LTE系統(tǒng)中一種串行的整數(shù)倍頻偏和扇區(qū)檢測(cè)算法*

張德民，譚　博，黃　菲，楊　程，王　丹

(重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)

?

LTE系統(tǒng)中一種串行的整數(shù)倍頻偏和扇區(qū)檢測(cè)算法*

張德民**，譚博，黃菲，楊程，王丹

(重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)

在LTE系統(tǒng)中，用戶終端(UE)在開(kāi)機(jī)后首先會(huì)進(jìn)行小區(qū)搜索。針對(duì)傳統(tǒng)的小區(qū)搜索方案中整數(shù)倍載波頻偏(ICFO)和扇區(qū)ID是通過(guò)利用主同步信號(hào)(PSS)進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)這一問(wèn)題，提出了一種串行的整數(shù)倍頻偏和扇區(qū)ID估計(jì)算法。該算法利用PSS的對(duì)稱性，將ICFO和扇區(qū)ID進(jìn)行分開(kāi)檢測(cè)，通過(guò)對(duì)接收的頻域PSS進(jìn)行歸一化差分相關(guān)，消除了信道的影響，從而增強(qiáng)了檢測(cè)性能。將聯(lián)合估計(jì)算法和提出的串行估計(jì)算法進(jìn)行仿真對(duì)比，結(jié)果表明提出的算法相較于傳統(tǒng)方法可以取得更好的檢測(cè)精度，并且運(yùn)算復(fù)雜度僅為傳統(tǒng)方法的1/3。

LTE系統(tǒng)；小區(qū)搜索；串行檢測(cè)；整數(shù)倍載波頻偏；扇區(qū)ID；差分相關(guān)

1　引　言

3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)(Long Term Evolution,LTE)能夠提供較大的吞吐量和可靠的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)，即使在移動(dòng)情況下也是如此。和其他蜂窩系統(tǒng)一樣，LTE終端用戶(User Equipment,UE)的初始接入過(guò)程也包含小區(qū)搜索操作，小區(qū)搜索主要用來(lái)與就近的基站建立連接。而且，在小區(qū)搜索的過(guò)程中，UE可以完成相關(guān)的同步工作，比如定時(shí)偏差和載波頻率偏差的同步。因此，對(duì)于一個(gè)蜂窩通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，具有較好魯棒性的小區(qū)搜索方案是必不可少的。

小區(qū)搜索方案一般分為3步[1-2]：首先，接收端利用循環(huán)前綴(Cyclic Prefix,CP)來(lái)進(jìn)行小數(shù)倍載波頻偏(Fractional Carrier Frequency Offset,FCFO)和粗定時(shí)同步的估計(jì)；然后，通過(guò)主同步信號(hào)(Primary Synchronization Signal，PSS)進(jìn)行整數(shù)倍載波頻偏(Integer Carrier Frequency Offset，ICFO )和扇區(qū)ID的聯(lián)合檢測(cè)；最后，進(jìn)行精同步和小區(qū)組ID的估計(jì)。在第2步中，扇區(qū)ID只能在ICFO補(bǔ)償之后進(jìn)行檢測(cè)，而傳統(tǒng)的ICFO估計(jì)算法又需要先知道扇區(qū)ID，因此，現(xiàn)有的算法都是將ICFO和扇區(qū)ID進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)[2-3]?，F(xiàn)有的關(guān)于LTE小區(qū)搜索的研究大部分都集中在主同步信號(hào)和輔同步信號(hào)(Secondary Synchronization Signal，SSS)的檢測(cè)上，通過(guò)對(duì)它們的檢測(cè)可以完成小區(qū)搜索及下行同步的整個(gè)過(guò)程。

