张德民，谭　博，黄　菲，杨　程，王　丹

(重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065)



LTE系统中一种串行的整数倍频偏和扇区检测算法*

张德民**，谭博，黄菲，杨程，王丹

(重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065)

在LTE系统中，用户终端(UE)在开机后首先会进行小区搜索。针对传统的小区搜索方案中整数倍载波频偏(ICFO)和扇区ID是通过利用主同步信号(PSS)进行联合检测这一问题，提出了一种串行的整数倍频偏和扇区ID估计算法。该算法利用PSS的对称性，将ICFO和扇区ID进行分开检测，通过对接收的频域PSS进行归一化差分相关，消除了信道的影响，从而增强了检测性能。将联合估计算法和提出的串行估计算法进行仿真对比，结果表明提出的算法相较于传统方法可以取得更好的检测精度，并且运算复杂度仅为传统方法的1/3。

LTE系统；小区搜索；串行检测；整数倍载波频偏；扇区ID；差分相关

1　引　言

3GPP长期演进(Long Term Evolution,LTE)能够提供较大的吞吐量和可靠的服务质量(Quality of Service,QoS)，即使在移动情况下也是如此。和其他蜂窝系统一样，LTE终端用户(User Equipment,UE)的初始接入过程也包含小区搜索操作，小区搜索主要用来与就近的基站建立连接。而且，在小区搜索的过程中，UE可以完成相关的同步工作，比如定时偏差和载波频率偏差的同步。因此，对于一个蜂窝通信系统来说，具有较好鲁棒性的小区搜索方案是必不可少的。

小区搜索方案一般分为3步[1-2]：首先，接收端利用循环前缀(Cyclic Prefix,CP)来进行小数倍载波频偏(Fractional Carrier Frequency Offset,FCFO)和粗定时同步的估计；然后，通过主同步信号(Primary Synchronization Signal，PSS)进行整数倍载波频偏(Integer Carrier Frequency Offset，ICFO )和扇区ID的联合检测；最后，进行精同步和小区组ID的估计。在第2步中，扇区ID只能在ICFO补偿之后进行检测，而传统的ICFO估计算法又需要先知道扇区ID，因此，现有的算法都是将ICFO和扇区ID进行联合检测[2-3]。现有的关于LTE小区搜索的研究大部分都集中在主同步信号和辅同步信号(Secondary Synchronization Signal，SSS)的检测上，通过对它们的检测可以完成小区搜索及下行同步的整个过程。

文献[4]运用PSS的相关性，提出了关于整数倍频偏的联合检测算法，由于其搜索空间较大，因此复杂度较高。文献[5]提出了一种基于PSS的整数倍频偏最大似然估计的算法，结合了矩阵运算和噪声方差等特性来进行估计，增加了运算复杂度，硬件难以实现。文献[6]提出了一种基于变换域的简化LTE小区搜索算法，通过时域和变换域的联合估计，但只有在较低信噪比时该算法的性能才有一定提高。另外，在小区搜索的过程中并没有进行信道估计，更别说信道补偿。为此，本文提出了一种串行的ICFO和扇区ID检测算法，通过利用PSS的对称性[7]，ICFO可以在不知道扇区ID的条件下进行估计。并且，本文提出的算法将联合检测的大小为21的搜索空间分离为大小为7和3的搜索空间，通过对接收的PSS进行归一化并差分相关，可以有效地消除由信道衰落引入的幅度和相位影响。

2　PSS信号与传输模型

LTE下行链路中，系统带宽的变化范围为1.4～20 MHz，采样率为1.92～30.72 Msample/s。虽然有6种不同的FFT大小，但所有的子载波间隔为15 kHz。LTE系统中，PSS采用频域Zadoff-Chu(ZC)序列生成，ZC序列具有良好的自相关特性。LTE系统中有3组可用的PSS，通过根序列指示u进行区分。PSS的生成方式如下：

(1)

表1　根序列指示u

在本文中，除了ZC序列的恒幅零自相关(Constant Amplitude Zero Auto Correlation，CAZAC)特性，还发现了PSS的对称性。通过利用PSS的对称性，可用增强小区搜索的性能。PSS的频域传输模型如图1所示。

图1　频域PSS传输模型

ZC序列索引值m和子载波索引值n之间的关系为

(2)

其中跳过了直流子载波。将n代替m代入式(1)中，可以得到第n个子载波上发送的PSS为

(3)

从式(3)中可以看出，正负子载波上传送的PSS数据是对称的，即对于n=1,2，…,31，存在任意的u值，使得Du(n)=Du(-n)。

在接收端，由于发送端和接收端的晶振不匹配以及多普勒频移，系统中会引入载波频偏[8]。

接收端接收的PSS数据不仅受到信道衰落的影响，还受到载波频偏的影响。例如：对于中心频率为2.5 GHz的蜂窝系统，如果晶振的不匹配达到±1.5×10-5，则引入载波频偏为±2.5个子载波间隔。如图1所示，经过FCFO补偿和定时粗同步后，接收的频域PSS序列表示为

Z(n)=H(n)Du(n-ε)+V(n)，

n=-31,…,-1,1,…31。

(4)

