适于低信噪比信道环境半帧定时检测和CP类型检测方法与流程

本发明属于小区搜索同步技术领域，尤其涉及一种适于低信噪比信道环境半帧定时检测和CP类型检测方法。

背景技术：

LTE系统中的小区搜索包括：首先利用PSS检测获得半帧定时和扇区号；然后通过CP类型检测获得循环前缀的长度；最后通过SSS信号(Secondary Synchronization Signal)的检测获得小区组号，再由公式计算出所在小区号(Shun-Fang Liu,Pei-Yun Tsai.A Non-coherent Neighbor Cell Search Scheme for LTE/LTE-A Systems,2013IEEE Wireless Communications and Networking Conference(WCNC):PHY,2013)。现有的PSS检测和CP类型检测算法，半帧定时位置检测和CP类型检测是分开进行的；PSS检测中，互相关类型的半帧定时位置检测算法需要预存PSS信号的三种时域数据，而且参与互相关的运算量大，实现复杂度高；结构类型的半帧定时位置检测算法由于采用接收信号内部相关的方式，因而有较多的额外噪声干扰，性能方面存在劣势。传统算法中CP类型的检测是在半帧定时完成以后做独立的运算处理。

综上所述，针对上述技术所存在的缺陷，本发明旨在解决的技术问题是：现有的PSS检测和CP类型检测算法参与互相关的运算量大，实现复杂度高；有较多的额外噪声干扰，性能方面存在劣势。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种适于低信噪比信道环境半帧定时检测和CP类型检测方法，旨在解决现有的PSS检测和CP类型检测算法存在参与互相关的运算量大，实现复杂度高；有较多的额外噪声干扰，性能方面存在劣势的问题。

本发明是这样实现的，一种适于低信噪比信道环境半帧定时检测和CP类型检测方法，所述适于低信噪比信道环境半帧定时检测和CP类型检测方法对接收端首先根据符号函数进行符号映射；然后利用PSS序列在时域的中心对称性和SSS序列在时域的共轭对称性，以及在不同的CP类型下PSS序列与SSS序列的相对位置不同构建一种新的度量函数R_c(d)；得到度量函数后，在每一时刻，取从该时刻开始计数的K个度量函数值求加权平均，得到该时刻的动态门限；最后对比度量函数与对应的动态门限锁定定时位置，同时获得CP的类型；

所述度量函数R_c(d)的检测式如下：

其中式子的第一部分利用的是PSS信号的中心对称性，第二部分利用的SSS信号的共轭对称性。表达式中L_c表示PSS时域信号所在OFDM符号的长度，N是FFT的点数，M表示第一部分相关运算分为M段，M为能被N整除的整数，c表示循环前缀的类型，c＝0表示常规循环前缀，长度用N_nCP表示，此时L_c＝N+N_nCP，c＝1表示扩展循环前缀，长度用N_eCP表示，此时L_c＝N+N_eCP，d表示SSS信号的起始位置，表示循环前缀的估计值，表示半帧定时位置的估计值，y(d+n)、y(d+N-n)表示接收端在不同采样时刻经过符号映射后的数据值。

进一步，所述适于低信噪比信道环境半帧定时检测和CP类型检测方法包括以下步骤：

步骤一，根据扇区号生成PSS信号，再根据小区组号和扇区号生成SSS信号，从而得到两个用于同步的频域序列；

步骤二，利用步骤一初步得到的两个频域序列，分别对两个序列前后补零组成长度为N的频域序列，经过IFFT后形成两个OFDM信号，按照FDD格式放入数据帧；

步骤三，对接收信号数据Y(x)，由y(x)＝sign(Re(Y(x)))+j*sign(Im(Y(x)))得到对接收信号实虚部按符号位映射后的结果y(x)，其中Y(x)代表接收信号，Re(.)表示取复数数据的实部值，Im(.)表示取复数数据的虚部值，sign(.)表示取一个数据的符号位，如果数据大于0输出结果是1，小于0输出结果是-1；

步骤四，利用PSS序列在时域的中心对称性和SSS序列在时域的共轭对称性，以及在不同的CP类型下PSS序列与SSS序列的相对位置不同构建一种新的度量表达式R_c(d)，c表示循环前缀的类型，c＝0表示常规循环前缀，c＝1表示扩展循环前缀，d表示SSS信号的起始位置；

