CN100459455C

CN100459455C - 一种基于智能天线的随机接入检测方法

Info

Publication number: CN100459455C
Application number: CNB2005100086874A
Authority: CN
Inventors: 胡炜
Original assignee: Potevio Institute of Technology Co Ltd
Current assignee: China Potevio Co ltd; Petevio Institute Of Technology Co ltd; Putian Information Engineering Design Service Co ltd
Priority date: 2005-03-01
Filing date: 2005-03-01
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2025-03-01
Also published as: CN1829117A

Abstract

本发明公开了一种基于智能天线的随机接入检测方法，包括以下步骤：提取每根天线接收到的同步检测信号，并将所述同步检测信号分别与每个上行同步码进行匹配滤波，得到每根天线对应每个上行同步码的相关序列；根据所述相关序列计算每根天线对应每个上行同步码的加权因子；根据所述加权因子计算智能天线阵对应每个上行同步码的相关功率序列；根据所述相关功率序列进行用户随机接入检测。该方法充分利用智能天线的方向增益特性，有效减少了不同上行同步码之间的干扰，提高信道估计的信噪比，从而可以更加准确的进行同步检测，充分发挥TD-SCDMA系统的空分优势。

Description

一种基于智能天线的随机接入检测方法

技术领域

本发明涉及到移动通信系统的智能天线技术，特别涉及到一种基于智能天线的随机接入检测方法。

背景技术

在现有的第三代移动通信系统标准中，时分双工-同步码分多址(TD-SCDMA)系统为时分系统，该系统的移动终端(UE)与基站Node B之间的通信是以时隙为单位来进行的。TD-SCDMA系统的每个子帧包括7个常规时隙和3个特殊时隙，UE的随机接入过程就是利用其中一个特殊时隙上行导频时隙(UpPTS)来完成的。在UE随机接入TD-SCDMA系统时，该UE会随机选取一个上行同步码SYNC_UL，并在上述UpPTS时隙将该上行同步码SYNC_UL发送到Node B进行接入，Node B对在UpPTS时隙及其相邻的保护时隙内接收到的信号进行同步检测，当检测到该上行同步码SYNC_UL并且没有接入冲突时，Node B就会发送响应消息到相应的UE，实现该UE的随机接入。对于一个扇区而言，UE可以使用的上行同步码SYNC_UL共有8个，因此，在同一个扇区内，最多可以允许8个UE同时接入TD-SCDMA系统。

从上述过程可以看出，Node B对上行同步码SYNC_UL的检测是实现UE随机接入的关键技术之一。

图1显示了现有技术中Node B进行随机接入检测的方法。假设TD-SCDMA系统的智能天线阵一共有M根天线，如图1所示，其中，X₁(t)、X₂(t)、……、X_M(t)分别表示该智能天线阵的第一根天线、第二根天线……以及第M根天线接收的信号。现有的随机接入检测方法就是通过对这些信号进行分析来实现的，主要包括以下步骤：

步骤101：提取每根天线在UpPTS时隙及相邻的保护时隙内接收到的同步检测信号，并将提取的信号分别与每个上行同步码SYNC_UL进行匹配滤波，得到每根天线对应每个上行同步码SYNC_UL的相关序列。

在此，所述的相关序列用Rx_cor(m，i，384)表示，其中，m代表每根天线的标号，取值范围1～M；i代表上行同步码SYNC_UL的码号，取值范围1～8。该相关序列的长度为384个码片，这是因为每根天线对应某个上行同步码SYNC_UL的相关序列是通过将该上行同步码SYNC_UL与该天线在保护时隙以及UpPTS时隙接收到的信号进行相关运算得到的序列。由于上行同步码的长度是128个码片，保护时隙和UpPTS时隙的长度分别为96和160个码片，因此，所述相关序列的长度应当为128、96以及160码片的和，即为384码片。

