通信专业毕设lte系统小区搜索研究毕业论文

1、 .xx大学xx学院毕 业 设 计（论 文）题 目： LTE系统中小区搜索研究 专 业： 通信工程 学生： xx 班级学号： xx 指导教师： xx 指导单位： 通信与信息处理实验教学中心 日期： 年 月 日至 年 月 日摘 要LTE作为3G技术的演进，在频带利用率，带宽的可配置性和数据传输速率上都有很好的优越性，从而受到全球的关注。而小区搜索是指移动台UE在初始接入小区时或移动台UE在进行小区切换过程时，找到服务小区ID号以与与服务小区取得时间和频率的同步过程。作为UE读取基站信息的前提，小区搜索过程的好坏直接影响整个通信系统的正常通信，只有完成成功的小区搜索，才能保证移动台UE与基站之间实

2、现正常的数据交换。该文着重对于小区搜索中的主同步信道和辅同步信道检测进行了讨论研究。它不仅描述了主同步信号的主要结构，还重点讨论了用互相关法进行符号定时、小区ID 识别、载波同步。该文同样描述了辅同步信号的主要结构，讨论了使用互相关法进行帧同步和小区组ID 识别的算法。仿真结果表明，算法性能与预期一致，能较好的适应长期演进系统对于小区初始搜索的要求。关键词：主同步信道；辅同步信道；互相关；小区初始搜索；长期演进ABSTRACTAs 3G tecnology evolution , LTE has very good superiority in bandwidth efficiency, ba

3、ndwidth configurable and data transmission rate , thus attracting global attention. While the cell search refers to a mobile station UE in the initial access cell or mobile station UE in cell switching process, find the service area ID, and service area to obtain time and frequency synchronization p

4、rocess .As UE reads the information of the base station premise, cell search process will directly influence the whole communication system of normal communication, only completed successful cell search, in order to ensure that the mobile station and base station UE between normal data exchange. The

5、 paper focuses on discussing detection of the Primary Synchronous Channel (PSCH) and the Secondary Synchronous Channel (SSCH) in Initial Cell Search (ICS). It describes the main structure of the Primary Synchronous Signal (PSS), and discusses the algorithm of ross-correlation in symbol synchronizati

6、on, cell ID identifying and Carrier synchronization. The paper also depicts the main structure of the Secondary Synchronous Signal (SSS), and also discusses the algorithm of Cross-correlation in frame synchronization and cell group ID identifying. The simulation results show that the performance of

7、algorithm is in line with the expectation and can better satisfy the demand of ICS in LTE system.Keywords: Key words: PSCH; SSCH; LTE目 录第一章 绪论.11.1 论文研究背景与意义.11.1.1. 论文研究背景.1第一章 绪论1.1 论文研究背景LTE作为近两年来3GPP启动的最大的新技术研发项目，它的出现有其特定的历史背景。首先，由于CDMA通信系统形成的特定历史背景，3G所涉与的核心专利被少数公司持有，专利授权费用已成为厂家的沉重负担。可以说，3G厂商和运营

8、商在专利问题上处处受到限制，业界迫切需要改变这种不利的局面。面对高速发展的移动通信市场的巨大诱惑个大量低成本高带宽无线技术的快速普与，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挑战，加快现有网络演进，满足用户需求，提供新型业务成为在激烈的竞争中处于不败之地的唯一选择。与此同时，用户期望运营商提供任何时间任何地点不低于1Mbps的无线接入速度，小于20ms的系统传输延时，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。这些要求已远远超出了现有网络的能力，寻找突破性的空中接口技

9、术和网络结构是势在必行。与WiFi和WiMAX等无线接入方案相比，WCDMA/HSDPA空中接口和网络结构过于复杂，虽然在支持移动性和QoS方面有较大的优势，但在每比特成本、无线频谱利用率和传输时延等方面明显落后。根据3GPP标准组织原先的时间表，4G最早要在2015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、市场的挑战和IPR的因素共同推动了3GPP组织在4G出现之前加速制定新的空中接口个无线接入网络标准。2004年11月，3GPP加拿大多伦多“UTRAN演进”会议收集了无线接入网R6版本之后的演进意见，在随后的全体会议上，“UTRA和UTRAN演进”研究

