CN101098218A

CN101098218A - 一种随机接入前导信号的发射机和接收机

Info

Publication number: CN101098218A
Application number: CNA2006100866480A
Authority: CN
Inventors: 张峻峰; 胡学斌; 温杨; 张忠培
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2008-01-02
Anticipated expiration: 2026-06-27
Also published as: CN101098218B

Abstract

本发明公开了一种随机接入前导信号的发射机和接收机，发射机包括：CCSK序列发生器、前导签名序列发生器和加法器，所述CCSK序列发生器生成的CCSK序列和所述前导签名序列发生器生成的前导签名序列通过加法器相加后发射；接收机包括：前导签名序列发生器、频域CCSK序列发生器、同步检测器、第一门限比较器、第二门限比较器、DFT变换器、第一相关器、第二相关器。本发明既可以完成发射上行同步定时、频率参考信号的功能，同时也可以隐式的传递信息比特。有效的提高了随机接入的频谱效率，减少了接入延时。

Description

一种随机接入前导信号的发射机和接收机

技术领域

本发明涉及移动通信系统，尤其涉及移动通信领域中随机接入信号的发射和接收系统。

背景技术

未来的移动通信系统要求提供的数据传输速率将高达100Mbit/s以上，支持的业务也将从语音业务扩展到多媒体业务(包括实时的流媒体业务)。能够在有限的频谱资源上实现高速率和大容量的技术已经成为目前研究的热点。宽带移动通信系统通常要经历信道的频率选择性。所谓信道的频率选择性就是信道在不同频率上的衰减不同。频率选择性信道通常会造成严重的码间干扰(ISI)、载波间干扰(ICI)和多址干扰(MAI)。对抗频率选择性衰落最常用的方法就是在接收端使用单载波均衡技术，其分为单载波时域均衡技术和单载波频域均衡技术两大类。单载波时域均衡技术是一种成熟的技术，具备很强的抗干扰能力。然而，单载波时域均衡器的复杂度与信道的最大时延扩展成三次方增长的比例关系，因此单载波时域均衡器在某些实际应用中难以实现。另一种均衡技术——单载波频域均衡技术克服了单载波时域均衡技术的缺点。在频率选择性衰落信道下，接收信号在时域上是发送信号和信道冲激响应的卷积，而在频域上则是发送信号和信道频域响应的乘积。根据信道估计得到的信道频域响应，单载波频域均衡器可以在各个频点上分别进行均衡，从而使计算复杂度得到大大地降低。理论上，单载波频域均衡器与单载波时域均衡器的性能是一样的，而它的复杂度和正交频分复用系统的复杂度相当。

对于单载波频域均衡器还有更加简化的处理方式，通过为发射符号加入循环前缀或填零，将信号与信道的线性卷积过程转化为循环卷积，简化了接收机的处理，只要信道的最大时延扩展能量窗控制在CP(cyclic preamble)之内，就能有效的去除用户自身的码间串扰(ISI)。

如果将上行多用户到达基站的时间都同步在一个基准CP之内，就可以将多用户的接收信号进行联合傅立叶变换处理，简化了接收机多用户的处理。

上行随机接入可以保证上行多用户在发起接入、或由非同步到同步状态的转化中，保证到达基站的时间都同步在一个基准CP之内，上行随机接入的一般性过程的操作可以采取上行发射前导信号作为定时参考，基站测量上行发射前导的参考信号的到达时间，与基准参考时间比较，确定终端发射需要提前的或者滞后的时间，然后通过下行的命令，将需要调整的时间亦多进制或者步进调整的方式通知终端调整发射时间。

由于未来移动通信系统终端业务是面向IP的优化原则，所以终端和基站间的同步和非同步的转化是比较频繁的，而且随机接入不仅要提供同步定时的功能，还要提供传递接入信令的功能。高效且节省时频资源的随机接入结构设计和过程对系统是非常重要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种随机接入前导信号的发射和接收系统，既可以完成发射和检测上行同步定时、频率参考信号的功能，也可以隐式的传递和检测信息比特。

本发明提出的随机接入前导信号的发射随机，至少包括：CCSK序列发生器、前导签名序列发生器、加法器；CCSK序列发生器生成的CCSK序列和前导签名序列发生器生成的前导签名序列通过加法器相加后发射。

