CN103312654A - 一种全域覆盖多波束卫星lte的主同步序列检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全域覆盖多波束卫星LTE的主同步序列检测方法，包括如下步骤：将同一卫星的本地时域主同步序列相加；分别将每颗卫星相加获得的序列与时域接收序列滑动相关，判断相关峰值位置，获得时域接收主同步序列的起始位置以及服务小区所属卫星的信息；利用时域接收主同步序列和服务小区所属卫星相加获得的序列进行频偏估计；分别将服务小区所属卫星的本地时域主同步序列与经过频偏补偿的时域接收主同步序列进行相关运算，判断相关峰值，获得服务小区所配置的主同步序列。本发明为全域覆盖的同频组网多波束卫星LTE系统提供一种能够抵抗较大频偏且低计算复杂度的主同步序列高效检测方法。

Description

一种全域覆盖多波束卫星LTE的主同步序列检测方法

技术领域

本发明属于宽带无线通信技术领域，具体是一种全域覆盖多波束卫星LTE的主同步序列检测方法。

背景技术

卫星移动通信是实现在任何地点进行通信的必要手段之一。近年来，第四代（The Fourth Generation Mobile Communication Systems,4G）陆地蜂窝移动通信发展日趋成熟，以正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）、多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）和同频组网等作为关键技术的第三代合作伙伴计划长期演进技术（The3^rd GenerationPartnership Project Long Term Evolution,3GPP-LTE）已经陆续投入商用。将具有高速率、大容量、高频谱效率、高功率效率等特点的陆地LTE（Terrestrial LTE,T-LTE）应用到卫星移动通信中，建立同频组网的多波束卫星LTE（Satellite LTE,S-LTE）移动通信系统是当前卫星移动通信领域研究的热点和难点。

同频组网的多波束S-LTE移动通信系统在卫星上采用大型天线阵列产生多个波束，到达地面后形成多个小区。与T-LTE一样，相邻小区配置不同的主同步序列。然而，同频组网的多波束S-LTE存在着较T-LTE更为严重的波束间干扰（Inter-Beam Interference,IBI）,相邻小区的交叠范围更大。多波束S-LTE采用多颗卫星（可能是不同类型的卫星）共同组网，从而实现全域覆盖。为了降低采用相同主同步序列配置小区间的干扰，并且使得终端能够识别卫星，从而更好地实现小区搜索，不同的卫星配置不同的主同步序列，同一卫星的信号经过相同的衰落信道到达同一地面接收端，不同卫星的信号则经过不同的衰落信道到达同一地面接收端。

传统的主同步序列检测采用基于本地时域主同步序列的互相关检测算法，该算法存在以下不足：（1）该算法需要将所有的本地时域主同步序列分别与时域接收序列滑动相关，全域覆盖的多波束S-LTE所配置的主同步序列数量较大，因此，计算复杂度高；（2）该算法无法抵抗较大的频偏，虽然可以通过分块互相关的方法提高抗频偏能力，但这是以增加计算复杂度为代价的。

发明内容

发明目的：针对全域覆盖多波束S-LTE系统主同步序列的配置特点以及传统的基于本地时域主同步序列的互相关检测算法的不足，本发明提供了一种能够抵抗较大频偏且低计算复杂度的主同步序列高效检测方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种全域覆盖多波束卫星LTE的主同步序列检测方法，包括如下步骤：

（1）将同一卫星的本地时域主同步序列相加，每颗卫星均获得一条新的时域序列；

（2）分别将每颗卫星相加获得的序列与时域接收序列滑动相关，判断相关峰值位置，获得时域接收主同步序列的起始位置以及服务小区所属卫星的信息；

（3）利用时域接收主同步序列和服务小区所属卫星相加获得的序列进行频偏估计与补偿；

（4）分别将服务小区所属卫星的本地时域主同步序列与经过频偏补偿的时域接收主同步序列进行相关运算，判断相关峰值，获得服务小区所配置的主同步序列。

所述步骤（1）中主同步序列相加运算公式为：

${\tilde{s}}_p\left(n\right)=\underset{i=o}{\overset{N_u-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{p,u\left(i\right)}\left(n\right)$

其中，为第p颗卫星的本地时域主同步序列相加获得的序列，p＝0,1,...,P-1；s_p,u(i)(n)为第p颗卫星的根序号为u(i)的本地时域主同步序列，i＝0,1,...,N_u-1；n为主同步序列采样点序号，n＝0,1,...,N-1。

