<big id="z9zvl"><thead id="z9zvl"></thead></big><rp id="z9zvl"></rp>
    <big id="z9zvl"><video id="z9zvl"></video></big>

          <progress id="z9zvl"></progress>

          新聞中心

          EEPW首頁 > 手機與無線通信 > 設計應用 > 5G NR小區搜索算法的研究及FPGA實現

          5G NR小區搜索算法的研究及FPGA實現

          作者:袁行猛,徐蘭天,盧高健,李運(中電科思儀科技(安徽)有限公司;電子儀器技術蚌埠技術創新中心,安徽 蚌埠 233010)時間:2021-06-17來源:電子產品世界收藏
          編者按:隨著移動通信的高速發展,5G NR通信已經進入我們的日常生活,5G系統對信息傳輸制訂了全新標準,基于5G NR的小區搜索相對于長期演進(LTE)而言,對同步信號進行了重新定義。文章詳細分析了5G NR系統的主輔同步信號(PSS&SSS),對其新增內容進行了研究,提出了適用于5G NR系統的小區搜索算法,使用MATLAB軟件對該算法的性能進行了仿真分析,最后在FPGA上實現開發應用。


          本文引用地址:http://www.ctn26.com/article/202106/426377.htm

          0   引言

          隨著全球移動通信技術向著網絡化和寬帶化趨勢發展,人們的社會生活方式、工作模式等方面發生了極大的改變。隨著人類對更高性能移動通信網的追求,移動通信系統也不斷更新換代。5G 通信技術應運而生,作為測試技術的先行者,測試儀表 功能的開發也提上了日程。同步技術的研究是5G 物理層中一個十分重要的課題。本文的研究工作主要集中于5G 系統下行鏈路的初始同步過程。其中,下行鏈路重點對主同步信號(primary synchronization signal,)以及輔同步信號(secondary synchronization signal,)的檢測方案展開研究并以 實現。本研究致力于 算法技術研究與實現,其意義在于:在市場上,目前5G 測試儀器受到業界的關注,本課題研究的與實現適應測試儀器市場需求,對通信測試儀器的發展提供有力支持;隨著移動產業化的不斷深入發展,測試儀器作為產業鏈的重要組成部分越來越受到業界的關注,本課題有助于促進測試儀器的發展及推廣。

          作者簡介:袁行猛(1988—),男,工程師,研究方向:信號與信息處理。

          1   過程

          5G NR 小區搜索是指利用同步信號獲得其所在小區的ID 號以及取得與基站的時頻同步的過程。本章首先描述了5G NR 小區搜索流程,然后為使系統的整體性能達到最優,對各部分采用的不同算法進行分析和討論。小區搜索流程如圖1 所示。

          0.png

          如圖1 所示,接收到的射頻信號同步流程通常被分為4 個部分:粗時間同步、CP 類型檢測、頻偏估計與補償和 檢測。射頻整機通過射頻端口接收到5G NR 信號,然后傳到同步模塊。粗時間同步的目的是為了找到 信號的位置以此判定半幀同步,同時還能確定扇區號。CP 檢測可以確定CP 所屬類型。在頻率同步部分,先進行小數倍頻偏的估計與補償,以保證載波之間的正交性,同時取得定時精同步,經過OFDM 解調到頻域后進行整數倍頻偏估計與補償。 檢測的目的是獲得10 ms 的幀定時同步,同時確定小區ID 組號。

          2   5G NR小區搜索算法與仿真實現

          2.1 粗同步算法

          檢測算法都是基于序列相關運算的,原理如圖2 所示?;瑒哟翱诒4媪吮镜卮鎯Φ耐叫蛄?,在收到數據之后,從數據起始位置向后移動,每移動1 個采樣點計算1 次相關系數,當得到1 個相關峰值時,則認為這時滑動窗口和待檢測的同步序列對齊。由于PSS 有3種,所以本地需存儲3 種PSS,且在每次滑動窗口移動時計算3 組相關系數,相關峰值最大的序列則為基站發送的序列,同時確定其值。

