一种小区搜索的主同步序列检测方法及装置与流程

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种小区搜索的主同步序列检测方法及装置。

背景技术：

用户设备UE要接入LTE网络，必须经过小区搜索、获取小区系统信息、随机接入等过程。其中，小区搜索的主要目的：与小区取得频率与符号同步；获取下行帧的起始位置；确定小区的标识号与广播消息。

LTE系统的一个常规CP时隙包括7个OFDM符号，一个扩展CP时隙包括6个OFDM符号。每个OFDM符号为2048阶IFFT采样，采样间隔Ts。时域OFDM符号由数据部分与循环前缀CP构成，其中数据部分固定长度2048Ts。

在FDD帧结构中，一个长度为10ms的无线帧由10个长度为1ms的子帧构成，每个子帧由两个长度为0.5ms的时隙构成。

在TDD帧结构中，一个长度为10ms的无线帧由2个长度为5ms的半帧构成，每个半帧由5个长度为1ms的子帧构成，其中包括4个普通子帧与1个特殊子帧。普通子帧由两个0.5ms的时隙组成，特殊子帧由3个特殊时隙(DwPTS、GP与UpPTS)组成，总长度为1ms，其中DwPTS与UpPTS这两个时隙长度可以配置，其中DwPTS的长度为3-12个OFDM符号，UpPTS的长度为1-2个OFDM符号，相应的GP的长度为1-10个OFDM符号。在TDD帧结构中，一个特殊子帧的大小是1ms，就是两个资源模块RB，一个RB占7个OFDM符号，所以一个特殊子帧占14个OFDM符号。

LTE系统的下行定义了两个同步序列，分别为主同步序列(PSS)与辅同步序列(SSS)。PSS用来确定无线帧半帧位置与SSS用来确定无线帧帧头位置与并根据与值确定小区对于TDD与FDD而言，这两类同步信号的结构是完全一样的，但在帧中时域位置有所不同。

对于FDD而言，PSS在子帧0与5的第一个时隙的最后一个OFDM符号上发送；SSS与PSS在同一子帧同一时隙发送，但SSS位于倒数第二个OFDM符号上，比PSS提前一个OFDM符号。

对于TDD而言，PSS在子帧1与6的第三个OFDM符号上发送；而SSS在子帧0与5的最后一个OFDM符号上发送，比PSS提前3个OFDM符号。

因此在LTE系统的一个完整的10ms帧中，一个周期将出现两次PSS序列，PSS序列每5ms出现一次。

LTE系统一共定义了504个不同的且每个对应一个特定的下行参考信号序列。所有的集合被分成168组每组包含3个小区内即有：

其中，小区识别组0-167的隐含在SSS序列中，小区识别号0-2的隐含在PSS序列中。

PSS序列d(n)是一个频域的ZC序列，生成公式如下：

其中，ZC根序列索引u的取值与的取值关系如下表：

UE开机时并不知道系统带宽的大小，但它知道自己支持的频带与带宽，UE会在其支持的LTE频率的中心频点附近去尝试接收PSS与SSS。为了使UE能够尽快检测到系统的频率与符号同步信息，无论系统带宽大小，PSS与SSS都位于中心的72个子载波上，占6个RB，其系统带宽为6*12*15KHz＝1.08MHz，实际只使用了频率中心DC周围的62个子载波，不包含DC，两边各留了5个子载波用作保护边带，均填零。

UE为了接收PSS，会使用ZC根序列索引u来尝试解码PSS，直到其中某ZC根序列索引u成功解出PSS为止，这样UE就知道了该小区的又由于PSS在时域上的位置是固定的，因此UE又可以得到该小区的5ms定时。由于一个系统帧内有2个PSS，且这2个PSS的相同的，因此UE不知道解出的PSS是第1个还是第2个，所以只能得到5ms定时。

采样频率1Hz意思是每1秒(s)采样1个样点。根据LTE标准，在TDD帧结构中，半帧是5ms。LTE有6种系统带宽1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz，20MHz。其中，20MHz带宽的15KHz的子载波间隔对应的采样点采用的是2048，所以采样率是15K*2048＝30.72MHz。1个子帧1ms，一个时隙0.5ms有7个常规OFDM符号，第一个OFDM符号的CP是160，之后6个OFDM符号的CP是144，所以一个子帧的采样点个数就是[(166+2048)*1+(144+2048)*6]*2＝30720，所以一个无线帧(10ms)的采样点个数是30720*10＝307200。由时域与频域的对应关系，满足15K子载波间隔最低需要采用相应的时域采样率1.92MHz，3.84MHz，7.68MHz，15.36Hz，23.04MHz，30.72MHz，实现时通常采用30.72MHz作为统一的采样率，则对于除23.04MHz外其它的采样率是16、8、4、2内插或抽取倍数。因而，当采用1.92MHz的采样率时，每半帧的采样点是1.92M(样点/s)*5ms＝9600样点；当采用30.72MHz的采样率时，每半帧的采样点是30.72M(样点/s)*5ms＝153600样点，一个无线帧的采样点是30.72M(样点/s)*5ms＝307200样点。根据LTE标准，对于采用72个子载波占6个RB的传输方式采用最小传输带宽1.4MHz，相应采样频率采用1.92MHz。由于FFT要求的最小点数为128点，需要对72个子载波补0到符合128个点数才能进行FFT运算，因此每隔5ms发送一个本地序列的LTE系统中的主同步序列的长度可认为是128位。

