下一代演进移动通信系统主同步信道设计

文章编号 :1001 - 893X(2012) 03 - 0278 - 05下一代演进移动通信系统主同步信道设计 孙长印 ,姜静 ,卢光跃(西安邮电学院 通信与信息工程学院 ,西安 710121)摘 要 :为了解决下一代演进移动通信系统在异构网场景由于小区 ID 数量不足导致的小区 ID 模糊问题及小区间干扰问题 ,提出了一种主同步信道和序列设计方法 。其中主同步信道基于分级和非分 级的混合结构 ,主同步序列由具有恒包络零自相关特性的 Björck 序列的修正序列组成 。仿真结果表 明 ,与 IEEE 802 . 16m系统相比 ,设计的主同步信道由于采用的序列具有更低的相关值和峰均比 ,在小 区间干扰场景具有更小的误检测概率 。关键词 :移动通信系统 ;演进系统 ;同步信道 ;修正 Björck 序列 ;序列检测 ;主同步信道中图分类号 : TN929 . 53文献标志码 :Adoi :10 . 3969/ j . issn. 1001 - 893x. 2012 . 03 . 005Primary Synchronization Channel Design f or the EvolvedNext Generation Mobile Communication SystemsSUN Chang2yin , J IAN G J ing , LU Guang2yue( School of Telecommunication and Information Engineering ,Xian University of Posts andTelecommunications ,Xian 710121 ,China)Abstract :An optimum primary - synchronization channel ( P - SCH) design is presented for the evolved next generation mobile communication systems in heterogeneous network scenario where adequate cell IDs are needed to avoid the cell ID confusion and inter2cell interference . The proposed P - SCH assumes a hierarchical struc2 ture , and the sequences are modified Björck CAZAC sequences. Simulation results demonstrate that the new se2 quences with lower Peak Average Power Ratio ( PAPR) have good correlation properties and cell search perfor2 mance compared with IEEE 802 . 16m system.Key words :mobile communication system ; evolved system ; synchronization channel ; modified Björck sequence ;sequence detection ;primary synchronization channel演进移动通信系统 ,如 IMT - Advanced ,由于热点区域业务的快速增长 ,网络结构从单一的同构网演进 为异构网络 ( Heterogeneous Networks , HetNets) 1 。在 异构网络结构中 ,除了传统的宏蜂窝 ,还引入了低功 率的网络节点如微蜂窝和家庭基站 。因此 ,下一代1 引言在蜂窝移动通信系统中 ,同步信道是终端 (MS)开机后搜索的第一个信道 ,主要实现以下基本功能 :时间同步 、频率同步 、小区 ID 检测 。对于下一代的 收稿日期 :2011 - 09 - 28 ;修回日期 :2012 - 01 - 10基金项目 :国家自然科学基金资助项目 ( 61102047) ;陕西省自然科学基金资助项目 (2011JQ8027) ;陕西省教育厅自然科 学基金项目 (11J K1021) ;教育部新世纪优秀人才支持计划 ( NCET - 08 - 0891)Foundation Item :The National Natural Science Foundation of China (No. 61102047) ; The Natural Science Foundation of Shaanxi Province (2011JQ8027) ;The Natural Science Foundation of Education Department of Shaanxi Province(11J K1021) ; Program for New Century Excellent Talents in University of Ministry of Education of China (NCET - 08 - 0891)·278 ·第 52 卷孙长印 等 :下一代演进移动通信系统主同步信道设计第 3 期的演进系统的同步信道设计面临诸多挑战 :首先 ,同步信道设计必须提供大量足够多的小区 ID ,以便识 别系统中大量的低功率的网络节点如家庭基站 ,避 免出现物理层小区 ID ( PCI) 模糊问题2 , 导致从宏小区切换到家庭基站时 ,由于临近多个小区具有相 同的小区 ID ,切换操作无法进行 ; 其次 ,为了节省终 端功率和减少系统信令负载 ,期望终端在同步接入 的过程尽早识别小区类型 ,如宏基站 、家庭基站等 ; 第三 ,异构网络由于不同基站的功率 、覆盖不同 ,不同基站的控制信道 、业务信道的干扰问题非常突出 ,对同步信道设计也不例外 。 