TWI616108B - 細胞搜尋的方法 - Google Patents

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Abstract

一種細胞搜尋的方法,用於一無線通訊系統中的一行動裝置中,該方法包含有:進行一主同步訊號接收時間偵測程序,用來取得一主同步訊號的至少一可能接收時間點;進行一主同步訊號假設程序,用來根據一第一、第二及第三實體識別碼分別對應的三個根指數,在一頻域上產生一第一、第二及第三頻域主同步序列;以及進行一輔助同步訊號同調偵測程序,用來根據該至少一可能接收時間點分別與該第一、第二及第三頻域主同步序列計算出一輔助同步訊號,並取得對應的一實體細胞群組。

Description

細胞搜尋的方法
本案關於一種細胞搜尋的方法,尤指透過實體識別碼的假設機制與輔助同步訊號相關運算輸出的判斷機制,以提升細胞搜尋成功率的細胞搜尋方法。
在無線通訊系統中,當用戶端(user equipment)試圖進行網路存取時,首先需進行細胞搜尋程序以取得細胞識別碼,接著再與細胞進行同步程序。用戶端在細胞搜尋程序中應儘快取得細胞識別碼,以與細胞獲得同步,降低時間與頻率誤差。
在長期演進系統(Long Term Evolution, LTE)中,定義有504個實體細胞識別碼(,physical-layer cell identity),其由168個實體細胞群組(,physical-layer cell-identity group),每個群組有3個實體識別碼(,physical-layer identity)所組成。的範圍為0~167,的範圍為0~2,可以表示成。實體細胞識別碼由主同步訊號(Primary Synchronization Signal, PSS)與輔助同步訊號(Secondary Synchronization Signal, SSS)所攜帶,因此欲解得實體細胞識別碼,便需對同步訊號做偵測。
長期演進系統具有分頻多工(Frequency Division Duplexing, FDD)及分時多工(Time Division Duplexing, TDD)模式。PSS訊號和SSS訊號均以半個無線訊框(frame)為週期重複,即週期為5ms。細胞搜尋就是用戶端利用PSS訊號和SSS訊號的相關性,以5ms為週期檢測細胞訊號,獲取下行時域及頻域同步的過程,並分成PSS檢測和SSS檢測。
詳細來說,PSS訊號由長度63的Zadoff-Chu序列所組成,對應到頻域上DC子載波左右兩邊各31個子載波(subcarrier),PSS序列du (n)可表示如下:
簡單來說,PSS序列du (n)是根據根指數u產生。參見第1圖,其列出實體識別碼與根指數u的對應關係。由第1圖可知,實體識別碼:0、1、2分別對應Zadoff-Chu序列的根指數u:25、29、34。因此,PSS序列包含有三種序列,以根指數u作區分。
另外,SSS序列是由兩個長度為31的二位元序列交錯組成,並對應到頻域上DC子載波左右兩邊各31個子載波。這兩個序列的產生首先會經過擾亂序列(scramble sequence)的擾亂動作,而此擾亂序列的產生方法與實體識別碼有關,故一般在接收端需先偵測PSS訊號得到實體識別碼,並利用實體識別碼所產生的擾亂序列來進一步偵測SSS訊號。SSS訊號的傳送時間是在子訊框(subframe)0和5,SSS序列可表示如下:
其中,。上述公式的四項參數分別為指標參數m、序列s、擾亂序列c及序列z,說明如下:
指標與可由實體細胞群組推導得到:
序列與由m序列(m-sequence)給定不同循環位移(cyclic shift)與所構成:
與有關的擾亂序列和由m序列組成:
而序列與由m序列組成:
