CN111083777A

CN111083777A - 5g系统中基于共轭对称性的pss定时同步方法及系统

Info

Publication number: CN111083777A
Application number: CN201911259914.9A
Authority: CN
Inventors: 陈发堂; 李秀; 王丹; 李小文; 王华华
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2020-04-28

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种5G系统中基于共轭对称性的PSS定时同步方法及系统，所述方法包括确定同步信号频域位置；利用同步栅格的分组功率测量主同步信号PSS，进行定时粗同步；基于共轭对称，对粗同步的结果进行精同步；本发明可以实现5G系统下的PSS定时同步，通过该算法得到同步信号的频域位置、小区组内ID号、数字集μ值以及下行精同步点，对之后的小区组ID的确定和系统消息的接收提供必不可少的帮助。

Description

5G系统中基于共轭对称性的PSS定时同步方法及系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种5G系统中基于共轭对称性的PSS定时同步方法及系统。

背景技术

随着用户需求的增加，爆炸式增长的移动用户和多媒体服务致使业务过载、频谱资源濒临匮乏等问题，使得第5代通信系统(5-generation，5G)的演进也成为一个全球热门的话题。而5G系统具有高速率的通信、海量设备的连接、低延迟和高可靠性的特点。相比长期演进(Long Term Evolution，LTE)系统，5G系统采用全新的物理层框架，包括灵活的空口设置、增强的多天线技术、提高频谱效率、增强小区覆盖、全新的信道编码等。其中，灵活的空口设置体现在使用更加灵活的子载波间隔配置和引入带宽部分的概念，以适用于不同的信道类型和业务服务。

下行同步作为实现用户正确接收基站数据的第一步，具有重要的地位。而在5G系统中，重新定义了同步信号，包括其生成方式、映射位置、周期、带宽，特别是同步信号在频域上不是始终位于载波中心，而是位于每个频段内有一组有限的可能位置，称作同步栅格，终端只需要在稀疏的同步栅格上搜索同步信号，而不是每个载波栅格的位置上搜索，从而大大的提高了同步速度；在时域上同步信号的位置和子载波间隔的大小有关系，相比LTE系统，5G在一个帧中的同步信号更多。所以根据这些变化，提出适用于5G系统的定时同步方案迫在眉睫。

针对上述问题，提出一种5G系统中基于共轭对称性的主同步信号(PrimarySynchronization Signal，PSS)定时同步方法。首先根据高层所提供的频点，通过分组功率测量分析同步信号在频域上可能存在的位置，其次通过降采样盲检频域位置、粗同步点和子载波间隔，最后提出基于共轭对称的精同步算法，在频偏较大的时候有较好的性能。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提出一种5G系统中基于共轭对称性的PSS定时同步方法，包括以下步骤：

S1、确定同步信号频域位置；

S2、利用同步栅格的分组功率测量主同步信号PSS，进行定时粗同步；

S3、基于共轭对称，对粗同步的结果进行精同步。

进一步的，确定同步信号频域位置包括根据高层下发的频点信息，确定全球同步信道号(Global Synchronization Channel Number，GSCN)的取值范围以及子载波间隔的可能取值。

进一步的，利用同步栅格的分组功率测量主同步信号PSS进行定时粗同步的过程包括：

根据用户的

μ和M的取值生成最多36组时域同步栅格的分组功率测量PSS信号；

对接收的数据和本地生成的数据进行降采样，并对降采样后的数据长度进行调整；

获取每组定时粗同步点、组内ID号和数字集的估计值；

盲检3组频域位置，将该3组中相关值最大时对应的点作为粗同步点；

其中，

为小区组内ID号；μ为数字集，也是子载波取值的关键参数，M为计算同步信号频域位置的关键参数。

进一步的，基于共轭对称，对粗同步的结果进行精同步的过程包括：

在粗同步点左右取D个数据点，获取其基于共轭对称自相关值；

获取不考虑高斯白噪声情况下，将自相关值最大对应的点作为精同步获得的点。

进一步的，获取精同步的点的过程包括：根据接收的时域数据和本地生成的PSS时域数据计算接收数据的频偏估计，根据频偏估计对接收的数据进行频偏补偿，根据补偿后的信号得到精同步点，则精同步点表示为：

