基于信号相似度的LTE系统定时同步算法

陈发堂, 曾　雄

(重庆邮电大学 重庆市移动通信重点实验室, 重庆 400065)

基于信号相似度的LTE系统定时同步算法

陈发堂, 曾雄

(重庆邮电大学 重庆市移动通信重点实验室, 重庆 400065)

摘要:为了快速精确地完成小区搜索过程，对主同步信号(Primary Synchronization Signal，PSS)时域互相关算法加以改进，设计一种基于信号相似度的定时同步算法。重点改善定时同步过程中的精同步过程。在完成粗同步过程并获取PSS信号的粗略位置后，利用循环前缀信号所包含的冗余信息,确定PSS的精确位置，进而完成定时同步过程。原理分析和仿真结果均显示，改进算法可简化定时同步过程的计算复杂度，且满足TD-LTE系统小区搜索性能要求。

关键词:TD-LTE；主同步信号；小区搜索

小区搜索是系统建立下行链路的第一步。在该过程中，用户设备(UserEquipment，UE)获得其所在小区的物理地址，并取得与其基站的时域同步和频域同步。UE在完成小区搜索后，将获得小区的下行同步信息及与位置有关的特定标识符号，作为后续随机接入过程的重要参数[1]。驻留在已选定的小区后，UE将对物理广播信道进行解信道，并获得系统信息[2]。之后，UE对跟踪区域进行注册，并接受寻呼信道中的寻呼信息，进行无线资源控制(RadioResourceControl,RRC)链接。作为终端接入长期演进(LongTermEvolution,LTE)系统的第一步工作，小区搜索性能的好坏和搜索复杂度对系统十分重要[3]。

定时同步算法主要有基于循环前缀(CyclicPrefix，CP)的最大似然(MaximumLikelihood，ML)算法，和基于主同步信号的相关算法[4-6]。为了缩短小区搜索时间，降低实现复杂度，本文拟综合这两类算法，给出一种改进方案，即利用主同步信号同步相关算法进行粗通同步，获得主同步信号(PrimarySynchronizationSignal，PSS)序列的大概位置,并利用CP所包含冗余信息的相似性[7]进行精同步，获取PSS序列的精确位置。

1主同步信号

在LTE系统中，存在504个独立的物理小区地址，分别被划分为168组，每组3个。每个物理层小区地址可以由物理层小区地址组内号N1和物理层小区地址组号N2唯一表示为

N=N1+3N2。

在分时长期演进(TimeDivisionLET,TD-LTE)系统中，PSS由长度为62的Zadoff-Chu序列在频域内生成，共有3组，通过根指示序列u进行区分。Zadoff-Chu序列是非二进制的恒定幅度序列，具有良好的自相关特性[8]。PSS生成如

Zadoff-Chu序列的根序列指示u值如表1所示，它和n1一一对应。

表1　根序列指示u

在TD-LTE系统中，PSS位于系统无线帧的子帧1和子帧6的第3个正交频分复用 (OrthogonalFrequencyDivisionMulti-plexing，OFDM)符号中。对于不同的系统带宽，PSS所占的带宽相同，为频带中心的1.08MHz带宽。PSS信号占用62个子载波，两边各留5个子载波作为保护带。

2定时同步算法

2.1PSS相关算法

当系统带宽为20MHz时，下行OFDM符号的采样点为2048点，计算量大，因此在计算PSS前先对本地生成同步序列和接受序列进行一定倍数的降采样处理。LTE系统的最大和最小带宽配置分别为20MHz和1.4MHz，对应的快速傅氏变换(FastFourierTrans-formation，FFT)点数为2048点和128点，故降采样倍数为16倍。

从中找到3组相关序列的最大值，根据最大值的位置和对应同步序列可以确定同步序列的大致位置和小区组内地址号N1的值。这就是粗同步过程。

经过粗同步过程，可以确定PSS同步序列的大致位置，理论上为粗同步点前后16点。要准确确定PSS的起始位置，还需进行精同步计算，即在非降采样的情况下对定时粗同步点前后的数据进行对称相关运算。为保证运算的准确性，将精同步的滑动窗定为粗同步点前后64点，进行128次自相关计算得到峰值位置，然后再加粗同步点就得到PSS符号的起始位置。

2.2算法改进

CP信号时域分部如图1所示，其中虚线部分为PSS同步序列的数据，前端CP数据为PSS后端512点或者144点的补偿。信号r1与r2,信号r3与r4皆高度相似，故可利用CP信号与PSS尾端信号的这种相似性，判断CP信号的位置和CP信号类型，进行判断PSS信号的精确位置。

图1　CP信号时域分部

对于两个离散信号

x=(ξ1,ξ2,…),y=(η1,η2,…),

若其相似，则存在参数λ，使得

x≈λy。

能量误差

令其最小 ，由

可得

此时的最小能量误差为

最小相对能量误差为

由柯西-斯瓦茨不等式知，0≤|Rxy|≤1，且|Rxy|越大，Qmin越小，x和y越相似。

以粗同步点前64点作为PSS起始位置，分别取信号r1、r2、r3和r4对应的数据段(图1)，对r1和r2，r3和r4进行相似度分析，求得Rr1r2和Rr3r4。依次将PSS起始位置向后逐点滑动，重复此相似度分析过程，直至PSS起始位置滑动至粗同步点后64点为止。比较求出的所有Rr1r2和Rr3r4，找出最大者，其相应的PSS起始位置即要求的精同步点位置。取

