本發(fā)明涉及無(wú)線(xiàn)通信，尤指一種基于傅里葉變換和卷積定理的主同步信號(hào)快速檢測(cè)算法。

背景技術(shù)：

1、在無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是5g及未來(lái)6g?nr系統(tǒng)中，用戶(hù)設(shè)備(user?equipment，ue)在無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，首先需要實(shí)現(xiàn)下行時(shí)頻同步。這一同步過(guò)程是通過(guò)盲檢測(cè)主同步信號(hào)(primary?synchronization?signal，pss)完成的，它是ue接收到的第一個(gè)物理信號(hào)。pss檢測(cè)的成功與否直接關(guān)系到下行同步通信鏈路的建立，是用戶(hù)入網(wǎng)的關(guān)鍵步驟。

2、當(dāng)前，nr系統(tǒng)普遍采用基于cp-ofdm技術(shù)的下行傳輸方案。然而，該方案對(duì)載波頻偏和定時(shí)誤差非常敏感。多普勒頻移、收發(fā)端本振頻率偏差、多徑效應(yīng)等因素都可能破壞子載波間的正交性，從而影響系統(tǒng)的整體性能。同時(shí)，nr系統(tǒng)的高采樣率特點(diǎn)對(duì)載波的頻偏和定時(shí)誤差提出了更為嚴(yán)格的要求。ue需要在短時(shí)間內(nèi)快速與基站取得下行時(shí)頻同步，這對(duì)pss檢測(cè)算法的可靠性和效率提出了很高的要求。

3、盡管現(xiàn)有的pss檢測(cè)算法在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)下行時(shí)頻同步，但它們?cè)谒惴◤?fù)雜度和抗頻偏性能上仍存在不足。高復(fù)雜度的算法會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)時(shí)延增加，影響用戶(hù)體驗(yàn)；而抗頻偏能力的不足則可能在大頻偏環(huán)境下導(dǎo)致檢測(cè)失敗，影響網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和可靠性成為越來(lái)越重要的考量因素。特別是在新時(shí)代下，對(duì)高可靠、低復(fù)雜度和低時(shí)延的主同步信號(hào)快速檢測(cè)算法的研究具有重要意義。這樣的算法能夠在保證檢測(cè)準(zhǔn)確性的同時(shí)，提高檢測(cè)速度，減少時(shí)延，從而提升基站的整體性能和用戶(hù)體驗(yàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本實(shí)針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種基于傅里葉變換和卷積定理的主同步信號(hào)快速檢測(cè)算法，主要應(yīng)用于5g/6g?nr系統(tǒng)中，基于傅里葉變換和卷積定理的主同步信號(hào)(pss)快速檢測(cè)算法，旨在提高用戶(hù)設(shè)備(ue)在接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)與基站進(jìn)行下行時(shí)頻同步的效率和準(zhǔn)確性，特別是在存在載波頻偏的情況下；該算法在pss粗同步檢測(cè)階段，通過(guò)滑動(dòng)傅里葉變換將同步點(diǎn)范圍縮小至接收pss頻域序列和本地pss頻域序列做卷積運(yùn)算的平移操作時(shí)的重疊區(qū)域內(nèi)，大大降低了算法的復(fù)雜度，減少了檢測(cè)時(shí)延；在pss精同步階段，該算法基于粗同步點(diǎn)與三個(gè)本地pss序列分別進(jìn)行基于傅里葉變換的精同步點(diǎn)提取，并借助傅里葉變換式所攜帶的負(fù)指數(shù)階式子對(duì)頻偏進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高了算法的抗頻偏能力。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于傅里葉變換和卷積定理的主同步信號(hào)快速檢測(cè)算法，所述的算法包括以下步驟：

3、s1、發(fā)射主同步信號(hào)：nr系統(tǒng)通過(guò)引入波束賦形和波束掃描原理，向外發(fā)射由主同步信號(hào)(pss)、輔同步信號(hào)(sss)和物理廣播信道(pbch)構(gòu)成的ssb同步塊，以覆蓋小區(qū)內(nèi)所有用戶(hù)。

