Введение

Поиск и выбор соты является первым шагом, предпринятым пользовательским оборудованием (UE) при попытке получить доступ к сети LTE. Процедура поиска и выбора соты включает в себя обнаружение сигналов eNireB кандидата и затем выбор одного для синхронизации с. Это включает в себя определение идентичности соты (ID соты) выбранного eNireB и дуплексного режима. Кроме того, UE получает синхронизацию частоты и синхронизации во время этого процесса. После завершения этой процедуры UE может демодулировать сигнал OFDM, передаваемый сотой, и восстанавливать свой главный информационный блок (MIB). Модель восстановления MIB с возможностью генерации кода HDL, которая повторно использует функции поиска и выбора ячеек, показанные здесь, представлена в LTE HDL MIB Recovery.

Функциональные возможности в настоящем примере основаны на функциональных возможностях поиска ячеек LTE Toolbox Cell Search, MIB and SIB1 Recovery (LTE Toolbox). Однако алгоритмы оптимизированы для генерации кода HDL. LTE Toolbox широко использовался при разработке настоящего примера. Описанная здесь модель ЛПВП выполняет следующие функции:

Алгоритм восстановления частоты в модели HDL может корректировать только смещения менее + -7,5 кГц. Восстановление больших частотных смещений более + -7,5 кГц возможно путем управления входом и контроля выходов с помощью внешнего контроллера. Демонстрация большой коррекции смещения частоты приведена в примере LTE MIB Recovery and Cell Scanner Using Analog Devices AD9361/AD9364 (пакет поддержки Communications Toolbox для радиоприемника на основе Xilinx Zynq).

После завершения процедуры поиска и выбора соты модель выводит идентификатор соты, дуплексный режим и неравнозначную сетку ресурсов соты. Эта функциональность показана ниже. Модель поддерживает сигналы нисходящей линии связи с интервалом между поднесущими 15 кГц и обычной длиной циклического префикса. Поддерживаются как дуплексный режим с частотным разделением (FDD), так и дуплексный режим с временным разделением (TDD). Дуплексный режим определяется автоматически.

Стандарт LTE обеспечивает два физических сигнала для облегчения процесса поиска соты. Это первичный сигнал синхронизации (PSS) и вторичный сигнал синхронизации (SSS). Для получения дополнительной информации о сигналах синхронизации нисходящей линии связи LTE см. Приложение A.

Пример структуры

Модель состоит из 5 файлов:

Примечание: ltehdlDownlinkSyncDemod.slx не отображается в рабочей папке примера, так как используется совместно с другими примерами. Файл находится в пути MATLAB и может быть открыт путем ввода ltehdlDownlinkSyncDemod в командной строке MATLAB.

Архитектура модели

Ниже показана структура подсистемы поиска и выбора ячеек. Входные данные представляют собой сложные 16-битовые данные, дискретизированные на скорости 30,72 мс. Сигнал передается по двум трактам данных обработки сигнала; один на 1,92 мс и один на 30,72 мс. Восстановление частоты и обнаружение PSS выполняются на пути передачи данных 1,92 мсек. Эта частота выборки используется по двум причинам. Во-первых, полоса пропускания ячейки на данном этапе неизвестна, поэтому для восстановления частоты предполагается наименьшая полоса пропускания LTE 1,4 МГц. Этот подход работает независимо от фактической полосы пропускания соты. Во-вторых, PSS и SSS занимают только шесть центральных блоков ресурсов (1,4 МГц). Следовательно, обнаружение может быть эффективно выполнено на 1,92 мс, и методы совместного использования ресурсов могут быть использованы для оптимизации реализации аппаратных средств.

Следующие шаги описывают работу приемника.

Приложение B предоставляет более подробную информацию о алгоритме поиска и выбора ячеек, используемом в этом примере.

Simulink-модель поиска ячеек

Верхний уровень ltehdlCellSearch.slx показано ниже. Эта модель ссылается на ltehdlDownlinkSyncDemod.slx. ltehdlCellSearch_init.m вызывается InitFcn обратный вызов и ltehdlCellSearch_analyze.m вызывается StopFcn обратный вызов. Модель использует Stop sink для завершения моделирования, когда (i) выходной сигнал subframeNum равен 5 или (ii) cellSeireDone утверждается true и сота не обнаружена. Код HDL может быть сгенерирован для подсистемы HDL поиска ячеек.

HDL-подсистема Cell Search в первую очередь является оболочкой для модели ltehdlDureLinkSyncDemod. Он содержит блок модели (Downlink Sync Demod), который ссылается на ltehdlDownlinkSyncDemod.slxи подсистему «Диагностика в рабочую область», которая регистрирует все результаты диагностики. Диагностические выходы используются ltehdlCellSearch_analyze.m для создания графиков, показывающих внутреннюю операцию.

