CN104618289B - 用于主同步信号检测的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种主同步信号检测方法，该方法对接收的数据下采样和补位处理，并将补位后的数据分段变换到频域，与三个本地主同步序列在频域上进行相关；基于频域上最大相关值对应的本地主同步序列作为所检测到的主同步信号。该方法将复杂的卷积运算转化为点乘运算，大幅降低了运算量和计算复杂度，而且可以复用现有设备的傅里叶变换模块，降低了硬件设计的复杂度，更有利于硬件实现。

Description

用于主同步信号检测的方法及装置

技术领域

本发明属于无线通信领域，尤其涉及检测同步信号的方法。

背景技术

在LTE系统中，下行同步信号分为主同步信号和辅同步信号，这样能保证终端迅速且准确的检测出主同步信号，并在已知主同步信号的前提下检测辅同步信号，以便有效地加快小区搜索速度。现有的主同步信号检测的方法分为基于自相关同步算法及基于互相关同步算法两大类。基于自相关的同步算法是利用接收到的同步序列进行延时自相关处理，也就是说，基站会在时域上周期性的发送同步序列，接收端将接收到的多个周期内的同步序列在时域上进行自相关，其结果为时域上周期性的梯形峰，从而获得定时同步。该算法的优点在于接收端可以在未知同步序列的情况下进行主同步信号检测，比较灵活，但缺点在于需要发送端重复发送同步序列。基于互相关同步算法主要是利用接收到的信号与本地3个已知的主同步信号进行互相关运算，通过检测相关结果中的相关峰来确定小区内ID和定时同步信息。目前最常用的互相关算法为逐点滑动互相关。逐点滑动互相关是利用主同步信号良好的自相关和互相关性，将接收信号经过低通滤波和下采样后分别与本地预存的3个主同步序列逐点滑动相关，根据所得的相关峰功率值确定终端设备所在的小区组内ID和定时同步位置。

现有的主同步信号检测方法都是在时域上进行相关运算，计算复杂度高且运算量大，检测时间长且对资源要求多，不利于硬件实现。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明提供一种低复杂度的主同步信号检测方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种主同步信号检测方法，所述方法包括：

步骤1，按照子帧长度对接收的数据进行分段，并对数据分段进行下采样和补位，使每个数据分段的长度满足2的整数次幂；

步骤2，将补位后的数据分段变换到频域，与三个本地主同步序列在频域上做相关；

步骤3，基于频域上最大相关值对应的本地主同步序列获取主同步信号。

在上述方法中，所述步骤1可包括将前一数据分段的末尾数据补充到当前数据分段的开头，使得当前数据分段的长度满足2的整数次幂。

在上述方法中，所述步骤1还可包括对于收到的第一数据分段，在该数据分段的开头补充一个或多个0，使得该数据分段的长度满足2的整数次幂。

在上述方法中，所述步骤2中在频域上进行相关可包括：

将变换到频域的数据分段分别与三个频域同步序列做相关，得到三个相关值序列，所述三个频域同步序列与三个本地主同步序列相对应；

其中每个频域同步序列是通过将与其对应的本地主同步序列后面补充一个或多个0，使得其长度等于所述补位后数据分段的长度、将补位后的序列在时域上进行共轭反转，并将共轭反转后的序列变换到频域而得到的。

在上述方法中，所述步骤2中在频域上进行相关可包括：

将变换到频域的数据分段分别与三个频域同步序列做相关，得到三个相关值序列，所述三个频域同步序列与三个本地主同步序列相对应；

其中每个频域同步序列是通过将与其对应的本地主同步序列后面补充一个或多个0，使得其长度等于所述补位后数据分段的长度、将补位后的序列变换到频域，并对变换后的序列求共轭而得到的。

在上述方法中，所述步骤2中在频域上进行相关可包括：

将变换到频域的数据分段与一个长序列做相关，并在数据分段中截取与相关值的最大值对应的位置左右一定长度的序列；

将所截取的序列分别与三个频域同步序列做相关，得到三个相关值序列，所述三个频域同步序列与三个本地主同步序列相对应，且其长度与所截取的序列的长度相同；其中每个频域同步序列是通过将与其对应的本地主同步序列在时域上进行共轭反转，并将共轭反转后的序列变换到频域而得到的；