4、s2、搭建nr系統(tǒng)信道模型：nr系統(tǒng)采用基于cp-ofdm技術(shù)的下行傳輸方案，基站發(fā)送的主同步信號(hào)(pss)經(jīng)信道傳輸后，除受高斯白噪聲影響外，還會(huì)因多普勒頻移、收發(fā)端本振頻率偏差等產(chǎn)生頻偏，ue接收到的pss序列可表示為頻偏和加性高斯白噪聲影響的函數(shù)。

5、s3、pss算法分析與改進(jìn)：包括pss粗同步點(diǎn)提取、pss精同步點(diǎn)提取以及pss最終同步點(diǎn)提取三個(gè)階段；其中在粗同步階段中，算法利用傅里葉變換和卷積定理的性質(zhì)，通過(guò)接收端對(duì)接收到的pss序列與本地pss序列進(jìn)行傅里葉變換，確定同步點(diǎn)位置區(qū)域，并選取峰值位置作為粗同步點(diǎn)；在精同步階段中，算法基于粗同步點(diǎn)，通過(guò)新的接收信號(hào)與本地pss序列的快速傅里葉變換同步算法，對(duì)頻偏進(jìn)行補(bǔ)償，選取峰值最大值位置作為精同步點(diǎn)；最終，將粗同步點(diǎn)與精同步點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算，得到pss信號(hào)的最終同步點(diǎn)。

6、s4、得出算法仿真結(jié)果：在特定的子載波間隔和傳輸帶寬物理資源塊個(gè)數(shù)條件下，通過(guò)減少乘法運(yùn)算量和適當(dāng)增加加法運(yùn)算量，實(shí)現(xiàn)了算法運(yùn)算量的整體降低，使得算法在同等信道條件下能夠更快地完成主同步信號(hào)檢測(cè)，降低了算法檢測(cè)時(shí)延。

7、所述s1中，ssb在頻域上占用240個(gè)子載波，時(shí)域上占用4個(gè)ofdm符號(hào)，其周期可變，可根據(jù)場(chǎng)景需求靈活配置。

8、所述s1中，通過(guò)解碼pss，獲取ofdm符號(hào)的開(kāi)始位置、符號(hào)長(zhǎng)度和物理層小區(qū)標(biāo)識(shí)(pci)，實(shí)現(xiàn)ue和基站間的下行頻率同步和符號(hào)級(jí)時(shí)間同步。

9、所述pss是一個(gè)采用頻域bpsk?m序列的長(zhǎng)度為127的偽隨機(jī)序列，映射在ssb塊中間的127個(gè)子載波上，其是一個(gè)關(guān)于的函數(shù)，如式(1)所示：

10、

11、式中的x(n)由式(2)定義：

12、

13、pss序列可取3種不同值，與物理層小區(qū)標(biāo)識(shí)pci的組內(nèi)物理層標(biāo)識(shí)相對(duì)應(yīng)。

14、假設(shè)s(n)是基站發(fā)送的pss序列，則ue收到的pss序列r(n)可表示為：

15、

16、式中，為位置n處的頻偏(ε是歸一化頻偏，定義為δf/fsc，δf為頻偏，fsc為子載波間隔)，為信道引入的加性高斯白噪聲。

17、基于傅里葉變換式所攜帶的負(fù)指數(shù)階式子對(duì)經(jīng)信道傳輸所攜帶的正指數(shù)階頻偏式子做補(bǔ)償，改寫(xiě)成如下表達(dá)式：

18、

19、式(6)的本質(zhì)是時(shí)域乘積信號(hào)的傅里葉變換；根據(jù)卷積定理的頻域性質(zhì)“時(shí)域乘積時(shí)，在頻域上表現(xiàn)為1/2π倍頻域卷積”，可將fk(n,m)轉(zhuǎn)換成式(5)所示：

20、

21、fft[r(n+i)]和的卷積的上下限為r(n+i)和在頻域做卷積運(yùn)算的平移操作時(shí)的重疊部分的邊界，下限為兩頻域信號(hào)左邊界的最大者，上限為兩頻域信號(hào)右邊界的最小者。

22、對(duì)應(yīng)的粗同步點(diǎn)提取算法如式(6)所示：

23、

24、式中，f(n,m)的上下限為接收pss頻域序列fft[r(n+i)]和ue最近一次接入的小區(qū)所對(duì)應(yīng)的本地pss頻域序列做卷積運(yùn)算的平移操作時(shí)的重疊部分的邊界；判斷f(n,m)的峰值，將峰值所在位置定為pss信號(hào)的粗同步點(diǎn)，如式(7)所示：

