（通信与信息系统专业论文）3gpp+lte中小区搜索技术的研究.pdf

东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学 位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成 果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自 撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名：搴氓好 日期： 2 d 年月罗日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名： 牵氓好 日期：2 ol 年月7 日 指导教师签名：磨之 日期：盈夥月3 奔季天学 。w a $ i 4 1 1 t l 。嚅，豫盟 3 g p pl t e 中小区搜索技术的研究 3 g p pl t e 中小区搜索技术的研究 摘要 随着个人通信技术和市场的发展，在不久的未来，多媒体消息、 在线游戏、视频点播、音乐下载和移动电视等数据业务的需求将远远 超出了现有网络的能力。与w i f i 和w i m a x 等无线接入方案相比， w c d m a 、h s d p a 空中接口和网络结构过于复杂，虽然在支持移动性和 o o s 方面有较大优势，但在每比特成本、无线频谱利用率和传输时延等 能力方面明显落后。 3 g p pl t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 项目是3 g 标准的演进，它增强 了3 g 的空中接入技术，采用正交频分复用o f d m 、多输入多输出 m i m o 、全i p 组网等先进的无线通信技术。作为3 g 无线网络演进的唯 一标准，3 g p pl t e 在2 0 m h z 频谱带宽下能够提供下行l o o m b i t s 与上 行5 0 m b i t s 的峰值速率，显著改善了小区边缘用户的性能。 在移动通信系统中，小区初始搜索是一个非常关键的过程。通过 该过程，用户终端( u e ) 可以搜索到一个可用的小区，并获得时频同步 和帧同步。只有在完成小区搜索以后，u e 才能够获取本小区更详细的 信息以及邻近小区的信息，才可以监听寻呼或发起呼叫。 本文基于l t e 的帧结构规范，对小区搜索过程的原理和实现方法进 行了研究与仿真，着重研究了小区搜索过程中信道检测技术，对小区 搜索过程中的关键技术如频偏估计与补偿、o f d m 的符号同步捕获与跟 踪、下行时钟同步、小区i d 识别等进行了详细阐述，并给出了各种算 法的仿真曲线和性能分析，提出了一种信号捕获的盲检测算法，最后 总结了本文的主要工作，并指出了今后继续研究的问题和方向。 关键词：3 g p pl t e ，小区搜索，主同步信道，从同步信道，m a t l a b 仿真 o 黝 3 g p pl t e 中小区搜索技术的研究 t h es t u d yo f c e l ls e a r c h i n3 g p pl t es y s t e m a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to f p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e sa n dm a r k e t s1 e a d st ot h ef a c tt h a t t h ed e m a n do fd a t as e r v i c e ，s u c ha sm u l t i m e d i am e s s a g e ，o n - l i n eg a m e ，m u s i cd o w n l o a da n dm o b i l e t vw i l ls o o ng ob e y o n dt h ea b i l i t yp r o v i d e db yt h ew i r e l e s sn e t w o r kt o d a y 3 g p pi t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) i st h ee v o l u t i o no f3 gs t a n d a r d s ，w h i c hc a nb eu s e dt o i m p r o v et h e3 ga i r i n t e r f a c ep e r f o r m a n c e d u et ot h ea d o p t i o no fs e v e r a la d v a n c e dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e ss u c ha so f d m ，m i m o ，灿l i