一种LTE系统中自适应时频同步方法

科技信息　Ｏ本刊重稿０　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　２０１０年第１９期　一种ＬＴＥ系统中旬适应时频同步方法　重庆（１。爱立信　中国李卓’张棠棣　王财香。　４０１１２２；２．重庆邮电大学通信与信息工程学院　中国重庆４０００６５）　【摘要】ＯＦＤＭ技术作为ＬＴＥ系统的核心技术，在ＬＴＥ系统的下行链路中使用。能够满足ＬＴＥ频谱灵活性的要求，可以实现高的峰值　速率。但是ＯＦＤＭ系统对频率偏移非常敏感，频率偏移会引起载波间干扰（ＩｃＩ），导致ＯＦＤＭ系统的性能大幅下降。因此本文提出了一种针对　ＬＴＥ系统的自适应时频同步方法。该方法利用自适应技术，实现对频偏的跟踪。仿真结果表明，该方法可以有效的实现时频同步。　【关键词】正交频分复用；ＬＴＥ；同步；载波频偏　Ａｎ　Ａｄａｐｔｉｖｅ　Ｓｃｈｅｍｅ　ｆｏｒ　Ｔｉｍｅ　ａｎｄ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｉｎ　ＬＴＥ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ＬＩ　Ｚｈｕｏ　ＺＨＡＮＧ　Ｔａｎｇ—ｄｉ　ＷＡＮＧ　Ｃａｉ－ｘｉａｎｇ　（１．Ｎ＆ＴＣ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｅｒｉｃｓｓｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｌｔｄ，．Ｃｏ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ，４０１１２２　Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｏｓｔｓ　ａｎｄ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ，４０００６５，Ｃｈｉｎａ）　【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ａｓ　ａ　ｋｅｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＯＦＤＭ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ＬＴＥ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｏｗｎｌｉｎｋ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ＬＴＥ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｐｅａｋ　ｒａｔｅｓ．Ｂｕｔ　ＯＦＤＭ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｔ０　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆｆｓｅｔ．Ｔｈｉｓ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆｆｓｅｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎ　ｉｎｔｅｒ—ｃａｒｒｉｅｒ；ｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｆＩＣＩ）ａｎｄ，ａｓ　ａ　ｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＯＦＤＭ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｉｇｎｉｉｃａｎｔｆｌｙ　ｄｅｃｒｅａｓｅ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｉｎ　ＬＴＥ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ａｄａｐｔｉｖｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｔｒａｃｋ　ｔｈｅ　ｃａｒｒｉｅｒ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆｆｓｅｔ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃａｎ　ｂｅ　ｅｓｔｉｍａｔｅｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．　