其中所述长序列是通过下列步骤得到的：

对于每个本地主同步序列，在其后面补充一个或多个0，使得其长度等于所述补位后数据分段的长度，将补位后的序列在时域上进行共轭反转，并将共轭反转后的序列变换到频域；

对三个变换到频域的序列中各位置对应元素求和得到所述长序列。

在上述方法中，所述步骤3可包括：

比较所得到的每个相关值序列中的峰值，选出最大峰值；

将最大峰值与设定的阈值进行比较；

如果大于设定的阈值，则选择与最大峰值所在的相关值序列对应的频域同步序列，并将所选的频域同步序列对应的本地主同步序列作为所检测到的主同步信号。

又一方面，本发明提供了一种主同步信号检测装置，所述装置包括：

补位模块，用于按照子帧长度对接收的数据进行分段，并对数据分段进行下采样和补位，使每个数据分段的长度满足2的整数次幂；

相关模块，用于将补位后的数据分段变换到频域，与三个本地主同步序列在频域上做相关；

信号提取模块，用于基于频域上最大相关值对应的本地主同步序列获取主同步信号。

在上述装置中，所述补位模块可用于将前一数据分段的末尾数据补充到当前数据分段的开头，使得当前数据分段的长度满足2的整数次幂。

在上述装置中，所述补位模块还可用于对于收到的第一数据分段，在该数据分段的开头补充一个或多个0，使得该数据分段的长度满足2的整数次幂。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

将接收到的信号与本地预存的同步序列在频域上做相关，从而将时域相关运算中大量复杂的卷积运算转化为点乘运算，大幅降低了运算量和计算复杂度，而且可以复用现有设备的傅里叶变换模块，降低了硬件设计的复杂度，更有利于硬件实现。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1a为示出了FDD-LTE系统的同步信号的映射示意图；

图1b为示出了TDD-LTE系统的同步信号的映射示意图；

图2为根据本发明实施例的主同步信号检测方法的流程示意图；

图3为根据本发明一个实施例的对采样后数据进行补位处理的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为使本技术领域的人员更好的理解本发明的技术方案，首先对LTE(Long TermEvolution,长期演进)系统的同步信号进行简单介绍。

图1a示出了FDD-LTE(Frequency Division Duplex-Long Term Evolution，频分双工长期演进)系统的同步信号的映射示意图。图1b示出了TDD-LTE(Time DivisionDuplex-Long Term Evolution,频分双工长期演进)系统的同步信号映射示意图。如图1a和1b所示，LTE中设计了主同步信道(P-SCH)和辅同步信道(S-SCH)。无论系统的带宽为多少，主同步信道和辅同步信道都位于频率中心的1.08M的带宽上，共72个子载波的位置。实际上，同步信道只使用了频率中心(DC)周围的62个子载波，两边各留5个子载波用作保护波段。在FDD-LTE的帧格式中，主同步信号位于时隙0和时隙10的最后一个OFDM符号上。辅同步信号位于主同步信号的前面一个OFDM符号上。在TDD-LTE的帧格式中，主同步信号位于子帧1和子帧6的第三个OFDM符号上。辅同步信号位于子帧0和子帧5的最后一个OFDM符号上(也就是时隙1和时隙11)。利用主、辅同步信号相对位置的不同，终端设备可以在小区搜索的初始阶段识别系统是TDD还是FDD。

在3GPP协议中定义了3个主同步信号(primary synchronization signal，PSS)，每个PSS信号与物理层小区标识组内的一个物理层小区标识相对应。主同步信号采用Zadoff-Chu序列(可简称为ZC序列)，其表达式为：

其中u表示ZC序列的根序列号，根据3个不同的根序列号u，就可得到3个不同的主同步序列(也就是下文中提到的三个本地同步序列)。主同步信号长度为62，连同两边各5个保护子载波，其占用系统中以直流为中心的1.08MHz(72个子载波)的位置。其中小区在物理组内的标识与根序列号u的对应关系如表1所示。

表1

小区组内标识	根序列号u
		0	25
1	29
		2	34

终端设备在捕获了系统的PSS后，就可以获知：(1)小区中心频点的频率；(2)小区在物理组内的标识(在0，1，2中间取值)；(3)子帧的同步信息。在获得了PSS之后就可以检测辅同步信号(secondary synchronization signal，SSS)了。SSS共有168种不同的组合，对应168个不同的物理小区组的标识(在0到167之间取值)。

