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FDD-LTE 主同步信号检测累加相关算法
刘可文，吴勇*
作者简介：刘可文（1968-7），男，副教授，无线宽带通信
（武汉理工大学信息工程学院，武汉 430070）
摘要：本文在分析 FDD-LTE主同步信号帧结构的基础上，充分利用主同步信号的资源，提5
出了一种累加相关的算法，有效的对抗在低信噪比对主同步检测的影响。在牺牲合理算法的
开销的前提下，提高了小区初搜正确的概率。并且在不同的信道条件下和直接相关而不累加
的算法相比较，对累加相关算法进行充分的分析。�
关键词：FDD-LTE；小区搜索；累加相关；主同步信号�
中图分类号：�10
Pile up correlation algorithm for primary synchronous
signal detecting on FDD-LTE
Liu Kewen, Wu Yong
(Wuhan University of Technology School of Information Engineering, Wuhan 430070) 15
Abstract: In this paper, on the base of analysing the synchronous signals,and full use the resource
of synchronous signals, we proposed a pile up correlation algorithm. The method against the
effection of low SNR. Reasonable cost at the expense of the algorithm, improving the probility of
cell search. And in different channel conditions, comparing with slide correlation algorithm to full
analysis the method we proposed. 20
Key words: FDD-LTE;Cell Search;Pile up correlation;Primary synchronous signals
0 引言
WiMAX (World interoperability Access , WiMAX)技术的突然飞速的崛起，引起了 3GPP
（3rd Generation Partnership Project）组织的广泛关注和重视。为了对抗 WiMAX 技术，以及25
填补 3G 和 4G 在技术在过渡期间的空白。2004 年，3GPP 组织开始了 UMTS(Universal Mobile
Telecommunications) 的 LTE(Long Term Evolution)项目。这项技术受到全世界人们的广泛的
关注。它被称为“演进型 3G”(Evolved 3G , E3G)。然而，只要对这个技术稍做了解就可以知
道，与其说是“长期演进”，还不如说是一种“革命”。LTE 以 OFDM 和 MIMO 技术为核心，
具备 4G 技术的特征，可以称为“准 4G”技术[1]。 30
虽然 OFDM 技术在很多方面优势明显，但是它也不可避免的存在缺陷，对载波相位的
敏感就是其中比较明显的缺陷。因此，伴随 OFDM 的同步问题，也是 LTE 不可避免的挑战。
LTE 的同步策略主要依托于主同步序列[2]。
1 发射端
LTE 承载同步信息的是主同步信号和辅同步信号，是一种分层的结构设计。它们负责35
传输时间和频率同步信息，以及小区 ID 号。本文研究的重点是主同步序列，主同步序列承
载的同步信息最多，是主同步中最重要的一步。
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LTE 系统的无线帧结构
SCH（同步信道）在时域和频域结构的设计，也是 LTE 发展过程中一个很重要的议题。
在介绍它们时频域结构之前，我们先了解一些 LTE 下行无线帧的时频域结构[3]。 40
FDD 的帧结构：每个无线帧的长度为 10ms。每个无线帧分为 10 个子帧。每个子帧的
长度就应该为 1ms。每个子帧分为两个时隙，每个时隙的长度为 。如图 1 所示。每个
时隙的 OFDM 符号数，根据常规和扩展 CP 而不同。如表 -1 所示。
从表中可以看出，常规 CP 的符号数，比扩展 CP 的 OFDM 符号数多一个，每个符号的
长度都是相等的。但是，不论是常规 CP 还是扩展 CP，每个时隙的长度都为 。这是因45
为每个扩展 CP 都比常规 CP 长，而且长的部分的总长度，刚好为一个符号的长度。
以上是时域的结构，在频域方面，从一个 OFDM(下行)或 SC-FDMA(下行)符号来分析。
在LTE系统所支持的最大的20M带宽的条件下，最大配置为100个资源块（RB ,Resource
Block），RB 在时域上是一个时隙的长度，在频域是 12 个连续的子载波，子载波之间的间
隔为 15kHZ。那么系统占用的总带宽 BW = 12*15000*100=18000000HZ，也就是 18MHZ。50
100 个 RB 对应的子载波数为 1200，然而对这 1200 个子载波进行 2048 点 FFT 运算，那么实
际中需占用的带宽为 BW = 15000*2048=30720000HZ,也就是 。那么我们的采样也
就定为 。采样时间为 Ts=1/(15000*2048)秒。
图1. FDD帧结构 55
DL
symbN
slotT
0=l 1DLsymb −= Nl
RB sc
DL RB
N
N
× RB scN
RB
sc
DL
symb NN ×
),( lk
0=k
1RBsc
DL