10、项目得到了二十六个组织的支持，并最终获得通过。这也表明了3GPP组织运营商和设备商成员共同研究3G技术演进版本的强烈愿望。基本思想是采用过去为B3G或4G发展的技术来发展LTE，使用3G频段占用宽带无线接入市场。2004年12月3GPP雅典会议决定由3GPP RAN工作组负责开展LTE研究，将于2006年6月完成，2007年6月推出。3GPP经过激烈的讨论和艰苦的融合，终于在2005年12月选定了LTE的基本传输技术，即下行OFDM;上行SC-FDMA。LTE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LTE/SAE系统中却引出了“弊大还是

11、利大”的争论。3GPP在2005年12月进行了“示意性”的投票，最后决定LTE至少在目前不考虑宏分集技术。LTE在数据传输延时方面的要求很高（端到端延时小于5ms），这一指标要求LTE系统必须采用很小的交织长度（TTI），因此大多数公司建议采用0.5ms的子帧长度。但是一些研发TDD技术的3GPP成员注意到这种子帧长度和UMTS中现有的两种TDD技术的时隙长度不匹配。例如TD-SCDMA的时隙长度为0.675ms，如果LTE TDD系统的子帧长度为0.5ms,则新、老系统的时隙无法对齐，使得TD-SCDMA系统和LTE TDD系统难以“临频同址”共存。在中国公司的坚持下，3GPP在这个问题上达

12、成一致：基本的子帧长度为0.5ms，但在考虑和TD-SCDMA系统兼容时可以采用0.675的子帧长度。1.2 LTE TDD的现状和未来1.2.1LTE TDD面临的主要困难和挑战目前部分国际上主要完成了样机测试，测试速率下行都达到了100Mbps以上。，但是应该看到作为一个刚刚接近制定完成的标准，从样机调式完成到实际布网乃至规模商用还有许多的困难和挑战，这些需要解决的问题对于LTE TDD和FDD都存在，从以往的研究积累的基础之上，主要包括下文叙述的几个方面：1、资源调度问题。LTE系统中取消了专用信道，所有的高层信令与业务数据均承载在物理共享信道上PDSCH，需要通过调度来实现传输，调度的

13、业务量大大增加；对于业务传输速率与时延提出了很高的要求，并且需要通过调度和保障各种业务的QoS要求，而LTE中业务类型非常丰富，业务特性也各不一样，多种QoS要求的业务都在共享信道上传输，如何保证其GBR,PBR,传输时延，这对调度算法提出了很高的要求。2、干扰问题。3GPP系统需求3GPP TR25.913对小区覆盖，系统吞吐量，频谱效率提出了新的要求，其中一项重要的容就是对小区边缘用户的SIR与吞吐量的保证。提高“小区边缘比特率”，在5km区域满足最优容量，30km区域轻微下降，并支持100km的覆盖半径。由于LTE上下行均采用OFDM技术，小区信号基本正交，但小区间干扰会破坏OFDM信号

14、的正交性，严重影响边缘用户德 SIR.3、网络覆盖与电磁污染问题。LTE中对网络覆盖要求支持100km的覆盖，这就意味着需要很大的发射功率。同时，随着人们环保意识的提高，人们开始关注电磁辐射对人体的影响，因此，对于大功率发射基站又会引入电磁污染的问题。所以这两者成为互相制约关系。因此LTE着眼于热点覆盖还是广覆盖，如果采用广覆盖，大功率基站在建站方面很可能存在较大问题。4、高速移动问题。在LTE系统中对高速移动速率支持的要求为=350km/h 甚至达到500km/h。高速移动环境下信道环境变化极快并且多普勒频移也会十分严重。快速变化的信道环境将会导致信道质量估计不准确，eNB讲很难准确的为用户

15、配置MCS模式与物理资源。多普勒频移会破坏子载波间的正交性，从而导致子信道信号之间的正交性操刀破坏，产生相互干扰，使系统性能恶化。1.2.2LTE TDD发展与4G的关系LTE TDD是移动通信标准在技术上的一次大飞跃，也是联系3G增强型技术和4G技术的纽带，在移动通信系统的发展中起到承上启下的作用。4G中采用了很多原计划用于B3G/4G的技术如OFDM、MIMO等，在一定程度上可以说是在传统通信网络和技术的基础上不断提高无线通信的网络效率和功能。同时，它包含的不仅仅是一项技术，而是多种技术的融合。不仅仅包含传统移动通信领域的技术，还包括宽带无线接入领域的新技术与广播电视领域的技术。目前4G有

