張德民，譚　博，黃　菲，楊　程，王　丹

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065)

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LTE系統(tǒng)中一種串行的整數(shù)倍頻偏和扇區(qū)檢測算法*

張德民**，譚博，黃菲，楊程，王丹

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065)

在LTE系統(tǒng)中，用戶終端(UE)在開機后首先會進行小區(qū)搜索。針對傳統(tǒng)的小區(qū)搜索方案中整數(shù)倍載波頻偏(ICFO)和扇區(qū)ID是通過利用主同步信號(PSS)進行聯(lián)合檢測這一問題，提出了一種串行的整數(shù)倍頻偏和扇區(qū)ID估計算法。該算法利用PSS的對稱性，將ICFO和扇區(qū)ID進行分開檢測，通過對接收的頻域PSS進行歸一化差分相關(guān)，消除了信道的影響，從而增強了檢測性能。將聯(lián)合估計算法和提出的串行估計算法進行仿真對比，結(jié)果表明提出的算法相較于傳統(tǒng)方法可以取得更好的檢測精度，并且運算復雜度僅為傳統(tǒng)方法的1/3。

LTE系統(tǒng)；小區(qū)搜索；串行檢測；整數(shù)倍載波頻偏；扇區(qū)ID；差分相關(guān)

1　引　言

3GPP長期演進(Long Term Evolution,LTE)能夠提供較大的吞吐量和可靠的服務質(zhì)量(Quality of Service,QoS)，即使在移動情況下也是如此。和其他蜂窩系統(tǒng)一樣，LTE終端用戶(User Equipment,UE)的初始接入過程也包含小區(qū)搜索操作，小區(qū)搜索主要用來與就近的基站建立連接。而且，在小區(qū)搜索的過程中，UE可以完成相關(guān)的同步工作，比如定時偏差和載波頻率偏差的同步。因此，對于一個蜂窩通信系統(tǒng)來說，具有較好魯棒性的小區(qū)搜索方案是必不可少的。

小區(qū)搜索方案一般分為3步[1-2]：首先，接收端利用循環(huán)前綴(Cyclic Prefix,CP)來進行小數(shù)倍載波頻偏(Fractional Carrier Frequency Offset,FCFO)和粗定時同步的估計；然后，通過主同步信號(Primary Synchronization Signal，PSS)進行整數(shù)倍載波頻偏(Integer Carrier Frequency Offset，ICFO )和扇區(qū)ID的聯(lián)合檢測；最后，進行精同步和小區(qū)組ID的估計。在第2步中，扇區(qū)ID只能在ICFO補償之后進行檢測，而傳統(tǒng)的ICFO估計算法又需要先知道扇區(qū)ID，因此，現(xiàn)有的算法都是將ICFO和扇區(qū)ID進行聯(lián)合檢測[2-3]?，F(xiàn)有的關(guān)于LTE小區(qū)搜索的研究大部分都集中在主同步信號和輔同步信號(Secondary Synchronization Signal，SSS)的檢測上，通過對它們的檢測可以完成小區(qū)搜索及下行同步的整個過程。

文獻[4]運用PSS的相關(guān)性，提出了關(guān)于整數(shù)倍頻偏的聯(lián)合檢測算法，由于其搜索空間較大，因此復雜度較高。文獻[5]提出了一種基于PSS的整數(shù)倍頻偏最大似然估計的算法，結(jié)合了矩陣運算和噪聲方差等特性來進行估計，增加了運算復雜度，硬件難以實現(xiàn)。文獻[6]提出了一種基于變換域的簡化LTE小區(qū)搜索算法，通過時域和變換域的聯(lián)合估計，但只有在較低信噪比時該算法的性能才有一定提高。另外，在小區(qū)搜索的過程中并沒有進行信道估計，更別說信道補償。為此，本文提出了一種串行的ICFO和扇區(qū)ID檢測算法，通過利用PSS的對稱性[7]，ICFO可以在不知道扇區(qū)ID的條件下進行估計。并且，本文提出的算法將聯(lián)合檢測的大小為21的搜索空間分離為大小為7和3的搜索空間，通過對接收的PSS進行歸一化并差分相關(guān)，可以有效地消除由信道衰落引入的幅度和相位影響。