由于受到多径效应及信道传输时延等多种因素的影响，Node B很可能会在与UpPTS时隙相邻的保护时隙中接收到UE发送的上行同步码SYNC_UL。因此，在上述相关运算过程中，需要将从UpPTS时隙内提取的信号和相邻的保护时隙内提取的信号一起与上行同步码进行相关运算，才能准确的检测到上行同步信号SYNC_UL。

步骤102：根据所述的相关序列分别计算每根天线对应每个上行同步码SYNC_UL的相关功率序列，再将每根天线对应同一个上行同步码SYNC_UL的相关功率序列的按对应点相加，得到整个智能天线阵对应每个上行同步码SYNC_UL的相关功率序列。

在该步骤中，对应码号为i的上行同步码相关功率序列的计算公式如下：

Px (i, n) = Σ_{m = 1}^{M} {| Rx_cor (m, i, n) |}^{2}, n = 0 ~ 383

其中，操作符||为取绝对值运算，参数n表示该相关功率序列中的各点。

步骤103：对上述智能天线阵对应每个上行同步码SYNC_UL的相关功率序列进行检测，并以此完成用户接入检测。

在本步骤中，对上述步骤计算得到的整个智能天线阵对应每个上行同步码SYNC_UL的相关功率序列分别进行检测，判断在UpPTS时隙以及相邻的保护时隙中是否存在所述的上行同步码SYNC_UL，如果存在该上行同步码SYNC_UL并且不存在接入冲突，则判定检测到有使用该上行同步码SYNC_UL的UE接入，Node B将发送响应到该UE，完成该UE的随机接入；反之，如果不存在上行同步码SYNC_UL或者检测到接入冲突，则判定没有使用该上行同步码SYNC_UL的UE接入。

上述这种现有的随机接入检测方法可以利用在智能天线多个天线分支上接收的信号实现UE到Node B的随机接入，但是，这种将每根天线获得的相关功率直接相加的方法，只起到一种空间分集的作用，并没有改善接收信号的信噪比。而且在上述随机接入过程中，即使多个UE同时发送不同的上行同步码SYNC_UL，这些上行同步码之间也会产生相互干扰。当这种干扰足够大时，就会严重影响Node B的同步检测，使其无法有效的检测出同步码，从而造成随机接入的失败。

另一方面，现有的随机接入检测方法仅仅是将多个天线信号的相关功率相加，并没有充分利用智能天线的方向增益特性，因而无法充分发挥TD-SCDMA系统智能天线的空分优势。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于智能天线的随机接入检测方法，可以充分利用智能天线的方向增益特性，有效的减少不同上行同步码之间的干扰，充分发挥TD-SCDMA系统的空分优势。

本发明所述基于智能天线的随机接入检测方法，包括以下步骤：

A、提取每根天线接收到的同步检测信号，并将所述同步检测信号分别与每个上行同步码进行匹配滤波，得到每根天线对应每个上行同步码的相关序列；

B、根据所述对应每个上行同步码的相关序列计算每根天线对应每个上行同步码的加权因子；

C、根据所述对应每个上行同步码的加权因子计算智能天线阵对应每个上行同步码的相关功率序列；

D、根据所述智能天线阵对应每个上行同步码的相关功率序列进行每个用户的随机接入检测。

步骤A所述同步检测信号为在上行导频时隙及相邻的保护时隙内提取的信号。

步骤A所述匹配滤波为：将所述接收到的信号分别与每个上行同步码进行相关运算，将相关运算的结果作为所述每根天线对应每个上行同步码的相关序列。

步骤B所述计算每根天线对应每个上行同步码的加权因子为：采用固定波束法计算所述加权因子。

步骤B所述计算每根天线对应每个上行同步码的加权因子为：采用最强径法计算所述加权因子。

步骤B所述计算每根天线对应每个上行同步码的加权因子为：采用最大功率特征值分解法计算所述加权因子。

步骤B所述计算每根天线对应每个上行同步码的加权因子为：采用最大信噪比特征值分解法计算所述加权因子。

步骤C所述计算为：用所述每根天线对应每个上行同步码的加权因子对对应天线上行同步码的相关序列加权，并将加权后的所有天线对应同一个上行同步码的所有相关序列按对应点求和，再求其上每点的功率，将计算得到的功率序列作为所述智能天线阵对应每个上行同步码的相关功率序列。