由于同步信号在频域上只映射到直流子载波附近的62个子载波上，考虑到同步信号带宽的这一特点，在小区搜索过程中一般使用降采样来提高小区搜索效率。典型降采样下的LTE系统下行同步检测方法：

(1)PSS时域序列的相关运算：UE通过低通滤波器从对基站发来的接收数据中将包含PSS的较窄的频带滤波出来，然后在时域上将所有本地基本主同步时域重构信号分别与滤波出来的接收数据分别进行逐样点滑动相关运算，最后搜索相关峰值对应的主同步信号标识及其相关峰值位置作为输出，将相关程度最高的PSS确定为系统当前所采用的PSS。

(2)恒虚警率(CFAR)的选择：包括将阈值应用于相关性值。该阈值根据噪声方差以及目标虚警率的估算函数来确定。

上述主同步序列检测本质上就是，终端在一次空中接口中读取5ms的数据共153600个采样点，然后对这些采样点进行滤波，16倍降采样，最终将得到9600个采样点，在接收信号的9600+128个样点中捕获主同步序列的开始位置实现主同步。该位置虽然可达到理论上最优的“最大似然”检测性能，但对于最小接收带宽1.4MHz实施信号接收并利用其对应采样率1.92MHz获取基带数据，或5ms数据对应样点数9600，三个本地基本主同步信号数据部分样点数128，则对接收数据的全部9600个采样点中的每一个采样点均进行三次相关运算，一共需要进行28800次相关运算，9600*128*3＝3686400次复乘加。这意味着需要采用大量的计算资源电路来完成上述相关运算，运行功耗大，复杂度很高。特别是，在收发机之间的晶振频偏差较小或不存在频偏时，由于恒包络零自相关ZC序列在时域具有非常好的相关性，从而可以利用相关峰检测，实现时间同步；然而当晶振频偏差较大时，恒包络零自相关序列的时域相关性会变差，由此导致相关峰检测的偏差，用传统方法可能检测不到峰值或峰值不明显，系统的同步性能以及主同步信号的检测性能均受到了影响，需要的搜索次数将更大，多倍地增加硬件资源消耗，复杂度更高。

为克服以上不利因素，又出现了将下行定时同步分为两步执行的思想。该思想首先通过将主同步信号的时域特征特殊化为时域重复性，对接收信号实施差分相关，实现无需本地基本主同步信号即达到下行定时同步的目的；然后再基于已实现定时同步的前提下检测小区组内标识。上述思想由于有效避免了多个本地基本主同步信号的滑动相关，计算复杂度有了一定改善，但仍然要求逐样点滑动相关，且对主同步信号的序列生成有了严格要求。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出一种小区搜索的主同步序列检测方法及装置，应用于LTE、LTE-A及IMT-2020第五代移动通信系统eMBB中，以克服逐样点滑动相关的不足，有效地降低了大频偏环境下的计算复杂度。

第一方面，本发明提出了一种小区搜索的主同步序列检测方法，包括：

将所选定天线各自对应的接收信号进行分离采样点，分离采样点与本地序列按约定长度进行分段及补位；

对分段及补位后的分离采样点附加一个相位旋转值，获得对应不同频率偏移值的多路旋转序列；

将旋转序列分别与三种分段本地序列进行相关运算，取相关运算结果最大者输出，得到多路旋转序列相关运算结果；

取多路旋转序列相关运算结果中的最大值，该最大值对应的本地序列可确定当前小区的主同步序列。

优选地，所述分离采样点与本地序列按约定长度进行分段及补位包括将分离采样点与本地序列进行分段，使每个分段序列满足2的整数次幂的约定长度，若最后一段序列的长度不满足所述约定长度的，则用0补齐。

优选地，根据分离采样点前的采样率与最低采样率0.96MHz的比值来确定所述约定长度，所述约定长度至少包括16或32位的一种。

优选地，所述相关运算包括接收机对所选定至少二根天线接收信号的共轭点乘、功率累加、噪声估计，天线间功率合并及功率比较。

优选地，所述相关运算之前还包括：对所述旋转序列进行直流估计，并消除直流偏置及漂移，具体地是将每段的所述旋转序列的实部分量与虚部分量的各个样点求平均值，并将实部分量与虚部分量的各个样点值分别减去其对应的平均值。

