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5G系统的下行同步关键技术的研究

5G系统的下行同步关键技术的研究

作者：黎志辉南昌大学

学位级别：硕士

随着第五代移动通信技术(The 5th Generation Mobile Communication,5G)逐步推广应用,5G网络用户体验到更快的下载速度,更可靠的网络连接。相较于上一代4G系统,5G系统在实现通信目的方面并未进行较大改变,建立终端与基站的连接同样依赖... 详细信息

随着第五代移动通信技术(The 5th Generation Mobile Communication,5G)逐步推广应用,5G网络用户体验到更快的下载速度,更可靠的网络连接。相较于上一代4G系统,5G系统在实现通信目的方面并未进行较大改变,建立终端与基站的连接同样依赖于下行同步过程,但是在同步信号、载波间隔以及应用频段等方面的设置上,5G系统的变化巨大。因此,对5G系统下行同步算法的继续深入研究是非常有必要的,其性能的好坏,不但决定了5G终端下行链路信号参数是否能准确获取,也决定了5G上行随机接入初始参数能否准确的获取。首先,对5G下行物理信号进行分析。针对5G终端用户在移动过程中频繁切换基站和信号传输过程中存在的信号定时同步难等问题,本文设计了一种分段与差分的联合检测算法。该算法在改进了分段相关算法的基础上,对本地同步信号进行叠加,降低了计算复杂度,在有效抵抗频偏的同时降低噪声累积的影响。通过在不同信道下的测试仿真,验证该算法具有有效提高定时同步检测成功率的作用。其次,终端设备在获取到接收信号时,为了获得更好的信号质量,需要消除载波频率偏移带来的影响。为了解决该问题,本文提出一种改进型频偏估计的检测算法,改进算法优于循环前缀检测下的频偏估计以及分段主同步信号检测下的频偏估计,能较好的适应5G中的信道环境。最后,搭建下行同步搜索仿真链路,制定同步信号块波束测量方案,结合改进的同步搜索和频偏估计方法,在获取小区号后,对各个同步块的波束功率进行测量,判别出最强的收发波束对。

关键词： 5G同步信号下行同步相关检测频偏估计波束测量

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5G NR通信系统下行同步技术的研究

5G NR通信系统下行同步技术的研究

作者：杜燕南昌大学

学位级别：硕士

目前,5G的第一个演进版本标准R16已经冻结,参照协议规范进行应用技术研究始终是通信行业的热点话题。下行同步是用户与基站建立连接的关键过程,只有完成下行同步获取到小区标识,用户才能准确识别基站发送的信息。相比于4G,5G NR系统中... 详细信息

目前,5G的第一个演进版本标准R16已经冻结,参照协议规范进行应用技术研究始终是通信行业的热点话题。下行同步是用户与基站建立连接的关键过程,只有完成下行同步获取到小区标识,用户才能准确识别基站发送的信息。相比于4G,5G NR系统中的帧结构和同步信号发生了变化,协议规范要求提供快速无线通信同步能力,为适应不断发展的通信需求,本文将对5G NR系统下行同步技术展开研究。首先,综合当前几种常用的主同步信号PSS检测算法的优缺点,提出了低复杂度的叠加分段相关算法。将与接收信号相关的PSS序列由原来的三组减少到一组,极大地减少了初始盲检运算量,并通过分段保持了良好的抗频偏性能。经实验表明,改进方案相比滑动相关,具备更好的抗频偏性能,对比差分相关,具有更好的抗噪声性能,相比滑动、差分和分段三种算法,降低了原有的运算量。改进算法可以在兼具良好的抗频偏性能和抗噪声性能的基础上,使计算复杂度减少66.65%。其次,针对辅同步信号SSS检测运算量过高的缺陷,提出基于WalshHadamard矩阵的快速检测方案。由于辅同步信号检测需要遍历本地336组SSS序列,运算量过大,为了减少用户连接网络的时间,利用m序列矩阵和WalshHadamard矩阵之间的等价性,构造变换矩阵。运用Walsh-Hadamard矩阵的蝶形快速算法,把运算量降低了95.95%,大幅提升了算法检测速度。最后,采用VC6.0搭建了5G NR下行同步软件平台,设计了PSS粗同步、PSS细同步、频偏估计和补偿、SSS解码等几个关键模块的程序流程,顺利实现了用户解调同步信号获取符号起始点和物理小区ID的基本功能。检测结果与基站预设数据一致,验证了该下行同步软件设计方案的可行性以及逻辑功能的正确性。