25、(v'max,l'max)＝argmax(|f(n,m)|)?????(7)

26、取接收信號(hào)r(n)的粗同步點(diǎn)前off個(gè)點(diǎn)至后off+n個(gè)點(diǎn)構(gòu)成新的接收信號(hào)r'(n)：

27、

28、(n＝l'max-off,l'max-off+1,...,l'max+off+n)??????(8)

29、式中，off是根據(jù)終端移動(dòng)速度引起頻偏情況取的同步位置偏置值，n是本地pss序列采樣點(diǎn)數(shù)；

30、使用新的接收信號(hào)r'(n)分別與3個(gè)本地pss序列做基于快速傅里葉變換的同步算法，借助傅里葉變換式所攜帶的負(fù)指數(shù)階式子對(duì)接收pss信號(hào)的正指數(shù)階頻偏做補(bǔ)償，其表達(dá)式如式(9)所示：

31、

32、判斷3次傅里葉變換運(yùn)算峰值，峰值最大值所在位置即為pss精同步點(diǎn)，如式(10)所示：

33、(v”max,l”max)＝argmax(max(|f'k(n',m)|)),(k＝0,1,2)?(10)

34、式中，f'k(n,m)是新的接收信號(hào)r'(n)在位置n'處與第k個(gè)本地pss序列的共軛做乘積后的傅里葉變換值；v”max為3次傅里葉變換峰值的最大值，l”max為v”max所對(duì)應(yīng)的位置索引，即為pss信號(hào)的精同步點(diǎn)。

35、所述pss最終同步點(diǎn)提取算法的表達(dá)式為：

36、lfinal＝l'max+l”max-off-1?(11)

37、式中，lfinal是pss信號(hào)最終同步點(diǎn)。

38、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提出的基于傅里葉變換和卷積定理的5/6g?nr系統(tǒng)主同步信號(hào)快速檢測(cè)算法，在降低算法復(fù)雜度、減少檢測(cè)時(shí)延、提高抗頻偏性能以及加速下行同步通信鏈路建立等方面均表現(xiàn)出顯著的有益效果，對(duì)于提升基站性能和用戶(hù)體驗(yàn)具有重要意義，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

39、(1)顯著降低算法復(fù)雜度：本發(fā)明通過(guò)利用傅里葉變換和卷積定理進(jìn)行pss信號(hào)的粗同步點(diǎn)提取，僅需對(duì)接收到的pss信號(hào)與最近一次接入小區(qū)所對(duì)應(yīng)的本地pss序列進(jìn)行滑動(dòng)傅里葉變換。這一步驟有效地將同步點(diǎn)的搜索范圍縮小至接收pss頻域序列和本地pss頻域序列做卷積運(yùn)算時(shí)的重疊區(qū)域內(nèi)，從而大幅降低了算法的復(fù)雜度。

40、(2)減少算法檢測(cè)時(shí)延：由于算法復(fù)雜度的降低，以及通過(guò)卷積定理優(yōu)化同步點(diǎn)搜索范圍的方法，本發(fā)明在提取同步點(diǎn)時(shí)所需的處理時(shí)間顯著減少，進(jìn)而降低了算法的檢測(cè)時(shí)延，加速了下行同步通信鏈路的建立過(guò)程。

41、(3)提高算法的抗頻偏性能：在精同步點(diǎn)提取階段，本發(fā)明通過(guò)基于傅里葉變換的方法，利用傅里葉變換式所攜帶的負(fù)指數(shù)階式子頻偏進(jìn)行補(bǔ)償，有效提高了算法對(duì)頻率偏移的抵抗能力，使得算法在大頻偏環(huán)境下也能保持良好的檢測(cè)效果。

42、(4)加速下行同步通信鏈路的建立：本發(fā)明能夠在同等信道條件下更快地完成主同步信號(hào)的檢測(cè)，從而加速用戶(hù)終端和基站之間的下行時(shí)頻同步過(guò)程，提升了基站的整體性能和用戶(hù)體驗(yàn)。