CN111107033A - 一种5g系统下行帧定时同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种5G系统下行帧定时同步方法，属于移动通信技术领域，包括以下步骤：S1：接收信号频谱搬移、滤波；S2：接收信号降采样、归一化；S3：接收信号、本地信号进行差分、分段；S4：互相关时域转换到频域；S5：确定小区组内号和粗同步点；S6：精同步位置计算；S7：辅同步信号检测求取小区ID号。本发明在帧同步过程中采用降采样、差分、序列分段、信号的时频域转换方式降低了计算的复杂度，提升了接收信号的抗频偏能力，因此在接收信号频率偏移较大的条件下能够保持较为稳定的性能。

Description

一种5G系统下行帧定时同步方法
技术领域
本发明属于移动通信技术领域，涉及一种5G系统下行帧定时同步方法。
背景技术
2015年6月，国际电信联盟明确了5G的名称、愿景和时间表等关键内容，并定义了5G的主要应用场景。国际标准组织3GPP也明确将从2016年开始制定5G标准，2018年将完成标准冻结。2019年6月6日，工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照，中国正式进入5G商用元年。在5G系统中，用户设备(User Equipment,UE)需初始化同步，并建立与基站之间的联系。小区搜索是UE接入到小区的第一步，这是复杂而重要的过程，需要完成接收信号的频谱搬移、同步信号检测、子载波间隔控制变量μ、小区ID获取、盲检物理广播信道和主信息块(Master Information Block,MIB)等信息。
根据3GPP物理层协议规定，在5G系统中存在1008个物理层小区
Figure BDA0002329340020000011
每个物理层ID唯一，由公式
Figure BDA0002329340020000012
表示。并被分至336个物理层小区ID组
Figure BDA0002329340020000013
取值0-335，每一组包含3个物理层小区组内
Figure BDA0002329340020000014
取值0、1、2。不同的物理小区基站发送不同的同步信号，
Figure BDA0002329340020000015
的获取与辅同步信号有关，
Figure BDA0002329340020000016
的获取与主同步信号相关。5G系统中同步信号的以同步块(Synchronisation Signal Block,SSB)的形式进行发送。5G中的主同步信号(Primary Synchronization Signal,PSS)和辅同步信号(Secondary SynchronizationSignal,SSS)在同步信号块里与物理广播信道(Physical Broadcast Channel,PBCH)一起传输，配置于固定的时隙位置。在一个无线帧中基站发送SSB的数目与载波频率和子载波间隔密切相关，且每个SSB中的同步信号均相同，但是包含的PBCH信息不同，因此可以检测出第一个SSB的位置，从而检测出首个PSS信号的位置，完成定时同步。
主同步序列由频域m序列生成，具有良好的相关特性，根据物理层协议规定，PSS主同步信号的表达式如下。
dPSS(n)＝1-2x(m)
Figure BDA0002329340020000017
0≤n＜127
其中，x(i+7)＝(x(i+4)+x(i))mod2，
[x(6) x(5) x(4) x(3) x(2) x(1) x(0)]＝[1 1 1 0 1 1 0]
SSS采用长为127的频域Gold序列。SSS信号产生如下式所示。
dSSS(n)＝[1-2x0((n+m0)mod127)][1-2x1((n+m1)mod127)]
Figure BDA0002329340020000021
Figure BDA0002329340020000022
0≤n＜127
其中，
Figure BDA0002329340020000023
[x0(6) x0(5) x0(4) x0(3) x0(2) x0(1) x0(0)]＝[0 0 0 0 0 0 1]
[x1(6) x1(5) x1(4) x1(3) x1(2) x1(1) x1(0)]＝[0 0 0 0 0 0 1]
同步信号采用m和gold序列，因为m和gold序列具有良好的自相关特性，极差的互相关特性。因此根序列号相同的PSS、SSS序列进行相关运算操作时，在0点位置能有较大的相关峰值，在不同根序列号的PSS、SSS序列进行相关，相关值接近于零。