对下一代演进系统的同步信道设计 ,沿用目前LTE 系统3 - 4 同步信道的设计方法存在以下问题 : 第一 ,LTE 系统采用分级的同步信道 ( SCH) 设计 ,原 理上可以通过增加主同步序列 ( P - SCH) 数目从而 达到增加小区 ID 数目的目的 ,但是这种增加带来了时间同步算法复杂度的大大提高 ,使得算法无法实 现 ;第二 ,LTE 采用的恒包络零自相关 ( CAZAC) 序列是多相式相位序列 ,其缺点是存在整数频偏较大情 形的相位模糊问题5 ,即在大整数频偏的情况下 ,时间偏移和频率偏移不可分辨 ,为此只有采用限制频 偏工作范围的做法 。为了解决上述问题 ,本文首先提出一种新的主 同步信道设计 ,同步信道采用混合的分级和非分级 结构设计 ,以解决主同步序列数量增加时检测复杂度的问题 。在此基础上 ,提出新的主同步序列设计 。主同步序列由 Björck 序列的修正序列即 Modified Björck 序列组成 。Björck 序列是 CAZAC 序列 , 但不 是多相式相位序列 ,所以无相位模糊问题 。其次基 于四 相 残 差 Modified Björck 序 列 保 持 了 原 序 列 CAZAC 特性 ,具有低的相关性和峰均比 ,所以 ,在邻 小区干扰场景具有良好的检测性能 ,同时由于是二 进制整数序列 ,降低了系统复杂度 。Hierarchy 结构的 SCH 符号本身具有特殊的符号结构 ,即同步序列到 OFDM 符号的频域子载波映射采 用等间隔插入 ,形成时域具有 2 倍重复特性 ,终端据 此采用自相关法 ( 简称 AC 算法) 进行符号时间同 步 。为了弥补 AC 算法相对于互相关算法 ( 简称 CC算法) 的差距 ,P - SCH 精选 PAPR 低的序列 ,以便对P - SCH 符号进行能量抬高 ( Power Boost) 。P - SC H 序列设计序列设计过程如下 。(1) 母序列的产生母序 列 采 用 Björck 序 列 。长 度 p 为 质 数 的 Björck 序列是一类不为人们熟悉的 CAZAC 序列 ,也 被称为小字母的 CAZAC 序列 ,因为序列只有 3 个独立的取值6 - 7 。Björck 序列基于四相残差序列构 造 。令 R 为整数 ,则长度 p 为质数的四相残差序列采用勒让多序列构造如下 :2 . 2如果 k = 0 ( mod p)0 ,1 ,- 1 ,k2如果 k = R ( modp)(1)=p2 (如果 k R mod)p2 () 表示以 p 为模对 R2 取余数运算 。式中 , R mod pBjörck 序列构造如下 : ku k = e2i ( p )(2)其中 : 1 arccos () ,如果 p ( mod 4) = 11 +p=(3)arccos ( 1 - p) ,如果 p ( mod 4) = - 11 + p(2) Modified Björck 序列Björck 序列由于不是多相式相位序列 ,所以 ,没 有频率相位模糊的问题 , 同时 , 其 PAPR 较低 , 所以 Björck 序列同时具备 CAZAC 序列和伪随机 PN 序列 的优点 。但是 ,由于 Björck 序列是复数序列 ,序列同步检测时算法复杂度太高 ,为此 ,对 Björck 序列进行 改进 ,使其成为一个二进制整数序列 ,称为 Modified Björck 序列 。Modified Björck 序列与 Björck 序列的关 系如下 :2 同步信道设计2 . 1同步信道结构设计SCH 结构从大的方面分为分级 ( Hierarchy) 和非 分级结构 ( none - Hierarchy) 。本文采用分级和非分 级的混合结构 ,即整个同步信道采用分级构架 ,分为 主同步信道 P - SCH 和辅同步信道 S - SCH ,两者为 时分复用关系 ,位于不同的 OFDM 符号上 。而主同 步信道的符号结构为 none - Hierarchy 结构 。none -(4)b k = uRe k / | u Im k |式中 , uRe k 和 u Im k 是 u k 的实部和虚部 。Modified Björck 序列从严格意义上讲 , 不再是CAZAC 序列 ,但通过仿真发现 ,Modified Björck 序列 与原始 Björck 序列的序列性能非常接近 ,所以 ,Mod2 ified Björck 序列在保持了原 Björck 序列优良特性的·279 ·© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. www. teleonline . cn电讯技术2012 年基础上 ,同时具有二进制整数序列复杂度低的优点 。(3) M 个长度为 L 的 P - SCH 序列产生基于 Modified Björck 序列 , M 个长度为 L 的 P - SCH 序列产生如下 。第一步 , 设 P - SCH 序列的长度为 L , 则选择Björck 序列的长度 p 为最接近 L 的质数 ;第 二 步 , 设 M 个 P - SCH 序 列 为 P =N/ 2 - 1= r 3 ( d + m) r ( d + m + N / 2)P ( d)(9)m = 0N/ 2 - 1R ( d) = | r ( d + m + N / 2) | 2(10)m = 0式中 , r ( n) 为接收信号 。