CN107332636B - 一种NB_IoT系统空口时频同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通信技术领域，具体地说是一种NB_IoT系统空口时频同步方法，其采用主同步、辅同步联合检测的算法，使得相关数据的长度变长，使之在同步数据受到噪声干扰的情况下，具有很好的相关性；同时，采用了降速变频的方式，加快了计算速度，减少了硬件资源开销，增强了算法实现的实时性，具有较强的环境使用能力。

Description

一种NB_IoT系统空口时频同步方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体地说是复杂电磁环境下的一种NB_IoT系统空口时频同步方法。
背景技术
物联网应用于生产和生活的方方面面，其业务对网络传输速率的需求不尽相同。高速率业务主要使用3G、4G技术，如监控摄像头等；中等速率业务主要使用GPRS技术，如POS机等。低速率业务目前还没有很好的蜂窝技术来满足，很多情况下只能使用GPRS技术勉力支撑。随着物联网的发展，低速率业务渐渐成为蜂窝物联网未来主要的市场发展方向，业界将这一市场归纳为LPWAN(Low Power Wide Area Network)市场，即低功耗广域网。由于GPRS技术存在终端功耗高、覆盖能力不足等问题，无法应对LPWAN市场需求。作为信息产业发展的第三次浪潮，物联网从概念兴起到运用，各行业不断在探索、挖掘其最大价值，为全球经济复苏提供技术动力。从技术层面看，作为全球范围内将广泛应用的新兴技术，NB-IoT具备上述特质，这些先天优势为无处不在的物联网终端接入提供了可能。
NB-IoT的物理层设计在E-UTRAN物理层的基础上做了如下改动：每个NB-IoT载波只使用一个PRB；下行只支持E-UTRAN中的15kHz子载波间隔；上行引入单子载波传输(single-tone transmission)，此时在15kHz子载波间隔的基础上，额外引入3.75kHz子载波间隔。在3.75kHz子载波间隔的情况下，窄带时隙(NB-slot)长度定义为2ms(同时E-UTRAN的subframe和frame概念不再适用)；上行引入多子载波传输(multi-tone transmission)，支持15kHz的子载波间隔；只支持常规CP，只支持FDD。UE只支持半双工方式，支持LTE in-band、LTE guard-band、standalone三种操作模式。
当前使用的NB_IoT系统空口信号时频同步方式是通过一个符号的主同步信号以及CP的相关性来实现的。这种方式在信道环境较好或者点对点之间直连的情况下，可以很好实现同步定位，但是在空口传输信道环境变差，空口信号干扰的情况下，由于CP和主同步信号相关数据长度较短，不具有较强的自相关性，很难实现时频同步。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种复杂电磁环境下的时频同步方法，采用主同步、辅同步联合检测的算法，使得相关数据的长度变长，使之在同步数据受到噪声干扰的情况下，具有很好的相关性；同时，采用了降速变频的方式，加快了计算速度，减少了硬件资源开销，增强了算法实现的实时性，具有较强的环境使用能力。
实现上述目的，设计一种NB_IoT系统空口时频同步方法，其特征在于，采用如下处理步骤：
a、提取接收端A/D采样后两个无线帧11ms的I/Q数据，以保证可以获取一个完整的NPSS信道数据，通过数字滤波器降速，进行1/8或1/16或1/32倍抽值处理，生成新的数据序列：
rfilter(m)＝I′(m)+j*Q′(m)m＝0,1,...,21119 (1)，
其中，I′(m)是降速后的I路数据，Q′(m)是降速后的Q路数据；
b、根据公式(1)生成本地NPSS信号，通过256个点或128个点或64个点的傅里叶变换,生成不同符号位置的时域数据：
其中u是Zadoff-Chu的根序列索引，l是主同步信号在子帧5上映射的位置，l＝3～13的整数；
c、采用降速后的基带数据rfilter(m)与NPSS本地多个符号L的256个点或128个点或64个数据以N个数据为窗长进行滑动相关，并累加相关峰峰值，递归下一组数据相关，根据相关峰来判定时频同步点粗略位置T；
d、恢复原始基带数据的数据速率，并根据基带中NPSS的粗略同步位置，确定精确同步的数据搜索范围，NPSS本地多个符号L的2048个点数据以N个数据为窗长进行滑动相关，并累加相关峰峰值，递归下一组数据相关，根据相关峰来判定时频同步点精确位置T′；
