基于5G标准的低轨卫星通信初始同步技术

李乐天，王赛宇，王力男

(中国电子科技集团公司 第54研究所，石家庄 050081)

0 引言

随着卫星移动通信系统的不断发展，用户对高传输、广范围、较低时延以及灵活性高的低轨卫星移动通信系统的需求逐渐增长；相比地面移动通信系统，低轨卫星移动通信系统覆盖范围更加广泛，多颗低轨卫星能实现全球无缝覆盖。但低轨卫星移动通信系统因为卫星的高速运动带来覆盖区的快速变化导致地面移动终端和卫星之间产生非常大的多普勒频移从而严重影响其同步性能。3GPP组织从R14开始星地融合的研究工作，并且在TS22.261中对卫星相关的接入网协议及架构进行评估，并进一步开展基于5G标准的低轨卫星接入研究。现在5G NR标准规定了下行OFDM信号的子载波间隔不只是固定的15 kHz，还有30、60、120和240 kHz共4种子载波间隔可以选择。5G的无线帧和子帧的长度与4G LTE一样分别为10 ms和1 ms。除此5G中PSS和SSS、PBCH一起组成SSB块(SS Block)，在频域上占用连续的240个子载波带宽，在时域上占用4个连续的OFDM符号。在5G中SSB的时域和频域位置不固定，并且在5 ms半帧周期内不同的子载波间隔帧结构可能有多个SSB，用来满足终端的快速捕捉。

国内外5G低轨卫星的研发仍处于起始阶段，我国的国家卫星互联网系统的空口基本技术标准是基于地面5G的技术标准[1-2]，其中的产品终端所应用的初始同步技术需要满足高动态大多普勒的低轨卫星信道特点[3]，所以研究基于5G的低轨卫星的初始同步技术是当前技术体制中一个关键技术点。

1 下行初始同步过程

当设备刚启动，信号的起始位置还无法确定，物理层会自动进行时间/频率同步过程，然后通过建立的物理信道，使得信号得到OFDM符号同步和帧同步，并得到设备接入的小区ID，这就是初始同步的过程，即小区搜索[4]。下行初始定时/频率同步的处理基本分4步[5]：PSS(主同步信号)检测、整数倍频偏估计、小数倍频偏估计和SSS(从同步信号)检测。下行初始定时/频率同步方案如图1所示(本文对初始同步中的PSS检测和小数倍频偏估计这两部分进行研究)。

图1 下行初始同步框图

1)终端将接收信号通过低通滤波器进行处理；

3)得到PSS信号定时同步位置后，利用接收端接收的PSS与本地PSS信号进行差分互相关运算，获得信号的小数倍频偏。(因为本文采用了OFDM的基带调制，所以通信系统会对频率偏移比较敏感，从而降低了系统的同步性能，因此需要通过频偏估计对信号进行补偿。)；

2 PSS检测

从PSS检测的精确度与复杂度这两个方面考虑，定时同步算法选用在时域上进行本地PSS与接收端PSS互相关检测，如果PSS检测在频域进行，增加了不必要的FFT/IFFT运算。

本文的算法是根据加入不同倍数的整数倍频偏对本地PSS进行分组，并对每组与接收端接收的PSS进行互相关运算，通过找到每个组对应的相关峰值中最大峰值所对应的点，来得到信号的符号定时同步位置，最大相关峰值所在组表明了信号的整数倍频偏。最终算法除了完成PSS检测外，还可以得到整数倍频率估计，具体算法原理如下所示：

5G-NR标准规定，PSS包含在SS/PBCH块(以下简称SSB块)中，在5G-NR信号20 ms的发送周期中，只有前5 ms的同步突发集含有多个SSB块(即含有多个PSS序列)。5G的PSS在时域上占据SSB块中时域上第1个OFDM符号；在频域上，5G PSS是由127个中心子载波和处于信号两端未使用，起分割保护作用的子载波共同构成240个子载波。PSS频域产生格式[14]为：

