LTE小区搜索PCI验证方法研究与实现

周建红 张海 彭剑

学术研究

LTE小区搜索PCI验证方法研究与实现

周建红 张海 彭剑

（杰创智能科技股份有限公司，广东 广州 510535）

在长期演进（LTE）无线通信系统中，用户终端与基站建立无线通信链路的前提是进行小区搜索，以获取物理小区标识（PCI）。首先，介绍小区搜索系统的组成与信号处理流程，并提出一种PCI验证方法；然后，给出PCI验证方法的现场可编程门阵列实现方案，并采用Verilog HDL硬件描述语言实现；最后，进行电路仿真实验。实验结果表明，该方法设计合理，能够过滤虚假PCI，保证小区搜索系统的可靠性。

小区搜索；长期演进；物理小区标识；现场可编程门阵列

0　引言

物理小区标识（physical cell identity, PCI）是在小区搜索过程中，用户终端（user equipment, UE）区分不同小区的无线信号[1]。在长期演进（long term evolution, LTE）无线通信系统中，当UE初次进入一个小区，需要通过监听基站下行发送的实时信息来确定PCI，且UE接收的多个小区无线信号中，不能有相同的PCI，否则会形成干扰。在实际应用中，UE在某一时刻会接收到多个小区不同的PCI，但并不是每个PCI都是真实有效的。如果存在虚假PCI，将导致UE系统译码与解调失败，降低系统的可靠性与效率。因此，在小区搜索过程中，如何验证PCI的有效性是一个重要问题。

1　小区搜索系统

UE开机、脱网或切换过程中都需要进行小区搜索。小区搜索关系到UE能否快速、准确地接入LTE无线通信系统。UE通过小区搜索获取与基站同步的时间与频率，识别目标PCI[2]。

1.1 系统组成

小区搜索系统主要由配置管理子系统、射频子系统、PCI搜索子系统、PCI验证子系统等组成，示意图如图1所示。

图1 小区搜索系统组成示意图

配置管理子系统作为控制中心，管理与控制整个小区搜索系统。

射频子系统主要完成射频前端模拟信号的处理。

PCI搜索子系统：首先，检测主同步信号（primary synchronization signal, PSS），确定组内ID、半帧定时信息、整数倍与小数倍频偏估计；然后，对接收符号的时域信号进行频偏校正与快速傅里叶变换（fast Fourier transform, FFT）；最后，在已知半帧定时信息的基础上，检测辅同步信号（secondary synchronization signal, SSS），确定小区组ID与帧定时信息，获取LTE基站下行无线帧的起始位置，并根据组内ID与小区组ID计算小区PCI值[3-6]。

PCI验证子系统：首先，在获得帧定时位置与小区PCI值的基础上，提取子帧0的符号0/4/7/11的小区特定参考信号（cell-specific reference signal, CRS）并进行估计；然后，对估计后的CRS与本地的CRS进行相关累加求和运算；最后，与预先设定的门限进行比较，判断PCI的有效性。

1.2 信号处理

小区搜索系统信号处理分为模拟部分与数字部分，示意图如图2所示。模拟部分的天线接收空口射频信号经射频前端处理，通过A/D采样转变成同向正交（in-phase quadrature, IQ）数字信号。