2　PSS信號與傳輸模型

LTE下行鏈路中，系統(tǒng)帶寬的變化范圍為1.4～20 MHz，采樣率為1.92～30.72 Msample/s。雖然有6種不同的FFT大小，但所有的子載波間隔為15 kHz。LTE系統(tǒng)中，PSS采用頻域Zadoff-Chu(ZC)序列生成，ZC序列具有良好的自相關(guān)特性。LTE系統(tǒng)中有3組可用的PSS，通過根序列指示u進行區(qū)分。PSS的生成方式如下：

(1)

表1　根序列指示u

在本文中，除了ZC序列的恒幅零自相關(guān)(Constant Amplitude Zero Auto Correlation，CAZAC)特性，還發(fā)現(xiàn)了PSS的對稱性。通過利用PSS的對稱性，可用增強小區(qū)搜索的性能。PSS的頻域傳輸模型如圖1所示。

圖1　頻域PSS傳輸模型

ZC序列索引值m和子載波索引值n之間的關(guān)系為

(2)

其中跳過了直流子載波。將n代替m代入式(1)中，可以得到第n個子載波上發(fā)送的PSS為

(3)

從式(3)中可以看出，正負子載波上傳送的PSS數(shù)據(jù)是對稱的，即對于n=1,2，…,31，存在任意的u值，使得Du(n)=Du(-n)。

在接收端，由于發(fā)送端和接收端的晶振不匹配以及多普勒頻移，系統(tǒng)中會引入載波頻偏[8]。

接收端接收的PSS數(shù)據(jù)不僅受到信道衰落的影響，還受到載波頻偏的影響。例如：對于中心頻率為2.5 GHz的蜂窩系統(tǒng)，如果晶振的不匹配達到±1.5×10-5，則引入載波頻偏為±2.5個子載波間隔。如圖1所示，經(jīng)過FCFO補償和定時粗同步后，接收的頻域PSS序列表示為

Z(n)=H(n)Du(n-ε)+V(n)，

n=-31,…,-1,1,…31。

(4)

式中：H(n)和V(n)分別表示第n個子載波上的信道頻率響應和加性高斯白噪聲；Du(n-ε)表示根指示為u、ICFO為ε的頻域PSS信號。從式(4)中可以看到，ε和u共同影響Z(n)，因此，傳統(tǒng)的小區(qū)搜索方法中多采用聯(lián)合檢測算法。在下一節(jié)中，將引入本文提出的算法，對這兩個參數(shù)分別進行檢測。

3　串行的ICFO與扇區(qū)ID檢測

本文提出的算法主要包含3步：首先，對相鄰子載波上的歸一化的頻域PSS數(shù)據(jù)進行差分相關(guān)，從而消除信道衰落的影響；然后，利用式(3)中的對稱特性，在不知道扇區(qū)ID的情況下進行ICFO估計；最后，對接收信號進行ICFO補償，將發(fā)送端不同u值的PSS序列與接收的PSS序列進行相關(guān)，可以很容易檢測出扇區(qū)ID。

由于PSS是基于ZC序列生成，因此也具有CAZAC特性，則歸一化近似地消除了信道頻率響應的幅度的影響。通過利用式(4)，歸一化的接收PSS可以表示為

ejθH(n)Du(n-ε)。

(5)

式中：θH(n)是信道頻率響應H(n)的相位。為了消除信道相位影響，本文假設相干帶寬足夠大，因此，相鄰子載波上的信道頻率響應是相似的。如后面所證明的，這個假設對于LTE信道模型來說是正確的[8]。在這個假設之下，相鄰子載波上接收的歸一化PSS的差分相關(guān)表示為

