CN101682605B - 同时检测小区组和循环前缀的方法、装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及同时检测小区组和循环前缀(CP)的方法、相关装置和系统，该方法具有以下步骤：利用主同步信号(P-SyS)来确定主同步信号定时τ；基于τ来确定辅助同步信号(S-SyS)定时；放置单个快速傅立叶变换(FFT)窗口；对所述信号进行FFT处理以获得频域S-SyS符号；对频域S-SyS信号进行均衡；对S-SyS信号进行相位校正；以及通过提供最大能量的相关来检测所述小区组和CP长度。

Description

同时检测小区组和循环前缀的方法、装置和系统

技术领域

本发明总体上涉及通信系统和组件，更具体地涉及适于使用正交频分复用(OFDM)调制技术的无线通信系统和组件。

背景技术

为了提供更高的数据速率，诸如全球移动通信系统(GSM)和宽带码分多址(WCDMA)的演进型移动蜂窝标准将很可能需要诸如OFDM的调制技术。OFDM是一种信号复用的方法，该方法将可用带宽(BW)分割为称作子载波的一系列频率。

为了保证从现有的蜂窝系统平滑过渡到使用现有无线电频谱的大容量、高数据速率系统，新系统必须能够在灵活的BW上工作。已提出第三代长期演进(LTE)作为新的灵活蜂窝系统。LTE旨在作为WCDMA标准的演进。LTE将很可能使用OFDM并工作在从1.25MHz到20MHz的BW上。在高BW LTE服务中，将可以实现高达100Mb/s的数据速率。

预期诸如语音的低速率服务也将使用LTE。因为LTE是针对传输控制协议/互联网协议(TCP/IP)设计的，所以IP语音(VoIP)将很可能是承载语音的服务。

LTE的一个重要方面是移动功能。结果，为了使诸如用户设备(UE)的装置检测其它小区和与其它小区同步，同步符号和小区搜索程序非常重要。

已提出的用于LTE的小区搜索方案如下：

1、利用主同步信号(P-SyS，primary synchronization signal)来检测新小区的符号定时。此外，因为存在三个P-SyS，所以UE还检测已从小区发送了哪些P-SyS。各P-SyS的索引标识了组内的小区ID。每5毫秒(ms)发送P-SyS。

2、利用辅助同步信号(S-SyS，secondary synchronization signal)来检测帧定时和小区组。使用P-SyS的频域表示作为相位基准，然后在频域中执行S-SyS检测(与不同的S-SyS序列相关)。

3、根据步骤(1)和步骤(2)，检测小区ID。

4、读取广播信道(BCH)，以接收小区特定的系统信息。

在LTE中，将存在使用短循环前缀(CP)或长CP长度的可能性。短CP长度(4.7微秒(μsec))将用于小的小区，而长CP长度(16.7μsec)将用于大的小区和广播服务。这样做的意图在于使UE对小区特定CP长度进行盲检测。这更适宜在利用辅助S-SyS检测帧定时和小区组(上述小区搜索方案的步骤2)之前执行。如在图1的框图100中所看到的，可以在时域中进行盲CP检测。在该情况下，UE对接收到的信号以与OFDM符号长度相对应的距离T_u执行自相关。对相关求和，并计算功率(绝对值)。峰101A、101B以T_u+T_g的距离到达，其中T_g是CP长度。根据此情况，可以在模块102计算CP长度。该时域方法适于单个频率、同步的网络，诸如数字视频广播-手持(DVB-H)，其中以相同的CP长度发送并同步来自全部小区的信号。但是，在LTE中通常不是这样的情形。在LTE中，小区可以以异步模式操作，不同的小区可能具有不同的CP长度。这又将导致多个相关峰使得时域CP长度检测更加复杂这样的风险。