p n e t w o r ke t c l t e ，t h ep r i m ec a n d i d a t e f o r3 gw i r e l e s sn e t w o r ke v o l u t i o i l s c o u l dp r o v i d et h ep e a kr a t eo fd o w n l i n k1 0 0 m b i t su p l i n ka n d 5 0 m b i t ，si nt h e2 0 m h zb a n d w i d t hs p e c t r u m c e l ls e a r c hi so n eo ft h ek e yp r o c e d u r ef o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m u s e re q u i p m c n tc o u l d s e a r c hav a r i a b l ec e l la n dg e tt i m es y n c h r o n i z a t i o n , f r e q u e n c ya n df r a m es y n c h r o n i z a t i o n o n l y f i n i s h i n g 也ec e l ls e a r c h u ec a ng e tm o r ei n f o r m a t i o nf o rm ec e l la n d o t h e ri n f o r m a t i o nf o rt h ec l o s e e e l l t h e nu ec o u l dl i s t e nt h ec a l lo rm a k eac a l l t h ep a p e rd o e st h er e s e a r c ho ne e l ls e a r c ha c c e s s ，m e a n w h i l es i m u l a t e se e l ls e a r c ha l g o r i t h m b a s e do ns t a n d a r do fl t e s o m ek e yt e c h n i q u es u c ha se s t i m a t i o no ff r e q u e n c yo f f s e t ，s y n c h r o n i z a t i o n c a p t u r ea n dt r a c k , d o w n l i n kc l i c ks y n c h r o n i z a t i o n , c e l li di d e n t i f y , a r ea l s od e s c r i b e di nd e t a i l s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h eb e t t e rp e r f o r m a n c eo ft h es c h e m ep r o p o s e di nt h ep a p e r a tt h ef i n a l ，t h e a u t h o rs u m m a r i z e st h em a i nw o r ka n di n d i c a t e ss o m ep r o b l e r n sw h i c ha r cf u r t h e rs t u d y k e y w o r d s ：3 g p pl t e ，c e l ls e a r c h , p - s c h ，s - s c h ，m a t l a bs i m u l a t i o n 3 g p pl t e 中小区搜索技术的研究 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 缩略语对照表i v 第一章绪论l 1 1 研究背景l 1 2l t e 的系统架构4 1 3l t e 的关键技术8 1 43 g p pl t e 技术目标9 1 5 本文研究内容及安排1 0 第二章小区搜索原理概述1 1 2 。1 小区搜索原理1 1 2 2 小区搜索的帧结构和原理框架1 3 2 3 小区重选准则分析与研究n 2 。