          1.png

          直接互相關法的本質是利用滑動搜索的方法,找到與接收信號匹配的同步序列。首先對本地的3 種PSS 序列補零后做IFFT 變換,然后分別與下采樣后的信號做滑動相關,得到3 個序列集,其中最大值所對應的序列號就是小區組內ID 號image.png,最大值所在的位置就是同步序列的初始粗同步位置。由于m 序列時域互相關函數具有尖銳的峰值,所以能夠得到較為精確的同步位置?;ハ嚓P函數的模值平方如下式:

          image.png

          其中,“()*”表示共軛運算; NFFT 表示采樣點數;r(n)代表接收到的下采樣后的信號;s n i ( ) 是本地存儲的時域同步信號,i 取0,1,2 時分別對應image.png的值0,1,2;d 是起始時刻,每一時刻做1 次相關運算,得到粗同步位置d?為:d? = MAX {C d i = I ( )} , 0,1,2 。

          2.png

          圖3 小區組內ID為0分別與1,2,3的序列時域互關性

          圖3 是時域PSS 序列自相關及互相關性能仿真圖,顯而易見,PSS 序列有較好的時域相關性。通過直接互相關法可以實現對主同步信號的粗定時同步和小區組內ID 的判斷,但是該方法對頻偏的魯棒性較差。當存在頻偏ε 時,互相關函數表達式如下:

          image.png

          其中,r′(d + n)表示受頻偏影響的接收信號。由式(1)可以看出,由于頻偏因子e j2π ε/NFFT的存在,對不同時刻的信號都產生相位旋轉,可以使相關函數的峰值衰減,從而對定時同步正確性產生影響。

          2.2 精同步算法

          完成主同步信號檢測后,已經獲得小區組內ID 號image.png,由式知image.png與m0 和m1 有關,所以可通過檢測SSS序列獲得image.png,進一步根據image.png確定物理層小區ID。對于SSS 序列的檢測,既允許在時域進行,又允許在頻域進行。由于在時域做相關檢測需要對整個OFDM 符號做檢測,計算復雜度較大且易受定時估計誤差的影響,而頻域檢測只需提取127 點SSS 序列即可做相關,計算量小且定時同步誤差在頻域上對相關峰的影響不大,所以可以在頻域進行SSS 序列的檢測。

          因為PSS 序列與SSS 序列在時域上只間隔1 個OFDM 符號,在頻域上處于相同的子載波位置。為了提升SSS 信號的解調性能,可以利用檢測后的PSS 信號得到信道沖擊響應,再對SSS 信號進行補償。令接收到的頻域PSS 信號為基值k ,信道估計結果可以表示為:

          image.png。

          其中,Spss(k) 為本地頻域PSS 序列。假設接收的SSS

          序列rsss(k) 經FFT 轉換到頻域為Rsss(k) ,則經過信道均衡的SSS 序列可以表示為: R'sss(k)=Rsss(k)/Hpss(k) 。

          頻域SSS 序列是由2 個m 序列優選對通過異或運算組成的Gold 序列,該序列具有較好的相關性質。將R'sss(k) 與本地產生的336 條SSS 序列分別進行頻域互相關,得到:1623915281225214.png,式中i =0,1,...,335,代表此時所選擇的輔同步序列的序列號。通過相關運算的結果容易找到C(i) 中的最大值對應的序列號i,如式:1623915311298406.png。

          根據以上分析,該序列號i 就是小區組ID 標識號image.png 。

          2.3 仿真結果分析

          仿真軟件選用的是MATLAB R2015a,根據前章節的算法理論分析編寫仿真代碼,編寫的軟件函數架構以及主函數如圖4 所示。

          3.png

          4.png

          圖4 軟件函數架構和主函數

          MATLAB 仿真得到的粗同步與精同步結果如圖6和圖7 所示。

          5.png

          圖6 粗同步結果

          6.png

          圖7 精同步結果

          3   5G NR小區搜索算法的實現

          本研究將對PSS 算法和SSS 時延優化算法進行實現,并通過硬件平臺的綜合結果對算法進行驗證。在通過 實現算法的同時,也會利用一些FPGA 技巧降低實現的復雜度,節約開發成本。本章將給出每個模塊的設計方案,整體流程和最終的硬件綜合結果。

          3.1 FPGA開發板的性能參數

          在進行FPGA 開發之前,首先要了解FPGA 開發板的性能和開發工具的使用,本節主要介紹本文采用的開發板性能參數和開發工具的能力,FPGA 開發板的參數由表1 給出,硬件設計結構如圖8 所示。

