CN107819717A - 一种lte干扰中基于pusch的频域场强搜索方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LTE干扰中基于PUSCH的频域场强搜索方法，涉及移动通信领域中的无线电LTE信号源的同步搜索及其帧同步跟踪技术。本方法包括下列步骤：①射频前端接收采集；②下行数字信号处理；③FFT变换；④信道估计；⑤频偏纠正；⑥时偏纠正；⑦能量搜索。本发明通过频域相位差相关算法和频差累加平均算法，对频域数据进行频偏时偏消除，最终简便地得到终端信号的功率值、信噪比和频域索引位置；精细时偏频偏算法的加入，比传统方法的搜索距离有了6个db左右的提升，从而扩大了捕获范围，对救灾和煤矿抢险等有很好的应用前景；具有抗多用户干扰、抗邻区干扰，搜索范围广、算法简单和易于实现的优势。

Description

一种LTE干扰中基于PUSCH的频域场强搜索方法
技术领域
本发明涉及移动通信领域中的无线电LTE信号源的同步搜索及其帧同步跟踪技术，尤其涉及一种LTE干扰中基于PUSCH的频域场强搜索方法。
背景技术
随着4G制式的LTE终端的普及,专网无线通信及其灾害搜救中通过对用户的LTE信号源进行精确的探测，可及时准确地挽救受困的人民群众。由于无线环境的随机可变特性对LTE信号源能量的捕获产生了不利的影响，从而对LTE信号源的精确探测提出了更高的要求。
传统的探测方式采用场强仪，设计中没考虑到用户的扰码C_RNTI，在多用户干扰，或者距离较远时，LTE信号源几乎没法识别；并且LTE大量使用2.6G频偏，信号的衰减更快，采用传统方法可能搜索不到弱信号的帧同步点的位置，增加了对LTE信号源进行精确探测的难度。
可见传统的探测方式和系统方案对LTE信号源探测局限性很大，弱信号、邻区干扰和多用户干扰检测能力上有很大的劣势，亟待提供一种改进的搜索方法以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的探测方式存在的弱信号、邻区干扰和多用户干扰环境下对LTE信号源探测范围小及精度低的问题，提供一种LTE干扰中基于PUSCH的频域场强搜索方法。
本发明的目的是这样实现的：
具体地说，本方法包括下列步骤：
①射频前端接收采集
射频前端接收模块对LTE无线基站发射及LTE信号源发射的信号进行采集；
②下行数字信号处理
下行数字信号处理模块对接收的LTE无线基站的信号进行信号处理，通过对信号的解析得到LTE信号源的C_RNTI及其关联的上行资源分配信息，包括频域资源分配的起始位置及其长度，同时依据下行同步点和上下行的定时关系，推算出上行同步点位置；
③FFT变换
FFT变换模块先将上行时域信号进行7.5Khz的频偏补偿后，然后进行反傅里叶变换，从而将时域信号转换成频域信号；常规CP时，由于PUSCH上面的DMRS仅在每个时隙的第四个OFDM符号上面，从而一个子帧存在两路DMRS，OFDM4和OFDM11，根据步骤②中获取的上行资源分配信息，在时频资源格中将相应的DMRS接收信号提取出来；
④信道估计
通过信道估计模块，采用LS信道估计，得到无线信道系数H，从而为频偏时偏估计做好准备；
⑤频偏纠正
频偏检测及调节模块通过检测相同载波上的对应两个DMRS做相关运算来估计频偏值；
根据IDFT的变换性质，信号在频域的偏移变换到时域后相当于加了个相位旋转，频偏可以在时域里面进行补偿，也可以在频域里面进行相位补偿，本方案采取后者；
⑥时偏纠正
时偏检测及调节模块通过检测不同载波上的相位差来估计时偏值；
根据IDFT的变换性质，信号在时域的偏移变换到频域后相当于加了个相位旋转，时偏可以在时域里面进行补偿，也可以在频域里面进行相位补偿。本方案采取后者。
⑦能量搜索
能量搜索模块通过时偏及频偏调节模块修正后的信道系数进行处理后得到终端发射的导频能量、信噪比以及频域索引值；同时对上报能量进行判断和剔选，进一步提升系统性能。
本发明具有下列优点和积极效果：
