CN101217818B - 一种基站接收机的测距码检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基站接收机的测距码检测方法，该方法包括如下步骤：(1)根据已知的测距信道的配置，从接收到的频域信号中将测距子载波分离出来；(2)利用CDMA测距码在频域具有很好的自相关性，将接收到的测距子载波同候选测距码集合一一互相关；(3)计算相邻两个子载波的互相关值；(4)进行测距码的检测，当互相关结果的信噪比大于预先设定的门限时，认为检测到此测距码；(5)当检测到某个测距码时，利用相邻子载波之间的相位差作为定时偏差的估计值来对此测距码进行定时检测；(6)通过同一子载波在两个相邻的测距符号上的相位旋转来得到载频频偏。

Description

一种基站接收机的测距码检测方法

技术领域

本发明涉及一种测距码检测方法，特别是涉及一种适用于基站接收机中的测距码检测方法。

背景技术

WIMAX是一种宽带无线接入技术，物理层采用OFDM/OFDMA多载波调制技术。基于802.16e的OFDMA系统通过测距来建立各个SS与BS之间的同步关系并进行周期性的维护。

依据802.16e协议，测距过程又分为4种：

1)初始测距：在SS的入网和初始化阶段进行。当SS建立并维持了下行同步，并获得了上行链路参数之后，就在分配的测距信道上，发起初始测距过程。通过该过程，SS根据BS的反馈，调整发射机的定时和功率，建立上行同步。

2)周期性测距：使SS对上行同步进行维护，即更新发射机的定时和功率。

3)切换测距：由SS在切换过程中向目标BS发起，对于目标BS而言，其作用类似于初始测距。

4)带宽申请：该过程是利用测距的机制来申请带宽。

OFDMA的物理层，通过频域CDMA码实现测距过程。CDMA码长度为144，总共256条，编号0～255。在上行信道描述消息中，连续分配一些CDMA码用于上面的4种测距过程：编号范围为S～(S+O+N+M+L)mod256，mod为取余函数，S为起始编号(0≤S≤255)，最初的N条用于初始测距，接下来的M条用于周期测距，接下来的L条用于带宽申请，最后O条用于切换测距。

在上行映射消息中，会给出测距信道的配置，如图1所示，一个测距信道又被分为多个测距时隙，测距时隙的符号长度N1称为“时机大小”(opportunity size)，对于每一次“测距/带宽申请分配”，N1是确定的(1，2，3或4)，分别对应不同的测距方法。测距时隙的子信道数N2，对于上行PUSC区域，N2＝6，OPUSC区域，N2＝8.

当SS发起某种测距过程时，在相应种类的CDMA码中随机选择一条，并随机选择一个测距时隙进行发射。BS接收到的测距码有可能是多个SS用户测距码的叠加，并且由于经过多径信道以及远近效应，各个用户的测距码到达BS的时间及功率会不同，因此BS会对测距码进行检测，判断在哪个时隙上发送何种测距码，并同时检测CDMA码的定时和功率状况，将检测信息报告给MAC层，由MAC层通过测距-响应消息通知SS进行相应的参数调整。

因为CDMA测距码在时域以及频域都有很好的互相关和自相关特性，一般采用时域或频域互相关的方法进行测距码检测。

时域检测方法的基本思想是将接收到的时域信号(在一个搜索窗范围内，至少要包含一个完整的OFDMA符号)与候选测距码集合(测距码是在频域定义，需变换到时域)一一进行互相关，用公式表示为：

$r_m\left(d\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_m\left(n\right)\×s(d+n-1)$ d＝1，2...d_max(d_max为搜索窗的大小)(1)

r_m(d)表示接收到的时域信号同第m个测距码在第d个定时样点的互相关输出；

c_m(n)表示第m个测距码的第n个时域样点；

s表示接收到的时域信号；

N为FFT样点的个数；

第m个测距码的定时偏移Δn_m＝argmax_d{|r_m(d)|：d＝1，...d_max}(2)

此式的意义为使r_m(d)取最大值时，d的取值即为定时偏移Δn_m，d取值范围是1到d_max。

将在定时偏移处的互相关结果同门限值相比较，可以确定此测距码是否被发送

即当r_m(Δn_m)＞ThreshHold时，(r_m(Δn_m)表示第m个测距码在第Δn_m个定时样点的互相关输出，Δn_m由(2)式确定)认为检测到第m个测距码.

