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窄带物联网中下行同步技术研究

更新时间：2019-12-20 22:51:46 大小：2M 上传用户：xiaohei1810查看TA发布的资源 标签：窄带物联网下行同步技术 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

基于窄带物联网系统研究下行同步技术,实现低信噪比和高频偏环境下的同步技术方案,具有较高的实际研究意义.为此,重点研究基于窄带物联网的智能电网下行同步技术的实现方案.并针对低信噪比和高频偏引起的窄带物联网下行同步性能下降问题,提出使用差分相关和PMF+FFT算法的改进方案,实现PSS定时监测过程和频偏检测过程.通过搭建对应的下行同步信道链路级仿真平台,与原有的分段相关算法进行比较分析.结果表明,该方案能显著地改善定时检测精度,并有效消除频偏的影响,同时分析了各模块性能提升状况.

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第 ３６卷第 ５期  
２０１９年 ５月  
计算机应用与软件  
Ｖｏｌ.３６ Ｎｏ．５  
Ｍａｙ ２０１９  
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｓｏｆｔｗａｒｅ  
窄带物联网中下行同步技术研究  
唐苗苗 张启超 周思源 谭国平  
（河海大学计算机与信息学院 江苏 南京 ２１１１００）  
摘
要
基于窄带物联网系统研究下行同步技术，实现低信噪比和高频偏环境下的同步技术方案，具有较高的  
实际研究意义。为此，重点研究基于窄带物联网的智能电网下行同步技术的实现方案。并针对低信噪比和高频  
偏引起的窄带物联网下行同步性能下降问题，提出使用差分相关和 ＰＭＦ ＋ＦＦＴ 算法的改进方案，实现 ＰＳＳ 定时监  
测过程和频偏检测过程。通过搭建对应的下行同步信道链路级仿真平台，与原有的分段相关算法进行比较分析。  
结果表明，该方案能显著地改善定时检测精度，并有效消除频偏的影响，同时分析了各模块性能提升状况。  
关键词  
窄带物联网 下行同步技术 分段相关算法 ＰＭＦ ＋ＦＦＴ 算法  
中图分类号 ＴＮ９１１．２３ ＴＰ３  
文献标识码  
Ａ
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００-３８６ｘ．２０１９．０５．０１２  
DOWNLINK SYNCHRONIZATION TECHNOLOGY IN NARROWBAND INTERNET OF THINGS  
Ｔａｎｇ Ｍｉａｏｍｉａｏ Ｚｈａｎｇ Ｑｉｃｈａｏ Ｚｈｏｕ Ｓｉｙｕａｎ Ｔａｎ Ｇｕｏｐｉｎｇ  
（College of Computer and Information，Hohai University，Nanjing 211100，Jiangsu，China）  
Abstract  
Ｔｈｅ ｄｏｗｎｌｉｎｋ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｎａｒｒｏｗ -ｂａｎｄ ＩｏＴ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ  
ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｌｏｗ ＳＮＲ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆｆｓｅｔ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ  
ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｆｏｃｕｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｏｗｎｌｉｎｋ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｓｍａｒｔ ｇｒｉｄ  
ｂａｓｅｄ ｏｎ ｎａｒｒｏｗ-ｂａｎｄ ＩｏＴ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｏｗｎｌｉｎｋ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ｎａｒｒｏｗ -ｂａｎｄ ＩｏＴ  
ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｌｏｗ ＳＮＲ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆｆｓｅｔ ，ｗｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｃｈｅｍｅ ｕｓｉｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ＰＭＦ ＋  
ＦＦＴ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｉｔ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ＰＳＳ ｔｉｍｉｎｇ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆｆｓｅｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ．Ｂｙ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｔｈｅ  
ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｄｏｗｎｌｉｎｋ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｃｈａｎｎｅｌ ｌｉｎｋ -ｌｅｖｅｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ，ｗｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ  
ｐｉｅｃｅｗｉｓｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｓｃｈｅｍｅ ｃａｎ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｔｉｍｉｎｇ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  
