基于5G標準的低軌衛星通信初始同步技術

李樂天，王賽宇，王力男

(中國電子科技集團公司 第54研究所，石家莊 050081)

0 引言

隨著衛星移動通信系統的不斷發展，用戶對高傳輸、廣范圍、較低時延以及靈活性高的低軌衛星移動通信系統的需求逐漸增長；相比地面移動通信系統，低軌衛星移動通信系統覆蓋范圍更加廣泛，多顆低軌衛星能實現全球無縫覆蓋。但低軌衛星移動通信系統因為衛星的高速運動帶來覆蓋區的快速變化導致地面移動終端和衛星之間產生非常大的多普勒頻移從而嚴重影響其同步性能。3GPP組織從R14開始星地融合的研究工作，并且在TS22.261中對衛星相關的接入網協議及架構進行評估，并進一步開展基于5G標準的低軌衛星接入研究。現在5G NR標準規定了下行OFDM信號的子載波間隔不只是固定的15 kHz，還有30、60、120和240 kHz共4種子載波間隔可以選擇。5G的無線幀和子幀的長度與4G LTE一樣分別為10 ms和1 ms。除此5G中PSS和SSS、PBCH一起組成SSB塊(SS Block)，在頻域上占用連續的240個子載波帶寬，在時域上占用4個連續的OFDM符號。在5G中SSB的時域和頻域位置不固定，并且在5 ms半幀周期內不同的子載波間隔幀結構可能有多個SSB，用來滿足終端的快速捕捉。

國內外5G低軌衛星的研發仍處于起始階段，我國的國家衛星互聯網系統的空口基本技術標準是基于地面5G的技術標準[1-2]，其中的產品終端所應用的初始同步技術需要滿足高動態大多普勒的低軌衛星信道特點[3]，所以研究基于5G的低軌衛星的初始同步技術是當前技術體制中一個關鍵技術點。

1 下行初始同步過程

當設備剛啟動，信號的起始位置還無法確定，物理層會自動進行時間/頻率同步過程，然后通過建立的物理信道，使得信號得到OFDM符號同步和幀同步，并得到設備接入的小區ID，這就是初始同步的過程，即小區搜索[4]。下行初始定時/頻率同步的處理基本分4步[5]：PSS(主同步信號)檢測、整數倍頻偏估計、小數倍頻偏估計和SSS(從同步信號)檢測。下行初始定時/頻率同步方案如圖1所示(本文對初始同步中的PSS檢測和小數倍頻偏估計這兩部分進行研究)。

圖1 下行初始同步框圖

1)終端將接收信號通過低通濾波器進行處理；

3)得到PSS信號定時同步位置后，利用接收端接收的PSS與本地PSS信號進行差分互相關運算，獲得信號的小數倍頻偏。(因為本文采用了OFDM的基帶調制，所以通信系統會對頻率偏移比較敏感，從而降低了系統的同步性能，因此需要通過頻偏估計對信號進行補償。)；

2 PSS檢測

從PSS檢測的精確度與復雜度這兩個方面考慮，定時同步算法選用在時域上進行本地PSS與接收端PSS互相關檢測，如果PSS檢測在頻域進行，增加了不必要的FFT/IFFT運算。

本文的算法是根據加入不同倍數的整數倍頻偏對本地PSS進行分組，并對每組與接收端接收的PSS進行互相關運算，通過找到每個組對應的相關峰值中最大峰值所對應的點，來得到信號的符號定時同步位置，最大相關峰值所在組表明了信號的整數倍頻偏。最終算法除了完成PSS檢測外，還可以得到整數倍頻率估計，具體算法原理如下所示：

5G-NR標準規定，PSS包含在SS/PBCH塊(以下簡稱SSB塊)中，在5G-NR信號20 ms的發送周期中，只有前5 ms的同步突發集含有多個SSB塊(即含有多個PSS序列)。5G的PSS在時域上占據SSB塊中時域上第1個OFDM符號；在頻域上，5G PSS是由127個中心子載波和處于信號兩端未使用，起分割保護作用的子載波共同構成240個子載波。PSS頻域產生格式[14]為：

