（通信与信息系统专业论文）tddlte系统小区搜索研究与实现.pdf

中文摘要 摘要：长期演进( m ，l 0 n gt e 吼e v o l u t i o n ) 系统凭借其频谱利用率高，峰值速 率大，覆盖范围广等优势，得到3 g p p 标准化组织的深入研究和各国移动通信运营 商的广泛部署。l 1 限终端必须通过小区搜索过程获得目标小区标识以及下行定时 和载波频率同步，然后才能够解调广播信道获取系统信息建立通信链路，所以在 l 1 限系统中小区搜索是一个至关重要的物理层过程。小区搜索的实现过程中需要 大量实时运算量处理，消耗硬件处理资源，制约终端性能的提高。本文通过对l 1 e 系统小区搜索原理的研究，详细分析了同步信号的特点，提出了改进的小区搜索 算法，大大降低运算量，节省终端的硬件资源。 论文首先分析小区搜索的研究背景与意义，总结小区搜索在标准制定过程中 的焦点问题和最终决议。然后对m 物理层和关键技术进行概述，并分析定时误 差和载波频偏对l 1 陋系统的影响。接着详细阐述l 1 陋小区搜索的原理，最后深入 分析同步信号的特点，并提出改进的同步信号检测算法。本文取得的成果可以概 括为以下四点： 1 深入分析【肛 主同步信号( p s s ，p r i i i l a 巧s y n c h r 0 1 1 i 2 a t i o ns i 印a 1 ) 的特点， 提出利用p s s 中心对称性和共轭对称性减少滑动相关运算量，给出了算法的详细 推导过程。 2 利用t d d 帧结构存在保护间隔( g p ，g a r dp 耐o d ) 的特点，提出基于g p 的p s s 检测方法。首先通过功率窗搜索g p 位置，然后根据t d du e 系统中的特 殊子帧配置缩小p s s 搜索范围，从而降低p s s 滑动相关运算量。并给出功率窗长 度和功率比值门限参数确定的理论依据和方法。 3 详细分析辅同步信号( s s s ，s e c o n d a 巧s y n c l 啪i l i z a t i o ns i 印a 1 ) 的加扰方式， 并给出s s s 的序列检测和联合检测两种常规算法。利用m 序列矩阵和哈达玛矩阵 的变换关系，提出基于哈达玛变换的s s s 检测算法。详细推导改进算法的理论依 据并设计具体实现方案。 4 搭建链路级仿真平台，对改进的p s s 和s s s 检测算法进行验证。 关键词：长期演进；小区搜索；同步信号；检测算法 分类号：t n 9 2 ；，i n 9 9 a bs t r a c t a b s t r a c t ：晰mi t sa d v 嘶so fh i 曲s p e c 仉吼e 伍c i e n c y ，h i 曲p e a 王【e a t ea i l d 淅d e 啪g eo fc o v e m g e ，l 1 卫s y s t e mo b t 础1 s 如曲e rr e s e a r c hb y3 g p pn a t i o n a l s t 锄d a r d i z a t i o no r g 越z a t i o na i l d 、航d e l y d 印l o y m e n tb yv a r i o u sc o 砒耐e s m o b i l e o p e r a t o r s t h el t et e n i l i n a le q u i p m e n tm u s tb ea _ b l et 0a c q u i r et l l et a _ r g e tc e l li d e n t i 哆， d 0 砌i i l kt i 删堍a i l d 啡n c ys y n c h r o i l i z a t i o nt l l i o u g h 也ec e us e a r c hp r o c c s s ， 世e n ) i ，a r d sd 锄o d u l a t em eb r o a d c a s tc h a i m e lf o rs y s t e mi l l f o r m a t i o nt 0e s t d b l i s h c o i 姗u m c a t i o nl i i l l 【s ，s 0c e l ls e a r c hi sac r i t i c a lp h y s i c a ll a y e rp r o c e d u r ei nn l et d d l t es y s t e m i m p l e m e n t a t i o no fc e ns e a r c h p r o c e s sr e q 试r e s al o t0 fr e a l t i i n e c o m p u t a t i o n 越， c o l l s u m e sh a r d w a r e p r o c e s s 洒gr e s o u r c e s m l l sc o n s 也疝1 _ t s t l l e i i n p r o v e m e mo ft e n n i 砌p e 渤r n l 龃c e b yr e s e a r c ho fl 1 飞c e l ls e