在BS接收到的信号是测距信号和数据信号的叠加，所以采用时域互相关法检测测距码会受到数据信号的干扰，而且时域互相关需要对整个接收到的时域信号进行互相关操作，计算量比较大。

因为测距子载波可预先提取出来，而且时域的定时偏移对应频域的相位偏移：

因此上述的时域互相关检测方法可以变换到频域来做，具体的方法是预先从接收到的频域信号中将测距子载波抽取出来，由于定时偏移，每个测距子载波上都经历了不同的相位偏移，范围为(0，2π)，相位偏移的步长为

，如果定时偏移为Δn，则对应的相位偏移为

$R_m\left(d\right)=\underset{K=1}{\overset{144}{\mathrm{\Σ}}}{C}_m\left(K\right)\×(S_m\left(K\right)\×e^{j\frac{2\mathrm{K\πd}}{N}})$ d＝1，2...d_max(d_max为搜索窗的大小)(4)

R_m(d)表示接收到的频域信号同第m个测距码在第d个定时样点的互相关输出；

C_m(K)表示m个测距码的第K个子载波；

S_m(K)表示抽取到的测距子载波；

第m个测距码的定时偏移Δn_m＝argmax_d{|R_m(d)|：d＝1，...d_max}(5)

此式的意义为使R_m(d)取最大值时，d的取值即为定时偏移Δn_m，d取值范围是1到d_max。

将在定时偏移处的互相关结果同门限值相比较，可以确定此测距码是否被发送，即当R_m(Δn_m)＞ThreshHold时，(R_m(Δn_m)表示第m个测距码在第Δn_m个定时样点的互相关输出，Δn_m由公式(5)确定)认为检测到第m个测距码。

可以看出，同时域互相关检测方法比较，频域互相关不需对接收到的整个信号进行互相关操作，而且避免了数据信号的干扰，大大降低了计算量，提高了性能。

上述两种方法的基本原理其实是设置一个搜索窗，在搜索窗内检测定时偏移，检测到定时偏移后在进行测距码的检测。当搜索范围较大时，运算量较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基站接收机的测距码检测方法，尤其是提出一种适用于802.16e中规定的测距码检测方法，能充分利用802.16e上行信道的信号特征，有效检测协议中规定的四种测距方法。

本发明提供的一种基站接收机的测距码检测方法，其中，所述接收机按照如下步骤检测测距码：

步骤(1)根据已知的测距信道的配置，从接收到的频域信号中将测距子载波分离出来；

步骤(2)利用CDMA测距码在频域具有很好的自相关性，将接收到的测距子载波同候选测距码集合一一互相关；

步骤(3)计算相邻两个子载波的互相关值；

步骤(4)进行测距码的检测，当互相关结果的信噪比大于预先设定的门限时，认为检测到此测距码；

步骤(5)当检测到某个测距码时，利用相邻子载波之间的相位差作为定时偏差的估计值来对此测距码进行定时检测；

步骤(6)通过同一子载波在两个相邻的测距符号上的相位旋转来得到载频频偏。

本发明提供的上述方法，其中，当测距时隙的符号长度N1取值为2或4时，为初始/切换测距，当N1＝2时，对每一个测距时隙只抽取第二个符号上的测距子载波，当N1＝4时，只抽取第二个和第四个符号上的测距子载波；N1取值为1或3时，为周期/带宽申请测距，可按照测距符号的实际长度来抽取子载波。

本发明提供的上述方法，其中，步骤(3)中计算互相关值是以片为单位。

本发明提供的上述方法，其中，步骤(4)中门限值ThreshHold可以通过仿真来确定。

本发明提供的上述方法，其中，步骤(6)的频偏检测只有在测距时隙的符号长度N1＝4或N1＝3时才会发生。

本发明提出的频域互相关检测法，其创造性在于摈弃了传统的时域或频域搜索的办法来检测测距码，充分利用了802.16e测距符号的信号特征，通过将相邻两个子载波间的互相关信噪比同预先设定的门限值相比较，进行有效测距码的检测，在检测到有效的测距码后，在针对此测距码进行定时和频率偏移的有效检测。大大减少了运算量，消除了系统定时偏差对算法的影响。

附图说明

图1是测距信道信息的示意图；

图2是N1＝4时的测距符号结构的示意图；

图3是测距码检测流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种基站接收机的测距码检测方法，在802.16e BS接收机中采用一种频域互相关法，有效的进行测距码以及定时和频率偏移的检测。所述接收机按照如下步骤检测测距码：