其中，

为精同步点；Q_PSS(k)为粗同步点基于共轭对称自相关值；|·|为绝对值；s(k)为发送的时域信号，接收信号r(k)与发送信号s(k)的关系表示为

其中，ε为载波频率偏移。

进一步，频偏估计表示为：

其中，

为频偏估计值；

为接收的时域数据；

为本地生成的PSS时域数据；N为为IFFT的长度；[·]^*表示取共轭。

进一步的，对频偏估计的补偿表示为：

本发明还提出一种5G系统中基于共轭对称性的PSS定时同步系统，包括同步信号频域位置确定装置、PSS定时粗同步装置以及基于共轭对称的精同步装置，其中：

同步信号频域位置确定装置，用于根据频点信息确定同步信号可能存在的频域位置以及可能存在的子载波间隔取值；

PSS定时粗同步装置，用于盲检小区组内ID号、子载波间隔取值、同步信号频域位置和粗同步点；

基于共轭对称的精同步装置，用于频偏估计补偿和精同步点的确定。

本发明提供了一种适用于5G系统的PSS定时同步方法。与LTE系统相比，5G系统为了适用于不同的场景设置了更加灵活的帧结构和重定义了同步信号的映射及生成方式，且PSS定时同步作为UE接收基站数据的第一步，也需要做出相应的变化。因此本发明根据同步信号的时频域位置及序列的特点，综合考虑，提出先通过功率测量初步锁定同步信号的频域位置，然后通过粗同步对同步信号的频域位置、数字集μ、小区组内ID号和粗同步点进行确定，最后提出基于共轭对称性对粗同步点进行滑动自相关确定精同步点。本发明可以实现5G系统下的PSS定时同步，通过该算法得到同步信号的频域位置、小区组内ID号、数字集μ值以及下行精同步点，对之后的小区组ID的确定和系统消息的接收提供必不可少的帮助。

附图说明

图1是本发明的整体流程；

图2是本发明实施例中的优选流程图；

图3是本发明实施例中的定时粗同步处理优选流程图。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。

本发明提出一种5G系统中基于共轭对称性的PSS定时同步方法，如图1，包括以下步骤：

S1、确定同步信号频域位置；

S3、基于共轭对称，对粗同步的结果进行精同步。

为了很好的说明该方法的具体实施步骤，结合图2流程图，本发明的主要内容包括以下步骤：

步骤1：同步信号频域位置的确定；

物理层通过高层下发的频点信息可以确定全球同步信道号的取值范围。当高层下发的频点范围为操作频带n5时，由协议可知此时所支持的子载波间隔有两种，分别为15KHz个30KHz，此时需要盲检这两种情况。此外，由于操作频带为n5时，对应的频率小于3GHz，故GSCN的公式可表示为：

GSCN＝3*N₁+(M-3)/2其中，M∈{1,3,5},N₁＝1:2499

可知每一个GSCN值对应唯一一组M和N₁值，而每一个N₁和M为计算同步信号频域位置的关键参数，相当于一个索引值，一组N₁和M的值对应于一个同步信号频域位置，且终端已1.2MHz同步栅格的间隔进行同步信号的搜索。而此时同步信号相对于同步栅格的偏移有50KHz、150KHz和250KHz，故可知PSS粗同步操作时需要对其偏移进行盲检确定同步信号的频域位置，其频域位置可表示为：

SS_ref＝N₁*1200KHz+M*50KHz

此时，射频以1.2MHz的同步栅格间隔为载波中心接收数据，由于此时同步信号相对于同步栅格存在三种可能的偏差，故需要对其进行盲检。本实施例可确定需要盲检的子载波间隔种类和确定同步信号可能存在的频域位置。然而并非所有的载波频率下都需要盲检同步信号的频域位置和子载波间隔，本实施方案列举的是两者都需要盲检的情况，其他情况类似。

步骤2：PSS定时粗同步；

结合图3的流程图和步骤1的分析可知：

μ∈{0,1}，M∈{1,3,5}，故用户根据其值本地生成18组时域PSS信号。对接收的数据和本地生成的数据按照x＝8*κ*2^-μ进行降采样后，判断接收数据与本地PSS降采样后的数据的长度并进行相应的调整，其中，x为本地生成的数据；κ为一个常量。其相关公式如下：

