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  • TDD-LTE系统帧定时同步的FPGA实现,李世兴,程方,帧定时同步作为TDD-LTE系统同步的第一步,其性能将影响整个同步过程。本文通过对TDD-LTE系统帧结构和主同步信号及Schmidl算法的研究,提
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  • SDR USRP LTE 定时 时序问题

    千次阅读 2018-01-06 22:04:31
    在我之前的博客中介绍了很多关于软件无线电(SDR)的技术原理。通过软件无线电技术,基于开源SDR LTE...如果LTE系统的时序不对,UE和eNB则无法同步上,更不可能收发数据了。      那这就有一个问题,SDR

      在我之前的博客中介绍了很多关于软件无线电(SDR)的技术原理。通过软件无线电技术,基于开源SDR LTE平台,我们能快捷的搭建一套LTE系统。下图便是一个SDR LTE系统的例子。


      我们知道,LTE系统对时序要求非常严格。不像WiFi,随时想发数据就发数据。如果LTE系统的时序不对,UE和eNB则无法同步上,更不可能收发数据了。


     

     

     那这就有一个问题,SDR LTE系统是如何保证系统时序的呢?USRP和PC之间又是怎么保证时序的?



          

     参见上图,我们以USRP B210为例讲解SDR LTE系统的定时。USRP B210的最大采样率为61.44MS/s。当我们运行LTE 20M带宽时,我们将采样率设置为30.72M(假设不过采样,也不欠采样)。USRP B210采样率设置为30.72M的采样率,简单理解就是USRP每秒能发送30.72M(30.72*10^6)个复数(即IQ两路)。当然,由于USRP B210支持Full Duplex,可以同时进行收发,即每秒时间内都能发送30.72M个复数数据同时接收30.72M个复数数据。任何晶振都不能做到100%的精准,USRP B210上的晶振也不例外,不过一般波动都不大。


           那PC和USRP是怎么保持同步的呢?其实准确来说,USRP和PC之间不需要保持同步。USRP有一个时间戳的概念,是USRP内部的一套时序,其实就是一个用来精确描述采样点的数。比如N表示当前采样点,则N+1则表示下一个采样点。当PC通过UHD驱动从USRP中获得接收到的基带数据时,PC能从UHD中获得该基带数据接收的起始时间戳。假设PC从USRP中读取了一个子帧的数据(1ms,对应30720个数据)并获得该子帧的时间戳为T。那么下一个子帧的起始时间便是(T+30720),再下一个子帧的起始时间是(T+30720*2),以此类推。当然,PC内部会根据时间戳了更新LTE系统的帧号(Frame)和子帧号(Subframe)。


      当PC处理完基带数据,需要把数据发送给USRP进行发送时,需要根据数据将要发送的Frame和Subframe确定时间戳,并把时间戳传给USRP,这样USRP就知道要在哪个采样点时刻开始发送该数据了。还有一个问题,假如我们需要在T时间戳的时刻开始发送数据,那我们不能再T时刻之后才将数据发送给USRP。所以PC系统需要提前将要发送的数据准备好并传送给USRP。有兴趣的同学可以去研究下OAI平台的这个时间提前量。这个提前量不能太大,太大的话会增加LTE系统的时延;也不能太小,太小会导致USRP没有足够的时间来处理数据。


      综上所述,SDR LTE系统的定时完全是由USRP来控制的。PC只需要提前将数据准备好并传输给USRP,告诉USRP我们的数据要在哪个时刻发送即可。


      时间有限,如果表述有不正确的地方,欢迎交流讨论。

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  • LTE的下行同步、上行同步

    千次阅读 2018-12-07 19:59:46
    上行同步是UE发射的信号到达基站时与基站的上行定时进行同步同步的位置在基站。不同的UE离基站的远近不同,需要各个UE在不同的时刻发送信号才能使这些UE的信号到达基站时,都与基站的上行定时对齐。UE自己不知道离...

    下行同步是UE与接收到的基站信号进行同步,同步的位置在UE。UE只需根据主辅同步、参考信号等,自行与收到的基站信号保持同步即可。


    上行同步是UE发射的信号到达基站时与基站的上行定时进行同步,同步的位置在基站。不同的UE离基站的远近不同,需要各个UE在不同的时刻发送信号才能使这些UE的信号到达基站时,都与基站的上行定时对齐。UE自己不知道离基站的距离,因此不能估计出需要提前发射信号的时间,所以需要通过随机接入过程由基站告诉UE其TA定时的调整值。

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  • 以下内容来自sharetechnote LTE-时间同步时间同步过程小区搜索 时间同步过程 (1)UE解码三个不同的PSS的主同步,并找出为小区分配的序列,获得主时间同步。...(3)一旦这个定时同步建立起来,UE就可以

    以下内容来自sharetechnote

    时间同步过程

    (1)UE解码三个不同的PSS的主同步,并找出为小区分配的序列,获得主时间同步。
    (2)用PSS来解码SSS,并找出为小区分配的序列。
    这种同步每过5ms就进行一次。