第一步：根据已知的测距信道的配置，从接收到的频域信号中将测距子载波分离出来。

第二步：利用CDMA测距码在频域具有很好的自相关性，将接收到的测距子载波同候选测距码集合一一互相关。

下面给出了OFDMA符号的数学模型

假设发射端不带循环前缀的符号表示为：

$\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}c\left(k\right)e^{j2\mathrm{\πk\Δft}}$ 0≤t≤T抽样位置 $t=\frac{n}{\mathrm{\ΔfN}}$

上式中c(k)表示第k个子载波上的值，Δf为子载波间隔，N为子载波个数。经过延时为τ，频偏为ΔF的信道后，信号表示为：

$\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}c\left(k\right)e^{j2\mathrm{\πk\Δf}(t-\mathrm{\τ})}{e}^{-j2\mathrm{\π\ΔFt}}$

接收端第i个符号上的第k个子载波的基带表达式为：

$s_i\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left[\underset{k^{\′}=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}c\left(k^{\′}\right)e^{-j2\mathrm{\π}{k}^{\′}\mathrm{\Δf\τ}}{e}^{-j2\mathrm{\π\ΔF}\frac{n}{\mathrm{\ΔfN}}}{e}^{j2\mathrm{\π}{k}^{\′}\mathrm{\Δf}\frac{n}{\mathrm{\ΔfN}}}\right]e^{-j2\mathrm{\π}\frac{n}{N}k}$

忽略子载波间干扰

$=c\left(k\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{k\Δn}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\frac{\mathrm{\ΔF}}{\mathrm{\Δf}}n}$

其中：Δn＝τ·Δf·N

由上述推断可得第i个符号上第K个子载波为(忽略子载波间的干扰及频率偏移的影响)

$S_i\left(k\right)=C\left(k\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{k\Δn}}+n\left(k\right)---\left(6\right)$

n(k)为加性高斯白噪，对测距过程来讲，C(k)就是测距码，测距码是BPSK调制的，为+1或-1。

互相关结果R(k)为：

$R\left(k\right)=S\left(k\right)\×M\left(k\right)$

$=(C\left(k\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{k\Δn}}+n\left(k\right))\×M\left(k\right)---\left(7\right)$

M(K)接收端产生的候选测距码的第K个子载波。

第三步：计算相邻两个子载波的互相关值

$\mathrm{Corr}\left(k\right)=R\left(k\right)\×\mathrm{conj}\left(R(k+1)\right)$

conj表示取共轭。

由于在OFDMA的测距子载波分配中，只有一个片内的子载波在物理上是连续的，因此，计算互相关值Corr(k)是以片为单位。一个OFDMA符号有N2×6个片，一个OFDMA符号的互相关个数cohnum＝N2×6×(Ns-1)，Ns为每个片内的子载波数目，PUSC为4，OPUSC为3。

第四步：进行测距码的检测，当互相关结果的信噪比大于预先设定的门限时，认为检测到此测距码，具体分为以下几步计算：

1、计算互相关值的平均功率

$\mathrm{TotPow}=\frac{\underset{k=1}{\overset{\mathrm{cohnum}}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\mathrm{Corr}\left(k\right)\right|}^2}{\mathrm{cohnum}}\≈\frac{\underset{k=1}{\overset{\mathrm{cohnum}}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a\left(k\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{\Δn}}\right|}^2+\underset{k=1}{\overset{\mathrm{cohnum}}{\mathrm{\Σ}}}{n}^{\′\′}{\left(k\right)}^2}{\mathrm{cohnum}}---\left(9\right)$

设信号能量 $S={\left|e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{\Δn}}\right|}^2$ 噪声能量σ²＝n″(k)²

则 $\mathrm{TotPow}=\frac{S\·\mathrm{cohnum}+{\mathrm{\σ}}^2\·\mathrm{cohnum}}{\mathrm{cohnum}}=S+{\mathrm{\σ}}^2$

