文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.170899
中文引用格式: 田增山,徐建,李偉光. 一種LTE系統(tǒng)主同步重疊與分段聯(lián)合檢測算法[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(12):92-95,99.
英文引用格式: Tian Zengshan,Xu Jian,Li Weiguang. A LTE system primary synchronization fast correlation algorithm with the method of combining overlapping and section[J].Application of Electronic Technique,2017,43(12):92-95,99.
0 引言
對于完整的通信系統(tǒng),同步至關(guān)重要。用戶終端設(shè)備(User Equipment,UE)在接入一個(gè)LTE小區(qū)時(shí),必須首先經(jīng)過小區(qū)搜索的過程,其中包括一系列的同步過程[1],以保證UE獲得能夠進(jìn)行上行信號發(fā)射和下行信號接收數(shù)據(jù)解調(diào)操作的定時(shí)和頻偏估計(jì)等參數(shù),同時(shí)獲得小區(qū)ID在內(nèi)的一些關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)[2]。并且為了資源的充分利用,3GPP組織在最新的LTE協(xié)議中添加了終端到終端(Device to Device,D2D)技術(shù),D2D對于同步的頻繁程度和時(shí)效性要求更高,因此對于同步的高效性和穩(wěn)定性的研究將更有價(jià)值。因此,同步對于整個(gè)LTE通信系統(tǒng)具體重要意義[3]。
本文采用重疊和分段聯(lián)合檢測的方式,實(shí)現(xiàn)對半幀數(shù)據(jù)的快速搜索,實(shí)現(xiàn)本地序列和長數(shù)據(jù)的快速相關(guān),降低了算法復(fù)雜度,節(jié)約了計(jì)算資源,提高了算法效率,能夠快速實(shí)現(xiàn)符號定時(shí)同步。
1 主同步序列
主同步PSS序列采用ZC序列[1],ZC序列廣泛的應(yīng)用于LTE系統(tǒng)中,包括隨機(jī)接入中的前導(dǎo)、上行參考信號以及主同步序列。ZC序列滿足恒模零自相關(guān)(Constant Amplitude Zero Auto Correlation,CAZAC)特性,CAZAC序列是由ejak獲得的復(fù)數(shù)信號,長度為偶數(shù)時(shí),ZC序列表達(dá)式[4]如下:
2 主同步序列的同步算法
2.1 傳統(tǒng)同步算法
已有的傳統(tǒng)同步方法有基于滑動(dòng)相關(guān)的主同步相關(guān)算法(算法1)、與基于循環(huán)卷積的主同步相關(guān)算法(算法2)。算法1[5]中包含利用主同步序列自身重復(fù)性進(jìn)行粗同步,以及利用主同步序列良好的相關(guān)性進(jìn)行精同步兩個(gè)步驟。
算法2[6]中使用了FFT變換經(jīng)過頻域,完成循環(huán)卷積,為了使FFT算法的速度和性能達(dá)到最優(yōu),并且滿足循環(huán)卷積等價(jià)于線性卷積的條件,取循環(huán)卷積點(diǎn)數(shù)L,且使得L=2j(j為正整數(shù)),然后以L點(diǎn)對s(n)和p(n)進(jìn)行補(bǔ)零處理,再分別對s(n)和p(n)作L點(diǎn)FFT運(yùn)算而后進(jìn)行頻域點(diǎn)乘,最后計(jì)算R(k)的L點(diǎn)IFFT,如式(2)所示:
2.2 改進(jìn)的重疊與分段聯(lián)合的相關(guān)算法
LTE系統(tǒng)最大支持20 MHz帶寬,半幀碼片長度達(dá)到了153 600 chips。在滿足循環(huán)卷積條件和FFT最優(yōu)條件的情況下,循環(huán)卷積長度達(dá)到了218,造成了大量資源的消耗。針對以上問題,本文對快速卷積相關(guān)算法做出了3個(gè)遞進(jìn)的優(yōu)化,分別是:重疊、循環(huán)后移、分段相關(guān)。
重疊是以一個(gè)固定長度對數(shù)據(jù)進(jìn)行分段,然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的混疊。對混疊后的數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)卷積實(shí)現(xiàn)對PSS序列的搜索,假設(shè)半幀數(shù)據(jù)長度為M,第i分段序列為[7]:
其中,M為無線幀序列長度。得到混疊后可進(jìn)行循環(huán)卷積序列的表達(dá)式為:
式中,N表示本地主同步序列的長度,將其轉(zhuǎn)換為基于FFT的循環(huán)卷積方式,便可以大大提高相關(guān)速度。
為了保證主同步序列的完整性,本文提出了循環(huán)后移的改進(jìn)措施[8],開頭與主同步序列等長的混疊數(shù)據(jù)循環(huán)后移至混疊數(shù)據(jù)的末尾?;殳B操作和循環(huán)后移的流程圖如圖1所示。
