下一代演進移動通信系統主同步信道設計?

孫長印，姜靜，盧光躍（西安郵電學院通信與信息工程學院，西安710121）

下一代演進移動通信系統主同步信道設計?

孫長印，姜靜，盧光躍
（西安郵電學院通信與信息工程學院，西安710121）

為了解決下一代演進移動通信系統在異構網場景由于小區ID數量不足導致的小區ID模糊問題及小區間干擾問題，提出了一種主同步信道和序列設計方法。其中主同步信道基于分級和非分級的混合結構，主同步序列由具有恒包絡零自相關特性的Bj?rck序列的修正序列組成。仿真結果表明，與IEEE 802.16m系統相比，設計的主同步信道由于采用的序列具有更低的相關值和峰均比，在小區間干擾場景具有更小的誤檢測概率。

移動通信系統；演進系統；同步信道；修正Bj?rck序列；序列檢測；主同步信道

1 引言

在蜂窩移動通信系統中，同步信道是終端（MS）開機后搜索的第一個信道，主要實現以下基本功能：時間同步、頻率同步、小區ID檢測。對于下一代的演進移動通信系統，如IMT-Advanced，由于熱點區域業務的快速增長，網絡結構從單一的同構網演進為異構網絡（Heterogeneous Networks，HetNets）［1］。在異構網絡結構中，除了傳統的宏蜂窩，還引入了低功率的網絡節點如微蜂窩和家庭基站。因此，下一代的演進系統的同步信道設計面臨諸多挑戰：首先，同步信道設計必須提供大量足夠多的小區ID，以便識別系統中大量的低功率的網絡節點如家庭基站，避免出現物理層小區ID（PCI）模糊問題［2］，導致從宏小區切換到家庭基站時，由于臨近多個小區具有相同的小區ID，切換操作無法進行；其次，為了節省終端功率和減少系統信令負載，期望終端在同步接入的過程盡早識別小區類型，如宏基站、家庭基站等；第三，異構網絡由于不同基站的功率、覆蓋不同，不同基站的控制信道、業務信道的干擾問題非常突出，對同步信道設計也不例外。

對下一代演進系統的同步信道設計，沿用目前LTE系統［3-4］同步信道的設計方法存在以下問題：第一，LTE系統采用分級的同步信道（SCH）設計，原理上可以通過增加主同步序列（P-SCH）數目從而達到增加小區ID數目的目的，但是這種增加帶來了時間同步算法復雜度的大大提高，使得算法無法實現；第二，LTE采用的恒包絡零自相關（CAZAC）序列是多相式相位序列，其缺點是存在整數頻偏較大情形的相位模糊問題［5］，即在大整數頻偏的情況下，時間偏移和頻率偏移不可分辨，為此只有采用限制頻偏工作范圍的做法。

為了解決上述問題，本文首先提出一種新的主同步信道設計，同步信道采用混合的分級和非分級結構設計，以解決主同步序列數量增加時檢測復雜度的問題。在此基礎上，提出新的主同步序列設計。主同步序列由Bj?rck序列的修正序列即Modified Bj?rck序列組成。Bj?rck序列是CAZAC序列，但不是多相式相位序列，所以無相位模糊問題。其次基于四相殘差Modified Bj?rck序列保持了原序列CAZAC特性，具有低的相關性和峰均比，所以，在鄰小區干擾場景具有良好的檢測性能，同時由于是二進制整數序列，降低了系統復雜度。

2 同步信道設計

2.1 同步信道結構設計

SCH結構從大的方面分為分級（Hierarchy）和非分級結構（none-Hierarchy）。本文采用分級和非分級的混合結構，即整個同步信道采用分級構架，分為主同步信道P-SCH和輔同步信道S-SCH，兩者為時分復用關系，位于不同的OFDM符號上。而主同步信道的符號結構為none-Hierarchy結構。none-Hierarchy結構的SCH符號本身具有特殊的符號結構，即同步序列到OFDM符號的頻域子載波映射采用等間隔插入，形成時域具有2倍重復特性，終端據此采用自相關法（簡稱AC算法）進行符號時間同步。為了彌補AC算法相對于互相關算法（簡稱CC算法）的差距，P-SCH精選PAPR低的序列，以便對P-SCH符號進行能量抬高（Power Boost）。

2.2 P-SCH序列設計

序列設計過程如下。

（1）母序列的產生

母序列采用Bj?rck序列。長度p為質數的Bj?rck序列是一類不為人們熟悉的CAZAC序列，也被稱為小字母的CAZAC序列，因為序列只有3個獨立的取值［6-7］。Bj?rck序列基于四相殘差序列構造。令R為整數，則長度p為質數的四相殘差序列采用勒讓多序列構造如下：