a l c h 两n c i p l e 锄d p e m l e l 赡t ed e e p l yi n t om ec l l a 删e r i s t i c so fs y n c l l i d n i z a t i o ns i 萨a l s ，i m p r o v e ds e a r c h a 1 9 0 r i t l l ma r ep r o p o s e dt 0r e d u c et h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i 锣a n ds a v et e m i l l a l s b a r d w a r er e s o u r c e s 1 1 1 1 ep r i r i 脚ys y n cs i 弘a l s c h 蹦蛾e r i s t i c sa r ep e n e t r a t e dd e 印l y ，锄d 趾i r n p r o v e d d e t e c t i o na l g o r i t l l i ni sp r o p o s e dt 0r e d u c et 1 1 es l i d i l l gc o n e l a t i o nc o m p u t a t i o nb yu s eo f t l l ec e n t e rs y i i u i l e 缸ya 1 1 dc o 巧u g a 钯s ) ，i 】姗e 时o ft h ep r i m a 叮s ) ，n cs i g r 试 2 t h ec h 嬲赡r i s t i co fg pe x i s t i n gi i lt d d 行锄es 仃u c t u r ei se x p l o i t e d ，a n dag p b 嬲e dp s sd e t e c t i o nm e m o di sp r o p o s e d f i r s t l yu s ep o w e rw i l l d o 、硼t os e a r c h ( 谮 p o s i t i o i l ，a i l dt h e nt a l ( ea d v a n t a g eo fs p e c i a ls u b - 舶m ec 0 n f i g u 【r a t i o ni n1 1 ) dl 1 飞 s y s t e mt 0m i l l i 匆p s ss e a r c hs c o p e ，t h e r e b yr e d l l c i n gm ec o n l p u t a t i o no ft h ep s ss l i d i n g c o n e l a t i o n t h et 1 1 e o r e t i c a lb a l s i sa n dr e a l i z a t i o nm e l o d st 0d e t e m l i i l ep o w e rw i n d o w s l e n g la n dp o w e rr a t i ot h e s h o l dp a r a m e t e 娼a r eg i v e n 3 t h es s ss i 印a 1s c r a m b l i n gm e m o d sa r ea i l a l ) r z e di i ld e t a i l t w oc o n v e n t i o n a l a l g o r i t h m so fs e q u e n c e 融e c t i o na n dj o nd e t e c t i o na r ei i 衄o d u c e d b yu s eo fm s e q u e n c em 枷xm l dm eh 舭a r dm 撕x 仃a j l s f o 咖a t i o nr e l a t i o 玛ah a d 锄a r db a s e d s s sd e t e c t i o na l g o 甜1 1 i li sp r o p o s e d ，n l e 恤o r e t i c a lb 捌so f 恤i m p r o v e da l g o 珊吼i s d e r i v e di 1 1d “la n dac o n c r e t er e a l i z a t i o ni sd e s i g n e d 4 al i i l kl e v e ls i m u l a t i o np l a t f o mi sb u i l d ，f o rt e s t 锄dv e i i 匆p s sa n ds s s d e t e c t i o na l g o r i t h m s 髓y w o r d s ：u 色；c e us e a r c h ；s ) r i l c h r o n i z a t i o ns i 印硝；d e t e t i o na l 鲥t h i n c l a s s n o ：t n 9 2 ：t n 9 9 致谢 本论文的工作是在我的导师朱刚教授的悉心指导下完成的，朱刚教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来朱刚 老师对我的关心和指导。 