优选地，还可以包括CCSK序列调制器，或者前导签名序列调制器，产生的CCSK序列可以经过CCSK序列调制器调制，前导签名序列可以经过前导签名序列调制器调制。

一种接收随机接入前导信号的接收机，至少包括：前导签名序列发生器、频域CCSK序列发生器、同步检测器、第一门限比较器、第二门限比较器、DFT变换器、第一相关器、第二相关器；接收天线接收随机接入前导信号，与前导签名序列发生器产生的前导签名序列一起送到第一相关器进行相关操作，由同步检测器进行相关后信号的同步检测，并送第一门限比较器提取随机接入信号的同步定时信息，经同步检测后的接收信号还通过DFT变换器分离了前导签名序列后与频域CCSK序列发生器生成的CCSK信号送到第二相关器进行相关操作，然后送到第二门限检测器获得CCSK的循环移位的相位信息，从而提取出隐式消息比特。

现有技术的移动通信系统中随机接入过程中发射前导信号只需要提供定时参考或者频率参考即可，然后通过其他方式传递接入信息比特，本发明为了更大限度的利用发射前导的资源，可以利用发射前导隐含少量信息比特方式提高系统效率，减少系统接入延时。本发明提供的随机接入前导信号的发射和接收系统，既可以完成发射上行同步定时、频率参考信号的功能，同时也可以隐式的传递信息比特。有效的提高了随机接入的频谱效率，减少了接入延时。

附图说明

图1是RACH突发时隙周期结构；

图2是本发明RACH随机接入突发生成示意图；

图3是本发明用CCSK方式承载传输信息的发送实施例框图；

图4是本发明基于CCSK和CAZAC混合调制的接收结构框图；

图5是本发明CAZAC序列的错误检测概率(虚警概率为1％)变化图；

图6是本发明CCSK序列错误检测概率(虚警概率为1％)变化图。

具体实施方式

如图1所示，为RACH(Random access channel随机接入信道)突发时隙周期结构。RACH突发以时隙(子帧)为单位，本实施例中为0.5ms，周期性发射，周期为0.5ms的倍数，可以为10ms、5ms等典型应用。RACH突发以时隙(子帧)中主要承载了随机接入突发(burst)，随机接入突发前后留有适当的时间保护带，以避免前后时隙由于非同步的原因互相交叠。一般情况下，前时间保护带较短，比如5us，后保护时间带较宽，比如100us。随机接入突发即前导签名，但前导签名中隐含了额外的少量信息比特，这个信息比特可以是重要的控制信息比特。

如图2所示，是RACH随机接入突发生成结构图，至少包括：CCSK序列发生器、前导签名序列发生器、加法器。CCSK序列发生器生成的CCSK序列和前导签名序列发生器生成的前导签名序列相加后发射；

上述RACH随机接入突发生成结构，还可以另外包括CCSK序列调制器，或者前导签名序列调制器。产生的CCSK序列可以经过CCSK序列调制器调制，前导签名序列可以经过前导签名序列调制器调制。

CCSK(Cyclic Code Shift Keying)序列(sequence)是一种非正交，具备良好自相关性，和低的互相关性的码序列，M点的CCSK序列可以代表M种信息，也就是可以代表log₂M位2进制信息。考虑到检测精度以及多径传播的问题，可以代表的信息比特也可以少于log₂M.

CCSK序列可以由PN序列循环移位生成，比如m序列就是PN序列的一种，每个用户采用不同的CCSK序列，不同的CCSK序列可以采用相同本原多项式经过循环移位产生，也可以由不相同的本原多项式循环移位产生。本实施例采用不相同的本原多项式生成的CCSK序列。

选择不同的生成PN序列的方法，可以获得不同的相关性效果，比如MLS(最大长度序列)、MMLS(修订的最大长度序列)、纯随机序列等。各有其性能上的特点及应用范围。

生成的CCSK序列还可以通过截短的方式，获得截短CCSK序列，可以用更短的CCSK序列上传递更多的信息。

截短的方法是只传递序列M个点中的前M_T个点。检测截短CCSK序列的方法是对已接收的截短CCSK序列在前面补充M-M_T个零，然后按照M点的CCSK序列进行检测。

不同的用户采用不同的CCSK信号，由于PN序列具有良好的自相关性，而互相关性很小，因此在相关运算中，不同用户间的干扰很小。

设所需传送的信息比特为M位，则所需的CCSK信号的长度为2^M位。每个用户选取一个PN序列作为基函数S₀，并用S₀及其循环移位S₁、S₂……S_M表示数据信息。

由于CCSK序列有以下的性质：

设a为CCSK序列，则

自相关后的信号为b＝IFFT(conj(fft(a)).*fft(a))。

假设传送的信息比特为M＝9位，则需要的CCSK的信号长度最少为512，通过CCSK信号的依次的循环移位可以代表512个不同的信息比特。通过对信号a的不同的移位可以代表不同的信息比特，接收时搜索峰值的位置就可以找到CCSK信号所代表的信息比特。