发明内容
根据目前的研究，小区搜索中PSS信号的检测主要采用基于PSS的半帧自相关算法，本地互相关算法，基于循环前缀的互相关算法等方法。常用的PSS互相关检测算法做相关运算时每次滑动都需要与本地的三组信号进行相关，在实际运算过程中需使用大量的乘法和加法运算，计算复杂且消耗大量的内存资源，并且在接收信号频率偏移较大的情况下，互相关算法的检测概率较低，难以满足工程实现的要求。
针对上述目前定时同步过程遇到的问题，在5G系统中提出一种高精确度和低复杂度的主同步信号定时同步方法。首先将接收信号进行降采样和归一化处理，然后对接收信号进行差分和分段、本地信号也进行差分运算，再将PSS信号与本地信号进行快速频域互相关运算，完成粗同步定时。其次，选取粗同步点前后32点的数据作为滑动窗，进行PSS的精同步，从而获取
Figure BDA0002329340020000024
完成半帧定时同步。基于PSS与SSS信号的位置关系，即可获得接收信号中的SSS信号，并对SSS进行互相关检测，获得小区号，完成定时同步。此方法的抗频偏能力较强，且计算简单占用资源较少、易于硬件实现。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种5G系统下行帧定时同步方法，包括以下步骤：
S1：对接收信号进行频谱搬移和滤波处理，降低计算误差；
S2：对接收信号进行降采样和归一化处理；
S3：对接收信号和三组本地信号进行差分运算，并将差分后的接收信号与本地信号进行分段相关处理；
S4：利用序列互相关与卷积的转换关系，将序列的互相关运算转化为卷积运算，然后利用卷积时域与频域的转换关系，将分段后接收信号进行快速傅里叶变换FFT，本地信号则进行序列翻转、共轭和快速傅里叶变换，将接收信号和本地信号从时域转换到频域；
S5：转换到频域的接收信号和本地信号进行相乘运算，再通过傅里叶逆变换将结果转换到时域，将分段后的时域结果进行组合，得到三组互相关值，比较三组互相关值的峰均值大小，从而获取小区组内号
Figure BDA0002329340020000031
和粗同步点表示为R1；
S6：精同步定时模块结合接收信号和粗同步点，粗同步点通过转换关系((粗同步点-1)*降采样倍数+1)转换为初始接收信号的真实值表示为R2，在粗同步点R2前后各选取32点，组成长度为64点的滑动窗，利用互相关运算，检测峰值点，从而确定主同步信号的同步位置和小区组内号
Figure BDA0002329340020000032
S7：辅同步信号的检测基于步骤S6中的主同步信号同步点的位置，在一个SSB同步块中，PSS和SSS相差两个OFDM符号，因此能获取SSS信号的位置，接收信号与本地的336组福同步信号进行互相关处理，获取小区组号
Figure BDA0002329340020000033
和小区号
Figure BDA0002329340020000034
完成帧同步处理。
进一步，步骤S1中具体包括：在5G系统中，设子载波间隔为15KHz，带宽为100M，频域占用273个RB，接收信号的频谱在最右端，则接收信号需要向左偏移126.5个RB的频谱资源，此时接收信号的频谱位于中心频点，然后对频谱搬移后的接收信号进行滤波处理，滤除同步信号块所占频谱之外的其它信号，消除信号干扰，从而进行序列的互相关操作。
进一步，步骤S2中具体包括：在122.88M的采样率下，对接收信号进行16倍降采样，获取长度为19200+256点的接收数据；19200位100M带宽对应的122.88M采样率进行16倍降采样后半帧数据的采样点数，256为一个OFDM符号降采样后的采样点数；并对降采样后的接收信号进行归一化处理，避免因接收信号中包含较大的数值，造成互相关结果出现假峰值，此时处理后的接收信号用r(n)表示，本地信号用pssi(n)表示。
进一步，在步骤S3-S5中，对接收信号和本地信号进行差分、分段、互相关运算、时频域转化处理，具体包括以下内容：
(1)对接收信号r(n)和本地信号pssi(n)先分别进行差分运算，得到r'(n)和pss'i(n)，然后将差分后的信号进行分段相关：
r'(n)＝r(n)×r(n-1)
pss'i(n)＝pssi(n)×pssi(n-1)
Figure BDA0002329340020000041
其中D为分段数目，N为一个OFDM符号的点数；
(2)互相关与卷积存在如下的转换关系：
Figure BDA0002329340020000042
