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        LTE中一種改進(jìn)的基于探測參考信號的定時估計(jì)算法*

        2013-09-28 03:24:10李少謙
        電訊技術(shù) 2013年11期
        關(guān)鍵詞:旁瓣度量載波

        田 浩,楊 霖,李少謙

        (電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都611731)

        1 引言

        LTE(Long Term Evolution)作為新一代移動通信的發(fā)展方向,目前受到了廣泛關(guān)注。在下行鏈路,LTE系統(tǒng)采用正交頻分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)作為其多址方式;在上行鏈路,采用的則是單載波頻分多址(Single-Carrier Frequency Division Multiple Access,SC-FDMA)的方式[1]。

        在LTE上行方向有一種重要的上行參考信號稱為探測參考信號(Sounding Reference Signal,SRS),該信號由Zadoff-Chu(ZC)序列或QPSK序列生成,與上行數(shù)據(jù)在一個時隙內(nèi)時分復(fù)用,不頻分復(fù)用[2]。SRS由于具有恒包絡(luò)零自相關(guān)(Constant Amplitude Zero Auto Correlation,CAZAC)性質(zhì),常被用于上行信道的質(zhì)量探測、功率控制及定時同步等操作。

        一個用戶設(shè)備(UE)只有當(dāng)其上行傳輸時間同步后,才能被調(diào)度進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)。通常,首次的同步是用隨機(jī)接入信道 (Physical Random Access Channel,PRACH)完成的。在首次取得定時同步后,系統(tǒng)會不斷地測量有用的上行信號(例如SRS),以更新定時提前量,進(jìn)行定時校準(zhǔn)。

        目前,OFDM系統(tǒng)下的定時同步方法主要分為兩大類:一類是基于循環(huán)前綴的方法,如最大似然(Maximum Likelihood,ML)算法[3],該類方法不需要額外的系統(tǒng)開銷就能完成定時和頻偏的估計(jì),頻譜利用率較高;另一類是基于導(dǎo)頻符號的估計(jì)方法,例如 Schmidl&Cox[4]的方法,通過發(fā)送一串已知的導(dǎo)頻序列進(jìn)行定時估計(jì),可以實(shí)現(xiàn)頻率粗同步和頻率細(xì)同步,但是該方法的定時度量函數(shù)存在“峰值平臺”,即在準(zhǔn)確定時點(diǎn)附近定時度量值變化不大,故定時準(zhǔn)確度較低;Minn[5]算法采用了不同的訓(xùn)練符號結(jié)構(gòu),避免了峰值平臺的出現(xiàn),但是該算法在非正確的同步點(diǎn)上會出現(xiàn)一些副峰,如果信道條件惡劣,這些錯誤的定時點(diǎn)可能導(dǎo)致定時誤差的增大。Park[6]算法重新設(shè)計(jì)了訓(xùn)練符號的結(jié)構(gòu)和定時度量函數(shù),使得定時度量曲線十分尖銳,接近于脈沖。但是該算法由于需要特殊的訓(xùn)練符號的結(jié)構(gòu),因此不適用于SRS。

        上述方法在AWGN信道下可以獲得較好的定時和頻偏估計(jì)性能。但是在多徑衰落信道條件下,性能都會出現(xiàn)明顯下降,且由于SRS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),使得一些OFDM系統(tǒng)下的定時估計(jì)方法并不適用。因此,本文針對SRS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及多徑信道環(huán)境,提出了一種基于SRS的改進(jìn)的定時同步算法,該方法能有效地提高多徑衰落信道下的LTE上行鏈路的定時同步性能。

        2 系統(tǒng)模型

        2.1 SRS的時頻結(jié)構(gòu)

        LTE上行鏈路中一個無線幀由10個1 ms的子幀構(gòu)成,每個子幀包含兩個0.5 ms的時隙。在常規(guī)循環(huán)前綴(Cyclic Prefix,CP)配置下,每個時隙由 7個SC-FDMA符號組成;在擴(kuò)展 CP下,每個時隙由6個SC-FDMA符號組成。當(dāng)一個子幀由高層配置用于發(fā)送SRS時,SRS在該子幀的最后一個SC-FDMA 符號上傳輸[7]。