(1)

其中：x(i+7)=(x(i+4)+x(i))mod2，[x(6)x(5)x(4)x(3)x(2)x(1)x(0)]=[1 1 1 0 1 1 0]。由于PSS所在OFDM符號的采樣點數為256，所以本地PSS的M序列通過ifco參數取值[-2,2]循環移位后進行IFFT變換產生長度為L=256樣點的本地時域序列Pidx,icfo(n)。

(2)

hl(n)表示信道多徑增益，L表示多徑的路數，τl表示多徑延時，τd表示發射接收時延，v(n)表示均值為0，方差為σ2的高斯白噪聲，ε0表示接收信號相對于發送信號的歸一化頻偏，N表示IFFT/FFT的點數。

(3)

通過接收序列與5組，總共15個本地PSS進行滑動互相關運算，當最大相關峰值大于預設判決門限時，得到最大的相關峰值所對應的d作為接收到的時域信號中半幀的定時點，判斷相關峰值最大的本地PSS所對應的小區組內ID和整數倍頻偏，即PSS檢測同時完成了定時同步、檢測小區組內ID和整數倍頻偏估計。

3 小數倍頻偏估計

5G-NR規定了同步信號是基于OFDM調制，即信號里子載波具有敏感的正交性，進而接收信號要保持嚴格的正交性，最終接收端能正確解調信號含有的數據。由于低軌衛星系統的高移速特點，信號在衛星信道傳輸中會伴有大多普勒頻偏。如果接收信號的頻偏大小是子載波間隔的整數倍，接收信號的各個子載波雖然會發生循環移位，但是子載波之間還是處于正交，繼而在解調接收信號時，數據會發生循環移位。因為在PSS檢測這一節已經估計出整數倍頻偏，所以下面介紹估計小數倍頻的算法。小數倍頻偏(頻偏大小是子載波間隔的小數倍)會破壞接收信號中各個子載波的正交性。所以，接收信號需要通過進行相關運算，得出其相位偏移，再根據相位偏移來求頻率偏移。

在文獻[15]中首次提出了基于CP自相關的頻偏估計算法，該算法利用OFDM符號中CP與其符號對應的數據的關系進行相關運算。基于CP自相關的算法復雜度比較低，能夠快速估計出頻偏大小，然而CP符號長度較短，估計出的小數倍頻偏的精度較低[16]。因此文獻[17-20]中提出一種改進算法：利用5G的SSB的格式，可以將連續的多個OFDM符號的CP進行聯合相關處理，最終求出多個CP的頻偏值的平均值為小數倍頻偏估計。

上述算法均是利用同步信號的CP自相關進行頻偏估計，下面根據文獻[21-22]中利用差分方法處理本地PSS序列與接收端接收的PSS序列的思想，對算法進行改進：將時域上的本地PSS與接收端接收的PSS逐點共軛相乘后，講其平均分成兩段并且對前后兩段進行相關運算。雖然增加了算法的復雜度，但是提高了頻偏估計算法的準確性，算法具體的原理如下所示：在補償完PSS定時偏移的條件下，在時域上使用本地PSS序列sPSS(n)共軛點乘接收端接收的PSS符號rPSS,i(n)得到y(n)(y(n)的表達式如式(4)所示)，去掉序列信息；然后平均分成前后兩段，兩部分分別求和，再對前后兩段共軛相乘，最后估計頻偏大小。

(4)

(5)

(6)

而且本文仿真借鑒文獻[23-24]中對本地PSS序列與接收端接收的PSS序列進行分段處理的思想，提出了一種改進方法，將分段后的兩段差分序列再次分段，這四段差分序列任取其兩段做相關運算，重復進行上面的步驟得到6個頻偏估計值，最后對得到的6個估計值求取期望，過程如下式所示：

(7)