16、了一个正式的名称IMT-Advanced。ITU WP5D正在开展相关的标准工作。ITU为IMT-Advanced制定了明确的时间表。在我国，2007年3月，信息产业部成立了IMT-Advanced推进组，该推进组的主要任务之一就是推进TD-SCDMA在个国际标准化组织的顺利演进。目前推进组正面向全国企业、高校和研究机构征集IMT-Advanced候选技术.1.3 研究意义在移动通信系统中，小区搜索是用户终端UE与基站BS建立连接的第一步。当UE处于RRC_IDLE状态下，可进行小区选择与重选过程，即确定驻留在哪个小区，小区选择过程中需要考虑每种无线接入技术的每一个适用的频率，无线链路质量和小

17、区状态。当UE处于RRC_CONNECTED状态时，E-UTRAN分配无线资源给UE，在通信过程中进行小区切换。无论UE处于哪种状态，都需要依靠小区搜索与BS进行联系。小区搜索过程就是UE与小区取得时间和频率同步，并检测出该小区的小区ID号以与广播信息的过程。因此小区搜索的设计将直接关系到LTE系统整体性能的好坏。其中，系统带宽和系统帧号，天线数目将通过解物理广播信道(PBCH)来获得，随机接入过程需要通过随机接入信道(PRACH)来完成18。本文针对LTE-TDD系统中的小区搜索算法研究与硬件实现，其意义在于：(1) 介绍LTE-TDD系统的帧结构和下行处理流程，物理信道，物理信号，并对同步

18、信号的生成，映射和相关特性进行研究，并结合系统研究小区搜索的整体过程。(2) 给出小区搜索同步检测算法，解决用户终端UE和BS之间的符号同步，5ms半帧同步，频偏估计以与小区ID组中的小区ID号。(3) 从LTE-TDD系统的发射机与接收机结构入手，对系统的结构框图进行详细说明，讨论了小区搜索和同步在接收流程中的位置与作用总之，本课题是从LTE-TDD物理层协议入手，通过对物理层协议的学习，总结出小区搜索过程，以与同步检测算法。这一整套过程对LTE系统的研究具有理论指导和现实意义。1.4论文的主要工作安排本文首先介绍了本课题的研究背景，研究现状和研究意义，然后对LTE-TDD系统中使用的关键技

19、术OFDM（Orthogonal Frequency Division Mutiplexing,正交频分复用）和MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）原理进行介绍，并对LTE-TDD系统下行链路帧结构的设计以与相关重要参数的选择进行分析。接着对物理下行链路整体处理流程进行阐述，重点对小区搜索过程和下行链路中的同步信道进行研究，对主同步信号和辅同步信号的产生，映射，相关特性进行分析，对采用作为主同步信号的ZC序列和采用作为信辅同步信号的M序列进行一定的研究。然后对小区搜索过程中的同步（定时同步，组小区ID号）进行研究，得到适合于LTE-TDD系统中的小区搜索方案

20、和同步算法。最后对LTE-TDD系统的发射机结构和接收机结构进行了功能模块划分和分析，并结合系统特点描述出小区搜索和同步过程在接收系统中的作用与位置，然后对小区搜索过程中的符号同步，小区ID号检测模块进行了系统设计。论文主要分成五部分，各章节的主要容作如下安排：第一章：绪论主要对LTE-TDD系统的研究背景进行介绍，以与本论文的课题来源和研究现状，以与研究本课题的意义，最后对论文有一个整体架构设计。第二章：LTE-TDD系统物理层关键技术首先对LTE-TDD系统中使用的关键技术之一OFDM（Orthogonal Frequency Division Mutiplexing,正交频分复用）进行介

21、绍。接着对LTE系统下行链路使用的参数进行分析，然后对LTE-TDD系统的帧结构，下行资源结构，下行传输处理流程与参数配置进行说明，最后对下行物理信道，物理信号进行分析。第三章：LTE-TDD系统小区搜索分析与同步信号研究首先对LTE-TDD系统中的小区搜索处理流程进行分析，然后对下行同步信号（主同步信号，辅同步信号）进行时频分析与子载波映射情况介绍，重点对同步信号的产生，映射和相关特性进行了仔细的研究，最后根据LTE系统结构，对相干检测与非相干检测进行了介绍，为小区搜索算法的设计提供理论依据。第四章：LTE-TDD系统小区搜索仿真研究首先介绍MATLAB软件，然后对小区搜索过程用MATLAB

