崔子川　宋利利

摘要：LTE終端必須通過小區(qū)搜索過程獲得目標(biāo)小區(qū)標(biāo)識以及下行定時(shí)和載波頻率同步，然后才能夠解調(diào)廣播信道獲取系統(tǒng)信息建立通信鏈路，所以在LTE系統(tǒng)中小區(qū)搜索是一個(gè)至關(guān)重要的物理層過程。首先分析小區(qū)搜索的研究背景與意義，接著詳細(xì)闡述LTE同步信號的特點(diǎn)和小區(qū)搜索的原理，最后深入分析了小區(qū)搜索算法的研究現(xiàn)狀和下一步的工作。

關(guān)鍵詞：LTE；小區(qū)搜索；同步；PSS，SSS

中圖分類號：F49

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-3198（2013）09-0157-02

1序言

最近幾年，LTE無論是在標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)上還是在產(chǎn)業(yè)鏈上，都獲得了較快的發(fā)展。

LTE的第一個(gè)版本——版本8，完成于2008年的春天，于2009年底開始商用。LTE的版本8僅僅滿足基本功能需求，完成第一個(gè)版本的LTE后，3GPP繼續(xù)在LTE規(guī)范的第二個(gè)版本（版本9）里面引進(jìn)附加功能，LTE規(guī)范版本9完成于2009年底，該版本增加的功能有多播傳輸、網(wǎng)絡(luò)輔助定位業(yè)務(wù)、增強(qiáng)的下行波束賦型。

IMT-Advanced是ITU（國際電聯(lián)）用于描述后IMT-2000無線接入技術(shù)所使用的術(shù)語。ITU定義了IMT-Advanced技術(shù)應(yīng)當(dāng)滿足的一系列要求。這些要求有至少支持40MHz帶寬，下行鏈路15bIt/S/Hz和上行鏈路6.75bIt/S/Hz的峰值頻譜效率（上下行峰值速率分別至少為600 MbIt/S和270 MbIt/S），控制平面和用戶平面的延遲分別小于100ms和10ms。

LTE版本10的主要目標(biāo)之一是要確保LTE無線接入技術(shù)完全符合IMT-Advanced的要求，因此，LTE版本10通常稱為LTE-Advanced。然而，除了滿足ITU的要求，3GPP也為LTE版本10（LTE-Advanced）定義了它自己的目標(biāo)和要求。這些目標(biāo)和要求在滿足ITU要求的同時(shí)也拓展了ITU的需求。其中一個(gè)重要的要求是向后兼容性，這意味著一個(gè)早期版本的LTE終端應(yīng)始終能夠訪問支持LTE版本10功能的網(wǎng)絡(luò)，但顯然不能夠完全利用版本10的所有功能。

LTE版本10于2010年底完成，通過引進(jìn)載波聚合技術(shù)增強(qiáng)了LTE對頻譜靈活性的支持，進(jìn)一步擴(kuò)展了多天線傳輸技術(shù)，增加了中繼技術(shù)，并在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的部署上增強(qiáng)了小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)。

在國際上，LTE得到廣泛的商業(yè)部署。根據(jù)GSA（全球移動設(shè)備供應(yīng)商協(xié)會）演進(jìn)到LTE的報(bào)告（2013年1月8日出版），全球有66個(gè)國家的145個(gè)運(yùn)營商推出了LTE商用服務(wù)。根據(jù)GSA的報(bào)告，2012年新增97個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)投入商用，新增37個(gè)國家可以使用LTE移動寬帶服務(wù)。GSA預(yù)測到2013年底，全球共有83個(gè)國家的234個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)投入商用。GSA總裁艾倫·哈登（Alan Hadden）說：“市場上有145個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)正式商用，并有超過560個(gè)用戶設(shè)備宣布支持LTE，以供世界各地的客戶使用。LTE技術(shù)是主流，并確立了其作為發(fā)展最快的移動通信技術(shù)。”

在我國，國家政府高度重視LTE的發(fā)展。國家的“十二五”規(guī)劃綱要明確新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)首要的發(fā)展重點(diǎn)就是下一代移動通信和下一代互聯(lián)網(wǎng)。在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中，“新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)”被確定為16個(gè)重大科技專項(xiàng)之一。該專項(xiàng)重點(diǎn)研究面向增強(qiáng)型3G和4G技術(shù)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)突破——突破核心技術(shù)，突破核心芯片；拓展兩個(gè)市場——拓展國際、國內(nèi)市場。

