1、一种 LTE 系统主同步重叠与分段联合检测算法 田增山 徐建 李伟光 重庆邮电大学重庆市移动通信技术重点实验室 摘 要： 同步作为小区搜索的重要部分, 对小区的选择和响应时延等有着决定性的作用。在长期演进 (Long Term Evolution, LTE) 系统中主同步直接影响辅同步、全双工模式的识别, 以至整个通信系统。结合主同步信号 (Primary Synchronization Signal, PSS) 良好的互相关性, 给出了一种基于 FFT 快速相关的改进算法, 采用重叠和分段联合检测的方式, 并且通过数据循环后移保证序列完整性, 来实现对半帧数据的快速搜索。理论分析和仿真表明,
2、 该算法能够有效降低计算量和同步时间。实验表明, 该算法在 LTE 系统中能够准确高效地实现 PSS 序列的快速同步。关键词： LTE 系统; 主同步; FFT 快速相关; 重叠分段联合; 循环后移; 作者简介：田增山 (1968-) , 男, 博士, 教授, 主要研究方向:个人通信、卫星导航、无线定位、信号检测与估计。作者简介：徐建 (1993-) , 通信作者, 男, 硕士研究生, 主要研究方向:个人通信、信号检测与估计, E-mail:。作者简介：李伟光 (1993-) , 男, 硕士研究生, 主要研究方向:个人移动通信、DSP 开发。收稿日期：2017-03-07基金：国家自然科学基金
3、 (61301126) A LTE system primary synchronization fast correlation algorithm with the method of combining overlapping and sectionTian Zengshan Xu Jian Li Weiguang Chongqing Key Lab of Mobile Communications Technology, Chongqing University of Posts and Telecommunications; Abstract： As an important par
4、t of cell search, synchronization plays a decisive role to cell selection and time delay of response.In LTE ( Long Term Evolution) system, primary synchronization effects secondary synchronization and the recognition of full duplex mode directly. Combining with the good correlation of primary synchr
5、onization signal, this paper presents an improved algorithm based on FFT fast correlation to realize the search for half frame data with the method of combining overlapping and section, and make the data cycle back to guarantee sequence integrity. Theoretical analysis and simulation show that the al
6、gorithm can effectively reduce the amount of calculation and the synchronization time. Experiments show that the algorithm can achieve accurate and effi-cient synchronization of PSS sequence in the LTE system.Keyword： LTE; primary synchronization; FFT faster correlation; section and overlap; cycle b
7、ack; Received： 2017-03-070 引言对于完整的通信系统, 同步至关重要。用户终端设备 (User Equipment, UE) 在接入一个 LTE 小区时, 必须首先经过小区搜索的过程, 其中包括一系列的同步过程1, 以保证 UE 获得能够进行上行信号发射和下行信号接收数据解调操作的定时和频偏估计等参数, 同时获得小区 ID 在内的一些关键系统参数2。并且为了资源的充分利用, 3GPP 组织在最新的 LTE 协议中添加了终端到终端 (Device to Device, D2D) 技术, D2D 对于同步的频繁程度和时效性要求更高, 因此对于同步的高效性和稳定性的研究将更有
8、价值。因此, 同步对于整个 LTE通信系统具体重要意义3。本文采用重叠和分段联合检测的方式, 实现对半帧数据的快速搜索, 实现本地序列和长数据的快速相关, 降低了算法复杂度, 节约了计算资源, 提高了算法效率, 能够快速实现符号定时同步。1 主同步序列主同步 PSS 序列采用 ZC 序列1, ZC 序列广泛的应用于 LTE 系统中, 包括随机接入中的前导、上行参考信号以及主同步序列。ZC 序列满足恒模零自相关 (Constant Amplitude Zero Auto Correlation, CAZAC) 特性, CAZAC 序列是由 e 获得的复数信号, 长度为偶数时, ZC 序列表达式4
9、如下:其中, ZC 序列的根序号 q1, , N ZC-1;n=0, 1, , NZC-1;l 取任意的正整数, 在 LTE 系统中 l 取值为 0, 以降低复杂度。LTE 主同步信道占用资源栅格的中间 6 个资源块 (Resource Block, RB) , 首尾各包含 5 个子载波作为保护间隔, N ZC取值为 63, 中间包含一个直流分量, 所以 n=31 的 ZC 序列置零5。主同步信道的扇区号 NID值 02 分别对应 ZC 序列根序号 25、29 与 34。2 主同步序列的同步算法2.1 传统同步算法已有的传统同步方法有基于滑动相关的主同步相关算法 (算法 1) 、与基于循环卷积