22、仿真软件进行仿真。第五章：结论与工作展望对本文所做的主要工作进行了总结，并指出今后需要进一步研究和考虑的方向，对下一步的工作进行了展望。第二章LTE-TDD系统物理层关键技术LTE系统采用OFDM技术和MIMO技术，其中OFDM是一种特殊的多载波调制技术，它把有效的信号传输带宽细分为多个窄带子载波，并使其相互正交，在每一个子载波上都可以单独或者成组的传输独立的信息流，能有效地提高频谱效率同时通过添加循环前缀，能够克服多径时延带来的符号间干扰，具有良好抗多径干扰能力和很高的频谱利用率。OFDM技术通过将带宽信道划分为多个载带的子载波（子载波宽度小于信道相干带宽），可以较为有效地对抗信道的频率选择

23、性衰落，有利于简化信道估计，并且不需要复杂的信道均衡，特别适合5MHz以上的宽带移动通信系统。OFDM系统参数设定对整个系统的性能会产生决定性的影响，其中载波间隔又是OFDM系统的最基本参数。3GPP经过理论分析与仿真比较最终确定为15kHZ。上下行的最小资源块为375KHz，即25个子载波宽度。OFDM技术可以在移动环境下提供高速数据流和视频等多种应用。OFDM 是一种多载波传输技术，N 个子载波把整个信道分割成N 个子信道，N 个子信道并行传输信息。OFDM 系统有许多非常引人注目的优点。第一，OFDM 具有非常高的频谱利用率。普通的FDM 系统为了分离开各子信道的信号，需要在相邻的信道间

24、设置一定的保护间隔（频带），以便接收端能用带通滤波器分离出相应子信道的信号，造成了频谱资源的浪费。OFDM 系统各子信道间不但没有保护频带，而且相邻信道间信号的频谱的主瓣还相互重叠，但各子信道信号的频谱在频域上是相互正交的，各子载波在时域上是正交的，OFDM 系统的各子信道信号的分离（解调）是靠这种正交性来完成的。另外，OFDM的个子信道上还可以采用多进制调制（如频谱效率很高的QAM），进一步提高了OFDM 系统的频谱效率。第二，实现比较简单。当子信道上采用QAM 或MPSK 调制方式时，调制过程可以用IFFT 完成，解调过程可以用FFT 完成，既不用多组振荡源，又不用带通滤波器组分离信号。第

25、三，抗多径干扰能力强，抗衰落能力强。由于一般的OFDM 系统均采用循环前缀（Cyclic Prefix，CP）方式，使得它在一定条件下可以完全消除信号的多径传播造成的码间干扰，完全消除多径传播对载波间正交性的破坏，因此OFDM 系统具有很好的抗多径干扰能力。OFDM 的子载波把整个信道划分成许多窄信道，尽管整个信道是有可能是极不平坦的衰落信道，但在各子信道上的衰落却是近似平坦的，这使得OFDM 系统子信道的均衡特别简单，往往只需一个抽头的均衡器即可。MIMO技术是一种多天线技术，可以把空间域看成另一个新资源，是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。该技术在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统

26、的容量和频谱利用率。由于0FDM的子载波衰落情况相对平坦，十分适合与MIMO技术相结合提高系统性能。MIMO系统在发射端和接收端均采用多无线(或阵列天线)和多通道。多天线接收机利用空时编码处理能够分开并解码数据子流，从而实现最佳的处理。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道；通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据速率必然可以提高。MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。当功率和带宽固定时多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条

27、件下在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。2.1 OFDM技术基本原理频分复用技术(FDM)其实是一种传统的技术，它是将较宽的频带分成若干较窄的子带，进行并行传输的方法。但是为了避免相邻子载波间的干扰，就在相邻的子载波间保留较大的保护间隔，这样大大降低了频谱效率。然而随着数字信号处理技术的发展，尤其是FFT(快速傅里叶变换)的发展，使得FDM频分多址技术有了更大的发展。FFT允许将FDM的各个子载波重叠排列，同时也保持子载波间的正交性。部分重叠的子载波排列可以大大提高频谱效率如图2.1所示。因此OFDM技术不同于传统的多载波调制系统，它利用子