关键词： 5G NR系统下行同步 PSS检测 SSS检测

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5G NR下行同步和频偏估计算法研究

5G NR下行同步和频偏估计算法研究

作者：谢羿西安电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,终端数目与数据业务量均呈现出爆炸式的增长,现有的移动通信系统难以满足未来需求的快速增长。面向2020年的第五代移动通信技术(5G)便应运而生。对于5G移动通信系统来说,下行同步是一个非常关键的步骤,它使得用户获取本小区详尽... 详细信息

近年来,终端数目与数据业务量均呈现出爆炸式的增长,现有的移动通信系统难以满足未来需求的快速增长。面向2020年的第五代移动通信技术(5G)便应运而生。对于5G移动通信系统来说,下行同步是一个非常关键的步骤,它使得用户获取本小区详尽的系统信息,实现与基站的时频同步,完成和基站交互前的准备工作。对于下行同步过程来说,载波频偏(CFO)会造成正交频分复用(OFDM)子载波间的非严格正交,进而使得同步检测性能恶化。除此之外,频偏也会影响到物理下行共享信道(PDSCH)数据的正确解调。因此准确的CFO估计对于5G NR正确的下行同步过程和PDSCH无差错传输来说都是不可或缺的。本文着重研究在5G NR背景下,建立快速准确的下行同步过程,并对频偏估计技术进行深入探讨。5G采用了更为灵活的资源配置和频率范围,对于下行粗时间同步算法来讲,应用传统的主同步序列(PSS)互相关算法将会带来了巨大的运算量和运算复杂度。针对此问题,本文提出了基于自相关的两种粗时间同步检测算法,其一先通过低通滤波和下采样过程,再利用同步信号/物理广播信道块(SSB)周期性进行自相关,得到时隙头的位置,最后利用PSS频域检测得到小区组内标识;另一种则利用循环前缀(CP)的自相关性,通过多个CP自相关累加和检测点区间规划的方法,从候选位置中精确地给出定时同步位置,完成PSS检测。通过仿真结果可知,改进后的两种算法在降低计算复杂度的同时也拥有较好的性能。其次针对频偏影响下行粗时间同步检测性能的问题,本文改进了传统频偏估计算法,使其应用于5G NR的SSB中。通过仿真验证了改进后的频偏估计算法不仅适用于下行同步过程,而且还保持了较好的性能。不同于下行同步过程中的广播信道,在PDSCH中,由于DMRS数量和位置均灵活多变不固定,在DMRS只存在于一个符号的情况下,传统算法将会缺少频偏估计的必要条件,无法准确估计出频偏值。因此本文提出一种基于星座点分集的频偏估计算法,该算法先利用CP进行粗频偏估计和发散补偿,再通过联合两个时隙进行频域辅助信道估计和均衡,最后通过星座点分集进行残余频偏估计与补偿。仿真结果表明,该算法具有较好的频偏估计性能,且在DMRS只存在于一个符号的情况下得到较好的星座图。

关键词： 5G新空口下行同步正交频分复用主同步序列频偏估计

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5G小区搜索和下行同步技术的优化与实现

5G小区搜索和下行同步技术的优化与实现

作者：王宗伟重庆邮电大学

学位级别：硕士

5G(The 5th Generation Mobile Communication,第五代移动通信)是最新一代移动通信技术,具有高传输速率、低时延、低功耗和高可靠等优势。目前5G基础版本标准已经发布,伴随着5G全球化商用推进,对5G关键技术和应用研究成为当下信息技术... 详细信息