朱刚教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向朱刚老师表示衷心的谢意。 朱刚教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实习期间，李亚辉工程师对我的论文写作提供了很多帮助和指导，同组的 其他同事也在工作上给予了热情的帮助，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，蒋潺潺同学始终保持温馨安静的宿舍环境， 使我能够更舒适地学习和生活，孙金枝同学多次帮助我解决论文写作中遇到的问 题，在此向她们表达我的感激之情。 另外也感谢父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 序 本论文是在实习公司的“u e 基带芯片研发国家重大专项的背景下，结合 小区搜索在实现中存在的问题，通过对大量提案的学习和分析，提出了改进的小 区搜索算法，目的是降低接收处理复杂度，节省运算单元和存储空间，提高终端 检测性能。“l t e 基带芯片研发 项目于2 0 0 8 年启动，作者有幸参与了第二阶段 和第三阶段l 1 e 原型机的测试工作，并且在实习过程中积攒了大量的测试经验。 通过对m 协议的学习和研究，加深了对l 1 e 系统的认识，并发表论文1 篇，为 论文的开展奠定了良好的基础。 1引言 随着互联网的普及，多媒体娱乐的兴起，手机上网的广泛流行，促使无线移 动通信向着“宽带化 和“i p 化 方向发展。以码分多址( c d m a ，c o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 为标志的第三代移动通信，由于知识产权核被高通公司垄断性的 占据，增加了每比特成本，从而限制了3 g 技术的广泛应用。在这些因素的综合影 响下，业界加快了从3 g 到4 g 的演进。各个标准组织纷纷制定了自己的演进技术 方案，其中主流的三大演进路线分别是：i e e e ( e i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n d e l e c 仃0 i l i c se n g i r l e e r s ) 提出的w i m a x ( w b r l d 蜥d ei n t e r o p e r a b i l i 锣f o rm i c r o w a v e a c c e s s ) 3 g p p2 ( 3 r dg e i 嘲纵i o np a m l e r s l l i pp r o j e c t2 ) 倡导的超宽带( u w b ，u l t r a w i d e b a n d ) 和3 g p p 推出的l t e 。w i m a x 无论标准化还是实际应用都较其他两者领 先，但是对高速移动以及广域覆盖的支持能力比较差。而u m b 虽然能够在小范围 内实现很高的传输速率，但是对其他同频信号的干扰比较严重，其广泛应用也受 到了限制。虽然l t e 无论标准化进程还是商用都较其它二者落后，但是由于t d l t e 能够使用非对称频谱，对于日益紧张的频谱资源来讲，这无疑是一大优势。此外， t d l t e 是我国提出的自主知识产权，所以在我国l t e 尤其是t 叻l t e 近年来发展 迅速。l t e 系统提出了如下的需求指标n 1 ： 。 系统带宽。l 1 飞系统可以支持可变的系统带宽，包括1 4 m h z ，3 m h z ，5 z ， 1 0 m h z ，1 5 m h z ，2 0 z 。从而可以充分利用可用频谱，提高频谱利用率。 峰值速率。在2 0 m 带宽下，可以实现下行1 0 0 m b i 珧，频谱效率5 b i t s h z ， 上行5 0m b i 讹峰值速率，频谱效率2 5 b i t 胡 z 。从而能够满足无线宽带上网业务的 需求。 系统延时。m 系统规定控制面延时即从驻留状态到激活状态的延时控制在 1 0 0 m s 以下。从而有效支持m 电话( v o i p ，v o i c eo v e ri p ) 在线游戏等实时业务。 移动性。m 系统应对在1 5 k i i 地移动速度下实现优化，1 2 0 k n 妇速度下能够 实现较高性能，3 5 0 k n 讹( 某些频段支持5 0 0 k n 地) 速度下保持移动性。 覆盖。吞吐率、频谱效率和移动性指标在半径为5 k m 以下的小区中应该完全 满足，在半径为3 0 l ( 1 i l 的小区中性能稍有下降，最大支持1 0 0 k i i l 的覆盖半径。 共存和互操作。l r e 系统和g e r a n i ，t r a n 系统可以邻频共站址共存，l 1 您 终端可以支持对g e r a n iy t r a n 系统的测量和切换。实时业务在e u t r a n 和 u t 凡气n g e 黜气n 之间的切换中断时间小于3 0 0 m s 。 增强的m b m s 。