WO2014166163A1

WO2014166163A1 - 一种全域覆盖多波束卫星lte的主同步序列设计方法

Info

Publication number: WO2014166163A1
Application number: PCT/CN2013/077552
Authority: WO
Inventors: 王海明; 邓祝明; 高西奇; 尤肖虎
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-04-08
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2014-10-16
Anticipated expiration: 2015-10-08
Also published as: CN103259755B; US9609607B2; CN103259755A; US20160112973A1

Abstract

本发明公开了一种全域覆盖多波束卫星 LTE的主同步序列设计方法，包括如下步骤：将标准Zadoff-Chu序列扩展为广义Zadoff-Chu序列，从而获得更多候选序列的初始候选主同步序列集合；根据主同步序列的选择准则，逐步缩小候选主同步序列集合，以获得最终的候选主同步序列集合；从最终的候选主同步序列集合中获得性能和复杂度最佳折衷的主同步序列集合。本发明可以为全域覆盖的同频组网多波束卫星 LTE系统设计性能和计算复杂度最佳折衷的主同步序列。

Description

一种全域覆盖多波束卫星 LTE的主同步序列设计方法技术领域

本发明属于宽带无线通信技术领域，具体是一种全域覆盖多波束卫星 LTE的主同步序列设计方法。

背景技术

卫星移动通信是实现在任何地点进行通信的必要手段之一。近年来，第四代（The Fourth Generation Mobile Communication Systems, 4G ) 陆地蜂窝移动通信发展日趋成熟，以正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 多输入多输出 (Multiple-Input Multiple- Output, MIMO) 和同频组网等作为关键技术的第三代合作伙伴计划长期演进技术（The 3^rd Generation Partnership Project Long Term Evolution, 3GPP-LTE) 已经陆续投入商用。将具有高速率、大容量、高频谱效率、高功率效率等特点的陆地 LTE ( Terrestrial LTE, T-LTE) 应用到卫星移动通信中，建立同频组网的多波束卫星 LTE (Satellite LTE, S-LTE) 移动通信系统是当前卫星移动通信领域研究的热点和难点。

采用地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit, GEO) 卫星提供移动通信业务具有很多优点：理论上，单颗 GEO卫星能够覆盖 42.2%的地球面积， 3颗 GEO卫星即能覆盖南北极除外的全球区域；信号传输延迟时间是常量；不需要频繁的卫星间切换；多普勒频移小；技术相对成熟，投资风险相对较小等。然而，单纯采用 GEO卫星的卫星移动通信系统，存在着一些问题：（1 ) GEO已被密集占用；（2) 无法覆盖两极；（3) 中高纬度地区的通信仰角低，信号传输距离更远；（4) 在地面终端和卫星之间的高大建筑物、山脉等，阻碍信号的传输，形成阴影区，从而难于实现卫星移动通信全域覆盖。倾斜地球静止同步轨道（ Inclining Geostationary Synchronized Orbit, IGSO )卫星，由于轨道倾角大于 0°，其星下点轨迹是以赤道为对称轴的 "8"字形，轨道倾角越大， "8"字形的区域也越大，因此， IGSO卫星能有效克服 GEO卫星在中高纬度地区始终是低仰角的问题。然而，单颗 IGSO卫星的覆盖能力在某些地区不如 GEO卫星。采用 GEO卫星和 IGSO卫星联合组网，两者优势互补，可实现全域覆盖。

多波束 GEO-IGSO S-LTE移动通信系统在卫星上采用大型天线阵列产生多个波束，到达地面后形成多个小区。与 T-LTE—样， GEO-IGSO S-LTE也采用同频组网方式，相邻小区配置不同的主同步序列。然而， GEO-IGSO S-LTE存在较为严重的波束间干扰 (Inter-Beam Interference, IBI), 相邻小区的交叠范围大。为了更好地实现小区搜索， GEO-IGSO S-LTE需要数量更多的主同步序列。

发明内容

发明目的：针对多波束 GEO-IGSO S-LTE需要与 T-LTE数量更多的主同步序列这一需求，本发明的目的是提供一种全域覆盖多波束卫星 LTE的主同步序列设计方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种全域覆盖多波束卫星 LTE的主同步序列设计方法，包括如下步骤：

