CN104684071A - Lte上行定时同步跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LTE上行定时同步跟踪方法，主要解决现有技术在定时同步过程中计算量大且低信噪比下定时性能不高的问题。其实现步骤为：(1)终端根据系统带宽要求生成探测参考信号，并将探测参考信号隔行映射到数据信号中进行发送；(2)基站提取出接收数据信号的实部和虚部分别与已知探测参考信号的实部和虚部做互相关运算，再将实部相关运算结果与虚部相关运算结果相加；(3)利用峰值联合检测方法找到定时度量函数中最大峰值位置，即为探测参考信号的起始位置。本发明利用探测参考信号的实部虚部分别作互相关，并对相关结果采用峰值联合检测，在低信噪比环境下定时性能良好，计算量大幅减小，提高了传输系统的实时性。可用于移动通信。

Description

LTE上行定时同步跟踪方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，进一步涉及一种长期演进LTE上行定时同步跟踪方法，可用于移动通信。

背景技术

近年来，随着社会的进步和科技的发展，人们对移动通信的传输速率和服务质量要求越来越高。然而，现有的移动通信系统所能提供的带宽和服务质量逐渐不能为人们所满意，为此，第三代合作伙伴计划3Gpp于2004年底提出了长期演进LTE项目。在LTE系统中，上行方向主要采用单载波频分多址SC-FDMA技术，有效地降低了发射端的峰均功率比，减小终端的体积和成本。类似于正交频分多址OFDM，SC-FDMA对定时偏差非常敏感，定时偏差会使系统引入符号间干扰ISI和信道间干扰ICI。因此，上行定时同步至关重要。

一般来说，LTE上行的定时同步过程主要分为两个步骤：初始的上行同步和上行同步跟踪。通常，初始上行同步过程是利用随机接入信道PRACH完成的。在初始上行同步完成后，系统会不断地测量有用的上行信号，例如探测参考信号，以更新定时提前量，进行定时校准，即上行同步跟踪过程。

目前，上行同步跟踪过程都是基于相关运算来实现的。首先将接收信号与本地序列做互相关运算，得到一个相关矩阵，其峰值位置即为定时偏移点。然后将得到的定时位置通过信令下发给终端来调整数据的发送时间。中兴通讯股份有限公司申请的专利“LTE的时间提前调整方法及基站”(申请号：PCT/CN2011/082214，公布号：WO 2012/109929A1)公开了一种LTE的时间提前调整方法，即将当前最新的多个时偏瞬时值的平均值作为有效定时调整量，然后下发给终端，避免了由于时偏瞬时值受到噪声和干扰影响导致的定时不准引起上行失步，提高了低信噪比下的定时估计精度。该方法的不足在于，需要得到多个时偏瞬时值求平均，使得同步过程的计算量很大，复杂度高，忽视了移动通信的实时性要求。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术的不足，提出一种LTE上行定时同步跟踪方法，以在保证高精度的定时性能基础上，降低相关运算的计算量及复杂度，满足移动通信的实时性要求。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

(1)终端根据传输系统的带宽要求和基站确定的参数生成探测参考信号：其中参数的值由基站确定，n的取值范围是 表示探测参考信号的载波数；按照长期演进LTE上行传输协议将探测参考信号隔行映射到数据信号中进行发送；

(2)基站接收包含探测参考信号的数据信号，提取数据信号的实部和虚部，并分别与探测参考信号的实部和虚部做互相关运算，再将实部相关运算结果与虚部相关运算结果相加，得到具有三个峰值的定时度量函数Cor(d)，其中d为定时索引；

(3)使用峰值联合检测法依次将索引位置为d-N/2、d和d+N/2的定时度量函数值Cor(d-N/2)、Cor(d)和Cor(d+N/2)累加，得到峰值联合检测度量函数R(d)，其中N为探测参考信号的长度；

(4)对峰值联合检测度量函数R(d)的模取最大值，找到其对应的定时索引位置即为探测参考信号的起始位置，至此完成长期演进LTE上行定时同步跟踪。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