(1)

其中：x(i+7)=(x(i+4)+x(i))mod2，[x(6)x(5)x(4)x(3)x(2)x(1)x(0)]=[1 1 1 0 1 1 0]。由于PSS所在OFDM符号的采样点数为256，所以本地PSS的M序列通过ifco参数取值[-2,2]循环移位后进行IFFT变换产生长度为L=256样点的本地时域序列Pidx,icfo(n)。

(2)

hl(n)表示信道多径增益，L表示多径的路数，τl表示多径延时，τd表示发射接收时延，v(n)表示均值为0，方差为σ2的高斯白噪声，ε0表示接收信号相对于发送信号的归一化频偏，N表示IFFT/FFT的点数。

(3)

通过接收序列与5组，总共15个本地PSS进行滑动互相关运算，当最大相关峰值大于预设判决门限时，得到最大的相关峰值所对应的d作为接收到的时域信号中半帧的定时点，判断相关峰值最大的本地PSS所对应的小区组内ID和整数倍频偏，即PSS检测同时完成了定时同步、检测小区组内ID和整数倍频偏估计。

3 小数倍频偏估计

5G-NR规定了同步信号是基于OFDM调制，即信号里子载波具有敏感的正交性，进而接收信号要保持严格的正交性，最终接收端能正确解调信号含有的数据。由于低轨卫星系统的高移速特点，信号在卫星信道传输中会伴有大多普勒频偏。如果接收信号的频偏大小是子载波间隔的整数倍，接收信号的各个子载波虽然会发生循环移位，但是子载波之间还是处于正交，继而在解调接收信号时，数据会发生循环移位。因为在PSS检测这一节已经估计出整数倍频偏，所以下面介绍估计小数倍频的算法。小数倍频偏(频偏大小是子载波间隔的小数倍)会破坏接收信号中各个子载波的正交性。所以，接收信号需要通过进行相关运算，得出其相位偏移，再根据相位偏移来求频率偏移。

在文献[15]中首次提出了基于CP自相关的频偏估计算法，该算法利用OFDM符号中CP与其符号对应的数据的关系进行相关运算。基于CP自相关的算法复杂度比较低，能够快速估计出频偏大小，然而CP符号长度较短，估计出的小数倍频偏的精度较低[16]。因此文献[17-20]中提出一种改进算法：利用5G的SSB的格式，可以将连续的多个OFDM符号的CP进行联合相关处理，最终求出多个CP的频偏值的平均值为小数倍频偏估计。

上述算法均是利用同步信号的CP自相关进行频偏估计，下面根据文献[21-22]中利用差分方法处理本地PSS序列与接收端接收的PSS序列的思想，对算法进行改进：将时域上的本地PSS与接收端接收的PSS逐点共轭相乘后，讲其平均分成两段并且对前后两段进行相关运算。虽然增加了算法的复杂度，但是提高了频偏估计算法的准确性，算法具体的原理如下所示：在补偿完PSS定时偏移的条件下，在时域上使用本地PSS序列sPSS(n)共轭点乘接收端接收的PSS符号rPSS,i(n)得到y(n)(y(n)的表达式如式(4)所示)，去掉序列信息；然后平均分成前后两段，两部分分别求和，再对前后两段共轭相乘，最后估计频偏大小。

(4)

(5)

(6)

而且本文仿真借鉴文献[23-24]中对本地PSS序列与接收端接收的PSS序列进行分段处理的思想，提出了一种改进方法，将分段后的两段差分序列再次分段，这四段差分序列任取其两段做相关运算，重复进行上面的步骤得到6个频偏估计值，最后对得到的6个估计值求取期望，过程如下式所示：

(7)