由于每个用户采用不同的CCSK序列，因此当多个用户的序列到达基站叠加后，仍然可以通过不同的相关器进行判断。

CCSK序列调制器可以是简单的BPSK调制，即0-＞+1，1-＞-1的调制方式。

前导签名序列发生器产生的前导签名具备以下特征：

1.在较低虚警概率下获得良好的检测概率的能力；

2.可以提供足够数量的前导签名；

3.可以保证精确的同步定时估计，比如好的自相关特性；

4.低的发射功率峰均比或者回退系数。

由于CAZAC序列或者GCL序列可以很好的满足以上要求，所以本实施例中优选采用的是CAZAC序列或者GCL序列作为构成前导签名的基础。同一小区内既可以采用同族的CAZAC序列也可以采用不同族的CAZAC序列。

长度为N_G的CAZAC序列的生成表达式如下所示：

S_u＝(a_u(0)b，a_u(1)b，…，a_u(N_G-1)b) (1)

其中，b是幅度为1的复标量因子。同时

a_{u} (k) = \exp (- 2 πu \frac{k (k + 1) / 2 + qk}{N_{G}}) - - - (2)

其中，u＝1，…，N_G-1是CAZAC序列的族序号，k＝0，1，…N_G-1，q是任意整数。

不同族的CAZAC序列可以通过不同的族序号u来体现，可以看到，由于u的取值很多，所以该系统可以支持很多码。

原始M位CAZAC序列每循环移位n位后分配至一用户，同样具备良好的正交性。

由于CAZAC序列对序列长度的特殊要求，M需取素数才可保证良好的正交性。但是通过少量扩展的方法可以消除这一质数的限制，带来的影响只是正交性的微弱降低。

前导签名序列调制器本实施例中采用的DFT-S OFDM调制方式。

如图3所示，是用CCSK方式承载传输信息的具体实施例发送框图。至少包括：CCSK序列发生器、CAZAC序列发生器、DFT-S OFDM调制器、CCSK调制器、加法器。CCSK序列发生器生成的CCSK序列经过调制与CAZAC序列发生器生成的CAZAC序列经过DFT-S OFDM调制的信号相加。由于CCSK的伪噪声特性，CCSK序列和CAZAC序列相加，则CCSK相当于对CAZAC序列加上的伪噪声。

上述CCSK方式承载传输信息的具体实施例发送框图，还可以另外包括符号成帧器、突发重复器。相加后的信号首先通过符号重复或者将代表不同隐式信息的符号连续组合成帧，本实施例中采用的是简单的重复OFDM符号的方法，重复OFDM符号的累加长度不超过随机接入时隙(子帧)的长度，若采用代表不同隐式信息的符号连续组合方法，形成每个符号的CCSK序列可以代表不同的信息。突发重复器是指前述随机接入时隙(子帧)信号进行周期重复，重复周期本实施例为10ms。

上述CCSK方式承载传输信息的具体实施例发送框图中DFT-S OFDM调制器至少包括子载波映射器、IDFT变换器，还可以包括DFT变换器(可选)。原始CAZAC序列首先通过M点DFT变换为频域信号(可选过程)，然后由子载波映射器映射到频带上，本实施例优选连续(集中式)映射的方法，也可以采用非连续映射的方法，然后将映射完毕的子载波进行N点IDFT变换，重构成时域信号。

本发射实施例中典型参数，CCSK长度为512，可以携带不超过9比特的信息。IDFT变化也为N＝512点，DFT为M＝223点。

如图4所示，为基于CCSK和CAZAC混合调制的接收结构示意图。图示的一种接收随机接入前导信号的接收机，至少包括：时域CAZAC序列发生器、频域CCSK序列发生器、同步检测器、门限比较器1、门限比较器2、DFT变换器、相关器1、相关器2。

接收天线接收随机接入前导信号，与时域CAZAC序列发生器产生的CAZAC序列进行相关操作，由同步检测器进行相关后信号的同步检测，并送门限比较器1提取随机接入信号的同步定时信息，前述的同步检测器将分离了CAZAC序列的接收信号与频域CCSK序列发生器与CCSK信号做相关操作，并送门限检测器2获得CCSK的循环移位的相位信息，从而提取出隐式消息比特。

CCSK序列检测的特点在于可以利用DFT和IDFT的快速变换来实现CCSK峰值的检测，如下式所示：

S＝|IDFT(DFT*(b)×DFT(r))|

S是能量检测结果，b是参考CCSK序列，r是接收信号。接收信号首先通过DFT变换到频域，然后与b的频域信号作相关运算(共轭相乘是常用的相关运算算子)，然后做IDFT运算，取模获得检测能量。