中國移動作為GTI的發(fā)起者，積極推動TD-LTE產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。根據(jù)全球TD-LTE發(fā)展倡議組織（GTI）2012年2月在巴塞羅那宣傳，全球已經(jīng)有40多家運(yùn)營商加入GTI，合作研究TD-LTE商用的頻率、終端，多天線技術(shù)等八個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，聯(lián)合推動TD-LTE全球化商用部署。GTI計(jì)劃在未來三年（即2015年）建設(shè)50萬個(gè)基站，覆蓋20億人口。

中國移動已在香港獲得2.6GHz FDD頻率和30MHz 2.3G TDD頻率牌照，并在香港正式開始LTE-TDD/FDD商業(yè)服務(wù)。融合了TDD與FDD的多模終端也是中移動2013年擴(kuò)大規(guī)模試驗(yàn)的重點(diǎn)。TD-LTE和FDD-LTE融合發(fā)展將是大勢所趨。

2LTE小區(qū)搜索原理

在LTE系統(tǒng)中，剛開機(jī)的終端，需要通過小區(qū)搜索過程獲得目標(biāo)小區(qū)標(biāo)識，建立下行定時(shí)和載波頻率同步，然后才能夠監(jiān)聽廣播信道和其他下行信道獲取系統(tǒng)信息，并駐留到小區(qū)。小區(qū)搜索是一個(gè)頻繁發(fā)生的物理層過程，如何快速地進(jìn)行小區(qū)搜索，并登錄到高質(zhì)量的小區(qū)，是直接關(guān)系到通信速度和通信質(zhì)量的關(guān)鍵部分。

2.1同步信號格式

協(xié)議中明確規(guī)定了同步信號的設(shè)計(jì)要求。

2.1.1主同步信號

主同步信號采用長度為62的頻域Zadoff-Chu序列。三個(gè)PSS信號分別對應(yīng)Zadoff-Chu序列的三個(gè)根值索引其生成公式如（1）：

在頻域上，PSS信號占用系統(tǒng)帶寬中央除去直流子載波以外的72個(gè)子載波，總共1.08MHz的帶寬。PSS序列映射的62個(gè)子載波兩邊各預(yù)留了5個(gè)保護(hù)子載波，這些子載波上不傳輸任何信號。

在時(shí)域上，每個(gè)無線幀內(nèi)以5mS為周期發(fā)送PSS。對于TDD幀結(jié)構(gòu)，PSS映射到子幀1和子幀6的第三個(gè)OFDM符號。對于FDD幀結(jié)構(gòu)，PSS映射到時(shí)隙0和時(shí)隙10的最后一個(gè)OFDM符號。

2.1.2輔同步信號

輔同步信號是由兩個(gè)長度為31的M序列交織級聯(lián)的方式產(chǎn)生的。SSS信號也是每個(gè)半幀發(fā)送一次，但是在一個(gè)無線幀內(nèi)，前半幀和后半幀發(fā)送的SSS是不同的。輔同步信號產(chǎn)生公式為（2）：

對小區(qū)搜索過程描述如下：

（1）通過檢測主同步序列（PSS）得到5mS的符號同步，并可以獲得小區(qū)組內(nèi)的具體小區(qū)ID。首先開機(jī)自檢，在可能存在PSS的頻段上檢測信號強(qiáng)度如果用戶保存了上次關(guān)機(jī)時(shí)的頻點(diǎn)和運(yùn)營商信息，則開機(jī)后會先在上次駐留的小區(qū)頻點(diǎn)進(jìn)行檢測；如果沒有，就要在LTE系統(tǒng)全帶寬范圍對做全段掃描，發(fā)現(xiàn)信號較強(qiáng)的頻點(diǎn)。

