CN108282434B - 一种lte下行主同步信号的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LTE下行主同步信号的检测方法，通过最大似然估计方法估计出系统中OFDM符号的起始位置和频偏；通过CP相关算法判定CP类型并实现频偏估完成补偿；若循环前缀为扩展类型，则依次取出一个OFDM符号与本地的PSS时域序列做相关性找到相关最大值确定PSS所在OFDM的起始位置，从而估计出半帧的起始位置并完成精频偏估计和补偿；将接收到的数据转换到频域依据SSS信息，估计出帧的起始和小区ID号并做残余频偏估计，完成同步。本发明能有效的矫正大范围频偏，避免频偏对同步的影响，同时能够大幅减少计算量，实现高效准确的同步。

Description

一种LTE下行主同步信号的检测方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体是一种LTE下行主同步信号的检测方法。

背景技术

在长期演进(LTE)通信系统中，采用了正交频分复用技术(OFDM，OrthogonalFrequency Division Multiplexing)。OFDM是一种多载波传输技术，其基本可以把串行高速数据流转换为并行的低速数据流，同时在多个正交子载波上进行传输。OFDM系统利用各个子载波的正交性减少每个载波的频带范围，提高了系统的频带利用率。为了减少各个符号干扰和子载波干扰，减少时间同步误差对数据解析的影响，LTE系统将OFDM信号的最后一定长度内的部分提取出来放在OFDM信号的头部，这一部分称之为循环前缀(CP，CyclicPrefix)。将加入了循环前缀后变长了的OFDM信号作为新的OFDM信号，这样就可以完全消除符号干扰。

在LTE通信系统中，当用户设备(UE)开机并接入LTE系统中时，首先必须启动小区搜索过程，此过程包括了接入信号的选择，接入信号的同步，通过这些过程UE可以确定接入的小区标识(ID)以及对于解析下行数据至关重要的一些信息和参数。其中，小区搜索和同步过程主要基于主同步信号(PSS，Primary Synchronization Signal)和辅同步信号(SSS，Secondary Synchronization Signal)来完成。PSS和SSS是长度为62资源单元(RE，Resource Element)的序列，其独立地映射到频域内传输带宽的中间62个子载波上。小区基站每隔5ms发送一次携带扇区识别号的PSS。UE通过检测PSS的存在，并通过相关计算实现半帧同步，然后通过SSS的相干检测来检测SSS以确定小区的ID号，从而实现同步。

同步技术包含两种不同的方法：PSS检测算法和基于CP的检测方法；在现有技术中一般采用的是基于PSS的同步算法，其中PSS是由频域Zadoff-Chu(ZC)序列生成的，这种序列在频偏很小的时候相关性很好，但是随着频偏的增大，相关性的峰值会在时间上产生飘移，从而导致定时同步求解的不准确。特别是对于LTE系统，分析仪需要能够解析大频偏的数据，所以现有PSS同步检测方法在分析仪中的应用存在不足。在LTE分析仪中需要一种不受频偏影响能够准确定时的同步算法。

其中，基于CP的自相关同步法具有复杂度低、不受频偏影响能够准确定时的特性。OFDM系统基于CP的时延θ和频偏F估计的最大似然(ML，Maximum Likelihood)函数的数学表达式为：

∧(θ，ξ_f)＝|γ(θ)|cos{2πξ_f+∠γ(θ)}-ηρ(θ)

其中，∠表示的是复数的角度，频偏可以表示为ζ＝ζ_n+ζ_f：其中，ξ_n是整数倍频偏，ζ_f是小数倍频偏。

θ＝n/f_s

r(k)是接收数据，r(k+N)是r(k)延迟N_fft的接收数据，*表示复数的共轭；γ(n)是r(k)和r(k+N)的相关项(Correlation Term)，N_fft是每个OFDM符号的FFT(Fast FourierTransform，快速傅里叶变换)长度，L_cp表示CP长度；ρ(n)表示数据能量信息，|·|是求模。η是r(k)和r(k+N)相关系数(Correlation Coefficient)的幅值，

