Введение

Поиск и выбор камер является первым шагом, предпринятым пользовательским оборудованием (UE) в попытке получить доступ к сети LTE. Процедура поиска и выбора камеры включает в себя обнаружение сигналов кандидата eNodeB и затем выбор одного для синхронизации. Это включает в себя определение выбранных тождеств камеры (ID камеры) физического слоя eNodeB и дуплексного режима. Кроме того, UE получает частотную и временную синхронизацию во время этого процесса. После завершения этой процедуры UE может демодулировать сигнал OFDM, переданный камерой, и восстановить свой главный информационный блок (MIB). Модель восстановления MIB с возможностью генерации HDL-кода, которая повторно использует функциональность поиска и выбора камер, показанную здесь, представлена в LTE HDL MIB Recovery.

Функциональность в настоящем примере основана на функциональности поиска камер LTE Toolbox Cell Search, MIB и SIB1 Recovery (LTE Toolbox). Однако алгоритмы были оптимизированы для генерации HDL-кода. LTE Toolbox широко использовался при разработке настоящего примера. Описанная здесь модель HDL выполняет следующие функции:

Алгоритм восстановления частоты в HDL-модели может только исправить смещения менее + -7,5 кГц. Восстановление большого смещения частоты более + -7,5 кГц возможно путем управления входом и мониторинга выходов с помощью внешнего контроллера. Демонстрацию коррекции смещения большой частоты можно найти в примере LTE MIB Recovery and Сканер Using Analog Devices AD9361/AD9364 (Communications Toolbox Support Package for Xilinx Zynq-Based Radio).

Когда модель завершает процедуру поиска и выбора камер, она выводит идентификатор камеры, дуплексный режим и неравномерную ресурсную сетку камеры. Эта функциональность показана ниже. Модель поддерживает нисходящие сигналы с интервалом поднесущих 15 кГц и нормальной длиной циклического префикса. Поддерживаются оба режима дуплекса частотного деления (FDD) и дуплекса временного деления (TDD). Дуплексный режим автоматически обнаруживается.

Стандарт LTE обеспечивает два физических сигналов, чтобы помочь процессу поиска камеры. Это основной сигнал синхронизации (PSS) и вторичный сигнал синхронизации (SSS). Для получения дополнительной информации о сигналах синхронизации нисходящего канала LTE см. Приложение А.

Пример структуры

Модель состоит из 5 файлов:

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

Архитектура модели

Структура подсистемы поиска и выбора камеры показана ниже. Это вход комплексных 16-битных данных, дискретизированных на 30.72 Msps. Сигнал передается к двум путям данных обработки сигналов; один при 1.92 Msps и один при 30.72 Msps. Восстановление частоты и обнаружение PSS выполняются на пути данных 1.92 Msps. Эта частота дискретизации используется по двум причинам. Во-первых, полоса пропускания камеры не известна на этом этапе, поэтому наименьшая полоса пропускания LTE 1,4 МГц принята для восстановления частоты. Этот подход работает независимо от фактической полосы пропускания камеры. Во-вторых, PSS и SSS занимают только шесть центральных ресурсных блоков (1,4 МГц). Поэтому обнаружение может быть эффективно выполнено при 1.92 Msps и методы совместного использования ресурсов могут использоваться, чтобы оптимизировать аппаратную реализацию.

Следующие шаги описывают операцию приемника.

Приложение B приводит более подробную информацию об алгоритме поиска и выбора камер, используемом в этом примере.

Камера поиска модели Simulink

Верхний уровень ltehdlCellSearch.slx показан ниже. Эта модель ссылается на ltehdlDownlinkSyncDemod.slx. ltehdlCellSearch_init.m вызывается InitFcn коллбэк и ltehdlCellSearch_analyze.m вызывается StopFcn коллбэк. Модель использует стоповый приемник, чтобы завершить симуляцию, когда или (i) выход subframeNum равен 5 или (ii) утверждается cellSearchDone true и никакая камера не обнаружена. HDL-код может быть сгенерирован для подсистемы Cell Search HDL.