    三个不同的序列作为PSS,三个序列中的每个序列与小区ID组中的小区ID之间存在一一对应关系。UE检测到这个小区ID组后,就可以确定帧定时。从这个小区ID组,UE还可以得到在小区中用于生成参考信号的伪随机序列。

    (3)一旦这个定时同步建立起来,UE就可以解码MIB并计算出SFN编号,因为MIB携带SFN编号。

    要检测PSS和SSS,需要精确地获得具有特定资源元素序列的数据。要准确地从特定的资源元素中提取数据,就需要知道精确的符号边界(OFDM符号的起始位置和结束位置)。一旦检测到精确的符号边界,就可以检测频率偏移(一种频率误差)来进一步对信号进行补偿。从某种意义上讲,这两个步骤比PSS、SSS的检测更加困难。

    有许多不同的技术来检测符号边界,但是其中一种常用的技术是使用循环前缀(CP)的特性。众所周知,CP是一个OFDM符号尾部数据序列的拷贝,这意味着CP和符号的尾部之间的相关性应该比其他区域大得多,如下所示:


    如果在沿着接收到的时域信号向下滑动相关窗口时找到了相关性最高的点,那么这个位置就是OFDM符号的边界。

    下面是一个在滑动窗口时绘制这些相关性的示例。可以明显地看到一个OFDM符号间隔的峰值(这是来自于以7.62 MHz采样率采样,带宽为5MHz的LTE下行数据)。

    理论上,尽管CP应该与符号的结束部分相同,但实际上有所差异,因为在信号生成和通过信道时叠加了不同的噪声(或衰落)。因此,相关峰值现在可能正好出现在预期的点上,也可能不只有一个点。我们可以在峰值附近的几个样本周围看到类似的高相关性。所以在几个样本中,峰的位置会有误差。随着相关窗口长度的增加,相关性的峰值的精度也会提高。这意味着在更宽的带宽下可以有相当好的准确性,因为CP长度在更宽的带宽下更长。然而,当系统带宽变窄时,由于CP长度变短,相关性的准确性变差。因此,在实际实现中,往往都需要一些额外的技巧来补偿这类错误。

    小区搜索

    小区搜索指的是测量、评估、检测过程的集合。这与小区选择过程密切相关,因为UE在进行小区选择之前首先进行搜索过程。这一过程对空闲模式下UE的能量消耗也有很大的影响。

    小区搜索步骤、算法

    下面的描述显示了WCDMA的初始扫描和小区搜索机制的一个例子。它不是LTE,但也可以在LTE的系统中找到类似的逻辑。每一步的具体描述如下:
    当UE第一次开机或设备进入覆盖范围,试图检测/搜索一个新小区时,UE不知道它应该在哪个频率上进行搜索,所以它可能需要做一些盲目的搜索。例如,假设设备支持WCDMA第I波段。
    UE周围的节点可以使用10562到10838之间的任何频段。
    eNB可能使用的频率有276种可能。那么UE如何检测/找到它需要附着的小区(NodeB)呢?
    在3GPP中没有定义任何的算法。因此,这完全取决于在UE端或芯片组实现。
    目前使用最广范的一种算法如下:

    i) UE调到它支持的每一个频段并测量RSSI。
    (RSSI仅仅是它所能测量的信号的能量/功率。这种测量不需要任何信道编码过程。所以在这一步,UE不需要知道任何关于网络的信息。在这一步,UE没有通过解码PCPICH(在WCDMA中)或同步/参考信号(在LTE中)来检测物理小区ID,只是测量每个信道频段的功率。当UE测量每个通道的RSSI时,它用测量的RSSI创建每个信道频段的列表。

    ii) 然后UE遍历步骤 i) 中的列表并找出所有RSSI值大于阈值的频段(该阈值也取决于UE/芯片组的实现,不是由3GPP决定的)。为了找到更合适的频段,UE需要继续执行以下步骤。

    iii) UE解码PCPICH并测量功率,从步骤 ii) 的每个候选小区中检测物理小区ID。
    (一些小区能检测成功,一些则会失败。UE会列出检测成功的小区列表)。

    iv) 从 iii) 的成功检测的列表中,UE为每个候选小区解码MIB。通过这个过程,现在UE可以列出一个列表,表中包含频率、物理小区ID 和PLMN(公共陆地移动网,Public Land Mobile Network,PLMN = MCC国家码 + MNC网络码)。

    v) 根据USIM信息和 iv) 的候选表,可以判断出哪个小区是真正可以附着的候选小区,并尝试解码系统信息,继续进行注册过程。


    如果UE在上面的步骤 v) 中没有找到任何Home PLMN(用户归属的PLMN)小区,并且只找到VPLMN(Visited PLMN 访问PLMN小区),那么它将在VPLMN小区上附着。但是一旦在VPLMN小区中进入空闲模式,UE将尝试执行小区搜索搜索HPLMN。这个过程可能包括上面描述的所有步骤,或者根据不同的UE实现稍微简化的过程。通常这些HPLMN搜索过程周期性地发生,如下所示。HPLMN搜索的周期由USIM参数决定,具体搜索算法由UE实现决定。如果UE在进行周期性搜索的地区没有HPLMN,将会消耗大量的电池电量。因此,为了节约能源消耗,大多数UE/芯片组制造商倾向于采用一种“backoff”的方法。这种“backoff”的周期不是由3GPP定义的。