包括降低中断时间，能够同时向用户提供m b m s 业务和专用 话音( 或数据) ，能够在非成对频谱中承载m b m s 业务，m b m s 系统应能和单播 系统使用相同的调制编码和多址技术，使终端物理层部件能够重用，降低复杂度。 全i p 网络。支持进一步增强的m 多媒体子系统( 蹦s ) 和核心网。 1 1 研究背景与意义 无论在标准化还是产业链方面，l r e 项目近几年得到了迅速发展。 3 g p p 自2 0 0 4 年底启动l 1 茁项目以来，以频繁的会议推动标准化工作，于2 0 0 8 年3 月推出了第一个正式版本r 8 ，同时提出了m a d v 觚c e d 需求文档，但是由 于时间紧促，其中有部分问题未能确定，又在r 9 版本中进行了修订，最终于2 0 0 8 年年底对m 物理层的协议进行冻结【2 j 。 在国际上，l 1 e 得到广泛推广。根据g s a ( g l o b a lm o b i l es u p p l i e r s a s s o c i a t i o n ) 的最新数据【3 】，全球有1 1 3 家运营商承诺在4 6 个国家部署m 商用网络，另有4 3 家运营商在1 8 个国家进行“预商用的l t e 部署，采用的技术包括l t ef d d 和 t d du e 两种。来自h s t a t 公司的研究显利4 】，2 0 1 0 至2 0 1 4 年，全球使用u e 的用户复合增长率将达到4 0 4 ，估计在4 年的时间内将发展1 亿用户。到2 0 1 4 年，用户数将会达到1 3 6 亿。中国移动、v o d a f o n e 、n t td o c o m o 、t i m 、t - m o b i l e 、 a t & t 、v e r i z o n 、t e l e f o i l i c a 等已经开始l 1 e 的技术跟踪和业务开发。其中中国移 动与v o d a f o n e 联合促进t d d 模式下的l t e 产业发展，已经有包括中兴通讯、 e r i c s s o n 和n o l 【i as i e m e n s 等供应商参与t i ) dl t e 的测试计划，同时v o d a f o n e 也 在欧洲着手f d dl 1 e 的技术研究和业务开发，t - m o b i l e 、a 1 投t 、t e l e f o l l i c a 等运 营商则正在制定l 1 卫技术规范，期望第一时间启动m 的网络招标和部署。美国 的v e 晒z o n 已明确表示，将在现有c d m a1 x e v - d o 网络基础上引入m ，实现 c d m a i ，t e 的双模网络。诺基亚西门子已于2 0 1 0 年6 月成功实现跨越海峡两岸的 t d m 高清视频实时呼叫。在印度2 3 g h z 频段竞拍过程中，参与竞拍的高通公 司明确表示，计划将拍得的频谱用于与合作伙伴部署t d l 1 e 。 在我国，m 得到了政府的重视和积极推动。2 0 0 9 年9 月，温总理发表了题 为让科技引领中国可持续发展的讲话。此后，工业和信息化部部长李毅中表 示，要加强，m l 1 飞和4 g 技术的研发和产业化，并纳入2 0 1 0 年工作重点。在政 府推动下，国内u e 在网络部署和设备研发方面都取得了辉煌成就。2 0 1 0 年4 月 1 5 日，中国移动在上海世博园区内开通了全球首个t d l 1 m 演示网。演示网数据 传输速度下行可达1 0 0 m b p s ，上行可达5 0 m b p s 。中国移动计划2 0 1 0 年在全球开 通8 个t d u e 试验网络，并且已经完成了在北京怀柔和顺义地区的外场测试。在 设备方面，终端芯片、仪表等薄弱环节取得了重要突破，形成了相对完整的产业 链。目前，包括华为、大唐、爱立信、诺基亚西门予、摩托罗拉、上海贝尔、中 2 兴、高通、e r i c s s o n 、海思、创毅视讯、s e q u a n s 等厂商都在积极研发l 1 e 设备或 芯片，成为推动t d l 1 飞产业发展的中坚力量。 在系统设备方面，t d l 1 限的发展速度与国外相比并没有大的差别。但是，终 端芯片的滞后阻碍了其前进步伐。在2 0 1 0 年召开的新一代宽带无线移动通信国际 论坛上，工信部电信研究院副总工程师王志勤指出，在此前的t d l 1 e 测试中可以 看出，在终端芯片方面尤其是目前测试的基带芯片成为产业发展的瓶颈【5 1 。 m 小区搜索是一项重要的物理层过程，实现时需要实时处理大量的数据。 l 1 e 系统所有的物理层算法都需要在基带芯片中实现，对芯片的处理性能提出了 苛刻的要求。通过改进小区搜索算法，通过降低运算量节省出部分处理资源，便 于在基带芯片中增加新的功能，提高基带芯片的性能，加速l 1 茁的商用化进程。 所以，本文的研究具有现实意义。 1 2 研究现状 由于小区搜索是无线通信系统中最基本的功能之一，并且和帧结构的设计紧 密相关，所以，从2 0 0 4 年l ! 项目启动之后，对该问题的标准化工作便提上日程， 并且于2 0 0 8 年l t e 推出r e l 8 版本时就已经完成。