CN111988840A - 基于同步信号块联合统计的物理小区标识提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于同步信号块联合统计的物理小区标识提取方法,主要解决现有技术易产生主同步信号同步出错,且需额外选择同步信号块进行后续信道解码的问题。其方案是:5G终端确定搜索频点,并在该频点上进行主同步信号的粗同步检测,确定组内标识;选择大小为M的同步信号块索引集S,并对S中的同步信号块数据进行频偏估计补偿,以进行精同步;分别对索引集S中的同步信号块对应的辅同步信号进行同步检测,得到组标识;根据组、组内标识算出M个可能的物理小区标识,再从中选择正确的小区标识。本发明提高了主同步信号的同步精度,降低了小区搜索的时延,可用于5G移动通信中在低信噪比下的小区搜索。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域,更进一步涉及一种物理小区标识提取方法,可用于5G移动通信中在低信噪比下进行小区搜索。
背景技术
为了迎合未来社会发展的需求,尤其是爆炸性的移动数据流量增长、海量的设备连接以及不断涌现的各类新业务和应用场景,第五代移动通信系统应运而生。小区搜索是终端接入5G移动网络必不可少的一步,其需要一段相当长的时间来获取小区的时频域同步信息。在小区搜索中,多个同步信号块SSB在进行一个半帧内周期性的传输时,一方面,用户必须检测两个下行同步信号,即主同步信号PSS和辅同步信号SSS,以获取物理小区标识;另一方面,用户必须通过同步信号块SSB中携带的物理广播信道信息检测小区的基本系统信息。在低信噪比条件下,由于噪声的影响,使得主同步信号、辅同步信号同步出错,终端获取物理小区标识失败,进而影响小区搜索中后续信道解码过程,因此提高低信噪比下物理小区标识提取的性能是非常重要的。
3GPP 38.331协议规定,在5G的低频段下,一个周期内的同步信号块时域集合图样按子载波间隔分3种情况:case A、case B、case C,且规定了一个周期内可以发送的最大同步信号块数量。实际中,基站不需要发送所有的同步信号块,根据网络需求,可以选择性的只发送少量同步信号块;另外,由于某些同步信号块信息受噪声影响较大,不适合用来进行后续信道解码过程的处理,因此,选择合适的同步信号块进行后续处理也是至关重要的。
Kyogo Ota,Aya Shimura,Mamoru Sawahashi,Satoshi Nagata在其发表的论文“Performance of Physical Cell ID Detection Probability Considering FrequencyOffset for NR Radio Interface”(2019IEEE 90th Vehicular Technology Conference(VTC2019-Fall),Honolulu,HI,USA,2019,pp.1-6.)中提出了一种同步信号块联合进行同步信号互相关的小区提取方法。该方法将接收到的一个周期内的所有同步信号块中的主同步信号与本地主同步序列互相关得到的相关值,按不同的同步信号块时域集合图样进行叠加,进而确定组内标识在此基础上,进行频偏估计与补偿,再将接收到的一个周期内的所有辅同步信号与本地辅同步序列进行互相关得到的相关值,按照不同的同步信号块时域集合图样叠加,确定组标识由此确定物理小区标识。在初始小区接入时,若某些同步信号块没有发送,联合一个周期内所有可能的同步信号块进行主同步信号互相关时,该方法会导致主同步信号互相关峰值被削弱,进而导致主同步信号同步出错。另外,使用多个辅同步序列的互相关值进行求和来确定组标识该方法虽然可以提高物理小区标识的提取性能,但还需采用一定的准则来确定合适的同步信号块,导致小区搜索的处理时延增加。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足,提供一种基于同步信号块联合统计的物理小区标识提取方法,以提高主同步信号的同步精度,降低小区搜索处理迟延。