步骤D所述用户随机接入检测的方法为：分别检测所述智能天线阵对应某个上行同步码的相关功率序列，如果检测到相关功率序列，则确定存在与该功率序列对应的某个用户的上行同步码，且如果该上行同步码不存在接入冲突，则判定有该用户接入；否则，判定没有用户接入。

本发明所述检测上行同步码是否存在的方法为：

a、从某个上行同步码的相关功率序列找出最大功率值；

b、根据最大功率值确定该上行同步码相关功率序列的信号窗口，并计算所述信号窗口前后各32点上的平均功率，取窗口前平均功率及窗口后平均功率中的最大值，然后计算所述最大功率值与所述最大值之间的差值；

c、将所述差值与设定的峰值检测门限进行比较，如果大于所述峰值检测门限，则判断该上行同步码存在；否则，判断该上行同步码不存在。

本发明所述确定上行同步码相关功率信号窗口为：找到最大功率值所在的位置，将从最大功率值位置减三分之一窗口长度的位置到最大功率值位置加三分之二窗口长度的位置确定为所述的信号窗口。

本发明所述判断是否存在接入冲突的方法为：将该上行同步码的相关功率序列中峰值个数与设定的峰值个数门限进行比较，同时将该上行同步码的相关功率序列中的主峰值和次峰值之间的差值与设定的差值门限进行比较，如果所述相关功率序列的峰值个数小于所述峰值个数门限，并且所述主峰值与次峰值的差值大于所述差值门限，则判定当前该上行同步码不存在接入冲突，否则，判定当前该上行同步码存在接入冲突。

本发明所述相关功率序列峰值个数的计算方法为：从所述相关功率序列中找出一个或者一个以上峰值，并根据所述峰值确定所述上行同步码相关功率序列的信号窗口，计算信号窗口外各点的平均功率，所述峰值的功率与所述平均功率之差大于设定的检测门限的峰值的个数即为相关功率序列的峰值个数。

本发明所述确定上行同步码相关功率信号窗口为：找到相关功率序列峰值所在的位置，将从峰值值位置减三分之一窗口长度的位置到峰值位置加三分之二窗口长度的位置确定为所述的信号窗口。

由此可以看出，本发明所述的随机接入检测方法根据每根天线接收到的信号，通过固定波束法、最强径法、最大功率特征值分解法以及最大信噪比特征值分解法等波束赋形方法计算智能天线阵中每根天线对应每个上行同步码的加权因子，并根据所述加权因子对每根天线对应每个上行同步码的相关序列加权并求和，然后再计算智能天线阵对应不同上行同步码的相关功率序列，并以此实现用户接入检测。该方法可以充分利用智能天线的方向增益特性，有效的减少不同上行同步码之间的干扰，提高信道估计的信噪比，从而可以更加准确的进行同步检测，充分发挥TD-SCDMA系统的空分优势。

附图说明

图1为现有Node B进行随机接入检测的方法示意图；

图2为本发明所述Node B进行随机接入检测的方法示意图。

具体实施方式

为使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。

为了在随机接入检测过程中充分利用智能天线的方向增益特性，减少不同上行同步码SYNC_UL之间的相互干扰，本发明所述的方法首先根据每根天线接收的信号计算每根天线对应每个上行同步码SYNC_UL的加权因子，然后根据所述的加权因子对每根天线对应不同上行同步码的相关序列进行加权，再进行用户接入检测，这样，就可以充分的利用智能天线方向增益特性，有效的减少不同上行同步码之间的干扰，实现更加准确的随机接入同步检测。

