基于EPA5信道的FDD LTE同步策略研究

朱　娟，何　春

(電子科技大學 通信與信息工程學院，四川 成都 611731)

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基于EPA5信道的FDD LTE同步策略研究

朱娟，何春

(電子科技大學 通信與信息工程學院，四川 成都 611731)

摘要：同步技術是LTE系統傳輸的關鍵技術之一。目前對同步技術的研究大多只包含同步流程中的一部分，而涵蓋整個同步流程的研究較少。對FDD LTE同步流程中各部分的不同算法分別進行了仿真，包括PSS定時同步、CP類型檢測、頻偏估計、SSS檢測。根據對各部分算法仿真的性能對比分析，提出了一個基于EPA5信道的FDD LTE同步策略，并將該策略與其他同步策略進行了對比，通過仿真統計不同信噪比下的誤碼率，結果顯示該策略比其他同步策略在EPA5信道下有更好的性能。

關鍵詞：LTE；同步策略；PSS定時；頻偏估計

0引言

LTE系統的同步是接收端在進行數據處理前首先需要完成的過程，通過同步過程獲得的定時同步和頻率同步信息，需要確定發射端無線數據幀的幀頭位置、OFDM符號的起始位置、以及載波頻偏并完成對頻偏的補償。此外，通過同步過程還將完成小區搜索，其獲得的小區ID是UE接入小區的保證。因此，同步是LTE系統的重難點之一，其性能會直接影響后續的通信過程[1]。

但目前對LTE系統同步技術的研究大多只關注了同步流程中的某一部分算法，而對整個同步流程的研究較少。這樣的研究因為只實現了同步過程的部分功能，可能會存在該部分算法性能較優但考慮到其他部分后整體同步性能不好的問題。如文獻[2]直接將接收信號經FFT變換到頻域檢測主同步信號(Primary synchronization signal, PSS)，但卻未考慮到LTE系統中有兩種循環前綴(Cyclic Prefix, CP)。文獻[3]基于CP進行符號定時，在多徑衰落信道中由于CP的重復性受到破壞，其性能會受到較大影響，且無法同時獲得小區ID號。

因此，本文主要對LTE系統整個同步流程進行算法研究，包括PSS定時同步、CP類型檢測、頻偏估計、輔同步信號(Secondary synchronization signal, SSS)檢測四部分。通過對各部分不同算法的仿真及性能對比分析，提出了一個基于低時延擴展步行A模型(Extended Pedestrian A Model, EPA)信道的同步策略，該策略比其他策略在EPA5環境下有更好的性能。

1LTE系統同步流程

本文采用如圖1所示的LTE系統同步流程，完成數據幀定時同步，符號定時同步、載波頻率同步等時頻同步過程，并獲得小區ID完成小區搜索。

圖1　同步流程

LTE系統的同步流程分為PSS定時同步、CP類型檢測、頻偏估計、SSS檢測四部分，通過對PSS、CP、SSS這三類信號的檢測而完成。

第一步，定時同步，常用算法有基于CP和PSS這兩大類。但由于此時CP類型未確定，且基于CP的算法在多徑衰落信道下性能不佳。此外，基于PSS的定時同步可在完成5 ms半幀定時的同時獲得小區ID號，因此本文采用基于PSS的定時同步算法。第二步，CP類型檢測，即利用CP的重復性，確定CP類型，完成OFDM符號定時同步。第三步，載波頻率同步，即頻偏估計并補償。載波頻率同步算法也分為基于CP和PSS兩類。第四步，將數據變換到頻域進行SSS檢測，解出小區ID組號，完成10 ms的幀定時同步。

2同步流程中各部分算法仿真

由于同步流程的每個部分均可以使用多種算法，因此本文對每個部分進行了算法仿真，以期望給出一個在EPA5信道環境下整體性能較優的同步策略。

2.1PSS定時同步算法

圖2　EPA5信道中PSS定時同步算法的性能比較

分析圖2的仿真結果可知：

(1)基于接收信號與本地PSS互相關的AHC算法及分段互相關的M-part算法性能最好。

(2)基于自相關的CSC算法及基于互相關的差分算法性能次之。

(3)基于自相關的SC算法由于其“平臺現象”，相關峰值在CP范圍內的平臺中隨機出現，性能最差。

圖3頻偏對AHC和M-part算法的影響

頻偏對AHC及M-part算法的影響如圖3所示：當頻偏為5 kHz時AHC算法性能較優，頻偏為13 kHz時M-part算法性能較優。本文還對頻偏10 kHz、15 kHz、17 kHz也進行了仿真，仿真結果表明：只有在頻偏較大(大于等于13 kHz)時，M-part算法才在較低信噪比下顯示出一定的優勢。

2.2CP類型檢測算法

LTE系統中存在兩種長度的CP，在進行FFT變換將信號變換到頻域前，需要通過CP自相關確定CP類型，完成OFDM符號定時。本文對幾種CP類型算法進行了仿真研究，在EPA5信道中各算法性能比較如圖4所示。其中文獻[9]中通過SSS盲檢測實現傳統的CP檢測算法，由于計算復雜度太大，本文就不再進行分析。圖4中AB為按擴展CP長度提取出數據將其分為A和B兩部分分別相關，通過B/A的值判定CP類型[10]，1CP為按兩種CP長度直接提取出數據分別自相關的基本算法[11]，1CP(M點)為在CP前后滑動M點，分別取兩種CP長度下的相關峰值，5CP(M點)為對5個OFDM符號的M點滑動值累加的算法。