（2）5mS的時(shí)隙同步后，向前搜索輔同步序列（SSS），SSS由兩段31長度的隨機(jī)序列組成，由于輔同步信號在時(shí)域不再保持良好的正交性，所以需要根據(jù)主同步信號檢測得到的定時(shí)信息，找到輔同步信號樣本變換到頻域，再進(jìn)行頻域的相關(guān)運(yùn)算得到。輔同步信號也是5mS發(fā)送一次，不同的是前后5mS發(fā)送的是不同的序列，因此接收到兩個(gè)SSS就可以確定10mS的邊界，達(dá)到了幀同步的目的。通過SSS攜帶的小區(qū)組信息，就可以得到完整的小區(qū)ID。由于不同的CP長度時(shí)，主輔同步信號的時(shí)域采樣點(diǎn)間隔不同，從而可以判斷CP類型。

（3） 小區(qū)搜索流程依據(jù)小區(qū)搜索目的不同而有所區(qū)分。對于初始小區(qū)搜索，終端需要解調(diào)小區(qū)的物理廣播信道，獲取系統(tǒng)帶寬，天線配置和系統(tǒng)幀號等系統(tǒng)信息。對于鄰小區(qū)搜索，終端不必解調(diào)鄰小區(qū)的PBCH，而是測量新小區(qū)的參考信號（RS，RefereneeSIgnal）接收功率并上報(bào)給服務(wù)小區(qū)。

因此，小區(qū)搜索算法物理層設(shè)計(jì)的主要目的是對于PSS序列和SSS序列的同步檢測，得到其包含的小區(qū)ID信息，并捕獲初始的時(shí)間和頻率同步誤差。

3LTE小區(qū)搜索算法研究現(xiàn)狀

LTE的小區(qū)搜索過程主要分為：頻點(diǎn)盲搜、主同步信號檢測和輔同步信號檢測3步。下面分別介紹每步檢測算法的研究現(xiàn)狀。

首先介紹LTE頻點(diǎn)盲搜算法的現(xiàn)狀。文獻(xiàn)[3]提供了一種根據(jù)RSSI值的高低順序進(jìn)行頻點(diǎn)盲搜的方法，該方法基于一般小區(qū)所在頻點(diǎn)的RSSI值較高的特點(diǎn)，根據(jù)頻段內(nèi)各個(gè)頻點(diǎn)的RSSI值的大小進(jìn)行排序，優(yōu)先搜索RSSI值高的頻點(diǎn)，從而提高小區(qū)搜索的速度。

為了加快初搜速度，文獻(xiàn)[4]提出了一種先搜BA表（BA表指UE保存的在關(guān)機(jī)前所駐留的小區(qū)及其鄰近小區(qū)的頻點(diǎn)信息列表）上的所有頻點(diǎn)，如果不成功，再搜所有頻點(diǎn)。在選擇BA表上的頻點(diǎn)時(shí)，若BA表上的頻點(diǎn)很多，UE可以根據(jù)BA表上保存的頻點(diǎn)信息生成各頻點(diǎn)對應(yīng)的本地主同步信號及本地次同步信號，對每個(gè)頻點(diǎn)，UE接收數(shù)據(jù)并計(jì)算該頻點(diǎn)本地同步信號與接收到的數(shù)據(jù)的相關(guān)功率值，按照各頻點(diǎn)對應(yīng)的相關(guān)功率值從大到小的順序選擇頻點(diǎn)進(jìn)行后續(xù)的同步過程，從而降低了小區(qū)初搜過程中選擇BA表中頻點(diǎn)的盲目性，有效縮短小區(qū)初搜的時(shí)間。文獻(xiàn)[5]提出了一種頻域檢測算法，該算法將接收數(shù)據(jù)變化到頻域后利用同步信號在頻域只占有中心的62個(gè)子載波以及兩邊有5個(gè)空載波的特征進(jìn)行檢測，有效避免了TD-LTE中強(qiáng)上行信號導(dǎo)致RSSI值測量不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)。

主同步信號檢測算法根據(jù)是否使用本地同步信號可以分為：自相關(guān)算法、互相關(guān)算法和混合檢測算法。自相關(guān)檢測算法利用一個(gè)無線幀中主同步信號的重復(fù)性，直接截取兩個(gè)半幀的數(shù)據(jù)進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算，該算法具有復(fù)雜度低并且可以同時(shí)進(jìn)行頻偏估計(jì)，缺點(diǎn)是在低信噪比時(shí)定時(shí)估計(jì)誤差較大?；ハ嚓P(guān)檢測算法將接收的數(shù)據(jù)與本地3個(gè)主同步信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，該算法與自相關(guān)算法比復(fù)雜度相對較高。在混合檢測算法中，首先利用自相關(guān)算法獲得粗定時(shí)和頻率偏移，然后利用估計(jì)的頻率偏移對接收信號進(jìn)行補(bǔ)償，最后采用互相關(guān)算法獲得精確的定時(shí)位置。