5G(The 5th Generation Mobile Communication,第五代移动通信)是最新一代移动通信技术,具有高传输速率、低时延、低功耗和高可靠等优势。目前5G基础版本标准已经发布,伴随着5G全球化商用推进,对5G关键技术和应用研究成为当下信息技术领域所关注的热点。与LTE(Long Term Evolution,长期演进)系统类似,5G系统的终端也通过小区搜索过程接入基站并实现通信。5G系统在频段、帧结构和同步信号等方面与LTE系统相比已发生了变化,对5G小区搜索能力提出了更高的要求。因此对5G小区搜索和下行同步技术进行研究具有重要意义。首先,论文对5G小区搜索的一般流程展开分析,优化5G定时同步过程的算法。传统5G粗定时同步算法的抗频偏性能较弱,具有较高的复杂度,无法满足终端芯片的硬件需求。因此深入研究传统分段定时同步算法后,提出一种联合FFT(Fast Fourier Transform,快速傅里叶变换)和重叠分块的改进算法,该算法对本地主同步序列预置归一化频偏,依据相关运算结果的卡方分布特性执行自适应门限判决,整体减少了约77%的运算量,仿真结果表明改进算法对噪声和频偏有很好的鲁棒性。其次研究了5G系统的SSS(Secondary Synchronization Signal,辅同步信号)检测算法。针对传统基于频域相干的SSS检测算法复杂度较高的问题,利用SSS的生成特性,论文提出一种基于FHT(Fast Hadamard Transform,快速哈达玛变换)的改进算法。改进的SSS检测算法将传统遍历相关用FHT快速相关代替,性能仿真和分析表明,在保证检测性能相当的前提下,有效降低了运算复杂度。最后,论文完成了5G小区搜索方案设计,并基于中科院研发的Maotu DSP(Digital Signal Processing,数字信号处理器)对5G小区搜索和下行同步关键模块进行定点实现。利用DSP的结构特点与指令集进行时间复杂度优化,定点DSP模型的处理效率得到进一步提升。通过5G小区搜索浮定点模型的性能对比和分析,定点模型的性能与浮点模型的性能仅有0.1d B的性能差距,验证了5G小区搜索DSP实现的可行性和正确性。

关键词： 5G系统小区搜索下行同步门限判决

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基于LTE的下行同步算法研究与仿真

基于LTE的下行同步算法研究与仿真

作者：周全武汉邮电科学研究院

学位级别：硕士

LTE下行同步技术是每一个移动设备接入无线网络的第一步,无线终端必须通过小区搜索来接收到广播信道中的目标小区标识,获得时间和频率同步。[1]对下行同步过程的研究对于整个系统来说十分关键,可以通过对接入算法的研究来提升终端的接... 详细信息

LTE下行同步技术是每一个移动设备接入无线网络的第一步,无线终端必须通过小区搜索来接收到广播信道中的目标小区标识,获得时间和频率同步。[1]对下行同步过程的研究对于整个系统来说十分关键,可以通过对接入算法的研究来提升终端的接入速度,提高内存的利用效率。因此,对下行同步算法的研究具有重要的应用价值。本文重点研究了LTE的同步过程和传统的算法,分析得出了几个重要的特点,如由不同的根序列生成的主同步信号中,存在着实部相同,虚部互为相反数的特点。在m序列中,总结出m"序列始终小于m#序列,以及小区组表示和他们之间的算数关系等。结合以上发现的重要特点,本文对算法进行了改进优化,实现过程中使用了改进的基于互相关算法实现主同步信号同步,然后根据主同步信号进行定时同步和ML算法实现频偏估计,基于循环前缀长度假设算法确定所使用的循环前缀类型,以及使用基于奇偶序列的最大m相关值实现辅同步信号同步算法。解决了下行同步过程中避免进行不必要的重复的大型即时运算,并优化了消耗的本地存储资源,加快下行同步速度,提高终端接入性能。本文使用LTE系统级仿真平台,对改进的算法进行了仿真,仿真实验的结果表示,在信噪比较低的情况下,PSS的同步性能与传统算法相比,性能相差无几,但算法运算速度有所提高。SSS的基于奇偶序列的最大m相关值在信噪比不高的情况下,同步正确率优于传统算法,且占用内存大量减少;当信噪比足够大时,算法正确率一致。因此,本文提出的改进后的算法能够满足需求。

关键词：下行同步正交频分复用循环前缀主/辅同步信号

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5G小区搜索与下行同步技术研究

5G小区搜索与下行同步技术研究

作者：向爽武汉邮电科学研究院

学位级别：硕士

为了满足全球市场对移动通信系统性能的强烈需求,3GPP组织启动了第五代移动通信系统的研究。5G技术旨在实现超高的无线传输速率、超低传输时延和超高可靠性,并广泛应用于虚拟现实、无人驾驶、物联网等新兴业务场景。目前,5G的无线接入... 详细信息

