CN112187693B - 5g系统中pss定时同步的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种5G系统中PSS定时同步的方法及装置，包括：根据本地已知的PSS时域数据，对接收到的时域数据进行匹配滤波；根据本地已知的PSS时域数据，对接收到的时域数据进行分段相关；寻找预设时间内匹配滤波的峰值以及分段相关的峰值；计算匹配滤波的峰值与分段相关的峰值的比值，如果大于门限，则认为当前频偏较小，采用匹配滤波的峰值位置作为PSS定时同步位置；否则认为当前频偏较大，采用分段相关的峰值位置作为PSS定时同步位置。本发明在没有明显增加运算量的基础上，能够对抗大的频偏；本发明能够自适应区分频偏大小，根据频偏大小选择最优的PSS定时同步算法。

Description

5G系统中PSS定时同步的方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体地，涉及一种5G系统中PSS定时同步的方法及装置。

背景技术

时频同步是任何通信系统都会面临的问题，其性能将对整个通信系统产生决定性影响，高效、精确的时频同步是通信系统实现可靠数据传输的前提。第五代移动通信系统5G为初始小区接入定义了同步信号块SSB，其中包括主同步信号PSS、辅同步信号SSS、物理广播信道PBCH和物理广播信道PBCH的解调参考信号DM-RS。而PSS作为同步信号块中的第一个符号，其定时同步是所有同步处理的第一步，其性能就显得尤为重要。值得注意的是，在做PSS定时同步时，其他同步误差都没有被估计和补偿，尤其是频率偏差的存在可能会影响到PSS定时同步的性能，比如传统的匹配滤波算法。因此必须选择一种不受频率偏差影响的定时同步算法。以下是检索到的一些试图解决这一技术问题的专利文献：

专利文献CN110290581A公开了一种5G系统中的快速时频同步方法及终端，利用CP(循环前缀)估计频偏，纠正估计的频偏后再进行PSS匹配滤波。其缺陷在于：利用CP估计的频偏范围只有±0.5倍的子载波间隔，如果存在更大的频偏，则无法正确估计。

专利文献CN102868420A公开了一种LTE同步的方法，匹配滤波时，用尝试的方法，考虑多个频偏候选值，每个频偏候选值与本地PSS序列相乘纠正相应的频偏，再与接收到的序列进行匹配滤波。纠正频偏最接近真实值的本地PSS序列进行匹配滤波能得到最大的相关峰，从而消除大频偏对匹配滤波算法的影响。其缺陷在于：算法运算量大，如果考虑N个整偏候选值，则运算量是普通匹配滤波法的N倍。

专利文献CN106470476A公开了一种LTE时域相关初始同步方法及其装置，使用分段相关算法，可以克服频偏带来的影响。其缺陷在于：在5G系统中，经过仿真发现分段相关算法性能在没有频偏的情况下比匹配滤波法差(如图1)。运算量与匹配滤波法相当，容忍的频偏范围比使用CP法大很多。而在通信系统中，通常只有最初始的同步可能存在大频偏，其他情况下频偏都被跟踪控制在很小的范围。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种5G系统中PSS定时同步的方法及装置。

根据本发明提供的一种5G系统中PSS定时同步的方法，包括：

步骤1：根据本地已知的PSS时域数据，对接收到的时域数据进行匹配滤波；

步骤2：根据本地已知的PSS时域数据，对接收到的时域数据进行分段相关；

步骤3：寻找预设时间内匹配滤波的峰值以及分段相关的峰值；

步骤4：计算匹配滤波的峰值与分段相关的峰值的比值，如果大于门限，则认为当前频偏较小，采用匹配滤波的峰值位置作为PSS定时同步位置；否则认为当前频偏较大，采用分段相关的峰值位置作为PSS定时同步位置。

