基于信號(hào)相似度的LTE系統(tǒng)定時(shí)同步算法

陳發(fā)堂, 曾　雄

(重慶郵電大學(xué) 重慶市移動(dòng)通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400065)

基于信號(hào)相似度的LTE系統(tǒng)定時(shí)同步算法

陳發(fā)堂, 曾雄

(重慶郵電大學(xué) 重慶市移動(dòng)通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400065)

摘要:為了快速精確地完成小區(qū)搜索過程，對(duì)主同步信號(hào)(Primary Synchronization Signal，PSS)時(shí)域互相關(guān)算法加以改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種基于信號(hào)相似度的定時(shí)同步算法。重點(diǎn)改善定時(shí)同步過程中的精同步過程。在完成粗同步過程并獲取PSS信號(hào)的粗略位置后，利用循環(huán)前綴信號(hào)所包含的冗余信息,確定PSS的精確位置，進(jìn)而完成定時(shí)同步過程。原理分析和仿真結(jié)果均顯示，改進(jìn)算法可簡化定時(shí)同步過程的計(jì)算復(fù)雜度，且滿足TD-LTE系統(tǒng)小區(qū)搜索性能要求。

關(guān)鍵詞:TD-LTE；主同步信號(hào)；小區(qū)搜索

小區(qū)搜索是系統(tǒng)建立下行鏈路的第一步。在該過程中，用戶設(shè)備(UserEquipment，UE)獲得其所在小區(qū)的物理地址，并取得與其基站的時(shí)域同步和頻域同步。UE在完成小區(qū)搜索后，將獲得小區(qū)的下行同步信息及與位置有關(guān)的特定標(biāo)識(shí)符號(hào)，作為后續(xù)隨機(jī)接入過程的重要參數(shù)[1]。駐留在已選定的小區(qū)后，UE將對(duì)物理廣播信道進(jìn)行解信道，并獲得系統(tǒng)信息[2]。之后，UE對(duì)跟蹤區(qū)域進(jìn)行注冊(cè)，并接受尋呼信道中的尋呼信息，進(jìn)行無線資源控制(RadioResourceControl,RRC)鏈接。作為終端接入長期演進(jìn)(LongTermEvolution,LTE)系統(tǒng)的第一步工作，小區(qū)搜索性能的好壞和搜索復(fù)雜度對(duì)系統(tǒng)十分重要[3]。

定時(shí)同步算法主要有基于循環(huán)前綴(CyclicPrefix，CP)的最大似然(MaximumLikelihood，ML)算法，和基于主同步信號(hào)的相關(guān)算法[4-6]。為了縮短小區(qū)搜索時(shí)間，降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，本文擬綜合這兩類算法，給出一種改進(jìn)方案，即利用主同步信號(hào)同步相關(guān)算法進(jìn)行粗通同步，獲得主同步信號(hào)(PrimarySynchronizationSignal，PSS)序列的大概位置,并利用CP所包含冗余信息的相似性[7]進(jìn)行精同步，獲取PSS序列的精確位置。

1主同步信號(hào)

在LTE系統(tǒng)中，存在504個(gè)獨(dú)立的物理小區(qū)地址，分別被劃分為168組，每組3個(gè)。每個(gè)物理層小區(qū)地址可以由物理層小區(qū)地址組內(nèi)號(hào)N1和物理層小區(qū)地址組號(hào)N2唯一表示為

N=N1+3N2。

在分時(shí)長期演進(jìn)(TimeDivisionLET,TD-LTE)系統(tǒng)中，PSS由長度為62的Zadoff-Chu序列在頻域內(nèi)生成，共有3組，通過根指示序列u進(jìn)行區(qū)分。Zadoff-Chu序列是非二進(jìn)制的恒定幅度序列，具有良好的自相關(guān)特性[8]。PSS生成如

Zadoff-Chu序列的根序列指示u值如表1所示，它和n1一一對(duì)應(yīng)。

表1　根序列指示u

在TD-LTE系統(tǒng)中，PSS位于系統(tǒng)無線幀的子幀1和子幀6的第3個(gè)正交頻分復(fù)用 (OrthogonalFrequencyDivisionMulti-plexing，OFDM)符號(hào)中。對(duì)于不同的系統(tǒng)帶寬，PSS所占的帶寬相同，為頻帶中心的1.08MHz帶寬。PSS信號(hào)占用62個(gè)子載波，兩邊各留5個(gè)子載波作為保護(hù)帶。

2定時(shí)同步算法

2.1PSS相關(guān)算法

當(dāng)系統(tǒng)帶寬為20MHz時(shí)，下行OFDM符號(hào)的采樣點(diǎn)為2048點(diǎn)，計(jì)算量大，因此在計(jì)算PSS前先對(duì)本地生成同步序列和接受序列進(jìn)行一定倍數(shù)的降采樣處理。LTE系統(tǒng)的最大和最小帶寬配置分別為20MHz和1.4MHz，對(duì)應(yīng)的快速傅氏變換(FastFourierTrans-formation，F(xiàn)FT)點(diǎn)數(shù)為2048點(diǎn)和128點(diǎn)，故降采樣倍數(shù)為16倍。