1、应用在步骤⑤⑥的本发明的搜索方法通过频域相位差相关算法和频差累加平均算法，对频域数据进行频偏时偏消除，最终简便地得到终端信号的功率值、信噪比和频域索引位置；
2、精细时偏频偏算法的加入，比传统方法的搜索距离有了6个db左右的提升，从而扩大了捕获范围，对救灾和煤矿抢险等有很好的应用前景；
3、具有抗多用户干扰、抗邻区干扰，搜索范围广、算法简单和易于实现的优势。
附图说明
图1是本系统的结构方框图；
图中：
00—LTE无线基站；
10—无线信号采集处理器；
11—射频前端接收模块；
12—下行数字信号处理模块；
13—FFT变化模块；
14—信道估计模块；
15—频偏检测及调节模块；
16—时偏检测及调节模块；
17—能量搜索模块；
20—LTE信号源。
图2是频偏检测及调节的流程图；
图3是时偏检测及调节的流程图。
英译汉
1、LTE：Long Term Evolution，长期演进。
2、PUSCH：Physical Uplink Shared channel，物理上行共享信道。
3、CP：Cyclic Prefix，循环前缀。
4、C_RNTI：Cell Radio Network Temporary identifier，小区无线网络临时标识。
5、DMRS：Demodulation Reference Signal,解调参考信号。
6、OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分多址。
7、LS：Least Squares，最小均方误差。
8、IDFT：Inverse Discrete Fourier Transform，离散傅里叶变换。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明。
一、系统
1、总体
如图1，本系统包括现有的LTE无线基站00和LTE信号源20；
设置无线信号采集处理器10；
无线信号采集处理器10分别与LTE无线基站00和LTE信号源20连通。
2、功能部件
0)LTE无线基站00
LTE无线基站00是基于国际3GPP标准的通用发射基站，基站的制式是LTE标准。
1)无线信号采集处理器10
硬件配置：采用基于软件无线电通用平台的硬件框架，选用了USRP2的软件无线电开发硬件结构。
嵌入的模块包括射频前端接收模块11、下行数字信号处理模块12、FFT变换模块13、信道估计模块14、频偏检测及调节模块15、时偏检测及调节模块16和能量搜索模块17；
其交互关系是：
射频前端接收模块11和FFT变换模块13交互，实现上行基带信号的OFDM解调及其DMRS信号的解映射；
射频前端接收模块11、下行数字信号处理模块12和FFT变换模块13依次交互，实现射频信号到基带信号的变换，然后完成下行基带信号的物理层解调，层二层三的解析，最终获取终端LTE的上行资源分配信息；
FFT变换模块13、信道估计模块14、频偏检测及调节模块15、时偏检测及调节模块16和能量搜索模块17依次交互，实现基于PUSCH的频域场强搜索的方法的核心运算。
*射频前端接收模块11：对LTE无线基站00的下行信号进行接收以及对LTE信号源20的上行信号进行接收，同时完成射频信号到基带信号的转换功能。
*下行数字信号处理模块12：主要对从射频前端接收模块11接收的下行无线信号进行信号处理从而获取LTE终端的物理层参数，物理层参数包括上行无线帧号和子帧号，上行资源块的起始位置和长度。
*FFT变换模块13：将DMRS所在的时域数据变换到频域，并将承载DMRS的资源单元上的数据提取出来。
*信道估计模块14：将接收的导频信号与本地导频信号进行共轭相乘，得到无线信道系数H。
*频偏检测及调节模块15：检测相同载波上的对应两个DMRS做相关运算来估计频偏值，同时将信道系数H进行频偏校正。
*时偏检测及调节模块16：根据不同载波上的相位差来估计时偏值，同时将修正的无线信道系数H进行相位校正。
*能量搜索模块17：完成导频能量滑动的计算及其信噪比计算，同时根据频域索引进行有效能量筛选。