表示信号功率，，

表示噪声功率。时间偏移和频偏的联合最大似然估计值的表达式为：

相比于TD-LTE小区搜索PSS同步技术，基于CP的最大似然估计是时延和频偏的联合估计技术。基于CP的最大似然估计也有其不足之处。当前的CP自相关的同步方法是在CP类型未知的情况下，利用最大似然函数估计时延、小数倍频偏和CP类型，再利用自相关或者互相关估计PSS的位置，估计整数倍频偏，再根据PSS和SSS得到小区ID，从而实现小区搜索与同步。但是这种算法步骤比较多，算法复杂度比较高，同时每一个步骤都作为一个判决因数，判决准确率较低。为此本发明提出了一种应用于LTE系统分析仪中基于扩展子帧类型的CP同步方法，该方法能够在大频偏存在的情况下实现准确同步，同时能有效降低同步算法的复杂度，提高同步效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种LTE下行主同步信号的检测方法，以解决LTE分析仪里频偏较大的情况下不能实现准确同步的问题，同时采用全局最优化搜索算法来解决LTE下行同步检测的计算量过大的问题。这种算法主要是通过取出一个OFDM符号的CP做最大似然估计，估计出系统中OFDM符号的起始位置，实现频偏补偿，判断CP类型。对于扩展CP，可以取出PSS在子帧中的相对位置，通过相关性最大值找到最优值，从而估计出半帧的起始位置，从而实现同步。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种LTE下行主同步信号的检测方法，包括以下步骤：

S1：通过最大似然估计方法估计出系统中OFDM符号的起始位置和频偏；

S2：通过CP相关算法判定CP类型并实现频偏估完成补偿；

S3：若循环前缀为扩展类型，则依次取出一个OFDM符号与本地的PSS时域序列做相关性；

S4：找到相关最大值确定PSS所在OFDM的起始位置，从而估计出半帧的起始位置；

S5：通过获取的数据和本地的PSS时域序列做精频偏估计；

S6：将接收到的数据转换到频域依据SSS信息，估计出帧的起始和小区ID号并做残余频偏估计，完成同步。

作为本发明进一步的方案：执行所述步骤S1时，所需要的时域数据长度为两个OFDM符号的长度，粗估滑动窗口的时域滑动区间为一个半的OFDM符号长度2N_fft。

作为本发明进一步的方案：执行所述步骤S1时，所述粗估滑动窗口的频域滑动区间为15K，30K。

作为本发明进一步的方案：所述步骤S2中所采用的CP类型的判断方法是分别假定CP类型为正常CP和扩展CP，计算两种类型下的CP中的数据和OFDM符号中的数据的相关性，取出相关性最高的那一种CP类型。

作为本发明进一步的方案：在扩展CP中，由于每一个OFDM符号和CP符号的长度是相同的，依据步骤S1得到OFDM符号的起始位置，通过步骤S3依次取出一个OFDM符号数据。

作为本发明进一步的方案：在获得LTE下行主同步信号的半帧的起始位置的同时，OFDM符号的个数为66个。

作为本发明进一步的方案：将取出的OFDM符号并与本地的三组PSS时域序列做相关性计算，找到相关性最大的那一组序列，其公式表示如下，

其中，

I_m表示最优的PSS时域序列的序列序号，

Γ_m表示最优的OFDM符合的序列序号，

Γ表示OFDM符号的序列序号，

r(k)表示接收到的序列的第k个码片，

L_cp表示循环前缀CP的长度，

d(I，k)表示本地生成的小区物理ID号为I的PSS时域序列的第k个码片。

作为本发明进一步的方案：如果CP类型为扩展CP，得出PSS时域序列所在OFDM符号的码片起始位置P_pss，表示如下，

其中，L_extd表示扩展CP的长度，

表示最大似然估计出来的时间偏移量，f_s表示数据的采样率。

作为本发明进一步的方案：步骤S5中，精频偏估计是通过取出的PSS时域序列所在的OFDM符号与本地的PSS时域序列做相关性计算，其公式表达如下，

cor(k)＝r(P_pss+k)·d^*(I_m，k)