图2显示了本发明所述Node B进行随机接入判决的方法。如图2所示，本发明所述的方法包括以下步骤：

步骤201：提取智能天线阵中每根天线在UpPTS时隙及相邻保护时隙接收到的同步检测信号信号，并将提取的信号分别与每个上行同步码SYNC_UL进行匹配滤波，得到每根天线对应每个上行同步码SYNC_UL的相关序列。

在这里，所述的相关序列也使用Rx_cor(m，i，384)表示，长度为384个码片，其中各个参数的含义与现有技术相同。

步骤202：根据所述每根天线对应每个上行同步码SYNC_UL的相关序列计算每根天线对应每个上行同步码SYNC_UL的加权因子。

在这一步骤中，所述每根天线对应每个上行同步码的加权因子可以应用智能天线系统波束赋形时常用的几种计算加权因子的方法来计算，例如：固定波束法、最强径法、最大功率特征值分解法以及最大信噪比特征值分解法等等。有关这几种加权因子的计算方法将在后面作详细的介绍。

步骤203～步骤204：用所述每根天线对应每个上行同步码的加权因子对对应天线上行同步码的相关序列进行加权，再将加权后的所有天线对应同一上行同步码的所有相关序列按对应点求和，并求其上每点的功率，得到智能天线阵对应每个上行同步码SYNC_UL的相关功率序列。

假设步骤202计算得到的智能天线阵中每根天线对应码号为i的上行同步码SYNC_UL的加权因子为W_i1、W_i2、……、W_iM，则本步骤所述智能天线对应码号为i的上行同步码SYNC_UL的相关功率序列的计算公式如下：

P (i, n) = {| \frac{1}{M} Σ_{m = 1}^{M} W_{im} \times Rx_cor (m, i, n) |}^{2}, n = 0 ~ 383 .

步骤205：对所述智能天线阵对应每个SYNC_UL的相关功率序列进行检测，完成用户接入检测。

在本步骤中，所述用户接入判决具体为：Node B对上述步骤计算得到的整个智能天线对应每个上行同步码SYNC_UL的相关功率序列分别进行检测，判断在UpPTS时隙以及相邻的保护时隙中是否存在所述的上行同步码SYNC_UL，如果该上行同步码SYNC_UL存在并且不存在接入冲突，则判定有使用该上行同步码的UE接入，Node B将发送响应到该UE，完成该UE的随机接入；反之，如果该上行同步码SYNC_UL不存在或者检测到接入冲突，则判定没有使用该上行同步码的UE接入。

具体来讲，在UpPTS时隙以及相邻的保护时隙中检测是否存在所述SYNC_UL的方法主要包括以下步骤：

A、从该上行同步码SYNC_UL的相关功率序列中找出最大功率值P_peak，以及该最大功率值的位置Po_peak；

B、确定智能天线阵对应该SYNC_UL的信号窗口为从Po_peak-[ΔT/3]码片到Po_peak+[2ΔT/3]码片的窗口，其中，ΔT为TD-SCDMA系统设定的窗口长度，可以根据经验设定，推荐取值为6；

C、计算该信号窗口前后各32点平均功率P_before和P_after，判断表达式P_peak-max(P_before.P_after)＞Pd是否成立，如果成立，则判断该上行同步码SYNC_UL存在，否则判断该上行同步码SYNC_UL不存在。

其中，函数max()表示取最大值运算，Pd为TD-SCDMA系统设定的峰值检测门限，该值可以根据经验设定，推荐取值为10dB。

考虑到在上行接入时，由于所述上行同步码SYNC_UL是按随机等概率选取的，因此可能出现两个或者更多的UE使用了相同的上行同步码SYNC_UL的情况，这样就会出现接入冲突。另外，由于多径效应的存在，即使只有一个UE发送某一上行同步码SYNC_UL，在该上行同步码的相关功率序列中也可能出现多个峰值的情况，因此，本步骤所述的接入冲突检测主要检测相关功率序列峰值个数以及主峰值和次峰值大小关系两个条件。