        在頻域上,SRS采用間隔的方式映射到子載波上,形成“梳狀”的頻域結(jié)構(gòu),如圖1所示。根據(jù)起始位置的不同(奇數(shù)或者偶數(shù)),用戶可以頻分復(fù)用2個“梳狀”。而通過基序列的循環(huán)移位(8種),在相同的“梳狀”內(nèi),最多可以碼分復(fù)用8個用戶。這意味著在給定的SRS帶寬內(nèi),SRS的復(fù)用容量可以達(dá)到16 個用戶[8]。

        圖1 SRS頻域資源映射Fig.1 Frequency-domain resource mapping of SRS

        當(dāng)只有一個用戶時,沒有發(fā)送SRS序列的子載波位置可以用0填充。本文主要研究的是單用戶下的定時同步情形。

        2.2 定時誤差分析

        假設(shè)系統(tǒng)含有N個子載波,上行數(shù)據(jù)信號可以表示為

        其中,X[k]為第k個子載波上的基帶數(shù)據(jù)。多徑信道的時域沖激響應(yīng)可表示為

        其中,L為多徑數(shù),al和τl分別代表第l條徑的信道復(fù)增益和時延。

        如果不考慮時延和頻偏的影響,理想同步狀態(tài)下接收到的信號應(yīng)為

        其中,w[n]為加性高斯白噪聲。

        但由于實(shí)際系統(tǒng)中時延和頻偏的影響是不可避免的,因此實(shí)際中接收到的信號為

        其中,θ和ε代表時延樣點(diǎn)數(shù)和頻率偏移,w[n]為高斯白噪聲。

        上行符號同步的目的就是要找到每個SC-FDMA符號的起止時刻,確定FFT窗口的位置。當(dāng)接收端和發(fā)送端的FFT窗口不一致時,便會導(dǎo)致符號定時偏差。如圖2所示,其中Ncp為循環(huán)前綴,N為有效數(shù)據(jù)。在CP長度內(nèi),A代表受到符號間干擾(Inter-Symbol Interference,ISI)的區(qū)域,長度為信道沖激響應(yīng)的長度,B為無ISI污染的區(qū)域[9]。

        圖2 OFDM符號定時誤差示意圖Fig.2 Symbol timing error of SRS

        如果定時偏移θ與信道最大時延擴(kuò)展之和不超過CP的長度,即定時點(diǎn)落在區(qū)域B,此時子載波間的正交性仍然成立,沒有引入符號間干擾和子載波干擾(Inter-Carrier Interference,ICI),對數(shù)據(jù)符號的影響只是一個相位旋轉(zhuǎn)。但是如果定時的偏移量與最大時延擴(kuò)展之和大于循環(huán)前綴的長度,即定時點(diǎn)落在區(qū)域A,此時一部分?jǐn)?shù)據(jù)信息丟失了,子載波間的正交性會遭到破壞,并由此帶來ISI和ICI。

        因此,定時估計(jì)的任務(wù)就是對時延偏移θ進(jìn)行補(bǔ)償,使得定時點(diǎn)落在正確的定時區(qū)域。

        3 定時同步算法

        3.1 基本算法

        在基于導(dǎo)頻的定時方法中通常使用的是滑動相關(guān)法。該方法通過在每個無線幀的起始位置插入一前導(dǎo)符號,該符號與OFDM數(shù)據(jù)符號具有相同的長度,假設(shè)為 N,表示為 c(d),d=0,1,2,…,N - 1。算法的原理如下。

        假設(shè)經(jīng)過信道后,接收到的信號可以表示為r(d),d=0,1,2,…,N - 1,在接收端生成本地前導(dǎo)符號序列 c(d),d=0,1,2,…,N - 1,將其與接收信號r(d)按式(5)在時域上做滑動相關(guān):

        其中,c*(k)表示對本地序列取共軛。用本地序列的能量對P(d)進(jìn)行歸一化,得到定時度量函數(shù)

        該算法在AWGN信道環(huán)境下性能較好,且復(fù)雜度較低,但是當(dāng)應(yīng)用于多徑衰落信道環(huán)境中時,其性能出現(xiàn)了明顯惡化。這主要是由于多徑的影響,導(dǎo)致具有最強(qiáng)瞬時功率的徑不一定等于第1徑的情況,從而應(yīng)用式(7)無法正確判斷出第1徑的位置。