实现本发明目的的思路是:在5G系统的接收端,通过计算一个同步信号块周期内L个可能的主同步信号互相关值,叠加其中M个大于期望值的数据,求解组内标识以及这M个主同步信号的时域位置,进而确定对应辅同步信号的时域区间;通过对这些辅同步信号进行同步,得到多个互相关峰值以及组标识当结果中出现两个及以上相同的组标识时,则认为此对应的物理小区标识是正确的,其对应的同步信号块即为后续求解信道所需的,否则,取最大的互相关峰值对应的认为其对应的物理小区标识是正确的。
根据上述思路,本发明的实现步骤包括如下:
1)5G终端在其自身所支持频段中的全局同步信道号频点上,根据不同的同步信号块子载波间隔情况进行频点搜索;
2)在搜索频点上,进行主同步信号的粗同步检测,并选择同步信号块索引集:
2a)终端对频域主同步序列di进行时频域转换操作,产生3种本地主同步信号时域序列pi,并利用滑动互相关公式,对接收到的信号r(k)与本地主同步信号时域序列pi进行互相关,得到主同步信号互相关值Ci(k);
2b)对一个同步信号块周期内L个可能的主同步信号互相关值Ci(k)求期望:
其中,L是3GPP 38.104协议中规定的一个周期内最大同步信号块个数,avgi(k)是接收信号时域索引为k、组内标识为i时所求出的主同步信号互相关值Ci(k)的期望,i∈{0,1,2},l为同步信号块索引,表示时域索引为时的主同步信号互相关值,index表示在一个同步信号块周期内,相邻的两个同步信号块中主同步信号的时域起始索引差;
2c)对于时域索引为k的接收信号、当组内标识为i,选择大于等于期望值avgi(k)的M个主同步信号互相关值,将这M个主同步信号所对应的同步信号块索引记为seti(k),并将此M个值叠加得到Di(k):
其中,Sm代表索引集S中的第m个元素;
3)对索引集S中的同步信号块数据dd进行频偏估计与补偿,得到频偏补偿后的同步信号块数据dd’,对频偏补偿后的主同步信号数据dp’进行精同步,得到修正后的主同步信号时域索引y;
4)终端进行辅同步信号的同步检测,并确定物理小区标识:
4a)终端对频域辅同步序列tv进行时频域转换操作,产生3种本地辅同步信号时域序列sv,并根据滑动互相关公式,对索引集S中的M个辅同步信号数据ds’分别与本地辅同步信号时域序列si进行互相关处理,得到辅同步信号互相关值Dm,i及组标识
4c)从M个可能的PCIm中选择正确的物理小区标识:若PCIm中出现两个及以上相同的数据,则认为此数据是正确的物理小区标识,否则,最大的辅同步信号互相关值Dm,v对应的PCIm是正确的物理小区标识。
本发明与现有技术相比具有以下优点:
第一,由于本发明考虑了实际中一个同步信号块周期内某些同步信号块未发送的情况,使用高于期望值的主同步信号互相关值进行叠加,克服了现有技术不考虑同步信号块数量,将所有可能的主同步信号互相关值进行叠加削弱了互相关峰值,进而导致主同步信号同步出错的问题,使得本发明在同步信号块数量未知的情况下,也可很好利用多个同步信号块联合进行主同步信号的同步。
第二,本发明在利用多个同步信号块中的辅同步信号进行互相关时,由于不是将所有辅同步信号相关值进行叠加,而是对多个辅同步信号分别进行同步,且利用周期统计的方法确定物理小区标识以及受噪声影响较小的同步信号块,克服了现有技术在确定物理小区标识之后,还需进一步选择合适的同步信号块进行后续物理广播信道解码处理的不足,使得本发明降低了5G移动通信系统中小区搜索的处理时延。
附图说明
图1为本发明的流程图;
图2是本发明中同步信号块时域样式为caseC,L=8的情况下,一个半帧内同步信号块的分布图;
图3为本发明和现有技术对主同步信号进行同步检测的仿真图。
图4为本发明和现有技术对辅同步信号进行同步检测的仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
参照图1,本实例基于同步信号块联合统计的物理小区标识提取方法,其实现步骤如下:
步骤1、5G终端进行频点搜索。
5G终端在其自身所支持频段中的全局同步信道号频点上,根据不同的同步信号块子载波间隔情况进行频点搜索,如下表一。
表一:5G部分频段全局同步信道号及同步信号块子载波间隔
从表一可见,5G划分了多个频段,不同的频段对应不同的全局同步信道号GSCN以及同步子载波间隔,比如:对于n66频段的GSCN频点5279-<1>-5494、5285-<1>-5488,分别支持15kHz、30kHz两种同步信号块子载波间隔,终端需要在这些频点上使用相应的子载波间隔来进行搜索。