为了满足全球市场对移动通信系统性能的强烈需求,3GPP组织启动了第五代移动通信系统的研究。5G技术旨在实现超高的无线传输速率、超低传输时延和超高可靠性,并广泛应用于虚拟现实、无人驾驶、物联网等新兴业务场景。目前,5G的无线接入空口标准协议冻结,5G网络架构与关键技术已成为时下通信行业的研究热点之一。小区搜索与下行链路同步过程作为移动通信系统物理层的重要节点,是实现5G无线接入技术高性能的关键。小区搜索过程必不可少的步骤是检测同步信号,终端设备检测到同步信号的时频位置,实现下行链路同步才能解调接收信号,获取基站系统消息与数据信息以建立持续通信。5G系统的物理层信号处理比以往的通信系统更加复杂且5G占用更高的频段,与LTE系统不同的是,5G NR下行链路的同步信号与PBCH信道捆绑在一起形成SS/PBCH块,SS/PBCH块的结构复杂且序列长度更长,使得同步信号的检测复杂度成倍增高,且硬件实现难度更高。然而现有的小区搜索与下行链路同步方案不能满足5G下行链路的检测需求,高频偏会严重影响下行链路同步信号的检测性能,因此需要进行大量的研究对高频偏鲁棒性、低实现复杂度和检测性能高的设计方案,本文就小区搜索与下行同步方案提出了改善的同步信号检测算法以及降低检测复杂度的实现方案,具有很高的参考价值。本文在LTE的主同步信号与辅同步信号的基础上研究了NR的同步信号性能,验证了NR同步信号的低检测复杂度与良好的抗频偏性能。同时还研究了SS/PBCH的结构特点,对其性能分析验证。在研究NR小区搜索与下行同步过程中,为了提高整体系统性能,提出了一种基于传统算法改进的抗频偏性能高的滑动差分相关算法检测主同步信号和一种辅同步信号盲检测算法,然后深入分析了下行链路同步过程。最后通过MATLAB软件搭载小区搜索与下行同步的仿真平台,对比分析了传统算法与改进算法的性能,验证了改进算法的有效性。

关键词： 5G 同步信号小区搜索下行同步

低轨卫星通信中的LTE下行同步FPGA设计

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低轨卫星通信中的LTE下行同步FPGA设计

作者：王晗西安电子科技大学

学位级别：硕士

在宽带移动网络高速发展的推动下,实现能够覆盖全球的宽带通信系统势在必行。地面LTE可以为人们提供高质量的通信服务,但是因为部署难度,一些偏远地区的用户还无法享受LTE服务,而低轨卫星通信服务具有覆盖全球各地的优势,因此低轨卫星... 详细信息

在宽带移动网络高速发展的推动下,实现能够覆盖全球的宽带通信系统势在必行。地面LTE可以为人们提供高质量的通信服务,但是因为部署难度,一些偏远地区的用户还无法享受LTE服务,而低轨卫星通信服务具有覆盖全球各地的优势,因此低轨卫星通信和LTE的融合是目前的研究热点。但是将地面LTE技术应用到低轨卫星通信中也会面临很多困难,卫星信道的大频偏、低信噪比等特点会对信号的正确接收产生很大影响。在LTE系统中,基站发送信号的定时和频偏估计是在下行同步过程中完成的,本文主要针对低轨卫星信通信环境中的LTE下行同步方案进行研究,并对方案进行了FPGA设计和实现。论文首先阐述了低轨卫星通信、LTE通信以及下行同步算法与实现的研究现状和意义,介绍了LTE系统的一些相关技术。接下来,论文对下行同步过程中定时估计、整数倍和小数倍频偏估计、循环前缀(Cyclic Prefix,CP)类型检测和辅助同步信号(Secondary Synchronization Signal,SSS)检测的相关算法在典型的卫星信道模型下进行了仿真、对比和分析,给出了一套能够满足低轨卫星通信要求的LTE下行同步方案。其中定时估计使用性能优异且复杂度较低的AHC(Almost Half Complexity)算法,它的定时估计周期是5ms,能够跟上卫星通信时延的变化。同时,为了避免卫星信道中大频偏对定时位置的影响,采用定时和整数倍频偏联合估计的方法,增强了算法的性能,仿真结果表明,该方法对于30KHz以内的频偏都能准确估计。CP检测和小数倍频偏估计选用M点滑动自相关算法,SSS检测选用一般相干检测算法,仿真结果表明,这两种算法在低信噪比的条件下也有较好的检测性能,可以满足卫星通信的需要。然后基于给出的下行同步方案,使用Verilog语言设计与实现了卫星通信中的LTE下行同步模块。整个FPGA设计分为数据与时序控制、缓存、滑动控制、PSS检测、CP检测、频偏补偿、定时调整、正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)解调和SSS检测共9个模块。在实现过程中,利用SSS序列的性质将乘法运算转换为异或运算实现了SSS解扰的简化;把PSS检测和CP检测中相似的运算流程进行时间上的复用避免了硬件资源的浪费。接着搭建验证平台对所设计的FPGA下行同步模块功能进行了正确性验证。最后,基于Xilinx的XZCU2EGS芯片对FPGA下行同步模块进行了电路综合,结果表明,主要的硬件资源消耗在20%以内,最大工作时钟为183.15MHz,能够满足下行同步的实时性要求。