第二方面，本发明提供了一种小区搜索的主同步序列检测装置，包括：

数据控制模块，用于将所选定天线各自对应的接收信号进行分离采样点，分离采样点与本地序列按约定长度进行分段及补位；

频偏处理模块，用于对分段及补位后的分离采样点附加一个相位旋转值，获得对应不同频率偏移值的多路旋转序列；

相关运算模块，用于将旋转序列分别与三种分段本地序列进行相关运算，取相关运算结果最大者输出，得到多路旋转序列相关运算结果；

峰值搜索模块，用于取多路旋转序列相关运算结果中的最大值，该最大值对应的本地序列可确定当前小区的主同步序列。

优选地，所述分离采样点与本地序列按约定长度进行分段及补位包括将分离采样点与本地序列进行分段，使每个分段序列满足2的整数次幂的约定长度，若最后一段序列的长度不满足所述约定长度的，则用0补齐。

优选地，根据分离采样点前的采样率与最低采样率0.96MHz的比值来确定所述约定长度，所述约定长度至少包括16或32位的一种。

优选地，所述相关运算模块包括接收机对所选定至少二根天线接收信号用于共轭点乘的相关检测模块、用于功率累加的符号积分模块、用于噪声估计的噪声评估模块、用于天线间功率合并的天线合并模块及用于比较功率大小的比较模块。

优选地，所述相关运算模块还包括用于储存本地序列的实部存储表、虚部存储表及对本地序列实施移位的计数器。

本发明的有益效果：本发明的一种小区搜索的主同步序列检测方法及装置，由于对每根接收天线对应的接收信号均进行分段处理，不再需要逐样点滑动相关，有效地降低计算复杂度，在大频偏的极端环境下不再消耗大量计算资源电路，运行功耗低。

附图说明

用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明主同步序列检测方法一实施例流程示意图。

图2是本发明上述实施例中的直流估计处理原理示意图。

图3是本发明主同步序列检测装置一实施例结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明，这是本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明的一实施例提出了一种小区搜索的主同步序列检测方法，包括：

步骤S101，将所选定天线各自对应的接收信号进行分离采样点，分离采样点与本地序列按约定长度进行分段及补位；

根据3GPP标准，LTE有6种系统带，包括1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz，20MHz。由时域与频域的对应关系，满足15K子载波间隔最低需要采用相应的时域采样率1.92MHz，3.84MHz，7.68MHz，15.36Hz，23.04MHz，30.72MHz。

一般地，收发信机实现时通常采用30.72MHz作为统一的采样率，则对于除23.04MHz外其它的采样率相应是16、8、4、2抽取或内插倍数。根据LTE标准，对于采用72个子载波占6个RB的传输方式采用最小传输带宽1.4MHz，相应采样频率采用1.92MHz，因此上述方案还可以分别对正交下变频后的实部与虚部时域信号进行多速率抽取有利于减少运算量，符合硬件资源复杂度的需求。

在上述方案的多速率抽取情况下，还可以增加FIR成形匹配滤波的方法来滤除同步序列的带外干扰，更有利于提高同步序列检测的成功率。较佳地，步骤S101中所述接收信号是由基站发射并经接收FIR成形匹配滤波的。

由于广播信道的传输方式采用最小传输带宽1.4MHz，因此接收机对于包含同步序列的广播信道也是在1.92MHz的采样率下完成，这样经过多速率抽取及滤波后的每个符号的采样点数为128。而根据LTE标准，同步序列实际只使用了频率中心DC周围的62个子载波(不包含DC)，因而需要对同步序列进行特殊处理。

具体地，选定至少二根天线并启动相应的小区搜索器，分别将每根天线的接收信号进行2倍的下抽取使采样率变为0.96MHz，这样每个符号的采样点数为64。

根据3GPP标准，LTE每根天线的一个接收周期为5ms，20MHz带宽的15KHz的子载波间隔对应的采样点采用的是2048，所以采样率是15K*2048＝30.72MHz。1个子帧1ms，一个时隙0.5ms有7个常规OFDM符号，第一个OFDM符号的CP是160，之后6个OFDM符号的CP是144，所以一个子帧的采样点个数就是[(166+2048)*1+(144+2048)*6]*2＝30720，所以一个无线半帧(5ms)的采样点个数是30720*5＝153600。可知，每个5ms的半帧数据量巨大，因而还需要对2倍的下抽取后的分离采样点进行分段及补位处理。

具体地，所述分离采样点按约定长度进行分段及补位包括将分离采样点按约定长度N分段等长的时域数据，使每个分段序列满足2的整数次幂的约定长度N，若最后一段序列的长度不满足所述约定长度N的，则用0补齐。