    小区搜索的几种情景

    在以下场景会执行小区搜索:

    i) UE开机

    ii) UE尝试在空闲模式下的每个DRX周期中查找服务小区

    iii) 如果UE在一定数量的测试中没有发现服务小区,它将启动邻区搜索(这个邻区搜索可以是内部小区或外部小区。这些相邻小区搜索之间的间隔随DRX周期和内部/外部频率模式的变化而变化。通常这种搜索的间隔是 N x DRX,“N”会随情况的变化而有所不同。详见36.304、36.133)。

    iv) 当UE服务受限时(例如只能进行SOS和紧急呼救),UE会定期寻找合适的小区以便进行正常服务。

    v) 当UE不在覆盖范围内,UE会尝试重新扫描现有小区,看看它是否能恢复正常服务,或者尝试访问其他小区,看看它是否能获得正常服务。

    vi) 当UE处于漫游状态(意味着它当前在VPLMN小区上附着)时,它应该周期性地搜索HPLMN小区(周期通常为N x 6分钟,其中N在USIM的HPPLMN字段中指定)。

    服务小区的测量/评估

    UE在每个DRX周期中都执行对服务小区的测量,并检查它是否满足小区选择标准。如果它在一定数量的尝试之后,成功地找到了一个满足标准的小区,它就会呆在小区内。但如果在几次测试后没有找到满足标准的小区(见表所示),它就会启动对所有邻区的测量/评估,而这些邻区由服务小区系统信息所指定。(详见36.133第4.2.2.1条)
    DRX周期:这是一种时钟(定时器)。测量/评估/检测过程是在DRX周期数指定的特定间隔内进行的。(在空闲模式下,此DRX周期由网络通过SIB1确定)

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  • 定时同步的过程可以描述如下: i)使用三个不同的主同步序列对主同步进行解码,找出为小区分配的序列,并获得主时间同步。 ii)应用主同步序列对辅同步码进行解码,并找出为小区分配的序列。 此同步检测每5...

    时间同步过程

            定时同步的过程可以描述如下:

            i)使用三个不同的主同步序列对主同步进行解码,找出为小区分配的序列,并获得主时间同步。

            ii)应用主同步序列对辅同步码进行解码,并找出为小区分配的序列。

            此同步检测每5毫秒进行一次。(该时间间隔可参考LTE下行帧结构)

            如前文所述,三个不同的序列用作主同步信号,并且在三个序列中的每个序列和小区标识组中的小区ID之间都有一对一的映射。在UE检测到这个小区标识组后,它就可以确定帧定时。从这个信元标识组中,UE还可以确定哪个伪随机序列用于在该小区中生成参考信号。

            iii)一旦建立了该定时同步,由于MIB中带有SFN号,因此UE可以解码MIB并计算出SFN号。

            如果想进一步了解细节,需要以下几个附加步骤(下图中的步骤(1)和步骤(2))。要检测PSS和SSS,需要准确地获取具有特定资源粒子(RE)序列的数据。要准确地从特定的资源粒子(RE)中提取数据,需要知道确切的符号边界(OFDM符号的起始采样点和结束采样点)。一旦检测到确切的符号边界,就可以检测频率偏移(一种频率误差),以进一步补偿信号。在某种意义上,这两个步骤比PSS、SSS检测更困难。

                                       

            检测符号边界的一种常见方法是使用循环前缀的属性。循环前缀是来自OFDM符号结束部分的数据序列的副本,这意味着循环前缀和符号结束部分之间的相关性应该非常大,如图所示:

            通过合理的使用此方法,如果在沿着捕获的时间域数据向下滑动两个相关窗口时找到了相关性最高的点,就可以找到符号边界。

            下图是一个在逐样本滑动窗口时绘制这些相关性的示例。很明显,间隔为一个OFDM符号时可以看到峰值(这是从以7.62兆赫采样率采样的5兆赫BW LTE下行链路数据)。

                            

            理论上循环前缀应该与符号的结束部分完全相同,但实际上它并不完全相同,因为在信号生成和通过信号路径时附加不同的噪声(或衰落)。因此相关峰值可能正好出现在预期的点上。此外,峰值可能不止一个点,在峰值附近的几个采样点,可能会看到类似的高相关性。所以在一些采样点,峰值的位置会有一些错误。

            随着相关窗口长度的增加,这些相关性峰值的准确度将提高,这意味着在更宽的带宽中可能具有更好好的准确性,因为CP长度在更宽的带宽中更长。然而,由于CP长度变短,随着系统带宽变窄,相关精度变差。因此,在实际的实现中,通常需要一些额外的方法来补偿这种错误。 

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    千次阅读 2018-05-29 20:25:49
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