參見第2圖,細胞搜尋程序中,需先對PSS訊號做偵測,再依偵測到的PSS型別(三種根指數u) 偵測SSS訊號。首先,因PSS與SSS訊號為在LTE頻帶中心的1.4MHz,僅需1.92MHz的取樣頻率,故先用降頻濾波器將不同頻率(30.72MHz、23.04MHz … 、1.92MHz)的接收訊號降頻到1.92MHz,用戶端在接收端依三個根指數u(對應)產生三個時域上128點的PSS訊號,分別與降頻後的接收訊號做相關運算(correlation)。PSS訊號的相關運算結果輸出到非同調結合暫存器(Non-Coherent-Combining Buffer),藉以將多個半個無線訊框(5ms)的相關運算結果做結合進而降低背景雜訊的干擾。非同調結合暫存器的容量,以PSS訊號的傳送週期5ms來算,至少需儲存28.8k個取樣點(即3 組非同調結合暫存器x 9600取樣點/組)。峰值搜尋程序(Peak Search)針對每個接收時間點,於三組暫存器中找出最大值,將其最大值與預設的門檻做比較,來判斷是否有偵測到PSS訊號,若判斷成立,則將其對應的與主同步訊號的接收時間點送到SSS偵測程序作運算。SSS偵測程序可採用同調或非同調方式進行偵測:利用峰值搜尋程序取得的PSS訊號接收時間點與實體辨識碼,將時域上的接收訊號透過快速傅利葉轉換到頻域,於頻域上與168個實體細胞群組對應的SSS序列做相關運算,在168個相關運算結果中,取其最大輸出值所對應的實體細胞群組,即可根據實體辨識碼及實體細胞群組,計算出實體細胞識別碼。
然而,傳統細胞搜尋機制對於訊框同步未嚴格要求的系統,如分頻多工的FDD-LTE模式尚可成立,但對於訊框同步嚴格要求的系統,如分時多工TDD-LTE模式,則無法符合細胞搜尋的時間需求。舉例來說,TDD-LTE模式對於小細胞訊框同步的要求為3us,以OFDM符號長度為66.67us來說,這表示不同細胞所傳送出去的同步訊號(PSS訊號及SSS訊號),在接收端(用戶端)會重疊在一起,造成同步訊號間彼此的干擾。換句話說,訊號強的同步訊號將嚴重影響訊號弱的同步訊號被成功偵測到的機率。
本案即在解決訊框同步下同步訊號彼此相互干擾所造成細胞搜尋成功率降低的問題。
本案揭露一種細胞搜尋的方法,用於一無線通訊系統的一行動裝置中,方法包含:進行主同步訊號接收時間偵測程序,用來取得主同步訊號的可能接收時間點;進行主同步訊號假設程序,用來根據第一、第二及第三實體識別碼分別對應的三個根指數,在頻域上產生第一、第二及第三頻域主同步序列;以及進行輔助同步訊號同調偵測程序,用來根據可能接收時間點分別與第一、第二及第三頻域主同步序列計算出輔助同步訊號,並取得對應的實體細胞群組。
第3圖為本案實施例一通訊裝置30之示意圖。通訊裝置30可為用戶端,其包含處理裝置300、儲存單元310及通訊介面單元320。處理裝置300可為微處理器或特定應用積體電路(ASIC)。儲存單元310可為任一種類的資料儲存裝置,用來儲存程式碼314,並透過處理裝置300讀取及執行程式碼314。通訊介面單元320可為一無線收發器,其根據處理裝置300的處理結果與網路端(如基地台)交換無線訊號。
第4圖為本案實施例一流程40之流程圖。流程40可用於通訊裝置30,用來降低細胞搜尋的時間及提升成功機率。流程40可被編譯為程式碼314,儲存於儲存單元310中,其包含以下步驟:
步驟400: 開始。
步驟410: 進行一主同步訊號接收時間偵測程序,用來取得一主同步訊號可能出現的至少一接收時間點。
步驟420: 進行一主同步訊號假設程序,用來根據一第一、第二及第三實體識別碼分別對應的三個根指數,在一頻域上產生一第一、第二及第三頻域主同步序列。
步驟430: 進行一輔助同步訊號同調偵測程序,用來根據該至少一接收時間點中的每一個接收時間點與該第一、第二及第三頻域主同步序列,運算出一輔助同步訊號,並取得對應的一實體細胞群組。
步驟440: 結束。
根據流程40,在主同步訊號接收時間偵測程序,僅找出PSS訊號可能出現的接收時間點,對於PSS訊號的實體識別碼則先不做判斷,獲得PSS訊號的接收時間點後,再將三種可能的實體識別碼與接收時間點輸入輔助同步訊號同調偵測程序作配對偵測,以偵測出SSS訊號及實體細胞群組。
參見第5圖,本案提出的細胞搜尋的流程包含有主同步訊號接收時間偵測程序、主同步訊號假設程序及輔助同步訊號同調偵測程序。以下針對各個程序做詳細說明:
1. 主同步訊號接收時間偵測程序:
參見第6圖,其為本案實施例一主同步訊號接收時間偵測程序60的示意圖。用戶端在接收訊號後,將接收訊號降頻至1.92MHz(步驟601),再與時域上的三個PSS序列(根據三個根指數u:25、29、34分別產生)做相關運算(步驟602)。在每個接收時間點(即9600個取樣點),從三組相關運算結果中選擇最大者(步驟603)輸出到非同調結合暫存器作多個半個無線訊框的結合(步驟604)。接著,根據此半個無線訊框5ms容量的暫存器,將其儲存值與預設門檻做比較以便找出PSS訊號可能出現的接收時間點(步驟605),最後將這些可能的接收時間點輸出至輔助同步訊號同調偵測程序。值得注意的是,主同步訊號接收時間偵測程序60未對實體識別碼進行判斷,因此僅需一組非同調結合暫存器(即9600個取樣點),並省下2/3的暫存器容量(參見上述,習知的細胞搜尋過程中,需3組非同調結合暫存器儲存28.8k個取樣點)。
2. 主同步訊號假設程序及輔助同步訊號同調偵測程序:
參見第7圖,其為本案實施例一細胞搜尋的流程圖。在從主同步訊號接收時間偵測程60序得到接收時間點 )之後,主同步訊號假設程序70a將三種可能的實體識別碼依序輸入輔助同步訊號同調偵測程序70b做偵測。此外，如第7圖所示，在接收時間點ni 時，一參數initial將會被設定成1，使得在主同步訊號假設程序70a時會初始為0。
值得注意的是,為了消除同步訊號間的干擾,本案提出全頻域連續干擾消除程序(Successive Interference Cancel,SIC)。如第7圖所示,首先,用戶端判斷在接收時間點是否曾偵測到細胞(即取得實體細胞識別碼),若有,先進行連續干擾消除程序70c,再進行輔助同步訊號同調偵測程序70b;否則,直接進行輔助同步訊號同調偵測程序70b。若用戶端在接收時間點未偵測到細胞時,進行輔助同步訊號同調偵測程序70b。
訊號同調偵測程序70b詳述如下：用戶端根據主同步訊號接收時間偵測程60提供的主同步訊號接收時間點,取時域上128 取樣點做快速傅利葉轉換到頻域:
於頻域上DC左右各取31子載波得到:
根據主同步訊號接收時間偵測程60提供的PSS訊號接收時間點,依TDD-LTE模式,SSS訊號領先PSS訊號兩個OFDM符號時間,計算SSS訊號接收時間點,取時域上128 samples做快速傅利葉轉換到頻域:
於頻域上DC左右各取31子載波得到:
根據主同步訊號假設程序70a的實體識別碼假設值,產生頻域上的PSS序列:
做PSS訊號的通道估測:
套用PSS訊號的通道估測結果與做同調結合運算,得到:
其中,係指取實數部分,表示時間軸上的標記,則是同調結合暫存器,容量為3x62取樣點。將同調結合運算的結果與SSS序列做相關運算:
表示給定實體細胞群組與實體識別碼後,SSS訊號在頻域的序列:
由於SSS序列是m-序列所組成,SSS序列的相關運算結合可透過快速哈達瑪變換(Fast-Hardmard Transform,FHT)來計算,以降低硬體實現的複雜度。
由於本案僅在時域上找出PSS訊號可能出現的時間,而未針對PSS序列的型別做判斷,因此本發明實施例提出一檢測程序70d來確認SSS序列的相關運算結果是否有偵測到細胞。取SSS序列的相關運算結果中的最大值作為依據:
定義檢測門檻值為:
其中為能量總和:
應該滿足,如果大於預定的門檻,例如0.8,則判斷偵測到新的細胞,計算。緊接著將參數initial設為1，意即在主同步訊號假設程序70a將實體識別碼的假設值歸零,依偵測到的進行連續干擾消除程序的步驟,再執行輔助同步訊號同調偵測程序70b。否則,放棄此假設的實體識別碼的假設值,將參數initial設為0，使得在主同步訊號假設程序70a中，亦即嘗試下一個實體識別碼的假設值(如此次假設=0,嘗試=1),並重新執行輔助同步訊號同調偵測程序70b。如果,三種可能的實體識別碼均執行過輔助同步訊號同調偵測程序70b且未再偵測到新的細胞,則結束此次主同步訊號接收時間點的偵測,並在下一個接收時間點執行主同步訊號假設程序70a及輔助同步訊號同調偵測程序70b。
另一方面,若有偵測到細胞(即取得實體細胞識別碼),用戶端進行連續干擾消除程序70c。參見第8圖,其為本發明實施例一連續干擾消除程序80的流程圖。用戶端根據偵測到的實體細胞群組與實體識別碼,分別產生頻域上的PSS序列與SSS序列。接著進行SSS訊號的通道估測:
利用 SSS訊號的通道估測重建PSS與SSS的接收訊號:
將所接收到的PSS與SSS訊號分別去除相對應的重建訊號:
將執行連續干擾消除程序後的PSS與SSS訊號取代原本的PSS與SSS接收訊號、,輸入 輔助同步訊號同調偵測程序70b做偵測。以上整個連續干擾消除程序的動作完全在頻域上完成,無需轉換到時域上重新偵測較弱PSS訊號的存在以節省細胞搜尋的時間。值得注意的是,傳統細胞搜尋程序為了消除多個同步訊號間彼此的干擾,用戶端在偵測到細胞並取得實體細胞識別碼之後,會切換至時域上再進行連續干擾消除程序。然而,此方式會造成用戶端無法在偵測到細胞的當下的訊框中,進行連續干擾消除程序,而必需在下一個訊框中才能進行連續干擾消除程序,造成用戶端與細胞同步的時間延遲。
上述所有步驟,可透過硬體、軔體(即硬體裝置與電腦指令的組合,硬體裝置中的資料為唯讀軟體資料)或電子系統等方式實現。硬體可包含類比、數位及混合電路(即微電路、微晶片或矽晶片)。電子系統可包含系統單晶片(system on chip,SOC)、系統封裝(system in package,Sip)、電腦模組(computer on module,COM)及通訊裝置30。
綜上所述,本案提出的細胞搜尋流程,可解決當訊框同步系統在時域上有多個主同步訊號同時存在時,彼此的同步干擾無法透過非同調結合運算降低,因此,較弱的主同步訊號將無法被偵測到。本案藉由主同步訊號假設程序與頻域上輔助同步訊號相關運算結果的檢測機制,可確認是否有細胞存在,進一步採用全頻域連續干擾消除程序將較強細胞的干擾予以消除並結合不同訊框之間的同步結合,因此能大幅提昇較弱訊號細胞被偵測到的機率。 以上所述僅為本案之較佳實施例，凡依本案申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本案之涵蓋範圍。
‧‧‧實體識別碼
‧‧‧實體細胞群組
‧‧‧實體細胞識別碼
u‧‧‧根指數
ni‧‧‧接收時間點
30‧‧‧通訊裝置
300‧‧‧處理裝置
310‧‧‧儲存單元
320‧‧‧通訊介面單元
314‧‧‧程式碼
40‧‧‧流程
400~440、601~605‧‧‧步驟
60‧‧‧主同步訊號接收時間偵測程序
70a‧‧‧主同步訊號假設程序
70b‧‧‧輔助同步訊號同調偵測程序
70c、80‧‧‧連續干擾消除程序
70d‧‧‧檢測程序
第1圖為實體識別碼與 Zadoff-Chu根指數的對應關係表。 第2圖為細胞搜尋的流程圖。 第3圖為本案實施例一通訊裝置的示意圖。 第4圖為本案實施例一流程的示意圖。 第5圖為本案實施例一細胞搜尋的流程圖。 第6圖為本案實施例一主同步訊號接收時間偵測程序。 第7圖為本案實施例一細胞搜尋的流程圖。 第8圖為本案實施例一連續干擾消除程序。
40‧‧‧流程
400、410、420、430、440‧‧‧步驟

Claims (9)

  1. 一種細胞搜尋的方法，用於一無線通訊系統中的一行動裝置中，該方法包含有：進行一主同步訊號接收時間偵測程序，用來取得一主同步訊號的至少一可能接收時間點；進行一主同步訊號假設程序，用來根據一第一、第二及第三實體識別碼分別對應的三個根指數，在一頻域上產生一第一、第二及第三頻域主同步序列；進行一輔助同步訊號同調偵測程序，用來根據該至少一可能接收時間點分別與該第一、第二及第三頻域主同步序列計算出一輔助同步序列，其中該輔助同步訊號同調偵測程序包含一快速哈達瑪變換(Fast-Hardmard Transform)運算；以及進行一檢測程序，用來判斷是否偵測到一輔助同步訊號，其中該檢測程序包含有：當該快速哈達瑪變換運算結果大於預設的一門檻值時，判斷偵測到該輔助同步訊號，並取得對應的一實體細胞群組，以及當該快速哈達瑪變換運算結果小於該門檻值時，判斷未偵測到該輔助同步訊號。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該主同步訊號接收時間偵測程序包含有以下步驟：接收從該無線通訊系統中的一無線訊號；將該接收訊號降頻至該主同步訊號的頻率；將降頻後的訊號與對應該主同步訊號的一主同步序列作一相關運算(correlation)，其中該主同步序列包含一第一、第二及第三時域主同步序列，其為該行動裝置分別根據一第一、第二及第三根指數(root index)在一時域上產生； 在該主同步訊號傳送週期中的每個取樣時間點，從該第一、第二及第三相關運算結果中選擇最大輸出值，用來進行一非同調結合運算(non-coherent combining)，以產生一運算結果；以及將該運算結果與一預設值作比較，用來判斷是否偵測到該主同步訊號。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該輔助同步訊號同調偵測程序另包含一主同步訊號通道估測運算(PSS Channel Estimation)及一同調結合運算(Coherent Combining)。