對于輔同步信號的檢測算法，文獻(xiàn)[8]比較了時(shí)域輔同步信號檢測算法和頻域輔同步信號檢測算法的性能。通過仿真驗(yàn)證，頻域檢測算法的性能更好些。文獻(xiàn)[9]提出了采用哈達(dá)瑪變換（Hadamard）來代替相關(guān)運(yùn)算從而降低算法的復(fù)雜度。文獻(xiàn)[10]提出了一種LTE FDD/TDD雙模終端的初始小區(qū)搜索輔同步信號檢測算法，該算法中采用相干檢測算法，在TDD模式中性能有所下降。文獻(xiàn)[11]介紹了相干檢測算法和非相干檢測算法，非相干檢測采用分段相關(guān)的算法，該算法根據(jù)輔同步信號索引號之間的對應(yīng)關(guān)系，減小了檢測范圍，從而降低了算法的復(fù)雜度。

4進(jìn)一步的工作

在信息技術(shù)領(lǐng)域，由于移動互聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展帶來的無線數(shù)據(jù)流量的爆炸性增長，產(chǎn)生了對寬帶無線網(wǎng)絡(luò)的巨大需求。在這種需求的驅(qū)動下，LTE技術(shù)得到迅猛發(fā)展。針對LTE小區(qū)搜索的研究已經(jīng)有一些了，但目前小區(qū)搜索的算法仍存在不足，需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。下面是本論文重點(diǎn)研究的內(nèi)容：

（1）大頻偏時(shí)小區(qū)搜索錯(cuò)誤的問題。此問題的原因是PSS使用的ZC序列的自身特性引起的，ZC序列在進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算時(shí)，在主峰旁邊還有兩個(gè)副峰，在大頻偏時(shí)，副峰的幅度有可能大于主峰。目前該問題還沒有很好的解決方法，需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。

（2）目前小區(qū)搜索算法的復(fù)雜度仍然很高?；鶐酒蔀長TE產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。LTE基帶芯片需要實(shí)現(xiàn)物理層的全部算法，其體積、功耗以及成本的限制使得不能簡單地通過增加硬件的方式解決處理資源緊缺的問題，所以需要盡量降低各個(gè)物理層算法的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。小區(qū)搜索需要大量的實(shí)時(shí)運(yùn)算處理，占用了基帶芯片的處理資源。需要在不影響性能的情況下進(jìn)一步降低算法的復(fù)雜度，減少所使用的數(shù)據(jù)量。

（3）融合了TD-LTE和FDD-LTE的小區(qū)搜索。為了方便地實(shí)現(xiàn)全球漫游服務(wù)，便利的、可接受的數(shù)據(jù)漫游服務(wù)和豐富的、優(yōu)質(zhì)體驗(yàn)的業(yè)務(wù)，TD-LTE和FDD-LTE融合發(fā)展已是大勢所趨。中移動表示，2012年擴(kuò)大規(guī)模試驗(yàn)的重點(diǎn)，就是融合了TDD與FDD的“多模終端”。在終端芯片方面，TD-LTE與FDD LTE也要實(shí)現(xiàn)融合，而融合TD-LTE和FDD-LTE在一起的小區(qū)搜索又是最佳的方案。

（4）載波聚合的引入對小區(qū)搜索的影響。LTE R10已經(jīng)發(fā)布，其中最重要的改進(jìn)就是引入載波聚合技術(shù)，要求系統(tǒng)可以工作在100M的帶寬，進(jìn)一步提升上下行傳輸性能。目前分析載波聚合的引入會對頻點(diǎn)盲搜產(chǎn)生影響，由于載波聚合的引入，特別是跨頻段載波聚合，使得頻點(diǎn)大大增加，進(jìn)行全頻點(diǎn)掃描的時(shí)間進(jìn)一步延長，增加了小區(qū)搜索的時(shí)間，若次載波的功率大于主載波時(shí)，性能進(jìn)一步惡化。需要進(jìn)行相關(guān)的研究解決該問題。

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