(6)

式中：(·)*表示復共軛操作。

(7)

(8)

顯而易見，fε,u(ε)的值獨立于根指示u，這就意味著ICFO可以在不知道根指示u的情況下被直接檢測。因此，ICFO檢測的判決準則定義為

(9)

讀取天線端與LC諧振敏感器件互感耦合時相對于無耦合狀態(tài),讀取天線端電壓信號幅值將會減小。為了直觀方便地檢測讀取天線端電壓信號幅值的變化規(guī)律,制作無線無源轉(zhuǎn)速信號拾取單元即包絡檢波器。本單元可以實現(xiàn)信號幅度包絡特征提取即將電壓信號的幅值的絕對值提取出來,既可以在示波器上直觀顯示出來也可以通過采集系統(tǒng)采集獲得,進而通過測量相鄰電壓最低值間的時間間隔,實現(xiàn)常溫環(huán)境下轉(zhuǎn)速的測試。

(10)

(11)

由于本文提出的算法將ICFO檢測和扇區(qū)ID檢測分離開來，因此原來大小為21的搜索空間被減小為兩個更小的搜索空間，其大小分別為7和3。式(10)中也利用了PSS的對稱特性，從而減少了運算復雜度。而且，本文還發(fā)現(xiàn)根指示為29和根指示為34的發(fā)送PSS是共軛的，即

(12)

則扇區(qū)ID檢測的運算復雜度可以進一步地減少。

特別地，一個復數(shù)乘法可以表示為

(a+bj)(c+dj)=((c+d)(a-b)+(bc-ad))

+(bc+ad)j。

(13)

這需要3個實數(shù)乘法和5個實數(shù)加法。在計算

(a+bj)(c+dj)*=((c-d)(a-b)+(bc+ad))+

(bc-ad)j

(14)

4　仿真結(jié)果與復雜度分析

表2　3種信道模型及其主要參數(shù)

圖2和圖3分別為本文算法與文獻[1]和文獻[3]中的算法在ICFO和扇區(qū)ID的估計性能對比。圖2是不同信道環(huán)境下的整數(shù)倍頻偏估計性能對比，從圖中可以看到，隨著信噪比的增加，3種算法的整數(shù)倍頻偏估計的錯誤檢測概率都呈現(xiàn)下降的趨勢。當信噪比為2 dB時，兩種算法的錯誤檢測概率均達到了10-2量級。在相同的信道環(huán)境下，串行估計的性能較聯(lián)合估計的要好很多。

圖2　3種信道下的ICFO檢測性能

圖3所示為不同信道環(huán)境下扇區(qū)ID估計性能，從圖中可以看到，隨著信噪比的增加，3種算法的扇區(qū)ID的錯誤檢測概率都呈現(xiàn)下降的趨勢，性能相差不大。當信噪比為-5 dB時，3種算法在各種信道環(huán)境下的錯誤檢測概率都達到了10-2量級，串行估計算法在3種信道中都要比聯(lián)合估計的要好。

圖3　3種信道下的扇區(qū)ID檢測性能

為了對比這兩種檢測算法的運算復雜度，我們將所有的復數(shù)乘法和加法轉(zhuǎn)換為實數(shù)乘法和加法。具體的運算復雜度對比在表3中列出。由于前面提到的對稱特性和共軛特性，與文獻[1]中的算法相比，本文提出的算法的實數(shù)乘法和實數(shù)加法分別減少了66.6%和69.4%。

表3　兩種算法的復雜度對比

5　結(jié)束語

本文對LTE系統(tǒng)小區(qū)搜索過程中整數(shù)倍載波頻偏ICFO和扇區(qū)ID的檢測進行了研究，提出了一種串行的ICFO和扇區(qū)ID檢測方法。該算法將傳統(tǒng)的聯(lián)合檢測算法的搜索空間分離為兩個更小的搜索空間，從而降低了運算復雜度并且提高了檢測精度。由于本文是針對整數(shù)倍頻偏來研究的，因此在未來的研究中，我們將頻偏擴大為非整數(shù)倍頻偏進行研究。另外，本文是對小區(qū)搜索過程中的小部分模塊進行仿真驗證，在接下來的工作中，我們將對小區(qū)搜索進行系統(tǒng)研究。