虽然改进算法增加了算法的复杂度，但是算法受到多径效应的影响减少，估计出小数倍频偏的精确程度提高。

4 仿真结果与分析

文章前两节描述几种卫星5G定时同步和频偏估计算法，下面通过Matlab先模拟出卫星信道环境，再在该环境下对改进算法与经典算法进行仿真。对比仿真结果得到文章中改进的定时同步/频偏估计算法可以适用于低轨卫星移动通信系统。仿真的参数如表1所示。

4.1 卫星信道下PSS检测仿真结果及分析

本小节在卫星信道环境下，对基于PSS自相关、互相关定时同步算法以及改进的基于PSS互相关的定时同步算法，这3种算法的PSS检测正确检测概率的仿真结果进行对比，证明改进的算法能够在卫星环境下使用。仿真参数如表1所示。

表1 5G低轨卫星初始同步仿真参数表

如图2所示，仿真在卫星信道下得到3种算法的PSS检测性能。仿真结果显示了频偏为40 kHz时，改进算法的性能比基于PSS互相关性能有提升，平均大约提升1.5 dB。而基于PSS的自相关算法的定时同步性能最差，在低信噪比的环境尤为明显。因此在卫星信道环境下，改进算法虽然因为添加整数倍频偏而使计算量变得复杂，但是算法的PSS检测性能有所提升，所以改进算法可以应用在卫星信道环境中。

图2 卫星信道下PSS检测性能

4.2 卫星信道下小数倍频偏估计仿真结果及分析

仿真是在模拟卫星信道环境下进行的，并且频偏设置在40 kHz，得出3种频偏估计算法的性能。仿真结果表明，经过分段处理后基于PSS差分互相关的频偏估计算法的性能在卫星信道环境下，是3种算法中最优的，RMSE值要优于基于PSS的差分互相关算法大约1 dB，优于基于CP的自相关算法大约2 dB。虽然分段处理使得算法增加运算量，但是算法可以抵抗来自卫星信道环境下的多径效应，使得算法的频偏估计性能得到提升。

图3 卫星信道下频偏估计性能

结合图3所示的仿真结果得到，进行分段处理后基于PSS互相关的频偏估计算法性能最佳，该算法在低信噪比时性能较好，在高信噪比下也不差，所以在5G卫星移动通信系统中，可以采用基于PSS分段互相关算法进行频偏估计。

因为基于PSS互相关频偏估计算法是基于PSS分段互相关的频偏估计算法的特殊情况，可以推测对PSS序列进行分段次数越多，算法频偏估计性能越好。所以下面在卫星信道环境且频偏设为40 kHz的条件下，增加分段数目，进行对算法的频偏估计性能的Matlab仿真，结果如图4所示。

图4 分段参数值(M)不同时，基于PSS的分段互相关算法频偏估计性能

图4说明了对于基于PSS的互相关频偏估计算法，分段数的增加，算法频偏估计的性能提升。但是由于算法的复杂度也随之提高，不能一味地增加算法的分段数来提高精准度，避免不必要的浪费。在卫星信道的多径效应不是很明显的时候，可以适当减少对信号的分段数，使其运算速度增加。

5 结束语

综合仿真结果可以得出，PSS检测和小数倍频偏估计使用的改进算法相比于传统算法，均以增加算法的复杂度来提升算法的准确度，同时也表明了在高动态、低信噪比环境下改进算法能完成初始接入过程的同步信号检测，可以满足低轨卫星通信系统的下行链路的同步要求。虽然算法要求至少接收到一帧数据，5G-NR标准规定1帧数据持续时间为10 ms，对于可能的8 kHz/s的多普勒频移变化率来说，每帧数据的频移变化为80 Hz，只需在相邻帧不断检测这种变化，即可解决频偏高速变化的问题。仿真所用的载波载频为2.3 GHz，其数值比较低，当载频上升到高频段后，上述算法不一定适用，因此可以再针对高频段的载波下，对基于5G标准的低轨卫星通信系统初始同步技术做相关研究。