CN101883412A - Lte在高速移动条件下初始小区搜索方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种LTE在高速移动条件下初始小区搜索方法，包括：获取接收序列中主同步信号位置及小区ID号；进行频偏估计并补偿，将主同步信号数据解调至频域；利用主同步信号数据信息进行信道估计；根据小区ID号，主同步信号信道估计结果，对辅同步信号进行相干解调，获得小区ID组号。在高速移动特定场景下，通过本方法，简单快速的获得下行同步，并可估计频偏。虽然有一些限定条件，但这些条件在特定场景下是可以满足的，而且可以有效的降低算法复杂度。

Description

LTE在高速移动条件下初始小区搜索方法

技术领域

本发明涉及无线移动通信技术领域，具体涉及一种LTE在高速移动条件下小区搜索方法。

背景技术

3GPP长期演进(LTE)是近几年来3GPP启动的最大的研发项目，该技术以OFDM/OFDMA为核心，被看做“准4G技术”。LTE无论在传输速率，服务质量上，都将比现行3G系统有质的提高。

对于蜂窝移动通信系统而言，小区搜索是一个非常关键的过程，它是用户(User Equipment，UE)与基站(Base Station，BS)之间进行通信的前提，也是UE想要在所在小区中实现通信所要进行的第一个步骤。所谓小区搜索，是指UE检测到一个理想小区，并与之获得时间和频率同步的过程。我们所关注的小区搜索可以分为两类，在UE刚开机时进行的小区搜索称为初始小区搜索，而在进行越区切换时进行的搜索称为非初始小区搜索。

LTE标准明确指出：需优化在低速(0～15km/h)情况下性能；以较高的性能支持中速移动(15～120km/h)；系统在120～350km/h的移动速度下可用。而我国近几年高速铁路蓬勃发展，高速移动条件下的列车，将是一个庞大的信息载体，因此必须考虑未来LTE系统在高速移动场景下的性能。

LTE系统采用正交频分复用(OFDM)技术，将串行数据通过多个正交的窄带子载波进行传输，可以有效的对抗频率选择性衰落及窄带干扰。然而，在高速铁路这种特定场景下，由于高速移动带来的多普勒(Doppler)效应，以及信道的快衰落，都将破坏子载波之间的正交性，对通信质量造成极大影响。现有小区搜索算法大都针对低速场景，而在存在大多普勒时，小区搜索算法鲁棒性不强。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种LTE在高速移动条件下初始小区搜索方法。

本发明所采取的技术方案包括以下步骤：

步骤1：获取接收序列中主同步信号(Primary Synchronization Signal，PSS)位置，及小区ID号；

步骤2：频偏估计并补偿，并将PSS数据解调至频域；

步骤3：利用PSS信息进行信道估计；

步骤4：根据小区ID号，PSS信道估计结果，对辅同步信号(Secondary Synchronization Signal，SSS)进行相干解调，获得小区ID组号。

其中，步骤1进一步包括：

步骤1-1：本地产生3个PSS频域序列样本zc_i[k]，其中，i＝0，1，2，k＝0...2047；

步骤1-2：将本地三个PSS频域样本zc_i(n)分别经过快速傅里叶逆变换(IFFT)，产生三个PSS时域样本s_i(n)，其中，i＝0，1，2，n＝0...2047；

步骤1-3：接收序列r(n)经过窄带滤波器后和本地三个样本分别作模值相关，得到最大相关值，获得定时同步点n_index，并确定小区ID号。

步骤2具体包括：

将接收序列r(n)在n_index之后的2048点提取出来，也就是接收到的时域PSS序列Rx(n)，将Rx(n)和s(n)做逐点相关，得到新序列x(n)，将新得到的序列x(n)前1024点和后1024点做相关得到频偏估计结果。

步骤3具体包括：

设接收序列在经过IFFT后的序列为Rx[k]，长度为2048点。将Rx[k]和本地PSS频域样本逐位相除，得到信道信息H[k]。

步骤4具体包括：

从步骤1得到的定时点n_index先前推N+CP开始的2048点即为SSS所在的OFDM符号，其中CP为CP长度，这里假设CP长度已知。

利用得到的信道信息对这2048点进行相干解调，得到SSS频域长度为2048点的序列，并提取中心62点SSS序列，和本地336个样本分别作相关，取最大值，得到小区ID组号，并获得帧定时位置。

本发明产生的有益效果：在高速移动特定场景下，可通过本方法，简单快速的获得下行同步，并可估计频偏。虽然有一些限定条件，但这些条件在特定场景下是可以满足的，而且可以有效的降低算法复杂度。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细说明：

