LTE 时偏纠正 下行同步
LTE 时偏纠正 下行同步
手机（UE）在刚开机时需要先与基站（eNB）建立下行同步。建立下行同步之后，UE通过接收eNB发送的各种广播信息等获取eNB的各种配置参数。如果UE有数据需要发送给eNB，则UE发起随机接入（RACH）过程与eNB建立上行同步。下面介绍LTE里面下行同步的主要步骤。
1. 扫频
UE开机后首先需要扫频，确定eNB的频段。
一般来说，UE的内存中会记录一些历史小区信息。UE先尝试接入历史记录小区，这样可以节约小区搜索的时间。但是，如果UE无法与历史记录中的小区同步上，UE就需要扫频。
LTE里面没有规定具体的扫频算法，算法可以由终端厂商自行设计。但大部分算法都是把UE的接收频点调节至各个频段，然后测试信号的RSSI（Received Signal Strength Indicator，接收信号强度指示）。如果信号的RSSI值大于阈值，则进入下面的步骤。
LTE的band信息如下表所示。中国移动以band39为主，中国联通以band3为主，中国电信以band1为主。
2. PSS
FDD模式的 LTE的时频资源图如下图所示。推荐一个学习LTE的利器，http://dhagle.in/LTE 这个网站可以模拟各种LTE配置下对应的时频结构图。本图就来自该网站。其中紫色的是PSS（Primary Synchronization Signal，主同步信号）信号，紧挨着紫色前面的淡蓝色信号是SSS（Secondary Synchronization Signal，辅同步信号）信号。第0子帧上的深蓝色信号是PBCH（物理层广播信号）。其中，PSS信号和SSS信号都是由相关性很强的ZC序列在频域产生。
此外，因为UE在刚开机时无法确定eNB使用的系统带宽，所以PSS，SSS和PBCH都只采用LTE带宽最中间的6个RB，对应LTE里面最小的带宽1.08M。所以无论UE采用何种带宽都能搜索到这些关键的系统信息，这样可以降低小区搜索实现的复杂度。
在时域上，对于采用 FDD 模式的帧结构，主同步信号将位于第 0 时隙和第 10时隙的最后一个 OFDM 符号上，每 5ms 发送一次主同步信号，前后两个 5ms 发送的主同步信号相同。
利用PSS信号ZC序列的相关性，UE只需要一直用已知的ZC序列与接收到的信号做相关。当信号的相关值大于阈值时，信号可以进一步搜索SSS信号。因为PSS信号的发送周期为5ms，所以UE在正确同步上PSS信号后只是获得了5ms的定时同步，即现在UE还不能确定哪个5ms对应帧的开头，哪个5ms对应帧的结尾。
有人可能不理解信号相关的原理。举一个简单的例子，原始信号s=0 1 0 0，接收到的信号s1 = 1 0 0 0， s2= 0 1 0 0，s3= 0 0 1 0，s4= 0 0 0 1。相关运算即信号对应位置上的值分别相乘后再求和。所以s1 s3 s4与信号s做相关的值都为0，只有s2与s做相关的值不为0。这就是检测PSS信号和SSS信号最基本的原理。
3. SSS
辅同步信号位于第 0 时隙和第 10 时隙倒数第二个 OFDM 符号上，紧邻主同步信号，也是每 5ms 发送一次。子帧 0 和子帧 5 产生同步序列的方式不同，因此前后两个 5ms 发送的辅同步序列不同，据此可以进行 10ms 的无线帧定时同步。
采用检测PSS信号一样的相关方法对SSS信号做相关，检测到SSS信号后UE便确定了10ms的无线帧同步，即UE可以区分哪里是帧的开头，哪里是帧的结尾。同时也就知道了哪里对应0号子帧，从而UE可以确定PBCH信号在何时发送。
4. PBCH
UE成功同步上PSS、SSS信号后只是单纯的与eNB是时序上同步上了，但此时UE对eNB的各种配置一无所知。所以UE需要接送PBCH等信息来获取eNB的配置，从而使UE能正确的与eNB通信。
PBCH更新周期为40ms，即相应的系统的信息40ms会更新一次。在此期间，每10ms发送一次信息，40ms内的信息完全一致。PBCH上携带的信息称为MIB（Master Information Block，系统主信息），即系统最主要的信息。MIB主要包含以下内容：系统带宽，PHICH配置，系统帧号。
获得这些信息后，UE可以进一步接收eNB的其他系统信息。如果UE有数据需要发送给eNB，则UE需要发起随机接入过程（RACH）。本博客暂时不讨论随机接入的详细流程。
5. 时偏纠正算法
在UE与eNB通信的过程中，因为UE的移动等原因，UE与eNB可能会产生一定的时偏。OFDM符号会在每一个符号前添加循环前缀（CP）以防止时偏等因素，但时偏会随着时间而积累，所以UE必须持续的纠正与eNB的时偏。
纠正LTE时偏主要有以下三种方法：
1. 基于PSS、SSS信号的同步算法
因为系统会一直发送PSS信号和SSS信号，所以UE可以时刻接收PSS信号和SSS信号以纠正与eNB的时偏。但PSS信号和SSS信号的周期都是5ms，在时偏剧烈变化的信道条件中，此算法无法迅速的调整时偏。
2. 基于CP的同步算法
每个OFDM符号都会在发送时添加一个循环前缀CP，CP的内容与信号尾部的内容一模一样。在20M带宽下，各个OFDM符号的CP长度如下图所示。
因为每个OFDM符号都可以用CP来估计UE的时偏。此算法的优点是周期短，能适应快速变化的信道条件，缺点是计算复杂度高。此外，此算法还能用来估计系统的频偏。
3. 基于信号冲激响应的同步算法
UE在对信号做信道估计后，获得信道冲激相应。实际的信号冲激响应如下图所示。下图是利用SDR LTE平台OAI在空口采集的实际信号冲激响应图。SDR LTE平台的介绍请查看微博 SDR LTE 平台介绍。通过观察信道冲激响应的峰值点对应的位置可以估计系统的时偏。如下图所示，信道冲激相应的峰值点在0点的右边，说明UE与eNB有一定的时偏。
本算法的优点是可以直接利用信道估计的值来进行估算，计算量较小，但是算法的精度不高。
６.总结
本博客为自己对LTE下行同步以及时偏纠正的理解，语言比较浅显易懂，内容可能不是特别专业，如果内容有值得讨论的地方请指出。
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