19 2 0 2 4 本章小结2 5 第三章小区搜索的实现2 6 3 1 小区搜索中的数据设计2 6 3 2 小区搜索的s c h 信道检测技术3 2 3 3 频偏估计和补偿5 5 3 4 同步跟踪及同步校正6 l 3 5 小区搜索的实现流程6 2 3 6 本章小结6 9 第四章总结与展望7 0 参考文献7 2 j 改谢7 6 附录一7 7 o 黝 3 g p p l t e c d 【a d l f d d t d d m i m o u e u m t s u t r a n b c h s c h p s c h s s c h r r c s i m q o s p l m n 缩略语对照表 3 g p pl t e 中小区搜索技术的研究 3 mg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ( p r o d u c e sw c d m a s t a n d a r d ) ( 第三代移动通信伙伴计划，负责制定 w c d m a 标准) l o n gt e r me v o l u t i o n ( 长期演进) c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( 码分多址) d o w n l i n k ( 下行链路) f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ( 频分双工) t i m ed i v i s i o nd u p l e x ( 时分双工) m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ( 多输入多输出) u s e re q u i p m e n t 佣户设备) u n i v e r s i a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( 通用移 动通信系统) u m t st e r r s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k ( u m t s 地面 无线接入网) b r o a d c a s tc h a n n e l ( 广播信道) s y n c h r o n i z a t i o nc h a n n e l ( 同步信道) p r i m a r ys y n c h r o n i z a t i o nc h a n n e l ( 主同步信道) s e c o n d a r ys y n c h r o n i z a t i o nc h a n n e l ( 从同步信道) r a d i or e s o u r c ec o n t r o l ( 无线资源控制) s u b s c r i b e ri d e n t i t ym o d u l e ( 用户识别模块) q u a l i t yo fs e r v i c e ( 业务质量) p u b l i cl a n dm o b i l en e t w o r k ( 公共陆地移动网络) o 第一章绪论 3 g p pl t e 中小区搜索技术的研究 1 1 研究背景 随着移动无线通信的迅猛发展，用户对传输速率和通信质量提出了更高的要 求。在短短几十年的发展过程中，移动通信由最初的第一代模拟移动通信系统、第 二代数字移动通信系统，发展到目前正在商用化的第三代宽带数字移动通信系统。 目前，移动通信正在向更大系统容量、更高服务质量、支持更多业务的方向演进。 目前，全球的移动语音用户已超过了1 8 亿。同时，我们的通信习惯也从以往的点 到点演进到人与人。 个人通信的迅猛发展极大地促使了个人通信设备的微型化和多样化，结合多媒 体消息、在线游戏、视频点播、音乐下载和移动电视等数据业务的能力，大大满足 了个人通信和娱乐的需求。 另外，尽量利用网络来提供计算和存储能力，通过低成本的宽带无线传送到终 端，将有利于个人通信娱乐设备的微型化和普及。g m 网络演进到g p r s 和 w c d m a h s d p a 网络以提供更多样化的通信和娱乐业务，降低无线数据网络的运 营成本，已经成为g s m 移动运营商的必经之路。但这也仅仅是往宽带无线技术演 进的一个开始。w c d m a h s d p a 与g p r s 相比，虽然无线性能大幅度提高，但 是，在应对市场挑战和满足用户需求等领域，还是有很多局限性。 由于c d m a 通信系统形成的特定历史背景，3 g 所涉及的核心专利被少数公司 持有，形成了一家独大的局面。以至专利授权费用成为厂家的沉重负担。可以说， 3 g 厂商和运营商在专利问题上处处受到制约，因此，业界迫切需要改变这种不利 局面。 移动通信市场飞速发展，大量低成本高带宽无线技术的快速普及，让众多非传 统移动运营商也纷纷加入了移动通信市场，并引进了新的商业运营模式。这些新兴 力量给传统移动运营商带来了前所未有的严峻挑战，在激烈的竞争中，促使运营商 加快现有网络演进，满足用户需求，以提供新型业务，只有通过这些方式才能立于 不败之地。与此同时，用户期望运营商提供任何时间任何地点不低于1 m b p s 的无 线接入速度，小于2 0 m s 的低系统传输延迟，在高移动速率环境下的全网无缝覆 盖。而最重要的一点是能被广大用户负担得起的廉价终端设备和网络服务。 