所述步骤（2）滑动相关的运算公式为：

$M_p\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}r(n+\mathrm{\θ}){\tilde{s}}_p^{*}\left(n\right)$

其中，M_p(θ)为相关运算的结果，θ为滑动窗的起始位置；r(n)为时域接收序列；

为第p颗卫星的本地时域主同步序列相加获得的序列，p＝0,1,...,P-1；(·)^*表示共轭。

所述步骤（2）主同步序列的起始位置以及服务小区所属卫星的信息的判断公式为：

$\{\widehat{\mathrm{\θ}},\hat{p}\}=\arg \underset{p,\mathrm{\θ}}{\max }\left\{{\left|M_p\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2\right\}$

其中，

和

分别为主同步序列的起始位置和服务小区所属卫星的估计值；

表示取使x为最大值的p,θ值。

所述步骤（3）利用时域接收主同步序列和服务小区所属卫星相加获得的序列进行频偏估计公式为：

$\widehat{\mathrm{\ϵ}}\frac{1}{\mathrm{\π}}\∠\left\{{\left[\underset{n=0}{\overset{\frac{N}{2}-1}{\mathrm{\Σ}}}r(n+\widehat{\mathrm{\θ}}){\tilde{s}}_{\hat{p}}^{*}\left(n\right)\right]}^{*}\right[\underset{n=\frac{N}{2}}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}r(n+\widehat{\mathrm{\θ}}){\tilde{s}}_{\hat{p}}^{*}\left(n\right)\left]\right\}$

其中，

为频偏估计值；∠{·}表示求相角；

为时域接收主同步序列；

为第

颗卫星的本地时域主同步序列相加获得的序列；(·)^*表示共轭。

所述步骤（3）频偏补偿公式为：

$\tilde{r}(n+\widehat{\mathrm{\θ}})=r(n+\widehat{\mathrm{\θ}})\exp (-j2\mathrm{\πn}\widehat{\mathrm{\ϵ}}/N)$

其中，

为频偏补偿后的时域接收主同步序列。

所述步骤（4）相关运算为：

$X=\left\{u\left(i\right)\right\}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\tilde{r}(n+\widehat{\mathrm{\θ}})s_{\hat{p},u\left(i\right)}^{*}\left(n\right)$

其中，X{u(i)}为服务小区所属卫星的根序号为u(i)的本地时域主同步序列与频偏补偿后的时域接收主同步序列相关运算的结果；为第

颗卫星的根序号为u(i)的本地时域主同步序列；(·)^*表示共轭。

所述步骤（4）服务小区所配置的主同步序列的判断公式为：

$\hat{u}=\arg \underset{u\left(i\right)}{\max }\left\{{\left|X\right\{u\left(i\right)\left\}\right|}^2\right\}$

其中

为服务小区所配置的主同步序列根序号的估计值；

表示取使x为最大值的u(i)值。

有益效果：第一，大幅度降低计算复杂度：将传统基于本地时域主同步序列的互相关检测算法所需要的N_u×P条本地时域主同步序列与时域接收序列滑动相关的巨大计算量降低至仅需要P条序列与时域接收序列滑动相关的计算量；第二，获得服务小区所属的卫星信息（多颗卫星共同组网）；第三，能够抵抗更大的载波频偏；第四，提高了主同步序列检测正确概率。

附图说明

图1是本发明所述的一种全域覆盖多波束S-LTE的主同步序列检测方法的示意图。

图2是具体实施例所采用的系统模型图。

图3是序列s_p,u(i)(n)以及

和

的频偏敏感度图。

图4是地面终端位于小区中心时，本发明所述的主同步序列检测方法与传统基于本地时域主同步序列的互相关检测方法的性能仿真对比图。

图5是地面终端位于小区边缘时，本发明所述的主同步序列检测方法与传统基于本地时域主同步序列的互相关检测方法的性能仿真对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明提供了一种全域覆盖多波束S-LTE的主同步序列检测方法，图1为该方法的示意图。下面以P＝2颗卫星并且每颗卫星配置N_u＝3条不同的本地时域主同步序列：分别为u＝{25,29,30}以及u＝{33,34,38}，对应的小区组内ID分别为

以及

且s_p,u(i)(n)的长度N＝64为例，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，图2为所述本例的系统模型图。

