳統(tǒng)主同步信號檢測算法

LTE中主同步信號的檢測通常是在時域進(jìn)行，因此首先要獲得時域的同步信號。由于同步信號僅僅映射在OFDM符號直流載波附近的62個子載波中[2]，因此，時域同步信號通常需要通過低通濾波和降采樣兩步來獲得。

傳統(tǒng)算法通常利用接收信號與本地3個PSS信號進(jìn)行互相關(guān)運算，通過檢測相關(guān)峰值來確定小區(qū)組內(nèi)ID和定時同步信息，常用的互相關(guān)運算方法有：逐點滑動相關(guān)算法和分段相關(guān)算法[3]。

2.1逐點滑動相關(guān)算法

逐點滑動相關(guān)算法[4]利用主同步信號良好的自相關(guān)性和互相關(guān)性，將接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過低通濾波和降采樣后與本地3個主同步信號進(jìn)行逐點滑動相關(guān)，根據(jù)相關(guān)功率的峰值確定定時同步的位置和物理層小區(qū)組內(nèi)標(biāo)識（2）

前面提到的逐點滑動相關(guān)算法中，雖然已經(jīng)對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行了降采樣，由于采用對接收數(shù)據(jù)的每個采樣點采用逐一滑動相關(guān)的方法，計算量較大，前面考慮了使用主同步信號的特點來降低運算量，在一定程度了上降低了運算量，但運算量仍然有降低的空間，下面考慮采用FFT變換來進(jìn)一步降低算法的運算量。

根據(jù)數(shù)字信號處理的知識可以知道，線性相關(guān)和線性卷積存在一定的關(guān)系，而線性卷積可以轉(zhuǎn)化為循環(huán)卷積，而循環(huán)卷積可以使用采用DFT變換來實現(xiàn)，F(xiàn)FT是DFT的一種快速計算算法。下面按照這個思路來推導(dǎo)使用FFT方法來計算線性相關(guān)的方法。

對于LTE主同步信號的滑動相關(guān)算法不能直接使用FFT方法直接進(jìn)行計算，原因在于：

在進(jìn)行主同步信號檢測時，16倍降采樣后，最少的點數(shù)為9600+128點，采用上式進(jìn)行計算需要進(jìn)行9600+128+128-1點的DFT和IDFT，在普通的終端設(shè)備中一般不支持這么多的點數(shù)的DFT和IDFT運算，且要在數(shù)據(jù)全部輸入后才能計算，延遲太大，并且需要的內(nèi)存較大。考慮采用分段的方式來解決。

在初始頻偏較小時，逐點滑動相關(guān)算法和分段相關(guān)算法性能很好，在頻偏較大時，算法的性能就會變差，分段相關(guān)算法與逐點滑動相關(guān)算法相比對頻偏略微有些不敏感。由于終端接收信號的初始頻偏可能很大，為了避免在初始頻偏較大時，主同步信號檢測錯誤的問題，本文提出了一種抗初始大頻偏的主同步信號檢測算法，本算法的主要思想是首先對接收信號進(jìn)行預(yù)頻偏糾正，然后采用前面提出的快速傅立葉變換算法進(jìn)行檢測。本算法在獲取定時同步的位置以及扇區(qū)標(biāo)識的同時能夠獲得初始頻偏的大致范圍，從而將頻偏控制在一定范圍內(nèi)。

主同步信號檢測的流程。

1）對接收信號進(jìn)行低通濾波和16倍降采樣；

2）預(yù)頻偏糾正，預(yù)頻偏的添加有兩種方法，一種是添加在接收信號中，另一種是添加在主同步信號上，由于接收信號的長度大于主同步信號的長度，為了降低運算復(fù)雜度，我們考慮采用在主同步信號上進(jìn)行預(yù)頻偏糾正。根據(jù)最大初始頻偏范圍和最終頻偏范圍要求，一共將頻率偏移值分為5個：-12KHz、-6KHz、0KHz、+6KHz、+12KHz。對3個主同步信號分別進(jìn)行五個頻率偏移值的頻率偏移添加。

3）將降采樣后的接收信號進(jìn)行分段，根據(jù)線性卷積和循環(huán)卷積的等效關(guān)系以及FFT的點數(shù)（考慮采用2048點），每段的長度為2048+1-128=1921，最后不足1921點的進(jìn)行補零。

4）FFT變換，對分段后的接收信號的每段進(jìn)行2048點的FFT變換，對添加頻率偏移的主同步信號先進(jìn)行反轉(zhuǎn)取共軛后再進(jìn)行2048點的FFT變換。

5）點乘操作，將上步主同步信號FFT變換的結(jié)果與接收信號分段后每段FFT變換的結(jié)果進(jìn)行點乘。

6）IFFT變換，將每一段點乘的結(jié)果進(jìn)行IFFT變換。

7）拼接，將相鄰兩段的相鄰127點進(jìn)行對位相加，即前一段的后127點與后一段的前127點進(jìn)行對位相加，得到的最終結(jié)果即為所求的相關(guān)的結(jié)果。

8）對每個頻率偏移值和每個主同步信號按照上述步驟進(jìn)行計算得到相關(guān)結(jié)果。

9）對相關(guān)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理后，尋找最大值，最大值所對應(yīng)的PSS序列即為當(dāng)前小區(qū)是主同步信號，同時所對應(yīng)的預(yù)加頻率偏移值即為初始估計的頻率偏移。

4、性能比較

本節(jié)對改進(jìn)算法和傳統(tǒng)算法從運算量和性能上進(jìn)行比較。