在采用图4的接收框图时，每个小区中可以选用16个自相关性能较好的CAZAC序列，仿真中最多为4个用户，每个用户采用不同的CCSK序列。系统带宽为5M，CAZAC序列长度为223，IDFT后为512点，信道采用AWGN信道，采用一个发射天线和一个接收天线，每个用户采用不同的CCSK序列，CCSK序列长度为512，代表9个比特信息。在CAZAC序列相关的门限的检测的虚警概率为1％下得到CAZAC序列的检测错误概率如图5所示；在CCSK序列相关的门限的检测的虚警概率为1％下得到CCSK序列的检测错误概率如图6所示。

本发明可以基于1.25M带宽的DFT-S OFDM系统。对于2.5M、10M、15M、20M等其他带宽情况，只需将对应的参数作简单的改动即可实施。

上述具体实施方式以较佳实施例对本发明进行了说明，但这只是为了便于理解而举的一个形象化的实例，不应被视为是对本发明范围的限制。同样，根据本发明的技术方案及其较佳实施例的描述，可以做出各种可能的等同改变或替换，而所有这些改变或替换都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims

1.一种随机接入前导信号的发射机，其特征在于，包括：CCSK序列发生器、前导签名序列发生器和加法器，所述CCSK序列发生器生成的CCSK序列和所述前导签名序列发生器生成的前导签名序列通过加法器相加后发射。

2.如权利要求1所述的发射机，其特征在于，在所述CCSK序列发生器后还有一个CCSK序列调制器，所述CCSK序列发生器产生的CCSK序列经过CCSK序列调制器调制后发送到加法器。

3.如权利要求2所述的发射机，其特征在于，所述CCSK序列调制器的调制方式是BPSK调制。

4.如权利要求1或2所述的发射机，其特征在于，在所述前导签名序列发生器后还有一个前导签名序列调制器，所述前导签名序列序列发生器产生的前导签名序列经过前导签名序列调制器调制后发送到加法器。

5.如权利要求4所述的发射机，其特征在于，所述前导签名序列调制器采用的调制方式是DFT-S OFDM调制。

6.如权利要求5所述的发射机，其特征在于，所述前导签名序列DFT-S OFDM调制器包括子载波映射器、IDFT变换器，序列由子载波映射器映射到频带上，再通过IDFT变换器进行IDFT变换重构成时域信号。

7.如权利要求6所述的发射机，其特征在于，所述前导签名序列DFT-S OFDM调制器还包括一DFT变换器，用于将序列经过DFT变换为频域信号再送到子载波映射器。

8.如权利要求6所述的发射机，其特征在于，所述子载波映射器映射方式可以选择连续映射或非连续映射方式。

9.如权利要求1所述的发射机，其特征在于，所述前导签名序列发生器产生的前导签名序列是CAZAC序列或者GCL序列及其变形。

10.如权利要求1或2所述的发射机，其特征在于，还包括一符号成帧器和一突发重复器，加法器发射的信号由所述符号成帧器通过符号重复或者将代表不同隐式信息的符号连续组合成帧，再送到所述突发重复器，突发重复器对随机介入时隙信号进行周期重复。

11.如权利要求1所述的发射机，其特征在于，所述CCSK序列发生器产生的CCSK序列可以由PN序列循环移位生成，每个用户采用不同的CCSK序列，不同的CCSK序列可以采用相同本原多项式经过循环移位产生，也可以由不相同的本原多项式循环移位产生。

12.一种随机接入前导信号的接收机，其特征在于，包括：前导签名序列发生器、频域CCSK序列发生器、同步检测器、第一门限比较器、第二门限比较器、DFT变换器、第一相关器、第二相关器；接收天线接收随机接入前导信号，与前导签名序列发生器产生的前导签名序列一起送到第一相关器进行相关操作，由同步检测器进行相关后信号的同步检测，并送第一门限比较器提取随机接入信号的同步定时信息，经同步检测后的接收信号还通过DFT变换器分离了前导签名序列后与频域CCSK序列发生器生成的CCSK信号送到第二相关器进行相关操作，然后送到第二门限检测器获得CCSK的循环移位的相位信息，从而提取出隐式消息比特。

13.如权利要求12所述的接收机，其特征在于，所述提取出的隐式消息比特可以是控制信令信息。

14.如权利要求12所述的接收机，其特征在于，所述的前导签名序列发生器可以是时域CAZAC序列发生器。