基于srsRAN的天地融合5G终端模拟器及实现方法

基于srsran的天地融合5g终端模拟器及实现方法
技术领域
1.本发明属于5g融合低轨卫星终端模拟器领域，特别是一种基于srsran的天地融合5g终端模拟器及实现方法。


背景技术：

2.随着移动流量爆炸式增长、设备的海量连接以及各种新场景的出现，催生出了第五代移动通信系统。卫星通信系统和地面通信系统可以形成良好的互补关系：卫星通信具有覆盖范围广、受地形和自然灾害等因素影响小等特点，因此一方面可以利用卫星通信在偏远地区等地面网络难以覆盖的区域实现通信；另一方面可以在地面网络受自然灾害等因素影响而被破坏时保证通信系统不被破坏；而地面5g系统与低轨卫星通信系统的融合，能够充分发挥两种通信系统的优点，实现全球无缝覆盖和无缝切换的网络。然而由于两种通信系统在网络架构、通信标准等方面存在巨大差异，因此现阶段两者仅仅达到了互联互通的程度。


技术实现要素：

3.为了使地面5g系统与低轨卫星通信系统能够无缝切换，本发明提供一种基于srsran的天地融合5g终端模拟器及实现方法。
4.基于以上背景，对5g空口信号在星地链路中的适用性问题展开研究，重点探索大多普勒频移场景下的时频同步技术，解决大频偏环境下的时频同步问题，并设计一种基于srsran nr协议栈的终端模拟器。
5.本发明提供一种基于srsran的天地融合5g终端模拟器实现方法，
6.在pss时频估计算法基础上，利用多个正交频分复用符号的循环前缀作为辅助信息以提升同步性能，通过先使用cp估计小数倍频偏，再使用pss估计完整的载波频偏；配合嵌入srsran开源项目中已有的5g nsa网络架构，即得到基于srsran的天地融合5g终端模拟器。
7.进一步的，使用cp估计小数倍频偏，再使用pss估计完整的载波频偏的具体方法为：
8.s1.从射频缓存接收基带信号，并进行抗混叠滤波处理；
9.s2.计算经s1处理的接收信号与k组本地同步序列的互相关结果，获得k个时频估计结果；
10.s3.对s2中的k个时频估计结果进行二维搜索，更新时频估计峰值；
11.s4.重复s1-s3直至遍历一整个无线帧，获得多个时频估计二维搜索结果；
12.s5.对s4获得的多个时频估计二维搜索结果进行一维搜索，寻找最大峰值对应的时偏估计值和整数倍频偏估计值
13.s6.计算s5搜索到的最大峰值对应的信噪比,若大于阈值则完成时间同步和频率粗同步，若小于阈值则重复s1-s6；
14.s7.利用多个ofdm循环前缀对经s1处理的接收信号对小数倍频偏进行估计；结合整数倍频偏完成频率同步。
15.进一步的，
16.所述s2中，多组本地同步序列生成方式为
[0017][0018]
其中，s
l
为经历长度为l的多径信道的主同步序列，vi为调制dpss矩阵ak的第i个特征值对应的特征向量；调制dpss矩阵ak的第(i,j)个元素可以表示为
[0019][0020]
其中
[0021][0022][0023]
将频偏搜索范围[ε
min
,ε
max
]分为k段，得到k个调制dpss矩阵ak和对应k组本地同步序列。
[0024]
一种基于srsran的天地融合5g终端模拟器，根据上述方法实现。
[0025]
一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由处理器加载并执行以实现如上述的基于srsran的天地融合5g终端模拟器实现方法。
[0026]
本发明的有益效果是：
[0027]
(1)本发明以软件无线电和usrp半实物通信仿真平台的方式实现了终端模拟器的设计，相较于硬件通信仿真系统，本发明具有成本低、易于优化的优势，避免了对专用通信硬件的需求；相较于软件仿真通信系统，软件仿真通信系统难以通过数学建模的方式还原复杂的星地链路通信环境，而本发明的终端模拟器可以采用真实信道进行实验；
[0028]