图2 小区搜索系统信号处理示意图

数字部分利用现场可编程门阵列（field programmable gate array, FPGA）实现，分为时域与频域信号处理。

时域信号处理：

1）A/D采样后的IQ数字信号经过数字下变频后，变成采样率为1.92 M的基带信号，将基带时域信号存储在FPGA内部的RAM中；

2）通过PSS相关处理（PSS相关运算、整数倍与小数倍频偏估计）与PSS峰值检测排序，确定组内ID（NID2）与半帧定时信息。

频域信号处理：

1）从RAM中提取SSS数据进行相关处理（SSS数据提取、频偏校正、去CP、FFT）与SSS峰值检测排序，确定小区组ID（NID1）与帧定时信息；

2）由NID1与NID2计算得到PCI值，即PCI = 3×NID1 + NID2；

3）基于帧定时信息与PCI值，从RAM提取子帧0的符号0/4/7/11的CRS进行估计（CRS提取、频偏校正、去CP、FFT）与相关累加求和运算；

4）将累加和的模值和与门限进行比较，判断PCI的有效性。

2 PCI验证方法

下行参考信号已预先定义，并占用时频资源网格中某些特定的资源元素（resource element, RE）。LTE定义了多种下行参考信号，每种参考信号都有不同的应用场景。其中，CRS对小区内所有的RE有效，可用于下行物理信道的信道估计[7-9]。由于小区搜索阶段无法得知具体的CRS端口数量，因此，在PCI验证时，仅利用端口0的CRS计算即可，端口0的CRS位置分布如图3所示。

图3 端口0的CRS位置分布示意图

理论上，UE得到小区的帧定时与PCI值后，即可确定子帧0所在的位置，进而确定每个时隙与符号所在的位置。由于CRS时频位置与PCI值是一一对应的，在确定PCI值后，终端可以确定该小区的CRS序列及时频位置[10]。因此，基于CRS序列特点，通过对接收符号的CRS进行估计，并将估计后的CRS与本地CRS相关累加求和，再与预先设定的门限进行比较，超过门限则输出该PCI值作为真实的PCI值，不超过门限，则丢弃该PCI值，达到PCI验证的目的。PCI验证方法示意图如图4所示。

图4 PCI验证方法示意图

由时隙号、符号索引、PCI值生成本地端口0的参考信号；

1）根据PSS与SSS的位置计算帧起始位置（子帧0位置），提取子帧0的第0/4/7/11时域OFDM符号，经FFT（频偏校正、去CP）至频域，接收CRS并进行估计运算；

2）将估计后的CRS与本地端口0的参考信号进行相关累加求和运算，得到累加和的模值，若模值大于门限，则认为该PCI值为真，若模值小于门限，则认为该PCI值为假。

3 FPGA实现

3.1 实现流程

基于FPGA的PCI验证方法实现流程图如图5所示。

图5 基于FPGA的PCI验证方法实现流程图

1）创建本地ROM存储模块，存储本地CRS。ROM的初始化数据为提前计算好的本地CRS频域数据，每个CRS用2 bit表示。由于每个符号最多包含12个CRS数据，因此，一个符号的CRS为24 bit，即每次读取本地ROM，可读取一个符号的24 bit本地CRS_ROM数据；

2）初始化相关累加和寄存器的SUM值为0，等待PSS与SSS峰值检测模块输出的NID2（组内ID）与NID1（小区组ID）数据到达；

3）根据帧定时信息及NID2与NID1的值，读取ROM存储模块的符号0/4/7/11的24 bit本地CRS数据；

4）将FFT模块的输入ready信号置高，等待含CRS的接收符号0/4/7/11时域数据到来，对数据进行频偏校正、去CP与FFT，即将数据从时域变换到频域；

5）判断FFT后的每一个IQ频域数据是否为NID2与NID1组成的PCI对应的CRS数据，判断条件为：（+shift）%6是否等于（% 6），其中：与符号索引有关，符号0/4/7/11对应的值分别为0/3/0/3；shift = PCI%6；为接收符号频域数据的索引号，取值范围为0～71；

6）对接收的CRS进行估计，并将估计后的CRS与本地CRS进行相关累加求和运算；

7）将CRS_ROM右移2 bit，判断是否完成1个符号中所有12个CRS数据的计算，如果没有，则转到第5）步；

8）判断是否完成4个符号数据的计算，如果没有，则转到第4）步，读取下一个符号数据；

9）计算相关累加和的模值；

10）将相关累加和的模值与门限进行比较，若超过门限，则输出有效的PCI值，否则判断为无效的PCI值。

3.2 逻辑设计

逻辑设计方案如图6所示。信号处理流程如下：首先，根据帧定时信息从FPGA内部的RAM中提取子帧0的符号0/4/7/11的时域数据发送给频偏校正模块，并将频偏校正后的时域数据的循环前缀（cyclic prefix, CP）去除；然后，进行FFT，即将去CP后的时域数据变换到频域，根据符号索引与PCI值提取接收的CRS与本地CRS，并进行估计与相关运算；接着，将相关值进行累加求和，完成符号0/4/7/11的CRS相关与累加运算；最后，计算累加和的模值，并与设定的门限进行比较，输出有效的PCI值。