图2示出LTE中针对长CP 201和短CP 202两种情况的同步信号(SyS)结构200。在LTE中，长度为0.5ms的时隙在短CP情况下由7个OFDM符号组成而在长CP情况下由6个OFDM符号组成。每10个时隙，即每5ms，发送SyS。对于LTE的频分双工(FDD)(全双工)，在时隙的最后一个OFDM符号中发送P-SyS，在倒数第二个OFDM符号中发送S-SyS。对于时分双工(TDD)，在最后一个OFDM符号中发送S-SYS，而在下一时隙的第一个OFDM符号中发送P-SyS。

使用低复杂度的盲CP检测方法和装置将是有利的，该方法和装置在像LTE那样的OFDM蜂窝系统的现有方案中也是鲁棒的。本发明提供了这样的方法和装置。

发明内容

本发明是一种在无线通信系统中在利用S-SyS检测帧定时和小区组的小区搜索步骤中同时确定CP长度和小区组的方法、装置和系统。

附图说明

图1例示在时域中执行盲CP检测的框图；

图2例示在LTE中针对长CP和短CP情况的同步信号(SyS)结构；

图3详细地例示长CP和短CP的SyS定时关系，其中叠加了本发明所使用的S-SyS FFT定时；

图4提供了本发明的方法的流程图；

图5是适于执行本发明的方法的装置的框图；

图6例示可以执行本发明的方法的系统。

具体实施方式

本发明是在使用S-SyS来检测帧定时和小区组时，通过对S-SyS的快速傅立叶变换(FFT)窗口进行时间调节，而在小区搜索过程中同时确定CP长度和小区组的方法。本发明还包括适于执行本方法的装置和系统。

当检测到P-SyS的5ms定时时，可以针对长CP和短CP长度两种情况来计算S-SyS的定时，即，可以确定这两种情况的FFT窗口的布置。在本发明中，S-SyS的FFT窗口设置在针对长CP和短CP而估计的定时之间。随后，相对于通过P-SyS确定的信道，将时域中的信道针对长CP长度进行正相移，而针对短CP进行负相移。因此，在与S-SyS序列相关之前，对接收的经过频域转换的S-SyS信号进行了正相位校正和负相位校正，并且使S-SyS序列与这两个经过校正的信号相关。检测到S-SyS序列和提供最大能量的校正作为小区组和CP的长度。如指出的，在频域中可以检测CP，避免了常规方法的多峰问题，同时有利地仅使用了一个FFT处理。因此，本发明的方法是鲁棒的，并具有低复杂度。

在图3中，更详细地示出了长CP和短CP的SyS定时关系，还示出了在本发明中使用的S-SyS FFT定时305。如指出的，为了发现P-SyS序列以及P-SyS信号定时(提供5ms定时信息)，装置首先使P-SyS信号与接收的信号相关。在理想的情况下，检测到时刻(time instant)301，但是，特别是由于噪声，可能发现不了正确定时，例如，码片可以不同。然而，假设确定了理想的定时。装置不知道小区具有长CP还是短CP，因此，可以是情况302或情况303中的任一种。取决于对有长CP 302或短CP 303的确定，装置确实地知道了正确的定时。因此，通常装置可以在两个位置都设置FFT窗口，执行两次FFT运算，随后执行S-SyS检测以发现最佳匹配。但是，这样的操作需要两次FFT运算，而本发明只需要一次运算。如指出的，本发明适于在302和303之间具有FFT时刻，如图3中304所示。优选地在302和303之间的中间选择定时位置，以针对两种情况引入相等的相移，但本发明不限于该情形。本发明的另一该实施方式是基于短CP和长CP的概率来放置窗口。如果较短CP的概率较大，则更靠近右侧地放置FFT窗口，而如果较短CP的概率较小，则更靠近左侧地放置窗口。这样做的好处是，在执行S-SyS检测时针对最大可能的CP长度由于ISI而引入的噪声较小。确定该概率的一种方式是基于NB小区的CP长度。

