基于5G標(biāo)準(zhǔn)的低軌衛(wèi)星通信初始同步技術(shù)

李樂天，王賽宇，王力男

(中國電子科技集團(tuán)公司 第54研究所，石家莊 050081)

0 引言

隨著衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，用戶對高傳輸、廣范圍、較低時延以及靈活性高的低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的需求逐漸增長；相比地面移動通信系統(tǒng)，低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)覆蓋范圍更加廣泛，多顆低軌衛(wèi)星能實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋。但低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)因?yàn)樾l(wèi)星的高速運(yùn)動帶來覆蓋區(qū)的快速變化導(dǎo)致地面移動終端和衛(wèi)星之間產(chǎn)生非常大的多普勒頻移從而嚴(yán)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(wèi)星相關(guān)的接入網(wǎng)協(xié)議及架構(gòu)進(jìn)行評估，并進(jìn)一步開展基于5G標(biāo)準(zhǔn)的低軌衛(wèi)星接入研究。現(xiàn)在5G NR標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(xù)的240個子載波帶寬，在時域上占用4個連續(xù)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(nèi)不同的子載波間隔幀結(jié)構(gòu)可能有多個SSB，用來滿足終端的快速捕捉。

國內(nèi)外5G低軌衛(wèi)星的研發(fā)仍處于起始階段，我國的國家衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的空口基本技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是基于地面5G的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1-2]，其中的產(chǎn)品終端所應(yīng)用的初始同步技術(shù)需要滿足高動態(tài)大多普勒的低軌衛(wèi)星信道特點(diǎn)[3]，所以研究基于5G的低軌衛(wèi)星的初始同步技術(shù)是當(dāng)前技術(shù)體制中一個關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。

1 下行初始同步過程

當(dāng)設(shè)備剛啟動，信號的起始位置還無法確定，物理層會自動進(jìn)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(shè)備接入的小區(qū)ID，這就是初始同步的過程，即小區(qū)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(shù)倍頻偏估計、小數(shù)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(shù)倍頻偏估計這兩部分進(jìn)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(jìn)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(jìn)行差分互相關(guān)運(yùn)算，獲得信號的小數(shù)倍頻偏。(因?yàn)楸疚牟捎昧薕FDM的基帶調(diào)制，所以通信系統(tǒng)會對頻率偏移比較敏感，從而降低了系統(tǒng)的同步性能，因此需要通過頻偏估計對信號進(jìn)行補(bǔ)償。)；

2 PSS檢測

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

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

5G-NR標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，PSS包含在SS/PBCH塊(以下簡稱SSB塊)中，在5G-NR信號20 ms的發(fā)送周期中，只有前5 ms的同步突發(fā)集含有多個SSB塊(即含有多個PSS序列)。5G的PSS在時域上占據(jù)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(hù)作用的子載波共同構(gòu)成240個子載波。PSS頻域產(chǎn)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(diǎn)數(shù)為256，所以本地PSS的M序列通過ifco參數(shù)取值[-2,2]循環(huán)移位后進(jìn)行IFFT變換產(chǎn)生長度為L=256樣點(diǎn)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(shù)，τl表示多徑延時，τd表示發(fā)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(fā)送信號的歸一化頻偏，N表示IFFT/FFT的點(diǎn)數(shù)。

(3)

通過接收序列與5組，總共15個本地PSS進(jìn)行滑動互相關(guān)運(yùn)算，當(dāng)最大相關(guān)峰值大于預(yù)設(shè)判決門限時，得到最大的相關(guān)峰值所對應(yīng)的d作為接收到的時域信號中半幀的定時點(diǎn)，判斷相關(guān)峰值最大的本地PSS所對應(yīng)的小區(qū)組內(nèi)ID和整數(shù)倍頻偏，即PSS檢測同時完成了定時同步、檢測小區(qū)組內(nèi)ID和整數(shù)倍頻偏估計。

3 小數(shù)倍頻偏估計

5G-NR規(guī)定了同步信號是基于OFDM調(diào)制，即信號里子載波具有敏感的正交性，進(jìn)而接收信號要保持嚴(yán)格的正交性，最終接收端能正確解調(diào)信號含有的數(shù)據(jù)。由于低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的高移速特點(diǎn)，信號在衛(wèi)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(shù)倍，接收信號的各個子載波雖然會發(fā)生循環(huán)移位，但是子載波之間還是處于正交，繼而在解調(diào)接收信號時，數(shù)據(jù)會發(fā)生循環(huán)移位。因?yàn)樵赑SS檢測這一節(jié)已經(jīng)估計出整數(shù)倍頻偏，所以下面介紹估計小數(shù)倍頻的算法。小數(shù)倍頻偏(頻偏大小是子載波間隔的小數(shù)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(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得出其相位偏移，再根據(jù)相位偏移來求頻率偏移。

在文獻(xiàn)[15]中首次提出了基于CP自相關(guān)的頻偏估計算法，該算法利用OFDM符號中CP與其符號對應(yīng)的數(shù)據(jù)的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。基于CP自相關(guān)的算法復(fù)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(shù)倍頻偏的精度較低[16]。因此文獻(xiàn)[17-20]中提出一種改進(jìn)算法：利用5G的SSB的格式，可以將連續(xù)的多個OFDM符號的CP進(jìn)行聯(lián)合相關(guān)處理，最終求出多個CP的頻偏值的平均值為小數(shù)倍頻偏估計。