较佳地，根据分离采样点前的采样率与最低采样率0.96MHz的比值来确定所述约定长度N，所述约定长度N至少包括16或32位的一种。

相应地，本地序列按约定长度N进行分段及补位，具体包括：根据分离采样点前的采样率与最低采样率0.96MHz的比值来确定所述约定长度N，如果约定长度N是小于64位的，则需要按约定长度N进行分段，如果约定长度N是大于64位的，则需要按约定长度N进行补0。在LTE系统中，将三个62位的频域本地序列补0，通过FFT变换成时域64位的本地序列。

步骤S102，对分段及补位后的分离采样点附加一个相位旋转值，获得对应不同频率偏移值的多路旋转序列；

在收发机之间的晶振频偏差较小或不存在频偏时，由于恒包络零自相关ZC序列在时域具有非常良好的相关性，从而可以利用相关峰检测，实现时间同步；然而当晶振频偏差较大时，恒包络零自相关序列的时域相关性会变差，由此导致相关峰检测的偏差，并且接收信号与本地序列作相关运算时由于2倍的下抽取也会存在一个起始的相位偏差，因而需要对对分段及补位后的分离采样点进行大频偏处理。

具体地，从粗频偏集合中分别选取不同的粗频偏对分段及补位后的分离采样点附加一个相位旋转值进行频偏校正，得到校正后的对应不同频率偏移值的多路旋转序列。

步骤S103，将旋转序列分别与三种分段本地序列进行相关运算，取相关运算结果最大者输出，得到多路旋转序列相关运算结果；

其中，所述相关运算包括接收机对所选定至少二根天线接收信号的共轭点乘、功率累加、噪声估计，天线间功率合并及功率比较。

具体地，接收机从各根天线校正偏移的旋转序列中获取约定长度N个采样点分别与三种约定长度N个采样点的本地序列进行共轭点乘，对共轭点乘的结果进行功率累加，将至少二根天线的功率累加信号进行合并及噪声估计，对合并的功率信号进行噪声抵消后进行比较，选择相关运算结果最大者输出，得到多路旋转序列相关运算结果。

为了提高同步序列的检测成功率，可采用对多个分段旋转序列的相关运算结果进行累加平滑。

进一步地，如图2所示，所述相关运算之前还可以包括：对所述旋转序列进行直流估计，并消除直流偏置及漂移，具体地是将每段的所述旋转序列的实部分量与虚部分量的各个样点求平均值，并将实部分量与虚部分量的各个样点值分别减去其对应的平均值。

步骤S104，取多路旋转序列相关运算结果中的最大值，该最大值对应的本地序列可确定当前小区的主同步序列。

具体地，取对应不同频偏值的多路旋转序列相关运算结果中的最大值，该最大值对应的本地序列可确定当前小区的主同步序列。

如图3所示，本发明的一实施例提供了一种小区搜索的主同步序列检测装置，包括：数据控制模块、频偏处理模块、相关运算模块、峰值搜索模块，其中：

数据控制模块，用于将所选定天线各自对应的接收信号进行分离采样点，分离采样点与本地序列按约定长度进行分段及补位；

频偏处理模块，用于对分段及补位后的分离采样点附加一个相位旋转值，获得对应不同频率偏移值的多路旋转序列；

相关运算模块，用于将旋转序列分别与三种分段本地序列进行相关运算，取相关运算结果最大者输出，得到多路旋转序列相关运算结果；

峰值搜索模块，用于取多路旋转序列相关运算结果中的最大值，该最大值对应的本地序列可确定当前小区的主同步序列。

其中，数据控制模块包含一个乒乓储存器，用于储存来自数字下变频器输出的样值级实部与虚部数据，包括第一储存单元与第二存储单元。第一储存单元储存一个时间段内的全部实部与虚部数据，并将该储存单元的所有实部与虚部数据传输给频偏处理模块；第二储存单元逐步地接收储存下一个时间段内实部与虚部数据，当所有实部与虚部数据全部成功地接收储存后，将该储存单元的所有实部与虚部数据传输给第一储存单元。

具体地，所述分离采样点与本地序列按约定长度进行分段及补位包括将分离采样点与本地序列进行分段，使每个分段序列满足2的整数次幂的约定长度，若最后一段序列的长度不满足所述约定长度的，则用0补齐。

具体地，根据分离采样点前的采样率与最低采样率0.96MHz的比值来确定所述约定长度，所述约定长度至少包括16或32位的一种。

具体地，所述相关运算模块包括接收机对所选定至少二根天线接收信号用于共轭点乘的相关检测模块、用于功率累加的符号积分模块、用于噪声估计的噪声评估模块、用于天线间功率合并的天线合并模块及用于比较功率大小的比较模块。

具体地，所述相关运算模块还包括用于储存本地序列的实部存储表、虚部存储表及对本地序列实施移位的计数器。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。