LTE终端小区搜索算法研究

崔子川　宋利利

摘要：LTE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LTE系统中小区搜索是一个至关重要的物理层过程。首先分析小区搜索的研究背景与意义，接着详细阐述LTE同步信号的特点和小区搜索的原理，最后深入分析了小区搜索算法的研究现状和下一步的工作。

关键词：LTE；小区搜索；同步；PSS，SSS

中图分类号：F49

文献标识码：A

文章编号：1672-3198（2013）09-0157-02

1序言

最近几年，LTE无论是在标准演进上还是在产业链上，都获得了较快的发展。

LTE的第一个版本——版本8，完成于2008年的春天，于2009年底开始商用。LTE的版本8仅仅满足基本功能需求，完成第一个版本的LTE后，3GPP继续在LTE规范的第二个版本（版本9）里面引进附加功能，LTE规范版本9完成于2009年底，该版本增加的功能有多播传输、网络辅助定位业务、增强的下行波束赋型。

IMT-Advanced是ITU（国际电联）用于描述后IMT-2000无线接入技术所使用的术语。ITU定义了IMT-Advanced技术应当满足的一系列要求。这些要求有至少支持40MHz带宽，下行链路15bIt/S/Hz和上行链路6.75bIt/S/Hz的峰值频谱效率（上下行峰值速率分别至少为600 MbIt/S和270 MbIt/S），控制平面和用户平面的延迟分别小于100ms和10ms。

LTE版本10的主要目标之一是要确保LTE无线接入技术完全符合IMT-Advanced的要求，因此，LTE版本10通常称为LTE-Advanced。然而，除了满足ITU的要求，3GPP也为LTE版本10（LTE-Advanced）定义了它自己的目标和要求。这些目标和要求在满足ITU要求的同时也拓展了ITU的需求。其中一个重要的要求是向后兼容性，这意味着一个早期版本的LTE终端应始终能够访问支持LTE版本10功能的网络，但显然不能够完全利用版本10的所有功能。

LTE版本10于2010年底完成，通过引进载波聚合技术增强了LTE对频谱灵活性的支持，进一步扩展了多天线传输技术，增加了中继技术，并在异构网络的部署上增强了小区间干扰协调技术。

在国际上，LTE得到广泛的商业部署。根据GSA（全球移动设备供应商协会）演进到LTE的报告（2013年1月8日出版），全球有66个国家的145个运营商推出了LTE商用服务。根据GSA的报告，2012年新增97个LTE网络投入商用，新增37个国家可以使用LTE移动宽带服务。GSA预测到2013年底，全球共有83个国家的234个LTE网络投入商用。GSA总裁艾伦·哈登（Alan Hadden）说：“市场上有145个LTE网络正式商用，并有超过560个用户设备宣布支持LTE，以供世界各地的客户使用。LTE技术是主流，并确立了其作为发展最快的移动通信技术。”

在我国，国家政府高度重视LTE的发展。国家的“十二五”规划纲要明确新一代信息技术产业首要的发展重点就是下一代移动通信和下一代互联网。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中，“新一代宽带无线移动通信网”被确定为16个重大科技专项之一。该专项重点研究面向增强型3G和4G技术，实现两个突破——突破核心技术，突破核心芯片；拓展两个市场——拓展国际、国内市场。

中国移动作为GTI的发起者，积极推动TD-LTE产业的发展。根据全球TD-LTE发展倡议组织（GTI）2012年2月在巴塞罗那宣传，全球已经有40多家运营商加入GTI，合作研究TD-LTE商用的频率、终端，多天线技术等八个关键技术，联合推动TD-LTE全球化商用部署。GTI计划在未来三年（即2015年）建设50万个基站，覆盖20亿人口。

中国移动已在香港获得2.6GHz FDD频率和30MHz 2.3G TDD频率牌照，并在香港正式开始LTE-TDD/FDD商业服务。融合了TDD与FDD的多模终端也是中移动2013年扩大规模试验的重点。TD-LTE和FDD-LTE融合发展将是大势所趋。