圖4　EPA5信道中CP類型檢測算法性能比較

圖4所示的仿真結果表明，4種算法的性能優劣依次為：最優的為多符號M點滑動相關、其次為M點滑動相關算法、再次為基本自相關算法，最差的為基于AB兩部分自相關算法。

2.3頻偏估計算法

頻偏估計，即載波頻率同步，用于估計由發射端與接收端的晶振不完全匹配或多普勒頻移導致的載波頻率偏移。本文對幾種頻偏估計算法進行了仿真研究，在EPA5信道中不同頻偏下各算法性能比較如圖5所示，圖5中1CP是用1個OFDM符號的CP估計頻偏的算法，5CP是用5個OFDM符號的CP累加的算法，PSS自相關是用相鄰兩個PSS自相關的算法，PSS互相關是用接收序列與本地PSS互相關的算法。

(a)頻偏60 Hz

(b)頻偏5 kHz

(c)頻偏10 kHz

如圖5所示的仿真結果可知：當頻偏范圍不超過100 Hz時，基于PSS的自相關算法性能最優；當頻偏范圍超過100 Hz但不超過7.5 kHz時， 5個CP的算法最優；當頻偏范圍超過7.5 kHz，基于PSS互相關的算法性能最優，其余兩種算法均失效。

2.4SSS檢測算法

根據圖6可知：每種信道環境下隨著信噪比的降低，檢測錯誤概率逐漸增加；三種信道中檢測錯誤概率EPA5

圖6三種信道中小區ID組號的檢測錯誤概率

3提出的EPA5信道環境的同步策略

本文提出了一個基于EPA5信道環境的LTE同步策略，其中同步主要過程、所采用的算法及實現的功能如圖7所示。

圖7　基于EPA5信道環境的同步策略

本策略的同步過程采用的算法分別為：PSS與本地序列互相關的AHC定時同步算法，基于多符號的M點滑動相關CP類型檢測算法，基于CP的頻偏估計算法，一般SSS相干檢測算法。

4同步策略仿真及性能分析

本文基于Matlab的LTE系統仿真鏈路平臺，對所提出的同步策略進行了仿真及性能分析。該平臺首先設置仿真參數，經過發射端的產生LTE數據幀格式的數據，然后經過多徑衰落信道，在接收端首先進行同步過程，再經過一系列發端的逆過程解調信號，最終經過CRC校驗，得到比特信息。

基本仿真參數的設置如表1所示，對圖7中提出的同步策略進行了誤比特率性能分析，同時為了進行性能對比，還對采用互相關的頻偏估計算法的同步策略也進行了仿真。兩種同步策略在三種信道下的性能比較如圖8所示，實線為本文提出的同步策略誤比特率，虛線為用于對比的采用互相關的頻偏估計同步策略誤比特率。

表1　基本仿真參數設置

圖8兩種同步策略在三種信道下的性能比較

由圖8的仿真結果可知：

(1)本文所提出的同步策略，在EPA5/EVA70/ETU300信道環境下，性能均優于基于互相關的頻偏估計同步策略，且本策略硬件實現復雜度不高，其FPGA實現效果較好。

(2)本文所提出的同步策略在EPA5信道環境下性能最優，EVA70次之，ETU300信道環境下性能最差。

5結語

本文主要研究了涵蓋LTE系統整個同步流程的PSS定時同步、CP類型檢測、頻偏估計、SSS檢測四部分的算法，而不同于目前大多數只關注流程中的某一部分算法的研究；根據算法性能，提出了一個在EPA5信道環境下性能較優的同步策略，并通過與基于互相關的頻偏估計同步策略誤碼率的性能對比，證明本文所提出的基于EPA5信道環境的FDD LTE同步策略性能較優。本文的研究及所提出的同步策略可以對LTE系統的實現提供參考價值，并且可以在本策略的基礎上進一步研究其他更復雜的信道環境下的方案。

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朱娟(1990—)，女， 碩士研究生，主要研究方向為電子與通信工程；

何春(1972—)，女，副研究員，主要研究方向為空間飛行器設計 。

FDD LTE Synchronization Strategy based on EPA5 Channel

ZHU Juan, HE Chun

(School of Communication and Information Engineering, University of Electronic Science

and Technology of China, Chengdu Sichuan 611731, China)

Abstract：Synchronization technology is one of the key technologies of LTE transmission system.Recently, most research of synchronization technology focuses on part of synchronous procedure, lacking research on the whole process. In light of this, different algorithms for each part of FDD LTE synchronization process are simulated respectively, including PSS timing synchronization, CP type detection, frequency estimation, SSS detection. Based on the comparison and analysis of the above simulation results, a modified FDD LTE synchronization scheme based on EPA5 channel is proposed. Simulation result of BER in different SNR shows that the proposed synchronization scheme enjoys better performance as compared with other synchronization schemes under EPA5 channel.

Key words：LTE;synchronization scheme;PSS timing;frequency offset estimation

作者簡介：

中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A

文章編號：1002-0802(2015)12-1334-05

收稿日期：2015-06-17；修回日期：2015-09-21Received date:2015-06-17；Revised date：2015-09-21

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.12.003