2、将互相关值相干累加，并计算相干累加后的能量

$\mathrm{TotPowAcc}=$

$\frac{{\left|\underset{k=1}{\overset{\mathrm{cohnum}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Corr}\left(k\right)\right|}^2}{\mathrm{cohnum}}=\frac{{\left|\underset{k=1}{\overset{\mathrm{cohnum}}{\mathrm{\Σ}}}(a\left(k\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{\Δn}}+n^{\′\′}\left(n\right))\right|}^2}{\mathrm{cohnum}}\≈\frac{{|\mathrm{cohnum}\·a\left(k\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{\Δn}}|}^2+\underset{k=1}{\overset{\mathrm{cohnum}}{\mathrm{\Σ}}}{n}^{\′\′}{\left(k\right)}^2}{\mathrm{cohnum}}---\left(10\right)$

$=\frac{{\mathrm{cohnum}}^2\·{\left|a\left(k\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{\Δn}}\right|}^2+\mathrm{cohnum}\·{\mathrm{\σ}}^2}{\mathrm{cohnum}}=\mathrm{cohnum}\·S+{\mathrm{\σ}}^2$

3、由TotPow及TotPowAcc可得噪声能量

${\mathrm{\σ}}^2=\frac{\mathrm{TotPow}\×\mathrm{cohnum}-\mathrm{TotPowAcc}}{\mathrm{cohnum}-1}---\left(11\right)$

S＝TotPow-σ²；(12)

设定门限ThresHold，门限值ThreshHold可以通过仿真来确定。如果(cohnum×S/σ²)＞ThreshHold，则认为发送端发送了此CDMA码，并接着进行相应的定时检测与频偏检测。

第五步：当检测到某个测距码时，在对此测距码进行定时检测，定时检测的基本原理是利用相邻子载波之间的相位差作为定时偏差的估计值，由式(8) $\mathrm{Corr}\left(K\right)=a\left(K\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{\Δn}}+n^{\′\′}\left(K\right)$ a(k)＝1或-1，

相邻子载波之间的相位差为

根据相位差就可确定定时偏移

$\mathrm{\Δn}=\frac{N}{2\mathrm{\π}}\·\mathrm{Arg}\left(\mathrm{Corr}\left(K\right)\right)---\left(13\right)$

Arg()表示取角度

第六步：频偏检测的基本原理是通过同一子载波在两个相邻的测距符号上的相位旋转来得到的。第i+m个符号上的第k个子载波为(将 $t=\frac{n}{\mathrm{\ΔfN}}+\mathrm{mT}$ 代入第二步中的数学模型推导得出)：

$s_{i+m}\left(k\right)=e^{-j2\mathrm{\π\ΔFmT}}{s}_i\left(k\right)$

$s_i\left(k\right)\×\mathrm{conj}\left(s_{i+1}\left(k\right)\right)={\left|s_i\left(k\right)\right|}^2{e}^{j2\mathrm{\π\ΔFmT}}$

所以，载频频偏： $\mathrm{\ΔF}=\frac{1}{2\mathrm{m\πT}}\·\mathrm{Arg}(s_i\left(k\right)\×\mathrm{conj}\left(s_{i+1}\left(k\right)\right))$ (单位：Hz)(14)

Arg()表示取角度，conj表示取共轭。

在本发明所述的上述方法中，第一步中的N1取值为2或4时，为初始/切换测距，N1表示测距时隙的符号长度，此时SS还没有同BS建立完全的同步，定时偏移较大，按照此刻系统的定时取出来第一个符号上的数据有可能不是一个完整的符号周期，而第二个符号和第一个符号是完全相同且相位连续的，可以保证第二个符号上的数据是一个完整的符号周期，因此N1＝2时，对每一个测距时隙只抽取第二个符号上的测距子载波，N1＝4时，只抽取第二个和第四个符号上的测距子载波；N1取值为1或3时，为周期/带宽申请测距，系统的定时已经确定，可按照测距时机来抽取子载波。

在本发明所述的上述方法中，第四步用相邻子载波互相关结果的信噪比同预先设定的门限做比较，以此来作为检测准则，且门限值ThreshHold可以通过仿真来确定。

在本发明所述的上述方法中，第五步直接利用第三步得到的互相关值的角度来计算定时偏移。为了降低噪声的影响，可将cohnum个互相关值累加起来

$\mathrm{AccRslt}=\underset{k=1}{\overset{\mathrm{cohnum}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Corr}\left(k\right)=\underset{k=1}{\overset{\mathrm{cohnum}}{\mathrm{\Σ}}}a\left(k\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{\Δn}}+\underset{k=1}{\overset{\mathrm{cohnum}}{\mathrm{\Σ}}}{n}^{\′\′}\left(k\right)$