时间和部分频率估计和补偿完成后 ,进行序列ID 和整数频偏的估计 。 本文采用差分相关检测与整数频偏的联合估计 ,为此 ,令N - 1,且有 L > p ,则第 i 个序列第 k 个s0 , s1 ,样值为, sM - 1= Y ( k) Y 3 ( k - 1) Dj ( k + n)b ( 2 p + k - L -mod p ,当 k = 0 , 1 , , L - p - 1 ;i)(11)M n , jk = 03式中 , Dj ( k) = Pj ( k ) P j ( k - 1) ,而 Pj ( k ) 是本地的第 j 个 P - SCH 序列 ; Dj ( k + n) 是 Dj ( k ) 的 n 点移(5)si k =b ( p + k - L -mod p ,i)当 k = L - p , L位 ; Y k 是接收信号在第 k 个子载波处的值 。( )式中 , i 是第 i 个序列相对于母序列的循环移位 ;第三步 ,当 L < p 时 ,则第 i 个序列第 k 个样值为序列 ID 和整数频偏的联合估计 ( j , n ) 通过最大化下式得到 :(6)si k = b ( k -mod p ,i)k = 0 , 1 , L( n , j ) = arg max ( M n , j)(12)第四 步 , 假 设 系 统 最 大 的 整 数 频 偏 范 围 为nCFO ,则 M 个序列中 , 对任意两个序列 i 和 j , 其相n , j根据文献11 的分析 ,小区搜索过程中序列 ID检测和整数频偏的估计的运算量约占小区搜索单元 其他部分运算量的 20 倍 ,所以 ,降低小区搜索过程 中序列 ID 检测和整数频偏估计运算量的设计对于系统实现 、终端降功耗非常重要 。本文的序列设计对此的考虑体现在以下几个方面 :(1) 由于序列 Pj ( k ) 是二进制整数序列 , 所以 , 序列的差分 、相关运算中的乘法运算就可避免 ,从而 大大降低了运算的复杂度 ;(2) 由于序列 Pj ( k ) 是同一个母序列的循环移 位 ,所以 ,式 (12) 中 n , j 二维空间的搜索变成了一维 空间的搜索 ;(3) 运算量的进一步降低可通过下式实现 :N - 1对于母序列的循环移位i - j 满足下式 :| i - j| nCFO2 . 3同步序列检测算法同步序列 (小区 ID) 的检测过程如下 。(7)(1) 利用 P - SCH OFDM 符号的时域前后对称性关系 ,进行 OFDM 符号时间同步和部分频偏估计 、 补偿 。(2) Cell ID 和整数频偏的联合估计 。 对于时间同步 ,OFDM 系统的同步方法主要有自相关 ( Auto2correlation , AC) 和互相关方法 ( Cross2 correlation ,CC) ,AC 方法是利用一个 SCH 符号前后 两部分全同的特性 ,对前后两部分信号作自相关 ;而CC 方法利用本地产生的 P - SCH 时间序列与接收到的信号作自相关 。已经证明 ,CC 方法的性能优于AC 方法 , 但算法复杂度较高9 。所以 , 当 P - SCH只有一个序列时 , CC 方法的复杂度可以接受 ,但当 P - SCH 序列个数大于 8 时 ,此时 ,CC 方法的复杂度 过高 ,已经不能采用 。AC 算法很典型的算法是 Schmidl & Cox Algo2rithm10 ,其时间同步准则如下式所示 := Z ( k) Z 3 ( k - 1) Dj ( k + n)(13)M n , j其中 :k = 0Z ( k) = Y k / | Y k | + j Y k / | Y k |Re ()Re ()Im ()Im ()由于 Z ( k) 和 Dj ( k + n) 全部为二进制整数 ,所以 ,Mn , j的运算没有乘法运算 ,运算量得以进一步降低。3同步序列特性及系统性能仿真为了验证本文的序列设计方法的有效性 ,在此 采用 IEEE 802 . 16m系统 ( 简称 16m 系统) 的系统参 数设计 11 个 P - SCH 序列 ,并对设计的序列与16m 系统的主同步序列 ( PA 序列) 进行比较 。2P ( d) |M ( d) = |(8)R ( d) 2式中 , d 为样本序号 , P ( d) 是互相关部分 ,而 R ( d)是符号能量部分 。P ( d) 和 R ( d) 定义如下 :·280 ·© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第 52 卷孙长印 等 :下一代演进移动通信系统主同步信道设计第 3 期系统设计参数为 : 5 MHz系统带宽 ,采用 512 点的 FFT ,P - SCH 序列的长度为 216 ,序列到 OFDM 子 载波的映射为高系统覆盖和 AC 时间同步算法的性能 ;(2) 序列的互相关 : P - SCH 序列的互相关性决 定了干扰情形序列 ID 的误检率和漏报率 ;(3) 频域自相关 : 频域自相关旁瓣越小 ,越有利 于整数倍频偏情形序列 ID 的检测 。图 1 为依据本文设计的序列与16 m系统的主同 步序列 ( PA 序列) 特性比较 ,其中 ( a) 为序列的自相 关特性 , ( b) 为序列的互相关特性 ,而 (c) 则为序列的 PAPR 特性比较 。比较结果显示 :本文设计的序列与16m系统的 PA 序列比较 ,自相关 、互相关 ,以及 PA2PR 特性都优于16m序列特性 。