其中，C(θ,i,μ)为互相关峰值，N为IFFT的长度，N＝2048*κ*2^-μ，在5G协议中，设κ＝64，而在实际应用中，为了降低复杂度，本发明中设置为κ＝4，故当盲检μ值时，本地生成的PSS时域信号，当μ＝0时，其时域符号长度为N＝8192，而当μ＝1时，其时域符号长度为N＝4096，故可根据相关峰值的大小判断μ值。r(k)为接收的数据，

为当本地生成的PSS序列在

且数字集为μ时的值。则定时粗同步点

组内ID号

和数字集

的估计值如下所示：

由于还需要确定同步信号的频域位置，故提出盲检3组频域位置，公式如下：

且M∈{1,3,5}

其中，C_M(θ,i,μ)为本地生成的同步信号频域位置在M时的C(θ,i,μ)，即本地生成的PSS信号在IFFT前将其按照M值的不同映射于不同的频域位置，

为估计的同步信号频域位置，即通过对比三个位置情况下的最大相关峰值大小可得。

在粗同步完成后，为了精同步的正确性以及提高同步性能，本发明对其进行了频偏估计，其式子如下：

其中，∠(.)代表幅角，[.]^*表示复共轭算子；

步骤3：基于共轭对称性的PSS精同步。

具体包括：由于粗同步点是在降采样的情况下进行的，所以会存在一定的偏差，故在粗同步点左右取D个数据点基于共轭对称自相关，为了增加精同步的可靠性，本发明实施方案中设置D＝1024。由于PSS时域数据具有共轭对称性，故首先对接收的数据做以下处理：

其中，

ε为载波频率偏移，暂时不考虑高斯白噪声的影响，即对接收的数据做一定的频偏补偿后再进行精同步，有利于同步点的可靠性；

又因为PSS自相关式为：

故，频偏处理后的PSS自相关式为：

精同步点为：

其中，k是自相关中PSS符号在时域的起始位置，且满足

ε为归一化频偏，N为PSS符号长度，即IFFT的点数；s(k)为发送的时域信号；故当存在较大的频偏时，用此方法做相关时仅仅在幅度上有所改变，对最大值的位置影响较小。此外，相比使用本地生成的数据与接收的数据进行互相关相比，使用基于PSS时域共轭对称性的自相关可以降低一定的复杂度。

由以上分析可知，通过以上步骤，PSS定时同步之后可以得到同步信号在频域上的位置、小区组内ID号、数字集μ以及精同步点，为之后的SSS同步以及接收系统消息打下基础。

在前述方法的基础上，本发明还提出一种5G系统中基于共轭对称性的PSS定时同步系统，包括同步信号频域位置确定装置、PSS定时粗同步装置以及基于共轭对称的精同步装置，其中：

进一步的，同步信号频域位置确定装置包括同步信号频域位置取值确定单元、子载波间隔取值的确定单元，其中：

同步信号频域位置取值确定单元，用于根据频点信息确定同步信号的频域可能存在的位置，表示为：

GSCN＝3*N₁+(M-3)/2其中，M∈{1,3,5},N＝1:2499；

子载波间隔取值的确定单元，用于根据频点信息确定子载波间隔的可能取值，表示为：

SS_ref＝N₁*1200KHz+M*50KHz。

进一步的，PSS定时粗同步装置包括小区组内ID单元、子载波间隔单元、本地信号生成单元、降采样单元以及粗同步点确认单元，其中：

小区组内ID单元，用于计算小区组内ID的取值，本实施例中小区组内ID的取值为

子载波间隔单元，用于确定一个频点下的子载波取值，即数字集μ的值，本实施例中，数字集μ的取值表示为μ∈{0,1,3,4}；

本地信号生成单元，用于根据小区组内ID号

数字集μ以及计算同步信号频域位置的关键参数M生成最多36组时域同步栅格的分组功率测量PSS信号，优选的本实施例中计算同步信号频域位置的关键参数M取值为M∈{1,3,5}；

降采样单元，用于对接收的数据和本地信号生成单元生成的数据进行降采样，并调整降采样之后的数据长度，优选的，本实施例按照x＝8*κ*2^-μ对数据进行降采样，更优选的，在5G协议中，设κ＝64；

