CN107528671A - 一种用于窄带物联网NB‑IoT的系统帧号检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明请求保护一种用于窄带物联网(NB‑IoT)的系统帧号检测的方法，涉及物联网无线通信技术领域，首先分别将8段扰码序列Ci(i＝0,…,7)与当前无线帧的NPBCH数据进行解扰处理；然后利用当前解扰的扰码序列索引号i(i＝0,1,…,7)进行判断及选择解速率匹配的方式。最后进行循环冗余校验码(CRC)校验，依据CRC校验结果判断系统帧号SFN的低6bits的高3bits。联合窄带辅同步信号和窄带主同步信号序列的特性，可确定系统帧号SFN的低6bits的低3bits。主信息块中显性通知系统帧号SFN高4bits信息，由此可确定系统帧号SFN的10bits。本发明能够尽快确定NB‑IoT系统帧号，降低终端的实现复杂度和功耗，便于窄带系统信息块1(SIB1‑NB)及其他系统消息的获取。

Description

一种用于窄带物联网NB-IoT的系统帧号检测方法
技术领域
本发明属于物联网无线通信技术领域，特别涉及窄带物联网(NB-IoT)的系统帧号检测的方法。
背景技术
国家“十三五”规划纲要中指出，要牢牢把握信息技术变革趋势，实施网络强国战略。伴随着大规模物联网需求的产生及不断发展，窄带物联网(NB-IoT)作为LPWAN(LowPower Wide Area Network)技术之一，因覆盖广、连接多、功耗少、成本低等优点越来越受到人们的关注。
在NB-IoT系统中，终端完成小区搜索后，与小区取得下行同步。NB-IoT系统的下行同步信号与LTE类似，有两种：窄带主同步信号(NPSS)和窄带辅同步信号(NSSS)。NPSS周期为10ms；NSSS周期为20ms，时频资源映射如图1所示。为了接入该小区并在该小区能正常工作，UE需要获取小区的系统信息。系统消息可分为主信息块(MIB)和多个窄带系统信息块(SIB-NB)。终端只有先获取系统帧号(SFN)和主信息块(MIB)，才能读取窄带系统信息块1(SIB1-NB)以及其他系统消息。因此系统帧号SFN的确定对SIB1-NB等系统消息的读取至关重要。其中系统帧号SFN高4bits在MIB中显性通知，低6bits通过盲检NPBCH隐性获知。
根据3GPP规范TS 36.211 R14和TS 36.212 R14可知，物理信道NPBCH发送端信号处理流程，如图3所示。NPBCH只支持单天线发射模式及分集发射模式，即支持1/2两种天线端口发射方式。具体在资源映射过程中，不管实际的发射天线数目为多少，都要满足以下三点要求：①不可占用子帧#0的前三个OFDM符号；②不可占用LTE系统小区参考信号(CRS)映射的位置，并且假定CRS天线端口数为4；③不可占用NB-IoT系统窄带参考信号(NRS)映射的位置，并且假定NRS天线端口数为2。在满足以上三点要求的情况下，一个子帧上正好有100RE映射NPBCH符号数据。
另外在一个NPBCH周期640ms内，资源映射过程是将Msymb＝800个符号数据y(p)(0),...,y(p)(Msymb-1)映射到连续64个无线帧的子帧#0上，如图2所示，每个系统帧f＝nfmod64映射的符号表示为详见公式(1)。其中K＝100，nf为系统帧号SFN，p为天线端口号p∈{2000,2001}。
在系数θf(i)的生成公式(2)中，cf(j)为伪随机序列,j＝0,...,199，其扰码序列初始值 为窄带物理小区ID(N-PCID)。由公式(1)、(2)可知，对应每个子块Block的100个调制符号被重复传输8次，如图2所示，只是每次都乘上一个系数θf(i)，该系数隐含了当前系统帧SFN在子块Block中的位置信息，即f′＝nf mod8，取值范围为0,1,·,7；nf为系统帧号SFN。
根据上述描述可知，为了确定系统帧号SFN，不仅需要正确检测NPBCH，以获得SFN的高4bits，而且还需要确定接收数据所在的无线帧在一个NPBCH周期中的位置，以获得SFN的低6bits。通常终端接收一个完整周期的NPBCH数据，并采用与发送端相逆的信号处理过程，进行NPBCH的检测以确定系统帧号SFN，然而NPBCH完整周期为640ms，译码延时及复杂度过大，不能满足实际工程应用要求。因此该检测方法不合理。