e、提取NPSS信道所在符号两端的144*11个CP数据进行相关，利用其相关性进行频偏估计，使用原始接收基带数据R(m)*exp(-j*2π△fkTc)进行频偏校准,△f为频偏估计后的频率偏移量，Tc为接收端码片间隔；
f、根据时频同步点精确位置T′确定NSSS相关信号搜索范围，提取NSSS信道所在符号的NSSS数据，并与本地根据小区ID生成的NSSS信道IFFT转换后不同符号2048点数据进行相关，获取相关峰，根据相关峰值判定时频同步精确位置T″，重新组合接收数据的无线帧起始位置，从而实现在复杂电磁环境下信号的精确同步；
步骤c和d中窗长度N为32或64，采用此滑动窗可以降低频偏带来的影响,步骤c、d中基带数据与本地数据相关采用公式(3)进行计算相关值：
Cn＝Sn·S'n·ej2πΔfnT+Nn (3)，
其中Cn是不同符号的相关结果；Sn是本地产生的基带信号；S'n·ej2πΔfnT为接收端的基带信号；n为OFDM符号序号；Δf为频率偏移量；Nn为高斯白噪声；T为连续不同OFDM符号之间的时间间隔，对于步骤d中，T＝1/(15000*2048*16)s,对于步骤c中，T＝1/(15000*2048)s；
各公式中的j为虚部。
步骤a中所述的数字滤波器采用4级半带滤波器或者CIC滤波器。
步骤f中本地根据小区ID产生的NSSS信号，采用公式(4)通过傅里叶变换把不同符号的本地信号转换成2048点的OFDM符号，然后把接收到的基带信号剔除CP信号后与本地生成的OFDM符号相关来获取时频同步精确位置T″；
其中，n＝0,1,...,131；
n′＝nmod 131；
m＝nmod 128；
θf＝33/132(nf/2)mod 4。
所有的相关计算在不同的相关窗内均采用循环迭代累加的方式来实现。
本发明与现有技术相比，能在复杂电磁环境下实现时频同步，其采用的主同步、辅同步联合检测的算法，使得相关数据的长度变长，使之在同步数据受到噪声干扰的情况下，具有很好的相关性；同时，采用了降速变频的方式，加快了计算速度，减少了硬件资源开销，增强了算法实现的实时性，具有较强的环境使用能力。
附图说明
图1为本发明的处理方法的流程示意框图。
图2为本发明时域提取示意图。
图3为本发明同步输出的频域示意图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步地说明。
实施例1
参见图1～图3，本发明一种NB_IoT系统空口时频同步方法，其特征在于，采用如下处理步骤：
a、提取接收端A/D采样后两个无线帧11ms的I/Q数据，以保证可以获取一个完整的NPSS信道数据，通过数字滤波器降速，进行1/8或1/16或1/32倍抽值处理，生成新的数据序列：
rfilter(m)＝I′(m)+j*Q′(m)m＝0,1,...,21119 (1)，
其中，I′(m)是降速后的I路数据，Q′(m)是降速后的Q路数据；
b、根据公式(1)生成本地NPSS信号，通过256个点或128个点或64个点的傅里叶变换,生成不同符号位置的时域数据：
其中u是Zadoff-Chu的根序列索引，l是主同步信号在子帧5上映射的位置，l＝3～13的整数；
c、采用降速后的基带数据rfilter(m)与NPSS本地多个符号L的256个点或128个点或64个数据以N个数据为窗长进行滑动相关，并累加相关峰峰值，递归下一组数据相关，根据相关峰来判定时频同步点粗略位置T；
d、恢复原始基带数据的数据速率，并根据基带中NPSS的粗略同步位置，确定精确同步的数据搜索范围，NPSS本地多个符号L的2048个点数据以N个数据为窗长进行滑动相关，并累加相关峰峰值，递归下一组数据相关，根据相关峰来判定时频同步点精确位置T′；
e、提取NPSS信道所在符号两端的144*11个CP数据进行相关，利用其相关性进行频偏估计，使用原始接收基带数据R(m)*exp(-j*2π△fkTc)进行频偏校准,△f为频偏估计后的频率偏移量，Tc为接收端码片间隔；
f、根据时频同步点精确位置T′确定NSSS相关信号搜索范围，提取NSSS信道所在符号的NSSS数据，并与本地根据小区ID生成的NSSS信道IFFT转换后不同符号2048点数据进行相关，获取相关峰，根据相关峰值判定时频同步精确位置T″，重新组合接收数据的无线帧起始位置，从而实现在复杂电磁环境下信号的精确同步；
步骤c和d中窗长度N为32或64，采用此滑动窗可以降低频偏带来的影响,步骤c、d中基带数据与本地数据相关采用公式(3)进行计算相关值：
Cn＝Sn·S'n·ej2πΔfnT+Nn (3)，