步骤五，根据步骤四得到的度量函数R_c(d)，由公式得到动态门限，其中G(m)表示m时刻动态门限的值，表示从m时刻开始计数的K个度量函数值的平均值，mul表示一个常数；

步骤六，将度量函数值与其对应的动态门限值进行比较，锁定定时位置同时获取CP的类型，依此机制，继续下一轮的搜索。

进一步，所述步骤一中，PSS信号的产生方式如下：

其中u由扇区号决定：

SSS信号的产生方式如下：

上式中0≤n≤30，参数m₀和m₁是由物理层小区组号根据规定计算得到的，c₀(n)和c₁(n)均为扰码序列，由m₀、m₁根据规定计算得到。

进一步，所述步骤二中，IFFT的点数是N，PSS信号和SSS信号按照FDD格式放入数据帧。

进一步，所述步骤三中，由公式y(x)＝sign(Re(Y(x)))+j*sign(Im(Y(x)))对接收数据进行符号映射，其中Y(x)代表接收信号，Re(.)表示取复数数据的实部值，Im(.)表示取复数数据的虚部值，sign(.)表示取一个数据的符号位，如果数据大于0输出结果是1，小于0输出结果是-1，y(x)是对接收信号实虚部符号映射后的结果，有四种数值±1±j。

进一步，所述步骤五中动态门限的获取方法：

任一时刻的动态门限是通过对从该时刻开始计数的K个度量函数值取加权平均得到的，获取公式为其中G(m)表示m时刻的动态门限值，表示从m时刻开始计数的K个度量函数值的平均值，mul表示一个常数，是度量函数均值的加权系数，加权系数mul取值应取在无噪声或有较高信噪比信道环境下所有可选系数中的最小值。

进一步，所述步骤六中对得到的度量函数值与对应的动态门限值进行比较，如果某一时刻的度量函数值大于该时刻的动态门限值，将这个函数值作为新的门限，从这个时刻起300个时刻点内若没有度量函数值比新门限值大就认为这个时刻是理想的定时位置，对应的CP类型是准确的，若有度量函数值大于新的门限则用该函数值更新门限值并记录该位置，继续判断该位置后的300个时刻点内是否有度量函数值比新门限值大，依此规律直到获得定时位置和CP的类型，依此机制，度量函数值继续与动态门限进行比较，进行下一轮的搜索。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述适于低信噪比信道环境半帧定时检测和CP类型检测方法的LTE系统。

本发明提供的适于低信噪比信道环境半帧定时检测和CP类型检测方法，根据扇区号生成PSS信号，再根据小区组号和扇区号生成SSS信号，从而得到两个用于同步的频域序列；分别在两个信号的前后补零组成长度为N的频域序列，经过IFFT后形成两个OFDM信号，根据FDD模式放入数据帧；对两个OFDM符号按实部虚部根据符号函数进行符号位映射；利用PSS、SSS序列在时域的对称性，构建关于滑动窗起始点的一种新的半帧定时和CP类型检测度量表达式；对度量函数进行加权平均得到动态门限值；将度量函数值与其对应的动态门限值进行比较，锁定定时位置同时获取CP的类型，按照这个机制继续下一轮的搜索；本发明可以同时获得半帧定时位置和CP的类型，优化了小区搜索的流程，由于使用数据符号位信息不需要数据本身参与运算，因而具有较低的复杂度，性能不会受到接收信号功率大小的影响。本发明在低信噪比下可以获得比传统算法更好的检测性能并且易于实现。

表1、表2比较了多径信道下传统算法与改进算法的CP类型检测准确概率和定时估计准确概率。

表1传统算法与改进算法CP检测性能比较

表2传统算法和改进算法定时性能比较

为了优化小区搜索方案以及降低小区搜索算法的复杂度，本发明在现有算法的基础上，加以改进，使得半帧定时和CP类型检测可以同时进行，省去了独立的CP类型检测模块，由于使用数据符号位信息不需要数据本身参与运算，因而具有较低的复杂度。本发明采用动态门限机制，易于实现，在低信噪比信道环境下可以获得比传统算法更好的检测性能。