针对上述问题，本专利提出一种系统帧号SFN检测方法，联合窄带主同步信号(NPSS)和窄带主同步信号(NSSS)序列的生成方式，可以使终端在每一个80ms子块Block内任一无线帧上独自解码出主信息块(MIB)信息以及系统帧号SFN的低6bits信息，以致可得到系统帧号SFN的10bits信息。根据3GPP制定的NB-IoT标准可知，eNodeB的发射端口数有1/2两种可能，8个子块Block i(i＝0,1,·,7)对应8种不同的扰码序列，因此在盲检测情况下，最多盲检16次，从而可降低终端的实现复杂度。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种缩短系统帧号SFN检测时间，降低计算量，满足系统的实时性要求的用于窄带物联网NB-IoT的系统帧号检测方法。本发明的技术方案如下：
一种用于窄带物联网NB-IoT的系统帧号检测方法，其包括以下步骤：
步骤1：终端进行小区搜索，通过窄带主同步信号NPSS和窄带辅同步信号NSSS与小区取得下行时频同步，获得窄带物理小区N-PCID信息、10ms帧定时信息以及80ms时间块内的定时，即SFN mod 8等于0、2、4或6的系统帧位置，从而确定系统帧号SFN低6bits中的低3bits，然后初始化天线端口数为1；
步骤2：进行解资源映射，得到窄带物理广播信道NPBCH在当前子块Block的数据块；
步骤3：对步骤2得出的数据结果进行包括解预编码、解层映射、解调在内的译码过程，得到待解扰的窄带物理广播信道NPBCH数据E；
步骤4：产生一个NPBCH周期的扰码序列C，将扰码序列C等分为8段Ci(i＝0,1,·,7)，每段长度均等于数据E的长度，然后将数据E与第i段扰码序列Ci进行加扰，初始化i＝0，得到解扰后的数据E′，长度等于数据E的长度；
步骤5：将步骤4得到的数据E′，根据其解扰的扰码序列索引号i(i＝0,1,·,7)进行判断及选择，对相应的解扰后数据做解速率匹配；
步骤6：将解速率匹配后的数据进行维特比Viterbi译码；
步骤7：对维特比Viterbi译码输出数据做循环冗余CRC校验，如果CRC校验正确，则获取系统帧号SFN的低6bits中的高3bits，流程结束；若CRC校验错误，则判断扰码序列是否检测完，若扰码序列没有检测完(i<7)，转回步骤4，选择下一段扰码序列(i＝i+1)进行解扰重复以上过程，若扰码序列已经检测完(i＝7)，进入步骤8；
步骤8：如果天线端口数为1，则选择天线端口数2，重复以上步骤2～7；若天线端口数为2，则检测失败。
进一步的，所述步骤2解资源映射，得到窄带物理广播信道NPBCH在当前子块Block的数据块，具体包括步骤：
首先终端接收一个无线帧上第一个子帧#0的时域信号，得到K＝100个符号数据，用序列来表示，然后通过步骤1得到的f′值和窄带物理小区N-PCID获知系数θf(i)i＝0,1,·,99，最后解资源映射得到的100个符号数据除以相应系数θf(i)得到该子块Block对应于发送端资源映射前的100个符号数据，用序列y(p)(0),...,y(p)(K-1)来表示，即：其中f＝nfmod64表示当前无线帧在一个NPBCH周期中的位置，取值范围为0,1,·,63；nf表示系统帧号；p为天线端口号p∈{2000,2001}。
进一步的，所述步骤5中将步骤4得到的数据E′，根据其解扰的扰码序列索引号i(i＝0,1,·,7)进行判断及选择，对相应的解扰后数据做解速率匹配具体包括步骤；
假设终端开始解速率匹配时的200bits数据表示为的形式，根据3GPP协议36.212定义的编码规则可知“a”与“d”比特信息相同，并且当子块Block0/3/6时，“a”和“d”皆为信道编码后的第一路数据A；当子块Block 1/4/7时，“a”和“d”皆为第二路数据B；当子块Block 2/5时，“a”和“d”皆为第三路数据C；
因此在解速率匹配时，首先利用当前解扰的扰码序列索引号i(i＝0,1,·,7)的值按照公式(3)求解i mod 3的值，获知当前子块Block i数据所属的排列组合方式，判断重复的“a”和“d”为信道编码后的第几路数据；
