Экспериментальное исследование сигналов первичной и вторичной синхронизации физического уровня в сети LTE

В статье описана процедура синхронизации в системах беспроводной широкополосной системе связи четвертого поколения LTE. Рассмотрена структура синхросигналов первичной и вторичной синхронизации. Приведено взаимное расположение в частотно-временной области синхросигналов первичной и вторичной синхронизации. Приведена структурная схема процедуры синхронизации на физическом уровне. Приведены результаты эксперимента, где по записанному сигналу с действующей базовой станции LTE детектировались сигналы первичной и вторичной синхронизации, по которым был вычислен идентификатор соты с базовой станции LTE.

Ключевые слова: синхронизация; система связи четвертого поколения; Long Term Evolution; первичная синхронизация; вторичная синхронизация; последовательность Задова-Чу; М-последовательность; корреляционная функция.

Беспроводные технологии стремительно завоевывают мир со скоростью и широтой охвата, превосходящие все ожидания. По оценкам экспертов к 2015 г. пользовательская база широкополосного доступа (ШПД) в мире превысит 3 млрд человек [1]. Одной из технологий, призванных для обеспечения спроса на современные телекоммуникационные системы, является технология Long Term Evolution,или, сокращённо, LTE-технология. Соответственно этому, сети мобильной связи, реализованные на основе такой технологии, называют LTE-сети.

Перед подключением мобильной станции (МС) к ближайшей базовой станции, МС должна провести процедуру поиска соты. Он состоит из ряда этапов синхронизации, по которому мобильная станция определяет временные и частотные параметры, необходимые для демодуляции нисходящей линии связи, передачи сигналов по восходящей линии и правильной синхронизации.

Целью данной статьи является исследование алгоритма синхронизации абонента с базовой станцией, процедуры формирования и детектирования сигналов первичной (PSS — Primary synchronization signals) и вторичной (SSS — secondary synchronization signals) синхронизации, а также проведение эксперимента с целью обнаружения сигналов PSS и SSS с действующей базовой станции.

В сети LTE, каждая сота идентифицируется сигналами PSS и SSS, которые несут информацию о значении идентификатора соты. Процедура синхронизации состоит из следующих этапов, изображенных на рисунке 1.

Существует две процедуры поиска соты в LTE [2]:

-                   Начальная синхронизация, посредством, которой МС обнаруживает соту LTE и декодирует всю информацию, необходимую для регистрации к нему. Данная процедура выполняется, когда включается МС, или когда она утратила связь с обслуживающей сотой.

-                   Идентификация новой ячейки, выполняться, когда мобильная станция уже подключена к соте LTE и находится в процессе обнаружения новых соседних сот. В этом случае мобильная станция сообщает в обслуживающей соте измерения, связанные с новой сотой, при подготовке к хэндоверу [3].

Рис. 1. Блок-схема процедуры синхронизации: RS — Reference signal, опорный сигнал; RSRP — Reference Signal Received Power — Опорные сигналы, передающие мощность; RSRQ — Reference Signal Received Quality — Опорные сигналы, передающие качество; PBCH — Physical Broadcast Channel — Физический канал вещания

В обоих случаях процедура синхронизации использует два вида специальных физических сигналов, которые транслируются в каждой соте: первичный сигнал синхронизации и вторичный сигнал синхронизации. Обнаружение этих двух сигналов дает не только временную и частотную синхронизацию, но также информирует мобильную станцию о физическом идентификаторе соты и длине циклического префикса, а также информирует мобильную станцию какой дуплекс используется: дуплекс с частотным разделением (FDD — Frequency Division Duplex), либо дуплекс с временным разделением (TDD — Time Division Duplex).

Расположение сигналов PSS и SSS на частотно-временной области представлено на рисунке 2.

В случае частотного дуплекса во временной области сигналы PSS и SSS располагаются в 1-ом и 6-ом субфрейме и на последних OFDM (англ. Orthogonal frequency-division multiplexing — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов) символах. В частотной области PSS и SSS передаются на центральных шести ресурсных блоках вне зависимости от занимаемой полосы частот. Каждая последовательность PSS и SSS состоит из последовательности длиной 62 символов, которые отображаются на центральных 62 поднесущих вокруг постоянной поднесущей, которая остается неиспользованной. Это означает, что пять ресурсных элементов на каждом конце каждой последовательности синхронизации не используются.