2)LTE终端信号源20
LTE终端信号源20是基于国际3GPP标准的LTE制式的终端，是需要进行探测的终端。
3、本系统的工作机理：
根据3GPP协议，利用LTE终端信号源20和基站或者专网建立起来的通信链接，射频前端接收模块11实现对LTE无线基站00的下行信号进行接收以及对LTE终端信号源20的上行信号进行接收；从LTE无线基站00的解析得到LTE终端信号源20的上行的物理层参数比如上行无线帧号和子帧号，上行资源块的起始位置和长度；能量搜索模块17将时偏及其频偏调节模块16修正后的信道系数进行处理得到LTE终端信号源20发射的导频能量、信噪比以及频域索引值；同时依据频域索引进行能量判断和剔选。
二、方法
1、步骤⑤
如图2，步骤⑤工作流程：
A、依据下行基站获取的基序列号，生成本地参考信号序列，然后与接收的导频信息进行共轭相乘，得到信道系数H(4，K)，H(11，K)，K表示子载波的索引，4表示第四个OFDM符号，11表示类似-201；
B、假设第一个DMRS符号时域的第一个采样点为参考点，第二个DMRS符号第一个采样点与参考点之间的偏移量所对应的时间为Q，换算成频域里面第一个DMRS的频域信道系数不变，第二个DMRS的频域信道系数在第一个DMRS的信道系数上面有个相位旋转，这个相位的旋转值，可以通过两路DMRS相关，即H(4，K)*conj(H(11，K)),conj表示共轭-202；
C、根据角度偏移矢量cor1(K)和角度angle(K)的对应关系，计算出所有的angle(K)，它们之间的关系是：angle(K)＝cor1(K)*2048/(2*π*15360)-203；
D、将所有的角度值angle(K)累加平均得到一个子帧中的频偏值freq_avg-204；
E、依据频偏生成原理H(4，K)直接变成H_freq(4，K),将H(11，K)的值根据估计的频偏值进行相位修正得到H_freq(11，K),他们之间的关系是：H_freq(11，K)＝H(11，K)*ejθ，θ＝2*π*freq_avg*15360/2048-205。
2、步骤⑥
如图3，步骤⑥工作流程：
a、如果存在时偏，会引起一个相位的偏转，而这个相位偏转只与载波频率有关，所以可通过检测不同载波上的相位差来估计时偏值，多组数据仿真发现，以载波间隔为6，即可以节省计算时间，又不影响估计性能，分别计算每一路DMRS的时偏矢量，cor(L,aa)＝H_freq(L，K)*conj(H_freq(L，K+6))，L表示OFDM符号序列，取值4,11，aa表示相关后序列的长度-301；
b、将每个OFDM符号的相位差矢量累加平均得到平均矢量值cor_mean(L)-302；
c、将平均矢量值cor_mean(L)求正切得到每个OFDM符号上的平均角度值Time_angel(L)-303；
d、依据两路DMRS各自估计出的时偏值Time_angel(L)在频域将H_freq(L，K)进行相偏纠正，得到最后理想的信道系数H_ideal(L,K),它们的相互关系是：H_ideal(L,K)＝H_freq(L，K)*ejθ*k，θ＝Time_angel(L)-304；
e、依据H_ideal(L，K)计算频域里的能量值、噪声值和信噪比，在搜索窗内，选择最大的能量值作为频域场强值，有效能量窗以外的算做噪声值，多个上行子帧中，可依据最大能量值的索引值与理想的索引值误差绝对值在1之内，确定为有效的上行子帧-305。
根据能量值大小和信噪比可以精确的评估信号源的信号质量；信噪比对多用户干扰上还十分有参考价值，如果功率值大，信噪比总是很低的话，说明附近存在其他用户干扰。

Claims (3)

1.一种LTE干扰中基于PUSCH的频域场强搜索方法，其特征在于：
①射频前端接收采集
射频前端接收模块对LTE无线基站发射及LTE信号源发射的信号进行采集；
②下行数字信号处理