增加混疊階數(shù)可以節(jié)約計(jì)算資源,但是同時(shí)造成噪聲累加[9],為了控制噪聲帶來的影響,需要降低重疊階數(shù),重疊信號的長度就會(huì)很大,此時(shí)進(jìn)行L點(diǎn)的循環(huán)卷積便又一次引入了FFT點(diǎn)數(shù)過大問題。本文進(jìn)行了第3次改進(jìn),添加分段分段相關(guān)流程。分段相關(guān)的示意圖如圖2所示。
在每次分段數(shù)據(jù)之后延遲N個(gè)碼片,以保證存在的主同步碼在相關(guān)時(shí)能量不被削弱。
綜合以上的3次的改進(jìn)形成最終的總體方案,如圖3所示。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)一般設(shè)置重疊階數(shù)M為16,此時(shí)可以很大程度減少計(jì)算量,并且滿足系統(tǒng)檢測要求。當(dāng)信道質(zhì)量較差時(shí)檢測不成功,調(diào)整重疊階數(shù),并且添加分段相關(guān)過程。
3 實(shí)驗(yàn)仿真及分析
為了驗(yàn)證算法的正確性和有效性,本文將通過仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)對算法進(jìn)行驗(yàn)證。
3.1 仿真驗(yàn)證
為了使仿真結(jié)果的對比更具有可比性,設(shè)置統(tǒng)一的仿真系統(tǒng)參數(shù),仿真系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。
本文將以信噪比和混疊階為變量,對同步正確率和同步時(shí)間進(jìn)行分析。
傳統(tǒng)的M階混疊處理方式,沒有經(jīng)過循環(huán)后移和分段相關(guān)的操作,混疊起始點(diǎn)位置不同會(huì)導(dǎo)致檢測失敗。改進(jìn)的算法保證了主同步序列的完整性,并且分段方式防止了噪聲能量的進(jìn)一步累加,從圖4可以看出改進(jìn)的相關(guān)算法在低信噪比的情況下表現(xiàn)更好。
運(yùn)算復(fù)雜度可以從量化的層面分析算法的性能,表2為各方案算法復(fù)雜度的對比。A為傳統(tǒng)滑動(dòng)相關(guān)算法,B為傳統(tǒng)循環(huán)卷積算法,C為傳統(tǒng)混疊算法,D為本文改進(jìn)算法,并且方案C、D明顯優(yōu)于A、B。由于lgLsection/lgLoverlap≥b_ol,因此本文提出的算法在算法復(fù)雜度上優(yōu)于傳統(tǒng)算法。
改進(jìn)算法除了能夠在低信噪比下表現(xiàn)良好,并且在時(shí)間性能上也具有明顯優(yōu)勢,圖5是不同混疊階數(shù)的傳統(tǒng)算法和改進(jìn)算法的時(shí)間性能對比情況。
圖5所標(biāo)注的折線趨勢代表了算法性能。傳統(tǒng)算法不隨混疊階數(shù)的變化而變化。而本文改進(jìn)的算法在信噪比較差時(shí)進(jìn)行了分段處理的方式,降低了循環(huán)卷積的點(diǎn)數(shù),顯著減少了算法耗時(shí)。從圖中可以看出,改進(jìn)算法在耗時(shí)方面要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)重疊的算法。
3.2 實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證
實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證部分,通過工程機(jī)獲得當(dāng)前接入小區(qū)參數(shù),其為Band40中心頻率2 330 MHz的LTE信號。通過以上的頻點(diǎn)和帶寬等信息,通過實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的軟件無線電平臺(tái),采集空中無線信號。相關(guān)結(jié)果如圖6所示。
圖6傳統(tǒng)相關(guān)算法為4分段重疊快速卷積相關(guān),可以看出,傳統(tǒng)的重疊算法很容易在噪聲能量累加時(shí),造成同步峰的淹沒,而本文提出的改進(jìn)算法在同樣環(huán)境下快速實(shí)現(xiàn)同步檢測中,更容易檢測成功。
4 結(jié)束語
主同步是LTE移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信服務(wù)的關(guān)鍵步驟之一,隨著LTE基站密度的增大,以及用戶活動(dòng)范圍擴(kuò)大,導(dǎo)致小區(qū)切換、重選更加的頻繁。主同步算法需要關(guān)注的主要兩點(diǎn)是速度和資源,傳統(tǒng)的滑動(dòng)相關(guān)算法速度慢,利用循環(huán)卷積相關(guān)算法速度得到大大提升,但是FFT點(diǎn)數(shù)過大會(huì)耗費(fèi)很多計(jì)算資源,因此本文提出了改進(jìn)算法,在不犧牲速度的同時(shí),使用更少的計(jì)算資源。通過循環(huán)后移,以改進(jìn)傳統(tǒng)的混疊算法中由于主同步序列的切斷而導(dǎo)致同步失敗,在混疊基礎(chǔ)上進(jìn)行分段相關(guān)操作,以節(jié)約計(jì)算資源,并且改善由于噪聲能量的累加而導(dǎo)致相關(guān)峰模糊的狀況。本文算法具有高效性、魯棒性和可行性,能夠滿足LTE系統(tǒng)同步性能要求。
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作者信息:
田增山,徐 建,李偉光
(重慶郵電大學(xué) 重慶市移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400065)