Figure BDA0002329340020000043
R(τ)＝f1(τ)*f2(-τ)
因此上述互相关转化为如下的卷积运算：
Figure BDA0002329340020000044
由上式看出，本地信号需经过序列的翻转、共轭运算；
然后将接收信号和本地信号进行傅里叶变换：
R'(k)＝FFT(r'(n))
PSS'i(k)＝FFT(pss'i(-n))
Ci(n)＝IFFT(R'(k)×PSS'i(k))。
进一步，步骤S5中所述比较三组互相关值的峰均值大小，从而获取小区组内号
Figure BDA0002329340020000045
和粗同步点表示为R1，具体包括以下内容：三组本地信号分别与接收信号进行互相关运算，得到三组相关值，选取每组互相关值的最大值Cmax1、Cmax2、Cmax3，比较三个值中的最大值，最大值所对应的本地信号的序列号即为小区组内ID号，最大值对应的n值点为粗定时同步点。
进一步，步骤S6为确定精同步位置点，具体包括：粗同步点R1对应的接收信号的真实值用R2表示，R2＝(R1-1)*降采样倍数+1；在R2位置前后取32点，组成64点的滑动窗，进行64次的互相关计算得到峰值位置PSSmax，峰值点对应的滑动窗口的位置为r，取值范围为1到64；精同步处理得到的同步点位置用R3表示，R3＝R2-(32-r)，从而获取定时同步位置和小区组内号
Figure BDA0002329340020000051
进一步，步骤S7中检测辅同步信号，确定小区组号
Figure BDA0002329340020000052
和小区号
Figure BDA0002329340020000053
具体包括：在5G系统中PSS和SSS以SSB块的形式发送，PSS和SSS始终相差两个OFDM符号，由于已知PSS信号的起始位置，能够获取SSS信号的起始位置，从而截取接收信号中的SSS信号序列，与本地的336组SSS信号进行互相关运算，并对比互相关峰值的大小，最大值所对应的同步信号的组号用D1表示取值范围为1到336，则小区组号
Figure BDA0002329340020000054
按照PSS信号的粗同步和精同步处理，获取小区组内号
Figure BDA0002329340020000055
SSS信号的互相关处理，获取小区号
Figure BDA0002329340020000056
进一步得到小区号
Figure BDA0002329340020000057
其计算公式为
Figure BDA0002329340020000058
完成了定时同步过程。
本发明的有益效果在于：本发明在帧同步过程中采用降采样、差分、序列分段、信号的时频域转换方式降低了计算的复杂度，提升了接收信号的抗频偏能力，因此在接收信号频率偏移较大的条件下能够保持较为稳定的性能。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明所述5G系统下行帧定时同步方法流程示意图；
图2为本发明所述主同步信号定时同步的方法流程图；
图3为同步信号块中主同步信号与辅同步信号的位置示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1-3所示，本发明提供一种5G系统下行帧定时同步方法，包括以下步骤：
S01、5G信号相比较LTE信号，信号的频谱不在中心频率的位置上，接收信号无法和本地信号直接进行互相关运算，因此需要对接收信号进行频谱搬移。在5G系统中，以子载波间隔为15KHz，带宽为100M，频域占用273个RB，接收信号的频谱在最右端为例，则接收信号需要向左偏移126.5个RB的频谱资源，此时接收信号的频谱位于中心频点，然后对频谱搬移后的接收信号进行滤波处理，滤除同步信号块所占频谱之外的其它信号，消除信号干扰，从而可以进行序列的互相关操作；
S02、对频谱搬移和滤波后的接收信号进行降采样。在122.88M的采样率下，对接收信号进行16倍降采样，为充分保证同步信号的完整性，获取长度为19200+256点的接收数据；19200位100M带宽对应的122.88M采样率进行16倍降采样后半帧数据的采样点数，256为一个OFDM符号降采样后的采样点数。并对降采样后的接收信号进行归一化处理，避免因接收信号中包含较大的数值，造成互相关结果出现假峰值。此时处理后的接收信号用r(n)表示，本地信号用pssi(n)表示。
S03、对接收信号r(n)和本地信号pssi(n)先分别进行差分运算，得到r'(n)和pss'i(n)，然后将差分后的信号进行分段相关：