  4. 如請求項1所述之方法，更包含有：根據取得的該實體細胞群組及用來進行該輔助同步訊號同調偵測程序的第一、第二或第三頻域主同步序列所對應的第一、第二或第三實體識別碼，計算出對應一細胞的一實體細胞識別碼；以及進行一連續干擾消除程序(Successive Interference Cancel,SIC)，用來消除從該細胞接收到的一同步訊號的干擾，其中該連續干擾消除程序的步驟包含有：根據該實體細胞群組及用來進行該輔助同步訊號的第一、第二或第三實體識別碼，產生頻域上的一第一主同步序列及一第一輔助同步序列；進行該輔助同步序列的一通道估測運算；利用該輔助同步序列的通道估測運算結果與該第一主同步序列及該第一輔助同步序列，分別重建該行動裝置接收到的一第二主同步訊號及一第二輔助同步訊號；以及將該主同步訊號及該輔助同步訊號分別去除重建的第二主同步訊號及該第二輔助同步訊號，以得出干擾消除後的一第三主同步訊號及一第 三輔助同步訊號。
  5. 如請求項1所述之方法，更包含有：在判斷未偵測到該輔助同步訊號時，判斷該至少一接收時間點中的一第一個接收時間點是否與該第一、第二及第三頻域主同步序列都已進行過該輔助同步訊號同調偵測程序；若該第一接收時間點與該第一、第二及第三頻域主同步訊號都已進行過該輔助同步訊號同調偵測程序時，利用該至少一接收時間點中的第二個接收時間點與該第一、第二及第三頻域主同步訊號，進行該輔助同步訊號同調偵測程序；以及若該第一接收時間點未與第一、第二及第三頻域主同步訊號都已進行過該輔助同步訊號同調偵測程序時，繼續在該第一接收時間點與尚未進行該輔助同步訊號同調偵測程序的第一、第二或第三頻域主同步訊號，進行該輔助同步訊號同調偵測程序。
  6. 一種偵測主同步訊號接收時間的方法，用於一無線通訊系統中的一行動裝置中，該方法包含有：接收從該無線通訊系統中的一無線訊號；將該接收訊號降頻至一主同步訊號的頻率；將降頻後的訊號與對應該主同步訊號的一主同步序列作一相關運算(correlation)，其中該主同步序列包含一第一、第二及第三時域主同步序列，其為行動裝置分別根據一第一、第二及第三根指數(root index)在一時域上產生；在該主同步訊號傳送週期中的每個取樣時間點，從該第一、第二及第三相關 運算結果中選擇最大輸出值，用來進行一非同調結合運算(non-coherent combining)，以產生一運算結果；以及將該運算結果與一預設值作比較，用來判斷是否偵測到該主同步訊號。
  7. 如請求項6所述之方法，更包含有：進行一主同步訊號假設程序，用來根據一第一、第二及第三實體識別碼分別對應的三個根指數，在一頻域上產生一第一、第二及第三頻域主同步序列；以及進行一輔助同步訊號同調偵測程序，用來根據該至少一接收時間點中的每一個接收時間點分別與該第一、第二及第三頻域主同步序列，計算出一輔助同步序列。
  8. 如請求項7所述之方法，其中該輔助同步訊號同調偵測程序包含一主同步訊號通道估測運算(PSS Channel Estimation)、一同調結合運算(Coherent Combining)及一快速哈達瑪變換(Fast-Hardmard Transform,FHT)運算。
  9. 如請求項8所述之方法，更包含有：進行一檢測程序，用來判斷是否偵測到一輔助同步訊號，其中該檢測程序包含有：當該快速哈達瑪變換運算結果大於預設的一門檻值時，判斷偵測到該輔助同步訊號並取得對應的一實體細胞群組；以及當該快速哈達瑪變換運算結果小於該門檻值時，判斷未偵測到該輔助同步訊號。
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