ａｃｃｕｒａｃｙ，ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆｆｓｅｔ ．Ａｎｄ ｗｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ  
ｅａｃｈ ｍｏｄｕｌｅ．  
Keywords  
Ｎａｒｒｏｗ-ｂａｎｄ ＩｏＴ Ｄｏｗｎｌｉｎｋ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ＰＭＦ ＋ＦＦＴ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ  
２０１６年 ９月和 ２０１６年 １２月的会议上完成制定。物联  
网业务实现的根本基础就是事物之间的数据传输，不  
同的物联网业务需求对于数据传输能力也存在不同程  
0 引 言  
度上的要求［２］。根据这些业务要求可以把物联网业务  
按照数据速率传输划分为高、中、低三个等级，而 ＬＰ-  
ＷＡＮ 技术，正是物联网业务应用于低速率传输环境下  
的一种应用。在低速率传输环境下应用的技术，通常  
是以分组无线服务技术 ＧＰＲＳ（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐａｃｋｅｔ Ｒａｄｉｏ  
Ｓｅｒｖｉｃｅ）进行支撑［３］，因而出现产品成本较高普及率较  
ＮＢ-ＩＯＴ 技术的中文全称是窄带物联网技术。这  
项技术最早由 ３ＧＰＰ 标准组织在２０１５年９月的会议上  
提出并把它定义为一种新型的窄带蜂窝通信技术［１］。  
３ＧＰＰ 组织在 ２０１６年 ６月的会议上对其标准核心部分  
的内容进行了完整的制定，并且对于 ＮＢ-ＩＯＴ 性能部  
分标准的制定和一致性测试的标准制定，也是分别在  
收稿日期：２０１８－１１－１６。国家自然科学基金项目（６１７０１１６８，６１８３２００５）；中央高校基本科研业务费项目（２０１９Ｂ１５６１４）。唐苗  
万方数据  
苗，硕士生，主研领域：信号与信息处理，信道估计。张启超，硕士生。周思源，讲师。谭国平，教授。  
６４  
计算机应用与软件  
２０１９年  
低这一问题，然而 ＮＢ_ＩＯＴ 技术的出现可以有效地解  
决上述问题。ＮＢ_ＩＯＴ 是一种新型的窄带蜂窝通信技  
术，它从属于低功耗广域网这一技术范畴［４－５］。根据  
这项技术本身特性的实现，在同一基站控制的环境下，  
使用窄带物联网可以实现在接入数量上超越现有无线  
接入技术的 ５０～１００倍［６］，在一个扇区的范围内，可以  
支持 １０万个设备的链接，可想而知 ＮＢ-ＩＯＴ 这样的强  
连接特性完全满足未来物联网领域对于接入设备数量  
的需求。ＮＢ-ＩＯＴ 的低功耗特性也正是众多物联网业  
务所迫切需求的一项重要指标，设备功耗的极限缩小  
和续航能力的不断提升，可以根据不同业务的具体需  
求调整使得续航能力延长至几年到几十年不等。同为  
ＬＰＷＡＮ 领域的低功耗广域网技术，与 ＬｏＲａ 相比，窄带  
物联网的优势在于它无需重新搭建网络环境，射频以  
及天线设备对于 ＬＴＥ 系统来说基本上是可以复用的。  
因为窄带物联网很多功能都是基于 ＬＴＥ 设计系统进  
行实现的，因此可以完全做到和 ＬＴＥ 相兼容的特点，  
以中国移动为例，它们的目标就是在现有的 ＬＴＥ 网络  
环境下直接进行窄带物联网环境的部署。ＮＢ-ＩＯＴ 的  
第三个特性是超强的覆盖能力，相同环境参数的仿真  
比较发现，ＮＢ-ＩＯＴ 的覆盖范围和 ＬＴＥ 对比扩大了近  
１００倍的区域范围［７］。针对这一特性，对于物联网应  
用中的智慧农业和公共设施建设等业务来说，ＮＢ-ＩＯＴ  
是不二选择。综上所述，窄带物联网拥有多连接、低功  
耗和广覆盖这三大特征，若其模块的生产成本上可以  
做出更进一步的提升，将会是全世界物联网设备上的  
最佳选择。  
ＳＩＢ 信号进行处理，ＵＥ 需要先获取系统定时位置和小  
区标识，然后和系统进行同步，再对 ＳＩＢ 信息进行解  
码，最终获得接入系统所需信息。下行同步处理过程  
主要可以分为 ＰＳＳ 同步过程和 ＳＳＳ 同步过程，ＰＳＳ 同  
步过程主要包括 ＰＳＳ 定时检测过程和频偏检测过程，  
ＳＳＳ 同步过程主要包括 ＳＳＳ 定时检测过程和小区 ＩＤ  
检测。下行同步技术具体实现流程如图 １所示。  
图 １ 下行同步过程实现示意图  
1．1 PSS 定时同步模块  
ＰＳＳ 信号处理模块主要由接收信号缓冲区，定时  
检测模块和频偏检测模块三个部分组成，处理顺序如  
图 ２所示。  
同步技术对于任何数字通信系统来说都是非常重  
要的一个步骤，没有精确的同步定时位置和正确的小  
区 ＩＤ 位置，就不能可靠地进行通信系统间的数据传  
输，因此通信系统间的定时同步技术至关重要。在  
ＯＦＤＭ 系统中，频率选择性宽带信道被划分为重叠且  
正交的非频率选择性窄带信道，又因为 ＯＦＤＭ 系统对  
于同步偏差十分敏感，当定时位置出现偏差、频率出现  
偏移或者小区 ＩＤ 定位错误，都会对 ＯＦＤＭ 系统性能产  
生巨大的影响，因此定时同步技术成为 ＯＦＤＭ 系统最  
关键的技术之一。  
图 ２ ＰＳＳ 信号检测示意图  
其系统设计中输入信号为窄带信号，根据同步信  
号的帧结构设计可知，一个 ＲＢ 包含 １２个可用子载  
波，每个子载波带宽为 １．５６２５ｋＨｚ，窄带同步信号实  
际带宽为 １８．７５ｋＨｚ。  
1 下行同步技术简介  
就通信系统来说，系统信息获取过程是指 ＵＥ 通  
过下行同步信道获得系统信息，因此下行同步技术可  
以用于进行服务小区和相邻小区的搜索，并得到接收  
信号缓冲区内特殊无线帧开始的位置，频率偏移信息  
和系统信息块 ＳＩＢ（Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｂｌｏｃｋ）等内容。  
分段相关算法是滑动相关算法的一种同步改进算  
法，ＰＳＳ 定时同步模块通过 ＰＳＳ 信号执行定时同步过  
程，从而获得定时信息，再把 ＰＳＳ 信号起始位置 传给  
频偏估计模块。使用分段相关算法时，本地 ＰＳＳ 序列  
万方数据  
当 ＵＥ 从下行同步信道和下行广播信道对 ＰＳＳ、ＳＳＳ 和  

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