3 g p p 标准化组织在小区搜索问题 上，主要针对以下问题展开讨论： ( 1 ) 同步信道设计 同步信道( s c h ，s y n c l 啪i l i z a t i o nc h a n n e l ) 设计主要包括三方面的内容：s c h 发送周期，在子帧内的符号位置，以及频域位置。 在一个1 0 m s 的无线帧内s c h 的发送次数，主要考虑对高速移动场景下的检 测概率、涉及到跨系统测量的小区搜索时间以及对t d d 帧结构上下行配置以及对 系统开销的影响【6 l 。经过讨论，最终决定在一个1 0 m s 的无线帧中发送两次s c h 。 s c h 在一个子帧中占用哪个o f d m 符号，有三种方案【_ 7 】方案一，同步信号 复用到子帧的最后一个符号。该方案的优点是无论是长、短循环前缀( c p ，c y c l i c p r e f i x ) 都可以很容易获取子帧定时。缺点是限制了t d d 帧的上下行转换点配置， 不能将该子帧的后面部分用作保护间隔。方案二，同步信号复用到子帧的第一个 符号，无论该子帧的其他符号使用哪种c p ，s c h 都使用短c p 。优点是允许灵活 的c p 配置和t d d 模式的上下行转换点配置，缺点是单频网( s f n ，s i n g l ef r e q u e n c y n 娟r k ) 广播接收多小区的s c h 时的解调性能会受到影响。方案三，所有携带 s c h 的子帧都使用相同的c p 。优点是无论s c h 位于子帧内的那个符号都可以方 便获取帧定时，缺点是当多媒体广播多播业务( m b m s ，m u l t i m e d i ab r o a d c a s ta n d m u n i c a s ts e i c e ) 和s c h 所在子帧使用不同的c p 时，限制了m b m s 在该子帧上 3 的传输。 l t e 系统支持1 4 m h z ，3 m h z ，5 m 舷，1 0 m h z ，1 5 m h z ，2 0 m h z 等可变的 传输带宽，但是无论系统的传输带宽是多少，s c h 都占用中央的1 0 8 m h z ，剩余 的载波用来传数据。s c h 信道带宽不随着系统传输带宽改变，可以减少开发和测 试的选项，降低复杂度和缩短小区搜索时间，并且仿真结果表明只要分配给s c h 的功率相同，宽带发送和窄带发送s c h 取得的性能是相似的【8 】。 ( 2 ) 同步信号的分集方式 s c h 是终端( u e ，u s e re q u i p m e n t ) 进行下行接收要检测的第一个信道，尚 未获取系统带宽、天线配置等系统信息。因此，s c h 能够使用的传输分集方案， 必须允许接收端在不知道天线数量情况下解调。s c h 考虑使用的发送分集方式包 括时间切换传输分集( t s t d ，t i m es 埘t c h e d 仃a n 锄i td i v e r s 畸) ，频率切换传输分集 ( f s t d ，丘朝u e n c ys w 乱c h e d 仃a n s m i td i v e r s 毋) ，循环延时分集( c d d ，c y c l i cd e l a y d i v e r s 埘) 以及预编码矢量切换( p v s ，p r e c o d i n gv e c t o rs 州t 出n g ) 。仿真结果 表明【9 】，无论是否存在频偏，t s t d 都比c d d 有更好的定时检测性能。对比f s t d 、 t s t d 和p v s 在初始小区搜索和邻小区搜索情况下的性能，无论信噪比高低( 6 d b 或6 d b ) ，p v s 都较其他两种方案优越。 ( 3 ) s c h 信号结构 针对s c h 信号结构，标准化过程中曾考虑过分级s c h 和不分级s c h 两种方 案。它们的区别是获取同步和小区i d 是否使用相同的s c h 信号，分级s c h 使用 不同的s c h 信号。选择s c h 结构，主要考虑三方面因素【lo 】：存在小区干扰和频 偏情况下的小区搜索时间；开销( 包括传输功率和时频资源) ；u e 复杂度。仿真 结果表明【1 1 】，在异步网络中，分级s c h 的9 0 小区搜索时间在6 0 m s 以内，不分 级s c h 的9 0 小区搜索时间超过1 4 0 m s ；在同步网络中，无论分级s c h 和不分级 s c h 的9 0 小区搜索时间都在5 0 m s 以内。因为网络部署时很难保证完全同步， 所以为了支持异步网络采用分级s c h 信号结构。 ( 4 ) 小区搜索流程 确定了采用分级的同步信号结构后，对小区搜索流程的讨论存在两种主流方 案【l 】。一种是“一步法同步”，即符号级定时和无线帧定时都通过检测主同步信号 获得。这种方案要求1 0 m s 内两个主同步信号使用不同的主同步码。小区标识信息 完全通过辅同步信号承载，通过检测辅同步信号直接获得小区标识。另外一种也 是最终采纳的方案是“两步同步法”，即先通过主同步信号获得符号级同步，在 符号同步的基础上，通过辅同步信号获得无线帧同步。并且小区标识的获取也是 通过两步完成，先通过主同步信号获得组内小区标识，然后根据辅同步信号得到 小区组标识。由组标识和组内标识通过计算得到小区标识。 