28、载波的相互正交性，大大提高系统的频带利用率和抗多径干扰能力。图2.1 FDM与OFDM带宽利用率的比较一般的，OFDM信号可以表示为一组并行传输的调制载波信号如式2.1所描述。di是分配给每个子载波上传输的符号，N是OFDM系统的子载波数，T是OFDM的符号间隔，矩形函数rect(t)=1，|t|T/2。令fi=fc+if ( i = 0,1,N-1) ,fc为高频载波, f为子载波间频率间隔, 各子载波间满足正交性就要使下式2.2成立：只要选择适当的f，使f =1/T，即可使各子载波在整个OFDM信号的符号周期满足正交性。所以用等效的基带信号式2.3来描述OFDM的输出信号为：在接收端对每个

29、子载波分别进行解调操作，然后在有效符号时间进行积分就可以恢复出原来的数据符号如式2.4所示：OFDM系统的调制和解调可以分别由IDFT和DFT来代替，通过N点的IDFT运算，把频域数据符号变换为时域数据符号，经过射频载波调制之后，发送到无线信道中，其中每个IDFT输出的时域数据符号都是由所有子载波信号叠加而成的。即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进行抽样得到的。OFDM发射机的结构图如图2-2所示。经过信道编码的数据比特，通过串并转换和调制映射，可视为频域信号，然后将这些调制符号映射到M个子载波上，并通过逆快速傅里叶变换(IFFT)将这M个并行子载波上的频域信号转换到时域，IFFT输出的

30、OFDM符号是由N个采样点构成的时域信号，其中N为IFFT变换长度，且N>=M，也就是M个子载波上时域信号的叠加波形。在将IFFT输出的时域信号调制到载波之前，还要在每个OFDM符号之前插入一个循环前缀（CP）,以防在多径环境下子载波之间的正交性被破坏221。插入CP就是将OFDM符号结尾处的若干采样点复制到此OFDM符号之前，CP长度必须要大于多径信道的最大时延。最后经过串并转换模块，形成OFDM发送信号。图2-2 OFDM发射机的结构图 2.2 MIMO技术基本原理多输入多输出(MIMO)技术是无线移动通信领域中，智能天线方面的重大突破。该技术利用多天线来抑制信道衰落，能在不增加带宽

31、的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。它包括空间复用，波束成形和传输分集技术等实现方式2022。通常情况下，多径传输要引起衰落，此时的衰落被看作有害因素。然而对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用20。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道方案，且MIMO的多输入多输出是针对多径无线信道来说的23。图2.3所示为MIMO系统的原理图。传输信息流s(k)经过空时编码形成N个信息子流，i=1，2，N。这N个子信息流由N个天线发射出去，经空间信道传输后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些子信息流，从而实现最佳的处理2

32、4。()ick特别是，这N个子信息流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射天线和接收天线间的通道响应独立，则多输入多输出系统可以创造多个并行空间信道，通过这些并行空间信道可以独立地传输信息，从而可以提高数据率2425。下面将分别从空间复用，波束成形和传输分集技术来进行说明MIMO在LTE系统中的应用。空间复用技术利用空间信道的弱相关性特点，在多个相互独立的空间信道上传递不同的数据流，从而提高传输的峰值速率2。波束成形技术是一种应用于小间距多天线传输技术，它主要利用空间信道的强相关性。利用波的干涉原理，产生强方向性的辐射方向图，使得辐射方向图的主瓣自适应的指向用户来波

33、方向，从而提高信噪比，提高系统容量和覆盖围2。传输分集主要利用空间信道的弱相关性，结合时间/频率上的选择性，为信号的传递提供更多的副本，提高信号传输的可靠性，从而改善接收信号的信噪比。在LTE系统中，广泛采用空时编码(STC)，循环延时分集（CDD）技术来提高数据传输率2。在LTE系统中，层映射和传输预编码都是MIMO技术灵活应用。如下图2.4所示，以提高系统的传输速率，以满足业务的需要。LTE系统最多支持单码字和双码字传输，在单码字和双码字情况下，将用户的数据流进行层映射，映射到多层上，得到空间复用增益和分集增益。码字与层的具体映射关系如表2.1所示2.3 LTE下行物理信道与物理信号LTE

34、下行物理信道有以下物理信道：(1) 物理下行共享信道（PDSCH）主要用于传输用户共享信息。(2) 物理下行控制信道(PDCCH)下行链路中很重要的一个物理信道，对各个用户传输方式进行配置，以与调度管理等。(3) 物理广播信道(PBCH) 主要用于传输系统带宽，系统帧号，承载小区广播信息。(4) 物理HARQ指示信道（PHICH）主要用于携带HARQ信息，指示之前传输的过程中有是否错误出现，是否需要重传。(5) 物理控制格式指示信道(PCFICH) 主要指示一个子帧用于传输PDCCH控制区域所需要的OFDM符号个数（1,2,or 3）。(6) 物理多播信道(PMCH) 用于传输多播单频网的容，