式中，R2（mod p）表示以p為模對R2取余數運算。Bj?rck序列構造如下：

（2）Modified Bj?rck序列

Bj?rck序列由于不是多相式相位序列，所以，沒有頻率相位模糊的問題，同時，其PAPR較低，所以Bj?rck序列同時具備CAZAC序列和偽隨機PN序列的優點。但是，由于Bj?rck序列是復數序列，序列同步檢測時算法復雜度太高，為此，對Bj?rck序列進行改進，使其成為一個二進制整數序列，稱為Modified Bj?rck序列。Modified Bj?rck序列與Bj?rck序列的關系如下：

式中，uRe［k］和uIm［k］是u［k］的實部和虛部。

Modified Bj?rck序列從嚴格意義上講，不再是CAZAC序列，但通過仿真發現，Modified Bj?rck序列與原始Bj?rck序列的序列性能非常接近，所以，Modified Bj?rck序列在保持了原Bj?rck序列優良特性的基礎上，同時具有二進制整數序列復雜度低的優點。

（3）M個長度為L的P-SCH序列產生

基于Modified Bj?rck序列，M個長度為L的PSCH序列產生如下。

第一步，設P-SCH序列的長度為L，則選擇Bj?rck序列的長度p為最接近L的質數；

第二步，設M個P-SCH序列為P= {s0，s1，…，sM-1}，且有L＞p，則第i個序列第k個樣值為

式中，τi是第i個序列相對于母序列的循環移位；

第三步，當L＜p時，則第i個序列第k個樣值為si［k］=b［（k-τi）mod p］，k=0，1，…，L（6）

第四步，假設系統最大的整數頻偏范圍為nCFO，則M個序列中，對任意兩個序列i和j，其相對于母序列的循環移位τi-τj滿足下式：

2.3 同步序列檢測算法

同步序列（小區ID）的檢測過程如下。

（1）利用P-SCH OFDM符號的時域前后對稱性關系，進行OFDM符號時間同步和部分頻偏估計、補償。

（2）Cell ID和整數頻偏的聯合估計。

對于時間同步，OFDM系統的同步方法主要有自相關（Auto-correlation，AC）和互相關方法（Crosscorrelation，CC），AC方法是利用一個SCH符號前后兩部分全同的特性，對前后兩部分信號作自相關；而CC方法利用本地產生的P-SCH時間序列與接收到的信號作自相關。已經證明，CC方法的性能優于AC方法，但算法復雜度較高［9］。所以，當P-SCH只有一個序列時，CC方法的復雜度可以接受，但當P-SCH序列個數大于8時，此時，CC方法的復雜度過高，已經不能采用。

AC算法很典型的算法是Schmidl＆Cox Algorithm［10］，其時間同步準則如下式所示：

式中，d為樣本序號，P（d）是互相關部分，而R（d）是符號能量部分。P（d）和R（d）定義如下：式中，r（n）為接收信號。

時間和部分頻率估計和補償完成后，進行序列ID和整數頻偏的估計。

本文采用差分相關檢測與整數頻偏的聯合估計，為此，令

式中，Dj（k）=Pj（k）P*j（k-1），而Pj（k）是本地的第j個P-SCH序列；Dj（k+n）是Dj（k）的n點移位；Y（k）是接收信號在第k個子載波處的值。

序列ID和整數頻偏的聯合估計（＾j，＾n）通過最大化下式得到：

根據文獻［11］的分析，小區搜索過程中序列ID檢測和整數頻偏的估計的運算量約占小區搜索單元其他部分運算量的20倍，所以，降低小區搜索過程中序列ID檢測和整數頻偏估計運算量的設計對于系統實現、終端降功耗非常重要。本文的序列設計對此的考慮體現在以下幾個方面：

（1）由于序列Pj（k）是二進制整數序列，所以，序列的差分、相關運算中的乘法運算就可避免，從而大大降低了運算的復雜度；

（2）由于序列Pj（k）是同一個母序列的循環移位，所以，式（12）中n，j二維空間的搜索變成了一維空間的搜索；

（3）運算量的進一步降低可通過下式實現：

由于Z（k）和Dj（k+n）全部為二進制整數，所以，Mn，j的運算沒有乘法運算，運算量得以進一步降低。

3 同步序列特性及系統性能仿真

為了驗證本文的序列設計方法的有效性，在此采用IEEE 802.16m系統（簡稱16m系統）的系統參數設計11個P-SCH序列，并對設計的序列與16m系統的主同步序列（PA序列）進行比較。

系統設計參數為：5 MHz系統帶寬，采用512點的FFT，P-SCH序列的長度為216，序列到OFDM子載波的映射為

式中，SCarrierSet表示P-SCH占用的子載波，k為0～

215的序號。子載波216為DC子載波位置，其上預置為零信號。

3.1 同步序列特性

設計的序列與16m系統的序列特性比較針對下述3大特性進行：

（1）PAPR：因為P-SCH符號需要Power boost提高系統覆蓋和AC時間同步算法的性能；

（2）序列的互相關：P-SCH序列的互相關性決定了干擾情形序列ID的誤檢率和漏報率；

（3）頻域自相關：頻域自相關旁瓣越小，越有利于整數倍頻偏情形序列ID的檢測。

圖1為依據本文設計的序列與16 m系統的主同步序列（PA序列）特性比較，其中（a）為序列的自相關特性，（b）為序列的互相關特性，而（c）則為序列的PAPR特性比較。比較結果顯示：本文設計的序列與16m系統的PA序列比較，自相關、互相關，以及PAPR特性都優于16m序列特性。