从OFDM符号的FFT处理已知，(相对于理想定时)-n个码片的采样误差给出了连续子载波之间的-2πn/N_FFT弧度角的旋转，其中N_FFT是FFT的长度。只要采样误差是在CP内，前述关系就为真，因此，如果n是已知的，在检测处理中可完美地补偿采样误差。如在图3中可见的，FFT时刻304在长CP和短CP两种情况下都在CP之外，因此引入了符号间干扰(ISI)。采样时间304以OFDM符号长度的5-10％的量级引入了采样误差，这样的采样误差以7dB到8dB信号失真比(SDR)的量级引入失真。但是，小区搜索被设计为在-6dB到0dB的信噪比(SNR)范围中进行检测，即，在噪声强于信号的情况下进行检测。因此，对于典型的小区搜索情形来说，由于ISI而引入的SDR在幅度上小于SNR，因而，该ISI只造成了噪声功率的可忽略一部分。

假设在时刻304处的采样导致在长CP(+)和短CP(-)情况中相对于理想定时的±n码片的采样误差。在子载波k处(其中针对SyS序列使用N_used子载波)的频域接收S-SyS符号的数学模型现在可写为：

$Y_k^{S-\mathrm{SyS}}=e^{\±j2\mathrm{\π}\·n\·k/N_{\mathrm{FFT}}}{H}_k{s}_k+e_k+{\mathrm{\ϵ}}_k^{\mathrm{ISI}},k=1......,N_{\mathrm{used}}---\left(1\right)$

其中，k是1至N_used之间的子载波，n是用于确定采样误差的码片数目，

是在子载波k处的频域接收S-SyS符号，N_FFT是FFT的长度，H_k是子载波k的信道，s_k是子载波k上的接收S-SyS，e_k是子载波k上的采样误差，

是引入的符号间干扰ISI，如果是长CP(正)，则+为真，而如果是短CP(负)，则-为真。使用P-SyS作为相位基准来估计信道H_i，因此可以对信道H_i进行均衡，即，可以确定CP长度以及接收的S-SyS的小区组。可以使用各种技术来完成均衡。例如，且不作为限制的，可采取以下步骤来执行均衡：

${\tilde{Y}}_k^{S-\mathrm{SyS}}=\frac{Y_k^{S-\mathrm{SyS}}}{{\hat{H}}_k}\≈e^{\±j2\mathrm{\π}\·n\·k/N_{\mathrm{FFT}}}{S}_k+{\tilde{e}}_k---\left(2\right)$

其中，

是均衡后的在子载波k处的频域接收S-SyS符号，

是估计的子载波k的信道，

是均衡后的采样误差。

现在，产生两个去旋转的版本，对每个版本都以与接收的S-SyS的长CP和短CP相对应的相移进行了相位校正，并且使这两个相位校正的版本与全部可能的M个S-SyS序列相关，使用了提供最高功率的相关来确定CP长度以及小区组。数学上，执行下面的步骤：

${\tilde{Y}}_k^{\mathrm{longCP}}=e^{-j2\mathrm{\π}\·n\·k/N_{\mathrm{FFT}}}{\tilde{Y}}_k^{S-\mathrm{SyS}}---\left(3\right)$

${\tilde{Y}}_k^{\mathrm{shortCP}}=e^{-j2\mathrm{\π}\·n\·k/N_{\mathrm{FFT}}}{\tilde{Y}}_k^{S-\mathrm{SyS}}---\left(4\right)$

其中，

是长CP处的均衡后的频域接收S-SyS，

是短CP处的均衡后的频域接收S-SyS。

小区组，

${\arg }_{(\mathrm{long}/\mathrm{short}),m}^{\max }{|\underset{k=1}{\overset{N_{\mathrm{used}}}{\mathrm{\Σ}}}\left(s_k^m\right)\·[{\tilde{Y}}_k^{\mathrm{longCP}},{\tilde{Y}}_k^{\mathrm{shortCP}}]|}^2$

m＝1……M    (5)