在数学上，两个时域复信号x(n)和y(n)的线性相关R_xy(m)为：

其中“.”为乘号，“*”表示共轭。该相关运算实际上表示两数字序列的对应项相乘再相加的运算。式中n表示序列长度，m表示位移量，m>0表示序列右移，m<0表示左移，不同的m得到不同的R_xy(m)值，R_xy(m)值大于0表示有同相成份存在，小于0表示有反相成分存在，等于0表示两序列正交或者相互独立。

在现有的同步信号检测方法中，将接收到的时域信号x(n)和本地序列y(n)的线性相关运算转化为卷积运算，即其中“*”表示共轭，符号表示卷积运算，y*(-n)表示本地序列y(n)共轭后在时域上的反转。R_xy(n)实际上是相关值的序列。三个本地序列与接收到的信号进行运算会得到三个相关值序列，提取每个相关值序列中的峰值并进行比较，如果最大的峰值大于设定的阈值或者最大的峰值与其他两个峰值的最小差异大于一定的阈值，则该最大峰值所存在的相关值序列对应的本地同步序列y(n)就是所检测到的主同步信号，从中可以提取该主同步信号对应小区组内标识(参见表1)。但在该检测方法中采用的卷积运算的复杂度较高，对于长序列来说需要大量的乘法运算和累加，这些因素增加了硬件实现的难度。

发明人在研究中发现ZC序列具有很好的恒幅零自相关特性，且时域和频域都有良好的对称性，接收到的信号x(n)和本地序列y(n)的在时域上的相关值序列的特性与在频域上得到的相关值序列的特性是保持一致的，并且由卷积的性质得，R_xy(n)＝IFFT(FFT(x(n))·FFT(y*(-n)))，其中FFT表示快速傅里叶变换(Fast Furious Transform)运算，可将信号从时域转换到频域；FFT(x(n))表示对接收到的时域信号x(n)(即时域上的离散数据点序列)通过快速傅里叶变换转换为频域上的信号；FFT(y*(-n))表示对本地同步序列y(n)在时域上进行反转并取共轭后，通过快速傅里叶变换将其转换为频域上的信号，IFFT表示快速傅里叶反变换(Inverse Fast FuriousTransform)运算，可将信号从频域转换到时域。对于三个本地同步序列，分别将FFT(x(n))与FFT(y*(-n))进行点乘(即两个序列中各个对应位置的数据相乘)会得到三个频域上的相关值序列，与现有的检测方法类似，基于最大峰值的相关值序列对应的本地同步序列y(n)来获取主同步信号。例如，如果最大的峰值大于设定的阈值或者最大的峰值与其他两个峰值的最小差异大于一定的阈值，则该最大峰值所存在的相关值序列对应的本地同步序列y(n)就是所检测到的主同步信号，从中可以提取该主同步信号对应小区组内标识。这样，就将复杂的卷积运算转化为了点乘，从而大幅降低运算量。

图2给出了根据本发明一个实施例的主同步信号检测方法的流程示意图。如图2所示，在步骤201，对接收到的数据进行分段和下采样。根据LTE协议，通常都是按照规定的子帧长度来划分接收到的数据并进行采样的，在系统带宽为20MHz的环境下，每个子帧的采样点数为30720。若下采样倍数为4、8或16，则每帧中的数据经过下采样后的采样点分别为7680,3840和1920。考虑到下采样滤波器设计的复杂度及后续所使用的快速傅里叶变换(Fast Furious Transform，FFT)模块运算量问题，16倍下采样为最佳选择。后续步骤将以16倍下采样情况为例对本发明进行阐述，但应理解，这里仅是举例说明，并不是对下采样的倍数进行任何限制，其他下采样倍数同样适用于本发明的实施例。