2LTE小区搜索原理

在LTE系统中，刚开机的终端，需要通过小区搜索过程获得目标小区标识，建立下行定时和载波频率同步，然后才能够监听广播信道和其他下行信道获取系统信息，并驻留到小区。小区搜索是一个频繁发生的物理层过程，如何快速地进行小区搜索，并登录到高质量的小区，是直接关系到通信速度和通信质量的关键部分。

2.1同步信号格式

协议中明确规定了同步信号的设计要求。

2.1.1主同步信号

主同步信号采用长度为62的频域Zadoff-Chu序列。三个PSS信号分别对应Zadoff-Chu序列的三个根值索引其生成公式如（1）：

在频域上，PSS信号占用系统带宽中央除去直流子载波以外的72个子载波，总共1.08MHz的带宽。PSS序列映射的62个子载波两边各预留了5个保护子载波，这些子载波上不传输任何信号。

在时域上，每个无线帧内以5mS为周期发送PSS。对于TDD帧结构，PSS映射到子帧1和子帧6的第三个OFDM符号。对于FDD帧结构，PSS映射到时隙0和时隙10的最后一个OFDM符号。

2.1.2辅同步信号

辅同步信号是由两个长度为31的M序列交织级联的方式产生的。SSS信号也是每个半帧发送一次，但是在一个无线帧内，前半帧和后半帧发送的SSS是不同的。辅同步信号产生公式为（2）：

对小区搜索过程描述如下：

（1）通过检测主同步序列（PSS）得到5mS的符号同步，并可以获得小区组内的具体小区ID。首先开机自检，在可能存在PSS的频段上检测信号强度如果用户保存了上次关机时的频点和运营商信息，则开机后会先在上次驻留的小区频点进行检测；如果没有，就要在LTE系统全带宽范围对做全段扫描，发现信号较强的频点。

（2）5mS的时隙同步后，向前搜索辅同步序列（SSS），SSS由两段31长度的随机序列组成，由于辅同步信号在时域不再保持良好的正交性，所以需要根据主同步信号检测得到的定时信息，找到辅同步信号样本变换到频域，再进行频域的相关运算得到。辅同步信号也是5mS发送一次，不同的是前后5mS发送的是不同的序列，因此接收到两个SSS就可以确定10mS的边界，达到了帧同步的目的。通过SSS携带的小区组信息，就可以得到完整的小区ID。由于不同的CP长度时，主辅同步信号的时域采样点间隔不同，从而可以判断CP类型。

（3） 小区搜索流程依据小区搜索目的不同而有所区分。对于初始小区搜索，终端需要解调小区的物理广播信道，获取系统带宽，天线配置和系统帧号等系统信息。对于邻小区搜索，终端不必解调邻小区的PBCH，而是测量新小区的参考信号（RS，RefereneeSIgnal）接收功率并上报给服务小区。

因此，小区搜索算法物理层设计的主要目的是对于PSS序列和SSS序列的同步检测，得到其包含的小区ID信息，并捕获初始的时间和频率同步误差。

3LTE小区搜索算法研究现状

LTE的小区搜索过程主要分为：频点盲搜、主同步信号检测和辅同步信号检测3步。下面分别介绍每步检测算法的研究现状。

首先介绍LTE频点盲搜算法的现状。文献[3]提供了一种根据RSSI值的高低顺序进行频点盲搜的方法，该方法基于一般小区所在频点的RSSI值较高的特点，根据频段内各个频点的RSSI值的大小进行排序，优先搜索RSSI值高的频点，从而提高小区搜索的速度。