4 ( 5 ) 同步序列设计 确定采用分级s c h 信号结构后，针对主同步信号( p s s ，p 血n a d rs y n c h r 0 血班i o n s i 印a 1 ) 和辅同步信号( s s s ，s e c o n d a 巧s y n c h r o n i z a t i o ns i 鲷a 1 ) 序列数量、序列 设计和采样速率等问题进行讨论。 主、辅同步序列数量的确定取决于要支持的假设数量，以及在三步小区搜索 的哪一步来实现该假设。小区搜索的第一步要检测p s s ，第二步检测s s s ，第三步 检测p b c h 或是r s 信号。天线配置等假设信息可以承载在辅同步信号中也可以承 载在p b c h 信道中。最终讨论决定【1 2 1 ，主同步信号使用三个序列，分别对应三个 扇区i d ，辅同步序列有1 6 8 种可能，分别对应不同的小区组i d ，l t e 系统中最大 可以支持5 0 4 个物理层小区i d 。 确定了主、辅同步序列的数量后，针对码型设计、采样率等问题展开具体研 究，主要包括以下内容【1 3 】：主同步码( p s c ，p r 洫a 巧s ”c h f o m z a t i o nc o d e ) 使用 的频域z a d o 僖c h u 序列的长度和索引值选择、s s c 的映射方式( 交织或集中方式) ； 辅同步码( s s c ，s e c o n d a 巧s y i l c h r 0 1 1 i z a t i o nc o d e ) 序列选择( 哈达玛序列、m 序 列还是格雷互补序列加扰的短码) ；s s c h 的两个短码的加扰方式；系统信息到 s s c h 序列的映射；p s c h 和s s c h 的采样率等问题。 p s c 的选择要满足如下要求【1 4 j ：p s c 在时域非重复的结构，以保证相关运算 得到单个峰值，从而降低错误检测概率；不同的p s c 之间以及p s c 和s s c 之间的 互相关峰值足够低；频域满足平坦特性，以便为s s c h 做信道估计；定时检测复 杂度低；合理的p a p r 。s s c 的选择要满足如下要求【1 4 l ：不同s s c 的相关峰值要 比较低；存在定时误差和频偏时，s s c 检测性能具有鲁棒性；频域具有恒幅特性， 以便为p b c h 做信道估计；合理的p a p r 。 1 3 论文结构 基带芯片成为u e 产业发展的瓶颈。m 基带芯片需要实现物理层的全部算 法，其体积、功耗以及成本的限制使得不能简单地通过增加硬件的方式解决处理 资源紧缺的问题，所以需要尽量降低各个物理层算法的实现复杂度。小区搜索需 要大量的实时运算处理，占用了基带芯片的处理资源。本论文的出发点就是针对 协议中规定的同步信号，深入分析同步信号的特征，改进原有的检测算法，大大 降低运算量。 本论文的内容安排如下： 第一章，引言。主要介绍了l 1 e 小区搜索的研究背景，分析了小区搜索问题 的研究现状，指出了本文的研究意义。 第二章，m 系统物理层概述及关键技术。概述了l 1 飞物理层的帧结构、下 行资源单元以及基带系统设计，分析了定时误差和载波频偏对l 1 卫接收性能的影 响，并简要介绍了l t e 系统的关键技术。 第三章，l t e 小区搜索原理。详细介绍了l t e 主、辅同步信号序列格式和小 区搜索流程。 第四章，m 小区搜索算法设计与改进。深入分析了主同步信号的时、频域 特点，给出了常规p s s 检测算法，并提出了利用p s s 特点和利用t d d 帧结构的改 进的p s s 检测算法。深入讨论了s s s 的加扰方式和检测流程，给出了传统的s s s 序列检测和联合检测算法，并提出了利用m 序列矩阵和哈达玛矩阵的变换关系的 基于哈达玛变换的s s s 检测算法，给出了算法的理论推导过程和具体实现方案。 第五章，改进算法仿真与验证。搭建了链路级仿真平台，对本文提出的改进 算法进行仿真验证。 第六章，总结与展望。归纳总结了本文的工作，并对今后需要继续研究的内 容提出了几点建议。 1 4 研究成果总结 本文在概要介绍m 系统物理层设计，系统阐述小区搜索原理，深入研究l 1 卫 协议中规定的主、辅同步信号特点的基础上，取得了如下成果： 1 提出了利用主同步信号中心对称和共轭对称的特点，改进主同步信号检测的 算法，通过分析本文提出的简化算法可以节省6 6 7 的实数乘法运算和4 9 4 的实 数加法运算。 2 提出了利用t d d 帧结构中的g p 减少p s s 滑动相关运算量的方法。给出了 具体实现步骤，并分析了功率窗长度和功率比值门限等参数的确定原则和方法， 最后通过大量的仿真给出了这两个参数的经验值。 3 提出了利用哈达玛矩阵和m 序列矩阵的关系，减少s s s 检测的运算量的检 测算法。详细推导和分析了算法改进的理论依据，并给出了针对改进算法的辅同 步信号检测实现方法。 4 搭建链路级仿真平台，对本文提出的改进算法进行仿真验证。通过仿真，验 证了基于g p 的p s s 检测方法中的功率窗长度三和比值门限砌剃两个参数的取值 对检测性能的影响。仿真对比了基于g p 的p s s 检测方法和传统的对整个数据帧 进行滑动相关的p s s 检测方法的检测性能。