步骤202，对下采样后的数据分段做补位处理，使其长度符合2的指数次幂。这样做有利于重复利用现有终端设备的快速傅里叶变换模块，因为现有终端设备的FFT模块的输入数据长度通常为2ⁿ。图3给出了根据本发明一个实施例的对采样后数据进行补位处理的过程示意。仍以下采样倍数为16的情况为例，采样后每个子帧的长度为1920，补位后的数据长度最小为2048。如图3所示，在采样后的每帧数据开头补上前一帧数据的后128位数据。如果该帧为接收到的第一帧数据，则在此帧开头补128个0。这里虽然对每帧数据进行了补位处理，但由于所补的数据位前一帧数据的末尾数据，该所补的数据中必然不包含主同步信号，因此不会影响主同步信号的检测过程。

步骤203，将补位后的数据分段变换到频域，得到频域上的数据序列。仍以下采样倍数为16的情况为例，接收和下采样后得到的数据都是时域数据，通过快速傅里叶变换(FFT)将补好位的数据分段变换成长度为2048的频域序列。由于现有的移动终端设备基本上都配备有FFT运算模块，因此，完全可以重复利用现有的硬件资源来完成该操作，不必在设计或添加新的硬件运算器，这在一定程度上降低了硬件设计复杂度及运算复杂度。

步骤204，对每个本地同步序列进行补位，使其长度与经补位处理后的下采样数据的长度一致；并将补位后的本地同步序列通过FFT变换到频域，并在频域求其共轭，从而得到频域上的同步序列。或者也可以将补位后的本地同步序列在时域上进行共轭反转，将共轭反转后的序列变换到频域，就可以得到频域上的同步序列。

如上文所介绍的，LTE系统中采用的本地同步序列长度为62，例如上文补位后的下采样数据为2028位，则可在每个本地同步序列后补上1986(即2048-62)个0。

在优选的实施例中，步骤204是可选的，不必每次进行主同步信号检测都需要执行的步骤。为了进一步减少运算量，可以提前对LTE系统的每个本地同步序列执行步骤204，然后直接将所得到的频域上的同步序列预存在终端设备上。这样，每次将接收到数据变换到频域时，直接将其与本地预存的频域上的同步序列进行相关就可以了，从而节省了每次对本地同步序列进行的运算操作。

步骤205，将经步骤203变换到频域的数据序列与经步骤204得到的每个频域上的同步序列进行相关。如上文介绍的，在频域上做相关实际上就是两个频域数据序列中各个对应位置上的数据元素进行点乘，即FFT(x(n))·FFT(y*(-n))，这里的n实际上就是补位后的子帧数据长度，以下采样倍数为16的情况为例，n为2048。这样就将复杂的卷积运算转化为了点乘，从而大幅降低运算量。

在一个实施例中，提前将利用步骤204的方式变换后的频域同步序列保存在终端设备本地，其长度与经步骤202补位后数据分段的长度相同。将经步骤203得到的频域数据序列分别与这三个预存的同步序列做相关，会得到三个频域上的相关值序列，对各相关值序列进行取模或模平方运算后，检测出每个相关值序列的峰值并保存峰值位置。

在又一个实施例中，在终端设备本地预存一个长序列和3个短序列，其中长序列由LTE系统的三种本地同步序列经步骤204处理后得到的三个频域同步序列相加而得，三个短序列为本地同步序列y(n)在时域上反转共轭后变换到频域上的同步序列。首先将长序列与经步骤203得到的频域数据序列做相关，若出现相关峰，则截取相关峰及其周围一定长度序列分别与本地预存的三个短序列分别做相关，得到三个频域上的相关值序列，检测各个序列中是否出现峰值，若得到峰值则保存峰值位置。这样可进一步减少运算量。

步骤206，基于频域上最大相关值对应的本地主同步序列来获取主同步信号。例如，如上文介绍的，可以从所获取3个相关值序列的峰值中取最大值，将该最大值与设定的阈值做比较，若大于该阈值，则将该最大值所在的相关值序列对应的主同步序列作为实际采用的主同步信号，提取与该主同步信号对应的小区组内标识，并将对应的相关值序列中峰值位置作为主同步信号位置。如果小于该阈值，则返回步骤202，继续处理下一个数据分段，直到检测到主同步信号位置。