【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ】ＯＦＤＭ；ＬＴＥ；ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ；Ｃａｒｒｉｅｒ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｏｆｆｓｅｔ（ＣＦＯ）　Ｏ前言　根据ＬＴＥ标准，在ＤｗＰＴＳ时隙，每一帧都由下行同步码以能覆盖　全小区的功率在发送，主同步信号序列ｄ（ｎ）由频域的Ｚａｄｏｆｆ－Ｃｈｕ序　３ＧＰＰ长期研究项目ＬＴＥ（Ｌｏｎｇ　Ｔｅｒｍ　Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）以ＯＦＤＭ为核心技　列按照下式产生：　术。是近年来３ＧＰＰ启动的最大的新技术研发项目。由于ＯＦＤＭ技术　ｆ　１　警　具有高的频带利用率和低的硬件复杂度的优势，使其得到广泛的研究　ｄ　（ｎ）：与应用，被认为是未来多媒体无线通信系统中最具潜力的传输技术。　｛【　．　二，）（　＋：）　。，　，‘。。，。ｏ　ｅ　（１）　ＯＦＤＭ技术已经在数字音频广播（ＤＡＢ），数字视频广播（ＤＶＢ—Ｔ１，和宽　ＬＴＥ系统中包括了３种主同步信号序列，终端需要分别使用３组　带无线网（ＩＥＥＥ　８０２．１１　ａ１中得到应用＿ｌＩＺｌ。　然而．相对于单载波调制。ＯＦＤＭ系统对频率偏移更加敏感，而且　序列来进行小区初搜，从而获得小区组内的小区号以及时隙与频率同　　随着子载波调制阶数的增加，敏感程度也会增加。ＯＦＤＭ系统中的频　步。ｆ１）式中序列的序号Ｍ参见下表：序列到资源元素的映射取决于帧　表１　率偏移降低了子载波间的正交性，引起载波间干扰ｆＩＣＩ１　。ＩＣＩ会降低　信道估计和符号检测的性能，引起误比特率的增）Ｊｌ１［４１。ＬＴＥ系统采用了　结构。对于ＬＴＥ　ＴＤＤ帧结构，下行主　专门的同步信号作为同步的训练序列方案［５１。本文提出了一种自适应　同步序列映射到子帧ｉ和６的第三个　时频同步方法。接收端通过同步信号良好的相关特性来实现时间同　ＯＦＤＭ符号的资源要素上，且两边各　步。在完成时间同步后，同步信号的种类和小区ＩＤ号也能确定。再利　有５个资源要素的保护间隔．该位置　　用已知的同步信号，来完成时间和频率同步。同时能够很好的估计出　上保留不发送任何信号。频偏和信道，该方法可以在频偏变化的时候对频偏进行跟踪。最后通　过仿真验证了该方法　Ｎｉｄ２　Ｏ　ｌ　２　凡＝３１．３２．．一．６１　Ｒｏｏｔｉｎｄｅｘ　Ｍ　２５　２９　３４　２　ＯＦＤＭ系统模型　如图２所示０ＦＤＭ系统的基本模型。ＯＦＤＭ系统的多载波调制能　够通过Ｎ点ＩＤＦＴ来实现［７１。输入的比特数据首先通过串并转换（Ｓ／Ｐ）。　１　ＬＴＥ系统帧结构　根据标准　，ＬＴＥ包括两种类型的帧结构：类型ｌ适用于ＦＤＤ模　每一个数据流通过ＭＱＡＭ调制方式调制到对应的子载波。调制后的　式；类型２适用于ＴＤＤ模式。如图１所示，为ＬＴＥ　ＴＤＤ系统帧结构。　符号可以表示为　（０），…　（Ⅳ＿１）。然后通过Ｎ点的ＩＤＦＴ，得到符号　　每个１０ｍｓ无线帧由两个长度为５ｍｓ的半帧组成。每个半帧由８个长　（０），…　（　一１）能够表示为：度为０．５ｍｓ的常规时隙和总长度为１ｍｓ的３个特殊时隙ＤｗＰＴＳ、ＧＰ　ＮＩ　Ｉ　一（ｎ）＝　（　）ｅ”，０≤ｎ≤　（２）　０　和ＵｐＰＴＳ共同组成。两个连续常规时隙构成一个子帧，３个特殊时隙　构成一个特殊子帧。同时，还对各子帧的上下行传输作了具体的配置，　为了避免符号间干扰（ＩＳＩ）．将ＩＤＦＴ输出数据的后面一部分复制　支持５ｍｓ或１０ｍｓ为周期的两种切换点模式。