( 1 )将标准 Zadoff-Chu序列扩展为广义 Zadoff-Chu序列，从而获得更多候选序列的初始候选主同步序列集合；

(2) 根据主同步序列的选择准则，逐步縮小候选主同步序列集合，以获得最终的候选主同步序列集合；

(3) 从最终的候选主同步序列集合中获得性能和复杂度最佳折衷的主同步序列集合。

进一步的，所述步骤（1) 包括如下步骤：

1) 利用子载波映射的方式，将长度为 N^的标准 Zadoff-Chu 序列扩展为广义 Zadoff-Chu序列，获得广义 Zadoff-Chu序列集合 A = {X_H \u = l,2,...,N_jc}，其中 x„为广义 Zadoff-Chu序列 x_u (m)的向量形式， u表示根序号；

2) 去除广义 Zadoff-Chu序列集合 A中每条序列的中间点，获得初始候选主同步序列集合 B ={d_H|_w = l,2,...,N^}，其中 ^为初始候选主同步序列（的向量形式，向量 d„ 的长度为 N^-l。所述广义 Zadoff-Chu序列 x_u (m)由下式得到： j um[m + \^

x_u(m)=exp m = 0,l,...,N -1

N. j'为虚数单位； "N -2

进一步地，所述选择准则包括：时域自相关特性；时域信号峰均比；频偏敏感度；时域互相关特性；以及：接收端对主同步序列进行相关运算的计算复杂度。

在所述步骤（2) 中，对初始候选主同步序列集合中的序列进行补零并进行 N点离散傅里叶逆变换得到时域序列 {n)： s_u(n)= . ¹ ∑d_u(k) exp (J^l) , n = 0,l,...,N-l

N

f N -I ) N N

d„ d k-N + ^ ~ k=— + l,— + 2, N-l

2 J 2 2

N

0 k = 0—

2

计算初始候选主同步序列集合中序列的时域自相关特性:

max \R (ή ,

P =101og dB

其中， R (n)s*_u ((M + )modN) ，用于描述序列的时域自相关特性， R,,(A为

序列的时域自相关值， ⁴表示求共轭， Ϊ为序列的循环移位偏移量，且满足： l-N <a≤N-l;

设定时域自相关特性的门限值，将算得的时域自相关特性 S大于该门限值的序列排除，得到第一候选主同步序列集合。一主同步序列集合中序列的时域信号峰均比：

其中， PAPR {_SiJ用于描述序列的时域信号峰均比， s„是时域序列 S„ (M)的向量形式， E 表示统计平均， max {·}表示取最大值；设定时域信号峰均比的门限值，将算得的时域信号峰均比！^八？！^^^大于该门限值的序列排除，得到第二候选主同步序列集合。

计算所述第二候选主同步序列集合中序列的频偏敏感度：

其中，用于描述序列的频偏敏

感度，为加入载波频率偏移后序列的时域自相关值， f为归一化载波频率偏移；设定频偏敏感度的门限值，将算得的频偏敏感度 FoS {_SiJ大于该门限值的序列排除，得到第三候选主同步序列集合。

计算所述第三候选主同步序列集合中序列的时域互相关特性：

其中，时域互相关特性，和

M₂分别表示不同的根序号， R„_i ( 为序列的时域互相关值；设定时域互相关特性的门限值，将时域互相关特性 L 大于该门限值的序列对排除，得到第四候选主同步序列集合。

所述接收端对第四候选主同步序列进行相关运算的计算复杂度准则，利用序列的如下性质： s_u (_n) o )，使得接收端得到其中一条的相关运算结果后，另一条序列的相关结果不需额外乘法计算，可直接获得，从而得到最终的候选主同步序列集合。