关键词： LTE 低轨卫星通信下行同步 FPGA

基于多核手机芯片的TD-SCDMA非信令模式下行同步方案

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电讯技术 2013年第11期53卷 1459-1464页

作者：范靖彭涛王文博北京邮电大学泛网无线通信教育部重点实验室北京100876

随着TD-SCDMA无线通信系统商用的成熟,研究多核手机芯片的非信令模式符合终端测试发展需求。通过对TD-SCDMA下行同步过程的研究,设计了快速的非信令模式下行同步实现方案,同时结合多核手机芯片的特点充分优化下行同步过程的实现。实现... 详细信息

随着TD-SCDMA无线通信系统商用的成熟,研究多核手机芯片的非信令模式符合终端测试发展需求。通过对TD-SCDMA下行同步过程的研究,设计了快速的非信令模式下行同步实现方案,同时结合多核手机芯片的特点充分优化下行同步过程的实现。实现结果表明,该下行同步方案处理时延40μs左右,频偏估计结果的均值和标准差分别稳定在10 Hz、32 Hz左右,能够用于简化多核终端生产测试过程,具有一定的工程应用价值。

关键词： TD—SCDMA 多核手机芯片非信令模式下行同步

5G新空口下行同步和广播信道的仿真与FPGA实现

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5G新空口下行同步和广播信道的仿真与FPGA实现

作者：张越良北京邮电大学

学位级别：硕士

5G新空口(New Radio,NR)是基于正交频分复用技术的全新空口设计标准,也是下一代移动通信移动技术的基础。这项技术将在不久的将来接替长期演进(Long Term Evolution,LTE),为人们的生活带来便利。5GNR的同步信道与广播信道(Physical Broa... 详细信息

5G新空口(New Radio,NR)是基于正交频分复用技术的全新空口设计标准,也是下一代移动通信移动技术的基础。这项技术将在不久的将来接替长期演进(Long Term Evolution,LTE),为人们的生活带来便利。5GNR的同步信道与广播信道(Physical Broadcast Channel,PBCH)的设计和LTE技术有很大的不同,NR中同步信道和PBCH组成同步广播资源块,资源映射的位置和生成方法完全不同于LTE。主同步信号和辅同步信号序列的长度都增加为LTE的2倍,这使得基于相关的同步算法复杂度翻倍。通常相关峰值的计算需要用到复数乘法器,会带来极大的硬件资源消耗。同时,由于PBCH有一部分映射到了辅同步信号子载波的两侧,并且PBCH的解调参考信号中携带了一部分系统参数,需要对整体流程进行调整和优化。基于NR同步信道和PBCH的最新设计,对其进行仿真研究可以为硬件实现提供参考。参考仿真结果进行FPGA实现,并进行设计上的优化,从而减少硬件资源消耗并且改善算法的时延,具有很高的实用价值。首先,本文搭建了NR下行同步和PBCH的仿真平台,仿真研究了下行同步的成功率和残留频偏,并对不同算法的结果进行对比。给出了解调参考信号的盲检测方法,并对盲检测误检率和PBCH误块率进行仿真。本文给出了4GHz载波场景下的仿真结果,并参考相关提案进行平台校准。针对同步算法硬件资源消耗过大的问题提出了低资源占用的主同步信号检测算法,并仿真评估算法的误检率和硬件资源消耗,为后续硬件实现提供参考。其次,本文以仿真平台的算法和流程为基础,对下行同步进行了FPGA实现。开发板采用Xilinx ZYNQ-7020芯片和射频AD9361,利用该开发板进行发端和收端的开发,形成一套完整的下行同步流程。实现了低资源占用的主同步信号检测算法,频域低时延辅同步信号检测算法,同时对实现细节进行优化,并给出了硬件平台综合结果、整体波形和硬件资源消耗。

关键词： 5G新空口下行同步广播信道 FPGA