步骤2、在搜索频点上,进行主同步信号的粗同步检测及同步信号块索引集的选取。
本步骤的具体实现方式如下:
2.1)终端对频域主同步序列di进行时频域转换操作,产生3种本地主同步信号时域序列pi:
pi=[p’i(N-NCP+1:N),p’i],i=0,1,2
其中,Ncp表示循环前缀的大小,N是一个OFDM符号的长度,p’i是频域主同步信号ai经逆傅里叶变换得到的时域主同步信号,即p’i=IFFT(ai),频域主同步信号ai序列中的每个元素取值如下式:
2.2)利用滑动互相关公式,对本地主同步信号时域序列pi与接收到的信号r(k)进行互相关,得到主同步信号互相关值Ci(k);
其中,r(k)代表时域索引为k的接收信号,pi(n)表示组内标识为i的本地主同步信号时域序列pi中的第n个元素,*代表取共轭操作,N代表一个OFDM符号的长度,Ci(k)代表起始时域索引为k的接收信号与组内标识为i的本地主同步信号序列pi进行互相关操作之后的值。
2.3)对一个同步信号块周期内L个可能的主同步信号互相关值Ci(k)求期望:
其中,L是3GPP 38.104协议中规定的一个周期内最大同步信号块个数,avgi(k)是接收信号时域索引为k、组内标识为i时所求出的主同步信号互相关值Ci(k)的期望,i=0,1,2,l为同步信号块索引,β=0,…,l,表示时域索引为时的主同步信号互相关值,index表示在一个同步信号块周期内,相邻的两个同步信号块中主同步信号的时域起始索引差,即index=λ×N,λ代表相差的OFDM符号个数;根据不同的同步信号块个数L与时域样式,λ对应不同的取值:
对于时域样式为caseA/caseC,当同步信号块个数L=4,β分别为0或1,3或2时,λ对应为0或6或8;当L=8,β分别为0或1,3,5,7或2,4,6时,λ对应为0或6或8;
对于时域样式caseB,当L=4,β分别为0或1,3或2时,λ对应为0或4或8;当L=8时,β分别为0或1,3,5,7或2,6或4时,λ对应为0或4或8或12。
参照图2,同步信号块时域样式为case C,L=8的情况下,1号与0号同步信号块中主同步信号的时域起始索引差为index=6×N,2号与1号同步信号块中主同步信号的时域起始索引差为index=8×N,以此类推;
2.4)当接收信号时域索引为k、组内标识为i时,选择大于等于期望值avgi(k)的M个主同步信号互相关值,将这M个主同步信号所对应的同步信号块索引记为seti(k),并将此M个值叠加得到Di(k):
其中,Sm代表索引集S中的第m个元素,。
步骤3、对索引集S中的同步信号块数据dd进行频偏估计与补偿,得到频偏补偿后的同步信号块数据dd’。
3.1)计算索引集S中同步信号块数据dd的频偏:
其中,ddm,n(k)表示索引集S中第m个同步信号块中第n个OFDM符号中第k个时域索引的数据,ddm,n(k+N)表示索引集S中第m个同步信号块中第n个OFDM符号中第k+N个时隙索引的数据,N表示一个OFDM符号的长度,Ncp代表循环前缀长度,*代表取共轭操作,angle()表示取角度操作,表示第m个同步信号块中第n个OFDM符号循环前缀信息与尾部同样长度的数据信息进行共轭相乘得到的频偏估计值;
其中,e表示以自然常数e为底的指数操作,j表示虚数符号,NFFT表示傅里叶变换点数大小,dd’m,n(tt)表示补偿频偏后索引集S中第m个同步信号块中第n个OFDM符号中第tt个时域索引的数据,该数据包括补偿后的主同步信号数据dp’和补偿后的辅同步信号数据ds’。
步骤4、对频偏补偿后的主同步信号数据dp’进行精同步,得到修正后的主同步信号时域索引y。
其中,index表示在一个同步信号块周期内,相邻同步信号块中主同步信号时域起始索引差;Sm代表索引集S中的第m个元素;ym是Sm对应的主同步信号的精同步时域索引。
步骤5、终端进行辅同步信号的同步检测,并确定物理小区标识。
5.1)终端对频域辅同步序列tv进行时频域转换操作,产生3种本地辅同步信号时域序列sv:
sv=[s’v(N-NCP+1:N),s’v],v=0,…335