然后按照对应的排列组合方式进行相应的解速率匹配。
进一步的，①i mod 3＝0的情况下，解速率匹配得到150bits数据为其中“a”对应于信道编码第一路50bits数据A，“b”对应于第二路50bits数据B，“c”对应于第三路50bits数据C；
②i mod 3＝1的情况下，解速率匹配得到150bits数据为其中“c”对应于信道编码第一路50bits数据A，“d”对应于第二路50bits数据B，“b”对应于第三路50bits数据C；
③i mod 3＝2的情况下，解速率匹配得到150bits数据为其中“b”对应于信道编码第一路50bits数据A，“c”对应于第二路50bits数据B，“d”对应于第三路50bits数据C。
本发明的优点及有益效果如下：
本专利提出一种系统帧号SFN检测方法，联合窄带主同步信号(NPSS)和窄带主同步信号(NSSS)序列的生成方式，可以使终端在每一个80ms子块Block内任一无线帧上独自解码出主信息块(MIB)信息以及系统帧号SFN的低6bits信息，以致可得到系统帧号SFN的10bits信息。此外，本发明核心思想是基于NPBCH发送端信号处理过程及其资源映射的特点而设计的接收端系统帧号检测方法。特别在于步骤5中我们根据其解扰的扰码序列索引号i(i＝0,1,·,7)进行模3判断及选择对应的处理方式，进而对相应的解扰后数据做解速率匹配，即将解扰后的200bits信息解速率匹配得到150bits数据，对应于信道编码产生的三路数据，作为维特比Viterbi译码的输入数据。根据3GPP制定的NB-IoT标准可知，eNodeB的发射端口数有1/2两种可能，8个子块Block i(i＝0,1,·,7)对应8种不同的扰码序列，因此在盲检测情况下，本发明提出的系统帧号检测方法最多盲检16次，从而可降低终端的实现复杂度。
附图说明
图1是本发明的NPSS和NSSS信号时频资源映射图；
图2是本发明的NPBCH信道结构时频资源映射图；
图3是本发明的NPBCH信道发送端信号流程图；
图4是本发明的NPBCH信道发送端数据映射原理图；
图5是本发明的系统帧号检测方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施方式，对本发明窄带物联网(NB-IoT)的系统帧号检测方法作进一步详细说明。
本发明NB-IoT的系统帧号检测方法具体实施方式，描述如下，如图5所示。
步骤1：终端进行小区搜索，通过窄带主同步信号NPSS与小区取得下行时频同步，获得10ms帧定时信息；通过窄带辅同步信号NSSS，获得窄带物理小区N-PCID信息以及80ms时间块内的定时，即SFN mod 8等于0、2、4或6的系统帧位置，从而确定系统帧号SFN低6bits中的低3bits，然后初始化天线端口数为1，进行单天线传输检测；
步骤2：由于窄带物理广播信道(NPBCH)固定映射在无线帧的子帧#0上，所以终端首先接收当前无线帧上第一个子帧#0的时域信号。将时域信号去CP，并经过OFDM解调。然后开始解资源映射，得到K＝100个符号数据，用序列来表示，其中nf表示系统帧号；f＝nf mod64表示当前无线帧在一个NPBCH周期中的位置，取值范围为f＝0,1,·,63；p为天线端口号p∈{2000,2001}。
发送端在资源映射过程中，对应每个子块Block的100个调制符号被重复传输8次，只是每次都乘上一个系数θf(i)，详见公式(1)。该θf(i)序列的取值与扰码序列cf有关，详见公式(2)，其中扰码序列初始值隐含了当前无线帧nf的信息。因此在步骤1获知的f′＝nf mod8值和窄带物理小区ID(N-PCID)值之后，终端根据扰码序列初始值cinit生成公式得到系数θf(i)。最后，解资源映射后的100个符号数据除以该系数θf(i)得到该子块Block对应于发送端资源映射前的100个符号数据，用序列y(p)(0),...,y(p)(K-1)来表示，即：
步骤3：对步骤2得出的数据结果译码(包括解预编码、解层映射、解调)，得到待解扰的NPBCH数据E。对于正常CP，数据E的长度为200；NB-IoT系统下暂不支持扩展CP的情况。