r'(n)＝r(n)×r(n-1)
pss'i(n)＝pssi(n)×pssi(n-1)
Figure BDA0002329340020000061
其中D为分段数目，N为一个OFDM符号的点数。
S04、互相关与卷积存在如下的转换关系：
Figure BDA0002329340020000071
Figure BDA0002329340020000072
R(τ)＝f1(τ)*f2(-τ)
因此上述的互相关可以转化为如下的卷积运算：
Figure BDA0002329340020000073
由公式可以看出，本地信号需经过序列的翻转、共轭运算。然后将接收信号和本地信号进行傅里叶变换：
R'(k)＝FFT(r'(n))
PSS'i(k)＝FFT(pss'i(-n))
Ci(n)＝IFFT(R'(k)×PSSi'(k))
S05、三组本地信号分别与接收信号进行互相关运算，得到三组相关值，选取每组互相关值的最大值Cmax1、Cmax2、Cmax3，比较三个值中的最大值，最大值所对应的本地信号的序列号即为小区组内ID号，最大值对应的n值点为粗定时同步点。
S06、为保证定时同步点的准确性，对定时同步点进行精同步处理。粗同步点用R1表示，粗同步点对应的接收信号的真实值用R2表示，则R2＝(R1-1)*降采样倍数+1。在R2位置前后取32点，组成64点的滑动窗，进行64次的互相关计算得到峰值位置PSSmax，峰值点对应的滑动窗口的位置为r，取值范围为1到64。精同步处理得到的同步点位置用R3表示R3＝R2-(32-r)，从而获取定时同步位置和小区组内号
Figure BDA0002329340020000074
S07、在5G系统中PSS和SSS以SSB块的形式发送，PSS和SSS始终相差两个OFDM符号，由于已知PSS信号的起始位置，即可获取SSS信号的起始位置，从而截取接收信号中的SSS信号序列，与本地的336组SSS信号进行互相关运算，并对比互相关峰值的大小，最大值所对应的同步信号的组号用D1表示取值范围为1到336，则小区组号
Figure BDA0002329340020000075
S08、按照PSS信号的粗同步和精同步处理，获取小区组内号
Figure BDA0002329340020000076
SSS信号的互相关处理，获取小区号
Figure BDA0002329340020000077
进一步得到小区号
Figure BDA0002329340020000078
其计算公式为
Figure BDA0002329340020000079
完成了定时同步过程。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种5G系统下行帧定时同步方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：对接收信号进行频谱搬移和滤波处理；
S2：对接收信号进行降采样和归一化处理；
S3：对接收信号和三组本地信号进行差分运算，并将差分后的接收信号与本地信号进行分段相关处理；
S4：利用序列互相关与卷积的转换关系，将序列的互相关运算转化为卷积运算，然后利用卷积时域与频域的转换关系，将分段后接收信号进行快速傅里叶变换FFT，本地信号则进行序列翻转、共轭和快速傅里叶变换，将接收信号和本地信号从时域转换到频域；
S5：转换到频域的接收信号和本地信号进行相乘运算，再通过傅里叶逆变换将结果转换到时域，将分段后的时域结果进行组合，得到三组互相关值，比较三组互相关值的峰均值大小，从而获取小区组内号
Figure FDA0002329340010000011
和粗同步点表示为R1；
S6：精同步定时模块结合接收信号和粗同步点，粗同步点通过转换关系((粗同步点-1)*降采样倍数+1)转换为初始接收信号的真实值表示为R2，在粗同步点R2前后各选取32点，组成长度为64点的滑动窗，利用互相关运算，检测峰值点，从而确定主同步信号的同步位置和小区组内号
Figure FDA0002329340010000012
S7：辅同步信号的检测基于步骤S6中的主同步信号同步点的位置，在一个SSB同步块中，PSS和SSS相差两个OFDM符号，因此能获取SSS信号的位置，接收信号与本地的336组福同步信号进行互相关处理，获取小区组号
Figure FDA0002329340010000013
和小区号
Figure FDA0002329340010000014
完成帧同步处理。