式中：H(n)和V(n)分别表示第n个子载波上的信道频率响应和加性高斯白噪声；Du(n-ε)表示根指示为u、ICFO为ε的频域PSS信号。从式(4)中可以看到，ε和u共同影响Z(n)，因此，传统的小区搜索方法中多采用联合检测算法。在下一节中，将引入本文提出的算法，对这两个参数分别进行检测。

3　串行的ICFO与扇区ID检测

本文提出的算法主要包含3步：首先，对相邻子载波上的归一化的频域PSS数据进行差分相关，从而消除信道衰落的影响；然后，利用式(3)中的对称特性，在不知道扇区ID的情况下进行ICFO估计；最后，对接收信号进行ICFO补偿，将发送端不同u值的PSS序列与接收的PSS序列进行相关，可以很容易检测出扇区ID。

由于PSS是基于ZC序列生成，因此也具有CAZAC特性，则归一化近似地消除了信道频率响应的幅度的影响。通过利用式(4)，归一化的接收PSS可以表示为

ejθH(n)Du(n-ε)。

(5)

式中：θH(n)是信道频率响应H(n)的相位。为了消除信道相位影响，本文假设相干带宽足够大，因此，相邻子载波上的信道频率响应是相似的。如后面所证明的，这个假设对于LTE信道模型来说是正确的[8]。在这个假设之下，相邻子载波上接收的归一化PSS的差分相关表示为

(6)

式中：(·)*表示复共轭操作。

(7)

(8)

显而易见，fε,u(ε)的值独立于根指示u，这就意味着ICFO可以在不知道根指示u的情况下被直接检测。因此，ICFO检测的判决准则定义为

(9)

读取天线端与LC谐振敏感器件互感耦合时相对于无耦合状态,读取天线端电压信号幅值将会减小。为了直观方便地检测读取天线端电压信号幅值的变化规律,制作无线无源转速信号拾取单元即包络检波器。本单元可以实现信号幅度包络特征提取即将电压信号的幅值的绝对值提取出来,既可以在示波器上直观显示出来也可以通过采集系统采集获得,进而通过测量相邻电压最低值间的时间间隔,实现常温环境下转速的测试。

(10)

(11)

由于本文提出的算法将ICFO检测和扇区ID检测分离开来，因此原来大小为21的搜索空间被减小为两个更小的搜索空间，其大小分别为7和3。式(10)中也利用了PSS的对称特性，从而减少了运算复杂度。而且，本文还发现根指示为29和根指示为34的发送PSS是共轭的，即

(12)

则扇区ID检测的运算复杂度可以进一步地减少。

特别地，一个复数乘法可以表示为

(a+bj)(c+dj)=((c+d)(a-b)+(bc-ad))

+(bc+ad)j。

(13)

这需要3个实数乘法和5个实数加法。在计算

(a+bj)(c+dj)*=((c-d)(a-b)+(bc+ad))+

(bc-ad)j

(14)

4　仿真结果与复杂度分析

表2　3种信道模型及其主要参数

图2和图3分别为本文算法与文献[1]和文献[3]中的算法在ICFO和扇区ID的估计性能对比。图2是不同信道环境下的整数倍频偏估计性能对比，从图中可以看到，随着信噪比的增加，3种算法的整数倍频偏估计的错误检测概率都呈现下降的趋势。当信噪比为2 dB时，两种算法的错误检测概率均达到了10-2量级。在相同的信道环境下，串行估计的性能较联合估计的要好很多。

图2　3种信道下的ICFO检测性能

图3所示为不同信道环境下扇区ID估计性能，从图中可以看到，随着信噪比的增加，3种算法的扇区ID的错误检测概率都呈现下降的趋势，性能相差不大。当信噪比为-5 dB时，3种算法在各种信道环境下的错误检测概率都达到了10-2量级，串行估计算法在3种信道中都要比联合估计的要好。

图3　3种信道下的扇区ID检测性能

为了对比这两种检测算法的运算复杂度，我们将所有的复数乘法和加法转换为实数乘法和加法。具体的运算复杂度对比在表3中列出。由于前面提到的对称特性和共轭特性，与文献[1]中的算法相比，本文提出的算法的实数乘法和实数加法分别减少了66.6%和69.4%。

表3　两种算法的复杂度对比

5　结束语

本文对LTE系统小区搜索过程中整数倍载波频偏ICFO和扇区ID的检测进行了研究，提出了一种串行的ICFO和扇区ID检测方法。该算法将传统的联合检测算法的搜索空间分离为两个更小的搜索空间，从而降低了运算复杂度并且提高了检测精度。由于本文是针对整数倍频偏来研究的，因此在未来的研究中，我们将频偏扩大为非整数倍频偏进行研究。另外，本文是对小区搜索过程中的小部分模块进行仿真验证，在接下来的工作中，我们将对小区搜索进行系统研究。

[1]TSAI P Y,CHANG H W.A new cell search scheme in 3GPP long term evolution downlink OFDMA systems[C]//Proceedings of 2009 International Conference on Wireless Communications & Signal Processing Conference(WCSP 2009).Nanjing:IEEE,2009:1-5.