35、比如一些电视节目（IPTV）。下行物理信号主要有参考信号(Reference Signal,RS)和同步信号。参考信号主要有三种：Cell-specific RS,MBSFN RS,UE-specific RS。主要用于下行链路质量测量，下行信道估计（UE侧的相干解调和检测）和小区搜索过程。同步信号分为主同步信号（PSS）和辅同步信号(SSS)，主要用于小区搜索，获得定时同步，频率同步，并得到小区物理ID号作用。2.4 本章小结本章首先介绍了OFDM技术在LTE系统中的应用，然后对下行物理信道，物理信号进行分析。第三章 LTE-TDD系统同步信号研究与小区搜索分析 在UE开机之后，移动台UE先

36、进行选网操作，然后进行小区搜索，包括一系列的同步过程，使UE与服务小区之间建立时间和频率同步，从而选择合适的小区进行驻留，得到该小区ID号和系统信息，以与更详细的邻近小区信息。然后UE进行网络注册, 就可以进行RRC连接，以便发起其他的物理层过程。因此，在LTE研究过程中，需要对小区搜索进行重点研究。本章首先对小区ID组号和组小区ID号进行简单介绍，然后对小区搜索过程进行重点分析，最后对下行同步信号（PSS,SSS）的产生，映射，相关特性进行研究。3.1 TD-LTE帧结构     TD-SCDMA将迈向4G的后续演进方案确定为TD-LTE,将

37、帧结构统一为基于TD的融合帧结构。10ms的无线帧由两个长度为5ms的半帧组成，每个半帧由5个长度为1ms的子帧组成，其中有4个普通的子帧和1个特殊子帧。普通子帧由两个0.5ms的slot组成，特殊子帧由3个特殊时隙（UpPTS，GP和DwPTS）组成#0 DwPTS #2 #3 #4 半帧：5ms 半帧：5msGPUnPTS子帧1ms特殊子帧1ms时隙0.5ms帧：10msTD-LTE帧结构（如图）特点：无论是正常子帧还是特殊子帧，长度均为1ms。一个无线帧分为两个5ms半帧，帧长10ms。TD-LTE特殊子帧继承了TD-SCDMA的特殊子帧设计思路，由DwPTS，GP和UpPTS组成。TD

38、-LTE的特殊子帧可以有多种配置，用以改变DwPTS，GP和UpPTS的长度。但无论如何改变，特殊子帧 DwPTS + GP + UpPTS = 1ms1msGPDwPTSUpPTSTD-LTE上下行配比表DL-UL ConfigurationSwitch-point periodicitySubframe number012345678905 msDSUUUDSUUU15 msDSUUDDSUUD25 msDSUDDDSUDD310 msDSUUUDDDDD410 msDSUUDDDDDD510 msDSUDDDDDDD65 msDSUUUDSUUD转换周期为5ms表示每5ms有一个特殊时隙

39、。转换周期为10ms表示每10ms有一个特殊时隙。 3.2 SCH 同步信号SCH是用来确保小区UE获得下行同步。同时，同步信号也用来表示小区物理ID（PCI），区分不同的小区 P-SCH (主同步信道）：UE可根据P-SCH获得符号同步 S-SCH（辅同步信道）：UE根据S-SCH最终获得帧同步时域结构PSS位于DwPTS的第三个符号SSS位于5ms第一个子帧的最后一个符号频域结构SCH (P/S-SCH)占用的72子载波位于系统带宽中心位置3.3 PSCH序列设计主同步信道(PSCH)中传输的序列为二进制主同步序列（PSC）。LTE采用3个PSC序列，每个小区选择一个。也就是说，这3个PS

40、C序列和一个小区ID组中的3个小区ID是一一对应的。通过检测接收信号和这3个PSC序列的相关性，就可以判断出是3个小区中的哪一个。经过仔细地研究分析，LTE系统最终决定在频域上采用ZC序列方案。出于避免与相邻信道干扰、降低复杂度方面的考虑，最终确定序列长度为62，DC子载波空出不用。PSC序列的频域结构如图所示，除DC子载波外，PSC占用系统带宽中央1.08MHZ，除左右各5个空闲子载波用于提供干扰外，ZC序列映射到其余的62个子载波上。其他信道其他信道31个子载波31个子载波1.08MHZ(DC子载波除外)空闲子载波空闲子载波62位ZC序列（DC子载波除外）DC子载波PSC序列的频域映射3.