图1为本发明实现的流程图；

图2为FDD-LTE帧结构示意图；

图3为本发明在不同信噪比下检测错误概率的计算机仿真图。

具体实施方式

如图1所示，高速移动场景下LTE小区搜索主要包括如下步骤：

步骤101：获取接收序列中主同步信号(PSS)位置，及小区ID号；

LTE规定三种小区ID号，该信息由PSS负责传输，通过传送三种不同的PSS来区别三种小区ID号。本步骤中，在通过模值相关获得定时信息的同时，可以判断三个相关集中的最大值点，得到小区ID号。

根据主同步信号(PSS)特定zc序列生成公式，分别产生3组62位长的zc序列，并补零到2048点。

将本地三个频域序列经过快速傅里叶逆变换(IFFT)，转换到时域，待与接收信号做相关运算。

接收序列r(n)在经过窄带滤波器后，通过2048长度的相关窗，而后取其模值，本地三个PSS时域样本s_i(n)也分别取模，和接收序列逐位相减并取平方和，将得到的相关值除以相关窗功率|r(n)|²，最终得到归一化模值相关值。

$c_i\left(n\right)=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|r\left(n\right)|-|s_i\left(n\right)\left|\right|}^2}{{\left|r\left(n\right)\right|}^2},i=\mathrm{0,1,2}---\left(1\right)$

由于对接收序列采取了取模的操作，一方面屏蔽掉了频偏以及多普勒带来的影响，这样无论移动速度多快都可以通过模值相关找到准确的定时点；但另一方面，由于取模的操作并没有降低噪声的功能，而且取模之后相位信息消失，因此需要信噪比足够大并且主径足够强，这一要求在高速铁路场景下是可以满足的。

在得到(1)式的三个相关集之后，取其最小值点

$n_{\mathrm{index}}=\underset{n}{\arg \min }\{c_i\left(n\right),=\mathrm{0,1,2}\},$

得到时间定时点。比较三个最小相关值，得到小区ID号。

步骤102：频偏估计及补偿；

由于高速移动所造成的多普勒效应，接收信号相对于发射信号有频率上的偏移，当移动速度达到360km/h时，多普勒频偏为800Hz，LTE规定的子载波间隔为15kHz，这样归一化多普勒频偏为0.0533，这将会对通信效果产生极大影响。模值相关仅仅是完成了定时点的确定，如果想准确解调出数据，必须对频偏进行估计和补偿。本方法通过接收序列和本地样本做相关，获得新序列，而后将新序列前后相关获得频偏信息。

将接收序列r(n)在n_index之后的2048点提取出来，也就是接收到的时域PSS序列Rx(n)，Rx(n)相对于本地样本s(n)如果不考虑白噪声的话，有一个频率上的偏移：

Rx(n)＝s(n)exp(j2πf_dT_sn)        (2)

其中f_d为频偏，T_s为采样时间。

将Rx(n)和s(n)做逐点相关，得到新序列x(n)：

x(n)＝|s(k)|²exp(j2πf_dT_sn)      (3)

将新得到的序列x(n)前1024点和后1024点做相关：

$p\left(n_{\mathrm{index}}\right)=\underset{n=1}{\overset{\frac{N}{2}}{\mathrm{\Σ}}}\left(x^{*}\left(n\right)x(n+\frac{N}{2})\right)$

      (4)

$=\underset{n=1}{\overset{\frac{N}{2}}{\mathrm{\Σ}}}\left({\left|s\left(n\right)\right|}^2\exp (-j2\mathrm{\π}{f}_d{T}_{s}n){\left|s(n+\frac{N}{2})\right|}^2\exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_d{T}_s(n+\frac{N}{2})\right)\right)$

其中N＝2048。通过这样的方法可以得到频偏估计结果：

$f_{d\_\det \mathrm{ct}}=\frac{\mathrm{angle}\left(P\left(n_{\mathrm{index}}\right)\right)}{\mathrm{\π}{T}_{s}N}---\left(5\right)$

利用得到的频偏估计结果，对接收信号进行补偿，得到不受频偏影响的接收序列：

Rx′(n)＝Rx(n)*exp(-j2πf_{d_detec}T_sn)    (6)

步骤103：信道估计；

由于传输环境的复杂性，会对发射信号产生各种各样的畸变，这就反映在信道信息上，如果想要正确解调数据，必须进行信道估计，而后在接收端做反向操作，抵消信道影响。信道估计利用PSS的频域接收序列和本地样本相除，从而获得信道信息。