Опорная модель синхронизации и демодуляции нисходящей линии связи

Ссылка модели ltehdlDownlinkSyncDemod реализует все функциональные возможности поиска соты, синхронизации и демодуляции OFDM. Приложение B подробно описывает алгоритм поиска и выбора ячеек, реализованный этой моделью. Верхний уровень ltehdleLinkSyncDemod близко соответствует архитектуре, которая была представлена ранее.

Входные данные модели:

Выходные данные модели:

ltehdlDownLinkSyncDemod использует во время инициализации две функции Toolbox™ примера беспроводного HDL: ltehdlDefineReceiverBuses и ltehdlDownlinkSyncDemodConstants. ltehdlDefineReceiverBuses используется совместно с другими примерами Wireless HDL Toolbox и определяет набор шин Simulink. Эта функция вызывается в InitFcn ltehdlDownlinkSyncDemod. Только detectorDiagnosticsBus здесь используется вывод функции. Объект шины сохраняется в базовой рабочей области, что делает его доступным для моделей ltehdlDureLinkSyncDemod и ltehdlCellSearch.

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

Модель опирается на предварительно вычисленные константы и таблицы поиска, хранящиеся в структуре с именем cellDetectorConfig. Эта структура генерируется ltehdlDownlinkSyncDemodConstants и используется только внутри ссылки модели ltehdlDownLinkSyncDemod. Поэтому она определяется в рабочей области модели, а не в базовой рабочей области. Используйте обозреватель моделей для просмотра рабочего пространства модели, которое содержит следующий код инициализации.

cellDetectorConfig = ltehdlDownlinkSyncDemodConstants(30.72e6);

Показана внутренняя структура ltehdleLinkSyncDemod.

Подсистема децимационных фильтров выполняет повторную выборку входных данных с 30,72 до 1,92 мс. Он состоит из прореживания CIC, компенсации усиления CIC, компенсации падения CIC и временного удаления. Цепочка фильтров предназначена для групповой задержки, которая равна целому числу выборок при 1,92 мс. Блок удаления переходных процессов удаляет начальный переходный процесс из-за этой групповой задержки из потока выборок. Это важно, поскольку смещение синхронизации кадра измеряется в потоке 1,92 мс, а затем используется для восстановления синхронизации в потоке 30,72 мс. Удаление начального переходного процесса из цепочки прореживающих фильтров упрощает логику, которая передает информацию синхронизации.

Подсистема оценки частоты использует циклический префикс для оценки сдвига частоты входящего сигнала. Каждые 960 выборок подсистема AneyAtMaximum выбирает самый сильный пик корреляции и записывает его фазовый угол. Подсистема AneyFilter реализует фильтр усреднения с длительностью окна 10 мс. Результирующий фазовый угол служит в качестве оценки частоты. Приложение B предоставляет дополнительную информацию о том, как циклический префикс может использоваться для оценки сдвига частоты.

Подсистема поиска сигнала синхронизации реализует обнаружение PSS и SSS. Синхронизация имеет решающее значение в этой части конструкции, поскольку средство поиска SSS использует информацию синхронизации кадра от средства поиска PSS для идентификации мест поиска SSS. Средство поиска PSS обеспечивает сигнал validate Out, который используется блоком синхронизатора потока для задержки входного потока и компенсации задержки конвейера средства поиска PSS. Синхронизация входного потока с выходами устройства поиска PSS упрощает конструкцию устройства поиска SSS.

Устройство поиска PSS состоит из двух подсистем: корреляторов и устройства поиска Max Peak. В совокупности эти подсистемы реализуют алгоритм поиска PSS, описанный в Приложении B.

Подсистема корреляторов содержит согласованный фильтр для каждой из трех последовательностей PSS и набор подсистем для определения порогового значения. Нижний предел применяется к пороговому значению для предотвращения малых сигналов, запускающих ложные аварийные сигналы. Корреляторы PSS и логика формирования пороговых значений имеют различные задержки конвейера, поэтому для повторного выравнивания их выходных сигналов используется потоковый синхронизатор.