有益效果：第一，采用 GEO卫星和 IGSO卫星同频联合组网，实现全域覆盖；第二，通过本发明的技术方案，分别为 GEO卫星和 IGSO卫星提供两组不同的主同步序列，降低了采用相同主同步序列配置小区间的干扰，提高定时精度，并加速小区搜索；第三，通过本发明的技术方案，为 GEO卫星和 IGSO卫星提供两组不同的主同步序列，据此，通过检测主同步序列，可判断小区所属的卫星类型；第四，通过本发明的技术方案，为 GEO卫星和 IGSO卫星设计的多条主同步序列可分为具有互为共轭序列的 2个序列子集，从而可降低接收相关运算量。

附图说明

图 1是本发明所述的一种全域覆盖多波束 S-LTE的主同步序列设计方法的流程图。图 2是 T-LTE主同步序列在频域中的映射方式示意图。

图 3是第一候选主同步序列集合的时域自相关特性图。

图 4是第二候选主同步序列集合的时域信号峰均比图。

图 5是归一化频偏为 0.3时，第三候选主同步序列集合的频偏敏感度图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明提供了一种全域覆盖多波束 S-LTE的主同步序列设计方法，图 1为该方法的流程图。下面以 N^ = 63的标准 Zadoff-Chu序列为例，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

(1).根据标准 Zadoff-Chu序列定义，序列长度 N_ze和根序号 w ( Root Index) 必须满足 gcd(N_zc , u) = l (公式 1 ) 其中， gcd(x，3 表示 X和 y的最大公约数。 LTE技术规范规定，直流子载波所对应的主同步序列的中间位置元素需要强制置零，因此可以将标准 Zadoff-Chu序列扩展为广义 Zadoff-Chu序列，即：根序号 w的取值可以为 _Me{l,2,...,N^，从而可获得更多候选序列的初始候选主同步序列集合。

1) 将标准 Zadoff-Chu序列扩展为广义 Zadoff-Chu序列，获得广义 Zadoff-Chu 序列集合 A ={x_H|_W = l,2,...,A^，其中， x„是序列 x„(m)的向量形式， x„(m) 由下式得到：

j um[m + \^

(^m) = ^exP m = 0,l,...,N -1 (公式 2)

N,

2) 去除广义 Zadoff-Chu序列集合 A中每条序列的中间点，获得初始候选主同步序列集合8 ={(1₁ = 1,2,..., ^，其中， d„是序列 )的向量形式， ά_α ΐή 由下式得到：

d„ (公式 3)

N -1 N +1

exp "N -2

N

(2).根据主同步序列的选择准则，即时域自相关特性、时域信号峰均比、频偏敏感度、时域互相关特性以及接收端对主同步序列进行相关运算的计算复杂度，逐步縮小候选主同步序列集合，以获得最终的候选主同步序列集合。

1) 根据 T-LTE主同步序列在频域中的映射方式，分别对初始候选主同步序列集合 B中的序列进行补零并进行长度 N = 64点 IDFT变换，即采样率为 0.96

MHz, 获得时域序歹 lj集合 S ={s_H|_W = l,2,...,A^}，其中， s„是时域序列的向量形式，由下式得到： η = 0,1,...,Ν-1 (公式 4)

其中， N -1

d„ k + 1,2,...,^- d.. ₊ 2,...,N-l (公式 5)

图 2给出了 T-LTE主同步序列在频域中的映射方式。

) 计算初始候选主同步序列集合中序列的时域自相关特性 Ρ„，计算公式如下:

P =101og (公式 6)

(公式 7)

设定时域自相关特性的门限值为 -14.9dB，将时域自相关特性大于门限值的序列排除，得到第一候选主同步序列集合0={(1₁ =1,2,..., -1}。图 3给出了第一初始候选主同步序列集合的时域自相关特性。

) 计算 2)中得到的第一候选主同步序列集合中序列的时域信号峰均比，计算 /入式如下:

PAPR{s„}=101og =10 (公式 8)

其中， s„是时域序列的向量形式， E{ 表示统计平均。设定时域信号峰均比的门限值为 5.5dB，将时域信号峰均比大于门限值的序列排除，得到第二候选主同步序列集合：