将经过频偏补偿后的序列Rx′(n)进行快速傅里叶变换(FFT)。

设接收序列在经过IFFT后的序列为Rx[k]，长度为2048点。将Rx[k]和本地PSS频域样本逐位相除，得到信道信息H[k]：

$H\left[k\right]=\frac{\mathrm{Rx}\left[k\right]}{\mathrm{zc}\left[k\right]}k=\mathrm{0,1},...2047---\left(7\right)$

步骤104：检测SSS。

在正确接收PSS后，需要检测SSS信息。如图2所示，对于FDD帧结构，PSS和SSS所在的OFDM符号紧邻，因此在得知PSS定时后可利用计算的方式获得SSS。LTE支持168种不同小区ID组，通过发送168种不同的SSS信号来区分不同的小区ID组，接收端通过检测发送的是168种SSS中的哪一个来获得小区ID组信息。在检测SSS时，可利用PSS获得的信道信息进行相干检测。

从步骤101得到的定时点n_index先前推N+CP开始的2048点即为SSS所在的OFDM符号，其中CP为CP长度，这里假设CP长度已知。

利用得到的信道信息对这2048点进行相干解调，得到SSS频域长度为2048点的序列，并提取中心62点SSS序列。

本地的SSS序列是由两个二进制序列级联而成，表示为d(0)，...，d(61)，是通过下式生成：

      (8)

其中c₀(n)、c₁(n)、

均为扰码序列，该扰码是由小区ID号决定的。生成公式如下：

$c_0\left(n\right)=\tilde{c}\left((n+N_{\mathrm{ID}}^{\left(2\right)})\mathrm{mod}31\right)$

$c_1\left(n\right)=\tilde{c}\left((n+N_{\mathrm{ID}}^{\left(2\right)}+3)\mathrm{mod}31\right)$

          (9)

$z_1^{\left(m_0\right)}\left(n\right)=\tilde{z}\left((n+\left(m_0\mathrm{mod}8\right))\mathrm{mod}31\right)$

$z_1^{\left(m_1\right)}\left(n\right)=\tilde{z}\left((n+\left(m_1\mathrm{mod}8\right))\mathrm{mod}31\right)$

m₀和m₁是由物理层小区ID组

按照下式得到：

m₀＝m′mod31

LTE规定了168种小区ID组

通过SSS的不同来区分不同的小区ID组，而且由于一帧内两次发送SSS的内容不同，因此本地需要有2*168＝336个SSS样本。在从接收序列提取出SSS后和本地336个样本分别作相关，取最大值，得到小区ID组号，并获得帧定时位置。

下面结合图3，对本发明有益效果进行分析。

本发明的计算机仿真参数如下表所示：

从图3可以看出，传统的方法在大多普勒环境下，几乎是不可能找到准确的定时点的，而所提出的方法在信噪比大于6dB时，错误概率已经降到10^-3以下，而这一信噪比条件在高速铁路这一特定场景下是可以满足的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种LTE在高速移动条件下初始小区搜索方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取接收序列r(n)中主同步信号位置，及小区ID号；

步骤2：进行频偏估计并补偿，将主同步信号数据解调至频域；

步骤3：利用主同步信号数据信息进行信道估计；

步骤4：根据小区ID号，主同步信号信道估计结果，对辅同步信号进行相干解调，获得小区ID组号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：

步骤1-1：本地产生三个主同步信号频域序列样本zc_i[k]，其中，i＝0，1，2，k＝0...2047；

步骤1-2：将本地三个主同步信号频域样本zc_i(n)分别通过快速傅里叶逆变换，产生三个主同步信号时域样本s_i(n)，其中，i＝0，1，2，n＝0...2047；

步骤1-3：接收序列r(n)经过窄带滤波器后和所述本地三个主同步信号时域样本s_i(n)分别做模值相关，得到最大相关值，获得定时同步，并确定小区ID号。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1-3中所述接收序列r(n)经过所述窄带滤波器后，通过长度为2048的相关窗，而后取其模值，所述本地三个主同步信号时域样本s_i(n)也分别取模，和接收序列逐位相减并取平方和，将得到的相关值除以相关窗功率|r(n)|²，最终得到归一化模值相关值；

在得到三个相关集之后，取其最小值点

得到时间定时点，比较三个最小相关值，得到小区ID号。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2具体包括：将所述接收序列r(n)在n_index之后的2048点提取出来，将其和经步骤1选定的本地主同步信号时域样本做逐点相关，得到新序列，将所述新序列前1024点和后1024点做相关得到频偏估计结果。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：设所述接收序列r(n)在经过IFFT后的序列和经步骤1选定的本地主同步信号频域样本逐位相除，得到信道信息。

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