從中找到3組相關(guān)序列的最大值，根據(jù)最大值的位置和對(duì)應(yīng)同步序列可以確定同步序列的大致位置和小區(qū)組內(nèi)地址號(hào)N1的值。這就是粗同步過程。

經(jīng)過粗同步過程，可以確定PSS同步序列的大致位置，理論上為粗同步點(diǎn)前后16點(diǎn)。要準(zhǔn)確確定PSS的起始位置，還需進(jìn)行精同步計(jì)算，即在非降采樣的情況下對(duì)定時(shí)粗同步點(diǎn)前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)稱相關(guān)運(yùn)算。為保證運(yùn)算的準(zhǔn)確性，將精同步的滑動(dòng)窗定為粗同步點(diǎn)前后64點(diǎn)，進(jìn)行128次自相關(guān)計(jì)算得到峰值位置，然后再加粗同步點(diǎn)就得到PSS符號(hào)的起始位置。

2.2算法改進(jìn)

CP信號(hào)時(shí)域分部如圖1所示，其中虛線部分為PSS同步序列的數(shù)據(jù)，前端CP數(shù)據(jù)為PSS后端512點(diǎn)或者144點(diǎn)的補(bǔ)償。信號(hào)r1與r2,信號(hào)r3與r4皆高度相似，故可利用CP信號(hào)與PSS尾端信號(hào)的這種相似性，判斷CP信號(hào)的位置和CP信號(hào)類型，進(jìn)行判斷PSS信號(hào)的精確位置。

圖1　CP信號(hào)時(shí)域分部

對(duì)于兩個(gè)離散信號(hào)

x=(ξ1,ξ2,…),y=(η1,η2,…),

若其相似，則存在參數(shù)λ，使得

x≈λy。

能量誤差

令其最小 ，由

可得

此時(shí)的最小能量誤差為

最小相對(duì)能量誤差為

由柯西-斯瓦茨不等式知，0≤|Rxy|≤1，且|Rxy|越大，Qmin越小，x和y越相似。

以粗同步點(diǎn)前64點(diǎn)作為PSS起始位置，分別取信號(hào)r1、r2、r3和r4對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)段(圖1)，對(duì)r1和r2，r3和r4進(jìn)行相似度分析，求得Rr1r2和Rr3r4。依次將PSS起始位置向后逐點(diǎn)滑動(dòng)，重復(fù)此相似度分析過程，直至PSS起始位置滑動(dòng)至粗同步點(diǎn)后64點(diǎn)為止。比較求出的所有Rr1r2和Rr3r4，找出最大者，其相應(yīng)的PSS起始位置即要求的精同步點(diǎn)位置。取

比較該位置對(duì)應(yīng)的Rr1r2和Rr3r4:若Rr1r2>αRr3r4，則CP為常規(guī)型;若Rr1r2≤αRr3r4，則CP為拓展型。

由于CP信號(hào)是由PSS信號(hào)尾端信號(hào)添加的，故可近似地取λ≈1，從而，能量誤差

為簡化硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，直接將信號(hào)r1和r2，r3和r4進(jìn)行能量誤差計(jì)算，求得

用以替代Rr1r2和Rr3r4。

3算法復(fù)雜度

在粗同步計(jì)算階段，最壞情況下要計(jì)算半幀共15 300個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，降采樣過后，運(yùn)算數(shù)據(jù)為9 600個(gè)點(diǎn)，且將3組本地PSS與接受序列進(jìn)行相關(guān)，所需周期數(shù)為9 600×128×3。

在精同步計(jì)算階段，原始方案利用PSS序列做2 048點(diǎn)的相關(guān)，共128次，故所需的周期數(shù)為2 048×128。然而，改進(jìn)方案利用CP序列，其長度為144，求出兩種CP的能量誤差，共128次，所需的周期數(shù)為144×128×2。

改進(jìn)方案較之原始方案，可大幅地減少運(yùn)算周期，避免復(fù)雜的相關(guān)運(yùn)算。改用求信號(hào)能量，即可減少硬件開銷，利于硬件實(shí)現(xiàn)，也可同時(shí)檢測(cè)出CP類型。

原始方案與改進(jìn)方案在最壞情況下算法復(fù)雜度的比較如表2所示。

表2　同步算法時(shí)間復(fù)雜度比較

4仿真結(jié)果及分析

搭建Matlab仿真鏈路，相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3　系統(tǒng)仿真參數(shù)

在TD-LTE系統(tǒng)中，PSS位于系統(tǒng)無線幀的子幀1和子幀6的第3個(gè)OFDM符號(hào)中，故檢測(cè)的PSS位置應(yīng)為子幀1的第3個(gè)OFDM符號(hào)。理論上的PSS定時(shí)同步點(diǎn)為