步骤4：终端解扰时需要产生一个NPBCH周期的扰码序列C，也就是长度为1600bits的扰码序列。扰码序列初始值为每一NPBCH周期初始化一次，即为窄带物理小区ID(N-PCID)。将扰码序列C等分为8段Ci(i＝0,1,·,7)，每段长度均等于数据E的长度，200bits。然后将数据E与第i段扰码序列Ci进行加扰(初始化i＝0)，得到解扰后的数据E′，长度等于数据E的长度。
步骤5：步骤4得到的数据E′，根据其解扰的扰码序列索引号i(i＝0,1,·,7)进行判断及选择，对相应的解扰后数据做解速率匹配。
如图4所示，发送端添加CRC后会生成50bits数据，经过咬尾卷积编码后产生三路数据，分别为A路50bits数据、B路50bits数据、C路50bits数据，共计150bits数据。进行资源映射过程时，8个子块Block i(i＝0,1,·,7)中每一个Block都含有200bits数据，具体讲，Block 0中的200bits数据由“A路+B路+C路+A路”组成，Block 1中的200bits数据由“B路+C路+A路+B路”组成，Block 2中的200bits数据由“C路+A路+B路+C路”组成，以此类推，Block7中的200bits数据由“B路+C路+A路+B路”组成。根据此编码规律可总结为，8个子块Block数据排列组合方式由三种情况：①“A+B+C+A”组成方式，且A路数据重复；②“B+C+A+B”组成方式，且B路数据重复；③“C+A+B+C”组成方式，且C路数据重复。因此具体解速率匹配过程如下：
假设终端开始解速率匹配时的200bits数据表示为的形式，根据3GPP协议36.212定义的编码规则可知“a”与“d”比特信息相同，如图4所示。并且当子块Block 0/3/6时，“a”和“d”皆为第一路数据A；当子块Block 1/4/7时，“a”和“d”皆为第二路数据B；当子块Block 2/5时，“a”和“d”皆为第三路数据C。因此在解速率匹配时，首先利用当前解扰的扰码序列索引号i(i＝0,1,·,7)的值按照公式(3)求解i mod 3的值，获知当前子块Block i数据所属的排列组合方式，判断重复的“a”和“d”为信道编码后的第几路数据。
然后按照对应的排列组合方式进行相应的解速率匹配，具体实施方式如下：
①i mod 3＝0的情况下，解速率匹配得到150bits数据为其中“a”对应于信道编码第一路50bits数据A，“b”对应于第二路50bits数据B，“c”对应于第三路50bits数据C。
②i mod 3＝1的情况下，解速率匹配得到150bits数据为其中“c”对应于信道编码第一路50bits数据A，“d”对应于第二路50bits数据B，“b”对应于第三路50bits数据C。
③i mod 3＝2的情况下，解速率匹配得到150bits数据为其中“b”对应于信道编码第一路50bits数据A，“c”对应于第二路50bits数据B，“d”对应于第三路50bits数据C。
步骤6：将解速率匹配后的150bits数据进行维特比Viterbi译码。
步骤7：对维特比Viterbi译码输出数据做循环冗余(CRC)校验，如果CRC校验正确，则可根据当前加扰序列的索引号i(i＝0,1,·,7)得知当前子块Block在8个子块中的位置，也即获取了系统帧号SFN的低6bits中的高3bits，流程结束；若CRC校验错误，则判断扰码序列是否检测完，若扰码序列没有检测完(i<7)，转回步骤4，选择下一段扰码序列(i＝i+1)进行解扰重复以上过程，若扰码序列已经检测完(i＝7)，进入步骤8；
步骤8：如果当天线端口数为1，则选择天线端口数2，重复以上步骤2～7，若天线端口数为2，则检测失败。
至此，终端便可获知系统帧号SFN的10bits信息，完成了NB-IoT系统的帧号检测。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种用于窄带物联网NB-IoT的系统帧号检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：终端进行小区搜索，通过窄带主同步信号NPSS和窄带辅同步信号NSSS与小区取得下行时频同步，获得窄带物理小区N-PCID信息、10ms帧定时信息以及80ms时间块内的定时，即SFN mod 8等于0、2、4或6的系统帧位置，从而确定系统帧号SFN低6bits中的低3bits，然后初始化天线端口数为1；