对相干累加后的结果取角度得 $\mathrm{Arg}\left(\mathrm{AccRslt}\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{\Δn}$

则Δn＝(Arg(AccRslt)×N)/2π

Arg()表示取角度。

在本发明所述的上述方法中，因为N1＝2或N1＝1时，只抽取了一个符号上的测距子载波，而频偏检测至少需要两个符号，所以第六步的频偏检测只有在N1＝4或N1＝3时才会发生。

下面给出一个具体的例子并结合附图对本发明做详细描述。此例中的测距信道配置为N1＝4，N2＝6的初始测距，测距信道的具体信息如图1所示，占据时隙数slotnum＝11。N1＝4时的测距码符号结构如图2所示，前2个符号用CDMA码X进行调制，后2个符号用CDMA码X+1进行调制。X要求是2的倍数。

在接收机初始化阶段，应该预先产生256条测距码，存入系统内存，供测距子载波同候选测距码集合互相关时使用。初始测距的候选测距码集合的码号为[Smod256，(S+N)mod256].BS需要在每一个测距时隙上对N条候选码进行检测。

如图3所示，进行测距码检测时，首先进入步骤S1，因为BS接收机预先知道测距信道的配置，可以将测距子载波从频域信号中抽取出来。

进入步骤S2，将测距信道中第一个测距时隙上的第二个符号和第四个符号上的测距子载波抽取出来。

进入步骤S3，将第二个符号上的测距子载波同候选码S互相关，第四个符号上的测距子载波同候选码S+1互相关。

进入步骤S4，将同一片内相邻子载波进行互相关运算，对于此例，每个符号上都会产生6×6×3＝108个互相关结果，互相关个数cohnum＝108×2＝216。

进入步骤S5，按照上述第四步中的方法，计算出信噪比S/σ²。

进入步骤S6，若(cohnum×S/σ²)＞ThreshHold，认为检测到此测距码，进行定时和频偏检测；若(cohnum×S/σ²)＜ThreshHold，认为未检测到此测距码，将候选测距码号加2后重复步骤S3到S5，若第一个测距时隙上的N条测距码都检测完毕，则将测距时隙号加1后重复步骤S2到S5。

以上所述，仅为本发明在N1＝4时的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。例如在N1＝1，2或3，N2＝8时。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基站接收机的测距码检测方法，其特征在于，所述接收机按照如下步骤检测测距码：

步骤(1)：根据已知的测距信道的配置，从接收到的频域信号中将测距子载波分离出来；

步骤(2)：利用CDMA测距码在频域具有很好的自相关性，将接收到的测距子载波同候选测距码集合一一互相关，互相关采用公式R(k)＝S(k)×M(k)进行计算，其中R(k)为第K个测距子载波与接收端的候选测距码的互相关，S(k)为第K个测距子载波，M(k)为接收端产生的候选测距码的第K个子载波；

步骤(3)：采用公式Corr(k)＝R(k)×conj(R(k+1))来计算相邻两个子载波的互相关值，其中conj表示取共轭；

步骤(4)：进行测距码的检测，利用步骤(3)中得到的互相关值corr(k)通过如下步骤进行计算：首先采用公式 

计算互相关值的平均功率TotPow，其中cohnum是一个OFDMA符号的互相关个数，然后采用公式 

计算互相关值相干累加后的能量TotPowAcc，再次，由TotPow及TotPowAcc可得噪声能量值为： 

信号能量的值为S＝TotPow-σ²，最后设定门限ThresHold，如果(cohnum×S/σ²)＞ThresHold，则认为检测到此测距码；

步骤(5)：当检测到某个测距码时，利用相邻子载波之间的相位差作为定时偏差的估计值来对此测距码进行定时检测。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当测距时隙的符号长度N1取值为2或4时，为初始/切换测距，当N1＝2时，对每一个测距时隙只抽取第二个符号上的测距子载波，当N1＝4时，只抽取第二个和第四个符号上的测距子载波；N1取值为1或3时，为周期/带宽申请测距，可按照测距符号的实际长度来抽取子载波。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中计算互相关值是以片为单位。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中门限值ThresHold可以通过仿真来确定。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，只有在测距时隙的符号长度N1＝4或N1＝3时才会通过同一子载波在两个相邻的测距符号上的相位旋转来得到载频频偏。 

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