（1）将同一卫星的本地时域主同步序列相加，每颗卫星均获得一条新的时域序列：

${\tilde{s}}_1\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{N_u-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{1,u\left(i\right)}\left(n\right)=s_{1,u=25}\left(n\right)+s_{1,u=29}\left(n\right)+s_{1,u=30}\left(n\right)$     （公式1）

${\tilde{s}}_2\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{N_u-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{2,u\left(i\right)}\left(n\right)=s_{2,u=33}\left(n\right)+s_{2,u=34}\left(n\right)+s_{2,u=38}\left(n\right)$     （公式2）

图3给出了序列s_p,u(i)(n)以及

和

的频偏敏感度，序列s(n)的频偏敏感度FoS的计算公式为：

$\mathrm{FoS}\left\{s\right\}={10\log }_{10}\left(\frac{\underset{\underset{\tilde{n}\≠0}{1-N\≤d\≤N-1}}{\max }\left\{{\tilde{R}}_u\left(\tilde{n}\right)\right\}}{{\tilde{R}}_u\left(0\right)}\right)\left(\mathrm{dB}\right)$     （公式3）

其中， ${\tilde{R}}_u\left(\tilde{n}\right)=\left|\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}s\left(n\right)s^{*}\left((n+\tilde{n})\mathrm{mod}N\right)\exp \left(\frac{j2\mathrm{\πn\ϵ}}{N}\right)\right|;$ s为序列s(n)的向量形式；

为加入载波频偏后序列的时域自相关值；ε为归一化频偏。

（2）分别将每颗卫星相加获得的序列与时域接收序列滑动相关，判断峰值位置，获得主同步序列的起始位置以及服务小区所属卫星的信息：

$M_p\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}r(n+\mathrm{\θ}){\tilde{s}}_p^{*}\left(n\right),p=\mathrm{1,2}$     （公式4）

    （公式5）

（3）利用时域接收主同步序列和服务小区所属卫星相加获得的序列进行频偏估计与补偿：

$\widehat{\mathrm{\ϵ}}\frac{1}{\mathrm{\π}}\∠\left\{{\left[\underset{n=0}{\overset{\frac{N}{2}-1}{\mathrm{\Σ}}}r(n+\widehat{\mathrm{\θ}}){\tilde{s}}_{\hat{p}}^{*}\left(n\right)\right]}^{*}\right[\underset{n=\frac{N}{2}}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}r(n+\widehat{\mathrm{\θ}}){\tilde{s}}_{\hat{p}}^{*}\left(n\right)\left]\right\}$     （公式6）

$\tilde{r}(n+\widehat{\mathrm{\θ}})=r(n+\widehat{\mathrm{\θ}})\exp (-j2\mathrm{\πn}\widehat{\mathrm{\ϵ}}/N)$     （公式7）

（4）分别将服务小区所属卫星的本地时域主同步序列与经过频偏补偿的时域接收主同步序列进行相关运算，判断峰值，获得服务小区所配置的主同步序列：

$X=\left\{u\left(i\right)\right\}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\tilde{r}(n+\widehat{\mathrm{\θ}})s_{\hat{p},u\left(i\right)}^{*}\left(n\right)$     （公式8）

$\hat{u}=\arg \underset{u\left(i\right)}{\max }\left\{{\left|X\right\{u\left(i\right)\left\}\right|}^2\right\}$     （公式9）

图4和图5分别为终端位于小区中心和小区边缘处，本发明所述的主同步序列检测方法与传统基于本地时域主同步序列的互相关检测方法的性能仿真对比图。具体的仿真参数见表1至表3。仿真结果表明，本发明所述的主同步序列检测方法的性能优于传统基于本地时域主同步序列的互相关检测方法，特别在大频偏下，本发明所述的主同步序列检测方法的性能增益更大。

表1仿真参数

表2小区相对功率设置

表3有限冲激响应低通参数

序号	参数	取值
			1.	滤波器类型	平方根升余弦有限冲激响应低通滤波器
2.	滤波器阶数	512
			3.	采样频率	30.72MHz
4.	通带截至频率	0.465MHz
			5.	阻带起始频率	0.54MHz

Claims (8)

1.一种全域覆盖多波束卫星LTE的主同步序列检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将同一卫星的本地时域主同步序列相加，每颗卫星均获得一条新的时域序列；