o 雾季天荸 湎潮i8 1 1 r l - - d 瞰l l 3 g p pl t e 中小区搜索技术的研究 但是，这些要求已远远超出了现有网络的能力，因此，寻找突破性的空中接口 技术和网络结构是势在必行。与w i f i 和w i m a x 等无线接入方案相比， w c d m a l ，h s d p a 空中接口和网络结构过于复杂，虽然在支持移动性和q o s 方面 有较大优势，但在每比特成本、无线频谱利用率和传输时延等能力方面明显落后。 根据3 g p p 标准组织原先的时间表，4 g 最早要在2 0 1 5 年才能正式商用，在这期间 传统电信设备商和运营商将面临前所未有的挑战。用户的需求、市场的挑战共同推 动了3 g p p 组织在4 g 出现之前加速制定新的空中接口和无线接入网络标准。 2 0 0 4 年年底，第三代合作伙伴计划3 g p p 组织为了更好地与w i m a x 进行竞 争，发起了通用移动通信系统( u m t s ) 的长期演进( l t e ) 项目的开发。它与 3 g p p 2 所发起的移动超宽带u m b 技术被合称为3 g 演进( e 3 g ) 。为了实现更高 的数据传输速率和出于对码分多址c d m a 专利的考虑，3 g p p 的l t e 和3 g p p 2 的 u m b 都选择了使用正交频分复用o f d m 技术来作为它们空中接口的无线传输技 术。所以与3 g 空中接口所使用的码分多址技术相比，与其称e 3 g 是3 g 技术的 “演进”，倒不如说它是3 g 技术的“革命”。因为，l t e 在空中接口采用了 o f d m 传输方式，完全抛弃了3 g 的c d m a 技术，而且在系统架构演进( s a e ) 中，其核心网也发生了根本性的改变。所以l t e 不具备像高速下行分组接入 ( h s d p a ) 那样的后向兼容性。 l t e 接入网络基于o f d m o f d m a 技术，与c d m a 技术相比， o f d m o f d m a 技术具有频谱效率高、带宽扩展性强、频域资源分配方便、抗多 径衰落、易与m i m o 技术联合运用的优点。由于调制技术和误码处理的灵活性， l t e 可以在较宽的s n r 范围内有效地工作，采用m i m o 技术可进一步增强数据传 输能力。3 g p p 经过激烈的讨论和艰苦的融合，终于在2 0 0 5 年1 2 月选定了l t e 的 基本传输技术，即下行o f d m ；上行s c f d m a 。 l t e 讨论中的一个焦点是是否采用宏分集技术。这个问题看似是物理层技术 的取舍，实则影响到网络架构的选择，对l t e s a e 系统的发展方向有深远的影 响。宏分集的基础是软切换，这种c d m a 系统的典型技术在f d m a 系统中却引出 了“弊大还是利大的争论。3 g p p 在2 0 0 5 年1 2 月进行了“示意性 的投票，最 后决定l t e 至少在目前不考虑宏分集技术。 l t e 在数据传输延迟方面的要求很高( 端到端延迟小于5 m s ) ，这一指标要求 l t e 系统必须采用很小的交织长度，因此大多数公司建议采用o 5 m s 的子帧长度。 但是一些研发t d d 技术的3 g p p 成员注意到这种子帧长度和u m t s 中现有的两种 t d d 技术的时隙长度不匹配。例如t d s c d m a 的时隙长度为0 6 7 5 m s ，如果 l t et d d 系统的子帧长度为0 5 m s ，则新、老系统的时隙无法对齐，使得t d 雾季天学 嘲；瞰g l u t b 瞰i 1 3 g p pl t e 中小区搜索技术的研究 s c d m a 系统和l t e t d d 系统难以“临频同址”共存。在中国公司的坚持下， 3 g p p 在这个问题上达成一致：基本的子帧长度为0 5 m s ，但在考虑和t d s c d m a 系统兼容时可以采用0 6 7 5 的子帧长度眨1 。至今为止，o f d m s c f d m a 的基本设 计参数初步确定。o f d m 和s c f d m a ( 以d f t s o f d m 为例) 的子载波宽度为 1 5 k h z ，o f d m 循环前缀( c p ) 的长度有长短两种选择，短c p 为基本选项，长c p 可用于大范围小区或多小区广播。d f t s o f d m 的一个子帧由长短两种数据块组 成，长块主要用于传送数据，短块主要用于传送导频信号。下行主要采用q p s k 、 1 6 q a m 、6 4 q a m 三种调制方式，上行主要采用位移b p s k ( 用于进一步降低d f t s o f d m 的p a p r ) 、q p s k 、s p s k 和1 6 q a m ，另一个正在考虑的降p a p r 技术是 频域滤波。上下行的最小资源块大小为2 5 个子载波，即3 7 5 k h z 。系统可以采用集 中式或分散式方式将数据映射到资源块上。 在信道编码方面，l t e 主要考虑t u r b o 码，但也正在考虑其它编码方式，如 l d p c 码。