Как только выполняется поиск ячейки, поисковик SSS непрерывно хранит выборки в круговом буфере. После обнаружения PSS он продолжает загружать выборки в буфер до тех пор, пока не будет достигнуто и сохранено местоположение поиска SSS. Местоположение поиска SSS вычисляется из информации синхронизации PSS, предоставляемой сигналом PSSEndTimingOffset. Затем выборки местоположения FDD считываются из буфера, передаются через 128-точечный FFT, и подсистема максимального правдоподобия SSS вычисляет метрики корреляции и пороговое значение. Эта же операция затем применяется к выборкам местоположения TDD. Подсистема максимального правдоподобия SSS выбирает максимальную метрику корреляции, которая превысила пороговое значение, и определяет дуплексный режим и синхронизацию кадра. Наконец, вычисляется смещение синхронизации кадра.

Сценарии инициализации и анализа

Сценарий инициализации

ltehdlCellSearch_init.m вызывается в InitFcn обратный вызов ltehdlCellSearch.slx. Стимул может быть либо загружен из файла, содержащего захваченный сигнал вне воздуха, либо сгенерирован с помощью 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;

Сценарий анализа

ltehdlCellSearch_analyze.m вызывается в StopFcn обратный вызов ltehdlCellSearch.slx. Этот сценарий в значительной степени зависит от ltehdlCellSearchTools.m для анализа выходных данных модели и отображения графиков.

% 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

Класс инструментов анализа

Этот класс содержит вспомогательные функции для анализа и печати выходных данных модели. См. ltehdlCellSearchTools.m для получения дополнительной информации.

Вывод и анализ моделирования

Для выполнения моделирования используйте кнопку запуска в модели ltehdlCellSearch. Simulink автоматически вызывает ltehdlCellSearch_init и ltehdlCellSearch_analyze через обратные вызовы InitFcn и StopFcn соответственно. Обратите внимание, что построение ссылки на модель ltehdlDownlinkSyncDemod в первом прогоне займет некоторое время. Моделирование генерирует два основных типа выходных данных: (i) Блоки отображения на верхнем уровне блок-схемы ltehdlCellSearch показывают параметры обнаружения ключа, и (ii) в конце моделирования генерируются четыре графика.

Все выходы NCellID, TDDMode, timingOffset, freqEst, cellDetected и cellSeireDone имеют связанные блоки отображения. Их значения показаны ниже в конце моделирования, в котором использовалась захваченная форма сигнала вне эфира (eNodeBWaveform.mat) в качестве стимула.

График входной формы сигнала и этапов поиска показывает:

График оценки частоты показывает выходной сигнал блока оценки частоты в зависимости от времени. В конце временного окна оценки частоты 10 мс оценка частоты загружается в регистр и используется для коррекции сдвига частоты. Это значение также отображается на графике. В этом случае сдвиг частоты чуть ниже 500 Гц, что находится в пределах рабочего диапазона от -7,5 кГц до + 7,5 кГц алгоритма восстановления частоты.

Идентификатор ячейки состоит из двух компонентов, NCellID1 и NCellID2, где NCellID1 - порядковый номер SSS, и NCellID2 порядковый номер PSS (см. Приложение A). График поиска PSS показывает все три выхода коррелятора PSS и пороговое значение PSS. PSS был обнаружен приблизительно 17 мс в форме сигнала на PSS # 1, поэтомуNCellID2 = 1.

График поиска SSS показывает метрики корреляции для успешной попытки обнаружения SSS и порог SSS. Как обсуждалось выше, алгоритм обнаружения SSS определяет дуплексный режим и положение половины кадра, а также идентификатор соты. В результате во время каждой попытки вычисляются метрики корреляции 4 * 168 = 672. Показатели корреляции показаны в следующем порядке вдоль оси X:

SSS был обнаружен в местоположении FDD для последовательности SSS, соответствующей первой половине кадра. Поэтому порядковый номер SSS равен 25 NCellID1 = 25. Таким образом, конечный идентификатор ячейки представляет собой:

NCellID = 3*NCellID1 + NCellID2 = 76.

Создание и проверка кода HDL

Для создания кода HDL в этом примере необходимо иметь лицензию HDL Coder™. Используйте makehdl и makehdltb команды для генерации кода HDL и средства тестирования HDL для подсистемы HDL поиска ячеек. Следует отметить, что генерация testbench может занять некоторое время из-за длины генерируемых векторов тестов.

Подсистема HDL Cell Search была синтезирована на оценочной плате Xilinx ® Zynq ® -7000 ZC706. Результаты использования ресурсов после размещения и маршрута показаны в таблице ниже. Конструкция отвечала таймингу с тактовой частотой 200 МГц.

       Resource        Usage
    _______________    _____

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

Приложение A - Сигналы синхронизации нисходящей линии связи LTE

LTE обеспечивает два физических сигнала для поддержки процесса поиска и синхронизации соты. Это первичный сигнал синхронизации (PSS) и вторичный сигнал синхронизации (SSS).