10、的主同步相关算法 (算法 2) 。算法 15中包含利用主同步序列自身重复性进行粗同步, 以及利用主同步序列良好的相关性进行精同步两个步骤。算法 26中使用了 FFT 变换经过频域, 完成循环卷积, 为了使 FFT 算法的速度和性能达到最优, 并且满足循环卷积等价于线性卷积的条件, 取循环卷积点数L, 且使得 L=2 (j 为正整数) , 然后以 L 点对 s (n) 和 p (n) 进行补零处理, 再分别对 s (n) 和 p (n) 作 L 点 FFT 运算而后进行频域点乘, 最后计算 R (k) 的 L 点 IFFT, 如式 (2) 所示:式中, 为傅里叶变换的计算因子, 相关运算中的 D
11、FT 和 IDFT 都采用 FFT、IFFT 快速算法, 可以大大提高循环卷积相关算法的计算速度。2.2 改进的重叠与分段联合的相关算法LTE 系统最大支持 20 MHz 带宽, 半帧码片长度达到了 153 600 chips。在满足循环卷积条件和 FFT 最优条件的情况下, 循环卷积长度达到了 2, 造成了大量资源的消耗。针对以上问题, 本文对快速卷积相关算法做出了 3 个递进的优化, 分别是:重叠、循环后移、分段相关。重叠是以一个固定长度对数据进行分段, 然后进行数据的混叠。对混叠后的数据进行循环卷积实现对 PSS 序列的搜索, 假设半帧数据长度为 M, 第 i 分段序列为7:其中, M
12、为无线帧序列长度。得到混叠后可进行循环卷积序列的表达式为:式 (5) 是混叠数据进行相关计算的线性卷积转化为循环卷积的表达式:式中, N 表示本地主同步序列的长度, 将其转换为基于 FFT 的循环卷积方式, 便可以大大提高相关速度。为了保证主同步序列的完整性, 本文提出了循环后移的改进措施8, 开头与主同步序列等长的混叠数据循环后移至混叠数据的末尾。混叠操作和循环后移的流程图如图 1 所示。图 1 重叠和循环后移流程图 下载原图增加混叠阶数可以节约计算资源, 但是同时造成噪声累加9, 为了控制噪声带来的影响, 需要降低重叠阶数, 重叠信号的长度 Moverlap=骔 M/b就会很大, 此时进行
13、 L 点的循环卷积便又一次引入了 FFT 点数过大问题。本文进行了第 3 次改进, 添加分段分段相关流程。分段相关的示意图如图 2 所示。在每次分段数据之后延迟 N 个码片, 以保证存在的主同步码在相关时能量不被削弱。图 2 分段相关示意图 下载原图每一段码片和本地扰码进行相关得到的分段相关结果 ri_ol (n) 如式 (7) 所示。将最后的分段数据按照 i 的次序进行拼接, 以还原线性相关的结果, 最终得到的相关结果为:综合以上的 3 次的改进形成最终的总体方案, 如图 3 所示。根据工程经验一般设置重叠阶数 M 为 16, 此时可以很大程度减少计算量, 并且满足系统检测要求。当信道质量较
14、差时检测不成功, 调整重叠阶数, 并且添加分段相关过程。图 3 改进的主同步算法流程 下载原图3 实验仿真及分析为了验证算法的正确性和有效性, 本文将通过仿真和实测数据对算法进行验证。3.1 仿真验证表 1 系统参数 下载原表 为了使仿真结果的对比更具有可比性, 设置统一的仿真系统参数, 仿真系统参数如表 1 所示。本文将以信噪比和混叠阶为变量, 对同步正确率和同步时间进行分析。传统的 M 阶混叠处理方式, 没有经过循环后移和分段相关的操作, 混叠起始点位置不同会导致检测失败。改进的算法保证了主同步序列的完整性, 并且分段方式防止了噪声能量的进一步累加, 从图 4 可以看出改进的相关算法在低信
15、噪比的情况下表现更好。运算复杂度可以从量化的层面分析算法的性能, 表 2 为各方案算法复杂度的对比。A 为传统滑动相关算法, B 为传统循环卷积算法, C 为传统混叠算法, D 为本文改进算法, 并且方案 C、D 明显优于 A、B。由于 lg Lsection/lg Loverlapb_ol, 因此本文提出的算法在算法复杂度上优于传统算法。图 4 不同算法同步正确率比较 下载原图表 2 运算复杂度对比 下载原表 改进算法除了能够在低信噪比下表现良好, 并且在时间性能上也具有明显优势, 图 5 是不同混叠阶数的传统算法和改进算法的时间性能对比情况。图 5 不同算法的时间性能对比 下载原图图 5
16、所标注的折线趋势代表了算法性能。传统算法不随混叠阶数的变化而变化。而本文改进的算法在信噪比较差时进行了分段处理的方式, 降低了循环卷积的点数, 显著减少了算法耗时。从图中可以看出, 改进算法在耗时方面要明显优于传统重叠的算法。3.2 实测数据验证实测数据验证部分, 通过工程机获得当前接入小区参数, 其为 Band40 中心频率2 330 MHz 的 LTE 信号。通过以上的频点和带宽等信息, 通过实验室自主研发的软件无线电平台, 采集空中无线信号。相关结果如图 6 所示。图 6 传统相关算法为 4 分段重叠快速卷积相关, 可以看出, 传统的重叠算法很容易在噪声能量累加时, 造成同步峰的淹没,
17、而本文提出的改进算法在同样环境下快速实现同步检测中, 更容易检测成功。图 6 相关峰对比图 下载原图4 结束语主同步是 LTE 移动通信系统实现通信服务的关键步骤之一, 随着 LTE 基站密度的增大, 以及用户活动范围扩大, 导致小区切换、重选更加的频繁。主同步算法需要关注的主要两点是速度和资源, 传统的滑动相关算法速度慢, 利用循环卷积相关算法速度得到大大提升, 但是 FFT 点数过大会耗费很多计算资源, 因此本文提出了改进算法, 在不牺牲速度的同时, 使用更少的计算资源。通过循环后移, 以改进传统的混叠算法中由于主同步序列的切断而导致同步失败, 在混叠基础上进行分段相关操作, 以节约计算资
18、源, 并且改善由于噪声能量的累加而导致相关峰模糊的状况。本文算法具有高效性、鲁棒性和可行性, 能够满足 LTE 系统同步性能要求。参考文献1曾召华.LTE 基础原理与关键技术M.西安:西安电子科技大学出版社, 2010. 23GPP TR 36.843 V12.0.1 Study on LTE Device to Device proximity services;radio aspects release 12S.Val bonne, FRANCE.3rd Generation Partnership Project, 2012. 3NASSRALLA M H, MANSOUR M M, J
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