其中，F_synic表示精频偏的频偏值，cor(k)表示取出的PSS时域序列所在的OFDM符号的第k个码片与本地的PSS时域序列的第k个码片的相关值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出的LTE下行主同步信号的检测方法，适用于FDD和TDD的扩展CP模式，适用于LTE分析仪表的时频同步，能有效的矫正大范围频偏，避免了频偏带来的同步飘移，同时能够大幅减少计算量，实现高效准确的同步。

附图说明

图1是本发明实施例中小区同步算法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明实施例中，一种LTE下行主同步信号的检测方法，适用于FDD和TDD的扩展前缀模式，能够在大的频偏存在的情况下实现准确同步，同时能有效的降低同步的算法复杂度，提高同步效率。

首先，分析仪接收LTE下行主同步信号，获取两个连续的OFDM符号，执行S1步骤，通过CP的最大似然估计算法估计出时间偏移和频偏，进一步的CP的时延和频偏估计的最大似然(Maximum Likelihood)估计算法的数学表达式如下：

∧(θ，ξ_f)＝|γ(θ)|cos{2πξ_f+∠γ(θ)}-ηρ(θ)

其中，∠表示的是复数的角度，其中频偏可以表示为ζ_f

θ＝n/f_s

r(k)是接收数据，r(k+N_fft)是r(k)延迟N_fft的接收数据，*表示复数的共轭；γ(n)是r(k)和r(k+N_fft)的相关项(Correlation Term)，N_fft是每个OFDM符号的FFT(FastFourier Transform，快速傅里叶变换)长度，L_cp表示CP长度；ρ(n)表示能量，不受频偏的影响，|·|表示模值。η是r(k)和r(k+N)相关系数(Correlation Coefficient)的幅值，

表示信号功率，

表示噪声功率。时间偏移和频偏的联合最大似然估计值的表达式为，

具体的执行步骤S1时，采用两个粗估计滑动窗口，分别为W1，W2两个窗口的滑动区间为两个OFDM符号的长度，从而估计出OFDM符号的起始位置，并估计出频偏值。

其次执行步骤S2，判断CP类型将执行如下步骤，假定CP类型为正常循环前缀，CP的长度为L_norm，相关表达式可以表达如下，

其中，γ_norm表示正常CP下的相关性，ρ_norm表示正常CP下相关功率值，ω_norm表示正常CP下归一化之后的相关值。

假设CP类型为扩展循环前缀，CP的长度为L_extd，由于L_extd＞L_norm，且所取的数据是同一段数据，为了减少计算量提高准确度，扩展CP的相关性求解可以用如下表达式，

其中，γ_extd表示扩展CP的相关性，ρ_extd表示扩展CP下相关功率值，不受频偏的影响，|·|表示模值，ω_extd表示扩展CP下归一化之后的相关值。执行如上步骤之后，比较ω_norm和ω_extd的大小，其公式表达如下，

设定一个门限值，比较υ和门限值的大小，如果υ值大于等于门限值则CP类型为常规CP，否则为扩展CP；对于步骤S2中的频偏估计和频偏补偿已经成为本领域的通用技术，这里就不再阐述。

接着，根据步骤S2的结果，如果为扩展CP，则执行步骤S3。然后依次取出一个OFDM符号，具体的每一个OFDM符号的获取方法为，由步骤S1得到OFDM符号的起始数据位置为

然后每隔N_fft+L_norm个数据，获取N_fft个数据，即为当前的OFDM符号位置。把获取的OFDM符号与本地的三组PSS时域序列数据做相关性计算，找到相关值的最优值，其公式表示如下，

其中，r(k)表示接收到的序列的第k个码片，d(I，k)表示本地生成的小区物理ID号为I的PSS的时域序列的第k个码片，I_m表示最优的PSS时域序列的序列序号，Γ_m表示最优的OFDM符合的序列序号。进一步可以得出PSS所在OFDM符号的码片起始位置P_pss，公式表达如下，