在m i m o 方面，l t e 的基本m i m o 模型是下行2 2 、上行l 2 个天 线，但同时也正在考虑更多的天线配置( 最多4 4 ) 。正在被考虑的m i m o 技术包 括空间复用( s m ) 、空分多址( s d m a ) 、预编码( p r e c o d i n g ) 、秩自适应( r a n k - a d a p t a t i o n ) 、以及开环发射分集( s d ，主要用于控制信令的传输) 等。上行将采用一 种特殊的s d m a 技术，即已被w i m a x 采用的虚拟( v i r t u a l ) m i m o 技术。另外， l t e 也正在考虑采用小区干扰抑制技术提高小区边缘的数据率和系统容量等。 在切换方面，除了l t e 系统内的切换，也正在考虑不同频率之间和不同系统 ( 如其它3 g p p 系统、w l a n 系统等) 的切换。对于其它的物理层技术，如上行导 频、小区搜索、随机接入、多播广播( m b m s ) 等，也正在讨论之中。 总之，尽管l t e 的研究工作已经取得了一系列重大的进展，但仍然明显滞后 于原工作计划。如果3 g p p 不能如期完成l t e 的可行性研究，则研究阶段( s i ) 将被 迫延长，从而导致工作阶段( w l ，标准制定阶段) 无法按时开始。 另外，h s p a ( h s p d a + h s u p a ) 的演进项目e h s p a 也已经启动，有公司认为 e h s p a 系统应该在s m h z 带宽内达到和l t e 相似的性能。这个项目是否会分散 各公司对l t e 项目的投入，影响l t e 研究和标准化的进程，我们将拭目以待。 在l t e 系统由纸面的文字标准走向实际应用的过程中，不可避免的会遇到各 种困难。同步是实现通信的基础要素之一，同步技术是基于o f d m 的l t e 物理层 设计中最具挑战性的关键技术。由于l t e 物理层采用了o f d m 调制技术，这样的 系统对于载波频偏和相位误差极为敏感，因此同步模块设计的好坏将直接影响到整 个系统的性能。同步过程分过小区搜索和信道同步两个部分，其中小区搜索就是同 o 孽季天学 籼啊聊 3 g p pl t e 中小区搜索技术的研究 步的建立过程，它能够直接影响到接收机对信号的接收性能。作为基于o f d m 调 制系统中的关键技术，研究l t e 中小区搜索技术就显得尤为必要。 1 2l t e 的系统架构 l t e 的研究工作主要集中在物理层、空中接口协议和网络架构几个方面，其 中网络架构方面的工作与3 g p p 系统架构演进( s a e ) 项目密切相关。l t e 的系统 架构如下图l 一1 。 s 1 巴i e ：r ) ( ： 图1 - 1l t e 的系统架构 整个系统由核心网络( e p c ) 、无线网络( e u t r a n ) 和用户设备( u e ) 3 部分组成。其中e p c 负责核心网部分；e u t r a n ( l t e ) 负责接入网部分，由 e n o d eb 节点组成；u e 指用户终端设备。系统支持f d d 和t d d 两种双工方式， 并对传统u m t s 网络架构进行了优化，其中l t e 仅包含e n o d eb ，不再有r n c ； e p c 也做了较大的简化。这使得整个系统呈现扁平化特性。系统的扁平化设计使 得接口也得到简化。e u t r a n 由e n o d eb 之间的接口为x 2 ，每个e n o d eb 都与演 进的分组核心网( e p c ，e v o l v e d p a c k e t c o r e ) 相连，二者之间的接口为s 1 ， e n o d e b 与u e 通过u u 接口连接。s 1 接口的用户面终止在业务网关( s g w ，s e r v i n g g a t e w a y ) 上，s 1 接1 3 的控制面板终止在移动性管理实体( m m e ，m o b i l e m a n a g e m e n te n t i t y ) 上。“。控制面和用户面另一端终止于e n o d eb 上。 e n o d eb 的功能如图1 2 所示， 4 o 3 g p pl t e 中小区搜索技术的研究 e - u t r a n e p c 图l _ 2e - u t r a n 和e p c 的功能架构 它可以提供以下功能： ( 1 ) 实现无线资源管理。实现无线承载控制、无线许可控制、连接移动性控 制、上行和下行资源动态分配调度。 ( 2 ) 对i p 的数据包头进行压缩并对用户数据流进行加密。 ( 3 ) 当从提供给u e 的信息中无法获知m m e 路由信息时，选择u e 附着的 n 眦。 ( 4 ) 用户面数据向s g w 的路由。 ( 5 ) 从m m e 发起的寻呼消息的调度和发送。 ( 6 ) 从m m e 或o & m 发起的广播信息的调度和发送。 ( 7 ) 用于移动性和调度的测量于测量上报配置。 确定e u t r a n 架构和e u t r a n 接口的总体原则如下： o 3 g p pl t e 中小区搜索技术的研究 1 ) 信令和数据传输网络的逻辑分割。 2 ) e u t r a n 与e p c 的功能完全区分于传输功能。e u t 黜悄、e p c 采用的寻址 方法不应和传输功能的寻址方法绑定。事实上，某些e u t r a n 或者e p c 的功能 可能会放置在同一设备中，某些传输功能并不能分成e u t r a n 部分的传输功能和 e p c 部分的传输功能和e p c 部分的传输功能。 3 ) r r c 连接的移动性完全由e 。u t r a n 控制。 4 ) 当定义e u t r a n 接口时，应尽可能减少接口功能划分的选项数量。 5 ) 一个接口应该基于通过该接口控制的实体逻辑模型来设计。 6 ) 一个物理网元可以包含多个逻辑节点。 1 2 1l t e 的空中接口 l t e 空中接口的用户面的协议栈如下图1 。3 所示，用户面包括的协议有p d c p 子层、r l c 子层、m a c 子层和p h y 子层，这些子层在网络层终止于e n o d eb ，分 别实现数据包头压缩、加密、自动重传请求( a r q ，a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 和 混合自动重传请求( r t h a q ，h y b r i d a u t o m a t i cr e p e a t r e q u e s t ) h 1 。 图1 - 3e - u t p , a n 用户面协议 l t e 空中接口中控制面的协议如下图1 - 4 所示，图中可以看出非介入层 ( n a s , n o n - a c c e s ss t r a t u m ) 是u e 和e p c 通信的一部分。p d c p 子层实现加密和 完整性的保护。r l c 和m a c 子层在控制面中的功能与用户面相同，r r c 提供广 播、寻呼、r r c 连接管理、无线承载控制、移动性、u e 测量上报和控制等功能。 6 3 g p pl i e 中小区搜索技术的研究 图卜4e - u r t a n 控制面协议 l t e 物理层采用带有循环前缀( c p ，c y c l i cp r e f i x ) 的下交频分多址( o f d m a ， o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s ) 技术作为下行的多址方式。而 上行则采用带有c p 的单载波频分多址( s c f d m a ，s i n g l e c a r d e rf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s ) 技术。 o f d m 技术适用于频率选择性信道和高速数据传输，这种技术依靠c p 可以有 效地克服多径衰落，同时利用相互正交的且带宽较窄的子载波将频率选择性信道分 解为多个并行的且为平坦衰落的信道。这样可以降低接收机在频域均衡的复杂度。 1 2 2 物理层上下行传输方案 下行的多址方式为正交频分多址( o f d m a ) ，上行为基于正交频分复用( o f d m ) 传输技术的单载波频分多址( s o f d m a ) ，s c f d m a 为单载波传输技术，其特点为 低峰均比，子载波间隔为1 5 k h z 【5 1 。这两种技术都能较好地支持频率选择性调度。 1 2 3 帧结构设计 上下行帧长都为l o m s ，分成2 0 个时隙，1 0 个子帧，最小物理资源块为 1 8 0 k h z 。下行为了同时支持广播业务和单播业务，设计长循环前缀( c p ) 和短c p 两 种类型。短c p 时每子帧由7 个o f d m 符号组成，短c p 的子帧主要支持单播业 务。长c p 时每子帧由6 个o f d m 符号组成，长c p 的持续时间为1 6 6 7 m s ，长c p 的子帧结构支持多播业务，实现单频组网，获得多小区传输合并增益p 】。上行每个 子帧由8 个o f d m 符号组成，其中2 个短o f d m 符号，6 个长o f d m 符号。短 o f d m 符号主要用于导频信号传输，长o f d m 符号主要用于数据传输。同时为了 o 3 g p pl t e 中小区搜索技术的研究 与时分双i ( t d d ) 系统共存，又分别为低码速率时分双i ( l c r t d d ) 和高码速率时 分双i ( h c r - t d d ) 设计了相应的帧结构。 1 3l t e 的关键技术 下面介绍l t e 几个主要的关键技术哺1 。 1 3 1 小区间干扰控制技术 采用小区间干扰控制技术的目的为提高用户在小区边缘的信息传输速率。主要 的多小区干扰补偿技术有：干扰随机化技术、干扰抵消技术和多小区干扰协调技 术。