条件1：该上行同步码相关功率序列的峰值个数不能超过TD-SCDMA系统指定的峰值个数Nt。

其中，相关功率序列峰值个数的计算方法为：从该上行同步码SYNC_UL的相关功率序列找出一个或者多个峰值P_peak_n；根据检测到的峰值确定对应每个峰值的信号窗口，满足条件P_peak_n-Pv＞Pt的峰值个数即为该相关序列的峰值个数。其中，Pv为所述信号窗口外各点的平均相关功率；Pt为TD-SCDMA系统设定的检测门限，可以根据经验设定，推荐取值为4dB。

其中，确定每个峰值信号窗口的方法与上述根据最大功率值确定相关功率序列信号窗口的方法相同。

条件2：该上行同步码相关功率序列中的主峰值Pmain与次峰值Pside之间的差值大于TD-SCDMA系统指定的差值门限Pc，即满足不等式Pmain-Pside＞Pc。

其中，所述差值门限Pc可以根据经验设定，推荐值为6dB。

如果上述两个条件均满足，则判定当前该上行同步码SYNC_UL不存在接入冲突。

由上述随机接入判决方法可以看出，本发明所述的方法根据每根天线对应每个上行同步码的相关序列计算每根天线对应每个上行同步码的加权因子，用所述加权因子对每根天线对应每个上行同步码的相关序列进行加权求和，并根据计算得到的智能天线阵的相关功率序列进行用户接入检测，充分利用智能天线的方向增益特性，因此，可以减少上行同步码之间的干扰，提高信道估计的信噪比，实现更加准确的随机接入同步检测。

下面将详细介绍步骤202所述的四种加权因子计算方法。

1)固定波束法：

该方法的主要包括以下步骤：

A1、将波束空间均匀的划分成A个区域；

B1、根据理想波束赋形算法预先给定每个波束区域的智能天线阵加权因子向量T₁、T₂……T_A；

C1、计算每个区域内的接收信号功率；

以第a区为例，接收信号功率采用的计算公式为：

{σ_{a}}^{2} = {(T_{a})}^{H} R_{xx}^{i} T_{a},

其中，R_xx ⁱ为码号为i的上行同步码所对应信号的空间相关矩阵，该相关矩阵是根据每根天线对应每个上行同步码的相关序列求出的；操作符()^H表示求共轭转置；

D1、根据最大信号接收功率准则，找出接收信号功率最大的区域，该区域对应的加权因子向量即为本发明所要求解的智能天线阵中每根天线对应每个上行同步码的加权因子向量。

例如，经过步骤C1的计算，区域a的接收信号功率最大，则T_a中对应每根天线的加权因子W_i1、W_i2、……、W_iM为本发明所要求解的同步控制加权因子。

2)最强径法：

该方法的主要包括以下步骤：

A2、将每根天线对应同一个上行同步码的相关功率序列求和，得到智能天线阵的相关功率序列

Px (i, n) = Σ_{m = 1}^{M} {| Rx_cor (m, i, n) |}^{2}, n = 0 ~ 383;

B2、从中找出功率最大值对应的位置S_max；

C2、根据每根天线对应该上行同步码的相关序列在位置S_max的值计算每根天线对应该上行同步码的加权因子W_i1、W_i2、……、W_iM。

以第m根天线为例，该天线对应码号为i的上行同步码的加权因子为

W_{im} = conj [\frac{Rx_cor (m, i, S_{\max})}{\sqrt{Px (i, S_{\max})}}],

其中，函数cinj[ ]为求共轭操作。

通过上述公式可以求出每根天线对应每个上行同步码的加权因子。

3)最大功率特征值分解法：

所述智能天线阵对应码号为i的上行同步码的加权因子向量W_i的计算方法具体包括：

对对应码号为i的上行同步码的信号空间相关矩阵R_xx ⁱ进行特征值分解，得到该空间相关矩阵R_xx ⁱ的一个或者多个特征向量E₁、E₂……；

根据R_xx ⁱ的特征向量计算接收信号空间相关矩阵R_xx ⁱ的特征值；

从计算得到的所有特征值中找出最大的特征值及其对应的特征向量，对其进行归一化后，就得到了本发明所求的加权因子W_i。

该计算方法用公式表示如下：

W_{i} = \arg (\max ({(E_{p})}^{H} R_{xx}^{i} E_{p})) .