本发明能够同时获得半帧定时位置和CP类型，简化了PSS检测和CP类型检测的流程；仅使用数据符号位信息不需要数据本身参与运算，因而具有较低的复杂度；采取动态门限的机制，保证定时位置所对应的度量函数值超过动态门限且最大，易于实现。

附图说明

图1是本发明实施例提供的适于低信噪比信道环境半帧定时检测和CP类型检测方法流程图。

图2是本发明实施例提供的FDD模式的帧格式图。

图3是本发明实施例提供的锁定半帧定时位置和CP类型的算法流程图。

图4是本发明实施例提供的高斯和多径信道环境下与传统算法在半帧定时位置检测、CP类型检测的性能比较示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的适于低信噪比信道环境半帧定时检测和CP类型检测方法包括以下步骤：

S101：根据扇区号生成PSS信号，再根据小区组号和扇区号生成SSS信号，得到两个用于同步的频域序列；

S102：分别在两个信号的前后补零组成长度为N的频域序列，经过IFFT后形成两个OFDM信号，根据FDD模式放入数据帧；

S103：对两个OFDM符号按实部和虚部，根据符号函数进行符号位映射；

S104：利用PSS、SSS序列在时域的对称性，构建关于滑动窗起始点的新的半帧定时和CP类型检测度量表达式；

S105：对度量函数进行加权平均后得到动态门限值；

S106：将度量函数值与其对应的动态门限值进行比较，锁定定时位置，同时获取CP类型，按照这个机制继续下一轮的搜索。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

需要说明的是，LTE系统使用f_s＝30.72MHz的采样速率，时域上两个采样值的时间间隔为T_s＝1/f_s秒，下行传输时一帧的时长是10ms，一帧包含有10个子帧，一个子帧包含两个相邻的时隙，一个时隙包含的OFDM符号的个数由循环前缀的类型所决定，当循环前缀为常规类型时，一个时隙包含7个OFDM符号；当为扩展类型时，一个时隙包含6个OFDM符号，本发明采用的是扩展类型的循环前缀。

如图1所示，本发明为一种适于低信噪比信道环境的半帧定时检测和CP类型检测方法，其特征在于可以在获得半帧定时位置的同时获得循环前缀的类型，所述方法包括以下步骤：

S1根据扇区号生成PSS信号，再根据小区组号和扇区号生成SSS信号，从而得到两个用于同步的频域序列；

S2利用S1初步得到的两个频域序列，分别对两个序列前后补零组成长度为N的频域序列，经过IFFT后形成两个OFDM信号，按照FDD格式放入数据帧；

S3对接收信号数据Y(x)，由y(x)＝sign(Re(Y(x)))+j*sign(Im(Y(x)))得到对接收信号实虚部按符号位映射后的结果y(x)；

S4利用PSS序列在时域的中心对称性和SSS序列在时域的共轭对称性，以及在不同的CP类型下PSS序列与SSS序列的相对位置不同构建一种新的度量表达式R_c(d)，c表示循环前缀类型，c＝0表示常规循环前缀，c＝1表示扩展循环前缀，d表示SSS信号的起始位置；

S5根据S4得到的度量函数R_c(d)，由公式得到动态门限，其中G(m)表示m时刻动态门限的值，表示从m时刻开始计数的K个度量函数值的平均值，mul表示一个常数；

S6将度量函数值与其对应的动态门限值进行比较，锁定定时位置同时获取CP的类型，依此机制，继续下一轮的搜索。

步骤S1中，PSS信号的产生方式如下：

其中u由扇区号决定：

SSS信号的产生方式如下：

上式中0≤n≤30，参数m₀和m₁是由物理层小区组号根据规定计算得到的，c₀(n)和c₁(n)均为扰码序列，由m₀、m₁根据规定计算得到。

步骤S2中IFFT的点数是N，PSS信号和SSS信号按照FDD格式放入数据帧，FDD模式下的具体帧结构如图2所示。

步骤S3由公式y(x)＝sign(Re(Y(x)))+j*sign(Im(Y(x)))对接收数据进行符号映射，其中Y(x)代表接收信号，Re(.)表示取复数数据的实部值，Im(.)表示取复数数据的虚部值，sign(.)表示取一个数据的符号位，如果数据大于0输出结果是1，小于0输出结果是-1，y(x)是对接收信号实虚部符号映射后的结果，有四种数值±1±j。

