窄带物联网小区搜索算法的研究与实现

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窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)依靠其广覆盖、低功耗、低成本、大连接等优势,成为被广泛应用的物联网技术。小区搜索作为NB-IoT下行接收机中的关键过程,是终端和基站进行通信的保障。小区搜索需要检测两种同步信号,而NB-IoT和传统的LTE(Long Term Evolution,长期演进)相比,两种同步信号的结构和功能都不同,同时NB-IoT中小区没有进行分组,这导致NB-IoT中的小区搜索更加复杂。本文基于NB-IoT的协议,对小区搜索算法进行了研究和实现,主要工作如下:首先完成了NB-IoT下行链路的设计,搭建了下行链路的仿真平台,并对窄带主同步信号(Narrowband Primary Synchronization Signal,NPSS)检测算法进行了研究和仿真。仿真结果显示,经过粗同步和细同步之后,可以正确的检测到NPSS的位置以及无线帧的起始位置,同时可以检测出载波频率偏移,经统计,剩余的频率偏移大概率在±100Hz之内。其次为了解决窄带辅同步信号(Narrowband Secondary Synchronization Signal,NSSS)检测算法复杂度过高的问题,提出了一种分组算法,该算法将所有的NSSS参考序列分成多个组,每组选出一个代表序列和待检测序列做互相关,依据互相关的结果重新挑选一部分NSSS参考序列参与互相关,和传统的检测算法相比,分组算法减少了互相关的次数。除此之外,利用NSSS中循环移位模块随着帧号变化的规律,减少了在做互相关时的复数乘法运算。经过仿真和分析发现,相较于传统算法,提出的分组算法能在保证性能的前提下,减少58.7%的运算量。最后完成了小区搜索方案的整体设计,并将NB-IoT小区搜索在DSP(Digital Singal Proccessor,数字信号处理器)上进行实现。在滑动自相关模块叠加代码覆盖时,利用代码覆盖取值的特点,减少了乘法运算,进一步提升代码效率。在NSSS检测模块,为了解决本地NSSS序列占用内存过高的问题,提出利用Zadoff-Chu序列(ZC序列)的对称性,可以只存储部分数据,改进之后NSSS检测模块所占的存储空间降至36.5KB,同时,和传统实现方法相比,该模块运行的Cycle数减少了62.5%。除此之外,将DSP实现的结果和MATLAB仿真的结果进行对比,发现二者的性能差距仅有0.2d B,证明实现的方案是可行的。
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