优选地，步骤1匹配滤波的结果为：

其中r为接收到的时域数据，d为时域数据索引，d＝0,1,2,…；i为三种PSS时域数据的索引，i＝0,1,2，

为本地已知的三种PSS时域数据，*表示求共轭运算；N_PSS为PSS序列的长度。

优选地，步骤2包括：

步骤2.1：计算分段相关的结果：

M为已知的PSS时域数据的等分段数，k为分段的序号，k＝0,1,...,M-1；

步骤2.2：合并分段相关结果，合并方法包括以下两种：

优选地，所述预设时间由主同步信号PSS的发送周期决定。

优选地，所述门限为通过仿真不同信噪比下的性能以及不同频偏下的性能，最终确定得到的最优门限。

根据本发明提供的一种5G系统中PSS定时同步的装置，包括：

匹配滤波模块：根据本地已知的PSS时域数据，对接收到的时域数据进行匹配滤波；

分段相关模块：根据本地已知的PSS时域数据，对接收到的时域数据进行分段相关；

峰值寻找模块：寻找预设时间内匹配滤波的峰值以及分段相关的峰值；

判断模块：计算匹配滤波的峰值与分段相关的峰值的比值，如果大于门限，则认为当前频偏较小，采用匹配滤波的峰值位置作为PSS定时同步位置；否则认为当前频偏较大，采用分段相关的峰值位置作为PSS定时同步位置。

优选地，匹配滤波模块的匹配滤波结果为：

其中r为接收到的时域数据，d为时域数据索引，d＝0,1,2,…；i为三种PSS时域数据的索引，i＝0,1,2，

为本地已知的三种PSS时域数据，*表示求共轭运算；N_PSS为PSS序列的长度。

优选地，分段相关模块包括：

计算分段相关的结果：

M为已知的PSS时域数据的等分段数，k为分段的序号，k＝0,1,...,M-1；

合并分段相关结果，合并方法包括以下两种：

优选地，所述预设时间由主同步信号PSS的发送周期决定。

优选地，所述门限为通过仿真不同信噪比下的性能以及不同频偏下的性能，最终确定得到的最优门限。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)本发明在没有明显增加运算量的基础上，能够对抗大的频偏；

2)本发明能够自适应区分频偏大小，根据频偏大小选择最优的PSS定时同步算法。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为不同PSS相关算法的定时同步性能对比图；

图2为本发明方法的流程图；

图3为本发明装置的框图；

图4为不同PSS相关算法的峰值随频偏的变化图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图2所示，一种5G系统中的PSS定时同步方法，其具体步骤如下：

步骤1：根据本地已知的PSS时域数据，对接收到的时域数据进行匹配滤波。

其中r为接收到的时域数据，d为时域数据索引(d＝0,1,2,…)。s为本地已知的PSS时域数据，i为三种PSS时域数据的索引(i＝0,1,2)。在5G系统中，PSS根据小区标识不同，有三种可能。在相关时，这三种序列都要尝试。N_PSS为PSS序列的长度，通常为减小运算量，会对接收到的时域数据进行下采样。N_PSS最小可为128。该值大小不作为本发明的限定。

步骤2：根据本地已知的PSS时域数据，对接收到的时域数据进行分段相关。

假设已知PSS时域数据等分成M段

步骤2.1：计算分段相关结果

步骤2.2：合并分段相关结果，该合并方法有两种：

后一种性能比前一种好，本发明不限定使用哪种分段相关算法

M的取值：从图4可以看出不同M值抗频偏大小不同，M值越大，抗频偏越大。匹配滤波只能抗频偏小于10KHz。而M＝8可以抗60KHz左右的频偏。而从图1可以看出，M值越大，在小频偏的情况下，对抗噪声的性能越差。因此在考虑系统存在的最大频偏时，尽可能选取小的M值。例如，当系统存在的最大频偏为20KHz时，M＝4是最优的选择。M值不作为本发明限定。

同时计算匹配滤波和分段相关并没有增加很多运算量。以M＝8为例，对于每个时域接收数据而言，先按照步骤2.1并行计算8段相关和，然后将8段相关和(即8个复数值)直接求和再求模平方即得到匹配滤波的一次结果，而将8段相关和进行前后相关求和(如步骤2.2后一个公式)，即得到分段＝8的一次相关结果。

步骤3：寻找一段时间内匹配滤波的峰值以及分段相关的峰值。

一段时间由PSS即SSB(同步信号块)的发送周期决定。在初始小区搜索时，通常发送周期可认为是20ms，即需要在20ms的接收数据内进行匹配滤波和分段相关，并搜索其峰值。该时间段不作为本发明的限定。由于PSS有三种本地序列，所以峰值搜索是在这三种PSS序列的相关中找一个最大值。

步骤4：计算两个峰值的比值，如果大于门限，则认为当前频偏较小，采用匹配滤波的峰值位置作为PSS定时同步位置；否则认为当前频偏较大，采用分段相关的峰值位置作为PSS定时同步位置。