Подсистема Cell Search HDL в основном является оболочкой для модели ltehdlDownlinkSyncDemod. Он содержит блок Model (Demod Downlink Sync), который ссылается на ltehdlDownlinkSyncDemod.slxи подсистему Diagnostics To Workspace, которая регистрирует все выходы диагностики. Выходы диагностики используются ltehdlCellSearch_analyze.m чтобы сгенерировать графики, показывающие внутреннюю операцию.

Нисходящая синхронизация и демодуляция Модели-ссылки

ltehdlDownlinkSyncDemod модели-ссылки реализует все функции поиска, синхронизации и демодуляции OFDM камеры. Приложение B подробно описывает алгоритм поиска и выбора камер, реализованный этой моделью. Верхний уровень ltehdlDownlinkSyncDemod тесно соответствует архитектуре, которая была представлена ранее.

Входные параметры модели:

Выходы модели:

ltehdlDownlinkSyncDemod использует два Toolbox™ беспроводного HDL- функций , взятых в качестве примера, во время инициализации: ltehdlDefineReceiverBuses и ltehdlDownlinkSyncDemodConstants. ltehdlDefineReceiverBuses совместно используется с другими примерами Wireless HDL Toolbox и задает набор шин Simulink. Эта функция вызывается в InitFcn ltehdlDownlinkSyncDemod. Только detectorDiagnosticsBus здесь используется выход функции. Объект шины хранится в базовом рабочем пространстве, делая его доступным как для моделей ltehdlDownlinkSyncDemod, так и для моделей ltehdlCellSearch.

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

Модель опирается на предварительно вычисленные константы и интерполяционные таблицы, хранящиеся в структуре под названием cellDetectorConfig. Эта структура сгенерирована ltehdlDownlinkSyncDemodConstants функция и используется только внутри модели-ссылки ltehdlDownlinkSyncDemod. Поэтому он определяется в Рабочем пространстве модели, а не в Базовом Рабочем пространстве. Используйте Model Explorer, чтобы просмотреть Рабочее пространство модели, которая содержит следующий код инициализации.

cellDetectorConfig = ltehdlDownlinkSyncDemodConstants(30.72e6);

Показана внутренняя структура ltehdlDownlinkSyncDemod.

Подсистема Децимирующие фильтры переизбирает входные данные с 30.72 Msps до 1.92 Msps. Он состоит из десятикратного уменьшения CIC, компенсации усиления CIC, компенсации падения CIC и временного удаления. Цепь фильтра предназначена для того, чтобы иметь групповую задержку, которая равна целому числу выборок при 1,92 Msps. Блок «Временное удаление» удаляет начальный переходный процесс из-за задержки этой группы из потока сэмплирования. Это важно, потому что смещение синхронизации системы координат измеряется на потоке 1.92 Msps, а затем используется для восстановления синхронизации на потоке 30.72 Msps. Удаление начального переходного процесса из 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 свой угол фазы. Подсистема AngleFilter реализует фильтр усреднения с длительностью окна 10 мс. Полученный угол фазы служит оценкой частоты. В приложении B представлена дополнительная информация о том, как циклический префикс может использоваться для оценки смещения частоты.

Подсистема Sync Signal Search реализует обнаружение PSS и SSS. Синхронизация имеет решающее значение в 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 задержку трубопровода PSS Searcher. Синхронизация потока входа с выходами PSS Searcher упрощает проект SSS Searcher.

Искатель PSS состоит из двух подсистем: Correlators и Max Peak Searcher. Вместе эти подсистемы реализуют алгоритм поиска PSS, описанный в Приложении B.

Подсистема Correlators содержит согласованный фильтр для каждой из трех последовательностей PSS и набор подсистем для определения порога. Нижний предел применяется к порогу, чтобы предотвратить маленькие сигналы, вызывающие ложные предупреждения. Корреляторы PSS и логика генерации порога имеют различные задержки конвейера, поэтому для переупорядочивания их выходов используется потоковый синхронизатор.