仿真比较了利用c p 和利用p s s 信号 进行小数倍频偏估计的性能。仿真比较了序列检测与联合检测两种辅同步信号检 测方法的性能。仿真比较了基于哈达玛变换的算法和传统m 序列相关算法的性能。 6 最后，在t u 3 信道下，仿真了本文所提出的算法的平均小区搜索时间。 7 2l 1 色概述及关键技术 l 1 甩系统的小区搜索方法实现与l 1 甩物理层帧结构，资源映射方式等是紧密 联系的，本章主要介绍了与小区搜索相关的l 1 卫物理层设计，为后面介绍l 1 甩小 区搜索流程和算法提供理论依据。 2 1l 1 陋系统物理层简介 本节从帧结构、资源单元和基带系统三个方面对m 的物理层进行阐述说明， 为第三章介绍l 1 您小区搜索原理奠定基础。 2 1 1m 帧结构 为了实现w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 向l 1 卫的平滑演进，l 1 茁系统 中定义了f d d 和t d d 两种帧结构。 f d d 帧规定f 1 5 】：一个无线帧长度为1 0 m s ，分为1 0 个l m s 的子帧，每个子帧 由两个时隙构成。图2 1 是f d d 帧结构示意图。 1 0 m s 无线帧 0 5m s 时隙 _ 图2 1f d d 帧结构 f i g 2 lf d df 姗es t r u c t u r e t d d 帧结构的设计和小区搜索中同步信号的发送周期，时域位置等问题是相 互制约的。t d d 帧规定：_ 个无线帧长度为1 0 i n s ，包含两个5 m s 的半帧。每个半 帧由常规子帧和特殊子帧构成。常规子帧和f d d 帧结构中的子帧相同，也是由两 个o 5 m s 的时隙构成。特殊子帧总长度为l m s ，由三部分组成：下行导频时隙 ( d w p t s ，d o w n l i i l l 【p i l o tt i m es l o t ) ，保护间隔( g p ，g a r dp e r i o d ) 和上行导频 时隙( u p p t s ，u p l i n kp i l o tn m es l o t ) 。d w p t s 用于下行数据传输，u p p t s 用 于上行数据传输，g p 没有数据传输。t d d 帧支持5 m s 和1 0 m s 两种下行到上行转 换点周期。当转换周期为5 n l s 时，每个半帧包括一个特殊子帧。对于l o m s 转换周 期情况，特殊子帧只存在于前半帧。图2 2 是5 m s 转换周期时，t d d 帧结构示意 图。 1 0 瞄无l 臌 0 n e 1 5 啪5 啦 卜 洲隔凹i 椰d_m 凹璐 图2 25 m s 转换周期t d d 帧结构 f i g 2 2 f d df 舳es 仇l c t u r ei n5 m ss w i t c h p o i n tp e r i o d l 1 飞系统中最小时间间隔定义为c ，每个i 为1 3 0 7 2 0 m s 。t d dl 1 飞系统中 支持7 种上下行配置【1 5 1 ，具体见表1 1 。其中d 表示下行子帧，s 表示特殊子帧， u 表示上行子帧。 表2 1 上下行配置 下行到上行子帧类型 上下行配置 转换点周期 o123456789 o5 m sdsu u udsu u u l5 m sdsuud dsu u d l 25 m sdsud d dsu d d 3 1 0 m sdsu u ud d d dd 4 1 0 m sdsu u dd d d d d 51 0 m sdsu d d d d d d d 65 m sdsuuudsu u d 同步信号需要在下行子帧或是特殊子帧的d w p t s 发送，所以，上下行配置方 式和同步信号发送周期、时域位置等问题的标准化过程是相互影响的。 l 1 哐系统中规定了9 种特殊子帧配置【15 1 ，对应不同的d w p t s 、g p 、u p p t s 长度，见表2 2 。 9 表2 2 特殊子帧配置 下行常规c p下行扩展c p 特殊子 d 、p t s u p p t s d w p t s u p p t s 帧配置 上行常规上行扩展上行常规上行扩展 c pc pc pc p o 6 5 9 2 z7 6 8 0 z 1 1 9 7 6 0 正2 0 4 8 0 瓦 2 1 9 2 z 2 5 6 0 z 2 2 1 9 5 2 i 2 1 9 2 z2 5 6 0 z 2 3 0 4 0 z 3 2 4 1 4 4 z2 5 6 0 0 t 4 2 6 3 3 6 7 6 8 0 t 5 6 5 9 2 i 2 0 4 8 0 z 4 3 8 4 乙5 1 2 0 z 6 1 9 7 6 0 t 4 3 8 4 z5 1 2 0 z 2 3 0 4 0 z 7 2 1 9 5 2 i 8 2 4 1 4 4 z 不同的帧结构下，同步信号在子帧内的位置是不同的，从而导致小区搜索算 法有所区分。对于f d d 帧，主同步信号位于时隙o 和1 0 的最后一个o f d m 符号， 辅同步信号位于主同步信号的前一个符号。而在t d d 帧中，主同步信号位于子帧 1 和6 的第3 个o f d m 符号，辅同步信号位于子帧o 和5 的最后一个符号，两个 同步信号之间有2 个符号的间隔。 