3 g p p l t e 标准化的前期研究重点为下行频分双工( f d d ) 系统中的多小区干扰 协调技术，多小区干扰协调技术对频谱资源和发射功率进行限制。中心用户可以使 用全部资源块，但只能以低功率使用部分资源块；边界用户以全功率使用部分资源 块，从而提高用户在小区边缘的信干噪比，增加小区覆盖率。而f d d 上行的多小 区干扰控制主要通过功率控制技术实现，频率复用因子为l 。 1 3 2 多天线技术 目前下行单用户多天线倾向于无层间打乱，主要采取基于酉矩阵的预编码技 术，终端的反馈为酉矩阵的指数，其他一些技术还需要进一步研究；下行多用户多 天线倾向于终端的反馈基于酉矩阵，但基站的预编码矩阵不一定为酉矩阵；上行发 射分集主要根据功放的要求进行评估和选择。 1 3 3 小区搜索技术 小区搜索的设计主要集中在同步信道的设计和小区序列的设计上。考虑到小区 搜索的复杂性，l t e 倾向采用主同步信道进行小区同步，辅同步信道进行小区标 识( d ) 的检测。在主同步信道采用公共的导频序列，而在辅同步信道上各小区采用 不同的导频序列。其中在小区导频序列的设计中，序列必须兼顾性能和复杂度要 求。目前可供参考的码类型有p n 、z a d e o f f - c h u 、f r a n k 等。 1 。3 4 随机接入技术 随机接入中主要分为非同步的随机接入和同步的随机接入。在非同步的随机接 入中，为了提高基站对用户接入的控制效率，倾向于在用户的签名序列中隐含用户 的消息比特，比如用户的接入目的，用户的信道质量指示( c q i ) 等。用户的签名序 列采用z a d o f f - c h u 码经过循环移位的扩展的z a d o f f - c h u 序列的零相关区域( z c z c z ) 码。在小区覆盖大小的考虑上，对于大区的覆盖讨论集中在采用更长的码还 是简单的短码重复。最后从复杂度和对频偏的抵抗性考虑，l t e 倾向采用后者的 方案。对于同步的随机接入，目前的讨论还不是很多。从功能上而言，许多公司都 提议要取消同步随机接入的信道。因为用户的资源请求可以通过很多的传输方式递 幕季天学 砭眦明i 硼阻竹 3 g p pl i e 中小区搜索技术的研究 交给基站，所以没有必要单独设计一个同步的随机接入信道供同步的用户发送资源 请求。 1 43 g p pl t e 技术目标 3 g p pl t e 是一个高数据率、低时延和基于全分组的移动通信系统，具体目标 主要包括卜m 1 ： ( 1 ) 实现灵活的频谱带宽配置，支持1 2 5 m h z 、1 6 m h z 、2 5 m h z 、5m h z 、1 0 1 v i h z 、1 5m h z 和2 0m h z 的带宽设置，从技术上保证3 g p pl t e 系统可以使用第 3 代移动通信系统的频谱。 ( 2 ) 提高小区边缘传输速率，改善用户在小区边缘的体验，增强3 g p p l t e 系统 的覆盖性能，主要通过频分多址和小区间干扰抑制技术实现。 ( 3 ) 在数据率和频谱利用率方面，实现下行峰值速率1 0 0 m b s ，上行峰值速率 5 0 m b s ；频谱利用率为h s p a 的2 - - 4 倍，用户平均吞吐量为h s p a 的2 - 4 倍。 为保证3 g p p l t e 系统在频谱利用率方面的技术优势，主要通过多天线技术、自适 应调制与编码和基于信道质量的频率选择性调度实现。 ( 4 ) 提供低时延，使用户平面内部单向传输时延低于5 m s ，控制平面从睡眠状 态到激活状态的迁移时间低于5 0 m s ，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于 l o o m s ，以增强对实时业务的支持。 ( 5 ) 进一步增强对多媒体广播和多播业务的支持，满足广播业务、多播业务和 单播业务融合的需求，主要通过物理层帧结构、层2 的信道结构和高层的无线资源 管理实现。 ( 6 ) 取消电路交换，采用基于全分组的包交换，从而提高系统频谱利用率。对 i p 语音( v o l p ) 业务的支持与低时延目标的实现导致调度和层1 、层2 间信令设计的 困难。 ( 7 ) 实现与第3 代移动通信系统和其他通信系统的共存。l t e 演进的分组核心 网络可以支持多种无线接入系统间的互操作，特别是支持早期3 g p p 技术 ( g s m e d g e 和u t r a n 等) 和非3 g p p 技术( 如w i f i 、c d m a 2 0 0 0 和w i m a x 等) 。 ( 8 ) 小区覆盖半径在5 k m 以下时，应该满足l t e 项目的所有性能要求，对于小 于3 0 k m 的小区覆盖，可以允许一定的性能损失，支持1 0 0 k m 的小区覆盖。 ( 9 ) 支持终端在整个系统范围内的移动性，为低速移动终端提供最优服务， 对中速移动终端实现较高性能，同时支持高速移动终端。 