文獻(xiàn)[4]運(yùn)用PSS的相關(guān)性，提出了關(guān)于整數(shù)倍頻偏的聯(lián)合檢測(cè)算法，由于其搜索空間較大，因此復(fù)雜度較高。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于PSS的整數(shù)倍頻偏最大似然估計(jì)的算法，結(jié)合了矩陣運(yùn)算和噪聲方差等特性來(lái)進(jìn)行估計(jì)，增加了運(yùn)算復(fù)雜度，硬件難以實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于變換域的簡(jiǎn)化LTE小區(qū)搜索算法，通過(guò)時(shí)域和變換域的聯(lián)合估計(jì)，但只有在較低信噪比時(shí)該算法的性能才有一定提高。另外，在小區(qū)搜索的過(guò)程中并沒(méi)有進(jìn)行信道估計(jì)，更別說(shuō)信道補(bǔ)償。為此，本文提出了一種串行的ICFO和扇區(qū)ID檢測(cè)算法，通過(guò)利用PSS的對(duì)稱性[7]，ICFO可以在不知道扇區(qū)ID的條件下進(jìn)行估計(jì)。并且，本文提出的算法將聯(lián)合檢測(cè)的大小為21的搜索空間分離為大小為7和3的搜索空間，通過(guò)對(duì)接收的PSS進(jìn)行歸一化并差分相關(guān)，可以有效地消除由信道衰落引入的幅度和相位影響。

2　PSS信號(hào)與傳輸模型

LTE下行鏈路中，系統(tǒng)帶寬的變化范圍為1.4～20 MHz，采樣率為1.92～30.72 Msample/s。雖然有6種不同的FFT大小，但所有的子載波間隔為15 kHz。LTE系統(tǒng)中，PSS采用頻域Zadoff-Chu(ZC)序列生成，ZC序列具有良好的自相關(guān)特性。LTE系統(tǒng)中有3組可用的PSS，通過(guò)根序列指示u進(jìn)行區(qū)分。PSS的生成方式如下：

(1)

表1　根序列指示u

在本文中，除了ZC序列的恒幅零自相關(guān)(Constant Amplitude Zero Auto Correlation，CAZAC)特性，還發(fā)現(xiàn)了PSS的對(duì)稱性。通過(guò)利用PSS的對(duì)稱性，可用增強(qiáng)小區(qū)搜索的性能。PSS的頻域傳輸模型如圖1所示。

圖1　頻域PSS傳輸模型

ZC序列索引值m和子載波索引值n之間的關(guān)系為

(2)

其中跳過(guò)了直流子載波。將n代替m代入式(1)中，可以得到第n個(gè)子載波上發(fā)送的PSS為

(3)

從式(3)中可以看出，正負(fù)子載波上傳送的PSS數(shù)據(jù)是對(duì)稱的，即對(duì)于n=1,2，…,31，存在任意的u值，使得Du(n)=Du(-n)。

在接收端，由于發(fā)送端和接收端的晶振不匹配以及多普勒頻移，系統(tǒng)中會(huì)引入載波頻偏[8]。

接收端接收的PSS數(shù)據(jù)不僅受到信道衰落的影響，還受到載波頻偏的影響。例如：對(duì)于中心頻率為2.5 GHz的蜂窩系統(tǒng)，如果晶振的不匹配達(dá)到±1.5×10-5，則引入載波頻偏為±2.5個(gè)子載波間隔。如圖1所示，經(jīng)過(guò)FCFO補(bǔ)償和定時(shí)粗同步后，接收的頻域PSS序列表示為

Z(n)=H(n)Du(n-ε)+V(n)，

n=-31,…,-1,1,…31。

(4)

式中：H(n)和V(n)分別表示第n個(gè)子載波上的信道頻率響應(yīng)和加性高斯白噪聲；Du(n-ε)表示根指示為u、ICFO為ε的頻域PSS信號(hào)。從式(4)中可以看到，ε和u共同影響Z(n)，因此，傳統(tǒng)的小區(qū)搜索方法中多采用聯(lián)合檢測(cè)算法。在下一節(jié)中，將引入本文提出的算法，對(duì)這兩個(gè)參數(shù)分別進(jìn)行檢測(cè)。

3　串行的ICFO與扇區(qū)ID檢測(cè)