[2]LIN J C,SUN Y T. Initial synchronization assisted from inherent diversity on LTE sector search process[C] // Proceedings of 2015 IEEE Wireless Communications and Networking Conference(WCNC). New Orleans,LA: IEEE,2015:1-5.

[3]SU S L,LIN Y C,FAN Y J. Joint sector identity and integer part of carrier frequency offset detection by phase-difference in long term evolution cell search process[J].IET Communications,2013,7(10):950-959.

[4]HUANG S,SU Y,HE Y,et al.Joint time and frequency offset estimation in LTE downlink[C]//Proceedings of 2012 7th International ICST Conference on Communications and Networking in China(CHINACOM). Kunming:IEEE,2012:394-398.

[5]MORETTI M,MORELLI M.A robust maximum likelihood scheme for PSS detection and integer frequency offset recovery in LTE systems[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2016,15(2):1353-1363.

[6]刘娜娜,赵新建. 基于变换域的简化LTE小区搜索算法[J].电讯技术,2010,50(8):81-85.

LIU Nana,ZHAO Xinjian.A simplified LTE cell search algorithm based on transform-domain[J].Telecommunication Engineering,2010,50(8):81-85.(in Chinese)

[7]WANG D,SHI W,LI X. Low-complexity carrier frequency offset estimation algorithm in TD-LTE[J].Journal of Networks,2013,8(10)：2220-2226.

[8]WU J Y,LIU J,CHEN J,et al.Cooperative interference mitigation for indoor dense femtocell networks[C]//Proceedings of 2012 7th International ICST Conference on Communications and Networking in China(CHINACOM). Kunming:IEEE,2012:93-98.

张德民(1955—)，男，广东梅州人，1988年于北京邮电大学获硕士学位，现为重庆邮电大学教授、硕士生导师，主要研究方向为通信与信息系统；

ZHANG Demin was born in Meizhou,Guangdong Province,in 1955. He received the M.S.degree from Beijing University of Posts and Telecommunications in 1988. He is now a professor and also the instructor of graduate students His research concerns communication and information system.

Email:zhangdm@cqupt.edu.cn

谭博(1990—)，男，河南商丘人，硕士研究生，主要研究方向为TD-LTE物理层算法及DSP开发；

TAN Bo was born in Shangqiu,Henan Province,in 1990. He is now a graduate student. His research concerns TD-LTE physical layer algorithm and DSP development.

Email:772807236@qq.com

黄菲(1991—)，男，重庆人，硕士研究生，主要研究方向为TD-LTE物理层算法及DSP开发；

HUANG Fei was born in Chongqing, in 1991. He is now a graduate student. His research concerns TD-LTE physical layer algorithm and DSP development.

Email:1712423608@qq.com

杨程(1990—)，男，湖北孝感人，硕士研究生，主要研究方向为TD-LTE物理层算法及DSP开发；

YANG Cheng was born in Xiaogan,Hubei Province,in 1990. He is now a graduate student. His research concerns TD-LTE physical layer algorithm and DSP development.

Email:385806120@qq.com

王丹(1981—)，女，重庆人，高级工程师，主要研究方向为TD-LTE物理层算法及DSP开发。

WANG Dan was born in Chongqing,in 1981. She is now a senior engineer. Her research concerns TD-LTE physical layer algorithm and DSP development.

Email:wangd@cqupt.edu.cn

A Serial Integer Carrier Frequency Offset and Sector Detection Algorithm in LTE Systems

ZHANG Demin，TAN Bo，HUANG Fei，YANG Cheng，WANG Dan

(School of Communication and Information Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

In LTE systems,user equipment,when it is booted,will perform a cell search firstly. For the conventional cell search scheme,the integer carrier frequency offset(ICFO) and sector identity(ID) are jointly detected by utilizing the primary synchronization signal(PSS).For this problem,this paper proposes a serial integer carrier frequency offset and sector ID algorithm. This algorithm makes use of the symmetry of the primary synchronization signal(PSS) and detects the ICFO and sector ID separately.Through normalized differential correlation of the received frequency domain PSS,the effect of channel is eliminated,thereby enhancing detection performance.Simulation comparison between the joint estimation algorithm and the proposed serial algorithm shows that the proposed algorithm can achieve better detection accuracy and the computational complexity is only 1/3 of that of conventional method.

LTE system;cell search;serial detection；integer carrier frequency offset；sector ID；differential correlation

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.10.018

2016-01-11；

2016-06-30Received date:2016-01-11；Revised date：2016-06-30

TN929.5

A

1001-893X(2016)10-1165-05

引用格式：张德民，谭博，黄菲，等.LTE系统中一种串行的整数倍频偏和扇区检测算法[J].电讯技术，2016,56(10):1165-1169.[ZHANG Demin，TAN Bo，HUANG Fei，et al.A serial integer carrier frequency offset and sector detection algorithm in LTE systems[J].Telecommunication Engineering,2016,56(10):1165-1169.]

**通信作者：zhangdm@cqupt.edu.cnCorresponding author：zhangdm@cqupt.edu.cn