Опорные сигналы, изображенные на рисунке 2, используются для оценки передаточной функции канала с целью эквалайзирования или восстановления потока данных. Всего существует три вида опорных сигналов:

1)                 Cell-specific RS (часто упоминается как «общие» RS, так как они доступны для всех UE (user equipment) в соте);

2)                 UE-specific RS, которые могут быть встроены в данные для конкретного абонента UE;

3)                 MBSFN-specific RS (Multicast-Broadcast Single Frequency Network Reference Signals, Опорные сигналы многоадресной одночастотной сети), которые используются только для работы в многоадресной одночастотной сети.

Расположение опорных сигналов вида Cell-specific по частотной оси зависит непосредственно от значения идентификатора ячейки, поэтому без правильной оценки сигналов PSS и SSS в дальнейшем не удастся провести корректное эквалайзирование с последующим восстановлением потока данных

PSS использует последовательности известные как Задова-Чу (ZC) [4, 5]. Эта категория последовательностей широко используется в сети LTE, в том числе для преамбулы случайного доступа и опорных сигналов по восходящей линии связи в дополнение к PSS. Формула для последовательностей Задова-Чу длиной  задается как [6]:

где  — длина последовательности (для PSS равен 63),

- корень последовательности.

Рис. 2. Расположение сигналов PSS и SSS на частотно-временной области

При формировании сигнала PSS используется следующий набор корней:  Данный набор корней для ZC последовательности был выбран за счет хороших показателей периодической автокорреляции и взаимной корреляции.

Последовательности SSS образуются из последовательностей максимальной длины, известные как М-последовательности, которые генерируются путем перемежения, в частотной области, двух вторичных синхронизирующих кодов  и  длиной 31. Формулы для формирования данных последовательностей задаются как [2]:

где  — M-последовательности,

 — скремблирующие последовательности,

 — скремблирующие последовательности.

Формулы для расчета М-последовательностей и скремблирующих последовательностей можно найти в работе [6]. В каждом кадре чередуются два кода между первой и второй передач SSS. Это позволяет мобильной станции определить промежуток времени одного кадра 10 мс времени с помощью одного наблюдения SSS, что очень важно для мобильных станций, переключающихся к LTE с другой технологией радиодоступа.

Как уже говорилось, последовательности, которые используются для передачи сигналов PSS и SSS в соте, несут в себе информацию о физическом идентификаторе соты , который нужен для дальнейшей обработки сигнала. Всего существует 504 уникальных значений физических идентификатора соты в LTE, сгруппированных в 168 групп по три значений в каждой. Формула для определения идентификатора соты выглядит следующим образом [6]:

где  — номер последовательности сигнала SSS,

 — номер последовательности сигнала PSS.

Три идентификатора в группе, как правило, присваиваются сотам под контролем узла базовой станции eNodeB. Три последовательности PSS используются для указания идентификатора соты в рамках группы, и 168 последовательностей SSS используются для указания идентификатора самой группы.

В рамках данной работы был проведен эксперимент, где были поставлены следующие цели:

1)                 Запись сигнала с ближайшей базовой станции LTE;

2)                 Оценка первичного сигнала синхронизации;

3)                 Оценка вторичного сигнала синхронизации;

4)                 Вычисление идентификатора соты базовой станции.

Для исследования сигнала по нисходящей линии связи была собрана экспериментальная установка, структурная схема которой изображена на рисунке 3, с помощью которой сигнал, принимаемый антенной, записывается с помощью спектроанализатора и обрабатывается на ЭВМ.

Рис. 3. Структурная схема экспериментальной установки по нисходящей линии

Сигнал по нисходящей линии связи излучается базовой станцией, находящейся по адресу г. Томск, Нахимова 13/1, и принимается по адресу г. Томск, Вершинина 47, местоположение которых показано на рисунке 4.

Рис. 4. Местоположение базовой станции и пункта приема проведения эксперимента

В результате частотное представление сигнала одного из записанных OFDM — символов изображено на рисунке 5.

Рис. 5. Спектр сигнала одного из OFDM символов

Алгоритм детектирования [7] сигналов PSS и SSS, выполняемый на ЭВМ, изображен на рисунке 6.