2 1 2下行资源单元 l 1 茁系统中，通过资源栅格描述每个时隙传输的信号。每个资源栅格在频域 上包括磕硭个子载波，时域上包括蝶。个o f d m 符号；资源栅格中的每个小 格是一个资源单元( r e ，r e s o u r c ee l e m e n t ) ，以时、频二维索引( 后，) 方式定义1 5 1 。 资源栅格结构见图2 3 。 1 0 j 匕立交道太堂亟堂僮途塞li 星褪述丞羞毽撞苤 下行时骧7 k h 源单元 图2 - 3 资源栅格示意图 f i g 2 - 3r e s o u r c e 鲥d 资源块( r b ，r e s o u r c eb l o c k ) 是物理信道到r e 映射的单位。如图所示，每 个r b 包括频域上1 2 个连续的子载波，时域上碟。个o f d m 符号，包含篇。笋 个i 迮。l 1 卫系统中子载波间隔为1 5 ，所以每个i m 相当于时域上一个时隙， 频域上1 8 0 z 。 图中，嚣表示每个下行时隙包含的r b 数，取决于系统带宽配置，下行可以 支持的r b 数最大为l l o ，最小为6 。硭表示每个r b 包含的子载波数，l 1 陋系 统中固定为1 2 。 屹。表示每个下行时隙包含的符号数，取决于c p 长度。对于常 规c p 该值为7 ，对于扩展c p 该值为6 。 l t e 系统支持最小6 个r b ，最大1 1 0 个i m 的系统带宽配置。系统带宽影响 到同步信号映射方式和序列长度的设计。有提案建议对于大带宽配置，为同步信 号分配更多的带宽，理由是可以获得频率分集增益【l6 】。但这种方式导致同步信号 随系统带宽变化，增加了终端检测的复杂度。所以，l 1 m 系统最终确定无论系统 带宽配置如何，同步信号总是占用系统带宽中央的7 2 个子载波，从而使终端只需 要一个低通滤波器就可以提取出同步信号，降低了对终端设计的要求。 2 1 3l 1 陋基带系统 一个完整的l 1 e 基带系统框图如下： ； ： l 一一一一一一一一一一一一一一一j 图2 4l 1 e 基带系统框图 f i g 2 - 4u eb a s e b 锄ds y s t e md i a g 阳m 小区搜索是接收端的第一个基带处理模块，为后续的物理信道和物理信号的 接收处理提供时间同步和载波频率同步信息。在采用o f d m 调制技术的l 1 e 系统 中，定时误差会导致f f t 窗口的偏移，导致子载波相位旋转。如果定时偏移量和 多径时延扩展长度之和小于循环前缀长度，则在每个f f t 窗口内各个子载波波形 都包含整数个周期，不会破坏子载波间的正交性，也不会引起符号间干扰，只是 对解调数据带来一个相位旋转。否则，就会破坏子载波间正交性，带来子载波间 干扰和符号间干扰。 2 2m 系统性能分析 l t e 系统小区搜索除了要检测小区标识外，还要完成帧定时和初始频偏估计的 功能。本节通过分析定时偏差和载波频偏对l t e 系统的影响，反映小区搜索在l t e 系统中的重要性。 l t e 系统采用o f d m 调制，设频域内o f d m 符号为z ( 七) ，o 七一1 ，经过 1 2 i f f t 模块由频域转换到时域，时域内的信号表示为【1 7 】： n i x ( 刀) = i f f t 伍( 七) = x ( 七弦7 2 砌，刀= o ，1 ，一1 为每个o f d m 符号子载波个数。插入保护间隔后，信号可以表示为： ，、f x ( + 刀) ， ( 以) 2 1x ( 甩) ， n = 一g ，一g + 1 ，一1 n = 0 ，l ，一l ( 2 1 ) ( 2 2 ) 发送信号经过基带成型滤波器后进入多径信道，并叠加白噪声，接收端的信 号可以表示为： ( ，z ) = 气( 行) 圆厅( 玎) + w ( 船) ( 2 3 ) 其中，厅) 为多径信道冲激响应，以”) 为加性高斯白噪声，| z ( 甩) 表达式为： 办( ，1 ) = 岛万( f 一乃) ，o 甩m ( 2 4 ) ，军0 其中，三p 为可分辨的多径数，是第，径在时域内的复冲激响应，f ，为第，径 的延时，对f ，以抽样间隔进行归一化处理。 接收端，去掉保护间隔得到信号y ( 刀) ，进行f f t 变换，得到频域信号】，( 后) ： 】，( 后) = f f t y ( ，z ) = 寺y ( ，2 弦一2 砌，七= o ，1 ，一1 ( 2 - 5 ) vn 卸 2 2 1定时误差影响 图2 。5 时域0 f d m 符号 f i g 2 - 5t i m ed o m a i no f d ms y m b o l 假设接收信号定时偏差为d 个采样点，则根据公式2 5 ，在第七个子载波上的 解调信号为： 一， 】，( 七) = f f t 嘶+ d ) ) = 吉j ，( ，z + d ) p 2 砌，七= o ，l ，一l ( 2 - 6 ) 1 3 不考虑信道和噪声的影响，则接收信号满足y ( n ) = x ( n ) 。将公式2 6 代入公式 2 - 5 ，如果采样点偏差d 在循环前缀的范围内，则下面的公式成立： 】，( 七) = 吉x u ) p 弦硪肘力p 川蒯 y = 0 ，= d