        3.2 后向搜索法

        針對多徑的影響,文獻(xiàn)[10]提出了一種應(yīng)用于多徑信道的定時同步算法,本文稱之為后向搜索法。為了克服由于第1徑為非功率最強(qiáng)徑所帶來的問題,文獻(xiàn)[10]引入搜索窗和門限值,如圖3所示。圖3是沒有噪聲情況下,度量函數(shù)M(d)在ITU-A信道下的示意圖。ITU-A信道下各徑的歸一化延遲分別為0、4、11、17、27、40 個采樣點(diǎn),功率分別為0 dB、-1.0 dB、-9.0 dB、-10.0 dB、-15.0 dB、-20.0 dB。

        圖3 后向搜索法示意圖Fig.3 Backward search method

        由圖3可知,此時的瞬時功率最強(qiáng)徑為第2徑,即采樣點(diǎn)為4的位置,但實(shí)際上正確的定時點(diǎn)應(yīng)該為第1徑的位置,即圖3中的0采樣點(diǎn)。因此文獻(xiàn)[10]提出采用后向搜索的方法,從最強(qiáng)徑的位置向左設(shè)置搜索窗,然后找出搜索窗內(nèi)大于某門限的峰值作為第1徑,其對應(yīng)的采樣點(diǎn)即為正確的定時點(diǎn)。具體算法如下:

        (1)利用式(7)找到最高峰值p0和其對應(yīng)的采樣點(diǎn)d0;

        (2)從d0向后搜索Ncp/2個采樣點(diǎn),其中Ncp表示循環(huán)前綴的長度,然后在搜索窗中找出度量函數(shù)M(d)大于門限值βp0(0≤β≤1)的最左邊的采樣點(diǎn)0,0代表第1徑的位置,即為正確的定時點(diǎn)。

        文獻(xiàn)[10]對β的取值進(jìn)行了進(jìn)一步研究,這里不再贅述,本文中取β=0.4。

        4 改進(jìn)的定時同步算法

        由圖3可知,后向搜索法的應(yīng)用前提是:在沒有噪聲的條件下,定時判決函數(shù)M(d)只在多徑對應(yīng)點(diǎn)處出現(xiàn)峰值,如圖 3 中的 0、4、11、17、27、40 采樣點(diǎn)位置。如果其他位置也存在峰值(尤其是搜索窗內(nèi)),則會導(dǎo)致在應(yīng)用3.2節(jié)的后向搜索法時,尋找第1徑的過程可能出現(xiàn)錯誤。

        然而,由2.1節(jié)對SRS的分析可知,由于SRS的頻域間隔結(jié)構(gòu),使得本身SRS就存在大量的零頻點(diǎn)。另外,在上行傳輸?shù)倪^程中,在IFFT變換時SRS還需要進(jìn)行補(bǔ)零操作。這些零頻點(diǎn)將導(dǎo)致在計(jì)算時域相關(guān)的過程中,度量函數(shù)M(d)除了在多徑采樣點(diǎn)處出現(xiàn)峰值外,在每個多徑點(diǎn)的左右兩邊也存在一個小的峰值,我們稱之為“旁瓣”,如圖4所示。

        圖4 定時度量函數(shù)峰值中的旁瓣現(xiàn)象Fig.4 Sidelobe phenomenon of timing metric function

        旁瓣現(xiàn)象使得在應(yīng)用3.2節(jié)的后向搜索法時,有可能將原本應(yīng)判決到第1徑的定時點(diǎn)判決到了其左右的旁瓣上,從而給整個算法引入了誤差。因此,如何消除旁瓣的影響是本文的研究重點(diǎn)。本節(jié)針對這一現(xiàn)象提出了一種改進(jìn)的后向搜索法,以消除旁瓣的影響。

        觀察圖4可看出,通常多徑點(diǎn)處的峰值是高于旁瓣的峰值的,但是也有可能某次的瞬時功率旁瓣的值反而高于多徑點(diǎn)處的峰值,尤其是當(dāng)發(fā)生在第1徑的時候,會給整個判決系統(tǒng)帶來很大的影響。因此,本文提出通過在搜索窗內(nèi)尋找度量函數(shù)M(d)大于某一門限的3個連續(xù)峰值,并取中間一個峰值所對應(yīng)的采樣點(diǎn)作為定時點(diǎn)的方法來消除旁瓣的影響。具體的算法如下:

        (1)利用式(5)和式(6)計(jì)算本地SRS序列與接收到的SRS信號的時域相關(guān),得到定時度量函數(shù)M(d),并找到M(d)的最高峰值(即最強(qiáng)徑)所對應(yīng)的的采樣點(diǎn),記為d0;