其中,Ncp表示循环前缀的大小,N是一个OFDM符号的长度,s’v是频域辅同步信号bv经逆傅里叶变换得到的时域辅同步信号,即s’v=IFFT(bv),频域辅同步信号bv序列中的每个元素取值如下式:
5.2)利用滑动互相关公式,对索引集S中的M个辅同步信号ds’与本地辅同步序列sv进行互相关,得到辅同步信号互相关值Dm,v:
其中,sv(n)表示组标识为v的本地辅同步信号时域序列sv中的第n个元素,*代表取共轭操作,ds’m表示Sm对应的辅同步信号数据,Sm代表同步信号块索引集S中的第m个元素,zm是Sm对应的辅同步信号的起始时域索引,zm=ym+2×N,ym是Sm对应的主同步信号的精同步时域索引,N表示一个OFDM符号的大小;
5.5)从M个可能的PCIm中选择正确的物理小区标识:
若PCIm中出现两个及以上相同的数据,则认为此数据是正确的物理小区标识;
否则,最大的辅同步信号互相关值Dm,v对应的PCIm是正确的物理小区标识。
本发明的效果可通过下面仿真实验进一步说明。
1.仿真实验条件:
本发明的仿真实验平台为:处理器为Intel i5-6500 CPU,主频为3.2GHz,内存8GB。
本发明的仿真实验的软件平台为:Windows 10系统,MATLAB2018b和KeysightSignal Studio Pro for 5G NR。
仿真所用的现有技术是指Kyogo Ota,Aya Shimura,Mamoru Sawahashi,SatoshiNagata在其发表的论文“Performance of Physical Cell ID Detection ProbabilityConsidering Frequency Offset for NR Radio Interface”(2019IEEE 90th VehicularTechnology Conference(VTC2019-Fall),Honolulu,HI,USA,2019,pp.1-6.)中提出的一种基于同步信号块联合互相关的物理小区标识提取方法。
仿真实验的接收数据信号来自Keysight signal Studio Pro for 5G NR产生的工作频点在2.52GHz,系统带宽为100MHz,子载波间隔为30kHz,同步信号块时域图案为caseC,最大同步信号块个数L=8,发射的主同步信号块为0号、1号、4号、6号、7号,FFT大小为4096,信道模型为高斯白噪声的模拟基站信号。
2.仿真内容及其结果分析:
仿真1,在上述仿真条件下,利用本发明和现有技术分别对-107dBm下5G数据进行主同步信号的同步检测,结果如图3所示,图3中横坐标表示接收信号时域索引,纵坐标表示主同步信号互相关值大小。其中:
图3(a)表示现有技术一个同步信号块周期内,8个可能的主同步信号互相关值叠加,得到的主同步信号互相关值;
图3(b)表示本发明中对一个同步信号块周期内,8个可能的主同步信号互相关值叠加,得到互相关值的期望,再对大于等于期望的数据叠加,得到的主同步信号的互相关值。
由图3可见,现有技术主同步信号互相关峰值Y=1930对应的时域索引为X=1167911,本发明主同步信号峰值Y=1538对应的时域索引为X=1106464,后者更加接近实际值,可见本发明通过对一个同步信号块周期内,8个可能的主同步信号互相关值叠加,得到互相关值的期望,再对大于等于期望的互相关值叠加,作为主同步信号的互相关值,相比于现有技术提高了主同步信号的同步精度。
仿真2,在上述仿真条件下,根据仿真1的结果,利用本发明和现有技术分别对-107dBm下5G数据进行辅同步信号的同步检测,结果如图4所示,图4中横坐标表示组标识,纵坐标表示辅同步信号互相关值大小。其中:
图4(a)表示对现有技术中联合8个可能的辅同步信号互相关值进行叠加后,得到的辅同步信号互相关值;
图4(b)表示本发明中对同步信号块索引集S中M个辅同步信号分别进行同步,得到的辅同步信号互相关值,该图中的SSB0、SSB1、SSB4、SSB6分别代表索引集S中的0号、1号、4号、6号同步信号块对应的辅同步信号互相关值。
由图4可见,本发明通过对索引集中的辅同步信号分别同步,在准确识别出组标识的同时,可得到受噪声影响较小的同步信号块来进行后续信道解码,相比于现有技术降低了小区搜索时延。