Когда поиск камер продолжается, SSS Searcher постоянно сохраняет 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 времени выполнения PSS, предоставленной сигналом PSSEndTimingOffset. Затем выборки местоположения FDD считываются из буфера, передаются через БПФ с 128 точками, и подсистема SSS с максимальным правдоподобием вычисляет метрики корреляции и порог. Эта же операция затем применяется к выборкам местоположения TDD. Подсистема SSS Max Likelihood выбирает максимальную метрику корреляции, которая превысила порог, и определяет дуплексный режим и тайминг системы координат. Наконец, вычисляется смещение синхронизации системы координат.

Скриптов инициализации и анализа

Способы инициализации Скрипта

ltehdlCellSearch_init.m вызывается в InitFcn коллбэк ltehdlCellSearch.slx. Стимул может быть загружен или из файла, содержащего захваченный сигнал без связи, или 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;

Область Скрипта

ltehdlCellSearch_analyze.m вызывается в StopFcn коллбэк ltehdlCellSearch.slx. Этот скрипт полагается в большой степени на ltehdlCellSearchTools.m для анализа выхода 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 графического изображения выхода модели. См. ltehdlCellSearchTools.m для получения дополнительной информации.

Выходы симуляции и анализ

Чтобы выполнить симуляцию, используйте кнопку Run в модели ltehdlCellSearch. Simulink автоматически вызывает ltehdlCellSearch_init и ltehdlCellSearch_analyze через коллбэки InitFcn и StopFcn соответственно. Обратите внимание, что для создания модели-ссылки ltehdlDownlinkSyncDemod при первом запуске потребуется некоторое время. Симуляция генерирует два основных типа выхода: (i) Блоки отображения на верхнем уровне блок-схемы ltehdlCellSearch показывают ключевые параметры обнаружения и (ii) четыре графика сгенерированы в конце симуляции.

Все выходные параметры NCellID, TDDMode, timingOffset, freqEst, cellDetected и cellSearchDone имеют связанные блоки Display. Их значения показаны ниже в конце симуляции, которая использовала захваченную форму волны вне воздуха (eNodeBWaveform.mat) как стимул.

График Входная форма волны и этапы поиска показывает:

График оценки частоты показывает выход оценки частоты по сравнению со временем. В конце временного окна оценки частоты 10 мс оценка частоты загружается в регистр и используется для коррекции смещения частоты. Это значение также показано на графике. В этом случае смещение частоты чуть ниже 500 Гц, что хорошо в рабочей области значений от -7,5 кГц до + 7,5 кГц алгоритма восстановления частоты.

Идентификатор камеры 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 порог PSS. PSS был обнаружен приблизительно 17 мс в форме волны на PSS # 1, поэтому NCellID2 = 1.

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

SSS был обнаружен в местоположении FDD для последовательности SSS, соответствующей 1-й половине системы координат. Поэтому порядковый номер SSS равен 25 NCellID1 = 25. Таким образом, конечный идентификатор камеры:

NCellID = 3*NCellID1 + NCellID2 = 76.

Генерация HDL-кода и верификация

Чтобы сгенерировать HDL-код для этого примера, вы должны иметь лицензию HDL- Coder™. Используйте makehdl и makehdltb команды для генерации HDL-кода и HDL-теста для подсистемы Cell Search HDL. Обратите внимание, что генерация testbench может занять некоторое время из-за длины векторов тестов, которые генерируются.

Подсистема Cell Search HDL была синтезирована на доске оценки ZC706 Xilinx ® Zynq ® -7000. Результаты использования почтовых и маршрутных ресурсов показаны в таблице ниже. Тайминг проекта встретил с тактовой частотой 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 сигналов, чтобы помочь процессу поиска и синхронизации камеры. Это основной сигнал синхронизации (PSS) и вторичный сигнал синхронизации (SSS).

