Введение

Поиск ячейки и выбор являются первым шагом, сделанным Оборудованием пользователя (UE) в попытке получить доступ к сети LTE. Поиск ячейки и процедура отбора вовлекают кандидата обнаружения eNodeB сигналы и затем выбор того, чтобы синхронизироваться с. Это включает определение идентичности ячейки физического уровня выбранного eNodeB (ячейка ID) и дуплексный режим. Кроме того, UE получает частоту и синхронизацию синхронизации во время этого процесса. Если эта процедура была завершена, UE может демодулировать сигнал OFDM, переданный ячейкой, и восстановить ее Основной блок информации (MIB). Модель MIB Recovery с возможностью генерации HDL-кода, которая снова использует функциональность поиска и выбора ячейки, показанную здесь, представлена в Восстановлении MIB HDL LTE.

Функциональность в существующем примере основана на функциональности поиска ячейки Поиска Ячейки LTE Toolbox, MIB и Восстановления SIB1 (LTE Toolbox). Однако алгоритмы были оптимизированы для генерации HDL-кода. LTE Toolbox использовался экстенсивно в разработке существующего примера. Модель HDL, описанная здесь, выполняет следующие функции:

Алгоритм восстановления частоты в модели HDL может только откорректировать, возмещает меньше, чем +-7.5kHz. Большая частота возместила восстановление, больше, чем +-7.5kHz, возможно путем управления входом и контроля выходных параметров с внешним контроллером. Демонстрация большой коррекции смещения частоты может быть найдена в Сканере Восстановления и Ячейки MIB LTE Используя Аналоговые устройства AD9361/AD9364 (Пакет Поддержки Communications Toolbox для Xilinx Находящееся в Zynq Радио) примером.

Если модель завершила поиск ячейки и процедуру отбора, это выводит ячейку ID, дуплексный режим и некомпенсируемую сетку ресурса ячейки. Эту функциональность показывают ниже. Модель поддерживает нисходящие сигналы с интервалом поднесущей на 15 кГц и нормальной циклической длиной префикса. Режимы Frequency Division Duplex (FDD) и Time Division Duplex (TDD) оба поддержаны. Дуплексный режим автоматически обнаруживается.

Стандарт LTE предоставляет два физических сигнала, чтобы помочь процессу поиска ячейки. Это Первичный сигнал синхронизации (PSS) и Вторичный сигнал синхронизации (SSS). Обратитесь к Приложению A для получения дополнительной информации о сигналах синхронизации нисходящего канала LTE.

Структура в качестве примера

Модель состоит из 5 файлов:

Примечание: ltehdlDownlinkSyncDemod.slx не появляется в примере рабочая папка, когда это совместно используется с другими примерами. Файл находится на пути MATLAB и может быть открыт путем ввода ltehdlDownlinkSyncDemod в командной строке MATLAB.

Архитектура модели

Структуру подсистемы поиска и выбора ячейки показывают ниже. Вход является комплексными 16-битными данными, произведенными в 30.72 членах Шотландского парламента. Сигнал передается двум информационным каналам обработки сигналов; один в 1.92 членах Шотландского парламента и один в 30.72 членах Шотландского парламента. Восстановление частоты и обнаружение PSS выполняются на этих 1.92 информационных каналах членов Шотландского парламента. Этот уровень выборки используется по двум причинам. Во-первых, пропускная способность ячейки не известна на данном этапе поэтому, самая маленькая пропускная способность LTE 1,4 МГц принята для восстановления частоты. Этот подход работает независимо от фактической пропускной способности ячейки. Во-вторых, PSS и SSS только занимают шесть центральных блоков ресурса (1,4 МГц). Поэтому обнаружение может быть выполнено эффективно в 1.92 членах Шотландского парламента, и методы разделения ресурсов могут использоваться, чтобы оптимизировать аппаратную реализацию.

Следующие шаги описывают работу получателя.

Приложение B предоставляет больше подробную информацию алгоритма поиска ячейки и алгоритма выбора, используемого в этом примере.

Поиск ячейки модель Simulink

Верхний уровень ltehdlCellSearch.slx показан ниже. Этот модели - ссылки ltehdlDownlinkSyncDemod.slx. ltehdlCellSearch_init.m вызван InitFcn коллбэк и ltehdlCellSearch_analyze.m вызван StopFcn 'callback'. Модель использует приемник Остановки, чтобы отключить симуляцию, когда любой (i) subframeNum выход 5 или (ii) cellSearchDone является утверждаемый true и никакая ячейка не обнаруживается. HDL-код может быть сгенерирован для подсистемы HDL Поиска Ячейки.