图6 逻辑设计方案框图

3.3 实现电路

采用Verilog HDL语言描述PCI的验证方法，并用FPGA专业软件综合代码得到具体的实现电路。图7、图8、图9分别为整体设计、时域处理与频域处理的RTL电路图。

3.4 PCI预设门限

由PCI的验证方法可知，通过估计后的接收CRS与本地CRS相关累加求和与预设门限进行比较，判断PCI值是否有效。根据LTE协议，本地CRS的计算公式为

为便于存储，本地CRS用2 bit表示为

估计后的接收CRS是功率归一化后的值，计算公式为

在FPGA实现时，本地与接收的CRS值量化为10 bit，且符号0/4/7/11共有48个CRS参与运算，因此，PCI预设门限计算公式为

将本地CRS与接收的CRS计算公式代入公式(3)，可得到PCI预设门限的理论最大值为

在工程应用上，对上述理论最大值取平均，得到最终的PCI预设门限，即

图7 整体设计RTL电路图

图9 频域处理RTL电路图

3.5 仿真验证

为验证本文方法的合理性，利用Vivado软件与Modelsim软件进行电路功能仿真实验。设置2组仿真条件：输入符号0/4/7/11的时域数据与NID1值一样，仅NID2值不一样（NID2等于1是错误的）。2组功能仿真结果如图10所示。

图10中，信号i_pci_thld为门限；信号i_nid1与i_nid2分别为小区组ID与组内ID；信号i_symbol_index为符号索引；信号i_data_valid、i_data_I与i_data_Q分别为数据标志、I路与Q路数据；o_pci_ok0与o_pci_value0分别为第1组输出的PCI有效标志与PCI值；o_pci_ok1与o_pci_value1分别为第2组输出的PCI有效标志与PCI值。

图10 PCI验证功能仿真图

4 结论

现有的LTE小区搜索系统只涉及小区PCI搜索，没有提及PCI验证。本文讨论了基于小区搜索系统的PCI验证方法，给出了FPGA的实现方案，并采用Verilog HDL语言完成该方法的描述，通过电路仿真实验验证了该方法的可行性。实验结果表明，该方法能够正确地验证PCI的有效性，保证小区搜索系统的可靠性。

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Research and Implementation of PCI Verification Method for LTE Cell Search

ZHOU Jianhong ZHANG Hai PENG Jian

(Nexwise Intelligence Co., Ltd., Guangzhou 510535, China)

In the long term evolution (LTE) wireless communication system, the precondition for the user terminal to establish a wireless communication link with the base station is to conduct cell search to obtain the physical cell identifier (PCI). Firstly, the composition and signal processing flow of the cell search system are introduced, and a PCI verification method is proposed; Then, the field programmable gate array implementation scheme of PCI verification method is given and implemented by Verilog HDL hardware description language; Finally, the circuit simulation experiment is carried out. The experimental results show that the design of this method is reasonable, and it can filter false PCI and ensure the reliability of the cell search system.

cell search; long term evolution( LTE); physical cell identity( PCI); field programmable gate array( FPGA)

TN911

A

1674-2605(2022)06-0003-07

10.3969/j.issn.1674-2605.2022.06.003

周建红,张海,彭剑.LTE小区搜索PCI验证方法研究与实现[J].自动化与信息工程,2022,43(6):13-19.

ZHOU Jianhong, ZHANG Hai, PENG Jian. Research and implementation of PCI verification method for LTE cell search[J]. Automation & Information Engineering, 2022,43(6):13-19.

周建红，男，1983年生，硕士，工程师，主要研究方向：无线通信技术，数字电路设计。E-mail: zhoujianhong1001@126.com

张海，男，1983年生，硕士，工程师，主要研究方向：无线通信技术，数字电路设计。

彭剑，男，1979年生，硕士，工程师，主要研究方向：无线通信技术，数字电路设计。