下行数字信号处理模块对接收的LTE无线基站的信号进行信号处理，通过对信号的解析得到LTE信号源的C_RNTI及其关联的上行资源分配信息，包括频域资源分配的起始位置及其长度，同时依据下行同步点和上下行的定时关系，推算出上行同步点位置；
③FFT变换
FFT变换模块先将上行时域信号进行7.5Khz的频偏补偿后，然后进行反傅里叶变换，从而将时域信号转换成频域信号；常规CP时，由于PUSCH上面的DMRS仅在每个时隙的第四个OFDM符号上面，从而一个子帧存在两路DMRS，OFDM4和OFDM11，根据步骤②中获取的上行资源分配信息，在时频资源格中将相应的DMRS接收信号提取出来；
④信道估计
通过信道估计模块，采用LS信道估计，得到无线信道系数H，从而为频偏时偏估计做好准备；
⑤频偏纠正
频偏检测及调节模块通过检测相同载波上的对应两个DMRS做相关运算来估计频偏值；
⑥时偏纠正
时偏检测及调节模块通过检测不同载波上的相位差来估计时偏值；
⑦能量搜索
能量搜索模块通过时偏及频偏调节模块修正后的信道系数进行处理后得到终端发射的导频能量、信噪比以及频域索引值；同时对上报能量进行判断和剔选，进一步提升系统性能。
2.按权利要求1所述的频域场强搜索方法，其特征在于所述的步骤⑤工作流程：
A、依据下行基站获取的基序列号，生成本地参考信号序列，然后与接收的导频信息进行共轭相乘，得到信道系数H(4，K)，H(11，K)，K表示子载波的索引，4表示第四个OFDM符号，11表示类似(201)；
B、假设第一个DMRS符号时域的第一个采样点为参考点，第二个DMRS符号第一个采样点与参考点之间的偏移量所对应的时间为Q，换算成频域里面第一个DMRS的频域信道系数不变，第二个DMRS的频域信道系数在第一个DMRS的信道系数上面有个相位旋转，这个相位的旋转值，可以通过两路DMRS相关，即H(4，K)*conj(H(11，K)),conj表示共轭(202)；
C、根据角度偏移矢量cor1(K)和角度angle(K)的对应关系，计算出所有的angle(K)，它们之间的关系是：angle(K)＝cor1(K)*2048/(2*π*15360)(203)；
D、将所有的角度值angle(K)累加平均得到一个子帧中的频偏值freq_avg(204)；
E、依据频偏生成原理H(4，K)直接变成H_freq(4，K),将H(11，K)的值根据估计的频偏值进行相位修正得到H_freq(11，K),他们之间的关系是：H_freq(11，K)＝H(11，K)*ejθ，θ＝2*π*freq_avg*15360/2048(205)。
3.按权利要求1所述的频域场强搜索方法，其特征在于所述的步骤⑥工作流程：
a、如果存在时偏，会引起一个相位的偏转，而这个相位偏转只与载波频率有关，所以可通过检测不同载波上的相位差来估计时偏值，多组数据仿真发现，以载波间隔为6，即可以节省计算时间，又不影响估计性能，分别计算每一路DMRS的时偏矢量，cor(L,aa)＝H_freq(L，K)*conj(H_freq(L，K+6))，L表示OFDM符号序列，取值4,11，aa表示相关后序列的长度(301)；
b、将每个OFDM符号的相位差矢量累加平均得到平均矢量值cor_mean(L)(302)；
c、将平均矢量值cor_mean(L)求正切得到每个OFDM符号上的平均角度值Time_angel(L)(303)；
d、依据两路DMRS各自估计出的时偏值Time_angel(L)在频域将H_freq(L，K)进行相偏纠正，得到最后理想的信道系数H_ideal(L,K),它们的相互关系是：H_ideal(L,K)＝H_freq(L，K)*ejθ*k，θ＝Time_angel(L)(304)；
e、依据H_ideal(L，K)计算频域里的能量值、噪声值和信噪比，在搜索窗内，选择最大的能量值作为频域场强值，有效能量窗以外的算做噪声值，多个上行子帧中，可依据最大能量值的索引值与理想的索引值误差绝对值在1之内，确定为有效的上行子帧(305)。
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