其中，E_p为R_xx ⁱ的特征向量；函数arg()表示求解特征值。

4)最大信噪比特征值分解法：

该方法与最大功率特征值分解法原理相同，具体方法包括：

对对应码号为i的上行同步码的信号空间相关矩阵[R_xx ⁱ，R_nn]进行广义的特征值分解，其中，R_nn为噪声的空间相关矩阵；

从中找到对应最大特征值的特征向量，该特征向量就为本发明所求的加权因子W_i。

使用公式表达如下：

W_{i} = \arg (\max (\frac{{(F_{p})}^{H} R_{xx}^{i} F_{p}}{{(F_{p})}^{H} F_{p}})) .

其中，F_p为对空间相关矩阵[R_xx ⁱ，R_nn]进行广义的特征值分解得到的特征向量。

Claims

1、一种基于智能天线的随机接入检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A所述同步检测信号为从上行导频时隙以及相邻的保护时隙内提取的信号。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A所述匹配滤波为：将所述接收到的信号分别与每个上行同步码进行相关运算，将相关运算的结果作为所述每根天线对应每个上行同步码的相关序列。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B所述计算每根天线对应每个上行同步码的加权因子为：采用固定波束法计算所述加权因子。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B所述计算每根天线对应每个上行同步码的加权因子为：采用最强径法计算所述加权因子。

6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B所述计算每根天线对应每个上行同步码的加权因子为：采用最大功率特征值分解法计算所述加权因子。

7、如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B所述计算每根天线对应每个上行同步码的加权因子为：采用最大信噪比特征值分解法计算所述加权因子。

8、如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C所述计算为：用所述每根天线对应每个上行同步码的加权因子对对应天线上行同步码的相关序列加权，并将加权后的所有天线对应同一个上行同步码的所有相关序列按对应点求和，再求其上每点的功率，将计算得到的功率序列作为所述智能天线阵对应每个上行同步码的相关功率序列。

9、如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤D所述用户随机接入检测的方法为：分别检测所述智能天线阵对应每个上行同步码的相关功率序列，如果检测到相关功率序列，则确定存在与该功率序列对应的某个用户的上行同步码，且如果该上行同步码不存在接入冲突，则判定有该用户接入；否则，判定没有用户接入。

10、如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述检测上行同步码是否存在的方法为：

a、从某个上行同步码的相关功率序列中找出最大功率值；

11、如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述确定上行同步码相关功率信号窗口为：找到最大功率值所在的位置，将从最大功率值位置减三分之一窗口长度的位置到最大功率值位置加三分之二窗口长度的位置确定为所述的信号窗口。

12、如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述判断是否存在接入冲突的方法为：将该上行同步码的相关功率序列中峰值个数与设定的峰值个数门限进行比较，同时将该上行同步码的相关功率序列中的主峰值和次峰值之间的差值与设定的差值门限进行比较，如果所述相关功率序列的峰值个数小于所述峰值个数门限，并且所述主峰值与次峰值的差值大于所述差值门限，则判定当前该上行同步码不存在接入冲突，否则，判定当前该上行同步码存在接入冲突。

13、如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述相关功率序列峰值个数的计算方法为：从所述相关功率序列中找出一个或者一个以上峰值，并根据所述峰值确定所述上行同步码相关功率序列的信号窗口，计算信号窗口外各点的平均功率，所述峰值的功率与所述平均功率之差大于设定的检测门限的峰值的个数即为相关功率序列的峰值个数。

14、如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述确定上行同步码相关功率信号窗口为：找到相关功率序列峰值所在的位置，将从峰值位置减三分之一窗口长度的位置到峰值位置加三分之二窗口长度的位置确定为所述的信号窗口。