2.根据权利要求1所述的5G系统下行帧定时同步方法，其特征在于：步骤S1中具体包括：在5G系统中，设子载波间隔为15KHz，带宽为100M，频域占用273个RB，接收信号的频谱在最右端，则接收信号需要向左偏移126.5个RB的频谱资源，此时接收信号的频谱位于中心频点，然后对频谱搬移后的接收信号进行滤波处理，滤除同步信号块所占频谱之外的其它信号，消除信号干扰，从而进行序列的互相关操作。
3.根据权利要求2所述的5G系统下行帧定时同步方法，其特征在于：步骤S2中具体包括：在122.88M的采样率下，对接收信号进行16倍降采样，获取长度为19200+256点的接收数据；19200位100M带宽对应的122.88M采样率进行16倍降采样后半帧数据的采样点数，256为一个OFDM符号降采样后的采样点数；并对降采样后的接收信号进行归一化处理，避免因接收信号中包含较大的数值，造成互相关结果出现假峰值，此时处理后的接收信号用r(n)表示，本地信号用pssi(n)表示。
4.根据权利要求3所述的5G系统下行帧定时同步方法，其特征在于：在步骤S3-S5中，对接收信号和本地信号进行差分、分段、互相关运算、时频域转化处理，具体包括以下内容：
(1)对接收信号r(n)和本地信号pssi(n)先分别进行差分运算，得到r'(n)和pss'i(n)，然后将差分后的信号进行分段相关：
r'(n)＝r(n)×r(n-1)
pss'i(n)＝pssi(n)×pssi(n-1)
Figure FDA0002329340010000021
其中D为分段数目，N为一个OFDM符号的点数；
(2)互相关与卷积存在如下的转换关系：
Figure FDA0002329340010000022
Figure FDA0002329340010000023
R(τ)＝f1(τ)*f2(-τ)
因此上述互相关转化为如下的卷积运算：
Figure FDA0002329340010000024
由上式看出，本地信号需经过序列的翻转、共轭运算；
然后将接收信号和本地信号进行傅里叶变换：
R'(k)＝FFT(r'(n))
PSS'i(k)＝FFT(pss'i(-n))
Ci(n)＝IFFT(R'(k)×PSS'i(k))。
5.根据权利要求4所述的5G系统下行帧定时同步方法，其特征在于：步骤S5中所述比较三组互相关值的峰均值大小，从而获取小区组内号
Figure FDA0002329340010000025
和粗同步点表示为R1，具体包括以下内容：三组本地信号分别与接收信号进行互相关运算，得到三组相关值，选取每组互相关值的最大值Cmax1、Cmax2、Cmax3，比较三个值中的最大值，最大值所对应的本地信号的序列号即为小区组内ID号，最大值对应的n值点为粗定时同步点。
6.根据权利要求5所述的5G系统下行帧定时同步方法，其特征在于：步骤S6为确定精同步位置点，具体包括：粗同步点R1对应的接收信号的真实值用R2表示，R2＝(R1-1)*降采样倍数+1；在R2位置前后取32点，组成64点的滑动窗，进行64次的互相关计算得到峰值位置PSSmax，峰值点对应的滑动窗口的位置为r，取值范围为1到64；精同步处理得到的同步点位置用R3表示，R3＝R2-(32-r)，从而获取定时同步位置和小区组内号
Figure FDA0002329340010000031
7.根据权利要求6所述的5G系统下行帧定时同步方法，其特征在于：步骤S7中检测辅同步信号，确定小区组号
Figure FDA0002329340010000032
和小区号
Figure FDA0002329340010000033
具体包括：在5G系统中PSS和SSS以SSB块的形式发送，PSS和SSS始终相差两个OFDM符号，由于已知PSS信号的起始位置，能够获取SSS信号的起始位置，从而截取接收信号中的SSS信号序列，与本地的336组SSS信号进行互相关运算，并对比互相关峰值的大小，最大值所对应的同步信号的组号用D1表示取值范围为1到336，则小区组号
Figure FDA0002329340010000034
按照PSS信号的粗同步和精同步处理，获取小区组内号
Figure FDA0002329340010000035
SSS信号的互相关处理，获取小区号
Figure FDA0002329340010000036
进一步得到小区号
Figure FDA0002329340010000037
其计算公式为
Figure FDA0002329340010000038
完成了定时同步过程。
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