Идентификатор соты eNireB кодируется в PSS и SSS. Дуплексный режим, длина циклического префикса и синхронизация кадра могут быть определены из их положений в принятом сигнале. PSS и SSS передаются дважды в каждом кадре. Существует 3 возможные последовательности PSS, и eNireB передает одну и ту же PSS каждые полкадра. Для каждой PSS имеется 168 возможных SSS-последовательностей в первой половине кадра и 168 различных возможных SSS-последовательностей во второй половине кадра. Это означает, что как только SSS был обнаружен, приемник знает, находится ли он в первой или второй половине кадра. Последовательности PSS и SSS зависят от идентификатора соты, поэтому существует 3 * 168 = 504 возможных идентификатора соты. Идентификатор ячейки:

NCellID = 3*NCellID1 + NCellID2

где NCellID2 - порядковый номер PSS от 0 до 2, а NCellID1 - порядковый номер SSS от 0 до 167. Каждый экземпляр PSS занимает центральные 62 поднесущие одного символа OFDM, как и каждый экземпляр SSS. Для режима обычного циклического префикса местоположение сигналов PSS и SSS:

В каждом субкадре имеется 14 символов, пронумерованных 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. Эта разница в относительной синхронизации позволяет приемнику различать два дуплексных режима. Позиции PSS и SSS в кадрах радиосвязи в режимах FDD и TDD показаны ниже.

Дополнительные сведения см. в разделе Сигналы синхронизации (PSS и SSS) (панель инструментов LTE).

Приложение B - Алгоритм поиска и выбора ячеек

В этом разделе описывается алгоритм, используемый моделью для обнаружения сигналов eNireB. Алгоритм предназначен для того, чтобы справляться с реальными условиями, такими как частотные смещения, шум и помехи, а также изменение SNR PSS и SSS во времени. Для обнаружения eNireB в присутствии таких условий в примере используются три метода:

Восстановление частоты

Восстановление частоты выполняется с использованием структуры временной области принятого сигнала. В LTE (как и в других системах на основе OFDM) каждый символ состоит из полезной части и циклического префикса (CP). CP генерируется путем копирования небольшого фрагмента из конца символа и его предварительной подготовки к началу символа. Это может быть использовано в приемнике путем умножения принятого сигнала с комплексным сопряжением задержанной версии себя, а затем интегрирования по длительности СР, где задержка является длительностью полезной части. Величина выходного сигнала интегратора имеет пики на границах символов. Фазовый угол сигнала в этих пиках связан со смещением частоты. Этот подход используется в настоящем примере и в сочетании с дополнительным усреднением для оценки сдвига частоты. Алгоритм может обнаруживать смещения частоты от -7,5 кГц до + 7,5 кГц.

Обнаружение PSS

Обнаружение PSS выполняется путем непрерывной перекрестной корреляции принятого сигнала со всеми тремя возможными последовательностями PSS во временной области. Кроме того, энергия сигнала в пределах диапазона корреляторов вычисляется на каждом временном шаге и затем масштабируется для генерации порога. Алгоритм обнаружения PSS предназначен для выбора наиболее сильной ячейки путем выбора максимальной метрики корреляции PSS в пределах временного окна 10 мс. Алгоритм поиска описывается в следующем псевдокоде:

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

Как только PSS находится, детектор может сузить положение SSS до двух возможных местоположений; один для FDD и один для TDD. Метрики корреляции SSS вычисляются в частотной области путем оценки скалярного произведения последовательности. Следующий алгоритм используется для поиска и выбора последовательности 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

Иллюстрация поиска ячеек

Алгоритм поиска соты показан ниже для сценария, в котором PSS и SSS предпринимают по 2 попытки обнаружения действительных сигналов. На рисунке также показана стадия восстановления частоты. Первоначально приемник не знает времени кадра принятого сигнала. В модели Simulink (и на оборудовании) начальный вход используется для запуска процесса обнаружения. Приемник начинает с измерения сдвига частоты, который занимает 10 мс Next, происходит первый поиск PSS 10 мс. В этом случае PSS не обнаруживается, поэтому инициируется второй поиск PSS. На этот раз обнаруживается PSS. Первый поиск SSS происходит всего через 10 мс после местоположения обнаруженной PSS, избегая необходимости буферизации значительных объемов данных и делая алгоритм удобным для аппаратного обеспечения. Как показано, в этом случае SSS также предпринимает две попытки. Из местоположения обнаруженного SSS приемнику известна дуплексная модель (в данном случае FDD) и синхронизация кадра.

Ссылки

1. 3GPP ТС 36.214 «Физический уровень»