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張德民(1955—)，男，廣東梅州人，1988年于北京郵電大學獲碩士學位，現(xiàn)為重慶郵電大學教授、碩士生導師，主要研究方向為通信與信息系統(tǒng)；

ZHANG Demin was born in Meizhou,Guangdong Province,in 1955. He received the M.S.degree from Beijing University of Posts and Telecommunications in 1988. He is now a professor and also the instructor of graduate students His research concerns communication and information system.

Email:zhangdm@cqupt.edu.cn

譚博(1990—)，男，河南商丘人，碩士研究生，主要研究方向為TD-LTE物理層算法及DSP開發(fā)；

TAN Bo was born in Shangqiu,Henan Province,in 1990. He is now a graduate student. His research concerns TD-LTE physical layer algorithm and DSP development.

Email:772807236@qq.com

黃菲(1991—)，男，重慶人，碩士研究生，主要研究方向為TD-LTE物理層算法及DSP開發(fā)；

HUANG Fei was born in Chongqing, in 1991. He is now a graduate student. His research concerns TD-LTE physical layer algorithm and DSP development.

Email:1712423608@qq.com

楊程(1990—)，男，湖北孝感人，碩士研究生，主要研究方向為TD-LTE物理層算法及DSP開發(fā)；

YANG Cheng was born in Xiaogan,Hubei Province,in 1990. He is now a graduate student. His research concerns TD-LTE physical layer algorithm and DSP development.

Email:385806120@qq.com

王丹(1981—)，女，重慶人，高級工程師，主要研究方向為TD-LTE物理層算法及DSP開發(fā)。

WANG Dan was born in Chongqing,in 1981. She is now a senior engineer. Her research concerns TD-LTE physical layer algorithm and DSP development.

Email:wangd@cqupt.edu.cn

A Serial Integer Carrier Frequency Offset and Sector Detection Algorithm in LTE Systems

ZHANG Demin，TAN Bo，HUANG Fei，YANG Cheng，WANG Dan

(School of Communication and Information Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

In LTE systems,user equipment,when it is booted,will perform a cell search firstly. For the conventional cell search scheme,the integer carrier frequency offset(ICFO) and sector identity(ID) are jointly detected by utilizing the primary synchronization signal(PSS).For this problem,this paper proposes a serial integer carrier frequency offset and sector ID algorithm. This algorithm makes use of the symmetry of the primary synchronization signal(PSS) and detects the ICFO and sector ID separately.Through normalized differential correlation of the received frequency domain PSS,the effect of channel is eliminated,thereby enhancing detection performance.Simulation comparison between the joint estimation algorithm and the proposed serial algorithm shows that the proposed algorithm can achieve better detection accuracy and the computational complexity is only 1/3 of that of conventional method.

LTE system;cell search;serial detection；integer carrier frequency offset；sector ID；differential correlation

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.10.018

2016-01-11；

2016-06-30Received date:2016-01-11；Revised date：2016-06-30

TN929.5

A

1001-893X(2016)10-1165-05

引用格式：張德民，譚博，黃菲，等.LTE系統(tǒng)中一種串行的整數(shù)倍頻偏和扇區(qū)檢測算法[J].電訊技術(shù)，2016,56(10):1165-1169.[ZHANG Demin，TAN Bo，HUANG Fei，et al.A serial integer carrier frequency offset and sector detection algorithm in LTE systems[J].Telecommunication Engineering,2016,56(10):1165-1169.]

**通信作者：zhangdm@cqupt.edu.cnCorresponding author：zhangdm@cqupt.edu.cn