S CarrierSet = 2 ×k + 41(14)式中 , S CarrierSet表示 P -SCH 占用的子载波 , k 为 0215 的序号 。子载波 216 为 DC 子载波位置 ,其上预置为零信号 。3 . 1同步序列特性设计的序列与 16m 系统的序列特性比较针对 下述 3 大特性进行 :(1) PAPR :因为 P - SCH 符号需要 Power boost 提(a) 自相关( b) 互相关(c) PAPR 特性图 1 本文序列与 802. 16m 序列性能比较Fig. 1 Properties of the proposed sequences compared with the sequence of 802. 16m PA目标小区接收信号的平均功率相对于干扰小区信号为 - 2 dB 。检测成功判据为 :如果检测的序列 ID 的 功率位于最大功率小区的3 dB范围之内 ,则小区 ID 搜索成功 。3 . 2序列检测性能仿真下一代演进网络干扰问题非常突出 ,为此 ,采用 两小区模型来仿真干扰情形 P - SCH 的检测性能 。 两小区中一个小区为目标小区 ,另一个为干扰小区 。 两小区模型也可用来仿真切换情形的 P - SCH 检测 性能 ,唯一的区别是 P - SCH 的序列 ID 是已知的 (从邻小区列表获得) 。其余小区的干扰的总体效果 采用高斯白噪声等效 。仿真信道模型采用 VA 信 道 ,如802 . 16m的评估文档建议的那样8 。收发端的 频率偏移为22 ppm 。其他仿真参数如表 1 所示 。表 1 仿真参数 Table 1 Simulation parameters 仿真参数取值载波/ GHz信道模型P - SCH 序列 频偏2. 5Typical Urban120 km/ hModified Björck 序列 ,质数 p = 19922 ppm图 2 S IR = 2 dB 时的序列 ID 检测错误率Fig. 2 Cell ID search failure rate when S IR = 2 dB图 3 是 S IR = 6 dB 时的序列 ID 检测错误率 。从两种干扰场景的仿真结果我们可以看到 ,本文设 计的序列检测特性优于 802 . 16m 序列 。·281 ·图 2 是 S IR = 2 dB时的序列 ID 检测错误率 ,误检率等于 1 - PO , PO 是检测成功率 , S IR = 2 dB表示© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. www. teleonline . cn电讯技术2012 年5Semiconductor M. On ZC - based PSC and Frequency OffsetR / / R1 - 072107. S. l . :Marvell Semiconductor ,2007.Kebo A , Konstantinidis I , Benedetto J J , et al . Ambiguity and sidelobe behavior of CAZAC coded waveformsC / / Pro 2 ceedings of 2007 IEEE Radar Conference . Boston : IEEE ,2007 :17 - 20.IEEE C802. 16m - 08/ 1084 ,CAZAC Sequence Codebooks for the802. 16m Synchronization Channel S.IEEE802. 16m - 08/ 004r4 , IEEE 802. 16m EvaluationMethodology Document ( EMD) S.Nagata S ,Kishiyama Y,Tanno M ,et al . Investigations of Synchro2 nization Channel Sequences in OFDM Based Evolved UTRA DownlinkC/ / Proceedings of 2007 IEEE 66th Vehicular Tech 2 nology Conference. Baltimore : IEEE ,2007 :1390 - 1395.Schmidl T M , Cox D C. Robust frequency and timing syn2chronization for OFDMJ . IEEE Transactions on Communi 2cations , 1997 , 45 (12) :1613 - 1621.Jieun Choi ,Minjae Park , Suhyun Cha , et al . 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IEEE802. 16m - 09/ 0010r2 , IEEE 802. 16m Amendment Working Document (AWD) S.6789图 3 S IR = 6 dB 时的序列 ID 检测错误率Fig. 3 Cell ID search failure rate when S IR = 6 dB104结论本文在对下一代演进系统同步信道设计需求分析的基础上 , 分析了在小区 ID 数目多时 LTE 系统 主同步序列设计思路所存在的问题 : 一是主同步序 列检测算法复杂度过高而无法实现 ,二是由于是多 相位 CAZAC 序列 , 所以大频偏时存在相位模糊问 题 。