CN102761957B - 一种实现td-lte数字中继技术初始同步的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种实现TD-LTE数字中继技术初始同步的方法，涉及适用于无线通信网络的业务或设施，步骤是：对经A/D采样的数据做低通滤波，做PSS滑动相关检测，得到小区组内小区ID和PSS位置；对PSS信号所在的OFDM符号的位置，检测CP类型；根据PSS位置和CP类型找到SSS信号位置，并做SSS信号相关检测，完成前后半帧检测和小区ID搜索；找到PBCH信道位置，并解该信道，得到系统带宽，返回控制A/D采样，完成初始同步。该方法解决了中继在不知道下行带宽的前提下，选取合适的采样频率实现初始同步，完成了符号粗定时同步，确定了CP类型，找到PBCH位置，解PBCH得到系统带宽、系统帧号和基站天线配置。

Description

一种实现TD-LTE数字中继技术初始同步的方法

技术领域

本发明的技术方案涉及适用于无线通信网络的业务或设施，具体地说是一种实现TD-LTE数字中继技术初始同步的方法。

背景技术

随着移动互联网业务和宽带业务的兴起与发展，第三代合作伙伴计划（3GPP）设计了通用移动通信系统的长期演进（Long Term Evolution，LTE）标准。LTE将在未来成为主流的宽带移动通信技术。LTE中继传输技术的引入是为了满足下一代移动通信系统的高速率传输和无所不在的无线信号覆盖的要求。

同步技术是LTE系统的关键技术，同步性能的优劣直接影响整个系统的性能。可以说，精确的同步是通信系统信息可靠传输的前提。LTE中继的同步包括符号同步、帧同步、载波同步、采样时钟同步。LTE帧结构中规定了两种同步信号，即主同步信号（PSS）、辅同步信号（SSS），因此在做同步时可以充分利用这些同步信号实现同步，并完成小区搜索。

相关的现有技术有：盛渊等在其《LTE系统中小区搜索算法研究》（参见《通信技术》2009年第03期，第42卷）一文中，设计了完整的LTE系统小区初始搜索算法，该方法的仿真条件是在传输带宽为20MHz，IFFT点数为2048点，而实际中继在使用中并不知道传输带宽和IFFT点数是多少，因此需要考虑实际的传输带宽；李小文等在《TD-LTE系统小区初搜及算法研究》（参见《计算机应用研究》第28卷第10期2011年10月）一文中，设计了详细的LTE系统小区搜索流程，包括定时同步、频率同步、扇区ID和小区组ID检测等，其中针对频率同步提出了一种基于主同步信号(PSS)的最大似然算法，为用户终端（UE）提供了精确的小数倍频偏估计。但是该方法也是在确定带宽和IFFT点数的情况下才可以完成的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种实现TD-LTE数字中继技术初始同步的方法，该方法解决了中继在接收信号进行初始同步阶段，在不知道下行带宽的前提下，选取合适的采样频率实现初始同步，完成了符号粗定时同步，确定了CP类型，并找到PBCH位置，并解PBCH得到系统带宽、系统帧号和基站天线配置。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种实现TD-LTE数字中继技术初始同步的方法，其步骤是：第一步，TD-LTE数字中继对接收的信号进行A/D采样，并通过低通滤波，由此得到的信号与本地生产的三组PSS信号进行滑动互相关运算，检测最大相关值所在的位置确定PSS信号类型、小区组中小区ID及PSS信号所在的OFDM符号的位置；

第二步，根据第一步得到的PSS信号所在的OFDM符号的位置，检测CP类型；

第三步，根据第一步得到的PSS信号所确定的OFDM符号位置和第二步得到的CP类型，确定SSS信号的位置，以该位置开始的128个数据信号与本地生成的168组SSS信号做时域互相关运算，得到168个相关集，得出SSS信号类型，其中最大的那个SSS信号即为TD-LTE的SSS信号，同时得到小区组内小区ID；

第四步，通过第三步所确定的SSS信号的位置是前半帧还是后半帧，找到第一步的低通滤波信号中PBCH信道的位置，并解该信道，求得系统带宽，确定A/D采样率，返回第一步的控制A/D采样频率，以此实现TD-LTE数字中继技术初始同步。