为了加快初搜速度，文献[4]提出了一种先搜BA表（BA表指UE保存的在关机前所驻留的小区及其邻近小区的频点信息列表）上的所有频点，如果不成功，再搜所有频点。在选择BA表上的频点时，若BA表上的频点很多，UE可以根据BA表上保存的频点信息生成各频点对应的本地主同步信号及本地次同步信号，对每个频点，UE接收数据并计算该频点本地同步信号与接收到的数据的相关功率值，按照各频点对应的相关功率值从大到小的顺序选择频点进行后续的同步过程，从而降低了小区初搜过程中选择BA表中频点的盲目性，有效缩短小区初搜的时间。文献[5]提出了一种频域检测算法，该算法将接收数据变化到频域后利用同步信号在频域只占有中心的62个子载波以及两边有5个空载波的特征进行检测，有效避免了TD-LTE中强上行信号导致RSSI值测量不准确的缺点。

主同步信号检测算法根据是否使用本地同步信号可以分为：自相关算法、互相关算法和混合检测算法。自相关检测算法利用一个无线帧中主同步信号的重复性，直接截取两个半帧的数据进行自相关运算，该算法具有复杂度低并且可以同时进行频偏估计，缺点是在低信噪比时定时估计误差较大。互相关检测算法将接收的数据与本地3个主同步信号进行相关运算，该算法与自相关算法比复杂度相对较高。在混合检测算法中，首先利用自相关算法获得粗定时和频率偏移，然后利用估计的频率偏移对接收信号进行补偿，最后采用互相关算法获得精确的定时位置。

对于辅同步信号的检测算法，文献[8]比较了时域辅同步信号检测算法和频域辅同步信号检测算法的性能。通过仿真验证，频域检测算法的性能更好些。文献[9]提出了采用哈达玛变换（Hadamard）来代替相关运算从而降低算法的复杂度。文献[10]提出了一种LTE FDD/TDD双模终端的初始小区搜索辅同步信号检测算法，该算法中采用相干检测算法，在TDD模式中性能有所下降。文献[11]介绍了相干检测算法和非相干检测算法，非相干检测采用分段相关的算法，该算法根据辅同步信号索引号之间的对应关系，减小了检测范围，从而降低了算法的复杂度。

4进一步的工作

在信息技术领域，由于移动互联网迅速发展带来的无线数据流量的爆炸性增长，产生了对宽带无线网络的巨大需求。在这种需求的驱动下，LTE技术得到迅猛发展。针对LTE小区搜索的研究已经有一些了，但目前小区搜索的算法仍存在不足，需要进一步进行研究。下面是本论文重点研究的内容：

（1）大频偏时小区搜索错误的问题。此问题的原因是PSS使用的ZC序列的自身特性引起的，ZC序列在进行相关运算时，在主峰旁边还有两个副峰，在大频偏时，副峰的幅度有可能大于主峰。目前该问题还没有很好的解决方法，需要进一步进行研究。

（2）目前小区搜索算法的复杂度仍然很高。基带芯片成为LTE产业发展的瓶颈。LTE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。需要在不影响性能的情况下进一步降低算法的复杂度，减少所使用的数据量。

（3）融合了TD-LTE和FDD-LTE的小区搜索。为了方便地实现全球漫游服务，便利的、可接受的数据漫游服务和丰富的、优质体验的业务，TD-LTE和FDD-LTE融合发展已是大势所趋。中移动表示，2012年扩大规模试验的重点，就是融合了TDD与FDD的“多模终端”。在终端芯片方面，TD-LTE与FDD LTE也要实现融合，而融合TD-LTE和FDD-LTE在一起的小区搜索又是最佳的方案。

（4）载波聚合的引入对小区搜索的影响。LTE R10已经发布，其中最重要的改进就是引入载波聚合技术，要求系统可以工作在100M的带宽，进一步提升上下行传输性能。目前分析载波聚合的引入会对频点盲搜产生影响，由于载波聚合的引入，特别是跨频段载波聚合，使得频点大大增加，进行全频点扫描的时间进一步延长，增加了小区搜索的时间，若次载波的功率大于主载波时，性能进一步恶化。需要进行相关的研究解决该问题。

参考文献

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