在本发明的又一个实施例中，还提供了一种主同步信号检测装置，该装置包括用于如上文所介绍的按照子帧长度对接收的数据进行分段，并对数据分段进行下采样和补位，使每个数据分段的长度满足2的整数次幂的模块；用于根据上文描述的方法将补位后的数据分段变换到频域，与三个本地主同步序列在频域上做相关的模块；以及用于如上文所讨论的基于频域上最大相关值对应的本地主同步序列获取主同步信号的模块。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所做出的各种改变以及变化。

Claims (8)

1.一种主同步信号检测方法，所述方法包括：

步骤1，按照子帧长度对接收的数据进行分段，并对数据分段进行下采样和补位，使每个数据分段的长度满足2的整数次幂；

步骤2，将补位后的数据分段变换到频域，与三个本地主同步序列在频域上做相关；

步骤3，基于频域上最大相关值对应的本地主同步序列获取主同步信号；

其中所述步骤2在频域上进行相关包括：

将变换到频域的数据分段与一个长序列做相关，并在数据分段中截取与相关值的最大值对应的位置左右一定长度的序列；

将所截取的序列分别与三个频域同步序列做相关，得到三个相关值序列，所述三个频域同步序列与三个本地主同步序列相对应，且其长度与所截取的序列的长度相同；其中每个频域同步序列是通过将与其对应的本地主同步序列在时域上进行共轭反转，并将共轭反转后的序列变换到频域而得到的；

其中所述长序列是通过下列步骤得到的：

对于每个本地主同步序列，在其后面补充一个或多个0，使得其长度等于所述补位后数据分段的长度，将补位后的序列在时域上进行共轭反转，并将共轭反转后的序列变换到频域；

对三个变换到频域的序列中各位置对应元素求和得到所述长序列。

2.根据权利要求1所述的方法，所述步骤1包括将前一数据分段的末尾数据补充到当前数据分段的开头，使得当前数据分段的长度满足2的整数次幂。

3.根据权利要求2所述的方法，所述步骤1还包括对于收到的第一数据分段，在该数据分段的开头补充一个或多个0，使得该数据分段的长度满足2的整数次幂。

4.根据权利要求1所述的方法，所述步骤3包括：

比较所得到的每个相关值序列中的峰值，选出最大峰值；

将最大峰值与设定的阈值进行比较；

如果大于设定的阈值，则选择与最大峰值所在的相关值序列对应的频域同步序列，并将所选的频域同步序列对应的本地主同步序列作为所检测到的主同步信号。

5.一种主同步信号检测装置，所述装置包括：

补位模块，用于按照子帧长度对接收的数据进行分段，并对数据分段进行下采样和补位，使每个数据分段的长度满足2的整数次幂；

相关模块，用于将补位后的数据分段变换到频域，与三个本地主同步序列在频域上做相关；

信号提取模块，用于基于频域上最大相关值对应的本地主同步序列获取主同步信号；

其中所述在频域上进行相关包括：

将变换到频域的数据分段与一个长序列做相关，并在数据分段中截取与相关值的最大值对应的位置左右一定长度的序列；

将所截取的序列分别与三个频域同步序列做相关，得到三个相关值序列，所述三个频域同步序列与三个本地主同步序列相对应，且其长度与所截取的序列的长度相同；其中每个频域同步序列是通过将与其对应的本地主同步序列在时域上进行共轭反转，并将共轭反转后的序列变换到频域而得到的；

其中所述长序列是通过下列步骤得到的：

对于每个本地主同步序列，在其后面补充一个或多个0，使得其长度等于所述补位后数据分段的长度，将补位后的序列在时域上进行共轭反转，并将共轭反转后的序列变换到频域；

对三个变换到频域的序列中各位置对应元素求和得到所述长序列。

6.根据权利要求5所述的装置，所述补位模块将前一数据分段的末尾数据补充到当前数据分段的开头，使得当前数据分段的长度满足2的整数次幂。

7.根据权利要求6所述的装置，所述补位模块还用于对于收到的第一数据分段，在该数据分段的开头补充一个或多个0，使得该数据分段的长度满足2的整数次幂。

8.根据权利要求5所述的装置，所述信号提取模块被配置为：

比较所得到的每个相关值序列中的峰值，选出最大峰值；

将最大峰值与设定的阈值进行比较；

如果大于设定的阈值，则选择与最大峰值所在的相关值序列对应的频域同步序列，并将所选的频域同步序列对应的本地主同步序列作为所检测到的主同步信号。