本文提出的算法主要包含3步：首先，對(duì)相鄰子載波上的歸一化的頻域PSS數(shù)據(jù)進(jìn)行差分相關(guān)，從而消除信道衰落的影響；然后，利用式(3)中的對(duì)稱特性，在不知道扇區(qū)ID的情況下進(jìn)行ICFO估計(jì)；最后，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行ICFO補(bǔ)償，將發(fā)送端不同u值的PSS序列與接收的PSS序列進(jìn)行相關(guān)，可以很容易檢測(cè)出扇區(qū)ID。

由于PSS是基于ZC序列生成，因此也具有CAZAC特性，則歸一化近似地消除了信道頻率響應(yīng)的幅度的影響。通過(guò)利用式(4)，歸一化的接收PSS可以表示為

ejθH(n)Du(n-ε)。

(5)

式中：θH(n)是信道頻率響應(yīng)H(n)的相位。為了消除信道相位影響，本文假設(shè)相干帶寬足夠大，因此，相鄰子載波上的信道頻率響應(yīng)是相似的。如后面所證明的，這個(gè)假設(shè)對(duì)于LTE信道模型來(lái)說(shuō)是正確的[8]。在這個(gè)假設(shè)之下，相鄰子載波上接收的歸一化PSS的差分相關(guān)表示為

(6)

式中：(·)*表示復(fù)共軛操作。

(7)

(8)

顯而易見(jiàn)，fε,u(ε)的值獨(dú)立于根指示u，這就意味著ICFO可以在不知道根指示u的情況下被直接檢測(cè)。因此，ICFO檢測(cè)的判決準(zhǔn)則定義為

(9)

讀取天線端與LC諧振敏感器件互感耦合時(shí)相對(duì)于無(wú)耦合狀態(tài),讀取天線端電壓信號(hào)幅值將會(huì)減小。為了直觀方便地檢測(cè)讀取天線端電壓信號(hào)幅值的變化規(guī)律,制作無(wú)線無(wú)源轉(zhuǎn)速信號(hào)拾取單元即包絡(luò)檢波器。本單元可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅度包絡(luò)特征提取即將電壓信號(hào)的幅值的絕對(duì)值提取出來(lái),既可以在示波器上直觀顯示出來(lái)也可以通過(guò)采集系統(tǒng)采集獲得,進(jìn)而通過(guò)測(cè)量相鄰電壓最低值間的時(shí)間間隔,實(shí)現(xiàn)常溫環(huán)境下轉(zhuǎn)速的測(cè)試。

(10)

(11)

由于本文提出的算法將ICFO檢測(cè)和扇區(qū)ID檢測(cè)分離開(kāi)來(lái)，因此原來(lái)大小為21的搜索空間被減小為兩個(gè)更小的搜索空間，其大小分別為7和3。式(10)中也利用了PSS的對(duì)稱特性，從而減少了運(yùn)算復(fù)雜度。而且，本文還發(fā)現(xiàn)根指示為29和根指示為34的發(fā)送PSS是共軛的，即

(12)

則扇區(qū)ID檢測(cè)的運(yùn)算復(fù)雜度可以進(jìn)一步地減少。

特別地，一個(gè)復(fù)數(shù)乘法可以表示為

(a+bj)(c+dj)=((c+d)(a-b)+(bc-ad))

+(bc+ad)j。

(13)

這需要3個(gè)實(shí)數(shù)乘法和5個(gè)實(shí)數(shù)加法。在計(jì)算

(a+bj)(c+dj)*=((c-d)(a-b)+(bc+ad))+

(bc-ad)j

(14)

4　仿真結(jié)果與復(fù)雜度分析

表2　3種信道模型及其主要參數(shù)