第一，本发明由于提取接收数据信号的实部和虚部分别与已知探测参考信号的实部和虚部做互相关运算，因此与直接用复数信号做相关运算相比极大地减少了运算量，降低了计算复杂度，提高传输系统实时性；同时减小了噪声对定时同步的影响，提高了该方法的抗噪性能。

第二，本发明充分利用了探测参考信号的前后重复的特性，利用接收信号与探测参考信号互相关运算之后得到的定时度量进行峰值联合估计，通过峰值联合估计度量函数检测出最佳定时位置，使得信号功率成平方增长，而噪声功率成线性增长，因此显著提高输出信噪功率比，大大提升了该方法在低信噪比下的定时同步性能。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为本发明定时度量Cor函数曲线；

图3为本发明与现有的基于重复结构序列的定时方法性能对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例及效果作进一步详细描述：

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1：生成探测参考信号并发送。

根据传输系统的带宽要求，查看协议中给定的不同带宽的探测信号的生成方式，选定探测参考信号的生成方式后生成探测参考信号。本发明只考虑单用户情况，生成如下探测参考信号：

$0\≤n\≤M_{\mathrm{sc}}^{\mathrm{RS}}-1$

其中的值可以通过表1根据基站确定的u值来确定，表示探测参考信号的载波数，由系统带宽确定。

表1为探测参考信号的参数与基站确定的u值的关系。终端根据基站确定的u值，选取对应的参数来确定探测参考信号的具体形式。

表1探测参考信号参数对应表

该探测参考信号生成后每隔一个资源格进行映射，因而具有时域前后重复结构。

步骤2：接收探测参考信号并进行相关运算。

2.1)基站提取出接收信号的实部和虚部，分别与已知的探测参考信号的实部虚部做互相关，如下式表示：

${\mathrm{Cor}}_{\mathrm{real}}\left(d\right)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{real}}(d+k){S_{\mathrm{real}}}^{*}\left(k\right)$

${\mathrm{Cor}}_{\mathrm{imag}}\left(d\right)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{imag}}(d+k){S_{\mathrm{imag}}}^{*}\left(k\right)$

其中，d为定时索引；

r_real(d+k)，r_imag(d+k)分别表示接收信号的实部和虚部；

S_real(k)，S_imag(k)分别表示本地探测参考信号的实部和虚部；

Cor_real(d)，Cor_imag(d)分别表示实部相关结果和虚部相关结果；

2.2)将实部相关结果和虚部相关结果对应相加，得到定时度量函数Cor(d)：

Cor(d)＝Cor_real(d)+Cor_imag(d)。

步骤3：对定时度量函数进行联合峰值检测。

使用峰值联合检测法依次将索引位置为d-N/2、d和d+N/2的定时度量函数值Cor(d-N/2)、Cor(d)和Cor(d+N/2)累加，得到峰值联合检测度量函数R(d)：

R(d)＝Cor(d-N/2)+Cor(d)+Cor(d+N/2)，

其中，N为探测参考信号的长度；

Cor(d)为定时度量函数。

步骤4：检测探测参考信号的起始位置，完成上行同步跟踪。

对峰值联合检测度量函数R(d)的模取最大值，找到其对应的定时索引位置即为探测参考信号的起始位置，至此完成长期演进LTE上行定时同步跟踪。

以下通过仿真对本发明的效果做进一步的描述。

1.仿真条件：

实验在CPU为Core(TM)i3-41303.40GHz、内存为4.00GB的WINDOWS 7系统上使用MatlabR2012b进行仿真。

实验参数选取：下列所有实验中，探测参考信号的循环前缀CP长度为32，符号长度N为512，探测参考信号的载波数为24，的取值对应u＝1，信道条件为高斯信道。

2.仿真内容：

仿真实验1：做出定时度量函数曲线，实验结果如图2所示，其中横轴表示定时索引，纵轴表示相关运算值。用此仿真实验说明本发明与现有的基于重复结构序列的定时同步方法的本质区别。