Подсистема HDL Поиска Ячейки является, в основном, оберткой для ltehdlDownlinkSyncDemod модели. Это содержит блок Model (Нисходящий Синхронизирующий Demod) который ссылки ltehdlDownlinkSyncDemod.slx, и Диагностика К подсистеме Рабочей области, которая регистрирует все диагностические выходные параметры. Диагностические выходные параметры используются ltehdlCellSearch_analyze.m сгенерировать графики, показывающие внутреннюю операцию.

Нисходящая модель - ссылка синхронизации и демодуляции

ltehdlDownlinkSyncDemod модель - ссылка реализует весь поиск ячейки, синхронизацию и функциональность демодуляции OFDM. Приложение B детализирует алгоритм поиска ячейки и алгоритм выбора, реализованный этой моделью. Верхний уровень ltehdlDownlinkSyncDemod тесно совпадает с архитектурой, которая была представлена ранее.

Входные параметры модели:

Выходные параметры модели:

ltehdlDownlinkSyncDemod использует две функции, взятых в качестве примера, Wireless HDL Toolbox™ во время инициализации: ltehdlDefineReceiverBuses и ltehdlDownlinkSyncDemodConstants. ltehdlDefineReceiverBuses совместно используется с другими примерами Wireless HDL Toolbox и задает набор шин Simulink. Эта функция вызвана в InitFcn из ltehdlDownlinkSyncDemod. Только detectorDiagnosticsBus выход функции используется здесь. Объект шины хранится в Базовом рабочем пространстве, делая его доступным и для ltehdlDownlinkSyncDemod и для ltehdlCellSearch моделей.

[~,~,~,~,detectorDiagnosticsBus] = ltehdlDefineReceiverBuses();

Модель использует предварительно вычисленные константы и интерполяционные таблицы, сохраненные в структуре под названием cellDetectorConfig. Эта структура сгенерирована ltehdlDownlinkSyncDemodConstants функционируйте и используется только в ltehdlDownlinkSyncDemod модели - ссылке. Поэтому это задано в Рабочем пространстве модели, а не Базовом рабочем пространстве. Используйте Model Explorer, чтобы просмотреть Рабочее пространство модели, которое содержит следующий код инициализации.

cellDetectorConfig = ltehdlDownlinkSyncDemodConstants(30.72e6);

Внутреннюю структуру ltehdlDownlinkSyncDemod показывают.

Подсистема Децимирующих фильтров передискретизирует входные данные от 30.72 членов Шотландского парламента 1.92 членам Шотландского парламента. Это состоит из децимации CIC, компенсации усиления CIC, компенсации свисания CIC и переходного удаления. Цепь фильтра спроектирована, чтобы иметь групповую задержку, которая равна целому числу выборок в 1.92 членах Шотландского парламента. Блок Transient Removal удаляет начальный переходный процесс из-за этой групповой задержки от демонстрационного потока. Это важно, потому что смещение синхронизации системы координат измеряется на этих 1.92 потоках членов Шотландского парламента и затем используется, чтобы восстановить синхронизацию на этих 30.72 потоках членов Шотландского парламента. Удаление начального переходного процесса от цепи децимирующего фильтра упрощает логику, которая передает время выполнения.

Подсистема FrequencyEstimation использует циклический префикс, чтобы оценить смещение частоты входящего сигнала. Каждые 960 выборок, подсистема AngleAtMaximum выбирает самый сильный пик корреляции и записывает его угол фазы. Подсистема AngleFilter реализует фильтр усреднения с длительностью окна 10 мс. Получившийся угол фазы служит оценкой частоты. Приложение B предоставляет больше информации о том, как циклический префикс может использоваться, чтобы оценить смещение частоты.

Синхронизирующая Поисковая подсистема Сигнала реализует PSS и обнаружение SSS. Синхронизация крайне важна для этой части проекта, потому что Искатель SSS использует время выполнения системы координат от Искателя PSS, чтобы идентифицировать местоположения поиска SSS. Искатель PSS обеспечивает сигнал validOut, который используется блоком Stream Synchronizer, чтобы задержать входной поток и компенсировать конвейерную задержку Искателя PSS. Синхронизация входного потока к PSS Searcher выходные параметры упрощает проект Искателя SSS.

Искатель PSS составлен из двух подсистем: Корреляторы и Искатель Пика Max. Вместе, эти подсистемы реализуют алгоритм поиска PSS, описанный в Приложении B.