3.2 序列檢測性能仿真

下一代演進網絡干擾問題非常突出，為此，采用兩小區模型來仿真干擾情形P-SCH的檢測性能。兩小區中一個小區為目標小區，另一個為干擾小區。兩小區模型也可用來仿真切換情形的P-SCH檢測性能，唯一的區別是P-SCH的序列ID是已知的（從鄰小區列表獲得）。其余小區的干擾的總體效果采用高斯白噪聲等效。仿真信道模型采用VA信道，如802.16m的評估文檔建議的那樣［8］。收發端的頻率偏移為22 ppm。其他仿真參數如表1所示。

圖2是SIR=2 dB時的序列ID檢測錯誤率，誤檢率等于1-PO，PO是檢測成功率，SIR=2 dB表示目標小區接收信號的平均功率相對于干擾小區信號為-2 dB。檢測成功判據為：如果檢測的序列ID的功率位于最大功率小區的3 dB范圍之內，則小區ID搜索成功。

圖3 是SIR=6 dB時的序列ID檢測錯誤率。從兩種干擾場景的仿真結果我們可以看到，本文設計的序列檢測特性優于802.16m序列。

4 結論

本文在對下一代演進系統同步信道設計需求分析的基礎上，分析了在小區ID數目多時LTE系統主同步序列設計思路所存在的問題：一是主同步序列檢測算法復雜度過高而無法實現，二是由于是多相位CAZAC序列，所以大頻偏時存在相位模糊問題。在此基礎上，提出了一種新的主同步信道和序列設計方法。其中主同步信道基于分級和非分級的混合結構，所以P-SCH可以采用低復雜度的AC算法，從而解決了主同步序列數量增加時檢測復雜度高的問題。主同步序列由Bj?rck序列的修正序列Modified Bj?rck序列組成。Bj?rck序列是四相殘差序列，所以沒有多相式相位序列在大頻偏情形的時間頻率模糊問題，同時由于其為CAZAC序列，所以具有低的相關性，從而在干擾場景具有良好的檢測性能。Modified Bj?rck序列為保持原序列CAZAC特性的二進制整數序列，并經過優選所以具有低的PAPR特性。通過序列特性和干擾小區模型下與802.16m系統對比仿真，結果表明設計的主同步信道由于采用的序列具有更低的相關值和峰均比，在小區間干擾場景具有更小的誤檢測概率。關于S-SCH的設計考慮，將另文給出。

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SUN Chang-yin was born in Shaanxi Province，in 1963.He received the Ph.D.degree from Xidian University in 2000.From 2001 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 Departmentof Communication and Information Engineering，College of Xi′an Posts and Communications，where he is currently an associate professor. His research direction is next generation mobile communication.

Email：Changyin.Sun＠tom.com

姜靜（1974—），女，陜西人，2009年于西北工業大學獲通信與信息系統專業博士學位，現為西安郵電學院副教授，主要研究方向為下一代無線通信技術；

JIANG Jing was born in Shaanxi Province，in 1974.She received 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

盧光躍（1971—），男，河南人，1999年于西安電子科技大學雷達信號處理重點實驗室獲博士學位，現為西安郵電學院教授，主要研究方向為雷達信號處理和通信信號處理。

LU Guang-yue was born in Henan Province，in 1971.He received 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

Primary Synchronization Channel Design for the Evolved Next Generation Mobile Communication Systems

SUN Chang-yin，JIANG Jing，LU Guang-yue
（School of Telecommunication and Information Engineering，Xi′an University of Posts and Telecommunications，Xi′an 710121，China）

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 inter-cell interference.The proposed P-SCH assumes a hierarchical structure，and the sequences are modified Bj?rck CAZAC sequences.Simulation results demonstrate that the new sequences with lower Peak Average Power Ratio（PAPR）have good correlation properties and cell search performance compared with IEEE 802.16m system.

mobile communication system；evolved system；synchronization channel；modified Bj?rck sequence；sequence detection；primary synchronization channel

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（11JK1021）；Program for New Century Excellent Talents in University of Ministry of Education of China（NCET-08-0891）

TN929.53

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.03.005

孫長印（1963—），男，陜西人，2000年于西安電子科技大學雷達信號處理重點實驗室獲博士學位，2001-2009年在中興通信從事無線通信領域的研發和預研工作，2010年在西安郵電學院從事教學和科研工作，現為副教授，主要研究方向為下一代無線通信技術；

1001-893X（2012）03-0278-05

2011-09-28；

2012-01-10

國家自然科學基金資助項目（61102047）；陜西省自然科學基金資助項目（2011JQ8027）；陜西省教育廳自然科學基金項目（11JK1021）；教育部新世紀優秀人才支持計劃（NCET-08-0891）