          7.png

          8.png

          圖8 基帶板正反面

          表1 開發板性能參數

          9.png

          開發工具采用Xilinx 的Vivado,該工具內部集成了FFT、IFFT、FIFO、RAM、乘法器等常用IP 核,可以極大降低開發難度。

          3.2 頂層模塊設計

          圖9 給出了核心模塊、相關運算模塊的結構,實現中需要FPGA 進行多次遍歷與計算,模塊采用純并行設計,每個時鐘寫入1 個采樣點,每個采樣點單獨進行計算,求和處采用流水線方式進行多個復數的求和計算,整體流程時延集中在求和與計算模值,本設計中利用乘法器直接進行序列相乘得到相應結果。整體開發的程序模塊如圖9 所示。

          10.png

          圖9 程序整體模塊

          top:設計的頂層文件;

          rx_jesd204_01_interface_u1:射頻信號采集模塊,直接采集射頻信號轉換成245.76 MHz 的時鐘速率;NR5G_cell_sync_u:5G NR 小區搜索頂層模塊;小區搜索模塊是具體的實現模塊,粗同步、精同步以及各個相關運算等,如圖10 所示。

          11.png

          圖10 小區搜索主要模塊

          3.3 同步模塊設計

          主同步信號的FPGA 開發的過程:該算法的原理在第三章已進行介紹,并且通過仿真平臺進行了性能評估,圖11 給出了PSS 檢測模塊的功能模塊結構,圖12 給出了核心模塊,該模塊存儲了量化后的本地序列。量化后的序列取值均為2 的次冪形式,在模塊的編寫過程中,需要根據每一項本地序列的量化結果進行寄存器的移位,所以實現的代碼量巨大。該模塊采用純并行設計,每個時鐘寫入1 個采樣點,每個采樣點單獨進行計算,求和處采用流水線方式進行多個復數的求和計算,整體流程時延集中在求和與計算模值。

          12.png

          圖12 中的輸出部分有一個簡化取模算法。取模運算涉及平方和開根號運算,在FPGA 中實現困難,需要借助cordic 算法實現,這會引入較大時延和硬件開銷。由于PSS 檢測部分只關心相關系數的大小,對相關系數較小的誤差并不敏感,因此可以利用取模的近似算法來計算。

          輔同步信號的FPGA 開發的過程:

          SSS 檢測采用了分組并行檢測算法,該模塊的FPGA 結構如圖13 所示。將本地SSS 序列分組后進行存儲,EN 端口電平拉高后開始進行遍歷,計數器存儲當前遍歷次數,每次遍歷同時計算三組序列相關系數,得到最大值A 和對應的NID1,MAX 存儲了相關系數最大時對應的NID1,遍歷過程中不斷更新。在計數器計數到112 時,表示遍歷完成,輸出結果。該模塊優化的目的是降低本地SSS 的生成時延和計算時產生的處理時延,SSS 生成時延是利用查表解決的,每一個SSS 對應一張表,存儲著頻域127 點的數值,在使用時無需消耗額外時鐘周期進行生成。計算的處理時延通過分組遍歷進行優化,分組越多性能越接近并行計算,但消耗的硬件資源也就越多。

          13.png

          3.4 實驗結果分析

          通過連接整機射頻后實際采樣,經過設計的FPGA模塊得到的是上板后的真實結果:小區ID 126 和499的信號。

          上板測試的結果正確,功能正常,能正確解出小區ID,正確給出10 ms 幀頭,從而能確保傳輸給物理層準確信號,大大提高了解析速度。

          4   結束語

          本文介紹了5G NR 新一代通信的幀格式,并對5G NR 小區搜索算法進行了研究與仿真,并對PSS 與SSS 同步搜索的算法進行了FPGA 實現,經過仿真驗證和硬件實現驗證了正確性,確定了本研究的可行性。

          參考文獻:

          [1] 3GPP TS 38.201:NR;Physical Layer–General Description[S].

          [2] 3GPP TS 38.215: NR; Physical layer measurements[S].

          [3] 張越良.5G新空口下行同步和廣播信道的仿真與FPGA實現

          [D].北京:北京郵電大學,2019.

          [4] 郭秋陽.5G下行信號的同步與檢測技術研究[D].成都:成都電子科技大學,2019.

          [5] 3GPP TS 38.214: NR; Physical layer procedures for data[S].

          (本文來源于《電子產品世界》雜志社2021年5月期)



          評論


          相關推薦

          技術專區

          關閉