上述一种实现TD-LTE数字中继技术初始同步的方法，所述TD-LTE数字中继对接收的信号进行A/D采样，是TD-LTE中继器在A/D转换时以1.92MHz的采样频率进行采样，所述低通滤波的截止频率为0.54MHz，所述由此得到的信号与本地生产的三组PSS信号进行滑动互相关运算步骤是：先对中继本地生成的表示小区组内小区ID的三个PSS信号做128点IFFT，再对得到的低通滤波信号和得到的表示小区组内小区ID的三个PSS信号分别做128点滑动互相关运算，得到的三组相关集，最后对得到的三组相关集求取摸值，三组相关集中最大的位置即为PSS信号所在的OFDM符号位置，和其做相关运算的PSS信号即为小区组内小区ID。

上述一种实现TD-LTE数字中继技术初始同步的方法，所述检测CP类型，其过程是用PSS信号所在的OFDM符号的位置的前32个点与PSS信号所在的OFDM符号的位置的后隔96个点后的32个点做相同位数的检测，如果检测结果大于门限值，则CP类型为扩展CP，如果检测结果小于门限值，则CP类型为为常规CP；

上述一种实现TD-LTE数字中继技术初始同步的方法，所述确定SSS信号的位置，是根据PSS信号所在的OFDM符号的位置，往前推412个点的位置即为SSS信号的位置。

本发明的有益效果是：

本发明种实现TD-LTE数字中继技术初始同步的方法的原理是，本发明方法是基于LTE系统，应用于中继技术的一项发明，为方便理解，先对一些涉及到的LTE技术做简要介绍如下：

（1）LTE系统同时定义了频分双工（英文缩写为FDD）和时分双工（英文缩写为TDD）两种方式。本发明是基于TDD的LTE中继技术的同步技术。

（2）LTE通过设置不同的子载波数目实现了从1.4MHz到20MHz的不同系统带宽，表1列出了LTE的主要射频指标和上下行主要参数。常规CP时，一个时隙有7个OFDM符号，第一个OFDM符号的CP和后6个OFDM符号的CP不同；扩展CP时，一个时隙包括6个OFDM符号。可以看出LTE中继在接收基站信号时并不知道基站的发送带宽，因此抽样频率就是未知的。

表1.LTE的主要射频指标和上下行主要参数

（3）LTE物理层的同步信号包括主同步信号PSS和辅同步信号SSS，每个同步信号的时间长度为1个OFDM符号，每5ms传输一次，在频域上占用下行频带中心1.08MHz的带宽。

PSS/SSS信号使用的序列与物理层小区ID相关，可用于终端对小区的识别。PSS/SSS信号频域结构如图2。LTE物理层支持504个小区ID，分为168个组(0～167)，每个组包含3个小区ID(0～2)。即

$N_{\mathrm{ID}}^{\mathrm{cell}}={3N}_{\mathrm{ID}}^{\left(1\right)}+N_{\mathrm{ID}}^{\left(2\right)}$

式中为物理层小区ID，为小区组ID，为小区组中的小区ID。

与此小对应，主同步信号PSS序列包含3中可能，指示小区的组内ID；辅同步信号SSS序列包含168种可能性，指示小区的组ID。

在Type2TDD帧结构中，PSS信号位于第1子帧和第6子帧，SSS信号位于第0子帧和第5子帧，且PSS/SSS之间有两个OFDM符号的间隔。PSS/SSS信号的位置关系如图4。

本地生成主同步信号序列PSS是由频域长度为62的复数序列，根据根指数u的不同，有三种不同的取值，用于指示物理层小区组内的小区ID。主同步信号序列是由频域Zadoff-Chu序列生成的，即

$d_u\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{e}^{-\mathrm{j\πun}(n+1)}& n=\mathrm{0,1},L,30\\ e^{-\mathrm{j\πu}(n+1)(n+2)}& n=\mathrm{31,32},L61\end{array}\right.$

式中序列的根指数u的对应值如下表。

设本地产生频域主同步信号为s_u(k)，经过补零后IFFT变换得到时域主同步信号s_u(n)，即

u＝25,29,34,n＝0,1,L,L-1

其中N=128。

设接收信号为r(n)与s_u(n)三个信号做滑动相关运算，得到三个相关集为

$P_u\left(n\right)={\left|{\mathrm{\Σ}}_{m=0}^{L}r(n+m)s_u^{*}\left(n\right)\right|}^2,u=\mathrm{25,29,34}$