41、4 SSCH序列设计辅同步信道(SSCH)中传输的序列为二进制辅同步序列（SSC）,SSC由两个二进制序列级联而成，10ms两个SC采用不同的序列来确定帧时钟。SSC选定M序列为设计基础。首先由一个31位的M序列经过循环位移得到一组序列，然后从中选取两个序列（称为SSC短码），然后这两个SSC短码采用交织方式被映射到SSCH占用的62个子载波上。一个无线帧，位于时隙0和时隙10的SSCH采用不同的SSC短码，这样通过一个SSCH符号的检测就可以获得帧同步。二进制SSC序列采用BPSK星座映射，SSC序列的频域映射如图两个31位SSC短码交映射到62个子载波上 DC子载波其他信道其他信道31个子

42、载波31个子载波1.08MHZ(DC子载波除外)空闲子载波空闲子载波SSCSSCSSC短码1SSC短码2SSC序列的频域映射3.5小区物理ID（PCI）LTE物理层协议规定：LTE系统中有504个唯一的物理层小区ID号，它们被唯一分成168个唯一的物理层小区ID组，每个小区ID组由3个唯一小区ID号组成，物理层小区ID号可以表示为：=3 +LTE系统中，UE需要解出两个序列：主同步序列（PSS）和辅同步序列（SSS）。其中PSS为主同步信道P-SCH中传播的序列，共有3种可能性；辅同步序列SSS为辅同步信道S-SCH中传播的序列，共有168种可能性。由这两个序列的序号进行组合，即可获取该小区I

43、D3.6 5ms半帧同步LTE系统下行链路的帧帧长为10ms,分为十个子帧(帧号09),每个子帧包含两个时隙,所以每个时隙长0.5ms,共有20个时隙(时隙号019)。LTE 同步信号的周期是5ms，分为主同步信号（PSS）和辅同步信号（SSS）。LTE TDD帧结构中，同步信号的位置不同，如图所示。在TDD帧结构中，PSS位于DwPTS的第三个符号，SSS位于5ms第一个子帧的最后一个符号；由于两个主同步信号一样，检测完PSCH 后并不能知道完成符号同步的PSS 位于前半帧还是后半帧，所以只能算是半帧同步。3.7OFDM系统的符号定时同步从同步方式上，主要有定时同步和频率同步；定时同步分为帧

44、同步和符号同步，其中帧同步用于确定一个帧的起始时刻，符号同步用于正确地定出OFDM符号FFT解调窗口的起始位置。FFT解调的正确起始位置应该是循环前缀后的第一个样值点，但若存在定时同步偏差，FFT的窗口起始位置有可能出现提前和滞后两种情况，下面分别讨论这两种情况。FFT窗口的起始位置提前。当FFT窗口的起始位置提前时，将从保护间隔的某个采样点开始做FFT，此时做FFT的所有采样点和在正确位置做FFT的所有采样点一样，只不过采样点的排列次序发生变化。FFT窗口位置提前示意图如图1所示。CPDataCPData. FFT FFT 图1 FFT窗口位置提前示意图FFT窗口的起始位置提前使得时域的偏移

45、经过FFT后引起频域相位偏移，但通过信道均衡便可以完全消除。FFT窗口的起始位置滞后。此时FFT中不仅丢掉了当前OFDM符号中的一些采样点，还包含了下一个OFDM符号中的部分采样点，FFT解调将引入不可恢复的符号间干扰（inter-symbol interference，ISI）。FFT窗口位置滞后示意图如图2所示。CPDataCPData. FFT FFT 图2 FFT窗口位置滞后由于实际的OFDM系统中一般都加入循环前缀，不仅使OFDM符号避免多径干扰引起的ISI，而且降低了对定时估计的要求。当定时估计位置存在偏差，只要处于循环前缀区间，那么FFT窗口中仍然包含当前OFDM符号的N个样点，