Подсистема Корреляторов содержит согласованный фильтр для каждой из трех последовательностей PSS и набора подсистем для определения порога. Нижний предел применяется к порогу, чтобы предотвратить маленькие сигналы, инициировавшие ложные предупреждения. Корреляторы PSS и пороговая логика генерации имеют различные конвейерные задержки, поэтому, потоковый синхронизатор используется, чтобы перестроить их выходные параметры.

Если поиск ячейки идет полным ходом, Искатель SSS постоянно хранит выборки в кольцевом буфере. Если PSS обнаруживается, он продолжает загружать выборки в буфер, пока местоположение поиска SSS не было достигнуто и сохранено. Местоположение поиска SSS вычисляется из времени выполнения PSS, обеспеченного сигналом PSSEndTimingOffset. Затем выборки местоположения FDD читаются из буфера, прошел через БПФ с 128 точками и Вероятность Max, подсистема SSS вычисляет метрики корреляции и порог. Та же операция затем применяется к выборкам местоположения TDD. Подсистема SSS Вероятности Max выбирает максимальную метрику корреляции, которая превысила порог и определяет синхронизация системы координат и дуплексный режим. Наконец, смещение синхронизации системы координат вычисляется.

Инициализация и аналитические скрипты

Скрипт инициализации

ltehdlCellSearch_init.m называется в InitFcn коллбэк ltehdlCellSearch.slx. Стимул может или загрузиться из файла, содержащего полученную не воздушную форму волны, или сгенерирован с LTE Toolbox.

% ltehdlCellSearch model initialization script
% Generates workspace variables needed by the ltehdlCellSearch model.

SamplingRate = 30.72e6;
simParams.Ts = 1/SamplingRate;

% Choose to load a captured off-the-air waveform from a file,
% or generate a test waveform with LTE Toolbox.
loadfromfile = true;

if loadfromfile
    % Load captured off-the-air waveform.
    load('eNodeBWaveform.mat');
    dataIn = resample(rxWaveform,SamplingRate,fs);
else
    % Generate a test waveform with LTE Toolbox.
    dataIn = hGenerateDLRXWaveform();
end

% Scale signal level to be in the range -1 to +1.
dataIn = 0.95 * dataIn / max(abs(dataIn));

% Start 1 subframe into the waveform (chosen arbitrarily).
startIn      = false(length(dataIn),1);
startIn(1e-3*SamplingRate)  = true;

% Configure PSS and SSS attempts
PSSAttempts = 2;
SSSAttempts = 4;

% Determine stop time.
simParams.stopTime = (length(dataIn)-1)/SamplingRate;

Аналитический скрипт

ltehdlCellSearch_analyze.m называется в StopFcn коллбэк ltehdlCellSearch.slx. Этот скрипт полагается в большой степени на ltehdlCellSearchTools.m анализировать выход модели и отобразить графики.

% ltehdlCellSearch model analysis script
% Post-processes model outputs and generates plots.

% Check if any simulation output exists to analyze.
if exist('out','var') && ~isempty(out.PSSDetected)
    
    % Post-process the model output to extract key cell parameters,
    % diganostics and signals.
    
    [signals, report] = ltehdlCellSearchTools.processOutput(dataIn,startIn,out);
    
    % Plot results
    
    ltehdlCellSearchTools.figure('Input waveform and search stages'); clf;
    ltehdlCellSearchTools.plotSearchStates(signals,report);
    
    ltehdlCellSearchTools.figure('Frequency estimation'); clf;
    ltehdlCellSearchTools.plotFrequencyEstimate(signals,report);
    
    ltehdlCellSearchTools.figure('PSS search'); clf;
    ltehdlCellSearchTools.plotPSSCorrelation(signals,report);
    
    ltehdlCellSearchTools.figure('SSS search');
    ltehdlCellSearchTools.plotSSSCorrelation(signals,report);

end

Аналитический класс инструментов

Этот класс содержит функции помощника для анализа и графического вывода выхода модели. Обратитесь к ltehdlCellSearchTools.m для получения дополнительной информации.

Симуляция Выход и анализ

Чтобы выполнить симуляцию, используйте кнопку Run в ltehdlCellSearch модели. Simulink автоматически вызовет ltehdlCellSearch_init и ltehdlCellSearch_analyze через коллбэки InitFcn и StopFcn соответственно. Обратите внимание на то, что это будет требовать времени, чтобы создать ltehdlDownlinkSyncDemod модель - ссылку на первом показе. Симуляция генерирует два основных типа выходного: (i) Отображение блокируется в верхнем уровне ltehdlCellSearch ключевых show параметров обнаружения блок-схемы и (ii) четыре графика сгенерированы в конце симуляции.