式(5)通过自变量序列m(m＝1……M)给出了针对全部可能的M个S-SyS序列的CP长度。

在图4中提供了例示本发明方法的流程图400。从中可以看出，在步骤401中，利用P-SyS确定P-SyS定时τ，这对应于图3中的301。在步骤402中，确定了S-SyS定时，这对应于图3中的304。在步骤403中，放置FFT窗口，并且对信号进行FFT处理以获得频域S-SyS符号。在步骤404中，例如根据式(2)对频域S-SyS信号进行均衡，随后根据式(3)和式(4)进行相位校正。在步骤405中，根据式(5)由提供最大能量的相关给出了检测到的小区组和CP长度。

在图5中提供了适于执行本发明的方法的装置。图5是本发明的装置的高级框图500，该装置包括天线501、前端接收器(Fe RX)502、模数转换器(ADC)503、P-SyS相关模块504、S-SyS定时模块505、快速傅立叶变换模块506、相位校正模块507、信道估计模块508、检测器509和S-SyS检测器510。从图中可见，可包括UE的该装置适于执行下面的操作。

在天线501处接收到信号并在FE RX 502处解调信号后，在ADC 503处将信号转换为数字信号。在P-SyS相关模块504处，利用P-SyS确定P-SyS定时τ，这对应于图3中的301。

基于来自P-SyS的结果，在S-SyS定时模块505处得到S-SyS定时，这对应于图3中的304。在FFT模块506处，放置FFT窗口，并对信号进行FFT处理以获得频域S-SyS符号。例如根据式(2)对频域S-SyS信号进行均衡，随后根据式(3)和式(4)对频域S-SyS信号进行相位校正。在S-SyS检测器模块510中，根据式(5)由提供最大能量的相关给出了检测到的小区组和CP长度。在信道估计单元508中，估计信道H。针对S-SyS检测，使用P-SyS的f域表示作为用于S-SyS均衡的信道估计的导频。此外，在检测器509中，使用基准符号(导频)来获得用于数据均衡和检测的信道估计。

图6例示了无线网络600，在该无线网络600中可使用根据本发明原理的装置。无线网络600包括多个小区站点601A……601N，各站点都包括适于与装置602通信的基站(BS)。装置602可以是任何合适的无线设备，包括UE、蜂窝无线电话、手持设备、个人数字助理、便携式计算机或计量装置。本发明不限于移动手持机。可以使用包括固定无线终端在内的其它类型接入终端。但是，为了简明起见，这里只示出和讨论UE。

虚线603示出小区站点601的大概边界。仅仅出于例示和说明的目的，将小区站点示出为大致的圆形。应非常清楚地理解的是，根据所选择的小区配置以及自然和人为的障碍物，小区站点常常具有其它不规则的形状。

如在现有技术中公知的，小区站点601由多个扇区(未示出)组成，各扇区都受到连接到基站的定向天线的照射。图6的实施方式例示了处于小区中心的基站。另选的实施方式将定向天线设置在扇区的角落中。本发明的系统不限于任何特定的小区站点配置。

在无线网络600中，装置602位于小区站点601A、601B，并与服务小区601B进行通信。装置602还位于靠近小区站点601B的边缘处。装置602例行地执行小区搜索以检测在装置602附近的无线网络的基站。每当装置开启，就执行初始小区搜索以便于搜索和获得无线网络的至少一个基站。然后，装置继续执行小区搜索以确定附近最强的(多个)基站并识别可用的基站，如果需要执行切换，则移动站可以转到该可用基站。为提高这些小区搜索的效率，本发明的系统包括与无线网络结合的图5的装置。