另外，在以１０ｍｓ为周期　添加在每一个符号前（ＣＰ１。在进入信道传输前将数据转换为串行，接　＝切换点时，子帧６中只有ＤｗＰＴＳ。　一个无线帧１０ｍ　收端接收到的数据ｙ（ｏ），…Ｙ（Ｎ一１）在去掉ＣＰ、ＤＦＴ和解调后变为ｌ，　（０），…ｙ（Ⅳ＿１）。信号通过频率选择性衰落信道：　，　二全堂　ｙ（ｋ）＝２　ｈ；ｃ（ｋ—ｚ）＋Ｈ（　），０≤ｋ≤＾　＿Ｊ　ｌ＝０　（３）　其中ｈｉ（Ｄ≤ｚ≤，Ｊ—　）是独立的复值瑞利衰落随机变量。ｎ（ｋ）（Ｄ≤　ｋ≤＾ＬＪ）表示零均值的高斯白噪声。，Ｊ是ＣＩＲ的长度。由于受到了频偏　的影响ｆ３）式变为：　ｊ２　簪一Ｌ－１　ｒ（ｋ）＝ｅ“　ｈ￣ｃ（ｋ－１）＋ｎ（ｋ），ｒＪ≤　≤　Ｊ　ｆ＝０　图１　ＬＴＥ　ＴＤＤ无线帧结构　（４）　其中８是归一化频率偏移。如果ＣＰ的长度大于　，则不会有ＩＳＩ。　１．１主同步信号　接收到的频域信号为：　为了支持系统同步及物理层小区标识的检测等功能，标准３ＧＰＰ　ＴＳ　３６．２１１规定了两种下行同步信号：主同步信号和辅同步信号。这里　只对主同步信号进行介绍　１９　２０１０年第ｌ９期　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　０本刊重稿０　科技信．１ｌ　其中　是长度为￡的ＣＩＲ第Ｚ个分量。＿７、ｒ（ｎ）表示传输噪声。　ｆ—ｔ／ｌ２５‘ｕ　２５　Ｊ　卜　ｕ　２５＆ｔｌ－蓦ｌ　输　＾　ｉ　蒜嘉舔　图２　ＯＦＤＭ系统模型　在本文中，在利用同步信号得到时间同步后，利用了一个自适应　的滤波器进行频率同步。　３自适应时频同步方法　３．１时间同步　为了验证盲自适应算法对频偏的跟踪性能，我们采用了６径无线　信道传输模型，输入时延和多普勒频偏都是随时间变化的。ＬＭＳ算法　模块采用的自适应调整步长为０．Ｏ１。从图４可以看出该算法在捕获到　频偏后．能够根据频偏的变化情况自适应地调整．提高了估计准确度。　为了能准确地完成定时，将定时同步分为符号定时同步和帧定时　而传统算法只能估计出训练符号对应时刻的频偏。一旦频偏发生变　同步两步。粗定时同步用本地ＰＳＳ和接收序列相关的方法（简称互相　化，就无法及时的对频偏进行跟踪。　关方法）。本地三个频域ＰＳＳ序列分别补零经过ＩＦＦＴ变换到时域后　分别与经过窄带滤波后的接收数据做滑动相关得到三个相关集由最　大相关值所在的相关集的ＰＳＳ即可确定ＵＥ所在的扇区ＩＤ．最大值所　在的位置即为符号定时同步位置。在完成符号同步后，由于辅同步信　号前半帧和后半帧序列不一样，用本地的ＳＳＳ和接收到的ＳＳＳ做相关　运算，完成帧同步。　３．２频率同步　Ｖ　护　７　ｉ％＾。Ｓ量Ｐｅｉｇ≮　这里利用ＬＭＳ算法月来进行频率同步。首先定义频率偏移为Ａｅ＝　Ｆ—　。　和　分别表示频率偏移和估计得到的频率偏移。发送端的主同　步信号通过信道传输得到：　Ｙ（ｎ．）＝　．　ｆ６１　这里　为接收端本地生产的主同步信号．由时间同步确定该序　列。从ｆ６）式中可以得到△ｓ：　△　：　ｔ　图４对频率偏移的跟踪　１【　＿Ｒｅ（Ｙ．　、Ｊ　２　ｌ　（７）　（８）　５结论　本文提出了一种ＬＴＥ系统自适应时间和频偏同步方法。该方法　这里定义函数Ｊ（ｎ）：　　．利用同步信号良好的相关特性完成时间同步。在完成时间同步后。利　用经过信道传输后的主同步信号和本地已知的主同步信号的差异，通　过自适应的方法找出频率偏移。这是一种简单有效的方法，只需要利　这里　（ｎ）为在ｎ时刻估计的频偏。根据ＬＭＳ算法，在ｎ＋ｌ时刻估　用在ＬＴＥ系统原有的同步信号就可以完成时频同步。该方法能够及　计的频偏更新为：　．，（　）：ｌ　（ｎ）一　ｌ　时的对频偏进行跟踪。ｌ　ｅ（ｎ＋１）：Ｐ（ｎ）＋—　］　［一　（ｎ）］　（９）　这里　表示更新的步长。ＶＪ（ｎ）表示Ｊ（ｎ）的导数。从上面可以得　［１］Ｉｌｇｙｕ　Ｋｉｍ，Ｙｏｕｎｇｎａｍ　Ｈａｎ．Ｓｅｑｕｅｎｃｅ　Ｈｏｐｐｉｎｇ　Ｃｅｌｌ　Ｓｅａｒｃｈ　Ｓｃｈｅｍｅ　ｆｏｒ　ＯＦＤＭ　到：　８（ｎ＋１）＝　（　）斗弘［　一　（　）］＝　（　）　（　）　Ｃｅｌｌｕｌａｒ　Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ】．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．