由最大相关值所在的相关集的PSS即可确定UE所在的ID，最大值所在的位置即为粗定时同步位置，即粗定时同步的位置为

n_coarse＝argmax_n{P_u(n),u＝25,29,34}

本地生成168组SSS信号在子帧0和子帧5的表达式为:

式中m₀和m₁是与物理层小区组ID有关的两个序列；和是m序列的两个不同循环移位，c₀(n)和c₁(n)是m序列的两个不同循环移位，与主同步信号有关的加扰序列；和是m序列的两个不同循环移位。

设接收信号为r(n)，由于在主同步信号检测中已知CP长度(分别对接收信号去长CP和短CP后与主同步信号进行相关运算得出CP长度)以及符号起始位置，为了使检测更为精确，从r(n)中去除CP后提取SSS信号r_sss(n)。再与本地产生的SSS信号S_ij(n)作互相关运算得

c(i,j)＝|∑_nrSSS(n)S_ij(n)|²

式中i为时隙号，i＝0,10；j与一一对应，j＝1,2,...,167。

根据c(i,j)的最大值确定(i,j)，即

(i,j)＝argmax{c(i,j)}

其中i可以确定前半帧或者后半帧，完成帧同步。

（4）PBCH用于广播小区基本的物理层配置信息，传输周期TTI=40ms,在每个10ms无线帧的第一个子帧上传输，占用第一个子帧的第二个时隙连续的4个OFDM符号，在频域上占用下行频带中心1.08MHz,即72个子载波。图3为PBCH信道频域结构。图5为PBCH信道在TD-LTE帧结构中的映射示意图。PBCH传输的信息：MIB总长度40比特，包含24个信息比特和16个CRC比特，其中信息比特包括3bit下行系统带宽指示，3bitPHICH资源指示，8bit系统帧号SFN以及预留的10bit。经过信道编码、速率匹配、加扰、层映射以及预编码后，最终得到常规CP是1920bit，扩展CP是1728bit。

（5）本发明方法的理论仿真是：

本发明方法使用MATLAB进行了仿真实验，所得结果参见图6和图7。该仿真中TD-LTE信号采用了符合TD-LTE标准的信号。分别仿真了PSS信号的检测和SSS信号的检测。图6可以看出三组本地生成PSS信号分别于LTE信号做了三组互相关结果，其中在第三组PSS信号中23000附近的一个相关结果明显高于其他点，故确定PSS信号为第三组PSS信号，即小区组内小区ID为2。图7为前半帧位置处产生的168组SSS信号与后半帧位置处产生的168组SSS信号分别于TD-LTE检测到的SSS信号位置的数据进行互相关的结果，可以看出SSS信号位于前半帧，小区组内小区ID为58。

与现有技术相比，本发明一种实现TD-LTE数字中继技术初始同步的方法的显著进步是，实现了符号粗同步、帧同步、小区组内小区ID检测、CP类型检测、A/D采样同步和系统带宽检测，对后续的载波同步和符号精同步都是一种有效的实现方法。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明一种实现TD-LTE数字中继技术初始同步的方法的流程示意框图。

图2为同步信号PSS/SSS频域结构。

图3为PBCH信道频域结构。

图4为PSS和SSS信号在TD-LTE帧结构中的位置关系。

图5为PBCH信道在TD-LTE帧结构中的映射示意图。

图6为本发明方法中三组PSS信号与LTE信号互相关结果相关集的仿真结果。

图7为本发明方法中SSS信号在子帧0位置和子帧5位置与168组本地生成SSS信号相关仿真结果。

具体实施方式

图1所示实施例表明，本发明一种实现TD-LTE数字中继技术初始同步的方法的流程是：对经A/D采样的数据做低通滤波，做PSS滑动相关检测，得到小区组内小区ID和PSS位置→对PSS信号所在的OFDM符号的位置，检测CP类型→根据PSS位置和CP类型找到SSS信号位置，并做SSS信号相关检测，完成前后半帧检测和小区ID搜索→找到PBCH信道位置，并解该信道，得到系统带宽，返回控制A/D采样，完成初始同步。

图2所示实施例表明，同步信号PSS/SSS频域结构是：PSS信号和SSS信号频域长度为62的复数序列，由中间的直流分量DC隔开，两边各31个子载波，中间位两边各有5个保护带，在6种的带宽配置下，都占用中心频带的1.08MHz带宽，其余带宽为下行数据。