α = 1,2, 3, 4, 5, 8, 10, 11, 12, 13, 15, 16, 19, 23, 25

D d 26, 29， 30, 31, 32, 33, 34, 37,38, 40， 44， 47,

48, 50, 51, 52, 53, 55, 58, 59, 60, 61, 62

图 4给出了第二候选主同步序列集合的时域信号峰均比₍ ) 计算 3)中得到的第二候选主同步序列集合中序列的频偏敏感度，其中归载波频率偏移（简称 " 一化频偏"）设定为 f = 0.3，计算公式如下：

(公式 9 )

(公式 10)

设定频偏敏感度的门限值为 -4.6dB，将频偏敏感度大于门限值的序列排除，得到第三候选主同步序列集合：

F = {d_H |_M = 19, 25, 26, 29, 30, 33, 34, 38, 44} 图 5给出了归一化频偏 f = 0.3时，第三候选主同步序列集合的频偏敏感度。) 计算 4)中得到的第三候选主同步序列集合中序列两两之间的时域互相关特性

(公式 11)

+ mod N) (公式 12)

得到表 1。

表 1 序列最大互相关绝对值（dB)

若设定时域互相关特性的门限值为 -6dB，将时域互相关特性大于门限值的序列对排除，则得到第四候选主同步序列集合：

G = {d_H \u = 19,25,26,29,30,33,34,38,44}

6) 依据接收端对主同步序列进行相关运算的计算复杂度最小准则，利用如下性质：

{n) = s"_N^_u{n) (公式 13) x = x_R + jx_I , = « + ^,，其中， «和分别是向量 X的实部和虚部， «和分别是向量 y的实部和虚部。设 X« =Circ{x_s}， X,

, 其中

Circ{x} 表示第一列为 x 的循环矩阵，贝 lj X = Circ{x} = X_s + jX_:，

X* = Circ{x* } = Χ_β- jX,。序列 χ和 y的互相关表示为 = x^Hy

:(X_s + yx,) {y_R + jy,)

(公式 14)

--(χ^τ _κγκ+χ^τ,_γι)+](χ^τ _κγι-χ^τ _ιγκ)

： (a+b) + (c-d) 其中， a X^T _Ry_R , b=Xy,， c = Xy,， d = Xy_K。序列 x*和 y的互相关可表示为 =(^xTy

= {X_R-jX_I)^H{y_{R +} jy_I) (公式 15)

= (a-b) + y(c + d)

因此，利用序列互为共轭特性，接收端得到其中一条序列的相关运算结果后，另一条序列的相关结果不需额外乘法计算量，利用错误！未找到引用源。和错误！未找到引用源。之间的关系可直接获得，从而降低接收端对主同步序列进行相关运算的计算复杂度。根据这一选择准则，得到最终的候选主同步序列集合：

H = {d_H \u = (19, 44) , (25, 38) , (29, 34) , (30, 33)}

其中， 8条序列的集合分为 4个子集，子集中的序列对互为共轭。 (3).从最终的候选主同步序列集合中获得性能和计算复杂度最佳折衷的主同步序列。为利用序列互为共轭特性以降低接收端进行相关运算的计算复杂度， GEO卫星可选用 3 条序列作为主同步序列，这 3条序列来自最终的候选主同步序列集合 H中任意 3个序列子集，每子集选 1条，而 IGSO卫星可选用这 3个子集剩余的另外 3条序列。例如， GEO卫星采用主同步序列集合 H_eEQ d„|_w = 25,29,30}，而 IGSO卫星则采用主同步序列集合 H_ies。 {d_H \u = 33,34,38

Claims

权利要求书

1、一种全域覆盖多波束卫星 LTE 的主同步序列设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1) 将标准 Zadoff-Chu序列扩展为广义 Zadoff-Chu序列，从而获得更多候选序列的初始候选主同步序列集合；