NCellID, TDDMode, timingOffset, freqEst, cellDetected, и cellSearchDone выходные параметры все сопоставили блоки Отображения. Их значения показывают ниже в конце симуляции, которая использовала полученную не воздушную форму волны (eNodeBWaveform.mat) как стимул.

Входная форма волны и поисковый график этапов показывают:

График оценки Частоты показывает выход средства оценки частоты по сравнению со временем. В конце окна времени оценки частоты на 10 мс оценка частоты загружается в регистр и используется, чтобы откорректировать смещение частоты. Это значение также показывают на графике. В этом случае смещение частоты чуть ниже 500 Гц, который является хорошо в от-7.5 кГц до рабочего диапазона на +7.5 кГц алгоритма восстановления частоты.

Ячейка ID составлена из двух компонентов, NCellID1 и NCellID2, где NCellID1 порядковый номер SSS и NCellID2 порядковый номер PSS (См. Приложение A). График поиска PSS показывает всем трем корреляторам PSS выходные параметры и порог PSS. PSS был обнаружен приблизительно 17 мс в форму волны на PSS № 1, поэтому NCellID2 = 1.

График поиска SSS показывает метрики корреляции для успешной попытки обнаружения SSS и порога SSS. Как ранее обсуждено, алгоритм обнаружения SSS определяет дуплексный режим и половину положения системы координат, а также ячейки ID. В результате 4*168 = 672 метрики корреляции вычисляются во время каждой попытки. Метрики корреляции показывают в следующем порядке вдоль оси X:

SSS был обнаружен в месте FDD для последовательности SSS, соответствующей 1-й половине системы координат. Порядковый номер SSS равняется 25 поэтому NCellID1 = 25. Итоговая ячейка ID поэтому:

NCellID = 3*NCellID1 + NCellID2 = 76.

Генерация HDL-кода и верификация

Чтобы сгенерировать HDL-код для этого примера, у вас должна быть лицензия HDL Coder™. Используйте makehdl и makehdltb команды, чтобы сгенерировать HDL-код и испытательный стенд HDL для подсистемы HDL Поиска Ячейки. Обратите внимание на то, что генерация испытательного стенда может требовать времени из-за длины тестовых векторов, которые сгенерированы.

Подсистема HDL Поиска Ячейки синтезировалась на оценочной плате Xilinx® Zynq®-7000 ZC706. Место сообщения и результаты использования ресурса маршрута показывают в приведенной ниже таблице. Проект соответствовал синхронизации с частотой часов 200 МГц.

       Resource        Usage
    _______________    _____

    Slice Registers    44658
    Slice LUTs         20271
    RAMB18                25
    RAMB36                11
    DSP48                110

Приложение A - сигналы синхронизации нисходящего канала LTE

LTE обеспечивает два физических сигнала, чтобы помочь процессу поиска и синхронизации ячейки. Это Первичный сигнал синхронизации (PSS) и Вторичный сигнал синхронизации (SSS).

Ячейка ID eNodeB закодирована в PSS и SSS. Дуплексный режим, циклическая длина префикса и синхронизация системы координат могут быть определены из их положений в полученном сигнале. PSS и SSS передаются дважды каждая система координат. Существует 3 возможных последовательности PSS, и eNodeB передает тот же PSS каждая половина системы координат. Для каждого PSS существует 168 возможных последовательностей SSS в первой половине системы координат и 168 различных возможных последовательностей SSS во второй половине системы координат. Это означает, что, если SSS был обнаружен, получатель знает, находится ли это в первой или второй половине системы координат. PSS и последовательности SSS зависят от ячейки ID, поэтому, существует 3 * 168 = 504 возможных ячейки IDs. Ячейка ID

NCellID = 3*NCellID1 + NCellID2

где NCellID2 является порядковым номером PSS от 0 до 2, и NCellID1 является порядковым номером SSS от 0 до 167. Каждый экземпляр PSS занимает центральные 62 поднесущих одного символа OFDM, когда действительно каждый инстанцирует SSS. Для нормального циклического префиксного режима местоположения PSS и сигналов SSS, следует:

Существует 14 символов в каждом подкадре, пронумерованном от 0 до 13. Поэтому в режиме FDD, PSS передается один символ OFDM после SSS, тогда как в режиме TDD PSS передается три символа OFDM после SSS. Это различие в относительной синхронизации позволяет получателю различать между двумя дуплексными режимами. Положения PSS и SSS в радио-системах координат в режиме FDD и TDD проиллюстрированы ниже.