上述算法均是利用同步信號的CP自相關(guān)進(jìn)行頻偏估計，下面根據(jù)文獻(xiàn)[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(jìn)行改進(jìn)：將時域上的本地PSS與接收端接收的PSS逐點(diǎn)共軛相乘后，講其平均分成兩段并且對前后兩段進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。雖然增加了算法的復(fù)雜度，但是提高了頻偏估計算法的準(zhǔn)確性，算法具體的原理如下所示：在補(bǔ)償完P(guān)SS定時偏移的條件下，在時域上使用本地PSS序列sPSS(n)共軛點(diǎn)乘接收端接收的PSS符號rPSS,i(n)得到y(tǒng)(n)(y(n)的表達(dá)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(xiàn)[23-24]中對本地PSS序列與接收端接收的PSS序列進(jìn)行分段處理的思想，提出了一種改進(jìn)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(guān)運(yùn)算，重復(fù)進(jìn)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(jìn)算法增加了算法的復(fù)雜度，但是算法受到多徑效應(yīng)的影響減少，估計出小數(shù)倍頻偏的精確程度提高。

4 仿真結(jié)果與分析

文章前兩節(jié)描述幾種衛(wèi)星5G定時同步和頻偏估計算法，下面通過Matlab先模擬出衛(wèi)星信道環(huán)境，再在該環(huán)境下對改進(jìn)算法與經(jīng)典算法進(jìn)行仿真。對比仿真結(jié)果得到文章中改進(jìn)的定時同步/頻偏估計算法可以適用于低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。仿真的參數(shù)如表1所示。

4.1 衛(wèi)星信道下PSS檢測仿真結(jié)果及分析

本小節(jié)在衛(wèi)星信道環(huán)境下，對基于PSS自相關(guān)、互相關(guān)定時同步算法以及改進(jìn)的基于PSS互相關(guān)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(jié)果進(jìn)行對比，證明改進(jìn)的算法能夠在衛(wèi)星環(huán)境下使用。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 5G低軌衛(wèi)星初始同步仿真參數(shù)表

如圖2所示，仿真在衛(wèi)星信道下得到3種算法的PSS檢測性能。仿真結(jié)果顯示了頻偏為40 kHz時，改進(jìn)算法的性能比基于PSS互相關(guān)性能有提升，平均大約提升1.5 dB。而基于PSS的自相關(guān)算法的定時同步性能最差，在低信噪比的環(huán)境尤為明顯。因此在衛(wèi)星信道環(huán)境下，改進(jìn)算法雖然因?yàn)樘砑诱麛?shù)倍頻偏而使計算量變得復(fù)雜，但是算法的PSS檢測性能有所提升，所以改進(jìn)算法可以應(yīng)用在衛(wèi)星信道環(huán)境中。

圖2 衛(wèi)星信道下PSS檢測性能

4.2 衛(wèi)星信道下小數(shù)倍頻偏估計仿真結(jié)果及分析

仿真是在模擬衛(wèi)星信道環(huán)境下進(jìn)行的，并且頻偏設(shè)置在40 kHz，得出3種頻偏估計算法的性能。仿真結(jié)果表明，經(jīng)過分段處理后基于PSS差分互相關(guān)的頻偏估計算法的性能在衛(wèi)星信道環(huán)境下，是3種算法中最優(yōu)的，RMSE值要優(yōu)于基于PSS的差分互相關(guān)算法大約1 dB，優(yōu)于基于CP的自相關(guān)算法大約2 dB。雖然分段處理使得算法增加運(yùn)算量，但是算法可以抵抗來自衛(wèi)星信道環(huán)境下的多徑效應(yīng)，使得算法的頻偏估計性能得到提升。

圖3 衛(wèi)星信道下頻偏估計性能

結(jié)合圖3所示的仿真結(jié)果得到，進(jìn)行分段處理后基于PSS互相關(guān)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(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，可以采用基于PSS分段互相關(guān)算法進(jìn)行頻偏估計。

因?yàn)榛赑SS互相關(guān)頻偏估計算法是基于PSS分段互相關(guān)的頻偏估計算法的特殊情況，可以推測對PSS序列進(jìn)行分段次數(shù)越多，算法頻偏估計性能越好。所以下面在衛(wèi)星信道環(huán)境且頻偏設(shè)為40 kHz的條件下，增加分段數(shù)目，進(jìn)行對算法的頻偏估計性能的Matlab仿真，結(jié)果如圖4所示。

圖4 分段參數(shù)值(M)不同時，基于PSS的分段互相關(guān)算法頻偏估計性能

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

5 結(jié)束語

綜合仿真結(jié)果可以得出，PSS檢測和小數(shù)倍頻偏估計使用的改進(jìn)算法相比于傳統(tǒng)算法，均以增加算法的復(fù)雜度來提升算法的準(zhǔn)確度，同時也表明了在高動態(tài)、低信噪比環(huán)境下改進(jìn)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(wèi)星通信系統(tǒng)的下行鏈路的同步要求。雖然算法要求至少接收到一幀數(shù)據(jù)，5G-NR標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定1幀數(shù)據(jù)持續(xù)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(shù)據(jù)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(shù)值比較低，當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)初始同步技術(shù)做相關(guān)研究。