Идентификатор камеры eNodeB закодирован в PSS и SSS. Дуплексный режим, длина циклического префикса и синхронизация системы координат могут быть определены из их положений в принимаемом сигнале. PSS и SSS передаются дважды в каждой системе координат. Существует 3 возможные последовательности PSS, и eNodeB передает один и тот же PSS каждые половину системы координат. Для каждой 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 после обнаружения SSS приемник знает, находится ли он в первой или второй половине системы координат. Последовательности PSS и SSS зависят от идентификатора камеры, поэтому существует 3 * 168 = 504 возможных идентификатора камеры. Идентификатор камеры:

NCellID = 3*NCellID1 + NCellID2

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

В каждом подкадре 14 символов, пронумерованных от 0 до 13. Поэтому в режиме FDD PSS передается один символ OFDM после SSS, в то время как в режиме TDD PSS передается три символа OFDM после SSS. Это различие в относительных временных характеристиках позволяет приемнику различать два дуплексных режима. Положения PSS и SSS в радиосвязи систем координат в FDD и режиме TDD показаны ниже.

Для получения дополнительной информации смотрите Сигналы синхронизации (PSS и SSS) (LTE Toolbox).

Приложение B - Алгоритм поиска и выбора камер

В этом разделе описывается алгоритм, используемый моделью для обнаружения сигналов eNodeB. Алгоритм разработан, чтобы справиться с реальными условиями мира, такими как смещения частоты, шум и интерференция, и изменения в ОСШ PSS и SSS с течением времени. Чтобы обнаружить eNodeB в присутствии таких условий, в примере используются три метода:

Восстановление частоты

Восстановление частоты осуществляется путем использования структуры временного интервала принимаемого сигнала. В LTE (как и в других системах, основанных на OFDM), каждый символ состоит из полезной части и циклического префикса (CP). CP генерируется путем копирования небольшого среза из конца символа и подготовки его к началу символа. Это может быть использовано в приемнике путем умножения принятого сигнала комплексным сопряжением задержанной версии себя, а затем интегрирования по длительности CP, где задержка является длительностью полезной части. В эффект, принятый сигнал перекрестно коррелируется с задержанной версией себя. Величина выхода интегратора имеет peaks на контурах символов. Угол фазы сигнала на этих пиках связан со смещением частоты. Этот подход используется в настоящем примере и объединяется с дополнительным усреднением, чтобы оценить смещение частоты. Алгоритм может обнаруживать смещения частоты от -7,5 кГц до + 7,5 кГц.

Обнаружение PSS

Обнаружение PSS выполняется путем непрерывной перекрестной корреляции принимаемого сигнала со всеми тремя возможными последовательностями PSS во временном интервале. В сложение энергия сигнала в пределах диапазона корреляторов вычисляется на каждом временном шаге и затем масштабируется, чтобы сгенерировать порог. Алгоритм обнаружения PSS направлен на выбор самой сильной камеры путем выбора максимальной метрики корреляции PSS в пределах временного окна 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

Когда PSS находится, детектор может сузить положение SSS до двух возможных местоположений; один для FDD и один для TDD. Метрики корреляции SSS вычисляются в частотный диапазон путем оценки точечного продукта 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

Камера поиска по Рисунку

Алгоритм поиска камер показан ниже для сценария, в котором PSS и SSS каждый берут 2 попытки обнаружить действительные сигналы. Рисунок также показывает этап восстановления частоты. Первоначально приемник не имеет никакой информации о времени приема системы координат сигнала. В модели Simulink (и на оборудовании) стартовый вход используется, чтобы запустить процесс обнаружения. Приемник начинает с измерения смещения частоты, которое занимает 10 мс. Далее происходит первый поиск PSS на 10 мс. В этом случае PSS не обнаруживается, поэтому инициируется второй поиск PSS. На этот раз PSS обнаруживается. Первый поиск SSS происходит всего лишь через 10 мс после местоположения обнаруженной PSS, избегая необходимости буферизации значительных объемов данных и делая оборудование алгоритма удобными. Как показано, SSS также предпринимает две попытки в этом случае. Из местоположения обнаруженного SSS приемник знает дуплексную модель (FDD в этом случае) и тайминг системы координат.

Ссылки

1. 3GPP TS 36.214 «Физический слой»