图3所示实施例表明，PBCH信道频域结构是：对于各种不同的系统带宽，PBCH信道的传输带宽相同：占用中心频带的72个子载波1.08MHz带宽，由中间的直流分量DC隔开，两边各36个子载波，其余带宽为下行数据。

图4所示实施例表明，PSS和SSS信号在TD-LTE帧结构中的位置关系是：在Type2TDD帧结构中，此图PSS信号和SSS信号位于前半帧的位置示意图，图中分别列出了DL下行子帧0、特殊子子帧和DL下行子帧2，其中DwPTS、GP和UpPTS为特殊子帧的3个特殊时隙，图中PSS信号位于DL下行子帧1的时隙0第三个OFDM符号上，SSS信号位于子帧0时隙1第7个OFDM符号上，且PSS信号和SSS信号由两个OFDM符号的间隔。

图5所示实施例表明，PBCH信道在TD-LTE帧结构中的映射情况是：PBCH信息经过信道编码、速率匹配和加扰后，得到信道编码后常规CP下1920bit、扩展CP下1728bit，映射到40ms内间隔为10ms的4个子帧的物理资源上。每个子帧都是可以自解码的。同时表明了在第二个无线帧中，PBCH位于子帧0时隙1的前4个OFDM符号上。该图中给出了一个传输周期TTI=40ms,在每个10ms无线帧的第一个子帧上传输，最小单位为1ms的子帧。

图6表明本实施例中三组本地生成PSS信号与LTE信号互相关结果相关集的仿真结果是，该图中横坐标为LTE信号源的数据点，上、中和下三幅图中的纵坐标分别为为LTE信号与PSS0、LTE信号与PSS1和LTE信号与PSS2三组主同步信号互相关的相关值的大小；在图6中，上幅图表明了第一组PSS0信号与LTE信号互相关结果，该图显示本地生成小区组内小区ID为PSS0的信号与接收信号做滑动互相关运算的结果，该图没有明显的峰值，同理中幅图表明了第二组PSS1信号与LTE信号互相关结果，该图显示本地生成小区组内小区ID为PSS1的信号与接收信号做滑动互相关运算的结果，该图显示也没有出现峰值，下幅图表明了第三组PSS2信号与LTE信号互相关结果，该图中显示在23000附近的一个相关结果明显高于其他点，故确定PSS2信号为第三组PSS信号，即小区组内小区ID为2，同时峰值位置确定PSS信号所在的OFDM起始位置。

图7表明本实施例中SSS信号在子帧0位置和子帧5位置与168组本地生成SSS信号相关仿真结果是前半帧位置处产生的168组SSS信号与后半帧位置处产生的168组SSS信号分别于TD-LTE检测到的SSS信号位置的数据进行互相关的结果。该图中横坐标为168组SSS信号，上和下二幅图中的纵坐标分别为子帧0和子帧5位置的SSS信号与检测到的LTE中SSS信号做相关相关值的大小；图7中，上幅图为第一组SSS信号与接收信号中找到的SSS信号做互相关运算的结果，显示了本地生成的子帧0位置的SSS信号与接收信号中找到的SSS信号做互相关运算的结果，可以看出SSS信号位于前半帧，小区组内小区ID为58，下幅图为第二组SSS信号与接收信号中找到的SSS信号做互相关运算的结果，显示了子帧5位置生成的SSS信号做相关结果，该图中没有出现峰值，这说明了SSS信号不在第二组。SSS信号位置只能在子帧0和子帧5中选择其一。

实施例

按如下步骤方法实现TD-LTE数字中继技术初始同步：

第一步，TD-LTE数字中继在A/D转换时以1.92MHz的采样频率对接收的信号进行A/D采样，对采样后的信号做截止频率为0.54MHz的低通滤波，由此得到的信号与本地生产的三组PSS信号进行如下的滑动互相关运：先对中继本地生成的表示小区组内小区ID的三个PSS信号做128点IFFT，再对得到的低通滤波信号和得到的表示小区组内小区ID的三个PSS信号分别做128点滑动互相关运算，得到的三组相关集，最后对得到的三组相关集求取模值，三组相关集中最大的位置即为PSS信号所在的OFDM符号的位置，和其做相关运算的PSS信号即为小区组内小区ID。