这里描述和例示了通过对S-SyS的快速傅立叶变换(FFT)窗口进行时间调节而在小区搜索过程中同时确定CP长度和小区组的方法、装置和系统。尽管已描述了本发明的具体实施方式，但不意味着本发明受此限制，本发明旨在范围宽广到本技术领域将允许的范围，并且应同样地理解本说明书。例如，当存在超过两个CP长度假设时，可以使用本方法。在这样的情况下，相位去旋转和所使用的采样时刻与各个CP长度假设的理想采样时刻之间的差成比例。随后可以应用这里所描述的步骤。此外，尽管以框图的形式示出了本发明的装置，将理解的是，框图可以表示硬件、软件、固件或其任意组合，并且框图可以由硬件、软件、固件或其任意组合来实现。另外，框图的特定方面的功能可以通过等效或适当的结构而获得。例如，可以利用其他傅立叶变换方式而不使用FFT。因此本领域技术人员将理解，在不偏离所要求的本发明的精神和范围的情况下，还可以对提供的本发明做出其它修改。

Claims (7)

1.一种同时检测小区组和循环前缀CP的方法，该方法包括以下步骤：

利用主同步信号P-SyS来确定主同步信号定时τ；

基于τ来确定辅助同步信号S-SyS定时；

在针对长CP的估计定时与针对短CP的估计定时之间放置针对S-SyS的单个快速傅立叶变换FFT窗口；

对S-SyS进行FFT处理以获得频域S-SyS符号；

对所述频域S-SyS符号进行均衡；

针对所述长CP长度，相对于由P-SyS确定的信道，对频域信道执行正相移；

针对短CP，相对于由P-SyS确定的信道，对频域信道执行负相移；

在与S-SyS序列相关之前，对接收的经过频域转换的S-SyS信号执行正相位校正和负相位校正；

使所述S-SyS序列与两个经过校正的信号相关；

检测所述S-SyS序列和提供最大能量的校正作为所述小区组和CP的长度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，定时位置是在所述长CP与所述短CP之间的中间。

3.根据权利要求1所述的方法，该方法在用户设备UE中使用。

4.一种同时检测小区组和循环前缀CP的装置，该装置包括：

用于确定主同步信号P-SyS定时的小区搜索单元；

用于基于所述P-SyS定时来确定辅助同步信号S-SyS定时的小区搜索单元；

用于在针对长CP的估计定时与针对短CP的估计定时之间放置针对S-SyS的单个快速傅立叶变换FFT窗口的单元；

用于对S-SyS执行FFT的单元；

用于获得多个S-SyS符号的单元；

针对经过相位校正的S-SyS符号来测试S-SyS序列的单元；和

用于基于最佳S-SyS相关匹配来获得所述小区组和CP长度的单元。

5.根据权利要求4所述的装置，该装置与用户设备UE结合使用。

6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述UE包括：

天线；

前端接收器Fe RX，其具有连接到所述天线的输入端；

模数转换器ADC，其具有与所述前端接收器的输出端相连接的输入端；

P-SyS相关模块，其具有与所述模数转换器的输出端相连接的输入端；

S-SyS定时模块，其具有与所述P-SyS相关模块的输出端相连接的输入端；

快速傅立叶变换FFT模块，其具有与所述模数转换器的输出端相连接的输入端，和与所述P-SyS模块以及S-SyS定时模块的输出端相连接的输入端；

相位校正模块，其具有与所述P-SyS相关模块的输出端相连接的输入端；

信道估计模块，其具有与所述FFT的输出端相连接的输入端；

检测器模块，其具有与所述FFT的输出端和所述信道估计模块的输出端相连接的输入端；

S-SyS检测器，其具有与所述相位校正模块的输出端和所述信道估计模块的输出端相连接的输入端，

其中，在所述P-SyS相关模块处，使用所述主同步信号确定所述主同步信号定时τ和所述辅助同步信号定时，在所述FFT模块处，放置所述FFT窗口并对所述信号进行FFT处理以获得频域S-SyS符号，在所述S-SyS检测器模块中通过提供最大能量的相关给出在所述S-SyS检测器模块中检测到的所述小区组和CP长度。

7.根据权利要求6所述的装置，该装置在正交频分复用(OFDM)调制系统中使用。

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