圖2和圖3分別為本文算法與文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[3]中的算法在ICFO和扇區(qū)ID的估計(jì)性能對(duì)比。圖2是不同信道環(huán)境下的整數(shù)倍頻偏估計(jì)性能對(duì)比，從圖中可以看到，隨著信噪比的增加，3種算法的整數(shù)倍頻偏估計(jì)的錯(cuò)誤檢測(cè)概率都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。當(dāng)信噪比為2 dB時(shí)，兩種算法的錯(cuò)誤檢測(cè)概率均達(dá)到了10-2量級(jí)。在相同的信道環(huán)境下，串行估計(jì)的性能較聯(lián)合估計(jì)的要好很多。

圖2　3種信道下的ICFO檢測(cè)性能

圖3所示為不同信道環(huán)境下扇區(qū)ID估計(jì)性能，從圖中可以看到，隨著信噪比的增加，3種算法的扇區(qū)ID的錯(cuò)誤檢測(cè)概率都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，性能相差不大。當(dāng)信噪比為-5 dB時(shí)，3種算法在各種信道環(huán)境下的錯(cuò)誤檢測(cè)概率都達(dá)到了10-2量級(jí)，串行估計(jì)算法在3種信道中都要比聯(lián)合估計(jì)的要好。

圖3　3種信道下的扇區(qū)ID檢測(cè)性能

為了對(duì)比這兩種檢測(cè)算法的運(yùn)算復(fù)雜度，我們將所有的復(fù)數(shù)乘法和加法轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)乘法和加法。具體的運(yùn)算復(fù)雜度對(duì)比在表3中列出。由于前面提到的對(duì)稱特性和共軛特性，與文獻(xiàn)[1]中的算法相比，本文提出的算法的實(shí)數(shù)乘法和實(shí)數(shù)加法分別減少了66.6%和69.4%。

表3　兩種算法的復(fù)雜度對(duì)比

5　結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)LTE系統(tǒng)小區(qū)搜索過(guò)程中整數(shù)倍載波頻偏I(xiàn)CFO和扇區(qū)ID的檢測(cè)進(jìn)行了研究，提出了一種串行的ICFO和扇區(qū)ID檢測(cè)方法。該算法將傳統(tǒng)的聯(lián)合檢測(cè)算法的搜索空間分離為兩個(gè)更小的搜索空間，從而降低了運(yùn)算復(fù)雜度并且提高了檢測(cè)精度。由于本文是針對(duì)整數(shù)倍頻偏來(lái)研究的，因此在未來(lái)的研究中，我們將頻偏擴(kuò)大為非整數(shù)倍頻偏進(jìn)行研究。另外，本文是對(duì)小區(qū)搜索過(guò)程中的小部分模塊進(jìn)行仿真驗(yàn)證，在接下來(lái)的工作中，我們將對(duì)小區(qū)搜索進(jìn)行系統(tǒng)研究。

[1]TSAI P Y,CHANG H W.A new cell search scheme in 3GPP long term evolution downlink OFDMA systems[C]//Proceedings of 2009 International Conference on Wireless Communications & Signal Processing Conference(WCSP 2009).Nanjing:IEEE,2009:1-5.

[2]LIN J C,SUN Y T. Initial synchronization assisted from inherent diversity on LTE sector search process[C] // Proceedings of 2015 IEEE Wireless Communications and Networking Conference(WCNC). New Orleans,LA: IEEE,2015:1-5.

[3]SU S L,LIN Y C,FAN Y J. Joint sector identity and integer part of carrier frequency offset detection by phase-difference in long term evolution cell search process[J].IET Communications,2013,7(10):950-959.

[4]HUANG S,SU Y,HE Y,et al.Joint time and frequency offset estimation in LTE downlink[C]//Proceedings of 2012 7th International ICST Conference on Communications and Networking in China(CHINACOM). Kunming:IEEE,2012:394-398.

[5]MORETTI M,MORELLI M.A robust maximum likelihood scheme for PSS detection and integer frequency offset recovery in LTE systems[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2016,15(2):1353-1363.

[6]劉娜娜,趙新建. 基于變換域的簡(jiǎn)化LTE小區(qū)搜索算法[J].電訊技術(shù),2010,50(8):81-85.