(3) 从最终的候选主同步序列集合中获得性能和复杂度最佳折衷的主同步序列集合

2、根据权利要求 1所述一种全域覆盖多波束卫星 LTE的主同步序列设计方法，其特征在于：所述步骤（1) 包括如下步骤：

1) 利用子载波映射的方式，将长度为 N^的标准 Zadoff-Chu序列扩展为广义 Zadoff- Chu序列，获得广义 Zadoff-Chu序列集合 A

= l,2,...,N_zc], 其中 x„为广义 Zadoff- Chu序列 x„ (m)的向量形式， w表示根序号；

2) 去除广义 Zadoff-Chu序列集合 A中每条序列的中间点，获得初始候选主同步序列集合 B ={d_H|_W = l,2,...,N^，其中为初始候选主同步序列 )的向量形式，向量 ^的长度为 N_Z£-1。

3、根据权利要求 2所述一种全域覆盖多波束卫星 LTE的主同步序列设计方法，其特征在于：所述广义 Zadoff-Chu序列 x_u (m)由下式得到： jVr画 (m + 1)

¾(m) = exp m = 0,l,...,N -1

N一

式中，为虚数单位;

AL_3

exp k = 0,l.

d,.

j u ( k + N -1 N +1

exp ,N -2

N 2 2

4、根据权利要求 3所述一种全域覆盖多波束卫星 LTE的主同步序列设计方法，其特征在于：所述选择准则包括：时域自相关特性；时域信号峰均比；频偏敏感度；时域互相关特性；以及：接收端对主同步序列进行相关运算的计算复杂度。

5、根据权利要求 4所述一种全域覆盖多波束卫星 LTE的主同步序列设计方法，其特征在于：所述步骤（2) 中，对初始候选主同步序列集合中的序列进行补零并进行 N点离散傅里叶逆变换得到时域序列 _Su (_n)：

f Ν -I ) Ν

d k + ^ 1 yt = l,2,...,— -1

"{ 2 J 2

( N -Ιλ N N

ά,. d k-N + ^ ~ yt =— + 1,— + 2,...,N-1

"I 2 2 2

0

2

6、根据权利要求 5所述一种全域覆盖多波束卫星 LTE的主同步序列设计方法，其特征在于：计算初始候选主同：

其中，域自相关特性， ( 为

序列的时域自相关值， ⁴表示求共轭， Ϊ为序列 (Μ)的循环移位偏移量，且满足： l-N <n≤N-l；

设定时域自相关特性的门限值，将算得的时域自相关特性 Ρ„大于该门限值的序列排除，得到第一候选主同步序列集合。

7、根据权利要求 6所述一种全域覆盖多波束卫星 LTE的主同步序列设计方法，其特征在于：计算所述第一候选主同步序列集合中序列的时域信号峰均比：

其中， PAPR{_SiJ用于描述序列的时域信号峰均比， s„是时域序列 (M)的向量形式， E {·}表示统计平均， max {·}表示取最大值；设定时域信号峰均比的门限值，将算得的时域信号峰均比 PAPR {s„ }大于该门限值的序列排除，得到第二候选主同步序列集合。

8、根据权利要求 7所述一种全域覆盖多波束卫星 LTE的主同步序列设计方法，其特征在于：计算所述第二候选主同步序列合中序列的频偏敏感度：

FoS is.. lOlog

其中， (") ^: (Μ) _Μ ((M + i) mod N) 于描述序列的频偏敏

感度， K 为加入载波频率偏移后序列的时域自相关值， f为归一化载波频率偏移；设定频偏敏感度的门限值，将算得的频偏敏感度 FoS {_SIJ大于该门限值的序列排除，得到第三候选主同步序列集合。

9、根据权利要求 8所述一种全域覆盖多波束卫星 LTE的主同步序列设计方法，其特征在于：计算所述第三候选主同步序列互相关特性：

P.. lOlog

其中， ∑s_Ul (n)s*_U2 ((n + n) mod Ν) P_{u u} 用于描述序列的时域互相关特性， _¾1和 w₂分别表示不同的根序号， R„_i ( 为序列的时域互相关值；

设定时域互相关特性的门限值，将时域互相关特性 „₂大于该门限值的序列对排除，得到第四候选主同步序列集合。

10、根据权利要求 9所述一种全域覆盖多波束卫星 LTE的主同步序列设计方法，其特征在于：所述接收端对第四候选主同步序列进行相关运算的计算复杂度准则，利用序列的如下性质： = 从而得到最终的候选主同步序列集合。