Ｃｏｍｍｕｎ．，２００８，７（５）：１４８３－＇１４８９　（１Ｏ）　［２］Ｉ．Ｂ．Ｏｊｆｏｒｄｊｅｖｉ￣，Ｂ．Ｖａｓｉｃ．１Ｏ０－Ｇｂ／ｓ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ．ＩＥＥＥ　Ｐｈｏｔｏｎｉｅｓ　Ｔｅｃｈｎｏ１．Ｌｅｔｔ．．２０ｏ　１８：１５７６—１５７８．　【参考文献】　频率偏移可以通过（１０）式自适应估计得到。在估计之后，　用来补　偿接收的受频偏影响的信号。　』２亟　［３］ＣＨＥＮ　Ｓｈａｏｐｉｎｇ，ＹＡＯ　Ｆｉａｎｒｅｎ．ＩＣＩ　Ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ＯＦＤＭ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ｉｎ　Ｔｉｍｅ—　ｖａｒｙｉｎｇ　Ｆａｄｉｎｇ　Ｃｈａｎｎｅｌｓ．［Ｊ１　ｃＯＭＰＵＴＥＲ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＡＮＤ　ＡＰＰＩＪＣＡＴＩＯＮＳ，　（ｎ）　（ｎ　（１１）　２００４，１９，１４４：１３２一ｌ３４．　（ｎ）为补偿输出的信号，　为受到频偏影响的信号。　［４］Ｊ．Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ，Ａ．Ｊ．Ｌｏｗｅｒｙ．Ｐｏｗｅｒ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｐｔｉｃａｌ　ＯＦＤＭ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，　２００６。４２：３７０—３７１　４仿真结果与分析　［５］沈嘉，索士强，全海洋，等．３ＧＰＰ长期演进（ＬＴＥ）技术原理与系统设计（Ｍ】．北　京：人民邮电出版社．２００８．　仿真的ＯＦＤＭ无线通信系统采用了１０２４个子载波．通过１６一　［６］３ＧＰＰ　ｒＳ　３６．２１　１　Ｖ９．０．０，Ｅｖｏｌｖｅｄ　Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｔｅ￣ｒｅｓｔｒｉａ１　Ｒａｄｉｏ　Ａｃｃｅｓｓ（Ｅ—　ＱＡＭ调制方式。信噪比ＳＮＲ等于１６ｄＢ。归一化频偏８＝０．２。　步信号与其做相关。从图中看出，没有出现相关峰值，说明接收端的主　ＵＴＲＡ）；Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｃｈａｎｎｅｌｓ　ａｎｄ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，２００９，１２．　ＯＦＤＭ『Ｃ１．ＩＥＥＥ　Ｇｌｏｂａｌ　Ｔｅｌｅｅｏｍｍｕｎｉｅａｔｉｏｎｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２ｏｏ３，１：１５—１９．　７］Ｘｉａｏｑｉａｎｇ　Ｍａ，Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，Ｈ．Ｊｏｉｎｔ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆｆｓｅｔ　ａｎｄ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　图３为选用ｕ＝２５的主同步信号发送，在接收端利用ｕ＝２９的主同　［同步信号序列与发送端不一样。　０ｒｂｉｔ　０ｂｉｅｅｔ　Ｔｒａｅｋｉｎｇ　ｆＣ１．ＩＥＥＥ，２００９．　为选用ｕ＝２５的主同步信号发送．在接收端利用ｕ＝２５的主同步信　［８］Ｒｏｎ￣ａｉ　Ｃａｉ，Ｑｉｎｇｘｉａｎｇ　Ｗｕ．Ｍｅｍｏ州ｅｓ８　Ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ　ＬＭＳ　Ａｄａｐｔｉｖｅ　Ｆｉｌｔｅｒ　ｆｏｒ　号与其做相关。从图中看出，出现相关峰值，说明接收端的主同步信号　序列与发送端一样，同时也可以确定符号的起始位置，从而完成符号　同步。　※基金项目：国家科技重大专项（２００９Ｚ×０３００２—００９｝资助课题。　［责任编辑：张慧］