第二步，用PSS信号所在的OFDM符号的位置的前32个点与PSS信号所在的OFDM符号的位置的后隔96个点后的32个点做相同位数的检测，如果检测结果大于门限值，则CP类型为扩展CP，如果检测结果小于门限值，则CP类型为为常规CP。

第三步，根据PSS信号所在的OFDM符号的位置，往前推412个点的位置即为SSS信号的位置。以该位置开始的128个数据信号与本地生成的168组SSS信号做时域互相关运算，得到168个相关集，得出SSS信号类型，其中最大的那个SSS信号即为TD-LTE的SSS信号，同时得到小区组内小区ID。

第四步，通过第三步所确定的SSS信号的位置是前半帧还是后半帧，找到第一步的低通滤波信号中PBCH信道的位置，并解该信道，求得系统带宽，确定A/D采样率，返回第一步的控制A/D采样频率，继续进行下一次的小区搜索和初始同步，以此实现TD-LTE数字中继技术初始同步。

本实施例使用MATLAB进行了仿真实验，所得结果参见图6和图7。该仿真实验中TD-LTE信号采用了符合TD-LTE标准的信号，分别仿真了PSS信号的检测和SSS信号的检测。图6可以看出三组本地生成PSS信号分别于LTE信号做了三组互相关结果，其中在第三组PSS信号中23000附近的一个相关结果明显高于其他点，故确定PSS信号所在的OFDM符号的位置为第三组PSS信号的位置，即小区组内小区ID为2。图7为前半帧位置处产生的168组SSS信号与后半帧位置处产生的168组SSS信号分别与TD-LTE检测到的SSS信号位置的数据进行时域互相关运算的结果，可以看出SSS信号位于前半帧，小区组ID为58。

Claims (3)

1.一种实现TD-LTE数字中继技术初始同步的方法，其特征在于步骤是： 

第一步，TD-LTE数字中继对接收的信号进行A/D采样，并通过低通滤波，由此得到的信号与本地生产的三组PSS信号进行滑动互相关运算，检测最大相关值所在的位置确定PSS信号类型、小区组中小区ID及PSS信号所在的OFDM符号的位置；所述TD-LTE数字中继对接收的信号进行A/D采样，是TD-LTE中继器在A/D转换时以1.92MHz的采样频率进行采样，所述低通滤波的截止频率为0.54MHz，所述由此得到的信号与本地生产的三组PSS信号进行滑动互相关运算步骤是：先对中继本地生成的表示小区组内小区ID的三个PSS信号做128点IFFT，再对得到的低通滤波信号和得到的表示小区组内小区ID的三个PSS信号分别做128点滑动互相关运算，得到的三组相关集，最后对得到的三组相关集求取摸值，三组相关集中最大的位置即为PSS信号所在的OFDM符号位置，和其做相关运算的PSS信号即为小区组内小区ID； 

第二步，根据第一步得到的PSS信号所在的OFDM符号的位置，检测CP类型； 

第三步，根据第一步得到的PSS信号所确定的OFDM符号位置和第二步得到的CP类型，确定SSS信号的位置，以该位置开始的128个数据信号与本地生成的168组SSS信号做时域互相关运算，得到168个相关集，得出SSS信号类型，其中最大的那个SSS信号即为TD-LTE的SSS信号，同时得到小区组内小区ID； 

第四步，通过第三步所确定的SSS信号的位置是前半帧还是后半帧，找到第一步的低通滤波信号中PBCH信道的位置，并解该信道，求得系统带宽，确定A/D采样率，返回第一步的控制A/D采样频率，以此实现TD-LTE数字中继技术初始同步。 

2.根据权利要求1所述一种实现TD-LTE数字中继技术初始同步的方法，其特征在于：所述检测CP类型，其过程是用PSS信号所在的OFDM符号的位置的前32个点与PSS信号所在的OFDM符号的位置的后隔96个点后的32个点做相同位数的检测，如果检测结果大于门限值，则CP类型为扩展CP，如果检测结果小于门限值，则CP类型为为常规CP。

3.根据权利要求1所述一种实现TD-LTE数字中继技术初始同步的方法，其特征在于：所述确定SSS信号的位置，是根据PSS信号所在的OFDM符号的位置，往前推412个点的位置即为SSS信号的位置。