步骤2：进行解资源映射，得到窄带物理广播信道NPBCH在当前子块Block的数据块；
步骤3：对步骤2得出的数据结果进行包括解预编码、解层映射、解调在内的译码过程，得到待解扰的窄带物理广播信道NPBCH数据E；
步骤4：产生一个NPBCH周期的扰码序列C，将扰码序列C等分为8段Ci(i＝0,1,…,7)，每段长度均等于数据E的长度，然后将数据E与第i段扰码序列Ci进行加扰，初始化i＝0，得到解扰后的数据E′，长度等于数据E的长度；
步骤5：将步骤4得到的数据E′，根据其解扰的扰码序列索引号i(i＝0,1,…,7)进行判断及选择，对相应的解扰后数据做解速率匹配；
步骤6：将解速率匹配后的数据进行维特比Viterbi译码；
步骤7：对维特比Viterbi译码输出数据做循环冗余CRC校验，如果CRC校验正确，则获取系统帧号SFN的低6bits中的高3bits，流程结束；若CRC校验错误，则判断扰码序列是否检测完，若扰码序列没有检测完(i<7)，转回步骤4，选择下一段扰码序列(i＝i+1)进行解扰重复以上过程，若扰码序列已经检测完(i＝7)，进入步骤8；
步骤8：如果天线端口数为1，则选择天线端口数2，重复以上步骤2～7；若天线端口数为2，则检测失败。
2.根据权利要求1所述的用于窄带物联网NB-IoT的系统帧号检测方法，其特征在于，所述步骤2解资源映射，得到窄带物理广播信道NPBCH在当前子块Block的数据块，具体包括步骤：
首先终端接收一个无线帧上第一个子帧#0的时域信号，得到K＝100个符号数据，用序列来表示，然后通过步骤1得到的f′值和窄带物理小区N-PCID获知系数θf(i)i＝0,1,…,99，最后解资源映射得到的100个符号数据除以相应系数θf(i)得到该子块Block对应于发送端资源映射前的100个符号数据，用序列y(p)(0),...,y(p)(K-1)来表示，即：i＝0,...,99，其中f＝nf mod 64表示当前无线帧在一个NPBCH周期中的位置，取值范围为0,1,…,63；nf表示系统帧号；p为天线端口号p∈{2000,2001}。
3.根据权利要求1所述的用于窄带物联网NB-IoT的系统帧号检测方法，其特征在于，所述步骤5中将步骤4得到的数据E′，根据其解扰的扰码序列索引号i(i＝0,1,…,7)进行判断及选择，对相应的解扰后数据做解速率匹配具体包括步骤；
假设终端开始解速率匹配时的200bits数据表示为的形式，根据3GPP协议36.212定义的编码规则可知“a”与“d”比特信息相同，并且当子块Block0/3/6时，“a”和“d”皆为信道编码后的第一路数据A；当子块Block 1/4/7时，“a”和“d”皆为第二路数据B；当子块Block 2/5时，“a”和“d”皆为第三路数据C；
因此在解速率匹配时，首先利用当前解扰的扰码序列索引号i(i＝0,1,…,7)的值按照公式(3)求解i mod 3的值，获知当前子块Block i数据所属的排列组合方式，判断重复的“a”和“d”为信道编码后的第几路数据；
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然后按照对应的排列组合方式进行相应的解速率匹配。
4.根据权利要求4所述的用于窄带物联网NB-IoT的系统帧号检测方法，其特征在于，①i mod 3＝0的情况下，解速率匹配得到150bits数据为其中“a”对应于信道编码第一路50bits数据A，“b”对应于第二路50bits数据B，“c”对应于第三路50bits数据C；
②i mod 3＝1的情况下，解速率匹配得到150bits数据为其中“c”对应于信道编码第一路50bits数据A，“d”对应于第二路50bits数据B，“b”对应于第三路50bits数据C；
③i mod 3＝2的情况下，解速率匹配得到150bits数据为其中“b”对应于信道编码第一路50bits数据A，“c”对应于第二路50bits数据B，“d”对应于第三路50bits数据C。
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