其中Cn是不同符号的相关结果；Sn是本地产生的基带信号；S'n·ej2πΔfnT为接收端的基带信号；n为OFDM符号序号；Δf为频率偏移量；Nn为高斯白噪声；T为连续不同OFDM符号之间的时间间隔，对于步骤d中，T＝1/(15000*2048*16)s,对于步骤c中，T＝1/(15000*2048)s；
步骤a中所述的数字滤波器采用4级半带滤波器或者CIC滤波器。
步骤f中本地根据小区ID产生的NSSS信号，采用公式(4)通过傅里叶变换把不同符号的本地信号转换成2048点的OFDM符号，然后把接收到的基带信号剔除CP信号后与本地生成的OFDM符号相关来获取时频同步精确位置T″；
其中，n＝0,1,...,131；
n′＝n mod 131；
m＝n mod 128；
θf＝33/132(nf/2)mod 4。
本发明中，各公式中的j为虚部。
所有的相关计算在不同的相关窗内均采用循环迭代累加的方式来实现。
综上所述，本发明提供了一种复杂电磁环境下的时频同步方法，采用主同步、辅同步联合检测的算法，使得相关数据的长度变长，使之在同步数据受到噪声干扰的情况下，具有很好的相关性。同时，采用了降速变频的方式，加快了计算速度，减少了硬件资源开销，增强了算法实现的实时性，具有较强的环境使用能力。

Claims (4)

1.一种NB_IoT系统空口时频同步方法，其特征在于，采用如下处理步骤：
a、提取接收端A/D采样后两个无线帧11ms的I/Q数据，以保证可以获取一个完整的NPSS信道数据，通过数字滤波器降速，进行1/8或1/16或1/32倍抽值处理，生成新的数据序列：
rfilter(m)＝I′(m)+j*Q′(m) m＝0,1,...,21119 (1)，
其中，I′(m)是降速后的I路数据，Q′(m)是降速后的Q路数据；
b、根据公式(1)生成本地NPSS信号，通过256个点或128个点或64个点的傅里叶变换,生成不同符号位置的时域数据：
其中u是Zadoff-Chu的根序列索引，l是主同步信号在子帧5上映射的位置，l＝3～13的整数；
c、采用降速后的基带数据rfilter(m)与NPSS本地多个符号L的256个点或128个点或64个数据以N个数据为窗长进行滑动相关，并累加相关峰峰值，递归下一组数据相关，根据相关峰来判定时频同步点粗略位置T；
d、恢复原始基带数据的数据速率，并根据基带中NPSS的粗略同步位置，确定精确同步的数据搜索范围，NPSS本地多个符号L的2048个点数据以N个数据为窗长进行滑动相关，并累加相关峰峰值，递归下一组数据相关，根据相关峰来判定时频同步点精确位置T′；
e、提取NPSS信道所在符号两端的144*11个CP数据进行相关，利用其相关性进行频偏估计，使用原始接收基带数据R(m)*exp(-j*2π△fkTc)进行频偏校准,△f为频偏估计后的频率偏移量，Tc为接收端码片间隔；
f、根据时频同步点精确位置T′确定NSSS相关信号搜索范围，提取NSSS信道所在符号的NSSS数据，并与本地根据小区ID生成的NSSS信道IFFT转换后不同符号2048点数据进行相关，获取相关峰，根据相关峰值判定时频同步精确位置T″，重新组合接收数据的无线帧起始位置，从而实现在复杂电磁环境下信号的精确同步；
步骤c和d中窗长度N为32或64，采用此滑动窗可以降低频偏带来的影响,步骤c、d中基带数据与本地数据相关采用公式(3)进行计算相关值：
Cn＝Sn·S'n·ej2πΔfnT+Nn (3)，
其中Cn是不同符号的相关结果；Sn是本地产生的基带信号；S'n·ej2πΔfnT为接收端的基带信号；n为OFDM符号序号；Δf为频率偏移量；Nn为高斯白噪声；T为连续不同OFDM符号之间的时间间隔，对于步骤d中，T＝1/(15000*2048*16)s,对于步骤c中，T＝1/(15000*2048)s；
各公式中的j为虚部。
2.根据权利要求1所述的一种NB_IoT系统空口时频同步方法，其特征在于：步骤a中所述的数字滤波器采用4级半带滤波器或者CIC滤波器。
3.根据权利要求1所述的一种NB_IoT系统空口时频同步方法，其特征在于：步骤f中本地根据小区ID产生的NSSS信号，采用公式(4)通过傅里叶变换把不同符号的本地信号转换成2048点的OFDM符号，然后把接收到的基带信号剔除CP信号后与本地生成的OFDM符号相关来获取时频同步精确位置T″；
其中，n＝0,1,...,131；
n′＝n mod 131；
m＝n mod 128；
θf＝33/132(nf/2)mod 4。
4.根据权利要求1～3任一项所述的一种NB_IoT系统空口时频同步方法，其特征在于：所有的相关计算在不同的相关窗内均采用循环迭代累加的方式来实现。
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