Claims (7)
1.一种基于同步信号块联合统计的物理小区标识提取方法,其特征在于,包括如下:
1)5G终端在其自身所支持频段中的全局同步信道号频点上,根据不同的同步信号块子载波间隔情况进行频点搜索;
2)在搜索频点上,进行主同步信号的粗同步检测,并选择同步信号块索引集:
2a)终端对频域主同步序列di进行时频域转换操作,产生3种本地主同步信号时域序列pi,并利用滑动互相关公式,对接收到的信号r(k)与本地主同步信号时域序列pi进行互相关,得到主同步信号互相关值Ci(k);
2b)对一个同步信号块周期内L个可能的主同步信号互相关值Ci(k)求期望:
其中,L是3GPP 38.104协议中规定的一个周期内最大同步信号块个数,avgi(k)是接收信号时域索引为k、组内标识为i时所求出的主同步信号互相关值Ci(k)的期望,i∈{0,1,2},l为同步信号块索引,表示时域索引为时的主同步信号互相关值,index表示在一个同步信号块周期内,相邻的两个同步信号块中主同步信号的时域起始索引差;
2c)对于时域索引为k的接收信号、当组内标识为i,选择大于等于期望值avgi(k)的M个主同步信号互相关值,将这M个主同步信号所对应的同步信号块索引记为seti(k),并将此M个值叠加得到Di(k):
其中,Sm代表索引集S中的第m个元素;
3)对索引集S中的同步信号块数据dd进行频偏估计与补偿,得到频偏补偿后的同步信号块数据dd’,对频偏补偿后的主同步信号数据dp’进行精同步,得到修正后的主同步信号时域索引y;
4)终端进行辅同步信号的同步检测,并确定物理小区标识:
4a)终端对频域辅同步序列tv进行时频域转换操作,产生3种本地辅同步信号时域序列sv,并根据滑动互相关公式,对索引集S中的M个辅同步信号数据ds’分别与本地辅同步信号时域序列si进行互相关处理,得到辅同步信号互相关值Dm,i及组标识
4c)从M个可能的PCIm中选择正确的物理小区标识:若PCIm中出现两个及以上相同的数据,则认为此数据是正确的物理小区标识,否则,最大的辅同步信号互相关值Dm,v对应的PCIm是正确的物理小区标识。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,3)中对索引集S中的同步信号块数据dd进行频偏估计与补偿,实现如下:
3a)计算索引集S中同步信号块数据dd的频偏:
其中,ddm,n(k)表示索引集S中第m个同步信号块中第n个OFDM符号中第k个时域索引的数据,ddm,n(k+N)表示索引集S中第m个同步信号块中第n个OFDM符号中第k+N个时隙索引的数据,N表示一个OFDM符号的长度,Ncp代表循环前缀长度,*代表取共轭操作,angle()表示取角度操作,表示第m个同步信号块中第n个OFDM符号循环前缀信息与尾部同样长度的数据信息进行共轭相乘得到的频偏估计值;
其中,e表示以自然常数e为底的指数操作,j表示虚数符号,NFFT表示傅里叶变换点数大小,dd’m,n(tt)表示补偿频偏后索引集S中第m个同步信号块中第n个OFDM符号中第tt个时域索引的数据,该数据包括补偿后的主同步信号数据dp’和补偿后的辅同步信号数据ds’。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,3)中对频偏补偿后的主同步信号数据dp’进行精同步,实现如下:
其中,index表示在一个同步信号块周期内,相邻同步信号块中主同步信号时域起始索引差;Sm代表索引集S中的第m个元素;ym是Sm对应的主同步信号的精同步时域索引。
4a1)利用滑动互相关公式,对索引集S中的M个辅同步信号ds’与本地辅同步序列sv进行互相关,得到辅同步信号互相关值Dm,v:
其中,sv(n)表示组标识为v的本地辅同步信号时域序列sv中的第n个元素,*代表取共轭操作,Sm代表同步信号块索引集S中的第m个元素,ds’m表示Sm对应的辅同步信号数据,zm是Sm对应的辅同步信号的起始时域索引,zm=ym+2×N,ym是Sm对应的主同步信号的精同步时域索引,N表示一个OFDM符号的大小;
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