需要说明的是，步骤S4中，所用的检测式如下：

其中式子的第一部分利用的是PSS信号的中心对称性，第二部分利用的SSS信号的共轭对称性。表达式中L_c表示PSS时域信号所在OFDM符号的长度，N是FFT的点数，M表示第一部分相关运算分为M段，M为能被N整除的整数，c表示循环前缀的类型，c＝0表示常规循环前缀，长度用N_nCP表示，此时L_c＝N+N_nCP，c＝1表示扩展循环前缀，长度用N_eCP表示，此时L_c＝N+N_eCP，d表示SSS信号的起始位置，表示循环前缀的估计值，表示半帧定时位置的估计值，y(d+n)、y(d+N-n)表示接收端在不同采样时刻经过符号映射后的数据值。

步骤S5中，动态门限的获取方法：

任一时刻的动态门限是通过对从该时刻开始计数的K个度量函数值取加权平均得到的，获取公式为其中G(m)表示m时刻的动态门限值，表示从m时刻开始计数的K个度量函数值的平均值，mul表示一个常数，是度量函数均值的加权系数，加权系数mul取值应取在无噪声或有较高信噪比信道环境下所有可选系数中的最小值，这里较高信噪比信道环境表示信噪比大于100dB的信道环境。

步骤S6中，对得到的度量函数值与对应的动态门限值进行比较，如果某一时刻的度量函数值大于该时刻的动态门限值，将这个函数值作为新的门限，从这个时刻起300个时刻点内若没有度量函数值比新门限值大就认为这个时刻是理想的定时位置，对应的CP类型是准确的，若有度量函数值大于新的门限则用该函数值更新门限值并记录该位置，继续判断该位置后的300个时刻点内是否有度量函数值比新门限值大，依此规律直到获得定时位置和CP的类型，依此机制，度量函数值继续与动态门限进行比较，进行下一轮的搜索，算法流程图如图3所示。

下面结合实验对本发明的应用效果作详细的描述。

一、实验环境

仿真参数设置如下：系统带宽为20MHz，循环前缀类型为扩展循环类型，FFT的大小为2048，有效子载波个数为1200，循环前缀长度为512，信道采用高斯信道和多径衰落信道，多径衰落模型如下：路径数为9，路径时延分布在0～5000ns之间，相对功率分布在-1dB～-7dB；上述参数数据进行5000次的蒙特卡洛实验仿真，得到如图4所示的检测概率图。

二、实验内容与结果

实验一：高斯信道下半帧定时检测性能、CP类型检测性能的仿真

在高斯信道下对具体实施方式所述的半帧定时位置检测方法进行了计算机仿真，结果如图4(a)所示，可以看出在低信噪比环境下本发明的性能明显优于传统方案。本发明在信噪比为SNR≥-5dB的信道环境下半帧定时位置的检测正确率始终优于传统方案，具有更好的半帧定时检测性能。

在高斯信道环境下对具体实施方式所述的CP类型检测方法进行了计算机仿真，结果如图4(b)所示，可以看出在低信噪比环境下本发明的性能明显优于传统方案。本发明在信噪比SNR≥2dB信道环境下精确检测，具有更好的CP类型检测性能。

实验二：多径信道下半帧定时检测性能、CP类型检测性能的仿真

在多径信道下对具体实施方式所述的半帧定时位置检测方法进行了计算机仿真，结果如图4(c)所示，可以看出在低信噪比环境下本发明的性能明显优于传统方案。本发明在信噪比为SNR≥3dB的信道环境下即达99％以上的检测正确率，具有更好的半帧定时检测性能。

在多径信道下对具体实施方式所述的CP类型检测方法进行了计算机仿真，结果如图4(d)所示，可以看出在低信噪比环境下本发明的性能明显优于传统方案。本发明在信噪比SNR≥4dB信道环境下精确检测，因而具有更好的CP类型检测性能。

本发明可以同时获得半帧定时的位置和CP的类型，在低信噪比信道环境下可以获得比传统算法更好的检测性能，由于仅使用数据符号位信息不需要数据本身参与运算，因而具有较低的复杂度，本发明采取动态门限的机制，保证定时位置所对应的度量函数值超过动态门限且最大，易于实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。