Рис. 6. Алгоритм детектирования синхросигналов

После того, как были записаны сигналы, излучаемые базовой станцией LTE определяется параметр, который зависит от корня последовательности Задова-Чу сигнала PSS.

Поиск последовательности проводится в следующем порядке:

1.          Сначала генерируются три последовательности Задова-Чу с корнями соответственно: 25, 29, 34, соответствующие PSS1, PSS2, PSS3.

2.          Для каждой последовательности вычисляется корреляционная функция для каждого записанного символа OFDM и записывался максимум этой функции.

3.          Максимальное значение из трех корреляции определит корень последовательности и соответственно его значение.

Оценка сигнала SSS практически та же, что и для сигнала PSS, с той лишь разницей, что для PSS было три возможных последовательности, а для сигнала SSS существует 168 возможных последовательности. Стоит также отметить, что сигналы SSS, находящиеся в 0-вом и 5-ом субфрейме по форме отличаются друг от друга, поэтому сначала проведем корреляцию с последовательностью, соответствующей нулевому субфрейму, чтобы определить начало кадра. В результате также максимальное значение даст значение соответствующее .

На рисунке 7 изображен более подробный алгоритм поиска синхропоследовательностей для рисунков 8–11. В результате расчета максимумов корреляционной функции для каждой опорной последовательности PSS, изображенных на рисунке 8 и 9, для корней 29 и 34, было получено, что в сигнале используется последовательность Задова-Чу с корнем , что соответствует значению . Вид корреляционной функции в точках максимума рисунков 8, 9 изображен на рисунке 12.

После детектирования сигнала PSS был проведен расчет корреляционной функции для каждой последовательности SSS, изображенных на рисунке 10 и 11, в результате было получено, что в сигнале используется М-последовательность со значением . Вид корреляционной функции в точках максимума рисунков 10, 11 изображен на рисунке 13.

Таким образом, идентификатор соты для данной базовой станции равен:

.

Рис. 7. Алгоритм поиска синхропоследовательностей во временном массиве сигнала LTE

Рис. 8. Максимумы корреляции для PSS2

Рис. 9. Максимумы корреляции для PSS3

Рис. 10. Максимумы корреляции для SSS29

Рис. 11. Максимумы корреляции для SSS7

Рис. 12. Корреляционная функция с PSS

Рис. 13. Корреляционная функция с SSS

По результатам данного исследования были получены сигналы первичной и вторичной синхронизации, включая структуру сигналов и их расположение на частотно-временном ресурсе. Также был проведен эксперимент, где было проведено детектирование изученных сигналов в сигнале, излучаемый базовой станцией LTE и вычислен идентификатор соты, который равен 23. Показан примерный вид корреляционной функции при детектировании сигналов первичной и вторичной синхронизации, на которой продемонстрировано различие уровней боковых лепестков при взаимной корреляции различных последовательностей PSS и SSS.

Литература:

1.      Engadget, J’son & Partners, Перспективы LTE в России // CNEWS. 2013. URL: http://www.cnews.ru/top/2013/03/22/predskazany_ perspektivy lte_v_rossii_523226.

2.      Sesia S., Toufik I., Barker M., LTE — The UMTS Long Term Evolution: From Theory to Practice, John Wiley & Sons Ltd, 2009, 611 pp, ISBN 9780470697160

3.      LTE E. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN)(3GPP TS 36.300, version 8.11. 0 Release 8), December 2009 //ETSI TS. — Т. 136. — №. 300. — С. V8.

4.      J. D. C. Chu, ‘Polyphase Codes with Good Periodic Correlation Properties’. IEEE Trans. On Information Theory, Vol. 18, pp. 531–532, July 1972.

5.      R. Frank, S. Zadoff and R. Heimiller, ‘Phase Shift Pulse Codes With Good Periodic Correlation Properties’. IEEE Trans. on Information Theory, Vol. 8, pp. 381–382, October 1962.

6.      ETSI TS 136 211 v 9.1.0 (2010–04) LTE Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation.

7.      Setiawan H., Kurosaki M., Ochi H, LTE Physical layer Identity detection: Frequency vs Time Domain Schemes, Communications (ICC), 2011 IEEE International Conference on, pp 1–5, 5–9 June 2011.