30 720+2 048×2+160+144×2=35 264，

而MATLAB仿真是從1開始計(jì)數(shù)，故理論同步點(diǎn)應(yīng)為36 265。

(a) 第1組本地PSS序列

(b) 第2組本地PSS序列

(c) 第3組本地PSS序列

原始精同步計(jì)算仿真結(jié)果如圖3所示。相關(guān)峰值位置為49，結(jié)合粗同步點(diǎn)可知精同步點(diǎn)為

25 280+64-49=25 265，

與理論位置相符。

圖3　原始精同步過程序列相關(guān)

改進(jìn)方案的精同步計(jì)算仿真結(jié)果如圖4所示。在常規(guī)CP情況下，出現(xiàn)明顯最低峰值，最低峰值位置為49；在拓展CP情況下，無明顯最低值。精同步點(diǎn)為

35 280+64-49=35 265，

與理論位置相符。

(a) 常規(guī)CP信號(hào)

(b) 拓展CP信號(hào)

在歸一化頻偏為0.33的高斯白噪聲環(huán)境下，改進(jìn)算法和原始算法的性能對(duì)比如圖5所示。當(dāng)信噪比達(dá)到-5dB時(shí)，兩種算法的錯(cuò)誤檢測(cè)概率均達(dá)到10-3量化級(jí)。在高斯白噪聲信道環(huán)境下，改進(jìn)算法能夠滿足LTE系統(tǒng)對(duì)小區(qū)搜索性能的要求。

圖5　算法性能對(duì)比

5結(jié)語

討論P(yáng)SS定時(shí)同步算法并對(duì)其加以改進(jìn)。相較于原始PSS定時(shí)同步算法，著重改善其精同步部分，利用CP信號(hào)的相似性，用比較信號(hào)能量誤差的方法取代原來較為復(fù)雜的相關(guān)運(yùn)算，可降低運(yùn)算復(fù)雜度和硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)算法滿足LTE系統(tǒng)小區(qū)搜索的性能要求。

參考文獻(xiàn)

[1]王丹, 石偉萍.TD-LTE系統(tǒng)小區(qū)搜索PSS定時(shí)同步的研究[J] .電子技術(shù)應(yīng)用,2013,39(1):55-58.

[2]陳發(fā)堂, 滕旺.基于對(duì)稱相關(guān)的TD-LTE系統(tǒng)時(shí)頻同步聯(lián)合估計(jì)算法[J].信息與控制,2013,42(3):294-298.

[3]沈嘉,索士強(qiáng),全海洋,等.3GPP長期演進(jìn)(LTE)技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,2008:10-15.

[4]BUVANESWARAN R, SRIKANTH S. Cell Search and Uplink Synchronization in LTE[J].International Journal of Scientific and Engineering Research, 2013,4(5):1011-1016.

[5]COULSON A J. Maximum likelihood synchronization for OFDM using a pilot symbol: Analysis[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communication,2001,19(12):2495-2503.

[6]PATIL S, UPADHYAY R. A Symbol Timing Synchronization Algorithm for WiMAX OFDM[C]//Proceeding of Computational Intelligence and Communication Networks (CICN).Gwalier:IEEE,2011:78-82.

[7]LINDOFF B, RYDEN T, ASTELY D. A robust search algorithm for 3GPP LTE[C]//Proceeding of European Wireless Conference.Aalborg:IEEE,2009:303-307.

[8]YANG X M.PSS based time synchronization for 3GPP LTE downlink receivers[C]//Proceeding of IEEE International Conference on Communication Technology.Jinan:IEEE,2011:930-93.

[責(zé)任編輯:瑞金]

DownlinktimingsynchronizationalgorithmbasedonsignalsimilarityinLTEsystem

CHENFatang,ZENGXiong

(ChongqingKeyLabofMobileCommunicationsProtocol,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China)

Abstract:In order to complete the cell search process more quickly and accurately, and to reduce the complexity of PSS timing cross correlation algorithm, a timing synchronization algorithm based on signal similarity is designed in this paper. The algorithm is focused on improving the accurate synchronization process of the timing synchronization process. After the accurate synchronization process is completed and the inaccurate point for PSS signal is estimated, the accurate point for PSS signal can be estimated according to the similarity of CP signal, and then the process of timing synchronization can be completed. Theory analysis and simulation results show that the algorithm can reduce the computational complexity in comparison with the PSS timing cross correlation algorithm，and the algorithm’s performance can meet requirements on cell search in TD- LTE system.

Keywords:TD-LTE system, primary synchronization signal(PSS), cell search

doi:10.13682/j.issn.2095-6533.2016.01.004

收稿日期：2015-08-11

基金項(xiàng)目：國家科技專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2012ZX03001024)

作者簡介：陳發(fā)堂(1965-)男，研究員，從事移動(dòng)通信研究。E-mail: chenft@cqupt.edu.cn 曾雄(1991-)男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾畔⑴c通信工程。E-mail:1418557189@qq.com

中圖分類號(hào)：TP929.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-6533(2016)01-0021-05