具体做法：假设在一段时间内搜索到的匹配滤波峰值为P，而分段相关的峰值为P’。如果P>Th*P’，Th为门限值，则认为频偏很小，此时使用匹配滤波得到的峰值位置作为PSS的定时同步位置，即PSS符号的起始位置；否则，则认为频偏较大，此时使用分段相关得到的峰值位置作为PSS的定时同步位置。

Th门限的确定：可以根据图1确定门限的大致范围，再通过仿真得到最优门限。例如M＝8，从图1中可以看到匹配滤波的峰值大概是M＝8分段相关峰值的9倍，因此Th门限肯定<9，可选择Th＝6,7,8,9，仿真不同信噪比下的性能以及不同频偏下的性能，最终确定最优门限。该门限值不作为本发明限定。

如图3所示，一种5G系统中的PSS定时同步装置，包括：

匹配滤波模块：根据本地已知的PSS时域数据，对接收到的时域数据进行匹配滤波。

分段相关模块：根据本地已知的PSS时域数据，对接收到的时域数据进行分段相关。

峰值寻找模块：寻找预设时间内匹配滤波的峰值以及分段相关的峰值。

判断模块：计算匹配滤波的峰值与分段相关的峰值的比值，如果大于门限，则认为当前频偏较小，采用匹配滤波的峰值位置作为PSS定时同步位置；否则认为当前频偏较大，采用分段相关的峰值位置作为PSS定时同步位置。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种5G系统中PSS定时同步的方法，其特征在于，包括：

步骤1：根据本地已知的PSS时域数据，对接收到的时域数据进行匹配滤波；

步骤2：根据本地已知的PSS时域数据，对接收到的时域数据进行分段相关；

步骤3：寻找预设时间内匹配滤波的峰值以及分段相关的峰值；

步骤4：计算匹配滤波的峰值与分段相关的峰值的比值，如果大于门限，则认为当前频偏较小，采用匹配滤波的峰值位置作为PSS定时同步位置；否则认为当前频偏较大，采用分段相关的峰值位置作为PSS定时同步位置；

步骤1匹配滤波的结果为：

其中r为接收到的时域数据，d为时域数据索引，d＝0,1,2,…；i为三种PSS时域数据的索引，i＝0,1,2，

为本地已知的三种PSS时域数据，*表示求共轭运算；N_PSS为PSS序列的长度；

步骤2包括：

步骤2.1：计算分段相关的结果：

M为已知的PSS时域数据的等分段数，k为分段的序号，k＝0,1,...,M-1；

步骤2.2：合并分段相关结果，合并方法包括以下两种：

同时计算匹配滤波的结果和分段相关的结果。

2.根据权利要求1所述的5G系统中PSS定时同步的方法，其特征在于，所述预设时间由主同步信号PSS的发送周期决定。

3.根据权利要求1所述的5G系统中PSS定时同步的方法，其特征在于，所述门限为通过仿真不同信噪比下的性能以及不同频偏下的性能，最终确定得到的最优门限。

4.一种5G系统中PSS定时同步的装置，其特征在于，包括：

匹配滤波模块：根据本地已知的PSS时域数据，对接收到的时域数据进行匹配滤波；

分段相关模块：根据本地已知的PSS时域数据，对接收到的时域数据进行分段相关；

峰值寻找模块：寻找预设时间内匹配滤波的峰值以及分段相关的峰值；

判断模块：计算匹配滤波的峰值与分段相关的峰值的比值，如果大于门限，则认为当前频偏较小，采用匹配滤波的峰值位置作为PSS定时同步位置；否则认为当前频偏较大，采用分段相关的峰值位置作为PSS定时同步位置；

匹配滤波模块的匹配滤波结果为：

其中r为接收到的时域数据，d为时域数据索引，d＝0,1,2,…；i为三种PSS时域数据的索引，i＝0,1,2，

为本地已知的三种PSS时域数据，*表示求共轭运算；N_PSS为PSS序列的长度；

分段相关模块包括：

计算分段相关的结果：

M为已知的PSS时域数据的等分段数，k为分段的序号，k＝0,1,...,M-1；

合并分段相关结果，合并方法包括以下两种：

同时计算匹配滤波的结果和分段相关的结果。

5.根据权利要求4所述的5G系统中PSS定时同步的装置，其特征在于，所述预设时间由主同步信号PSS的发送周期决定。

6.根据权利要求4所述的5G系统中PSS定时同步的装置，其特征在于，所述门限为通过仿真不同信噪比下的性能以及不同频偏下的性能，最终确定得到的最优门限。

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