比较该位置对应的Rr1r2和Rr3r4:若Rr1r2>αRr3r4，则CP为常规型;若Rr1r2≤αRr3r4，则CP为拓展型。

由于CP信号是由PSS信号尾端信号添加的，故可近似地取λ≈1，从而，能量误差

为简化硬件实现复杂度，直接将信号r1和r2，r3和r4进行能量误差计算，求得

用以替代Rr1r2和Rr3r4。

3算法复杂度

在粗同步计算阶段，最坏情况下要计算半帧共15 300个点的数据，降采样过后，运算数据为9 600个点，且将3组本地PSS与接受序列进行相关，所需周期数为9 600×128×3。

在精同步计算阶段，原始方案利用PSS序列做2 048点的相关，共128次，故所需的周期数为2 048×128。然而，改进方案利用CP序列，其长度为144，求出两种CP的能量误差，共128次，所需的周期数为144×128×2。

改进方案较之原始方案，可大幅地减少运算周期，避免复杂的相关运算。改用求信号能量，即可减少硬件开销，利于硬件实现，也可同时检测出CP类型。

原始方案与改进方案在最坏情况下算法复杂度的比较如表2所示。

表2　同步算法时间复杂度比较

4仿真结果及分析

搭建Matlab仿真链路，相关参数如表3所示。

表3　系统仿真参数

在TD-LTE系统中，PSS位于系统无线帧的子帧1和子帧6的第3个OFDM符号中，故检测的PSS位置应为子帧1的第3个OFDM符号。理论上的PSS定时同步点为

30 720+2 048×2+160+144×2=35 264，

而MATLAB仿真是从1开始计数，故理论同步点应为36 265。

(a) 第1组本地PSS序列

(b) 第2组本地PSS序列

(c) 第3组本地PSS序列

原始精同步计算仿真结果如图3所示。相关峰值位置为49，结合粗同步点可知精同步点为

25 280+64-49=25 265，

与理论位置相符。

图3　原始精同步过程序列相关

改进方案的精同步计算仿真结果如图4所示。在常规CP情况下，出现明显最低峰值，最低峰值位置为49；在拓展CP情况下，无明显最低值。精同步点为

35 280+64-49=35 265，

与理论位置相符。

(a) 常规CP信号

(b) 拓展CP信号

在归一化频偏为0.33的高斯白噪声环境下，改进算法和原始算法的性能对比如图5所示。当信噪比达到-5dB时，两种算法的错误检测概率均达到10-3量化级。在高斯白噪声信道环境下，改进算法能够满足LTE系统对小区搜索性能的要求。

图5　算法性能对比

5结语

讨论PSS定时同步算法并对其加以改进。相较于原始PSS定时同步算法，着重改善其精同步部分，利用CP信号的相似性，用比较信号能量误差的方法取代原来较为复杂的相关运算，可降低运算复杂度和硬件实现复杂度。仿真结果表明，改进算法满足LTE系统小区搜索的性能要求。

参考文献

[1]王丹, 石伟萍.TD-LTE系统小区搜索PSS定时同步的研究[J] .电子技术应用,2013,39(1):55-58.

[2]陈发堂, 滕旺.基于对称相关的TD-LTE系统时频同步联合估计算法[J].信息与控制,2013,42(3):294-298.

[3]沈嘉,索士强,全海洋,等.3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计[M].北京:人民邮电出版社,2008:10-15.

[4]BUVANESWARAN R, SRIKANTH S. Cell Search and Uplink Synchronization in LTE[J].International Journal of Scientific and Engineering Research, 2013,4(5):1011-1016.

[5]COULSON A J. Maximum likelihood synchronization for OFDM using a pilot symbol: Analysis[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communication,2001,19(12):2495-2503.

[6]PATIL S, UPADHYAY R. A Symbol Timing Synchronization Algorithm for WiMAX OFDM[C]//Proceeding of Computational Intelligence and Communication Networks (CICN).Gwalier:IEEE,2011:78-82.

[7]LINDOFF B, RYDEN T, ASTELY D. A robust search algorithm for 3GPP LTE[C]//Proceeding of European Wireless Conference.Aalborg:IEEE,2009:303-307.

[8]YANG X M.PSS based time synchronization for 3GPP LTE downlink receivers[C]//Proceeding of IEEE International Conference on Communication Technology.Jinan:IEEE,2011:930-93.

[责任编辑:瑞金]

DownlinktimingsynchronizationalgorithmbasedonsignalsimilarityinLTEsystem

CHENFatang,ZENGXiong

(ChongqingKeyLabofMobileCommunicationsProtocol,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China)

Abstract:In order to complete the cell search process more quickly and accurately, and to reduce the complexity of PSS timing cross correlation algorithm, a timing synchronization algorithm based on signal similarity is designed in this paper. The algorithm is focused on improving the accurate synchronization process of the timing synchronization process. After the accurate synchronization process is completed and the inaccurate point for PSS signal is estimated, the accurate point for PSS signal can be estimated according to the similarity of CP signal, and then the process of timing synchronization can be completed. Theory analysis and simulation results show that the algorithm can reduce the computational complexity in comparison with the PSS timing cross correlation algorithm，and the algorithm’s performance can meet requirements on cell search in TD- LTE system.

Keywords:TD-LTE system, primary synchronization signal(PSS), cell search

doi:10.13682/j.issn.2095-6533.2016.01.004

收稿日期：2015-08-11

基金项目：国家科技专项基金资助项目(2012ZX03001024)

作者简介：陈发堂(1965-)男，研究员，从事移动通信研究。E-mail: chenft@cqupt.edu.cn 曾雄(1991-)男，硕士研究生，研究方向为信息与通信工程。E-mail:1418557189@qq.com

中图分类号：TP929.5

文献标识码：A

文章编号：2095-6533(2016)01-0021-05