然后依据协议TS36.121，在LTE制式的前提下，得到PSS时域序列的OFDM符号的位置，从而估计出半帧的起始位置。最后由PSS和SSS的相对位置取出SSS的数据，并与本地的SSS数据做相关性计算，找到相关最优值，得到SSS中的信息，从而估计出帧的起始位置，并获得小区的物理ID。

综上，在本发明提供的基于CP最大似然估计的同步算法，先是通过最大似然估计算法估计出OFDM符号的起始位置和频率偏移，并判断CP类型完成频偏补偿；然后，通过OFDM信号的周期性依次准确的取出OFDM符号，并与本地的PSS时域序列做相关性计算取最优值，从而获得半帧的起始位置。进一步，依据PSS和SSS的相对位置，取出SSS信息从而获得帧头的起始位置。本发明提出应用于LTE分析仪表中的基于CP最大似然估计算法，有效减低了计算量，并且能够在频偏较大的情况下实现精准同步，大大提高了分析仪的同步性能和稳定性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种LTE下行主同步信号的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过最大似然估计方法估计出系统中OFDM符号的起始位置和频偏；

S2：通过CP相关算法判定CP类型并实现频偏估计完成补偿；

S3：若循环前缀为扩展类型，则依次取出一个OFDM符号与本地的三组PSS时域序列进行计算，找到相关性最大的那一组序列，其公式表示如下，

其中，

I_m表示最优的PSS时域序列的序列序号，N_FFT表示快速傅里叶变换点数；

Γ_m表示最优的OFDM符号的序列序号，Γ表示OFDM符号的序列序号，

r(k)表示接收到的序列的第k个码片，

d(I，k)表示本地生成的小区物理ID号为I的PSS时域序列的第k个码片；L_cp表示循环前缀CP的长度；

S4：找到相关最大值确定PSS所在OFDM的起始位置，从而估计出半帧的起始位置并完成精频偏估计和补偿；

S5：将接收到的数据转换到频域依据SSS信息，估计出帧的起始位置和小区ID号并做残余频偏估计，完成同步。

2.根据权利要求1所述的LTE下行主同步信号的检测方法，其特征在于，执行所述步骤S1时，所需要的时域数据长度为两个OFDM符号的长度，粗估滑动窗口的时域滑动区间为两个OFDM符号的长度。

3.根据权利要求2所述的LTE下行主同步信号的检测方法，其特征在于，执行所述步骤S1时，所述粗估滑动窗口的频域滑动区间为(15KHz，30KHz)。

4.根据权利要求1所述的LTE下行主同步信号的检测方法，其特征在于，所述步骤S2中所采用的CP类型的判断方法是分别假定CP类型为正常CP和扩展CP，计算两种类型下的CP中的数据和OFDM符号中的数据的相关性，取出相关性最高的那一种CP类型。

5.根据权利要求1所述的LTE下行主同步信号的检测方法，其特征在于，在扩展CP中，由于每一个OFDM符号和CP符号的长度是相同的，依据步骤S1得到OFDM符号的起始位置，通过步骤S3依次取出一个OFDM符号数据。

6.根据权利要求1所述的LTE下行主同步信号的检测方法，其特征在于，在获得LTE下行主同步信号的半帧的起始位置的同时，OFDM符号的个数为66个。

7.根据权利要求1所述的LTE下行主同步信号的检测方法，其特征在于，如果CP类型为扩展CP，得出PSS时域序列所在OFDM符号的码片起始位置P_pss，表示如下，

其中，L_extd表示扩展CP的长度，

表示最大似然估计出来的时间偏移量，f_s表示数据的采样率。

8.根据权利要求1所述的LTE下行主同步信号的检测方法，其特征在于，步骤S5中，精频偏估计是通过取出的PSS时域序列所在的OFDM符号与本地的PSS时域序列做相关性计算，其公式表达如下，

cor(k)＝r(P_pss+k)·d^*(I_m，k)

其中，F_synic表示精频偏的频偏值，cor(k)表示取出的PSS时域序列所在的OFDM符号的第k个码片与本地的PSS时域序列的第k个码片的相关值。

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