        (2)從點(diǎn)d0回溯Ncp/2個采樣點(diǎn)作為搜索窗,其中Ncp表示循環(huán)前綴的長度;

        (3)重新定義門限值,設(shè)門限為 λ×mean(M(d)),其中mean(M(d))表示對M(d)取均值,λ為調(diào)整系數(shù)。λ的設(shè)計(jì)滿足以下原則:一是不能設(shè)得太小,以防止在判決過程中噪聲對有用信號的干擾,造成虛同步的現(xiàn)象發(fā)生;另一方面也不能設(shè)得太大,否則在搜索窗內(nèi)無法搜索到正確的徑。為了同時滿足上述要求,通常將門限值定義為均值的兩倍左右,本文中取λ=2.5;

        (4)在搜索窗中找出度量函數(shù)M(d)大于門限值的最左邊的3個連續(xù)采樣點(diǎn),取中間的一個采樣點(diǎn)d*0判決為第1徑的位置,d*0即為正確的定時點(diǎn)。

        5 仿真結(jié)果

        為了驗(yàn)證所提算法在多徑衰落信道下的有效性,本文采用典型的城市信道模型ITU-A作為仿真環(huán)境,通過計(jì)算機(jī)仿真對基本算法、后向搜索算法和改進(jìn)的搜索算法的性能進(jìn)行對比。ITU-A信道模型各徑的歸一化延遲分別為0、4、11、17、27、40 個采樣點(diǎn),抽頭功率分別為 0 dB、-1.0 dB、-9.0 dB、-10.0 dB、-15.0 dB、-20.0 dB,其余的仿真參數(shù)如表1所示。

        表1 SRS仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters of SRS

        圖5和圖6分別為SRS的正確定時概率曲線和均方誤差(Mean Squared Error,MSE)曲線。

        圖5 SRS正確定時概率Fig.5 The probability of correctly timing

        圖6 SRS定時估計(jì)的均方誤差Fig.6 MSE of timing estimation

        從圖5可以看出,基本算法的正確定時概率只有50%左右,即有一半的概率不能找到正確的FFT窗口,錯誤概率較大。后向搜索法隨著信噪比的升高,性能有了一定改善,但正確定時概率最好也只能達(dá)到75%左右,不能滿足系統(tǒng)的要求。而本文提出的改進(jìn)方法雖然在信噪比非常低時(如-15 dB)性能較差,但是隨著信噪比的升高,優(yōu)勢漸漸明顯。當(dāng)信噪比在-5 dB時,正確定時概率已經(jīng)可以達(dá)到80%以上,而當(dāng)SNR大于5 dB時,正確定時概率基本維持在90%上下,且基本不受SNR變化的影響。

        從圖6可以看出,當(dāng)SNR小于-10 dB時,由于噪聲的干擾較大,導(dǎo)致無法通過門限分離出正確的徑,因此所有算法的性能都較差。但隨著SNR的繼續(xù)升高,本文所提算法的性能改善十分明顯。例如當(dāng)SNR大于-5 dB時,所提算法的性能已經(jīng)明顯優(yōu)于其余算法,MSE值保持在10°以下,相對于傳統(tǒng)的后向搜索算法,估計(jì)性能提升了6倍左右,說明本文所提算法是有效的,能有效抵抗多徑及旁瓣的影響。

        6 結(jié)論

        由于基本算法和后向搜索算法不能有效消除多徑的影響,以及由于SRS本身具有大量零頻點(diǎn)以及IFFT補(bǔ)零所帶來的旁瓣現(xiàn)象,使得原有算法不再適用于SRS的定時同步。因此,本文提出了一種改進(jìn)的搜索算法。該方法通過重新定義門限值,并通過取大于門限值的3個峰值中的中間一個所對應(yīng)的采樣點(diǎn)作為正確定時點(diǎn),以消除旁瓣的影響。仿真結(jié)果表明該方法能有效抵抗多徑效應(yīng),消除旁瓣現(xiàn)象帶來的影響,提高了SRS的定時估計(jì)性能,正確定時概率可以達(dá)到90%左右。

        [1]3GPP TS 36.211 V10.5.0 - 2012,Technical Specification Group Radio Access Network;Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Channels and Modulation(Release 10)[S].

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