雖然改進算法增加了算法的復雜度，但是算法受到多徑效應的影響減少，估計出小數倍頻偏的精確程度提高。

4 仿真結果與分析

文章前兩節描述幾種衛星5G定時同步和頻偏估計算法，下面通過Matlab先模擬出衛星信道環境，再在該環境下對改進算法與經典算法進行仿真。對比仿真結果得到文章中改進的定時同步/頻偏估計算法可以適用于低軌衛星移動通信系統。仿真的參數如表1所示。

4.1 衛星信道下PSS檢測仿真結果及分析

本小節在衛星信道環境下，對基于PSS自相關、互相關定時同步算法以及改進的基于PSS互相關的定時同步算法，這3種算法的PSS檢測正確檢測概率的仿真結果進行對比，證明改進的算法能夠在衛星環境下使用。仿真參數如表1所示。

表1 5G低軌衛星初始同步仿真參數表

如圖2所示，仿真在衛星信道下得到3種算法的PSS檢測性能。仿真結果顯示了頻偏為40 kHz時，改進算法的性能比基于PSS互相關性能有提升，平均大約提升1.5 dB。而基于PSS的自相關算法的定時同步性能最差，在低信噪比的環境尤為明顯。因此在衛星信道環境下，改進算法雖然因為添加整數倍頻偏而使計算量變得復雜，但是算法的PSS檢測性能有所提升，所以改進算法可以應用在衛星信道環境中。

圖2 衛星信道下PSS檢測性能

4.2 衛星信道下小數倍頻偏估計仿真結果及分析

仿真是在模擬衛星信道環境下進行的，并且頻偏設置在40 kHz，得出3種頻偏估計算法的性能。仿真結果表明，經過分段處理后基于PSS差分互相關的頻偏估計算法的性能在衛星信道環境下，是3種算法中最優的，RMSE值要優于基于PSS的差分互相關算法大約1 dB，優于基于CP的自相關算法大約2 dB。雖然分段處理使得算法增加運算量，但是算法可以抵抗來自衛星信道環境下的多徑效應，使得算法的頻偏估計性能得到提升。

圖3 衛星信道下頻偏估計性能

結合圖3所示的仿真結果得到，進行分段處理后基于PSS互相關的頻偏估計算法性能最佳，該算法在低信噪比時性能較好，在高信噪比下也不差，所以在5G衛星移動通信系統中，可以采用基于PSS分段互相關算法進行頻偏估計。

因為基于PSS互相關頻偏估計算法是基于PSS分段互相關的頻偏估計算法的特殊情況，可以推測對PSS序列進行分段次數越多，算法頻偏估計性能越好。所以下面在衛星信道環境且頻偏設為40 kHz的條件下，增加分段數目，進行對算法的頻偏估計性能的Matlab仿真，結果如圖4所示。

圖4 分段參數值(M)不同時，基于PSS的分段互相關算法頻偏估計性能

圖4說明了對于基于PSS的互相關頻偏估計算法，分段數的增加，算法頻偏估計的性能提升。但是由于算法的復雜度也隨之提高，不能一味地增加算法的分段數來提高精準度，避免不必要的浪費。在衛星信道的多徑效應不是很明顯的時候，可以適當減少對信號的分段數，使其運算速度增加。

5 結束語

綜合仿真結果可以得出，PSS檢測和小數倍頻偏估計使用的改進算法相比于傳統算法，均以增加算法的復雜度來提升算法的準確度，同時也表明了在高動態、低信噪比環境下改進算法能完成初始接入過程的同步信號檢測，可以滿足低軌衛星通信系統的下行鏈路的同步要求。雖然算法要求至少接收到一幀數據，5G-NR標準規定1幀數據持續時間為10 ms，對于可能的8 kHz/s的多普勒頻移變化率來說，每幀數據的頻移變化為80 Hz，只需在相鄰幀不斷檢測這種變化，即可解決頻偏高速變化的問題。仿真所用的載波載頻為2.3 GHz，其數值比較低，當載頻上升到高頻段后，上述算法不一定適用，因此可以再針對高頻段的載波下，對基于5G標準的低軌衛星通信系統初始同步技術做相關研究。