LIU Nana,ZHAO Xinjian.A simplified LTE cell search algorithm based on transform-domain[J].Telecommunication Engineering,2010,50(8):81-85.(in Chinese)

[7]WANG D,SHI W,LI X. Low-complexity carrier frequency offset estimation algorithm in TD-LTE[J].Journal of Networks,2013,8(10)：2220-2226.

[8]WU J Y,LIU J,CHEN J,et al.Cooperative interference mitigation for indoor dense femtocell networks[C]//Proceedings of 2012 7th International ICST Conference on Communications and Networking in China(CHINACOM). Kunming:IEEE,2012:93-98.

張德民(1955—)，男，廣東梅州人，1988年于北京郵電大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為重慶郵電大學(xué)教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)；

ZHANG Demin was born in Meizhou,Guangdong Province,in 1955. He received the M.S.degree from Beijing University of Posts and Telecommunications in 1988. He is now a professor and also the instructor of graduate students His research concerns communication and information system.

Email:zhangdm@cqupt.edu.cn

譚博(1990—)，男，河南商丘人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)門(mén)D-LTE物理層算法及DSP開(kāi)發(fā)；

TAN Bo was born in Shangqiu,Henan Province,in 1990. He is now a graduate student. His research concerns TD-LTE physical layer algorithm and DSP development.

Email:772807236@qq.com

黃菲(1991—)，男，重慶人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)門(mén)D-LTE物理層算法及DSP開(kāi)發(fā)；

HUANG Fei was born in Chongqing, in 1991. He is now a graduate student. His research concerns TD-LTE physical layer algorithm and DSP development.

Email:1712423608@qq.com

楊程(1990—)，男，湖北孝感人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)門(mén)D-LTE物理層算法及DSP開(kāi)發(fā)；

YANG Cheng was born in Xiaogan,Hubei Province,in 1990. He is now a graduate student. His research concerns TD-LTE physical layer algorithm and DSP development.

Email:385806120@qq.com

王丹(1981—)，女，重慶人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)門(mén)D-LTE物理層算法及DSP開(kāi)發(fā)。

WANG Dan was born in Chongqing,in 1981. She is now a senior engineer. Her research concerns TD-LTE physical layer algorithm and DSP development.

Email:wangd@cqupt.edu.cn

A Serial Integer Carrier Frequency Offset and Sector Detection Algorithm in LTE Systems

ZHANG Demin，TAN Bo，HUANG Fei，YANG Cheng，WANG Dan

(School of Communication and Information Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

In LTE systems,user equipment,when it is booted,will perform a cell search firstly. For the conventional cell search scheme,the integer carrier frequency offset(ICFO) and sector identity(ID) are jointly detected by utilizing the primary synchronization signal(PSS).For this problem,this paper proposes a serial integer carrier frequency offset and sector ID algorithm. This algorithm makes use of the symmetry of the primary synchronization signal(PSS) and detects the ICFO and sector ID separately.Through normalized differential correlation of the received frequency domain PSS,the effect of channel is eliminated,thereby enhancing detection performance.Simulation comparison between the joint estimation algorithm and the proposed serial algorithm shows that the proposed algorithm can achieve better detection accuracy and the computational complexity is only 1/3 of that of conventional method.

LTE system;cell search;serial detection；integer carrier frequency offset；sector ID；differential correlation

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.10.018

2016-01-11；

2016-06-30Received date:2016-01-11；Revised date：2016-06-30

TN929.5

A

1001-893X(2016)10-1165-05

引用格式：張德民，譚博，黃菲，等.LTE系統(tǒng)中一種串行的整數(shù)倍頻偏和扇區(qū)檢測(cè)算法[J].電訊技術(shù)，2016,56(10):1165-1169.[ZHANG Demin，TAN Bo，HUANG Fei，et al.A serial integer carrier frequency offset and sector detection algorithm in LTE systems[J].Telecommunication Engineering,2016,56(10):1165-1169.]

**通信作者：zhangdm@cqupt.edu.cnCorresponding author：zhangdm@cqupt.edu.cn