在此基础上 ,提出了一种新的主同步信道和序 列设计方法 。其中主同步信道基于分级和非分级的 混合结构 ,所以 P - SCH 可以采用低复杂度的 AC 算 法 ,从而解决了主同步序列数量增加时检测复杂度 高的问题 。主同步序列由 Björck 序列的修正序列 Modified Björck 序列组成 。Björck 序列是四相残差序 列 ,所以没有多相式相位序列在大频偏情形的时间 频率模糊问题 ,同时由于其为 CAZAC 序列 ,所以具 有低的相关性 ,从而在干扰场景具有良好的检测性 能 。Modified Björck 序列为保持原序列 CAZAC 特性 的二进制整数序列 ,并经过优选所以具有低的 PAPR 特性 。通过序列特性和干扰小区模型下与802 . 16m 系统对比仿真 ,结果表明设计的主同步信道由于采 用的序列具有更低的相关值和峰均比 ,在小区间干1112作者简介 :孙长印 (1963 ) , 男 , 陕西人 , 2000 年于西安电子科技 大学雷达信号处理重点实验室获博士学位 ,2001 - 2009 年在 中兴通信从事无线通信领域的研发和预研工作 ,2010 年在西安邮电学院从事教学和科研工作 ,现为副教授 ,主要研究方 向为下一代无线通信技术 ;SUN Chang2yin was born in Shaanxi Province , in 1963. He received the Ph. D. degree from Xidian University in 2000. From2001 to 2010 , he was a senior engineer at ZTE Corporation , where he worked on the R&D and pre - research of mobile communication systems. Since December 2010 , he has been with the Department ofCommunication and Information Engineering , College of Xian Postsand Communications , where he is currently an associate professor. His research direction is next generation mobile communication.Email : Changyin. Sun tom. com姜 静 (1974 ) ,女 ,陕西人 ,2009 年于西北工业大学获 通信与信息系统专业博士学位 ,现为西安邮电学院副教授 , 主要研究方向为下一代无线通信技术 ;J IANGJing was born in Shaanxi Province , in 1974. She re2 ceived the Ph. D. degree from Northwestern Polytechnical University in 2009. She is now an associate professor. Her research direction is next generation mobile communication.Email :jiangjing18 gmail . com卢光跃 (1971 ) ,男 ,河南人 ,1999 年于西安电子科技大 学雷达信号处理重点实验室获博士学位 ,现为西安邮电学院教授 ,主要研究方向为雷达信号处理和通信信号处理 。LU Guang2yue was born in Henan Province , in 1971. He re2 ceived the Ph. D. degree from Xidian University in 1999. He is now a professor. His research interests include radar signal processing and communication signal processing.Email : tonylugy 163. com扰场景具有更小的误检测概率 。关于 S -计考虑 ,将另文给出 。SCH 的设参考文献 :1Qualcomm. Heterogeneous Networks :R1 - 094224. S. l . :Qualcomm ,2009.General views R / /3 GPP TR 36. 902 ,Self2configuring and self2optimizing network use cases and solutionsS.Lindoff B ,Ryden T ,Astely D. A robust cell search algorithm for 3 GPP LTEC / / Proceedings of 2009 European Wireless Conference . Aalborg : s. n. ,2009 :303 - 307.Shen Y ,Luo T , Win M Z. Neighboring Cell Search for the LTE Systems C / / Proceedings of 2010 IEEE International Conference on Communications. Capetown : IEEE ,2010 :1 - 6.·282 ·234© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.