(2)相比现有技术，本发明将通过5g nr所用的ofdm信号的循环前缀实现粗时偏估计与整数倍频偏估计；并提出基于调制dpss矩阵的滑动相关算法，并通过特征值分解和近似计算方式有效降低大频偏环境下的时频同步的复杂度，以此优化时频同步算法；
[0029]
(3)本发明考虑的5g融合低轨卫星系统时频同步技术可以在无需更改现有nr地面移动通信标准的情况下利用nr同步序列设计了一种适用于星地链路时频同步技术，并搭建了面向5g融合低轨卫星的终端模拟器。
附图说明
[0030]
图1是本发明方法流程示意图；
[0031]
图2是本发明中天地融合5g终端模拟器功能架构；
[0032]
图3是本发明中下行同步算法流程；
[0033]
图4是srsran的基带iq信号接收同步流程。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0035]
本发提供一种基于适用于星地链路的5g终端模拟器，具体考虑了在大多普勒频移场景下的时频同步技术，以解决大频偏环境下的时频同步问题。卫星通信系统和地面通信系统存在许多显著差异，这也为空口技术的融合带来了许多挑战。其中最主要的就是低轨卫星的高速运动带来的大多普勒频移问题，这样导致为地面通信系统设计的5g传输方法不能直接应用到低轨卫星通信系统中。在融合通信网络中，为实现高速的数据传输，下行链路使用正交频分复用，因此符号定时同步与载波频率同步对保障其性能至关重要。通过对小区同步信号的接收，用户设备获取系统的符号定时、帧定时、频偏估计以及小区id等。考虑到地面通信系统设计的5g传输方法不能直接应用到低轨卫星通信系统，但地面移动通信流量爆炸式增长，为实现通信网络的全球无缝覆盖和无缝切换，需要在无需更改现有nr地面移动通信标准的情况下设计一种利用5g新型无线空口规定的同步序列在星地链路中实现较为准确的时频同步。
[0036]
m序列是线性反馈位移寄存器生成的二进制数字伪随机序列，该序列容易生成且具有良好的自相关和互相关特性，且对频率偏移并不敏感。同于lte系统选用的zc序列，nr选取m序列作为下行主同步序列的生成序列，定义的主同步信号主要用于获取小区组内物理层id及实现时频同步。接下来对5g nr的pss信号生成过程进行简要的介绍
[0037]
5g nr物理层协议规定pss生成序列d
pss
(k)在频域上占据连续127个子载波d
pss
(k)可表示为
[0038][0039]
其中表示取值范围为0～2的组内物理层小区id号，该参数是为了区分相邻小区的主同步序列。序列x(p)采用迭代方式生成，其生成式为
[0040]
x(p+7)＝(x(p+4)+x(p))mod2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0041]
序列x(p)的初值规定为
[0042][0043]
包含主同步信号的频域ofdm符号经过资源映射后可以表示为
[0044][0045]
其中k0表示频域映射位置起始子载波的序号。对序列d(k)作n点的快速傅里叶逆变换即可得到时域的同步信号s
pss
(n)
[0046][0047]
利用nr规定的pss同步序列，本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0048]
系统使用n＝1536个子载波，且对于每个ofdm时域发送符号，在其起始位置添加长
度为ng的循环前缀，以阻止isi并保护子载波之间的正交性。假设发送的第m个ofdm符号为sm(n)，其中n＝0,1,...,n+n
g-1，相应的接收信号rm(n)可表示为
[0049][0050]
其中，ε是对子载波间隔的归一化频率偏移，θ是对采样间隔的归一化时偏，h(l)是长度为l的多径信道的第l径的冲击响应，z(n)为接收端的加性高斯白噪声。
[0051]
接收信号去除循环前缀部分可以写作
[0052]rm
＝d(ε)smh+z (7)
[0053]