蓉季天学 嘲u 啊嘲哪7 3 g p pl t e 中小区搜索技术的研究 ( 1 0 ) 以尽可能相似的技术支持成对( p a i r e d ) 和非成对( u n p a i r e d ) 频谱， 并支持简单的临频共存。 1 5 本文研究内容及安排 本论文主要描述了3 g p pl t e 小区搜索的原理和搜索流程，分析研究了小区搜 索过程中的数据设计和关键算法，着重对小区搜索中的p s c h ( 主同步信道) 和 s s c h ( 辅同步信道) 检测进行了讨论研究，并对小区搜索下行链路同步信道的检 测用m a t l a b 仿真实现并分析其性能。具体内容安排如下： 第一章在查阅了国内外相关资料的基础上，介绍了3 g p pl t e 的研究现状，演 进的目标需求及关键技术。 第二章详细描述了小区搜索的基本原理及搜索过程，包括l t e 无线帧结构， 小区搜索信道的时域结构和频域结构，主同步信号和从同步信号的帧结构，下行时 钟同步及小区i d 检测等。并对小区搜索过程中的小区重选准则进了分析和研究。 第三章主要分析了小区搜索中的数据设计、主同步信道p s c h 的检测技术、 频偏估计和补偿，同步跟踪及同步校正，对小区初始搜索过程的原理和实现方法进 行了研究与仿真，并给出了自相关与互相关检测方法的仿真曲线和性能分析。并就 小区搜索的盲检测算法进行了仿真及分析。 第四章对全文的内容和工作进行总结，指出在设计和仿真中存在的不足，展望 了今后工作的方向。 1 0 3 g p pl t e 中小区搜索技术的研究 第二章小区搜索原理概述 在无线通信系统中，移动用户在开机之后，首先需要通过一个特定的搜索过程 来寻找一个合适的基站以实现自己的接入服务，这一过程称为小区搜索。从小区搜 索的类型来看，可以分为初始小区搜索( i n i t i a lc e l ls e a r c h ) 和非初始小区搜索 ( n o n - i n i t i a lc e l ls e a r c h ) 。初始小区搜索用于u e 开机时对e u t r a 系统的搜 索。而非初始小区搜索则用于u e 切换时对切换目标小区的搜索。 2 1 小区搜索原理 移动用户在完成小区搜索过程之后，将获得所在小区基站的下行同步信息和与 位置有关的特定标识号，以作为后续接入过程的重要参数。因此，作为移动用户接 入o f d m a 系统的第一步工作，小区搜索算法不仅需要具备很强的鲁棒性，使之 尽可能在小区重叠区域正常工作，而且还需要在尽可能短的时间内完成搜索过程， 实现快速的下行同步n 。 l i e 使用小区搜索过程识别并获得小区下行同步，从而可以读取小区广播信 息。此过程在初始接入和切换中都会用到。为了简化小区搜索过程，同步信道总是 占用可用频谱的中间6 3 个子载波。不论小区分配了多少带宽，l i e 只需处理这6 3 个 子载波。 l i e 通过获取三个物理信号完成小区搜索。这三个信号是p s c h 信号、s s c h 信号和下行参考信号( 导频) 。一个同步信道由一个p s c h 信号和一个s s c h 信号组成。同步信道每个帧发送两次。规范定义了3 个p s c h 信号，使用长 度为6 2 的频域z a d o f f - c h u 序列。每个p s c h 信号与物理层小区标识组内的一个物 理层小区标识对应。s s c h 信号有1 6 8 种组合，与1 6 8 个物理层小区标识组对应。 故在获得了p s c h 和s s c h 信号后u e 可以确定当前小区标识。下行参考信号用 于更精确的时间同步和频率同步。完成小区搜索后l i e 可获得时间频率同步，小 区i d 识别，c p 长度检测。 o 麟 l? s s 上 s s s 上 d l c r s 士 p b c h ( m m ) 上 p d s c h ( s i b s ) 3 g p pl t e 中小区搜索技术的研究 - 。_ 。一一- 。- - 。- 。一。- 1 ，小区i d ，t d d 上下行配比： i 图2 - 1l t e 中小区搜索流程 l t e 系统的小区搜索需要支持1 2 5 2 0 m h z 带宽的操作。可用于小区搜索的信 道包括同步信道( s c h ) 、广播信道( b c h ) ，s c h 用来取得下行系统时钟和频率同 步，而b c h 则用来取得小区的特定信息。另外，参考信号也可能被用于一部分小 区搜索过程。l i e 在小区搜索过程中需要获得的信息包括：符号时钟和频率信息、小 区带宽、小区i d 、帧时钟信息、小区多天线配置、b c h 带宽以及s c h 和b c h 所 在的子帧的c p 长度。 小区i d 可以通过直接检测或i d 组检测获得，直接检测即通过s c h 直接映射 到小区d ，而d 组检测即通过s c h 确定d 组，然后再通过参考符号和b c h 确 定具体的小区i d 。b c h 带宽则可以由小区带宽直接映射，或由u e 通过盲检测获 得( c p 长度也可以通过盲检测获得) 。 小区搜索流程如下： ( 1 ) u e 一开机，就会在可能存在l t e 小区的几个中心频点上接收数