RB −= NNk
图2. 下行资源格
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如图 2 所示，时隙的结构我们可以从一个资源格开始分析，这个资源格由 RBscNN ULRB 个
子载波和 ULsymbN 个 SC-FDMA 符号组成，资源格如图 1 所示。 ULRBN 的值由小区中配置的上行60
传输带宽决定，表示时隙中资源块的数目。 RBscN 表一个资源块中连续子载波的数目，一般
取值为 12。 ULsymbN 表示一个时隙中 OFDM 符号的数目。
P-SCH 信号结构
分层结构的同步信道，被分为两个信号，P-SCH（主同步）和 S-SCH（辅同步）在两个
OFDM 符号中传送[4] [5]，广播信号占用了 4 个 OFDM 符号。主同步信号在子帧 0 和子帧 565
的第一个时隙最后一个 OFDM 符号中传送，辅同步信号在子帧 0 和子帧 5 的第一个时隙倒
数第二个 OFDM 符号中传送，而广播信号在子帧 0 的第二个时隙的前 4 个 OFDM 符号中传
送。图 3 所示[2]。
图3. 下行资源格 70
LTE 系统的主同步序列：
主同步信号的序列 )(nd 由频域 ZC 序列产生：
⎪⎩
⎪⎨
⎧
=
== ++−
+−
61,...,32,31
30,...,1,0)(
63
)2)(1(
63
)1(
ne
nend nnuj
nunj
u π
π
主同同步序列同时还携带 (2)IDN 的信息，其中 ZC 根序列号u 和小区 ID 号的关系见表 1
所示: 75
表1. 主同步信号的根序号
(2)
IDN
根序号 u
0 25
1 29
2 34
序列到资源单元的映射取决于帧结构。UE 不可假定主同步信号与任意下行参考信号在
相同的天线端口上传输。UE 不可假定主同步信号与其他主同步信号在相同天线端口上传输。 80
序列 ( )nd 按下式映射到资源单元：
( )
2
31
61,...,0 ,
RB
sc
DL
RB
,
NN
nk
nnda lk
+−=
==
在 FDD 结构类型 1 中, 主同步信号映射到时隙 0 和 10 中的最后一个 OFDM 符号上，
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以及 中心带宽上。具体映射方式如下。
其中下列资源单元 ),( lk 保留，不用于主同步信号的传输： 85
66,...63,62,1,...,4,5
2
31
RB
sc
DL
RB
−−−=
+−=
n
NNnk
2 接收端
由于 ZC 序列在时域和频域都有很好的相关性，在接收端一般都采用相关的方法检测主
同步序列。信号的能量的强度决定了相关性的强弱。如果信号信噪比低，那么相关峰可能会
覆盖在噪声中，就无法检测同步信号。 90
接收端，为了保证获取完整的一个无线帧，通常会接收 20ms 的数据，包含两个无线帧。
那么接收的信号就包含了 4 个主同步信号。这些主同步信号所传送的内容是相同的。如果采
用滑动相关的方法，对接收端相关检测求峰值，这样运算的复杂度高，而且对主同步信号有
浪费资源之嫌。
基于这种考虑，我们采用一种累加相关的方法，在减小复杂度的开销情况下，可以有效95
的提高相关检测的性能。
累加相关检测
图4. 累加相关算法示意图
我们知道主同步信号的作用是 5ms 同步定时，那么在两个无线帧中的 4 个主同步信号100
的间隔应该都是 5ms。利用这个特性，我们将这 4 个主同步信号叠加，得到一个新的主同步
信号后，做相关操作。然后滑动（L+M）相关，最后求出相关峰值。如图 -1 所示：
从图 4 中可以看出，我们假设半帧的长度为 L,CP 的长度为 M。每次叠加 3*M 次加法，
叠加后做一次相关，然后滑动（L+M）次，那么加法的次数是 3*M(L+M)，相关（L+M）。
如果直接相关，需做 4*L 次相关。一次相关操作包括 M 次乘法和 M-1 次加法。那么滑动相105
关乘法操作次数是 4*L*M，加法次数是 4*L*（M-1）。叠加算法的乘法操作次数为（L+M）
*M，加法的操作次数是 3*M(L+M)+（L+M）*(M-1)。L 远远大于 M。
从比较中可以看到，叠加算法的加法操作次数和乘法操作次数都小于互动相关算法。信
号相加后，能量会增加，噪声叠加能量则不会增加，叠加后，可以说是增加了信号的信噪比。
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肯定会改善算法的性能。 110
3 算法性能分析
表2. EPA 信道参数
场景 1 Extended Pedestrian A (EPA) 信道径数（7）速度（2km/h）
径序号 径时延 相对功率增益（dB）
1 0
2 30
3 70
4 90
5 110
6 190
7 410
-10 -9 -8 -7 -6 -5
SNR（dB Eb/No）
时
偏
检
测
正
确
概
率
滑动相关算法
叠加相关算法
图5. 低信噪比下算法性能比较曲线 115
在ＥＰＡ信道条件下[6]，其信道参数如表 2 所示：对直接滑动相关算和叠加相关算法在
不同信噪比的条件下进行比较。较低的 SNR 条件下仿真 200 次。
从图 5 中可以看出，使用叠加相关的方法，在低信噪比的 EPA 信道条件下，与滑动相
关方法，可以将时偏检测概率提升大概 5%。
4 结论 120
通过理论分析和在相关平台条件下，我们对叠加相关算法进行了分析和仿真，证实了叠
加算法在 FDD –LTE 系统中，可以有效的对抗噪声对相关检测的影响。同时，相比于直接
滑动相关算法，叠加相关算法的开销更小。从而，在整体上改善小区搜索的性能，提升 LTE
系统的核心竞争力。
[参考文献] (References)125
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