太赫兹频段下存在载波频偏与相位噪声时基于NR同步信号的物理层小区ID检测概率分析

《IEICE Transactions on Communications》：Physical Layer Cell ID Detection Probabilities Using NR Synchronization Signals in the Presence of Carrier Frequency Offset and Phase Noise in Sub-THz Bands

本文针对太赫兹频段下由本地振荡器频率误差引起的较大载波频偏(CFO)和因超宽传输带宽导致的强相位噪声(PN)问题，研究了5G NR下行链路中物理层小区ID(PCID)的检测概率。通过对比两种主要的PCID检测方法（基于循环前缀自相关的FFO估计后执行PSS定时与序列估计、基于PSS部分互相关的FFO估计前执行PSS定时与序列估计），发现前者在存在大CFO和强PN的太赫兹频段能实现更高的PCID检测概率，为6G超高频谱初始接入技术提供了重要设计依据。

　　

随着5G向毫米波频段延伸，通信界已将目光投向更具潜力的太赫兹频段（100-300GHz）。然而，频率越高，通信系统面临的挑战也越严峻。在太赫兹频段，由于波长极短，信号传播路径损耗会显著增加。同时，硬件损伤带来的影响也更加突出——特别是载波频偏(CFO)和相位噪声(PN)问题变得尤为棘手。

当用户设备(UE)尝试与基站建立连接时，首先需要完成“初始接入”过程，其中最关键的一步就是检测物理层小区ID(PCID)。在5G NR标准中，同步信号块(SSB)承载着PCID信息，包含主同步信号(PSS)、辅同步信号(SSS)和物理广播信道(PBCH)。PSS帮助UE确定SSB的接收定时，而SSS则携带了小区特定的ID信息。

在太赫兹频段，由于载波频率极高（如100GHz），即使本地振荡器的频率稳定性达到3ppm（百万分之三），产生的CFO也可能高达300kHz。如此大的频偏会导致接收信号出现严重相位旋转，影响PSS和SSS的检测性能。此外，相位噪声的影响也不容忽视——传统毫米波频段主要考虑维纳PN模型，而太赫兹频段的PN模型还包含高频区域的不相关高斯PN成分，这使得PN功率更大，对信号检测的干扰更强。

为了解决这些问题，东京城市大学与NTT DOCOMO的研究团队在《IEICE Transactions on Communications》上发表了他们的最新研究成果，系统分析了太赫兹频段下存在大CFO和强PN时，NR同步信号的PCID检测概率。

研究人员主要采用了两种关键的PCID检测方法进行对比研究。第一种方法基于循环前缀(CP)的自相关性先估计分数频偏(FFO)，补偿后再联合估计整数频偏(IFO)与PSS的定时和序列。第二种方法则先通过PSS的互相关估计定时和序列，再基于PSS的部分相关性估计FFO，最后联合估计IFO和SSS序列。通过链路级仿真，在100GHz载波频率、480kHz子载波间隔、TDL-A信道模型等条件下，系统评估了两种方法的性能差异。

研究结果方面，从PSS检测概率来看，在无CFO和PN的理想情况下，基于CP自相关的FFO估计后执行PSS定时与序列估计的方法在低信噪比条件下优势明显。在平均接收信噪比为-7dB时，其PSS检测概率比另一种方法高出约35%。即使在存在大CFO（300kHz）和强PN的恶劣条件下，该方法仍能保持较高的检测性能。

PCID检测概率的结果与PSS检测概率呈现相似趋势，但总体略有下降，这主要是由于SSS序列的误检测造成的。对比两种方法，基于CP自相关的FFO估计后执行PSS定时与序列估计的方法在大多数场景下都表现更优，特别是在低信噪比区域。

值得注意的是，FFO估计的准确性对检测性能有重要影响。基于CP自相关的FFO估计方法虽然可测量范围较小（±240kHz），但残余频偏误差分布更集中；而基于PSS部分互相关的FFO估计方法虽然可测量范围更大（±480kHz），但误差分布更分散。

研究结论表明，在太赫兹频段存在大CFO和强PN的环境下，基于循环前缀自相关进行FFO估计，并在补偿后联合估计IFO与PSS定时和序列的PCID检测方法，相比基于PSS部分互相关的传统方法具有明显优势。该方法能够更准确地估计PSS接收定时，从而显著提高PCID检测概率。

这一研究成果对6G太赫兹通信系统设计具有重要意义。随着无线通信向更高频段发展，初始接入的可靠性将成为影响系统性能的关键因素。该研究不仅验证了现有NR同步信号在太赫兹频段的适用性，还为优化同步机制提供了明确的技术路线，为未来超高速无线通信系统的实际部署奠定了理论基础。

需要特别说明的是，本研究假设的PN模型综合了维纳PN和不相干高斯PN成分，更真实地反映了太赫兹频段的相位噪声特性。同时，研究还发现当自相关次数Λ=3时，能在抑制加性高斯噪声和减轻时变PN影响之间取得最佳平衡，这一参数选择对实际系统设计具有指导价值。