考虑m序列与其不同频偏的互相关特性，在规定频偏范围内的频点对接收信号进行频偏补偿。基于此将传统的时频二维优化问题转化为两个一维搜索问题,将优化问题转化为近似目标函数最大化问题，给出时偏估计目标函数的近似表达式：
[0054][0055]
将上式展开后可以得到如下形式：
[0056][0057]
其中
[0058][0059][0060]
参数ω、分别定义为
[0061][0062][0063]
可发现矩阵a可拆分成长球矩阵(prolate matrix)乘以调制系数，故可使用调制dpss矩阵对其进行特征分解，以降低估计算法复杂度。最终获得如下时频估计表达式：
[0064][0065][0066]
其中，vi为调制dpss矩阵的第i个列向量，为第i个本地同步序列。
[0067]
更进一步，当频偏搜索范围较大时，dpss辅助的时频同步算法(简称dpss算法)性能将会有所下降，所以将较大的频偏搜索范围分解为几个相对较小的频偏搜索范围，并在这几个范围见找到最大峰值位置，在不提高复杂度的情况下提高定时性能。即将频偏搜索
范围[ε
min
,ε
max
]分为k段，得到k个调制dpss矩阵ak和对应k组本地同步序列。
[0068]
在pss时频估计算法基础上，利用多个正交频分复用符号的循环前缀作为辅助信息以提升同步性能，通过先使用cp估计小数倍频偏，再使用pss估计完整的载波频偏，从而有效地降低估计复杂度。基于上述提出的适用于星地链路的下行时频同步算法，配合嵌入srsran开源项目中已有的5g nsa网络架构，便可设计面向5g融合低轨卫星网络的终端模拟器，负责实现终端高层协议处理和物理层基带信号处理。
[0069]
面向5g融合低轨卫星网络的终端模拟器负责实现终端高层协议处理和物理层基带信号处理。终端在刚开机时由于自身没有任何小区信息，首先要对基站发送的下行同步信号进行盲检。终端模拟器首先在下行链路接收中频信号，经过adc获得数字基带iq信号，然后完成对下行同步信号的峰值搜索，完成帧定时与并获取物理小区标识符2。然后进行ofdm符号解调、物理资源解映射等操作以接收物理广播信道、物理下行控制信道、物理下行共享信道信号。在完成下行信道信号接收和处理过程后，终端模拟器会将经过处理的信号发送至高层协议处理模块。在完成下行时频同步后，若终端高层有数据需要发送，则终端物理层将接收高层协议处理模块发送的tb，分别进行物理上行控制信道、物理上行共享信道信号的上行发送。其次终端物理层将对发送数据进行资源映射，得到频域信息并对其进行ofdm调制，同时根据下行帧定时信息和时钟信号通过上行随机接入过程发送prach信号，经过dac转换为中频信号发出。
[0070]
如图3所示，(1)ue开始接收下行空口数据，同时滑动窗开始工作对接收数据进行滑动截取并存储。srsran物理层每个tti从usrp接收并处理一个子帧长度数据，将初始状态的滑动窗长设置为14个ofdm时域符号数据长度；
[0071]
(2)连续接收半帧长度数据，并对截取数据进行初始同步dpss相关计算和相关结果峰值搜索。
[0072]
(3)在完成半帧数据的检测后，可以获得满足同步阈值的最大结果峰值位置，系统进入初始同步状态。此时将滑动窗起始位置调整到初始同步检测到的最大能量pss所在位置，截取该pss内的cp序列并计算频偏大小；
[0073]
(4)根据检测阈值和初始同步阈值的关系，记录同步帧数，若连续同步帧数达到3次，则系统进入跟踪同步状态。将跟踪同步的滑动窗长缩短为3个ofdm符号长度，同时利用跟踪同步算法进行计算以提高定时性能，并调整窗位置使得pss序列位于滑动窗的中心位置，为此需要根据低轨卫星通信系统的动态时延特性，预测pss序列的位置；
[0074]
(5)根据同步检测阈值和跟踪同步阈值的关系记录失步帧数，若连续失步帧数小于3，则继续按照跟踪同步流程搜索下一半帧数据；若连续失步帧数大于3，则返回初始同步状态，系统重新开始进行滑动搜索；
[0075]
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。