粗同步点确认单元，用于盲检3组频域位置，将该3组中相关值最大时对应的点作为粗同步点。

进一步的，基于共轭对称的精同步装置包括频偏估计单元、频偏补偿单元和精同步单元，其中：

频偏估计单元，用于根据本地生成的PSS时域数据和接收的时域数据计算信号的频偏估计值，表示为：

补偿单元，用于根据频偏估计的值对信号进行补偿，其中对接收信号的补偿过程表示为：

精同步单元，用于根据经过补偿单元补偿之后信号的精同步点，表示为：

以上所举实施例，对本发明的目的、优点和技术方案进行了进一步的详细说明，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式，并不用以限制本发明。发明的范围由所附权利要求限定，凡在本发明所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.5G系统中基于共轭对称性的PSS定时同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定同步信号频域位置；

S3、基于共轭对称，对粗同步的结果进行精同步。

2.根据权利要求1所述的5G系统中基于共轭对称性的PSS定时同步方法，其特征在于，确定同步信号频域位置包括根据高层下发的频点信息，确定全球同步信道号的取值范围以及子载波间隔的可能取值。

3.根据权利要求1所述的5G系统中基于共轭对称性的PSS定时同步方法，其特征在于，利用同步栅格的分组功率测量主同步信号PSS进行定时粗同步的过程包括：

根据用户的

获取每组定时粗同步点、组内ID号和数字集的估计值；

其中，

4.根据权利要求1所述的5G系统中基于共轭对称性的PSS定时同步方法，其特征在于，基于共轭对称，对粗同步的结果进行精同步的过程包括：

5.根据权利要求4所述的5G系统中基于共轭对称性的PSS定时同步方法，其特征在于，获取精同步的点的过程包括：根据接收的时域数据和本地生成的PSS时域数据计算接收数据的频偏估计，根据频偏估计对接收的数据进行频偏补偿，根据补偿后的信号得到精同步点，则精同步点表示为：

其中，

为精同步点；Q_PSS(k)为频偏补偿之后粗同步点基于共轭对称自相关值；|·|为绝对值；s(k)为发送的时域信号，接收信号r(k)与发送信号s(k)的关系表示为

其中，ε为载波频率偏移。

6.根据权利要求5所述的5G系统中基于共轭对称性的PSS定时同步方法，其特征在于，频偏估计表示为：

利用频偏估计对接收的数据后进行频偏补偿表示为：

其中，

为频偏估计值；

为接收的时域数据；

为本地生成的PSS时域数据；N为IFFT的长度；[·]^*表示复共轭算子；∠(.)代表幅角。

7.5G系统中基于共轭对称性的PSS定时同步系统，其特征在于，包括同步信号频域位置确定装置、PSS定时粗同步装置以及基于共轭对称的精同步装置，其中：

8.根据权利要求1所述的5G系统中基于共轭对称性的PSS定时同步系统，其特征在于，同步信号频域位置确定装置包括同步信号频域位置取值确定单元、子载波间隔取值的确定单元，其中：

同步信号频域位置取值确定单元，用于根据频点信息确定同步信号的频域可能存在的位置；

子载波间隔取值的确定单元，用于根据频点信息确定子载波间隔的可能取值。

9.根据权利要求1所述的5G系统中基于共轭对称性的PSS定时同步系统，其特征在于，PSS定时粗同步装置包括小区组内ID单元、子载波间隔单元、本地信号生成单元、降采样单元以及粗同步点确认单元，其中：

小区组内ID单元，用于计算小区组内ID的取值；

子载波间隔单元，用于确定一个频点下的子载波取值；

本地信号生成单元，用于根据小区组内ID号

数字集μ以及计算同步信号频域位置的关键参数M生成最多36组时域同步栅格的分组功率测量PSS信号；

降采样单元，用于对接收的数据和本地信号生成单元生成的数据进行降采样，并调整降采样之后的数据长度；

10.根据权利要求1所述的5G系统中基于共轭对称性的PSS定时同步系统，其特征在于，基于共轭对称的精同步装置包括频偏估计单元、频偏补偿单元和精同步单元，其中：

频偏估计单元，用于根据本地生成的PSS时域数据和接收的时域数据计算信号的频偏估计值；

补偿单元，用于根据频偏估计的值对信号进行补偿；

精同步单元，用于根据经过补偿单元补偿之后信号的精同步点。