（2）分别将每颗卫星相加获得的序列与时域接收序列滑动相关，判断相关峰值位置，获得时域接收主同步序列的起始位置以及服务小区所属卫星的信息；

（3）利用时域接收主同步序列和服务小区所属卫星相加获得的序列进行频偏估计与补偿；

（4）分别将服务小区所属卫星的本地时域主同步序列与经过频偏补偿的时域接收主同步序列进行相关运算，判断相关峰值，获得服务小区所配置的主同步序列。

2.根据权利要求1所述一种全域覆盖多波束卫星LTE的主同步序列检测方法，其特征在于：所述步骤（1）中主同步序列相加运算公式为：

${\tilde{s}}_p\left(n\right)=\underset{i=o}{\overset{N_u-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{p,u\left(i\right)}\left(n\right)$

其中，

为第p颗卫星的本地时域主同步序列相加获得的序列，p＝0,1,...,P-1；s_p,u(i)(n)为第p颗卫星的根序号为u(i)的本地时域主同步序列，i＝0,1,...,N_u-1；n为主同步序列采样点序号，n＝0,1,...,N-1。

3.根据权利要求2所述一种全域覆盖多波束卫星LTE的主同步序列检测方法，其特征在于：所述步骤（2）中滑动相关的运算公式为：

$M_p\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}r(n+\mathrm{\θ}){\tilde{s}}_p^{*}\left(n\right)$

其中，M_p(θ)为相关运算的结果，θ为滑动窗的起始位置；r(n+θ)为起始位置在θ的时域接收序列；

为第p颗卫星的本地时域主同步序列相加获得的序列，p＝0,1,...,P-1；(·)^*表示共轭。

4.根据权利要求3所述一种全域覆盖多波束卫星LTE的主同步序列检测方法，其特征在于：所述步骤（2）主同步序列的起始位置以及服务小区所属卫星的信息的判断公式为：

$\{\widehat{\mathrm{\θ}},\hat{p}\}=\arg \underset{p,\mathrm{\θ}}{\max }\left\{{\left|M_p\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2\right\}$

其中，

和

分别为主同步序列的起始位置和服务小区所属卫星的估计值；

表示取使x为最大值的p,θ值。

5.根据权利要求4所述一种全域覆盖多波束卫星LTE主同步序列检测方法，其特征在于：所述步骤（3）中利用时域接收主同步序列和服务小区所属卫星相加获得的序列进行频偏估计公式为：

$\widehat{\mathrm{\ϵ}}\frac{1}{\mathrm{\π}}\∠\left\{{\left[\underset{n=0}{\overset{\frac{N}{2}-1}{\mathrm{\Σ}}}r(n+\widehat{\mathrm{\θ}}){\tilde{s}}_{\hat{p}}^{*}\left(n\right)\right]}^{*}\right[\underset{n=\frac{N}{2}}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}r(n+\widehat{\mathrm{\θ}}){\tilde{s}}_{\hat{p}}^{*}\left(n\right)\left]\right\}$

其中，

为频偏估计值；∠{·}表示求相角；

为时域接收主同步序列；

为第

颗卫星的本地时域主同步序列相加获得的序列。

6.根据权利要求5所述一种全域覆盖多波束卫星LTE主同步序列检测方法，其特征在于：所述步骤（3）中频偏补偿公式为：

$\tilde{r}(n+\widehat{\mathrm{\θ}})=r(n+\widehat{\mathrm{\θ}})\exp (-j2\mathrm{\πn}\widehat{\mathrm{\ϵ}}/N)$

其中，

为频偏补偿后的时域接收主同步序列。

7.根据权利要求6所述一种全域覆盖多波束卫星LTE主同步序列检测方法，其特征在于：所述步骤（4）中相关运算为：

$X=\left\{u\left(i\right)\right\}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\tilde{r}(n+\widehat{\mathrm{\θ}})s_{\hat{p},u\left(i\right)}^{*}\left(n\right)$

其中，X{u(i)}为服务小区所属卫星的根序号为u(i)的本地时域主同步序列与频偏补偿后的时域接收主同步序列相关运算的结果；

为第

颗卫星的根序号为u(i)的本地时域主同步序列。

8.根据权利要求7所述一种全域覆盖多波束卫星LTE主同步序列检测方法，其特征在于：所述步骤（4）中服务小区所配置的主同步序列的判断公式为：

$\hat{u}=\arg \underset{u\left(i\right)}{\max }\left\{{\left|X\right\{u\left(i\right)\left\}\right|}^2\right\}$

其中

为服务小区所配置的主同步序列根序号的估计值；表示取使x为最大值的u(i)值。

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