仿真实验2：将本发明方法与现有的基于重复结构序列的定时同步方法性能作对比，实验结果如图3所示，横轴表示传输信道中的信噪比，纵轴表示各方法的定时均方误差。

3.仿真实验结果分析：

从图2可以看出,定时度量函数会出现3个明显峰值，中间最大的峰值处为正确的定时位置，在最大峰值两侧正负N/2处出现两个副峰，这是由于探测参考信号的重复结构造成的，在噪声的影响下会对定时位置的判定造成干扰。区别于传统方法尽量去除除主峰以外的副峰对定时估计的影响，本发明充分利用位于主峰两侧的副峰来进行联合检测。如步骤3中给出的联合检测公式所示，依次取相距N/2长度的相关点做累加运算，在正确的定时位置处和运算的取模结果达到最大，使得信号功率成平方增长，而噪声功率成线性增长，因此显著提高输出信噪功率比。

从图3可以看出,本发明与传统的Guangliang Ren,Yeonsu Kang,Timothy M.Schmidl,Adegbenga B.Awoseyila的定时同步方法相比，具有较高的定时精度，并且在低信噪比环境下仍然具有良好的定时性能。

以下通过表2对本发明与现有的定时方法的计算复杂度进行对比。

表2计算复杂度对比表

	加运算次数	乘运算次数
			互相关方法	4MN+3N-M	4MN+4N
SC方法	MN-N2-M-N	2MN-2N2
			A.B.方法	5MN+3N2-2M-5N+1	6MN+2N2-31N+27M
REN方法	2(MN-N2-M-N)	9MN/2+5N2/2
			Kang方法	5(MN-N2)+5N-2M	6(MN-N2)+4N
本发明方法	MN+2M+3N-2N-4	MN+N

表2中N表示本地探测参考信号的长度，M为一次同步处理过程中的接收信号的长度，并且M>>N。计算复杂度是从各种方法所做的加运算和乘运算次数来表征的。由于M>>N，因此表中的运算次数可以忽略一次项和常数项，只考察二次项。

从表2可以看出，除Schmidl的方法外本发明方法的加运算次数比其他方法都要小，同时乘法运算的计算量均小于现有的方法。总体来说，本发明方法极大地降低了计算复杂度，减少了运算时间，提高了系统定时的实时性，并且与现有方法相比在低信噪比下仍然具有很好的定时估计性能。

Claims (3)

1.长期演进LTE上行定时同步跟踪方法，包括：

(1)终端根据传输系统的带宽要求和基站确定的参数生成探测参考信号：其中参数的值由基站确定，n的取值范围是 表示探测参考信号的载波数；按照长期演进LTE上行传输协议将探测参考信号隔行映射到数据信号中进行发送；

(2)基站接收包含探测参考信号的数据信号，提取数据信号的实部和虚部，并分别与探测参考信号的实部和虚部做互相关运算，再将实部相关运算结果与虚部相关运算结果相加，得到具有三个峰值的定时度量函数Cor(d)，其中d为定时索引；

(3)使用峰值联合检测法依次将索引位置为d-N/2、d和d+N/2的定时度量函数值Cor(d-N/2)、Cor(d)和Cor(d+N/2)累加，得到峰值联合检测度量函数R(d)，其中N为探测参考信号的长度；

(4)对峰值联合检测度量函数R(d)的模取最大值，找到其对应的定时索引位置即为探测参考信号的起始位置，至此完成长期演进LTE上行定时同步跟踪。

2.根据权利要求1所述的长期演进LTE上行定时同步跟踪方法，其特征在于：所述步骤(2)中三个峰值的定时度量函数Cor(d)，表示如下：

$\mathrm{Cor}\left(d\right)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}[r_{\mathrm{real}}(d+k){S_{\mathrm{real}}}^{*}\left(k\right)+r_{\mathrm{imag}}(d+k){S_{\mathrm{imag}}}^{*}\left(k\right)]$

其中，d为定时索引；

k为相关运算的滑动点，范围是0≤k≤N-1；

r_real(d+k)，r_imag(d+k)分别表示接收信号的实部和虚部；

S_real(k)，S_imag(k)分别表示探测参考信号的实部和虚部。

3.根据权利要求1所述的长期演进LTE上行定时同步跟踪方法，其特征在于：所述步骤(3)中峰值联合检测度量函数R(d)，表示如下：

R(d)＝Cor(d-N/2)+Cor(d)+Cor(d+N/2)

其中，N为探测参考信号的长度；

d为定时索引；

Cor(d)为定时度量函数。