Для получения дополнительной информации смотрите Сигналы Синхронизации (PSS и SSS).

Приложение B - алгоритм поиска ячейки и алгоритм выбора

В этом разделе описываются алгоритм, используемый моделью, чтобы обнаружить сигналы eNodeB. Алгоритм спроектирован, чтобы справиться с условиями реального мира, такими как смещения частоты, шум и интерференция и изменение ОСШ PSS и SSS в зависимости от времени. Чтобы обнаружить eNodeB в присутствии таких условий, пример использует три метода:

Восстановление частоты

Восстановление частоты выполняется путем использования доменной структуры времени полученного сигнала. В LTE (как с другим OFDM основывал системы), каждый символ состоит из полезной части и Циклического префикса (CP). CP сгенерирован путем копирования маленького среза с конца символа и предварительного ожидания его к запуску символа. Это может быть использовано в получателе путем умножения полученного сигнала с сопряженным комплексным числом задержанной версии себя, и затем интеграции через длительность CP, где задержка является длительностью полезной части. В действительности полученный сигнал перекрестный коррелируется с задержанной версией себя. Величина интегратора выход имеет peaks на контурах символа. Угол фазы сигнала в этом peaks связан со смещением частоты. Этот подход используется в существующем примере и объединяется с дополнительным усреднением, чтобы оценить смещение частоты. Алгоритм может обнаружить смещения частоты от-7.5 кГц до +7.5 кГц.

Обнаружение PSS

Обнаружение PSS выполняется путем непрерывной перекрестной корреляции полученного сигнала со всеми тремя возможными последовательностями PSS во временном интервале. Кроме того, энергия сигнала в промежутке корреляторов вычисляется на каждом временном шаге и затем масштабируется, чтобы сгенерировать порог. Алгоритм обнаружения PSS стремится выбирать самую сильную ячейку путем выбора максимальной метрики корреляции PSS в окне времени на 10 мс. Следующий псевдокод описывает алгоритм поиска:

initialize position of first 10 ms search window

for k = 1 to 4 (number of PSS attempts)

   find correlation levels which exceed the threshold
   if any correlation levels exceed the threshold
      find the max correlation level of those which exceed the threshold
      PSS detected: break loop and start SSS search
   else
      PSS not detected: move search window to next 10ms period
   end
end

Обнаружение SSS

Если PSS расположен, детектор может сузить положение SSS к двум возможным местам; один для FDD и один для TDD. Метрики корреляции SSS вычисляются в частотном диапазоне путем оценки скалярного произведения последовательности. Следующий алгоритм используется, чтобы искать и выбрать последовательность SSS.

initialize SSS search window

for k = 1 to 8 (number of SSS attempts)

   for each duplex mode in [FDD, TDD]
      extract 128 point search window for current duplex mode
      compute FFT and extract SSS subcarriers
      compute correlation metrics for SSS sequences corresponding to 1st half frame
      compute correlation metrics for SSS sequences corresponding to 2nd half frame
      compute signal energy-based threshold
   end

   discard correlation metrics which do not exceed the threshold
   if any metrics exceeded the threshold
      pick maximum correlation metric from surviving metrics
      SSS detected: break loop and proceed to next processing stage
   else
      SSS not detected: move SSS search window later by half a frame
   end

end

Рисунок поиска ячейки

Алгоритм поиска ячейки показывают ниже для сценария, где PSS и SSS каждый берет 2 попытки обнаружить допустимые сигналы. Рисунок также показывает этап восстановления частоты. Первоначально, получатель не знает о полученной синхронизации системы координат сигнала. В модели Simulink (и на оборудовании), вход запуска используется, чтобы инициировать процесс обнаружения. Получатель начинается путем измерения смещения частоты, которое берет 10 мс. Затем первый поиск PSS на 10 мс происходит. В этом случае никакой PSS не обнаруживается, поэтому инициируется второй поиск PSS. На этот раз PSS обнаруживается. Первый поиск SSS происходит только за исключением 10 мс после местоположения обнаруженного PSS, избегая потребности буферизовать существенное количество данных, и делая оборудование алгоритма дружественным. Как показано SSS также берет две попытки в этом случае. От местоположения обнаруженного SSS получатель знает дуплексную модель (FDD в этом случае) и синхронизация системы координат.

Ссылки

1. 3GPP "физический уровень" TS 36.214