LTE小区搜索算法

LTE 系统中同步和小区搜索问题概述

摘要：

在移动通信系统中，小区初始搜索是LTE 系统一个非常关键的过程，处于物理层过程的第一步。通过该过程，用户终端（UE ）可以搜索到一个可用的小区，并获得符号同步和帧同步。只有在完成小区初搜以后，UE 才能后获取本小区更详细的信息（包括确定时间和频率参数）以及邻近小区的信息，才可以监听寻呼或发起寻呼。 关键词：小区搜索；同步；LTE

0 引言

3GPP 长期演进（LTE ）是近两年来3GPP 启动的最大的新科技研发项目，这种以OFDM 为核心的技术可以被看作“准4G ”技术。由于OFDM 在频域把信道分成许多正交子信道，各子信道的载波间保持正交，且频谱相互重叠，这样就减小了子信道间的干扰，提高了频谱利用率。但是，OFDM 系统对载波频率偏移非常敏感，很小的频率偏移都可能破坏子载波间的正交性，从而产生载波间干扰(ICI)以造成系统性能的严重下降。OFDM 系统中的载波频率偏移主要是由于发射接收机之间的振荡器频率不匹配和多普勒频移所引起的。因此，在OFDM 系统中，频率偏移估计的准确性至关重要。这也对同步和小区搜索提出了要求。

1. 主同步信号（PSS ）

PSS 由长度为63的频域ZC 序列组成，中间被打孔打掉的元素师为了避免直流载波。PSS 序列到子载波的映射关系如下：

d(0)d(30)d(31)d(61)

Sub-carrier Index

图1 PSS 序列到子载波的映射关系

主同步信道的特征：

1） 由长度为63的频域ZC 序列组成。

2） 一共有3个PSS 序列，分别对应于扇区ID ：0、1、2

3） 特性：对频偏的敏感性低，在+/-7.5kHz 的频偏内，自相关性

和互相关性都很好。

主同步信道的检测：

1） 时域相关算法。

2） 频域相关算法：相关->卷积 ->频域相乘。

3） 对于更大的频偏，可考虑分段的方法来消除频偏的影响

4） 基于时域相关性检测PPS 定时

ZC 序列的生成公式如下：

(1)63(1)(2)630,1,...,30()31,32,...,61un

n j u u n n j e n d n e n ππ+-++-?=?=??=?

该公式可用于计算最大相关的时间偏移。

2. 辅同步信号（SSS ）

SSS 序列式基于成为M 序列的最大长度序列，即通过长度为n 的一维寄存器循环移位得到长度为2n-1的序列。

每个SSS 序列由频域上两个长度为31的BPSK 调至辅助同步码交错构成，即SSC1和SSC2,如图2所示：

图2 SSS 映射序列

SSS序列有良好的频域特性，允许的频偏大于+/-7.5kHz。在时域上，由于扰码的影响，SSS序列的任循环移位的互相关性没有传统M序列号（其互相关值为-1）。

辅同步信道的检测：

1）得到无线帧10ms定时，获得小区组ID及小区ID

2）由于已知PSS信道，一般采用相干检测。即利用PSS信号进行信道估计，得到SSS的估计序列。

3.LTE中的小区搜索

对于蜂窝移动通信系统来说，当用户终端（UE）开机后，首先需要搜寻周边小区，然后选择合适的小区注册。UE只有在注册到合适的小区后，才能后获取该小区及邻近小区更详细的信息，以便发起其他的物理层过程。因此，小区搜索对于LTE（Long Term Evolution,长期演进）研究来说是一个重要方面。

3.1小区搜索中的定时同步

小区搜索过程中，首先需要解决的问题就是定时同步，只有确定OFDM符号的起始位置，才能进行正确的FFT解调。根据LTE TDD系统的无线帧中包括主，辅两种下行同步信号，并且他们都具有良好的自相关特性。因此基于相关的方法是小区搜索过程中值得考虑的。通常基于相关的定时同步可以分为基于自相关的定时同步，和基于互相关的定时同步。用主同步信号进行粗同步的时候，我们选择采用自相关的方法。

由于主同步信号是由ZC序列生成的，具有良好的相关性，在建立下行同步的过程中，主要是利用到了ZC序列的性质，用本地的主同步信号与采样数据进行滑动相关。

将同步分为粗同步和精同步。由于主同步信号是由ZC序列生成的，具有良好的相关性，正是基于LTE-TDD系统无线帧结构中主、次同步信号的良好自相关性和不同的自相关周期特性。粗同步用本地PSS和接收序列相关的方法（简称互相关方法）。

3.2初始小区搜索中的AGC调整步骤与策略：

同一个构架下，满足初始小区搜索及切换中的指定小区搜索等的要求，过程可配置。小区搜索步骤如下所示：

这里AGC指的是对射频增益的调整，而不是指对数字域的幅度调整。此时对于初始小区搜索，小区信号强度对于终端是未知的。在干扰问题上小区搜索可能受到其他终端干扰的问题。接收增益调整过程中一般会带来接收性能变差（10us左右）。初始AGC调整完成后，常规AGC调整贯穿以后的处理流程。

3.3关于定时调整的算法及实现：

在定时信息获得中的方法主要是PPS和参考信号法：利用PSS时域相关可以得到定时信息，由于PSS占用带宽较少，所以定时精度不是很高。利用参考信号等的信道冲击响应也可以获得定时信息。对于关于定时调整的实现，一般的专用基带芯片的实现方法是调整接收的定时时刻。第一次的帧头位置调整，会影响整个的处理时序，需改变中断的触发时刻，改变AGC/AFC的调整时刻，改变待处理的数据的地址。对于处理过程中的细定时调整，需贯穿整个处理过程。

3.4小区搜索相关的问题及性能指标

搜索灵敏度：

利用多帧数据合并后再进行处理，一般N>=4就可以了

虚检概率：

虚检概率，检测出一个不存在的小区，设置合适的门限，利用峰均比

等将虚检剔除。通过多次检测，按照投票法则。

漏检概率：

漏检概率，本该检出的小区却没有检测到，通过多次检测，按照投票法则。

4.结束语

本文简要介绍了LTE系统中的同步问题和小区搜索过程，这是用户终端（UE）可以搜索到一个可用的小区时必须要考虑的问题，经过这些阶段，UE可以确定时间和频率参数，这对解调下行链路信号和传输具有精确定时的上行链路而言是必须的。这一过程UE也可以获得一些关键系统参数。

文中对同步要求进行了阐述，首先是符号定时的捕获，通过它来确定符号起始位置；其次是载波频率同步，需要用载波频率同步来减少或消除频率误差的影响；第三是采样时钟的同步。同时对小区搜索做了介绍，主要对搜索过程的策略步骤做了简要说明，对搜索的具体实现方式予以概述性介绍，同时给出了搜索性能的评价指标。

参考文献

[1] StefaniaSesia ,IssamTouflik . LTE-UMTS长期演进理论与实践[M] . 人民邮电出版社. 2009

[2] 王慧颖. TDD-LTE系统小区搜索的研究[J] . 中国科技论文在线

[3] 盛渊,罗新民. LTE 系统中小区搜索算法研究[J] . 通信技术:42(03):90-92.

[4] 王大飞,拉盖施.一种LTE TDD 系统的小区搜索设计方案[J].电信技术.2006