46、此时，定时偏差的影响只是对有用信号产生相位的旋转。对于相位的旋转，可以通过差分解调或相位估计的方法消除相位偏转的影响。在多径衰落信道下，部分循环前缀区间将受到ISI破坏，因此，只有定时估计位置落在循环前缀中且未遭受ISI破坏的部分，才不会受到ISI破坏。 3.8 小区搜索过程小区搜索的目的，即终端UE与小区之间取得时间同步和频率同步，并检测出服务小区物理层小区ID号的过程，E-UTRA小区搜索支持可扩展的所有传输带宽（1.4MHZ20MHZ）。为了实现小区搜索，在下行链路中传输主同步信号、辅同步信号和参考信号。UE通过一个确定的同步信道，利用它传输的PSS进行小区搜索，完成符号定时，5ms定时

47、和小数倍频率估计，并检测出组小区ID号，然后利用SSS辅同步信号进行小区搜索，完成10ms的帧定时和整数倍频偏估计，并检测了物理层小区ID组号，UE接入小区时还要获得循环前缀（CP）类型的信息，从而确定广播信道PBCH的位置，进而解调PBCH以获取系统更多的信息。如图3.1所示。图3.1 小区搜索过程首先，当UE刚开机时，由于还没有和小区建立频率和时间上的同步，因此不可能收到某个小区的PBCH，所以这时先要进行同步定时。（a）UE先对可能存在小区频点的频率围进行测量，根据测量的信号强度，找到一个可能存在的小区的中心频点。一开机，在这些中心频点上接收数据并计算信号强度，根据接收信号强度来判断这个

48、频点是否可能存在小区。如果UE保存上次关机时的频点和网络信息，则开机后会优先在上次驻留的小区上进行尝试驻留；如果没有先验信息，则要全频段搜索（中心频率的左右1.4MHz带宽），发现信号较强的频点，再去尝试驻留。由于同步信道(SCH)是UE开机后检测的第一个物理信道，UE需要在没有任何先验信息的情况下，实现下行同步和得到下行系统信息，因此无法采用传统的调制技术与解调技术，而只能采用序列检测方法实现。同步信道总是占用系统中心频点中间的62个子载波。不论小区分配了多少带宽，UE只需处理这62个子载波。（b）然后在这个中心频点周围接收PSS，主同步信号(PSS)以5ms为周期进行重传，而且主同步信号是

49、由频域ZC序列生成，具有很好的自相关特性和互相关特性。UE可以通过对主同步信号的检测，得到组小区ID号和时间同步中的大约5ms边界（半帧）。当获得主同步的时候，也就是得到子帧1或者子帧6的时域位置，但是UE无法准确区分具体是哪个子帧。然后接收辅同步信号(SSS)，因为辅同步信号是位于子帧0和子帧5上最后一个OFDM符号上，且子帧0和子帧5上的辅同步信号是不一样的，它以10ms为周期进行重传；这时可利用辅同步信号SSS做相关，就可以确定小区ID组号和10ms边界，也就是无线帧的帧定时。(c)10ms边界得到后，可接收PBCH，并且根据PBCH的容得到系统帧号，带宽信息，PHICH的配置信息以与天

50、线配置。系统帧号以与天线数设计相对比较巧妙，SFN（系统帧数）位长为10bit，也就是取值从0-1023循环。在PBCH的MIB（master information block）广播中只广播前8位，剩下的两位根据该帧在PBCH 40ms周期窗口的位置确定，第一个10ms帧为00，第二帧为01，第三帧为10，第四帧为11。PBCH的40ms窗口可以通过盲检确定。一般来说至少要等到下一个下行子帧，因为PBCH位于子帧0时隙1上，它以4个无线帧为周期进行传输，但在每个周期是重复传输的，在每个无线帧上可以独立译码。(d)至此，UE实现了与eNB的定时同步；其次，在数据接收过程中，UE还要根据接收信号

51、测量频偏并进行纠正，实现和eNB的频率同步。至此，小区搜索过程结束。3.9 本章小结本章首先对LTE-TDD系统中的，然后对下行同步信号（主同步信号，辅同步信号）进行时频分析并对子载波映射情况进行介绍，重点对同步信号的产生，映射和相关特性进行了仔细的研究，最后根据LTE系统结构，小区搜索处理流程进行分析。第四章 LTE-TDD系统小区搜索仿真研究4.1 MATLAB软件介绍MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以与数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Sim

52、ulink两大部分。  MATLAB软件界面图4.1.1 MATLAB软件基本功能MATLAB是由美国MathWorks公司发布的主要面对科学计算、可视化以与交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以与非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以与必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软